JP4191330B2

JP4191330B2 - 微量液滴形成方法及び微量液滴形成装置

Info

Publication number: JP4191330B2
Application number: JP21997299A
Authority: JP
Inventors: 修與儀; 満石川; 友則川上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2019-08-03
Also published as: DE60027169D1; US6811090B2; EP1205252A4; AU6318400A; EP1205252A1; JP2001038911A; EP1205252B1; WO2001008808A1; US20020063083A1; DE60027169T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な溶液の微量液滴形成方法及び微量液滴形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、液滴を形成する方法として静電吸引を利用する方法が知られている。この方法は、液滴を形成する液体を入れたノズルと、液滴滴下口であるノズル先端と対向して配置された基板との間にパルス電圧を印加し、電気力によって液体をノズル先端から基板側に吸引し、液滴を基板に滴下する方法である。この方法によれば、印加するパルス電圧の波高値を大きくすれば、形成される液滴の大きさは大きくなり、印加するパルス電圧の波高値を小さくすれば、形成される液滴の大きさは小さくなるので、波高値を制御することで形成される液滴の大きさを制御することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記静電吸引による液滴形成方法では、形成される液滴の大きさはノズル先端の径に依存しており、一定の大きさ以下の液滴は形成できない。すなわち、微量液滴を形成するために印加するパルス電圧の波高値を小さくしていくと、ある波高値から電気力がノズル先端に生じている表面張力に打ち勝つことができず、液滴は形成されなくなる。従って、微量液滴を形成する場合には、先端の径が小さいノズルを用いる必要があるが、径の小さいノズルは、液体中に含まれるダストなどにより頻繁に目詰まりが起こるという問題が生じる。
【０００４】
そこで、本発明は上記課題を解決した微量液滴形成方法及び微量液滴形成装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の微量液滴形成方法は、ノズル内の液体にパルス電圧を印加して液滴を形成する静電吸引液滴形成方法において、ノズル先端から所定の間隔を隔てて設けられた基板とノズル内の液体との間にパルス電圧を印加することにより、ノズル先端から液体を引き出して液柱を形成するパルス電圧印加段階と、パルス電圧印加段階によってノズル先端から引き出された液体に対し、液柱をノズル内に引き戻す方向の引き戻し力を作用させ、液体から液滴を分離する液滴分離段階とを有することを特徴とする。このように、ノズル先端から引き出された液体（すなわち「液柱」）を引き戻し力によってノズル内に引き戻すことにより、液柱から液滴が分離される。
【０００６】
上記微量液滴形成方法において、液滴分離段階は、ノズル内に設けられた流体抵抗制御手段により、ノズル内の流体抵抗を増大させることを特徴としても良い。このように流体抵抗を増大させることにより、電気力によってノズル内に生じた流速が遅くなり、ノズル先端部に負圧が生じ、この負圧が引き戻し力として液柱に作用する。
【０００７】
上記微量液滴形成方法において、ノズル内に設けられた体積変化可能な素子の体積を減少させることを特徴としても良い。このように、ノズル内に設けられた素子の体積を減少させることにより、ノズル内に負圧が生じ、この負圧が引き戻し力として液柱に作用する。
【０００８】
上記微量液滴形成方法において、液滴分離段階は、ノズルを基板と離隔する方向に移動することを特徴としても良い。このようにノズルと基板を離隔することにより、ノズル先端から液体を引き出す電気力を弱め、液柱に引き戻し力が作用する。
【０００９】
上記微量液滴形成方法は、引き戻し力を制御することにより、形成される液滴の寸法を制御することを特徴としても良い。引き戻し力を制御することにより、ノズルの径を変化させないで、形成される液滴の寸法を制御することができる。
