JP2009078313A - ウォータノズル - Google Patents

Abstract

【課題】噴射の対象物の金属汚染を抑えることができるウォータノズルを提供する。
【解決手段】後方で加圧された水をオリフィス孔５ａを通過させ加速させて前方に噴射するウォータノズル１は、単結晶ダイヤモンドからなり上記オリフィス孔５ａが形成されたノズルオリフィス部５と、ノズルオリフィス部５を保持するノズルボディ部３と、を備えている。そして、ノズルボディ部３のうちの、少なくとも、後方で加圧された水に接触する部分は、樹脂からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、後方で加圧された水を通過させて前方に噴射するウォータノズルに関するものである。

従来、このような分野の技術として、台金にダイヤモンドチップを保持させてなるウォータノズルが知られている（例えば、下記非特許文献１参照。）。このウォータノズルは、ウォータジェット装置に装着されて用いられるものであり、ノズルの後方に水が導入され加圧されると、水は、ダイヤモンドチップに形成されたオリフィス孔を通過して加速され前方に高速で噴射される。そして、ウォータノズルから噴射された水の運動エネルギを利用して、対象物の加工や洗浄が行われる。
日本ウォータージェット学会編集，「ウォータージェット技術事典」，丸善，１９９３年１１月，Ｐ３６３．

しかしながら、このウォータノズルの後端面には、加圧された水が接触することになるので、上記ウォータノズルの台金の後端面から台金の金属が微量ずつ溶出して、噴射される水に混入することが考えられる。噴射される水に金属が含まれてしまう場合、たとえ微量であっても、例えば半導体ウエハ等の金属汚染を嫌う対象物には使うことができない。また、例えば半導体製造分野でこの種のウォータノズルを用いようとする場合には、噴射される水として超純水が用いられる場合があるが、超純水は物質を溶解する力が大きいので、台金の金属が溶出しやすく、特に上記問題が発生しやすい。

そこで、本発明は、噴射の対象物の金属汚染を抑えることができるウォータノズルを提供することを目的とする。

本発明のウォータノズルは、水を通過させ加速させるオリフィス孔が形成された単結晶ダイヤモンド製のノズルオリフィス部と、ノズルオリフィス部を保持するノズルボディ部と、を備え、後方で加圧された水を、オリフィス孔を通じて前方に噴射するウォータノズルにおいて、ノズルボディ部のうちの、少なくとも、後方で加圧された水に接触する部分は、樹脂からなることを特徴とする。

このウォータノズルは、オリフィス孔が形成された単結晶ダイヤモンド製のノズルオリフィス部と、このノズルオリフィス部を保持するノズルボディ部とを備えている。このウォータノズルの後方に加圧された水が導入されると、水は、ノズルオリフィス部の上記オリフィス孔を通過し加速されて前方に噴射される。このとき、ノズルボディ部の一部にも、上記加圧された水が接触することになる。そして、ノズルボディ部のうち加圧された水に接触する部分は、樹脂からなるので、水に接触したとしても、金属の溶出を発生させない。従って、噴射される水に金属が含まれてしまうことが避けられ、水噴射の対象物における金属汚染が避けられる。

また、この場合、ノズルボディ部のうちの、後方で加圧された水に接触する部分以外のすべての部分が、後方で加圧された水に接触する部分と同じ樹脂からなることとしてもよい。この場合、ノズルボディ部のすべての部分が同じ樹脂からなるので、ノズルボディ部の作製を容易にすることができる。

また、ノズルボディ部のうちの、後方で加圧された水に接触する部分以外の部分は、金属からなることとしてもよい。この構成において、水に接触する部分以外の部分が金属であっても、噴射される水に金属が含まれてしまうことは避けられる。そして、ノズルボディ部に金属が用いられることにより、このウォータノズルの機械的強度が向上する。

