(57)【要約】【課題】  ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化とを両立し、かつ吐出先基板での液滴飛散を抑制して鮮明な微細パターンを形成できるようにする。【解決手段】  静電吸引型流体吐出装置は、ノズル１１と絶縁性基板１６との間に電源１４から駆動電圧を印加して、ノズル１１内に供給された吐出流体１５に電荷を供給し、この吐出流体１５をノズル孔から絶縁性基板１６に吐出させる。ノズル１１の孔径はφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、電源１４は、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧であり、両極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に任意に変更し出力する。【選択図】  図２
2006088130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加により帯電された流体をノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることにより、ノズルに対向配置された吐出先基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、
上記ノズルの吐出孔の孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍとすると共に、
上記電圧印加として正負両極性に交互に反転する両極性電圧を印加し、かつ上記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に変更することを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。
【請求項２】
前記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積として、正極性印加時の絶対値が負極性印加時の絶対値以上となるように上記両極性電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項３】
前記両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更することを特徴とする請求項１又は２記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項４】
前記両極性電圧に、バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項５】
前記両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更すると共に、
上記両極性電圧に、バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項６】
前記両極性電圧の単位周期毎に、各極性電圧の印加時間及びバイアス電圧を変更することを特徴とする請求項１又は２記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項７】
前記両極性電圧としてパルス電圧を用いることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項８】
前記吐出先基板の電荷蓄積量を測定し、その測定結果に基づいて、前記両極性電圧の印加時間及び印加電圧値を決定することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項９】
電圧印加により帯電された流体をノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることにより、ノズルに対向配置された吐出先基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの吐出孔の孔径が０．０１μｍ〜２５μｍであると共に、
上記電圧印加として正負両極性に交互に反転する両極性電圧を印加し、かつ上記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に変更する駆動電圧印加手段を備えていることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項１０】
前記吐出先基板の電荷蓄積量を測定する表面電位測定手段を備えていることを特徴とする請求項９記載の静電吸引型流体吐出装置。
【請求項１１】
前記表面電位測定手段と前記ノズルとの相対距離を保持する保持部材を備え、
上記保持部材は、表面電位測定手段と上記ノズルとの距離を保ってその絶対位置関係を変動する回転機構に取り付けられている一方、
前記駆動電圧印加手段は、前記表面電位測定手段による吐出先基板の電荷蓄積量を測定結果に基づいて、電圧印加時間及び印加電圧値を変調させる駆動電圧変調手段を備えることを特徴とする請求項１０記載の静電吸引型流体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク等の流体を帯電させ、その流体をノズルから吐出先基板等の対象物上に吐出する静電吸引型流体吐出方法及び静電吸引型流体吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インク等の流体を対象物（記録媒体）上に吐出する流体ジェット方式には、一般的なものとして、インクジェットプリンタとして実用化されているピエゾやサーマル等の方式がある。また、その他の方式として、吐出する流体に電界を印加してノズルから吐出させる静電吸引方式がある。
【０００３】
このような静電吸引方式の流体吐出装置（以下、「静電吸引型流体吐出装置」と称する）としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示がある。また、特許文献３には、ノズル孔をスリット状とすると共に、ノズル孔に突出した針電極を設け、該針電極を用いて微粒子を含むインク吐出する装置が開示されている。さらに、特許文献４には、ノズル孔よりも内部のインク室に電圧印加用の電極を設けた装置が開示されている。
【０００４】
ここで、従来の静電吸引型流体吐出装置における流体吐出モデルを説明する。
【０００５】
静電吸引型流体吐出装置とりわけオンデマンド型の静電吸引型流体吐出装置の設計要因としては、インク液体の導電性（例えば比抵抗１０6〜１０11Ωｃｍ）、表面張力（例えば０．０２０〜０．０４０Ｎ／ｍ）、粘度（例えば０．０１１〜０．０１５Ｐａ・ｓ）、印加電圧（電場）がある。そして、ノズルに印加する印加電圧、及びノズルと対向電極との間の距離が特に重要とされていた。
【０００６】
静電吸引型流体吐出装置においては、電気流体的な不安定性を利用しており、図２２（ａ）に示すように、一様電界の中に導電性流体を静置すると、導電性流体の表面に作用する静電力が表面を不安定にし、曳き糸の成長を促す（静電曳き糸現象）。この場合において、ノズル１００と、このノズル１００先端のノズル孔１００ａと距離ｈを隔てて対向する対向電極１０１との間に電圧Ｖを印加したときに発生する電場を電場Ｅ0とする。
【０００７】
このときの成長波長λCは、物理的に導くことが可能であり（例えば、非特許文献１）、次式で表される。
【０００８】
【数１】
2006088130.tif 000003
【０００９】
ここで、γ：表面張力（Ｎ／ｍ）、ε0：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｅ0：電界の強さ（Ｖ／ｍ）である。図２２（ｂ）に示すように、ノズル径ｄ（ｍ）が成長波長λCの半分よりも小さい場合には成長は起こらない。すなわち、
【００１０】
【数２】
2006088130.tif 000004
【００１１】
が、吐出のための条件となっていた。
【００１２】
ここで、電場Ｅ0は平行平板を仮定した場合の電界強度（Ｖ／ｍ）であり、ノズル−対向電極間距離をｈ（ｍ）、ノズル１００に印加する電圧をＶ0として、
【００１３】
【数３】
2006088130.tif 000005
【００１４】
したがって、
【００１５】
【数４】
2006088130.tif 000006
【００１６】
となる。
【特許文献１】特公昭３６−１３７６８号公報（公告日昭和３６年８月１８日）
【特許文献２】特開２００１−８８３０６号公報（公開日平成１３年４月３日）
【特許文献３】特開２０００−１２７４１０号公報（公開日平成１２年５月９日）
【特許文献４】特開平８−２３８７７４号公報（公開日平成８年９月１７日）
【非特許文献１】画像電子情報学会，第１７巻，第４号，１９８８年，p.185-193
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、流体吐出装置では、一般的に、より微細なドット形成やライン形成を可能とするために、インクを吐出するノズルの径を小さくしたいといった要望がある。
【００１８】
しかしながら、現在実用化されているピエゾ方式やサーマル方式等の流体吐出装置では、ノズル径を小さくして、例えば１ｐｌを下回るような微小量の流体の吐出は困難である。これは、流体を吐出するノズルが微細になるほど吐出に必要な圧力が大きくなるためである。
【００１９】
また、上述のような流体吐出装置では、液滴の微細化と高精度化とは相反する課題であり、両方を同時に実現するのは困難であった。これは以下の理由による。
【００２０】
ノズルから吐出された液滴に付与される運動エネルギーは、液滴半径の３乗に比例する。このため、ノズルを微細化した場合に吐出される微細液滴は、吐出時の空気抵抗に耐えるほどの十分な運動エネルギーを確保できず、空気滞留等による撹乱を受け、正確な着弾を期待できない。さらに、液滴が微細になるほど、表面張力の効果が増すため、液滴の蒸気圧が高くなり蒸発量が激しくなる。このため、微細液滴は飛翔中に著しい質量の消失を招き、着弾時に液滴の形態を保つことすら難しいという問題があった。
【００２１】
さらに、上述した従来の静電吸引型流体吐出装置における流体吐出モデルに基づくと、上記（２）式より、ノズル径の減少は吐出に必要な電界強度の増加を要請することとなる。そして、電界強度は、上記（３）式に示すように、ノズルに印加する電圧（駆動電圧）Ｖ0とノズル−対向電極間距離ｈとによって決まるため、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇を招来する。
【００２２】
ここで、従来の静電吸引型流体吐出装置における駆動電圧は、１０００Ｖ以上と非常に高いため、各ノズル間でのリークや干渉化を考慮すると小型化及び高密度化は難しく、ノズル径をさらに小さくすると上記問題がより大きなものとなる。また、１０００Ｖを越えるような高電圧のパワー半導体は一般的に高価で周波数応答性も低い。
【００２３】
なお、上記特許文献１で開示されているノズル径は０．１２７ｍｍであり、特許文献２で開示されているノズル径の範囲は５０μｍ〜２０００μｍ、より好ましくは１００μｍ〜１０００μｍといった範囲である。
【００２４】
ノズル径に関して、従来の静電吸引型流体吐出における典型的な動作条件を当てはめて計算してみると、表面張力０．０２０Ｎ／ｍ、電界強度１０7Ｖ／ｍとして、上記（１）式に代入して計算すると、成長波長λCは約１４０μｍとなる。すなわち、限界ノズル径として７０μｍという値が得られる。このことから、上記条件下では１０7Ｖ／ｍの強電界を用いてもノズル径が直径７０μｍ程度以下の場合は背圧を印加して強制的にメニスカス形成させる等の処置をとらない限り、インクの成長は起こらず、静電吸引型流体吐出は成立しないと考えられる。この結果、微細ノズルと駆動電圧の低電圧化は両立しない課題と考えられていた。
