JP5306092B2

JP5306092B2 - 流体制御装置

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Description

本発明は、アクチュエータや流体粘性制御装置、流体バルブ等に適用可能な流体制御装置に関し、具体的には、誘起電荷電気浸透を用いた流体制御装置に関する。

電気浸透を用いるマイクロポンプは、可動部がなく構造が比較的簡単であること、微小流路内への実装が容易であること等の理由でμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ−ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）等の分野で使用されている。

近年、誘起電荷電気浸透（Ｉｎｄｕｃｅｄ−ＣｈａｒｇｅＥｌｅｃｔｒｏＯｓｍｏｓｉｓ）を用いたマイクロポンプが、液体の流速を大きくできること、電極と液体の間に生ずる化学反応をＡＣ駆動可能により抑制できること等の理由から着目されている。

特許文献１には、誘起電荷電気浸透を用いた下記の（１）及び（２）に示すポンプが開示されている。（１）電極間においたメタルポストの半分に誘電体薄膜のコートを施すことで、電界によりメタルポスト中に誘起される電荷の領域を制御して、液体の流れを制御したポンプ（ハーフコート型ＩＣＥＯポンプ）。（２）電極間に三角形状など非対称形状のメタルポストを配置して液体の流れを一定方向に制御したポンプ（非対称金属ポスト形状型ＩＣＥＯポンプ）。

また、非特許文献１は、ポリスチレン粒子に部分的に金の膜をコーティングし、粒子を電界に垂直に移動させることが開示されている。
非特許文献２は、非伝導性溶媒中の誘電体粒子に電圧を印加して粒子に生ずる分極（ダイポール）を利用して誘電体粒子を移動させる技術が開示されている。

米国特許明細書第７０８１１８９Ｂ２号

Ｓ．Ｇａｎｇｗａｌ，Ｏ．Ｊ．Ｃａｙｒｅ，Ｍ．Ｚ．Ｂａｚａｎｔ，ａｎｄＯ．Ｄ．Ｖｅｌｅｖ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，１００，０５８３０２（２００８）Ｔ．Ｃ．ＨａｌｓｅｙａｎｄＷ．Ｔｏｏｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６５，２８２０（１９９０）

特許文献１には、誘起電荷電気浸透を用いたポンプが開示されているが、流体中の導電性粒子を移動させて流体の構造を変化させ、流体の特性を制御することについては、開示されていない。

非特許文献１は、導電性粒子を移動させることが開示されているが、これら粒子同士を相互に作用させて、流体中に導電性粒子からなる構造物を形成することについては、開示されていない。

非特許文献２は、シリコンオイル等の非分極性の絶縁性流体に誘電体粒子を分散させ、電圧印加時に粒子間に発生する電気的ダイポールモーメントによる粒子間の相互作用により粒子を配列させることが開示されているが、電解質溶液等の導電性の液体を用いたものではない。

生体内、あるいはバイオ分野への適用を考慮すると、マイクロＴＡＳやＤＮＡの解析等の応用には、シリコンオイル等の絶縁性流体ではなく、水やＫＣｌ水溶液等に代表される電解質溶液中で、流体の性質を制御することができれば、流体装置の応用範囲は広がることとなる。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、電解質が溶解している溶液中の複数の導電体に交流電圧を印加することで、導電体の分散状態を変化させることが可能な流体制御装置を提供するものである。

本発明により提供される流体制御装置は、電解質が溶解している溶液と、該溶液中に分散している複数の導電体とを保持する液室と、前記液室の前記導電体に交流電圧を印加するための一対の電極とを備え、前記電圧の印加により前記溶液と前記導電体の界面に誘起される電気二重層に起因する電気浸透流により、前記複数の導電体間に相互作用をもたらし、前記複数の導電体を移動させると共に、前記電圧の印加に応じて、前記複数の導電体の分散状態を可逆的に変化させることを特徴とするものである。

