JP2011173316A - Control method of direction of flight object, and control device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To apply a control method to a minute flight object composed of all kinds of materials, to easily process a nozzle, and to simplify and miniaturize an apparatus. <P>SOLUTION: In the control method of the direction of the flight object which is injected in the atmosphere or a vacuum and flies, the flight object is a liquid droplet, an uneven electric field is generated in the peripheral space of the flight course by applying a voltage to a control electrode arranged near the flight course of the liquid droplet, and the flight direction of the liquid droplet is controlled without contact by a dielectric force applied to the liquid droplet by the electric field. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、飛翔物体の飛翔方向の制御方法及び制御装置に関するものである。   The present invention relates to a control method and control device for a flight direction of a flying object.

従来、空間中を飛翔(しょう)する微粒子の飛翔方向の制御技術は、様々な分野に用いられている。ここでは、特に、インクジェット技術について、ノズルから射出された液滴の飛翔方向の制御技術について説明する(例えば、非特許文献1参照。)。   Conventionally, techniques for controlling the flying direction of fine particles flying in space have been used in various fields. Here, in particular, the inkjet technology will be described with reference to a technology for controlling the flight direction of droplets ejected from a nozzle (see, for example, Non-Patent Document 1).

インクジェット技術には、大きく分けて、瞬間的な圧力上昇によって液滴を任意の時間に射出するオンデマンド型インクジェット法と、ノズルから連続して噴出される柱状の液柱を分裂させて微小液滴を生成する連続型インクジェット法とがある。   Inkjet technology can be broadly divided into an on-demand inkjet method in which droplets are ejected at an arbitrary time by an instantaneous pressure increase, and minute droplets by splitting a columnar liquid column continuously ejected from a nozzle. There is a continuous ink-jet method that generates

該連続型インクジェット法では、ポンプの力を利用して液滴を射出する。このため、オンデマンド型インクジェット法に比べ、液滴を多数生成することが可能であり、また、高粘性の液体も射出することができるので、その適用範囲は広い。現在、インクジェットは、紙媒体等に印刷を行うプリンタとしてだけではなく、半導体プロセスなどの様々な方面への応用が期待されている。このような応用を考えると、高粘性の有機溶剤等も高速に射出することができる連続型インクジェット法は、非常に有効である。   In the continuous ink jet method, droplets are ejected using the force of a pump. For this reason, as compared with the on-demand ink jet method, a large number of droplets can be generated, and a highly viscous liquid can be ejected. Currently, inkjet is expected not only as a printer that prints on paper media, but also in various fields such as semiconductor processes. Considering such an application, the continuous ink jet method capable of ejecting a highly viscous organic solvent or the like at high speed is very effective.

このように非常に有用性の高い連続型インクジェット法であるが、稼働中は常に液滴を射出することになるため、使用する液滴と使用しない液滴とを選り分ける必要がある。液滴を選り分ける方法としては、荷電偏向制御を行う方法が現在主流となっている。   Although this is a highly useful continuous ink jet method, droplets are always ejected during operation. Therefore, it is necessary to select the droplets to be used and the droplets not to be used. As a method of selecting droplets, a method of performing charge deflection control is currently mainstream.

この方法では、ノズルより射出される液柱の先端に対応する位置に帯電電極を配設するとともに、液柱から分離されてできた液滴の進行方向上の対応する位置に偏向電極を配設する。すなわち、帯電電極によって液柱の先端から分離した液滴を帯電させ、その後、偏向電極の作る静電場によって帯電した液滴を偏向させるようになっている。このとき、帯電電極の電圧を高速に変化させることによって、液滴一滴一滴の電荷量を変化させることができる。そのため、静電場からの受ける力の大きさがそれぞれの液滴毎に異なることとなり、これにより、液滴を選り分けることが可能となる。   In this method, the charging electrode is disposed at a position corresponding to the tip of the liquid column ejected from the nozzle, and the deflection electrode is disposed at a corresponding position in the traveling direction of the liquid droplet separated from the liquid column. To do. That is, the droplet separated from the tip of the liquid column is charged by the charging electrode, and then the charged droplet is deflected by the electrostatic field created by the deflection electrode. At this time, the charge amount of each droplet can be changed by changing the voltage of the charging electrode at a high speed. Therefore, the magnitude of the force received from the electrostatic field is different for each droplet, which makes it possible to select the droplets.

シリーズ「デジタルプリンタ技術」インクジェット、第1版、日本画像学会編、東京電機大学出版局、2008年9月10日発行、第2〜7、78〜87頁Series “Digital Printer Technology” Inkjet, 1st edition, edited by The Imaging Society of Japan, Tokyo Denki University Press, published on September 10, 2008, 2-7, 78-87 Paul R. Chiarot and T.B. Jones, “Dielectrophoretic deflection of ink jets”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 19(2009) 125018(8pp).Paul R. Chiarot and T.B. Jones, “Dielectrophoretic deflection of ink jets”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 19 (2009) 125018 (8pp).

しかしながら、前記従来の方法では、帯電した液滴を偏向させるのであるから、偏向制御に十分な電荷を液滴に対して与えるためには、液体が良好な導電性を備えることが必要である。したがって、導電性が悪い有機系の溶媒を用いることは不可能であり、前述のような応用的な分野でのインクジェット技術の利用を妨げている。   However, in the conventional method, since the charged droplet is deflected, the liquid needs to have good conductivity in order to give the droplet a sufficient charge for deflection control. Therefore, it is impossible to use an organic solvent having poor conductivity, which hinders the use of the ink jet technology in the above-mentioned applied fields.

もっとも、導電性を備えていない液滴の射出方向を制御する方法として、ノズルの近傍にヒータ等によって温度勾(こう)配を作り、液滴の粘性や表面張力などの温度依存性を用いて射出方向を制御する方法や、液滴の射出後に雰囲気の流れによって射出方向を制御する方法などがある。しかし、これらの方法には、適用可能な液滴の種類に制約がある。また、微細加工されたノズルが必要となるとともに、装置が大型化してしまう。   However, as a method of controlling the ejection direction of droplets that do not have electrical conductivity, a temperature gradient is created near the nozzle by a heater, etc., and temperature dependence such as droplet viscosity and surface tension is used. There are a method for controlling the ejection direction, a method for controlling the ejection direction according to the flow of the atmosphere after ejection of the droplets, and the like. However, these methods have limitations on the types of droplets that can be applied. In addition, a finely processed nozzle is required, and the apparatus becomes large.

さらに、液滴に働く誘電力を利用する方法も提案されている(例えば、非特許文献2参照。)。しかし、この方法の場合、すべての液滴を基板に衝突させて跳ね返らせる必要があるので、液滴の方向性が液滴及び基板の材料の種類に依存し、液滴及び基板の材料の種類によっては液滴が跳ね返らない可能性がある。また、液滴が基板を汚染する可能性もある。さらに、連続して射出された液滴の方向を個別制御することには成功していない。   Furthermore, a method using a dielectric force acting on a droplet has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2). However, in this method, since all the droplets need to collide with the substrate and bounce off, the directionality of the droplets depends on the type of the droplet and the substrate material, Depending on the type, there is a possibility that the droplet does not rebound. In addition, the droplets may contaminate the substrate. Further, it has not been successful to individually control the direction of continuously ejected droplets.

本発明は、前記従来の問題点を解決して、あらゆる種類の材料から成る微小な飛翔物体に適用することができ、ノズルの加工が容易で、装置を簡素化かつ小型化することができる飛翔物体の飛翔方向の制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems and can be applied to a minute flying object made of any kind of material, the nozzle can be easily processed, and the flying can simplify and downsize the apparatus. It is an object of the present invention to provide a control method and control device for the flight direction of an object.