【００１０】
上記微量液滴形成方法は、パルス電圧印加段階及び液滴分離段階は、飽和蒸気圧下で行われることを特徴としても良い。このように飽和蒸気圧下で液滴が形成されることにより、形成された液滴が蒸発しにくくなる。
【００１１】
上記微量液滴形成方法は、パルス電圧印加段階及び液滴分離段階において用いられるノズルは、芯入りノズルであることを特徴としても良い。このように芯入りノズルを用いることにより、表面張力の影響を減少させることができる。
【００１２】
また、本発明の微量液滴形成装置は、液滴を形成する液体を蓄えるノズルと、ノズルの先端と対向して配置され、ノズル先端から滴下される液滴が載置される基板と、ノズル内の液体と基板との間にパルス電圧を印加することにより、ノズル先端から液体を引き出して液柱を形成するためのパルス電源と、ノズルの先端から液体が流出する方向とは反対の方向に液体を引き戻す力を発生させる引き戻し力発生手段と、パルス電源及び引き戻し力発生手段を制御する制御装置とを備えることを特徴とする。このように、引き戻し力発生手段を備えることにより、ノズル先端に形成された液柱から液滴を分離することができる。
【００１３】
上記微量液滴形成装置において、引き戻し力発生手段は、ノズル内に設けられ、ノズル内の流体抵抗を増大させることができる流体抵抗制御装置であることを特徴としても良い。このように流体抵抗制御装置を設け、ノズル内の流体抵抗を増大させることにより、引き戻し力を生じさせることができる。
【００１４】
上記微量液滴形成装置において、引き戻し力発生手段は、ノズル内に設けられ、体積を減少させることができる体積可変素子であることを特徴としても良い。このようにノズル内に体積可変素子を設け、素子の体積を減少させることにより、引き戻し力を生じさせることができる。
【００１５】
上記微量液滴形成装置において、引き戻し力発生手段は、ノズルの位置を変えることができる可変機構であることを特徴としても良い。このようにノズルの位置可変機構を備え、ノズルの位置を基板と離隔する方向に移動することで、印加されているパルス電圧による電気力を弱め、引き戻し力として作用させることができる。
【００１６】
上記微量液滴形成装置において、液滴形成環境を飽和蒸気圧環境とする蒸気圧発生装置を更に備えることを特徴としても良い。このように蒸気圧発生装置を備え、液滴形成環境を飽和蒸気圧環境とすることで、形成された液滴が蒸発しにくくなる。
【００１７】
上記微量液滴形成装置において、ノズルは、ノズル内に芯を備える芯入りノズルであることを特徴としても良い。このようにノズルが芯入りノズルであることにより、表面張力の影響を減少させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施形態について説明する前に本発明の原理について図１を用いて説明する。図１はノズル先端とノズル先端付近の液面の様子を示す図である。最初、ノズル１内の液体２は表面張力により、重力に抗してノズル１内に収められている（図１（ａ）参照）が、ノズル１内の液体２と図示しない基板との間にパルス電圧を印加すると、電気力によりノズル１先端から液体２が引き出され、液柱２ａが形成される（図１（ｂ）参照）。次に、液柱２ａに引き戻し力（液柱２ａをノズル１内に戻す力であり、図１における上方向）を作用させると、図１（ｃ）に示すように、液柱２ａは引き戻し力が作用しない場合と比較して細くなり、液柱２ａの先端が電気力と引き戻し力により分離され、液滴３が形成される（図１（ｄ）参照）。
【００１９】
このように、ノズル１先端から引き出された液体２を引き戻し力により分離することで、ノズル１先端の径より小さい液滴３を形成することができる。また、引き戻し力を与えるタイミングや大きさを変えることにより、形成される液滴３の大きさを制御できる。
【００２０】
次に、本発明の好適な実施形態を図を用いて説明する。各図において同一の要素には同一の符号を付し重複する説明は省略する。
【００２１】
図２は、第１実施形態の微量液滴形成装置を示す図である。第１実施形態の微量液滴形成装置は、液滴３を形成する液体２が蓄えられるノズル１と、ノズル１先端部に対向して配置された基板５と、ノズル１内の液体２と基板５との間にパルス電圧を印加するパルス電源１０と、流体抵抗を制御する流体抵抗制御装置６と、パルス電源１０及び流体抵抗制御装置６を制御する制御装置１１とから構成されている。流体抵抗制御装置６は、ノズル１内に配され流体抵抗を増減させるニッケル片７と、ニッケル片７を操作する磁石８及び磁石８を支持するＸＹＺステージ９とから構成され、磁石８は制御装置１１により制御されるＸＹＺステージ９により移動可能となっている。ここで用いられるノズル１内部のニッケル片７は直径１０μm、長さ５００μmの断片であり、ノズル１先端付近に配されている。
