JP5351141B2

JP5351141B2 - 三次元微細加工バーナー

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Publication number: JP5351141B2
Application number: JP2010502088A
Authority: JP
Inventors: ゲレメウ，ムルワーク; ダブリュホートフ，ダニエル; シーピーターソン，リチャード; エルロヴェルスタッド，エイミー; シートンプソン，クリストファー
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: US20100143601A1; EP2066973A1; JP2010526978A; WO2008121271A1; US8746013B2

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２００７年３月３０日出願の米国仮特許出願第６０／９２１，１７６号の利益を主張する。

本発明は、バーナー装置に関する。特に、本発明は、無機スートを製造するためのバーナーモジュールに関する。

バーナーの火炎中で前駆体を反応させることにより生成される無機スート、特に、金属酸化物スートの形成は周知である。かかる反応により生成されるスートは、スートをレセプタ表面に堆積することにより、例えば、るつぼ、管類、レンズおよび光学導波管等の物品を形成するのに用いられてきた。

かかる物品を無機スートから形成するプロセスには、概して、ケイ素含有前駆体をバーナーに送達し、この前駆体を、メタンと酸素との混合物等の燃焼ガスにより生成されたバーナー火炎中で反応させることが含まれる。これまで、ハロゲン化物含有前駆体、例えば、四塩化ケイ素および四塩化ケイ素と様々なドーパントとの混合物が、蒸着技術、例えば、ＶＡＤ（気相軸付け）およびＯＶＤ（外付け溶着）等により、プレフォームを製造するのに用いられてきた。

これらの手順において、典型的に、ハロゲン化物含有原材料が、バーナーから離れた位置で気化される蒸気送達プロセスが利用されている。次に、気化原材料は、搬送ガスによりバーナーに搬送されて、気化および加水分解されて、スート粒子を生成し、それらはレセプタ表面で集められる。

これらの用途においてスートを生成するために現在用いられているバーナーモジュールに、ケイ素および「ｐｙｒｅｘ」ガラスから製造された多層モジュールがある。かかるバーナーモジュールの性能は、耐熱衝撃性に劣るために制限されている。従来の機械加工を用いて作製されたバーナーモジュールには、再現性の欠如およびサイズ制限があり、火炎前面が不均一となり、最大フローが制限されてしまう。

本発明は、焼結または光硬化した本体を有するバーナーモジュールおよびかかるバーナーモジュールを製造する方法を提供することにより、これらおよびその他の要望に応えるものである。バーナーの本体は、焼結金属、焼結合金、積層ガラスセラミックおよび光硬化ポリマーの１つを含む。焼結および光硬化は、レーザー等の集中エネルギー源を用いて、本体を照射し、局所加熱することによりなされ得る。バーナーモジュールは、耐熱衝撃性があり、バーナーモジュールの火炎中で反応して、レセプタ表面に堆積するスートを形成する１つまたは複数の前駆体の分配された均一なストリームを提供し、蒸気および液体前駆体送達システムに用いることができる。かかるバーナーモジュールの配列を有するスート堆積システムおよびバーナーモジュールを用いてスートを堆積することにより、溶融シリカ物品を製造する方法も記載されている。

従って、本発明の一態様は、バーナーモジュールを提供することである。バーナーモジュールは、焼結または光硬化した本体と、本体のベースに配置された複数の入口であって、少なくとも１つの燃焼ガス入口と、少なくとも１つの酸化剤入口と、任意で少なくとも１つの不活性ガス入口と、少なくとも１つの前駆体入口とを含み、少なくとも１つの燃焼ガス入口は、燃焼ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの酸化剤入口は、酸化ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの不活性ガス入口は、不活性ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの前駆体入口は、スート前駆体をバーナーモジュールに提供する、複数の入口と、ベースから遠位の本体の平坦面に位置する複数のアパーチャであって、平坦面はある長さを有する、複数のアパーチャとを含む。複数のアパーチャはそれぞれ、少なくとも１つの燃焼ガス入口、少なくとも１つの酸化剤入口、少なくとも１つの不活性ガス入口および少なくとも１つの前駆体入口の１つと流路を通して流体連通している。バーナーモジュールは、少なくとも１つの燃焼ガス、少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つのスート前駆体および少なくとも１つの不活性ガスを、複数のアパーチャを通して、化学蒸着プロセスにおける燃焼部位まで送達して、バーナー面に近接する燃焼ゾーンにバーナー火炎を生成する。一実施形態において、本体は、焼結金属、焼結合金、積層ガラスセラミックおよび光硬化ポリマーの１つを含む。

本発明の第２の態様は、スート堆積システムを提供することである。スート堆積システムは、規則配列で配置された複数のバーナーモジュールと、少なくとも１つの燃焼ガス源と、少なくとも１つの酸化剤源と、少なくとも１つの不活性ガス源と、少なくとも１つの前駆体源と、レセプタとを含むバーナーアセンブリを含み、少なくとも１つの燃焼ガス源は複数のバーナーモジュールのそれぞれと流体連通しており、燃焼ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの酸化剤源は複数のバーナーモジュールのそれぞれと流体連通しており、酸化ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの不活性ガス入口は複数のバーナーモジュールのそれぞれと流体連通しており、不活性ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの前駆体入口は複数のバーナーモジュールのそれぞれと流体連通しており、スート前駆体をバーナーモジュールに提供し、レセプタは、燃焼部位で燃焼により作製されたスートが堆積する表面を有する。バーナーモジュールの少なくとも１つが、焼結または光硬化した本体と、集中エネルギー源を用い、本体のベースに配置された複数の入口と、本体のベースと反対の平坦面に配置された複数のアパーチャとを含み、複数の入口は、本体のベースに配置された少なくとも１つの燃焼ガス入口、少なくとも１つの酸化剤入口、任意で少なくとも１つの不活性ガス入口および少なくとも１つの前駆体入口を含み、少なくとも１つの燃焼ガス入口は燃焼ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの酸化剤入口は酸化ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの不活性ガス入口は不活性ガスをバーナーモジュールに提供し、少なくとも１つの前駆体入口はスート前駆体をバーナーモジュールに提供し、平坦面はある長さを有し、複数のアパーチャのそれぞれが、少なくとも１つの燃焼ガス入口、少なくとも１つの酸化剤入口、少なくとも１つの不活性ガス入口および少なくとも１つの前駆体入口の１つと流路を通して流体連通しており、バーナーモジュールは、少なくとも１つの燃焼ガス、少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つのスート前駆体および少なくとも１つの不活性ガスを、複数のアパーチャを通して、化学蒸着プロセスにおける燃焼ゾーンまで送達して、バーナー面に近接する燃焼ゾーンにバーナー火炎を生成する。一実施形態において、本体は、焼結金属、焼結合金、積層ガラスセラミックおよび光硬化ポリマーの１つを含み、焼結金属および焼結合金は局所焼結により焼結される。

