(57)【要約】【課題】噴射力を大きくかつ容易に機能液体を噴射できる液滴噴射方法及び装置を得る。【解決手段】液滴噴射装置１０は、液滴を噴射する機構部であるアクチュエータ１２を備え、アクチュエータ１２は、アクチュエータ１２内に液滴として噴射させる作動液体を循環させる循環部１５、アクチュエータ１２内に設けられたヒータを加熱するための駆動信号を供給する駆動部２０、アクチュエータ１２内に設けられたセンサの出力信号を検出するためのセンサ出力検知部１８が接続される。このヒータ３４に予備加熱パルスとトリガーパルスという２段パルスによる駆動信号が印加されるヒータ加熱で極めて大きい気泡が生成される。【選択図】        図１
2004345323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯留すると共に液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記液体に直接あるいはヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を用いて、前記開口部から液滴を噴射させる液滴噴射方法であって、
前記液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加する、
ことを特徴とする液滴噴射方法。
【請求項２】
前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号は、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成され、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射方法。
【請求項３】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上であることを特徴とする請求項２に記載の液滴噴射方法。
【請求項４】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満であることを特徴とする請求項２に記載の液滴噴射方法。
【請求項５】
前記印加される熱エネルギーによる液体の温度上昇速度は約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の液滴噴射方法。
【請求項６】
前記予備パルス信号による投入エネルギーの大きさは、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とすることを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の液滴噴射方法。
【請求項７】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の液滴噴射方法。
【請求項８】
液体を貯留すると共に液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記液体に直接あるいはヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を有する噴射機構と、
前記液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加するように駆動信号を制御する制御手段と、
を備えた液滴噴射装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号を、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成し、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする請求項８に記載の液滴噴射装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする請求項９に記載の液滴噴射装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満となるように前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項９に記載の液滴噴射装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記印加される熱エネルギーによる液体の温度上昇速度が約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の液滴噴射装置。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記予備パルス信号による投入エネルギーの大きさが、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とする変更手段を含むことを特徴とする請求項８乃至請求項１２の何れか１項に記載の液滴噴射装置。
【請求項１４】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１３の何れか１項に記載の液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴噴射方法及び装置にかかり、特に、熱エネルギーの印加により液滴を噴射させる液滴噴射方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーなどを利用して液体を小さな粒状（所謂、液滴）として媒体上に飛翔させることにより、パターンなどの画像を形成したり、液体自体で構造物を形成したりするマイクロアクチュエータが知られている。このマイクロアクチュエータの１つの機能を利用したものとしては、インクジェットのプリンタヘッド技術が一般的に知られている。すなわち、インクジェット技術を利用したプリンタではインク液滴を噴射して画像を紙面上に得るためのものである。
