(57)【要約】【課題】ＡＤ法において緻密なセラミックス被膜を、基材の表面、特に軸受外周部等の基材の外円周曲面上に均一に形成できる被膜形成装置および被膜形成方法を提供する。【解決手段】エアロゾル発生装置１１と、真空チャンバー２と、該真空チャンバー２内に配設された、被膜形成対象である基材７に対し所定の開口部を有するマスク６と、円周曲面を有し円周方向に回転する回転部材５と、エアロゾル噴射ノズル１２とを備えてなる被膜形成装置１であって、エアロゾルを上記エアロゾル噴射ノズル１２より噴射させ、回転部材５の円周曲面に一次衝突させ、該回転部材５の円周曲面から反射したエアロゾル中のセラミックス微粒子を、基材７の表面にマスク６を介して二次衝突させてセラミックス被膜を形成する。【選択図】図１
2008007804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス微粒子をガス中に分散させてエアロゾルとするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーとを備えてなり、該真空チャンバー内に、被膜形成対象である基材に対し所定の開口部を有するマスクと、円周曲面を有し円周方向に回転する回転部材と、該回転部材に向けて前記エアロゾルを噴射するエアロゾル噴射ノズルとを有する被膜形成装置であって、
該被膜形成装置は、前記エアロゾルを前記エアロゾル噴射ノズルより噴射させ、前記回転部材の円周曲面に一次衝突させ、該回転部材の円周曲面から反射したエアロゾル中のセラミックス微粒子を、前記基材の表面に前記マスクを介して二次衝突させてセラミックス被膜を形成することを特徴とする被膜形成装置。
【請求項２】
前記セラミックス被膜が形成される基材の表面が円周曲面であり、該基材を円周方向に回転または軸方向に移動させながら前記セラミックス被膜を形成し、前記軸方向の移動は、位置決め用ＸＹテーブルを用いてなされ、前記円周方向の回転は、前記位置決め用ＸＹテーブル上に設置された対象物回転用モータを用いてなされることを特徴とする請求項１記載の被膜形成装置。
【請求項３】
前記原料セラミックス微粒子は、脆性材料でありかつ微粒子粒径で 0.01〜2μm であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の被膜形成装置。
【請求項４】
前記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガス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記載の被膜形成装置。
【請求項５】
セラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射し衝突させて成膜を行なうエアロゾルデポジション法による被膜形成方法であって、
請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の被膜形成装置を用い、前記エアロゾルを前記エアロゾル噴射ノズルより噴射させ、前記回転部材の円周曲面に一次衝突させ、該回転部材の円周曲面から反射したエアロゾル中のセラミックス微粒子を、前記基材の表面にマスクを介して二次衝突させてセラミックス被膜を形成することを特徴とする被膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面、特に軸受外周部等の基材の円周曲面に、エアロゾルデポジション（以下、ＡＤと記す）法により被膜を形成するための被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、セラミックスなどの脆性材料からなる超微粒子を不活性ガスでエアロゾル化し、微小なノズルから高速で吐出させ基板上に噴射・衝突させて成膜させるＡＤ法が知られている（特許文献１参照）。
この方法では、円筒面などの外周曲面に対しては、曲面の法線を入射方向とするエアロゾル噴射や一定速度でノズル移動を行なう必要があること等から成膜が困難であった。この改善に、例えば軸受外輪のような円筒状ワークを回転させながら成膜する方法も考えられるが、微小なノズルからの微粒子の吐出速度は、搬送ガスの流速・チャンバー圧力とノズル内部の差圧およびノズル形状で決まってしまうため非常に狭い範囲の速度制御しかできず、成膜速度を向上させるための条件決定は非常に困難であった。
【０００３】
また、ナノメートルオーダーの極薄の超微粒子膜を形成することができ、また、材料微粒子の表面を新しい活性なものにして、強固な微粒子間接合の微粒子薄膜を形成することができ、さらに、超微粒子薄膜の各種の層構成をとることを可能にするため、減圧された成膜チャンバー内に反射面と基板とを配置し、材料微粒子をエアロゾル化して反射面に衝突させてから基板上に付着させる技術が知られている（特許文献２参照）。
しかしこの方法では、反射面から反射された微粒子の速度は反射面以上の速度にならず、またマスクを介さないために、微粒子の飛翔速度は揃わず、成膜後の膜の均一性が不足するという問題がある。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号公報
