(57)【要約】【課題】  エアロゾルがノズルから高速に空間に噴出するような、エアロゾル自由流の粒子速度測定において、自由流の流れに影響を及ぼす事なく、エアロゾルの粒子速度および粒子径を高感度でリアルタイムに測定できる測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置を提供する。【解決手段】  本発明では、エアロゾル５に対してレーザー投光部２よりレーザー６を投光する、次いでレーザーの投光により回折、散乱された光をカメラ４で撮影する、次いで撮影した画像の粒子軌跡よりエアロゾルの粒子速度および粒子径を測定する。粒子軌跡幅から粒子径を、粒子軌跡長とカメラの露光時間から粒子速度がそれぞれ計算できる。。そこで、この方法により、空間を流れるエアロゾル自由流の流れに影響を与える事なく、エアロゾル粒子速度および粒子径測定ができる。【選択図】  図１
2005221311.tif 000002
【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の粒子速度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を撮影する工程、次いで該撮影した画像の粒子軌跡よりエアロゾル自由流の粒子径および粒子速度を解析する工程とからなることを特徴とするエアロゾルの粒子速度測定方法。
【請求項２】
前記撮影した画像の粒子軌跡幅と粒子軌跡長さによりエアロゾル自由流の粒子径および粒子速度を測定することを特徴とする請求項１記載のエアロゾルの粒子速度測定方法。
【請求項３】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を撮影する手段と、該撮影した画像を解析し、解析結果よりエアロゾル自由流の粒子径および粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とするエアロゾルの粒子速度測定装置。
【請求項４】
前記受光する手段がカメラであることを特徴とする請求項３に記載のエアロゾルの粒子速度測定装置。
【請求項５】
前記受光する手段が光増幅機能と高速シャッター機能を備えるカメラであることを特徴とする請求項３または４に記載のエアロゾルの粒子速度測定装置。
【請求項６】
前記投光する手段が、間欠発光するレーザーであることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のエアロゾルの粒子速度測定装置。
【請求項７】
前記画像を解析する手段が画像処理手段であることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のエアロゾルの粒子速度測定装置。
【請求項８】
前記画像処理手段が、単一または複数の粒子軌跡を抽出する処理および抽出した軌跡の軌跡幅および軌跡長を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする請求項７に記載のエアロゾルの粒子速度測定装置。
【請求項９】
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基板上に形成させる複合構造物作製装置において、
前記エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を撮影する手段と、該撮影した画像を解析しエアロゾルの粒子径および粒子速度を計算する手段とを有するエアロゾルの粒子速度測定装置を備えることを特徴とする複合構造物作成装置。
【請求項１０】
前記画像を撮影する手段が、カメラであることを特徴とする請求項９に記載の複合構造物作成装置。
【請求項１１】
前記画像を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする請求項１０に記載の複合構造物作成装置。
【請求項１２】
前記画像処理手段が、単一または複数の粒子軌跡を抽出する処理および抽出した軌跡の軌跡幅および軌跡長を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする請求項１１に記載の複合構造物作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子がガス中に分散されたエアロゾル高速自由流の粒子速度測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置に係り、特に微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基板上に形成させる複合構造物作製装置において吹き付けるエアロゾル自由流の粒子径、粒子速度のリアルタイム連続測定方法、測定装置およびこれを利用した複合構造物作製装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
