(57)【要約】【課題】ピーク圧力とパルス幅とが精密に制御された気体パルスを吐出することができる気体パルス吐出装置を提供する。【解決手段】気体供給源１１と、吐出口１２と、気体供給源１１および吐出口１２に接続されたピーク圧力生成部１３とを有する気体パルス吐出装置１０であって、ピーク圧力生成部１３は、第１の圧力調整手段１３ａと第１の圧力調整手段１３ａの吐出口１２側に接続された第１の開閉弁１３ｂとを具備し、第１の開閉弁１３ｂを開放したときに第１の圧力調整手段１３ａ側の気体を吐出口１２に放出するものであり、第１の圧力調整手段１３ａが、第１の減圧機構と、第１の減圧機構の吐出口１２側に接続され、第１の減圧機構の吐出口１２側における圧力が圧力Ｐ１を上回った際に第１の減圧機構の吐出口１２側の気体を大気に放出する第１の圧力開放機構とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力Ｐ０の気体を供給する気体供給源と、吐出口と、気体供給源および吐出口に接続されたピーク圧力生成部とを有する気体パルス吐出装置であって、
ピーク圧力生成部は、第１の圧力調整手段と第１の圧力調整手段の吐出口側に接続された第１の開閉弁とを具備し、第１の開閉弁を開放したときに第１の圧力調整手段側の気体を吐出口に放出するものであり、
第１の圧力調整手段が、気体供給源から供給された気体の圧力Ｐ０を圧力Ｐ１に減少させる第１の減圧機構と、第１の減圧機構の吐出口側に接続され、第１の減圧機構の吐出口側における圧力が圧力Ｐ１を上回った際に第１の減圧機構の吐出口側の気体を大気に放出する第１の圧力開放機構とを備えることを特徴とする気体パルス吐出装置。
【請求項２】
ピーク圧力生成部と並列に、気体供給源および吐出口に接続されたベース圧力生成部をさらに有し、
ベース圧力生成部が、第２の圧力調整手段を具備し、第２の圧力調整手段が、気体供給源から供給された気体の圧力Ｐ０を圧力Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）に減少させる第２の減圧機構と、第２の減圧機構の吐出口側に接続され、第２の減圧機構の吐出口側における圧力が圧力Ｐ２を上回った際に第２の減圧機構の吐出口側の気体を大気に放出する第２の圧力開放機構とを備える請求項１に記載の気体パルス吐出装置。
【請求項３】
ピーク圧力生成部の吐出口側に接続され、出口側が大気または減圧雰囲気に連通する第２の開閉弁を具備する排気部をさらに有する請求項１または２に記載の気体パルス吐出装置。
【請求項４】
液体に気体パルスを印加して微小液滴を生成させる微小液滴生成装置であって、
請求項１〜３のいずれかに記載の気体パルス吐出装置と、気体パルス吐出装置の吐出口に接続され、先端側の口径が０．５〜１００μｍである液体充填用細管とを備えた微小液滴生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体パルスを吐出する気体パルス吐出装置に関する。また、微小な液滴を生成する微小液滴生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の科学技術の発達により、印刷物や各種デバイスの高精細化が進み、微小の液滴を取り扱う技術が増えている。そのような技術としては、例えば、銀塩写真に匹敵する高精細写真を印画するプリンター、エッチングを適用しない電子回路作製プロセス、３次元樹脂造形システムなどが知られ、実用化されている。
上記のような微小の液滴を取り扱う技術においては、より一層の性能向上が求められている。
【０００３】
微小液滴を取り扱う技術の性能向上を図るためには、微小な液滴の挙動を調べる必要があり、そのためには微小液滴を生成させることが求められる。
微小液滴を生成する方法としては、ピエゾ素子の変形によって生じる圧力や、液体流路の加熱により生じた気泡によって、微小液滴を吐出させるいわゆるインクジェット法が知られている。このインクジェット法では、微小液滴を連続して吐出させることができる。
また、シリンジ等に充填した液体に空気の圧力を短時間印加することにより一定量の液体を吐出させる装置も考案されている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１，２に記載の装置では、液体を充填したシリンジ内の圧力変化を検出し、その圧力変化に基づいて開閉弁をフィードバック制御して微小液滴を生成させている。この方法によれば、液体の粘度や残存量に依存せずに液体を一定量吐出することができる。
【特許文献１】特開昭６３−９７２５９号公報
【特許文献２】特公平８−３２３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、インクジェット法では、吐出される液量が微小であるのに対して吐出部の機構（ヘッド）が大型になる傾向にあるため、垂直方向や水平方向からの視野が限られ、微小液滴が被着体に着地するところを観察できないという問題があった。また、インクジェット法では、吐出部の機構における高速吐出の安定性が重視されているため、吐出エネルギーが高めに設定されている。その結果、一回の吐出で主液滴の前後にサテライトと呼ばれる小さな液滴を生じることが多く、厳密に単一の液滴を生じさせて、それを観察することが目的の場合にはインクジェット法は適していなかった。
