(57)【要約】【課題】キャピラリ群両端間に温度勾配を効率的に形成し、高性能かつ小型の熱遷移駆動型真空ポンプ（クヌーセン・ポンプ）を実現する。【解決手段】多孔質シリコン支持体１とキャピラリ群２は組み立て時に一体化される。多孔質シリコン支持体１とキャピラリ群２は、アルミニウム製ベース１０とパイレックスガラス製キャップ９の間に挟まれ、コネクタとなる密閉空間１３が形成される。外部の赤外光源から照射された赤外光７は、パイレックスガラス製キャップを透過し、キャピラリ群２の表面に形成されたボロン拡散層３に吸収され、熱に変換され、キャピラリ群２の光照射面と裏側の間に温度勾配が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クヌーセン数ＫｎがＫｎ＞＝１である細管の集合体であるキャピラリ群と、該キャピラリ群の両端に接続され、クヌーセン数ＫｎがＫｎ＜＜１であるコネクタと、前記キャピラリ群両端に温度勾配を生じさせるための発熱体と、前記キャピラリ群および発熱体を支える多孔質シリコン支持体と、前記キャピラリ、前記コネクタ、前記多孔質シリコン支持体とにより、外界から隔離された気密空間と、隣接する二つのコネクタのどちらか一方に設けられた吸気口と排気口とで構成され、熱遷移作用によって駆動することを特徴とする熱遷移駆動型真空ポンプ。
Ｋｎ＝λ／Ｌ
Ｋｎ：クヌーセン数（無次元）
λ：気体の平均自由行程（長さの単位）
Ｌ：キャピラリあるいはコネクタの断面形状の大きさ（長さの単位）
【請求項２】
前記多孔質シリコン支持体は、基板表面および細孔内表面がシリコン酸化膜で被われていることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項３】
前記多孔質シリコン支持体には、キャピラリ群が埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項４】
前記キャピラリ群は、多孔質シリコン膜であることを特徴とする請求項１または３記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項５】
前記多孔質シリコン膜で成るキャピラリ群は、膜表面および細孔内表面がシリコン酸化膜で被われていることを特徴とする請求項４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項６】
前記キャピラリ群が多孔質シリコン膜である熱遷移駆動型真空ポンプは、７６０Ｔｏｒｒ（大気圧）から１０Ｔｏｒｒの範囲で動作することを特徴とする請求項４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項７】
前記キャピラリ群は、アエロゲル膜であることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項８】
前記発熱体は、電流を熱に変換する高抵抗金属であることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項９】
前記発熱体は、赤外光を熱に変換する赤外線吸収体であることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１０】
前記赤外線吸収体は、キャピラリ群の全体、一端、あるいは両端に埋め込まれた赤外線吸収層であることを特徴とする請求項９記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１１】
前記赤外線吸収層は、不純物が高濃度に拡散した不純物拡散層であることを特徴とする請求項１０記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１２】
前記コネクタには、キャピラリ群へ赤外光を照射するために赤外光を透過する光照射用窓が設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１３】
前記光照射用窓は、多孔質シリコン支持体の両側に設けられていることを特徴とする請求項１２記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１４】
前記光照射用窓には、赤外光を集光するレンズが設けられていることを特徴とする請求項１２または１３記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１５】
前記コネクタには、赤外光を遮断するための遮光層が備えられていることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１６】
赤外光を照射するための赤外光源が備えられていることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１７】
前記赤外光源は、光強度あるいは光照射領域を変えることが可能であることを特徴とする請求項１６記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１８】
