JP2005058810A

JP2005058810A - 静電吸引型流体吐出方法およびその装置

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Publication number: JP2005058810A
Application number: JP2003206962A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nishio; 茂西尾; Hironobu Iwashita; 広信岩下; Kazunori Yamamoto; 和典山本; Kazuhiro Murata; 和広村田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Konica Minolta Inc; Sharp Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Konica Minolta Inc; Sharp Corp
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: CN101428497A; CN101428497B; JP4397642B2; CN100464872C; CN1832810A

Abstract

【課題】ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化を両立し、かつ吐出先部材での液滴飛散を抑制して鮮明な微細パターンを形成できるようにする。
【解決手段】静電吸引型流体吐出装置は、ノズル１１と絶縁性基板１６との間に電源１４から駆動電圧を印加して、ノズル１１内に供給された吐出材料１５に電荷を供給し、この吐出材料１５をノズル孔から絶縁性基板１６に吐出させる。ノズル１１の孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、電源１４は、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧を出力する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク等の流体を帯電させ、その流体をノズルから基板などの対象物上に吐出する静電吸引型流体吐出方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インク等の流体を対象物（記録媒体）上に吐出する流体ジェット方式にはインクジェットプリンタとして実用化されているピエゾやサーマルなどの方式があるが、その他の方式として、吐出する流体を導電性流体とし、導電性流体に電界を印加してノズルから吐出させる静電吸引方式がある。
【０００３】
このような静電吸引方式の流体吐出装置（以下、静電吸引型流体吐出装置と称する）としては、例えば特許文献１および特許文献２において開示がある。
【０００４】
また、特開２０００−１２７４１０号公報（特許文献４）には、ノズル孔をスリット状とすると共にノズル孔に突出した針電極を設け、該針電極を用いて微粒子を含むインク吐出する装置が開示されている。
【０００５】
また、特開平８−２３８７７４号公報（特許文献３）には、ノズル孔より内部のインク室に電圧印加用の電極を設けた装置が開示されている。
【０００６】
ここで、従来の静電吸引型流体吐出装置における流体吐出モデルを説明する。
【０００７】
静電吸引型流体吐出装置とりわけオンデマンド型の静電吸引型流体吐出装置の設計要因としては、インク液体の導電性（例えば比抵抗１０^６〜１０^１１Ωｃｍ）、表面張力（例えば０．０２０〜０．０４０Ｎ／ｍ）、粘度（例えば０．０１１〜０．０１５Ｐａ・ｓ）、印加電圧（電場）がある。そして、印加電圧としては、ノズルに印加する電圧、およびノズルと対向電極間との距離が特に重要とされていた。
【０００８】
静電吸引型流体吐出装置においては、電気流体的な不安定性を利用しており、図２４にこの様子を示す。一様電界の中に導電性流体を静置すると、導電性流体の表面に作用する静電力が表面を不安定にし、曳き糸の成長を促す（静電曳き糸現象）。この時の電場は、ノズル１００と、ノズル１００先端のノズル孔１００ａと距離ｈを隔てて対向する対向電極１０１との間に電圧Ｖを印加したときに発生する電場Ｅ_０とする。この時の成長波長λ_ｃは物理的に導くことが可能であり（例えば、非特許文献１）、次式で表される。
【０００９】
【数１】

【００１０】
ここで、γ：表面張力（Ｎ／ｍ）、ε_０：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｅ_０：電界の強さ（Ｖ／ｍ）である。ノズル径ｄ（ｍ）が、λ_ｃよりも小さい場合、成長は起こらない。すなわち、
【００１１】
【数２】

【００１２】
が、吐出のための条件となっていた。
【００１３】
ここで、Ｅ_０は平行平板を仮定した場合の電界強度（Ｖ／ｍ）で、ノズル−対向電極間距離をｈ（ｍ）、ノズルに印加する電圧をＶ_０として、
【００１４】
【数３】