【０００３】
マイクロアクチュエータは、何らかの機能液体を媒体上に噴射し、パターニングを行って、その媒体に機能を持たせるためのものである。
【０００４】
このマイクロアクチュエータの一例としては、例えば、カラーフィルタを製造するために用いられるもの、マイクロレンズを製造するために用いられるもの、医用ナノピペットに用いられるもの、センサーを製造するために用いられるもの、版や製版を作製するために用いられるものなどがある。
【０００５】
カラーフィルタの製造へマイクロアクチュエータを適用する場合、フィルタ材料を吐出する際の配列方法に関する技術（特許文献１を参照）、カラーフィルタを製造する際の厚さと体積を制御する技術（特許文献２を参照）が提案されている。また、マイクロレンズの製造へマイクロアクチュエータを適用する場合、硬化性樹脂液を小滴とするため液表面に超音波を集束する技術（特許文献３を参照）、レンズ製造装置の構成と共にレンズ材料液の重量を可変噴射する技術（特許文献４を参照）が提案されている。
【０００６】
また、マイクロアクチュエータについて、医用を主目的としたピペットとしてのインクジェットの応用も検討されている（特許文献５、特許文献６を参照）。また、センサーの製造への適用では、電極上に有機素材をインクジェットにより噴出し薄膜センサーを形成する技術が提案されている（特開２０００−９７８９４号（特許文献７を参照）。また、版や製版の作製への適用では、インクジェットで平版作製する際の、記録ドットの制御方法が提案されている（特許文献８を参照）。また、電界を用いたマイクロアクチュエータとしては、機能液体をより安定に媒体へ塗布していく方法として電界を用いる技術が検討されている（特許文献９、特許文献１０を参照）。
【０００７】
上記マイクロアクチュエータは、その特性として、噴出量が可変でその可変幅が大きいこと、噴射力自体が大きく、各種の機能液体を噴射できること、が要求される。これを実現させるものとしては、電気機械変換の動作によるピエゾ型のアクチュエータ、電界を用いたアクチュエータ、及び急速加熱沸騰を用いる熱沸騰型（サーマルインクジェット）のアクチュエータが挙げられる。
【０００８】
ここで、マイクロアクチュエータの小型化や低コスト化を図るためには、単位面積あたりに得られる変位量が大きな熱沸騰型のマイクロアクチュエータが好ましい。その熱沸騰型のマイクロアクチュエータに適用可能な通常のインクジェットで用いるパルス方式では、吐出用パルスの立ち上がり前にプレヒートバイアスを与えたり、気泡を形成しない予備発熱用信号を与えたり、予熱により噴射滴の容積を変更したりする、ヒータ駆動波形を単一矩形波から変更する技術が提案されている（特許文献１１、特許文献１２，特許文献１３，特許文献１４を参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２７３８６９号公報
【特許文献２】
特開平９−２１９０９号公報
【特許文献３】
特開２００３−９０９０４号公報
【特許文献４】
特開２００３−５３７４７号公報
【特許文献５】
特開２００１−２２８１６２号公報
【特許文献６】
特開２００１−２３２２４５号公報
【特許文献７】
特開２０００−９７８９４号公報
【特許文献８】
特開２００２−２０５３７０号公報
【特許文献９】
特開２００１−３０１１５４号公報
【特許文献１０】
特開２０００−２４６８８７号公報
【特許文献１１】
特開昭６３−１３２０５９号公報
【特許文献１２】
特開昭５４−３９４７０号公報
【特許文献１３】
特開平２−２１４６６４号公報
【特許文献１４】
特開２０００−２４６８９９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにインクジェットで用いるインクを噴射するためのヒータ駆動信号であるパルス信号について、単一のヒータ駆動波形を単純に変更してマイクロアクチュエータに用いることでは、機能性液体の噴射について噴射力が不十分である。
【００１１】
すなわち、従来の技術は、安定的な噴射状態を得るものであり、噴射力を考慮したものではない。熱沸騰型のマイクロアクチュエータで大きな噴射力を得るためには、熱エネルギーを与えることによる急速加熱沸騰に基づく気泡の生成についての挙動を把握しなければならない。このため、その挙動を考慮して付与する熱エネルギーを付与する必要がある。
【００１２】
本発明は、上記事実を考慮して、噴射力を大きくかつ容易に機能液体を噴射できる液滴噴射方法及び装置を得ることが目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、液体を貯留すると共に液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記液体に直接あるいはヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を用いて、前記開口部から液滴を噴射させる液滴噴射方法であって、前記液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加することを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明者は、液体に熱エネルギーを印加することにより気泡を発生させて液滴を噴射させるときに、その液滴量を十分にとるためには、熱エネルギーを印加するヒータに接する液層に十分な過熱を事前に与えることが好ましいという知見を得た。このためには、急速加熱沸騰に基づく気泡の生成が開始される以前に、ヒータと液体の界面に液体が発泡しない程度の加熱、すなわちヒータに接する液体界面に十分な予備熱エネルギーを与えることが好ましい、という知見も得た。
