JP2019089052A - 分離分級方法及び分離分級装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属粒子と誘電体粒子とを分離すると共に、同時に各粒子の質量ごとに分級する方法及びその装置の提供。【解決手段】誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとを含む粉体１を気体とともに搬送させるステップと、粉体１の進行方向に垂直に第一の直流磁場を印加した空間で粉体１を帯電させると共に、帯電させた粉体１を接地された導電性部材６に接触・通過させる帯電ステップと、粉体１の進行方向に垂直に第二の直流磁場を印加すると共に、粉体１の進行方向に平行に交流磁場を印加し、かつ粉体１の進行方向および交流磁場に垂直に交流磁場と同期している交流電場を印加した空間に粉体１を通過させる分離分級ステップと、を含む。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、主に電池やＩＣ素子などの電子デバイスに用いる粉体の分離分級装置及び分離分級方法に関する。

機能性粉体を用いた電子デバイスとしてリチウムイオン電池やＩＣ素子などが挙げられる。これらデバイスの高性能化のためにはその製造に用いる粉体の高品質化が必要となる。この高品質化として、粒度ばらつきの低減、粒形の微細化などとともに不純物濃度の低減が求められている。特に電子デバイスでは電流や電圧の挙動に大きく影響する金属コンタミネーション（金属不純物）の除去が重要となっている。

たとえば、リチウムイオン電池の課題として、鉄、銅、亜鉛、錫、コバルト、ニッケル、クロムなどの金属異物の混入に起因する出力電圧の低下および発熱・発火不良が挙げられる。上記金属異物は、固体もしくはイオンの状態で電池内部に混入する可能性がある。特に、電池の正極近傍に金属異物が含有されている場合、内部電界により金属異物がイオン化し負極側へ誘導される。このイオンの負極での析出によりデンドライド（樹枝状析出物）が形成され、正極へ到達、正負極を短絡させる。このような短絡は、出力電圧が低下するＯＣＶ（Open Circuit Voltage）不良、さらには発熱・発火不良を引き起こす。

また、例えば半導体素子の絶縁パッケージに用いられるモールド樹脂に金属片が含まれる場合、絶縁性が不十分となり動作不良や素子の破壊が生じる可能性がある。特に高集積化に伴う素子の微細化の進展により、これまで悪影響を及ぼさなかった微細な金属片にも注意を払う必要がある。

このような電子デバイスに用いられる粉体材料を分級・分離する手段として、これまでに色々な方法が考案されている。例えば渦電流を使った大きな金属を除去する装置（例えば、特許文献１参照。）、磁場の乱れを用いた金属検出装置（例えば、特許文献２参照。）、電磁力を用いた微細粒子の分級装置（例えば、特許文献３参照。）などが挙げられる。

特許第５７９７６０３号 特許第４７０１６０８号 特開２０００−１４０６８３号

しかしながら、特許文献１に記載の技術では数ミリサイズの比較的大きい金属しか除去できず電子デバイスに悪影響を及ぼすミクロンサイズの金属は除去できない。また、特許文献２に記載の技術はミクロンサイズの金属を検出することは可能だが、分離する機能はなく、サイズが小さいほど検出に時間がかかる。また、特許文献１、２とも金属を除去あるいは検出した後の粉体材料を分級する機能は持ち合わせていない。さらに特許文献３の技術では通常の風力分級にローレンツ力を付加したものでありサブミクロンサイズまで分級できるが、金属だけではなくその他の物質も同様に分級するため、微細な金属粉とその他の物質（誘電体）とを分離することは困難である。

本発明は、前記課題を解決するもので、微細な粉体材料に金属異物が混入していても精度よく金属異物を分離し、同時に分級することができる分離分級装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る粉体の分離分級方法は、
誘電体粒子と金属粒子とを含む粉体を気体とともに搬送させるステップと、
前記粉体の進行方向に垂直に第一の直流磁場を印加した空間で前記粉体を帯電させると共に、帯電させた前記粉体を接地された導電性部材に接触・通過させる帯電ステップと、
前記粉体の進行方向に垂直に第二の直流磁場を印加すると共に、前記粉体の進行方向に平行に交流磁場を印加し、かつ前記粉体の進行方向および前記交流磁場に垂直に前記交流磁場と同期している交流電場を印加した空間に前記粉体を通過させる分離分級ステップと、
を含む。

