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JP7570940B2 - Microparticle manufacturing apparatus, microparticle manufacturing method, and microparticle property control method - Google Patents
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Microparticle manufacturing apparatus, microparticle manufacturing method, and microparticle property control method Download PDF

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Description

本発明は、直流熱プラズマを用いて一度に多量の微粒子を製造するための微粒子製造装置及び微粒子製造方法に関し、特に、生産量を増加させるために原料を大量供給しても、プラズマの状態が長期に安定し、かつ、微粒子の品質も安定して製造される微粒子製造装置及び微粒子製造方法並びに微粒子の物性制御方法に関する。 The present invention relates to a particle manufacturing apparatus and method for manufacturing a large amount of particles at once using DC thermal plasma, and in particular to a particle manufacturing apparatus and method for manufacturing particles that maintain a stable plasma state for a long period of time and produce particles with stable quality, even when a large amount of raw material is supplied to increase production volume, and a method for controlling the physical properties of the particles.

微粒子の一例として、従来、銅粉が導電性ペースト材料として多用されてきた。近年、電気回路などにおいてファインピッチ化が進められるのに伴い、導電性ペースト用の銅粉については微粉化が求められている。 As an example of fine particles, copper powder has traditionally been widely used as a conductive paste material. In recent years, as fine pitches have become more common in electrical circuits, there has been a demand for finer copper powder for use in conductive pastes.

銅粉は、サブミクロンスケールに微粒化するほど、表面酸化が著しくなり圧粉抵抗が高くなる傾向がある。したがって、銅粉をペースト印刷・キュアリングして回路形成した際に導電性が劣るようになり、導通信頼性が要求される部品には回路材料として採用できないという課題を抱えていた。 The finer the copper powder is, to the submicron scale, the more severe the surface oxidation and the higher the pressed powder resistance tends to be. Therefore, when copper powder is used to form a circuit by paste printing and curing, the electrical conductivity becomes poor, and it has been an issue that it cannot be used as a circuit material for components that require reliable electrical continuity.

このような課題を解決するために、特許文献1に開示されるように、本発明者等は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置によって測定される体積累積粒径D50が0.20μm~0.70μmであるという微粒銅粉であるにもかかわらず、当該D50に対する結晶子径の比率(結晶子径/D50)が0.15~0.60(μm/μm)というように結晶子径が大きい微粒子を製造するための方法を開発した。 In order to solve these problems, as disclosed in Patent Document 1, the present inventors developed a method for producing fine particles having a large crystallite diameter, such that the ratio of the crystallite diameter to the volume cumulative particle diameter D50 (crystallite diameter/D50) is 0.15 to 0.60 (μm/μm), even though the fine copper powder has a volume cumulative particle diameter D50 of 0.20 μm to 0.70 μm as measured by a laser diffraction scattering type particle size distribution measuring device.

特開2016-28176号公報JP 2016-28176 A

特許文献1に開示するような微粒子の製造方法では、直流熱プラズマ(以下、「DCプラズマ」ともいう。)が用いられる。直流熱プラズマを用いた方法は、高周波プラズマを用いた方法と比べて、製造コストを安くすることができるが、プラズマの状態を長期的に安定して維持することが難しく、仮に原料の供給が無い状態であっても、プラズマの発光状態が一定になるとは限らず、不安定になってしまうことがある。このため、製造される微粒子の品質を安定させることが難しく、場合によっては、製造を中止しなければならないことがあった。 In the method for producing microparticles as disclosed in Patent Document 1, direct current thermal plasma (hereinafter also referred to as "DC plasma") is used. Compared to methods using high frequency plasma, methods using direct current thermal plasma can reduce production costs, but it is difficult to maintain a stable plasma state over the long term, and even if there is no supply of raw material, the plasma light emission state is not necessarily constant and can become unstable. This makes it difficult to stabilize the quality of the produced microparticles, and in some cases, production has had to be stopped.

また、微粒子の生産量を増加させるために、原料の供給量を増加させると、それにつれて、チャンバー内の温度が低下して不安定となってしまう。このため、微粒子の品質を安定化させるためには、プラズマの出力を増加させることで、チャンバー内の温度を一定に保ちたいが、プラズマの出力を制御するための指標となる温度を簡単に測定するための手段がなく難しい。 In addition, if the supply of raw material is increased to increase the production volume of microparticles, the temperature inside the chamber drops accordingly and becomes unstable. For this reason, in order to stabilize the quality of the microparticles, it is desirable to keep the temperature inside the chamber constant by increasing the plasma output, but this is difficult to achieve because there is no easy way to measure the temperature, which serves as an index for controlling the plasma output.

本発明では、このような現状に鑑み、微粒子の生産量を増加させるために、原料を大量に供給してもプラズマの状態を長期的に安定して維持し、製造される微粒子の品質を安定させることができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法並びに微粒子の物性制御方法を提供することを目的とする。 In view of the current situation, the present invention aims to provide a microparticle manufacturing apparatus, a microparticle manufacturing method, and a method for controlling the physical properties of microparticles that can maintain a stable plasma state for a long period of time even when a large amount of raw material is supplied, and can stabilize the quality of the microparticles manufactured, in order to increase the production volume of microparticles.

本発明は、上述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明は、例えば、以下の態様を含む。 The present invention was invented to solve the problems in the prior art as described above, and includes, for example, the following aspects:

本発明の微粒子製造装置は、チャンバーと、原料供給装置と、プラズマガス供給装置と、DCプラズマトーチと、プラズマ発光解析装置と、制御装置と、を備えた微粒子製造装置であって、
前記微粒子製造装置は、前記プラズマガス供給装置から供給されるプラズマガスに対して、前記DCプラズマトーチによって所定の電圧を印加させることで発生した直流熱プラズマを用いて、前記原料供給装置より供給される原料を加熱することにより前記原料をガス化させて、前記チャンバー内で冷却することによって、微粒子を製造するように構成され、
前記プラズマ発光解析装置は、前記直流熱プラズマの発光を解析するものであり、
前記制御装置は、前記プラズマ発光解析装置により測定された、前記プラズマガス又は前記原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、前記プラズマガスの供給量、プラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するものであることを特徴とする。
The fine particle production apparatus of the present invention is an apparatus for producing fine particles, comprising a chamber, a raw material supply device, a plasma gas supply device, a DC plasma torch, a plasma emission analysis device, and a control device,
the fine particle production apparatus is configured to produce fine particles by heating a raw material supplied from the raw material supply device using a direct current thermal plasma generated by applying a predetermined voltage by the DC plasma torch to the plasma gas supplied from the plasma gas supply device, gasifying the raw material, and cooling the raw material in the chamber;
the plasma emission analysis device analyzes the emission of the DC thermal plasma,
The control device is characterized in that it controls at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material based on the output of wavelength λ resulting from the emission of light from the plasma gas or the raw material measured by the plasma emission analysis device.

また、本発明の微粒子製造方法は、プラズマガスに対して、DCプラズマトーチを用いて所定の電圧を印加することで発生した直流熱プラズマを用いて、原料を加熱することにより前記原料をガス化させた後、冷却することによって、微粒子を製造するにあたり、
前記プラズマガス又は前記原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、前記プラズマガスの供給量、前記DCプラズマトーチのプラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御することを特徴とする。
In addition, the method for producing fine particles of the present invention includes the steps of: applying a predetermined voltage to a plasma gas using a DC plasma torch to generate direct current thermal plasma to heat a raw material, gasifying the raw material, and then cooling the raw material to produce fine particles;
The present invention is characterized in that at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output of the DC plasma torch, and the supply amount of the raw material is controlled based on the output of the wavelength λ resulting from the emission of the plasma gas or the raw material.

また、本発明の微粒子の物性制御方法は、プラズマガスに対して、DCプラズマトーチを用いて所定の電圧を印加することで発生した直流熱プラズマを用いて、原料を加熱することにより前記原料をガス化させた後、冷却することによって、微粒子を製造するにあたり、
前記プラズマガス又は前記原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、前記プラズマガスの供給量、前記DCプラズマトーチのプラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを調整して、微粒子製造時における良好な結果となるよう微粒子の物性(例えば、粒子径、比表面積、細孔径など)を制御することを特徴とする。
In addition, the method for controlling physical properties of fine particles of the present invention includes the steps of: applying a predetermined voltage to a plasma gas using a DC plasma torch to generate direct current thermal plasma to heat a raw material, gasifying the raw material, and then cooling the raw material to produce fine particles,
The method is characterized in that at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output of the DC plasma torch, and the supply amount of the raw material is adjusted based on the output of the wavelength λ resulting from the light emission of the plasma gas or the raw material, thereby controlling the physical properties of the microparticles (e.g., particle size, specific surface area, pore size, etc.) so as to obtain good results during the production of the microparticles.