【００１５】
したがって、
【００１６】
【数４】

【００１７】
となる。
【００１８】
【特許文献１】
特公昭３６−１３７６８号公報（公告日昭和３６年８月１８日）
【００１９】
【特許文献２】
特開２００１−８８３０６号公報（公開日平成１３年４月３日）
【００２０】
【特許文献３】
特開平８−２３８７７４号公報（公開日平成８年９月１７日）
【００２１】
【特許文献４】
特開２０００−１２７４１０号公報（公開日平成１２年５月９日）
【００２２】
【非特許文献１】
画像電子情報学会，第１７巻，第４号，１９８８年，ｐ．１８５−１９３
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
流体吐出装置では、一般的により微細なドット形成やライン形成を可能とするために、インクを吐出するノズルの径を小さくしたいといった要望がある。
【００２４】
しかしながら、現在実用化されているピエゾ方式やサーマル方式などの流体吐出装置では、ノズル径を小さくして、例えば１ｐｌを下回るような微小量の流体の吐出は困難である。これは、流体を吐出するノズルが微細になるほど吐出に必要な圧力が大きくなるためである。
【００２５】
また、上述のような流体吐出装置では、液滴の微細化と高精度化は相反する課題であり、両方を同時に実現するのは困難であった。これは以下の理由による。
【００２６】
ノズルから吐出された液滴に付与される運動エネルギーは、液滴半径の３乗に比例する。このため、ノズルを微細化した場合に吐出される微細液滴は、吐出時の空気抵抗に耐えるほどの十分な運動エネルギーを確保できず、空気滞留などによる撹乱を受け、正確な着弾を期待できない。さらに、液滴が微細になるほど、表面張力の効果が増すため、液滴の蒸気圧が高くなり蒸発量が激しくなる．このため、微細液滴は飛翔中に著しい質量の消失を招き、着弾時に液滴の形態を保つことすら難しいという問題があった。
【００２７】
またさらに、上述した従来の静電吸引型流体吐出装置における流体吐出モデルに基づくと、上記（２）式より、ノズル径の減少は吐出に必要な電界強度の増加を要請することとなる。そして、電界強度は、上記（３）式に示すように、ノズルに印加する電圧（駆動電圧）Ｖ_０とノズル−対向電極間距離ｈとによって決まるため、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇を招来する。
【００２８】
ここで、従来の静電吸引型流体吐出装置における駆動電圧は、１０００Ｖ以上と非常に高いため、各ノズル間でのリークや干渉化を考慮すると小型化および高密度化は難しく、ノズル径をさらに小さくすると上記問題がより大きなものとなる。また、１０００Ｖを越えるような高電圧のパワー半導体は一般的に高価で周波数応答性も低い。
【００２９】
尚、上記特許文献１で開示されているノズル径は０．１２７ｍｍであり、特許文献２で開示されているノズル径の範囲は５０〜２０００μｍ、より好ましくは１００〜１０００μｍといった範囲であった。
【００３０】
ノズル径に関して、従来の静電吸引型流体吐出における典型的な動作条件を当てはめて計算してみると、表面張力０．０２０Ｎ／ｍ、電界強度１０^７Ｖ／ｍとして、上記（１）式に代入して計算すると、成長波長λ_ｃは約１４０μｍとなる。すなわち、限界ノズル径として７０μｍという値が得られる。すなわち、上記条件下では１０^７Ｖ／ｍの強電界を用いてもノズル径が直径７０μｍ程度以下の場合は背圧を印加して強制的にメニスカス形成させるなどの処置をとらない限り、インクの成長は起こらず、静電吸引型流体吐出は成立しないと考えられていた。すなわち、微細ノズルと駆動電圧の低電圧化は両立しない課題と考えられていた。
【００３１】
以上のように、従来の流体吐出装置では、ノズルの微細化と高精度化は相反する課題であり、両方を同時に実現することは困難であった。また、特に静電吸引型流体吐出装置では、ノズルの微細化と駆動電圧の低電圧化とは両立しない課題と考えられていた。
【００３２】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ノズルの微細化と微小流体の吐出及び着弾位置の高精度化、さらに、駆動電圧の低電圧化をすべて実現した静電吸引型流体吐出装置を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧を出力することを特徴としている。
【００３４】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧であることを特徴としている。
【００３５】
従来、静電吸引型流体吐出装置において、ノズル孔径の縮小は吐出に必要な電界強度の増加を招来するため、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化は両立し得ないと考えられていた。これに対し、本願発明では、ノズル孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍの微細径とした場合に局所電界が発生し、吐出における駆動電圧の低下が可能になるという新たな知見に基づき、ノズル孔径を上記範囲内とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００３６】
また、上記の構成では、ノズルに印加する駆動電圧が、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧となっているので、吐出先部材のチャージアップによる吐出先部材での液滴の飛散領域の拡大と駆動電圧の上昇とを抑制することができる。この結果、吐出先部材に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００３７】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、前記流体の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εに対して、τ＝ε／σにて決定される時定数τと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係がｆ≦１／（２τ）となる電圧を出力することを特徴としている。
【００３８】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、前記流体の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εに対して、τ＝ε／σにて決定される時定数τと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係がｆ≦１／（２τ）となる電圧であることを特徴としている。
【００３９】
従来、静電吸引型流体吐出装置において、ノズル孔径の縮小は吐出に必要な電界強度の増加を招来するため、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化は両立し得ないと考えられていた。これに対し、本願発明では、ノズル孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍの微細径とした場合に局所電界が発生し、吐出における駆動電圧の低下が可能になるという新たな知見に基づき、ノズル孔径を上記範囲内とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００４０】
また、上記の構成では、ノズルに印加する駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、流体の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εに対して、τ＝ε／σにて決定される時定数τと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係がｆ≦１／（２τ）となる電圧を出力するので、ノズルからの吐出最低電圧の上昇を抑制し、かつ吐出先部材上における液滴の飛散領域を狭くし、吐出先部材上において鮮明な微細パターンを形成することができる。
【００４１】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させるとともに、移動手段にて前記ノズルと吐出先部材とをこれら両者の対向方向に直交する方向に相対移動させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転し、周波数がｆＨｚである両極性パルス電圧を出力するものであり、前記駆動電圧印加手段の駆動電圧周波数ｆＨｚと前記相対移動における相対速度ｖμｍ／ｓｅｃとの関係が、ｆ≧５ｖとなるように、前記駆動電圧出力手段と前記移動手段との少なくとも一方を制御する制御手段をさらに備えていることを特徴としている。
【００４２】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させるとともに、前記ノズルと吐出先部材とをこれら両者の対向方向に直交する方向に相対移動させる静電吸引型流体吐出方法において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧として、正負両極性に反転し、周波数がｆＨｚである両極性パルス電圧を出力し、前記駆動電圧周波数ｆＨｚと前記相対移動における相対速度ｖμｍ／ｓｅｃとの関係が、ｆ≧５ｖとなるように駆動電圧周波数と相対移動速度との少なくとも一方を制御することを特徴としている。
【００４３】
従来、静電吸引型流体吐出装置において、ノズル孔径の縮小は吐出に必要な電界強度の増加を招来するため、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化は両立し得ないと考えられていた。これに対し、本願発明では、ノズル孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍの微細径とした場合に局所電界が発生し、吐出における駆動電圧の低下が可能になるという新たな知見に基づき、ノズル孔径を上記範囲内とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００４４】
また、ノズルに印加する駆動電圧として、正負両極性に反転し、周波数がｆＨｚである両極性パルス電圧を出力し、ノズルと吐出先部材との相対移動における相対速度ｖμｍ／ｓｅｃと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係が、ｆ≧５ｖとなるように駆動電圧周波数と相対移動速度との少なくとも一方を制御するので、吐出先部材上における液滴の飛散を抑制して、鮮明な微細パターンを形成することが可能となる。
【００４５】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材、例えば絶縁性基板との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させるとともに、移動手段にて前記ノズルと吐出先部材とをこれら両者の対向方向に直交する方向に相対移動させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、４００Ｖ以下の電圧を出力することを特徴としている。
【００４６】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、ノズルと吐出先部材、絶縁性基板との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、４００Ｖ以下の電圧であることを特徴としている。
【００４７】
従来、静電吸引型流体吐出装置において、ノズル孔径の縮小は吐出に必要な電界強度の増加を招来するため、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化は両立し得ないと考えられていた。これに対し、本願発明では、ノズル孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍの微細径とした場合に局所電界が発生し、吐出における駆動電圧の低下が可能になるという新たな知見に基づき、ノズル孔径を上記範囲内とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００４８】
また、ノズルに印加する駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、４００Ｖ以下の電圧であるので、吐出先部材上に流体を吐出してドット形成する場合、そのドット周辺部への液滴の飛散を抑制し、鮮明な微細パターンを形成することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
〔前提技術〕
先ず、本発明の前提技術について、図面を参照して以下に説明する。
本発明の前提技術に係る静電吸引型流体吐出装置は、そのノズル径を０．０１μｍ〜２５μｍとしており、かつ、１０００Ｖ以下の駆動電圧にて吐出流体の吐出制御を可能としている。
【００５０】
ここで、従来のインク吐出モデルにおいては、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇に繋がるため、５０〜７０μｍ以下のノズル径では、吐出インクに背圧を与えるなどの他の工夫を行わない限り、１０００Ｖ以下の駆動電圧でのインク吐出は不可能と考えられていた。しかしながら、本願発明者らは鋭意検討の結果、あるノズル径以下では、従来のインク吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こることを突き止めた。本前提技術は、このインク吐出モデルにおける新たな知見に基づいている。
【００５１】
先ずは、本願の前提技術において究明されたインク吐出モデルについて説明する。
【００５２】
直径ｄ（以下の説明においては、特に断らない限りノズル孔の内径を指す）のノズルに導電性インクを注入し、無限平板導体からｈの高さに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図１８に示す。このとき、ノズル先端（ノズル孔：流体吐出孔）に誘起される電荷Ｑは、ノズル先端の吐出流体によって形成される半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
【００５３】
【数５】

【００５４】
ここで、Ｑ：ノズル先端に誘起される電荷（Ｃ）、ε_０：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、ｄ：ノズル径（直径）（ｍ）、Ｖ_０：ノズルに印加する総電圧である。また、αは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、１〜１．５程度の値を取るが、特にｄ＜＜ｈ（ｈ：ノズル（ノズル孔）−基板間距離（ｍ））の時はほぼ１となる。
【００５５】
また、基板として導電基板を用いた場合、ノズルと対向して基板内の対称位置に、上記電荷Ｑと反対の極性を持つ鏡像電荷Ｑ’が誘導されると考えられる。基板が絶縁体の場合は、誘電率によって定まる対称位置に同様に電荷Ｑと逆極性の映像電荷Ｑ’が誘導される。
【００５６】
ノズル先端部における集中電界強度Ｅ_ｌｏｃは、先端部の曲率半径をＲと仮定すると、
【００５７】
【数６】

