特許 6243745 流体ノズル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6243745

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】流体ノズル

(51)【国際特許分類】

   B26F 3/00 20060101AFI20171127BHJP

   B05B 1/00 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   B26F3/00 K

   B05B1/00 Z

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-12573(P2014-12573)

(22)【出願日】2014年1月27日

(65)【公開番号】特開2015-139833(P2015-139833A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2016年10月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000132161

【氏名又は名称】株式会社スギノマシン

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(74)【代理人】

【識別番号】100111545

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 悦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133868

【弁理士】

【氏名又は名称】岡林 義弘

(72)【発明者】

【氏名】伊原 稔

(72)【発明者】

【氏名】金三津 雅則

(72)【発明者】

【氏名】小掠 隆広

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５５−１６２３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７８３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５００２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０６３１５６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２６Ｆ ３／００

Ｂ０５Ｂ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

供給された流体を導入する導入口と、導入された流体を噴出する吐出口と、を有する貫通穴が形成されたノズルチップと、
前記ノズルチップを後部に埋設して支持する金属母材と、
前記後部における前記金属母材の露出部、前記後部における前記金属母材と前記ノズルチップとが接触する境界部、及び前記ノズルチップの外縁部までを被覆し、かつ、前記導入口の周縁部を被覆せず、前記金属母材が前記流体に接触しないように構成されたセラミックス膜と、
を備え、
前記後部に供給された流体を前記導入口から導入して前記吐出口から噴出する流体ノズル。

【請求項2】

前記セラミックス膜は、窒化チタンまたは窒化チタンアルミニウムであること、
を特徴とする請求項１に記載の流体ノズル。

【請求項3】

前記金属母材は、基材部と、この基材部に埋設された焼結金属部材と、を備え、
前記焼結金属部材は、前記ノズルチップの外周部を覆うように環状に形成され、当該焼結金属部材の焼結に伴って当該ノズルチップを前記基材部に固定する構造を有すること、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体ノズル。

【請求項4】

前記焼結金属部材は、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金であり、
前記ノズルチップは、モース硬度が９以上の鉱物結晶であること、
を特徴とする請求項３に記載の流体ノズル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は流体ノズルに係り、特に、金属母材の後部をセラミックス被膜で被覆した流体ノズルに関する。

【背景技術】

【0002】

高圧の流体（例えば、水や高純度の純水）を噴射して、噴射したウォータージェット（流体の噴流からなる液柱）によって切断等の加工をするウォータージェット加工装置（以下、単に、「ウォータージェット加工装置」という。）は、切断幅が比較的狭く、材料の焼付きや材料の組織変化が少ない特徴がある。このため、高価な材料の切断や微細な溝加工等に用いられる。

【0003】

近時、加工工数を低減し加工素材の無駄を極力少なくするため、ウォータージェットによって最終仕上げの必要のない精密な最終製品を加工する要求が高まっている。
このため、ウォータージェットに導光させたレーザービームで素材を加工する加工装置（以下、「ウォータービーム加工装置」という。）も開発されている（例えば、特許文献１参照）。ウォータービーム加工装置は、材料の熱影響による変形が非常に少ないため、高精度な最終仕上げができるという利点を有する。

【0004】

これらのウォータージェット加工において、高精度な最終仕上げを行うためには、ウォータージェット用の流体ノズルから噴射したウォータージェットがノズル中心からノズル軸と平行に噴出し、かつ、ウォータージェットの液柱径が安定していることが求められる。

【0005】

従来、ウォータージェット加工用の流体ノズルとして、ノズルチップを固定するノズルボディ部にダイヤモンドで製造されたノズルオリフィス部を埋め込んだものが知られている（例えば、特許文献２の図２参照）。

【0006】

そして、特許文献２に記載された流体ノズルでは、ノズルボディ部に高圧の流体（高圧水）が接触しノズルボディ部から金属が溶出してウォータージェットに混入してワークを汚染するため、ノズルボディ部のうち、高圧水に接触する部分を樹脂製の部材として金属汚染を防止することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第５２２０９１４号公報

