JP2020139221A - 粒子被覆方法および粒子被覆装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚のバラつきを抑えた被膜を粒子の表面に形成可能な粒子被覆方法および粒子被覆装置を提供すること。【解決手段】容器内に粒子を入れる工程と、前記容器内において鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する第１音波を発生させ、音響放射圧により前記粒子を浮揚させた状態で、気相成膜法により、前記粒子の表面に被膜を形成する工程と、を有することを特徴とする粒子被覆方法。また、前記第１音波は、定在波であることが好ましい。さらに、前記被膜を形成する工程は、前記粒子を浮揚させた状態で前記被膜を形成する工程と、前記粒子を浮揚させない状態で前記被膜を形成する工程と、を交互に繰り返すことが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子被覆方法および粒子被覆装置に関するものである。

インダクター等に用いられる磁性粉末では、粒子表面に絶縁処理を施し、粒子間に流れる渦電流を抑制する必要がある。このため、各種成膜法を用いて、磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜を形成する方法が検討されている。

例えば、特許文献１には、粒子に被覆材料をスパッタすることにより、粒子表面に薄膜をコーティングする方法として、有底円筒形状の粒子容器に粒子を収容し、粒子容器を円筒の軸を回転軸とし、かつ、回転軸を水平方向に対して所定角度傾斜させつつ回転させながら、被覆材料をスパッタする方法が開示されている。

特開２００７−２０４７８４号公報

一方、特許文献１に記載の方法では、薄膜をコーティングする際に、粒子同士が接触していたり、粒子と容器の内壁とが接触していたりする確率が高い。このような場合、接触点には薄膜がコーティングされないため、薄膜の被覆性が低下するという問題がある。

本発明の適用例に係る粒子被覆方法は、容器内に粒子を入れる工程と、
前記容器内において鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する第１音波を発生させ、音響放射圧により前記粒子を浮揚させた状態で、気相成膜法により、前記粒子の表面に被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする。

第１実施形態に係る粒子被覆装置を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１の粒子被覆装置により製造される被膜付き粒子を示す断面図である。 第２実施形態に係る粒子被覆装置を示す断面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 図５の変形例を示す図である。 実施形態に係る粒子被覆方法を示す工程図である。 図７に示す粒子被覆方法を説明するための図である。 図７に示す粒子被覆方法を説明するための図である。

以下、本発明の粒子被覆方法および粒子被覆装置の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

［粒子被覆装置］
≪第１実施形態≫
まず、第１実施形態に係る粒子被覆装置について説明する。

図１は、第１実施形態に係る粒子被覆装置１を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１の粒子被覆装置により製造される被膜付き粒子を示す断面図である。なお、本願の各図では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。そして、＋Ｚ側が鉛直上方であり、−Ｚ側が鉛直下方である。

図１に示す粒子被覆装置１は、粒子９１を収容するチャンバー２２（容器）を備え、気相成膜法により、粒子９１の表面に被膜９２を形成する成膜装置２と、音響放射圧により粒子９１を浮揚させる第１音波発生部３１と、第１音波発生部３１の作動を制御する制御部４と、を有している。また、成膜装置２は、前述したチャンバー２２の他、チャンバー２２内に粒子９１を供給する粒子供給部２３と、チャンバー２２内を排気する排気部２４と、チャンバー２２内にガスを導入するガス導入部２６と、加熱部２８と、を備えている。

以下、粒子被覆装置１の各部について説明する。なお、上述した気相成膜法としては、例えば、原子層堆積法（ALD : Atomic Layer Deposition）、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）等が挙げられるが、以下の説明では、一例として、原子層堆積法による成膜が可能な装置の例について説明する。

かかる粒子被覆装置１では、図１に示すように、第１音波発生部３１により第１音波ＳＷ１を発生させると、粒子９１が音響放射圧を受ける。この音響放射圧は、＋Ｚ側を向く成分を有している。これにより、粒子９１は、自重で落下することなく、チャンバー２２内において浮揚する。そして、浮揚させた状態で粒子９１の表面に図３に示す被膜９２を形成することができる。この際、粒子９１のほぼ全方向からの成膜が可能になる。このため、被覆性が高い被膜９２、すなわち膜厚のバラつきが少ない被膜９２を備えた被膜付き粒子９３を安定して製造することができる。

また、粒子９１を浮揚させた際には、粒子９１が一点に留まることなく揺動する。このため、例えば大きな粒子の陰に小さな粒子が隠れた状態が継続される確率は低くなる。また、各粒子９１は自在に回転、つまり自転することができるので、原料の堆積方向が一定である方法で被膜９２が成膜される場合でも、粒子９１に形成される被膜９２の膜厚のバラつきを小さく抑えることができる。

以下、粒子被覆装置１の各部について詳述する。
（成膜装置）
前述したように、図１に示す成膜装置２は、チャンバー２２と、粒子供給部２３と、排気部２４と、ガス導入部２６と、加熱部２８と、を備えている。このような成膜装置２では、粒子供給部２３によってチャンバー２２内に粒子９１を供給し、排気部２４によってチャンバー２２内を排気した後、ガス導入部２６によりガスを導入する。そして、加熱部２８によって粒子９１を加熱することにより、チャンバー２２内に導入された原料ガスが熱分解すると、粒子９１の表面に分解物が吸着し、最終的に被膜９２が形成される。

チャンバー２２は、図１に示すように、Ｚ軸方向、すなわち鉛直方向に平行な軸を有する筒状をなしている。また、チャンバー２２をＸＹ平面で切断したときの断面の外形形状は、図２に示すように略四角形をなしている。

チャンバー２２の構成材料としては、例えば、石英ガラスのようなガラス材料、アルミナのようなセラミックス材料、ステンレス鋼のような金属材料等が挙げられる。

このようなチャンバー２２は、支持台２９上に載置されている。なお、図示しないが、チャンバー２２の側壁には、製造した被膜付き粒子９３を回収するためのアクセスドアが設けられている。このアクセスドアを介してチャンバー２２内で製造された被膜付き粒子９３を回収することができる。

