JP6473964B2

JP6473964B2 - Bubble generator

Info

Publication number: JP6473964B2
Application number: JP2015016628A
Authority: JP
Inventors: 石川　貴之; 貴之石川; 大西　慶治; 慶治大西; 金子　由利子; 由利子金子; 健司田頭; 徹宇津木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2019-02-27
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: JP2016140787A

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。 The present application relates to a bubble generator using electrowetting.

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。 Electrowetting is the contact of a droplet with a dielectric film by applying a potential difference between an electrode provided with a hydrophobic dielectric film and a droplet disposed on the dielectric film. This is a phenomenon in which the angle decreases. By arranging a plurality of electrodes and sequentially applying a voltage, it is possible to move the droplet.

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。 For example, Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for moving a droplet by electrowetting or discharging a droplet.

特開２００８−０９２６１３号JP 2008-092613 A 特許第３９６７２９６号Japanese Patent No. 3967296

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。 According to the prior art, electrowetting techniques have been mainly used only for liquid movement.

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。 The inventor of the present application has studied the electrowetting technique in detail and has come up with an apparatus that generates bubbles in a liquid using electrowetting. The present disclosure provides a bubble generator using electrowetting.

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。 The bubble generating device of the present disclosure is a tube having an inner surface and a liquid channel defined by the inner surface and having an inlet and an outlet, and a direction in which the channel extends in at least the vicinity of the inlet of the inner surface of the tube At least three electrodes arranged along the insulating layer, an insulating layer provided on the inner surface so as to cover at least the three electrodes, a water repellent layer provided on the entire inner surface so as to cover the insulating layer, and the tube A hole provided in an array of a plurality of electrodes, which connects the flow path and the outside of the pipe, a valve for opening and closing the hole in accordance with a pressure difference between the flow path and the outside of the pipe, and the at least A power source for selectively applying a voltage to three of the plurality of electrodes, the power source selectively applying a voltage to the plurality of electrodes, and the water repellent layer on the selectively applied electrode; Contact with the liquid The liquid is sucked from the inlet, the liquid is divided into a plurality of droplets in the flow path, and the plurality of droplets and bubbles generated between the plurality of droplets are More release.

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。 According to the bubble generator of the present disclosure, bubbles can be generated in the liquid using electrowetting.

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。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a main body in the bubble generator of this embodiment. 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。FIG. 1B is a block diagram of a power supply in the bubble generating device of this embodiment. 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。FIG. 2A is a diagram illustrating a schematic installation state of the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 2B is a diagram showing another typical installation state of the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 3A is a diagram showing a procedure for generating droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 3B is a diagram showing a procedure for generating droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 3C is a diagram showing a procedure for generating droplets and bubbles in the bubble generating apparatus of this embodiment. 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。FIG. 3D is a diagram illustrating a generation procedure of droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 3E is a diagram showing a procedure for generating droplets and bubbles in the bubble generator of this embodiment. 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。FIG. 3F is a diagram showing a procedure for generating droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 4 is a timing chart showing voltage application to the electrodes in the procedure of FIGS. 3A to 3F. 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。FIG. 5A is a diagram showing a transfer procedure of droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 5B is a diagram showing a transfer procedure of droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 5C is a diagram showing a transfer procedure of droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 5D is a diagram showing a procedure for transferring droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。FIG. 5E is a diagram showing a transfer procedure of droplets and bubbles in the bubble generation device of the present embodiment. 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。It is sectional drawing of the form from which the bubble generator of this embodiment differs.