本発明の流体制御装置は、電解質が溶けた溶液中の複数の導電体または導電複合体に交流電圧を印加することで、電気二重層に起因する電気浸透流により複数の導電体に流体力学的相互作用をもたらし、複数の導電体の分散状態を可逆的変化させることができる。導電体の分散状態が変化することで、流体の粘度、導電度、屈折率、偏光性等、種々の性質の制御が可能となる。

本発明の流体制御装置の一実施態様を示す模式的断面図である。本発明の流体制御装置を駆動した効果の一例を示す図である。本発明の流体制御装置を駆動した動作の一例を示す図である。本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図である。本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図である。本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図である。本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図である。非対称構造または絶縁構造体と接する浮遊体の例を示す概略図である。

以下、本発明の流体制御装置について、図を参照しながら説明する。
本発明に係る流体制御装置は、電解質が溶解している溶液と、該溶液中に分散している複数の導電体とを保持する液室と、前記液室の前記導電体に交流電圧を印加するための一対の電極とを備え、前記電圧の印加により前記溶液と前記導電体の界面に誘起される電気二重層に起因する電気浸透流により、前記複数の導電体間に流体力学的相互作用をもたらし、前記複数の導電体を移動させると共に、前記電圧の印加に応じて、前記複数の導電体の分散状態を可逆的に変化させることを特徴とする。

図１は、本発明の流体制御装置の一実施態様を示す模式的断面図である。同図において、１及び２は一対の電極、３は半径Ｃの導電体（導電性浮遊構造体）、４は交流電圧印加用の電源、５は、幅ｗ（例えば、１００μｍ）、長さＬ（例えば、２２５μｍ）、深さｄ２（＞ｗ）の流体の流路を兼ねた液室である。６は、電界印加時、誘起電荷電気浸透現象によって、導電体３のまわりに発生する電気浸透流を示す。
ｉはｘ方向、ｊはｙ方向、Ｅは電界ベクトルの方向、Ψは電界ベクトルＥがｙ軸と成す角を示す。

液室には、電解質が溶解している溶液と、該溶液中に分散している複数の導電体とを保持し、水や電解質水溶液など分極可能な溶液が充たされている。
本発明において、電解質とは、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化水素、塩化銅、水酸化ナトリウム、等を含み、水に溶解することで水溶液中を電流が流れるようになる物質を指す。

導電体とは、導電性の浮遊構造体または、導電性材料を含む絶縁体等との複合体を包含する。具体的には、例えば金、白金、炭素等の導電性微粒子、及びそれらとＳｉＯ_２等の絶縁体を含む複合体が挙げられる。導電体の形状は球形、楕円球、多面体等で、大きさはブラウン運動を無視でき、電界オフ時にコロイド的分散状態を保持するために、１μｍから５０μｍ程度が好ましい。
また、流体構造とは、上記導電体粒子を含む流体の微細構造を示す。

本発明では、電極からの電圧の印加により発生する電界により、導電体に誘起される電荷付近に形成される電気二重層部に電気浸透流が起こる。前記電気浸透流により導電体間に流体力学的相互作用がもたらされ、導電体を移動させると共に、前記電圧の印加に応じて、前記複数の導電体または導電複合体の分散状態を可逆的に変化させる。

本発明の装置は、体心立方格子（ｂｃｃ（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄｃｕｂｉｃ）ｌａｔｔｉｃｅ）に対するボンド浸透の閾値をｐ_ｃ（＝０．１８）とするとき、前記液室における前記導電体の体積占有体積ｐが、ｐ＞ｐ_ｃ−０．０４５となるものを包含する。

本発明の装置は、λ_Ｄをデバイ距離、Ｄを電解質が溶解している溶液のイオン拡散係数、ｗ_ｓを（ｗ／Ｎ_ｂｘ）−２ｃ、ｃを導電体の粒子半径、Ｎ_ｂｘを電極に垂直な方向に１次元的に数えた平均粒子数、ｗを電極間距離とし、τ_ｅ＝ｗλ_Ｄ／２Ｄ、τ_ｐ＝ｗ_ｓλ_Ｄ／２Ｄとするとき、印加する交流電圧の駆動角周波数ωを、τ_ｅ ^−１＜ω＜τ_ｐ ^−１の範囲とすることができる。

