(57)【要約】溶融金属２０を噴射させる吐出ノズル３１と、吐出ノズル３１の吐出口３２の周囲に不活性ガスを供給するガス流路３３を有し、吐出ノズル３１の吐出口３２およびガス流路３３の出口には、ノズルカバー３４が設けられる。ノズルカバー３４には、吐出口３２およびガス流路３３の出口に連通して下方に開口した空間３５を有し、その開口周辺にはリング状の突出部３６を有する。吐出口３２から空間３５内に溶融金属２０を噴射させる際、空間３５に不活性ガスを供給することにより溶融金属２０の酸化が防止され、吐出口３２のノズル詰まりを防止し、溶融金属２０の形状を球状化することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料を溶融して噴射させる吐出ノズルと、前記吐出ノズルの吐出口周囲に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記吐出ノズルの吐出口および前記不活性ガス供給手段の出口に連通し下方に開口した空間を有するノズルカバーとを有し、前記ノズルカバーの開口周辺に突出部を有することを特徴とする金属噴射装置。
【請求項２】
前記吐出ノズルと前記不活性ガス供給手段を加熱する加熱手段とを有することを特徴とするクレーム１に記載の金属噴射装置。
【請求項３】
金属材料を溶融して噴射させる吐出ノズルと、前記吐出ノズルの吐出口周辺に不活性ガスを供給するガス供給手段とを有することを特徴とする金属噴射装置。
【請求項４】
溶融金属を内部に有する吐出ノズルと、前記吐出ノズルの一方端から前記溶融金属を噴射させる吐出口と、前記吐出ノズルの他方端から前記溶融金属を押圧する押圧体とを備え、前記押圧体で前記吐出ノズル内の前記溶融金属を間欠的に押して前記吐出口から噴射する金属噴射装置であって、前記吐出ノズルは、前記吐出口又は前記吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁を有することを特徴とする金属噴射装置。
【請求項５】
溶融金属を内部に有する吐出ノズルと、前記吐出ノズルの一方端から前記溶融金属を噴射させる吐出口と、前記吐出ノズルの他方端から前記溶融金属を押圧する押圧体とを備え、前記押圧体で前記吐出ノズル内の前記溶融金属を間欠的に押して前記吐出口から噴射する金属噴射装置であって、前記押圧体は、前記吐出口又は前記吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁を有することを特徴とする金属噴射装置。
【請求項６】
吐出ノズルから溶融した金属材料を粒状に噴射させる工程と、前記吐出ノズルの吐出口周辺に不活性ガスを供給する工程とを有することを特徴とする金属噴射方法。
【請求項７】
クレーム４又はクレーム５に記載の金属噴射装置において、前記溶融金属を、金属粉若しくは非金属粉と液体との混合体、又は液体に代えたことを特徴とする噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、溶融した金属を噴射させて回路の接合を行う実装や三次元構造体を製造する装置などに利用される金属噴射装置および噴射方法に関するものである。
【背景技術】  近年、コンピュータを利用したプロトタイピング技術により、種々の三次元構造体を作製することが試みられている。たとえば、特許文献１には、金属材料を溶融してノズルから噴出させ、ノズルまたは三次元構造体の支持手段を製造する三次元構造体の構造データに従って移動させ、所望の三次元構造体を製造する構成が記載されている。
【特許文献１】    特開平１０−１９３０７９号公報（第２頁１欄の特許請求の範囲、第３頁４欄（０００７）〜第４頁５欄（０００９）、および図１〜３）
このようなプロトタイピング技術など、金属噴射を使った方法においては、ノズルから空中に溶融金属を噴射させたとき、溶融金属が高温であるためにノズルの出口付近で空気中の酸素と反応して酸化し、セラミックなどの金属酸化物になる。この金属酸化物はノズルの出口付近に溜まるため、ノズルを詰まらせてしまい、溶融金属の噴射ができなくなることがしばしばある。また、溶融金属が吐出直後に酸化されると溶融金属粒状体が真球状にならす、尾を引いた形状になってしまうので、溶融金属粒状体の堆積が不規則になったりして、所望の製品ができなくなることがある。
