(57)【要約】【課題】定量の液体金属を切り出し、切り出した液体金属をガスの圧力で吐出し、吐出方向を固定することによって、液体金属を定量吐出するとともに、同一の場所に滴下できる液体金属吐出装置を提供することを目的にする。【解決手段】液体金属を導入し、導入した液体金属の定量を切り出して吐出流路に導く定量化手段と、前記吐出流路に導かれた定量の液体金属を駆動ガスの圧力により外部に吐出する吐出手段と、吐出する液体金属の吐出方向を固定する固定手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属を導入し、導入した液体金属の定量を切り出して吐出流路に導く定量化手段と、
前記吐出流路に導かれた定量の液体金属を駆動ガスの圧力により外部に吐出する吐出手段と、
吐出する液体金属の吐出方向を固定する固定手段と、
を有することを特徴とする液体金属吐出装置。
【請求項２】
前記定量化手段は、
液体金属を導入する導入穴と、
この導入穴と前記吐出流路とを接続する導入流路と、
を有し、前記導入流路の断面積は前記吐出流路の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の液体金属吐出装置。
【請求項３】
濡れ性を有し、前記導入流路及び前記吐出流路の内面に形成された金属膜を有し、
前記導入流路と前記吐出流路の接続部分近傍に前記金属膜を形成しない部分を設けたことを特徴とする請求項２記載の液体金属吐出装置。
【請求項４】
前記吐出手段は、
密閉されていて前記駆動ガスが充填された空間部と、
この空間部に設けられた加熱手段とを有し、
前記加熱手段が前記駆動ガスを加熱して膨張させ、膨張した駆動ガスの圧力により前記液体金属を外部に吐出することを特徴とする請求項１記載の液体金属吐出装置。
【請求項５】
前記定量化手段と前記吐出手段がノズルチップに設けられていて、前記固定手段はこのノズルチップを固定することを特徴とする請求項１記載の液体金属吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水銀などの液体金属を吐出する液体金属吐出装置に関し、詳しくは、導入する液体金属の量を一定にすることにより、液体金属を一定量吐出し、同一の場所に滴下する液体金属吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７に、従来の液体金属ディスペンス用マイクロピペットの構成例の図を示す。
【０００３】
マイクロピペット１に液体金属２を導入し、マイクロピペット１に接続した加圧式ディスペンサ(図示せず)で加圧することにより、マイクロピペット１内の液体金属２を押し出している。
【０００４】
理論的には圧力と加圧時間による液体金属２の吐出ができるが、実際には液体金属２の表面張力により、液体金属２がマイクロピペット１内部を通り抜ける速度が速いため、少量吐出には向かない。また、マイクロピペット１内部を液体金属２が通り抜ける速度を遅くし、加圧時間による定量の精度を上げるためには、液体金属２が通り抜ける流路を細くする必要があるが、液体金属２は表面張力が大きいため、細い流路に進入させるには多大な圧力が必要となり、現実的ではないという問題がある。
【０００５】
また、マイクロピペット１から吐出直後の液体金属２は、表面張力が強いため、マイクロピペット１の先端にぶらさがる状態になり、滴下するためには外力を加えるか、あるいは液体金属２の自重で落下するまで液体金属２の球を大きくするしかない。
【０００６】
また、マイクロピペット１から液体金属２を滴下する場合、マイクロピペット１の先端の液体金属２を液体金属２で濡れる面に直接押しつけたり、マイクロピペット１内の液体金属２に風圧などの外力を与えることにより、液体金属２を滴下したい場所に滴下していた。このような方法では、水銀が濡れ広がる面にしか滴下できないという問題があった。さらに、液体金属２が落下する地点が不安定になり、同一の場所に液体金属２を滴下することが難しいという問題があった。
【０００７】