本発明によれば、原料を大量に供給してもプラズマの状態を長期的に安定して維持することができるため、微粒子の生産量を増加させるために、原料を大量に供給しても、微粒子の品質を安定化させることができる。 According to the present invention, the plasma state can be maintained stably for a long period of time even when a large amount of raw material is supplied, so that the quality of the microparticles can be stabilized even when a large amount of raw material is supplied in order to increase the production volume of the microparticles.

図1は、本実施形態における微粒子製造装置の構成を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a fine particle production apparatus according to the present embodiment. 図2は、プラズマフレームの発光スペクトルの一例を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing an example of an emission spectrum of a plasma flame. 図3は、発光出力に基づく制御の方法を説明するためのグラフである。FIG. 3 is a graph for explaining a method of control based on light emission output. 図4は、発光出力に基づく別の制御の方法を説明するためのグラフである。FIG. 4 is a graph for explaining another control method based on light emission output. 図5は、比表面積SSAとバラツキσ'の関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the specific surface area SSA and the variation σ′. 図6は、具体例におけるバラツキσ'の時間変化を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the change in the variation σ' over time in a specific example. 図7は、出力の時間平均値に基づく制御の方法を説明するためのグラフである。FIG. 7 is a graph for explaining a control method based on a time average value of the output. 図8は、具体例におけるσ'/Bの時間変化を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the change in σ'/B over time in a specific example.

以下、本発明の実施の形態(実施例)を図面に基づいて、より詳細に説明する。
図1は、本実施形態における微粒子製造装置の典型的な構成を説明するための模式図である。
Hereinafter, embodiments (examples) of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a typical configuration of a fine particle production apparatus according to the present embodiment.

図1に示すように、本実施形態の微粒子製造装置10は、チャンバー12と、回収ポット14と、原料供給装置15と、プラズマガス供給装置18と、DCプラズマトーチ20と、プラズマ発光解析装置22と、制御装置30と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the microparticle manufacturing apparatus 10 of this embodiment includes a chamber 12, a collection pot 14, a raw material supply device 15, a plasma gas supply device 18, a DC plasma torch 20, a plasma emission analysis device 22, and a control device 30.

この微粒子製造装置10では、原料は、原料供給装置15から原料供給ノズル17を介してDCプラズマトーチ20内部を通ることになる。なお、本実施形態において、原料供給量調節手段16によって、原料供給装置15からDCプラズマトーチ20内部に供給される原料の供給量を調節するように構成している。 In this microparticle manufacturing apparatus 10, the raw material passes from the raw material supply device 15 through the raw material supply nozzle 17 and into the DC plasma torch 20. In this embodiment, the raw material supply amount adjustment means 16 is configured to adjust the amount of raw material supplied from the raw material supply device 15 to the DC plasma torch 20.

DCプラズマトーチ20には、プラズマガス供給装置18より、例えば、アルゴン(Ar)ガスが供給され、このアルゴンガス(プラズマガス)に対してDCプラズマトーチ20によって所定の電圧を印加することによって、プラズマフレームが発生することになる。その後、窒素(N2)等を混合してもよい。 For example, argon (Ar) gas is supplied to the DC plasma torch 20 from the plasma gas supply device 18, and a plasma flame is generated by applying a predetermined voltage to this argon gas (plasma gas) by the DC plasma torch 20. Nitrogen ( N2 ) or the like may then be mixed in.

また、DCプラズマトーチ20で発生させたプラズマフレーム内で、原料はガス化され、チャンバー12に放出された後、冷却されて微粉末となって回収ポット14内に蓄積回収される。 In addition, the raw material is gasified in the plasma flame generated by the DC plasma torch 20 and released into the chamber 12, where it is cooled and turned into fine powder, which is then stored and collected in the collection pot 14.

チャンバー12の内部は、図示しない圧力調整装置によって原料供給ノズル17よりも相対的に陰圧が保持されるように制御され、プラズマフレームを安定して発生する構造をとっている。なお、チャンバー12の内部は大気圧のままとしておくことも可能である。 The inside of the chamber 12 is controlled by a pressure regulator (not shown) to maintain a negative pressure relative to the raw material supply nozzle 17, and is designed to stably generate a plasma flame. It is also possible to keep the inside of the chamber 12 at atmospheric pressure.

本実施形態の微粒子製造装置10では、チャンバー12に観察窓13が設けられており、この観察窓13を介して、プラズマフレームの発光をプラズマ発光解析装置22によって観察するように構成される。 In the microparticle manufacturing device 10 of this embodiment, an observation window 13 is provided in the chamber 12, and the light emission from the plasma flame is observed through this observation window 13 by the plasma light emission analyzer 22.

プラズマ発光解析装置22は、コリメートレンズ23と、光ファイバ24と、分光器25と、スペクトル処理部26と、を備えている。
分光器25は、コリメートレンズ23及び光ファイバ24を介して、プラズマフレームの発光が入力されると、この発光の電磁波スペクトル(発光スペクトル)を測定する。ここで、想定する電磁波は特に限定されるものではないが、例えば、波長域として200nm以上4000nm以下が挙げられ、特に200nm以上1700nm以下が挙げられる。測定された発光スペクトルは、スペクトル処理部26に送られ、スペクトル処理部26において、後述するように、所定の波長における出力を取得し、これを制御装置30に送信する。
The plasma emission analyzer 22 includes a collimator lens 23 , an optical fiber 24 , a spectroscope 25 , and a spectrum processing unit 26 .
When the light emitted from the plasma flame is input to the spectroscope 25 via the collimator lens 23 and the optical fiber 24, the spectroscope 25 measures the electromagnetic wave spectrum (emission spectrum) of this light emission. Here, the electromagnetic waves assumed are not particularly limited, but examples of the wavelength range include 200 nm to 4000 nm, and particularly 200 nm to 1700 nm. The measured emission spectrum is sent to the spectrum processing unit 26, which obtains an output at a predetermined wavelength as described below and transmits this to the control device 30.

制御装置30は、スペクトル処理部26から送られてくる所定の波長における出力に基づいて、プラズマガス供給装置18によるプラズマガスの供給量(ガス流量)、DCプラズマトーチ20の出力、原料供給装置15による原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するように構成される。 The control device 30 is configured to control at least one of the amount of plasma gas supplied by the plasma gas supply device 18 (gas flow rate), the output of the DC plasma torch 20, and the amount of raw material supplied by the raw material supply device 15, based on the output at a specified wavelength sent from the spectral processing unit 26.

このような微粒子製造装置10において用いられる原料としては、製造したい微粒子に応じて適宜選択されるものであって、特に限定されるものではないが、例えば、Cu、Si、Ni、Ti、Fe、Co、Cr、Mg、Mn、Mo、W、Ta、In、Zr、Nb、B、Ge、Sn、Zn、Bi、Agなどから選ばれる少なくとも1種の元素成分を含有するものとすることができる。 The raw materials used in such a microparticle manufacturing device 10 are appropriately selected depending on the microparticles to be manufactured, and are not particularly limited, but may contain at least one element component selected from, for example, Cu, Si, Ni, Ti, Fe, Co, Cr, Mg, Mn, Mo, W, Ta, In, Zr, Nb, B, Ge, Sn, Zn, Bi, Ag, etc.

また、微粒子製造装置10において用いられる原料としては、線状、粉末状、溶液状、スラリー状のもの等が挙げられる。以下、粉末状の原料を用いた場合を例に取って説明する。 The raw materials used in the microparticle manufacturing device 10 may be in the form of wires, powder, solution, slurry, etc. Below, we will explain the case where a powdered raw material is used as an example.

このような原料粉は、製造上の観点から、体積累積粒径D50が3.0μm以上30μm以下であることが好ましく、特に、5.0μm以上15μm以下であることが好ましい。なお、体積累積粒径D50は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置によって測定することができる。 From a manufacturing standpoint, it is preferable that such raw material powder has a volume cumulative particle size D50 of 3.0 μm or more and 30 μm or less, and particularly 5.0 μm or more and 15 μm or less. The volume cumulative particle size D50 can be measured using a laser diffraction scattering type particle size distribution measuring device.

また、原料粉の形状は、例えば、樹枝状、棒状、フレーク状、キュービック状、もしくは、球状乃至略球状などが挙げられるが、特に制限されるものではない。但し、プラズマトーチへの供給効率を安定化する観点からは、球状乃至略球状であるのが好ましい。 The shape of the raw material powder may be, for example, dendritic, rod-like, flake-like, cubic, or spherical or nearly spherical, but is not particularly limited. However, from the viewpoint of stabilizing the supply efficiency to the plasma torch, a spherical or nearly spherical shape is preferable.

