JP3967297B2

JP3967297B2 - 静電吸引型流体吐出方法及びその装置

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Publication number: JP3967297B2
Application number: JP2003206944A
Authority: JP
Inventors: 茂西尾; 広信岩下; 和典山本; 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: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005058807A

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て静電吸引することで、基板などの対象物上に該流体を吐出する静電吸引型流体吐出方法及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、２において開示がある。
【０００４】
また、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１０⁶〜１０¹¹Ωｃｍ）、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１５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Ｅ₀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）、ε₀：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｅ₀：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、Ｅ₀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Ｖ₀として、
【００１４】
【数３】

【００１５】
したがって、ｄは
【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）Ｖ₀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１０⁷Ｖ／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１０⁷Ｖ／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】
本発明の第１の静電吸引型流体吐出装置は、上記の課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、該ライン描画手段は、上記電圧及び上記流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記相対移動の速度を制御することを特徴としている。
【００３４】
上記の構成によれば、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルにしたがって、局所電界が発生し、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。
【００３５】
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、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。
【００３６】
ところが、このような構成では、吐出応答性は基本的に、ノズル内部の電極とノズル先端部との間の流体（吐出材料）の電気抵抗に起因するため、流体の電気伝導度の大きさによって吐出応答性が大幅に変化し、ノズルと基板との相対速度、或いはノズル−基板間に印加する電圧によって、安定したライン描画が行えなくなるといった不具合がある。該不具合は、ノズル先端径を微細化することで、電気抵抗が上昇し吐出応答性が悪化することと、基板上に形成されるドットやラインの径や幅が超微細となることが原因で生じた従来の吐出量では問題とはならなかった新たな問題である。
【００３７】
これに対し、上記構成では、ライン描画手段が、ノズルと基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧をノズルと基板との間に印加してライン描画を行うにおいて、電圧及び流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせて、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように相対移動の速度を制御するので、途切れのない安定したライン描画が、線幅が太くなるなどの不具合を伴うことなく、超微細ラインが可能となる吐出可能最低電圧近傍に電圧を設定しながら、高速に実施することができる。
【００３８】
本発明の第２の静電吸引型流体吐出装置は、上記の課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、該ライン描画手段は、上記相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように電圧を制御することを特徴としている。
【００３９】
上記の構成においても、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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等の上記した本発明の第１の静電吸引型流体吐出装置と同様の作用を奏する。
【００４０】
そして、上記構成では、ライン描画手段が、ノズルと基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧をノズルと基板との間に印加してライン描画を行うにおいて、相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように電圧を制御するので、間欠吐出周波数を高めて高速移動に対応することが可能となり、所望する高速にて途切れのない安定したライン描画が可能となる。
【００４１】
本発明の上記第１及び第２の静電吸引型流体吐出装置においては、上記ライン描画手段は、隣接する吐出パターン同士が、該吐出パターンにおける上記相対移動の移動方向とは垂直をなす方向の径の０．５倍以上１．５倍以下で重なり合うように、上記相対移動の速度或いは上記電圧を制御することが望ましい。
【００４２】
吐出パターンの相対移動方向のパターン径は、相対移動速度によって変化するが、相対移動方向とは垂直をなす方向のパターン径に対する相対移動速度による影響は少ない。そこで、このように、吐出パターンにおける相対移動の方向とは垂直をなす方向の径の０．５倍以上１．５倍以下で重なり合うように相対移動速度或いは電圧を制御することで、安定したライン描画を確実に行うことができると共に、無駄に重ねて相対移動速度を遅くする或いは電圧を大きくしすぎるといった不具合を伴うことがない。
【００４３】
本発明の第４の静電吸引型流体吐出装置は、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、該ライン描画手段は、上記流体の電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍである場合、上記相対移動の速度である走査速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、上記電圧をＶ_in（Ｖ）とすると、Ｖ_in＞３１ｖ＋７５の関係式を満足する走査速度及び電圧にてライン描画を行うことを特徴としている。
【００４４】
上記の構成においても、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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等の上記した本発明の第１の静電吸引型流体吐出装置と同様の作用を奏する。
【００４５】
そして、上記構成では、ライン描画手段が、ノズルと基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧をノズルと基板との間に印加してライン描画を行うにおいて、流体の電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍである場合、相対移動の速度である走査速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、上記電圧をＶ_in（Ｖ）とすると、Ｖ_in＞３１ｖ＋７５の関係式を満足する走査速度及び電圧にてライン描画を行うので、例えば銀ナノペーストのような電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍの吐出材料に限られるが、安定したライン描画を高速にて簡単に実現することができる。
【００４６】
本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、上記ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍとし、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うにあたり、上記電圧及び上記流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記相対移動の速度を制御することを特徴としている。
【００４７】
既に説明したように、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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し、対向電極を用いない構成も可能となる。
【００４８】
加えて、電圧及び流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うようにノズルと基板との相対移動の速度を制御することで、超微細な線幅を維持した状態で、安定したライン描画を高速にて行うことができる。
【００４９】
本発明の他の静電吸引型流体吐出方法は、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、上記ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍとし、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うにあたり、上記相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記電圧を制御することを特徴としている。
【００５０】
既に説明したように、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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し、対向電極を用いない構成も可能となる。
【００５１】
加えて、ノズルと基板の相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように、ノズルと基板間に印加する電圧を制御するので、速度と電圧を最適化して所望する高速にて途切れのない安定したライン描画が可能となる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図１ないし図１４に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００５３】
本実施の形態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流体の吐出制御を可能としている。
【００５４】
ここで、従来の流体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、従来の流体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。本発明は、この流体吐出モデルにおける新たな知見に基づいてなされたものである。
【００５５】
先ずは、本願発明者らによって発見された流体吐出モデルについて説明する。
【００５６】
直径ｄ（以下の説明においては、特に断らない限りノズルの内径を指す）のノズルに導電性流体を注入し、無限平板導体から高さｈに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図２に示す。このとき、ノズル先端部（ノズル孔）に誘起される電荷Ｑは、ノズル先端部の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。
【００５７】
【数５】

