複合構造物形成システム及び形成方法
【課題】 エアロゾルを停止することなく原料の補充が可能な複合構造物形成システム及び形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、前記微粒子を収容する収容機構と、前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、前記収容機構と前記エアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断する圧力遮断機構と、前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、を備えたことを特徴とする複合構造物形成システムを提供する。
【解決手段】 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、前記微粒子を収容する収容機構と、前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、前記収容機構と前記エアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断する圧力遮断機構と、前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、を備えたことを特徴とする複合構造物形成システムを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合構造物形成システム及び形成方法に関し、より詳細には、脆性材料の微粒子をガス中に分散させた「エアロゾル」を基材に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基材上に形成させる複合構造物の形成システム及び形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材の表面に脆性材料からなる構造物を形成させる方法として、「エアロゾルデポジション法」がある（例えば、特許文献１及び特許文献２）。これは、脆性材料を含む微粒子をガス中に分散させた「エアロゾル」をノズルから基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子に変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる膜状構造物をダイレクトに形成させる方法である。この方法によれば、特に加熱手段などを必要とせず、常温で膜状構造物が形成が可能であり、焼成体と比較して同等以上の機械的強度を有する膜状構造物を得ることができる。また、微粒子を衝突させる条件や微粒子の形状、組成などを制御することにより、構造物の密度や機械強度、電気特性などを多様に変化させることが可能である。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号公報
【特許文献２】特開２０００−２１２７６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エアロゾルデポジション法により膜状構造物を形成する際には、できるだけ長期間にわたり安定してエアロゾルを発生させことが望ましい。特に、量産化のためには、エアロゾルの発生を停止することなく、原料となる粉体を補充できるシステムであることが望ましい。しかし、多くの場合、エアロゾルデポジション装置の内部は、動作状態において減圧あるいは加圧状態とされる。このため、原料となる粉体を補充するために蓋を開けると外気が吸い込まれたりガスが逆流して、装置内部の圧力を変動させてしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、エアロゾルを停止することなく原料の補充が可能な複合構造物形成システム及び形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断する圧力遮断機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成システムが提供される。
【０００６】
上記構成によれば、収容機構とエアロゾル化機構との間のガスの流れを圧力遮断機構により遮断することによって、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成を停止することなく収容機構への微粒子原料の補充が可能な複合構造物形成システムを提供できる。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備え、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構とを連通する経路に前記微粒子を押し固めた圧粉体を充填することにより前記ガスの流れを遮断することを特徴とする複合構造物形成システムが提供される。
【０００８】
上記構成によれば、収容機構とエアロゾル化機構とを連通する経路に微粒子を押し固めた圧粉体を充填することによりガスの流れを遮断するものとすれば、微粒子の搬送と圧力の遮断を同時に実現でき、簡潔な構成で確実な搬送動作と圧力遮断動作を実施させることができる。すなわち、微粒子を押し固めた圧粉体を充填することにより、収容機構とエアロゾル化機構とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることができる。その結果として、収容機構とエアロゾル化機構との間の圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止し、圧力を遮断できる。
【０００９】
ここで、前記エアロゾル化機構は、前記圧粉体を解きほぐす解砕手段を有するものとすれば、圧力遮断のために押し固められて凝集した微粒子を解きほぐして粒度の揃ったエアロゾルを形成することが容易となる。
【００１０】
また、前記エアロゾルを形成している状態において、前記エアロゾル化機構の圧力は大気圧よりも高い状態または低い状態にあり、前記収容機構の圧力は大気圧に略等しいものとすれば、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成に際して、加圧状態であっても減圧状態であっても、収容機構を大気に開放して原料となる微粒子を補充することができる。
【００１１】
また、前記収容機構に前記微粒子を補充可能な予備収容機構をさらに備えたものとれば、いわゆる「ロードロック」としての作用が得られ、例えば、吸湿性の高い微粒子や化学的に不安定な微粒子などを大気に晒すことなく収容機構に補充できる。
【００１２】
また、前記収容機構に収容された前記微粒子にバインダを添加するバインダ添加機構をさらに備えたものとすれば、粉体を確実且つ容易に押し固めた状態にすることができ、確実な搬送動作と圧力遮断動作を実施させることができる。
【００１３】
またさらに、前記微粒子に添加されたバインダを除去する除去手段をさらに備えたものとすれば、粉体からバインダを除去することにより、エアロゾル化を確実且つ容易に実行させ、構造物へのバインダの混入も防ぐことができる。
【００１４】
また、前記吐出口と前記基材とを収容する構造物作製室と、前記構造物作製室の内部空間を大気圧よりも減圧状態に維持可能とした排気手段と、をさらに備えたものとすれば、吐出口の上流側と構造物作製室との間に使用ずる差圧によりエアロゾルを加速させ高速で基材に衝突させることにより膜状構造物を確実に形成することができる。また、余剰の微粒子を構造物作製室内に閉じこめて回収することも可能となり、周囲への飛散などの問題を解消できる。
【００１５】
また、前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する定量機構をさらに備えたものとすれば、エアロゾルに含有される微粒子の濃度を安定させることができる複合構造物形成システムを提供することができる。
【００１６】
ここで、「定量化機構」とは、単位時間あたりに供給されるエアロゾル中の微粒子の濃度を調節し、所定の濃度を継続維持させる働きをする機構である。定量性を決定するための単位時間は、要求される構造物の精度によって適宜設定することができ、数１０秒オーダー以下（１０〜５０秒以下）の単位時間で定量性を維持するものであってもよく、より好ましくは、数秒オーダー（１〜５秒以下）程度の単位時間で定量性を維持するものであってもよい。
【００１７】
また、前記エアロゾルに含有される前記微粒子の濃度を検知する計量機構をさらに備えたものとすれば、エアロゾルの濃度を検知しその結果に基づき各種の制御が可能となる。
【００１８】
例えば、前記計量機構により検知された情報に基づき前記定量機構を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を所定値に維持でき、膜厚や膜質を均一化することができる。
【００１９】
またここで、前記計量機構は、前記エアロゾル化機構または前記エアロゾル化機構と前記定量機構との間に設けられたものすれば、いわゆるフィードフォワード制御が可能となり、膜厚の均一性が高くなる。
【００２０】
また、前記エアロゾルに含まれる前記微粒子を解砕する解砕機構をさらに備えたものすれば、エアロゾル中に含まれる凝集粒や粗大粒などを解砕して粒径を揃えることが可能となる。
【００２１】
また、前記エアロゾルに含まれる前記微粒子の粒度を選別する分級機構をさらに備えたものとすれば、より均一な粒子を含むエアロゾルが得られ膜厚や膜質の均一性をさらに高めた構造体を形成できる。
また、前記エアロゾルの流束を加速させる加速機構と、前記エアロゾルの流束を均一化させる整流機構の少なくともいずれかをさらに備えたものとすれば、均一なエアロゾルのビームを形成し、またエアロゾルを高速で基材に衝突させ緻密な構造物を確実に形成できる。
【００２２】
一方、本発明の他の一態様によれば、
収容機構とエアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断しつつ前記収容機構から前記エアロゾル化機構に微粒子を搬送する工程と、
前記搬送された前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射することにより前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成方法が提供される。
【００２３】
上記構成によれば、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成を停止することなく収容機構への微粒子原料の補充が可能な複合構造物形成方法を提供できる。
【００２４】
なお、本願明細書において「微粒子」とは、緻密質粒子である場合は、粒度分布測定や走査型電子顕微鏡などにより同定される平均粒径が５０マイクロメータ以下のものをいう。
【００２５】
また、本願明細書において「エアロゾル」とは、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気、これらを含む混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させたものであり、これら微粒子が単独でガス中に分散している状態と、これら微粒子が凝集した凝集粒がガス中に分散した状態を含む。エアロゾルのガス圧力と温度は任意であるが、ガス中の微粒子の濃度は、ガス圧を１気圧、温度を摂氏２０度に換算した場合に、吐出口から噴射される時点において０.０００３ｍＬ／Ｌ〜０.０６ｍＬ／Ｌの範囲内であることが膜状構造物の形成にとって望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、圧力遮断機構を設けることにより、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成を停止することなく収容機構への微粒子原料の補充が可能な複合構造物形成システムを提供できる。その結果として、長時間に亘る連続的な成膜が可能となり、厚みのある膜状構造物や、大面積の膜状構造物などを安定的に形成できる点で産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示する模式図である。すなわち、同図は、エアロゾルデポジション装置の構成を例示する概念図である。
【００２８】
本具体例のエアロゾルデポジション装置は、収容機構１と、供給機構２と、ガス供給機構３と、エアロゾル化機構４と、圧力遮断機構５と、吐出口６と、を有する。収容機構１には、エアロゾルを形成するための粉体（微粒子）が収容される。供給機構２は、収容機構１に収容された粉体を、後段のエアロゾル化機構４に供給する。エアロゾル化機構４には、ガス供給機構３が接続されている。エアロゾル化機構４の圧力と収容機構１の圧力とは、圧力遮断機構５により遮断されている。そして、エアロゾル化機構４の後段には吐出口６が接続され、エアロゾル化機構４により生成されたエアロゾルが、基材７に向けて噴射される。
【００２９】
収容機構１には、予め乾燥・粉砕処理された例えば酸化アルミニウム粉末などの粉体が充填されており、供給機構２の回転動作などによってエアロゾル化機構４へと微量ずつ供給される。エアロゾル化機構４にはガス供給機構３によってヘリウムなどのガスが導入され、供給された粉体はここでエアロゾル化される。生成されたエアロゾルはガスの流れに乗って吐出口６から基材７に向けて噴射され、基材７上に原料微粒子からなる膜状構造物が形成される。すなわち、基材７とその上に形成された膜状構造物と、からなる複合構造物が形成される。この時、ガス供給機構３から加圧ガスを供給すると、ガス流によりエアロゾルが形成されやすく、また基材７に向けて十分な速度でエアロゾルを噴射させることができる。
【００３０】
エアロゾルデポジションのプロセスは、通常は常温で実施され、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち摂氏数１００度以下で膜状構造物の形成が可能であるところにひとつの特徴がある。
【００３１】
また、収容機構１に収容される粉体を構成する微粒子は、セラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは粒径の異なる微粒子を混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また、金属材料や有機物材料などの微粒子を脆性材料微粒子に混合したり、脆性材料微粒子の表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも、膜状構造物の形成の主となるものは、脆性材料である。
【００３２】
この手法によって形成される複合構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、複合構造物の膜状構造物の部分は、その結晶粒子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多い。また、脆性材料結晶同士の界面には、ガラス層からなる粒界層が実質的に存在しない。また多くの場合、複合構造物の膜状構造物部分は、基材７の表面に食い込む「アンカー層」を形成する。このアンカー層が形成されている膜状構造物は、基材７に対して極めて高い強度で強固に付着して形成される。
【００３３】
エアロゾルデポジション法により形成される膜状構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる「圧粉体」とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。
【００３４】
エアロゾルデポジション法において、飛来してきた脆性材料微粒子が基材７の上で破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子と、形成された脆性材料構造物の結晶子サイズとをＸ線回折法などで測定することにより確認できる。すなわち、エアロゾルデポジション法で形成された膜状構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい。微粒子が破砕や変形をすることで形成される「ずれ面」や「破面」には、もともとの微粒子の内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった「新生面」が形成される。表面エネルギーが高く活性なこの新生面が、隣接した脆性材料微粒子の表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基材７の表面と接合することにより膜状構造物が形成されるものと考えられる。
【００３５】
また、エアロゾル中の微粒子の表面に水酸基がほどよく存在する場合は、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずれ応力などにより、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料からなる膜状構造物が成長するものと考えられる。
【００３６】