【００１５】
そこで、液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加する。これによって、ヒータの発熱面積より大きな気泡を生成させて液滴を噴射することができる。
【００１６】
前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号は、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成され、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする。
【００１７】
この場合、予備パルス信号による熱エネルギー印加時においては発泡しないこと、前記液体の沸点以上に過熱すること、トリガーパルス信号による沸騰がヒータ面に微細な気泡を多数発生せしめる（主として自発核生成に基づく）ものであること、が好ましい。
【００１８】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上であることを特徴とする。
【００１９】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満であることを特徴とする。
【００２０】
前記印加される熱エネルギーによる液体の温度上昇速度は約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上であることを特徴とする。
【００２１】
前記予備パルス信号による投入エネルギーの大きさは、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とすることを特徴とする。
【００２２】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする。
【００２３】
前記液滴噴射方法は、以下の液滴噴射装置によって容易に実現可能である。
【００２４】
本発明の液滴噴射装置は、液体を貯留すると共に液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記液体に直接あるいはヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を有する噴射機構と、前記液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加するように駆動信号を制御する制御手段と、を備えている。
【００２５】
前記制御手段は、前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号を、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成し、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする。
【００２６】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする。
【００２７】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満となるように前記駆動信号を制御することを特徴とする。
【００２８】
前記制御手段は、前記印加される熱エネルギーによる液体の温度上昇速度が約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする。
【００２９】
前記制御手段は、前記予備パルス信号の大きさが、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とする変更手段を含むことを特徴とする。
【００３０】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施の形態にかかる液滴噴射装置１０の概略構成を示したものである。液滴噴射装置１０は、液滴を噴射する機構部であるアクチュエータ１２を備えている。このアクチュエータ１２は、アクチュエータ１２内に液滴として噴射させる作動液体を循環させる循環部１５、アクチュエータ１２内に設けられたヒータを加熱するための駆動信号を供給する駆動部２０、アクチュエータ１２内に設けられたセンサの出力信号を検出するためのセンサ出力検知部１８が接続されている。
【００３３】
この循環部１５は、ポンプ１４及び液体調整機構部１６を備えており、ポンプ１４及び液体調整機構部１６は、循環路１３によって連通されている。また、センサ出力検知部１８は、センサ信号線１７によりアクチュエータ１２に接続されており、駆動部２０は、駆動信号線２１によりアクチュエータ１２に接続されている。
【００３４】
なお、図示は省略したが、液滴噴射装置１０は、センサ出力検知部１８、ポンプ１４、液体調整機構部１６、及び駆動部２０を統括的に制御するコンピュータを備えている。この図示しないコンピュータは、液滴を噴射するための噴射データを制御するためのものである。
