(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させてセラミック構造物を作製するセラミック構造物作製装置において、エアロゾルを発生させ、駆動部を有するエアロゾル発生器と、エアロゾルを噴射するノズルと、セラミック構造物の堆積高さを調節する手段を備え、前記調節する手段が、エアロゾル中のセラミック微粒子の量をセンサにより感知し、前記センサから出力された信号を、前記エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、エアの量を調節することによって前記セラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とするセラミック構造物作製装置。
【請求項２】
セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させてセラミック構造物を作製するセラミック構造物作製装置において、エアロゾルを発生させ、駆動部を有するエアロゾル発生器と、エアロゾルを噴射するノズルと、セラミック構造物の堆積高さを調節する手段を備え、前記調節する手段が、エアロゾル中のセラミック微粒子の量をセンサにより感知し、前記センサから出力された信号を、前記エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、前記ノズルと前記基板の制御速度を調節することによって、前記セラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とするセラミック構造物作製装置。
【請求項３】
セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させてセラミック構造物を作製するセラミック構造物作製装置において、エアロゾルを発生させ、駆動部を有するエアロゾル発生器と、エアロゾルを噴射するノズルと、セラミック構造物の堆積高さを調節する手段を備え、前記調節する手段が、エアロゾル中のセラミック微粒子の量をセンサにより感知し、前記センサから出力された信号を、前記エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、エアの速度を調節することによって前記セラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とするセラミック構造物作製装置。
【請求項４】
セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させてセラミック構造物を作製するセラミック構造物作製装置において、エアロゾルを発生させ、駆動部を有するエアロゾル発生器と、エアロゾルを噴射するノズルと、セラミック構造物の堆積高さを調節する手段を備え、前記調節する手段が、エアロゾル中のセラミック微粒子の量をセンサにより感知し、前記センサから出力された信号を、前記エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、エアの温度を調節することのよって前記セラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とするセラミック構造物作製装置。
【請求項５】
前記センサが、重量センサを使用したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセラミック構造物作製装置。
【請求項６】
前記センサが、前記セラミック微粒子の付着を防止する粉体付着防止機構を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のセラミック構造物作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、セラミック微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、セラミック微粒子を基板上に堆積させることによって、セラミックの構造物を形成させるセラミック構造物作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属などの微粒子をガス中に分散させてエアロゾル化し、これをノズルから高速で噴射して基板上に堆積させて成膜する方法は、ガスデポジション法あるいはジェットプリンティング法と呼ばれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来法においては、ガスデポジション法によって基板上にセラミックの構造物を作製する場合、エアロゾルを発生させ、ノズルからエアロゾルを基板に向けて噴射し、ノズル又は基板を前後左右方向へ駆動させ、任意の形状にセラミック構造物を作製していた。
【０００４】
このとき、例えば一定な膜厚のセラミック構造物を作製する場合には、ノズル又は基板を一定速度で駆動させ、同時に一定濃度のエアロゾルを基板に向けて噴射する必要がある。
また、例えば任意な形状の立体的セラミック構造物を作製する場合には、作製するセラミック構造物の形状に合わせて、ノズル又は基板を駆動させ、同時に基板に向けて噴射するエアロゾルの濃度を制御する必要がある。
【０００５】
従来技術では、エアロゾル発生量が経時的に不安定な場合が多く、またエアロゾル発生量を機械的に制御する手段を持ち合わせていなかったため、一定膜厚のセラミック構造物や任意形状の立体的セラミック構造物等の作製が困難であった。
【０００６】