そのために、本発明の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、大気中又は真空中に射出されて飛翔する飛翔物体の飛翔方向の制御方法であって、前記飛翔物体は液滴であり、該液滴の飛翔経路の近傍に配設された制御電極に電圧を印加することによって前記飛翔経路の周辺空間に不均一な電界を生じせしめ、該電界によって前記液滴に働く誘電力により、前記液滴の飛翔方向を非接触で制御する。   Therefore, in the method for controlling the flying direction of the flying object of the present invention, the flying object is controlled in the direction of flight of the flying object that is injected into the atmosphere or vacuum, and the flying object is a droplet, By applying a voltage to a control electrode disposed in the vicinity of the droplet flight path, a non-uniform electric field is generated in the peripheral space of the flight path, and the liquid force is applied by the dielectric force acting on the droplet by the electric field. Non-contact control of droplet flight direction.

本発明の他の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、さらに、前記液滴が大気中又は真空中を飛翔中に前記液滴の飛翔方向を制御する。   In another method of controlling the flying direction of a flying object of the present invention, the flying direction of the droplet is controlled while the droplet is flying in the atmosphere or in a vacuum.

本発明の更に他の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、さらに、前記液滴は、ノズルから噴出された連続する液柱の分裂によって形成される。   In yet another method for controlling the flying direction of a flying object according to the present invention, the droplet is formed by splitting a continuous liquid column ejected from a nozzle.

本発明の更に他の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、さらに、前記誘電力の及ぶ範囲の直径は、隣接する液滴同士の間隔より小さい。   In yet another method for controlling the flying direction of a flying object of the present invention, the diameter of the range covered by the dielectric force is smaller than the interval between adjacent droplets.

本発明の更に他の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、さらに、前記液滴は帯電していない。   In yet another method for controlling the flying direction of a flying object of the present invention, the droplets are not charged.

本発明の更に他の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、さらに、所望の液滴が前記制御電極の近傍を通過するタイミングで前記制御電極に電圧を印加することによって、連続して飛翔する複数の液滴の飛翔方向を選択的に制御する。   In yet another method for controlling the flying direction of a flying object according to the present invention, a voltage is applied to the control electrode at a timing when a desired droplet passes in the vicinity of the control electrode, thereby flying continuously. The flight direction of a plurality of droplets is selectively controlled.

本発明の更に他の飛翔物体の飛翔方向の制御方法においては、さらに、前記液滴は直径が0.5〔mm〕以下である。   In still another flying object control method of the present invention, the droplet has a diameter of 0.5 mm or less.

本発明の飛翔物体の飛翔方向の制御装置は、大気中又は真空中に射出されて飛翔する飛翔物体の飛翔方向の制御装置であって、前記飛翔物体は液滴であり、該液滴の飛翔経路の近傍に配設された制御電極と、該制御電極に電圧を印加する電圧印加装置とを有し、該電圧印加装置が前記制御電極に電圧を印加することによって前記飛翔経路の周辺空間に不均一な電界を生じせしめ、該電界によって前記液滴に働く誘電力により、前記液滴の飛翔方向を非接触で制御する。   The flying object control apparatus for a flying object according to the present invention is a control apparatus for the flying direction of a flying object that is injected into the atmosphere or vacuum, and the flying object is a droplet, and the flying of the droplet A control electrode disposed in the vicinity of the path, and a voltage applying device that applies a voltage to the control electrode, and the voltage applying device applies a voltage to the control electrode, so that the space around the flight path A non-uniform electric field is generated, and the flying direction of the droplet is controlled in a non-contact manner by a dielectric force acting on the droplet by the electric field.

本発明の他の飛翔物体の飛翔方向の制御装置においては、さらに、前記制御電極は、先端が尖(とが)った棒状又は針状の形状を備え、前記先端は、直径が隣接する液滴同士の間隔より小さく、前記飛翔経路の近傍に位置するように配設される。   In another flying object flight direction control device of the present invention, the control electrode further has a bar-like or needle-like shape with a pointed tip, and the tip has a diameter adjacent to the liquid. It is arranged so as to be smaller than the interval between the droplets and to be located in the vicinity of the flight path.

本発明の更に他の飛翔物体の飛翔方向の制御装置においては、さらに、前記制御電極は、先端が尖った板状の形状を備え、前記先端は、厚さが隣接する液滴同士の間隔より小さく、前記飛翔経路の近傍に位置するように配設される。   In still another flying object flight direction control device according to the present invention, the control electrode further has a plate-like shape with a sharp tip, and the tip has a thickness greater than an interval between adjacent droplets. It is small and disposed so as to be located in the vicinity of the flight path.

本発明によれば、あらゆる種類の材料から成る微小な飛翔物体の飛翔方向を非接触で制御することができる。   According to the present invention, the flying direction of a minute flying object made of any kind of material can be controlled without contact.

本発明の実施の形態における飛翔方向制御装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the flight direction control apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるマックスウエル応力によって変形する液滴の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the droplet deform | transformed by the Maxwell stress in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるマックスウエル応力によって飛翔方向が偏向させられた液滴の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the droplet by which the flight direction was deflect | deviated by the Maxwell stress in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるマックスウエル応力によって一滴おきに飛翔方向が偏向させられた液滴の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the droplet by which the flight direction was deflected every other drop by the Maxwell stress in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における偏向電極に印加する電圧と液滴の偏向角度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the voltage applied to the deflection | deviation electrode in embodiment of this invention, and the deflection angle of a droplet. 本発明の実施の形態における板状の偏向電極を使用した場合のマックスウエル応力によって飛翔方向が偏向させられた液滴の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the droplet by which the flight direction was deflect | deviated by the Maxwell stress at the time of using the plate-shaped deflection | deviation electrode in embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における飛翔方向制御装置の構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a flight direction control apparatus according to an embodiment of the present invention.

図において、10は、本実施の形態における飛翔方向制御装置であり、大気中又は真空中に初速度を持って射出された微小粒子に対し、射出後にその飛翔方向を制御する装置であり、より具体的には、微小粒子としての液滴21aの飛翔方向を制御する装置である。なお、図に示される例において、飛翔方向制御装置10は、飛翔物体である液滴21aを生成して飛翔させる液滴生成装置、及び、少なくとも一部の液滴21aを回収して再生する液滴回収装置も含んでいる。   In the figure, reference numeral 10 denotes a flight direction control device in the present embodiment, which is a device that controls the flight direction after injection with respect to fine particles injected at an initial velocity in the atmosphere or vacuum, and more Specifically, it is an apparatus that controls the flight direction of the droplets 21a as fine particles. In the example shown in the figure, the flight direction control device 10 generates a droplet 21a that is a flying object and causes the droplet to fly, and a liquid that collects and regenerates at least some of the droplets 21a. It also includes a drop collection device.

そして、11は、液滴生成装置の一部である液滴生成ユニットとしてのヘッド部であり、内部に液体21を収容する収容空間11bを備え、前記液体21の微小な滴(しずく)である液滴21aをヘッド部11の外側の空間である大気中又は真空中に射出する。また、前記ヘッド部11は、先端(図における左端)に形成された微小な開口としてのノズル11aを備え、前記収容空間11bの内部は前記ノズル11aを通して外側の空間と連通している。なお、前記液体21は、管路14を介して収容空間11bに接続された加圧ポンプ19から加圧された状態で、収容空間11b内に供給される。   Reference numeral 11 denotes a head portion as a droplet generation unit which is a part of the droplet generation device, and includes a storage space 11b for storing the liquid 21 therein, and is a minute droplet of the liquid 21. The droplet 21a is ejected into the atmosphere or vacuum, which is the space outside the head unit 11. The head portion 11 includes a nozzle 11a as a minute opening formed at the tip (left end in the figure), and the inside of the accommodation space 11b communicates with the outer space through the nozzle 11a. The liquid 21 is supplied into the storage space 11b in a state of being pressurized from the pressurizing pump 19 connected to the storage space 11b via the conduit 14.

