(57)【要約】【課題】  エアロゾルデポジション法で用いる変向板は、加工精度が良いこと、強度が優れることなどの理由により一般的に金属材料が用いられる。しかし、この変向板は構造物作製時に表面に微粒子が衝突し、脆性材料からなる構造物が形成されることから、圧縮残留応力により変形し、微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を基材に到達させないようにする目的を果たせなくなってしまうという場合があった。【解決手段】  金属材料及び／または無機材料からなる基体と、少なくとも前記流束成分が当たる側にＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成した変向板を用いることで、変向板の変形を防止した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えるとともに、前記ノズルと前記基材支持手段との間には、前記ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするための変向板を備え、前記変向板は、金属材料及び／または無機材料からなる基体の少なくとも前記流束成分が当たる側にＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置
【請求項２】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えるとともに、前記ノズルと前記基材支持手段との間には、前記ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするための変向板を備え、前記変向板は、前記流束成分により変形されない基体であって、少なくとも前記流束成分が当たる側にグリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置
【請求項３】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えるとともに、前記ノズルと前記基材支持手段との間には、前記ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするための変向板を備え、前記変向板は、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂材料により構成されていることを特徴とする複合構造物形成装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルデポジション法で利用する変向板、より具体的には、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置において、ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするために用いる変向板に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材表面に脆性材料を主体とする構造物を形成させる方法として、エアロゾルデポジション法と呼ばれる手法が認知されている。これは脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子を変形あるいは破砕させてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成させることを特徴としており、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成可能なプロセスにて、焼成体同等の機械的強度を保有する構造物を得ることができる。この方法に用いられる装置は、基本的にエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、エアロゾルを基材に向けて噴射するノズルとからなり、ノズルの開口よりも大きな面積で構造物を作製する場合には、基材とノズルを相対的に移動・揺動させる位置制御手段を有し、減圧下で作製を行う場合には構造物を形成させるチャンバーと真空ポンプを有し、またエアロゾルを発生させるためのガス発生源を有することが一般的である。
【０００３】
このエアロゾルデポジション法によって形成される構造物は、微粒子が基材に衝突し、その衝突の衝撃によって微粒子同士を再結合せしめることで、基材との境界部にその一部が基材表面に食い込む脆性材料からなるアンカー部を形成し、このアンカー部の上に脆性材料からなる構造物が形成される。アンカー部が形成され構造物が形成される基材としては、例えば金属、セラミックス、ガラスなどがあげられる。
【０００４】
得られる構造物は緻密質で強固であり、アンカー部により、基材との密着性は良好であるが、構造物内に圧縮残留応力が発生し、それゆえ基材が構造物を上にして凸の形にそる変形を起こすという問題がある。これは微粒子を衝突させるというこの手法の特徴ゆえに、構造物形成時に常に構造物は圧縮性衝撃力の印加にさらされ、内部に応力が蓄積されるとともに、構造物が鍛造されて押し広げられるためと考えられる。
【０００５】