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。 An outline of the bubble generation device, the bubble generation device control method, and the bubble generation method of the present disclosure is as follows.
[Item 1]
A tube having an inner surface and a liquid channel defined by the inner surface and having an inlet and an outlet, and at least 3 arranged along the direction in which the channel extends at least in the vicinity of the inlet of the inner surface of the tube. Two electrodes, an insulating layer provided on the inner surface so as to cover at least the three electrodes, a water repellent layer provided on the entire inner surface so as to cover the insulating layer, provided in the arrangement of the electrodes of the tube, A voltage is selectively applied to the hole that connects the flow path and the outside of the tube, the valve that opens and closes the hole, and the at least three electrodes according to the atmospheric pressure difference between the flow path and the outside of the tube A power source that selectively applies a voltage to the at least three electrodes and changes a contact angle between the water repellent layer and the liquid on the selectively applied electrodes. A bubble generating device that sucks the liquid from the inlet, divides the liquid into a plurality of droplets in the flow path, and discharges the plurality of droplets and bubbles generated between the plurality of droplets from the outlet. . According to this configuration, bubbles can be generated in the liquid by electrowetting. For this reason, the bubble generator excellent in silence and power saving property is realized.
[Item 2]
Item 2. The bubble generating device according to Item 1, further comprising a backflow preventer that is provided at the outlet and prevents liquid from flowing into the flow path from the outlet. According to this configuration, since the liquid can be prevented from flowing back from the outlet into the pipe, the outlet of the pipe can be disposed at a deep position of the liquid.
[Item 3]
Item 3. The bubble generating device according to Item 2, wherein the backflow preventer is a check valve.
[Item 4]
Item 3. The bubble generating device according to Item 2, wherein the backflow preventer is a capillary tube.
[Item 5]
Item 2. The bubble generating device according to Item 1, wherein a volume between the plurality of droplets is 1 × 10 ⁶ μm ³ or less. According to this configuration, the bubble generating device can generate microbubbles.
[Item 6]
A method for controlling a bubble generating device as defined in any one of items 1 to 5, wherein the liquid is controlled by applying power to the at least three electrodes so as to selectively apply a voltage to the at least three electrodes. Disposing the liquid into the plurality of droplets by applying a voltage to the electrodes at both ends of the at least three electrodes, and disposing the holes between the plurality of droplets. A method for controlling a bubble generating device, wherein the bubbles are generated by introducing a gas through the bubble.

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。 Hereinafter, embodiments of a bubble generating device, a method of controlling the bubble generating device, and a bubble generating method of the present disclosure will be described with reference to the drawings.

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。 The bubble generating device of this embodiment includes a main body 10 and a power source 20. FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the main body 10. The bubble generating device sucks the liquid from the liquid bath 112, generates bubbles in the liquid, and discharges the liquid to the liquid bath 112. Such a bubble generator is sometimes called an air pump.

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。 The main body 10 of the bubble generating device includes a tube 101. The tube 101 has an inner surface 101 i, and the inner surface 101 i defines a flow channel 102 (channel) having an inlet 109 and an outlet 111. In a cross section perpendicular to the extending direction of the inner surface 101 i of the tube 101, the flow path 102 has a cross section such as a circle, an ellipse, or a polygon. In the present embodiment, the channel 102 has a rectangular cross section.

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。 The tube 101 is configured by one or more members having an inner surface 101 i depending on the cross section of the flow path 102. In the present embodiment, the tube 101 includes a pair of side substrates 101c sandwiching the substrates 101a and 101b and the substrates 101a and 101b. As a result, the space is surrounded from all sides and the flow path 102 is defined. The tube 101 may be configured by a member formed in a cylindrical shape having a space defining the flow path 102 instead of a plurality of substrates. As the substrates 101a and 101b and the side substrate 101c, for example, glass substrates can be used. In particular, it is desirable to use a member that has a smooth surface and is easy to form a thin film for the structure described below. In the present embodiment, as shown in FIG. 1A, the tube 101 takes in the liquid from the inlet 109, generates bubbles in the taken-in liquid, and discharges the liquid from the outlet 111. The tube 101 has a U-shape in order to take in the liquid and discharge the liquid containing bubbles on the same side.

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。 The main body 10 of the bubble generating device further includes an electrode 104 provided on the inner surface 101 i of the tube 101, an insulating layer 105 covering the electrode 104, and a water repellent layer 106 covering the insulating layer 105.

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。 A plurality of electrodes 104 are arranged along the direction in which the flow path 102 extends on the inner surface 101 i of the tube 101. In the present embodiment, the plurality of electrodes 104 are arranged from the inlet 109 to the outlet 111, but at least three electrodes 104 may be arranged from the inlet 109 to the outlet 111. In the present embodiment, the electrodes 104 are provided on the substrate 101a and the substrate 101b, respectively. However, the electrode 104 may be provided on a part of the inner surface 101 i in the cross section of the flow path 102. That is, the electrodes 104 may be arranged in one of the substrates 101a and 101b and the two side substrates 101c, or may be provided in all four.

