JP4397642B2 - Electrostatic suction type fluid discharge method and apparatus - Google Patents

Description

【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、
【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】
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）、ε₀：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、ｄ：ノズル径（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（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. Birｄseye anｄ D.A. Smith, Surface Science, 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、Ｖ₀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（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。
【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。
【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^-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、（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^-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。
【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、ε₀：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Ｖ₀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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic suction type fluid discharge method and apparatus for charging a fluid such as ink and discharging the fluid from a nozzle onto an object such as a substrate.
[0002]
[Prior art]
In general, there are methods such as piezo and thermal that have been put to practical use as ink jet printers in the fluid jet method that ejects fluid such as ink onto an object (recording medium). There is an electrostatic suction method in which an electric field is applied to a conductive fluid and discharged from a nozzle.
[0003]
Such an electrostatic suction type fluid discharge device (hereinafter referred to as an electrostatic suction type fluid discharge device) is disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-127410 (Patent Document 4) discloses a device in which a nozzle hole is formed in a slit shape, a needle electrode protruding from the nozzle hole is provided, and ink containing fine particles is ejected using the needle electrode. Has been.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-238774 (Patent Document 3) discloses an apparatus in which an electrode for applying a voltage is provided in an ink chamber inside a nozzle hole.
[0006]
Here, a fluid ejection model in a conventional electrostatic suction type fluid ejection device will be described.
[0007]
As a design factor of the electrostatic suction type fluid discharge device, particularly the on-demand type electrostatic suction type fluid discharge device, the conductivity of the ink liquid (for example, the specific resistance of 10 ⁶ -10 ¹¹ Ωcm), surface tension (for example, 0.020 to 0.040 N / m), viscosity (for example, 0.011 to 0.015 Pa · s), and applied voltage (electric field). As the applied voltage, the voltage applied to the nozzle and the distance between the nozzle and the counter electrode are particularly important.
[0008]
The electrostatic suction type fluid ejection device utilizes electrohydrodynamic instability, and this state is shown in FIG. When a conductive fluid is placed in a uniform electric field, the electrostatic force acting on the surface of the conductive fluid destabilizes the surface and promotes the growth of the string (electrostatic string phenomenon). The electric field at this time is an electric field E generated when a voltage V is applied between the nozzle 100 and the counter electrode 101 facing the nozzle hole 100a at the tip of the nozzle 100 with a distance h. ₀ And Growth wavelength λ at this time _c Can be physically derived (for example, Non-Patent Document 1) and is represented by the following equation.
[0009]
[Expression 1]

[0010]
Where γ: surface tension (N / m), ε ₀ : Dielectric constant of vacuum (F / m), E ₀ : Electric field strength (V / m). The nozzle diameter d (m) is λ _c If it is smaller, no growth occurs. That is,
[0011]
[Expression 2]

[0012]
However, it was a condition for discharge.
[0013]
Where E ₀ Is the electric field strength (V / m) assuming a parallel plate, the distance between the nozzle and the counter electrode is h (m), and the voltage applied to the nozzle is V ₀ As
[0014]
[Equation 3]

[0015]
Therefore,
[0016]
[Expression 4]

