ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人金沢大学
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 国立大学法人金沢大学の特許一覧 ▶ 株式会社日清製粉グループ本社の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-11
(45)【発行日】2024-04-19
(54)【発明の名称】微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
(51)【国際特許分類】
B01J 19/08 20060101AFI20240412BHJP
B22F 9/14 20060101ALI20240412BHJP
H05H 1/30 20060101ALI20240412BHJP
H05H 1/42 20060101ALI20240412BHJP
C01B 33/021 20060101ALI20240412BHJP
【ＦＩ】
B01J19/08 K
B22F9/14 Z
H05H1/30
H05H1/42
C01B33/021
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021524903
(86)(22)【出願日】2020-06-04
(86)【国際出願番号】 JP2020022164
(87)【国際公開番号】W WO2020246551
(87)【国際公開日】2020-12-10
【審査請求日】2022-11-10
(31)【優先権主張番号】P 2019105218
(32)【優先日】2019-06-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】504160781
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000226998
【氏名又は名称】株式会社日清製粉グループ本社
(74)【代理人】
【識別番号】100152984
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 秀明
(72)【発明者】
【氏名】田中 康規
(72)【発明者】
【氏名】兒玉 直人
(72)【発明者】
【氏名】隠田 一輝
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 周
(72)【発明者】
【氏名】中村 圭太郎
(72)【発明者】
【氏名】末安 志織
【審査官】横山 敏志
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１２－５２１６１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２４７４４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０５５８４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】KURAISHI,Katsuya et al.，Temperature Behavior in a Tandem Type of Modulated Induction Thermal Plasma for Materials Processing，Journal of Physics: Conference Series，2013年06月13日，Volume 441，pp. 1-6
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｊ １９／０８
Ｂ２２Ｆ ９／１４
Ｃ０１Ｂ ３３／０２１
Ｈ０５Ｈ １／３０
Ｈ０５Ｈ １／４２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
微粒子の製造装置であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に供給する原料供給部と、
内部に前記熱プラズマ炎が発生され、前記原料供給部により供給される前記原料を前記熱プラズマ炎にて蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、
前記プラズマトーチの前記内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生部とを有し、
前記プラズマ発生部は、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに振幅変調した第１の高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した第２の高周波電流を供給する第２の電源部とを有し、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されており、前記第１の高周波電流の変調度合いは、前記第２の高周波電流の変調度合いよりも小さく、
前記プラズマ発生部は、前記第１の電源部による前記第１のコイルへの前記第１の高周波電流と、前記第２の電源部による前記第２のコイルへの前記第２の高周波電流とを同じタイミングで供給し、
前記原料供給部は、前記第１のコイルに供給される前記第１の高周波電流の電流振幅および前記第２のコイルに供給される前記第２の高周波電流の電流振幅が高い領域での前記原料の供給量を、前記第２の高周波電流の電流振幅が低い領域での前記原料の供給量よりも多くし、
前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記第２の高周波電流は、前記第２の高周波電流の電流振幅が前記低い領域では電流値が０アンペアである、微粒子の製造装置。
【請求項2】
前記熱プラズマ炎に、急冷ガスを供給する気体供給部を有する、請求項１に記載の微粒子の製造装置。
【請求項3】
前記原料供給部は、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項１または２に記載の微粒子の製造装置。
【請求項4】
前記原料供給部は、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項１または２に記載の微粒子の製造装置。
【請求項5】
プラズマトーチの内部で発生した熱プラズマ炎を用いた微粒子の製造方法であって、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに振幅変調した第１の高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した第２の高周波電流を供給する第２の電源部とが設けられ、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されており、前記第１の電源部および前記第２の電源部により、前記熱プラズマ炎が発生され、
前記プラズマトーチの前記内部で発生した前記熱プラズマ炎に微粒子製造用の原料を供給する第１の工程と、
前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させ気相状態の混合物とし、前記混合物を冷却する第２の工程とを有し、
前記第１の工程および前記第２の工程において、前記第１の電源部は前記第１のコイルに振幅変調した第１の高周波電流を供給し、前記第２の電源部は前記第２のコイルに振幅変調した第２の高周波電流を供給し、前記第１の高周波電流の変調度合いは、前記第２の高周波電流の変調度合いよりも小さく、
前記第１の工程では、前記第１の電源部による前記第１のコイルへの前記第１の高周波電流と、前記第２の電源部による前記第２のコイルへの前記第２の高周波電流とを同じタイミングで供給し、前記第１のコイルに供給される前記第１の高周波電流の電流振幅および前記第２のコイルに供給される前記第２の高周波電流の電流振幅が高い領域での前記原料の供給量を、前記第２の高周波電流の電流振幅が低い領域の前記原料の供給量よりも多くし、
前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記第２の高周波電流は、前記第２の高周波電流の電流振幅が前記低い領域では電流値が０アンペアである、微粒子の製造方法。
【請求項6】
前記第２の工程は、前記熱プラズマ炎に急冷ガスを供給して、気相状態の前記混合物を冷却する、請求項５に記載の微粒子の製造方法。
【請求項7】
前記第１の工程では、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項５または６に記載の微粒子の製造方法。
【請求項8】
前記第１の工程では、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項５または６に記載の微粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱プラズマ炎を用いた微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関し、特に、２つのコイルと、２つのコイルにそれぞれ高周波電流を供給する２つの独立した高周波電源を用いて、電磁誘導により熱プラズマ炎を発生させて、微粒子を製造する微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、シリコン微粒子、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子等の微粒子は、多岐の分野で用いられている。このような微粒子を製造する方法の一つとして、気相法がある。気相法には、各種のガス等を高温で化学反応させる化学的方法と、電子ビームまたはレーザ等のビームを照射して物質を分解し、蒸発させて微粒子を生成する物理的方法とがある。
