(57)【要約】【課題】エアロゾルデポジション法においてセラミックス被膜の形成に供されず飛散するセラミックス微粒子を回収し、セラミックス微粒子の歩留まりを向上させることができる微粒子回収容器およびこの容器を用いる微粒子回収方法を提供する。【解決手段】微粒子回収容器２は、真空チャンバー５内で基材４上にセラミックス被膜を形成するエアロゾルデポジション法において、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する微粒子を真空チャンバー５内で回収する微粒子回収容器２であって、微細な孔を持つフィルターで構成され、少なくとも噴射ノズル８および基材４を覆う形で配設され、回収容器２の内壁に付着した微粒子を除去する機構（振動装置）３を備えてなる。【選択図】図１
2007231317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス微粒子をガス中に分散したエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射して成膜を行なうエアロゾルデポジション法による成膜工程において、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する前記セラミックス微粒子を回収するために用いられる微粒子回収容器であって、
該微粒子回収容器は、前記セラミックス微粒子が通過しない微細な孔を持つフィルターを備えてなり、少なくとも前記エアロゾル噴射ノズルおよび基材を覆う形で前記真空チャンバー内に配設されることを特徴とする微粒子回収容器。
【請求項２】
前記微粒子回収容器は、該回収容器の内壁に付着した前記セラミックス微粒子を該内壁から除去する機構を備えることを特徴とする請求項１記載の微粒子回収容器。
【請求項３】
前記微粒子回収容器は、前記内壁から除去されたセラミックス微粒子を貯蔵する機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の微粒子回収容器。
【請求項４】
前記セラミックス微粒子は、平均粒子径が 0.01μm〜2μm であるアルミナ微粒子であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の微粒子回収容器。
【請求項５】
セラミックス微粒子をガス中に分散したエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射して成膜を行なうエアロゾルデポジション法による成膜工程において、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する前記セラミックス微粒子を真空チャンバー内に配設された微粒子回収容器により回収する超微粒子回収方法であって、
前記微粒子回収容器は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の微粒子回収容器であることを特徴とする微粒子回収方法。
【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（以下、ＡＤ法と記す）において、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する超微粒子の回収容器およびこの容器を用いる微粒子回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材のもつ本来の優れた機械的強度等の物理的、化学的性質を発現させ、耐食性等の劣る物理的、化学的性質を補う目的で緻密な保護被膜を基材表面に形成するための有効な手段として、従来、基材表面にセラミックス等の溶射被膜を形成する方法が知られている。しかしながら、溶射技術を用いて基材表面にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた基材の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で基材表面にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。
【０００３】
また、溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となるため結露などでの水分の侵入による絶縁抵抗等の物性の低下を封孔処理で対策する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献１参照）や、浸透性良好な樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない絶縁樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献２参照）等が知られている。しかし、これらの封孔処理方法を用いる場合は、非常にコスト高となるという問題がある。
【０００４】