前記キャピラリとコネクタが前記吸気口と排気口を介して多段に接続され、コネクタの占める気密空間の大きさとキャピラリ群の細孔径が、次第に大きくあるいは小さくなることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
【請求項１９】
感光体ドラムと、帯電装置と、書込装置と、現像装置と、転写装置と、除電装置と、定着装置と、前記帯電部近傍に配置された気体分離膜と、該気体分離膜の両側に適当な圧力差を維持するために設けられた熱遷移作用によって駆動する請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の熱遷移駆動型真空ポンプとを備えたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２０】
前記気体分離膜は、酸素ガスの透過性の大きな酸素富化膜、水蒸気の透過性の大きな脱湿膜、あるいは酸素富化膜と脱湿膜の両機能を備えた膜であることを特徴とする請求項１９記載の画像形成装置。
【請求項２１】
前記帯電部と帯電部に接する感光体ドラム領域は、ケースで覆われていることを特徴とする請求項１９記載の画像形成装置。
【請求項２２】
前記ケースは、外気導入口を備えることを特徴とする請求項２１記載の画像形成装置。
【請求項２３】
前記気体分離膜は、ケースの壁の一部を形成することを特徴とする請求項２０記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板中に作製されたマイクロ真空ポンプに関わり、より詳しくは、熱遷移作用の原理に基づいて動作する熱遷移型真空ポンプの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱遷移駆動型真空ポンプ、いわゆるクヌーセン・ポンプの動作原理は、以下の現象に基づく。異なる温度に保たれた二つのコネクタ（接続室）を、気体分子の平均自由行程より小さな径のキャピラリ（細管）で接続すると、高温側コネクタ内部の気体の圧力が高くなる。一方、低温側コネクタ内部の気圧は低くなる。この現象は、１９１０年、クヌーセンによって発見された。そして、クヌーセン・コンプレッサ（Ｋｎｕｄｓｅｎ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、あるいはクヌーセン・ポンプ（Ｋｎｕｄｓｅｎ  ｐｕｍｐ）として、気体の圧縮や減圧を行うアクチュエータとしての応用が提案されている。
【０００３】
隣り合う二つのコネクタが等温度にある場合と、異なる温度にある場合とを、各々図２１と図２２に示す。図２１において、細管の集合体であるキャピラリ群のクヌーセン数ＫｎはＫｎ＞＝１であり、該キャピラリ群の両端に接続されたコネクタのクヌーセン数ＫｎはＫｎ＜＜１である。
ここで、Ｋｎ＝λ／Ｌ
Ｋｎは、クヌーセン数（無次元）
λは、気体の平均自由行程（長さの単位）
Ｌは、キャピラリあるいはコネクタの断面形状の大きさ（長さの単位）である。
【０００４】
圧力と温度の関係は以下のように表される。
ｐＬ／ｐＨ＝（ＴＬ／ＴＨ）１／２
ここで、ＴＨは、高温側コネクタ内部の気体の温度
ＴＬは、低温側コネクタ内部の気体の温度
ｐＨは、高温側コネクタ内部の気体の圧力
ｐＬは、低温側コネクタ内部の気体の圧力
である。
一つのコネクタと一つのキャピラリによる最少単位を、カスケードに接続した場合を、図２３に示す。段数をｓとすると、圧力と温度の関係は以下のように表される。
Ｐｖａｃ／Ｐｏｕｔｌｅｔ＝（ＴＬ／ＴＨ）ｓ／２
ここで、Ｐｏｕｔｌｅｔは出口側圧力、Ｐｖａｃは到達圧力である。
【０００５】
図２４は、クヌーセン・ポンプを理論的に解析するためのモデルを示す。キャピラリ内部およびコネクタ内部に生ずる希薄気体の流れを、性質の異なる二種類の流れに分けることが大きな特徴である。一つは、圧力勾配によって誘起されるポアズイユ流（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ  ｆｌｏｗ）、他は、壁面の温度勾配によって誘起される熱遷移流（ｔｈｅｒｍａｌ  ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ  ｆｌｏｗ）である。後者は、熱ほふく流（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｒｅｅｐ  ｆｌｏｗ）とも呼ばれており、古典流体力学では予測できない希薄気体特有の流れである。
【０００６】
図２５は、熱遷移流あるいは熱ほふく流の生ずる原因を、簡単に図示した。低温側から高温側へ向かう流れが誘起されるのは、以下の理由による。高温側から管壁に到着する分子の平均速さは、低温側から管壁に到着する分子の平均速さに較べて大きい。また、管壁から離れていく分子の速度分布は、拡散反射の場合は等方的である。その結果、気体から管壁には、高温側から低温側に向かう運動量が与えられる。一方、その反作用として、気体には低温側から高温側に向かう逆方向の運動量が与えられる。
