(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が収容されている液室と、前記液室の底面に設置された、回転軸または支点を有し導電性部分を有する導電性可動構造体と、前記導電性可動構造体に電界を印加する電極とを備え、前記導電性可動構造体の底部は、前記液室の底面に対して傾きを持った斜面を有し、
前記電極から印加された電界により前記導電性可動構造体に誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流により、前記導電性可動構造体を可動させ、かつ、前記導電性可動構造体に浮力を発生させることを特徴とする電気浸透可動デバイス。
【請求項２】
前記導電性可動構造体が、導電性部分を有する固体構造体または弾性構造体からなることを特徴とする請求項１に記載の電気浸透可動デバイス。
【請求項３】
前記電極は、前記導電性可動構造体に複数方向の電界を与える複数の電極からなり、前記電極から印加される電界方向を時間的に切り替えながら前記導電性可動構造体を可動させることを特徴とする請求項１または２に記載の電気浸透可動デバイス。
【請求項４】
前記液室は液体が流れる流路の一部分に設けられ、前記液室内に設置された前記導電性可動構造体に電界を印加して可動し、前記流路の液体の流れを制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の電気浸透可動デバイス。
【請求項５】
前記電気浸透可動デバイスが、アクチュエータである請求項４に記載の電気浸透可動デバイス。
【請求項６】
前記導電性可動構造体がミラー面を有し、前記導電性可動構造体に電界を印加して可動して前記ミラー面に入射する光をスキャンすること特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の電気浸透可動デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘起電荷電気浸透を用いた電気浸透可動デバイスに関し、具体的にはアクチュエータや流体バルブ、光スキャナー等に適用可能な電気浸透可動デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気浸透を用いるマイクロポンプは、構造が比較的簡単である、微小流路内への実装が容易である等の理由で、μＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）等の分野で使用されている。
【０００３】
この中で近年、誘起電荷電気浸透（ＩＣＥＯ：Ｉｎｄｕｃｅｄ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｏｓｍｏｓｉｓ）を用いたマイクロポンプが着目されている。その理由としては、マイクロポンプは、液体の流速を大きくできる、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等が挙げられる。
【０００４】
特許文献１及び非特許文献１には、誘起電荷電気浸透を用いたポンプであって、下記の（１）、（２）の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）である。（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）である。
【０００５】
また、非特許文献２には、ＩＣＥＰ（Ｉｎｄｕｃｅｄ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈａｒｅｓｉｓ：誘起電荷電気泳動）を利用したマイクロロッドの回転が開示されている。また、非特許文献３には、金属粒子の半分に絶縁体コートを施した粒子の電気泳動現象が開示されている。
他方、空気中では、静電気力を利用した小型のアクチュエータ（静電アクチュエータ）が多数、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許明細書第７０８１１８９  Ｂ２号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｍ．Ｚ．Ｂａｚａｎｔ  ａｎｄ  Ｔ．Ｍ．Ｓｑｕｉｒｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２，０６６１０１（２００４）
【非特許文献２】Ｋ．Ａ．Ｒｏｓｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｅ７５，０１１５０３（２００７）
【非特許文献３】Ｓ．Ｇａｎｇｗａｌ，  Ｏ．Ｊ．Ｃａｙｒｅ，  Ｍ．Ｚ．Ｂａｚａｎｔ，ａｎｄ  Ｏ．Ｄ．Ｖｅｌｅｖ，Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．１００  ０５８３０２（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、主に空気中等で使用するように考案された静電アクチュエータを水などの電解質溶液中に置くと、電解質溶液中のイオンによって電界が遮蔽されるために静電力が働くなる等の問題があり、小型のアクチュエータの実現は困難であった。また、磁力等の外力を使って、溶液中の可動部を動かそうとする技術では、駆動部を小型化するのが困難なだけではなく、液体の粘性に起因して固体と液体界面に発生する摩擦力または粘性抵抗（流抵抗）によって高速で可動部を駆動することは困難であった。