【００５８】
で与えられる。ここで、ｋは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、１．５〜８．５程度の値を取るが、多くの場合５程度と考えられる（Ｐ．Ｊ．ＢｉｒｄｓｅｙｅａｎｄＤ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ，ＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２３（１９７０），ｐ．１９８−２１０）。また、ここでは、インク吐出モデルを簡単にするため、Ｒ＝ｄ／２と仮定する。これは、ノズル先端部において表面張力によって導電性インクがノズル径ｄと同じ曲率径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
【００５９】
次に、ノズル先端の吐出流体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力Ｐ_ｅは、ノズル先端部の液面積をＳとすると、
【００６０】
【数７】

【００６１】
となる。（５）〜（７）式より、圧力Ｐ_ｅは、α＝１とおいて、
【００６２】
【数８】

【００６３】
と表される。
【００６４】
一方、ノズル先端部における吐出流体の表面張力による圧力Ｐ_ｓとすると、
【００６５】
【数９】

【００６６】
となる。ここで、γ：表面張力である。静電的な力により吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回ることなので、静電的な圧力Ｐ_ｅと表面張力による圧力Ｐ_ｓとの関係は、
【００６７】
【数１０】

【００６８】
となる。
【００６９】
図１９に、ある直径ｄのノズルを与えた時の、表面張力による圧力Ｐ_ｓと静電的な圧力Ｐ_ｅとの関係を示す。吐出流体の表面張力としては、吐出流体が水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）の場合を仮定している。ノズルに印加する電圧を７００Ｖとした場合、ノズル直径ｄが２５μｍにおいて静電的な圧力Ｐ_ｅが表面張力による圧力Ｐ_ｓを上回ることが示唆される。このことより、Ｖ_０とｄとの関係を求めると、
【００７０】
【数１１】

【００７１】
が吐出の最低電圧を与える。
【００７２】
また、その時の吐出圧力ΔＰは、
【００７３】
【数１２】

【００７４】
より、
【００７５】
【数１３】

【００７６】
となる。
【００７７】
ある直径ｄのノズルに対し、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合の吐出圧力ΔＰの依存性を図２０に、吐出臨界電圧（すなわち吐出の生じる最低電圧）Ｖｃの依存性を図２１に示す。
【００７８】
図２０から、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合（Ｖ_０＝７００Ｖ，γ＝７２ｍＮ／ｍと仮定した場合）のノズル径の上限が２５μｍであることが分かる。
【００７９】
図２１の計算では、吐出流体として水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）および有機溶剤（γ＝２０ｍＮ／ｍ）を想定し、ｋ＝５の条件を仮定した。この図より、微細ノズルによる電界の集中効果を考慮すると、吐出臨界電圧Ｖｃはノズル径の減少に伴い低下することが明らかであり、吐出流体が水の場合においてノズル径が２５μｍの場合、吐出臨界電圧Ｖｃは７００Ｖ程度であることが分かる。
【００８０】
従来の吐出モデルにおける電界の考え方、すなわちノズルに印加する電圧Ｖ_０とノズル−対向電極間距離ｈとによって定義される電界のみを考慮した場合では、ノズル径が微小になるに従い、吐出に必要な駆動電圧は増加する。
【００８１】
これに対し、本前提技術において提案する新たな吐出モデルのように、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にする。
【００８２】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、従来の吐出モデルでは、ノズル−基板間に電界を印加するため、絶縁体の基板に対してはノズルと反対側に対向電極を配置するか、あるいは基板を導電性とする必要があった。そして、対向電極を配置する場合、すなわち基板が絶縁体の場合では、使用できる基板の厚さに限界があった。
【００８３】
これに対し、本前提技術の吐出モデルでは、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増す。また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。なお、ノズルから吐出される液体は帯電しているので、この液体と基板との間には鏡像力が働く。この鏡像力の大きさと基板からのノズルの距離ｈとの相関を図２２に示す。
【００８４】
次に、上記吐出流量の精密制御について考えて見る。円筒状の流路における流量Ｑは、粘性流の場合、以下のハーゲン・ポアズイユの式によって表される。いま、円筒形のノズルを仮定し、このノズルを流れる流体の流量Ｑは、次式で表される。
【００８５】
【数１４】

【００８６】
ここで、η：流体の粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：流路すなわちノズルの長さ（ｍ）、ｄ：流路すなわちノズルの径（ｍ）、△Ｐ：圧力差（Ｐａ）である。上式より、流量Ｑは、流路の半径の４乗に比例するため、流量を制限するためには、微細なノズルの採用が効果的である。この（１４）式に、（１３）式で求めた吐出圧力△Ｐを代入し、次式を得る。
【００８７】
【数１５】

【００８８】
この式は、直径ｄ、長さＬのノズルに電圧Ｖを引加した際に、ノズルから流出する流体の流出量を表している。この様子を、図２３に示す。計算にはＬ＝１０ｍｍ、η＝１（ｍＰａ・ｓ）、γ＝７２（ｍＮ／ｍ）の値を用いた。いま、ノズル径を先行技術の最小値５０μｍと仮定する。電圧Ｖを徐々に印加していくと、電圧Ｖ＝１０００Ｖで吐出が開始する。この電圧は、図２１でも述べた吐出開始電圧に相当する。そのときのノズルからの流量がＹ軸に示されている。吐出開始電圧Ｖｃ直上で流量は急速に立ち上がっている。このモデル計算上では、電圧をＶｃより少し上で精密に制御することで微小流量が得られそうに思えるが、片対数で示される図からも予想されるように実際上それは不可能で、特に１０^−１０ｍ^３／ｓ以下、微小量の実現は困難である。また、ある径のノズルを採用した場合には、（１１）式で与えられたように、最小駆動電圧が決まってしまう。このため、先行技術のように、直径５０μｍ以上のノズルを用いる限り、１０^−１０ｍ^３／ｓ以下の微小吐出量や、１０００Ｖ以下の駆動電圧にすることは困難である。
【００８９】
図から分かるように、直径２５μｍのノズルの場合７００Ｖ以下の駆動電圧で充分であり、直径１０μｍのノズルの場合５００Ｖ以下でも制御可能である。また、直径１μｍのノズルの場合３００Ｖ以下でも良いことが分かる。
【００９０】
以上の考察は、連続流を考えた場合であるが、ドットを形成するためには、スイッチングの必要性がある。次にそれに関して述べる。
【００９１】
静電吸引による吐出は、ノズル端部における流体の帯電が基本である。帯電の速度は誘電緩和によって決まる時定数程度と考えられる。
【００９２】
【数１６】

【００９３】
ここで、ε：流体の比誘電率、σ：流体の導電率（Ｓ／ｍ）である。流体の比誘電率を１０、導電率を１０^−６Ｓ／ｍを仮定すると、τ＝１．８５４×１０^−５ｓｅｃとなる。あるいは、臨界周波数をｆｃとすると、
【００９４】
【数１７】

