JP2008246328A - 静電噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴霧範囲を制御自在な静電噴霧装置を提供する。
【解決手段】３次元位置制御装置１５により、ノズル保持プレート７の位置決めを行う。その後、シリンダポンプ２の送り量を調節しながら、主ノズル４から基板８上に堆積させたい原料５０及び溶媒５１の混合液を噴霧させる。このとき、高電圧の印加に伴い、主ノズル４から霧状化された液体が拡散噴霧される。一方、補助ノズル５からは堆積させたい原料５０を含まない、かつ揮発する溶媒５３を噴霧させる。主ノズル４及び補助ノズル５には高圧電源装置１０により高電圧が掛けられているため、原料５０及び溶媒５１の混合液の霧と溶媒５３の霧とは共にプラスに帯電された状態であり、互いに反発し合う。このため、原料５０及び溶媒５１の混合液の霧は、四方より噴霧範囲を絞られ基板８の中心部に集中される。
【選択図】図１

Description

本発明は静電噴霧装置に係わり、特に噴霧範囲を制御自在な静電噴霧装置に関する。

静電噴霧技術はノズルに高電圧を印加し、ノズルから液体を噴霧させる技術で、一般的な用途として農薬の効果的な散布や塗装技術のひとつとして用いられ、研究上でも電池材料の電解質作成等の手法としても用いられている。
ノズルから液体を放出する際には、接地された基板に向けて霧状化した液体が円錐状に拡散噴霧される。

昨今、この静電噴霧技術を用い、いわゆるコンビナトリアル手法により複数の原料を混合して混合比の異なる多種類の試料を自動的に生成することが行われている。このことにより、高速で試料を作り高速で評価することが可能になりつつある（特許文献１〜４参照）。
特開２００５−３２９３５７号公報 特開２００５−３２９３５６号公報 特開２００５−３４５１２８号公報 特開２００５−３４２６５７号公報

しかしながら、従来の静電噴霧技術では噴霧範囲を簡単に制御できる手法は無かった。このため、噴霧範囲が広い場合には、隣り合った噴霧範囲間での不純物が混在するおそれがあった。
また、試薬の量も噴霧範囲の面積に比例して沢山必要であった。

更に、一枚の基板上には限られた試料の数しか生成されていないので、他の検査機関に持ち運ぶ等の際の移動性も良くなかった。このため、コンパクト化した状態で多数の試料について一度に生成したり、加熱処理を行ったり、分析を行ったりするのには、従来の静電噴霧技術では限界があった。
一方、ノズルからの噴霧範囲を狭くするにはノズルと基板間の距離を近づけることも考えられるが、余り近づけると、高電圧で引火するという危険があった。

また、コンビナトリアル手法を用いての試料の生成及び分析は医薬の分野では盛んに進んでいるものの、無機材料の分野等での応用は進んでいない。例えばセラミックス等は一つの種類のものを生成及び分析するまでに、原料を混ぜて練り焼成し、できたものをＸ線で評価するという工程を経るため３〜４日を要する。この結果を基に次の材料探索を行うことになり、数十の試料について評価を行うのに数カ月を要することも多かった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、噴霧範囲を制御自在な静電噴霧装置を提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、液体、スラリー、若しくは粉体の少なくとも一つの原料を含む主剤と、該主剤を基板に向けて噴霧する主ノズルと、前記基板において所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体の補助剤と、前記主ノズルの回りに複数配設され該補助剤を基板に向けて噴霧する補助ノズルと、該補助ノズルと前記主ノズルを共に同極性に電圧印加する電圧印加手段とを備えた静電噴霧装置であって、前記主ノズルより噴霧された主剤が前記補助ノズルより噴霧された補助剤により噴霧範囲を絞られ基板上に集中されることを特徴とする。