【００２５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ノズルの微細化と高精度化という相反する課題の両方を同時に実現し得る静電吸引型流体吐出方法及び静電吸引型流体吐出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
以上のように、従来の流体吐出装置では、ノズルの微細化と高精度化とは相反する課題であり、両方を同時に実現することは困難であった。特に、静電吸引型流体吐出装置では、ノズルの微細化と駆動電圧の低電圧化とは両立しない課題と考えられていた。
【００２７】
しかしながら、本願発明者らは、ノズル孔の直径（ノズル径）をφ０．０１μｍ〜２５μｍの範囲とすることにより、従来のインク吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こり、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化との両立が可能であることを突き止め、既に出願した。この吐出モデルを本発明の前提技術と呼ぶ。
【００２８】
上記の前提技術によれば、ノズルからの吐出流体となる液体の吐出量は、ノズルと吐出先基板との間の電位差やノズルと吐出先基板との間の距離、すなわちギャップによって制御することができる。基本的には、電位差が大きいほど、またギャップが小さいほど、ノズル先端の電界強度を大きくすることができるので、その吐出量を制御することが容易となる。
【００２９】
しかしながら、上記のような静電吸引型流体吐出方法には、次のような問題点がある。
【００３０】
すなわち、絶縁性の吐出先基板に対して液体の吐出を行った場合、ＤＣバイアスや片側極性のパルス電圧等、＋又は−の片側極性のバイアスを駆動電圧としてノズルに印加した場合、吐出流体体中の電荷や、駆動電極に駆動電圧が印加されることにより生じるノズル先端部からの気中放電によって吐出先基板に電荷が蓄積し、その表面電位が上昇する。そして、この表面電位上昇の影響により、吐出駆動力となるノズル内部の駆動電極と吐出先基板との間の電位差が不安定となり吐出不良が発生する。
【００３１】
この結果、片側極性のバイアスを使用して安定吐出を行うためには、上記電位差を確保するために、ノズルの駆動電極にさらに高いバイアスを与える必要があり、ノズルの低電圧駆動が困難となる。具体的には、ＤＣバイアスによる吐出最低電圧は、図１２に示すように、吐出先基板として表面抵抗値が１０15Ω／ｓｑのポリイミドを使用した場合の方が、吐出先基板として表面抵抗値が１０10Ω／ｓｑのガラス基板又は導電体のＳＵＳ基板を使用した場合よりも高くなり、前者の方が吐出特性において劣っている。
【００３２】
そこで、このような吐出最低電圧の上昇を抑制するために、ノズルの駆動電圧として両極性電圧を使用するのが好ましい。この場合には、図１３に示すように、ＤＣバイアスを使用する場合と比較して、両極性パルス電圧を印加した場合では、吐出最低電圧が低下することがわかる。これは、吐出先基板への着弾液滴の帯電電荷が正負交互となり、吐出先基板上へは順次逆極性の電荷が滴下されるため、吐出先基板でのチャージアップを抑制しながら吐出が行われることによる。このように、ノズルの駆動電圧として両極性電圧を使用することは、ノズルからの吐出安定性を高める上で有効である。
【００３３】
ところが、ノズルの駆動電圧として両極性電圧を使用した場合であっても、図１４に示すように、吐出先基板への描画パターン形成時に、描画パターンの周辺に微小な液滴の飛散が発生し、描画パターンが乱れる事態を招来する。これは、次の理由による。
【００３４】
駆動電圧として正極性電圧を印加した場合と負極性電圧を印加した場合とにおいて、吐出流体の物性値により帯電状態が、ノズル形状やノズル材質によりノズル先端からの放電状態が異なる。その結果、振幅、パルス幅が正負で同じ両極性パルス電圧印加状態であっても、片極性側に吐出先基板がチャージアップする。
【００３５】
そこで、本発明の静電吸引型流体吐出装置では、ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用する構成において、吐出先基板上における吐出流体の飛散を抑制して、描画像の乱れの少ない鮮明な微細パターンを形成できるようにする。
【００３６】
すなわち、本発明の目的は、両極性パルス電圧を同振幅、同時間印加しても、放電状態の差により吐出先基板が片極性に帯電してしまい、吐出先基板の表面電位が上昇するため、ノズル−基板間の電位差が不安定になり、吐出不良が生じるのを防止することにより、ノズルの微細化及び微小流体の吐出、並びに着弾位置の高精度化、さらに、駆動電圧の低電圧化の全てを実現し得る静電吸引型流体吐出装置を提供することにある。
【００３７】
本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体をノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることにより、ノズルに対向配置された吐出先基板に着弾させる静電吸引型流体吐出方法において、上記ノズルの吐出孔の孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍとすると共に、上記電圧印加として正負両極性に交互に反転する両極性電圧を印加し、かつ上記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に変更することを特徴としている。
【００３８】
上記の発明によれば、ノズルの孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍとしているので、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００３９】
また、本発明では、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に任意に変更できる。このため、両極性パルス電圧を同振幅、同時間印加したときに、放電状態の差により吐出先基板が片極性に帯電してしまうことを防止することができる。
【００４０】
この結果、正電圧印加時と負電圧印加時とにおける吐出先基板の帯電量の差に起因した、吐出先基板の表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００４１】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積として、正極性印加時の絶対値が負極性印加時の絶対値以上となるように上記両極性電圧を印加することを特徴としている。
【００４２】
すなわち、両極性パルス電圧を同振幅、同時間印加したときに、放電状態の差により吐出先基板が負極性に帯電することが多い。そこで、本発明では、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を正極の場合の方が負極の場合以上となるように設定する。これにより、吐出先基板の表面電位が略０Ｖに除電されるようにして、吐出先基板が負極性に帯電するのを防止することができる。
【００４３】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更することを特徴としている。
【００４４】
上記の発明によれば、駆動電圧として、両極性電圧の印加時間と印加電圧値との積にて吐出先基板の帯電量が決定されるが、そのときに、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更する。したがって、正電圧印加時と負電圧印加時との吐出先基板の帯電量の差を考慮し、吐出先基板の表面電位が略０Ｖに除電されるように、印加時間を決定することができる。これにより、正電圧印加時と負電圧印加時とにおける吐出先基板の帯電量の差に起因した、吐出先基板の表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００４５】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記両極性電圧に、バイアス電圧を印加することを特徴としている。
【００４６】
上記の発明によれば、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧にバイアス電圧を印加するので、正電圧印加時と負電圧印加時との吐出先基板の帯電量の差を考慮し、吐出先基板の表面電位が略０Ｖに除電されるようにバイアス電圧値を決定することができる。これにより、正電圧印加時と負電圧印加時とにおける吐出先基板の帯電量の差に起因した、吐出先基板の表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００４７】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更すると共に、上記両極性電圧に、バイアス電圧を印加することを特徴としている。
【００４８】
上記の発明によれば、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更すると共に、両極性電圧にバイアス電圧を印加する。このため、正電圧印加時と負電圧印加時との吐出先基板の帯電量の差を考慮し、吐出先基板の表面電位が略０Ｖに除電されるように電圧印加時間、バイアス電圧値を決定することができる。これにより、より効果的に吐出先基板の帯電を解消させ、正電圧印加時と負電圧印加時とにおける吐出先基板の帯電量の差に起因した、吐出先基板の表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。さらには、負極正側の印加電圧値を低電圧化することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００４９】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記両極性電圧の単位周期毎に、各極性電圧の印加時間及びバイアス電圧を変更することを特徴としている。
【００５０】
上記の発明によれば、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧の単位周期当りの印加時間を極性毎に変更すると共に、両極性電圧にバイアス電圧を印加し、単位周期毎に電圧印加時間、バイアス電圧値を調整することができる。このため、吐出先基板の初期帯電による、吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。さらには、負極正側の印加電圧値を低電圧化することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００５１】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記両極性電圧としてパルス電圧を用いることを特徴としている。
【００５２】
上記の発明によれば、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性パルス電圧を使用するので、正電圧印加時と負電圧印加時との吐出先基板の帯電量の差を考慮した電圧印加条件を簡便に設定することができる上、メニスカスから液滴が吐出されると同時にパルスの極性が入れ替わるように設定することができる。これにより、吐出先基板の表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇をより効果的に抑制できると共に、高速吐出性を向上させることができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００５３】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、上記記載の静電吸引型流体吐出方法において、前記吐出先基板の電荷蓄積量を測定し、その測定結果に基づいて、前記両極性電圧の印加時間及び印加電圧値を決定することを特徴としている。
【００５４】
