JP2005503266A - レーザ穿孔及び続く電気研磨ステップによる有孔膜の形成 - Google Patents

Abstract

液体移送装置に使用するための有孔膜（１）を形成する方法が開示されている。この膜は、該膜を経て形成される少なくとも複数のノズル（１０）を有している。これらノズルの各々は、当該有孔膜の反対側表面（２’）を介して反対側端部で開口する喉部（１２）と、該喉部の第１端から当該有孔膜の第１表面（２）まで延びる滑らかに湾曲した外側に広がる部分（１１）とを有している。レーザエネルギがパルス状の収束されたビームの形態で該膜の第１表面（２）に選択的に供給されてノズル（１０）を形成し、その後、該膜の第１表面（２）及びノズル（１０）の前記広がる部分（１１）の表面が電気研磨されて表面の不完全さを除去する。該電気研磨は、上記ノズルの広がる部分（１１）の表面から喉部（１２）の長さより小さい深さまで物質を除去するように制御される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルに係り、更に詳細には流体移送装置に使用するための有孔膜におけるノズルに関する。このような装置は、エーロゾル発生器、流体ポンプ及びフィルタ膜を含む。このような装置において、流体は当該膜のノズルを介して移送される。しかしながら、各場合において、斯様な膜は、該膜に含まれるノズルの幾何学構造に関係し得るような一定の特性を有する。
【背景技術】
【０００２】
有孔膜はエーロゾル生成装置において既知であり、斯かる装置においては、塊としての液体は当該膜のソース側からノズルを介して移送され、該膜の反対（出力）側において液滴を生成するように分離される。振動する有孔膜を使用してエーロゾル液滴を生成するための種々の装置が、国際特許出願公開第WO-A-95/15822号、米国特許第5518179号、米国特許第5152456号及び米国特許第4533082号に開示されている。これらの装置は、ノズルを介して液体を移送し、当該膜の反対側において液滴を生成するために幾つかの異なる方法を使用している。
【０００３】
米国特許第5152456号においては、塊としての液体が周囲又は準周囲静圧において当該膜の表面（液体側）に運ばれ、この表面においては該表面と交差するノズルの断面積が反対側表面（大気側）と交差する同じノズルの断面積よりも大きくなっている。静止膜、膜材料を濡らす液体及び大気圧条件に対しては、ノズル内の流体メニスカスは、毛管作用により該メニスカスの位置を当該ノズルの大気側（ここでは、該メニスカスの表面積が最小となる）において平衡化させるように進む。このようにして、ノズルは流体で満たされることになる。動作中においては、周期的な湾曲モード振動が当該有孔膜において発生され、該振動は該膜を塊としての液体に向かって及び該液体から離れるように調和的に変位させ、結果として、該膜の液体側の近くの液体内の流体圧が変化する。このような圧力は、液体を、ノズルを介して周期的な態様で移送させる。この移送は、上記圧力が周囲静圧より増加するので、液体側から大気側へとなる。上記液体がノズルを介して当該有孔膜の大気側に向かって移送される運動量が充分に大きいと、斯様にして移送された液体の一部が上記塊としての液体から離脱し、該液体の表面張力の影響の下で、該液体は滴を形成し、該滴は当該膜の大気側から離れて進行する。このことは、当該膜内の多くの又は全てのノズルに関して同時に発生し得る。
【０００４】
斯様な装置から放出される滴の直径は、典型的には、上記ノズルの最小断面積の平均直径の１倍と２倍との間である。この滴径は、上記ノズル内又は上記膜の大気側との交差部における該ノズルの近くにおける表面粗さの程度にも依存することが分かった。このような粗さは、表面上のマイクロ毛管構造の形態であり得、斯かる構造は容易に液体により濡れ、流体圧サイクルを通して幾らかの液体体積を当該膜の大気側上に残留させる。この場合、圧力サイクルの正の区間における放出液体の液体メニスカスはノズルの周部に相対的に弱く固定され、該ノズルの外部の液体体積のメニスカスに繋がる。液滴生成過程の間における液体メニスカスの幾何学構造に対する斯様な制御の喪失は、当該膜の大気側から更なる液体体積を集めることにより、斯様なノズルから放出される滴が拡大すると共に、放出方向の制御が劣ることになる。米国特許第5152456号は、更に、一方の面と他方の面との間の当該膜の厚さを経る距離の関数としての、断面積又は断面積の変化率の両者の著しく且つ急激な変化を持たないようなノズル幾何学構造を有している。斯様な幾何学構造の例は、トランペットテーパ（例えば電鋳ニッケルに形成される−オランダ国、EerbeckのStork
Veco BVの”Veconic”）及び円錐テーパ（例えば、レーザ穿孔又はエッチング処理により形成される−Stork Veco BVの”Vecoplus”）を含む。このようなノズル内では、表面張力、粘性抵抗及び流体圧の力が斯かるノズルを介しての液体の流れを支配する。
【０００５】
液体内の流体圧が周囲圧力よりも低い場合、このようなノズル幾何学構造は、振動の間の時点であって当該ノズルに関連する液体が塊状液体に向かって加速される場合に、該ノズル内の流体メニスカスがノズルの長さを経て上記塊状液体に向かい比較的容易に進行し得、かくして該ノズルが部分的に又は完全に空気で満たされるようになるという欠点を有している。従って、このような幾何学構造は、大気側において上記液体メニスカスから滴を発生することができるまでに、各サイクルにおいて塊状液体から当該ノズルを再充填する場合の粘性抵抗を克服するために、当該振動サイクルの負圧及び正圧区間の両方において余分な流体エネルギを使用することになる。周期的な圧力サイクルの間におけるノズル内の過度のメニスカス移動を防止するためには、ノズルの長さに沿って移動する際に流体メニスカスに対して位置エネルギ障壁を付与することによる、当該ノズルの断面積の増加率の著しく且つ急激な増加が有利である（即ち、当該ノズル内での断面積の不連続性を克服するために当該液体メニスカスの表面積は一層急激に増加しなければならない）。同様にして、当該流体圧サイクルの正の区間では、当該ノズル内に含まれ且つ固定されたメニスカスの背後の液体は、該ノズルの小さな空気で満たされた部分を即座に再充填し、そのようにする際に粘性抵抗により大きな流体エネルギを喪失すること無しに、大気側から液滴を発生させる。
【０００６】
出願人による国際特許出願公開第WO-A-95/15822号において、出願人は表面張力波に基づくような滴を発生させる他の方法を開示している。この方法において、ノズル幾何学構造の向きは米国特許第5152456号の装置とは反転されている。代わりに、ノズルの最小断面積は、当該膜における塊状液体が導入される側（液体側）の表面に配置されている。該ノズルの断面積は、当該膜の厚さにわたり、この面から離れる方向に且つ反対側の表面（大気側）に向かって増加する。前のものと同様に、周囲静水圧においては、液体メニスカスは、ノズルの断面積が最小となる最小エネルギ点に向かって移動する。この装置においては、ノズルは液体で満たされるのではなく、むしろ、ノズルは実質的に空気で満たされる。
【０００７】
前のものと同様に、動作の間においては有孔膜において周期的な湾曲モード振動が発生され、該膜を塊状液体に向かって及び斯かる塊状液体から離れるように調和的に変位させ、結果として、当該膜の液体側の近くの該液体内の流体圧が調和的に変化する。この調和的圧力に加えて、当該塊状液体の周囲静水圧（振動的に導入される調和的圧力が無い場合に存在する圧力）が当該膜の反対側表面における気圧に対して減少される。このようにして、流体メニスカスは、変化する流体圧の影響により当該ノズルに沿って移動することから防止され、通常は、これによって最小断面積位置に維持される。かくして、上記調和的流体圧は流体メニスカスに直接作用して、各メニスカス内に表面張力波を発生させると思われる。この表面張力波は、当該メニスカスの周面内に中心が合わされ、該メニスカスの法線方向に振動して、当該ノズルの中心において表面張力波の波頭（先端）を生成するものと思われる。斯かる表面張力波の波頭に近い液体が充分な振動運動量を有する場合、液滴が約λ_ｃ／３なる固有直径で発生され、ここでλ_ｃは下記式により定義される表面張力波長である。
