JP3824074B2

JP3824074B2 - 複合構造物作製用ノズル及び複合構造物作製装置及び複合構造物作製方法

Info

Publication number: JP3824074B2
Application number: JP2002049240A
Authority: JP
Inventors: 達郎横山; 広典鳩野; 万也辻道; 純明渡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003247080A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製するときに使用する複合物作製用ノズルや、複合構造物作製装置及び複合構造物作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法（加集誠一郎：金属１９８９年１月号）が提案されている。この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微少なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する。
【０００３】
上記ガスデポジション法を改良した先行技術として微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と呼ばれる脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。これは、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから高速で基板に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成させる方法であり、特開平１１−２１６７７号公報、特開２０００−２１２７６６号公報に開示されるものが知られている。
【０００４】
特開平１１−２１６７７号公報に開示される技術は、前記した超微粒子を含むエアロゾルを運搬する際あるいはセラミックスなどを加熱蒸発させる際に、超微粒子同士が凝集して大きな粒子となるのを防止するために、中間の経路に分級装置を配置するようにしている。
【０００５】
特開２０００−２１２７６６号公報は、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、イオン、原子、分子ビームや低温プラズマなどの高エネルギー原子などを照射して作製される構造物を強固なものにする工夫がなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来法においては、エアロゾルデポジション法によって構造物を作製する場合、矩形の開口の長辺方向が最大５ｍｍ程度の比較的小さな導出開口を備えたノズルを使用し、導出開口からエアロゾルを基材に噴射して構造物を作製していた。従って、例えば、矩形の導出開口の長辺方向以上の被覆面積を持つ構造物を基材に作製させる場合、エアロゾルを基材に噴射している状態で、基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみではなく、長辺方向に平行な水平方向にも作動させる必要があった。そのために以下のような問題を生じていた。
１）上記垂直方向から上記水平方向への切り替えがスムーズにいかないとその部分のみ厚膜になる。
２）一度塗布した部分に隣接する部分に構造物を形成する場合に重なり合って厚膜になりやすい。
３）大面積の構造物の形成に時間がかかる。
【０００７】
上記１）〜３）の問題点を解消するために、単純に導出開口の矩形の長辺方向を長くして基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を形成する方法が考えられるが、この方法では導出開口の矩形の長辺方向の外縁部と中心部と比較した場合に、中心部の方がエアロゾルの濃度が高くなってしまい、エアロゾルの濃度が高い部分には厚く、またエアロゾルの濃度が低い部分には薄く構造物が成膜され、均一な膜厚である構造物を作製することが出来なかった。
【０００８】
又は、特公平３−２３２１８号で開示されている細いノズルを収束せしめた束状ノズルを用い、基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を形成する場合も短時間で大面積の複合構造物を形成することは可能であるが、ノズル間のクリアランス部分が存在するために、構造物表面に小さな凹凸が存在してしまい、均一な膜厚の構造物を得ることが出来なかった。
【０００９】
本発明では、上記事情に鑑み、一定の比較的大きな面積の複合構造物を形成するに際し、均一な膜厚の構造物を短時間で作製するための複合構造物形成用ノズル、複合構造物形成装置及び複合構造物形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決しようとする手段】
ここで本発明のノズルを用いた複合構造物形成法であるエアロゾルデポジション法について説明する。
延展性を持たない脆性材料（セラミックス）に機械的衝撃力を付加すると、結晶子同士の界面などの劈開面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子として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。この新生面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な表面状態に晒され、表面エネルギーが高い状態となる。この活性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或いは基板表面と接合して安定状態に移行する。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、この現象を継続的に発生させ、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、脆性材料構造物が形成される。