【００９５】
となる。このｆｃよりも早い周波数の電界の変化に対しては、応答できず吐出は不可能になると考えられる。上記の例について見積もると、周波数としては１０ｋＨｚ程度となる。
【００９６】
次に、ノズル内における表面張力の低下について考える。電極の上に絶縁体を配置し、その上に滴下した液体と電極の間に電圧を印加すると液体と絶縁体の接触面積が増す、すなわちぬれ性がよくなることが見いだされ、エレクトロウェッティング（Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）現象と呼ばれている。この効果は、円筒形のキャピラリー形状においても成り立ち、エレクトロキャピラリー（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｐａｐｉｌｌａｒｙ）と呼ばれることもある。エレクトロウェッティング効果による圧力と、印加電圧、キャピラリーの形状、溶液の物性値との間に以下の関係がある。
【００９７】
【数１８】

【００９８】
ここで、ε_０：真空の誘電率、ε_ｒ：絶縁体の誘電率、ｔ：絶縁体の厚さ、ｄ：キャピラリーの内径である。流体として、水を考えてこの値を計算してみると、上述の特許文献１の実施例の場合を計算してみると、高々３００００Ｐａ（０．３気圧）にすぎないが、本前提技術の場合、ノズルの外側に電極を設けることにより３０気圧相当の効果が得られることがわかった。これにより、微細ノズルを用いた場合でもノズル先端部への流体の供給は、この効果により速やかに行われる。この効果は、絶縁体の誘電率が高いほど、またその厚さが薄いほど顕著になる。エレクトロキャピラリー効果を得るためには、厳密には絶縁体を介して電極を設置する必要があるが、十分な絶縁体に十分な電場がかかる場合、同様の効果が得られる。
【００９９】
以上の議論において、注意すべき点は、これらの近似理論は従来のように電界強度として、ノズルに印加する電圧Ｖ_０と、ノズルと対向電極間の距離ｈとで決まる電界ではなく、ノズル先端における局所的な集中電界強度に基づいている。
また、本前提技術において重要なのは、局所的な強電界と、流体を供給する流路が非常に小さなコンダクタンスを持つことである。そして、流体自身が微小面積において十分に帯電することである。帯電した微小流体は、基板などの誘電体、または導体を近づけると、鏡像力が働き基板に対し直角に飛翔する。このために、実施例ではノズルは作成の容易さからガラスキャピラリーを使っているが、これに限定されるものではない。
【０１００】
〔実施の形態１〕
以下の実施の形態においては、超微細ノズルから静電力によって超微細液体を吐出させる場合におけるノズルの駆動条件について究明した結果について説明する。
【０１０１】
静電吸引型流体吐出装置においては、前述の前提技術にて説明したように、ノズル孔の直径（ノズル径）をφ０．０１〜２５μｍの範囲とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化との両立が可能である。
【０１０２】
また、ノズルからの吐出材料となる液体の吐出量は、ノズルと吐出先部材との間の電位差やノズルと吐出先部材との間の距離、すなわちギャップによって制御することができる。基本的には、電位差が大きいほど、またギャップが小さいほど、ノズル先端の電界強度を大きくすることができるため、その吐出量を制御することが容易となる。
【０１０３】
しかしながら、上記のような静電吸引型流体吐出方法には、次のような問題点がある。すなわち、絶縁性の吐出先部材に対して液体の吐出を行った場合、ＤＣバイアスや片側極性のパルス電圧など、＋または−の片側極性のバイアスを駆動電圧としてノズルに印加した場合、吐出液体中の電荷によって吐出先部材がチャージアップし、その表面電位が上昇する。そして、この表面電位上昇の影響により、吐出駆動力となるノズル（ノズル内部の駆動電極）と吐出先部材との間の電位差が不安定となり吐出不良が発生する。
【０１０４】
この結果、片側極性のバイアスを使用して安定吐出を行うためには、上記電位差を確保するために、ノズルの駆動電極にさらに高いバイアスを与える必要があり、ノズルの低電圧駆動が困難となる。実際に、ＤＣバイアスによる吐出最低電圧は、図１４に示すように、吐出先部材として表面抵抗値が１０１５Ω／ｓｑのポリイミドを使用した場合の方が、吐出先部材として表面抵抗値が１０１０Ω／ｓｑのガラス基板あるいは導電体のＳＵＳ基板を使用した場合よりも高くなり、前者の方が吐出特性において劣っている。
【０１０５】
そこで、このような吐出最低電圧の上昇を抑制するために、ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用するのが好ましい。この場合には、図１５に示すように、ＤＣバイアスを使用する場合と比較して、吐出最低電圧が低下することがわかる。これは、吐出先部材への着弾液滴の帯電電荷が正負交互となり、吐出先部材上へは順次逆極性の電荷が滴下されるため、吐出先部材でのチャージアップを抑制しながら吐出が行われることによる。このように、ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用することは、ノズルからの吐出安定性を高める上で有効である。
【０１０６】
ところが、ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用した場合であっても、図１６に示すように、吐出先部材への描画パターン形成時に、描画パターンの周辺に微小な液滴の飛散りが発生し、描画パターンが乱れる事態を招来する。これは次の理由による。
【０１０７】
例えば、図１７（ａ）に示すように、ノズルの駆動電圧として周波数の低いパルス電圧を使用し、このパルス電圧の正極性パルスにてノズルからの吐出が行われる構成の場合、吐出先部材である絶縁性基板１６上には正電荷を有する液体が連続的に吐出される。このとき、図１７（ｂ）に示すように、先に滴下されている液体上に後から液体が滴下されると、両液体は同極性に帯電しているために絶縁性基板１６上において反発し合い、例えば後から滴下された液体がさらに微細な液滴となって絶縁性基板１６上に飛び散ることになる。
【０１０８】
上記のような微細液滴の飛散りは、例えば、吐出材料を導電性材料として絶縁性基板１６上に配線パターンを描画した場合に、基板の電気特性に悪影響を及ぼすことになる。
【０１０９】
そこで、本発明の静電吸引型流体吐出装置では、さらに、ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用する構成において、吐出先部材上における吐出材料の飛散りを抑制して、描画像の乱れの少ない鮮明な微細パターンを形成できるようにする。
【０１１０】
以下、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置について詳細に説明する。
図１は本実施の形態における静電吸引型流体吐出装置の概略構成図である。図１に示すように、静電吸引型流体吐出装置では、液滴吐出ヘッドとなるノズル１１とステージ１２とが対向配置されている。すなわち、ノズル１１は先端部が下方を向くように配置され、ノズル１１の下方にステージ１２が水平に設けられている。ノズル１１は図示しない駆動装置に駆動されて任意の方向へ移動可能となっている。例えば、ノズル１１はノズル１１を独立して移動させるための３次元ロボットに備え付けられている。なお、ノズル１１とステージ１２とは相対移動すればよく、したがってテージ１２が駆動装置に駆動されて移動するものであってもよい。
【０１１１】
ノズル１１内には駆動電極１３が設けられ、この駆動電極１３には電源（駆動電圧印加手段）１４が接続されている。また、ノズル１１内には液体からなる吐出材料（流体）１５が充填され、ステージ１２上には吐出材料１５の吐出先である絶縁性基板（吐出先部材）１６が固定される。ステージ１２は接地されており、したがって絶縁性基板１６はステージ１２を通じて接地される。絶縁性基板１６にはノズル１１から吐出された吐出材料１５により、例えば微細な配線パターンが形成される。
【０１１２】
ノズル１１は、超微細液体を吐出可能とするために、低コンダクタンスの流路がノズル１１の近傍に設けられているか、もしくはノズル１１自身が低コンダクタンスのものとなっている。このために、ノズル１１は、ガラス製キャピラリーが好適であるが、導電性物質に絶縁材でコーティングしたものでも可能である。
【０１１３】
ノズル１１をガラス製とする理由は、容易に数μｍ程度のノズル孔を形成できること、ノズル孔の閉塞時にはノズル端を破砕することにより新しいノズル端を再生できること、ガラスノズルの場合、テーパー角がついているために、不要な溶液が表面張力によって上方へと移動し、ノズル端に滞留せず、ノズル詰まりの原因にならないこと、およびノズル１１が適度な柔軟性を持つため、可動ノズルの形成が容易であること等による。
【０１１４】
具体的には、芯入りガラス管（商品名：株式会社ナリシゲ製ＧＤ−１）を用い、キャピラリープラーにより作成することができる。芯入りガラス管を用いた場合には次のような利点がある。
【０１１５】
（１）芯側ガラスがインクに対し濡れやすいために、インクの充填が容易になる。（２）芯側ガラスが親水性で、外側ガラスが疎水的であるためにノズル端部において、インクの存在領域が芯側のガラスの内径程度に限られ、電界の集中効果がより顕著となる。（３）微細ノズル化が可能となる。（４）十分な機械的強度が得られる。
【０１１６】
ノズル径の下限値は、制作上の都合から０．０１μｍが好ましく、また、ノズル径の上限値は、図８に示した静電的な力が表面張力を上回る時のノズル径の上限が２５μｍであること、および図２０に示した局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合のノズル径の上限が２５μｍであることから２５μｍが好ましく、１５μｍがより好ましい。特に、局所的な電界集中効果をより効果的に利用するには、ノズル径は０．０１〜８μｍの範囲が望ましい。本実施の形態において、ノズル径はφ０．１〜φ２０μｍの範囲に設定している。