また、ノズルより噴射される微粒子の速度はノズルの内壁に近い領域すなわち微粒子束の外周領域では流束の中心領域に比べ遅く、この領域の微粒子が膜に混入した場合、堆積物中に強度に弱い構造を部分的に内包するという不具合がある。特許文献１によれば上記課題を解決すべく、ノズルの開口部より下流側に変向板をそなえることで微粒子流束のうち速度の遅い成分を基板に到達させない構成とした。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２０８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記記載のエアロゾルデポジション法で用いる変向板は、加工精度が良いこと、強度が優れることなどの理由により一般的に金属材料が用いられる。しかし、この変向板は構造物作製時に表面に微粒子が衝突し、脆性材料からなる構造物が形成されることから、圧縮残留応力により変形し、微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにする目的を果たせなくなってしまうという場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えるとともに、前記ノズルと前記基材支持手段との間には、前記ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするための変向板を備え、前記変向板は、金属材料及び／または無機材料からなる基体の少なくとも前記流束成分が当たる側にＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置を提供する。
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の他の実施形態として、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えるとともに、前記ノズルと前記基材支持手段との間には、前記ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするための変向板を備え、前記変向板は、前記流束成分により変形されない基体であって、少なくとも前記流束成分が当たる側にグリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置とした。
【００１０】
また、上記課題を解決するため本発明の他の実施形態として、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えるとともに、前記ノズルと前記基材支持手段との間には、前記ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにするための変向板を備え、前記変向板は、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂材料により構成されていることを特徴とする複合構造物形成装置とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エアロゾルデポジション法において構造物作製時に変向板が変形することを防止することができる。それにより、変向板の加工精度を維持し、ノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の複合構造物作製装置１０を示したものであり、窒素ガスボンベ１０１の先にガス搬送管１０２を介してエアロゾル発生器１０３が設置され、その下流側にエアロゾル搬送管１０４を介して解砕器１０５が配設され、エアロゾル搬送管１０６を解して構造物形成室１０７内に例えば１０ｍｍ×０．４ｍｍの噴射開口をもつノズル１０８に接続されている。エアロゾル発生器１０３内には脆性材料微粒子例えば酸化アルミニウム微粒子粉体が充填されている。ノズル１０８と基材１１０の間には変向板１１２が配置されており、基材１１０は基材支持手段であるＸＹステージ１０９に保持されている。構造物形成室１０７は真空ポンプ１１１と接続されている。
【００１３】
以下に本発明の複合構造物作製装置１０の作用を述べる。窒素ガスボンベ１０１を開栓し、ガスをエアロゾル発生器１０３内に送り込み、同時にエアロゾル発生器１０３を運転させて脆性材料微粒子と窒素ガスが適当比で混合されたエアロゾルを発生させる。また真空ポンプ１１１を稼動させ、エアロゾル発生器１０３と構造物形成室１０７の間に差圧を生じさせる。エアロゾルはこの差圧に乗って下流側の解砕器１０５内に導入され、含まれる凝集粒が解砕され、一次粒子が多く存在するエアロゾルへと変換される。このエアロゾルをエアロゾル搬送管１０６を通して加速させ、ノズル１０８より基材１１０に向けて噴射する。この際、変向板１１２によりノズルから噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部は前記基材に到達させないようにされる。基材１１０はＸＹステージ１０９により揺動され、エアロゾル衝突位置を変化させつつ、微粒子の衝突により基材１１０上に膜状の脆性材料構造物が形成されていく。
【００１４】