【００１１】
そして、上記機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基板に衝突させるようにした方法がエアロゾルデポジション法である。
【００１２】
この方法は、ガスデポジション法により発展してきた手法であり、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを運搬し、高速で基板表面に噴射して衝突させ、微粒子を破砕・変形せしめ、基板との界面にアンカー層を形成して接合させるとともに、破砕した断片粒子同士を接合させることにより、基材との密着性が良好で強度の大きい脆性材料構造物を基板状にダイレクトに形成させることが出来る。
【００１３】
本発明はエアロゾルデポジション法に都合が良いばかりではなく、ガスデポジション法などの微粒子を噴射させる方法などにも利用できる。
【００１４】
ここで、図面を使用して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１１は、ホース状の搬送管１２を介してエアロゾル発生器１３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室１４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１５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１７に基材１６がノズルに対向して配置される。構造物形成室１４は排気ポンプ１８に接続している。
【００１５】
また、ノズル１５と基材１６の間にエアロゾル濃度を測定するためのセンサ装置２１を配置し、センサ装置２１から出力される信号は、フィードバック制御回路２２へ送られ、そして処理され、エアロゾル発生器１３やガスボンベ１１それぞれの制御部へ配線２３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。
【００１６】
ノズル１５の導入部形状は、ホース状の搬送管１２でエアロゾルが搬送されてくるため、導入部形状はホース径にあわせた形状が望ましい。また、ホース径は大きいとエアロゾルを運搬するためにガス量を多くしなければならないので、数ｍｍ程度が妥当である。また開口部形状は、基材に作製させる複合構造物の大きさに合わせて矩形の長辺方向と短辺方向の長さを決定する。
【００１７】
本発明の複合構造物作製用ノズルの一実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていくノズル内部形状を有する。
【００１８】
本発明の複合構造物作製用ノズルの他の実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に使用するノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させていくノズル内部形状を有する。
【００１９】
本発明の複合構造物作製用ノズルの他の実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有する。ここで、前記エアロゾル通過空間においては、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を有する形状にすることができる。
【００２０】
本発明の複合構造物作製用ノズルの他の実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に使用するノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有する。
ここで、前記エアロゾル通過空間においては、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を有する形状にすることができる。
【００２１】
本発明の複合構造物形成装置の一実施態様においては、エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていくノズル内部形状を有する。
【００２２】
本発明の複合構造物形成装置の他の実施態様においては、エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させていくノズル内部形状を有する。
【００２３】
本発明の複合構造物形成装置の他の実施態様においては、エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有する。
ここで、前記エアロゾル通過空間においては、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を有する形状にすることができる。
【００２４】
本発明の複合構造物形成装置の他の実施態様においては、エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有する。
ここで、前記エアロゾル通過空間においては、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を有する形状にすることができる。
【００２５】
本発明の複合構造物形成方法の一実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていくノズル内部形状を有する。
【００２６】
本発明の複合構造物形成方法の他の実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させていくノズル内部形状を有する。
【００２７】
本発明の複合構造物形成方法の他の実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有する。