【００５８】
ここで、Ｑ：ノズル先端部に誘起される電荷（Ｃ）、ε₀：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、ｄ：ノズルの直径（ｍ）、Ｖ₀：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（正確にはノズル孔）−基板間距離（ｍ））の時はほぼ１となる。
【００５９】
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。
【００６０】
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、
【００６１】
【数６】

【００６２】
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. Birdseye and D.A. Smith, Surface Science, 23(1970), p.198-210）。また、ここでは、流体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流体がノズル径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。
【００６３】
ノズル先端部の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、
【００６４】
【数７】

【００６５】
となる。（５）〜（７）式より、圧力Ｐ_eは、α＝１とおいて、
【００６６】
【数８】

【００６７】
と表される。
【００６８】
一方、ノズル先端部における流体の表面張力による圧力Ｐ_sとすると、
【００６９】
【数９】

【００７０】
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、
【００７１】
【数１０】

【００７２】
となる。
【００７３】
図３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。流体の表面張力としては、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、Ｖ₀とｄとの関係を求めると、
【００７４】
【数１１】

【００７５】
が吐出の最低電圧を与える。
【００７６】
また、その時の吐出圧力ΔＰは、
【００７７】
【数１２】

【００７８】
より、
【００７９】
【数１３】

【００８０】
となる。
【００８１】
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４に、また、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５に示す。
【００８２】
図４から、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合（Ｖ₀＝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。
【００８３】
図５の計算では、流体として水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）及び有機溶剤（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、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。
【００８４】
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Ｖ₀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。
【００８５】
これに対し、本願発明者らが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。
【００８６】
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。
【００８７】
これに対し、本発明の吐出モデルでは、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。
【００８８】
また、図６に、基板との間に働く鏡像力の大きさと基板からの距離ｈとの相関を示す。図より明らかなように、この鏡像力は基板とノズル間の距離が近くなるほどに顕著になり、特にｈが２０μｍ以下で顕著である。
【００８９】
次に、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。
【００９０】
【数１４】

