JP2005249397A - エアロゾル粒子速度測定方法、装置およびそれを備える複合構造物作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エアロゾルがノズルから高速に空間に噴出するような、エアロゾル自由流の粒子径測定において、自由流の流れに影響を及ぼす事なく、エアロゾルの粒子速度を高感度でリアルタイムに測定できる測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置を提供する。
【解決手段】 本発明では、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対して、任意の周波数で変調されるレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光する工程、次いで受光したスペックルパターンを信号に変換する工程、次いで該変換された信号およびレーザーの変調周波数を解析しエアロゾルの粒子速度を測定する工程とからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微粒子がガス中に分散されたエアロゾル高速自由流の粒子速度測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置に係り、特に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板上に形成させる複合構造物作製装置において吹き付けるエアロゾル自由流の粒子速度リアルタイム測定方法、測定装置およびこれを利用した複合構造物作製装置に関する。

微粒子を含む流体の粒子速度を測定する装置については、従来、特開平１０−３１８９０９に示されるようにレーザードップラー流速計を応用する装置が知られている。（特許文献１参照）

また、別の微粒子を含む流体の粒子速度測定方法として、特開平３−４８１０１の従来技術に説明されているように、移動流体中にレーザー光を照射し、流体中の粒子によるレーザー回折、散乱光であるスペックルパターンが並進することを利用し、スペックルパターンの時間変化から速度を測定するレーザースペックル法がある。スペックルパターンの時間変化から速度を算出する方法については、２重露光したスペックルパターンを光学的にフーリエ変換し、そのヤング縞の方向と間隔から速度を求める方法。（特許文献２参照）また、信号処理によりスペックルパターンの時間的な相互相関係数を求め、速度を算出する方法や、スペックルパターンを多素子光ダイオードアレイにより受光し、信号の空間的相互相関係数から速度を求める方法が提案されている。（特許文献３参照）
特開平１０−３１８９０９ 特開平３−４８１０１ 特開平１−１１４７２０

上記特許文献１に記載の装置は、粒子速度と同時に粒子の径も測定できるが、装置の構成は複雑で装置の設置や調整に時間がかかり、一般に装置自体の価格も高い。さらに、測定できる粒子径は一般に１μｍ以上であり、それ以下の粒子径の速度は測定できない。また、粒子濃度が高く多重散乱を起こす場合にも適用できない。（特許文献１参照）

また、上記特許文献２にあるように２重露光したスペックルパターンを光学的にフーリエ変換し、そのヤング縞の方向と間隔から速度を求める方法では、粒子速度が速い場合には、２重露光する時間間隔を短くする必要があり、高速シャッターを備えた高感度カメラが必要となる。さらに粒子速度が数１００ｍ／Ｓといった速度では実用化は困難である。また、また、信号処理によりスペックルパターンの時間的な相互相関係数を求め、速度を算出する方法や、スペックルパターンを多素子光ダイオードアレイにより受光し、信号の空間的相互相関係数から速度を求める方法でも粒子速度が速く場合には信号周波数の帯域幅が広くなるため、高応答の受光素子を選定する必要があり、またノイズと信号の分離が困難となるため精度の高い測定は困難である。（特許文献２および３参照）
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、エアロゾルがノズルから高速に空間に噴出するような、エアロゾル自由流の測定において、自由流の流れに影響を及ぼす事なく、エアロゾル中の粒子速度を高感度でリアルタイムに測定できる測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置を提供することにある。

上記目的を達成するために発明の方法は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対して任意の周波数で変調されるレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光する工程、次いで受光したスペックルパターンを信号に変換する工程、次いで該変換された信号およびレーザーの変調周波数を解析しエアロゾルの粒子速度を測定する工程とからなることを特徴とする。
変調されたレーザー光は、変調周波数の周期で点灯と消灯を繰り返す。この変調周波数とエアロゾル自由流のスペックルパターンの並進速度が近くなると、スペックルパターンの並進速度は遅くなる。これは、回転体の回転数を測定する際に一定周波数で高速点滅するストロボライトを照射し、回転体の回転数とストロボライトの点滅周波数が一致すれば、回転体が停止しているように見える原理と同じである。
したがって、レーザー光の変調周波数とスペックルパターンの並進速度いわゆる受光信号の変化を解析すればエアロゾルの粒子速度を測定することができる。またスペックルパターンの並進速度は、連続発光するレーザーを照射した場合に比べ遅い、すなわち受光信号の周波数を低くできるため、受光信号の応答周波数が低くても精度の高い測定ができる。