そこで本発明は、溶融金属を噴出させるノズルのノズル詰まりを防止することを目的とする。
また本発明は、ノズルから噴出した溶融金属の形状を球状化することを目的とする。
【発明の開示】
第１の実施の形態による金属噴射装置は、金属材料を溶融して噴射させる吐出ノズルと、吐出ノズルの吐出口周囲に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、吐出ノズルの吐出口および不活性ガス供給手段の出口に連通しかつ下方に開口した空間を有し、この空間の開口周辺に突出部を有するノズルカバーを設けたものである。
本実施の形態によれば、空間内に不活性ガスを充満させた状態でこの空間内に吐出ノズルから金属の粒状体を噴射させることができるので、ノズルから噴出した溶融金属がノズル吐出口の近傍で酸化しない。従って、金属噴射ノズルのノズル詰まりを防止することができる。また、ノズルから噴出した溶融金属の粒状体形状を球状化することができる。さらに、空間の開口周辺の突出部により空間内への外部からの空気や酸素の侵入を防止することができる。
第２の実施の形態は、第１の実施の形態による金属噴射装置において、吐出ノズルと不活性ガス供給手段とを加熱する加熱手段を有するものである。
本実施の形態によれば、噴射前の金属の溶融状態を維持し、かつ、金属が噴射される空間内の不活性ガスに浮力が働いて不活性ガスが逸散することを防止することができる。
第３の実施の形態による金属噴射装置は、金属材料を溶融して噴射させる吐出ノズルと、吐出ノズルの吐出口周辺に不活性ガスを供給するガス供給手段とを有するものである。
本実施の形態によれば、不活性ガスを充満させた吐出口周辺の空間に吐出ノズルから金属の粒状体を噴射させることができるので、ノズルから噴出した溶融金属がノズル吐出口の近傍で酸化しない。従って、金属噴射ノズルのノズル詰まりを防止することができる。また、ノズルから噴出した溶融金属の粒状体形状を球状化することができる。
第４の実施の形態による金属噴射装置は、溶融金属を内部に有する吐出ノズルと、この吐出ノズルの一方端から溶融金属を噴射させる吐出口と、吐出ノズルの他方端から溶融金属を押圧する押圧体とを備え、押圧体で吐出ノズル内の溶融金属を間欠的に押して吐出口から噴射する金属噴射装置であって、吐出ノズルは、吐出口又は吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁を有するものである。
本実施の形態によれば、吐出口又は吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁の作用によって、溶融金属に掛かる押圧力を吐出ノズルの吐出口に集中させることができる。従って、焦点付近に高圧部を発生させ、その圧力によって吐出口からドット状の溶融金属を噴射させることが可能となる。
第５の実施の形態による金属噴射装置は、溶融金属を内部に有する吐出ノズルと、この吐出ノズルの一方端から溶融金属を噴射させる吐出口と、吐出ノズルの他方端から溶融金属を押圧する押圧体とを備え、押圧体で吐出ノズル内の溶融金属を間欠的に押して吐出口から噴射する金属噴射装置であって、押圧体は、吐出口又は吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁を有するものである。
本実施の形態によれば、吐出口又は吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁の作用によって、溶融金属に掛かる押圧力を吐出ノズルの吐出口に集中させることができる。従って、焦点付近に高圧部を発生させ、その圧力によって吐出口からドット状の溶融金属を噴射させることが可能となる。