【００９１】
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孔の直径（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。
【００９２】
【数１５】

【００９３】
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７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、ノズルの直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５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。
【００９４】
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^-10ｍ³／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、式（１１）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^-10ｍ³／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。
【００９５】
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。
【００９６】
以上の考察は、連続流を考えた場合であるが、単発流とするためには、スイッチングの必要性がある。次にそれに関して述べる。
【００９７】
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。
【００９８】
【数１６】

【００９９】
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、
【０１００】
【数１７】

【０１０１】
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。
【０１０２】
次に、ノズル壁面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、その上に滴下した流体と電極の間に電圧を印加すると流体と絶縁体の接触面積が増す、すなわち濡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。
【０１０３】
【数１８】

【０１０４】
ここで、ε₀：真空の誘電率、ε，一：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、本発明の場合、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。
【０１０５】
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Ｖ₀と、ノズル−対向電極間の距離ｈ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点である。また、本発明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り、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ととなる。
【０１０６】
ところが、本願発明者らが見出した新しい流体吐出モデルによる静電吸引型流体吐出では、基本的に吐出応答性が、ノズル内部の電極とノズル先端部との間の流体（吐出材料）の電気抵抗に起因するため、流体の電気伝導度の大きさによって吐出応答性が大幅に変化し、ノズルと基板との相対速度、或いはノズル−基板間に印加する電圧によって、安定したライン描画が行えないといった不具合が招来される。
【０１０７】
例えば、気伝導度の低い流体では吐出応答性が悪くなるため、図８に示すように、吐出ヘッド１５と、基板１３が載置された基板ステージ１４の相対的な移動を高速で行うと、直流バイアスを印加しても、低速駆動では問題なく描けていたラインが描けず、途切れたライン描画像となってしまう。
【０１０８】
このような問題は、本発明の静電吸引型流体吐出では、ノズル先端径が微細であるために、ノズル内部の電極とノズル先端部との間の流体（吐出材料）の電気抵抗の上昇による吐出応答性の悪化と、基板上に形成されるドットやラインの径や幅の超微細化が原因で生じた従来の吐出量では問題とはならなかった新たな問題である。
【０１０９】
本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置は、走査速度或いはノズル−基板間の印加電圧を制御することで、途切れないライン描画像を安定して得ることのできるものである。このような静電吸引型流体吐出装置の構成について、以下に実施の形態１、２として、具体的に説明する。
【０１１０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態である静電吸引型流体吐出装置における要部の側面断面図を示したものである。図中１は、先端に超微細径のノズル孔（吐出孔）が形成された超微細径のノズルである。超微細量の流体体吐出を実現するためには、低コンダクタンスの流路をノズル１近傍に設けるか、またはノズル１自身を低コンダクタンスのものにする必要がある。このためには、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。
【０１１１】
