JP2016140787A - 気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エレクトロウェッティングを用いた気泡発生装置を提供する。
【解決手段】気泡発生装置は、内面と、前記内面によって規定され、入口及び出口を備え液体の流路とを有する管、管の内面の少なくとも入口近傍において、流路の伸びる方向に沿って配列された少なくとも３つの電極、少なくとも３つの電極を少なくとも覆って内面に設けられた絶縁層、絶縁層を覆って内面全体に設けられた撥水層、管の複数の電極の配列中に設けられ、流路と管の外側とをつなぐ孔と、流路と管の外側との気圧差に応じて、孔を開閉するバルブ、および少なくとも３つの複数の電極に選択的に電圧を印加する電源を備え、前記電源が複数の電極に選択的に電圧を印加し、前記選択的に印加された電極上において、前記撥水層と前記液体との接触角を変化させることによって、前記液体を前記入口から吸入し、流路内で液体を複数の液滴に分割し、複数の液滴および複数の液滴間に生成した気泡を出口より放出する。
【選択図】図１Ａ

Description

本願は、エレクトロウェッティングを用いた気泡発生装置に関する。

エレクトロウェッティング（Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）は、疎水性の誘電体膜が設けられた電極と、誘電体膜上に配置される液滴との間に電位差を与えることにより、液滴の誘電体膜との接触角が減少する現象である。電極を複数配置し、順に電圧を印加することによって液滴を移動させることが可能となる。

例えば、特許文献１、２は、エレクトロウェッティングによって液滴を移動させたり、液滴を吐出させる技術を開示している。

特開２００８−０９２６１３号 特許第３９６７２９６号

従来技術によれば、エレクトロウェッティング技術は、主として液体の移動のみに利用されてきた。

本願発明者は、エレクトロウェッティング技術を詳細に検討し、エレクトロウェッティングを利用して液体中に気泡を発生させる装置を想到した。本開示は、エレクトロウェッティングを用いた気泡発生装置を提供する。

本開示の気泡発生装置は、内面と、前記内面によって規定され、入口及び出口を備えた液体の流路とを有する管、前記管の前記内面の少なくとも前記入口近傍において、前記流路の伸びる方向に沿って配列された少なくとも３つの電極、前記少なくとも３つの電極を少なくとも覆って前記内面に設けられた絶縁層、前記絶縁層を覆って前記内面全体に設けられた撥水層、前記管の前記複数の電極の配列中に設けられ、前記流路と前記管の外側とをつなぐ孔と、前記流路と前記管の外側との気圧差に応じて、前記孔を開閉するバルブ、および前記少なくとも３つの複数の電極に選択的に電圧を印加する電源を備え、前記電源が、前記複数の電極に選択的に電圧を印加し、前記選択的に印加された電極上において、前記撥水層と前記液体との接触角を変化させることによって、前記液体を前記入口から吸入し、前記流路内で前記液体を複数の液滴に分割し、前記複数の液滴および前記複数の液滴間に生成した気泡を前記出口より放出する。

本開示の気泡発生装置によれば、エレクトロウェッティングを用いて液体中に気泡を発生させることができる。

図１Ａは本実施形態の気泡発生装置における本体の模式的な断面図である。 図１Ｂは本実施形態の気泡発生装置における電源のブロック図である。 図２Ａは本実施形態の気泡発生装置の模式的な設置状態を示す図である。 図２Ｂは本実施形態の気泡発生装置の模式的な他の設置状態を示す図である。 図３Ａは本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の生成手順を示す図である。 図３Ｂは本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の生成手順を示す図である。 図３Ｃは本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の生成手順を示す図である。 図３Ｄは本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の生成手順を示す図である。 図３Ｅは本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の生成手順を示す図である。 図３Ｆは本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の生成手順を示す図である。 図４は、図３Ａから図３Ｆの手順における電極への電圧印加を示すタイミングチャートである。 図５Ａは、本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の移送手順を示す図である。 図５Ｂは、本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の移送手順を示す図である。 図５Ｃは、本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の移送手順を示す図である。 図５Ｄは、本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の移送手順を示す図である。 図５Ｅは、本実施形態の気泡発生装置における液滴および気泡の移送手順を示す図である。 本実施形態の気泡発生装置の異なる形態の断面図である。