本発明の第３の態様は、バーナーモジュールを製造する方法を提供することである。バーナーモジュールは、本体のベースに配置された複数の入口と、本体のベースと反対の平坦面に配置された複数のアパーチャとを含み、複数のアパーチャはそれぞれ複数の入口の１つと、流路を通して流体連通している。本方法は、少なくとも１つの材料の複数の層を提供する工程と、次の複数の層を加える前に、複数の層のそれぞれの一部を焼結または光硬化して、バーナーモジュールの本体を形成する工程と、未焼結または未光硬化材料を除去して、バーナーモジュールの複数の入口、複数のアパーチャおよび流路を形成する工程とを含む。

本発明の第４の態様は、バーナーモジュールを製造する方法を提供することである。バーナーモジュールは、焼結金属および焼結合金の１つを含む本体と、本体のベースに配置された複数の入口と、本体のベースと反対の平坦面に配置された複数のアパーチャとを含み、複数のアパーチャはそれぞれ複数の入口の１つと、流路を通して流体連通している。本方法は、金属粉末および合金粉末の少なくとも１つの複数の層を提供する工程と、次の複数の層を加える前に、複数の層のそれぞれの一部を焼結して、バーナーモジュールの本体を形成する工程と、未焼結金属粉末または合金粉末を除去して、バーナーモジュールの複数の入口、複数のアパーチャおよび流路を形成する工程とを含む。

本発明の第５の態様は、バーナーモジュールを製造する方法を提供することである。バーナーモジュールは、積層ガラスセラミックを含む本体と、本体のベースに配置された複数の入口と、本体のベースと反対の平坦面に配置された複数のアパーチャとを含み、複数のアパーチャはそれぞれ複数の入口の１つと、流路を通して流体連通している。本方法は、それぞれガラスセラミックを含む複数のグリーンシートを提供する工程と、グリーンシートおよび積層体の１つの所定の部分を除去して、バーナーモジュールの複数の入口、複数のアパーチャおよび流路を形成する工程と、グリーンシートを互いに積層して、バーナーモジュールの本体を形成する工程と、グリーンシートおよび積層体の１つの所定の部分を除去して、バーナーモジュールの複数の入口、複数のアパーチャおよび流路を形成する工程とを含む。

本発明の第６の態様は、スート物品を製造する方法を提供することである。本方法は、本体を含む少なくとも１つのバーナーモジュールを提供する工程であって、本体が、焼結金属、焼結合金、積層ガラスセラミックおよび光硬化ポリマーの１つを含む、工程と、レセプタを提供する工程と、燃焼ガス、酸化ガス、少なくとも１つのスート前駆体と、任意で、少なくとも１つの不活性ガスを少なくとも１つのバーナーモジュールに提供する工程であって、燃焼ガス、酸化ガスおよび少なくとも１つのスート前駆体が、少なくとも１つのバーナーモジュールの平坦面にある複数のアパーチャを燃焼部位まで通過させる、工程と、燃焼部位に少なくとも１つのスート前駆体を存在させて、燃焼ガスを酸化ガスで燃焼して、スートを形成する工程であって、得られるバーナー火炎が、本体の平坦面の長さにわたって均一である、工程と、レセプタにスートを堆積して、スート物品を形成する工程とを含む。一実施形態において、本体は、焼結金属、焼結合金、積層ガラスセラミックおよび光硬化ポリマーの１つを含み、焼結金属および焼結合金は、局所焼結により焼結される。

本発明のこれらおよびその他の態様、利点ならびに顕著な特徴は、以下の詳細な説明、添付の図面および添付の特許請求の範囲より明らかとなるであろう。

バーナーモジュールの概略図である。ガラスセラミックシートの積層体を含むバーナーモジュールの概略図である。バーナーモジュールの面板にある複数のアパーチャの配列の概略図である。レーザー焼結により形成されたバーナーの斜視図である。バーナーの断面図である。図５の領域Ａの詳細図である。図５の領域Ｂの詳細図である。図５の領域Ｃの詳細図である。バーナー面の上面図である。バーナーのベースの底面図である。バーナー面の概略図である。中央供給バーナー設計についてのコンピュータモデル化ガスフロー輪郭を示す。アパーチャ位置に応じた、中央および側部供給ガス入口用にモデル化された最適化フロー速度のプロットである。

以下の説明において、同じ参照文字は、図面に示されたいくつかの図について、同様または対応する部分を示している。また、「上部」、「下部」、「外側」、「内側」等の用語は、便宜上の言葉であり、限定する用語とは解釈されないものと考える。また、要素の群の少なくとも１つおよびこれらの組合せを含むと記載された群は常に、個々に、または互いに組み合わせた、任意の数の列挙された要素を含む、それらからなる、または、実質的にそれらからなることがあると考えられる。同様に、群が、要素の群の少なくとも１つまたはそれらの組合せからなると記載されるときは常に、個々に、または互いに組み合わせた、任意の数の列挙された要素からなることがあると考えられる。別記しない限り、値の範囲が列挙されているときは、列挙された範囲の上限と下限の両方を含む。

図面を包括的に、特に、図１を参照すると、図は、本発明の特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定しようとするものではないものと考えられる。