【0003】
気相法の他の方法としては、熱プラズマ法がある。熱プラズマ法は、熱プラズマ炎中で原材料を瞬時に蒸発させた後、その蒸発物を急冷凝固させて微粒子を製造する方法である。熱プラズマ法によれば、クリーンで生産性が高く、高温であるため高融点材料にも対応可能であり、他の気相法に比べて複合化が比較的容易であるといった多くの利点を有する。このため、熱プラズマ法は、微粒子を製造する方法として積極的に利用されている。
【0004】
従来の熱プラズマ法を用いた微粒子の製造方法としては、例えば、原材料物質を粉末状にし、この粉末状にされた原材料（粉末原材料、粉体）をキャリアガス等と共に、分散させて、原料として、直接熱プラズマ中に投入することにより、微粒子を製造している。
また、例えば、特許文献１には、微粒子製造用材料（原材料）を分散媒中に分散させてスラリーにし、このスラリーを原料として、液滴化させて熱プラズマ炎中に導入することにより微粒子を製造する、微粒子の製造方法が記載されている。
また、例えば、特許文献１には、微粒子製造用材料（原材料）を分散媒中に分散させてスラリーにし、このスラリーを原料として、液滴化させて熱プラズマ炎中に導入することにより微粒子を製造する、微粒子の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００６－２４７４４６号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】K. Kuraishi, et al., J.Phys. Conf. Ser., 441, 012016(2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
微粒子の製造方法としては、熱プラズマ炎中に、キャリアガスとともに供給すること、および上述の特許文献１のようにスラリーの形態で、原材料を供給することが従来から知られている。しかしながら、熱プラズマ炎の中でも、電磁誘導により発生させた誘導熱プラズマは、外部から擾乱により、熱プラズマ炎が不安定になることがある。
そこで、外部からの擾乱により熱プラズマ炎が不安定になることを解消するために、例えば、非特許文献１に記載のように、熱プラズマ炎を、２つのコイルと、２つのコイルにそれぞれ接続された２つの独立した高周波電源を用いて発生させることが提案されている。
そこで、外部からの擾乱により熱プラズマ炎が不安定になることを解消するために、例えば、非特許文献１に記載のように、熱プラズマ炎を、２つのコイルと、２つのコイルにそれぞれ接続された２つの独立した高周波電源を用いて発生させることが提案されている。
【0008】
ところで、現在、上述のように外部からの擾乱による熱プラズマ炎の不安定を解消すること以外に、得られる微粒子の粒径の制御、および得られる微粒子の粒径の均一性等が要求されている。
さらに、従来から提案されている外部からの擾乱による熱プラズマ炎の不安定を解消するための構成であっても、微粒子の生産性を上げるために大量の原材料を、熱プラズマ炎に供給した場合、熱プラズマ炎が消滅する等、熱プラズマ炎が不安定になり、生産性を向上させるには十分とは言えない。
本発明の目的は、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を、効率よく大量に製造できる微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を提供することにある。
さらに、従来から提案されている外部からの擾乱による熱プラズマ炎の不安定を解消するための構成であっても、微粒子の生産性を上げるために大量の原材料を、熱プラズマ炎に供給した場合、熱プラズマ炎が消滅する等、熱プラズマ炎が不安定になり、生産性を向上させるには十分とは言えない。
本発明の目的は、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を、効率よく大量に製造できる微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を達成するために、本発明は、微粒子の製造装置であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に供給する原料供給部と、内部に前記熱プラズマ炎が発生され、前記原料供給部により供給される前記原料を前記熱プラズマ炎にて蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、前記プラズマトーチの前記内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生部とを有し、前記プラズマ発生部は、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに振幅変調した第１の高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した第２の高周波電流を供給する第２の電源部とを有し、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されており、前記第１の高周波電流の変調度合いは、前記第２の高周波電流の変調度合いよりも小さい、微粒子の製造装置を提供するものである。
【0010】
前記熱プラズマ炎に、急冷ガスを供給する気体供給部を有することが好ましい。
また、前記プラズマ発生部は、前記第１の電源部による前記第１のコイルへの前記第１の高周波電流と、前記第２の電源部による前記第２のコイルへの前記第２の高周波電流とを同じタイミングで供給し、前記原料供給部は、前記第１のコイルに供給される前記第１の高周波電流の電流振幅および前記第２のコイルに供給される前記第２の高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くすることが好ましい。
前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記第２の高周波電流は、前記第２の高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
また、前記原料供給部は、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
また、前記原料供給部は、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
また、前記プラズマ発生部は、前記第１の電源部による前記第１のコイルへの前記第１の高周波電流と、前記第２の電源部による前記第２のコイルへの前記第２の高周波電流とを同じタイミングで供給し、前記原料供給部は、前記第１のコイルに供給される前記第１の高周波電流の電流振幅および前記第２のコイルに供給される前記第２の高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くすることが好ましい。
前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記第２の高周波電流は、前記第２の高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
また、前記原料供給部は、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
また、前記原料供給部は、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
【0011】
また、本発明は、プラズマトーチの内部で発生した熱プラズマ炎を用いた微粒子の製造方法であって、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに振幅変調した第１の高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した第２の高周波電流を供給する第２の電源部とが設けられ、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されており、前記第１の電源部および前記第２の電源部により、前記熱プラズマ炎が発生され、前記プラズマトーチの前記内部で発生した前記熱プラズマ炎に微粒子製造用の原料を供給する第１の工程と、前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させ気相状態の混合物とし、前記混合物を冷却する第２の工程とを有し、前記第１の工程および前記第２の工程において、前記第１の電源部は前記第１のコイルに振幅変調した前記第１の高周波電流を供給し、前記第２の電源部は前記第２のコイルに振幅変調した前記第２の高周波電流を供給し、前記第１の高周波電流の変調度合いは、前記第２の高周波電流の変調度合いよりも小さい、微粒子の製造方法を提供するものである。
【0012】
前記第２の工程は、前記熱プラズマ炎に急冷ガスを供給して、気相状態の前記混合物を冷却することが好ましい。