さらに本発明の好ましい態様として、前記信号変化が最小となるようにレーザーの変調周波数を制御し前記信号変化が最小となった時のレーザーの変調周波数より粒子速度を測定する工程とからなることを特徴とする。
上記のように、レーザーの変調周波数とスペックルパターンの並進速度が近くなると、スペックルパターンの並進速度は遅くなり、変調周波数とスペックルパターンの並進速度が一致すれば、スペックパターンの並進速度はゼロとなり、さらにレーザーの変調周波数をスペックルパターンの並進速度以上に上げると、スペックルパターンの並進速度が速くなる。すなわち、レーザーの変調周波数を前記受光信号の変化が最小となるように制御すれば、変調周波数がエアロゾルの粒子速度となる。この場合にはスペックルパターンの並進速度は、ほぼゼロのため、受光信号の周波数は極めて低い。したがって、受光信号の応答周波数が低くてもさらに精度の高い測定ができる。

また、上記目的を達成するために本発明の粒子速度測定装置は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対して任意の周波数で変調されるレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光し、電気信号に変換する手段と、該変換された電気信号および該レーザーの変調周波数を解析し、解析結果よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とする。前項で説明した原理から、スペックルパターンを受光し、電気信号に変換する手段すなわち光電センサは高速すなわち応答周波数の高い光電センサを使う必要がない。また、電気信号の解析手段および解析結果よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段についても、高速な計算手段を使用する必要がない。したがって、単純な構成で高速、高精度なエアロゾル粒子速度測定装置を実現した。

さらに本発明の好ましい態様として、前記電気信号を解析し、電気信号変化が最小となるようにレーザーの変調周波数を制御する手段と前記信号変化が最小となった時のレーザーの変調周波数よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とする。前項と同様に、レーザーの変調周波数を制御する手段によりレーザーの変調周波数を前記信号変化が最小となるように制御すれば、変調周波数がエアロゾルの粒子速度となり、精度の高い測定ができる。この場合にはスペックルパターンの並進速度は、ほぼゼロのため、測定すべき電気信号の周波数は極めて低くできる。したがって、電気信号に変換する手段すなわち光電センサ、電気信号の解析手段および解析結果よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段、すなわち信号処理に低速で一般に安価なセンサや信号処理装置が利用できるため、より単純な構成で高速、高精度なエアロゾル粒子速度測定装置を実現した。

さらに、本発明の好ましい態様として、前記スペックルパターンを受光し電気信号に変換する手段がフォトディテクタあるいは光電子倍増管であることを特徴とする。スペックルパターンを受光し電気信号に変換する手段をスペックルパターンの光強度が十分高い場合にフォトディテクタ、光強度が低い場合には高感度で検知できる光電子倍増管を用いる事により、スペックルパターンの信号を単純なアナログ信号に変換でき、信号処理も単純にできるため、より単純な構成で高速、高精度なエアロゾル粒子速度測定装置が実現した。

さらにまた、本発明の好ましい態様として、前記電気信号の解析手段が高速フーリエ変換（FFT）であることを特徴とする。高速フーリエ変換により、前記電気信号を高速に周波数領域で処理することができ、エアロゾル粒子の速度の計算に必要な電気信号周波数帯域幅等を瞬時に計算でき、単純な構成で、高速、リアルタイムに測定できるエアロゾル粒子速度測定装置を実現した。

また、本発明の好ましい態様として、前記スペックルパターンを受光し電気信号すなわち画像信号に変換する手段がカメラであることを特徴とする。前記スペックルパターンを受光し電気信号すなわち画像信号に変換する手段を、カメラとする事により、スペックルパターンをそのまま画像化することができる。スペックルパターンを画像として観察できるため、装置設置時の調整が非常に簡単となる。また、画像信号はアナログ信号に比べ情報量が多く、スペックルパターンの並進を高精度に検出できる。さらに高速シャッター付き高感度カメラを使用すれば、短時間露光撮影や増感撮影ができる。したがって、単純な構成で調整が簡単で、かつ様々な条件のスペックルパターンに対応できる高感度なエアロゾル粒子速度測定装置を実現できる。