また、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体をノズルの吐出孔から静電吸引によって吐出させることにより、ノズルに対向配置された吐出先基板に着弾させる静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの吐出孔の孔径が０．０１μｍ〜２５μｍであると共に、上記電圧印加として正負両極性に交互に反転する両極性電圧を印加し、かつ上記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に変更する駆動電圧印加手段を備えていることを特徴としている。
【００５５】
また、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、上記記載の静電吸引型流体吐出装置において、前記吐出先基板の電荷蓄積量を測定する表面電位測定手段を備えていることを特徴としている。
【００５６】
上記の発明によれば、吐出先基板の電荷蓄積量を測定する表面電位測定手段を備えているので、吐出先基板の初期帯電の様子を測定でき、吐出先基板の移動に伴う初期帯電分布の変化を抑制することができる。また、初期帯電の影響を考慮した電圧印加条件の設定精度を向上させることができるので、吐出先基板の初期帯電の影響を受けた表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【００５７】
また、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、上記記載の静電吸引型流体吐出装置において、  前記表面電位測定手段と前記ノズルとの相対距離を保持する保持部材を備え、
上記保持部材は、表面電位測定手段と上記ノズルとの距離を保ってその絶対位置関係を変動する回転機構に取り付けられている一方、
前記駆動電圧印加手段は、前記表面電位測定手段による吐出先基板の電荷蓄積量を測定結果に基づいて、電圧印加時間及び印加電圧値を変調させる駆動電圧変調手段を備えることを特徴としている。
【００５８】
上記の発明によれば、吐出先基板の電荷蓄積量を測定する表面電位測定手段と、その結果をフィードバックさせ、駆動電圧の電圧印加時間及び印加電圧値を変調させる駆動電圧変調手段と、表面電位測定手段及びノズルを保持する保持部材と、表面電位測定手段とノズルとの絶対位置が変動できる回転機構とを備え、表面電位測定手段が移動方向に対し常にノズルの前方に配置されている。このため、吐出先基板の局所帯電が生じている箇所において、表面電位測定手段により測定される吐出先基板の電荷蓄積量の変化を読み取り、駆動電圧変調手段にフィードバックし、両極性電圧の電圧印加時間及び印加バイアス電圧値のうち少なくともいずれか一つを調整し、一周期電圧を印加した際、吐出先基板の吐出箇所近傍の表面電位が略０Ｖになるような駆動電圧を変調し、出力することができる。これにより、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大と駆動電圧の上昇とを抑制し、さらには、吐出前に絶縁体からなる吐出先基板の除電を行う除電用装置を不要とする。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる上、装置構成の自由度を高めることができる。
【発明の効果】
【００５９】
本発明の静電吸引型流体吐出方法は、以上のように、ノズルの吐出孔の孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍとすると共に、上記電圧印加として正負両極性に交互に反転する両極性電圧を印加し、かつ上記両極性電圧における各極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に変更する方法である。
【００６０】
また、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、ノズルの吐出孔の孔径が０．０１μｍ〜２５μｍであると共に、上記吐出先基板の電荷蓄積量を測定する表面電位測定手段を備えているものである。
【００６１】
それゆえ、ノズルの孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍとしているので、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００６２】
また、駆動電圧として、正負両極性に反転する両極性電圧を使用し、両極性電圧の印加時間と印加電圧値との積を極性毎に任意に変更できるので、正電圧印加時と負電圧印加時との吐出先基板の帯電量の差に起因した、吐出先基板の表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができるという効果を奏する。
【００６３】
さらに、吐出先基板の電荷蓄積量を測定する表面電位測定手段を備えることによって、吐出先基板の初期帯電の様子を測定でき、吐出先基板の移動に伴う初期帯電分布の変化を抑制することができると共に、初期帯電の影響を考慮した電圧印加条件の設定精度を向上させることができる。この結果、吐出先基板の初期帯電の影響を受けた表面電位の上昇による吐出量変動、吐出不良、吐出先基板での液滴の飛散領域の拡大、及び駆動電圧の上昇を抑制することができる。したがって、吐出先基板に対する微細パターンの形成を、ノズルの低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
〔前提技術〕
先ず、本発明の前提技術について、図面を参照して以下に説明する。
【００６５】
本発明の前提技術における静電吸引型流体吐出装置は、そのノズル径をφ０．０１μｍ〜２５μｍとしており、かつ、１０００Ｖ以下の駆動電圧にて吐出流体の吐出制御を可能としている。
【００６６】
ここで、従来のインク吐出モデルにおいては、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇に繋がるため、５０μｍ〜７０μｍ以下のノズル径では、吐出インクに背圧を与える等の他の工夫を行わない限り、１０００Ｖ以下の駆動電圧でのインク吐出は不可能と考えられていた。しかしながら、本願発明者らは、あるノズル径以下では、従来のインク吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こることを突き止めた。本前提技術は、このインク吐出モデルにおける新たな知見に基づいている。
【００６７】
先ずは、本願の前提技術において究明されたインク吐出モデルについて説明する。
【００６８】
図１６に示すように、直径ｄ（以下の説明においては、特に断らない限りノズル孔の内径を示す。）のノズルに導電性インクを注入し、そのノズルを無限平板導体からノズル先端までがｈの高さになるように垂直に位置させたと仮定する。このとき、ノズル先端（ノズル孔：流体吐出孔）に誘起される電荷Ｑは、ノズル先端の吐出流体によって形成される半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
【００６９】
【数５】
2006088130.tif 000007
【００７０】
ここで、Ｑ：ノズル先端に誘起される電荷（Ｃ）、ε0：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、ｄ：ノズル径（直径）（ｍ）、Ｖ0：ノズルに印加する総電圧である。また、αは、ノズル形状等に依存する比例定数であり、１〜１．５程度の値を取るが、特にｄ＜＜ｈ（ｈ：ノズル（ノズル孔）−基板間距離（ｍ））の時は略１となる。
【００７１】
また、吐出先基板として導電基板を用いた場合、ノズルと対向して吐出先基板内の対称位置に、上記電荷Ｑとは反対の極性を持つ鏡像電荷Ｑ’が誘導されると考えられる。これを鏡像力とする。吐出先基板が絶縁体の場合は、誘電率によって定まる対称位置に、同様に、電荷Ｑとは逆極性の映像電荷Ｑ’が誘導される。
【００７２】
ノズル先端部における集中電界強度Ｅlocは、先端部の曲率半径をＲと仮定すると、
【００７３】
【数６】
2006088130.tif 000008
【００７４】
で与えられる。ここで、ｋは、ノズル形状等に依存する比例定数であり、１．５〜８．５程度の値を取るが、多くの場合、５程度と考えられる（P.J. Birｄseye anｄ D.A. Smith, Surface Science, 23(1970), p.198-210）。また、ここでは、インク吐出モデルを簡単にするため、Ｒ＝ｄ／２と仮定する。これは、ノズル先端部において表面張力によって導電性インクがノズル径ｄと同じ曲率径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
【００７５】
次に、ノズル先端の吐出流体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力Ｐeは、ノズル先端部の液面積、すなわちノズル先端孔の開口面積をＳとすると、
【００７６】
【数７】
2006088130.tif 000009
【００７７】
となる。（５）〜（７）式より、圧力Ｐeは、α＝１とおいて、
【００７８】
【数８】
2006088130.tif 000010
【００７９】
と表される。
【００８０】
一方、ノズル先端部における吐出流体の表面張力による圧力Ｐsとすると、
【００８１】
【数９】
2006088130.tif 000011
【００８２】
となる。ここで、γ：表面張力である。静電的な力により吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回ることなので、静電的な圧力Ｐeと表面張力による圧力Ｐsとの関係は、
【００８３】
【数１０】
2006088130.tif 000012
【００８４】
となる。
【００８５】
図１７に、或る直径ｄのノズルを与えた時の、表面張力による圧力Ｐsと静電的な圧力Ｐeとの関係を示す。吐出流体の表面張力としては、吐出流体が水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）の場合を仮定している。ノズルに印加する電圧を７００Ｖとした場合、ノズル直径ｄが２５μｍにおいて静電的な圧力Ｐeが表面張力による圧力Ｐsを上回ることが示唆される。このことより、電圧Ｖ0とノズル直径ｄとの関係を求めると、
【００８６】
【数１１】
2006088130.tif 000013
【００８７】
が吐出の最低電圧を与える。
【００８８】
また、その時の吐出圧力ΔＰは、
【００８９】
【数１２】
2006088130.tif 000014
【００９０】
より、
【００９１】
【数１３】
2006088130.tif 000015
【００９２】
となる。
【００９３】
あるノズル直径ｄのノズルに対し、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合の吐出圧力ΔＰの依存性を図１８に示すと共に、吐出臨界電圧（すなわち吐出の生じる最低電圧）ＶCの依存性を図１９に示す。
【００９４】
図１９から、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合（Ｖ0＝７００Ｖ，γ＝７２ｍＮ／ｍと仮定した場合）のノズル径の上限が２５μｍであることが分かる。
【００９５】
図２０の計算では、吐出流体として水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）及び有機溶剤（γ＝２０ｍＮ／ｍ）を想定し、ｋ＝５の条件を仮定した。この図より、微細ノズルによる電界の集中効果を考慮すると、吐出臨界電圧ＶCはノズル径の減少に伴い低下することが明らかであり、吐出流体が水の場合においてノズル径が２５μｍの場合、吐出臨界電圧Ｖcは７００Ｖ程度であることが分かる。
【００９６】
従来の吐出モデルにおける電界の考え方、すなわちノズルに印加する電圧Ｖ0とノズル−対向電極間距離ｈとによって定義される電界のみを考慮した場合では、ノズル径が微小になるに従い、吐出に必要な駆動電圧は増加する。