また、前記第１の工程では、前記第１の電源部による前記第１のコイルへの前記第１の高周波電流と、前記第２の電源部による前記第２のコイルへの前記第２の高周波電流とを同じタイミングで供給し、前記第１のコイルに供給される前記第１の高周波電流の電流振幅および前記第２のコイルに供給される前記第２の高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くすることが好ましい。
前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記第２の高周波電流は、前記第２の高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
また、前記第１の工程では、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
また、前記第１の工程では、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
また、前記第１の工程では、前記第１の電源部による前記第１のコイルへの前記第１の高周波電流と、前記第２の電源部による前記第２のコイルへの前記第２の高周波電流とを同じタイミングで供給し、前記第１のコイルに供給される前記第１の高周波電流の電流振幅および前記第２のコイルに供給される前記第２の高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くすることが好ましい。
前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記第２の高周波電流は、前記第２の高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
また、前記第１の工程では、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
また、前記第１の工程では、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法によれば、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を、効率よく大量に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施形態の微粒子の製造装置の一例を示す模式図である。
【図2】本発明の実施形態の微粒子の製造装置のプラズマトーチの一例を示す模式的部分断面図である。
【図3】第１の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図である。
【図4】第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図である。
【図5】（ａ）は第１の高周波電流および第２の高周波電流の波形の一例を示すグラフであり、（ｂ）はバルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は原料の供給を示すグラフである。
【図6】例１～例３の平均粒径および粒径分布の標準偏差を示すグラフである。
【図7】例１～例３のＸ線回折法による結晶構造の解析結果を示すグラフである。
【図8】例１の微粒子のＳＥＭ像を示す模式図である。
【図9】例２の微粒子のＳＥＭ像を示す模式図である。
【図10】例３の微粒子のＳＥＭ像を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態の微粒子の製造装置の一例を示す模式図であり、図２は本発明の実施形態の微粒子の製造装置のプラズマトーチの一例を示す模式的部分断面図である。
図１は本発明の実施形態の微粒子の製造装置の一例を示す模式図であり、図２は本発明の実施形態の微粒子の製造装置のプラズマトーチの一例を示す模式的部分断面図である。
【0016】
図１に示す微粒子の製造装置１０（以下、単に製造装置１０という）は、微粒子製造用の原料を用いて、ナノサイズの微粒子を製造するものである。微粒子製造用の原料には、例えば、粉体を用いる。
なお、製造装置１０は、微粒子であれば、その種類は特に限定されるものではなく、原料の組成を変えることにより、金属微粒子以外にも微粒子として、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子、酸窒化物微粒子等の微粒子を製造することができる。
製造装置１０は、原料供給部１２と、プラズマトーチ１４と、チャンバー１６と、回収部１８と、プラズマガス供給部２０と、プラズマ発生部２１と、気体供給部２２と、制御部２４とを有する。
なお、製造装置１０は、微粒子であれば、その種類は特に限定されるものではなく、原料の組成を変えることにより、金属微粒子以外にも微粒子として、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子、酸窒化物微粒子等の微粒子を製造することができる。
製造装置１０は、原料供給部１２と、プラズマトーチ１４と、チャンバー１６と、回収部１８と、プラズマガス供給部２０と、プラズマ発生部２１と、気体供給部２２と、制御部２４とを有する。
【0017】
原料供給部１２はプラズマトーチ１４に中空状の供給管１３を介して接続されている。
また、原料供給部１２とプラズマトーチ１４との間の供給管１３に、後述するように間歇供給部１５を設けてもよい。製造装置１０では間歇供給部１５は必須の構成ではない。
プラズマトーチ１４の下方にチャンバー１６が設けられ、チャンバー１６の下流に回収部１８が設けられている。プラズマ発生部２１はプラズマトーチ１４に接続されており、後述するようにプラズマ発生部２１により、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００が発生される。
また、原料供給部１２とプラズマトーチ１４との間の供給管１３に、後述するように間歇供給部１５を設けてもよい。製造装置１０では間歇供給部１５は必須の構成ではない。
プラズマトーチ１４の下方にチャンバー１６が設けられ、チャンバー１６の下流に回収部１８が設けられている。プラズマ発生部２１はプラズマトーチ１４に接続されており、後述するようにプラズマ発生部２１により、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００が発生される。
【0018】
原料供給部１２は、微粒子製造用の原料をプラズマトーチ１４の内部で発生する熱プラズマ炎１００中に供給するためのものである。
原料供給部１２は、原料を熱プラズマ炎１００中に供給することができれば、特に限定されるものではなく、原料を粒子状に分散させた状態で熱プラズマ炎１００中に供給するものと、原料をスラリーにし、スラリーを液滴化した形態で熱プラズマ炎１００中に供給するものとの２通りの方式を用いることができる。
原料供給部１２は、原料を熱プラズマ炎１００中に供給することができれば、特に限定されるものではなく、原料を粒子状に分散させた状態で熱プラズマ炎１００中に供給するものと、原料をスラリーにし、スラリーを液滴化した形態で熱プラズマ炎１００中に供給するものとの２通りの方式を用いることができる。
【0019】
例えば、微粒子製造用の原料に、粉体を用いた場合、プラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中に原料が供給される際には原料が粒子状に分散されている必要がある。このため、例えば、原料は、キャリアガスに分散させて粒子状に供給される。この場合、例えば、原料供給部１２は、粉体の原料を分散状態に維持しつつ、定量的にプラズマトーチ１４内部の熱プラズマ炎１００中に供給するものである。このような機能を有する原料供給部１２としては、例えば、特許第３２１７４１５号公報、および特開２００７－１３８２８７号公報に開示されている装置が利用可能である。
例えば、原料供給部１２は、例えば、原料の粉末を貯蔵する貯蔵槽（図示せず）と、原料の粉末を定量搬送するスクリューフィーダ（図示せず）と、スクリューフィーダで搬送された原料の粉末が最終的に散布される前に、これを粒子の状態に分散させる分散部（図示せず）と、キャリアガス供給源（図示せず）とを有する。
キャリアガス供給源から押し出し圧力がかけられたキャリアガスとともに原料の粉末は供給管１３を介してプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中へ供給される。
原料供給部１２は、原料の粉末の凝集を防止し、分散状態を維持したまま、原料の粉末を、粒子状に分散させた状態でプラズマトーチ１４内に散布することができるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。キャリアガスには、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。
例えば、原料供給部１２は、例えば、原料の粉末を貯蔵する貯蔵槽（図示せず）と、原料の粉末を定量搬送するスクリューフィーダ（図示せず）と、スクリューフィーダで搬送された原料の粉末が最終的に散布される前に、これを粒子の状態に分散させる分散部（図示せず）と、キャリアガス供給源（図示せず）とを有する。
キャリアガス供給源から押し出し圧力がかけられたキャリアガスとともに原料の粉末は供給管１３を介してプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中へ供給される。
