(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、安定した濃度で長時間エアロゾルを発生させることが可能であり、かつ粗大粒子を含まないエアロゾルを発生させることが可能なエアロゾル発生装置を提供することである。【解決手段】  エアロゾル発生装置が、前記脆性材料の微粒子からなる粉体を収容する粉体収容部と、前記粉体収容部内に設置され前記粉体にその一部が接するように配置される搬送手段と、前記搬送手段により搬送された粉体をガス中に分散させるエアロゾル化部と、スクレーパ部とを備え、前記搬送手段が重力方向に対して傾斜しており、前記搬送手段によって前記粉体の一部が重力に逆らう方向へ搬送され前記スクレーパ部を介し前記エアロゾル化部へ供給されることとした。【選択図】  図１
2005105377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料の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板表面に衝突させ、この衝突の衝撃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材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、
該エアロゾル発生装置が、前記脆性材料の微粒子からなる粉体を収容する粉体収容部と、
前記粉体収容部内に設置され前記粉体にその一部が接するように配置される搬送手段と、
前記粉体をガス中に分散させるエアロゾル化部と、
前記搬送手段上で前記粉体の形状を整え、該粉体を前記エアロゾル化部に導くスクレーパ部と、
を備え、前記搬送手段が重力方向に対して傾斜しており、前記搬送手段によって前記粉体の一部が重力に逆らう方向へ搬送され、該保持された粉体が前記スクレーパ部を介し前記エアロゾル化部へ供給されることを特徴とするエアロゾル発生装置。
【請求項２】
脆性材料の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板表面に衝突させ、この衝突の衝撃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材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、
該エアロゾル発生装置が、前記脆性材料の微粒子からなる粉体を収容する粉体収容部と、
前記粉体収容部に収容された前記粉体にその一部が接するように配置される粉体供給部と、
前記粉体供給部を軸周りに回転させる回転手段と、
前記粉体をガス中に分散させるエアロゾル化部と、
前記回転手段上で前記粉体の形状を整え、該粉体を前記エアロゾル化部に導くスクレーパ部と、
を備え、前記回転手段の回転軸が重力方向に対して傾斜しており、前記粉体供給部の回転によって、前記粉体の一部が重力に逆らう方向に搬送され、該保持された粉体が前記スクレーパ部を介し前記エアロゾル化部へ供給されることを特徴とするエアロゾル発生装置。
【請求項３】
前記搬送手段が循環型ベルトであることを特徴とする請求項１に記載のエアロゾル発生装置。
【請求項４】
前記スクレーパ部が略均一な厚さの粉体層にさせる第１のスクレーパと、前記粉体層の幅方向端部を整える第２のスクレーパと、前記第１のスクレーパと前記第２のスクレーパとにより形成された粉体層の粉体の一部を前記エアロゾル化部に供給する第３のスクレーパとを有してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項５】
前記エアロゾル発生装置において、前期粉体の保持が前記粉体供給部の壁面と粉体との摩擦力、あるいは粉体同士による摩擦力、ファンデルワールス力、静電気によるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項６】
前記エアロゾル発生装置において、前記エアロゾル化部が少なくともガス導入部とエアロゾル導出部で構成され、前記第３のスクレーパより供給される前記粉体に、前記ガス導入部から導入されたガスを吹付けて分散させるとともに、前記エアロゾル導出部から導出させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項７】
前記エアロゾル発生装置において、前記粉体を保持させる部分に振動を加える加振手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項８】
前記エアロゾル発生装置において、前記粉体収容部に前記粉体を追加補充する粉体補充手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項９】
前記エアロゾル発生装置において、粉体が接する部分に加熱機構を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項１０】
前記エアロゾル発生装置において、スクレイーパ部に超音波振動子を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項１１】
前記エアロゾル発生装置において、精スクレイーパ部がアクチュエータなどにより前記粉体搬送手段に対し位置決め可能とした１〜６のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
【請求項１２】