[0017]
It becomes.
[0018]
[Patent Document 1]
Japanese Examined Patent Publication No. 36-13768 (Notification Date August 18, 1965)
[0019]
[Patent Document 2]
JP 2001-88306 A (publication date April 3, 2001)
[0020]
[Patent Document 3]
JP-A-8-238774 (publication date September 17, 1996)
[0021]
[Patent Document 4]
JP 2000-127410 A (publication date May 9, 2000)
[0022]
[Non-Patent Document 1]
The Institute of Image Electronics Information Technology, Vol. 17, No. 4, 1988, p.185-193
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
In the fluid ejecting apparatus, there is a demand for reducing the diameter of the nozzle that ejects ink in order to generally allow finer dot formation and line formation.
[0024]
However, in a fluid ejection device such as a piezo method or a thermal method that is currently in practical use, it is difficult to eject a minute amount of fluid with a nozzle diameter smaller than, for example, 1 pl. This is because the pressure required for ejection increases as the nozzle for ejecting fluid becomes finer.
[0025]
Further, in the fluid ejection device as described above, the miniaturization of the droplets and the increase in accuracy are contradictory problems, and it has been difficult to realize both at the same time. This is due to the following reason.
[0026]
The kinetic energy imparted to the droplet discharged from the nozzle is proportional to the cube of the droplet radius. For this reason, the fine droplets that are ejected when the nozzle is miniaturized cannot secure sufficient kinetic energy to withstand the air resistance at the time of ejection, and cannot be expected to land accurately due to disturbance due to air retention. . Furthermore, as the droplet becomes finer, the effect of surface tension increases, so the vapor pressure of the droplet increases and the amount of evaporation increases. For this reason, the fine droplets cause a significant loss of mass during flight, and there is a problem that it is difficult to maintain the shape of the droplets upon landing.
[0027]
Furthermore, based on the fluid ejection model in the above-described conventional electrostatic suction type fluid ejection device, from the above equation (2), the decrease in the nozzle diameter requires an increase in the electric field strength necessary for ejection. And the electric field strength is the voltage (drive voltage) V applied to the nozzle as shown in the above equation (3). ₀ And the nozzle-counter electrode distance h, a decrease in the nozzle diameter leads to an increase in drive voltage.
[0028]
Here, since the driving voltage in the conventional electrostatic suction type fluid ejection device is as high as 1000 V or more, it is difficult to reduce the size and increase the density in consideration of leakage and interference between the nozzles. If the size is reduced, the above problem becomes larger. In addition, a high-voltage power semiconductor exceeding 1000 V is generally expensive and has low frequency response.
[0029]
The nozzle diameter disclosed in Patent Document 1 is 0.127 mm, and the nozzle diameter range disclosed in Patent Document 2 is 50 to 2000 μm, more preferably 100 to 1000 μm.
[0030]
When the nozzle diameter is calculated by applying typical operating conditions in the conventional electrostatic attraction type fluid discharge, the surface tension is 0.020 N / m, and the electric field strength is 10. ⁷ Substituting into the above equation (1) and calculating as V / m, the growth wavelength λ _c Is about 140 μm. That is, a value of 70 μm is obtained as the limit nozzle diameter. That is, 10 ⁷ Even when a strong electric field of V / m is used, if the nozzle diameter is about 70 μm or less, ink growth does not occur and electrostatic attraction does not occur unless measures such as applying a back pressure to forcibly form a meniscus are taken. It was thought that mold fluid discharge was not established. That is, it has been considered that miniaturized nozzles and driving voltage reduction are incompatible problems.
[0031]
As described above, in the conventional fluid ejection device, miniaturization and high accuracy of the nozzles are contradictory problems, and it is difficult to realize both at the same time. In particular, in the electrostatic suction type fluid discharge device, it has been considered that miniaturization of the nozzle and lowering of the driving voltage are incompatible.
[0032]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to realize miniaturization of the nozzle, high precision of the discharge and landing positions of the micro fluid, and further reduction of the driving voltage. Another object of the present invention is to provide an electrostatic suction type fluid discharge device.
[0033]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the electrostatic suction type fluid discharge device of the present invention applies a drive voltage from a drive voltage applying means between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and puts it in the nozzle. In the electrostatic suction type fluid ejection device for supplying electric charge to the supplied fluid and ejecting the fluid from the nozzle hole to the ejection destination member, the nozzle hole diameter is φ0.01 μm to φ25 μm, and the drive voltage applying means Is a bipolar pulse voltage that is reversed to positive and negative polarities as the drive voltage, and outputs a voltage having a frequency of 1 Hz or more.
[0034]
Further, the electrostatic suction type fluid discharge method of the present invention applies a drive voltage between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and supplies electric charge to the fluid supplied into the nozzle. In the electrostatic suction type fluid discharge method in which the nozzle is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member, the hole diameter of the nozzle is φ0.01 μm to φ25 μm, and the drive voltage is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities. The frequency is a voltage of 1 Hz or more.
[0035]
Conventionally, in an electrostatic suction type fluid discharge device, the reduction of the nozzle hole diameter leads to an increase in the electric field strength required for discharge, so it is considered that miniaturization of the nozzle hole diameter and lowering of the drive voltage cannot be compatible. It was. On the other hand, in the present invention, when the nozzle hole diameter is set to a fine diameter of φ0.01 μm to φ25 μm, a local electric field is generated, and the nozzle hole diameter is set to the above based on the new knowledge that the driving voltage in ejection can be reduced. By making it within the range, both the miniaturization of the nozzle hole diameter and the lowering of the driving voltage are realized.
[0036]
In the above configuration, the drive voltage applied to the nozzle is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities, and the frequency is a voltage of 1 Hz or higher. In this case, it is possible to suppress the expansion of the droplet scattering area and the increase of the driving voltage. As a result, a fine pattern can be clearly formed on the discharge destination member by driving the nozzle at a low voltage.
[0037]
The electrostatic suction type fluid discharge device of the present invention applies a drive voltage from a drive voltage applying means between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and supplies a charge to the fluid supplied into the nozzle. In the electrostatic suction type fluid discharge device for discharging the fluid from the nozzle hole to the discharge destination member, the nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm, and the drive voltage application means uses the positive and negative electrodes as the drive voltage. The relationship between the time constant τ determined by τ = ε / σ and the driving voltage frequency fHz with respect to the electric conductivity σS / m and relative dielectric constant ε of the fluid. Outputs a voltage satisfying f ≦ 1 / (2τ).
[0038]
Further, the electrostatic suction type fluid discharge method of the present invention applies a drive voltage between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and supplies electric charge to the fluid supplied into the nozzle. In the electrostatic suction type fluid discharge method in which the nozzle is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member, the hole diameter of the nozzle is φ0.01 μm to φ25 μm, and the drive voltage is a bipolar pulse voltage that is reversed to positive and negative polarity The relationship between the time constant τ determined by τ = ε / σ and the driving voltage frequency fHz is f ≦ 1 / (2τ) with respect to the electric conductivity σS / m and the relative dielectric constant ε of the fluid. It is characterized by voltage.
[0039]
Conventionally, in an electrostatic suction type fluid discharge device, the reduction of the nozzle hole diameter leads to an increase in the electric field strength required for discharge, so it is considered that miniaturization of the nozzle hole diameter and lowering of the drive voltage cannot be compatible. It was. On the other hand, in the present invention, when the nozzle hole diameter is set to a fine diameter of φ0.01 μm to φ25 μm, a local electric field is generated, and the nozzle hole diameter is set to the above based on the new knowledge that the driving voltage in ejection can be reduced. By making it within the range, both the miniaturization of the nozzle hole diameter and the lowering of the driving voltage are realized.
[0040]
In the above configuration, the driving voltage applied to the nozzle is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities, and τ = ε / σ with respect to the electrical conductivity σS / m and relative dielectric constant ε of the fluid. Is output so that the relationship between the time constant τ determined by the equation (1) and the drive voltage frequency fHz is f ≦ 1 / (2τ). It is possible to narrow the droplet scattering region and form a clear fine pattern on the discharge destination member.
[0041]
The electrostatic suction type fluid discharge device of the present invention applies a drive voltage from a drive voltage applying means between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and supplies a charge to the fluid supplied into the nozzle. In the electrostatic suction type fluid ejection device, the fluid is ejected from the nozzle hole to the ejection destination member, and the nozzle and the ejection destination member are relatively moved by a moving unit in a direction orthogonal to the opposing direction of both. The nozzle has a hole diameter of .phi.0.01 .mu.m to .phi.25 .mu.m, and the drive voltage applying means outputs a bipolar pulse voltage having a frequency of fHz that is inverted to both positive and negative as the drive voltage. The drive voltage output means and the moving means are reduced so that the relationship between the drive voltage frequency fHz of the voltage applying means and the relative speed v μm / sec in the relative movement is f ≧ 5 v. It is characterized by further comprising control means for controlling at least one of them.
[0042]
Further, the electrostatic suction type fluid discharge method of the present invention applies a drive voltage between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and supplies electric charge to the fluid supplied into the nozzle. Is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member, and the nozzle and the discharge destination member are relatively moved in a direction orthogonal to the opposing direction of the nozzle and the discharge destination member. The drive voltage is reversed to positive and negative polarities, and a bipolar pulse voltage with a frequency of fHz is output as the drive voltage. The relationship between the drive voltage frequency fHz and the relative speed v μm / sec in the relative movement is , At least one of the drive voltage frequency and the relative movement speed is controlled so that f ≧ 5v.
[0043]
Conventionally, in an electrostatic suction type fluid discharge device, the reduction of the nozzle hole diameter leads to an increase in the electric field strength required for discharge, so it is considered that miniaturization of the nozzle hole diameter and lowering of the drive voltage cannot be compatible. It was. On the other hand, in the present invention, when the nozzle hole diameter is set to a fine diameter of φ0.01 μm to φ25 μm, a local electric field is generated, and the nozzle hole diameter is set to the above based on the new knowledge that the driving voltage in ejection can be reduced. By making it within the range, both the miniaturization of the nozzle hole diameter and the lowering of the driving voltage are realized.
[0044]
In addition, the drive voltage applied to the nozzle is reversed to both positive and negative polarities, a bipolar pulse voltage having a frequency of fHz is output, the relative speed v μm / sec in the relative movement between the nozzle and the discharge destination member, and the drive voltage frequency fHz. Since at least one of the drive voltage frequency and the relative movement speed is controlled so that f ≧ 5v, the scattering of droplets on the discharge destination member is suppressed and a clear fine pattern is formed. Is possible.
[0045]
The electrostatic suction type fluid discharge device of the present invention applies a drive voltage from a drive voltage applying means between a nozzle and a discharge destination member, for example, an insulating substrate, and supplies a charge to the fluid supplied into the nozzle. In the electrostatic suction type fluid ejection device, the fluid is ejected from the nozzle hole to the ejection destination member, and the nozzle and the ejection destination member are relatively moved by a moving unit in a direction orthogonal to the opposing direction of both. The nozzle has a hole diameter of .phi.0.01 .mu.m to .phi.25 .mu.m, and the drive voltage application means is a bipolar pulse voltage that reverses to positive and negative polarity as the drive voltage, and outputs a voltage of 400 V or less. .
[0046]
In the electrostatic suction type fluid discharge method of the present invention, a driving voltage is applied between the nozzle, the discharge destination member, and the insulating substrate to supply electric charge to the fluid supplied into the nozzle. In the electrostatic suction type fluid discharge method of discharging from the nozzle hole to the discharge destination member, the hole diameter of the nozzle is φ0.01 μm to φ25 μm, and the drive voltage is a bipolar pulse voltage that is reversed to positive and negative polarities, The voltage is 400V or less.
[0047]
Conventionally, in an electrostatic suction type fluid discharge device, the reduction of the nozzle hole diameter leads to an increase in the electric field strength required for discharge, so it is considered that miniaturization of the nozzle hole diameter and lowering of the drive voltage cannot be compatible. It was. On the other hand, in the present invention, when the nozzle hole diameter is set to a fine diameter of φ0.01 μm to φ25 μm, a local electric field is generated, and the nozzle hole diameter is set to the above based on the new knowledge that the driving voltage in ejection can be reduced. By making it within the range, both the miniaturization of the nozzle hole diameter and the lowering of the driving voltage are realized.
[0048]
In addition, since the drive voltage applied to the nozzle is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities, and is a voltage of 400 V or less, when forming a dot by discharging a fluid onto the discharge destination member, the peripheral portion of the dot It is possible to suppress the scattering of liquid droplets on the surface and to form a clear fine pattern.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Prerequisite technology]
First, the prerequisite technology of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The electrostatic suction type fluid discharge device according to the premise technique of the present invention has a nozzle diameter of 0.01 μm to 25 μm, and enables discharge control of discharge fluid with a drive voltage of 1000 V or less.
[0050]
Here, in the conventional ink ejection model, a decrease in the nozzle diameter leads to an increase in the driving voltage. Therefore, at nozzle diameters of 50 to 70 μm or less, unless other measures such as applying a back pressure to the ejected ink are performed, It was considered impossible to eject ink at a driving voltage of 1000 V or less. However, as a result of intensive studies, the inventors of the present application have found that a discharge phenomenon occurs in a discharge model different from the conventional ink discharge model below a certain nozzle diameter. This base technology is based on new knowledge in this ink ejection model.
[0051]
First, an ink ejection model investigated in the base technology of the present application will be described.
[0052]
It is assumed that conductive ink is injected into a nozzle having a diameter d (in the following description, indicates the inner diameter of the nozzle hole unless otherwise specified), and is positioned perpendicular to the height of h from the infinite plate conductor. This is shown in FIG. At this time, it is assumed that the charge Q induced in the nozzle tip (nozzle hole: fluid discharge hole) is concentrated in the hemisphere formed by the discharge fluid at the nozzle tip, and is approximately expressed by the following equation.
[0053]
[Equation 5]