【００９７】
これに対し、本前提技術において提案する新たな吐出モデルのように、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化及びノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にする。
【００９８】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、従来の吐出モデルでは、ノズル−吐出先基板間に電界を印加するため、絶縁体の吐出先基板に対してはノズルと反対側に対向電極を配置するか、又は吐出先基板を導電性とする必要があった。そして、対向電極を配置する場合、すなわち吐出先基板が絶縁体の場合では、使用できる基板の厚さに限界があった。
【００９９】
これに対し、本前提技術の吐出モデルでは、対向電極を要さずに絶縁性の吐出先基板等に対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増す。また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。なお、ノズルから吐出される液体は帯電しているので、この液体と吐出先基板との間には鏡像力が働く。この鏡像力の大きさと吐出先基板からのノズルの距離ｈとの相関を図２０に示す。
【０１００】
次に、上記吐出流量の精密制御について考えて見る。円筒状の流路における流量Ｑは、粘性流の場合、以下のハーゲン・ポアズイユの式によって表される。いま、円筒形のノズルを仮定し、このノズルを流れる流体の流量Ｑは、次式で表される。
【０１０１】
【数１４】
2006088130.tif 000016
【０１０２】
ここで、η：流体の粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：流路すなわちノズルの長さ（ｍ）、ｄ：流路すなわちノズルの径（ｍ）、△Ｐ：圧力差（Ｐａ）である。
【０１０３】
上式より、流量Ｑは、流路の半径の４乗に比例するため、流量を制限するためには、微細なノズルの採用が効果的である。この（１４）式に、（１３）式で求めた吐出圧力△Ｐを代入し、次式を得る。
【０１０４】
【数１５】
2006088130.tif 000017
【０１０５】
この式は、直径ｄ、長さＬのノズルに電圧Ｖを引加した際に、ノズルから流出する流体の流出量を表している。この様子を、図２１に示す。計算にはＬ＝１０ｍｍ、η＝１（ｍＰａ・ｓ）、γ＝７２（ｍＮ／ｍ）の値を用いた。いま、ノズル径ｄを先行技術の最小値５０μｍと仮定する。電圧Ｖを徐々に印加していくと、電圧Ｖ＝１０００Ｖで吐出が開始する。この電圧は、図１９でも述べた吐出開始電圧に相当する。そのときのノズルからの流量がＹ軸に示されている。吐出開始電圧Ｖc直上で流量は急速に立ち上がっている。このモデル計算上では、電圧をＶcよりも少し上で精密に制御することによって微小流量が得られそうに思えるが、片対数で示される図からも予想されるように、実際上それは不可能であり、特に１０-10ｍ3／ｓｅｃ以下、微小量の実現は困難である。また、ある径のノズルを採用した場合には、（１１）式で与えられたように、最小駆動電圧が決まってしまう。このため、先行技術のように、直径５０μｍ以上のノズルを用いる限り、１０-10ｍ3／ｓｅｃ以下の微小吐出量や、１０００Ｖ以下の駆動電圧にすることは困難である。
【０１０６】
図から分かるように、直径２５μｍのノズルの場合、７００Ｖ以下の駆動電圧で充分であり、直径１０μｍのノズルの場合、５００Ｖ以下でも制御可能である。また、直径１μｍのノズルの場合３００Ｖ以下でも良いことが分かる。
【０１０７】
以上の考察は、連続流を考えた場合であるが、ドットを形成するためには、スイッチングの必要性がある。次にそれに関して述べる。
【０１０８】
静電吸引による吐出は、ノズル端部における流体の帯電が基本である。帯電の速度は誘電緩和によって決まる時定数程度と考えられる。
【０１０９】
【数１６】
2006088130.tif 000018
【０１１０】
ここで、ε：流体の比誘電率、σ：流体の導電率（Ｓ／ｍ）である。流体の比誘電率を１０、導電率を１０-6Ｓ／ｍを仮定すると、τ＝１．８５４×１０-5ｓｅｃとなる。或いは、臨界周波数をｆCとすると、
【０１１１】
【数１７】
2006088130.tif 000019
【０１１２】
となる。この臨界周波数ｆCよりも早い周波数の電界の変化に対しては、応答できず吐出は不可能になると考えられる。上記の例について計算すると、周波数としては１０ｋＨｚ程度となる。
【０１１３】
次に、ノズル内における表面張力の低下について考える。電極の上に絶縁体を配置し、その上に滴下した液体と電極との間に電圧を印加すると、液体と絶縁体との接触面積が増す、すなわちぬれ性がよくなることが見出される。この現象は、エレクトロウェッティング（Electro‐wetting）現象と呼ばれている。この効果は、円筒形のキャピラリー形状においても成り立ち、エレクトロキャピラリー（Electro‐capillary）と呼ばれることもある。エレクトロウェッティング効果による圧力と、印加電圧、キャピラリーの形状、溶液の物性値との間に以下の関係がある。
【０１１４】
【数１８】
2006088130.tif 000020
【０１１５】
ここで、ε0：真空の誘電率、εr：絶縁体の誘電率、ｔ：絶縁体の厚さ、ｄ：キャピラリーの内径である。流体として、水を考えてこの値を計算してみると、上述の特許文献１の実施例の場合を計算してみると、高々３００００Ｐａ（０．３気圧）にすぎないが、本前提技術の場合、ノズルの外側に電極を設けることにより３０気圧相当の効果が得られることがわかった。これにより、微細ノズルを用いた場合でもノズル先端部への流体の供給は、この効果により速やかに行われる。この効果は、絶縁体の誘電率が高いほど、またその厚さが薄いほど顕著になる。エレクトロキャピラリー効果を得るためには、厳密には絶縁体を介して電極を設置する必要があるが、十分な絶縁体に十分な電場がかかる場合、同様の効果が得られる。
【０１１６】
以上の議論において、注意すべき点は、これらの近似理論は従来のように電界強度として、ノズルに印加する電圧Ｖ0と、ノズルと対向電極との間の距離ｈとで決まる電界ではなく、ノズル先端における局所的な集中電界強度に基づいている。また、本前提技術において重要なのは、局所的な強電界、及び流体を供給する流路が非常に小さなコンダクタンスを持つことである。そして、流体自身が微小面積において十分に帯電することである。帯電した微小流体は、基板等の誘電体又は導体を近づけると、鏡像力が働き吐出先基板に対し直角に飛翔する。このために、後述する実施の形態では、ノズルは作成の容易さからガラスキャピラリーを使っているが、これに限定されるものではない。
【０１１７】
〔実施の形態１〕
以下の実施の形態においては、超微細ノズルから静電力によって超微細液体を吐出させる場合におけるノズルの駆動条件について究明した結果について説明する。
【０１１８】
静電吸引型流体吐出装置においては、前述の前提技術にて説明したように、ノズル孔の直径（ノズル径）をφ０．０１μｍ〜２５μｍの範囲とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化との両立が可能である。
【０１１９】
また、ノズルからの吐出流体となる液体の吐出量は、ノズルと吐出先基板との間の電位差やノズルと吐出先基板との間の距離、すなわちギャップによって制御することができる。基本的には、電位差が大きいほど、またギャップが小さいほど、ノズル先端の電界強度を大きくすることができるため、その吐出量を制御することが容易となる。
【０１２０】
しかしながら、上記のような静電吸引型流体吐出方法には、次のような問題点がある。
【０１２１】
すなわち、絶縁性の吐出先基板に対して液体の吐出を行った場合、ＤＣバイアスや片側極性のパルス電圧等、＋又は−の片側極性のバイアスを駆動電圧としてノズルに印加した場合、吐出流体体中の電荷や、駆動電極から発生した電荷の気中放電によって吐出先基板が帯電し、その表面電位が上昇する。そして、この表面電位上昇の影響により、吐出駆動力となるノズル（ノズル内部の駆動電極）と吐出先基板との間の電位差が不安定となり吐出不良が発生する。
【０１２２】
この結果、片側極性のバイアスを使用して安定吐出を行うためには、上記電位差を確保するために、ノズルの駆動電極にさらに高いバイアスを与える必要があり、ノズルの低電圧駆動が困難となる。実際に、ＤＣバイアスによる吐出最低電圧は、図１２に示すように、吐出先基板として表面抵抗値が１０15Ω／ｓｑのポリイミドを使用した場合の方が、吐出先基板として表面抵抗値が１０10Ω／ｓｑのガラス基板又は導電体のＳＵＳ基板を使用した場合よりも高くなり、前者の方が吐出特性において劣っている。
【０１２３】
そこで、このような吐出最低電圧の上昇を抑制するために、ノズルの駆動電圧として両極性電圧を使用するのが好ましい。図１３のように両極性電圧を用いた場合、ＤＣバイアスを使用する場合と比較して、吐出最低電圧が低下することがわかる。これは、吐出先基板への着弾液滴の帯電電荷が正負交互となり、吐出先基板上へは順次逆極性の電荷が滴下されるため、吐出先基板での帯電を抑制しながら吐出が行われることによる。このように、ノズルの駆動電圧として両極性電圧を使用することは、ノズルからの吐出安定性を高める上で有効である。なお、ここでは両極性電圧として両極性パルス電圧を使用しているが、これに限るものではなく、例えば正弦波電圧でも同様の効果を得られる。
【０１２４】
ところが、ノズルの駆動電圧として両極性電圧を使用した場合であっても、図１４に示すように、吐出先基板への描画パターン形成時に、描画パターンの周辺に微小な液滴の飛散が発生し、描画パターンが乱れる事態を招来する。
【０１２５】
これについて、以下に説明する。図８（ａ）には電荷蓄積量測定装置の概略構成図を、  図９、図１０には各種絶縁性基板の表面電位の減衰挙動を示している。図１０は図９のガラス基板の単位時間当たりの表面電位減衰量を１／２００にしたものである。
【０１２６】
図８（ａ）に示す電荷蓄積量測定装置では、ノズル１１とステージ１２とが対向配置されている。すなわち、ノズル１１は先端部が下方を向くように配置され、ノズル１１の下方にステージ１２が水平に設けられている。ステージ１２は図示しない駆動装置に駆動されて任意の方向へ移動可能となっている。
【０１２７】
ノズル１１内には駆動電極１３が設けられ、この駆動電極１３には電源（駆動電圧印加手段）１４が接続されている。また、ノズル１１内には液体からなる吐出流体１５の乾燥・固化物が充填されており、ノズルが放電破損しない範囲での電圧印加状態では吐出流体１５がノズル１１から吐出されない状態となっている。
【０１２８】
ステージ１２上には吐出流体１５の吐出先である吐出先基板としての絶縁性基板１６が固定される。ステージ１２は接地されており、したがって、絶縁性基板１６はステージ１２を通じて接地される。さらには、ステージ１２の上方に基板の表面電位測定装置１７のプローブ１８が配置されている。
【０１２９】
本比較例においては、ノズル１１としてガラスキャピラリー（先端径２μｍ）を、吐出流体１５として銀ペーストを、絶縁性基板１６としてガラス（５２ｍｍ×５２ｍｍ,厚さ７ｍｍ）上にポリイミドを塗布・焼成したもの（ポリイミドコート基板）を、表面電位測定装置１７として表面電位計（商品名：ＭＯＤＥＬ３４４,ＴＲＥＫ社製）を使用した。
【０１３０】
次に、電荷蓄積量の測定方法について説明する。表面電位計と基板とのギャップを測定し、表面電位計の測定領域を算出する。上記のギャップ測定手段としては、レーザを利用した変位計或いはレーザを利用したギャップ測長計が利用される。表面電位計、及びノズルは図示しない保持部材により、その相対距離が変動しないように固定される。
【０１３１】