ここで、前記エアロゾル通過空間においては、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を有する形状にすることができる。
【００２８】
本発明の複合構造物形成方法の他の実施態様においては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有する。
ここで、前記エアロゾル通過空間においては、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を有する形状にすることができる。
【００２９】
本発明においては、必要とする大きさの構造物を短時間で作製するために、一度に成膜可能な範囲を大きくすることが考えられる。その手法は、前記導出開口の長辺方向を必要とする長さまで拡大しながら、前記導出開口の短辺方向の長さを減少させていくというものである。このようなエアロゾル通過空間形状を取ることによって、一度に成膜可能な範囲が拡大し、構造物を短時間で作製することが可能となる。
【００３０】
前記導出開口の長辺方向長さを拡大する理由としては、成膜可能な範囲を拡大するためである。前記導入開口の短辺方向長さを減少させる理由としては、長辺方向を拡大したのみでは、矩形の導出開口の面積が導入開口よりも拡大してしまうため、微粒子が導出開口全体に万遍なく分散せず、エアロゾルに濃度差が発生してしまうのに対し、短辺方向長さを減少させた場合、前記導出開口から濃度が均一なエアロゾルを噴射させることが出来るからである。
【００３１】
また、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を減少させていく位置、及び前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を拡大させていく位置に関しては、例えばエアロゾル化する微粒子の性状や重量及び粒子径、または搬送用ガス種や流量など、各条件に合わせて前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に変化させる。
【００３２】
本発明におけるノズルの一態様としては、前記ノズルにおいて、前記導入開口を複数ヶ有し且つ、前記導出開口を１ヶ持つことを特徴とする。
【００３３】
本発明においては、前記導出開口の長辺方向長さを拡大すると、前記導入開口と前記導出開口の距離が短い場合、前記導出開口長辺方向の外縁部まで微粒子が広がらず、前記導出開口から噴射するエアロゾルの濃度にばらつきが生じるが、前記導入開口を複数ヶ備えることによって、前記導出開口の長辺寸法を同じにした場合、前記導入開口から前記導出開口までの距離を、前記導入開口を１ヶのみ備えるものに比べて短くすることが出来るため、前記ノズルの大きさを小さくすることが可能となり、複合構造物作製装置の構造物形成室の大きさを小さくすることが可能となる。
【００３４】
又、複数の導入開口に対し、１ヶの導出開口のみを持ち合わせているため、特公平３−２３２１８号で開示されたノズルのように、構造物表面に導入部に対応した小さな凹凸は存在せず、均一な膜厚である構造物を得ることが可能である。
【００３５】
本発明におけるノズルの一態様としては、前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間において、前記導入開口から前記導出開口にかけて前記エアロゾルが通過する方向に垂直な面方向の空間の断面積が減少する部分を持ち、次いでこの断面積が一定の部分を併せ持つことを特徴とする。
【００３６】
本発明においては、前記ノズルに断面積が一定の部分を併せ持つのは、断面積が減少する部分の微粒子は、前記導出開口の長辺方向では寸法が広がる方向へ飛散し、前記導入開口の短辺方向は寸法が狭まる方向へ飛散するため、基材へ衝突するエアロゾルの濃度が基材の固定角度や形状、ノズルとの距離等により、基材へ衝突するエアロゾルの濃度が変化してしまうためと、前記導出開口の長辺方向の中心を通過する微粒子は速度が速く、外縁部を通過する微粒子の速度が遅くなり、前記導出開口から噴射される微粒子の速度が一定にならないため、断面積が一定の部分にエアロゾルを通し、微粒子の飛散する方向及び速度を一定にするためである。
【００３７】
【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。
図２は、本発明の一態様としての脆性材料構造物作製装置で使用するノズル３１であり、図３は図２の内部形状を示し、このうち（ａ）は一方の板状部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢示に沿った通路の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢示に沿ったエアロゾル通過空間の断面図である。
ノズル３１は金属或いはセラミックからなる２枚の板状部材３１１、３１２を貼り合わせてなり、一方の板状部材の表面には一端が導出開口３２で他端が導入開口３３となる溝３１３が形成され、他方の板状部材には溝を形成していない。尚、両方の板状部材に溝を形成してもよい。
前記溝３１３は導入開口３３から導出開口３２に至る範囲において、下流側に向かって（Ｚ方向に沿って）、短辺方向（Ｘ方向）の寸法が徐々に小さくなり、長辺方向（Ｙ方向）の寸法が徐々に長くなるようにし、しかも、図３（ｂ）及び（ｃ）から分るように、導入開口３３に近い部分のエアロゾル通過空間の断面積をＳ１とし、これよりも下流側のエアロゾル通過空間の断面積をＳ２とすると、Ｓ１＞Ｓ２となるように加工している。
このノズルの具体的な寸法としては、１０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口３２を持ち、３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口３３を１ヶ持つ。