エアロゾル発生装置と、エアロゾルを基材に吹き付けるためのノズルを備える複合構造物作製装置であって、エアロゾル発生装置として請求項１〜１１のいずれかに記載のエアロゾル発生装置を備えることを特徴とする複合構造物作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置に係り、特に脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に吹き付け、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好適なエアロゾル発生装置に関する発明である。 
【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。これは脆性材料などの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、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの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】
エアロゾルデポジション法のプロセス温度は常温であり、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち数百℃以下で構造物形成が行われるところにひとつの特徴がある。
【０００４】
また、使用される微粒子はセラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能であり、また一部金属材料や有機物材料などを脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも構造物形成の主となるものは脆性材料である。
【０００５】
この手法によって形成される構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、その構造物の脆性材料部分は、その結晶子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多く、脆性材料結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないと言え、さらに構造物の一部は基材表面に食い込むアンカー層を形成することが多いという特徴がある。
【０００６】
この方法により形成される構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ、物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる圧粉体とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。
【０００７】
この構造物形成において、脆性材料微粒子が破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子および形成された脆性材料構造物の結晶子サイズをＸ線回折法で測定することにより判断できる。すなわちエアロゾルデポジション法で形成される構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さくなっていることに大きな特徴がある。微粒子が破砕や変形をすることで形成されるずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と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。この表面エネルギーが高い活性な新生面が、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あるいは基板表面と接合することにより構造物が形成されるものと考えられる。また微粒子の表面に水酸基が程よく存在する場合では、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずり応力により、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が成長するものと考えられる。
【０００８】
従来、この種の装置としてテーブルフィーダがあり、図１２に示すような回転駆動される円盤テーブルと、その外側から内側へ延び、上下方向に位置調整可能なように架台に固定され、粉体粒を前期テーブル上で均一な厚さの粉体層に形成する第１スクレーパと、前記テーブルの周縁に沿って架台に固定され、第１スクレーパにより前記テーブルの外周方向に移動する粉粒体を前記テーブル上に維持させる案内板と、前記テーブルの外側から内側に延び、水平方向に位置調整可能に架台に固定され、前記第１スクレーパにより形成された粉粒体層を掻き取って排出管に粉体を供給する第２スクレーパを備えたものが提案されている。（特許文献１参照）
【０００９】
しかしながら、上述の粉体供給装置をエアロゾルデポジション法でのエアロゾル発生装置として使用すると、第１スクレーパで粉体を均一層に形成する過程でほとんどの粉体が回転テーブルの外に排出されてしまう。このため粉体の仕様効率が悪く、実用的ではない。特に粉体が高価な場合、実用化はより困難になる。また、循環機構を付加し前記排出された粉体を再度利用することは可能であるが、装置が複雑化し粉体搬送過程での不純物混入の原因となる。さらにエアロゾルデポジション法の場合この粉体搬送は真空中で行なうため、設置される循環装置が真空系内に収納される必要があり、装置の複雑化、大型化は大きなコストアップとなる。