【特許文献2】特開２００９−７８３１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献２に記載された流体ノズルを高精度な最終仕上げに適用しようとする場合には、ノズルチップを固定するノズルボディ部に樹脂を使用しているため、ノズルオリフィス部を保持する強度が不足する場合がある。このため、ノズルオリフィスを高精度に位置決めし、強固に安定した状態で保持しにくいという問題があった。

【0009】

また、ノズルボディ部には、高圧水の供給時および停止時にいわゆるウォーターハンマ現象が生じ、強い衝撃力が加わる場合がある。さらに、特許文献１のようなレーザービーム加工装置に用いる場合には、ノズルチップおよびその周辺部は強いレーザー光にさらされて損傷する場合があるため、ノズルボディ部には、ノズルチップを安定して保持する剛性および耐久性が要求される。

【0010】

ノズルボディ部が衝撃圧およびレーザー光により損傷が生じた場合、ノズルチップの導入口付近での高圧水の流れが乱れて不規則で不安定な水流になり、安定したウォータージェットを得ることができないことが想定される。

【0011】

これらの問題に鑑みて、本発明は、高精度の安定したウォータージェットを形成して、かつ剛性および耐久性を向上させることができる流体ノズルを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記課題に鑑みて、請求項１に係る本願発明は、供給された流体を導入する導入口と、導入された流体を噴出する吐出口と、を有する貫通穴が形成されたノズルチップと、前記ノズルチップを後部に埋設して支持する金属母材と、前記後部における前記金属母材の露出部、前記後部における前記金属母材と前記ノズルチップとが接触する境界部、及び前記ノズルチップの外縁部までを被覆し、かつ、前記導入口の周縁部を被覆せず、前記金属母材が前記流体に接触しないように構成されたセラミックス膜と、を備え、前記後部に供給された流体を前記導入口から導入して前記吐出口から噴出する流体ノズルである。

【0013】

かかる構成によれば、ノズルチップが金属母材で保持されているため、ノズルチップが強固に保持され剛性及び耐久性が向上する。また、前記金属母材の露出部をセラミックス膜で被覆したことで、供給された流体が金属部材に接触しないため、金属母材に含有された金属が流体に溶出することを抑制することができる。このため、金属母材から溶出した金属（溶出金属）によるワークの汚染を防止することができる。

【0014】

さらに、本願の発明者は、流体に混入した溶出金属が流体の高圧力によってノズルチップの導入口の周囲に結晶となって堆積する現象（圧力晶析）を誘引することを新たに実験によって観察した。

【0015】

ここで、圧力晶析とは、数千気圧という高圧力に混合物を加圧することによって結晶が析出する現象であり、晶析法の一種として化学工業分野等で利用されている。この圧力晶析によってノズルチップに付着した金属（晶析金属）は、しだいに結晶が成長するため、導入口に導かれる流体の流れに不規則な抵抗が生じて、吐出口から噴出したウォータージェットがゆがめられる現象が観察できる。このため、圧力晶析を効果的に防止することが新たな課題となる。

【0016】

本願発明は、前記金属母材の露出部をセラミックス膜で被覆したことで、供給された流体が金属部材に接触せず、金属が流体に溶出しないため、溶出金属に起因する晶析金属によるウォータージェットのゆがみや傾きを回避して高精度の安定したウォータージェットを形成することができる。

【0018】

また、前記金属母材と前記ノズルチップとが接触する境界部を含んで被覆することで、流体が境界部から浸入して金属母材に到達することを阻止できるため、より確実に金属母材に含有された金属の溶出を抑制することができる。

【0019】

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の流体ノズルであって、前記セラミックス膜は、窒化チタン（ＴｉＮ）または窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）であること、を特徴とする。
かかる構成によれば、適正な箇所に安定したセラミックス膜を形成することができる。

【0020】

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の流体ノズルであって、前記金属母材は、基材部と、この基材部に埋設された焼結金属部材と、を備え、前記焼結金属部材は、前記ノズルチップの外周部を覆うように環状に形成され、当該焼結金属部材の焼結に伴って当該ノズルチップを前記基材部に固定する構造を有すること、を特徴とする。
かかる構成によれば、焼結金属の焼結工程によってノズルチップを基材部に安定して強固に接合できるため、ノズルチップの保持力を高め剛性を向上させてより高精度の安定したウォータージェットを得ることができる。