図４乃至図６はノズル形状の別タイプを示し、図４に示すタイプでは、溝３１３の上流側部分３１３ａについては短辺方向（Ｘ方向）及び長辺方向（Ｙ方向）の寸法を変化させずに略等しくし、下流側部分３１３ｂについては、下流側に向かって（Ｚ方向に沿って）、短辺方向（Ｘ方向）の寸法が徐々に小さくなり、長辺方向（Ｙ方向）の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかも、下流側部分３１３ｂではエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにしている。
図５に示すタイプでは、溝３１３の上流側部分３１３ａについては、下流側に向かって、短辺方向の寸法が徐々に小さくなり長辺方向の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかも、上流側部分３１３ａではエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにし、下流側部分３１３ｂについては短辺方向及び長辺方向の寸法を変化させずに略等しくしている。
図６に示すタイプでは、溝３１３の上流側部分３１３ａ及び下流側部分３１３ｂについては短辺方向及び長辺方向の寸法を変化させずに略等しくし、中間部分３１３ｃについては、下流側に向かって短辺方向の寸法が徐々に小さくなり長辺方向の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかもエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにしている。
尚、図示例はは実施の一例を示したものであり、ノズルの形状は上記に限るものではない。
【００３８】
図２で示したノズル３１を図１で示した複合構造物製造装置のノズル１５として使用し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍで均一の脆性材料構造物を得ようとした場合を述べる。ノズル３１を使用した場合、ノズル又は基材をＸ軸方向へ３０ｍｍ移動させ、１０ｍｍ×３０ｍｍで膜厚１０μｍの脆性材料構造物を作製する。次に、ノズル又は基板をＹ軸方向へ１０ｍｍ移動させ、再びノズル又は基板をＸ軸方向へ３０ｍｍ移動させ、２０ｍｍ×３０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍの脆性材料構造物を作製する。次に、前記動作をもう一度繰り返し、３０ｍｍ×３０ｍｍの脆性材料構造物を作製する。
【００３９】
次に本発明の別態様として、図７及び図８で示したノズルを図１で示した複合構造物製造装置のノズル１５として使用し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍで均一の脆性材料構造物を得ようとした場合を述べる。ノズル４１は３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口４２を持ち、３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口４３を１ヶ持つ。ノズル４１を使用した場合では、ノズル又は基板をＸ軸方向へ３０ｍｍ移動のみで、３０ｍｍ×３０ｍｍで膜厚１０μｍの脆性材料構造物を作製することが可能である。ノズル又は基板が移動する時間は、ノズル３１を使用した場合と比較すると１／３の時間で終了する。しかし、ノズル４１に比べてノズル５１は導出開口３２の面積が導出開口４１の面積の３倍であるため、ノズル４１の導入開口４３にノズル３１の導入開口３３と同濃度のエアロゾルを供給した場合、ノズル４１の導出開口４２でのエアロゾル濃度はノズル３１の導出開口３２に比べて１／３の濃度となり、単位面積あたりに対する成膜速度はノズル３１と比べて同等である。そこで、導入開口４３に導入開口３３へ導入するエアロゾル濃度が３倍のエアロゾルを導入することによって脆性材料構造物作製時間をノズル３１を使用したときと比べて１／３に縮小した。
【００４０】
次に本発明の別態様として、図９で示したノズル５１を図１で示した複合構造物製造装置のノズル１５として使用し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍで均一の脆性材料構造物を得ようとした場合を述べる。ノズル５１は３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口５２を持ち、３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口５３を３ヶ持つ。
【００４１】
図９に示したノズル５１は導入開口を３ヶ持っているため、各々の導入開口５３にエアロゾル発生器１３を装着する。各々の導入開口５３へ供給するエアロゾル濃度はノズル３１の導入開口３３へ供給するエアロゾル濃度と同等で、導出開口５２から噴射されるエアロゾル濃度はノズル４１の導出開口４３から噴射されるエアロゾル濃度と同等となり、エアロゾル発生器１３に負荷をかけることなく、ノズル３１を使用して脆性材料構造物を作製する時間を１／３に短縮した。
【００４２】
又、ノズル５１は、溝幅を３．０ｍｍから１０ｍｍへ広げるため、溝幅を３．０ｍｍから３０ｍｍに広げる図７及び図８に示したノズル４１に比べ、エアロゾルが溝内で十分に広がり、開口部３２中央部と外縁部とでエアロゾルの濃度差を少なくすることが可能である。よって、研磨工程などの作業なしで３０ｍｍ×３０ｍｍの凹凸の少ないセラミック構造物を作製することが可能であり、セラミック構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００４３】
又、ノズル５１は、図９で示したように３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口５２を１カ所、３．０ｍｍ×３．０ｍｍの導入開口５３を３カ所持っているため、例えば図２で示したノズル３１を３つ隙間無く並べた場合、作製する脆性材料構造物に凹凸部が３カ所出来てしまい、凹凸を平坦にするような研磨加工などの作業が必要になる。しかし、ノズル５１の場合、ノズル内部でエアロゾルの流路が３カ所から１カ所に合流しているため、作製される脆性材料構造物の凹凸が減少して研磨加工などの作業が不必要となるので脆性材料構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００４４】