原料供給部１２は、原料の粉末の凝集を防止し、分散状態を維持したまま、原料の粉末を、粒子状に分散させた状態でプラズマトーチ１４内に散布することができるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。キャリアガスには、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。
【0020】
原料の粉末をスラリーの形態で供給する原料供給部１２は、例えば、特開２０１１－２１３５２４号公報に開示されているものを用いることができる。この場合、原料供給部１２は、原料の粉末が水等の液体に分散されたスラリー（図示せず）を入れる容器（図示せず）と、容器中のスラリーを攪拌する攪拌機（図示せず）と、供給管１３を介してスラリーに高圧をかけプラズマトーチ１４内に供給するためのポンプ（図示せず）と、スラリーを液滴化させてプラズマトーチ１４内へ供給するための噴霧ガスを供給する噴霧ガス供給源（図示せず）とを有する。噴霧ガス供給源は、キャリアガス供給源に相当するものである。噴霧ガスのことをキャリアガスともいう。
スラリーの形態で原料を供給する場合、原料の粉末を水等の液体に分散させてスラリーにする。なお、スラリー中の原料の粉末と水との混合比は、特に限定されるものではなく、例えば、質量比で５：５（５０％：５０％）である。
スラリーの形態で原料を供給する場合、原料の粉末を水等の液体に分散させてスラリーにする。なお、スラリー中の原料の粉末と水との混合比は、特に限定されるものではなく、例えば、質量比で５：５（５０％：５０％）である。
【0021】
原料の粉末をスラリーにして、スラリーを液滴化した形態で供給する原料供給部１２を用いた場合、噴霧ガス供給源から押し出し圧力をかけられた噴霧ガスが、スラリーと共に供給管１３を介してプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中へ供給される。供給管１３は、スラリーをプラズマトーチ内の熱プラズマ炎１００中に噴霧し液滴化するための二流体ノズル機構を有しており、これにより、スラリーをプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中に噴霧する。すなわち、スラリーを液滴化させることができる。噴霧ガスには、上述のキャリアガスと同様に、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。
このように、二流体ノズル機構は、スラリーに高圧をかけ、気体である噴霧ガス（キャリアガス）によりスラリーを噴霧することができ、スラリーを液滴化させるための一つの方法として用いられる。
なお、上述の二流体ノズル機構に限定されるものではなく、一流体ノズル機構を用いてもよい。さらに他の方法として、例えば、回転している円板上にスラリーを一定速度で落下させて遠心力により液滴化する（液滴を形成する）方法、スラリー表面に高い電圧を印加して液滴化する（液滴を発生させる）方法等が挙げられる。
このように、二流体ノズル機構は、スラリーに高圧をかけ、気体である噴霧ガス（キャリアガス）によりスラリーを噴霧することができ、スラリーを液滴化させるための一つの方法として用いられる。
なお、上述の二流体ノズル機構に限定されるものではなく、一流体ノズル機構を用いてもよい。さらに他の方法として、例えば、回転している円板上にスラリーを一定速度で落下させて遠心力により液滴化する（液滴を形成する）方法、スラリー表面に高い電圧を印加して液滴化する（液滴を発生させる）方法等が挙げられる。
【0022】
プラズマトーチ１４は、内部に熱プラズマ炎１００が発生されるものであり、原料供給部１２により供給される原料を熱プラズマ炎１００にて蒸発させて気相状態の混合物４５とするものである。
図２に示すように、プラズマトーチ１４は、石英管１４ａと、石英管１４ａの外面に設けられた、プラズマトーチ１４の外側を取り巻く高周波発振用コイル１４ｂとで構成されている。プラズマトーチ１４の上部には、供給管１３が挿入される供給口１４ｃがその中央部に設けられており、プラズマガス供給口１４ｄがその周辺部（同一円周上）に形成されている。
供給管１３により、例えば、粉末状の原料と、アルゴンガスまたは水素ガス等のキャリアガスとがプラズマトーチ１４内に供給される。
図２に示すように、プラズマトーチ１４は、石英管１４ａと、石英管１４ａの外面に設けられた、プラズマトーチ１４の外側を取り巻く高周波発振用コイル１４ｂとで構成されている。プラズマトーチ１４の上部には、供給管１３が挿入される供給口１４ｃがその中央部に設けられており、プラズマガス供給口１４ｄがその周辺部（同一円周上）に形成されている。
供給管１３により、例えば、粉末状の原料と、アルゴンガスまたは水素ガス等のキャリアガスとがプラズマトーチ１４内に供給される。
【0023】
プラズマガス供給口１４ｄは、例えば、図示しない配管によりプラズマガス供給部２０が接続されている。プラズマガス供給部２０は、プラズマガス供給口１４ｄを介してプラズマトーチ１４内にプラズマガスを供給するものである。プラズマガスとしては、例えば、アルゴンガスおよび水素ガス等が単独または適宜組み合わせて用いられる。
なお、プラズマガス供給部２０に加えて、プラズマトーチ１４内にシースガスを供給するシースガス供給部（図示せず）を設けてもよい。シースガスはプラズマガスと同じガスを用いることができる。
また、プラズマガス供給部２０に代えて、上述のシースガス供給部を設けてもよい。
なお、プラズマガス供給部２０に加えて、プラズマトーチ１４内にシースガスを供給するシースガス供給部（図示せず）を設けてもよい。シースガスはプラズマガスと同じガスを用いることができる。
また、プラズマガス供給部２０に代えて、上述のシースガス供給部を設けてもよい。
【0024】
また、プラズマトーチ１４の石英管１４ａの外側は、同心円状に形成された石英管１４ｅで囲まれており、石英管１４ａと１４ｅの間に冷却水１４ｆを循環させて石英管１４ａを水冷し、プラズマトーチ１４内で発生した熱プラズマ炎１００により石英管１４ａが高温になりすぎるのを防止している。
【0025】
プラズマ発生部２１は、上述のようにプラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００を発生させるものである。プラズマ発生部２１は、プラズマトーチ１４の周囲を囲む第１のコイル６０と、プラズマトーチ１４の周囲を囲む第２のコイル６２と、第１のコイル６０に振幅変調した第１の高周波電流を供給する第１の電源部２１ａと、第２のコイル６２に振幅変調した第２の高周波電流を供給する第２の電源部２１ｂとを有する。第１の高周波電流の変調度合いは、第２の高周波電流の変調度合いよりも小さい、すなわち、第１の高周波電流の振幅変化は、第２の高周波電流の振幅の変化よりも小さい。また、例えば、第１の高周波電流と、第２の高周波電流とは同じタイミングで供給される。すなわち、第１の高周波電流と、第２の高周波電流とは位相が同じである。
【0026】
第１のコイル６０と第２のコイル６２とはプラズマトーチ１４の長手方向に並んで配置されており、第２のコイル６２は、第１のコイル６０の下方に設置されている。
第１の電源部２１ａおよび第２の電源部２１ｂは、いずれも高周波電源であり、かつ互いに独立している。また、第１のコイル６０と第２のコイル６２との間の磁気結合を低減するために第１の電源部２１ａの高周波電流の周波数と、第２の電源部２１ｂの高周波電流の周波数とは異なることが好ましい。これにより、互いの電源部への影響を抑制できる。
なお、第１のコイル６０と第２のコイル６２とにより高周波発振用コイル１４ｂが構成される。第１のコイル６０の巻数および第２のコイル６２の巻数は、特に限定されるものではなく、製造装置１０の仕様に応じて適宜決定されるものである。第１のコイル６０および第２のコイル６２の材質も、特に限定されるものではなく、製造装置１０の仕様に応じて適宜決定されるものである。
第１の電源部２１ａおよび第２の電源部２１ｂは、いずれも高周波電源であり、かつ互いに独立している。また、第１のコイル６０と第２のコイル６２との間の磁気結合を低減するために第１の電源部２１ａの高周波電流の周波数と、第２の電源部２１ｂの高周波電流の周波数とは異なることが好ましい。これにより、互いの電源部への影響を抑制できる。
なお、第１のコイル６０と第２のコイル６２とにより高周波発振用コイル１４ｂが構成される。第１のコイル６０の巻数および第２のコイル６２の巻数は、特に限定されるものではなく、製造装置１０の仕様に応じて適宜決定されるものである。第１のコイル６０および第２のコイル６２の材質も、特に限定されるものではなく、製造装置１０の仕様に応じて適宜決定されるものである。
【0027】
プラズマ発生部２１において、２つのコイルと、２つの独立した電源部を用いることにより、誘導熱プラズマの直列構造を構成することができる。誘導熱プラズマの直列構造を構成することにより、プラズマトーチ１４の軸方向に長い高温場を生成することができる。上述の長い高温場を利用することにより、高融点材料を完全に蒸発させることが可能である。なお、熱プラズマ炎が所定時間間隔で周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にされたもの、すなわち、熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されたもののことを変調誘導熱プラズマ炎という。
【0028】