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。 The electrode 104 can be formed using various metal materials such as Au, Pt, Cu, Al, and Ag. When transparency is required, a transparent conductive material such as ITO or ZnO may be used. In the case where high adhesion to the substrate or the insulating layer 105 is required, a stacked structure of the above-described material layer and a metal material layer such as Cr or Ti may be used. The electrode can be formed by vapor deposition, sputtering, or the like. When the electrode 104 is thick, a step with the substrate is generated, which may affect the formation of the water repellent film of the insulating layer 105 and the water repellent layer 106. When the electrode 104 is thin, sufficient conductivity cannot be obtained, the resistance becomes high, and when a voltage is applied, there is a possibility that the voltage is lost due to the wiring resistance and a desired voltage cannot be applied to the electrode. The thickness of the electrode 104 is more preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less.

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。 The insulating layer 105 is provided so as to cover at least the electrode 104. The insulating layer 105 may not be provided in the region of the inner surface 101i where the electrode 104 is not provided. The insulating layer 105 has insulating properties, and is formed of insulating materials such as various polymer compounds typified by parylene and various oxides, composite oxides, nitrides of inorganic compounds typified by SiO _2. can do. In order to lower the voltage required to drive the bubble generating device, it is desirable that the capacitance of the electrode 104 be large. Therefore, it is desirable that the thickness of the insulating layer 105 is small and the relative dielectric constant is large. In this respect, as the material of the insulating layer 105, a material suitable for thin film formation and a material having a high relative dielectric constant can be preferably used. When a high molecular compound is used for the insulating layer 105, it may be applied by a method such as a dipping method, a spray coating method, or a spin coating method. When an inorganic compound is used, it may be formed by a method such as sputtering, spray coating, or spin coating.

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。 The water repellent layer 106 is provided on the entire inner surface 101 i of the tube 101 so as to cover the insulating layer 105. The water repellent layer 106 can be formed using a compound having a high water repellency, as long as it is a compound having a fluoroalkyl chain, such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or AF1600 (manufactured by DuPont). Among compounds having a fluoroalkyl chain, a compound having a functional group capable of silane coupling forms a covalent bond by a coupling reaction with the insulating layer 105 and can prevent the water-repellent layer 106 from being peeled off. It can be particularly preferably used as a material for the water layer 106. Examples of compounds having a fluoroalkyl chain capable of silane coupling include trifluoropropyltrimethoxysilane, perfluorooctyltrimethoxysilane, perfluorodecyltrimethoxysilane, perfluorooctyltrichlorosilane, perfluorodecyltrichlorosilane, and CYTOP. (Registered trademark) (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and OPTOOL (manufactured by Daikin Industries) can be used. The water repellent layer 106 preferably has a weak frictional force at the solid-liquid interface with respect to the liquid in the liquid bath 112. Specifically, it is preferably formed of a water repellent material having a sliding angle of 30 ° or less (an angle at which 10 μl of pure water slides on the film water repellent layer) with respect to the liquid. Further, it is desirable that the thickness of the water repellent layer 106 is small in order to reduce the voltage required for driving the bubble generating device. However, if the thickness is too small, it becomes difficult to form the water repellent layer 106 having a uniform thickness, and dielectric breakdown is likely to occur in a thin portion. The thickness of the water repellent layer 106 is preferably 0.05 μm or more and 2 μm or less, for example.

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。 The main body 10 of the bubble generating device further includes a hole 110 provided in the tube 101, a valve 107 disposed in the hole 110, and a backflow preventer 108 provided at the outlet 111 of the tube 101.

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。 The hole 110 is provided on the side surface of the tube 101 and connects the flow path 102 and the outside of the tube. The holes 110 are located in the array of electrodes 104. Here, “in the array” means that it is within the array, and that it is not outside the start and end of the array. That is, it is not located between the end electrode 104 and the inlet 109 or the outlet 111 of the plurality of electrodes 104 arranged, and at least one electrode is provided on either the inlet 109 side or the outlet 111 side from the hole 110. 104 exists. In FIG. 1A, the hole 110 is shown to be positioned between the pair of electrodes 104; however, the position of the hole 110 is not limited to the position between the electrodes, and as long as the positional relationship with the arrangement of the electrodes 104 described above is satisfied. 110 may not be adjacent to the electrode 104. More specifically, in FIG. 1A, the hole is provided in the substrate 101a provided with the electrode 104, but the hole 110 may be provided in the side substrate 101c.