[0054]
Where Q: charge (C) induced at the nozzle tip, ε ₀ : Dielectric constant (F / m) of vacuum, d: Nozzle diameter (diameter) (m), V ₀ : Total voltage applied to the nozzle. Α is a proportionality constant depending on the nozzle shape and the like, and takes a value of about 1 to 1.5, particularly d << h (h: distance between nozzle (nozzle hole) and substrate (m)). The time is almost 1.
[0055]
Further, when a conductive substrate is used as the substrate, it is considered that a mirror image charge Q ′ having a polarity opposite to that of the charge Q is induced at a symmetrical position in the substrate facing the nozzle. When the substrate is an insulator, a video charge Q ′ having a polarity opposite to that of the charge Q is similarly induced at a symmetrical position determined by the dielectric constant.
[0056]
Concentrated electric field strength E at the nozzle tip _loc Assuming that the radius of curvature of the tip is R,
[0057]
[Formula 6]

[0058]
Given in. Here, k is a proportionality constant depending on the nozzle shape and the like, and takes a value of about 1.5 to 8.5, and is considered to be about 5 in many cases (PJ Birdseye and DA Smith, Surface Science, 23 (1970), p.198-210). Here, in order to simplify the ink ejection model, it is assumed that R = d / 2. This corresponds to a state where the conductive ink swells in a hemispherical shape having the same curvature diameter as the nozzle diameter d due to surface tension at the nozzle tip.
[0059]
Next, the balance of pressure acting on the discharge fluid at the nozzle tip is considered. First, the electrostatic pressure P _e If the liquid area at the nozzle tip is S,
[0060]
[Expression 7]

[0061]
It becomes. From the equations (5) to (7), the pressure P _e Where α = 1
[0062]
[Equation 8]

[0063]
It is expressed.
[0064]
On the other hand, the pressure P due to the surface tension of the discharge fluid at the nozzle tip _s Then,
[0065]
[Equation 9]

[0066]
It becomes. Where γ is the surface tension. The condition under which discharge is caused by an electrostatic force is that the electrostatic force exceeds the surface tension. _e And pressure P due to surface tension _s The relationship with
[0067]
[Expression 10]

[0068]
It becomes.
[0069]
FIG. 19 shows a pressure P due to surface tension when a nozzle having a certain diameter d is given. _s And electrostatic pressure P _e Shows the relationship. As the surface tension of the discharged fluid, it is assumed that the discharged fluid is water (γ = 72 mN / m). When the voltage applied to the nozzle is 700 V, the electrostatic pressure P is obtained when the nozzle diameter d is 25 μm. _e Pressure P due to surface tension _s It is suggested to exceed. From this, V ₀ And the relationship between d and d
[0070]
## EQU11 ##

[0071]
Gives the lowest discharge voltage.
[0072]
The discharge pressure ΔP at that time is
[0073]
[Expression 12]

[0074]
Than,
[0075]
[Formula 13]

[0076]
It becomes.
[0077]
FIG. 20 shows the dependency of the discharge pressure ΔP when the discharge condition is satisfied by the local electric field strength for a nozzle of a certain diameter d, and FIG. 21 shows the dependency of the discharge critical voltage (that is, the lowest voltage at which discharge occurs) Vc. Show.
[0078]
FIG. 20 shows that the discharge condition is satisfied by the local electric field strength (V ₀ = 700 V, assuming that γ = 72 mN / m), the upper limit of the nozzle diameter is 25 μm.
[0079]
In the calculation of FIG. 21, water (γ = 72 mN / m) and an organic solvent (γ = 20 mN / m) are assumed as the discharge fluid, and the condition of k = 5 is assumed. From this figure, it is clear that the discharge critical voltage Vc decreases as the nozzle diameter decreases in consideration of the electric field concentration effect due to the fine nozzle. When the discharge fluid is water and the nozzle diameter is 25 μm, the discharge critical voltage It can be seen that the voltage Vc is about 700V.
[0080]
The concept of the electric field in the conventional discharge model, that is, the voltage V applied to the nozzle ₀ When only the electric field defined by the nozzle-counter electrode distance h is considered, the drive voltage required for ejection increases as the nozzle diameter becomes smaller.
[0081]
On the other hand, if attention is paid to the local electric field strength as in the new discharge model proposed in the base technology, the drive voltage in the discharge can be reduced by making the nozzle finer. Such a decrease in driving voltage is extremely advantageous in downsizing the apparatus and increasing the density of the nozzles. Of course, by reducing the driving voltage, it is possible to use a low-voltage driving driver with high cost merit.
[0082]
Further, in the above discharge model, the electric field strength necessary for the discharge depends on the local concentrated electric field strength, so that the presence of the counter electrode is not essential. That is, in the conventional discharge model, since an electric field is applied between the nozzle and the substrate, it is necessary to dispose a counter electrode on the side opposite to the nozzle with respect to the insulating substrate, or to make the substrate conductive. . When the counter electrode is arranged, that is, when the substrate is an insulator, there is a limit to the thickness of the substrate that can be used.
[0083]
On the other hand, in the discharge model of the base technology, it is possible to perform printing on an insulating substrate or the like without requiring a counter electrode, and the degree of freedom of the apparatus configuration is increased. Further, it is possible to perform printing on a thick insulator. Since the liquid discharged from the nozzle is charged, a mirror image force acts between the liquid and the substrate. FIG. 22 shows the correlation between the magnitude of the mirror image force and the distance h of the nozzle from the substrate.
[0084]
Next, consider the precise control of the discharge flow rate. In the case of a viscous flow, the flow rate Q in the cylindrical channel is represented by the following Hagen-Poiseuille equation. Now, assuming a cylindrical nozzle, the flow rate Q of the fluid flowing through this nozzle is expressed by the following equation.
[0085]
[Expression 14]

[0086]
Where η is the viscosity coefficient (Pa · s) of the fluid, L is the length of the flow path, that is, the nozzle (m), d is the diameter of the flow path, that is, the nozzle (m), and ΔP is the pressure difference (Pa). . From the above equation, since the flow rate Q is proportional to the fourth power of the radius of the flow path, it is effective to employ a fine nozzle to limit the flow rate. By substituting the discharge pressure ΔP obtained by the equation (13) into the equation (14), the following equation is obtained.
[0087]
[Expression 15]

[0088]
This expression represents the outflow amount of the fluid flowing out from the nozzle when the voltage V is applied to the nozzle having the diameter d and the length L. This is shown in FIG. For the calculation, values of L = 10 mm, η = 1 (mPa · s), and γ = 72 (mN / m) were used. Now, the nozzle diameter is assumed to be 50 μm, which is the minimum value of the prior art. When the voltage V is gradually applied, ejection starts at the voltage V = 1000V. This voltage corresponds to the discharge start voltage described in FIG. The flow rate from the nozzle at that time is shown on the Y axis. The flow rate rises rapidly just above the discharge start voltage Vc. In this model calculation, it seems that a minute flow rate is likely to be obtained by precisely controlling the voltage slightly above Vc, but this is actually impossible as expected from the semi-logarithmic diagram. 10 ^-Ten m ^Three / S or less, it is difficult to realize a minute amount. Further, when a nozzle having a certain diameter is employed, the minimum drive voltage is determined as given by the equation (11). Therefore, as long as a nozzle having a diameter of 50 μm or more is used as in the prior art, 10 ^-Ten m ^Three It is difficult to achieve a minute discharge amount of / s or less or a drive voltage of 1000 V or less.
[0089]
As can be seen from the figure, a drive voltage of 700 V or less is sufficient for a nozzle with a diameter of 25 μm, and control is possible even with a nozzle of 10 μm in diameter of 500 V or less. In addition, it can be seen that a nozzle having a diameter of 1 μm may be 300 V or less.
[0090]
Although the above consideration is a case where continuous flow is considered, in order to form dots, there is a need for switching. Next, I will talk about it.
[0091]
Discharging by electrostatic suction is based on charging of fluid at the nozzle end. The charging speed is considered to be about a time constant determined by dielectric relaxation.
[0092]
[Expression 16]