本発明の装置は、前記液室のチャネル幅及び前記一対の電極間の距離が１ｍｍ以下の範囲とすることができる。
本発明の装置では、前記電圧印加により、前記一対の電極間の方向に対して垂直方向に前記導電体を配列させて柱状構造を構成させることができる。

電圧印加により、前記液室内の流体の粘性を制御する装置を本発明は包含する。
電極間のインピーダンスを検知するユニットを更に備えた装置を本発明は包含する。
本発明の装置では、前記液室内に外部とつながっているピストンを有し、該ピストンには前記導電体を保持する有孔ケージが連結し、前記電圧印加により前記導電体を移動させることによりピストンを移動させるアクチュエータを包含する。

従来、電極間にシリコンオイル等の非分極性の絶縁性流体に、シリカ等の誘電体粒子または炭素などの導電性微粒子を分散させて、電界印加時に粒子間に発生する電気的ダイポールモーメントによる粒子間の相互作用を利用して、電界方向に柱状構造を形成して、粘性を動的に変化させる素子が知られている（例えば、非特許文献２）。しかし、水やＫＣｌ水溶液等に代表される電解質溶液中で、流体力学的多粒子間相互作用を用いて微粒子の構造を変化させ、粘性等を動的に制御するデバイスは知られていない。

一方、マイクロＴＡＳやＤＮＡの解析等への応用には、水やＫＣｌ水溶液等に代表される電解質溶液中で、動的に微粒子構造を制御する技術が必要とされている。
本発明は、オイル等の非分極性の絶縁性流体系ではなく、電解質溶液中で複数の導電体または導電複合体を相互に影響させながら動作させる流体力学的相互作用を用いた新規な多粒子系装置に関するものである。

また、マイクロＴＡＳやＤＮＡの解析等への応用には印加電圧を下げること、及び微細化・集積化が重要となる。しかし、印加電圧を下げ、微細化するために、電極間距離を１ｍｍ程度より狭くしようとすると電極の分極効果に伴う遮蔽効果によって、デバイスに電界を印加できなくなり、デバイスを駆動できなくなり、デバイス性能を著しく劣化させてしまう恐れがあり、低電圧駆動が困難となる恐れがあった。また、流体ＩＣへの応用へは、基板に対して高さ５μｍ以上、より好ましくは高さ１０μｍ以上の一対の電極を配置し、該電極間に導電体または導電複合体を配置して、動作させることが集積率を向上させる上で重要である。

本発明は、電解質溶液で充たした液室と、前記液室内の溶液に浮遊して分散している複数の導電体または導電複合体と、前記液室近傍に配置した前記導電体にＡＣ電界を与える電極とを備え、前記電界により、前記導電体に誘起される電荷付近に形成される電気二重層部に起こる電気浸透流により、前記導電体間に相互作用をもたらす装置であって、前記電極間の３次元浸透閾値であるｂｃｃ格子に対するボンド浸透の閾値をｐ_ｃとするとき、前記導電体の体積占有体積ｐが、ｐ＞ｐ_ｃ−０．０４５であること、及びτ_ｅ（τ_ｅ＝ｗλ_Ｄ／２Ｄ）を電極の電気二重層充電時間、τ_ｐ（τ_ｐ＝ｗ_ｓλ_Ｄ／２Ｄ）を導電浮遊体の電気二重層充電時間とするとき、τ_ｅ ^−１＜ω＜τ_ｐ ^−１なるＡＣ電界の駆動角周波数を有することにより、前記導電体または導電複合体の構造変化の制御を容易にした高性能の電気浸透による流体制御装置である。

ここで、誘電浮遊体からなる導電体の電気二重層充電時間τ_ｐは、水やＫＣｌ水溶液などの電解質溶液などに代表される分極性溶液と、導電体の界面に電気二重層を形成する時間であって、導電体の周りに電気浸透の流れを起こし、電界方向に並んだ導電浮遊体に流体力学的引力を発生させ、電界に垂直方向に並んだ導電体に流体力学的反発力を発生させるのに必要な特徴時間である。すなわち、電気浸透の流れによる相互作用を利用した電気浸透装置の特有な特徴時間であり、電気的ダイポールモーメントを利用したデバイスでは、考えられない特徴時間である。