流体中の粒子径、および粒子速度を流れに影響を及ぼすことなくリアルタイムに測定する装置については、従来、特開平10-318909のようにレーザードップラー流速計を応用する装置が知られている。（特許文献１参照）
【０００３】
また、同一粒径の粒子を多数トレーサーとして流体中に混入させ、偏平なレーザー光を測定したい領域に照射し、トレーサーによる散乱光を撮影し、その画像から、流体中の粒子速度を測定する方法および装置も提案されている。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開平１０−３１８９０９
【特許文献２】特開平６−１３８１３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の装置は、狭い範囲のエアロゾルしか測定できない。したがって広い範囲を測定するためには、複数の測定装置を設置するか、レーザー光線を移動させて測定する必要があり、レーザー光を移動させて測定する場合には時間がかかる欠点がある。また、装置の構成は複雑で装置の設置や調整に時間がかかり、一般に装置自体の価格も高い。（特許文献１参照）
【０００５】
また、上記特許文献２の方法では、同一粒径を前提としているために、粒度分布が広くさまざまな粒径の混合された粒子がガス中に分散されたエアロゾルの粒子径や粒子速度は測定できない欠点がある。一般に、粒子径が異なれば、流体中の粒子速度も異なるため、粒子速度と同時に粒子径を測定する必要がある。さらに、この方法では、流れの方向も同時に測定できるが、エアロゾルの流れ方向については、容易に推定できる場合が多く、流れ方向の測定は不要な機能となる。逆に、流れ方向測定のため１回の測定で２画像を撮影するため、測定時間が長くなり、高速な流れの測定には不利である。（特許文献２参照）
また、エアロゾルの粒子速度測定に関しては、エアロゾル流れをスリットに通し、高速回転する円盤に衝突させ、その衝突パターンから粒子速度を求める方法も提案されているが、スリットや円盤を設置するため、流れに大きく影響を及ぼすため、測定結果の信頼性が低くなる。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、エアロゾルがノズルから高速に空間に噴出するような、エアロゾル自由流の測定において、自由流の流れに影響を及ぼす事なく、エアロゾル中の粒子径および粒子速度を高感度でリアルタイムに測定できる測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために発明の方法は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を撮影する工程、次いで該撮影した画像を解析しエアロゾル自由流の粒子径および粒子速度を測定する工程とからなることを特徴とする。回折、散乱光の画像のうち回折、散乱光の輝度は粒子径、散乱光の軌跡は粒子速度の情報を持っている。したがって、この方法により、空間を流れるエアロゾル自由流の流れに影響を与える事なく、粒子径および粒子速度の測定を可能とした。
【０００７】
さらに本発明の好ましい態様として、前記撮影した画像の粒子軌跡幅と粒子軌跡長さによりエアロゾル自由流の粒子径および粒子速度を測定することを特徴とする。
回折、散乱光の輝度は粒子径の大きさによって変化し、粒子軌跡幅も回折、散乱光の輝度
によって変化するため、粒子軌跡幅から粒子径を測定できる。一方、粒子は撮影の露光時間中、粒子速度に比例した距離だけ移動するため、露光時間中の移動距離すなわち画像の粒子軌跡から粒子速度を測定することができる。
【０００８】
また、上記目的を達成するために本発明の粒子速度測定装置は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子径および粒子速度を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を撮影する手段と、該撮影した画像を解析し、解析結果よりエアロゾルの粒子径および粒子速度を計算する手段とを有することを特徴とする。
本構成によりエアロゾルの粒子速度測定装置を実現した。
【０００９】