第６の実施の形態による金属噴射方法は、吐出ノズルから溶融した金属材料を粒状に噴射させる工程と、吐出ノズルの吐出口周辺に不活性ガスを供給する工程とを有するものである。
本実施の形態によれば、不活性ガスを充満させた空間内に吐出ノズルから金属の粒状体を噴射させることができるので、ノズルから噴出した溶融金属がノズル吐出口の近傍で酸化しない。従って、金属噴射ノズルのノズル詰まりを防止することができる。また、ノズルから噴出した溶融金属の粒状体形状を球状化することができる。
第７の実施の形態による噴射装置は、第４又は第５の実施の形態における溶融金属を、金属粉若しくは非金属粉と液体との混合体、又は液体に代えたものである。
本実施の形態によれば、混合体又は液体に掛かる押圧力を吐出ノズルの吐出口に集中させることができる。従って、焦点付近に高圧部を発生させ、その圧力によって吐出口からドット状の混合体又は液体を噴射させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】    図１は、本発明の実施例１における金属噴射装置の構成を示す一部断面側面図
図２は、本発明の実施例２における金属噴射装置の構成を示す概念図
図３は、本発明の実施例３における金属噴射装置の構成を示す概念図
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の実施例１における金属噴射装置の構成を示す一部断面側面図である。本実施例の金属噴射装置の構成は、ノズル本体３０の中心部から噴射させる溶融金属２０を内部に有する吐出ノズル３１と、ドットを吐出するための吐出口３２とが配置されている。不活性ガス２１を供給するガス流路３３の経路途中には、加熱手段としてのヒータ３９が設けられている。吐出ノズル３１の吐出口３２および不活性ガス供給手段としてのガス流路３３の先端には、溶融金属２０および不活性ガス２１の通路となる空間３５を有するノズルカバー３４が設けられている。換言すれば、ノズルカバー３４は、吐出口３２およびガス流路３３の出口に連通して下方に開口した空間３５を有する構成である。ノズルカバー３４の空間３５の開口部下方周囲には、リング状の突出部３６が形成されている。ノズル本体３０の内部または外部には、吐出ノズル３１を加熱する加熱手段としてのヒータ３７が設けられている。
吐出ノズル３１には金属供給路３８が連通しており、外部から金属供給路３８を介して吐出ノズル３１に溶融金属２０が供給される。ガス流路３３には外部から溶融金属２０と反応しない窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス２１が供給される。
吐出口３２に対向した位置には、作製すべき製品２６を支持する支持部材２５が配置されており、吐出口３２と支持部材２５は相対的に移動可能に構成される。吐出口３２と支持部材２５の移動機構、移動方法は特許文献１に記載されたものと同一でよく、ここでは説明は省略する。
なお、ガス流路３３は、ノズル本体３０とノズルカバー３４との間に溝を設けて構成してもよい。すなわち、ノズル本体３０又はノズルカバー３４のいずれかの面に、螺旋状の溝又は蛇行させた溝を設けることで構成してもよい。また加熱手段として、ヒータ３７とヒータ３９を設けたが、ヒータ３７によってガス流路３３を加熱する構成であってもよい。
次に動作を説明する。ノズル本体３０内の吐出ノズル３１には、金属供給路３８を介して吐出させるべき溶融金属２０が供給される。溶融金属２０としては、作製する製品２６を構成する金属材料が使用され、たとえば、半田、銀、錫合金などの鉛フリー半田、融点の低いホワイトメタルの合金、あるいはアルミニウムなどが任意に選択され、製品２６の構造に従って適宜その種類を変更して使用される。溶融金属２０は溶融した状態で供給され、吐出ノズル３１内に充満させる。このとき、ヒータ３７で吐出ノズル３１を加熱することにより溶融金属２０の溶融状態を維持することができる。
