JP5565605B2

JP5565605B2 - 複合構造物作製装置

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Publication number: JP5565605B2
Application number: JP2009087720A
Authority: JP
Inventors: 健太鈴木; 朋和伊藤
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236057A

Description

本発明の態様は、一般に、微粒子が飛散する複合構造物作製装置内で、駆動部への微粒子の進入を防止しながら動作させることができる防塵機能付きアクチュエータ、およびこれを用いた複合構造物作製装置に関する。

基材の表面に脆性材料からなる構造物を形成させる方法として、「エアロゾルデポジション法」がある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。これは、脆性材料を含む微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吐出口から基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子に変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる膜状構造物をダイレクトに形成させる方法である。この方法によれば、特に加熱手段などを必要とせず、常温で膜状構造物の形成が可能であり、焼成体と比較して同等以上の機械的強度を有する膜状構造物を得ることができる。また、微粒子を衝突させる条件や微粒子の形状、組成などを制御することにより、構造物の密度や機械強度、電気特性などを多様に変化させることが可能である。

エアロゾルデポジション法を利用する場合には、通常、エアロゾルを噴射する吐出口と基材間の相対位置を変化させることで、基材表面の広範囲にわたり膜状構造物を形成させることができる。

前記のようにエアロゾルを噴射する吐出口と基材間の相対位置を変化させるために、複合構造物作製装置ではアクチュエータなどの駆動機構を用いる。

吐出口からガスと混合され噴射された微粒子は基材に衝突した後に、複合構造物作製装置内に飛散することになり、この飛散した微粒子が装置内を浮遊してアクチュエータ駆動部に付着することで、駆動部に磨耗劣化が生じる。

一般に、付着微粒子を排除し、駆動部の磨耗劣化を防止するために、アクチュエータは筐体を具備し、駆動部を外部環境から保護した状態で使用されることが多い。

しかし、複合構造物作製装置では、筐体内外の圧力差によって微粒子がガスとともに筐体内部へ進入し、駆動部に付着することで同様の不具合が生じる可能性がある。

複合構造物作製装置のように取り扱う微粒子がセラミックスの場合は、大気中の塵埃と比べて粒子強度が高いため、磨耗劣化が顕著なものとなり、駆動性や位置決め精度の低下を招き、さらにはアクチュエータの破損にいたる恐れもある。

一方、アクチュエータが複合構造物作製装置内の微粒子の影響を受けずに、エアロゾル吐出口と基材間の相対位置を変化させる方法として、アクチュエータを複合構造物作製装置の外に設置し、ベローズ等の機構を介してアクチュエータの動作を装置内に伝達する方法が考えられる。

しかしながら、この方法を用いると装置外の機構を含んだ構造が大型化する問題があり、また多自由度の動作を実現するためにはアクチュエータ動作の伝達機構が複雑化するか、あるいは装置内動作の可動範囲大幅に制限されてしまうといった問題が発生する。

一般に、各種生産装置等に用いられる直動アクチュエータは、ボールねじに固着された可動スライダが筐体の外部に露出している必要があるため、筐体には可動スライダの移動方向に沿って開口部がスリット状に形成されている。そのため、隙間を極力小さくする、或いは蛇腹等のカバーで覆う（例えば、特許文献５参照）などの工夫を行なっても、微粒子の進入経路を完全に閉塞することはできない。

本発明では、前記筐体または前記カバーの隙間および開口部の面積を最小限に抑える機構を閉口機構とした。

同様に、回転アクチュエータの場合も、構成部品が金属の筐体で覆われていたとしても、回転動作に伴って付着微粒子が構成部品の接続部や回転部の内部へ徐々に進入する可能性がある。

従来の各種生産装置等に用いられる直動アクチュエータ（例えば、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９参照）は、防塵対策として筐体内のガスを吸引し、内部の粉塵を排出している。

しかしながら、このような減圧機構を用いると、複合構造物作製装置内の様に大量の微粒子が飛散する環境下では、さらに多くの微粒子をアクチュエータ内部へ吸引することになり、駆動部への微粒子付着を促進させてしまう。