これに対し、原料セラミックス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エアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、超微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させるＡＤ法が知られている。ＡＤ法の例としては、基板上に 50 nm〜5μm の超微粒子脆性材料を接合させて理論密度の 95 ％以上で結晶サイズで 100 nm 以下の微結晶を含む脆性材料である超微粒子成形体を得る脆性材料超微粒子成形体の低温成形法が挙げられる（特許文献３参照）。ＡＤ法では、数μm〜数十μmの緻密な被膜を密着性良好に形成できるともに、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、溶射法と比較して製造コストが大幅に安くなるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、ＡＤ法では成膜してセラミックス被膜となる超微粒子は基材上に噴射されたセラミックス微粒子のうち 1 重量％〜10 重量％であり、歩留まりが極めて低いという問題がある。また成膜装置内は、常に真空環境におかれているため、基材上に噴射されたセラミックス微粒子のうち、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する超微粒子は、真空ポンプの前に設置されたフィルター等にトラップされるが、その目詰まりが問題となる。目詰まりを起こすと、成膜に必要な真空度を維持できない可能性があるので好ましくないという問題がある。
目詰まりを起こし、成膜不能となる問題に対してフィルターの表面積を拡大する方法があるが、真空チャンバーを大きくする必要があり、設備の大型化が避けられず、この場合でも一定時間が経過すると目詰まりは避けられないという問題がある。
【特許文献１】特許第３００９５１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１８３８０６号公報
【特許文献３】特許第３２６５４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、ＡＤ法においてセラミックス被膜の形成に供されず飛散するセラミックス微粒子を回収し、セラミックス微粒子の歩留まりを向上させることができる微粒子回収容器およびこの容器を用いる微粒子回収方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の微粒子回収容器は、セラミックス微粒子をガス中に分散したエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射して成膜を行なうエアロゾルデポジション法による成膜工程において、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する上記セラミックス微粒子を回収するために用いられる微粒子回収容器であって、該微粒子回収容器は、上記セラミックス微粒子が通過しない微細な孔を持つフィルターを備えてなり、少なくとも上記エアロゾル噴射ノズルおよび基材を覆う形で上記真空チャンバー内に配設されることを特徴とする。
【０００８】
上記微粒子回収容器は、該回収容器の内壁に付着した上記セラミックス微粒子を該内壁から除去する機構を備えることを特徴とする。
また、上記微粒子回収容器は、上記内壁から除去されたセラミックス微粒子を貯蔵する機構を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記セラミックス微粒子は、平均粒子径が 0.01μm〜2μm であるアルミナ微粒子であることを特徴とする。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
【００１０】
本発明の微粒子回収方法は、セラミックス微粒子をガス中に分散したエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射して成膜を行なうエアロゾルデポジション法による成膜工程において、セラミックス被膜の形成に供されず飛散する上記セラミックス微粒子を真空チャンバー内に配設された微粒子回収容器により回収する超微粒子回収方法であって、該方法に使用される粒子回収容器が、上記本発明の微粒子回収容器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の微粒子回収容器は、セラミックス微粒子が通過しない微細な孔を持つフィルターを備えてなり、ＡＤ法による成膜工程において、少なくともエアロゾル噴射ノズルおよび基材を覆う形で真空チャンバー内に配設されるので、基材上に噴射されたセラミックス微粒子のうち、セラミックス被膜の形成に供されず飛散するセラミックス微粒子を微粒子回収容器の内壁に捕捉することができる。
また、上記回収容器の内壁に捕捉したセラミックス微粒子を、払い落とすこと等により除去する機構を備えるので、該微粒子が回収容器の内壁に付着して目詰まりすることがなく、所定の真空度を保つことができ、連続的なエアロゾルの噴射がとなる。また、上記除去された微粒子を貯蔵するための受け皿等の機構を備えるので、成膜作業終了後、微粒子回収容器を取り出して受け皿等から容易に微粒子を回収できる。
【００１２】
本発明の微粒子回収方法は、上記の微粒子回収容器を使用した微粒子の回収方法であるので、ＡＤ法による成膜工程においてセラミックス被膜の形成に供されず飛散するセラミックス微粒子を、目詰まりによる真空度の低下なく捕捉することができるとともに、作業終了時に回収することができる。回収されたセラミックス微粒子は、再度エアロゾル原料として利用することが可能であり、セラミックス微粒子の歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ＡＤ法は、原料セラミックス微粒子を不活性ガス等のガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、超微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で超微粒子同士の接合を実現できる。