ノズル孔の直径（以下、ノズル直径）の下限値は、制作上の都合から０．０ｌμｍが好ましく、また、ノズル直径の上限値は、図３に示した静電的な力が表面張力を上回る時のノズル直径の上限が２５μｍであること、および、図４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直径の上限が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、ノズル直径は０．０１〜８μｍの範囲が望ましい。
【０１１２】
ノズル１内部には、図示しない流体源から供給路８を介して吐出すべき溶液３が供給され充填されると共に、電極２がこの溶液３に浸されるように配置されている。ノズル１は、シールドゴム４およびノズルクランプ５によりホルダー６に取り付けられている。
【０１１３】
また、ノズル１のノズル孔の対向面側には、所定の距離離れた位置に、ノズル１のノズル孔から吐出した溶液を基板１３の表面により安定して着弾させることを目的に対向電極としての機能も有する基板ステージ１４が配設され、この基板ステージ１４上に基板１３が載置されるようになっている。
【０１１４】
なお、ここでは基板ステージ１４に対向基板としての機能を付与するが、上述したように、本発明によれば、ノズル先端部に於ける電界の集中効果と、対向基板に誘起される鏡像力の作用とで、先行技術のように基板を導電性にしたり、基板の背面側に対向電極を設けたりする必要はなく、基板として絶縁性のガラス基板、ポリイミドなどのプラスチック基板、セラミックス基板、半導体基板などを用いることが可能である。
【０１１５】
上記電極２と基板ステージ１４とは駆動信号印加部９に接続されている。この駆動信号印加部９は、制御部１８の制御のもと、電極２に印加する信号電圧と基板ステージ１４に印加される信号電圧の少なくとも一方を制御して、ノズル１先端部と基板１３との間に、単発流吐出であればパルス電圧を印加し、連続流吐出であれば直流バイアス電圧を印加するようになっている。ノズル１先端部と基板１３との間に印加する電圧の極性はプラスでもマイナスでも良い。なお、基板ステージ１４は接地されていてもよい。
【０１１６】
ヘッド駆動部１６は、吐出ヘッド１０を少なくともＸ方向に駆動するものであり、ステージ駆動部１９は、基板ステージ１４を少なくとも逆Ｘ方向に駆動するものである。なお、基板ステージ１４側或いは吐出ヘッド１０側の何れか一方側が駆動される構成であってもよい。そして、ヘッド駆動部１６及びステージ駆動部１９は、制御部１７にて制御され、図９に示すように、吐出ヘッド１０のＸ方向への速度ｖ_Hと基板ステージ１４の逆Ｘ方向への速度ｖ_Sとの和である相対速度が走査速度ｖとなる。
【０１１７】
ここでは、制御部１７・１８、ステージ駆動部１９、基板ステージ１４、吐出ヘッド１０、ヘッド駆動部１６、及び駆動信号印加部９により、ノズル１と基板１３とを相対的に移動させながら、電圧をノズル１と基板１３との間に印加してライン描画を行うライン描画手段が構成されている。
【０１１８】
図１０は、ノズル１と基板１３との間に印加される駆動信号波形を示している。ここで、まず、図１０を用いて、静電吸引型流体吐の吐出特性について説明する。基本的に、上記した駆動信号印加部９により吐出ヘッド１０の上記したノズル１内部の電極２と基板ステージ１４とに駆動信号が印加されると、その電位差によって決定される信号電圧１１がノズル１と基板１３との間に印加される。
【０１１９】
信号電圧１１は、吐出可能最低電圧３０以上の電圧であって、基板上に着弾した流体にて形成されるドットやラインの径・幅の大きさは、吐出可能最低電圧３０で吐出させることにより最小化することができるので、超微細ドット及び超幅細ラインを安定して形成するためには、各ノズルの吐出可能最低電圧条件近傍に設定される。
【０１２０】
吐出可能最低電圧３０とは、直流バイアスで流体吐出させた場合に、吐出が可能な最低電圧条件を意味しており、ノズル直径に依存し、ノズル１先端部（ノズル孔）の流体で形成されるメニスカスの表面電位は、この吐出可能最低電圧３０に達した時点で吐出が開始されることとなる。
【０１２１】
信号電圧１１を印加すると、上記電極２から電荷が流れ出し、ノズル１先端部（ノズル孔）の流体で形成されるメニスカス上に電荷が蓄積され始める。メニスカス表面の電位曲線であるメニスカス表面電位２０は、飽和曲線であり、その飽和速度は印加する信号電圧１１や吐出材料である流体の電気伝導度、ノズル１内部の流路形状に依存する。
【０１２２】
そして、メニスカス表面電位２０が吐出可能最低電圧３０まで到達すると、その場の電界力を受けて微小量の流体が吐出される。流体が吐出されると、メニスカス表面電位２０は吐出可能最低電圧３０よりも一旦低下するため、曳き糸状となった吐出流体は、ノズル１先端部にて切れることとなる。その後、メニスカス表面電位２０は電極２からの電荷供給にて再度上昇し始め、再び吐出可能最低電圧３０に達すると再び流体が吐出され、これを繰り返すこととなる。つまり、吐出開始後は、流体吐出に伴う電位の低下と電極からの電荷の蓄積による電位上昇の繰り返しにより、メニスカス表面電位２０は吐出維持可能最低電圧３０付近で鋸歯状に推移し、この周期で間欠的に吐出が繰り返されることとなる。
【０１２３】
この間欠吐出周期ｔ_vは、信号電圧１１及び流体の電気伝導度により異なり、例えば、電気伝導度が１０^-8Ｓ／ｃｍ程度の銀ナノペースト材料をノズル直径約２μｍのヘッドを用いて印加電圧３００Ｖで吐出させた場合は、約６６μｓｅｃである。
【０１２４】
次に、ライン描画条件についてであるが、図１１（ａ）に示すように、走査速度ｖと各吐出条件により決定する間欠吐出周期ｔ_vとの積ｖ×ｔ_vで、基板上の吐出間隔が決定する。そして、その吐出間隔ｖ×ｔ_vが、単一吐出パターン（ドット）Ｐの走査方向のパターン幅と同等であれば、単一吐出パターンが重なることなく接しながら一直線上にならんだ状態となる。安定したライン描画とするには、走査方向に隣接する各単一吐出パターン同士が少しずつ重なるようにすることが望ましい。そこで、ここでは、図１１（ｂ）に示すように、隣接する単一吐出パターンＰ・Ｐが、副走査方向のパターン幅Ｄの１/２以上で重なるように、走査速度ｖを決定する。これにより、パターンＰ・Ｐ同士が分離することなく連結し、常に安定したライン描画を実現することが可能となる。