そこで、特許文献１では導入流路に濡れ性の良い狭い導入流路を追加し、導入する液体金属量を外部から圧力や導入時間で調節し、適量の液体金属をリレー内部の液体室に導入し、合金化を用いて封止する液体金属リレーおよびその製造方法が記載されている。
【０００８】
図７の従来例では液体金属２の定量測定が困難であったが、特許文献１記載の発明では液体金属の定量測定を可能にした。しかし、特許文献１記載の発明では、液体金属の定量測定はできるが定量吐出はできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１３４９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、定量の液体金属を切り出し、切り出した液体金属をガスの圧力で吐出し、吐出方向を固定することによって、液体金属を定量吐出するとともに、同一の場所に滴下できる液体金属吐出装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
液体金属を導入し、導入した液体金属の定量を切り出して吐出流路に導く定量化手段と、
前記吐出流路に導かれた定量の液体金属を駆動ガスの圧力により外部に吐出する吐出手段と、
吐出する液体金属の吐出方向を固定する固定手段と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記定量化手段は、
液体金属を導入する導入穴と、
この導入穴と前記吐出流路とを接続する導入流路と、
を有し、前記導入流路の断面積は前記吐出流路の断面積よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
濡れ性を有し、前記導入流路及び前記吐出流路の内面に形成された金属膜を有し、
前記導入流路と前記吐出流路の接続部分近傍に前記金属膜を形成しない部分を設けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記吐出手段は、
密閉されていて前記駆動ガスが充填された空間部と、
この空間部に設けられた加熱手段とを有し、
前記加熱手段が前記駆動ガスを加熱して膨張させ、膨張した駆動ガスの圧力により前記液体金属を外部に吐出することを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記定量化手段と前記吐出手段がノズルチップに設けられていて、前記固定手段はこのノズルチップを固定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、定量の液体金属を切り出し、切り出した液体金属を加熱で膨張したガスの圧力で吐出することによって、液体金属を安定して定量吐出することができる。また、液体金属を滴下したい場所に液体金属の吐出方向を固定し、加熱手段を設けたことにより、定量化された液体金属を同一の場所に滴下することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】液体金属リレーの断面一例を示す断面図である。
【図３】金属膜の形状の一実施例を示す構造図である。
【図４】金属膜の一実施例を示す断面図である。
【図５】液体金属の定量導入方法の一実施例を示す工程図である。
【図６】液体金属吐出装置の一実施例を示す構成図である。
【図７】従来の液体金属ディスペンス用マイクロピペットの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の液体金属吐出装置の一実施例を示す構成図である。なお、図７と同じ要素には同一符号を付す。
【００１９】
図１で、液体金属を導入し、導入した液体金属の定量を切り出して吐出流路に導く定量化手段１０と、この定量化手段１０と接続されている空間部２１の駆動ガスを膨張させる吐出手段２０とが設けられている。液体金属を滴下したい場所に液体金属の吐出方向を固定し、吐出手段２０に設けられている加熱手段２２により、吐出手段２０に設けられている空間部２１の駆動ガスが膨張され、安定した定量化が行われた液体金属が膨張された駆動ガスの圧力により外部に押し出される。
【００２０】
