(57)【要約】　　　（修正有）【課題】０．００１ｓｃｃｍ未満という微小領域のガス流量を遠隔的に迅速に制御できる方法、装置内へのガス導入の圧力制御の自動化の方法、圧力ガス、液体、微粒子等の物質を迅速に分離制御できる方法、および、閉塞しない自動の交互分離法を提供する。【解決手段】蒸着等のコーティングを施した固体と固体の界面の隙間に対し、隙間を小さくする方向の外力と大きくする方向の外力を電気駆動力として与えるデバイスをつくることにより、迅速に微小流量制御が変えられ、かつ電気的に分離度を制御できる方法の発明による。【選択図】　図１
2004070903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの固体表面を互いに接触させ、その２表面の表面粗さのために生じる２表面間の隙間にコーティングを施すことにより、隙間を小さくするか又は隙間を消失させたあとに、その隙間を増大させる外力と減少させる外力を与えることにより、隙間を通るガス、液体、液体と粒子の混合物、またはガスと微粒子の混合物の透過速度を変化させる流量制御法。
【請求項２】
請求項１の流量制御法によりガス中特定の分子または微粒子を、または、液体またはスラリーから特定の溶解分子、不溶分子、粒子、または高分子を分離させる方法。
【請求項３】
隙間を通るものがガス、又はガスと微粒子の混合物であることを特徴とする請求項１ないし２の方法。
【請求項４】
隙間を増大させる外力と減少させる外力が、圧電体に電圧をかけて発生する圧電逆効果による駆動力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
【請求項５】
隙間を増大させる外力と減少させる外力が、圧電バイモルフ体に電圧をかけて発生する圧電逆効果とバイモルフ効果による駆動力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
【請求項６】
ソレノイドコイルと磁性体を組み合わせた系を有し、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、ソレノイドコイルに電流を流すことにより近傍の磁性体に発生する磁気駆動力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
【請求項７】
電熱体（発熱抵抗体）とバイメタルを組み合わせた系を有し、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、電熱体からバイメタルに熱を与えて発生する、熱膨張効果とバイモルフ効果による駆動力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
【請求項８】
電極と誘電体を組み合わせた系を有し、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、電極への電圧印加により発生する電極−誘電体間の静電引力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
【請求項９】
電極、誘電体、及び圧電体を組み合わせた系を有し、隙間を減少させる外力が、電極への電圧印加により電極−誘電体間に発生する静電引力であり、一方隙間を増大させる外力が、圧電体に電圧をかけて発生する圧電逆効果による駆動力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
【請求項１０】
隙間を減少させる外力と隙間を増大させる外力が、下記６つの力のうちのうちの異なる二つの力であることを特徴とする請求項１ないし３の方法。
圧電体に電圧をかけて発生する駆動力。圧電バイモルフ体に電圧をかけて発生する駆動力。ソレノイドコイルに電流を流すことにより近傍の磁性体に発生する磁気駆動力。電熱体（発熱抵抗体）とバイメタルを組み合わせた系において電熱体（発熱抵抗体）からバイメタルに熱を与えて発生する駆動力。電極と誘電体を組み合わせた系において、電極への電圧印加により発生する電極−誘電体間の静電引力。ばねの力。
【請求項１１】
小さくした隙間に被分離物質を流すことにより被分離物質中の特定分子、微粒子、又は高分子だけを捕捉し、次に、大きくした隙間にガス媒体又は液媒体を流すことにより捕捉されていた特定分子、微粒子、又は高分子を分離装置から離してガス媒体または液媒体中に移動させるという操作を自動で交互に繰り返すことを特徴とする請求項２又は、４ないし１０の自動分離法。
【請求項１２】
被分離物質が煙又は塵を含む空気又は自動車やゴミ処理の廃ガスであり、分離装置に捕捉される物質が煙又は塵であることを特徴とする請求項１１の自動分離法。
【請求項１３】
