WO2016170951A1 - 微小液滴の生成方法及び生成装置、微小液滴の輸送方法及び輸送装置、並びに、微小液滴 - Google Patents

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droplet
liquid
pressure
atmosphere
microdroplets
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酒井　啓司
有司 下河
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一般財団法人生産技術研究奨励会
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41J2/02—Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet
    • B41J2/025—Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet by vibration

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for generating microdroplets, a method and an apparatus for transporting microdroplets, and a microdroplet.
  • the conventional method considers only the printing process by the ink jet technology, and the influence of the air flow disturbed by the motion of the ink jet head reciprocating in the direction (main scanning direction) orthogonal to the recording medium conveyance direction. In order to eliminate this, the atmospheric pressure is lowered. Therefore, the conventional method is to stabilize the trajectory of the ink droplet ejected from a fixed nozzle that does not move and then transported over a long distance. Is not suitable.
  • the technology that ejects minute droplets and transports them in space can be applied not only to printing but also to various industrial processes. For example, if a minute droplet of a curable liquid is generated and cured while the droplet is in the air, a minute sphere can be formed.
  • a technique for ejecting a plurality of droplets of different types to produce a microcapsule structure has been studied.
  • a technique has been developed that deforms ejected minute liquid droplets in a non-contact manner and measures physical properties such as surface tension and viscosity of the liquid droplet from its moving state (for example, JP2013-228242A). No. publication). In such a measurement, in order to measure a change in physical properties over a long period of time, it is necessary to transport the droplets in the air over a long distance or over a long period of time.
  • the nozzle that ejects the droplet does not need to move, and the time required to realize the stability and stabilization of the droplet trajectory in the steady droplet flow. It is necessary to consider shortening.
  • the physical phenomenon to be considered for the stabilization of the trajectory of the flying droplet is not the irregular turbulence of the air flow accompanying the movement of the member as considered by the conventional method, These are the influence of the airflow from the start of droplet ejection until the flight state reaches a steady state, and the time change until the airflow reaches a steady state.
  • the transport distance of the droplets is required to exceed 10 [mm].
  • the conventional method clearly differs in its application field. For example, in order to stabilize the long-distance trajectory, it is also important to consider the phenomenon of turbulence of the airflow due to the effect of inertia in addition to the turbulence of the airflow. A method of realizing stabilization has been desired.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and a method and an apparatus for generating microdroplets, which can realize transport of microdroplets over a long distance in space with high flight trajectory stability accuracy, microfluids, and the like It is an object to provide a droplet transport method, a transport device, and a micro droplet.
  • liquid is ejected as a continuous liquid column from a fixed nozzle, and the liquid column is regularly formed by applying periodic vibration to the liquid column.
  • the liquid column is regularly formed by applying periodic vibration to the liquid column.
  • the dynamic viscosity coefficient of the gas in the atmosphere is less than that when the pressure of the atmosphere is atmospheric pressure by setting the pressure of the atmosphere to atmospheric pressure or lower. Becomes smaller.
  • the pressure of the atmosphere is 10000 [Pa] or less.
  • the pressure of the atmosphere is greater than the saturated vapor pressure of the liquid.
  • the size of the space is set to L
  • the viscosity coefficient and density of the gas in the atmosphere are set to ⁇ and ⁇ , respectively, and the microdroplets are used.
  • T the waiting time allowed for a given process
  • the size of the space is set to L
  • the viscosity coefficient and density of the gas in the atmosphere are set to ⁇ and ⁇ , respectively
  • the relationship represented by the following formula (II) is satisfied.
  • the atmosphere further includes saturated liquid vapor.
  • the diameter of the microdroplets is 200 [ ⁇ m] or less and 1 [ ⁇ m] or more.
  • L is the size of the space
  • L is 1 [m] or less and 5 [cm] or more.
  • the viscosity coefficient of the gas in the atmosphere is 10 ⁇ 6 [m 2 / s] or less.
  • the nozzles are plural, and the microdroplets generated by splitting the liquid columns ejected from the nozzles are collided with each other to generate new droplets. Generate microdroplets.
  • the liquid column ejected from each nozzle is a liquid column of a different type of liquid.
  • the number of nozzles is two, and microdroplets of two different liquids are collided with each other so that one liquid microdroplet is the other. A new microdroplet containing the liquid microdroplet is generated.
  • the two different liquids are compatible with each other, have different surface tensions, and liquid microdroplets with a small surface tension are on the surface.
  • a new microdroplet containing a microdroplet of liquid with high tension is generated.
  • a container that blocks and isolates the internal space from the outside, a decompression device that reduces the atmospheric pressure of the space to atmospheric pressure, and a liquid that is fixed in the container
  • a nozzle that injects the liquid column as a continuous liquid column
  • a vibration applying device that varies the pressure inside the nozzle, and the vibration applying device applies periodic vibration to the liquid column to regulate the liquid column.
  • the liquid droplets are divided so as to fly at equal intervals in a space of an atmosphere having a pressure below atmospheric pressure.
  • liquid is ejected from a fixed nozzle as a continuous liquid column, and the liquid column is regularly divided by applying periodic vibration to the liquid column.
  • the micro droplets flying at regular intervals generated by the above are transported along a stable flight trajectory of a predetermined distance or more by setting the pressure of the atmosphere in the space where the micro droplets fly to atmospheric pressure or less.
  • the predetermined distance is 10 mm or more.
  • the time for transporting the microdroplets is 10 [ms] or more.
  • a container that isolates and isolates an internal space from the outside, a decompression device that reduces the atmospheric pressure of the space to atmospheric pressure, and a liquid that is fixed in the container.
  • a nozzle that injects the liquid column as a continuous liquid column, and a vibration applying device that fluctuates the pressure inside the nozzle, and the vibration applying device applies periodic vibration to the liquid column to regularly form the liquid column. Fine droplets flying at regular intervals generated by splitting into two are transported along a stable flight trajectory of a predetermined distance or more by reducing the atmospheric pressure of the space to atmospheric pressure or lower.
  • At least a part of the wall surface of the container is a transparent optical window, and the microdroplet in the container can be observed through the optical window.
  • Still another microdroplet transport device of the present invention further includes an optical observation device for observing the microdroplet in the container through the optical window, and the state of the microdroplet observed by the optical observation device Therefore, the physical properties of the liquid can be measured.
  • the apparatus further includes an electrode disposed in the container, the electrode disposed in the vicinity of the flight trajectory, and a voltage is applied to the electrode.
  • the micro droplet is deformed in a non-contact manner by a dielectric force acting on the micro droplet by the electric field, and the vibration state of the micro droplet after deformation is The surface tension and / or viscosity of the liquid can be measured.
  • the fine liquid droplets of the present invention are produced by ejecting a liquid from a fixed nozzle as a continuous liquid column, and periodically dividing the liquid column by applying periodic vibration to the liquid column.
  • the droplets fly in the space at equal intervals, and are transported along a stable flight trajectory of a predetermined distance or more by setting the atmospheric pressure in the space to atmospheric pressure or lower.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state in which a droplet in an aqueous ethanol solution droplet collides with a droplet in a water droplet row in an example of the present invention, and is a photograph in which fluorescent molecules are added to a water droplet.
  • emitting at arbitrary time or not injecting with a signal is calculated
  • the flight state differs depending on how long before the timing of ejecting a certain droplet, the previous droplet was ejected. For example, when a single droplet is ejected for the first time, the atmosphere is almost stationary. Due to the viscous resistance due to such a stationary atmosphere, a droplet having a radius of 10 [ ⁇ m] is 2 After flying a distance of about [mm], it decelerates rapidly. However, when droplets are successively ejected one after another, the droplets are dragged by the air flow created by the droplets flying in front of the droplets, and are longer than 10 mm in a so-called slip stream. Fly a distance.
  • a technology for generating a capsule having a coating by colliding a plurality of different droplets in the air there is a technology for generating a capsule having a coating by colliding a plurality of different droplets in the air.
  • a liquid that uses pure water as one type of droplet and an organic solvent containing a photo-curable resin as another type of droplet and exhibits complete wetting (wetting) with respect to water For example, by using hexane), the organic solvent layer containing the resin realizes the state of a double sphere that covers the pure water, and the resin is crosslinked by irradiating ultraviolet rays during the flight.
  • the characteristics of the phenomenon or the required technology are different from those for inkjet printing. That is, the droplets are generated uniformly at equal time intervals, and the generated row of droplets is required to fly along a fixed trajectory in space.
  • the flying distance of the droplet is long or the time required for the flying is long.
  • the flying distance of the droplet is long or the time required for the flying is long.
  • the droplet flying speed is typically set to 1 [m / s] and the flying distance is set to 10 [mm]
  • a new droplet surface is formed by the nozzle.
  • the surface tension after 10 [ms] after the formation can be measured.
  • One of the conventional surface tension measurement methods is the maximum bubble pressure method.
  • the shortest time that can be measured by the maximum bubble pressure method is approximately 10 [ms], which enables higher-precision measurement.
  • the time is about 100 [ms].
  • the present embodiment relates to an apparatus and method for realizing a stable flight state of a microdroplet array by considering these conditions.
  • the field to be applied and the physical conditions to be considered are as follows. This is completely different from what the conventional method assumes.
  • the present embodiment not only the influence of the wind but also the container for preventing the airflow from becoming a turbulent flow in order to realize a steady flow within an allowable work time.
  • the size, the viscosity and pressure of the gas in the atmosphere can be defined quantitatively.
  • v is the droplet flight speed
  • ⁇ is the atmosphere (air) density
  • ⁇ is the atmosphere (air) viscosity
  • p is the atmosphere (air) pressure
  • ⁇ is the external force
  • Equation (1) the terms that contribute to the fluctuation of the trajectory of the flying droplet are the four terms on the right side.