さらに、前記ヘッド部11は、収容空間11b内の液体21に振動を付与する振動付与部12を備える。図に示される例において、該振動付与部12は、例えば、ピエゾ素子等の圧電素子を備え、ヘッド部11の対向する壁にそれぞれ配設され、振動することによって収容空間11b内の液体21に圧力振動を加える。また、13は、前記振動付与部12を駆動するための振動付与部駆動装置であり、駆動信号として、例えば、数十〜数百〔kHz〕の正弦波等のように所定周期で変動する電圧信号を発生する励振電圧回路を備え、前記駆動信号を振動付与部12に付与して該振動付与部12を振動させる。   Furthermore, the head unit 11 includes a vibration applying unit 12 that applies vibration to the liquid 21 in the accommodation space 11b. In the example shown in the figure, the vibration applying unit 12 includes, for example, a piezoelectric element such as a piezo element, and is disposed on the opposing wall of the head unit 11 to vibrate the liquid 21 in the accommodation space 11b. Apply pressure oscillation. Reference numeral 13 denotes a vibration applying unit driving device for driving the vibration applying unit 12. The drive signal is a voltage that fluctuates in a predetermined cycle such as a sine wave of several tens to several hundreds [kHz]. An excitation voltage circuit for generating a signal is provided, and the drive signal is applied to the vibration applying unit 12 to vibrate the vibration applying unit 12.

なお、前記ヘッド部11は、「背景技術」の項でも説明した連続型インクジェット法において使用されるインク滴を生成する装置と同様の原理で動作を行うものである。収容空間11b内における加圧された液体21がノズル11aから外側の空間に排出される際には、連続する液柱21bとなって噴出される。この際、振動付与部12によって所定周期で連続的な振動がヘッド部11に付与されるので、この振動によって液柱21bに規則的なくびれが生じ、液体21の表面張力によって前記液柱21bが連続的に液滴21aに分裂して飛翔する。なお、該液滴21aの飛翔速度は、例えば、1〜10〔m/s〕程度である。   The head unit 11 operates on the same principle as that of the apparatus for generating ink droplets used in the continuous ink jet method described in the section “Background Art”. When the pressurized liquid 21 in the storage space 11b is discharged from the nozzle 11a to the outer space, it is ejected as a continuous liquid column 21b. At this time, continuous vibration is applied to the head unit 11 at a predetermined period by the vibration applying unit 12, and the liquid column 21 b is regularly squeezed by this vibration, and the liquid column 21 b is caused by the surface tension of the liquid 21. Continuously split into droplets 21a and fly. The flying speed of the droplet 21a is, for example, about 1 to 10 [m / s].

前記液体21は、いかなる種類の材料から成るものであってもよく、例えば、導電性を備えるものであってもよいし、導電性を備えないものであってもよい。具体的には、水、油等であってもよいし、一般的なインクジェットプリンタに使用されるインクであってもよいし、ゲル状のインクであってもよいし、水溶液、有機溶媒、シリコーンオイル等であってもよい。   The liquid 21 may be made of any kind of material. For example, the liquid 21 may have conductivity or may not have conductivity. Specifically, it may be water, oil or the like, may be an ink used in a general ink jet printer, may be a gel-like ink, an aqueous solution, an organic solvent, or silicone. Oil etc. may be sufficient.

また、前記液体21の粘性は、例えば、1〜3〔mPa・s〕の範囲であるが、望ましくは0.5〜100〔mPa・s〕の範囲であり、より望ましくは0.5〜1000〔mPa・s〕の範囲である。さらに、前記液体21の表面張力は、例えば、20〜70〔mN/m〕の範囲であるが、望ましくは10〜100〔mN/m〕の範囲である。さらに、前記液滴21aの直径は、望ましくは0.5〔mm〕すなわち500〔μm〕以下の微小な値であって、例えば、8〜100〔μm〕の範囲であるが、望ましくは5〜300〔μm〕の範囲であり、より望ましくは1〜300〔μm〕の範囲である。   The viscosity of the liquid 21 is, for example, in the range of 1 to 3 [mPa · s], preferably in the range of 0.5 to 100 [mPa · s], and more preferably in the range of 0.5 to 1000. The range is [mPa · s]. Further, the surface tension of the liquid 21 is, for example, in the range of 20 to 70 [mN / m], and desirably in the range of 10 to 100 [mN / m]. Further, the diameter of the droplet 21a is preferably a small value of 0.5 [mm], that is, 500 [μm] or less, for example, in the range of 8 to 100 [μm], preferably 5 to 5 [μm]. It is in the range of 300 [μm], more preferably in the range of 1 to 300 [μm].

そして、15は、液滴21aの飛翔方向を制御する制御電極としての偏向電極であり、液滴21aの飛翔経路の近傍に配設され、電圧が印加されることによって液滴21aの飛翔経路の周辺空間に不均一な電界を生じせしめる。該電界によって液滴21aに働く誘電力により、液滴21aの飛翔方向が非接触で制御される。図に示される例において、偏向電極15は、先端(図における上端)が尖った棒状若しくは針状、又は、先端が尖ったテーパのついた細長い板状(ナイフエッジ状)の形状を備える微小部材であり、先端が液滴21aの飛翔経路の近傍に位置するように配設される。なお、図において、液滴21aの飛翔経路は、ノズル11aから左方へ向かう直線であり、偏向電極15によって飛翔方向を制御されない液滴21aは、前記飛翔経路に沿って直線的に左方へ向かって飛翔し、前記飛翔経路の図示されない終端に配設された目標としてのターゲット部材に衝突する。   Reference numeral 15 denotes a deflection electrode as a control electrode for controlling the flight direction of the droplet 21a. The deflection electrode 15 is disposed in the vicinity of the flight path of the droplet 21a, and is applied to the flight path of the droplet 21a by applying a voltage. An uneven electric field is generated in the surrounding space. The flying direction of the droplet 21a is controlled in a non-contact manner by the dielectric force acting on the droplet 21a by the electric field. In the example shown in the figure, the deflection electrode 15 is a minute member having a rod-like or needle-like shape with a sharp tip (upper end in the figure), or an elongated plate shape with a sharp tip (knife edge shape). And the tip is disposed so as to be located in the vicinity of the flight path of the droplet 21a. In the figure, the flight path of the droplet 21a is a straight line from the nozzle 11a to the left, and the droplet 21a whose flight direction is not controlled by the deflection electrode 15 is linearly moved to the left along the flight path. It flies toward the target and collides with a target member as a target disposed at the end (not shown) of the flight path.

また、16は、偏向電極15に電圧を印加するための電圧印加装置であり、液滴21aの飛翔方向を制御する制御信号として、例えば、数〜数千〔kHz〕程度の所定周期で変動する数百〜数千〔V〕程度の正又は負の電圧信号を発生する偏向電圧回路を備え、前記電圧信号を偏向電極15に付与して該偏向電極15に所望のタイミングで電圧を印加する。なお、選択的に液滴21aの飛翔方向を制御するためには、偏向電極15に電圧を印加するタイミングと液滴21aが生成されるタイミングとが調整される必要があるので、電圧印加装置16及び振動付与部駆動装置13は相互に接続されている。   Reference numeral 16 denotes a voltage application device for applying a voltage to the deflection electrode 15, which varies as a control signal for controlling the flight direction of the droplet 21 a, for example, at a predetermined cycle of several to several thousand [kHz]. A deflection voltage circuit for generating a positive or negative voltage signal of about several hundred to several thousand [V] is provided. The voltage signal is applied to the deflection electrode 15 and a voltage is applied to the deflection electrode 15 at a desired timing. Note that in order to selectively control the flight direction of the droplet 21a, it is necessary to adjust the timing at which the voltage is applied to the deflection electrode 15 and the timing at which the droplet 21a is generated. And the vibration provision part drive device 13 is mutually connected.