また、本発明の好ましい態様として、前記カメラで受光した画像信号を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする。撮影した画像信号を解析する手段を画像処理手段とすることにより、画像信号を解析するための処理を高速にかつ、柔軟なアルゴリズムで実行できる。したがって、高速かつ高感度に測定できるエアロゾル粒子速度測定装置を実現した。

また、発明によれば、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基板上に形成させる複合構造物作製装置において、前記被測定エアロゾルに対して任意の周波数で変調されるレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光し、電気信号に変換する手段と、該変換された電気信号および該レーザーのを解析し、解析結果よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有するエアロゾル粒子速度測定装置を備えることを特徴とする複合構造物作成装置を実現した。
ここで、前記エアロゾルを基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、構造物を基板上に形成する場合に使用される微粒子としては、脆性材料、延性材料、もしくはその混合物からなり、粒径が１０ｎｍから５μｍで、本発明の粒子速度測定装置の主な測定対象粒子は、粒子径が１μｍ以下である比較的粒径の小さい粒子であるが、スペックルパターンの原理から、１μｍ以上の粒子でも測定は可能である。また、その速度は数１０ｍ／Ｓから数１００ｍ／Ｓが一般的に知られている。

また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾル粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記スペックルパターンを受光し電気信号に変換する手段がフォトディテクタあるいは光電子倍増管であることを特徴とする。スペックルパターンを受光し電気信号に変換する手段をスペックルパターンの光強度が十分高い場合にフォトディテクタ、光強度が低い場合には高感度で検知できる光電子倍増管を用いる事により、スペックルパターンの信号を単純なアナログ信号に変換でき、信号処理も単純にできるため、より簡素な装置構成でエアロゾルの粒子速度を高速、高精度に測定できる。したがって複合構造物作成装置の監視または制御が高速かつ容易にできる。

また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾル粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記電気信号の解析手段が高速フーリエ変換（FFT）であることを特徴とする。高速フーリエ変換により、前記電気信号を高速に周波数領域で処理することができ、エアロゾル速度の計算に必要な電気信号周波数帯域幅等を瞬時に計算でき、単純な構成で、エアロゾルの粒子速度を高速、リアルタイムに測定できる。したがって複合構造物作成装置の監視または制御が高速かつ容易にできる。

また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾル粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記スペックルパターンを受光し電気信号すなわち画像信号に変換する手段がカメラであることを特徴とする。前記スペックルパターンを受光し電気信号すなわち画像信号に変換する手段を、カメラとする事により、スペックルパターンをそのまま画像化することができる。スペックルパターンを画像として観察できるため、装置設置時の調整が非常に簡単となる。また、画像信号はアナログ信号に比べ情報量が多く、スペックルパターンの並進を高精度に検出できる。さらに高速シャッター付き高感度カメラを使用すれば、短時間露光撮影や増感撮影もできる。したがって、調整が簡単で、様々な条件のスペックルパターンに対応したエアロゾルの粒子速度を測定でき、複合構造物作成装置の調整、監視または制御が高速かつ容易にできる。

また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾル粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記受光した画像信号を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする。画像信号を解析する手段を画像処理手段とすることにより、画像を解析するための処理を高速にかつ、柔軟なアルゴリズムで実行でき、複合構造物作成装置の監視または制御が高速、柔軟かつ容易にできる。

本発明によれば、微粒子がガス中に分散させたエアロゾル高速自由流の粒子、特に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板上に形成させる複合構造物作製装置において吹き付けるエアロゾル自由流の粒子速度を自由流の流れに影響を及ぼす事なく、高感度でリアルタイムに測定する方法および装置を実現できるという効果がある。さらに、この測定方法および装置を構造物作製装置の監視や制御等に利用することにより、高品質の構造物を高速に作成できるという効果がある。