【０００５】
これに対して、特許文献１，２に記載の装置では、吐出部を細くできるため、吐出された液体を容易に観察できる。しかしながら、特許文献１，２に記載の装置は、液体を数マイクロリットル（以下、「マイクロリットル」を「μＬ」と表記する。）吐出させることを目的に開発されているため、液体に気体を印加する時間をより短くして、液体の吐出量を極微量、例えば、５０ナノリットル（以下、「ナノリットル」を「ｎＬ」と表記する。）以下にした場合には、安定な吐出を実現できなかった。
【０００６】
微小な液滴を生成させるためは、液体に印加する気体のエネルギーと液滴生成に必要なエネルギーとを略同等にする必要があり、そのためには、気体パルスのピーク圧力とピーク圧力が継続するパルス幅とを精密に制御して気体パルスのエネルギーを正確に制御する必要がある。しかしながら、特許文献１，２では、ピーク圧力とパルス幅とが精密に制御された気体パルスを吐出できないと考えられる。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、ピーク圧力とパルス幅とが精密に制御された気体パルスを吐出することができる気体パルス吐出装置を提供することを目的とする。また、単一の微小液滴を安定に形成できる微小液滴生成装置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】
【０００７】
本発明は、以下の構成を含むものである。
（１）  圧力Ｐ０の気体を供給する気体供給源と、吐出口と、気体供給源および吐出口に接続されたピーク圧力生成部とを有する気体パルス吐出装置であって、
ピーク圧力生成部は、第１の圧力調整手段と第１の圧力調整手段の吐出口側に接続された第１の開閉弁とを具備し、第１の開閉弁を開放したときに第１の圧力調整手段側の気体を吐出口に放出するものであり、
第１の圧力調整手段が、気体供給源から供給された気体の圧力Ｐ０を圧力Ｐ１に減少させる第１の減圧機構と、第１の減圧機構の吐出口側に接続され、第１の減圧機構の吐出口側における圧力が圧力Ｐ１を上回った際に第１の減圧機構の吐出口側の気体を大気に放出する第１の圧力開放機構とを備えることを特徴とする気体パルス吐出装置。
（２）ピーク圧力生成部と並列に、気体供給源および吐出口に接続されたベース圧力生成部をさらに有し、
ベース圧力生成部が、第２の圧力調整手段を具備し、第２の圧力調整手段が、気体供給源から供給された気体の圧力Ｐ０を圧力Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）に減少させる第２の減圧機構と、第２の減圧機構の吐出口側に接続され、第２の減圧機構の吐出口側における圧力が圧力Ｐ２を上回った際に第２の減圧機構の吐出口側の気体を大気に放出する第２の圧力開放機構とを備える（１）に記載の気体パルス吐出装置。
（３）ピーク圧力生成部の吐出口側に接続され、出口側が大気または減圧雰囲気に連通する第２の開閉弁を具備する排気部をさらに有する（１）または（２）に記載の気体パルス吐出装置。
（４）液体に気体パルスを印加して微小液滴を生成させる微小液滴生成装置であって、
（１）〜（３）のいずれかに記載の気体パルス吐出装置と、気体パルス吐出装置の吐出口に接続され、先端側の口径が０．５〜１００μｍである液体充填用細管とを備えた微小液滴生成装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の気体パルス吐出装置は、ピーク圧力とパルス幅とが精密に制御された気体パルスを吐出することができる。
本発明の微小液滴生成装置は、単一の微小液滴を安定に形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（気体パルス吐出装置）
本発明の気体パルス吐出装置の一実施形態について説明する。
図１に、本実施形態の気体パルス吐出装置を示す。この気体パルス吐出装置１０は、気体供給源１１と、吐出口１２と、気体供給源１１および吐出口１２に接続されたピーク圧力生成部１３およびベース圧力生成部１４とを有するものである。気体供給源１１からピーク圧力生成部１３までは第１の配管１５ａにより接続され、ピーク圧力生成部１３から吐出口１２までは第２の配管１５ｂにより接続されている。また、ベース圧力生成部１４は、第１の配管１５ａから分岐した第３の配管１５ｃによって気体供給源１１に接続され、第２の配管１５ｂに合流する第４の配管１５ｄによって吐出口１２に接続されている。これにより、ピーク圧力生成部１３とベース圧力生成部１４とは並列に気体供給源１１と吐出口１２に接続されている。
また、第２の配管１５ｂの第４の配管１５ｄが合流している箇所の下流側には、排気部１６が接続されている。