微粒子製造装置10を使用して原料粉を加熱する際、プラズマガスとして、アルゴンと窒素の混合ガスを使用すると共に、プラズマフレームが層流状態で太く長くなるように調整することが好ましい。このように調整すれば、投入した原料粉は、プラズマ炎中で瞬時にガス化し、プラズマフレーム内で十分なエネルギーを供給することができるため、プラズマ尾炎部に向って核形成、凝集及び凝縮が生じて微粒子、中でもサブミクロンオーダーの微粒子を形成することができる。 When using the microparticle manufacturing device 10 to heat the raw material powder, it is preferable to use a mixture of argon and nitrogen gas as the plasma gas and adjust the plasma frame so that it is thick and long in a laminar flow state. By adjusting it in this way, the raw material powder that is fed is instantly gasified in the plasma flame, and sufficient energy can be supplied within the plasma flame, causing nucleation, aggregation, and condensation toward the plasma tail flame to form fine particles, especially fine particles on the submicron order.

上述するプラズマフレームが層流状態であるか否かは、プラズマフレームを、フレーム幅が最も太く観察される側面から観察したときに、フレーム幅に対するフレーム長さの縦横比(以下、「フレームアスペクト比」と呼ぶ。)が3以上であるか否かによって判断することができる。具体的には、フレームアスペクト比が3以上であれば層流状態であると判断することができ、一方で、フレームアスペクト比が3未満であれば乱流状態であると判断することができる。 Whether the plasma frame is in a laminar flow state can be determined by whether the aspect ratio of the frame length to the frame width (hereinafter referred to as the "frame aspect ratio") is 3 or greater when the plasma frame is observed from the side where the frame width is widest. Specifically, if the frame aspect ratio is 3 or greater, it can be determined that the plasma frame is in a laminar flow state, whereas if the frame aspect ratio is less than 3, it can be determined that the plasma frame is in a turbulent flow state.

熱プラズマを発生させる動作ガスとしてのプラズマガスは、アルゴン、水素、窒素、ヘリウムなどが挙げられ、その中でも、上述のようにアルゴンと窒素の混合ガスを使用するのが好ましい。 Plasma gases used as working gases to generate thermal plasma include argon, hydrogen, nitrogen, helium, etc., and among these, it is preferable to use a mixed gas of argon and nitrogen as described above.

ここで、アルゴンガスと窒素ガスとを混合したガスを使用すると、窒素(2原子分子)ガスにより、より大きな振動エネルギー(熱エネルギー)を原料粉粒子に付与することができ、凝集状態を均一にできるため、粒度分布がよりシャープなナノ微粒子を得ることができる。 Here, if a mixture of argon gas and nitrogen gas is used, the nitrogen (diatomic molecule) gas can impart greater vibrational energy (thermal energy) to the raw powder particles, making the agglomeration state uniform, resulting in the production of nanoparticles with a sharper particle size distribution.

プラズマガスにおけるアルゴンと窒素の割合は流量比で99:1~10:90であるのが好ましく、中でも95:5~60:40、その中でも95:5~80:20であるのがさらに好ましい。窒素の含有量をこのような範囲とすることで、プラズマフレームが減退することを防止し、粒度分布のシャープな粉体が得られやすくなる。 The ratio of argon to nitrogen in the plasma gas is preferably 99:1 to 10:90 in terms of flow rate, more preferably 95:5 to 60:40, and even more preferably 95:5 to 80:20. By keeping the nitrogen content in this range, it is possible to prevent the plasma flame from weakening, and it becomes easier to obtain powder with a sharp particle size distribution.

また、粒度分布をシャープなものとする、言い換えれば、製造される微粒子の(D90-D10)/D50をより小さくする観点からは、アルゴンと窒素の割合は、流量比で99:1~50:50、中でも95:5~50:50のように、窒素よりもアルゴンの流量の方が多い比率内で調整するのが好ましい。 In addition, from the viewpoint of making the particle size distribution sharp, in other words, making the (D90-D10)/D50 of the produced microparticles smaller, it is preferable to adjust the ratio of argon to nitrogen in terms of flow rate ratio between 99:1 and 50:50, and especially between 95:5 and 50:50, so that the flow rate of argon is higher than that of nitrogen.

なお、微粒子として酸化物を製造する場合には、プラズマガスに酸素を含有させることもできる。酸素の含有量は、製造する酸化物微粒子によって、適宜設定することが好ましい。 When producing oxide particles, oxygen can be added to the plasma gas. It is preferable to set the oxygen content appropriately depending on the oxide particles to be produced.

ここで、微粒子のD10、D50、D90は、それぞれ、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定して得られる体積基準粒度分布によるD10、D50、D90である。また、微粒子の(D90-D10)/D50は、粒子分布のシャープさを示す指標となるものである。 Here, D10, D50, and D90 of the fine particles are respectively D10, D50, and D90 based on the volume-based particle size distribution obtained by measuring using a laser diffraction scattering particle size distribution measurement method. In addition, (D90-D10)/D50 of the fine particles is an index showing the sharpness of the particle distribution.

このように構成される本実施形態の微粒子製造装置10では、制御装置30は、以下のようにして、プラズマガス供給装置18、DCプラズマトーチ20及び原料供給装置15の制御を行う。 In the microparticle manufacturing apparatus 10 of this embodiment configured as described above, the control device 30 controls the plasma gas supply device 18, the DC plasma torch 20, and the raw material supply device 15 as follows.

本実施形態において、プラズマガス供給装置18は、DCプラズマトーチ20へ供給するプラズマガスの流量を調節するためのガス流量調節手段19を有する。また、DCプラズマトーチ20は、プラズマ出力を調節するためのプラズマ出力調節手段21を有する。また、原料供給装置15は、原料供給量を調節するための原料供給量調節手段16を有する。なお、本発明において「プラズマ出力」とは、電流の出力であってもよいし、電圧の出力であってもよいし、また、電流及び電圧の積である電力の大きさであってもよい。 In this embodiment, the plasma gas supply device 18 has a gas flow rate adjustment means 19 for adjusting the flow rate of the plasma gas supplied to the DC plasma torch 20. The DC plasma torch 20 also has a plasma output adjustment means 21 for adjusting the plasma output. The raw material supply device 15 also has a raw material supply amount adjustment means 16 for adjusting the amount of raw material supplied. In the present invention, the "plasma output" may be the output of current, the output of voltage, or the magnitude of power, which is the product of the current and the voltage.

原料供給量調節手段16、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21は、制御装置30と接続されており、制御装置30によって、プラズマガス供給装置18からDCプラズマトーチ20へ供給されるプラズマガスの流量、DCプラズマトーチ20のプラズマ出力、原料供給装置15から供給される原料の供給量のうち少なくともいずれかがそれぞれ調節される。 The raw material supply amount adjustment means 16, the gas flow rate adjustment means 19, and the plasma output adjustment means 21 are connected to a control device 30, which adjusts at least one of the flow rate of the plasma gas supplied from the plasma gas supply device 18 to the DC plasma torch 20, the plasma output of the DC plasma torch 20, and the amount of raw material supplied from the raw material supply device 15.

微粒子製造装置10により、微粒子を製造する際には、制御装置30により、ガス流量調節手段19及びプラズマ出力調節手段21を制御することにより、プラズマガス供給装置18から所定量のプラズマガスをDCプラズマトーチ20へ供給するとともに、DCプラズマトーチ20を所定のプラズマ出力とすることによって、プラズマフレームを発生させる。 When producing microparticles using the microparticle production device 10, the control device 30 controls the gas flow rate adjustment means 19 and the plasma output adjustment means 21 to supply a predetermined amount of plasma gas from the plasma gas supply device 18 to the DC plasma torch 20, and the DC plasma torch 20 is set to a predetermined plasma output to generate a plasma flame.

プラズマフレームが層流状態で太く長くなるようにするためには、プラズマ出力は2kW~40kWであるのが好ましく、中でも4kW~15kWであるのがさらに好ましい。また、プラズマガスのガス流量は、上述の観点から、0.1L/分~20L/分であるのが好ましく、中でも0.5L/分~18L/分であるのがさらに好ましい。 To ensure that the plasma flame is thick and long in a laminar flow state, the plasma output is preferably 2 kW to 40 kW, and more preferably 4 kW to 15 kW. From the above viewpoint, the gas flow rate of the plasma gas is preferably 0.1 L/min to 20 L/min, and more preferably 0.5 L/min to 18 L/min.