本発明の実施の形態につき、以下に実施例を用いて説明する。

図１は、本発明による第一の実施例であるエアロゾル粒子速度測定装置の構成を示す図である。測定装置は、レーザー投光部１、レーザー制御部２、ピンホール３、レンズ４、受光部５、信号処理部６、装置制御部７から構成される。レーザー投光部１より出射したレーザー光８は被測定エアロゾル９の微粒子により散乱されピンホール３を通過し、レンズ４で集光され受光部５で電気信号に変換される。電気信号に変換されたスペックルパターンの信号は、信号処理部６に入力され処理される。一方、レーザー投光部１と接続され、レーザー投光部１のレーザー出力を制御するレーザー制御部２によりレーザーは装置制御部７から設定される任意の周波数で変調され投光される。装置制御部７で設定する周波数は、被測定エアロゾル９の粒子速度に近いほうが望ましい。装置制御部７は設定した周波数および信号処理部６で処理されたスペックルパターンの散乱光の信号からスペックパターンの速度を計算し、数値データとして出力する。レーザー投光部１、ピンホール３、レンズ４、受光部５および被測定エアロゾル９の配置は必ずしも図に示す通りの配置でなくともよい。たとえば、被測定エアロゾル９とレーザー光８は直角である必要がなく、レーザ光８によるスペックルパターンが受光部５で受光できる配置であればよい。レーザー投光部１はたとえば波長４５０〜７８０ｎｍ出力１００ｍW以下程度の半導体レーザーを使用する。被測定エアロゾル９の粒径が小さい場合には、波長が短かく高出力のアルゴンイオンレーザー等を用いる。また、レーザー投光部１から出力されるレーザーのビーム形状は、円、楕円またはスリット形状等から必要な領域に照射できる形状のものを適宜選択する。また、スペックルパターンを電気信号に変換する受光部５は高感度、高応答の光電子倍増管を用いる。ただし、スペックルパターンの強度が十分大きければ、より低感度・低応答速度で一般に安価であるフォトダイオード等を用いたフォトディテクタを用いてもよい。信号処理部６では、被測定エアロゾル９の速度によって変化するスペックルパターンの時間的変動信号を数値データ化する処理を行ない、その数値データは装置制御部７に出力される。数値データ化する処理にはたとえば、信号をFFT解析しパワースペクトルや相関係数計算処理を用いる。装置制御部７は数値データ化されたスペックルパターンの時間的変動と設定したレーザー変調周波数から被測定エアロゾル９の速度を計算する。さらに装置制御部７により、測定したスペックルパターンの時間的変動を最小にするようにレーザー変調周波数を自動制御し、最小となったレーザー変調周波数から被測定エアロゾル９の粒子速度を求めることもできる。以下に測定原理を説明する。

被測定エアロゾル９の粒子速度と、被測定エアロゾル９にレーザーを照射し被測定エアロゾル９の微粒子により散乱されたスペックルパターンの移動速度いわゆる並進速度は一致する事が知られている。さらに、被測定エアロゾル９に照射するレーザー８の変調周波数を変化させるとスペックルパターンの時間的変動信号は以下のように変化する。
変調周波数が低い場合、スペックルパターンは高速で並進するため、並進による時間的変動信号の周波数は高い。変調周波数を高くしていくと、スペックルパターンの並進速度はしだいに遅くなり、並進による時間的変動信号の周波数は低くなる。さらに、変調周波数を高くしてスペックルパターンの並進速度がゼロになるようにすれば、並進による時間的変動信号の周波数もゼロになる。ただし、被測定エアロゾル９の濃度や粒子径の状態が、時間的に変動するため、測定される時間的変動信号の周波数は完全にゼロにはなることはない。さらに変調周波数を高くすれば、スペックルパターンの並進速度は再び増加する。したがって、レーザー８の変調周波数をスペックルパターンの並進速度に近く設定すれば、時間的変動信号の周波数が低くなり、スペックルパターンの検出に高速、高応答のセンサや信号処理部６を用いなくても高精度な速度測定ができる。さらにスペックルパターンの時間的変動を最小にする、すなわちレーザー変調周波数とスペックルパターンの並進速度を一致させるようにレーザー変調周波数を調整すれば、レーザー変調周波数から被測定エアロゾル９の粒子速度を求めることができる。この場合処理すべき信号の周波数をさらに低くできるため、スペックルパターンの検出に高速、高応答のセンサや信号処理部を用いなくても高精度な速度測定ができる。