よって、複合構造物作製装置内においては、減圧機構を用いずに駆動部への微粒子の進入を防止しながら動作させることができる防塵機能付きアクチュエータを設置する必要がある。

特許第３２６５４８１号公報特許第３３４８１５４号公報特許第３５００３９３号公報特許第３５５４７３５号公報特開２００５−１８８６００号公報特開平０８−２９０３８４号公報特開２００５−３２１０６２号公報特開平２−１０６２８２号公報特開平１−３２１１８０号公報

本発明の態様は、上記問題を解決するためになされたもので、微粒子が浮遊する複合構造物作製装置内で、駆動部への微粒子の進入を防止しながら動作させることができる防塵機能付きアクチュエータ、およびこれを用いた複合構造物作製装置を提供するものである。

本発明の実施の形態によれば、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを減圧環境下で基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物作製装置であって、排気装置が設けられ、減圧環境を形成可能な構造物形成室と、該構造物形成室内に設けられ、前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射するノズルと、該構造物形成室内に設けられ、前記基材と前記ノズルとの相対位置を制御するアクチュエータとを備え、前記アクチュエータは、前記基材を搭載した状態で位置変動を生じさせる可動スライダと、前記可動スライダを駆動させる駆動機構と、前記構造物形成室内に飛散した前記微粒子が、前記駆動機構に侵入するのを防止するための筐体またはカバーと、を備え、前記筐体またはカバーは、ガス導入部と、少なくとも一箇所のガス排出部と、を有し、前記ガス導入部から前記筐体またはカバー内部へガスを流入させ、前記ガス排出部から前記構造物形成室内に前記ガスを排出させることで、前記ガスの流れを一定の方向に維持したまま、前記筐体またはカバー内部を前記筐体またはカバー外部より高い圧力に維持できることを特徴とした複合構造物作製装置が提供される。

本発明の態様によれば、複合構造物作製装置内に設置されたアクチュエータにおいて、前記アクチュエータを筐体の中に設置し、前記筐体に設置されたガス導入口から内部へガスを流入させて筐体内部を外気より高い圧力に維持することで、筐体外部からアクチュエータ駆動部への微粒子の進入を防止する効果がある。

本発明の一実施形態にかかる複合構造物作製装置を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図（側面図）である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図（側面図）である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図（側面図）である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図（側面図）である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図（側面図）である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータの実施例を示す図（側面図）である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかるアクチュエータ筐体開口部と開口部閉口機構の実施例を示す図である。本発明の一実施形態にかかる直動ガイド軸一体型直動アクチュエータの実施例（別体カバー）を示す図である。本発明の一実施形態にかかる直動ガイド軸一体型直動アクチュエータの実施例（一体カバー）を示す図である。本発明の一実施形態にかかる回転アクチュエータを示す図である。

本願発明の一実施形態においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを減圧環境下で基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物作製装置であって、排気装置が設けられ、減圧環境を形成可能な構造物形成室と、該構造物形成室内に設けられ、前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射するノズルと、該構造物形成室内に設けられ、前記基材と前記ノズルとの相対位置を制御するアクチュエータとを備え、前記アクチュエータは、前記基材を搭載した状態で位置変動を生じさせる可動スライダと、前記可動スライダを駆動させる駆動機構と、前記構造物形成室内に飛散した前記微粒子が、前記駆動機構に侵入するのを防止するための筐体またはカバーと、を備え、前記筐体またはカバーは、ガス導入部と、少なくとも一箇所のガス排出部と、を有し、前記ガス導入部から前記筐体またはカバー内部へガスを流入させ、前記ガス排出部から前記構造物形成室内に前記ガスを排出させることで、前記ガスの流れを一定の方向に維持したまま、前記筐体またはカバー内部を前記筐体またはカバー外部より高い圧力に維持できることを特徴とした複合構造物作製装置が提供される。

前記筐体内部へ前記ガスを流入させ、前記筐体内部を前記筐体外部より高い圧力に維持することによって、前記複合構造物作製装置内で浮遊する微粒子が前記筐体内部へ進入し、前記駆動機構に付着するのを防止することができる。