また、本発明に係る粉体の分離分級装置は、粉体を気体で搬送する搬送路であって、前記粉体を帯電させる帯電チャンバーと、帯電した前記粉体を分離分級する分離チャンバーと、を有する、搬送路と、
前記帯電チャンバー内で前記粉体を帯電させる帯電部と、
前記帯電チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させる第一の直流磁場発生ユニットと、
前記帯電チャンバー内に配置され、前記帯電した粉体の帯電量を制御する接地された導電性部材と、
前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させる第二の直流磁場発生ユニットと、
前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な交流磁場を発生させる交流磁場発生ユニットと、
前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な交流電場を前記交流磁場と同期させて発生させる交流電場発生ユニットと、
前記分離チャンバーより下流側で、前記粉体に含まれる誘電体粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された誘電体粒子を分離して捕集するための誘電体粉捕集ユニットと、
前記分離チャンバーより下流側で、前記粉体に含まれる金属粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された誘電体粒子を分離して捕集するための金属粉捕集ユニットと、
前記帯電部と、前記第一の直流磁場発生ユニットと、前記第二の直流磁場発生ユニットと、前記交流磁場発生ユニットと、前記交流電場発生ユニットと、前記誘電体粉捕集ユニットと、前記金属粉捕集ユニットと、の動作を制御するための制御ユニットと、
を備える。

本発明に係る分離分級方法によれば、金属粒子と誘電体粒子とを含む粉末材料に対し、金属粒子と誘電体粒子とで異なる電荷を与え、且つ、電磁力を働きかけることにより、金属粒子と誘電体粒子とをそれぞれ異なる方向に移動させることができ、分離することができる。その後、更に各粒子ごとの質量によって分級することが可能となる。そこで、金属不純物が少なく粒径のそろった高品質な誘電体粒子からなる粉体材料を提供することが可能となる。

実施の形態１に係る粉体の分離分級装置の断面構造を示す概略断面図である。 図１Ａにおける誘電体粒子に作用するローレンツ力Ｆ２の方向を示す概略図である。 図１ＡのＡ−Ａ’方向から見た分離チャンバーの断面図である。 金属粒子内の原子内の陽子と自由電子との模式図である。 金属粒子の進行方向（ｘ方向）に平行に交流磁場Ｂ３を印加すると共に、上記進行方向に垂直に交流磁場Ｂ３と同期して交流電場Ｅを印加する場合に金属粒子に働くローレンツ力Ｆ３を示す図である。 図３Ｂと交流磁場Ｂ３及び交流電場Ｅの極性が反対の場合に金属粒子に働くローレンツ力Ｆ３を示す図である。

第１の態様に係る粉体の分離分級方法は、誘電体粒子と金属粒子とを含む粉体を気体とともに搬送させるステップと、
前記粉体の進行方向に垂直に第一の直流磁場を印加した空間で前記粉体を帯電させると共に、帯電させた前記粉体を接地された導電性部材に接触・通過させる帯電ステップと、
前記粉体の進行方向に垂直に第二の直流磁場を印加すると共に、前記粉体の進行方向に平行に交流磁場を印加し、かつ前記粉体の進行方向および前記交流磁場に垂直に前記交流磁場と同期している交流電場を印加した空間に前記粉体を通過させる分離分級ステップと、
を含む。

上記構成によれば、一度粉体全体を帯電した後、金属粒子のみ電荷を取り除き、その後、磁場と電場の作用により誘電体粒子と、金属粒子とのそれぞれに異なる方向のローレンツ力を付与することで高精度で分離分級を行うことが可能となる。

第２の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１の態様において、前記交流磁場の方向が粉体の進行方向と一致した場合の前記交流電場の方向について、前記第二の直流磁場の方向とのなす角が０度以上９０度以下であってもよい。

上記構成によって、誘電体粒子と金属粒子との曲げられる方向の違いが９０度以上１８０度以下となり、分離後のそれぞれの粉（粒子）の軌跡の広がりを考慮しても再度混入することは無い。そこで、高精度に誘電体粉と金属粉とが分離された状態が保たれる。

第３の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１又は第２の態様において、前記分離分級ステップにより、前記誘電体粒子と、前記金属粒子と、をそれぞれ異なる方向へ誘導すると共に、前記誘電体粒子及び前記金属粒子のそれぞれについて、前記各粒子の質量ごとに分級することができる。

第４の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記接地された導電性部材がメッシュ状部材であってもよい。

上記構成により粉体の流れを滞らせることなく金属粒子の電荷を失わせることができる。

第５の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記接地された導電性部材が前記粉体の進行方向に対して垂直方向成分を持つ方向に振動していてもよい。
上記構成により、接地された導電性部材と金属粒子との接触の機会が増えることにより効率よく金属粒子の電荷を失わせることができる。

第６の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記接地された導電性部材が前記粉体の進行方向上に複数体存在してもよい。
上記構成により、接地された導電性部材と金属粒子との接触の機会が増えることにより効率よく金属粒子の電荷を失わせることができる。

第７の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記接地された導電性部材に前記帯電した粉体と同じ導電型の電圧を印加していてもよい。
上記構成により、金属粒子を含む帯電した粉体を進行方向に対し垂直に曲げることで接地された導電性部材と金属粒子との接触の機会を増やすことができ、効率よく金属粒子の電荷を失わせることができる。