次に、図８（ｂ）に示すように、ステージを図示しない移動手段により動作させ、絶縁体基板上で表面電位が０Ｖとなる位置を探し、表面電位測定領域１９を決定する。その後、図８（ｃ）に示すように、ノズルに電圧を印加し、表面電位測定領域１９全域がノズル１１先端直下を通過するようにステージ１２を移動させる。その後、図８（ｄ）に示すように、表面電位測定領域１９が電圧印加前の位置に戻るようにステージ１２を移動させ、表面電位を測定する。
【０１３２】
なお、本比較例にて説明した電荷蓄積量の測定方法については、電圧印加から表面電位測定までに時間がかかるため、測定までの時間における表面電位の減衰が危惧されるが、図９に示すように、本比較例で使用したポリイミドコート基板においては約１時間以上表面電位の減衰がほとんどないことから、本比較例の測定方法は効果的である。
【０１３３】
一方、ガラス基板のように、電荷付与後数分以内に表面電位が０Ｖになる基板も存在する。これは表面抵抗値の差に起因する。本実施例の条件では、ガラス基板の表面抵抗値に比べポリイミドコート基板との表面抵抗値が約２００倍高く、そのために表面電位の減衰が遅い。これは、図１０に示すように、ガラス基板の単位時間当たりの表面電位減衰量を１／２００にすると減衰挙動がポリイミドコート基板と非常によくあっていることからもわかる。このことから、他の絶縁性基板を用いた場合においても、表面抵抗値を測定し、補正を行うことにより、表面電位減衰前の初期付与電位を見積もることができる。
【０１３４】
図１１は駆動電極に印加する印加電圧と電荷蓄積量（表面電位）の関係を示している。
【０１３５】
本比較例では、印加電圧はＤＣのバイアス電圧を用いている。図１１から、正電圧印加時における電荷蓄積量と負電圧印加時における電荷蓄積量が異なることがわかる。このことから、例えば駆動電極に正負同振幅の両極性パルスをＤｕｔｙ比５０で印加し、本比較例で使用した絶縁性基板に吐出流体を吐出させた場合、絶縁性基板表面が負に帯電、表面電位が上昇し、結果としてＤＣバイアスを印加した場合と同様に、吐出駆動力となるノズル（ノズル内部の駆動電極）と吐出先基板との間の電位差が不安定となり吐出不良が発生する。
【０１３６】
さらには、図１５（ａ）に示すように、ノズルの駆動電圧として周波数の低いパルス電圧を使用し、このパルス電圧の正極性パルスにてノズルからの吐出が行われる構成の場合、吐出先基板である絶縁性基板１６上には正電荷を有する液体が連続的に吐出される。このとき、図１５（ｂ）に示すように、先に滴下されている液体上に後から液体が滴下されると、両液体は同極性に帯電しているために絶縁性基板１６上において反発し合い、例えば後から滴下された液体がさらに微細な液滴となって絶縁性基板１６上に飛び散ることになる。
【０１３７】
上記のような微細液滴の飛散は、例えば、吐出流体を導電性材料として絶縁性基板１６上に配線パターンを描画した場合に、基板の電気特性に悪影響を及ぼすことになる。
【０１３８】
そこで、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、さらに、ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用する構成において、吐出先基板上における吐出流体の飛散を抑制して、描画像の乱れの少ない鮮明な微細パターンを形成できるようにする。
【０１３９】
以下、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置について詳細に説明する。
【０１４０】
本実施の形態における静電吸引型流体吐出装置では、図２に示すように、液滴吐出ヘッドとなるノズル１１とステージ１２とが対向配置されている。すなわち、ノズル１１は先端部が下方を向くように配置され、ノズル１１の下方にステージ１２が水平に設けられている。ノズル１１は、図示しない駆動装置に駆動されて任意の方向へ移動可能となっている。例えば、ノズル１１は、このノズル１１を独立して移動させるための３次元ロボットに備え付けられている。なお、ノズル１１とステージ１２とは相対移動すればよく、したがって、ステージ１２が駆動装置に駆動されて移動するものであってもよい。
【０１４１】
上記ノズル１１内には駆動電極１３が設けられ、この駆動電極１３には駆動電圧印加手段としての電源１４が接続されている。また、ノズル１１内には液体からなる流体としての吐出流体１５が充填され、ステージ１２上には吐出流体１５の吐出先である絶縁性基板１６が固定されている。上記ステージ１２は接地されている。この結果、絶縁性基板１６はステージ１２を通じて接地されている。絶縁性基板１６にはノズル１１から吐出された吐出流体１５により、例えば微細な配線パターンが形成される。
【０１４２】
ノズル１１は、超微細液体を吐出可能とするために、低コンダクタンスの流路がノズル１１の近傍に設けられているか、又はノズル１１自身が低コンダクタンスのものとなっている。このために、ノズル１１は、ガラス製キャピラリーが好適であるが、導電性物質で作製したキャピラリーの表面を絶縁材でコーティングしたものでも可能である。ノズル１１をガラス製とする理由は、容易に数μｍ程度のノズル孔を形成できること、ノズル孔の閉塞時にはノズル端を破砕することにより新しいノズル端を再生できること、ガラスノズルの場合、テーパー角がついているために、不要な溶液が表面張力によって上方へと移動し、ノズル端に滞留せず、ノズル詰まりの原因にならないこと、及びノズル１１が適度な柔軟性を持つため、可動ノズルの形成が容易であること等による。
【０１４３】
具体的には、芯入りガラス管（例えば、商品名：株式会社ナリシゲ製ＧＤ−１）を用い、キャピラリープラーにより作成することができる。芯入りガラス管を用いた場合には次のような利点がある。
（１）芯側ガラスがインクに対し濡れやすいために、インクの充填が容易になる。
（２）芯側ガラスが親水性で、外側ガラスが疎水的であるためにノズル端部において、インクの存在領域が芯側のガラスの内径程度に限られ、電界の集中効果がより顕著となる。（３）微細ノズル化が可能となる。
（４）十分な機械的強度が得られる。
【０１４４】
ノズル径の下限値は、制作上の都合から０．０１μｍが好ましく、また、ノズル径の上限値は、図１８に示すように、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合のノズル径の上限が２５μｍであることから、２５μｍが好ましく、１５μｍがより好ましい。特に、局所的な電界集中効果をより効果的に利用するには、ノズル径は０．０１μｍ〜８μｍの範囲が望ましい。本実施の形態において、ノズル径はφ０．１μｍ〜φ２０μｍの範囲に設定している。
【０１４５】
また、ノズル１１は、キャピラリーチューブに限らず、微細加工により形成される２次元パターンノズルでもかまわない。ノズル１１を成形性の良いガラスとした場合、ノズル１１を電極として利用することはできないから、ノズル１１内には、例えばタングステン線等の金属線を駆動電極１３として挿入する。なお、ノズル１１内にメッキにて駆動電極１３を形成しても良い。また、ノズル１１自体を導電性物質で形成した場合には、その表面に絶縁材をコーティングする。
【０１４６】
また、駆動電極１３は、ノズル１１内に充填された液体である吐出流体１５に浸されるように配置する。吐出流体１５は、図示しない供給源から供給される。
【０１４７】
電源１４の動作は、例えばコンピュータからなる駆動電圧変調手段としての制御装置２０により制御される。すなわち、制御装置２０からの吐出信号が電源１４に供給され、この吐出信号に応じて電源１４から電圧が駆動電極１３に印加される。ノズル１１内の吐出流体１５はこの電圧により帯電し、ノズル１１から吐出される。
【０１４８】
絶縁性基板１６としては、表面抵抗値が１０10Ω／ｓｑ以上のものであれば良く、ポリイミドやアクリル、ポリカーボネード等の高分子材料以外に、低湿度環境下のガラス等からなるものも上記範囲内に当てはまる。本実施例では、絶縁性基板１６としてガラス（５２ｍｍ×５２ｍｍ、厚さ７ｍｍ）上にポリイミドを塗布・焼成したもの（ポリイミドコート基板）を使用した。
【０１４９】
上記の構成において、まず、ノズル１１からの微細液体の吐出原理について説明する。
【０１５０】
この吐出原理は次のように考えられている。
【０１５１】
静電吸引型流体吐出装置では、電源１４から駆動電極１３に駆動電圧が印加されることにより、駆動電極１３から吐出流体１５に電荷が供給される。この電荷は、ノズル１１内部の吐出流体１５を通じて、ノズル１１の先端部に形成された、静電容量を有するメニスカス４０に移動する。そして、静電吸引型流体吐出装置４０の電荷量が所定量に達すると、ノズル１１から絶縁性基板１６への液体の吐出が行われる。
【０１５２】
次に、静電吸引型流体吐出装置におけるノズル１１から吐出流体１５を吐出して絶縁性基板１６に所望のパターンを形成する場合の動作について説明する。
【０１５３】
ノズル１１は、３次元ロボット等の駆動装置により、所望のパターニングデータに応じてＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元駆動される。この際、ノズル１１は、さらにノズル１１の先端と絶縁性基板１６との距離（ギャップ）が常に３０〜２００μｍの範囲内となるように、Ｚ軸方向の位置が制御される。上記のギャップ測定手段としては、レーザを利用した変位計又はレーザを利用したギャップ測長計が利用される。
【０１５４】
ノズル１１の上記移動に伴い、ノズル１１の駆動電極１３に対して電源１４から駆動電圧としての両極性電圧が印加される。これにより、ノズル１１内の吐出流体１５においてノズル１１の先端方向に向けて電荷の移動が始まる。そして、ノズル１１の先端部において吐出流体１５により形成されるメニスカス４０に電荷が蓄積されてその周辺部の電界強度が上昇する。その後、電界強度がノズル１１から吐出流体１５を吐出させるための臨界点を超えると、ノズル１１から吐出流体１５が吐出され、絶縁性基板１６上に着弾する。
【０１５５】
この場合、ノズル１１の駆動電圧として両極性電圧が駆動電極１３に印加されているので、絶縁性基板１６上に着弾する液体の極性は順次正負に反転する。吐出時間は両極性電圧の周波数に応じて変化し、この吐出時間、吐出電圧値に応じて、単位時間当たりに絶縁性基板１６上に着弾する吐出流体１５が持つ電荷量、及びノズルから放電される電荷量が変化する。
【０１５６】
また、本実施の形態において、移動装置はステージ１２を移動させるものとしているが、必ずしもこれに限らず、絶縁性基板１６に描画するためにはステージ１２（絶縁性基板１６）とノズル１１とが相対移動すればよく、したがって、移動装置はノズル１１とステージ１２との少なくとも一方を移動させるものであればよい。
【０１５７】
次に、上記駆動電圧の印加方法について説明する。
【０１５８】
静電吸引型流体吐出装置において、ノズル１１から液体を吐出した場合、着弾した液体のもつ電荷の影響、電圧印加時にノズルから放電される電荷の影響で、絶縁性基板１６上に駆動電圧印加時に駆動電極１３から吐出流体１５に供給された電荷と同極性の電荷が着弾部近傍に蓄積される。したがって、吐出前に比べ、絶縁性基板１６とノズル１１との間の電位差が低下し、ノズル−絶縁性基板間の電界強度が低下する。そのため、吐出前と同極性の電圧を印加し続けた場合、吐出に必要な電荷が蓄積されるまでの時間が長くなるばかりでなく、吐出された際に絶縁性基板１６上に蓄積された電荷による反発電界の影響をうけ、吐出された液体が分裂し、飛散する。
【０１５９】
したがって、絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域幅を最小限に抑制する上での理想的な状態は、図１に示すように、両極性電圧の正電圧と負電圧とで交互に吐出流体１５を吐出することである。なお、両極性電圧の印加電圧値は、電荷蓄積量測定装置により測定した表面電位値を基に、各極性の印加電圧時間と印加バイアス電圧値との積を調整することにより、表面電位が略０Ｖに除電することができる。
【０１６０】
本実施の形態においては、ノズル１１としてガラスキャピラリー（先端径２μｍ）を、吐出流体１５として銀ペーストを、絶縁性基板１６としてガラス（５２ｍｍ×５２ｍｍ、厚さ７ｍｍ）上にポリイミドを塗布・焼成したもの（ポリイミドコート基板）を使用する。