本発明の他の実施形態においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物作製装置であって、
前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射するノズルと、
前記基材と前記ノズルとの相対位置を制御するアクチュエータとを備え、
前記アクチュエータは駆動機構と伸縮可能なカバーを備え、前記カバーはガス導入部と少なくとも一箇所のガス排出部を有し、前記ガス導入部から前記カバー内部へガスを流入させることで前記カバー内部を前記カバー外部より高い圧力に維持できる複合構造物作製装置とした。

前記カバー内部へ前記ガスを流入させ、前記カバー内部を前記カバー外部より高い圧力に維持することによって、前記複合構造物作製装置内で浮遊する微粒子が前記カバー内部へ進入し、前記駆動機構に付着するのを防止することができる。

本発明の好ましい形態においては、前記ノズルと前記アクチュエータが複合構造物形成室に備えられ、前記複合構造物形成室は減圧環境とし、この減圧環境下前記エアロゾルを前記基材に吹き付け、前記脆性材料微粒子の構成材料からなる構造物を基材上に形成させる複合構造物作製装置とした。

前記駆動機構への微粒子の付着を防止することができる前記アクチュエータが前記基材と前記ノズルとの相対位置を制御することで、前記駆動機構に磨耗劣化等の不具合を生じさせることなく、前記基材上で任意の形状に前記複合構造物を形成させることができる。

本発明の好ましい形態においては、前記筐体内または前記カバー内に前記ガス導入部から流入させるガスの流量および圧力の少なくとも一つを制御する制御機構を有する複合構造物作製装置とした。

複合構造物作製装置が前記制御機構を具備することによって、前記筐体内または前記カバー内の圧力が前記筐体外または前記カバー外の圧力よりも常に高い状態で維持することができる。また、前記制御機構が圧力またはガス流量の観測のみを行う場合でも、前記筐体内または前記カバー内の圧力が前記筐体外または前記カバー外の圧力よりも常に高い状態に維持されているか否かを監視することができる。

本発明の好ましい形態においては、前記筐体または前記カバーの周囲に浮遊する微粒子を捕獲し、除去するために前記アクチュエータに隣接して設置された集塵機構を有する複合構造物作製装置とした。

なお、前記複合構造物形成室内においては、いずれの場所でも隣接して設置されているものと定義する。

前記アクチュエータに隣接して集塵機構を設置し、微粒子を捕獲、除去することによって、複合構造物の作製中に、複合構造物作製装置内の前記筐体または前記カバーの周囲で浮遊する微粒子の増加を抑制することができ、より確実に微粒子の進入や付着を防止することができる。

本発明の好ましい形態においては、
電動モーターと、
前記電動モーターに接続されたボールねじと、
前記ボールねじのねじ軸の外周に螺合されるボールねじナットと、
前記ボールねじを回転可能な状態で収納し、同時にボールねじ以外の前記構成部品を収納する前記筐体と、
前記ボールねじナットと連結され、前記筐体上において任意の機器が搭載された状態で位置変動を生じさせる可動スライダと、
前記筐体内にガスを流入する前記ガス導入部と、
ガスの排出を行うための前記ガス排出部から構成されるアクチュエータとした。

アクチュエータの筐体にガス導入部とガス排出部を設置し、ガス供給機構と直接連結した配管を通じてガスの出入りを可能にすることで、前記筐体内へ微粒子等の異物が混入していない清浄なガスを導入することができ、前記複合構造物作製装置内の微粒子が前記筐体内へ進入しないようなガスの流れを作ることができる。

本発明の好ましい形態においては、
前記電動モーターと、
前記電動モーターに接続されたボールねじと、
前記ボールねじのねじ軸の外周に螺合されるボールねじナットと、
前記ボールねじを回転可能な状態で収納し、同時にボールねじ以外の前記構成部品を収納する前記カバーと、
前記ボールねじナットと連結され、任意の機器が搭載された状態で位置変動を生じさせる可動スライダと、
前記カバー内にガスを流入する前記ガス導入部と、
ガスの排出を行うための前記ガス排出部から構成されるアクチュエータとした。