【００２２】
ノズル１先端付近は内径１０μmであり、芯４入りガラスを引き伸ばされて製造されている。芯４入りノズル１を用いるのは、液面をノズル１先端部に合わせるためである。図３は、ノズル１先端とノズル１先端付近の液面を正面及び下面から見た図である。芯４がないノズル１の場合には表面張力により、液面はノズル先端部より少しノズル１内に入った場所に位置する（図３（ａ）参照）が、芯４入りノズル１を用いることで、液面は毛管現象によりノズル１先端部に位置する（図３（ｂ）参照）。必ずしも芯４入りノズル１を用いる必要はないが、後述の効果が得られるので芯４入りノズル１を用いるのが好適である。
【００２３】
次に、図２を参照して第１実施形態の微量液滴形成装置の動作について説明すると共に、微量液滴形成方法について説明する。
【００２４】
まず、パルス電源１０によりノズル１内の液体２と基板５との間にパルス電圧を印加し、電気力によりノズル１先端から液体２を引き出す。このとき、芯４入りノズル１を用いているので、パルス電圧が印加される前の液面の状態が一定の位置（ノズル１先端）に合わされており、液面と基板５との間の距離Ｄは一定に保たれている（図３（ｂ）参照）。これにより、一定のパルス電圧を印加した場合に液面と基板５の間に作用する電気力は一定であり、ノズル１先端から引き出される液体２の量を正確に制御することができ、ひいては液滴３の大きさも正確に制御できる。
【００２５】
ノズル１先端から液体２が引き出されて液柱２ａが形成された後に、流体抵抗制御装置６でノズル１先端付近の流体抵抗を増大させ、液柱２ａに引き戻し力を作用させる。具体的には、ノズル１内に配されたニッケル片７を先細となっているノズル１先端側に移動させる。ここで、ニッケル片７の移動は制御装置１１に制御されるＸＹＺステージ９により、ノズル１の外側に設けられた磁石８を介して行われる。このようにニッケル片７をノズル１先端方向に移動することにより、ノズル１先端部付近の流路が狭くなりノズル１先端部付近の流体抵抗が増大する。このため、ノズル１先端部に負圧が生じ、この負圧が液柱２ａに引き戻し力として作用することとなる。
【００２６】
引き戻し力が作用すると、相互に反対方向に作用する電気力と引き戻し力の２つの力により、液柱２ａの一部が分離されて液滴３が形成される。
【００２７】
第１実施形態の微量液滴形成装置は、引き戻し力発生手段として流体抵抗制御装置６を設けている。これにより、電気力によりノズル１先端から液体２を引き出した後に、流体抵抗の増大により生ずる引き戻し力で液滴３を液柱２ａから分離して形成することができる。このように引き戻し力を作用させて液滴３を形成することで、微量液滴３の形成が可能となる。
【００２８】
また、第１実施形態の微量液滴形成装置は芯４入りノズル１を用いている。これにより、パルス電圧印加前において液面はノズル１先端に位置しているので、一定のパルス電圧により一定量の液柱２ａが形成される。従って、引き戻し力を与えるタイミングやその大きさを制御装置１１により制御することで形成される液滴３の大きさを正確に制御できる。
【００２９】
図４は、第１実施形態の微量液滴形成装置を用いて微量液滴３を形成した結果を示す図である。図４のグラフの横軸は、ノズル１先端部の流路面積とニッケル片７によって狭められた流路面積の割合を有効断面積比として示している。なお、有効断面積比１００％の場合はニッケル片７が存在しない場合である。図４に示すように、有効断面積比が小さくなるに従って、流体抵抗は増大するので引き戻し力は大きくなる。また、図４のグラフの縦軸は、形成される液滴３の直径を示している。
【００３０】
図４から、引き戻し力が大きくなると形成される微量液滴３は小さくなり、電気力による吸引だけでは得られない微量の液滴３が得られることが理解され、また、その大きさは有効断面積比を変えることにより制御可能である。
【００３１】