よって本発明では、エアロゾル濃度をセンサ装置によって測定し、その測定結果をエアロゾル発生器駆動部やセラミック構造物作製装置へフィードバックし、セラミック微粒子濃度を安定的に、また、任意の濃度を供給し、一定膜厚のセラミック構造物や任意形状のセラミック構造物を作製することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させてセラミック構造物を作製するセラミック構造物作製装置において、エアロゾルを発生させる駆動部を有するエアロゾル発生器と、エアロゾルを噴射するノズルと、セラミック構造物の堆積高さを調節する手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、セラミック構造物の堆積高さを調節する手段を備えたので、エアロゾル発生器やノズル及び基板の移動速度などのセラミック構造物作製装置を制御することができるようになり、今まで目視等で感覚的に行っていたセラミック構造物の堆積高さの調節を、数値化して機械的に制御することが可能になる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のセラミック構造物作製装置において、調節する手段が、エアロゾル中のセラミック微粒子の量をセンサにより感知し、感知したセンサの信号を利用して行われることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、ガスデポジション法を使用してセラミック構造物を作製する場合、セラミック構造物の堆積高さ高さを制御する必要である。そこで、センサから出力された信号を、フィードバック制御回路を利用して送信し、セラミック構造物作製装置を調節することによって、セラミック構造物の堆積高さを制御することが可能になる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のセラミック構造物作製装置において、センサから出力された信号を、エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、セラミック微粒子の量を調整することによってセラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、ガスデポジション法を使用してセラミック構造物の体積高さを調節する場合、基板に衝突するセラミック微粒子の量を制御して供給するなどの努力が必要である。そこで、フィードバック制御回路を使用し、センサから出力された信号をエアロゾル発生器へ送信することによって、エアロゾル発生器の駆動部を制御し、エアロゾルの濃度を制御することが可能になる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載のセラミック構造物作製装置において、前記センサから出力された信号を、エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、エアの量を調節することによってセラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、ガスデポジション法を使用してセラミック構造物の堆積高さを調節する場合、基板に衝突するセラミック微粒子の量を制御して供給するなどの努力が必要である。そこで、フィードバック制御回路を使用し、センサ装置から出力された信号をエアロゾル発生器へ送信することによって、エアロゾル発生器のエア流量調節部を調節し、エアロゾル運搬用エアの量を調整することによって基板に衝突するセラミック超微粒子の量を制御し、セラミック構造物の堆積高さを制御することが可能である。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項２から４のいずれかに記載のセンサ装置において、前記センサから出力された信号を、セラミック構造物作製装置制御部へフィードバックし、前記ノズルと前記基板の移動速度を調節することによって、セラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、ガスデポジション法を使用してセラミック構造物の堆積高さを調節する場合、基板に衝突するセラミック微粒子の量を制御して供給するなどの努力が必要である。そこで、フィードバック制御回路を使用し、センサから出力された信号をセラミック構造物作製装置制御部へ送信することによって、ノズルと基板の移動速度を調節することによってセラミック構造物の堆積高さを制御することが可能である。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項２から５のいずれかに記載のセラミック構造物作製装置において、前記センサから出力された信号を、エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、エアの速度を調節することによってセラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とする
【００１８】
本発明においては、ガスデポジション法を使用してセラミック構造物の堆積高さを調節する場合、基板に衝突するセラミック微粒子速度を制御して供給するなどの努力が必要である。そこで、フィードバック制御回路を使用し、センサから出力された信号をエアロゾル発生器へ送信することによって、エアロゾル発生器へ供給されるエアの速度を制御する。基板へ衝突するエアロゾルの速度はセラミック構造物の堆積高さに影響を与えるため、エアの速度を制御することによって、セラミック構造物の堆積高さを制御することが可能である。
【００１９】
請求項７記載の発明は、請求項２から６のいずれかに記載のセラミック構造物作製装置において、前記センサから出力された信号を、エアロゾル発生器の駆動部へフィードバックし、エアの温度を調節することのよってセラミック構造物の堆積高さを制御することを特徴とする。
【００２０】
本発明においては、ガスデポジション法を使用してセラミック構造物の堆積高さを調節する場合、基板に衝突するセラミック微粒子を含むエアロゾルの温度を制御して供給するなどの努力が必要である。そこで、フィードバック制御回路を使用し、センサ装置から出力された信号をエアロゾル発生器へ送信することによって、エアロゾル発生器へ供給されるエアの温度を制御する。基板へ衝突するエアロゾルの温度はセラミック構造物の堆積高さに影響を与えるため、エアの温度を制御することによって、セラミック構造物の堆積高さを制御することが可能である。
【００２１】
請求項８記載の発明は、請求項２から７のいずれかに記載のセラミック構造物作製装置において、前記センサが、重量センサを使用したことを特徴とする。
【００２２】
本発明においては、粉体貯留部位に重量を測定するセンサを備え、セラミック構造物作製装置を動作させながら、セラミック微粒子貯留部位の重量変化を測定する。変化量を測定することによって、エアロゾル化し、運搬されたセラミック微粒子量を把握することが可能となる。