さらには、プラズマフレームを層流状態に安定的に保つには、上述のプラズマ出力、ガス流量の範囲を保ち、かつプラズマ出力(A)に対するガス流量を適正に保つことが好ましい。例えば、プラズマガスとしてアルゴンと窒素の混合ガスを用いる場合には、Arガス流量(B)とN2ガス流量(C)の和の比、計算式(B+C)/Aで算出した値(単位:L/(分・kW))が、0.50~2.00とするのがより好ましい。原料粉のガス化に必要な流速を得るためには(B+C)/A値が0.50以上とするのが好ましく、プラズマフレームを層流で安定した状態を保持するには2.00以下とするのが好ましい。
かかる観点から、(B+C)/Aが、0.70~1.70となるように調節するのが特に好ましく、その中でも0.75~1.50となるように調節するのがさらに好ましい。
Furthermore, in order to stably maintain the plasma flame in a laminar flow state, it is preferable to maintain the above-mentioned ranges of plasma output and gas flow rate, and to properly maintain the gas flow rate relative to the plasma output (A). For example, when a mixed gas of argon and nitrogen is used as the plasma gas, it is more preferable that the ratio of the sum of the Ar gas flow rate (B) and the N2 gas flow rate (C), the value calculated by the formula (B+C)/A (unit: L/(min·kW)), is 0.50 to 2.00. In order to obtain the flow rate required for gasifying the raw material powder, the (B+C)/A value is preferably 0.50 or more, and in order to maintain the plasma flame in a stable laminar flow state, it is preferably 2.00 or less.
From this viewpoint, it is particularly preferable to adjust (B+C)/A to be 0.70 to 1.70, and even more preferable to adjust it to be 0.75 to 1.50.

この状態で、原料供給装置15から原料供給ノズル17を介してプラズマフレームに原料粉を供給することによって、原料粉はガス化され、チャンバー12に放出された後、冷却されて微粒子となって回収ポット14内に蓄積回収される。 In this state, raw material powder is supplied to the plasma flame from the raw material supply device 15 via the raw material supply nozzle 17, where it is gasified and released into the chamber 12, after which it is cooled and turned into fine particles that are stored and collected in the collection pot 14.

このように微粒子を製造する際に、プラズマ発光解析装置22によって、プラズマフレームの状態を解析する。そして、プラズマフレームの発光スペクトルにおいて、プラズマガス又は原料の発光に由来する波長の出力に基づき、制御装置30によって、プラズマガス供給装置18からDCプラズマトーチ20へ供給されるプラズマガスの流量、DCプラズマトーチ20のプラズマ出力、原料供給装置15から供給される原料の供給量のうち少なくともいずれかを調節する。 When producing microparticles in this manner, the state of the plasma flame is analyzed by the plasma emission analyzer 22. Then, based on the output of the wavelengths resulting from the emission of the plasma gas or raw material in the emission spectrum of the plasma flame, the control device 30 adjusts at least one of the flow rate of the plasma gas supplied from the plasma gas supply device 18 to the DC plasma torch 20, the plasma output of the DC plasma torch 20, and the supply amount of raw material supplied from the raw material supply device 15.

なお、プラズマガスの発光に由来する波長λは、原料が供給されていない状態におけるプラズマフレームの発光スペクトルにより判断することができる。例えば、発光スペクトルが図2(a)に示すような場合、プラズマガスの発光に由来する波長λ(スペクトルの中心波長)は、波長λ1であると特定することができる。 The wavelength λ originating from the emission of the plasma gas can be determined from the emission spectrum of the plasma flame when no raw material is being supplied. For example, when the emission spectrum is as shown in Figure 2(a), the wavelength λ originating from the emission of the plasma gas (the central wavelength of the spectrum) can be identified as wavelength λ1 .

また、原料の発光に由来する波長λは、原料をDCプラズマトーチ20へ供給した直後のプラズマフレームの発光スペクトルにより判断することができる。例えば、発光スペクトルが図2(b)に示すように現れた場合、原料の発光に由来する波長λ(スペクトルの中心波長)は、波長λ2であると特定することができる。 Moreover, the wavelength λ originating from the emission of the raw material can be determined from the emission spectrum of the plasma flame immediately after the raw material is supplied to the DC plasma torch 20. For example, when the emission spectrum appears as shown in Fig. 2(b), the wavelength λ originating from the emission of the raw material (the central wavelength of the spectrum) can be identified as wavelength λ2 .

このように特定されたプラズマガス又は原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、以下のようにプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量の制御を行うことができる。なお、以下の実施例では、プラズマガス又は原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量の制御を行う一例を挙げる。 Based on the output of the wavelength λ resulting from the emission of the plasma gas or raw material thus identified, the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material can be controlled as follows. Note that the following embodiment shows an example of controlling the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material based on the output of the wavelength λ resulting from the emission of the plasma gas or raw material.

なお、プラズマガスの発光に由来する波長λ1の出力に基づき制御を行うか、原料の発光に由来する波長λ2の出力に基づき制御を行うかは、後述するような微粒子の特性との相関を考慮して、適宜選択することができる。 In addition, whether to control based on the output of the wavelength λ1 derived from the emission of the plasma gas or based on the output of the wavelength λ2 derived from the emission of the raw material can be appropriately selected in consideration of the correlation with the characteristics of the fine particles as described later.

なお、波長λの出力としては、分光器25から出力された値をそのまま用いてもよいが、この値を時間に対する微分を行った微分値や、時間に対する2次微分を行った2次微分値などを用いてもよい。このような微分値や2次微分値を用いることによって、波長λの出力の時間変化がより顕著となる。なお、1次微分、2次微分に限らず、より高次(3次、4次など)の微分を行っても構わない。また、分光器25から出力された値を波長に対する微分を行った微分値や、波長に対する2次微分を行った2次微分値などを用いてもよい。また、波長λの出力を、別の波長λ’の出力で割ることで規格化した値を用いてもよい。なお、このような波長λ’の出力は、波長λを出力した時間と同一の時間における出力としてもよいし、また、例えば、原料を供給する前における初期の出力としてもよい。また、これらの値を時間に対して移動平均した値を用いてもよい。本明細書においては、このような微分値や規格化した値を含めて「波長λの出力」と呼ぶ。 As the output of the wavelength λ, the value output from the spectrometer 25 may be used as it is, but a differential value obtained by differentiating this value with respect to time, or a second-order differential value obtained by second-order differentiation with respect to time, may also be used. By using such a differential value or second-order differential value, the time change of the output of the wavelength λ becomes more noticeable. It is not limited to a first-order or second-order differential, but it is also possible to perform a higher-order differentiation (third-order, fourth-order, etc.). It is also possible to use a differential value obtained by differentiating the value output from the spectrometer 25 with respect to wavelength, or a second-order differential value obtained by second-order differentiation with respect to wavelength. It is also possible to use a value normalized by dividing the output of the wavelength λ by the output of another wavelength λ'. It is also possible to use such an output of the wavelength λ' at the same time as the time when the wavelength λ is output, or, for example, an initial output before the raw material is supplied. It is also possible to use a value obtained by moving average these values with respect to time. In this specification, such differential values and normalized values are collectively referred to as the "output of the wavelength λ".

(1)発光出力に基づく制御
制御装置30によって、波長λの出力が、事前に設定された出力閾値を超えた場合に、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を増減させることで、発光出力が出力閾値に収まるように制御を行う。
(1) Control Based on Light Emission Output When the output of wavelength λ exceeds a preset output threshold, the control device 30 controls the light emission output to fall within the output threshold by increasing or decreasing the flow rate of plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material.

ここで、出力閾値としては、例えば、微粒子の製造を複数回行って得られた波長λの出力の時間変化(以下、「出力Y(t)」と呼ぶ。なお、tは時間を表す。)から、良好な結果が得られたときの出力Y(t)を任意に複数選択する。そして、N個(Nは2以上の自然数)のYi(t)(iは1~Nの自然数)から、下記式(1)のように、平均値A(t)を算出する。 Here, as the output threshold, for example, multiple outputs Y(t) at which good results are obtained are arbitrarily selected from the time change in the output of wavelength λ obtained by manufacturing microparticles multiple times (hereinafter referred to as "output Y(t)", where t represents time). Then, from N (N is a natural number of 2 or more) Yi(t) (i is a natural number from 1 to N), the average value A(t) is calculated as shown in the following formula (1).

Figure 0007570940000001
Figure 0007570940000001

そして、この平均値A(t)から、下記式(2)のように、微粒子の製造を複数回行うことにより得られる出力のバラツキσ(t)を算出する。 Then, from this average value A(t), the output variation σ(t) obtained by manufacturing the microparticles multiple times is calculated as shown in the following formula (2).