本開示の気泡発生装置、気泡発生装置の制御方法および気泡発生方法の概要は以下の通りである。
［項目１］
内面と、前記内面によって規定され、入口及び出口を備えた液体の流路とを有する管、前記管の前記内面の少なくとも前記入口近傍において、前記流路の伸びる方向に沿って配列された少なくとも３つの電極、前記少なくとも３つの電極を少なくとも覆って前記内面に設けられた絶縁層、前記絶縁層を覆って前記内面全体に設けられた撥水層、前記管の前記電極の配列中に設けられ、前記流路と前記管の外側とをつなぐ孔と、前記流路と前記管の外側との気圧差に応じて、前記孔を開閉するバルブ、および前記少なくとも３つの電極に選択的に電圧を印加する電源を備え、前記電源が、前記少なくとも３つの電極に選択的に電圧を印加し、前記選択的に印加された電極上において、前記撥水層と前記液体との接触角を変化させることによって、前記液体を前記入口から吸入し、前記流路内で前記液体を複数の液滴に分割し、前記複数の液滴および前記複数の液滴間に生成した気泡を前記出口より放出する気泡発生装置。この構成によれば、エレクトロウェッティングによって液体中に気泡を発生させることができる。このため、静粛性および省電力性に優れた気泡発生装置が実現する。
［項目２］
前記出口に設けられ、前記出口から前記流路に液体が流入するのを抑制する逆流防止器をさらに備える項目１に記載の気泡発生装置。この構成によれば、出口から液体が管内に液体が逆流することが抑制できるため、管の出口を液体の深い位置に配置することができる。
［項目３］
前記逆流防止器は逆止弁である項目２に記載の気泡発生装置。
［項目４］
前記逆流防止器は毛細管である項目２に記載の気泡発生装置。
［項目５］
前記複数の液滴間の体積が１×１０⁶μｍ³以下である項目１に記載の気泡発生装置。この構成によれば、気泡発生装置はマイクロバブルを生成することができる。
［項目６］
項目１から５のいずれかに規定される気泡発生装置の制御方法であって、前記少なくとも３つの電極に選択的に電圧を印加するように前記電源を制御することによって、前記液体を前記少なくとも３つの電極上に配置し、前記少なくとも３つの電極のうち、両端の電極に電圧を印加することによって、前記液体を前記複数の液滴に分割し、前記複数の液滴の間に、前記孔を介して気体を導入することにより、前記気泡を生成させる、気泡発生装置の制御方法。

以下、図面を参照しながら、本開示の気泡発生装置、気泡発生装置の制御方法および気泡発生方法の実施形態を説明する。

本実施形態の気泡発生装置は、本体１０および電源２０を備える。図１Ａは本体１０の構成を模式的に示す断面図である。気泡発生装置は、液浴１１２から液体を吸入し、液体中に気泡を発生させて液浴１１２に液体を排出する。このような気泡発生装置はエアーポンプと呼ばれることもある。

気泡発生装置の本体１０は管１０１を含む。管１０１は内面１０１ｉを有し、内面１０１ｉが入口１０９および出口１１１を有する流路１０２（ｃｈａｎｎｅｌ）を規定している。管１０１の内面１０１ｉの伸びる方向に垂直な断面において、流路１０２は、円形、楕円形、多角形等の断面を有している。本実施形態では、流路１０２は四角形の断面を有している。

管１０１は、流路１０２の断面に応じて１または２以上の、内面１０１ｉを有する部材によって構成されている。本実施形態では、管１０１は、対向する基板１０１ａ、１０１ｂと基板１０１ａ、１０１ｂを挟む一対の側面基板１０１ｃを含む。これにより、空間が四方から囲まれ、流路１０２が規定される。管１０１は複数の基板ではなく、流路１０２を規定する空間を有する筒状に成形された部材によって構成されてもよい。基板１０１ａ、１０１ｂおよび側面基板１０１ｃには、例えばガラス基板を用いることができる。特に表面が平滑であり、以下において説明する構造のための薄膜が形成しやすい部材を用いることが望ましい。本実施形態では、管１０１は、図１Ａに示すように、入口１０９から液体を取り込み、取り込んだ液体中に気泡を発生させて出口１１１から液体を放出する。液体の取り込みと、気泡が含まれる液体の放出を同じ側で行うため、管１０１はＵ字形状を有している。

気泡発生装置の本体１０は管１０１の内面１０１ｉに設けられた電極１０４と、電極１０４を覆う絶縁層１０５と、絶縁層１０５を覆う撥水層１０６を更に備える。

電極１０４は、管１０１の内面１０１ｉにおいて、流路１０２の伸びる方向に沿って複数配列されている。本実施形態では、入口１０９から出口１１１にかけて、複数の電極１０４が配列されているが、入口１０９から出口１１１に向かって少なくとも３つの電極１０４が配列されていればよい。また、本実施形態では、電極１０４は基板１０１ａおよび基板１０１ｂにそれぞれ設けられている。しかし、電極１０４は流路１０２の断面において、内面１０１ｉの一部に設けられていればよい。つまり、電極１０４は、基板１０１ａ、１０１ｂおよび２つの側面基板１０１ｃのうちの１つに、配列して設けられていてもよいし、４つすべてに設けられていてもよい。