アクチュエータのカバーにガス導入部とガス排出部を設置し、ガス供給機構と直接連結した配管を通じてガスの出入りを可能にすることで、前記カバー内へ微粒子等の異物が混入していない清浄なガスを導入することができ、前記複合構造物作製装置内の微粒子が前記カバー内へ進入しないようなガスの流れを作ることができる。

本発明の好ましい形態においては、
前記ボールねじナットと前記可動スライダとの連結によって生じる前記ガス排出部を最小限に抑える閉口機構を有するアクチュエータとした。

アクチュエータが前記ガス排出部を最小限に抑える閉口機構を有することで、前記ガス排出部の面積を小さくすることができ、理想的には、前記連結部の近傍の限りなく狭い範囲のみからガスの排出を行うことができる。

本発明の好ましい形態においては、
前記機構によって、ボールねじナットと可動スライダとの連結部以外でのガスの出入りが防止され、前記ガス導入部のみからガスの流入が行われ、前記連結部の前記ガス排出部のみからガスの排出が行われるアクチュエータとした。

アクチュエータが前記ガス排出部を最小限に抑える閉口機構を有することで、前記筐体内または前記カバー内の圧力を高めやすくなるため、前記筐体内または前記カバー内への微粒子の進入を防止することができる。

本発明の好ましい形態においては、前記閉口機構と前記筐体との間に介在し、前記閉口機構を前記筐体に引き付ける機構を有することを特徴とするアクチュエータとした。

前記筐体内または前記カバー内の圧力を高めやすくなるため、前記筐体内または前記カバー内への微粒子の進入を防止することができる。

本発明の好ましい形態においては、前記引き付ける機構は、磁力によって前記閉口機構を前記筐体に引き付けることを特徴とするアクチュエータとした。

筐体内外の圧力関係に関わらずガスの流入または排出を防止することができる。

本発明の好ましい形態においては、前記引き付ける機構は、シート状であることを特徴とするアクチュエータとした。

本発明の好ましい形態においては、
電動モーターと、
前記電動モーターに固定された固定部材と、
同じく前記電動モーターに接続された回動部材と、
前記電動モーターと前記固定部材と前記回動部材を収納するカバーと、
前記カバー内にガスを流入するガス導入部と、
ガスの排出を行うためのガス排出部から構成される回転アクチュエータとした。

前記カバー内部へ前記ガスを流入させ、前記カバー内部を前記カバー外部より高い圧力に維持することによって、前記複合構造物作製装置内で浮遊する微粒子が前記カバー内部へ進入し、前記電動モーターや前記回動部材等の駆動機構に付着するのを防止することができる。

本発明の実施の形態について説明をする前に、まず、本明細書において用いる用語について説明をする。

一般に「アクチュエータ」とは、入力されたエネルギーを物理的な運動に変換する機械要素を指すが、本明細書において「アクチュエータ」とは、電気エネルギーを物理的な運動に変換する電気モーターによって対象物を駆動させる物を指す。

また、「エアロゾル」とは、ヘリウムガスやアルゴンガスのような不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、乾燥空気、水素ガス、有機ガス、フッ素ガス、これらを含む混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させた状態を指し、一部凝集体を含む場合もあるが、実質的には微粒子が単独で分散している状態をいう。

次に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明をする。
図１は、本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示するためのブロック図である。すなわち、同図は、複合構造物作製装置の構成を例示するためのブロック図である。

本実施の形態に係る複合構造物作製装置は、ガス供給機構１と、配管２と、エアロゾル発生機３と、複合構造物形成室４と、ノズル５と、基材６と、アクチュエータ７と、排気ポンプ８を備えている。さらにガス供給機構１の後段には、配管２に接続されたエアロゾル発生機３が設置されている。また、エアロゾル発生機３の後段には、複合構造物形成室４内に配置されたノズル５が配管２を介して接続される。また、複合構造物形成室４内にはアクチュエーター５が基材６を保持した状態で設置される。複合構造物形成室４の後段には、排気ポンプ８が接続される。