さらに問題となるのが凝集粉体の搬送である。エアロゾルデポジション法で使用する粉体は微粉体であるため、凝集力が強く搬送性が悪い。このため第２スクレーパまで搬送された粉体は凝集しているものが多く最終的に凝集粒が発達し粗大粒として排出管に供給されるが、筆者らの実験では前記粗大粒の大きさが３ｍｍ程度に達するものがありこれが原因となってエアロゾルデポジション法では安定して複合構造部を作製できないという問題点があった。
【００１０】
【特許文献１】特開平２−１４５９２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、安定した濃度で長時間エアロゾルを発生させることが可能であり、かつ粗大粒子を含まないエアロゾルを発生させることが可能なエアロゾル発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明のよれば、脆性材料の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板表面に衝突させ、この衝突の衝撃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材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、該エアロゾル発生装置が、前記脆性材料の微粒子からなる粉体を収容する粉体収容部と、前記粉体収容部内に設置され前記粉体にその一部が接するように配置される搬送手段と、前記粉体をガス中に分散させるエアロゾル化部と、前記搬送手段上で前記粉体の形状整え、該粉体を前記エアロゾル化部に導くスクレーパ部と、を備え、前記搬送手段が重力方向に対して傾斜しており、前記搬送手段によって前記粉体の一部が重力に逆らう方向へ搬送され、該保持された粉体が前記スクレーパ部を介し前記エアロゾル化部へ供給されることを特徴とする。
これによって、粉体収容部内の粉体のほとんどは前記スクレーパにより粉体容器内に返され再度搬送用の粉体として回収される。また、搬送手段が重力方向に対して傾斜していることから圧粉粗大粒子は重力によって下方にとどまる。一方、粉体収容部内の底板の壁面に保持され搬送された粉体はエアロゾル発生器へと供給される。この方法によればスクレーパで擦り切られた粉体は重力により粉体容器内に返され粉体容器内に回収可能である。これにより粉体の使用効率を大幅に高めることが可能となる。
さらに搬送手段を重力方向に対して傾斜させており、前記粉体の保持は、前記粉体収容部の壁面と粉体との摩擦力によるもの、あるいは前記粉体供給部の壁面と粉体との摩擦力によるものである。これとスクレーパによる粉体形状を均一に形成する作用によって、一定量の粉体を連続してエアロゾル化部へ供給できるので、一定濃度のエアロゾルを発生させることができる。また、摩擦力に影響を与える搬送手段の表面粗さを変更することによって、粉体の分級も可能になる。更に、粉体収容部に投入する粉体に圧粉粗大粒子が混入していても、壁面の摩擦力によって粉体を保持分離する際に圧粉粗大粒子が強制的に落下せしめられるので、圧粉粗大粒子がエアロゾル化部へ供給されることがない。
更に、粉体収容部の回転速度を変化させることによって、エアロゾル濃度を制御することができる。
【００１３】
また、請求項２記載の発明によれば  脆性材料の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板表面に衝突させ、この衝突の衝撃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材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、該エアロゾル発生装置が、前記脆性材料の微粒子からなる粉体を収容する粉体収容部と、前記粉体収容部に収容された前記粉体にその一部が接するように配置される粉体供給部と、前記粉体供給部を軸周りに回転させる回転手段と、前記粉体をガス中に分散させるエアロゾル化部と、前記回転手段上で前記粉体の形状を整え、該粉体を前記エアロゾル化部に導くスクレーパ部と、を備え、前記回転手段の回転軸が重力方向に対して傾斜しており、前記粉体供給部の回転によって、前記粉体の一部が重力に逆らう方向に搬送され、該保持された粉体が前記スクレーパ部を介し前記エアロゾル化部へ供給されることを特徴とする。
これによって請求項１記載の発明の効果に加えて搬送手段を回転テーブルとすることで第１スクレーパで粉体容器内返される粉体の回収が確実に行なえ、且つ粉体が堆積するデッドスペースがほとんど無い最適な構造を構成することが可能となり、且つ装置構造を簡略化することが可能となる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明のよれば、請求項１記載の搬送手段が循環型ベルトであることを特徴とし、これによって請求項１記載の発明の効果に加え、搬送されてきた粉体のどの箇所でも粉体の搬送量が略一定のため搬送手段のベルト幅を精スクレーパに比べ十分に広くすることで多数の第３のスクレーパを設置しエアロゾル発生部に粉体を供給することが可能となり一つの搬送手段から複数のエアロゾル導出口を設定可能となる。
【００１５】
また、請求項４記載の発明のよれば、前記スクレーパ部が略均一な厚さの粉体層にさせる第１のスクレーパと、前記粉体層の幅方向端部を整える第２のスクレーパと、前記第１のスクレーパと前記第２のスクレーパとにより形成された粉体層の粉体の一部を前記エアロゾル化部に供給する第３のスクレーパとを有してなることを特徴とする。
第１の粗スクレーパと搬送手段の隙間を調整し形成粉体の厚みを変えることにより、粉体の分級も可能になる。更に、粉体収容部に投入する粉体に圧粉粗大粒子が混入していても、壁面の摩擦力によって粉体を保持分離する際に圧粉粗大粒子が強制的に落下せしめられるので、圧粉粗大粒子がエアロゾル化部へ供給されることが防げる。