主剤は液体、スラリー、若しくは粉体のいずれかで構成された少なくとも一つの原料を含む。原料は１種類であってもよいし、原料同士が所定の成分比で混合されてもよい。補助剤は液体、スラリー、若しくは粉体のいずれかで構成され、基板において所定温度にて揮発する。主ノズル及び補助ノズルには電圧が掛けられ、主剤の霧状粒子と補助剤の霧状粒子とは共に同一極性に帯電された状態であるため、粒子同士が互いに反発し合う。このため、主剤の霧状粒子は、補助剤の霧状粒子により四方より噴霧範囲を絞られ基板の中心部に集中される。補助剤は基板において揮発し、後に主剤のみが残る。このことにより、堆積させたい物質の噴霧面積を自在に制御できる。
また、本発明（請求項２）は、前記主剤には前記基板において所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体を含むことを特徴とする。

主剤は液体、スラリー、若しくは粉体のいずれかで構成された溶媒や溶剤等に溶かしたり混合されてもよい。この溶媒等は噴霧された後、基板において所定温度にて揮発する。このため、溶媒等は後には残らず、主剤の原料のみが残る。
更に、本発明（請求項３）は、前記主剤に含まれ所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体と、前記補助剤に含まれ所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体とが同一物であることを特徴とする。

主剤に含まれる溶媒等と補助剤に含まれる溶媒等に同一物を用いることで簡素に構成できる。
更に、本発明（請求項４）は、前記主ノズル及び前記補助ノズルの前記基板に対する空間位置を座標決めする位置決め手段を備えて構成した。
一つの原料の堆積を得た後、主ノズル及び補助ノズルの基板に対する空間座標位置を移動させ、次の位置決めを行う。その後、この座標地点での原料の堆積を再び行う。

以上により、基板上に多数の原料の堆積をさせることができる。完成した試料は、それぞれが連続していないため、成分も確実に分離することができる。高密度に生成物を堆積できる。このように量産可能なため、コストダウンにつなげることができる。また、コンパクト化された基板は移動し易く、異なる場所での分析試験も容易になる。更に、同一の基板を使用可能なので、生成や評価分析に際しては、従来技術で用いたロボットシステムや評価システムをそのまま本発明でも利用可能である。

更に、本発明（請求項５）は、前記基板を加熱する加熱手段を備えて構成した。
堆積物より溶媒等を揮発させ、後に主剤の原料のみを残すことができる。

以上説明したように本発明によれば、主ノズル及び補助ノズルには所定の電圧が掛けられているため、主剤の霧状粒子と補助剤の霧状粒子とは共に同一極性に帯電された状態であり、互いに反発し合う。このため、主剤の霧状粒子は、補助剤の霧状粒子により四方より噴霧範囲を絞られ基板の中心部に集中される。補助剤は揮発し、後に主剤の原料のみが残る。このことにより、堆積させたい物質の噴霧面積を自在に制御できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１に示す。図１において、シリンダポンプ１には主剤に相当する原料５０と溶媒５１が混合して含まれている。主剤は液体の他、スラリー、若しくは粉体であってもよい。原料５０は１種類であってもよいし、複数種類で構成し原料同士が所定の成分比で混合されてもよい。１種類であっても濃度等を異ならせて構成されても良い。

また、シリンダポンプ２には、補助剤に相当する溶媒５３が入れられている。補助剤は主剤と同様に液体の他、スラリー、若しくは粉体であってもよい。そして、原料５０と溶媒５１の混合液は、マニホールド３を介して主ノズル４から放出されるようになっている。一方、溶媒５３はマニホールド３を介して４本の補助ノズル５から放出されるようになっている。

ここに、主ノズルと補助ノズルの関係を図２を基に説明する。図２において、ノズル保持プレート７には中央に一本の主ノズル４が配設されている。そして、この主ノズル４の周囲には４本の補助ノズル５が均等かつ等間隔に配設されている。但し、この補助ノズル５の本数は４本に限ったものではなく、主ノズル４の周囲に２本以上、望ましくは３本以上均等に配設されればよい。