[0093]
Here, ε is the relative dielectric constant of the fluid, and σ is the conductivity of the fluid (S / m). The relative permittivity of the fluid is 10 and the conductivity is 10 ^-6 Assuming S / m, τ = 1.854 × 10 ^-Five sec. Alternatively, if the critical frequency is fc,
[0094]
[Expression 17]

[0095]
It becomes. It is considered that ejection cannot be performed because it cannot respond to a change in the electric field having a frequency faster than fc. When the above example is estimated, the frequency is about 10 kHz.
[0096]
Next, the reduction of the surface tension in the nozzle will be considered. It has been found that when an insulator is disposed on an electrode and a voltage is applied between the liquid dropped on the electrode and the electrode, the contact area between the liquid and the insulator increases, that is, wettability is improved, and electrowetting is improved. ) It is called a phenomenon. This effect is also realized in a cylindrical capillary shape, and is sometimes referred to as an electrocapillary. There is the following relationship between the pressure due to the electrowetting effect and the applied voltage, the shape of the capillary, and the physical properties of the solution.
[0097]
[Formula 18]

[0098]
Where ε ₀ : Vacuum dielectric constant, ε _r : Dielectric constant of insulator, t: thickness of insulator, d: inner diameter of capillary. When this value is calculated considering water as a fluid, it is only 30000 Pa (0.3 atm) at the most when calculating the case of the above-mentioned embodiment of Patent Document 1. In this case, it was found that an effect equivalent to 30 atm can be obtained by providing an electrode outside the nozzle. As a result, even when a fine nozzle is used, the fluid is quickly supplied to the nozzle tip due to this effect. This effect becomes more prominent as the dielectric constant of the insulator is higher and as its thickness is thinner. Strictly speaking, in order to obtain the electrocapillary effect, it is necessary to install an electrode through an insulator, but the same effect can be obtained when a sufficient electric field is applied to a sufficient insulator.
[0099]
In the above discussion, it should be noted that these approximate theories are based on the voltage V applied to the nozzle as the electric field strength as in the past. ₀ And not based on the electric field determined by the distance h between the nozzle and the counter electrode, but based on the local concentrated electric field strength at the nozzle tip. What is important in the base technology is that the local strong electric field and the flow path for supplying the fluid have a very small conductance. The fluid itself is sufficiently charged in a small area. When the charged microfluid is brought close to a dielectric such as a substrate or a conductor, the mirror image force acts and flies at a right angle to the substrate. For this reason, in the embodiment, the nozzle uses a glass capillary for ease of production, but is not limited thereto.
[0100]
[Embodiment 1]
In the following embodiments, the results of investigating the nozzle driving conditions in the case of discharging an ultrafine liquid from an ultrafine nozzle by electrostatic force will be described.
[0101]
In the electrostatic suction type fluid ejection device, as explained in the above-mentioned premise technique, the nozzle hole diameter (nozzle diameter) is set in the range of 0.01 to 25 μm, thereby reducing the nozzle hole diameter and driving voltage. It is possible to achieve both low voltage and low voltage.
[0102]
Further, the discharge amount of the liquid serving as the discharge material from the nozzle can be controlled by the potential difference between the nozzle and the discharge destination member and the distance between the nozzle and the discharge destination member, that is, the gap. Basically, the greater the potential difference and the smaller the gap, the greater the electric field strength at the nozzle tip, making it easier to control the discharge amount.
[0103]
However, the electrostatic suction type fluid discharge method as described above has the following problems. That is, when a liquid is discharged to an insulating discharge destination member, a positive or negative unipolar bias such as a DC bias or a unipolar pulse voltage is applied to the nozzle as a drive voltage. The discharge destination member is charged up by the electric charge, and the surface potential thereof rises. Due to the increase in surface potential, the potential difference between the nozzle (driving electrode inside the nozzle) serving as the ejection driving force and the ejection destination member becomes unstable, resulting in ejection failure.
[0104]
As a result, in order to perform stable ejection using a one-sided bias, it is necessary to apply a higher bias to the nozzle drive electrode in order to ensure the above-described potential difference, making it difficult to drive the nozzle at a low voltage. . Actually, as shown in FIG. 14, the lowest discharge voltage due to DC bias is 1010 Ω / sq as the discharge destination member when polyimide having a surface resistance value of 1015 Ω / sq is used as the discharge destination member. Therefore, the former is inferior in terms of ejection characteristics.
[0105]
Therefore, in order to suppress such an increase in the minimum discharge voltage, it is preferable to use a bipolar pulse voltage as the nozzle drive voltage. In this case, as shown in FIG. 15, it can be seen that the lowest discharge voltage is reduced as compared with the case where the DC bias is used. This is because the charged charges of the landing droplets on the discharge destination member alternate between positive and negative, and charges of opposite polarity are sequentially dropped onto the discharge destination member, so that discharge is performed while suppressing charge-up on the discharge destination member. Depending on what Thus, the use of the bipolar pulse voltage as the nozzle drive voltage is effective in improving the ejection stability from the nozzle.
[0106]
However, even when a bipolar pulse voltage is used as the nozzle drive voltage, as shown in FIG. 16, when a drawing pattern is formed on the ejection destination member, minute droplets are scattered around the drawing pattern. Occurs, and the drawing pattern is disturbed. This is due to the following reason.
[0107]
For example, as shown in FIG. 17A, when a pulse voltage having a low frequency is used as the nozzle drive voltage and discharge from the nozzle is performed with a positive pulse of this pulse voltage, A liquid having a positive charge is continuously discharged onto a certain insulating substrate 16. At this time, as shown in FIG. 17B, when the liquid is dropped on the previously dropped liquid, both liquids are charged with the same polarity and thus repelled on the insulating substrate 16. Thus, for example, the liquid dropped later becomes a finer droplet and scatters on the insulating substrate 16.
[0108]
The scattering of fine droplets as described above adversely affects the electrical characteristics of the substrate when, for example, a wiring pattern is drawn on the insulating substrate 16 using a discharge material as a conductive material.
[0109]
Therefore, in the electrostatic suction type fluid ejection device of the present invention, in a configuration in which a bipolar pulse voltage is used as the nozzle drive voltage, the scattering of the ejection material on the ejection destination member is suppressed and the drawn image is disturbed. It is possible to form a clear fine pattern with a small amount.
[0110]
Hereinafter, the electrostatic suction type fluid discharge device of the present embodiment will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electrostatic suction type fluid discharge device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, in the electrostatic suction type fluid ejection device, a nozzle 11 serving as a droplet ejection head and a stage 12 are arranged to face each other. That is, the nozzle 11 is arranged so that the tip portion faces downward, and the stage 12 is horizontally provided below the nozzle 11. The nozzle 11 is driven by a driving device (not shown) and can move in any direction. For example, the nozzle 11 is provided in a three-dimensional robot for moving the nozzle 11 independently. It should be noted that the nozzle 11 and the stage 12 only need to move relative to each other. Therefore, the tee 12 may be moved by being driven by a driving device.
[0111]
A drive electrode 13 is provided in the nozzle 11, and a power source (drive voltage applying means) 14 is connected to the drive electrode 13. The nozzle 11 is filled with a discharge material (fluid) 15 made of a liquid, and an insulating substrate (discharge destination member) 16 as a discharge destination of the discharge material 15 is fixed on the stage 12. The stage 12 is grounded, so that the insulating substrate 16 is grounded through the stage 12. For example, a fine wiring pattern is formed on the insulating substrate 16 by the discharge material 15 discharged from the nozzle 11.
[0112]
The nozzle 11 is provided with a low conductance flow path in the vicinity of the nozzle 11 or the nozzle 11 itself has a low conductance in order to be able to discharge an ultrafine liquid. For this purpose, the nozzle 11 is preferably a glass capillary, but can also be a conductive substance coated with an insulating material.
[0113]
The reason why the nozzle 11 is made of glass is that a nozzle hole of about several μm can be easily formed, a new nozzle end can be regenerated by crushing the nozzle end when the nozzle hole is closed, and a taper angle is attached in the case of a glass nozzle. Therefore, an unnecessary solution moves upward due to surface tension, does not stay at the nozzle end, does not cause nozzle clogging, and the nozzle 11 has an appropriate flexibility, so that it is easy to form a movable nozzle. Because it is.
[0114]
Specifically, it can be prepared by a capillary puller using a cored glass tube (trade name: GD-1 manufactured by Narishige Co., Ltd.). The use of a cored glass tube has the following advantages.
[0115]
(1) Since the core side glass is easily wetted with ink, ink filling becomes easy. (2) Since the core-side glass is hydrophilic and the outer glass is hydrophobic, the area where ink is present is limited to the inner diameter of the core-side glass at the nozzle end, and the electric field concentration effect becomes more prominent. . (3) A fine nozzle can be realized. (4) A sufficient mechanical strength can be obtained.
[0116]
The lower limit of the nozzle diameter is preferably 0.01 μm from the viewpoint of production. The upper limit of the nozzle diameter is 25 μm when the electrostatic force shown in FIG. 8 exceeds the surface tension. And the upper limit of the nozzle diameter when the discharge condition is satisfied by the local electric field strength shown in FIG. 20 is 25 μm, preferably 15 μm, and more preferably 15 μm. In particular, in order to more effectively use the local electric field concentration effect, the nozzle diameter is preferably in the range of 0.01 to 8 μm. In the present embodiment, the nozzle diameter is set in the range of φ0.1 to φ20 μm.
