JP5273643B2

JP5273643B2 - 物質の位置及び形状制御装置並びに物質の位置及び形状制御方法

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Publication number: JP5273643B2
Application number: JP2008004372A
Authority: JP
Inventors: 雄二鈴木; 天準呉
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP2009171676A

Description

本発明は、エレクトレットを使用した物質の位置及び形状制御装置並びに物質の位置及び形状制御方法に関する。

従来より、μTAS（微小化学物質分析システム，micro total analysis system）や液体レンズなどに適用される微小液体の駆動方法として、電気的にぬれ性を制御するエレクトロウェッティング法が提案されている。エレクトロウェッティングとは、例えば絶縁膜上に液滴を置き、絶縁膜の下の平板電極と液滴中に差し込んだ電極間に電圧を加えると、水滴と平板電極間に形成されるキャパシタの静電エネルギー分だけ表面エネルギーが減少し、接触角が減少する現象である。

下記特許文献１には、エレクトロウェッティングを利用した液滴制御方法が開示されている。また、下記特許文献２には、エレクトロウェッティングを利用した画面表示装置が開示されている。

特開２００７−９３６０５号公報特開２００６−２７６８０１号公報

しかし、上記従来の技術においては、液滴の移動制御を行うために、電極に１５Ｖ〜１００Ｖ程度の高電圧を印加する必要があり、例えば携帯通信端末等に適用するには、駆動回路が複雑になったり、あるいは消費電力が増大するという問題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、低電圧で液体、固体、粉体等の物質の位置及び形状を制御することができる物質の位置及び形状制御装置並びに物質の位置及び形状制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の物質の位置及び形状制御装置の発明は、エレクトレット層と、前記エレクトレット層に対向配置された複数の電極板と、前記エレクトレット層と前記電極板との間の静電エネルギーを制御し、前記エレクトレット層と前記電極板との間にある制御対象である物質の位置及び形状を変化させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記制御手段が、キャパシタと、前記電極板と前記キャパシタとの接続状態を切り替える切替手段とを含み、前記エレクトレット層に注入された電荷に基づいて前記エレクトレット層と前記電極板との間のキャパシタに発生する電圧を切り替えることにより前記エレクトレット層と前記電極板との間の静電エネルギーを制御することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記複数の電極板が、直線状または曲線状に配列されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記複数の電極板が、同心円状に配列されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記エレクトレット層及び前記電極板の、物質に接する面に保護膜が形成されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項記載の物質の位置及び形状制御装置であって、３Ｖ以内の低電圧で駆動可能であることを特徴とする。

請求項７記載の物質の位置及び形状制御方法の発明は、エレクトレット層と電極板との間に制御対象の物質を配置し、前記エレクトレット層と前記電極板との間の静電エネルギーを制御して前記物質の位置及び形状を変化させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、エレクトレット層の電荷に基づく静電エネルギーにより、低電圧で液体、固体、粉体等の物質の位置及び形状を制御することができる。

請求項２の発明によれば、エレクトレット層の電荷に基づく静電エネルギーを簡易に制御することができる。

請求項３または請求項４の発明によれば、物質の位置及び形状の制御目的に適した電極板の配置を簡易に実現できる。

請求項５の発明によれば、電極板への物質の滲入及びエレクトレット層からの電荷の逸散を防止することができる。

請求項６の発明によれば、３Ｖ以内の低電圧で駆動でき、携帯通信端末への適用が容易となる。

請求項７の発明によれば、エレクトレット層の電荷に基づく静電エネルギーにより、低電圧で液体、固体、粉体等の物質の位置及び形状を制御できる方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