次に本発明に用いる変向板の実施形態を図２をもとに説明する。変向板２０は金属材料及び／または無機材料からなる基体２０２に、ノズル２０１から噴射される微粒子流束が当たる側にＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材２０３で構成されており、ノズル２０１から噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにしている。
【００１５】
次に本発明に用いる変向板の実施形態を図３をもとに説明する。変向板３０は、微粒子流束成分により変形されない基体３０２に、ノズル３０１から噴射される微粒子流束が当たる側にグリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材３０３で構成されており、ノズル３０１から噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにしている。
【００１６】
変向板に用いる金属材料とは、例えば、ステンレス、銅、アルミ、真鍮、などがあげられ、無機材料としては、例えば、ガラス、アルミナなどがあげられる。
【００１７】
また、前記微粒子流束によって変形されない基体とは、金属材料または無機材料以外の場合、ノズルより噴射される微粒子束により変形されることが無いほどの厚みを持つ基体を示し、例えばエポキシ樹脂であれば１００μｍ以上であることが好ましい。また、図４は変向板４０２がノズル４０１から噴射される微粒子流束によって変形した例を示した図であるが、変形されない基体とは、このような変形をおこすことの無い基体とする。
【００１８】
また、次に本発明に用いる変向板の実施形態を図５をもとに説明する。ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂材料によって構成された変向板５０２によってノズル５０１から噴射した微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部を前記基材に到達させないようにしている。
【００１９】
また、本発明における脆性材料微粒子とは、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＮｉＯ，ＴｉＯ２，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＺｒＯ２，ＳｎＯ２，ＭｇＯなどの酸化物、ＷＣ，ダイヤモンド、ＳｉＣ，Ｂ４Ｃなどの炭化物，ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物、ＣａＦ，ＺｒＦなどのフッ化物、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴなどがあげられる。
【００２０】
また、ＤＨｖ２が４０以上、８０以下の樹脂とは、例えば、ＰＰ、ＰＣ、ポリスチレン、ガラスエポキシなどがあげられる。
【実施例１】
【００２１】
エアロゾルデポジション法を用いて、各種樹脂基体上への構造物形成の有無を調べた。脆性材料微粒子としては酸化アルミニウムを選定した。具体的には純度９９％以上、平均粒子径０．２μｍのα−アルミナを用いた。樹脂基体には、厚みが１〜２ｍｍ程度のＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリスチレン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、エポキシ樹脂ＡＲＡＬＤＩＴＥ  ＸＤ９１１、およびステンレス鋼上に厚み数十μｍで形成したポリイミド膜、電子回路基板として良く用いられるガラス−エポキシ基板の１１種類を用いた。
【００２２】
エアロゾルデポジション法での高純度窒素ガスの流量は７Ｌ／ｍｉｎとした。構造物の形成を１７mm×５ｍｍ面積へ試みた。形成時間は１０分とし、形成環境は室温で行った。得られた構造物の形成結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１において、構造物形成状況については、構造物の形成が見られた場合（形成される）、形成が見られず目視では基体に何の変化も無かった場合（形成されない）、形成が見られず基体がエッチングされて表面から削り取られていた場合（形成されない・基体削れる）で分けられ、構造物の形成が見られた場合は、その構造物の最大形成厚さを日本真空技術株式会社触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。また基体の硬さを島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて、ビッカース圧子、試験力１０ｇｆ、負荷速度１．３５０ｇｆ／ｓｅｃ、保持時間１５秒の条件で負荷−除荷試験を行い、材料の塑性変形分を考慮しないダイナミック硬さＤＨｖ１と、材料の塑性変形分を考慮したダイナミック硬さＤＨｖ２の値のそれぞれを示した。
この結果より、基体のダイナミック硬さＤＨｖ２の値が構造物の形成の有無に大きく影響を及ぼしている様子がわかる。図６にはその状況をわかりやすく示したもので、基体のＤＨｖ２を縦軸にとって並べた場合に「形成される」、「形成されない」、「形成されない・基体が削れる」の３水準で数値的に区分けできる。この結果よりＤＨｖ２が３０以上８０以下の樹脂を用いた場合において、エアロゾルデポジション法での脆性材料の構造物形成を防止することができると言える。