図２は、本発明による第二の実施例であるエアロゾル粒子速度測定装置の構成を示す図である。測定装置は、レーザー投光部１、レーザー制御部２、ピンホール３、レンズ４、ＣＣＤカメラ１０、画像処理部１１、装置制御部７から構成される。レーザー投光部１より出射したレーザー光８は被測定エアロゾル９の微粒子により散乱されピンホール３を通過し、レンズ４で集光されＣＣＤカメラ１０に結像し画像信号に変換される。画像信号は画像処理部１１に入力され画像処理によりスペックルパターンの時間的変動信号を計算し装置制御部７へ出力する。第一の実施例との違いは受光部５がＣＣＤカメラ１０に、また信号処理部６が画像処理部１１に変更されている点である。また、スペックルパターンの時間的変動信号から被測定エアロゾル９の粒子速度を求める方法についても第一の実施例と同一であるので説明は省略する。ＣＣＤカメラ１０は、たとえば２次元ＣＣＤカメラでNTSC信号を出力できるビデオカメラを使用する。さらにスペックルパターンの強度が弱い場合にはイメージインテンシファイアや高速シャッターを備えた高感度ＣＣＤカメラを用いる事もできる。また、画像処理部１１は、ＣＣＤカメラ１０からの画像信号を取込み、リアルタイムに画像処理する機能を持つ、たとえば画像入力ボードおよび画像処理解析プログラムを内蔵したパーソナルコンピュータを用いる。

ＣＣＤカメラ１０の画像信号から画像処理により、スペックルパターンの時間的変動信号を計算するには多種の方法が考えられる。まず、最も簡単な方法は、ＣＣＤカメラ１０を第一の実施例の光電子倍増管５と同様に扱い、画像の画素すべての光量の総和を計算し、この結果を第一の実施例と同様の処理を行なう方法である。また、光量の総和を求めるかわりに画像をFFT変換し、画像の空間周波数を計算し、特定の周波数成分に着目する処理も適用できる。これらの処理は、すべて画像処理ソフトウエアで簡単にかつ高速に処理できるため、リアルタイムに速度を測定する事が可能である。また、本発明を適用すれば、画像処理により撮影した画像のうち測定に必要な領域のみ抽出し、処理できるため、不要な部分によるノイズを低減し、かつ計算に要する時間を短縮することもできる。

さらに、別の方法でも画像処理によりスペックルパターンの時間的変動信号を計算し、被測定エアロゾル９の粒子速度を測定できる。画像処理には多種の手法があり、ここでは、その一例を説明するが、以下の方法以外でも画像処理により速度を測定できることは言うまでもない。図３および図４は、第二の実施例において、２次元ＣＣＤカメラ１０で撮影したスペックルパターンの画像である。図３は、レーザー変調周波数と被測定エアロゾル９の速度が離れている場合の画像である。スペックルパターンが高速で並進しているため、スペックルパターンは、不鮮明である。これに対して図４はレーザー変調周波数と被測定エアロゾル９の速度が一致した場合の画像である。スペックルパターンは、ほぼ静止して見えるため鮮明なスペックルパターンが画像が得られる。この画像の特徴を利用して被測定エアロゾル９のスペックルパターン並進速度を測定することができる。すなわち、レーザー変調周波数を調整し、スペックルパターンの画像が図４のように鮮明に撮影された時のレーザー変調周波数から、エアロゾルの速度を求めることにより、簡単で精度の高い測定ができる。図３と図４の状態を画像処理により自動判別することは容易である。たとえば、画像をある適切な閾値で２値化し、２値化画像の白い部分と黒い部分の面積比率を比較する。図３では、ほとんどが白または黒のみの領域になるため、面積比率は0または100%に近くなる。一方、図４では、白と黒の面積比率は50%に近い値となる。この方法によりレーザー変調周波数が被測定エアロゾル９の速度と一致した状態を自動判別することができる。また、画像をFFT変換し、画像の空間周波数を計算し、その空間周波数分布の差から、自動判別することも可能である。以上のように画像処理を用いれば、ソフトウエアでさまざまな処理を実現でき単純な構成でかつ高速、高精度に被測定エアロゾル９の粒子速度を測定する装置を実現できる。

