微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
【課題】粒径が小さく、粒径のばらつきが小さい微粒子を製造することができる製造装置および微粒子の製造方法を提供する。
【解決手段】微粒子の製造装置は、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給する原料供給手段と、内部に熱プラズマ炎が発生されるものであり、原料供給手段により間歇的に供給される原料を熱プラズマ炎で蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、プラズマトーチの内部に熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生手段とを有する。
【解決手段】微粒子の製造装置は、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給する原料供給手段と、内部に熱プラズマ炎が発生されるものであり、原料供給手段により間歇的に供給される原料を熱プラズマ炎で蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、プラズマトーチの内部に熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生手段とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いたナノサイズの微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関し、特に、得られる微粒子の粒径が小さく、粒径のばらつきが小さい微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子等の微粒子は、半導体基板、プリント基板、各種電気絶縁部品などの電気絶縁材料、切削工具、ダイス、軸受などの高硬度高精度の機械工作材料、粒界コンデンサ、湿度センサなどの機能性材料、精密焼結成形材料などの焼結体の製造、エンジンバルブなどの高温耐摩耗性が要求される材料などの溶射部品製造、さらには燃料電池の電極、電解質材料および各種触媒などの分野で用いられている。このような微粒子を用いることにより、焼結体および溶射部品などにおける異種セラミックス同士または異種金属同士の接合強度および緻密性、更には機能性を向上させている。
【０００３】
このような微粒子を製造する方法の一つに、気相法がある。気相法には、各種のガス等を高温で化学反応させる化学的方法と、電子ビームまたはレーザなどのビームを照射して物質を分解・蒸発させ、微粒子を生成する物理的方法とがある。
【０００４】
上記気相法の中の一つとして、熱プラズマ法がある。熱プラズマ法は、熱プラズマ中で原材料を瞬時に蒸発させた後、急冷凝固させ、微粒子を製造する方法である。また、熱プラズマ法は、クリーンで生産性が高く、高温で熱容量が大きいため高融点材料にも対応可能であり、他の気相法に比べて複合化が比較的容易であるといった多くの利点を有する。このため、熱プラズマ法は、微粒子を製造する方法として積極的に利用されている。
【０００５】
従来の熱プラズマ法を用いた微粒子の製造方法では、原材料物質を粉末状にし、この粉末状にされた原材料（粉末原材料、粉体）をキャリアガス等と共に、分散させて直接熱プラズマ中に投入することにより、微粒子を製造している。
【０００６】
また、特許文献１には、微粒子製造用材料を可燃性材料中に分散させたスラリー、または微粒子製造用材料を分散媒と可燃性材料とを用いたスラリーを、液滴化させて連続的に熱プラズマ炎中に導入して、気相状態の混合物にし、気相状態の混合物を急冷することにより、微粒子を生成する微粒子の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１０２７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の微粒子の製造方法では、ナノサイズの微粒子を製造することができるものの、得られる微粒子のばらつきをコントロールすることができないという問題点がある。また、より小さな微粒子を生成するのが困難であるという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、粒径が小さく、粒径のばらつきが小さい微粒子を製造することができる製造装置および微粒子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、微粒子の製造装置であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給する原料供給手段と、内部に前記熱プラズマ炎が発生されるものであり、前記原料供給手段により間歇的に供給される前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、前記プラズマトーチの内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生手段とを有することを特徴とする微粒子の製造装置を提供するものである。
【００１１】
前記プラズマ発生手段は、前記プラズマトーチに設けられたコイルに前記熱プラズマ炎を発生させるための電流を供給するとともに、前記コイルへの電流を振幅変調させることができる電源部を備えるものであり、前記プラズマ発生手段は、前記コイルへの電流を振幅変調させることにより前記熱プラズマ炎を周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にさせ、前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調された変調誘導熱プラズマ炎を発生させるものであることが好ましい。
【００１２】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記プラズマ発生手段に、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記コイルへの電流の振幅を相対的に大きくし、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態させる制御部とを有することが好ましい。
【００１３】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料供給手段に、前記コイルへの電流の振幅が相対的に大きくなり、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給させる制御部とを有することが好ましい。
【００１４】
また、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を粒子状態に分散させ、前記粒子状態に分散された前記原料を間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。この場合、前記原料は、気体により粒子状態に分散される。
さらに、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を分散媒中に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。
さらにまた、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を分散媒中に分散させてコロイド溶液にし、前記コロイド溶液を液滴化して間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。
また、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を溶媒中に溶解させて溶液にし、前記溶解させた溶液を液滴化して間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。
【００１５】
前記電源部において前記コイルへの電流を振幅変調する際には、前記コイルへの電流を予め定められている波形により振幅変調させることが好ましい。
前記電源部において前記コイル電流を振幅変調する際に用いる予め定められている波形として、矩形波、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、もしくは正弦波を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができる。
前記コイルへの電流を振幅変調させる前記所定時間間隔は、マイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、微粒子の製造方法であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給して、前記原料を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して微粒子を製造することを特徴とする微粒子の製造方法を提供するものである。
【００１７】
前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されて周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態とにされる変調誘導熱プラズマ炎に、前記原料を間歇的に供給することが好ましい。
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態することが好ましい。
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給することが好ましい。
【００１８】
また、前記原料は、例えば、粒子状態に分散されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。この場合、前記原料は、気体により粒子状態に分散される。
さらに、前記原料は、例えば、分散媒中に分散されてスラリーにされ、前記スラリーが液滴化されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。
さらにまた、前記原料は、例えば、分散媒中に懸濁されてコロイド溶液にされ、前記コロイド溶液が液滴化されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。
また、前記原料は、例えば、溶媒中に溶解された溶液にされ、前記溶解させた溶液が液滴化されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の微粒子の製造装置および製造方法によれば、粒径が小さく、しかも粒径のばらつきが小さい微粒子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置の原料供給部の概略構成を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置のプラズマトーチを示す模式的部分断面図である。
【図４】パルス変調時のコイル電流の時間変化を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、コイル電流を変調するためのパルス制御信号を示すグラフであり、（ｂ）は、バルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は、原料の供給を示すグラフである。
【図６】変調誘導熱プラズマ炎の分光分析の結果の一例を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、バルブへの入力波形信号を示すグラフであり、（ｂ）は、変調誘導熱プラズマ炎のＴｉおよびＴｉＯの放射強度の時間変化の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置の原料供給部の他の例を示す模式図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、フィルターで回収した実験例１〜３の微粒子のＳＥＭ画像を示す（写真代用）図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、フィルターで回収した実験例１〜３の微粒子の粒径度数分布を示すグラフである。
【図１１】実験例４〜９の微粒子の粒径を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置を示す模式図である。
【００２２】
図１に示す微粒子の製造装置（以下、単に製造装置という）１０は、例えば、粉体原料を用いてナノサイズの微粒子を製造するものである。この粉体原料としては、例えば、Ｔｉ粉末が用いられる。
製造装置１０は、原料供給部１２と、高周波変調誘導熱プラズマ発生部（プラズマ発生手段）１４と、プラズマトーチ１６と、チャンバー１８と、回収部２０と、間歇供給部２２と、プラズマ分光分析部（分光分析手段）２８と、ＤＳＰ（制御部）３０と、プラズマガス供給部３２とを有する。原料供給部１２と間歇供給部２２とにより原料供給手段が構成される。
【００２３】
原料供給部１２は間歇供給部２２に接続されている。この間歇供給部２２とプラズマトーチ１６とは、中空状の水冷プローブ２４を介して接続されている。また、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４により、プラズマトーチ１６の内部に変調誘導熱プラズマ炎１００が発生されるとともに、熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されて、変調誘導熱プラズマ炎１００が周期的に高温状態と低温状態とになる。
また、製造装置１０では、プラズマ分光分析部２８により、変調誘導熱プラズマ炎１００について分光分析され、ＤＳＰ３０により変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光のうち、原料に由来する波長の光の強度に基づいて高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４により変調誘導熱プラズマ炎１００の温度状態が時間変調される。
【００２４】
原料供給部１２は、間歇供給部２２とともに、微粒子製造用の原料をプラズマトーチ１６の内部で発生する熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中に供給するためのものである。この原料供給部１２は、搬送管８２（図２参照）を介してプラズマトーチ１６の上部に設けられた間歇供給部２２のバルブ２２ｃに接続されている。