【0021】

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の流体ノズルであって、前記焼結金属部材は、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金であり、前記ノズルチップは、モース硬度が９以上の鉱物結晶であること、を特徴とする。
かかる構成によれば、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金は、ダイヤモンドやサファイヤ等の結晶性材料との焼結による接合性および融合性にすぐれているため、ノズルチップの材質として強度および耐久性に優れたダイヤモンド、サファイヤ、コランダム、または立方晶窒化ホウ素等のモース硬度が９以上の鉱物結晶からなる材料を好適に使用することができる。
このため、ノズルチップの剛性および耐久性を向上させてより高精度の安定したウォータージェットを得ることができる。

【発明の効果】

【0022】

以上の構成を有する本発明に係る流体ノズルは、高精度の安定したウォータージェットを形成して、かつ剛性および耐久性を向上させることができる。
つまり、金属母材に含まれる金属が供給された流体へ溶出するのを抑制することで、溶出金属が圧力晶析によってノズルチップ表面へ付着し流体の流れが乱れることを防止できる。このため、本発明に係る流体ノズルは、ノズルチップ表面が正常に保たれる作用が生じ、導入口の周縁部での流体の流れが安定し、ウォータージェットのゆがみを回避して高精度の安定したウォータージェットが得られる。

【0023】

また、本発明に係る流体ノズルは、ノズルチップを保持する部材を金属母材とすることで、熱耐久性（耐熱性）、および機械的強度を高めることが可能である。そのため、ノズルチップへの金属付着を防止する作用と相まって、剛性および耐久性が高く、かつ安定したウォータージェットを得ることができる。このため、本発明に係る流体ノズルは、ウォータージェット加工装置の他、ウォータービーム加工装置にも好適に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る流体ノズルを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図を示す。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る流体ノズルをウォータージェット加工装置に適用した実施例を示すノズルユニットの縦断面図を示す。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る流体ノズルをウォータービーム加工装置に適用した実施例を示すノズルユニットの縦断面図を示す。

【図4】本発明の第１の実施形態に係る流体ノズルの作用効果を説明するための比較例に係る流体ノズルを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図を示す。

【図5】本発明の比較例に係る流体ノズルに晶析金属が付着する様子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図を示す。

【図6】本発明の比較例に係る流体ノズルをウォータービーム加工装置に適用した場合の作用効果を示す縦断面図である。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る流体ノズルを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0025】

＜第１の実施形態＞
図１に従って、本発明の第１の実施形態に係る流体ノズル１０について説明する。なお、参照する図において、説明の便宜上、部材のサイズ、ノズルの径やセラミックス膜の厚み等は、特に限定されるものではないため誇張して表示するものとする。

【0026】

流体ノズル１０は、高圧の流体（例えば、水や純水であり、以下、「高圧水Ｑ」という。）が供給されるノズル穴となる貫通穴１２１が形成されたノズルチップ１２と、ノズルチップ１２を埋設して支持する金属母材１１と、金属母材１１が高圧水Ｑにさらされる露出部１１ｅを被覆するセラミックス膜１３と、を備えている。
流体ノズル１０は、供給された高圧水Ｑをノズル穴となる貫通穴１２１から噴出して、ウォータージェットＷＪ（噴流液柱）を生成する。

【0027】

なお、以下の流体ノズル１０の説明において、説明の便宜上、ウォータージェットＷＪを噴射する流れ方向を基準として、下流側を流体ノズル１０の前部、上流側を後部という。

【0028】

金属母材１１は、後部１１ａに形成されたノズルチップ１２を納める窪み（インサート部）１１ｂと、ウォータージェットＷＪを通過させる逃げ穴１１ｃとを有する。金属母材１１は、十分な強度を有し、ノズルチップ１２を強固に固定できる金属材料から製作される。例えば、金属母材１１を焼結金属とすることで、焼結によって金属母材１１とノズルチップ１２とを一体として強固に高精度で位置決めして固定することができる。