【０１１７】
また、ノズル１１は、キャピラリーチューブに限らず、微細加工により形成される２次元パターンノズルでもかまわない。ノズル１１を成形性の良いガラスとした場合、ノズル１１を電極として利用することはできないから、ノズル１１内には、金属線（例えばタングステン線）を駆動電極１３として挿入する。なお、ノズル１１内にメッキにて駆動電極１３を形成しても良い。また、ノズル１１自体を導電性物質で形成した場合には、その上に絶縁材をコーティングする。
【０１１８】
また、駆動電極１３は、ノズル１１内に充填された液体である吐出材料１５に浸されるように配置する。吐出材料１５は図示しない供給源から供給される。
【０１１９】
電源（駆動電圧印加手段）１４の動作は、例えばコンピュータからなる制御装置（駆動電圧印加手段）１７により制御される。すなわち、制御装置１７からの吐出信号が電源１４に供給され、この吐出信号に応じて電源１４からパルス波形の電圧が駆動電極１３に印加される。ノズル１１内の吐出材料１５はこの電圧により帯電し、ノズル１１から吐出される。上記駆動電圧の一例を図２に示す。この駆動電圧は、極性が順次正負に判定する両極性パルス電圧であり、その周波数は１Ｈｚ以上となっている。
【０１２０】
絶縁性基板１６としては、表面抵抗値が１０１０Ω／ｓｑ以上のものであれば良く、ポリイミドやアクリル、ポリカーボネード等の高分子材料以外に、低湿度環境下のガラス等からなるものも上記範囲内に当てはまる。
【０１２１】
上記の構成において、まず、ノズル１１からの微細液体の吐出原理について説明する。この吐出原理は次のように考えられている。静電吸引型流体吐出装置では、電源１４から駆動電極１３に駆動電圧が印加されることにより、駆動電極１３から吐出材料１５に電荷が供給される。この電荷は、ノズル１１内部の吐出材料１５を通じて、ノズル１１の先端部に形成された、静電容量を有するメニスカス４０に移動する。そして、静電吸引型流体吐出装置４０の電荷量が所定量に達すると、ノズル１１から絶縁性基板１６への液体の吐出が行われる。
【０１２２】
次に、静電吸引型流体吐出装置におけるノズル１１から吐出材料１５を吐出して絶縁性基板１６に所望のパターンを形成する場合の動作について説明する。
【０１２３】
ノズル１１は、３次元ロボット等の駆動装置により、所望のパターニングデータに応じてＸ軸方向およびＹ軸方向に２次元駆動される。この際、ノズル１１は、さらにノズル１１の先端と絶縁性基板１６との距離（ギャップ）が常に３０〜２００μｍの範囲内となるように、Ｚ軸方向の位置が制御される。上記のギャップ測定手段としては、レーザを利用した変位計あるいはレーザを利用したギャップ測長計が利用される。
【０１２４】
ノズル１１の上記移動に伴い、ノズル１１の駆動電極１３に対して電源１４から両極性パルス電圧（駆動電圧）が印加される。これにより、ノズル１１内の吐出材料１５においてノズル１１の先端方向に向けて電荷の移動が始まる。そして、ノズル１１の先端部において吐出材料１５により形成されるメニスカス４０に電荷が蓄積されてその周辺部の電界強度が上昇する。その後、電界強度がノズル１１から吐出材料１５を吐出させるための臨界点を超えると、ノズル１１から吐出材料１５が吐出され、絶縁性基板１６上に着弾する。この場合、ノズル１１の駆動電圧として１Ｈｚ以上の両極性パルス電圧が駆動電極１３に印加されているので、絶縁性基板１６上に着弾する液体の極性は正負交互となる。また、１発の吐出時間は５００ｍｓｅｃ以下となる。
【０１２５】
次に、静電吸引型流体吐出装置による絶縁性基板１６への描画動作における両極性パルス電圧の周波数特性について説明する。
【０１２６】
図３には、ポリイミド基板（絶縁性基板１６）上に銀ナノペーストを吐出材料として吐出した場合の駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を示し、図４には駆動電圧周波数とライン描画時における絶縁性基板１６上での液滴飛散領域幅との関係を示している。
【０１２７】
駆動電極１３に駆動電圧として両極性パルス電圧を印加した場合、交互に印加される正電圧および負電圧のそれぞれに応じてノズル１１から吐出材料１５の液滴が吐出される。このときの吐出時間は両極性パルス電圧の周波数に応じて変化し、この吐出時間に比例して絶縁性基板１６上に着弾する吐出材料１５の一滴の電荷量が変化する。
【０１２８】
この場合、両極性パルス電圧の周波数を下げて一発（一回の吐出）あたりの電荷量を増やすと、図３に示すように、吐出最低電圧（ノズル１１からの吐出開始電圧）が上昇する。これは、一発あたりの電荷量が増加すると、絶縁性基板１６上に着弾した液滴の電荷量（絶縁性基板１６のチャージ量）が大きくなって絶縁性基板１６とノズル１１との間の電位差が低下し、持続的に安定吐出を行うのに必要な駆動電極１３への印加電圧（駆動電圧）の値が高くなることによる。
【０１２９】
すなわち、図３においては、駆動電圧周波数が１Ｈｚよりも低くなると吐出最低電圧（吐出開始電圧）が上昇し始めており、このように駆動電圧周波数が１Ｈｚ未満の条件では、駆動電圧がＤＣバイアス（ＤＣ電圧）である場合のように、ノズル１１からの吐出動作が、絶縁性基板１６のチャージアップの影響を受け始めている。
【０１３０】
実際に、図３に示すように、絶縁性基板１６上への吐出材料１５の吐出による描画時における絶縁性基板１６上での液滴の飛散領域幅は、駆動電圧周波数が１Ｈｚ未満の条件下において急激に増大していることが確認できる。逆に、駆動電圧周波数が１Ｈｚ以上の条件下では、絶縁性基板１６上での液滴の飛散領域幅を５０μｍ以下に抑制することができ、良好な描画像を安定して形成することができる。
【０１３１】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ノズル１１の駆動電極１３に印加する駆動電圧として１Ｈｚ以上の両極性パルス電圧を使用しているので、絶縁性基板１６のチャージアップによる絶縁性基板１６での液滴の飛散領域の拡大と駆動電圧の上昇とを抑制することができる。この結果、絶縁性基板１６に対する微細パターンの形成を、ノズル１１の低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【０１３２】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、あるいはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１３３】
また、駆動電圧である両極性パルス電圧としては、ＡＣ等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１３４】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の他の形態を図面に基づいて以下に説明する。
図５（ａ）および図５（ｂ）は、ノズル１１の駆動電極１３に印加される駆動電圧としての両極性パルス電圧の波形とノズル１１先端における吐出材料１５の表面電位との関係を示す波形図であって、図５（ａ）はノズル１１から吐出材料１５の吐出が起きない場合、図５（ｂ）は同吐出が起こる場合を示している。図６は、ノズル１１において駆動電極１３から供給される電荷がノズル１１先端のメニスカス４０に蓄積される動作の説明図である。図７は、図５（ｂ）の駆動電圧（駆動電圧周波数）を使用した場合のノズル１１からの吐出材料１５の吐出および不吐出の様子を示す説明図である。図８は、駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を示すグラフ、図９は、駆動電圧周波数と絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域幅との関係を示すグラフである。図１０は、吐出材料１５として、染色インクおよび銀ナノペーストを使用した場合における駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を広い周波数範囲で示すグラフである。なお、本実施の形態においては、前記の実施形態と同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。
【０１３５】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は図１に示した構成を有する。この静電吸引型流体吐出装置においては、ノズル１１の駆動電極１３に両極性パルス電圧を印加した場合の電圧波形、およびこの電圧印加に基づいてノズル１１先端の吐出材料１５に蓄積される電荷による表面電位との関係が図５（ａ）または図５（ｂ）のようになる。
【０１３６】
すなわち、図５（ａ）（ｂ）および図６において、ノズル１１の駆動電極１３に両極性パルス電圧１０１を印加すると、ノズル１１内部の駆動電極１３からノズル１１先端に向けて吐出材料１５内を電荷が移動し、この電荷がノズル１１先端のメニスカス４０に蓄積される。これにより、メニスカス表面電位１０２は、立上り電位１０１ａおよび立下り電位１０１ｂで最大となるような飽和曲線を描きながら上昇する。この場合、メニスカス表面電位１０２が吐出に必要な駆動力を得るための吐出可能最低電位１０３に達した時点にて、ノズル１１からの吐出材料１５の吐出が開始される。
【０１３７】
したがって、図５（ａ）に示すように、メニスカス表面電位１０２が吐出可能最低電位１０３に到達しないうちにパルスが反転するような（逆極性電圧が印加されるような）駆動電圧周波数の場合には、ノズル１１からの吐出材料１５の吐出は生じない。そこで、ノズル１１からの吐出材料１５の吐出が行われるようにするには、両極性パルス電圧１０１の振幅を大きくするか、あるいは駆動電圧周波数を下げて両極性パルス電圧１０１の正電圧および負電圧それぞれの印加時間を長くする必要がある。
