(57)【要約】【課題】飛翔物の種類および温度条件にかかわらず、飛翔量およびインパクト時間を精密かつ再現性よく制御し、速い周期で飛翔させる。【解決手段】試料噴射装置１は、圧力波発生機構３０と、試料部５０と、を備える。圧力波発生機構３０は、熱伝導性の基板２と、基板２の一方の主面に形成されたナノ結晶シリコンである断熱層３と、断熱層３の上に形成され、交流成分を含む電流が印加されて発熱する発熱体４と、を備える。試料部５０は、試料（インクやトナーなどの試料）を保持する。発熱体４と空間を隔てた場所に試料部５０を配置しておき、発熱体４で発生する圧力波によって、試料を飛翔させることができる。【選択図】図１
2010220313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性の基板と、
前記基板の一方の主面に形成された断熱層と、
前記断熱層の上に形成され、交流成分を含む電流が印加されて発熱する導体層と、
前記導体層と空間を隔てて配置され、試料を保持する試料部と、
を備えることを特徴とする試料噴射装置。
【請求項２】
前記導体層を含む空間を覆う部材であって、前記試料部に対向する場所に、該部材の一部を貫通して前記導体層を含む空間と該部材の外部の空間とを通じる孔が形成された壁部を備えることを特徴とする請求項１に記載の試料噴射装置。
【請求項３】
前記断熱層は、ナノ結晶シリコンで形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の試料噴射装置。
【請求項４】
前記試料は、固体、液体もしくは気体のいずれか、またはそれらの混合物を含んで形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の試料噴射装置。
【請求項５】
前記導体層は、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかまたはそれらを含む合金で形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の試料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料噴射装置に関する。より詳しくは、発生させた圧力波を用いて試料を噴射する試料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械的振動を利用した圧力波発生装置が知られている。例えば、圧力波発生装置で圧力波に超音波を用いる場合、圧電素子を用いて機械的振動を発生させる方法がある。他の圧力波発生方法を用いた圧力波発生装置として、特許文献２、３、４には、空気に周期的に熱を加えることにより空気の疎密を作り音波を発生する装置を記載しており、その装置は、基板上に断熱層、発熱体の順で形成されている。特許文献２、３では、発熱体を覆う部分の空間があり、圧力を集中させて音波を強めている技術が記載されている。特許文献４では、技術的特徴として断熱層部分にナノ結晶シリコンを用いることが記載されている。
【０００３】
一方、極微量の液体や粉末を再現性よく飛翔させる方法として、特許文献１や特許文献５のような方法がある。特許文献１には、液体（インク）を吐出する工程のある、インクジェットプリンタについて記載されている。その技術は、供給したインクが充填されるインク室に、所定のパルス電圧が与えられるピエゾ振動素子の振動を与えて、ピストンのような仕組みにより、インク室に連通したオリフィス穴から滴状のインクを吐出させる方法である。特許文献５には、粉末を噴射する技術について、所定圧力に減圧したチャンバー内に基材およびノズルを配置し、基材に向けて、作動ガスと共に、材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−９１８９３号公報
【特許文献２】特開平１１−３００２７４号公報
【特許文献３】特開２００３−１５４３１２号公報
【特許文献４】特開２００５−７３１９７号公報
【特許文献５】特開２００８−３０２３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、圧電素子を用いて機械的振動を発生させる方法を用いる圧力波発生装置の場合、固有の共振周波数を有するために周波数帯域が狭かったり、装置の特性上、高周波数は使用できないという問題があった。また、温度や振動などの周囲の影響を受けやすい。例えば、圧電素子にピエゾチップを利用する方法では、ピエゾの性質上、キュリー点を超える温度（高温環境下）での使用が不可能であった。
【０００６】