【０１２５】
また、ここで、重なり幅を、副走査方向のパターン幅Ｄの１/２以上としたのは、単一吐出パターンＰは、図１１（ｃ）に示すように、走査速度ｖに依存して走査速度ｖが速くなるほど走査方向に長くなるが、副走査方向のパターン幅Ｄは若干の変化はあっても、走査速度ｖに依存して走査方向のパターンほどに変化することはないためである。
【０１２６】
また、隣接する単一吐出パターンＰ・Ｐ同士が必要以上に無駄に重なっても走査速度ｖは遅くなるので、副走査方向のパターン幅Ｄの１．５倍以下で重なり合うように走査速度ｖを制御することで、無駄に重ねて走査速度ｖを遅くしすぎるといった不具合を伴うことがない。
【０１２７】
これを走査方向のパターン幅をＬ、及び走査方向と垂直をなす副走査方向のパターン幅をＤとした場合に、走査速度ｖを、
ｖ＜（Ｌ−１．５Ｄ）／ｔ_v……（１９）
を満たすように設定することで、超微細なライン幅を維持した状態で、途切れない安定したライン描画を高速にて行うことができる。
【０１２８】
そこで、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、制御部１７の制御のもと上記ヘッド駆動部１６及びステージ駆動部１８が、流体の電気伝導度と信号電圧１１に応じた間欠吐出周期ｔ_vに基づいて、間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンＰの隣接するもの同士が一部重なり合うように、具体的には上記式（１９）を満たすように走査速度ｖを設定して、吐出ヘッド１０及び基板ステージ１４を駆動するようになっている。
【０１２９】
これにより、設定されている信号電圧１１の条件のなかで、途切れのない安定したライン描画を高速にて行うことができ、高速ライン描画形成を実現することができる。
【０１３０】
（実施の形態２）
本発明に係るその他の実施形態の静電吸引型流体吐出装置について説明する。但し、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置も構成は基本的に実施の形態１の静電吸引型流体吐出装置と同じであるので、装置構成図としては、同じ図１を用い、同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。
【０１３１】
前述した実施の形態１の静電吸引型流体吐出装置は、信号電圧１１は、吐出維持可能最低電圧３０以上であるといった条件を満たした上で、吐出可能最低電圧３０近傍に設定されており、走査速度ｖを変化させることで、安定したライン描画を可能とするものであった。これに対し、本実施の形態２の静電吸引型流体吐出装置は、信号電圧１１を変化させることで、安定したライン描画を可能とするものである。
【０１３２】
図１２（ａ）（ｂ）は、駆動信号波形と間欠吐出周期との関係を示しており、まず、これを用いて、静電吸引型流体吐出の吐出特性について説明する。実施の形態１においても説明したが、信号電圧１１印加後に増加し始めたメニスカス表面電位２０が吐出可能最低電圧３０に到達した時点で吐出が開始するが、一度流体を吐出した後は、流体吐出により放出した電荷量分の電位低下と電極２からの電荷供給分による電位上昇との繰り返しにより、間欠吐出状態が維持されることとなる。
【０１３３】
そして、吐出後のメニスカス表面電位２０の上昇速度は、信号電圧１１によって大きく異なり、例えば、図１２（ａ）に示すように、信号電圧１１が吐出可能最低電圧３０にほぼ等しいような低電圧印加の場合は、メニスカス表面電位２０が飽和に近い状態で電位の増減が繰り返されるため、表面電位２０の増加速度は非常に遅い。そのため、メニスカス表面電位２０が吐出可能最低電圧３０に到達した時点で開始される吐出の時間間隔は長くなる。
【０１３４】
これに対し、図１２（ｂ）に示すように、信号電圧１１が吐出可能最低電圧３０よりも十分大きい場合は、メニスカス表面電位２０が飽和に遠い状態で電位の増減が繰り返されるため、表面電位２０の増加速度は非常に速くなる。そのため、メニスカス表面電位２０が吐出可能最低電圧３０に到達した時点で開始される吐出の時間間隔は短くなる。
【０１３５】
このように、同一の吐出材料で、同一のノズル直径の吐出ヘッド１０を使用しても、信号電圧１１が異なれば、その間欠吐出周波数は変化する。
【０１３６】
図１３に、吐出材料としてハリマ化成（株）製の銀ナノペーストを用い、吐出ヘッド１０のノズル直径約１μｍとして吐出させた場合の信号電圧１１と間欠吐出周波数の関係を示す。図１３より、信号電圧１１が大きい程間欠吐出周波数は大きくなり、吐出の時間間隔が短くなる。つまり、信号電圧１１が大きい程ライン描画に対し有効であることがわかる。
【０１３７】
またさらに、銀ナノペーストを用い、吐出ヘッド１０のノズル直径約１μｍとして、走査速度ｖとライン描画可能最低電圧との関係を調べた。その結果、図１４に示すように、走査速度ごとにラインを描画するための最低電圧値が存在し、その電圧値は走査速度が大きいほど大きくなることが確認された。
【０１３８】
そこで、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、制御部１８の制御のもと上記駆動信号印加部９が、指定の走査速度ｖに対し、間欠吐出現象の単一吐出パターン間隔がゼロとなるライン描画可能最低電圧以上の電圧条件の信号電圧１１を設定するようになっている。
【０１３９】
