攪拌素子、攪拌方法、電気化学デバイス及びフローデバイス
【課題】液体にコンタミネーションの問題を生じることなく、単純な構造で効率良い攪拌処理を可能とする撹拌素子及び撹拌方法、撹拌素子を備えた電気化学デバイス、フローデバイス及び電気化学測定方法を提供する。
【解決手段】圧電基板１と、圧電基板１の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン２（ただし櫛歯形状を除く。）とを備える。電極パターン２を構成する辺のうち１辺のみが、他方の電極パターン２における対応する辺に近接対向する。電極パターン２の少なくとも互いに近接対向する対向部２ａの形状が長方形状であり、対向部２ａの長辺が互いに近接対向するとともに略平行に配置されている。
【解決手段】圧電基板１と、圧電基板１の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン２（ただし櫛歯形状を除く。）とを備える。電極パターン２を構成する辺のうち１辺のみが、他方の電極パターン２における対応する辺に近接対向する。電極パターン２の少なくとも互いに近接対向する対向部２ａの形状が長方形状であり、対向部２ａの長辺が互いに近接対向するとともに略平行に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を攪拌するための攪拌素子、及び前記攪拌素子を用いた攪拌方法に関する。また、本発明は、前記攪拌素子を備える電気化学デバイス、及び前記攪拌素子を備えるフローデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体試料の電気化学的測定においては電極表面の近傍数十Åまでの酸化還元反応しか検出できない。このため、液体試料全体について検出を行う場合には、液体を攪拌することによって液体中の電気化学的に活性な物質を電極表面に供給する必要がある。液体を攪拌する方法としては、液体中にプロペラ状や磁石を封入した棒状の攪拌子を入れ、その攪拌子を回転させる方法が一般的に知られている。しかし攪拌子を用いる方法においては、液体に攪拌子を入れる必要があるため操作が煩雑になるばかりか、コンタミネーションの問題も生じる。
【０００３】
そこで、攪拌子を用いることなく液体を攪拌処理するための装置が各種提案されている。例えば超音波を利用する技術として、圧電デバイスにより超音波を発生させて攪拌混合を行う分析装置が特許文献１及び特許文献２に記載されている。また、圧電デバイスを攪拌混合に用いる機器が特許文献３に記載されている。
【０００４】
一方、固体の表面に櫛歯電極を設けてなる弾性表面波素子（sueface acoustic wave device（SAW））を利用して攪拌混合を行う技術が、特許文献４〜特許文献７に記載されている。例えば特許文献４には、液体が流入する流路の周壁の外側の少なくとも一面に櫛歯電極を備えた攪拌素子が記載されている。特許文献５及び特許文献６には、櫛歯電極を備えた音波発生部材（弾性表面波素子）が一体に設けられた攪拌容器が記載されている。特許文献７には、音波発生体から発生した音波を伝達するとともに少なくとも一部が液体と接触し、液体に向けて音波を放出する伝達部を有する液体攪拌デバイスが記載されている。特許文献４〜特許文献７において用いられる弾性表面波素子は、外部から入力された電気信号を弾性表面波に変換し、固体表面を振動させることにより目的の液体を攪拌している。さらに、特許文献８には、溶液の攪拌が可能な表面弾性波素子及びこれを備えたバイオセンサー装置が記載されている。
【特許文献１】国際公開第０１／０７７６９１号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−２４２１７７号公報
【特許文献３】特開２００５−３１９４０７号公報
【特許文献４】特開２００５−１６４５４９号公報
【特許文献５】特開２００６−０９０７９１号公報
【特許文献６】特開２００６−１１９１２５号公報
【特許文献７】特開２００５−２５７４０６号公報
【特許文献８】特開２００５−３５１７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２記載の発明では、攪拌したい液体を容器に入れ、さらに水を媒体としてその容器に超音波を照射するような構造であるため、装置の構造が複雑且つ大型になってしまう。また、特許文献１及び特許文献２記載の発明では、液体と圧電デバイスとの配置を工夫しなければならない。特許文献３で用いる圧電デバイスは、板状の圧電材料を一対の電極で挟み込んだ構成を有しており、本発明に係る攪拌装置とは構成が異なる。また、基板に載せた少量の液滴の攪拌には応用が難しい。
【０００６】
特許文献４〜特許文献７記載の発明においては、弾性表面波を発生させるための櫛歯電極を例えば数十μｍピッチで数μｍ精度の非常に微細なパターンに形成しなければならないため、作製にはＥＢ（Electron Beam）描画装置のような高価な装置が必要である。また、特許文献４〜特許文献７記載の発明において利用する弾性表面波のエネルギーは固体表面に集中するため、例えば電極と反対面に配置した液体を攪拌するために固体基板を透過させた場合、減衰する可能性がある。なお、特許文献４〜特許文献７では、音波発生手段として櫛歯電極を備える弾性表面波素子しか例示されておらず、弾性表面波素子以外の音波発生手段の具体的な構成は不明である。さらに、特許文献８においても、攪拌のための縦波用励振部として、幅及び間隔がそれぞれ１０μｍの微細な櫛形電極しか記載されていない。
【０００７】
本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、液体にコンタミネーションの問題を生じることなく、単純な構造で効率良い攪拌処理が可能な攪拌素子及び攪拌方法を提供することを目的とする。また、本発明は、前記攪拌素子を備えた電気化学デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、前記攪拌素子を備えたフローデバイスを提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記攪拌素子を用いた電気化学測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するために本発明者らが検討を重ねた結果、圧電基板の同一面上に単純な形状の電極パターンの対を配置し、交流電場を印加することにより、液体の攪拌に十分な機械的振動を得られることを見いだし本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係る攪拌素子は、圧電基板と、前記圧電基板の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
以上のような攪拌素子の電極パターン間に交流電場を印加すると、対向する電極それぞれに逆向きの力が作用することで圧電基板に振動が発生するため、これを液体に伝搬させて液体の攪拌を行う。圧電基板上に形成する電極パターンを微細で複雑な櫛歯形状以外の形状としたので、弾性表面波を利用するために微細な櫛歯電極を有する従来の攪拌素子に比較して、素子構造が単純なものとなる。また、本発明においては弾性表面波を利用しないので、弾性表面波素子に場合に比べてエネルギーの伝搬効率に優れ、効率良い攪拌が実現される。
【００１０】
本発明に係る攪拌方法は、前記攪拌素子を用い、前記攪拌素子を構成する前記圧電基板の前記電極パターンが形成された主面と反対の主面側に攪拌する液体を配置することを特徴とする。電極パターンと反対側に攪拌する液体を配置することにより、電極パターンの汚染又は破損を防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係る攪拌方法は、前記攪拌素子を用いて液滴を攪拌することを特徴とする。前記攪拌素子を構成する電極パターンは、微細な櫛歯形状以外の単純な構造とされているため、素子の小型化が容易である。したがって、微少量の液滴の攪拌を実現することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る攪拌方法は、前記攪拌素子を用い、容器に収容された液体を攪拌することを特徴とする。前記攪拌素子によれば、素子上に滴下した液滴のみならず、容器に収容された液体の攪拌も可能である。
【００１３】
本発明に係る電気化学デバイスは、圧電基板と、前記圧電基板の面上に絶縁材料層を介して設けられた電気化学検出用電極パターンと、前記圧電基板の前記電気化学検出用電極パターンとは反対側の面上に設けられた前記圧電基板の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする。
以上の電気化学デバイスによれば、電気化学測定と同時に液体を攪拌することができるため、検出時間の短縮を図ることができる。また、構造が単純であるため、デバイスの大型化を招くことがない。
【００１４】
本発明に係るフローデバイスは、断面１０ｍｍ２以下の微小流路を備え、前記微小流路中を液体が送液されるフローデバイスであって、前記攪拌素子が前記微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に配置されることを特徴とする。
微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に前記攪拌素子を配置することにより、微小流路内の液体の送液と攪拌とを同時に行うことができる。また、前記攪拌素子は単純な構造であるため、攪拌素子を集積してもフローデバイスの大型化を抑えることができる。
【００１５】