【００３５】
このアクチュエータ１２は、詳細は後述するが、内部に設けられたヒータの駆動により作動液体の一部が液滴２４として噴射され、媒体２２へ至る。また、図示は省略したが、アクチュエータ１２は、搬送系に搭載され、１次元または２次元以上の次元で媒体２２との関係が相対的に移動可能とされており、空間内を自在に移動できる構成とすることで、作動液体を位置自在に噴射できるようになっている。
【００３６】
図２には、アクチュエータ１２を構成する１液滴を噴射する単位構成部３０の詳細を示した。アクチュエータ１２の単位構成部３０は、基板４０上に設けられたヒータ３４を備えており、ヒータ３４は電極３６を備えている。ヒータ３４から離間した位置には、開口を有するノズル３２が設けられており、このノズル３２とヒータ３４を有する基板４０側とが架橋部３３により連結されている。これらのノズル３２、架橋部３３、及び基板４０側により作動液体３８を収容する液体室３１を構成している。この液体室３１は、循環路１３に連通されており、液体室３１内の作動液体３８を循環可能とされている。
【００３７】
上記単位構成部３０のノズル３２側を液滴２４の噴射側として、単位構成部３０を、１列または２次元的に複数配設することにより、複数の液滴を噴射可能に構成することができる。
【００３８】
ここで、作動液体３８の噴出のため、大きな気泡を得ることが可能な高噴射効率のアクチュエータ１２を構成するためには、液体室３１の容積を十分確保することが好ましい。
【００３９】
例えば、図３に示すように、ヒータ３４とノズル３２の液体室３１側の面が近接している場合は、噴射可能部３７の容積は僅かになる。この場合、大きな気泡を生成することが困難な場合がある。このため、液体室３１の設計にあたっては、ヒータ面を半球の底面とする気泡体積の約２倍、少なくともヒータ面を直径面とする球体以上の容積を確保することが好ましい。これにより、高効率のアクチュエータを得ることができる。なお、この際、ノズル径も重要なパラメータであるが、設計はその液体の噴射速度、液体の粘度を勘案する必要があり、最適化の範囲で決定することができる。
【００４０】
図４には、上記単位構成部３０をノズル３２側から見た概念の平面図を示した。図４に示すように、ヒータ３４の両脇には、センサ４２が設置されている。センサ４２は、液体室３１内の作動液体３８の状態として、作動液体３８の性質を検出するための検出器である。本実施の形態では、作動液体の物性値をヒータ近傍で測定可能とする一例を採用し、センサ４２間に流れる電流をセンサ４２によって検知する。
【００４１】
このセンサ４２の電流値が所定値や所定範囲内のときに、作動液体３８が同一物性値であるとする。このセンサ４２の電流値は、センサ出力検知部１８へ入力される。センサ出力検知部１８は、入力された電流値から作動液体３８の性質を一定に保つべく、調整信号を液体調整機構部１６へ出力する。液体調整機構部１６は、入力された調整信号により作動液体３８の成分を調整する。これにより、作動液体の物性値を一定すなわち作動液体３８の性質を一定に維持することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、作動液体３８としてエタノールを用いた場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、作動液体はそれぞれの目的に応じて選択可能であり、後述するように、作動液体の物性に応じて、急速加熱沸騰の開始温度、急速加熱沸騰を実現する投入電力および加熱速度、液層に蓄える過熱エネルギーなどを考慮することで、アクチュエータを構成したり、制御したりすることが可能である。
【００４３】
図５は、本実施の形態のアクチュエータ１２に利用可能なヒータ３４の一例を示したものである。ヒータ３４は、発熱有効矩形領域（長さＸｔｈ、幅Ｙｔｈ）を有するものであり、その中腹部に駆動信号を供給するための電極３６を備えている。この電極３６は発熱効率を考慮して、所定幅（例えば０．０１ｍｍ）の引き出し線として所定間隔（例えば、０．２５ｍｍ）を隔てて設けられている。
【００４４】
本実施の形態では、発熱有効矩形領域として図示される有効発熱長さ４００μｍ、発熱幅１００μｍの白金製矩形ヒータをヒータ３４として利用した。この白金製矩形ヒータは、石英ガラス面上にチタン及び白金を所定厚さ（Ｔｉ：０．０５μｍ、Ｐｔ：０．２０μｍ）で順位積層するべく蒸着して構成したものである。
【００４５】
なお、本実施の形態では、ヒータ材料として、腐食に強い白金を用いているが、他ヒータとして適した金属材料としてＴａ、ＴａＮ等があげられる。またＰｏｌｙ  Ｓｉなど、トランジスタ工程に適した材料を用いることも可能である。
【００４６】
次に、本実施の形態のアクチュエータ１２において、作動液体３８をヒータ３４で加熱することで気泡を発生させて液滴２４を噴射する過程を図６を参照して説明する。
【００４７】
作動前には、単位構成部３０の液体室３１に作動液体３８が収容されて（図６（ａ）参照）、ヒータ３４が発熱することにより液体室３１内の作動液体３８に気泡が発生する。気泡（Ｂｕｂｂｌｅ）は、急激に成長すると共にその気泡の膨張に応じて作動液体３８はノズル３２の開口部を超える（図６（ｂ）参照）。この後、気泡が消滅に至るときに、液柱が生じ（図６（ｃ）参照）、その液柱が液体室３１内の作動液体３８から分断され、液滴２４として噴射される（図６（ｄ）参照）。そして、噴射された作動液体３８の量に見合う作動液体３８が補充される（図６（ｅ）参照）。このようにして、液滴２４がアクチュエータ１２から噴射される。