さらに、第１の配管１５ａの第３の配管１５ｃが分岐している箇所より上流側には、気体を浄化するためのミストセパレーター１７およびフィルタ１８が、気体供給源１１側から順に設置されている。
【００１０】
気体供給源１１は、大気圧より高い圧力Ｐ０の気体を供給するものであり、例えば、コンプレッサ、ボンベなどが挙げられる。
吐出口１２は第２の配管１５ｂと気体パルス吐出装置１０の外部とを連通するものである。吐出口１２としては特に制限されないが、他の配管と接続可能になっていることが好ましい。
【００１１】
ピーク圧力生成部１３は、第１の圧力調整手段である第１の圧力調整弁１３ａと、第１の圧力調整弁１３ａの吐出口１２側に設けられた第１の開閉弁１３ｂと、第１の圧力調整弁１３ａおよび第１の開閉弁１３ｂの間の第５の配管１５ｅに接続された第１の圧力計１３ｃを具備し、気体パルスのピーク圧力Ｐ１を生成するものである。
第１の圧力調整弁１３ａは、気体供給源１１から供給された気体の圧力Ｐ０をＰ１（Ｐ１＜Ｐ０）に減じる第１の減圧機構と、第１の減圧機構の吐出口側に接続された第１の圧力開放機構とを、一つの筐体内に備えたものである。ここで、第１の圧力開放機構は、第１の減圧機構の吐出口１２側における圧力が圧力Ｐ１（Ｐ１＞大気圧）を上回った際に第１の減圧機構の吐出口１２側の気体を大気に放出するものである。
このような第１の圧力調整弁１３ａとしては、例えば、特開平１０−１９８４３３号公報に記載されているようなノズルフラッパ型圧力調整弁が挙げられる。ノズルフラッパ型圧力調整弁は、周知の減圧弁と同じ機能を有する上に、ノズルフラッパによって圧力開放機能も有している。
【００１２】
第１の圧力調整弁１３ａの調整圧力感度は０．０００１〜０．０１ＭＰａであることが好ましい。気体パルスのピーク圧力Ｐ１は０．０１ＭＰａ程度とすることが多いため、第１の圧力調整弁の調整圧力感度が０．０１ＭＰａを超える（感度が悪い）と気体パルスのピーク圧力Ｐ１の変動幅が大きくなる傾向にある。第１の圧力調整弁１３ａの調整圧力感度が０．０００１ＭＰａ未満であると、使用圧力／感度比が大きくなりすぎるため、作製が困難になる傾向にある。
ここで、調整圧力感度とは、減圧機構が作動する所定の圧力と、吐出口側の実際の圧力との差の最小値のことであり、圧力制御精度の指標となる値である。
【００１３】
第１の圧力調整弁１３ａの圧力定格（フルスケール圧力）としては、供給される気体の圧力Ｐ０以上であって、所望の気体パルスのピーク圧力Ｐ１に対して０．０１〜１ＭＰａ高いことが好ましい。第１の圧力調整弁１３ａの圧力定格が所望の気体パルスのピーク圧力Ｐ１に対して０．０１ＭＰａ未満であると、気体パルスの発生が困難になり、１ＭＰａを超えると、前記調整圧力感度を満たすのが困難になる。
【００１４】
ピーク圧力生成部１３に具備される第１の開閉弁１３ｂは、電気信号に応じて開閉する電磁弁である。第１の開閉弁１３ｂの中でも、気体パルスのパルス幅を短くできることから、応答時間がそれぞれ１５ミリ秒以下である電磁弁が好ましく、１０ミリ秒以下である電磁弁がより好ましい。ただし、１ミリ秒未満の応答時間を実現するには非常に高速に弁体を駆動しなければならず、弁の耐久性に問題が生じることから、第１の開閉弁１３ｂの応答時間は、１ミリ秒以上であることが好ましい。
ここで、応答時間とは、電気信号を受けてから弁が全開または全閉するまでの時間のことである。なお、全開に要する応答時間と全閉に要する応答時間とは必ずしも同じである必要はない。
上記応答時間を満たす電磁弁の形式としては、例えば、直動式小型電磁弁が挙げられ、その弁体構造としては、例えば、スプール弁、ポペット弁等を採用できるが、漏洩が少ないことや、応答が速いことからポペット弁が好ましい。
【００１５】
第１の開閉弁１３ｂとしては２方弁が好ましいが、３方弁等に盲栓をして２方弁の代用としても支障ない。
第１の開閉弁１３ｂは常時閉弁（ＮＣ）でも、常時開弁（ＮＯ）でも気体パルスを発生させることができるが、消費電力の点から常時閉弁が好ましい。
第１の開閉弁１３ｂの定格圧力としては、発生させる気体パルスのピーク圧力Ｐ１以上であることが好ましい。
第１の開閉弁１３ｂの気体に接する部分の材質としては特に限定されず通常の電磁弁に使われる材料を用いることができる。
【００１６】
第１の開閉弁１３ｂの最大流量（サイズ）としては特に限定されないが、小さすぎると電磁弁の圧力損失により、気体パルスの圧力の立ち上がりが急激ではなくなる傾向にあり、大きすぎると電磁弁の応答時間が長くなり、やはり圧力の立ち上がりが急激ではなくなる傾向にある。したがって、気体パルスの発生に適した流量のものを選択することが好ましい。
【００１７】
第１の開閉弁１３ｂには、第１の開閉弁１３ｂの開閉時に発生する電気的なノイズによる障害を防止するために、サージキラー等を設置することが好ましい。
【００１８】
