(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーと、
前記真空チャンバーに接続されて、材料の粒を前記真空チャンバー内に材料供給管の材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーに配置してプラズマを発生させる電極と、
前記真空チャンバーに接続されて、前記真空チャンバーから排出された微粒子を回収する回収装置とを有して、前記真空チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記材料供給装置から供給された前記材料から前記微粒子を製造する装置であって、
前記回収装置と前記材料供給装置とは、配管で接続されており、前記配管を通して、前記プラズマで加熱した前記真空チャンバー内のガスの熱で前記材料を加熱させる材料加熱循環装置と、
前記回収装置と前記材料供給装置とを接続している前記配管には、流量調整器を介して、前記真空チャンバーの複数の箇所に接続されるように分岐して接続されかつ前記材料供給管の周囲近傍に配置された下側のガス供給管を備え、
前記下側のガス供給管は、前記材料供給管の周囲近傍でかつ前記材料供給口の鉛直方向の下側から、前記真空チャンバー内に、前記配管及び前記下側のガス供給管を通して、前記プラズマで加熱した前記真空チャンバー内のガスを上向きに供給した後、前記材料加熱循環装置から前記真空チャンバー内に前記材料を供給する、微粒子製造装置。
【請求項２】
前記回収装置と前記材料供給装置とを接続している前記配管に設置されて、前記配管内を流れる前記ガスの温度を調整する温度調整器をさらに備える、請求項１に記載の微粒子製造装置。
【請求項３】
前記プラズマを発生させる電極は、前記真空チャンバーに配置されて、先端が前記真空チャンバー内に突出してプラズマを発生させる複数本の電極である、請求項１〜２のいずれか１つに記載の微粒子製造装置。
【請求項４】
前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、其々、位相の異なる電力を供給する交流電源をさらに備えて、前記交流電源から前記複数本の電極のそれぞれに前記位相の異なる電力が供給されて、アーク放電を生成させて前記プラズマを発生させる、請求項３に記載の微粒子製造装置。
【請求項５】
前記回収装置と前記材料供給装置とを接続している前記配管に配置されて、各ガス種の分圧又は割合を分析するガス分析装置と、
前記配管に配置されて、前記ガス分析装置の分析結果に基づき、前記配管に対するガスの排気又はガスの導入を行ってガス分圧を調整するガス分圧調整器とをさらに備える、請求項１〜４のいずれか１つに記載の微粒子製造装置。
【請求項６】
真空チャンバーに設置した電極により熱プラズマを生成し、
前記熱プラズマにより熱せられたガスを、配管を介して、前記真空チャンバーの下側の材料供給装置に戻して、前記戻されたガスにより、前記材料供給装置内の材料を加熱するとともに、前記配管及び流量調整器を介して、前記真空チャンバーの複数の箇所に接続されるように分岐して接続されかつ前記材料供給装置の前記真空チャンバー内に配置された材料供給管の周囲近傍でかつ前記材料供給管の材料供給口の鉛直方向の下側に配置された下側のガス供給管から前記真空チャンバー内に、前記熱プラズマにより熱せられたガスを上向きに供給し、
その後、前記材料供給管の前記材料供給口から前記真空チャンバー内の前記熱プラズマの領域内に、前記加熱された材料を前記戻されたガスと共に投入し、
前記加熱されて投入された材料が、前記材料供給口からの前記戻されたガスと前記下側のガス供給管から供給された前記ガスとの供給により、前記熱プラズマの領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、さらに、前記材料ガスが前記熱プラズマの前記領域から抜けた瞬間、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する、微粒子製造方法。
【請求項７】
前記電極は複数本の電極であり、
前記熱プラズマは、位相が互いに異なる電力を交流電源から前記複数本の電極に其々供給して、パルス的に放電させるアーク放電である、請求項６に記載の微粒子製造方法。
【請求項８】
前記熱プラズマにより加熱された前記ガスを前記配管を介して循環するとき、
