JP7466199B2 - 気泡噴出方法、気泡噴出用デバイス、および、気泡噴出装置 - Google Patents
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Description
前記気泡噴出用デバイスは、
誘電体で形成された基材と、
前記基材の第1面と該第1面とは反対側の面である第2面とを貫通するように形成された気泡噴出孔と、
前記第1面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第1開口と、
前記第2面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第2開口と
を含み、
前記気泡噴出方法は、
少なくとも前記第1開口と前記第2開口を含む部分を導電液に接触させる、基材および導電液接触工程と、
第1電極を前記第1開口側の前記導電液に接触し、第2電極を前記第2開口側の前記導電液に接触させる、導電液および電極接触工程と、
前記第1電極および前記第2電極に電圧を印加する電圧印加工程と、
前記気泡噴出孔から前記導電液中に気泡を噴出する気泡噴出工程と、
を含む、
気泡噴出方法。
(2)前記気泡噴出孔が、少なくとも2個以上形成されている、
上記(1)に記載の気泡噴出方法。
(3)前記第1開口のサイズと、前記第2開口のサイズが異なる、
上記(1)または(2)に記載の気泡噴出方法。
(4)前記誘電体の絶縁耐力が、10MV/m以上である、
上記(1)~(3)の何れか一つに記載の気泡噴出方法。
(5)前記基材が、可撓性の材料で形成されている、
上記(1)~(4)の何れか一つに記載の気泡噴出方法。
(6)誘電体で形成された基材と、
前記基材の第1面と該第1面とは反対側の面である第2面とを貫通するように形成された気泡噴出孔と、
前記第1面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第1開口と、
前記第2面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第2開口と、
を含む、
気泡噴出用デバイス。
(7)前記気泡噴出孔が、少なくとも2個以上形成されている、
上記(6)に記載の気泡噴出用デバイス。
(8)前記第1開口のサイズと、前記第2開口のサイズが異なる、
上記(6)または(7)に記載の気泡噴出用デバイス。
(9)前記誘電体の絶縁耐力が、10MV/m以上である、
上記(6)~(8)の何れか一つに記載の気泡噴出用デバイス。
(10)前記基材が、可撓性の材料で形成されている、
上記(6)~(9)の何れか一つに記載の気泡噴出用デバイス。
(11)第1チャンバーおよび第2チャンバーを更に含み、
前記第1チャンバーは、
前記基材の前記第1面の少なくとも前記第1開口を含む部分と、
前記第1面に接するように配置したチャンバー第1部材と、
を含み、
前記第1チャンバーに導電液を充填することで、前記第1開口が前記導電液に接触することができ、
第2チャンバーは、
前記基材の前記第2面の少なくとも前記第2開口を含む部分と、
前記第2面に接するように配置したチャンバー第2部材と、
を含み、
前記第2チャンバーに前記導電液を充填することで、前記第2開口が前記導電液に接触することができる、
上記(6)~(10)の何れか一つに記載の気泡噴出用デバイス。
(12)前記第1チャンバーに配置された第1電極と、
前記第2チャンバーに配置された第2電極と、
を含む、
上記(6)~(11)の何れか一つに記載の気泡噴出用デバイス。
(13)上記(7)~(12)の何れか一つに記載の気泡噴出用デバイスと、
前記気泡噴出用デバイスから気泡を噴出させるための電気出力機構と、
を含む、
気泡噴出装置。
図1を参照して、第1の実施形態に係るデバイス1aについて説明する。図1Aはデバイス1aの上面図、図1Bは図1AのX-X’断面図である。デバイス1aは、誘電体で形成された基材2と、気泡噴出孔3とを含む。気泡噴出孔3は、基材2の第1面21と該第1面21とは反対側の面である第2面22とを貫通するように形成され、第1面21には第1開口31、第2面22には第2開口32が形成されている。
次に、図3を参照して、第2の実施形態に係るデバイス1bについて説明する。図3Aはデバイス1bの上面図、図3Bは図3AのX-X’断面図である。デバイス1bは、気泡噴出孔3が少なくとも2以上形成されている点で第1の実施形態に係るデバイス1aと異なり、その他の点は、デバイス1aと同様である。なお、図3Aおよび図3Bでは、気泡噴出孔3を直列に3個配置した例を示しているが、気泡噴出孔3の数に制限はなく、また、気泡噴出孔3の配置も目的に応じて適宜決めればよい。デバイス1bを用いると、加工対象物の異なる位置に同時に気泡を噴出できる。