主ノズル４及び補助ノズル５の下方には、基板８が加熱素子９の上に載置されている。基板８及び加熱素子９は接地され、かつ主ノズル４及び補助ノズル５には高圧電源装置１０により３ｋＶ〜９ｋＶの高電圧が掛けられている。但し、この電圧に制限するものではなく、１２０ｋＶ程度までの印加とされてもよい。加熱素子９は温度コントローラ１３により温度制御されるようになっている。

そして、この高圧電源装置１０の電圧、加熱素子９の温度、シリンダポンプ２の送り量はパソコン１１により設定制御されるようになっている。また、３次元位置制御装置１５により、ノズル保持プレート７はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の空間の位置決め処理が行われている。３次元位置制御装置１５の位置制御はパソコン１１により制御されるようになっている。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
３次元位置制御装置１５により、ノズル保持プレート７の位置決めを行う。その後、シリンダポンプ１、２の送り量を調節しながら、主ノズル４から基板８上に堆積させたい原料５０及び溶媒５１の混合液を噴霧させる。このとき、高電圧の印加に伴い、主ノズル４から霧状化された液体が拡散噴霧される。一方、補助ノズル５からは堆積させたい原料５０を含まない、かつ揮発する溶媒５３を噴霧させる。

主ノズル４及び補助ノズル５には高圧電源装置１０により高電圧が掛けられているため、原料５０及び溶媒５１の混合液の霧と溶媒５３の霧とは共にプラスに帯電された状態であり、互いに反発し合う。このため、原料５０及び溶媒５１の混合液の霧は、四方より噴霧範囲を絞られ基板８の中心部に集中される。加熱素子９は溶媒５１、５３が揮発する温度である、例えば数十度〜数百度に加熱されている。

このため、堆積された原料５０及び溶媒５１の混合液より溶媒５１は揮発し、後に原料５０のみが残る。また、溶媒５３も同様に揮発し後に残らない。ノズル保持プレート７に印加する電圧値や主ノズル４及び補助ノズル５から堆積場所までの距離の制御によって、堆積させたい物質の噴霧面積を自在に制御できる。

本実施形態では、主ノズル４と基板８間の距離と補助ノズル５と基板８間の距離とは一致させているが、異ならせるようにされてもよい。また、溶媒５１と溶媒５３とは同一成分としてもよいし、異なる成分にて構成されてもよい。更に、溶媒５１は省略されてもよい。
一つの原料５０の堆積を得た後、３次元位置制御装置１５により、ノズル保持プレート７を移動させ、次の位置決めを行う。その後、この座標地点での原料５０の堆積を再び行う。

以上により、例えば、原料５０の濃度や成分を変えつつ、一枚の基板８上に多数の原料５０の堆積をさせることができる。完成した試料は、それぞれが連続していないため、成分も確実に分離することができる。例えば、３５ｍｍ角の基板８の上に１６〜３６個の堆積を行うことが可能であり、コンパクトに生成物を堆積できる。

このように量産可能なため、従来に比べ格段のコストダウンにつなげることができる。様々な組成比からなる無数の試料群（ライブラリー）から優れた特性を示す材料を簡便に、そして迅速に見いだすことができる。また、コンパクト化された基板８は移動し易く、異なる場所での分析試験も容易になる。更に、従来と同一の基板８を使用可能なので、生成や評価分析に際しては、従来のロボットシステムや評価システムをそのまま利用可能である。

次に、本発明の化学処理方法を図３に基づき説明する。
図３のステップ１では、混合される複数種の無機物質原料の識別名や濃度、組成図の座標の分割数、混合される無機物質原料の化学処理条件がデータとして入力される。但し、原料は一種類であってもよい。識別名の入力の方法は、原料名を入力することや、予めパソコン１１の入力画面に示された識別名に濃度を入力したり、識別名を選択したりすることによって行われる。原料名と識別名とは別途対応させることになる。化学処理条件とは、具体的には、試料生成、盛付、加熱、計測、分析等の各要素操作の条件である。