【００２５】
樹脂材料だけで変向板を構成してもよいし、金属または無機材料からなる基体の少なくとも微粒子流束があたる面がDHｖ２が４０以上８０以下の樹脂で形成されても好適に利用できる。
【実施例２】
【００２６】
図１の装置を利用したエアロゾルデポジション法を用いて、液体のり（アラビックヤマト  ヤマト（株）製）、真空グリース（FS高真空グリース  ダウコーニングアジア（株）製）、真空ポンプ油（SMR−１００バキュームポンプオイル  アルヴァック（株）製）をノズルより噴射される脆性材料微粒子が衝突されうる部位に塗布した金属基材上への、構造物形成の有無を調べた。脆性材料微粒子としては酸化アルミニウムを選定した。具体的には純度９９％以上、平均粒子径０．２μｍのα−アルミナを用いた。また金属基材にはステンレス３０４を、ノズルは縦０．４mm横２０mmの開口を持つノズルを用い、搬送ガスとして高純度Heガスを流量７L／minで用いた。構造物の形成面積は１０ｍｍ×１０ｍｍとし、形成時間を５分とした。
【００２７】
図７は構造物形成を試みたあとのステンレス基材表面の状態を示す。図４中のＡの個所は液体のり、Ｂの個所は真空グリース、Ｃの個所は真空ポンプ油をそれぞれ塗布した。また、Ｄの個所には何も塗布しなかった。液体のりを塗布した個所Ａでは硬化したのり７０１が観察され、硬化したのりを取り除いた後７０２に点状の構造物が形成された。真空グリース７０３を塗布した個所Ｂでは、構造物の形成を試みたあとで、真空グリースを拭き取った後７０４では、基材上への構造物の形成はみられなかった。それに対して、真空ポンプ油を塗布した個所Ｃでは何も塗布していない個所Ｄの複合構造物７０６と同様に複合構造物７０５が形成された。この結果より、真空グリース７０３を塗布することでステンレス基材上への構造物の形成を防止できると言える。
【実施例３】
【００２８】
図１の装置を利用したエアロゾルデポジション法を用いて、脆性材料微粒子に純度９９％以上、平均粒径０．２μmの酸化アルミニウムを利用し、厚さ１００μmのステンレス箔をはさみで２０×１０ｍｍに切断した基体上に、ノズルより噴射される微粒子が衝突されうる部位に対して真空グリースを塗布し、構造物の形成を試みたあとのステンレス箔の反りを観察した。また比較として、真空グリースを塗布しないで、同様に構造物の形成を試みたあとのステンレス箔の反りも観察した。このとき用いたノズル及び搬送ガスは実施例２と同様のノズル及びガスを利用し、構造物の形成時間は１０分とした。
【００２９】
図８に構造物の形成を試みたあとのステンレス箔を観察した結果を示す。Ａは真空グリースを塗布したステンレス箔であり、Ｂは真空グリースを塗布していないステンレス箔である。真空グリースを塗布した図８のステンレス箔Ａには構造物の形成は確認されず、反りを生じなかった。一方、真空グリースの塗布を行わなかったステンレス箔Ｂは明らかに凸の形に反っていることが確認された。この結果より、脆性材料微粒子が衝突されうる部位に対して真空グリースを塗布することで、構造物の形成を防止し、金属の変形を防ぐことができると言える。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明における複合構造物作製装置を示す模式図
【図２】本発明における変向板の構成を示す模式図
【図３】本発明における変向板の構成を示す模式図
【図４】変向板が微粒子流束によって変形する例を示す模式図
【図５】本発明における変向板の構成を示す模式図
【図６】各種樹脂の硬度（ＤＨＶ１およびＤＨＶ２）と構造物形成の有無との関係を示すグラフ
【図７】エアロゾルデポジション法において金属基体に油等を塗布した際の基材への構造物形成の有無を観察した図
【図８】エアロゾルデポジション法において金属基体に真空グリースを塗布した場合と塗布しない場合の基材の反りを観察した図
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・複合構造物作製装置
１０１・・・窒素ガスボンベ
１０２・・・ガス搬送管
１０３・・・エアロゾル発生器
１０４・・・エアロゾル搬送管
１０５・・・解砕器
１０６・・・エアロゾル搬送管
１０７・・・構造物形成室
１０８・・・ノズル
１０９・・・ＸＹステージ
１１０・・・基材
１１１・・・真空ポンプ
１１２・・・変向板
２０・・・変向板
２０１・・・ノズル
２０２・・・基体
２０３・・・被覆材料
３０・・・変向板
３０１・・・ノズル
３０２・・・基体
３０３・・・被覆材料
４０１・・・ノズル
４０２・・・変向板  
５０１・・・ノズル
５０２・・・変向板
７０１・・・硬化したのり
７０２・・・硬化したのりを取り除いた後
７０３・・・真空グリース
７０４・・・真空グリースを拭き取った後
７０５・・・構造物
７０６・・・複合構造物
【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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【図８】
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