送液装置及び送液制御方法
【課題】電解質を有する流体を流路中に送液する送液装置において、流体を一定量だけ分割して送液できるようにする。
【解決手段】電極１３に電圧を印加することにより、流路１０中の弁部１１を疎水性から親水性に変化させて流体Ｆを送液し、電圧の印加を停止することにより、弁部１１を疎水性に変化させて通気部１４から外気を弁部１１に導入して流体Ｆを一定量だけ分割する。
【解決手段】電極１３に電圧を印加することにより、流路１０中の弁部１１を疎水性から親水性に変化させて流体Ｆを送液し、電圧の印加を停止することにより、弁部１１を疎水性に変化させて通気部１４から外気を弁部１１に導入して流体Ｆを一定量だけ分割する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は送液装置に関し、特に流体を一定量だけ分割して送液することができる送液装置及び該送液装置における送液制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学、光学、臨床、バイオ技術等の分野において、化学実験や化学操作等を微細化するため、基板上に微細な溝やくぼみ等の流路が形成されたチップ（マイクロチップ）上に、混合、化学反応、分離、検出等、一連の工程を集積化させたμ−ＴＡＳ（マイクロタス）、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ（ラボオンチップ）等と呼ばれる化学・分析システムの開発が進められており、このように微細化された化学・分析システムでは、試料や廃液の量の削減、分析時間の大幅な短縮と効率化、省スペース、携帯性等、様々な利点が期待されている。
【０００３】
しかしながら上記のように微細化された化学・分析システムでは、微細な流路中に流体を送液する必要があり、従来より使用されている、ポンプ等の外力を利用する一般的な送液装置では、流路が細くなるほど界面張力等の影響が大きくなり、流れる流体の抵抗が大きくなってしまうので、流体を流すためには大きな圧力が必要となり、この圧力により微細な流路を破損させてしまう虞があるため、流路の構造を強固なものにする必要があった。また大きな圧力を生じさせるためには、消費電力も大きくなってしまう問題があった。
【０００４】
そこで、近年では微細な流路中に流体を送液するために、エレクトロウェッティング（Electrowetting：以下、ＥＷ）という現象を利用した送液装置が提案されている（特許文献１）。ＥＷは、図１２の左図に示す如く、電極Ｅ上に直接電解質水溶液が接しているときに、この液体と電極間に電圧を印加することにより、図１２の右図に示す如く、液体の固液界面近傍に電極が陽電極である場合には負のイオンが、陰電極である場合には正のイオンが集まり、イオン同士が反発することによって、液体の界面張力を低下させる。すなわち左図の状態での液体と電極との接触角度θが、右図に示すように液体の界面張力が低下することによりθよりも小さい値の接触角度θ’になり、電極上の液体のいわゆる濡れ性が向上する。
【０００５】
また、右図のように液面の界面張力が低下した状態から、電圧の印加をやめることで、左図に示す如く、界面近傍に集まっていたイオンが拡散して表面張力が回復することにより、前記濡れ性が低下する。
【０００６】
なお上記ＥＷの現象は、電極と電解質水溶液とが直接接触せずに、図１３に示す如く、誘電膜を介している場合でも生じる。これは誘電膜が、図１３に示す如く、電界が与えられることにより電極が陽電極である場合には電極側が陰極、電解質水溶液側が陽極に分極し、電極が陰電極である場合には電極側が陽極、電解質水溶液側が陰極に分極するので、誘電膜と電解質水溶液との界面でも上記電極と電解質水溶液との界面と同様のＥＷの現象が生じるからである。
【０００７】
上記送液装置は、電極が埋め込まれ内面が疎水性の流路において、電極に電圧を印加することで上記ＥＷの現象により流路内に流体を導いている。
【０００８】
