(57)【要約】【課題】長時間に渡って連続運転しても、高精度な加工を維持することができるハニカム構造体成形用金型の溝加工装置を提供すること。【解決手段】溝加工装置は、被加工物を保持する保持部と、被加工物の溝形成位置に対して高圧水を噴射して水柱７２を形成するためのノズル３３と、水柱７２の中を通して溝形成位置に対して照射するレーザ光７１を導出するレーザヘッド１２と、レーザヘッド１２とノズル３３との間に設けられ、光透過性の材料よりなり、レーザヘッド１２から導出されるレーザ光７１を透過させて集光すると共に水柱７２の中に入光させるウィンドウ部材４と、ノズル３３に高圧水を供給する高圧水供給部と、保持部とノズル３３とを相対移動させ、レーザ照射位置を溝形成位置に沿って移動させる駆動部とを有する。ウィンドウ部材４を構成する材料は、モース硬度が９以上であり、融点が２０００℃以上である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型の上記スリット溝を加工する装置であって、
被加工物を保持する保持部と、
上記被加工物の溝形成面における溝形成位置に対して高圧水を噴射して水柱を形成するためのノズルと、
上記水柱の中を通して上記溝形成位置に対して照射するレーザ光を導出するレーザヘッドと、
該レーザヘッドと上記ノズルとの間に設けられ、光透過性の材料よりなり、上記レーザヘッドから導出されるレーザ光を透過させて集光すると共に上記水柱の中に入光させるウィンドウ部材と、
上記ノズルに高圧水を供給する高圧水供給部と、
上記保持部と上記ノズルとを相対移動させ、レーザ照射位置を上記溝形成位置に沿って移動させる移動手段とを有し、
上記ウィンドウ部材を構成する材料は、モース硬度が９以上であり、融点が２０００℃以上であることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の溝加工装置。
【請求項２】
請求項１において、上記ウィンドウ部材を構成する材料は、サファイアであることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の溝加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカム構造体を成形するためのハニカム構造体成形用金型のスリット溝を加工する溝加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック製のハニカム構造体を成形するためのハニカム構造体成形用金型には、格子状のスリット溝が設けられている。このスリット溝を加工する方法としては、従来から様々な方法が提案されている。昨今では、スリット溝の狭幅化に対応すべく、精密な加工が可能なウォータージェットレーザを用いた加工方法が知られている（特許文献１及び２参照）。
【０００３】
上記のウォータージェットレーザを用いてスリット溝を加工する溝加工装置は、被加工物の溝形成位置に対して、ノズルから高圧水を噴射して水柱を形成すると共に、レーザヘッドから導出されるレーザ光をその水柱の中に通して照射し、さらにレーザ照射位置を溝形成位置に沿って移動させることによって溝加工ができるよう構成されている。そして、通常、レーザ照射位置を溝形成位置に沿って複数回通過するように移動させ、目的の深さのスリット溝を形成する。
【０００４】
また、上記溝加工装置は、レーザヘッドとノズルとの間に、光透過性の材料よりなるウィンドウと呼ばれる部材が設けられている。このウィンドウ部材は、レーザヘッドから導出されるレーザ光を透過させて集光すると共に、そのレーザ光を水柱の中に入光させるためのものである。従来から、ウィンドウ部材を構成する材料としては、光透過性に優れた水晶等が用いられている。
【０００５】
しかしながら、ウィンドウ部材として水晶等を用いた溝加工装置では、次のような問題がある。すなわち、例えば狭幅のスリット溝を加工する場合、高い加工精度が求められるため、長時間の加工が必要となる。そして、長時間連続運転すると、ウィンドウ部材に対するレーザ光の接触や透過、それに伴うウィンドウ部材の表面及び内部における発熱により、ウィンドウ部材に劣化や損傷が生じ、さらには割れが発生する。
【０００６】
これにより、ウィンドウ部材の光透過特性が変化し、ウィンドウ部材に透過させて照射するレーザ光の精度にズレが生じるおそれがある。そのため、加工精度が低下し、所望の寸法のスリット溝が得られないおそれがある。それ故、実際には、比較的短時間でウィンドウ部材を新品に交換することによって対応していた。
