JP3824074B2 - Nozzle for composite structure manufacturing, composite structure manufacturing apparatus, and composite structure manufacturing method - Google Patents
Nozzle for composite structure manufacturing, composite structure manufacturing apparatus, and composite structure manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP3824074B2 JP3824074B2 JP2002049240A JP2002049240A JP3824074B2 JP 3824074 B2 JP3824074 B2 JP 3824074B2 JP 2002049240 A JP2002049240 A JP 2002049240A JP 2002049240 A JP2002049240 A JP 2002049240A JP 3824074 B2 JP3824074 B2 JP 3824074B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aerosol
- side direction
- opening
- lead
- nozzle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
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。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention sprays aerosol containing fine particles onto a substrate, and forms a structure on the substrate to form a composite structure composed of the substrate and the structure. The present invention relates to an apparatus and a composite structure manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
As a method for forming a film on a substrate, in the case of a thick film of several μm or more, a spraying method is generally known, but another gas deposition method (Seiichiro Kashu: Metal January 1989 issue) has been proposed. . In this method, ultrafine particles of metal or ceramics are aerosolized by gas stirring and accelerated through a minute nozzle to form a green compact layer of ultrafine particles on the surface of the substrate, which is heated and fired to form a coating. Form.
[0003]
As a prior art improved from the gas deposition method, there is a method of forming a film or structure of a brittle material called a fine particle beam deposition method or an aerosol deposition method. This is because an aerosol containing fine particles of brittle material is sprayed from a nozzle toward the substrate at high speed, the fine particles collide with the substrate, and the polycrystalline structure of the brittle material is applied onto the substrate using the mechanical impact force. This is a direct forming method, and those disclosed in JP-A-11-21676 and JP-A-2000-212766 are known.
[0004]
The technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-21677 prevents the ultrafine particles from aggregating into large particles when transporting the aerosol containing the ultrafine particles or heating and evaporating ceramics. For this reason, a classifier is arranged in an intermediate path.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-212766 discloses that after dispersing ultrafine particles such as ceramics having a particle diameter in the range of 10 nm to 5 μm in a gas to form an aerosol, the fine particle flow at a higher speed than the nozzle is sprayed toward the substrate. A deposit is formed. At this time, an effort has been made to strengthen a structure produced by irradiating ultrafine particles or a substrate with high-energy atoms such as ions, atoms, molecular beams, and low-temperature plasma.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional method, when a structure is manufactured by the aerosol deposition method, a nozzle having a relatively small outlet opening whose long side direction of the rectangular opening is about 5 mm at the maximum is used, and the aerosol is used as a base material from the outlet opening. The structure was made by spraying. Therefore, for example, when a structure having a covering area equal to or longer than the long side direction of the rectangular lead-out opening is formed on the base material, the stage that fixes the base material is long while the aerosol is sprayed onto the base material. It was necessary to operate not only in the horizontal direction perpendicular to the side direction but also in the horizontal direction parallel to the long side direction. Therefore, the following problems have occurred.
1) If switching from the vertical direction to the horizontal direction is not smooth, only that portion becomes thick.
2) When a structure is formed in a portion adjacent to a portion that has been applied once, it tends to overlap and become a thick film.
3) It takes time to form a large area structure.
[0007]
In order to solve the above problems 1) to 3), the long side direction of the rectangle of the outlet opening is simply lengthened and the stage fixing the substrate is moved only in the horizontal direction perpendicular to the long side direction. A method of forming a composite structure is conceivable, but in this method, the aerosol concentration is higher in the central portion than the outer edge portion and the central portion in the long side direction of the rectangular of the outlet opening, and the aerosol is A structure having a uniform film thickness could not be produced because a thick structure was formed on a portion where the concentration of selenium was high and a thin structure was formed on a portion where the concentration of aerosol was low.
[0008]
Alternatively, the composite structure can be obtained by moving the stage fixing the substrate only in the horizontal direction perpendicular to the long side direction using a bundled nozzle in which narrow nozzles disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-23218 are converged. Even when forming, it is possible to form a composite structure with a large area in a short time, but since there is a clearance portion between the nozzles, there are small irregularities on the surface of the structure, and a uniform film thickness The structure of could not be obtained.