チャンバー２２の上端には、粒子供給部２３が接続されている。
粒子供給部２３は、粒子９１を貯留する粒子貯留部２３２と、粒子貯留部２３２の下端とチャンバー２２の上端とを接続するフランジ２３４と、フランジ２３４に設けられた貫通孔を開閉するバルブ２３６と、を備えている。バルブ２３６を開くと、粒子貯留部２３２に貯留されている粒子９１がその自重でチャンバー２２内に落下するようになっている。なお、粒子供給部２３は、必要に応じて設けられればよく、粒子９１をチャンバー２２内に投入可能なその他の手段で代替可能である。

排気部２４は、チャンバー２２の上部に取り付けられたバルブ２４２と、排気ポンプ２４４と、バルブ２４２と排気ポンプ２４４とを接続する配管２４６と、を備えている。排気部２４によってチャンバー２２内を排気することにより、チャンバー２２内を減圧させ、いわゆる真空状態にすることができる。また、バルブ２４２は、閉じられることにより、排気を一時的に停止することができる。

ガス導入部２６は、チャンバー２２の上部に気密接続されている支持部材２６２と、支持部材２６２の内部に設けられたノズル２６３、２６４と、原料ガスを貯留する原料ガス貯留部２６５と、酸化剤を貯留する酸化剤貯留部２６６と、原料ガス貯留部２６５とノズル２６３とを接続する配管２６７と、酸化剤貯留部２６６とノズル２６４とを接続する配管２６８と、を備えている。このようなガス導入部２６により、被膜９２の形成に必要な原料ガス、酸化剤等がチャンバー２２内に供給される。

支持部材２６２は、ノズル２６３、２６４を支持するとともに、チャンバー２２と気密接続されている。これにより、支持部材２６２の内部とチャンバー２２とで閉空間が形成されている。

ノズル２６３は、支持部材２６２の内部に設けられ、配管２６７を介して送られてくる原料ガスをチャンバー２２内に噴霧する。また、ノズル２６４も、支持部材２６２の内部に設けられ、配管２６８を介して送られてくる酸化剤をチャンバー２２内に噴霧する。これにより、チャンバー２２内に原料ガスおよび酸化剤をそれぞれ均一に供給することができ、チャンバー２２内に収容される粒子９１の表面に所定の膜厚の被膜９２を形成することが可能になる。

なお、配管２６７、２６８の途中には、それぞれ原料ガスや酸化剤の流量を調整するバルブが設けられ、チャンバー２２内における原料ガスおよび酸化剤の各分圧を制御することができる。また、原料ガスおよび酸化剤は、必要に応じて、窒素ガスやアルゴンガスのような不活性ガスを主成分とするキャリアガスとともに供給される。

なお、ガス導入部２６は、不活性ガスを導入可能な不活性ガス導入ラインをさらに有していてもよい。これにより、チャンバー２２内を不活性ガスで充填することが可能になる。

加熱部２８は、チャンバー２２の外部に設けられている。本実施形態に係る加熱部２８は、チャンバー２２の内面に収容されている粒子９１を、チャンバー２２の外部から加熱して昇温させる。また、本実施形態では、図２に示すように、チャンバー２２を取り囲むように加熱部２８が設けられている。これにより、チャンバー２２内に収容されている粒子９１をムラなく加熱することができる。その結果、加熱温度の均一化を図り、形成される被膜９２の膜厚の均一化を図ることができる。

このような加熱部２８としては、チャンバー２２の内部に収容された粒子９１を加熱可能な部材であれば、加熱原理や配置は特に限定されるものではないが、例えば、ヒーター配線を内蔵したヒーターブロック、フィルムヒーター、シートヒーター、シーズヒーター、ＩＨ（Induction Heating）ヒーター、赤外線を放射する赤外線放射ヒーター等が挙げられる。このうち、チャンバー２２が赤外線透過性を有している場合、赤外線放射ヒーターが好ましく用いられる。赤外線放射ヒーターによれば、チャンバー２２内に収容された粒子９１を比較的短時間に効率よく加熱することができる。また、粒子９１が金属を含む場合には、ＩＨヒーターも好ましく用いられる。ＩＨヒーターでは、粒子９１を選択的にかつ均一に加熱することができるので、加熱温度にムラが生じにくい。

以上のような成膜装置２では、前述したように、原子層堆積法により被膜９２を形成する。原子層堆積法は、例えば原料ガスと酸化剤という２種類またはそれ以上の種類のガスを交互に導入、排気を繰り返すことにより、被成膜面に吸着させた原料分子を反応させて膜化する方法である。この方法では、形成する被膜９２の膜厚を高精度に制御することができる。このため、特に薄い被膜９２を形成することができる。したがって、例えば粒子９１が軟磁性を有している場合、その表面を被覆する被膜９２の膜厚を薄くすることができれば、粒子９１同士の絶縁性を良好に維持しながら粒子９１の充填密度が高い圧粉磁心を製造可能な被膜付き粒子９３を実現することができる。これにより、特に磁束密度や透磁率等の磁気特性が高い圧粉磁心を実現することができる。

また、細かな隙間にも原料ガスや酸化剤が回り込んで成膜されるため、成膜されない部分、すなわちピンホールが発生しにくく、均一な膜厚の被膜９２を形成することができる。このため、均一で薄い膜厚の被膜９２で粒子９１の表面が被覆されてなる被膜付き粒子９３を得ることができる。このような被膜付き粒子９３は、粒子間の絶縁性が良好な圧粉磁心の実現に寄与する。

（音波発生部）
粒子被覆装置１は、チャンバー２２の下端に設けられた第１音波発生部３１を有している。第１音波発生部３１は、チャンバー２２内に第１音波ＳＷ１を発生させる。第１音波ＳＷ１は、鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する疎密波である。本実施形態では、この第１方向が鉛直上方と平行になっている。つまり、本実施形態では、第１音波発生部３１がチャンバー２２の下端に設けられ、そこから鉛直上方に向かって第１音波ＳＷ１を発生させるように構成されている。なお、この第１方向は、鉛直上方の成分を持つ方向であれば特に限定されないが、鉛直上方とのなす角度が３０°以下の方向であるのが好ましく、１０°以下の方向であるのがより好ましい。