【００４８】
ここで、本発明者は、加熱により気泡を発生させて液滴を噴射させるときに、その液滴量を十分にとるためには、加熱量（熱エネルギー）を印加するヒータ３４に接する液層に十分な過熱を事前に与えることが好ましく、また、急速加熱沸騰に基づく気泡の生成が開始される以前に、ヒータ３４と作動液体３８の界面に作動液体３８が発泡しない程度の加熱、すなわちヒータ３４に接する液体界面に十分な予熱を与えることが好ましいという知見を、各種の検討及び実験によって得た。
【００４９】
この液滴を噴射するときに、液滴量を十分に得ることが可能な加熱すなわち熱エネルギーの印加について説明する。
【００５０】
図７は、ヒータ３４を加熱するために、電力を有する単パルスを与えた結果、生成される気泡が時間とともに変化していく様子を平面的に示したものである。また、図８は、図７の断面図である。
【００５１】
ヒータ３４に単パルスを与えると、ヒータ３４が発熱を開始し、これと共に気泡が発生し（図７（ａ）参照）、そしてヒータ３４の発熱面に散在して気泡が発生する（図７（ｂ）参照）。この後、散在した多数の気泡が合体し（図７（ｃ）参照）、最大となる（図７（ｄ）参照）。この後に、気泡が消滅へと移行する（図７（ｅ）、（ｆ）参照）。
【００５２】
図９は、加熱するためにヒータ３４へ単パルスの駆動信号を与えたときの、投入電力の変化に対する最大気泡面積の関係を示したものである。図では、横軸に電力（Ｗ）、縦軸に面積比（気泡最大面積Ａｂｍａｘ／ヒータ面積Ａｈ）としたものである。
【００５３】
図９に示すように、投入電力が高いほど、すなわち加熱速度（単位時間あたりの温度上昇Ｋ／ｓ）が速いほど気泡の面積は大きくなるが、その後安定し、気泡面積はヒータ面積の約１．５倍程度で飽和することが解される。従って、約１４Ｗ近傍から単に投入電力を増大させても気泡面積は飽和する。また、図７に示される気泡の挙動は図９において、気泡面積が投入電力に対して安定である領域で現れる。
【００５４】
そこで、本発明者は、各種検討を行い、ヒータ３４に対して単パルス供給ではなく、図１０に示す予備加熱パルスとトリガーパルスという２段パルスによるヒータ加熱を行った場合、図１１（ｃ）に示す極めて大きい気泡が生成されることを見出した。
【００５５】
ここで、ヒータ３４に付与する駆動信号は、時間ｔ１の予備加熱パルス信号と時間ｔ２のトリガパルス信号とから構成される（図１０）。この駆動信号を付与したときのアクチュエータ１２における気泡の挙動は、図１１に示すように、ヒータ３４に２段パルスを与えると、ヒータ３４が発熱を開始し、これと共に気泡が発生し（図１１（ａ）参照）、そしてヒータ３４の発熱面の中央付近に気泡が散在して発生する（図１１（ｂ）参照）。この後、散在した多数の気泡が合体してゆき、最大となる（図１１（ｃ）参照）。この後に、気泡が消滅へと移行する（図１１（ｄ）、（ｅ）参照）。
【００５６】
このように、より大きい気泡を得るために２段パルス波形の詳細な検討を行った結果を以下に示す。
【００５７】
＜第１の検討＞
第１の検討では、図１２に示すように、トリガーパルス信号の時間ｔ２を一定（１μ秒）に設定しかつ予備加熱パルス信号の時間ｔ１を可変に設定した場合における最大気泡面積を計測して検討した。この可変時間は、１０〜６０μ秒について１０μ秒づつ増加した段階で計測した。
【００５８】
なお、トリガーパルス信号の電力は、６．０Ｗとし、予備加熱パルス信号の電力は、１．５Ｗに設定した。この電力比率は、１／４に設定したが、本発明はこれに限定されない。但し、電力比率は、１／３より小さいほうが好ましい場合もあり、約１／４の設定がさらに好ましい場合がある。すなわち、予備加熱パルス信号で与えられるエネルギー（電力×時間：単位Ｊｏｕｌｅ）は、トリガーパルス信号で与えられるエネルギーと同等でもよく、またはそれ以上でもよく、さらにそれ以下でもよい。
【００５９】
図１３には、予備加熱パルス信号の時間ｔ１と、面積比（気泡最大面積Ａｂｍａｘ／ヒータ面積Ａｈ）の関係を示した。図１３からも理解されるように、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を増加するのに従って面積比が増大すなわち最大気泡面積が増加した。ここで、気泡面積は単パルス信号を供給したときの２倍程度であることが理解される。
【００６０】
なお、この検討において、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を７０μ秒以上とすると、予備加熱パルス信号の印加の終了時点近傍で発泡を開始するが、気泡の大きな成長は得られなかった。
【００６１】
以上のことから、大きな気泡を得るためには予備加熱パルス信号の時間ｔ１をトリガーパルス信号の時間ｔ２の１０倍程度以上とすることが好ましいと解される。
【００６２】
＜第２の検討＞
第２の検討では、図１２と同様に予備加熱パルス信号の時間ｔ１を変化させて最大気泡面積を計測する場合に、図１４に示すように、予備加熱パルス信号による電力Ｑｔ１を可変とし最大気泡面積を計測し検討したものである。ここでは、電力Ｑｔ１はヒータ３４へ供給する電圧値及び電流値に対応する。
【００６３】
まず、トリガーパルス信号の電力を、６．０Ｗとし、予備加熱パルス信号により与えられる電力を、０．２５Ｗに設定した場合を説明する。この電力比率は、１／２４であり、予備加熱パルス信号による電力Ｑｔ１について、第１の検討との比は１／６である。これらの比は上記の数値による設定の一例であり限定されるものではない。