プラズマ発生部２１では、例えば、第１の電源部２１ａが第１のコイル６０に、振幅変調した第１の高周波電流（図３参照）を供給し、第２の電源部２１ｂが第２のコイル６２に、振幅変調した第２の高周波電流（図４参照）を供給する。
第１のコイル６０に供給する第１の高周波電流のことを、第１のコイル電流ともいい、第２のコイル６２に供給する第２の高周波電流のことを、第２のコイル電流ともいう。
ここで、図３は第１の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、図４は第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図である。
図３は上述の振幅変調した第１の高周波電流の波形を示すものであり、振幅が時間に対して周期的に変調している。図４は上述の振幅変調した第２の高周波電流の波形を示すものであり、振幅が時間に対して周期的に変調している。図４は矩形波振幅変調を示す。振幅変調は、図３および図４に示す矩形波振幅変調に限定されるものではなく、これ以外に、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、または正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができることは言うまでもない。
第１のコイル６０に供給する第１の高周波電流のことを、第１のコイル電流ともいい、第２のコイル６２に供給する第２の高周波電流のことを、第２のコイル電流ともいう。
ここで、図３は第１の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、図４は第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図である。
図３は上述の振幅変調した第１の高周波電流の波形を示すものであり、振幅が時間に対して周期的に変調している。図４は上述の振幅変調した第２の高周波電流の波形を示すものであり、振幅が時間に対して周期的に変調している。図４は矩形波振幅変調を示す。振幅変調は、図３および図４に示す矩形波振幅変調に限定されるものではなく、これ以外に、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、または正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができることは言うまでもない。
【0029】
振幅変調した第１の高周波電流および第２の高周波電流において、電流振幅の高値をＨＣＬ（Higher Current Level）、電流振幅の低値をＬＣＬ（Lower Current Level）とし、変調一周期の中で、ＨＣＬをとる時間をオン時間、ＬＣＬをとる時間をオフ時間と定義する。さらに、一周期におけるオン時間の割合（オン時間／（オン時間＋オフ時間）×１００（％））をデューティ比（ＤＦ）とする。また、振幅の比（ＬＣＬ／ＨＣＬ×１００（％））を電流変調率（ＳＣＬ）とする。電流変調率（ＳＣＬ）は電流振幅の変調度合いを示すものであり、１００％ＳＣＬは無変調状態を示し、０％ＳＣＬは電流振幅が最も大きく変調していることを示す。０％ＳＣＬでは、オフ時間、すなわち、後述のように高周波電流の電流振幅が低い領域において高周波電流の電流値が０Ａ（アンペア）である。
【0030】
第１の高周波電流の振幅変調および第２の高周波電流の振幅変調は、上述のように第１の高周波電流の方が第２の高周波電流よりも変調度合いが小さければ、特に限定されるものではなく、振幅変調は０％ＳＣＬ以上１００％ＳＣＬ未満とすることができる。なお、０％ＳＣＬに近い方が変調度合いが大きい、すなわち、振幅の変調が大きいため、特に第２の高周波電流の振幅変調は０％ＳＣＬが最も好ましい。すなわち、第２の高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
なお、オン時間（図３および図４参照）は高周波電流の電流振幅が高い領域であり、オフ時間（図３および図４参照）は高周波電流の電流振幅が低い領域である。オフ時間のことを変調時間ともいう。また、上述のオン時間、オフ時間、および１サイクルは、いずれもマイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
なお、オン時間（図３および図４参照）は高周波電流の電流振幅が高い領域であり、オフ時間（図３および図４参照）は高周波電流の電流振幅が低い領域である。オフ時間のことを変調時間ともいう。また、上述のオン時間、オフ時間、および１サイクルは、いずれもマイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
【0031】
プラズマ発生部２１において、例えば、第１の電源部２１ａが第１のコイル６０に、振幅変調した第１の高周波電流（図３参照）を供給し、第２の電源部２１ｂが第２のコイル６２に、振幅変調した第２の高周波電流（図４参照）を供給すると、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００が発生する。第１のコイル６０に供給される振幅変調した第１の高周波電流および第２のコイル６２に供給される振幅変調された第２の高周波電流により、熱プラズマ炎１００の温度を、より大きな温度差で変動させることができ、結果として、プラズマトーチ１４の内部の温度を、より大きな温度差で制御することができる。これにより、熱プラズマ炎１００の温度状態が時間変調された、温度差が大きい変動温度場が得られ、熱プラズマ炎１００の温度状態が周期的に高温状態と、高温状態よりも温度が低い低温状態になる。熱プラズマ炎１００による大きな変動温度場により、微粒子の粒径を制御でき、より粒径が小さい微粒子を得ることができる。
【0032】
プラズマトーチ１４内における圧力雰囲気は、微粒子の製造条件に応じて適宜決定されるものであり。例えば、大気圧以下である。ここで、大気圧以下の雰囲気については、特に限定されないが、例えば、５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）～７５０Ｔｏｒｒ（９９．９７５ｋＰａ）とすることができる。
【0033】
図１に示すようにチャンバー１６は、プラズマトーチ１４に近い方から、上流チャンバー１６ａがプラズマトーチ１４と同軸方向に取り付けられている。また、上流チャンバー１６ａと垂直に下流チャンバー１６ｂを設け、さらに下流に、微粒子を捕集するための所望のフィルター１８ａを備える回収部１８が設けられている。製造装置１０において、微粒子の回収場所は、例えば、フィルター１８ａである。
チャンバー１６に、気体供給部２２が接続されている。気体供給部２２から供給される急冷ガスにより、チャンバー１６内で、原料に応じた材料の微粒子（図示せず）が生成される。また、チャンバー１６は冷却槽として機能するものである。
チャンバー１６に、気体供給部２２が接続されている。気体供給部２２から供給される急冷ガスにより、チャンバー１６内で、原料に応じた材料の微粒子（図示せず）が生成される。また、チャンバー１６は冷却槽として機能するものである。
【0034】
回収部１８は、フィルター１８ａを備えた回収室と、この回収室内下方に設けられた管を介して接続された真空ポンプ１８ｂとを備えている。チャンバー１６から送られた微粒子は、上述の真空ポンプ１８ｂで吸引されることにより、微粒子が回収室内に引き込まれ、フィルター１８ａの表面で留まった状態にて微粒子が回収される。
【0035】
気体供給部２２は、チャンバー１６内の熱プラズマ炎１００に急冷ガスを供給するものである。急冷ガスは、冷却ガスとして機能するものである。気体供給部２２は、気体が貯留される気体供給源（図示せず）と、チャンバー１６内に供給する急冷ガスに押出し圧力をかけるコンプレッサ、ブロア等の圧力付与部（図示せず）とを有する。また、気体供給源からのガス供給量を制御する調整弁（図示せず）が設けられている。気体供給源は、急冷ガスの組成に応じたものが用いられ、気体の種類は１種類に限定されるものではなく、急冷ガスを混合ガスとする場合、気体供給源を複数用意する。
急冷ガスは、冷却する機能を発揮するものであれば、特に限定されるものではない。急冷ガスには、例えば、原料と反応しない、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。急冷ガスは、これ以外に、水素ガスを含有してもよい。また、急冷ガスは、原料と反応する反応性ガスを含有してよい。反応性ガスとしては、例えば、メタン、エタン，プロパン，ブタン，アセチレン，エチレン，プロピレン，ブテン等の炭化水素ガス等が挙げられる。
急冷ガスは、冷却する機能を発揮するものであれば、特に限定されるものではない。急冷ガスには、例えば、原料と反応しない、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。急冷ガスは、これ以外に、水素ガスを含有してもよい。また、急冷ガスは、原料と反応する反応性ガスを含有してよい。反応性ガスとしては、例えば、メタン、エタン，プロパン，ブタン，アセチレン，エチレン，プロピレン，ブテン等の炭化水素ガス等が挙げられる。
【0036】
気体供給部２２は、例えば、熱プラズマ炎１００の尾部１００ｂ（図２参照）、すなわち、プラズマガス供給口１４ｄと反対側の熱プラズマ炎１００の端、すなわち、熱プラズマ炎１００の終端部に向かって、例えば、４５°の角度で、急冷ガス（冷却ガス）を供給し、かつチャンバー１６の内壁に沿って上方から下方に向かって、急冷ガス（冷却ガス）を供給する。なお、熱プラズマ炎１００の終端部に急冷ガスを供給することに限定されるものではない。