電極１０４は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇなど各種金属材料を用い形成することができる。また透過性が必要な場合には、ＩＴＯやＺｎＯなどの透明導電材料を用いてよい。基板や、絶縁層１０５との高い密着性が必要な場合には、上述の材料の層と、Ｃｒ、Ｔｉなどの金属材料の層との積層構造を用いてもよい。電極は蒸着法、スパッタ法などによって形成することができる。電極１０４が厚い場合、基板との段差が生じ、絶縁層１０５および撥水層１０６の撥水膜の形成に影響し得る。電極１０４が薄い場合、十分な導電性が得られず、抵抗が高くなり、電圧を印加したときに、配線抵抗により電圧がロスし電極に所望の電圧が印加できなくなる可能性がある。電極１０４の厚さは、０．１μｍ以上、１μｍ以下がより好ましい。

絶縁層１０５は、少なくとも電極１０４を覆うように設けられる。電極１０４が設けられていない内面１０１ｉの領域には絶縁層１０５は設けられていなくてもよい。絶縁層１０５は絶縁性を有しており、パリレンに代表される種々の高分子化合物や、ＳｉＯ₂に代表される無機化合物の各種酸化物、複合酸化物、窒化物、などの絶縁材料によって形成することができる。気泡発生装置を駆動するために必要な電圧を下げるためには、電極１０４の静電容量が大きいことが望ましい。このため絶縁層１０５の厚さが小さく、比誘電率が大きいことが望ましい。この点で、絶縁層１０５の材料には、薄膜形成に適している材料、高い比誘電率を有する材料を好適に用いることができる。高分子化合物を絶縁層１０５に用いる場合、ディッピング法、スプレーコート法、スピンコート法などの方法を用いて塗布してよい。無機化合物を用いる場合、スパッタ法、スプレーコート法、スピンコート法などの方法により形成してよい。

撥水層１０６は、絶縁層１０５を覆って管１０１の内面１０１ｉ全体に設けられる。撥水層１０６は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やＡＦ１６００（デュポン社製）など、フルオロアルキル鎖を有する化合物であれば一般に高い撥水性能を有する化合物を用いて形成することができる。フルオロアルキル鎖を有する化合物のうち、シランカップリングが可能な官能基を有する化合物は、絶縁層１０５とカップリング反応することで共有結合を形成し、撥水層１０６の剥離が防止できるので、撥水層１０６の材料として特に好適に用いることができる。シランカップリングが可能なフルオロアルキル鎖を有する化合物として、例えば、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、パーフルオロオクチルトリメトキシシラン、パーフルオロデシルトリメトキシシラン、パーフルオロオクチルトリクロロシラン、パーフルオロデシルトリクロロシラン、ＣＹＴＯＰ（登録商標）（旭硝子（株）製）、オプツール（ダイキン工業製）を用いることができる。撥水層１０６は、液浴１１２の液体に対する固液界面の摩擦力が弱いほうが好ましい。具体的には液体に対して、３０°以下の滑落角（膜撥水層上で１０μｌの純水が滑り出す角度）を有する撥水材料で形成されていることが好ましい。また、気泡発生装置の駆動に必要な電圧を下げるためには、撥水層１０６の厚さは小さいことが望ましい。ただし、厚さが小さすぎると、均一な厚さの撥水層１０６を形成するのが難しくなり、薄い部分において絶縁破壊が生じやすくなる。撥水層１０６の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上、２μｍ以下が好ましい。

気泡発生装置の本体１０は、管１０１に設けられた孔１１０と、孔１１０に配置されるバルブ１０７と管１０１の出口１１１に設けられる逆流防止器１０８とを更に備える。

孔１１０は、管１０１の側面に設けられ、流路１０２と管の外側とを接続している。孔１１０は、電極１０４の配列中に位置している。ここで配列中とは配列内であることをいい、配列の始端および終端より外側ではないことをいう。つまり配列した複数の電極１０４の一番端の電極１０４と入口１０９または出口１１１との間には位置しておらず、孔１１０より入口１０９側および出口１１１側のいずれにおいても、少なくとも１つの電極１０４が存在する。なお図１Ａでは、一対の電極１０４の間に孔１１０が位置するように示しているが、孔１１０の位置は電極間に限られず、上述した電極１０４の配列との位置関係を満たす限り、孔１１０が電極１０４に隣接していなくてもよい。より具体的には、図１Ａでは、孔は電極１０４が設けられた基板１０１ａに設けられているが、孔１１０は、側面基板１０１ｃに設けられていてもよい。