第８の態様に係る粉体の分離分級方法は、上記第１から第７のいずれかの態様において、前記帯電ステップで前記帯電した粉体を前記接地された導電性部材に接触・通過させたあと、前記分離分級ステップで前記粉体の進行方向に垂直に第二の直流磁場に至るまでの間に
前記帯電した粉体と反対の導電型の電圧を作用させ、前記帯電した粉体の移動速度を加速させる加速ステップを含んでもよい。
上記構成により、電荷をもつ誘電体粒子は加速されることで第二の直流磁場によってより大きなローレンツ力を受けることになり、誘電体粒子と金属粒子とを高精度に分離することが可能となる。

第９の態様に係る粉体の分離分級装置は、粉体を気体で搬送する搬送路であって、前記粉体を帯電させる帯電チャンバーと、帯電した前記粉体を分離分級する分離チャンバーと、を有する、搬送路と、
前記帯電チャンバー内で前記粉体を帯電させる帯電部と、
前記帯電チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させる第一の直流磁場発生ユニットと、
前記帯電チャンバー内に配置され、前記帯電した前記粉体の帯電量を制御する接地された導電性部材と、
前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な第二の直流磁場を発生させる第二の直流磁場発生ユニットと、
前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な交流磁場を発生させる交流磁場発生ユニットと、
前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な交流電場を前記交流磁場と同期させて発生させる交流電場発生ユニットと、
前記分離チャンバーより下流側で、前記粉体に含まれる誘電体粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された誘電体粒子を分離して捕集するための誘電体粉捕集ユニットと、
前記分離チャンバーより下流側で、前記粉体に含まれる金属粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された金属粒子を分離して捕集するための金属粉捕集ユニットと、
前記帯電部と、前記第一の直流磁場発生ユニットと、前記第二の直流磁場発生ユニットと、前記交流磁場発生ユニットと、前記交流電場発生ユニットと、前記誘電体粉捕集ユニットと、前記金属粉捕集ユニットと、の動作を制御するための制御ユニットと、
を備える。

上記構成によって、金属粒子と誘電体粒子とを含む粉末材料に対し、金属粒子と誘電体粒子とで異なる電荷を与え、且つ、電磁力を働きかけることにより、金属粒子と誘電体粒子とをそれぞれ異なる方向に移動させることができ、分離することができる。その後、更に各粒子ごとの質量によって分級することが可能となる。

第１０の態様に係る粉体の分離分級装置は、上記第９の態様において、前記交流磁場の方向が粉体の進行方向と一致した場合の前記交流電場の方向について、前記第二の直流磁場の方向とのなす角が０度以上９０度以下であってもよい。

上記構成によって、誘電体粒子と金属粒子との曲げられる方向の違いが９０度以上１８０度以下となり、分離後のそれぞれの粉（粒子）の軌跡の広がりを考慮しても再度混入することは無い。そこで、高精度に誘電体粉と金属粉とが分離された状態が保たれる。

第１１の態様に係る粉体の分離分級装置は、上記第９又は第１０の態様において、前記交流磁場と前記交流電場とを同じ周波数で発生させるための交流電源ユニットをさらに備えてもよい。

第１２の態様に係る粉体の分離分級装置は、上記第９から第１１のいずれかの態様において、前記帯電部は、前記粉体を帯電させるための荷電粒子を供給するイオン源ユニットであってもよい。

以下、実施の形態に係る粉体の分離分級装置及び粉体の分離分級方法について、添付図面を参照して説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
＜粉体の分離分級装置＞
図１Ａは、実施の形態１に係る粉体の分離分級装置の断面構造を示す概略断面図である。図１Ｂは、図１Ａにおける誘電体粒子に作用するローレンツ力Ｆ２の方向を示す概略図である。なお、図１Ａにおいて、粉体の進行方向を＋Ｘ方向とし、紙面から垂直方向に出る方向を＋Ｚ方向としてＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示した。また、帯電チャンバー３と分離チャンバー１１とでは粉体の進行方向が変化するので、それぞれ３軸を示した。
この粉体の分離分級装置は、搬送路と、帯電部と、第一の直流磁場発生ユニットと、接地された導電性部材と、第二の直流磁場発生ユニットと、交流磁場発生ユニットと、交流電場発生ユニットと、誘電体粉捕集ユニットと、金属粉捕集ユニットと、制御ユニットと、を備える。搬送路は、粉体を気体で搬送する搬送路であって、粉体を帯電させる帯電チャンバーと、帯電した前記粉体を分離分級する分離チャンバーと、を有する。帯電部は、帯電チャンバーで粉体を帯電させる。第一の直流磁場発生ユニットは、帯電チャンバー内に粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させる。接地された導電性部材は、帯電チャンバー内に配置され、帯電した粉体の帯電量を制御する。第二の直流磁場発生ユニットは、分離チャンバー内に粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させる。交流磁場発生ユニットは、分離チャンバー内に粉体の進行方向に垂直な交流磁場を発生させる。交流電場発生ユニットは、分離チャンバー内に粉体の進行方向に垂直な交流電場を交流磁場と同期させて発生させる。誘電体粉捕集ユニットによって、分離チャンバーより下流側で、粉体に含まれる誘電体粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された誘電体粒子を分離して捕集する。金属粉捕集ユニットによって、分離チャンバーより下流側で、粉体に含まれる金属粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された金属粒子を分離して捕集する。制御ユニットによって、帯電部と、第一の直流磁場発生ユニットと、第二の直流磁場発生ユニットと、交流磁場発生ユニットと、交流電場発生ユニットと、誘電体粉捕集ユニットと、金属粉捕集ユニットと、の動作を制御する。