【０００８】
【数１】

ここで、ρは液体密度であり、ω_ｃは表面張力波の角周波数であり、σは液体メニスカスの表面張力であり、κは波数である。
【０００９】
国際特許出願公開第WO-A-95/15822号においては、好ましい条件は、表面張力波の周波数が上記式から、各ノズル内の液体メニスカスの直径が表面張力波長と同一となり、これにより各表面張力波の波頭から放出される滴が対応するノズルの最小断面積の直径より小さい直径を有するように選定されるということである。
【００１０】
他の動作条件も、当該有孔膜の振動周波数が角周波数ω_ｃの表面張力波を生成するのに要するものより低いという条件を含み、満足されることがわかる（例えば、出願人による国際特許出願公開第WO-A-00/47334号参照）。
【００１１】
このような装置においては、エーロゾル液滴を生成するために、液滴はノズルを介して液側から大気側へ移動しなければならない。この液滴の成功裏の移動は、この液滴がノズルの内側表面に衝突する危険性を最小化するために、上記表面張力波が当該液滴をノズルの長軸に沿って放出することを要する。
【００１２】
これらの装置は、上記のような衝突がノズル内で発生した場合に、衝突する滴内に含まれる液体の少なくとも一部がノズルの内側表面の一部に堆積するという欠点を有している。この場合、液滴放出の破局的な失敗が生じ得る。このような装置のノズル内で滴が衝突する危険性を低減するためには、ノズルに、液体メニスカスと当該膜の大気側との間での断面積の大きな増加率を付与することが有利である。
【００１３】
膜の一方の側と他方の側との間に大きな断面積の増加率を持つようなノズルは製造するのが困難である。何故なら、ノズルからノズルへの何らかの形成工程における深さの比較的小さな誤差でも、ノズルと当該膜の何れかの表面との間の交差部における断面積（即ち、ノズル開口）の大きな誤差となるからである。例えば、このような誤差は、メニスカスの直径に起因して、ノズル内の斯かるメニスカスの形状及び寸法の著しい変化を生じさせる。この結果、表面張力波周波数は単一の有孔膜にわたってばらつき、これにより、最適な励起周波数が当該有孔膜の振動周波数にうまく合致するような表面張力波を支援するノズルの数が減少する。従って、このような装置に関して、膜の液側と該膜の大気側との間に大きな断面積増加率を持つようなノズルを作製するノズル製造方法を可能にするためには、当該ノズルの一部が、該ノズルと当該膜の液側との間の交差部の領域に低い断面積変化率を有するようにさせることが非常に好ましい。
【００１４】
従って、米国特許第US-A-5152456号に記載された型式の装置並びに国際特許出願公開第WO-A-95/15822号及び第WO-A-00/47334号に記載された装置の両者に対しては、低い断面積変化率の部分及び急速な断面積変化率を持つ他の部分を有するノズルを設けることが望ましく、これら２つの部分の間の遷移部が顕著で且つ急激であることが好ましい。有孔膜は、流体（液体又は気体を意味する）ポンプ装置を作製するためにも使用される。一般的な場合、流体はノズルを介して両方向に移送されるが、斯かるノズルは両方向において等しくないような流れに対する抵抗を有し、結果として１以上の完全なサイクルの後には一方の方向への正味の流体の流れを生じる。このタイプの装置がスイス国特許第CH-A-280
618号及び国際特許出願公開第WO-94/19609号に開示されており、これら装置においては、チェンバ壁、板又は膜内のテーパ状ノズルが、これらテーパ状ノズルを介して両方向の周期的な流体の流れを受けるが、結果として正味の順方向のポンプ効果を生じる。
【００１５】
スイス国特許第CH-A-280
618号には、テーパ状ノズルを含む有孔板が流体で満たされたチェンバ内で前後に変位されること、及び、他の例として、有孔板は固定されると共に流体チェンバの壁内に配置された別のダイヤフラムが流体を上記板内のノズルを介して流体を前後に駆動することが開示されている。この往復運動する板内のノズルを経ての流体の流れは、他の場所（国際特許出願公開第WO-94/19609号）で“ノズル”及び“ディフューザ”フローとして知られている不均一な乱流効果により制限される。斯様な不均一な乱流効果の結果、ノズルの断面積が増加するようなディフューザの流体流れ方向への正味の流体の移動となる。
【００１６】
一般的に、このような装置は、正味のポンプ送りされる流体体積よりも大幅に大きいような、大きな合計体積の流体を各ノズルを介して前後に移動させる。従って、このような装置は、同等の正味の流れを生じさせる単一方向型ポンプ（容積移送式ポンプのような）よりも一層多くの粘性抵抗を受ける。このことは、斯かる粘性損失を克服ために余分な駆動出力を必要とする。狭いチャンネル内での層状流体流における粘性抵抗は、毛管流に対してはポアズイユの式により特徴付けられる（１９７９年、ケンブリッジ大学出版、第２編、D. Tabor、“気体、液体及び固体”）：
【００１７】
【数２】

ここで、Ｑは流体の流量であり、ｒは毛管（即ち、ノズル）の半径であり、ηは流体の粘性であり、（（ｐ_２−ｐ_１）／ｌ）は毛管チャンネルに沿う平均圧力勾配である。従って、流量はノズルの半径、特にノズルの最小半径により強く制限される。これらのノズルにおいて、この粘性による制限は、ほんの僅かに大きな半径を持つノズルを介して観測される流量と同等の流量を発生させるためには、大幅に高い圧力勾配が必要とされることを示している。
【００１８】
従って、ノズル幾何学構造の最も狭い区域の半径を精密に制御し、その際に圧力勾配を最大化するために同じ区域の長さも最小化することが望ましい。このようにして、当該膜内の各ノズル及び各ポンプ装置の両方から同じ流れの性能を得るように、各ノズル内の流体の流れの粘性抵抗が最適化される。
【００１９】
また、有孔膜は普通に得られる厚さ吸収及び表面拒絶流体（液体又は気体を意味する）フィルタにも使用され、斯様なフィルタでは流体がノズルを介して一方向にのみ移送される。斯様な流体内に且つ当該膜内に含まれるノズルの最小直径以上の全てのリニアな寸法を伴って懸濁された固体粒子は、該ノズルを通過することはない。このように、このタイプのフィルタは当該ノズルの最小直径以上の粒子を、該ノズルを経て移送される流体から除去するであろう。
【００２０】
これらの装置は、このようなフィルタ膜の効率を支配するような２つの制限を受ける。第１の制限においては、各ノズルを介しての流体の流れが同じ程度のフィルタ動作を受けるように、各ノズルの最小断面の直径のバラツキは可能な限り狭くなければならない。従って、ノズル直径のバラツキは、斯様なノズルを介して通過することを許される粒子の直径の遮断の鋭さの直接的指示子を提供する。第２の制限においては、斯様なフィルタ膜を介しての流体の流量が、流体ポンプに関連して前述したのと同じ粘性抵抗により決定される。
【００２１】
従って、各ノズルの最小断面の一定した半径を維持することが望ましく、更に、ノズルの最小断面部分の長さを最小にすることにより、当該膜の面間の所与の圧力差分に対して斯様なノズル内の圧力勾配を最大化することも重要である。
【００２２】