【0029】

金属母材１１を焼結金属とする場合には、金属母材１１をニッケル（Ｎｉ）やニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケルクロム合金とすることで、ノズルチップ１２にダイヤモンド、コランダム、または立方晶窒化ホウ素等のモース硬度が９以上の鉱物結晶を用いることができるため、ノズルチップ１２の耐熱性および耐久性をより向上させることができるため特に好適である。

【0030】

ノズルチップ１２は、樹脂等よりも剛性が高い金属母材１１に埋設されて保持されているため、供給された高圧水Ｑの流入又は衝突に伴う衝撃圧（ウォータハンマ）や、金属母材１１への固定や圧入等に伴う強力な締め付け力等に対して十分な強度を有する。
かかる構成により、ノズルチップ１２は、剥離や腐食等の損傷が発生せず、長期の使用に耐え得るようになっている。

【0031】

このため、本発明の実施形態に係る流体ノズル１０は、後記するウォータージェット加工装置のノズルユニット３０（図２参照）の他、ウォータービーム加工装置のノズルユニット４０（図３参照）にも好適に適用することができる。

【0032】

なお、本実施形態においては、ノズルチップ１２が金属母材１１の後部１１ａに保持された状態において、高圧水Ｑの流れを乱さないように後部１１ａの後端面が面一になるように埋設されているが、これに限定されるものではなく、高圧水Ｑの流れを乱さない態様であれば高圧水Ｑの導入態様に応じてノズルチップ１２が後端面から埋没している態様や突出している態様を採用することもできる。

【0033】

ノズルチップ１２に形成された貫通穴１２１は、高圧水Ｑを導入する導入口１２１ａと、導入された高圧水ＱをウォータージェットＷＪとして噴出する吐出口１２１ｂと、を備えている。
ノズルチップ１２は、高圧水Ｑによる圧力により変形しない強度を有し、耐摩耗性が高い素材で製作される。ノズルチップ１２は、例えば、ダイヤモンド、コランダム、立方晶窒化ホウ素、トパーズ、水晶、その他の結晶性材料が用いられる。ノズルチップ１２としては、望ましくはモース硬度が９以上の鉱物の単結晶を用いる。モース硬度が９以上の鉱物を用いることで高精度な貫通穴１２１を得ることができるため、高精度なウォータージェットＷＪを得ることができる。そして、高硬度の単結晶材料を用いることで耐摩耗性が向上し、長寿命のノズル１０を得ることができる。ノズルチップ１２は、貫通穴１２１と金属母材１１に形成された逃げ穴１１ｃが同軸を成すように金属母材１１に装着されている。

【0034】

セラミックス膜１３は、少なくとも金属母材１１の後部１１ａにおける高圧水Ｑにさらされる露出部１１ｅを被覆するように配設されている。
具体的には、セラミックス膜１３は、金属母材１１の後部１１ａにノズルチップ１２が埋設された状態において、少なくとも金属母材１１の後部１１ａにおける高圧水Ｑに晒される露出部１１ｅを被覆し、望ましくは金属母材１１とノズルチップ１２との境界部１１ｄを含み、ノズルチップ１２の外縁部まで被覆する。しかし、セラミックス膜１３は、高圧水Ｑの流れに影響を及ぼさないように、導入口１２１ａの周縁部（いわゆるエッジ部の近傍）を被覆しないことが望ましい。

【0035】

セラミックス膜１３は、ＴｉＮ（窒化チタン），ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）その他のセラミックス膜を利用できる。ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮのコーティングは、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により施される。このとき、導入口１２１ａの周縁部にＴｉＯ２（酸化チタン）を含む塗膜を予め作成してマスキングしておく。ＴｉＯ２塗膜が存在する部分は蒸着膜が生成せず、導入口１２１ａの周縁部には製膜されない。このため、図１（ｂ）に示すように、導入口１２１ａの周縁部にはセラミックス膜１３が付着せず、ノズルチップ１２は、導入口１２１ａの周縁部が露出するようになっている。