【０１６１】
これらを使用した際の電荷蓄積量は、図１１に示した結果と同じである。このことから、本実施の形態の条件では、絶縁性基板１６は負極性側に帯電し易いことがわかる。よって、印加時間と印加電圧値との積が正極性印加時の値が負極性印加時の値以上となるように両極性電圧を印加することにより、表面電位が略０Ｖに除電されることがわかる。
【０１６２】
本実施の形態においては、図１に示すように、上記駆動電圧として振幅４００Ｖ、＋と−との電圧印加時間比を３：２のパルス電圧を用いることにより、絶縁性基板１６の表面電位が略０Ｖに除電しながら所望のパターンを形成している。このように、絶縁性基板１６の表面電位を除電しながら所望のパターンを形成することによって、絶縁性基板１６上での液滴の飛散領域幅を抑制することができ、良好な描画像を安定して形成することができる。
【０１６３】
すなわち、図１１から表面電位が略０Ｖに除電できる印加電圧値を判断できる。この図１１に関する実験について、以下に詳述する。
【０１６４】
実験の目的は、電極に印加する印加電圧値に対し、基板表面がどの程度帯電するのかを測定することにより、絶縁性基板１６の表面電位を略０Ｖに除電できる電圧印加条件を抽出することにある。絶縁性基板１６の基板表面の帯電状況は表面電位を測定することにより評価する。
【０１６５】
まず、ガラスから作製したノズル（先端径１μｍ）内に、吐出流体として銀ナノペーストを充填し、電極を挿入後、これを３００℃で焼成し、実験用ノズルとする。このノズルを用いた場合、電圧を印加しても流体の吐出は行われない。このノズルに電圧を印加し、絶縁性基板１６の一定エリアを一定時間で操作した後、そのエリアの表面電位を測定することによって、電圧印加により、ノズルから放電され、基板表面に蓄積される電荷量を測定することができる。なお、絶縁性基板１６としてはポリイミドを用いている。図９からもわかるように、ポリイミドは非常に表面電位の減衰が小さい材料であるため、電荷の拡散の影響が殆どなく、絶縁性基板１６に蓄積された電荷量を正確に測定できる。
【０１６６】
図１１はその測定結果であるが、このように、同振幅の電圧を印加しても、極性により帯電状況が異なることがわかる。具体的には、本実験条件（ノズル材：ガラス、先端径：φ１μｍ、吐出流体：銀ナノペースト、基板材：ポリイミド）では、＋４００Ｖ印加した際の表面電位値が＋３０Ｖであったのに対し、−４００Ｖでは表面電位値は−４５Ｖであった。印加電圧値が一定の場合、単位時間当たりの電荷蓄積量は一定と考えられるので、印加電圧の振幅値４００Ｖにおける各極性の単位時間当たりの電荷蓄積量を比較すると、正極性電圧印加時に比べ、負極性電圧印加時は１．５倍になると考えられる。表面電位を略０Ｖに除電するには、正極性電圧の印加時間を負極性に比べ１．５倍にする必要がある。
【０１６７】
以上のことから、駆動電圧として振幅４００Ｖ、＋と−の電圧印加時間比を３：２のパルス電圧を用いることにより、吐出先部材の表面電位が略０Ｖに除電しながら所望のパターンを形成できると考えられる。したがって、図１１から印加電圧値に対する表面電位値を読み取り、正負の電荷が打ち消しあうような電圧印加時間を決定することができる。
【０１６８】
なお、印加電圧の振幅値が同じであるにもかかわらず、負極性電圧を印加した場合の方が基板の表面電位の上昇値が大きいのは、以下のことが考えられる。
（１）正電圧印加時と負電圧印加時では、放電の種類が異なる。つまり、正電圧印加時はα放電（印加電圧値に比例）が、負電圧印加時はα放電＋γ放電（印加電圧値の二乗に比例）が起こると考えられる。（この立場に立てば、材料を問わず常に吐出先基板は負極性側に帯電すると考えられる。）
（２）ノズル、吐出物、吐出先基板等の使用材料の物性により帯電しやすい極性が異なる。（本実験条件においては、負極性のほうが帯電し易い。）
しかしながら、いずれの場合においても、帯電状態が使用材料の物性（例えば吐出先部材の表面抵抗）により異なるため、その都度、図１１に関する実験を行い、その結果から印加電圧値を決定することが好ましい。
【０１６９】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ノズル１１の駆動電極１３に印加する駆動電圧として両極性電圧を使用しているので、絶縁性基板１６のチャージアップによる絶縁性基板１６での液滴の飛散領域の拡大と駆動電圧の上昇とを抑制することができる。この結果、絶縁性基板１６に対する微細パターンの形成を、ノズル１１の低電圧駆動により、かつ鮮明に行うことができる。
【０１７０】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、又はステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１７１】
また、吐出方式においては、ノズルに印加する駆動電圧を一定として、ノズル先端のメニスカス隆起量を別のアクチュエーター（圧電素子による体積変化、サーマルの膜沸騰による体積変化等）により制御して吐出タイミングを制御するメニスカス制御法がある。前期メニスカス制御法は、メニスカス隆起量が小さいときは、液滴が、吐出されず、メニスカス隆起量が大きいときに電界がより集中し、液滴が吐出される原理となっている。
【０１７２】
本実施の形態では、上記制御方法においても有効性で、メニスカス隆起タイミングと、本件記載の駆動電圧と同期を図ることで同様の効果を確認している。
【０１７３】
また、駆動電圧である両極性電圧としては、正弦波等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１７４】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１７５】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置においても、図２に示した構成を有する。また、本実施の形態では、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す駆動方法を行う。
【０１７６】
本実施の形態における条件で、本実施例の静電吸引型流体吐出装置を使用した際、ノズル１１の駆動電極１３に片極性のバイアス電圧を印加した場合の吐出先基板に蓄積される電荷（表面電位）との関係は、図１１のようになる。
【０１７７】
すなわち、片側極性のバイアス電圧を印加し続けると、吐出先基板の表面電位が上昇し、吐出前に比べ絶縁性基板１６とノズル１１との間の電位差が低下し、ノズル−絶縁性基板間の電界強度が低下する。そのため、吐出に必要な電荷が蓄積されるまでの時間が長くなるばかりでなく、吐出された際に絶縁性基板１６上に蓄積された電荷による反発電界の影響を受け、吐出された液体が分裂し、飛散する。
【０１７８】
したがって、絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域幅を抑制するには、両極性電圧の正電圧と負電圧とで交互に吐出流体１５を吐出することが有効である。しかし、一方ででは、両極性電圧を同振幅で同時間印加しても、図１１からわかるように、正電圧印加時と負電圧印加時とによって絶縁性基板１６の電荷蓄積量が異なるため、絶縁性基板１６は負極性側に帯電する。
【０１７９】
そのため、本実施の形態では、図３（ａ）に示すように、駆動電圧として振幅３７５Ｖ、Ｄｕｔｙ比５０の両極性パルス電圧に、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、２５Ｖのバイアス電圧を印加したものを使用している。これにより、絶縁性基板１６が負極性側に帯電するのを防ぎ、絶縁性基板１６の表面電位を略０Ｖに除電する。
【０１８０】
また、振幅３７５Ｖ、Ｄｕｔｙ比５０の両極性パルス電圧に２５Ｖのバイアス電圧を印加することにより、負極性側の駆動電圧を低電圧化することができ、安全性も向上する。
【０１８１】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、駆動電圧として両極性パルス電圧にバイアス電圧を印加したものを使用してノズル１１を駆動することにより、駆動電圧を低電圧化し、さらには吐出最低電圧の上昇を抑制し、かつ絶縁性基板１６上における液滴の飛散領域を狭くし、絶縁性基板１６上において鮮明な微細パターンを形成することができる。
【０１８２】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。
【０１８３】
したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、或いはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１８４】
また、吐出方式においては、ノズルに印加する駆動電圧を一定として、ノズル先端のメニスカス隆起量を別のアクチュエーター（圧電素子による体積変化、サーマルの膜沸騰による体積変化等）により制御して吐出タイミングを制御するメニスカス制御法がある。前期メニスカス制御法は、メニスカス隆起量が小さいときは、液滴が、吐出されず、メニスカス隆起量が大きいときに電界がより集中し、液滴が吐出される原理となっている。
【０１８５】
本実施の形態では、上記制御方法においても有効性で、メニスカス隆起タイミングと、本件記載の駆動電圧と同期を図ることによって、同様の効果を確認している。
【０１８６】
また、駆動電圧である両極性電圧としては、正弦波等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１８７】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について図４に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１及び実施の形態２と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１及び実施の形態２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１８８】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は、図２に示した構成を有する。
【０１８９】
本実施の形態では、図４に示すように、駆動電圧としてＤｕｔｙ比の異なる両極性電圧にバイアス電圧を印加したものを使用している。これにより、正電圧印加時と負電圧印加時に発生する電荷供給量の差に依存した絶縁性基板１６の帯電の原因となる、駆動電圧の電圧印加条件をより詳細に設定することができ、絶縁性基板１６のチャージアップをより効率良く防ぎ、絶縁性基板１６の表面電位を略０Ｖに除電することができる。
【０１９０】
また、負極性側の駆動電圧を低電圧化することができ、安全性も向上する。
【０１９１】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、Ｄｕｔｙ比の異なる両極性電圧にバイアス電圧を印加したものを駆動電圧として使用することにより、絶縁性基板１６上における液滴の飛散を抑制して、鮮明な微細パターンを形成することが可能となる。
【０１９２】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、或いはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０１９３】
また、吐出方式においては、ノズルに印加する駆動電圧を一定として、ノズル先端のメニスカス隆起量を別のアクチュエーター（圧電素子による体積変化、サーマルの膜沸騰による体積変化等）により制御して吐出タイミングを制御するメニスカス制御法がある。前期メニスカス制御法は、メニスカス隆起量が小さいときは、液滴が、吐出されず、メニスカス隆起量が大きいときに電界がより集中し、液滴が吐出される原理となっている。