種々のレーザ穿孔方法が、レーザ放射を用いた制御された態様での材料の貫通に関連して国際特許出願公開第WO-A-99/01317号、フランス国特許第2112586号、国際特許出願公開第WO-A-90/08619号、米国特許第5063280号、ドイツ国特許第19636429号及びヨーロッパ特許第0729827号に記載されている。このような貫通孔の幾何学構造は１０μｍ以下に正確に制御することが困難であることも知られている。エーロゾル装置、ノズルポンプ及びフィルタ膜においては、鼻及び／又は肺への薬剤供給用の吸入可能な液滴、高圧流体ポンプ供給及び微細高品質粒子濾過の各々を達成するために、小さなノズル径が望ましい。この困難さの１つの理由は、過度の加熱及びノズルからの材料の融解蒸発の制御が限られることである。このことは、通常は当該材料の上又は下の何れかに配置される光電検出器の使用により、当該ノズルから充分な材料が除去された時点を検出し、この検出に応答してレーザエネルギを制御し、これによりそれ以上の不必要な材料の加熱及び融解蒸発を防止することにより対処される。このようにして、レーザ加工形状の深さに対して或る程度の制御は行うことができるが、これは、当該膜の反対側の面との交差部におけるノズルの直径を１０μｍ径以下に正確に制御するには不十分なままである。
【００２３】
この困難さの他の理由は、レーザビームによって貫通されるべき材料の厚さがかなりのものであり、前述したエーロゾル発生装置、ノズル板ポンプ及びフィルタの場合、典型的には２５μｍないし２００μｍ程度である。しかしながら、これらの装置の多くの応用例は１０μｍ径又はそれより小さいノズルをも必要とし、これは２．５と２０との間のアスペクト比（膜厚に対する最小ノズル径の）となる。特に金属膜に使用されるもののような、既知の熱レーザ穿孔技術は、限られたアスペクト比形状（通常は、＜３）のみを作製するように制御することができる。例えば、斯様なアスペクト比の制限を伴って形成されるエーロゾル装置、ノズルポンプ及びフィルタ膜は、低い膜の剛性の影響を受け、効果的な動作にとり望ましいような上述した動作圧の振幅を発生する（又は耐える）ことができない。エーロゾル装置から、液滴が吸入可能となるような直径の液滴を生成するには、ノズル径はφ１０μｍ未満でなければならない。既知の熱レーザ穿孔技術による場合、この膜は３０μｍ厚未満でなければならず、斯様な厚さの膜は使用するには強靱ではないことが分かっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、レーザ穿孔技術を使用する従来技術において推奨されている方法でノズルを形成すると、ノズルに比較的粗い表面仕上げを残存させるので、表面を研磨又は平滑化することが望ましい。これを行う典型的な方法は、斯かる表面を電気研磨することであるが、テーパ付けされたノズルに対しては、これは当該ノズルの内側表面から材料を除去することを含むことになり、結果として、ノズルの小さな開口の直径が所望値を超えて増加されることになる。というのは、電気研磨処理は何の点においてもノズル内の表面に対して概ね法線方向に材料を除去するので、形状が非常に精密に分かり且つ制御も非常に精密に果たされない限り、直径を制御することが極めて困難であるからである。
【００２５】
従って、このような困難さを克服することができるような処理に対する要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明によれば、液体移送装置に使用するための有孔膜を形成する方法であって、該膜の第１表面にレーザエネルギをパルス状の収束されたビームの形で選択的に供給することにより複数のノズルを形成し、各ノズルが、一端において前記有孔膜の反対側の表面を介して開口する喉部と、該喉部の他端から前記有孔膜の前記第１表面まで延びる滑らかに湾曲して外方に広がる部分とを有するような方法において、
その後に、前記膜の第１表面と前記ノズルの前記広がる部分とを電気研磨して表面の不完全さを除去し、該電気研磨を前記ノズルの前記広がる部分の表面から物質を前記喉部の長さより小さい深さまで除去することを特徴とするような方法が提供される。
【００２７】
前記広がる部分より本質的に狭い前記喉部の存在により、上記電気研磨により前記広がる部分から物質を除去するステップは、実質的に前記喉部の長さのみに影響するものとなり、直径は略影響されないままとなる。
【００２８】
また、本発明は、このような方法により製造される有孔膜及び斯様な膜を含む流体移送装置にも関するものである。
【００２９】
上記レーザエネルギは上記ノズルを形成するために２つのステップで供給することができ、これらステップの間において上記レーザの焦点と上記膜の第１表面との間の距離、及び／又は上記レーザビームのパルスエネルギが調整される。
【００３０】
本発明で述べられるノズルは、当該膜の前記反対側の面と、当該ノズルにおける該膜の第１表面と交差する広がり部分との間に延在すると共に、相対的に一定した断面積を持つような喉部を含んでいる。この構成は、信頼性があり且つ再現性のある喉部直径を提供すると共に、当該膜の厚さと較べて相対的に短い喉部を提供することになり、これにより、当該ノズルの喉部に沿った圧力勾配を上昇させ、そのようにすることによって、これは粘性抵抗の影響を制限することになる。該喉部は比較的厚い膜を介してさえも粘性流を支配する。何故なら、上記の広がり部分は、当該喉部よりも常に大きな断面積を有するので、流体を該喉部に向かって比較的自由に通過させるからである。従って、このノズルは、スイス国特許第CH-A-280 618号及び国際特許出願公開第WO-94/19609号に記載されているような流体ポンプ送り装置に関連する粘性抵抗を最適化する方法を提供するような流れチャンネルを提供する。
【００３１】
制御された直径及びテーパのノズルを作製するため、他のレーザ処理の制限に対処するようなパーカッション型レーザ穿孔方法を開発した。この方法は、金属、セラミックス、ガラス及びポリマを含む広範囲の膜材料に対して使用することができる。加えて、この新たな方法は、これら有孔膜を大量に製造するために要する高速自動焦点制御をも可能にする。
【００３２】
要約すると、この方法は下記のように作用する：
ａ．収束されたレーザスポットを、このレーザスポットと当該膜の第１表面との間の距離を変更することができるようにして、供給する。光学軸は、当該レーザビームの収束される部分に沿う全ての点において最大のレーザエネルギ密度の位置を含む。上記光軸は、該光軸が平坦な膜に対しては（必ずしもではないが）通常は９０度であるような当該ノズルの膜表面に対する所望角度で当該膜に入射するように配置される。この角度は、特に当該膜が平坦でない場合には９０度とは異なり得る。
ｂ．膜材料を、レーザ焦点が該膜の厚さの上又は下の何れかに来るように位置決めする。この距離を該膜の第１表面とレーザ焦点位置との間の光軸に沿って変化させることにより、膜の照明される表面の面積を制御することができる。
ｃ．該膜の第１表面を、パルス状で収束されたレーザ放射を用いて、制御された表面面積にわたり材料融解蒸発閾値を超えるフルーエンスで照明する。これにより、照明された表面を経ての且つ該表面の下の当該材料の厚みから材料が除去される。該レーザビームが当該材料の厚さを貫通するには不十分であると先行する実験に又はその他により分かっている所定のパルス数後に、レーザ照射はオフされる。このステップは、所要のノズルの広がり部分を形成する。
ｄ．レーザ焦点位置と当該膜の第１表面との間の距離を、当該ノズルの上記の広がり部分と喉部との間の境界面における所要のノズルの断面積に従って、所与の照明強度において照明される表面の面積を減じるようにレーザ軸に沿って所定の量だけ減少させる。また、プリセットされたレーザパルスエネルギを、当該ノズル内のこの小さな面積に対するレーザフルーエンスが、上記の広がり部分を形成するために使用されたものと大凡等しくなるように調整する。
ｅ．当該膜を所定数のパルスにわたり照明して、所要のノズルの喉部内の残存する材料の厚さを除去する。レーザ光が当該材料の全厚みを最初に貫通するパルスは、該膜の反対側表面上に配置された光電検出器により検出される。
ｆ．同じ又は同様の設定で、上記最初の貫通後に更なるレーザパルスが当該ノズルに印加され、該ノズルの上記反対側表面との交差部から不所望な屑を取り除いて、当該ノズルの略丸く滑らかな断面積を形成する。