本発明に係る電気化学測定方法は、前記攪拌素子のいずれかの面上に電気化学検出用電極パターンを備える電気化学デバイスを載せ、電気化学検出と液体の攪拌とを同時に行うことを特徴とする。
電気化学デバイス上の液体試料を攪拌しながら電気化学検出を行うので、液体試料全体について検出を行う必要がある場合、測定時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、弾性表面波素子に比べて電極パターンの形状が単純化され製造コストが安価でありながら、効率よい攪拌処理を実現することができる。また、構造が単純であるため、液滴のような少量の液体の攪拌も容易に行うことができる。加えて、攪拌子を利用しないので、コンタミネーションの問題を発生させることもなく、また、装置の小型化も容易である。
【００１７】
また、本発明によれば、構造が単純であるため製造コストが安価であり、また、攪拌と測定とを同時に実現できることから、短時間での検出が可能な電気化学デバイスを提供することができる。また、本発明によれば、微少量の液体の送液と攪拌とを同時に実現可能なフローデバイスを提供することができる。さらに、前記攪拌素子は、入力する電力を高めることにより加湿器やネブライザーへの応用が可能であり、さらに入力電力を高めることにより、ポンプやインクジェットプリンタへの応用も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した攪拌素子、攪拌方法、電気化学デバイス、フローデバイス及び電気化学測定方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
先ず、本発明を適用した攪拌素子の一例について、図１〜図４を参照して説明する。本発明を適用した攪拌素子は、圧電基板と、圧電基板の同一面上に配置された、近接対向する一対の電極パターンとを有して構成される。電極パターンの形状は長方形状や正方形等の多角形状、円形状、円環状等、種種に設定することができるが、本発明では、弾性表面波を発生する微細な櫛歯状（Interdigital Transducer：IDT）は除外する。なお、以下では振動用電極パターンの形状及び配置について具体的に説明するが、これらは単なる例示であり、櫛歯状を除いては種種の形状に設定することができる。
【００２０】
図１に示す攪拌素子においては、平板状の圧電基板１の一方の主面Ａ上に、一対の電極パターン（以下、振動用電極パターンと称する。）２が設けられている。圧電基板１は例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の圧電材料から構成される。圧電基板１の厚みは例えば５２０μｍ〜５３０μｍである。
【００２１】
振動用電極パターン２は金等の導電性材料から構成される。図１中の振動用電極パターン２は、他方の振動用電極パターン２と最も近接対向する部分である長方形状の対向部２ａと、対向部２ａから互いに離隔する方向に延び、対向部２ａより幅狭の端子部２ｂとから構成される。端子部２ｂは交流電源に接続される。振動用電極パターン２においては、対向部２ａを構成する辺のうち１辺のみが、他方の電極パターン２における対応する辺に近接対向している。本発明の攪拌素子では振動用電極パターン２間の距離を対向部２ａ間で最も狭くし、ここで圧電基板１に変形を発生させる。したがって、対向部２ａ同士の間隔Ｇ１を端子部２ｂ同士の間隔Ｇ２以下、すなわちＧ１≦Ｇ２に設定する。より好ましくはＧ１＜Ｇ２に設定する。
【００２２】
長方形状の対向部２ａは、その長辺が近接対向するとともに略平行となるように配置されている。対向部２ａの長辺同士を近づけ、且つ、略平行に配置することにより、大きな機械的振動が得られる。なお、本発明において長辺が略平行に配置されるとは、完全に平行である必要はなく、僅かな傾きは許容されることを意味する。しかし、傾きの大きさに比例して効率が低下することから、例えば±５°以内の傾きに抑えることが好ましい。
【００２３】
図１に示す振動用電極パターン２の対向部２ａ同士の間隔Ｇ１は例えば１０ｍｍ以下とされる。長方形状の対向部２ａの寸法は、例えば短辺方向の長さである電極幅Ｗが５０ｍｍ以下、長辺方向の長さ電極長Ｌが１００ｍｍ以下程度とされる。
【００２４】
対向部２ａの電極幅Ｗは、対向部２ａ同士の間隔Ｇ１と同じかそれより大きいことが好ましい。すなわちＷ≧Ｇ１の関係にあることが好ましい。電極幅Ｗを間隔Ｇ１と同じかそれより大きく設定することにより、大きな出力が得られるからである。
【００２５】
図１に示す攪拌素子の振動用電極パターン２間に圧電基板１の厚みで決まる周波数（例えば３２ＭＨｚ〜３４ＭＨｚ）の交流電場を印加すると、圧電基板１のうち振動用電極パターン２とその周辺領域に振動が生じるので、この振動を液体に伝搬させ、液体を攪拌する。
【００２６】
本発明の攪拌素子は、０．１μｌ〜１００μｌ程度の微少量の液滴の攪拌に用いられて好適である。例えば図２に示すように、振動用電極パターン２が形成された主面Ａを下方に向け、反対側の主面Ｂ上の振動用電極パターン２と重なる位置に攪拌したい液滴Ｌを置き、振動用電極パターン２に交流電場を印加すると、振動用電極パターン２とその周辺に振動が生じ、液滴Ｌに伝搬するので、液滴Ｌを攪拌することができる。なお、圧電基板１の汚れを防ぐために、図３に示すように例えばシリコン基板等の薄板１１を介して液滴Ｌを圧電基板１の主面Ｂ上に置いてもよい。ただし、図３に示す場合にはシリコン基板等の薄板１１と圧電基板１とで音響インピーダンスのマッチングを取る必要があるため、例えば圧電基板１上に超音波カップリングゲルを塗布し、その上に薄板１１を載せることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の攪拌素子は、容器に収容した液体を攪拌することもできる。図４に示すように、圧電基板１の振動用電極パターン２と反対側の主面Ｂ上に攪拌したい液体Ｌを収容した容器１２を置き、交流電場を印加すると、振動用電極パターン２とその周辺領域振動が生じ、容器１２を介して液体Ｌに振動が伝搬するので、液体Ｌを攪拌することができる。この場合も、前述と同じく、圧電基板１と容器１２の音響インピーダンスマッチングを取る必要がある。
【００２８】
攪拌させる液体は、圧電基板１の主面Ａ、主面Ｂのいずれに配置してもよいが、圧電基板１の振動用電極パターン２と反対側の主面Ｂ側に配置することが好ましい。攪拌させる液体を液滴の状態で攪拌素子上に載せる場合には、液体が振動用電極パターン２に直接接触することに起因する振動用電極パターン２の汚染を回避できるからである。また、攪拌させる液体を容器に収容した状態で攪拌素子上に載せる場合には、容器との摩擦に起因する振動用電極パターン２の破損を回避できるからである。
【００２９】
次に、本発明の攪拌素子が有する振動用電極パターン２の変形例について説明する。例えば図５に示すように、図１に示す振動用電極パターン２から端子部２ｂを取り除いた長方形状の対向部のみからなるような形状でもよい。ただし、対向部に対応する部分の形状及び配置が同一である場合には、図１に示すように端子部を備える形状の方が、端子部の無い振動用電極パターンに比べて大きな振動を得ることができる。
【００３０】
また、近接対向する振動用電極パターン２の対が組み合わされて配置されてもよい。例えば図６に示すように、振動用電極パターン２の対が互いに直交するように配されてもよい。
【００３１】
さらに、図７に示すように、一方の振動用電極パターン２を円形状、他方の振動用電極パターン２を円環状とし、これらを同心円状に配置してもよい。なお、少なくとも外側の振動用電極パターンが環状であれば、内側の振動用電極パターンは円形状、円環状のいずれでもよい。
【００３２】
振動用電極パターンを同心円状に配置する場合において、外側に配置する環状の振動用電極パターン２の径方向長さをＤ、振動用電極パターン２同士の間隔をＧ３としたとき、Ｄ≧Ｇ３の関係にあることが好ましい。これにより、振動用電極パターン２同士の間隔Ｇ３が振動用電極パターン２の径方向長さＤより大きい場合（Ｄ＜Ｇ３）に比較して、大きな振動が得られる。
【００３３】
次に、本発明を適用した攪拌素子の変形例について、図８を参照して説明する。同図に示す攪拌素子においては、１枚の圧電基板１の同一面上に１対の互いに近接対向する振動用電極パターン２が所定の間隔を有してマトリクス状に複数配列されている。同図に示す攪拌素子は、平板状のプレート２２に複数の凹部２３がマトリクス状に形成されたマイクロプレート２１の、凹部２３内に収容された液体Ｌの攪拌に用いられて好適である。図９に示すように、マイクロプレート２１の凹部２３に重なるように振動用電極パターン２の位置及び数を設定しておけば、複数の凹部２３内の液体Ｌを同時に攪拌できるため、攪拌処理を短時間で完了させることができる。なお、本例では振動用電極パターン２の対がマトリクス状に配置された攪拌素子を示したが、振動用電極パターン２の対の配置及び数はこれに限らず任意に設定することができる。
【００３４】
以下、本発明の攪拌素子を備えた攪拌機能付き電気化学デバイスについて、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００３５】