バルブ１０７は、孔１１０に設けられ、流路１０２と管１０１の外側との気圧差に応じて、孔１１０を開閉する。バルブ１０７は、例えば、流路１０２内の圧力が管１０１の外側の大気よりも低い場合、孔１１０を開放し、流路１０２の圧力が管１０１の外側の大気と同程度以上であれば、孔１１０を閉じる。図では、バルブ１０７は模式的に示されている。バルブ１０７は、例えば弾性を有する板状部材であってよく、孔１１０の内面１０１ｉの開口を塞ぐように、板状部材が内面１０１ｉに配置され、気圧差によって板状部材と内面１０１ｉとの間に間隙が生じるように、板状部材の一部分においてのみ内面１０１ｉに固定されていてもよい。

逆流防止器１０８は、出口１１１から流路１０２内に液浴１１２の液体が流入するのを抑制する。逆流防止器１０８は、逆止弁であってもよく、毛細管であってもよい。また、気泡発生装置の本体１０は、管１０１とは別の構成要素として逆流防止器１０８を備えていなくてもよく、例えば、管１０１の出口１１１が毛細管力の働く毛細管として構成されていてもよい。

図１Ｂは電源２０の構成を示すブロック図である。電源２０は、電極１０４に選択的に電圧を印加する。このために、電源２０は、制御器２０１と、電圧発生器２０２と、スイッチ２０４−１、２０４−２、２０４−３、・・・２０４−ｎとを含む。

電圧発生器２０２は、電極１０４に印加する電圧を生成する。電圧は交流電圧であってもよく、直流電圧であってもよい。電圧発生器２０２の出力は、スイッチ２０４−１、２０４−２、２０４−３、・・・２０４−ｎを介して端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・Ｔｎに接続されている。端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・Ｔｎは、複数の電極１０４にそれぞれ接続されている。制御器２０１の指令に基づき選択されたスイッチ２０４−１、２０４−２、２０４−３、・・・２０４−ｎがＯＮにされ、電圧発生器２０２で発生した電圧が、端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・Ｔｎを介して電極１０４に印加される。電圧が直流電圧である場合、端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・Ｔｎはそれぞれダイオードおよび抵抗２０３を介して基準電位端子Ｔｃに接続されている。このため、スイッチ２０４−１、２０４−２、２０４−３、・・・２０４−ｎがＯＦＦの状態では、端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・Ｔｎは基準電位に接続される。このため、電極１０４に蓄積された電荷は放出される。

以下において詳細に説明するように、気泡発生装置の管１０１内において、電圧が印加された電極１０４上に液滴が位置し、隣接する電極に電圧を印加し、液滴が位置していた電極の電圧をＯＦＦにすることによって液滴を隣接する電極１０４上に移動させることができる。制御器２０１は、管１０１内における液滴の移送に従って、複数の電極１０４に選的に電圧が印加されるように、スイッチ２０４−１、２０４−２、２０４−３、・・・２０４−ｎをＯＮまたはＯＦＦにする。スイッチ２０４−１、２０４−２、２０４−３、・・・２０４−ｎをＯＮまたはＯＦＦにするタイミングは、マイコンおよびプログラムによって制御されてもよいし、電子回路によって制御されてもよい。

次に、管１０１および電極１０４の大きさを説明する。管１０１の流路１０２の伸びる方向に垂直な断面の大きさは、例えば、３．０×１０^-4ｍｍ²以上８．０×１０^-1ｍｍ²以下である。電極１０４の大きさは例えば、２．０×１０^-3ｍｍ²以上１．０×１０^-1ｍｍ²以下である。流路１０２は、少なくも３つの電極を配置できる長さを有していればよい。

本実施形態の気泡発生装置は、例えば、容器に保持された液体中に気泡を発生させる。図２Ａおよび図２Ｂは、容器１２０に保持された液体１２１に気泡を発生させる場合における気泡発生装置の本体１０の配置の例を示している。

図２Ａに示すように、本体１０を容器１２０の側面に設けてもよい。この場合、入口１０９を上方に配置し、出口１１１を下方に配置すれば、容器１２０に保持された液体１２１の底から気泡が含まれる液体を放出することができる。また、図２Ｂに示すように、容器１２０に保持された液体１２１の液面１２１ｓ上に本体１０を配置してもよい。いずれの場合も、本体１０の側面に設けられた孔１１０から空気を取り込むことができるように、本体１０は容器１２０が配置される環境下に露出している。

