JP4115145B2 - エアロゾル発生装置及びそれを備えた複合構造物作製装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置が、エアロゾルディポジション法による脆性材料微粒子の常温製膜技術等に利用されている（例えば、特開２００１−１８１８５９）。
このエアロゾルディポジション法では、基本的に１次粒子が０．１〜５μｍ程度の脆性材料微粒子をガス中に分散させて得たエアロゾルを基板に亜音速程度の高速で吹き付けて製膜体を得る。ここにおいて、均質な製膜を行うには、エアロゾル中の脆性材料微粒子ができるだけ凝集していない状態で基板に吹き付けられるようにする必要がある。そのために、上記エアロゾル発生装置として、例えば、ガス導入口とエアロゾル導出口を備えた脆性材料微粒子の粉体を収容する容器を揺動させる構成としたエアロゾル発生装置が提案されている（特開２００１−３４８６５８）。
【０００３】
しかしながら、上記エアロゾル発生装置では以下に示す問題点があった。
▲１▼ 量産化のためには、長時間エアロゾルを発生させる必要があり、そのために粉体の投入量を増加させたいが、上記装置では容器自体を揺動させる構成であるため、容器の容量を大きくすると揺動させるために必要な動力が大きくなる。
▲２▼ 長時間揺動させると、粉体の凝集固着も著しくなってくる。そのために、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させるのが困難になる。
【０００４】
一方、プラズマ中に粉末をキャリヤガスとともに供給し、予め配置されている試料に粉末を蒸着するシステムにおける粉末供給装置としては、安定に一定の粉末を供給するための提案が、特開平５−２３９６２７に開示されている。その装置構成は図４に示す通りであり、中心から所定の位置の円周上に突起した溝４６が形成された回転可能な粉末供給盤４５と、粉末供給盤４５の上に載置され、粉末を粉末供給盤４５に形成された溝４６に落とし込むための気密性の粉末容器を備えている。粉末容器内には粉末を攪拌させる回転可能な攪拌体を備えている。また、粉末容器の上部から入ってくる圧縮ガスの出口を粉末供給盤の一端に形成された粉末供給部に設け、前記圧縮ガスの出口をシリンダ内に設けた極細い円筒状の穴とし、この圧縮ガスが外部に排出されるときに発生する吸引力のみにより粉体を外部にガスと共に排出するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば金属酸化物微粒子のような凝集固着性の強い粉末について、上記特開平５−２３９６２７の装置を用いた場合、溝の内部で粉末が徐々に固着してしまい、粉末供給部へ運搬されてきても吸引力のみでは粉体が溝から吸引されなくなり、粉末供給部で粉末をエアロゾル化できなくなるという問題が生じた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長時間エアロゾルを発生させても、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させるのを可能とし、且つエアロゾル濃度の濃淡を調整可能とするエアロゾル発生装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決しようとする手段】
本発明では上記課題を解決すべく、脆性材料微粒子を含む粉体をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴出して、エアロゾルデポジション法により前記脆性材料微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、このエアロゾル発生装置は粉体収容部と、粉体輸送手段と、エアロゾル化手段とを備えてなり、前記粉体輸送手段は、前記粉体収納部からの前記粉体が充填される溝を設けた循環式の輸送手段とされ、前記エアロゾル化手段は、前記溝の一部にガスを吹き付けるガス導入口とこれに近接したエアロゾル導出口を有し、前記粉体の前記溝による移動方向に沿って、前記エアロゾル導出口、次に前記ガス導入口の順に配置され、前記ガスが、前記エアロゾル導出口と前記ガス導入口の間の前記溝に位置する前記粉体に直接吹き付けられる構成とした。
ここで、循環式の輸送手段としては回転テーブルや搬送コンベアなどが考えられる。本発明において、エアロゾルとは、微粒子が気体に分散した状態の固気混合相である。エアロゾルデポジション法に使用されるエアロゾルにおいては、微粒子が１次粒子の状態で分散しているものが良いが、凝集粒を含む場合もある。凝集粒が多く、又、大きい場合にはエアロゾル発生器の後段に解砕器や分級器を設置して、構造物形成に好適なものにしてもよい。