【００２５】
例えば、微粒子製造用の原料に粉体を用いた場合、プラズマトーチ１６内の熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中に原料が供給される際には原料が分散されている必要がある。このため、原料は、キャリガスに分散させて供給される。この場合、例えば、原料供給部１２は、粉体原料を分散状態に維持しつつ、定量的にプラズマトーチ１６内部の熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中に供給するものである。このような機能を有する原料供給部１２としては、例えば、本出願人の出願に係る特許第３２１７４１５号公報に開示されている粉体分散装置のような装置が利用可能である。
【００２６】
原料供給部１２は、図２に示すように、主に、粉体原料を貯蔵する貯蔵槽４２と、粉体原料を定量搬送するスクリューフィーダ６０と、スクリューフィーダ６０で搬送された粉体原料が最終的に散布される前に、これを一次粒子の状態に分散させる分散部７０とから構成されている。
【００２７】
貯蔵槽４２の内部には、貯蔵された粉体原料４４の凝集を防止するために、攪拌軸４６とそれに接続された攪拌羽根４８とが設けられる。攪拌軸４６は、オイルシール５０ａと軸受け５２ａとによって、貯蔵槽４２内で回転可能に配設されている。また、貯蔵槽４２外部にある攪拌軸４６の端部は、モータ５４ａに接続されており、図示しない制御装置によってその回転が制御される。
【００２８】
貯蔵槽４２の下部には、スクリューフィーダ６０が設けられ、粉体原料４４の定量的な搬送を可能にする。スクリューフィーダ６０は、スクリュー６２と、スクリュー６２の軸６４と、ケーシング６６と、スクリュー６２の回転動力源であるモータ５４ｂとを含み構成されている。スクリュー６２および軸６４は、貯蔵槽４２内の下部を横切って設けられている。軸６４は、オイルシール５０ｂと軸受け５２ｂとによって貯蔵槽４２内で回転可能に配設されている。
【００２９】
また、貯蔵槽４２外部にある軸６４の端部は、モータ５４ｂに接続されており、図示しない制御装置によってその回転が制御される。さらに、貯蔵槽４２の下部の開口部と、後述する分散部７０とを接続し、スクリュー６２を包む筒状通路であるケーシング６６が設けられる。ケーシング６６は、後述する分散部７０の内部途中まで延設されている。
【００３０】
図２に示すように、分散部７０は、ケーシング６６の一部に外挿固定された外管７２と、軸６４の先端部に植設された回転ブラシ５６を有し、スクリューフィーダ６０によって定量搬送された粉体原料４４を一次分散させることができる。
外管７２の外挿固定された端部と反対の端部は、その形状が円錐台形状であり、その内部にも円錐台形状の空間である粉体分散室７４を有する。また、その端部には分散部７０で分散された粉体原料を搬送する搬送管８２が接続される。この搬送管８２は、バルブ２２ｃに接続されている。
【００３１】
外管７２の側面には気体供給口７８が設けられており、また、ケーシング６６の外壁と外管７２の内壁とによって設けられる空間は、供給された気体が通過する気体通路８０としての機能を有する。
回転ブラシ５６は、ナイロン等の比較的柔軟な材質、あるいは鋼線等の硬質な材質からなる針状部材で、ケーシング６６の先端部近傍の内部から粉体分散室７４の内部まで、軸６４の径外方に延出して密集植設されることによって形成される。
【００３２】
分散部７０では、分散・搬送用の気体（キャリアガス）が、図示しない圧力気体供給源から気体供給口７８、気体通路８０を通って回転ブラシ５６の径方向外側から回転ブラシ５６に噴出され、定量的に搬送される粉体原料４４が、回転ブラシ５６の針状部材間を通過することで一次粒子に分散される。なお、キャリアガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス，窒素ガス、水素ガス等が単独、またはこれらを適宜組み合わせて用いられる。
【００３３】
搬送管８２は、その一端は外管７２と接続され、他端はプラズマトーチ１６に接続される。また、搬送管８２は、その管径の１０倍以上の管長を有し、少なくとも途中に分散粉体を含む気流が流速２０ｍ／ｓｅｃ以上になる管径部分を設けることが好ましい。これにより分散部７０で一次粒子の状態に分散された粉体原料４４の凝集を防止し上記の分散状態を維持したまま、粉体原料４４をバルブ２２ｃに供給し、バルブ２２ｃから水冷プローブ２４を経てプラズマトーチ１６内部に散布される。
例えば、微粒子製造用の原料として使用する粉体原料は、熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中で蒸発させることができるものであり、その粒径が１００μｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
プラズマトーチ１６は、内部に熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００が発生されるものであり、変調誘導熱プラズマ炎１００中に間歇的に供給される原料を、熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００で蒸発させて気相状態の混合物とするものである。
なお、熱プラズマ炎とは、温度状態が時間変調されてないプラズマ炎のことであり、変調誘導熱プラズマ炎とは、熱プラズマ炎が所定時間間隔で周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にされたもの、すなわち、熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されたものである。
図３に示すように、プラズマトーチ１６は、石英管１６ａと、その外側を取り巻く高周波発振用コイル１６ｂとで構成されている。プラズマトーチ１６の上部には、水冷プローブ２４が挿入される供給口１６ｃがその中央部に設けられており、プラズマガス供給口１６ｄがその周辺部（同一円周上）に形成されている。
水冷プローブ２４により、例えば、原料粉末であるＴｉ粒子と、Ａｒガス等のキャリアガスとがプラズマトーチ１６内に供給される。
【００３５】
プラズマガス供給口１６ｄは、例えば、図示しない配管によりプラズマガス供給部３２が接続されている。プラズマガス供給部３２は、プラズマガス供給口１６ｄを介してプラズマトーチ１６内にプラズマガスを供給するものであり、例えば、２種類のプラズマガスが準備されている。プラズマガスとしては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、酸素ガス等が単独または適宜組み合わせて用いられる。
プラズマトーチ１６内にプラズマガスがある状態で、高周波発振用コイル１６ｂに、高周波誘導熱プラズマ発生部１４により振幅変調された高周波電流が印加されると、プラズマトーチ１６の内部に変調誘導熱プラズマ炎１００が発生する。また、高周波誘導熱プラズマ発生部１４により、高周波発振用コイル１６ｂに単に高周波電流が印加されると、プラズマトーチ１６の内部に熱プラズマ炎が発生する。なお、プラズマガスに酸素ガスが含まれる場合、プラズマトーチ１６内は酸素雰囲気になる。
【００３６】
また、プラズマトーチ１６の石英管１６ａの外側は、同心円状に形成された石英管１６ｅで囲まれており、石英管１６ａと１６ｅの間に冷却水１６ｆを循環させて石英管１６ａを水冷し、プラズマトーチ１６内で発生した変調誘導熱プラズマ炎１００（熱プラズマ炎）により石英管１６ａが高温になりすぎるのを防止している。
【００３７】
プラズマトーチ１６においては、例えば、内径７５ｍｍ，長さ３３０ｍｍの石英管１６ａが用いられる。
また、プラズマ発生用誘導コイル１６ｂは、外径１３０ｍｍ，コイル導体径１４ｍｍφ，コイル長１５５ｍｍの８ターンのものを使用している。水冷プローブ２４は、その先端が、例えば、プラズマ発生用誘導コイル１６ｂの４、５ターン目の間にある。
【００３８】
このコイル長１５５ｍｍは一般的なものに比べ約３倍程度長い。このように、コイル長を長くすることの利点としては、軸方向に長く強い電磁場を発生させることができるため、それにより発生するプラズマも軸方向に長くなり、トーチヘッドから投入される原料粉体の蒸発に有利な特徴を持っている。
【００３９】
プラズマトーチ１６の下流部には、水冷のチャンバー１８が接続されている。このチャンバー１８は、原料が熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００で蒸発されてなる気相状態の混合物を急冷し、微粒子を生成するとともに、得られた微粒子を捕集するものである。
図１に示すように、チャンバー１８は、プラズマトーチ１６に近い方から、上流チャンバー１８ａがプラズマトーチ１６と同軸方向に取り付けられている。また、上流チャンバー１８ａと垂直に下流チャンバー１８ｂを設け、さらに下流には，生成された微粒子を捕集するための所望のフィルター２０ａを備える回収部２０が設けられている。製造装置１０において、微粒子の回収場所は、フィルター２０ａとしている。
【００４０】
フィルター部２０は、フィルター２０ａを備えた回収室と、この回収室内下方に設けられた管を介して接続された真空ポンプ２０ｂとを備えている。チャンバー１８から送られた微粒子は、上述の真空ポンプ２０ｂで吸引されることにより、回収室内に引き込まれ、フィルター２０ａの表面で留まった状態にて回収される。
【００４１】
また、プラズマトーチ１６内における圧力雰囲気は、大気圧以下であることが好ましい。ここで、大気圧以下の雰囲気については、特に限定されないが、例えば、５Ｔｏｒｒ〜７５０Ｔｏｒｒとすることができる。
【００４２】
高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４は、変調誘導熱プラズマ炎１００を発生させるための高周波電流を高周波発振用コイル１６ｂに供給するとともに、高周波発振用コイル１６ｂへの高周波電流を所定時間間隔で振幅変調することができるものである。以下、変調誘導熱プラズマ炎１００を発生させるために高周波発振用コイル１６ｂに供給する高周波電流を、コイル電流という。
高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４は、高周波インバータ電源２６ａと、インピーダンス整合回路２６ｂと、パルス信号発生器２６ｃと、ＦＥＴゲート信号回路２６ｄとを有する。
高周波インバータ電源２６ａは、基本周波数４５０ｋＨｚ，最大電力５０ｋＷ、定格電圧１５０Ｖ、定格電流４６０ＡのＭＯＳＦＥＴインバータ電源である。通常、真空管電源を用いて生成される誘導熱プラズマに用いられる周波数が数ＭＨｚであるのに対し、高周波インバータ電源２６ａには周波数ｆ＝４５０ｋＨｚのものを用いている。
【００４３】
高周波インバータ電源２６ａを構成するＭＯＳＦＥＴインバータ電源は、電力変換効率が９０％であり、従来の真空管型電源の効率３０〜６０％に比較して高く、エネルギー効率が低いというＩＣＰ（誘導結合プラズマ）の欠点を克服するものである。また、このＭＯＳＦＥＴインバータ電源は電流の振幅を変調できる機能を有している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴインバータ電源は、コイル電流を振幅変調できる。
高周波インバータ電源２６ａは、例えば、整流回路と、ＭＯＳＦＥＴインバータ回路とを有する。高周波インバータ電源２６ａにおいて、整流回路は、例えば、入力電源として三相交流を用いるものであり、三相全波整流回路により交流−直流変換を行った後、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いたＤＣ−ＤＣコンバータにより、その出力電圧値を変化させる。
【００４４】
ＭＯＳＦＥＴインバータ回路は、整流回路に接続されており、整流回路で得られた直流を交流に変換するものである。これにより、インバータ出力、すなわち、コイル電流が振幅変調（ＡＭ変調）される。
高周波インバータ電源２６ａは、出力側にインピーダンス整合回路２６ｂが接続されている。このインピーダンス整合回路２６ｂは、コンデンサ、共振コイルからなる直列共振回路により構成されており、プラズマ負荷を含めた負荷インピーダンスの共振周波数が高周波インバータ電源２６ａの駆動周波数領域内となるようにインピーダンスマッチングを行うものである。
【００４５】
パルス信号発生器２６ｃは、高周波変調誘導熱プラズマを維持するコイル電流の振幅に矩形波変調を加えるためのパルス制御信号を発生させるものである。
ＦＥＴゲート信号回路２６ｄは、パルス信号発生器２６ｃで発生されたパルス制御信号に基づく変調信号を、高周波インバータ電源２６ａのＭＯＳＦＥＴインバータ回路のＭＯＳＦＥＴのゲートに供給するものである。これにより、パルス信号発生器２６ｃによるパルス制御信号でコイル電流を振幅変調して振幅を相対的に大きくするか、または小さくして、例えば、図４に示す矩形波１０２のように、コイル電流をパルス変調することができる。コイル電流をパルス変調することにより、変調誘導熱プラズマ炎１００を、所定時間間隔で周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にすることができる。高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４においては、高周波発振用コイル１６ｂに、単に高周波電流を供給することにより、熱プラズマ炎を発生させることができる。
例えば、原料粉末を間歇的に供給する場合、プラズマの高温状態に同期させて原料粉末を供給すれば、原料粉末を高温状態で完全に蒸発させて気相状態の混合とし、さらに低温状態の時には、原料粉末を供給せずに、蒸発させた原料粉末を急冷させることができる。
【００４６】
なお、図４に示す矩形波１０２において、コイル電流に対して電流振幅の高値（ＨＣＬ）、低値（ＬＣＬ）と定義し、変調一周期の中で、ＨＣＬをとる時間をオン時間、ＬＣＬをとる時間をオフ時間と定義する。さらに、一周期におけるオン時間の割合（オン時間／（オン時間＋オフ時間）×１００（％））をデューティ比（ＤＦ）とする。また、コイルの電流振幅の比（ＬＣＬ／ＨＣＬ×１００（％））を電流変調率（ＳＣＬ）とする。
また、矩形波１０２において、オン時間、オフ時間、および１サイクルは、いずれもマイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
【００４７】