以下、他の実施形態について説明するが、以下に示す各実施形態は第１実施形態の微量液滴形成装置における引き戻し力発生手段（ニッケル片７及びこれを制御する磁石８、ＸＹＺステージ９）を異なる構成に代えたものであり、引き戻し力発生手段以外の構成は第１実施形態と同様であるので説明を割愛する。また、その動作（液滴形成方法）も、ノズル１内の液体とノズル１先端に対向して設けられた基板５との間にパルス電圧を印加してノズル１先端から液体２を引き出すことや、引き戻し力発生手段により発生した引き戻し力により液柱２ａから微量の液滴３が分離することは、第１実施形態と同様であるので説明を割愛する。
【００３２】
第２実施形態の微量液滴形成装置について説明する。第２実施形態の微量液滴形成装置の引き戻し力発生手段は、ノズル１先端付近に設けられた流路を取り囲む形状の圧電素子２１によって構成されている（図５参照）。
【００３３】
第２実施形態の微量液滴形成装置においては、液体２が引き出された後、圧電素子２１に電流を流すことにより、圧電素子２１を膨張させ流路を狭くする。これによりノズル１先端部付近の流体抵抗は増加し、ノズル１先端部付近に負圧が生じて液柱２ａに引き戻し力が作用する。
【００３４】
次に、第３実施形態の微量液滴形成装置について説明する。第３実施形態の微量液滴形成装置の引き戻し力発生手段は、ノズル１内にノズル１の長手方向に沿って設けられたワイヤ２３によって構成されている（図６参照）。
【００３５】
第３実施形態の微量液滴形成装置においては、液体２が引き出された後、先細となっているノズル１先端方向にワイヤ２３を移動させ、流路を狭くする。ここで、ワイヤ２３はノズル１先端部とは反対側からノズル１外部へ露出し、連結されている図示しない制御装置によって制御される。
【００３６】
これにより、ノズル１先端部付近の流路が狭くなって流体抵抗は増加し、ノズル１先端部付近に負圧が生じる。この負圧が液柱２ａに引き戻し力として作用する。
【００３７】
次に、第４実施形態の微量液滴形成装置について説明する。第４実施形態の微量液滴形成装置の引き戻し力発生手段は、ノズル１先端とは反対端部に設けられた圧電素子２５によって構成されている（図７参照）。
【００３８】
第４実施形態の微量液滴形成装置においては、圧電素子２５を予め膨張させておき、液体２が引き出された後に圧電素子２５を収縮させる。これにより、ノズル１内部に負圧が生じ、液柱２ａに引き戻し力が作用する。
【００３９】
次に、第５実施形態の微量液滴形成装置について説明する。第５実施形態の引き戻し力発生手段は、ノズル１先端から液体２を引き出すための構成と同様であり、ノズル１先端とは反対端部に設けられた端部電極２７とノズル１内の液体２との間に電圧を印加するための電源１０（パルス電源１０と兼用となっている）とから構成されている（図８参照）。液体２はノズル１先端の反対端部まで充填されてはおらず、端部電極２７と液体２との間は空間２８が設けられている。
【００４０】
第５実施形態の微量液滴形成装置においては、液体２が引き出された後、端部電極２７と液体２との間に電圧を印加してノズル１内の液体２を端部電極２７の側に引張る。端部電極２７はノズル１先端とは反対側に設けられているため、この引張り力は液柱２ａの引き戻し力として作用する。
【００４１】
次に、第６実施形態の微量液滴形成装置について説明する。第６実施形態の引き戻し力発生手段は、ノズル１外部に設けられたマイクロステージ（ノズル位置可変機構）３１から構成される（図９参照）。
【００４２】
第６実施形態の微量液滴形成装置においては、液体２が引き出された後、マイクロステージ３１によってノズル１位置を液柱２ａと基板５とが離隔する方向に移動させる。ノズル１先端の液柱２ａと基板５とが離隔されると、液柱２ａと基板５との間に作用する電気力は減少する。これにより、液柱２ａにノズル１内に引き戻される力が作用する。なお、ノズル位置可変機構はマイクロステージ３１に限られず、移動方向と移動距離を制御できるものであれば良く、例えば圧電素子でも良い。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
例えば、上記各実施形態の微量液滴形成装置は、蒸気圧発生装置をさらに備え、飽和蒸気圧下で液滴形成を行っても良い。このように、飽和蒸気圧下で液滴を形成することにより形成された液滴の蒸発を防止できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、電気力によりノズル内の液体をノズル先端から引き出した後、ノズル内部に引き戻す引き戻し力を作用させることによって、微量液滴を形成することができる。
【００４６】