【０１３８】
ここで、駆動電圧周波数を低下させる場合に注目すると、吐出材料１５の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εにて決定される帯電時定数τと両極性パルス電圧１０１における正電圧および負電圧それぞれの印加時間Ｔとの大小関係によりノズル１１からの吐出の有無を設定することができる。したがって、図５（ｂ）に示すように、駆動電圧周波数ｆＨｚを帯電時定数τよりも印加時間Ｔが大きくなるように設定すること、すなわち、駆動電圧周波数ｆを、ｆ≦１／（２τ）を満たすように設定することにより、ノズル１１からの吐出材料１５の吐出を行わせることができる。図７には、図５（ｂ）の駆動電圧（駆動電圧周波数）に対応してノズル１１からの吐出材料１５の吐出および不吐出の様子を示す。
【０１３９】
具体例として、ポリイミド基板（絶縁性基板１６）上に銀ナノペーストを吐出材料１５として吐出させた場合について、図８には駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を示し、図９には駆動電圧周波数と絶縁性基板１６における液滴の飛散領域幅との関係を示す。
【０１４０】
図８の結果では、駆動電圧周波数が約５０Ｈｚ以上になると吐出最低電圧が上昇している。これは、メニスカス表面電位１０２を吐出可能最低電位１０３に到達させるために、印加電圧（両極性パルス電圧）を大きくせざるを得ない駆動電圧周波数条件であることを意味している。すなわち、駆動電圧周波数が５０Ｈｚ以上である場合は、ｆ≦１／（２τ）を満たさない駆動周波数条件である。
【０１４１】
また、図９の結果では、駆動電圧周波数が５０Ｈｚ以上において、絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域が大きくなり、絶縁性基板１６上の描画像の乱れが大きくなっていることがわかる。すなわち、絶縁性基板１６上における液滴の飛散をできるだけ抑制して、鮮明な微細パターンを得るためには、５０Ｈｚ以下の駆動電圧周波数で吐出を行う必要がある。
【０１４２】
図１０には、吐出材料１５として、電気伝導度が１０^−４〜^−６（Ｓ／ｃｍ）の染色インクおよび電気伝導度が１０^−７〜^−９（Ｓ／ｃｍ）の銀ナノペーストを使用した場合における駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を広い周波数範囲で示す。すなわち、図１０は銀ナノペーストについては、低い周波数範囲を示す図３と高い周波数範囲を示す図８とを合成したものとなっている。
【０１４３】
なお、図１０に基づく駆動電圧周波数ｆの好ましい範囲は、１Ｈｚ≦ｆかつｆ≦１／（２τ）である。
【０１４４】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、駆動電圧として、駆動電圧周波数ｆが、ｆ≦１／（２τ）を満たすような両極性パルス電圧を使用してノズル１１を駆動することにより、吐出最低電圧の上昇を抑制し、かつ絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域を狭くし、絶縁性基板１６上において鮮明な微細パターンを形成することができる。
【０１４５】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、あるいはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１４６】
また、駆動電圧である両極性パルス電圧としては、ＡＣ等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１４７】
〔実施の形態３〕
本発明の実施のさらに他の形態を図面に基づいて以下に説明する。
【０１４８】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は図１１に示す構成を有する。すなわち、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ステージ１２が移動装置（移動手段）２１に駆動されて移動する。制御装置（制御手段）２２は、移動装置２１の移動方向、移動速度および移動タイミング等を制御する。制御装置２２は、さらに電源１４からノズル１１の駆動電極１３に供給される駆動電圧の電圧値、駆動電圧周波数および駆動電圧の印加タイミング等を制御する。
【０１４９】
図１２は、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置におけるステージ１２の走査速度と絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域幅との関係を示すグラフである。図１２には、ポリイミド基板（絶縁性基板１６）上に銀ナノペーストを吐出材料１５としてライン描画を行った場合の吐出実験結果を示している。この場合のノズル径は約１μｍであり、駆動電圧周波数は５０Ｈｚである。ノズル１１と絶縁性基板１６（ステージ１２）との相対移動は、ステージ１２を移動させて行っている。
【０１５０】
図１２の結果では、走査速度が１０μｍ／ｓｅｃ以下となる範囲において、絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域が急激に狭くなっていることがわかる。これは、ノズル１１から吐出材料１５を吐出する場合において、絶縁性基板１６上に既に着弾しているドット（液滴）の位置に対する次に着弾するドット（液滴）の位置のずれ量が、絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域幅に影響することを意味している。
【０１５１】
したがって、絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域幅を最小限に抑制する上での理想的な状態は、絶縁性基板１６に対して走査速度がゼロの状態にて、すなわち絶縁性基板１６上に既に着弾している液滴上の位置にノズル１１が存在する状態にて、両極性パルス電圧の正電圧と負電圧とで交互に吐出材料１５を吐出するものである。この状態では、常にほぼ０Ｖに除電された周辺絶縁部（絶縁性基板１６の表面）よりも低抵抗な描画部（着弾液滴部）がノズル１１の真下位置に存在することになり、絶縁性基板１６上の着弾位置のチャージアップが抑制される。したがって、この場合には、吐出最低電圧の上昇が抑制され、かつ絶縁性基板１６上における、同極性電荷を有する液滴同士の反発による液滴の飛散が抑制される。
【０１５２】
これに対し、ノズル１１と絶縁性基板１６とが相対移動しながら吐出材料１５の吐出が行われ、その走査速度（相対速度）が速くなると、ノズル１１からの吐出材料１５の吐出位置が直前の着弾位置よりも少しずれた状態となる。この場合には、絶縁性基板１６上の電位と描画ライン上の電位との両方の影響を受けながら吐出が行われるため、吐出安定性が低下し、絶縁性基板１６上において吐出位置周囲への吐出材料１５の飛散が起きやすくなる。
【０１５３】
具体的に、図１２に示した結果において、液滴の飛散領域幅が広くなる臨界点である走査速度（ステージ速度）１０μｍ／ｓｅｃ、駆動周波数５０Ｈｚの条件とは、直前の着弾位置から０．１μｍ離れた位置に次の逆極性電荷を持った液滴が着弾するような条件である。すなわち、一般的に駆動電圧周波数ｆＨｚ、吐出走査速度ｖμｍ／ｓｅｃの吐出条件において、ドット間隔ｖ／２ｆを０．１μｍ以下とすることにより、絶縁性基板１６上における液滴の飛散を低減することができる。上記の結果から、両極性パルス電圧における駆動電圧周波数ｆＨｚと吐出走査速度ｖμｍ／ｓｅｃの関係を導くと、ｖ／２ｆ≦０．１μｍより、ｆ≧５ｖとなる。
【０１５４】
なお、上記の条件は、描画するラインの幅およびドットの直径が１〜１０μｍの範囲において好適である。
【０１５５】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、絶縁性基板１６上に吐出材料１５の微細液滴を吐出してライン描画を行う場合、ｆ≧５ｖを満たすように、駆動電圧周波数ｆＨｚおよび吐出走査速度ｖμｍ／ｓｅｃを設定することにより、絶縁性基板１６上における液滴の飛散を抑制して、鮮明な微細パターンを形成することが可能となる。
【０１５６】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、あるいはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１５７】
また、駆動電圧である両極性パルス電圧としては、ＡＣ等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１５８】
また、本実施の形態において、移動装置２１はステージ１２を移動させるものとしているが、絶縁性基板１６に描画するためにはステージ１２（絶縁性基板１６）とノズル１１とが相対移動すればよく、したがって移動装置２１はノズル１１とステージ１２との少なくとも一方を移動させるものであればよい。
【０１５９】
〔実施の形態４〕
本発明の実施のさらに他の形態を図面に基づいて以下に説明する。
【０１６０】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は図１に示した構成を有する。図１３は、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置におけるノズル１１の駆動電極１３に印加する駆動電圧（両極性パルス電圧）と絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域との関係を示すグラフである。