よって、長時間に渡って連続運転しても、ウィンドウ部材に不具合が発生することなく、高精度な加工を維持することができる溝加工装置が望まれている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０１５８１号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、長時間に渡って連続運転しても、高精度な加工を維持することができるハニカム構造体成形用金型の溝加工装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、材料を供給するための供給穴と、該供給穴に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝とを有するハニカム構造体成形用金型の上記スリット溝を加工する装置であって、
被加工物を保持する保持部と、
上記被加工物の溝形成面における溝形成位置に対して高圧水を噴射して水柱を形成するためのノズルと、
上記水柱の中を通して上記溝形成位置に対して照射するレーザ光を導出するレーザヘッドと、
該レーザヘッドと上記ノズルとの間に設けられ、光透過性の材料よりなり、上記レーザヘッドから導出されるレーザ光を透過させて集光すると共に上記水柱の中に入光させるウィンドウ部材と、
上記ノズルに高圧水を供給する高圧水供給部と、
上記保持部と上記ノズルとを相対移動させ、レーザ照射位置を上記溝形成位置に沿って移動させる移動手段とを有し、
上記ウィンドウ部材を構成する材料は、モース硬度が９以上であり、融点が２０００℃以上であることを特徴とするハニカム構造体成形用金型の溝加工装置にある（請求項１）。
【００１０】
本発明の溝加工装置は、上記のごとく、水柱を形成すると共にレーザ光をその水柱の中に通して照射する、いわゆるウォータージェットレーザにより溝加工を行うことができるよう構成されたものである。この溝加工装置において、上記レーザヘッドと上記ノズルとの間には、光透過性の材料よりなり、上記レーザヘッドから導出されるレーザ光を透過させて集光すると共に上記水柱の中に入光させるウィンドウ部材が設けられている。そして、このウィンドウ部材を構成する材料としては、モース硬度が９以上であり、融点が２０００℃以上の材質のものを用いている。
【００１１】
すなわち、本発明では、上記ウィンドウ部材として、硬度が上記特定の値以上に高く、かつ、融点が上記特定の温度以上に高い材料を用いている。そのため、上記ウィンドウ部材に対するレーザ光の接触や透過、それに伴う上記ウィンドウ部材の表面及び内部における発熱に対して、上記ウィンドウ部材の耐久性・耐熱性を向上させることができる。これにより、上記ウィンドウ部材の劣化や損傷を抑制することができ、さらには割れ等の不具合の発生を防止することができる。それ故、上記溝加工装置は、長時間に渡って連続運転しても、高精度な加工を維持し続けることができる。
【００１２】
このように、本発明の溝加工装置は、光透過性の材料のうち、上記特定の硬度及び融点のものに限って上記ウィンドウ部材に採用することにより、レーザ光の照射特性を長時間、高精度に維持することができる。それ故、長時間に渡って連続運転しても、高精度な加工を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明においては、上記ウィンドウ部材を構成する材料のモース硬度が９未満の場合には、上記ウィンドウ部材に対するレーザ光の接触や透過により、上記ウィンドウ部材の劣化や損傷が大きくなるおそれがある。また、融点が２０００℃未満の場合には、レーザ光による上記ウィンドウ部材の表面及び内部における発熱により、上記ウィンドウ部材に割れが発生するおそれがある。
【００１４】
また、上記ウィンドウ部材を構成する材料は、サファイアであることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記ウィンドウ部材の劣化や損傷をさらに抑制することができ、割れ等の不具合の発生をより一層防止することができる。
【００１５】
また、上記スリット溝は、例えば溝幅が４０〜１５０μｍ、溝深さが２〜３．５ｍｍという狭幅で深溝の寸法を採用することができる。このような寸法のスリット溝を加工する場合には、高い加工精度が求められるため、長時間の加工が必要となる。よって、上記本発明の効果を特に有効に発揮することができる。
【００１６】
また、上記スリット溝の形状は、成形するハニカム構造体に合わせて、種々の形状を採用することができる。また、上記スリット溝の格子形状は、例えば三角形、四角形、六角形等とすることができる。
