複合構造物形成システム及び形成方法
【課題】 エアロゾルの微粒子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、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化機構と、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、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化機構と、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の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、膜状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、エアロゾルに含まれる微粒子の濃度を制御することが重要である。例えば、微粒子の濃度が変化すると、膜状構造物の膜厚が目的値からずれるという問題が生ずる。
また、大面積の基材上に膜状構造物を形成する場合、エアロゾルを噴出するノズルを基材に対向させつつ、これらを相対的に移動させることにより、ノズルよりも大面積の膜状構造物を形成する必要がある。この場合に、ノズルから噴出されるエアロゾルの微粒子濃度が変動すると、基材上に形成される膜状構造物の膜厚が不均一になってしまう。
【０００４】
また、特にエアロゾルの濃度に突発的（極端）な変動がある場合では、膜状構造物の内部に欠陥が導入されたり、表面粗さが大きくなるなど、膜質が不均一となるといった不具合も生ずることがある。従って、長時間に亘る安定性のみならず、短い時間間隔においてもエアロゾル中の微粒子の濃度を安定させることが望ましい。
【０００５】
実際にエアロゾルデポジションを実施すると、例えば、湿度や化学的な安定性などの点で粉体（微粒子）の状態が経時的に変化したり、あるいは粉体の充填残量に応じてエアロゾルの供給能力が変動するなど様々な要因により、エアロゾルの濃度が短期的あるいは長期的に変動することもある。
【０００６】
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、エアロゾルの微粒子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】
【０００７】
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、
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化機構と、
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。
【０００８】
上記構成によれば、定量化機構を設けることにより、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。
【０００９】
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。
【００１０】
ここで、前記ガス供給機構は、加圧されたガスを供給するものとすれば、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの生成を確実且つ容易に実施でき、さらに吐出口から噴射させるエアロゾルの流速も高くすることにより高速で基材に衝突させて構造物を確実に形成することができる。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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化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。
【００１４】
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化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、膜厚や膜質の均一性が高くなる。
【００１５】
また、前記定量化機構は、前記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を有するものとすれば、エアロゾルの流路の抵抗を変化させることにより、エアロゾルの濃度の定量化を確実且つ容易に実施できる。
【００１６】
ここで、前記計量機構により検知された情報に基づき前記流路抵抗可変手段を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を確実且つ容易に所定値に維持することができる。
また、前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の下流側において希釈用ガスを添加するガス導入口をさらに有するものとすれば、エアロゾルの定量化を確実且つ容易に実施できる。
ここで、前記計量機構により検知された情報に基づき前記ガス導入口から添加される前記希釈用ガスの量を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を確実且つ容易に所定値に維持することができる。
また、前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の上流側において、前記エアロゾルの少なくとも一部を前記流路抵抗可変手段の前記流路とは異なる流路に排出させる排出口をさらに有するものとすれば、エアロゾルの定量化を確実且つ容易に実施できる。
ここで、前記計量機構により検知された情報に基づき前記排出口から排出される前記エアロゾルの量を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を確実且つ容易に所定値に維持することができる。
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。
【００１７】
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物を形成できる。
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、均一や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ることができる。
【００１８】
また、前記吐出口と前記基材との相対的な位置関係を変化させる走査機構をさらに備えたものとすれば、大面積にわたり均一な構造物を形成することが可能となる。
【００１９】
一方、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てエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する工程と、
前記定量化された前記エアロゾルを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。
【００２０】
上記構成によれば、定量化機構を設けることにより、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方法を提供することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
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構造物の形成にとって望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、定量化機構を設けることにより、吐出口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。
【００２４】
また、本発明によれば、定量化機構により定量すると、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、吐出口と基材とを相対的に走査させて大面積の基材の表面に膜状構造物を堆積する場合でも、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。
【００２５】
またさらに、本発明によれば、定量化機構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に戻すことも可能となる。この場合、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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の形成システムの全体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。
【００２７】
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、定量化機構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。また、エアロゾル化機構４の後段には、エアロゾルの微粒子濃度を制御する定量化機構５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。定量化機構５の後段には吐出口６が接続され、定量化機構５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。
【００２８】
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定量化機構５へと搬送され、例えば、導入管５０８から希釈用ガスを添加することにより、エアロゾルの濃度が調節される。また、後に詳述するように、例えば、定量化機構５にはある程度過剰にエアロゾルを供給し、その一部を１次排出管５１２から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。定量化機構５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。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、膜状構造物形成の主となるものは、脆性材料である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、本実施形態によれば、定量化機構５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。
【００３６】
またさらに、図２に矢印Ｒで例示した如く、定量化機構５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。
本発明において設ける定量化機構５をはじめとする各要素の構造の詳細については、後に具体例を参照しつつ説明する。
【００３７】
図３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２の具体例を表す模式図である。図３以降の図面に関しては、前出の図面に表したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
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。
【００３８】
定量化機構５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。
【００３９】