【０００８】
本発明では、粉体収容部とエアロゾル化させる部位とを別々に設けているので、量産化のために、粉体の投入量を増加させても必要な動力が大きくならない。また、溝に押し込められた粉体に直接搬送ガス吹き付けられるようにガス導入口を設けることによって、例えば、固着しやすい粉体で溝に固着してしまって従来の方法ではエアロゾル化できない粉体を、搬送ガスを直接吹き付けるために吹き飛ばすことができ、エアロゾル化して前記エアロゾル導出口から導出することが可能である。さらに、ガス導入口とエアロゾル導出口を近接した位置に配置することによって、搬送ガスが吹き付けられることによりガス導入口付近でエアロゾル化した粉体は、近接されたエアロゾル導出口のみが輸送路となるため、周りに飛散することなく導出することが可能である。従って、長時間稼動させて、溝中の粉体が凝集固着してきても、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させることができる。
【０００９】
本発明のエアロゾル発生装置の好ましい態様においては、前記ガス導入口は、前記溝の回転進行の接線方向に対して平行、且つ前記溝の深さ方向に対して斜めになる位置に配置され、前記ガス導入口から前記溝に吹き付けられる搬送ガスが前記エアロゾル導出口方向へ流れる構造を持つようにする。
ガス導入口を溝の進行方向に対して平行に、且つ溝深さ方向に対して鋭角な角度を持つような位置に配置することによって、エアロゾル化部に運搬された粉体を無駄なくエアロゾル化して供給することが可能である。
又、搬送ガスの吹き出す方向にエアロゾル導出口を配置するため、搬送ガスにて分散された粉体は、エアロゾル導出口へ向かってエアロゾル化され、且つエアロゾル導出口の吸引力によって吸引されるため、周囲に飛散するのを防止でき、装置系の汚れやエアロゾルの使用効率の低減を防止することが可能である。
【００１０】
本発明のエアロゾル発生装置の好ましい態様においては、前記ガス導入口に近接した位置に、前記溝に凝集した粉体を解すための粉体解砕手段を有するようにする。
例えば搬送ガスを吹き付けるのみでは溝から導出されないほど強固に固着してしまう粉体を使用する場合などは、溝の形状や大きさに合致した粉体解砕手段をガス導入口とエアロゾル導出口に近接した位置に配置することによって、溝内に強固に固着した粉体を粉体解砕手段によって解し、解した粉体をガス導入口から導入される搬送ガスを吹き付けてエアロゾル化し、前記エアロゾル導出口からエアロゾルを前記輸送溝に粉体を残すことなく導出することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。
ここで、実施の形態として、使用した複合構造物作製装置の一般的な装置構成を説明する。
図１は、複合構造物作製装置の装置図であり、窒素を内蔵するガスボンベ５１は、ホース状の搬送管５２を介してエアロゾル発生器５３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室５４内に円形の導入部と矩形の開口を持つ開口部を備えたノズル５５が設置される。コンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ５７に基材５６がノズルに対向して配置される。構造物形成室５４は排気ポンプ５８に接続している。
【００１２】
また、ノズル５５と基材５６の間にエアロゾル濃度を測定するためのセンサ装置６１を配置し、センサ装置６１から出力される信号は、フィードバック制御回路６２へ送られ、そして処理され、エアロゾル発生器６３やガスボンベ５１それぞれの制御部へ配線６３を通って送られ、エアロゾル濃度を制御するように、また、基材に衝突するエアロゾルの量を任意量供給するように制御を行う。
【００１３】
図２は、本発明の一実施例を示す構成図である。図において、７１はその内部に粉体８４を入れる粉体収容部で、前記粉体収容部７１内は排気ポンプ５８によって、減圧状態になっている。
前記粉体収納部７１とエアロゾル化手段７４との間には循環式の輸送手段７２として回転テーブルを配置している。
粉体収容部７１内の粉体８４は、粉体８４の自重や機械的動作、例えば特開平５−２３９６２７のように攪拌体を使用したり、粉体収容部７１に振動を与える等を利用して、搬送コンベア７２上にある溝７３へ粉体８４を供給する。
【００１４】
具体的には、回転テーブル７２の水平な上面に円環状の溝７３が形成され、粉体収納部７１内で、図５に示すようにホッパー７１１から溝７３内に粉体８４が供給され、次いで下流側のスキージ板７１２によって溝７３から上方に溢れた粉体が取り除かれ、この状態で回転テーブル７２の回転によって溝７３内の粉体８４はエアロゾル化手段７４に送られ、エアロゾルとなってノズル５５へ供給される。