実施形態１．
図１には、本発明にかかる物質の位置及び形状制御装置の実施形態１の断面図が示される。図１において、物質の位置及び形状制御装置は、エレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとが対向配置されており、このエレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間に、制御対象である物質１４が配置される構成となっている。また、上記エレクトレット層１０には、上記制御電極１２ａ，１２ｂの反対側の面に、接地された共通電極１６が形成されている。これらの制御電極１２ａ，１２ｂ及び共通電極１６は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）により構成されている。また、エレクトレット層１０及び制御電極１２ａ，１２ｂの表面には、ポリパラキシリレン等の保護膜を形成して、制御電極１２ａ，１２ｂへの物質１４（特に液体の場合）の滲入及びエレクトレット層１０からの電荷の逸散を防止する構成が好適である。

制御電極１２ａ，１２ｂには、エレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間の静電エネルギーを制御する制御装置１８が接続されている。この制御装置１８は、キャパシタ２０及び切替装置２２を含んで構成されている。切替装置２２は、ＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw：単極双投）スイッチ、リレースイッチ、photoMOSリレー等の半導体スイッチその他の適宜な切替スイッチで構成されており、制御電極１２ａ，１２ｂとキャパシタ２０との接続状態を切り替える装置である。なお、本実施形態では、キャパシタ２０が２個使用され、各キャパシタ２０の一方の端子が接地されており、他方の端子が制御電極１２ａ，１２ｂのいずれか一方と接続されている。図１に示された切替装置２２の状態では、制御電極１２ａが直接接地され、制御電極１２ｂがキャパシタ２０に接続された接続状態となっている。また、切替装置２２を切り替えると、制御電極１２ｂが直接接地され、制御電極１２ａがキャパシタ２０に接続された接続状態とすることができる。このように、制御電極１２ａ，１２ｂとキャパシタ２０及び接地（基準電位点）との間の接続状態を切り替えることにより、エレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間の静電エネルギーを変更することができる。

なお、図１に示された例では、制御電極１２ａ，１２ｂ及びキャパシタ２０の数がいずれも２個となっているが、これに限定されるものではなく、物質１４を移動させる距離等に応じて適宜決定することができる。また、物質１４は、気体を除いた誘電性及び導電性の物質であり、例えば液体、固体、粉体等がある。

ここで、上記エレクトレット層１０は、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されている。なお、エレクトレット層１０への電荷の注入には、液体接触、コロナ放電、電子ビーム、バック・ライテッド・サイラトロン等公知の方法を用いることができる。

また、上記絶縁材料としては、例えば含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用するのが好適である。ここで、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体としては、２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体、が好適である。

主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有するとは、脂肪族環を構成する炭素原子の１以上が主鎖を構成する炭素連鎖中の炭素原子であり、かつ脂肪族環を構成する炭素原子の少なくとも一部にフッ素原子またはフッ素含有基が結合している構造を有することを意味する。なお、含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個含まれていてもよい。

２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、特開昭６３−２３８１１１号公報や特開昭６３−２３８１１５号公報、ＵＳＰ６，９３６，６６８Ｂ２等により知られている。すなわち、パーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーの環化重合体、または２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーとテトラフルオロエチレン等のラジカル重合性モノマーとの共重合体が挙げられる。または、パーフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）等の含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーとパーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを共重合して得られる重合体でもよい。

含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体が好適であるが、重合体を形成するモノマー単位中に含フッ素脂肪族環構造を有するモノマー単位を２０モル％以上含有するものが機械的特性等の面から好ましい。

上記の主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、旭硝子株式会社より「ＣＹＴＯＰ」の商品名で市販されており、本発明ではこのような公知の含フッ素重合体を使用することができる。

上述したような含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用して、スピンコート等の方法によりエレクトレット層１０を形成することができる。