【０００７】
実際のクヌーセン・ポンプにおいては、キャピラリ内部とコネクタ内部の両方に、熱遷移流とポアズイユ流、二つの流れを仮定することにより、精度の高い解析が行われている（非特許文献１を参照）。基礎となっているのは、曽根らの変形クヌーセン数展開法である（非特許文献２を参照）。
【０００８】
ここでは、数値解析の詳細については触れない。しかし、現象を定性的に理解することは、後に述べる本発明の目的を理解する上で役に立つと思われる。一助として、遷移流の生ずる様子を時間の経過に従って観察した結果を、簡単に紹介する。
【０００９】
（１）熱遷移流（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ  ｆｌｏｗ，Ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｒｅｅｐ  ｆｌｏｗ）
細管の軸方向に沿って管壁に温度勾配が生じ、管壁近傍の気体分子は、低温コネクタから高温コネクタに向かって、キャピラリの管壁に沿いながら、移動を始める。この流れは熱遷移流（ｔｈｅｒｍａｌ  ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ  ｆｌｏｗ）、あるいは熱ほふく流（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｒｅｅｐ  ｆｌｏｗ）と呼ばれる。
（２）ポアズイユ流（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ  ｆｌｏｗ）
熱遷移流は、やがて両コネクタ間に圧力差を生じさせる。その結果、今度は差圧によって、高温コネクタから低温コネクタに向かって、ポアズイユ流（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ  ｆｌｏｗ）という、熱遷移流と対向するように、気体分子の移動が誘起される。
（３）定常状態（Ｓｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ）
やがて、熱遷移流とポアズイユ流の両者は、逆向きで釣合う状態で落ち着く。すなわち、両コネクタは、キャピラリを通した見かけ上の物質移動はないものの、ある圧力差を保った状態になる。以上が、熱遷移駆動型真空ポンプ、いわゆるクヌーセン・ポンプの動作原理の説明である。
【００１０】
従来のクヌーセン・ポンプにおいて、キャピラリ両端間に温度勾配を生じさせるために、以下の方法が採られてきた（図２６参照）。
・コネクタ内部の気密空間に、抵抗加熱用のヒータを置く
・コネクタ内部の気密空間に、温度差形成用のペルチェ素子を置く
・キャピラリの一端に光を照射する
特許文献１（図２７）、非特許文献３（図２８）、そして非特許文献４（図３０）では、キャピラリの両端に温度勾配を形成するために、発熱体である抵抗加熱式のヒータを、コネクタ内部に作り込んであり、微細化や高集積化に適した構造である。しかし、気密性を維持しつつ、外界から電流を供給するためには、貫通電極が必要となるので、デバイスの作製は複雑かつ煩雑である。また、ヒータで発生した熱が、構造体を通して伝導するのを極力抑えるために、特許文献１や非特許文献３では、発熱部を空中に浮かせるエアブリッジ構造を採用している。また、非特許文献４では、サーマル・ガードの上にヒータ線を配線している。
【００１１】
非特許文献５（図２９）では、キャピラリ群が、温度勾配形成のための発熱体としての機能を兼ね備えている。すなわち、光照射用窓を通してキャピラリ群の一端に赤外光を照射すると、その部分が昇温する。光照射用窓を設けるだけなので、特許文献１や非特許文献３とは異なり、貫通電極は不要であるが、光を導くための機構が新たに必要となる。
【００１２】
【非特許文献１】E.P.Muntz,Y.Sone,K.Aoki,S.Vargo  and  M.Young,“Performance  analysis  and  optimization  considerations  for  a  Knudsen  compressor  in  transitional  flow”,J.Vac.Sci.Technol.A20(1),pp.214-224,2002.
【非特許文献２】曽根良夫、板倉英二，“任意Ｋｎｕｄｓｅｎ数の平面および円管Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流と熱遷移流の変形Ｋｎｕｄｓｅｎ数展開による解析とデータベース”，真空，３３（３），ｐｐ．９２−９７，１９９０．
【非特許文献３】Transducers'03,pp.1919-1922,2003.
【非特許文献４】http://www.nasatech.com/Briefs/Feb03/NPO21110.html
【非特許文献５】4thHarsh-Environment  Mass  Spectrometry  Workshop  St.Petersburg  Beach,FL,Oct.7-10,2003