図４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３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を介して定量化機構５へエアロゾルが搬出される。また、定量化機構５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。また、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。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。
【００４０】
また、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、定量化機構５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。
【００４１】
図５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４の具体例を表す模式図である。
【００４２】
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、定量化機構５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、定量化機構５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。
【００４３】
図６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の具体例を表す模式図である。
本具体例においても、定量化機構５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。
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、定量化機構５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、定量化機構５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。
【００４４】
図７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。
【００４５】
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、定量化機構５に導入される前のエアロゾルの濃度を検知して、その結果を定量化機構５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。
【００４６】
図８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。
【００４７】
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を介して定量化機構５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。
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化機構５へと搬送される。
【００４８】
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膜状構造物を形成できる。
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、定量化機構５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。
【００４９】
図９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。
【００５０】
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化機構５にフィードバックすることができる。
【００５１】
図１０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。
本具体例においては、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧが並列に設けられ、それぞれから定量化機構５にエアロゾルが供給される。これらエアロゾル発生ユニットＡＳＧのそれぞれは、図１乃至図９に関して前述したように、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、が設けられている。それぞれのエアロゾル発生ユニットＡＳＧは、異種材料のエアロゾルを発生するようにしてもよく、同種材料のエアロゾルを発生するようにしてもよい。異種材料のエアロゾルを発生するようにした場合には、これらを混合することにより、複数の材料からなるエアロゾルを生成し、これを基材７に噴射することにより、膜状構造物の組成を制御できる。
【００５２】
また、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧが同種材料のエアロゾルを発生するようにした場合は、収容機構１に粉体を充填することなく長時間に亘ってエアロゾルを供給できる。この場合、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧのそれぞれから同時にエアロゾルを供給するようにしてもよく、順次切り替えてエアロゾルを供給するようにしてもよい。
【００５３】
また、本具体例においても、定量化機構５を設けることにより、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。なお、本具体例においても、図６に関して前述したように、計量機構１４を構造物作製室８の中に設け、吐出口６から噴射されるエアロゾルの濃度を計測して定量化機構５にフィードバックするようにしてもよい。
【００５４】
図１１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。
本具体例においては、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧが並列に設けられ、それぞれに定量化機構５が設けられている。すなわち、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのそれぞれについて定量が可能とされている。このようにすれば、例えば、複数の材料微粒子からなるエアロゾルを混合して所定の組成の膜状構造物を形成する場合に、エアロゾルの混合比を高い精度で制御できる。その結果として、膜状構造物の組成を精密に制御できる。
【００５５】
なお、本具体例においても、図７に関して前述したように、エアロゾル発生ユニットＡＳＧに設けられたエアロゾル化機構４に計量機構１４を設けてもよい。このようにすれば、エアロゾル発生ユニットＡＳＧにおけるエアロゾルの濃度を計測して定量化機構にフィードフォワードできるので、より精密な制御が可能となる。
【００５６】
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１０個の具体例を挙げて説明した。以下、これらエアロゾルデポジション装置を構成する各要素について具体例を挙げて説明する。
図１２は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの構造を例示する模式図である。すなわち、エアロゾル発生ユニットＡＳＧは、収容機構１、供給機構２、ガス供給機構３、エアロゾル化機構４などからなる。収容機構１の内部には、例えば酸化アルミニウムなどの微粒子の粉体が収容されている。収容機構１に隣接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、ヘリウムなどのガスが導入される。収容機構１とエアロゾル化機構４とは、例えば回転体２０１を介して隔てられている。回転体２０１上には、例えば、図示しないＶ字溝が一条あるいは複数条形成されている。そして、収容機構１に収容されている粉体は、その自重でこのＶ溝に充填され、回転体２０１が回転することで隣室のエアロゾル化機構４へと供給されるようにすることができる。供給された粉体は、ガス供給機構３により噴射されたガスによって舞い上がり、エアロゾルが生成される。このようにして生成されたエアロゾルは、搬送管１０を介して搬出されて後工程へと導出される。なお、エアロゾル発生ユニットＡＳＧを構成する各要素のさらに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。
【００５７】
次に、本発明のエアロゾルデポジション装置に設けることができる定量化機構５について説明する。
【００５８】
図１３は、定量化機構５の構造を例示する模式図である。
すなわち、定量化機構５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。
【００５９】
図１４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１４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。
【００６０】
本発明によれば、このような可変絞り機構５０４を設けた定量化機構５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。
【００６１】
図１５及び図１６は、定量化機構５を用いた制御の方法を例示する模式図である。
すなわち、排出管５１０から排出されたエアロゾルの濃度や流量は、計量機構１４により計測できる。この計測の結果に基づき、エアロゾル発生ユニットＡＳＧ、可変絞り機構５０４、希釈用のガス供給機構３の少なくともいずれかを適宜制御することにより、エアロゾルの濃度を所定の範囲に制御できる。このように、計量機構１４によるフィードバック制御を可能とすれば、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの定量性が悪くても、濃度や流量が制御されたエアロゾルを得ることができる。
【００６２】
より詳細に説明すると、本具体例の定量化機構５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のガスの流量と、の和である。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に導入する希釈用ガスの流量と、を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。従って、図１５に例示した如く、後段に設けた計量機構１４の計測値に基づき、これら搬入管５０６に供給するエアロゾルの流量と、ガス導入管５０８に導入するガスの流量とをフィードバック制御することができる。
【００６３】
ただしこの場合に、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を制御する代わりに、図１６に例示した如く、可変絞り５０４を制御することによっても、後段に供給されるエアロゾルの濃度を制御することが可能である。例えば、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの出力流量を一定とする代わりに、圧力を一定とした条件で運転させた場合、可変絞り機構５０４を制御することにより、エアロゾルの流路の圧力損失が変化するので供給流量を変えることができる。つまり、ガス導入管５０８から導入される希釈用ガスとの混合バランスを制御することができ、エアロゾルの濃度を調節できる。