  • the second term that is, the term related to the spatial gradient of the pressure due to the spatial non-uniformity of the pressure, has the greatest influence on the trajectory of the droplet. This is a so-called wind effect, and the influence of the outside air, that is, the wind effect can be eliminated by sealing the droplet ejection device and the space in which the droplets fly.
  • the row of droplets travels through the space like a single rod-like object, thereby causing convection in a container-sized atmosphere that seals the space.
  • the wind speed can be very high in high mountains with low atmospheric pressure (for example, 100 [m / s] at the top of Mt. Chomoramma), but because of low atmospheric pressure (for example, about 0.3 atm in the same place)
  • low atmospheric pressure for example, about 0.3 atm in the same place
  • the principle is the same as in the case where the force the body receives from the wind is much smaller than the ground at the same wind speed.
  • the viscosity of a gas is substantially constant at a pressure of about 1/10000 atm or more regardless of the pressure or the density of the gas. For this reason, even if the pressure in the atmosphere is lowered, the magnitude of the viscous resistance that the droplet receives hardly changes, and the distance that the droplet flies hardly affects. For this reason, the convection velocity of the atmosphere induced by continuous droplet flight does not change greatly. At this time, if the pressure is lowered to p smaller than the atmospheric pressure p 0 , the convection of the droplet, that is, the force received by the surrounding wind can be reduced to about p / p 0 .
  • the time from the start of droplet ejection until the convection in the atmosphere is stabilized can be roughly evaluated by the above equation (1). Assuming that the size of the space is L, the time ⁇ until the convection is stabilized is determined by the ratio of the term on the left side and the third term on the right side in Equation (1), and is approximately expressed by the following Equation (2). it can.
  • the size of the space that is, the size L includes the droplet ejection device and includes the flight trajectory in which the droplets fly, and typically 5 [cm] ⁇ L ⁇ 1.
  • 10 [cm] is used as a representative value of L, and various numerical values are calculated.
  • the size of the space is defined by the vertical, horizontal, and height, and the size L of the space here is the maximum value.
  • ⁇ 1000 [s].
  • ⁇ must be shorter than the allowable waiting time T in an industrial process, and this allowable waiting time is desirably within 10 minutes in consideration of a normal manufacturing process, and further, efficiency In consideration of the operation of a typical apparatus, it is more desirable that it be within one minute.
  • the time from the start of droplet ejection until the convection is stabilized becomes as long as several tens of minutes. During this time, the flow of the atmosphere is not stable, which is a great practical problem for a system that transports droplets over a long distance.
  • the time for operating any industrial process using such a system for transporting droplets or measuring the state of droplets is naturally limited. For example, when the waiting time is long, there arises a problem that the liquid sample ejected during that time is wasted. Moreover, in order to perform environmental management, such as temperature, for a long time, much labor is required and there exists a problem that the restraint time of an operator becomes long.
  • the time ⁇ until the convection is stabilized is determined by the equation (2) according to the size L of the container that accommodates the apparatus and seals the space, the viscosity ⁇ of the gas, and the density ⁇ .
  • the viscosity of the gas hardly changes depending on the atmospheric pressure, but the density of the gas is proportional to the atmospheric pressure. Therefore, if the atmospheric pressure is reduced with respect to the atmospheric pressure, the gas density is reduced, the value of the second term on the right side in the equation (1) is also reduced, and the time required for stabilization is reduced.
  • This term is a term proportional to the square of the velocity, unlike the other terms in the equation (1), and causes the fluid motion to become unpredictable turbulent flow.
  • the ratio between this term and the third term is called the Reynolds number.
  • the viscosity of a gas does not depend on atmospheric pressure in the range from atmospheric pressure to 1/10000 atmospheric pressure. For this reason, if the size and speed of the system are constant, the Reynolds number depends only on the gas density and is proportional thereto. Therefore, if the pressure (atmospheric pressure) of the atmosphere in the container that seals the space is reduced by exhaust and the density of the gas is reduced, the Reynolds number describing the motion of the droplet is reduced. For example, if the atmospheric pressure is reduced to 1/100 atm, the Reynolds number becomes about 100, and the flow of the atmosphere around the flying droplet remains in a stable laminar state without becoming turbulent. .
  • k B is the Boltzmann constant
  • T is the absolute temperature
  • R is the diameter of the droplet.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a micro droplet generating and transporting apparatus in an embodiment of the present invention.
  • reference numeral 10 denotes a micro droplet generating and transporting apparatus according to the present embodiment, and the first droplet 14A, the second droplet 14B, and the third droplet 14C as micro droplets generated by being ejected into the air. Is a device that transports a long distance.
  • the first droplet 14A, the second droplet 14B, and the third droplet 14C are described in an integrated manner, they are described as the droplet 14.
  • Numeral 17 is a container that seals and isolates the internal space from the external space, and is a part of the microdroplet generation and transport apparatus 10.
  • the droplet 14 is generated and transported inside a container 17 as a sealed container.
  • the first nozzle 11A generates the first droplet 14A while being fixed without moving
  • the second nozzle 11B generates the second droplet 14B while being fixed without moving. Generate by injection.
  • the third droplet 14C is generated by the collision between the first droplet 14A and the second droplet 14B.
  • a first actuator 12A and a second actuator 12B as vibration applying devices that vary the pressure inside the first nozzle 11A and the second nozzle 11B, and the first nozzle 11A and the second nozzle 11B.
  • a first nozzle positioning device 13A and a second nozzle positioning device 13B that control the position and orientation of the nozzle 11B are disposed.
  • a tank 21 which is a part of the micro droplet generating and transporting apparatus 10 that accommodates the liquid that becomes the droplet 14 is disposed outside the container 17.
  • the tank 21 is provided with a pressure pump 23 for adjusting the pressure of the liquid contained therein and a hydraulic manometer 24 as a pressure measuring device for measuring the pressure of the liquid.
  • the tank 21 is connected to the nozzle 11 by a pipe line 22 that passes through the wall surface of the container 17.
  • the liquid in the tank 21 pressurized by the pressure pump 23 is supplied into the nozzle 11 through the conduit 22. It is also possible to prepare a plurality of tanks 21 and supply different types of liquids to the first nozzle 11A and the second nozzle 11B.
  • the pressurized liquid becomes a liquid column continuous from an injection port, which is an opening (not shown) formed at the tip of the nozzle 11, and is injected into the space inside the container 17.
  • the actuator 12 since the actuator 12 is actuated, a continuous pressure vibration is applied to the nozzle 11. This vibration causes regular constriction of the liquid column, and the liquid column is continuously caused by the surface tension of the liquid. It divides into droplets 14 and flies.
  • the actuator 12 includes, for example, a piezoelectric element such as a piezoelectric element.
  • the actuator 12 is disposed on the wall of the nozzle 11 and applies pressure vibration to the liquid inside the nozzle 11 by vibrating.
  • the actuator 12 includes an excitation voltage circuit (not shown).
  • the excitation voltage circuit generates a voltage signal that fluctuates in a predetermined cycle, such as a sine wave of several tens to several hundreds [kHz], as a drive signal, and applies the voltage signal to a piezoelectric element such as a piezoelectric element. Then, the piezoelectric element is vibrated.
  • a voltage signal that fluctuates in a predetermined cycle, such as a sine wave of several tens to several hundreds [kHz], as a drive signal, and applies the voltage signal to a piezoelectric element such as a piezoelectric element. Then, the piezoelectric element is vibrated.
  • the droplets 14 are successively ejected one after another, forming a row, that is, forming a droplet row and flying.
  • the flying speed of the droplet 14 is, for example, about 1 to 10 [m / s].
  • the principle of generating the droplets 14 in this way is the same as that of an apparatus for generating ink droplets used in a known continuous ink jet method, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the container 17 is provided with an exhaust pump 25 as a pressure reducing device for discharging the gas inside the container 17 and a pressure manometer 26 as a pressure measuring device for measuring the pressure of the gas inside.
  • the atmosphere inside the container 17 is not more than atmospheric pressure, preferably not more than 10000 [Pa] (about 1/10 atm), more preferably not more than 1000 [Pa] (about 1/100 atm). The pressure is reduced to
  • a transparent optical window 17 a is formed on at least a part of the wall surface of the container 17. Further, on the outside of the container 17, as an optical observation device for observing the droplet 14 inside the container 17 through the optical window 17a, a microscope 27 capable of observing and photographing the flying state of the droplet 14; A strobe light source 28 is provided for photographing the movement of the flying droplet 14 as a still image. From the state of the droplet 14 observed by the microscope 27 and the strobe light source 28, it is possible to measure physical properties such as the surface tension and viscosity of the liquid.
  • an electrode 15 that controls the flight direction of the droplet 14 or deforms the droplet 14 is disposed in the vicinity of the flight path of the droplet 14 inside the container 17.
  • an electric field is generated in the space around the flight trajectory of the droplet 14, and the droplet 14 is deformed in a non-contact manner by a dielectric force acting on the droplet 14 by the electric field. It is possible to measure the surface tension and / or viscosity of the liquid that becomes the droplet 14 from the vibration state of the droplet 14. That is, the electrode 15 controls the flight direction of the droplet 14 or deforms the droplet 14 by a dielectric force without contacting the droplet 14, that is, without contact (for example, a special feature).
  • the electrode 15 is disposed only in the vicinity of the flight path of the first droplet 14A, but the flight of the second droplet 14B and the third droplet 14C is performed as necessary. It can also be disposed near the path.
  • the liquid to be the droplets 14 may be made of any kind of material, for example, may have conductivity or may not have conductivity. Specifically, it may be water, oil or the like, may be an ink used in a general ink jet printer, may be a gel-like ink, an aqueous solution, an organic solvent, or silicone. Oil etc. may be sufficient.
