JPS6330985B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液状金属の噴霧発生源に関する。

針状先端部からの電界放射により形成されたイ
オンや細滴の噴霧を用いて金属被覆を堆積させる
ことは周知の技術である。金属の液滴やイオンの
発生源の諸タイプについては、本発明者により英
国特許第1442998号および特許出願15111／76と
30722／77に記載されている。

イオンや液滴が発生するかどうかは、主とし
て、発生源の寸法、形状および印加電界の強度に
よる。

本発明によれば、電界の作用を受けて液状材料
の細滴およびイオンの噴霧を形成する噴霧発生源
が提供される。この噴霧発生源は頂角が30°と40°
の間にあり且つ基底部から１乃至３mmの距離だけ
突出する、丸みを帯びたチツプを有する、円錐状
の放射先端部と、噴霧すべき液状材料を放射先端
部に供給する装置と、放射先端部において液状材
料を分裂させ液滴とイオンの噴霧を形成させるに
充分な電界が放射先端部に印加されるようにする
電界発生電極から構成され、この放射先端部は液
状材料で濡らされしかもこの液状材料に対しては
低溶解限度を示す材料で作られる。

添付図面を参照して、以下に実例により本発明
を説明する。

第１図を参照して、液状金属細滴の噴霧発生源
は液状金属２を取容する液溜め１から構成される
が、この液溜めは外径約７mmの中空円筒状基底部
３で終端している。基底部３の内径は約５mmで先
端に近づくにつれて減少し約0.5mmとなる。基底
部３の中心には放射先端部４が配置されていて、
この放射先端部は基底部３から約１乃至３mm突出
している。放射先端部４の直径は基底部３の中心
に明けられた孔口５の内径より25μｍ小さい。放
射先端部４の噴射チツプ１１と基底部３の端部は
共に頂角35゜の円錐様形状をなしているが、頂角
は30゜でも40゜であつてもよい。放射先端部４は噴
霧中の液滴の存在比に応じて20μから100μの間の
チツプ半径を有する。印加電圧が一定の場合、チ
ツプ半径が小さい方が、丸みを帯びた大きめの半
径のチツプよりも、高めのイオン数対液滴数比が
得られる。大抵の金属被覆の応用にとつて最適の
チツプ半径値は約60μｍである。

放射先端部４のまわりに形成される液状金属の
薄膜を裂くに充分な電界は、通常は直径２乃至５
mmの開口である引出し電極６および略図で７とし
て示される端子を介して、発生源に対し印加され
る。噴霧すべき金属を液体状態に維持するため発
生源を加熱する必要のある場合、これは液溜めと
基底部を囲繞する電熱フイラメント（図示せず）
によるか又はその他便宜な方法により行なうこと
ができる。放射先端部４への液体の供給流量は表
面張力、印加電界の強度、粘性による引張り作用
および重力により制御される。

この形態の実施例において、上述の材料に代え
て、基底部３をその外側が液体金属で濡れること
のない材料で作ることもできる。これは余分な液
状金属が放射先端部４のまわりに満ち溢ふれるこ
とを防ぐため場合によつては必要となろう。

このような場合としては、金および金合金を噴
霧する例があり、その実施例を第２ａ図に示す。
基底部３は金で濡れないカーボンで作られる。放
射先端部４は直径1.6mmのタングステンワイヤー
で作られる。タングステンワイヤーは基底部３の
端面を越えて約１乃至３mmの長さだけ突出して延
びる縮小部分８においては0.5mmの縮小した半径
を有する。

基底部３の孔口５は約1.8乃至2.0mmの値径を有
する。放射先端部４と基底部３の間の隙間には直
径0.1mmのタングステンワイヤーの堅巻き螺旋９
が詰められている。螺旋９は液状金属がこれに沿
つて流れ、ついで放射先端部４の主部と縮小部８
の会合部分に形成される肩部１０においてメニス
カスを形成するためのキヤピラリ通路となつてい
る。液状金属はメニスカスから放射先端部４の縮
小部８の表面を流れ噴射チツプ１１に達し、そこ
から印加電界の作用により液滴とイオンの形態で
放射される。

濡れない材料で作つた基底部３を用いる場合、
螺旋９と、ワイヤー４の主部と縮小部の会合部分
に形成される肩部１０とが存在していることがこ
の会合区域にメニスカスが形成されるための基本
的条件である。噴射チツプ１１を形成する、放射
先端部４の円錐状尖端の表面に図示してない子午
線方向溝を設けることにより、液体が肩部１０か
ら放射先端部４の縮小部８を越えて充分に流れる
ことを確実に実現できる。