気泡を発生させる液体１２１は、エレクトロウェッティングによる移動が可能な特性を備えている。具体的には液体１２１は極性溶媒である。例えば、水、アミド、グリコール、グリセリン、アミノアルコール、ヒドロキシアミン、多価アルコールのうち少なくとも１つを含む溶媒である。特に純水のように、極性の高い溶媒を用いることによってエレクトロウェッティングによる液体１２１の移動動作が安定する。

次に本実施形態の気泡発生装置の動作を説明する。本実施形態の気泡発生装置は、電極１０４に選択的に電圧を印加することにより、（１）入口１０９からエレクトロウェッティング効果によって液体１２１を吸入し、（２）流路１０２内で液体１２１を複数の液滴１１４に分割するとともに、液滴１１４間に気泡１１５を生成する。（３）生成した液滴１１４および気泡１１５を管１０１内で移送し、出口１１１から放出する。

（１）液体の吸入
図２Ａまたは図２Ｂに示すように気泡発生装置の本体１０が容器１２０に配置された状態において、容器１２０に保持された液体１２１は、本体１０の管１０１の内面１０１ｉに配置された撥水層１０６と接触する（図１Ａ）。撥水層１０６は大きな接触角を有するため、液体１２１は流路１０２内には侵入せず、入口１０９近傍にとどまる。ここで、本明細書において「入口１０９近傍」とは、入口１０９の地点から流路の伸びる方向に沿って配置された電極１０４の３つ分の距離以内をいい、例えば、入口１０９の地点から流路の伸びる方向に５ｍｍ以内をいう。入口１０９に最も近接した電極１０４に電圧を印加すると、電圧が印加された電極１０４上の撥水層１０６に接する液体１２１の接触角が小さくなるこのため、液体１２１が管１０１の流路１０２内に吸入される。

（２）液滴１１４および気泡１１５の生成
図３Ａから図３Ｆおよび図４を参照して、管１０１内において液滴１１４および気泡１１５を生成する方法および生成した液滴１１４および気泡１１５の移送・放出を説明する。図３Ａから図３Ｆは、吸入された液体１１３から液滴１１４および気泡１１５を生成する工程を示す模式図である。図４は、各電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。分かりやすさのため、複数の電極１０４に電極１０４ａ〜１０４ｆと参照符号を付す。

図３Ａに示すように入口１０９に最も近い電極１０４ａに電圧を印加することによって、液体１１３を管１０１の流路１０２内に引き込む。図４に示すように、電極１０４ａから電極１０４ｄに順番に電圧を印加し、かつ、最も先端に位置する電極にのみ電圧を印加することにより、図３Ｂから図３Ｄに示すように、液体１１３の先端の位置を管１０１の内部側へ移動させる。

図４に示すように、電極１０４ｄに電圧を印加した状態で、電極１０４ｄから２以上離れた電極に電圧を印加する。例えば、電極１０４ｂに電圧を印加すると、図３Ｅに示すように、液体１１３には、電極１０４ｂに引き寄せる静電引力と、電極１０４ｄに引き寄せる静電引力とが働く。このため、液体１１３の電極１０４ｂと電極１０４ｄとの間に位置する部分、つまり、電極１０４ｃ上に位置する液体１１３は電極１０４ｂおよび電極１０４ｄ側に引っ張られ細る。その結果、液体１１３の電極１０４ｄ上に位置する部分１１３’が分離される。図３Ｆに示すように、分離された液体は液滴１１４として電極１０４ｅに電圧を印加することによって、液体１１３とは独立して移動させることができる。

この時、液体１１３と液滴１１４との間に空間１１６が生じる。この空間１１６は減圧（真空）状態にあるため、電極１０４ｅへ印加する電圧をＯＦＦにすると、液滴１１４は図３Ｆにおいて左側へ移動し、液体１１３と結合する。このため、空間１１６を形成する際、図１Ａに示すように、管１０１の孔１１０の設けられている位置において、空間１１６が形成されるように、液滴１１４ａを生成する。これにより、流路１０２に形成された空間１１６と大気の気圧差によってバルブ１０７が孔１１０を開放し、空気が管１０１の外部から空間１１６内へ流入し、気泡１１５が生成する。

つまり、管１０１の流路１０２において、孔１１０を挟み、少なくとも３つの配列された電極１０４上に液体１１３が位置するように複数の電極１０４に選択的に電圧を印加することによって液体１１３を移送し、３つの電極のうちの両端の電極に電圧を印加することによって、液体から液滴を分離し、液滴と液体との間の空間に孔１００から気体を導入し、液体と分離した液滴との間に気泡を生成する。