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。 The valve 107 is provided in the hole 110 and opens and closes the hole 110 in accordance with the pressure difference between the flow path 102 and the outside of the tube 101. For example, the valve 107 opens the hole 110 when the pressure in the flow path 102 is lower than the atmosphere outside the pipe 101, and the pressure in the flow path 102 is equal to or higher than the atmosphere outside the pipe 101. The hole 110 is closed. In the figure, the valve 107 is schematically shown. The valve 107 may be, for example, a plate member having elasticity, and the plate member is disposed on the inner surface 101 i so as to close the opening of the inner surface 101 i of the hole 110, and between the plate member and the inner surface 101 i due to a pressure difference. It may be fixed to the inner surface 101i only in a part of the plate-like member so that a gap is generated in the plate-like member.

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。 The backflow preventer 108 prevents the liquid in the liquid bath 112 from flowing into the flow path 102 from the outlet 111. The backflow preventer 108 may be a check valve or a capillary tube. In addition, the main body 10 of the bubble generating device may not include the backflow preventer 108 as a component different from the tube 101. For example, the outlet 111 of the tube 101 may be configured as a capillary that works with capillary force. Good.

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。 FIG. 1B is a block diagram showing the configuration of the power supply 20. The power supply 20 selectively applies a voltage to the electrode 104. For this purpose, the power supply 20 includes a controller 201, a voltage generator 202, and switches 204-1, 204-2, 204-3,... 204-n.

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。 The voltage generator 202 generates a voltage to be applied to the electrode 104. The voltage may be an AC voltage or a DC voltage. The output of the voltage generator 202 is connected to terminals T1, T2, T3,... Tn through switches 204-1, 204-2, 204-3,. Terminals T1, T2, T3,... Tn are connected to a plurality of electrodes 104, respectively. The switches 204-1, 204-2, 204-3,... 204-n selected based on the command from the controller 201 are turned on, and the voltage generated by the voltage generator 202 is changed to terminals T1, T2, T3. ... Applied to the electrode 104 via Tn. When the voltage is a DC voltage, the terminals T1, T2, T3,... Tn are connected to the reference potential terminal Tc via the diode and the resistor 203, respectively. For this reason, when the switches 204-1, 204-2, 204-3,... 204-n are OFF, the terminals T1, T2, T3,. For this reason, the electric charge accumulated in the electrode 104 is released.

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。 As will be described in detail below, in the tube 101 of the bubble generating device, the droplet is positioned on the electrode 104 to which a voltage is applied, the voltage is applied to the adjacent electrode, and the electrode in which the droplet is positioned The liquid droplet can be moved onto the adjacent electrode 104 by turning off the voltage of. The controller 201 switches 204-1, 204-2, 204-3,... 204-n so that a voltage is selectively applied to the plurality of electrodes 104 according to the transfer of the droplet in the tube 101. Turn ON or OFF. Timing for turning on or off the switches 204-1, 204-2, 204-3,... 204-n may be controlled by a microcomputer and a program, or may be controlled by an electronic circuit.

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。 Next, the sizes of the tube 101 and the electrode 104 will be described. The size of the cross section perpendicular to the extending direction of the flow path 102 of the tube 101 is, for example, 3.0 × 10 ⁻⁴ mm ² or more and 8.0 × 10 ⁻¹ mm ² or less. The size of the electrode 104 is, for example, 2.0 × 10 ⁻³ mm ² or more and 1.0 × 10 ⁻¹ mm ² or less. The flow path 102 should just have the length which can arrange | position at least three electrodes.

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。 The bubble generating device of this embodiment generates bubbles in a liquid held in a container, for example. 2A and 2B show an example of the arrangement of the main body 10 of the bubble generation device when bubbles are generated in the liquid 121 held in the container 120. FIG.

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。 As shown in FIG. 2A, the main body 10 may be provided on the side surface of the container 120. In this case, if the inlet 109 is arranged on the upper side and the outlet 111 is arranged on the lower side, the liquid containing bubbles can be discharged from the bottom of the liquid 121 held in the container 120. Further, as shown in FIG. 2B, the main body 10 may be disposed on the liquid surface 121 s of the liquid 121 held in the container 120. In any case, the main body 10 is exposed to the environment in which the container 120 is disposed so that air can be taken in from the hole 110 provided in the side surface of the main body 10.

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。 The liquid 121 that generates bubbles has a characteristic that can be moved by electrowetting. Specifically, the liquid 121 is a polar solvent. For example, it is a solvent containing at least one of water, amide, glycol, glycerin, amino alcohol, hydroxyamine, and polyhydric alcohol. In particular, the movement of the liquid 121 by electrowetting is stabilized by using a highly polar solvent such as pure water.