  • the viscosity of the liquid is, for example, in the range of 1 to 3 [mPa ⁇ s], preferably in the range of 0.5 to 100 [mPa ⁇ s], and more preferably in the range of 0.5 to 1000 [mPa ⁇ s]. mPa ⁇ s]. Further, the surface tension of the liquid is, for example, in the range of 20 to 70 [mN / m], and preferably in the range of 10 to 100 [mN / m].
  • the diameter of the droplet 14 is preferably a minute value of 0.2 [mm], that is, 200 [ ⁇ m] or less, for example, in the range of 8 to 100 [ ⁇ m], preferably 5 to It is in the range of 100 [ ⁇ m], more preferably in the range of 1 to 100 [ ⁇ m].
  • the number of the nozzles 11 is not necessarily two, and may be one or three or more. Moreover, when there are a plurality of nozzles 11, it is not always necessary to operate all the nozzles 11, and any nozzle 11 can be selected and operated. Furthermore, it is not always necessary for the droplets 14 of a plurality of droplet rows to collide with each other. Furthermore, when the droplets 14 of a plurality of droplet rows collide with each other to generate a new droplet 14, the droplets 14 of three or more droplet rows can also collide with each other.
  • FIG. 2 is a photograph showing a state of a droplet row in the embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a photograph showing a state in which the droplets of two droplet rows in the embodiment of the present invention collide with each other.
  • 2, (a) to (c) are photographs when the gas pressures in the container are different
  • FIG. 3 (a) and (b) are the gas pressures in the container that are different. It is a picture of the case.
  • the inventor of the present invention uses a micro droplet generating and transporting apparatus 10 as shown in FIG. 1 to eject droplets 14 continuously ejected from an ejection port formed at the tip of a nozzle 11.
  • An image of a row that is, a droplet row flying in the space in the container 17 was taken.
  • the photographed image is shown in FIG. Photographing was performed by causing the strobe light source 28 to emit light in synchronization with the period for generating the droplets 14.
  • the extrusion pressure for extruding the liquid column from the injection port of the nozzle 11, that is, the pressure difference between the pressure inside the nozzle 11 and the pressure inside the container 17 was adjusted to be about 200 [kPa]. That is, in the cases shown in FIGS. 2A to 2C, the extrusion pressures were adjusted to be atmospheric pressure + 200 [kPa], atmospheric pressure + 150 [kPa], and atmospheric pressure + 100 [kPa], respectively. .
  • pure water was used as a liquid to be the droplet 14, that is, as a sample.
  • the flying speed of the droplet 14 was about 1 [m / s].
  • the nozzle 11 having an injection port diameter of 15 [ ⁇ m] was used.
  • the piezoelectric element of the actuator 12 was vibrated at 52.987 [kHz]. Furthermore, the distance from the tip of the nozzle 11 to the photographing position was 20 [mm].
  • the strobe light source 28 is caused to emit light periodically, so that an image obtained by multiple times of light emission is taken as a single image by multiple exposure. . For this reason, when fluctuation occurs in the position of the droplet 14, the droplet 14 is reflected in one image in multiple, and the image of the droplet 14 is blurred.
  • the photographing position is 20 [mm] from the tip of the nozzle 11
  • the flying speed of the droplet 14 is about 1 [m / s]. It can be seen that the state of the droplet 14 that has already passed about 20 [ms] has been observed.
  • the surface tension can be measured if the droplet 14 is vibrated in a non-contact manner in such a flying state, and the time domain can measure a high-speed time change. Connect to the time domain of the maximum bubble pressure method already known as the method.
  • FIGS. 3A and 3B show that the first droplet 14A generated by being ejected from the first nozzle 11A collides with the second droplet 14B generated by being ejected from the second nozzle 11B.
  • generating the 3rd droplet 14C is shown.
  • the operations of the first actuator 12A and the second actuator 12B are adjusted so that the first droplet 14A and the second droplet 14B are ejected from the first nozzle 11A and the second nozzle 11B in the same cycle. .
  • first nozzle positioning device 13A and the second nozzle positioning device 13B are operated, and the positions and postures of the first nozzle 11A and the second nozzle 11B so that the first droplet 14A and the second droplet 14B collide with each other. Adjusted.
  • the pressure of the atmosphere in the container 17 is 100 [kPa], that is, approximately atmospheric pressure (1 atm). In the case shown in FIG. The pressure is 1.3 [kPa], that is, approximately 1/100 atm. Other conditions are the same as in the case of the photographs shown in FIGS.
  • the flying stability of the droplet 14 improves with a decrease in atmospheric pressure, but generally 10 kPa, that is, approximately 1/10 atm can be realized. The effect is great, and if it is further reduced to 1 [kPa], that is, approximately 1/100 atm, it is very remarkable.
  • a nozzle for supplying saturated vapor of liquid to be the droplets 14 into the container 17 or a liquid supply tank capable of supplying saturated vapor by evaporation may be provided.
  • the saturated vapor pressures of the water at 0 [° C.] and 20 [° C.] are 6 ⁇ 10 2 [Pa] and 2.3 ⁇ , respectively. 10 3 [Pa], that is, about 6/1000 atm and 23/1000 atm. That is, the above-described flight trajectory of the droplet 14 is within the region of atmospheric pressure where the droplet 14 is sufficiently stabilized.
  • the liquid is ejected from the fixed nozzle 11 as a continuous liquid column, and the liquid column is regularly divided by applying periodic vibration to the liquid column.
  • the droplets 14 are transported along a stable flight trajectory of a predetermined distance or more by generating the minute droplets 14 that fly by the above and by setting the pressure of the atmosphere of the space in which the droplets 14 fly to the atmospheric pressure or less.
  • the pressure of the atmosphere in the space where the droplets 14 fly is preferably 10 [kPa] or less. Furthermore, it is desirable that the pressure of the atmosphere in the space in which the droplets 14 fly is greater than the saturated vapor pressure of the liquid that becomes the droplets 14. Furthermore, it is desirable that the atmosphere of the space in which the droplet 14 flies includes a saturated vapor of liquid that becomes the droplet 14. Further, the diameter of the droplet 14 is desirably 200 [ ⁇ m] or less and 1 [ ⁇ m] or more. Furthermore, the distance that the droplet 14 is transported along the stable flight trajectory is desirably 10 [mm] or more, and the time during which the droplet 14 is transported along the stable flight trajectory is 10 [ms]. It is desirable that it is more than the above.
  • the droplets 14 generated by splitting the liquid column ejected from each of the plurality of nozzles 11 collide with each other to generate new droplets 14.
  • a microcapsule having a diameter of 200 [ ⁇ m] or less can be generated.
  • FIG. 4 is a photograph showing a state in which a droplet of an aqueous ethanol solution row collides with a droplet of a water droplet row in an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a microscopic view generated in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a micrograph showing the gel
  • FIG. 6 is a photograph showing a state in which the fine particles of the gel produced in the embodiment of the present invention are settled in the test tube
  • FIG. 7 is a droplet row of the aqueous ethanol solution in the embodiment of the present invention. It is the photograph which shows a mode that the droplet and the droplet of the droplet row of water collided, Comprising: It is the photograph which added the fluorescent molecule to the droplet of water.
  • (a) to (d) are photographs when time has elapsed with reference to (a).
  • the capsule structure Even when liquids having different compatibility systems, such as ethanol and water, which are mutually soluble on a daily time scale of about several seconds, for example, ethanol and water, the number of droplets 14 to be collided [ms] In the following time region, the movement distance due to the diffusion of the molecules constituting each droplet 14 is smaller than the size of the droplet 14, so that they are not compatible with each other as a transient phenomenon. A structure covering the other droplet 14 can be produced.
  • liquids having different compatibility systems such as ethanol and water, which are mutually soluble on a daily time scale of about several seconds, for example, ethanol and water
  • the size of the droplet 14 is 10 [ ⁇ m], the movement distance due to this diffusion is sufficiently smaller than the size of the droplet 14, and in this time domain, the two types of liquids are almost dissolved together. It can be considered as an insoluble liquid.
  • a droplet 14 having a smaller surface tension among the two different types of droplets 14 selectively covers and encloses the other droplet 14 to generate a capsule with a controlled structure.
  • FIG. 4 shows a state where an ethanol aqueous solution and water are actually collided to form a composite droplet having an outer shell structure.
  • This ethanol aqueous solution contains sodium alginate, and the water contains potassium ions. Due to the collision shown in FIG. 4, alginic acid is cured to form stable gel-like microparticles.
  • FIG. 5 shows a micrograph of the actually produced fine gel.
  • FIG. 6 shows a state in which the gel fine particles are settled inside the test tube.
  • the droplet 14 of the ethanol aqueous solution included the water droplet 14 by adding fluorescent molecules to the water droplet 14.
  • the present invention can be applied to a microdroplet generation method and generation apparatus, a microdroplet transport method and transport apparatus, and a microdroplet.