一方、上記ＥＷの現象をインクジェットのプリンタヘッドに使用したものとして、疎水性膜で取り囲まれたノズルの先端部にノズルの出口側に進行する電場を形成して、インクの表面張力を変化させることによってインクから所定体積を有する液滴を分離して、静電気によりノズルからインクを吐出させるものがある（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５−１９９２３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２１６８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら上記のような送液装置では、電圧の印加を停止することにより流路内の流体の移動を停止することはできるものの、流路入口に隣接したいわゆる液溜から流路出口までの流路内に連続して流体が充填されてしまっている。このため、例えば上記送液装置をインクジェットプリンタのプリンタヘッドに利用する場合等には、例えば印刷用の用紙等の浸透性又は親水性を有する基材を前記流路出口に接触させたときに、流体つまりインクは、基材がインクを吸収できなくなるまで、又は液溜内のインクがなくなるまで基材に転移し続けることになる。これはいわば万年筆のような状態である。
【００１０】
この場合、基材へのインクの転移を中断させるためには、万年筆を用紙から離すのと同様に、流体出口を基材から離せばよいが、微細なパターンを描く際にこのような動作をさせると例えば用紙の移動方向の微細なズレ等によってパターンの品質を損ねてしまう虞がある。
【００１１】
一方、特許文献２に記載のプリンタヘッドでは、インクの表面張力を変化させることのみで液滴を分離するため、流路内で完全に液滴を分割することは困難である。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、流路中で一定量の流体を完全に分割することができる送液装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の送液装置は、電解質を有する流体を流路中に送液する送液装置であって、
前記流路の内壁面の少なくとも一部は、該流路の入口から出口までの全体に亘って、少なくとも一つの送液を遮断する疎水性を有する弁部を除いて親水性を有し、
前記弁部に、前記流体の表面張力を減少させるための電極と、前記流体を切断するため外気を導入する通気部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の送液装置は、前記電極が、正負の二極を有し、
該正負の二極の一方の電極が、前記疎水性の弁部に臨設されていることが好ましい。
【００１５】
この場合、前記正負の二極の電極が、前記流体の流れ方向に前後して配置されていることが好ましい。
【００１６】
また本発明の送液装置は、前記電極と前記流路とを、誘電膜によって隔てることができる。
【００１７】
また本発明の送液装置は、前記出口の外縁部が疎水性を有することが好ましい。
【００１８】
また本発明の送液装置は、前記流路の出口区間の内壁及び前記出口の外縁部が疎水性を有するものであり、
前記出口区間及び前記外縁部のうち前記出口に隣接する周縁部に、前記流体の表面張力を減少させるための第二の電極が設けられていることが好ましい。
【００１９】
また本発明の送液装置は、前記出口を有する流路出口部が、装置本体から突出していることが好ましい。
【００２０】
この場合、前記流路出口部が、弾性部材で形成されていることが好ましい。
【００２１】
なお流路出口部は、流路が変形しなければ、例えば流路の出口付近のみ等、一部を弾性部材で形成してもよいし、全部を弾性部材で形成してもよい。
【００２２】
また、前記流路出口部が前記流体の流れ方向に弾性を有するものであってもよい。
【００２３】
また本発明の送液装置は、前記流体を、機能性粒子を分散させた液体とすることができる。
【００２４】
本発明の送液制御方法は、上記送液装置において、