Figure 0007570940000002
Figure 0007570940000002

このように算出したバラツキσ(t)に基づき、A(t)±n×σ(t)(nは自然数)を出力閾値として設定することができる。なお、nは、特に限定されるものではないが、3~6とすることが好ましい。 Based on the variation σ(t) calculated in this way, A(t)±n×σ(t) (n is a natural number) can be set as the output threshold. Note that n is not particularly limited, but is preferably set to 3 to 6.

なお、微粒子の製造を行った際の「良好な結果」とは、例えば、微粒子の製造継続時間や、製造された微粒子の特性によって判断することができる。微粒子の特性としては、特に限定されるものではないが、例えば、画像解析粒径DSEM、レーザー回折散乱式粒度D10、D50、D90やこれらから算出される微粒子の(D90-D10)/D50、O2やN2などの元素含有量、X線回折結晶子径、比表面積SSAなどを挙げることができる。 In addition, the "good result" when producing microparticles can be judged, for example, by the duration of production of the microparticles and the characteristics of the produced microparticles. The characteristics of the microparticles are not particularly limited, but may include, for example, image analysis particle size D SEM , laser diffraction scattering particle size D10, D50, D90, and (D90-D10)/D50 of the microparticles calculated from these, element contents such as O 2 and N 2 , X-ray diffraction crystallite size, and specific surface area SSA.

また、プラズマガスの流量と波長λの出力との相関、プラズマ出力と波長λの出力との相関、原料の供給量と波長λの出力との相関は、原料の種類、プラズマガスの種類、装置構成などによって変わってくる。このため、波長λの出力が出力閾値を超えた場合に、どのような制御を行うかは、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量が、波長λの出力とそれぞれどのような相関を有するかを試験によって把握しておく必要がある。 The correlation between the plasma gas flow rate and the output of wavelength λ, the correlation between plasma output and the output of wavelength λ, and the correlation between the supply amount of raw material and the output of wavelength λ vary depending on the type of raw material, the type of plasma gas, the device configuration, etc. Therefore, in order to determine what control should be performed when the output of wavelength λ exceeds the output threshold, it is necessary to determine through testing what correlation the plasma gas flow rate, plasma output, and supply amount of raw material each have with the output of wavelength λ.

例えば、出力閾値をA(t)±3σ(t)に設定した場合には、図3(a)に示すように、波長λの出力が出力閾値A(t)+3σ(t)を超えた場合には、制御装置30は、波長λの出力が減少するように、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21、原料供給量調節手段16によってプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御する。これによって、波長λの出力は、出力閾値に収まるように推移する。 For example, if the output threshold is set to A(t) ±3σ(t), as shown in FIG. 3(a), when the output of wavelength λ exceeds the output threshold A(t) + 3σ(t), the control device 30 controls the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply amount using the gas flow rate adjustment means 19, plasma output adjustment means 21, and raw material supply amount adjustment means 16 so that the output of wavelength λ decreases. This causes the output of wavelength λ to stay within the output threshold.

一方で、図3(b)に示すように、波長λの出力が出力閾値A(t)-3σ(t)を超えた場合には、制御装置30は、波長λの出力が増加するように、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21、原料供給量調節手段16によってプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御する。これによって、波長λの出力は、出力閾値に収まるように推移する。 On the other hand, as shown in FIG. 3(b), when the output of wavelength λ exceeds the output threshold A(t)-3σ(t), the control device 30 controls the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply rate using the gas flow rate adjustment means 19, plasma output adjustment means 21, and raw material supply rate adjustment means 16 so that the output of wavelength λ increases. This causes the output of wavelength λ to stay within the output threshold.

このように、波長λの出力が、出力閾値に収まるように、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御することによって、プラズマの状態を安定させることができるため、途中で微粒子の製造が中止されて生産性が低下することがなくなり、また、製造される微粒子の品質も安定させることができる。 In this way, by controlling at least one of the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply amount so that the output of wavelength λ falls within the output threshold, the plasma state can be stabilized, preventing the production of microparticles from being stopped midway and reducing productivity, and also stabilizing the quality of the microparticles produced.

なお、上述した例では、バラツキを時間関数σ(t)として用いているが、バラツキσ(t)の時間平均を用いてもよい。すなわち、バラツキσ(t)を時間で平均した値(バラツキσ)を用いて、A(t)±m×σ(mは自然数)のように設定することができる。なお、mは、特に限定されるものではないが、3~6とすることが好ましい。 In the above example, the variation is used as a function of time σ(t), but the time average of the variation σ(t) may also be used. In other words, the variation σ(t) can be averaged over time (variation σ) and set as A(t) ±m × σ (m is a natural number). Note that m is not particularly limited, but is preferably set to 3 to 6.

また、出力閾値としては、一定値とすることもできる。一定値としては、上述するような平均値A(t)やバラツキσ(t)などを参考に、任意に設定することができる。例えば、微粒子の製造を複数回行って得られた波長λの出力Y(t)から、良好な結果が得られたときの出力Y(t)を複数選択し、それらの出力Y(t)が収まるように出力閾値を設定することができる。 The output threshold can also be a constant value. The constant value can be set arbitrarily with reference to the average value A(t) and the variation σ(t) described above. For example, from the outputs Y(t) of wavelength λ obtained by manufacturing microparticles multiple times, multiple outputs Y(t) when good results are obtained can be selected, and the output threshold can be set so that these outputs Y(t) fall within them.

このように出力閾値を設定した場合には、例えば、図4(a)に示すように、波長λの出力が、上限の出力閾値を超えた場合には、制御装置30は、波長λの出力が減少するように、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21、原料供給量調節手段16によってプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御する。これによって、波長λの出力は、出力閾値に収まるように推移する。 When the output threshold is set in this manner, for example as shown in FIG. 4(a), if the output of wavelength λ exceeds the upper output threshold, the control device 30 controls the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply amount using the gas flow rate adjustment means 19, plasma output adjustment means 21, and raw material supply amount adjustment means 16 so that the output of wavelength λ decreases. This causes the output of wavelength λ to stay within the output threshold.

一方で、図4(b)に示すように、波長λの出力が、下限の出力閾値を超えた場合には、制御装置30は、波長λの出力が増加するように、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21、原料供給量調節手段16によってプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御する。これによって、波長λの出力は、出力閾値に収まるように推移する。 On the other hand, as shown in FIG. 4(b), when the output of wavelength λ exceeds the lower output threshold, the control device 30 controls the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material by the gas flow rate adjustment means 19, the plasma output adjustment means 21, and the raw material supply amount adjustment means 16 so that the output of wavelength λ increases. As a result, the output of wavelength λ transitions to fall within the output threshold.

なお、このような制御を行う場合、微粒子の製造開始直後(原料の供給直後)は、波長λの出力のバラツキが大きくなる傾向があるため、所定の判定開始時刻を設定し、この判定開始時刻を経過してから、上述するような制御を始めるように、制御装置30を構成することが好ましい。 When performing such control, since there is a tendency for the output of wavelength λ to vary significantly immediately after the start of microparticle production (immediately after the raw material is supplied), it is preferable to configure the control device 30 so that a predetermined judgment start time is set and the above-described control begins after this judgment start time has passed.

(2)出力のバラツキσ'に基づく制御
制御装置30によって、波長λの出力Y(t)を一定時間毎に取得し、この出力Y(t)の時間変化のバラツキσ'(t)が、事前に設定されたバラツキ閾値を超えた場合に、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を増減させることで、バラツキσ'(t)がバラツキ閾値に収まるように制御を行う。
(2) Control based on output variation σ' The control device 30 acquires the output Y(t) of wavelength λ at regular time intervals, and when the variation σ'(t) of the time change of this output Y(t) exceeds a preset variation threshold, the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material are increased or decreased to control the variation σ'(t) to fall within the variation threshold.

具体的には、バラツキσ'(t)は、時刻tjにおける波長λの出力Y(tj)と、時刻tj-1(tj>tj-1)における波長λの出力Y(tj-1)とから、下記式(3)のように、出力の差ΔY(tj)を算出する。 Specifically, the variation σ'(t) is calculated by calculating the output difference ΔY(t j ) from the output Y(t j ) of wavelength λ at time t j and the output Y(t j-1 ) of wavelength λ at time t j-1 (t j > t j-1 ) as shown in the following equation (3).

Figure 0007570940000003
Figure 0007570940000003

このような出力の差ΔY(tj)を、所定の時間(判定時間)内において複数算出する。そしてM個(Mは2以上の自然数)のΔY(tj)(jは1~Mの自然数)から、標準偏差を算出し、この標準偏差をバラツキσ'(t)とする。 Such output differences ΔY(t j ) are calculated multiple times within a predetermined time (judgment time).Then, the standard deviation is calculated from M (M is a natural number of 2 or more) ΔY(t j ) (j is a natural number from 1 to M), and this standard deviation is set as the variation σ'(t).