【0037】
気体供給部２２からチャンバー１６内に供給される急冷ガスにより、熱プラズマ炎１００で気相状態にされた混合物が急冷されて、原料に応じた材料の微粒子が得られる。これ以外にも上述の急冷ガスは微粒子の分級に寄与する等の付加的作用を有する。
原料に応じた材料の微粒子の生成直後の微粒子同士が衝突し、凝集体を形成することで粒子径の不均一が生じると、品質低下の要因となる。しかしながら、熱プラズマ炎の尾部１００ｂ（終端部）に向かって、急冷ガスを供給することにより、急冷ガスが微粒子を希釈することにより、微粒子同士が衝突して凝集することが防止される。
また、チャンバー１６の内壁面に沿って、急冷ガスを供給することにより、微粒子の回収の過程において、微粒子のチャンバー１６の内壁への付着が防止され、生成した微粒子の収率が向上する。
原料に応じた材料の微粒子の生成直後の微粒子同士が衝突し、凝集体を形成することで粒子径の不均一が生じると、品質低下の要因となる。しかしながら、熱プラズマ炎の尾部１００ｂ（終端部）に向かって、急冷ガスを供給することにより、急冷ガスが微粒子を希釈することにより、微粒子同士が衝突して凝集することが防止される。
また、チャンバー１６の内壁面に沿って、急冷ガスを供給することにより、微粒子の回収の過程において、微粒子のチャンバー１６の内壁への付着が防止され、生成した微粒子の収率が向上する。
【0038】
気体供給部２２の熱プラズマ炎１００への急冷ガスの供給方法は、特に限定されるものではなく、１方向から急冷ガスを供給してもよい。また、熱プラズマ炎１００の周囲を囲む、複数の方向から急冷ガスを供給してもよい。この場合、急冷ガスの供給口をチャンバー１６の外周面に、周方向に沿って複数に、例えば、等間隔に設けるが、等間隔に限定されるものではない。
複数の方向から急冷ガスを供給する場合、供給タイミングは、特に限定されるものではなく、複数の方向から同期して急冷ガスを供給する。これ以外にも、例えば、時計回りまたは反時計回りの順で、急冷ガスを供給してもよい。この場合、急冷ガスにより、チャンバー１６内に旋回流等の気流が生じる。複数の方向から急冷ガスを供給する場合、供給順を決定することなく、ランダムに供給してもよい。
なお、急冷ガスを用いることなく、微粒子を生成することができれば、気体供給部２２は必ずしも必要ではない。気体供給部２２がない構成の場合、製造装置１０の装置構成を簡素化でき、かつ微粒子の製造方法も工程を簡素化できる。
複数の方向から急冷ガスを供給する場合、供給タイミングは、特に限定されるものではなく、複数の方向から同期して急冷ガスを供給する。これ以外にも、例えば、時計回りまたは反時計回りの順で、急冷ガスを供給してもよい。この場合、急冷ガスにより、チャンバー１６内に旋回流等の気流が生じる。複数の方向から急冷ガスを供給する場合、供給順を決定することなく、ランダムに供給してもよい。
なお、急冷ガスを用いることなく、微粒子を生成することができれば、気体供給部２２は必ずしも必要ではない。気体供給部２２がない構成の場合、製造装置１０の装置構成を簡素化でき、かつ微粒子の製造方法も工程を簡素化できる。
【0039】
原料供給部１２は、上述のように、熱プラズマ炎１００に原料を供給するものであり、例えば、原料を、予め定めた量を供給するものであり、時間によらず、一定量の原料を供給する。
原料供給部１２は、一定量の原料を供給するものに限定されるものではなく、原料の熱プラズマ炎１００中への供給量を時間変調して、原料を熱プラズマ炎１００中に供給するものでもよい。これにより、図３および図４に示すオン時間に大量の原料を供給することができる。これにより、より小さい微粒子を大量に製造することができる。この場合、例えば、供給管１３に間歇供給部１５を設ける。間歇供給部１５により、チャンバー１６内に原料を時間変調して供給する。原料の供給量の変化は、特に限定されるものではなく、サイン波状でも、三角波状でも、方形波状でも、のこぎり波状でもよいが、第１のコイル６０に供給される第１の高周波電流の振幅変調および第２のコイル６２に供給される第２の高周波電流の振幅変調に合わせることが好ましい。すなわち、関数で表される、第１の高周波電流の振幅変調および第２の高周波電流の振幅変調の時間変化が、原料の供給量の変化と同じであることが好ましい。これにより、オン時間と原料の供給とのタイミングが合わせやすくなる。
原料供給部１２は、一定量の原料を供給するものに限定されるものではなく、原料の熱プラズマ炎１００中への供給量を時間変調して、原料を熱プラズマ炎１００中に供給するものでもよい。これにより、図３および図４に示すオン時間に大量の原料を供給することができる。これにより、より小さい微粒子を大量に製造することができる。この場合、例えば、供給管１３に間歇供給部１５を設ける。間歇供給部１５により、チャンバー１６内に原料を時間変調して供給する。原料の供給量の変化は、特に限定されるものではなく、サイン波状でも、三角波状でも、方形波状でも、のこぎり波状でもよいが、第１のコイル６０に供給される第１の高周波電流の振幅変調および第２のコイル６２に供給される第２の高周波電流の振幅変調に合わせることが好ましい。すなわち、関数で表される、第１の高周波電流の振幅変調および第２の高周波電流の振幅変調の時間変化が、原料の供給量の変化と同じであることが好ましい。これにより、オン時間と原料の供給とのタイミングが合わせやすくなる。
【0040】
間歇供給部１５は、例えば、供給管１３に接続されたソレノイドバルブ（電磁弁）を用いて、原料の供給量を時間変調する。制御部２４により、ソレノイドバルブの開閉が制御される。ソレノイドバルブ以外に、ボールバルブを用いてもよい。この場合も、制御部２４により、ボールバルブの開閉が制御される。制御部２４により、例えば、オン時間のときに原料の供給量を多くし、オフ時間のときに原料の供給量を少なくするパターンで、原料の供給量を時間変調する。これにより、より小さい微粒子を大量に製造することができる。このため、原料の供給は、オン時間のときに原料の供給量を多くし、オフ時間のときに原料の供給量を少なくすることが好ましい。このように、オン時間に原料を供給することにより、大量の原料を蒸発させることができ、その結果、微粒子の大量生成が可能になり、微粒子を高い生産性で、微粒子を効率よく、しかも大量に製造できる。
【0041】
次に、上述の製造装置１０を用いた微粒子の製造方法について、金属微粒子を例にして説明する。
まず、金属微粒子の原料の粉末として、例えば、体積平均粒径が３０μｍ以下のＳｉの粉末を原料供給部１２に投入する。
プラズマガスに、例えば、アルゴンガスを用いる。第１の電源部２１ａにより、振幅変調した第１の高周波電流を第１のコイル６０に供給する。第２の電源部２１ｂにより、振幅変調した第２の高周波電流を第２のコイル６２に供給する。これにより、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００を発生させる。第１のコイル６０に供給する第１の高周波電流の振幅変調は、例えば、９０％ＳＣＬであり、第２のコイル６２に供給する第２の高周波電流の振幅変調は、例えば、０％ＳＣＬであり、変調周期が１５ｍｓ、オン時間が１０ｍｓ、オフ時間が５ｍｓである。
まず、金属微粒子の原料の粉末として、例えば、体積平均粒径が３０μｍ以下のＳｉの粉末を原料供給部１２に投入する。
プラズマガスに、例えば、アルゴンガスを用いる。第１の電源部２１ａにより、振幅変調した第１の高周波電流を第１のコイル６０に供給する。第２の電源部２１ｂにより、振幅変調した第２の高周波電流を第２のコイル６２に供給する。これにより、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００を発生させる。第１のコイル６０に供給する第１の高周波電流の振幅変調は、例えば、９０％ＳＣＬであり、第２のコイル６２に供給する第２の高周波電流の振幅変調は、例えば、０％ＳＣＬであり、変調周期が１５ｍｓ、オン時間が１０ｍｓ、オフ時間が５ｍｓである。
【0042】
次に、キャリアガスとして、例えば、アルゴンガスを用いてＳｉの粉末を気体搬送し、供給管１３を介してプラズマトーチ１４の内部の熱プラズマ炎１００中に供給する（第１の工程）。供給されたＳｉの粉末は、熱プラズマ炎１００中で蒸発させて気相状態の混合物４５（図２参照）となる。気相状態の混合物４５（図２参照）を冷却する（第２の工程）。これにより、Ｓｉ微粒子（金属微粒子）が得られる。
そして、チャンバー１６内で得られたＳｉ微粒子は、真空ポンプ１８ｂによる回収部１８からの負圧（吸引力）によって回収部１８のフィルター１８ａに捕集される。
上述のように、熱プラズマ炎１００を安定した状態で周期的に高温状態と、高温状態よりも温度が低い低温状態にすることができることから、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を得ることができる。
そして、チャンバー１６内で得られたＳｉ微粒子は、真空ポンプ１８ｂによる回収部１８からの負圧（吸引力）によって回収部１８のフィルター１８ａに捕集される。
上述のように、熱プラズマ炎１００を安定した状態で周期的に高温状態と、高温状態よりも温度が低い低温状態にすることができることから、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を得ることができる。
【0043】