前記配管内のガス種の分圧をガス分圧分析装置によって分析し、前記分析した結果に基づき、前記配管に対するガスの排気又はガスの供給を行って前記ガスの分圧を調整したのち、前記配管を介して、前記ガスを前記材料供給装置及び前記真空チャンバーの両方又はどちらか一方に戻す、請求項６又は７に記載の微粒子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、リチウムイオン電池の電極材、食品包装のフィルム材などへコーティング材、又は電子機器配線などに使用されるインク原料などに利用される、微粒子製造装置及び微粒子製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノメートルオーダーの微粒子は、様々なデバイスに応用が検討されている。例えばニッケルの金属微粒子は、現在、セラミックコンデンサーに使用されており、次世代のセラミックコンデンサーには、粒径２００ナノメートル以下で分散性の良い微粒子の使用が検討されている。
【０００３】
さらに、二酸化シリコンよりも酸素が含有率の低い一酸化シリコン（ＳｉＯｘ：ｘ＝１〜１．６）の微粒子は、光学レンズの反射防止膜又は食品包装用のガスバリアフィルムの蒸着材料として活用されている。最近では、リチウムイオン二次電池の負極材料などへの応用が期待されている。
【０００４】
これらナノメートルオーダーの微粒子の一般的な製造方法としては、原料となるバルク材をセラミック又はジルコニア等のビーズと一緒に導入し、機械的粉砕によって材料を微粒子化する方法、又は、材料を溶融及び蒸発させて空気又は水に噴射して微粒子を得る方法、又は、電解若しくは還元など化学的に微粒子を得る方法などがある。中でも、高周波プラズマ又はアークプラズマなどの熱プラズマ（約１００００℃）を利用し、気相中で微粒子を作製する方法は、不純物（コンタミネーション）が少なく、生産された微粒子の分散性が優れる、複数の種類の材料からなる複合微粒子の合成が容易である、などの観点から非常に有用である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図４に、従来例１の熱プラズマを利用した、微粒子の製造装置の概略断面図を示す。
【０００６】
微粒子発生室２０１の天井部にプラズマ発生器２０２（高周波プラズマトーチ）を備え付け、微粒子発生室２０１は、配管２０３を介して微粒子回収装置２０４と連結されている。材料は、微粒子発生室２０１内において、プラズマ発生器２０２で発生した熱プラズマ中に導入し、微粒子発生室２０１で微粒子を形成する。微粒子発生室２０１では、ガス供給口２０５から冷却ガスによって、微粒子を冷却したのち、配管２０３を介してサイクロン２０６に送る。サイクロン２０６では、微粒子以外の未蒸発材料又は粗い粒子を分離し、微粒子を配管２０３を介して微粒子回収装置２０４に送る。微粒子回収装置２０４では、微粒子を回収する。また、微粒子回収装置２０４は、配管２０３を介してサージタンク２０７と循環ポンプ２０８と連結されており、さらに配管２０３によってガス供給口２０５に連結され、ガスが循環する構造になっている。循環ポンプ２０８とガス供給口２０５との間には、自動圧力調整バルブ２０９とガスヘッダー２１０とを設置し、冷却ガス量の変動を安定化している。循環ポンプ２０８の入口側には、熱交換器２１１を設置し、ガスの温度上昇を抑制して、発生した微粒子を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５３１８４６３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述された従来の微粒子製造装置（図４参照）を用いて微粒子を製造する場合、ガスを循環させることで、ガスの使用量を抑えることができ、微粒子生産のランニングコストを低減させることが可能である。しかしながら、熱プラズマを発生させるために投入した電力エネルギーの中で、材料を蒸発に使用したエネルギーは、２〜５％であり、非常に効率が低いことが知られている。そのため、大量の微粒子形成を行うためには、熱プラズマのために大きな電力を投入しなければならず、微粒子の生産量を増加させることは困難である。
【０００９】
本発明は、上述された従来の課題を考慮し、投入電力エネルギーに対する処理に利用したエネルギーの効率を良くする事で、微粒子の生産量を増加させ、かつ低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる微粒子製造装置は、真空チャンバーと、
前記真空チャンバーに接続されて、材料の粒を前記真空チャンバー内に材料供給管の材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーに配置してプラズマを発生させる電極と、