図５は、本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置全体の構成を示す図である。測定装置は、レーザー投光部１、レーザー制御部２、ピンホール３、レンズ４、ＣＣＤカメラ１０、および画像処理および装置制御の機能を合わせ持つ制御ＰＣ１２で構成される。
ノズル１３から噴出する被測定エアロゾル９に対し被測定エアロゾル９の噴出方向と直角にレーザー光８をレーザー投光部１から投光する。被測定エアロゾル９に当ったレーザー光８は被測定エアロゾル９の微粒子により散乱されピンホール３を通過し、レンズ４で集光されＣＣＤカメラ１０に結像し画像信号に変換される。ＣＣＤカメラ１０は、たとえばイメージインテンシファイアと高速シャッターを備え感度や露光時間を外部信号により可変できる高感度ＣＣＤカメラであり、画像入力ボード、画像処理解析プログラム、信号入出力ボードを内蔵したパーソナルコンピュータである制御ＰＣ１２に接続される。ＣＣＤカメラ１０の画像信号は画像入力ボードにより、リアルタイムに制御ＰＣ１２に入力と同時に画像処理される。一方制御ＰＣ１２はレーザー制御部２とも接続され、レーザー出力および変調周波数を自動設定する。制御ＰＣ１２は前記の方法により画像処理結果とレーザー変調周波数から被測定エアロゾル９の粒子速度を計算し測定する。被測定エアロゾル９の粒子速度は、制御ＰＣ１２の画面に数字またはグラフで表示することもでき、さらに、制御ＰＣ１２から外部機器制御用にアナログ信号やディジタル信号を出力することもできる。また、被測定エアロゾル９の濃度、粒子径および速度等の条件に対して広範囲に対応する必要がある場合には、レーザー出力、変調周波数およびＣＣＤカメラ１０の感度や露光時間を被測定エアロゾル９の条件に合わせて最適に調整する必要がある。このような場合に、制御ＰＣ１２とレーザーの出力を制御するためのレーザー制御部２を接続し、制御ＰＣ１２からレーザーを制御できるようにする。さらに、制御ＰＣ１２とＣＣＤカメラ１０を接続し、制御ＰＣ１２からＣＣＤカメラ１０の感度や露光時間を制御できるようにする。そこで制御ＰＣ１２に入力されるＣＣＤカメラ１０の画像が測定に最適となるようレーザー出力、変調周波数およびカメラの感度および露光時間を自動調整すれば、被測定エアロゾル９の濃度、粒子径および速度等の条件について広範囲に対応できるエアロゾル粒子速度測定装置を実現できる。

図６は本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置を利用した複合構造物作製装置の全体の構成を示す図である。ここで言う複合構造物作製装置とは、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材１４に向けてノズルより噴射して、エアロゾルを基材１４表面に衝突させ、この衝突によって微粒子を破砕・変形させて接合させ、微粒子の構成材料からなる構造物をを基板１４上に形成させる装置である。

複合構造物作製装置は、エアロゾル発生部１５、ノズル１３、エアロゾル発生部１５とノズルを接続する配管１６、ステージ１７、真空チャンバ１８、装置制御部１９から構成される。エアロゾル発生部１５は配管１６により真空チャンバ１８内に設置されたノズル１３と接続されている。エアロゾル発生部１５は微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを発生させ、ノズル１３へエアロゾルを供給する。また、エアロゾル発生部１５は、信号ケーブルA２０により装置制御部１９と接続される。必要の都度、装置制御部１９は信号ケーブルA２０を介してエアロゾル濃度や流量等の条件をエアロゾル発生部１５に設定し、エアロゾル発生部１６は、設定値に従いエアロゾルを発生させノズル１３に供給する。
エアロゾルはノズル１５より高速で噴出し、ステージ１７に取付けられた基材１３に高速で衝突し、基材１４の表面には材料の膜が形成される。

一方、ステージ１７には基材１４が取付られ、ステージ１７は必要な範囲に必要な膜厚を形成させるため、基材をノズル１３に対して移動させる。ステージ１７と装置制御部１９は、信号ケーブルB２１により装置制御部１９と接続される。必要の都度、装置制御部１９は信号ケーブルB２１を介してステージの移動方向、速度あるいは位置の指令をステージ１７に設定し、ステージ１７は、設定された指令に従って基材１４をノズル１３に対して移動させる。ステージ１７は、たとえばモーターで駆動されるXYZΘステージを用い、基材１４をノズル１３に対して３次元的な位置決めや移動ができる機能を持つ。また、基材１４を固定し、ノズル１３をステージ１７に取付け、３次元的に動かしても同様の効果が得られる。また、ステージ１７は、膜の形成範囲や品質によっては、１次元や２次元の移動や位置決めができるＸステージやＸＹステージで対応できる場合もある。