（３）生成した液滴１１４および気泡１１５の移送および放出
図５Ａから図５Ｅを参照しながら、液滴１１４および気泡１１５の気泡発生装置における移送および放出動作を説明する。これらの図において、電極１０４、液滴１１４、気泡１１５を区別するために、電極１０４ａ、１０４ｂ、液滴１１４ａ、１１４ｂ、気泡１１５ａ、１１５ｂ等と参照符号を付す。

図５Ａに示すように、電極１０４ｃ、１０４ｅ、１０４ｈ、１０４ｋ、１０４ｎ、１０４ｑの電極がＯＮ状態にあり、管１０１内に液滴１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅおよび気泡１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅが生成している状態において、電極１０４ｅ、１０４ｈ、１０４ｋ、１０４ｎ、１０４ｑをＯＦＦ状態にし、電極１０４ｃ、１０４ｆ、１０４ｉ、１０４ｌ、１０４ｏ、１０４ｒをＯＮ状態にする。これにより、図５Ｂに示すように、吸い込んだ液体１１３の先端を電極１０４ｃの位置にとどめたまま、液滴１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅをそれぞれ１つづつ、出口１１１に近い電極１０４ｆ、１０４ｉ、１０４ｌ、１０４ｏ、１０４ｒ上へ移動させる。この時、バルブ１０７は孔１１０を開放しており、気泡１１５ａは拡大する。吸い込んだ液体１１３の位置を変化させずに液滴１１４ａを移動させることによって、気泡１１５ａの量を調節することができる。上述したように、液滴１１４ａを移動させると、気泡１１５ａの存在する空間が拡大するため、減圧となり、圧力を補うように孔１１０から空気が流入する。気泡１１５ａが大気圧になるとバルブ１０７は孔１１０を閉じる。液滴１１４ｅと出口１１１との間には空間１１５ｆ’が形成されている。空間１１５ｆ’には気泡が生成していたが、既に放出された後の状態にある。

図５Ｃに示すように、このような動作を２回繰り返す。この時吸い込んだ液体１１３の先端の位置も移動するように電極に電圧を印加する。これにより、吸い込んだ液体１１３、液滴１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅおよび気泡１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅが入口１０９から出口１１１に向かって移動する。液滴１１４ｅが逆流防止器１０８に接触すると、出口１１１に圧力がかかり、水圧で閉じていた逆流防止器１０８が開放される。

逆流防止器１０８が開放されることによって、液滴１１４ｅが出口１１１から容器内の液体１２１へ放出される。また、気泡１１５ｅも液体１２１内に放出される。その後気泡１１５ｅの一部あるいは全部が液体１２１に溶け込む。

図５Ｄに示すように、気泡１１５ｅの放出により、液滴１１４ｄと出口１１１との間の空間１１５ｅ’は減圧状態（真空）となり、逆流防止器１０８は水圧により閉じる。

図５Ｅに示すように、上述の手順に従い、吸い込んだ液体１１３から液滴１１４ｆおよび気泡１１５ｇを生成する。この間、例えば、液滴１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄおよび気泡１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄは移動させずに管１０１内の同じ位置に保持しておくことができる。これにより、図５Ａと同様の状態となる。この手順を繰り返すことによって、気泡発生装置は、液体１２１中に気泡を発生させることができる。

特に、気泡１１５あるいは液滴１１４間の空間の体積を１×１０⁶μｍ³以下にすることによって、放出される気泡は直径１００μｍ以下のマイクロバブルとなる。これにより、本実施形態の気泡発生装置は、マイクロバブルを発生させることが可能となる。

本実施形態では、気泡を液体中に放出するために、出口１１１にかかる水圧を超える圧力をエレクトロウェッティングにより生み出すことが望ましい。水圧は水深により決定される値であり下記式（１）で表される。

ここで、ρは水の密度（ｋｇ/ｍ³）であり、ｇは重力加速度（９．８ｍ/ｓ²）であり、ｈは水深である。

特許文献２より、エレクトロウェッティングにより管内に発生する圧力は、管径により決定される値であり、式（２）によって表される。

ここでε０は真空の誘電率（８．８５４×１０−１２Ｎ/Ｖ²）であり、εは絶縁膜の比誘電率であり、ｔは絶縁膜の厚さであり、Ｖは印加電圧（Ｖ）であり、ｄは管の内径である。

これらの圧力に加え、出口１１１には毛細管力が働く。流路１０２内部が撥水層１０６により撥水性を示すため、毛細管力は陰圧、即ち液の進行方向へ働き、ラプラス式に基づき式（３）によって表される。