圧力センサー付き真空装置又は減圧装置へのガスの導入とその圧力維持において、請求項１又は、３ないし１０の流量制御デバイスの制御用電圧を圧力センサーからの圧力値で制御することにより、ガスの導入と圧力維持を自動でおこなうシステム。
【請求項１４】
隙間を通るものが液体と粒子の混合物であり、隙間付近に補足されるものが粒子であることを特徴とする請求項２又は、４ないし１１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明に属する技術分野は、ガスや液体の流量を制御する方法および、ガスのフィルタリング、けんだく液のろ過、混合ガスや混合液の成分分離の方法に関する分野である。
【０００２】
【従来の技術】
ガスや液体の流量を遠隔的に制御する方法としては、しゃへい板を重ねておき、しゃへい板に接続された機械駆動のばね、ねじ、シリンダーなどにより完全にしゃへい板を開いたりとじたりさせ、その頻度や時間を変えることにより、又はしゃへい板と母体との隙間を１０μｍ以上のレベルで調節することにより、流量制御をする方法が知られていた。しかしながら、上記方法は、微小流量を安定的に制御することは不可能であった。その根本は、しゃへい窓が完全に開いている時の開きの大きさ又はその時間、頻度によってガスの流量を調節しているからであり、窓が大なり小なり開いた状態なので、ガスの流量を微小量にすることはできなかったし、また、開閉の繰り返しによってガスの流量を平均的に小さくすることができても窓の近傍では流量が大きくなったり小さくなったりしており安定的な流量制御にはなっていなかった。従来の技術で制御できた最小流量は０．１ｓｃｃｍ程度であり、それを大幅に下回る流量を制御する技術や原理が存在しなかった。なお、ｓｃｃｍとは、ｓｔａｎｄａｒｄ　ｃｕｂｉｃ　ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ　ｐｅｒ　ｍｉｎｕｔｅの略であり、１ａｔｍ、２０℃の標準状態に換算したガスの流量（ｃｃ／ｍｉｎ）を表す。
また、遠隔的に分離係数を自動で制御する方法は、古くには存在しなかった。たとえば、上記流量制御デバイスで仮に分離しようとしても、しゃへい面の表面粗さのために隙間が不ぞろいであるし、隙間が１０μｍレベルと大きいので、分子や粒子の分離はできない状態であった。従って、従来の流動性物質群の中の特定物質の分離は、分離係数を固定して行なうものであった。その例を次に示す。ガスのフィルタリング。けんだく液のろ過。混合ガスや混合液の成分分離。例えば、空気中の煙を除去するのに、固定フィルターに空気を流し、煙を捕捉することにより空気中から煙を分離する。また、化学けんだく液から溶液と沈殿とに分離するには、けんだく液を濾紙に流し、濾紙上に沈殿のみを捕捉することが行われてきた。しかしながら、これらの従来法は、沈殿がたまってきて目詰まりをおこしたときに、いちいち取り替えなければならず、煩雑であった。均一な混合ガスや混合液からの特定成分の分離に関しては、現在、ガスクロマトグラフィや液体クロマトグラフィに使用されるような充填剤が使用される。この充填剤に混合ガス又は混合液を流して、充填剤に必要成分のみを捕捉させる。しかしながら、捕捉した必要成分と充填剤をきりはなすのに、また熱をかけたり、酸やアルカリのような特殊化学物質を含む溶剤を流さなければならず、煩雑であった。
最近になって、本発明者は、強誘電体表面と電極表面を重ね合わせ、その隙間に金属蒸着を施した系に電圧を印加することにより、電極と強誘電体間に働く静電引力のおかげで非常に小さなｎｍ幅の隙間を可逆的に変化させられるデバイスを発明し、その隙間にガスを通すことにより、ガス流量制御やガス分離への応用の可能性を検討した。この方法は、金属蒸着面の形状が被蒸着面の形状の鋳型となるため、蒸着面に垂直に隙間が生じた時に、被蒸着面の形状が間平らでないにもかかわらずその隙間幅がほぼ均一になるという本発明者による新しい原理に基づいている。小さな隙間の幅の均一性は、その隙間をガス又は液体が通ると、微小流量を与えることになるし、分子がその隙間を通る時、その大きさや質量によりえり分けられる、即ち分離されるという現象を与えることになる。しかしながら、この方法には一つの問題点があり、隙間を小さくする応答性は５秒以内と速いが、大きくする応答性は５分以上と遅いため、全体の制御応答性が悪く、実用に供することができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、０．１ｓｃｃｍを大きく下回る微小流量を迅速に制御できるガス流量制御システムと、電気力により分離度を迅速に変えられ、分離処理が自動でできる分離制御システムを構築することであった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