具体的は、実施の形態１と同様に、図１１（ｂ）に示すように、走査方向に隣接する単一吐出パターンＰ・Ｐにおける重なり幅が、副走査方向のパターン幅Ｄの０．５倍以上１．５倍以下となる範囲で、信号電圧１１を設定する。
【０１４０】
これにより、設定されている走査速度ｖの条件のなかで、途切れのない安定したライン描画を確実に形成でき、高速ライン描画形成を実現することができる。
【０１４１】
また、図１４より、銀ナノペーストのような電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍの吐出材料に対しては、走査速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とライン描画が可能な最低信号電圧Ｖ_in（Ｖ）とを、
→Ｖ_in＞３１ｖ＋７５ ……（２０）
とすることにより、高速ライン描画形成を簡単に実現することができる。
【０１４２】
例えば、５ｍｍ/ｓｅｃ以上の高速走査時にライン描画を安定して行うためには、印加電圧を３００Ｖ以上与える必要がある。
【０１４３】
なお、本実施の形態では、走査速度ｖと信号電圧１１とを別々最適化して安定したライン描画を可能とする構成についてそれぞれ述べたが、信号電圧１１を吐出可能最低電圧３０より大きく設定すればするほど、ライン描画の線幅が増す傾向にあるため、走査速度ｖと信号電圧１１の両方を最適化して、必要な線幅・必要な走査速度ｖを得るようにしてもよい。
【０１４４】
最後に、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【０１４５】
【発明の効果】
本発明の第１の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、該ライン描画手段は、上記電圧及び上記流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記相対移動の速度を制御することを特徴としている。
【０１４６】
上記の構成によれば、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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し、対向電極を用いない構成も可能となるなどの効果を奏する。
【０１４７】
これに加えて、ライン描画手段が、ノズルと基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧をノズルと基板との間に印加してライン描画を行うにおいて、電圧及び流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせて、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように相対移動の速度を制御するので、途切れのない安定したライン描画が、線幅が太くなるなどの不具合を伴うことなく、超微細ラインが可能となる吐出可能最低電圧近傍に電圧を設定しながら、高速に実施することができるといった効果を併せて奏する。
【０１４８】
本発明の第２の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、該ライン描画手段は、上記相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように電圧を制御することを特徴としている。
【０１４９】
上記の構成においても、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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等の上記した本発明の第１の静電吸引型流体吐出装置と同様の効果を奏する。
【０１５０】
そして、上記構成では、ライン描画手段が、ノズルと基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧をノズルと基板との間に印加してライン描画を行うにおいて、相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように電圧を制御するので、間欠吐出周波数を高めて高速移動に対応することが可能となり、所望する高速にて途切れのない安定したライン描画が可能となるといった効果を併せて奏する。
【０１５１】
本発明の第４の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、該ライン描画手段は、上記流体の電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍである場合、上記相対移動の速度である走査速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、上記電圧をＶ_in（Ｖ）とすると、Ｖ_in＞３１ｖ＋７５の関係式を満足する走査速度及び電圧にてライン描画を行うことを特徴としている。
【０１５２】
上記の構成においても、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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等の上記した本発明の第１の静電吸引型流体吐出装置と同様の効果を奏する。
【０１５３】