なお、上述の気相状態の混合物４５（図２参照）の冷却（第２の工程）は、特に限定されるものではなく、急冷ガス等の冷却媒体を用いることなく冷却させた自然冷却でもよい。急冷ガスを用いない場合、第２の高周波電流のＳＣＬの値を小さくすることにより、すなわち、第２の高周波電流の変調度合いを大きくすることにより、オン時間の熱プラズマ炎１００の温度を維持しつつ、オフ時間の熱プラズマ炎１００の温度を低くできるため、急冷ガスを用いた冷却を行わなくても、より小さなサイズのＳｉ微粒子（金属微粒子）を得ることができる。この場合、微粒子の製造方法の工程を簡素化できる。
また、気体供給部２２から熱プラズマ炎１００の尾部１００ｂ（図２参照）、すなわち、熱プラズマ炎１００の終端部に、急冷ガスとして、例えば、アルゴンガスを供給して、混合物４５（図２参照）を急冷してもよい。これにより、熱プラズマ炎１００が急冷されてＳｉ微粒子（金属微粒子）が生成されるが、このとき、チャンバー１６内に温度が低い領域が生じ、よりさらに小さいＳｉ微粒子（金属微粒子）が得られる。
また、気体供給部２２から熱プラズマ炎１００の尾部１００ｂ（図２参照）、すなわち、熱プラズマ炎１００の終端部に、急冷ガスとして、例えば、アルゴンガスを供給して、混合物４５（図２参照）を急冷してもよい。これにより、熱プラズマ炎１００が急冷されてＳｉ微粒子（金属微粒子）が生成されるが、このとき、チャンバー１６内に温度が低い領域が生じ、よりさらに小さいＳｉ微粒子（金属微粒子）が得られる。
【0044】
Ｓｉの粉末をプラズマトーチ１４の内部の熱プラズマ炎１００中に供給する際、上述のように、オン時間にＳｉの粉末の供給量を多くし、オフ時間にＳｉの粉末の供給量を少なくすることが好ましい。また、オン時間にＳｉの粉末を供給し、オフ時間にＳｉの粉末の供給しないようにしてもよい。いずれにしろ、ソレノイドバルブが開になってから実際に原料が搬送され、熱プラズマ炎１００中の原料の供給量が多くなるまでに時間がかかるので、その搬送時間にかかる時間を見越して、ソレノイドバルブ等を制御する必要がある。
ここで、図５（ａ）は第１の高周波電流および第２の高周波電流の波形の一例を示すグラフであり、（ｂ）はバルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は原料の供給を示すグラフである。
ここで、図５（ａ）は第１の高周波電流および第２の高周波電流の波形の一例を示すグラフであり、（ｂ）はバルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は原料の供給を示すグラフである。
【0045】
本実施形態では、例えば、第１のコイル６０の矩形波振幅変調された波形信号８０（図５（ａ）参照）および第２のコイル６２の矩形波振幅変調された波形信号８２（図５（ａ）参照）に基づき、搬送時間を考慮してバルブの開閉タイミングが決定され、図５（ｂ）に示すバルブの開閉のタイミング信号８４が得られ、バルブが所定の時間間隔で開閉される。その結果、図５（ｃ）に示す波形８６で、例えば、原料粉末がプラズマトーチ１４内にオン時間に供給され、結果として原料を間歇的に供給することができる。
第１のコイル６０および第２のコイル６２への平均投入電力を、それぞれ一定にして、振幅変調することが好ましい。また、例えば、プラズマトーチの内部の圧力は微粒子の製造中一定とする。
第１のコイル６０および第２のコイル６２への平均投入電力を、それぞれ一定にして、振幅変調することが好ましい。また、例えば、プラズマトーチの内部の圧力は微粒子の製造中一定とする。
【0046】
上述のことから、振幅変調された第１の高周波電流および振幅変調された第２の高周波電流により、熱プラズマ炎１００による温度差が大きい変動温度場を形成することができ、オン時間時に原料を投入することにより、原料のより完全な蒸発を行えることができる。さらにオン時間付近で投入された原料は、無変調状態時と比べてさらに急冷されるため、成長段階にある粒子の成長をさらに抑制できることが期待できる。したがって、第１の高周波電流および第２の高周波電流を振幅変調することにより、効率的なナノ粒子生成プロセスを実行できる。さらに、第２の高周波電流のＳＣＬの値を、第１の高周波電流のＳＣＬの値よりも小さくすることにより、熱プラズマ炎の変動温度場の温度をオフ時により低くできるため、さらに確実な蒸発および成長段階にある粒子の効率的な冷却が可能である。これより、より小さい微粒子を得ることができる。
【0047】
本実施形態の製造装置１０は、原料に、例えば、Ｓｉ粉体を用い、ナノサイズのＳｉ微粒子を製造することができる。しかし、これに限定されるものではなく、他の元素の粒子を微粒子製造用の原料として用いて、その酸化物、金属、窒化物、炭化物等の微粒子の製造を行うことも可能である。この場合、スラリー化しても微粒子の製造を行うことができる。
【0048】
原料は、粉末の場合、熱プラズマ炎中で容易に蒸発するように、その平均粒子径が適宜設定されるが、平均粒子径は、例えば、ＢＥＴ径換算で、１００μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。
例えば、原料としては、熱プラズマ炎により蒸発させられるものであれば、その種類を問わないが、好ましくは、以下のものがよい。すなわち、原子番号３～６、１１～１５、１９～３４、３７～５２、５５～６０、６２～７９および８１～８３の元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、単体酸化物、複合酸化物、複酸化物、酸化物固溶体、金属、合金、水酸化物、炭酸化合物、ハロゲン化物、硫化物、窒化物、炭化物、水素化物、金属塩または金属有機化合物を適宜選択すればよい。
例えば、原料としては、熱プラズマ炎により蒸発させられるものであれば、その種類を問わないが、好ましくは、以下のものがよい。すなわち、原子番号３～６、１１～１５、１９～３４、３７～５２、５５～６０、６２～７９および８１～８３の元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、単体酸化物、複合酸化物、複酸化物、酸化物固溶体、金属、合金、水酸化物、炭酸化合物、ハロゲン化物、硫化物、窒化物、炭化物、水素化物、金属塩または金属有機化合物を適宜選択すればよい。
【0049】
なお、単体酸化物とは酸素以外に１種の元素からなる酸化物をいい、複合酸化物とは複数種の酸化物から構成されるものをいい、複酸化物とは２種以上の酸化物からできている高次酸化物をいい、酸化物固溶体とは異なる酸化物が互いに均一に溶け合った固体をいう。また、金属とは１種以上の金属元素のみで構成されるものをいい、合金とは２種以上の金属元素から構成されるものをいう。合金の組織状態としては、固溶体、共融混合物、金属間化合物あるいはそれらの混合物をなす場合がある。
【0050】
また、水酸化物とは水酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭酸化合物とは炭酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、ハロゲン化物とはハロゲン元素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、硫化物とは硫黄と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、窒化物とは窒素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭化物とは炭素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、水素化物とは水素と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、金属塩は少なくとも１種以上の金属元素を含むイオン性化合物をいい、金属有機化合物とは１種以上の金属元素と少なくともＣ、Ｏ、Ｎ元素のいずれかとの結合を含む有機化合物をいい、金属アルコキシドおよび有機金属錯体等が挙げられる。
【0051】
例えば、単体酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２）、酸化鉄、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム、酸化サマリウム、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化バリウム（ＢａＯ）等を挙げることができる。
【0052】
また、複合酸化物としては、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、バナジウム酸イットリウム、リン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム（ＣａＺｒＯ３）、ジルコン酸チタン鉛、酸化チタン鉄（ＦｅＴｉＯ３）、酸化チタンコバルト（ＣｏＴｉＯ３）等を、複酸化物としては、錫酸バリウム（ＢａＳｎＯ３）、（メタ）チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸バリウムに酸化ジルコニウムと酸化カルシウムが固溶した固溶体等を挙げることができる。
さらに、水酸化物としてはＺｒ（ＯＨ）４、炭酸化合物としてはＣａＣＯ３、ハロゲン化物としてはＭｇＦ２、硫化物としてはＺｎＳ、窒化物としてはＴｉＮ、炭化物としてはＳｉＣ、水素化物としてはＴｉＨ２等を挙げることができる。
