(57)【要約】【課題】ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化を両立できるようにする。【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材料１５に電荷を供給し、この吐出材料１５をノズル孔から基板１６に吐出させる。ノズル１１の孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、電源１４は、吐出材料１５の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の吐出材料１５と基板１６との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて駆動電圧を出力する。【選択図】  図１
2005058808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、
１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕
を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項２】
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、
１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕＜２５０Ｖ
を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項３】
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、
前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、
１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕＜２５０Ｖ
かつＶ０＜２５０Ｖ
を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項４】
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、
前記ノズル先端部と前記吐出先部材との間の距離をＸとし、前記ノズルの孔径をφ１μｍ〜φ５μｍとし、ノズルの孔径がこの範囲である場合の、ノズルから前記流体の吐出が開始される吐出開始電圧の最大値をＶＨ、最小値をＶＬとした場合に、
ＶＨ＝−０．００１Ｘ２＋０．４４Ｘ＋１２５
ＶＬ＝−０．００１３Ｘ２＋０．６９Ｘ＋１６０
であることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項５】
ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、
前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、
前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、
１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕
を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴とする静電吸引型流体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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基板などの対象物上に吐出する静電吸引型流体吐出方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、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などの方式があるが、その他の方式として、吐出する流体を導電性流体とし、導電性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および特許文献２において開示がある。
【０００４】
また、特許文献４には、ノズルをスリットとして、ノズルより突出した針電極を設け微粒子を含むインクを吐出するインクジェット装置が開示されている。例えば特許文献３には、ノズルより内部に電圧印加用の電極を設けたインクジェット装置が開示されている。
【０００５】
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。
【０００６】
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、印加電圧としては、ノズルに印加する電圧、およびノズルと対向電極間との距離が特に重要とされていた。
【０００７】
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１４にこの様子を示す。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）。この時の電場は、ノズル１００と、ノズル１００とｈだけ距離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Ｅ０とする。この時の成長波長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。なお、１０１ａはノズル孔である。
【０００８】
【数１】
2005058808.tif 000003
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。ノズル径ｄ（ｍ）が、λｃよりも小さい場合、成長は起こらない。すなわち、
【０００９】
【数２】
2005058808.tif 000004
が、吐出のための条件となっていた。
【００１０】
ここで、Ｅ０は平行平板を仮定した場合の電界強度（Ｖ／ｍ）で、ノズル−対向電極間距離をｈ（ｍ）、ノズルに印加する電圧をＶ０として、
【００１１】
【数３】
2005058808.tif 000005
したがって、
【００１２】
【数４】
2005058808.tif 000006
となる。
【００１３】
【特許文献１】
特公昭３６−１３７６８号公報（公告日昭和３６年８月１８日）
【００１４】
【特許文献２】
特開２００１−８８３０６号公報（公開日平成１３年４月３日）
【００１５】
【特許文献３】
特開平８−２３８７７４号公報（公開日平成８年９月１７日）
【００１６】
【特許文献４】
特開２０００−１２７４１０号公報（公開日平成１２年５月９日）
【００１７】
【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
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１９】