組成図とは、原料の種類が３種類の場合は３次元となり、３元組成図とよばれる。また、原料の種類が４種類の場合は、４元組成図となる。座標の分割数とは、その各頂点と頂点を結ぶ辺を等間隔でいくつかに分割したときのその数のことであり、各辺に平行にその等間隔に線を引いたときの線の交差する点又は辺上の点が組成点であり、組成比を示すものである。つまり、座標の分割数を多くすることにより、より細かい間隔で試料を生成することができる。３元組成図の例を図４に示す。

このように、本発明の化学処理においては、各工程が自動的に、かつ、連続的に運転されるが、一般的に３成分系で、座標を１０等分したケースを取り上げると、組成の組み合わせの数は６６個となる。
入力が終わると、ステップ２が実行され、パソコン１１の画面に図４に示す組成図６１が表示される。

次に、ステップ３では、パソコン１１の画面に表示された組成図の範囲を設定する。広い範囲の混合比の試料を分析するには、組成図全ての範囲を設定するのが望ましい。続いて、ステップ４が実行され、設定された組成図の全範囲と組成図の座標の分割数である例えば１０に従って３種の無機物質原料の６６通りの混合比を自動的に計算する。

次に、ステップ５では、混合比の異なる６６の試料を、化学処理条件に従って自動的に生成する。ここで、化学処理条件とは、液状無機物質原料の撹拌時間や撹拌条件等を指し、必要なら、雰囲気温度や雰囲気気体、気体の圧力等の条件を指す。

続いて、ステップ６では、６６の液状若しくは堆積の試料を、６６個の凹部（ウエル）若しくは座標位置を有する一枚の基板８上に、化学処理条件に従って自動的に所定量ずつ配列する。ここで、化学処理条件とは、基板８の温度や雰囲気温度、雰囲気気体、液状試料の乾燥条件等を指す。この際、本実施形態である主ノズル４及び補助ノズル５を利用することで、噴霧面積を狭めた形で試料を生成できる。噴霧面同士の間は互いに独立しているので、隣接する噴霧面同士の間で成分が互いに混じり合うことはない。

ステップ７では、基板８上の複数の試料を化学処理条件に従って自動的に加熱処理する。ここで、化学処理条件としては、昇温速度、加熱温度、加熱時間、冷却速度、雰囲気気体、気体圧力等を指す。雰囲気気体は設備上の観点から空気であることが望ましい。但し、真空等とすることも可能である。

ステップ８では、基板８上の加熱処理された６６の試料に対して、Ｘ線回折線を計測し、その収録データを図示しないデータベースに収納されたＸ線回折データファイル（例えば、ＪＣＰＤＳファイル）に照合できる形式に変換する。また、データは基板８上の各試料と１対１に対応させて出力させる。このステップでの処理条件としては、Ｘ線回折角度やＸ線回折強度等が挙げられる。

更に、ステップ９では、Ｘ線回折線計測結果を、化学処理条件に従って自動的に分析する。ここで、化学処理条件とは、照合するデータベースの種類や、分析の条件等を指す。

次に、本発明の実施例について説明する。主ノズル４及び補助ノズル５としては、ステンレスノズルを使用した。例えば、「カットチューブ １／１６ＣＴ−１（内径０．２５ｍｍ）」、「カットチューブ １／１６ＣＴ−４（内径０．５０ｍｍ）」、「カットチューブ １／１６ＣＴ−７（内径０．８０ｍｍ）」共にジーエルサイエンス社製の３種類を使用した。

但し、主ノズル４及び補助ノズル５については、電気伝導性があり耐腐食性のチューブがあれば他のものでも代用可能である。液体を押し出す流量や印加する電圧の値によって可能なチューブの内径は拡げられるので、産業上の噴霧機械の内径（最小内径０．１ｍｍ程度）に相当する範囲まで適用可能である。