前記電極に電圧を印加することにより、前記流路中の前記弁部を疎水性から親水性に変化させて前記流体を送液し、電圧の印加を停止することにより、前記弁部を疎水性に変化させて前記通気部から外気を該弁部に導入して前記流体を一定量だけ分割することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、流路の内壁面の少なくとも一部は、流路の入口から出口までの全体に亘って、少なくとも一つの送液を遮断する疎水性を有する弁部を除いて親水性を有し、弁部に、流体の表面張力を減少させるための電極と、流体を切断するため外気を導入する通気部が設けられているので、電極に電圧を印加することにより、弁部を疎水性から親水性に変化させて流体を送液し、電圧の印加を停止することにより、弁部を疎水性に変化させて通気部から外気を弁部に導入して流体の送液を停止することができ、流路中の弁部において弁部に導入した外気により流路中の流体を分割することができる。
【００２６】
このように流路中で流体を分割、つまり切ることができるので、流路の容積を調整することで、任意の量の流体を分割して送液することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明にかかる一実施形態の送液装置１について、図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本実施形態の送液装置１の概略構成図、図１（ｂ）は（ａ）の弁部拡大図、図２は図１の送液装置１の動作の説明図である。
【００２８】
本実施形態の送液装置１は、図１（ａ）に示す如く、電解質を有する流体Ｆを流路１０中に送液するものであり、流路１０は、入口１０ａから後述の弁部１１までの内壁面１２ａ及び弁部１１から出口１０ｂまでの内壁面１２ｂすなわち入口１０ａから出口１０ｂまでの弁部１１を除く内壁面１２が親水性を有している。流路１０は毛管現象が起こる程度の微細な径又は断面積を有するものであり、流路１０の断面形状は、溝状であっても円や多角形等の管状であってもよい。また流路１０は弁部１１を除く内壁面１２の少なくとも一部が入口１０ａから出口１０ｂまで連続して親水性を有していれば、例えば内壁面１２全体を親水性にしてもよいし、底面のみ等、一面のみを親水性にしてもよい。
【００２９】
弁部１１（図中斜線）は、内壁面１２ａと内壁面１２ｂの間隙部分であって、流路１０中の送液を遮断するものであり、流路１０中に少なくとも１つ設けられ、図１（ｂ）に示す如く、一部の流路１０区間の内壁面を全て疎水性にすることによって構成されている。また弁部１１の流路１０区間すなわち流れ方向の寸法（以下、ギャップという）は、流路１０の形状によって決定される。
【００３０】
弁部１１には、流体Ｆの表面張力を減少させるための電極１３が設けられている。電極１３は例えば金やカーボン等で構成された正負二極からなり、この二極は、図１（ａ）に示す如く、流体Ｆの流れ方向に前後して配置され、本実施形態では正極１３ａが疎水性の弁部１１に臨設され、弁部１１よりも流路１０の入口１０ａ側の内壁面１２ａの下側に負極１３ｂが配置されている。ここで「正極１３ａが疎水性の弁部１１に臨設され」とは、正極１３ａが必ずしも弁部１１（斜線部分）の全面積を覆うことを意味せず、正極１３ａが弁部１１の少なくとも内壁面１２ａから内壁面１２ｂに向かう方向の全長に亘って存在することを意味する。
【００３１】
つまり弁部１１は、図１（ｂ）に示す如く、流路１０において親水性の内壁面１２ａと内壁面１２ｂとの間隙に臨む正極１３ａの表面に疎水性の被膜を施すことにより形成することができる。このとき疎水性の被膜は疎水性誘電膜とすることができる。なお正極１３ａの表面全体に疎水性の被膜を施しても良い。そしてこの電極１３は、電極１３に接続されているスイッチをＯＮ又はＯＦＦすることにより、電極１３に電圧を印加したり、電圧の印加を停止したりすることができる。
【００３２】
さらに弁部１１には、流体Ｆを切断するため外気を導入する通気部１４が設けられている。通気部１４は、図１（ａ）、（ｂ）に示す如く、弁部１１の流路１０区間内と連通する空気孔を有する溝や管で形成され、弁部１１に確実に外気を導入するために、図１（ａ）に示す如く、弁部１１の両側から外気を導入すべく弁部１１に２つ設けられている。また通気部１４は、弁部１１のギャップよりも大きな径で形成されている。なお弁部１１に外気が導入できれば、ギャップと同じ径であっても、小さい径であってもよい。また通気部１４は、流路１０中を流体Ｆが流れるときに、空気孔に流体Ｆが流れ込まないように、空気孔の径は流路１０の径よりも小さく、かつ、内面は疎水性を有している。