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など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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、空気滞留などによる撹乱を受け、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。
【００２２】
またさらに、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。
【００２３】
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およ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。
【００２４】
尚、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５０〜２０００μｍ、より好ましくは１００〜１０００μｍといった範囲であった。
【００２５】
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。すなわち、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など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ていた。すなわち、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。
【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。また、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】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ノズルの微細化と微小流体の吐出及び着弾位置の高精度化、さらに、駆動電圧の低電圧化をすべて実現した静電吸引型流体吐出装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴としている。
【００２９】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴としている。
【００３０】
従来、静電吸引型流体吐出装置において、ノズル孔径の縮小は吐出に必要な電界強度の増加を招来するため、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化は両立し得ないと考えられていた。これに対し、本願発明では、ノズル孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍの微細径とした場合に局所電界が発生し、吐出における駆動電圧の低下が可能になるという新たな知見に基づき、ノズル孔径を上記範囲内とすることにより、ノズル孔径の微細化と駆動電圧の低電圧化の両立を実現している。
【００３１】
また、本願発明の構成では、ノズルの孔径をさらにφ１μｍ〜φ５μｍの範囲に限定しているので、ノズル孔径の微細化による駆動電圧の低電圧化をさらに確実なものとしている。
【００３２】
また、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にてノズルの駆動電圧を出力しているので、ノズル先端のメニスカス表面電位を確実に吐出可能電位以上に設定することができ、微細ドット形成における信頼性を向上することができる。
【００３３】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕＜２５０Ｖを満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴としている。
【００３４】
上記の構成によれば、前記静電吸引型流体吐出装置と同様、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することができ、また、ノズル孔径をさらにφ１μｍ〜φ５μｍの範囲に限定しているので、ノズル孔径の微細化による駆動電圧の低電圧化をさらに確実なものとすることができる。
【００３５】
また、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕＜２５０Ｖを満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にてノズルの駆動電圧を出力しているので、ノズル先端のメニスカス表面電位を確実に吐出可能電位以上に設定することができ、微細ドット形成における信頼性を向上することができるとともに、駆動電圧を低くかつ狭い範囲に設定することができる。
【００３６】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕＜２５０Ｖ、かつＶ０＜２５０Ｖを満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力することを特徴としている。
【００３７】
上記の構成によれば、前記静電吸引型流体吐出装置と同様、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することができ、また、ノズル孔径をさらにφ１μｍ〜φ５μｍの範囲に限定しているので、ノズル孔径の微細化による駆動電圧の低電圧化をさらに確実なものとすることができる。
【００３８】
また、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕＜２５０Ｖを満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にてノズルの駆動電圧を出力しているので、ノズル先端のメニスカス表面電位を確実に吐出可能電位以上に設定することができ、微細ドット形成における信頼性を向上することができるとともに、駆動電圧を低くかつ狭い範囲に設定することができる。
【００３９】
さらに、電圧Ｖ０＜２５０Ｖとしているので、ノズル先端部に形成されるメニスカス表面電位の変化量を低く抑えることができる。これにより、ノズル−吐出先部材間距離の変動等によるメニスカス表面電位のばらつきを抑制することができ、吐出先部材上に微細パターンを形成する場合の微細液体の安定した吐出が可能となる。
【００４０】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズル先端部と前記吐出先部材との間の距離をＸとし、前記ノズルの孔径をφ１μｍ〜φ５μｍとし、ノズルの孔径がこの範囲である場合の、ノズルから前記流体の吐出が開始される吐出開始電圧の最大値をＶＨ、最小値をＶＬとした場合に、
ＶＨ＝−０．００１Ｘ２＋０．４４Ｘ＋１２５
ＶＬ＝−０．００１３Ｘ２＋０．６９Ｘ＋１６０
であることを特徴としている。
【００４１】