図１を見ると、本発明のバーナーモジュールの簡易概略図が示されている。バーナーモジュール１００は、本体１１０を含む。図１に示す実施形態において、本体１１０は、焼結または光硬化材料、例えば、金属または光硬化可能なポリマーを含む。一実施形態において、本体は、例えば、レーザー等の指向性エネルギー源から放射線を用いて焼結または光硬化される。本体１１０は、本体１１０のベースに配置された、少なくとも１つの燃焼ガス入口１３２、少なくとも１つの酸化剤入口１３４、少なくとも１つの前駆体入口１３６、および、任意で、少なくとも１つの不活性ガス入口１３８を有する。少なくとも１つの燃焼ガス入口１３２は、少なくとも１つの燃焼ガス１２２、例えば、メタンまたは水素を、バーナーモジュール１００に提供する。一実施形態において、少なくとも１つの燃焼ガス１２２は、酸素と予め混合しておいてもよい。少なくとも１つの酸化剤入口１３４は、酸素等の酸化ガス１２４をバーナーモジュール１００に提供し、少なくとも１つの不活性ガス入口１３８は窒素等の不活性ガス１２８をバーナーモジュール１００に提供し、少なくとも１つの前駆体入口１３６はスート前駆体１２６をバーナーモジュールに提供する。

複数のアパーチャ１４０が、本体１１０の平坦面１５０（図３）に配置されている。複数のアパーチャ１４８はそれぞれ、少なくとも１つの燃焼ガス入口１３２、少なくとも１つの酸化剤入口１３４、任意で少なくとも１つの不活性ガス入口１３８および少なくとも１つの前駆体入口１３６の１つと、流路を通して、流体連通している。バーナーモジュール１００は、少なくとも１つの燃焼ガス１２２、少なくとも１つの酸化剤１２４、少なくとも１つのスート前駆体１２６および任意で少なくとも１つの不活性ガス１２８を、複数のアパーチャ１４０を通して、化学蒸着プロセスにおいて面１５０に近接した燃焼ゾーン１６０へ送達し、得られるバーナー火炎が、本体１１０の平坦面１５０（図３）の長さｌにわたって均一となるようにする。アパーチャ１４０を通した流速および圧力の変化は、所定の値未満である。

バーナー火炎の輪郭を確実に均一にするために、各流路は、大容量のチャンバ１１６により分割された複数のチャネルまたは「圧力板」１１４を含む。圧力板１１４によって、チャンバ１１６と流体連通しているアパーチャ１４０を通して、ガスが確実に均一に分配される。近接するチャンバ１１６は、仕切りまたはリブ１１８により分割されている。当業者であれば、バーナーモジュール１００は、図示したものよりも多いまたは少ない数のチャネル、圧力板、チャンバ等を含むことができることが容易に理解されるであろう。例えば、バーナーモジュール１００は、バーナーを通って流れるガスおよび前駆体（図示せず）をろ過するための追加の分配層またはろ過層（図示せず）を含むことができる。

複数のアパーチャ１４０は、典型的に、面板１５０（図３）に全体的な配列で配置されている。複数のアパーチャ１４８をパターン化して、バーナーモジュール１００の長さに沿って、流体（またはガス）のフローを均一にして、複数のアパーチャ１４８を通した流速がより均一になるようにする。その結果、燃焼ゾーン１６０において、より均一な火炎およびスートおよびガラス前駆体の分配がなされる。配列は、個々の副配列を含み、それぞれ予め選択した直径の所定数のアパーチャ１４０を有している。かかる副配列の例を図３に示す。燃焼ガス用のアパーチャの配列１４２、酸化ガス用のアパーチャの配列１４４、スート前駆体用のアパーチャの配列１４６および不活性被覆ガス用アパーチャの配列１４８が示されている。図３に示すアパーチャの配列、スート前駆体、燃焼、酸化および不活性ガス用配列は、かかる配置および配列の一例に過ぎず、他の構成も可能であり、本発明の範囲内であると考えられる。例えば、燃焼ガス用アパーチャの配列１４２は、酸化ガス用アパーチャの配列１４４とスート前駆体用アパーチャの配列１４６との間に配置されていてもよい。また、配列のいずれかが、図３に示すよりも多い、または少ないアパーチャまたはアパーチャの列を有していてもよい。

特定の一実施形態において、アパーチャの全体的な配列には、平行なｎ列（ｎ≧５）で配置された複数のアパーチャが含まれる。９列４４４のアパーチャ４４２を有する配列４４１の一例を図７に示す。平行な列４４４の配列４４１は、配列４４１の対向する外側端部に配置されたアパーチャの外側端部間の距離により画定される幅ｗを有している。列の数ｎ対配列の幅の比、すなわち、ｎ／ｗは、０．６ｍｍ^−１を超える。

図４は、本明細書に記載したレーザー焼結により形成されたバーナーの斜視図である。バーナー４００は、ガスがバーナー４００に入るベース４１２およびガスがバーナー４００から出るバーナー面板４４０を含む本体４１０を有している。図４に示すバーナー面板４４０の長さｌは９インチ（約２２．５ｃｍ）であり、バーナー面板４４０の長さは、バーナー４００を異なる堆積システムに適合させるために変えてもよく、例えば、１インチ（２．５４ｃｍ）の長さを用いてよい。

バーナー４００の断面図を図５に示す。バーナー面板４４０（図５の領域Ａ）、フローチャンバ４３０（図５の領域Ｂ）およびガス入口管４２０（図５の領域Ｃ）の詳細を、それぞれ、図６ａ、６ｂおよび６ｃに示す。様々なガスが、バーナー４００に、ガス入口４２１を通して入る（図６ｃ）。各ガス入口管４２０は、ベース４１２にあるガス入口４２２から、フローチャンバ４３０の入口４２４まで延在しており、フローチャンバ４３０は、面板４４０にあるアパーチャ４４２と流体連通している。図６ｃに、２つの別個のフローチャンバ４３０と流体連通している２つのガス入口管４２１を示す。一実施形態において、様々なガスを、バーナー面板４４０にあるアパーチャ４４２に、ほぼ同じ質量流量または速度で提供すると有利である。これを促進するには、ガス入口管４２０は全てほぼ同じ長さとすべきである。一実施形態においては、ベース４１０のガス入口管の入口の場所のために、各ガスが、フローチャンバへの直線路に従ったのでは、これは無理であろう。従って、特定のガス入口管は、ガス入口管が少なくとも１つの湾曲部を成して、入口への通路に従う。かかる通路の一例を、例えば、図６ｃに示す。図６ｃでは、ガス入口管４２３が、フローチャンバ４３０と接続する前で、直角湾曲部および鋭角湾曲部４２５を成す。