【００３３】
このようにして本実施形態の送液装置１は構成されている。そして次にこの送液装置１の動作について説明する。
【００３４】
送液装置１は、図２（ａ）に示す如く、先ずスイッチをＯＦＦにした状態すなわち電極１３に電圧を印加しない状態で、流路１０の入口１０ａから流体Ｆを導入する。すると入口１０ａから入った流体Ｆは、親水性の内壁面１２ａを有する流路１０中を毛管現象によって自律的に円滑に伝わって、弁部１１の手前で停止する。
【００３５】
そこで図２（ｂ）に示す如く、スイッチをＯＮ、すなわち電極１３に電圧を印加し、[背景]の項で説明したＥＷの現象（図１２、図１３参照）によって弁部１１を疎水性から親水性に変化させる。すると流体Ｆは親水性の弁部１１を通過し、親水性の内壁面１２ｂを有する流路１０内に流れ込んで毛管現象によってそのまま流路１０の出口１０ｂにまで進む。
【００３６】
次に図２（ｃ）に示す如く、スイッチをＯＦＦ、すなわち電圧の印加を停止することにより弁体１１を親水性から疎水性に回復させる。すると流体Ｆは弁体１１の手前で移動が停止し、通気部１４から弁部１１に外気が導入されて、この外気によって流体Ｆが完全に分割される。言い換えると流路１０中で連続した流体Ｆを弁部１１で切ることができる。
【００３７】
このように流路１０中で流体Ｆを切ることができるので、流路１０の容積を調整することで、任意の量の流体Ｆを分割して送液することが可能となる。また内壁面が親水性である流路１０においては、流体Ｆは流路１０中を毛管現象によって自律的に進むので、送液装置１では流体を移動させるための外部からの圧力や熱、電場等の力を必要としない。また弁部１１においても殆ど電流が流れないため、弁部１１で消費する電力は非常に小さい。よって送液装置１は省エネルギー性に優れている。
【００３８】
さらに送液装置１では、電解質を含む流体であれば特に制約条件がないため、様々な機能性液体を送液することができる。
【００３９】
なお本実施形態の送液装置１では、電極１３を上記のように流体Ｆの流れ方向に前後して配置したが、本発明はこれに限られるものではない。ここで図３に別の実施形態の送液装置１’の概略構成図を示す。本実施形態の送液装置１’では、図３（ａ）に示す如く、弁部１１において正極１３ａと負極１３ｂとを流体Ｆの流れ方向に対して並列に配置する。このとき正極１３ａ及び負極１３ｂは、図３（ｂ）に示す如く、疎水性誘電膜で構成された弁部１１に少なくとも一部が接するように配設される。
【００４０】
この送液装置１’では、電極１３に電圧が印加されると、図３（ｂ）に示す如く、正極１３ａと接している部分の弁部１１と流体Ｆとの界面近傍に負のイオンが集まり、負極１３ｂと接している部分の弁部１１と流体Ｆとの界面近傍に正のイオンが集まって、それぞれの部分においてＥＷの現象が生じることにより疎水性が親水性となり流体Ｆが通過する。
【００４１】
次に上述した送液装置１を利用したインクジェットプリンタのプリンタヘッド２について説明する。図４は本実施形態のプリンタヘッド２の動作の説明図である。なお図４において弁部１１に設けられた電極１３やスイッチ等は図示を省略し、送液装置１と同様の箇所は同符号で示して説明を省略する。また便宜上、流体の流れ方向の上流側を上方、下流側を下方として説明する。
【００４２】
本実施形態のプリンタヘッド２は、上述した実施形態の送液装置１の流路１０の入口１０ａに、上方から下方に向かうにつれて開口径が小さくなる略円錐状のインク溜２０の排出口を連結して構成されている。なおこのときインク溜２０には流体Ｆとして電解質を含む水溶性のインクが充填されている。
【００４３】