さらには、パルス制御信号を用いて、コイル電流を振幅変調する際には、予め定められている波形、例えば、矩形波を用いて振幅変調することが好ましい。なお、矩形波に限定されるものではなく、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、または正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができることは言うまでもない。
【００４８】
間歇供給部２２は、プラズマトーチ１６内への原料の供給を間歇的に行うためのものである。この間歇供給部２２は、トリガ回路２２ａと、電磁コイル２２ｂと、バルブ２２ｃとを有する。
トリガ回路２２ａは、パルス信号発生器２６ｃに接続されており、パルス信号発生器２６ｃからパルス制御信号が入力されて、この入力されたパルス制御信号に同期してＴＴＬレベルの信号を発生するものである。
電磁コイル２２ｂは、トリガ回路２２ａに接続されており、トリガ回路２２ａからのＴＴＬレベルの信号に基づいてバルブ２２ｃを開閉させるものである。
【００４９】
バルブ２２ｃは、原料供給部１２から、例えば、キャリガスとともに供給される微粒子製造用の原料のプラズマトーチ１６内部への進入を制御するものであり、上述のように、電磁コイル２２ｂにより開閉が制御される。これにより、原料が間歇的に供給される。
本実施形態においては、図５（ａ）に示すパルス制御信号１０４がパルス発生器２６ｃから出力されて、このパルス制御信号１０４に同期したＴＴＬレベルの信号がトリガ回路２２ａで作成される。このＴＴＬレベルの信号に基づいて、図５（ｂ）に示すタイミングで、バルブ２２ｃが所定の時間間隔で開閉される。その結果、図５（ｃ）に示す波形１０８のように原料がプラズマトーチ１６内に間歇的に供給される。
【００５０】
プラズマ分光分析部２８は、プラズマトーチ１６内の変調誘導熱プラズマ炎１００について分光分析するものであり、例えば、変調誘導熱プラズマ炎１００の分光強度を測定する。このプラズマ分光分析部２８は、光学系２８ａと、分光器２８ｂと、ＰＭＴ２８ｃとを有する。分光器２８ｂとＰＭＴ２８ｃとが接続されており、さらに、ＰＭＴ２８ｃはＤＳＰ３０に接続されている。
光学系２８ａは、レンズ２９ａと、光ファイバ等の導光部２９ｂとを備える。プラズマ炎の光りがレンズ２９ａを介して導光部２９ｂに入射される。
分光器２８ｂは、導光部２９ｂに接続されており、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光が入力されると、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光を所定の時間間隔で分光するものである。
【００５１】
ＰＭＴ２８ｃは、光電子増倍管を有するものであり、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光の分光スペクトルが所定の時間間隔で入力されると、これを所定の倍率に増幅してＤＳＰ３０に出力するものである。
プラズマ分光分析部２８では、例えば、図６に示す変調誘導熱プラズマ炎１００の分光スペクトルが得られる。
【００５２】
ＤＳＰ３０は、分光分析結果に基づいて、原料供給とプラズマの変調のタイミングを一致させるフィードバック制御をするためのものである。
このＤＳＰ３０は、ＰＭＴ２８ｃから入力された、例えば、図６に示す変調誘導熱プラズマ炎１００の分光スペクトルに基づいて、変調誘導熱プラズマ炎１００の分光スペクトルのうち、原料に由来する波長の光の波長の強度を求めるものである。この場合、原料がＴｉ粉末で、酸素雰囲気で処理されていれば、Ｔｉ、ＴｉＯに由来する波長の光の強度が求められる。
【００５３】
また、ＤＳＰ３０は、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４から出力されるパルス制御信号と、原料に由来する波長の光の発光強度とのタイミングのずれ量を算出するものである。さらに、このタイミングのずれ量に基づいて、高周波誘導熱プラズマ発生部１４の高周波インバータ電源２６ａのＭＯＳＦＥＴインバータ回路のＭＯＳＦＥＴのゲートに供給されるパルス制御信号の位相、ハイレベルの時間、ロウレベルの時間等が適正になるような信号を供給する。すなわち、矩形波１０２におけるオン時間の長さ、オフ時間の長さ、およびデューティ比が適正になるような信号を供給する。これにより、原料の供給のタイミングを、変調誘導熱プラズマ炎１００が高温状態、すなわち、オン時間とすることができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、変調誘導熱プラズマ炎１００の高温状態、低温状態の温度状態のタイミングをフィードバック制御したが、これに限定されるものではなく、バルブ２２ｃの開閉タイミングを制御してもよい。この場合、ＤＳＰ３０をトリガ回路２２ａに接続する。そして、ＤＳＰ３０では、ずれ量に基づいて、トリガ回路２２ａで作成されるＴＴＬレベルの信号、すなわち、電磁コイル２２ｂへの入力信号の位相をずらすような信号を作成し、この信号をトリガ回路２２ａに供給する。これにより、原料の供給のタイミングを、熱プラズマ炎が高温状態、すなわち、オン時間とすることができる。
【００５５】
なお、本実施形態の製造装置１０において、プラズマ分光分析部２８およびＤＳＰ３０を動作させることなく、すなわち、変調誘導熱プラズマ炎１００の発光スペクトルに基づくフィードバック制御をすることなく、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４により、コイル電流を振幅変調させて、この変調に同期させて間歇供給部２２により原料を間歇供給することもできる。
また、本実施形態の製造装置１０においては、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４においてコイル電流を振幅変調させることなく、すなわち、変調誘導熱プラズマ炎の温度状態を一定の状態として、間歇供給部２２だけを動作させて原料を間歇供給することもできる。
【００５６】
次に、本実施形態の製造装置１０の微粒子の製造方法について、原料にＴｉ粒子を用いてＴｉＯ２微粒子を製造することを例にして説明する。
【００５７】
押出し圧力をかけられたキャリアガス、例えば、Ａｒガスが、原料供給部１２内の圧力気体供給源（図示せず）から微粒子製造用の原料であるＴｉ粒子とともにバルブ２２ｃに供給される。このとき、バルブ２２ｃは閉じた状態に保たれており、Ｔｉ粒子はプラズマトーチ１６内に供給されない。
次に、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４において、パルス信号発生器２６ｃからパルス制御信号がＦＥＴゲート回路２６ｄおよび間歇供給部２２のトリガ回路２２ａに出力される。
【００５８】
次に、ＦＥＴゲート回路２６ｄからパルス制御信号に基づく変調信号が高周波インバータ電源２６ａに出力されて高周波発振用コイル１６ｂに供給されるコイル電流が図４に示す矩形波１０２のようにパルス変調される。
このとき、プラズマガス供給部３２からプラズマトーチ１６内に、プラズマガスとしては、例えば、アルゴンガスおよび酸素ガスの混合ガスが供給されている。パルス変調されたコイル電流により、変調誘導熱プラズマ炎１００が所定の時間間隔で周期的に高温状態と、低温状態になる。
【００５９】
高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４とともに、間歇供給部２２のトリガ回路２２ａにおいては、パルス制御信号に同期するＴＴＬレベルの信号を作成し、このＴＴＬレベルの信号に基づいて電磁コイル２２ｂによりバルブ２２ｃが開閉される。これにより、プラズマトーチ１６内の変調誘導熱プラズマ炎１００に、パルス制御信号に応じてＴｉ粒子およびＡｒガスが間歇的に供給される。
【００６０】
本実施形態においては、共通するパルス制御信号を用いて、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４の変調信号およびバルブ２２ｃの開閉信号を作成しているため、変調誘導熱プラズマ炎１００が高温状態のときに、Ｔｉ粉末がＡｒガスとともに供給され、変調誘導熱プラズマ炎１００が低温状態の時には供給されないようにＴＴＬレベルの信号を作成している。これにより、高温状態の変調誘導熱プラズマ炎１００により、Ｔｉ粉末が蒸発して気相状態の混合物となり、プラズマガスに酸素ガスが含まれ、さらに低温状態の時に、蒸発されたＴｉが急冷されてＴｉＯ２の生成が促進される。
その直後に、この混合物が上流チャンバー１８ａからその下流の下流チャンバー１８ｂ内で急冷され、ＴｉＯ２微粒子が生成される。すなわち、上流チャンバー１８ａからその下流の下流チャンバー１８ｂは冷却槽としての機能を有する。
この際、下流のチャンバー１８内壁面等から気体を射出してＴｉＯ２微粒子がチャンバー１８の内壁面への付着を防止することが望ましい。
さらに、真空ポンプ２０ｂで吸引されることにより、生成されたＴｉＯ２微粒子がチャンバー１８の下流に設けられたフィルター２０ａの表面で留まった状態にて回収される。
【００６１】
また、本実施形態においては、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光がプラズマ分光分析部２８により分光分析されている。変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光が光学系２８ａにより分光器２８ｂに入力され、分光器２８ｂで所定の時間間隔で分光され、得られた分光スペクトルがＰＭＴ２８ｃで、所定の倍率に増幅された後、ＤＳＰ３０に出力される。
【００６２】
ＤＳＰ３０においては、原料に由来する物質の波長の光について、この場合、Ｔｉ粒子を用い、プラズマガスにＯ２ガスを用いているので、ＴｉとＴｉＯに由来する波長の光について、例えば、図７（ｂ）に示すように、曲線１１０で表されるＴｉの放射強度の時間変化、曲線１１２で表されるＴｉＯの放射強度の時間変化が求められる。
図７（ｂ）に示すＴｉの放射強度の時間変化（曲線１１０）およびＴｉＯの放射強度の時間変化（曲線１１２）と、図７（ａ）に示すバルブの入力波形信号とを比較すると、バルブ２２ｃが開いている状態よりもバルブ２２ｃが閉じている状態の方がＴｉの放射強度およびＴｉＯの放射強度が高い。これは、変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときにＴｉ粒子がプラズマトーチ１６内に供給されていないことを示している。
【００６３】
この場合、Ｔｉの放射強度およびＴｉＯの放射強度の極小値が６ｍｓ程度であり、Ｔｉの放射強度およびＴｉＯの放射強度の極大値が１３ｍｓ程度である。このため、ＤＳＰ３０では、プラズマ炎が高温になるタイミングのずれが、例えば、７ｍｓ程度であると判定する。この７ｍｓのずれの時間が、ずれ量である。
【００６４】
ＤＳＰ３０においては、高周波誘導熱プラズマ発生部１４の高周波インバータ電源２６ａのＭＯＳＦＥＴインバータ回路のＭＯＳＦＥＴのゲートに供給されるパルス制御信号の位相を、例えば、７ｍｓずらすような信号を供給する。このように、例えば、曲線１１０ａで表されるＴｉの放射強度の時間変化、曲線１１２ａで表されるＴｉＯの放射強度の時間変化となるように、変調誘導熱プラズマ炎１００の高温状態、低温状態の温度状態のタイミングがフィードバック制御される。
【００６５】
このようにして、変調誘導熱プラズマ炎１００を分光分析し、フィードバック制御することにより、変調誘導熱プラズマ炎１００が高温状態のときにＴｉ粉末を供給することができる。このため、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６６】
なお、本実施形態においては、変調誘導熱プラズマ炎１００の高温状態、低温状態の温度状態のタイミングをフィードバック制御したが、これに限定されるものではなく、バルブ２２ｃの開閉タイミングを制御してもよい。この場合、ＤＳＰ３０では、トリガ回路２２ａで作成されるＴＴＬレベルの信号、すなわち、電磁コイル２２ｂへの入力信号の位相を、ずれ量、例えば、７ｍｓずらすような信号を供給し、トリガ回路２２ａに出力する。これにより、原料粉末の供給タイミングとプラズマ炎の変調のタイミングとを合わせて、熱プラズマ炎が高温状態のときに、Ｔｉ粉末を供給させるようにすることができる。この場合においても、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６７】
なお、微粒子の製造方法においては、コイル電流を振幅変調させることなく、すなわち、熱プラズマ炎の温度状態が一定の状態で、原料粉末の供給だけを間歇供給して微粒子を製造することができる。この場合、熱プラズマ炎の温度状態が一定の状態で、Ｔｉ粉末を連続的に供給する従来のものに比して、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６８】
また、微粒子の製造方法においては、フィードバック制御することなく、熱プラズマ炎の温度状態を高温状態と低温状態に周期的に変えるとともに、原料粉末の供給だけを間歇供給して微粒子を製造することができる。この場合、熱プラズマ炎の温度状態が一定の状態で、Ｔｉ粉末を間歇的に供給するものに比して、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、原料にＴｉ粉体を用い、キャリアガスで分散させたがこれに限定されるものではなく、原料としては、スラリーまたはコロイド液であってもよい。スラリーまたはコロイド液としては、例えば、Ｔｉ粒子を分散媒中に分散、または混濁させたものがある。この場合、原料供給部１２に、図８に示す液状原料供給装置９０を用いる。この液状原料供給装置９０を、配管等を用いてバルブ２２ｃに接続する。
【００７０】
液状原料供給装置９０は、スラリー９２（コロイド液）を入れる容器９４と、容器９４中のスラリー９２を攪拌する攪拌機９６と、スラリー９２（コロイド液）に高圧をかけてバルブ２２ｃに供給するためのポンプ９８と、スラリー９２（コロイド液）を液滴化するための噴霧ガス供給源（図示せず）とを有する。そして、押し出し圧力がかけられた噴霧ガスにより液滴化されたスラリー９２（コロイド液）がバルブ２２ｃを経てプラズマトーチ１６内に供給される。
【００７１】
なお、本実施形態では、原料としては、原料を溶媒中に溶解させて溶液にしたものであってもよい。この場合においても、上述のスラリーまたはコロイド液と同様にして、液状原料供給装置９０が用いられる。この場合でも、押し出し圧力がかけられた噴霧ガスにより液滴化された、原料が溶解した溶液がバルブ２２ｃを経てプラズマトーチ１６内に供給される。
【００７２】