この粉体の分離分級装置によれば、金属粒子と誘電体粒子とを含む粉末材料に対し、金属粒子と誘電体粒子とで異なる電荷を与え、且つ、電磁力を働きかけることにより、金属粒子と誘電体粒子とをそれぞれ異なる方向に移動させることができ、分離することができる。その後、更に各粒子ごとの質量によって分級することが可能となる。

なお、この粉体の分離分級装置は、さらに粉体を供給するホッパーユニットを備えてもよい。また、上記帯電部は、粉体を帯電させるための荷電粒子を供給するイオン源ユニットであってもよい。さらに、交流磁場と交流電場とを同じ周波数で発生させるための交流電源ユニットをさらに備えてもよい。

以下に、この粉体の分離分級装置を構成する部材について説明する。

＜搬送路＞
粉体を気体で搬送する搬送路は、粉体１を帯電させる帯電チャンバー３と、帯電した粉体１を分離分級する分離チャンバー１１と、を有する。搬送路内は、例えば減圧しておいてもよい。粉体を搬送する気体には通常使用される気体を用いることができ、例えば、粉体と反応性のほとんどない気体か、又は、反応性の低い気体が用いられる。具体的には、例えば、ヘリウム等の希ガスや、窒素、空気（ドライエア）等が用いられるが、これらに限られない。

＜帯電部＞
帯電部５としては、粉体を帯電させるための荷電粒子を供給するイオン源ユニットであってもよい。

＜第一の直流磁場発生ユニット＞
第一の直流磁場発生ユニット７は、帯電チャンバー３内に粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させるものであればよく、通常使用される直流磁場発生装置を用いることができる。例えば、永久磁石で構成してもよい。あるいは、電磁石で構成してもよい。

＜接地された導電性部材＞
接地された導電性部材６は、例えば、帯電チャンバ３内の内壁に設けられていてもよい。接地された導電性部材６は、メッシュ状部材であってもよい。これにより、粉体の流れを滞らせることなく金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆの電荷を失わせることができる。接地された導電性部材６は、粉体の進行方向に対して垂直方向成分を持つ方向に振動させていてもよい。これにより、接地された導電性部材６と金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとの接触の機会が増えることにより効率よく金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆの電荷を失わせることができる。接地された導電性部材６は、粉体の進行方向上に複数体設けてもよい。これにより、接地された導電性部材６と金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとの接触の機会が増えることにより効率よく金属粒子の電荷を失わせることができる。接地された導電性部材６に帯電した粉体と同じ導電型の電圧を印加していてもよい。これにより、金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆを含む帯電した粉体を進行方向に対し垂直に曲げることで接地された導電性部材６と金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとの接触の機会を増やすことができ、効率よく金属粒子の電荷を失わせることができる。

＜第二の直流磁場発生ユニット＞
第二の直流磁場発生ユニット１２は、分離チャンバー１１内に粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させるものであればよく、通常使用される直流磁場発生装置を用いることができる。例えば、永久磁石で構成してもよい。あるいは、電磁石で構成してもよい。

＜交流磁場発生ユニット＞
交流磁場発生ユニット１３は、分離チャンバー１１内に粉体の進行方向に垂直な交流磁場を発生させるものであればよく、通常使用される交流磁場発生装置を用いることができる。

＜交流電場発生ユニット＞
交流電場発生ユニット１４は、分離チャンバー１１内に粉体の進行方向に垂直な交流電場を上記交流磁場と同期させて発生させるものであればよく、通常使用される交流電場発生装置を用いることができる。なお、交流磁場と交流電場とを同じ周波数で発生させるための交流電源ユニットをさらに備えてもよい。この交流電源ユニットによって、交流電場発生ユニット１４と交流磁場発生ユニット１３とを駆動させてもよい。

＜誘電体粉捕集ユニット＞
誘電体粉捕集ユニット１６ａ、１６ｂ、１６ｃでは、分離チャンバー１１より下流側で、粉体に含まれる誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃについて、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された誘電体粒子を分離して捕集する。

＜金属粉捕集ユニット＞
金属粉捕集ユニット１６ｄ、１６ｅ、１６ｆでは、分離チャンバー１１より下流側で、粉体に含まれる金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆについて、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された金属粒子を分離して捕集する。

