JP2008075149A - エアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部形状が微小な寸法精度と複雑な形状とを必要とする場合にも、部品点数が少なく短時間に製作可能なエアロゾル吐出ノズルおよび該ノズルを用いた被膜形成装置を提供する。
【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表面に向けて吐出し衝突させて被膜を形成するためのエアロゾル吐出ノズル２であって、該エアロゾル吐出ノズル２は、光硬化性樹脂を用いて光造形法により成形され、エアロゾルを導入するための導入開口２ｄａとエアロゾルを吐出する吐出開口２ｄｂとを有し、導入開口２ｄａの断面が円形であり、吐出開口２ｄｂの断面がアスペクト比 5 以上の矩形である。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板等に吹付け、被膜や構造物を基板上に形成するエアロゾルデポジション（以下、ＡＤと記す）法において使用されるエアロゾル吐出ノズルおよび該エアロゾル吐出ノズルを用いた被膜形成装置に関する。

基板上の膜の形成方法として、微粒子ビーム堆積法あるいはＡＤ法と呼ばれる脆性材料の膜や構造物の形成方法がある。ＡＤ法は、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから基板に向けて吐出し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成する方法である。
ＡＤ法によって構造物を作製する場合、エアロゾルを噴射させるための矩形の吐出開口の長辺方向を拡大し、かつ吐出開口から吐出されるエアロゾル濃度が均一になるように、エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体の内部形状を工夫することによって、均一な膜厚の構造物を短時間で作製する方法が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１ではノズル本体の内部形状が微小な寸法精度と複雑な形状とを必要とし、単純な機械加工では製作できず、分割製作となり、部品点数が多くなるという問題がある。また機械加工されたノズルは 2 つ割品となるため、接合部が生じる。接合部では必ず表面に接合段差が生じるため、ノズル内の接合段差を通過するエアロゾルの流れに乱れが生じ、所期の被膜が得られないという欠点がある。

一方、樹脂製ノズルは軽量で取り扱いも容易であり、部品点数が少なくて済むため、機械加工品と比較して短時間に作製が可能となることや、使用に際し交換作業の作業性が向上するなどの利点があるが、複雑な形状を持ったノズルを容易に作成することはできない。例えば射出成形加工では型抜きなどの動作から、一回の加工で目的の形状を得ることが困難であり、射出成形加工後に成形品を目的形状にするために、成形品の切削、接合、張り合わせ等数次にわたる追加工が必要となるという問題がある。
特開２００３−２４７０８０号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、内部形状が微小な寸法精度と複雑な形状とを必要とする場合にも、部品点数が少なく短時間に製作可能なエアロゾル吐出ノズルおよび該ノズルを用いた被膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材表面に向けて吐出し衝突させて被膜を形成するためのエアロゾル吐出ノズルであって、該エアロゾル吐出ノズルは、光硬化性樹脂を用いて光造形法により成形されることを特徴とする。
また、上記エアロゾル吐出ノズルは、上記エアロゾルを導入するための導入開口と、該導入開口と連続的に繋がり上記エアロゾルを吐出する吐出開口とを有し、上記導入開口の断面が円形であり、上記吐出開口の断面がアスペクト比 5 以上の矩形であることを特徴とする。なお、各断面はエアロゾル吐出方向と垂直な断面であり、アスペクト比は、矩形吐出開口における長辺／短辺の値である。

上記微粒子は、セラミックス微粒子であることを特徴とする。

本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル吐出ノズルから基材上に吐出し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、上記エアロゾル吐出ノズルが、本発明のエアロゾル吐出ノズルであることを特徴とする。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、光硬化性樹脂を用いて光造形法により成形されるので、部品点数が少なくて済み、機械加工品と比較して短時間に作製が可能となる。また光造形法により積層作製を実施するため、容易に複雑な形状とすることができる。
特に、エアロゾルを導入するための導入開口と、この導入開口と連続的になめらかに繋がりエアロゾルを吐出する吐出開口とを有し、導入開口の断面が円形であり、吐出開口の断面がアスペクト比 5 以上の矩形であるような複雑で微小な寸法精度が要求される形状のノズルとできる。
また、本発明のエアロゾル吐出ノズルは樹脂製であることから、金属製ノズルと比較して磨耗しにくく、形成される被膜に不純物の混入が少なくなる。また、軽く、部品点数も少なくなるため交換作業の作業性が向上する。