【００６４】
ここで、本検討では、予備加熱パルス信号により与えられる電力を低下させているので、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を増加させることが可能である。そこで、本検討では、予備加熱パルス信号の時間ｔ１として、１５００〜４５００μ秒について１０００μ秒づつ増加した段階で計測した。
【００６５】
図１５には、本検討における予備加熱パルス信号の時間ｔ１と、面積比（Ａｂｍａｘ／Ａｈ）の関係を示した。図１５からも理解されるように、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を増加するのに従って面積比が大幅に増大すなわち最大気泡面積が大幅に増加した。ここで、気泡面積は単パルス信号を供給したときの６倍程度（９／１．５）であることが理解される。ここで、気泡体積を単純に面積の３／２乗とすると、気泡体積は単パルス信号により発生される気泡体積の約１５倍の体積が得られたことになる。
【００６６】
次に、図１６に示すように、トリガーパルス信号により与えられる電力を、６．０Ｗとし、予備加熱パルス信号の電力を、０．４Ｗに設定した場合を説明する。この電力比率は、１／１５であり、予備加熱パルス信号による電力Ｑｔ１について、第１の検討との比は１／３．７５である。この条件は、予備加熱パルス信号による電力について、図１４の条件よりやや大きく、図１２の条件より小さい場合である。
【００６７】
なお、ここでは、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を２段階（５００μ秒と１０００μ秒）に可変して、各時間ｔ１について、気泡生成開始後の気泡面積（すなわち気泡が成長していく様子）を計測して検討した。
【００６８】
図１７には、気泡生成開始後の時間ｔと、面積比（Ａｂｍａｘ／Ａｈ）の関係を示した。図１７では、予備加熱パルス信号を与えない２．５Ｗの電力による単パルス信号で気泡生成開始後の気泡面積を計測した特性を曲線Ｃｕ１で示し、５００μ秒の予備加熱パルス信号による気泡生成開始後の気泡面積を計測した特性を曲線Ｃｕ２で示し、１０００μ秒の予備加熱パルス信号による気泡生成開始後の気泡面積を計測した特性を曲線Ｃｕ３で示した。
【００６９】
ここで、図１７に示すように、各曲線の傾き、すなわち気泡の成長速度は、いずれの場合も同程度であることが理解される。従って、低電力の長さが長いパルス信号を予熱として与えた場合でも、気泡の成長速度が十分早いことが理解される。すなわち、アクチュエータの駆動力としては、単一パルス信号と同等の力を発生していることが理解される。これは沸騰状態が、双方ともに同様に自発核生成に基づく瞬時の爆発的生成および成長であることで説明できる。
【００７０】
また、上記の結果から、加熱速度は、１×１０の７乗程度以上であることが好ましいという結果を得た。
【００７１】
以上述べたように、ヒータ３４に与える駆動信号についてそのパルス条件を変化させることで、大きな気泡を発生させることができるので、この原理を本実施の形態のアクチュエータ１２に適用することにより、従来では得られない大きな液体駆動力を有するマイクロアクチュエータを得ることができる。
【００７２】
次に、本実施の形態の液滴噴射装置１０の作動について図１８のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００７３】
本実施の形態では、アクチュエータ１２は、図示は省略した搬送系により、１次元以上の次元で媒体２２と相対的な位置関係に移動されて、作動液体を噴射可能にされる。この時に、液滴噴射装置１０では、図１８の処理ルーチンが実行され、ステップ１００において、作動液体３８の循環を開始する。ここでは、ポンプ１４が作動されることに相当する。
【００７４】
次のステップ１０２では、センサ４２の出力信号により作動液体３８の物性値を検知し、次のステップ１０４において一定の性質にするべく液体調整機構部１６へ制御信号を出力する。これによって、ポンプ１４により循環路１３及び液体室３１内を循環する作動液体３８は一定の性質が維持される。ここでは、センサ出力検知部１８の信号により液体調整機構部１６が作動液体３８の成分を調整することに相当する。
【００７５】
次のステップ１０６では、アクチュエータ１２から液滴２４を噴射するか否かを表す噴射データを読み取り、次のステップ１０８で噴射するか否かを判断する。噴射する場合には、ステップ１１０へ進み、噴射しない場合には、ステップ１１６へ進む。
【００７６】
ステップ１１０では、上記説明した２段パルス信号による駆動信号のパターンを読み取り、次のステップ１１２において、その駆動信号について、電力及び時間を設定する。すなわち、予備加熱パルス信号の電力及び時間ｔ１、トリガーパルス信号の電力及び時間ｔ２を設定する。
【００７７】
次のステップ１１４では、上記ステップ１１２で設定がなされた駆動信号をヒータ３４へ出力する。この駆動信号を出力することは、駆動部２０により駆動信号を出力することに相当する。
【００７８】
ステップ１１６では、アクチュエータ１２の駆動を終了するか否かを判断し、否定されるとステップ１００へ戻り、上記処理を繰り返し、肯定されると、本ルーチンを終了する。
【００７９】