【００１６】
また、請求項５記載の発明のよれば、粉体の保持が、前記粉体供給部の壁面と粉体との摩擦力、あるいは粉体同士による摩擦力、ファンデルワールス力、静電気によるものであることを特徴としており、これとスクレーパによる粉体形状を均一に形成する作用によって、一定量の粉体を連続してエアロゾル化部へ供給可能となり、一定濃度のエアロゾルを発生させることができる。また、摩擦力に影響を与える搬送手段の表面粗さを変更するもしくは第１の粗スクレーパと搬送手段の隙間を調整し形成粉体の厚みを変えることにより、粉体の分級も可能になる。更に、粉体収容部に投入する粉体に圧粉粗大粒子が混入していても、壁面もしくは粉体同士の摩擦力によって粉体を保持分離する際に圧粉粗大粒子が強制的に重力により落下せしめられるので、圧粉粗大粒子がエアロゾル化部へ供給されることがない。
【００１７】
また、請求項６記載の発明のよれば、前記粉体の保持が前記粉体収容部の壁面あるいは前記粉体供給部の壁面に形成された少なくとも一つ以上の突起や窪みによるものであることを特徴とする。
これによって、壁面の摩擦力によって保持し難い粉体、例えば壁面との摩擦力が極めて弱い粉体であっても確実に供給できる。また、壁面との摩擦力が時間と共に変化する粉体であっても、安定した濃度で長時間エアロゾルを発生させることができる。
【００１８】
また、請求項６記載の発明のよれば、前記エアロゾル発生装置において、前記エアロゾル化部が少なくともガス導入部とエアロゾル導出部で構成され、前記第３のスクレーパより供給される前記粉体に、前記ガス導入部から導入されたガスを吹付けて分散させるとともに、前記エアロゾル導出部から導出させることを特徴としており、この効果と、エアロゾル化部での重力分級効果が加わるので、より確実に粗大粒子を含まない微粒子からなるエアロゾルを発生させることができる。さらに第３スクレーパの掻き取り量を搬送粉体の極表面に調整することにより、表面に存在する微粒子のみを選択導出できる。
【００１９】
また、請求項７記載の発明のよれば、  前記エアロゾル発生装置において、前記粉体を保持させる部分に振動を加える加振手段を備えたことを特徴としており、これによって、何らかの不具合で大量の粉体や凝集粒が保持されてしまった場合でも、振動によって落下が促進されるので、エアロゾル化部へ大量の粉体や凝集粒が供給されることなく安定した濃度でエアロゾルを発生させることができる。
【００２０】
また、請求項８記載の発明によれば、前記エアロゾル発生装置において、前記粉体収容部に前記粉体を追加補充する粉体補充手段を備えたことを特徴としており、これによって、長時間エアロゾルを発生するにあたり、粉体を追加補充するために装置を停止する必要がない。あるいは予め大量の粉体を収容するために粉体収容部を大型にする必要がない。また、回転する粉体収容部あるいは粉体供給部との摩擦によって性状が変化し易い粉体の場合にも、摩擦を受ける時間が短くなるので有利である。さらに粉体を大量に入れると粉体自体の重量で粉体の性状が容易に変化するの場合、影響を受けないよう少量づつの投入が可能となり、より安定して粉体を供給できるようになる。
【００２１】
また、請求項９記載の発明によれば、前記エアロゾル発生装置において、粉体が接する部分に加熱機構を備えたことを特徴としておりこれによって長時間エアロゾルを発生スルにあたり、粉体の付着、スクレーパ部の詰まりやブリッジングを防止できる。粉体は多少の水分を含んでおりこれが原因となって付着や凝集が促進される。熱で水分を常に取り除いてやることで安定した粉体の性状を維持し、つまりは安定した粉体供給が可能となる。
【００２２】
また、請求項１０記載の発明によれば、前記エアロゾル発生装置において、スクレーパ部に超音波振動子を備えたことを特徴としており、これによって凝集粒の解砕効果を持たせている。凝集粒がスクレーパと搬送機向の隙間でブリッジングを起こした場合でもスクレーパの超音波振動より粉体を微粒子に解砕しブリッジングを抑えることができる。これにより安定供給が可能となり、かつ凝集粒や粗大粒の発達抑制にもなる。
【００２３】
また、請求項１１記載の発明によれば、前記エアロゾル発生装置において、第３スクレイーパ部がアクチュエータなどにより前記粉体搬送手段に対し位置決め可能としたことを特徴としており、これによって粉体のエアロゾル化部への供給量を制御することが可能となる。つまり、前期第３のスクレーパと搬送手段の隙間を調整することにより掻き取る粉体の量が調整可能となりこの掻き取った粉体をエアロゾル化部へ供給することでエアロゾルの濃度の微調整を行うことができる、
【００２４】
また、請求項１２記載の発明のよれば、エアロゾル発生装置と、エアロゾルを基材に吹き付けるためのノズルを備える複合構造物作製装置であって、エアロゾル発生装置として請求項１〜１１記載のエアロゾル発生装置を備えることを特徴とする。
これによって、安定した濃度で長時間エアロゾルを発生させることができるので、物性ばらつきの少ない複合構造物を効率良く作製することができる。また、圧粉粗大粒子を生じることがないので、圧粉粗大粒子がエアロゾル内に混入して複合構造物に欠陥を生じることがない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、安定した濃度で長時間エアロゾルを発生させることができ、さらに粗大粒子を含まないエアロゾルを発生させることが可能なエアロゾル発生装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、発明を実施するための最良の形態を図面により詳細に説明する。
