(57)【要約】【課題】被加工面に対して、安定して微細な加工をすることができるようにする。【解決手段】ノズル２１によって、被加工物１３の表面に対して、固気２相流を噴射する。超音波振動子４１及びホーン４２によって、被加工物１３の表面における、固気２相流の噴射部分に対して、固気２相流の上流から超音波を放射する。このとき、固気２相流の固体微粒子に、放射された超音波の放射圧が与えられて、固体微粒子が被加工物１３の表面に衝突し、被加工物１３の表面が加工される。【選択図】図１
2010253639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の被加工面に対して、固体粒子と気体との固気２相流及び固体粒子と液体との固液２相流の何れか一方を噴射する噴射部と、
前記被加工面における、前記固気２相流及び前記固液２相流の何れか一方の噴射部分に対して、前記噴射部の噴射方向に対応する方向から音波を放射する音波放射部と、
前記噴射部と前記音波放射部の動作を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする表面加工装置。
【請求項２】
前記噴射部は、前記固気２相流及び前記固液２相流の何れか一方を前記被加工面に噴射するノズルを有し、
前記加工物の被加工面上に、加工される穴又は溝の形状に応じたマスクが載置されていることを特徴とする請求項１記載の表面加工装置。
【請求項３】
前記加工物の被加工面と前記ノズルの相対的位置を変更する相対的噴射位置変更機構と、前記マスクのパターンを発生するマスクパターン発生器とを有し、前記制御部は、前記マスクパターン発生器から出力されたマスクパターンに対応して前記相対的噴射位置変更機構の位置制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の表面加工装置。
【請求項４】
被加工面に沿って、固体粒子と気体との固気２相流及び固体粒子と液体との固液２相流の何れか一方を噴射する噴射部と、
前記被加工面に対して、前記被加工面と対向する方向から音波を放射する音波放射部と、
を含む表面加工装置。
【請求項５】
前記音波を、非線形有限振幅波とした請求項１〜請求項４の何れか１項記載の表面加工装置。
【請求項６】
前記音波を、超音波とした請求項５記載の表面加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面加工装置に係り、特に、固気２相流又は固液２相流を噴射して被加工面を加工する表面加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固気２相流を噴射して表面を加工する技術が知られている。例えば、被加工物の表面にマスクを施すとともに、被加工物の下面にはプラスチック材料から成る下敷きシートを接合し、この状態で取付け台上に載置して、遊離微粒子と空気との固気２相噴流を上からノズルによって噴射して穴加工を行うエアーブラスト技術が知られている（特許文献１）。
【０００３】
このようなエアーブラスト技術による加工限度は数１０μｍ〜１００μｍであり、それ以下の微細加工はレーザ加工に依存しており、加工限度が数１０μｍからレーザ加工領域の数μｍまでの中間領域に適する表面加工装置が存在していない。
【０００４】
上記の如き中間領域の加工限度に適したエアーブラスト技術を実現するためには、固気２相流を成す固体粒子を、従来技術で用いているものよりも微細化する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０６７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、微細な加工を行うために、混入する固体粒子を微細化すると、固体粒子が被加工物の表面へ衝突することなく流体とともに流れてしまう、という現象が発生する。この現象は、固気２相流を加工物へ向けて噴射すると、加工物に向けて噴射された空気が加工物表面近傍から逃げる際に、逃げ切れないうちに次の空気が流れ込んで来て、加工物の表面近傍に高圧の空気溜り（「よどみ域」と呼ばれる。）ができることによって発現する。このよどみ域ができると、固気２相流内の微粒子の衝突速度が加工物表面近傍で低減すると共に、空気がよどみ域を避けるように流れるようになって微粒子が空気の粘性によって空気の流れ方向へ空気と共に流れることとなる。
【０００７】
このために、上記のように数１０μｍからレーザ領域までの中間領域に適する表面加工装置の実現が阻まれていた。
【０００８】