インクなどの噴射において、装置の圧力に限りがあるため、インクの特性を限定し、低粘度の場合のみしか噴射できないことがあった。また、噴射する対象は液体に限られていた。コールドスプレー方法は、主に、皮膜形成の用途に使用され印刷のような細かな作業を対象としていない。飛翔させる対象として粉末を用いることが可能であるが、チャンバーの減圧やガスの噴射などが必要であり、作動が容易でないなどの問題がある。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、飛翔物の種類および温度条件にかかわらず、飛翔量およびインパクト時間を精密かつ再現性よく制御し、速い周期で飛翔させることができる試料噴射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の観点に係る試料噴射装置は、
熱伝導性の基板と、
前記基板の一方の主面に形成された断熱層と、
前記断熱層の上に形成され、交流成分を含む電流が印加されて発熱する導体層と、
前記導体層と空間を隔てて配置され、試料を保持する試料部と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記導体層を含む空間を覆う部材であって、前記試料部に対向する場所に、該部材の一部を貫通して前記導体層を含む空間と該部材の外部の空間とを通じる孔が形成された壁部を備えることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記断熱層は、ナノ結晶シリコンで形成されることを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、前記試料は、固体、液体もしくは気体のいずれか、またはそれらの混合物を含んで形成されることを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記導体層は、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかまたはそれらを含む合金で形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の試料噴射装置によれば、飛翔物の種類および温度条件にかかわらず、飛翔量およびインパクト時間を精密かつ再現性よく制御し、速い周期で飛翔させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る試料噴射装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１の変形例１に係る試料噴射装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１の変形例２に係る試料噴射装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の変形例３に係る試料噴射装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る試料噴射装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る試料噴射装置の構成を示す図である。
【図７】印刷用トナーを飛翔させた場合の、飛翔距離と印加電圧の関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る試料噴射装置の構成を示す。図１（ａ）は試料噴射装置の断面図である。図１（ｂ）は試料噴射装置の平面図であり、図中のＡ−Ａ線の断面が図１（ａ）を示す。図１に示すように、試料噴射装置１は、圧力波発生機構３０と、印刷用トナーの試料部５０から構成される。印刷用トナーは、固体であり、粉末状の形状を有している。
【００１７】
圧力波発生機構３０は、基板２、断熱層３および発熱体４から構成される。発熱体４の両端部に駆動回路５が電気的に接続される。基板２はバルクシリコンなどから形成される。基板２の一方の主面に、多孔質であるナノ結晶シリコン（以下、ｎｃ−Ｓｉという）の断熱層３が形成されている。断熱層３の上に接して発熱体４が、導電性の金属、例えば、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）などの薄膜で形成されている。導電性の金属は、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含めた合金でもよい。
【００１８】
