(57)【要約】  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。
2016170951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【数１】
2016170951.tif 000008
【請求項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。
【数２】
2016170951.tif 000009
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６８８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
【数１】
2016170951.tif 000003
【００１６】
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。【００１７】
【数２】
2016170951.tif 000004
【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
【数３】
2016170951.tif 000005
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
【数４】
2016170951.tif 000006
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
【数５】
2016170951.tif 000007
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【実施例】
【００７７】
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。【００７８】
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。【００７９】
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。【００８０】
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。【００８１】
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。【００８２】
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。【００８３】
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。【００８４】
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。【００８５】
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。【００８６】
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。【００８７】
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。【００８８】
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。【００８９】
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。【００９０】
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。【００９１】
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。【００９２】
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。【００９３】
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。【００９４】
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。【００９５】
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。【００９６】
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。【００９７】
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。【００９８】
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。【００９９】
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。【０１００】
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。【０１０１】
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。【０１０２】
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。【０１０３】
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。【０１０４】
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。【０１０５】
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。【０１０６】
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。【０１０７】
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。【０１０８】
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。【０１０９】
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。【０１１０】
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。【０１１１】
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。【０１１２】
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。【０１１３】
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。【０１１４】
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。【０１１５】
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。【０１１６】
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。【０１１７】
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。【０１１８】
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。【０１１９】
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。【０１２０】
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。【０１２１】
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。【０１２２】
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。【０１２３】
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。【０１２４】
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。【０１２５】
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。【０１２６】
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。【０１２７】
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。【０１２８】
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。【０１２９】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
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。
【符号の説明】
【０１３１】
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
【図１】
2016170951.tif 000010
【図２】
2016170951.tif 000011
【図３】
2016170951.tif 000012
【図４】
2016170951.tif 000013
【図５】
2016170951.tif 000014
【図６】
2016170951.tif 000015
【図７】
2016170951.tif 000016
【国際調査報告】
2016170951.tif 000017
2016170951.tif 000018
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