また、固気２相流を被加工物の表面に沿って流動させることにより、被加工物の表面を研磨することが行われるが、この場合にも固体粒子を微細化すると、被加工物の表面の加工が困難である、という課題が見出された。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、被加工面に対して、安定して微細な加工をすることができる表面加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る表面加工装置は、加工物の被加工面に対して、固体粒子と気体との固気２相流及び固体粒子と液体との固液２相流の何れか一方を噴射する噴射部と、前記被加工面における、前記固気２相流及び前記固液２相流の何れか一方の噴射部分に対して、前記噴射部の噴射方向に対応する方向から音波を放射する音波放射部と、前記噴射部と前記音波放射部の動作を制御する制御部とを含んで構成される。
【００１１】
第１の発明に係る表面加工装置によれば、噴射部によって、被加工面に対して、固体粒子と気体との固気２相流及び固体粒子と液体との固液２相流の何れか一方を噴射する。また、音波放射部によって、被加工面における、固気２相流及び固液２相流の何れか一方の噴射部分に対して、噴射部の噴射方向に対応する方向から音波を放射する。このとき、固気２相流及び固液２相流の何れか一方の固体粒子に、放射された音波の放射圧が与えられて、固体粒子が被加工面に衝突し、被加工面が加工される。
【００１２】
このように、被加工面における、固気２相流及び固液２相流の何れか一方の噴射部分に対して、噴射方向に対応する方向から音波を放射することにより、音波エネルギーを付与された固気２相流に含まれる固体微粒子を、よどみ域を突き破って、被加工面に衝突させることができるようになる。これによって、固気２相流を用いて加工物の表面へ安定して微細な加工をすることができる。
【００１３】
第１の発明に係る噴射部は、前記固気２相流及び前記固液２相流の何れか一方を前記被加工面に噴射するノズルを有し、前記加工物の被加工面上に、加工される穴又は溝の形状に応じたマスクが載置されているようにすることができる。これによって、被加工面に対して、安定して微細な穴加工又は溝加工をすることができる。
【００１４】
第1の発明に係る表面加工装置は、前記加工物の被加工面と前記ノズルの相対的位置を変更する相対的噴射位置変更機構と、前記マスクのパターンを発生するマスクパターン発生器とを有し、前記制御部は、前記マスクパターン発生器から出力されたマスクパターンに対応して前記相対的噴射位置変更機構の位置制御を行うようにすることができる。これにより、加工物の被加工面に載置されたマスクの穴又は溝に沿ってノズルが相対的に移動され、加工物の被加工面に穴又は溝が自動的に加工される。
【００１５】
第２の発明に係る表面加工装置は、被加工面に沿って、固体粒子と気体との固気２相流及び固体粒子と液体との固液２相流の何れか一方を噴射する噴射部と、前記被加工面に対して、前記被加工面と対向する方向から音波を放射する音波放射部とを含んで構成される。
【００１６】
第２の発明に係る表面加工装置によれば、噴射部によって、被加工面に沿って、固体粒子と気体との固気２相流及び固体粒子と液体との固液２相流の何れか一方を噴射する。また、音波放射部によって、被加工面に対して、被加工面と対向する方向から音波を放射する。このとき、被加工面に沿って噴射された固気２相流及び固液２相流の何れか一方の固体粒子に、放射された音波の放射圧が与えられて、固体粒子が被加工面に衝突し、被加工面が加工される。
【００１７】
このように、被加工面に対して、被加工面と対向する方向から音波を放射することにより、被加工面に対して、安定して微細な加工をすることができる。
【００１８】
上記第１の発明及び第２の発明における前記音波を、非線形有限振幅波とすることができる。また、前記音波を、超音波とすることができる。非線形有限振幅波は、波動の進行と共に波形が非線形に歪を生じ、照射された物体へエネルギーを付与することができる。超音波はこのような非線形振幅波の特性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る表面微細加工システムの構成を示す概略図である。
【図２】固気２相流がノズルから壁面に対して噴射される様子を示す断面図である。
【図３】固気２相流が噴射されると共に、超音波が放射される様子を示す断面図である。
【図４】超音波を放射しない場合の実験結果を示すグラフである。
【図５】超音波を放射した場合の実験結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るノズル、超音波振動子、及びホーンの構成を示す概略図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る超音波振動子及びダクトの構成を示す断面図である。