断熱層３によって、発熱の交流成分は基板２側へは断熱するが、発熱体４の熱容量のため発生する熱の直流成分は基板２へ伝導する。基板２の熱容量は、発熱体４および断熱層３の熱容量より充分大きいが、有限であり、発熱体４が発生する熱の直流成分で温度が上昇する。発生する熱の直流成分は、基板２の断熱層３とは反対側の面から放射、伝導および対流によって拡散する。断熱層３の厚さは、ｎｃ−Ｓｉの場合、発生させる音波の周波数にもよるが、例えば、５μｍ〜２００μｍ程度とする。
【００１９】
駆動回路５は、発熱体４の両端に所定の周波数ωで間欠するパルス電圧、又は交流電圧を印加する。このとき周波数ωは、高周波数であっても印加可能であり、例えば１００ｋＨｚまで可能である。断熱層３の厚さが、発熱体４に印加される電圧の交流成分に対して、断熱層３の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量で決まる熱拡散長と同程度とすると、発熱の交流成分は基板２側へは断熱し、発熱体４の熱容量のため発生する直流成分の熱は、大きな熱伝導性の基板２へ効率良く逃がすことができる。駆動回路５の間欠するパルス状の電流、又は交流によって、発熱体４の表面の空気は、電流が流れるときに熱せられて膨張し（粗になる）、電流が０又は小さいときに温度が下がって収縮する（密になる）。
【００２０】
試料部５０は、トナー１０を試料入れ１２に納めたものを指す。記載した印刷用トナーは一例であり、ここでは、試料入れ１２に形成された取り入れ口１２ａから圧力を受け、その圧力により、試料入れ１２に載せてあるトナー１０が飛翔する仕組みとする。トナー１０は、径サイズが５μｍ〜１５μｍの粉末からなる。取り入れ口１２ａからトナー１０がこぼれ落ちることがないように、取り入れ口１２ａは押さえ網１２ｂで覆われており、この押さえ網１２ｂのメッシュサイズはトナー１０が通り抜けない大きさのものを用いる。このとき、試料入れ１２に形成された取り入れ口１２ａの位置と、圧力波発生機構３０の発熱体４の位置は、平面方向（Ｘ軸、Ｙ軸）に一致するように試料部５０は載置される。
【００２１】
試料入れ１２の取り入れ口１２ａの上部、すなわち押さえ網１２ｂの上部に、トナー１０が積層されている。発熱体４で発生した粗密波は、発熱体４と試料入れ１２の間の空間を伝播して試料部５０へ伝わる。試料部５０は圧力を受け、取り入れ口１２ａの上部にあるトナー１０を飛翔させることができる。例えば、試料入れ１２から噴射されたトナー１２は、紙などの印字に使用される。
【００２２】
（実施の形態１の変形例）
図２は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る試料噴射装置の構成を示す。図２（ａ）は試料噴射装置の断面図である。図２（ｂ）は試料噴射装置の圧力波発生機構の平面図であり、図中のＢ−Ｂ線の断面が図２（ａ）の圧力波発生機構を示す。基本的な構造は図１に示す試料噴射装置と同じである。
【００２３】
実施の形態１に係る試料噴射装置１の、圧力波発生機構３０の発熱体４部分を空間を隔てて覆うように、壁部となる容器６が形成されている。容器６には、発熱体４を覆う部分（容器６の内部）と容器６の外部とを通じる収束孔６ａが形成されている。
【００２４】
容器６は、疎密波が外部へ放出されるときの通り道となる穴の収束孔６ａ、囲い部材で構成されるホーン６ｂを備える。容器６は、発熱体４が発する熱で発生した粗密波が外部へ漏れるのを防ぎ、かつ、発生した粗密波を集中させて大きな圧力へと換えることができる。力をかける面積が小さい方が、単位面積あたりの力が大きくなることを利用した構造になるように、容器６は形成される。
【００２５】
発熱体４の表面積（もしくは容器６の底面積）に比べて、収束孔６ａの面積が充分に小さい場合、粗密波の圧力をより高くすることができる。好ましくは、容器６の形状（収束孔６ａやホーン６ｂ）は、圧力を収束し、効率よく圧力をかけるために、発熱体４から収束孔６ａに向けて、徐々にその表面積が小さくなることが望ましい。例えば、コニカルホーンやハイパボリックホーンの形状が挙げられる。
【００２６】
図２に示すように、発熱体４の周囲の空間を収束孔６ａを形成した容器６で閉じることによって、発熱体４の発熱で発生する圧力波を収束孔６ａに集中させることができる。その結果、トナー１０を効率よく飛翔させることができる。すなわち、同じ入力電力ではより高くまたはより速くトナー１０を飛翔させることができる。あるいは、同じ高さまたは同じ速さでトナー１０を飛翔させるための入力電力を小さくすることができる。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る試料噴射装置の構成を示す。図３（ａ）は試料噴射装置の断面図である。図３（ｂ）は試料噴射装置の圧力波発生機構の平面図であり、図中のＣ−Ｃ線の断面が図３（ａ）の圧力波発生機構を示す。基本的な構造は図２に示す試料噴射装置と同じである。