また、誘電浮遊体からなる導電体に電気二重層が形成されると導電体の表面に垂直な電界はゼロとなり、導電体に誘起される電荷及び電気的ダイポールモーメントは、導電体の表面付近に集まった反対符号の電荷を持ったイオンによって遮蔽されるため、電気的ダイポールモーメントによる相互作用が働かなくなる。すなわち、τ_ｅ ^−１＜ω＜τ_ｐ ^−１からなるＡＣ電界の駆動角周波数で駆動する本発明は、従来の電気的ダイポールモーメントを利用したデバイスとは、全く異なるデバイスである。また、従来知られている電気粘性流体はシリコンオイル等の非分極性の絶縁性流体にシリカ等の誘電体粒子または炭素などの導電性微粒子を分散させたものであり、本発明のように通常、導電性と見なされる分極可能な電解質溶液に導電体または導電複合体を分散させたものとは、本質的に異なる。

本発明の流体制御装置によれば、電解質溶液と略浸透閾値以上の体積占有率を有する導電体を電極間に配置することによって、柱状構造の発生確率を上昇させて、十分な性能を発揮するのに必要な構造変化を起こせることができる。また、τ_ｅ ^−１＜ωからなるＡＣ電界を印加することによって、電解質溶液を挟持した電極の分極に由来する遮蔽効果を防止して導電体に電界を印加できる効果がある。また、ω＜τ_ｐ ^−１からなるＡＣ電界を印加することによって、導電体のまわりに電気２重層を発生させるだけの電界充電時間を与えることができる。そのために、導電体の周りに誘起電荷電気浸透現象による大きな特徴速度を持った電気浸透流を発生させて、導電体の粒子間に大きな流体力学的な相互作用を発生させて、導電体による柱状構造を高速に発生させることができる。また、電極間隔が１ｍｍ以下と狭い場合にも、電極の分極に由来する遮蔽効果を防止できるため、電解質溶液中において、低電圧駆動で導電体による柱状構造を高速に発生させることができる。

すなわち、本発明は、電解質溶液中において、略浸透閾値以上の体積占有率を有する導電体を電極間に配置して、τ_ｅ ^−１＜ω＜τ_ｐ ^−１なるＡＣ電界を印加することによって、低電圧駆動で有為な導電体による柱状構造を高速に発生させることができる。なお、柱状構造とは、導電体粒子が流体力学的相互作用によって電界方向に鎖状に可逆的に並んだ構造を示す。

図１に示す流体制御装置により、本実施例を説明する。同図において、１、２は一対の電極、３は半径Ｃの導電浮遊構造体、４は電源、５は幅ｗ（＝１００μｍ）、長さＬ（＝２２５μｍ）、深さｄ２（＞ｗ）の流路を兼ねた液室であり、流路には水や電解質水溶液など分極可能な溶液が充たされている。ここで、一対の電極１、２には、ＤＣまたはＡＣ電界を流路に印加する手段である。また、６は電界印加時、誘起電荷電気浸透現象によって、導電体のまわりに発生する電気浸透流を示す。

本実施例では、電解質溶液で充たした液室５と、前記液室５内の電解質溶液に分散している複数の導電体３と、前記液室近傍に配置した前記導電体３にＡＣ電界を与える電極とを備え、前記電界により前記導電性浮遊体に誘起される電荷付近に形成される電気二重層部に起こる電気浸透流により、浮遊体からなる前記導電体３間に相互作用をもたらす。