【図８】超音波を放射した場合と放射していない場合の実験結果を示すグラフである。
【図９】超音波を放射した場合と放射していない場合の実験結果を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）本発明の第５の実施の形態に係る超音波振動子及びダクトの構成を示す上面図、及び（Ｂ）本発明の第５の実施の形態に係る超音波振動子及びダクトの構成を示す断面図である。
【図１１】非線形有限振幅波を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、固体微粒子と圧縮空気との固気２相流（固気２相噴流）を被加工物の表面へ噴射するエアーブラスト装置を用いて構成された表面微細加工システムに、本発明を適用した場合を例に説明する。
【００２１】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る表面微細加工システム１０は、コンプレッサ２５を備えている。コンプレッサ２５の吐出側はエアパイプ２４に接続されている。エアパイプ２４には、電磁弁３０が接続されている。電磁弁３０の下流側は固気２相流パイプ２２に接続されている。
【００２２】
固気２相流パイプ２２は分岐しており、分岐した一方が電磁弁３０に接続され、分岐した他方が微粒子送出調整弁３１に接続されている。微粒子送出調整弁３１の上流側は微粒子パイプ２３に接続され、微粒子パイプ２３の上流側には微粒子タンク２７が接続されている。微粒子タンク２７には、金属、プラスチック、またはセラミック等の固体微粒子が貯蔵されている。固体微粒子としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。
【００２３】
微粒子タンク２７は、還元パイプ２６に接続されるようになっており、還元パイプ２６を介して加工室１１と接続されている。加工室１１内には、被加工物（ワーク）１３の表面が、噴射部としてのノズル２１の先端部に対向するように配置されている。
【００２４】
微粒子タンク２７には排気パイプ２８が接続されており、排気パイプ２８の先端側は排風機２９に接続されている。
【００２５】
次に、加工室１１内に配置される被加工物１３の取付けについて説明する。被加工物１３の表面（被加工面）上に、加工される穴又は溝の形状に応じたマスク１４が載置されている。被加工物１３は、ｘ−ｙテーブル１２上に配置されている。被加工物１３を両側から押え治具（図示省略）によって押えている。この押え治具に形成されている貫通孔を貫通するボルトがｘ−ｙテーブル１２のねじ孔にねじ込まれており、これによって被加工物１３が固定されている。
【００２６】
コンプレッサ２５からは圧縮空気が供給される。この圧縮空気の供給が電磁弁３０によって制御される。
【００２７】
固気２相流パイプ２２は、エアパイプ２４を通して供給される圧縮空気によって、微粒子パイプ２３を通して、微粒子タンク２７から固体微粒子（遊離微粒子）を吸引している。なお、固体微粒子の供給量は、微粒子送出調整弁３１によって調整される。ノズル２１の先端側から圧縮空気と固体微粒子との固気２相流（図１のＡ参照）が、被加工物１３の表面（被加工面）に向けて噴射される。このような固体微粒子と圧縮空気との固気２相流によって、被加工物１３の表面上に、所定の加工、例えば穴加工や溝加工が行なわれる。
【００２８】
噴射された固気２相流は、加工室１１内に散乱するとともに、還元パイプ２６によって微粒子タンク２７に戻され、ガスと固体微粒子との分離が行なわれる。分離されたガスは排気パイプ２８および排風機２９によって回収される。
【００２９】
ノズル２１内には、超音波を発生する超音波振動子４１及び超音波を増幅するホーン４２が設けられている。超音波振動子４１にはホーン４２が接続され、ホーン４２の先端は、ノズル２１の先端に向いている。ホーン４２によって、超音波エネルギー密度が高くなるようになっている。ホーン４２の先端から、ノズル２１の噴射方向と同じ方向に超音波（図１のＵ参照）が放射され、ホーン４２から放射された超音波が、ノズル２１の先端から被加工物１３の表面方向に放射される。これによって、被加工物へ向けて噴射された固気２相流に、超音波が放射される。なお、超音波振動子４１として、例えば、出力が５０Ｗ、超音波の周波数が２８ＫＨｚのランジュバン型振動子を用いることができる。
【００３０】
次に、表面微細加工システム１０の制御機構について説明する。
【００３１】