【００２８】
実施の形態１の変形例１では、圧力波発生機構３０の、発熱体４の垂直方向に収束孔６ａを形成していたが、実施の形態１の変形例２では、発熱体４の垂直方向から離れた位置に収束孔６ａを形成している。また、容器６は試料を保持する手段を兼ね、図２の試料入れ１２とホーン６ｂを一体型で形成した構造になっている。
【００２９】
図４は、本発明の実施の形態１の変形例３に係る試料噴射装置の構成を示す。図４（ａ）は試料噴射装置の断面図である。図４（ｂ）は試料噴射装置の圧力波発生機構の平面図であり、図中のＤ−Ｄ線の断面が図４（ａ）の圧力波発生機構を示す。図４（ｃ）は試料噴射装置の正面図であり、図４（ａ）の矢印Ｖ方向から見た図である。基本的な構造は図３に示す試料噴射装置と同じである。
【００３０】
実施の形態１の変形例３では、実施の形態１の変形例２の試料噴射装置１を上下方向に重ね合わせている。また、収束孔６ａを、疎密波が発生する方向と垂直方向の面に形成している。
【００３１】
実施の形態１、実施の形態１の変形例１、変形例２および変形例３において、圧力波発生機構３０の発熱体４で発生した疎密波を用いて、試料部５０のトナー１０を飛翔させることが可能である。特に、実施の形態１の変形例１、変形例２および変形例３において、発熱体４で発生した粗密波は、容器６のホーン６ｂを通りながら収束していき、収束孔６ａから圧力波発生機構３０の外部に放出される。収束して取り出された吐出圧力は、ある一定以上の圧力となり、収束孔６ａに対向する近傍に載置されたトナー１０を噴射することができる。
【００３２】
また、実施の形態１の変形例３においては、複数の試料噴射装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを独立して制御し圧力を発生させ、試料噴射装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄからトナー１０を飛翔させることができる。圧力を発生させる際に、それぞれが容器６で区切られているので、発生する粗密波が干渉するおそれがなく、並べて配置することが可能である。上下方向だけでなく、同一平面内に並べて配置してもよく、試料噴射装置１を集積させることができる。
【００３３】
以上より、実施の形態１およびその変形例において、発熱体４で電圧の印加により疎密波を発生させるので、圧力波発生機構３０で発生する圧力を精密に制御できるだけでなく、圧力の再現性も高い。すなわち試料噴射装置１の試料の噴射を精密かつ再現性よく制御できる。また、発熱体４に印加する周波数は１００ｋＨｚの高周波数であっても作動可能である。それぞれの発熱体４ごとに疎密波を発生し、個々に区切ることで独立に制御でき、また、発熱体４と圧力の噴射口の位置が離れていても制御できることから、容易に多数の試料噴射装置１を配置することができる。
【００３４】
また、飛翔物を固体（粉末）の場合を例に挙げて説明しているが、飛翔物の容器の設置位置や構造によっては、インクなどの液体でもよい。このとき、インクを入れる容器の構造は、外部からの圧力を用いてインクを飛翔させるので、オンデマンド型のように毛管現象などの必要がなく、また、インクの種類（粘度や成分など）の選択幅が広い。飛翔量およびインパクト時間についても、固体（粉末）のときと同様に精密に制御できるので、試料噴射装置１を用いることにより、インクの吐出量の調整が容易となり、タイミング良くインクを飛翔させることができる。
【００３５】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る試料噴射装置の概略を示す断面図である。圧力を発生させるための基本的な構造は、実施の形態１の圧力波発生機構と同じである。実施の形態１では主に、飛翔させる対象物を固体（粉末）の場合を例に挙げたが、実施の形態２では主に、飛翔物が液体の場合を例に挙げて説明する。また、飛翔させる対象物は、実施の形態１では容器の外部であったが、実施の形態２では、飛翔させる対象物は容器の内側に接して、容器の内部に納められる。
【００３６】
試料噴射装置１は、圧力波発生機構３０を備え、試料噴射装置１と試料部５０とが一体型をなす構造である。圧力波発生機構３０は、基板２、断熱層３、発熱体４および容器６から構成され、圧力波発生機構３０の容器６は、試料噴射装置１の容器外壁の役割を兼ねる。また、圧力波発生機構３０の容器６の一部に試料を蓄えることができ、試料部５０も兼ねる。試料部５０は下に凹の形状で、その一部に容器６の内部と外部を貫通する収束孔６ａが形成されている。
【００３７】
