(57)【要約】【課題】簡易な装置および手法で、ＡＤ法において２種類以上の微粒子材料からなる多層被膜、傾斜機能を有する被膜、呈色を連続的に変化させた被膜などを形成することができる複合被膜形成方法を提供する。【解決手段】溝６ａが形成された循環式輸送手段６を有するエアロゾル発生装置１を用いて、２種類以上の微粒子８をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる複合被膜形成方法であって、エアロゾル形成工程は、溝６ａに所定分布で充填された２種類以上の微粒子８を、溝一端側から順次ガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程である。【選択図】図１
2008196011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝が形成された循環式輸送手段を有するエアロゾル発生装置を用いて、２種類以上の微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、前記エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる複合被膜形成方法であって、
前記エアロゾル形成工程は、前記溝に所定分布で充填された２種類以上の微粒子を、溝一端側から順次ガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程であることを特徴とする複合被膜形成方法。
【請求項２】
前記所定分布は、エアロゾル化される側である溝一端側から、溝他端側に向けて、種類の異なる微粒子の充填比率が連続的に変化する分布であることを特徴とする請求項１記載の複合被膜形成方法。
【請求項３】
前記充填比率は、エアロゾル化される側である溝一端側に近いほど、前記基材に対して成膜しやすい種類の微粒子が多くなる比率であることを特徴とする請求項２記載の複合被膜形成方法。
【請求項４】
前記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm〜2μm であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の複合被膜形成方法。
【請求項５】
前記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子および窒化珪素微粒子であることを特徴とする請求項４記載の複合被膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルデポジション（以下、ＡＤと記す）法において、複数種類の微粒子を材料として用い、基材上に複合被膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、常温下で緻密なセラミックス被膜等を形成する方法として、微粒子（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射し、エアロゾルを基材表面に衝突させて、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させるＡＤ法が知られている。ＡＤ法の例としては、基板上に 50 nm〜5μm の超微粒子脆性材料を接合させて理論密度の 95 ％以上で結晶サイズで 100 nm 以下の微結晶を含む脆性材料である超微粒子成形体を得る脆性材料超微粒子成形体の低温成形法が挙げられる（特許文献１参照）。
【０００３】
ＡＤ法により基材と微粒子材料からなる複合構造物を作製するＡＤ成膜装置は、エアロゾルを発生させるためのエアロゾル発生装置（部位）が必要となる。従来エアロゾル発生装置としては、所定量の微粒子材料を予め容器内に入れ、これに振動等を加えつつ搬送ガス中に分散させるバッチ式のものが多く使用されている。また、微粒子を連続的に供給する非バッチ式のエアロゾル発生装置として、粉体収容部と、粉体収容部からの粉体が充填される溝を設けた循環式の粉体輸送手段と、エアロゾル化手段とを備えてなり、エアロゾル化手段が、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、ガス導入口から導入される搬送ガスが、粉体輸送手段に輸送された粉体の一部に吹き付けられてエアロゾル化し、このエアロゾルがエアロゾル導出口から導出されるもの（特許文献２参照）が開示されている。
【０００４】
また、ＡＤ法ではセラミックス被膜を堆積形成できること、すなわち、成膜されたセラミックス被膜上へ新たに堆積して成膜させることができること等が開示されている（特許文献３参照）。このことから、成膜した被膜上に別種のセラミックス被膜を形成する、または、成膜用の材料粒子を予め混合することで、被膜の機能に複合性を持たせることが可能となると考えられる。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２や特許文献３等の従来のＡＤ法に関する出願は、基本的には同種材料を堆積形成するものであり、種類の異なる材料を用いて、複合被膜を形成することについては開示されていない。