コンプレッサ２５は、コンプレッサ駆動制御回路５１に接続されている。コンプレッサ駆動制御回路５１によって、コンプレッサ２５による圧縮空気の供給が制御される。電磁弁３０及び微粒子送出調整弁３１は、バルブ駆動制御回路５３に接続されている。バルブ駆動制御回路５３によって、電磁弁３０及び微粒子送出調整弁３１の各々の駆動が制御される。排風機２９は、排風機駆動制御回路５２に接続されている。排風機駆動制御回路５２によって、排風機２９の駆動が制御される。
【００３２】
超音波振動子４１は、超音波送信回路５５に接続されている。超音波送信回路５５は、超音波振動子４１に対して超音波振動子駆動信号を出力して、超音波振動子４１を振動させる。ｘ−ｙテーブル１２は、公知のｘ‐ｙテーブルから成り、ｘ−ｙテーブル駆動制御回路５４に接続されている。ｘ−ｙテーブル駆動制御回路５４は、ｘ−ｙテーブル１２のｘ方向及びｙ方向の移動を制御する。マスクパターン設定器５７には、加工される穴の形状又は溝の形状に応じて、被加工物の表面にセットされたマスクのマスクパターン（マスク１４のマスクパターンと同様のパターン）を選択的に設定することができるようにしたものである。なお、マスクパターン自体は、後に説明するＣＰＵ５６のメモリへ種々のパターンとして記憶され、マスクパターン設定器５７はマスクパターンの種類を選択する機能を持たせたものでよい。
【００３３】
コンプレッサ駆動制御回路５１、排風機駆動制御回路５２、バルブ駆動制御回路５３、ｘ−ｙテーブル駆動制御回路５４、超音波送信回路５５、及びマスクパターン設定器５７は、ＣＰＵ５６に接続されている。ＣＰＵ５６は、所定のプログラムを実行することにより、コンプレッサ駆動制御回路５１、排風機駆動制御回路５２、バルブ駆動制御回路５３、ｘ−ｙテーブル駆動制御回路５４、及び超音波送信回路５５の各々による処理を制御する。ＣＰＵ５６は、マスクパターン設定器５７から設定されたマスクパターンに基づいて、ｘ−ｙテーブル１２の移動座標を演算して駆動制御回路５４へ駆動制御信号を出力する。
【００３４】
次に、本実施の形態の原理について説明する。
【００３５】
固気２相衝突噴流を用いると、広範囲に加工を短時間に行うことができる。しかし、微細加工を行うためには微粒子による固気２相衝突噴流が必要であり、混入する固体粒子が微小であると、粒子はワーク表面へ衝突することなく流体とともに流れ去ってしまう。
【００３６】
図２に示すように、固気２相流２の噴流が壁面５に衝突すると、衝突域中央に、流体の衝突によって生じた高圧の領域（よどみ域）４ができる。この高圧領域４が生ずると、微粒子の流速が減少し加工物表面へ衝突しにくくなるとともに、流体はこの領域を避けるように流れ去るため、固体粒子３が大きな粘性の作用（粒子が小さいと相対的に大きな粘性力が作用する）により、流体と同様に運動し、壁面５に衝突することなく流れ去ってしまう。
【００３７】
粒子の大きさが大きく、比重量が大きい場合には、粒子に働く慣性力により、壁面に衝突し加工することができるが、上記のように、微細加工を行うために微細な固体粒子を混入した固気２相流では、粘性の作用が大きく固体微粒子が壁面に衝突しないため、安定して加工することができない。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、図３に示すように、ホーン４２の先端から放射された超音波Ｕの放射圧を、好適には連続波として発生させ、固気２相流Ａの固体微粒子３に加える。このように、固体微粒子に超音波を放射すると、音響放射圧が発生し、固体微粒子に力が働くため、固体微粒子を壁面に衝突させることができる。この力は、固体微粒子の存在する媒質、音響インテンシティ、周波数などに関係して大きさが変化する。
【００３９】
ここで、固体粒子が受ける超音波の音響幅射圧について説明する。流体中に固体微粒子が存在している場合、その流体に対して超音波を放射すると、放射圧が固体微粒子に働く。その力の大きさは次の（１）式で表される。
【００４０】
【数１】
2010253639.tif 000003
【００４１】
ただし、ａは粒子の半径、Ｉは超音波のインテンシティ、Ｃ０は流体の音速である。また、ＹＰは、音響放射力関数（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｆｏｒｃｅ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ばれ、球の弾性的性質（密度・圧縮率）や、流体中の音波の伝播定数ｋ（＝２π／λ０（λ０：波長））とａとの積ｋａに依存する、非常に複雑な関数である。
【００４２】
ここで、固体微粒子の移動距離が小さく、それに働く超音波放射圧の大きさが一定とすると、重力の方向について次の（２）式が成り立つ。
【００４３】
【数２】
2010253639.tif 000004
【００４４】
ただし、Ｆは超音波放射圧であり、ｆは、抗力や重力などを表わしている。
