(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径測定において、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】波長の長いレーザーＡ１を投光する投光部Ａ２とレーザーＡ１より波長の短いレーザーＢ３を投光する投光部Ｂ４を図のように配置する。レーザーＡ１とレーザーＢ３はビームスプリッタ５により１本のビーム６となり、被測定エアロゾル７に投光される。エアロゾル７により回折、散乱された光８は、レンズ９で集光され受光部１０へ導かれる。レーザーＡ１とレーザーＢ３を交互に投光し、それぞれの波長のレーザー散乱光を受光しこの光量比からエアロゾルの粒子径を求める。【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の粒子径を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対して少なくとも波長の異なった２種類以上の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、散乱された光を受光する工程、次いで該受光した各レーザー波長ごとの光を解析し、該解析結果と、上記同一手段であらかじめ解析しておいた基準となるエアロゾルの解析結果から、基準となるエアロゾル粒子径に対する相対粒子径を計算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径測定方法。
【請求項２】
前記各レーザー波長ごとの光を受光する工程において、受光量があらかじめ設定された範囲を超えた場合に、粒子径の測定を中断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径測定方法。
【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径を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対して少なくとも波長の異なった２種類以上のレーザーを投光する手段、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段、次いで該受光した各レーザー波長ごとの光を解析し、該解析結果と、上記同一手段であらかじめ解析しておいた基準となるエアロゾルの解析結果から、基準となるエアロゾル粒子径に対する相対粒子径を計算する手段とからなることを特徴とするエアロゾルの粒子径測定装置。
【請求項４】
前記各レーザー波長ごとの光を受光する手段において、受光量があらかじめ設定された範囲を超えた場合に、粒子径の測定を中断することを特徴とする請求項３記載のエアロゾルの粒子径測定装置。
【請求項５】
前記受光する手段が光電子倍増管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径測定装置。
【請求項６】
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請求項３または４に記載のエアロゾルの粒子径測定装置。
【請求項７】
前記カメラにより受光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請求項６に記載のエアロゾルの粒子径測定装置。
【請求項８】
前記画像処理手段が、前記画像において単一または複数の部分領域を抽出する処理および抽出した領域の輝度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径測定装置。
【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、
被測定エアロゾルに対して少なくとも波長の異なった２種類以上のレーザーを投光する手段、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段、次いで該受光した各レーザー波長ごとの光を解析し、該解析結果と、上記同一手段であらかじめ解析しておいた基準となるエアロゾルの解析結果から、基準となるエアロゾルの粒子径に対する相対粒子径を計算する手段とからなることを特徴とするエアロゾルの粒子径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】
前記受光する手段が光電子倍増管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】
前記受光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１２】
前記カメラにより受光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径測定方法、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】
流体中の粒子径分布いわゆる粒度分布を測定する方法については、特開2000-46722のようにエアロゾルを透明なセルに導き、そのセルにレーザー光を照射し、その散乱光の空間強度分布の測定結果を演算することにより粒度分布を測定する方法が従来から実用化されている。（特許文献１参照）