ｇ．当該ノズルの喉部を最初に貫通するのに要するレーザパルスの数Ｎ_ｔは、斯様な部分を形成するために予め決定されたパルスの数Ｎ_setと次のように比較される：
Ｎ_ｔ−Ｎ_set＝Ｎ_error
ｈ．Ｎ_errorが零より大きい場合は、このノズルの形成の間において膜材料の除去率が不十分であったことになる。他の無制御的影響が無い場合、このことは、通常は、所定のレーザ設定に対して最適な距離に対する、初期レーザ焦点位置と当該膜の第１表面との間の設定された距離の小さな変動によるものである。この変動を補正するために、上記初期レーザ焦点位置と上記膜表面との間の距離は、小さな所定量だけ減少される。同様に、Ｎ_errorが０未満である場合、上記初期レーザ焦点位置と上記膜表面との間の距離は、小さな所定量だけ増加される。
【００３３】
この方法の結果、上述したノズルの幾何学構造が形成され、その場合において、該ノズルの前記広がり部分が当該膜の厚さの所定部分を介して最初に形成される。次いで、前記喉部が当該材料の残存する厚さを介してノズルの上記広がり部分を当該膜の反対側表面に接続するように形成される。
【００３４】
ノズルの上記広がり部分の広がりは、レーザ融解蒸発過程の性質から生じるものである。以下、この過程（この過程は複雑であって、完全には理解されない）を説明する。
【００３５】
レーザ照射はエネルギを材料の表面に伝達する。このエネルギは、照明される表面の上及び下及び周囲の膜材料の極めて局部的な加熱を生じさせる。レーザ出力密度が充分に高い場合、膜表面において当該材料の直接的融解蒸発が生じる。低い出力閾値においては、レーザエネルギは材料内で分子構造及び電子分布の両者における熱エネルギに転換し（特に、金属の場合）、結果として材料の局部的な溶融溜まり（熱溶融体）が形成される。この低出力閾値未満では、レーザエネルギは材料に対して機械的及び構造的損傷を生じさせる。というのは、局部的レーザ加熱が、当該材料を焼き鈍し及び変形させるが、該材料を除去することはないからである。
【００３６】
融解蒸発過程の間においては、レーザ出力密度（フルーエンス）が最も高くなる照明された表面の領域から材料が、より急速に除去される。初期パルスにおいては、これは、当該膜の表面上の入射レーザ出力密度の輪郭に一致するであろう。収束されたレーザビームにおいては、この出力分布はガウス分布に近似することができ、これにより、融解蒸発を、照明される表面の中心に向かって集中させる。当該融解蒸発過程が当該材料の厚さを介して進行するにつれて、湾曲された表面が形成され始め、これにより、より深い中心と照明されている表面の周囲との間に滑らかな勾配が存在することになる。当該融解蒸発過程が当該膜の厚さ内に更に深く移動するにつれ、且つ、所定数の入射レーザパルスの後に、照明される膜表面の直径及び入射レーザ出力密度は、レーザ焦点位置及びレーザパルスエネルギの相対的調整により変更される。この結果、融解蒸発している表面がレーザ焦点位置から離れるように移動しているか又は斯かる位置に向かって移動しているかに依存して、融解蒸発速度は融解蒸発深さの関数として、各々、減少するか又は増加するかの何れかとなる。より良好な処理の安定性のために、当該膜の第１表面は好ましくはレーザ焦点位置を超えて配置され、かくして、前記の広がり部分を形成するために融解蒸発速度が融解蒸発深さの関数として自然に減少するようにする。このようにして、上記広がり部分の深さにわたって、及びこれにより当該膜材料の厚み内での当該ノズルの該広がり部分と喉部との間の境界の位置に対する一層良好な制御を実行することができることが分かった。
【００３７】
金属膜の場合、この湾曲した表面の壁は熱溶融体で覆われるようになり、該溶融体は固化して相対的に滑らかな再固化溶融層を形成する。更に、この滑らかな壁は、入射レーザ放射の少なくとも幾らかを該湾曲表面の中心に向かって反射し始める。このことは、当該照明されている表面の中心における材料の融解蒸発を更に増加させる。当該表面上では、該融解蒸発過程の高エネルギがプラズマを形成する。このプラズマは、入射レーザ放射の幾らかを散乱及び吸収し、これにより熱エネルギを当該膜表面上に分散させる効果を有している。また、該プラズマ内の圧力は、レーザ溶融体の幾らかを、融解蒸発部分における湾曲表面の内側から外方へ追いやり、該レーザ溶融体の幾らかは上記内側から当該熱溶融体の放射方向に延びる分布部へと流れ込み、上記広がり部分と当該膜の第１表面との交差部において及び該交差部を超えて再固化する。
【００３８】
上述したこれらの過程の結果として、当該膜厚の第１部分に湾曲した広がる空洞が形成され、該空洞の断面積は前記第１表面と当該膜の厚さ内における該空洞の基部との間において減少する。この空洞は、入射レーザビームの輪郭を概ね反映する部分球状輪郭、及び該輪郭の外周の周りの再固化した溶融体の分布部に近いものとなる。
【００３９】
この広がり部分の底部は、当該膜の何れかの表面を含む面と平行な接線面を伴って略平坦となる。このことは、当該ノズルの喉部を該膜の残存厚さを介して形成することができるような良好に規定された面が存在することを保証する。上述した方法においては、喉部はレーザビームのうちのレーザ焦点位置に近い部分を用いて形成される。斯かるレーザ焦点位置の近くのレーザビームの輪郭は、回折により制限されて、単純な線形光線図により暗示されるような鋭い点というよりは、当該ビームの収束及び発散する部分の間に湾曲した腰部を形成する。この腰部の形状は、当該ビーム軸に直交し且つ上記レーザ焦点位置に近い種々の位置に、相対的に緩やかに変化するビーム輪郭を形成する。従って、当該材料の残存する厚さを介して喉部を形成するためにレーザビームが使用される際に、レーザパルスエネルギは略変化されないままとなる。上記喉部を貫通する最初のパルスが当該膜の反対側表面上に配置された光電検出器により検出された後、当該入射レーザビームに対して追加のレーザパルスが供給される。この処理の結果、喉部の長さに沿って相対的に滑らかな壁の緩やかに変化する断面面積が得られる。
【００４０】
先行するノズルを形成するために喉部を貫通するのに要した、上記光電検出器により検出されたパルスの数は、隣接する位置において形成されるべき後続のノズルに対して、初期レーザ焦点と当該膜の第１表面との間の距離を制御するために使用される。この方法は、本発明者によっては、レーザビームの初期焦点位置を当該膜の第１表面から一定の距離に制御し、これにより該膜の平坦さの通常の変動を補正することにより実施される。この焦点制御処理は当該レーザ穿孔処理内に統合され、これにより、斯様な処理を実行するために追加のステップ又は時間的犠牲が生じないようにする。この様にして、レーザ焦点は当該膜の表面に対して高速度で制御することができる（このような高速度は、例えば各膜に多くのノズルを形成して、斯様な有孔膜の大量生産を可能にする場合に望ましい）。
【００４１】
特に金属の膜の場合に、各ノズルを形成するために使用されるレーザ処理の熱的性質の結果として、再固化溶融体がノズルの内側表面上並びに各ノズルを囲む当該膜の両表面上に堆積する。この再固化溶融体は毛管状の構造を有し、斯かる構造は当該膜の表面上で不所望な流体の流れを生じさせ、結果として特にエーロゾル装置からの液滴の生成が無制御なものとなる。また、該再固化溶融体の脆弱な性質は、装置動作中に、この物質の幾らかが破壊するという重大な危険性を呈する。この結果、当該流体移送装置から送出される流体が危険な粒子により汚染される可能性が生じ得る。
【００４２】
特に金属膜の場合、当該膜の表面から及びノズル内から不所望な再固化溶融物を除去するために、膜製造の完成前にクリーニング処理を用いることが望ましい。電気研磨が斯様な処理を提供することが分かった。
【００４３】
電気研磨処理は金属仕上げ工業において良く知られており、標準の処理として参照することができる。これに関しては、例えば、１９９６年、ニューヨーク、Chapman & Hall、第４編、Ch.3-D、第１部のL.J. Durneyによる電気メッキ技術ハンドブック、及び１９９８年、ISBN