第１音波発生部３１により第１音波ＳＷ１を発生させると、チャンバー２２内に収容されている粒子９１が鉛直上方の成分を持つ音響放射圧を受ける。そして、音響放射圧による浮力がその粒子９１の重力と釣り合うと、粒子９１が浮揚する。第１音波ＳＷ１は、必ずしも定在波である必要はないが、好ましくは定在波とされる。定在波は、チャンバー２２内において進行波と反射波とが同一の位相で重なる波のことである。第１音波ＳＷ１が定在波であることにより、決まった位置に疎密の分布、いわゆる腹と節が生じる。そして、主に節の部分に、粒子９１を集めて安定的に浮揚させることができる。

図１の例では、チャンバー２２内において、Ｚ軸方向に並ぶ２つの節２２０ｎが形成されている。そして、この２つの節２２０ｎに粒子９１が集まった状態で浮揚している。なお、図１やそれ以降の各図では、節２２０ｎの近傍に粒子９１が集まっている様子を図示しているが、音波ＳＷ１の波形と粒子９１との位置関係はイメージであり、縮尺の関係上、実際の位置関係とは異なる場合がある。例えば、以降の図では、図示の都合から、音波の「腹」の近傍に粒子９１が集まっているように図示されている場合もあるが、原則的には、粒子９１は、音波の「節」の近傍に集まる。

前述したように、チャンバー２２内で粒子９１を浮揚させると、原子層堆積法のような気相成膜法により粒子９１の表面に被膜９２を形成する際、粒子９１のほぼ全方向からの成膜が可能になる。すなわち、浮揚中の粒子９１では、粒子９１同士が接したり、粒子９１とチャンバー２２とが接したりする確率が非常に低い。このため、チャンバー２２内に収容されている各粒子９１は、互いに分散した状態が維持され、ほぼ全方向からの原料の堆積が可能になる。その結果、成膜されない部分が少ない被膜９２、すなわち被覆性の高い被膜９２が得られる。

また、浮揚中の粒子９１は、真球ではないことが多いため、回転、つまり自転する確率が高い。このため、気相成膜法の中でも、原料の堆積方向が限定される方法、例えばスパッタリング法や真空蒸着法のような方法を採用した場合でも、粒子９１の表面全体に均一な膜厚の被膜９２を形成しやすいという利点がある。

なお、定在波の発生条件としては、チャンバー２２の内部の全長、第１音波ＳＷ１の周波数等が挙げられる。これらの条件を適宜設定することにより、進行波と反射波とを重ねるようにすればよい。

第１音波発生部３１は、例えば、圧電振動子、磁歪振動子のような超音波振動子が挙げられる。また、複数の超音波振動子を組み合わせて第１音波発生部３１を構成するようにしてもよい。さらに、複数の超音波振動子を一次元的または二次元的に配列し、各超音波振動子の駆動信号の位相を変えられるように構成されている超音波フェーズドアレイであってもよい。超音波フェーズドアレイでは、超音波振動子同士で位相をずらすことにより、浮揚している粒子９１を、超音波振動子の配列方向に変位させることができる。これを利用して、浮揚している粒子９１を水平方向に変位させ、粒子９１同士の距離をより長くすることもできる。これにより、粒子９１の表面に被膜９２が成膜されやすくなり、被覆性を高めたり、被膜９２の膜厚を厚くしたりすることができる。

また、第１音波発生部３１の音波発生面は、平面であってもよいし、任意の曲率の曲面になっていてもよい。曲面を採用することにより、第１音波ＳＷ１の進行方向と交差する方向においても音圧の分布を生じさせることができる。このため、節２２０ｎの近傍に粒子９１をさらに集めやすくなる。

さらに、第１音波発生部３１は、チャンバー２２に対して移動可能になっていてもよい。例えば水平方向に移動可能であれば、それに応じてチャンバー２２内の第１音波ＳＷ１も水平方向に移動させることができる。このため、浮揚している粒子９１を水平方向に揺動させ、粒子９１同士の分散状態をより高めることができる。

なお、本実施形態に係る粒子被覆装置１では、チャンバー２２の上端を塞いでいるフランジ２３４が、鉛直上方に向かって進行する第１音波ＳＷ１を反射させる反射板の機能を有している。第１音波ＳＷ１が定在波であるときには、フランジ２３４で反射した反射波が進行波と重なることで、定在波が形成される。

また、フランジ２３４とは別に反射板を設けるようにしてもよい。反射板は、平面の反射面を有するものであってもよいし、湾曲した反射面を有するものであってもよい。

さらに、フランジ２３４の下面に、第１音波発生部３１とは別の音波発生部を設けるようにしてもよい。つまり、第１音波発生部３１および別の音波発生部の双方が音波を発生させるようになっていてもよい。この場合でも、別の音波発生部において、第１音波発生部３１が発生させる第１音波ＳＷ１に合わせた音波を発生させることにより、前述したような定在波を作り出すことができる。

第１音波ＳＷ１の周波数は、他の条件に応じて適宜設定され、特に限定されないが、２０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であるのが好ましく、３０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であるのがより好ましい。

（制御部）
粒子被覆装置１は、第１音波発生部３１の作動を制御する制御部４を有している。制御部４は、例えばＩＣ（Integrated Circuit）、メモリー等を含む回路で構成される。図１では、制御部４が支持台２９の内部に設けられている。なお、制御部４の配置は、これに限定されず、粒子被覆装置１の外部であってもよいし、ネットワーク回線を介した遠隔地であってもよい。