例えば、好ましい条件として、前記電極間の３次元浸透閾値をｐ_ｃとするとき、前記浮遊体の体積占有率ｐが、ｐ＞ｐ_ｃ−０．０４５であること、及び、τ_ｅを電極の充電時間、τ_ｐを粒子の充電時間とするとき、τ_ｅ ^−１＜ω＜τ_ｐ ^−１なるＡＣ電界の駆動角周波数を有することにより、導電体の構造変化制御を容易にした高性能の電気浸透装置を提供できる。ただし、τ_ｅ＝ｗλ_Ｄ／２Ｄ，τ_ｐ＝ｗ_ｓλ_Ｄ／２Ｄであり、λ_Ｄはデバイ距離、Ｄ（〜１０^−９ｍ^２／ｓ）は電解質溶液のイオン拡散係数、ｗ_ｓ＝（ｗ／Ｎ_ｂｘ）−２ｃ、ｃは粒子半径、Ｎ_ｂｘは電極に垂直な方向に１次元的に数えた平均粒子、ｗは電極間距離であり、かつ流路幅である。ここで、電解質溶液が水の場合、λ_Ｄ〜１ｎｍとなり、ｗ＝１００μｍ、Ｎ_ｂｘ＝４，ｃ／ｗ＝０．０８ならば、ｗ_ｓ／ｗ＝０．０９，τ_ｅ＝０．０５ｍｓ，τ_ｐ＝０．０１８ｍｓとなり、２０ｋｒａｄ／ｓ＜ω＜２２２ｋｒａｄ／ｓなるＡＣ電界の駆動角周波数を有する。また、粒子数密度をｎとするとき、Ｎ_ｂｘ＝ｗｎ^１／３である。

本実施例では、電極間に、電解質溶液と略浸透閾値以上の体積占有率を有する複数の導電体を配置することによって、導電体からなる柱状構造の発生確率を上昇させて、十分な性能を発揮するのに必要な構造変化を起こすことができる。また、τ_ｅ ^−１＜ωなるＡＣ電界を印加することによって、電解質溶液を挟持した電極の分極に由来する遮蔽効果を防止して導電浮遊体に有為な電界を印加できる。ω＜τ_ｐ ^−１なるＡＣ電界を印加することによって、導電体のまわりに電気二重層を発生させるだけの電界充電時間を与えることができる。そのために、導電体の周りに誘起電荷電気浸透現象による大きな特徴速度を持った電気浸透流を発生させて、導電体の粒子間に大きな流体力学的な相互作用を発生させて、導電体に柱状構造を高速に発生できる。

図２は、本発明の流体制御装置を駆動した効果の一例を示す図である。電極１、２に電圧を印加した時の流路内の流速ベクトルの分布及び円形導電体３の配置を示す図である。ただし、流速は誘起電荷浸透効果を考慮したストークス方程式から計算したものであり、ｗ＝１００μｍ、Ｌ／ｗ＝２．２５、Ｌ_０／ｗ＝１．３、ｂ／ｗ＝０．４、ｃ／ｗ＝０．０８、印加電圧Ｖ_０＝１．８８Ｖとして計算している。ただし、Ｌ_０は図１に示すように粒子の移動範囲を制限し、有限の粒子Ｎ（＝１８）で粒子の数密度Ｎ／（Ｌ_０ｗ）条件を課す計算パラメータである。ここで、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれｔ＝０，８０、１９５、３９５、７００、１０００ｍｓの時の計算値であり、ｔ＝１９５ｍｓで微小柱状構造が形成され、多少の動きはあるが、ｔ＝１９５から１０００ｍｓの期間でおおむね安定に微小柱状構造を保持する。

図２（ｅ）、（ｆ）は、微小構造が電界印加中はおおむね安定に保持されることを示す。
すなわち、本発明は、特に、前記液室３がチャネル幅１ｍｍ以下の流路であり、前記電界により、電極間に垂直な方向に微小柱状構造を構成させる、高性能電気浸透装置である。

また、図３は、本発明の流体制御装置を駆動した動作の一例を示す図である。図３（ａ）は＜Ｓｘ＞の時間変化を示す図である。ただし、Ｓｘはｘ方向（電界方向）の各サンプルのｘ方向のクラスターサイズを示すパラメータであり、＜Ｓｘ＞はＮｓ（＝２０）回の試行に対する平均値である。図３（ａ）に示すようにｘ方向のクラスターが４００ｍｓ程度で一定値に近づいていることを示す。すなわち、電界方向に形成される微小柱状構造が偶然できるのではないことが判る。