さらに、別の測定方法として特開平3-13846の「従来の技術」に記述されているように、波長の異なる二つの光、例えばHe-NeレーザーとArレーザーの光を被測定領域に照射し、その散乱光強度をある一方向から検出すると、それぞれの波長における散乱光強度の比が粒径の関数であることを利用して測定する方法がある。さらに、特開平3-13846では大気の汚染状態等、広い範囲の粒子径空間分布を測定するため、白色レーザー光を被測定領域を取り囲むように投光し、その散乱光を複数個配置されたセンサでそれぞれ複数波長に分光しその散乱光強度を測定し、ＣＴの理論により、平均粒子径の空間分布を計算する例が示されている。（特許文献２参照）
【０００３】
また、波長の異なる二つの光を用いて流体中の粒子径を測定する具体例として特許文献３ではPSLLS法により、２波長のレーザーの散乱光強度の比からエアロゾル中の単一径の粒子径を精度良く測定するした例が示されている。
（特許文献３参照）
【特許文献１】特開２０００−４６７２２
【特許文献２】特開平３−１３８４６
【特許文献３】Journal of Coloid and Interface Science241,70-80(2001)
【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に記載の方法は、粒度分布を正確に測定できる反面、エアロゾルがノズルから空間に噴出するような自由流れの測定においては、流れがセルの影響を受け、測定は不可能である。また、エアロゾルの濃度が高い場合に、セルが汚れ、この影響を受けるため長時間連続で測定することは難しい。また、測定結果を得るには複雑な計算が必要で計算時間がかかるため、高速エアロゾル流れの粒度分布をリアルタイムに測定する装置は実現されていない。（特許文献１参照）
また、上記特許文献２に記載されている方法は、大気中など、広い空間の各領域毎の平均粒子径分布を測定するには有効であるが、装置が複雑で、計算量も膨大となりエアロゾルがノズルから比較的狭い空間に高速で噴出するような自由流れの測定に適しているとは言えない。（特許文献２参照）
さらに、上記特許文献３に記載されている方法は、エアロゾル中に分散された粒子は粒径のほぼ揃った単一径の粒子を前提とした測定方法である。これらの方法は単一径の粒子が分散されたエアロゾルについては、高速流れでも精度良く粒径を測定できる。一方、一般のエアロゾルには、大小さまざまな粒径の粒子が存在する。したがって、単一径の粒子を前提とした上記測定方法をそのまま適用することは困難である。（特許文献３参照）
【０００５】
以上の方法は、粒度分布あるいは単一径の粒子の絶対径を正確に測定する目的である。しかし実際の利用においては、基準とするある特定の粒度分布を持つエアロゾルに対して測定対象のエアロゾルの粒度分布が相対的に測定できれば十分であるケースや、エアロゾル粒度分布の相対的時間変動を測定すれば十分であるケースも多い。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、エアロゾル中の相対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径を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対して少なくとも波長の異なった２種類以上の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、散乱された光を受光する工程、次いで該受光した各レーザー波長ごとの光を解析し、該解析結果と、上記同一手段であらかじめ解析しておいた基準となるエアロゾルの解析結果から、基準となるエアロゾルの粒子径に対する相対粒子径を計算する工程とからなることを特徴とする。
各レーザーそれぞれの波長における散乱光強度の比が粒径の関数となる。基準となるエアロゾルの散乱光強度の比と測定したエアロゾルの散乱光の比を比較、解析すれば、測定したエアロゾルの相対粒子径が測定できる。
【０００７】
さらに本発明の好ましい態様として、前記各レーザー波長ごとの光を受光する工程において、受光量があらかじめ設定された範囲を超えた場合に、粒子径の測定を中断することを特徴とする。エアロゾルの濃度変動が大きい場合には、回折、散乱された光の強度も大きく変動する。特に濃度が極端に低下した場合には、受光量も低下し、測定精度が落ちる。
また、エアロゾルに時々、大きい凝集粒が混入する場合もある。大きい凝集粒の回折、散乱光の強度は大きく、測定精度に大きく影響する。そこで、受光量があらかじめ設定された範囲を超えた場合には、測定精度が保証できないため、粒子径の測定を一時中断する。中断後、光量が正常に戻った時点で測定を開始すれば、精度の高い測定ができる。
【０００８】
また、上記目的を達成するために本発明の粒子径測定装置は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子径を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対して少なくとも波長の異なった２種類以上の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、散乱された光を受光する手段と、該受光した各レーザー波長ごとの光を解析し、該解析結果と、上記同一手段であらかじめ解析しておいた基準となるエアロゾルの解析結果から、基準となるエアロゾルの粒子径に対する相対粒子径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径測定装置を実現した。