図６ｂに詳細を示すフローチャンバ４３０は、それぞれ、ガスのフローおよび圧力調節を促すためのチャンバおよび混合ブラケット４３２を含む。しかしながら、前述したとおり、圧力板、バッフル、蛇行経路等の様々な追加の特徴部。各フローチャンバ４３０は、バーナー面板４４０に配置されたアパーチャ４４２の列で終端している（図６ｃ）。

本明細書に記載したチャネル、圧力板、チャンバ、その他フロー変更またはフロー制限構造およびアパーチャの配列は、バーナー１００の面板１５０の長さｌに沿ってガスのフローを均一とし、アパーチャ１４０を流れるガスのフローの速度および圧力をより均一とする。その結果、より均一な火炎およびガラス前駆体の分配がなされる。かかる均一性は、火炎芯、火炎芯の温度プロフィール、ガスの速度および圧力分布、ならびにアパーチャ１４０の配列の幅にわたりかつ長さに沿ったガス濃度における均一性を特徴とし得る。

特定のバーナー設計４００についてのコンピュータモデル化ガスフロー輪郭の一例を図９に示す。３×１０^−３ｍ／ｓ〜６×１０^−２ｍ／ｓのガスフロー速度輪郭はグレースケールで示されている。ガスは、ガス入口管４２０を通してバーナー４００に中央供給され（すなわち、ガス入口４２０がバーナーの下部の中央位置に配置されている）、一連の圧力板４３４およびチャンバを通過して、ガスをアパーチャ４４２に均一に分配し、アパーチャ４４２を出るとき、均一な分配速度を与える。他の実施形態において、ガスはバーナー４００に側部供給される（すなわち、ガス入口４２０がバーナーの中心からはずれている）。かかる場合、圧力板４３４、チャンバ４３０、混合ブラケット４３２（図６ｂ）等のサイズおよび数を調節して、バーナー面板４４０の長さにわたって、ガス速度および圧力の均一な分配プロフィールを与えてもよい。図１０に示すとおり、中央および側部供給ガス入口についてモデル化された最適化フロー速度を、バーナー面板４４０の長さｌに沿ったアパーチャ位置に応じてプロットしてある。最適な設計により、長さｌに沿った入口位置に関係なく、均一なフローが得られる。配列の各端部に２〜５のアパーチャを含む境界領域は別として、火炎芯、温度プロフィールおよびガス濃度を、バーナーの長さｌに沿って実質的に均一にすべきである。

流路およびアパーチャの配列の様々な構成が、「ＢｕｒｎｅｒＭａｎｉｆｏｌｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＵｓｅｉｎａＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ」、ＤａｖｉｄＦ．Ｄａｗｓｏｎ−Ｅｌｌｉらによる、２００４年５月１８日発行の米国特許第６，７３６，６３３号明細書、「Ｍｕｌｔｉ−ＬａｙｅｒＢｕｒｎｅｒＭｏｄｕｌｅ，Ａｄａｐｔｅｒ，ａｎｄＡｓｓｅｍｂｌｙＴｈｅｒｅｆｏｒ」、ＳｈｉｖｉｌａｋＢａｋｓｈｉらによる、２００４年６月１日発行の米国特許第６，７４３，０１１号明細書、「ＭｅｔｈｏｄｏｆＰｒｏｄｕｃｉｎｇＯｘｉｄｅＳｏｏｔＵｓｉｎｇａＢｕｒｎｅｒｗｉｔｈａＰｌａｎａｒＢｕｒｎｅｒＦａｃｅ」、ＤａｎｉｅｌＷ．Ｈａｗｔｏｆによる、２００５年１月４日発行の米国特許第６，８３７，０７６号明細書に記載されている。これら特許の内容は、全体が、参照により本明細書に援用される。

操作中、スート前駆体材料は、バーナーモジュール１００の前駆体入口１３６に送達され、流路を流れ、主オリフィス１２６を通してバーナーから出る。スート前駆体はまた、所定の流路を通って流れ、アパーチャ１２６（図１）の配列１４６（図３）を通してバーナーから出てもよい。スート前駆体は、液体または蒸気形態であってよい。しかしながら、前駆体を、液体形態でバーナーに送達するときは、主オリフィス１２６は、噴霧要素をさらに含んでいるのが好ましい。窒素ガス等の不活性ガスおよび酸素（またはその混合物）等の酸化剤を、任意で、少なくとも１つの不活性ガス入口１３０および少なくとも１つの酸化剤入口１３４をそれぞれ介して所定の流路に送達し、平面板１５０（図３）の配列１４０および１４４にそれぞれ位置するアパーチャ１２０および１２２を通して出てもよい。メタン（またはメタンと酸素の混合物）等の燃焼ガスを、少なくとも１つの燃焼ガス入口１３４を介して別個の流路に送達し、平坦面板１５０（図３）の配列１４４に位置するアパーチャ１２４を通してバーナーを出てもよい。配列１４４のアパーチャ１２４を通して流れる燃焼ガスを点火して、燃焼ゾーン１６０に火炎を提供して、スート前駆体を無機スート、例えば、シリカスートに変換し、後に圧密して溶融シリカ物品にする。一実施形態において、バーナーモジュール１００は、約０．３７ｇ／ｃｍ^３〜約１．１ｇ／ｃｍ^３の密度を有するシリカスート物品を基板に堆積することができる。一実施形態において、バーナーモジュール１００は、約１０％未満、一実施形態においては約１％未満の密度変動を有するシリカスート物品を、バーナー面の長さに等しい長さにわたって堆積することができる。