そして、本実施形態によれば、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを遮断している。このようにすれば、エアロゾル化機構４の圧力の高低に拘わらず、収容機構１の圧力を大気圧に維持できる。例えば、本具体例の場合、ほぼ大気圧の雰囲気中に配置された基材７に向けて吐出口６からエアロゾルを噴射することにより、膜状構造物を形成することができる。この場合、エアロゾル化機構４の中の圧力は、ガス供給機構３から加圧ガスの供給を受けて大気圧よりも高い圧力とされている。このような場合でも、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを遮断して、収容機構１の圧力を大気圧に維持できる。つまり、エアロゾル化機構４を大気圧よりも高い圧力に維持しエアロゾルを発生させながら、収容機構１を大気圧に開放して原料となる粉体の補充が可能となる。その結果として、原料粉体を適宜補充しつつ、エアロゾルによる膜状構造物の形成を連続的に実行することが可能となり、量産性に優れたシステムを実現できる。圧力遮断機構５の具体的な構造については、後に具体例を参照しつつ詳述する。
【００３７】
なお、本発明における圧力遮断機構５は、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを必ずしも完全に遮断するものである必要はない。すなわち、エアロゾルデポジションのプロセスを実行可能となるように、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力との間に差を設けられればよい。例えば、エアロゾル化機構４の圧力が大気圧よりも高い状態でエアロゾルデポジションを実施する場合、収容機構１を大気圧に開放してエアロゾル化機構４から収容機構１にある程度のガスのリークが生じても、エアロゾルデポジションを実行可能であればよい。また、エアロゾル化機構４の圧力が大気圧よりも低い状態でエアロゾルデポジションを実施する場合、収容機構１を大気圧に開放して収容機構１からエアロゾル化機構４にある程度のリークが生じても、エアロゾルデポジションを実行可能であればよい。
つまり、圧力遮断機構５は、エアロゾルデポジションを実行できるように、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力との間に圧力差を設けるものであればよい。
【００３８】
図２は、本実施形態のエアロゾルデポジション装置の第２の具体例を表す模式図である。図２以降の図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３９】
本具体例においては、収容機構１が大気に開放されている。すなわち、本発明においては、圧力遮断機構５を設けることより、収容機構１とエアロゾル化機構４の圧力を遮断できるので、エアロゾル化機構４の圧力が大気圧よりも高い状態（あるいは低い状態）を維持しつつ、収容機構１を大気に開放することができる。このようにすれば、原料となる粉体３０を常に補充することが可能となり、生産性に極めて優れたエアロゾルデポジション装置を実現できる。
【００４０】
図３は、本実施形態のエアロゾルデポジション装置の第３の具体例を表す模式図である。
【００４１】
本具体例においては、構造物作製室８が設けられ、吐出口６の少なくとも先端部と基材７とが、構造物作製室８の中に配置されている。構造物作製室８の内部空間は、排気機構９によって減圧状態が維持可能とされている。排気機構９としては、例えば、ロータリーポンプなどを用いることができ、構造物作製室８の内部を大気圧よりも低い減圧雰囲気に維持できる。
【００４２】
エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、吐出口６から基材７に向けて噴射され、基材７上には原料微粒子からなる膜状構造物が形成される。この時、構造物作製室８内が負圧環境にあるために、エアロゾルは圧力差により加速されて基材７に衝突する。その結果として、強固な膜状構造物を形成することができる。また、構造物作製室８を減圧状態に維持することにより、エアロゾルが基材７に衝突して形成される「新生面」がより長い時間、活性状態を維持でき、膜状構造物の緻密性や強度を上げることが可能となる。
【００４３】
本具体例の場合、エアロゾル化機構４の内部空間は、吐出口６を介して構造物作製室８と連通しており、排気機構９により排気される。従って、ガス供給機構３から加圧ガスを供給してエアロゾルを生成している状態でも、エアロゾル化機構４の内部空間は大気圧よりも低い圧力となる場合がある。このような場合でも、圧力遮断機構５を設けることにより、エアロゾル化機構４の圧力を大気圧よりも低い減圧状態に維持したまま、収容機構１を大気圧に開放できる。
なお、本具体例において、第２具体例に関して前述した如く、収容機構１を大気に開放してもよい。このようにすれば、原料となる粉体３０を常に補充することが可能となり、生産性に極めて優れたエアロゾルデポジション装置を実現できる。
【００４４】
図４は、本実施形態のエアロゾルデポジション装置の第４の具体例を表す模式図である。 すなわち、本具体例においては、第３具体例の構成に、予備収容機構１０が付加されている。予備収容機構１０は、いわゆる「ロードロック」として作用し、収容機構１が大気に晒されることを防ぎつつ粉体３０の補充を可能とする。すなわち、収容機構１に収容されている原料の粉体３０が減少したら、予備収容機構１０に収容されている粉体３０を収容機構１に補充できる。例えば、原料の粉体３０の吸湿性が高い場合や、化学的に不安定な場合などは、粉体３０をできるだけ大気に晒さないことが望ましい。このような場合には、粉体を収容機構１と予備収容機構１０とにそれぞれ収容し、これらの内部空間を、乾燥希ガスで充填したり、減圧状態などに維持し、収容室１の粉体３０が減少した時に、予備収容機構１０の粉体３０を収容機構１に補充すればよい。
【００４５】
本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の全体構成について説明した。
次に、本発明において設けることができる圧力遮断機構５の具体的な構造について説明する。
【００４７】
図５は、エアロゾル発生器の具体例を表す模式図である。
すなわち、収容機構１の鉛直下方に供給機構２及び圧力遮断機構５が設けられている。供給機構２から排出された粉体は、エアロゾル化機構４においてガス供給機構３から供給されるガスの流れに乗って、エアロゾルを形成し、吐出口６から基材７に向けて噴射される。この時、圧力遮断機構５によって収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とが遮断されているので、収容機構１をいつでも大気圧に開放して粉体３０を補充することができる。
【００４８】
このような構造のエアロゾル発生器において、圧力遮断の手段として、収容機構１とエアロゾル化機構４との間で粉体３０を押し固める方法を用いることができる。
【００４９】
図６は、粉体３０を押し固めることによる圧力遮断機構の原理を説明するための模式図である。
すなわち、この具体例においては、収容室１０１の下方に圧縮手段２１４が設けられ、収容室１０１の中に収容されている粉体３０を圧縮して、圧粉体３０Ｐが形成される。この圧粉体３０Ｐは、圧縮手段２１４による圧力により下方に押し出され、解砕手段４１４により解砕される。解砕手段４１４としては、例えば、振動体などを用いることができる。つまり、圧粉体３０Ｐに振動を与えることにより、凝集した粉体を解きほぐすことができる。
【００５０】
解砕された粉体は、エアロゾル化室４０１において、ガス供給機構３により供給されるガス流に混合してエアロゾルが生成される。本具体例においては、圧縮手段２１４により圧粉体３０Ｐを形成することによって、収容室１０１の圧力と、エアロゾル化室４０１の圧力と、を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５１】
図７は、圧粉体による圧力遮断機構の第２の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においては、収容室１０１に収容された粉体３０を偏平形状のローラ２１５により押し固める。押し固められた圧粉体３０Ｐは、ベルトコンベア状の搬送機構２１６により下方に向けて搬送される。圧粉体３０Ｐの下方には、解砕ローラ４１５が設けられている。すなわち、略円筒形の解砕ローラ４１５は、その円周表面に所定の凹凸が形成されている。解砕ローラ４１５を矢印の方向に回転させ、粉体が凝集した圧粉体３０Ｐを当接させると圧粉体３０Ｐが解きほぐされる。このようにして解きほぐされた粉体は、ガス供給機構３から供給されるガスの流れに混合されてエアロゾルが形成され、ガス流に沿って流れる。
【００５２】
本具体例においても、圧粉体３０Ｐを形成することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１との間を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５３】
図８は、圧粉体による圧力遮断機構の第３の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においては、収容室１０１に収容された粉体３０をプロペラ状の加圧手段２１７により押し固める。押し固められた圧粉体３０Ｐは、加圧手段２１７の回転に応じて、同図に矢印で表したように回転しながら下方に向けて押し出される。圧粉体３０Ｐの下方には、解砕手段４１６が設けられている。解砕手段４１６は、例えば、その表面に所定の凹凸が形成された板状体とすることができる。このような解砕手段４１５に圧粉体３０Ｐが回転しながら押しつけられると、表面の凹凸によって圧粉体３０Ｐが解きほぐされる。このようにして解きほぐされた粉体は、エアロゾル化室４０１において、ガス供給機構３から供給されるガスの流れに混合されてエアロゾルが形成され、ガス流に沿って流れる。
なお、本具体例における解砕手段４１６としては、図６に関して前述したような振動体を用いてもよい。
【００５４】
本具体例においても、圧粉体３０Ｐを形成することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１との間を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５５】
図９は、圧粉体による圧力遮断機構の第４の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においては、収容室１０１に収容された粉体３０をピストン２１８により押し固める。すなわち、ピストン２１８は矢印で表したように上下に反復運動し、粉体３０を下方に押し固めて圧粉体３０Ｐを形成する。押し固められた圧粉体３０Ｐは、ベルトコンベア状の搬送機構２１６により下方に向けて搬送される。なお、搬送機構２１６を設けずに、ピストン２１８による圧力で圧粉体３０Ｐを下方に移動させるようにしてもよい。圧粉体３０Ｐの下方には、解砕手段４１７が設けられている。解砕手段４１７は、例えば、図６に関して前述したものと同様に振動体とすることができる。解砕手段４１７を振動させ、粉体が凝集した圧粉体３０Ｐを当接させると、圧粉体３０Ｐが解きほぐされる。このようにして解きほぐされた粉体は、ガス供給機構３から供給されるガスの流れに混合されてエアロゾルが形成され、ガス流に沿って流れる。
【００５６】
本具体例においても、圧粉体３０Ｐを形成することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１との間を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５７】
次に、溝の中に粉体を押し固めることにより圧力遮断する具体例について説明する。
図１０は、本具体例のエアロゾル発生ユニットの具体的な構造を例示する模式図である。
【００５８】
本具体例においては、供給機構２としての役割を有する回転テーブル２０１の上に、収容機構を構成する収容室１０１と、エアロゾル化機構を構成するエアロゾル化室４０１とが設けられている。収容室１０１の中には粉体３０が収容されている。回転テーブル２０１の水平な上面には円環状の溝２０３が形成され、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを結ぶ循環式の搬送コンベアとして作用する。すなわち、収容室１０１内の粉体３０は、粉体３０の自重や機械的動作、例えば特開平５−２３９６２７号に記載されているように攪拌体を使用したり、収容室１０１に振動を与えるなどの手段を利用して、回転テーブル２０１上に設けられた溝２０３の中へと供給される。
そして溝２０３内の粉体３０は、回転テーブル２０１の回転によってエアロゾル化室４０１に送られ、ここでエアロゾルが生成される。溝２０３の大きさを変更したり駆動手段にて回転速度を変更したりすることによって、粉体輸送量を調節することが可能である。
【００５９】
図１１は、本具体例におけるエアロゾル化機構の構造を例示する一部断面図である。
また、図１２は、図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【００６０】
本具体例のエアロゾル化室４０１は、ジョイント４０５を介してガス供給機構と接続され、ガス供給機構から供給される搬送ガスを溝２０３内に落とし込まれた粉体３０へ吹き付けるためのガス導入口４０３と、溝２０３内で押し込められた粉体３０を解して掻き出すための粉体解砕ピン４０２と、エアロゾル導出口４０４を備えている。このエアロゾル導出口４０４は、ジョイント４０６から構造物作製室８を経由して排気機構９と接続され、排気機構９及び搬送ガスが排出されるときに発生する吸引力によってエアロゾル化した粉体３０を吸い出す。粉体解砕ピン４０２のサイズは、図１２に表したように溝２０３の幅よりも小さく、粉体解砕ピン４０２と溝２０３の側面との間には隙間が形成されるようにしてもよい。この隙間を介してガス導入口４０３からの空気がエアロゾル導出口４０４方向へと流れる。
【００６１】
あるいは、粉体解砕ピン４０２は、溝２０３と同等の形状のものを使用して溝２０３内に固着した粉体３０をすべて掻き出すようにしてもよい。また、粉体解砕ピン４０２自体を可動式にして掻き出し効果を高めることができる。例えば、粉体解砕ピン４０２に圧電素子に取り付けて電圧を与えて振動させると効率よく掻き出しできる。また、粉体解砕ピン４０２をエアロゾル化室４０１本体に固定するのではなく可動式にして、粉体解砕ピン４０２にモータや錘やバネなどを付け、常に溝２０３の底面に粉体解砕ピン４０２の先端が必ず接触するようにすると、粉体３０を溝２０３に残すことなく解し掻き出すことが可能となる。
【００６２】
また、図１１に表した具体例の場合には、粉体３０の移動方向に対して、一番目にエアロゾル導出口４０４が配置され、次に粉体解砕ピン４０２が配置され、最後にガス導入口４０３を配置されているが、これらの配置の順番は本具体例に限定されない。例えば、ガス導入口４０３をエアロゾル導出口４０４よりも上流側に配置した場合には、固着した粉体がエアロゾル導出口４０４に入り込むおそれがないが、多少の粉体がエアロゾル導出口４０４よりも下流側に流れ、逆に図示のようにガス導入口４０３をエアロゾル導出口４０４よりも下流側に配置した場合には、若干の固着した粉体がエアロゾル導出口４０４に入り込むおそれがあるが、粉体がエアロゾル導出口４０４よりも下流側に流れてしまう無駄がない。
図１３は、図１０乃至図１２に関して前述したエアロゾル発生ユニットの模式断面図である。
すなわち、収容室１０１の中に、加圧手段１０２が設けられている。加圧手段１０２は、回転テーブル２０１の溝２０３の中に、粉体３０を圧粉化させた状態で押し込める役割を有する。
【００６３】
図１４は、加圧手段２２の平面図である。
また、図１５は、加圧手段の作用を説明するための模式図である。
【００６４】
加圧手段１０２は、例えば、回転可能なプロペラ状などの形態を有し、回転テーブル２０１との接触部には、ゴムなどの弾性体からなる圧接体１０３が設けられている。この加圧手段１０２が回転すると、収容室１０１内の粉体３０が溝２０３の中に向けて掃き出され、図１５に例示した如く、圧接体１０３の圧力により溝２０３に中に押し固められて圧粉化した状態の圧粉体３０Ｐが形成される。なお、図１５に矢印で例示した如く、回転テーブル２０１の回転による溝１０３の走行方向Ａと、加圧手段１０２の掃引方向Ｂとを互いに略逆方向とすると、粉体３０を効率的に溝２０３の中に押し固めることができる。
【００６５】
このように溝２０３の中に押し固められた圧粉体３０Ｐは、回転テーブル２０１の回転によってエアロゾル化室４０１に供給される。
図１６は、エアロゾル化室の構造を表す模式図である。
本具体例においては、エアロゾル化室４０１には、圧力遮断手段の一部としての気密シール４０８が付設されている。気密シール４０８としては、例えば、回転テーブル２０１に接触するゴムなどの弾性体を用いることができる。つまり、回転テーブル２０１の回転動作を許容しつつ、回転テーブル２０１とエアロゾル化室４０１との「隙間」を解消し、収容室１０１の圧力とエアロゾル化室４０１の圧力とを遮断できるようにされている。また、本具体例においては、溝２０３に粉体３０が圧粉化された状態で押し固められているので、その圧粉体３０Ｐの表面をゴムなどの気密シール４０８により圧接することで、気密が維持されて、圧力を遮断できる。
【００６６】
なお、本具体例においては、図１１及び図１２に関して前述したように、粉体解砕ピン４０２が設けられ、回転テーブルの溝２０３の中に圧粉化された状態で押し固められていた粉体３０が解されて掻き出される。このようにして溝２０３から掻き出された粉体に、ガス導入口４０３からガスが吹き付けられてエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出口４０４を介して構造物作製室８に供給される。
【００６７】