[0009]
In the present invention, in view of the above circumstances, when forming a composite structure having a certain relatively large area, a composite structure forming nozzle for forming a structure with a uniform film thickness in a short time, and formation of the composite structure It is an object to provide an apparatus and a composite structure forming method.
[0010]
[Means to solve the problem]
Here, the aerosol deposition method which is a composite structure forming method using the nozzle of the present invention will be described.
When a mechanical impact force is applied to a brittle material (ceramics) that does not have spreadability, the crystal lattice shifts along the cleaved surface such as the interface between crystallites or is crushed. When these phenomena occur, a new surface is formed on the slipping surface or fracture surface, in which atoms originally present inside and bonded as another atom are exposed. The part of the atomic layer on the new surface is exposed to an unstable surface state by an external force from a stable atomic bond state, and the surface energy is high. The active surface joins the adjacent brittle material surface, the newly formed brittle material surface, or the substrate surface, and shifts to a stable state. The addition of continuous mechanical impact force from the outside causes this phenomenon to occur continuously, and the joining is progressed and densified by repeated deformation and crushing of the particles, thereby forming a brittle material structure.
[0011]
An aerosol deposition method is a method in which a brittle material is caused to collide with a substrate with a carrier gas by the mechanical impact.
[0012]
This method has been developed by the gas deposition method.It transports an aerosol in which fine particles of brittle material are dispersed in a gas, and jets and collides with the substrate surface at a high speed to crush and deform the fine particles. An anchor layer is formed and bonded to the interface with the substrate, and the crushed fragment particles are bonded to each other, so that a brittle material structure having good adhesion and high strength is directly formed on the substrate. I can do it.
[0013]
The present invention is not only convenient for the aerosol deposition method, but can also be used for a method of injecting fine particles such as a gas deposition method.
[0014]
Here, a general apparatus configuration of the composite structure manufacturing apparatus will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an apparatus diagram of a composite structure manufacturing apparatus, in which a gas cylinder 11 containing nitrogen is connected to an
[0015]
In addition, a
[0016]
As the shape of the introduction portion of the
[0017]
In one embodiment of the composite structure production nozzle of the present invention, a composite in which an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is collided with a base material to form a structure made of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material. In the nozzle used in the structure forming apparatus, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead-out opening for injecting the aerosol And continuously reducing the dimension in the short side direction from the portion of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the portion in the short side direction of the lead-out opening, Nozzle that continuously increases the dimension in the long side direction from the part of the introduction opening corresponding to the long side direction of the lead-out opening toward the part in the long side direction of the lead-out opening Having an interior shape.
[0018]
In another embodiment of the nozzle for producing a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is collided with a base material to form a structure made of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material. In the nozzle used in the composite structure forming apparatus, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead for injecting the aerosol. The size of the short side direction from the part of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the part of the short side direction of the lead-out opening. In contrast, the position of the lead-out opening is continuously decreased from the position of the lead-in opening corresponding to the long-side direction of the lead-out opening. The long side dimension towards the position with a continuously expanded so it will nozzle internal shape from an arbitrary position of the aerosol passage space of the nozzle body.
[0019]
In another embodiment of the nozzle for producing a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is collided with a base material to form a structure made of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material. In the nozzle used in the composite structure forming apparatus, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead for injecting the aerosol. The size of the short side direction is continuously reduced from the introduction opening portion corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the short side portion of the lead-out opening. , Continuously increasing the dimension in the long side direction from the part of the introduction opening corresponding to the long side direction of the lead-out opening toward the part in the long side direction of the lead-out opening, and Sectional area in a portion including the outlet opening has a constant section. Here, the aerosol passage space can have a shape having a portion in which the cross-sectional area of the space in the plane direction perpendicular to the direction in which the aerosol passes extends from the introduction opening to the lead-out opening.
[0020]
In another embodiment of the nozzle for producing a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is collided with a base material to form a structure made of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material. In the nozzle used in the composite structure forming apparatus, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead for injecting the aerosol. The size of the short side direction from the part of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the part of the short side direction of the lead-out opening. In contrast, the position of the lead-out opening is continuously decreased from the position of the lead-in opening corresponding to the long-side direction of the lead-out opening. Position to continuously expand the long side dimension from an arbitrary position of the aerosol passage space of the nozzle body toward, and cross-sectional area in the portion including the outlet opening has a constant section.