例えば、バッチ式のエアロゾル発生装置を用いて複合被膜を形成するために、成膜途中で発生装置内の材料交換を行なうと、連続的な成膜ができず生産性に劣ることや、交換時に被膜表面が劣化するおそれがある。また、多層化する場合において使用する微粒子の順序によっては、基材との密着力が十分に得られない場合や、既に成膜された被膜を必要以上にエッチングしてしまう等の問題がある。
【０００６】
また、特許文献２のエアロゾル発生装置を使用すれば連続的な成膜が可能であるが、例えば、粉体収容部に単に複数種の微粒子を混合して収容しておくだけでは、被膜に傾斜的な機能を持たせることや、呈色を連続的に変化させることなどができない。
【特許文献１】特許第３２６５４８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７５６３１号公報
【特許文献３】特開２００１−１８１８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような問題に対処すべくなされたものであり、簡易な装置および手法で、ＡＤ法において２種類以上の微粒子材料からなる多層被膜、傾斜機能を有する被膜、呈色を連続的に変化させた被膜などを形成することができる複合被膜形成方法を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の複合被膜形成方法は、溝が形成された循環式輸送手段を有するエアロゾル発生装置を用いて、２種類以上の微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、上記エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる複合被膜形成方法であって、上記エアロゾル形成工程は、上記溝に所定分布で充填された２種類以上の微粒子を、溝一端側から順次ガス中に分散させてエアロゾルを形成する工程であることを特徴とする。
【０００９】
上記所定分布は、エアロゾル化される側である溝一端側から、溝他端側に向けて、種類の異なる微粒子の充填比率が連続的に変化する分布であることを特徴とする。
また、上記充填比率は、エアロゾル化される側である溝一端側に近いほど、前記基材に対して成膜しやすい種類の微粒子が多くなる比率であることを特徴とする。
【００１０】
上記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm〜2μm であることを特徴とする。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
また、上記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子および窒化珪素微粒子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の複合被膜形成方法は、エアロゾル形成工程において、溝に所定分布で充填された２種類以上の微粒子を、溝一端側から順次ガス中に分散させてエアロゾルを形成するので、被膜が所望の材料構成となるように予め溝内に微粒子を充填しておくことで、該分布に従った構造の複合被膜を形成することができる。
例えば、エアロゾル化される側である溝一端側から、溝他端側に向けて、種類の異なる微粒子の充填比率が連続的に変化する分布で充填するので、一定方向に段階的に物性が変化するような傾斜機能を有する被膜や、呈色を連続的に変化させた被膜を形成できる。
また、溝内の充填比率において、エアロゾル化される側である溝一端側に近いほど基材に対して成膜しやすい種類の微粒子が多くなる比率とするので、基材に対して密着性を高めた複合被膜を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明においてＡＤ法は、セラミックス等の脆性材料の微粒子を搬送ガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。エアロゾル中の一次粒子等の微細なセラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
【００１３】
本発明の複合被膜形成方法は、溝が形成された循環式輸送手段を有するエアロゾル発生装置を用いて、２種類以上の微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる。
【００１４】
本発明の複合被膜形成方法におけるエアロゾル形成工程を、該方法に使用するエアロゾル発生装置を示す図１および図２に基づいて説明する。図１は、本発明に使用するエアロゾル発生装置の斜視図であり、図２は図１におけるエアロゾル発生部５の一部断面図である。
図１に示すようにエアロゾル発生装置１は、セラミックス粉等の微粒子を連続的に供給する循環式輸送手段として円環状の溝６ａが形成された回転テーブル６を有し、該回転テーブル６上にエアロゾル発生部５が載置されている。また、回転テーブル６上に、溝６ａに微粒子を連続的に供給するための微粒子収容部を設けてもよい。
【００１５】