この場合、粉体が基板へ衝突するまでのセラミック微粒子運搬経路に残留したセラミック微粒子量も含まれるため、基板に衝突する正確なセラミック微粒子量ではない。そこで、基板設置部に粉体収集器を備え、基板へ衝突する直前のセラミック微粒子を収集し、その重量を測定する。そうすることによって、基板に衝突するセラミック微粒子量を測定することが可能である。
【００２３】
請求項９記載の発明は、請求項２から７のいずれかに記載のセラミック構造物作製装置において、前記センサが、光電センサを使用したことを特徴とする。
【００２４】
本発明においては、ノズル先端と基板とを隔てた空間を測定部位にするように光電センサを備え、基板に衝突するセラミック微粒子の量を測定する。
光電センサは非接触で測定可能なため、セラミック構造物作製中にセラミック微粒子量を測定することが可能である。セラミック構造物を作製中に測定しているため、光電センサから出力された出力値を作製中にフィードバックでき、その結果、常に基板に衝突するセラミック微粒子量を制御することが可能である。
又、光電センサの位置はこれに限らず、ノズル内やエアロゾル発生器内、エアロゾル運搬経路内等に設置されても良い。
【００２５】
請求項１０記載の発明は、請求項８記載のセンサにおいて、前記光電センサが、受光素子にＣＣＤ素子を使用したことを特徴とする。
【００２６】
本発明においては、光電センサの受光素子にＣＣＤ素子をノズル開口幅を覆うように配置される。従って、セラミック微粒子の総量だけでなく、ノズルから噴き出されるセラミック微粒子のノズル幅方向濃度分布をＣＣＤ素子の画素間隔で光電センサの光源の幅内で検出することが可能である。
【００２７】
請求項１１記載の発明は、請求項８から１０のいずれかに記載のセンサにおいて、セラミック微粒子の付着を防止する粉体付着防止機構を備えたことを特徴とする。
【００２８】
本発明においては、製膜に寄与しなかったセラミック微粒子が、光電センサに付着してセンサ機能を低下させたり、また、重量センサに付着してセンサ出力値の誤差を生じさせたりするのを防止することを可能にした。
【００２９】
【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。
図１は、本発明の実施例１としてのセラミック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１１は、搬送管１２を介してエアロゾル発生器１３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室１４内に５ｍｍ×０．５ｍｍの長方形の開口を持つノズル１５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１７に金属アルミニウム（Ａ１）の平板上の基板１６がノズルに対向して１０ｍｍの間隔をあけて配置される。構造物形成室１４は排気ポンプ１８に接続している。
【００３０】
また、ノズル１５と金属アルミニウム（Ａ１）の平板上の基板１６の間にセラミック微粒子量を測定するためのセンサ装置２１を配置し、センサ装置２１から出力される信号は、フィードバック制御回路２２へ送られ、そして処理され、エアロゾル発生器１３やガスボンベ１１それぞれの制御部へ配線２３を通って送られ、エアロゾル中のセラミック微粒子濃度の安定するように、また、基板に衝突するセラミック微粒子を適量に、且つ安定的に供給するように制御を行う。
【００３１】
センサ装置２１には半導体レーザーセンサを使用した。半導体レーザーセンサは非接触で物体を測定でき、その出力は電圧変化として出力される。電圧変化量は、重量センサの出力データとの相関を調べることによって、半導体レーザーセンサの出力を重力値として変換することが可能である。よって、本発明の実施例１では非接触にて運搬されるセラミック微粒子量を重量として測定することが可能である。
【００３２】
製膜に寄与しなかったセラミック微粒子は、構造物形成質１４内を飛散する。その飛散したセラミック微粒子は半導体レーザーセンサの発光部や受光部へ付着し、センサ出力の低下をもたらす。付着する状態をそのまま放置しておくとセンサとしての機能が発揮できなくなるため、粉体付着防止機構（図示しない）を備え付けた。粉体防止機構とは、例えばセラミック構造物作製装置動作中に交換可能にした透明な部材やエアカーテンなどである。本実験では、特に、非接触で制御がし易く、交換不要なエアカーテンを用いた。
【００３３】
センサ装置２１から出力された電圧値は、目視で変化を確認し、手動にてエアロゾル発生器１３を調整するか、もしくはガスボンベ１１から排出されるガス流量を調節し、排出される粉体量を調節した。しかし、その場合は製膜中、安定的にセラミック超微粒子を基板１６に噴き付けるためには、セラミック構造物作製装置から離れることができなかった。そこで、センサ装置２１から出力される出力値をフィードバック制御回路２２へ入力し、フィードバック制御回路２２からガスボンベ１１に接続されているセラミック微粒子運搬用ガス流量制御装置（図示しない）やエアロゾル発生器１３を制御し、安定的に基板１６へセラミック微粒子を噴き付けることを可能にした。
【００３４】
また、センサ装置２１に使用した光電センサには光源にＬＥＤ、受光素子にＣＣＤを使用した。ＬＥＤから発光される光をレンズ等を使用し、ノズル１５から噴出されるセラミック微粒子エアロゾル幅以上の幅にＬＥＤの光幅を加工する。そして広げた光幅以上の受光部幅を持つＣＣＤを受光素子として使用し、受光する。こうすることによって、ノズル１５から噴出されるエアロゾルの濃度分布をＣＣＤからの出力から読みとることが可能になった。
【００３５】
【発明の効果】
上述のように、本発明によるセンサ装置を用いることによって、今まで基板に衝突していたセラミック微粒子量を目視や手動制御を利用して調整していたものを、自動で、且つ機械的に制御することができ、エアロゾル中のセラミック微粒子濃度の安定化を図ることや基板に衝突するセラミック微粒子を適量に、且つ安定的に供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ装置の全体構成示す側面から見た断面図。
【符号の説明】
１１…ガスボンベ、１２…搬送管、１３…エアロゾル発生器、１４…構造物形成室、１５…ノズル、１６…基板、１７…基板ホルダ、１８…排気ポンプ、２１…センサ装置、２２…フィードバック制御回路、２３…配線
【図１】
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