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Abstract

空間における長距離に亘（わた）る微小液滴の輸送を高い飛翔（しょう）軌道の安定精度で実現することができるようにする。そのため、固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させ、等間隔で飛翔する微小液滴を生成し、該微小液滴が飛翔する空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることによって、前記微小液滴を所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送する。

Description

微小液滴の生成方法及び生成装置、微小液滴の輸送方法及び輸送装置、並びに、微小液滴
　本発明は、微小液滴の生成方法及び生成装置、微小液滴の輸送方法及び輸送装置、並びに、微小液滴に関するものである。
　従来、インクジェット技術において、ノズルから射出されたインクの液滴の軌道を安定化させるために、気圧を０．６気圧以下に低下させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７－２６８８９９号公報
　しかしながら、前記従来の方法は、インクジェット技術による印刷の過程のみを考慮したものであって、記録媒体の搬送方向と直交する方向（主走査方向）に往復運動するインクジェットヘッドの運動によって乱れる気流の影響を排除するために、気圧を低下させるものである。そのため、前記従来の方法は、運動しない固定されたノズルからインクの液滴を射出した後、該液滴を長距離に亘（わた）って輸送する際に、その軌道を安定化させることには適していない。
　前記従来の方法では、飛翔（しょう）する液滴の軌道の不安定性の要因として、印字のために移動するインクジェットヘッドが作る気流が想定されている。このような場合、気流の乱れによるインクの液滴の軌道の安定性について、気圧を下げることによる風の影響のみを考慮することは、妥当である。そのため、インクの液滴の飛翔距離が２．３〔ｍｍ〕に限定されている。このことからも、前記従来の方法が、液滴を長距離に亘って輸送する際における軌道の安定性を目的としたものでないことは、明らかである。
　微小な液滴を射出して空間中を輸送する技術は、印刷のみならず、種々の工業プロセスへの応用が可能である。例えば、硬化性を有する液体の微小な液滴を生成し、該液滴が空中にあるうちに硬化させれば、微小な真球を形成することができる。また、異なる種類の複数の液滴を射出し、微小なカプセル構造を作製する技術も検討されている。さらに、射出された微小な液滴に非接触で変形を与え、その運動状態から、前記液滴の表面張力、粘性等の物性を測定する技術が開発されている（例えば、特開２０１３－２２８２４２号公報参照。）。このような測定においては、長時間に亘る物性の変化を測定するために、長距離又は長時間に亘って液滴を空中で輸送する必要がある。
　そして、これらのプロセスにおいては、液滴を射出するノズルが移動する必要はなく、定常的な液滴の流れの中での液滴の軌道の安定性及び安定化を実現するまでに要する時間の短縮化について検討する必要がある。これらのプロセスにおいて、飛翔する液滴の軌道の安定化に対して考慮すべき物理現象は、前記従来の方法が考慮しているような、部材の運動に伴う不規則な気流の乱れではなく、液滴の射出を開始してからその飛翔状態が定常状態に至るまでの気流の影響、及び、気流が定常状態に至るまでの時間変化である。
　さらに、これらのプロセスにおいては、十分なプロセス時間の確保のために、液滴の輸送距離が１０〔ｍｍ〕を超えることが要求される。この点においても、前記従来の方法は、明らかにその適用分野を異にするものである。例えば、長距離の軌道の安定化のためには、気流の乱れ以外にも、慣性の効果による気流の乱流化現象を考慮することも重要であり、これを減じて液滴の飛翔軌道の安定化を実現する方法が望まれていた。
　本発明は、前記従来の問題点を解決して、空間における長距離に亘る微小液滴の輸送を高い飛翔軌道の安定精度で実現することができる微小液滴の生成方法及び生成装置、微小液滴の輸送方法及び輸送装置、並びに、微小液滴を提供することを目的とする。
　そのために、本発明の微小液滴の生成方法においては、固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させ、圧力が大気圧以下の雰囲気の空間を等間隔で飛翔する微小液滴を生成する。
　本発明の他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記雰囲気の気体の動粘性係数は、前記雰囲気の圧力を大気圧以下にすることによって、前記雰囲気の圧力が大気圧であるときよりも小さくなる。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記雰囲気の圧力は１００００〔Ｐａ〕以下である。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記雰囲気の圧力は前記液体の飽和蒸気圧よりも大きい。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記空間の大きさをＬとし、前記雰囲気の気体の粘性係数及び密度を、それぞれ、η及びρとし、前記微小液滴を用いたプロセスに対して許容される待ち時間をＴとしたとき、次の式（Ｉ）で示される関係を満足する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記空間の大きさをＬとし、前記雰囲気の気体の粘性係数及び密度を、それぞれ、η及びρとし、前記微小液滴の前記空間での移動速度をＶとしたとき、次の式（II）で示される関係を満足する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記雰囲気は前記液体の飽和蒸気を含む。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記微小液滴の直径は、２００〔μｍ〕以下１〔μｍ〕以上である。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記空間の大きさをＬとしたとき、Ｌは１〔ｍ〕以下５〔ｃｍ〕以上である。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記雰囲気の気体の粘性係数は、１０-6〔ｍ2 ／ｓ〕以下である。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記ノズルは複数であり、各ノズルから射出された液柱を分裂させて生成された微小液滴同士を衝突させて、新たな微小液滴を生成する。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、各ノズルから射出された液柱は、異なる種類の液体の液柱である。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記ノズルは２つであり、２種の異なる液体の微小液滴同士を衝突させて、一方の液体の微小液滴が他方の液体の微小液滴を内包する新たな微小液滴を生成する。
　本発明の更に他の微小液滴の生成方法においては、さらに、前記２種の異なる液体は、互いに相溶であり、かつ、表面張力が相違し、表面張力の小さい液体の微小液滴が表面張力の大きな液体の微小液滴を内包する新たな微小液滴を生成する。
　本発明の微小液滴の生成装置においては、内部の空間を外部から遮断して隔離する容器と、前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にする減圧装置と、前記容器内に固定され、液体を連続した液柱として射出するノズルと、該ノズルの内部の圧力を変動させる振動付与装置とを備え、該振動付与装置が前記液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させ、圧力が大気圧以下の雰囲気の空間を等間隔で飛翔する微小液滴を生成する。
　本発明の微小液滴の輸送方法においては、固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させることにより生成された等間隔で飛翔する微小液滴を、該微小液滴が飛翔する空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることにより、所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送する。
　本発明の他の微小液滴の輸送方法においては、さらに、前記所定距離は１０〔ｍｍ〕以上である。
　本発明の更に他の微小液滴の輸送方法においては、さらに、前記微小液滴を輸送する時間は１０〔ｍｓ〕以上である。
　本発明の微小液滴の輸送装置においては、内部の空間を外部から遮断して隔離する容器と、前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にする減圧装置と、前記容器内に固定され、液体を連続した液柱として射出するノズルと、該ノズルの内部の圧力を変動させる振動付与装置とを備え、該振動付与装置が前記液柱に周期的な振動を付与して前記液柱を規則的に分裂させることによって生成された等間隔で飛翔する微小液滴を、前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることにより、所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送する。
　本発明の他の微小液滴の輸送装置においては、さらに、前記容器の壁面の少なくとも一部は透明な光学窓であり、該光学窓を通して前記容器内の微小液滴の観察が可能である。
　本発明の更に他の微小液滴の輸送装置においては、さらに、前記光学窓を通して前記容器内の微小液滴を観察する光学観察装置を含み、該光学観察装置が観測した前記微小液滴の状態から前記液体の物性の計測が可能である。
　本発明の更に他の微小液滴の輸送装置においては、さらに、前記容器内に配設された電極であって、前記飛翔軌道の近傍に配設された電極を含み、該電極に電圧を印加することによって前記飛翔軌道の周辺空間に電界を生じせしめ、該電界によって前記微小液滴に働く誘電力により、前記微小液滴を非接触で変形させ、変形後の微小液滴の振動状態から前記液体の表面張力及び／又は粘性の計測が可能である。