【０００９】
さらに、本発明の好ましい態様として、前記受光する手段が光電子倍増管であることを特徴とする。前記受光する手段を、高感度かつ高応答で検知できる光電子倍増管とする事により、レーザーの投光により回折、散乱された光を高感度かつ高応答で検知でき、高感度、高速に測定できるエアロゾルの粒子径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、前記受光する手段がカメラであることを特徴とする。前記受光する手段を、カメラとする事により、広い範囲を一度に受光できる。しただって、複数のレーザーの投光により回折、散乱された光を一度に受光でき、本構成により、単純な構造で信頼性の高いエアロゾルの粒子径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、前記カメラで受光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径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、前記画像処理手段が、前記画像において単一または複数の部分領域を抽出する処理および抽出した領域の輝度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。複数のレーザーの投光により回折、散乱された光を受光した１枚の画像から、部分領域を抽出することにより、特定波長のレーザー散乱光を容易に抽出できるため、単純な構造で高速かつ高感度に測定できるエアロゾルの粒子径測定装置を実現した。
【００１３】
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少なくとも波長の異なった２種類以上のレーザーを投光する手段、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段、次いで該受光した各レーザー波長ごとの光を解析し、該解析結果と、上記同一手段であらかじめ解析しておいた基準となるエアロゾルの解析結果から、基準となるエアロゾルの粒子径に対する相対粒子径を計算する手段とからな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径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。
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。なお本発明の粒子径測定装置の主な測定対象粒子は、粒子径が１μｍ以下の比較的粒径の小さい粒子であり、その速度は数１０ｍ／Ｓから数１００ｍ／Ｓが一般的に知られている。
【００１４】
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径測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記受光する手段が光電子倍増管であることを特徴とする。
前記受光する手段を、高感度かつ高応答で検知できる光電子倍増管とする事により、レーザーの投光により回折、散乱された光を高感度かつ高応答で検知でき、高感度、高速に粒子径を測定でき、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。  
【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径測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記受光する手段がカメラであることを特徴とする。
前記受光する手段を、カメラとする事により、広い範囲を一度に受光でき、複数のレーザーの投光により回折、散乱された光を一度に受光する事が可能となる。したがって、単純な構造で信頼性の高いエアロゾルの粒子速度測定装置を実現でき、単純な構造で信頼性の高い複合構造物作成装置の監視または制御ができる。
【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径測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記受光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。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。
【発明の効果】
【００１７】
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径、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】
【００１８】
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】
【００１９】
