(57)【要約】【課題】エアロゾルデポジション法により狭い空間内に配置した基材や円筒内面などにに複合構造物を作製するノズルと複合構造物作製方法を提案する。【解決手段】微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルより噴出されたエアロゾルを反射させ噴出方向を変えることが可能な機構を有し、その反射したエアロゾルで基材に製膜可能としたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴出して基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルより噴出されたエアロゾルを反射させ噴出方向を変えることが可能な機構を有し、その反射したエアロゾルで基材に製膜可能としたことを特徴とする複合構造物形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載したノズルは、前記噴出口の近傍にエアロゾルを反射するため、円錐形状構造物を配置しその円錐形状構造物の頂点を噴出口の中心に対向させて配置し、前記エアロゾル噴出口と前記円錐状構造物が一体で移動可能とした複合構造物形成装置。
【請求項３】
請求項１に記載したノズルは、エアロゾルの噴出口の近傍に噴出されたエアロゾルが反射するため平板を有し、この平板をエアロゾルが噴出口から噴出する方向に対して任意の方向に反射させる角度に配置し、前記エアロゾル噴出口と前記平板が一体で移動可能としたことを特徴とする複合構造物形成装置。
【請求項４】
前記ノズルが円筒物管内を軸方向に沿って移動可能な機構を有し且つ移動することにより円筒管内に複合構造物を形成可能とした請求項１または請求項２記載の複合構造物形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製するときに使用する複合物作製用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法が提案されている。この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微少なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
上記ガスデポジション法を改良した先行技術として微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と呼ばれる脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。これは、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから高速で基板に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成させる方法である（例えば、特許文献１，特許文献２参照。）。
【０００４】
特許文献２では、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基板に直接向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、イオン、原子、分子ビームや低温プラズマなどの高エネルギー原子などを照射して作製される構造物を強固なものにする工夫がなされている。
【０００５】
【非特許文献１】
加集誠一郎：金属  １９８９年１月号
【特許文献１】
特開平１１−２１６７７号公報
【特許文献２】
特開２０００−２１２７６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来法においては、エアロゾルデポジション法によって構造物を作製する場合、矩形の開口の長辺方向が最大５ｍｍ程度の比較的小さな導出開口を備えたノズルを使用し、導出開口からエアロゾルを基材に直接噴射して構造物を作製していた。
従って、構造物を基材に作製させる場合、エアロゾルを基材に噴射している状態で、基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみではなく、長辺方向に平行な水平方向にも作動させ平面基材に平面的に構造物を作製するしかなかった。
また、例えば構造物を基材に作製させる場合、エアロゾルを基材に噴出している状態で、ノズルに基材表面に対し垂直もしくはをある程度の角度を持たせて対向させて配置する必要があり、ノズルと基材を配置する空間が必要であった。このため、狭い空間や円筒内など、ノズルが基材に対して対向して配置不可能もしくはノズルが進入不可能な部位への構造物作製は不可能であった。
【０００７】
よって、本発明においては、エアロゾルデポジション法により狭い空間内に配置した基材や円筒内面などにに複合構造物を作製するノズルと複合構造物作製方法を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
ここで本発明のノズルを用いた複合構造物形成法であるエアロゾルデポジション法について説明する。
延展性を持たない脆性材料（セラミックス）に機械的衝撃力を付加すると、結晶子同士の界面などの劈開面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子として結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この新生面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な表面状態に晒され、表面エネルギーが高い状態となる。この活性面が隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面或いは基板表面と接合して安定状態に移行する。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、この現象を継続的に発生させ、粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が形成される。