溝６ａに充填された微粒子８は、回転テーブル６の回転（図中矢印）によりエアロゾル発生部５に供給される。該装置においては、溝６ａの大きさや、回転テーブル６の回転速度を変更することで、エアロゾル発生部５への微粒子供給量を調節できる。溝６ａ内の微粒子が酸化劣化すること等を防止するとともに、エアロゾル発生部５に搬送ガスを供給するため、回転テーブル６全体がチャンバー７内に入れられている。チャンバー７はガス供給設備（図３参照）と接続され、チャンバー７内に搬送ガスが供給される。
【００１６】
図２に示すようにエアロゾル発生部５は、微粒子８を溝６ａからエアロゾル発生部５内に吸引導入するための微粒子導入口２と、ガス供給設備（図３参照）からチャンバー７内に供給される搬送ガスをエアロゾル発生部５内に導入するためのガス導入口３と、微粒子８をガス中に分散させたエアロゾルを導出するためのエアロゾル導出口４とを有する。微粒子導入口２には、溝内で凝集した粗大粒子の侵入を防止するためのフィルター２ａが設けられている。
【００１７】
エアロゾル発生部５は、ガス導入口３を介して導入される搬送ガスを、溝６ａから微粒子導入口２を介して吸引された微粒子８に吹き付けて、エアロゾル化し、該エアロゾルをエアロゾル導出口４から導出してエアロゾル噴射ノズル（図３参照）へと供給する。微粒子８は、溝６ａの一端側（エアロゾル発生部側）から順次吸引される。微粒子８の吸引速度およびエアロゾルの導出速度等は、ガス供給設備からの搬送ガスの供給圧力、および、エアロゾル噴射ノズルが設けられた真空チャンバー内の減圧度によって調整される。
【００１８】
本発明の複合被膜形成方法では、溝６ａに予め２種類以上の微粒子を所定分布で充填しておくことを特徴としている。
溝６ａに充填される微粒子分布の一例を図３に基づいて説明する。図３は、溝６ａの回転テーブルの回転方向断面図である。図３に示すように、エアロゾル化される側である溝一端側（図中右側）から、溝他端側（図中左側）に向けて、種類の異なる微粒子Ｘおよび微粒子Ｙの充填比率が連続的に変化する分布として充填する。図３においては、右側ほど微粒子Ｙの比率が大きく、左側ほど微粒子Ｘの比率が大きいので、該図に示す分布の微粒子を用いてエアロゾル化し被膜を形成すれば、物性が微粒子Ｙから微粒子Ｘの物性に連続的に変化するような傾斜機能を有する被膜が形成できる。同時に、被膜の呈色も微粒子Ｙから微粒子Ｘの色に連続的に変化するものとできる。
【００１９】
また、溝６ａに充填される微粒子分布としては、エアロゾル化される側である溝一端側に近いほど、被膜形成対象である基材に対して成膜しやすい種類の微粒子が多くなる比率とすることが好ましい。例えば、エアロゾル噴射ノズルまたは基材を操作し被膜を塗り重ねて形成する場合では、上記分布とすることで、先に基材と成膜しやすい種類の微粒子により被膜が密着性よく成膜され、その後、他種の微粒子が堆積形成される。この結果、被膜自体の基材への密着性を向上させることができる。なお、基材に対して成膜しやすい種類の微粒子とは、微粒子自体の物性の他、溝内において凝集しやすい等の特性も考慮する。
【００２０】
本発明の複合被膜形成方法において使用可能な微粒子としては、ＡＤ法で使用可能なものであれば任意の微粒子を使用でき、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化珪素、窒化珪素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が特に好ましい。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。
本発明では、これらの微粒子を２種類以上、複合被膜の所望の特性に合わせて組み合わせて使用する。
【００２１】
本発明において使用する微粒子の平均粒子径は、0.1μm〜2μm であることが好ましい。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。
【００２２】
基材として、軸受等に使用される軸受鋼を採用する場合では、アルミナ微粒子と窒化珪素微粒子とを併用することが好ましい。ここで、窒化珪素微粒子は溝内において凝集しやすく成膜効率に劣るので、例えば、図３において微粒子Ｙをアルミナとし、微粒子Ｘを窒化珪素として、まずアルミナ微粒子で被膜形成を行なった後に、段階的に窒化珪素微粒子を多くして被膜形成を行なうことで、軸受鋼との密着性を確保できる。その他、アルミナ微粒子とジルコニア微粒子を併用することも可能である。
【００２３】
本発明の複合被膜形成方法における成膜工程を、被膜形成装置を示す図４に基づいて説明する。図４はＡＤ法により、基材である軸受外輪の外径面にセラミックス被膜を形成する場合の被膜形成装置を示す図である。
図４に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置１０は、エアロゾル発生装置１と、真空チャンバー１１とを有する。真空チャンバー１１内には、被膜形成対象の基材である外輪１３と、エアロゾル噴射ノズル１７とが配設されている。真空チャンバー１１の内部は真空ポンプ１２によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ１２の直前に微粒子フィルター１８が設けられている。