またさらに、エアロゾル化室４０１に設けられた圧力遮断手段４０８は、回転テーブルの溝２０１を封止する溝封止部４０９を有する。
図１７は、溝封止部４０９を説明するための概念図である。
すなわち、本具体例においては、溝２０３の中に押し固められた圧粉体３０Ｐは、エアロゾル化室４０１において、粉体解砕ピン４０２により掻き出され、ガス流によって排出される。従って、粉体３０が取り出された後の溝２０３は、空の状態となる。溝封止部４０９は、この空の状態の溝２０３を塞ぐ役割を有する。溝２０３を塞ぐことにより、エアロゾル化室４０１の気密が維持され、収容室１０１との間で確実に圧力遮断できる。溝封止部４０９としては、例えば、溝２０３の形状に合わせたゴムやプラスチックなどの成形体を用いることができる。圧粉体３０Ｐが排出されて空になった溝２０３をこのような成形体で埋めることにより、エアロゾル化室４０１の気密を維持し圧力を遮断できる。
【００６８】
図１０乃至図１７に表した具体例によれば、加圧手段１０２により回転テーブル２０１の溝２０３の中に粉体３０を圧粉化させた状態で押し固め、さらにエアロゾル化室４０１に気密シール４０８（溝封止部４０９）を設けることにより、収容室１０１の圧力と、エアロゾル化室４０１の圧力と、を確実に遮断できる。その結果として、構造物作製室８の圧力を加圧あるいは減圧状態に維持したまま、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００６９】
以上、本発明において設けることができる圧力遮断機構の具体的な構造について説明した。
さて、本発明においては、以上説明したように粉体３０を押し固めて圧粉体３０Ｐを形成し、収容機構１とエアロゾル化機構４との間の搬送路を遮断するなどしてこれらの圧力を遮断することができる。ところが、原料として用いる粉体３０の性質によっては、押し固めて圧粉体３０Ｐを形成することが容易でない場合もあり得る。
このような場合に、粉体３０にバインダを添加することにより圧粉化を促進させることができる。
図１８は、このようなバインダ添加プロセスを導入したエアロゾルデポジション装置の動作を例示するフローチャートである。
すなわち、ステップＳ１０１において、収容機構１に収容されている粉体３０にバインダを添加する。バインダは、液体でも固体でもよい。バインダは、粉体３０と化学的に過度な反応を起こさず、均一に添加でき、不純物として悪影響を及ぼさず、除去も容易であるものであることが望ましい。バインダとして液体を用いる場合、例えば、水やアルコール、あるいはその他の揮発性有機溶剤など、各種のものを用いることが可能である。また、バインダとして固体を用いる場合には、粉体３０に添加して圧粉化を容易にするような材料からなる粉末を用いることができる。
これらバインダは、収容機構１において粉末３０に添加してもよく、また予め粉体３０に添加した状態で収容機構１に充填してもよい。
【００７０】
次に、ステップＳ１０２において、バインダを添加した粉体を圧粉化する。その方法としては、例えば、図６〜図９、図１４、図１５に関して前述したような各種のものを採用できる。
次に、圧粉化した圧粉体をステップＳ１０３において収容機構１からエアロゾル化機構４に搬送する。
次に、ステップＳ１０４において、圧粉体を解砕し、必要に応じてバインダを除去する。圧粉体の解砕の方法としては、例えば、図６〜図９、図１１、図１２に関して前述したような解砕手段、解砕ローラ、解砕ピンをはじめとした各種のものを用いることかできる。
【００７１】
また、バインダを除去する場合、その方法としては、加熱、減圧、乾燥、洗浄などの各種のものを用いることができる。例えば、バインダとして水やアルコールを用いた場合、ヒータで加熱したり、減圧排気手段により減圧することにより蒸発させて粉体から除去することができる。また、加熱したガスを吹き付けて粉体を乾燥させてもよい。
このようにして解砕し、バインダを適宜除去した粉体は、エアロゾル化機構４においてエアロゾル化される。
【００７２】
図１９は、図１８に例示したプロセスを実行可能なエアロゾルデポジション装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、本具体例の場合、収容機構１と供給機構２との間に、バインダ添加機構４２が設けられている。バインダ添加機構４２は、収容機構１に収容されている粉体３０に液体や固体のバインダを適宜添加する役割を有する。このようにしてバインダが添加された粉体は、押し固められて圧粉化され、供給機構２によって、解砕・除去機構４４に搬送される。圧粉体を形成することにより、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とが遮断（圧力遮断機構５）され、両者の間の圧力差が所定の範囲内に維持される。解砕・除去機構４４に搬送された圧粉体は、図１８のステップＳ１０４に関して前述したように、解きほぐされ、バインダが適宜除去されて粉体の状態に戻される。この粉体は、エアロゾル化機構４においてエアロゾル化される。
【００７３】
以上説明したように、本具体例においては、バインダ添加機構４２と解砕・除去機構４４とを設けることにより、圧粉体を形成しにくい粉体３０を用いた場合でも、確実且つ容易に押し固めて圧粉体を形成することができる。そして、圧粉体を充填することにより、収容機構１とエアロゾル化機構４とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを確実に遮断し、収容機構１への粉体３０の補充を随時行うことができる。
【００７４】
なお、図１９は一例に過ぎない。これ以外にも、本発明においては、例えば、バインダを予め添加した粉体３０を収容機構１に充填してもよい。また、バインダ添加機構４２は、収容機構１の一部として設けてもよく、または供給機構２の一部あるいは圧力遮断機構５の一部として設けてもよい。同様に、解砕・除去機構４４は、供給機構２の一部として設けてもよく、または圧力遮断機構５の一部あるいはエアロゾル化機構４の一部として設けてもよい。
【００７５】
以上、本発明において設けることができる圧力遮断機構の具体的な構造について説明した。
以下、このような圧力遮断機構を備えたエアロゾルデポジション装置の具体例について説明する。
【００７６】
図２０は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第５の具体例の構成を例示する概念図である。
【００７７】
本具体例においては、エアロゾル化機構４の後段に、エアロゾルの微粒子濃度を制御する定量機構２５が設けられている。後に詳述するように、定量化機構５には、希釈用ガスの導入管５０８やエアロゾル排出用の１次排出管５１２などを適宜設けることができる。定量機構２５の後段には吐出口６が接続され、定量機構２５により定量化されたエアロゾルが、基材７に向けて噴射される。
【００７８】
エアロゾル化機構４にはガス供給機構３によってヘリウムなどのガスが導入され、供給された粉体はここでエアロゾル化される。生成されたエアロゾルはガスの流れに乗って定量機構２５へと搬送され、定量機構２５においてエアロゾルの濃度が調節される。後に詳述するように、例えば、定量機構２５にはある程度過剰にエアロゾルを供給し、その一部を排出させながら微粒子の濃度を調節するようにしてもよい。定量機構２５によって定量化されたエアロゾルは、吐出口６から基材７に向けて噴射され、基材７上に原料微粒子からなる膜状構造物が形成される。
【００７９】
本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
そして、本実施形態によれば、さらに定量機構２５を設けることにより、吐出口６から噴射されるエアロゾル中の微粒子の濃度を制御し、基材７上に形成される膜状構造物の膜厚や膜質を確実に制御できる。この場合、エアロゾル中の微粒子濃度を終始一定に維持することにより、膜状構造物の堆積速度を一定にして正確な厚みの膜状構造物を形成できる。また、膜質も均質にできる。
【００８０】
またさらに、図２０に矢印で例示した如く、定量機構２５により定量する過程において余剰となった微粒子を１次排出管５１２を介して取り出して収容機構１に戻すことも可能となる。このようにすれば、微粒子（粉体）の利用効率を上げて、長時間に亘る連続的な成膜が可能となる。
図２１は、定量機構２５の構造を例示する模式図である。
すなわち、定量機構２５は、定量化室５０２の中に可変絞り機構５０４を設けた構造とすることができる。可変絞り５０４は、エアロゾルを通過させる流路の抵抗を変化させる流路抵抗可変手段として作用する。可変絞り機構５０４の１次側には、搬入管５０６が接続され、エアロゾル発生ユニットＡＳＧからエアロゾルが供給される。また、可変絞り機構５０４の２次側には、ガス導入管５０８が接続され、ガス供給機構３から希釈用のガスが供給される。また、可変絞り機構５０４の２次側には、排出管５１０が接続され、定量されたエアロゾルが構造物作製室８に向けて供給される。
【００８１】
図２２は、可変絞り機構５０４の平面構造を例示する模式図である。
すなわち、可変絞り機構５０４は、相対的な配置関係が可変とされた複数の絞り板５０４Ｓを有する。そして、これら絞り板５０４Ｓにより形成される開口５０４Ａのサイズが可変とされている。なお、絞り板５０４Ｓの形状やサイズ、数、配置関係などは図２２に例示したものに限定されず、その他各種の変型例を同様に用いることができる。要は、エアロゾルが通過する開口５０４Ａのサイズあるいはコンダクタンスが可変とされていればよい。
【００８２】
本発明によれば、このような可変絞り機構５０４を設けた定量機構２５を採用することにより、エアロゾルの濃度を所定の範囲に制御し、高い精度及び再現性で基材の表面に膜状構造物を形成することができる。
【００８３】
図２３は、定量機構２５の第２の具体例を表す模式図である。
本具体例においても、定量機構２５は、定量化室５０２の中に可変絞り機構５０４が設けられた構造を有する。ただし、可変絞り機構５０４の１次側には、搬入管５０６とともに、１次排出管５１２が接続され、可変絞り機構５０４の１次側からエアロゾルを排出可能とされている。
【００８４】
この場合、排出管５１０から出力されるエアロゾルの流量は、搬入管５０６から供給されるエアロゾルの流量と、ガス導入管５０８から導入される希釈用ガスの流量と、の和から、１次排出管５１２からのエアロゾルの流出量を差し引いた値となる。従って、主に、エアロゾル発生ユニットＡＳＧから搬入管５０６に供給するエアロゾルの流量と、ガス供給機構３からガス導入管５０８に導入するガスの流量と、１次排出管５１２からの流出量と、を適宜制御することにより、エアロゾルの流量と濃度が決定されることとなる。
このような１次排出管５１２を設けると、エアロゾルの定量制御の自由度が広がる。
【００８５】
図２４は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第６の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、エアロゾル化機構４から搬送管１０を介して定量機構２５へエアロゾルが搬出される。また、定量機構２５の先には加速機構１１が設けられ、さらにその先には整流機構１２を介して吐出口６が設けられている。
加速機構１１においては、流路径に差を設けることにより得られるジェット気流や圧縮効果などを利用して、エアロゾルの流速が加速される。
【００８６】
図２５及び図２６は、加速機構の構造を例示する模式図である。
すなわち、加速機構１１としては、図２５に表したように、流路径の狭い部分１１０２と、流路径の広い部分１１０４とを設けることにより形成されるジェット気流を利用することができる。
【００８７】
また、図２６に表したように、流路１１０６を徐々に狭めることにより得られる圧縮効果を利用してもよい。
【００８８】
一方、整流機構１２においては、エアロゾルを等方拡散させたり、撹拌させることにより、微粒子濃度を均一にすることができる。すなわち、均一な濃度のエアロゾルのビームを得ることができる。
【００８９】
図２７及び図２８は、整流機構の構造を例示する模式図である。
すなわち、整流機構１２としては、図２７に表したように、流路１２０２の径を徐々に広げることによるエアロゾルの等方拡散効果を利用することができる。
【００９０】
また、図２８に表したように、流路に障害物１２０４を適宜設けることによりエアロゾルを撹拌し、均一な流れを得ることもできる。
【００９１】
これら要素のうちで、少なくとも吐出口６は、構造物作製室８の内側に配置されている。
【００９２】
一方、図２４に表したエアロゾルデポジション装置の場合、構造物作製室８の中には、支持走査機構１３に支持された基材７が配置される。支持走査機構１３は、基材７を支持し、吐出口６に対する基材７の相対的な位置関係をＸＹＺθ方向の少なくともいずれかに適宜相対変位させる役割を有する。すなわち、支持走査機構１３により基材７を適宜走査しつつエアロゾルを吹き付けることにより、吐出口６から噴射されるエアロゾルのビームサイズよりも大面積の基材７の表面に膜状構造物を堆積できる。そして、定量機構２５でエアロゾルの濃度を定量することにより、大面積に亘り均一な膜状構造物を形成することができる。すなわち、吐出口６と基材７とを相対的に走査させて大面積の基材７の表面に膜状構造物を堆積する場合において、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持すれば、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にできる。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【００９３】
図２９は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第７の具体例を表す模式図である。
【００９４】
本具体例においては、吐出口６が支持走査機構１７により支持され、ＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に移動可能とされている。すなわち、基材７に対して吐出口６を相対的に変位させつつエアロゾルを噴射させることにより、基材７上に大面積に亘り均一な膜状構造物を形成できる。なおこの場合、例えば、定量機構２５と加速機構１１との間に、変形可能な配管１８を設けることにより、支持走査機構１７による吐出口６の変位を吸収させることができる。つまり、定量機構２５や構造物作製室８などを静止させた状態のままで、吐出口６を支持走査機構１７により移動させることができる。変形可能な配管１８としては、例えば、ゴムなどの弾性材料からなる配管や、ベローズ（じゃばら）などの配管を用いることができる。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【００９５】
図３０は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第８の具体例を表す模式図である。
本具体例においても、定量機構２５により定量化されたエアロゾルは、加速機構１１、整流機構１２を介して吐出口６から基材７に向けて噴射される。基材７は、支持走査機構１３の上に支持され、ＸＹＺθ方向の少なくともいずれかに適宜変位させながら膜状構造物を形成できる。
さらに、本具体例においては、吐出口６と基材７との間に、エアロゾルの濃度を計量する計量機構１４が配置されている。計量機構１４は、吐出口６から噴射されるエアロゾルに含まれる微粒子の濃度を検知する。
図３１は、本発明において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
すなわち、計量機構１４は、例えば、レーザ１４０２と、その光をモニタする受光器１４０４などにより構成できる。例えば、エアロゾルにレーザ１４０２からの光を照射し、その透過量をモニタすることにより、エアロゾルの濃度を計量できる。
【００９６】
また、図３２に例示した如く、レーザなどの投光手段１４０２からエアロゾルに光を照射し、その反射光をＣＣＤなどの受光器１４０４によりモニタしてもよい。
【００９７】
また、図３３に表したように、センサ１４０６を設け、ここに到達するエアロゾルの微粒子濃度を機械的あるいは電気的に計量してもよい。例えば、センサ１４０６として高感度の圧電素子を用い、エアロゾルが衝突する際の衝撃力を計量することによりその濃度を計量可能である。また、センサ１４０６として、水晶振動子を用い、その表面に堆積した膜状構造物の重量による振動数の変動に基づいてエアロゾルの濃度を計量することも可能である。
【００９８】
またさらに、図３４に例示した如く、所定の体積のエアロゾルをサンプリングし、その重量を重量測定手段１４０８よりモニタすることによっても、エアロゾルの濃度を計量可能である。
【００９９】
構造物作製室８内に計量機構１４を設けることにより吐出後のエアロゾルの濃度の揺らぎや経時変化に関する情報を検知して、定量機構２５にフィードバックすることで、エアロゾルの濃度や噴出速度などの安定化を図ることができる。その結果として、均一な膜厚で均一な膜質の膜状構造物を形成できる。なお、計量機構１４を構造物作製室８の内部に設ける代わりに、例えば、定量機構２５と加速機構１１との間に設けても、同様のフィードバック制御が可能である。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【０１００】
図３５は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第９の具体例を表す模式図である。
【０１０１】