次に、図4を参照して、第3の実施形態に係るデバイス1cについて説明する。図4Aはデバイス1cの上面図、図4Bは図4AのX-X’断面図である。デバイス1cは、第1開口31と第2開口32のサイズを異なるように作製した点で、第1の実施形態に係るデバイス1aと異なる。なお、本明細書において、「サイズ」とは、円形の場合は直径、円径以外の場合は外接円の直径を意味する。図4Bに示す例では、第1開口31のサイズが第2開口32のサイズより小さいが、第1開口31のサイズが第2開口32のサイズより大きくてもよい。なお、本明細書において、第1開口31と第2開口32のサイズが異なるように形成した気泡噴出孔3を「テーパーあり」と記載することがある。また、第1開口31と第2開口32の形状およびサイズが同じ円筒状、角柱状の気泡噴出孔3のことを「テーパー無し」と記載することもある。
次に、図5A乃至図5Dを参照して、第4の実施形態に係るデバイス1dおよびその変形例について説明する。図5Aはデバイス1dの上面図、図5Bは図5AのX-X’断面図である。また、図5Cはデバイス1dの変形例の上面図、図5Dは図5CのX-X’断面図である。デバイス1dおよびその変形例は、導電液Lを充填するための第1チャンバー5aおよび第2チャンバー5bを更に具備する点で、第1の実施形態のデバイス1aと異なり、その他の点は、第1の実施形態と同じである。
図6を参照して、気泡噴出装置10の実施形態について説明する。図6は、気泡噴出装置10の概略を説明するための図である。気泡噴出装置10は、気泡噴出用デバイス1と電気出力機構6を組み合せることで作製できる。なお、図6では、気泡噴出用デバイス1aを用いた例を示している。電気出力機構6は、電源装置61、第1電極4a、第2電極4b、電源装置61と第1電極4aおよび第2電極4bとで回路を形成するための電線63を少なくとも含んでいればよい。なお、第1電極4aおよび第2電極4bを、デバイス1の構成要素として配置した場合は、電気出力機構6として、第1電極4aおよび第2電極4bを含まなくてもよい。
図6および図7を参照して、気泡噴出方法の実施形態について説明する。図7は、気泡噴出方法の手順を示すフローチャートである。気泡噴出方法は、基材および導電液接触工程(S100)、導電液および電極接触工程(S110)、電圧印加工程(S120)、気泡噴出工程(S130)、を含んでいる。
以下の手順により、デバイスおよび気泡噴出装置を作製し、作製した気泡噴出装置を用いて気泡噴出方法を実施した。
基材2には、ポリイミド(アズワン株式会社製ポリイミドテープ)フィルム(厚さ30μm)を用い、UVレーザー(株式会社キーエンス製MD-U)で直径約25μmの略円筒状の気泡噴出孔3を形成した。次に、箱型のチャンバー部材(Formlabs社製アクリル樹脂)に、基材2を図5Dに示すように配置することで、第1チャンバーおよび第2チャンバーを含む実施例1のデバイスを作製した。
銅線(EggsSTORE,直径2mm)を用いて第1電極4a、第2電極4bを作製した。電源装置には汎用電気メス用電源Hyfrecator2000(ConMed(株))を用い、作製した第1電極4aと第2電極4bとを電線を用いて電気的に接続することで、気泡噴出装置10を作製した。
作製したデバイスの第1チャンバー5aおよび第2チャンバー5bに、導電液(0.9wt%塩化ナトリウム水溶液)を充填した。また、第1電極4aを第1チャンバー5aの導電液と接触するように挿入し、第2電極4bを第2チャンバー5bの導電液と接触するように挿入した。次に、電源装置の出力条件を、印加電圧800V、電圧印加回数1(回)、パルス幅約1μsに設定し、第1電極4aと第2電極4bに電気を出力した。気泡の噴出は、ハイスピードカメラ(VW-9000,Keyence社製)を用いて観察した。
次に、気泡噴出孔3を複数形成したデバイスで気泡噴出実験を行った。
[デバイスの作製]
気泡噴出孔3の直径が約100μm、隣り合う気泡噴出孔3同士の間隔が約600μmとなるように気泡噴出孔3を3カ所に作製した以外は、実施例1と同様の手順でデバイスを作製した。
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例2で作製したデバイスを用いた以外は、実施例1と同様の手順で、気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。図9Aは実施例2のデバイスを上方から撮影した写真、図9Bは電気出力後の写真で、点線の丸が成長した気泡を示す。
次に、気泡噴出孔3のテーパーが、気泡噴出に与える影響について確認する実験を行った。
[デバイスの作製]
先ず、3Dプリンターを用いて、図4Cに示す角度Zが55°(実施例3)、70°(実施例4)となる円錐状の鋳型を作製した。次に、作製した鋳型にPDMS(東レ・ダウコーニング社製Sylgard 184)を流し込み硬化し、鋳型を剥離することで、実施例3および実施例4のデバイスを作製した。作製したデバイスのサイズは以下の通りであった。
[実施例3]
・テーパーの角度Z:55°
・厚さ:5mm
・第1開口の直径:100μm