【００４５】
壁面近傍においては、粒子速度が極めて小さく、抗力により、気体の流れから得た固体微粒子の運動量は小さくなる。超音波放射圧の影響のみに注目すると、上記（２）式の右辺はＦのみとなる。固体粒子がワーク表面を研削する場合、固体粒子の持つ運動エネルギーが関与するものと考えられる。すなわちワーク表面への衝突速度ｖが重要な物理量となる。上記の（１）式及び（２）式より、壁面への衝突速度は、次の（３）式で表される。
【００４６】
【数３】
2010253639.tif 000005
【００４７】
ここでｔ＝０、ｖ＝ｖ０とした。Ｈは、ワーク表面までの距離であり、ｖ０は初速である。
【００４８】
上記（２）式、（３）式より、固体微粒子に働く放射圧の力は、固体粒子の粒子径や、固体粒子が存在する媒質、音響インテンシティに依存することがわかる。例えば、固体粒子の粒子径が小さいほど、固体微粒子に働く放射圧の力は大きくなり、音響インテンシティが大きいほど、固体微粒子に働く放射圧の力は大きくなる。流体の音速が速いほど、固体微粒子に働く放射圧の力は小さくなる。従って、固気２相流として固体微粒子を混入し、超音波を放射した場合には、固体微粒子に十分な放射圧が働くことがわかる。
【００４９】
次に、第１の実施の形態の作用を説明する。
【００５０】
コンプレッサ２５から圧縮空気が供給されると共に、微粒子タンク２７から固体微粒子が供給され、固気２相流パイプ２２から、固気微粒子と圧縮空気とからなる固気２相流が、ノズル２１内に供給される。
【００５１】
また、超音波送信回路５５から送信された信号に基づいて、超音波振動子４１が振動し、超音波振動子４１が振動することにより発生した超音波が、ホーン４２によって増幅され、ホーン４２の先端から放射される。
【００５２】
そして、ノズル２１の先端から、固気２相流が噴射されると共に、超音波（例えば、１５０Ｗ、２８ＫＨｚ）が放射される。噴射された固気２相流の固体微粒子は、上流側から放射された超音波によって放射圧が加えられ、慣性力が増加する。そして、表面上に載置されたマスク１４の穴又は溝を介して、被加工物１３の表面上に、固体微粒子が衝突する。このとき、ｘ−ｙテーブル駆動制御回路５４は、設定されたマスクパターンに応じて、ｘ−ｙテーブル１２をｘ方向及びｙ方向に移動させる。
【００５３】
これによって、マスクパターンに応じた被加工物１３の表面上の位置に、穴又は溝が形成されるように加工され、微細加工が行われる。
【００５４】
次に、実験の結果について説明する。
【００５５】
固気２相流噴流の流れの上流側から超音波を放射して、固気２相流噴流をワーク壁面に垂直に衝突させて実験を行い、壁面の加工量を計測した。また、この実験では、固体微粒子として＃１０００のアルミナを用い、マスク穴径を１ｍｍとした。なお、比較例として、超音波を放射しない場合についても実験を行った。
【００５６】
図４、図５は、加工部断面の計測をグラフ化したものである。図５に示すように、超音波を放射した場合には、超音波を放射しない図４の場合に比べて、マスク穴径の中央部分に固気２相流噴流の衝突により生成された大きな加工痕が形成されることがわかった。
【００５７】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る表面微細加工システムによれば、被加工物の表面における、固気２相流の噴射部分に対して、固気２相流の上流から超音波を放射することにより、固気２相流の固体微粒子は、流れの抗力以外に超音波の放射圧を受けて慣性力が増加し、被加工物の表面に衝突するため、マスクのパターンに応じて被加工物の表面上に穴や溝を加工することができ、安定して微細な加工を行なうことができる。また、従来のエアーブラスト装置においては、マスクが極薄のフィルム材料でできているために、マスクに形成された微細な穴や溝から空気が加工物表面とマスク間に入り込んで空気溜りができるため、加工精度の程度を招いたりする問題があったが、第１の実施形態によれば、そのような問題も解決される。
【００５８】
次に、第２の実施の形態に係る表面微細加工システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５９】
第２の実施の形態では、超音波を固気２相流の噴射方向と所定の角度を持って交差する方向から、被加工物１３上に載置されたマスク１４の穴又は溝の中心部へ向けて放射している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。
【００６０】