エアロゾル噴射ノズル１７は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、基材である外輪１３に噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル１７は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル１７は、真空チャンバー１１内で変位可能に構成してもよい。
【００２４】
エアロゾル発生装置１の回転テーブル６の溝６ａに図３に示す分布でセラミックス微粒子（ＸおよびＹ）をいれ、回転テーブル６を回し、該微粒子をエアロゾル発生部５に供給しながら、ガス供給設備１６からチャンバー７内に搬送ガスを導入し、ガス導入口３からエアロゾル発生部５に搬送ガスを供給して、該微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルを形成する。なお、溝内のセラミックス微粒子は微粒子導入口２からエアロゾル発生部５内に順次導入される（図１および図２参照）。
また、使用可能な搬送ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。
【００２５】
エアロゾル噴射ノズル１７には、エアロゾル発生装置１のエアロゾル導出口４から上記のエアロゾルが供給される。固定したエアロゾル噴射ノズル１７から、対象物回転用モータ１５により所定回転数で回転（図中Ａ）している外輪１３に、上記のエアロゾルが噴射され、外輪１３の外径面にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル１４により外輪１３を軸方向に移動（図中Ｂ）させることで、外輪１３のＸＹ方向にも均一に被膜が形成される。セラミックス被膜は、溝６ａ内の微粒子分布に従った複合被膜として形成される。
【００２６】
また、溝内の微粒子分布に加えて、対象物回転用モータ１５および位置決め用ＸＹテーブル１４の回転・移動方向を調整することで、複合被膜の傾斜機能、呈色状態等を調整できる。
【実施例】
【００２７】
図１に示すエアロゾル発生装置および図４に示す被膜形成装置を用いた。エアロゾル発生装置１の溝６ａ内に、アルミナ微粒子（住友化学社製ＡＫＰ−２０、平均粒子径 0.50μm ）と、窒化珪素微粒子（宇部興産社製ＳＮ−Ｅ１０、平均粒子径 0.55μm ）とを図３に示す分布（図中Ｘ：窒化珪素、図中Ｙ：アルミナ）で充填した。エアロゾル発生部５でエアロゾルを形成し、真空チャンバー内に取り付けた軸受鋼ＳＵＪ２製テスト基板（縦 30 mm×横 30 mm、厚み 3 mm ）表面にＡＤ法で複合被膜を 5 分間形成した。エアロゾル発生装置については、回転テーブル６の直径は 340 mm、一周約 9 時間の回転速度、溝断面は 10 mm×5 mm の矩形形状とした。
ＡＤ法は位置決め用ＸＹテーブルを用いて、6 mm／分で移動するテスト基板に、100 Pa 以下の減圧下で、開口サイズ 10 mm×0.3 mm のノズルを通して上記セラミックス微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。なお、搬送ガスには窒素ガスを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
【００２８】
得られた被膜を観察した結果、白色を呈するアルミナ部から、黒色を呈する窒化珪素部へと連続的に色が変化することを確認した。これにより、被膜が複合化していることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の複合被膜形成方法は、簡易な装置および手法で、ＡＤ法において２種類以上の微粒子材料からなる多層被膜などを形成することができるので、各種産業部品等へセラミックス被膜形成に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に使用するエアロゾル発生装置の斜視図である。
【図２】図１におけるエアロゾル発生部の一部断面図である。
【図３】エアロゾル発生装置における溝の回転方向断面図である。
【図４】本発明に使用する被膜形成装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    エアロゾル発生装置
２    微粒子導入口
３    ガス導入口
４    エアロゾル導出口
５    エアロゾル発生部
６    回転テーブル
６ａ  溝
７    チャンバー
８    微粒子
１０  被膜形成装置
１１  真空チャンバー
１２  真空ポンプ
１３  外輪
１４  位置決め用ＸＹテーブル
１５  対象物回転用モータ
１６  ガス供給設備
１７  エアロゾル噴射ノズル
１８  微粒子フィルター
【図１】
2008196011.tif 000003
【図２】
2008196011.tif 000004
【図３】
2008196011.tif 000005
【図４】
2008196011.tif 000006