なお、本実施形態においては、Ｔｉ粒子を酸化させてＴｉＯ２微粒子を製造する場合を例として挙げたが、他の元素の粒子を微粒子製造用の原料として用いて、その酸化物，金属，窒化物，炭化物等の微粒子製造を行うことも可能である。
【００７３】
例えば、原料としては、熱プラズマ炎により蒸発させられるものであれば、その種類を問わないが、好ましくは、以下のものがよい。すなわち、原子番号３〜６、１１〜１５、１９〜３４、３７〜５２、５５〜６０、６２〜７９および８１〜８３の元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、単体酸化物、複合酸化物、複酸化物、酸化物固溶体、金属、合金、水酸化物、炭酸化合物、ハロゲン化物、硫化物、窒化物、炭化物、水素化物、金属塩または金属有機化合物を適宜選択すればよい。
【００７４】
なお、単体酸化物とは酸素以外に１種の元素からなる酸化物をいい、複合酸化物とは複数種の酸化物から構成されるものをいい、複酸化物とは２種以上の酸化物からできている高次酸化物をいい、酸化物固溶体とは異なる酸化物が互いに均一に溶け合った固体をいう。また、金属とは１種以上の金属元素のみで構成されるものをいい、合金とは２種以上の金属元素から構成されるものをいい、その組織状態としては、固溶体、共融混合物、金属間化合物あるいはそれらの混合物をなす場合がある。
【００７５】
また、水酸化物とは水酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭酸化合物とは炭酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、ハロゲン化物とはハロゲン元素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、硫化物とは硫黄と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、窒化物とは窒素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭化物とは炭素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、水素化物とは水素と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、金属塩は少なくとも１種以上の金属元素を含むイオン性化合物をいい、金属有機化合物とは１種以上の金属元素と少なくともＣ、Ｏ、Ｎ元素のいずれかとの結合を含む有機化合物をいい、金属アルコキシドや有機金属錯体等が挙げられる。
【００７６】
例えば、単体酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化鉄、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム、酸化サマリウム、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化バリウム（ＢａＯ）などを挙げることができる。
【００７７】
また、複合酸化物としては、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、バナジウム酸イットリウム、リン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム（ＣａＺｒＯ３）、ジルコン酸チタン鉛、酸化チタン鉄（ＦｅＴｉＯ３）、酸化チタンコバルト（ＣｏＴｉＯ３）等を、複酸化物としては、錫酸バリウム（ＢａＳｎＯ３）、（メタ）チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸バリウムに酸化ジルコニウムと酸化カルシウムが固溶した固溶体などを挙げることができる。
さらに、水酸化物としてはＺｒ（ＯＨ）４、炭酸化合物としてはＣａＣＯ３、ハロゲン化物としてはＭｇＦ２、硫化物としてはＺｎＳ、窒化物としてはＴｉＮ、炭化物としてはＳｉＣ、水素化物としてはＴｉＨ２等を挙げることができる。
【００７８】
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
【００７９】
以下、本発明の微粒子の製造方法の実施例について、具体的に説明する。
本実施例においては、微粒子の製造には、図１に示す製造装置１０を用いた。
なお、下記表１に、以下に示す実験例１〜９において共通する実験条件を示す。
【実施例１】
【００８０】
実験条件としては、プラズマへの平均入力を２０ｋＷ一定として、プラズマガスとしてＡｒガス＋Ｏ２ガスを用いて合計流量を１００Ｌ／ｍｉｎ（標準状態換算、以下同様）、流量組成をＡｒ９０％＋Ｏ２１０％とした。すなわち、アルゴンガスの流量を９０Ｌ／ｍｉｎ（標準状態換算）とし、Ｏ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎ（標準状態換算）とした。また、キャリアガスにはＡｒガスを用い、その流量は４Ｌ／ｍｉｎとした。プラズマトーチ内圧力は、３００ｔｏｒｒ（≒４０ｋＰａ）に固定し、原料Ｔｉ粉体には平均直径が４５μｍのものを用いた。粉体を投入する水冷プローブのトーチ内部挿入長は誘導コイル４，５ターン目の間（挿入長：１３４ｍｍ）とした。
【００８１】
【表１】
【００８２】
本実施例１においては、下記表２に示すように、プラズマ変調の有無、原料供給方法を変えた実験例１〜３の製造方法で、ＴｉＯ２微粒子の製造を試みた。
なお、電流変調率（ＳＣＬ）は、コイルの電流振幅の比（ＬＣＬ／ＨＣＬ×１００（％））で定義され、実施例１ではＳＣＬ＝７０％とした。
また、間歇供給については、オン時間を１２ｍｓ、オフ時間を３ｍｓとし、１サイクル、１５ｍｓとした。
【００８３】
プラズマの変調の有無については、図１に示す製造装置１０において、コイル電流をパルス変調した場合を「変調あり」とし、コイル電流をパルス変調しない場合を「変調なし」とした。また、原料供給方法については、連続供給の場合には、電磁バルブを開けたままの状態とし、間歇供給の場合には、電磁バルブを上述の条件で開閉させた。
【００８４】
本実施例では、実験例１〜３で得られた微粒子について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて、平均粒径および粒径の度数分布を調べた。
【００８５】
【表２】
【００８６】
ＳＥＭ観察結果：
実験例１〜３の各実験条件で微粒子の製造実験を行い、その結果、フィルター２０ａで回収した微粒子のＳＥＭ画像を図９（ａ）〜（ｃ）に示す。図９（ａ）は実験例１、図９（ｂ）は実験例２、図９（ｃ）は実験例３のＳＥＭ画像を示している。なお、フィルター２０ａには、日本フィルター工業社製のバグフィルター（ミクロテックスＭＴ−１０００）を用いた。
図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、実験例１〜３のいずれの条件でも、直径数十ｎｍの球状のＴｉＯ２のナノ粒子を得ることができた。
【００８７】
粒径度数分布・平均粒径：
実験例１〜３について、それぞれ得られた上述のＳＥＭ画像を用いて、２００個の粒子を無作為に抽出し、その粒径度数分布を調べた。具体的には、異なる測定での倍率１０万倍のＳＥＭ画像を２枚使用し，それぞれ１００個計２００個の粒子の粒径を測定した。
その結果を図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。図１０（ａ）は実験例１、図１０（ｂ）は実験例２、図１０（ｃ）は実験例３の結果を示すものである。
図１０（ａ）〜（ｃ）は、粒径の度数分布および累積割合を示すものであり、さらに平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差の各値も示す。
【００８８】
実験例１は、従来例に相当するものであり、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差がいずれも、実験例１〜３の中で最も大きい。
実験例２は、実験例１に比して間歇供給する点が異なる。実験例２は、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差がいずれも実験例１よりも小さい。このように、間歇供給することにより、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差を小さくすることができた。
【００８９】
実験例３は、実験例１に比してプラズマ変調する点が異なる。実験例３は、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差がいずれも実験例１よりも小さく、しかも実験例２よりも小さい。
【実施例２】
【００９０】
次に、プラズマ変調と原料の間歇投入による効果を検討した。本実施例２においては、微粒子の製造には、図１に示す製造装置１０において、ＤＳＰ３０の信号をトリガ回路２２ａに接続し、原料投入のバルブ開閉タイミングをフィードバック制御した。下記表３に示すように、プラズマ変調の有無、原料供給方法、およびフィードバックにより原料投入のバルブ開閉タイミングを変えた実験例４〜９の製造方法で、ＴｉＯ２微粒子の製造を試みた。なお、本実施例２では、ＳＣＬは８０％とした以外は、実施例１と同様の実験条件でＴｉＯ２微粒子の製造を試みた。
【００９１】
【表３】
【００９２】
実験例４〜９の各実験条件で微粒子の製造実験を行い、その結果、フィルター２０ａで回収した微粒子の平均粒径を図１１に示す。本実施例２において、平均粒径は、実施例１と同様にＳＥＭ画像を用いて求めた。
【００９３】
コイル電流をパルス変調した、プラズマ変調ありの場合では、原料を連続供給した実験例５と、間歇投入した場合において、バルブ開閉タイミングをフィードバック制御しない実験例６では、製造された微粒子の平均粒径は、ほぼ同等であった。
一方、ＴｉＯの放射強度のタイミングを元にフィードバックを行い、原料投入のバルブ開閉タイミングを６ｍｓまたは８ｍｓ遅延させた実験例７、実験例８においては、実験例５に比して、さらに平均粒径が小さい微粒子を製造することができた。原料投入のバルブ開閉タイミングを１２ｍｓ遅延させた実験例９は、実験例７、８に比して平均粒径が大きい。これは、図７（ａ）、（ｂ）に示す例では、ずれ量は７ｍｓ程度であるのに対して、１２ｍｓと遅延時間が長く原料投入のバルブ開閉タイミングがずれているためであると考えられる。しかしながら、単に間歇供給する実施例４に比して平均粒径が小さい。
【符号の説明】
【００９４】
１０ 微粒子の製造装置（製造装置）
１２ 原料供給部
１４ 高周波誘導熱プラズマ発生部
１６ プラズマトーチ
１８ チャンバー
２０ 回収部
２２ 間歇供給部
２４ 水冷プローブ
２８ プラズマ分光分析部
３０ ＤＳＰ
３２ プラズマガス供給部
１００ 熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いたナノサイズの微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関し、特に、得られる微粒子の粒径が小さく、粒径のばらつきが小さい微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子等の微粒子は、半導体基板、プリント基板、各種電気絶縁部品などの電気絶縁材料、切削工具、ダイス、軸受などの高硬度高精度の機械工作材料、粒界コンデンサ、湿度センサなどの機能性材料、精密焼結成形材料などの焼結体の製造、エンジンバルブなどの高温耐摩耗性が要求される材料などの溶射部品製造、さらには燃料電池の電極、電解質材料および各種触媒などの分野で用いられている。このような微粒子を用いることにより、焼結体および溶射部品などにおける異種セラミックス同士または異種金属同士の接合強度および緻密性、更には機能性を向上させている。
【０００３】
このような微粒子を製造する方法の一つに、気相法がある。気相法には、各種のガス等を高温で化学反応させる化学的方法と、電子ビームまたはレーザなどのビームを照射して物質を分解・蒸発させ、微粒子を生成する物理的方法とがある。
【０００４】
上記気相法の中の一つとして、熱プラズマ法がある。熱プラズマ法は、熱プラズマ中で原材料を瞬時に蒸発させた後、急冷凝固させ、微粒子を製造する方法である。また、熱プラズマ法は、クリーンで生産性が高く、高温で熱容量が大きいため高融点材料にも対応可能であり、他の気相法に比べて複合化が比較的容易であるといった多くの利点を有する。このため、熱プラズマ法は、微粒子を製造する方法として積極的に利用されている。
【０００５】
従来の熱プラズマ法を用いた微粒子の製造方法では、原材料物質を粉末状にし、この粉末状にされた原材料（粉末原材料、粉体）をキャリアガス等と共に、分散させて直接熱プラズマ中に投入することにより、微粒子を製造している。
【０００６】
また、特許文献１には、微粒子製造用材料を可燃性材料中に分散させたスラリー、または微粒子製造用材料を分散媒と可燃性材料とを用いたスラリーを、液滴化させて連続的に熱プラズマ炎中に導入して、気相状態の混合物にし、気相状態の混合物を急冷することにより、微粒子を生成する微粒子の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１０２７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の微粒子の製造方法では、ナノサイズの微粒子を製造することができるものの、得られる微粒子のばらつきをコントロールすることができないという問題点がある。また、より小さな微粒子を生成するのが困難であるという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、粒径が小さく、粒径のばらつきが小さい微粒子を製造することができる製造装置および微粒子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、微粒子の製造装置であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給する原料供給手段と、内部に前記熱プラズマ炎が発生されるものであり、前記原料供給手段により間歇的に供給される前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、前記プラズマトーチの内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生手段とを有することを特徴とする微粒子の製造装置を提供するものである。
【００１１】