さらにまた、本発明の好ましい態様として、前記撮影する手段がカメラであることを特徴とする。レーザー投光により回折、散乱された光を受光する手段を、カメラとする事により、広い測定範囲に対しても複数の測定装置を設置する、またはレーザーを移動させることなしに測定できる。さらにレーザー投光により回折、散乱された光を瞬時に受光できるため、高速に測定できるエアロゾルの粒子速度測定装置を実現した。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様として、前記撮影する手段が光増幅機能と高速シャッター機能を備えるカメラであることを特徴とする。レーザー投光により回折、散乱された光を撮影する手段を、光増幅機能と高速シャッター機能を備えるカメラとする事により、高速なエアロゾルについても、高精度で粒子径おより粒子速度を測定できるエアロゾルの粒子速度測定装置を実現した。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様として、前記投光する手段が間欠発光するレーザーであることを特徴とする。レーザーの発光周期は、変調回路を利用することにより、ナノ秒やフェムト秒といった短い周期を実現する事が可能であるため高速シャッター機能を備えるカメラを利用しなくても、超短時間の露光時間が実現できる。したがって、単純な構成で超高速の粒子速度に対応できるエアロゾルの粒子速度測定装置を実現した。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様として、前記撮影した画像を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする。撮影した画像を解析する手段を画像処理手段とすることにより、画像を解析するための処理を高速にかつ、柔軟なアルゴリズムで実行できる。したがって、高速かつ高感度に測定できるエアロゾルの粒子速度測定装置を実現した。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様として、前記画像処理手段が、単一または複数の粒子軌跡を抽出する手段および抽出した軌跡の軌跡幅および軌跡長を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする。粒径分布の広いすなわち、さまざまな粒径の微粒子がガス中に分散されたエアロゾルにおいて、撮影した画像には、さまざまの軌跡幅と軌跡長の複数の粒子軌跡が存在する。この画像から、特定の位置や特徴を持った粒子軌跡を抽出し、その軌跡幅と軌跡長を計算する事により、速度分布や特定の粒子径の粒子分布等を測定できるエアロゾルの粒子速度測定装置を実現した。
【００１４】
また、発明によれば、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基板上に形成させる複合構造物作製装置において、前記エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を撮影する手段と、該撮影した画像を解析しエアロゾルの粒子径および粒子速度を計算する手段を有するエアロゾルの粒子速度測定装置を備えることを特徴とする。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子速度測定装置を複合構造物作成装置の監視または制御等に利用する構造物作成装置を実現した。本発明の粒子速度測定装置は、エアロゾルの流れに影響を与えないため、複合構造物の作成中にも、粒子速度をリアルタイムに測定することが可能である。
ここで、前記エアロゾルを基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、構造物を基板上に形成する場合に使用される微粒子としては、脆性材料、延性材料、もしくはその混合物からなり、粒径が１０ｎｍから５μｍで、そのエアロゾルの速度としては数１０ｍ／Ｓから数１００ｍ／Ｓが一般的に知られている。なお本発明の粒子速度測定装置の主な測定対象粒子は、粒子径が１μｍ以上程度の比較的大きい一次粒子、あるいは凝集し粒子径が大きくなった粒子である。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾルの粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記撮影する手段がカメラであることを特徴とする。
レーザー投光により回折、散乱された光を撮影する手段を、カメラとする事により、測定範囲のエアロゾルの回折、散乱された光を一度に撮影することができるため、広い測定範囲に対しても粒子径および粒子速度を測定でき、さらにレーザー投光により回折、散乱された光を瞬時に撮影し、高速に測定できるため、複合構造物作成装置の監視または制御が高速かつ容易にできる。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾルの粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記画像を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする。撮影した画像を解析する手段を画像処理手段とすることにより、画像を解析するための処理を高速にかつ、柔軟なアルゴリズムで実行でき、複合構造物作成装置の監視または制御が高速、柔軟かつ容易にできる。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾルの粒子速度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記画像処理手段が、単一または複数の粒子軌跡を抽出する手段および抽出した軌跡の軌跡幅および軌跡長を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする。粒径分布の広いすなわち、さまざまな粒径の微粒子がガス中に分散されたエアロゾルにおいて、撮影した画像には、さまざまの軌跡幅と軌跡長の複数の粒子軌跡が存在する。この画像から、特定の位置や特徴を持った粒子軌跡を抽出し、その軌跡幅と軌跡長を計算する事により、速度分布や特定の粒子径の粒子分布等を測定できるエアロゾルの粒子速度測定装置を実現でき、きめこまかい複合構造物作成装置の監視または制御等が高速かつ容易にできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、微粒子がガス中に分散させたエアロゾル高速自由流の粒子速度、特に微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基板上に形成させる複合構造物作製装置において吹き付けるエアロゾル自由流の粒子速度を自由流の流れに影響を及ぼす事なく、高感度でリアルタイムに測定できる方法および装置を実現できるという効果がある。さらに、この測定方法および装置を構造物作製装置の監視や制御等に利用することにより、高品質の構造物を高速に作成できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態につき、以下に実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００２０】
図１および図２は、本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置の被測定エアロゾル５、レーザー投光部２、および受光部であるレンズ３、カメラ４の配置例を示す図である。図１が正面図、図２が側面図である。ノズル１から噴出するエアロゾル５に対してエアロゾル５の噴出方向と直角にレーザー光６をレーザー投光部２から投光する。エアロゾル５に当ったレーザー光６は回折、散乱し、この回折、散乱光をレンズ３で集光しカメラ４で画像化する。レーザー投光部２と受光部であるレンズ３、カメラ４の配置は図に示す配置でなくともよい。少なくともレーザー光６がエアロゾル５の速度測定領域を照射でき、レンズ３およびカメラ４が測定領域を撮影できる位置であればよい。たとえばノズル幅全体の速度分布を測定する場合には、図に示す配置例が好ましいが、一部の領域のみ測定する場合には、レーザー光６と受光部であるレンズ３、カメラ４の角度をより大きな角度とすれば、回折、散乱光量は、直角に配置した場合より大きくなり、感度が向上する。
【００２１】
レーザー投光部２は波長４５０〜７８０ｎｍ出力１００ｍW以下程度の半導体レーザーを選択する。
また、レーザー投光部２から出力されるレーザーのビーム形状は、円、楕円またはスリット形状等から必要な領域に照射できる形状のものを適宜選択する。レーザーのビーム幅はカメラの露光時間に粒子が進む距離より十分大きいビーム幅として、撮影した粒子軌跡全体が、ビーム幅の範囲に入る必要がある。カメラの撮影範囲も同様である。図に示す配置例のようにノズル幅全体の速度分布を測定する場合にはレーザー光６のビーム形状がレーザー投光部２との距離によって変化の少ないコリメートビーム光学系を持つレーザー投光部２の使用が好ましい。
また、散乱、回折光を受光するためのカメラ４は、たとえば２次元のＣＣＤカメラを用いる。高速なエアロゾルの粒子速度を測定する場合には、カメラ４はイメージインテンシファイアと感度と高速シャッターを備え感度や露光時間が可変できる高感度ＣＣＤカメラを用いることもできる。さらに、通常のＣＣＤカメラを用い、高速シャッターの代わりにレーザー投光部２に発光周期が可変できるレーザーを用いることによっても、同様に短時間の露光時間が実現できる。
【００２２】
図３は、図１および図２の配置例において、２次元ＣＣＤカメラで撮影したエアロゾルの回折、散乱光軌跡画像の例である。エアロゾルにレーザー光が当り、回折、散乱光が発生すると粒子が光る。粒子は光点となるが、粒子は、ある速度で移動しているため、カメラの露光時間中は、光点が移動し撮影した画像には軌跡が残る。ここでは２個の粒径の異なる粒子が画面の下から上に向かって移動している。したがって、粒子軌跡の幅は画像の横方向であり粒子軌跡の長さは画像の縦方向となる。大きい径の粒子は回折・散乱光の輝度が高いため、光点の径も大きくなり、大きい径の粒子軌跡７の幅が広がる。これに対し小さい粒子は回折・散乱光の輝度が低いため、光点の径も小さくなり、小さい径の粒子軌跡８の幅が広がる。一般に、同一速度のガス中では大きい径の粒子に比べ小さい径の粒子のほうが高速なため大きい径の粒子軌跡７の長さは、小さい径の粒子軌跡８に比べ短くなる。