また、ノズル内の液体と基板との間にパルス電圧を印加するパルス電源と、流体抵抗を制御する装置又はノズル内の圧力制御装置とを備えた微量液滴形成装置により、上記微量液滴形成方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズル先端とノズル先端付近の液面の様子を示す図である
【図２】第１実施形態の微量液滴形成装置を示す図である。
【図３】ノズル先端とノズル先端付近の液面を正面及び下面から見た図である。
【図４】第１実施形態の微量液滴形成装置を用いて液滴を形成した結果を示す図である。
【図５】第２実施形態の微量液滴形成装置の説明図である。
【図６】第３実施形態の微量液滴形成装置の説明図である。
【図７】第４実施形態の微量液滴形成装置の説明図である。
【図８】第５実施形態の微量液滴形成装置の説明図である。
【図９】第６実施形態の微量液滴形成装置の説明図である。
【符号の説明】
１・・・ノズル、２・・・液体、２ａ・・・液柱、３・・・液滴、４・・・芯、５・・・基板、６・・・流体抵抗制御装置、７・・・ニッケル片、８・・・磁石、９・・・ＸＹＺステージ、１０・・・パルス電源、１１・・・制御装置、２１・・・圧電素子、２３・・・ワイヤ、２５・・・圧電素子、２７・・・端部電極、２８・・・空間、３１・・・マイクロステージ。

Claims

ノズル内の液体にパルス電圧を印加して液滴を形成する静電吸引液滴形成方法において、
前記ノズル先端から所定の間隔を隔てて設けられた基板と前記ノズル内の液体との間にパルス電圧を印加することにより、前記ノズル先端から液体を引き出して液柱を形成するパルス電圧印加段階と、
前記パルス電圧印加段階によって前記ノズル先端から引き出された液体に対し、前記液体を前記ノズル内に引き戻す方向の引き戻し力を作用させ、前記液体から液滴を分離する液滴分離段階と、
を有することを特徴とする微量液滴形成方法。
前記液滴分離段階は、前記ノズル内に設けられた流体抵抗制御手段により、前記ノズル内の流体抵抗を増大させることを特徴とする請求項１記載の微量液滴形成方法。
前記液滴分離段階は、前記ノズル内に設けられた体積変化可能な素子の体積を減少させることを特徴とする請求項１記載の微量液滴形成方法。
前記液滴分離段階は、前記ノズルを前記基板と離隔する方向に移動することを特徴とする請求項１記載の微量液滴形成方法。
前記引き戻し力を制御することにより、形成される液滴の寸法を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の微量液滴形成方法。
前記パルス電圧印加段階及び前記液滴分離段階は、飽和蒸気圧下で行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の微量液滴形成方法。
前記パルス電圧印加段階及び前記液滴分離段階において用いられるノズルは、芯入りノズルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の微量液滴形成方法。
液滴を形成する液体を蓄えるノズルと、
前記ノズルの先端と対向して配置され、前記ノズル先端から滴下される液滴が載置される基板と、
前記ノズル内の液体と前記基板との間にパルス電圧を印加することにより、前記ノズル先端から液体を引き出して液柱を形成するためのパルス電源と、
前記ノズルの先端から液体が流出する方向とは反対の方向に前記液体を引き戻す力を発生させる引き戻し力発生手段と、
前記パルス電源及び前記引き戻し力発生手段を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする微量液滴形成装置。
前記引き戻し力発生手段は、前記ノズル内に設けられ、前記ノズル内の流体抵抗を増大させることができる流体抵抗制御装置であることを特徴とする請求項８記載の微量液滴形成装置。
前記引き戻し力発生手段は、前記ノズル内に設けられ、体積を減少させることができる体積可変素子であることを特徴とする請求項８記載の微量液滴形成装置。
前記引き戻し力発生手段は、前記ノズルの位置を変えることができる可変機構であることを特徴とする請求項８記載の微量液滴形成装置。
液滴形成環境を飽和蒸気圧環境とする蒸気圧発生装置を更に備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の微量液滴形成装置。
前記ノズルは、ノズル内に芯を備える芯入りノズルであることを特徴とする請求項８〜１２記載の微量液滴形成装置。