様々なケイ素含有前駆体材料を、バーナーモジュール１００にスート前駆体として用いてよい。かかる前駆体材料としては、これらに限定されるものではないが、四塩化ケイ素等のハロゲン化物含有前駆体、例えば、シロキサン、特に、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）等のポリアルキルシロキサン等のハロゲン化物フリーの前駆体が挙げられる。また、適切なドーパントをバーナーモジュール１００に用いてよい。これらのドーパントは、スート前駆体と共にバーナーモジュール１００に送達される。あるいは、ドーパントは、別個の入口を通して、バーナーモジュール１００に送達され、別個のアパーチャまたはアパーチャの配列を通してバーナーから出てもよい。適切なドーパントとしては、これらに限定されるものではないが、Ｐ_２Ｏ_５、および元素周期表のＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＶＡ族および希土類元素系列からなる群から選択される少なくとも１つの金属酸化物が挙げられる。

一実施形態において、図１に示すとおり、バーナーモジュール１１０の本体１１０は、金属、金属合金またはガラスセラミック粉末の局所焼結により形成される。本明細書で用いる「局所焼結」とは、レーザー、電子ビーム（ｅ−ビーム）またはマイクロ波源等の集中エネルギー源を用いて、材料を照射することにより、材料の薄層を焼結することを指す。

一実施形態において、局所焼結は、材料にレーザービームを照射することにより実行される。レーザー焼結は、高出力レーザー（例えば、ＹＡＧレーザーまたは二酸化炭素レーザーにより生成されるレーザービーム）を用いて、プラスチック、金属またはセラミック粉末の小粒子を、所望の三次元物体を表わす塊へと溶融する付加的な製造技術である。粉末床の表面で断面を走査することによりレーザービームは、粉末材料を選択的に溶融する。かかる断面は、その部分の三次元デジタル記述から（例えば、ＣＡＤファイルまたは走査データから）生成される。各断面を走査および焼結した後、粉末床を１層の厚さにより調節し、新たな材料層を、前に走査および焼結した層の上部に適用し、物体が完成するまで、プロセスを繰り返す。物理的プロセスは、粉末の全溶融、部分溶融または液相焼結とすることができる。用いる材料に応じて、従来の製造方法を用いて得られるのに匹敵する材料特性で、最大１００％の密度が達成できる。

バーナーモジュールのレーザー焼結で、例えば、最大約１０の粒子直径の厚さを有する金属または合金粉末の層を、プラットフォームまたは支持体に与える。金属または合金粉末をレーザーにより照射して、粉末の局所加熱を行う。局所加熱により、粉末が少なくとも部分的に溶融し、緻密化される局所溶融プールが形成される。金属または合金粉末の第２の層を、焼結したばかりの第１の層に配置する。粉末の第２の層にレーザービームを照射し焼結する。第２の層を、同じく焼結により、前の層に結合する。粉末層を提供し、レーザー焼結するプロセスを、所望のサイズおよび特徴を有するニアネットシェイプのバーナーモジュールが得られるまで繰り返す。ニアネットシェイプをエッチングして、より均一なアパーチャ、チャネル、チャンバ等を提供し、より均一な表面仕上げを与える。

複雑な三次元特徴部を、各粉末層の選択部を、レーザーにより選択的に照射、または照射せずに、ニアネットシェイプのバーナーモジュールに形成してもよい。バーナーモジュールにおける、かかる特徴部としては、これらに限定されるものではないが、当該技術分野において公知のろ板、チャンバ、入口、出口、バッフル、多孔質媒体、蛇行経路等が挙げられる。かかる特徴部は、バーナーモジュール１００の平坦面１５０に沿って所定のフロープロフィールを与える。所定のフロープロフィールは、均一か不均一のいずれかであり得る。レーザービームで粉末層の表面を走査またはラスタして、粉末層の選択した領域に照射せず、未焼結のままとしてもよい。この未焼結粉末を、ニアネットシェイプが形成された後に除去すると、チャネル、チャンバ、バッフル、多孔質板等の特徴部が残る。未焼結金属または合金粉末は、ニアネットシェイプのバーナーモジュールの振動と組み合わせて、真空にすることにより、ニアネットシェイプのバーナーの製造中に形成された粉末排出口（ｖｅｎｔ）から除去される。

金属、合金またはガラスセラミック粉末は、焼結に用いる放射線の波長で放射線と結合または放射線を吸収する元素形態の金属、合金またはガラスセラミックの１つを含む。その波長での粉末の吸収性は、層により与えられたエネルギーの一部が、前に焼結した近接層に移動して、層間を焼結させるような大きさにすべきである。粉末の吸収性が大きすぎる場合は、粉末の最上未焼結層が完全に溶融するか、前に焼結した層へのエネルギーの移動が不十分になるかのいずれかで、近接層間の結合が悪くなる。粉末の吸収性が低すぎると、十分な構造上の完全性を有する部品を形成するには、焼結が不十分となる。

一実施形態において、ＹＡＧレーザーを用いて、金属または合金粉末を焼結する。ＹＡＧレーザー波長で好適な吸収性を有する金属および合金としては、これらに限定されるものではないが、チタン合金、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等、銅合金、例えば、Ｃｕ−１０Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金等、コバルト超合金、例えば、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｍｏ合金等、ニッケル超合金、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５、Ｉｎｃｏｎｅｌ７３８、Ｈａｙｎｅｓ２３０等、高強度合金鋼、例えば、１０１８、１０２０、Ｈ１３、Ａ２、ＣＰＭ−９Ｖ鋼および同様の鋼、ステンレス鋼、例えば、１７−４、１４−４、１３−８、３１６、４２０ステンレス鋼等が挙げられる。

焼結される粉末の各層の厚さは、粉末のサイズにより、ある程度決まる。大きなサイズの粉末を与える場合には、厚い層が、レーザー焼結される。反対に、小さなサイズの粉末を与える場合には、薄いレーザー焼結層を形成する。一実施形態において、金属または合金粉末の中位径は約２０μｍである。