図１は、本発明による第一の実施例であるエアロゾル粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す図である。本実施例では波長の違う２種のレーザーを用いる。波長の長いレーザーＡ１を投光する投光部Ａ２とレーザーＡ１より波長の短いレーザーＢ３を投光する投光部Ｂ４を図のように配置する。レーザーＡ１とレーザーＢ３はビームスプリッタ５により１本のビーム６となり、被測定エアロゾル７に投光される。エアロゾル７により回折、散乱された光８は、レンズ９で集光され受光部１０へ導かれる。レーザーＡ１とレーザーＢ３を交互に投光し、この周期に合わせ、受光部１０でそれぞれのレーザーの回折・散乱光を受光する。レーザーA１はたとえば、波長が630nm程度のHe-Neレーザーまたは半導体レーザー等を用い、レーザーB３はたとえば、波長が530nm程度のアルゴンイオンレーザーまたは半導体レーザー等を用いる。レーザーの波長については、測定したい粒子径の範囲に合わせて選定する必要がある。またレーザーのビーム６形状は、円形またはスリット形状等、被測定エアロゾル７の形状に合わせて選定する。さらに受光部１０は、光電子倍増管やCCDカメラを用いる。CCDカメラで高速、高感度が必要な場合には、イメージインテンシファイアと高速シャッターを備えたCCDカメラを用いる事も出来る。受光部が光電子倍増管であれば、受光量は電圧等のアナログ信号として出力される。この出力をAD変換ボード付きパソコン等の信号処理機器に入力すれば、受光量をリアルタイムに数値化できる。また、受光部がＣＣＤカメラであれば、ＣＣＤカメラの画像信号を、ビデオ入力ボード付きパソコン等の画像処理機器に入力し、画像を画像処理し、受光量を画像の輝度として数値化できる。
【００２０】
このレーザーＡの受光光量ＡとレーザーＢの受光光量Ｂの比は参考文献２に記述されているように粒子径の関数となる。この方法を適用し、厳密な粒子径を求める事も出来るが、複雑な計算が必要となるため、以下のような計算で容易に相対粒子径を求める事もできる。あらかじめ、基準となるエアロゾルのレーザーＡの受光光量ＡとレーザーＢの受光光量Ｂの比Rrを測定し、被測定エアロゾルのレーザーＡの受光光量ＡとレーザーＢ３の受光光量Ｂの比Rtより、被測定エアロゾルの相対粒子径Dcを以下のように計算することができる。
Rr=基準エアロゾルの受光光量Ｂ/基準エアロゾルの受光光量Ａ
Rt=被測定エアロゾルの受光光量Ｂ/被測定エアロゾルの受光光量Ａ
Dc=Rt / Rr
Dcは、基準エアロゾルに対し、計測したエアロゾルの相対粒子径が小さければ１より大きくなる。２種以上の波長であればより高精度に相対粒子径を求めることができる。
さらに、以下の方法を用いれば連続して噴出するエアロゾルの時間的な粒子径変動を測定することもできる。たとえば測定開始時などある時点のエアロゾルを基準エアロゾルとし、以降のエアロゾルを連続測定し、エアロゾルの相対的粒子径の時間的変動を求める。
ここで、噴出するエアロゾルに、粒子径の非常に大きい凝集粒が含まれている場合には、光量が非常に大きくなり、正確な相対粒子径が測定できない。逆に、噴出するエアロゾルが非常に希薄な場合にも十分な光量が得られないので同様に正確な粒子径が測定できない。この場合には、測定を中断し、測定値の出力を停止するようにする。また、装置の監視や制御等に適用する場合には、光量の時間的変動を異常の検出に利用することもできる。
【００２１】
図２は、本発明による第二の実施例であるエアロゾル粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す図である。本実施例では波長の違う２種のレーザーを用いる。波長の長いレーザーＡ１を投光する投光部Ａ２とレーザーＡ１より波長の短いレーザーＢ３を投光する投光部Ｂ４を図のように配置する。同時に投光されたレーザーＡ１とレーザーＢ３はビームスプリッタ５により１本のビーム６となり、被測定エアロゾル７に投光される。エアロゾル７により回折、散乱された光８は、レンズ９で集光される。この集光された光１１はハーフミラー１２により分割され一方はレーザーＡの波長を受光するための受光部Ａ１３へ、他方はレーザーＢの波長を受光するための受光部Ｂ１４へ導かれる。受光部Ａ１３および受光部Ｂ１４の直前には、それぞれ、レーザーＡの波長のみを通過させる光学フィルタＡ１５およびレーザーＢの波長のみを通過させる光学フィルタＢ１６を設置する。この投光部および受光部により、２種のレーザー回折、散乱光を同時に受光することが可能となるため、第一の実施例で生じる、レーザーＡの受光とレーザーＢの受光に時間差が生じる問題が解決でき、高速に移動するエアロゾルについても精度の高い測定ができる。
【００２２】
図３および図４は本発明による第三の実施例であるエアロゾル粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す図である。図３が正面図、図４が側面図である。本実施例では波長の違う２種のレーザーを用いる。波長の長いレーザーＡ１を投光する投光部Ａ２とレーザーＡ１より波長の短いレーザーＢ３を投光する投光部Ｂ４を図のように配置し、同時にノズル１７から噴出する被測定エアロゾル７に投光する。受光にはＣＣＤカメラ１８を用い、レーザーＡの散乱光およびレーザーＢの散乱光が共にＣＣＤカメラ１８の視野に入るようにＣＣＤカメラ１８を配置する。被測定エアロゾル７に対するレーザー投光部Ａ１、Ｂ２およびＣＣＤカメラ１８の配置は必ずしも図に示す配置でなくともよい。設置スペースやレーザー散乱光の方向等を考慮し適宜配置する。ＣＣＤカメラ１８で撮影した画像をビデオ入力ボード付きパソコン等の画像処理機器に入力し、この画像をレーザーＡ１の散乱光の撮影領域とレーザーＢ３の散乱光の領域に分けて、それぞれ別々に画像処理により受光光量を求める。この構成により、一台のカメラで２種のレーザーの散乱光を同時に入力、処理できるため、単純な構成で高速な測定が可能となる。