本発明のウォータノズルによれば、噴射の対象物の金属汚染を抑えることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るウォータノズルの好適な実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２に示すウォータノズル１は、ウォータジェット加工機やウォータジェット洗浄機といったウォータジェット装置に搭載されるノズルである。このウォータノズル１は、後端面１ａ側で加圧された水を、前方（矢印Ｚ方向）に高速で噴射させるものであり、樹脂からなる円柱形状のノズルボディ部３と、単結晶ダイヤモンドからなるノズルオリフィス部５と、を備えている。ノズルオリフィス部５は、後端面１ａ上に露出するようにノズルボディ部３の後端中央部に埋め込まれており、前後方向に貫通する約０．０５ｍｍ径で、真円度１μｍ以下のオリフィス孔５ａを備えている。そして、ノズルボディ部３は、上記オリフィス孔５ａの前方に連通しラッパ状に広がる噴射孔３ａを備えている。このウォータノズル１では、単結晶ダイヤモンドからなるノズルオリフィス部５が用いられているので、耐摩耗性に優れている。なお、ノズルボディ部３の噴出孔３ａは、オリフィス孔５ａよりも太ければ、ラッパ状に広がる形状でなく円筒形状としてもよい。

このようなウォータノズル１は、図３に示すように、ウォータジェット装置の噴射部に取り付けられて用いられる。すなわち、ウォータノズル１は、ウォータジェット装置の給水管１３の先端に嵌め込まれ、ウォータノズル１の側壁面と給水管１３の内壁面との間は、Ｏリング１５により水密が図られている。更に、開口１７ａが形成されたノズルキャップ１７が、この給水管１３の先端を覆うように、テーパネジ構造１７ｂにより取り付けられて、ウォータノズル１が固定される。

この構成に基づき、水が加圧されて給水管１３に導入されると、水は、ウォータノズル１の後端面１ａに押し付けられる。そして、この水は、ノズルオリフィス部５のオリフィス孔５ａを通過することで流速が高まり、噴射孔３ａを通じて、ウォータノズル１から前方に高速で噴射される。更に、ウォータノズル１から噴射された水は、ノズルキャップ１７の開口１７ａを通過して、前方の対象物に向けて噴射される。

上述のように、このウォータノズル１においては、加圧された水が後端面１ａに接触することになる。すなわち、後端面１ａ側に露出したノズルボディ部３の後端面３ｂ及びノズルオリフィス部５の後端面５ｂに、水が接触する。ここで、従来のウォータノズルのように、焼結金属に代表される金属製のノズルボディ部を採用したとすれば、後端面に接触する水に、ノズルボディ部の金属が微量ずつ溶出することになる。

ウォータジェット装置を、部材の切断等の用途に用いる場合であれば、そのような微量の金属の溶出は問題にならないが、例えば、半導体製造分野において半導体ウエハ等を対象としてウォータジェット装置が用いられる場合には、微量の金属であっても半導体ウエハの金属汚染が重大な問題となる。更に、半導体ウエハを水噴射の対象物とする場合には、噴射される水として超純水が用いられる場合がある。この場合、超純水は物質を溶解する力が大きいので、ノズルボディ部の後端面から金属が溶出しやすく、特に上記問題が発生しやすい。

そこで、このウォータノズル１においては、樹脂製のノズルボディ部３を採用している。従って、このウォータノズル１では、ノズルボディ部３の後端面３ｂが超純水に接触しても、金属の溶出を発生させない。その結果、噴射される超純水に金属が含まれてしまうことが避けられ、半導体ウエハに向けて水を噴射する場合にも、半導体ウエハの金属汚染が避けられる。よって、このウォータノズル１は、半導体製造分野において、金属汚染を嫌う半導体ウエハに対して超純水の噴射を行う場合にも好適に用いることができる。上記ノズルボディ部３を形成する樹脂としては、機械的強度を確保するために、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド、グラスフェノリック樹脂といった熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。また、ノズルボディ部３は、加圧された水に接触する後部だけでなく、全体を同じ樹脂とすることで、ノズルボディ部３を一体成型することができ、ノズルボディ部の作製を容易にすることができる。

但し、樹脂製のノズルボディ部３を用いることから、ノズルボディ部を金属製とした場合よりも、ウォータノズル１の機械的強度は弱くなってしまう。例えば、本発明者らの実験によれば、図３に示す取り付け構造をもってウォータジェット装置の噴射部に取り付けた場合、ウォータノズル１が耐えられる水圧は、約５０ＭＰａ程度であることが判った。

また、ウォータノズルをウォータジェット装置の噴射部に取り付けるための他の取り付け構造としては、図４（ａ）に示すようなものがある。図４（ａ）のウォータノズル１０１の後端面１０１ａの周縁部にはテーパ部１０１ｂが形成されており、その他の構成については、ウォータノズル１と同じである。この場合、ウォータノズル１０１は、上記テーパ部１０１ｂに適合するように形成された給水管１１３の内壁面と、ウォータノズル１０１の前部に適合するように形成されたノズルキャップ１１７と、によって前後方向に挟み込まれて固定される。本発明者らの実験によれば、この構造でも、ウォータノズル１が耐えられる水圧は約５０ＭＰａ程度であることが判った。