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。 Next, the operation of the bubble generator of this embodiment will be described. In the bubble generating device of this embodiment, by selectively applying a voltage to the electrode 104, (1) the liquid 121 is sucked from the inlet 109 by the electrowetting effect, and (2) the liquid 121 is discharged in the flow channel 102. While dividing into the some droplet 114, the bubble 115 is produced | generated between the droplets 114. FIG. (3) The generated droplet 114 and bubble 115 are transferred in the tube 101 and discharged from the outlet 111.

（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。 (1) Inhalation of Liquid As shown in FIG. 2A or 2B, in a state where the main body 10 of the bubble generating device is disposed in the container 120, the liquid 121 held in the container 120 is applied to the inner surface 101i of the tube 101 of the main body 10. It contacts the disposed water repellent layer 106 (FIG. 1A). Since the water repellent layer 106 has a large contact angle, the liquid 121 does not enter the flow path 102 and remains in the vicinity of the inlet 109. Here, in the present specification, “near the inlet 109” means within three distances of the electrodes 104 arranged along the direction in which the flow path extends from the point of the inlet 109, for example, from the point of the inlet 109. It is within 5 mm in the direction in which the flow path extends. When a voltage is applied to the electrode 104 closest to the inlet 109, the contact angle of the liquid 121 in contact with the water repellent layer 106 on the electrode 104 to which the voltage is applied is reduced. Inhaled.

（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。 (2) Generation of droplet 114 and bubble 115 Referring to FIGS. 3A to 3F and FIG. 4, a method of generating droplet 114 and bubble 115 in tube 101 and transfer of generated droplet 114 and bubble 115. Explain the release. 3A to 3F are schematic views showing a process of generating droplets 114 and bubbles 115 from the sucked liquid 113. FIG. FIG. 4 is a timing chart showing the voltage applied to each electrode. For ease of understanding, the electrodes 104 a to 104 f and reference numerals are attached to the plurality of electrodes 104.

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。 As shown in FIG. 3A, the liquid 113 is drawn into the channel 102 of the tube 101 by applying a voltage to the electrode 104 a closest to the inlet 109. As shown in FIG. 4, by applying a voltage in order from the electrode 104a to the electrode 104d and applying a voltage only to the electrode located at the most distal end, as shown in FIGS. 3B to 3D, the liquid 113 The position of the tip is moved to the inside of the tube 101.

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。 As shown in FIG. 4, in a state where a voltage is applied to the electrode 104d, a voltage is applied to an electrode two or more away from the electrode 104d. For example, when a voltage is applied to the electrode 104b, as shown in FIG. 3E, an electrostatic attractive force attracted to the electrode 104b and an electrostatic attractive force attracted to the electrode 104d act on the liquid 113. For this reason, the portion of the liquid 113 positioned between the electrodes 104b and 104d, that is, the liquid 113 positioned on the electrode 104c is pulled toward the electrode 104b and the electrode 104d side and is narrowed. As a result, the portion 113 ′ located on the electrode 104 d of the liquid 113 is separated. As shown in FIG. 3F, the separated liquid can be moved independently of the liquid 113 by applying a voltage to the electrode 104 e as a droplet 114.

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。 At this time, a space 116 is created between the liquid 113 and the droplet 114. Since the space 116 is in a reduced pressure (vacuum) state, when the voltage applied to the electrode 104e is turned off, the droplet 114 moves to the left in FIG. Therefore, when forming the space 116, as shown in FIG. 1A, the droplet 114a is generated so that the space 116 is formed at the position where the hole 110 of the tube 101 is provided. As a result, the valve 107 opens the hole 110 due to a difference in atmospheric pressure between the space 116 formed in the flow path 102 and the atmosphere, and air flows into the space 116 from the outside of the tube 101, and bubbles 115 are generated.

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。 That is, the liquid 113 is transferred by selectively applying a voltage to the plurality of electrodes 104 so that the liquid 113 is positioned on at least three arranged electrodes 104 in the flow path 102 of the tube 101. Then, by applying a voltage to the electrodes at both ends of the three electrodes, the liquid droplet is separated from the liquid, the gas is introduced from the hole 100 into the space between the liquid droplet and the liquid, and the liquid separated from the liquid Air bubbles are generated between the droplets.

