JP2006009727A - 液体制御ユニット及び液体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 弾性表面波を励振する弾性表面波励振部を液体に接触させず、かつ液体へエネルギーを付与する弾性表面波を減衰させることなく液体の流動を制御することができる液体制御ユニット及び液体制御装置を提供する。
【解決手段】 圧電性基板１１上に、弾性表面波を励振する弾性表面波励振部１２、液体が流動する管路状の流路部２１、及び弾性表面波励振部１２と流路部２１との間に配置され液体の流動を遮断する液体遮断部１６を配置し、該液体遮断部１６に、液体を通過させず弾性表面波励振部１２によって励振された弾性表面波のみを通過させる液体遮断管路３２を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体の流動、例えば、水中にイオン、有機分子、無機分子等を分散もしくは溶解した液体の流動を制御する液体制御ユニット及び液体制御装置に関する。

従来、液体を送液し、その液体の分析、合成、分離を行う装置において、その液体の流動制御は、分析器、合成器、分離器とは別に装置の外側に設けられた液体の流動を制御する制御装置（例えばポンプ、バルブ等）により実現していた。

近年、ポンプや、バルブといった液体の流動を制御する機構をも同一基板上に集積し、分析、合成、分離を精密に微細な領域で実現するシステムが検討されている。このような液体流動制御機構としては、静電アクチュエータ、圧電素子等を用いた機構が主に利用されている。この機構の作製にはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が用いられており、高度な微細加工技術が必要とされる上、可動部分を持つために目詰まりなどの原因となりやすい、という問題点があった。また、バルブのように流量を下げることで液体の流動を制御する構造を集積した場合には、集積されたすべての流路、バルブの圧力損失を外部のポンプで補う必要があるため、集積度が上がるほど液体の流入口近くで大きな圧力が必要とされ、液漏れや流入口での配管はずれなどの発生要因となる可能性があった。

そこで、外部のポンプやバルブなどの機械的な可動部無しに液体の流量を制御でき、容易に集積することができる流動制御構造が求められている。この構造に適した液体制御機構としては、弾性表面波による液体制御機構が挙げられる（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように流路９０内に弾性表面波励振部（ここではすだれ状電極９２）を圧電性基板９４上に設け、この弾性表面波励振部で励振された弾性表面波によって液体の流れ（図中の矢印）を制御している。この構造では弾性表面波により流量を増やす方向で液体の流動を制御でき、かつ可動部を持たない。また、圧電性基板９４上に弾性表面波を励振するための構造は、通常のフォトリソグラフィーを用いてすだれ状電極を作製するのみで構成することができるため、作製も容易である。

しかしながら、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す方法では弾性表面波励振部のすだれ状電極９２が流路９０内を流れる液体と接触しており、液体の種類によっては電極９２での析出物やガスの発生により、流動する液体自体に化学的な変化を与えてしまう可能性がある。同時に、電極９２が劣化し、液体移送特性の変化や電気的な短絡により液体の移送ができない状態となってしまう、などの問題が生じることもある。また、このような液体制御機構は、１つの基板上に複数配設（集積）できるような構成にはなっていないため、一方向もしくは二方向への流動制御しかできず、微細な領域での流体の制御には適していない。

これに対して、弾性表面波励振部が集積され、微細な領域での流体の制御が可能であり、かつ流体と弾性表面波発生手段との間を固体表面（圧電性基板表面）の機能化によって分離することにより、弾性表面波を励振する電極と液体とが接触しないように構成した装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
実開平０３−１１６７８２号公報 特開昭５６−０１４８８１号公報 特表２００３−５３５３４９号公報

上記弾性表面波を励振する電極と液体とが接触しない装置では、固体表面を機能化することにより流路が作製されている。固体表面の機能化は、溝、隔壁、リソグラフィー定義或いは湿潤特性の変調等により達成され、それらは液体を流そうとする経路に沿って配置される。