【０００９】
そして、上記機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基板に衝突させるようにした方法がエアロゾルデポジション法である。
【００１０】
この方法は、ガスデポジション法により発展してきた手法であり、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを運搬し、高速で基板表面に噴射して衝突させ、微粒子を破砕・変形せしめ、基板との界面にアンカー層を形成して接合させるとともに、破砕した断片粒子同士を接合させることにより、基材との密着性が良好で強度の大きい脆性材料構造物を基板状にダイレクトに形成させることが出来る。
【００１１】
本発明はエアロゾルデポジション法に都合が良いばかりではなく、ガスデポジション法などの微粒子を噴射させる方法などにも利用できる。
【００１２】
請求項１の発明は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルより噴出されたエアロゾルを反射させ噴出方向を変えることが可能な機構を有し、その反射したエアロゾルで基材に製膜可能としたことを特徴とする複合構造物形成用ノズルである。
【００１３】
本発明においてはエアロゾルを反射させ、噴出する向きを変えることで、ノズルを基材表面に対し垂直もしくは、基材表面に対してある程度の角度を持たせて対向させて配置することなく複合構造物を製作することが可能となる。これによりノズル配置の自由度が向上し、ノズルスペースの取れない、比較的狭い空間でノズルを設置することが可能となる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載したノズルであって
【図１】、エアロゾルの搬送経路１２が円筒形状を有し、前記噴出口１０の近傍にエアロゾルを反射するため、円錐形状構造物１１を配置しその円錐形状構造物１１の頂点を噴出口の中心に対向させて配置し、前記エアロゾル噴出口１０と前記円錐形状構造物１１が一体で移動可能とした複合構造物形成用ノズルである。
【００１５】
本発明においては、エアロゾル噴出口１０より噴出したエアロゾルが円錐形状構造物１１に衝突し、噴出方向に対し放射状に反射される。この時、ノズルを円筒管内に配置することで、この反射されたエアロゾルにより円筒管内面へ複合構造物が形成される。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１に記載したノズルであって
【図２】、エアロゾルの噴出口の近傍に噴出されたエアロゾルが反射するため平板２１を有し、この平板２１をエアロゾルがノズル２０の噴出口２４から噴出する方向に対して、複合構造物の形成に必要な速度を十分に保ったまま反射する任意の角度に配置し、前記エアロゾル噴出口２４と前記平板２１が一体で移動可能としたことを特徴とする複合構造物形成用ノズルである。
【００１７】
本発明においてはエアロゾル噴出口２４より噴出したエアロゾルが平板２１に衝突し、任意の方向に向きを代えてやることで基材２２にエアロゾルを衝突させ複合構造物を作製することが可能となる。ノズル２０が基材２２に対して平行でも複合構造物の作製が可能となり、ノズルを狭い箇所に挿入し、複合構造物を作製することが可能となる。
【００１８】
請求項４の発明は、前記ノズルが円筒物管内を軸方向に沿って移動可能な機構を有し且つ移動することにより円筒管内に複合構造物を形成可能とした請求項１、請求項２記載の複合構造物形成用ノズル及び複合構造物形成方法である。
【００１９】
本発明においてはノズル３２が円筒３０内を円筒壁面に沿って移動する機構を有すが、移動中はノズル中心と円筒壁面の距離は一定に保ち移動する。このため湾曲した管の中に複合構造物を作製することが可能となる。
【００２０】
【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３は、複合構造物作製装置の装置図であり、高圧に圧縮されたヘリウムや窒素などのガス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内に配置される前記ノズル５５が設置される。前記ノズルはコンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）、回転（θ）に移動可能な駆動系５６に取り付けられている。
基材ホルダ５７に基材５８が配置される。構造物形成室５４は排気ポンプ５９に接続している。
【００２１】
また、ノズル５５とエアロゾル発生器５３の間にエアロゾル濃度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５３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
【００２２】
次に円筒内面構造物形成方法について説明する。
図１は本発明の一形態としての円筒内面構造物形成用ノズルである。
エアロゾルの噴出口１０が円筒形状を有しており、内径φ１ｍｍ〜φ１０ｍｍ程度のエアロゾルが搬送される円形の穴が空いており、搬送管１２を通じてエアロゾルを供給する機構へと連結されている。前記噴出口１０の近傍にエアロゾルを反射するため、円錐形状構造物１１を配置しその円錐形状構造物１１の頂点を噴出口の中心に対向させて配置させてある。円錐形状構造物１１の材質としてはエアロゾルを効率よく反射するために、酸化アルミニュウムや炭化珪素、チッ化シリコンなどのセラミック単体や、金属表面に酸化アルミニュウムや炭化珪素、チッ化シリコンなどセラミックをコートしたものが良い。また、好ましくは表面を鏡面加工とすることが望ましい。