【0036】

かかる構成により、導入口１２１ａの周縁部にはノズルチップ１２が露出するように構成することで、剛性および耐久性を有し高精度に加工されたノズルチップ１２の本来の性能を発揮させることで、安定した流体の流れを確保して、高精度の安定したウォータージェットＷＪを得ることができる。

【0037】

つまり、図１（ａ）に示すように、流体ノズル１０において、高圧水Ｑは導入口１２１ａでその流れが収縮し、貫通穴１２１の内周壁に接触しない状態で貫通穴１２１内を通過するウォータージェットＷＪが形成される。従って、導入口１２１ａとその周囲の構造や形態が重要であり、面粗さや寸法精度等が高精度に管理されなければならない。本実施形態の流体ノズル１０は、導入口１２１ａの周囲にはセラミックス膜１３を設けないことで、剛性および耐久性を有し高精度に加工されたノズルチップ１２の本来の性能を発揮するようにしたものである。

【0038】

なお、セラミックス膜は物理的蒸着法によらず、化学的蒸着法（ＣＶＤ）又は溶着により形成することができる。導入口１２１ａ周囲にセラミックス膜を製膜しない方法は製膜方法により適宜選択できる。
また、この塗膜による製膜部位の除外方法（マスキング方法）は、特に限定されるものではなく、公知の種々の方法を採用することができ、製膜方法、製膜する膜の種類又は金属母材１１の材質等を考慮して適宜設定される。

【0039】

以上のように構成した本発明の第１の実施形態に係る流体ノズル１０をウォータージェット加工装置のノズルユニット３０（図２参照）、およびウォータービーム加工装置のノズルユニット４０（図３参照）に適用する場合の適用例について、図２と図３を参照しながら説明する。参照する図２は流体ノズル１０を適用したウォータージェット加工装置のノズルユニット３０を示す縦断面図であり、図３は流体ノズル１０を適用したウォータービーム加工装置のノズルユニット４０を示す縦断面図である。

【0040】

＜ウォータージェット加工装置への適用＞
ウォータージェット加工装置のノズルユニット３０は、図２に示すように、高圧ポンプＨＰから供給された高圧水Ｑを吐出する流体ノズル１０と、流体ノズル１０を保持するノズルホルダ３１と、高圧水Ｑの流出を規制するパッキン材３２と、を備えている。

【0041】

ノズルホルダ３１は、パイプ形状をなした本体部３１ａと、本体部３１ａに内設されたノズル固定部材３１ｂと、を備えている。
本体部３１ａは、その先端部（図の下部）にノズル固定部材３１ｂを内設する窪み（インサート部）を有し、その窪みの内周部には三角ねじ３１ｃが施されている。この三角ねじ３１ｃによって本体部３１ａにノズル固定部材３１ｂが螺入して内設されている。

【0042】

ノズル固定部材３１ｂは、流体ノズル１０を保持して本体部３１ａに固定する部材である。
ノズル固定部材３１ｂは、後部（図の上部）に流体ノズル１０が埋設される窪み（インサート部）を有し、この窪みに流体ノズル１０が嵌挿される。そして、ノズル固定部材３１ｂの後部（図の上部）は、本体部３１ａのインサート部に嵌挿される。

【0043】

かかる構成により、流体ノズル１０は、その外周部がノズル固定部材３１ｂによって本体部３１ａに嵌合されるため、高い寸法精度でノズルホルダ３１に固定される。

【0044】

ノズルホルダ３１を構成する本体部３１ａとノズル固定部材３１ｂは、高圧水Ｑへの溶出が少なく、耐腐食性を有する金属で製作される。望ましくはチタン（Ｔｉ）合金を使用するが、析出硬化系又はオーステナイト系のステンレス鋼も使用され得る。

【0045】

パッキン材３２は、Ｏリングであり、流体ノズル１０の後部１１ａ（図の上部）と本体部３１ａの窪みの底部（図の上部）との間に装着されている。パッキン材３２は、天然ゴム、又はＥＰＤＭゴム、ＮＢＲゴムその他の合成ゴム製が用いられる。被加工物（不図示）が不純物混入を嫌う素材（例えば電子材料）の場合には、ＥＰＤＭゴム製のパッキン材を用いることが望ましい。