しかしながら、弾性表面波による液体の移送は、液体の弾性表面波エネルギーの吸収によって生じる現象であるため、湿潤特性の変調などにより壁面なしに液体の移送を行うと、エネルギーを受け取った液体が飛散もしくは霧散してしまいやすい、という問題があった。

このため、何らかの構造体を配設して壁面のある管路状の流路を形成することが好ましいが、壁面のある流路を弾性表面波の伝搬領域上に形成すると（図７参照）、流路の壁面と弾性表面波の伝搬面が重なる部分において弾性表面波が吸収されてしまう。壁面のうち弾性表面波の伝搬面が重なる部分の壁面を取り除くことによってこの問題は改善されるが、液体が壁面のない部分から漏れてしまい、弾性表面波励振部に液体が接触してしまう、という問題が発生してしまう。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、弾性表面波を励振する弾性表面波励振部を液体に接触させず、かつ液体へエネルギーを付与する弾性表面波を減衰させることなく液体の流動を制御することができる液体制御ユニット及び液体制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の液体制御ユニットは、圧電性基板上に配設されると共に、弾性表面波によって液体の流動を制御する液体制御ユニットであって、弾性表面波を励振する弾性表面波励振部と、前記液体が流動する管路状の流動部と、前記弾性表面波励振部と前記流動部との間に配置されて前記液体の流動を遮断する液体遮断部と、前記液体遮断部に設けられると共に、前記液体を通過させず前記弾性表面波励振部によって励振された弾性表面波のみを通過させる弾性表面波通過部と、を備えている。

本発明の液体制御ユニットは、圧電性基板上に配設されると共に、弾性表面波によって液体の流動を制御する液体制御ユニットであって、弾性表面波励振部、流動部、液体遮断部、及び弾性表面波通過部を備えている。弾性表面波励振部は弾性表面波を励振する。流動部は管路状に形成され、流動部中を液体が流動する。液体遮断部は、弾性表面波励振部と流動部との間に配置されて液体の流動を遮断する。この液体遮断部に、液体を通過させず弾性表面波励振部によって励振された弾性表面波のみを通過させる弾性表面波通過部を設ける。

このように、液体遮断部に、液体を通過させず、かつ弾性表面波励振部によって励振された弾性表面波のみを通過させる弾性表面波通過部を設けたため、弾性表面波励振部を液体に接触させず、かつ液体へエネルギーを付与する弾性表面波を減衰させることなく液体の流動を制御することができる。

前記弾性表面波通過部は、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成されると共に、その断面積が、前記疎水性の材料と前記液体との間の表面張力による圧力が前記流動部内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさの管路により構成されることができる。

弾性表面波通過部を、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成された管路により構成すれば、管路であることにより弾性表面波の伝搬面を塞ぐことがないために、弾性表面波を減衰させずに通過させることができ、かつ管路壁面の疎水性の材料と液体の間の表面張力により流動する液体に対する抵抗が大きくなるため液体が弾性表面波励振部に漏れ出すことを防止することができる。とくに、流動部内の弾性表面波による液体流動の圧力よりも、管路と液体との間の表面張力による圧力の方を大きくすれば、弾性表面波のみで液体に流動圧力を与える系においては、該管路で液体を遮断できる。従って、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成されると共に、その断面積が、該疎水性の材料と液体との間の表面張力による圧力が流動部内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさの管路により構成すれば、弾性表面波を減衰させず流動部の液体の圧力に対して漏れの発生しない構造にすることができる。これにより、液体が弾性表面波励振部に接触することを防止できる。

また、前記弾性表面波通過部は、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成されると共に、その断面積が、前記疎水性の材料と前記液体との間の表面張力による圧力が前記流動部内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさの管路を複数配置することにより構成されることもできる。

弾性表面波通過部を、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成されると共に、その断面積が、該疎水性の材料と液体との間の表面張力による圧力が流動部内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさの管路により構成することにより、上述したように、弾性表面波を減衰させず流動部の液体の流動圧力に対して管路から液体が漏れない構造にすることができると共に、該管路を複数配置することによって、トータルで弾性表面波の伝搬面（通過部分）を広くできるため、管路が単数の場合に比べ、弾性表面波の減衰をより少なくできる。