【００６４】
次に、定量化機構５の第２の具体例について説明する。
図１７は、定量化機構５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、定量化機構５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。
【００６５】
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、以下に説明するように、エアロゾルの定量制御の自由度が広がる。
【００６６】
図１８乃至図２０は、本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
まず、定量化機構５の後段に設けた計量機構１４による計測値に基づき、図１８に例示した如く、搬入管５０６に供給するエアロゾルの流量と、ガス導入管５０８に導入する希釈用ガスの流量とをフィードバック制御することができる。例えば、計量機構１４における濃度の計測値が低い時には、ガス導入管５０８から導入する希釈用ガスに対して搬入管５０６から供給するエアロゾルのバランスを高くすればよい。
次に、図１９に例示した如く、可変絞り機構５０４と、ガス導入管５０８に導入する希釈用ガスの流量と、をフィードバック制御してもよい。例えば、計量機構１４における濃度の計測値が低い時には、可変絞り機構５０４の開口を拡げることにより、ガス導入管５０８から導入する希釈用ガスに対して搬入管５０６から供給するエアロゾルのバランスを高くすればよい。この制御モードは、図１６に関して前述したように、エアロゾル発生ユニットＡＳＧを圧力一定の条件で運転させた場合などに適用可能である。
【００６７】
またさらに、図２０に例示した如く、１次排出管５１２からの流出量と、ガス導入管５０８に導入する希釈用ガスの流量と、をフィードバック制御してもよい。例えば、計量機構１４における濃度の計測値が低い時には、ガス導入管５０８から導入する希釈用ガスの導入量と、１次排出管５１２から流出するエアロゾルの流出量と、の少なくともいずれかを下げればよい。この制御モードは、エアロゾル発生ユニットＡＳＧを流量一定あるいは圧力一定のいずれの条件で運転させた場合にも適用できる。
【００６８】
以上説明したように、本発明によれば、定量化機構５を設けることにより、エアロゾルの濃度を精密に制御でき、基材７の上に形成する膜状構造物の厚みや膜質を精密に制御することが可能となる。
【００６９】
以上、本発明の定量化機構５を用いた制御の方法について説明した。
次に、本発明の定量化機構５の他の具体例について説明する。
図２１は、定量化機構５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、可変絞り機構５０４の１次側に、複数の搬入管５０６が接続されている。これは例えば、図１０に関して前述したように複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧを並列に接続する場合に好適な具体例である。
この場合、図２２にも例示したように、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧから供給されるエアロゾルを定量し、ひとつの吐出口６から噴射させることができる。
【００７０】
図２３は、定量化機構の第４の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においても、可変絞り機構５０４の１次側に、複数の搬入管５０６が接続されている。そして、本具体例においては、可変絞り機構５０４の２次側にも、複数の排出管５１０が接続されている。これは、例えば、図２４に例示した如く複数の吐出口６を設けた装置に用いて好適な具体例である。
図２５は、定量化機構の第５の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、可変絞り機構５０４の１次側に、計量機構が設けられている。後に詳述するように、本発明において設ける計量機構は、例えば、レーザ１４０２と、その光をモニタする受光器１４０４などにより構成されている。例えば、エアロゾルにレーザ１４０２からの光を照射し、その透過光量あるいは反射光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。その結果に基づき、例えば可変絞り機構５０４の開口を制御できる。
本具体例の場合、制御する可変絞り機構５０４の１次側に計量機構を設けているので、いわゆるフィードフォワード制御が可能である。つまり、可変絞り機構５０４の一次側でエアロゾルの濃度を計測し、その計測値に基づいて、所定の濃度が得られるように可変絞り機構５０４の開口の開度を制御することができる。
【００７１】
図２６は、定量化機構の第６の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、可変絞り機構５０４の２次側に、計量機構として、レーザ１４０２と、その光をモニタする受光器１４０４などが設けられている。このように、可変絞り機構５０４の２次側においてエアロゾルの濃度を計量してもよい。この場合、この計量の結果に基づき、可変絞り機構５０４をフィードバック制御することが可能となる。つまり、可変絞り機構５０４の２次側でエアロゾルの濃度を計測し、その計測値が所定の値になるように可変絞り機構５０４の開口の開度を制御することができる。
【００７２】
以上、本発明において用いることができる定量化機構５について説明した。
【００７３】
次に、本発明のエアロゾルデポジション装置を構成する他の要素について詳述する。
まず、エアロゾル発生ユニットＡＳＧについて説明する。
図２７は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの具体的な構造を例示する模式図である。
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１を構成する収容室１０１と、エアロゾル化機構４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、その内部空間は、排気ポンプなどによって適宜減圧状態とされている。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の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。
【００７４】
図２８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２９は、図２８のＡ−Ａ線断面図である。
【００７５】
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３と接続され、ガス供給機構３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の径は、図２９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。
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を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。
【００７６】
また、図２８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３０は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、収容室１０１の下部に供給機構としての供給管２１０が接続され、鉛直下方に設けられたエアロゾル化室４０１に連結されている。また、供給管２１０の取り付け部の近傍に振動発生手段２１２が設けられ、粉体３０の重力による供給管２１０への落下排出を促進可能としている。
【００７７】
エアロゾル化室４０１には、ガス供給機構３からガスが供給され、このガス流に粉体３０が混入することによりエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、搬送管１０を介して構造物作製室８に供給される。また、エアロゾル化室４０１は、揺動機構４１２により振動あるいは揺動が加えられ、粉体３０のエアロゾル化が促進可能とされている。なお、供給管２１０をゴムなどの弾性体あるいは軟質体により形成すれば、揺動機構４１２による振動あるいは揺動を収容室１０１に伝えないようにすることも可能である。
【００７８】
図３１及び図３２は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
これら具体例においては、収容室１０１の下方に回転式の搬送手段２１７が設けられている。この搬送手段２１７は、略らせん状あるいはスクリュー状の搬送部を有し、これが回転することによって収容室１０１に収容されている粉体３０を供給管２１６を介してエアロゾル化室４０１に供給する。エアロゾル化室４０１には、ガス供給機構３からガスが供給され、粉体３０がこのガス流に混合されることによりエアロゾルが生成される。
【００７９】
なお、図３１に例示した如く、搬送手段２１７により搬送された粉体３０が、その下を流れるガス流に落下することによりエアロゾルが形成されるようにしてもよく、または、図３２に例示した如く、搬送手段２１７により搬送された粉体３０が、下から上に向けて吹き上がるガス流に乗ってエアロゾルが生成されるようにしてもよい。
【００８０】
図３３は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
この具体例においては、収容室１０１の下方に搬送管２１８が設けられている。搬送管２１８は、エアロゾル化室４０１に接続され、ガス供給管４１６と合流する。この場合、エアロゾル化室４０１における搬送管２１８の開口径とガス供給管４１６の開口径のサイズおよびこれら開口の配置を適宜調整すると、搬送管２１８の開口において、ガス供給管４１６から噴出するジェット流が形成される。すなわち、搬送管２１８の開口がジェット流によりスクリーンされた状態となり、エアロゾル化室４０１と収容室１０１の圧力を実質的に遮断できる。つまり、構造物作製室８を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を補充できる。
【００８１】
以上、本発明において用いることができるエアロゾル発生ユニットの構造について、具体例を挙げて説明した。
次に、本発明において用いることができる解砕機構１５について説明する。
【００８２】
図３４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、特に、図３２や図３０に関して前述したように、粉体を圧粉体３０Ｐに形成することがあり、このような場合に、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。
【００８３】
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。
【００８４】
図３５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。
【００８５】
次に、分級機構１６について説明する。
図３６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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
次に、加速機構１１について説明する。
