JP2003277947A - エアロゾル発生装置、及びそれを利用した複合構造物作製装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間エアロゾルを発生させても、初期状態
と同じ濃度でエアロゾルを発生でき、エアロゾル濃度の
調整が可能なエアロゾル発生装置を提供する。 【解決手段】 ガス導入口８１を使用しない場合は、固
着して溝７３に残ってしまった粉体８４は、粉体解砕ピ
ン８２まで運搬される。粉体解砕ピン８２は固着した粉
体３２を強制的に固着を解しながら掻き出す。掻き出さ
れた粉体８４は、搬送ガスがエアロゾル導出口８３の外
部へ排出されるときに発生する吸引力によって吸引さ
れ、舞い上がってエアロゾル化する。また、ガス導入口
８１を使用する場合は、掻き出された粉体８４は、粉体
解砕ピン８２側に設置されたガス導入口８１から供給さ
れる搬送ガスが吹き付けられることにより舞い上がって
エアロゾル化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】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関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、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が、エアロゾルデ
ィポジション法による脆性材料微粒子の常温製膜技術等
に利用されている（例えば、特開２００１−１８１８５
９）。このエアロゾルディポジション法では、基本的に
１次粒子が０．１〜５μｍ程度の脆性材料微粒子をガス
中に分散させて得たエアロゾルを基板に亜音速程度の高
速で吹き付けて製膜体を得る。ここにおいて、均質な製
膜を行うには、エアロゾル中の脆性材料微粒子ができる
だけ凝集していない状態で基板に吹き付けられるように
する必要がある。そのために、上記エアロゾル発生装置
として、例えば、ガス導入口とエアロゾル導出口を備え
た脆性材料微粒子の粉体を収容する容器を揺動させる構
成としたエアロゾル発生装置が提案されている（特開２
００１−３４８６５８）。

【０００３】しかしながら、上記エアロゾル発生装置で
は以下に示す問題点があった。 量産化のためには、長時間エアロゾルを発生させる
必要があり、そのために粉体の投入量を増加させたい
が、上記装置では容器自体を揺動させる構成であるた
め、容器の容量を大きくすると揺動させるために必要な
動力が大きくなる。 長時間揺動させると、粉体の凝集固着も著しくなっ
てくる。そのために、初期状態と同じ濃度でエアロゾル
を発生させるのが困難になる。

【０００４】一方、プラズマ中に粉末をキャリヤガスと
ともに供給し、予め配置されている試料に粉末を蒸着す
るシステムにおける粉末供給装置としては、安定に一定
の粉末を供給するための提案が、特開平５−２３９６２
７に開示されている。その装置構成は図７に示す通りで
あり、中心から所定の位置の円周上に突起した溝４６が
形成された回転可能な粉末供給盤４５と、粉末供給盤４
５の上に載置され、粉末を粉末供給盤４５に形成された
溝４６に落とし込むための気密性の粉末容器を備えてい
る。粉末容器内には粉末を攪拌させる回転可能な攪拌体
を備えている。また、粉体容器の上部から入ってくる圧
縮ガスの出口を粉体供給盤の一端に形成された粉体供給
部に設け、前記圧縮ガスの出口をシリンダ内に設けた極
細い円筒状の穴とし、この圧縮ガスが外部に排出される
ときに発生する吸引力のみにより粉体を外部にガスと共
に排出するように構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
金属酸化物微粒子のような凝集固着性の強い粉体につい
て、上記特開平５−２３９６２７の装置を用いた場合、
溝の内部で粉体が徐々に固着してしまい、粉体供給部へ
運搬されてきても吸引力のみでは粉体が溝から吸引され
なくなり、粉体供給部で粉体をエアロゾル化できなくな
るという問題が生じた。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、長時間エアロゾルを発生させても、初期状態と
同じ濃度でエアロゾルを発生させるのを可能とし、且つ
エアロゾル濃度の濃淡を調整可能とするエアロゾル発生
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決しようとする手段】本発明では、上記課題
を解決すべく、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であって、このエアロゾ
ル発生装置は粉体収容部と、粉体輸送手段と、エアロゾ
ル化手段とを備えてなり、前記粉体輸送手段は、前記粉
体収容部からの粉体が充填される溝を設けた循環式の輸
送手段とし、前記エアロゾル化手段は、エアロゾル導出
口と、該エアロゾル導出口に近接した位置に溝側に突き
出すように形成された粉体解砕手段とを有した構成とし
た。ここで、循環式の輸送手段としては回転テーブルや
搬送コンベアなどが考えられる。本発明において、エア
ロゾルとは、微粒子が気体に分散した状態の固気混合相
である。エアロゾルデポジション法に使用されるエアロ
ゾルにおいては、微粒子が１次粒子の状態で分散してい
るものが良いが、凝集粒を含む場合もある。凝集粒が多
く、又、大きい場合にはエアロゾル発生器の後段に解砕
器や分級器を設置して、構造物形成に好適なものにして
もよい。