本具体例においては、エアロゾル化機構４の内部にエアロゾルの濃度を計量する計量機構１４が設けられている。すなわち、定量機構２５に導入される前のエアロゾルの濃度を検知して、その結果を定量機構２５へとフィードフォワードし濃度を調節することによって、基材７に対して安定した濃度のエアロゾルを供給することができる。なお、計量機構１４をエアロゾル化機構４の内部に設ける代わりに、例えば、搬送管１０に設けても、同様のフィードフォワード制御が可能である。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【０１０２】
図３６は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１０の具体例を表す模式図である。
【０１０３】
本具体例においては、エアロゾル化機構４の後段に解砕機構１５及び分級機構１６が設けられ、搬送管１０を介して定量機構２５が配置されている。解砕機構１５は、エアロゾルに含まれる粗大粒や微粒子の凝集体などを破壊し、粒子サイズを小さくする役割を有する。一方、分級機構１６は、エアロゾルに含まれる微粒子のうちで所定の範囲の粒径のもののみを選別する役割を有する。
図３７は、解砕機構１５の構造を例示する模式図である。
すなわち、解砕機構１５は、エアロゾルを噴出するノズル１５０２と、その前方に設けられた衝撃板１５０４と、を有する。ノズル１５０２から噴出されたエアロゾルに含まれる粉体３０は、衝撃板１５０４に衝突した時に、衝撃力を受ける。この衝撃力により、凝集した微粒子が分解したり、粗大な微粒子が破壊されて微細な微粒子に分裂する。本発明においては、図６乃至図１９に関して前述したように、粉体を圧粉体３０Ｐにすることにより収容室とエアロゾル化室の圧力を遮断するので、圧粉体３０の解砕が不十分であると、微粒子の凝集体がエアロゾルに含まれることがある。このような場合に、解砕機構１５を用いることが有効である。
【０１０４】
また、衝撃板１５０４を回転させ、その回転による衝突点の運動ベクトルが、エアロゾルの噴射の運動ベクトルと略対向するようにすると、微粒子に対する衝撃力を増加でき効果的である。
【０１０５】
図３８は、解砕機構の第２の具体例を表す模式図である。
すなわち、エアロゾルの流路に、流路径の大きい箇所１５０６と小さい箇所１５０８とを交互に設ける。このようにすると、流路径の小さい箇所１５０８においてはガスが圧縮され、流路径の大きい箇所１５０６においてはガスが膨張する。このような圧縮と膨張とを繰り返すと、エアロゾルに含まれる微粒子あるいは粉体に剪断力が作用する。この剪断力により、凝集した微粒子が分解したり、粗大な微粒子が破壊されて微細な微粒子に分裂する。
【０１０６】
次に、分級機構１６について説明する。
図３９は、本発明において用いることができる分級機構の構造を例示する模式図である。
【０１０７】
すなわち、分級機構として、エアロゾルの流路にバッフル１６０２、１６０４を適宜配置することができる。同図において、下方は鉛直下方に対応する。鉛直下方からエアロゾルを供給すると、バッフル１６０２、１６０４により屈曲した流路が形成される。この時、質量が小さい微粒子は、屈曲した流路に沿って分級機構１６を通過し、後段に供給される。ところが、質量が大きい微粒子の凝集体や粗大な粒子などは慣性力が強く働くために直進しやすく、バッフル１６０２、１６０４に衝突する確率が高くなる。これら粒子がバッフル１６０２、１６０４に衝突すると、運動エネルギーに損失が生じ、重力によって下方に落下したり、また、衝突の衝撃によって微細粒子に分解あるいは分裂する。下方に落下した粒子は分級機構１６を通過することなく、また、分解あるいは分裂した微細な微粒子はエアロゾルの流れに乗って分級機構１６を通過し、後段に供給される。
【０１０８】
すなわち、このようなバッフル１６０２、１６０４を設けることにより、微粒子の凝集体や粗大な粒子などを分離して微細な粒子のみを取り出すことができる。また、バッフル１６０２、１６０４の位置をそれぞれ制御することで分級精度も調整することができる。
【０１０９】
再び図３６に戻って説明を続けると、エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、解砕機構１５に導入され、エアロゾル中に含まれる凝集粒などは解砕機構１５によって解砕される。そして、一部の解砕不十分な粗大粒子などは分級機構１６によって取り除かれ、より均一な粒子を含むエアロゾルのみが後工程である定量機構２５へと搬送される。
【０１１０】
本具体例によれば、解砕機構１５と分級機構１６とを設けることにより微粒子径が所定の範囲内に調整されたエアロゾルを基材７に噴射することができ、膜厚や膜質の均一性をさらに高めた構造体を形成できる。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。本発明においては、図６乃至図１９に関して前述したように、粉体を圧粉体３０Ｐにすることにより収容室とエアロゾル化室の圧力を遮断するので、解砕機構１５や分級機構１６を用いることが特に有効である。
【０１１１】
また、本具体例においては、計量機構１４を構造物作製室８内に設け、定量機構２５をフィードバック制御することにより、吐出口６から噴射されるエアロゾルの流量や濃度をさらに精密に制御できる。
【０１１２】
図４０は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１１の具体例を表す模式図である。
【０１１３】
本具体例においても、解砕機構１５と分級機構１６とが設けられ、微粒子径が所定の範囲内に調整されたエアロゾルを基材７に噴射することができる。
また、計量機構１４が構造物作製室８内に設けられ、吐出口６から噴射されたエアロゾルの濃度を計量機構１４により計測して定量機構２５にフィードバックすることができる。そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【０１１４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
例えば、以上の示したいずれの本発明における実施の形態においても、粉体の圧縮手段としては、楕円系の回転軸を利用して圧縮する方式、ピストン方式、プロペラ方式、ガス圧縮、振動、超音波などを利用した方式などの各種の方式を用いることができる。
また、本発明における実施の形態において粉体の供給機構としては、ベルト搬送方式、螺旋駆動方式、振動、超音波などを利用した方式などでも良い。
【０１１５】
また、本発明における実施の形態において解砕機構としては、摩擦方式、超音波振動、アークプラズマを利用する方法、振動摩擦、ヒーターによる熱分解を利用した方式なども有効である。
【０１１６】
本発明において使用される粉体は酸化アルミニウムだけでなく、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化珪素、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の酸化物の他、窒化物、ホウ化物、炭化物、フッ化物などの脆性材料、脆性材料を主成分とした金属や樹脂との複合材料等でも良い。
【０１１７】
本発明において使用される搬送ガスは窒素、酸素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスの他、メタン、エタン、エチレン、アセチレンなどの有機ガス、また、フッ素ガスなどの腐食性のあるガス等でも良く、これらの必要に応じてこれらの混合ガスを使用しても良い。
【０１１８】
その他、本発明のエアロゾルデポジション装置及び方法に関して当業者が適宜設計変更して採用したものも、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる複合構造物の形成システムの全体構成を例示する模式図である。
【図２】定量機構２５により定量する過程において余剰となった微粒子を収容機構１に戻すシステムを例示する模式図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第２の具体例を表す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第３の具体例を表す模式図である。
【図５】エアロゾル発生器の具体例を表す模式図である。
【図６】粉体３０を押し固めることによる圧力遮断機構の原理を説明するための模式図である。
【図７】圧粉体による圧力遮断機構の第２の具体例を表す模式図である。
【図８】圧粉体による圧力遮断機構の第３の具体例を表す模式図である。
【図９】圧粉体による圧力遮断機構の第４の具体例を表す模式図である。
【図１０】本具体例のエアロゾル発生ユニットの具体的な構造を例示する模式図である。
【図１１】エアロゾル化機構の構造を例示する一部断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１０乃至図１２に関して前述したエアロゾル発生ユニットの模式断面図である。
【図１４】加圧手段２２の平面図である。
【図１５】加圧手段の作用を説明するための模式図である。
【図１６】エアロゾル化室の構造を表す模式図である。
【図１７】溝封止部４０９を説明するための概念図である。
【図１８】バインダ添加プロセスを導入したエアロゾルデポジション装置の動作を例示するフローチャートである。
【図１９】図１８に例示したプロセスを実行可能なエアロゾルデポジション装置の構成を例示する模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第５の具体例の構成を例示する概念図である。
【図２１】定量機構２５の構造を例示する模式図である。
【図２２】可変絞り機構５０４の平面構造を例示する模式図である。
【図２３】定量機構２５の第２の具体例を表す模式図である。
【図２４】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第６の具体例を表す模式図である。
【図２５】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図２６】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図２７】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図２８】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図２９】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第７の具体例を表す模式図である。
【図３０】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第８の具体例を表す模式図である。
【図３１】本発明において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図３２】レーザなどの投光手段１４０２からエアロゾルに光を照射し、その反射光をＣＣＤなどの受光器１４０４によりモニタするシステムを例示する模式図である。
【図３３】センサ１４０６を設け、ここに到達するエアロゾルの微粒子の数を計測するシステムを例示する模式図である。
【図３４】エアロゾルの重量をモニタするシステムを例示する模式図である。
【図３５】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第９の具体例を表す模式図である。
【図３６】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１０の具体例を表す模式図である。
【図３７】解砕機構１５の構造を例示する模式図である。
【図３８】解砕機構の第２の具体例を表す模式図である。
【図３９】本発明において用いることができる分級機構の構造を例示する模式図である。
【図４０】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１１の具体例を表す模式図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 収容機構
２ 供給機構
３ ガス供給機構
４ エアロゾル化機構
５ 圧力遮断機構
６ 吐出口
７ 基材
８ 構造物作製室
９ 排気機構
１０ 予備収容機構
１１ 加速機構
１２ 整流機構
１３ 支持走査機構
１４ 計量機構
１５ 解砕機構
１６ 分級機構
１７ 支持走査機構
１８ 配管
２２ 加圧手段
２５ 定量機構
３０ 粉体
３０Ｐ 圧粉体
４２ バインダ添加機構
４４ 解砕・除去機構
７３ 溝
７４ エアロゾル化室
１０１ 収容室
１０２ 加圧手段
１０３ 圧接体
２０１ 回転テーブル（回転体）
２０１、２０３ 溝
２０５ ベルトコンベア
２０６、２０７ プーリ
２１０ 供給管
２１２ 振動発生手段
２１４ 圧縮手段
２１６ 供給管
２１７ 搬送手段
２１８ 搬送管
４０１ エアロゾル化室
４０２ 粉体解砕ピン
４０３ ガス導入口
４０４ エアロゾル導出口
４０５、４０６ ジョイント
４０８ 気密シール
４０９ 溝封止部
４１２ 揺動機構
４１４ 解砕手段
４１６ ガス供給管
５０２ 定量化室
５０４ 可変絞り
５０４Ａ 開口
５０４Ｓ 板
５０６ 搬入管
５０８ ガス導入管
５１０ 排出管
５１２ 次排出管
１１０６ 流路
１２０２ 流路
１２０４ 障害物
１４０２ レーザ（投光手段）
１４０４ 受光器
１４０６ センサ
１４０８ 重量測定手段
１５０２ ノズル
１５０４ 衝撃板
１６０２ バッフル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合構造物形成システム及び形成方法に関し、より詳細には、脆性材料の微粒子をガス中に分散させた「エアロゾル」を基材に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基材上に形成させる複合構造物の形成システム及び形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材の表面に脆性材料からなる構造物を形成させる方法として、「エアロゾルデポジション法」がある（例えば、特許文献１及び特許文献２）。これは、脆性材料を含む微粒子をガス中に分散させた「エアロゾル」をノズルから基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子に変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる膜状構造物をダイレクトに形成させる方法である。この方法によれば、特に加熱手段などを必要とせず、常温で膜状構造物が形成が可能であり、焼成体と比較して同等以上の機械的強度を有する膜状構造物を得ることができる。また、微粒子を衝突させる条件や微粒子の形状、組成などを制御することにより、構造物の密度や機械強度、電気特性などを多様に変化させることが可能である。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号公報
【特許文献２】特開２０００−２１２７６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エアロゾルデポジション法により膜状構造物を形成する際には、できるだけ長期間にわたり安定してエアロゾルを発生させことが望ましい。特に、量産化のためには、エアロゾルの発生を停止することなく、原料となる粉体を補充できるシステムであることが望ましい。しかし、多くの場合、エアロゾルデポジション装置の内部は、動作状態において減圧あるいは加圧状態とされる。このため、原料となる粉体を補充するために蓋を開けると外気が吸い込まれたりガスが逆流して、装置内部の圧力を変動させてしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、エアロゾルを停止することなく原料の補充が可能な複合構造物形成システム及び形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断する圧力遮断機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成システムが提供される。
【０００６】
上記構成によれば、収容機構とエアロゾル化機構との間のガスの流れを圧力遮断機構により遮断することによって、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成を停止することなく収容機構への微粒子原料の補充が可能な複合構造物形成システムを提供できる。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備え、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構とを連通する経路に前記微粒子を押し固めた圧粉体を充填することにより前記ガスの流れを遮断することを特徴とする複合構造物形成システムが提供される。
【０００８】
上記構成によれば、収容機構とエアロゾル化機構とを連通する経路に微粒子を押し固めた圧粉体を充填することによりガスの流れを遮断するものとすれば、微粒子の搬送と圧力の遮断を同時に実現でき、簡潔な構成で確実な搬送動作と圧力遮断動作を実施させることができる。すなわち、微粒子を押し固めた圧粉体を充填することにより、収容機構とエアロゾル化機構とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることができる。その結果として、収容機構とエアロゾル化機構との間の圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止し、圧力を遮断できる。