また、図３（ｂ）、（ｃ）は＜Ｇ＞の時間変化を示す図である。ただし、Ｇは電極の上と下が粒子で繋がったとき１で、繋がらないとき０となるパラメータであり、＜Ｇ＞はＮｓ（＝２０）回の試行に対する平均値である。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように４００ｍｓ程度で一定値に近づいてことを示す。上電極と下電極が導電体３で繋がった微小柱状構造が偶然できるのではないことが判る。

また、計算によると＜Ｇ＞＝Ｐ（Ｌ０）ｆｃ（ｔ）なるスケーリング式が成り立つことが分かった。ただし、Ｐ＝＜Ｇ＞_ｔ＝∞＝１／（ｅｘｐ（（Ｌ_０−Ｌ_０ ^ｔｈ）／ΔＬ_０＋１）であり、ｆｃはクラスター形成に関係した式でｔが十分大きいときは１となる。図３（ｄ）は数値計算（△印）と上記スケーリング式（点線）で求めたＰのＬ０／ｗ依存性を示す図である。ただし、Ｌ_０ ^ｔｈ＝１．３５，ΔＬ_０＝０．３である。図３（ｄ）より、Ｌ０の＜Ｇ＞に対する閾値は１．２から１．６程度であり、体積占有率にして、０．２９−０．３８に相当し、これは、二次元三角格子に対するボンド浸透の閾値０．３５とほぼ一致する。ここで、体積占有率に関する閾値の幅Δｐｃは、Δｐｃ＝０．３８−０．２９＝０．０９である。すなわち、＜Ｇ＞は、体積占有率ｐに対して、幅約０．１の浸透閾値ｐｃにおいて、閾値幅Δｐｃ＝０．０９で急峻に０から略１に変化する。また、対応する３次元問題のｂｃｃ格子に対するボンド浸透の閾値はｐｃ＝０．１８である。それゆえ、現実の三次元系に対して、本発明は，流路幅が１ｍｍ以下でレイノルズ数が１００以下と低く乱流が発生しないストークス流れの状態で、ｐ＞ｐｃ−ΔＬ_０／２＝０．１８−０．０９／２＝０．１８−０．０４５＝０．１３５、すなわち、ｐ＞０．１３５で、電界に対して、有為な微小柱状構造を発現することを利用した電気浸透装置あり、表面の突起部等の電界集中を利用した微小ワイヤーの形成技術とは本質的に異なる。

図４は、本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図であり、本発明の実施例２を示す図である。図４において、４１、４２は流路を構成する上基板、下基板であり、４３ａ，４３ｂ，４３ｃは第一、第二、第三流路、４４ｂ，４４ｃは電圧印加手段、４５ａは流体入口、４５ｂ，４５ｃは流体出口であり、４６ｂ，４６ｃは浮遊構造体を保持する手段であるフィルターである。

実施例２は、前記液室内の液体のマクロな粘性を前記電界の印加によって制御することを除いて、実施例１と同様である。第一流路から第二流路及び第三流路への流れは、電圧印加手段４４ｂ，４４ｃで印加される電圧のオン・オフによって制御される。すなわち、電圧印加手段４４ｂへの電圧印加で第一の流路内に微小柱状構造が形成され、第一流路のみかけの流抵抗を高くして、流体を流れにくくできる。また、電圧印加手段４４ｃへの電圧をオフとすることで、流体を第三流路に流れやすくできる。すなわち、本実施例は流体バルブとして用いることができる。

図５は、本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図であり、本発明の実施例３を示す図である。図５において、５１は固定された電極であり、回転軸の役割を果たす。また、５２は回転電極であり、５３は導電浮遊体、５４は電圧印加手段、５５は液室である。