【００２３】
図５に、第三の実施例においてＣＣＤカメラ１８で撮影した画像の例を示す。レーザーＡの散乱光１９とレーザーＢの散乱光２０が同一画面に写っている。それぞれの散乱光画像の領域を設定しそれぞれの領域について、画像処理処理することにより、レーザーＡおよびレーザーＢの散乱光量を画像の輝度として同時に計算できる。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輝度の抽出は、ソフトウエアの変更のみで可能であり柔軟でかつ高速な測定装置を実現できる。
【００２４】
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。
【００２５】
図６は、本発明によるエアロゾル粒子径測定装置全体の構成を示す図である。ノズル１７から噴出する被測定エアロゾル７に対して被測定エアロゾル７の噴出方向とたとえば直角にレーザーＡ１およびレーザーＢ３をレーザー投光器Ａ２およびレーザー投光器Ｂ４から投光する。エアロゾルに当ったレーザーＡおよびＢは回折、散乱し、この回折、散乱光をレンズ９で集光しＣＣＤカメラ１８で画像化する。ＣＣＤカメラ１８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１８であり、画像入力ボードおよび画像処理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２１に接続される。カメラの画像はリアルタイムに画像解析装置２１に入力、解析され、粒子径を測定する。被測定エアロゾル７の粒子径は、画像解析装置２１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２１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、レーザーＡおよびレーザーＢの出力およびカメラの感度や露光時間ををエアロゾルの状態に合わせて次の手段により最適に調整することもできる。画像解析装置とレーザーの出力を制御するためのレーザーコントローラーＡ２２およびレーザーコントローラーＢ２３とを接続し、画像解析装置２１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２１とＣＣＤカメラ１８とを接続し、画像解析装置２１からＣＣＤカメラ１８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２１に入力されるＣＣＤカメラ１８の画像が測定に最適となるようレーザー出力、ＣＣＤカメラ１８の感度および露光時間を自動調整すれば、より精度の高いエアロゾルの粒子径測定が容易にできる。
【００２６】
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上に形成させる装置である。
【００２７】
複合構造物作製装置は、エアロゾル発生部２４、ノズル１７、エアロゾル発生部２４とノズルを接続する配管２５、ステージ２６、真空チャンバ２７、装置制御部２８から構成される。エアロゾル発生部２４は配管２５により真空チャンバ２７内に設置されたノズル１７と接続されている。エアロゾル発生部２４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１７へエアロゾルを供給する。また、エアロゾル発生部２４は、信号ケーブルA２９により装置制御部２８と接続される。必要の都度、装置制御部２８は信号ケーブルA２９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２４に設定し、エアロゾル発生部２４は、設定値に従いエアロゾルを発生させノズル１７に供給する。
エアロゾルはノズル１７より高速で噴出し、ステージ２６に取付けられた基材３０に高速で衝突し、基材３０表面には材料の膜が形成される。
【００２８】
一方、ステージ２６には基材３０が取付られ、ステージ２６は必要な範囲に必要な膜厚を形成させるため、基材３０をノズル１７に対して移動させる。ステージ２６と装置制御部２８は、信号ケーブルB３１により装置制御部と接続される。必要の都度、装置制御部２８は信号ケーブルB３１を介してステージ２６の移動方向、速度あるいは位置の指令をステージ２６に設定し、ステージ２６は、設定された指令に従って基材３０をノズル１７に対して移動させる。ステージ２６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３０をノズル１７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３０を固定し、ノズル１７をステージ２６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２６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。