（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。 (3) Transfer and Release of Generated Droplet 114 and Bubble 115 The transfer and discharge operation of the droplet 114 and bubble 115 in the bubble generator will be described with reference to FIGS. 5A to 5E. In these drawings, in order to distinguish the electrodes 104, the droplets 114, and the bubbles 115, the electrodes 104a and 104b, the droplets 114a and 114b, the bubbles 115a and 115b, and the like are denoted by reference numerals.

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。 As shown in FIG. 5A, the electrodes 104c, 104e, 104h, 104k, 104n, and 104q are in an ON state, and droplets 114a, 114b, 114c, 114d, and 114e and bubbles 115a, 115b, 115c, In the state where 115d and 115e are generated, the electrodes 104e, 104h, 104k, 104n, and 104q are turned off, and the electrodes 104c, 104f, 104i, 104l, 104o, and 104r are turned on. As a result, as shown in FIG. 5B, the liquid droplets 114a, 114b, 114c, 114d, and 114e are placed one by one while the tip of the sucked liquid 113 remains at the position of the electrode 104c. Move to 104i, 104l, 104o, 104r. At this time, the valve 107 opens the hole 110, and the bubble 115a expands. By moving the droplet 114a without changing the position of the sucked liquid 113, the amount of the bubbles 115a can be adjusted. As described above, when the droplet 114a is moved, the space in which the bubbles 115a exist is expanded, so that the pressure is reduced and air flows from the hole 110 so as to compensate for the pressure. The valve 107 closes the hole 110 when the bubble 115a reaches atmospheric pressure. A space 115 f ′ is formed between the droplet 114 e and the outlet 111. Bubbles have been generated in the space 115f ', but they have already been released.

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。 Such an operation is repeated twice as shown in FIG. 5C. At this time, a voltage is applied to the electrodes so that the position of the tip of the sucked liquid 113 also moves. Thereby, the sucked liquid 113, droplets 114a, 114b, 114c, 114d, and 114e and bubbles 115a, 115b, 115c, 115d, and 115e move from the inlet 109 toward the outlet 111. When the droplet 114e comes into contact with the backflow preventer 108, pressure is applied to the outlet 111, and the backflow preventer 108 closed by water pressure is opened.

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。 By opening the backflow preventer 108, the droplet 114e is discharged from the outlet 111 to the liquid 121 in the container. Also, the bubbles 115e are discharged into the liquid 121. Thereafter, part or all of the bubbles 115 e dissolve in the liquid 121.

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。 As shown in FIG. 5D, the discharge of the bubble 115e causes the space 115e 'between the droplet 114d and the outlet 111 to be in a reduced pressure state (vacuum), and the backflow preventer 108 is closed by water pressure.

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。 As shown in FIG. 5E, a droplet 114f and a bubble 115g are generated from the sucked liquid 113 according to the above-described procedure. During this time, for example, the droplets 114a, 114b, 114c, 114d and the bubbles 115a, 115b, 115c, 115d can be held at the same position in the tube 101 without moving. Thereby, it will be in the state similar to FIG. 5A. By repeating this procedure, the bubble generating device can generate bubbles in the liquid 121.

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。 In particular, by setting the volume of the space between the bubbles 115 or the droplets 114 to 1 × 10 ⁶ μm ³ or less, the emitted bubbles become microbubbles having a diameter of 100 μm or less. Thereby, the bubble generator of this embodiment can generate microbubbles.

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。 In this embodiment, in order to discharge bubbles into the liquid, it is desirable to generate a pressure exceeding the water pressure applied to the outlet 111 by electrowetting. The water pressure is a value determined by the water depth and is represented by the following formula (1).

Here, ρ is the density of water (kg / m ³ ), g is the acceleration of gravity (9.8 m / s ² ), and h is the depth of water.

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。 From Patent Document 2, the pressure generated in the pipe by electrowetting is a value determined by the pipe diameter, and is expressed by the equation (2).

Here, ε0 is the dielectric constant of vacuum (8.854 × 10−12 N / V ² ), ε is the relative dielectric constant of the insulating film, t is the thickness of the insulating film, and V is the applied voltage (V D is the inner diameter of the tube.

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。 In addition to these pressures, a capillary force acts on the outlet 111. Since the inside of the flow channel 102 exhibits water repellency by the water repellent layer 106, the capillary force acts in the negative pressure, that is, in the liquid traveling direction, and is expressed by Equation (3) based on the Laplace equation.

Here, γ _L is the surface tension of the liquid, θ is the contact angle, and r is the radius of the tube.