前記真空チャンバーに接続されて、前記真空チャンバーから排出された微粒子を回収する回収装置とを有して、前記真空チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記材料供給装置から供給された前記材料から前記微粒子を製造する装置であって、
前記回収装置と前記材料供給装置とは、配管で接続されており、前記配管を通して、前記プラズマで加熱した前記真空チャンバー内のガスの熱で前記材料を加熱させる材料加熱循環装置と、
前記回収装置と前記材料供給装置とを接続している前記配管には、流量調整器を介して、前記真空チャンバーの複数の箇所に接続されるように分岐して接続されかつ前記材料供給管の周囲近傍に配置された下側のガス供給管を備え、
前記下側のガス供給管は、前記材料供給管の周囲近傍でかつ前記材料供給口の鉛直方向の下側から、前記真空チャンバー内に、前記配管及び前記下側のガス供給管を通して、前記プラズマで加熱した前記真空チャンバー内のガスを上向きに供給した後、前記材料加熱循環装置から前記真空チャンバー内に前記材料を供給する。
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる微粒子製造方法は、真空チャンバーに設置した電極により熱プラズマを生成し、
前記熱プラズマにより熱せられたガスを、配管を介して、前記真空チャンバーの下側の材料供給装置に戻して、前記戻されたガスにより、前記材料供給装置内の材料を加熱するとともに、前記配管及び流量調整器を介して、前記真空チャンバーの複数の箇所に接続されるように分岐して接続されかつ前記材料供給装置の前記真空チャンバー内に配置された材料供給管の周囲近傍でかつ前記材料供給管の材料供給口の鉛直方向の下側に配置された下側のガス供給管から前記真空チャンバー内に、前記熱プラズマにより熱せられたガスを上向きに供給し、
その後、前記材料供給管の前記材料供給口から前記真空チャンバー内の前記熱プラズマの領域内に、前記加熱された材料を前記戻されたガスと共に投入し、
前記加熱されて投入された材料が、前記材料供給口からの前記戻されたガスと前記下側のガス供給管から供給された前記ガスとの供給により、前記熱プラズマの領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、さらに、前記材料ガスが前記熱プラズマの前記領域から抜けた瞬間、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の前記態様によって、材料加熱循環装置で配管内を循環するガスにより材料を加熱して真空チャンバー内に導入することで、熱プラズマでの材料蒸発に必要なエネルギーを少なくすることができる。このため、熱プラズマでの材料の蒸発効率が高くなり、材料を大量に処理することができ、微粒子の生成量を上げることもでき、かつガスの使用量を削減でき、低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の概略断面図
【図２】本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の概略断面平面図
【図３】本発明における第１実施形態でのプロセスフローの図
【図４】従来例１のガス循環を利用した微粒子製造装置の概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係わる微粒子製造装置の概略縦断面図を示す。図２は、第１実施形態に係わる微粒子製造装置において電極部分で横方向に切断した状態での概略断面平面図を示す。図３は、第１実施形態でのプロセスフローを示す。図１〜図３を用いて、一例として、シリコンのナノメートルオーダーの微粒子を製造する例を説明する。
【００１６】
第１実施形態に関わる微粒子製造装置は、少なくとも、真空チャンバーの一例としての反応室１と、材料供給装置１０と、アーク放電を生成する電極、例えば、複数本の電極４と、生成した微粒子を回収する回収装置の一例としての微粒子回収部３と、材料加熱循環装置８０とを備えて構成している。材料供給装置１０は、反応室１の底部下方に配置されて、材料を反応室１内に供給している。微粒子回収部３は、反応室１の上端に接続されて配置されて、反応室１で生成された微粒子を回収している。複数本の電極４は、反応室１の中央部の側部に、内部に先端が突出するように所定間隔をあけて配置され、反応室１内でプラズマを発生させ、発生させたプラズマにより、材料供給装置１０から供給された材料から微粒子を製造している。
【００１７】