前記プラズマ発生手段は、前記プラズマトーチに設けられたコイルに前記熱プラズマ炎を発生させるための電流を供給するとともに、前記コイルへの電流を振幅変調させることができる電源部を備えるものであり、前記プラズマ発生手段は、前記コイルへの電流を振幅変調させることにより前記熱プラズマ炎を周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にさせ、前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調された変調誘導熱プラズマ炎を発生させるものであることが好ましい。
【００１２】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記プラズマ発生手段に、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記コイルへの電流の振幅を相対的に大きくし、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態させる制御部とを有することが好ましい。
【００１３】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料供給手段に、前記コイルへの電流の振幅が相対的に大きくなり、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給させる制御部とを有することが好ましい。
【００１４】
また、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を粒子状態に分散させ、前記粒子状態に分散された前記原料を間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。この場合、前記原料は、気体により粒子状態に分散される。
さらに、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を分散媒中に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。
さらにまた、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を分散媒中に分散させてコロイド溶液にし、前記コロイド溶液を液滴化して間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。
また、前記原料供給手段は、例えば、前記原料を溶媒中に溶解させて溶液にし、前記溶解させた溶液を液滴化して間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである。
【００１５】
前記電源部において前記コイルへの電流を振幅変調する際には、前記コイルへの電流を予め定められている波形により振幅変調させることが好ましい。
前記電源部において前記コイル電流を振幅変調する際に用いる予め定められている波形として、矩形波、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、もしくは正弦波を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができる。
前記コイルへの電流を振幅変調させる前記所定時間間隔は、マイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、微粒子の製造方法であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給して、前記原料を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して微粒子を製造することを特徴とする微粒子の製造方法を提供するものである。
【００１７】
前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されて周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態とにされる変調誘導熱プラズマ炎に、前記原料を間歇的に供給することが好ましい。
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態することが好ましい。
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給することが好ましい。
【００１８】
また、前記原料は、例えば、粒子状態に分散されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。この場合、前記原料は、気体により粒子状態に分散される。
さらに、前記原料は、例えば、分散媒中に分散されてスラリーにされ、前記スラリーが液滴化されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。
さらにまた、前記原料は、例えば、分散媒中に懸濁されてコロイド溶液にされ、前記コロイド溶液が液滴化されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。
また、前記原料は、例えば、溶媒中に溶解された溶液にされ、前記溶解させた溶液が液滴化されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の微粒子の製造装置および製造方法によれば、粒径が小さく、しかも粒径のばらつきが小さい微粒子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置の原料供給部の概略構成を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置のプラズマトーチを示す模式的部分断面図である。
【図４】パルス変調時のコイル電流の時間変化を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、コイル電流を変調するためのパルス制御信号を示すグラフであり、（ｂ）は、バルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は、原料の供給を示すグラフである。
【図６】変調誘導熱プラズマ炎の分光分析の結果の一例を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、バルブへの入力波形信号を示すグラフであり、（ｂ）は、変調誘導熱プラズマ炎のＴｉおよびＴｉＯの放射強度の時間変化の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置の原料供給部の他の例を示す模式図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、フィルターで回収した実験例１〜３の微粒子のＳＥＭ画像を示す（写真代用）図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、フィルターで回収した実験例１〜３の微粒子の粒径度数分布を示すグラフである。
【図１１】実験例４〜９の微粒子の粒径を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る微粒子の製造装置を示す模式図である。
【００２２】
図１に示す微粒子の製造装置（以下、単に製造装置という）１０は、例えば、粉体原料を用いてナノサイズの微粒子を製造するものである。この粉体原料としては、例えば、Ｔｉ粉末が用いられる。
製造装置１０は、原料供給部１２と、高周波変調誘導熱プラズマ発生部（プラズマ発生手段）１４と、プラズマトーチ１６と、チャンバー１８と、回収部２０と、間歇供給部２２と、プラズマ分光分析部（分光分析手段）２８と、ＤＳＰ（制御部）３０と、プラズマガス供給部３２とを有する。原料供給部１２と間歇供給部２２とにより原料供給手段が構成される。
【００２３】
原料供給部１２は間歇供給部２２に接続されている。この間歇供給部２２とプラズマトーチ１６とは、中空状の水冷プローブ２４を介して接続されている。また、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４により、プラズマトーチ１６の内部に変調誘導熱プラズマ炎１００が発生されるとともに、熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されて、変調誘導熱プラズマ炎１００が周期的に高温状態と低温状態とになる。
また、製造装置１０では、プラズマ分光分析部２８により、変調誘導熱プラズマ炎１００について分光分析され、ＤＳＰ３０により変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光のうち、原料に由来する波長の光の強度に基づいて高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４により変調誘導熱プラズマ炎１００の温度状態が時間変調される。
【００２４】
原料供給部１２は、間歇供給部２２とともに、微粒子製造用の原料をプラズマトーチ１６の内部で発生する熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中に供給するためのものである。この原料供給部１２は、搬送管８２（図２参照）を介してプラズマトーチ１６の上部に設けられた間歇供給部２２のバルブ２２ｃに接続されている。
【００２５】
例えば、微粒子製造用の原料に粉体を用いた場合、プラズマトーチ１６内の熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中に原料が供給される際には原料が分散されている必要がある。このため、原料は、キャリガスに分散させて供給される。この場合、例えば、原料供給部１２は、粉体原料を分散状態に維持しつつ、定量的にプラズマトーチ１６内部の熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中に供給するものである。このような機能を有する原料供給部１２としては、例えば、本出願人の出願に係る特許第３２１７４１５号公報に開示されている粉体分散装置のような装置が利用可能である。
【００２６】
原料供給部１２は、図２に示すように、主に、粉体原料を貯蔵する貯蔵槽４２と、粉体原料を定量搬送するスクリューフィーダ６０と、スクリューフィーダ６０で搬送された粉体原料が最終的に散布される前に、これを一次粒子の状態に分散させる分散部７０とから構成されている。
【００２７】
貯蔵槽４２の内部には、貯蔵された粉体原料４４の凝集を防止するために、攪拌軸４６とそれに接続された攪拌羽根４８とが設けられる。攪拌軸４６は、オイルシール５０ａと軸受け５２ａとによって、貯蔵槽４２内で回転可能に配設されている。また、貯蔵槽４２外部にある攪拌軸４６の端部は、モータ５４ａに接続されており、図示しない制御装置によってその回転が制御される。
【００２８】
貯蔵槽４２の下部には、スクリューフィーダ６０が設けられ、粉体原料４４の定量的な搬送を可能にする。スクリューフィーダ６０は、スクリュー６２と、スクリュー６２の軸６４と、ケーシング６６と、スクリュー６２の回転動力源であるモータ５４ｂとを含み構成されている。スクリュー６２および軸６４は、貯蔵槽４２内の下部を横切って設けられている。軸６４は、オイルシール５０ｂと軸受け５２ｂとによって貯蔵槽４２内で回転可能に配設されている。
【００２９】
また、貯蔵槽４２外部にある軸６４の端部は、モータ５４ｂに接続されており、図示しない制御装置によってその回転が制御される。さらに、貯蔵槽４２の下部の開口部と、後述する分散部７０とを接続し、スクリュー６２を包む筒状通路であるケーシング６６が設けられる。ケーシング６６は、後述する分散部７０の内部途中まで延設されている。
【００３０】
図２に示すように、分散部７０は、ケーシング６６の一部に外挿固定された外管７２と、軸６４の先端部に植設された回転ブラシ５６を有し、スクリューフィーダ６０によって定量搬送された粉体原料４４を一次分散させることができる。
外管７２の外挿固定された端部と反対の端部は、その形状が円錐台形状であり、その内部にも円錐台形状の空間である粉体分散室７４を有する。また、その端部には分散部７０で分散された粉体原料を搬送する搬送管８２が接続される。この搬送管８２は、バルブ２２ｃに接続されている。
【００３１】
外管７２の側面には気体供給口７８が設けられており、また、ケーシング６６の外壁と外管７２の内壁とによって設けられる空間は、供給された気体が通過する気体通路８０としての機能を有する。
回転ブラシ５６は、ナイロン等の比較的柔軟な材質、あるいは鋼線等の硬質な材質からなる針状部材で、ケーシング６６の先端部近傍の内部から粉体分散室７４の内部まで、軸６４の径外方に延出して密集植設されることによって形成される。
【００３２】
分散部７０では、分散・搬送用の気体（キャリアガス）が、図示しない圧力気体供給源から気体供給口７８、気体通路８０を通って回転ブラシ５６の径方向外側から回転ブラシ５６に噴出され、定量的に搬送される粉体原料４４が、回転ブラシ５６の針状部材間を通過することで一次粒子に分散される。なお、キャリアガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス，窒素ガス、水素ガス等が単独、またはこれらを適宜組み合わせて用いられる。
【００３３】
搬送管８２は、その一端は外管７２と接続され、他端はプラズマトーチ１６に接続される。また、搬送管８２は、その管径の１０倍以上の管長を有し、少なくとも途中に分散粉体を含む気流が流速２０ｍ／ｓｅｃ以上になる管径部分を設けることが好ましい。これにより分散部７０で一次粒子の状態に分散された粉体原料４４の凝集を防止し上記の分散状態を維持したまま、粉体原料４４をバルブ２２ｃに供給し、バルブ２２ｃから水冷プローブ２４を経てプラズマトーチ１６内部に散布される。
例えば、微粒子製造用の原料として使用する粉体原料は、熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００中で蒸発させることができるものであり、その粒径が１００μｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
プラズマトーチ１６は、内部に熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００が発生されるものであり、変調誘導熱プラズマ炎１００中に間歇的に供給される原料を、熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００で蒸発させて気相状態の混合物とするものである。