　本発明の微小液滴においては、固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与して前記液柱を規則的に分裂させることによって生成された等間隔で空間内を飛翔する微小液滴であって、前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることにより、所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送される。
　本発明によれば、空間における長距離に亘る微小液滴の輸送を高い飛翔軌道の安定精度で実現することができる。
本発明の実施例における微小液滴の生成及び輸送装置の構成を示す図である。 本発明の実施例における液滴列の様子を示す写真である。 本発明の実施例における２本の液滴列の液滴同士を衝突させた様子を示す写真である。 本発明の実施例におけるエタノール水溶液の液滴列の液滴と水の液滴列の液滴とを衝突させた様子を示す写真である。 本発明の実施例において生成した微小なゲルを示す顕微鏡写真である。 本発明の実施例において生成したゲルの微小粒子が試験管内で沈降している様子を示す写真である。 本発明の実施例におけるエタノール水溶液の液滴列の液滴と水の液滴列の液滴とを衝突させた様子を示す写真であって水の液滴に蛍光分子を添加した写真である。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　微小な液滴を生成して所定の位置にまで輸送する技術は、現在、様々な工業プロセスにおいて用いられている。そのうちで最も汎（はん）用な技術となっているのが、一般にインクジェットと呼ばれる印刷への応用、又は、基板への種々の材料のパターニング塗布である。最近では、これら以外にも、液滴を生成して輸送する技術の、他の工業プロセスへの応用が図られている。その双方において、安定し、かつ、位置決め精度のよい液滴の生成及び輸送技術は、プロセスの高性能化にとって不可欠であり、現在盛んに研究されている。
　以下に、２つのプロセス、すなわち、（１）印刷及びパターニングに代表される描画を目的とするプロセス、及び、（２）微小な液滴を材料として所定の機能を有するデバイスを生成する、又は、その過程における液滴の状態を観察するプロセスの、特徴及び相違点を述べる。
　印刷又はパターニングにおいては、要求される位置に液滴を配送するという要請から、液滴を射出するノズルを備えるヘッド、又は、液滴が着弾する基板側が運動することが必須である。また、信号によって、任意の時間に射出する、又は、射出を行わないというオンデマンド方式での使用が求められる。
　前記ヘッドが運動すると、常に、液滴が飛翔する雰囲気の流れは、乱されることになる。また、オンデマンドの射出においては、ある液滴を射出するタイミングのどれくらい前のタイミングで前の液滴が射出されたかによって、その飛翔状態は異なったものとなる。例えば、１個の液滴を最初に射出する場合は、雰囲気はほぼ静止しており、このような静止した雰囲気による粘性抵抗のために、１０〔μｍ〕の半径の液滴であれば、２〔ｍｍ〕程度の距離を飛翔したのち急速に減速する。しかし、液滴を次々に連続して射出する場合には、液滴は、その前を飛行する液滴の作る気流に引きずられ、いわゆる、スリップストリームに入った状態で１０〔ｍｍ〕以上の長い距離を飛翔する。
　このように、オンデマンド方式では、状況が常に変化するために、あまりに高い安定性は、そもそも、求めることができない。そのため、前記従来の方法では、雰囲気の気流が液滴の飛翔に及ぼす風の影響のみを考慮し、これを防止するための条件として、雰囲気の圧力を減ずることを主張している。しかし、前記従来の方法においても、ノズルの射出口から３〔ｍｍ〕以上離れた場所では、液滴の位置決めの安定性を実現することができないことは、特許文献１に記載された実施例からも明らかである。
　一方、微小な液滴の生成及び輸送の技術を、液体の高速度の物性測定に用いる技術、又は、所定の構造を有する微小なデバイスを生成するための技術に用いる場合には、液滴の位置安定性に対する要請の内容は異なってくる。
　例えば、液体の物性計測の一例として、空中を飛翔する液滴に非接触に力を及ぼして振動させることによって液体の表面張力を計測し、さらに、液滴射出後に振動させる位置を変えることによって、表面張力の時間変化を測定する、という技術がある。
　また、微小な液滴を用いたデバイスを生成する例として、複数の異なる液滴を空中で衝突させることによって、被膜を有するカプセルを生成する技術がある。一例として、一種類の液滴として純水を用い、もう一種類の液滴として光硬化性の樹脂を含む有機溶媒であって、かつ、水に対して完全濡（ぬ）れを示す液体（例えば、ヘキサン）を用い、両者を衝突させることによって、樹脂を含む有機溶媒層が純水を覆う二重の球の状態を実現し、さらに、飛翔中に紫外線を照射して樹脂を架橋させて硬化させることによって、固体の被膜を有するカプセルを生成する技術がある。
　これらの過程において、現象の特徴又は要求される技術は、印刷用のインクジェットとは異なったものとなる。すなわち、液滴は等しい時間間隔で均質に生成され、生成された液滴の列は空間内の一定の軌道に沿って飛翔することが要求される。
　さらに、液体の物性の時間変化を調べる測定では、なるべく長い時間に亘って物性値を測定するために、液滴の飛翔距離が長いこと、又は、飛翔に要する時間が長いことが要求される。例えば、表面張力の測定を例にとると、液滴の飛翔する速度を典型的に１〔ｍ／ｓ〕とし、飛翔距離を１０〔ｍｍ〕とすれば、ノズルによって新たな液滴の表面が形成されてから１０〔ｍｓ〕後の表面張力を測定することができる。従来からある表面張力測定法の１つに最大泡圧法があるが、該最大泡圧法によって測定することができる最短の時間は、ほぼ１０〔ｍｓ〕であり、より高精度の測定が可能となる時間は１００〔ｍｓ〕程度である。そのため、液滴が数〔ｍｍ〕程度しか飛翔しないオンデマンド法では、この最大泡圧法とデータの接続をすることができない。したがって、液滴を１０〔ｍｍ〕以上、より望ましくは、１００〔ｍｍ〕以上飛翔させる液滴の射出能力を有し、かつ、それらの距離を飛翔した後でも、液滴の直径に比べて、それぞれの液滴の軌跡のずれが十分に小さくなるような液滴の生成及び輸送技術が必要である。
　これらの条件は、液滴同士を衝突させる、又は、液滴に光などを照射して硬化させる加工技術にとっても必要であることは、言うまでもない。
　このように、さながらベルトコンベアに乗せて次々に製品を製造するような液滴のプロセスにあっては、長距離又は長時間の工程を実現することが必要であり、この点で通常の印刷プロセスとは、要求される条件が全く異なる。
　このようなプロセスにおいては、さらに、「動いてはいるが時間的には定常」な雰囲気の状態が実現されなければならない。このためには、ただ圧力を減じて乱れた気流の影響を排除することのみを考慮するだけでは不十分であり、これに加えて、定常状態を早期に実現するための条件、及び、気流の乱流化を防止するための条件を選定するための考察が必要になる。
　後述するように、これらの条件を考察することによって、雰囲気の気体の圧力、粘性、密度又は動粘性係数が関与していることが分かる。
　本実施の形態は、これらの条件を考察することによって、安定した微小液滴列の飛翔状態を実現する装置及びその方法についてのものであり、その適用される分野及び考察すべき物理条件は、前記従来の方法が想定しているものとは全く異なる。具体的には、本実施の形態によれば、風の影響のみならず、許容される作業時間内に定常流を実現するための、又は、気流が乱流となるのを防ぐための容器の大きさや、雰囲気の気体の粘性及び圧力などを定量的に規定することができる。
　次に、気体雰囲気中を慣性で飛翔する微小液滴の飛翔の安定性について考察する。ノズルから射出された後、液滴の形状は、表面張力によって、ほぼ真球に保たれる。そして、射出された後、液滴は重力を受けながら慣性によって飛翔する。飛翔中の液滴の軌道を決定するのは、液滴に与えられた初速、重力及び周囲の雰囲気の流動であり、これは、次の式（１）で表されるナビエストークス方程式によって記述することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、ｖは液滴の飛翔速度、ρは雰囲気（空気）の密度、ηは雰囲気（空気）の粘性、ｐは雰囲気（空気）の圧力、ξは外力である。
　式（１）において、飛翔する液滴の軌道の変動に寄与する項は右辺の４つの項である。このうち、液滴の軌道に最も大きな影響を与えるのは、第２項、すなわち、圧力の空間的な不均一に起因する圧力の空間勾（こう）配に関する項である。これは、いわゆる風の影響であり、液滴の射出装置及び液滴の飛翔する空間を密閉することによって、外気の影響、すなわち、風の影響を排除することができる。一方、液滴を連続的に射出する場合、液滴の列は、いわば一本の棒状の物体のように空間を進み、これにより、空間を密閉する容器サイズの雰囲気の対流が生じる。
　ここで、雰囲気の圧力を低下させれば圧力ｐの大きさそのものが減少するので、その空間勾配であるgrad pの大きさも減少し、液滴の軌道の揺らぎを抑制することができる。これは、気圧の低い高山では風速が非常に大きくなり得るが（例えば、チョモランマ山頂では１００〔ｍ／ｓ〕）、気圧が低いために（例えば、同所では約０．３気圧）、人間の体が風から受ける力は、同じ風速における地上よりはるかに小さくなる、という事例と同じ原理である。
　気体の粘性は、およそ１／１００００気圧以上の圧力においては、圧力又は気体の密度によらず、ほぼ一定であることが知られている。そのため、雰囲気の圧力を低下させても、液滴が受ける粘性抵抗の大きさはほとんど変化せず、液滴が飛翔する距離には、ほとんど影響を与えない。このため、連続的な液滴の飛翔によって誘起される雰囲気の対流の速度も、大きく変化することはない。このとき、圧力を大気圧ｐ0 よりも小さいｐまで低下させれば、液滴が雰囲気の対流、すなわち、周囲の風によって受ける力をｐ／ｐ0 程度にまで低減することができる。
　次に、気流の安定化に要する時間の条件について考察する。
　液滴の射出を開始してから雰囲気の対流が安定化するまでの時間は、前記式（１）によって、おおよそ評価することができる。空間のサイズをＬとすると、対流が安定化するまでの時間τは、式（１）における左辺の項と右辺第３項との比によって決まり、おおよそ、次の式（２）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、空間の大きさ、すなわち、サイズＬは、液滴の射出装置を収容し、かつ、液滴の飛翔する飛翔軌道を含むもので、典型的には、５〔ｃｍ〕＜Ｌ＜１〔ｍ〕の大きさである。以降は、Ｌの代表値として１０〔ｃｍ〕を用い、種々の数値を算出する。なお、空間の大きさは、例えば、直方体形状の場合、縦、横及び高さで規定されるが、ここでの空間の大きさＬは、その最大値である。