【００２９】
以上説明した複合構造物作製装置に、エアロゾル粒子径測定装置を次のように取付ける。波長の異なる２種類以上のレーザー投光部３３をレーザー光がノズル１７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、レンズを取付けたＣＣＤカメラ１８をエアロゾルの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３３および受光部のＣＣＤカメラ１８は、ノズル１７の設置された真空チャンバー２７の内部に必ずしも設置する必要はない。真空チャンバー２７壁面の一部をガラスにして、レーザー光の光路および散乱光の光路を確保すれば、レーザー投光部３３および受光部のＣＣＤカメラ１８を真空チャンバー２７の外に設置できる。
【００３０】
ＣＣＤカメラ１８で受光されたエアロゾルの散乱光画像は、画像解析装置２１で解析され、エアロゾル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の粒子径は、画像解析装置２１から、信号ケーブルＣ３２を介して、装置制御部２８に伝達される。伝達されるデータは、測定された粒子径だけではなく、監視や制御に有用である、大きい凝集粒の発生や非常に希薄なエアロゾルの検出したデータを含んでもよい。
画像解析装置２１で測定されたデータを利用し、装置制御部２８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３０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３０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、測定されたエアロゾル粒子径データを利用し、複合構造物作製装置における監視、制御の実施例を説明する。
【００３１】
第一の例は、画像解析装置２１から出力されるエアロゾル粒子径データを装置制御部２８で、リアルタイムに監視し、あらかじめ設定された適正な粒子径から外れた状態が一定時間以上経過したら装置制御部２８に接続された警報装置３３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。さらに大きい凝集粒の発生や非常に希薄なエアロゾルを検出し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。
【００３２】
第二の例は画像解析装置２１から出力されるエアロゾルの粒子径の時間変化を打ち消すように、装置制御部２８でエアロゾル発生部の粉体供給量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、エアロゾル粒子径を安定化し、複合構造物の品質、生産性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による第一の実施例であるエアロゾルの粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す図である。
【図２】本発明による第二の実施例であるエアロゾルの粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す図である。
【図３】本発明による第三の実施例であるエアロゾルの粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す正面図である。
【図４】本発明による第三の実施例であるエアロゾルの粒子径測定装置のレーザー投光部および受光部を示す側面図である。
【図５】本発明による第三の実施例においてＣＣＤカメラで撮影した画像の例を示す図である。
【図６】本発明によるエアロゾル粒子径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径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】
【００３４】
１…レーザーＡ
２…投光部Ａ
３…レーザーＢ
４…投光部Ｂ
５…ビームスプリッタ
６…ビーム
７…エアロゾル
８…エアロゾルにより回折、散乱された光
９…レンズ
１０…受光部
１１…集光された光
１２…ハーフミラー
１３…受光部Ａ
１４…受光部Ｂ
１５…光学フィルタＡ
１６…光学フィルタＢ
１７…ノズル
１８…ＣＣＤカメラ
１９…レーザーＡの散乱光
２０…レーザーＢの散乱光
２１…画像解析装置
２２…レーザーコントローラーＡ
２３…レーザーコントローラーＢ
２４…エアロゾル発生部
２５…配管
２６…ステージ
２７…真空チャンバ
２８…装置制御部
２９…信号ケーブルＡ
３０…基材
３１…信号ケーブルＢ
３２…信号ケーブルＣ
３３…警報装置
３４…レーザー投光部
【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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【図７】
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