図３７及び図３８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３７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。
【００８９】
また、図３８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。
【００９０】
次に、整流機構１２について説明する。
図３９及び図４０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３６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。
【００９１】
また、図４０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。
【００９２】
次に、計量機構１４について説明する。
図４１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。
図２５及び図２６に関して前述したように、本発明において設ける計量機構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。
【００９３】
また、図４２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。
【００９４】
また、図４３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。
【００９５】
またさらに、図４４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。
【００９６】
次に、支持走査機構１３、１７について説明する。
図４５及び図４６は、本発明において用いることができる支持走査機構を例示する模式図である。
本発明においては、支持走査機構１３、１７を用いることにより、基材７と吐出口６とをＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に相対的に移動させることが可能である。このようにすれば、大面積の基材７の表面に均一な厚み及び膜質の膜状構造物を形成できる。また、特に、Ｚ方向に移動させることにより、吐出口６と基材７との相対距離を調整すれば、膜状構造物の堆積速度を容易に調節できる。
【００９７】
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、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。
【００９８】
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。
【００９９】
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】
【０１００】
【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】定量化機構５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】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４の具体例を表す模式図である。
【図６】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の具体例を表す模式図である。
【図７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】エアロゾル発生ユニットＡＳＧの構造を例示する模式図である。
【図１３】定量化機構５の構造を例示する模式図である。
【図１４】可変絞り機構５０４の平面構造を例示する模式図である。
【図１５】定量化機構５を用いた制御の方法を例示する模式図である。
【図１６】定量化機構５を用いた制御の方法を例示する模式図である。
【図１７】定量化機構５の第２の具体例を表す模式図である。
【図１８】本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
【図１９】本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
【図２０】本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
【図２１】定量化機構５の第３の具体例を表す模式図である。
【図２２】複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧから供給されるエアロゾルを定量し、ひとつの吐出口６から噴射させるシステムを例示する模式図である。
【図２３】定量化機構の第４の具体例を表す模式図である。
【図２４】複数の吐出口６を設けたシステムを例示する模式図である。
【図２５】定量化機構の第５の具体例を表す模式図である。
【図２６】定量化機構の第６の具体例を表す模式図である。
【図２７】エアロゾル発生ユニットＡＳＧの具体的な構造を例示する模式図である。
【図２８】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２９】図２８のＡ−Ａ線断面図である。
【図３０】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３１】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３２】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３３】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３４】解砕機構１５の構造を例示する模式図である。
【図３５】解砕機構の第２の具体例を表す模式図である。
【図３６】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３７】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図３８】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図３９】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図４０】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図４１】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４２】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４３】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４４】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４５】本発明において用いることができる支持走査機構を例示する模式図である。
【図４６】本発明において用いることができる支持走査機構を例示する模式図である。
【符号の説明】
【０１０１】
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 定量化機構
６ 吐出口
７ 基材
８ 構造物作製室
９ 排気機構
１０ 搬送管
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
３０ 粉体
３０Ｐ 圧粉体
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 圧力遮断手段
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 １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の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、膜状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、エアロゾルに含まれる微粒子の濃度を制御することが重要である。例えば、微粒子の濃度が変化すると、膜状構造物の膜厚が目的値からずれるという問題が生ずる。
また、大面積の基材上に膜状構造物を形成する場合、エアロゾルを噴出するノズルを基材に対向させつつ、これらを相対的に移動させることにより、ノズルよりも大面積の膜状構造物を形成する必要がある。この場合に、ノズルから噴出されるエアロゾルの微粒子濃度が変動すると、基材上に形成される膜状構造物の膜厚が不均一になってしまう。
【０００４】
また、特にエアロゾルの濃度に突発的（極端）な変動がある場合では、膜状構造物の内部に欠陥が導入されたり、表面粗さが大きくなるなど、膜質が不均一となるといった不具合も生ずることがある。従って、長時間に亘る安定性のみならず、短い時間間隔においてもエアロゾル中の微粒子の濃度を安定させることが望ましい。
【０００５】
実際にエアロゾルデポジションを実施すると、例えば、湿度や化学的な安定性などの点で粉体（微粒子）の状態が経時的に変化したり、あるいは粉体の充填残量に応じてエアロゾルの供給能力が変動するなど様々な要因により、エアロゾルの濃度が短期的あるいは長期的に変動することもある。
【０００６】
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、エアロゾルの微粒子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】
【０００７】
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、
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化機構と、
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。
【０００８】
上記構成によれば、定量化機構を設けることにより、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。
【０００９】
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。
【００１０】
ここで、前記ガス供給機構は、加圧されたガスを供給するものとすれば、エアロゾル化機構におけるエアロゾルの生成を確実且つ容易に実施でき、さらに吐出口から噴射させるエアロゾルの流速も高くすることにより高速で基材に衝突させて構造物を確実に形成することができる。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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化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。
【００１４】
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化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、膜厚や膜質の均一性が高くなる。
【００１５】
また、前記定量化機構は、前記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を有するものとすれば、エアロゾルの流路の抵抗を変化させることにより、エアロゾルの濃度の定量化を確実且つ容易に実施できる。