図１０及び図１１に示すプレーナ形の電気化学デバイス５１においては、短冊状の圧電基板５２の表面Ａ上に、絶縁材料層５９を介して、例えばカーボンペースト等の導電性ペーストを印刷してなる導電性パターンが３つ独立して形成されている。各導電性パターンの一端は電気化学測定用の測定電極パターンである作用極５３、対極５４及び参照極５５を構成し、他端はコネクタとの接続部である端子部とされている。プレーナ形印刷電極デバイス５１においては、レジストからなる絶縁被膜５６に設けられた略円形の開口部５６ａの内側に作用極５３が露出し、作用極５３の外周の少なくとも一部を取り囲むように対極５４が配置される。また、絶縁被膜５６に設けられた矩形状の開口部５６ｂに露出するように参照極５５が配置される。この電気化学デバイス１においては、作用極５３、絶縁被膜５６及び圧電基板５２の各表面における疎水性の差を利用して、作用極５３上であって絶縁被膜５６の開口部５６ｂの内側に測定対象の液滴が載るようになっている。作用極５３、対極５４及び参照極５５が形成された端部とコネクタ側との端部との間には、絶縁被膜５６より疎水性の高い表面を有する帯状のダム構造部材５７が印刷電極デバイス５１のほぼ全幅に亘って絶縁被膜５６上に積層されている。これにより、作用極５３等の測定電極パターン上に置かれた液体がコネクタとの接続部分へ到達することを防いでいる。なお、本例においては圧電基板５２の表面Ａの全面に絶縁材料層５９を形成しているが、絶縁材料層５９は電気化学測定用の測定電極パターンである作用極５３、対極５４及び参照極５５下に少なくとも存在していればよい。
【００３６】
一方、圧電基板５２の裏面Ｂには、互いに対向近接する一対の振動用電極パターン５８が形成されている。この振動用電極パターン５８は、他方の振動用電極パターン５８と近接対向する長方形状の対向部５８ａと、対向部５８ａから互いに離隔し且つコネクタとの接続部分方向へ延びる端子部５８ｂとから構成される。振動用電極パターン５８の対向部５８ａで挟まれる領域は、表面Ａ側に設けられた作用極５３と平面視で重なる位置に配置される。
【００３７】
この電気化学デバイスを用いて電気化学測定を行う際、裏面Ｂ側の振動用電極パターン５８間に交流電場を印加することにより、圧電基板５２の対向部５８ａで挟まれる領域に振動を生じさせる。生じた振動が表面Ａ側の作用極５３上に置いた液滴に伝搬するので、液滴を攪拌しながら電気化学測定を行うことが可能となる。
【００３８】
なお、前述の電気化学デバイスは、電気化学検出と液体の攪拌との同時処理を、電気化学検出用電極パターンと振動用電極パターンとで支持基板（圧電基板）を共有する構成によって実現したものであるが、電気化学デバイスと攪拌素子とを別個のデバイスとした場合であっても同様に実現できる。図１２に示すように、図１に示す構成の攪拌素子の裏面Ｂ上に電気化学デバイスを載せることにより、電気化学デバイスの電気化学検出用パターン上の液滴を攪拌しながら電気化学測定を行うことができる。用いる電気化学デバイスとしては特に限定されないが、例えば図１０に示す平面形状を有するプレーナ形電気化学デバイスを用いることができる。ただし、本例の場合、電気化学デバイスを構成する基板５２は圧電基板である必要はなく、例えば絶縁材料からなる支持基板でよい。なお、攪拌素子と電気化学デバイスとの間に音響インピーダンスをマッチングさせるためのカップリングゲルを介在させることが好ましい。
【００３９】
本発明の攪拌素子は、前述の電気化学デバイスに限定されることなく、様々なデバイスに応用することが可能である。例えば、断面１０ｍｍ２以下の微小流路を備えるフローデバイスに適用して好適である。フローデバイスにおいて微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に、本発明に係る攪拌素子を設けることにより、微小流路内に液体を送液しながら、当該液体に対して攪拌を行うことができ、均一な処理又は反応が可能となる。
【００４０】
さらに、本発明の攪拌素子に入力する電力を上げることによって、素子上に滴下した液体の表面が盛り上がり、その盛り上がった液滴に表面波が発生し液滴の噴霧化が起こる。これを利用することによって、加湿器やネブライザーを構成することが可能である。さらに、出力を大きくすると液滴がデバイス中心部から垂直方向に飛散するため、ポンプやインクジェットを構成することも可能である。
【００４１】
なお、前述の実施形態においては、攪拌素子における振動用電極パターンの形状及び配置について図を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の振動用電極パターンの形状及び配置は、弾性表面波を発生する微細な櫛歯状の電極を除いては、少なくとも近接対向する一対の振動用電極パターンを有していれば任意に設定可能である。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明を適用した実施例について実験結果に基づいて説明する。
【００４３】
（実施例１）
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる圧電基板と、一対の振動用電極パターンとからなる攪拌素子を作製した。圧電基板の厚みは０．５ｍｍである。振動用電極パターンは基板側から厚み１００ｎｍのクロム（Ｃｒ）と、厚み３００ｎｍの金（Ａｕ）とが積層されてなる。本例の振動用電極パターンの形状を図１３（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ３ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。
【００４４】
次に、振動用電極パターンの形成面と反対側の面に、振動用電極パターンの対と重なるように２００μｌの水滴を置いた。その後、振動用電極パターン対にバイポールの３３．４ＭＨｚ，１５Ｗのパルス信号を入力して水滴を攪拌した。攪拌中の水滴の写真を図１３（ｂ）に示す。
【００４５】
（実施例２）
振動用電極パターンの平面形状を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１４（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ２ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１４（ｂ）に示す。
【００４６】
（実施例３）
振動用電極パターンの平面形状を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１５（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１５（ｂ）に示す。
【００４７】
（実施例４）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１６（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は０．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１６（ｂ）に示す。
【００４８】
（実施例５）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１７（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１７（ｂ）に示す。
【００４９】
（実施例６）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１８（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅２ｍｍ、長さ２ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１８（ｂ）に示す。
【００５０】
（実施例７）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１９（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、直径２ｍｍの円形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１９（ｂ）に示す。
【００５１】
（実施例８）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、入力した電力が１０Ｗであること以外は実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例において入力電圧を実施例１より小さくした理由は、本例の振動用電極パターンは振動効率が高く、小さい入力電圧で大きな出力が得られるからである。本例の振動用電極パターンの形状を図２０（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、一方が直径１ｍｍの円形状、他方が幅１ｍｍの円環状である。これら振動用電極パターンは同心円状に配置した。振動用電極パターン間の距離は０．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図２０（ｂ）に示す。
【００５２】
（実施例９）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、入力した電力が１０Ｗであること以外は実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例において入力電圧を実施例１より小さくした理由は、本例の振動用電極パターンは振動効率が高く、小さい入力電圧で大きな出力が得られるからである。本例の振動用電極パターンの形状を図２１（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、一方が内径１ｍｍであり幅０．５ｍｍの円環状、他方が幅０．５ｍｍの円環状である。これら振動用電極パターンは同心円状に配置した。振動用電極パターン間の距離は０．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図２１（ｂ）に示す。
【００５３】