なお、熱プラズマ炎とは、温度状態が時間変調されてないプラズマ炎のことであり、変調誘導熱プラズマ炎とは、熱プラズマ炎が所定時間間隔で周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にされたもの、すなわち、熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されたものである。
図３に示すように、プラズマトーチ１６は、石英管１６ａと、その外側を取り巻く高周波発振用コイル１６ｂとで構成されている。プラズマトーチ１６の上部には、水冷プローブ２４が挿入される供給口１６ｃがその中央部に設けられており、プラズマガス供給口１６ｄがその周辺部（同一円周上）に形成されている。
水冷プローブ２４により、例えば、原料粉末であるＴｉ粒子と、Ａｒガス等のキャリアガスとがプラズマトーチ１６内に供給される。
【００３５】
プラズマガス供給口１６ｄは、例えば、図示しない配管によりプラズマガス供給部３２が接続されている。プラズマガス供給部３２は、プラズマガス供給口１６ｄを介してプラズマトーチ１６内にプラズマガスを供給するものであり、例えば、２種類のプラズマガスが準備されている。プラズマガスとしては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、酸素ガス等が単独または適宜組み合わせて用いられる。
プラズマトーチ１６内にプラズマガスがある状態で、高周波発振用コイル１６ｂに、高周波誘導熱プラズマ発生部１４により振幅変調された高周波電流が印加されると、プラズマトーチ１６の内部に変調誘導熱プラズマ炎１００が発生する。また、高周波誘導熱プラズマ発生部１４により、高周波発振用コイル１６ｂに単に高周波電流が印加されると、プラズマトーチ１６の内部に熱プラズマ炎が発生する。なお、プラズマガスに酸素ガスが含まれる場合、プラズマトーチ１６内は酸素雰囲気になる。
【００３６】
また、プラズマトーチ１６の石英管１６ａの外側は、同心円状に形成された石英管１６ｅで囲まれており、石英管１６ａと１６ｅの間に冷却水１６ｆを循環させて石英管１６ａを水冷し、プラズマトーチ１６内で発生した変調誘導熱プラズマ炎１００（熱プラズマ炎）により石英管１６ａが高温になりすぎるのを防止している。
【００３７】
プラズマトーチ１６においては、例えば、内径７５ｍｍ，長さ３３０ｍｍの石英管１６ａが用いられる。
また、プラズマ発生用誘導コイル１６ｂは、外径１３０ｍｍ，コイル導体径１４ｍｍφ，コイル長１５５ｍｍの８ターンのものを使用している。水冷プローブ２４は、その先端が、例えば、プラズマ発生用誘導コイル１６ｂの４、５ターン目の間にある。
【００３８】
このコイル長１５５ｍｍは一般的なものに比べ約３倍程度長い。このように、コイル長を長くすることの利点としては、軸方向に長く強い電磁場を発生させることができるため、それにより発生するプラズマも軸方向に長くなり、トーチヘッドから投入される原料粉体の蒸発に有利な特徴を持っている。
【００３９】
プラズマトーチ１６の下流部には、水冷のチャンバー１８が接続されている。このチャンバー１８は、原料が熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎１００で蒸発されてなる気相状態の混合物を急冷し、微粒子を生成するとともに、得られた微粒子を捕集するものである。
図１に示すように、チャンバー１８は、プラズマトーチ１６に近い方から、上流チャンバー１８ａがプラズマトーチ１６と同軸方向に取り付けられている。また、上流チャンバー１８ａと垂直に下流チャンバー１８ｂを設け、さらに下流には，生成された微粒子を捕集するための所望のフィルター２０ａを備える回収部２０が設けられている。製造装置１０において、微粒子の回収場所は、フィルター２０ａとしている。
【００４０】
フィルター部２０は、フィルター２０ａを備えた回収室と、この回収室内下方に設けられた管を介して接続された真空ポンプ２０ｂとを備えている。チャンバー１８から送られた微粒子は、上述の真空ポンプ２０ｂで吸引されることにより、回収室内に引き込まれ、フィルター２０ａの表面で留まった状態にて回収される。
【００４１】
また、プラズマトーチ１６内における圧力雰囲気は、大気圧以下であることが好ましい。ここで、大気圧以下の雰囲気については、特に限定されないが、例えば、５Ｔｏｒｒ〜７５０Ｔｏｒｒとすることができる。
【００４２】
高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４は、変調誘導熱プラズマ炎１００を発生させるための高周波電流を高周波発振用コイル１６ｂに供給するとともに、高周波発振用コイル１６ｂへの高周波電流を所定時間間隔で振幅変調することができるものである。以下、変調誘導熱プラズマ炎１００を発生させるために高周波発振用コイル１６ｂに供給する高周波電流を、コイル電流という。
高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４は、高周波インバータ電源２６ａと、インピーダンス整合回路２６ｂと、パルス信号発生器２６ｃと、ＦＥＴゲート信号回路２６ｄとを有する。
高周波インバータ電源２６ａは、基本周波数４５０ｋＨｚ，最大電力５０ｋＷ、定格電圧１５０Ｖ、定格電流４６０ＡのＭＯＳＦＥＴインバータ電源である。通常、真空管電源を用いて生成される誘導熱プラズマに用いられる周波数が数ＭＨｚであるのに対し、高周波インバータ電源２６ａには周波数ｆ＝４５０ｋＨｚのものを用いている。
【００４３】
高周波インバータ電源２６ａを構成するＭＯＳＦＥＴインバータ電源は、電力変換効率が９０％であり、従来の真空管型電源の効率３０〜６０％に比較して高く、エネルギー効率が低いというＩＣＰ（誘導結合プラズマ）の欠点を克服するものである。また、このＭＯＳＦＥＴインバータ電源は電流の振幅を変調できる機能を有している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴインバータ電源は、コイル電流を振幅変調できる。
高周波インバータ電源２６ａは、例えば、整流回路と、ＭＯＳＦＥＴインバータ回路とを有する。高周波インバータ電源２６ａにおいて、整流回路は、例えば、入力電源として三相交流を用いるものであり、三相全波整流回路により交流−直流変換を行った後、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いたＤＣ−ＤＣコンバータにより、その出力電圧値を変化させる。
【００４４】
ＭＯＳＦＥＴインバータ回路は、整流回路に接続されており、整流回路で得られた直流を交流に変換するものである。これにより、インバータ出力、すなわち、コイル電流が振幅変調（ＡＭ変調）される。
高周波インバータ電源２６ａは、出力側にインピーダンス整合回路２６ｂが接続されている。このインピーダンス整合回路２６ｂは、コンデンサ、共振コイルからなる直列共振回路により構成されており、プラズマ負荷を含めた負荷インピーダンスの共振周波数が高周波インバータ電源２６ａの駆動周波数領域内となるようにインピーダンスマッチングを行うものである。
【００４５】
パルス信号発生器２６ｃは、高周波変調誘導熱プラズマを維持するコイル電流の振幅に矩形波変調を加えるためのパルス制御信号を発生させるものである。
ＦＥＴゲート信号回路２６ｄは、パルス信号発生器２６ｃで発生されたパルス制御信号に基づく変調信号を、高周波インバータ電源２６ａのＭＯＳＦＥＴインバータ回路のＭＯＳＦＥＴのゲートに供給するものである。これにより、パルス信号発生器２６ｃによるパルス制御信号でコイル電流を振幅変調して振幅を相対的に大きくするか、または小さくして、例えば、図４に示す矩形波１０２のように、コイル電流をパルス変調することができる。コイル電流をパルス変調することにより、変調誘導熱プラズマ炎１００を、所定時間間隔で周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にすることができる。高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４においては、高周波発振用コイル１６ｂに、単に高周波電流を供給することにより、熱プラズマ炎を発生させることができる。
例えば、原料粉末を間歇的に供給する場合、プラズマの高温状態に同期させて原料粉末を供給すれば、原料粉末を高温状態で完全に蒸発させて気相状態の混合とし、さらに低温状態の時には、原料粉末を供給せずに、蒸発させた原料粉末を急冷させることができる。
【００４６】
なお、図４に示す矩形波１０２において、コイル電流に対して電流振幅の高値（ＨＣＬ）、低値（ＬＣＬ）と定義し、変調一周期の中で、ＨＣＬをとる時間をオン時間、ＬＣＬをとる時間をオフ時間と定義する。さらに、一周期におけるオン時間の割合（オン時間／（オン時間＋オフ時間）×１００（％））をデューティ比（ＤＦ）とする。また、コイルの電流振幅の比（ＬＣＬ／ＨＣＬ×１００（％））を電流変調率（ＳＣＬ）とする。
また、矩形波１０２において、オン時間、オフ時間、および１サイクルは、いずれもマイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
【００４７】
さらには、パルス制御信号を用いて、コイル電流を振幅変調する際には、予め定められている波形、例えば、矩形波を用いて振幅変調することが好ましい。なお、矩形波に限定されるものではなく、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、または正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができることは言うまでもない。
【００４８】
間歇供給部２２は、プラズマトーチ１６内への原料の供給を間歇的に行うためのものである。この間歇供給部２２は、トリガ回路２２ａと、電磁コイル２２ｂと、バルブ２２ｃとを有する。
トリガ回路２２ａは、パルス信号発生器２６ｃに接続されており、パルス信号発生器２６ｃからパルス制御信号が入力されて、この入力されたパルス制御信号に同期してＴＴＬレベルの信号を発生するものである。
電磁コイル２２ｂは、トリガ回路２２ａに接続されており、トリガ回路２２ａからのＴＴＬレベルの信号に基づいてバルブ２２ｃを開閉させるものである。
【００４９】
バルブ２２ｃは、原料供給部１２から、例えば、キャリガスとともに供給される微粒子製造用の原料のプラズマトーチ１６内部への進入を制御するものであり、上述のように、電磁コイル２２ｂにより開閉が制御される。これにより、原料が間歇的に供給される。
本実施形態においては、図５（ａ）に示すパルス制御信号１０４がパルス発生器２６ｃから出力されて、このパルス制御信号１０４に同期したＴＴＬレベルの信号がトリガ回路２２ａで作成される。このＴＴＬレベルの信号に基づいて、図５（ｂ）に示すタイミングで、バルブ２２ｃが所定の時間間隔で開閉される。その結果、図５（ｃ）に示す波形１０８のように原料がプラズマトーチ１６内に間歇的に供給される。
【００５０】
プラズマ分光分析部２８は、プラズマトーチ１６内の変調誘導熱プラズマ炎１００について分光分析するものであり、例えば、変調誘導熱プラズマ炎１００の分光強度を測定する。このプラズマ分光分析部２８は、光学系２８ａと、分光器２８ｂと、ＰＭＴ２８ｃとを有する。分光器２８ｂとＰＭＴ２８ｃとが接続されており、さらに、ＰＭＴ２８ｃはＤＳＰ３０に接続されている。
光学系２８ａは、レンズ２９ａと、光ファイバ等の導光部２９ｂとを備える。プラズマ炎の光りがレンズ２９ａを介して導光部２９ｂに入射される。
分光器２８ｂは、導光部２９ｂに接続されており、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光が入力されると、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光を所定の時間間隔で分光するものである。
【００５１】
ＰＭＴ２８ｃは、光電子増倍管を有するものであり、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光の分光スペクトルが所定の時間間隔で入力されると、これを所定の倍率に増幅してＤＳＰ３０に出力するものである。
プラズマ分光分析部２８では、例えば、図６に示す変調誘導熱プラズマ炎１００の分光スペクトルが得られる。
【００５２】
ＤＳＰ３０は、分光分析結果に基づいて、原料供給とプラズマの変調のタイミングを一致させるフィードバック制御をするためのものである。
このＤＳＰ３０は、ＰＭＴ２８ｃから入力された、例えば、図６に示す変調誘導熱プラズマ炎１００の分光スペクトルに基づいて、変調誘導熱プラズマ炎１００の分光スペクトルのうち、原料に由来する波長の光の波長の強度を求めるものである。この場合、原料がＴｉ粉末で、酸素雰囲気で処理されていれば、Ｔｉ、ＴｉＯに由来する波長の光の強度が求められる。
【００５３】
また、ＤＳＰ３０は、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４から出力されるパルス制御信号と、原料に由来する波長の光の発光強度とのタイミングのずれ量を算出するものである。さらに、このタイミングのずれ量に基づいて、高周波誘導熱プラズマ発生部１４の高周波インバータ電源２６ａのＭＯＳＦＥＴインバータ回路のＭＯＳＦＥＴのゲートに供給されるパルス制御信号の位相、ハイレベルの時間、ロウレベルの時間等が適正になるような信号を供給する。すなわち、矩形波１０２におけるオン時間の長さ、オフ時間の長さ、およびデューティ比が適正になるような信号を供給する。これにより、原料の供給のタイミングを、変調誘導熱プラズマ炎１００が高温状態、すなわち、オン時間とすることができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、変調誘導熱プラズマ炎１００の高温状態、低温状態の温度状態のタイミングをフィードバック制御したが、これに限定されるものではなく、バルブ２２ｃの開閉タイミングを制御してもよい。この場合、ＤＳＰ３０をトリガ回路２２ａに接続する。そして、ＤＳＰ３０では、ずれ量に基づいて、トリガ回路２２ａで作成されるＴＴＬレベルの信号、すなわち、電磁コイル２２ｂへの入力信号の位相をずらすような信号を作成し、この信号をトリガ回路２２ａに供給する。これにより、原料の供給のタイミングを、熱プラズマ炎が高温状態、すなわち、オン時間とすることができる。
【００５５】
なお、本実施形態の製造装置１０において、プラズマ分光分析部２８およびＤＳＰ３０を動作させることなく、すなわち、変調誘導熱プラズマ炎１００の発光スペクトルに基づくフィードバック制御をすることなく、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４により、コイル電流を振幅変調させて、この変調に同期させて間歇供給部２２により原料を間歇供給することもできる。