【００１６】
ここで、前記計量機構により検知された情報に基づき前記流路抵抗可変手段を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を確実且つ容易に所定値に維持することができる。
また、前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の下流側において希釈用ガスを添加するガス導入口をさらに有するものとすれば、エアロゾルの定量化を確実且つ容易に実施できる。
ここで、前記計量機構により検知された情報に基づき前記ガス導入口から添加される前記希釈用ガスの量を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を確実且つ容易に所定値に維持することができる。
また、前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の上流側において、前記エアロゾルの少なくとも一部を前記流路抵抗可変手段の前記流路とは異なる流路に排出させる排出口をさらに有するものとすれば、エアロゾルの定量化を確実且つ容易に実施できる。
ここで、前記計量機構により検知された情報に基づき前記排出口から排出される前記エアロゾルの量を制御するものとすれば、エアロゾルの濃度を確実且つ容易に所定値に維持することができる。
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。
【００１７】
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物を形成できる。
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、均一や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ることができる。
【００１８】
また、前記吐出口と前記基材との相対的な位置関係を変化させる走査機構をさらに備えたものとすれば、大面積にわたり均一な構造物を形成することが可能となる。
【００１９】
一方、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てエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する工程と、
前記定量化された前記エアロゾルを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。
【００２０】
上記構成によれば、定量化機構を設けることにより、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方法を提供することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
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構造物の形成にとって望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、定量化機構を設けることにより、吐出口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。
【００２４】
また、本発明によれば、定量化機構により定量すると、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、吐出口と基材とを相対的に走査させて大面積の基材の表面に膜状構造物を堆積する場合でも、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。
【００２５】
またさらに、本発明によれば、定量化機構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に戻すことも可能となる。この場合、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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の形成システムの全体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。
【００２７】
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、定量化機構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。また、エアロゾル化機構４の後段には、エアロゾルの微粒子濃度を制御する定量化機構５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。定量化機構５の後段には吐出口６が接続され、定量化機構５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。
【００２８】
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定量化機構５へと搬送され、例えば、導入管５０８から希釈用ガスを添加することにより、エアロゾルの濃度が調節される。また、後に詳述するように、例えば、定量化機構５にはある程度過剰にエアロゾルを供給し、その一部を１次排出管５１２から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。定量化機構５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。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、膜状構造物形成の主となるものは、脆性材料である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、本実施形態によれば、定量化機構５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。
【００３６】
またさらに、図２に矢印Ｒで例示した如く、定量化機構５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。
本発明において設ける定量化機構５をはじめとする各要素の構造の詳細については、後に具体例を参照しつつ説明する。
【００３７】
図３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２の具体例を表す模式図である。図３以降の図面に関しては、前出の図面に表したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
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。
【００３８】
定量化機構５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。
【００３９】
図４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３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を介して定量化機構５へエアロゾルが搬出される。また、定量化機構５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。また、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。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。
【００４０】
また、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、定量化機構５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。
【００４１】
図５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４の具体例を表す模式図である。
【００４２】
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、定量化機構５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、定量化機構５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。
【００４３】
図６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の具体例を表す模式図である。
本具体例においても、定量化機構５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。
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、定量化機構５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、定量化機構５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。
【００４４】
図７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。
【００４５】
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、定量化機構５に導入される前のエアロゾルの濃度を検知して、その結果を定量化機構５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。
【００４６】
図８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。
【００４７】
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を介して定量化機構５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。
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化機構５へと搬送される。
【００４８】
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膜状構造物を形成できる。
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、定量化機構５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。
【００４９】
図９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。
【００５０】
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化機構５にフィードバックすることができる。
【００５１】
図１０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。