我々は、上記問題を根本的に解決する次の方法を発明した。蒸着等のコーティングを施した固体と固体の界面の隙間に対し、前記の電極−強誘電体隙間静電引力のような、隙間を小さくする方向の外力だけでなく、隙間を大きくする方向の外力も与えることにより、隙間の減少と増加の両方を早くすることができ、従って、電圧変化に対するガス等の透過速度変化の応答性が著しく速くなることを見出し、本発明を完成した。
【０００５】
【発明の具体的な説明】
この発明につき詳細に説明する。
一つ目は、隙間を小さくする方向と大きくする方向の外力が、圧電体に電圧をかけて発生する、圧電逆効果による駆動力となるデバイスである。電極／圧電板／（電極）／圧電板／（電極）／−−−／電極／圧電端／コーティング層（隙間の入り口のみ）／ガス（液）支持板　の両端電極に＋，−、又は−，＋の電圧を印加すると、圧電逆効果で発生する応力により、圧電端とコーティング層の間の隙間が小さくなったり、大きくなったりする。図１にその一例を示す。この隙間にガス（液）を通すことによりガス（液）の透過速度を迅速に小さくも大きくもできる。圧電板を重ね合わせてもよいし、１枚の圧電板でもよい。圧電端とガス（液）支持板の間には金属蒸着等のコーティングを施すことによって初めて、分子の大きさや質量により分子の分離ができるようなる。ｎ−オクタン等の大きな分子の透過速度が遅く、水素などの小さな分子の透過速度が速いので、本デバイスにより、両者を分離することができる。実際に、混合ガス中の両者の透過速度は約４０倍異なった。その原因は、表面粗さが１μｍ以下の平滑な面に部分的にコーティングを施した場合、外力により、両者が接していた２表面の鋳型形状がそのまま保たれた形で、離れたり、近づいたりすることができ、両者の隙間幅が比較的均一に変化しうるため、分子の大きさや質量に対する透過選択性が生じるという新しい原理に帰することができる。この場合、コーティングを施す圧電端面とガス（液）支持板の面は、１０００ｎｍ×１０００ｎｍ単位での表面粗さＲａが１μｍ以下の平滑性を有していることが望ましい。表面粗さが１μｍ以上と粗いと、２表面がきれいに離れなくなるからである。表面粗さは原子間力顕微鏡により測定することができる。このコーティングに関する記載は、以下の異なる外力を用いたデバイスにもあてはまる。
二つ目は、隙間を小さくする方向と大きくする方向の外力が、圧電体バイモルフ体に電圧をかけて発生する、圧電逆効果とバイモルフ効果による駆動力となるデバイスである。極性の向きが異なる２つの圧電板を張り合わせて、電極（通常、薄膜）を取り付けたものが圧電バイモルフである。電極薄膜／圧電バイモルフ／電極／圧電バイモルフ端／コーティング層（隙間の入り口のみ）／ガス（液）支持板　の両端電極に＋，−、又は−，＋の電圧を印加すると、圧電バイモルフの効果で発生する応力により、圧電バイモルフ端とコーティング層の間の隙間が小さくなったり、大きくなったりする。一つ目と同様にして、ガス（液）の透過速度を迅速に小さくも大きくもできる。図２にその一例を示す。なお、コーティングは、圧電バイモルフ端とガス（液）支持板の重ね合わせ後に施すのがよい。圧電バイモルフ端とガス（液）支持板のどちらか一つ（Ａとする）にコーティングに施してから他の一つ（Ｂとする）にそのコーティングを付着させる方法の場合、コーティング層に不均一な歪が生じ、せっかく鋳型の関係にあったＡ面とコーティング面との位置関係が、隙間制御時にずれてしまい、鋳型効果による隙間幅の均一性が得られなくなってしまい、透過制御の精度が悪く、分離機能も低いので、よろしくない。このことは他の外力を用いるデバイスにおいてもいえることである。
三つ目は、ソレノイドコイルと磁性体を組み合わせた系を有し、隙間を小さくする方向と大きくする方向の外力が、ソレノイドに電流を流すことにより近傍の磁性体に発生する磁気駆動力となるデバイスである。図３にその一例を示す。コイルの巻き回数と電流を大きくする程、その力が大きくなり、迅速な隙間の変化、従って、迅速な透過・分離が達成される。磁性体端とガス（液）支持板の重ね合わせた隙間にコーティングが施される。
四つ目は、電熱体（発熱抵抗体）とバイメタルを組み合わせた系を有し、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、電熱体（発熱抵抗体）からバイメタルに熱を与えて発生する、熱膨張効果とバイモルフ効果による駆動力となるデバイスである。図４にその一例を示す。バイメタルは、膨張係数の異なる二つの板が張り合わされたものであり、温度上昇にほぼ比例した外力を発生する。バイメタル端とガス（液）支持板の重ね合わせた隙間にコーティングが施される。