・第2開口の直径:6mm
[実施例4]
・テーパーの角度Z:70°
・厚さ:3mm
・第1開口の直径:100μm
・第2開口の直径:2mm
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例3および実施例4で作製したデバイスを用いた以外は、実施例1と同様の手順で、気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。図10Aは実施例3のデバイスを用いた際の第1開口側からの写真、図10Bは実施例4のデバイスを用いた際の第1開口側からの写真で、図10Aでは矢印、図10Bでは写真の白丸で囲ってある部分が噴出した気泡である。写真に示すように、実施例3および実施例4の何れのデバイスにおいても、気泡の噴出を確認した。また、第1電極4aと第2電極4bを入れ替え、つまり、陽極と陰極を入れ替えて実験を行っても、サイズが小さい第1開口から気泡が噴出することを確認した。
次に、気泡噴出孔3の形状を変えて気泡噴出実験を行った。
[デバイスの作製]
ドリルに代え、カッターを用いて加工した以外は、実施例1と同様の手順で、第1開口および第2開口が略正方形のデバイスを作製した。第1開口および第2開口の1辺は、約500μmだった。
[気泡噴出装置の作製および気泡噴出方法の実施]
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例5のデバイスを用いた以外は、実施例1と同様の手順で気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。図11Aは電気を出力した直後の第1開口側からの写真、図11Bは電気を出力してしばらくした後の第1開口側からの写真である。
次に、気泡噴出孔(第1開口)の大きさと印加する電圧の関係を調べる実験を行った。
[デバイスの作製]
ドリルの形状を変えた以外は、実施例1と同様の手順で、第1開口および第2開口が略円形のデバイスを作製した。第1開口および第2開口の直径は、約200μmだった。
[気泡噴出装置の作製および気泡噴出方法の実施]
次に、実施例5のデバイスに代え、実施例6のデバイスを用い、印加する電圧を450V、650V、750Vに変化させた以外は、実施例1と同様の手順で気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。図12Aは電圧を印加する前の第1開口側からの写真、図12Bは450Vの電圧を印加した後の第1開口側からの写真、図12Cは650Vの電圧を印加した後の第1開口側からの写真、図12Dは750Vの電圧を印加した後の第1開口側からの写真である。
次に、基材2の厚さ(気泡噴出孔3の長さ)と印加する電圧の関係を調べる実験を行った。
[デバイスの作製]
基材2の材料としてスチロール樹脂(株式会社タミヤ製透明プラバン)を用い、基材2の厚さが200μm(実施例7)と、300μm(実施例8)の2種類を準備した。ドリルを用い、直径200μmの略円筒状の気泡噴出孔3を形成した。
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例7および8のデバイスを用い、印加する電圧を1200Vとした以外は、実施例1と同様の手順で気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。図13Aは電圧を印加してしばらくした後の実施例7のデバイスの第1開口側からの写真、図13Bは電圧を印加してしばらくした後の実施例8のデバイスの第1開口側からの写真である。
次に、基材2の種類を変えて実験を行った。
[デバイスの作製]
基材2の材料としてガラス(松浪硝子工業株式会社製MICRO COVER GLASS no.1)、を用い、UVレーザーを用いて気泡噴出孔3を形成した。なお、UVレーザー加工は熱の影響で、気泡噴出孔3はテーパーを付けた形状となった。第1開口の直径は約70μm、第2開口の直径は約200μmであった。
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例9のデバイスを用い、実施例1と同様の手順で気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。図14Aは、電圧を印加する前の第1開口側から撮影した写真ある。なお、写真中の丸が第1開口で、第1開口の周囲の変色した箇所は熱の影響を受けた部分で、変色した箇所の外周が第2開口の大きさに相当する。図14Bは電圧を印加した後の第1開口側から撮影した写真で、破線で囲った部分が第1開口を覆うように成長した気泡である。その後、気泡の噴出を確認した。
次に、加工対象物の切削実験を行った。
[デバイスの作製]
タングステン線を用いた刺突により、直径約100μmの気泡噴出孔を形成した以外は、実施例1と同様の手順によりデバイスを作製した。