＜制御ユニット＞
制御ユニット１５によって、帯電部５と、第一の直流磁場発生ユニット７と、第二の直流磁場発生ユニット１２と、交流磁場発生ユニット１３と、交流電場発生ユニット１４と、誘電体粉捕集ユニット１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、金属粉捕集ユニット１６ｄ、１６ｅ、１６ｆと、の動作を制御する。

＜粉体の分離分級方法＞
次に、実施の形態１に係る粉体の分離分級方法について説明する。
この粉体の分離分級方法は、以下の各ステップを含む。
（Ａ）誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとを含む粉体を気体とともに搬送させる。
（Ｂ）粉体の進行方向に垂直に第一の直流磁場を印加した空間（帯電チャンバー３）で粉体を帯電させると共に、帯電させた粉体を接地された導電性部材６に接触・通過させる。
（Ｃ）粉体の進行方向に垂直に第二の直流磁場を印加すると共に、粉体の進行方向に平行に交流磁場を印加し、かつ粉体の進行方向および交流磁場に垂直に交流磁場と同期している交流電場を印加した空間（分離チャンバー１１）に粉体を通過させる。
以上によって、一度粉体全体を帯電した後、金属粒子のみ電荷を取り除き、その後、磁場と電場の作用により誘電体粒子と、金属粒子とのそれぞれに異なる方向のローレンツ力を付与することで高精度で分離分級を行うことができる。

＜帯電チャンバーにおける各粒子への帯電について＞
まず、上記粉体の分離分級方法の（Ｂ）の帯電ステップについて説明する。
粉体１は、誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとを含む。誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃは、質量が１ａ＜１ｂ＜１ｃの関係にある。また、金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆは、質量が１ｄ＜１ｅ＜１ｆの関係にある。これらの粒子からなる粉体１がホッパーユニット２から帯電チャンバー３に投入され、エアブローユニット４によってドライエアとともに搬送される。
帯電チャンバー３に投入された粉体１は、イオン源ユニット５によって帯電され、電荷＋ｑを帯びる。帯電した粉体１は複数の接地された導電性メッシュ６に接触しつつ透過する。この際、導電性メッシュ６は接地されることにより電荷を大地に逃がす機能を持つ。金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆは、表面の電気抵抗が小さいため導電性メッシュ６との接触により電荷を失う。この時、帯電チャンバー３では第一の直流磁場発生ユニット７によって粉体１の進行方向（Ｘ方向）と垂直に第一の直流磁場Ｂ１（−Ｚ方向）が発生しており、電荷をもつ誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃは、進行方向（Ｘ方向）及び第一の直流磁場Ｂ１の向き（−Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）にローレンツ力Ｆ１を受ける。ローレンツ力Ｆ１を受けている際の粉体１の進行方向への速度をｖ１とすると、ローレンツ力Ｆ１は、
Ｆ１＝ｑｖ１Ｂ１ ・・・（１）
と表すことができる。

一方、電荷を失った金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆはｑ＝０なので式（１）からＦ１＝０となりローレンツ力を受けない。このように選択的に誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃにのみローレンツ力を与え軌道を曲げることが可能となり、誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとを分離することができる。

更に、振動ユニット８によって導電性メッシュ６を振動させることでより確実に金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆの電荷を除去することが可能となる。ローレンツ力を受けずに直進した金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆは、チャンバー内壁９に沿って移動する。このチャンバー内壁９も接地されており金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆの電荷を除去する。この時、誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃは、ローレンツ力Ｆ１によって軌道が曲げられており、チャンバー内壁９との接触が回避されている。

一方、導電性メッシュ６のあとに粉体１に与えた電荷と逆の導電型の電圧を印加した加速用導電性メッシュ１０を設置することで導電性メッシュ６と加速用導電性メッシュ１０の間の電位差によって誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃを加速することができる。この加速によって式（１）のｖ１が増加するためローレンツ力Ｆ１を増加でき、より確実に誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとを分離することができる。この時、金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆは接地された導電性メッシュ６との接触により電荷を失っているため加速用導電性メッシュ１０による加速はなく、ローレンツ力も受けない。

＜分離チャンバーにおける各粒子の分離について＞
次に、上記粉体の分離分級方法の（Ｃ）の分離分級ステップについて説明する。
図２は、図１ＡのＡ−Ａ’方向から見た分離チャンバー１１の断面図である。なお、図２では、図１Ａに基づいて、紙面から垂直方向に出る方向を＋Ｘ方向とし、Ａ−Ａ’方向を−Ｙ方向としている。
粉体１は、分離チャンバー１１に入り、第二の直流磁場発生ユニット１２による直流磁場Ｂ２、交流磁場発生ユニット１３による交流磁場Ｂ３、交流電場発生ユニット１４による交流電場Ｅを受ける。なお、第二の直流磁場発生ユニット１２、交流磁場発生ユニット１３、交流電場発生ユニット１４および交流磁場発生ユニット１３や交流電場発生ユニット１４などの動作を制御している制御ユニット１５の配置は、図１ＡのＡ−Ａ’方向から見た断面を示す図２のとおりである。