複数本の電極４には、其々、位相の異なる電力を供給する交流電源５が接続されており、位相を例えば６０°ずつずらした６０Ｈｚの交流電圧をそれぞれ印加することができる。各電極４は、それぞれ独立して、モータなどで構成される電極駆動装置４ａにより、反応室１の中心に対して放射線方向に前後移動する可動式になっている。
【００１８】
より詳しくは、この第１実施形態では、微粒子製造装置は、材料供給装置１０と反応室１とを接続する材料供給管１１と、微粒子回収部３と材料供給装置１０とを接続しているガス配管２０から分岐して接続され、投入した材料及び生成した微粒子の流れを制御するように反応室１内の上下にガスをそれぞれ供給する上側及び下側のガス供給管１５、１４とを設けている。
【００１９】
材料供給装置１０は、材料供給管１１により反応室１と接続して、材料供給装置１０からの材料を、反応室１の底部側から反応室１内に供給する。材料供給管１１は、材料供給装置１０の底部から中央部付近まで下から鉛直方向の上向きに延びて立設している。下側のガス供給管１４は、材料供給管１１の近傍において材料供給装置１０の底部から材料供給管１１の長手方向沿い（言い換えれば、鉛直方向沿い）に複数本配置され、材料供給口１２の鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きにガスを供給可能としている。上側のガス供給管１５は、材料供給装置１０の上部に、上部中央に向けて、複数本配置されて、上部中央に向けてガスを供給可能としている。
【００２０】
材料加熱循環装置８０は、反応室１と各装置又は各部とを接続するガス配管２０と、ガス配管２０の途中の微粒子回収部３の後段に配置された循環ポンプ２２とで構成されている。具体的には、反応室１と、微粒子回収部３と、循環ポンプ２２と、上側及び下側のガス供給管１５、１４及び材料供給装置１０とをガス配管２０で接続して、反応室１でプラズマで加熱されたガスが、反応室１から微粒子回収部３を介してガス配管２０に排出し、この排出されたガスを、循環ポンプ２２で循環させるように送り出し、再度、材料供給装置１０及び上下のガス供給管１５、１４を介して反応室１に供給して、全体として循環できるような構成になっている。この結果、循環ポンプ２２を駆動することによりガス配管２０を介してガスを循環させて、反応室１内のプラズマで加熱したガスを材料供給装置１０に供給して、材料供給装置１０で材料粒子（材料の粒）３０を加熱したのち反応室１内に供給する一方、反応室１内のプラズマで加熱したガスを、上側及び下側のガス供給管１５、１４を介して反応室１に供給することができる。
【００２１】
ガス配管２０は、加熱されたガスの温度が大幅に低下しないように、断熱材で覆われて構成されている。
【００２２】
なお、循環ポンプ２２は、製造動作開始時に、反応室１内と、微粒子回収部３内と、材料供給装置１０内とを真空引きして排気可能としている。
【００２３】
さらに、詳しくは、循環ポンプ２２の後段側すなわち下流側は、ガス配管２０を介して、材料供給装置１０と接続されるとともに、循環ポンプ２２の前段側すなわち上流側は、ガス配管２０を介して、微粒子回収部３と接続されている。
【００２４】
循環ポンプ２２の前段でかつ微粒子回収部３の後段には、圧力調整バルブ２１が取付けられて、ガス配管２０内に供給されたガスの全体の圧力を調整しながら、当該ガスを循環させる。
【００２５】
さらに、循環したガスの分圧が変化しないように、ガスを測定してガス分圧又は割合を分析するためのガス分析装置の一例としてのガス分圧分析装置２３と、ガス分圧分析装置２３の分析結果に基づいて、ガス配管２０からのガスの排気、又は、ガス供給装置２７からガス配管２０へのガスの導入を行って、ガス分圧を調整するガス分圧調整器２４とを備えて構成されている。すなわち、ガス分圧分析装置２３とガス分圧調整器２４とは、順に、循環ポンプ２２と材料供給装置１０との間での循環ポンプ２２の後段側すなわち下流側に配置されている。ガス分圧調整器２４には、複数のガスボンベなどを含む複数のガス供給装置２７が接続されており、ガス分圧分析装置２３での分析結果に基づいて、複数のガス供給装置２７からそれぞれ供給されるガスの圧力をガス分圧調整器２４で調整している。  微粒子回収部３と材料供給装置１０とを接続している配管２０でガス分圧調整器２４の後段には、さらに、温度調整器２５を配置して、配管２０内を流れるガスの温度を調整している。
【００２６】
温度調整器２５と、上下のガス供給管１５、１４と材料供給装置１０とのそれぞれの間の配管２０には、それぞれのガスの流量を調整する流量調整器２６を配置している。
【００２７】