本実施形態における第１の開閉弁１３ｂは、駆動制御装置１９によって開閉が制御される。駆動制御装置１９としては、第１の開閉弁１３ｂの定格電圧、電流を制御できれば特に制限されず、第１の開閉弁１３ｂの開放時間や駆動タイミング等を制御する装置を備えた公知の駆動回路を適用できる。例えば、電子リレー、トランジスタ、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、トライアック等の電子素子、リレー等の機械式デバイスを適用できる。
駆動制御装置１９にはノイズによる誤作動と電源側へのノイズの流出を防ぐためにラインフィルターが挿入されていることが好ましい。
【００１９】
開放時間や駆動タイミング等を制御する装置としては、例えば、各種電子タイマー、タイマーリレー、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：通称シーケンサー）、パルス発生装置、発振器、ファンクションジェネレーター、タイマーＩＣを用いた半導体回路、パーソナルコンピューターの入出力端子等が挙げられる。ただし、第１の開閉弁１３ｂを正確なタイミングで制御するためには、１０ミリ秒単位の精度を有する装置が好ましく、１ミリ秒単位の精度を有する装置が好ましく、サブミリ秒単位の精度を有する装置が好ましい。
【００２０】
第１の開閉弁１３ｂは、上記開放時間や駆動タイミング等を制御する装置によって直接駆動してもよいし、トランジスタやリレー等を介して間接的に駆動してもよい。
なお、第１の開閉弁１３ｂと開放時間や駆動タイミング等を制御する装置とは電気的に接続されていてもよいし、リレー等で電気的に絶縁されていてもよい。
【００２１】
第１の開閉弁１３ｂの駆動電圧は、低すぎると高速応答に必要な駆動トルクが得られにくく、高すぎると駆動時にノイズを発生したり、制御回路に負担を生じたりするため、６〜６０Ｖであることが好ましい。
駆動電流は、直流でも交流でもよいが、通常のトランジスタ式回路で制御できることから直流が好ましい。電磁弁の定格駆動電力は、必要な応答時間を満たす限りにおいて小さい方が消費電力の点で好ましい。
【００２２】
ピーク圧力生成部１３に具備される第１の圧力計１３ｃとしては、気体パルス吐出装置１０の使用圧力に対応した圧力範囲のものを使用すればよいが、応答の速さと内部体積が少ないことから電子式の圧力計が好ましい。
【００２３】
ベース圧力生成部１４は、第２の圧力調整手段である第２の圧力調整弁１４ａと、第２の圧力調整弁１４ａの吐出口１２側に設けられた逆流防止弁１４ｂと、第２の圧力調整弁１４ａおよび逆流防止弁１４ｂとの間の第６の配管１５ｆに接続された第２の圧力計１４ｃとを具備して、気体パルスのベース圧力Ｐ２を生成するものである。
第２の圧力調整弁１４ａは、気体供給源１１から供給された気体の圧力Ｐ０をＰ２（大気圧＜Ｐ２＜Ｐ１＜Ｐ０）に減じる第１の第２の減圧機構と、第２の減圧機構の吐出口側に接続された第２の圧力開放機構とを、一つの筐体内に備えている。ここで、第２の圧力開放機構は、第２の減圧機構の吐出口１２側における圧力が圧力Ｐ２を上回った際に第２の減圧機構の吐出口１２側の気体を大気に放出するものである。
第２の圧力調整弁１４ａとしては、第１の圧力調整弁１３ａと同じものを使用することができる。
【００２４】
気体パルス吐出装置１０で使用される配管１５ａ〜１５ｆとしては特に限定されず、通常の空圧機器と同様のものを使用することができる。具体的には、ステンレス管、銅管等の金属配管、プラスチックチューブなどを使用することができる。中でも、簡便であることから、ナイロンやポリウレタン製の可撓性配管をクイックコネクタ（継手）で接続する方法が好ましい。
【００２５】
配管１５ａ〜１５ｆの内径としては特に限定されないが、太すぎると配管内体積が大きくなって圧力変化が伝播しにくくなり、細すぎると圧力損失が大きくなって圧力の伝播にロスが生じる。これらのことから、配管１５ａ〜１５ｆの内径としては、０．５〜６ｍｍが好ましい。
配管１５ａ〜１５ｆの肉厚としては気体パルスのピーク圧力Ｐ１に耐える厚さであればよいが、厚すぎると所望の形状に折曲することができず、薄すぎると気体パルス発生時に振動を生じるおそれがある。
【００２６】
排気部１６は、第２の配管１５ｂ内の圧力Ｐ１をより速やかに下げて第２の配管１５ｂ内に圧力が蓄積することをより防止するものである。本実施形態の排気部１６は、出口側が大気または減圧雰囲気に連通する第２の開閉弁１６ａを具備するものである。第２の開閉弁１６ａの出口側は、通常、大気に連通させるが、高速に排気する場合には減圧雰囲気に連通することが好ましい。
排気部１６に具備される第２の開閉弁１６ａを駆動する駆動制御装置１９としては、ピーク圧力生成部１３と同様のものを使用できる。ただし、排気部１６に具備される第２の開閉弁１６ａは、全開に要する応答時間が１５ミリ秒以下であればよく、全閉に要する応答時間は特に限定されない。
排気部１６には、排気の際の排気音を低減させるために排気部１６出口にサイレンサー（消音器）等を設置してもよい。
【００２７】