定量化手段１０は、液体金属を導入する導入穴１１と、この導入穴１１と吐出流路２３とを接続する導入流路１２と、液体金属と合金化する金属膜１３とからなる。
【００２１】
また、吐出手段２０は、密閉された空間部２１と、この空間部２１に設けられた加熱手段２２とを有する。また、空間部２１の内部の駆動ガスは、たとえば水素、窒素などである。ここで、加熱手段２２は、たとえばヒータのことである。
【００２２】
また、吐出手段２０は、フィルタ２４を介して吐出流路２３と接続されている。ここで、フィルタ２４は、定量化手段１０により定量化された液体金属が、吐出手段２０の空間部２１への流入を防ぐためのものである。
【００２３】
ノズルチップには定量化手段１０と吐出手段２０とが設けられていて、このノズルチップは固定手段(図示せず)によって固定されている。
【００２４】
なお、固定手段は、液体金属２を滴下したい場所に液体金属２の吐出方向を固定するための手段であり、また液体金属２を滴下したい場所に滴下するための十分な位置精度を確保できる手段である。
【００２５】
図２は本発明の液体金属導入部の断面の一例を示す断面図であり、（ａ）は図１に示したＹ−Ｙ’断面模式図、（ｂ）は（ａ）に示したａ−ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）に示したｂ−ｂ’断面図である。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
ガラス基板１４は、パイレックス（登録商標）ガラス基板を使用する。
【００２７】
定量化手段１０は、ガラス基板１４、シリコン基板１５を張り合わせた構造である。また、導入流路１２は、第１の導入流路と第２の導入流路から形成されている。ここで、導入穴１１に接続している導入流路１２を第１の導入流路（以下、狭い導入流路１２ａとする）とする。また、吐出流路２３と狭い導入流路１２ａとを接続する導入流路を第２の導入流路（以下、広い導入流路１２ｂとする）とする。
【００２８】
また、定量化手段１０は、液体金属を導入する導入穴１１と、この導入穴１１と広い導入流路１２ｂとを接続する狭い導入流路１２ａと、吐出流路２３と、この吐出流路２３に液体金属を導入するための広い導入流路１２ｂと、液体金属と合金化するための金属膜１３ａ、１３ｂからなる。
【００２９】
また、狭い導入流路１２ａに液体金属を入れるため、狭い導入流路１２ａの内面あるいは少なくとも内面の一部分に、金属膜が形成されている。この図の場合では、狭い導入流路１２ａの内面に金属膜１３ａ、１３ｂが形成されている。また、狭い導入流路１２ａと広い導入流路１２ｂとの断面積は、吐出流路２３の断面積に比べて小さく設計されている。また、吐出流路２３は、金属膜１３ａ、１３ｂを少なくとも一部に有している。
【００３０】
（ｂ）に示すように、定量手段１０は、ガラス基板１４とシリコン基板１５を張り合わせて、液体金属を吐出流路２３に導入するための広い導入流路１２ｂが形成されている。
【００３１】
（ｃ）に示すように、ガラス基板１４とシリコン基板１５を張り合わせて、狭い導入流路１２ａが形成されている。この狭い導入流路１２ａの内面に金属膜１３ａ、１３ｂが形成されている。金属膜１３ａ、１３ｂは、狭い導入流路１２ａの内面の一部分に形成されていてもよい。
【００３２】
また、（ｃ）に示す狭い導入流路１２ａの断面積は、（ｂ）に示す広い導入流路１２ｂの断面積と比べて、小さく設計されている。
【００３３】
また、広い導入流路１２ｂは、吐出流路２３より断面積が小さく、かつ狭い導入流路１２ａより断面積が大きく設計されている。
【００３４】
なお、液体金属を定量化するために設けられた狭い導入流路１２ａは、金属膜１３ａ１３ｂが内面に形成されるとともに、深さ１０μｍ以下の狭い流路である。
【００３５】
図３は、本発明における金属膜の形状の構成例を示す図である。（ａ）は図１に示したＹ−Ｙ’断面模式図、（ｂ）は（ａ）に示したｃ−ｃ’断面図、（ｃ）は（ａ）に示したｄ−ｄ’断面図である。
【００３６】
（ｂ）は定量化手段１０において形成されている金属膜１３ａの断面図であり、（ｃ）は金属膜１３ｂの断面図である。
【００３７】