また、上記被加工物としては、金属材料、セラミックス、その他の種々の材料を用いることができる。上記金属材料としては、例えばＳＫＤ（合金工具鋼）等を用いることができる。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる溝加工装置について、図を用いて説明する。
本例の溝加工装置１は、図１に示すごとく、レーザ光７１を発生させるレーザ発生部１１と、発生したレーザ光７１を導出するレーザヘッド１２と、レーザ光７１の周囲において高圧水を噴射して水柱７２を形成するためのノズル３３（図２）を備えた水柱形成部３と、水柱７２用の高圧水をレーザヘッド１２に供給する高圧水供給部１４とを有している。レーザヘッド１２と水柱形成部３とは、一体的に構成されている。
また、レーザ発生部１１とレーザヘッド１２との間には、両者を結んでレーザ光７１を導く光ファイバー部２１が設けられている。また、高圧水供給部１４と水柱形成部３との間には、高圧水を供給するための配管２２が設けられている。
【００１８】
また、同図に示すごとく、溝加工装置１は、被加工物（後述の金型素材８０）を保持すると共にＸ−Ｙ軸方向に移動可能な保持部１９を有している。保持部１９には、保持部１９を移動させるための図示しない駆動部（移動手段）が接続されている。
また、上記駆動部、高圧水供給部１４及びレーザ発生部１１は、これらを操作するための図示しない操作盤に接続されている。
【００１９】
また、図２に示すごとく、水柱形成部３は、本体部３１と、ネジ３１９により本体３１に取り付けられたノズル保持部３２と、高圧水を噴射して水柱７２を形成するための吐出穴３３１を設けた円筒形状のノズル３３とを有している。ノズル３３は、保持部材３２９によりノズル保持部３２に保持されている。
【００２０】
また、同図に示すごとく、レーザヘッド１２とノズル３３との間には、光透過性の材料よりなり、レーザヘッド１２から導出されるレーザ光７１を透過させて集光すると共に、そのレーザ光７１を水柱７２の中に入光させるウィンドウ部材４が設けられている。ウィンドウ部材４は、固定部材３１８により本体部３１に固定されている。
本例では、ウィンドウ部材４を構成する材料としてサファイアを用いている。サファイアは、モース硬度が９、融点が２０５３℃であり、硬度が高く、耐熱性に優れている。
【００２１】
また、同図に示すごとく、ウィンドウ部材４とレーザヘッド１２との間には、レーザヘッド１２から導出されるレーザ光７１の通路となる通路空間３１１が設けられている。
また、ウィンドウ部材４とノズル３３との間には、高圧水供給部１４からの高圧水を導入する導入空間３２１が設けられている。導入空間３２１には、高圧水を導入する２つの導入口３２２が設けられている。
【００２２】
次に、上記構成の溝加工装置１を用いたハニカム構造体成形用金型８の製造方法について、簡単に説明する。
本例において製造するハニカム構造体成形用金型８は、図３、図４に示すごとく、材料供給用の供給穴８１と、供給穴８１に連通して格子状に設けられ、材料をハニカム形状に成形するためのスリット溝８２とを有するものである。スリット溝８２は、溝形成面８２０に設けられており、四角形格子状を呈している。スリット溝８２の溝幅は９０μｍ、溝深さは２．５ｍｍである。
【００２３】
上記ハニカム構造体成形用金型８を製造するに当たっては、まず、金型素材（被加工物）８０を準備する（図１）。この金型素材８０には、溝形成面８２０の反対側の穴形成面８１０に予めドリルを用いて供給穴を設けておく（図４）。
なお、金型素材８０としては、縦２００ｍｍ、横２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍの四角形の金属板を用いた。金型素材８０の材質は、ＳＫＤ６１（合金工具鋼）よりなる。もちろん、これと異なるサイズ、材質の金型素材を用いることも可能である。
【００２４】
次いで、上記溝加工装置１を用いてスリット溝８２を加工する。
具体的には、まず、保持部１９に金型素材８０をセットする（図１）。そして、金型素材８０に対して、水柱形成部３のノズル３３から高圧水を噴射して水柱７２を形成すると共に、レーザ光７１を水柱７２の中に通して金型素材８０に照射する（図１、図２）。なお、水柱７２を形成する高圧水の水圧は２３０ｋｇｆ／ｃｍ2、レーザ光７１のパルスパワーは１４００Ｗとした。
【００２５】
このとき、図２に示すごとく、高圧水供給部１４から水柱形成部３へと供給された高圧水は、水柱形成部３の導入口３２２から導入空間３２１に導入された後、ノズル３３の吐出穴３３１から噴射されて水柱７２を形成する。