制御部４による第１音波発生部３１の制御パターンとしては、例えば、成膜装置２により粒子９１の表面に被膜９２を形成している間、第１音波ＳＷ１を継続して発生させ、粒子９１を浮揚させ続ける制御パターンの他、成膜装置２により粒子９１の表面に被膜９２を形成している際に、粒子９１を浮揚させる浮揚期間と、粒子９１を浮揚させない非浮揚期間と、を交互に繰り返す制御パターンが挙げられる。このうち、後者の制御パターンが好ましく用いられる。この制御パターンによれば、浮揚期間では、粒子９１を浮揚させた状態で成膜が行われ、非浮揚期間では、粒子９１がチャンバー２２の底に落下している状態で成膜が行われる。そして、これらの期間が繰り返されることになるが、期間の切り替えの際、粒子９１には大きな衝撃が加わることになる。このため、仮に粒子９１同士が凝集していたとしても、衝撃の付与に伴って互いに分離させることができる。その結果、良好な分散状態を維持することができ、被膜９２の被覆性を特に高めることができる。

以上のように、本実施形態に係る粒子被覆装置１は、粒子９１を収容する容器であるチャンバー２２を備え、気相成膜法により、チャンバー２２内に収容されている粒子９１の表面に被膜９２を形成する成膜装置２と、チャンバー２２内において鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する第１音波ＳＷ１を発生させ、音響放射圧により粒子９１を浮揚させる第１音波発生部３１と、を有している。

このような粒子被覆装置１によれば、粒子９１に対してほぼ全方向からの原料の堆積が可能になるため、粒子９１の表面に被覆性の高い被膜９２を形成することができる。

この他、粒子被覆装置１は、図示しないが、粒子９１に前処理を施す前処理部、粒子９１に後処理を施す後処理部等を有していてもよい。前処理部としては、例えば後述する前処理を行い得る装置が挙げられる。このうち、加熱部２８は、粒子９１を加熱する前処理にも用いることができる。同様に、後処理部としては、例えば後述する後処理を行い得る装置が挙げられる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る粒子被覆装置について説明する。

図４は、第２実施形態に係る粒子被覆装置を示す断面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線断面図である。図６は、図５の変形例を示す図である。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図４ないし図６において、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付すとともに、一部の構成の図示を省略している。

第２実施形態は、第１音波発生部３１に加え、第２音波発生部３２および第３音波発生部３３を有している以外、第１実施形態と同様である。

図４に示す粒子被覆装置１Ａは、チャンバー２２の壁部の外側にそれぞれ設けられた第２音波発生部３２および第３音波発生部３３を有している。このうち、第２音波発生部３２は、＋Ｘ方向に進行する第２音波ＳＷ２を発生させる。また、図４および図５に示すように、チャンバー２２を介して第２音波発生部３２の反対側には、反射板３５が設けられている。第２音波ＳＷ２を反射板３５で反射させることにより、音響放射圧を高めることができる。さらに、図４に示す粒子被覆装置１Ａでは、第２音波発生部３２および反射板３５が２組設けられている。このうち、１組目は、図４に示すチャンバー２２内に発生している第１音波ＳＷ１の上方の節２２０ｎに合わせて設けられている。また、２組目は、第１音波ＳＷ１の下方の節２２０ｎに合わせて設けられている。

一方、第３音波発生部３３は、＋Ｙ方向に進行する第３音波ＳＷ３を発生させる。また、チャンバー２２を介して第３音波発生部３３の反対側には、反射板３６が設けられている。第３音波ＳＷ３を反射板３６で反射させることにより、音響放射圧を高めることができる。さらに、図示しないものの、粒子被覆装置１Ａでは、第３音波発生部３３および反射板３６が２組設けられている。このうち、１組目は、図４に示すチャンバー２２内に発生している第１音波ＳＷ１の上方の節２２０ｎに合わせて設けられている。また、２組目は、第１音波ＳＷ１の下方の節２２０ｎに合わせて設けられている。

このような第２音波発生部３２および第３音波発生部３３を設けることにより、節２２０ｎ近傍に集まって浮揚している粒子９１を、粒径ごとに分散させることができる。例えば、節２２０ｎ近傍で浮揚している粒子９１が第２音波ＳＷ２による音響放射圧を受けると、＋Ｘ側に変位する。このとき、粒子９１の粒径に応じて音響放射圧に対する抵抗が異なり、粒径が小さいほど変位量が大きくなる。例えば、図４および図５に示すように、粒子９１の中において相対的に最も小径である第１粒子９１１と、相対的に中径な第２粒子９１２と、相対的に最も大径である第３粒子９１３と、が含まれている場合、第１粒子９１１が最も＋Ｘ側に変位し、次いで、第２粒子９１２および第３粒子９１３の順に＋Ｘ側への変位量が小さくなる。

同様に、節２２０ｎ近傍に浮揚している粒子９１が第３音波ＳＷ３による音響放射圧を受けると、＋Ｙ側に変位する。例えば、図５に示すように、第１粒子９１１が最も＋Ｙ側に変位し、次いで、第２粒子９１２および第３粒子９１３の順に＋Ｙ側への変位量が小さくなる。

このようにしてチャンバー２２内に第２音波ＳＷ２および第３音波ＳＷ３を発生させることにより、粒子９１を浮揚させた状態で粒径ごとに分級することができる。このような分級を行うことにより、粒子９１における被膜９２の被覆性を高めることができる。具体的には、分級することにより、例えば相対的に大径な第３粒子９１３の陰に第１粒子９１１や第２粒子９１２が隠れた状態で隣接する確率が低くなる。このため、原料の堆積方向が一方向に限定されている成膜方法を採用した場合でも、被膜９２の被覆性を高めることができる。つまり、気相成膜法によって、原料の回り込みが期待できない方法もあるものの、そのような場合でも、陰に隠れて成膜されにくいという状況が発生しにくくなる。

第２音波ＳＷ２および第３音波ＳＷ３は、それぞれ定在波である必要はないが、好ましくは定在波とされる。また、発生させる定在波は、その節が、前述した第１音波ＳＷ１の節２２０ｎと重なるように、周波数等が設定されているのが好ましい。これにより、浮揚している粒子９１を、水平方向においてチャンバー２２の中心部に集めることができる。その結果、浮揚している粒子９１がチャンバー２２の内壁に接触するのを抑制することができる。