また、本実施形態の製造装置１０においては、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４においてコイル電流を振幅変調させることなく、すなわち、変調誘導熱プラズマ炎の温度状態を一定の状態として、間歇供給部２２だけを動作させて原料を間歇供給することもできる。
【００５６】
次に、本実施形態の製造装置１０の微粒子の製造方法について、原料にＴｉ粒子を用いてＴｉＯ２微粒子を製造することを例にして説明する。
【００５７】
押出し圧力をかけられたキャリアガス、例えば、Ａｒガスが、原料供給部１２内の圧力気体供給源（図示せず）から微粒子製造用の原料であるＴｉ粒子とともにバルブ２２ｃに供給される。このとき、バルブ２２ｃは閉じた状態に保たれており、Ｔｉ粒子はプラズマトーチ１６内に供給されない。
次に、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４において、パルス信号発生器２６ｃからパルス制御信号がＦＥＴゲート回路２６ｄおよび間歇供給部２２のトリガ回路２２ａに出力される。
【００５８】
次に、ＦＥＴゲート回路２６ｄからパルス制御信号に基づく変調信号が高周波インバータ電源２６ａに出力されて高周波発振用コイル１６ｂに供給されるコイル電流が図４に示す矩形波１０２のようにパルス変調される。
このとき、プラズマガス供給部３２からプラズマトーチ１６内に、プラズマガスとしては、例えば、アルゴンガスおよび酸素ガスの混合ガスが供給されている。パルス変調されたコイル電流により、変調誘導熱プラズマ炎１００が所定の時間間隔で周期的に高温状態と、低温状態になる。
【００５９】
高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４とともに、間歇供給部２２のトリガ回路２２ａにおいては、パルス制御信号に同期するＴＴＬレベルの信号を作成し、このＴＴＬレベルの信号に基づいて電磁コイル２２ｂによりバルブ２２ｃが開閉される。これにより、プラズマトーチ１６内の変調誘導熱プラズマ炎１００に、パルス制御信号に応じてＴｉ粒子およびＡｒガスが間歇的に供給される。
【００６０】
本実施形態においては、共通するパルス制御信号を用いて、高周波変調誘導熱プラズマ発生部１４の変調信号およびバルブ２２ｃの開閉信号を作成しているため、変調誘導熱プラズマ炎１００が高温状態のときに、Ｔｉ粉末がＡｒガスとともに供給され、変調誘導熱プラズマ炎１００が低温状態の時には供給されないようにＴＴＬレベルの信号を作成している。これにより、高温状態の変調誘導熱プラズマ炎１００により、Ｔｉ粉末が蒸発して気相状態の混合物となり、プラズマガスに酸素ガスが含まれ、さらに低温状態の時に、蒸発されたＴｉが急冷されてＴｉＯ２の生成が促進される。
その直後に、この混合物が上流チャンバー１８ａからその下流の下流チャンバー１８ｂ内で急冷され、ＴｉＯ２微粒子が生成される。すなわち、上流チャンバー１８ａからその下流の下流チャンバー１８ｂは冷却槽としての機能を有する。
この際、下流のチャンバー１８内壁面等から気体を射出してＴｉＯ２微粒子がチャンバー１８の内壁面への付着を防止することが望ましい。
さらに、真空ポンプ２０ｂで吸引されることにより、生成されたＴｉＯ２微粒子がチャンバー１８の下流に設けられたフィルター２０ａの表面で留まった状態にて回収される。
【００６１】
また、本実施形態においては、変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光がプラズマ分光分析部２８により分光分析されている。変調誘導熱プラズマ炎１００の放射光が光学系２８ａにより分光器２８ｂに入力され、分光器２８ｂで所定の時間間隔で分光され、得られた分光スペクトルがＰＭＴ２８ｃで、所定の倍率に増幅された後、ＤＳＰ３０に出力される。
【００６２】
ＤＳＰ３０においては、原料に由来する物質の波長の光について、この場合、Ｔｉ粒子を用い、プラズマガスにＯ２ガスを用いているので、ＴｉとＴｉＯに由来する波長の光について、例えば、図７（ｂ）に示すように、曲線１１０で表されるＴｉの放射強度の時間変化、曲線１１２で表されるＴｉＯの放射強度の時間変化が求められる。
図７（ｂ）に示すＴｉの放射強度の時間変化（曲線１１０）およびＴｉＯの放射強度の時間変化（曲線１１２）と、図７（ａ）に示すバルブの入力波形信号とを比較すると、バルブ２２ｃが開いている状態よりもバルブ２２ｃが閉じている状態の方がＴｉの放射強度およびＴｉＯの放射強度が高い。これは、変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときにＴｉ粒子がプラズマトーチ１６内に供給されていないことを示している。
【００６３】
この場合、Ｔｉの放射強度およびＴｉＯの放射強度の極小値が６ｍｓ程度であり、Ｔｉの放射強度およびＴｉＯの放射強度の極大値が１３ｍｓ程度である。このため、ＤＳＰ３０では、プラズマ炎が高温になるタイミングのずれが、例えば、７ｍｓ程度であると判定する。この７ｍｓのずれの時間が、ずれ量である。
【００６４】
ＤＳＰ３０においては、高周波誘導熱プラズマ発生部１４の高周波インバータ電源２６ａのＭＯＳＦＥＴインバータ回路のＭＯＳＦＥＴのゲートに供給されるパルス制御信号の位相を、例えば、７ｍｓずらすような信号を供給する。このように、例えば、曲線１１０ａで表されるＴｉの放射強度の時間変化、曲線１１２ａで表されるＴｉＯの放射強度の時間変化となるように、変調誘導熱プラズマ炎１００の高温状態、低温状態の温度状態のタイミングがフィードバック制御される。
【００６５】
このようにして、変調誘導熱プラズマ炎１００を分光分析し、フィードバック制御することにより、変調誘導熱プラズマ炎１００が高温状態のときにＴｉ粉末を供給することができる。このため、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６６】
なお、本実施形態においては、変調誘導熱プラズマ炎１００の高温状態、低温状態の温度状態のタイミングをフィードバック制御したが、これに限定されるものではなく、バルブ２２ｃの開閉タイミングを制御してもよい。この場合、ＤＳＰ３０では、トリガ回路２２ａで作成されるＴＴＬレベルの信号、すなわち、電磁コイル２２ｂへの入力信号の位相を、ずれ量、例えば、７ｍｓずらすような信号を供給し、トリガ回路２２ａに出力する。これにより、原料粉末の供給タイミングとプラズマ炎の変調のタイミングとを合わせて、熱プラズマ炎が高温状態のときに、Ｔｉ粉末を供給させるようにすることができる。この場合においても、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６７】
なお、微粒子の製造方法においては、コイル電流を振幅変調させることなく、すなわち、熱プラズマ炎の温度状態が一定の状態で、原料粉末の供給だけを間歇供給して微粒子を製造することができる。この場合、熱プラズマ炎の温度状態が一定の状態で、Ｔｉ粉末を連続的に供給する従来のものに比して、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６８】
また、微粒子の製造方法においては、フィードバック制御することなく、熱プラズマ炎の温度状態を高温状態と低温状態に周期的に変えるとともに、原料粉末の供給だけを間歇供給して微粒子を製造することができる。この場合、熱プラズマ炎の温度状態が一定の状態で、Ｔｉ粉末を間歇的に供給するものに比して、微細でかつ粒度分布幅の狭いＴｉＯ２微粒子を高効率に得ることができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、原料にＴｉ粉体を用い、キャリアガスで分散させたがこれに限定されるものではなく、原料としては、スラリーまたはコロイド液であってもよい。スラリーまたはコロイド液としては、例えば、Ｔｉ粒子を分散媒中に分散、または混濁させたものがある。この場合、原料供給部１２に、図８に示す液状原料供給装置９０を用いる。この液状原料供給装置９０を、配管等を用いてバルブ２２ｃに接続する。
【００７０】
液状原料供給装置９０は、スラリー９２（コロイド液）を入れる容器９４と、容器９４中のスラリー９２を攪拌する攪拌機９６と、スラリー９２（コロイド液）に高圧をかけてバルブ２２ｃに供給するためのポンプ９８と、スラリー９２（コロイド液）を液滴化するための噴霧ガス供給源（図示せず）とを有する。そして、押し出し圧力がかけられた噴霧ガスにより液滴化されたスラリー９２（コロイド液）がバルブ２２ｃを経てプラズマトーチ１６内に供給される。
【００７１】
なお、本実施形態では、原料としては、原料を溶媒中に溶解させて溶液にしたものであってもよい。この場合においても、上述のスラリーまたはコロイド液と同様にして、液状原料供給装置９０が用いられる。この場合でも、押し出し圧力がかけられた噴霧ガスにより液滴化された、原料が溶解した溶液がバルブ２２ｃを経てプラズマトーチ１６内に供給される。
【００７２】
なお、本実施形態においては、Ｔｉ粒子を酸化させてＴｉＯ２微粒子を製造する場合を例として挙げたが、他の元素の粒子を微粒子製造用の原料として用いて、その酸化物，金属，窒化物，炭化物等の微粒子製造を行うことも可能である。
【００７３】
例えば、原料としては、熱プラズマ炎により蒸発させられるものであれば、その種類を問わないが、好ましくは、以下のものがよい。すなわち、原子番号３〜６、１１〜１５、１９〜３４、３７〜５２、５５〜６０、６２〜７９および８１〜８３の元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、単体酸化物、複合酸化物、複酸化物、酸化物固溶体、金属、合金、水酸化物、炭酸化合物、ハロゲン化物、硫化物、窒化物、炭化物、水素化物、金属塩または金属有機化合物を適宜選択すればよい。
【００７４】
なお、単体酸化物とは酸素以外に１種の元素からなる酸化物をいい、複合酸化物とは複数種の酸化物から構成されるものをいい、複酸化物とは２種以上の酸化物からできている高次酸化物をいい、酸化物固溶体とは異なる酸化物が互いに均一に溶け合った固体をいう。また、金属とは１種以上の金属元素のみで構成されるものをいい、合金とは２種以上の金属元素から構成されるものをいい、その組織状態としては、固溶体、共融混合物、金属間化合物あるいはそれらの混合物をなす場合がある。
【００７５】
また、水酸化物とは水酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭酸化合物とは炭酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、ハロゲン化物とはハロゲン元素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、硫化物とは硫黄と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、窒化物とは窒素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭化物とは炭素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、水素化物とは水素と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、金属塩は少なくとも１種以上の金属元素を含むイオン性化合物をいい、金属有機化合物とは１種以上の金属元素と少なくともＣ、Ｏ、Ｎ元素のいずれかとの結合を含む有機化合物をいい、金属アルコキシドや有機金属錯体等が挙げられる。
【００７６】
例えば、単体酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化鉄、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム、酸化サマリウム、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化バリウム（ＢａＯ）などを挙げることができる。
【００７７】
また、複合酸化物としては、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、バナジウム酸イットリウム、リン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム（ＣａＺｒＯ３）、ジルコン酸チタン鉛、酸化チタン鉄（ＦｅＴｉＯ３）、酸化チタンコバルト（ＣｏＴｉＯ３）等を、複酸化物としては、錫酸バリウム（ＢａＳｎＯ３）、（メタ）チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸バリウムに酸化ジルコニウムと酸化カルシウムが固溶した固溶体などを挙げることができる。
さらに、水酸化物としてはＺｒ（ＯＨ）４、炭酸化合物としてはＣａＣＯ３、ハロゲン化物としてはＭｇＦ２、硫化物としてはＺｎＳ、窒化物としてはＴｉＮ、炭化物としてはＳｉＣ、水素化物としてはＴｉＨ２等を挙げることができる。
【００７８】
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
【００７９】
以下、本発明の微粒子の製造方法の実施例について、具体的に説明する。
本実施例においては、微粒子の製造には、図１に示す製造装置１０を用いた。
なお、下記表１に、以下に示す実験例１〜９において共通する実験条件を示す。
【実施例１】
【００８０】
実験条件としては、プラズマへの平均入力を２０ｋＷ一定として、プラズマガスとしてＡｒガス＋Ｏ２ガスを用いて合計流量を１００Ｌ／ｍｉｎ（標準状態換算、以下同様）、流量組成をＡｒ９０％＋Ｏ２１０％とした。すなわち、アルゴンガスの流量を９０Ｌ／ｍｉｎ（標準状態換算）とし、Ｏ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎ（標準状態換算）とした。また、キャリアガスにはＡｒガスを用い、その流量は４Ｌ／ｍｉｎとした。プラズマトーチ内圧力は、３００ｔｏｒｒ（≒４０ｋＰａ）に固定し、原料Ｔｉ粉体には平均直径が４５μｍのものを用いた。粉体を投入する水冷プローブのトーチ内部挿入長は誘導コイル４，５ターン目の間（挿入長：１３４ｍｍ）とした。
【００８１】
【表１】
【００８２】
本実施例１においては、下記表２に示すように、プラズマ変調の有無、原料供給方法を変えた実験例１〜３の製造方法で、ＴｉＯ２微粒子の製造を試みた。
なお、電流変調率（ＳＣＬ）は、コイルの電流振幅の比（ＬＣＬ／ＨＣＬ×１００（％））で定義され、実施例１ではＳＣＬ＝７０％とした。