上記の構成によれば、前記静電吸引型流体吐出装置と同様、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することができ、また、ノズル孔径をさらにφ１μｍ〜φ５μｍの範囲に限定しているので、ノズル孔径の微細化による駆動電圧の低電圧化をさらに確実なものとすることができる。
【００４２】
さらに、ノズルからの流体の吐出開始電圧が、ＶＨ＝−０．００１Ｘ２＋０．４４Ｘ＋１２５、ＶＬ＝−０．００１３Ｘ２＋０．６９Ｘ＋１６０で与えられる最大値（ＶＨ）と最小値（ＶＬ）との間に設定されるので、微細パターン形成の際のノズルからの流体の吐出において、安定かつ信頼性の高い動作が可能となる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
〔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。
本発明の前提技術に係る静電吸引型流体吐出装置は、そのノズル径を０．０１μｍ〜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。
【００４４】
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、５０〜７０μｍ以下のノズル径では、吐出インクに背圧を与えるなど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、本願発明者らは鋭意検討の結果、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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指す）のノズルに導電性インクを注入し、無限平板導体からｈの高さに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図８に示す。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。
【００４７】
【数５】
2005058808.tif 000007
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、ノズル形状など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））の時はほぼ１となる。
【００４８】
また、基板として導電基板を用いた場合、ノズルと対向して基板内の対称位置に、上記電荷Ｑと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。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と逆極性の映像電荷Ｑ’が誘導される。
【００４９】
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、
【００５０】
【数６】
2005058808.tif 000008
で与えられる。ここで、ｋは、ノズル形状など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。
【００５１】
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をＳとすると、
【００５２】
【数７】
2005058808.tif 000009
となる。（５）〜（７）式より、圧力Ｐｅは、α＝１とおいて、
【００５３】
【数８】
2005058808.tif 000010
と表される。
【００５４】
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、
【００５５】
【数９】
2005058808.tif 000011
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、
【００５６】
【数１０】
2005058808.tif 000012
となる。
【００５７】
図９に、ある直径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、Ｖ０とｄとの関係を求めると、
【００５８】
【数１１】
2005058808.tif 000013
が吐出の最低電圧を与える。
【００５９】
また、その時の吐出圧力ΔＰは、
【００６０】
【数１２】
2005058808.tif 000014
より、
【００６１】
【数１３】
2005058808.tif 000015
となる。
【００６２】
ある直径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１０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１１に示す。
【００６３】
図１０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。
【００６４】
図１１の計算では、吐出流体として水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）および有機溶剤（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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、装置の小型化およ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。
【００６７】
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−基板間に電界を印加するため、絶縁体の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、あるいは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。
【００６８】
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基板など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、この液体と基板との間には鏡像力が働く。この鏡像力の大きさと基板からのノズルの距離ｈとの相関を図１２に示す。
【００６９】
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。
【００７０】
【数１４】
2005058808.tif 000016
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。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。
【００７１】
【数１５】
2005058808.tif 000017