ここで、γ_Lは液体の表面張力であり、θは接触角であり、ｒは管の半径である。

式（１）から（３）を用いて、水深と水圧との関係、管の半径とエレクトロウェッティングによる圧力および毛細管力との関係を求めた。結果を表１から表３に示す。

ここでは計算のため、エレクトロウェッティングとして用いる一般的な構成における数値を用いた。具体的には、液体１２１は純水であり、絶縁層１０５はＳｉＯ₂によって形成され、撥水層１０６はＣＹＴＯＰによって形成されると仮定した。また、絶縁層１０５と撥水層１０６との合計厚さは１μｍであるとした。流路は半径ｒの円形とし、入口１０９は水面近傍にあるとする。上記条件に基づき使用したパラメータは以下の通りである。
ρ：１０００ｋｇ／ｍ³
γ_L：７２．８ｍＮ／ｍ
θ：１１０°
ε：３．８（撥水層を考慮しない）
このような、絶縁層１０５と撥水層１０６との組み合わせにおいて、純水の液滴移動を行うために必要な駆動電圧は１５０Ｖである。

例えば、水深１５ｃｍの位置に出口１１１を設ける場合、出口１１１にかかる水圧は１．４７ｋＰａである。これに対し、本体１０の管１０１の半径が５００μｍである場合、表２、３よりエレクトロウェッティングによる圧力および毛細管力を合わせた圧力は１．６ｋＰａである。したがって、このような条件で気泡発生装置を実現した場合、液体１２１中に気泡を放出することが可能であることが分かる。また、絶縁層１０５および撥水層１０６の厚さを小さくすることによって、駆動電圧も小さくできる。例えば、厚さを０．０５μｍにすると駆動電圧は３０Ｖでよい。この組み合わせで発生するエレクトロウェッティングによる圧力は、前述の値から１０％程度低下するものの、１／５の駆動電圧でほぼ同等の効果が得られる。

本実施形態の気泡発生装置における１分間の気泡放出量は、１秒に２回、体積１×１０⁶μｍ³のマイクロバブルを放出するとして、およそ１×１０^-7ｌ／分である。これに対し、例えば水槽用のエアレーションを行うポンプは、１ｌ/分程度の空気を水槽の水中に放出することができる。このため、このような用途に本実施形態の気泡発生装置を用いる場合には、気泡の放出量を増大させるために、容器１２０に複数の本体１０を設け、気泡を同時に液体１２１中に放出するようにしてもよい。

また、流路１０２内での液滴１１４の移動速度は一定であるため、流路の断面積を大きくし、液滴間の距離を極力短くすることにより、単位時間当たりの気泡放出量は増大する。この時、水圧の影響を小さくすために、本体１０の入口１０９および出口１１１が液体１２１の液面１２１ｓに接するよう設置してもよい。

このように本実施形態の気泡発生装置によれば、エレクトロウェッティングを利用して液体中に微小サイズの気泡を生成することができる。エレクトロウェッティングを用いることによって、機械的な駆動部分を減らし、静粛性に優れた装置を実現することができる。また、エレクトロウェッティングではほとんど電流は消費されないため、省電力性に優れる。

本実施形態の気泡発生装置は逆流防止器１０８として逆止弁を備えているが、前述したように逆流防止器１０８は、毛細管力が働く毛細管であってもよく、管１０１の出口１１１が毛細管を構成していてもよい。この場合、出口１１１にかかる水圧よりも、出口１１１おいて発生する毛細管力が大きいことが望ましい。上述した条件を用いると、例えば、水深２０ｃｍの位置に出口１１１を設ける場合、出口１１１にかかる圧力は表１よりおよそ２０００Ｐａである。これに対し、表２から毛細管力により水の侵入を防ぐ方向に働く圧力は、管半径が２５μｍの時におよそ２０００Ｐａとなる。したがって、このような出口の液体１２１中での位置および管の断面積（半径）との組み合わせでは、気泡発生装置は逆流防止器１０８は備えていなくてもよい。この場合、逆流防止器１０８の開閉動作が生じず、より静粛性に優れた気泡発生装置を実現することができる。

本実施形態ではバルブ１０７が閉じている状態では、流路１０２が複数の液滴１１４および複数の気泡１１５で充填された状態であると言える。このため、流路１０２内では、複数の液滴１１４および複数の気泡１１５を全体として１つの液体として扱うことが可能であり、複数の液滴１１４および複数の気泡１１５の行方向に対して最後尾、つまり入口１０９から吸い込まれた液体１１３の動きに連動して流路内の液滴および気泡が一斉に動く。