一方、ガス流路３３には、溶融金属２０とは反応しない不活性ガス２１が供給される。不活性ガス２１の供給量は、ノズルカバー３４の空間３５内に不活性ガス２１が充満され、わずかにノズルカバーから流出する程度の微量でよい。不活性ガス２１のガス供給路３３もヒータ３９で加熱されているので、空間３５内に充満する不活性ガス２１も加熱状態を維持している。従って、空間３５内の不活性ガス２１は浮力により空間３５内にとどまり、ノズルカバー３４から外部に漏れる量は微量である。また、ノズルカバー３４の先端である空間出口の周囲には、リング状の突出部３６が形成されており、この突出部３６により、ノズルカバー３４の外部から空気や酸素などの外気２７が、ノズルカバー３４の空間３５内に侵入することを防止する。従って、空間３５は外気２７に接しているにもかかわらず、常時不活性ガス２１が充満した状態を保つことができる。
この状態で、吐出ノズル３１内の溶融金属２０に吐出信号２２を与えると、吐出信号２２に応じて溶融金属２０が吐出口３２から空間３５内に粒状体２３として吐出する。吐出信号２２としては、特許文献１に記載されている放電による方法、圧電素子による方法、レーザ照射による方法など溶融金属の種類に応じて適宜選択した方法で与えることができる。
空間３５内は、前述したように不活性ガス２１が充満しているので、金属の粒状体２３は酸化することがなく瞬間的に球状になる。球状の粒状体２３は、吐出信号２２によるパワーでノズルカバー３４の空間３５から外部に噴射され、支持部材２５上に順次堆積して、製品２６が形成される。この粒状体２３の堆積による製品２６のうち、三次元構造体の製造過程は特許文献１に記載された方法と同様である。
以上のように実施例１の金属噴射装置によれば、空間３５内に不活性ガス２１が充満していると吐出直後に酸化しないので、吐出口３２の付近に酸化金属が溜まってノズル詰まりを起こすことがなくなるだけでなく、吐出口３２から噴出した溶融金属の形状を球状化（真球状化）することができる。
（第２実施例）
図２は、本発明の実施例２における金属噴射装置の構成を示す概念図である。実施例２の金属噴射装置においては、実施例１に比べて、吐出ノズル４１の一方端にある吐出口４２、この吐出口４２側に位置する吐出ノズル４１の内壁４１ａ、および吐出ノズル４１の他方端にあって溶融金属２０を押圧する押圧体４３の構成が異なり、他は実施例１と同じ構成である。吐出ノズル４１は円筒形状からなり、その上部に円柱形状の押圧体４３を内蔵する。吐出ノズル４１の吐出口４２側にあって溶融金属２０に接する内壁４１ａは、曲面形状に作製されている。そして、吐出ノズル４１は、その溶融金属２０を噴射させる吐出口４２を内壁４１ａの曲面が結ぶ焦点４４の近くに配置する構成となっている。
換言すれば、吐出ノズル４１は、吐出口４２の中心または近傍に焦点４４を結ぶ曲面形状の内壁４１ａを有する構成である。この内壁４１ａの曲面形状としては、例えば焦点距離が短く吐出口４２に焦点４４を持ってくるのに容易な放物線の曲面からなるパラボラ形状がある。そして、押圧体４３は、吐出口４２から噴出させる溶融金属２０を背後から押圧するための手段であり、例えば圧電素子からなり、吐出信号２２によって例えばパルス運動する。
次に動作を説明する。押圧体４３で溶融金属２０を間欠的に押すと、パラボラ形状を有する内壁４１ａの作用で溶融金属２０にかかった圧力波を、焦点４４に、即ち焦点４４近傍の吐出口４２に、集中させることができる。その結果、焦点４４付近に発生させた高圧部によって、吐出口４２からドット状の溶融金属２０を噴射させることができる。その他の動作および作用は実施例１と同様であるので説明を省略する。
以上のように、実施例２の金属噴射装置によれば、空間３５内に不活性ガスを充満させた状態で、この空間３５内に吐出口４２から溶融金属２０の粒状体２３を噴射させることができるので、実施例１と同様に、吐出口４２から噴出した溶融金属２０が吐出口４２の近傍で酸化しない。従って、吐出口４２のノズル詰まりを防止できる。また、粒状体２３がドット状で噴出するので、溶融金属２０の形状を球状化することができる。
（第３実施例）