[0117]
Further, the nozzle 11 is not limited to the capillary tube, and may be a two-dimensional pattern nozzle formed by fine processing. When the nozzle 11 is made of glass with good moldability, the nozzle 11 cannot be used as an electrode. Therefore, a metal wire (for example, a tungsten wire) is inserted into the nozzle 11 as the drive electrode 13. The drive electrode 13 may be formed in the nozzle 11 by plating. Further, when the nozzle 11 itself is formed of a conductive material, an insulating material is coated thereon.
[0118]
The drive electrode 13 is disposed so as to be immersed in the discharge material 15 that is a liquid filled in the nozzle 11. The discharge material 15 is supplied from a supply source (not shown).
[0119]
The operation of the power supply (driving voltage applying means) 14 is controlled by a control device (driving voltage applying means) 17 composed of a computer, for example. That is, an ejection signal from the control device 17 is supplied to the power source 14, and a voltage having a pulse waveform is applied from the power source 14 to the drive electrode 13 in accordance with the ejection signal. The discharge material 15 in the nozzle 11 is charged by this voltage and discharged from the nozzle 11. An example of the drive voltage is shown in FIG. This drive voltage is a bipolar pulse voltage whose polarity is sequentially determined to be positive and negative, and its frequency is 1 Hz or more.
[0120]
The insulating substrate 16 only needs to have a surface resistance value of 1010 Ω / sq or more. In addition to polymer materials such as polyimide, acrylic, and polycarbonate, those made of glass in a low humidity environment are also within the above range. apply.
[0121]
In the above configuration, first, the principle of discharging the fine liquid from the nozzle 11 will be described. This discharge principle is considered as follows. In the electrostatic suction type fluid discharge device, a charge is supplied from the drive electrode 13 to the discharge material 15 by applying a drive voltage from the power source 14 to the drive electrode 13. This electric charge moves to the meniscus 40 having electrostatic capacity formed at the tip of the nozzle 11 through the discharge material 15 inside the nozzle 11. Then, when the charge amount of the electrostatic suction type fluid discharge device 40 reaches a predetermined amount, the liquid is discharged from the nozzle 11 to the insulating substrate 16.
[0122]
Next, the operation in the case of forming a desired pattern on the insulating substrate 16 by discharging the discharge material 15 from the nozzle 11 in the electrostatic suction type fluid discharge device will be described.
[0123]
The nozzle 11 is two-dimensionally driven in the X-axis direction and the Y-axis direction according to desired patterning data by a driving device such as a three-dimensional robot. At this time, the position of the nozzle 11 in the Z-axis direction is controlled such that the distance (gap) between the tip of the nozzle 11 and the insulating substrate 16 is always within the range of 30 to 200 μm. As the gap measuring means, a displacement meter using a laser or a gap length meter using a laser is used.
[0124]
Along with the movement of the nozzle 11, a bipolar pulse voltage (drive voltage) is applied from the power source 14 to the drive electrode 13 of the nozzle 11. As a result, the movement of electric charges starts toward the tip of the nozzle 11 in the discharge material 15 in the nozzle 11. Then, electric charges are accumulated in the meniscus 40 formed by the discharge material 15 at the tip of the nozzle 11, and the electric field strength in the peripheral portion increases. Thereafter, when the electric field strength exceeds a critical point for discharging the discharge material 15 from the nozzle 11, the discharge material 15 is discharged from the nozzle 11 and landed on the insulating substrate 16. In this case, since a bipolar pulse voltage of 1 Hz or more is applied to the drive electrode 13 as the drive voltage of the nozzle 11, the polarity of the liquid that lands on the insulating substrate 16 alternates between positive and negative. Moreover, the discharge time for one shot is 500 msec or less.
[0125]
Next, the frequency characteristics of the bipolar pulse voltage in the drawing operation on the insulating substrate 16 by the electrostatic suction type fluid ejection device will be described.
[0126]
FIG. 3 shows the relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage when silver nanopaste is discharged as a discharge material onto a polyimide substrate (insulating substrate 16), and FIG. 4 shows the drive voltage frequency and line drawing time. The relationship with the droplet scattering area width on the insulating substrate 16 is shown.
[0127]
When a bipolar pulse voltage is applied as a drive voltage to the drive electrode 13, a droplet of the discharge material 15 is discharged from the nozzle 11 according to each of the positive voltage and the negative voltage applied alternately. The ejection time at this time changes according to the frequency of the bipolar pulse voltage, and the charge amount of one drop of the ejection material 15 that lands on the insulating substrate 16 changes in proportion to the ejection time.
[0128]
In this case, when the frequency of the bipolar pulse voltage is lowered to increase the charge amount per one shot (one discharge), the lowest discharge voltage (discharge start voltage from the nozzle 11) increases as shown in FIG. . This is because when the charge amount per shot increases, the charge amount of the droplet landed on the insulating substrate 16 (charge amount of the insulating substrate 16) increases, and the gap between the insulating substrate 16 and the nozzle 11 increases. This is because the potential difference decreases and the value of the applied voltage (drive voltage) applied to the drive electrode 13 necessary for continuous stable ejection increases.
[0129]
That is, in FIG. 3, when the drive voltage frequency becomes lower than 1 Hz, the lowest discharge voltage (discharge start voltage) starts to rise. Thus, under the condition that the drive voltage frequency is less than 1 Hz, the drive voltage is DC bias (DC The discharge operation from the nozzle 11 starts to be affected by the charge-up of the insulating substrate 16 as in the case of voltage).
[0130]
Actually, as shown in FIG. 3, the width of the droplet scattering region on the insulating substrate 16 at the time of drawing by discharging the discharging material 15 onto the insulating substrate 16 is such that the driving voltage frequency is less than 1 Hz. It can be confirmed that there is a sharp increase in. On the contrary, under the condition that the drive voltage frequency is 1 Hz or more, the droplet scattering region width on the insulating substrate 16 can be suppressed to 50 μm or less, and a good drawn image can be stably formed. .
[0131]
As described above, in the electrostatic suction type fluid ejection device of the present embodiment, a bipolar pulse voltage of 1 Hz or more is used as the drive voltage applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11. It is possible to suppress the expansion of the droplet scattering region on the insulating substrate 16 and the increase of the driving voltage due to the charge-up. As a result, the fine pattern can be formed on the insulating substrate 16 clearly by driving the nozzle 11 at a low voltage.
[0132]
In the present embodiment, the bipolar pulse voltage as the drive voltage is applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11. However, the drive voltage necessary for ejection from the nozzle 11 is applied to the drive electrode 13. This is a potential difference between the voltage and the stage 12 functioning as a counter electrode. Accordingly, the drive voltage may be a voltage applied only to the stage 12 or a combined voltage (potential difference) between the voltage applied to the stage 12 and the voltage applied to the drive electrode 13. .
[0133]
In addition, a bipolar pulse voltage that is a driving voltage can be used even with a waveform having a low slew rate such as AC.
[0134]
[Embodiment 2]
Another embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 5A and FIG. 5B show the relationship between the waveform of the bipolar pulse voltage as the drive voltage applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11 and the surface potential of the ejection material 15 at the tip of the nozzle 11. FIG. 5A shows a case where the discharge material 15 is not discharged from the nozzle 11, and FIG. 5B shows a case where the discharge occurs. FIG. 6 is an explanatory diagram of an operation in which the charge supplied from the drive electrode 13 in the nozzle 11 is accumulated in the meniscus 40 at the tip of the nozzle 11. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the discharge and non-discharge states of the discharge material 15 from the nozzle 11 when the drive voltage (drive voltage frequency) of FIG. 5B is used. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage, and FIG. 9 is a graph showing the relationship between the drive voltage frequency and the droplet scattering area width on the insulating substrate 16. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage in a wide frequency range when dyed ink and silver nanopaste are used as the discharge material 15. In the present embodiment, the description of the same part as in the above embodiment is omitted, and only a different part will be described.
[0135]
The electrostatic suction type fluid discharge device of the present embodiment has the configuration shown in FIG. In this electrostatic suction type fluid discharge device, the voltage waveform when a bipolar pulse voltage is applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11 and the charge accumulated in the discharge material 15 at the tip of the nozzle 11 based on this voltage application. The relationship with the surface potential is as shown in FIG. 5 (a) or FIG. 5 (b).
[0136]
That is, in FIGS. 5A, 5 </ b> B, and 6, when the bipolar pulse voltage 101 is applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11, the inside of the discharge material 15 moves from the drive electrode 13 inside the nozzle 11 toward the tip of the nozzle 11. The charge moves, and this charge is accumulated in the meniscus 40 at the tip of the nozzle 11. As a result, the meniscus surface potential 102 rises while drawing a saturation curve that becomes maximum at the rising potential 101a and the falling potential 101b. In this case, the discharge of the discharge material 15 from the nozzle 11 is started when the meniscus surface potential 102 reaches the lowest dischargeable potential 103 for obtaining a driving force necessary for discharge.
[0137]