したがって、図５に示すように、電極１０４は、管１０１の内面１０１ｉにおいて、液体１２１を吸い込み、吸い込まれた液体１１３から液滴１１４を生成する領域に設けられていれば、これらの電極１０４のみによって気泡発生装置を動作させることが可能である。具体的には、入口１０９から少なくとも３つの電極１０４が配列されておれば、管１０１の入口１０９と出口１１１との中間部分は出口１１１近傍には、電極１０４を設けなくてもよい。これにより、電極１０４の数を減らすことができ、電源２０の構成を簡単にしたり、本体１０の製造コストを低減させたりすることができる。

本実施形態では他の液体ポンプと組み合わせることによりマイクロバブル発生装置として使用してもよい。例えば、出口１１１を他の液体ポンプの入口に接続してもよい。これにより、本実施形態の気泡発生装置で発生した気泡を含む液体を、液体ポンプを用いて所望の圧力で放出することが可能となる。この場合、エレクトロウェッティングのみで気泡を含む液体を放出する場合に比べて、静粛性および省電力という利点は小さくなるが、上述した出口１１１の位置で受ける水圧に基づく気泡発生装置の構成上の制限を受けることなく、より自由に気泡発生装置の仕様を決定することができる。

また、本実施形態の気泡発生装置によって発生させる気泡は空気に限られず、孔１１０から種々のガスを導入することにより、これらのガスを用いた気泡を液体に生成させることができる。また、上述したように、液滴の位置を制御することよって、気泡の大きさ、つまり気泡の体積を制御することもできる。このような気泡を含む液体は、マイクロ流体を利用し、微量の物質を検出したり分析したりするバイオセンシング、バイオセンサー、バイオチップ等に利用可能である。例えば、所定の容量の液体に、微量かつ所望の一定量のガスを溶解させることが可能である。

本開示の気泡発生装置は、マイクロバブル発生装置など種々の用途の気泡発生装置に好適に用いることができる。また、マイクロ流体を利用し、微量の物質を検出したり分析したりするバイオセンシング、バイオセンサー、バイオチップ等に利用可能である。

１０ 本体
２０ 電源
１０１ 管
１０１ａ 基板
１０１ｂ 基板
１０１ｃ 側面基板
１０１ｉ 内面
１０２ 流路
１０４ 電極
１０５ 絶縁層
１０６ 撥水層
１０７ バルブ
１０８ 逆流防止弁
１０９ 入口
１１０ 孔
１１１ 出口
１１２ 液浴
１１３ 液体
１１３’ 部分
１１４ 液滴
１１５ 気泡
１１６ 空間
１２０ 容器
１２１ 液体
１２１ｓ 液面
２０１ 制御器
２０２ 電圧発生器
２０３ 抵抗
２０４ スイッチ

Claims (6)

1. 内面と、前記内面によって規定され、入口及び出口を備えた液体の流路とを有する管、
   前記管の前記内面の少なくとも前記入口近傍において、前記流路の伸びる方向に沿って配列された少なくとも３つの電極、
   前記少なくとも３つの電極を少なくとも覆って前記内面に設けられた絶縁層、
   前記絶縁層を覆って前記内面全体に設けられた撥水層、
   前記管の前記電極の配列中に設けられ、前記流路と前記管の外側とをつなぐ孔、
   前記流路と前記管の外側との気圧差に応じて、前記孔を開閉するバルブ、および
   前記少なくとも３つの電極に選択的に電圧を印加する電源
   を備え、
   前記電源が、前記少なくとも３つの電極に選択的に電圧を印加し、前記選択的に印加された電極上において、前記撥水層と前記液体との接触角を変化させることによって、前記液体を前記入口から吸入し、前記流路内で前記液体を複数の液滴に分割し、前記複数の液滴および前記複数の液滴間に生成した気泡を前記出口より放出する、
   気泡発生装置。
2. 前記出口に設けられ、前記出口から前記流路に液体が流入するのを抑制する逆流防止器をさらに備える請求項１に記載の気泡発生装置。
3. 前記逆流防止器は逆止弁である請求項２に記載の気泡発生装置。
4. 前記逆流防止器は毛細管である請求項２に記載の気泡発生装置。
5. 前記複数の液滴間の体積が１×１０⁶μｍ³以下である請求項１に記載の気泡発生装置。
6. 請求項１から５のいずれかに規定される気泡発生装置の制御方法であって、
   前記少なくとも３つの電極に選択的に電圧を印加するように前記電源を制御することによって、
   前記液体を前記少なくとも３つの電極上に配置し、
   前記少なくとも３つの電極のうち、両端の電極に電圧を印加することによって、前記液体を前記複数の液滴に分割し、
   前記複数の液滴の間に、前記孔を介して気体を導入することにより、前記気泡を生成させる、
   気泡発生装置の制御方法。

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