制御装置１００は、微粒子回収部３と、材料供給装置１０と、材料加熱循環装置８０(循環ポンプ２２）と、ガス分圧分析装置２３と、ガス分圧調整器２４と、温度調整器２５と、流量調整器２６と、交流電源５と、電極駆動装置４ａとにそれぞれ接続されて、それぞれを動作制御している。
【００２８】
以下、微粒子製造装置の製造動作について、図３のプロセスフローに沿って説明する。
【００２９】
（ステップＳ１）材料設置及び真空引きをする。
【００３０】
初めに、材料供給装置１０内に材料を設置するとともに、反応室１内と、微粒子回収部３内と、材料供給装置１０内とを循環ポンプ２２によって、例えば数１０Ｐａまで排気することで、大気中の酸素の影響を低減させる。
【００３１】
（ステップＳ２）ガス導入及び圧力調整を行う。
【００３２】
次いで、複数のガス供給装置２７のそれぞれから、それぞれ流量調整器２６を介して、材料供給装置１０と、下側のガス供給管１４と、上側のガス供給管１５とにガスを流量調整しながら供給する。供給されたガスは、循環ポンプ２２の前段に取付けた圧力調整バルブ２１で全体の圧力を調整しながら、ガスを循環させる。下側のガス供給管１４は、反応室１の下部において、材料供給管１１の下部周囲の円錐状のカバー１３を貫通して鉛直方向の上向きに複数本立設して、鉛直方向の上向きにガスが供給されるように配置されている。上側のガス供給管１５は、反応室１の上端近傍の側壁に設置しており、作製した微粒子３２を冷却するためにガスを反応室１内に導入する。
【００３３】
この第１実施形態の第１実施例では、一例としてシリコンの微粒子を製造させるため、反応室１内には、ガス供給装置２７から２つのガス供給管１４、１５を介して、アルゴンを供給して、反応室１内を、アルゴンの不活性ガス雰囲気の大気圧近傍の圧力に維持して、以下の微粒子製造工程を行っている。材料の還元を促進させるため、反応室１内に、ガス供給装置２７から、ガス供給管１４、１５を介して、水素ガス及び微量の炭化系ガスを混合して導入しても良い。
【００３４】
（ステップＳ３）放電を開始する。
【００３５】
次いで、図示しない水冷機構を円筒状の側壁内部に有した反応室１の側壁の内面は、アーク放電（プラズマ）の熱を保持するため、一例として炭素材料からなる断熱材２で覆われた構造になっている。一例として、アーク放電を生成させる金属製の電極４は、図２に示すように、反応室１内に先端が横方向（例えば水平方向に対して５〜３０°上向き）に突出した状態で、反応室１の円周壁に６０°間隔で６本の電極４を放射線状に配置する。電極４には、金属材料の蒸発を低減するため、具体的には図示しないが水冷及び冷却ガスを内部に流し、金属電極を冷却している。
【００３６】
一例として、各電極４の先端が１つの横方向の平面方向から５〜３０°上向きに配置されている。第１実施例では、６本の電極４を放射状に配置しているが、電極数は６の倍数であれば、電極本数を増やしたり、又は、同一平面に配置するだけでなく、２段、又は、３段など多段化した電極配置にしても良い。電極４を多段化して配置することで、材料を蒸発させる熱源であるアーク放電をさらに鉛直方向に拡大させることができ、大量の微粒子生成には優位である。また、電極４の材料の一例として、高融点金属であるタングステン電極を使用しているが、タンタルなどの他の高融点金属又は炭素材料で構成される電極を使用しても良い。
【００３７】
図１及び図２に示すように、アーク放電を着火させるときには、任意の２本の電極４を電極駆動装置４ａにより反応室１の中心側に移動させる。アーク放電が着火した後、其々、電極４にかかる電流が一定になるように調整しながら、電極４を放射線方向（放射状に配置した電極４の中心位置から外側に向かう方向）に電極駆動装置４ａにより移動させ、電極４の先端が壁近傍に位置するまで、電極４の中心位置から遠ざける。これにより、例えば約１００００℃の熱プラズマであるアーク放電の面積が大きくなり、処理量を増加させることができる。各電極駆動装置４ａとしては、一例として、モータによりボールネジを正逆回転させて、ボールネジに螺合したナット部材に連結された電極４を軸方向に進退させるものである。本実施例では、複数電極４を用いたアーク放電による熱プラズマを例に記載しているが、４ＭＨｚ又は１３．５６ＭＨｚなどの高周波電源を用いた誘導結合型プラズマ(ＩＣＰプラズマ)でも良い。
【００３８】
（ステップＳ４）材料を加熱する。
【００３９】