【００２３】
図４は図１および図２の配置例において、２次元ＣＣＤカメラで撮影したエアロゾルの回折、散乱光画像の例である。ここでは１個の粒子が画面の下から上に向かって移動しているとする。この画像例で、本発明における粒子径と粒子速度を計算する方法を説明する。まず、光学系やＣＣＤカメラに依存する１画素の分解能をあらかじめ校正しておく。軌跡幅９および軌跡長さ１０は画像では画素単位で測定される。したがって実寸の軌跡幅および軌跡長さはそれぞれ、（１）式および（２）式で求められる。
実寸の軌跡幅＝分解能×軌跡幅９      （１）式
実寸の軌跡長さ＝分解能×軌跡長さ１０    （２）式
ここで求めた実寸の軌跡幅を粒子径とする。また粒子速度は、実寸の軌跡長さ、実寸の軌跡幅および露光時間から（３）式で求められる
粒子速度＝（実寸の軌跡長さ−実寸の軌跡幅）／ 露光時間（３）式
【００２４】
しかし、粉体の種類や粒子径の大きさによっては、粒子径を計算する（１）式がそのまま当てはまらない場合もある。その場合には以下の方法で粒子径を計算する。
まず、校正のため、ばらつきのない一定粒径の粉体をガス中に分散させたエアロゾルを測定し、粒径と軌跡幅の変換係数をあらかじめ求めておく。測定したい粒径の範囲が広い場合、数種類の異なった大きさの粒径で対応する変換係数を求めておくほうが望ましい。次に、この変換係数を用いて（４）式で実寸の粒子径を求める。
実寸の軌跡幅＝対応する変換係数×軌跡幅９（４）式
数種類の異なった大きさの粒径で対応する変換係数を求めている場合には最小２乗法で変換係数をグラフ化し、測定した軌跡幅９に対応する変換係数を補間等によって求める事もできる。
【００２５】
エアロゾル流れの測定ではたとえば、流れの中心と端部など、各位置の粒子速度を測定したい場合がある。本発明を適用すれば撮影した１画像から、各位置での粒子速度を一度に測定することができる。図５は、本発明により複数の粒子軌跡から特定位置の粒子径を抽出することにより粒子の速度分布を測定する方法の例である。
まず撮影した画像を流れの中心領域１１と流れの右端領域１２流れの左端領域１３の３領域に分ける。さらに領域ごとに、あらかじめ設定された特定範囲の軌跡幅すなわち特定範囲の粒子径の軌跡のみ抽出する。たとえば、比較的小さい粒子軌跡のみを抽出するように設定した場合には軌跡Ａ１ １４ Ａ２ １５ Ａ３１６ は設定軌跡幅の範囲内で抽出されるが、軌跡Ｂ１ １７ Ｂ２ １８ は軌跡幅大きく設定範囲外のため抽出されない。したがって、一定範囲にある径の粒子で各領域の粒子速度が測定でき、粒子の速度分布を精度よく測定できる。
パソコン等の画像処理手段を利用すれば、このような領域の設定や軌跡の抽出は、ソフトウエアの変更のみで可能なため柔軟でかつ高速な自動処理を実現できる。
【００２６】
また、本発明を適用すれば、画像処理により撮影した画像のうち測定に必要な領域のみ抽出できるため、画像な不要な部分によるノイズを低減し、かつ計算に要する時間を短縮することができる。さらにエアロゾル流れの各部分で、一定範囲の粒子径と速度の粒子のみ抽出しその個数や位置を測定する処理等さまざまな測定が画像処理のソフトウエアにより実現できることは言うまでもない。
【００２７】
図６は、本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置全体の構成を示す図である。ノズル１から噴出するエアロゾル５に対してエアロゾル５の噴出方向と直角にレーザー光６をレーザー投光器２から投光する。エアロゾル５に当ったレーザー光６は回折、散乱し、この回折、散乱光をレンズ３で集光しカメラ４で画像化する。カメラ４はたとえばイメージインテンシファイアと高速シャッターを備え感度や露光時間を外部信号により可変できるＣＣＤカメラであり、画像入力ボードおよび画像処理解析プログラムを内蔵したパーソナルコンピュータ等の画像解析装置２０に接続される。カメラ４の画像は画像入力ボードにより、リアルタイムに画像解析装置２０に入力と同時に画像処理により解析され、粒子径および粒子速度を測定する。測定したエアロゾルの粒子径や粒子速度は、画像解析装置２０の画面に数字またはグラフで表示することもでき、さらに、画像解析装置２０から外部機器制御用にアナログ信号やディジタル信号を出力することもできる。また、エアロゾルの粒子径または粒子速度測定範囲が広い場合には、レーザー光６の出力およびカメラ４の感度や露光時間をエアロゾルの粒子径または粒子速度に合わせて最適に調整する必要がある。またこのような場合に、画像解析装置２０とレーザー光６の出力を制御するためのレーザーコントローラー１９とを接続し、画像解析装置２０からレーザーの出力を制御できるようにする。さらに、画像解析装置２０とカメラ４とを接続し、画像解析装置２０からカメラ４の感度や露光時間を制御できるようにする。そこで画像解析装置２０に入力されるカメラ４の画像が測定に最適となるよう画像解析装置２０でレーザー出力、カメラの感度および露光時間を自動調整すれば、広いエアロゾルの粒子径および粒子速度測定範囲に対応することができる。