＜誘電体粒子に作用するローレンツ力Ｆ２について＞
図１Ｂは、図１Ａにおける誘電体粒子に作用するローレンツ力Ｆ２の方向を示す概略図である。電荷をもつ誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃは、直流磁場Ｂ２（−Ｚ方向）の作用によりローレンツ力Ｆ２を受け、この時の進行方向（Ｘ方向）に対して垂直方向（Ｙ方向）に軌道が曲げられる。また、交流磁場Ｂ３によるローレンツ力も生じるが、交流磁場Ｂ３の一定の周波数でこのローレンツ力の方向が逆転するため軌道を変化させる効果は得られない。更に、交流電場Ｅによって電荷をもつ誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃはクーロン力を受けるが、交流磁場Ｂ３によるローレンツ力と同様に交流電場Ｅの一定の周波数でクーロン力が逆転するため軌道を変化させる効果は得られない。

＜金属粒子に作用するローレンツ力Ｆ３について＞
一方、金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆでは交流磁場Ｂ３によるローレンツ力Ｆ３によって軌道が変化する。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃを使ってこのローレンツ力Ｆ３について説明する。図３Ａは、金属粒子内の原子内の陽子と自由電子との模式図である。図３Ｂは、金属粒子の進行方向（Ｘ方向及び−Ｘ方向）に平行に交流磁場Ｂ３を印加すると共に、上記進行方向（Ｘ方向）に垂直（−Ｚ方向及びＺ方向）に交流磁場Ｂ３と同期して交流電場Ｅを印加する場合に金属粒子に働くローレンツ力Ｆ３を示す図である。図３Ｃは、図３Ｂと交流磁場Ｂ３及び交流電場Ｅの極性が反対の場合に金属粒子に働くローレンツ力Ｆ３を示す図である。なお、図３Ｂでは、交流磁場Ｂ３の方向を＋Ｘ方向、交流電場Ｅの方向を−Ｚ方向としている。図３Ｃでは、交流磁場Ｂ３の方向を−Ｘ方向、交流電場Ｅの方向を＋Ｚ方向としている。

まず、図３Ａに示すように金属内は陽子と自由電子がペアで存在するが、その場を動けない陽子とは違い、自由電子は金属内を自由に動くことができる。
このため、図３Ｂのように交流電場Ｅが−Ｚ方向に印加されると、自由電子が金属内を＋Ｚ方向に動く。つまり、金属内に−Ｚ方向に電流ｉが流れることになる。この時、周波数を交流電場Ｅと同期している交流磁場Ｂ３が−Ｘ方向に印加されていた場合、−Ｙ方向にローレンツ力Ｆ３が発生する。
次に、図３Ｃのように交流電場Ｅの方向が逆転し＋Ｚ方向に印加されると、電流も＋Ｚ方向に流れる。この時、交流電場Ｅと周波数が同期しているので交流磁場Ｂ３も逆転しており印加される方向は＋Ｘ方向となる。このため、この時生じるローレンツ力Ｆ３の方向は図３Ｂの時と同じ−Ｙ方向となる。このように交流電場Ｅ、交流磁場Ｂ３の方向がどの方向であっても交流電場Ｅと交流磁場Ｂ３とが同期しているので、金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆには一定の方向にローレンツ力Ｆ３が生じることとなり、この時の金属粒子の進行方向（Ｘ方向）に対して垂直方向（−Ｙ方向）に軌道が曲げられる。

なお、交流電場Ｅと交流磁場Ｂ３とが同期していることに加えて、それぞれの電場及び磁場の方向の関係が図３Ｂ及び図３Ｃのように変化するように設定することによって、金属粒子に働くローレンツ力Ｆ３を−Ｙ方向とすることができる。具体的には、図３Ｂに示すように、交流磁場Ｂ３の方向が粉体の進行方向（＋Ｘ方向）となる場合に、交流電場Ｅの方向が−Ｚ方向となるように交流磁場Ｂ３の方向と交流電場Ｅの方向とを設定すればよい。あるいは、図３Ｃに示すように、交流磁場Ｂ３の方向が粉体の進行方向と逆方向（−Ｘ方向）となる場合に、交流電場Ｅの方向が＋Ｚ方向となるように交流磁場Ｂ３の方向と交流電場Ｅの方向とを設定すればよい。図３Ｂと図３Ｃとはいずれも同期した交流磁場Ｂ３と交流電場Ｅの一周期の異なる時間での状態を示すものであるので、いずれかの図で示される関係でそれぞれの磁場及び電場の方向を設定すればよい。