なお、第２音波ＳＷ２の定在波の節、および、第３音波ＳＷ３の定在波の節は、必ずしも第１音波ＳＷ１の節２２０ｎと重なっていなくてもよい。

第２音波ＳＷ２の周波数および第３音波ＳＷ３の周波数は、それぞれ他の条件に応じて適宜設定され、特に限定されないが、２０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であるのが好ましく、３０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であるのがより好ましい。

また、第２音波ＳＷ２は、水平方向の成分を持つ第２方向に進行する疎密波であればよい。第２方向は、水平面とのなす角度が３０°以下の方向であるのが好ましく、１０°以下の方向であるのがより好ましい。

なお、第３音波発生部３３が省略しても、程度の差はあるものの、上記のような効果が得られる。

以上のように、本実施形態に係る粒子被覆装置１Ａでは、容器であるチャンバー２２内においてＺ軸方向（第１方向）とは異なる方向であって水平方向の成分を持つＸ軸方向（第２方向）に進行する第２音波ＳＷ２を発生させる第２音波発生部３２をさらに有している。このような構成によれば、粒子９１を水平方向にも変位させることができる。このため、例えば粒子９１同士が凝集している場合でも、分離させることができ、浮揚している粒子９１の分散性を高めることができる。その結果、被膜９２の被覆性をより高めることができる。

また、浮揚している粒子９１を粒径ごとに異なる位置に変位させることができるので、隣り合う粒子９１同士において一方の陰に他方が隠れることに伴う被覆性の低下が抑制される。

（変形例）
ここで、第２実施形態の変形例について説明する。
図６に示すチャンバー２２は、円筒形状をなしている。また、第２音波発生部３２の音波発生面、反射板３５の反射面、第３音波発生部３３の音波発生面、および反射板３６の反射面は、それぞれチャンバー２２の外面に沿って曲率が設定されている。

このような構成によれば、第２音波ＳＷ２および第３音波ＳＷ３が、それぞれの進行方向と交差する方向においても、音圧の分布を生じさせることができる。その結果、Ｘ軸方向およびＹ軸方向以外の方向においても、前述した第１音波ＳＷ１の節２２０ｎの近傍に粒子９１をさらに集めやすくなる。その結果、粒子９１の散逸がより発生しにくくなる。
なお、チャンバー２２の形状は、特に限定されず、これ以外の形状であってもよい。

［粒子被覆方法］
次に、実施形態に係る粒子被覆方法として、図１に示す粒子被覆装置１を用いて粒子９１の表面に被膜９２を形成する方法について説明する。

図７は、実施形態に係る粒子被覆方法を示す工程図である。図８および図９は、それぞれ図７に示す粒子被覆方法を説明するための図である。なお、図８および図９では、図１に示す粒子被覆装置１のうち、一部の構成の図示を省略している。

（粒子の投入工程Ｓ０１）
まず、粒子貯留部２３２に粒子９１を投入する。このとき、粒子貯留部２３２の下端を開閉するバルブ２３６を閉じておく。

粒子９１は、いかなる粒子であってもよいが、例えば金属粒子、セラミックス粒子、ガラス粒子、樹脂粒子、炭素粒子等が挙げられる。また、磁性金属粒子、フェライト粒子のような磁性粒子であってもよい。

磁性粒子としては、硬磁性を有する粒子であってもよいが、好ましくは軟磁性を有する粒子が用いられる。軟磁性を有する粒子は、磁界の有無で磁化を制御することが可能であるため、磁界発生の有無によって、磁力による吸引と吸引解除とを切り替えることができる。この性質を利用することにより、粒子９１や被膜付き粒子９３を搬送、回収等行う際、磁力を利用して効率よく行うことができる。

軟磁性を有する粒子９１の構成材料としては、例えば、純鉄、ケイ素鋼のようなＦｅ−Ｓｉ系合金、パーマロイのようなＦｅ−Ｎｉ系合金、パーメンジュールのようなＦｅ−Ｃｏ系合金、センダストのようなＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金等の各種Ｆｅ系合金の他、各種Ｎｉ系合金、各種Ｃｏ系合金、各種アモルファス合金等が挙げられる。このうち、アモルファス合金としては、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｐ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎｂ系、Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂ系のようなＦｅ系合金、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｐ−Ｂ系のようなＮｉ系合金、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系のようなＣｏ系合金等が挙げられる。

粒子９１の平均粒径は、特に限定されないが、５０μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以上３０μｍ以下であるのがより好ましく、２μｍ以上２０μｍ以下であるのがさらに好ましい。このような比較的微小な粒子９１は、例えば粒子９１が軟磁性である場合、渦電流損失を少なく抑えられることから、圧粉磁心用の磁性粒子として有用である。

次に、バルブ２３６を開いて、粒子９１をチャンバー２２内に落下させる。そうすると、落下した粒子９１は、図９に示すようにチャンバー２２の底に溜まることとなる。

（チャンバー内の排気工程Ｓ０２）
次に、バルブ２３６を閉じた後、バルブ２４２を開け、排気ポンプ２４４によりチャンバー２２内を排気する。これにより、チャンバー２２内が減圧され、真空状態となる。この際、粒子９１がチャンバー２２の底に溜まっていることで、排気に伴う粒子９１の舞い上がりが抑制される。

（不活性ガスの置換工程Ｓ０３）
次に、バルブ２４２を閉じた後、必要に応じてチャンバー２２内に窒素ガス、アルゴンガスのような不活性ガスを導入し、置換する。これにより、後述する前処理において、粒子９１が意図しない変性を生じるのを抑制することができる。

（前処理工程Ｓ０４）
次に、チャンバー２２内の粒子９１に対し、必要に応じて前処理を施す。前処理としては、例えばオゾン処理、ラジカル処理、紫外線処理、プラズマ処理、コロナ処理、加熱処理、乾燥処理、溶剤処理等が挙げられる。

