(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射装置に用いられるスプレーノズルであって、
皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体と、
上記ノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有するノズル先端部と、
を備え、
上記第１通路は、上記第２通路の断面と相似形の断面を有し、かつ、上記第２通路の内面と面一の内面を有する、スプレーノズル。
【請求項２】
上記第２通路は略矩形である、請求項１に記載のスプレーノズル。
【請求項３】
上記ノズル先端部は上記ノズル本体と一体である、請求項１または２に記載のスプレーノズル。
【請求項４】
上記ノズル先端部は上記ノズル本体に対して脱着可能である、請求項１から３の何れか１項に記載のスプレーノズル。
【請求項５】
上記溶射装置は、コールドスプレー装置である、請求項１から４の何れか１項に記載のスプレーノズル。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載のスプレーノズルを備えた、溶射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射装置に用いられるスプレーノズル、ノズル先端部、及び、該スプレーノズルを備えた溶射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の溶射技術として、例えばコールドスプレーが知られている。通常、コールドスプレーに使用されるスプレーノズルは、高圧ガスを亜音速から超音速まで加速することが可能なラバルノズル構造（Ｌａｖａｌ  ｎｏｚｚｌｅ）を有する。また、スプレーノズルは、円形断面または矩形断面を有する。そのような従来のスプレーノズルは、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特表２００８−５４０１１５号公報（２００８年１１月２０日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような従来技術は以下の課題を有する。【０００５】
コールドスプレーに使用される従来のスプレーノズル内を高圧ガス（流体）が通過するとき、ラバルノズル構造によって流体が加速して、流体エネルギーが上昇する。流体エネルギーは、スプレーノズル断面の中央部が最も高く、壁面に近づくほど低くなる。その結果、対象物（基板等）上の皮膜は、中央部が厚く、端部ほど薄くなる。あるいは、スプレーノズル断面の中央部の流体エネルギーが高すぎると、皮膜の中央部が崩れてしまう場合もある。【０００６】
このように、従来のスプレーノズルは、皮膜の膜厚が不安定になりやすい。皮膜の膜厚が不安定になると、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）も不安定になるという課題が生ずる。スプレーノズルを使用する他の溶射技術（エアロゾルデポジション等）も同様の課題を有する。【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、皮膜の膜厚差を軽減することが可能な、スプレーノズル、ノズル先端部、及び溶射装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るスプレーノズルは、溶射装置に用いられるスプレーノズルであって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体と、上記ノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有するノズル先端部と、を備える。【０００９】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るノズル先端部は、溶射装置のスプレーノズルに設けられるノズル先端部であって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様によれば、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係るスプレーノズルの概略形状を示し、左図はスプレーノズルの側面図を、右図はスプレーノズルの先端部を示す。
【図２】本実施形態に係るコールドスプレー装置の概略図である。
【図３】本実施形態に係る第２通路の他の例を示す。
【図４】本実施例に係るスプレーノズルの先端部の一例を示す写真である。
【図５】図４の本実施形態に係るスプレーノズルと従来のスプレーノズルとで皮膜の膜厚を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１３】
本実施形態は、溶射装置（方法）全般に適用することができる。溶射装置（方法）としては、例えば、コールドスプレーまたはエアロゾルデポジション等を挙げることができる。本実施形態では、コールドスプレーを例に説明する。