補助ノズル５同士の間隔は実際に市販のボルトやナットなどを使って作製したため１８．３８ｍｍとしたが、５ｍｍ程度の間隔でも可能である。主ノズル４及び補助ノズル５と加熱素子９の間の間隔は５ｍｍ以上が望ましい。

また、原料５０として、酸化バナジウムアセチルアセトナート粉末を用いた。そして、この酸化バナジウムアセチルアセトナート粉末を溶媒５１に相当する混合有機溶媒（エタノール：ジエチレングリコールモノブチルエーテル＝１：４）に溶かし、３．０２×１０−２ｍｏｌ／ｌの溶液を作製した。基板８として石英ガラス（厚さ０．５ｍｍ）を使用した。但し、この石英ガラスに代えて、アルミナやジルコニア（共に厚さ５ｍｍ）に白金を蒸着させて構成することも可能である。

なお、溶媒５３には、溶媒５１と同一の混合有機溶媒（エタノール：ジエチレングリコールモノブチルエーテル＝１：４）を用いた。
主ノズル４から原料５０を溶媒５１に溶かした溶液を、かつ周囲の４本の補助ノズル５から溶媒５３のみをそれぞれ２５μ．／ｍｉｎ．で１分間、同時に噴霧させた。このときのノズル先端から基板８までの距離は４５ｍｍであった。ノズルへの印加電圧は９０００Ｖである。得られた堆積物は図５に示されるように５ｍｍ程度の直径を有する円状になった。

これに対し、本実験を補助ノズル５を用いない従来の方法で行うと、印加電圧９０００Ｖでノズル先端から基板８までの距離を５０ｍｍとしたときに得られた堆積物の面積が直径８０〜１００ｍｍになったことから、本発明により格段に限定された範囲への堆積が可能になったことが分かる。

なお、印加電圧を３５００Ｖ、ノズル先端から基板８までの距離を１０ｍｍとすると５ｍｍ程度の直径を有する円状に一応できるが、膜の堆積ではなく、単なる粉末の堆積となってしまう。

本発明の実施形態の構成図 主ノズルと補助ノズルの関係を示す図 本発明の化学処理方法 ３元組成図の例 得られた堆積物の様子を示す図（写真）

符号の説明

１、２ シリンダポンプ
３ マニホールド
４ 主ノズル
５ 補助ノズル
７ ノズル保持プレート
８ 基板
９ 加熱素子
１０ 高圧電源装置
１１ パソコン
１３ 温度コントローラ
１５ ３次元位置制御装置
５０ 原料
５１、５３ 溶媒
６１ 組成図

Claims (5)

1. 液体、スラリー、若しくは粉体の少なくとも一つの原料を含む主剤と、
   該主剤を基板に向けて噴霧する主ノズルと、
   前記基板において所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体の補助剤と、
   前記主ノズルの回りに複数配設され該補助剤を基板に向けて噴霧する補助ノズルと、
   該補助ノズルと前記主ノズルを共に同極性に電圧印加する電圧印加手段とを備えた静電噴霧装置であって、
   前記主ノズルより噴霧された主剤が前記補助ノズルより噴霧された補助剤により噴霧範囲を絞られ基板上に集中されることを特徴とする静電噴霧装置。
2. 前記主剤には前記基板において所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体を含むことを特徴とする請求項１記載の静電噴霧装置。
3. 前記主剤に含まれ所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体と、前記補助剤に含まれ所定温度にて揮発する液体、スラリー、若しくは粉体とが同一物であることを特徴とする請求項２記載の静電噴霧装置。
4. 前記主ノズル及び前記補助ノズルの前記基板に対する空間位置を座標決めする位置決め手段を備えたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の静電噴霧装置。
5. 前記基板を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の静電噴霧装置。