以上説明した複合構造物作製装置に、エアロゾル粒子速度測定装置を次のように取付ける。レーザー投光部１をレーザー光８がノズル１３の被測定エアロゾル噴出部付近を照射するように設置する。また、ピンホール３、レンズ４、ＣＣＤカメラ１０を一体化した受光部５をエアロゾル散乱光が撮影できるような位置に設置する。レーザー投光部２および受光部５は、ノズル１３の設置された真空チャンバー１８の内部に必ずしも設置する必要はない。真空チャンバー１９壁面の一部をガラスにして、レーザー光８の光路および散乱光の光路を確保すれば、レーザー投光部１および投光部５を真空チャンバー１９の外に設置できる。受光部５のＣＣＤカメラ１０は、たとえばイメージインテンシファイアと高速シャッターを備え感度や露光時間を外部信号により可変できる高感度ＣＣＤカメラであり、画像入力ボード、画像処理解析プログラム、信号入出力ボードを内蔵したパーソナルコンピュータである制御ＰＣ１２に接続される。画像信号は画像入力ボードにより、リアルタイムに制御ＰＣ１２に入力と同時に画像処理される。一方制御ＰＣ１２はレーザー制御部２とも接続され、レーザー出力および変調周波数を設定する。制御ＰＣ１２は画像処理結果とレーザー変調周波数から被測定エアロゾル９の速度を計算する。ここで受光部５において、ＣＣＤカメラ１０の代わりに光電子倍増管やフォトディテクタを、また制御ＰＣ１２において画像処理解析プログラムの代わりに信号処理プログラムを使用しても同様の測定ができることは言うまでもない。

制御ＰＣ１２で計算された被測定エアロゾル９の粒子速度は、信号ケーブルＣ２２を介して、装置制御部１９に伝達される。制御ＰＣ１２で計算されたエアロゾル粒子速度を利用し装置制御部は、監視や制御を行ない、装置の信頼性や複合構造物の品質、生産性を向上させることができる。なお、ここで言う複合構造物の品質とは、基材１３に形成される膜厚の均一性、膜の欠陥および膜の硬度や絶縁耐圧等の膜の物理特性等の性能を総合したものである。また、複合構造物の生産性とは、基材１３に形成される膜を要求品質を満足しつつ形成するために要する時間のことを言う。
以下、本発明により測定されたエアロゾル粒子速度を利用した複合構造物作製装置の監視、制御の実施例を説明する。

第一の例は、制御ＰＣ１２から出力される被測定エアロゾル９の粒子速度を装置制御部１９で、リアルタイムに監視し、あらかじめ設定された適正な範囲から外れた状態が一定時間以上経過したら装置制御部１９に接続された警報装置２３により警報を出す、または、複合構造物作製装置の動作を停止させる事により作製する複合構造物の品質不良を防止する。また、良好な品質が得られた条件のエアロゾル粒子速度を記憶し、このエアロゾル粒子速度からあらかじめ設定された範囲以上外れた状態が一定時間以上経過した場合にも警報を出し、さらに複合構造物作製装置装置の動作を停止させるような監視も可能である。

第二の例は制御ＰＣ１２から出力されるエアロゾルの粒子速度の時間変化を打ち消すように、装置制御部１９でエアロゾル発生部１５の粉体供給量設定や流量等の条件設定をリアルタイムに変更し、常に複合構造物作製に最適なエアロゾルの粒子速度を保つように制御する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、エアロゾルの粒子速度を安定化し、複合構造物の品質、生産性を向上させる。

第三の例は、複数のノズル１を用い、広い面積に同時に複合構造物を作成する複合構造物作製装置における、監視、制御の例である。複合構造物作製装置において、複数のノズル１に対応するエアロゾル発生部１５が配管により接続され、それぞれのエアロゾル発生部１５は装置制御部１９により、粉体供給量設定や流量等の条件設定をリアルタイムに変更できる。さらに各々のノズルにエアロゾル粒子速度測定装置を設置する、または各々のノズル１の位置に合わせてエアロゾル粒子速度測定装置を手動または自動で位置決めできる機構を設け、自動または手動で各々のノズルより噴出するエアロゾル粒子速度の測定ができるようにする。制御ＰＣ１２から出力されるノズル１各々のエアロゾル粒子速度の測定結果を利用し装置制御部１９で、すべてのノズル１から噴出するエアロゾルが均一な粒子速度になるようにエアロゾル発生部１５の粉体供給量設定や流量等の条件設定をリアルタイムにフィードバック制御すれば、広い面積でも均一な複合構造物を得る事ができ、複合構造物の品質、生産性を向上させる事ができる。また、複合構造物の用途や複合構造物作製装置の構造によっては、必ずしも各々のノズル１をすべて均一な速度に制御するのではなく、必要に応じて各々のノズル１から噴出するエアロゾルの粒子速度を個別に最適な速度に制御することも容易にできる。
さらに複数のノズル１に１台のエアロゾル発生部１５から複数分岐した配管が接続され、さらに複数分岐した配管途中にエアロゾル流量等の条件を装置制御部１９によりリアルタイムに変更できる調整機構を持った構成の複合構造物作製装置においても、エアロゾル発生部１５および配管途中にある調整機構を同様に装置制御部１９で制御することにより、同一の効果が得られ、複合構造物の品質、生産性を向上させることができる。