本具体例においては、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧが並列に設けられ、それぞれから定量化機構５にエアロゾルが供給される。これらエアロゾル発生ユニットＡＳＧのそれぞれは、図１乃至図９に関して前述したように、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、が設けられている。それぞれのエアロゾル発生ユニットＡＳＧは、異種材料のエアロゾルを発生するようにしてもよく、同種材料のエアロゾルを発生するようにしてもよい。異種材料のエアロゾルを発生するようにした場合には、これらを混合することにより、複数の材料からなるエアロゾルを生成し、これを基材７に噴射することにより、膜状構造物の組成を制御できる。
【００５２】
また、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧが同種材料のエアロゾルを発生するようにした場合は、収容機構１に粉体を充填することなく長時間に亘ってエアロゾルを供給できる。この場合、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧのそれぞれから同時にエアロゾルを供給するようにしてもよく、順次切り替えてエアロゾルを供給するようにしてもよい。
【００５３】
また、本具体例においても、定量化機構５を設けることにより、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。なお、本具体例においても、図６に関して前述したように、計量機構１４を構造物作製室８の中に設け、吐出口６から噴射されるエアロゾルの濃度を計測して定量化機構５にフィードバックするようにしてもよい。
【００５４】
図１１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。
本具体例においては、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧが並列に設けられ、それぞれに定量化機構５が設けられている。すなわち、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのそれぞれについて定量が可能とされている。このようにすれば、例えば、複数の材料微粒子からなるエアロゾルを混合して所定の組成の膜状構造物を形成する場合に、エアロゾルの混合比を高い精度で制御できる。その結果として、膜状構造物の組成を精密に制御できる。
【００５５】
なお、本具体例においても、図７に関して前述したように、エアロゾル発生ユニットＡＳＧに設けられたエアロゾル化機構４に計量機構１４を設けてもよい。このようにすれば、エアロゾル発生ユニットＡＳＧにおけるエアロゾルの濃度を計測して定量化機構にフィードフォワードできるので、より精密な制御が可能となる。
【００５６】
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１０個の具体例を挙げて説明した。以下、これらエアロゾルデポジション装置を構成する各要素について具体例を挙げて説明する。
図１２は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの構造を例示する模式図である。すなわち、エアロゾル発生ユニットＡＳＧは、収容機構１、供給機構２、ガス供給機構３、エアロゾル化機構４などからなる。収容機構１の内部には、例えば酸化アルミニウムなどの微粒子の粉体が収容されている。収容機構１に隣接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、ヘリウムなどのガスが導入される。収容機構１とエアロゾル化機構４とは、例えば回転体２０１を介して隔てられている。回転体２０１上には、例えば、図示しないＶ字溝が一条あるいは複数条形成されている。そして、収容機構１に収容されている粉体は、その自重でこのＶ溝に充填され、回転体２０１が回転することで隣室のエアロゾル化機構４へと供給されるようにすることができる。供給された粉体は、ガス供給機構３により噴射されたガスによって舞い上がり、エアロゾルが生成される。このようにして生成されたエアロゾルは、搬送管１０を介して搬出されて後工程へと導出される。なお、エアロゾル発生ユニットＡＳＧを構成する各要素のさらに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。
【００５７】
次に、本発明のエアロゾルデポジション装置に設けることができる定量化機構５について説明する。
【００５８】
図１３は、定量化機構５の構造を例示する模式図である。
すなわち、定量化機構５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。
【００５９】
図１４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１４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。
【００６０】
本発明によれば、このような可変絞り機構５０４を設けた定量化機構５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。
【００６１】
図１５及び図１６は、定量化機構５を用いた制御の方法を例示する模式図である。
すなわち、排出管５１０から排出されたエアロゾルの濃度や流量は、計量機構１４により計測できる。この計測の結果に基づき、エアロゾル発生ユニットＡＳＧ、可変絞り機構５０４、希釈用のガス供給機構３の少なくともいずれかを適宜制御することにより、エアロゾルの濃度を所定の範囲に制御できる。このように、計量機構１４によるフィードバック制御を可能とすれば、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの定量性が悪くても、濃度や流量が制御されたエアロゾルを得ることができる。
【００６２】
より詳細に説明すると、本具体例の定量化機構５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のガスの流量と、の和である。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に導入する希釈用ガスの流量と、を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。従って、図１５に例示した如く、後段に設けた計量機構１４の計測値に基づき、これら搬入管５０６に供給するエアロゾルの流量と、ガス導入管５０８に導入するガスの流量とをフィードバック制御することができる。
【００６３】
ただしこの場合に、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を制御する代わりに、図１６に例示した如く、可変絞り５０４を制御することによっても、後段に供給されるエアロゾルの濃度を制御することが可能である。例えば、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの出力流量を一定とする代わりに、圧力を一定とした条件で運転させた場合、可変絞り機構５０４を制御することにより、エアロゾルの流路の圧力損失が変化するので供給流量を変えることができる。つまり、ガス導入管５０８から導入される希釈用ガスとの混合バランスを制御することができ、エアロゾルの濃度を調節できる。
【００６４】
次に、定量化機構５の第２の具体例について説明する。
図１７は、定量化機構５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、定量化機構５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。
【００６５】
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、以下に説明するように、エアロゾルの定量制御の自由度が広がる。
【００６６】
図１８乃至図２０は、本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
まず、定量化機構５の後段に設けた計量機構１４による計測値に基づき、図１８に例示した如く、搬入管５０６に供給するエアロゾルの流量と、ガス導入管５０８に導入する希釈用ガスの流量とをフィードバック制御することができる。例えば、計量機構１４における濃度の計測値が低い時には、ガス導入管５０８から導入する希釈用ガスに対して搬入管５０６から供給するエアロゾルのバランスを高くすればよい。
次に、図１９に例示した如く、可変絞り機構５０４と、ガス導入管５０８に導入する希釈用ガスの流量と、をフィードバック制御してもよい。例えば、計量機構１４における濃度の計測値が低い時には、可変絞り機構５０４の開口を拡げることにより、ガス導入管５０８から導入する希釈用ガスに対して搬入管５０６から供給するエアロゾルのバランスを高くすればよい。この制御モードは、図１６に関して前述したように、エアロゾル発生ユニットＡＳＧを圧力一定の条件で運転させた場合などに適用可能である。
【００６７】
またさらに、図２０に例示した如く、１次排出管５１２からの流出量と、ガス導入管５０８に導入する希釈用ガスの流量と、をフィードバック制御してもよい。例えば、計量機構１４における濃度の計測値が低い時には、ガス導入管５０８から導入する希釈用ガスの導入量と、１次排出管５１２から流出するエアロゾルの流出量と、の少なくともいずれかを下げればよい。この制御モードは、エアロゾル発生ユニットＡＳＧを流量一定あるいは圧力一定のいずれの条件で運転させた場合にも適用できる。
【００６８】
以上説明したように、本発明によれば、定量化機構５を設けることにより、エアロゾルの濃度を精密に制御でき、基材７の上に形成する膜状構造物の厚みや膜質を精密に制御することが可能となる。
【００６９】
以上、本発明の定量化機構５を用いた制御の方法について説明した。
次に、本発明の定量化機構５の他の具体例について説明する。
図２１は、定量化機構５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、可変絞り機構５０４の１次側に、複数の搬入管５０６が接続されている。これは例えば、図１０に関して前述したように複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧを並列に接続する場合に好適な具体例である。
この場合、図２２にも例示したように、複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧから供給されるエアロゾルを定量し、ひとつの吐出口６から噴射させることができる。
【００７０】
図２３は、定量化機構の第４の具体例を表す模式図である。
すなわち、本具体例においても、可変絞り機構５０４の１次側に、複数の搬入管５０６が接続されている。そして、本具体例においては、可変絞り機構５０４の２次側にも、複数の排出管５１０が接続されている。これは、例えば、図２４に例示した如く複数の吐出口６を設けた装置に用いて好適な具体例である。
図２５は、定量化機構の第５の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、可変絞り機構５０４の１次側に、計量機構が設けられている。後に詳述するように、本発明において設ける計量機構は、例えば、レーザ１４０２と、その光をモニタする受光器１４０４などにより構成されている。例えば、エアロゾルにレーザ１４０２からの光を照射し、その透過光量あるいは反射光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。その結果に基づき、例えば可変絞り機構５０４の開口を制御できる。