【特許文献２】特開２００２−４５７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、ＡＤ法において緻密なセラミックス被膜を、基材の表面、特に軸受外周部等の基材の円周曲面上に均一に形成できる被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成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】
【０００５】
本発明の被膜形成装置は、セラミックス微粒子をガス中に分散させてエアロゾルとするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーとを備えてなり、該真空チャンバー内に、被膜形成対象である基材に対し所定の開口部を有するマスクと、円周曲面を有し円周方向に回転する回転部材と、該回転部材に向けて上記エアロゾルを噴射するエアロゾル噴射ノズルとを有する被膜形成装置であって、該被膜形成装置は、上記エアロゾルを上記エアロゾル噴射ノズルより噴射させ、上記回転部材の円周曲面に一次衝突させ、該回転部材の円周曲面から反射したエアロゾル中のセラミックス微粒子を、上記基材の表面に上記マスクを介して二次衝突させてセラミックス被膜を形成することを特徴とする。
上記セラミックス被膜が形成される基材の表面が円周曲面であり、該基材を円周方向に回転または軸方向に移動させながら上記セラミックス被膜を形成し、上記軸方向の移動は、位置決め用ＸＹテーブルを用いてなされ、上記円周方向の回転は、上記位置決め用ＸＹテーブル上に設置された対象物回転用モータを用いてなされることを特徴とする。
上記原料セラミックス微粒子は、脆性材料でありかつ微粒子粒径で 0.01〜2μm であることを特徴とする。
上記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガスであることを特徴とする。
【０００６】
本発明の被膜形成方法はセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射し衝突させて成膜を行なうエアロゾルデポジション法による被膜形成方法であって、上記被膜形成装置を用い、上記エアロゾルを上記エアロゾル噴射ノズルより噴射させ、上記回転部材の円周曲面に一次衝突させ、該回転部材の円周曲面から反射したエアロゾル中のセラミックス微粒子を、上記基材の表面にマスクを介して二次衝突させてセラミックス被膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の被膜形成装置は、回転部材の円周方向の周速（角速度 ω×半径 r ）を変えることができるので、回転部材に衝突したエアロゾルの一次衝突速度に対して、衝突位置で反射するエアロゾルの反射速度すなわち基材へのエアロゾルの二次衝突速度を制御することが可能となり、特に反射速度を加速した二次衝突速度が得られる。
また、セラミックス微粒子をマスクを介して基材の表面に二次衝突させることで、飛翔速度と飛翔方向との揃ったセラミックス微粒子のみで成膜することができ、成膜状態が安定化する。
さらに、円周方向に回転する回転部材にセラミックスなどの脆性材料からなる微粒子を一次衝突させることで、エアロゾル中の凝集状態の微粒子塊を解砕できるので、微粒子塊のないセラミックス微粒子を基材に二次衝突させることができ成膜効率が向上する。
これらの結果、本発明の被膜形成装置は成膜効率に優れ、基材の表面に均一にセラミックス被膜を形成できる。また、セラミックス被膜が形成される基材の表面が、成膜困難な円周曲面であっても、該基材を円周方向に回転または軸方向に移動させながら上記装置を用いてセラミックス被膜を形成することで、該基材の円周曲面に均一に効率よくセラミックス被膜を形成できる。
【０００８】
本発明の被膜形成方法は、上記被膜形成装置を用いてエアロゾル噴射ノズルより噴射させたエアロゾルをいったん回転部材に一次衝突させ、セラミックス微粒子塊を解砕させた上で、回転部材から反射させたエアロゾル中のセラミックス微粒子の速度と方向を制御して基材の表面に二次衝突させるので、軸受外周部等の基材の表面上に均一にセラミックス被膜を形成することができ、成膜効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施例に係る被膜形成装置の構成例を図１に基づいて説明する。図１は被膜形成装置の一例を示す図であり、基材として軸受外輪の外周曲面に被膜を形成する場合の構成を示す図である。
図１に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置１は、エアロゾル発生装置１１と、真空チャンバー２とを有する。内部にセラミックス微粒子を有するエアロゾル発生装置１１は外部にガス供給設備１０を備え、ガス供給設備１０から供給される搬送ガスによってセラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルが形成され、搬送ガスの流れと真空ポンプ１４の吸引とによりエアロゾルは真空チャンバー２内のエアロゾル噴射ノズル１２に供給される。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