また、特許文献１及び非特許文献１から３に記載された技術には、回転軸や支点を有する可動体を駆動する所謂アクチュエータ技術は示唆も開示もされていなかった。
【０００９】
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、誘起電荷電気浸透を用いた、液体中、特に電解質溶液中でのアクチュエータ等として用いることができる電気浸透可動デバイスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決する電気浸透可動デバイスは、液体が収容されている液室と、前記液室内に設置された、回転軸または支点を有し導電性部分を有する導電性可動構造体と、前記導電性可動構造体に電界を印加する電極とを備え、前記電極から印加された電界により前記導電性可動構造体に誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流により、前記導電性可動構造体を可動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、誘起電荷電気浸透を用いた、液体中でのアクチュエータ等として用いることができる電気浸透可動デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の電気浸透可動デバイスの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した効果の一例を示す図である。
【図３】本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した動作の一例を示す図である。
【図４】本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した動作の一例を示す図である。
【図５】本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した動作の一例を示す図である。
【図６】本発明に用いられる導電性可動構造体の回転軸の一例を示す概略図である。
【図７】本発明に用いられる導電性可動構造体の他の例を示す概略図である。
【図８】本発明に用いられる導電性可動構造体の他の例を示す概略図である。
【図９】本発明の電気浸透可動デバイスの他の実施例を示す概略図である。
【図１０】本発明の電気浸透可動デバイスの他の実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る電気浸透可動デバイスは、液体が収容されている液室と、前記液室内に設置された、回転軸または支点を有し導電性部分を有する導電性可動構造体と、前記導電性可動構造体に電界を印加する電極とを備え、前記電極から印加された電界により前記導電性可動構造体に誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流により、前記導電性可動構造体を可動させることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電気浸透可動デバイスは、前記電極から印加された電界により前記導電性可動構造体に誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流により、液体、例えば水中でのアクチュエータとして利用することができる。
【００１５】
前記導電性可動構造体が、導電性部分を有する固体構造体または弾性構造体からなることが好ましい。
前記導電性可動構造体と、前記液室の壁との間の摩擦力（固体−固体界面接触摩擦）を抑制する手段を有することが好ましい。
【００１６】
前記電極は、導電性可動構造体に複数方向の電界を与える複数の電極からなり、前記電極から印加される電界方向を時間的に切り替えながら前記導電性可動構造体を駆動することが好ましい。
【００１７】
前記液室は液体が流れる流路の一部分に設けられ、前記液室内に設置された前記導電性可動構造体に電界を印加して可動し、前記流路の液体の流れを制御することが好ましい。
前記電気浸透可動デバイスが、アクチュエータであることが好ましい。
【００１８】
前記導電性可動構造体がミラー面を有し、前記導電性可動構造体に電界を印加して可動して前記ミラー面に入射する光をスキャンすること特徴とすることが好ましい。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の電気浸透可動デバイスの一実施例を示す断面図である。同図において、１、２は一対の電極、３は回転軸または支点を有し導電性部分を有する導電性可動構造体、４は電源、５は幅ｗ（例えば１００μｍ）、長さＬ（例えば２２５μｍ）、深さｄ２（＞ｗ）の液体の流路を兼ねた液室であり、液室には水や電解質水溶液などの分極可能な液体が充たされている。ここで、一対の電極１、２は、前記導電性可動構造体３に電界を印加する電極であり、ＤＣまたはＡＣ電界を流路８に印加する。また、６ａ、６ｂは、電界印加時、誘起電荷電気浸透現象によって、導電性可動構造体３のまわりに発生する電気浸透流を示し、７は前記導電性可動構造体３の回転軸または支点である。
【００２０】
導電性可動構造体３は、回転軸または支点７を有し導電性部分を有する。導電性可動構造体３は、固体構造体または弾性構造体から構成される。固体構造の具体例としては金や白金の厚膜や炭素等が挙げられる。弾性構造体の具体例としては金や白金の薄膜等が挙げられる。また、ここでは、導電性可動構造体３の導電性部分と導電性可動構造体は一致するが、導電性以外の部位を含む導体体であってもよい。
【００２１】
本発明は、液室５と、前記液室５内に配置された導電性可動構造体３と、前記導電性可動構造体３に電界を与える電極１、２とを備えている。前記電極から印加された電界により、前記導電性可動構造体３の導電体部分に電荷が誘起される。その電荷と対をなして導電体と電解質溶液の界面に形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流６ａ、６ｂにより、前記導電性可動構造体３を可動させる。その動作により、本発明の電気浸透可動デバイスは、水中でのアクチュエータとして利用することができる。
【００２２】
本実施例１では、導電性可動構造体３は回転軸７を有する導電楕円柱を示している。また、図１において、２ｂ、２ｃは該楕円柱の長軸及び短軸の長さであり、φは楕円上の位置を表すパラメータであり、θは楕円短軸主軸ベクトルｅ１とｙ方向のなす角であり、導電楕円柱の回転角を示す。
【００２３】
Ｖｓはすべり速度、Ｐ１は流路入口部（流路左端）圧力、Ｐ２は流路出口部（流路右端）、ｉはｘ方向単位ベクトル、ｊはｙ方向単位ベクトル、Ｅは電界ベクトル、Ψはｙ軸と電界ベクトルの成す角を示す。
図２は、本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した効果の一例を示す図である。図２は、電気浸透可動デバイスの計算図を示している。図２（ａ）は電極１、２に電圧を印加した時の流路内電位分布、図２（ｂ）は流路内流速ベクトル分布、図２（ｃ）は導電楕円柱の回転の角速度Ωの回転角θ依存性、図２（ｄ）は液室５の入口で測った平均流速Ｕｐの回転角θ依存性を示す図である。
【００２４】
ただし、計算値は誘起電荷浸透効果を考慮したストークス流体方程式と静電界を求めるラプラス方程式を交互に繰り返す連成計算手法によって計算したものである。回転軸７の位置を（ｘ／ｗ，ｙ／ｗ）＝（０．４７，１．１２５）、ｗ＝１００μｍ、Ｌ／ｗ＝２．２５、ｂ／ｃ＝４．６、ｃ／ｗ＝０．１、印加電圧Ｖ０＝１．１９Ｖとして計算した。ただし、図２（ｄ）において、圧力差ΔＰは４Ｐａとした。また、図２（ｃ）において、○印が上記計算手法によるもっとも精度の高い計算結果であり、他はその他の近似計算手法による結果を示す。図２より、１Ｖ程度のＤＣまたはＡＣ電圧の印加により、最大５０ｒａｄ／ｓ程度の高速な角速度を水中でもち、平均流速を制御できることがわかる。
【００２５】
図３は、本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した動作の一例を示す図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は導電性可動構造体３である弁が、クローズの状態で印加電圧をオフとして、弁のオープニング動作を計算したものである。ここで、回転軸７の位置を（ｘ／ｗ，ｙ／ｗ）＝（０．４７，１．１２５）のように、流路の中央からずらすことにより、初期動作の回転不良を防止している。また、図３（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、導電性可動構造体３である弁がオープンの状態で１．１９Ｖの電圧を印加して、弁のクロージング動作を計算したものである。図３より、２４４ｍｓ程度でオープン状態となり、４０ｍｓ程度でクローズ状態にできるＩＣＥＰ（誘起電荷電気泳動）を利用した高速流体バルブが実現できることがわかる。
【００２６】
図４は、本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した動作の一例を示す図である。図４では回転軸のｘ位置をｘ／ｗ＝０．４７，０．４８，０．４９としたときの、オープンニング動作時［図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）］及びクロージング動作時［図４（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）］の平均流速Ｕｐ、回転角θ、角加速度Ωの時間発展を示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）より、電圧オフ状態では、導電性可動構造体３である弁は回転しつづけ、脈流となることが分かる。また、オープニングの時間は回転軸位置の中央からのずらし量が大きいものほど短い傾向がある。反対に、クロージングの時間は回転軸位置の中央からのずらし量が大きいものほど長い傾向がある。
【００２７】
図５は、本発明の電気浸透可動デバイスを駆動した動作の一例を示す図である。図５は回転軸位置ｘｂ／ｗに対する応答時間ｔｒと平均流速Ｕｐの関係を示す計算図である。図より、回転軸を中央に近づけると応答時間がｔｒが急激に長くなるため、導電楕円柱が流路壁に接触しない範囲で大きな軸ずらしを行う方が好ましいことが分かる。
【００２８】
図６は、本発明の電気浸透可動デバイスの導電性可動構造体の回転軸の一例を示す概略図である。図６では回転軸に関する具体的な構造を示し、６１と６２は回転軸７の回転軸棒であり、導電性可動構造体３に接続している。また、６３は中空円柱構造の回転軸棒６２の軸受けである。中空円柱構造からなる軸受け６３は、外径が導電性可動構造体３の長さ２ｂより小さいために導電性可動構造体３と流路壁の接触面積を減らすことにより摩擦力を減らし、導電性可動構造体３を可動しやすくする。すなわち、回転軸棒６２と軸受け６３は導電性可動構造体３と前記液室壁間の摩擦力（固体と固体の接触摩擦）を抑制する手段であり、導電性可動構造体３の可動を容易にする効果を有する。
【００２９】
本発明の電気浸透可動デバイスは、導電性可動構造体に印加した電界により前記導電性可動構造体に誘起される電気二重層部分に起こる電気浸透流を用いて導電性可動構造体を可動させることにより、電解質中のイオンによって可動体の電荷を静電遮蔽した状態でも可動できる電解質中のアクチュエータを提供できる効果がある。すなわち、静電アクチュエータ等を電解質中に配置したときの静電遮蔽の問題を解決した新規な小型アクチュエータを提供できる効果がある。
【００３０】
また、磁力等の外力を使って、溶液中の可動部を動かそうとする技術では、駆動部を小型化するのが困難なだけではなく、液体の粘性に起因して固体と液体界面に発生する摩擦力または粘性抵抗によって高速で可動部を駆動することは困難であったが、本発明では、固液界面の電気浸透流を利用して、流体中を可動部がすべるように駆動されるため、液体の粘性に起因する流抵抗の問題を大幅に回避できる効果がある。
【実施例２】
【００３１】
実施例２は前記摩擦力抑制手段が、浮遊構造を有する導電性可動構造体からなることを除いて実施例１と同様である。図７および図８は、本発明の電気浸透可動デバイスの導電性可動構造体の他の例を示す概略図である。図７の導電性可動構造体は、導電性可動構造体の底部に、切りかき構造７１、７２からなるプロペラ構造を有する。前記プロペラ構造により、回転時に流体と前記プロペラ構造の流体力学的相互作用により、導電性可動構造体３に浮力を発生させ、摩擦を低減し、高速可動を可能とする効果がある。
【００３２】
また、図８の導電性可動構造体は、導電性可動構造体の底部に、流路底面に対して傾き角を持った斜面８１、８２が設けられている。前記斜面により、電界８５の印加時に導電性可動構造体３から流路底面に向かう誘起電荷電気浸透流れ８３、８４を発生させ、導電性可動構造体３に浮力を発生させることにより、導電性可動体３と流路壁との接触摩擦を低減し、高速な可動を可能とする効果がある。
【実施例３】
【００３３】
実施例３は、電極が導電性可動構造体に複数方向の電界を与える複数の電極からなり、前記電極から印加される電界方向を時間的に切り替えながら前記導電性可動構造体を駆動する電気浸透可動デバイスを示す。
【００３４】
図９は、本発明の電気浸透可動デバイスの他の実施例を示す概略図である。実施例３は、液室５に、導電性可動構造体に複数方向の電界を与える電極９１ａ−ｂ，９２ａ−ｂ，９３ａ−ｂ，９４ａ−ｂを備え、電界方向を時間的に切り替えながら駆動することを除いて実施例１と同様である。特に実施例３では４つの方向の電界を与える電極９１ａ−ｂ，９２ａ−ｂ，９３ａ−ｂ，９４ａ−ｂを備えている。電源Ｖ１−Ｖ４の電圧の位相をずらして電界を印加して、電界方向を時間的に回転するように駆動することにより、導電性可動構造体の導電楕円柱を高速に回転できる効果がある。
【実施例４】
【００３５】
実施例４は、導電性可動構造体がミラー面を有し、前記導電性可動構造体に電界を印加して可動して前記ミラー面に入射する光をスキャンする電気浸透可動デバイスを示す。
図１０は、本発明の電気浸透可動デバイスの他の実施例を示す概略図である。実施例４は、導電性可動構造体３に接続された光学構造体１０１がミラー面１０２を有し、電界を印加して３及び１０１の回転動作を行い、前記ミラー面に入射する光１０３をスキャンすることを除いて実施例１と同様である。この電気浸透可動デバイスを用いると、単純な構造で光を高速にスキャンできる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の電気浸透可動デバイスは、誘起電荷電気浸透を用いた、液体中、特に電解質溶液中でのアクチュエータ等として利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１、２  電極
３  導電性可動構造体
４  電源
５  液室
６ａ、６ｂ  電気浸透流
７  回転軸または支点
８  流路
【図１】
0005550279.tif 000002
【図２】
0005550279.tif 000003
【図３】
0005550279.tif 000004
【図４】
0005550279.tif 000005
【図５】
0005550279.tif 000006
【図６】
0005550279.tif 000007
【図７】
0005550279.tif 000008
【図８】
0005550279.tif 000009
【図９】
0005550279.tif 000010
【図１０】
0005550279.tif 000011