（ｂ）、（ｃ）において、金属膜１３ａ、１３ｂは、導入穴１１を囲む部分（以下、金属膜の導入穴を囲む部分１３ａ‐１、１３ｂ‐１とする）と、狭い導入流路１２ａの部分を形成する部分（以下、狭い導入流路部分１３ａ‐２、１３ｂ‐２とする）からなる。
【００３８】
図４は、本発明における金属膜の構成例を示す図である。（ａ）は図１に示したＹ−Ｙ’断面の一部構成図、（ｂ）は（ａ）のＤ部分の金属膜の断面拡大図である。
【００３９】
金属膜１３ａ、１３ｂは、第１の金属層（以下、金属膜１６とする）と第２の金属層（以下、金属層１７とする）からなる。
【００４０】
金属層１６には、ガラス基板１４のガラスと密着性が良い金属を使用している。たとえば、金属層１６の材料として、クロム、モリブデン、タンタル、タングステン、ニッケル、ニオブなどが挙げられる。
【００４１】
また、金属層１７には、液体金属２と合金化することが可能な金属を使用している。たとえば、金属層１７の材料として、金、銅、すず、銀などが挙げられる。
【００４２】
なお、ガラス基板１４と、シリコン基板１５を使用したが、液体金属２と濡れ性の良いリーク防止電極、すなわち金属層１６および金属層１７を形成できるのであれば、他の素材の基板を使用してもよい。
【００４３】
図５は、本発明の液体金属の定量導入手順を示した動作説明図である。
【００４４】
（ａ）はマイクロピペットを用いて液体金属を導入穴に導入する状態を示した図、（ｂ）は（ａ）の状態に圧力を加える状態を示した図、（ｃ）は圧力をかけた後の状態を示した図である。
【００４５】
（ａ）の状態では、液体金属２を導入穴１１にマイクロピペットなどを用いて導入する。液体金属２の導入量は、（ｂ）の段階で決まるため、（ａ）の段階で導入する量を最適化する必要がない。また、液体金属２は、金属膜１３ａ、１３ｂを濡らすので金属膜１３ａと金属膜１３ｂの隙間と導入穴１１に充填される。
【００４６】
（ｂ）の状態では、外部を加圧するなどして導入穴１１に圧力をかけることにより、狭い導入流路１２ａに液体金属２を導入する。液体金属２を導入する際に、外部から加える圧力によって、狭い導入流路１２ａを流れる液体金属２の単位時間に流れる量を調節することができる。
【００４７】
つまり、液体金属２の導入量は、狭い導入流路１２ａを単位時間に流れる量と導入穴１１に圧力をかける時間の積で決まるため、導入穴１１に外部から加える圧力と導入穴１１に圧力をかける時間により、液体金属２の導入量を調節することができる。
【００４８】
また、吐出流路２３は、金属膜１３ａ、１３ｂで囲まれているため、この段階で空間部２１に加熱手段２２、すなわちヒータが密閉されている。ここで、空間部２１に加熱手段２２、すなわちヒータが密閉されているのは、ヒータを駆動させることにより、液体金属２と金属膜１３ａ、１３ｂの濡れ性によって密閉された空間部２１の駆動ガスを熱により膨張させ、定量化された液体金属２を膨張した駆動ガスの圧力で押し出すためである。
【００４９】
（ｃ）の状態では、外部を加圧するなどして導入穴１１に圧力をかけることにより、導入される液体金属２は、狭い導入流路１２ａを介して吐出流路２３に導入される液体金属２と、金属膜１３ａ、１３ｂと液体金属２が濡れることによって狭い導入流路１２ａ内に残存する液体金属２とに分けられる。
【００５０】
吐出流路２３および広い導入流路１２ｂの断面積よりも狭い導入流路１２ａの断面積を小さく、かつ、広い導入流路１２ｂの断面積は吐出流路２３の断面積よりも小さく、狭い導入流路１２ａの断面積よりも小さくするように、狭い導入流路１２ａおよび広い導入流路１２ｂを形成することで、吐出流路２３への液体金属２の単位時間当たりの導入量を少なくすることができるため、液体金属リレー動作に必要な適正な量の液体金属２を吐出流路２３に導入するまでの時間を長くすることができる。
【００５１】
つまり、狭い導入流路１２ａを形成することにより、吐出流路２３に導入する液体金属２の量を時間によって調節することができる。
【００５２】
また、液体金属２が狭い導入流路１２ａの内面に濡れない場合、液体金属２を狭い導入流路１２ａの内部に入れるためには多大な圧力が必要になる。このように多大な圧力が必要になるため、少なくとも狭い導入流路１２ａの内面の一部分には液体金属２に濡れる金属膜１３ａあるいは、金属膜１３ｂが必要となる。