他の実施形態において、本体１１０は、光開始剤とエポキシまたはアクリレートの少なくとも１つとの光硬化混合物により形成されて、ポリマー本体を形成する。ポリマー本体は、本明細書に記載した金属および合金のレーザー焼結により本体１１０を製造する方法と同様の方法で製造される。エポキシ等の液体樹脂と光開始剤との混合物が提供される。ポリマーは、未充填樹脂またはアクリレートであってよく、シリカ、金属粉末等のフィラー粒子を含有していてもよい。混合物の第１の層の一部を選択的に照射して光硬化し、ポリマーを固化して、本体１１０の層を形成する。一実施形態において、混合物に、例えば、３５５ｎｍの波長を有するＵＶレーザー発光により生成されるレーザービームを照射する。レーザービームは、液体混合物の表面で断面を走査することにより、材料を選択的に光硬化する。かかる断面は、その部分の三次元デジタル記述（例えば、ＣＡＤファイルまたは走査データ）から生成され得る。各断面を走査および光硬化した後、材料の新たな層を、前に走査および光硬化した層の上部に適用し、物体が完成するまで、プロセスを繰り返す。光硬化はまた、層を前に光硬化した層に結合する役割も果たす。所望のサイズおよび特徴部を有するニアネットシェイプのバーナーモジュールが得られるまで、混合物の層を提供し、光硬化するプロセスを繰り返す。一実施形態において、ポリマーは、約２００℃以上の温度で安定している（すなわち、溶融、分解、スランプ、フローまたはその他大幅に劣化しない）。

レーザー焼結により形成されたバーナーモジュールの三次元特徴部の寸法は、モジュールを形成するのに用いる金属または合金粉末の粒径によりある程度決まる。例えば、２０μｍの粉末を、ＹＡＧレーザーを用いてレーザー焼結するとき、約７５０μｍの直径を有するろ板チャネルおよびガス出口が形成される。高解像度のレーザーおよび／または粒径の小さな粉末を用いると、これより小さな寸法が得られる。しかしながら、プロセスパラメータのかかる変更の結果、各層についてレーザー走査時間が長くなり、粉末のより薄い個々の層を用いるため、製造時間が長くなる。通常、レーザー焼結技術では、約１００μｍ〜約１５００μｍの範囲のろ板チャネル、チャンバ、ガス出口等の三次元特徴部を生成することができる。

レーザー焼結されたニアネットシェイプのバーナーモジュールは、一緒に焼結された個々の粒子の形状が原因となる粗面を有する。バーナーモジュールを出たガスを、確実に、均一で平坦なプロフィールとするためには、ろ板およびチャンバが平滑な表面を有するのが望ましい。また、平滑な表面は、バーナーモジュールガス入口をガス供給部と合わせると有利である。従って、バーナーモジュールの選択した表面を研磨またはエッチングしてもよい。バーナーモジュールガス入口を、ガス供給部と結合させるのを容易にするには、バーナーモジュールの下部を、電子放電（ＥＤＭ）ミリングおよび接触研磨する。バーナーモジュールから出るガスの均一なプロフィールを得るためには、バーナーモジュールの上部を接触研磨、ミリングまたはエッチングする。ろ板およびチャンバの孔は、研磨媒体が、バーナーモジュールの孔およびチャンバを流れて、高い点を平滑化する押出しホーニング、またはエッチングにより平滑化される。

図２に概略を示す他の実施形態において、バーナーモジュール２００は、ガラスセラミックシート２１１の積層体である。シリカまたは当該技術分野において公知のその他好適な材料を含む個々の「グリーン」ガラスセラミックシート（グリーンシート）がまず形成される。一実施形態において、各個々のグリーンシート２１１は、約１００μｍ〜約１５０μｍまでの範囲の厚さを有する。

積層体は、焼結または中間層成長により、複数の個々のグリーンシートから形成される。一実施形態において、積層プロセスには、熱、圧力および時間を伴い、さらに、焼結が含まれていてもよい。特定の実施形態において、例えば、グリーンシートは、９０℃未満の温度および８００ｐｓｉ（約５．５ＭＰａ）未満の圧力で、５分以内の時間にわたって積層される。焼結プロセスには、選択した材料およびグリーンシートを形成するのに用いるバインダー系が含まれる。焼結プロセスには、積層体を、約２０００℃未満の温度で加熱することが含まれ、それは、静水圧、自由および／または共形のプロセスとすることができる。

選択した部分を積層の前に個々のグリーンシートから、または積層体自体から除去することにより、複雑な三次元形状を積層体に形成することができる。材料除去の技術としては、材料の穿孔、レーザードリリング、ｅ−ビームドリリング、サンドブラストおよび高圧液体ジェット等の機械技術が挙げられる。エンボス加工、プレス加工、成型および鋳造等の材料を除去しない技術を用いて、三次元形状を形成してもよい。積層するとき、個々のガラスセラミックシートを位置合わせして、個々のシートの選択した部分が、近接するガラスセラミックシートと合うようにして、所望の三次元構造が形成されるようにする。

ガラスセラミック積層体バーナーモジュールに形成された複雑な三次元形状は、典型的に、レーザー焼結バーナーモジュールに形成されたものよりほぼ一桁小さい寸法を有する。一実施形態において、ガラスセラミック積層体バーナーの複数のアパーチャのそれぞれの直径は、約２０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルまでの範囲である。例えば、直径４０μｍの孔を、ガラスセラミック積層体に形成してよく、レーザー焼結バーナーモジュールの孔の直径はそれぞれ約７５０μｍである。

かかる三次元特徴部の寸法は、バーナーモジュールから出るガスが均一で平坦なプロフィールを有する範囲を、少なくとも部分的に決める。チャネル、チャンバ等の寸法が小さいと、かかるプロフィールは、バーナーモジュールの短い距離にわたって達成でき、大きな寸法を有するろ板、チャネル、チャンバ等を含むバーナーモジュールは、許容できるプロフィールを達成するには長い寸法を必要とする。小さな三次元特徴部が、積層ガラスセラミックバーナーモジュールで得られるため、バーナーモジュールの合計高さは約１０ｍｍである。

ガラスセラミックの性質と三次元特徴部を生成するのに用いる手段のために、積層ガラスセラミックバーナーモジュールの内側表面（すなわち、チャンバ、チャネル等の表面）は、ニアネットシェイプのレーザー焼結バーナーモジュールのものとは異なり、非常に平滑である。従って、後成型平滑化操作はほとんど、または全く必要ない。