従って、樹脂製のノズルボディ部３を備えたウォータノズル１は、水圧約５〜５０ＭＰａの範囲の水圧で用いられる用途（例えば、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの様な細い水流を必要とする溝入れ・切断・剥離・はつり加工や洗浄等）のウォータジェット装置において、特に好適に用いることができる。

なお、ウォータノズルをウォータジェット装置の噴射部に取り付けるための更に他の取り付け構造としては、図４（ｂ）に示すようなものもある。この構造では、ウォータノズル１がノズルキャップ２１７の内側に埋め込まれている。このようにウォータノズル１と一体化したノズルキャップ２１７が、シールテープ及びテーパネジ構造１７ｂをもって給水管１３の先端に取り付けられている。

（第２実施形態）
図５に示すウォータノズル５１は、ノズルオリフィス部５と、そのノズルオリフィス部５を保持するノズルボディ部５３とを備えている。ノズルボディ部５３は、樹脂からなるボディ後部５７と、噴射孔５３ａが形成され金属からなるボディ前部５９とで構成されている。ノズルオリフィス部５は、前端面５ｃをボディ前部５９に当接させ、周囲をボディ後部５７に囲まれた状態で固定されている。なお、ボディ前部５９の材料としては、ステンレスが好適である。

このような構成のウォータノズル５１を、ウォータノズル１に代えて、図３に示すウォータジェット装置に適用した場合にも、加圧された水は、樹脂製のボディ後部５７の後端面５７ｂに接触し、金属製のボディ前部５９には接触しない。従って、前述のウォータノズル１と同様の作用効果が得られる。その上、ボディ前部５９が金属製であることから、ウォータノズル１に比較して機械的強度を高めることができ、用途を広げることができる。

また、ノズル後方の水への金属溶出を抑えるためには、例えば、金属製のノズルボディ部の後端面に、フッソ、セラミック、ウレタン、ナイロン、エンジニアプラスティック、各種樹脂などの、耐摩耗性、すべり性、非反応性のある物質をコーティングすることも考えられる。しかし、このような方法に比較して、ウォータノズル５１では、製造コストが抑えられる点で優れている。

なお、このウォータノズル５１において、前述のウォータノズル１と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、ノズルボディ部３又はボディ後部５７を形成する樹脂としては、熱硬化性樹脂に限られず、ウォータジェット装置の用途に応じて、必要な機械的強度が得られる樹脂材料を適宜選択すればよい。また、ノズルボディ部３，５３の形状は、円柱形状には限られず、ウォータジェット装置の噴射部の形状に追従でき、水密が図られるものであれば、他の形状であってもよい。

本発明に係るウォータノズルの第１実施形態を示す斜視図である。 図１のII-II線における断面図である。 図１のウォータノズルがウォータジェット装置に取り付けられる際の取り付け構造を示す断面図である。 （ａ）は、ウォータノズルがウォータジェット装置へ取り付けられる際の他の取り付け構造を示す断面図であり、（ｂ）は、更に他の取り付け構造を示す断面図である。 本発明に係るウォータノズルの第２実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１，５１…ウォータノズル、３，５３…ノズルボディ部、５…ノズルオリフィス部、５ａ…オリフィス孔、５７…ボディ後部、５９…ボディ前部。

Claims (3)

1. 水を通過させ加速させるオリフィス孔が形成された単結晶ダイヤモンド製のノズルオリフィス部と、前記ノズルオリフィス部を保持するノズルボディ部と、を備え、後方で加圧された水を、前記オリフィス孔を通じて前方に噴射するウォータノズルにおいて、
   前記ノズルボディ部のうちの、少なくとも、前記後方で加圧された水に接触する部分は、樹脂からなることを特徴とするウォータノズル。
2. 前記ノズルボディ部のうちの、前記後方で加圧された水に接触する部分以外のすべての部分が、前記後方で加圧された水に接触する部分と同じ樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載のウォータノズル。
3. 前記ノズルボディ部のうちの、前記後方で加圧された水に接触する部分以外の部分は、金属からなることを特徴とする請求項１に記載のウォータノズル。

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