【００２３】
前記エアロゾル噴出口１０と前記円錐状構造物１１は連結部１３，１４にてノズル内部に連結している。連結部１４はエアロゾルの流れを妨げないようにエアロゾルの流れる方向に対して可能な限り薄く設計される。また、連結部１３は連結部１４が妨げたエアロゾルの流れと分布が均一化されるようにある程度の長さを持っている。以上の構造により、前記円錐構造物とノズル噴出口１０を一体で移動可とした複合構造物形成用ノズルを構成することが可能である。
【００２４】
複合構造物を製作するにあったて図１に示すように円筒基材１５の内部にノズル本体を配置する。円筒物はホルダー５７に固定されている。ノズルは駆動系５６に取り付けらており、円筒基材１５の内部を移動できるようになっている。
【００２５】
エアロゾル発生器より搬送されてきたエアロゾルはエアロゾル搬送経路内１２を通過し、ノズル噴出口１０より噴出する、この時エアロゾルは音速程度の速度で直線的に噴出される。噴出されたエアロゾルは円錐構造物１１に衝突し、噴出方向に対し放射状に反射される。エアロゾルの円錐構造物に対する衝突角度は反射するに十分な角度を持たせており、これによりエアロゾルは反射されても複合構造物の形成に必要な速度を十分に保ったまま基材に到達することが可能である。
基材に到達したエアロゾルは円筒基材内面に構造物として形成される。
【００２６】
円筒基材に対してノズル５５を駆動系５６により円筒方向に移動させてやることにより内面全体への構造物形成が可能となる。
【００２７】
次に平板を用い製膜する場合の製膜方法について説明する。図２に平板を用いた構造物形成方法の一例を示す。
エアロゾル発生器より搬送されてきたエアロゾルはノズル２０内を通過し、エアロゾル噴出口２４より直線的に噴出される。噴出されたエアロゾルは噴出口２４の近傍に配置された平板２１に衝突し一定方向に反射される。この時エアロゾルが平板２１に衝突する角度は、エアロゾルが複合構造物の形成に必要な速度を十分に保ったまま向きを変えることが可能な角度となっている。平板の材質としてはエアロゾルを効率よく反射するために、酸化アルミニュウムや炭化珪素、チッ化シリコンなどのセラミック単体や、金属表面に酸化アルミニュウムや炭化珪素、チッ化シリコンなどセラミックをコートしたものが良い。また、好ましくは表面を鏡面加工とすることが望ましい。
【００２８】
本発明においてはノズル２０より噴出したエアロゾルが平板２１に衝突し、任意の方向に向きを代えてやることで基材２２にエアロゾルを衝突させ複合構造物を作製することが可能となる。ノズル２０が基材２２に対して平行でも複合構造物の作製が可能となり、ノズルを狭い箇所や隙間に挿入し、複合構造物を作製することが可能である。
【００２９】
次に湾曲した円筒管内に複合構造物を作製するノズルについて説明する。
円筒物管内を軸方向に沿って移動可能な機構を有し且つ移動することにより円筒管内に複合構造物を形成可能とした請求項１、請求項２記載の複合構造物形成用ノズル及び複合構造物形成方法についてはすでに説明したが、本発明ではさらに湾曲した円筒管内に複合構造物を作製するノズルにつても提案する。
【００３０】
図４に湾曲した円筒管３０内に複合構造物を形成可能なノズルの一例を示す。
ノズルの基本構成は図１に示したノズルと同様である。ノズルの側面には円筒内面に接触もしくは非接触でノズルが移動可能ように、倣い移動機構３１が備わっている。倣い移動機構３１はローラーや潤滑素材もしくは静圧浮上や磁気浮上などを使用し、ノズル中心を常に円筒管中央に配置可能なよう機能する。
ノズルには湾曲可能なエアロゾル供給管３３が接続されておりさらに駆動系５７に接続され供給管を円筒管内３０に押し込むもしくは引き抜く動きをすることによりノズル自体を円筒管３０内で移動可能としている。
移動することにより円錐形状構造物１１で反射したエアロゾルが円筒管内３０の内面全体を製膜することが可能となる。
【００３１】
図４では倣い機構３１を上下に配置し、円筒管３０に対してノズルが中心を保つようにしたが、倣い機構３１をノズルの下方のみとし、吹き出すエアロゾルの圧力により上方の姿勢維持をする機構でも良い。
【００３２】
本発明の用途の一例として、蛍光灯管内の内壁へのコートや金属配管内壁への耐食コート、さらには軸受などの内面に耐磨耗、潤滑構造物のコート、などの応用展開が挙げられる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明においては、エアロゾルデポジション法により狭い空間内や円筒内面など従来ノズルが入らず、エアロゾルが直接届かなかった場所への複合構造物作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す円筒管内複合構造物製作用ノズルの構成図。
【図２】本発明の一実施例を示す平面複合構造物製作用ノズルの構成図。
【図３】従来使用されている、複合構造物製作装置の一般的な構成図。
【図４】本発明の一実施例を示す円筒管内複合構造物製作用ノズル。
【符号の説明】
１１．円錐構造物  １２．エアロゾル搬送経路  １３．連結部  １４．連結部
１５．円筒基材  １６．複合構造物  ２０．ノズル  ２１．平板
２２．基材  ２４．噴出口  ３０．円筒管  ３１．倣い移動機構  ３２．ノズル
３３．エアロゾル供給管
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．駆動系
５７．ホルダー  ５８．基材  ５９．排気ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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