Therefore, as shown in FIG. 5A, when the driving voltage frequency is such that the pulse is inverted (a reverse polarity voltage is applied) before the meniscus surface potential 102 reaches the lowest dischargeable potential 103. No discharge of the discharge material 15 from the nozzle 11 occurs. Therefore, in order to discharge the discharge material 15 from the nozzle 11, the amplitude of the bipolar pulse voltage 101 is increased, or the drive voltage frequency is decreased to increase the positive voltage and the negative voltage of the bipolar pulse voltage 101. It is necessary to lengthen each application time.
[0138]
Here, paying attention to the case where the drive voltage frequency is lowered, the charging time constant τ determined by the electric conductivity σS / m and the relative dielectric constant ε of the discharge material 15 and the positive voltage and the negative voltage in the bipolar pulse voltage 101 are shown. The presence or absence of ejection from the nozzle 11 can be set according to the magnitude relationship with each application time T. Accordingly, as shown in FIG. 5B, the drive voltage frequency fHz is set so that the application time T is longer than the charging time constant τ, that is, the drive voltage frequency f is set to f ≦ 1 / (2τ). By setting so as to satisfy the condition, the discharge material 15 can be discharged from the nozzle 11. FIG. 7 shows the discharge and non-discharge states of the discharge material 15 from the nozzle 11 corresponding to the drive voltage (drive voltage frequency) of FIG.
[0139]
As a specific example, FIG. 8 shows the relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage when silver nanopaste is discharged as a discharge material 15 on a polyimide substrate (insulating substrate 16), and FIG. The relationship between the voltage frequency and the droplet scattering area width on the insulating substrate 16 is shown.
[0140]
In the result of FIG. 8, when the drive voltage frequency is about 50 Hz or higher, the lowest discharge voltage increases. This means that the applied voltage (bipolar pulse voltage) must be increased in order to make the meniscus surface potential 102 reach the lowest dischargeable potential 103, which is a drive voltage frequency condition. That is, when the drive voltage frequency is 50 Hz or more, the drive frequency condition does not satisfy f ≦ 1 / (2τ).
[0141]
In addition, the result of FIG. 9 shows that when the drive voltage frequency is 50 Hz or more, the droplet scattering region on the insulating substrate 16 becomes large, and the disturbance of the drawn image on the insulating substrate 16 becomes large. That is, in order to suppress the scattering of droplets on the insulating substrate 16 as much as possible and obtain a clear fine pattern, it is necessary to discharge at a driving voltage frequency of 50 Hz or less.
[0142]
In FIG. 10, the electrical conductivity is 10 as the discharge material 15. ^-Four ~ ^-6 (S / cm) dyed ink and electrical conductivity of 10 ^-7 ~ ^-9 The relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage when a silver nanopaste of (S / cm) is used is shown in a wide frequency range. That is, FIG. 10 is a combination of FIG. 3 showing the low frequency range and FIG. 8 showing the high frequency range for the silver nanopaste.
[0143]
A preferable range of the drive voltage frequency f based on FIG. 10 is 1 Hz ≦ f and f ≦ 1 / (2τ).
[0144]
As described above, in the electrostatic suction type fluid ejection device of the present embodiment, the nozzle 11 uses a bipolar pulse voltage such that the drive voltage frequency f satisfies f ≦ 1 / (2τ) as the drive voltage. By driving, it is possible to suppress an increase in the lowest discharge voltage and to narrow a droplet scattering region on the insulating substrate 16 so that a clear fine pattern can be formed on the insulating substrate 16.
[0145]
In the present embodiment, the bipolar pulse voltage as the drive voltage is applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11. However, the drive voltage necessary for ejection from the nozzle 11 is applied to the drive electrode 13. This is a potential difference between the voltage and the stage 12 functioning as a counter electrode. Accordingly, the drive voltage may be a voltage applied only to the stage 12 or a combined voltage (potential difference) between the voltage applied to the stage 12 and the voltage applied to the drive electrode 13. .
[0146]
In addition, a bipolar pulse voltage that is a driving voltage can be used even with a waveform having a low slew rate such as AC.
[0147]
[Embodiment 3]
Still another embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0148]
The electrostatic suction type fluid discharge device of the present embodiment has a configuration shown in FIG. That is, in the electrostatic suction type fluid discharge device of the present embodiment, the stage 12 is driven by the moving device (moving means) 21 to move. The control device (control means) 22 controls the moving direction, moving speed, moving timing, and the like of the moving device 21. The control device 22 further controls the voltage value of the drive voltage supplied from the power supply 14 to the drive electrode 13 of the nozzle 11, the drive voltage frequency, the application timing of the drive voltage, and the like.
[0149]
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the scanning speed of the stage 12 and the droplet scattering area width on the insulating substrate 16 in the electrostatic suction type fluid ejection device of the present embodiment. FIG. 12 shows a discharge experiment result when line drawing was performed using a silver nano paste as the discharge material 15 on a polyimide substrate (insulating substrate 16). In this case, the nozzle diameter is about 1 μm, and the drive voltage frequency is 50 Hz. The relative movement between the nozzle 11 and the insulating substrate 16 (stage 12) is performed by moving the stage 12.
[0150]
From the result of FIG. 12, it can be seen that the droplet scattering region on the insulating substrate 16 is abruptly narrowed in the range where the scanning speed is 10 μm / sec or less. This is because when the discharge material 15 is discharged from the nozzle 11, the amount of deviation of the position of the dot (droplet) to be landed next to the position of the dot (droplet) that has already landed on the insulating substrate 16 is This means that it affects the width of the splash area on the insulating substrate 16.
[0151]
Therefore, an ideal state for minimizing the droplet scattering region width on the insulating substrate 16 is when the scanning speed is zero with respect to the insulating substrate 16, that is, the insulating substrate 16. In the state where the nozzle 11 is present at a position on the droplet that has already landed, the discharge material 15 is discharged alternately by the positive voltage and the negative voltage of the bipolar pulse voltage. In this state, a drawing portion (landing droplet portion) having a resistance lower than that of the peripheral insulating portion (surface of the insulating substrate 16), which has always been neutralized to approximately 0 V, exists at a position directly below the nozzle 11, and thus has an insulating property. Charge up of the landing position on the substrate 16 is suppressed. Accordingly, in this case, an increase in the minimum discharge voltage is suppressed, and scattering of droplets due to repulsion between droplets having the same polarity on the insulating substrate 16 is suppressed.
[0152]
On the other hand, when the discharge material 15 is discharged while the nozzle 11 and the insulating substrate 16 move relative to each other, and the scanning speed (relative speed) increases, the discharge position of the discharge material 15 from the nozzle 11 is the immediately preceding position. It is in a state slightly shifted from the landing position. In this case, since ejection is performed while being affected by both the potential on the insulating substrate 16 and the potential on the drawing line, the ejection stability is lowered and the insulating substrate 16 is moved around the ejection position. Scattering of the discharge material 15 is likely to occur.
[0153]
Specifically, in the result shown in FIG. 12, the conditions of a scanning speed (stage speed) of 10 μm / sec and a driving frequency of 50 Hz, which are critical points at which the droplet scattering region width becomes wide, are set to 0. 0 from the immediately preceding landing position. The condition is that a droplet having the next reverse polarity charge lands on a position 1 μm away. That is, in general, under the discharge conditions of the driving voltage frequency fHz and the discharge scanning speed v μm / sec, the dot interval v / 2f is set to 0.1 μm or less, thereby reducing droplet scattering on the insulating substrate 16. Can do. From the above results, when the relationship between the driving voltage frequency fHz and the discharge scanning speed v μm / sec in the bipolar pulse voltage is derived, f / 2 is given by v / 2f ≦ 0.1 μm.
[0154]
In addition, said conditions are suitable in the range whose width of the line to draw and the diameter of a dot are 1-10 micrometers.
[0155]
As described above, in the electrostatic attraction type fluid discharge device of the present embodiment, when line drawing is performed by discharging fine droplets of the discharge material 15 onto the insulating substrate 16, so that f ≧ 5v is satisfied. By setting the drive voltage frequency fHz and the discharge scanning speed v μm / sec, it is possible to suppress the scattering of droplets on the insulating substrate 16 and form a clear fine pattern.
[0156]
In the present embodiment, the bipolar pulse voltage as the drive voltage is applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11. However, the drive voltage necessary for ejection from the nozzle 11 is applied to the drive electrode 13. This is a potential difference between the voltage and the stage 12 functioning as a counter electrode. Accordingly, the drive voltage may be a voltage applied only to the stage 12 or a combined voltage (potential difference) between the voltage applied to the stage 12 and the voltage applied to the drive electrode 13. .
[0157]
In addition, a bipolar pulse voltage that is a driving voltage can be used even with a waveform having a low slew rate such as AC.
[0158]
In the present embodiment, the moving device 21 moves the stage 12, but in order to draw on the insulating substrate 16, the stage 12 (insulating substrate 16) and the nozzle 11 need only move relative to each other. Therefore, the moving device 21 only needs to move at least one of the nozzle 11 and the stage 12.
[0159]
[Embodiment 4]
Still another embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0160]
The electrostatic suction type fluid discharge device of the present embodiment has the configuration shown in FIG. FIG. 13 shows the relationship between the drive voltage (bipolar pulse voltage) applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11 in the electrostatic attraction type fluid discharge device of the present embodiment and the droplet scattering region on the insulating substrate 16. It is a graph to show.