そして、上記構成では、ライン描画手段が、ノズルと基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧をノズルと基板との間に印加してライン描画を行うにおいて、流体の電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍである場合、相対移動の速度である走査速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、上記電圧をＶ_in（Ｖ）とすると、Ｖ_in＞３１ｖ＋７５の関係式を満足する走査速度及び電圧にてライン描画を行うので、例えば銀ナノペーストのような電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍの吐出材料に限られるが、安定したライン描画を高速にて簡単に実現することができるといった効果を併せて奏する。
【０１５４】
本発明の静電吸引型流体吐出方法は、以上のように、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、上記ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍとし、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うにあたり、上記電圧及び上記流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記相対移動の速度を制御することを特徴としている。
【０１５５】
既に説明したように、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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し、対向電極を用いない構成も可能となるという効果を奏する。
【０１５６】
加えて、電圧及び流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うようにノズルと基板との相対移動の速度を制御することで、超微細な線幅を維持した状態で、安定したライン描画を高速にて行うことができるといった効果を併せて奏する。
【０１５７】
本発明の他の静電吸引型流体吐出方法は、以上のように、電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、上記ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍとし、上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うにあたり、上記相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記電圧を制御することを特徴としている。
【０１５８】
既に説明したように、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、駆動電圧の低下が可能となり、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と共に、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し、対向電極を用いない構成も可能となるという効果を奏する。
【０１５９】
加えて、ノズルと基板の相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように、ノズルと基板間に印加する電圧を制御するので、所望する高速にて途切れのない安定したライン描画が可能となるといった効果を併せて奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例としての静電吸引型流体吐出装置の要部側面断面を含む説明図である。
【図２】本発明の基本となる吐出モデルにおいて、ノズルの電界強度の計算を説明するための図である。
【図３】表面張力圧力および静電的圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図４】吐出圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図５】吐出限界電圧のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図６】荷電液滴と基板の間に働く鏡像力とノズル−基板間距離の相関を示したものである。
【図７】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ものである。
【図８】低速駆動と高速駆動での描画パターンの相違を示す説明図である。
【図９】吐出ヘッド１０と基板ステージの相対速度の関係を示す説明図である。
【図１０】ノズル−基板間に印加される直流の信号電圧の波形と間欠吐出周期の関係を示す説明図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）共に、単一吐出パターンでライン描画を形成するための条件を示す説明図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）共に、ノズル−基板間に印加される直流の信号電圧の波形と、間欠吐出周期の関係を示す説明図である。
【図１３】ノズル−基板間に印加する直流の信号電圧の値と、間欠吐出周波数との関係を示す説明図である。
【図１４】走査速度と、ライン描画可能最低電圧との関係を示すグラフである。
【図１５】静電吸引型流体吐出装置にける静電糸曳き現象による吐出流体の成長原理を示す図である。
【符号の説明】
１ノズル
２電極
３流体
９駆動信号印加部（ライン描画手段）
１０吐出ヘッド
１３基板
１１信号電圧
１４基板ステージ（ライン描画手段）
１６ヘッド駆動部（ライン描画手段）
１７制御部（ライン描画手段）
１８制御部（ライン描画手段）
１９ステージ駆動部（ライン描画手段）
２０メニスカス表面電位