まず、本発明によるエアロゾル発生器を備えた複合構造物作製装置の一般的な構成例について図１を用いて説明する。窒素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５２を通じて構造物形成室５４内に円形の導入部と矩形の開口を持つ開口部を備えたノズル５５が設置される。図示されない制御手段によって、上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ５７に基材５６がノズル５５に対向して配置される。構造物形成室５４は排気ポンプ５８に接続されている。
【００２７】
また、ノズル５５と基材５６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。
【００２８】
次に、本発明によるエアロゾル発生器の一つの形態について、その構成を説明する。図２は本発明によるエアロゾル発生器の外観図である。真空容器７１は円盤状の真空容器天板７２および真空容器底板７３と円筒状の真空容器胴体７４で構成され、各々はＯリング７５を介して気密に締結されるとともに、真空容器天板７２と真空容器胴体７４は必要に応じて容易に着脱可能となっている。前記真空容器７１は真空容器ホルダ７６を介して支柱７７に支えられており、支柱７７はベースプレート７８に固定されている。真空容器７１はＸ軸周りに回転自在であるとともに、図示されない機構によって任意の角度で固定できるようになっている。
【００２９】
図３は、図２において真空容器７１を鉛直方向と４５°をなす角度で固定した図である。ここで真空容器ホルダ７６、支柱７７、ベースプレート７８は図示していない。
真空容器７１には粉体７９が収納されており本事例では真空容器７１は粉体収納容部８０の役割を兼ねている。
前記粉体収容部８０の内部は円盤状の粉体搬送テーブル８１と前記粉体７９を掻き取るための第１スクレーパ８４と第２スクレーパ８５および第３スクレーパ８６が粉体収容部８０に固定されて、且つ粉体搬送テーブルと所定の位置関係を持って配置され（図４）、その位置関係は前記第１スクレーパと第２スクレーパの粉体掻き取り面が搬送テーブル８１の搬送面に対して垂直もしくは７０度〜１２０度の角度をもって設置され、且つシャフト８３に対しては搬送テーブルの外周方向に放射状に置かれ、重力方向を０度、時計回り方向をプラスとすると０度〜+９０度の位置に、第２スクレーパは+９０度〜+１８０度の位置に配置され、且つ搬送テーブルの外周からややはみ出し配置され、その長さは第１スクレーパに比べ十分に短い長さである。また第１スクレーパは搬送テーブルと一定の隙間をもって配置されるが、第２スクレーパは搬送テーブルと接しはしないものの、なるべく隙間を空けない状態で設置されている。第３スクレーパは搬送回転テーブルに対し+１８０度〜２７０度の位置に配置され、第２スクレーパが粉体を掻き取る回転テーブルの半径方向位置より内側に配置され、搬送テーブルとの隙間は第１スクレーパより狭く調整されている。このとき搬送テーブルの回転方向は時計回りとなっている。
【００３０】
また、前記粉体搬送テーブル８１の中央部にはシャフト８３が締結され、シャフト８３とこれを保持するベアリングホルダ間には真空シール部材としてＯリングシールやＶシール、磁気シールなどが介在しており、シャフト８３を図示Ｙ軸周りに回転させても真空容器７１内の気密を損なうことは無い。
シャフト８３の他端はタイミングプーリとタイミングベルトなどを介してモータなどの駆動装置につながっており、これらの回転手段によって粉体収容部８０を重力方向に対して傾斜したＹ軸まわりに任意の回転速度で回転させることが可能である。加振手段となるエアシリンダ８８も図示するようにシャフト８３の後方に配設されており、図示されない制御・駆動手段によってエアシリンダ８８を駆動することによって、任意の周期および力でシャフト８３の端面を叩くことが可能である。その結果、シャフト８３の他端に保持された粉体収納部８０にＹ軸方向の振動を加えることができる。
【００３１】
図５は図３に示したエアロゾル化部８７の拡大断面図である。エアロゾル化部８７はガス導入部となるガス導入管９１とエアロゾル導出部となるエアロゾル導出管９２から構成されている。
ガス導入管９１の一端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびガスボンベ５１に連結され、他端であるガス導入口９１は粉体搬送テーブル８１近傍でエアロゾル導出管９２方向に曲げられている。エアロゾル導出管９２の一端であるエアロゾル導出口は第３スクレーパと接続され、他端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびノズル５５に連結されている。
なお、エアロゾル化部８７は真空容器天板７２に固定されているので粉体収容部８０を回転させても移動することはない。
【００３２】
図６は図３に示したエアロゾル化部８７のもうひとつの形態の拡大断面図である。エアロゾル化部８７はガス導入部となるガス導入管９１とエアロゾル導出部となるエアロゾル導出管９２から構成されている。ガス導入管９１とエアロゾル導出管は同心の二重配管となっており、ガス導入管９１の一端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびガスボンベ５１に連結されている。
エアロゾル導出管９２の一端であるエアロゾル導出口は第３スクレーパの上方に配置され、他端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびノズル５５に連結されている。エアロゾル収容部の外でガス導入管９１とエアロゾル導出管９２は分岐され、ガス導入管は途中から曲げられガスボンベに連結され、エアロゾル導出管はなるべく曲げられることなくノズル５５に連結される。
