(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基板に高速で噴射・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、前記セラミック微粒子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器とエアロゾルを噴射するノズルとを有し、前記エアロゾル発生器が前記セラミック微粒子の粉体を収容する容器と、前記セラミック微粒子の粉体の直上に近接させた、ガスを導入する導入部と、前記容器と前記導入部との相対位置を変動させる駆動部と、前記エアロゾルを導出する導出部を有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】
前記エアロゾル発生器の前記容器と前記導入部との相対位置の変動が、前記容器あるいは前記導入部の回転運動によることを特徴とする請求項１に記載のセラミック構造物作製装置。
【請求項３】
前記エアロゾル発生器の前記容器と前記導入部との相対位置の変動が、前記容器あるいは前記導入部の揺動運動によることを特徴とする請求項１または２に記載の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基板に高速で噴射・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、前記セラミック微粒子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器とエアロゾルを噴射するノズルとを有し、前記エアロゾル発生器が前記セラミック微粒子の粉体を収容する容器と、前記セラミック微粒子の粉体の直上に近接させた、ガスを導入する導入部と、前記粉体を攪拌する駆動部と、前記エアロゾルを導出する導出部を有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】
前記エアロゾル発生器の前記粉体の攪拌が、粉体に挿入あるいは埋没させた攪拌子の運動によることを特徴とする請求項４に記載のセラミック構造物作製装置。
【請求項６】
前記エアロゾル発生器の前記粉体の攪拌が、前記容器の振動によることを特徴とする請求項４あるいは５に記載のセラミック構造物作製装置。
【請求項７】
前記エアロゾル発生器が、前記容器と前記導出部の相対位置を変動させて、前記エアロゾル中のセラミック微粒子の分級を行なうことを特徴とする請求項１に記載のセラミック構造物作製装置。
【請求項８】
セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に高速で噴射・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、前記セラミック微粒子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器とエアロゾルを噴射するノズルとを有し、前記エアロゾル発生器が、前記セラミック微粒子の粉体を収容する容器と、前記セラミック微粒子の粉体に埋没させた、前記ガスを導入する導入部と、前記セラミック微粒子の粉体に埋没させた、前記エアロゾルを導出する導出部と、前記粉体と前記導入部と前記導出部との相対位置を変動させる駆動部を有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９】
前記セラミック構造物作製装置が、セラミック微粒子の凝集粒を解砕する解砕器を有することを特徴とする請求項１乃至３に記載のセラミック構造物作製装置。
【請求項１０】
前記セラミック構造物作製装置が、セラミック微粒子を分級する分級器を有することを特徴とする請求項１乃至４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】
【発明の属する技術分野】
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、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その先に設置した基板上に衝突させ、堆積させて製膜する方法は、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。特にセラミック微粒子を用いたガスデポジション法では、粒径が０．１〜数μｍのセラミック微粒子が用いられ、このエアロゾルを亜音速から音速に加速して、金属、セラミックス、ガラス、プラスチックなどの基板に衝突させることにより、焼結体と同程度以上の緻密質のセラミック構造体を形成させる。
【０００３】
一方、粉体のエアロゾルを発生させる技術として、特開平１−２８８５２５が開示されており、炭化ケイ素などの粉体を任意の量連続的に供給する装置として、ガスを噴出する噴出口と粉体流出口を有するノズルを粉体収容容器内に配し、ガスを流しつつ、粉体とノズルの相対位置を変位させてエアロゾルを定量的に供給する構造としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミック微粒子を用いたガスデポジション法においては、脆性材料であるセラミック微粒子を高速で各種基板へ衝突させることにより、微粒子を破砕して複数の微細断片粒子を生成させ、これらの再結合により緻密質のセラミック構造物を形成させることに特徴がある。従って、微粒子を破砕されるに十分な速度まで加速する必要がある。