このように、本実施の形態によれば、液滴を噴射するときの駆動信号を予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号とから構成しているので、ヒータの発熱面積より大きな気泡を生成させて液滴を噴射することができる。
【００８０】
上記実施の形態では、駆動信号の波形パターンとして、一定の予備加熱パルス信号に一定のトリガーパルス信号が連続する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断されていてもよく、予備加熱パルス信号及びトリガーパルス信号の少なくとも一方の信号が変動してもよい。
【００８１】
図１９には、駆動信号の波形パターンの変形例を示した。図１９（ａ）には予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断されて時間差を有する場合の一例を示した。液滴噴射装置１０を実際のシステムに適用する場合、電力切り替え時などに、電流が瞬断される場合がある。この場合にあっても、その瞬断時間を短く維持ことで効果が得られる。
【００８２】
図１９（ｂ）には、予備加熱パルス信号の電力が線形的に増加された波形パターンを示した。また、図１９（ｄ）には、予備加熱パルス信号の電力が曲線的に減少された波形パターンを示した。この場合、アナログ的な増加はある程度許容され、本アクチュエータ１２の作動に影響を及ぼさない範囲において、問題はない。
【００８３】
図１９（ｃ）には、予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断されて時間差を有しかつ、予備加熱パルス信号の電力が微増する波形パターンを示した。
【００８４】
なお、図１９（ａ）、（ｃ）は予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断される瞬断が存在する場合にも相当するが、上述のように、予備加熱パルス信号の目的はヒータ上の作動液体３８を十分な過熱エネルギーを有する液層とすることであるので、これらの各波形パターンに至っても効果的な気泡生成を得ることができる。
【００８５】
また、予熱電力の勾配が図１９（ｂ）と逆になる、図１９（ｅ）の波形パターンの場合、すなわち、予熱開始時より、予熱終了時の電力が低いという加熱方法が示される。加熱時間を短縮する観点で本波形は好ましいが、予熱開始時に沸騰しないよう電力過多に注意する必要があり、これはシステム設計上で適宜選択することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、ヒータの面積より極めて大きな気泡を生成させて液滴を噴射することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる液滴噴射装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態にかかるアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図３】本実施の形態にかかるアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図４】本実施の形態にかかるアクチュエータの構成を示す平面図である。
【図５】本実施の形態にかかるヒータの構成を示す斜視図である。
【図６】液滴を噴射する過程を説明するための説明図である。
【図７】ヒータ加熱による気泡の発生から消滅までの過程を説明するための説明図である。
【図８】図７の断面図である。
【図９】単一パルス信号の電力と気泡の面積との関係を示す特性図である。
【図１０】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１１】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号とにより生成される気泡の挙動を示すイメージ図である。
【図１２】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１３】予備加熱パルス信号の時間変化によるヒータの加熱により発生された気泡の大きさを示す特性図である。
【図１４】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１５】予備加熱パルス信号の時間変化によるヒータの加熱により発生された気泡の大きさを示す特性図である。
【図１６】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１７】ヒータの加熱により気泡が生成された後の時間と気泡の面積との関係を示す特性図である。
【図１８】本発明の実施の形態にかかるアクチュエータを駆動するための処理の流れを示すフローチャートである。
【図１９】本発明の実施の形態にかかるアクチュエータを駆動するための波形パターンの変形例を示す線図である。
【符号の説明】
Ｂｕｂｂｌｅ…気泡
ｔ１…予備加熱パルス信号の時間
ｔ２…トリガーパルス信号の時間
１０…液滴噴射装置
１２…アクチュエータ
１３…循環路
１４…ポンプ
１５…循環部
１６…液体調整機構部
１８…センサ出力検知部
２０…駆動部
２２…媒体
２４…液滴
３０…単位構成部
３１…液体室
３２…ノズル
３３…架橋部
３４…ヒータ
３６…電極
３８…作動液体
４０…基板
４２…センサ
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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