さらに、17は、液滴回収装置の一部である液滴回収部材としてのガターであり、飛翔する液滴21aの少なくとも一部、具体的には、偏向電極15によって飛翔方向が制御されて前記飛翔経路よりも下向きに飛翔する液滴21aを回収する。そして、前記ガター17には管路14を介して回収タンク18が接続され、前記ガター17によって回収された液滴21aは、液体21となって回収タンク18に貯留される。なお、該回収タンク18は、回収した液体21から異物、不純物等を除去する濾(ろ)過装置、粘性等の物性値を調整する調整装置等を備えるものであることが望ましい。そして、前記回収タンク18に貯留された液体21は、加圧ポンプ19によって収容空間11b内に再び供給される。   Further, 17 is a gutter as a droplet recovery member which is a part of the droplet recovery device, and the flight direction is controlled by at least a part of the flying droplet 21a, specifically, the deflection electrode 15 to control the flight direction. The droplets 21a that fly downward from the flight path are collected. A collection tank 18 is connected to the gutter 17 via a conduit 14, and the droplet 21 a collected by the gutter 17 is stored as a liquid 21 in the collection tank 18. The recovery tank 18 is desirably provided with a filtering device for removing foreign substances, impurities, and the like from the recovered liquid 21, and an adjusting device for adjusting physical properties such as viscosity. Then, the liquid 21 stored in the recovery tank 18 is supplied again into the accommodation space 11b by the pressurizing pump 19.

なお、図に示される例においては、偏向電極15を飛翔経路の下側に配設して液滴21aの飛翔方向を下向きに偏向させるようになっているが、偏向電極15を飛翔経路の上側に配設して液滴21aの飛翔方向を上向きに偏向させるようにしてもよいし、偏向電極15を飛翔経路のいかなる側に配設して液滴21aの飛翔方向をいかなる向きに偏向させるようにしてもよい。   In the example shown in the figure, the deflection electrode 15 is disposed below the flight path so as to deflect the flight direction of the droplet 21a downward. However, the deflection electrode 15 is disposed above the flight path. May be arranged so as to deflect the flight direction of the droplet 21a upward, or the deflection electrode 15 may be arranged on any side of the flight path so as to deflect the flight direction of the droplet 21a in any direction. It may be.

また、図に示される例においては、偏向電極15によって飛翔方向が偏向させられた液滴21aがガター17によって回収され、偏向電極15によって飛翔方向が偏向させられなかった液滴21aが飛翔経路の終端に配設されたターゲット部材に衝突するようになっているが、偏向電極15によって飛翔方向が偏向させられた液滴21aがターゲット部材に衝突し、偏向電極15によって飛翔方向が偏向させられなかった液滴21aがガター17によって回収されるようにしてもよい。   In the example shown in the figure, the droplet 21a whose flight direction is deflected by the deflection electrode 15 is collected by the gutter 17, and the droplet 21a whose flight direction is not deflected by the deflection electrode 15 is in the flight path. The liquid droplet 21a whose flight direction is deflected by the deflection electrode 15 collides with the target member, and the flight direction is not deflected by the deflection electrode 15. The droplet 21a may be collected by the gutter 17.

さらに、図に示される例においては、偏向電極15によって偏向させられる液滴21aの飛翔方向は1つだけであるが、偏向電極15に印加する電圧を調整することによって液滴21aの偏向の度合いを調整し、2つ以上、すなわち、複数の方向に液滴21aを偏向させるようにしてもよい。   Furthermore, in the example shown in the figure, the flying direction of the droplet 21a deflected by the deflection electrode 15 is only one, but the degree of deflection of the droplet 21a is adjusted by adjusting the voltage applied to the deflection electrode 15. The liquid droplet 21a may be deflected in two or more directions, that is, in a plurality of directions.

なお、本実施の形態における飛翔方向制御装置10は、例えば、紙媒体、商品の樹脂パッケージ、セラミクス、服飾品等に印刷を行うインクジェット型のプリンタに適用することができ、さらに、半導体プロセス等における電極パターン、導電回路パターン、半導体回路パターン、絶縁層パターン、エッチングパターン等の描画形成に適用することもでき、樹脂製品の成形等における三次元造形にも適用することができ、オプトエレクトロニクス等における光導波路形成、光半導体形成、レンズ製造等にも適用することができ、バイオメディカル等におけるDNAチップ、バイオチップ等の製造等にも適用することができ、燃料電池、太陽電池等の製造工程における触媒塗布、パターン形成等にも適用することができるものであり、飛翔する液滴21aの飛翔方向を制御することによって所望のターゲット部材の所望の位置に液滴21aを選択的に衝突させる技術を適用可能な用途又は分野であれば、いかなる種類の用途又は分野にも適用可能なものであって、適用用途又は適用分野が限定されるものではない。   The flight direction control device 10 in the present embodiment can be applied to, for example, an ink jet printer that performs printing on paper media, product resin packages, ceramics, clothing, etc. It can also be applied to drawing formation of electrode patterns, conductive circuit patterns, semiconductor circuit patterns, insulating layer patterns, etching patterns, etc., and can also be applied to three-dimensional modeling in the molding of resin products, etc. It can also be applied to waveguide formation, optical semiconductor formation, lens manufacturing, etc., and can also be applied to the manufacture of DNA chips, biochips, etc. in biomedical etc., and catalyst in the manufacturing process of fuel cells, solar cells, etc. It can also be applied to coating, pattern formation, etc. and fly The present invention can be applied to any kind of use or field as long as the technique for selectively colliding the droplet 21a with a desired position of a desired target member by controlling the flight direction of the drop 21a can be applied. However, the application or field of application is not limited.

次に、前記構成の飛翔方向制御装置10の動作について説明する。   Next, the operation of the flight direction control device 10 having the above configuration will be described.

本実施の形態においては、微小な飛翔物体としての液滴21aの飛翔経路の近傍に微小な偏向電極15を配設し、該偏向電極15に電圧を印加することによって前記飛翔経路の近傍に不均一な電界の分布を生じせしめ、これにより、誘電体である液滴21aに働く誘電力(マックスウエル応力)によって当該液滴21aに力を作用させて、当該液滴21aの飛翔方向の制御を行う。   In the present embodiment, a minute deflection electrode 15 is disposed in the vicinity of the flight path of the droplet 21a as a minute flying object, and a voltage is applied to the deflection electrode 15 so as not to be near the flight path. A uniform electric field distribution is generated, whereby a force is applied to the droplet 21a by a dielectric force (Maxwell stress) acting on the droplet 21a, which is a dielectric, to control the flight direction of the droplet 21a. Do.

電圧が印加された棒状若しくは針状又はテーパのついた細長い板状の偏向電極15の尖った先端には、非常に急な電場勾配が存在する。このように、急な電場勾配が存在するとき、マックスウエル応力と呼ばれる力が強く働く。このマックスウエル応力を用いることによって、絶縁性の高い材料から成る液滴21aであっても、非帯電で制御することが可能である。つまり、導電性を備えていない有機溶媒、シリコーンオイル等の材料から成る液滴21aであっても、誘電体であるから、誘電力であるマックスウエル応力が働くので、制御することができる。   There is a very steep electric field gradient at the sharp tip of the deflection electrode 15 in the form of a bar, needle or taper with a voltage applied. Thus, when there is a steep electric field gradient, a force called Maxwell stress works strongly. By using the Maxwell stress, even the droplet 21a made of a highly insulating material can be controlled without being charged. That is, even the droplet 21a made of a material such as an organic solvent or silicone oil that does not have conductivity is a dielectric, and therefore, Maxwell stress, which is a dielectric force, can be controlled.

図に示されるように、ヘッド部11のノズル11aから射出される液滴21aの飛翔経路の近傍に尖った先端が位置するように棒状又は針状の偏向電極15を配設し、制御対象となる液滴21a、すなわち、偏向させるべき液滴21aが偏向電極15の先端に近付いた際に偏向電極15に数百〔V〕〜数〔kV〕程度の正又は負の電圧を印加する。このとき、偏向電極15の先端の近傍に存在する液滴21aは、マックスウエル応力によって、電圧の正負にかかわらず偏向電極15の先端に向かう力、すなわち、偏向電極15の先端への引力を受ける。   As shown in the figure, a rod-like or needle-like deflecting electrode 15 is arranged so that a sharp tip is positioned in the vicinity of the flight path of the droplet 21a ejected from the nozzle 11a of the head portion 11, A positive or negative voltage of about several hundred [V] to several [kV] is applied to the deflection electrode 15 when the droplet 21a to be deflected, that is, the droplet 21a to be deflected approaches the tip of the deflection electrode 15. At this time, the droplet 21 a existing in the vicinity of the tip of the deflection electrode 15 receives a force toward the tip of the deflection electrode 15, that is, an attractive force toward the tip of the deflection electrode 15, regardless of the positive or negative voltage due to Maxwell stress. .