【０１９４】
本発明は、上記制御方法においても有効性で、メニスカス隆起タイミングと、本件記載の駆動電圧と同期を図ることで同様の効果を確認している。
【０１９５】
また、駆動電圧である両極性パルス電圧としては、正弦波等のように比較的スルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０１９６】
〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施の形態について図５及び図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態３と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１〜実施の形態３の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１９７】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は、図２に示した構成を有する。
【０１９８】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置を用いて、絶縁性基板１６上へ吐出材を吐出する際、駆動電圧としてＤｕｔｙ比の異なる両極性電圧にバイアス電圧を印加したものを使用しても、液滴の飛散が生じることがある。これは、絶縁性基板１６表面の初期帯電の影響により、通常略０Ｖに除電される電圧印加状態であっても除電されずに電荷が絶縁性基板表面に蓄積されるため、ノズル−吐出先基板間の電位差を不安定にし、吐出量変動や吐出不良、吐出流体滴の飛散を発生させる。
【０１９９】
そのため、本実施の形態では上記問題を解消した流体吐出方法を使用している。以下に、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置を用いた流体吐出方法について詳細に説明する。
【０２００】
まず、図５に示す初期帯電量測定装置により、吐出先基板の吐出箇所における帯電量を測定する。上記の初期帯電量測定装置では、表面電位測定装置１７のプローブ１８とステージ１２とが対向配置されている。すなわち、プローブ１８の測定部が下方を向くように配置され、プローブ１８の下方にステージ１２が水平に設けられている。ステージ１２は図示しない駆動装置に駆動されて任意の方向へ移動可能となっている。
【０２０１】
ステージ１２上には吐出流体１５の吐出先である吐出先基板としての絶縁性基板１６が固定される。ステージ１２は接地されている。したがって、絶縁性基板１６はステージ１２を通じて接地される。
【０２０２】
本実施の形態においては、絶縁性基板１６としてガラス（５２ｍｍ×５２ｍｍ、厚さ７ｍｍ）上にポリイミドを塗布・焼成したもの（ポリイミドコート基板）を、表面電位測定手段１７として高精度表面電位計（例えば、商品名：ＭＯＤＥＬ３２３,ＴＲＥＫ社製）を使用した。
【０２０３】
次に、初期帯電量の測定方法について説明する。
【０２０４】
表面電位測定装置１７におけるプローブ１８と絶縁性基板１６とのギャップを測定し、表面電位測定装置１７の測定領域を算出する。上記のギャップ測定手段としては、レーザを利用した変位計又はレーザを利用したギャップ測長計が利用される。表面電位測定装置１７及びノズルは図示しない保持部材によりその相対距離が変動しないように固定される。このとき、表面電位測定装置１７と絶縁性基板１６とのギャップをできるだけ小さくすることにより、より微小領域の表面電位測定を可能とし、測定精度が向上する。
【０２０５】
次に、ステージ１２を図示しない移動手段により動作させ、絶縁性基板１６上の表面電位を測定し、吐出対象の絶縁性基板１６の表面電位の二次元分布図を作成する。これをもとに、吐出箇所における駆動電圧をコンピュータ等の駆動電圧作製手段、駆動電圧印加手段により作製する。駆動電圧の作製方法として、Ｄｕｔｙ比の異なる両極性電圧にバイアス電圧を印加し、単位周期毎にＤｕｔｙ比、印加バイアス電圧値を調整する。具体的には、例えば表面電位が正極性側に帯電している場合、正極性のバイアス電圧を印加すると共に、負極性側の印加時間を長くする。このことにより、正極性印加時において十分な電位差を確保しつつ、負極性印加により十分に除電することができる。同様の理由から、表面電位が負極性側に帯電している場合、負極性のバイアス電圧を印加すると共に、正極性側の印加時間を長くすればよい。
【０２０６】
図６（ａ）は本実施の形態の表面電位二次元分布図、図６（ｂ）は図６（ａ）の直線ｌに沿って測定した際の表面電位変化、図６（ｃ）は図６（ｂ）ように帯電した基板上に吐出する際の駆動電圧の波形の一例である。
【０２０７】
上記の吐出方法によれば、ノズル−吐出先基板間の電位差の変動をより小さくすることが可能となり、吐出量変動や吐出不良、吐出流体滴の飛散を抑制する。さらには、吐出前に絶縁性基板１６の除電を行う除電用装置の必要がなくなり、装置構成に自由度が増す。
【０２０８】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、駆動電圧としてＤｕｔｙ比の異なる両極性電圧にバイアス電圧を印加し、単位周期毎にＤｕｔｙ比、印加バイアス電圧値を調整したものを使用しているので、絶縁性基板１６上において、着弾ドット（着弾液滴）周辺部への液滴の飛散を抑制し、鮮明な微細パターンを形成することができる。
【０２０９】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、或いはステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０２１０】
また、吐出方式においては、ノズルに印加する駆動電圧を一定として、ノズル先端のメニスカス隆起量を別のアクチュエーター（圧電素子による体積変化、サーマルの膜沸騰による体積変化等）により制御して吐出タイミングを制御するメニスカス制御法がある。前期メニスカス制御法は、メニスカス隆起量が小さいときは、液滴が、吐出されず、メニスカス隆起量が大きいときに電界がより集中し、液滴が吐出される原理となっている。
【０２１１】
本発明は、上記制御方法においても有効性で、メニスカス隆起タイミングと、本件記載の駆動電圧と同期を図ることで同様の効果を確認している。
【０２１２】
また、駆動電圧である両極性電圧としては、正弦波等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０２１３】
〔実施の形態５〕
本発明のさらに他の実施の形態について図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜実施の形態４と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１〜実施の形態４の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２１４】
本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は、前記実施の形態１〜４で説明した静電吸引型流体吐出装置の構成に加え、図７に示すように、絶縁性基板１６の電荷蓄積量を測定する表面電位測定装置１７とそのプローブ１８、及びその結果をフィードバックさせ、上記駆動電圧の極性毎の電圧印加時間、印加バイアス電圧値を変調させる駆動電圧変調手段としての制御装置２０と、表面電位測定手段１７と上記ノズルとの相対距離を保持する保持部材２１と、上記ノズルを上記表面電位測定手段と共に移動させる図示しない移動手段と、上記表面電位測定手段と上記ノズルとの絶対位置が変動できる回転機構２２とを備えている。
【０２１５】
本実施の形態においては、表面電位測定装置１７として高精度表面電位計を、駆動電圧変調手段２０としてコンピュータを使用している。なお、駆動電圧はコンピュータから出力された電圧信号を図示しない増幅器により増幅したものを使用している。なお、駆動電圧変調手段から出力される出力電圧が条件に見合えば、増幅器等により出力信号を増幅させる必要はない。
【０２１６】
また、上記回転機構２２は、保持部材２１に対し、垂直でかつプローブ１８の測定面が基板と並行になるように固定されている。プローブ１８にも実施の形態１で説明したような絶縁性基板１６の段差を測定できるレーザー測長機を付随させる必要があるので、絶縁性基板１６に対し垂直方向に変動できるよう、プローブ１８を固定している保持部材２１に垂直方向の移動機構を設け、レーザー測長機の信号を基に、その位置を変調する必要がある。
【０２１７】
なお、同図に示す位置に回転機構２２を設けた理由は、吐出開始時の描画方向を変更する際、プローブ１８のみを回転させることによって、吐出方向の変更ができるからである。本実施の形態の内容を満たす回転機構２２の設置場所は、ノズル１１とプローブ１８とを保持しているものであれば、どこに設置してもかまわないが、同図に示す以外の場所に設置する場合は、別途ヘッド全体を保持している部材に、描画方向を変更するための回転機構を設ける必要がある。
【０２１８】
次に、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置における、ノズル１１から吐出流体１５を吐出して絶縁性基板１６に所望のパターンを形成する場合の動作について説明する。
【０２１９】
まず、絶縁体基板１６上の吐出予定箇所の上方に、ノズル１１との相対距離が保持部材２１によって固定された表面電位測定装置１７のプローブ１８を配置する。この保持部材２１は、自身の長さが調整可能となっている。すなわち、プローブ１８が検知した表面電位値を基に印加電圧値を変更する（フィードバックする）ので、プローブ１８は常にノズル前方に配置される必要がある。フィードバックにはある一定時間が必要であるが、その際、ヘッド部（ノズル、保持部材、プローブ等）の移動速度、或いは絶縁性基板１６の送り速度により、ノズル−吐出先基板間の相対移動距離が異なる。このことにより、フィードバックされた情報を基に吐出する位置が、吐出目的位置とずれることが考えられる。これを微調整するために、保持部材２１に長さ調整できる機構を設けるのが好ましい。なお、フィードバック情報の伝達速度を調整することでも可能であるが、長さ調整の方が、より簡易に調整できる。
【０２２０】
一方、上記ノズル１１はプローブ１８の移動方向と反対側に配置される。ノズル１１とプローブとの距離は、表面電位測定装置１７の測定時間分解能、ノズル１１とプローブ１８の移動速度、表面電位測定装置１７から制御装置２０にフィードバックされ、吐出信号として出力されるまでの時間にから逆算することにより、プローブ１８で測定した場所に対応した位置の上方にノズル１１が配置されたときにノズル１１から吐出流体１５が吐出されるように調整する。
【０２２１】
次に、駆動電圧について説明する。表面電位測定装置１７により測定された表面電位値が０Ｖの場合、図１１に示す印加電圧と電荷蓄積量との関係を基に、一周期電圧を印加した際、絶縁性基板１６の吐出箇所近傍の表面電位が略０Ｖになるように、両極性電圧のＤｕｔｙ比、印加バイアス電圧値のうち少なくともいずれか一つを調整し、駆動電圧として使用する。
【０２２２】
表面電位値が０Ｖ以外の場合は、その表面電位値を考慮した上で、一周期電圧を印加した際、絶縁性基板１６の吐出箇所近傍の表面電位が略０Ｖになるように、両極性電圧のＤｕｔｙ比、印加バイアス電圧値のうち少なくともいずれか一つを調整する。
【０２２３】
絶縁性基板１６に所望のパターンを形成する場合、駆動電圧を印加しながらノズル１１、プローブ１８を移動させる。このとき、絶縁性基板１６において局所帯電が生じている箇所では、プローブ１８により測定される表面電位値が変化する。この表面電位値の変化量を読み取り、駆動電圧発生手段であるコンピュータに信号として送る。コンピュータ内部では、送られてきた表面電位値の変化量と、予めコンピュータ内部に入力された印加電圧と電荷蓄積量の関係に関する情報を基に、両極性電圧のＤｕｔｙ比、印加バイアス電圧値のうち少なくともいずれか一つを調整し、一周期電圧を印加した際、吐出先基板の吐出箇所近傍の表面電位が略０Ｖになるような駆動電圧を変調し、出力する。上記記載の駆動電圧の変調は、あらかじめ作成したプログラムにより自動的に行う。