気体パルス吐出装置１０に適用される気体の種類としては特に限定されず、例えば、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム等などが挙げられる。また、腐食性気体、可燃性気体、助燃性気体を使用することもできるが、その場合には、それらの気体の種類に応じて気体パルス吐出装置１０の各流路の材質および器材を選択することが好ましい。
【００２８】
上記気体パルス吐出装置１０を用いた気体パルス吐出方法の一例について説明する。なお、この例は、気体パルスを一定周期で吐出する例である。また、この例における第１の開閉弁１３ｂおよび第２の開閉弁１６ａとしては、電気信号を受けたときのみに弁が開放する常時閉弁が用いられている。
【００２９】
この気体パルス吐出方法では、まず、駆動制御装置１９においてピーク圧力Ｐ１を継続させる時間（ピーク幅）とパルス周期（ピーク圧力Ｐ１とベース圧力Ｐ２の各継続時間の合計）を設定する。その設定に基づき、まず、第１の開閉弁１３ｂおよび第２の開閉弁１６ａに電気信号を送らずに、ピーク圧力生成部１３の第１の開閉弁１３ｂを閉止し、かつ、排気部１６の第２の開閉弁１６ａを閉止する。これにより、気体供給源１１から圧力Ｐ０の気体をベース圧力生成部１４に供給し、ベース圧力生成部１４の第２の圧力調整弁１４ａにて気体の圧力をＰ２に減少させてベース圧力Ｐ２を生成し、ベース圧力Ｐ２の気体を吐出口１２に供給する。これを一定時間（ベース圧力Ｐ２の継続時間）継続する。
その後、駆動制御装置１９から第１の開閉弁１３ｂにパルス電気信号を送って、第１の開閉弁１３ｂを所定の時間（ピーク圧力Ｐ１の継続時間）だけ開放する。これにより、第１の圧力調整弁１３ａにより圧力をピーク圧力Ｐ１に調整した気体を、第１の開閉弁１３ｂの吐出口１２側に放出する。そして、ピーク圧力Ｐ１の気体を第２の配管１５ｂを介して吐出口１２に向けて伝播し、吐出口１２から吐出する。このようにして、急激な圧力変化を生じさせ、ピーク圧力Ｐ１の気体パルスを発生させる。
次いで、第１の開閉弁１３ｂが閉止したと同時に、駆動制御装置１９から第２の開閉弁１６ａにパルス電気信号を送って、第２の開閉弁１６ａを所定の時間だけ開放して、第２の配管１５ｂ内の気体を大気に放出して圧力を速やかに下げる。その後、再び、第１の開閉弁１３ｂおよび第２の開閉弁１６ａを閉じて、ベース圧力生成部１４を介して気体を吐出口１２に供給する。この操作を繰り返すことにより、気体パルスを一定周期で繰り返し吐出する。
【００３０】
気体パルス吐出方法において、気体供給源１１から供給する気体の圧力Ｐ０は、安定した圧力制御を実現させるために、発生させる気体パルスのピーク圧力Ｐ１に対して０．０１〜１ＭＰａの範囲で高いことが好ましい。気体供給源１１から供給する気体の圧力Ｐ０が０．０１ＭＰａ未満であると、第１の圧力調整弁１３ａが作動するのに充分な背圧が得られないことがあり、１ＭＰａを超えると、第１の圧力調整弁１３ａが作動したときの圧力変動が大きくなり、第１の圧力調整弁１３ａから吐出口１２までの圧力が不安定になる傾向にある。
【００３１】
気体パルス吐出装置１０により発生させる気体パルスのパルス幅としては、１〜１００ミリ秒であることが好ましい。気体パルスのパルス幅は、ピーク圧力生成部１３の第１の開閉弁１３ｂの開放時間と応答時間によって適宜決めることができる。
【００３２】
また、第２の開閉弁１６ａの開放時間は、第２の配管１５ｂ内の圧力を充分に下げるために、１〜２００ミリ秒程度であることが好ましい。第２の開閉弁１６ａの開放時間が１ミリ秒未満であると、第２の配管１５ｂ内の圧力を充分に下げることができず、２００ミリ秒を超えると、吐出口１２から気体が逆流することがあり、また、気体の消費量が増える傾向にある。
【００３３】
なお、上記の例では、排気部１６の第２の開閉弁１６ａが、ピーク圧力生成部１３の第１の開閉弁１３ｂが閉じるのと同時に開放されたが、ピーク圧力生成後に、より速やかに圧力を下げる必要がある場合には、第１の開閉弁１３ｂが閉じ始める前に開放し始めてもよい。逆に、気体パルスの圧力の降下を緩やかにしたい場合は、第２の開閉弁１６ａの開放のタイミングを遅らせてもよい。
【００３４】
上述した気体パルス吐出装置１０では、ピーク圧力生成部１３の第１の圧力調整弁１３ａが第１の圧力開放機構を備えているため、第１の減圧機構より吐出口１２側が所定圧力Ｐ１を超えたときに第１の減圧機構より吐出口１２側の気体を大気に放出して、第２の配管１５ｂ内の圧力を速やかに低下させることができる。その結果、第２の配管１５ｂ内の圧力が安定して、ピーク圧力とパルス幅とが精密に制御された気体パルスを吐出することができる。
また、気体パルス吐出装置１０がベース圧力生成部１４を有しているため、ピーク圧力Ｐ１を印加する前にベース圧力Ｐ２を印加しておくことができ、気体パルスを発生させた際の圧力変化量を小さくすることができる。さらに、ベース圧力生成部１４が逆流防止弁１４ｂを備えるため、ピーク圧力生成部１３にて発生した気体パルスがベース圧力生成部１４の第２の圧力調整弁１４ａに流入することを抑制し、第２の圧力調整弁１４ａの誤作動を防止できる。
【００３５】