エアロゾル発生機３には原料微粒子が導入され、ガス供給機構１からのガスとともにエアロゾル化され、後段に設置されたノズル５へと一定速度で搬送される。

ノズル５に搬送されたエアロゾルは、ノズル先端の吐出口より基材７に向けて噴射され、基材７上には膜状構造物が形成される。

ここで、エアロゾルデポジション法の原理について説明をする。エアロゾルデポジション法において利用される微粒子は、セラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは粒径の異なる微粒子を混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合、または複合させて用いることも可能である。また、金属材料や有機物材料などの微粒子を脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子の表面にコーティングさせたりして用いることも可能である。ただし、これらの場合でも、膜状構造物を形成させる際に主となるものは、脆性材料である。

エアロゾルデポジション法のプロセスは、通常は常温で実施され、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち摂氏数１００度以下で膜状構造物の形成が可能であるところにひとつの特徴がある。

結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、エアロゾルデポジション法によって形成される複合構造物のうち膜状構造物の部分において、その結晶粒子サイズは原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体となっており、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多い。また、脆性材料結晶同士の界面には、ガラス層からなる粒界層が実質的に存在しない。また多くの場合、膜状構造物の部分において、基材の表面に食い込む「アンカー層」が形成されている。膜状構造物は、このアンカー層が形成されているため基材に対して極めて高い強度で強固に付着して形成される。

エアロゾルデポジション法により形成される膜状構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる「圧粉体」とは明らかに異なり、十分な強度を有している。

この場合、エアロゾルデポジション法において、飛来してきた脆性材料微粒子が基材の上で破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子と、形成された脆性材料構造物の結晶子サイズとをＸ線回折法などで測定することにより確認することができる。

エアロゾルデポジション法で形成された膜状構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい。また、微粒子が破砕や変形をすることで形成される「ずれ面」や「破面」には、もともとの微粒子の内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった「新生面」が形成される。そして、表面エネルギーが高く活性なこの新生面が、隣接した脆性材料微粒子の表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基材の表面と接合することにより膜状構造物が形成されるものと考えられる。

また、エアロゾル中の微粒子の表面に水酸基がほどよく存在する場合には、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずれ応力などにより、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料からなる膜状構造物が成長するものと考えられる。
これまでに得られた知見として、微粒子の大きさは、レーザー回折式粒度分布計または走査型電子顕微鏡で測定・観察した場合の平均粒径が０．１マイクロメータ以上、１０マイクロメータ以下の範囲であれば、ＡＤ法による膜状構造物が得られ、平均粒径が０．１マイクロメータ以下では前記「圧粉体」となる傾向がある。また、１０マイクロメータ以上であれば、基材をブラストする傾向があり、ＡＤ法に用いる粒子径としては不適当である。

エアロゾルデポジション法で使用される原料は、平均粒径が０．１マイクロメータから１０マイクロメータまでの範囲の微粒子を主体としている。一方、エアロゾルデポジション法の複合構造物形成室と同様の環境である作業室内で基材に微粒子を吹きつける加工法として、サンドブラストやマイクロブラスト等がある。これらの加工法でも作業室内に微粒子が飛散するが、使用される原料の粒子径が１００マイクロメータから１０００マイクロメータ程度であり、エアロゾルデポジション法はこれらの加工法に比べて使用される原料の粒子径が小さいと言える。したがって、微粒子を使用する加工法およびプロセス技術の中で、エアロゾルデポジション法は使用原料がアクチュエータ筐体やカバーの隙間から内部へ進入し、駆動部の磨耗や破損を引き起こす可能性が高く、エアロゾルデポジション法では特に、アクチュエータ周辺の防塵対策が重要な課題となる。

本発明の一実施形態のアクチュエータは、前記駆動機構を保護する前記筐体または前記カバーの内部へ流入させるガスの流量および圧力の少なくとも一つを制御する制御機構を有するものと
したが、ここで言う制御とは、前記ガス流量およびガス圧の観測、ならびに簡易的な調整だけでもよい。