007008243X、第７部のJ. Brownによる先端機械加工技術ハンドブックを参照されたい。電気研磨は、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、金、ハステロイ、銅、青銅、黄銅、ベリリウム銅合金及びアルミニウムを含む一連の金属の表面に対して高品質の表面仕上げを提供する。金属部品（膜）が取り付けられる陽極と陰極との間に電界が印加され、一緒に電解液中に浸漬される。この部品の表面においては、電界線は導電表面に対して直角に入る。曲率半径が小さな表面の領域においては、電界勾配が非常に急峻となり、これらの領域に向かって電解質の誘電泳動を高い率で惹き付ける。この結果として、これらの領域は電解液により最も強くエッチングされ、当該膜表面上の鋭い表面形状から金属イオンを除去する。この優先的な物質除去は、当該金属表面の曲率半径を増加させるように作用し、これにより、鋭い形状を除去することにより表面を平滑化する。有利にも、電気研磨が当該膜の各面に選択的に適用され、これにより当該ノズル幾何学構造の微細な細部、特に前記喉部の直径の過度のエッチングを防止するような新たな電気研磨方法（図５に関連した説明を参照されたい）を規定するものである。
【００４４】
発明者は、従来の電気研磨技術は上述したレーザ穿孔処理により形成される不所望な再固化溶融体を除去するには不十分であることを見出したが、同時に、ここで請求するノズルの特定の幾何学構造に関連する新たな電界研磨方法が、上述したレーザ穿孔されたノズル幾何学構造の所望の形状を保存しながら、上記の不所望な再固化溶融体を除去するのに成功することも見出した。
【００４５】
このように、当該ノズル幾何学構造は上記膜の厚さにわたって分布された少なくとも２つの部分を含んでいる。これら両部分は、断面が略円形であって、断面積か変化することを特徴とする。
【００４６】
第１部分は、好ましくは、一端において当該膜の反対側表面と交差する略円柱状の幾何学構造である。この第１部分は当該ノズルの喉部として知られる。上記反対側表面において、当該喉部との交差は、良好に規定された略円形の開口を提供し、該開口は通常は全体のノズルの最も狭い断面積を含んでいる。幾つかの場合においては、該喉部は当該膜の厚さを介して上記反対側表面から遠ざかる方向への断面積の僅かな増加をも含む。
【００４７】
第２部分は、当該膜の厚さを介して広がる（発散する）断面積により特徴付けられ、上記喉部の他端に繋がると共に、該喉部の上記他端と当該膜の第１表面との間の方向に発散する。該ノズルの上記喉部及び広がり部分は略同軸的である。
【００４８】
上記喉部と広がり部分との間の交差部において、当該断面積は連続しているが、当該膜の厚さを介する距離の関数としての断面積の変化率は、該交差部において急激且つ著しい変化を示す。従って、この交差部においては、上記２つの部分の間及び当該膜の厚さ内に段差が存在する。
【００４９】
斯様なノズルにおいては、３以上の部分が存在することもできる。そのような場合、上記喉部の他端と第１表面との間には、複数の広がり部分が分布される。これらの広がり部分は、上記喉部の他端と当該膜の第１表面との間で断面積を増加させるように分布される。当該膜の厚さ内での全ての部分の交差部における断面積は、連続したものである。２つの部分からなるノズルにおけるのと同様に、膜厚を介する距離の関数としての断面積の変化率は、喉部と該喉部に接続された第１の広がり部分との間の交差部において急激且つ著しい変化を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明よる膜の例及び斯かる膜の製造方法を添付図面を参照して説明する。
【００５１】
図１（ａ）は、膜１の中央の穿孔領域の一部を平面図で示しており、該膜は典型的にはAISI316又はAISI302ステンレス鋼からなり、厚さが５０μｍで全体の直径が１２ｍｍの平らな円板（図示略）である。この中央の穿孔領域は、直径が（図示略）が８ｍｍとすることができ、該領域内にはノズルが三角形のパターンで均一に分布されている。ノズル１０は距離４により分離されており、該距離は当該有孔膜を介しての所要の正味の流体流量を達成するように制御される。例えば、この距離は４０μｍと５００μｍとの間の分離とすることができ、より普通には、１００μｍに設定され、これは各膜内において５８００より多いノズルとなる。
【００５２】
図１（ｂ）は、本発明による有孔膜１に含まれるノズル１０の幾何学構造が、２つの主たる部分、即ち喉部１２及び広がり部分１１を含んでいることを示している。これら２つの部分が同心的であることに注意されたい。
【００５３】
図１（ｃ）、１（ｄ）及び１（ｅ）は、図１（ｂ）の弦１３に沿う上記広がり部１１の３つの変形例の形状の断面図を示している。図１（ｃ）及び１（ｄ）においては、喉部１２の長さ、直径及びテーパは略変化されないままである。しかしながら、図１（ｅ）においては、喉部１２は、当該膜の固定の厚さ内で、より大きな広がり部分１１を収容するように短縮されている。このような変更は、図６及び７に関連して後述するように、プリセットされるレーザ穿孔パラメータの適切な調整により制御することができる。
【００５４】
図１（ｃ）は、断面積の一定した増加の結果としての切頭円錐状の輪郭を持つような広がり部分１１を示している。図１（ｄ）は、喉部１２と広がり部分１１との間の交差部における断面積の最大の変化率の結果としての滑らかに湾曲して外方に広がる部分を持つような広がり部分１１を示し、この変化率は広がり部分１１と第１表面との交差部における零に向かって減少する。図１（ｅ）は、当該膜厚内に一層深く侵入し、これにより喉部１２を短縮するような広がり部分１１を示している。このような変形例は、例えばエーロゾル装置内に含まれる斯様なノズル内の異なる流体の粘性抵抗を制御するために重要である。
【００５５】
図１（ｆ）及び１（ｇ）は、広がり部分１４及び１５を各々形成するための、複数のレーザ穿孔ステップにより達成されるノズル幾何学構造の変形例を図示している。斯かる広がり部分を、断面積の変化率の分布を変えるために変更することができることが分かった。例えば、図１（ｆ）は、トランペット状のテーパを形成するために、断面積の変化率が当該広がり部分と第１表面との間の交差部に向かって最大となるような広がり部分１４を示している。このような広がり部分は、４段階のレーザ出力密度及び／又は照明表面面積を生成するようなレーザ穿孔処理を用いて形成することができる。喉部１２が、広がり部分１４との交差部において断面積の変化率の非連続性を維持していることに注意されたい。
【００５６】
同様に、図１（ｇ）は、広がり部分１５の形成に使用される複数のステップを、特定の装置用途に適した断面積変化率の特注の変形例を形成するためにどの様に使用することができるかを示している。この場合においても、喉部１２と広がり部分１５との間の交差部に断面積変化率の不連続点が存在することに注意されたい。
【００５７】
通常は上記喉部と反対側表面との間の交差部にある該喉部の最小直径は、少なくとも１．５μｍと３０μｍとの間の範囲内で制御することができ、液滴発生装置に対しては、もっと普通には２．５μｍと３μｍとの間に設定される。このような装置に使用するための膜の場合、広がり部分１１の第１表面との交差部における直径は、１０μｍと５０μｍとの間とすることができ、もっと普通には３５μｍと４０μｍとの間に設定される。ノズルの上記喉部の長さと広がり部分の長さとの間の比は、１と０．３との間とすることができ、より普通には０．５に設定される。この場合、５０μｍなる厚さの膜を介して、喉部１２の長さは約１７μｍとなり、広がり部分の長さは３３μｍとなる。
【００５８】