【特許文献１】米国特許第５８７１３３６号
【特許文献２】特開平１１−３０５５２２号公報
【特許文献３】特開２００４−２７９８５１号公報
【特許文献４】特開平３−６５２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、従来、キャピラリ群両端の間に温度勾配を生じさせるため、コネクタ内部の気密空間に、抵抗加熱用のヒータや温度差形成用のペルチェ素子を置く、あるいは、光加熱用の赤外光を光照射用窓を通して、キャピラリ群の一端に照射する、といった方法が採られてきた。
【００１４】
しかしながら、キャピラリ群両端間に、温度勾配を効率的に形成することが難しかった。なぜなら、発熱体から発生した熱が、構成材料を通して拡散してしまうからである。主たる経路は、キャピラリ群や発熱体を支える支持体である。また、光加熱の場合、赤外線吸収体は、従来、ハードマスクを用いた多元蒸着法や、塗布法によって形成されていた。しかし、こうして成膜された薄膜は、取扱いが難しく、また信頼性が低いため、ポンプを小型化する際の大きな障害となっていた。
【００１５】
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、キャピラリ群両端間に温度勾配を効率的に形成し、高性能かつ小型の熱遷移駆動型真空ポンプ、いわゆるクヌーセン・ポンプを実現し、該クヌーセン・ポンプを用いた画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では、キャピラリ群および発熱体を支える支持体に、熱伝導率が空気とほぼ同じ値を持つ多孔質シリコン膜を使う。多孔質シリコン支持体にアエロゲルを埋め込んだキャピラリ群、あるいは多孔質シリコン支持体と多孔質シリコンで形成したキャピラリ群により、多孔質シリコン支持体とキャピラリ群を一体化する。また、キャピラリ群の全体、一端、あるいは両端に、赤外線吸収層として機能する不純物拡散層を埋め込む。一方、光照射用窓には、レンズや遮光層を設ける。
【発明の効果】
【００１７】
断熱性能の非常に高い多孔質シリコン膜を、キャピラリ群および発熱体の支持体として使うことにより、発熱体から発生した熱が、構成材料を通して拡散することを、極めて効果的に抑えることができる。
【００１８】
多孔質シリコン支持体にアエロゲルを埋め込んだキャピラリ群、あるいは多孔質シリコン支持体と多孔質シリコンで形成したキャピラリ群により、多孔質シリコン支持体とキャピラリ群を一体化することにより、上記断熱性能を更に向上させることができる。また、ポンプの小型化にも寄与する。
【００１９】
キャピラリ群の全体、一端、あるいは両端に、赤外線吸収層として機能する不純物拡散層を埋め込むことにより、安定で取扱いが容易な赤外線吸収体を形成することができる。
【００２０】
光照射用窓には、レンズや遮光層を設けることにより、赤外光を赤外線吸収体に効率的に集光できると同時に、赤外光が不要な部分の温度上昇を防ぐことができる。その結果、キャピラリ群両端間に、大きな熱勾配を形成することができる。
【００２１】
陽極酸化法で形成する多孔質シリコン膜の孔径は、数ミクロンからサブミクロンである。細孔径や細孔の形状は、酸化浴液／電流値／単結晶シリコンの導電型や不純物濃度／光照射強度／等により制御することができる。従って、真空ポンプの到達真空度や排気速度といった仕様に応じて、排気段毎にキャピラリ群を最適化するよう設計することができる。
【００２２】
また、陽極酸化後に得られたキャピラリ群の細孔径は、シリコンの熱酸化等により、細孔の内面にシリコン酸化膜を形成させ、更に縮小させることもできる。同時に、細孔内面は、物理的・化学的により安定な状態となる。
【００２３】
シリコンの陽極酸化法によって出来る細孔径は、数十ナノメートルから数ミクロンメートルの範囲である。一方、空気の平均自由行程は、７６０Ｔｏｒｒ（大気圧）で約６０ｎｍ、１０Ｔｏｒｒで約５μｍである。従って、キャピラリ群に多孔質シリコン膜を使うと、大気圧から１／１００気圧といった低真空領域で動作する真空ポンプを、シリコンウエハ上に実現することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。
【００２５】
実施例１：
実施例１は、多孔質シリコン支持体とキャピラリ群（多孔質シリコン）を実装で一体化（１段）した実施例である。図１は実施例１の断面図、図２は平面図である。図１、２において、１は多孔質シリコン支持体、２はキャピラリ（群）あるいは細管（群）、３は高濃度ボロン拡散層、４は吸気口、５は排気口、６はＯリング、７は赤外光照射、８は光照射用窓、９はパイレックスガラス、１０はアルミニウム製ベース、１１は低圧側、１２は高圧側、１３は気密空間である。
【００２６】