図６に示すように、第２の実施の形態に係る表面微細加工システムでは、ノズル２１の外に、２組の超音波振動子４１ａ，４１ｂ及びホーン４２ａ，４２ｂが設けられている。超音波振動子４１ａ及びホーン４２ａが接続され、超音波振動子４１ｂ及びホーン４２ｂが接続されている。超音波振動子４１ａ，４１ｂは、超音波振動子固定具４３によって支持され、超音波振動子固定具４３が、ノズル２１に取り付けられている。
【００６１】
ホーン４２ａ，４２ｂの各々の先端から放射される超音波放射方向が、被加工物１３の表面に設けられたマスク１４の穴又は溝の中心に対向するように、２組の超音波振動子４１ａ，４１ｂ及びホーン４２ａ，４２ｂが配置されている。
【００６２】
このように、固気２相流の噴射方向と、超音波の放射方向とが対応しており、被加工物１３に設けられたマスク１４おける穴又は溝部分に、固気２相流が噴射されると共に、超音波が放射される。従って、固気２相流の固体微粒子は、流れの抗力以外に斜め方向から超音波の放射圧を受けため、マスク１４を介して、被加工物１３の表面上に固気２相流の固体微粒子が効率良く衝突する。
【００６３】
なお、第２の実施の形態に係る表面微細加工システムの他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６４】
以上説明したように、第２の実施の形態に係る表面微細加工システムによれば、固気２相流の噴射方向と交差する複数方向から、被加工物表面に設けられたマスクの穴又は溝の中心へ向けて超音波を放射することにより、固気２相流の固体微粒子は、流れの抗力以外に超音波の放射圧を斜め方向からマスクの穴又は溝の中心方向へ受けて慣性力が増加し、被加工物の表面に衝突するため、マスクのパターンに応じて、被加工物の表面上に穴や溝を加工することができ、安定して微細な加工を効率良く行うことができる。
【００６５】
次に、第３の実施の形態に係る表面微細加工システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
第３の実施の形態では、固体微粒子と液体とからなる固液２相流を噴射して加工している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。
【００６７】
第３の実施の形態では、混合装置（図示省略）によって、微粒子タンク２７から供給された固体微粒子と液体とを混合すると共に、噴射のために高圧にして、固体微粒子と液体とからなる固液２相流を、固液２相流パイプ（図示省略）を介してノズル２１に供給する。ノズル２１の先端側から、液体と固体微粒子との固液２相流が、被加工物１３の表面（被加工面）に向けて噴射される。このような固体微粒子と液体との固液２相流によって、被加工物１３上に対して穴加工や溝加工が行なわれる。
【００６８】
ノズル２１内には、第１の実施の形態と同様に、超音波振動子４１及びホーン４２が設けられている。ホーン４２の先端から、ノズル２１の噴射方向に超音波が放射され、ホーン４２から放射された超音波が、ノズル２１の先端から被加工物１３の表面に放射される。
【００６９】
次に、第３の実施形態の作用を説明する。
【００７０】
微粒子タンク２７から固体微粒子が供給された混合装置によって、固気微粒子と液体とからなる固液２相流を生成し、固液２相流パイプから、ノズル２１内に固液２相流が供給される。
【００７１】
また、超音波送信回路５５から送信された信号に基づいて、超音波振動子４１が振動し、超音波振動子４１が振動することにより発生した超音波が、ホーン４２によって増幅され、ホーン４２の先端から放射される。
【００７２】
ノズル２１の先端から、固液２相流が噴射されると共に、超音波が放射される。噴射された固液２相流の固体微粒子は、放射された超音波によって放射圧が加えられ、表面上にマスク１４が載置された被加工物１３の表面に、固体微粒子が衝突する。このとき、ｘ−ｙテーブル駆動制御回路５４は、設定されたマスクパターンに応じて、ｘ−ｙテーブル１２をｘ方向及びｙ方向に移動させる。
【００７３】
これによって、マスクパターンに応じた被加工物１３の表面上の位置において、穴加工又は溝加工が行われて、微細に加工される。
【００７４】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る表面微細加工システムによれば、被加工物の表面における、固液２相流の噴射部分に対して、固液２相流の上流から超音波を放射することにより、固液２相流の固体微粒子は、流れの抗力以外に超音波の放射圧を受けて慣性力が増加し、被加工物の表面に衝突するため、マスクのパターンに応じて、被加工物の表面上に穴や溝を加工することができ、安定して微細な加工を行うことができる。
【００７５】
また、超音波の放射圧は、周囲流体の密度と関係しており、効率よく超音波の放射圧を取り出すには、大きな密度の液体中での作動がよい。固液２相流の固体微粒子に、超音波を放射することにより、固液２相流の固体微粒子に、超音波の放射圧を加えて、慣性力を大きく増加させることができる。