ここで、偏向電極15に電圧を印加してからの時間をτとし、液滴21aから偏向電極15の先端への方向をx方向とすると、液滴21aが偏向電極15の中心軸上に存在するときの力Fの大きさは、次の式(1)で表される程度になる(例えば、非特許文献3参照。)。   Here, when the time after the voltage is applied to the deflection electrode 15 is τ and the direction from the droplet 21a to the tip of the deflection electrode 15 is the x direction, the droplet 21a exists on the central axis of the deflection electrode 15. The magnitude of the force F when doing this is the level represented by the following equation (1) (see, for example, Non-Patent Document 3).

なお、ε0 :空気の誘電率、R:液滴21aの半径、σ:液体21の導電率、σ0 :空気の導電率、ε:液体21の誘電率、E:偏向電極15の作る電場、τMW:自由電子が液滴21aの表面に蓄積されるまでの緩和時定数(ε+2ε0 )/(σ+2σ0 )である。 Ε 0 : dielectric constant of air, R: radius of droplet 21 a, σ: conductivity of liquid 21, σ 0 : conductivity of air, ε: dielectric constant of liquid 21, E: electric field created by deflection electrode 15 , Τ MW : relaxation time constant (ε + 2ε 0 ) / (σ + 2σ 0 ) until free electrons are accumulated on the surface of the droplet 21a.

Thomas B. Jones,“Electromechanics of Particles ”, Cambridge University Press 1995。Thomas B. Jones, “Electromechanics of Particles”, Cambridge University Press 1995.

液体21の導電性が十分高く、液滴21aが偏向電極15の先端を通過する時間スケールである数〜数十〔μs〕よりτMWが十分小さい場合、誘電率に依存する項は速く緩和するので、力Fの大きさは、次の式(2)で表される。 When the liquid 21 has a sufficiently high conductivity and τ MW is sufficiently smaller than several to several tens [μs], which is a time scale for the droplet 21 a to pass through the tip of the deflection electrode 15, the term depending on the dielectric constant is quickly relaxed. Therefore, the magnitude of the force F is expressed by the following equation (2).

また、逆に液体21の絶縁性が高く、τMWが十分大きい場合、誘電率に依存する項は液滴21aを制御している間に緩和しないので、力Fの大きさは、次の式(3)で表される。 On the other hand, if the insulation of the liquid 21 is high and τ MW is sufficiently large, the term depending on the dielectric constant is not relaxed while controlling the droplet 21a, so the magnitude of the force F is given by It is represented by (3).

なお、該式(3)における係数(ε−ε0 )/(ε+2ε0 )は、Clausius-Mosotti因子と呼ばれる。 The coefficient (ε−ε 0 ) / (ε + 2ε 0 ) in the equation (3) is called a Clausius-Mosotti factor.

前記式(1)〜(3)は、一次の近似であり、液滴21aのサイズに対して、液滴21aと偏向電極15との間隔が十分広いときには、妥当である。なお、前記式(3)におけるn次の近似項は次の式(4)のようになる(例えば、非特許文献3参照。)。   The equations (1) to (3) are first-order approximations and are appropriate when the distance between the droplet 21a and the deflection electrode 15 is sufficiently wide with respect to the size of the droplet 21a. Note that the n-th order approximate term in the formula (3) is as shown in the following formula (4) (for example, see Non-Patent Document 3).

前記式(1)に示されるように、液滴21aに働く力には、次の3つの特長がある。
・力の大きさは導電率及び誘電率の2つの物性値に依存する。
・液滴21aのサイズに依存せずに偏向制御することができる。
・偏向電極15の作る電場の二乗の勾配に比例する。
As shown in the formula (1), the force acting on the droplet 21a has the following three features.
-The magnitude of the force depends on two physical properties, conductivity and dielectric constant.
Deflection control can be performed without depending on the size of the droplet 21a.
-Proportional to the slope of the square of the electric field created by the deflection electrode 15.

前記液体21の比誘電率ε’は、2〜100程度である。これに対応するClausius-Mosotti因子の値は0.25〜0.97である。また、仮に導電性が高く、力Fの大きさが前記式(2)で表されるような液体21であっても、(σ−σ0 )/(σ+2σ0 )の因子は、最大で、せいぜい1である。結局、液体21の種類を変えたとしても力Fの大きさは1桁(けた)も変わらない。 The relative permittivity ε ′ of the liquid 21 is about 2 to 100. The corresponding Clausius-Mosotti factor values are 0.25 to 0.97. Further, even if the liquid 21 has high conductivity and the magnitude of the force F is expressed by the above formula (2), the factor of (σ−σ 0 ) / (σ + 2σ 0 ) is the maximum, It is 1 at most. After all, even if the type of the liquid 21 is changed, the magnitude of the force F does not change by an order of magnitude.

ゆえに、本実施の形態における飛翔方向制御装置10のように、マックスウエル応力を用いて液滴21aの飛翔方向を制御する制御方法は、液体21又は液滴21aの物性には左右されない。なお、偏向電極15の形状がテーパのついた細長い板状であっても、同様の議論が成立する。また、前記電圧信号の周期は、ノズル11aから射出される液滴21aの発生周期に対応する。   Therefore, the control method for controlling the flight direction of the droplet 21a using the Maxwell stress, like the flight direction control device 10 in the present embodiment, does not depend on the physical properties of the liquid 21 or the droplet 21a. Note that the same argument holds even if the deflection electrode 15 has a tapered and elongated plate shape. The period of the voltage signal corresponds to the generation period of the droplets 21a ejected from the nozzle 11a.

これに対して、「背景技術」の項でも説明した荷電偏向制御を行う方法では、「発明が解決しようとする課題」の項でも説明したように、導電性の低い液体21の液滴21aの飛翔方向を制御することができない。これは、液体21内部での電荷移動の特徴的な時間スケールτが、次の式(5)のように表されるためである(例えば、非特許文献4参照。)。   On the other hand, in the method of performing charge deflection control described in the section “Background Art”, as described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, the droplet 21a of the liquid 21 having a low conductivity is also described. The flight direction cannot be controlled. This is because the characteristic time scale τ of charge transfer inside the liquid 21 is expressed as in the following equation (5) (see, for example, Non-Patent Document 4).

浅野和俊、静電気学会誌、18(1994)18。Kazutoshi Asano, Journal of the Electrostatic Society, 18 (1994) 18.

仮に、液体21の比誘電率ε’が2であり、電気抵抗率γが1〔TΩ・m〕であるとすると、すなわち、液体21が絶縁性の液体であるとすると、時間スケールτは20秒になる。また、一滴の液滴21aの帯電量を制御するためには同程度の時間が必要である。してみると、ノズル11aから射出される液滴21aの発生周期が数〜数千〔kHz〕程度の高速周期である場合、荷電偏向制御を行う方法では、絶縁性の液体から成る液滴21aの飛翔方向を制御することは不可能である。   If the relative permittivity ε ′ of the liquid 21 is 2 and the electrical resistivity γ is 1 [TΩ · m], that is, if the liquid 21 is an insulating liquid, the time scale τ is 20 Second. Further, the same amount of time is required to control the charge amount of one droplet 21a. Accordingly, when the generation cycle of the droplets 21a ejected from the nozzle 11a is a high-speed cycle of about several to several thousand [kHz], the droplet 21a made of an insulating liquid is used in the charge deflection control method. It is impossible to control the flight direction.

マックスウエル応力は体積力である。前記式(1)に示されるように、力Fの大きさは液滴21aの半径の三乗に比例する。このため、力Fは液滴21aの体積に比例する体積力である。一方、慣性力も体積力である。このため、マックスウエル応力による偏向角度は液滴21aのサイズに依存しないことになる。   Maxwell stress is a body force. As shown in the equation (1), the magnitude of the force F is proportional to the cube of the radius of the droplet 21a. For this reason, the force F is a volume force proportional to the volume of the droplet 21a. On the other hand, the inertia force is also a body force. For this reason, the deflection angle due to the Maxwell stress does not depend on the size of the droplet 21a.