【０００９】
ここで、前記エアロゾル化機構は、前記圧粉体を解きほぐす解砕手段を有するものとすれば、圧力遮断のために押し固められて凝集した微粒子を解きほぐして粒度の揃ったエアロゾルを形成することが容易となる。
【００１０】
また、前記エアロゾルを形成している状態において、前記エアロゾル化機構の圧力は大気圧よりも高い状態または低い状態にあり、前記収容機構の圧力は大気圧に略等しいものとすれば、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成に際して、加圧状態であっても減圧状態であっても、収容機構を大気に開放して原料となる微粒子を補充することができる。
【００１１】
また、前記収容機構に前記微粒子を補充可能な予備収容機構をさらに備えたものとれば、いわゆる「ロードロック」としての作用が得られ、例えば、吸湿性の高い微粒子や化学的に不安定な微粒子などを大気に晒すことなく収容機構に補充できる。
【００１２】
また、前記収容機構に収容された前記微粒子にバインダを添加するバインダ添加機構をさらに備えたものとすれば、粉体を確実且つ容易に押し固めた状態にすることができ、確実な搬送動作と圧力遮断動作を実施させることができる。
【００１３】
またさらに、前記微粒子に添加されたバインダを除去する除去手段をさらに備えたものとすれば、粉体からバインダを除去することにより、エアロゾル化を確実且つ容易に実行させ、構造物へのバインダの混入も防ぐことができる。
【００１４】
また、前記吐出口と前記基材とを収容する構造物作製室と、前記構造物作製室の内部空間を大気圧よりも減圧状態に維持可能とした排気手段と、をさらに備えたものとすれば、吐出口の上流側と構造物作製室との間に使用ずる差圧によりエアロゾルを加速させ高速で基材に衝突させることにより膜状構造物を確実に形成することができる。また、余剰の微粒子を構造物作製室内に閉じこめて回収することも可能となり、周囲への飛散などの問題を解消できる。
【００１５】
また、前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する定量機構をさらに備えたものとすれば、エアロゾルに含有される微粒子の濃度を安定させることができる複合構造物形成システムを提供することができる。
【００１６】
ここで、「定量化機構」とは、単位時間あたりに供給されるエアロゾル中の微粒子の濃度を調節し、所定の濃度を継続維持させる働きをする機構である。定量性を決定するための単位時間は、要求される構造物の精度によって適宜設定することができ、数１０秒オーダー以下（１０〜５０秒以下）の単位時間で定量性を維持するものであってもよく、より好ましくは、数秒オーダー（１〜５秒以下）程度の単位時間で定量性を維持するものであってもよい。
【００１７】
また、前記エアロゾルに含有される前記微粒子の濃度を検知する計量機構をさらに備えたものとすれば、エアロゾルの濃度を検知しその結果に基づき各種の制御が可能となる。
【００１８】
例えば、前記計量機構により検知された情報に基づき前記定量機構を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を所定値に維持でき、膜厚や膜質を均一化することができる。
【００１９】
またここで、前記計量機構は、前記エアロゾル化機構または前記エアロゾル化機構と前記定量機構との間に設けられたものすれば、いわゆるフィードフォワード制御が可能となり、膜厚の均一性が高くなる。
【００２０】
また、前記エアロゾルに含まれる前記微粒子を解砕する解砕機構をさらに備えたものすれば、エアロゾル中に含まれる凝集粒や粗大粒などを解砕して粒径を揃えることが可能となる。
【００２１】
また、前記エアロゾルに含まれる前記微粒子の粒度を選別する分級機構をさらに備えたものとすれば、より均一な粒子を含むエアロゾルが得られ膜厚や膜質の均一性をさらに高めた構造体を形成できる。
また、前記エアロゾルの流束を加速させる加速機構と、前記エアロゾルの流束を均一化させる整流機構の少なくともいずれかをさらに備えたものとすれば、均一なエアロゾルのビームを形成し、またエアロゾルを高速で基材に衝突させ緻密な構造物を確実に形成できる。
【００２２】
一方、本発明の他の一態様によれば、
収容機構とエアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断しつつ前記収容機構から前記エアロゾル化機構に微粒子を搬送する工程と、
前記搬送された前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射することにより前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成方法が提供される。
【００２３】
上記構成によれば、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成を停止することなく収容機構への微粒子原料の補充が可能な複合構造物形成方法を提供できる。
【００２４】
なお、本願明細書において「微粒子」とは、緻密質粒子である場合は、粒度分布測定や走査型電子顕微鏡などにより同定される平均粒径が５０マイクロメータ以下のものをいう。
【００２５】
また、本願明細書において「エアロゾル」とは、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気、これらを含む混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させたものであり、これら微粒子が単独でガス中に分散している状態と、これら微粒子が凝集した凝集粒がガス中に分散した状態を含む。エアロゾルのガス圧力と温度は任意であるが、ガス中の微粒子の濃度は、ガス圧を１気圧、温度を摂氏２０度に換算した場合に、吐出口から噴射される時点において０.０００３ｍＬ／Ｌ〜０.０６ｍＬ／Ｌの範囲内であることが膜状構造物の形成にとって望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、圧力遮断機構を設けることにより、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの形成を停止することなく収容機構への微粒子原料の補充が可能な複合構造物形成システムを提供できる。その結果として、長時間に亘る連続的な成膜が可能となり、厚みのある膜状構造物や、大面積の膜状構造物などを安定的に形成できる点で産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示する模式図である。すなわち、同図は、エアロゾルデポジション装置の構成を例示する概念図である。
【００２８】
本具体例のエアロゾルデポジション装置は、収容機構１と、供給機構２と、ガス供給機構３と、エアロゾル化機構４と、圧力遮断機構５と、吐出口６と、を有する。収容機構１には、エアロゾルを形成するための粉体（微粒子）が収容される。供給機構２は、収容機構１に収容された粉体を、後段のエアロゾル化機構４に供給する。エアロゾル化機構４には、ガス供給機構３が接続されている。エアロゾル化機構４の圧力と収容機構１の圧力とは、圧力遮断機構５により遮断されている。そして、エアロゾル化機構４の後段には吐出口６が接続され、エアロゾル化機構４により生成されたエアロゾルが、基材７に向けて噴射される。
【００２９】
収容機構１には、予め乾燥・粉砕処理された例えば酸化アルミニウム粉末などの粉体が充填されており、供給機構２の回転動作などによってエアロゾル化機構４へと微量ずつ供給される。エアロゾル化機構４にはガス供給機構３によってヘリウムなどのガスが導入され、供給された粉体はここでエアロゾル化される。生成されたエアロゾルはガスの流れに乗って吐出口６から基材７に向けて噴射され、基材７上に原料微粒子からなる膜状構造物が形成される。すなわち、基材７とその上に形成された膜状構造物と、からなる複合構造物が形成される。この時、ガス供給機構３から加圧ガスを供給すると、ガス流によりエアロゾルが形成されやすく、また基材７に向けて十分な速度でエアロゾルを噴射させることができる。
【００３０】
エアロゾルデポジションのプロセスは、通常は常温で実施され、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち摂氏数１００度以下で膜状構造物の形成が可能であるところにひとつの特徴がある。
【００３１】
また、収容機構１に収容される粉体を構成する微粒子は、セラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは粒径の異なる微粒子を混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また、金属材料や有機物材料などの微粒子を脆性材料微粒子に混合したり、脆性材料微粒子の表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも、膜状構造物の形成の主となるものは、脆性材料である。
【００３２】
この手法によって形成される複合構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、複合構造物の膜状構造物の部分は、その結晶粒子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多い。また、脆性材料結晶同士の界面には、ガラス層からなる粒界層が実質的に存在しない。また多くの場合、複合構造物の膜状構造物部分は、基材７の表面に食い込む「アンカー層」を形成する。このアンカー層が形成されている膜状構造物は、基材７に対して極めて高い強度で強固に付着して形成される。
【００３３】
エアロゾルデポジション法により形成される膜状構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる「圧粉体」とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。
【００３４】
エアロゾルデポジション法において、飛来してきた脆性材料微粒子が基材７の上で破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子と、形成された脆性材料構造物の結晶子サイズとをＸ線回折法などで測定することにより確認できる。すなわち、エアロゾルデポジション法で形成された膜状構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい。微粒子が破砕や変形をすることで形成される「ずれ面」や「破面」には、もともとの微粒子の内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった「新生面」が形成される。表面エネルギーが高く活性なこの新生面が、隣接した脆性材料微粒子の表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基材７の表面と接合することにより膜状構造物が形成されるものと考えられる。
【００３５】
また、エアロゾル中の微粒子の表面に水酸基がほどよく存在する場合は、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずれ応力などにより、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料からなる膜状構造物が成長するものと考えられる。
【００３６】
そして、本実施形態によれば、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを遮断している。このようにすれば、エアロゾル化機構４の圧力の高低に拘わらず、収容機構１の圧力を大気圧に維持できる。例えば、本具体例の場合、ほぼ大気圧の雰囲気中に配置された基材７に向けて吐出口６からエアロゾルを噴射することにより、膜状構造物を形成することができる。この場合、エアロゾル化機構４の中の圧力は、ガス供給機構３から加圧ガスの供給を受けて大気圧よりも高い圧力とされている。このような場合でも、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを遮断して、収容機構１の圧力を大気圧に維持できる。つまり、エアロゾル化機構４を大気圧よりも高い圧力に維持しエアロゾルを発生させながら、収容機構１を大気圧に開放して原料となる粉体の補充が可能となる。その結果として、原料粉体を適宜補充しつつ、エアロゾルによる膜状構造物の形成を連続的に実行することが可能となり、量産性に優れたシステムを実現できる。圧力遮断機構５の具体的な構造については、後に具体例を参照しつつ詳述する。
【００３７】
なお、本発明における圧力遮断機構５は、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを必ずしも完全に遮断するものである必要はない。すなわち、エアロゾルデポジションのプロセスを実行可能となるように、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力との間に差を設けられればよい。例えば、エアロゾル化機構４の圧力が大気圧よりも高い状態でエアロゾルデポジションを実施する場合、収容機構１を大気圧に開放してエアロゾル化機構４から収容機構１にある程度のガスのリークが生じても、エアロゾルデポジションを実行可能であればよい。また、エアロゾル化機構４の圧力が大気圧よりも低い状態でエアロゾルデポジションを実施する場合、収容機構１を大気圧に開放して収容機構１からエアロゾル化機構４にある程度のリークが生じても、エアロゾルデポジションを実行可能であればよい。
つまり、圧力遮断機構５は、エアロゾルデポジションを実行できるように、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力との間に圧力差を設けるものであればよい。
【００３８】
図２は、本実施形態のエアロゾルデポジション装置の第２の具体例を表す模式図である。図２以降の図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３９】
本具体例においては、収容機構１が大気に開放されている。すなわち、本発明においては、圧力遮断機構５を設けることより、収容機構１とエアロゾル化機構４の圧力を遮断できるので、エアロゾル化機構４の圧力が大気圧よりも高い状態（あるいは低い状態）を維持しつつ、収容機構１を大気に開放することができる。このようにすれば、原料となる粉体３０を常に補充することが可能となり、生産性に極めて優れたエアロゾルデポジション装置を実現できる。
【００４０】
図３は、本実施形態のエアロゾルデポジション装置の第３の具体例を表す模式図である。
【００４１】
本具体例においては、構造物作製室８が設けられ、吐出口６の少なくとも先端部と基材７とが、構造物作製室８の中に配置されている。構造物作製室８の内部空間は、排気機構９によって減圧状態が維持可能とされている。排気機構９としては、例えば、ロータリーポンプなどを用いることができ、構造物作製室８の内部を大気圧よりも低い減圧雰囲気に維持できる。
【００４２】
エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、吐出口６から基材７に向けて噴射され、基材７上には原料微粒子からなる膜状構造物が形成される。この時、構造物作製室８内が負圧環境にあるために、エアロゾルは圧力差により加速されて基材７に衝突する。その結果として、強固な膜状構造物を形成することができる。また、構造物作製室８を減圧状態に維持することにより、エアロゾルが基材７に衝突して形成される「新生面」がより長い時間、活性状態を維持でき、膜状構造物の緻密性や強度を上げることが可能となる。
【００４３】
本具体例の場合、エアロゾル化機構４の内部空間は、吐出口６を介して構造物作製室８と連通しており、排気機構９により排気される。従って、ガス供給機構３から加圧ガスを供給してエアロゾルを生成している状態でも、エアロゾル化機構４の内部空間は大気圧よりも低い圧力となる場合がある。このような場合でも、圧力遮断機構５を設けることにより、エアロゾル化機構４の圧力を大気圧よりも低い減圧状態に維持したまま、収容機構１を大気圧に開放できる。
なお、本具体例において、第２具体例に関して前述した如く、収容機構１を大気に開放してもよい。このようにすれば、原料となる粉体３０を常に補充することが可能となり、生産性に極めて優れたエアロゾルデポジション装置を実現できる。
【００４４】
図４は、本実施形態のエアロゾルデポジション装置の第４の具体例を表す模式図である。 すなわち、本具体例においては、第３具体例の構成に、予備収容機構１０が付加されている。予備収容機構１０は、いわゆる「ロードロック」として作用し、収容機構１が大気に晒されることを防ぎつつ粉体３０の補充を可能とする。すなわち、収容機構１に収容されている原料の粉体３０が減少したら、予備収容機構１０に収容されている粉体３０を収容機構１に補充できる。例えば、原料の粉体３０の吸湿性が高い場合や、化学的に不安定な場合などは、粉体３０をできるだけ大気に晒さないことが望ましい。このような場合には、粉体を収容機構１と予備収容機構１０とにそれぞれ収容し、これらの内部空間を、乾燥希ガスで充填したり、減圧状態などに維持し、収容室１の粉体３０が減少した時に、予備収容機構１０の粉体３０を収容機構１に補充すればよい。
【００４５】