【０１６１】
図１３では、ポリイミド基板（絶縁性基板１６）上に銀ナノペーストを吐出材料１５として吐出し、描画を行った実験結果を示している。この場合のノズル径は約１μｍであり、駆動電圧周波数は５０Ｈｚ、ノズル１１と絶縁性基板１６（ステージ１２）との相対移動速度（走査速度）は２００μｍ／ｓｅｃとしている。このような条件で吐出を行うと、吐出ピッチは２μｍとなり、ノズル径１μｍで吐出された着弾ドット径（着弾液滴径）は約１μｍであるため、着弾形態はラインではなくドットとなる。
【０１６２】
図１３の結果では、駆動電圧（パルス印加電圧）を大きくするに連れて、吐出材料１５を吐出した場合における絶縁性基板１６での液滴の飛散領域幅が急激に広くなっている。これは、同一の位置に同極性の電荷を持った液滴が大量に着弾されるためである。すなわち、駆動電圧が高くなるとノズル１１からの吐出材料１５の吐出量が多くなり、それが絶縁性基板１６上に着弾した場合における着弾液滴中の同極性電荷同士の反発により、液滴の飛散領域が拡大する。特に、駆動電圧が４００Ｖを超えると飛散領域が急激に拡大している。逆に、駆動電圧が４００以下では飛散領域が相対的に狭くなっている。すなわち、駆動電圧を４００Ｖ以下とすることにより、周辺部への液滴の飛散を抑制した吐出を行うことができる。なお、この場合、駆動電圧の下限値は例えば吐出最低電圧となる。
【０１６３】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、絶縁性基板１６上に微細液滴を吐出してドット形成する場合に、ノズル１１の駆動電極１３に印加する駆動電圧を４００Ｖ以下としているので、絶縁性基板１６上において、着弾ドット（着弾液滴）周辺部への液滴の飛散を抑制し、鮮明な微細パターンを形成することができる。
【０１６４】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、あるいはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１６５】
また、駆動電圧である両極性パルス電圧としては、ＡＣ等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１６６】
また、以上の実施の形態において、液滴の飛散領域幅は、描画するラインの幅に厳密に影響されるものではなく、描画パターン領域を含みその両側に広がる、液滴が不要に飛散している領域全体の幅と見なすことができる。
【０１６７】
【発明の効果】
本発明の構成では、ノズルの孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍとしているので、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【０１６８】
また、本発明の構成では、ノズルに印加する駆動電圧が、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧となっているので、吐出先部材のチャージアップによる吐出先部材での液滴の飛散領域の拡大と駆動電圧の上昇とを抑制することができる。この結果、吐出先部材に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【０１６９】
また、本発明の構成では、ノズルに印加する駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、流体の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εに対して、τ＝ε／σにて決定される時定数τと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係がｆ≦１／（２τ）となる電圧を出力するので、ノズルからの吐出最低電圧の上昇を抑制し、かつ吐出先部材上における液滴の飛散領域を狭くし、吐出先部材上において鮮明な微細パターンを形成することができる。
【０１７０】
また、本発明の構成では、ノズルに印加する駆動電圧として、正負両極性に反転し、周波数がｆＨｚである両極性パルス電圧を出力し、ノズルと吐出先部材との相対移動における相対速度ｖμｍ／ｓｅｃと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係が、ｆ≧５ｖとなるように駆動電圧周波数と相対移動速度との少なくとも一方を制御するので、吐出先部材上における液滴の飛散を抑制して、鮮明な微細パターンを形成することが可能となる。
【０１７１】
また、本発明の構成では、ノズルに印加する駆動電圧が、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、４００Ｖ以下の電圧であるので、吐出先部材上に流体を吐出してドット形成する場合、そのドット周辺部への液滴の飛散を抑制し、鮮明な微細パターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態における静電吸引型流体吐出装置の概略構成図である。
【図２】図１に示した電源から出力される駆動電圧の一例を示す波形図である。
【図３】図１に示した静電吸引型流体吐出装置におけるノズルの駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示した静電吸引型流体吐出装置でのライン描画時におけるノズルの駆動電圧周波数と絶縁性基板上での液滴飛散領域幅との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の他の形態の静電吸引型流体吐出装置におけるノズルの駆動電極に印加される駆動電圧としての両極性パルス電圧の波形とノズル先端における吐出材料の表面電位との関係を示す波形図であって、図５（ａ）はノズルから吐出材料の吐出が起きない場合を示すものであり、図５（ｂ）は同吐出が起こる場合を示すものである。
【図６】図１に示した静電吸引型流体吐出装置のノズルにおいて駆動電極から供給される電荷がノズル先端のメニスカスに蓄積される動作の説明図である。
【図７】図５（ｂ）に示した駆動電圧を使用した場合のノズルからの吐出材料の吐出および不吐出の様子を示す説明図である。
【図８】図１に示した静電吸引型流体吐出装置における駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を示すグラフである。
【図９】図１に示した静電吸引型流体吐出装置における駆動電圧周波数と絶縁性基板上での液滴の飛散領域幅との関係を示すグラフである。
【図１０】図１に示した静電吸引型流体吐出装置において、吐出材料として染色インクおよび銀ナノペーストを使用した場合の駆動電圧周波数と吐出最低電圧との関係を広い周波数範囲で示しグラフである。
【図１１】本発明の実施のさらに他の形態の静電吸引型流体吐出装置の概略構成である。
【図１２】本発明の実施のさらに他の形態の静電吸引型流体吐出装置におけるステージの走査速度と絶縁性基板上での液滴の飛散領域幅との関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施のさらに他の形態の静電吸引型流体吐出装置におけるノズルの駆動電極に印加する駆動電圧と絶縁性基板上における液滴の飛散領域との関係を示すグラフである。
【図１４】吐出先部材として表面抵抗値が１０１５Ω／ｓｑのポリイミドを使用した場合と吐出先部材として表面抵抗値が１０１０Ω／ｓｑのガラス基板あるいは導電体のＳＵＳ基板を使用した場合とにおけるＤＣバイアスによる吐出最低電圧を示す説明図である。
【図１５】ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用する場合とＤＣバイアスを使用する場合とにおける吐出最低電圧を示す説明図である。
【図１６】ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用しての描画パターン形成時に、描画パターンの周辺に微小な液滴の飛散りが発生した状態を示す説明図である。
【図１７】図１７（ａ）は、ノズルの駆動電圧としての周波数の低いパルス電圧の一例を示す波形図、図１７（ｂ）は、絶縁性基板上において液滴の飛散りが発生する原理の説明図である。
【図１８】本発明の前提技術におけるノズルの電界強度の説明図である。
【図１９】本発明の前提技術における、表面張力圧力と静電的圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示したグラフである。
【図２０】本発明の前提技術における、吐出圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示したグラフである。
【図２１】本発明の前提技術における、吐出限界電圧のノズル径依存性のモデル計算結果を示したグラフである。
【図２２】本発明の前提技術における、荷電液滴と基板との間に働く鏡像力とノズル−基板間距離との相関を示したグラフである。
【図２３】本発明の前提技術における、ノズルから流出する流量と印加電圧との相関関係のモデル計算結果を示したグラフである。
【図２４】従来の静電吸引型インクジェット方式の考え方である、電気流体力学的な不安定性による静電曳き糸現象による曳き糸成長の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ノズル
１２ステージ
１３駆動電極
１４電源（駆動電圧印加手段）
１５吐出材料（流体）
１６絶縁性基板（吐出先部材）
１７制御装置（駆動電圧印加手段）
２１移動装置（移動手段）
２２制御装置（制御手段）
４０メニスカス
１０１両極性パルス電圧
１０２メニスカス表面電位
１０３吐出可能最低電位