また、力Fは、電場の二乗の勾配に比例する力なので、棒状若しくは針状又はテーパのついた細長い板状の偏向電極15の尖った先端のように電場勾配が非常に大きい空間では、近距離力のように働く。偏向電極15の尖った先端近傍の電場は、帯電球の作る電場で近似することができる。近似で用いる帯電球の半径は、偏向電極15の先端の曲率半径である。   Further, the force F is a force proportional to the gradient of the square of the electric field. Therefore, in a space where the electric field gradient is very large, such as a pointed tip of a rod-like, needle-like, or tapered elongated plate-like deflection electrode 15, the force F is near. Works like distance power. The electric field in the vicinity of the sharp tip of the deflection electrode 15 can be approximated by an electric field formed by a charged sphere. The radius of the charged sphere used in the approximation is the radius of curvature of the tip of the deflection electrode 15.

この帯電球が作る電場EをE=A/r2 と表す。ここで、A:針の曲率半径及び電圧に依存する係数、r:帯電球からの距離である。 The electric field E created by the charged sphere is expressed as E = A / r 2 . Here, A is a coefficient depending on the radius of curvature of the needle and the voltage, and r is a distance from the charged sphere.

すると、前記式(3)は、次の式(6)のようになる。   Then, the equation (3) becomes the following equation (6).

該式(6)に示されるように、力Fは、偏向電極15の先端から離れていくにつれて急激に減少する力であり、距離rの−5乗に比例する。このため、偏向電極15の先端近傍を通過する液滴21aは、偏向電極15の先端からしか力を受けないと考えてよい。   As shown in the equation (6), the force F is a force that rapidly decreases as the distance from the tip of the deflection electrode 15 increases, and is proportional to the −5th power of the distance r. For this reason, it may be considered that the droplet 21 a passing near the tip of the deflection electrode 15 receives force only from the tip of the deflection electrode 15.

また、ノズル11aから連続的に射出される液滴21a同士の間隔は、射出圧力等を調整することによって、次の式(7)で表されるような範囲にすることができることが経験的に知られている(例えば、非特許文献5参照。)。   Further, it is empirically that the interval between the droplets 21a continuously ejected from the nozzle 11a can be set to a range represented by the following formula (7) by adjusting the ejection pressure or the like. It is known (for example, refer nonpatent literature 5).

J. M. Schneider and C. D. Hendlick: Rev. Sci. Instrum. 35 (1964) 1349。J. M. Schneider and C. D. Hendlick: Rev. Sci. Instrum. 35 (1964) 1349.

前記式(8)から、液滴21aの間隔lは液滴21aの半径Rの7倍まで広げることができる。   From the above equation (8), the interval 1 between the droplets 21a can be expanded to 7 times the radius R of the droplets 21a.

前記式(6)に示されるように、力Fは点電荷である偏向電極15の先端と液滴21aとの距離rの−5乗に比例することを踏まえると、液滴21aが偏向電極15の先端に最も近付いているときの偏向電極15の先端と液滴21aとの距離がr=2a程度になるように偏向電極15を配設した場合、偏向電極15の先端の最も近くに存在する液滴21aに加わる力に対して、当該液滴21aの前後に存在する液滴21aに加わる力は10-3程度である。 As shown in the equation (6), the force F is proportional to the −5th power of the distance r between the tip of the deflection electrode 15 and the droplet 21a, which is a point charge. When the deflection electrode 15 is disposed so that the distance between the tip of the deflection electrode 15 and the droplet 21a when it is closest to the tip of the liquid crystal is about r = 2a, it exists closest to the tip of the deflection electrode 15. The force applied to the droplet 21a existing before and after the droplet 21a is about 10 −3 relative to the force applied to the droplet 21a.

してみると、力Fは、偏向電極15の先端の最も近くに存在する液滴21aのみに働くと考えることができる。つまり、偏向電極15に電圧を印加することによって生じる電界により液滴21aに働く誘電力(マックスウエル応力)の及ぶ範囲の直径は、隣接する液滴21a同士の間隔より小さい。また、偏向電極15の先端の直径又は厚さも、隣接する液滴21a同士の間隔より小さい。したがって、本実施の形態における飛翔方向制御装置10によって、液滴21aの一滴一滴の運動を制御することができる。   Accordingly, it can be considered that the force F acts only on the droplet 21 a existing closest to the tip of the deflection electrode 15. That is, the diameter in the range covered by the dielectric force (Maxwell stress) acting on the droplet 21a by the electric field generated by applying a voltage to the deflection electrode 15 is smaller than the interval between the adjacent droplets 21a. Further, the diameter or thickness of the tip of the deflection electrode 15 is also smaller than the interval between the adjacent droplets 21a. Therefore, the flight direction control device 10 in the present embodiment can control the movement of each droplet 21a.

次に、本発明の発明者が行った実験結果について説明する。   Next, experimental results conducted by the inventor of the present invention will be described.

図2は本発明の実施の形態におけるマックスウエル応力によって変形する液滴の様子を示す写真、図3は本発明の実施の形態におけるマックスウエル応力によって飛翔方向が偏向させられた液滴の様子を示す写真、図4は本発明の実施の形態におけるマックスウエル応力によって一滴おきに飛翔方向が偏向させられた液滴の様子を示す写真、図5は本発明の実施の形態における偏向電極に印加する電圧と液滴の偏向角度との関係を示す図、図6は本発明の実施の形態における板状の偏向電極を使用した場合のマックスウエル応力によって飛翔方向が偏向させられた液滴の様子を示す写真である。   FIG. 2 is a photograph showing the state of a liquid droplet deformed by Maxwell stress in the embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the state of a liquid droplet whose flight direction is deflected by Maxwell stress in the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a photograph showing a state of a droplet whose flight direction is deflected every other drop by Maxwell stress in the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is applied to the deflecting electrode in the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the voltage and the deflection angle of the droplet, and FIG. 6 shows the state of the droplet whose flight direction is deflected by the Maxwell stress when the plate-like deflection electrode in the embodiment of the present invention is used. It is a photograph shown.

本発明の発明者は、先端部が絞られたガラス製の毛細管を用いて飛翔方向制御装置10のヘッド部11を作成し、該ヘッド部11の外側に圧電素子から成る振動付与部12を取り付けて実験を行った。また、この実験では、液体21として純水を使用した。   The inventor of the present invention creates a head portion 11 of the flight direction control device 10 using a glass capillary tube with a narrowed tip, and attaches a vibration applying portion 12 made of a piezoelectric element to the outside of the head portion 11. The experiment was conducted. In this experiment, pure water was used as the liquid 21.

そして、振動付与部駆動装置13からの駆動信号を付与することによって振動付与部12を作動させると、液体21を充填(てん)したヘッド部11に外側から圧力波が与えられる。該圧力波は、先端部に向けて細くなる毛細管であるヘッド部11の壁に沿って伝搬し、加圧ポンプ19によって印加された定圧力に重畳され、その結果、ヘッド部11の先端からは直径が周期的に変化する液柱21bが射出される。該液柱21bは周期的な直径の変動の成長に伴って分裂し、液滴21aを生成する。これにより、図2〜4に示されるように、液滴21aが射出された。   When the vibration applying unit 12 is operated by applying a drive signal from the vibration applying unit driving device 13, a pressure wave is applied from the outside to the head unit 11 filled with the liquid 21. The pressure wave propagates along the wall of the head portion 11, which is a capillary that narrows toward the tip portion, and is superimposed on the constant pressure applied by the pressure pump 19, and as a result, from the tip of the head portion 11. A liquid column 21b whose diameter changes periodically is injected. The liquid column 21b splits with the growth of periodic diameter fluctuations to generate droplets 21a. Thereby, as shown in FIGS. 2 to 4, a droplet 21 a was ejected.