図１に示された物質の位置及び形状制御装置においては、エレクトレット層１０自体及びエレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間にキャパシタが形成されている。この場合、制御対象の物質１４が制御電極１２ａ，１２ｂに跨って存在しており、エレクトレット層１０自体には、物質１４が存在する領域及び存在しない領域との関係で４つの異なる容量のキャパシタＣe1，Ｃe2，Ｃe3，Ｃe4が形成される。キャパシタＣe1とＣe4が、物質１４が存在しない領域に対応し、キャパシタＣe2及びＣe3が、物質１４が存在する領域に対応している。また、エレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間にも、物質１４が存在する領域及び存在しない領域と制御電極１２ａ，１２ｂとの関係で４つの異なる容量のキャパシタＣ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4が形成される。キャパシタＣ1とＣ4が、物質１４が存在しない領域に対応し、キャパシタＣ2及びＣ3が、物質１４が存在する領域に対応している。なお、エレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間で、物質１４が存在していない領域には空気が存在している。また、εrは物質１４の誘電率であり、εは空気の誘電率であり、εeはエレクトレット層１０の誘電率である。ここで、制御電極１２ｂにおける物質１４の存在領域の長さをｘとすると、上述した各キャパシタＣe1，Ｃe2，Ｃe3，Ｃe4及びＣ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4の容量は、このｘの関数となる。

図２には、図１に示された物質の位置及び形状制御装置の各部において形成されるキャパシタの等価回路が示される。図２において、Ｖe1，Ｖe2，Ｖe3，Ｖe4は、エレクトレット層１０の電荷によりキャパシタＣe1，Ｃe2，Ｃe3，Ｃe4にそれぞれ発生する電圧である。また、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4は、キャパシタＣ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4にそれぞれ発生する電圧である。また、Ｃはキャパシタ２０であり、切替装置２２によりキャパシタＣ1，Ｃ2またはＣ3，Ｃ4のいずれかに接続される。図２の例では、キャパシタ２０がキャパシタＣ1，Ｃ2に接続されている。また、このときのキャパシタ２０にかかる電圧はＶcとなっている。

以上の状態において、図２に示された全てのキャパシタの総ポテンシャルエネルギーＷcは、

となる。また、図１に示されるように、物質１４に作用する力をＦeとすると、

となる。

上記力Ｆeによって物質１４が移動するが、この力Ｆeの方向は、上記総ポテンシャルエネルギーＷcが最小となる方向である。

図３（ａ）〜（ｆ）には、上述した物質の位置及び形状制御装置を使用して物質１４を移動させた場合の例が示される。本例では、エレクトレット層１０の表面電荷密度がおよそ−１．３７ｍＣ／ｍ^２となるまで負電荷が注入されており、そのときの表面電位が約−１１００Ｖとなっている。また、キャパシタ２０の容量は、寄生容量も含めて３ｐＦである。また、物質１４としてシリコンオイルを使用している。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、切替装置２２によりキャパシタ２０を制御電極１２ｂ（キャパシタＣ3，Ｃ4側）に接続し、制御電極１２ａを接地した場合の物質１４の移動の様子である。図３（ａ）に示されるように、物質１４が矢印方向（制御電極１２ｂから制御電極１２ａの方向）に移動を始め、移動開始後６秒で図３（ｂ）の位置を通過し、１１．５秒後に図３（ｃ）の位置まで到達した。

次に、図３（ａ）の時点から１５秒経過した時に切替装置２２を切り替え、キャパシタ２０を制御電極１２ａ（キャパシタＣ1，Ｃ2側）に接続し、制御電極１２ｂを接地した。図３（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、この場合の物質１４の移動の様子である。図３（ｄ）に示されるように、時間１５秒で物質１４が矢印方向（制御電極１２ａから制御電極１２ｂの方向）に移動を始め、１７秒（移動開始から２秒経過）で図３（ｅ）の位置を通過し、１９．６秒（移動開始から４．６秒経過）後に図３（ｆ）の位置まで到達した。

以上より、本実施形態にかかる物質の位置及び形状制御装置によれば、切替装置２２を切り替えることにより、エレクトレット層１０の表面電荷の静電エネルギーのみにより物質１４を移動させることができる。切替装置２２の切替は３Ｖ以内の低電圧で行うことができるため、外部から高電圧を供給する必要がない。