本発明による第一の実施例であるエアロゾル粒子速度測定装置の構成を示す図である。 本発明による第二の実施例であるエアロゾル粒子速度測定装置の構成を示す図である。 本発明による第二の実施例において、２次元ＣＣＤカメラ１０で撮影したスペックルパターンの画像である。 本発明による第二の実施例において、２次元ＣＣＤカメラ１０で撮影したスペックルパターンの画像である。 本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置全体の構成を示す図である。 本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置を利用した複合構造物作製装置の全体の構成を示す図である。

符号の説明

１…レーザー投光部
２…レーザー制御部
３…ピンホール
４…レンズ
５…光電子倍増管
６…信号処理部
７…装置制御部
８…レーザー光
９…被測定エアロゾル
１０…ＣＣＤカメラ
１１…画像処理部
１２…制御ＰＣ
１３…ノズル
１４…基材
１５…エアロゾル発生部
１６…配管
１７…ステージ
１８…真空チャンバ
１９…装置制御部
２０…信号ケーブルＡ
２１…信号ケーブルＢ
２２…信号ケーブルＣ
２３…警報装置

Claims (14)

1. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対して、任意の周波数で変調されるレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光する工程、次いで受光したスペックルパターンを信号に変換する工程、次いで該変換された信号およびレーザーの変調周波数を解析しエアロゾルの粒子速度を測定する工程とからなることを特徴とするエアロゾル粒子速度測定方法。
2. 前記信号変化が最小となるようにレーザーの変調周波数を制御し前記信号変化が最小となった時のレーザーの変調周波数よりエアロゾルの粒子速度を測定する工程とからなることを特徴とする請求項１に記載のエアロゾル粒子速度測定方法。
3. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対して任意の周波数で変調されるレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光し、電気信号に変換する手段と、該変換された電気信号および該レーザーの変調周波数を解析し、解析結果よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とするエアロゾル粒子速度測定装置。
4. 前記電気信号を解析し、電気信号変化が最小となるようにレーザーの変調周波数を制御する手段と前記電気信号変化が最小となった時のレーザーの変調周波数よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とする請求項３に記載のエアロゾル粒子速度測定装置。
5. 前記スペックルパターンを受光し電気信号に変換する手段がフォトディテクタあるいは光電子倍増管であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のエアロゾル粒子速度測定装置。
6. 前記電気信号の解析手段が高速フーリエ変換（FFT）であることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一つに記載のエアロゾル粒子速度測定装置。
7. 前記スペックルパターンを受光し電気信号すなわち画像信号に変換する手段がカメラであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のエアロゾル粒子速度測定装置。
8. 前記カメラで変換された画像信号を処理する手段が画像処理手段であることを特徴とする請求項７に記載のエアロゾル粒子速度測定装置。
9. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基板上に形成させる複合構造物作製装置において、前記被測定エアロゾルに対して任意の周波数で変調されるレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱されたスペックルパターンを受光し、電気信号に変換する手段と、該変換された電気信号および該レーザーの変調周波数をを解析し、解析結果よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有するエアロゾル粒子速度測定装置を備えることを特徴とする複合構造物作成装置。
10. 前記電気信号を解析し、電気信号変化が最小となるようにレーザーの変調周波数を制御する手段と前記信号変化が最小となった時のレーザーの変調周波数よりエアロゾルの粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とする請求項９に記載に複合構造物作成装置。
11. 前記スペックルパターンを受光し電気信号に変換する手段がフォトディテクタあるいは光電子倍増管であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の複合構造物作成装置。
12. 前記電気信号の解析手段が高速フーリエ変換（FFT）であることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一つに記載の複合構造物作成装置。
13. 前記スペックルパターンを受光し電気信号すなわち画像信号に変換する手段がカメラであることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の複合構造物作成装置。
14. 前記カメラで変換された画像信号を処理する手段が画像処理手段であることを特徴とする請求項１３に記載の複合構造物作成装置。
    
    

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