(57)【要約】【課題】長時間エアロゾルを発生させても、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させるのを可能とし、且つエアロゾル濃度の濃淡を高精度に調整可能とするエアロゾル発生装置を提供する。【解決手段】粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置であって、粉体収容部と、粉体輸送手段と、エアロゾル化手段とを備え、前記粉体輸送手段は、前記粉体収容部から齎される粉体が充填される溝を有する回転体と、該回転体を回転駆動させる手段からなり、前記エアロゾル化手段は、エアロゾル導出口と、該エアロゾル導出口に近接した位置に溝側に突き出すように形成された粉体解砕手段とを有し、前記粉体輸送手段の溝と前記粉体解砕手段との相対位置が変更可能であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置であって、このエアロゾル発生装置は粉体収容部と粉体輸送手段とエアロゾル化手段を備えてなり、前記粉体輸送手段は、前記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輸送手段とされ、前記エアロゾル化手段はエアロゾル導出口と、該エアロゾル導出口に接近した位置に溝側に突き出すように形成された粉体解砕手段とを有してなり、前記粉体輸送手段の溝と前記粉体解砕手段との相対位置が変更可能であることを特徴とするエアロゾル発生装置。
【請求項２】
請求項１記載のエアロゾル発生装置であって、前記エアロゾル化手段によって発生したエアロゾルの濃度をセンシングする機構を備え、このセンシングされたエアロゾルの濃度に基づいて、前記粉体輸送手段の溝と前記粉体解砕手段との相対位置を制御可能としたエアロゾル発生装置。
【請求項３】
請求項１からなるエアロゾル発生装置と、エアロゾルを基材に吹き付ける為のノズルを備える複合構造物作製装置であって、このノズルから噴き出したエアロゾルの濃度をセンシングする機構を備え、このセンシングされたエアロゾルの濃度に基づいて、前記粉体輸送手段の溝と前記粉体解砕手段との相対位置を制御可能とした複合体構造物製作装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置が、エアロゾルディポジション法による脆性材料微粒子の常温製膜技術等に利用されている（例えば、特許文献１）。
このエアロゾルディポジション法では、基本的に０．１〜５μｍ程度の脆性材料微粒子をガス中に分散させて得たエアロゾルを基板に亜音速程度の高速で吹き付けて製膜体を得る。ここにおいて、均質な製膜を行うには、エアロゾル中の脆性材料微粒子ができるだけ凝集していない状態で基板に吹き付けられるようにする必要がある。そのために、上記エアロゾル発生装置として、例えば、ガス導入口とエアロゾル導出口を備えた脆性材料微粒子の粉体を収容する容器を揺動させる構成としたエアロゾル発生装置が提案されている（例えば、特許文献２）。
しかしながら、上記エアロゾル発生装置では以下に示す問題点があった。
▲１▼  量産化のためには、長時間エアロゾルを発生させる必要があり、そのために粉体の投入量を増加させたいが、上記装置では容器自体を揺動させる構成であるため、容器の容量を大きくすると揺動させるために必要な動力が大きくなる。
▲２▼  長時間揺動させると、粉体の凝集固着も著しくなってくる。そのために、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させるのが困難になる。
【０００３】
一方、プラズマ中に粉末をキャリヤガスとともに供給し、予め配置されている試料に粉末を蒸着するシステムにおける粉末供給装置としては、安定に一定の粉末を供給するための提案が、特許文献３に開示されている。その装置構成は図６に示す通りであり、中心から所定の位置の円周上に突起した溝４６が形成された回転可能な粉末供給盤４５と、粉末供給盤４５の上に載置され、粉末を粉末供給盤４５に形成された溝４６に落とし込むための気密性の粉末容器を備えている。粉末容器内には粉末を攪拌させる回転可能な攪拌体を備えている。また、粉体容器の上部から入ってくる圧縮ガスの出口を粉体供給盤の一端に形成された粉体供給部に設け、前記圧縮ガスの出口をシリンダ内に設けた極細い円筒状の穴とし、この圧縮ガスが外部に排出されるときに発生する吸引力のみにより粉体を外部にガスと共に排出するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１８１８５９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４８６５８号公報
【特許文献３】