【0046】

高圧ポンプＨＰから送られる高圧水Ｑは、純水を使用しノズルホルダ３１の内部を通り、流体ノズル１０の後部１１ａに送られる。ノズルチップ１２は、流体ノズル１０の後部１１ａに圧送された高圧水Ｑを導入口１２１ａから導入して絞り、ウォータージェットＷＪとして吐出口１２１ｂから噴出する。噴出されたウォータージェットＷＪは、被加工物（不図示）に衝突し、ウォータージェットＷＪの運動量によって被加工物を加工する。その加工点は、ウォータージェットＷＪと被加工物との接触（衝突）点である。

【0047】

このため、特に精密な加工を行う場合、ウォータージェットＷＪがノズル固定軸と同軸で噴射される必要がある。ウォータージェットＷＪがノズル固定軸と同軸となれば、そのノズル固定軸を多軸ロボット又は数値制御装置により精密制御することで、高精度のウォータージェット加工を行うことができる。

【0048】

＜ウォータービーム加工装置への適用＞
ウォータービーム加工装置のノズルユニット４０は、図３に示すように、流体ノズル１０Ａと、ノズルホルダ４１と、高圧水Ｑを発生させる高圧ポンプＨＰと、高圧ポンプＨＰから送られる高圧水Ｑの乱れを減衰させる整流室４２と、整流室４２から流入した液体をノズル開口入口へ導く液体加振室４４と、レーザー発振器４５と、レーザー発振器４５から出力されたレーザー光Ｌを集束させる集束レンズ４６と、レーザー光Ｌを通過させるウインドウ４７と、高圧水Ｑの流出を規制するパッキン材４８と、を備えている。

【0049】

流体ノズル１０Ａは、後端面から外周面までを覆うようにセラミックス膜１３Ａで被覆している点で、流体ノズル１０の後端面をセラミックス膜１３で被覆している図１に示す流体ノズル１０と相違する。

【0050】

一方、流体ノズル１０Ａにおけるセラミックス膜１３Ａは、金属母材１１が高圧水Ｑに接触しないように金属母材１１が高圧水Ｑに晒される露出部１１ｅを覆うように設けられている点で図１に示す流体ノズル１０と共通し、他の構成も同様であるので重複する詳細な説明は省略する。

【0051】

ノズルホルダ４１は、パイプ形状をなした本体部４１ａと、本体部４１ａに内設されたノズル固定部材４１ｂと、を備えている。ノズルホルダ４１は、図２に示すノズルユニット３０のノズルホルダ３１と同様の構成であるので詳細な説明は省略する。

【0052】

整流室４２は、ノズルホルダ４１内部の液体加振室４４の上方に設けられる、断面が略長方形のドーナツ状空間である。この整流室４２の下方に円盆状の空間を設け、その円盆状空間の中心角略９０°のみを残し、その他の空間を加振室流入通路調整部材４９で閉塞する。すると、ここに、ノズルホルダ４１の中心から略水平の中心角略９０°の扇形平板状空間が横たわり、その外周円弧部から垂直に平面視円弧状の薄い空間が立ち上がる。この円盆を中心角略９０°に切取られた内部空間が加振室流入通路４３となる。加振室流入通路４３は整流室４２と円筒状の液体加振室４４とを接続する。

【0053】

高圧ポンプＨＰから送られた高圧水Ｑは、整流室４２に流入し、加振室流入通路４３を通り液体加振室４４に専ら一方向から流入する。この高圧水Ｑは、液体加振室４４から流体ノズル１０Ａの中央に設けられた貫通穴１２１からレーザー光Ｌが導光されたウォータージェットＷＪとなって噴出する。
レーザー発振器４５から出力されたレーザーは、集束レンズ４６により集束され、ウインドウ４７を通過して、導入口１２１ａのやや上方で収束し、ウォータージェットＷＪ内に導光される。ウォータージェットＷＪ内を導かれたレーザー光Ｌが、被加工物（不図示）に当り、そのエネルギーにより加工する。