【０２２４】
移動方向を変更する場合、保持部材２１の伸縮、ノズルを軸とした表面電位計保持機構の回転のうち少なくとも一つの動作により、常にノズル１１の移動予定位置のある一定距離先をプローブ１８が移動する。
【０２２５】
上記構成の静電吸引型流体吐出装置を使用し、上記の吐出方法によれば、絶縁性基板１６の初期帯電の影響によるノズル−絶縁基板間の電位差の変動をより小さくすることが可能となり、吐出量変動や吐出不良、吐出流体滴の飛散を抑制する。さらには、吐出前に絶縁性基板１６の除電を行う除電用装置の必要がなくなり、装置構成に自由度が増す。
【０２２６】
以上のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ノズル１１の移動方向前方に、ノズル１１との相対距離が変動しないように保持する保持部材２１により保持された絶縁性基板１６の電荷蓄積量を測定する表面電位測定装置１７のプローブ１８を備え、この表面電位測定装置１７により絶縁性基板１６の吐出箇所における局所帯電を測定し、その結果を駆動電圧変調手段としての制御装置２０にフィードバックさせ、駆動電圧の電圧印加時間、印加電圧値を変調させることにより、絶縁性基板１６の局所帯電による、ノズル−吐出先基板間の電位差不安定による吐出不良を解消するだけでなく、吐出流体滴の飛散を抑制し、鮮明な微細パターンを形成することができる。
【０２２７】
また、前実施の形態で説明した、初期帯電量測定の必要がなくなり、より簡便な吐出方法を提供することができる。
【０２２８】
また、表面電位の絶対量ではなく、移動による変位から駆動電圧を変調させるため、より精度のよい駆動電圧変調を行うことができる。すなわち、実施の形態４に示したように、吐出前に絶縁性基板１６全体の表面電位を測定し、それを初期帯電分布のデータとしてコンピュータに取り込み、吐出電圧波形を作製する手法では、初期帯電分布データの習得、コンピュータへの取り込み、電圧波形作製とかなりの時間が必要となる。この時間内に、微量ではあるが、表面電位の減衰などが起こり絶縁性基板１６の帯電分布が変わることが考えられる。このことにより、吐出の際、基板表面を除電しようと供給した電荷が余剰となり基板表面が帯電してしまうため、結果として吐出不良が発生する。
【０２２９】
それに比べ、実施の形態５のように、吐出直前に吐出先の表面電位を測定しフィードバックさせる方法では、絶縁性基板１６の表面電位の減衰等の帯電量変化による、印加電圧値の誤差を最小限にとどめることができる。また、常に絶対量を測定し、その値から波形を作製するのではなく、変化量のみを読み取ることによって、表面電位が変化した際にのみコンピュータに情報を送り、新たな波形を作製するため、フィードバックに要する時間が短縮され、分解能があがる。結果として、より精度のよい駆動電圧変調を行うことができる。
【０２３０】
さらに、本実施の形態では保持部材２１は、表面電位測定装置１７と上記ノズル１１との距離を保ってその絶対位置関係を変動する回転機構に取り付けられている。
【０２３１】
すなわち、表面電位測定装置１７のプローブ１８は、常にノズル１１の移動方向の前方に配置する必要がある。吐出を行いながら、移動方向を変更したいとき、ノズル１１よりも先にプローブ１８が移動方向を変更する必要がある。例えば、ノズル１１は北方向へ移動しているが、次に西方向へ移動したいため（左に回転）、プローブ１８だけ西方向へ移動させる。このような動作を行わせるためには、ノズル１１とプローブ１８とを保持する保持部材２１に回転機構２２が必要である。
【０２３２】
また、回転機構は、少なくとも一つあれば足りるが、好ましくは二つ以上ある方が好ましい。これは、ノズル１１とは逆方向にプローブ１８を動かすことができるためである。勿論、ノズル１１と保持部材２１とが接触しないように、接触するような状態においては、プローブ１８を別途回避させ、フィードバックを停止し、接触しない状態になった後にプローブ１８のみの移動速度を上げ、情報を伝達する等の、回避方法が必要となる。また、プローブ１８のみ移動速度を上げるのは、移動と同時に保持部材２１を伸延させることで可能である。また、回転機構の回転方向については、絶縁性基板１６に対し垂直方向を軸とした回転としている。したがって、ノズル−基板間距離、及びプローブ−基板間距離は回転により変動しない。
【０２３３】
なお、本実施の形態では、駆動電圧としての両極性パルス電圧をノズル１１の駆動電極１３に印加するものとして説明したが、ノズル１１からの吐出に必要な駆動電圧は駆動電極１３に印加される電圧と対向電極として機能するステージ１２との間の電位差である。したがって、駆動電圧は、ステージ１２にのみ印加される電圧である構成、又はステージ１２に印加される電圧と駆動電極１３に印加される電圧との合成電圧（電位差）である構成であってもよい。
【０２３４】
さらに、吐出方式においては、ノズルに印加する駆動電圧を一定として、ノズル先端のメニスカス隆起量を別のアクチュエーター（圧電素子による体積変化、サーマルの膜沸騰による体積変化等）により制御して吐出タイミングを制御するメニスカス制御法がある。前記メニスカス制御法は、メニスカス隆起量が小さいときは、液滴が、吐出されず、メニスカス隆起量が大きいときに電界がより集中し、液滴が吐出される原理となっている。
【０２３５】
本実施の形態では、上記制御方法においても有効性で、メニスカス隆起タイミングと、本件記載の駆動電圧と同期を図ることで同様の効果を確認している。
【０２３６】
また、駆動電圧である両極性電圧としては、正弦波等のようなスルーレートの低い波形であっても利用可能である。
【０２３７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２３８】
本発明の静電吸引型流体吐出方法及び静電吸引型流体吐出装置は、基板上に微細なドットや微細な配線パターンを形成することができるので、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、エレクトロルミネッセンス等のフラットディスプレイ製造におけるパターン形成を始め、半導体装置製造やプリント配線板の導体パターン形成等にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２３９】
【図１】本発明における静電吸引型流体吐出方法及び静電吸引型流体吐出装置の実施の一形態を示すものであり、駆動電極に印加すべく、電源から出力される駆動電圧の一例を示す波形図である。
【図２】上記静電吸引型流体吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】上記電源から出力される駆動電圧の他の例を示す波形図であり、（ａ）の波形と（ｂ）の波形とを合成することにより（ｃ）の波形が出力される。
【図４】上記電源から出力される駆動電圧の他の例を示す波形図である。
【図５】上記静電吸引型流体吐出方法及び静電吸引型流体吐出装置に使用される初期帯電量測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、上記初期帯電量測定装置を用いて測定した、絶縁性基板の初期帯電の二次元分布図であり、（ｂ）は（ａ）の直線Ｉに沿って測定した際の表面電位の変化を示す波形図であり、（ｃ）は（ｂ）ように帯電した吐出先基板上に吐出する際の駆動電圧の一例を示す波形図示である。
【図７】本発明の実施の他の形態を示すものであり、静電吸引型流体吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の比較例を示すもの静電吸引型流体吐出方法及び静電吸引型流体吐出装置に使用される電荷蓄積量測定装置の概略構成を示す斜視図であり、（ｂ）〜（ｄ）は上記電荷蓄積量測定装置を使用したときの、絶縁性基板の電荷蓄積量測定方法を示す説明図である。
【図９】各種絶縁性基板の表面電位の減衰挙動を示グラフである。
【図１０】各種絶縁性基板の表面電位の減衰挙動を、表面抵抗値を下に補正したグラフである。
【図１１】駆動電極に印加する印加電圧と電荷蓄積量（表面電位）との関係を示したグラフである。
【図１２】吐出先基板として表面抵抗値が１０１５Ω／ｓｑのポリイミドを使用した場合と吐出先基板として表面抵抗値が１０１０Ω／ｓｑのガラス基板又は導電体のＳＵＳ基板を使用した場合とにおけるＤＣバイアスによる吐出最低電圧を示す説明図である。
【図１３】ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用する場合とＤＣバイアスを使用する場合とにおける吐出最低電圧を示す説明図である。
【図１４】ノズルの駆動電圧として両極性パルス電圧を使用しての描画パターン形成時に、描画パターンの周辺に微小な液滴の飛散が発生した状態を示す説明図である。
【図１５】（ａ）はノズルの駆動電圧としての周波数の低いパルス電圧の一例を示す波形図であり、（ｂ）は絶縁性基板上において液滴の飛散が発生する原理を説明する図である。
【図１６】本発明の前提技術におけるノズルの電界強度を示す説明図である。
【図１７】上記前提技術における、表面張力圧力と静電的圧力とのノズル径依存性についてのモデル計算結果を示したグラフである。
【図１８】上記前提技術における、吐出圧力のノズル径依存性についてのモデル計算結果を示したグラフである。
【図１９】上記前提技術における、吐出限界電圧のノズル径依存性についてのモデル計算結果を示したグラフである。
【図２０】上記前提技術における、荷電液滴と吐出先基板との間に働く鏡像力とノズル−基板間距離との相関を示したグラフである。
【図２１】上記前提技術における、ノズルから流出する流量と印加電圧との相関関係についてのモデル計算結果を示したグラフである。
【図２２】従来の静電吸引型インクジェット方式の考え方である、電気流体力学的な不安定性による静電曳き糸現象による曳き糸成長の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
【０２４０】
１１    ノズル
１２    ステージ
１３    駆動電極
１４    電源（駆動電圧印加手段）
１５    吐出流体（流体）
１６    絶縁性基板（吐出先基板）
１７    表面電位測定装置（表面電位測定手段）
１８    プローブ
１９    表面電位測定領域
２０    制御装置（駆動電圧変調手段）
２１    保持部材
２２    回転機構
４０    メニスカス
【図１】
2006088130.tif 000021
【図２】
2006088130.tif 000022
【図３】
2006088130.tif 000023
【図４】
2006088130.tif 000024
【図５】
2006088130.tif 000025
【図６】
2006088130.tif 000026
【図７】
2006088130.tif 000027
【図８】
2006088130.tif 000028
【図９】
2006088130.tif 000029
【図１０】
2006088130.tif 000030
【図１１】
2006088130.tif 000031
【図１２】
2006088130.tif 000032
【図１３】
2006088130.tif 000033
【図１４】
2006088130.tif 000034
【図１５】
2006088130.tif 000035
【図１６】
2006088130.tif 000036
【図１７】
2006088130.tif 000037
【図１８】
2006088130.tif 000038
【図１９】
2006088130.tif 000039
【図２０】
2006088130.tif 000040
【図２１】
2006088130.tif 000041
【図２２】
2006088130.tif 000042