　例えば、雰囲気を大気圧の空気と仮定し、Ｌ＝０．１〔ｍ〕、η／ρ＝１０-5〔ｍ2 ／ｓ〕であるとすると、τ＝１０００〔ｓ〕程度となる。これは、通常のインクジェット装置の稼働時間に比べ、非常に長い。なお、τは、工業プロセスにおいては許容される待ち時間Ｔより短くなければならないが、この許容される待ち時間は、通常の製造プロセスを考慮して１０分以内であることが望ましく、さらに、効率的な装置の運用を考慮すれば１分以内であることが、より望ましい。
　このように、液滴の射出を開始してから対流が安定するまでの時間は、数十分程度と、非常に長くなる。この時間の間は、雰囲気の流れは安定せず、液滴を長距離に亘って輸送する方式にとっては、大きな実用上の問題となる。
　このような液滴を輸送する方式を用いて何らかの工業プロセスを稼動し、又は、液滴の状態を計測するための時間は、自ずから制限される。例えば、待ち時間が長時間に亘ると、その間に射出する液体試料が無駄になる、という問題が生じる。また、温度等の環境管理を長時間に亘って行うには、多くの労力を要し、作業者の拘束時間が長くなるという問題がある。対流が安定化するまでの時間τは、前述のように、装置を収容して空間を密閉する容器のサイズＬ、気体の粘性η、及び、密度ρに応じ、前記式（２）によって決まる。
　前述のように、気体の粘性は気圧によってほとんど変化しないが、気体の密度は気圧に比例する。したがって、気圧を大気圧に対して減じれば、気体の密度が減少し、前記式（１）における右辺第２項の値も小さくなり、安定化に要する時間が減少する。前述のように、サイズＬ＝０．１〔ｍ〕の容器内においては、大気圧下では対流が安定化するまでの時間が数十分程度であるが、気圧を、例えば、１／６０に低下させれば、対流が安定化するまでの時間は、数十秒程度となる。実際の工業プロセスにおいて、稼動するまでに数十分の時間を要するとなれば実用上の大きな問題であるが、数十秒程度であれば、何ら実用上の問題とはならない。
　次に、飛翔する液滴の軌道の安定性に寄与する第２の効果について考える。これは、前記式（１）における右辺第１項であって、一般に、移流項と呼ばれる項に起因する。
　この項は、前記式（１）における他の項と異なり、速度の２乗に比例する項であり、流体の運動が予測不可能な乱流となる原因となる。この項と第３項の大きさとの比をレイノルズ数と呼び、この値が約１０００を超えると流れが周期的に振動し、約１００００を超えると流れが乱流となることが知られている。
　大気圧の空気の粘性及び密度を、それぞれ、２×１０-5〔Ｐａ・ｓ〕及び１．２〔ｋｇ／ｍ3 〕とし、液滴の飛翔する空間の大きさ（サイズ）をＬ＝０．１〔ｍ〕とし、液滴の飛翔速度を１〔ｍ／ｓ〕とすると、レイノルズ数の大きさはほぼ１００００となり、乱流領域となる。
　前述のように、一般に気体の粘性は、大気圧から１／１００００気圧までの範囲では、気圧に依存しない。このため、系の大きさ及び速度が一定であれば、レイノルズ数は、気体の密度のみに依存し、これに比例する。したがって、排気によって、空間を密閉する容器内の雰囲気の圧力（気圧）を減じて、気体の密度を減少させれば、液滴の運動を記述するレイノルズ数は減少する。例えば、気圧を１／１００気圧にまで減少させれば、レイノルズ数は１００程度になり、飛翔する液滴の周囲の雰囲気の流れは、乱流になることなく、安定した層流の状態にとどまる。
　これにより、射出された液滴は、乱流による不規則な運動をすることなく、一定の軌道に沿って飛翔することになる。乱流は、１個１個の液滴に異なった力を与えるので、液滴の軌道の変化が予測不可能であり、乱流による液滴の軌道の乱れをあらかじめ修正することは不可能である。したがって、気圧の減少によって乱流の発生を抑制することは、液滴の飛翔の安定性にとって、非常に重要である。
　次に、液滴の軌道の安定性に寄与する前記式（１）における第４項の効果について考える。これは、液滴周囲の気体分子のランダムな運動による液滴のブラウン運動である。気体分子が液滴にランダムに衝突することによって、液滴の位置は揺らぐ。この揺らぎによる液滴の位置の変動は、拡散運動であり、その拡散係数Ｄは、次の式（３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、ｋB はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒは液滴の直径である。
　前述のように、気体の粘性は、大気圧から１／１００００気圧までの範囲では気圧に依存しないので、前記範囲内で気圧を減少させても、ブラウン運動による液滴位置の変動の大きさが変化することはない。また、経過時間ｔ＝１〔ｓ〕の間のブラウン運動による拡散距離、すなわち、液滴の位置の揺らぎは、（Ｄｔ）1/2 ＝１～０．３〔μｍ〕の程度である。これは、液滴の半径に比べて十分に小さく、元々想定している液滴の軌道の揺らぎに比べて十分に小さい。すなわち、雰囲気の圧力を減じても、ブラウン運動の効果は依然として小さく、軌道の不安定化には寄与しない。
　このように、液滴の飛翔において、その雰囲気の圧力を減少させることは、液滴の飛翔の軌道の安定性に大きく貢献する。
　以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は本発明の実施例における微小液滴の生成及び輸送装置の構成を示す図である。
　図において、１０は、本実施例における微小液滴生成及び輸送装置であり、空中に射出されて生成された微小液滴としての第１液滴１４Ａ、第２液滴１４Ｂ及び第３液滴１４Ｃを長距離に亘って輸送する装置である。なお、前記第１液滴１４Ａ、第２液滴１４Ｂ及び第３液滴１４Ｃを統合的に説明する場合には、液滴１４として説明する。
　そして、１７は、内部の空間を密閉し、外部の空間から遮断して隔離する容器であり、微小液滴生成及び輸送装置１０の一部である。液滴１４は、密閉容器としての容器１７の内部において生成され輸送される。該容器１７の内部には、微小液滴生成及び輸送装置１０の一部である射出装置としての第１ノズル１１Ａ及び第２ノズル１１Ｂが配設されている。前記第１ノズル１１Ａは、移動せずに固定された状態で第１液滴１４Ａを射出して生成し、前記第２ノズル１１Ｂは、移動せずに固定された状態で第２液滴１４Ｂを射出して生成する。また、第１液滴１４Ａと第２液滴１４Ｂとが衝突することによって、第３液滴１４Ｃが生成される。
　さらに、容器１７の内部には、前記第１ノズル１１Ａ及び第２ノズル１１Ｂの内部の圧力を変動させる振動付与装置としての第１アクチュエータ１２Ａ及び第２アクチュエータ１２Ｂと、前記第１ノズル１１Ａ及び第２ノズル１１Ｂの位置及び姿勢を制御する第１ノズル位置決め装置１３Ａ及び第２ノズル位置決め装置１３Ｂとが配設されている。なお、前記第１ノズル１１Ａ及び第２ノズル１１Ｂ、第１アクチュエータ１２Ａ及び第２アクチュエータ１２Ｂ、並びに、第１ノズル位置決め装置１３Ａ及び第２ノズル位置決め装置１３Ｂを、それぞれ、統合的に説明する場合には、ノズル１１、アクチュエータ１２及びノズル位置決め装置１３として説明する。
　また、前記容器１７の外部には、液滴１４となる液体を内部に収容する微小液滴生成及び輸送装置１０の一部であるタンク２１が配設されている。該タンク２１には、内部に収容された液体の圧力を調整する圧力ポンプ２３と、前記液体の圧力を計測する圧力計測装置としての液圧マノメータ２４が取り付けられている。また、前記タンク２１は、容器１７の壁面を貫通して配設された管路２２によってノズル１１と接続されている。
　前記圧力ポンプ２３によって加圧されたタンク２１内の液体は、管路２２を通ってノズル１１の内部に供給される。なお、タンク２１を複数用意して、第１ノズル１１Ａと第２ノズル１１Ｂとに異なる種類の液体を供給することもできる。そして、加圧された液体は、ノズル１１の先端に形成された図示されない開口である射出口から連続する液柱となって、容器１７の内部の空間に射出される。
　この際、アクチュエータ１２が作動することによって、連続的な圧力振動がノズル１１に加えられるので、この振動によって前記液柱に規則的なくびれが生じ、液体の表面張力によって前記液柱が連続的に液滴１４に分裂して飛翔する。なお、前記アクチュエータ１２は、例えば、ピエゾ素子等の圧電素子を備え、ノズル１１の壁に配設され、振動することによってノズル１１の内部の液体に圧力振動を加える。また、前記アクチュエータ１２は、図示されない励振電圧回路を備える。該励振電圧回路は、駆動信号として、例えば、数十～数百〔ｋＨｚ〕の正弦波等のように所定周期で変動する電圧信号を発生し、該電圧信号をピエゾ素子等の圧電素子に付与して該圧電素子を振動させる。
　これにより、図に示されるように、液滴１４が次々に連続して射出され、列になって、すなわち、液滴列を形成して飛翔する。液滴１４の飛翔速度は、例えば、１～１０〔ｍ／ｓ〕程度である。なお、このようにして液滴１４を生成する原理は、公知の連続型インクジェット法において使用されるインク滴を生成する装置と同様であるので、詳細な説明を省略する。
　また、前記容器１７には、該容器１７内部の気体を排出する減圧装置としての排気ポンプ２５と、内部の気体の圧力を計測する圧力計測装置としての気圧マノメータ２６が取り付けられている。そして、前記容器１７の内部の雰囲気は、大気圧以下、望ましくは、１００００〔Ｐａ〕（約１／１０気圧）以下、更に望ましくは、１０００〔Ｐａ〕（約１／１００気圧）以下となるように減圧される。
　さらに、前記容器１７の壁面の少なくとも一部には、透明な光学窓１７ａが形成されている。そして、前記容器１７の外側には、前記光学窓１７ａを通して、容器１７の内部における液滴１４を観察する光学観察装置として、前記液滴１４の飛翔状態を観察及び撮影することができる顕微鏡２７と、飛翔する液滴１４の運動を静止画で撮影するためのストロボ光源２８とが配設されている。前記顕微鏡２７及びストロボ光源２８によって観測した液滴１４の状態から、液体の表面張力、粘性等の物性の計測が可能となる。
　また、前記容器１７の内側における液滴１４の飛翔経路の近傍には、液滴１４の飛翔方向を制御したり液滴１４に変形を与えたりする電極１５が配設されている。該電極１５に電圧を印加することによって液滴１４の飛翔軌道の周辺空間に電界を生じせしめ、該電界によって液滴１４に働く誘電力により、前記液滴１４を非接触で変形させ、変形後の液滴１４の振動状態から液滴１４となる液体の表面張力及び／又は粘性の計測が可能となる。つまり、電極１５は、液滴１４と接触することなく、すなわち、非接触で、誘電力によって液滴１４の飛翔方向を制御したり液滴１４に変形を与えたりするものである（例えば、特開２０１１－１７３３１６号公報、特開２０１３－２２８２４２号公報等参照。）。なお、図に示される例において、電極１５は、第１液滴１４Ａの飛翔経路の近傍にのみ配設されているが、必要に応じて、第２液滴１４Ｂ及び第３液滴１４Ｃの飛翔経路の近傍にも配設することができる。