【0054】

ウォータービーム加工装置に適用されるノズルユニット４０では、レーザー光Ｌの高圧水Ｑへの吸収率を下げるために、可能な限り伝導度の低い高圧水Ｑを噴出させる必要がある。そのため、ノズルホルダ４１のように高圧水Ｑと接触する金属部分はＴｉ合金や析出硬化ステンレス鋼が利用される。

【0055】

以上のように構成された本発明の第１の実施形態に係る流体ノズル１０（流体ノズル１０Ａも同様である。）の作用効果について、セラミックス膜で被覆されていない流体ノズル５０（図４から図６）と比較しながら説明する。図４はセラミックス膜で被覆されていない比較例に係る流体ノズル５０の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。図５はセラミックス膜で被覆されていない比較例に係る流体ノズル５０の作用効果を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。

【0056】

本発明の第１の実施形態に係る流体ノズル１０は、図１に示すように、金属母材１１の後部１１ａと、金属母材１１とノズルチップ１２とが接触する境界部１１ｄを含みノズルチップ１２の外縁部までを被覆するようにセラミックス膜１３を配設した点で、図４に示すセラミックス膜で被覆されていない比較例に係る流体ノズル５０と相違する。このため、図４と図５に示す比較例に係る流体ノズル５０において、図１に示す流体ノズル１０と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

【0057】

第１の実施形態の流体ノズル１０は、金属母材１１の露出部１１ｅ（高圧水Ｑに接触する部分）がセラミックス膜１３で覆われているため、金属部材１１が高圧水Ｑに接触せず、金属母材１１から金属イオンが高圧水Ｑ中に溶出しない。このため、高圧水Ｑ中からのノズルチップ１２への金属析出（金属付着）が抑えられる。ノズルチップ１２の導入口１２１ａの周囲への晶析金属の付着が無いため、導入口１２１ａ付近での水の流れが乱されず、その結果、ウォータージェットＷＪがノズル中心軸に沿って高精度に噴出する。

【0058】

一方、図４に示すように、セラミックス膜で被覆されていない比較例に係る流体ノズル５０では、流体ノズル５０の後部の金属母材１１が露出しているため、金属母材１１の露出部１１ｅが高圧水Ｑに接触して晒された状態である。

【0059】

このため、比較例に係る流体ノズル５０を適用したウォータービーム加工装置のノズルユニット８０では、流体ノズル５０に供給された高圧水Ｑが金属母材１１に晒されているため、金属母材１１に含有された金属（金属イオン）が高圧水Ｑに溶出する。

【0060】

そして、高圧水Ｑに溶出した金属（溶出金属）が高圧水Ｑの高圧力によってノズルチップ１２の導入口１２１ａの周囲に結晶となって堆積する現象（圧力晶析）を誘引すると考えられる。
具体的には、図５に示すように、金属母材１１が高圧水Ｑに溶出するため、金属母材１１の後端面上には、金属の溶出によって溝状に窪んだ凹部５２が生ずる。そして、ノズルチップ１２の表面上には、この圧力晶析によって堆積した種々の形態をなした晶析金属５１が付着して隆起するように堆積する。

【0061】

晶析金属５１は、導入口１２１ａの縁部から周囲に広がるように堆積され、導入口１２１ａに向かって雪結晶状（又は杉の葉状）に溶出金属の結晶が成長して堆積した金属結晶である。晶析金属５１は、貫通穴１２１の壁面（内周面）には発生していないことが観察される。

【0062】

なお、晶析金属５１がノズルチップ１２の表面に付着するメカニズムについて、発明者は、焼結金属からなる金属母材１１が高圧水Ｑに溶出し、その溶出した金属イオンが、ノズルチップ１２の表面に付着したと考えている。つまり、金属母材１１にはノズルチップ１２と焼結による接合性および融合性の良い金属が使用されており、液体加振室４４内の高圧水Ｑは高圧に圧縮されているため、この焼結金属の溶出分が、その圧力を受ける作用でこの溶出金属と相性（接合性および融合性による付着性）の良いノズルチップ１２に析出して付着すると考えている。