本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の全体構成について説明した。
次に、本発明において設けることができる圧力遮断機構５の具体的な構造について説明する。
【００４７】
図５は、エアロゾル発生器の具体例を表す模式図である。
すなわち、収容機構１の鉛直下方に供給機構２及び圧力遮断機構５が設けられている。供給機構２から排出された粉体は、エアロゾル化機構４においてガス供給機構３から供給されるガスの流れに乗って、エアロゾルを形成し、吐出口６から基材７に向けて噴射される。この時、圧力遮断機構５によって収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とが遮断されているので、収容機構１をいつでも大気圧に開放して粉体３０を補充することができる。
【００４８】
このような構造のエアロゾル発生器において、圧力遮断の手段として、収容機構１とエアロゾル化機構４との間で粉体３０を押し固める方法を用いることができる。
【００４９】
図６は、粉体３０を押し固めることによる圧力遮断機構の原理を説明するための模式図である。
すなわち、この具体例においては、収容室１０１の下方に圧縮手段２１４が設けられ、収容室１０１の中に収容されている粉体３０を圧縮して、圧粉体３０Ｐが形成される。この圧粉体３０Ｐは、圧縮手段２１４による圧力により下方に押し出され、解砕手段４１４により解砕される。解砕手段４１４としては、例えば、振動体などを用いることができる。つまり、圧粉体３０Ｐに振動を与えることにより、凝集した粉体を解きほぐすことができる。
【００５０】
解砕された粉体は、エアロゾル化室４０１において、ガス供給機構３により供給されるガス流に混合してエアロゾルが生成される。本具体例においては、圧縮手段２１４により圧粉体３０Ｐを形成することによって、収容室１０１の圧力と、エアロゾル化室４０１の圧力と、を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５１】
図７は、圧粉体による圧力遮断機構の第２の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においては、収容室１０１に収容された粉体３０を偏平形状のローラ２１５により押し固める。押し固められた圧粉体３０Ｐは、ベルトコンベア状の搬送機構２１６により下方に向けて搬送される。圧粉体３０Ｐの下方には、解砕ローラ４１５が設けられている。すなわち、略円筒形の解砕ローラ４１５は、その円周表面に所定の凹凸が形成されている。解砕ローラ４１５を矢印の方向に回転させ、粉体が凝集した圧粉体３０Ｐを当接させると圧粉体３０Ｐが解きほぐされる。このようにして解きほぐされた粉体は、ガス供給機構３から供給されるガスの流れに混合されてエアロゾルが形成され、ガス流に沿って流れる。
【００５２】
本具体例においても、圧粉体３０Ｐを形成することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１との間を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５３】
図８は、圧粉体による圧力遮断機構の第３の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においては、収容室１０１に収容された粉体３０をプロペラ状の加圧手段２１７により押し固める。押し固められた圧粉体３０Ｐは、加圧手段２１７の回転に応じて、同図に矢印で表したように回転しながら下方に向けて押し出される。圧粉体３０Ｐの下方には、解砕手段４１６が設けられている。解砕手段４１６は、例えば、その表面に所定の凹凸が形成された板状体とすることができる。このような解砕手段４１５に圧粉体３０Ｐが回転しながら押しつけられると、表面の凹凸によって圧粉体３０Ｐが解きほぐされる。このようにして解きほぐされた粉体は、エアロゾル化室４０１において、ガス供給機構３から供給されるガスの流れに混合されてエアロゾルが形成され、ガス流に沿って流れる。
なお、本具体例における解砕手段４１６としては、図６に関して前述したような振動体を用いてもよい。
【００５４】
本具体例においても、圧粉体３０Ｐを形成することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１との間を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５５】
図９は、圧粉体による圧力遮断機構の第４の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においては、収容室１０１に収容された粉体３０をピストン２１８により押し固める。すなわち、ピストン２１８は矢印で表したように上下に反復運動し、粉体３０を下方に押し固めて圧粉体３０Ｐを形成する。押し固められた圧粉体３０Ｐは、ベルトコンベア状の搬送機構２１６により下方に向けて搬送される。なお、搬送機構２１６を設けずに、ピストン２１８による圧力で圧粉体３０Ｐを下方に移動させるようにしてもよい。圧粉体３０Ｐの下方には、解砕手段４１７が設けられている。解砕手段４１７は、例えば、図６に関して前述したものと同様に振動体とすることができる。解砕手段４１７を振動させ、粉体が凝集した圧粉体３０Ｐを当接させると、圧粉体３０Ｐが解きほぐされる。このようにして解きほぐされた粉体は、ガス供給機構３から供給されるガスの流れに混合されてエアロゾルが形成され、ガス流に沿って流れる。
【００５６】
本具体例においても、圧粉体３０Ｐを形成することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１との間を遮断できる。すなわち、粉末を押し固めた圧粉体３０Ｐを充填することにより、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、エアロゾル化室４０１を大気圧よりも高い状態あるいは低い状態に維持してエアロゾルを生成させながら、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００５７】
次に、溝の中に粉体を押し固めることにより圧力遮断する具体例について説明する。
図１０は、本具体例のエアロゾル発生ユニットの具体的な構造を例示する模式図である。
【００５８】
本具体例においては、供給機構２としての役割を有する回転テーブル２０１の上に、収容機構を構成する収容室１０１と、エアロゾル化機構を構成するエアロゾル化室４０１とが設けられている。収容室１０１の中には粉体３０が収容されている。回転テーブル２０１の水平な上面には円環状の溝２０３が形成され、収容室１０１とエアロゾル化室４０１とを結ぶ循環式の搬送コンベアとして作用する。すなわち、収容室１０１内の粉体３０は、粉体３０の自重や機械的動作、例えば特開平５−２３９６２７号に記載されているように攪拌体を使用したり、収容室１０１に振動を与えるなどの手段を利用して、回転テーブル２０１上に設けられた溝２０３の中へと供給される。
そして溝２０３内の粉体３０は、回転テーブル２０１の回転によってエアロゾル化室４０１に送られ、ここでエアロゾルが生成される。溝２０３の大きさを変更したり駆動手段にて回転速度を変更したりすることによって、粉体輸送量を調節することが可能である。
【００５９】
図１１は、本具体例におけるエアロゾル化機構の構造を例示する一部断面図である。
また、図１２は、図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【００６０】
本具体例のエアロゾル化室４０１は、ジョイント４０５を介してガス供給機構と接続され、ガス供給機構から供給される搬送ガスを溝２０３内に落とし込まれた粉体３０へ吹き付けるためのガス導入口４０３と、溝２０３内で押し込められた粉体３０を解して掻き出すための粉体解砕ピン４０２と、エアロゾル導出口４０４を備えている。このエアロゾル導出口４０４は、ジョイント４０６から構造物作製室８を経由して排気機構９と接続され、排気機構９及び搬送ガスが排出されるときに発生する吸引力によってエアロゾル化した粉体３０を吸い出す。粉体解砕ピン４０２のサイズは、図１２に表したように溝２０３の幅よりも小さく、粉体解砕ピン４０２と溝２０３の側面との間には隙間が形成されるようにしてもよい。この隙間を介してガス導入口４０３からの空気がエアロゾル導出口４０４方向へと流れる。
【００６１】
あるいは、粉体解砕ピン４０２は、溝２０３と同等の形状のものを使用して溝２０３内に固着した粉体３０をすべて掻き出すようにしてもよい。また、粉体解砕ピン４０２自体を可動式にして掻き出し効果を高めることができる。例えば、粉体解砕ピン４０２に圧電素子に取り付けて電圧を与えて振動させると効率よく掻き出しできる。また、粉体解砕ピン４０２をエアロゾル化室４０１本体に固定するのではなく可動式にして、粉体解砕ピン４０２にモータや錘やバネなどを付け、常に溝２０３の底面に粉体解砕ピン４０２の先端が必ず接触するようにすると、粉体３０を溝２０３に残すことなく解し掻き出すことが可能となる。
【００６２】
また、図１１に表した具体例の場合には、粉体３０の移動方向に対して、一番目にエアロゾル導出口４０４が配置され、次に粉体解砕ピン４０２が配置され、最後にガス導入口４０３を配置されているが、これらの配置の順番は本具体例に限定されない。例えば、ガス導入口４０３をエアロゾル導出口４０４よりも上流側に配置した場合には、固着した粉体がエアロゾル導出口４０４に入り込むおそれがないが、多少の粉体がエアロゾル導出口４０４よりも下流側に流れ、逆に図示のようにガス導入口４０３をエアロゾル導出口４０４よりも下流側に配置した場合には、若干の固着した粉体がエアロゾル導出口４０４に入り込むおそれがあるが、粉体がエアロゾル導出口４０４よりも下流側に流れてしまう無駄がない。
図１３は、図１０乃至図１２に関して前述したエアロゾル発生ユニットの模式断面図である。
すなわち、収容室１０１の中に、加圧手段１０２が設けられている。加圧手段１０２は、回転テーブル２０１の溝２０３の中に、粉体３０を圧粉化させた状態で押し込める役割を有する。
【００６３】
図１４は、加圧手段２２の平面図である。
また、図１５は、加圧手段の作用を説明するための模式図である。
【００６４】
加圧手段１０２は、例えば、回転可能なプロペラ状などの形態を有し、回転テーブル２０１との接触部には、ゴムなどの弾性体からなる圧接体１０３が設けられている。この加圧手段１０２が回転すると、収容室１０１内の粉体３０が溝２０３の中に向けて掃き出され、図１５に例示した如く、圧接体１０３の圧力により溝２０３に中に押し固められて圧粉化した状態の圧粉体３０Ｐが形成される。なお、図１５に矢印で例示した如く、回転テーブル２０１の回転による溝１０３の走行方向Ａと、加圧手段１０２の掃引方向Ｂとを互いに略逆方向とすると、粉体３０を効率的に溝２０３の中に押し固めることができる。
【００６５】
このように溝２０３の中に押し固められた圧粉体３０Ｐは、回転テーブル２０１の回転によってエアロゾル化室４０１に供給される。
図１６は、エアロゾル化室の構造を表す模式図である。
本具体例においては、エアロゾル化室４０１には、圧力遮断手段の一部としての気密シール４０８が付設されている。気密シール４０８としては、例えば、回転テーブル２０１に接触するゴムなどの弾性体を用いることができる。つまり、回転テーブル２０１の回転動作を許容しつつ、回転テーブル２０１とエアロゾル化室４０１との「隙間」を解消し、収容室１０１の圧力とエアロゾル化室４０１の圧力とを遮断できるようにされている。また、本具体例においては、溝２０３に粉体３０が圧粉化された状態で押し固められているので、その圧粉体３０Ｐの表面をゴムなどの気密シール４０８により圧接することで、気密が維持されて、圧力を遮断できる。
【００６６】
なお、本具体例においては、図１１及び図１２に関して前述したように、粉体解砕ピン４０２が設けられ、回転テーブルの溝２０３の中に圧粉化された状態で押し固められていた粉体３０が解されて掻き出される。このようにして溝２０３から掻き出された粉体に、ガス導入口４０３からガスが吹き付けられてエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出口４０４を介して構造物作製室８に供給される。
【００６７】
またさらに、エアロゾル化室４０１に設けられた圧力遮断手段４０８は、回転テーブルの溝２０１を封止する溝封止部４０９を有する。
図１７は、溝封止部４０９を説明するための概念図である。
すなわち、本具体例においては、溝２０３の中に押し固められた圧粉体３０Ｐは、エアロゾル化室４０１において、粉体解砕ピン４０２により掻き出され、ガス流によって排出される。従って、粉体３０が取り出された後の溝２０３は、空の状態となる。溝封止部４０９は、この空の状態の溝２０３を塞ぐ役割を有する。溝２０３を塞ぐことにより、エアロゾル化室４０１の気密が維持され、収容室１０１との間で確実に圧力遮断できる。溝封止部４０９としては、例えば、溝２０３の形状に合わせたゴムやプラスチックなどの成形体を用いることができる。圧粉体３０Ｐが排出されて空になった溝２０３をこのような成形体で埋めることにより、エアロゾル化室４０１の気密を維持し圧力を遮断できる。
【００６８】
図１０乃至図１７に表した具体例によれば、加圧手段１０２により回転テーブル２０１の溝２０３の中に粉体３０を圧粉化させた状態で押し固め、さらにエアロゾル化室４０１に気密シール４０８（溝封止部４０９）を設けることにより、収容室１０１の圧力と、エアロゾル化室４０１の圧力と、を確実に遮断できる。その結果として、構造物作製室８の圧力を加圧あるいは減圧状態に維持したまま、収容室１０１を大気圧に開放して粉体３０を補充でき、長時間に亘って連続的な膜状構造物の作製が可能となる。
【００６９】
以上、本発明において設けることができる圧力遮断機構の具体的な構造について説明した。
さて、本発明においては、以上説明したように粉体３０を押し固めて圧粉体３０Ｐを形成し、収容機構１とエアロゾル化機構４との間の搬送路を遮断するなどしてこれらの圧力を遮断することができる。ところが、原料として用いる粉体３０の性質によっては、押し固めて圧粉体３０Ｐを形成することが容易でない場合もあり得る。
このような場合に、粉体３０にバインダを添加することにより圧粉化を促進させることができる。
図１８は、このようなバインダ添加プロセスを導入したエアロゾルデポジション装置の動作を例示するフローチャートである。
すなわち、ステップＳ１０１において、収容機構１に収容されている粉体３０にバインダを添加する。バインダは、液体でも固体でもよい。バインダは、粉体３０と化学的に過度な反応を起こさず、均一に添加でき、不純物として悪影響を及ぼさず、除去も容易であるものであることが望ましい。バインダとして液体を用いる場合、例えば、水やアルコール、あるいはその他の揮発性有機溶剤など、各種のものを用いることが可能である。また、バインダとして固体を用いる場合には、粉体３０に添加して圧粉化を容易にするような材料からなる粉末を用いることができる。
これらバインダは、収容機構１において粉末３０に添加してもよく、また予め粉体３０に添加した状態で収容機構１に充填してもよい。
【００７０】
次に、ステップＳ１０２において、バインダを添加した粉体を圧粉化する。その方法としては、例えば、図６〜図９、図１４、図１５に関して前述したような各種のものを採用できる。
次に、圧粉化した圧粉体をステップＳ１０３において収容機構１からエアロゾル化機構４に搬送する。
次に、ステップＳ１０４において、圧粉体を解砕し、必要に応じてバインダを除去する。圧粉体の解砕の方法としては、例えば、図６〜図９、図１１、図１２に関して前述したような解砕手段、解砕ローラ、解砕ピンをはじめとした各種のものを用いることかできる。
【００７１】
また、バインダを除去する場合、その方法としては、加熱、減圧、乾燥、洗浄などの各種のものを用いることができる。例えば、バインダとして水やアルコールを用いた場合、ヒータで加熱したり、減圧排気手段により減圧することにより蒸発させて粉体から除去することができる。また、加熱したガスを吹き付けて粉体を乾燥させてもよい。
このようにして解砕し、バインダを適宜除去した粉体は、エアロゾル化機構４においてエアロゾル化される。
【００７２】
図１９は、図１８に例示したプロセスを実行可能なエアロゾルデポジション装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、本具体例の場合、収容機構１と供給機構２との間に、バインダ添加機構４２が設けられている。バインダ添加機構４２は、収容機構１に収容されている粉体３０に液体や固体のバインダを適宜添加する役割を有する。このようにしてバインダが添加された粉体は、押し固められて圧粉化され、供給機構２によって、解砕・除去機構４４に搬送される。圧粉体を形成することにより、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とが遮断（圧力遮断機構５）され、両者の間の圧力差が所定の範囲内に維持される。解砕・除去機構４４に搬送された圧粉体は、図１８のステップＳ１０４に関して前述したように、解きほぐされ、バインダが適宜除去されて粉体の状態に戻される。この粉体は、エアロゾル化機構４においてエアロゾル化される。
【００７３】