【０００８】本発明では、溝側に突き出すように形成さ
れた粉体解砕手段を設けることによって、例えば、固着
しやすい粉体で溝に固着してしまって従来の方法ではエ
アロゾル化できない粉体を、溝内で解す或いは溝から掻
き出すことが可能となり、搬送ガスが前記エアロゾル導
出口の外部へ排出されるときに発生する吸引力によっ
て、粉体をエアロゾル化して前記エアロゾル導出口から
導出することが可能になる。

【０００９】本発明の好ましい態様においては、前記エ
アロゾル発生装置において、前記エアロゾル化部の前記
エアロゾル導出口と前記粉体解砕手段の近接した位置に
前記ガス導入口を備えるようにする。そうすることによ
り、粉体解砕手段が解し或いは掻き出した粉体をガス導
入口から直接搬送ガスを吹き付けてエアロゾル化して導
出することになるため、例えば吸引力だけではエアロゾ
ル化できない程度にまで凝集した重量の大きい粉体が生
じた場合にもそれをエアロゾル化して供給することが可
能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面により詳細に説明する。ここで、実施の形態として、
使用した複合構造物作製装置の一般的な装置構成を説明
する。図１は、複合構造物作製装置の装置図であり、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。コ
ンピュータにより上下（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に接続し
ている。

【００１１】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６３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。

【００１２】図２は、本発明の一実施例を示す構成図で
ある。図において、７１はその内部に粉体８４を入れる
粉体収容部で、前記粉体収容部７１内は排気ポンプ５８
によって、減圧状態になっている。前記粉体収納部７１
とエアロゾル化手段７４との間には循環式の輸送手段７
２として回転テーブルを配置している。粉体収容部７１
内の粉体８４は、粉体８４の自重や機械的動作、例えば
特開平５−２３９６２７のように攪拌体を使用したり、
粉体収容部７１に振動を与える等を利用して、搬送コン
ベア７２上にある溝７３へ粉体８４を供給する。

【００１３】具体的には、回転テーブル７２の水平な上
面に円環状の溝７３が形成され、粉体収納部７１内で、
図５に示すようにホッパー７１１から溝７３内に粉体８
４が供給され、次いで下流側のスキージ板７１２によっ
て溝７３から上方に溢れた粉体が取り除かれ、この状態
で回転テーブル７２の回転によって溝７３内の粉体８４
はエアロゾル化手段７４に送られ、エアロゾルとなって
ノズル５５へ供給される。前記溝７３の大きさを変更し
たり駆動手段にて回転速度を変更したりすることによっ
て、粉体輸送量を調節することが可能である。

【００１４】図３は、溝７３へ落とし込まれた粉体８４
を搬送ガスに乗せてエアロゾル化し、構造物形成室５４
内へ供給するためのエアロゾル化手段７４の断面図、図
４は図３のＡ−Ａ方向矢視図である。エアロゾル化手段
７４は、ジョイント７４１を介してガスボンベ５１と接
続され、ガスボンベ５１から供給される搬送ガスを溝７
３内に落とし込まれた粉体８４へ吹き付けるためのガス
導入口８１と、溝７３内で押し込められた粉体８４を掻
き出すための粉体解砕ピン８２と、エアロゾル導出口８
３を備え、このエアロゾル導出口８３はジョイント７４
２を介して構造物形成室５４から搬送管５２を経由して
排気ポンプ５８と接続され、排気ポンプ５８及び搬送ガ
スが排出されるときに発生する吸引力によってエアロゾ
ル化した粉体８４を吸い出す。前記粉体解砕ピン８２の
径は図４に示すように溝７３の幅よりも小さく、粉体解
砕ピン８２と溝７３の側面との間には隙間が形成され
る。この隙間を介して後述するガス導入口８１からの空
気がエアロゾル導出口８３方向へと流れる。