前記溝７３の大きさを変更したり駆動手段にて回転速度を変更したりすることによって、粉体輸送量を調節することが可能である。
【００１５】
図３は、溝７３へ落とし込まれた粉体８４を搬送ガスに乗せてエアロゾル化し、構造物形成室５４内へ供給するためのエアロゾル化手段７４の断面図、図４は図３のＡ−Ａ方向矢視図である。
エアロゾル化手段７４は、ジョイント７４１を介してガスボンベ５１と接続され、ガスボンベ５１から供給される搬送ガスを溝７３内に落とし込まれた粉体８４へ吹き付けるためのガス導入口８１と、溝７３内で押し込められた粉体８４を掻き出すための粉体解砕ピン８２と、エアロゾル導出口８３を備え、このエアロゾル導出口８３はジョイント７４２を介して構造物形成室５４から搬送管５２を経由して排気ポンプ５８と接続され、排気ポンプ５８及び搬送ガスが排出されるときに発生する吸引力によってエアロゾル化した粉体８４を吸い出す。
前記粉体解砕ピン８２の径は図４に示すように溝７３の幅よりも小さく、粉体解砕ピン８２と溝７３の側面との間には隙間が形成される。この隙間を介して後述するガス導入口８１からの空気がエアロゾル導出口８３方向へと流れる。
【００１６】
図６は別実施例に係るエアロゾル発生器の構成図であり、この実施例にあっては循環式の輸送手段７２として搬送コンベアを配置されている。この搬送コンベア７２は駆動プーリ７２１と被動プーリ７２２との間にベルトコンベア７２３を張設してなり、このベルトコンベア７２３の幅方向中央にベルトの走行方向（図中矢印で示す）に沿って溝７３が形成されている。
循環式の輸送手段７２としては上記の回転テーブル或いは搬送コンベアに限らず、溝に充填した粉体を溝の移動によって粉体収納部７１からエアロゾル化手段７４へ定量的に搬送できるものであればよい。
【００１７】
エアロゾル化手段７４の位置まで移動した粉体８４が、例えば固着性の強い粉体の場合、溝７３内で硬く固着してしまい、特開平５−２３９６２７で示されている従来例のように吸引力のみでは完全に粉体８４をエアロゾル化が出来ず、安定した濃度のエアロゾルを供給することが出来ない。
そこで、本発明では粉体解砕手段を用いて固着した粉体を解すようにしている。以上の如く構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおりである。
【００１８】
先にガス導入口８１を使用しないでエアロゾルを供給する方式を説明する。
固着した粉体８４は、まずエアロゾル化手段７４の位置まで運搬される。その位置で吸引された粉体８４はエアロゾルとなり構造物形成室５４へ搬送されるが、固着して溝７３に残ってしまった粉体８４は、粉体解砕ピン８２まで運搬される。粉体解砕ピン８２は固着した粉体８４を強制的に固着を解しながら掻き出す。掻き出された粉体８４は、搬送ガスがエアロゾル導出口８３の外部へ排出されるときに発生する吸引力によって吸引され、舞い上がってエアロゾル化する。このとき、ガス導入口８１には栓をして使用せず、搬送ガスは溝７３に直接吹き付けない部分の入口（図示しない）から導入し、搬送ガスの出口はエアロゾル導出口８３のみとした。よって、エアロゾル化部周辺に発生する力は吸引力のみのため、エアロゾル化した粉体８４はエアロゾル発生装置内に飛散することなく、エアロゾル導出口８３から外部へ供給される。
【００１９】
粉体解砕ピン８２は、溝７３と同等の形状のものを使用して溝７３内に固着した粉体８４をすべて掻き出すように改良したり、粉体解砕ピン８２自体が振動するようにして、例えば粉体解砕ピン８２を圧電素子で作製し、電圧を与えて振動させたり、粉体解砕ピン８２をエアロゾル化手段７４本体に固定するのではなく、可動式にして、粉体解砕ピン８２に錘やバネなどを付け、常に溝７３の底面に粉体解砕ピン３２の先端が必ず接触するように改良したりしたため、粉体８４を溝７３に残すことなく解し掻き出すことが可能である。
【００２０】
次にガス導入口８１を使用した場合でのエアロゾル供給方式を説明する。
固着した粉体８４は、まずエアロゾル化手段７４の位置まで運搬される。その位置で吸引された粉体８４はエアロゾルとなり構造物形成室５４へ搬送されるが、固着して溝７３に残ってしまった粉体８４は、粉体解砕ピン８２まで運搬される。粉体解砕ピン８２は固着した粉体３２を強制的に固着を解しながら掻き出す。掻き出された粉体８４は、粉体解砕ピン８２側に設置されたガス導入口８１から供給される搬送ガスが吹き付けられることにより舞い上がってエアロゾル化する。図３に示すように、ガス導入口８１はエアロゾル導出口８３の方向へ角度を持っているため、エアロゾル化した粉体８４は、エアロゾル導出口８３の方向へ飛散するため、エアロゾル発生装置の他の部分へ飛散することなくエアロゾル導出口８３に吸引される。