以上説明したように、本具体例においては、バインダ添加機構４２と解砕・除去機構４４とを設けることにより、圧粉体を形成しにくい粉体３０を用いた場合でも、確実且つ容易に押し固めて圧粉体を形成することができる。そして、圧粉体を充填することにより、収容機構１とエアロゾル化機構４とを連通する経路のクリアランスを非常に小さくすることにより圧力損失を大きくしてガスの流れを阻止できる。その結果として、収容機構１の圧力とエアロゾル化機構４の圧力とを確実に遮断し、収容機構１への粉体３０の補充を随時行うことができる。
【００７４】
なお、図１９は一例に過ぎない。これ以外にも、本発明においては、例えば、バインダを予め添加した粉体３０を収容機構１に充填してもよい。また、バインダ添加機構４２は、収容機構１の一部として設けてもよく、または供給機構２の一部あるいは圧力遮断機構５の一部として設けてもよい。同様に、解砕・除去機構４４は、供給機構２の一部として設けてもよく、または圧力遮断機構５の一部あるいはエアロゾル化機構４の一部として設けてもよい。
【００７５】
以上、本発明において設けることができる圧力遮断機構の具体的な構造について説明した。
以下、このような圧力遮断機構を備えたエアロゾルデポジション装置の具体例について説明する。
【００７６】
図２０は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第５の具体例の構成を例示する概念図である。
【００７７】
本具体例においては、エアロゾル化機構４の後段に、エアロゾルの微粒子濃度を制御する定量機構２５が設けられている。後に詳述するように、定量化機構５には、希釈用ガスの導入管５０８やエアロゾル排出用の１次排出管５１２などを適宜設けることができる。定量機構２５の後段には吐出口６が接続され、定量機構２５により定量化されたエアロゾルが、基材７に向けて噴射される。
【００７８】
エアロゾル化機構４にはガス供給機構３によってヘリウムなどのガスが導入され、供給された粉体はここでエアロゾル化される。生成されたエアロゾルはガスの流れに乗って定量機構２５へと搬送され、定量機構２５においてエアロゾルの濃度が調節される。後に詳述するように、例えば、定量機構２５にはある程度過剰にエアロゾルを供給し、その一部を排出させながら微粒子の濃度を調節するようにしてもよい。定量機構２５によって定量化されたエアロゾルは、吐出口６から基材７に向けて噴射され、基材７上に原料微粒子からなる膜状構造物が形成される。
【００７９】
本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
そして、本実施形態によれば、さらに定量機構２５を設けることにより、吐出口６から噴射されるエアロゾル中の微粒子の濃度を制御し、基材７上に形成される膜状構造物の膜厚や膜質を確実に制御できる。この場合、エアロゾル中の微粒子濃度を終始一定に維持することにより、膜状構造物の堆積速度を一定にして正確な厚みの膜状構造物を形成できる。また、膜質も均質にできる。
【００８０】
またさらに、図２０に矢印で例示した如く、定量機構２５により定量する過程において余剰となった微粒子を１次排出管５１２を介して取り出して収容機構１に戻すことも可能となる。このようにすれば、微粒子（粉体）の利用効率を上げて、長時間に亘る連続的な成膜が可能となる。
図２１は、定量機構２５の構造を例示する模式図である。
すなわち、定量機構２５は、定量化室５０２の中に可変絞り機構５０４を設けた構造とすることができる。可変絞り５０４は、エアロゾルを通過させる流路の抵抗を変化させる流路抵抗可変手段として作用する。可変絞り機構５０４の１次側には、搬入管５０６が接続され、エアロゾル発生ユニットＡＳＧからエアロゾルが供給される。また、可変絞り機構５０４の２次側には、ガス導入管５０８が接続され、ガス供給機構３から希釈用のガスが供給される。また、可変絞り機構５０４の２次側には、排出管５１０が接続され、定量されたエアロゾルが構造物作製室８に向けて供給される。
【００８１】
図２２は、可変絞り機構５０４の平面構造を例示する模式図である。
すなわち、可変絞り機構５０４は、相対的な配置関係が可変とされた複数の絞り板５０４Ｓを有する。そして、これら絞り板５０４Ｓにより形成される開口５０４Ａのサイズが可変とされている。なお、絞り板５０４Ｓの形状やサイズ、数、配置関係などは図２２に例示したものに限定されず、その他各種の変型例を同様に用いることができる。要は、エアロゾルが通過する開口５０４Ａのサイズあるいはコンダクタンスが可変とされていればよい。
【００８２】
本発明によれば、このような可変絞り機構５０４を設けた定量機構２５を採用することにより、エアロゾルの濃度を所定の範囲に制御し、高い精度及び再現性で基材の表面に膜状構造物を形成することができる。
【００８３】
図２３は、定量機構２５の第２の具体例を表す模式図である。
本具体例においても、定量機構２５は、定量化室５０２の中に可変絞り機構５０４が設けられた構造を有する。ただし、可変絞り機構５０４の１次側には、搬入管５０６とともに、１次排出管５１２が接続され、可変絞り機構５０４の１次側からエアロゾルを排出可能とされている。
【００８４】
この場合、排出管５１０から出力されるエアロゾルの流量は、搬入管５０６から供給されるエアロゾルの流量と、ガス導入管５０８から導入される希釈用ガスの流量と、の和から、１次排出管５１２からのエアロゾルの流出量を差し引いた値となる。従って、主に、エアロゾル発生ユニットＡＳＧから搬入管５０６に供給するエアロゾルの流量と、ガス供給機構３からガス導入管５０８に導入するガスの流量と、１次排出管５１２からの流出量と、を適宜制御することにより、エアロゾルの流量と濃度が決定されることとなる。
このような１次排出管５１２を設けると、エアロゾルの定量制御の自由度が広がる。
【００８５】
図２４は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第６の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、エアロゾル化機構４から搬送管１０を介して定量機構２５へエアロゾルが搬出される。また、定量機構２５の先には加速機構１１が設けられ、さらにその先には整流機構１２を介して吐出口６が設けられている。
加速機構１１においては、流路径に差を設けることにより得られるジェット気流や圧縮効果などを利用して、エアロゾルの流速が加速される。
【００８６】
図２５及び図２６は、加速機構の構造を例示する模式図である。
すなわち、加速機構１１としては、図２５に表したように、流路径の狭い部分１１０２と、流路径の広い部分１１０４とを設けることにより形成されるジェット気流を利用することができる。
【００８７】
また、図２６に表したように、流路１１０６を徐々に狭めることにより得られる圧縮効果を利用してもよい。
【００８８】
一方、整流機構１２においては、エアロゾルを等方拡散させたり、撹拌させることにより、微粒子濃度を均一にすることができる。すなわち、均一な濃度のエアロゾルのビームを得ることができる。
【００８９】
図２７及び図２８は、整流機構の構造を例示する模式図である。
すなわち、整流機構１２としては、図２７に表したように、流路１２０２の径を徐々に広げることによるエアロゾルの等方拡散効果を利用することができる。
【００９０】
また、図２８に表したように、流路に障害物１２０４を適宜設けることによりエアロゾルを撹拌し、均一な流れを得ることもできる。
【００９１】
これら要素のうちで、少なくとも吐出口６は、構造物作製室８の内側に配置されている。
【００９２】
一方、図２４に表したエアロゾルデポジション装置の場合、構造物作製室８の中には、支持走査機構１３に支持された基材７が配置される。支持走査機構１３は、基材７を支持し、吐出口６に対する基材７の相対的な位置関係をＸＹＺθ方向の少なくともいずれかに適宜相対変位させる役割を有する。すなわち、支持走査機構１３により基材７を適宜走査しつつエアロゾルを吹き付けることにより、吐出口６から噴射されるエアロゾルのビームサイズよりも大面積の基材７の表面に膜状構造物を堆積できる。そして、定量機構２５でエアロゾルの濃度を定量することにより、大面積に亘り均一な膜状構造物を形成することができる。すなわち、吐出口６と基材７とを相対的に走査させて大面積の基材７の表面に膜状構造物を堆積する場合において、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持すれば、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にできる。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【００９３】
図２９は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第７の具体例を表す模式図である。
【００９４】
本具体例においては、吐出口６が支持走査機構１７により支持され、ＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に移動可能とされている。すなわち、基材７に対して吐出口６を相対的に変位させつつエアロゾルを噴射させることにより、基材７上に大面積に亘り均一な膜状構造物を形成できる。なおこの場合、例えば、定量機構２５と加速機構１１との間に、変形可能な配管１８を設けることにより、支持走査機構１７による吐出口６の変位を吸収させることができる。つまり、定量機構２５や構造物作製室８などを静止させた状態のままで、吐出口６を支持走査機構１７により移動させることができる。変形可能な配管１８としては、例えば、ゴムなどの弾性材料からなる配管や、ベローズ（じゃばら）などの配管を用いることができる。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【００９５】
図３０は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第８の具体例を表す模式図である。
本具体例においても、定量機構２５により定量化されたエアロゾルは、加速機構１１、整流機構１２を介して吐出口６から基材７に向けて噴射される。基材７は、支持走査機構１３の上に支持され、ＸＹＺθ方向の少なくともいずれかに適宜変位させながら膜状構造物を形成できる。
さらに、本具体例においては、吐出口６と基材７との間に、エアロゾルの濃度を計量する計量機構１４が配置されている。計量機構１４は、吐出口６から噴射されるエアロゾルに含まれる微粒子の濃度を検知する。
図３１は、本発明において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
すなわち、計量機構１４は、例えば、レーザ１４０２と、その光をモニタする受光器１４０４などにより構成できる。例えば、エアロゾルにレーザ１４０２からの光を照射し、その透過量をモニタすることにより、エアロゾルの濃度を計量できる。
【００９６】
また、図３２に例示した如く、レーザなどの投光手段１４０２からエアロゾルに光を照射し、その反射光をＣＣＤなどの受光器１４０４によりモニタしてもよい。
【００９７】
また、図３３に表したように、センサ１４０６を設け、ここに到達するエアロゾルの微粒子濃度を機械的あるいは電気的に計量してもよい。例えば、センサ１４０６として高感度の圧電素子を用い、エアロゾルが衝突する際の衝撃力を計量することによりその濃度を計量可能である。また、センサ１４０６として、水晶振動子を用い、その表面に堆積した膜状構造物の重量による振動数の変動に基づいてエアロゾルの濃度を計量することも可能である。
【００９８】
またさらに、図３４に例示した如く、所定の体積のエアロゾルをサンプリングし、その重量を重量測定手段１４０８よりモニタすることによっても、エアロゾルの濃度を計量可能である。
【００９９】
構造物作製室８内に計量機構１４を設けることにより吐出後のエアロゾルの濃度の揺らぎや経時変化に関する情報を検知して、定量機構２５にフィードバックすることで、エアロゾルの濃度や噴出速度などの安定化を図ることができる。その結果として、均一な膜厚で均一な膜質の膜状構造物を形成できる。なお、計量機構１４を構造物作製室８の内部に設ける代わりに、例えば、定量機構２５と加速機構１１との間に設けても、同様のフィードバック制御が可能である。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【０１００】
図３５は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第９の具体例を表す模式図である。
【０１０１】
本具体例においては、エアロゾル化機構４の内部にエアロゾルの濃度を計量する計量機構１４が設けられている。すなわち、定量機構２５に導入される前のエアロゾルの濃度を検知して、その結果を定量機構２５へとフィードフォワードし濃度を調節することによって、基材７に対して安定した濃度のエアロゾルを供給することができる。なお、計量機構１４をエアロゾル化機構４の内部に設ける代わりに、例えば、搬送管１０に設けても、同様のフィードフォワード制御が可能である。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【０１０２】
図３６は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１０の具体例を表す模式図である。
【０１０３】
本具体例においては、エアロゾル化機構４の後段に解砕機構１５及び分級機構１６が設けられ、搬送管１０を介して定量機構２５が配置されている。解砕機構１５は、エアロゾルに含まれる粗大粒や微粒子の凝集体などを破壊し、粒子サイズを小さくする役割を有する。一方、分級機構１６は、エアロゾルに含まれる微粒子のうちで所定の範囲の粒径のもののみを選別する役割を有する。
図３７は、解砕機構１５の構造を例示する模式図である。
すなわち、解砕機構１５は、エアロゾルを噴出するノズル１５０２と、その前方に設けられた衝撃板１５０４と、を有する。ノズル１５０２から噴出されたエアロゾルに含まれる粉体３０は、衝撃板１５０４に衝突した時に、衝撃力を受ける。この衝撃力により、凝集した微粒子が分解したり、粗大な微粒子が破壊されて微細な微粒子に分裂する。本発明においては、図６乃至図１９に関して前述したように、粉体を圧粉体３０Ｐにすることにより収容室とエアロゾル化室の圧力を遮断するので、圧粉体３０の解砕が不十分であると、微粒子の凝集体がエアロゾルに含まれることがある。このような場合に、解砕機構１５を用いることが有効である。
【０１０４】
また、衝撃板１５０４を回転させ、その回転による衝突点の運動ベクトルが、エアロゾルの噴射の運動ベクトルと略対向するようにすると、微粒子に対する衝撃力を増加でき効果的である。
【０１０５】
図３８は、解砕機構の第２の具体例を表す模式図である。
すなわち、エアロゾルの流路に、流路径の大きい箇所１５０６と小さい箇所１５０８とを交互に設ける。このようにすると、流路径の小さい箇所１５０８においてはガスが圧縮され、流路径の大きい箇所１５０６においてはガスが膨張する。このような圧縮と膨張とを繰り返すと、エアロゾルに含まれる微粒子あるいは粉体に剪断力が作用する。この剪断力により、凝集した微粒子が分解したり、粗大な微粒子が破壊されて微細な微粒子に分裂する。
【０１０６】
次に、分級機構１６について説明する。
図３９は、本発明において用いることができる分級機構の構造を例示する模式図である。
【０１０７】
すなわち、分級機構として、エアロゾルの流路にバッフル１６０２、１６０４を適宜配置することができる。同図において、下方は鉛直下方に対応する。鉛直下方からエアロゾルを供給すると、バッフル１６０２、１６０４により屈曲した流路が形成される。この時、質量が小さい微粒子は、屈曲した流路に沿って分級機構１６を通過し、後段に供給される。ところが、質量が大きい微粒子の凝集体や粗大な粒子などは慣性力が強く働くために直進しやすく、バッフル１６０２、１６０４に衝突する確率が高くなる。これら粒子がバッフル１６０２、１６０４に衝突すると、運動エネルギーに損失が生じ、重力によって下方に落下したり、また、衝突の衝撃によって微細粒子に分解あるいは分裂する。下方に落下した粒子は分級機構１６を通過することなく、また、分解あるいは分裂した微細な微粒子はエアロゾルの流れに乗って分級機構１６を通過し、後段に供給される。
【０１０８】
すなわち、このようなバッフル１６０２、１６０４を設けることにより、微粒子の凝集体や粗大な粒子などを分離して微細な粒子のみを取り出すことができる。また、バッフル１６０２、１６０４の位置をそれぞれ制御することで分級精度も調整することができる。
【０１０９】
再び図３６に戻って説明を続けると、エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、解砕機構１５に導入され、エアロゾル中に含まれる凝集粒などは解砕機構１５によって解砕される。そして、一部の解砕不十分な粗大粒子などは分級機構１６によって取り除かれ、より均一な粒子を含むエアロゾルのみが後工程である定量機構２５へと搬送される。
【０１１０】
本具体例によれば、解砕機構１５と分級機構１６とを設けることにより微粒子径が所定の範囲内に調整されたエアロゾルを基材７に噴射することができ、膜厚や膜質の均一性をさらに高めた構造体を形成できる。
そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。本発明においては、図６乃至図１９に関して前述したように、粉体を圧粉体３０Ｐにすることにより収容室とエアロゾル化室の圧力を遮断するので、解砕機構１５や分級機構１６を用いることが特に有効である。
【０１１１】
また、本具体例においては、計量機構１４を構造物作製室８内に設け、定量機構２５をフィードバック制御することにより、吐出口６から噴射されるエアロゾルの流量や濃度をさらに精密に制御できる。