また、間歇供給については、オン時間を１２ｍｓ、オフ時間を３ｍｓとし、１サイクル、１５ｍｓとした。
【００８３】
プラズマの変調の有無については、図１に示す製造装置１０において、コイル電流をパルス変調した場合を「変調あり」とし、コイル電流をパルス変調しない場合を「変調なし」とした。また、原料供給方法については、連続供給の場合には、電磁バルブを開けたままの状態とし、間歇供給の場合には、電磁バルブを上述の条件で開閉させた。
【００８４】
本実施例では、実験例１〜３で得られた微粒子について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて、平均粒径および粒径の度数分布を調べた。
【００８５】
【表２】
【００８６】
ＳＥＭ観察結果：
実験例１〜３の各実験条件で微粒子の製造実験を行い、その結果、フィルター２０ａで回収した微粒子のＳＥＭ画像を図９（ａ）〜（ｃ）に示す。図９（ａ）は実験例１、図９（ｂ）は実験例２、図９（ｃ）は実験例３のＳＥＭ画像を示している。なお、フィルター２０ａには、日本フィルター工業社製のバグフィルター（ミクロテックスＭＴ−１０００）を用いた。
図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、実験例１〜３のいずれの条件でも、直径数十ｎｍの球状のＴｉＯ２のナノ粒子を得ることができた。
【００８７】
粒径度数分布・平均粒径：
実験例１〜３について、それぞれ得られた上述のＳＥＭ画像を用いて、２００個の粒子を無作為に抽出し、その粒径度数分布を調べた。具体的には、異なる測定での倍率１０万倍のＳＥＭ画像を２枚使用し，それぞれ１００個計２００個の粒子の粒径を測定した。
その結果を図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。図１０（ａ）は実験例１、図１０（ｂ）は実験例２、図１０（ｃ）は実験例３の結果を示すものである。
図１０（ａ）〜（ｃ）は、粒径の度数分布および累積割合を示すものであり、さらに平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差の各値も示す。
【００８８】
実験例１は、従来例に相当するものであり、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差がいずれも、実験例１〜３の中で最も大きい。
実験例２は、実験例１に比して間歇供給する点が異なる。実験例２は、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差がいずれも実験例１よりも小さい。このように、間歇供給することにより、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差を小さくすることができた。
【００８９】
実験例３は、実験例１に比してプラズマ変調する点が異なる。実験例３は、平均粒径、ｄ５０および粒径の標準偏差がいずれも実験例１よりも小さく、しかも実験例２よりも小さい。
【実施例２】
【００９０】
次に、プラズマ変調と原料の間歇投入による効果を検討した。本実施例２においては、微粒子の製造には、図１に示す製造装置１０において、ＤＳＰ３０の信号をトリガ回路２２ａに接続し、原料投入のバルブ開閉タイミングをフィードバック制御した。下記表３に示すように、プラズマ変調の有無、原料供給方法、およびフィードバックにより原料投入のバルブ開閉タイミングを変えた実験例４〜９の製造方法で、ＴｉＯ２微粒子の製造を試みた。なお、本実施例２では、ＳＣＬは８０％とした以外は、実施例１と同様の実験条件でＴｉＯ２微粒子の製造を試みた。
【００９１】
【表３】
【００９２】
実験例４〜９の各実験条件で微粒子の製造実験を行い、その結果、フィルター２０ａで回収した微粒子の平均粒径を図１１に示す。本実施例２において、平均粒径は、実施例１と同様にＳＥＭ画像を用いて求めた。
【００９３】
コイル電流をパルス変調した、プラズマ変調ありの場合では、原料を連続供給した実験例５と、間歇投入した場合において、バルブ開閉タイミングをフィードバック制御しない実験例６では、製造された微粒子の平均粒径は、ほぼ同等であった。
一方、ＴｉＯの放射強度のタイミングを元にフィードバックを行い、原料投入のバルブ開閉タイミングを６ｍｓまたは８ｍｓ遅延させた実験例７、実験例８においては、実験例５に比して、さらに平均粒径が小さい微粒子を製造することができた。原料投入のバルブ開閉タイミングを１２ｍｓ遅延させた実験例９は、実験例７、８に比して平均粒径が大きい。これは、図７（ａ）、（ｂ）に示す例では、ずれ量は７ｍｓ程度であるのに対して、１２ｍｓと遅延時間が長く原料投入のバルブ開閉タイミングがずれているためであると考えられる。しかしながら、単に間歇供給する実施例４に比して平均粒径が小さい。
【符号の説明】
【００９４】
１０ 微粒子の製造装置（製造装置）
１２ 原料供給部
１４ 高周波誘導熱プラズマ発生部
１６ プラズマトーチ
１８ チャンバー
２０ 回収部
２２ 間歇供給部
２４ 水冷プローブ
２８ プラズマ分光分析部
３０ ＤＳＰ
３２ プラズマガス供給部
１００ 熱プラズマ炎または変調誘導熱プラズマ炎
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子の製造装置であって、
微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給する原料供給手段と、
内部に前記熱プラズマ炎が発生されるものであり、前記原料供給手段により間歇的に供給される前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、
前記プラズマトーチの内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生手段とを有することを特徴とする微粒子の製造装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生手段は、前記プラズマトーチに設けられたコイルに前記熱プラズマ炎を発生させるための電流を供給するとともに、前記コイルへの電流を振幅変調させることができる電源部を備えるものであり、
前記プラズマ発生手段は、前記コイルへの電流を振幅変調させることにより前記熱プラズマ炎を周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にさせ、前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調された変調誘導熱プラズマ炎を発生させるものである請求項１に記載の微粒子の製造装置。
【請求項３】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記プラズマ発生手段に、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記コイルへの電流の振幅を相対的に大きくし、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態させる制御部とを有する請求項２に記載の微粒子の製造装置。
【請求項４】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、
前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料供給手段に、前記コイルへの電流の振幅が相対的に大きくなり、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給させる制御部とを有する請求項２に記載の微粒子の製造装置。
【請求項５】
前記原料供給手段は、前記原料を粒子状態に分散させ、前記粒子状態に分散された前記原料を間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子の製造装置。
【請求項６】
微粒子の製造方法であって、
微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給して、前記原料を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して微粒子を製造することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項７】
前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されて周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態とにされる変調誘導熱プラズマ炎に、前記原料を間歇的に供給する請求項６に記載の微粒子の製造方法。
【請求項８】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態する請求項７に記載の微粒子の製造方法。
【請求項９】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給する請求項７に記載の微粒子の製造方法。
【請求項１０】
前記原料は、粒子状態に分散されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される請求項６〜９のいずれか１項に記載の微粒子の製造方法。
【請求項１】
微粒子の製造装置であって、
微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給する原料供給手段と、
内部に前記熱プラズマ炎が発生されるものであり、前記原料供給手段により間歇的に供給される前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、
前記プラズマトーチの内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生手段とを有することを特徴とする微粒子の製造装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生手段は、前記プラズマトーチに設けられたコイルに前記熱プラズマ炎を発生させるための電流を供給するとともに、前記コイルへの電流を振幅変調させることができる電源部を備えるものであり、
前記プラズマ発生手段は、前記コイルへの電流を振幅変調させることにより前記熱プラズマ炎を周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にさせ、前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調された変調誘導熱プラズマ炎を発生させるものである請求項１に記載の微粒子の製造装置。
【請求項３】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記プラズマ発生手段に、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記コイルへの電流の振幅を相対的に大きくし、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態させる制御部とを有する請求項２に記載の微粒子の製造装置。
【請求項４】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析する分光分析手段と、
前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料供給手段に、前記コイルへの電流の振幅が相対的に大きくなり、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給させる制御部とを有する請求項２に記載の微粒子の製造装置。
【請求項５】
前記原料供給手段は、前記原料を粒子状態に分散させ、前記粒子状態に分散された前記原料を間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給するものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子の製造装置。
【請求項６】
微粒子の製造方法であって、
微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に間歇的に供給して、前記原料を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して微粒子を製造することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項７】
前記熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されて周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態とにされる変調誘導熱プラズマ炎に、前記原料を間歇的に供給する請求項６に記載の微粒子の製造方法。
【請求項８】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記原料が前記変調誘導熱プラズマ炎に供給されたときに、前記変調誘導熱プラズマ炎を高温状態する請求項７に記載の微粒子の製造方法。
【請求項９】
前記変調誘導熱プラズマ炎について前記原料に由来する波長の光を分光分析し、前記原料に由来する波長の光の分光分析の結果に基づいて、前記変調誘導熱プラズマ炎が高温状態のときに、前記原料を前記変調誘導熱プラズマ炎に供給する請求項７に記載の微粒子の製造方法。
【請求項１０】
前記原料は、粒子状態に分散されて間歇的に前記熱プラズマ炎または前記変調誘導熱プラズマ炎に供給される請求項６〜９のいずれか１項に記載の微粒子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−５５８４０（Ｐ２０１２−５５８４０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２３５１（Ｐ２０１０−２０２３５１）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００２２６９９８）株式会社日清製粉グループ本社 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００２２６９９８）株式会社日清製粉グループ本社 (125)
【Ｆターム（参考）】
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