なお、ローレンツ力Ｆ３について
Ｆ３＝ｉ×Ｂ３ （２）
の関係が成り立つ。このため分離性を高めるためには交流磁場Ｂ３および電流ｉを大きくすることが必要となる。特に電流ｉは金属粒子内で往復運動する自由電子の数とその速度の積であり自由電子の数は限られているため、往復運動の速度を増加することで実現できる。別途実験した結果、交流電源の周波数が１０００Ｈｚを下回ると金属粒子に十分なローレンツ力が与えられないことがわかっている。また、交流電源の周波数が１０ＧＨｚを超えると粉体の急激な加熱が生じる。このことから交流電源の周波数は１０００Ｈｚ以上１０ＧＨｚ以下とするのが望ましい。

このような作用により、帯電している誘電体粒子と金属粒子とに別々の方向のローレンツ力を作用させることが可能となり、誘電体粒子と金属粒子とを分離することができる。
なお、＋ｑの電荷をもつ誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃは、粉体の進行方向（Ｘ方向）および第二の直流磁場の方向（−Ｚ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）に曲げられる。一方、金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆは、粉体の進行方向（Ｘ方向）および交流電場Ｅの方向（−Ｚ方向）の両方に垂直な方向（−Ｙ方向）に曲げられる。このため、第二の直流磁場の方向（−Ｚ方向）と交流電場（−Ｚ方向から＋Ｚ方向）の方向との関係に対応して、誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとの曲げられる方向の違いが現れる。この場合、交流電場Ｅの方向は−Ｚ方向から＋Ｚ方向まで変化する。そこで、交流電場Ｅと同期している交流磁場Ｂ３の方向が粉体の進行方向（＋Ｘ方向）と一致した場合の交流電場Ｅの方向（−Ｚ方向）について、第二の直流磁場の方向（−Ｚ方向）との関係を対比すれば、両者は同一方向（−Ｚ方向）である。なお、図１Ａでは交流磁場Ｂ３の方向が粉体の進行方向とは逆方向（−Ｘ方向）であるので、交流電場Ｅの方向も＋Ｚ方向となっている。
そこで、交流磁場Ｂ３の方向が粉体の進行方向（＋Ｘ方向）と一致した場合の交流電場Ｅの方向（−Ｚ方向）について、第二の直流磁場の方向とのなす角が０度以上９０度以下であればよい。これによって、誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとの曲げられる方向が互いに異なる方向となる。つまり、誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとの曲げられる方向の違いが９０度以上１８０度以下となり、分離後のそれぞれの粉（粒子）の軌跡の広がりを考慮しても再度混入することは無い。そこで、高精度に誘電体粉と金属粉とが分離された状態が保たれる。

なお、交流電場Ｅと同期している交流磁場Ｂ３の方向が粉体の進行方向（＋Ｘ方向）と一致した場合の交流電場Ｅの方向（−Ｚ方向）について、第二の直流磁場の方向とのなす角が０度以上９０度以下に限られない。誘電体捕獲部及び金属捕獲部をそれぞれ近接して設けてもよい場合には、上記角度範囲は、例えば、０度以上１７０度以下、好ましくは、０度以上１５０度以下の範囲であってもよい。

このようにしてローレンツ力Ｆ２を受けた誘電体粒子１ａ、１ｂ、１ｃと、ローレンツ力Ｆ３を受けた金属粒子１ｄ、１ｅ、１ｆとは、その質量に応じた慣性力を持っているため、質量が大きいほどローレンツ力による軌道の変化が小さい。分離チャンバー１１の側壁に設けられた捕獲部１６は、誘電体粒子捕獲用に誘電体捕獲部１６ａ、１６ｂ、１６ｃが、金属粒子捕獲用に金属捕獲部１６ｄ、１６ｅ、１６ｆがそれぞれの粒子の軌道が曲げられる方向の側壁に分離チャンバー１１の入り口から出口に向けて並ぶように設けられている。このため、その質量に応じて誘電体粒子１ａは誘電体捕獲部１６ａ、誘電体粒子１ｂは誘電体捕獲部１６ｂ、誘電体粒子１ｃは誘電体捕獲部１６ｃへ、金属粒子１ｄは金属捕獲部１６ｄ、金属粒子１ｅは金属捕獲部１６ｅ、金属粒子１ｆは金属捕獲部１６ｆへそれぞれ流入し捕獲されることとなる。粉体１の搬送に用いられたドライエアは排出口１７から排出される。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係る粉体の分離分級方法および粉体の分離分級装置では、誘電体粒子と金属粒子とが混ざった状態でもそれぞれに異なる方向にローレンツ力を作用させることで、誘電体粒子と金属粒子との分離と、各粒子の質量ごと、つまり粒径ごとの分級と、を同時に行うことができる。これにより高精度に分離された機能性粉体を提供することが出来る。