エアロゾル中ではセラミックス微粒子は分散状態を維持している。溶射法から得られる被膜が多孔質であるのに対し、ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した超微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。このため、基材は、降雨や結露などで水分にさらされても、水分が浸透できる空孔を持たないセラミックス層に保護されるので基材のもつ物理的、化学的性質が低下することがない。
また、ＡＤ法によるセラミックス被膜は緻密で極めて安定であるので、一定の強度や物性を確保するために必要な被膜厚さは、溶射法に比べて薄くすることができる。
【００１４】
絶縁性能や耐食性能の向上を図るべく、ＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するためのエアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックス微粒子等が挙げられる。それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
ＡＤ法において用いることができるアルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。アルミナ微粒子の粒子径調整方法としては、アルコキシド法やコロイド法、アンモニウム明礬の熱分解法、アンモニウムアルミニウム炭酸塩熱分解法、改良バイヤー法、エチレンクロルヒドリン法の化学的手法や、ガス中蒸発法やスパッタリング（気相酸化）法、アルミニウムの水中火花放電法などの物理的手法を用いて作製された数 10 nm 以下の微細な超微粒子を加熱し、粒子径で数 100 nm 程度の２次粒子に凝集させる方法等が挙げられる。
【００１５】
本発明の微粒子回収容器を図１に基づいて説明する。図１は本発明の微粒子回収容器を装着したＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。図１では、被膜形成の基材を軸受の外輪とし、該外輪の外周面にセラミックス被膜を形成する例である。
図１に示すように、ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置１は真空チャンバー５を有する。真空チャンバー５内には、セラミックス被膜形成対象の基材４として外輪を、該外輪を回転させる（図中Ａ）対象物回転用モータ７と、軸方向に移動させる（図中Ｂ）位置決め用ＸＹテーブル６と、エアロゾルを噴射するエアロゾル噴射ノズル８と、これら全てを覆う微粒子回収容器２とが配設されている。ここで、図１に示すように基材４として外輪等を対象とする場合では、位置決め用ＸＹテーブル６および対象物回転用モータ７を併用するが、平板の表面被膜等の場合には、位置決め用ＸＹテーブル６のみでもよい。また、基材４を固定し、エアロゾル噴射ノズル８を可動させてもよい。
微粒子回収容器２は、上述のアルミナ微粒子（平均粒子径:0.01μm〜2μm）等のセラミックス微粒子が通過しない微細な孔を持つフィルターで構成され、回収容器２の内壁に付着した微粒子を除去する方法の一例として、図１においては回収容器２自体を振動させる振動装置３を備えている。
エアロゾル噴射ノズル８は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、基材４表面に噴射するものである。
真空チャンバー５の内部は真空ポンプ１０によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ１０の直前に微粒子フィルター９が設けられている。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備１２からエアロゾル発生装置１１に供給されている。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
【００１６】
本発明の微粒子回収容器は、セラミックス被膜に供されずに飛散するセラミックス微粒子を捕捉することができるよう、セラミックス微粒子が通過しない微細な孔を持つフィルターで構成されていればよい。
フィルターの材質としては、織布、不織布、樹脂多孔質体等いずれも特に制限なく使用できる。これらの中で安価な不織布を使用することが好ましい。なお、フィルターを構成する樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも特に制限なく使用できる。
本発明の微粒子回収容器は、真空チャンバー内で少なくともエアロゾル噴射ノズルおよび基材を覆う形で配設されることを必須要件とする。また、真空チャンバー内の可動部位とのシール箇所を減らすことにより、微粒子回収容器内で飛散するセラミックス微粒子を効率よく捕捉するために、基材を回転させる対象物回転用モータや位置決め用ＸＹテーブル等を含めて覆う形で配設されることが好ましい。
微粒子回収容器は、上記の要件を満たせば、ボックス等の所定形状の他、袋状等の不定形状であってもよい。
【００１７】
ＡＤ法において、セラミックス被膜の形成に供されずに飛散するセラミックス微粒子が噴射したセラミックス微粒子の量に占める割合が 90 重量％〜99 重量％にも達し、目詰まりを生じて、減圧度の維持が困難となることを考慮し、本発明の微粒子回収容器は、回収容器の内壁に付着した微粒子を除去する機構を備えることが好ましい。