試料噴射装置１は、試料噴射を行うために、様々な制御が制御装置（図示せず）で行われる。制御装置とは、例えば発熱体４を駆動する回路を備えたコンピュータなどの外部機器であり、試料噴射装置１と接続される。圧力波発生機構３０の基本的な構造は、実施の形態１と同じであり、発熱体４の両端部に駆動回路（図示せず）が電気的に接続される。
【００３８】
容器６は下に凹の形状で、中に飛翔させる対象物である溶融金属１１が液体の状態で貯められている。供給口８は、容器６内へ、噴射する為の試料を供給するための場所である。また、供給口８は閉塞でき、試料を供給した後に閉じることにより、容器６内の圧力を一定に保つことができる。容器６は、その底面部に、開口部を下に向けた筒状の、容器６と貫通する収束管６ｃが形成されている。収束管６ｃの先端部には、押さえ網１２ｂが取り付けられる。押さえ網１２ｂの各々のメッシュ部分に働く表面張力により、溶融金属１１の自重が加わった場合であっても、溶融金属１１は容器６の外へ漏れることはない。押さえ網１２ｂを取り付けることで、収束管６ｃを毛管より太い径の筒状とすることができ、噴射時の詰まりなどの不良を低減することができる。
【００３９】
収束管６ｃは、容器６の底面の他、底面近傍の側面であって、試料部５０に入れる試料が収束管６ｃを覆うことができればよい。また、収束管６ｃを取り付ける向きは垂直でなく、平行であってもよい。平行の場合は、収束管６ｃをくの字型などに形成し、収束孔６ａを下に向ける形状にすることが好ましい。
【００４０】
圧力波発生機構３０の発熱体４に電圧を印加し、疎密波を発生させる。疎密波は、溶融金属１１に向かって、容器６内の空間に発生し、溶融金属１１の表面に圧力をかける。このとき溶融金属１１は、容器６の開口部（発熱体４取り付け面）側から底面（溶融金属１１貯蔵部分）側へ向かう力を受け、収束管６ｃ近傍の溶融金属１１も押さえ網１２ｂへ向かう力を受ける。
【００４１】
疎密波が発生しない場合、溶融金属１１の自重のみが押さえ網１２ｂへかかり、各々のメッシュでの表面張力と、自重の力とが釣り合って、試料が液体であってもこぼれない。疎密波を発生させると、その圧力が押さえ網１２ｂの表面張力を越え、溶融金属１１が収束管６ｃから押さえ網１２ｂを通り抜け、液滴として押し出される。
【００４２】
溶融金属１１の例として、ハンダが考えられる。例えば、スズを６３質量％含む共晶ハンダの場合、融点は約１８４℃である。環境に配慮した鉛フリータイプ（スズ、銀系）の場合、融点は２１０℃〜２２０℃である。ハンダなどの溶融金属である液体を飛翔物として用いる場合、試料噴射装置１内の温度は、金属の融点以上（少なくとも１８４℃以上）の高温となる。
【００４３】
インク放出の際によく用いられる方法の１つであるピエゾ方式は、ピエゾのキュリー温度が３６０℃であり、センサとして利用できるのは一般にキュリー温度の半分までといわれることから、約１８０℃以下での使用に用いられる。上述したハンダを、溶融した液体（溶融金属１１）として飛翔させるためには、１８０℃を越えた温度条件でなければならず、ピエゾ方式は向かず、使用できない。また、ほとんどの金属の融点は２００℃を越えるため、ピエゾ方式は対応できないことが多い。さらに温度条件が適している場合であっても、ピエゾ方式で対応できる装置は噴射部分に毛管を用いる構造であり、毛管を用いるために圧力の上限は高くなく、インクなどよりも粘性が高いことの多い溶融金属１１を飛翔させるための圧力に達しないおそれがある。
【００４４】
実施の形態２によれば、発熱体４への電圧印加の有無により温度差が生じ、気体に疎密が発生することで疎密波となる。この疎密波を吐出圧力として試料噴射装置に用いることで、高温環境下であっても作動可能である。このとき、発熱体４に印加する周波数は１００ｋＨｚまでの高周波数を利用でき、飛翔の再現性を高くすることができる。
【００４５】
また、発生した圧力を収束させ、一定以上の力として利用できるので、噴射に用いる試料が液体・固体に関わらずに飛翔させることが可能である。さらに、粘度の影響も受けにくいので、試料の成分を限定せずに済むだけでなく、噴射時の不良などの発生が低減する。
【００４６】
飛翔させる試料は、容器６内部にあってもよく、容器６外部にあってもよい。また、所定の範囲内、すなわち圧力を受けて試料を飛翔させることができる距離内であれば、試料は容器６と接していなくても構わない。
【００４７】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る試料噴射装置の構成を示す。図６（ａ）は試料噴射装置の断面図である。図６（ｂ）は試料噴射装置の圧力波発生機構の平面図であり、図中のＥ−Ｅ線の断面が図６（ａ）の圧力波発生機構を示す。圧力を発生させるための基本的な構造は、実施の形態１および実施の形態２の圧力波発生機構と同じである。実施の形態３では主に、飛翔物が気体の場合を例に挙げて説明する。