本発明の被膜形成装置は、上記本発明のエアロゾル吐出ノズルを用いるので、ＡＤ法において、不純物の混入が少ない被膜を効率よく形成でき、ノズルの交換作業も容易にできメンテナンス性に優れる。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、基材表面に優れた被膜を形成するためエアロゾル吐出の流れの最適化に必要な微小な寸法精度と複雑な形状を有し、光造形法により作製される。
光造形法について図７を用いて説明する。図７は光造形法の手順を示す図である。図７に示すように、まず目的のノズル形状をＣＡＤデータとしてコンピュータ上で作製するか外部からコンピュータに入力する（Ｓ１）。次にＣＡＤにより三次元の静止画像データに変換する（Ｓ２）。この三次元形状を１軸方向に直交する面で所定の厚さ毎にスライスして各層毎の断面形状データを得る（Ｓ３）。
この断面形状データに基づき、実際の成形を行なう。液状の光硬化性樹脂が満たされた容器内に少なくとも上下方向に駆動されるテーブルを配置する（Ｓ４）。
このテーブル面が一層分の厚みだけ樹脂液面下の位置にくるようにセットするとともに、テーブル上の樹脂層にレーザを照射しながら最下層の断面形状をなぞるように走査する。すると、樹脂層の内レーザがあてられた部分だけが硬化してテーブル上に最下層形状が形成される。次に、テーブルを一層分の厚みだけ下方に変位させる。すると既に形成されている最下層形状の面上を一層分の厚みの液体樹脂層が覆うことになる。この状態で第２層目の断面形状をなぞるようにレーザ走査し、最下層形状の面上に第２層形状が光硬化して形成される。以下順次にテーブルの下方移動と各層毎の断面データに基づくレーザ走査を繰り返し、各層毎の形状を形成し、最終的に目的形状のノズルが造形される（Ｓ５）。
なお、このような光造形を行なう光造形装置としては、ディーメック社製ＳＣＳ−３００Ｐを挙げることができる。

本発明のエアロゾル吐出ノズルを形成するための光硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート系樹脂、エポキシ系樹脂を挙げることができる。ウレタンアクリレート系樹脂の市販品としては帝人製機製ＴＳＲ−１９３８Ｎがあり、エポキシ系樹脂の市販品としては旭電化工業製ＨＳ−６８１、帝人製機製ＴＳＲ−８２１、ＪＳＲ社製ＳＣＲ−９１００シリーズ、ＳＣＲ−７１０シリーズ、ＶＡＮＴＩＣＯ社 (旧チバ・スペシャルティー・ケミカルズ社)製ＳＬ−７５４０等がある。

本発明の一実施例に係るエアロゾル吐出ノズルを図１に基づいて説明する。図１は本発明のエアロゾル吐出ノズルの作製手段で作製されたエアロゾル吐出ノズルを示す斜視図である。図２は図１のエアロゾル吐出ノズルの内部開口形状を示す図である。
図１に示すように、本発明のエアロゾル吐出ノズル２は、円形状の導入開口２ｄａを有する導入部２ａと、矩形形状の吐出開口２ｄｂを有する吐出部２ｂとを有し、内部空間２ｄは筐体２ｃに囲まれて形成される。吐出開口２ｄｂの断面積は導入開口２ｄａの断面積から連続的に減少する。吐出開口２ｄｂの矩形形状はアスペクト比（長辺／短辺）5 以上である。