【００１５】図６は別実施例に係るエアロゾル発生器の
構成図であり、この実施例にあっては循環式の輸送手段
７２として搬送コンベアを配置されている。この搬送コ
ンベア７２は駆動プーリ７２１と被動プーリ７２２との
間にベルトコンベア７２３を張設してなり、このベルト
コンベア７２３の幅方向中央にベルトの走行方向（図中
矢印で示す）に沿って溝７３が形成されている。循環式
の輸送手段７２としては上記の回転テーブル或いは搬送
コンベアに限らず、溝に充填した粉体を溝の移動によっ
て粉体収納部７１からエアロゾル化手段７４へ定量的に
搬送できるものであればよい。

【００１６】エアロゾル化手段７４の位置まで移動した
粉体８４が、例えば固着性の強い粉体の場合、溝７３内
で硬く固着してしまい、特開平５−２３９６２７で示さ
れている従来例のように吸引力のみでは完全に粉体８４
をエアロゾル化が出来ず、安定した濃度のエアロゾルを
供給することが出来ない。そこで、本発明では粉体解砕
手段を用いて固着した粉体を解すようにしている。以上
の如く構成された装置の動作を説明すれば、以下のとお
りである。

【００１７】先にガス導入口８１を使用しないでエアロ
ゾルを供給する方式を説明する。固着した粉体８４は、
まずエアロゾル化手段７４の位置まで運搬される。その
位置で吸引された粉体８４はエアロゾルとなり構造物形
成室５４へ搬送されるが、固着して溝７３に残ってしま
った粉体８４は、粉体解砕ピン８２まで運搬される。粉
体解砕ピン８２は固着した粉体８４を強制的に固着を解
しながら掻き出す。掻き出された粉体８４は、搬送ガス
がエアロゾル導出口８３の外部へ排出されるときに発生
する吸引力によって吸引され、舞い上がってエアロゾル
化する。このとき、ガス導入口８１には栓をして使用せ
ず、搬送ガスは溝７３に直接吹き付けない部分の入口
（図示しない）から導入し、搬送ガスの出口はエアロゾ
ル導出口８３のみとした。よって、エアロゾル化部周辺
に発生する力は吸引力のみのため、エアロゾル化した粉
体８４はエアロゾル発生装置内に飛散することなく、エ
アロゾル導出口８３から外部へ供給される。

【００１８】粉体解砕ピン８２は、溝７３と同等の形状
のものを使用して溝７３内に固着した粉体８４をすべて
掻き出すように改良したり、粉体解砕ピン８２自体が振
動するようにして、例えば粉体解砕ピン８２を圧電素子
で作製し、電圧を与えて振動させたり、粉体解砕ピン８
２をエアロゾル化手段７４本体に固定するのではなく、
可動式にして、粉体解砕ピン８２に錘やバネなどを付
け、常に溝７３の底面に粉体解砕ピン３２の先端が必ず
接触するように改良したりしたため、粉体８４を溝７３
に残すことなく解し掻き出すことが可能である。

【００１９】次にガス導入口８１を使用した場合でのエ
アロゾル供給方式を説明する。固着した粉体８４は、ま
ずエアロゾル化手段７４の位置まで運搬される。その位
置で吸引された粉体８４はエアロゾルとなり構造物形成
室５４へ搬送されるが、固着して溝７３に残ってしまっ
た粉体８４は、粉体解砕ピン８２まで運搬される。粉体
解砕ピン８２は固着した粉体３２を強制的に固着を解し
ながら掻き出す。掻き出された粉体８４は、粉体解砕ピ
ン８２側に設置されたガス導入口８１から供給される搬
送ガスが吹き付けられることにより舞い上がってエアロ
ゾル化する。図３に示すように、ガス導入口８１はエア
ロゾル導出口８３の方向へ角度を持っているため、エア
ロゾル化した粉体８４は、エアロゾル導出口８３の方向
へ飛散するため、エアロゾル発生装置の他の部分へ飛散
することなくエアロゾル導出口８３に吸引される。