これらのノズルを形成するためにレーザ穿孔方法が使用され、これにより、上記広がり部分の幾何学構造は、図１（ｄ）に示されるように、部分球状輪郭に略従うものとなる。該レーザ穿孔処理は図２に示すようなレーザ装置を用いて実行される。該装置は、T40-8THHSS40電源ユニット（図示略）により駆動されるX30-532QAダイオードポンプ式Ｎｄ−ＹＡＧレーザヘッド２０（共に、米国、CA94043、マウンテンビュー、テラベァアベニュー１３３０のスペクトラ・フィジックス・レーザズ・インクにより供給される）；ポッケルスセル変調器２１（ドイツ国、ゲッチンゲンのリノス・フォトニクス・ゲーエムベーハーのモデル：LM0202
P5W）；コンピュータコントローラ２５；ｘ−ｙ面平行移動台２９及びｚ面平行移動台２８（イギリス国、ハーペンデン、のラムダ・フォトメトリック・リミテッドの“Physik
Instrumente M-125-11”）；全て標準の装置である適切なビーム操作光学系２２（イギリス国、セントアルバンスのエリオット・サイエンティフィック・リミテッドにより供給される）；１４ｍｍの（ＮＡ＝０．１７）顕微鏡対物レンズであるような対物レンズ２３；図示のように試料台２４の下に配置され、BPX65高速応答フォトダイオード（RadioSpares）を有するフォトダイオード２６；及び溶融蒸発された材料を除去するために設けられた吸引チューブ２７を含んでいる。
【００５９】
コントローラ２５はレーザヘッド２０、ポッケルスセル２１及びｘ−ｙ−ｚ平行移動台２９、２８を制御すると共に、フォトダイオード２６から信号を入力する。当該膜内にノズルを穿孔する処理を、以下に図３に関連してもっと完全に説明する。
【００６０】
図３（ａ）ないし（ｆ）は、膜１にノズル１０を形成するのに使用されるレーザ穿孔処理を図示している。図３（ａ）は、対物レンズ２３により発生されるガウス的レーザビームの焦点を概念的に示している。該焦点において、光子エネルギの分布は回折により制限されたものとなり、単一の焦点というよりは、湾曲したビームの腰部３１を生じる。下記の式が該ビーム腰部の幅を示し：
α_０＝２λ／ＮＡ
ここで、ＮＡはレンズ２３の使用される開口数であり、λは入射レーザ光の波長である。この場合は、ＮＡ＝０．１７及びλは５３２ｎｍであるので、α_０は約６．３μｍとなる。
【００６１】
レーザ焦点３１における最小断面積は対物レンズ２３の焦点距離３２にあることに注意されたい。また、光子エネルギの分布は該レーザ焦点の上下の両方において対称であることにも注意されたい。
【００６２】
ノズルを形成するために、前記コントローラは図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）に図示された状態を経て巡回する。図３（ｂ）に示すステップにおいて、該コントローラは前記ｚ台２８を、レーザ放射が当該膜の表面の特定の領域を照明する（所与の強度で）ように位置決めする。この場合、膜１は該膜の上側表面２が上記対物レンズの下に或る距離３３を隔てるように位置決めされ、該長さ３３が焦点距離３２より大きくなるようにする。ｚ台２８が一旦正しい位置３３にされると、ポッケルスセル２１が起動されて、図３（ｃ）に示すように複数のレーザパルスが操作光学系２２を介して表面２を照明するようにさせる。各パルスは、１０ｎｓの持続時間で、５３２ｎｍ波長のレーザ放射を含み、パルス当たり１０ｍＪのピークエネルギを持つ。レーザ２０からのパルスにより起動される信号に応答してコントローラ２５によりカウントされて、予め設定された数のパルス（通常は、２０パルス）がポッケルスセル２１を通過した後、該ポッケルスセル２１は、膜１へ伝達されるレーザ放射を遮断するために使用される。この最初のステップの結果、レーザ溶融蒸発過程によりノズル１０の広がり部分１１が形成され、当該膜の厚さの約２／３を介して部分球状の幾何学構造を形成する。
【００６３】
この第１レーザ穿孔ステップに続いて、コントローラ２５はｚ台２８を、図３（ｄ）に示すように対物レンズ２３と膜１の表面との間が新たな距離３５になるまで移動させる。代わりに又は加えて、コントローラ２５はポッケルスセル２１により、より低いピークレーザパルス出力に設定する。これらの全ての条件が設定されたら、コントローラ２５はポッケルスセル２１を起動して一連のパルスを前記操作光学系を介して膜１の表面上に供給し、図３（ｅ）に示すように、喉部１２の溶融蒸発を開始する。ここでも、これらのパルスは１０ｎｓの持続時間で、５３２ｎｍの波長であるが、ピークエネルギはパルス当たり１５μＪに低減されている。
【００６４】
この一連のパルスの間において、コントローラ２５は膜表面２に供給されるパルスの数をカウントし、同時に、フォトダイオード２６（図示略）からの出力を監視する。フォトダイオード２６が光学出力の所定の増加を最初に検出した時点でのパルスカウントは、上記コントローラにより、当該ノズル１０の喉部１２を貫通させるために使用されたパルス数を決定するために使用される。次いで、この数は予め設定された目標数（本例では、通常１１パルスである）と比較されて、当該ノズルを形成するために使用された穿孔処理に関連するエラーを決定する。フォトダイオード２６により検出された最初のパルスに続いて、コントローラ２５はポッケルスセル２１を介して予め設定された更なる数のパルスを膜１に供給する。この処理は、喉部１２を完全に形成する（本例では、通常１０パルス）と共に、喉部１２内に該喉部と膜１の表面３との間の交差部において略円形な断面を形成するために実行される。この一連のパルスにより、ノズル１０の喉部１２が、図３（ｆ）に示すように、当該膜の厚さの残りの１／３を介して完全に形成される。図３（ｅ）に図示したステップは、ノズル１０の所望の最小断面積を得るように制御される。
【００６５】
当該穿孔処理における上記エラーは、膜材料の溶融蒸発率の僅かな変動を決定するために使用される。この変動は、通常は、当該膜の表面に入射するレーザフルーエンスの変動によるものである。供給されるレーザ出力が安定化されている場合、レーザフルーエンスの変化は、膜１の照明される表面面積の変化によってのみ生じる。収束されるレーザシステムにおいては、この様な変化は、膜の平坦さの誤差による、レーザ焦点位置と膜表面２との間の距離の変動によるものである。ノズル穿孔領域にわたる当該膜の高さの変動は、ｚ台２８を調整することにより当該膜表面とレーザ焦点位置との間の距離を調整することによって補正される。この調整は、以下のようにして当該穿孔処理に関連するエラーに応答して実行される：
Ｎ_ｔ−Ｎ_set＝Ｎ_error
Ｎ_error＝０； δz＝０μｍ
Ｎ_error＞０； δz＝＋７μｍ
Ｎ_error＜０； δz＝−７μｍ
ここで、δzは当該ノズルの前記広がり部分及び喉部の溶融蒸発の間のステップにおけるｚ台２８の動きと同一の方向に測定される。
【００６６】
この場合、間隙の変動はｚ軸における７μｍのリニアなステップによる単純なアルゴリズムを用いて制御される。このアルゴリズムは、例えばＮ_errorの大きさとδzの補正との間に比例性を導入するように発展させることができることが認識される。しかしながら、この単純なアルゴリズムが上記パルスカウントに対して充分な制御を、従って当該ノズルの幾何学構造に対する制御をもたらすことが分かった。例えば、このアルゴリズムは前述した方法との組合せで、５８００のノズルを含む膜を形成し、各ノズルを喉部の直径に関する２．８μｍなる目標直径の誤差±０．２μｍ内にするために使用することができる。また、この処理は、レーザ焦点位置と当該膜との間の間隙を制御して、合理的な商業的限界内の高速度の膜製造率を可能にするような好適な方法を提供することに注意すべきである。例えば、５８００ノズルを含む各膜部品を、１００秒未満内で穿孔することができる。
【００６７】
この装置はステンレス鋼に孔を穿つ場合に関連して説明したが、同様の態様により、アルミニウム、黄銅、銅、コンスタンタン、ハステロイ、ニッケル、ニオブ、チタン、タングステン、タンタル、ワスパロイ及びジルコニアを含む広範囲の金属に適用することができる。ノズル１０の喉部１２を介してのレーザ透過の同様の所定の増加を、フォトダイオード２６により検出し、プラスチック、ガラス及びシリコンのような不透明さの少ない材料に対する穿孔処理を制御するために使用することもできることは明らかである。斯様な材料においては、異なるレーザ源（即ち、異なる光の波長における）を使用することができることは明らかであり、例えば、１９２ｎｍないし３５１ｎｍの波長のエキシマレーザをプラスチック、ガラス、シリコン等を溶融蒸発するために使用することができる。