次いで、前記のように、反応室１内でアーク放電３１が開始されると、反応室１から排出されるガスは高温になる。この高温になって反応室１から排出されたガスを、材料加熱循環装置８０の循環ポンプ２２でガス配管２０を介して反応室１から反応室１の後段に送り、温度調整器２５にて温度調整を行った後、流量調整器２６を介して、材料供給装置１０と、ガス供給管１４、１５とを通して、再度、反応室１に戻す。その際、材料供給装置１０の中に設置した材料粒子３０に高温のガスが直接接触する事で、材料粒子３０を加熱することができる。
【００４０】
さらに、材料加熱循環装置８０の循環ポンプ２２の駆動により、熱プラズマにより反応室１で加熱されたガスを、ガス配管２０及びガス材料供給口１２の鉛直方向の下側に開口を設置したガス供給管１４を通して、
供給する。このようにガスを供給することによって、材料粒子３０がアーク放電３１へ到達するまでに加熱、あるいは材料粒子３０の温度低下速度を遅くできる。これにより、材料粒子３０の加熱温度を保ったままアーク放電３１に導入することができるため、蒸発効率を上げることができる。
【００４１】
（ステップＳ５）材料供給を開始する。
【００４２】
次いで、材料供給装置１０の材料粒子３０の温度が所望の温度に到達したら、熱プラズマで熱せられたガスと共に材料粒子３０の供給を開始する。加熱温度は、材料粒子３０の種類にも依存するが、１００℃以上、材料粒子３０の融点の０．８倍の温度未満であることが望ましい。１００℃以上にすることで、材料粒子３０に付着している水成分を蒸発させ、材料粒子３０の流動性を上げることができ、材料粒子３０の安定供給が可能となる。また、材料粒子３０の流動性は、材料粒子３０の融点に対し０．６倍以上０．８倍未満の温度範囲で良化し、０．８倍以上の温度では悪化するという報告がある。そのため、材料粒子３０の加熱温度は、投入する材料粒子３０の融点の０．８倍未満であることが望ましい。
【００４３】
一例として、微粒子３２の原料となる材料粒子３０は、約１６ミクロンメートルのシリコン粉末を用い、材料供給装置１０内に設置する。第１実施例では、１６ミクロンメートルの粒子を使用したが、プラズマの条件にも依存するが１ミクロンより大きくかつ１００ミクロン以下の粒子径であれば、熱プラズマにて蒸発し、ナノメートルオーダーの微粒子３２を製造することは可能である。１００ミクロンメートルより大きい粒子径の材料粒子３０を使用すると、材料粒子３０を完全に蒸発させることができず、生成される微粒子３２が大きくなってしまうことがある。材料供給装置１０は、一例として、局部流動式粉末供給装置を用いることができる。この局部流動式粉末供給装置では、キャリアガスの流量と、材料粒子３０を導入する器の回転数によって材料粒子３０の供給量を制御して、粉末材料である材料粒子３０を一定の割合で材料供給管１１に送ることができる。材料供給装置１０の他の例としては、レーザーなどを用いて、粉末材料の表面とノズルの距離とを制御する表面倣い式粉末供給器、又は、ホッパーなどから溝に定量の粉末材料を供給して吸引する定量式粉末供給器などがある。どの方式の粉末材料供給装置を使用しても良いが、供給する粉末材料の量によって使い分ける。
【００４４】
（ステップＳ６）微粒子を形成する。
【００４５】
次いで、図１に示すように、材料供給装置１０から加熱されたガスと共に熱せられた材料粒子３０は、材料供給管１１に送られ、材料供給管１１の上端の材料供給口１２から反応室１内にガスと共に導入される。反応室１内にガスと共に導入された材料粒子３０は、アーク放電３１の中を通過するときに、蒸発又は気化（以下、代表的に「蒸発」と称する。）して、材料粒子３０はガス化する。この際、熱せられた材料粒子３０を使用しているため、材料粒子３０を沸点以上の温度まで上昇させるために必要なエネルギーは、材料粒子３０を加熱していないときに比べて小さくなる。よって、材料供給装置１０で材料粒子３０を予め加熱する場合、加熱しない場合と比較して、処理効率が上がり、多くの粒子を蒸発させることができる。
【００４６】
材料粒子３０を蒸発させてできた材料ガスは、アーク放電３１の熱による上昇気流又はガス供給管１４からのガス流れによって、反応室１内を上昇し、アーク放電３１の領域から抜けた瞬間、材料ガスは急激に冷やされ、球状の微粒子３２が生成される。材料供給管１１の下部周囲のカバー１３には、材料粒子３０又はアーク放電３１によって生成された微粒子３２を一定方向（鉛直方向の上向き）に送るための複数本のガス供給管１４を設け、ガス供給管１４から雰囲気ガスを前記一定方向（鉛直方向の上向き）に供給している。材料供給管１１及び材料供給口１２は、材料粒子３０が冷えないように図示しない加熱機構を有し、複数の電極４の中心位置よりも、鉛直方向の下側に設置する。特に、材料供給口１２の上端の材料供給口１２は、アーク放電３１の領域よりも下方に位置するように配置されている。
【００４７】