１ 粉体
１ａ、１ｂ、１ｃ 誘電体粒子
１ｄ、１ｅ、１ｆ 金属粒子
２ ホッパーユニット
３ 帯電チャンバー
４ エアブローユニット
５ イオン源ユニット
６ 導電性メッシュ
７ 第一の直流磁場発生ユニット
８ 振動ユニット
９ チャンバー内壁
１０ 加速用導電性メッシュ
１１ 分離チャンバー
１２ 第二の直流磁場発生ユニット
１３ 交流磁場発生ユニット
１４ 交流電場発生ユニット
１５ 制御ユニット
１６ 捕獲部
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 誘電体捕獲部
１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ 金属捕獲部
１７ 排出口

Claims (12)

1. 誘電体粒子と金属粒子とを含む粉体を気体とともに搬送させるステップと、
   前記粉体の進行方向に垂直に第一の直流磁場を印加した空間で前記粉体を帯電させると共に、帯電させた前記粉体を接地された導電性部材に接触・通過させる帯電ステップと、
   前記粉体の進行方向に垂直に第二の直流磁場を印加すると共に、前記粉体の進行方向に平行に交流磁場を印加し、かつ前記粉体の進行方向および前記交流磁場に垂直に前記交流磁場と同期している交流電場を印加した空間に前記粉体を通過させる分離分級ステップと、
   を含む、粉体の分離分級方法。
2. 前記交流磁場の方向が粉体の進行方向と一致した場合の前記交流電場の方向について、前記第二の直流磁場の方向とのなす角が０度以上９０度以下である、請求項１に記載の粉体の分離分級方法。
3. 前記分離分級ステップにより、前記誘電体粒子と、前記金属粒子と、をそれぞれ異なる方向へ誘導すると共に、前記誘電体粒子及び前記金属粒子のそれぞれについて、前記各粒子の質量ごとに分級する、請求項１又は２に記載の粉体の分離分級方法。
4. 前記接地された導電性部材がメッシュ状部材である、請求項１から３のいずれか一項に記載の粉体の分離分級方法。
5. 前記接地された導電性部材が前記粉体の進行方向に対して垂直方向成分を持つ方向に振動している、請求項１から４のいずれか一項に記載の粉体の分離分級方法。
6. 前記接地された導電性部材が前記粉体の進行方向上に複数体存在する、請求項１から５の何れか一項に記載の粉体の分離分級方法。
7. 前記接地された導電性部材に前記帯電した粉体と同じ導電型の電圧を印加している、請求項１から６の何れか一項に記載の粉体の分離分級方法。
8. 前記帯電ステップで前記帯電した粉体を前記接地された導電性部材に接触・通過させたあと、前記分離分級ステップで前記粉体の進行方向に垂直に第二の直流磁場に至るまでの間に
   前記帯電した粉体と反対の導電型の電圧を作用させ、前記帯電した粉体の移動速度を加速させる加速ステップを含む、請求項１から７の何れか一項に記載の粉体の分離分級方法。
9. 粉体を分離分級する分離分級装置において、
   粉体を気体で搬送する搬送路であって、前記粉体を帯電させる帯電チャンバーと、帯電した前記粉体を分離分級する分離チャンバーと、を有する、搬送路と、、
   前記帯電チャンバーで前記粉体を帯電させる帯電部と、
   前記帯電チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な直流磁場を発生させる第一の直流磁場発生ユニットと、
   前記帯電チャンバー内に配置され、前記帯電した前記粉体の帯電量を制御する接地された導電性部材と、
   前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な第二の直流磁場を発生させる第二の直流磁場発生ユニットと、
   前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な交流磁場を発生させる交流磁場発生ユニットと、
   前記分離チャンバー内に前記粉体の進行方向に垂直な交流電場を前記交流磁場と同期させて発生させる交流電場発生ユニットと、
   前記分離チャンバーより下流側で、前記粉体に含まれる誘電体粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された誘電体粒子を分離して捕集するための誘電体粉捕集ユニットと、
   前記分離チャンバーより下流側で、前記粉体に含まれる金属粒子について、各粒子の質量の違いによって異なる方向に誘導された金属粒子を分離して捕集するための金属粉捕集ユニットと、
   前記帯電部と、前記第一の直流磁場発生ユニットと、前記第二の直流磁場発生ユニットと、前記交流磁場発生ユニットと、前記交流電場発生ユニットと、前記誘電体粉捕集ユニットと、前記金属粉捕集ユニットと、の動作を制御するための制御ユニットと、
   を備えた、粉体の分離分級装置。
10. 前記交流磁場の方向が粉体の進行方向と一致した場合の前記交流電場の方向について、前記第二の直流磁場の方向とのなす角が０度以上９０度以下である、請求項９に記載の粉体の分離分級装置。
11. 前記交流磁場と前記交流電場とを同じ周波数で発生させるための交流電源ユニットをさらに備えた、請求項９又は１０に記載の粉体の分離分級装置。
12. 前記帯電部は、前記粉体を帯電させるための荷電粒子を供給するイオン源ユニットである、請求項９から１１のいずれか一項に記載の粉体の分離分級装置。

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