　前記液滴１４となる液体は、いかなる種類の材料から成るものであってもよく、例えば、導電性を備えるものであってもよいし、導電性を備えないものであってもよい。具体的には、水、油等であってもよいし、一般的なインクジェットプリンタに使用されるインクであってもよいし、ゲル状のインクであってもよいし、水溶液、有機溶媒、シリコーンオイル等であってもよい。
　また、前記液体の粘性は、例えば、１～３〔ｍＰａ・ｓ〕の範囲であるが、望ましくは０．５～１００〔ｍＰａ・ｓ〕の範囲であり、より望ましくは０．５～１０００〔ｍＰａ・ｓ〕の範囲である。さらに、前記液体の表面張力は、例えば、２０～７０〔ｍＮ／ｍ〕の範囲であるが、望ましくは１０～１００〔ｍＮ／ｍ〕の範囲である。さらに、前記液滴１４の直径は、望ましくは０．２〔ｍｍ〕すなわち２００〔μｍ〕以下の微小な値であって、例えば、８～１００〔μｍ〕の範囲であるが、望ましくは５～１００〔μｍ〕の範囲であり、より望ましくは１～１００〔μｍ〕の範囲である。
　なお、ノズル１１は、必ずしも２つである必要はなく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、ノズル１１が複数である場合、必ずしもすべてのノズル１１を作動させる必要はなく、任意のノズル１１を選択して作動させることができる。さらに、必ずしも複数の液滴列の液滴１４同士を衝突させる必要はない。さらに、複数の液滴列の液滴１４同士を衝突させて新たな液滴１４を生成する場合、３つ以上の液滴列の液滴１４同士を衝突させることもできる。
　次に、本発明の発明者が行った実験結果について説明する。まず、液滴列を生成する実験、及び、複数の液滴列の液滴１４同士を衝突させる実験の実験結果について説明する。
　図２は本発明の実施例における液滴列の様子を示す写真、図３は本発明の実施例における２本の液滴列の液滴同士を衝突させた様子を示す写真である。なお、図２において、（ａ）～（ｃ）は容器内の気体の圧力がそれぞれ異なる場合の写真であり、図３において、（ａ）及び（ｂ）は容器内の気体の圧力がそれぞれ異なる場合の写真である。
　本発明の発明者は、図１に示されるような微小液滴生成及び輸送装置１０を使用し、ノズル１１の先端に形成された射出口から射出され、連続的に形成された液滴１４の列、すなわち、液滴列が容器１７内の空間中を飛翔する様子を撮影した。撮影した画像が図２に示されている。撮影は、ストロボ光源２８を、液滴１４を生成する周期に同期して発光させることによって、行われた。
　図２（ａ）～（ｃ）は、それぞれ、容器１７内の空気を排気ポンプ２５で排気して、その圧力を１００．１〔ｋＰａ〕、５０．０〔ｋＰａ〕及び１．７〔ｋＰａ〕とした場合の液滴列の写真を示している。
　なお、ノズル１１の射出口から液柱を押し出すための押出圧力、すなわち、ノズル１１の内部の圧力と容器１７内の圧力との差圧は、約２００〔ｋＰａ〕となるように調整した。つまり、図２（ａ）～（ｃ）に示される場合、押出圧力は、それぞれ、大気圧＋２００〔ｋＰａ〕、大気圧＋１５０〔ｋＰａ〕、及び、大気圧＋１００〔ｋＰａ〕となるように調整した。
　また、液滴１４となる液体、すなわち、試料としては、純水を使用した。液滴１４の飛翔速度は、約１〔ｍ／ｓ〕であった。
　さらに、ノズル１１は、射出口の径が１５〔μｍ〕のものを使用した。また、アクチュエータ１２の圧電素子は、５２．９８７〔ｋＨｚ〕で振動させた。さらに、ノズル１１の先端から撮影位置までの距離は、２０〔ｍｍ〕であった。
　図２（ａ）～（ｃ）に示される写真では、ストロボ光源２８を周期的に発光させるので、複数回の発光で得られた像が、多重露光によって、一枚の画像に撮影されている。このため、液滴１４の位置に揺らぎが生じると、液滴１４が多重に一枚の画像に写し込まれることとなり、液滴１４の像がぼけてしまう。
　図２（ａ）に示される写真の場合、容器１７内の雰囲気が１００．１〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ大気圧（１気圧）の状態で、容器１７内を飛翔する液滴列が撮影されており、液滴１４の像がぼけている。液滴１４の位置が安定していないことが分かる。
　また、図２（ｂ）に示される写真の場合、容器１７内の雰囲気が５０．０〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ１／２気圧の状態で、容器１７内を飛翔する液滴列が撮影されており、液滴１４の像のぼけが低減されている。液滴１４の位置が、図２（ａ）に示される写真の場合よりは、安定していることが分かる。
　さらに、図２（ｃ）に示される写真の場合、容器１７内の雰囲気が１．７〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ１／１００気圧の状態で、容器１７内を飛翔する液滴列が撮影されており、液滴１４の像が鮮明である。液滴１４の位置が、図２（ａ）及び（ｂ）に示される写真の場合よりも、格段に安定し、位置の揺らぎが大幅に抑制されていることが分かる。
　図２（ａ）～（ｃ）に示される写真の撮影位置がノズル１１の先端から２０〔ｍｍ〕であること、及び、液滴１４の飛翔速度が約１〔ｍ／ｓ〕であることから、生成後既に２０〔ｍｓ〕程度経過した液滴１４の状態を観察していることが分かる。
　前述のように、このように飛翔している状態で液滴１４を非接触に振動させれば、表面張力を測定することができ、その時間領域は、高速の時間変化を測定することができる方法として既に知られている最大泡圧法の時間領域と接続する。
　図３（ａ）及び（ｂ）は、第１ノズル１１Ａから射出されて生成された第１液滴１４Ａと、第２ノズル１１Ｂから射出されて生成された第２液滴１４Ｂとを衝突させて第３液滴１４Ｃを生成した場合の写真を示している。この場合、第１ノズル１１Ａ及び第２ノズル１１Ｂから、同じ周期で、第１液滴１４Ａ及び第２液滴１４Ｂが射出されるように、第１アクチュエータ１２Ａ及び第２アクチュエータ１２Ｂの動作を調整した。また、第１ノズル位置決め装置１３Ａ及び第２ノズル位置決め装置１３Ｂを作動させ、第１液滴１４Ａと第２液滴１４Ｂとが衝突するように、第１ノズル１１Ａ及び第２ノズル１１Ｂの位置及び姿勢を調整した。
　図３（ａ）に示される場合、容器１７内の雰囲気の圧力は１００〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ大気圧（１気圧）であり、図３（ｂ）に示される場合、容器１７内の雰囲気の圧力は１．３〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ１／１００気圧である。その他の条件は、図２（ａ）～（ｃ）に示される写真の場合と同様である。
　図３（ａ）に示される写真の場合、容器１７内の雰囲気がほぼ大気圧（１気圧）の状態で、容器１７内を飛翔する液滴列が撮影されており、液滴１４の像がぼけている。液滴１４の位置が安定していないことが分かる。また、第１液滴１４Ａと第２液滴１４Ｂとの衝突が起きる場合と、起きない場合とが撮影されている。したがって、第１液滴１４Ａと第２液滴１４Ｂとの衝突が安定的に起きていないことが明らかである。
　一方、図３（ｂ）に示される写真の場合、容器１７内の雰囲気がほぼ１／１００気圧の状態で、容器１７内を飛翔する液滴列が撮影されており、液滴１４の像が鮮明である。また、第１液滴１４Ａと第２液滴１４Ｂとの衝突が極めて高い安定性で起き、第３液滴１４Ｃが安定的に生成されていることが分かる。
　これら２つの異なる液滴列の衝突は、２種類の液滴１４の融合による微小なデバイス（例えば、前述の被膜を有するカプセル。）の作製過程を想定したものである。図３（ａ）及び（ｂ）に示される写真の場合、液滴１４の飛翔距離は６０〔ｍｍ〕である。このように長い液滴１４の軌道には、液滴１４に様々な処理を施すための複数のプロセスを容易に組み込むことができる。
　以上の実験結果からも分かるように、液滴１４の飛翔の安定性は、雰囲気の圧力の低減とともに向上するが、一般に、１０〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ１／１０気圧を実現することができれば、その効果は大きく、さらに、１〔ｋＰａ〕、すなわち、ほぼ１／１００気圧にまで低減すれば、極めて顕著である。
　なお、雰囲気の圧力を低減し、該圧力が液滴１４となる液体の飽和蒸気圧より小さくなると、液滴１４からの液体の蒸発速度が大きくなる。そして、雰囲気の圧力が更に低減されると、液滴１４を構成する液体の内部で沸騰現象が起こり得る。したがって、雰囲気の圧力を、雰囲気の温度で決まる液滴１４を構成する液体の飽和蒸気圧以上に保てば、液滴１４からの液体の蒸発を抑制することができる。
　さらに、雰囲気を液滴１４を構成する液体の飽和蒸気にすれば、液滴１４からの液体の蒸発を抑制乃至完全に止めることができる。そのために、液滴１４となる液体の飽和蒸気を容器１７内に供給するためのノズルや、蒸発によって飽和蒸気を供給することができる液体供給タンクを配設してもよい。
　なお、現在、液滴１４となる液体の代表例は水であり、該水の０〔℃〕及び２０〔℃〕における飽和蒸気圧は、それぞれ、６×１０2 〔Ｐａ〕及び２．３×１０3 〔Ｐａ〕、すなわち、６／１０００気圧及び２３／１０００気圧程度である。つまり、前述した液滴１４の飛翔の軌道が十分に安定化する気圧の領域内である。
　このように、本実施例においては、固定されたノズル１１から液体を連続した液柱として射出するとともに、液柱に周期的な振動を付与することによって液柱を規則的に分裂させ、等間隔で飛翔する微小の液滴１４を生成し、液滴１４が飛翔する空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることによって、液滴１４を所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送する。
　これにより、空間における長距離に亘る微小な液滴１４の輸送を高い飛翔軌道の安定精度で実現することができる。