なお、エアロゾル化部８７は真空容器天板７２に固定されているので粉体収容部８０を回転させても移動することはない。
【００３３】
次に、これまで述べてきた構成からなる本発明によるエアロゾル発生器の一つの形態について、その動作を説明する。シャフト８３の回転軸（Ｙ軸）が重力方向に対して所望の角度で傾斜するように真空容器７１をセットする。真空容器７１の真空容器天板７２を開け粉体収納容器８０内に粉体７９を投入する。真空容器天板７２を閉めた後、排気ポンプ５８によって排気を開始すると、構造物形成室５４とノズル５５と搬送管５２を通じて連結されている真空容器７１の内部が減圧される。所定圧力まで減圧されたらガスを所定流量で流す。真空容器７１と構造物形成室５４の圧力が一定になった後、モータ９１を所定回転速度で回転させると共にエアシリンダ８８を駆動して粉体収納容器８０に振動を与える。これによって略一定量の粉体がエアロゾル化部８７へ送られる。
【００３４】
ここで、本実施形態による粉体の供給原理について詳しく説明する。まず、真空容器天板７２をはずし、粉体７９を投入する。粉体は重力の力で粉体収容部８０の下方に堆積する。次に搬送テーブル８１を回転させると粉体７９の搬送が始まり、粉体７９はまず第１スクレーパ８４によりほとんどは掻き取られ、少量は搬送テーブルと第１スクレーパ８４の平行な隙間を通過することで均一な厚さの粉体層８９に形成される。均されずに掻き取られた粉体７９は第１スクレーパ８４の全段の位置に重力の力で落下し、再度搬送テーブルにより第１スクレーパに搬送され、搬送テーブルと第１スクレーパ８４の平行な隙間を通過するまで循環、落下が繰り返される。
第１スクレーパ８４により均された粉体層８９は搬送テーブル壁面と粉体の摩擦力あるいは粉体同士の摩擦力などにより搬送テーブル壁面に保持され第２スクレーパ８５に到達するが、粉体層８９の外周部は形状が安定しておらず、たとえば粉体が搬送テーブルから多少はみ出している場合や、粉体層８９が薄く連続層でない場合があり、これらの粉体層８９は搬送テーブル壁面への保持力が弱く、搬送途中で落下する場合がある。粉体の落下がエアロゾル化部の上方で発生しか場合、この粉体がエアロゾル導出管内に取り込まれる場合がありこれがエアロゾル濃度を不安定にする。第２スクレーパ８５は粉体搬送テーブルの外周部に、搬送テーブルとほとんど隙間を保つことが無く設置されており、外周部近傍に保持された粉体の不安定部分を掻き取り形状を整え落下を防止する効果がある。第２スクレーパ８５を通過した粉体層８９は第３スクレーパ８６に到達し、第３スクレーパにより、設定された粉体量を粉体表層部から掻き取りエアロゾル化部に粉体を供給する。第３スクレーパにより掻き取られなかった粉体層８９は搬送テーブルに表面保持され第１スクレーパ８４へ搬送され循環される。
【００３５】
図３に示した粉体供給方法について、図７を用いて更に詳しく説明する。図７は、図４における第１スクレーパ８４を通過した後段Ｇ部のＤ−Ｄ断面である。
粉体搬送テーブル８１の壁面と接していない粉体粒子Ｅには、重力による落下力と粉体粒子間摩擦力が作用する。
搬送テーブルの傾斜角度を大きくするにつれて落下力は大きく、粉体粒子間摩擦力は小さくなるので、落下力＞粉体粒子間摩擦力となる傾斜角度で粉体粒子Ｅは落下する。
同様に、粉体容器底板８１の壁面と接する粉体粒子Ｆには、重力による落下力と粉体粒子−壁面間摩擦力が作用する。搬送テーブルの傾斜角度を大きくするにつれて落下力は大きく、粉体粒子−壁面間摩擦力は小さくなり、落下力＞粉体粒子−壁面間摩擦力となる傾斜角度で粉体粒子Ｆは落下する。そこで、粉体粒子−壁面間摩擦力＞落下力＞粉体粒子間摩擦力なる状態を作り出すことにより、粉体容器底板８１の壁面上に粉体の一部を保持した状態、すなわち図３の状態を作り出すことができる。
【００３６】
粉体粒子−壁面間摩擦力＞落下力＞粉体粒子間摩擦力なる状態を作り出すにあたり、まず、同一の傾斜角度で、粉体粒子−壁面間摩擦力＞粉体粒子間摩擦力となるようにする。同一の傾斜角度であれば、粉体粒子間摩擦力は粉体の性状によって決まるので、その粉体粒子間摩擦力より粉体粒子−壁面間摩擦力が大きくなるようにすれば良い。例えば、壁面との摩擦を生じ難い粉体の場合には、粉体搬送テーブル８１の材質に粉体との摩擦を生じやすいものを選定し、粉体と接する壁面を粗くすれば粉体粒子−壁面間摩擦力を大きくすることができる。同一の傾斜角度で粉体粒子−壁面間摩擦力＞粉体粒子間摩擦力なる状態を作り出せたら、搬送テーブル傾斜角度を調整することによって、粉体粒子−壁面間摩擦力＞落下力＞粉体粒子間摩擦力なる状態を作り出すことは容易である。従って、粉体粒子−壁面間摩擦力が粉体粒子間摩擦力よりも大きいほど、図３の状態を生み出せる傾斜角度の範囲は広くなる。
【００３７】
例えば、平均１次粒径０．４ミクロンのアルミナ粉体を用いて、粉体容器底板８１の粉体と接する面に＃４００のサンドペーパを貼り付けた場合、搬送テーブル傾斜角度が３５〜６０度の範囲で粉体を分離・保持することができ、より安定した分離・保持が可能なのは４０〜５５度の範囲であった。同じ粉体を使用し、粉体搬送テーブル８１を表面粗さＲａ０．１７ミクロンのアルミ板とした場合、傾斜角度αが３２〜４２度の範囲で粉体を供給することができ、より安定した供給が可能なのは３４〜４０度の範囲であった。更に、粉体容器底板８１を表面粗さＲａ０．０５ミクロンのステンレス板とした場合、傾斜角度αが３２〜４０度の範囲で粉体を供給することができ、より安定した供給が可能なのは３４〜３８度の範囲であった。