図２に示すようにエアロゾル吐出ノズルの内部空間２ｄ形状は、吐出開口２ｄｂの短辺方向と対応する導入開口２ｄａの部位から、吐出開口２ｄｂの短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくとともに、吐出開口２ｄｂの長辺方向と対応する導入開口２ｄａの部位から、吐出開口２ｄｂの長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていく形状である。

本発明の他の実施例に係るエアロゾル吐出ノズルを図３〜図５に基づいて説明する。図３〜図５はエアロゾル吐出ノズルの内部形状を示す斜視図である。
図３に示すように吐出開口２ｅｂの短辺方向と対応する導入開口２ｅａの部位から、吐出開口２ｅｂの短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法をノズル本体のエアロゾル通過空間の任意の位置Ａから連続的に減少させていくとともに、吐出開口２ｅｂの長辺方向と対応する導入開口２ｅａの部位から、吐出開口２ｅｂの長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法をノズル本体のエアロゾル通過空間の任意の位置Ａから連続的に拡大させていくノズル内部空間２ｅを示す。

図４は吐出開口２ｆｂの短辺方向と対応する導入開口２ｆａの部位から、吐出開口２ｆｂの短辺方向に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくとともに、吐出開口２ｆｂの長辺方向と対応する導入開口２ｆａの部位から、吐出開口２ｆｂの長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、かつ吐出開口２ｆｂを含む部分には断面積が一定の部分を有するノズル内部空間２ｆを示す。

図５は吐出開口２ｇｂの短辺方向と対応する導入開口２ｇａの部位から、吐出開口２ｇｂの短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法をノズル本体のエアロゾル通過空間の任意の位置Ｂから連続的に減少させていくとともに、吐出開口２ｇｂの長辺方向と対応する導入開口２ｇａの部位から、吐出開口２ｇｂの長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を上記ノズル本体のエアロゾル通過空間の任意の位置Ｂから連続的に拡大させ、かつ吐出開口２ｇｂを含む部分には断面積が一定の部分を有する内部空間２ｇを示す。

本発明において使用できる微粒子としては被膜形成可能なものであればよく、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。

本発明において使用する微粒子の平均粒子径は、0.1μm〜2μm であることが好ましい。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。

本発明のエアロゾル吐出ノズルを用いた被膜形成装置を図６に基づいて説明する。図６は金属平板基材上にセラミックス被膜を形成する場合の被膜形成装置を示す図である。
図６に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置３は、エアロゾル発生装置４と、真空チャンバー５を有する。真空チャンバー５内には、セラミックス被膜形成対象である基材６と、本発明のエアロゾル吐出ノズル１とが配設されている。真空チャンバー５の内部は真空ポンプ７によって減圧されるとともに、セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ７の直前に微粒子フィルター８が設けられている。基材６は、真空チャンバー５内において、ＸＹテーブル９上に固定され水平方向に移動させられる（図中Ａ）。

内部にセラミックス微粒子を有するエアロゾル発生装置４は、外部にガス供給設備１０を備え、ガス供給設備１０から供給される搬送ガスによってセラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルが形成され、搬送ガスの流れと真空ポンプ７の吸引とによりエアロゾルは真空チャンバー５内のエアロゾル吐出ノズル１の導入開口（図１等参照）に供給される。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
なお、以上の構成において、エアロゾル吐出ノズル以外のエアロゾル発生装置等については、ＡＤ法において通常使用される任意の装置・部品等を利用できる。

本発明の被膜形成装置においてエアロゾル吐出ノズル１は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル吐出ノズル１は、真空チャンバー５内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾル吐出ノズル１の吐出開口（図１等参照）からエアロゾルを吐出しつつ、基材６をＸＹテーブル９により水平方向に移動させて、または、エアロゾル吐出ノズル１を移動させて、基材６上に所望の形状・厚さの被膜を形成する。

図１に示す半径 6 mm の円形状の導入開口２ｄａと、10 mm×1 mm の矩形状の吐出開口２ｄｂとが、高さ 80 mm 間で連続して変位している内部空間２ｄを有し、上端が半径 10 mm の円形状の導入部２ａと、底面が半径 20 mm の円形状の吐出部２ｂとで構成される円錐形の外部形状を有するエアロゾル吐出ノズル２を以下に示す方法で作製した。