【００２８】
図７は本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置を利用した複合構造物作製装置の全体の構成を示す図である。ここで言う複合構造物作製装置とは、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、エアロゾルを基材２７表面に衝突させ、この衝突によって微粒子を破砕・変形させて接合させ、微粒子の構成材料からなる構造物をを基材２７上に形成させる装置である。
【００２９】
複合構造物作製装置は、エアロゾル発生部２１、ノズル１、エアロゾル発生部２１とノズルを接続する配管２２、ステージ２３、真空チャンバ２４、装置制御部２５から構成される。エアロゾル発生部２１は配管２２により真空チャンバ２４内に設置されたノズル１と接続されている。エアロゾル発生部２１は微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを発生させ、ノズル１へエアロゾルを供給する。また、エアロゾル発生部２１は、信号ケーブルA２６により装置制御部２５と接続される。必要の都度、装置制御部２５は信号ケーブルA２６を介して粉体供給量や流量等の条件をエアロゾル発生部２１に設定し、エアロゾル発生部２１は、設定値に従いエアロゾルを発生させノズル１に供給する。
エアロゾルはノズル１より高速で噴出し、ステージ２３に取付けられた基材２７に高速で衝突し、基材２７表面には微粒子の構成材料からなる膜が形成される。
【００３０】
一方、ステージ２３には基材２７が取付られ、ステージ２３は必要な範囲に必要な膜を形成させるため、基材２７をノズル１に対して移動させる。ステージ２３と装置制御部２５は、信号ケーブルB２８により接続される。必要の都度、装置制御部２５は信号ケーブルB２８を介してステージの移動方向、速度あるいは位置の指令をステージ２３に設定し、ステージ２３は、設定された指令に従って基材２７をノズル１に対して移動させる。ステージ２３は、たとえばモーターで駆動されるXYZΘステージを用い、基材２７をノズル１に対して３次元的な位置決めや移動ができる機能を持つ。また、基材２７を固定し、ノズル１をステージ２３に取付け、３次元的に動かしても同様の効果が得られる。また、ステージ２３は、膜の形成範囲や品質によっては、１次元や２次元の移動や位置決めができるＸステージやＸＹステージで対応できる場合もある。
【００３１】
以上説明した複合構造物作製装置に、エアロゾル粒子速度測定装置を次のように取付ける。レーザー投光部２をレーザー光がノズル１のエアロゾル噴出部付近を照射するように設置する。また、レンズ３を取付けたカメラ４をエアロゾルの回折、散乱光が撮影できるような位置に設置する。レーザー投光部２および受光部のレンズ３およびカメラ４は、ノズル１の設置された真空チャンバー２４の内部に必ずしも設置する必要はない。真空チャンバー２４壁面の一部をガラスにして、レーザー光の光路および回折、散乱光の光路を確保すれば、レーザー投光部２および受光部のレンズ３およびカメラ４は真空チャンバーの外に設置できる。
【００３２】
カメラ４で受光されたエアロゾルの回折、散乱光画像は、画像解析装置２０で解析され、エアロゾル粒子速度および粒子径がリアルタイムに測定される。測定されたエアロゾル粒子速度および粒子径は、画像解析装置２０から、信号ケーブルＣ２９を介して、装置制御部２５に伝達される。伝達されるデータは、測定された粒子速度および粒子径だけではなく、監視や制御に有用なたとえば測定された粒子速度および粒子径を解析し、一定範囲の粒子径と速度の粒子のみ抽出しその個数や位置等のデータでもよい。
画像解析装置２０で測定されたエアロゾル粒子速度および粒子径データを利用し装置制御部２５は、監視や制御を行ない、装置の信頼性や複合構造物の品質、生産性を向上させることができる。なお、ここで言う複合構造物の品質とは、基材２７に形成される膜厚の均一性、膜の欠陥および膜の硬度や絶縁耐圧等の膜の物理特性等の性能を総合したものである。また、複合構造物の生産性とは、基材２７に形成される膜を要求品質を満足しつつ形成するために要する時間のことを言う。