【０００５】
通常セラミックなどの微粒子は、粒子間に水分、静電気、ファンデルワールス力などの力を受けて、一次粒子が凝集して比較的粒径の大きい二次粒子を形成している。従来技術では、微粒子の粉体を使用した場合でも、単純に粉体をガス流に取り込んでエアロゾルを発生させる手法であり、従って二次粒子すなわち凝集粒を多く含んだものとなる。セラミック構造物を形成させる目的のガスデポジション法では、凝集粒が多いエアロゾルを使用した場合、その質量の大きさから十分な速度まで加速されなかったり、あるいは基板への衝突の際、凝集粒の持つ運動エネルギーが一次粒子への解砕に消費されるなどし、一次粒子の破砕が起きず、従ってセラミック構造物が形成されないという問題があった。
【０００６】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたセラミック構造物の作製装置であって、ガスデポジション法を用いてセラミック構造物を形成させるに十分な、セラミック微粒子の一次粒子を多く含むエアロゾルを発生させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用、効果】
本発明にかかるセラミック構造物作製装置の一態様では、セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に高速で噴射・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、セラミック微粒子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器とエアロゾルを噴射するノズルとを有し、エアロゾル発生器がセラミック微粒子の粉体を収容する容器と、セラミック微粒子の粉体に近接させた、ガスを導入する導入部と、容器と導入部との相対位置を変動させる駆動部と、エアロゾルを導出する導出部を有し、さらに容器と導出部の相対位置を変動させて、エアロゾル中のセラミック微粒子の分級を行なう。
【０００８】
ここで使用されるガスは乾燥空気、窒素、アルゴン、ヘリウムなどであり、セラミック微粒子は酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物などであり、その一次粒子径は０．１〜５μｍが適当であるが、これ以外の種類、粒子径のものでも良い。容器に収容されたセラミック微粒子の粉体に近接した位置に配置された導入部より導入され、粉体の表面から吹き付けられ、このため粉体は舞い上がってガス中に分散しエアロゾルとなる。ガスを吹き付ける力は、ガスの流量および粉体表面と導入部までの距離、導入部の開口形状により自在に設定される。またガスが吹き付けられて粉体が舞い上がるため、粉体の表面にはその分凹状窪みが形成されるが、ガスの勢いと窪み深さの均衡が取れるとそれ以上の粉体の舞い上がりは起こらなくなる。そこで、粉体を収容した容器と導入部との相対位置を時間ごとに変動させて、粉体の新しい表面を導入部の近接位置に配置させることにより、長時間安定的に一定濃度のエアロゾルを発生させることができる。
【０００９】
相対位置の変動は、粉体を収容した容器を回転させたり、揺動させたりなどしても良いし、あるいは逆に導入部を回転させたり、揺動させても良い。これらの操作により導入部が粉体の表面に沿って相対的に移動させ、あるいは導入部が粉体を堀り進めつつ接近させ、エアロゾルを発生させる。
【００１０】
本発明にかかるセラミック構造物作製装置の一態様では、セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に高速で噴射・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、セラミック微粒子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器とエアロゾルを噴射するノズルとを有し、エアロゾル発生器がセラミック微粒子の粉体を収容する容器と、セラミック微粒子の粉体に近接させた、ガスを導入する導入部と、粉体を攪拌する駆動部と、エアロゾルを導出する導出部を有する。
【００１１】
エアロゾルの発生手段としては、粉体を攪拌して導入部の近接位置に新たな粉体表面を形成させることも有効である。これには、粉体内部にプロペラやへらを挿入して駆動させてもよいし、あるいは容器を縦や横に振動させてもよい。これらの力学的作用により、粉体が攪拌され、導入部から噴出するガスの流れの中に供給されてエアロゾルとなる。
【００１２】
粉体の舞い上がり高さは、セラミック微粒子の比重、粒子径に依存し、凝集粒が存在する場合は、凝集粒の重量、凝集粒子径の影響を受ける。エアロゾルの導出部は、容器の上方に配置するが、セラミック微粒子の種類、一次粒子径、凝集度合いに応じてこれらの距離を適宜適切に設定すれば、重量効果を利用してエアロゾルの分級を行なうことができ、セラミック構造物形成に利用される一次粒子あるいはこれに準じた径の粒子を選択することとなり、好適である。