また、前記弾性表面波通過部を構成する管路の断面を、前記励振された弾性表面波の伝搬面に垂直な方向の長さより伝搬面に平行な方向の長さが長い扁平形状にすることができる。

弾性表面波は、面（伝搬面）を伝搬するため、液体遮断部により弾性表面波の伝搬面が覆われる部分が小さいほど、弾性表面波は伝搬しやすく、減衰が少ない。

一方、上述の弾性表面波通過部の管路の表面張力による液体に対する圧力は、例えば、藤井輝夫氏の解析（ファインケミカル,Vol.31,No.1(2002年1月号),p23~31）等で示されるように、管路の断面積（直径もしくは代表長さ）が小さいほど大きくなることが知られている。従って、液体漏れを防止するためには、弾性表面波通過部の管路の断面積を小さくする必要がある。

このことから、弾性表面波通過部を構成する管路の断面を、伝搬面に垂直な方向の長さより伝搬面に平行な方向の長さを長くした扁平形状にすることによって、液体遮断部で弾性表面波の伝搬面が覆われる部分を小さくできると共に、断面積を小さくすることができるため、流動部の液体の漏れが発生せず、弾性表面波の減衰が小さい構造にすることができる。

前記弾性表面波励振部は、前記圧電性基板上に構成されたすだれ状電極からなるようにしてもよい。

すだれ状電極により弾性表面波を励振することにより、効率的に弾性表面波を励振することができると共に、液体制御ユニット（装置）を小型化できる。

前記弾性表面波励振部は、一方向に弾性表面波を発生させることができる。

このように、弾性表面波励振部が一方向に弾性表面波を発生させるものであれば、弾性表面波が本来伝搬が不要な方向に伝搬してしまうことを防止することができる。また、液体制御ユニットを複数集積して液体の搬送を制御する場合に、１つの液体制御ユニットにより励振された弾性表面波の影響が他の液体制御ユニットに対して及ばないように制御することが容易となる。

本発明の液体制御装置は、上記いずれかの液体制御ユニットを１つの圧電性基板上に複数集積したものである。

このように、１つの圧電性基板上に複数の液体制御ユニットを集積すれば、より精密かつ綿密に流体を制御して該基板上で合成や分析を行うことができる。また、バルブなどの圧力を低下させる部品を集積した装置に比べて、圧電性基板内の圧力の偏りが大きくならずにすむため、液体を精密に流動させて精度高く分析や合成を行うことができる。

以上説明したように本発明によれば、弾性表面波励振部と液体の流動部との間に配置され液体の流動を遮断する液体遮断部に、液体を通過させず、かつ弾性表面波励振部によって励振された弾性表面波のみを通過させる弾性表面波通過部を設けたため、弾性表面波励振部を液体に接触させず、かつ液体へエネルギーを付与する弾性表面波を減衰を防止して液体の流動を制御することができる、という効果を奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明の一実施の形態に係る液体制御ユニットの構成を図１に示す。

この液体制御ユニット１０は、電圧を印加すると伸縮振動する圧電性基板１１上に、弾性表面波を励振する弾性表面波励振部１２、及び液体が流動する管路状の流路部（流動部）２１を形成する流路形成部２２が配設されたものである。図中の矢印は液体の流動方向を示す。

弾性表面波励振部１２と流路部２１との間であって、流路形成部２２（流路部２１の壁面）と一体形成され、液体の流動を遮断する液体遮断部１６が存在している。

この液体遮断部１６には、液体を通過させず弾性表面波励振部１２によって励振された弾性表面波のみを通過させる液体遮断管路３２により構成された弾性表面波通過部が設けられている。液体遮断管路３２の両端は開口されている。

流路部２１の壁面の一部分は、液体遮断管路３２に対して開放されており、この部分に液体遮断管路３２の一方の開口部が接続されている。液体遮断管路３２の他方の開口部は、弾性表面波励振部１２側に開放されている。