【００１０】
真空チャンバー２内には、セラミックス被膜形成対象であり円周曲面を有する基材７と、エアロゾル噴射ノズル１２と、円周曲面を有し円周方向（図中Ａ）に回転する回転部材５と、基材７に対し所定の開口部を有するマスク６とが配設されている。基材７は、位置決め用ＸＹテーブル８に連設する対象物回転用モータ９に取り付けられている。エアロゾル噴射ノズル１２はノズル先端から、セラミックス微粒子を含むエアロゾルを噴射して回転部材５に一次衝突させるためのものである。
真空チャンバー２外には真空ポンプ１４が設けられ、真空ポンプ１４によりエアロゾル発生装置１１および真空チャンバー２は減圧に保たれる。微粒子フィルター１３は真空ポンプ１４へのセラミックス微粒子の侵入防止のために設けられている。
回転部材の材質としては、セラミックス微粒子の衝突により損傷しにくい材料であれば特に限定されないが、望ましくは異物混入防止の意味からセラミックス微粒子と同種材料もしくはセラミックス微粒子より硬いセラミックス材料がよい。またその形状は、矩形形状ノズル開口部の長辺より大きな厚みを持つ円盤状である。
【００１１】
本発明の被膜形成装置におけるセラミックス微粒子の噴射・衝突の詳細について図２を用いて説明する。図２は図１のＣ部分の拡大図である。
図２に示すようにエアロゾル噴射ノズル１２から噴射されるエアロゾル中のセラミックスの入射微粒子３は回転部材５の円周曲面の衝突位置Ｄに、衝突位置Ｄと回転部材の外周円中心Ｏとを結ぶ直線ＤＯに対する入射角と速度とを有して衝突する。入射微粒子３はこの衝突時に、微粒子塊が解砕される。解砕された入射微粒子３は、回転部材を回転させない場合では、直線ＤＯに対する入射角に対応する反射角と速度とを有する反射微粒子４ａとして反跳するが、本発明では円周方向（図中Ａ）に回転する回転部材５の周速によって衝突位置における接線方向４ｂに反射方向をずらされるとともに加速された飛翔方向と速度とを有する飛翔微粒子４として基材７に向かって進行する。
飛翔微粒子４はマスク６によってさえぎられるが、基材７の外周円中心に向かってマスク６の開口部６ａを通過できるマスク処理微粒子４ｃのみが基材７に衝突することができる。このマスク処理微粒子４ｃは基材７の外周円中心に向かって所定の速度を有して基材７に衝突するので、均一なセラミックス被膜を効率よく形成することができる。
【００１２】
また、入射微粒子３の一次衝突時の速度や回転部材５の回転速度、マスク６の開口部６ａ形状等により基材７に衝突するマスク処理微粒子４ｃの大きさや速度が制御される。開口部６ａを有するマスク６を介することでマスク処理微粒子４ｃは基材７の外円周曲面に対し垂直に二次衝突するので効率よく成膜する。
マスクは、微粒子ビーム中の速度分布による余分な微粒子飛行成分が遮蔽できるものであれば材質を制限されない。好ましくは損傷しにくい金属もしくは有機系および無機系の板が採用できる。またマスクは、面積でその開口部の 1000 倍以上（例えば開口部が 1 mm×10 mm＝10 mm2 であれば、10 cm2 以上）程度あればよく、その開口部６ａは微粒子ビームを発生させるノズル断面形状（矩形状）に対応した形状としてもよい。
マスクの設置位置は、例えば回転部材との一次衝突位置Ｄと基材外周円中心（Ｏ'）とを結ぶ直線ＤＯ'に対し開口部６ａが垂直になるように設置され、基材に対する設置距離は基材からの反射微粒子がマスク裏面で再反射され基板に再入射しても成膜に影響を与えないような距離とすることが望ましい。
マスクの開口部６ａを介してマスク処理微粒子４ｃが基材７へ垂直に衝突する。この衝突時において、基材７は対象物回転用モータ９により回転（図中Ｂ）させられ、位置決め用ＸＹテーブル８により軸方向に移動させられ、基材７の外円周曲面上に所定の膜厚セラミックス被膜が形成される。なお、位置決め用ＸＹテーブル８の軸方向への移動および対象物回転用モータ９の回転は個別に行なっても同時に行なってもよい。
【００１３】
本発明においてセラミックス被膜を形成するためのエアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、被膜形成可能なものであればよく、任意のセラミックス微粒子を使用できる。例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。
本発明に用いることができるセラミックス微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 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）。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、被膜形成対象となる基材としては、各種産業機械に用いられる耐熱耐摩耗性、耐久性、耐食・耐絶縁性等の要求される各種部材、例えば軸受を構成する部材、特に円周曲面を有する部材等が挙げられる。
【００１４】
本発明の被膜形成方法について図１および図２に基づいて説明する。本発明の被膜形成方法は上述の被膜形成装置を用い、ＡＤ法を利用して基材に対し被膜を形成する方法である。