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１３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１１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より少し上で精密に制御することで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、特に１０−１０ｍ３／ｓ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／ｓ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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
【数１６】
2005058808.tif 000018
ここで、ε：流体の比誘電率、σ：流体の導電率（Ｓ・ｍ−１）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。あるいは、臨界周波数をｆｃとすると、
【００７６】
【数１７】
2005058808.tif 000019
となる。この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。上記の例について見積もると、周波数としては１０ｋＨｚ程度となる。
【００７７】
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の間に電圧を印加すると液体と絶縁体の接触面積が増す、すなわちぬれ性がよくなることが見いだされ、エレクトロウェッティング（Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）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（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｐａｐｉｌｌａｒｙ）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。
【００７８】
【数１８】
2005058808.tif 000020
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。
【００７９】
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、局所的な強電界と、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、基板などの誘電体、または導体を近づけると、鏡像力が働き基板に対し直角に飛翔する。このために、実施例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。
【００８０】
〔実施の形態１〕
以下に本発明の実施の形態について説明する。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駆動電圧条件について究明した結果について説明する。また、以下の実施の形態では、吐出対象物に対して液体（流体）の安定な吐出を行うため、ノズルに対して対向電極を対置し、ノズルと対向電極（すなわち対向電極を介して接地される吐出先部材）との間に電界を発生させる構成としている。
【００８１】
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０．０１〜２５μｍ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。
【００８２】
しかしながら、静電吸引型流体吐出装置により特に微小ドットや微細ラインを形成する場合、ノズル内部の駆動電極と基板（対向電極の前に設けられた対象物）との間の電位差が重要な要素となる。すなわち、この電位差が大き過ぎると液体の吐出量が多くなり微細パターンを形成することが困難である一方、上記電位差が小さ過ぎると吐出不良が発生する。
【００８３】
さらに、各電圧値に対する印加時間も重要な要素である。すなわち、ある電圧値に対して印加時間が長過ぎると吐出量過多となり微細パターンの形成が困難となる一方、印加時間が短過ぎると吐出不良が発生する。
【００８４】
そこで、以下の実施の形態においては、ノズルと対向電極との間の印加電圧（駆動電圧）および印加時間を適切に設定することにより、安定した微細ドットパターンの形成が可能となるようにしている。
【００８５】
図１〜図３は本発明の実施の一形態の静電吸引型流体吐出装置による液体吐出方法を説明するものである。図１（ａ）は静電吸引型流体吐出装置における概略構成図であり、図１（ｂ）はその等価回路である。図２は、ノズル１１と対向電極１２（すなわち基板１６）との間に印加する駆動電圧の印加時間と吐出開始電圧（吐出最低電圧）との関係を示すグラフである。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、ノズル先端のメニスカスの表面電位上昇と吐出開始条件との関係を示すグラフである。
【００８６】
図１（ａ）に示すように、静電吸引型流体吐出装置では、ノズル１１と対向電極１２とが対向配置されている。対向電極１２は接地されている。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材料（流体）１５が充填され、対向電極１２におけるノズル１１との対向面には吐出材料１５の吐出先である基板（吐出先部材）１６が配置されている。この基板１６は対向電極１２を通じて接地される。基板１６にはノズル１１から吐出された吐出材料１５により、例えば微細な配線パターンが形成される。
【００８７】
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、もしくはノズル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、導電性物質に絶縁材でコーティングしたものでも可能である。
【００８８】
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（ノズル孔が下端に位置するようにノズル１１を配置した場合におけるノズル孔側とは反対側）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、およびノズル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。
【００８９】
具体的には、芯入りガラス管（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。
【００９０】
（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。
【００９１】
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９に示した静電的な力が表面張力を上回る時のノズル径の上限が２５μｍであること、および図１０に示した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０．０１〜８μｍの範囲が望ましい。