また、一般に、材料粒子３０が供給された場所のアーク放電３１は、材料粒子３０の蒸発にプラズマの熱が奪われてしまうため、材料粒子３０を蒸発させた場所のアーク放電の温度が下がってしまう。従来、一般的な誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）トーチなどの連続的放電に連続的に材料粒子３０を投入する場合では、材料粒子３０の蒸発によってプラズマの温度が下がってしまい、材料粒子３０を完全に蒸発させることができず、比較的大きな微粒子が生成されてしまい、粒径分布が悪化してしまう。また、所望の粒子径の微粒子３２を製造したり、製造した微粒子３２の粒径分布を良化させるためには、材料粒子３０の投入量を制限するしかなく、処理量が低下してしまう。
【００４８】
これに対して、第１実施例で用いた複数の電極４で生成するアーク放電３１は、位相が互いに異なる電力、例えば位相を６０°ずらした６０Ｈｚの電力が供給可能な交流電源５を複数の電極４の電源としてそれぞれ使用している。このため、放電がパルス状になっており、常に高温の熱プラズマを生成することができる。
【００４９】
アーク放電３１又はＩＣＰトーチなどの熱プラズマは、粘性ガスであるため、ある速度を有した材料粒子３０でないと、アーク放電３１の中に入らず処理されない。材料供給装置１０及び材料供給口１２がアーク放電３１の鉛直方向の下側に設置され、アーク放電３１の鉛直方向の下側から材料粒子３０を供給する本装置では、アーク放電３１にはじかれた未処理の材料粒子３０は、重力によって鉛直方向の下側に落ち、アーク放電３１の上方に位置しかつ処理された微粒子３２とは、確実に分離することができる。これらの未処理の材料粒子３０は、反応室１の底部でかつ材料供給口１２の下側に設置した未処理材料貯蔵部１６に溜まる。この未処理材料貯蔵部１６に溜まった材料は、材料供給装置１０に戻し、再利用することも可能で、材料利用効率を上げることができる。
【００５０】
（ステップＳ７）放電を止めて、微粒子を回収する。
【００５１】
次いで、図１に示すように、アーク放電３１により生成されかつ重力よりも軽い微粒子３２は、ガス供給管１４からのガスの流れ又はガス供給管１５から冷却ガスの流れにより、微粒子回収部３によって回収される。図示していないが、微粒子回収部３には、任意の微粒子径以上を分級できるサイクロンと、所望の微粒を回収できるバグフィルタとが取付けられている。微粒子を回収するためのバグフィルタは、高温のガスを循環しているため、一例として耐熱性の高いシリカ繊維を使用したフィルタを使用することができる。また、回収した微粒子を大気に取出す際は、発火の恐れがあるため、大気(酸素を含んだガス)を１％程度含んだ雰囲気下で数時間放置し、徐酸化処理を行い、大気中に取り出す。これにより、シリコン微粒子の表面は、例えば１〜２ナノメートル程度酸化し、安全に取出すことが可能になる。これらの前記のプロセスにより、バグフィルタからは、例えば１０〜３００ナノメートルのシリコン微粒子を回収することができる。
【００５２】
第１実施例では、シリコン（Ｓｉ）のナノメートルオーダーの微粒子を製造する方法について説明したが、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）若しくは銅（Ｃｕ）などの金属、又は、ガラス（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの無機系の材料を微粒子生成用材料として微粒子を生成しても良い。また、反応室１に導入するガスと反応させることで、例えば、シリコン材料を用いて、一酸化シリコン（ＳｉＯｘ：ｘ＝１〜１．６）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ：ｘ＝０．１〜１．３）又は炭化シリコン（ＳｉＣｘ）の微粒子を生成しても良い。さらには、内側にシリコンの核を有し、外側にはアルミナ又は炭化シリコンなどで覆われているような複数の材料から構成される複合材料の生成に利用することもできる。
【００５３】