〔コールドスプレー〕
近年、コールドスプレーと呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレーは、皮膜材料の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に皮膜材料を投入し加速させ、固相状態のまま基材等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
【００１４】
コールドスプレーの皮膜原理は、次のように理解されている。
【００１５】
皮膜材料が基材に付着・堆積して皮膜するには、ある臨界値以上の衝突速度が必要であり、これを臨界速度と称する。皮膜材料が臨界速度よりも低い速度で基材と衝突すると、基材が摩耗し、基材には小さなクレーター状の窪みしかできない。臨界速度は、皮膜材料の材質、大きさ、形状、温度、酸素含有量、又は基材の材質などによって変化する。
【００１６】
皮膜材料が基材に対して臨界速度以上の速度で衝突すると、皮膜材料と基材（あるいはすでに成形された皮膜）との界面付近で大きなせん断による塑性変形が生じる。この塑性変形、及び衝突による固体内の強い衝撃波の発生に伴い、界面付近の温度も上昇し、その過程で、皮膜材料と基材、および、皮膜材料と皮膜（すでに付着した皮膜材料）との間で固相接合が生じる。
【００１７】
（コールドスプレー装置１００）
図２は、コールドスプレー装置１００の概略図である。図２に示すように、コールドスプレー装置１００は、タンク１１０と、ヒーター１２０と、スプレーノズル１と、フィーダ１４０と、基材ホルダー１５０と、制御装置（不図示）とを備える。
【００１８】
タンク１１０は、キャリアガスを貯蔵する。キャリアガスは、タンク１１０からヒーター１２０へ供給される。キャリアガスの一例として、窒素、ヘリウム、空気、またはそれらの混合ガスが挙げられる。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において、例えば７０ＰＳＩ以上１５０ＰＳＩ以下（約０．４８Ｍｐａ以上約１．０３Ｍｐａ以下）となるよう調整される。ただし、タンク１１０の出口におけるキャリアガスの圧力は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
【００１９】
ヒーター１２０は、タンク１１０から供給されたキャリアガスを加熱する。より具体的に、キャリアガスは、フィーダ１４０からスプレーノズル１に供給される皮膜材料の融点より低い温度に加熱される。例えば、キャリアガスは、ヒーター１２０の出口において測定したときに、５０℃以上５００℃以下の範囲で加熱される。ただし、キャリアガスの加熱温度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
【００２０】
キャリアガスは、ヒーター１２０により加熱された後、スプレーノズル１へ供給される。
【００２１】
スプレーノズル１は、ヒーター１２０により加熱されたキャリアガスを３００ｍ／ｓ以上１２００ｍ／ｓ以下の範囲で加速し、基材１７０へ向けて噴射する。なお、キャリアガスの速度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
【００２２】
フィーダ１４０は、スプレーノズル１により加速されるキャリアガスの流れの中に皮膜材料を供給する。フィーダ１４０から供給される皮膜材料の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下といった大きさである。フィーダ１４０から供給された皮膜材料は、スプレーノズル１からキャリアガスとともに基材１７０へ噴射される。
【００２３】
基材ホルダー１５０は、基材１７０を固定する。基材ホルダー１５０に固定された基材１７０に対して、キャリアガス、及び皮膜材料がスプレーノズル１から噴射される。基材１７０の表面とスプレーノズル１の先端との距離は、例えば、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で調整される。基材１７０の表面とスプレーノズル１の先端との距離が１ｍｍよりも近いと皮膜材料の噴射速度が低下する。これは、スプレーノズル１から噴出したキャリアガスがスプレーノズル１内に逆流するためである。このとき、キャリアガスが逆流した際に生じる圧力により、スプレーノズル１に接続された部材（ホース等）が外れる場合もある。一方、基材１７０の表面とスプレーノズル１の先端との距離が３０ｍｍよりも離れると皮膜効率が低下する。これは、スプレーノズル１から噴出したキャリアガス及び皮膜材料が基材１７０に到達し難くなるである。
【００２４】
ただし、基材１７０の表面とスプレーノズル１との距離は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
【００２５】