実施例１では、最少構成である一段のクヌーセン・ポンプについて、具体的に説明する。真空ポンプを構成する多孔質シリコン支持体１とキャピラリ群２（または細管群）は、各々別のプロセスで作製され、組み立て時に一体化される。キャピラリ群より一回り小さく作られた開口部を多孔質シリコン支持体１に設け、その上にキャピラリ群２となる多孔質膜を載せる。この時、ボロンが高濃度に拡散された赤外線吸収層の面が、開口部に接しないようにする。そして、キャピラリ群２の周囲は、真空用の接着剤を用いてシールされ、多孔質シリコン支持体１に固定される。
【００２７】
一体化された多孔質シリコン支持体１とキャピラリ群２は、アルミニウム製ベース１０とパイレックスガラス製キャップ９の間に挟まれ、コネクタとなる密閉空間１３が出来上がる。パイレックスガラス製キャップ９／多孔質シリコン支持体１／アルミニウム製ベース１０は、Ｏリング６によりシールされる。多孔質シリコン支持体１は、細孔が貫通した状態であってもかまわないよう、アルミニウム製ベース１０は、多孔質シリコン支持体の裏側全てを被うようにしている。
【００２８】
外部の赤外光源から照射された赤外光７は、パイレックスガラス製キャップ９を透過し、キャピラリ群２の表面に形成されたボロン拡散層３に吸収され、熱に変換される。その結果、キャピラリ群２の光照射面と裏側の間に温度勾配が形成される。
【００２９】
キャピラリ群２の細孔中に生じた熱遷移流は、キャピラリ群２で仕切られた密閉空間１３、すなわち二つのコネクタの間に、圧力差を発生させ、図中に示したような気体分子の移動が生ずる。ここで示した最少単位のクヌーセン・ポンプをカスケードに接続し、多段の構成にすれば、より到達真空度の高いポンプを作ることができる。また、より大きな排気速度が必要な場合は、キャピラリ群となる多孔質膜の面積を大きくすればよい。なお、図示していないが、光照射用窓には、赤外光を集光するマイクロレンズが設けられている（以下の実施例も同様）。
【００３０】
図３は、単結晶シリコン表面に多孔質シリコン膜を作製する方法を示す。ここで例にあげるシリコンウエハは、不純物としてリンを含み、面方位（１００）のＮ型単結晶シリコンである。溶液は、数パーセント重量のフッ酸を含む水溶液である。陽極側には単結晶シリコンを、陰極側には白金板を、各々接続する。Ｎ型シリコンの場合、多数キャリアである電子が陽極側に引き寄せられ、フッ酸水溶液に接するシリコン表面には、空乏層が生じる。つまり、シリコン基板は逆バイアスされた状態になるので、このままでは電気化学反応が進まない。そこで、単結晶シリコンウエハの裏側に、ハロゲン・ランプから出る光を照射する。生じた正孔が、陽極酸化反応を担うことになる。
【００３１】
シリコンウエハ裏面には、アルミニウム電極が、フォトリソグラフィによってパターンニングされている。裏面にハロゲン・ランプ光が照射された領域に対応する表面にだけ、陽極酸化により細孔が形成される。また、裏面アルミニウム電極とシリコンウエハがオーミック接続されるよう、ウエハ裏面にはリンイオンをイオン注入してある。
【００３２】
シリコン表面に細孔がランダムに生じないように、細孔の出来る位置を、あらかじめ決めることができる。ここでは、シリコンウエハ表面に、１０００℃の温度で熱酸化膜を約１００ｎｍ形成後、その上に、ＳｉＨ４／ＮＨ３混合ガスを８５０℃の減圧雰囲気に導入し（減圧ＣＶＤ法）、膜厚が１００〜２００ｎｍのシリコン窒化膜を成膜し、細孔形成開始点を指定するマスクとして使う。
【００３３】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で、シリコン窒化膜に開口部を形成し、引き続き、開口部に現れたシリコン酸化膜を、緩衝フッ酸水溶液中でウエットエッチングにより除去し、開口部底面にシリコン表面を露出させる。その後、８０℃の２５％ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液中で、シリコンを異方性エッチングし、ピラミッド型の細孔形成開始点が出来上がる。
【００３４】
細孔形成開始点に使うマスク開口部の直径や、開口部相互の間隔や位置関係等は、陽極酸化で形成される細孔径を考慮して決められる。また、シリコン窒化膜は、陽極酸化工程中、フッ酸水溶液によって少しずつエッチングされ薄くなるので、陽極酸化時間が長くなるほど、あるいは、溶液中のフッ酸濃度が高くなるにしたがって、必要とされるシリコン窒化膜の厚さは大きくなる。
【００３５】
図４は、実施例１における多孔質シリコン・キャピラリ群の作製フローを示す。陽極酸化による多孔質シリコン膜を、キャピラリ群に使う例である。陽極酸化後、裏面を全面に渡りエッチングし、細孔を貫通させる。そして、片面にボロンイオンを注入・熱拡散し、赤外線吸収層となるボロンの高濃度拡散層を形成する。赤外光を効率的に熱に変換するためには、ボロン濃度は、約１ｘ１０２０ｃｍ−３以上が望ましい。
【００３６】
イオン注入後の活性化プロセス（熱拡散）を酸素雰囲気中で行うと、細孔内にはシリコン酸化膜が新たに形成される。ポンプの動作する真空度に合わせて、細孔径を熱酸化膜によって細らせることもできる。
【００３７】