また、圧電性基板１１上の弾性表面波伝搬部１３は、弾性表面波励振部１２で励振された弾性表面波を流路部２１の上記開放された部分（液体接触位置）まで伝搬するための領域である。上記液体遮断管路３２は、弾性表面波伝搬部１３の伝搬面上に配置され、液体遮断部１６において、液体遮断管路３２が設けられた部分のみが弾性表面波伝搬部１３の伝搬面を覆わない部分となる。

以下、上記各構成部について具体的に説明する。

圧電性基板１１はニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、Li₂BO₇、Bi₁₂GeO₂₀などのレーリーモードの弾性表面波もしくは擬似弾性波を発生する圧電体結晶が好ましいが、縦波を含む弾性表面波を発生できる材料であれば、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミクスや酸化亜鉛などの圧電性薄膜をガラス上に全面もしくは部分的に積層した構造であってもよい。

弾性表面波励振部１２は、すだれ状電極(IDT)であれば効率や小型化の面で好ましいが、楔形トランスデューサやバルク波振動子、ガンダイオードなどによる励振手段であってもよい。すだれ状電極により構成する場合には、Al、Au、Cu、Cr、Ti、Ptなどの金属もしくはこれらの金属の合金を圧電性基板１１上にフォトリソグラフィーを用いて形成することができる。すだれ状電極の形状は、シングル型、ダブル型の電極のいずれであってもよい。また、液体を流したい方向にのみ弾性表面波を励振する一方向性の電極が望ましい。一方向性電極で構成する場合には、単相、多相のいずれの駆動方式を用いてもよい。ただし、多相の場合には、位相の異なる複数の電圧源が必要となる。すだれ状電極に印加する電圧は、すだれ状電極の共振周波数に等しい周波数もしくはその奇数倍の高調波の正弦波もしくは矩形波の電圧とすることができ、すだれ状電極を連続もしくはパルス変調して駆動することができる。

弾性表面波伝搬部１３は、上述したように、弾性表面波励振部１２で励振した弾性表面波を流路部２１の液体接触位置まで伝搬させるための領域であって、圧電性基板１１の一部であって同一の材料で構成されていてもよいし、ガラスやダイヤモンドといった弾性表面波が伝搬する他の物質で構成されていてもよい。

流路部２１は、一般的に親水性の材料で構成されており、液体遮断管路３２を構成する材料と同じかそれ以上に親水性であれば特に限定されない。例えば、有機材料であってもよいし、ガラスなどの無機材料であってもよい。また、有機材料、無機材料の表面部分を親水化処理した材料を用いてもかまわない。流路部２１を親水性の材料により構成することで液体の流動性が向上する。

弾性表面波通過部を構成する液体遮断管路３２は、図示されるように、弾性表面波伝搬部１３の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成された管路である。断面形状は長方形が好ましいが、円弧形状や三角形をはじめとする長方形でない他の多角形の形状でもかまわない。疎水性の材料としてはPDMS（ポリジメチルシロキサン）、PMMA（ポリメタクリル酸メチル）などの疎水性の有機材料が好ましいが、ガラスなどの親水性材料の表面を薄膜や化学的処理により疎水性にした材料を用いてもよい。

この液体遮断管路３２の断面積は、液体遮断管路３２の疎水性材料と液体との間の表面張力による圧力が流路部２１内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさとなるように形成され、流路部２１から液体が漏れないような構造となっている。後述するように、表面張力による圧力は、液体遮断管路３２の断面積（直径もしくは代表長さ）を小さくすることにより大きくなるが、あまり断面積を小さくすると、その形状によっては弾性表面波伝搬部１３の伝搬面が液体遮断部１６で大きく覆われてしまい、弾性表面波が伝搬しにくくなってしまう。従って、この点を考慮して設計することが好ましい。