また、図１に示したように、ガスの循環には、循環ポンプ２２の後段にガス分圧分析装置２３とガス分圧調整器２４とが取付けてあり、２種類以上のガスを使用する場合に使用する。一例として、通常使用しているアルゴンガスに還元反応を促進させるため水素ガスを添加して処理を行う場合がある。一例として、ガス分圧分析装置２３は、四重極質量分析装置(ＱＭＳ)を使用した。ＱＭＳは、先端に取付けたフィラメントによってガス配管２０を通ってきたガスの一部をイオン化し、四重極に電界をかける事により、質量の異なるイオンを分離することができる。そのため、ガス分圧分析装置２３に導入されたガス中のガスの種類を把握でき、各ガス種の分圧を見積ることができる。このガス分圧分析装置２３の計測結果から、微粒子製造条件で設定したガス分圧（たとえばアルゴンと水素の割合）が一定になるようにガス分圧調整器２４で調整する。ガス分圧分析装置２３でのガス分圧計測の結果、所望の設定したガス分圧からずれていた場合は、ガス分圧調整器２４で、ガス分圧調整器２４に接続したガス供給装置２７から不足したガスを追加することで、ガス分圧（たとえばアルゴンと水素の割合）が一定になるように制御する。これにより、長時間、安定した処理を行うことができる。
【００５４】
ガス分圧分析装置２３の一例として、ＱＭＳを使用したが、光学的にガスの種類を分析できるフーリエ変換型赤外分光（ＦＴＩＲ）装置を用いても良い。また、２種類のガスを使用した微粒子形成を説明したが、３種類以上ガスを混合させても良い。例えば、シリコン材料を還元させるためにアルゴン雰囲気に、水素及び炭化ガスを少量添加すると、さらに還元反応が促進される。この場合も、前記同様の方法を用いて各ガスの割合を調整し、ガスを材料供給装置１０と、ガス供給管１４、１５とに供給することで、安定な処理を行うことが可能になる。
【００５５】
前記第１実施形態によれば、材料加熱循環装置８０でガス配管２０内を循環するガスにより材料を加熱して反応室１内に導入することで、熱プラズマから発生した熱で材料粒子３０を加熱することで、熱プラズマでの材料蒸発に必要なエネルギーを少なくすることができる。このため、熱プラズマ導入時における材料粒子３０の蒸発効率が高くなり、多量の材料粒子を処理できるようになる。よって、微粒子の生成量を上げることもでき、かつガスの使用量を削減でき、低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。
【００５６】
また、前記第１実施形態によれば、複数本の電極４には、其々交流電源５が接続されてアーク放電３１を生成できるので、他の方法に比べ、材料粒子３０を蒸発させるアーク放電３１による熱プラズマの面積を大きくすることができ、大量の材料を処理できる。
【００５７】
また、前記第１実施形態によれば、熱プラズマから発生した熱を再利用するため、エネルギー利用効率が高くなる。また、ガスを再利用することでガスの使用量を低減でき、低コストで微粒子を生産することができる。
【００５８】
また、前記第１実施形態によれば、ガスの循環時にガス種の分圧を分析し、ガス分圧を調整することで、長時間安定な処理を行うことができる。
【００５９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、材料供給装置１０内の材料粒子３０を貯蔵する材料貯蔵部には、抵抗加熱を用いて材料粒子３０を直接加熱する補助材料加熱機構を備えるようにしてもよい。例えば、微粒子製造装置を最初に駆動して反応室１内で十分に加熱されていないガスがガス配管２０内を循環するとき、又は、ガス供給装置２７からガス配管２０内にガスが供給されるとき、それぞれ、ガスの温度が低いため、補助材料加熱機構でガスを補助的に加熱するようにしてもよい。これにより、材料粒子３０の温度制御がより容易になる。
【００６０】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明における微粒子製造装置及び微粒子製造方法は、プラズマからの排熱を材料加熱に再利用することで、材料を効率良く大量に処理することができ、微粒子の生成量を上げ、かつ低コストで生産することができる。そのため、本発明は、リチウムイオン二次電池又はセラミックコンデンサーなど大量生産が要望されるデバイスに使用される微粒子製造装置及び微粒子製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１  反応室
２  断熱材
３  微粒子回収部
４  電極
５  交流電源
１０  材料供給装置
１１  材料供給管
１２  材料供給口
１３  カバー
１４  ガス供給管
１５  ガス供給管
１６  未処理材料貯蔵部
２０  ガス配管
２１  圧力調整バルブ
２２  循環ポンプ
２３  ガス分圧分析装置
２４  ガス分圧調整器
２５  温度調整器
２６  流量調整器
２７  ガス供給装置
３０  材料粒子
３１  アーク放電
３２  微粒子
８０  材料加熱循環装置
１００  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0006590203.tif 000005