【0063】

図６に示すように、ノズルチップ１２上への晶析金属５１の付着の結果、流体ノズル５０から噴出したウォータージェットＷＪは流体ノズル５０の軸線から傾斜する。このような構成の流体ノズル５０においては、その導入口１２１ａの周囲において、流体の流れが不規則な抵抗を受けながら収縮し、流れの方向が転換されて不安定なウォータージェットＷＪが形成されると考えられている。このように、導入口１２１ａの周辺は噴流形成に重要な役割を有し、導入口１２１ａの周囲への晶析金属５１の付着がウォータージェットＷＪの傾斜に大きな影響を及ぼすと考えられる。

【0064】

ウォータービーム加工装置に適用したノズルユニット８０を用いた加工では、レーザー光ＬがウォータージェットＷＪ内を伝搬しているため、被加工物（不図示）の加工点は、ウォータージェットＷＪと被加工物の接触点となる。ウォータージェットＷＪがノズルの中心軸、すなわちノズルユニット８０の中心軸の延長線上から外れるため、加工点がその延長線上から離れる。その結果、ノズルユニット８０を数値制御装置により精密に移動しても、高精度の加工物を得ることができない。特に、ノズルユニット８０と被加工物を３次元的に姿勢が移動する場合には、致命的な悪影響を及ぼす。

【0065】

＜第２の実施形態＞
図７に従って、本発明の第２の実施形態に係る流体ノズル２０について説明する。流体ノズル２０は、金属母材２１が基材部２１１と、基材部２１１に埋設された焼結金属部材２１２と、を備えた点で第１実施形態に係る流体ノズル１０と相違する。
このため、セラミックス膜２３は、金属母材２１の後部２１ａにおける高圧水Ｑにさらされる露出部２１ｅを被覆し、基材部２１１と、焼結金属部材２１２と、焼結金属部材２１２とノズルチップ１２との境界部２１２ｄを含み、ノズルチップの外縁部まで被覆する点で第１の実施形態に係る流体ノズル１０と異なるが、他の構成は流体ノズル１０と同様であるので同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

【0066】

金属母材２１の基材部２１１は、ノズルチップ１２と焼結金属部材２１２とを支持する部材であり、後部２１ａに形成されたノズルチップ１２と焼結金属部材２１２とを納める窪み２１１ｂを備えている。
焼結金属部材２１２は、ノズルチップ１２の外周部を覆うように環状に形成され、焼結金属部材２１２を焼結させることでノズルチップ１２を基材部２１１に固定している。焼結金属部材２１２は、ノズルチップ１２を支持する部材であり、ノズルチップ１２を納める窪み２１２ｂを備えている。焼結金属部材２１２は、基材部２１１およびノズルチップ１２に対して、焼結による接合性の良好な金属で構成され、第１の実施形態に係る流体ノズル１０の金属母材１１と同様の材質で構成される。

【0067】

第２の実施形態に係る流体ノズル２０では、金属母材２１の大半を占める基材部２１１は、純水への溶出が少なく、より高強度で加工性の高い金属で構成することができる。基材部２１１は、例えばＴｉ合金、析出硬化系ステンレス鋼により製作される。その結果、ノズル２０の寸法精度及び耐久性を高めることができ、かつ、第１の実施形態に係る流体ノズル１０よりもさらに純水への金属溶出を小さくすることができる。その結果、流体ノズル２０は、第１の実施形態の流体ノズル１０に比較して、ノズルチップ１２への金属付着をより一層抑え、高い安定性を有するウォータージェットＷＪを得ることができる。

【符号の説明】

【0068】

１０，１０Ａ，２０，５０ 流体ノズル
１１，２１ 金属母材
１１ｄ，２１２ｄ 境界部
１２ ノズルチップ
１３，１３Ａ、２３ セラミックス膜
１２１ 貫通穴
１２１ａ 導入口
１２１ｂ 吐出口
３０ ウォータージェット加工装置のノズルユニット
４０ ウォータービーム加工装置のノズルユニット
５１ 晶析金属
５２ 凹部
２１１ 基材部
２１２ 焼結金属部材
Ｑ 高圧水（流体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】