特開平５−２３９６２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば金属酸化物微粒子のような凝集固着性の強い粉体について、上記特許文献３の装置を用いた場合、溝の内部で粉体が徐々に固着してしまい、粉体供給部へ運搬されてきても吸引力のみでは粉体が溝から吸引されなくなり、粉体供給部で粉体をエアロゾル化できなくなるという問題が生じた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長時間エアロゾルを発生させても、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させるのを可能とし、且つエアロゾル濃度の濃淡を高精度に調整可能とするエアロゾル発生装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決しようとする手段】
本発明では、上記課題を解決すべく、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置であって、粉体収容部と、粉体輸送手段と、エアロゾル化手段とを備え、前記粉体輸送手段は、前記粉体収容部から齎される粉体が充填される溝を有する回転体と、該回転体を回転駆動させる手段からなり、前記エアロゾル化手段は、エアロゾル導出口と、該エアロゾル導出口に近接した位置に溝側に突き出すように形成された粉体解砕手段とを有し、前記粉体輸送手段の溝と前記粉体解砕手段との相対位置が変更可能であることを特徴とするエアロゾル発生装置を提供する。
【０００８】
本発明では、溝側に突き出すように形成された粉体解砕手段を設けることによって、例えば、固着しやすい粉体で溝に固着してしまって従来の方法ではエアロゾル化できない粉体を、溝内で解す或いは溝から掻き出すことが可能となり、搬送ガスが前記エアロゾル導出口の外部へ排出されるときに発生する吸引力によって、粉体をエアロゾル化して前記エアロゾル導出口から導出することが可能になる。
【０００９】
本発明で提案するエアロゾル発生装置は、前記粉体解砕手段と溝の相対位置が変更可能な機構を備えている。前記相対位置が変更可能であるとは、前記粉体解砕手段が溝に対して、もしくは溝が粉体解砕手段に対して上下・前後・左右・回転、またはそれらを複合した動きをすることをいう。このように解砕手段もしくは溝を上下・前後・左右・回転させることにより解砕効率を高め、より高精度、高分解能なエアロゾル濃度の調整と制御応答性を高めることが可能となる。
【００１０】
具体的には、前記相対位置が粉体進行方向に対して上下、もしくは左右に動かすことにより粉体の解砕量を微妙に且つ素早く調整し、エアロゾル発生の微量な調整を可能とする。また、回転可能な機構をもつ解砕ピンで且つ送りねじの形状を有し、ネジの軸を中心として回転することにより粉体をエアロゾル導出口に搬送可能な機構を持ち、この回転数を制御することによりエアロゾル発生量の微量な制御が可能である。また、回転可能な機構をもつ解砕ピンで平坦形状を有し、ピンの軸を中心として回転することにより粉体の解砕に寄与する投影面積を可変とした機構を持ち、この回転角度を制御することによりエアロゾル発生量の微量な制御を可能とすることも可能である。また、解砕機構を溝から完全に抜くことにより、瞬時にエアロゾルの発生をオン、オフすることが可能である。
【００１１】
さらにはピエゾアクチュエータなどとの併用により解砕手段、もしくは溝を微振動させ、解砕効率を更に高めることも可能である。
【００１２】
本発明のより好ましい形態においては、エアロゾル発生装置より発生したエアロゾル濃度をセンシングする機構を装備し、エアロゾル発生量をエアロゾル発生器にフィードバックすることによりエアロゾルの濃度を制御することが可能である。
【００１３】
ここで言うエアロゾル濃度とは、エアロゾル発生装置より供給されたガス中に含まれる粉体の濃度を示している。
また、エアロゾル濃度は発生したエアロゾルが基板に到達するまでに通過する任意の個所に静電容量センサー測定、光電センサ測定、レーザ光による散乱光・回折光測定、もしくはエアロゾル発生器の粉体の減少量測定、などの方法により発生量をセンシングすることができる。また、複数個所・数種類の測定器でセンシングすることにより発生量をより正確に把握することが可能となる。
【００１４】
本発明の好ましい形態においては、前記エアロゾル発生装置において、前記エアロゾル化部の前記エアロゾル導出口と前記粉体解砕手段の近接した位置に前記ガス導入口を備えるようにする。
そうすることにより、粉体解砕手段が解し或いは掻き出した粉体をガス導入口から直接搬送ガスを吹き付けてエアロゾル化して導出することになるため、例えば吸引力だけではエアロゾル化できない程度にまで凝集した重量の大きい粉体が生じた場合にもそれをエアロゾル化して供給することが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。