本発明の噴霧器を動作中に顕微鏡で観察して、
この噴霧器の挙動を説明するモデルの正しいこと
を確認したが、その詳細は再び第２ａ図を参照し
て述べれば次の通りである。

液状金属は、重力と表面を濡らそうとする力と
の協働作用により、液溜めから螺旋制御部９を経
て肩部１０に到りそこにメニスカスを形成する。
印加電圧を増すと、噴射チツプ１１から放出され
る液状材料の損失もまた増える。この損失分は肩
部１０から放射先端部４の縮小部８に沿つて液状
材料を流すことにより補給されなければならな
い。液状材料の充分な供給は肩部１０と噴射チツ
プ１１の間に連続して液体が流れる通路が確保さ
れた場合に限り維持される。これが細い子午線方
向溝を設けた理由である。噴射チツプ１１からの
金属放射が比較的多いときに相当する約60μAか
若干これを上回る動作電流の場合、肩部１０にお
けるメニスカス面は放射先端部４の縮小部８の柄
部分に沿い引張られるように観察され、メニスカ
ス面の輪郭は、平衡状態においては、メニスカス
自身の下に横たわる、放射先端部４の地形に忠実
に做つた形状のものであつた。噴射チツプ１１か
らの放射が遥るかに小さいときに相当する約
200μAの動作電流の場合、この場合には噴霧は主
にイオンから成り液滴は比較的少ししか含まれな
いが、メニスカス面は肩部１０の区域における放
射先端部４の地形を強調した輪郭をとつた。発生
源がこの低電流値域で長い間継続して動作する
と、メニスカス上にあつて、この下に横たわる針
状基底部３に溶け込んで行く、このメニスカス上
の点は益々噴射チツプ１１の方に接近するよう移
動する。極限状態においては、テイラー円錐体が
形成され、針状基底部は視野から消え、基底部は
噴霧器の液体メニスカス中に完全に没した態様を
示すが、これは“溢液”と呼ばれる。第２ａ図を
参照しつゝ、発生源の挙動を要約すると次のよう
になる。

１ メニスカスに到る液の流れは螺旋９により制
御され、正常動作の期間を通じて印加電界の強
度には弱く依存するに過ぎない。

２ 肩部１０におけるメニスカスは中間液溜めと
して機能し、その寸法および形状は噴射チツプ
１１からの放射量と共に変化する。

３ 発生源により放射される材料（全露出液面か
ら起きる原子の蒸発以外の）は皆噴射チツプ１
１から生起するものであり、その放射量はこの
放射区域に印加される電界の強さにより定ま
る。

４ このようにして放射された材料は、肩部１０
におけるメニスカス１１から、子午線方向溝に
沿つた流れにより供給され、従つてその寸法お
よび形状によつて変化する。

５ 肩部１０から噴射チツプ１１に到る流量を定
める電気力は噴射チツプ１１に対しては直接に
作用を及ぼし、肩部１０と噴射チツプ１１を連
接する非圧縮性液体薄膜の連続性を介して肩部
１０とは間接的に作用面で結合される。従つ
て、肩部１０の区域における電気力は通常は比
較的重要でない役割りを果たすに過ぎない。

上述の螺旋型流量制御方式に代わる方式を用い
た例が、第２ｂ図に示す、噴霧器の、もう１つの
実施例である。この実施例において、液溜めとメ
ニスカスを連ねる流路は１辺が0.05mmの正方形断
面を有する狭いキヤピラリ１２であつて、このキ
ヤピラリ１２は液溜めから約３mmばかり延びて、
放射先端部４の肩部１０が縮小部８と会合する角
のところに姿を現わす。この流路を作るには深さ
0.55mm、幅0.05mmの矩形溝を、放射先端部４の１
つの側面にそつて、肩部１０からその上方に約
4.5mmの高さにまで先ず機械加工する。次いで0.5
mm×３mm×0.05mmのタングステンの帯板１４を用
いて溝１３を部分的に塞ぎ、0.05mm×0.05mm×３
mmの内部通路１２を放射先端部４中に残すように
する。この通路１２は基底部３の最狭溢部分中に
約３mmばかり延びる。