本発明の一実施形態のアクチュエータは、前記筐体内または前記カバー内の圧力が前記筐体外または前記カバー外の圧力よりも常に高い状態に維持することで、前記筐体内または前記カバー内および前記駆動機構への微粒子の進入、付着を防止することができる。
これまでに得られた知見として、前記筐体内外または前記カバー内外の圧力差が、少なくとも０．１キロパスカル以上であれば防塵効果が得られる傾向にあり、０．３キロパスカル以上がより好ましい。上限値については、筐体またはカバー、およびガス排出部の機械的強度を考慮しながら、アクチュエータの機能を損なわない程度に設定する必要があり、設計仕様に応じて決定される。

前記筐体内または前記カバー内へ流入させるガスには、空気を用いるのが一般的だがＮ２ガス等他の気体を用いることができる。

次に、図面を参照しつつ本発明の一実施の形態について説明をする。図１は本発明の一実施の形態にかかる複合構造物作製装置の全体を示す図であり、図２は本発明の一実施の形態のアクチュエータが防塵効果を発揮するための第一の実施例を示す図である。

図２の本実施の一実施形態に係るアクチュエータ７は、主に、電動モーター７０１と、ボールねじ７０２と、ボールねじナット７０３と、シャフト固定端７０４と、シャフト支持端７０５と、可動スライダ７０６と、筐体７０７と、から構成される。

さらに、本発明の一実施形態のアクチュエータ筐体のガス導入部には、配管を介してガスボンベと流量調節バルブが接続されており、筐体内の圧力を変化させることができる仕組みとなっている。

また、本発明の一実施形態のアクチュエータ筐体には流量計または圧力計を接続し、これらの計器で得られた情報を基にコントローラが前記バルブによってガス流量を制御する仕組みを有していてもよい。

さらに、本発明の一実施形態のアクチュエータは、アクチュエータ筐体またはカバーの周囲に浮遊する微粒子を捕獲し、除去するためにアクチュエータに隣接して設置された集塵機構を有していてもよい。

本発明の一実施形態のアクチュエータ筐体は、ボールねじナットおよび可動スライダが移動できるように、筐体上面が開口しており、ガス導入部から流入したガスがこの開口部から筐体外へ排出される仕組みとなっている。

本発明の一実施形態では、前記のようなガスの流れによって微粒子の筐体内への流入を抑制するが、さらに効果を高めるために、前記筐体開口部の面積を小さくすることで、筐体内の圧力を高める仕組みを有していてもよい。

図３乃至図８は、筐体と、筐体開口部を閉口するための開口部閉口機構の設置方法に関する複数の実施例を示した図である。それぞれ、本発明のアクチュエータを可動スライダの移動方向と直行する平面で切断した際の筐体および開口部閉口機構の断面を示している。

図３乃至図６は、開口部閉口機構の端部が筐体両端でそれぞれ固定されており、可動スライダがローラーによって開口部閉口機構を押し上げながら、または押し下げながら移動する仕組みを示している。これらの機構を用いると、開口部閉口機構が筐体上面と密着している部分ではガスの排出が抑えられ、可動スライダのローラーによって開口部閉口機構がたわんでいる箇所からのみガスの排出が行われることになる。

一方、図７および図８は、開口部閉口機構の端部が筐体両端に設置された開口部閉口機構巻取り軸にそれぞれ固定されており、可動スライダの移動に応じて開口部閉口機構が前記巻取り軸へ巻取られていく仕組みを示している。この機構を用いると、理想的に開口部閉口機構は常に筐体上面と密着しており、ガスの排出は可動スライダと筐体とのわずかな隙間からのみ行われることになり、筐体開口部を最小限に抑える仕組みと言える。

なお、図３と図４、図５と図６、ならびに図７と図８は、それぞれ開口部閉口機構が筐体上面の外側に設置されている場合と上面の内側に設置されている場合の違いを示している。

さらに図９乃至図１６は、開口部閉口機構設置方法の詳細に関する実施例を示している。

図９と図１０はそれぞれ、開口部閉口機構が直接筐体上面外側に設置されている場合と、直接筐体上面内側に設置されている場合を示す。これらは最も簡単な機構であるが、図９の場合、筐体内圧を高めようとすると開口部閉口機構が筐体上面から押し上げられ筐体開口部を拡大させてしまう場合がある。一方、図１０の場合は筐体内圧を高めると開口部閉口機構が筐体上面の内側に押しつけられ、気密性を高める効果が期待できる。ただしこの場合、何らかの要因で筐体内圧が筐体外圧に対して低圧になると微粒子の流入を招くため、筐体内を常に加圧した状態に保つ必要がある。