本具体例の場合、制御する可変絞り機構５０４の１次側に計量機構を設けているので、いわゆるフィードフォワード制御が可能である。つまり、可変絞り機構５０４の一次側でエアロゾルの濃度を計測し、その計測値に基づいて、所定の濃度が得られるように可変絞り機構５０４の開口の開度を制御することができる。
【００７１】
図２６は、定量化機構の第６の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、可変絞り機構５０４の２次側に、計量機構として、レーザ１４０２と、その光をモニタする受光器１４０４などが設けられている。このように、可変絞り機構５０４の２次側においてエアロゾルの濃度を計量してもよい。この場合、この計量の結果に基づき、可変絞り機構５０４をフィードバック制御することが可能となる。つまり、可変絞り機構５０４の２次側でエアロゾルの濃度を計測し、その計測値が所定の値になるように可変絞り機構５０４の開口の開度を制御することができる。
【００７２】
以上、本発明において用いることができる定量化機構５について説明した。
【００７３】
次に、本発明のエアロゾルデポジション装置を構成する他の要素について詳述する。
まず、エアロゾル発生ユニットＡＳＧについて説明する。
図２７は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧの具体的な構造を例示する模式図である。
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１を構成する収容室１０１と、エアロゾル化機構４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、その内部空間は、排気ポンプなどによって適宜減圧状態とされている。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の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。
【００７４】
図２８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２９は、図２８のＡ−Ａ線断面図である。
【００７５】
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３と接続され、ガス供給機構３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の径は、図２９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。
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を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。
【００７６】
また、図２８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３０は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
本具体例においては、収容室１０１の下部に供給機構としての供給管２１０が接続され、鉛直下方に設けられたエアロゾル化室４０１に連結されている。また、供給管２１０の取り付け部の近傍に振動発生手段２１２が設けられ、粉体３０の重力による供給管２１０への落下排出を促進可能としている。
【００７７】
エアロゾル化室４０１には、ガス供給機構３からガスが供給され、このガス流に粉体３０が混入することによりエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、搬送管１０を介して構造物作製室８に供給される。また、エアロゾル化室４０１は、揺動機構４１２により振動あるいは揺動が加えられ、粉体３０のエアロゾル化が促進可能とされている。なお、供給管２１０をゴムなどの弾性体あるいは軟質体により形成すれば、揺動機構４１２による振動あるいは揺動を収容室１０１に伝えないようにすることも可能である。
【００７８】
図３１及び図３２は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
これら具体例においては、収容室１０１の下方に回転式の搬送手段２１７が設けられている。この搬送手段２１７は、略らせん状あるいはスクリュー状の搬送部を有し、これが回転することによって収容室１０１に収容されている粉体３０を供給管２１６を介してエアロゾル化室４０１に供給する。エアロゾル化室４０１には、ガス供給機構３からガスが供給され、粉体３０がこのガス流に混合されることによりエアロゾルが生成される。
【００７９】
なお、図３１に例示した如く、搬送手段２１７により搬送された粉体３０が、その下を流れるガス流に落下することによりエアロゾルが形成されるようにしてもよく、または、図３２に例示した如く、搬送手段２１７により搬送された粉体３０が、下から上に向けて吹き上がるガス流に乗ってエアロゾルが生成されるようにしてもよい。
【００８０】
図３３は、エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
この具体例においては、収容室１０１の下方に搬送管２１８が設けられている。搬送管２１８は、エアロゾル化室４０１に接続され、ガス供給管４１６と合流する。この場合、エアロゾル化室４０１における搬送管２１８の開口径とガス供給管４１６の開口径のサイズおよびこれら開口の配置を適宜調整すると、搬送管２１８の開口において、ガス供給管４１６から噴出するジェット流が形成される。すなわち、搬送管２１８の開口がジェット流によりスクリーンされた状態となり、エアロゾル化室４０１と収容室１０１の圧力を実質的に遮断できる。つまり、構造物作製室８を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を補充できる。
【００８１】
以上、本発明において用いることができるエアロゾル発生ユニットの構造について、具体例を挙げて説明した。
次に、本発明において用いることができる解砕機構１５について説明する。
【００８２】
図３４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、特に、図３２や図３０に関して前述したように、粉体を圧粉体３０Ｐに形成することがあり、このような場合に、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。
【００８３】
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。
【００８４】
図３５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。
【００８５】
次に、分級機構１６について説明する。
図３６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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
次に、加速機構１１について説明する。
図３７及び図３８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３７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。
【００８９】
また、図３８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。
【００９０】
次に、整流機構１２について説明する。
図３９及び図４０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３６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。
【００９１】
また、図４０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。
【００９２】
次に、計量機構１４について説明する。
図４１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。
図２５及び図２６に関して前述したように、本発明において設ける計量機構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。
【００９３】
また、図４２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。
【００９４】
また、図４３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。
【００９５】
またさらに、図４４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。
【００９６】
次に、支持走査機構１３、１７について説明する。
図４５及び図４６は、本発明において用いることができる支持走査機構を例示する模式図である。
本発明においては、支持走査機構１３、１７を用いることにより、基材７と吐出口６とをＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に相対的に移動させることが可能である。このようにすれば、大面積の基材７の表面に均一な厚み及び膜質の膜状構造物を形成できる。また、特に、Ｚ方向に移動させることにより、吐出口６と基材７との相対距離を調整すれば、膜状構造物の堆積速度を容易に調節できる。
【００９７】
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、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。
【００９８】
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。
【００９９】
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】
【０１００】
【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】定量化機構５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】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４の具体例を表す模式図である。
【図６】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の具体例を表す模式図である。
【図７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】エアロゾル発生ユニットＡＳＧの構造を例示する模式図である。
【図１３】定量化機構５の構造を例示する模式図である。
【図１４】可変絞り機構５０４の平面構造を例示する模式図である。
【図１５】定量化機構５を用いた制御の方法を例示する模式図である。
【図１６】定量化機構５を用いた制御の方法を例示する模式図である。
【図１７】定量化機構５の第２の具体例を表す模式図である。
【図１８】本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
【図１９】本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
【図２０】本具体例の定量化機構５を用いた場合の制御の方法を例示する模式図である。
【図２１】定量化機構５の第３の具体例を表す模式図である。
【図２２】複数のエアロゾル発生ユニットＡＳＧから供給されるエアロゾルを定量し、ひとつの吐出口６から噴射させるシステムを例示する模式図である。