実施例１
上記形状のエアロゾル吐出ノズルを、光硬化性樹脂としてＪＳＲ社製、光硬化性樹脂ＳＣＲ−７３５を、光造形装置としてディーメック社製ＳＣＳ−３００Ｐをそれぞれ用いて、作製した。
得られたエアロゾル吐出ノズルは一工程で製作可能であった。

比較例１
上記形状のエアロゾル吐出ノズルを、ノズル基材としてＪＩＳ−ＳＵＳ３０４を用い、放電加工、機械加工により作製した。
ノズル本体を少なくとも２分割する必要があり一工程での製作は不可能であった。また分割品を組み立てて得られたエアロゾル吐出ノズルの内面を研磨仕上げする必要があった。

実施例２〜実施例４および比較例２〜比較例３
図６に示す被膜形成装置３を用い、基材６（ＳＵＪ２製、30 mm×30 mm×2 mm （表面粗さ：Ra 0.25））の表面にアルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。エアロゾル噴射ノズル１としては、表１に示すアスペクト比の吐出開口部を持ったノズルを用いた。これらのノズルは、実施例１と同じ光硬化性樹脂および光造形装置により作製した。
ＡＤ法は、真空チャンバー３内において 300 Pa 以下の減圧下で、固定したエアロゾル噴射ノズル２からアルミナ微粒子を含むエアロゾルを、基材６に向けて噴射して被膜形成を行なった。基材６は 0.1 mm/分の速度で、往復移動させつつ、 20分間成膜した。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ−ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスには窒素を用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。得られた被膜の外観を観察し、剥れが生じていないものを成膜状態が良好と評価し「○」を、剥れが生じたものを不良と評価して「×」を、それぞれ表１に併記した。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、複雑な内部形状で高い寸法精度のエアロゾル吐出ノズルであり、一工程で効率よく作製されるので、各種産業部品等へのセラミックス被膜形成用のエアロゾル吐出ノズルとして好適に利用できる。

本発明のエアロゾル吐出ノズルの一実施例を示す斜視図である。 図１のエアロゾル吐出ノズルの内部形状を示す斜視図である。 エアロゾル吐出ノズルの内部形状の他の実施例を示す斜視図である。 エアロゾル吐出ノズルの内部形状の他の実施例を示す斜視図である。 エアロゾル吐出ノズルの内部形状の他の実施例を示す斜視図である。 本発明の被膜形成装置の一実施例を示す図である。 光造形法の手順を示す図である。

符号の説明

１ エアロゾル吐出ノズル
２ エアロゾル吐出ノズル
２ａ 導入部
２ｂ 吐出部
２ｃ 筐体
２ｄ 内部空間
３ 被膜形成装置
４ エアロゾル発生装置
５ 真空チャンバー
６ 基材
７ 真空ポンプ
８ 微粒子フィルター
９ ＸＹテーブル
１０ ガス供給設備

Claims (4)

1. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材表面に向けて吐出し衝突させて被膜を形成するためのエアロゾル吐出ノズルであって、
   該エアロゾル吐出ノズルは、光硬化性樹脂を用いて光造形法により成形されることを特徴とするエアロゾル吐出ノズル。
2. 前記エアロゾル吐出ノズルは、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、該導入開口と連続的に繋がり前記エアロゾルを吐出する吐出開口とを有し、前記導入開口の断面が円形であり、前記吐出開口の断面がアスペクト比 5 以上の矩形であることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル吐出ノズル。
3. 前記微粒子は、セラミックス微粒子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエアロゾル吐出ノズル。
4. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル吐出ノズルから基材上に吐出し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、
   前記エアロゾル吐出ノズルが、請求項１、請求項２または請求項３記載のエアロゾル吐出ノズルであることを特徴とする被膜形成装置。

Images