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。 Using equations (1) to (3), the relationship between the water depth and the water pressure, the relationship between the radius of the tube, the pressure due to electrowetting, and the capillary force was determined. The results are shown in Tables 1 to 3.

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。 Here, for calculation, a numerical value in a general configuration used as electrowetting was used. Specifically, it is assumed that the liquid 121 is pure water, the insulating layer 105 is formed of SiO ₂ , and the water repellent layer 106 is formed of CYTOP. The total thickness of the insulating layer 105 and the water repellent layer 106 is 1 μm. The flow path is circular with a radius r, and the inlet 109 is in the vicinity of the water surface. The parameters used based on the above conditions are as follows.
ρ: 1000 kg / m ³
γ _L : 72.8 mN / m
θ: 110 °
ε: 3.8 (not considering the water repellent layer)
In such a combination of the insulating layer 105 and the water repellent layer 106, the driving voltage necessary for moving the pure water droplets is 150V.

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。 For example, when the outlet 111 is provided at a position with a water depth of 15 cm, the water pressure applied to the outlet 111 is 1.47 kPa. On the other hand, when the radius of the tube 101 of the main body 10 is 500 μm, from Tables 2 and 3, the combined pressure of the electrowetting and the capillary force is 1.6 kPa. Therefore, it is understood that when the bubble generating device is realized under such conditions, bubbles can be released into the liquid 121. Further, the driving voltage can be reduced by reducing the thicknesses of the insulating layer 105 and the water repellent layer 106. For example, when the thickness is 0.05 μm, the driving voltage may be 30V. Although the pressure due to electrowetting generated in this combination is reduced by about 10% from the above-mentioned value, substantially the same effect can be obtained with a drive voltage of 1/5.

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。 In the bubble generating device of the present embodiment, the amount of bubble emission per minute is approximately 1 × 10 ⁻⁷ l / min, assuming that microbubbles having a volume of 1 × 10 ⁶ μm ³ are emitted twice per second. On the other hand, for example, a pump that performs aeration for an aquarium can release approximately 1 l / min of air into the aquarium. For this reason, when the bubble generating device of this embodiment is used for such an application, a plurality of main bodies 10 are provided in the container 120 in order to increase the amount of bubbles released, and the bubbles are simultaneously released into the liquid 121. You may do it.

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。 In addition, since the moving speed of the droplet 114 in the channel 102 is constant, the bubble discharge amount per unit time is increased by increasing the cross-sectional area of the channel and shortening the distance between the droplets as much as possible. To do. At this time, in order to reduce the influence of water pressure, the inlet 109 and the outlet 111 of the main body 10 may be installed in contact with the liquid surface 121 s of the liquid 121.

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。 As described above, according to the bubble generating device of the present embodiment, it is possible to generate micro-sized bubbles in the liquid using electrowetting. By using electrowetting, a mechanical drive part can be reduced and the apparatus excellent in silence can be implement | achieved. In addition, since almost no current is consumed in electrowetting, power saving is excellent.

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。 Although the bubble generating device of the present embodiment includes a check valve as the backflow preventer 108, as described above, the backflow preventer 108 may be a capillary that works with capillary force, and the outlet 111 of the tube 101 is a capillary tube. May be configured. In this case, it is desirable that the capillary force generated at the outlet 111 is larger than the water pressure applied to the outlet 111. When the above-described conditions are used, for example, when the outlet 111 is provided at a position having a water depth of 20 cm, the pressure applied to the outlet 111 is about 2000 Pa from Table 1. On the other hand, from Table 2, the pressure acting in the direction of preventing the intrusion of water by the capillary force is about 2000 Pa when the tube radius is 25 μm. Therefore, the bubble generating device may not include the backflow preventer 108 in combination with the position of the outlet in the liquid 121 and the cross-sectional area (radius) of the tube. In this case, the backflow preventer 108 is not opened and closed, and a bubble generating device with better silence can be realized.

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。 In this embodiment, when the valve 107 is closed, it can be said that the flow path 102 is filled with a plurality of droplets 114 and a plurality of bubbles 115. For this reason, in the flow channel 102, the plurality of droplets 114 and the plurality of bubbles 115 can be handled as one liquid as a whole, and the last of the plurality of droplets 114 and the plurality of bubbles 115 in the row direction. In conjunction with the movement of the liquid 113 sucked from the tail, that is, the inlet 109, the droplets and bubbles in the flow path move all at once.