第３図は液状金属噴霧発生源のまた別の実施形
態を示す。発生源は液滴を発生すべき液状金属２
３を収容する液溜め２２を形成する、直径５乃至
７mmの、円筒状基底部２１から構成される。基底
部２１の底面２４は円錐状放射先端部２５を有
し、放射先端部は基底部２１の底面２４の下方に
約２mmばかり突出する。前述の発生源の場合と同
様に、放射先端部の頂角は35゜である。放射先端
部２５のチツプ半径は24μｍより若干大きい。放
射先端部２５が基底部２１の残余の部分と会合す
る区域に直径約50μｍの孔口２６を設ける。孔口
２６はその直径を0.5mmまで大きくすることがで
きる。孔口２６により液状金属は液溜め２２から
放射先端部２５に達することができて、表面濡ら
し効果により放射先端部２５の表面を伝わつて流
れるが、その流れは端子２７と電極２８により印
加された電界の影響を受けて液状金属の液滴が放
射先端部２５の尖端から放出されるようになる流
量で流れる。前と同様に、必要なことが分かれ
ば、金属を液体状態に維持するため液溜め２２を
加熱するような構造をとることもできる。放射先
端部２５に対する液状金属２３の補給量の制御を
一層確実に行なうことを望むのであれば、液溜め
２２中にピストンを設けピストンが液状金属２３
の表面を押圧するようにすればこれを達成するこ
とができる。

前述の両タイプの液状金属噴霧発生装置に用い
られる材料は噴霧すべき液状金属に適合するよう
なものでなければならない。この材料選択のため
の判定基準は発生源に用いる材料は噴霧すべき材
料により濡らされるが、この材料中に溶け込むも
のであつてはならないということである。しかし
ながら、目的によつては発生源用材料の、液状金
属に対する、若干の制限つきの溶解限度が許容さ
れる。例えば、噴霧すべき金属が金の場合、第１
の実施例の基底部３と放射先端部４を夫々モリブ
デンとモリブデン又はモリブデンとタングステン
で作ることができる。勿論、長く続く期間にわた
り信頼性の高い挙動を得たいとするならば、第２
ａ図または第２ｂ図に示すタングステン製の放射
先端部と液状材料供給装置つきのカーボン製液溜
めを選択すべきであることは言うまでもない。上
述の材料は第２の実施例の液溜め２２と放射先端
部２５に対してもこれを用いることができる。

アルミニウムまたはその合金を噴霧するには、
窒化硼素／２硼化チタン複合材料が両実施例の場
合における放射先端部材料として使用できる。ガ
リウムを噴霧するためには、タングステンかタン
タルのどちらかが使用できる。シリコンを噴霧す
るためには、グラフアイトの放射先端部が使用さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した発生源の縦断面図で
ある。第２ａ図及び第２ｂ図は金と金合金と噴霧
させる場合の実施例を示す縦断面図である。第３
図は本発明のまた別の実施例の縦断面図である。 １，２２……溜め、２，２３……液状材料、
３，２１……基底部、４，２５……放射先端部、
５，２６……オリフイス、６，２８……電極、１
０……肩部、１１……チツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 頂角が30度と40度の間にあり且つ基底部から
   １乃至３mmの距離だけ突出する放射先端部と、噴
   霧すべき液状材料を放射先端部に供給する装置
   と、放射先端部において液状材料を分裂させ液滴
   とイオンの噴霧を形成させるに充分な電界が放射
   先端部に印加されるようにする電界発生電極から
   構成され、この放射先端部は液状材料で濡らされ
   しかもこの材料に対しては低溶解限度を示す材料
   で作られることを特徴とする、電界の作用を受け
   て液状材料の細滴とイオンの噴霧を形成する発生
   源。 ２ 放射先端部は基底部の部分を形成する円錐状
   突出部中のオリフイスを通り抜けていること、ま
   た放射先端部のチツプに到る液状材料の流量制御
   装置を具備することを特徴とする上記第１項に記
   載の発生源。 ３ 放射先端部は20μから100μの間にあるチツプ
   半径を有することを特徴とする前記第１項又は第
   ２項に記載の発生源。 ４ 放射先端部のチツプ半径が60μであることを
   特徴とする上記第３項に記載の発生源。 ５ 放射先端部のチツプの頂角が35゜であること
   を特徴とする前記第１項に記載の発生源。