また、同図に示すごとく、レーザ発生部１１において発生したレーザ光７１は、光ファイバー部２１を通過してレーザヘッド１２へと送られた後、レーザヘッド１２から導出されて通路空間３１１を通過し、さらにウィンドウ部材４を透過することによって集光させられる。その後、導入空間３２１、ノズル３３の吐出穴３３１を通過して、水柱７２の中に入光して照射される。
【００２６】
そしてさらに、保持部１９をＸ−Ｙ軸方向（図１）に移動させることにより、金型素材８０に対するレーザ照射位置Ｌを溝形成位置に沿って繰り返し移動させる。なお、レーザ照射位置Ｌの金型素材（被加工物）８０に対する移動速度は１５０〜２４０ｍｍ／分、繰り返し回数は７０回とした。これにより、溝幅が９０μｍ、溝深さが２．５ｍｍのスリット溝８２が得られた。
以上により、図３、図４のハニカム構造体成形用金型８を作製した。
【００２７】
本例の溝加工装置１における作用効果について説明する。
本発明の溝加工装置は、上記のごとく、金型素材８０に対して水柱７２を形成すると共にレーザ光７１をその水柱７２の中に通して照射する、いわゆるウォータージェットレーザにより溝加工を行うことができるよう構成されたものである。この溝加工装置１において、レーザヘッド１２とノズル３３との間には、光透過性の材料よりなり、レーザヘッド１２から導出されるレーザ光７１を透過させて集光すると共に水柱７２の中に入光させるウィンドウ部材４が設けられている。そして、このウィンドウ部材４を構成する材料としては、モース硬度が９以上であり、融点が２０００℃以上の材質のものを用いている。
【００２８】
すなわち、本例では、ウィンドウ部材として、硬度が上記特定の値以上に高く、かつ、融点が上記特定の温度以上に高い材料を用いている。そのため、ウィンドウ部材４に対するレーザ光７１の接触や透過、それに伴うウィンドウ部材４の表面及び内部における発熱に対して、ウィンドウ部材４の耐久性・耐熱性を向上させることができる。これにより、ウィンドウ部材４の劣化や損傷を抑制することができ、さらには割れ等の不具合の発生を防止することができる。それ故、上記溝加工装置１は、長時間に渡って連続運転しても、高精度な加工を維持し続けることができる。
【００２９】
また、本例では、ウィンドウ部材４を構成する材料としては、サファイアを用いている。そのため、ウィンドウ部材４の劣化や損傷をさらに抑制することができ、割れ等の不具合の発生をより一層防止することができる。
【００３０】
このように、本例の溝加工装置１は、光透過性の材料のうち、上記特定の硬度及び融点のものに限ってウィンドウ部材４に採用することにより、レーザ光７１の照射特性を長時間、高精度に維持することができる。それ故、長時間に渡って連続運転しても、高精度な加工を維持することができる。
【００３１】
（実施例２）
本例は、実施例１の溝加工装置について、ウィンドウ部材の耐久性を評価したものである。
本例では、実施例１の溝加工装置（装置Ｅ）を用いて溝加工を行い、長時間連続運転をした場合におけるウィンドウ部材の状態を調べた。なお、ウィンドウ部材を構成する材料としてサファイアを用いた。また、加工条件は、実施例１と同様である。
また、比較のために、ウィンドウ部材を構成する材料として水晶を用いたことのみが異なる従来の溝加工装置（装置Ｃ）を用意し、上記と同様の評価を行った。
【００３２】
評価の結果、比較用の装置Ｃでは、連続運転７２時間以内に、ウィンドウ部材に大きな劣化や損傷が見られ、ひどい場合には割れの発生が見られた。一方、本発明の装置Ｅでは、連続運転１００時間以上でも、ウィンドウ部材に劣化や損傷がほとんどなく、もちろん割れの発生も見られなかった。
この結果から、本発明の溝加工装置は、長時間に渡って連続運転しても、ウィンドウ部材における不具合の発生を防止することができ、高精度な加工を維持することができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１における、溝加工装置の構成を示す説明図。
【図２】実施例１における、ウィンドウ部材の配設位置を示す説明図。
【図３】実施例１における、ハニカム構造体成形用金型の（ａ）溝形成面を示す説明図、（ｂ）溝形成面を拡大した説明図。
【図４】図４のＡ−Ａ線矢視断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１  溝加工装置
１２  レーザヘッド
１４  高圧水供給部
１９  保持部
３３  ノズル
７１  レーザ光
７２  水柱
８  ハニカム構造体成形用金型
８０  金型素材（被加工物）
８２  スリット溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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