【００１３】
本発明にかかるセラミック構造物作製装置の別の一態様では、セラミック微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に高速で噴射・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、セラミック微粒子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器とエアロゾルを噴射するノズルとを有し、エアロゾル発生器が、セラミック微粒子の粉体を収容する容器と、セラミック微粒子の粉体に埋没させた、ガスを導入する導入部と、セラミック微粒子の粉体に埋没させた、エアロゾルを導出する導出部と、容器と導入部と導出部との相対位置を変動させる駆動部を有することを特徴とし、さらにエアロゾル発生器の後段に、セラミック微粒子の凝集粒を解砕する凝集粒解砕器を有することを特徴とする。
【００１４】
粉体に埋没させるガスの導入部とエアロゾルの導出部は、一体のノズルとして形成させるのがよく、ガスの流量を一定とした場合、導入部から導入されたガスは導出部まで安定したガス流の空間を形成する。この状態でノズルを粉体に埋没させると、ガス流の空間内に取り込まれた粉体はこの流れに乗じて移動し、エアロゾルとなって導出部より導出される。粉体を収容した容器とノズルとの相対位置を変動させることにより、ガス流の空間に新たに粉体を供給させることとなり、連続してエアロゾルを発生させることができる。しかしながら、このエアロゾルはセラミック微粒子の凝集粒を多く含むため、エアロゾル発生器の後段に配置した凝集粒解砕器に導入して凝集粒を解砕し、一次粒子あるいはこれに準じた粒径の粒子を多く含むエアロゾルに変換し、これを用いてセラミック構造物を形成させる。またこれらの後段に分級器を配置して、精度良く一次粒子を分別すると尚良い。
【００１５】
【発明の実施の態様】
（実施例１）
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、エアロゾル発生器１１が窒素ガスボンベ１２と送気管１３を介して連結されており、搬送管１４を介して構造物形成室１５に連結されている。構造物形成室１５は搬送管１４とつながるノズル１６およびこれに対向して配置される基板１７を有しており、排気ポンプ１８と連結される。
【００１６】
図２は、実施例１で使用されるエアロゾル発生器１１の断面模式図である。矢印はガスおよびエアロゾルの流れを示している。エアロゾル発生器１１は、筐体１１１内に円筒型の容器１１２が配置され、この中にセラミック微粒子の粉体１１３を収容している。またガス導入管１１４が粉体１１３の表面に近接して配置され、筐体１１１の上部にエアロゾル導出管１１５が配置される。容器１１２は電磁モータ１１６に連結しており、粉体１１３の表面から串状の整地具１１７が差し込まれている。
【００１７】
以上の構成からなるセラミック構造物作製装置の作用を次に述べる。ガスボンベ１２を開き、窒素ガスを送気管１３を通じてエアロゾル発生器１１内に導入し、ガス導入管１１４から粉体１１３に吹き付けて巻き上げ、エアロゾル１１８を発生させる。ガスを吹き付けられた粉体１１３はガスの勢いと均衡を保つまで表面に窪みを形成させ、定常状態となる。ここで電磁モータ１１６を所定の速度で運転して容器１１２を回転させ、ガス導入部１１４と粉体１１３表面の相対位置を変動させてガス導入部１１４先端に新表面を配置させ、さらにエアロゾル１１８を発生させる。一方、窪みを形成した粉体１１３表面を整地具１１７により整地させ、再びフラットな表面に戻す。発生したエアロゾル１１８はエアロゾル導出部１１５より搬送管１４を介して構造物形成室１５内のノズル１６に送られ、ノズル１６先端より基板１７に向けて噴射され、基板１７上でセラミック構造物となる。余分なガスは排気ポンプ１８により系外へ排出される。
【００１８】
エアロゾル発生量は、ガス流量、ガス導入管１１４と粉体１１３表面との距離、容器１１２の回転速度を制御することにより所望量が得られ好適である。また整地具１１７によりガス導入管１１４の直下には常にフラットな粉体表面が供給されるため、エアロゾル発生量は安定する。エアロゾル導出部１１５の位置は、粉体表面から任意の距離を隔てて上方に配置されるため、エアロゾル１１８は重量効果を受けて分級されるため、所望の粒径分布のエアロゾルを構造物形成室１５に供給することができ、凝集粒は重力により下降して再び容器内へ戻される。
【００１９】
基板１７は図示しない可動ステージ上に配置して、ノズル１６との相対位置を変動させながら構造物形成を行なえば、所望形状のセラミック構造物が形成できる。
【００２０】
ここでは、整地具としては串状のものを使用しているが、ローラー状として表面に圧力を加えつつ整地しても良いし、これらを組み合わせても良い。
【００２１】
（実施例２）
図３は、実施例１などで使用されるエアロゾル発生器２１の断面模式図である。矢印はガスおよびエアロゾルの流れを示している。エアロゾル発生器２１は、筐体２１１内に円筒型の容器２１２が配置され、この中にセラミック微粒子の粉体２１３を収容している。また可撓性のガス導入管２１４が粉体２１３の表面に近接して配置され、筐体２１１の上部にエアロゾル導出管２１５が配置される。筐体２１２は振動機２１６に連結している。