上記気体パルス吐出装置１０は、後述する微小液滴を発生する装置に適用できるだけでなく、微小部を冷却したり、微小な異物を吹き飛ばしたり、半導体チップを裏返したりする用途にも好適である。
【００３６】
なお、本発明の気体パルス吐出装置は、上述した実施形態に限定されない。
例えば、上述した実施形態では、第１の圧力調整手段および第２の圧力調整手段が、減圧機構と圧力開放機構とを共に筐体内に備えたものであったが、減圧弁と、安全弁のような所定の圧力になった際に開放する弁とを別々に備えたものであってもよい。
上述した実施形態では、ベース圧力生成部１４が逆流防止弁１４ｂを備えていたが、逆流防止弁１４ｂの代わりに、２方電磁弁あるいは３方電磁弁を備えて、ピーク圧力印加時にベース圧力生成部１４の第２の圧力調整弁１４ａをピーク圧力生成部１３から切り離してもよい。
また、気体パルス吐出装置１０が、ベース圧力生成部１４および／または排気部１６を有していなくてもよい。
上述した実施形態では、気体パルスを一定周期で吐出したが、一定でない周期で吐出してもよい。また、気体パルスを繰り返し吐出せずに、一発の気体パルスを吐出するものであってもよい。
【００３７】
（微小液滴生成装置）
本発明の微小液滴装置の一実施形態について説明する。
図２に、本実施形態の微小液滴装置を示す。本実施形態の微小液滴装置１は、上述した気体パルス吐出装置１０と、気体パルス吐出装置１０の吐出口１２（図１参照）に、接続管２１を介して接続された液体充填用細管２０（以下、細管２０と略す。）とを備えるものである。
【００３８】
細管２０は、液体２２が充填され、先端２３側の口径が０．５〜１００μｍの管である。ここで、細管２０の先端とは、液体２２が吐出する側の端部のことである。細管２０の先端２３側の口径が１００μｍを超えると、５０ｎＬ以下の微小液滴を生成できない上に、ピーク圧力を印加していない時にも液体２２が吐出されてしまう。細管２０の先端２３側の口径が０．５μｍ未満であると、液体２２を吐出させるために気体パルスのピーク圧力Ｐ１を高くしなければならない。ピーク圧力Ｐ１の高い気体パルスで液体２２を吐出させた場合には、液滴の生成が不安定になり、液量が安定しないばかりか、液体２２が飛び散るように吐出し、単一の液滴を形成できない。
また、細管２０の先端２３側の口径は、使用液体２２の粘度、表面張力によっても異なるが、生成させる液滴の直径の１／５〜１／２が好ましい。細管２０の先端２３側の口径が生成させる液滴の直径の１／５未満であると、所望の液滴径に到達する前に液滴が落下してしまうことがあり、１／２を超えると、所望の液滴径が得られないことがある。
細管２０の長さは特に限定されないが、取り扱いのしやすさから１〜１０ｃｍが好ましい。
【００３９】
細管２０の材質としては、充填する液体２２に適したものが好ましいが、堅牢性や取り扱いやすさからは金属であることが好ましい。液体２２の視認性の点からは、ガラスであることが好ましい。また、ポリ四フッ化エチレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、ポリスチレン等のプラスチック、アルミナ、ジルコニア等のセラミックであってもよい。
【００４０】
細管２０の形状としては、先端２３側の口径が上記範囲であれば特に限定されないが、細管２０全体が内径１００μｍ以下であると流路抵抗が大きくなりすぎて、微小液滴の吐出に高い圧力が必要になるため、細管２０の先端２３は、テーパー状に細くなっていることが好ましい。また、細管２０は図示例のように直管であってもよいし、途中で屈曲した屈曲管であってもよい。
テーパー部分以外の細管２０の外径としては特に限定されないが、０．３〜５ｍｍであることが好ましく、内径としては外径の５〜９０％であることが好ましい。
【００４１】
細管２０の先端２３側の開口面は、液滴が容易に生成することから、先端２３側の細管２０の中心軸に対して垂直であることが好ましい。細管２０の先端２３側の開口面が先端２３側の細管２０の中心軸に対して垂直でない場合には、液滴が生成しにくくなる傾向にある。
また、細管２０の先端２３側の開口部に細かい傷や凹凸があると液滴生成を阻害するおそれがあるため、正確に切断あるいは研磨してあることが好ましい。また、熱処理あるいは薬品処理により滑らかに加工されていてもよいし、充填する液体２２に応じた耐蝕処理、耐磨耗処理、撥水処理、撥油処理等が施されていてもよい。さらに、静電気防止処理あるいは液滴に電荷を与えるために導電処理が施されていてもよい。
【００４２】
接続管２１は、できるだけ短いほうが好ましい。接続管２１が長くなると、気体パルスの伝達に時間がかかるだけでなく、圧力の上昇、降下に鈍感になる傾向にある。
接続管２１の内径は０．２〜５ｍｍであることが好ましい。接続管２１の内径が０．２ｍｍ未満であると、圧力損失が増大する傾向にあり、５ｍｍを超えると、気体パルスの伝達に時間がかかるだけでなく、圧力の上昇、降下に鈍感になる傾向にある。
接続管２１の材質としては、例えば、金属、プラスチック類、ゴム類等を用いることができる。
【００４３】