Here, the aerosol passage space can have a shape having a portion in which the cross-sectional area of the space in the plane direction perpendicular to the direction in which the aerosol passes extends from the introduction opening to the lead-out opening.
[0021]
In one embodiment of the composite structure forming apparatus of the present invention, an aerosol generating means and a nozzle for causing the aerosol to collide with the substrate are provided, and the aerosol in which fine particles are dispersed in the gas is the substrate. In the composite structure forming apparatus for forming a structure made of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material, the nozzle introduces the aerosol, the nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, and the aerosol And a rectangular lead-out opening for injecting the aerosol, from a part of the lead-in opening corresponding to the short-side direction of the lead-out opening to a part in the short-side direction of the lead-out opening While the dimension in the short side direction is continuously decreased toward the long side direction, the lead opening from the portion of the lead opening corresponding to the long side direction of the lead opening is reduced. Having a nozzle internal geometry which will continuously expand the long side dimension towards the site of the long-side direction of.
[0022]
In another embodiment of the composite structure forming apparatus of the present invention, an aerosol generation means and at least a nozzle for causing the aerosol to collide with the base material are provided, and the aerosol is dispersed based on an aerosol. In a composite structure forming apparatus that collides with a material and forms a structure composed of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material, the nozzle includes a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, and the aerosol. A portion in the short side direction of the lead-out opening from the portion of the lead-in opening corresponding to the short-side direction of the lead-out opening, which has a lead-in opening for introduction and a rectangular lead-out opening for injecting the aerosol The dimension in the short side direction is continuously decreased from an arbitrary position in the aerosol passage space of the nozzle body toward the The dimension of the long side direction is continuously enlarged from an arbitrary position in the aerosol passage space of the nozzle body from the portion of the introduction opening corresponding to the long side direction of the nozzle toward the long side direction of the outlet opening. Has a nozzle internal shape.
[0023]
In another embodiment of the composite structure forming apparatus of the present invention, an aerosol generation means and at least a nozzle for causing the aerosol to collide with the base material are provided, and the aerosol is dispersed based on an aerosol. In a composite structure forming apparatus that collides with a material and forms a structure composed of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material, the nozzle includes a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, and the aerosol. A portion in the short side direction of the lead-out opening from the portion of the lead-in opening corresponding to the short-side direction of the lead-out opening, which has a lead-in opening for introduction and a rectangular lead-out opening for injecting the aerosol From the portion of the introduction opening corresponding to the long side direction of the outlet opening, the dimension in the short side direction is continuously reduced toward Towards the site of the long-side direction of the mouth continuously expanding the long side dimension and cross-sectional area in the portion including the outlet opening has a constant section.
Here, the aerosol passage space can have a shape having a portion in which the cross-sectional area of the space in the plane direction perpendicular to the direction in which the aerosol passes extends from the introduction opening to the lead-out opening.
[0024]
In another embodiment of the composite structure forming apparatus of the present invention, an aerosol generation means and at least a nozzle for causing the aerosol to collide with the base material are provided, and the aerosol is dispersed based on an aerosol. In a composite structure forming apparatus that collides with a material and forms a structure composed of the constituent material of the fine particles on the surface of the base material, the nozzle includes a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, and the aerosol. A portion in the short side direction of the lead-out opening from the portion of the lead-in opening corresponding to the short-side direction of the lead-out opening, which has a lead-in opening for introduction and a rectangular lead-out opening for injecting the aerosol The dimension in the short side direction is continuously decreased from an arbitrary position in the aerosol passage space of the nozzle body toward the From the position of the introduction opening corresponding to the long-side direction of the nozzle, the dimension in the long-side direction is continuously expanded from an arbitrary position in the aerosol passage space of the nozzle body toward the long-side direction of the outlet opening, The portion including the lead-out opening has a portion having a constant cross-sectional area.
Here, the aerosol passage space can have a shape having a portion in which the cross-sectional area of the space in the plane direction perpendicular to the direction in which the aerosol passes extends from the introduction opening to the lead-out opening.
[0025]
In one embodiment of the method for forming a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is ejected from a nozzle to collide with a base material, and the structure comprising the constituent material of the fine particles on the base material surface In the composite structure forming method, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead-out opening for injecting the aerosol And continuously reducing the dimension in the short side direction from the portion of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the portion in the short side direction of the lead-out opening, A nozzle that continuously expands the dimension in the long side direction from the part of the introduction opening corresponding to the long side direction of the lead-out opening toward the part of the long side direction of the lead-out opening Having a section shape.