このうち、前処理は、粒子９１を乾燥させる処理、または、粒子９１の表面を酸化させる処理を含むのが好ましい。

粒子９１を乾燥させる処理では、粒子９１の表面に吸着している水分および有機物を除去する。このような水分や有機物は、後述する被膜９２の形成を阻害する原因となる。このため、前処理において水分や有機物を除去することにより、被膜９２の密着性を高めることができる。粒子９１を乾燥させる処理としては、例えば粒子９１を加熱する加熱処理、脱水したガスに曝す乾燥処理、アルコール等の水溶性の溶剤に曝す溶剤処理等が挙げられる。例えば、加熱処理の場合、加熱部２８を用いて粒子９１を加熱すればよい。このときの加熱温度は、例えば１００℃以上であるのが好ましく、１１０℃以上であるのがより好ましい。

粒子９１の表面を酸化させる処理では、粒子９１の表面の酸化膜を増強することができる。これにより、後述する被膜９２の形成において、原料ガスの吸着が促進されるため、被膜９２をより均一に形成することができる。粒子９１の表面を酸化させる処理としては、例えば、オゾン処理、ラジカル処理等が挙げられる。オゾン処理では、チャンバー２２内にオゾンガスを導入する。オゾンガスに接触した粒子９１では、表面の酸化膜が増強される。また、ラジカル処理では、例えばチャンバー２２内に過酸化水素を導入することにより、ヒドロキシラジカルを発生させ、粒子９１の表面の酸化膜が増強される。

以上のような前処理は、第１音波発生部３１を稼働させ、第１音波ＳＷ１の音響放射圧によって粒子９１を浮揚させた状態で行われるのが好ましい。すなわち、本実施形態に係る粒子被覆方法は、前述したチャンバー２２内に粒子９１を入れる工程と、後述する被膜９２を形成する工程と、の間に設けられ、粒子９１を浮揚させた状態で、粒子９１に前処理を施す工程を有するのが好ましい。これにより、粒子９１同士が離間した状態、または、粒子９１とチャンバー２２とが離間した状態で、前処理が施されることになる。その結果、粒子９１の表面に付着していた水分や有機物をより確実に除去したり、粒子９１の表面の酸化膜をムラなく増強したりすることができる。その結果、後述する被膜９２の形成において、被覆性をより高めることができる。

なお、前処理を行う際には、粒子９１の浮揚と落下とを繰り返すように第１音波発生部３１の作動が制御されてもよい。すなわち、前処理を行っている際に、第１音波ＳＷ１を発生させて粒子９１を浮揚させる浮揚期間と、第１音波ＳＷ１の発生を停止して粒子９１を浮揚させない非浮揚期間と、を繰り返すようにしてもよい。これにより、浮揚している粒子９１が撹拌されることになる。このため、粒子９１に大きな衝撃が加わることになり、仮に粒子９１同士が凝集していたとしても、衝撃の付与に伴って互いに分離させ、分散性を高めることができる。

浮揚期間の長さおよび非浮揚期間の長さは、特に限定されないが、それぞれ１分以上１５分以下であるのが好ましく、３分以上１０分以下であるのがより好ましい。

一方、図４および図５に示す粒子被覆装置１Ａを用いる場合には、例えば粒子９１を浮揚し続けた状態で、第２音波ＳＷ２および第３音波ＳＷ３の少なくとも一方を発生させる期間と、発生させない期間と、を繰り返すように、第１音波発生部３１、第２音波発生部３２および第３音波発生部３３の作動を制御するようにしてもよい。この場合、落下をさせないものの、浮揚している粒子９１を撹拌することができるので、粒子９１に対する衝撃を緩和しつつ分散性を高めることができる。特に、第２音波ＳＷ２と第３音波ＳＷ３とで位相をずらすことにより、浮揚している粒子９１を回転させることができるので、遠心力も利用して粒子９１のさらなる分散が可能になる。

その後、必要に応じて、チャンバー２２内のガスを排出する作業を行う。排出の方法としては、チャンバー２２内に不活性ガスを導入し、チャンバー２２内のガスを追い出す方法、バルブ２４２を開け、排気ポンプ２４４によりチャンバー２２内を排気した後、不活性ガスで置換する方法等が挙げられる。

（被膜の形成工程Ｓ０５）
次に、音響放射圧により粒子９１を浮揚させた状態で、気相成膜法により、粒子９１の表面に被膜９２を形成する。以下の説明では、気相成膜法として原子層堆積法を採用した場合について説明する。原子層堆積法で被膜９２を形成する工程Ｓ０５は、原料ガスの導入する工程Ｓ５１、原料ガスを撹拌する工程Ｓ５２、酸化剤を導入する工程Ｓ５３、および酸化剤を撹拌する工程Ｓ５４を有している。以下、各工程について説明する。

・原料ガスの導入工程Ｓ５１
まず、バルブ２４２を開け、排気ポンプ２４４により、チャンバー２２内を排気する。

続いて、バルブ２４２を閉じ、チャンバー２２内を封じ切った状態で、原料ガス、すなわちプリカーサーを導入する。

原料ガスとしては、例えば、被膜９２の前駆体を含むガスが挙げられる。具体的には、例えばケイ素系の被膜９２を形成する場合には、原料ガスとして、ジメチルアミン、メチルエチルアミン、ジエチルアミンのような第二級アミン、トリスジメチルアミノシラン、ビスジエチルアミノシラン、ビスターシャリブチルアミノシランのような、第二級アミンとトリハロシランとの反応物等が挙げられる。

・原料ガスの撹拌工程Ｓ５２
次に、第１音波発生部３１を稼働させ、第１音波ＳＷ１の音響放射圧によって粒子９１を浮揚させる。また、それに伴って原料ガスが撹拌される。浮揚した粒子９１は、例えば第１音波ＳＷ１が定在波である場合、図８に示すように、節２２０ｎの近傍に集まる。そして、浮揚している粒子９１の表面には、ほぼ全方向から原料ガスが吸着する。このため、原料ガスの吸着率を高めることができる。なお、原子層堆積法において用いられる原料ガスは、粒子９１の表面に吸着すると、それ以上、多層には吸着しにくい。このため、最終的に得られる被膜９２の膜厚を高精度に制御することが可能である。また、原料ガスは、陰や隙間になる部分にも回り込んで吸着するため、最終的に被膜９２を高アスペクト比でも均一に形成することができる。