【００２２】
以上の構成からなるエアロゾル発生器２１の作用を次に述べる。導入されたガスはガス導入管２１４から噴射される。このとき振動機２１６により筐体２１１は横振動を与えられ、ガス導入管２１４は振動方向に揺動する。同時に容器２１２内の粉体２１３も振動作用を受けて攪拌される。従って、ガス導入管２１４から噴射されるガスの先には常に新しい粉体が供給されるため、継続的にエアロゾル２１７が発生する。エアロゾル２１７はエアロゾル導出管２１５から構造物形成室１５へと運ばれる。
【００２３】
（実施例３）
図４は、実施例１などで使用されるエアロゾル発生器３１の断面模式図である。矢印はガスおよびエアロゾルの流れを示している。エアロゾル発生器３１は、筐体３１１内に円筒型の容器３１２が配置され、この中にセラミック微粒子の粉体３１３を収容している。またガス導入管３１４が粉体３１３の表面に近接して配置され、筐体３１１の上部にエアロゾル導出管３１５が配置される。粉体内部には先端にプロペラを有する攪拌装置３１６が挿入され、攪拌装置３１６は筐体３１１外に設置される図示しない回転駆動装置と連結される。
【００２４】
以上の構成からなるエアロゾル発生器３１の作用を次に述べる。導入されたガスはガス導入管３１４から粉体に向けて噴射される。一方攪拌装置３１６が駆動して、粉体３１３を攪拌するため、ガス導入管３１４の先端のガス流中に新たな粉体が供給される。従って継続的にエアロゾル３１７が発生し、エアロゾル導出管３１５を通って構造物形成室１５へと運ばれる。
【００２５】
（実施例４）
図５は、本発明の実施例４としてのセラミック構造物作製装置の装置図であり、窒素ガスボンベ４１は、送気管４２を介してエアロゾル発生器４３に連結され、搬送管４４を介して解砕器４５に連結され、さらに搬送管４４を介して構造物形成室４６に連結される。構造物形成室４６は搬送管４４とつながるノズル４７およびこれに対向して配置される基板４８を有しており、排気ポンプ４９と連結される。
エアロゾル発生器４３は、容器４３１内にセラミック微粒子の粉体４３２を収容しており、粉体４３２にはノズル４３３が挿入されている。ノズル４３３は、窒素ガスボンベ４１より送られるガスを導入する導入口４３４とエアロゾルを導出する導出口４３５を有している。容器４３１は電磁モータ４３６につながっている。
以上の構成からなるセラミック構造物作製装置の作用を次に述べる。窒素ガスボンベ４１を開き、窒素ガスを送気管４２を通じてノズル４３３の導入口４３４から噴出させる。ガスは導出口４３４に向けて一定のガス流空間を形成するが、この空間内にある粉体４３２はガスの流れに取り込まれてエアロゾルとなり、導出口４３５から導出し、搬送管４４を介して解砕器４５に導入される。エアロゾル発生器４３で発生するエアロゾルは凝集粒を多く含んでおり、このままではセラミック構造物を形成させるには十分でないため、解砕器４５により凝集を解砕し、一次粒子あるいはそれに準じた粒径に変換したのち、構造物形成室４６に搬送される。このエアロゾルがノズル４７より基板４８に向けて噴出し、基板４８上でセラミック構造物を形成する。余分なガスは排気ポンプ４９により系外へ排出される。
【００２６】
容器４３１を電磁モータ４３６で移動させて、ノズル４３３と粉体４３２の相対位置を変動させることにより、ガス流空間に新たな粉体を供給することができるため、安定的にエアロゾルを発生させることができる。
【００２７】
解砕器４５は、例えばエアロゾルを硬質の板に噴射し衝突させて凝集粒を解砕する衝撃板型の解砕器でも良いし、エアロゾルを分流させて２本のジェット流として、これらを再び合流させ、凝集粒同士の衝突によって解砕させるジェット型解砕器でもよい。あるいは超音波やマイクロ波などを用いても良い。解砕器の後段に分級器を設置して、一部混在している凝集粒を除去し、さらに精度良く一次粒子を選抜すると尚良い。
【００２８】
【発明の効果】
上述のように、本発明によるセラミック構造物作製装置を用いれば、ガスデポジション法を利用したセラミック構造物形成に必要なセラミック微粒子の一次粒子を多く含んだエアロゾルを安定的に発生させることができるため、緻密質のセラミック構造物を形成するに好適となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１にかかるセラミック構造物作製装置の装置図である。
【図２】  実施例１にかかるエアロゾル発生器の断面模式図である。
【図３】  実施例２にかかるエアロゾル発生器の断面模式図である。
【図４】  実施例３にかかるエアロゾル発生器の断面模式図である。
【図５】  実施例４にかかるセラミック構造物作製装置の装置図である。
【符号の説明】
１１…エアロゾル発生器
１２…窒素ガスボンベ
１３…送気管
１４…搬送管
１５…構造物形成室
１６…ノズル
１７…基板
１８…排気ポンプ
【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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