実施例３も、前記液室内の液体のマクロな粘性を前記電界の印加によって制御することを除いて、実施例１と同様であり、電圧印加で電極間に微小柱状構造を形成することにより、電極間のマクロ粘性を増大させ、回転電極５２の回転速度を抑制するものである。すなわち、本実施例はブレーキに応用できる。

図６は、本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図であり、本発明の実施例４を示す図である。実施例４は、電極間のインピーダンスを検知する手段６１を有し、前記電界を印加して、電極間の導電浮遊体配置を変化させ、前記電極間のインピーダンスを検知する電気浸透デバイス部を有することを除いて、実施例２と同様である。

すなわち、第一流路４３ａに電圧印加手段５２を用いて電圧を印加することによって、微小柱構造を電極間に形成するとともに、インピーダンス検知手段６１を用いてインピーダンス測定を行うことによって、流路を流れる流体の特性変化を動的に検出できる。

図７は、本発明の流体制御装置の他の実施態様を示す模式的断面図であり、本発明の実施例５を示す図である。実施例５は、前記液室７０と外部をつなぐピストン７１を有し、該ピストンに前記導電浮遊体７２を保持する有孔ケージ７３を有し、前記導電浮遊体７２が非対称構造または絶縁構造体と接することを特徴とする。前記電界により前記ピストン７１を並行移動させることを除いて実施例１と同様である。

すなわち、アクチュエータを構成できる効果がある。ただし、７４は液室７０の支持体であり、７５、７６は電極である。また、図８は非対称構造または絶縁構造体と接する浮遊体の例を示す概略図である。８１ａ−ｄは絶縁体部、８２ａ−ｄ導電体部を示す。図７において、電界を印加すると非対称性の効果により、一方に導電浮遊体を移動させることができるため、ピストン７１に接続した有孔ケージ７３を使うとピストンを液室に対して相対的に移動させることができる効果がある。

本発明の流体制御装置は、電解質が溶解している溶液中の複数の導電体または導電複合体に交流電圧を印加することで、導電体の分散状態を変化させることができ、流体バルブ、アクチュエータ、センサ、光制御素子等として利用することができる。

１、２電極
３導電体
４電源
５液室
６電気浸透流

Claims

電解質が溶解している溶液と、該溶液中に分散している複数の導電体とを保持する液室と、前記液室の前記導電体に交流電圧を印加するための一対の電極とを備え、前記電圧の印加により前記溶液と前記導電体の界面に誘起される電気二重層に起因する電気浸透流により、前記複数の導電体間に相互作用をもたらし、前記複数の導電体を移動させると共に、前記電圧の印加に応じて、前記複数の導電体を電界方向に鎖状、且つ可逆的に配列させる流体制御装置であって、
体心立方格子に対するボンド浸透の閾値をｐ _ｃとするとき、前記液室における前記導電体の体積占有体積ｐが、ｐ＞ｐ _ｃ −０．０４５であり、
λ _Ｄをデバイ距離、Ｄを前記電解質が溶解している溶液のイオン拡散係数、ｗ _ｓを（ｗ／Ｎ _ｂｘ）−２ｃ、ｃを前記導電体の粒子半径、Ｎ _ｂｘを前記電極に垂直な方向に１次元的に数えた平均粒子数、ｗを前記一対の電極間の距離とし、τ _ｅ＝ｗλ _Ｄ／２Ｄ、τ _ｐ＝ｗ _ｓ λ _Ｄ／２Ｄとするとき、印加する前記電圧の駆動角周波数ωを、τ _ｅ ^−１＜ω＜τ _ｐ ^−１の範囲とし、
前記液室のチャネル幅及び前記一対の電極間の距離が１ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする流体制御装置。
前記電圧印加により、前記一対の電極間の方向に対して垂直方向に前記導電体を配列させて柱状構造を構成させることを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。
前記電圧印加により、前記液室内の流体の粘性を制御することを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。
前記電極間のインピーダンスを検知するユニットを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。
前記液室内に外部とつながっているピストンを有し、該ピストンには前記導電体を保持する有孔ケージが連結し、前記電圧印加により前記導電体を移動させることによりピストンを移動させることを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。