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。 Therefore, as shown in FIG. 5, if the electrodes 104 are provided in a region where the liquid 121 is sucked and the liquid droplet 114 is generated from the sucked liquid 113 on the inner surface 101 i of the tube 101, only these electrodes 104 are provided. It is possible to operate the bubble generator. Specifically, as long as at least three electrodes 104 are arranged from the inlet 109, the electrode 104 may not be provided in the vicinity of the outlet 111 in the intermediate portion between the inlet 109 and the outlet 111 of the tube 101. Thereby, the number of the electrodes 104 can be reduced, the structure of the power supply 20 can be simplified, and the manufacturing cost of the main body 10 can be reduced.

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。 In this embodiment, it may be used as a microbubble generator by combining with other liquid pumps. For example, the outlet 111 may be connected to the inlet of another liquid pump. Thereby, it is possible to discharge the liquid containing the bubbles generated by the bubble generation device of the present embodiment at a desired pressure using the liquid pump. In this case, the advantages of quietness and power saving are reduced as compared with the case where the liquid containing bubbles is released only by electrowetting, but the configuration of the bubble generation device based on the water pressure received at the position of the outlet 111 described above is small. The specification of the bubble generating device can be determined more freely without being restricted.

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。 In addition, the bubbles generated by the bubble generation device of the present embodiment are not limited to air, and by introducing various gases from the holes 110, bubbles using these gases can be generated in the liquid. Further, as described above, the size of the bubble, that is, the volume of the bubble can be controlled by controlling the position of the droplet. Such a liquid containing bubbles can be used for biosensing, biosensors, biochips, and the like that detect and analyze trace amounts of substances using microfluids. For example, it is possible to dissolve a minute amount of a desired amount of gas in a predetermined volume of liquid.

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。 The bubble generation device of the present disclosure can be suitably used for a bubble generation device for various uses such as a microbubble generation device. In addition, it can be used for biosensing, biosensors, biochips, and the like that detect and analyze minute amounts of substances using microfluidics.

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 10 Main body 20 Power supply 101 Tube 101a Substrate 101b Substrate 101c Side substrate 101i Inner surface 102 Channel 104 Electrode 105 Insulating layer 106 Water repellent layer 107 Valve 108 Backflow prevention valve 109 Inlet 110 Hole 111 Outlet 112 Liquid bath 113 Liquid 113 ′ Portion 114 Droplet 115 Bubble 116 Space 120 Container 121 Liquid 121s Liquid Level 201 Controller 202 Voltage Generator 203 Resistance 204 Switch

Claims

A tube having an inner surface and a liquid flow path defined by the inner surface and having an inlet and an outlet;
At least three electrodes arranged along the direction in which the flow path extends at least near the inlet of the inner surface of the tube;
An insulating layer provided on the inner surface so as to cover at least the at least three electrodes;
A water-repellent layer that covers the insulating layer and is provided on the entire inner surface;
A hole provided in the array of the electrodes of the tube, connecting the flow path and the outside of the tube;
A valve that opens and closes the hole according to a pressure difference between the flow path and the outside of the tube, and a power source that selectively applies a voltage to the at least three electrodes,
The valve opens the hole when the pressure inside the flow path is lower than the atmosphere outside the pipe,
The valve closes the hole when the pressure inside the flow path is equal to or higher than the atmosphere outside the pipe,
The power source selectively applies a voltage to the at least three electrodes, and changes the contact angle between the water repellent layer and the liquid on the selectively applied electrodes, thereby causing the liquid to flow. Inhaling from the inlet, dividing the liquid into a plurality of droplets in the flow path, and discharging the plurality of droplets and bubbles generated between the plurality of droplets from the outlet;
Bubble generator.

The bubble generation device according to claim 1, further comprising a backflow preventer that is provided at the outlet and prevents liquid from flowing into the flow path from the outlet.

The bubble generating device according to claim 2, wherein the backflow preventer is a check valve.

The bubble generating apparatus according to claim 2, wherein the backflow preventer is a capillary tube.

The bubble generating apparatus according to claim 1, wherein a volume between the plurality of droplets is 1 × 10 ⁶ μm ³ or less.

A method for controlling a bubble generating device as defined in any one of claims 1 to 5,
By controlling the power supply to selectively apply a voltage to the at least three electrodes,
Placing the liquid on the at least three electrodes;
The liquid is divided into the plurality of droplets by applying a voltage to the electrodes at both ends of the at least three electrodes,
Introducing gas through the holes between the plurality of droplets to generate the bubbles,
Control method of bubble generating apparatus.