さらに、水酸化物としてはＺｒ（ＯＨ）４、炭酸化合物としてはＣａＣＯ３、ハロゲン化物としてはＭｇＦ２、硫化物としてはＺｎＳ、窒化物としてはＴｉＮ、炭化物としてはＳｉＣ、水素化物としてはＴｉＨ２等を挙げることができる。
【0053】
上述の図１に示す製造装置１０を用いた微粒子の製造について、より具体的に説明する。
第１のコイルおよび第２のコイルへの時間平均入力電力をそれぞれ、１０ｋＷとした。また、第１のコイルの高周波電流の周波数を４６０ｋＨｚ、第２のコイルの高周波電流の周波数を３２０ｋＨｚとした。
第１の高周波電流、および第２の高周波電流を矩形波振幅変調とした。変調度合いを示すＳＣＬは、第１の高周波電流では９０％に設定し、第２の高周波電流では０％に設定した。変調周期は１５ｍｓとしオン時間１０ｍｓ、オフ時間を５ｍｓとした。デューティ比（ＤＦ）％は６６％である。
第１のコイルおよび第２のコイルへの時間平均入力電力をそれぞれ、１０ｋＷとした。また、第１のコイルの高周波電流の周波数を４６０ｋＨｚ、第２のコイルの高周波電流の周波数を３２０ｋＨｚとした。
第１の高周波電流、および第２の高周波電流を矩形波振幅変調とした。変調度合いを示すＳＣＬは、第１の高周波電流では９０％に設定し、第２の高周波電流では０％に設定した。変調周期は１５ｍｓとしオン時間１０ｍｓ、オフ時間を５ｍｓとした。デューティ比（ＤＦ）％は６６％である。
【0054】
プラズマトーチ内の圧力を３００Ｔｏｒｒ（約４０ｋＰａ）とした。シースガスとしてＡｒガスを９０リットル／分の流量で導入した。また、Ｓｉ原料粉体をＡｒガス（キャリアガス）を用いて４リットル／分の流量で熱プラズマ炎に供給した。なお、急冷ガスは用いていない。
Ｓｉ原料粉体には体積平均粒径が２６μｍのＳｉ粉体（純度９７％）を用いた。Ｓｉ原料粉体を第１の高周波電流（変調電流）および第２の高周波電流（変調電流）の変調にソレノイドバルブをオン時間に同期させて、Ｓｉ原料粉体を供給量３．０ｇ／分で間歇投入した。これを以下、例１という。
Ｓｉ原料粉体には体積平均粒径が２６μｍのＳｉ粉体（純度９７％）を用いた。Ｓｉ原料粉体を第１の高周波電流（変調電流）および第２の高周波電流（変調電流）の変調にソレノイドバルブをオン時間に同期させて、Ｓｉ原料粉体を供給量３．０ｇ／分で間歇投入した。これを以下、例１という。
【0055】
なお、比較のために第１のコイルの高周波電流を振幅変調させずに１００％ＳＣＬとし、第２のコイルの高周波電流を振幅変調させて、０％ＳＣＬとし、Ｓｉ原料粉体の供給量を１．５ｇ／分とした以外は、上述の例１と同じ条件で微粒子を製造した。これを以下、例２という。
さらに、比較のために第１のコイルおよび第２のコイルの高周波電流をいずれも、振幅変調させずに、すなわち、１００％ＳＣＬとし、Ｓｉ原料粉体の供給量を２．８ｇ／分としたた以外は、上述の例１と同じ条件で微粒子を製造した。これを以下、例３という。
さらに、比較のために第１のコイルおよび第２のコイルの高周波電流をいずれも、振幅変調させずに、すなわち、１００％ＳＣＬとし、Ｓｉ原料粉体の供給量を２．８ｇ／分としたた以外は、上述の例１と同じ条件で微粒子を製造した。これを以下、例３という。
【0056】
上述の例１～例３の各微粒子について粒径分布を求めた。粒径分布については、製造した複数の微粒子のＳＥＭ像を取得し、複数の微粒子のＳＥＭ像から無作為に３００個の微粒子を選んだ。選んだ各微粒子の粒径をＳＥＭ像から測定し、各微粒子の粒径に基づき、粒径分布を得た。得られた微粒子の粒径分布から、微粒子の平均粒径と、標準偏差とを求めた。その結果を図６に示す。微粒子の平均粒径は、無作為に選んだ３００個の微粒子の直径の平均値である。標準偏差は、無作為に選んだ３００個の微粒子の直径から得たものである。
【0057】
図６の符号９０ａは例１の平均粒径ｄを示し、符号９０ｂは例２の平均粒径ｄを示し、符号９０ｃは例３の平均粒径ｄを示す。符号９２ａは例１の粒径分布の標準偏差σを示し、符号９２ｂは例２の粒径分布の標準偏差σを示し、符号９２ｃは例３の粒径分布の標準偏差σを示す。例１の平均粒径ｄは６３．０ｎｍ、標準偏差σは３８．５ｎｍであり、例２の平均粒径ｄは７２．５ｎｍ、標準偏差σは４４．５ｎｍであり、例３の平均粒径ｄは８２．７ｎｍ、標準偏差σは６８．３ｎｍであった。
【0058】
図６に示すように、第１の高周波電流および第２の高周波電流を振幅変調した例１は、平均粒径および標準偏差が小さい。第１の高周波電流を振幅変調せずに、第２の高周波電流だけを振幅変調した例２は、平均粒径および標準偏差が例１よりも大きいが、例３よりは小さい。第１の高周波電流および第２の高周波電流を、いずれも振幅変調していない例３は、平均粒径および標準偏差が例２よりも大きい。
なお、例１と例３は、Ｓｉ原料粉体の供給量が略同じであるが、例２はＳｉ原料粉体の供給量が例１の半分であり、少ない。一般的に原料粉体の供給量が少ないと粒径が小さくなる傾向にある。しかしながら、例２は例１よりも平均粒径が大きく、かつ標準偏差も大きい。また、例１では、例２よりもＳｉ原料粉体の供給量が多くても微粒子を製造することができており、例１は生産性が高い。
なお、例１と例３は、Ｓｉ原料粉体の供給量が略同じであるが、例２はＳｉ原料粉体の供給量が例１の半分であり、少ない。一般的に原料粉体の供給量が少ないと粒径が小さくなる傾向にある。しかしながら、例２は例１よりも平均粒径が大きく、かつ標準偏差も大きい。また、例１では、例２よりもＳｉ原料粉体の供給量が多くても微粒子を製造することができており、例１は生産性が高い。
【0059】
例１～例３の各微粒子について、ＸＲＤ（Ｘ線回折法）を用いて結晶構造の解析を実施した。その結果を図７に示す。なお、図７において、符号９４は例１のＸＲＤスペクトルを示し、符号９６は例２のＸＲＤスペクトルを示し、符号９８は例３のＸＲＤスペクトルを示す。
図７に示すＸ線回折法（ＸＲＤ）による結晶構造の解析結果から、例１～例３は全てＳｉで構成されていた。
また、例１の微粒子のＳＥＭ像を図８に示し、例２の微粒子のＳＥＭ像を図９に示し、例３の微粒子のＳＥＭ像を図１０に示す。図８および図９は倍率が１０００００倍であり、図１０は倍率が９５０００倍である。
図７に示すＸ線回折法（ＸＲＤ）による結晶構造の解析結果から、例１～例３は全てＳｉで構成されていた。
また、例１の微粒子のＳＥＭ像を図８に示し、例２の微粒子のＳＥＭ像を図９に示し、例３の微粒子のＳＥＭ像を図１０に示す。図８および図９は倍率が１０００００倍であり、図１０は倍率が９５０００倍である。
【0060】
図８および図１０に示すように、例１の微粒子は例３の微粒子よりも粒径が小さく、さらには、例１の方が粗大粒子が少なく、微粒子が均一であった。
図８および図９に示すように、例１の微粒子は例２の微粒子よりも粒径が小さく、さらには、例１の方が粗大粒子が少なく、微粒子が均一であった。
例２の微粒子と、例３の微粒子とでは、例２の微粒子は、第２の高周波電流だけを振幅変調しており、例３の微粒子よりも粒径が小さく、さらには、例２の方が粗大粒子が少なかった。
図８および図９に示すように、例１の微粒子は例２の微粒子よりも粒径が小さく、さらには、例１の方が粗大粒子が少なく、微粒子が均一であった。
例２の微粒子と、例３の微粒子とでは、例２の微粒子は、第２の高周波電流だけを振幅変調しており、例３の微粒子よりも粒径が小さく、さらには、例２の方が粗大粒子が少なかった。
【0061】
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【0062】
１０ 微粒子の製造装置（製造装置）
１２ 原料供給部
１３ 供給管
１４ プラズマトーチ
１４ａ 石英管
１４ｂ 高周波発振用コイル
１４ｃ 供給口
１４ｄ プラズマガス供給口
１４ｅ 石英管
１４ｆ 冷却水
１５ 間歇供給部
１６ チャンバー
１６ａ 上流チャンバー
１６ｂ 下流チャンバー
１８ 回収部
１８ａ フィルター
１８ｂ 真空ポンプ
２０ プラズマガス供給部
２１ プラズマ発生部
２１ａ 第１の電源部
２１ｂ 第２の電源部
２２ 気体供給部
２４ 制御部
４５ 混合物
６０ 第１のコイル
６２ 第２のコイル
８０、８２ 波形信号
８４ タイミング信号
８６ 波形
９０ａ 例１の平均粒径
９０ｂ 例２の平均粒径
９０ｃ 例３の平均粒径
９２ａ 例１の粒径分布の標準偏差
９２ｂ 例２の粒径分布の標準偏差
９２ｃ 例３の粒径分布の標準偏差
９４ 例１のＸＲＤスペクトル
９６ 例２のＸＲＤスペクトル
９８ 例３のＸＲＤスペクトル
１００ 熱プラズマ炎
１００ｂ 尾部
１２ 原料供給部
１３ 供給管
１４ プラズマトーチ
１４ａ 石英管
１４ｂ 高周波発振用コイル
１４ｃ 供給口
１４ｄ プラズマガス供給口
１４ｅ 石英管
１４ｆ 冷却水
１５ 間歇供給部
１６ チャンバー
１６ａ 上流チャンバー
１６ｂ 下流チャンバー
１８ 回収部
１８ａ フィルター
１８ｂ 真空ポンプ
２０ プラズマガス供給部
２１ プラズマ発生部
２１ａ 第１の電源部
２１ｂ 第２の電源部
２２ 気体供給部
２４ 制御部
４５ 混合物
６０ 第１のコイル
６２ 第２のコイル
８０、８２ 波形信号
８４ タイミング信号
８６ 波形
９０ａ 例１の平均粒径
９０ｂ 例２の平均粒径
９０ｃ 例３の平均粒径
９２ａ 例１の粒径分布の標準偏差
９２ｂ 例２の粒径分布の標準偏差
９２ｃ 例３の粒径分布の標準偏差
９４ 例１のＸＲＤスペクトル
９６ 例２のＸＲＤスペクトル
９８ 例３のＸＲＤスペクトル
１００ 熱プラズマ炎
１００ｂ 尾部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