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例10のデバイスを用い、実施例1と同様の手順で気泡噴出装置を作製した。次に、気泡噴出方法は、出力を2000Vとし、気泡噴出孔の前にシリコンウェハ((株)松浪製作所製4 inch 厚さ525±25μm、片面ミラーウェーハ)を配置し、シリコンウェハの位置をずらしながら、複数回電圧を印加した以外は、実施例1と同様の手順で実施した。
次に、基材2の厚さ(気泡噴出孔3の長さ)および気泡噴出孔3の直径を変えたデバイスを準備し、気泡が噴出した時の気泡噴出孔3の電界値を調べた。
[デバイスの作製]
厚さが25μm、50μm、75μmの基材2を準備し、それぞれの基材2に、直径が約100μm、約200μm、約300μm、約400μmとなるように気泡噴出孔3を形成した以外は、実施例1と同様の手順によりデバイスを作製した。
次に、実施例1のデバイスに代え、実施例11で作製した厚さおよび気泡噴出孔の直径が異なる各種デバイスを用いた以外は、実施例1と同様の手順で、気泡噴出装置を作製し、気泡噴出方法を実施した。なお、気泡噴出方法は、作製したデバイス毎に印加電圧を変え、気泡が噴出し始めた時の印加電圧を調べた。
Claims (13)
- 気泡噴出用デバイスを用いた気泡噴出方法であって、
前記気泡噴出用デバイスは、
誘電体で形成された基材と、
前記基材の第1面と該第1面とは反対側の面である第2面とを貫通するように形成された気泡噴出孔と、
前記第1面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第1開口と、
前記第2面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第2開口と、
を含み、
前記誘電体の絶縁耐力が、4MV/m以上であり、
前記気泡噴出方法は、
少なくとも前記第1開口と前記第2開口を含む部分を導電液に接触させる、基材および導電液接触工程と、
第1電極を前記第1開口側の前記導電液に接触し、第2電極を前記第2開口側の前記導電液に接触させる、導電液および電極接触工程と、
前記第1電極および前記第2電極に電圧を印加する電圧印加工程と、
前記気泡噴出孔から前記導電液中に気泡を噴出する気泡噴出工程と、
を含む、
気泡噴出方法。 - 前記気泡噴出孔が、少なくとも2個以上形成されている、
請求項1に記載の気泡噴出方法。 - 前記第1開口のサイズと、前記第2開口のサイズが異なる、
請求項1または2に記載の気泡噴出方法。 - 前記誘電体の絶縁耐力が、10MV/m以上である、
請求項1~3の何れか一項に記載の気泡噴出方法。 - 前記基材が、可撓性の材料で形成されている、
請求項1~4の何れか一項に記載の気泡噴出方法。 - 請求項1~5の何れか一項に記載の気泡噴出方法に使用される気泡噴出用デバイスであって、該気泡噴出用デバイスは、
誘電体で形成された基材と、
前記基材の第1面と該第1面とは反対側の面である第2面とを貫通するように形成された気泡噴出孔と、
前記第1面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第1開口と、
前記第2面の前記気泡噴出孔が貫通した箇所に形成された第2開口と、
を含み、
前記誘電体の絶縁耐力が、4MV/m以上である、
気泡噴出用デバイス。 - 前記気泡噴出孔が、少なくとも2個以上形成されている、
請求項6に記載の気泡噴出用デバイス。 - 前記第1開口のサイズと、前記第2開口のサイズが異なる、
請求項6または7に記載の気泡噴出用デバイス。 - 前記誘電体の絶縁耐力が、10MV/m以上である、
請求項6~8の何れか一項に記載の気泡噴出用デバイス。 - 前記基材が、可撓性の材料で形成されている、
請求項6~9の何れか一項に記載の気泡噴出用デバイス。 - 第1チャンバーおよび第2チャンバーを更に含み、
前記第1チャンバーは、
前記基材の前記第1面の少なくとも前記第1開口を含む部分と、
前記第1面に接するように配置したチャンバー第1部材と、
を含み、
前記第1チャンバーに導電液を充填することで、前記第1開口が前記導電液に接触することができ、
第2チャンバーは、
前記基材の前記第2面の少なくとも前記第2開口を含む部分と、
前記第2面に接するように配置したチャンバー第2部材と、
を含み、
前記第2チャンバーに前記導電液を充填することで、前記第2開口が前記導電液に接触することができる、
請求項6~10の何れか一項に記載の気泡噴出用デバイス。 - 前記第1チャンバーに配置された第1電極と、
前記第2チャンバーに配置された第2電極と、
を含む、
請求項6~11の何れか一項に記載の気泡噴出用デバイス。 - 請求項7~12の何れか一項に記載の気泡噴出用デバイスと、
前記気泡噴出用デバイスから気泡を噴出させるための電気出力機構と、
を含む、
気泡噴出装置。
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