図５は、実施例１における多孔質シリコン支持体の作製フローを示す。不純物の導入を行わない点を除けば、上に述べたキャピラリ群の作製の場合と同様なプロセスである。最後に行う熱酸化は、省略することもできる。細孔内部表面を熱酸化膜で被うことにより、物理的・化学的により安定となることが期待される。また、細孔内部全てを酸化膜で埋め、封孔することもできる。
【００３８】
実施例２：
実施例２は、多孔質シリコン支持体とキャピラリ群（多孔質シリコン）を実装で一体化（２段）した実施例である。
【００３９】
図６は、実施例２の断面図である。実施例２は、実施例１で示した最少構成のクヌーセン・ポンプを、二つ接続したものに相当する。キャピラリ群２となる二枚の多孔質膜が、多孔質シリコン支持体１に設けられた隣接する二つの開口部に、赤外線吸収層３が互いに反対方向を向くように固定されている。
【００４０】
多孔質シリコン支持体１の両面から赤外光７を照射することにより、実施例１と同じ容積に、二段の構造を収めることができる。両面に光照射用窓８が必要なので、アルミニウム製ベースの代わりに、透明なパイレックスガラス９を用いる。赤外光が不要な部分の温度上昇を防ぐために、上下のパイレックスガラスには、クロム薄膜を遮光膜１４としてマスク蒸着した。
【００４１】
実施例３：
実施例３は、キャピラリ群（多孔質シリコン）が埋め込まれた多孔質シリコン支持体（２段）の実施例である。図７は、実施例３の断面図である。実施例３は、多孔質シリコン支持体にキャピラリ群が埋め込まれた具体例である。多孔質シリコン支持体とキャピラリ群は、同一シリコン基板上に形成されるので、多数のユニットがカスケードに連結された場合においても、ポンプの占める容積の増加を抑えることができる。
【００４２】
図８は、実施例３の作製フローを示す。実施例１では、キャピラリ群と多孔質シリコン支持体を、別々に作製していたが、この例では、同一シリコンウエハ上に形成する。キャピラリ群にしたい領域にボロンイオンをイオン注入し、赤外線吸収層となる不純物拡散層を設ける。照射用窓は、片面にだけしかないが、多孔質膜の両面にイオン注入することにより、小型化が図れるよう工夫している。
【００４３】
注入領域、非注入領域は、フォトリソグラフィでレジストをパターニングすることにより分離される。なお、通常のフォトレジストは、レジストをきれいに除去することができず、細孔を塞いでしまうことがあるので、フィルム状のレジストをラミネータで多孔質膜表面に貼り付ける。
【００４４】
実施例４：
実施例４は、キャピラリ群（多孔質シリコン）が埋め込まれた多孔質シリコン支持体（２段）の実施例である。図９は、実施例４の断面図である。実施例４では、片面の光照射であった実施例３を、ポンプの両面から光照射が出来るようにした実施例である。
【００４５】
実施例５：
実施例５は、多孔質シリコン支持体とキャピラリ群（アエロゲル）を実装で一体化（１段）した実施例である。図１０は実施例５の断面図、図１１は実施例５の平面図である。
【００４６】
実施例１のキャピラリ群を、多孔質シリコン膜からアエロゲル膜２ａにしたのが、実施例５である。アエロゲル膜２ａは、自分自身で膜を支えることが難しいので、多孔質シリコン支持体１に設ける開口部は、小さな領域に分割（ここでは円形１６）されている。また、アエロゲル膜２ａは、高い赤外線吸収率を有するので、赤外線吸収層を新たに設ける必要はない。
【００４７】
図１２は、実施例５における多孔質シリコン支持体の作製フローを示す。実施例３で説明したように、フィルムレジストを用いて、多孔質シリコン支持体に開口部を設ける。開口部は、小さな円形領域に分割され、それらの直径は、アエロゲル膜の細孔径より十分に大きい。多孔質シリコンのエッチング速度は非常に大きく、ウエットプロセスを用いても、アスペクト比の大きい三次元構造体を、比較的容易に作ることができるという特長を持っている。円形の貫通孔は、従来の様にＲＩＥやＩＣＰエッチングを使わずに、ＴＭＡＨ水溶液のウエットエッチングによって行う。
【００４８】
実施例６：
実施例６は、多孔質シリコン支持体とキャピラリ群（アエロゲル）を実装で一体化（２段）した実施例である。図１３は、実施例６の断面図である。
【００４９】
実施例６は、実施例５で示した最少構成のクヌーセン・ポンプを、二つ接続したものに相当する。キャピラリ群となる二枚のアエロゲル膜２ａが、多孔質シリコン支持体に設けられた隣接する二つの開口部に固定されている。多孔質シリコン支持体の両面から赤外光を照射することにより、実施例１と同じ容積に、二段の構造を収めることができる。両面に光照射用窓８が必要なので、アルミニウム製ベースの代わりに、透明なパイレックスガラス９を用いる。赤外光が不要な部分の温度上昇を防ぐために、上下のパイレックスガラス９には、クロム薄膜を遮光膜１４としてマスク蒸着した。
【００５０】
実施例７：
実施例７は、キャピラリ群（アエロゲル）が埋め込まれた多孔質シリコン支持体（２段）の実施例である。図１４は、実施例７の断面図である。
【００５１】
実施例７は、多孔質シリコン支持体にアエロゲル膜のキャピラリ群２ｂが埋め込まれた具体例である。両者は、同一シリコン基板上に形成されるので、多数のユニットがカスケードに連結された場合においても、ポンプの占める容積の増加を抑えることができる。