【０１１２】
図４０は、本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１１の具体例を表す模式図である。
【０１１３】
本具体例においても、解砕機構１５と分級機構１６とが設けられ、微粒子径が所定の範囲内に調整されたエアロゾルを基材７に噴射することができる。
また、計量機構１４が構造物作製室８内に設けられ、吐出口６から噴射されたエアロゾルの濃度を計量機構１４により計測して定量機構２５にフィードバックすることができる。そして、本具体例においても、圧力遮断機構５を設けることにより、収容機構１の圧力や雰囲気ガスをエアロゾル化機構４の圧力や雰囲気ガスとは異なる状態に維持できる。
【０１１４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
例えば、以上の示したいずれの本発明における実施の形態においても、粉体の圧縮手段としては、楕円系の回転軸を利用して圧縮する方式、ピストン方式、プロペラ方式、ガス圧縮、振動、超音波などを利用した方式などの各種の方式を用いることができる。
また、本発明における実施の形態において粉体の供給機構としては、ベルト搬送方式、螺旋駆動方式、振動、超音波などを利用した方式などでも良い。
【０１１５】
また、本発明における実施の形態において解砕機構としては、摩擦方式、超音波振動、アークプラズマを利用する方法、振動摩擦、ヒーターによる熱分解を利用した方式なども有効である。
【０１１６】
本発明において使用される粉体は酸化アルミニウムだけでなく、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化珪素、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の酸化物の他、窒化物、ホウ化物、炭化物、フッ化物などの脆性材料、脆性材料を主成分とした金属や樹脂との複合材料等でも良い。
【０１１７】
本発明において使用される搬送ガスは窒素、酸素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスの他、メタン、エタン、エチレン、アセチレンなどの有機ガス、また、フッ素ガスなどの腐食性のあるガス等でも良く、これらの必要に応じてこれらの混合ガスを使用しても良い。
【０１１８】
その他、本発明のエアロゾルデポジション装置及び方法に関して当業者が適宜設計変更して採用したものも、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる複合構造物の形成システムの全体構成を例示する模式図である。
【図２】定量機構２５により定量する過程において余剰となった微粒子を収容機構１に戻すシステムを例示する模式図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第２の具体例を表す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第３の具体例を表す模式図である。
【図５】エアロゾル発生器の具体例を表す模式図である。
【図６】粉体３０を押し固めることによる圧力遮断機構の原理を説明するための模式図である。
【図７】圧粉体による圧力遮断機構の第２の具体例を表す模式図である。
【図８】圧粉体による圧力遮断機構の第３の具体例を表す模式図である。
【図９】圧粉体による圧力遮断機構の第４の具体例を表す模式図である。
【図１０】本具体例のエアロゾル発生ユニットの具体的な構造を例示する模式図である。
【図１１】エアロゾル化機構の構造を例示する一部断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１０乃至図１２に関して前述したエアロゾル発生ユニットの模式断面図である。
【図１４】加圧手段２２の平面図である。
【図１５】加圧手段の作用を説明するための模式図である。
【図１６】エアロゾル化室の構造を表す模式図である。
【図１７】溝封止部４０９を説明するための概念図である。
【図１８】バインダ添加プロセスを導入したエアロゾルデポジション装置の動作を例示するフローチャートである。
【図１９】図１８に例示したプロセスを実行可能なエアロゾルデポジション装置の構成を例示する模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第５の具体例の構成を例示する概念図である。
【図２１】定量機構２５の構造を例示する模式図である。
【図２２】可変絞り機構５０４の平面構造を例示する模式図である。
【図２３】定量機構２５の第２の具体例を表す模式図である。
【図２４】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第６の具体例を表す模式図である。
【図２５】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図２６】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図２７】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図２８】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図２９】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第７の具体例を表す模式図である。
【図３０】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第８の具体例を表す模式図である。
【図３１】本発明において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図３２】レーザなどの投光手段１４０２からエアロゾルに光を照射し、その反射光をＣＣＤなどの受光器１４０４によりモニタするシステムを例示する模式図である。
【図３３】センサ１４０６を設け、ここに到達するエアロゾルの微粒子の数を計測するシステムを例示する模式図である。
【図３４】エアロゾルの重量をモニタするシステムを例示する模式図である。
【図３５】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第９の具体例を表す模式図である。
【図３６】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１０の具体例を表す模式図である。
【図３７】解砕機構１５の構造を例示する模式図である。
【図３８】解砕機構の第２の具体例を表す模式図である。
【図３９】本発明において用いることができる分級機構の構造を例示する模式図である。
【図４０】本発明の実施の形態にかかるエアロゾルデポジション装置の第１１の具体例を表す模式図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 収容機構
２ 供給機構
３ ガス供給機構
４ エアロゾル化機構
５ 圧力遮断機構
６ 吐出口
７ 基材
８ 構造物作製室
９ 排気機構
１０ 予備収容機構
１１ 加速機構
１２ 整流機構
１３ 支持走査機構
１４ 計量機構
１５ 解砕機構
１６ 分級機構
１７ 支持走査機構
１８ 配管
２２ 加圧手段
２５ 定量機構
３０ 粉体
３０Ｐ 圧粉体
４２ バインダ添加機構
４４ 解砕・除去機構
７３ 溝
７４ エアロゾル化室
１０１ 収容室
１０２ 加圧手段
１０３ 圧接体
２０１ 回転テーブル（回転体）
２０１、２０３ 溝
２０５ ベルトコンベア
２０６、２０７ プーリ
２１０ 供給管
２１２ 振動発生手段
２１４ 圧縮手段
２１６ 供給管
２１７ 搬送手段
２１８ 搬送管
４０１ エアロゾル化室
４０２ 粉体解砕ピン
４０３ ガス導入口
４０４ エアロゾル導出口
４０５、４０６ ジョイント
４０８ 気密シール
４０９ 溝封止部
４１２ 揺動機構
４１４ 解砕手段
４１６ ガス供給管
５０２ 定量化室
５０４ 可変絞り
５０４Ａ 開口
５０４Ｓ 板
５０６ 搬入管
５０８ ガス導入管
５１０ 排出管
５１２ 次排出管
１１０６ 流路
１２０２ 流路
１２０４ 障害物
１４０２ レーザ（投光手段）
１４０４ 受光器
１４０６ センサ
１４０８ 重量測定手段
１５０２ ノズル
１５０４ 衝撃板
１６０２ バッフル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断する圧力遮断機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成システム。
【請求項２】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備え、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構とを連通する経路に前記微粒子を押し固めた圧粉体を充填することにより前記ガスの流れを遮断することを特徴とする複合構造物形成システム。
【請求項３】
前記エアロゾル化機構は、前記圧粉体を解きほぐす解砕手段を有することを特徴とする請求項２記載の複合構造物形成システム。
【請求項４】
前記エアロゾルを形成している状態において、前記エアロゾル化機構の圧力は大気圧よりも高い状態または低い状態にあり、前記収容機構の圧力は大気圧に略等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項５】
前記収容機構に前記微粒子を補充可能な予備収容機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項６】
前記収容機構に収容された前記微粒子にバインダを添加するバインダ添加機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項７】
前記微粒子に添加されたバインダを除去する除去手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の複合構造物形成システム。
【請求項８】
前記吐出口と前記基材とを収容する構造物作製室と、
前記構造物作製室の内部空間を大気圧よりも減圧状態に維持可能とした排気手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項９】
前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する定量機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１０】
前記エアロゾルに含有される前記微粒子の濃度を検知する計量機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１１】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記定量機構を制御することを特徴とする請求項１０記載の複合構造物形成システム。
【請求項１２】
前記計量機構は、前記エアロゾル化機構または前記エアロゾル化機構と前記定量機構との間に設けられたことを特徴とする請求項１０記載の複合構造物形成システム。
【請求項１３】
前記エアロゾルに含まれる前記微粒子を解砕する解砕機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１４】
前記エアロゾルに含まれる前記微粒子の粒度を選別する分級機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１５】
前記エアロゾルの流束を加速させる加速機構と、前記エアロゾルの流束を均一化させる整流機構の少なくともいずれかをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１６】
収容機構とエアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断しつつ前記収容機構から前記エアロゾル化機構に微粒子を搬送する工程と、
前記搬送された前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射することにより前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成方法。
【請求項１】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断する圧力遮断機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成システム。
【請求項２】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
前記微粒子を収容する収容機構と、
前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル化機構と、
前記収容機構から前記エアロゾル化機構に前記微粒子を供給する供給機構と、
前記エアロゾル化機構に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射する吐出口と、
を備え、
前記収容機構と前記エアロゾル化機構とを連通する経路に前記微粒子を押し固めた圧粉体を充填することにより前記ガスの流れを遮断することを特徴とする複合構造物形成システム。
【請求項３】
前記エアロゾル化機構は、前記圧粉体を解きほぐす解砕手段を有することを特徴とする請求項２記載の複合構造物形成システム。
【請求項４】
前記エアロゾルを形成している状態において、前記エアロゾル化機構の圧力は大気圧よりも高い状態または低い状態にあり、前記収容機構の圧力は大気圧に略等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項５】
前記収容機構に前記微粒子を補充可能な予備収容機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項６】
前記収容機構に収容された前記微粒子にバインダを添加するバインダ添加機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項７】
前記微粒子に添加されたバインダを除去する除去手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の複合構造物形成システム。
【請求項８】
前記吐出口と前記基材とを収容する構造物作製室と、
前記構造物作製室の内部空間を大気圧よりも減圧状態に維持可能とした排気手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項９】
前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する定量機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１０】
前記エアロゾルに含有される前記微粒子の濃度を検知する計量機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１１】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記定量機構を制御することを特徴とする請求項１０記載の複合構造物形成システム。
【請求項１２】
前記計量機構は、前記エアロゾル化機構または前記エアロゾル化機構と前記定量機構との間に設けられたことを特徴とする請求項１０記載の複合構造物形成システム。
【請求項１３】
前記エアロゾルに含まれる前記微粒子を解砕する解砕機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１４】
前記エアロゾルに含まれる前記微粒子の粒度を選別する分級機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１５】
前記エアロゾルの流束を加速させる加速機構と、前記エアロゾルの流束を均一化させる整流機構の少なくともいずれかをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の複合構造物形成システム。
【請求項１６】
収容機構とエアロゾル化機構との間のガスの流れを遮断しつつ前記収容機構から前記エアロゾル化機構に微粒子を搬送する工程と、
前記搬送された前記微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射することにより前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする複合構造物形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【公開番号】特開２００６−２０６９７６（Ｐ２００６−２０６９７６Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２０４９（Ｐ２００５−２２０４９）
【出願日】平成１７年１月２８日（２００５．１．２８）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２８日（２００５．１．２８）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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