以上説明したように、液体遮断部に液体を通過させず弾性表面波励振部によって励振された弾性表面波のみを通過させる弾性表面波通過部を設けたため、弾性表面波励振部を液体に接触させず、かつ液体へエネルギーを付与する弾性表面波を減衰させることなく液体の流動を制御することができる
なお、図２に示されるように、液体遮断部１６に複数本の液体遮断管路３３ａ〜３３ｃから構成された弾性表面波通過部３３を設置すれば、液体遮断部１６において弾性表面波伝搬部１３を覆う面積を小さくでき、トータルで弾性表面波の伝搬領域を広くすることができるため、液体遮断管路が単数の場合に比べ、より弾性表面波の減衰を少なくできる。

また、図３（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、液体遮断管路３４の断面が、弾性表面波の伝搬面に垂直な方向の長さＨが、弾性表面波の伝搬面に平行な方向の長さＷより短い扁平形状となるように形成すれば、弾性表面波の減衰を少なくでき、好適である。これは、以下のような理由による。

弾性表面波は、面（伝搬面）で伝搬するため、液体遮断部１６によって弾性表面波伝搬部１３が覆われる部分が小さいほど、弾性表面波は伝搬しやすく、減衰が少ない。また、後述するように、液体遮断管路の表面張力による圧力は、液体遮断管路の断面積（直径もしくは代表長さ）が小さいほど大きくなることが知られている。従って、液体漏れを防止するためには、液体遮断管路の断面積を小さくすればよい。このことから、液体遮断管路の断面の形状を、伝搬面に垂直な方向より伝搬面に平行な方向の長さが長い扁平形状となるように形成することによって、弾性表面波伝搬部１３を覆う部分を小さくすることができると共に、断面積を小さくすることができるため、弾性表面波の減衰が少なく、かつ液体の漏れが発生しない構造にすることができる。

また、上述したように、弾性表面波励振部を一方向性の電極とする場合には、図４に示されるように、すだれ状電極１４ａに反射器１４ｂを設けて構成することができる。図１〜図３では、反射器が設けられていないため、弾性表面波が弾性表面波励振部１２の前方（液体遮断管路側）だけでなく、本来伝搬が不要な方向である後方にも伝搬してしまう。これに対して、図４では、弾性表面波励振部１４が、すだれ状電極１４ａと反射器１４ｂとにより構成されているため、片方（液体遮断管路３２側）にのみ伝搬させることができる。なお、ここでは反射器を設けることにより弾性表面波の伝搬に方向性を持たせているが、反射器無しでも方向性を有するように構成された電極を用いてもよい。

更にまた、上記図１〜図４に示されるような液体制御ユニットを１つの圧電性基板上に複数集積して液体制御装置を作製することができる。図５には、上記図４に示される弾性表面波励振部１４と、流路部２１と、液体遮断管路３２が設けられた液体遮断部１６（流路形成部２２）とを含んで構成された液体制御ユニット６０を、１つの圧電性基板１１上に複数（図では４つ）集積して作製された液体制御装置７０が示されている。このように、１つの圧電性基板上に複数の液体制御ユニットを集積すれば、より精密かつ綿密に液体の流動を制御して該基板上で合成や分析を行うことができる。また、バルブなどの圧力を低下させる部品を集積した装置に比べて、圧電性基板内の圧力の偏りが大きくならずにすむため、液体を精密に流動させて精度高く分析や合成を行うことができる。また、このとき、弾性表面波励振部を、（ここでは、すだれ状電極に反射器を設けることによって）一方向に弾性表面波を発生させるように構成することにより、１つの液体制御ユニットにより励振された弾性表面波の影響が他の液体制御ユニットに対して及ばないように制御（配置）することが容易となる。

以下に、液体遮断管路の簡易的な設計計算例を示す。ここでは、弾性表面波による液体制御ユニットを集積した液体制御装置で液体を流動させる場合を想定して説明する。

弾性表面波による液体流動の圧力は、塩川祥子氏のSAW（弾性表面波）ストリーミング現象の解明（電子情報通信学会論文誌,Vol.US89-51(1989),p41~46）にて以下のように計算できることが示されている。