【００５２】
図１５は、実施例７の作製フローを示す。既に述べたように、ＴＭＡＨ水溶液のウエットエッチングによって、多孔質シリコン支持体に円形の貫通開口部を形成する。ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）を、ＰＥＧ（エチレングリコール）とエタノールの混合液に溶解させたＴＭＯＳ溶液を用意する。この溶液に、多孔質シリコン支持体を浸漬し、貫通開口部に溶液を導入する。続いて、室温のアンモニア蒸気で満たされた容器内に保持し、ゲル化反応を促進さる。貫通開口部内にウエットゲルが形成した後、支持体をエタノール中に浸漬し、ウエットゲル内を完全にエタノールで置換する。最後に、高圧容器内に移し、二酸化炭素を流通させ、ゲル内を臨界乾燥し、多孔質シリコン支持体の貫通開口部に、シリカアエロゲルからなるキャピラリ群が完成する。
【００５３】
実施例８：
実施例８は、多孔質シリコン支持体上に高抵抗金属線を配線（１段）した実施例である。図１６は、実施例８の断面図である。キャピラリ群両端に温度勾配を生じさせるために、高抵抗金属である白金線を、多孔質シリコン支持体上に設けた。ヒータ（白金線）１７へ流す電流は、貫通電極１８を介して外部から供給される。多孔質シリコン支持体と、それを上下で挟む二枚のパイレックスガラスとは、陽極接合される。
【００５４】
実施例９：
実施例９は、キャピラリ群（多孔質シリコン）が埋め込まれた多孔質シリコン支持体（８段）の実施例である。図１７は、実施例９の断面図と平面図であり、基本単位を８個、カスケードに接続した例である。左側は高真空領域、右側は低真空領域で動作する。コネクタの大きさ、キャピラリ群の細孔径は、右側から左側、すなわち、真空度が上がるにしたがって、大きくする。例えば、右側／中央／左側の細孔径は、各々、０．１μｍ／１μｍ／５μｍとした。陽極酸化の条件を変えることにより形成した。キャピラリ群（多孔質シリコン）が埋め込まれた多孔質シリコン支持体１は、ベースとなるシリコンウエハ１９と、光照射用窓を兼ねるパイレックスガラス９の間に挟まれている。これら３枚の基板は、陽極接合されている。
【００５５】
実施例１０：
実施例１０は、キャピラリ群（多孔質シリコン）が埋め込まれた多孔質シリコン支持体（１段）の実施例である。図１８は、実施例１０の断面図である。キャピラリ群（多孔質シリコン）２が埋め込まれた多孔質シリコン支持体１の上に、非常に高い熱伝導率を持つＣＮＴ（カーボンナノチューブ）２０を、熱伝導路として設ける。外界から導かれた熱によって、キャピラリ群の両端に温度勾配が形成される。
【００５６】
実施例１１、１２：
本実施例は、電子写真方式を用いた画像形成装置に関し、より詳しくは、感光体ドラム近傍の雰囲気を改善するために使われる気体分離膜に不可欠な差圧発生装置に関わる実施例である。高い画像品質を持った、カラー電子写真プロセスを安定に得る上で、感光体ドラム周辺の雰囲気が重要であることが判ってきた。その中でも、感光体ドラムを帯電させる帯電部が特に重要である。
【００５７】
感光体ドラムを帯電させる時に発生する放電生成物、例えばオゾンや窒素酸化物（ＮＯＸ）が、感光体ドラムの表面に付着し、感光体膜の感光特性を変化させ、潜像を劣化させる。その結果として、画像が滲んだりボケたりしてしまう。そうした背景の中、放電生成物を減らす解決方法として、帯電部の周囲を、ケースで覆い密閉する技術が開示されている（図３１、特許文献２を参照）。このケースは、帯電部周辺に外気が侵入するのを抑える目的で設けられている。そして、このケース内に低酸素の空気を導入し、更なる効果の向上をねらっている。
【００５８】
一方、低酸素空気の供給源に着目し、気体分離膜を用い、オンサイトで除酸素を行なわせるアイデアもある（図３２、特許文献３を参照）。小型化・低価格化をより一層進めさせるのが目的である。気体分離膜における気体分離の原理は、膜を透過する速さが分子によって異なるという現象に基づいている。例えば、窒素に較べて酸素が透過し易い膜を通して空気を流した場合、膜の前面では窒素富化の空気が、膜の後面では酸素富化の空気が、各々得られる。気体分離膜を用いた窒素濃縮装置の例を、図３３（特許文献４を参照）に示す。
【００５９】
上述したように、除酸素空気、すなわち窒素富化空気を連続的に生成するためには、気体分離膜の両側に、適当な圧力差を維持しなければならない。そのため、空気を減圧（あるいは加圧）する真空ポンプ（あるいはコンプレッサ）が不可欠である。電子写真方式を用いた画像形成装置の中に、従来の機械駆動式の真空ポンプ（コンプレッサ）を導入することは、騒音や体積、そして消費電力の点で問題が多く、実用化への大きな障害となっていた。
【００６０】
そこで、本実施例では、気体分離膜の片面を、小型で消費電力が低く、かつ騒音発生のない、真空ポンプで減圧、あるいはコンプレッサで加圧し、感光体帯電装置近傍の雰囲気を改善する。このために、本実施例では、クヌーセン・ポンプを使う。
【００６１】
実施例１１：