摩擦力の生じ難い粉体の場合は、粉体搬送テーブル８１の粉体と接する壁面をショットブラストによって粗くしても良い。摩擦力の生じ易い粉体の場合、あるいは壁面への付着性が高い粉体の場合は、粉体搬送テーブル８１の粉体と接する壁面にフッ素処理をしたり、あるいは粉体搬送テーブル８１自体をフッ素樹脂で製作しても良い。
【００３８】
本粉体供給方法においては、ほとんど圧縮力を加えることなく粉体を定量供給するので、粉体が装置に固着することがなく、安定した濃度で長時間エアロゾルを発生させることができる。また、ほとんど圧縮力を加えることなく粉体を供給するので、圧粉粗大粒子を生じることがない。更に、エアロゾル発生器に投入する粉体に圧粉粗大粒子が混入していても、圧粉粗大粒子がエアロゾル化部へ供給されない効果がある。図９は混入した圧粉粗大粒子の動きを表す模式図である。圧粉粗大粒子はその大きさのために、周囲の粒子の落下にともなって落下方向の力を受け、そのほとんどが強制的に落下せしめられる。その結果、圧粉粗大粒子が粉体搬送テーブル８１の壁面に保持されたままエアロゾル化部へ供給されることはない。また、粉体層８９内部に残った圧粉粗大粒子についても第３スクレーパが表層だけを掻き取るのでエアロゾル化部へ供給されることはない。
更に、本粉体供給方法においては、加振手段となるエアシリンダ８８によって粉体搬送テーブルに振動を加えている。何らかの不具合によって粉体７９が十分に落下せず、粉体搬送テーブルに多くの粉体が残ってしまった場合でも、この振動によって落下が促進されるので、エアロゾル化部へ大量の粉体が供給されることなく安定した濃度でエアロゾルを発生させることができる。なお、本実施例では加振手段としてエアシリンダを用いてＹ軸方向の振動を発生させているが、電磁石やエアーを用いたバイブレータや不釣合いを持った物体をモータで回転させて振動を発生させても良く、振動の方向もＹ軸方向に限られるものではない。
【００３９】
次にエアロゾル化部８７の動作について図５を用いて説明する。図５は図３に示したエアロゾル化部８７の断面図である。エアロゾル化部８７はガス導入部となるガス導入管９１とエアロゾル導出部となるエアロゾル導出管９２から構成されている。ガス導入管９１の一端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびガスボンベ５１に連結され、他端であるガス導入口９１は粉体搬送テーブル８１近傍でエアロゾル導出管９２方向に曲げられている。エアロゾル導出管９２の一端であるエアロゾル導出口は第３スクレーパと接続され、他端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびノズル５５に連結されている。
粉体が搬送テーブル８１の壁面に保持されて第３スクレーパにより掻き出されエアロゾル化部８７へ供給された粉体は、ガス導入口９１から噴出するガスによる衝撃で粉砕・解砕されエアロゾル発生部９３でエアロゾル化される。発生したエアロゾルはエアロゾル導出管９３から吸い出されて、搬送管５２およびノズル５５を経由して構造物形成室５４内で基材５６に高速で吹き付けられる。本実施例では、粉体搬送テーブル８１の回転速度を変化させることにより単位時間あたりの粉体供給量を任意に変えることができ、その結果エアロゾル濃度を任意に変えることができる。また、第３スクレーパ８６の高さを任意に設定することで粉体の掻き取り量を制御し、エアロゾル濃度を調整することができる。
なお、エアロゾル化部８７は真空容器天板７２に固定されているので粉体収容部８０を回転させても移動することはない。
【００４０】
図６は図３に示したエアロゾル化部８７のもうひとつの形態の断面図である。エアロゾル化部８７はガス導入部となるガス導入管９１とエアロゾル導出部となるエアロゾル導出管９２から構成されている。ガス導入管９１とエアロゾル導出管は同心の二重配管となっており、ガス導入管９１の一端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびガスボンベ５１に連結されている。エアロゾル導出管９２の一端であるエアロゾル導出口は第３スクレーパの上方に配置され、他端は真空容器天板７２に配設されたジョイントを介して搬送管５２およびノズル５５に連結されている。エアロゾル収容部の外でガス導入管９１とエアロゾル導出管９２は分岐され、ガス導入管は途中から曲げられガスボンベに連結され、エアロゾル導出管はなるべく曲げられることなくノズル５５に連結される。
粉体が搬送テーブル８１の壁面に保持されて第３スクレーパにより掻き出され、エアロゾル化部８７へ供給された粉体は、スクレーパを囲うように配置されたガス導入口９１から噴出するガスによる衝撃で粉砕・解砕され、エアロゾル発生部９３でエアロゾル化される。発生したエアロゾルはエアロゾル導出管９３から吸い出されて、搬送管５２およびノズル５５を経由して構造物形成室５４内で基材５６に高速で吹き付けられる。本実施例では、粉体搬送テーブル８１の回転速度を変化させることにより単位時間あたりの粉体供給量を任意に変えることができ、その結果エアロゾル濃度を任意に変えることができる。また、第３スクレーパ８６の高さを任意に設定することで粉体の掻き取り量を制御し、エアロゾル濃度を調整することができる。
なお、エアロゾル化部８７は真空容器天板７２に固定されているので粉体収容部８０を回転させても移動することはない。
【００４１】