[0026]
In another embodiment of the method for forming a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is ejected from a nozzle to collide with a base material, and the structure comprising the constituent material of the fine particles on the base material surface In the composite structure forming method for forming an object, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead for injecting the aerosol The size of the short side direction from the part of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the part of the short side direction of the lead-out opening. In contrast, the position of the lead-out opening is continuously decreased from the position of the lead-in opening corresponding to the long-side direction of the lead-out opening. The long side dimension towards the position with a continuously expanded so it will nozzle internal shape from an arbitrary position of the aerosol passage space of the nozzle body.
[0027]
In another embodiment of the method for forming a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is ejected from a nozzle to collide with a base material, and the structure comprising the constituent material of the fine particles on the base material surface In the composite structure forming method for forming an object, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead for injecting the aerosol The size of the short side direction is continuously reduced from the introduction opening portion corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the short side portion of the lead-out opening. , Continuously increasing the dimension in the long side direction from the part of the introduction opening corresponding to the long side direction of the lead-out opening toward the part in the long side direction of the lead-out opening, and Sectional area in a portion including the output aperture has a constant section.
Here, the aerosol passage space can have a shape having a portion in which the cross-sectional area of the space in the plane direction perpendicular to the direction in which the aerosol passes extends from the introduction opening to the lead-out opening.
[0028]
In another embodiment of the method for forming a composite structure of the present invention, an aerosol in which fine particles are dispersed in a gas is ejected from a nozzle to collide with a base material, and the structure comprising the constituent material of the fine particles on the base material surface In the composite structure forming method for forming an object, the nozzle has a nozzle body having an aerosol passage space through which the aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a rectangular lead for injecting the aerosol The size of the short side direction from the part of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the part of the short side direction of the lead-out opening. In contrast, the position of the lead-out opening is continuously decreased from the position of the lead-in opening corresponding to the long-side direction of the lead-out opening. Position to continuously expand the long side dimension from an arbitrary position of the aerosol passage space of the nozzle body toward, and cross-sectional area in the portion including the outlet opening has a constant section.
Here, the aerosol passage space can have a shape having a portion in which the cross-sectional area of the space in the plane direction perpendicular to the direction in which the aerosol passes extends from the introduction opening to the lead-out opening.
[0029]
In the present invention, in order to produce a structure having a required size in a short time, it is conceivable to increase the range in which a film can be formed at a time. The technique is to reduce the length of the lead-out opening in the short side direction while expanding the length of the lead-out opening to a required length. By taking such an aerosol passage space shape, the range in which a film can be formed at a time is expanded, and a structure can be manufactured in a short time.
[0030]
The reason why the length of the lead-out opening in the long side direction is increased is to increase the film forming range. The reason for reducing the length in the short side direction of the introduction opening is that the area of the rectangular lead opening is larger than the lead opening only by enlarging the long side direction. This is because, when the length in the short side direction is reduced, aerosol having a uniform concentration can be ejected from the outlet opening.
[0031]
Further, a position in which the dimension of the short side direction is decreased from the part of the introduction opening corresponding to the short side direction of the lead-out opening toward the part of the short side direction of the lead-out opening, and the long side direction of the lead-out opening With respect to the position where the dimension in the long side direction is enlarged from the corresponding part of the introduction opening toward the long side direction of the lead-out opening, for example, the properties, weights and particle diameters of fine particles to be aerosolized, or conveyance The gas is continuously changed from an arbitrary position in the aerosol passage space according to various conditions such as the gas type and flow rate.
[0032]
As an aspect of the nozzle in the present invention, the nozzle has a plurality of introduction openings and a single lead-out opening.
[0033]
In the present invention, when the length in the long side direction of the lead-out opening is increased, when the distance between the lead-in opening and the lead-out opening is short, the fine particles do not spread to the outer edge in the long-side direction of the lead-out opening. Although the concentration of the aerosol to be sprayed varies, if the long side dimension of the outlet opening is made the same by providing a plurality of the inlet openings, the distance from the inlet opening to the outlet opening is set to Since it can be shortened compared with what is provided only with one piece, the size of the nozzle can be reduced, and the size of the structure forming chamber of the composite structure manufacturing apparatus can be reduced.