制御装置は、予め記憶した情報、及び／又は、オペレーターの入力に基づいて、コールドスプレー装置１００を制御する。より具体的に、制御装置は、タンク１１０からヒーター１２０へ供給されるキャリアガスの圧力、ヒーター１２０により加熱されるキャリアガスの温度、フィーダ１４０から供給される皮膜材料の種類および量、及び基材１７０の表面とスプレーノズル１との距離などを制御する。
【００２６】
コールドスプレー装置１００では、周知の皮膜材料を用いてコールドスプレーしてよい。例えば、皮膜材料として、ニッケル粉末、錫粉末、又は錫粉末と亜鉛粉末との混合材料などを用いることができる。
【００２７】
コールドスプレー装置１００を用いることにより、コールドスプレーの利点を享受することができる。コールドスプレーの利点は、例えば次のとおりである。（１）皮膜の酸化抑制、（２）皮膜の熱変質の抑制、（３）緻密な皮膜形成、（４）ヒュームの発生抑制、（５）必要最小限のマスキング、（６）シンプルな装置による皮膜形成、（７）短時間での厚い金属皮膜の形成。
【００２８】
（スプレーノズル）
以下、本実施形態に係るスプレーノズル１を図１等により説明する。以下の説明において、「断面」とは、皮膜材料及びキャリアガスが通過する、スプレーノズル１に形成された通路の断面であって、皮膜材料及びキャリアガスの流れ方向に垂直な方向の断面をいうものとする。
【００２９】
図１は、本実施形態に係るスプレーノズル１の概略形状を示し、左図はスプレーノズル１の側面図（上面図）を、右図はスプレーノズル１の先端部１６を示す。
【００３０】
スプレーノズル１は、例えば、先細末広ノズルである。スプレーノズル１は、ノズル本体１５と先端部（ノズル先端部）１６とを備える。ノズル本体１５は、皮膜材料及びキャリアガスの流れに沿って、断面積縮小部１０、スロート部１２、断面積拡大部１４の順序で構成される。
【００３１】
断面積縮小部１０は、皮膜材料及びキャリアガスの流れに沿ってスプレーノズル１の断面積が徐々に縮小する部分である。スロート部１２は、スプレーノズル１の断面積が最も小さい部分である。断面積拡大部１４は、皮膜材料及びキャリアガスの流れに沿ってスプレーノズル１の断面積が徐々に拡大する部分である。先端部１６は、皮膜材料及びキャリアガスの出口部分である。
【００３２】
断面積縮小部１０、スロート部１２、断面積拡大部１４、及び先端部１６は一体に形成されてよい。あるいは、先端部１６は、断面積拡大部１４に脱着可能に構成されてよい。先端部１６が断面積拡大部１４に脱着される場合、先端部１６は、公知の任意の方法によって断面積拡大部１４に脱着されてよい。
【００３３】
断面積縮小部１０、スロート部１２、及び断面積拡大部１４は、皮膜材料及びキャリアガスが通過する第１通路２０を有する。先端部１６は、第１通路２０に連通する第２通路２１を有する。図１（右図）に示すように、第２通路２１の断面は、略矩形であり、幅Ｗ、高さＨを有する。図中の点Ｐは、矩形断面の対角線の交点であり、第２通路２１の断面中心を示す。点Ｐにおける第２通路２１の高さはＨ１である（Ｈ１＜Ｈ）。
【００３４】
スプレーノズル１の断面は矩形である。第２通路２１の断面は略矩形である。第２通路２１の断面の長辺に相当する辺Ｌ１〜Ｌ４はそれぞれ、スプレーノズル１の断面の長辺に対して角度θ傾斜する。これにより、第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において拡幅する。その結果、第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において、高さＨ１よりも大きい高さを有する。
【００３５】
第１通路２０は、矩形の断面を有してよい。第１通路２０は第２通路２１の断面と相似形の断面形状を有し、かつ、第１通路２０は第２通路２１の内面と面一の内面を有してよい。
【００３６】
第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において拡幅しているのであれば、図１に記載された断面形状とは異なる断面形状を有してもよい。第２通路２１の他の例を図３により説明する。
【００３７】
図３は、本実施形態に係る第２通路の他の例を示す。以下、複数の例を上から順に説明する。何れの例も、第２通路が断面中心Ｐから離れた位置において拡幅する点が共通する。
【００３８】
先端部３０は、略矩形の第２通路３１を有する。第２通路３１は、矩形の２つの長辺に対応する部分が階段状に形成されている。
【００３９】
先端部３２は、略矩形の第２通路３３を有する。第２通路３３は、矩形の２つの長辺に対応する部分が弧状に形成されている。
【００４０】
先端部３４は、略矩形の第２通路３５を有する。第２通路３５は、第２通路２１と以下の点で相違する。具体的に、第２通路２１では矩形の２つの長辺に対応する部分が傾斜する。これに対して、第２通路３５では矩形の１つの長辺に対応する部分のみが傾斜する。
【００４１】
先端部３６は、略矩形の第２通路３７を有する。第２通路３７は、第２通路３５と以下の点で相違する。具体的に、第２通路３５では矩形の１つの長辺に対応する部分が傾斜する。これに対して、第２通路３７では矩形の１つの長辺の半分のみが傾斜する。
【００４２】