また、図2〜4において、上側縁から下に向けて突出する先端が尖った部材は、実験で使用した棒状又は針状の偏向電極15である。該棒状又は針状の偏向電極15の先端の直径は、100〔μm〕以下、望ましくは50〔μm〕以下であって、隣接する液滴21a同士の間隔よりも小さな値となっている。   2 to 4, a member with a sharp tip protruding downward from the upper edge is a rod-like or needle-like deflection electrode 15 used in the experiment. The diameter of the tip of the rod-like or needle-like deflection electrode 15 is 100 [μm] or less, preferably 50 [μm] or less, which is smaller than the interval between adjacent droplets 21a.

なお、図1に示される飛翔方向制御装置10では、ヘッド部11の先端が左を向くように描かれているが、実験で使用した飛翔方向制御装置10では、ヘッド部11の先端が右を向いていることに留意されたい。図4において、左側縁から右に向けて突出する先端が尖った部材が実験で使用したヘッド部11である。   In the flying direction control device 10 shown in FIG. 1, the tip of the head unit 11 is drawn so as to face to the left. However, in the flying direction control device 10 used in the experiment, the tip of the head unit 11 is on the right. Note that it is suitable. In FIG. 4, a member having a sharp tip protruding from the left edge toward the right is the head portion 11 used in the experiment.

また、図1に示される飛翔方向制御装置10では、偏向電極15は液滴21aの飛翔経路の下側に配設され、その先端が上を向くように描かれているが、実験で使用した飛翔方向制御装置10では、偏向電極15は液滴21aの飛翔経路の上側に配設され、その先端が下を向いていることに留意されたい。   Further, in the flight direction control device 10 shown in FIG. 1, the deflection electrode 15 is arranged below the flight path of the droplet 21a and its tip is drawn upward, but it was used in the experiment. It should be noted that in the flight direction control device 10, the deflection electrode 15 is disposed on the upper side of the flight path of the droplet 21a and the tip thereof is directed downward.

図2には、ヘッド部11の先端から液滴21aを連続的に射出するとともに、20〔μs〕に亘(わた)って2〔kV〕のパルス状の電圧を偏向電極15に印加した瞬間に、マックスウエル応力によって偏向電極15の先端に最も近い直径30〔μm〕の液滴21aが変形する様子が示されている。図2は、ストロボを発光して撮影した顕微鏡写真である。   In FIG. 2, the droplet 21 a is continuously ejected from the tip of the head unit 11, and a pulse voltage of 2 [kV] is applied to the deflection electrode 15 over 20 [μs]. In addition, a state in which the droplet 21a having a diameter of 30 [μm] closest to the tip of the deflection electrode 15 is deformed by Maxwell stress is shown. FIG. 2 is a photomicrograph taken with a strobe light.

また、図3には、図2に示される変形した液滴21aが、その後、徐々に当初の飛翔方向から偏向して、他の液滴21aとは異なる飛翔経路を飛翔する様子が示されている。なお、他の液滴21aの飛翔経路は当初のとおり、真っ直ぐである。また、図3も、図2と同様に、ストロボを発光して撮影した顕微鏡写真である。   FIG. 3 shows a state in which the deformed droplet 21a shown in FIG. 2 is gradually deflected from the initial flight direction and then travels on a flight path different from the other droplets 21a. Yes. Note that the flight path of the other droplets 21a is straight as originally. FIG. 3 is also a photomicrograph taken with a strobe light, similar to FIG.

さらに、図4には、同様のパルス状の電圧を、液滴21aが1つおきに偏向電極15の先端近傍を通過するタイミングで偏向電極15に印加した様子が示されている。連続して射出された液滴21aは、1つおき毎に飛翔方向が偏向させられていることが分かる。このことから、飛翔方向制御装置10によって液滴21aの飛翔方向を制御可能であることが証明された。また、偏向させられた液滴21aの飛翔経路から、当初の飛翔経路と偏向後の飛翔経路との間の角度、すなわち、偏向角度も計測することができる。   Further, FIG. 4 shows a state in which a similar pulse voltage is applied to the deflection electrode 15 at the timing when every other droplet 21 a passes near the tip of the deflection electrode 15. It can be seen that every other droplet 21a ejected continuously has its flight direction deflected. From this, it was proved that the flight direction of the droplet 21 a can be controlled by the flight direction control device 10. Further, from the flight path of the deflected droplet 21a, the angle between the original flight path and the flight path after deflection, that is, the deflection angle can also be measured.

そして、本発明の発明者は、偏向電極15に印加する電圧を変化させ、偏向電極15に印加する電圧と液滴21aの偏向角度との関係を測定した。図5は、測定結果を示すグラフである。   The inventor of the present invention changed the voltage applied to the deflection electrode 15 and measured the relationship between the voltage applied to the deflection electrode 15 and the deflection angle of the droplet 21a. FIG. 5 is a graph showing the measurement results.

図5において、+で示される点は測定結果を示している。この測定結果から、液滴21aの偏向角度が、偏向電極15に印加する電圧の二乗に比例していることが分かる。   In FIG. 5, the point indicated by + indicates the measurement result. From this measurement result, it can be seen that the deflection angle of the droplet 21 a is proportional to the square of the voltage applied to the deflection electrode 15.

また、図5において、点線で示される曲線は、前記式(1)〜(4)に従って計算を行って得られた理論式を示す曲線である。該曲線と+で示される点とから、測定結果が理論式と一致することが分かる。   Moreover, in FIG. 5, the curve shown with a dotted line is a curve which shows the theoretical formula obtained by calculating according to said Formula (1)-(4). From the curve and the point indicated by +, it can be seen that the measurement result agrees with the theoretical formula.

このような測定結果は、液滴21aに働く力が、電荷に対して働く静電力ではなく、誘電体に働く誘電力、つまり、マックスウエル応力であることを証明している。   Such a measurement result proves that the force acting on the droplet 21a is not the electrostatic force acting on the electric charge but the dielectric force acting on the dielectric, that is, Maxwell stress.

続いて、本発明の発明者は、液体21として、純水に代えて、純水の10倍の粘性を備えるシリコーンオイルを使用して、同様の実験を行ったところ、同様の結果を得ることができた。前記シリコーンオイルは、一般に市販されている信越化学工業株式会社製のシリコーンオイル(商品名:信越シリコーン、製品名:KF−96L−10cs、成分:ジメチルポリシロキサン、動粘性度10〔cSt〕、粘性10〔mPa・s〕)である。   Subsequently, the inventors of the present invention conducted a similar experiment using a silicone oil having ten times the viscosity of pure water as the liquid 21 instead of pure water, and obtained similar results. I was able to. The silicone oil is a commercially available silicone oil manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. (trade name: Shin-Etsu Silicone, product name: KF-96L-10cs, component: dimethylpolysiloxane, kinematic viscosity 10 [cSt], viscosity. 10 [mPa · s]).

続いて、本発明の発明者は、偏向電極15として、棒状又は針状の部材に代えて、先端が尖ったテーパのついた細長い板状の部材、すなわち、ナイフエッジ状の部材を使用して同様の実験を行ったところ、同様の結果を得ることができた。なお、前記ナイフエッジ状の部材は、先端の厚さが16.6〔μm〕、先端の角度が11.5〔度〕の部材である。また、液体21は純水である。そして、前記偏向電極15の先端の厚さは、隣接する液滴21a同士の間隔よりも小さな値となっている。   Subsequently, the inventor of the present invention uses an elongated plate-like member with a sharp tip, that is, a knife-edge-like member, instead of the rod-like or needle-like member, as the deflection electrode 15. Similar experiments were performed and similar results were obtained. The knife-edge-shaped member is a member having a tip thickness of 16.6 [μm] and a tip angle of 11.5 [degrees]. The liquid 21 is pure water. The thickness of the tip of the deflection electrode 15 is smaller than the interval between the adjacent droplets 21a.