実施形態２．
図４（ａ），（ｂ）には、本発明にかかる物質の位置及び形状制御装置の実施形態２の構成例が示される。図４（ａ）が断面図であり、図４（ｂ）が図４（ａ）のＡ−Ａ方向から見た平面図である。

図４（ａ），（ｂ）において、物質の位置及び形状制御装置の底部には、円形の制御電極１２ａ及び制御電極１２ａの外周を囲んで同心円状に制御電極１２ｂが形成されている。制御電極１２ａと制御電極１２ｂとの間には適宜な絶縁層２４が形成されている。なお、この絶縁層２４は、図４（ａ）に示されるように、制御電極１２ａ及び制御電極１２ｂの上部にも形成されており、制御電極１２ａ及び制御電極１２ｂと物質１４とを絶縁する構成としてもよい。この場合、絶縁層２４が保護膜として機能する。

また、制御電極１２ａと制御電極１２ｂには、キャパシタ２０及び切替装置２２を含んで構成されている制御装置１８が接続されている。図４（ａ）に示されるように、制御電極１２ａは常に接地されている。また、制御装置１８に含まれる切替装置２２は、制御電極１２ｂとキャパシタ２０及び接地（基準電位点）との間の接続状態を切り替えることにより、エレクトレット層１０と制御電極１２ａ，１２ｂとの間の静電エネルギーを変更することができる。これにより、例えば液体である物質１４の接触角が変化し、その形状を変えることができる。図４（ａ）の例では、切替装置２２を閉とする（制御電極１２ｂを接地する）と、破線で示されるように、物質１４の上部の曲率が変化する。

本発明にかかる物質の位置及び形状制御装置の実施形態１の断面図である。図１に示された物質の位置及び形状制御装置の各部において形成されるキャパシタの等価回路を示す図である。本発明にかかる物質の位置及び形状制御装置を使用して物質を移動させた場合の例を示す図である。本発明にかかる物質の位置及び形状制御装置の実施形態２の構成例を示す図である。

符号の説明

１０エレクトレット層、１２ａ，１２ｂ制御電極、１４物質、１６共通電極、１８制御装置、２０キャパシタ、２２切替装置、２４絶縁層。

Claims

エレクトレット層と、
前記エレクトレット層に対向配置された複数の電極板と、
前記エレクトレット層と前記電極板との間の静電エネルギーを制御し、前記エレクトレット層と前記電極板との間にある制御対象である物質の位置及び形状を変化させる制御手段と、
を備えることを特徴とする物質の位置及び形状制御装置。
請求項１記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記制御手段は、キャパシタと、前記電極板と前記キャパシタとの接続状態を切り替える切替手段とを含み、前記エレクトレット層に注入された電荷に基づいて前記エレクトレット層と前記電極板との間のキャパシタに発生する電圧を切り替えることにより前記エレクトレット層と前記電極板との間の静電エネルギーを制御することを特徴とする物質の位置及び形状制御装置。
請求項１または請求項２記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記複数の電極板は、直線状または曲線状に配列されていることを特徴とする物質の位置及び形状制御装置。
請求項１または請求項２記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記複数の電極板は、同心円状に配列されていることを特徴とする物質の位置及び形状制御装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項記載の物質の位置及び形状制御装置において、前記エレクトレット層及び前記電極板の、物質に接する面には、保護膜が形成されていることを特徴とする物質の位置及び形状制御装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項記載の物質の位置及び形状制御装置は、３Ｖ以内の低電圧で駆動可能であることを特徴とする物質の位置及び形状制御装置。
エレクトレット層と電極板との間に制御対象の物質を配置し、
前記エレクトレット層と前記電極板との間の静電エネルギーを制御して前記物質の位置及び形状を変化させることを特徴とする物質の位置及び形状制御方法。