P=1/2×ρ₀(1+α²)A²ω²
（ρ₀：液体の密度、α：液体中への漏れ弾性表面波の吸収係数、ω：駆動角周波数、A：弾性表面波による振動変位）
この吐出圧方向はレーリー角方向となるため、液体の流動方向の吐出圧はこのレーリー角方向と液体を流動させる方向との方向余弦から計算される値となる。液体制御ユニットで液体を流動する場合には、流路部内の圧力はこの吐出圧程度となる。従って、液体遮断管路にてこの吐出圧を上回る圧力を遮断できればよい。

一方、液体遮断管路で遮断可能な圧力は、藤井輝夫氏の解析（ファインケミカル,Vol.31,No.1(2002年1月号),p23~31）より、表面張力により発生する圧力と同等と考えられ、以下の式で算出されることが示されている。

P=2γcosθ/r
（γ：液体の表面張力、θ：液体と液体遮断管路材料の接触角、r：液体遮断管路断面の直径もしくは代表長さ）
ここで、代表長さｒとは、流体力学において決定される物体の大きさを示すパラメータであり、例えば断面形状が円の場合には、管路の直径を用いた値となる。上記式から、直径もしくは代表長さｒが小さいほど液体遮断管路で遮断可能な圧力は大きくなるが、液体遮断管路の断面積は、直径もしくは代表長さｒに略比例することから、断面積が小さいほど液体遮断管路で遮断可能な圧力が大きくなるといえる。

仮に液体として純水（γ=72.75mN/m、ρ₀=1000 Kg/m³、α=2.47）、液体遮断管路の材質としてPDMS（純水との接触角θ=110°）、駆動周波数（10MHz）を仮定して、弾性表面波の振動振幅とその振幅によって発生する流動圧力を遮断できる液体遮断管路の代表長さとの関係をグラフ化したのが図６である。例えば、弾性表面波の振動振幅を5nmとすると、代表長さ363um以下のPDMS管路を設けることによって、弾性表面波による液体搬送によって発生した吐出圧に対して漏れの発生しない液体制御ユニットを作製することができる。

なお、上述した弾性表面波による液体流動の圧力を算出する式や、表面張力による圧力を算出する式は、これに限定されず、各圧力を示す数値を求めることができれば他の算出式を用いてもよい。

以下、さらに具体的な実施例、比較例をあげて説明する。

（実施例１）
図１は第１の実施例となる液体制御ユニット１０の構造を示している。弾性表面波励振部１２は、128度Y-cut LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上にX方向に弾性表面波が伝搬するように電極幅106um、IDT周期424umで45対のすだれ状電極をフォトリソグラフィーにより作製したものである。電極の交差幅は3mmである。流路部２１はPDMSにて作製しており、その管路の形状は2mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。液体遮断管路３２は流路部２１と同じPDMSでその断面が1mm（幅）×1mm（高さ）角の管路とした。両者の代表長さはそれぞれ2000um、1000umとなる。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。PDMS上での純水の接触角は110°であった。

このような構成の液体制御ユニット１０を、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-p（ピーク・ピーク電圧値）で駆動したところ、液体は流路部２１中で流動した。電圧印加を停止しても純水は弾性表面波励振部１２側に漏れ出すことはなかった。

（実施例２）
図２は第２の実施例となる液体制御ユニット４０の構造を示している。なお図２において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付す。

弾性表面波励振部１２は、128度Y-cut LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上にX方向に弾性表面波が伝搬するように電極幅106um、IDT周期424umで45対のすだれ状電極をフォトリソグラフィーにより作製したものである。電極の交差幅は3mmである。流路部２１はPDMSにて作製しており、その管路の形状は2mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。弾性表面波通過部３３は、流路部２１と同じPDMSでその断面が0.5mm（幅）×2mm（高さ）角の液体遮断管路を３つ並べた構造とした。両者の代表長さはそれぞれ2000um、800umとなる。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。PDMS上での純水の接触角は110°であった。

このような構成の液体制御ユニット４０を、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-pで駆動したところ、液体は流路部２１中で流動した。電圧印加を停止しても純水は弾性表面波励振部１２側に漏れ出すことはなかった。