本明細書に記載したある実施形態において、バーナーモジュール１００の本体１１０はモノリシックである、すなわち、本体１００は、本明細書に記載した、焼結金属または合金、光硬化ポリマーまたはガラス−セラミック積層体等の単一材料からなる。

積層ガラスセラミックバーナーモジュール、レーザー焼結バーナーモジュールおよび光硬化バーナーモジュールは、「ｐｙｒｅｘ」およびケイ素から作製された従来のバーナーモジュールよりも大きな耐熱衝撃性を示す。耐熱衝撃性により、バーナーモジュールの前面の端部近くに孔を形成することができる。

互いに近接配置された複数のかかるバーナーモジュールを含むバーナーアセンブリにおいて、均一な線状の火炎が得られる、すなわち、均一なスート堆積がなされる。バーナーモジュールは、様々な方向で配向され、例えば、バーナー面は、上方、下方、横向きまたはレセプタに角度を成して配向される。

バーナーモジュールは、前駆体がバーナーから遠位で気化し、搬送ガスを用いて蒸気の形態でバーナーに送達される蒸気前駆体送達システムに用いてよい。あるいは、バーナーモジュールは、前駆体が液体形態でバーナーに送達され、バーナー面近傍で霧化および気化される液体前駆体送達システムに用いてもよい。バーナーモジュールを液体送達システムに用いる実施形態について、バーナーモジュールは、燃焼の前に液体前駆体を霧化するためのバーナーの構造に霧化要素を含む。

スート堆積システムも提供される。スート堆積システムには、規則的な配列で配置された複数のバーナーモジュールを含むバーナーアセンブリが含まれる。配列は、バーナーモジュールの直線、円形またはその他任意の幾何学的配置であってよい。配列は、様々な方向、例えば、バーナーモジュールの面を上方、下方、横向きまたはレセプタに角度を成して配向される。バーナーアセンブリは、上述した少なくとも１つのバーナーモジュール、少なくとも１つの燃焼ガス源、少なくとも１つの酸化ガス源、少なくとも１つの不活性ガス源、少なくとも１つのスート前駆体源および燃焼により生成されたスートが堆積する表面を有するレセプタを含む。レセプタは、例えば、平坦な導波管製造の場合に用いられるような平坦な基板であってよい。あるいは、レセプタは、例えば、外付け溶着（ＯＶＤ）を用いた導波管繊維製造の場合に用いられるような回転マンドレルであってよい。他の実施形態において、レセプタは、例えば、気相軸付け（ＶＡＤ）を用いた導波管繊維製造の場合に用いられるような回転ロッドであってもよい。レセプタはまた、表面を維持するために、実質的に均一な温度で加熱してもよい。バーナーアセンブリおよび配列は、レセプタに対して動かす、またはその反対も可能である。バーナーアセンブリ、ガス源およびレセプタに加えて、スート堆積システムはまた、焼結炉、生成物収集手段およびスートからの選択した生成物の製造を所望の規模で促す、当該技術分野において公知のその他要素を含んでいてもよい。スート堆積システムの例は、全内容が参照により本明細書に援用される２００５年１２月１４日出願の米国特許出願第１１／３０５，８５７号明細書、ＤａｎｉｅｌＷ．Ｈａｗｔｏｆらによる「ＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＭａｋｉｎｇＦｕｓｅｄＳｉｌｉｃａ」に記載されている。

スート物品を製造する方法も提供される。第１の工程において、上述した少なくとも１つのバーナーモジュールが提供される。スートが堆積する表面を有するレセプタも提供される。少なくとも１つの燃焼ガス、少なくとも１つの酸化ガス、少なくとも１つのスート前駆体および任意で少なくとも１つの不活性ガスが、少なくとも１つのバーナーモジュールに提供される。燃焼ガス、酸化ガス、少なくとも１つのスート前駆体経路および不活性ガスは、少なくとも１つのバーナーモジュールの平坦面の複数のアパーチャを通って燃焼部位まで行き、そこで、燃焼ガスは、燃焼ゾーンで少なくとも１つのスート前駆体を存在させて、酸化ガスにより燃焼してスートを形成し、燃焼ゾーンにおいて得られるバーナー火炎は、本体の平坦面の長さにわたって均一となるようにする。燃焼により形成されたスートは、レセプタの表面に堆積して、スート物品を形成する。個々のバーナーの端部にあるアパーチャ間の空間は、個々のバーナーにあるアパーチャのピッチまたは空間より狭い、または等しい。かかる空間によって、バーナーモジュールから生じる火炎が、近接するバーナーモジュール間の境界によって中断されない。

バーナー面板４４０の上面図を図７に示す。図７に示す特定の実施形態は、９列４４４のアパーチャ４４２を含む配列４４１を有する。各列４４４のアパーチャ４４２は、別個のフローチャンバ４３０と流体連通している。面板４４０のアパーチャ４４２に対するガス入口管４２０の位置を図７に示す。

図８ａおよび８ｂは、バーナー４００のベース４１２と面板４４０の底面４１４の概略図であり、面板４４０の長さは９インチ（約２２．５ｃｍ）である。面板４４０は９列のアパーチャ４４２を有している。列４４４のアパーチャ４４２は、識別するために１〜５と記してあり、底面４１２（８ａ）から出ている対応のガス入口管４２０と流体連通している。

図８ｂに示すとおり、各アパーチャ４４２の直径は、０．７５０ｍｍである。各列において、アパーチャ４４２は、近接するアパーチャ端部から測定すると０．７６２ｍｍ離れている。近接する列は、近接する列のアパーチャから中心間の距離で測定すると、１．５００ｍｍ離れている。配列の対向する外側端部に配置されたアパーチャの外側端部間の距離（端部から端部まで）により決まる列の配列の全体の幅ｗは、１２．７５０ｍｍである。配列の列の数ｎ対配列の幅ｗの比率は、０．７１ｍｍ^−１である。