実施例１１は、定着装置から出る廃熱を利用した実施例である。図１９は、実施例１１の構成を示す。図１９において、１０１はクヌーセン・ポンプ、１０２は熱伝導用金属、１０３は外気導入口、１０４は外界空気、１０５は酸素富化膜、１０６は窒素富化空気、１０７はケース、１０８はシール部材、１０９は感光体ドラム、１１０は帯電ローラ、１１１は帯電用電源である。
【００６２】
実施例１１では、クヌーセン・ポンプ１０１として実施例１０のクヌーセン・ポンプを用い、クヌーセン・ポンプ１０１の駆動に、定着装置から出る廃熱を利用している。ヒートシンクの熱を、熱伝導用の金属１０２によって、クヌーセン・ポンプ１０１に導かれる。外気導入口１０３の直後に続く壁面と、ケース１０７の壁に、各々設けられた酸素富化膜１０５は、片面にクヌーセン・ポンプが接続される。ケース１０７内に導入される外界空気１０３の単位時間あたりの量は、ケース１０７の壁に装着された酸素富化膜（Ｏｘｙｇｅｎ  ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）１０５を通して排出される酸素富化空気の単位時間あたりの量と等しい。
【００６３】
実施例１２：
実施例１２は、定着装置内蔵のハロゲン・ランプから光を分配する実施例である。図２０は、実施例１２の構成を示す。実施例１２では、クヌーセン・ポンプ１０１として実施例１〜９のクヌーセン・ポンプを用い、クヌーセン・ポンプ１０１の駆動に、定着装置に内蔵されているハロゲン・ランプから出る光を利用している。ハロゲン光は、光ファイバー１１２によって、クヌーセン・ポンプ１０１に導かれる。
【００６４】
本実施例によると、従来の機械駆動式の真空ポンプに代わって、駆動機構の無いクヌーセン・ポンプを使うことによって、騒音を発生させることが全く無い。１０℃程度の温度差でも動作するので、消費電力を非常に低いレベルに抑えることができる。
【００６５】
また、酸素富化膜と脱湿膜の両機能を兼ね備えた膜を選択する、あるいは酸素富化膜と脱湿膜（Ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｙ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）を併用することにより、帯電部周辺の空気を低酸素かつ低湿度に維持することができる。機器内部のモジュールから発生する廃エネルギー、例えば、光や熱を利用することにより、ポンプを駆動するために、新たな光源や電源を追加する必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１の断面図である。
【図２】実施例１の平面図である。
【図３】実施例１における陽極酸化法による多孔質シリコン膜の作製フローを示す。
【図４】実施例１における多孔質シリコン・キャピラリ群の作製フローを示す。
【図５】実施例１における多孔質シリコン支持体の作製フローを示す。
【図６】実施例２の断面図である。
【図７】実施例３の断面図である。
【図８】実施例３における多孔質シリコン膜支持体および多孔質シリコン膜キャピラリ群の作製フローを示す。
【図９】実施例４の断面図である。
【図１０】実施例５の断面図である。
【図１１】実施例５の平面図である。
【図１２】実施例５における多孔質シリコン支持体の作製フローを示す。
【図１３】実施例６の断面図である。
【図１４】実施例７の断面図である。
【図１５】実施例７の作製フローを示す。
【図１６】実施例８の断面図である。
【図１７】実施例９の断面図と平面図である。
【図１８】実施例１０の断面図である。
【図１９】実施例１１の構成を示す。
【図２０】実施例１２の構成を示す。
【図２１】クヌーセン・ポンプの原理を説明する図である。
【図２２】クヌーセン・ポンプの原理を説明する図である。
【図２３】クヌーセン・ポンプをカスケード接続した従来例を示す。
【図２４】クヌーセン・ポンプを理論的に解析するためのモデルを示す。
【図２５】熱遷移流あるいは熱ほふく流の生ずる原因を説明する図である。
【図２６】従来の加熱方法の例を示す。
【図２７】従来の抵抗加熱の第１の例を示す。
【図２８】従来の抵抗加熱の第２の例を示す。
【図２９】従来の光照射加熱の例を示す。
【図３０】サーマル・ガード上にヒータ線を配線した従来例を示す。
【図３１】従来の帯電装置を示す。
【図３２】帯電装置近傍の環境を制御する従来例を示す。
【図３３】従来の窒素濃縮装置を示す。
【符号の説明】
【００６７】
１  多孔質シリコン支持体
２  キャピラリ（群）あるいは細管（群）
３  高濃度ボロン拡散層
４  吸気口
５  排気口
６  Ｏリング
７  赤外光照射
８  光照射用窓
９  パイレックスガラス
１０  アルミニウム製ベース
１１  低圧側
１２  高圧側
１３  気密空間
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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