Claims

ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、前記流体の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εに対して、τ＝ε／σにて決定される時定数τと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係がｆ≦１／（２τ）となる電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させるとともに、移動手段にて前記ノズルと吐出先部材とをこれら両者の対向方向に直交する方向に相対移動させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転し、周波数がｆＨｚである両極性パルス電圧を出力するものであり、
前記駆動電圧印加手段の駆動電圧周波数ｆＨｚと前記相対移動における相対速度ｖμｍ／ｓｅｃとの関係が、ｆ≧５ｖとなるように、前記駆動電圧出力手段と前記移動手段との少なくとも一方を制御する制御手段をさらに備えていることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させるとともに、移動手段にて前記ノズルと吐出先部材とをこれら両者の対向方向に直交する方向に相対移動させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、４００Ｖ以下の電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、周波数が１Ｈｚ以上の電圧であることを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、前記流体の電気伝導度σＳ／ｍおよび比誘電率εに対して、τ＝ε／σにて決定される時定数τと駆動電圧周波数ｆＨｚとの関係がｆ≦１／（２τ）となる電圧であることを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させるとともに、前記ノズルと吐出先部材とをこれら両者の対向方向に直交する方向に相対移動させる静電吸引型流体吐出方法において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧として、正負両極性に反転し、周波数がｆＨｚである両極性パルス電圧を出力し、
前記駆動電圧周波数ｆＨｚと前記相対移動における相対速度ｖμｍ／ｓｅｃとの関係が、ｆ≧５ｖとなるように駆動電圧周波数と相対移動速度との少なくとも一方を制御することを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、
前記ノズルの孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、
前記駆動電圧は、正負両極性に反転する両極性パルス電圧であり、４００Ｖ以下の電圧であることを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。