以下、測定された粒子速度および粒子径データを利用し、複合構造物作製装置の監視、制御を行なう実施例を説明する。
【００３３】
第一の例は、画像解析装置２０から出力されるエアロゾル粒子径および粒子速度を装置制御部２５で、リアルタイムに監視し、あらかじめ設定された適正な範囲から外れた状態が一定時間以上経過したら装置制御部２５に接続された警報装置３０により警報を出す、または、複合構造物作製装置の動作を停止させる事により複合構造物における品質不良を防止する。さらに粒子速度については、速度分布が不均一つまり、各測定領域における粒子速度差がある設定範囲より大きくなった場合にも警報を出すようにすれば、より精度の高い監視ができる。また、エアロゾルの粒子径については、あらかじめ設定された時間間隔で一定以上の粒子径が一定以上の個数測定された場合に異常と判定する事もできる。
【００３４】
第二の例は画像解析装置２０から出力されるエアロゾルの粒子径および速度の時間変化を打ち消すように、装置制御部２５でエアロゾル発生部２１の粉体供給量設定や流量等の条件設定をリアルタイムに変更する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、エアロゾル粒子速度および粒子径を安定化し、複合構造物の品質、生産性を向上させる。
【００３５】
第三の例は、エアロゾルの出口は１個であり、エアロゾル供給のための供給口が複数箇所設けられたノズル１を持ち、ノズル１の供給口に複数のエアロゾル発生部２１が配管２２により接続され、ノズル１出口の各位置の粒子径や粒子速度を、各々のエアロゾル発生部２１により制御できる複合構造物作製装置に関する例である。画像解析装置２０から出力されるエアロゾルの粒子径や粒子速度分布に応じて、分布が均一になるよう、装置制御部２５でエアロゾル発生部２１の粉体供給量設定や流量等の条件設定をリアルタイムに変更する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、ノズル１のエアロゾル粒子径および流速分布が均一となり。結果として、均一な膜厚を得る事ができ、複合構造物の品質、生産性を向上させる。また。ノズル１の複数の供給口に１台のエアロゾル発生部２１から複数分岐した配管２２により接続されている場合には、配管途中にエアロゾル流量等の条件を装置制御部２５により設定できる装置を設け、画像解析装置２１から出力されるエアロゾルの粒子径や粒子速度分布に応じて、分布が均一になるよう、同様にフィードバック制御すれば同一の効果が得られる。また、ノズル１が複数あり、この複数のノズル１各々に複数のエアロゾル発生部２１が配管２２により接続され、複数のノズル１で同時に基材２７に膜を形成する複合構造物作製装置においても同様の制御ができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の被測定エアロゾルとレーザー投光部、受光部の配置例を示す正面図である。
【図２】本発明の被測定エアロゾルとレーザー投光部、受光部の配置例を示す側面図である。
【図３】本発明により２次元ＣＣＤカメラで撮影したエアロゾルの回折、散乱光軌跡画像の例を示す図である。
【図４】本発明により２次元ＣＣＤカメラで撮影したエアロゾルの回折、散乱光軌跡画像の例を示す図である。
【図５】本発明により複数の粒子軌跡から位置と特定の粒子径を抽出することにより粒子の速度分布を測定する方法の例を示す図である。
【図６】本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置全体の構成を示す図である。
【図７】本発明によるエアロゾル粒子速度測定装置を利用した複合構造物作製装置の全体の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ノズル
２…レーザー投光部
３…レンズ
４…カメラ
５…エアロゾル
６…レーザー光
７…大きい径の粒子軌跡
８…小さい径の粒子軌跡
９…軌跡幅
１０…軌跡長さ
１１…流れの中心領域
１２…流れの右端領域
１３…流れの左端領域
１４…軌跡Ａ１
１５…軌跡Ａ２
１６…軌跡Ａ３
１７…軌跡Ｂ１
１８…軌跡Ｂ２
１９…レーザーコントローラー
２０…画像解析装置
２１…エアロゾル発生部
２２…配管
２３…ステージ
２４…真空チャンバ
２５…装置制御部
２６…信号ケーブルＡ
２７…基材
２８…信号ケーブルＢ
２９…信号ケーブルＣ
３０…警報装置
【図１】
2005221311.tif 000003
【図２】
2005221311.tif 000004
【図３】
2005221311.tif 000005
【図４】
2005221311.tif 000006
【図５】
2005221311.tif 000007
【図６】
2005221311.tif 000008
【図７】
2005221311.tif 000009