その他、上記の外力を組み合わせたデバイスでも効果がるし、スプリングの力を外力とする等、他の外力を用いる方法でもよい。その一例を図５に示す。隙間を小さくする方向の外力が、電極−誘電体間に働く静電引力であり、隙間を大きくする方向の外力がばねの力である。コーティングは誘電体端とガス（液）支持板の重ね合わせた隙間に施される。
本発明者は、先に、電圧印加により電極と強誘電体の間に発生する静電引力を、その間に施したコーティング層と強誘電体の間の微小な隙間の制御に使用することにより、ガスの透過速度を制御する方法を提案・検討したが、この方法では、電圧による総合的な透過応答性が５分以上と遅かった。本発明の新しい方法により１０秒以内でできるようになった。かつ、本発明の方法は、従来の０．１ｓｃｃｍレベルを大幅に下回る０．００１ｓｃｃｍ以下レベルのガス流量を迅速に変化させられる、即ち、制御できる画期的な技術である。
次に分離について述べる。本発明の方法は、微小流量制御だけでなく、ガス、液体、微粒子、又は高分子などの流動性物体の分離にも使用できる。この場合の特徴は、従来のものと異なり、分離係数を電気で瞬時に変化・調節できることにある。従来の分離法は、分離係数を分離中に変えることができない固定的な分離方法であった。本発明の方法においては、分離度を電気力で変化させることができる。例えば、水素とｎ−ブタンの分離を図５の方法で行なうと、４００Ｖ印加時と０Ｖ時ではその分離係数がそれぞれ４と２０であり、５秒以内で５倍も分離係数を変えることができた。
このような画期的な電気力による分離度制御技術は更に新しい方法を可能にする。ある電圧の下で、分離したいＡとＢの混合物を本デバイスに導入することにより、Ａだけを通過させ、Ｂを捕捉する。次に、電圧を変えて、隙間を大きくして、ガス（液）媒体を流して、Ｂを通過させるようにし、Ｂをガス（液）媒体中に集める。この２つの操作は電気力により行なわれるので、プログラムを組んで、交互に自動で２操作を行わせることにより、ほぼ連続的に混合物からＡとＢを分離捕集することができたのである。この最大の利点は、Ｂが微粒子である場合に、Ｂがたまっていって閉塞することを避けることができる点であり、従来の固定フィルターによる目詰まりの欠点が解消される。図８に、目詰まりなしに煙含有空気の清浄化が可能な例を示す。
更に、本発明は、真空又は減圧装置にＡｒ等のガスを一定圧で導入したい場合に大きな効果を発揮する。現在、通常の２０Ｌ程度の真空装置に１０−４〜１０−７ＴｏｒｒのＡｒ、その他のガスを導入するニーズが大きい。従来は、ニードルバルブで主導で導入圧力を調節していたが、長時間の手動となり、煩雑であった。本発明の方法では、０．００１ｓｃｃｍ前後の微小流量を迅速に電気的に制御できるので、真空装置内の圧力センサーの圧力値による電圧制御方式により、本発明のデバイスを作動させることにより、自動で１０−４〜１０−７Ｔｏｒｒの圧力を導入・維持できるようにすることができた。長時間の手動を自動化できる大きな技術であり、半導体製造時のガス導入や実験的研究を大きく促進する技術である。
以下に本発明の各デバイスの粗い性能を示す。下記の［］内は、ガスの透過速度の電気入力に対する応答速度であり、〈〉内は、窒素ガスの入り口圧力が３ｋＰａ時の窒素ガスの流量の最小値である。
隙間減少と増大に対し、圧電体に電圧をかけて発生する駆動力を用いた場合：［１秒未満］〈約０．０００１ｓｃｃｍ〉
隙間減少と増大に対し、ソレノイドコイルに電流を流すことにより近傍の磁性体に発生する磁気駆動力を用いた場合：［１秒未満］〈約０．０００５ｓｃｃｍ〉隙間減少と増大に対し、電熱体（発熱抵抗体）からバイメタルに熱を与えて発生する駆動力を用いた場合：［１０秒未満］〈約０．０００５ｓｃｃｍ〉
隙間減少に対し電極−誘電体間の静電引力を用い、隙間増大に対しばねの力を用いた場合：［５秒未満］〈約０．０００１ｓｃｃｍ〉
隙間減少と増大に対し、圧電バイモルフ体に電圧をかけて発生する駆動力を用いた場合：［５秒未満］〈約０．０００５ｓｃｃｍ＞
隙間減少に対し、静電引力を用いたデバイス（比較例）：［５分以上］〈約０．０００１ｓｃｃｍ＞
本発明の要点は、ランダムな隙間にコーティングを施すという技術と、電気駆動力を隙間の増と減の両方向に適用するという技術が結びついたものであり、これにより、初めて、流量制御では、１０秒以下の応答速度で０．００１ｓｃｃｍ以下レベル、分離では、１０秒以下の応答速度で、たとえば、水素とｎ−オクタンを分離することができ、かつ、２種以上のガス、液体、又は微粒子をデバイスの出口で二つ以上の流路中にほぼ連続的に自動でガス、液体、または微粒子を分離された形で送り出すことが可能になったのである。また、真空装置へのガス導入の圧力調整を本デバイスにより自動化できることとなったのである。