【００７６】
なお、上記の実施の形態では、空気中で、固液２相流を噴射する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、液体中で、固液２相流を噴射するようにしてもよい。この場合には、加工室内を液体で満たせばよい。
【００７７】
また、上記の第１の実施形態〜第３の実施形態では、被加工物の表面上にマスクを載置すると共に、設定されたマスクパターンに応じて、ｘ−ｙテーブルを移動させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ｘ−ｙテーブルを備える代わりにノズルをｘ−ｙ方向へ移動する機構を設けても良い。さらに、被加工物の表面上にマスクを載置せずに、設定されたマスクパターンに応じて、ｘ−ｙテーブルを移動させるようにしてもよい。
【００７８】
また、後述する第５の実施の形態と同様に、ノズルを複数個配列して、２次元的に固気２相流又は固液２相流を噴射するようにしてもよい。
【００７９】
次に、第４の実施の形態に係る表面微細加工システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００８０】
第４の実施の形態では、被加工物の表面に沿って、固気２相流（固気２相壁面噴流）を噴射して、鏡面加工を行っている点が、第１の実施の形態と異なっている。
【００８１】
第４の実施の形態では、被加工物１３を覆うと共に、一方向に流体を流すためのダクト４４が設けられている。被加工物１３の表面（被加工面）の上方に位置する、ダクト４４の上面には、超音波振動子４１が取り付けられている。超音波振動子４１の振動がダクト４に伝播し、ダクト４４の上面部の広い領域から被加工物１３の表面方向に超音波が放射される。これにより、超音波振動子４１の口径より広い領域において微粒子が被加工面へ衝突するようになる。
【００８２】
ダクト４４の導入口を介して、ノズル２１から、ダクト４４内に固気２相流が噴射され、被加工物１３の表面に沿って、固気２相流が流れる。固気２相流は、ダクト４４の排出口から排出され、還元パイプ２６を介して、微粒子タンク２７へ戻る。
【００８３】
被加工物１３の表面に沿って流れる固気２相流の固体微粒子は、被加工物１３の表面の上方から放射された超音波の放射圧によって、被加工物１３の表面に押し付けられ、固気２相流の固体微粒子が被加工物１３の表面に衝突する。これによって、被加工物１３の表面が研削加工される。
【００８４】
なお、第４の実施の形態に係る表面微細加工システムの他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００８５】
次に、実験結果について説明する。
【００８６】
固気２相流をワーク表面に沿って流動させると共に、ワーク表面の上方のカバーに取り付けた超音波振動子により固体粒子に超音波を放射して実験を行い、ワーク表面の加工量を計測した。また、固体微粒子として＃１０００と＃２０００のアルミナを用いて実験を行った。図８、図９において、横軸方向において「５」目盛を付した位置が超音波振動子の中心であり、超音波振動子の直径は５０ｍｍである。なお、比較例として、超音波を放射しない場合についても実験を行った。
【００８７】
図８、図９に示すように、超音波を放射しない場合に比べて、超音波を放射した場合には、ワーク表面が研削加工され、精度のよい面に仕上がることがわかった。
【００８８】
以上説明したように、第４の実施の形態に係る表面微細加工システムによれば、被加工物の表面に沿って、固気２相流を噴射して流すと共に、被加工物の表面に対して、垂直に超音波を放射することにより、固気２相流の固体微粒子は、超音波の放射圧を受けて、被加工物の表面に衝突するため、被加工物の表面に対して、安定して微細な加工をすることができる。
【００８９】
次に、第５の実施の形態に係る表面微細加工システムについて説明する。なお、第１の実施の形態及び第４の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００９０】
第５の実施形態では、２次元の広い面に固気２相流を噴射して、被加工物表面の研削加工を行っている点が、第４の実施の形態と異なっている。
【００９１】