また、第１音波ＳＷ１の節２２０ｎには、粒子９１だけでなく、原料ガスも集まる。つまり、節２２０ｎにおける原料ガスの濃度は、その周囲よりも高くなる。このため、粒子９１には、より高い頻度で原料ガスが吸着することになる。このため、原料ガスの吸着を短時間で完了させることができ、被膜９２の形成効率を高めるとともに、より低濃度の原料ガスで済む分、原料ガスの消費量を抑制することができる。

なお、この際も、前処理と同様、粒子９１を撹拌するように、第１音波発生部３１の作動を制御するようにしてもよい。例えば、図８に示すように粒子９１を浮揚させた状態と、図９に示すように粒子９１をチャンバー２２の底に落下させた状態と、を交互に形成するようにするのが好ましい。これにより、吸着している粒子９１同士を分離させることができるので、原料ガスの吸着率をさらに高めることができる。

このとき、チャンバー２２内の温度は、原料ガスの組成等に応じて適宜設定されるが、一例として、５０℃以上５００℃以下であるのが好ましく、１００℃以上４００℃以下であるのがより好ましい。加熱の際には、加熱部２８が用いられる。

また、チャンバー２２内の圧力は、例えば大気圧または大気圧より低い圧力に設定される。

撹拌終了後、第１音波発生部３１の作動を停止させる。
その後、必要に応じて、チャンバー２２内のガスを排出する作業を行う。

・酸化剤の導入工程Ｓ５３
次に、バルブ２４２を開け、排気ポンプ２４４により、チャンバー２２内を排気する。

続いて、バルブ２４２を閉じ、チャンバー２２内を封じ切った状態で、酸化剤を導入する。酸化剤としては、例えば、オゾン、プラズマ酸素、水蒸気等が挙げられる。

・酸化剤の撹拌工程Ｓ５４
次に、第１音波発生部３１を稼働させ、粒子９１を浮揚させる。また、それに伴って酸化剤が撹拌される。浮揚した粒子９１は、例えば第１音波ＳＷ１が定在波である場合、図８に示すように、節２２０ｎの近傍に集まる。そして、浮揚している粒子９１の表面には、ほぼ全方向から酸化剤が接触し、粒子９１の表面に吸着している原料ガスと反応する。これにより、被覆性が高い被膜９２が形成される。

なお、この際も、前処理と同様、粒子９１を撹拌するように、第１音波発生部３１の作動を制御するようにしてもよい。例えば、図８に示すように粒子９１を浮揚させた状態と、図９に示すように粒子９１をチャンバー２２の底に落下させた状態と、を交互に形成するようにするのが好ましい。これにより、吸着している粒子９１同士を分離させることができるので、酸化剤の反応率をさらに高めることができる。

また、第１音波ＳＷ１の節２２０ｎには、酸化剤も集まることになる。このため、粒子９１には、より高い頻度で酸化剤が接触することになる。このため、原料ガスと酸化剤との反応を短時間で完了させることができ、被膜９２の形成効率を高めるとともに、より低濃度の酸化剤で済む分、酸化剤の消費量を抑制することができる。

このとき、チャンバー２２内の温度は、原料ガスや酸化剤の組成等に応じて適宜設定されるが、一例として、５０℃以上５００℃以下であるのが好ましく、１００℃以上４００℃以下であるのがより好ましい。加熱の際には、例えば加熱部２８が用いられる。

また、チャンバー２２内の圧力は、例えば大気圧または大気圧より低い圧力に設定される。
撹拌終了後、第１音波発生部３１の作動を停止させる。

以上のようにして、粒子９１の表面に被膜９２を形成することができる。すなわち、本実施形態に係る粒子被覆方法は、被膜９２を形成する工程において、粒子９１を浮揚させた状態と、粒子９１を浮揚させない状態と、を交互に繰り返すように、第１音波発生部３１を制御する。これにより、例えば粒子９１同士が凝集していたとしても、互いに分離させることができる。このため、各粒子９１において原料ガスの吸着率を高めるとともに、酸化剤の反応率を高めることができる。その結果、被覆性の高い被膜９２を形成することができる。

その後、必要に応じて、工程Ｓ５１〜工程Ｓ５４を複数回繰り返すようにしてもよい。これにより、被膜９２を積み重ねることができ、被膜９２の膜厚を増やすことができる。その結果、目的とする膜厚の被膜９２を備えた被膜付き粒子９３が得られる。

なお、形成される被膜９２の例としては、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタンのような酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタルのような窒化物等が挙げられる。

被膜９２の膜厚は、特に限定されないが、一例として、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが好ましく、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのがより好ましい。このような膜厚であれば、比較的短時間で均一に形成することができる。

なお、被膜９２は、粒子９１の表面全体を覆っている必要はなく、一部のみを覆っていてもよいが、例えば粒子９１を絶縁する目的で設けられる被膜９２の場合には、全体を覆っているのが好ましい。

その後、必要に応じて、被膜付き粒子９３に対して後処理を施す。後処理としては、例えば除電処理、ラジカル処理等が挙げられる。

このうち、除電処理は、被膜付き粒子９３の帯電による電荷量を減少させる処理である。このような除電処理を施すことにより、被膜付き粒子９３の帯電に伴う凝集、付着を抑制することができる。このため、前述したようにして被膜付き粒子９３に対して再度被膜９２を形成する場合、意図しない凝集による成膜不良の発生を抑制することができる。除電処理には、例えばイオナイザーが用いられる。

また、後処理を行う際にも、前述したように、被膜付き粒子９３を浮揚させた状態で行うのが好ましい。
その後、必要に応じて、チャンバー２２内のガスを排出する作業を行う。