このように算出されたバラツキσ'(t)が、バラツキ閾値に収まるように、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御することによって、プラズマの状態を安定させることができ、製造される微粒子の品質も安定させることができる。 By controlling the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply amount so that the variation σ'(t) calculated in this manner falls within the variation threshold, the plasma state can be stabilized, and the quality of the produced microparticles can also be stabilized.

ここで、バラツキ閾値は、バラツキσ'と相関を有する、微粒子の製造継続時間や、微粒子の特性に基づき設定することができる。例えば、事前に、バラツキσ'と微粒子の特性との関係を取得しておき、相関を有する微粒子の特性について利用することができる。このような出力のバラツキσ'と微粒子の特性との関係性は、微粒子の原料の種類などによって異なってくる。 The variation threshold can be set based on the duration of microparticle production and the characteristics of the microparticles, which are correlated with the variation σ'. For example, the relationship between the variation σ' and the characteristics of the microparticles can be obtained in advance and used for the correlated characteristics of the microparticles. Such a relationship between the output variation σ' and the characteristics of the microparticles will differ depending on factors such as the type of raw material used for the microparticles.

図5は、原料としてCuの粉体を用いて微粒子を製造した際の、微粒子製造時間全域におけるプラズマガスの波長λ1の出力のバラツキσ'と、製造された微粒子のSSAとの関係を示すグラフである。なお、ここで、SSAは、微粒子製造時間全域における平均値である。図5に示すように、原料粉としてCuを用いた場合には、バラツキσ'と、微粒子のSSAとには相関を有する。図5に示すバラツキσ'と、微粒子のSSAの近似式は、σ'=187×(SSA)-437.61、相関係数R2は、0.7624であった。 Fig. 5 is a graph showing the relationship between the variation σ' in the output of the plasma gas at wavelength λ 1 over the entire microparticle production time when microparticles are produced using Cu powder as a raw material, and the SSA of the produced microparticles. Here, SSA is the average value over the entire microparticle production time. As shown in Fig. 5, when Cu is used as the raw material powder, there is a correlation between the variation σ' and the SSA of the microparticles. The approximate equation of the variation σ' and the SSA of the microparticles shown in Fig. 5 is σ' = 187 x (SSA) - 437.61, and the correlation coefficient R2 is 0.7624.

なお、本実施例においては、バラツキσ'及びSSAの平均値について、微粒子製造時間全域において算出したが、両者の時間域が同じであれば、微粒子製造時間全域でなくとも、それよりも短い所定の時間域において算出してもよい。 In this embodiment, the average values of the variation σ' and SSA were calculated over the entire microparticle production time, but as long as the time ranges for both are the same, they may be calculated over a specified time range that is shorter than the entire microparticle production time.

SSAは、小さい方が好ましいことが知られている。このため、SSAの上限を任意に設定し、このときのバラツキσ'を、バラツキ閾値の基準に設定することで、SSAが上限を超えないような微粒子の製造が可能となる。 It is known that a smaller SSA is preferable. For this reason, by arbitrarily setting the upper limit of SSA and setting the variation σ' at this point as the standard variation threshold, it becomes possible to manufacture microparticles whose SSA does not exceed the upper limit.

なお、本実施例においては、SSAの上限のみを設定しているが、必要に応じてSSAの下限を設定することもできる。また、このような閾値は、SSAに限らず、他の微粒子の特性に関しても、上限と下限を必要に応じて設定することができる。 In this embodiment, only the upper limit of SSA is set, but the lower limit of SSA can also be set as necessary. Furthermore, such thresholds are not limited to SSA, and upper and lower limits can also be set as necessary for other particle characteristics.

(具体例)
波長λの出力Y(t)を1秒ごとに取得し、ΔY(tj)を算出した。判定時間を300秒として、バラツキσ'(t)を算出した。なお、判定開始は300秒経過後とした。
すなわち、301秒の波長λの出力Y(301)から600秒までの波長λの出力Y(600)に基づき、バラツキσ'(600)を算出する。これを、波長λの出力Y(t)の取得タイミング毎に算出することにより、微粒子製造開始から終了までのバラツキσ'(t)を取得した。これを7回実施した。結果を図6に示す。
(Specific example)
The output Y(t) of the wavelength λ was obtained every second, and ΔY(t j ) was calculated. The judgment time was set to 300 seconds, and the variation σ′(t) was calculated. The judgment started after 300 seconds had elapsed.
That is, the variation σ'(600) is calculated based on the output Y(301) of the wavelength λ at 301 seconds to the output Y(600) of the wavelength λ at 600 seconds. This is calculated for each acquisition timing of the output Y(t) of the wavelength λ, thereby obtaining the variation σ'(t) from the start to the end of the production of the microparticles. This was performed seven times. The results are shown in FIG. 6.

例えば、微粒子のSSAの上限値を3.2m2/gと設定する場合には、図5のグラフから、バラツキσ'(t)の上限(バラツキ閾値)を例えば、150と設定することができる。
この場合、図6に示す試験5及び6では、バラツキσ'(t)が150を超えてしまっていることから、粒子径、比表面積、細孔径等が良好な微粒子が得られない。本発明の微粒子製造装置及び微粒子製造方法では、このようにバラツキσ'が、バラツキ閾値を超えないように、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御することによって、プラズマの状態を安定させるとともに、製造される微粒子の品質も安定を図っている。
For example, when the upper limit of the SSA of the fine particles is set to 3.2 m 2 /g, the upper limit (variation threshold) of the variation σ′(t) can be set to, for example, 150 from the graph of FIG.
In this case, in Tests 5 and 6 shown in Fig. 6, the variation σ'(t) exceeds 150, and therefore fine particles with good particle size, specific surface area, pore size, etc. cannot be obtained. In the fine particle production apparatus and method of the present invention, at least one of the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material is controlled so that the variation σ' does not exceed the variation threshold value, thereby stabilizing the plasma state and stabilizing the quality of the fine particles produced.

(3)出力の時間平均値Bに基づく制御
制御装置30によって、波長λの出力Y(t)を一定時間毎に取得し、この出力Y(t)の時間平均値B(t)を算出し、この時間平均値B(t)が、事前に設定された平均出力閾値を超えた場合に、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を増減させることで、時間平均値B(t)が平均出力閾値に収まるように制御を行う。
(3) Control based on time average value B of output The control device 30 acquires the output Y(t) of wavelength λ at regular time intervals and calculates the time average value B(t) of this output Y(t). If this time average value B(t) exceeds a preset average output threshold, the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material are increased or decreased to control the time average value B(t) to fall within the average output threshold.

ここで平均出力閾値は、時間平均値Bと相関を有する、微粒子の製造継続時間や、微粒子の特性に基づき設定することができる。例えば、事前に、時間平均値Bと微粒子の特性との関係を取得しておき、相関を有する微粒子の特性について利用することができる。このような出力の時間平均値Bと微粒子の特性との関係性は、微粒子の原料の種類などによって異なってくる。 Here, the average output threshold can be set based on the duration of microparticle production and the characteristics of the microparticles, which are correlated with the time average value B. For example, the relationship between the time average value B and the characteristics of the microparticles can be obtained in advance and used for the correlated characteristics of the microparticles. Such a relationship between the time average value B of the output and the characteristics of the microparticles will differ depending on factors such as the type of raw material of the microparticles.

このように平均出力閾値を設定した場合には、例えば、図7(a)に示すように、出力Y(t)の時間平均値B(t)が、上限の平均出力閾値を超えた場合には、制御装置30は、波長λの出力が減少するように、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21、原料供給量調節手段16によってプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御する。これによって、出力Y(t)の時間平均値B(t)は、平均出力閾値に収まるように推移する。 When the average output threshold is set in this manner, for example as shown in FIG. 7(a), when the time average value B(t) of the output Y(t) exceeds the upper average output threshold, the control device 30 controls the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply rate using the gas flow rate adjustment means 19, plasma output adjustment means 21, and raw material supply rate adjustment means 16 so that the output of wavelength λ decreases. As a result, the time average value B(t) of the output Y(t) changes so as to fall within the average output threshold.