次に、本発明によるエアロゾル発生器のもう一つの形態について、その構成を説明する。図９は本発明によるもう一つ形態のエアロゾル発生器の外観図である。真空容器７１は直方体などの形状で構成されている。真空容器内には粉体を収納する粉体収納部８１と循環ベルト型搬送手段９０を備え、搬送手段の粉体送り方向には傾斜は付けられ、前記傾斜角度α（図１０の側面図参照）は図示されない機構によって任意の角度で固定できるようになっている。また前記循環ベルト型搬送手段９０上で、前記粉体を概均一な厚さの粉体層を形成させる第１のスクレーパ８４と前記粉体層の片側端部もしくは両端部上で一定の形状に整える第２のスクレーパ８５と前記第１のスクレーパ８４と前記第２のスクレーパ８５とにより形成された粉体層をエアロゾル化部に導く管に供給する第３のスクレーパ８６と前記粉体をガス中に分散させるエアロゾル化部８７とを備えている。更に、本粉体供給方法においては、加振手段となるエアシリンダ８８によって循環ベルト型搬送手段９０に振動を加えている。何らかの不具合によって粉体７９が十分に落下せず、粉体搬送テーブルに多くの粉体が残ってしまった場合でも、この振動によって落下が促進されるので、エアロゾル化部へ大量の粉体が供給されることなく安定した濃度でエアロゾルを発生させることができる。なお、本実施例では加振手段としてエアシリンダを用いてＹ軸方向の振動を発生させているが、電磁石やエアーを用いたバイブレータや不釣合いを持った物体をモータで回転させて振動を発生させても良く、振動の方向もＹ軸方向に限られるものではない。さらに加振手段８８は複数個設置する場合もある。
本形態においては搬送されてきた粉体のどの箇所でも粉体の搬送量が略一定のため搬送手段のベルト幅を精スクレーパに比べ十分に広くすることで多数の第３のスクレーパを設置しエアロゾル発生部に粉体を供給することが可能となり一つの搬送手段から複数のエアロゾル導出口を設定可能となる。たとえば、図中には両端部に第３スクレーパを設定しているが、真空容器７１の上部に第３スクレーパを複数個固定し粉体搬送方向に対して水平方向直角に並べ、エアロゾルを発生させることも可能である。
【００４２】
図１１は、粉体補充手段を備えた場合の実施例である。エアロゾルを発生するにつれて
粉体７９が少なくなるので、粉体容器８０内に粉体を追加補充する粉体補充手段を備えた。これによって、予め大量の粉体を投入するために粉体収容部となる粉体容器８０を大型にする必要がないので、エアロゾル発生器を小型にすることができ、回転手段に必要とされる動力も小さくできる。また、減圧・加圧環境下でエアロゾル発生器を使用する場合には、粉体を追加補充するために装置を停止する必要がなく特に有効である。更に、回転する粉体容器８０との摩擦によって性状が変化し易い粉体の場合も、粉体補充手段によって少しずつ追加した方が摩擦の影響が少なくなり有利である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のエアロゾル発生器または該エアロゾル発生器を備えた装置により、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材上に脆性材料などの微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成し、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成させることができ、焼成体同等の機械的強度を保有する構造物を得られることから、各種の保護膜や機能膜を有した構造物の作製に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来使用されている複合構造物作製装置の一般的な構成を示した図である。
【図２】本発明によるエアロゾル発生器の一例の外観図である。
【図３】本発明によるエアロゾル発生器の一例（回転式）の外観モデル図である。
【図４】本発明によるエアロゾル発生器の一例（回転式）の外観モデル図である。
【図５】エアロゾル化部の実施例の一つである。
【図６】エアロゾル化部の実施例の一つである。
【図７】図４でのＧ部のＤＤ断面である。
【図８】混入した圧粉粗大粒子の動きを表す模式図である。
【図９】本発明によるエアロゾル発生器の一例（ベルト）の外観モデル図である。
【図１０】本発明によるエアロゾル発生器の一例（ベルト）の側面モデル図である
【図１１】粉体供給部の回転によって粉体を供給する場合の実施例である。
【図１２】従来特許の構成例を示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
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…基材
５７…基材ホルダ
５８…排気ポンプ
６１…センサ装置
６２…フィードバック制御回路
６３…配線
７１…真空容器
７２…真空容器天板
７３…真空容器底板
７４…真空容器胴体
７９…粉体
８０…粉体収容部
８１…搬送テーブル
８２…粉体容器
８３…シャフト
８４…第１スクレーパ
８５…第２スクレーパ
８６…第３スクレーパ
８７…エアロゾル化部
８８…加振手段
８９…粉体層
９０…循環ベルト型搬送手段
９１…ガス導入管
９２…エアロゾル導出管
９３…エアロゾル発生部
【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】
2005105377.tif 000009
【図８】
2005105377.tif 000010
【図９】
2005105377.tif 000011
【図１０】
2005105377.tif 000012
【図１１】
2005105377.tif 000013
【図１２】
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