図6には、偏向電極15としてナイフエッジ状の部材を使用した場合において、偏向電極15に印加した電圧によるマックスウエル応力が働いた液滴21aが、その後、徐々に当初の飛翔方向から偏向して、他の液滴21aとは異なる飛翔経路を飛翔する様子が示されている。なお、他の液滴21aの飛翔経路は当初のとおり、真っ直ぐである。また、図6も、図2〜4と同様に、ストロボを発光して撮影した顕微鏡写真である。   In FIG. 6, when a knife-edge-shaped member is used as the deflection electrode 15, the droplet 21 a on which Maxwell stress is applied by the voltage applied to the deflection electrode 15 is gradually deflected from the initial flight direction thereafter. The state of flying on a flight path different from that of the other droplets 21a is shown. Note that the flight path of the other droplets 21a is straight as originally. FIG. 6 is also a photomicrograph taken with a strobe light, similar to FIGS.

なお、図6においては、上側縁から下に向けて突出する先端が尖った部材が実験で使用したヘッド部11であって、液滴21aは下へ向いて飛翔し、偏向電極15は液滴21aの飛翔経路の右側に配設され、その先端が左、かつ、やや斜め上を向いていることに留意されたい。また、図6に示される例において、液滴21aは、直径が50〔μm〕、速度が5〔m/s〕、間隔が240〔μm〕である。   In FIG. 6, a member having a pointed tip protruding downward from the upper edge is the head unit 11 used in the experiment. The droplet 21a flies downward, and the deflection electrode 15 is a droplet. Note that it is located on the right side of the flight path 21a, with its tip facing left and slightly upward. In the example shown in FIG. 6, the droplet 21a has a diameter of 50 [μm], a velocity of 5 [m / s], and an interval of 240 [μm].

このように、本実施の形態においては、空間に射出された液滴21aの飛翔経路の近傍に配設した偏向電極15に電圧を印加して前記飛翔経路の周辺空間に不均一な電界を生じせしめ、該電界によって液滴21aに働く誘電力により、液滴21aの飛翔方向を非接触で制御するようになっている。これにより、導電性を備えていない材料から成る液滴21aであっても飛翔方向を非接触で制御することができる。また、導電性を備える材料から成る液滴21aであっても電荷を付与する必要がない。したがって、電荷を付与するための装置が不要であり、飛翔方向制御装置10の構成を簡素化して小型化することができ、コストを低減することができる。また、電荷を付与するための時間が不要であり、高速周期で射出される液滴21aであっても飛翔方向を制御することができる。   As described above, in this embodiment, a voltage is applied to the deflection electrode 15 disposed in the vicinity of the flight path of the droplet 21a ejected into the space to generate a non-uniform electric field in the space around the flight path. The flying direction of the droplet 21a is controlled in a non-contact manner by the dielectric force acting on the droplet 21a by the electric field. Thereby, even if it is the droplet 21a which consists of material which does not have electroconductivity, a flight direction can be controlled by non-contact. Further, it is not necessary to apply electric charge even to the droplet 21a made of a material having conductivity. Therefore, a device for applying electric charge is unnecessary, the configuration of the flight direction control device 10 can be simplified and reduced in size, and the cost can be reduced. Further, no time is required for applying the charge, and the flight direction can be controlled even for the droplets 21a ejected at a high speed.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明は、飛翔物体の飛翔方向の制御方法及び制御装置に適用することができる。   The present invention can be applied to a control method and control device for the flying direction of a flying object.

10 飛翔方向制御装置
11a ノズル
15 偏向電極
16 電圧印加装置
21a 液滴
21b 液柱
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flight direction control apparatus 11a Nozzle 15 Deflection electrode 16 Voltage application apparatus 21a Droplet 21b Liquid column

Claims (10)

大気中又は真空中に射出されて飛翔する飛翔物体の飛翔方向の制御方法であって、
前記飛翔物体は液滴であり、
該液滴の飛翔経路の近傍に配設された制御電極に電圧を印加することによって前記飛翔経路の周辺空間に不均一な電界を生じせしめ、
該電界によって前記液滴に働く誘電力により、前記液滴の飛翔方向を非接触で制御することを特徴とする飛翔物体の飛翔方向の制御方法。
A method for controlling the flying direction of a flying object that is injected into the atmosphere or vacuum and flies,
The flying object is a droplet;
By applying a voltage to a control electrode disposed in the vicinity of the flight path of the droplet, an uneven electric field is generated in the space around the flight path;
A method for controlling a flying direction of a flying object, wherein the flying direction of the droplet is controlled in a non-contact manner by a dielectric force acting on the droplet by the electric field.
前記液滴が大気中又は真空中を飛翔中に前記液滴の飛翔方向を制御する請求項1に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御方法。   The method for controlling the flying direction of a flying object according to claim 1, wherein the flying direction of the droplet is controlled while the droplet is flying in the atmosphere or in a vacuum. 前記液滴は、ノズルから噴出された連続する液柱の分裂によって形成される請求項1又は2に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御方法。   The method of controlling a flying direction of a flying object according to claim 1, wherein the droplet is formed by splitting a continuous liquid column ejected from a nozzle. 前記誘電力の及ぶ範囲の直径は、隣接する液滴同士の間隔より小さい請求項1〜3のいずれか1項に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御方法。   The method for controlling the flying direction of a flying object according to any one of claims 1 to 3, wherein a diameter of the range covered by the dielectric force is smaller than an interval between adjacent droplets. 前記液滴は帯電していない請求項1〜4のいずれか1項に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御方法。   The method for controlling the flying direction of a flying object according to claim 1, wherein the droplets are not charged. 所望の液滴が前記制御電極の近傍を通過するタイミングで前記制御電極に電圧を印加することによって、連続して飛翔する複数の液滴の飛翔方向を選択的に制御する請求項1〜5のいずれか1項に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御方法。   6. The flight direction of a plurality of droplets that fly continuously is selectively controlled by applying a voltage to the control electrode at a timing when a desired droplet passes in the vicinity of the control electrode. The method for controlling the flying direction of a flying object according to any one of the preceding claims. 前記液滴は直径が0.5〔mm〕以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御方法。   The method for controlling the flying direction of a flying object according to claim 1, wherein the droplet has a diameter of 0.5 [mm] or less. 大気中又は真空中に射出されて飛翔する飛翔物体の飛翔方向の制御装置であって、
前記飛翔物体は液滴であり、
該液滴の飛翔経路の近傍に配設された制御電極と、
該制御電極に電圧を印加する電圧印加装置とを有し、
該電圧印加装置が前記制御電極に電圧を印加することによって前記飛翔経路の周辺空間に不均一な電界を生じせしめ、
該電界によって前記液滴に働く誘電力により、前記液滴の飛翔方向を非接触で制御することを特徴とする飛翔物体の飛翔方向の制御装置。
A control device for the flying direction of a flying object that is injected into the atmosphere or vacuum and flies,
The flying object is a droplet;
A control electrode disposed near the flight path of the droplet;
A voltage applying device for applying a voltage to the control electrode;
The voltage application device applies a voltage to the control electrode to generate a non-uniform electric field in the space around the flight path,
An apparatus for controlling a flying direction of a flying object, wherein the flying direction of the droplet is controlled in a non-contact manner by a dielectric force acting on the droplet by the electric field.
前記制御電極は、先端が尖った棒状又は針状の形状を備え、前記先端は、直径が隣接する液滴同士の間隔より小さく、前記飛翔経路の近傍に位置するように配設される請求項8に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御装置。   The control electrode has a rod-like or needle-like shape with a pointed tip, and the tip is disposed so as to be located in the vicinity of the flight path with a diameter smaller than an interval between adjacent droplets. The flying object control apparatus according to claim 8. 前記制御電極は、先端が尖った板状の形状を備え、前記先端は、厚さが隣接する液滴同士の間隔より小さく、前記飛翔経路の近傍に位置するように配設される請求項8に記載の飛翔物体の飛翔方向の制御装置。   9. The control electrode has a plate-like shape with a sharp tip, and the tip is disposed so that its thickness is smaller than an interval between adjacent droplets and is located in the vicinity of the flight path. The flying direction control device of the flying object according to 1.
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