ベース４１２の底面４１４の部分図を図８ａに示す。ガス入口管４２０は、底面から出ている。各ガス入口管４２０の直径は２．０ｍｍで、単列４４４のアパーチャと流体連通している。図８ａにおいて、底面４１４のガス入口管の元の点に、ガス入口管が流体連通している面板４４０のアパーチャ４４２の列を示すために、１〜５と記してある。

オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）および窒素搬送ガスを、ガス入口管１を通して、面板４４０の中央線に位置する列１のアパーチャ４４２に与える。ＯＭＣＴＳは１５ｇ／分の速度で与え、窒素は４０ＳＬＰＭ（１分当たりの標準リットル）の速度で与える。

列２〜５は、面板４４０の中心線および列１周囲で対称に配置され、異なるガス源により提供されるガスのフローを分割している。各ガスは、ガス源から、質量流量コントローラおよびマニホルド（図示せず）まで移動し、ガスのフローを分離する。列２は、酸素ガスの内側シールドを１０ＳＬＰＭの速度で提供する。列３および４はそれぞれ、１８ＳＬＰＭの速度で補足酸素を提供し、列５はメタンと酸素との混合物をそれぞれ３６ＳＬＭと２６ＳＬＰＭで提供する。

典型的な実施形態を、例示の目的で説明してきたが、上記の説明は、本発明の範囲を限定するものではない。従って、様々な修正、適合および変形が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者であれば行えるであろう。

Claims

ａ．焼結金属、焼結合金、光硬化ポリマーまたは積層ガラスセラミックを含む本体と、
ｂ．前記本体のベースに配置された複数の入口であって、少なくとも１つの燃焼ガス入口と、少なくとも１つの酸化剤入口と、任意で少なくとも１つの不活性ガス入口と、少なくとも１つの前駆体入口とを含み、前記少なくとも１つの燃焼ガス入口は、燃焼ガスをバーナーモジュールに提供し、前記少なくとも１つの酸化剤入口は、酸化ガスを前記バーナーモジュールに提供し、前記少なくとも１つの不活性ガス入口は、不活性ガスを前記バーナーモジュールに提供し、前記少なくとも１つの前駆体入口は、スート前駆体を前記バーナーモジュールに提供する、複数の入口と、
ｃ．前記ベースから遠位の前記本体の平坦面に位置する複数のアパーチャであって、前記平坦面はある長さを有し、前記複数のアパーチャはそれぞれ、前記少なくとも１つの燃焼ガス入口、前記少なくとも１つの酸化剤入口、前記少なくとも１つの不活性ガス入口および前記少なくとも１つの前駆体入口の１つと流路を通して流体連通しており、前記バーナーモジュールは、前記少なくとも１つの燃焼ガス、前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのスート前駆体および前記少なくとも１つの不活性ガスを、前記複数のアパーチャを通して、化学蒸着プロセスにおける燃焼部位まで送達して、バーナー面に近接する燃焼ゾーンにバーナー火炎を生成する、複数のアパーチャと、
を含むことを特徴とするバーナーモジュール。
前記本体は、集中エネルギー源による照射により焼結または光硬化され、前記集中エネルギー源は、レーザー、電子ビーム源およびマイクロ波源の１つであることを特徴とする請求項１に記載のバーナーモジュール。
前記バーナーモジュールは、前記本体の平坦面の長さにわたって実質的に均一な火炎を生成することができることを特徴とする請求項１または２に記載のバーナーモジュール。
前記流路が、ろ板、圧力板、チャンバ、バッフル、蛇行経路、多孔質媒体およびこれらの組合せの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバーナーモジュール。
前記複数のアパーチャが、前記バーナーの面に少なくとも１つの対称配列で配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバーナーモジュール。
前記配列が、少なくとも５つの平行な列で配置された複数のアパーチャを有し、前記配列の対向する外側端部に配置されたアパーチャの外側端部間の距離により画定される幅を有し、前記配列の幅で除算した前記配列の列の数が、０．６ｍｍ^−１を超えることを特徴とする請求項５に記載のバーナーモジュール。
本体のベースに配置された複数の入口と、本体の前記ベースと反対の平坦面に位置し、流路を通して、前記複数の入口の１つとそれぞれ流体連通している、複数のアパーチャとを含むバーナーモジュールを製造する方法であって、
ａ．金属、合金、光開始剤と光硬化可能な樹脂との混合物、および複数のガラスセラミックグリーンシートの１つを含む材料の複数の層を提供する工程と、
ｂ．次の前記複数の層を加える前に、前記複数の層のそれぞれの一部を焼結または光硬化して、前記バーナーモジュールの前記本体を形成する工程と、
ｃ．未焼結または未光硬化材料を除去して、前記バーナーモジュールの前記複数の入口、前記複数のアパーチャおよび前記流路を形成する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
次の前記複数の層を加える前に、前記複数の層のそれぞれの一部を焼結または光硬化する工程が、
ａ．レーザー、電子ビーム源およびマイクロ波源の内の１つである集中エネルギー源を提供する工程と、
ｂ．前記少なくとも１つの材料の第１の層を提供する工程と、
ｃ．前記第１の層の一部を、前記集中エネルギー源で照射し、照射により、前記少なくとも１つの材料の前記第１の層の一部を光硬化または少なくとも部分的に溶融および緻密化し、前記本体の第１の部分を形成する工程と、
ｄ．前記少なくとも１つの材料の第２の層を、前記少なくとも部分的に溶融および緻密化された第１の層に配置する工程と、
ｅ．前記第２の層の一部を、前記集中エネルギー源で照射し、照射により、前記第２の層の一部を光硬化または少なくとも部分的に溶融および緻密化し、前記本体の第２の部分を形成し、前記本体の前記第２の部分を前記本体の前記第１の部分に結合する工程と
を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記少なくとも１つの材料が、複数のセラミックグリーンシートであり、次の前記複数の層を加える前に、前記複数の層のそれぞれの一部を焼結または光硬化して、前記バーナーモジュールの前記本体を形成する工程が、前記複数の層を積層して、未焼結または未光硬化材料を除去した後、ガラス−セラミック積層体を含む本体を形成し、前記バーナーモジュールの前記複数の入口、前記複数のアパーチャおよび前記流路を形成する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。