[0034]
In addition, since only one lead-out opening is provided for a plurality of introduction openings, there is no small unevenness corresponding to the introduction portion on the surface of the structure as in the nozzle disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-23218. It is possible to obtain a structure having a uniform film thickness.
[0035]
As an aspect of the nozzle according to the present invention, the aerosol passage space of the nozzle body has a portion in which a cross-sectional area of a space in a plane direction perpendicular to a direction in which the aerosol passes from the introduction opening to the discharge opening decreases. Then, this cross-sectional area is characterized by having a certain part.
[0036]
In the present invention, the nozzle has a portion having a constant cross-sectional area because the fine particles in the portion where the cross-sectional area decreases are scattered in a direction in which the dimension increases in the long side direction of the lead-out opening, and the short of the introduction opening. Since the side direction scatters in the direction of narrowing the dimensions, the concentration of aerosol that collides with the base material changes depending on the fixed angle and shape of the base material, the distance to the nozzle, etc. The fine particles passing through the center in the long side direction of the lead-out opening have a high speed, the speed of the fine particles passing through the outer edge is slow, and the speed of the fine particles ejected from the lead-out opening is not constant. This is because the aerosol is passed through a certain portion, and the direction and speed of scattering of the fine particles are made constant.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 2 shows a
The
In the range from the inlet opening 33 to the
As specific dimensions of this nozzle, it has a rectangular lead-out
4 to 6 show different types of nozzle shapes. In the type shown in FIG. 4, the dimensions of the
In the type shown in FIG. 5, with respect to the
In the type shown in FIG. 6, the
The illustrated example shows an example of implementation, and the shape of the nozzle is not limited to the above.
[0038]
The case where the
[0039]
Next, as another aspect of the present invention, the nozzle shown in FIG. 7 and FIG. 8 is used as the
[0040]
Next, as another aspect of the present invention, the nozzle 51 shown in FIG. 9 is used as the
[0041]
Since the nozzle 51 shown in FIG. 9 has three introduction openings, the
[0042]
Further, since the nozzle 51 widens the groove width from 3.0 mm to 10 mm, compared with the
[0043]
Further, as shown in FIG. 9, the nozzle 51 has one rectangular lead-out
[0044]
The
[0045]
Further, since the nozzles 51 are provided with the
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, when forming a composite structure having a certain relatively large area, a composite structure forming nozzle, a composite structure forming apparatus, and a composite for producing a structure with a uniform film thickness in a short time It is possible to provide a structure forming method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a general configuration of a composite structure manufacturing apparatus that has been conventionally used.
FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration of a nozzle (type 1) according to the present invention.
FIG. 3A is a perspective view of one plate-like member constituting the nozzle (type 1) of the present invention, and FIG. 3B is a sectional view of the passage along the line B-B in FIG. The figure, (c) is a figure which shows the channel | path cross section of the part along CC arrow of (a).
FIG. 4 is a perspective view of one plate-like member constituting the nozzle (type 2) of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of one plate-like member constituting the nozzle (type 3) of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of one plate-like member constituting the nozzle (type 4) of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an overall configuration of a nozzle (type 5) according to the present invention.
FIG. 8 is a perspective view of one plate-like member constituting the nozzle (type 6) of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of one plate-like member constituting the nozzle (type 7) of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Gas cylinder, 12 ... Conveyance pipe, 13 ... Aerosol generator, 14 ... Structure formation chamber, 15 ... Nozzle, 16 ... Base material, 17 ... Base material holder, 18 ... Exhaust pump, 21 ... Sensor device, 22 ... Feedback Control circuit, 23 ... wiring, 31 ... nozzle, 311, 312 ... plate-like member constituting nozzle, 313 ... groove serving as aerosol passage space, 313a, 313b, 313c ... part of groove, 32 ... 10 mm × 0.5 mm Rectangular lead-out opening, 33 ... 3.0 mm x 3.0 mm rectangular lead-in opening, 41 ... nozzle, 42 ... 30 mm x 0.5 mm rectangular lead-out opening, 43 ... 3.0 mm x 3.0 mm rectangular lead opening Introduction opening, 51... Nozzle, 52... 30 mm × 0.5 mm rectangular lead-out opening, 53... 3.0 mm × 3.0 mm rectangular introduction opening.