【００９２】
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、金属線（例えばタングステン線）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、その上に絶縁材をコーティングする。
【００９３】
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材料１５に浸されるように配置する。吐出材料１５は図示しない供給源から供給される。
【００９４】
電源（駆動電圧印加手段）１４の動作は、例えばコンピュータからなる制御装置（駆動電圧印加手段）１７により制御される。すなわち、制御装置１７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から例えばパルス波形の電圧が駆動電極１３に印加される。ノズル１１内の吐出材料１５はこの電圧により帯電する。上記駆動電圧の一例は例えば図４に示すとおりである。
【００９５】
基板１６としては、絶縁性のガラス基板、ポリイミドなどのプラスチック基板、セラミックス基板、あるいは半導体基板などを用いることが可能である。
【００９６】
上記の構成において、静電吸引型流体吐出装置での微細液体吐出における基本特性、特にノズル１１先端のメニスカス４０に蓄積された電荷による表面電位について説明する。
【００９７】
図１（ａ）に示した静電吸引型流体吐出装置において、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から吐出材料１５に電荷が供給される。この電荷は、ノズル１１内部の吐出材料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に移動し、基板１６と対向すると考えられる。したがって、図１（ａ）の構成は、図１（ｂ）に示すように、電源１４から駆動電極１３に印加される駆動電圧Ｖ０、ノズル１１内部の吐出材料１５の電気抵抗Ｒ、メニスカス４０と基板１６との間の静電容量Ｃを用いて、直列回路として表すことができる。
【００９８】
上記のＶ０、Ｒ、Ｃの直列回路では、これらＶ０、Ｒ、Ｃの関係をメニスカス４０上での蓄積電荷Ｑ（ｔ）を用いて次のように表すことができる。
【００９９】
Ｒ  ｄＱ（ｔ）／ｄｔ  ＋  Ｑ（ｔ）／Ｃ  ＝Ｖ０  …………（１９）
上記（１９）式の微分方程式を解くと、メニスカス表面の蓄積電荷Ｑ（ｔ）およびメニスカス表面電位Ｖ（ｔ）は以下のように表すことができる。
【０１００】
Ｑ（ｔ）  ＝Ｃ  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕  …………（２０）
Ｖ（ｔ）  ＝  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕  …………（２１）
次に、図２に示す実験結果について説明する。これは、実際に吐出材料１５として銀ナノペーストを用いて行った実験結果であり、吐出開始電圧と印加時間との関係を示している。なお、吐出開始電圧（吐出最低電圧）とはノズル１１から吐出材料１５の吐出が行われる場合の駆動電極１３への最低の印加電圧である。
【０１０１】
図２からは、印加時間が短くなるに連れて吐出に必要な電圧値が大きくなり、吐出開始条件として、印加電圧（駆動電圧）および印加時間の両者と吐出開始に必要なパラメータが関係することが確認できる。
【０１０２】
図３（ａ）〜図３（ｃ）には、電源１４から駆動電極１３への印加電圧が互いに異なる３値の場合について、吐出開始電位に到達するまでのメニスカス４０の表面電位の変化を示している。なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）は図２に示す結果を（２１）式に代入して得た結果である。図３（ａ）〜図３（ｃ）における印加電圧と印加時間との各々の値は、図２のグラフ上の３点であり、それぞれ図３（ａ）が４４０Ｖかつ２４００μｓｅｃ、図３（ｂ）が６８０Ｖかつ１２００μｓｅｃ、図３（ｃ）が１６００Ｖかつ４００μｓｅｃである。
【０１０３】
図３（ａ）〜図３（ｃ）の各場合において、電源１４から駆動電極１３に電圧を印加すると、駆動電極１３から吐出材料１５へ電荷が流れ出し、メニスカス４０の表面に蓄積し始める。その際、メニスカス表面電位は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、飽和曲線を描きながら上昇し、その上昇速度は（２１）式中の電圧Ｖ０および時定数ＲＣに依存する。
【０１０４】
各印加電圧値に従って上昇したメニスカス表面電位は、吐出最低条件の場合、設定された印加時間に達した時点で吐出開始電圧に到達しているのが確認できる。すなわち、メニスカス表面電位が吐出開始電圧に到達するのに必要な時間以上の印加時間を与えれば、吐出材料１５の吐出が可能となるわけであり、具体的には（２１）式におけるメニスカス表面電位Ｖ（ｔ）が吐出開始電圧ＶＤＣよりも大きい状態となるような駆動電圧Ｖ０および印加時間ｔを設定すれば吐出が可能となる。すなわち、
ＶＤＣ  ≦  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕  …………（２２）
とすればよい。
【０１０５】
なお、ここで言う吐出開始電圧ＶＤＣとは、印加時間を十分に与えた時の最低印加電圧値であり、ここではＤＣバイアスでの最低電圧条件としている。
【０１０６】
上記のように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ノズル１１先端に生じるメニスカス表面電位を確実に吐出材料１５の吐出開始電位以上に設定することができ、安定した微細ドット形成を行うことができる。
【０１０７】
また、図５は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径（ノズル１１の孔径（直径））とノズル１１からの吐出材料１５の吐出開始電圧との関係を示すグラフである。図５は、吐出材料１５を銀ナノペーストとして、ＤＣバイアスを印加した場合の吐出開始電圧とノズル径との関係を調べた結果である。
【０１０８】
図５の結果では、ノズル径が小さくなるにつれて、吐出開始電圧が低下し、ノズル径が１μｍの場合に吐出開始電圧は約１４０Ｖとなる。すなわち、ノズル径がφ１μｍ以上のノズル１１を使用する場合には、ＤＣバイアスを最低でも１３０Ｖ以上印加することにより確実に安定した吐出が行われることになる。
【０１０９】
すなわち、φ１μｍ〜φ５μｍのノズル径において、前記（２２）式の、ＶＤＣ≦  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕にて表される吐出開始電圧ＶＤＣが１３０Ｖであるということから、すべての電圧波形に対して、
１３０Ｖ＜  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕  …………（２３）
を満たす駆動電圧Ｖ０および印加時間ｔを設定することにより、安定した微細液体の吐出が可能となる。