[0161]
FIG. 13 shows an experimental result in which silver nanopaste was discharged as a discharge material 15 on a polyimide substrate (insulating substrate 16) and drawing was performed. In this case, the nozzle diameter is about 1 μm, the drive voltage frequency is 50 Hz, and the relative movement speed (scanning speed) between the nozzle 11 and the insulating substrate 16 (stage 12) is 200 μm / sec. When ejection is performed under such conditions, the ejection pitch is 2 μm, and the impact dot diameter (landing droplet diameter) ejected with a nozzle diameter of 1 μm is about 1 μm, so the impact form is not a line but a dot.
[0162]
In the result of FIG. 13, as the drive voltage (pulse application voltage) is increased, the droplet scattering region width on the insulating substrate 16 when the discharge material 15 is discharged is rapidly widened. This is because a large number of droplets having the same polarity charge are landed at the same position. That is, when the drive voltage is increased, the discharge amount of the discharge material 15 from the nozzle 11 is increased, and the droplets are scattered due to repulsion between the same polarity charges in the landing droplet when it is landed on the insulating substrate 16. The area expands. In particular, when the driving voltage exceeds 400V, the scattering region is rapidly expanded. On the contrary, when the driving voltage is 400 or less, the scattering region is relatively narrow. That is, by setting the driving voltage to 400 V or less, it is possible to perform ejection while suppressing the scattering of droplets to the peripheral portion. In this case, the lower limit value of the drive voltage is, for example, the lowest discharge voltage.
[0163]
As described above, in the electrostatic attraction type fluid ejection device according to the present embodiment, the drive voltage applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11 when the dots are formed by ejecting fine droplets on the insulating substrate 16. Since it is set to 400 V or less, it is possible to suppress the scattering of droplets around the landing dots (landing droplets) on the insulating substrate 16 and form a clear fine pattern.
[0164]
In the present embodiment, the bipolar pulse voltage as the drive voltage is applied to the drive electrode 13 of the nozzle 11. However, the drive voltage necessary for ejection from the nozzle 11 is applied to the drive electrode 13. This is a potential difference between the voltage and the stage 12 functioning as a counter electrode. Accordingly, the drive voltage may be a voltage applied only to the stage 12 or a combined voltage (potential difference) between the voltage applied to the stage 12 and the voltage applied to the drive electrode 13. .
[0165]
In addition, a bipolar pulse voltage that is a driving voltage can be used even with a waveform having a low slew rate such as AC.
[0166]
Further, in the above embodiment, the width of the droplet scattering area is not strictly affected by the width of the line to be drawn, and the droplet spreading unnecessarily spreads on both sides including the drawing pattern area. It can be regarded as the width of the entire area.
[0167]
【The invention's effect】
In the configuration of the present invention, since the nozzle hole diameter is set to φ0.01 μm to φ25 μm, both the reduction of the nozzle hole diameter and the reduction of the drive voltage are realized.
[0168]
Further, in the configuration of the present invention, the drive voltage applied to the nozzle is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities, and the frequency is a voltage of 1 Hz or more. It is possible to suppress the expansion of the droplet scattering area on the member and the drive voltage. As a result, a fine pattern can be clearly formed on the discharge destination member by driving the nozzle at a low voltage.
[0169]
Further, in the configuration of the present invention, the drive voltage applied to the nozzle is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities, and τ = ε / with respect to the electrical conductivity σS / m and relative dielectric constant ε of the fluid. Since a voltage is output so that the relationship between the time constant τ determined by σ and the drive voltage frequency fHz is f ≦ 1 / (2τ), an increase in the minimum discharge voltage from the nozzle is suppressed, and the discharge destination member In this way, the droplet scattering region in the nozzle can be narrowed, and a clear fine pattern can be formed on the discharge destination member.
[0170]
Further, in the configuration of the present invention, the driving voltage applied to the nozzle is inverted to both positive and negative polarities, a bipolar pulse voltage having a frequency of fHz is output, and the relative speed v μm / in relative movement between the nozzle and the discharge destination member is output. Since at least one of the drive voltage frequency and the relative movement speed is controlled so that the relationship between sec and the drive voltage frequency fHz is f ≧ 5 v, the scattering of the droplets on the discharge destination member is suppressed, and the clear A fine pattern can be formed.
[0171]
Further, in the configuration of the present invention, the drive voltage applied to the nozzle is a bipolar pulse voltage that is reversed to both positive and negative polarities, and is a voltage of 400 V or less, so that a fluid is ejected onto the ejection destination member to form dots. In this case, it is possible to suppress the scattering of droplets around the dot periphery and form a clear fine pattern.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electrostatic suction type fluid ejection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of a drive voltage output from the power supply shown in FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the nozzle drive voltage frequency and the lowest discharge voltage in the electrostatic suction type fluid discharge device shown in FIG. 1;
4 is a graph showing the relationship between the nozzle driving voltage frequency and the droplet scattering area width on the insulating substrate at the time of line drawing in the electrostatic attraction type fluid ejection device shown in FIG. 1;
FIG. 5 shows a waveform of a bipolar pulse voltage as a drive voltage applied to a nozzle drive electrode and a surface potential of a discharge material at the nozzle tip in an electrostatic suction type fluid discharge device according to another embodiment of the present invention; FIG. 5A shows a case where the discharge material is not discharged from the nozzle, and FIG. 5B shows a case where the discharge occurs.
6 is an explanatory diagram of an operation of accumulating charges supplied from a drive electrode in a meniscus at the tip of the nozzle in the nozzle of the electrostatic suction type fluid ejection device shown in FIG. 1;
FIG. 7 is an explanatory diagram showing discharge and non-discharge states of a discharge material from a nozzle when the drive voltage shown in FIG. 5B is used.
8 is a graph showing the relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage in the electrostatic suction type fluid discharge device shown in FIG. 1. FIG.
9 is a graph showing the relationship between the driving voltage frequency and the droplet scattering area width on the insulating substrate in the electrostatic attraction type fluid ejection device shown in FIG. 1;
10 is a graph showing, in a wide frequency range, the relationship between the drive voltage frequency and the lowest discharge voltage when dyed ink and silver nanopaste are used as the discharge material in the electrostatic suction type fluid discharge device shown in FIG. is there.
FIG. 11 is a schematic configuration of an electrostatic suction type fluid discharge device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the stage scanning speed and the droplet scattering area width on an insulating substrate in an electrostatic attraction type fluid ejection device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing a relationship between a driving voltage applied to a nozzle driving electrode and a droplet scattering region on an insulating substrate in an electrostatic attraction type fluid ejection device according to still another embodiment of the present invention. .
FIG. 14 shows DC bias when a polyimide having a surface resistance value of 1015 Ω / sq is used as a discharge destination member and when a glass substrate or a conductive SUS substrate having a surface resistance value of 1010 Ω / sq is used as a discharge destination member. It is explanatory drawing which shows the discharge minimum voltage by.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a minimum discharge voltage when a bipolar pulse voltage is used as a nozzle drive voltage and when a DC bias is used.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a state in which minute droplets are scattered around a drawing pattern when a drawing pattern is formed using a bipolar pulse voltage as a nozzle driving voltage.
FIG. 17A is a waveform diagram showing an example of a low-frequency pulse voltage as a nozzle drive voltage, and FIG. 17B is a principle that droplets are scattered on an insulating substrate. It is explanatory drawing of.
FIG. 18 is an explanatory diagram of the electric field strength of the nozzle in the base technology of the present invention.
FIG. 19 is a graph showing a model calculation result of nozzle diameter dependence of surface tension pressure and electrostatic pressure in the premise technique of the present invention.
FIG. 20 is a graph showing a model calculation result of the nozzle diameter dependence of the discharge pressure in the base technology of the present invention.
FIG. 21 is a graph showing a model calculation result of the nozzle diameter dependence of the discharge limit voltage in the base technology of the present invention.
FIG. 22 is a graph showing the correlation between the mirror image force acting between a charged droplet and a substrate and the nozzle-substrate distance in the base technology of the present invention.
FIG. 23 is a graph showing a model calculation result of a correlation between a flow rate flowing out from a nozzle and an applied voltage in the base technology of the present invention.
FIG. 24 is an explanatory view showing the principle of the growth of a strand by the electrostatic stranding phenomenon due to the electrohydrodynamic instability, which is the concept of the conventional electrostatic attraction type ink jet system.
[Explanation of symbols]
11 nozzles
12 stages
13 Drive electrode
14 Power supply (drive voltage application means)
15 Discharge material (fluid)
16 Insulating substrate (discharge destination member)
17 Control device (drive voltage application means)
21 Moving device (moving means)
22 Control device (control means)
40 Meniscus
101 Bipolar pulse voltage
102 Meniscus surface potential
103 Lowest discharge potential