【０００６】
【発明の適用範囲】
本発明に適用するガスは単一のものでも混合のものでも良い。例として、Ｈ２、Ｈｅ、Ｎ２、Ａｒ、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｈ２Ｏ、Ｃ４Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０、その他種々の飽和、不飽和炭化水素、含酸素、含窒素、含硫黄の炭化水素等、アルコール、アルデヒド、エーテル等、及びそれらの混合物が挙げられる。また、本発明に適用する液体は、水、アルコール、アルデヒド、エーテルなど、水性・油性を問わない。また、本発明に適用される微粒子は、ガス中では浮遊、液中では分散が可能な大きさのものであり、無機ｍの結晶性粒子、非晶質粒子、高分子液が挙げられ、液中では溶解していても不溶であってもかまわない。適用しうるものはこれらの例に限定されるものではない。
デバイスの使用温度範囲は、通常室温が簡便であるが、零下でも加温状態でも使用しうる。セラミックの圧電体や圧電バイモルフ体を用いる場合、キュリー点以上で圧電効果が著しく低減するので、キュリー点以下で使用するのが望ましい。例えば、ＰＺＴの場合３００℃以下、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の場合１００℃以下が推奨される。
本発明における物質のコーティングは分子又はイオンの状態での積層又は注入により薄膜をつくることであり、アルミニウム、金、銅、白金、パラジウム等による真空蒸着、各種スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、めっき等種々の方法が適用されうる。
【０００７】
【発明の効果】
蒸着等のコーティングを施した固体と固体の界面の隙間に対し、隙間を小さくする方向の外力と大きくする方向の外力を電気駆動力として与えることにより、隙間の減少と増加の両方を速くすることができ、従って、電圧変化に対するガス等の透過速度変化の応答性が著しく速くなり、かつ０．００１ｓｃｃｍ以下レベルの微小流量の制御を実現し、かつガス、液体、または微粒子等の迅速な分離制御ができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、圧電体に電圧をかけて発生する圧電逆効果による駆動力であるデバイスの一例を示している。
【図２】図２は、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、圧電バイモルフ体に電圧をかけて発生する圧電逆効果とバイモルフ効果による駆動力であるデバイスの一例を示している。
【図３】図３は、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、ソレノイドコイルに電流を流すことにより近傍の磁性体に発生する磁気駆動力であるデバイスの一例を示している。
【図４】図４は、隙間を増大させる外力と減少させる外力が、電熱体からバイメタルに熱を与えて発生する、熱膨張効果とバイモルフ効果による駆動力であるデバイスの一例を示している。
【図５】図５は、隙間を減少させる外力が、電極への電圧印加により発生する電極−誘電体間の静電引力であり、隙間を増大させる外力がばねの力であるデバイスの一例を示している。
【図６】図６は、隙間を減少させる外力が、電極への電圧印加により電極−誘電体間に発生する静電引力であるデバイスの例であり、過去に検討したものである（比較例）。
【図７】図７は、圧力センサー付き真空装置又は減圧装置へのガスの導入とその圧力維持において、請求項１、又は３〜１０の流量制御デバイスの制御用電圧を圧力センサーからの圧力値で制御することにより、ガスの導入と圧力維持を自動でおこなうシステムの一例を示している。
【図８】図８は、小さくした隙間に被分離物質を流すことにより被分離物質中の特定分子、微粒子、又は高分子だけを捕捉し、次に、大きくした隙間にガス媒体又は液媒体を流すことにより捕捉されていた特定分子、微粒子、又は高分子を分離装置から離してガス媒体または液媒体中に移動させるという操作を自動で交互に繰り返すデバイスの一例を示している。
【図１】
2004070903.tif 000003
【図２】
2004070903.tif 000004
【図３】
2004070903.tif 000005
【図４】
2004070903.tif 000006
【図５】
2004070903.tif 000007
【図６】
2004070903.tif 000008
【図７】
2004070903.tif 000009
【図８】
2004070903.tif 000010