【００６８】
図４（ａ）及び４（ｂ）は、レーザ穿孔されたノズル内及びその周囲から再固化熱融解体及び他の屑を除去するための電気研磨の効果を図示している。図４（ａ）には再固化された融解体４０が示され、斯かる再固化融解体は、ノズル１０の広がり部分１１の上側リム部及び喉部１２の近くに２つの環状構造（冠として知られている）として局在化されている。ノズル１０内の残りの表面上には、再固化融解体の薄い層４１が、斯様なノズルを形成するために使用される溶融蒸発処理のパルス状の性質を反映して小刻みな波状構造として分布されている。当該膜の上側（第１）表面２上には、当該ノズル出口の近傍の広がり部分１１上の前記冠と緩やかに接続された再固化融解体の延びた半径方向の分布４２が存在し、該ノズルから更に先には再固化融解体の断片の不連続な分布を伴っている。図４（ｂ）は電気研磨による後処理後のノズル１０を示し、上記再固化融解体は当該レーザ穿孔されたノズル内及びノズルの周辺から除去されている。また、一定量の膜材料が、膜１の反対側表面２’における薄い層、及びノズル１０内からも除去される。この層の厚さは、当該ノズルの幾何学構造を維持するために注意深く制御される（通常は、１μｍ厚未満である）。
【００６９】
予備的仕上げステップとして、膜１は非塩素化溶剤を用いて脱脂処理される。膜１をクリーニングしてレーザ穿孔されたノズルの炭化された外側表面を除去するために、例えば５０°Ｃと６０°Ｃとの間の硝酸−ＨＦの溶液（１０％のＮＨＯ_３及び２％のＨＦ）等の酸溶液が使用される。使用された代わりの予備クリーニング処理は、当該ステンレス鋼膜１を真空中で約１０６０°Ｃに加熱焼き鈍しし、次いで、常温における空気、水又は油内で該膜を急速焼き入れすることである。この処理は、上記穿孔処理により膜１内に形成された如何なる残留局部応力をも解放するという利点を有している。加えて、及び上記硝酸−ＨＦ予備クリーニング方法と同様にして、急速に焼き入れされた膜は、熱衝撃及び脆性破壊により、当該ノズルの脆弱且つ炭化された外側表面を自然除去する。
【００７０】
上述した予備クリーニング処理の何れかの後、当該レーザ穿孔された膜の表面は、裸眼に対しては金属的外観を再獲得する。当該ノズルの周囲及びノズル内の膜の表面は、かくして、斯かるノズルの表面に相対的に強固に接続された再固化熱融解体を有することになる。この場合、この残存する材料は、機械研磨又は電気研磨のような集中された化学エッチング処理によってのみ除去することができる。
【００７１】
図５は、レーザ穿孔及び予備クリーニング後に膜１を後処理するために使用される電気研磨装置の概略配置を示している。有利には、そして当該ノズルの幾何学構造の非対称性により、チタン陽極５０は、膜１を当該電気研磨エッチングが如何なる時点においても該膜の一方の面のみに向かうように配置するように変更されている。ＰＥＥＫからなるプラグ５３が、膜１の後側表面２’を電解液５６から密封する。陽極５０のチタン陰極５１に対面する面は、膜１の前側表面２を電解液に曝すように切り欠かれた開口５４を有し、電流は陽極５０と陰極５１との間に発生される。このような変更を用いて、当該エッチング処理を膜１の前側表面２全体に適用することができ、これにより、該表面から除去される材料の量を制御して、当該ノズル幾何学構造の微小な細部の全てを維持する。
【００７２】
一般的に、エーロゾル液滴の用途に関しては、当該膜の“大気側”２は液滴放出制御を改善するためにクリーニングされねばならない。従って、少なくとも当該膜の該面はエッチング電解液に曝されるべきである。陽極５０及び陰極５１は、一般的に、通常は８０°Ｃで安定化されるシュウ酸又はリン酸を含むような電解溶液５６中に浸漬される。他の例として、３６％の硫酸、５０％のグリセリン及び１４％の水の混合物を使用することもできる。均一な溶液を維持するために、通常、当該電解液は磁気攪拌機（図示略）により循環される。
【００７３】
電源５５は、矢印５５により示すように、陰極５０と陽極５１との間の回路に電解液を介して一定の電流を所定の期間にわたり供給する。この電流は、陽極５０から及び暴露された膜表面から制御された量の金属イオンを除去し、その間において、同時に陽イオンが陰極５１上に堆積される。膜１の金属表面２からのイオンの除去は、当該表面のうちの電界勾配が最も高い領域において最大となる。このようにして、当該電解液内のエッチング過程を担うイオン種は誘電泳動の下でこれら領域に移動することができ、これにより、これら種は電極間の間隙内の電解液における電荷二重層の形成を克服することができると思われる。当該表面の近くのこれら高電界勾配の領域は、幾何学構造的曲率半径が最小となる導電表面構造に関連したものである。最小の曲率半径を持つ領域上に最初に“集中する”この電界は、最終的にこれら構造を減少させ、結果として平坦で高度に研磨された金属表面を残すことになる。
【００７４】
表面２から除去される電荷の量は、当該膜の表面２から除去される材料の平均深さに関係し得る。このアプリケーションで説明された膜に関しては、典型的な電流値は５０秒と１００秒との間に対して７５ｍＡと２４０ｍＡとの間に設定される。暴露される当該膜の表面面積と組み合わせると、これは、０．１５Ｃ／ｍｍ^２と０．２５Ｃ／ｍｍ^２との間の総電荷除去に関するものとなる。除去されるイオンが全て２＋の原子価で荷電されており（例えば、Ｆｅ²⁺イオン）、且つ、当該ステンレス鋼表面２内での原子の充填密度が約６０％であると仮定すると、この除去は、当該膜の露出された前側表面２から０．１μｍｎ平均厚さが除去されることと等しくなる。しかしながら、電界勾配の上記集中効果の結果、膜１の表面２にわたりエッチング速度が分散されることになる。AISI316ステンレス鋼膜に形成されるノズルに関しては、当該膜の前側表面２に単一面的電気研磨が適用され、全電荷除去は０．１９Ｃ／ｍｍ^２に最適化されて、高品質の表面仕上げを果たすと共に、過エッチングの発生を最少化する。
【００７５】
有利には、そして後処理のクリーニング及び電気研磨の間におけるノズルの喉部１２の後の過エッチングの危険性を更に低減するために、喉部１２の長さは前記穿孔処理に対する適切な調整を介して増加させることができる。これが、図１（ｄ）及び１（ｅ）に図示したノズルの間の差により示されている。このことは、高速レーザ穿孔処理に関連する許容誤差から生じる上記喉部の幾何学構造の或るバラツキに対して、より多くのノズルが充分な長さの喉部１２を有し、これにより電気研磨処理の間での過エッチングを防止することを保証する。
【００７６】
図６及び図７は、２つのサンプル膜１上のノズル１０の母集団の分布をグラフ的に示し、これら膜に関して喉部１２を貫通穿孔するために使用されたパルス数がｘ軸上に示されている。各膜１は、レーザ穿孔コントローラにおいて、当該ノズルの喉部１２を穿孔するためにＮ_errorアルゴリズム内で異なる目標パルス数Ｎ_ｔを使用して穿孔された。この分布データは、各膜内でのノズル幾何学構造の品質を示すために使用される。この分布が広い場合、当該膜１上の喉部１２において幾何学構造の広い分布が予測される。同様に、この分布が狭い場合には、この幾何学構造の狭い分布が予測される。図６及び図７において、喉部１２を穿孔するためのパルス数に関し、目標パルス数は１１及び１５に各々設定された。同じ膜に対して、広がり部分１１を穿孔するために設定されるパルス数は、２０及び１６に各々設定され、かくして、両方の場合における上記膜の全体の厚さを貫通穿孔するための３１パルスの設定が維持された。
【００７７】