【０１１０】
このように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ノズル径がφ１μｍ〜φ５μｍのノズル１１に関して、上記（２３）式を満たす駆動電圧Ｖ０およびその印加時間ｔを設定することにより、安定した微細液体の吐出が可能である。
【０１１１】
なお、上記のように、ノズル径の範囲をφ１μｍ〜φ５μｍとしているのは、ノズル径のφ１μｍが形成可能なノズル径の技術的下限値であることによる。また、ノズル径のφ５μｍは、静電吸引型流体吐出装置によって基板１６上にラインを描画する場合、このノズル径により、微細なラインとして要望されている１０μｍのラインを描くことが可能であることによる。
【０１１２】
また、ノズル１１の駆動に必要な電圧はノズル１１内部の駆動電極１３に印加された信号と対向電極１２に印加された信号との電位差であるので、各電極に印加される信号の形態は任意である。また、駆動電圧の符号は、正負どちらでも構わない。
【０１１３】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の他の形態を図面に基づいて以下に説明する。
図６は本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置における吐出開始電圧（吐出最低電圧）とノズル−基板間距離（ノズル１１の先端部と基板１６との距離）との関係を示すグラフである。本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は図１の構成を有する。また、ノズル径をφ１μｍ〜φ５μｍとしている。なお、本実施の形態では、前記の実施の形態と同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。
【０１１４】
図６は、吐出材料１５を銀ナノペーストとして、各ノズル径（φ１．２μｍ、φ１．８μｍ、φ２．４μｍ、φ４．２μｍ）において、駆動電極１３にＤＣバイアスを印加した場合の吐出開始電圧とノズル−基板間距離との関係を調べた結果である。
【０１１５】
図６の結果では、吐出開始電圧は、ノズル−基板間距離に依存し、この距離が大きくなるにつれて上昇する。しかしながら、ノズル径をφ１μｍ〜φ５μｍに限定した場合、２００μｍ以下のノズル−基板間距離にて描画を行えば、駆動電極１３への印加電圧は１３０Ｖ以上２５０Ｖ以下の低くかつ狭い範囲とすることができる。
【０１１６】
すなわち、φ１μｍ〜φ５μｍのノズル径において、前記（２２）によりＶＤＣ≦  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕で表される吐出開始電圧ＶＤＣの範囲は、１３０Ｖ以上２５０Ｖ以下である。このことから、すべての電圧波形に対して、
１３０Ｖ＜  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕＜２５０Ｖ  ………（２４）
を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔを設定することにより、安定した微細液体の吐出が可能となる。
【０１１７】
このように、本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置では、ノズル径がφ１μｍ〜φ５μｍのノズル１１に関して、上記（２４）式を満たす駆動電圧Ｖ０およびその印加時間ｔを設定することにより、過剰吐出および吐出不良のない安定した微細液体の吐出が可能である。
【０１１８】
なお、ノズル１１の駆動に必要な電圧はノズル１１内部の駆動電極１３に印加された信号と対向電極１２に印加された信号との電位差であるので、各電極に印加される信号の形態は任意である。また、駆動電圧の符号は、正負どちらでも構わない。
【０１１９】
ここで、図６の結果に基づき、ノズル径がφ１μｍ〜φ５μｍの範囲のノズル１１を使用し、ノズル−基板間距離を変数Ｘとして変化させた場合の吐出開始電圧（吐出最低電圧）の最大値（ＶＨ）と最小値（ＶＬ）とのそれぞれの推移を一般式で示すと、
ＶＨ＝−０．００１Ｘ２＋０．４４Ｘ＋１２５  …………（２５）
ＶＬ＝−０．００１３Ｘ２＋０．６９Ｘ＋１６０  …………（２６）
となる。
【０１２０】
また、上記ＶＨおよびＶＬを用いて、上記の（２４）式は、
ＶＬ≦Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕≦ＶＨ  …………（２７）
と表すことができる。
【０１２１】
〔実施の形態３〕
本発明の実施のさらに他の形態を図面に基づいて以下に説明する。
図７は本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置におけるメニスカス表面電位ばらつきと駆動電極１３への印加電圧（駆動電圧）との関係を示すグラフである。本実施の形態の静電吸引型流体吐出装置は図１の構成を有する。また、ノズル径をφ１μｍ〜φ５μｍとしている。なお、本実施の形態では、前記の実施の形態と同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。
【０１２２】
静電吸引型流体吐出装置にて基板１６上に微細パターンを形成する際に、吐出材料１５の水平方向の位置を高精度に設定すること、およびノズル−基板間距離（ノズル先端と基板との間のギャップ）を高精度に調整することは共に重要である。これらの点は、予め凹凸パターンを有する基板１６に対して微細パターンを形成する場合に特に重要である。
【０１２３】
そこで、本実施の形態では、ノズル１１の駆動電極１３に駆動電圧としてパルス電圧を印加した場合の、ノズル−基板間距離の変動によるメニスカス表面電位のばらつきを調べ、その結果を図７に示した。この場合、吐出材料１５としては銀ナノペーストを使用し、ノズル径はφ１μｍ〜φ５μｍの範囲である。図７では、具体的には、ノズル−基板間距離を３０μｍに設定し、その１割にあたる１．５μｍのばらつきが発生した場合のメニスカス表面電位の変化量を示した。
【０１２４】
図７の結果から、メニスカス表面電位のばらつきは、駆動電極１３への印加電圧の値により大きく変化し、印加電圧が大きいほど急激に変化量が大きくなることがわかる。すなわち、例えば、メニスカス表面電位の変化量が増加側にシフトとすると、ノズル１１から吐出材料１５が突然大量に吐出され、逆に減少側にシフトすると、ノズル１１からの吐出材料１５の吐出が突然停止されるといった事態が生じる。
【０１２５】
具体的には、駆動電極１３に高電圧を印加した場合には、吐出材料１５の突然の大量吐出や吐出停止の可能性が高くなる。すなわち、図７の結果から、安定した吐出を行うためには、メニスカス表面電位の変化量を１Ｖ以下に抑制することが好ましく、これは、図７から駆動電極１３への印加電圧を２５０Ｖ以下に設定することで可能となる。
【０１２６】