（被膜付き粒子の回収工程Ｓ０６）
次に、バルブ２４２を開け、排気ポンプ２４４により、チャンバー２２内を排気する。

続いて、バルブ２４２を閉じ、チャンバー２２内を封じ切った状態で、大気を導入する。そして、製造した被膜付き粒子９３をチャンバー２２から取り出して回収する。

以上のように、本実施形態に係る粒子被覆方法は、容器であるチャンバー２２内に粒子９１を入れる工程Ｓ０１と、チャンバー２２内において鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する第１音波ＳＷ１を発生させ、音響放射圧により粒子９１を浮揚させた状態で、気相成膜法により、粒子９１の表面に被膜９２を形成する工程Ｓ０５と、を有する。

このような方法によれば、粒子９１に対してほぼ全方向からの原料の堆積が可能になる。このため、粒子９１の表面に被覆性の高い被膜９２を形成することができる。

また、気相成膜法として、特に原子層堆積法を採用した場合には、被膜９２を形成する工程Ｓ０５は、前述したように、原料ガスを導入する工程Ｓ５１と、原料ガスが導入されている状態で、粒子９１を浮揚させる工程Ｓ５２と、容器であるチャンバー２２内に酸化剤を導入し、置換する工程Ｓ５３と、酸化剤が導入されている状態で、粒子９１を浮揚させ、被膜９２を形成する工程Ｓ５４と、を有している。

このような方法によれば、原子層堆積法の特徴である被膜９２の膜厚の均一性を特に高めることができる。その結果、薄くても被覆性が高い被膜９２を備えた被膜付き粒子９３を効率よく製造することができる。

さらに、図４および図５に示す粒子被覆装置１Ａを用いる場合には、被膜９２を形成する工程Ｓ０５において、Ｚ軸方向（第１方向）とは異なる方向であって水平方向の成分を持つＸ軸方向（第２方向）に進行する第２音波ＳＷ２をさらに発生させ、音響放射圧により粒子９１を変位させるようにしてもよい。これにより、浮揚している粒子９１を水平方向にも変位させることができる。このため、例えば粒子９１同士が凝集している場合でも、分離させることができ、浮揚している粒子９１の分散性を高めることができる。その結果、被膜９２の被覆性をより高めることができる。

また、浮揚している粒子９１を粒径ごとに異なる位置に変位させることができるので、隣り合う粒子９１同士において一方の陰に他方が隠れることに伴う被覆性の低下が抑制される。

以上、本発明の粒子被覆方法および粒子被覆装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば本発明の粒子被覆方法は、前記実施形態に任意の目的の工程が追加された方法であってもよい。また、本発明の粒子被覆装置では、前記実施形態の各部の構成が、同様の機能を有する任意の構成に置換されていてもよい。さらに、本発明の粒子被覆装置では、前記実施形態に他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前記実施形態では、原子層堆積法を例に説明したが、それ以外の気相成膜法によっても上記効果が得られる。

１…粒子被覆装置、１Ａ…粒子被覆装置、２…成膜装置、４…制御部、２２…チャンバー、２３…粒子供給部、２４…排気部、２６…ガス導入部、２８…加熱部、２９…支持台、３１…第１音波発生部、３２…第２音波発生部、３３…第３音波発生部、３５…反射板、３６…反射板、９１…粒子、９２…被膜、９３…被膜付き粒子、２２０ｎ…節、２３２…粒子貯留部、２３４…フランジ、２３６…バルブ、２４２…バルブ、２４４…排気ポンプ、２４６…配管、２６２…支持部材、２６３…ノズル、２６４…ノズル、２６５…原料ガス貯留部、２６６…酸化剤貯留部、２６７…配管、２６８…配管、９１１…第１粒子、９１２…第２粒子、９１３…第３粒子、ＳＷ１…第１音波、ＳＷ２…第２音波、ＳＷ３…第３音波

Claims (9)

1. 容器内に粒子を入れる工程と、
   前記容器内において鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する第１音波を発生させ、音響放射圧により前記粒子を浮揚させた状態で、気相成膜法により、前記粒子の表面に被膜を形成する工程と、
   を有することを特徴とする粒子被覆方法。
2. 前記第１音波は、定在波である請求項１に記載の粒子被覆方法。
3. 前記被膜を形成する工程において、前記粒子を浮揚させた状態と、前記粒子を浮揚させない状態と、を交互に繰り返す請求項１または２に記載の粒子被覆方法。
4. 前記粒子を入れる工程と、前記被膜を形成する工程と、の間に設けられ、前記音響放射圧により前記粒子を浮揚させた状態で、前記粒子に前処理を施す工程を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子被覆方法。
5. 前記気相成膜法は、原子層堆積法であり、
   前記被膜を形成する工程は、
   前記被膜の構成材料の前駆体を含む原料ガスを前記容器内に導入する工程と、
   前記原料ガスが導入されている状態で、前記粒子を浮揚させる工程と、
   前記容器内を酸化剤で置換する工程と、
   前記酸化剤が導入されている状態で、前記粒子を浮揚させ、前記被膜を形成する工程と、
   を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の粒子被覆方法。
6. 前記被膜を形成する工程において、前記第１方向とは異なる方向であって水平方向の成分を持つ第２方向に進行する第２音波をさらに発生させ、音響放射圧により前記粒子を変位させる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子被覆方法。
7. 粒子を収容する容器を備え、気相成膜法により、前記容器内に収容されている前記粒子の表面に被膜を形成する成膜装置と、
   前記容器内において鉛直上方の成分を持つ第１方向に進行する第１音波を発生させ、音響放射圧により前記粒子を浮揚させる第１音波発生部と、
   を有することを特徴とする粒子被覆装置。
8. 前記第１音波発生部の作動を制御する制御部をさらに有し、
   前記制御部は、前記成膜装置により前記粒子の表面に前記被膜を形成している際に、前記粒子を浮揚させる浮揚期間と、前記粒子を浮揚させない非浮揚期間と、を交互に繰り返すように前記第１音波発生部の作動を制御する請求項７に記載の粒子被覆装置。
9. 前記容器内において前記第１方向とは異なる方向であって水平方向の成分を持つ第２方向に進行する第２音波を発生させる第２音波発生部をさらに有する請求項７または８に記載の粒子被覆装置。

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