第５の実施の形態では、図１０（Ａ）に示すように、ダクト４４内の被加工物１３の表面に沿って、固気２相流Ａを２次元に流動させる。固気２相流を二次元流にするには、空気流を二次元化する場合とは異なる原理が必要である。すなわち、空気よりはるかに大きな比重量をもつ固体粒子は、空気流と同様な運動はしない。大きな比重量のため、慣性力が働く領域において、固体粒子は運動方向を容易には変化できない。そのため、搬送路の影響を大きく受け、円形断面の搬送路を用いれば、二次元に並べたノズルの出口においても二次元流とはならず、円形の分布形状を残す。そこで、本実施の形態では、二次元に配列したノズル２１ヘ固気２相流を供給する固気２相流供給部（図示省略）を設けた。固気２相流供給部は、旋回流れを生成するようになっており、固気２相流供給部の壁面近傍を流れる固体粒子と空気流とに分離される。また、固気２相流供給部は、円形ノズルから二次元のノズルに変形するノズルを備え、固体粒子と空気流とに分離された状態で、円形ノズルから二次元のノズルを通って、二次元に配列したノズル２１に供給されると、二次元に配列されたノズル２１から流出する固気２相流は、固体粒子がスパン方向に均一に分布した二次元固気２相流噴流となる。
【００９２】
なお、このような固気２相流供給部に用いるノズルについては、特許文献（特開２００５−２１９１７１号公報）に記載された技術を用いて構成すればよく、更に詳細な説明は省略する。
【００９３】
第５の実施の形態に係る表面微細加工システムでは、被加工物１３の表面に沿って２次元に固気２相流が流れるように、上記特許文献に記載されたノズルを配置する。二次元に配列されたノズルの出口に、ダクト４４を配置し、図１０（Ａ）に示すように、ダクト４４の上面に、複数の超音波振動子４１ａ〜４１ｅを取り付ける。
【００９４】
超音波振動子４１ａ〜４１ｅが振動することにより、図１０（Ｂ）に示すように、ダクト４４の上面の全面から、被加工物１３の表面上に対して、下方に超音波Ｕが放射される。
【００９５】
被加工物１３の表面に沿って流れる２次元の固気２相流の固体微粒子は、被加工物１３の表面の上方から放射された超音波の放射圧によって、被加工物１３の表面に押し付けられて、被加工物１３の表面に衝突する。これによって、被加工物１３の表面が加工される。
【００９６】
このように、被加工物の表面に沿って、２次元固気２相流を噴射して流すと共に、被加工物の表面に対して、垂直に超音波を放射することにより、２次元に流れる固気２相流の固体微粒子は、超音波の放射圧を受けて、被加工物の表面に衝突するため、被加工物の表面に対して、安定して微細な加工をすることができる。
【００９７】
なお、上記の第４の実施の形態及び第５の実施の形態においても、上記の第３の実施の形態と同様に、固液２相流を噴射するようにしてもよい。
【００９８】
また、上記の第１の実施の形態乃至第５の実施形態では、超音波を放射する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、図１１（Ｂ）に示すような非線形有限振幅波が被加工面へ噴射されるようにすれば良い。図１１（Ａ）、（Ｂ）は、超音波の進行状態を示す図である。すなわち、図１１（Ａ）に示す超音波を超音波振動子から放射すると、超音波は超音波伝播媒体内を進行するにつれ、非線形の波形歪を生じ、加工物の被加工面に達する際には非線形有限振幅波となって、固体微粒子に音波の放射圧を加えることが可能である。なお、上記実施形態では、超音波として連続波を用いることとしたが、超音波を連続して長時間放射すると超音波振動子の温度上昇を来たすが、超音波振動子の耐熱特性がそれに耐えられないものである場合には、連続波に代えてパルス波を用いるようにしても良い。
【００９９】
なお、上記説明において、本発明は従来のエアーブラスト装置とレーザ加工装置の中間領域へ適用可能な技術を提供するものとして説明したが、本発明による表面加工装置の加工限度は前記中間領域を越えてさらにレーザ加工領域に近づけることが可能と考えられる。
【符号の説明】
【０１００】
１０   表面微細加工システム
１１   加工室
１２   ｘ−ｙテーブル
１３   被加工物
１４   マスク
２１   ノズル
２２   固気２相流パイプ
２３   微粒子パイプ
２４   エアパイプ
２５   コンプレッサ
２６   還元パイプ
２７   微粒子タンク
２８   排気パイプ
２９   排風機
３０   電磁弁
３１   微粒子送出調整弁
４１、４１ａ，４１ｂ 超音波振動子
４２、４２ａ、４２ｂ ホーン
４３   超音波振動子固定具
４４   ダクト
５１   コンプレッサ駆動制御回路
５２   排風機駆動制御回路
５３   バルブ駆動制御回路
５４   テーブル駆動制御回路
５５   超音波送信回路
５７   マスクパターン設定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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