【図２３】定量化機構の第４の具体例を表す模式図である。
【図２４】複数の吐出口６を設けたシステムを例示する模式図である。
【図２５】定量化機構の第５の具体例を表す模式図である。
【図２６】定量化機構の第６の具体例を表す模式図である。
【図２７】エアロゾル発生ユニットＡＳＧの具体的な構造を例示する模式図である。
【図２８】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２９】図２８のＡ−Ａ線断面図である。
【図３０】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３１】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３２】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３３】エアロゾル発生ユニットＡＳＧのさらに他の具体例を表す模式図である。
【図３４】解砕機構１５の構造を例示する模式図である。
【図３５】解砕機構の第２の具体例を表す模式図である。
【図３６】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３７】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図３８】加速機構の構造を例示する模式図である。
【図３９】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図４０】整流機構の構造を例示する模式図である。
【図４１】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４２】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４３】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４４】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４５】本発明において用いることができる支持走査機構を例示する模式図である。
【図４６】本発明において用いることができる支持走査機構を例示する模式図である。
【符号の説明】
【０１０１】
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 定量化機構
６ 吐出口
７ 基材
８ 構造物作製室
９ 排気機構
１０ 搬送管
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
３０ 粉体
３０Ｐ 圧粉体
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 圧力遮断手段
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 １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、
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化機構と、
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】
前記ガス供給機構は、加圧されたガスを供給することを特徴とする請求項１記載の複合構造物形成システム。
【請求項３】
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または２に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１〜３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】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記定量化機構を制御することを特徴とする請求項４記載の複合構造物形成システム。
【請求項６】
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化機構との間に設けられたことを特徴とする請求項５記載の複合構造物形成システム。
【請求項７】
前記定量化機構は、前記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を有することを特徴とする請求項１〜６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８】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記流路抵抗可変手段を制御することを特徴とする請求項７記載の複合構造物形成システム。
【請求項９】
前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の下流側において希釈用ガスを添加するガス導入口をさらに有することを特徴とする請求項７または８に記載の複合構造物形成システム。
【請求項１０】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記ガス導入口から添加される前記希釈用ガスの量を制御することを特徴とする請求項９記載の複合構造物形成システム。
【請求項１１】
前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の上流側において、前記エアロゾルの少なくとも一部を前記流路抵抗可変手段の前記流路とは異なる流路に排出させる排出口をさらに有することを特徴とする請求項７〜１０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１２】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記排出口から排出される前記エアロゾルの量を制御することを特徴とする請求項１１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】
前記吐出口と前記基材との相対的な位置関係を変化させる走査機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１５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１７】
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、
前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する工程と、
前記定量化された前記エアロゾルを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、
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化機構と、
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】
前記ガス供給機構は、加圧されたガスを供給することを特徴とする請求項１記載の複合構造物形成システム。
【請求項３】
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または２に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１〜３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】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記定量化機構を制御することを特徴とする請求項４記載の複合構造物形成システム。
【請求項６】
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化機構との間に設けられたことを特徴とする請求項５記載の複合構造物形成システム。
【請求項７】
前記定量化機構は、前記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を有することを特徴とする請求項１〜６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８】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記流路抵抗可変手段を制御することを特徴とする請求項７記載の複合構造物形成システム。
【請求項９】
前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の下流側において希釈用ガスを添加するガス導入口をさらに有することを特徴とする請求項７または８に記載の複合構造物形成システム。
【請求項１０】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記ガス導入口から添加される前記希釈用ガスの量を制御することを特徴とする請求項９記載の複合構造物形成システム。
【請求項１１】
前記定量化機構は、前記流路抵抗可変手段の上流側において、前記エアロゾルの少なくとも一部を前記流路抵抗可変手段の前記流路とは異なる流路に排出させる排出口をさらに有することを特徴とする請求項７〜１０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１２】
前記計量機構により検知された情報に基づき前記排出口から排出される前記エアロゾルの量を制御することを特徴とする請求項１１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】
前記吐出口と前記基材との相対的な位置関係を変化させる走査機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１５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１７】
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、
前記エアロゾル中の前記微粒子の濃度を定量化する工程と、
前記定量化された前記エアロゾルを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４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【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４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【公開番号】特開２００６−８２０２３（Ｐ２００６−８２０２３Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６９８６９（Ｐ２００４−２６９８６９）
【出願日】平成１６年９月１６日（２００４．９．１６）
【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３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１６日（２００４．９．１６）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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