先端部３８は、略矩形の第２通路３９を有する。第２通路３９は、第２通路２１と以下の点で相違する。具体的に、第２通路２１の断面は、断面中心Ｐを基点として点対称である。これに対して、第２通路３９の断面は、断面中心Ｐを基点として点対称ではない。
【００４３】
先端部４０は、第２通路４１を有する。先端部４０の外形は円形である。第２通路４１の外形は略円形である。第２通路４１の断面中心Ｐは、第２通路４１の円の中心である。第２通路４１は、対向する２つの部分（図中の部分４２ａ、部分４２ｂ）が内側に凹んでいる。
【００４４】
このように、本実施形態に係る第２通路は、様々な断面形状を採用することができる。いずれの断面形状においても、第２通路は、断面中心から離れた位置において拡幅する。これにより、本実施形態に係るスプレーノズル１は以下の効果を奏する。
【００４５】
上述したように、従来のスプレーノズルは、皮膜の膜厚が不安定になりやすい。皮膜の膜厚が不安定になると、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）も不安定になるという課題が生じていた。
【００４６】
これに対して、本実施形態に係るスプレーノズル１では、第２通路２１は、断面中心から離れた位置において拡幅する。これにより、スプレーノズル１の内部における流体エネルギーは、従来のスプレーノズルを用いたときよりも、中央部がより低くなり、端部がより高くなる。また、第２通路２１の断面は端部側が広くなるため、スプレーノズル１の成膜範囲も広くなる。その結果、スプレーノズル１は、従来のスプレーノズルよりも端部における皮膜の膜厚が大きくなり、皮膜全体の膜厚差を軽減することができる。それゆえ、スプレーノズル１を用いることにより、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）をより安定させることができる。
【００４７】
（実施例）
次に、スプレーノズル１の効果を図４、図５により説明する。
【００４８】
図４は、本実施例に係るスプレーノズル１の先端部１６の一例を示す写真である。図４に記載の先端部１６の第２通路２１は、Ｈ＝３．３ｍｍ、Ｗ＝１０ｍｍ、θ＝６度である。本実施例において、先端部１６は、断面積縮小部１０、スロート部１２、及び断面積拡大部１４と一体に形成されている。第１通路２０は、第２通路２１の断面と相似形の断面を有する。スロート部１２は、θ＝６度、Ｗ＝４ｍｍの略矩形の断面形状を有する。
【００４９】
図５は、図４のスプレーノズル１と従来のスプレーノズルとで皮膜の膜厚を比較したグラフである。従来のスプレーノズルは、ラバルノズル構造を有し、その先端部の断面は矩形（Ｈ＝３．３ｍｍ、Ｗ＝１０ｍｍ、θ＝０度）である。
【００５０】
図５の横軸は、第２通路２１の幅１０ｍｍに対応する成膜位置を示す。図５の縦軸は、ダイヤルゲージで測定された、皮膜の膜厚を示す。図５のグラフは、以下の条件で得られたグラフである。
・皮膜材料：錫（Ｓｎ）
・皮膜時間：３秒
・成膜位置（成膜の測定位置）：０ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ
・測定結果：３回の測定結果の平均値
・その他の条件：上記の（コールドスプレー装置１００）に記載した条件
図５の結果から、以下（１）、（２）が示される。
（１）成膜位置が端部の場合（成膜位置０ｍｍ〜１ｍｍ、及び、９ｍｍ〜１０ｍｍ）
スプレーノズル１と従来のスプレーノズルとでは膜厚は同様の結果を示した。
（２）成膜位置が中央部の場合（成膜位置１〜９ｍｍ）
スプレーノズル１は、従来のスプレーノズルよりも膜厚が顕著に増加した。膜厚位置によっては、スプレーノズル１を用いることにより膜厚が５０％以上増加している。そして、成膜位置１〜９ｍｍにおいて、膜厚は約２５０μｍと安定している。
【００５１】
上記（２）の理由として、スプレーノズル１内部の流体エネルギー分布が考えられる。
【００５２】
従来のスプレーノズル内部の流体エネルギーは、スプレーノズル断面の中央部が最も高く、壁面に近づくほど低くなる。これにより、対象物（基板等）上の皮膜は、中央部が厚く、端部ほど薄くなる。あるいは、スプレーノズル断面の中央部のエネルギーが高すぎると、皮膜の中央部が崩れてしまう場合もある。このように、従来のスプレーノズルは、皮膜の膜厚が不安定になりやすい。
【００５３】
図５の従来のスプレーノズルによると、膜厚は、成膜位置が約１ｍｍにおいて約２５０μｍ、成膜位置が４〜９ｍｍにおいては約１５０μｍと、両者の差は１００μｍにも及んでいる。
【００５４】
これに対して、本実施例では、第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において拡幅する。これにより、スプレーノズル１の内部の流体エネルギーは、従来のスプレーノズルと比べると、中央部が低くなり、端部は高くなり、エネルギー強度が均されている。これにより、皮膜の膜厚差は減少する。図５の本実施例によると、特に成膜位置１〜８ｍｍにおいては膜厚が約２５０μｍで安定している。膜厚が安定すると、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）も安定する。