【００２０】本実施例では、粉体８４の移動方向に対し
て、一番目にエアロゾル導出口８３が配置され、次に粉
体解砕ピンピン８２が配置され、最後にガス導入口８１
を配置しているが、配置する順番は問わない。ガス導入
口８１をエアロゾル導出口８３よりも上流側に配置した
場合には、固着した粉体がエアロゾル導出口８３に入り
込むおそれがないが、多少の粉体がエアロゾル導出口８
３よりも下流側に流れ、逆に図示のようにガス導入口８
１をエアロゾル導出口８３よりも下流側に配置した場合
には、若干の固着した粉体がエアロゾル導出口８３に入
り込むおそれがあるが、粉体がエアロゾル導出口８３よ
りも下流側に流れてしまう無駄がない。

【００２１】本実施例では、溝７３に押し込められた粉
体をすべてエアロゾル化して供給するため、エアロゾル
化した粉体個々の大きさにばらつきが生じるおそれがあ
るが、その対策として、エアロゾル導出口８３と構造物
形成室５４との間に解砕器（図示しない）や分級器（図
示しない）を設置し、基材に衝突する粉体の大きさを制
御してもよい。

【００２２】上記実施例では、エアロゾルディポジショ
ン法の装置例を示したが、本発明のエアロゾル発生装置
を、プラズマ中に粉末をキャリヤガスとともに供給し、
予め配置されている試料に粉末を蒸着するシステムにお
ける粉末供給装置等の他の装置の一部として利用するこ
ともできる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、長時間エアロゾルを発
生させても、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生さ
せるのを可能とし、且つエアロゾル濃度の濃淡を調整可
能とするエアロゾル発生装置を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】本発明の一実施例を示すエアロゾル発生器の構
成図。

【図３】本発明の一実施例を示す粉体供給部の断面図。

【図４】図３のＡ−Ａ方向断面図。

【図５】粉体収納部から循環式の輸送手段の溝部への粉
体の供給部を説明した図。

【図６】別実施例に係るエアロゾル発生器の構成図。

【図７】従来装置の構成例を示した図。

【符号の説明】

４０…気密容器、４１…粉末、４２…攪拌体、４３…攪
拌羽、４４…Ｏリング、４５…粉末供給盤、４６…溝、
４７…Ｏリング、４８…粉末供給部、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…粉体収容
部、７２…循環式の輸送手段、７３…溝、７４…エアロ
ゾル化部、８１…ガス導入口、８２…粉体解砕ピン、８
３…エアロゾル導出口、８４…粉体。

フロントページの続き (72)発明者 鳩野 広典 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 辻道 万也 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 明渡 純 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人 産業技術総合研究所 つくばセンター 内 Ｆターム(参考） 4K044 CA23 CA53 CA71

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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であって、このエアロゾ
   ル発生装置は粉体収容部と、粉体輸送手段と、エアロゾ
   ル化手段とを備えてなり、前記粉体輸送手段は、前記粉
   体収容部からの粉体が充填される溝を設けた循環式の輸
   送手段とされ、前記エアロゾル化手段は、エアロゾル導
   出口と、該エアロゾル導出口に近接した位置に溝側に突
   き出すように形成された粉体解砕手段とを有してなるこ
   とを特徴とするエアロゾル発生装置。
2. 【請求項２】 前記エアロゾル発生装置において、前記
   エアロゾル化手段の前記エアロゾル導出口と前記粉体解
   砕手段に近接し、且つ前記溝の一部にガスを吹き付ける
   位置に前記ガス導入口を備えることを特徴とする請求項
   １記載のエアロゾル発生装置。
3. 【請求項３】 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又は２
   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。