一方で、図7(b)に示すように、出力Y(t)の時間平均値B(t)が、下限の平均出力閾値を超えた場合には、制御装置30は、波長λの出力が増加するように、ガス流量調節手段19、プラズマ出力調節手段21、原料供給量調節手段16によってプラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御する。これによって、出力Y(t)の時間平均値B(t)は、平均出力閾値に収まるように推移する。 On the other hand, as shown in FIG. 7(b), when the time average value B(t) of the output Y(t) exceeds the lower average output threshold, the control device 30 controls the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply rate by the gas flow rate adjustment means 19, plasma output adjustment means 21, and raw material supply rate adjustment means 16 so that the output of wavelength λ increases. As a result, the time average value B(t) of the output Y(t) changes so as to fall within the average output threshold.

なお、このような制御を行う場合にも、上述した場合と同様に、所定の判定開始時刻を設定し、この判定開始時刻を経過してから、上述するような制御を始めるように、制御装置30を構成することが好ましい。 When performing such control, it is preferable to configure the control device 30 to set a predetermined judgment start time, as in the above-mentioned case, and to start the above-mentioned control after this judgment start time has passed.

また、時間平均値Bと微粒子の特性との相関を算出する場合、上述した場合と同様に、微粒子製造時間全域において算出してもよいし、また、両者の時間域が同じであれば、微粒子製造時間全域でなくとも、それよりも短い所定の時間域において算出してもよい。 When calculating the correlation between the time average value B and the characteristics of the microparticles, it may be calculated over the entire microparticle production time, as described above, or, if the time ranges of the two are the same, it may be calculated over a specified time range that is shorter than the entire microparticle production time.

(4)バラツキσ'/平均値Bに基づく制御
制御装置30によって、波長λ1の出力Y(t)を一定時間毎に取得し、この出力Y(t)の時間変化のバラツキσ'(t)を、出力Y(t)の時間平均値B(t)で規格化した値σ'(t)/B(t)を算出し、このσ'(t)/B(t)が、事前に設定されたσ'/B閾値を超えた場合に、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を増減させることで、σ'(t)/B(t)がσ'/B閾値に収まるように制御を行う。
(4) Control Based on Variation σ'/Average Value B The control device 30 acquires the output Y(t) of wavelength λ1 at regular time intervals, and calculates a value σ'(t)/B(t) by normalizing the variation σ'(t) of the time change of this output Y(t) by the time average value B(t) of the output Y(t). If this σ'(t)/B(t) exceeds a preset σ'/B threshold, the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material are increased or decreased so that σ'(t)/B(t) falls within the σ'/B threshold.

具体的には、判定時間における出力Y(t)の時間平均値B(t)とバラツキσ'(t)を算出し、σ'(t)/B(t)を算出する。なお、出力Y(t)の時間変化のバラツキσ'(t)は、上述した方法と同様に算出することができる。 Specifically, the time average value B(t) and the variance σ'(t) of the output Y(t) at the judgment time are calculated, and σ'(t)/B(t) is calculated. Note that the variance σ'(t) of the time change of the output Y(t) can be calculated in the same manner as described above.

このように算出されたσ'(t)/B(t)が、σ'/B閾値に収まるように、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量を制御することによって、プラズマの状態を安定させることができ、製造される微粒子の品質も安定させることができる。 By controlling the plasma gas flow rate, plasma output, and raw material supply rate so that the calculated σ'(t)/B(t) falls within the σ'/B threshold, the plasma state can be stabilized, and the quality of the produced microparticles can also be stabilized.

ここで、σ'/B閾値は、微粒子製造時間全域におけるσ'/Bと相関を有する微粒子の特性に基づき設定することができる。微粒子の特性としては、特に限定されるものではないが、例えば、画像解析粒径DSEM、レーザー回折散乱式粒度D10、D50、D90やこれらから算出される微粒子の(D90-D10)/D50、酸素や窒素などの元素含有量、X線回折結晶子径、SSAなどを挙げることができ、事前に、σ'/Bと特性との関係を取得しておき、相関を有する特性について利用することができる。このような出力のσ'/Bと微粒子の特性との関係性は、微粒子の原料の種類などによって異なってくる。 Here, the σ'/B threshold value can be set based on the characteristics of the microparticles that are correlated with σ'/B throughout the microparticle production time. The characteristics of the microparticles are not particularly limited, but can include, for example, image analysis particle size D SEM , laser diffraction scattering particle size D10, D50, D90, and (D90-D10)/D50 of the microparticles calculated from these, element contents such as oxygen and nitrogen, X-ray diffraction crystallite size, SSA, etc., and the relationship between σ'/B and the characteristics can be obtained in advance and used for the characteristics that are correlated. The relationship between the σ'/B of such output and the characteristics of the microparticles varies depending on the type of raw material of the microparticles, etc.

なお、σ'/Bと微粒子の特性との相関を算出する場合、上述した場合と同様に、微粒子製造時間全域において算出してもよいし、また、両者の時間域が同じであれば、微粒子製造時間全域でなくとも、それよりも短い所定の時間域において算出してもよい。 When calculating the correlation between σ'/B and the characteristics of the microparticles, it may be calculated over the entire microparticle production time, as described above, or, if the time ranges for both are the same, it may be calculated over a specified time range that is shorter than the entire microparticle production time.

(具体例)
図6に示す試験1~7の試験データから、σ'(t)/B(t)を算出した。なお、判定時間は300秒、判定開始は300秒経過後とした。結果を図8に示す。
(Specific example)
σ'(t)/B(t) was calculated from the test data of tests 1 to 7 shown in Fig. 6. The judgment time was 300 seconds, and the judgment started after 300 seconds had elapsed. The results are shown in Fig. 8.

図6に示すように、他の試験と比べ、試験5及び6のバラツキσ'が大きくなっていたが、図8に示すように、σ'(t)/B(t)により比較すると、他の試験と比べ、試験4及び5のσ'(t)/B(t)が大きくなっている。 As shown in Figure 6, the variation σ' in tests 5 and 6 was larger than in the other tests, but as shown in Figure 8, when comparing σ'(t)/B(t), the σ'(t)/B(t) in tests 4 and 5 was larger than in the other tests.

このように、バラツキσ'による判定と、σ'/Bによる判定とでは、異なる結果が得られる。すなわち、バラツキσ'だけでは良不良の判定ができない微粒子の特性であっても、σ'/Bを用いることによって、良不良の判定が可能になり、良好な微粒子を製造するための制御をすることができる。 In this way, judgment based on the variation σ' and judgment based on σ'/B will give different results. In other words, even if the characteristics of a microparticle make it impossible to judge whether it is good or bad based on the variation σ' alone, it becomes possible to judge whether it is good or bad by using σ'/B, and control can be exercised to manufacture good microparticles.

さらには、出力の時間平均値B、バラツキσ'に基づく制御、σ'/Bによる制御を組み合わせて行うことにより、複数の特性を制御しながら微粒子の製造をすることが可能となる。 Furthermore, by combining control based on the time average value B of the output, control based on the variation σ', and control based on σ'/B, it is possible to produce microparticles while controlling multiple characteristics.

したがって、プラズマガス又は原料の発光に由来する波長λの出力の時間平均値Bや時間変化のバラツキσ'、σ'/Bを、プラズマガスの流量、プラズマ出力、原料の供給量のうち少なくともいずれかで制御することによって、所望の条件の微粒子を製造することができる。 Therefore, by controlling the time average value B of the output of wavelength λ resulting from the emission of the plasma gas or raw material, and the variation in time change σ', σ'/B, using at least one of the flow rate of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of raw material, it is possible to produce microparticles with the desired conditions.

なお、上述した例では、各種閾値を超えた場合に、プラズマガスの供給量、プラズマ出力、原料の供給量を制御するようにしているが、各種閾値を超えないように、プラズマガスの供給量、プラズマ出力、原料の供給量を制御するように構成することもできる。 In the above example, the amount of plasma gas supplied, the plasma output, and the amount of raw material supplied are controlled when various thresholds are exceeded, but it is also possible to configure the amount of plasma gas supplied, the plasma output, and the amount of raw material supplied to be controlled so that the various thresholds are not exceeded.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、上述するような制御によって、微粒子の物性制御を行う方法も、本発明の実施形態に含まれる。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. In addition, the method of controlling the physical properties of fine particles by the above-mentioned control is also included in the embodiment of the present invention.