　また、液滴１４が飛翔する空間の雰囲気の圧力は、１０〔ｋＰａ〕以下であることが望ましい。さらに、液滴１４が飛翔する空間の雰囲気の圧力は、液滴１４となる液体の飽和蒸気圧よりも大きいことが望ましい。さらに、液滴１４が飛翔する空間の雰囲気は、液滴１４となる液体の飽和蒸気を含むことが望ましい。さらに、液滴１４の直径は、２００〔μｍ〕以下１〔μｍ〕以上であることが望ましい。さらに、液滴１４が安定した飛翔軌道に沿って輸送される距離は、１０〔ｍｍ〕以上であることが望ましく、液滴１４が安定した飛翔軌道に沿って輸送される時間は、１０〔ｍｓ〕以上であることが望ましい。
　さらに、複数のノズル１１の各々から射出された液柱を分裂させて生成された液滴１４同士を衝突させて、新たな液滴１４を生成する。これにより、例えば、直径が２００〔μｍ〕以下の微小なカプセルを生成することができる。
　次に、微小なカプセルを生成する実験の実験結果について説明する。
　図４は本発明の実施例におけるエタノール水溶液の液滴列の液滴と水の液滴列の液滴とを衝突させた様子を示す写真、図５は本発明の実施例において生成した微小なゲルを示す顕微鏡写真、図６は本発明の実施例において生成したゲルの微小粒子が試験管内で沈降している様子を示す写真、図７は本発明の実施例におけるエタノール水溶液の液滴列の液滴と水の液滴列の液滴とを衝突させた様子を示す写真であって水の液滴に蛍光分子を添加した写真である。なお、図７において、（ａ）～（ｄ）は、（ａ）を基準として時間が経過した時の写真である。
　カプセル構造の作製にあっては、数秒程度の日常的な時間スケールでは互いに溶け合う相溶系の相異なる液体、例えば、エタノール及び水であっても、液滴１４を形成して衝突させる数〔ｍｓ〕以下の時間領域においては、それぞれの液滴１４を構成する分子の拡散による移動距離が液滴１４の大きさに比べて小さいために、過渡現象として互いに相溶せず、一方の液滴１４が他方の液滴１４を覆う構造を作製することができる。
　例えば、水やエタノールの分子の典型的な拡散係数は１０-9〔ｍ2 ／ｓ〕程度であるから、１〔ｍｓ〕の時間における拡散によって分子が移動可能な距離は、（拡散係数×拡散時間）の平方根の程度であって、これは１〔μｍ〕程度である。
　液滴１４の大きさを１０〔μｍ〕とすれば、この拡散による移動距離は、液滴１４の大きさに比べて十分に小さく、この時間領域では、２種類の液体は、ほぼ互いに溶け合わない不溶性の液体とみなすことができる。
　ここで、一方が他方を覆うカプセル状の構造を作製する上で重要なのは、２種類の液滴１４の表面張力である。ここで、２種類の液体は、互いに相溶であるために、その界面張力は極めて小さいと考えてよい。
　そのため異なる２種類の液滴１４のうち、より小さい表面張力を有する液滴１４が、選択的にもう一方の液滴１４を覆って内包し、構造を制御したカプセルを生成することができる。
　図４には、実際にエタノール水溶液と水とを衝突させ、外殻構造を有する複合液滴を形成する様子が示されている。
　このエタノール水溶液にはアルギン酸ナトリウムが含まれており、また、水にはカリウムイオンが含まれている。図４に示されるような衝突により、アルギン酸が硬化して安定したゲル状の微小粒子を形成することができる。
　実際に生成された微小なゲルの顕微鏡写真が図５に示されている。また、図６には、試験管の内部でゲルの微小粒子が沈降している様子が示されている。
　さらに、図７に示されるように、水の液滴１４に蛍光分子を添加することにより、エタノール水溶液の液滴１４が水の液滴１４を内包する様子が確認された。
　なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
　本発明は、微小液滴の生成方法及び生成装置、微小液滴の輸送方法及び輸送装置、並びに、微小液滴に適用することができる。
１２Ａ　　第１アクチュエータ
１２Ｂ　　第２アクチュエータ
１４Ａ　　第１液滴
１４Ｂ　　第２液滴
１４Ｃ　　第３液滴
１５　　電極
１７　　容器
１７ａ　　光学窓
２５　　排気ポンプ
２７　　顕微鏡
２８　　ストロボ光源

Claims (23)

  1. 　固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させ、圧力が大気圧以下の雰囲気の空間を等間隔で飛翔する微小液滴を生成することを特徴とする微小液滴の生成方法。
  2. 前記雰囲気の気体の動粘性係数は、前記雰囲気の圧力を大気圧以下にすることによって、前記雰囲気の圧力が大気圧であるときよりも小さくなる請求項１に記載の微小液滴の生成方法。
  3. 前記雰囲気の圧力は１００００〔Ｐａ〕以下である請求項１に記載の微小液滴の生成方法。
  4. 前記雰囲気の圧力は前記液体の飽和蒸気圧よりも大きい請求項１又は３に記載の微小液滴の生成方法。
  5. 前記空間の大きさをＬとし、前記雰囲気の気体の粘性係数及び密度を、それぞれ、η及びρとし、前記微小液滴を用いたプロセスに対して許容される待ち時間をＴとしたとき、次の式（Ｉ）で示される関係を満足する請求項１～４のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  6. 前記空間の大きさをＬとし、前記雰囲気の気体の粘性係数及び密度を、それぞれ、η及びρとし、前記微小液滴の前記空間での移動速度をＶとしたとき、次の式（II）で示される関係を満足する請求項１～４のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  7. 前記雰囲気は前記液体の飽和蒸気を含む請求項１～６のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
  8. 前記微小液滴の直径は、２００〔μｍ〕以下１〔μｍ〕以上である請求項１～７のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
  9. 前記空間の大きさをＬとしたとき、Ｌは１〔ｍ〕以下５〔ｃｍ〕以上である請求項１～８のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
  10. 前記雰囲気の気体の粘性係数は、１０-6〔ｍ2 ／ｓ〕以下である請求項１～９のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
  11. 前記ノズルは複数であり、各ノズルから射出された液柱を分裂させて生成された微小液滴同士を衝突させて、新たな微小液滴を生成する請求項１～１０のいずれか１項に記載の微小液滴の生成方法。
  12. 各ノズルから射出された液柱は、異なる種類の液体の液柱である請求項１１に記載の微小液滴の生成方法。
  13. 前記ノズルは２つであり、２種の異なる液体の微小液滴同士を衝突させて、一方の液体の微小液滴が他方の液体の微小液滴を内包する新たな微小液滴を生成する請求項１１に記載の微小液滴の生成方法。
  14. 前記２種の異なる液体は、互いに相溶であり、かつ、表面張力が相違し、表面張力の小さい液体の微小液滴が表面張力の大きな液体の微小液滴を内包する新たな微小液滴を生成する請求項１３に記載の微小液滴の生成方法。
  15. 　内部の空間を外部から遮断して隔離する容器と、
    　前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にする減圧装置と、
    　前記容器内に固定され、液体を連続した液柱として射出するノズルと、
    　該ノズルの内部の圧力を変動させる振動付与装置とを備え、
    　該振動付与装置が前記液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させ、圧力が大気圧以下の雰囲気の空間を等間隔で飛翔する微小液滴を生成することを特徴とする微小液滴の生成装置。
  16. 　固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与することによって前記液柱を規則的に分裂させることにより生成された等間隔で飛翔する微小液滴を、該微小液滴が飛翔する空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることにより、所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送することを特徴とする微小液滴の輸送方法。
  17. 前記所定距離は１０〔ｍｍ〕以上である請求項１６に記載の微小液滴の輸送方法。
  18. 前記微小液滴を輸送する時間は１０〔ｍｓ〕以上である請求項１６又は１７に記載の微小液滴の輸送方法。
  19. 　内部の空間を外部から遮断して隔離する容器と、
    　前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にする減圧装置と、
    　前記容器内に固定され、液体を連続した液柱として射出するノズルと、
    　該ノズルの内部の圧力を変動させる振動付与装置とを備え、
    　該振動付与装置が前記液柱に周期的な振動を付与して前記液柱を規則的に分裂させることによって生成された等間隔で飛翔する微小液滴を、前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることにより、所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送することを特徴とする微小液滴の輸送装置。
  20. 前記容器の壁面の少なくとも一部は透明な光学窓であり、該光学窓を通して前記容器内の微小液滴の観察が可能である請求項１９に記載の微小液滴の輸送装置。
  21. 前記光学窓を通して前記容器内の微小液滴を観察する光学観察装置を含み、該光学観察装置が観測した前記微小液滴の状態から前記液体の物性の計測が可能である請求項２０に記載の微小液滴の輸送装置。
  22. 前記容器内に配設された電極であって、前記飛翔軌道の近傍に配設された電極を含み、該電極に電圧を印加することによって前記飛翔軌道の周辺空間に電界を生じせしめ、該電界によって前記微小液滴に働く誘電力により、前記微小液滴を非接触で変形させ、変形後の微小液滴の振動状態から前記液体の表面張力及び／又は粘性の計測が可能である請求項１９～２１のいずれか１項に記載の微小液滴の輸送装置。
  23. 　固定されたノズルから液体を連続した液柱として射出するとともに、該液柱に周期的な振動を付与して前記液柱を規則的に分裂させることによって生成された等間隔で空間内を飛翔する微小液滴であって、
    　前記空間の雰囲気の圧力を大気圧以下にすることにより、所定距離以上の安定した飛翔軌道に沿って輸送されることを特徴とする微小液滴。
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