これに対して、図１１と図１２は図９と図１０と同様に、それぞれ開口部閉口機構が筐体上面外側に設置されている場合と、筐体上面内側に設置されている場合を示しているが、さらに筐体にマグネットシートが貼り付けられ、マグネットシートの磁力によって、金属製の開口部閉口機構とマグネットシートが引き付けあうことで筐体開口部を最小限に抑える機構である。マグネットシートの磁力が十分に大きければ、筐体内外の圧力関係に関わらずガスの流入または排出を防止することができる。

また、図１３と図１４は筐体開口部の向かい合う二面をお互い対称に傾斜を持たせた場合を示す。図では、これら対称な二面の傾斜にあわせて開口部閉口機構両端部が傾斜するような加工を施している。ただし、開口部閉口機構の幅が筐体開口部の最小幅よりも小さければ、ベルト両端部の傾斜加工は必ずしも実施されなくてもよい。図１３と図１４の機構を用いると、開口部閉口機構を筐体上面に設置する図９や図１１の機構と比べて、筐体上面に開口部閉口機構の厚みによる段差がなくなる利点がある。また図１３の場合、図９の場合と同様に、筐体内圧を高めようとすると開口部閉口機構が筐体上面から押し上げられ筐体開口部を拡大させてしまう場合がある。

さらに、本発明の別の一態様によれば、図１５に示すとおり、アクチュエータは、筐体開口部の向い合う両端面の一部分がスライダの可動方向に沿って筐体長手方向全面に対して一様に凹型に切り欠かれており、ボールねじナットと可動スライダとの連結によって生じる前記筐体開口部を最小限に抑えるための開口部閉口機構が、前記切り欠きの内側で上下方向に動ける状態で設置されているため、筐体内圧と筐体外圧との圧力差に関わらず、筐体外部からの微粒子流入と筐体内部からの微粒子排出を抑制することができる。

図９乃至図１５の実施例では筐体開口部の閉口を一本の開口部閉口機構で実施している。一方で本発明の別の一態様によれば、図１６に示すとおり、開口部閉口機構を可動スライダ下部で左右に二分割して平行に配置し、さらに可動スライダ中央に上方からカバー板を設置することでも、筐体開口部の閉口を実現可能である。筐体内圧と筐体外圧との圧力差に関わらず、筐体外部からの微粒子流入は上部のカバーが抑制し、筐体内部からの微粒子排出は開口部閉口機構が筐体上面内側に密着することで抑制することができる。

図１７および図１８に、前記以外の実施態様を示す。図１７および図１８はともに、本発明のアクチュエータを直動ガイド軸とともに使用した実施例である。

図１８はアクチュエータとガイド軸がそれぞれ別個に、可動スライダの動作に応じて伸縮可能なカバーで覆われた実施例であり、図１７はアクチュエータとガイド軸が一つの伸縮カバーで覆われた実施例である。

前記伸縮カバーは微粒子フィルタ機構と配管で連結されており、フィルタ機構を通してカバー内部の圧力が制御可能な機構となっている。

前記フィルタ機構にはガスを流入するためのガス導入部が設置されている。つまり、アクチュエータ筐体外圧よりも筐体内圧を高めることで、アクチュエータ筐体内から外側に向かってガスの流れを作り、複合構造物作製装置内の微粒子の流入を抑制したのと同様に、図１７と図１８の実施例では、筐体を覆うカバー内で同様のガスの流れを作り、微粒子の流入を抑制することができる。なお、カバー内に流入させたガスは、カバーに直接設置したガス排出口から排出させる。

ただしこのフィルタ機構は必ずしも必要はなく、カバーに直接ガス導入部が設置され、カバー内部の圧力を制御可能な機構であってもよい。

なお、本発明の一実施形態のアクチュエータに併用するガイド軸は、必ずしもアクチュエータの両側に1本ずつ設置される必要はなく、最低でもどちらか一方の片側に1本以上設置される構成であってもよい。