Claims (8)

Electrostatic attraction in which a drive voltage is applied between the nozzle and the discharge destination member from the drive voltage applying means, charges are supplied to the fluid supplied into the nozzle, and the fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member. Type fluid discharge device,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The drive voltage application means is a bipolar pulse voltage that is reversed to positive and negative polarities as the drive voltage, and outputs a voltage having a frequency of 1 Hz or more ,
An electrostatic suction type fluid discharge device that discharges a positively charged fluid and a negatively charged fluid alternately according to the polarity of a bipolar pulse voltage applied as the drive voltage . Electrostatic attraction in which a drive voltage is applied between the nozzle and the discharge destination member from the drive voltage applying means, charges are supplied to the fluid supplied into the nozzle, and the fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member. Type fluid discharge device,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The drive voltage applying means is a bipolar pulse voltage that reverses to positive and negative polarities as the drive voltage, and τ = ε / σ with respect to the electrical conductivity σS / m and relative dielectric constant ε of the fluid. A voltage at which the relationship between the determined time constant τ and the drive voltage frequency fHz is f ≦ 1 / (2τ) is output ;
An electrostatic suction type fluid discharge device that discharges a positively charged fluid and a negatively charged fluid alternately according to the polarity of a bipolar pulse voltage applied as the drive voltage . A drive voltage is applied between the nozzle and the discharge destination member from the drive voltage application means to supply electric charge to the fluid supplied into the nozzle, and this fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member and moved. In the electrostatic suction type fluid discharge device that relatively moves the nozzle and the discharge destination member in a direction orthogonal to the opposing direction of both by means,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The drive voltage applying means outputs a bipolar pulse voltage having a frequency of fHz, reversed to positive and negative polarities as the drive voltage,
According to the polarity of the bipolar pulse voltage applied as the drive voltage, a positively charged fluid and a negatively charged fluid are alternately discharged,
Control for controlling at least one of the drive voltage applying means and the moving means such that the relationship between the drive voltage frequency fHz of the drive voltage applying means and the relative speed v μm / sec in the relative movement is f ≧ 5 v. An electrostatic suction type fluid discharge device further comprising means. A drive voltage is applied between the nozzle and the discharge destination member from the drive voltage application means to supply electric charge to the fluid supplied into the nozzle, and this fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member and moved. In the electrostatic suction type fluid discharge device that relatively moves the nozzle and the discharge destination member in a direction orthogonal to the opposing direction of both by means,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The drive voltage application means is a bipolar pulse voltage that reverses to positive and negative polarities as the drive voltage, and outputs a voltage of 400 V or less ,
An electrostatic suction type fluid discharge device that discharges a positively charged fluid and a negatively charged fluid alternately according to the polarity of a bipolar pulse voltage applied as the drive voltage . In an electrostatic suction type fluid discharge method in which a drive voltage is applied between a nozzle and a discharge destination member, electric charges are supplied to the fluid supplied into the nozzle, and the fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member. ,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The driving voltage is a bipolar pulse voltage for inverting the positive and negative polarities, Ri voltage der frequencies above 1 Hz,
An electrostatic suction type fluid discharge method for discharging a positively charged fluid and a negatively charged fluid alternately according to the polarity of a bipolar pulse voltage applied as the drive voltage . In an electrostatic suction type fluid discharge method in which a drive voltage is applied between a nozzle and a discharge destination member, electric charges are supplied to the fluid supplied into the nozzle, and the fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member. ,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The driving voltage is a bipolar pulse voltage that is reversed to positive and negative polarity, and a time constant τ determined by τ = ε / σ with respect to the electric conductivity σS / m and relative permittivity ε of the fluid. Ri voltage der relationship becomes f ≦ 1 / (2τ) between the drive voltage frequency fHz,
An electrostatic suction type fluid discharge method for discharging a positively charged fluid and a negatively charged fluid alternately according to the polarity of a bipolar pulse voltage applied as the drive voltage . A drive voltage is applied between the nozzle and the discharge destination member to supply electric charge to the fluid supplied into the nozzle, and this fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member. The nozzle and the discharge destination member In the electrostatic suction type fluid discharge method of relatively moving in the direction orthogonal to the opposing direction of both,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
As the driving voltage, it is inverted to both positive and negative polarities, and outputs a bipolar pulse voltage having a frequency of fHz,
According to the polarity of the bipolar pulse voltage applied as the drive voltage, a positively charged fluid and a negatively charged fluid are alternately discharged,
The electrostatic attraction is characterized in that at least one of the drive voltage frequency and the relative movement speed is controlled so that the relationship between the frequency fHz of the drive voltage and the relative speed v μm / sec in the relative movement is f ≧ 5 v. Type fluid discharge method. In an electrostatic suction type fluid discharge method in which a drive voltage is applied between a nozzle and a discharge destination member, electric charges are supplied to the fluid supplied into the nozzle, and the fluid is discharged from the nozzle hole to the discharge destination member. ,
The nozzle has a hole diameter of φ0.01 μm to φ25 μm,
The driving voltage is a bipolar pulse voltage for inverting the positive and negative polarities, Ri following voltages der 400V,
An electrostatic suction type fluid discharge method for discharging a positively charged fluid and a negatively charged fluid alternately according to the polarity of a bipolar pulse voltage applied as the drive voltage .

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