Claims

電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、
上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、
該ライン描画手段は、上記電圧及び上記流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記相対移動の速度を制御することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、
上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、
該ライン描画手段は、上記相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように電圧を制御することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
上記ライン描画手段は、隣接する吐出パターン同士が、該吐出パターンにおける上記相対移動の移動方向とは垂直をなす方向の径の０．５倍以上１．５倍以下で重なり合うように、上記相対移動の速度或いは上記電圧を制御することを特徴とする請求項1又は２に記載の静電吸引型流体吐出装置。
電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの吐出孔直径が０．０１〜２５μｍであると共に、
上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うライン描画手段を備え、
該ライン描画手段は、上記流体の電気伝導度が１０^-7〜１０^-9Ｓ／ｃｍである場合、上記相対移動の速度である走査速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、上記電圧をＶ_in（Ｖ）とすると、
Ｖ_in＞３１ｖ＋７５
の関係式を満足する走査速度及び電圧にてライン描画を行うことを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、
上記ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍとし、
上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うにあたり、上記電圧及び上記流体の電気伝導度に応じて周波数が異なる間欠吐出現象の周期に合わせ、間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記相対移動の速度を制御することを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。
電圧印加により帯電された流体を吐出ヘッドに備えられたノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることで、ノズルに対向配置された基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、
上記ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍとし、
上記ノズルと上記基板とを相対的に移動させながら、流体の吐出が開始される電圧条件である吐出可能最低電圧以上の電圧を上記ノズルと上記基板との間に印加してライン描画を行うにあたり、上記相対移動の速度にて決定される間欠吐出された吐出パターンの隣接するもの同士が一部重なり合うように上記電圧を制御することを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。