回収容器の内壁に付着したセラミックス微粒子を除去する機構としては、該微粒子が付着した内壁を洗浄して微粒子を除去する機構（ブラッシング、エアーシャワー等）や、該微粒子が付着した内壁に振動を加えて内壁から微粒子を払い落とす機構等を挙げることができる。
これらの中で設備化が簡単で操作も容易であることから、内壁に振動を加えて内壁からセラミックス微粒子を払い落とす機構を採用することが好ましい。具体的には、振動モータ、打槌器等を回収容器の外壁に取り付け振動を加えてセラミックス微粒子を払い落とす方法が好ましい。
また、払い落とされたセラミックス微粒子を貯蔵しやすく、かつ、回収を容易にするため、容器本体の底部に受け皿を設置することが好ましい。受け皿の形状としては、払い落とされたセラミックス微粒子がたまりやすい底面に対してとがった円錐状の受け皿等が好ましい。
【００１８】
本発明の微粒子回収方法を図１に基づいて説明する。図１に示すように、エアロゾル発生装置１１からセラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが供給され、エアロゾル噴射ノズル８から、対象物回転用モータ７により所定回転数で回転している外輪（基材４）に、エアロゾルが噴射され、外輪（基材４）上にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル６により外輪（基材４）を軸方向に移動させることで、外輪（基材４）表面に均一に被膜が形成される。これらの作業はすべて微粒子回収容器２に覆われた空間の中で行なわれる。なお、エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備１２からエアロゾル発生装置１１に供給されている。
外輪（基材４）に噴射されたガスと、セラミックス被膜形成に供されなかったセラミックス微粒子とが真空チャンバー５を介して真空ポンプ１０によって吸引され、セラミックス被膜形成に供されなかったセラミックス微粒子はフィルターを構成材料とする微粒子回収容器２の内壁に付着する。内壁に付着したセラミックス微粒子は振動装置３により払い落とされ微粒子回収容器２の底部に落下し、内壁へのセラミックス微粒子の目詰まりは防止される。
セラミックス被膜を形成する作業終了後、微粒子回収容器２を真空チャンバー５から取り出し、容器底部に貯蔵されているセラミックス微粒子を回収する。
【実施例】
【００１９】
実施例
図１に示す微粒子回収容器２および振動装置３を装着したセラミックス被膜形成装置１を用い、エアロゾル発生装置１１に 100 グラムのアルミナ微粒子を仕込み、基材４である外輪（６２０２：ＳＵＪ２、寸法 35mm×29mm×15mm）にアルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブル６および対象物回転用モータ７を併用した駆動装置を用いて、周速 6 mm／分で回転しつつ軸方向に移動する基材４に、真空チャンバー５内において 100 Pa 以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm× 0.3 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 4μm となるまで行なった。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
被膜形成時間は 30 分であり、被膜形成作業中、真空チャンバー内は 1 kPa 以下に安定に保たれた。
また、被膜形成終了後、微粒子回収容器２および微粒子フィルタ９を取り出して観察した結果、微粒子回収容器２の底部に多量のアルミナ微粒子が堆積しており、微粒子フィルター９にはアルミナ微粒子は付着していなかった。
【００２０】
比較例
図１に示す微粒子回収容器２および振動装置３を装着しないセラミックス被膜形成装置１を用いた以外は実施例１同様に、基材４である外輪に被膜形成を行なった。
被膜形成作業中、100 Pa 以下の減圧は噴射開始後 5 分で 30 kPa 以上に上昇し、被膜形成には 120 分を要した。
被膜形成終了後、微粒子フィルター９を取り出し観察した結果、アルミナ微粒子が付着し、目詰まりを起こしていた。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の微粒子回収容器は、微細な孔を持つフィルターで構成され、少なくともエアロゾル噴射ノズルおよび基材を覆う形で配設することで、セラミックス被膜の形成に供されず飛散するセラミックス微粒子を効率的に回収できるので、各種産業に用いられるＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置等において好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の微粒子回収容器を装着したＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    セラミックス被膜形成装置
２    微粒子回収容器
３    振動装置
４    基材
５    真空チャンバー
６    位置決め用ＸＹテーブル
７    対象物回転用モータ
８    エアロゾル噴射ノズル
９    微粒子フィルター
１０  真空ポンプ
１１  エアロゾル発生装置
１２  ガス供給設備
【図１】
2007231317.tif 000003