また本発明の一実施形態のアクチュエータは、少なくとも電動モーターと、前記電動モーターに固定された固定部材と、同じく前記電動モーターに接続された回動部材と、前記構成部品を収納するカバーと、前記カバー内にガスを流入するガス導入部と、ガスの排出を行うためのガス排出部から構成されることを特徴とした回転アクチュエータである。

図１９に本発明の一態様である回転アクチュエータを示す。

本発明の別の一態様では、前記の直動アクチュエータと同様に、本発明の回転アクチュエータカバーのガス導入口には、配管を介してガスボンベと流量調節バルブが接続されており、筐体内の圧力を変化させることができる仕組みとなっている。

また、本発明の一実施形態の回転アクチュエータ筐体には流量計または圧力計を接続し、これらの計器で得られた情報を基にコントローラが前記バルブによってガス流量を制御する仕組みを有していてもよい。

１…ガス供給機構
２…配管
３…エアロゾル発生機
４…複合構造物形成室
５…ノズル
６…基材
７…アクチュエータ
８…排気ポンプ
９…制御器
１０…集塵機構
１１…ガスの流れ
３１…筐体上面開口部閉口機構
３２…ローラー
３３…開口部閉口機構固定端
３４…開口部閉口機構巻取り軸
４１…マグネットシート
４２…カバー板
５１…伸縮カバー
５２…ガイド軸
５３…フィルタ機構
５４…ガス導入部
５５…ガス排出部
７１…モーター固定部材
７２…回動部材
７０１…電動モーター
７０２…ボールねじ
７０３…ボールねじナット
７０４…シャフト固定端
７０５…シャフト支持端
７０６…可動スライダ
７０７…筐体
７０８…配管
７０９…流量調節弁
７１０…圧力計／流量計

Claims

微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを減圧環境下で基材に衝突させて前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物作製装置であって、
排気装置が設けられ、減圧環境を形成可能な構造物形成室と、
該構造物形成室内に設けられ、前記エアロゾルを前記基材に向けて噴射するノズルと、
該構造物形成室内に設けられ、前記基材と前記ノズルとの相対位置を制御するアクチュエータとを備え、
前記アクチュエータは、
前記基材を搭載した状態で位置変動を生じさせる可動スライダと、
前記可動スライダを駆動させる駆動機構と、
前記構造物形成室内に飛散した前記微粒子が、前記駆動機構に侵入するのを防止するための筐体またはカバーと、を備え、
前記筐体またはカバーは、ガス導入部と、少なくとも一箇所のガス排出部と、を有し、
前記ガス導入部から前記筐体またはカバー内部へガスを流入させ、前記ガス排出部から前記構造物形成室内に前記ガスを排出させることで、前記ガスの流れを一定の方向に維持したまま、前記筐体またはカバー内部を前記筐体またはカバー外部より高い圧力に維持できることを特徴とした複合構造物作製装置。
請求項１に記載の複合構造物作製装置において、前記筐体内または前記カバー内に前記ガス導入部から流入させるガスの流量および圧力の少なくとも一つを制御する制御機構を有することを特徴とする複合構造物作製装置。
請求項１または２のいずれかに記載の複合構造物作製装置において、
前記アクチュエータの、前記駆動部は、
前記可動スライダの駆動力を発現する電動モーターと、
前記電動モーターに接続されたボールねじと、
前記ボールねじのねじ軸の外周に螺合され、前記電動モータによって前記ボールねじに沿って位置変化可能に構成されるとともに、前記可動スライダを連結し、前記可動スライダとともに位置変化するボールねじナットと、を備え、
前記筐体またはカバーは、前記ボールねじを回転可能な状態で収納しており、
前記可動スライダは、前記ボールねじナットと連結されており、
前記ガス排出部は、前記筐体と前記可動スライダとの隙間によって構成されることを特徴とする複合構造物作製装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の複合構造物作製装置であって、
前記筐体と前記可動スライダとの隙間によって生じる前記ガス排出部を最小限に抑える閉口機構を有することを特徴とする複合構造物作製装置。