細管２０と接続管２１とは、フェラルやＯリング、パッキング等を用いて接続してもよいし、接着、溶接、半田付け等で直接固定して接続してもよい。接続管２１がシリコーンゴム等の柔軟性を有するチューブである場合には、細管２０をチューブに差し込むことにより接続できる。
【００４４】
上記微小液滴生成装置を用いた微小液滴の生成方法の一例について説明する。
まず、細管２０内に液体２２を充填する。細管２０内への液体２２の充填方法としては特に限定されず、例えば、細管２０をシリンジに接続し、液体を圧入する方法、細管２０への配管の途中に３方弁を設け、その３方弁の一方から液体２２を圧入して充填する方法などが挙げられる。細管２０への配管の途中に３方弁を設けた場合には、細管２０を気体パルス吐出装置１０に接続したまま液体２２を圧入できる。
【００４５】
次いで、気体パルス吐出装置１０に細管２０を、接続管２１を介して接続し、また、細管２０の先端２３の延長上に、液滴を受容する物体（シート等）を配置する。そして、気体パルス吐出装置１０から気体パルスを吐出させ、その気体パルスを接続管２１を介して細管２０に供給して、細管２０内に充填された液体２２を押し出して、細管２０の先端２３側より吐出させる。ここで、気体パルスのパルス幅は短時間であるから、吐出する液滴の量は微量（例えば、５０ｎＬ以下）である。
そして、細管２０の先端に生成した液滴を、液滴を受容する物体に接触させたり、静電気、圧縮空気、振動等により細管２０から分離して、液滴を受容する物体の表面に移行させたりする。
【００４６】
この微小液滴生成装置１において、所望の液滴を生成させるための、細管２０に供給する気体パルスのピーク圧力Ｐ１およびパルス幅は、細管２０の形状、流路損失、周囲温度などによって異なるため、一義的に決めることは困難である。また、液滴生成に必要なエネルギーは小さく、その必要エネルギー量は流路抵抗、液体２２の粘度や温度の影響を受けやすいため、理論的に求めるのは困難であるから、細管２０に供給する気体パルスのピーク圧力Ｐ１およびパルス幅は実験的に決定することが好ましい。
気体パルスのピーク圧力Ｐ１およびパルス幅の一例としては、「ＪＩＳ粘度標準液２．５ｃｐｓ（日本グリース社製）」を用いて、開口径５μｍの細管２０から、１０ｐＬの液滴を生成させる場合には、気体パルスのピーク圧力Ｐ１が０．０３ＭＰａ、パルス幅が３０ミリ秒程度である。
【００４７】
上述した微小液滴生成装置１では、上記気体パルス吐出装置１０を用いているから、気体パルスのピーク圧力Ｐ１およびパルス幅が精密に制御された気体パルスを細管２０に送ることができる。その結果、液滴生成に必要なエネルギーと略同等のエネルギーを持つ気体を細管２０に送ることができ、微小の液滴を安定に生成させることができる。
また、この微小液滴生成装置１では、細管２０から液滴を吐出できるため、顕微鏡等の任意の方法で液滴を観察することができる。しかも、屈曲した細管を使用すれば、鉛直水平両方向から液滴を観察することができる。
また、上述した微小液滴生成装置１では、気体パルス吐出装置１０がベース圧力生成部１４を有しているため、細管２０内の液体２２にピーク圧力Ｐ１を印加させていないときにベース圧力Ｐ２を印加することができる。そのため、微小液滴に印加する気体パルスの圧力が小さくても、微小液滴を生成することができる。しかも気体パルス発生の際の圧力変動を小さくすることができるため、安定に液滴を吐出させることができる。
【実施例】
【００４８】
以下に、本発明の実施例を示す。
（実施例１）
本実施例の微小液滴生成装置は、図２に示すものであり、図１に示す気体パルス吐出装置１０に、接続管２１を介して細管２０が接続されたものである。
また、気体パルス吐出装置１０のピーク圧力生成部１３の第１の圧力調整弁１３ａは、圧力感度が０．００１ＭＰａであり、減圧機構と圧力開放機構とを備えるノズルフラッパ型圧力調整弁である。第１の開閉弁１３ｂは、開閉応答時間がそれぞれ１０ミリ秒の電磁弁（ＮＣ型直動ミニチュアポペット弁、定格２４Ｖ）である。
ベース圧力生成部１４の第２の圧力調整弁１４ａ、圧力感度が０．００１ＭＰａであり、減圧機構と圧力開放機構とを備えるノズルフラッパ型圧力調整弁である。
配管１５ａ〜１５ｆは、内径２ｍｍ、外径４ｍｍの硬質ポリウレタンチューブであり、各弁や部材にクイックコネクタを用いて接続されている。
排気部１６の第２の開閉弁１６ａは、開閉応答時間がそれぞれ１０ミリ秒の電磁弁（ＮＣ型直動ミニチュアポペット弁、定格２４Ｖ）である。
第１の開閉弁１３ｂおよび第２の開閉弁１６ａは、プログラムタイミング装置により電子リレーを介して直流２４Ｖで駆動されている。プログラムタイミング装置にはヒューレットパッカード社製マルチファンクションジェネレーター８１１６Ａを使用した。
【００４９】
細管２０は、先端２３側がテーパー状に細くなって外径７μｍ、内径５μｍ、長さ１ｍｍの毛細管が形成された、外径１ｍｍ、内径０．５ｍｍ、長さ４ｃｍのガラス製のものである。細管の先端２３は鉛直方向の下方に向けて固定した。また、細管２０の先端部は水平方向から顕微鏡で観察できるようになっている。