（実施例１０）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図２２（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、一方が直径１ｍｍの円形状、他方が幅０．５ｍｍの円環状である。これら振動用電極パターンは同心円状に配置した。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図２２（ｂ）に示す。
【００５４】
以上の実施例１〜実施例１０のいずれにおいても、近接対向する振動用電極パターンで挟まれる領域の圧電基板に振動が生じており、素子上に置いた水滴を攪拌することができた。
【００５５】
また、振動用電極パターンの長さが異なる実施例１〜実施例３（図１３〜図１５）で出力を比較したところ、実施例１が最も強く、実施例３が最も弱かった。振動用電極パターン間の距離を異ならせた実施例４（図１６）と実施例５（図１７）とで出力を比較したところ、パターン間隔の狭い実施例４でより強い出力が得られた。なお、振動によって水滴の上部に隆起するパターンは、振動用電極パターンの平面形状に類似していた。
【００５６】
実施例１〜実施例５に比較して振動用電極パターンの面積を大きくした実施例６（図１８）と実施例７（図１９）の出力については、実施例１〜実施例５の出力と大差なかった。したがって、振動用電極パターンの面積を大きくしても単純に出力が強くなるわけではないことがわかった。
【００５７】
振動用電極パターンを同心円状に配置した実施例８（図２０）〜実施例１０（図２２）で出力を比較すると、振動用電極パターンの周囲のうち他方の振動用電極パターンと対向する部分の長さが長く、振動用電極パターン間の距離が狭い実施例８（図２０）で最も大きい出力が得られた。なお、一方の振動用電極パターンの幅よりも振動用電極パターン間の距離が広い実施例１０（図２２）の出力は最も弱かった。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明を適用した攪拌素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】攪拌素子の使用状態の一例を示す断面図である。
【図３】攪拌素子の使用状態の一例を示す断面図である。
【図４】攪拌素子の使用状態の一例を示す断面図である。
【図５】振動用電極パターン対の変形例を示す平面図である。
【図６】振動用電極パターン対の変形例を示す平面図である。
【図７】振動用電極パターン対の変形例を示す平面図である。
【図８】本発明を適用した攪拌素子の他の実施形態を示す平面図である。
【図９】図８に示す攪拌素子の使用状態を示す断面図である。
【図１０】攪拌素子を備えるプレーナ形電気化学デバイスを示す平面図である。
【図１１】図１０に示す電気化学デバイスの断面図である。
【図１２】図１に示す攪拌素子上に電気化学デバイスを載せた状態を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は実施例１の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例１の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１４】（ａ）は実施例２の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例２の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１５】（ａ）は実施例３の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例３の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１６】（ａ）は実施例４の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例４の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１７】（ａ）は実施例５の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例５の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１８】（ａ）は実施例６の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例６の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１９】（ａ）は実施例７の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例７の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図２０】（ａ）は実施例８の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例８の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図２１】（ａ）は実施例９の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例９の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図２２】（ａ）は実施例１０の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例１０の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 圧電基板、２ 振動用電極パターン、２ａ 対向部、２ｂ 端子部、４ 電極パターン対、１１ 薄板、１２ 容器、２１ マイクロプレート、２２ プレート、２３ 凹部、５１ プレーナ形電気化学デバイス、５２ 圧電基板、５３ 作用極、５４ 対極、５５ 参照極、５６ 絶縁被膜、５７ ダム構造部材、５８ 振動用電極パターン、５８ａ 対向部、５８ｂ 端子部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を攪拌するための攪拌素子、及び前記攪拌素子を用いた攪拌方法に関する。また、本発明は、前記攪拌素子を備える電気化学デバイス、及び前記攪拌素子を備えるフローデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体試料の電気化学的測定においては電極表面の近傍数十Åまでの酸化還元反応しか検出できない。このため、液体試料全体について検出を行う場合には、液体を攪拌することによって液体中の電気化学的に活性な物質を電極表面に供給する必要がある。液体を攪拌する方法としては、液体中にプロペラ状や磁石を封入した棒状の攪拌子を入れ、その攪拌子を回転させる方法が一般的に知られている。しかし攪拌子を用いる方法においては、液体に攪拌子を入れる必要があるため操作が煩雑になるばかりか、コンタミネーションの問題も生じる。
【０００３】
そこで、攪拌子を用いることなく液体を攪拌処理するための装置が各種提案されている。例えば超音波を利用する技術として、圧電デバイスにより超音波を発生させて攪拌混合を行う分析装置が特許文献１及び特許文献２に記載されている。また、圧電デバイスを攪拌混合に用いる機器が特許文献３に記載されている。
【０００４】
一方、固体の表面に櫛歯電極を設けてなる弾性表面波素子（sueface acoustic wave device（SAW））を利用して攪拌混合を行う技術が、特許文献４〜特許文献７に記載されている。例えば特許文献４には、液体が流入する流路の周壁の外側の少なくとも一面に櫛歯電極を備えた攪拌素子が記載されている。特許文献５及び特許文献６には、櫛歯電極を備えた音波発生部材（弾性表面波素子）が一体に設けられた攪拌容器が記載されている。特許文献７には、音波発生体から発生した音波を伝達するとともに少なくとも一部が液体と接触し、液体に向けて音波を放出する伝達部を有する液体攪拌デバイスが記載されている。特許文献４〜特許文献７において用いられる弾性表面波素子は、外部から入力された電気信号を弾性表面波に変換し、固体表面を振動させることにより目的の液体を攪拌している。さらに、特許文献８には、溶液の攪拌が可能な表面弾性波素子及びこれを備えたバイオセンサー装置が記載されている。
【特許文献１】国際公開第０１／０７７６９１号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−２４２１７７号公報
【特許文献３】特開２００５−３１９４０７号公報
【特許文献４】特開２００５−１６４５４９号公報
【特許文献５】特開２００６−０９０７９１号公報
【特許文献６】特開２００６−１１９１２５号公報
【特許文献７】特開２００５−２５７４０６号公報
【特許文献８】特開２００５−３５１７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２記載の発明では、攪拌したい液体を容器に入れ、さらに水を媒体としてその容器に超音波を照射するような構造であるため、装置の構造が複雑且つ大型になってしまう。また、特許文献１及び特許文献２記載の発明では、液体と圧電デバイスとの配置を工夫しなければならない。特許文献３で用いる圧電デバイスは、板状の圧電材料を一対の電極で挟み込んだ構成を有しており、本発明に係る攪拌装置とは構成が異なる。また、基板に載せた少量の液滴の攪拌には応用が難しい。
【０００６】
特許文献４〜特許文献７記載の発明においては、弾性表面波を発生させるための櫛歯電極を例えば数十μｍピッチで数μｍ精度の非常に微細なパターンに形成しなければならないため、作製にはＥＢ（Electron Beam）描画装置のような高価な装置が必要である。また、特許文献４〜特許文献７記載の発明において利用する弾性表面波のエネルギーは固体表面に集中するため、例えば電極と反対面に配置した液体を攪拌するために固体基板を透過させた場合、減衰する可能性がある。なお、特許文献４〜特許文献７では、音波発生手段として櫛歯電極を備える弾性表面波素子しか例示されておらず、弾性表面波素子以外の音波発生手段の具体的な構成は不明である。さらに、特許文献８においても、攪拌のための縦波用励振部として、幅及び間隔がそれぞれ１０μｍの微細な櫛形電極しか記載されていない。
【０００７】
本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、液体にコンタミネーションの問題を生じることなく、単純な構造で効率良い攪拌処理が可能な攪拌素子及び攪拌方法を提供することを目的とする。また、本発明は、前記攪拌素子を備えた電気化学デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、前記攪拌素子を備えたフローデバイスを提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記攪拌素子を用いた電気化学測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するために本発明者らが検討を重ねた結果、圧電基板の同一面上に単純な形状の電極パターンの対を配置し、交流電場を印加することにより、液体の攪拌に十分な機械的振動を得られることを見いだし本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係る攪拌素子は、圧電基板と、前記圧電基板の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
以上のような攪拌素子の電極パターン間に交流電場を印加すると、対向する電極それぞれに逆向きの力が作用することで圧電基板に振動が発生するため、これを液体に伝搬させて液体の攪拌を行う。圧電基板上に形成する電極パターンを微細で複雑な櫛歯形状以外の形状としたので、弾性表面波を利用するために微細な櫛歯電極を有する従来の攪拌素子に比較して、素子構造が単純なものとなる。また、本発明においては弾性表面波を利用しないので、弾性表面波素子に場合に比べてエネルギーの伝搬効率に優れ、効率良い攪拌が実現される。
【００１０】
本発明に係る攪拌方法は、前記攪拌素子を用い、前記攪拌素子を構成する前記圧電基板の前記電極パターンが形成された主面と反対の主面側に攪拌する液体を配置することを特徴とする。電極パターンと反対側に攪拌する液体を配置することにより、電極パターンの汚染又は破損を防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係る攪拌方法は、前記攪拌素子を用いて液滴を攪拌することを特徴とする。前記攪拌素子を構成する電極パターンは、微細な櫛歯形状以外の単純な構造とされているため、素子の小型化が容易である。したがって、微少量の液滴の攪拌を実現することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る攪拌方法は、前記攪拌素子を用い、容器に収容された液体を攪拌することを特徴とする。前記攪拌素子によれば、素子上に滴下した液滴のみならず、容器に収容された液体の攪拌も可能である。
【００１３】
本発明に係る電気化学デバイスは、圧電基板と、前記圧電基板の面上に絶縁材料層を介して設けられた電気化学検出用電極パターンと、前記圧電基板の前記電気化学検出用電極パターンとは反対側の面上に設けられた前記圧電基板の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする。
以上の電気化学デバイスによれば、電気化学測定と同時に液体を攪拌することができるため、検出時間の短縮を図ることができる。また、構造が単純であるため、デバイスの大型化を招くことがない。
【００１４】
本発明に係るフローデバイスは、断面１０ｍｍ２以下の微小流路を備え、前記微小流路中を液体が送液されるフローデバイスであって、前記攪拌素子が前記微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に配置されることを特徴とする。
微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に前記攪拌素子を配置することにより、微小流路内の液体の送液と攪拌とを同時に行うことができる。また、前記攪拌素子は単純な構造であるため、攪拌素子を集積してもフローデバイスの大型化を抑えることができる。
【００１５】
本発明に係る電気化学測定方法は、前記攪拌素子のいずれかの面上に電気化学検出用電極パターンを備える電気化学デバイスを載せ、電気化学検出と液体の攪拌とを同時に行うことを特徴とする。
電気化学デバイス上の液体試料を攪拌しながら電気化学検出を行うので、液体試料全体について検出を行う必要がある場合、測定時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、弾性表面波素子に比べて電極パターンの形状が単純化され製造コストが安価でありながら、効率よい攪拌処理を実現することができる。また、構造が単純であるため、液滴のような少量の液体の攪拌も容易に行うことができる。加えて、攪拌子を利用しないので、コンタミネーションの問題を発生させることもなく、また、装置の小型化も容易である。
【００１７】
また、本発明によれば、構造が単純であるため製造コストが安価であり、また、攪拌と測定とを同時に実現できることから、短時間での検出が可能な電気化学デバイスを提供することができる。また、本発明によれば、微少量の液体の送液と攪拌とを同時に実現可能なフローデバイスを提供することができる。さらに、前記攪拌素子は、入力する電力を高めることにより加湿器やネブライザーへの応用が可能であり、さらに入力電力を高めることにより、ポンプやインクジェットプリンタへの応用も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した攪拌素子、攪拌方法、電気化学デバイス、フローデバイス及び電気化学測定方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
先ず、本発明を適用した攪拌素子の一例について、図１〜図４を参照して説明する。本発明を適用した攪拌素子は、圧電基板と、圧電基板の同一面上に配置された、近接対向する一対の電極パターンとを有して構成される。電極パターンの形状は長方形状や正方形等の多角形状、円形状、円環状等、種種に設定することができるが、本発明では、弾性表面波を発生する微細な櫛歯状（Interdigital Transducer：IDT）は除外する。なお、以下では振動用電極パターンの形状及び配置について具体的に説明するが、これらは単なる例示であり、櫛歯状を除いては種種の形状に設定することができる。
【００２０】
図１に示す攪拌素子においては、平板状の圧電基板１の一方の主面Ａ上に、一対の電極パターン（以下、振動用電極パターンと称する。）２が設けられている。圧電基板１は例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の圧電材料から構成される。圧電基板１の厚みは例えば５２０μｍ〜５３０μｍである。
【００２１】
振動用電極パターン２は金等の導電性材料から構成される。図１中の振動用電極パターン２は、他方の振動用電極パターン２と最も近接対向する部分である長方形状の対向部２ａと、対向部２ａから互いに離隔する方向に延び、対向部２ａより幅狭の端子部２ｂとから構成される。端子部２ｂは交流電源に接続される。振動用電極パターン２においては、対向部２ａを構成する辺のうち１辺のみが、他方の電極パターン２における対応する辺に近接対向している。本発明の攪拌素子では振動用電極パターン２間の距離を対向部２ａ間で最も狭くし、ここで圧電基板１に変形を発生させる。したがって、対向部２ａ同士の間隔Ｇ１を端子部２ｂ同士の間隔Ｇ２以下、すなわちＧ１≦Ｇ２に設定する。より好ましくはＧ１＜Ｇ２に設定する。
【００２２】
長方形状の対向部２ａは、その長辺が近接対向するとともに略平行となるように配置されている。対向部２ａの長辺同士を近づけ、且つ、略平行に配置することにより、大きな機械的振動が得られる。なお、本発明において長辺が略平行に配置されるとは、完全に平行である必要はなく、僅かな傾きは許容されることを意味する。しかし、傾きの大きさに比例して効率が低下することから、例えば±５°以内の傾きに抑えることが好ましい。
【００２３】
図１に示す振動用電極パターン２の対向部２ａ同士の間隔Ｇ１は例えば１０ｍｍ以下とされる。長方形状の対向部２ａの寸法は、例えば短辺方向の長さである電極幅Ｗが５０ｍｍ以下、長辺方向の長さ電極長Ｌが１００ｍｍ以下程度とされる。
【００２４】
対向部２ａの電極幅Ｗは、対向部２ａ同士の間隔Ｇ１と同じかそれより大きいことが好ましい。すなわちＷ≧Ｇ１の関係にあることが好ましい。電極幅Ｗを間隔Ｇ１と同じかそれより大きく設定することにより、大きな出力が得られるからである。
【００２５】
図１に示す攪拌素子の振動用電極パターン２間に圧電基板１の厚みで決まる周波数（例えば３２ＭＨｚ〜３４ＭＨｚ）の交流電場を印加すると、圧電基板１のうち振動用電極パターン２とその周辺領域に振動が生じるので、この振動を液体に伝搬させ、液体を攪拌する。
【００２６】
本発明の攪拌素子は、０．１μｌ〜１００μｌ程度の微少量の液滴の攪拌に用いられて好適である。例えば図２に示すように、振動用電極パターン２が形成された主面Ａを下方に向け、反対側の主面Ｂ上の振動用電極パターン２と重なる位置に攪拌したい液滴Ｌを置き、振動用電極パターン２に交流電場を印加すると、振動用電極パターン２とその周辺に振動が生じ、液滴Ｌに伝搬するので、液滴Ｌを攪拌することができる。なお、圧電基板１の汚れを防ぐために、図３に示すように例えばシリコン基板等の薄板１１を介して液滴Ｌを圧電基板１の主面Ｂ上に置いてもよい。ただし、図３に示す場合にはシリコン基板等の薄板１１と圧電基板１とで音響インピーダンスのマッチングを取る必要があるため、例えば圧電基板１上に超音波カップリングゲルを塗布し、その上に薄板１１を載せることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の攪拌素子は、容器に収容した液体を攪拌することもできる。図４に示すように、圧電基板１の振動用電極パターン２と反対側の主面Ｂ上に攪拌したい液体Ｌを収容した容器１２を置き、交流電場を印加すると、振動用電極パターン２とその周辺領域振動が生じ、容器１２を介して液体Ｌに振動が伝搬するので、液体Ｌを攪拌することができる。この場合も、前述と同じく、圧電基板１と容器１２の音響インピーダンスマッチングを取る必要がある。
【００２８】
攪拌させる液体は、圧電基板１の主面Ａ、主面Ｂのいずれに配置してもよいが、圧電基板１の振動用電極パターン２と反対側の主面Ｂ側に配置することが好ましい。攪拌させる液体を液滴の状態で攪拌素子上に載せる場合には、液体が振動用電極パターン２に直接接触することに起因する振動用電極パターン２の汚染を回避できるからである。また、攪拌させる液体を容器に収容した状態で攪拌素子上に載せる場合には、容器との摩擦に起因する振動用電極パターン２の破損を回避できるからである。
【００２９】
次に、本発明の攪拌素子が有する振動用電極パターン２の変形例について説明する。例えば図５に示すように、図１に示す振動用電極パターン２から端子部２ｂを取り除いた長方形状の対向部のみからなるような形状でもよい。ただし、対向部に対応する部分の形状及び配置が同一である場合には、図１に示すように端子部を備える形状の方が、端子部の無い振動用電極パターンに比べて大きな振動を得ることができる。
【００３０】
また、近接対向する振動用電極パターン２の対が組み合わされて配置されてもよい。例えば図６に示すように、振動用電極パターン２の対が互いに直交するように配されてもよい。
【００３１】
さらに、図７に示すように、一方の振動用電極パターン２を円形状、他方の振動用電極パターン２を円環状とし、これらを同心円状に配置してもよい。なお、少なくとも外側の振動用電極パターンが環状であれば、内側の振動用電極パターンは円形状、円環状のいずれでもよい。
【００３２】
振動用電極パターンを同心円状に配置する場合において、外側に配置する環状の振動用電極パターン２の径方向長さをＤ、振動用電極パターン２同士の間隔をＧ３としたとき、Ｄ≧Ｇ３の関係にあることが好ましい。これにより、振動用電極パターン２同士の間隔Ｇ３が振動用電極パターン２の径方向長さＤより大きい場合（Ｄ＜Ｇ３）に比較して、大きな振動が得られる。
【００３３】
次に、本発明を適用した攪拌素子の変形例について、図８を参照して説明する。同図に示す攪拌素子においては、１枚の圧電基板１の同一面上に１対の互いに近接対向する振動用電極パターン２が所定の間隔を有してマトリクス状に複数配列されている。同図に示す攪拌素子は、平板状のプレート２２に複数の凹部２３がマトリクス状に形成されたマイクロプレート２１の、凹部２３内に収容された液体Ｌの攪拌に用いられて好適である。図９に示すように、マイクロプレート２１の凹部２３に重なるように振動用電極パターン２の位置及び数を設定しておけば、複数の凹部２３内の液体Ｌを同時に攪拌できるため、攪拌処理を短時間で完了させることができる。なお、本例では振動用電極パターン２の対がマトリクス状に配置された攪拌素子を示したが、振動用電極パターン２の対の配置及び数はこれに限らず任意に設定することができる。
【００３４】
以下、本発明の攪拌素子を備えた攪拌機能付き電気化学デバイスについて、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００３５】
図１０及び図１１に示すプレーナ形の電気化学デバイス５１においては、短冊状の圧電基板５２の表面Ａ上に、絶縁材料層５９を介して、例えばカーボンペースト等の導電性ペーストを印刷してなる導電性パターンが３つ独立して形成されている。各導電性パターンの一端は電気化学測定用の測定電極パターンである作用極５３、対極５４及び参照極５５を構成し、他端はコネクタとの接続部である端子部とされている。プレーナ形印刷電極デバイス５１においては、レジストからなる絶縁被膜５６に設けられた略円形の開口部５６ａの内側に作用極５３が露出し、作用極５３の外周の少なくとも一部を取り囲むように対極５４が配置される。また、絶縁被膜５６に設けられた矩形状の開口部５６ｂに露出するように参照極５５が配置される。この電気化学デバイス１においては、作用極５３、絶縁被膜５６及び圧電基板５２の各表面における疎水性の差を利用して、作用極５３上であって絶縁被膜５６の開口部５６ｂの内側に測定対象の液滴が載るようになっている。作用極５３、対極５４及び参照極５５が形成された端部とコネクタ側との端部との間には、絶縁被膜５６より疎水性の高い表面を有する帯状のダム構造部材５７が印刷電極デバイス５１のほぼ全幅に亘って絶縁被膜５６上に積層されている。これにより、作用極５３等の測定電極パターン上に置かれた液体がコネクタとの接続部分へ到達することを防いでいる。なお、本例においては圧電基板５２の表面Ａの全面に絶縁材料層５９を形成しているが、絶縁材料層５９は電気化学測定用の測定電極パターンである作用極５３、対極５４及び参照極５５下に少なくとも存在していればよい。
【００３６】
一方、圧電基板５２の裏面Ｂには、互いに対向近接する一対の振動用電極パターン５８が形成されている。この振動用電極パターン５８は、他方の振動用電極パターン５８と近接対向する長方形状の対向部５８ａと、対向部５８ａから互いに離隔し且つコネクタとの接続部分方向へ延びる端子部５８ｂとから構成される。振動用電極パターン５８の対向部５８ａで挟まれる領域は、表面Ａ側に設けられた作用極５３と平面視で重なる位置に配置される。
【００３７】
この電気化学デバイスを用いて電気化学測定を行う際、裏面Ｂ側の振動用電極パターン５８間に交流電場を印加することにより、圧電基板５２の対向部５８ａで挟まれる領域に振動を生じさせる。生じた振動が表面Ａ側の作用極５３上に置いた液滴に伝搬するので、液滴を攪拌しながら電気化学測定を行うことが可能となる。
【００３８】
なお、前述の電気化学デバイスは、電気化学検出と液体の攪拌との同時処理を、電気化学検出用電極パターンと振動用電極パターンとで支持基板（圧電基板）を共有する構成によって実現したものであるが、電気化学デバイスと攪拌素子とを別個のデバイスとした場合であっても同様に実現できる。図１２に示すように、図１に示す構成の攪拌素子の裏面Ｂ上に電気化学デバイスを載せることにより、電気化学デバイスの電気化学検出用パターン上の液滴を攪拌しながら電気化学測定を行うことができる。用いる電気化学デバイスとしては特に限定されないが、例えば図１０に示す平面形状を有するプレーナ形電気化学デバイスを用いることができる。ただし、本例の場合、電気化学デバイスを構成する基板５２は圧電基板である必要はなく、例えば絶縁材料からなる支持基板でよい。なお、攪拌素子と電気化学デバイスとの間に音響インピーダンスをマッチングさせるためのカップリングゲルを介在させることが好ましい。
【００３９】
本発明の攪拌素子は、前述の電気化学デバイスに限定されることなく、様々なデバイスに応用することが可能である。例えば、断面１０ｍｍ２以下の微小流路を備えるフローデバイスに適用して好適である。フローデバイスにおいて微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に、本発明に係る攪拌素子を設けることにより、微小流路内に液体を送液しながら、当該液体に対して攪拌を行うことができ、均一な処理又は反応が可能となる。
【００４０】
さらに、本発明の攪拌素子に入力する電力を上げることによって、素子上に滴下した液体の表面が盛り上がり、その盛り上がった液滴に表面波が発生し液滴の噴霧化が起こる。これを利用することによって、加湿器やネブライザーを構成することが可能である。さらに、出力を大きくすると液滴がデバイス中心部から垂直方向に飛散するため、ポンプやインクジェットを構成することも可能である。
【００４１】
なお、前述の実施形態においては、攪拌素子における振動用電極パターンの形状及び配置について図を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の振動用電極パターンの形状及び配置は、弾性表面波を発生する微細な櫛歯状の電極を除いては、少なくとも近接対向する一対の振動用電極パターンを有していれば任意に設定可能である。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明を適用した実施例について実験結果に基づいて説明する。
【００４３】
（実施例１）
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる圧電基板と、一対の振動用電極パターンとからなる攪拌素子を作製した。圧電基板の厚みは０．５ｍｍである。振動用電極パターンは基板側から厚み１００ｎｍのクロム（Ｃｒ）と、厚み３００ｎｍの金（Ａｕ）とが積層されてなる。本例の振動用電極パターンの形状を図１３（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ３ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。
【００４４】
次に、振動用電極パターンの形成面と反対側の面に、振動用電極パターンの対と重なるように２００μｌの水滴を置いた。その後、振動用電極パターン対にバイポールの３３．４ＭＨｚ，１５Ｗのパルス信号を入力して水滴を攪拌した。攪拌中の水滴の写真を図１３（ｂ）に示す。
【００４５】
（実施例２）
振動用電極パターンの平面形状を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１４（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ２ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１４（ｂ）に示す。
【００４６】
（実施例３）
振動用電極パターンの平面形状を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１５（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１５（ｂ）に示す。
【００４７】
（実施例４）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１６（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は０．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１６（ｂ）に示す。
【００４８】
（実施例５）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１７（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離は１．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１７（ｂ）に示す。
【００４９】
（実施例６）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１８（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、幅２ｍｍ、長さ２ｍｍの長方形状である。振動用電極パターン間の距離１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１８（ｂ）に示す。
【００５０】
（実施例７）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図１９（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、直径２ｍｍの円形状である。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図１９（ｂ）に示す。
【００５１】
（実施例８）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、入力した電力が１０Ｗであること以外は実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例において入力電圧を実施例１より小さくした理由は、本例の振動用電極パターンは振動効率が高く、小さい入力電圧で大きな出力が得られるからである。本例の振動用電極パターンの形状を図２０（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、一方が直径１ｍｍの円形状、他方が幅１ｍｍの円環状である。これら振動用電極パターンは同心円状に配置した。振動用電極パターン間の距離は０．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図２０（ｂ）に示す。
【００５２】
（実施例９）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、入力した電力が１０Ｗであること以外は実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例において入力電圧を実施例１より小さくした理由は、本例の振動用電極パターンは振動効率が高く、小さい入力電圧で大きな出力が得られるからである。本例の振動用電極パターンの形状を図２１（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、一方が内径１ｍｍであり幅０．５ｍｍの円環状、他方が幅０．５ｍｍの円環状である。これら振動用電極パターンは同心円状に配置した。振動用電極パターン間の距離は０．５ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図２１（ｂ）に示す。
【００５３】
（実施例１０）
振動用電極パターンの平面形状及び配置を異ならせたこと以外は実施例１と同様にして攪拌素子を作製し、実施例１と同様の条件で水滴を攪拌した。本例の振動用電極パターンの形状を図２２（ａ）に示す。本例で用いた振動用電極パターンは、一方が直径１ｍｍの円形状、他方が幅０．５ｍｍの円環状である。これら振動用電極パターンは同心円状に配置した。振動用電極パターン間の距離は１ｍｍである。攪拌中の水滴の写真を図２２（ｂ）に示す。
【００５４】
以上の実施例１〜実施例１０のいずれにおいても、近接対向する振動用電極パターンで挟まれる領域の圧電基板に振動が生じており、素子上に置いた水滴を攪拌することができた。
【００５５】
また、振動用電極パターンの長さが異なる実施例１〜実施例３（図１３〜図１５）で出力を比較したところ、実施例１が最も強く、実施例３が最も弱かった。振動用電極パターン間の距離を異ならせた実施例４（図１６）と実施例５（図１７）とで出力を比較したところ、パターン間隔の狭い実施例４でより強い出力が得られた。なお、振動によって水滴の上部に隆起するパターンは、振動用電極パターンの平面形状に類似していた。
【００５６】
実施例１〜実施例５に比較して振動用電極パターンの面積を大きくした実施例６（図１８）と実施例７（図１９）の出力については、実施例１〜実施例５の出力と大差なかった。したがって、振動用電極パターンの面積を大きくしても単純に出力が強くなるわけではないことがわかった。
【００５７】
振動用電極パターンを同心円状に配置した実施例８（図２０）〜実施例１０（図２２）で出力を比較すると、振動用電極パターンの周囲のうち他方の振動用電極パターンと対向する部分の長さが長く、振動用電極パターン間の距離が狭い実施例８（図２０）で最も大きい出力が得られた。なお、一方の振動用電極パターンの幅よりも振動用電極パターン間の距離が広い実施例１０（図２２）の出力は最も弱かった。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明を適用した攪拌素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】攪拌素子の使用状態の一例を示す断面図である。
【図３】攪拌素子の使用状態の一例を示す断面図である。
【図４】攪拌素子の使用状態の一例を示す断面図である。
【図５】振動用電極パターン対の変形例を示す平面図である。
【図６】振動用電極パターン対の変形例を示す平面図である。
【図７】振動用電極パターン対の変形例を示す平面図である。
【図８】本発明を適用した攪拌素子の他の実施形態を示す平面図である。
【図９】図８に示す攪拌素子の使用状態を示す断面図である。
【図１０】攪拌素子を備えるプレーナ形電気化学デバイスを示す平面図である。
【図１１】図１０に示す電気化学デバイスの断面図である。
【図１２】図１に示す攪拌素子上に電気化学デバイスを載せた状態を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は実施例１の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例１の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１４】（ａ）は実施例２の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例２の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１５】（ａ）は実施例３の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例３の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１６】（ａ）は実施例４の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例４の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１７】（ａ）は実施例５の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例５の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１８】（ａ）は実施例６の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例６の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図１９】（ａ）は実施例７の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例７の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図２０】（ａ）は実施例８の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例８の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図２１】（ａ）は実施例９の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例９の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【図２２】（ａ）は実施例１０の振動用電極パターンの平面図であり、（ｂ）は実施例１０の攪拌素子を用いて液滴を攪拌した状態の写真である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 圧電基板、２ 振動用電極パターン、２ａ 対向部、２ｂ 端子部、４ 電極パターン対、１１ 薄板、１２ 容器、２１ マイクロプレート、２２ プレート、２３ 凹部、５１ プレーナ形電気化学デバイス、５２ 圧電基板、５３ 作用極、５４ 対極、５５ 参照極、５６ 絶縁被膜、５７ ダム構造部材、５８ 振動用電極パターン、５８ａ 対向部、５８ｂ 端子部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、前記圧電基板の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする攪拌素子。
【請求項２】
前記電極パターンを構成する辺のうち１辺のみが、他方の電極パターンにおける対応する辺に近接対向することを特徴とする請求項１記載の攪拌素子。
【請求項３】
前記電極パターンの少なくとも互いに近接対向する対向部の形状が長方形状であり、
前記対向部の長辺が互いに近接対向するとともに略平行に配置されていることを特徴とする請求項２記載の攪拌素子。
【請求項４】
前記電極パターンの前記対向部の短辺方向の長さをＷ、前記電極パターンの前記対向部同士の間隔をＧ１としたとき、Ｗ≧Ｇ１の関係にあることを特徴とする請求項３記載の攪拌素子。
【請求項５】
前記電極パターンは前記対向部と当該対向部の長手方向に延びる端子部とを有し、
前記電極パターンの前記対向部同士の間隔をＧ１、前記端子部同士の間隔をＧ２としたとき、Ｇ１≦Ｇ２の関係にあることを特徴とする請求項３記載の攪拌素子。
【請求項６】
少なくとも一方の電極パターンが環状であり、各電極パターンが同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の攪拌素子。
【請求項７】
外側の前記電極パターンの径方向の長さをＤ、前記電極パターン同士の間隔をＧ３としたとき、Ｄ≧Ｇ３の関係にあることを特徴とする請求項６記載の攪拌素子。
【請求項８】
前記圧電基板の一方の主面上に前記電極パターンの対が複数設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の攪拌素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子を用い、前記攪拌素子を構成する前記圧電基板の前記電極パターンが形成された主面と反対の主面側に攪拌する液体を配置することを特徴とする攪拌方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子を用いて液滴を攪拌することを特徴とする攪拌方法。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子を用いて容器に収容された液体を攪拌することを特徴とする攪拌方法。
【請求項１２】
圧電基板と、
前記圧電基板の面上に絶縁材料層を介して設けられた電気化学検出用電極パターンと、
前記圧電基板の前記電気化学検出用電極パターンとは反対側の面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項１３】
前記電極パターンの対で挟まれる領域と前記電気化学検出用電極パターンとが平面視で重なることを特徴とする請求項１２記載の電気化学デバイス。
【請求項１４】
断面１０ｍｍ２以下の微小流路を備え、前記微小流路中を液体が送液されるフローデバイスであって、
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子が前記微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に配置されることを特徴とするフローデバイス。
【請求項１５】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子のいずれかの面上に電気化学検出用電極パターンを備える電気化学デバイスを載せ、電気化学検出と液体の攪拌とを同時に行うことを特徴とする電気化学測定方法。
【請求項１】
圧電基板と、前記圧電基板の同一面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする攪拌素子。
【請求項２】
前記電極パターンを構成する辺のうち１辺のみが、他方の電極パターンにおける対応する辺に近接対向することを特徴とする請求項１記載の攪拌素子。
【請求項３】
前記電極パターンの少なくとも互いに近接対向する対向部の形状が長方形状であり、
前記対向部の長辺が互いに近接対向するとともに略平行に配置されていることを特徴とする請求項２記載の攪拌素子。
【請求項４】
前記電極パターンの前記対向部の短辺方向の長さをＷ、前記電極パターンの前記対向部同士の間隔をＧ１としたとき、Ｗ≧Ｇ１の関係にあることを特徴とする請求項３記載の攪拌素子。
【請求項５】
前記電極パターンは前記対向部と当該対向部の長手方向に延びる端子部とを有し、
前記電極パターンの前記対向部同士の間隔をＧ１、前記端子部同士の間隔をＧ２としたとき、Ｇ１≦Ｇ２の関係にあることを特徴とする請求項３記載の攪拌素子。
【請求項６】
少なくとも一方の電極パターンが環状であり、各電極パターンが同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の攪拌素子。
【請求項７】
外側の前記電極パターンの径方向の長さをＤ、前記電極パターン同士の間隔をＧ３としたとき、Ｄ≧Ｇ３の関係にあることを特徴とする請求項６記載の攪拌素子。
【請求項８】
前記圧電基板の一方の主面上に前記電極パターンの対が複数設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の攪拌素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子を用い、前記攪拌素子を構成する前記圧電基板の前記電極パターンが形成された主面と反対の主面側に攪拌する液体を配置することを特徴とする攪拌方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子を用いて液滴を攪拌することを特徴とする攪拌方法。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子を用いて容器に収容された液体を攪拌することを特徴とする攪拌方法。
【請求項１２】
圧電基板と、
前記圧電基板の面上に絶縁材料層を介して設けられた電気化学検出用電極パターンと、
前記圧電基板の前記電気化学検出用電極パターンとは反対側の面上に設けられた一対の近接対向する電極パターン（ただし櫛歯形状を除く。）とを備えることを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項１３】
前記電極パターンの対で挟まれる領域と前記電気化学検出用電極パターンとが平面視で重なることを特徴とする請求項１２記載の電気化学デバイス。
【請求項１４】
断面１０ｍｍ２以下の微小流路を備え、前記微小流路中を液体が送液されるフローデバイスであって、
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子が前記微小流路の内壁、微小流路近傍の少なくとも一方に配置されることを特徴とするフローデバイス。
【請求項１５】
請求項１〜８のいずれか１項記載の攪拌素子のいずれかの面上に電気化学検出用電極パターンを備える電気化学デバイスを載せ、電気化学検出と液体の攪拌とを同時に行うことを特徴とする電気化学測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００８−３０７５０５（Ｐ２００８−３０７５０５Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６０２５２（Ｐ２００７−１６０２５２）
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（３０４０２４４３０）国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 (169)
【出願人】（５９１０４０２３６）石川県 (70)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（３０４０２４４３０）国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 (169)
【出願人】（５９１０４０２３６）石川県 (70)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]