【００２１】
本実施例では、粉体８４の移動方向に対して、一番目にエアロゾル導出口８３が配置され、次に粉体掻き出しピン８２が配置され、最後にガス導入口８１を配置しているが、配置する順番は問わない。
ガス導入口８１をエアロゾル導出口８３よりも上流側に配置した場合には、固着した粉体がエアロゾル導出口８３に入り込むおそれがないが、多少の粉体がエアロゾル導出口８３よりも下流側に流れ、逆に図示のようにガス導入口８１をエアロゾル導出口８３よりも下流側に配置した場合には、若干の固着した粉体がエアロゾル導出口８３に入り込むおそれがあるが、粉体がエアロゾル導出口８３よりも下流側に流れてしまう無駄がない。
【００２２】
本実施例では、溝７３に押し込められた粉体をすべてエアロゾル化して供給するため、エアロゾル化した粉体個々の大きさにばらつきが生じやすいので、エアロゾル導出口８３と構造物形成室５４との間に解砕器（図示しない）や分級器（図示しない）を設置し、基材に衝突する粉体の大きさを制御した。
【００２３】
上記実施例では、エアロゾルディポジション法の装置例を示したが、本発明のエアロゾル発生装置を、プラズマ中に粉末をキャリヤガスとともに供給し、予め配置されている試料に粉末を蒸着するシステムにおける粉末供給装置等の他の装置の一部として利用することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
上述のように、本発明によるエアロゾル発生装置を用いることによって、輸送溝内に押し込められた粉体を強制的にエアロゾル化してエアロゾル化部の出口へ運搬し、安定したエアロゾルを供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来使用されている複合構造物作製装置の一般的な構成を示した図。
【図２】本発明の一実施例を示すエアロゾル発生器の構成図。
【図３】本発明の一実施例を示す粉体供給部の断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ方向断面図。
【図５】粉体収納部から循環式の輸送手段の溝部への粉体の供給部を説明した図。
【図６】別実施例に係るエアロゾル発生器の構成図。
【図７】従来装置の構成例を示した図。
【符号の説明】
４０…気密容器、４１…粉末、４２…攪拌体、４３…攪拌羽、４４…Ｏリング、４５…粉末供給盤、４６…溝、４７…Ｏリング、４８…粉末供給部、５１…ガスボンベ、５２…搬送管、５３…エアロゾル発生器、５４…構造物形成室、５５…ノズル、５６…基材、５７…基材ホルダ、５８…排気ポンプ、６１…センサ装置、６２…フィードバック制御回路、６３…配線、７１…粉体収容部、７２…循環式の輸送手段、７３…溝、７４…エアロゾル化部、８１…ガス導入口、８２…粉体解砕ピン、８３…エアロゾル導出口、８４…粉体。

Claims (3)

1. 脆性材料微粒子を含む粉体をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴出して、エアロゾルデポジション法により、前記脆性材料微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる、複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、
   前記エアロゾル発生装置は粉体収容部と、粉体輸送手段と、エアロゾル化手段とを備えてなり、前記粉体輸送手段は、前記粉体収納部からの前記粉体が充填される溝を設けた循環式の輸送手段とされ、前記エアロゾル化手段は、前記溝の一部にガスを吹き付けるガス導入口とこれに近接したエアロゾル導出口を有し、前記溝の移動に伴う前記粉体の移動方向に沿って、前記エアロゾル導出口、次に前記ガス導入口の順に配置され、前記ガスが、前記エアロゾル導出口と前記ガス導入口の間の前記溝に位置する前記粉体に直接吹き付けられることを特徴とするエアロゾル発生装置。
2. 前記ガス導入口に近接した位置に、前記溝に凝集した粉体を解すための粉体解砕手段を有することを特徴とする請求項１に記載のエアロゾル発生装置。
3. エアロゾル発生装置と、エアロゾルを基材に吹き付けるためのノズルを備える複合構造物作製装置であって、エアロゾル発生装置として請求項１または２に記載のエアロゾル発生装置を備えることを特徴とする複合構造物作製装置。

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