ここで、実施の形態として、使用した複合構造物作製装置の一般的な装置構成を説明する。
図１は、複合構造物作製装置の装置図であり、窒素を内蔵するガスボンベ５１は、ホース状の搬送管５２を介してエアロゾル発生器５３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室５４内に円形の導入部と矩形の開口を持つ開口部を備えたノズル５５が設置される。コンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ５７に基材５６がノズルに対向して配置される。構造物形成室５４は排気ポンプ５８に接続している。
【００１６】
また、ノズル５５と基材５６の間にエアロゾル発生量を測定するためのセンサ装置６１を配置し、センサ装置６１から出力される信号は、フィードバック制御回路６２へ送られ、そして処理され、エアロゾル発生器６３やガスボンベ５１それぞれの制御部へ配線６３を通って送られ、エアロゾル濃度を制御するように、また、基材に衝突するエアロゾルの量を任意量供給するように制御を行う。センサ位置はここではノズル５５と基材５６の間に配置したがノズル内もしくはノズル５５とエアとゾル発生器５３の経路間に設置しても良い。
【００１７】
図２は、本発明の一実施例を示す構成図である。図において、７１はその内部に粉体８４を入れる粉体収容部で、前記粉体収容部７１内は排気ポンプ５８によって、減圧状態になっている。７２は所定の位置に溝７３が形成され、粉体輸送手段の一部を形成する回転可能な回転体である。回転体は図示しない駆動手段と接続されており、駆動手段をＯＮにすることにより回転する。回転体７２は、溝７３の大きさを変更したり駆動手段にて回転速度を変更したりすることによって、粉体輸送量を調節することが可能である。７４は溝７３へ落とし込まれた粉体８４を搬送ガスに乗せてエアロゾル化し、構造物形成室５４内へ供給するためのエアロゾル化手段である。
【００１８】
図３は、エアロゾル化手段７４の断面図である。エアロゾル化手段７４は、ガスボンベ５１と接続され、ガスボンベ５１から供給される搬送ガスを溝７３内に落とし込まれた粉体８４へ吹き付けるためのガス導入口８１と、溝７３内で押し込められた粉体８４を掻き出すための粉体解砕ピン８２と、構造物形成室５４から搬送管５２を経由して排気ポンプ５８と接続され、排気ポンプ５８及び搬送ガスが排出されるときに発生する吸引力によってエアロゾル化した粉体８４を吸い出すためのエアロゾル導出口８３を備える。粉体解砕ピン８２はアクチュエータ８５に固定され上下、前後、左右、回転もしくはそれらの複合した動きができる機構をもつ。エアロゾル化部７４の内部は真空のためアクチュエータ可動部よりエアの漏れが無いよう、シール材８６により密封されている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおりである。
【００１９】
粉体収容部７１内の粉体８４は、粉体８４の自重や機械的動作（図示しない）、例えば特開平５−２３９６２７のように攪拌体を使用したり、粉体収容部７１に振動を与える等、を利用して、回転体７２上にある溝７３へ粉体８４を供給する。回転体７２は回転しているため、粉体８４を入れた溝７３はエアロゾル化手段７４の位置まで移動する。
【００２０】
エアロゾル化手段７４の位置まで移動した粉体８４が、例えば固着性の強い粉体の場合、溝７３内で硬く固着してしまい、特開平５−２３９６２７で示されている従来例のように吸引力のみでは完全に粉体８４をエアロゾル化が出来ず、安定した濃度のエアロゾルを供給することが出来ない。
【００２１】
先にガス導入口８１を使用しないでエアロゾルを供給する方式を説明する。
固着した粉体８４は、まずエアロゾル化手段７４の位置まで運搬される。その位置で吸引された粉体８４はエアロゾルとなり構造物形成室５４へ搬送されるが、固着して溝７３に残ってしまった粉体８４は、粉体解砕ピン８２まで運搬される。粉体解砕ピン８２は固着した粉体３２を強制的に固着を解しながら掻き出す。掻き出された粉体８４は、搬送ガスがエアロゾル導出口８３の外部へ排出されるときに発生する吸引力によって吸引され、舞い上がってエアロゾル化する。このとき、ガス導入口８１には栓をして使用せず、搬送ガスは溝７３に直接吹き付けない部分の入口（図示しない）から導入し、搬送ガスの出口はエアロゾル導出口８３のみとした。よって、エアロゾル化部周辺に発生する力は吸引力のみのため、エアロゾル化した粉体８４はエアロゾル発生装置内に飛散することなく、エアロゾル導出口８３から外部へ供給される。
【００２２】