（実施例３）
図３は第３の実施例となる液体制御ユニット５０の構造を示している。なお図３において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付す。

弾性表面波励振部１２は、128度Y-cut LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上にX方向に弾性表面波が伝搬するように電極幅106um、IDT周期424umで45対のすだれ状電極をフォトリソグラフィーにより作製したものである。電極の交差幅は3mmである。流路部２１はPDMSにて作製しており、その管路の形状は2mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。液体遮断管路３４は、流路部２１と同じPDMSでその断面が2mm（幅）×0.2mm（高さ）角の扁平型の管路とした。両者の代表長さはそれぞれ2000um、360umとなる。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。PDMS上での純水の接触角は110°であった。

このような構成の液体制御ユニット５０を、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-pで駆動したところ、液体は流路部２１中で流動した。電圧印加を停止しても純水は弾性表面波励振部１２側に漏れ出すことはなかった。

（実施例４）
図４は第４の実施例となる液体制御ユニット６０の構造を示している。なお図４において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付す。

弾性表面波励振部１４は、128度Y-cut LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上にX方向に弾性表面波が伝搬するように電極幅106um、IDT周期424umで45対のすだれ状電極１４ａをフォトリソグラフィーにより作製し、その後方に反射器１４ｂを３０対設けたものであり、一方向性の電極とした。電極の交差幅は3mmである。流路部２１はPDMSにて作製しており、その管路の形状は2mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。液体遮断管路３２は同じPDMSでその断面が1mm（幅）×1mm（高さ）角の管路とした。両者の代表長さはそれぞれ2000um、1000umとなる。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。PDMS上での純水の接触角は110°であった。

このような構成の液体制御ユニット６０を、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-pで駆動したところ、液体は流路部２１中で流動した。電圧印加を停止しても純水は弾性表面波励振部１４側に漏れ出すことはなかった。

（実施例５）
図５は第５の実施例となる液体制御装置７０の構造を示している。なお、図５において、図４と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付す。

液体制御装置７０を構成する各液体制御ユニットの弾性表面波励振部１４は、LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上に弾性表面波が伝搬するようにすだれ状電極１４ａをフォトリソグラフィーにより作製し、その後方に電極に一方向性を持たせるための反射器１４ｂを設けたものであり、一方向性の電極とした。電極の交差幅は3mmである。流路部２１はPDMSにて作製しており、その管路の形状は2mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。各液体遮断管路３２は同じPDMSでその断面が1mm（幅）×1mm（高さ）角の管路とした。両者の代表長さはそれぞれ2000um、1000umとなる。このような液体制御ユニットを図５に示すように１つの圧電性基板１１上に複数（ここでは４つ）集積して作製した。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。PDMS上での純水の接触角は110°であった。

このような構成の液体制御ユニット６０を、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-pで駆動したところ、液体は流路部２１中で矢印方向に流動した。電圧印加を停止しても純水は各弾性表面波励振部１４側に漏れ出すことはなかった。

（比較例１）
次に第１の比較例について具体的に説明する。図７は第１の比較例となる液体制御ユニット８０の構造を示している。なお、図７において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付す。

弾性表面波励振部１２は、128度Y-cut LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上にX方向に弾性表面波が伝搬するように電極幅106um、IDT周期424umで45対のすだれ状電極をフォトリソグラフィーにより作製したものである。電極の交差幅は3mmである。流路部２１および液体遮断部８２はPDMSにて一体で作製されており、流路部２１の断面形状は2 mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。この流路部２１の代表長さは2000umとなる。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。PDMS上での純水の接触角は110°であった。

このような構成の液体制御ユニット８０を、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-pで駆動したが、流路部２１内の純水を流動させることはできなかった。

（比較例２）
次に第２の比較例について具体的に説明する。第２の比較例となる液体制御ユニットは、図１に示した液体制御ユニット１０の液体遮断管路３２を親水性の材料により形成した親水性管路とした以外は、図１に示した液体制御ユニット１０と同様の構成であるため図示は省略する。