図６に関するデータがとられた膜１は、上記広がり部分及び上記喉部を各々穿孔するのに要するレーザパルスの数が２０：１１であるのに比例して、これら広がり部分及び喉部の各々に対して大凡２：１なる長さの比を持つノズルを含むことが分かった。また、図７に関するデータがとられた膜は、上記広がり部分及び上記喉部を各々穿孔するのに要するレーザパルスの数が１６：１５であるのに比例して、これら広がり部分及び喉部の各々に対して大凡１：１なる長さの比を持つノズルを含むことが分かった。各膜１においてノズル１０を穿孔するのに要するパルスの数の間の変動は、結果として、これらノズルの喉部１２の長さの変動となる。図６において、この変動は、結果として、２パルスと５パルスとの間で穿孔されたノズルの有限の母集団となっている。これは、喉部１２を穿孔するために設定された目標パルス数の半分未満であるが、これらのノズルは最小断面積又は直径の光学透過測定によっては殆ど区別不可能であろう。しかしながら、これらノズルの喉部１２が目標長さより大幅に短く、全体の膜厚の１０％程度のように短い可能性がある。斯様な膜の後処理クリーニングの間に、これらのノズルの広がり部分１１の過エッチングの結果、喉部１２の直径が大幅に増加し得るかもしれない。この場合、当該ノズルの最小断面積は比較的無制御なものとなり、上記広がり部分の断面積に向かって容易に拡大し得る。例えば、φ３．０μｍなる直径の穿孔喉部１２を有するノズルは、この直径を、φ１５．０μｍを超える直径まで容易に増加し得る。
【００７８】
図７のデータを発生するために使用された膜１は、２ないし５パルスの範囲で穿孔された喉部を有するようなノズルは有していない。事実、この膜における全ての喉部を穿孔するために使用されたパルスの最小数は１０パルスであり、これにより、最小の喉部の長さは当該膜厚の略４０％となる。この喉部の厚みの増加は、結果的に、電気研磨後のこれら膜上での過エッチングされたノズルの母集団を１０倍より多く減少させることになった。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１の（ａ）ないし（ｇ）は、膜におけるノズルの幾何学構造の変形例の図である。
【図２】図２は、膜内にノズル開口を形成するためのレーザ装置の概念図である。
【図３】図３は、上記膜の部分断面図であり、本製造方法における各ステップを図示している。
【図４】図４は、電気研磨の前後における上記膜の断面を図示している。
【図５】図５は、本発明の方法において使用される電気研磨システムの断面図である。
【図６】図６は、パルス目標数が１１にプリセットされた場合における、単一膜にノズルの喉部を形成するのに要するパルスのバラツキを示すグラフである。
【図７】図７は、パルス目標数が１５にプリセットされた場合における、単一膜にノズルの喉部を形成するのに要するパルスのバラツキを示すグラフである。
【符号の説明】
【００８０】
１ 有孔膜
２ 第１表面
２’反対側表面
１０ ノズル
１１ 広がり部分
１２ 喉部
２０ レーザヘッド
２１ ポッケルスセル変調器
２２ ビーム操作光学系
２３ 対物レンズ
２４ 試料台
２５ コントローラ
２６ フォトダイオード
２７ 吸引チューブ
２８ ｚ面平行移動台
２９ ｘ−ｙ面平行移動台
３１ レーザ焦点

Claims (17)

1. 液体移送装置に使用するための有孔膜を、該膜の第１表面にレーザエネルギをパルス状の収束されたビームの形で選択的に供給して複数のノズルを形成することにより形成する方法であって、前記ノズルの各々が、一端において前記有孔膜の反対側表面を介して開口する喉部と、該喉部の他端から前記有孔膜の前記第１表面まで延びる滑らかに湾曲した外側に広がる部分を有するような方法において、
   その後に、表面の不完全さを除去するために前記膜の前記第１表面及び前記ノズルの前記広がる部分の表面を電気研磨するステップと、
   前記電気研磨するステップを、前記ノズルの前記広がる部分の表面から材料を前記喉部の長さより少ない深さまで除去するように制御するステップと、
   を有していることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、表面の不完全さを除去するために前記膜の前記反対側表面及び前記ノズルの前記喉部の表面を電気研磨するステップを更に有していることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の方法において、前記レーザエネルギが、前記膜の前記第１表面にパルス状の収束されたビームの形で選択的に供給されることを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記レーザエネルギは各ノズルを形成するために２つのステップで供給され、これらステップの間において前記レーザの焦点と前記膜の前記第１表面との間の距離、及び／又は前記レーザビームのパルスエネルギが調整されることを特徴とする方法。
5. 請求項３又は請求項４に記載の方法において、各ノズルを形成するために、収束されたレーザビームが前記レーザの焦点から或る距離に配置された前記膜の前記第１表面に供給されて、前記膜の材料を除去することにより前記広がる部分を形成し、その後、前記レーザの焦点と前記第１表面との間の距離が減少され、及び／又は前記レーザビームのパルスエネルギが減少されて、前記広がる部分から前記膜の前記反対側表面まで延びる前記喉部を形成することを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記レーザ焦点と前記膜の前記第１表面との間の距離及び／又は前記レーザビームのパルスエネルギが、前記広がる部分を形成するステップの間において調整されることを特徴とする方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の方法において、前記レーザ焦点と前記膜の前記第１表面との間の距離及び／又は前記レーザビームのパルスエネルギが、前記喉部を形成するステップの間において調整されることを特徴とする方法。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の方法において、前記膜の前記第１表面に対する前記レーザ焦点の位置及び／又は前記レーザの相対パルスエネルギが、前記広がる部分又は前記喉部を形成するために各々必要とされる前記パルスの数を、所定の対応する数と比較することにより制御されることを特徴とする方法。
9. 液体移送装置に使用するための有孔膜であって、
   第１表面及び反対側表面と、
   パルス状の収束されたレーザエネルギにより形成された複数のノズルであって、各ノズルが一端において前記反対側表面を介して開口する喉部と、該喉部の他端から当該有孔膜の前記第１表面まで延びる滑らかに湾曲した外側に広がる部分とを有するようなノズルと、
   を有する有孔膜において、
   当該膜の前記第１表面及び前記ノズルの前記広がる部分の表面が前記喉部の長さより少ない深さまで電気研磨されていることを特徴とする有孔膜。
10. 請求項９に記載の有孔膜において、各ノズルの前記外側に広がる部分が凹状であることを特徴とする有孔膜。
11. 請求項１０に記載の有孔膜において、前記凹状の部分が部分球状であることを特徴とする有孔膜。
12. 請求項９ないし１１の何れか一項に記載の有孔膜において、前記喉部が略円柱状であることを特徴とする有孔膜。
13. 請求項９ないし１１の何れか一項に記載の有孔膜において、前記喉部が当該膜の一方の表面に向かって広がることを特徴とする有孔膜。
14. 請求項９ないし１３の何れか一項に記載の有孔膜を含む流体移送装置。
15. 請求項９ないし１３の何れか一項に記載の有孔膜を組み込んだエーロゾル発生器。
16. 請求項９ないし１３の何れか一項に記載の有孔膜を組み込んだポンプ。
17. 請求項９ないし１３の何れか一項に記載の有孔膜を組み込んだフィルタ。

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