前記粉体解砕ピン８２は上下に可動式とし粉体掻き出し量を超微量から制御することができる。上下駆動はマイクロメータヘッドなどをつけて手動で行なっても良いし、直動のアクチュエータもしくはそれに類した機構を使用して自動としも良い。またピンを上方に移動し完全に溝から抜いてやることにより粉体の発生を瞬時に止めることも可能である。アクチュエータは分解能が高く、応答性の良いものが望ましい。例えば可動距離が０．１ｍｍ以下の微小域でピンの上下を行なう場合は、ピエゾアクチュエータを用い高精度、高速で制御する。これに可動距離の長いリニヤモータなどを複合させることでより長い距離を精密に動かすことが可能となる。必要に応じてエンコーダなどで精密位置決めを行なうと良い。更にはピンを動かすことにより粉体へ解砕力が働き解砕効率を向上する効果がある。
【００２３】
また、前記粉体解砕ピン８２は左右に可動式とし、その振れ幅により粉体掻き出し量を制御することが可能である。さらには粉体８４の移動方向に対して解砕ピンを溝幅いっぱいに左右に動かすことにより搬送されてきたほとんどの粉体を掻きだし、回転体７２の回転速度を最大にすることによりエアロゾル濃度を装置の許容する最大量にすることも可能でありつまりは、装置のエアロゾル発生量を広い範囲で制御可能となる。必要に応じてエンコーダなどで精密位置決めを行なうと良い。更にはピンを動かすことにより粉体への解砕力が働き解砕効率を向上する効果がある。
【００２４】
また、回転可能な機構をもつ解砕ピンで図４に示したように送りネジの形状９０を有し、ネジの軸を中心として回転することにより粉体をエアロゾル導出口に搬送可能な機構を持ち、この回転数を制御することによりエアロゾル発生量の微量な制御を可能とする。更にはピン回転させてやることにより粉体を効率良く掻き出し、かつ導出口８３に搬送することも可能である。
【００２５】
また、図５でに示すように、回転可能な機構をもつ解砕ピン９１で先端部が平坦形状を有し、ピンの軸を中心として回転することにより粉体の解砕に寄与する投影面積を可変とした機構を持ち、この回転角度を制御することによりエアロゾル発生量の微量な制御することも可能である。図５中のａ，ｂ，ｃは解砕ピン９１が粉体を解砕している様子を下方から見たモデル図である。この図は解砕ピン９１の角度を変えることによりａ，ｂ，ｃの順に粉体８４の解砕量が増大することを示している。
【００２６】
さらには粉体８４の移動方向に対して解砕ピンを前後させることによりエアロゾルの発生パターンを数Ｈｚ〜数ｋＨｚのパルス状にすることも可能である。
【００２７】
また、センサ６１でセンシングしたエアロゾル濃度をアクチュエータ８５にフィードバックし解砕ピン８２の動きを制御することで、エアロゾル濃度やエアロゾルの発生パターンを制御することが可能である。エアロゾル濃度は発生したエアロゾルが基板に到達するまでに通過する任意の個所に静電容量センサー測定、光電センサ測定、レーザ光をエアロゾルに当て散乱光・回折光のサンプリング測定、もしくはエアロゾル発生器の粉体の減少量測定、などの方法により発生量をセンシングすることができる。また、複数個所・数種類の測定器でセンシングすることにより発生量をより正確に把握することが可能となる。
【００２８】
解砕ピン８２の形状は単純な円筒状に面取りしたものや、粉体の移動方向に対して上方に角度をつけてすくい上げる形状のものでも良い。
【００２９】
以上解砕ピンを溝に対して動かすことを主体に説明したが、回転体７２を解砕ピンに対し動かすことにより同様の効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、長時間エアロゾルを発生させても、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させるのを可能とし、且つエアロゾル濃度の濃淡を高精度で調整可能とするエアロゾル発生装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合構造物作製装置の一般的な構成を示した図。
【図２】本発明の一実施例を示すエアロゾル発生器の構成図。
【図３】本発明の一実施例を示す粉体供給部の断面図。
【図４】本発明の一実施例を示す解砕ピンの形状。
【図５】本発明の一実施例を示す解砕ピンの形状。動作モデル図。
【図６】従来装置の構成例を示した図。
【符号の説明】
４０…気密容器、４１…粉末、４２…攪拌体、４３…攪拌羽、４４…Ｏリング、４５…粉末供給盤、４６…溝、４７…Ｏリング、４８…粉末供給部、５１…ガスボンベ、５２…搬送管、５３…エアロゾル発生器、５４…構造物形成室、５５…ノズル、５６…基材、５７…基材ホルダ、５８…排気ポンプ、６１…センサ装置、６２…フィードバック制御回路、６３…配線、７１…粉体収容部、７２…回転体、７３…溝、７４…エアロゾル化部、８１…ガス導入口、８２…粉体解砕ピン、８３…エアロゾル導出口、８４…粉体、８５…アクチュエータ、８６…真空シール、９０…解砕ピン（送りねじ型）、９１…解砕ピン（先端平坦型）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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