Claims (31)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002049240A JP3824074B2 (en) | 2002-02-26 | 2002-02-26 | Nozzle for composite structure manufacturing, composite structure manufacturing apparatus, and composite structure manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002049240A JP3824074B2 (en) | 2002-02-26 | 2002-02-26 | Nozzle for composite structure manufacturing, composite structure manufacturing apparatus, and composite structure manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003247080A JP2003247080A (en) | 2003-09-05 |
| JP3824074B2 true JP3824074B2 (en) | 2006-09-20 |
Family
ID=28661804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002049240A Expired - Lifetime JP3824074B2 (en) | 2002-02-26 | 2002-02-26 | Nozzle for composite structure manufacturing, composite structure manufacturing apparatus, and composite structure manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3824074B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050198558A1 (en) * | 2004-02-24 | 2005-09-08 | Chrisop Roy K. | Method and apparatus for proofing a scan job |
| JP4593947B2 (en) * | 2004-03-19 | 2010-12-08 | キヤノン株式会社 | Film forming apparatus and film forming method |
| CN105887081B (en) * | 2016-05-16 | 2018-05-08 | 浙江工业大学 | A kind of lateral powder-feeding nozzle in broadband from the protection of beam powder |
| CN105839103B (en) * | 2016-05-16 | 2018-05-08 | 浙江工业大学 | A kind of window shape ease gas formula broadband powder-feeding nozzle |
| CN115287650B (en) * | 2022-08-09 | 2023-06-30 | 南京辉锐光电科技有限公司 | Paraxial broadband powder feeding cladding nozzle and laser cladding equipment |
-
2002
- 2002-02-26 JP JP2002049240A patent/JP3824074B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003247080A (en) | 2003-09-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2213805C2 (en) | Method of application of coats made from powder materials and device for realization of this method | |
| JP4989859B2 (en) | Cold spray nozzle and cold spray apparatus and method using the same | |
| US7108893B2 (en) | Spray system with combined kinetic spray and thermal spray ability | |
| US20040058064A1 (en) | Spray system with combined kinetic spray and thermal spray ability | |
| US20160024633A1 (en) | Cold Gas Dynamic Spray Apparatus, System and Method | |
| JPH01224063A (en) | Liquid spray apparatus | |
| US20050214474A1 (en) | Kinetic spray nozzle system design | |
| JP3824074B2 (en) | Nozzle for composite structure manufacturing, composite structure manufacturing apparatus, and composite structure manufacturing method | |
| JP4593947B2 (en) | Film forming apparatus and film forming method | |
| JP2018141208A (en) | Supersonic nozzle used for supersonic free jet physical vapor deposition device, method for manufacturing the same, method for designing supersonic nozzle used for supersonic free jet physical vapor deposition device, and computer program | |
| JP4236414B2 (en) | Nozzle for composite structure production | |
| EP1508379A1 (en) | Gas collimator for a kinetic powder spray nozzle | |
| KR102361006B1 (en) | Low-temperature spraying device with large-area uniform deposition performance | |
| Kumar et al. | Numerical simulation and experimental analysis of aerosol deposition: Investigating nozzle effects on particle dynamics and deposition | |
| Akedo et al. | Effect of convergent-divergent nozzle on fine particle velocity in low-pressure induction plasma jet in plasma-assisted aerosol deposition | |
| JP2010133019A (en) | Structure formation apparatus | |
| KR100776194B1 (en) | Cold Spray Nozzles and Cold Spray Devices Using the Same | |
| JP3613255B2 (en) | Deposition equipment | |
| JP6960564B1 (en) | Spray nozzle and thermal spraying device | |
| JP4925520B2 (en) | Composite structure forming nozzle, composite structure forming apparatus, and composite structure forming method | |
| JP2004277826A (en) | Apparatus for forming composite structure | |
| JP2005103377A (en) | Nozzle for making composite structure | |
| JP2006193777A (en) | Apparatus for producing composite structure and nozzle incorporated therein | |
| JP2005046696A (en) | Nozzle for making composite structure | |
| CN118720151B (en) | Vibration gas atomization equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050125 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060615 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060620 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060620 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 3824074 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090707 Year of fee payment: 3 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090707 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100707 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110707 Year of fee payment: 5 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120707 Year of fee payment: 6 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130707 Year of fee payment: 7 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |