(57)【要約】【課題】誘電体膜の帯電を用いて、上下１組の電極による液滴輸送を実現することにより、配線を単純化、および駆動回路、プログラムを簡素化する。【解決手段】基板１１と、前記基板上に形成された下部駆動電極１２と、前記下部駆動電極の少なくとも一部を覆うように形成された誘電体膜１３と、上部電極３０と、前記基板と前記上部電極の間に挟持されたスペーサー２１とを備えた液滴輸送装置１０であって、液滴輸送経路上の前記誘電体膜の少なくとも一部を帯電させ、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することにより、液滴を輸送する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極の少なくとも一部を覆うように形成された誘電体膜と、上部電極と、前記基板と前記上部電極の間に挟持されたスペーサーとを備えた液滴輸送装置において、前記誘電体膜の少なくとも一部が帯電しており、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することにより液滴を輸送することを特徴とする液滴輸送装置。
【請求項２】
前記誘電体膜上に帯電領域および非帯電領域を交互に配置し、前記交互配置経路を液滴輸送経路とすることを特徴とする請求項１記載の液滴輸送装置。
【請求項３】
前記下部電極または前記上部電極が、前記帯電領域および非帯電領域の交互配置上のみに配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の液滴輸送装置。
【請求項４】
前記誘電体膜上に正帯電領域および負帯電領域を交互に配置し、前記交互配置経路を液滴輸送経路とすることを特徴とする請求項１記載の液滴輸送装置。
【請求項５】
前記スペーサーによって作られる前記誘電体膜と前記上部基板との間の空隙の厚さが、液滴輸送経路を進むに従い、大きくまたは小さくなることを特徴とする請求項１記載の液滴輸送装置。
【請求項６】
前記帯電領域、および前記正帯電領域、前記負帯電領域の形状が液滴輸送経路に対して前後非対称であることを特徴とする請求項１または２または４記載の液滴輸送装置。
【請求項７】
基板と、前記基板上に形成された下部駆動電極と、前記下部駆動電極の少なくとも一部を覆うように形成された誘電体膜と、上部電極と、前記基板と前記上部電極の間に挟持されたスペーサーとを備え、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することにより液滴を輸送する液滴輸送装置において、液滴輸送経路上の誘電体膜の少なくとも一部を帯電させ、前記帯電の前記下部電極に対する表面電位の最大・最小値の平均値をまたぐような交流電圧を前記下部電極と前記上部電極間に印加することを特徴とする液滴輸送装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流路デバイスなどに用いられる液滴駆動装置に関し、特にエレクトロウェッティングを用いた液滴輸送装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μＴＡＳ）またはラボ・オン・チップ（ＬｏＣ；Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）と呼ばれるマイクロ流体デバイスが、遺伝子検査などの分野で広く利用されるようになってきた。
【０００３】
また、電界を印加することで、液体と固体との界面現象（濡れ性）を制御するエレクトロウェッティング（Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）という技術が知られている。これは、可変焦点レンズや電子ディスプレイなどへの応用が期待され、上述のマイクロ流体デバイスの微少液滴を搬送するアクチュエータとしても有用である。
【０００４】
エレクトロウェッティング素子は一般的に、基板上に液滴の輸送方向に配置した複数の電極、およびそれらを覆うように形成された誘電体膜と液滴とからなり、前記複数の電極に独立して電圧を印加する構成を備えている。この構成において、前記複数の電極に順次電圧を印加することで、液滴を所望の方向に搬送する液滴輸送装置を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７１２０号公報
【特許文献２】特開昭５２−１２８５９８号公報
【特許文献３】特開平７−３２５４５８号公報
【特許文献４】特開昭６０−３７５８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、９０、ｐ２１２９０６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、液滴輸送装置内において、液滴の分注部分や輸送経路の分岐、合流部分などといった、液滴の精密な制御が必要な部分以外は、液滴をただ一方向に輸送すればよいことが多い。従来の液滴輸送装置では、こういった液滴の一方向輸送が求められる経路にも複数の電極を配置する必要があった。これにより、電極数が多くなり、個々の電極と駆動電圧源とを接続する配線が複雑になり、多層配線基板などを導入する必要があった。さらに、電極一つ一つに独立して電圧を印加するための駆動回路や制御プログラムも電極数の増加に伴い、煩雑となっていた。以上のことから、液滴を一方向に輸送するなどといった液滴の単純な制御のみが求められる箇所では、電極の数を減らし、電極の配置をできるだけ単純化することが求められていた。
【０００８】
特許文献１では基板上に配置した２対の櫛歯状電極に液滴の液量によって規定される周波数の交流電圧を印加することにより、単純な配線による液滴輸送を実現しているが、液滴の上下を電極や基板により挟み込んだ閉鎖輸送系とすることができない。これは、特許文献１の液滴輸送装置では電圧印加による液滴形状のわずかな変化が液滴輸送の駆動力となっているため、液滴の上下が挟み込まれることにより電圧印加による液滴の形状変化が阻害されてしまうからである。なお、閉鎖輸送系では、液滴輸送経路をシリコーンオイルなどの液滴と交じり合わない液体で充填することができ、液滴輸送の低電圧駆動化や液滴動作の安定化が可能となる上に、液滴の蒸発を防ぐことが出来る。また、特許文献１では、駆動周波数が限定され、液滴の輸送速度を制御できないという課題があった。
【０００９】
一方で、エレクトロウェッティング素子において、前記誘電体膜の帯電は、前記誘電体膜と液滴との接触角を減少させることが非特許文献１において報告されており、前記帯電とエレクトロウェッティングは密接に関連している。また、前記帯電により、予め前記誘電体膜に静電エネルギーを蓄えておくことができるため、前記帯電を用いた液滴輸送や液滴輸送の低電圧駆動化が可能と考えられるが、現在まで前記帯電による液滴輸送は達成されていない。
【００１０】
以上のことから、本発明は上下１組の電極配置とすることで、前記誘電体膜の帯電を用いた液滴輸送を実現し、配線を単純化、および駆動回路、プログラムを簡素化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極の少なくとも一部を覆うように形成された誘電体膜と、上部電極と、前記基板と前記上部電極の間に挟持されたスペーサーとを備えた、液滴輸送装置において、前記誘電体膜の少なくとも一部が帯電しており、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することにより液滴を輸送することを特徴としている。
【００１２】
また、液滴輸送経路上の前記誘電体膜の少なくとも一部を帯電させ、前記下部電極に対する前記帯電の表面電位の最大・最小値の平均値をまたぐような交流電圧を前記下部電極と前記上部電極間に印加することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液滴輸送経路上下に一組の電極のみを配置すればよいので、従来の液滴輸送装置に比べて電極と駆動電圧源とを接続する複雑な配線を単純化することができる。これにより、基板自体の電極配線構造を単純化することができるだけでなく、基板の電極取出し部と配線とをワイヤーボンディングやはんだ付けなどにより接続する工数を削減することができ、製造コスト削減につながる。さらに、電極数が減少したことにより、駆動回路や駆動プログラムを簡素化することができ、製造工数、コスト削減だけでなく、液滴輸送経路の長距離化を容易に実現できる。
【００１４】
また、従来は液滴輸送経路上に複数の電極を配置していたため、電極間には電極の厚みの分だけ窪みが存在しており、液滴輸送の障壁となっていた。そのため、電極間の窪みを埋めるようなプロセスが必要であった。一般的に、このような窪みを埋めるプロセスには相当の工数やコストを要するが、本発明では電極が上下１組のみであり、電極間の窪みは存在しない。したがって、従来の液滴輸送経路上に複数の電極が存在する場合に比べ、本発明では電極間の窪みを埋めるプロセスなしに液滴をスムーズに輸送することができる。
【００１５】
また、前記誘電膜の帯電領域には予め静電エネルギーが蓄積されているため、液滴輸送に必要な外部から与えられるべき静電エネルギー、すなわち印加電圧を帯電領域がない従来の場合と比べ、小さくすることができる。したがって、液滴輸送の低電圧駆動化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における液滴輸送装置の断面模式図
【図２】本発明の実施の形態１における液滴輸送装置の上面模式図
【図３】本発明の実施の形態１における液滴駆動電圧印加パターン
【図４】本発明の実施の形態１における帯電領域の形状例を示す液滴輸送装置の上面模式図
【図５】本発明の実施の形態１における液滴輸送装置の上面模式図および配線図
【図６】本発明の実施の形態２における液滴輸送装置の断面模式図
【図７】本発明の実施の形態２における液滴輸送装置の上面模式図
【図８】本発明の実施の形態２における液滴駆動電圧印加パターン
【図９】従来の液滴輸送装置の上面模式図および配線図
【図１０】液滴が動く原理を説明するための図
【図１１】液滴が動く原理を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１および図２はそれぞれ、実施の形態１における液滴輸送装置の断面模式図および上面模式図を示したものである。図１および図２に示す液滴輸送装置１０は基板１１と、下部電極１２と、前記下部電極を覆うように形成された誘電体膜１３と、液滴２０と、上部電極３０とそれを狭支するスペーサー２１を備えている。なお、誘電体膜１３上には帯電領域１４が備わっている。
【００１８】
＜基板＞
基板１１は、例えば、ガラスやサファイア、ポリカーボネートなど、公知の無機材料および有機材料からなる絶縁性材料を用いることができる。また、導電性を有する材料、若しくは、シリコン又は金属を含む半導体材料の上に、酸化膜や窒化膜、高分子材料などの絶縁性材料を被覆した基板を用いてもよい。
【００１９】
＜下部電極＞
下部電極１２は、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、チタニウム（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などの金属単層膜、合金膜あるいは積層膜で形成することができる。もちろん、光透過性が必要な用途などでは、下部電極１２として、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）やＺｎＯを含む透明導電性材料を用いることができる。下部電極の形成方法にも特に制約はなく、真空蒸着法やスパッタ法、めっき法などの公知の成膜方法を用いることができ、通常のフォトリソグラフィ手法により容易にパターン形成できる。また、基板として、ガラスエポキシ基板などの汎用の回路基板を用いることができ、この場合には、下部電極として銅箔を用いても本発明の効果を損なうことはない。
【００２０】
下部電極１２の厚みは、１００ｎｍ（０．１μｍ）から１０μｍ程度が好ましく、後述の誘電体膜で表面段差が平坦化されるのであれば、これより厚くてもよい。また、駆動電極上に誘電体膜を形成した後、ケミカル・メカニカル・ポリッシング（ＣＭＰ）などの手法で平坦化する場合も、駆動電極の厚みはこの範囲で制約されるものではない。
【００２１】
＜誘電体膜＞
誘電体膜１３には、公知の誘電体材料を用いることができ、高分子化合物、無機化合物の各種酸化物、複合酸化物、又は窒化物などの誘電体材料が使用できる。液滴輸送の駆動電圧を低電圧化するためには、誘電体膜１３は、大きい静電容量を有すると同時に、駆動電極１２へのカバレッジ性、十分な絶縁耐圧を備えることが好ましい。これらのことから、誘電体の厚さは１００ｎｍから２μｍの厚みで、特に、酸化ケイ素や酸化アルミニウムなどの比誘電率の高い無機酸化膜材料を用いることが好ましい。
【００２２】
誘電体を高分子化合物で構成する場合には、ディッピング法、スプレーコート法、又はスピンコート法などの公知の成膜方法を用いることができる。また、誘電体を無機化合物で構成する場合には、スパッタ法、原子層堆積（ＡＬＤ）法、化学気相成長（ＣＶＤ）法など、公知の様々な成膜方法を使用することができる。
【００２３】
＜撥水膜（図示せず）＞
また、特に水溶液系の液滴を輸送する場合には、基板表面に撥水膜（図示せず）を形成し、疎水性処理をすることが好ましい。通常のエレクトロウェッティングを用いた液滴輸送装置の場合は、少なくとも液滴の流路にあたる領域には撥水処理がなされている。以降、特に断りが無い限り、液滴の流路にあたる基板表面には撥水膜が形成されているものとする。なお、撥水膜の膜厚に特に制限はないが、均一な撥水効果を得るためには１０ｎｍから２μｍ程度の膜厚が好ましい。もちろん、撥水膜を薄くすれば、より厳密には上記誘電体膜の厚さとの総和が薄ければ、より低電圧での液滴輸送が可能となることは言うまでもない。
【００２４】
撥水膜の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＰＴＦＥ）やＡＦ１６００（デュポン社製）などのフルオロアルキル鎖を有する化合物を使用することができる。一般的に、撥水膜は、フルオロアルキル鎖を有することにより高い撥水性能を発現する。具体的には、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、サイトップ（登録商標）（旭ガラス株式会社製）、又はオプツール（変性パーフルオロポリエーテル）（ダイキン工業株式会社製）などが使用できるが、特に材料を制限するものではない。
【００２５】
また、撥水膜と同様の機能を発現するものとして、フッ化アルキルシラン（ＦＡＳ）などの自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｍｂｌｅｄ  Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）を使用することも可能であり、この場合には厚さはおよそ１ｎｍ程度で、同様の撥水機能を実現できる。
【００２６】
＜液滴＞
液滴２０には、例えば、水や、界面活性剤の水溶液など公知の極性液体を用いることができる。
【００２７】
＜空隙＞
空隙２２は、液滴と交じり合わない液体で満たしても良い。例えば、液滴２０が水溶液系の液滴であるときは、空隙２２をシリコーンオイルなどのオイル系液体で満たしても良い。
【００２８】
＜上部電極＞
上部電極３０には、下部電極１２と同様の材質の電極板を用いることができ、下部基板１２と異なる材質の電極を用いても構わない。また、必要に応じて基板１１と同様の基板（図示せず）を用い、そこへ所望の電極材料を成膜したものを上部電極３０として用いることもできる。さらに、平板状の電極だけでなく、ワイヤー状の電極を上部電極３０として用いてもよい。
【００２９】
上部電極３０の表面は特に何も成膜しなくても構わないが、液滴を介した上部基板３０から下部基板１２への電流リークを防ぐため、および水溶液系の液滴を輸送するために誘電体膜１３、および誘電体膜１３上に成膜した撥水膜と同様の誘電体膜および撥水膜（両者とも図示せず）を上部電極３０上に成膜することが好ましい。なお、前記上部電極３０上の誘電体膜および撥水膜は、誘電体膜１３および誘電体膜１３上に成膜された撥水膜と異なる材料を用いても構わない。
＜帯電手法＞
以下では、単に誘電体膜１３と表記する場合は、誘電体膜１３上に形成された撥水膜（図示せず）も含むことにする。誘電体膜１３を帯電させる前に、イオナイザーなどにより誘電体膜１３の除電を行い、表面電位を面内で一様にしておくことが好ましい。誘電体膜１３に帯電領域を形成する手法としては、一般的に用いられる帯電手法、例えば、コロナ放電や近接放電、磁気ブラシなどを用いた電荷注入や摩擦帯電などといった帯電手法を用いることができる。帯電領域を制御するためには、例えば特許文献２に記載されているように導電性材料により形成されたマスクを誘電体膜１３上に置き、帯電を行えばよい。このとき、前記マスクは接地していることが好ましい。また、誘電体膜１３に感光体材料を用いる場合は、基板一面を前記帯電手法により帯電させ、その後所望の箇所のみに光を照射し、除電を行っても良い。
【００３０】
他にも、特許文献３に記載されているような、イオン性導電性媒体を誘電体膜１３に接触させ、前記媒体に電圧を印加し、イオンを誘電体膜１３に伝達することにより、誘電体膜１３を帯電させてもよい。このときは誘電体膜１３の帯電させたい領域のみに前記媒体を接触させることにより、帯電領域を制御することができる。帯電量は誘電体膜１３の膜厚にもよるが、表面電位が下部電極１２を基準として±１０〜±１００Ｖ程度となっていることが好ましい。
【００３１】
以上の帯電手法により、正または負に帯電した領域と帯電していない領域の３種類の領域を誘電体膜１３上に自由に形成することができる。実施の形態１では、液滴輸送経路上に正または負の帯電領域と非帯電領域が交互に形成されている。それぞれの領域の大きさは液滴と誘電体膜１３との接触面積と同程度が好ましい。また、帯電領域の極性は正でも負でも構わないが、一つの液滴輸送経路上で帯電極性をそろえる必要がある。
【００３２】
＜駆動方法＞
下部電極１２と上部電極３０との間に電圧を印加し、液滴を輸送するが、以下では下部電極１２を基準とした上部電極３０の電位をＶ［Ｖ］とし、帯電領域の下部基板１２を基準とした表面電位をＳ［Ｖ］とする。ここで、帯電領域の表面電位は領域内で表面電位の絶対値が最大となる部分の表面電位と定義する。また、非帯電領域が表面電位を帯びている場合、その表面電位をＳ０［Ｖ］とする。印加する電圧は図３に示すような交流電圧で、交流電圧周期内の最小電圧Ｖ１［Ｖ］と最大電圧Ｖ２［Ｖ］に関して、Ｖ１＜（Ｓ＋Ｓ０）／２＜Ｖ２を満たすような交流電圧とする。波形は矩形波が好ましいが、特に限定されるものではない。周波数は大きいほど液滴の輸送速度を速くすることが出来るが、液滴の動作が追従できる１〜５０Ｈｚ程度が好ましい。電圧印加により空隙２２内に生じる電界に関して、帯電領域１４上の電界強度をＥ１［Ｖ／ｍ］、非帯電領域上の電界強度をＥ２［Ｖ／ｍ］とし、空隙の厚さをｄ［ｍ］とすると、Ｅ１＝（Ｖ−Ｓ）／ｄ、Ｅ２＝（Ｖ−Ｓ０）／ｄとなる。
【００３３】
Ｖ＝Ｖ１［Ｖ］のとき、Ｖ１＜（Ｓ＋Ｓ０）／２であることから、Ｓ＞Ｓ０のときは｜Ｖ１−Ｓ｜＞｜Ｖ１−Ｓ０｜より｜Ｅ１｜＞｜Ｅ２｜、Ｓ＜Ｓ０のときは｜Ｖ１−Ｓ｜＜｜Ｖ１−Ｓ０｜より｜Ｅ１｜＜｜Ｅ２｜が成り立つ。したがって、Ｓ＞Ｓ０のとき液滴は、より電界強度の大きい帯電領域上に移動し、Ｓ＜Ｓ０のときは非帯電領域上に移動する。
【００３４】
同様にＶ＝Ｖ２［Ｖ］のとき、（Ｓ＋Ｓ０）／２＜Ｖ２であることから、Ｓ＞Ｓ０のときは｜Ｖ２−Ｓ｜＜｜Ｖ２−Ｓ０｜より｜Ｅ１｜＜｜Ｅ２｜、Ｓ＜Ｓ０のときは｜Ｖ２−Ｓ｜＞｜Ｖ２−Ｓ０｜より｜Ｅ１｜＞｜Ｅ２｜が成り立つ。したがって、Ｓ＞Ｓ０のとき液滴は、より電界強度の大きい非帯電領域上に移動し、Ｓ＜Ｓ０のときは帯電領域上に移動する。以上より、図３に示すような交流電圧パターン、すなわちＶ１＜（Ｓ＋Ｓ０）／２＜Ｖ２を満たすような交流電圧を印加することにより、液滴を順次輸送することができる。
【００３５】
しかし、以上の形態では液滴が液滴輸送方向の前方に輸送されるか後方に輸送されるかは等確率であり、安定した液滴の一方向輸送を実現することができない。液滴の一方向輸送を実現する方法として、スペーサー２１の高さを調整することにより、楔形素子のように空隙２２の高さを左右で異なるようにするという方法がある。これにより、空隙２２が狭いほど電圧印加による電界強度が大きくなるため、液滴は空隙２２の狭い方に優先的に輸送される。また、他の方法として、図４に示すように帯電領域１４の形状を液滴進行方向に対して前後非対称とすることで、液滴に働く引力に前後非対称性を持たせるという方法もある。例えば、図４に示すような帯電領域１４の液滴輸送方向前後が液滴の形状に沿った円弧型の形状である。Ｓ＞０とし、Ｖ＝Ｖ２が印加されているとすると、液滴はより電界強度の大きい非帯電領域上に存在している方がエネルギー的に安定であるため、図４に示すように帯電領域１４からは完全に離れた状態となっている。この状態からＶ＝Ｖ１とすることで、液滴に帯電領域１４からの引力が働くが、液滴と液滴の進行方向前後（図４では液滴の左右）の帯電領域１４との距離を考えると、図４において液滴の左側の帯電領域１４の方が液滴と最接近している部分が多いため、液滴はこちらの帯電領域からより大きな引力を受け、左方向へ優先的に輸送される。このように、帯電領域１４の形状を前後非対称とすることで、液滴に働く引力を前後非対称とすることができ、一方向輸送が可能となる。
【００３６】
また、下部電極１２は図２に示すように、液滴輸送経路上のみに配置するべきである。これは、下部電極１２が液滴輸送経路の左右にも広がって配置されていた場合、液滴が帯電領域１４から非帯電領域へ移動しようとしたとき、すなわちＳ＞０でＶ＝Ｖ２を印加したとき、またはＳ＜０でＶ＝Ｖ１を印加したとき、液滴は帯電領域１４から非帯電領域に移動しようとするが、非帯電領域が帯電領域１４の前後左右全ての方向に配置されることになり、輸送経路を外れてしまう可能性があるためである。なおこの際、上部電極３０の形状は限定されず、液滴輸送経路の左右に広がっていても良い。あるいは、上部電極３０を液滴輸送経路上のみに配置した場合は、下部電極１２は液滴輸送経路の左右に広がっていても良い。
【００３７】
＜配線＞
図５および図９はそれぞれ、実施の形態１および従来例における液滴輸送装置の下部基板の上面模式図と駆動制御装置４２を接続する配線を示したものである。なお、上部基板は従来例においても電極数は１あるいは不必要であり、電極配線の複雑さを説明するには下部基板の配線のみに着目すれば十分であるため、ここでは上部基板の配線は省くことにする。実施の形態１では１つの液滴輸送経路上に下部電極１３は１つでよいため、下部基板内の配線１７や電極取出し口１８もそれぞれ１つずつあればよい。さらに、駆動制御装置４２と液滴輸送装置１０を接続するため、電極取出し口１８に銅線などの一般的な導線である配線４１をワイヤーボンディングやはんだ付けなどの方法により１本のみ取り付ける。なお、駆動制御装置４２は下部電極１３に所望の電圧を印加するための装置であり、交流電圧源、電圧印加のＯＮ／ＯＦＦ制御などを行う駆動回路、駆動回路を制御するためのコンピューターなどから構成される。
【００３８】
これに対し、例えば特許文献４に示すような従来例では、図９に示すように液滴輸送経路上に液滴と基板との接触面積と同程度の大きさの下部電極５２を敷き詰める必要があり、基板内の配線５３や電極取出し口５４も下部電極５２と同数だけ必要になる。そのため、基板内の配線が複雑になり、多層配線基板が必要となる場合もある。また、電極取り出し部５４と駆動制御装置４２を接続する配線４１も下部電極の数だけ必要となり、その分、配線４１と電極取り出し部５４を接続する工数も必要となる。さらに、駆動制御装置４２では各下部電極５２への電圧印加パターンを精密に制御する必要があるため、駆動制御装置４２に含まれる駆動回路やそれを制御する駆動プログラムが複雑なものとなる。
【００３９】
以上のことから実施の形態１では、従来の液滴輸送装置に比べ、配線数を少なくすることができ、それにより液滴輸送経路の長距離化を容易に実現でき、製造コスト・工数削減も可能であることが明らかである。
【００４０】
（液滴が動く原理）
帯電領域１４の表面電位Ｓ［Ｖ］と非帯電領域の表面電位Ｓ０［Ｖ］の間にＳ＞Ｓ０という関係が成り立つ場合に関して、液滴が輸送される原理を説明する。まず、図１０（Ｂ）のように下部電極１２と上部電極３０はスイッチ４３により切り離されており、かつ液滴２０が帯電領域１４上に存在するとする。ここへ図１０（Ａ）に示す矩形波交流電圧を交流電源４４により印加し、スイッチ４３を閉じる。なお、ここで示す印加電圧値はすべて下部電極１２に対する上部電極３０への印加電圧である。電圧印加により空隙２２内に電界が生じると、液滴２０内の分子の分極が向きをそろえる、またはイオンなどの電荷が引き寄せられることにより液滴と上下基板間には引力が働く。なお、図１０において、電気力線２３は矢印の向きが電界の向きを表し、矢印の密度が電界の強度を表している。今、交流電源４４によりＶ１［Ｖ］が印加されたとすると（例えば図１０（Ａ）の点Ｐ）、＜駆動方法＞の項でも述べたように、帯電領域１４上の電界強度｜Ｅ１｜が非帯電領域上の電界強度｜Ｅ２｜よりも大きくなる。そのため、非帯電領域よりも帯電領域１４上で液滴はより大きな引力を上下基板から感じるため、液滴は帯電領域１４上に留まる。同時に、液滴２０が上下基板から引力を感じることで、液滴２０と基板との接触角が小さくなり、液滴２０は図１０（Ｃ）に示すように変形する。
【００４１】
図１０（Ｃ）の状態から印加電圧がＶ２［Ｖ］となったとき（例えば図１０（Ａ）の点Ｑ）、＜駆動方法＞の項でも述べたように、｜Ｅ１｜＜｜Ｅ２｜となる。そのため、液滴２０は帯電領域１４よりも非帯電領域の上下基板からより大きな引力を感じるため、液滴形状は図１０（Ｄ）のように帯電領域１４上よりも非帯電領域上でより小さな接触角となりながら、液滴２０は非帯電領域に移動する。そして、図１０（Ｅ）に示すように液滴全体が非帯電領域内に入ると、液滴形状は図１０（Ｃ）と同様の形状、すなわち液滴２０と基板との接触角が電界無印加時よりも小さくなったような形状となる。このように、液滴は帯電領域１４から非帯電領域へと移動する。また、同様の原理で図１０（Ｅ）の状態から印加電圧をＶ１［Ｖ］とすることで液滴２０は非帯電領域から帯電領域１４へと移動する。ただし、このとき液滴が図１０において左右のどちらへ移動するかは等確率であるため、＜駆動方法＞の項でも述べたように楔形の素子構造にする、あるいは帯電領域の形状を液滴進行方向に対して前後非対称にするなどの工夫が液滴を一方向に優先的に移動させるためには必要である。
【００４２】
（実施の形態２）
図６および図７はそれぞれ、本発明の実施の形態２における他の液滴輸送装置の断面模式図および上面模式図を示したものである。図６および図７に示す液滴輸送装置１０は基板１１と、駆動電極１２と、前記駆動電極を覆うように形成された誘電体膜１３と、液滴２０と、上部電極３０とそれを狭支するスペーサー２１を備えている。なお、誘電体膜１３上には正に帯電した領域１５と負に帯電した領域１６が交互に形成されており、正帯電領域１５の表面電位をＳｐ［Ｖ］、負帯電領域１６の表面電位をＳｎ［Ｖ］とする。下部電極１２を基準とした上部電極３０の電位をＶ［Ｖ］とし、前記両電極間に印加する電圧は図８に示すような交流電圧で、交流電圧周期内の最小電圧Ｖ１［Ｖ］と最大電圧Ｖ２［Ｖ］に関して、Ｖ１＜（Ｓｐ＋Ｓｎ）／２＜Ｖ２を満たすような交流電圧とする。波形は矩形波が好ましいが、特に限定されるものではない。周波数は液滴の動作が追従できる１〜５０Ｈｚ程度が好ましい。電圧印加により空隙２２内に生じる電界に関して、正帯電領域１５上の電界強度をＥｐ［Ｖ／ｍ］、非帯電領域上の電界強度をＥｎ［Ｖ／ｍ］とし、空隙の厚さをｄ［ｍ］とすると、Ｅｐ＝（Ｖ−Ｓｐ）／ｄ、Ｅｎ＝（Ｖ−Ｓｎ）／ｄとなる。
【００４３】
Ｖ＝Ｖ１［Ｖ］のとき、Ｖ１＜（Ｓｐ＋Ｓｎ）／２であることから、｜Ｖ１−Ｓｐ｜＞｜Ｖ１−Ｓｎ｜より｜Ｅ１｜＞｜Ｅ２｜が成り立つ。したがって液滴は、より電界強度の大きい正帯電領域１５上に移動する。
【００４４】
Ｖ＝Ｖ２［Ｖ］のとき、（Ｓｐ＋Ｓｎ）／２＜Ｖ２であることから、｜Ｖ２−Ｓｐ｜＜｜Ｖ２−Ｓｎ｜より｜Ｅ１｜＜｜Ｅ２｜が成り立つ。したがって液滴は、より電界強度の大きい負帯電領域１６上に移動する。以上より、図８に示すような交流電圧パターン、すなわちＶ１＜（Ｓｐ＋Ｓｎ）／２＜Ｖ２を満たすような交流電圧を印加することにより、液滴を順次輸送することができる。
【００４５】
また、この場合も液滴が液滴輸送方向の前方に輸送されるか後方に輸送されるかは等確率であり、安定した液滴の一方向輸送を実現することができないため、前述と同様にスペーサー２１の高さを調整することで、空隙２２の狭い方に優先的に液滴を輸送する方法や、正帯電領域１５および負帯電領域１６の形状を液滴輸送方向に対して前後非対称にする方法により液滴を一方向に輸送することができる。
【００４６】
なお、本実施の形態では、実施の形態１のときのように下部電極１３の配置を液滴輸送経路上のみに限定する必要は無く、下部電極１３は液滴輸送経路の左右に広がっていても良い。これは、Ｖ−Ｓｐ＜Ｖ＜Ｖ−Ｓｎであり、｜Ｖ−Ｓｐ｜、｜Ｖ｜、｜Ｖ−Ｓｎ｜の中で｜Ｖ｜が最大となることはないため、正帯電領域１５または負帯電領域１６のどちらかの電界強度は、非帯電領域、すなわち液滴輸送経路外の領域の電界強度よりも常に大きくなるためである。したがって液滴は、常に正帯電領域１５または負帯電領域１６から静電引力を受けるため、液滴輸送経路の左右に下部電極１３が存在していても良い。同様に、上部電極３０の形状も限定されず、液滴輸送経路の左右に広がった形状となっていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る液滴輸送装置は、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部駆動電極の少なくとも一部を覆うように形成された誘電体膜と、上部電極と、前記基板と前記上部電極の間に挟持されたスペーサーとを備え、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することにより液滴を輸送する液滴輸送装置であって、前記誘電体膜の少なくとも一部が帯電した構成となっているため、複数の電極を前記基板上に配置する必要が無く、素子構造だけでなく、駆動電極と駆動電圧源とを接続する配線や電圧印加のために必要な駆動回路や駆動プログラムを簡素化することができ、製造工数を少なくしつつ信頼性の高い液滴輸送装置を提供することができる。
【００４８】
また、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部駆動電極の少なくとも一部を覆うように形成された誘電体膜と、上部電極と、前記基板と前記上部電極の間に挟持されたスペーサーとを備え、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することにより液滴を輸送する液滴輸送装置であって、液滴輸送経路上の誘電体膜の少なくとも一部を帯電させ、前記帯電の前記下部電極に対する表面電位の最大・最小値の平均値をまたぐような交流電圧を前記下部電極と前記上部電極間に印加する液滴輸送装置の駆動方法を採用することにより、帯電を利用した信頼性の高い液滴輸送装置を提供することができる。
【００４９】
上記の開示内容から導出される発明は以下の通りである。
【００５０】
液滴輸送装置を用いて有極性液滴を輸送する方法であって、以下の工程を具備する：
以下を具備する液滴輸送装置を用意する工程（ａ）、
上部電極層、
１つの下部電極層、および
電源、ここで、
前記上部電極層は前記１つの下部電極層に前記電源を介して電気的に接続されており、
前記１つの下部電極および前記上部電極の間に誘電体膜が挟まれており、
前記誘電体膜および前記上部電極の間に流路が挟まれており、
第１の帯電領域、第１の非帯電領域、および第２の帯電領域が、前記液滴の輸送方向に沿って前記誘電体膜上に配置されており、
前記工程（ａ）の後、前記第１の帯電領域上に有極性液滴を配置する工程（ｂ）、
前記工程（ｂ）の後、前記電源を用いて、前記上部電極および前記１つの下部電極の間に電位差Ｖａを印加して、前記第１の帯電領域から前記第１の非帯電領域に移動させるように前記有極性液滴を前記流路内で輸送させる工程（ｃ）、
ここで、以下の関係（Ｉ）が充足される：
Ｖａ＜（Ｓ＋Ｓ０）／２    （Ｉ）
ここで、
Ｓ０は、前記１つの下部電極を基準とした前記第１の非帯電領域の表面電位の値を表し、
Ｓは、前記１つの下部電極を基準とした前記第１の帯電領域および前記第２の帯電領域の表面電位の値を表し、
前記工程（ｃ）の後、前記電源を用いて、前記上部電極および前記１つの下部電極の間に電位差Ｖｂを印加して、前記第１の非帯電領域上から前記第２の帯電領域上に移動させるように前記有極性液滴を前記流路内で輸送させる工程（ｄ）。
【００５１】
ここで、以下の関係（ＩＩ）が充足される：
Ｖｂ＞（Ｓ＋Ｓ０）／２    （ＩＩ）
【符号の説明】
【００５２】
１０  液滴輸送装置
１１  基板
１２  下部電極
１３  誘電体膜
１４  誘電体膜の帯電領域
１５  誘電体膜の正帯電領域
１６  誘電体膜の負帯電領域
１７  基板内の配線
１８  電極取り出し部
２０  液滴
２１  スペーサー
２２  空隙
３０  上部電極
４１  液滴輸送装置と駆動制御部を接続する配線
４２  駆動制御装置
５０  従来の液滴輸送装置
５１  従来の液滴輸送装置における誘電体膜
５２  従来の液滴輸送装置における下部電極
５３  従来の液滴輸送装置における基板内の配線
５４  従来の液滴輸送装置における電極取り出し部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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