以上のように、本静電吸引型流体吐出装置では、ノズル径がφ１μｍ〜φ５μｍのノズル１１を使用する構成において、１３０Ｖ＜  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕＜２５０Ｖを満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔを設定し、さらに、印加電圧Ｖ０を２５０Ｖ以下に設定することで、ノズル−基板間距離の変動等によるメニスカス表面電位のばらつきを抑制することができ、基板１６上に微細パターンを形成する場合の微細液体の安定した吐出が可能となる。
【０１２７】
なお、ノズル１１の駆動に必要な電圧はノズル１１内部の駆動電極１３に印加された信号と対向電極１２に印加された信号との電位差であるので、各電極に印加される信号の形態は任意である。また、駆動電圧の符号は、正負どちらでも構わない。
【０１２８】
以上のように、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルに駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径がφ０．０１μｍ〜φ２５μｍであり、前記駆動電圧印加手段が、ノズル内部の液体材料の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の液体と吐出先部材との間の静電容量をＣ、前記駆動電圧印加により流体を吐出可能な最低電圧条件をＶＤＣと定義したときに、ＶＤＣ≦Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす駆動電圧Ｖ０かつ印加時間ｔのパルス電圧を前記駆動電圧として出力する構成である。
【０１２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の静電吸引型流体吐出装置は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧印加手段から駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出装置において、前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、前記駆動電圧印加手段は、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力する構成である。
【０１３０】
また、本発明の静電吸引型流体吐出方法は、ノズルと吐出先部材との間に駆動電圧を印加して、ノズル内に供給された流体に電荷を供給し、この流体をノズル孔から前記吐出先部材に吐出させる静電吸引型流体吐出方法において、前記ノズルの孔径はφ１μｍ〜φ５μｍであり、前記流体の電気抵抗をＲ、ノズル先端部の前記流体と前記吐出先部材との間の静電容量をＣとしたときに、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にて前記駆動電圧を出力する構成である。
【０１３１】
これにより、本願発明では、ノズル孔径をφ０．０１μｍ〜φ２５μｍの微細径とした場合に局所電界が発生し、吐出における駆動電圧の低下が可能になるという新たな知見に基づき、ノズル孔径を上記範囲内としているので、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することができる。
【０１３２】
また、本願発明の構成では、ノズルの孔径をさらにφ１μｍ〜φ５μｍの範囲に限定しているので、ノズル孔径の微細化による駆動電圧の低電圧化をさらに確実なものとしている。
【０１３３】
また、１３０Ｖ＜Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）〕を満たす電圧Ｖ０および印加時間ｔの条件にてノズルの駆動電圧を出力しているので、ノズル先端のメニスカス表面電位を確実に吐出可能電位以上に設定することができ、微細ドット形成における信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の一形態における静電吸引型流体吐出装置の概略構成図、図１（ｂ）は同静電吸引型流体吐出装置の等価回路である。
【図２】図１に示した静電吸引型流体吐出装置における駆動電圧の印加時間と吐出開始電圧のとの関係を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は、図１（ａ）に示した静電吸引型流体吐出装置における、吐出開始電位に到達するまでのメニスカス表面電位の変化を示すものであって、印加電圧と印加時間が４４０Ｖと２４００μｓｅｃの場合を示すグラフ、図３（ｂ）は印加電圧と印加時間が６８０Ｖと１２００μｓｅｃの場合を示すグラフ、図３（ｃ）は印加電圧と印加時間が１６００Ｖと４００μｓｅｃの場合を示すグラフである。
【図４】図１に示した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５】図１に示した静電吸引型流体吐出装置におけるノズル径とノズルからの吐出材料の吐出開始電圧との関係を示すグラフである。
【図６】図１に示した静電吸引型流体吐出装置における、ノズル径が異なる複数のノズルを使用した場合の吐出開始電圧とノズル−基板間距離との関係を示すグラフである。
【図７】図１に示した静電吸引型流体吐出装置における、メニスカス表面電位ばらつきと駆動電極への印加電圧（駆動電圧）との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の前提技術におけるノズルの電界強度の説明図である。
【図９】本発明の前提技術における、表面張力圧力と静電的圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示したグラフである。
【図１０】本発明の前提技術における、吐出圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示したグラフである。
【図１１】本発明の前提技術における、吐出限界電圧のノズル径依存性のモデル計算結果を示したグラフである。
【図１２】本発明の前提技術における、荷電液滴と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１３】本発明の前提技術における、ノズルから流出する流量と印加電圧との相関関係のモデル計算結果を示したグラフである。
【図１４】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】
１１    ノズル
１２    対向電極
１３    駆動電極
１４    電源（駆動電圧印加手段）
１５    吐出材料（流体）
１６    基板（吐出先部材）
１７    制御装置（駆動電圧印加手段）
【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】
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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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