（まとめ）
本発明の態様１に係るスプレーノズルは、溶射装置に用いられるスプレーノズルであって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体と、上記ノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有するノズル先端部と、を備える構成である。
【００５５】
上記の構成によれば、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
【００５６】
本発明の態様２に係るスプレーノズルでは、上記の態様１において、上記第１通路は、上記第２通路の断面と相似形の断面を有し、かつ、上記第２通路の内面と面一の内面を有する構成としてもよい。
【００５７】
上記の構成によれば、上記第１通路においても上記第２通路と同様の流体エネルギー分布が形成される。これにより、従来のスプレーノズルと比べ、より多くの皮膜材料が上記第１通路の端部を通過する。上記第１通路の端部を通過した皮膜材料はそのまま上記第２通路の端部を通過する。その結果、より安定した皮膜の形成が可能となり、皮膜の膜厚差をより軽減することができる。
【００５８】
本発明の態様３に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１または２おいて、上記第２通路は略矩形である構成としてもよい。
【００５９】
一般に、断面が矩形のスプレーノズルは、断面が円形のスプレーノズルと比較すると、皮膜の中央部の膜厚を薄くし、かつ、皮膜の幅を広げやすい。そのため、上記構成を備えることにより、本発明の態様３に係るスプレーノズルは、成膜効率をより高めることができる。
【００６０】
本発明の態様４に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１から３の何れかにおいて、上記ノズル先端部は上記ノズル本体と一体である構成としてもよい。
【００６１】
上記の構成によれば、スプレーノズルの製造が容易になる。
【００６２】
本発明の態様５に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１から４の何れかにおいて、上記ノズル先端部は上記ノズル本体に対して脱着可能である構成としてもよい。
【００６３】
上記の構成によれば、製造済みのスプレーノズルに上記ノズル先端部を取り付けることもでき、その場合にも皮膜の膜厚差を軽減することができる。
【００６４】
本発明の態様６に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１から５の何れかにおいて、上記溶射装置は、コールドスプレー装置としてもよい。
【００６５】
上記の構成によれば、コールドスプレーの種々の利点を享受しつつ、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
【００６６】
本発明の態様７に係るノズル先端部は、溶射装置のスプレーノズルに設けられるノズル先端部であって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有する構成である。
【００６７】
上記の構成によれば、上記スプレーノズルと同様の効果を奏する。
【００６８】
本発明の態様８に係る溶射装置は、本発明の態様１から６の何れかに記載のスプレーノズルを備えてもよい。
【００６９】
上記の構成によれば、本発明の態様８に係る溶射装置は、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
【００７０】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１  スプレーノズル
１０  断面積縮小部
１２  スロート部
１４  断面積拡大部
１５  ノズル本体
１６、３０、３２、３４、３６、３８、４０  先端部（ノズル先端部）
２０  第１通路
２１、３１、３３、３５、３７、３９、４１  第２通路
４２ａ、４２ｂ  部分
１００  コールドスプレー装置
１１０  タンク
１２０  ヒーター
１４０  フィーダ
１５０  基材ホルダー
１７０  基材
【要約】
皮膜の膜厚差を軽減するスプレーノズルを実現する。コールドスプレー装置（１００）のスプレーノズル（１）であって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路（２０）を有するノズル本体（１５）と、ノズル本体（１５）の先端部に設けられ、かつ、第１通路（２０）と連通する第２通路（２１）であって、その断面中心（Ｐ）から離れた位置において拡幅する第２通路（２１）を有するノズル先端部（１６）とを備えるスプレーノズル。【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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