【００４８】
試料噴射装置１は、圧力波発生機構３０と、ガス供給部である試料部５０を備える。圧力波発生機構３０は、基板２、断熱層３、発熱体４および容器６から構成される。試料部５０は、試料入れ１２、取り入れ弁１３ａ、送り弁１３ｂ、供給弁１３ｃ、ガスポンプ１４を備える。取り入れ弁１３ａ、送り弁１３ｂおよび供給弁１３ｃは、一方向に気体を送ることができる逆止弁である。取り入れ弁１３ａおよび送り弁１３ｂにより、試料（ガス）の逆流や漏れを防止し、圧力波の発生に応じて、試料部５０のガスを外部へ放出することができる。ガスポンプ１４と試料入れ１２の間にある供給弁１３ｃにより、試料入れ１２の圧力が高くなっても、ガス供給側に気体が逆流しない構造になっている。発熱体４によって、試料の気体に直接圧力波を発生させることができる場合は、取り入れ弁１３ａはなくてもよい。
【００４９】
試料入れ１２は、ガスポンプ１４から供給弁１３ｃを介してガスが供給され、所定の圧力を維持できるようになっている。所定の圧力とは、大気圧（試料入れ１２の外部の圧力）より若干低い圧力もしくはほぼ同等の圧力とする。詳しくは、圧力波発生機構３０で圧力が発生したときに取り入れ弁１３ａが開閉可能となり、かつ、ガスポンプ１４から試料入れ１２にガスが供給されたときであっても送り弁１３ｂが開放することのない圧力とする。
【００５０】
試料部５０は、容器６と試料部５０との間を管６ｄで接続されており、圧力波発生機構３０で発生した圧力を、管６ｄを介して、試料部５０へ伝えることができる。管６ｄから、取り入れ弁１３ａへ圧力が加わり、圧力波発生機構３０から試料部５０へ向けて、圧力が印加される。
【００５１】
試料入れ１２は所定の圧力で維持された状態から、取り入れ弁１３ａにより伝えられた圧力を受け、試料入れ１２の中のガスが、取り入れ弁１３ａから送り弁１３ｂの方向へ押された状態となる。送り弁１３ｂは、試料入れ１２からの圧力を受けて移動したガスを、試料噴射孔１２ｃを介して、試料部５０の外へ押し出す。
【００５２】
気体を噴射させる場合、逆止弁（取り入れ弁１３ａ、送り弁１３ｂ、供給弁１３ｃ）を用いるなど、気体を何らかの方法で封止しておく必要がある。実施の形態３において、圧力波発生機構３０に印加する周波数と電圧を調節することによって、気体の噴射量の精密な制御が可能となる。
【００５３】
（実施例）
図７は、図２に示す試料噴射装置１を用いて、印加電圧と飛翔距離の関係を実験したものである。実験は、図２に示す試料噴射装置１に、電圧を印加し、そのときのトナー１０の飛翔距離を測定して行う。印加電圧は、周波数１０ｋＨｚの有効量１０％である矩形波を入力する。
【００５４】
試料噴射装置１は、基板２はＳｉウェーハを用い、ｎｃ−Ｓｉの断熱層３の厚さを５０μｍとして、断熱層３の上にタングステン（Ｗ）で発熱体４を形成した。発熱体４のサイズは、３ｍｍ×１５ｍｍで電気抵抗は単位長さあたり２０Ωである。収束孔６ａは直径２００μｍのサイズとし、発熱体４から収束孔６ａまでの距離は３００μｍである。
【００５５】
試料噴射装置１を製作するには、例えば次のようにする。Ｓｉウェーハの基板２を用意し、裏面に例えばアルミニウムの薄膜から形成される電極層を真空蒸着などで形成する。そして、フッ酸（ＨＦ）とエタノールの混合溶液を用いて、白金（Ｐｔ）を対向電極として断熱層３を形成する部分に陽極酸化処理を施す。溶液の成分比、電流密度および処理時間を所定の値に制御して、所望の厚さと粒度に多孔質化したｎｃ−Ｓｉの断熱層３を形成する。次に、発熱体４の形状にパターニングしたステンシルマスクを断熱層３の上に保持して、タングステン（Ｗ）のスパッタによって、発熱体４を所定のパターンで形成する。その後、発熱体４に駆動回路（図示せず）を接続するための電極などを形成する。
【００５６】
大きな圧力を得るために、印加する電圧を大きくする必要があると予め分かっている場合は、断熱層３の上に絶縁体層を形成しておき、その絶縁体層の上に発熱体４を形成すればよい。絶縁体層により、発熱体４の温度の均一化が図られ、耐久性が向上し、発熱体４の変形や断線を防止することができる。例えば絶縁体層は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ダイヤモンド結晶炭素（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれか１つを含んで形成する。
【００５７】
以上、説明したとおり、試料噴射装置１は、ｎｃ−Ｓｉ層と、一般の半導体装置の製造プロセスを用いて形成することができる。
【００５８】