又、ノズル４１は導入開口４３から導出開口４２の間で長辺方向の長さを３．０ｍｍから３０ｍｍに広げるのに対し、ノズル５１は、ノズル３１と同様に導入開口５３から導出開口５２の間で長辺方向の長さを３．０ｍｍから１０ｍｍへ広げ、１０ｍｍまで広げた溝を隙間無く並べ、長辺方向の長さ３０ｍｍの開口部５２を形成する。そうすることによって、ノズル５１の導入開口５３から導出開口５２までの距離をノズル４１に比べて短くすることが可能であり、ノズル４１を使用した装置系よりも小型化することが可能である。
【００４５】
又、ノズル５１は導入開口５３に各々エアロゾル発生器１３を備えているため、各々のエアロゾル発生器１３から供給するエアロゾルの濃度をそれぞれ調節することによって、導出開口５２から噴射するエアロゾル濃度に変化を与えることができ、作製される脆性材料構造物の形状を任意に制御することが可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、一定の比較的大きな面積の複合構造物を形成するに際し、均一な膜厚の構造物を短時間で作製するための複合構造物形成用ノズル、複合構造物形成装置及び複合構造物形成方法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】本発明のノズル（タイプ１）の全体構成を示した図。
【図３】（ａ）は本発明のノズル（タイプ１）を構成する一方の板状部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢示に沿った部分の通路断面を示す図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢示に沿った部分の通路断面を示す図。
【図４】本発明のノズル（タイプ２）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図５】本発明のノズル（タイプ３）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図６】本発明のノズル（タイプ４）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図７】本発明のノズル（タイプ５）の全体構成を示した図。
【図８】本発明のノズル（タイプ６）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図９】本発明のノズル（タイプ７）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【符号の説明】
１１…ガスボンベ、１２…搬送管、１３…エアロゾル発生器、１４…構造物形成室、１５…ノズル、１６…基材、１７…基材ホルダ、１８…排気ポンプ、２１…センサ装置、２２…フィードバック制御回路、２３…配線、３１…ノズル、３１１、３１２…ノズルを構成する板状部材、３１３…エアロゾル通過空間となる溝、３１３ａ、３１３ｂ、３１３ｃ…溝の一部、３２…１０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口、３３…３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口、４１…ノズル、４２…３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口、４３…３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口、５１…ノズル、５２…３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口、５３…３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口。

Claims

微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていくノズル内部形状を有することを特徴とする複合構造物形成装置用ノズル。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に使用するノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させていくノズル内部形状を有することを特徴とする複合構造物形成装置用ノズル。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有することを特徴とする複合構造物形成用ノズル。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に使用するノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有することを特徴とする複合構造物形成用ノズル。
前記エアロゾル通過空間のうち、短辺方向寸法及び／又は長辺方向が連続的に変化する領域では、エアロゾルが通過する方向に垂直な方向の断面積も下流側に向かって連続的に減少することを特徴とする請求項１乃至４記載の複合構造物形成用ノズル。
前記微粒子は脆性材料微粒子であることを特徴とする請求項１乃至４記載の複合構造物形成用ノズル。
前記導入開口を複数有し且つ、前記導出開口は１つであることを特徴とする請求項１乃至４記載の複合構造物形成用ノズル。
前記導出開口のアスペクト比が１０以上であることを特徴とする請求項１乃至４記載の複合構造物形成用ノズル。
前記導入開口のアスペクト比が２以下であり、前記導入開口の形状が矩形若しくは円形であることを特徴とする請求項１乃至４記載の複合構造物形成用ノズル。
エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていくノズル内部形状を有することを特徴とする複合構造物形成装置。
エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させていくノズル内部形状を有することを特徴とする複合構造物形成装置。
エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有することを特徴とする複合構造物形成装置。
エアロゾル発生手段と、エアロゾルを基材に衝突させるためのノズルとを少なくとも具備してなり、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させ、かつ前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有することを特徴とする複合構造物形成装置。
前記エアロゾル通過空間のうち、短辺方向寸法及び／又は長辺方向が連続的に変化する領域では、エアロゾルが通過する方向に垂直な方向の断面積も下流側に向かって連続的に減少することを特徴とする請求項１０乃至１３記載の複合構造物形成装置。
前記複合構造物形成装置は、基材を固定するためのステージを備えており、前記ステージと前記導出開口との距離を略一定に保持しつつ前記ステージを前記導出開口の長辺方向に垂直に作動させながら、前記導出開口から前記エアロゾルを吐出させることにより複合構造物を形成させることを特徴とする請求項１０乃至１４記載の複合構造物形成装置。
前記複合構造物形成装置は、基材を固定するためのステージを備えており、前記ステージと前記導出開口との距離を略一定に保持しつつ前記導出開口の長辺方向に垂直に前記ノズルを作動させながら、前記導出開口から前記エアロゾルを吐出させることにより複合構造物を形成させることを特徴とする請求項１０乃至１４記載の複合構造物形成装置。
前記微粒子は、脆性材料微粒子であることを特徴とする請求項１０乃至１４記載の複合構造物形成装置。
前記導入開口を複数有し且つ、前記導出開口は１つであることを特徴とする請求項１０乃至１４記載の複合構造物形成装置。
前記導出開口のアスペクト比が１０以上であることを特徴とする請求項１０乃至１４記載の複合構造物形成装置。
前記導入開口のアスペクト比が２以下であり、かつ前記導入開口の形状は矩形若しくは円形であることを特徴とする請求項１０乃至１４記載の複合構造物形成装置。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させていくノズル内部形状を有することを特徴とする複合構造物形成方法。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させていくノズル内部形状を有することを特徴とする複合構造物形成方法。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を連続的に拡大させ、前記エアロゾル通過空間において、前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有することを特徴とする複合構造物形成方法。
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから吐出させて基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導出開口の短辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の短辺方向の部位に向かって短辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に減少させていくのに対し、前記導出開口の長辺方向と対応する前記導入開口の部位から、前記導出開口の長辺方向の部位に向かって長辺方向寸法を前記ノズル本体の前記エアロゾル通過空間の任意の位置から連続的に拡大させ、前記エアロゾル通過空間において、前記導出開口を含む部分には断面積が一定の部分を有することを特徴とする複合構造物形成方法。
前記エアロゾル通過空間のうち、短辺方向寸法及び／又は長辺方向が連続的に変化する領域では、エアロゾルが通過する方向に垂直な方向の断面積も下流側に向かって連続的に減少することを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成方法。
前記基材はステージに固定されており、前記ステージと前記導出開口との距離を略一定に保持しつつ前記ステージを前記導出開口の長辺方向に垂直に作動させながら、前記導出開口から前記エアロゾルを吐出させることにより複合構造物を形成させることを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成方法。
前記基材はステージに固定されており、前記ステージと前記導出開口との距離を略一定に保持しつつ前記導出開口の長辺方向に垂直に前記ノズルを作動させながら、前記導出開口から前記エアロゾルを吐出させることにより複合構造物を形成させることを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成装置。
前記微粒子は、脆性材料微粒子であることを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成方法。
前記導入開口を複数有し且つ、前記導出開口は１つであることを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成方法。
前記導出開口のアスペクト比が１０以上であることを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成方法。
前記導入開口のアスペクト比が２以下であり、かつ前記導入開口の形状が矩形若しくは円形であることを特徴とする請求項２１乃至２４記載の複合構造物形成方法。