【００５３】
つまり、狭い導入流路１２ａの内面あるいは内面の一部分に金属膜を形成することにより、導入する液体金属２の量を圧力によって調節することができる。
【００５４】
また、導入する液体金属２の量を調節できることにより、適量の液体金属２を吐出流路２３に導入することが可能になる。また、導入流路１２に導入する液体金属２の量は、導入穴１１に導入する液体金属２の量には影響を受けないため、導入穴１１に液体金属２を導入する量を調節する必要がなくなる。
【００５５】
導入穴１１に圧力をかけなくなった後の液体金属２の動作の説明をする。
【００５６】
導入穴１１に液体金属２を導入し、導入穴１１に圧力をかけ、吐出流路２３及び狭い導入流路１２ａおよび広い導入流路１２ｂに液体金属２が導入された後、圧力をかけることをやめると金属膜１３ａ、１３ｂが形成されている狭い導入流路１２ａは、液体金属２が金属膜１３ａ、１３ｂで濡れるため、液体金属２が狭い導入流路１２ａに残存する。
【００５７】
一方、広い導入流路１２ｂのＸ−Ｘ’部分は、金属膜１３ａ、１３ｂが形成されていないため、液体金属２には濡れない。
【００５８】
また、液体金属２は表面張力が大きいため、金属膜１３ａ、１３ｂが形成されていない広い導入流路１２ｂのＸ−Ｘ’部分に液体金属２を入れるとエネルギーが高くなってしまうことにより、断面積が小さい流路などに液体金属２を入れるには圧力が必要になる。圧力が必要になることにより、圧力をかけることをやめると、液体金属２は断面積が小さい流路の外部へ出て行く。
【００５９】
つまり、広い導入流路１２ｂは吐出流路２３よりも断面積が小さく、かつ広い導入流路１２ｂのＸ−Ｘ’部分に金属膜が形成されていないことにより、圧力をかけることを止めると、広い導入流路１２ｂの液体金属２が吐出流路２３に導入される。よって、導入穴１１に圧力をかけるのを止めると、広い導入流路１２ｂで液体金属２が切れる。広い導入流路１２ｂで液体金属２が切れることによって、定量の液体金属を切り出すことができる。
【００６０】
図６は、図１の液体金属吐出装置の動作説明図であり、（ａ）は液体金属を定量化する場合の説明図であり、（ｂ）は液体金属を吐出する場合の説明図である。
【００６１】
（ａ）は、導入穴１１から液体金属２を導入し、定量化する。
【００６２】
（ｂ）は、液体金属２を吐出する所定の場所に合わせて、液体金属２を吐出する方向を固定し、加熱手段２２、すなわちヒータを駆動させることにより、液体金属２と金属膜１３の濡れ性によって密閉された空間部２１の駆動ガスを熱により膨張させ、定量化された液体金属２を膨張した駆動ガスの圧力で押し出し、液体金属２をノズルチップの外部へと吐出する。
【００６３】
なお、吐出手段２０は、吐出流路２３に導かれた定量の液体金属を駆動ガスの圧力により外部に吐出する手段であるが、液体金属２を安定して定量吐出することができるのであれば上記実施例のように加熱手段２２を用いた場合でなくてもよい。
【００６４】
以上説明したように、本発明によれば、濡れ性の良い狭い導入路を設けることにより、導入穴から導入する液体金属の量を導入圧力や時間で調節することができる。このように、液体金属の導入圧力および導入時間を調整した結果、液体金属を安定して定量吐出することができる。
【００６５】
また、固定手段により、液体金属を滴下したい場所に液体金属の吐出方向を固定し、インジェクション性能を有した加熱手段を設けたことにより、定量化された液体金属を同一の場所に滴下することができる。
【符号の説明】
【００６６】
２  液体金属
１０  定量化手段
１１  導入穴
１２  導入流路
１３  金属膜
２０  吐出手段
２１  空間部
２２  加熱手段
２３  吐出流路
３０  固定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011143345.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011143345.tif 000009