図７のグラフより、印加電圧が１５０Ｖの時に、トナー１０の飛翔距離（高さ）が１４ｍｍあることが分かる。初速度に換算した場合、４０〜５０ｍ／ｓｅｃである。例えば、一般品のインクジェット・プリンタにおけるインクの初速度は５ｍ／ｓｅｃ程度である。この実施例における試料噴射装置１を用いてトナー１０を飛翔させた場合と比較すると、初速度は充分に大きいので、試料噴射装置１はトナー１０の飛翔に適用可能であることが分かる。
【００５９】
また、印加電圧を大きくするに従い飛翔距離が比例して大きくなるという飛翔特性も見られた。さらに、上記の実験において、電圧の印加に対する応答性の再現性がよいことも確認できた。
【００６０】
実施例より、本発明の実施の形態１の変形例に係る試料噴射装置１を用いてトナー１０を噴射した場合において、一般的なインクジェット・プリンタと比較して、トナー１０の飛翔距離を同等以上にすることができ、発生する圧力の大きさが、充分に適用可能であることが分かる。また、図３や図４に示す試料噴射装置１についても、発熱体４から１５ｍｍ離した場所に収束孔６ａを形成して実験を行った。その結果、同等の飛翔距離および飛翔特性が得られたことより、複数配列が可能であることや、試料噴射装置１の形状が必ずしも図２の形状に限定されず、任意に変更できることが言える。
【００６１】
本発明の試料噴射装置によれば、飛翔物の種類にかかわらず、圧力を収束させることや印加圧力を大きくすることにより、飛翔量を精密かつ再現性よく制御して速い周期で飛翔させることができる。所定の吐出圧力まで高めることができるので、飛翔物に粘性がある場合においても飛翔可能である。インパクト時間についても、発熱のために印加する周波数は１００ｋＨｚまでの高周波数で作動させることができるため、速い周期で飛翔させることができる。また、発熱により温度変化を発生させることで飛翔させることができるので、高温環境下であっても作動する。
【００６２】
飛翔させる飛翔物は粉末状の固体であってもよく、液体であってもよい。また、気体の噴射に用いることができる。さらに、飛翔物の成分（揮発性や粘性など）も任意に選択できる。飛翔させるために必要な圧力を得るために、より大きな電圧を印加する場合において、発熱体層の耐久性を高めるために、断熱層と発熱体の間に、絶縁体層を形成してもよい。
【００６３】
なお、実施の形態で説明した試料噴射装置の構成は一例であり、任意に変更および修正が可能である。例えば発熱体は図１に限定されず、様々な形状、パターン、大きさにすることができる。さらに、同一の基板に複数の発熱体を設けるものであってもよく、発熱体毎に容器を備えてもよく、発熱体毎には仕切りとなる壁部だけを備えて全体用の容器を備えてもよい。発熱体で発生させた圧力を収束させるための容器の形状についても任意に設定することができる。
【００６４】
また、試料噴射装置そのものを、縦方向に配列するだけでなく、横方向に配列してもよく、発熱体から吐出圧力の噴射口までの距離や、噴射口の設置する位置についても任意に設定できる。さらに、試料噴射装置はｎｃ−Ｓｉ層と一般の半導体装置の製造プロセスを用いて形成することができる。構造が複雑でなく比較的容易に形成できる。また、積層化や集積が可能であり、密集した構造にすることで装置のコンパクト化も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明によれば、試料噴射装置の圧力波発生機構により発生した粗密波のエネルギーを圧力として用いることで、非接触で微小液滴および粉末を正確に、かつ、再現性よく速い周期で飛翔させることができる。この技術は様々な分野で応用が考えられる。上述した例以外にも、捺染装置（微細な模様付け）、回路基板製造（回路パターンの印字や積層）、ＤＮＡチップの吹き付け、など紙以外の素材への試料噴射技術といった用途に適用できる。また、三次元構造の立体物への試料噴射などの用途にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１    試料噴射装置
２    基板
３    断熱層
４    発熱体（導体層）
５    駆動回路
６    容器
６ａ  収束孔
６ｂ  ホーン
１０    トナー（粉末）
１１    溶融金属（液体）
３０    圧力波発生機構
５０    試料部
【図１】
2010220313.tif 000003
【図２】
2010220313.tif 000004
【図３】
2010220313.tif 000005
【図４】
2010220313.tif 000006
【図５】
2010220313.tif 000007
【図６】
2010220313.tif 000008
【図７】
2010220313.tif 000009