接続管２１は、外径１ｍｍ、内径０．５ｍｍ、長さ４０ｃｍのポリプロピレンチューブである。
細管２０と接続管２１とは、ポリプロピレン製継ぎ手を用いて接続した。
【００５０】
まず、細管２０内に「ＪＩＳ粘度標準液２．５ｃｐｓ（日本グリース社製）」を注射器から圧入した。また、気体パルス吐出装置１０の第１の圧力調整弁１３ａにより、気体供給源１１より供給された気体の圧力を０．３ＭＰａから０．０５０ＭＰａに減少させ、その０．０５０ＭＰａの気体を第１の開閉弁１３ｂに供給した。
それと共に、第２の圧力調整弁１４ａにより、気体供給源１１より供給された気体の圧力を０．３ＭＰａから０．０２０ＭＰａに減少させ、そのベース圧力０．０２０ＭＰａの気体を吐出口１２に向けて流通させた。これを５００ミリ秒間継続した。
その後、第１の開閉弁１３ｂに直流２４Ｖのパルス電気信号を送って（図３（ａ）参照）、第１の開閉弁１３ｂを３０ミリ秒間開放した。第１の開閉弁１３ｂを開放することにより、ピーク圧力Ｐ１の気体を吐出口１２から接続管２１を通って細管２０に伝播させた。次いで、第１の開閉弁１３ｂが閉止するのと同時に、排気部１６の第２の開閉弁１６ａに直流２４Ｖのパルス電気信号を送って（図３（ｂ）参照）、第２の開閉弁１６ａを開放して、第２の配管１５ｂ内の圧力を速やかに降下させた。このように操作し、気体パルス吐出装置の吐出口の圧力変化を測定した結果、図３（ｃ）に示すように、ベース圧力Ｐ２とピーク圧力Ｐ１との圧力差が０．０３ＭＰａ、パルス幅３０ミリ秒の気体パルスが高精度に発生したことを確認した。
上記の気体パルスによって、細管２０の先端２３側の開口部から１０ｐＬの液滴が生成した。発生した液滴を圧縮空気で吹き飛ばしたところ、５００ミリ秒後に１０ｐＬの液滴が再度生成し、再現性を有していた。
【００５１】
（比較例１）
第１の開閉弁１３ｂおよび第２の開閉弁１６ａとして、圧力調整感度０．００１ＭＰａのノズルフラッパ型圧力調整弁に代えて、圧力開放機構を備えない圧力調整感度０．０２ＭＰａのダイヤフラム型圧力調整弁を用いた以外は実施例１と同様にして気体パルス吐出装置および微小液滴生成装置を作製した。そして、実施例１と同様にして気体パルスを吐出させた。この例の気体パルス吐出装置出口における圧力変化を測定したところ、ピーク圧力生成直後および第２の開閉弁開放直後に圧力変動（ハンチング）を生じた上に、ベース圧力生成時にも圧力の変動を生じた（図４参照）。
また、例１と同様にして、液体を充填した細管に気体パルスを印加したところ、ピーク圧力Ｐ１を印加していない時にも液滴を生じ、しかもピーク圧力印加時に生じた液滴の液量が一定しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の気体パルス吐出装置により、ピーク圧力とパルス幅が精密に制御され、かつ、００ミリ秒以下の極めて短時間のパルス幅の気体パルスを安定に吐出することができるため、精密工業分野に幅広く応用できる。
また、本発明の微小液滴生成装置は、各種液体の特性解析、各種素材の液体吸収挙動の解析、微小部位の接触角測定、精密印刷、電子回路作製、微小化学反応、微小生化学反応、酵素反応、エッチング、微小成形等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の気体パルス吐出装置の一実施形態を模式的に示す図である。
【図２】本発明の微小液滴生成装置の一実施形態を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は、実施例１における第１の開閉弁を駆動させる信号のタイミングチャート図であり、（ｂ）は、実施例１における第２の開閉弁を駆動させる信号のタイミングチャート図であり、（ｃ）は、実施例１における気体パルス吐出装置の吐出口での圧力変化図である。
【図４】実施例１における気体パルス吐出装置の吐出口での圧力変化図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  微小液滴生成装置
１０  気体パルス吐出装置
１１  気体供給源
１２  吐出口
１３  ピーク圧力生成部
１３ａ  第１の圧力調整弁
１３ｂ  第１の開閉弁
１３ｃ  圧力計
１４  ベース圧力生成部
１４ａ  第２の圧力調整弁
１４ｂ  逆流防止弁
１４ｃ  圧力計
１５ａ  第１の配管
１５ｂ  第２の配管
１５ｃ  第３の配管
１５ｄ  第４の配管
１５ｅ  第５の配管
１５ｆ  第６の配管
１６  排気部
１６ａ  第２の開閉弁
１７  ミストセパレーター
１８  フィルタ
１９  駆動制御装置
２０  細管
２１  接続管
２２  液体
２３  先端
【図１】
2007152165.tif 000003
【図２】
2007152165.tif 000004
【図３】
2007152165.tif 000005
【図４】
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