図３は、本発明の実施例３における金属噴射装置の構成を示す概念図である。実施例３の金属噴射装置においては、実施例２に比べて、吐出ノズル３１、この吐出ノズル３１の一方端にある吐出口３２、および吐出ノズル３１の他方端にあって溶融金属２０を押圧する押圧体４５の構成が異なり、他は実施例２と同じ構成である。吐出ノズル３１は円筒形状からなり、その上部に円柱形状の押圧体４５を内蔵する。押圧体４５は、吐出口３２から噴出させる溶融金属２０を背後から押して高圧にするものであり、例えば圧電素子からなり、吐出信号２２によってパルス運動する。また、押圧体４５の溶融金属２０に接する側となる押圧体内壁４５ａは、曲面形状に作製されている。例えば焦点距離が長く吐出口に焦点４４を持ってきやすい凹面鏡形状に作製されている。そして、吐出ノズル３１は、その溶融金属２０を噴射させる吐出口３２を、押圧体内壁４５ａの曲面が結ぶ焦点４４の近くに配置する構成となっている。換言すれば、押圧体４５は、吐出ノズル３１の吐出口３２の中心または近傍に焦点４４を結ぶ曲面形状の押圧体内壁４５ａを有する構成である。
次に動作を説明する。押圧体４５で背後から溶融金属２０を間欠的に押すと、凹面鏡形状を有する押圧体内壁４５ａの作用で溶融金属２０に掛かった圧力を焦点４４に集中させることができる。その結果、焦点４４近傍の吐出ノズル３１の吐出口３２から、瞬間的に高圧でドット状の溶融金属２０を噴射させることができる。その他の動作および作用は実施例１及び実施例２と同様であるので説明を省略する。
以上のように、実施例３の金属噴射装置によれば、空間３５内に不活性ガスを充満させた状態で、この空間３５内に吐出口３２から溶融金属２０の粒状体２３を噴射させることができるので、実施例２と同様に、吐出口３２から噴出した溶融金属２０が酸化しない。従って、吐出口３２のノズル詰まりを防止できる。また、粒状体２３がドット状で噴出するので、溶融金属２０の形状を球状化することができる。
なお、上記実施例においては、吐出ノズル４１の内壁４１ａ、又は押圧体内壁４５ａのいずれかを、パラボラ形状からなる曲面形状で構成したものを説明したが、吐出ノズル４１の内壁４１ａ及び押圧体内壁４５ａの双方の形状によって、吐出口３２、４２、又は吐出口３２、４２の近傍に焦点４４が位置するように構成してもよい。また、吐出口３２、４２、又は吐出口３２、４２の近傍に焦点４４が位置するように構成するためには、必ずしもパラボラ形状でなくてもよい。
また、上記実施例２及び実施例３においては、溶融金属を噴出させる金属噴射装置として説明したが、必ずしも溶融金属でなくても、金属粉若しくは非金属粉と液体との混合体や、吐出口３２、４２から重力によって自然落下しない程度の粘性を有する液体に代えても同様の効果を奏する。なお、金属粉若しくは非金属粉と液体との混合体、又は液体の場合には、酸化作用を生じないため、不活性ガスを供給したり、不活性ガスを充満させる空間３５を設ける必要はない。
以上のように本発明の金属噴射装置および噴射方法によれば、簡便な方法でノズル先端部のみを不活性ガスで充満させた状態とし、吐出ノズルから金属の粒状体を噴射させることができるので、ノズルから噴出した溶融金属が酸化しない。従って、金属噴射ノズルのノズル詰まりを防止することができる。また、ノズルから噴出した溶融金属の粒状体形状を球状化することができる。さらに、空間の開口周辺の突出部により、空間内への外部からの空気や酸素の侵入を防止することができる。
また、本発明の金属噴射装置によれば、吐出口近傍に焦点を結ぶ曲面形状の内壁の作用によって、溶融金属に掛かる押圧力を吐出ノズルの吐出口に集中させることができる。従って、焦点付近に高圧部を発生させ、その圧力によって吐出口からドット状の溶融金属を噴射させることができる。
【産業上の利用可能性】  本発明は、溶融した金属を噴射させて回路の接合を行う実装や三次元構造体を製造する装置などに利用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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