基材７を、位置決め用ＸＹテーブル８に連設する対象物回転用モータ９に取り付け、セラミックス微粒子の所定量をエアロゾル発生装置１１に投入し、真空ポンプ１４を起動しエアロゾル発生装置１１および真空チャンバー２内を所定の減圧にする。ガス供給設備１０から搬送ガスをエアロゾル発生装置１１に供給し、セラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルを発生させ、搬送ガスの流れおよび真空ポンプ１４の吸引とによって真空チャンバー２に供給し、エアロゾル噴射ノズル１２からエアロゾルを噴射させ回転部材５の円周曲面に衝突させる（図１参照）。
【００１５】
エアロゾル噴射ノズル１２からエアロゾルを噴射させ、所定の回転数で円周方向（図中Ａ）に回転している回転部材５の円周曲面の衝突位置Ｄに、衝突位置Ｄと回転部材の外周円中心Ｏとを結ぶ直線ＤＯに対する所定の入射角と速度とを持たせて入射微粒子３を一次衝突させ、微粒子塊を解砕させる。
解砕された微粒子を、円周方向（図中Ａ）に回転する回転部材５の周速によって衝突位置Ｄにおける接線方向４ｂに反射方向をずらすとともに加速させた飛翔方向と速度とを持たせた飛翔微粒子４として基材７に向かって進行させる。進行する飛翔微粒子４をマスク６によってさえぎり、基材７に対して所定の飛翔方向と速度とを有しマスク６の開口部６ａを通過できるマスク処理微粒子４ｃのみを基材７に衝突させる（図２参照）。
【００１６】
基材７を対象物回転用モータ９により回転（図中Ｂ）させ、位置決め用ＸＹテーブル８により軸方向に移動させながら、マスク処理微粒子４ｃを基材７の外周円中心に向かって所定の速度を持たせて基材７に衝突させることにより、均一なセラミックス被膜を基材７の外円周曲面上に効率よく形成させることができる。
【実施例】
【００１７】
実施例
図１に示す被膜形成装置１を用い、基材７として軸受外輪（ＳＵＪ２製：外径 35 mm×内径 27 mm×幅 15 mm ）を、位置決め用ＸＹテーブル８に連設する対象物回転用モータ９に取り付け、エアロゾル発生装置１１にアルミナ微粒子（大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲ、平均粒子径 0.16μm ）100 g を仕込み、真空ポンプ１４を起動して、エアロゾル搬送ガスとして、ヘリウムガス（太陽日酸社製 純ヘリウムＧ１）をエアロゾル発生装置１１に導入した。減圧条件は数 Torr とした。
エアロゾル発生装置１１にてアルミナ微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルを発生させ、これを搬送ガスの流れと真空ポンプ１４の吸引とにより真空チャンバー２に供給して、エアロゾル噴射ノズル１２（開口部 10 mm×1 mm ）からエアロゾルを噴射させ、周速 50 m/sec で回転する円盤状回転部材５（アルミナ製、回転数 1910 rpm 、外径 200 mm ×幅 25 mm ）の円周曲面に一次衝突させ、エアロゾル中のセラミックス微粒子塊を解砕させるとともに衝突位置における入射角度と回転部材５の回転速度とによって、衝突位置から反跳するセラミックス微粒子ビームの反射方向と反射速度とを制御して、矩形状開口部６ａ（矩形形状 11 mm×1.5 mm：微粒子ビーム面に対応）を有するマスク６を介して、軸受外輪の外周曲面に二次衝突させセラミックス被膜を形成した。軸受外輪を取り付けた対象物回転用モータ９（回転数は 10 rpm ）と、これに連接する位置決め用ＸＹテーブル８（軸方向移動速度 5 mm/min ）とによって軸受外輪の外周曲面にアルミナ被膜を形成した。
【００１８】
成膜した軸受外輪の外周曲面をエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ緻密、かつ、均一透明で滑らかな表面を有するαアルミナ被膜が 6μm の厚さで形成していた。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の被膜形成装置および該装置を利用した被膜形成方法は、ＡＤ法において緻密なセラミックス被膜を、基材の表面、特に軸受外周部等の基材の外円周曲面上に均一に形成できるので、各種産業部品等への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】
【００２０】
【図１】本発明の被膜形成装置の一実施例を示す図である。
【図２】図１のＣ部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    被膜形成装置
２    真空チャンバー
３    入射微粒子
４    飛翔微粒子
４ａ  反射微粒子
４ｂ  接線方向
４ｃ  マスク処理微粒子
５    回転部材
６    マスク
７    基材
８    ＸＹテーブル
９    回転モータ
１０  ガス供給設備
１１  エアロゾル発生装置
１２  エアロゾル噴射ノズル
１３  微粒子フィルター
１４  真空ポンプ
【図１】
2008007804.tif 000003
【図２】
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