10 微粒子製造装置
12 チャンバー
13 観察窓
14 回収ポット
15 原料供給装置
16 原料供給量調節手段
17 原料供給ノズル
18 プラズマガス供給装置
19 ガス流量調節手段
20 DCプラズマトーチ
21 プラズマ出力調節手段
22 プラズマ発光解析装置
23 コリメートレンズ
24 光ファイバ
25 分光器
26 スペクトル処理部
30 制御装置
REFERENCE SIGNS LIST 10 Fine particle production device 12 Chamber 13 Observation window 14 Recovery pot 15 Raw material supply device 16 Raw material supply amount adjustment means 17 Raw material supply nozzle 18 Plasma gas supply device 19 Gas flow rate adjustment means 20 DC plasma torch 21 Plasma output adjustment means 22 Plasma emission analysis device 23 Collimator lens 24 Optical fiber 25 Spectroscope 26 Spectral processing unit 30 Control device

Claims (13)

チャンバーと、原料供給装置と、プラズマガス供給装置と、DCプラズマトーチと、プラズマ発光解析装置と、制御装置と、を備えた微粒子製造装置であって、
前記プラズマガス供給装置から供給されるプラズマガスに対して、前記DCプラズマトーチによって所定の電圧を印加させることで発生した直流熱プラズマを用いて、前記原料供給装置より供給される原料を加熱することにより前記原料をガス化させて、前記チャンバー内で冷却することによって、微粒子を製造するように構成され、
前記プラズマ発光解析装置は、前記直流熱プラズマの発光を解析するものであり、
前記制御装置は、前記プラズマ発光解析装置により測定された、前記プラズマガス又は前記原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、前記プラズマガスの供給量、プラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するものであることを特徴とする微粒子製造装置。
A fine particle manufacturing apparatus including a chamber, a raw material supply device, a plasma gas supply device, a DC plasma torch, a plasma emission analysis device, and a control device,
a DC plasma torch is used to apply a predetermined voltage to the plasma gas supplied from the plasma gas supply device to generate DC thermal plasma, which is used to heat the raw material supplied from the raw material supply device, thereby gasifying the raw material, and then cooling the raw material in the chamber, thereby producing fine particles;
the plasma emission analysis device analyzes the emission of the DC thermal plasma,
The control device controls at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material based on the output of wavelength λ derived from the light emission of the plasma gas or the raw material measured by the plasma light emission analysis device.
前記制御装置は、
前記波長λの出力が、所定の出力閾値を超えた場合に、前記プラズマガスの供給量、前記プラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するものであることを特徴とする請求項1に記載の微粒子製造装置。
The control device includes:
The apparatus for producing fine particles according to claim 1, characterized in that when the output of the wavelength λ exceeds a predetermined output threshold, at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material is controlled.
前記出力閾値が、A(t)±n×σ(t)(nは自然数)であることを特徴とする請求項2に記載の微粒子製造装置。ここで、A(t)は、事前に行った微粒子製造時における複数回分の良好な結果における波長λの出力の時間変化(以下、「出力Y(t)」と呼ぶ。なお、tは時間を表す。)から算出された平均値、σ(t)は、出力Y(t)及び平均値A(t)から算出されたバラツキを表す。 The microparticle manufacturing device according to claim 2, characterized in that the output threshold is A(t) ± n × σ(t) (n is a natural number). Here, A(t) is the average value calculated from the time change in the output of wavelength λ in multiple good results during previous microparticle manufacturing (hereinafter referred to as "output Y(t)", where t represents time), and σ(t) represents the variation calculated from the output Y(t) and the average value A(t). 前記出力閾値が、A(t)±m×σ(mは自然数)であることを特徴とする請求項2に記載の微粒子製造装置。ここで、A(t)は、事前に行った微粒子製造時における複数回分の良好な結果における波長λの出力の時間変化(以下、「出力Y(t)」と呼ぶ。なお、tは時間を表す。)から算出された平均値、σは、出力Y(t)及び平均値A(t)から算出されたバラツキσ(t)の時間平均値を表す。 The microparticle manufacturing apparatus according to claim 2, characterized in that the output threshold is A(t) ± m × σ (m is a natural number). Here, A(t) is the average value calculated from the time change in the output of wavelength λ in multiple good results during previous microparticle manufacturing (hereinafter referred to as "output Y(t)", where t represents time), and σ represents the time average value of the variation σ(t) calculated from the output Y(t) and the average value A(t). 前記出力閾値が、事前に設定した一定値であることを特徴とする請求項2に記載の微粒子製造装置。 The microparticle manufacturing device according to claim 2, characterized in that the output threshold is a constant value set in advance. 前記制御装置は、
所定の時間における波長λの出力の時間平均値B(t)を算出し、該時間平均値B(t)が所定の時間平均閾値を超えた場合に、前記プラズマガスの供給量、前記プラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するように構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の微粒子製造装置。
The control device includes:
The microparticle manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is configured to calculate a time average value B(t) of the output of wavelength λ at a predetermined time, and when the time average value B(t) exceeds a predetermined time average threshold, control at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material.
前記時間平均閾値が、事前に行った微粒子製造時における良好な結果に基づき設定された値であることを特徴とする請求項6に記載の微粒子製造装置。 The microparticle manufacturing device according to claim 6, characterized in that the time-averaged threshold value is a value set based on good results obtained during previous microparticle manufacturing. 前記制御装置は、
所定の時間における波長λの出力の時間変化のバラツキσ'(t)を算出し、該σ'(t)が所定のバラツキ閾値を超えた場合に、前記プラズマガスの供給量、前記プラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するように構成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の微粒子製造装置。
The control device includes:
A microparticle manufacturing apparatus as described in any one of claims 1 to 7, characterized in that it is configured to calculate the variation σ'(t) of the time change in the output of wavelength λ at a predetermined time, and control at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material when the variation σ'(t) exceeds a predetermined variation threshold value.
前記バラツキ閾値が、事前に行った微粒子製造時における良好な結果に基づき設定された値であることを特徴とする請求項8に記載の微粒子製造装置。 The microparticle manufacturing device according to claim 8, characterized in that the variation threshold value is a value set based on good results obtained during previous microparticle manufacturing. 前記制御装置は、
所定の時間における波長λの出力の時間平均値B(t)及び時間変化のバラツキσ'(t)を算出するとともに、バラツキσ'(t)/時間平均値B(t)(以下、単に「σ'(t)/B(t)」と表記する。)を算出し、該σ'(t)/B(t)が所定のσ'/B閾値を超えた場合に、前記プラズマガスの供給量、前記プラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御するように構成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の微粒子製造装置。
The control device includes:
The apparatus for producing fine particles described in any one of claims 1 to 9 is configured to calculate a time average value B(t) of the output of wavelength λ at a predetermined time and a variation σ'(t) of the time change, and to calculate the variation σ'(t)/time average value B(t) (hereinafter simply referred to as "σ'(t)/B(t)"), and when σ'(t)/B(t) exceeds a predetermined σ'/B threshold value, to control at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output, and the supply amount of the raw material.
前記σ'/B閾値が、事前に行った微粒子製造時における良好な結果に基づき設定された値であることを特徴とする請求項10に記載の微粒子製造装置。 The microparticle manufacturing apparatus according to claim 10, characterized in that the σ'/B threshold value is a value set based on good results obtained during previous microparticle manufacturing. プラズマガスに対して、DCプラズマトーチを用いて所定の電圧を印加することで発生した直流熱プラズマを用いて、原料を加熱することにより前記原料をガス化させた後、冷却することによって、微粒子を製造するにあたり、
前記プラズマガス又は前記原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、前記プラズマガスの供給量、前記DCプラズマトーチのプラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを制御することを特徴とする微粒子製造方法。
A method for producing fine particles by heating a raw material with a direct current thermal plasma generated by applying a predetermined voltage to a plasma gas using a DC plasma torch, gasifying the raw material, and then cooling the raw material,
A method for producing fine particles, characterized in that at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output of the DC plasma torch, and the supply amount of the raw material is controlled based on the output of wavelength λ derived from the light emission of the plasma gas or the raw material.
プラズマガスに対して、DCプラズマトーチを用いて所定の電圧を印加することで発生した直流熱プラズマを用いて、原料を加熱することにより前記原料をガス化させた後、冷却することによって、微粒子を製造するにあたり、
前記プラズマガス又は前記原料の発光に由来する波長λの出力に基づき、前記プラズマガスの供給量、前記DCプラズマトーチのプラズマ出力、前記原料の供給量のうち少なくともいずれかを調整して、微粒子製造時における良好な結果となるよう微粒子の物性を制御することを特徴とする微粒子の物性制御方法。
A method for producing fine particles by heating a raw material with a direct current thermal plasma generated by applying a predetermined voltage to a plasma gas using a DC plasma torch, gasifying the raw material, and then cooling the raw material,
A method for controlling the physical properties of microparticles, characterized in that at least one of the supply amount of the plasma gas, the plasma output of the DC plasma torch, and the supply amount of the raw material is adjusted based on the output of wavelength λ derived from the light emission of the plasma gas or the raw material, thereby controlling the physical properties of the microparticles to achieve good results during the production of the microparticles.
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