具体的には、弾性表面波励振部１２は、128度Y-cut LiNbO₃基板（圧電性基板）２３上にX方向に弾性表面波が伝搬するように電極幅106um、IDT周期424umで45対のすだれ状電極をフォトリソグラフィーにより作製したものである。電極の交差幅は3mmである。流路部２１はPDMSにて作製し、紫外線照射により親水化処理を行った。その管路の形状は2mm（幅）×2mm（高さ）の矩形とした。親水性管路は流路部２１と同じ親水化処理を施したPDMSで、その断面が1mm（幅）×1mm（高さ）角の管路とした。両者の代表長さはそれぞれ2000um、1000umとなる。流路部２１中に流動させる液体は純水を使用した。親水化処理を施したPDMS上での純水の接触角は65°であった。

このような構成の液体制御ユニットを、すだれ状電極の共振周波数である9.1MHz、32Vp-pで駆動したところ、流路部２１中で液体は流動した。しかしながら、電圧印加を停止すると、液体は親水性管路を通過して弾性表面波励振部１２側に漏れだし、電極の一部に接触してしまった。

実施例１に係る液体制御ユニットの構造を示した斜視図である。 実施例２に係る液体制御ユニットの構造を示した斜視図である。 （Ａ）は、実施例３に係る液体制御ユニットの構造を示した斜視図であり、（Ｂ）は、実施例３の液体遮断管路のみを抽出して示した斜視図である。 実施例４に係る液体制御ユニットの構造を示した斜視図である。 実施例５に係る液体制御装置を上から見た図である。 弾性表面波の振動振幅とその振幅によって発生する流動圧力を遮断できる液体遮断管路の管路の代表長さの関係の一例を示したグラフである。 比較例１に係る液体制御ユニットの構造を示した斜視図である。 従来の液体制御装置の構造を示した図であり、（Ａ）が断面図、（Ｂ）は上から見た図である。

符号の説明

１０、４０、５０、６０ 液体制御ユニット
１１ 圧電性基板
１２、１４ 弾性表面波励振部
１３ 弾性表面波伝搬部
１６ 液体遮断部
２１ 流路部
２２ 流路形成部
３２、３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）、３４ 液体遮断管路（弾性表面波通過部）
７０ 液体制御装置

Claims (7)

1. 圧電性基板上に配設されると共に、弾性表面波によって液体の流動を制御する液体制御ユニットであって、
   弾性表面波を励振する弾性表面波励振部と、
   前記液体が流動する管路状の流動部と、
   前記弾性表面波励振部と前記流動部との間に配置されて前記液体の流動を遮断する液体遮断部と、
   前記液体遮断部に設けられると共に、前記液体を通過させず前記弾性表面波励振部によって励振された弾性表面波のみを通過させる弾性表面波通過部と、
   を備えた液体制御ユニット。
2. 前記弾性表面波通過部は、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成されると共に、その断面積が、前記疎水性の材料と前記液体との間の表面張力による圧力が前記流動部内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさの管路により構成された請求項１記載の液体制御ユニット。
3. 前記弾性表面波通過部は、弾性表面波の伝搬面と疎水性の材料とで囲まれて形成されると共に、その断面積が、前記疎水性の材料と前記液体との間の表面張力による圧力が前記流動部内の液体の流動圧力よりも大きくなるような大きさの管路を複数配置することにより構成された請求項１記載の液体制御ユニット。
4. 前記弾性表面波通過部を構成する管路の断面を、前記励振された弾性表面波の伝搬面に垂直な方向の長さより伝搬面に平行な方向の長さが長い扁平形状にした請求項２または請求項３に記載の液体制御ユニット。
5. 前記弾性表面波励振部は、前記圧電性基板上に構成されたすだれ状電極からなる請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の液体制御ユニット。
6. 前記弾性表面波励振部は、一方向に弾性表面波を発生させる請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の液体制御ユニット。
7. 前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の液体制御ユニットを１つの圧電性基板上に複数集積した液体制御装置。

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