まずインク溜２０に充填されたインクｉは、図４（ａ）に示す如く、インク溜２０から入口１０ａを通って流路１０ａ中に導入される。そして送液装置１と同様に親水性の流路１０中を毛管現象によって自律的に円滑に伝わって、弁部１１の手前で停止する。ここで図示しない電極１３に電圧を印加することによって弁部１１を疎水性から親水性に変化させると、インクｉは、図４（ｂ）に示す如く、親水性の弁部１１を通過し、毛管現象によってそのまま流路１０の出口１０ｂ側の親水性の流路１０に流れ込む。
【００４４】
次に電圧の印加を停止することにより弁体１１を親水性から疎水性に回復させる。すると図４（ｃ）に示す如く、インクｉは弁体１１の手前で移動が停止し、通気部１４から弁部１１に外気が導入されて、この外気によって流体Ｆが分割される。このとき流路１０の出口１０ｂから染み出したインクｉに紙３を接触させると、インクｉは紙３に流れ込み、弁部１１以降のインクｉを紙３に転移することができる。
【００４５】
このように上記プリンタヘッド２では、ＥＷの現象を使用しているため、電解質を有する流体であれば水性液体のインクｉを使用することができるので、インクｉが転移した印刷物がその用途を終了して破棄されるときには、油性液体と比較して環境への負荷を小さく抑えることができる。
【００４６】
また上記実施形態の送液装置１と同様に、流路１０中でインクｉを切ることができるので、流路１０の容積を調整することで、任意の量のインクｉを分割して送液することが可能となる。従って紙３に任意の量のインクｉを転移させることができる。
【００４７】
一方、上記のようにＥＷの現象を印刷機器に利用するためには、例えば「印刷画像の綺麗さ」に関係する「液体の移動量」として０．３秒で５〜２０ｐｌの性能を目標とし、「印刷速度」に対応する「液体の移動速度」として液体を０．３秒で滴下可能であることを目標としてもよい。液体の移動速度は、流路の形状により異なるが、流路長さを短くすることにより液体が滴下されるまでの応答時間を短縮することができる。また流路の親水性をより良くすることにより流速を早くすることもできる。そして本願発明者は、上記性能を満たす印刷機器用の送液装置としての印字装置４を提案した。ここで図５に印字装置４の（ａ）分解斜視図、（ｂ）正面図、（ｃ）主要部Ａ拡大上面図を示す。
【００４８】
印字装置４は、図５（ａ）に示す如く、まずガラス基板５１上に金（Ａｕ）電極５１ａをスパッタし、正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２を、それぞれ流体Ｆの流れ方向に前後して狭い間隔を隔てて配置した。
【００４９】
そしてＡｕ電極５１ａがスパッタされたガラス基板５１の上全面を誘電体であるシリコーンゴム５２で５０μｍ被膜して、その上に正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２部分を覆う疎水性誘電膜として旭硝子社製のサイトップ（登録商標）５３を５μｍ被膜し、さらにその上に流路６０の親水性の内壁面として３μｍのアルミニウム（Ａｌ）５４をスパッタした。このときアルミニウム５４と正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２とはシリコーンゴム５２及びサイトップ（登録商標）５３で隔てられているため電気的な導通はなく、電流が流れないので、アルミニウム５４は電気的な機能を持たない。
【００５０】
またシリコーンゴム５２とサイトップ（登録商標）５３の二層によって誘電膜が形成されるが、この誘電膜は表面に多くの電荷が誘導されるとＥＷによる効果が大きくなるため、誘電膜は誘電率の大きい材料で形成することが好ましい。同時に、誘導される電荷量が多くなる条件、すなわち高い電圧で機能できるように、絶縁耐圧が高い材料で形成することが好ましい。
【００５１】
またアルミニウム５４には、図５（ｃ）に示す如く、正の電極５１ａ−１の上になる一部に流体の流れ方向の幅が１５０μｍのギャップ５４ａを形成した。このギャップ５４ａには、アルミニウム５４の下に位置する疎水性誘電膜のサイトップ（登録商標）５３が臨むため、流路６０の内壁面は親水性の区間つまりアルミニウム５４と疎水性の区間つまりサイトップ（登録商標）５３とが存在し、この疎水性の区間が弁部６１となる。そして以上をまとめてガラス基板チップ５とする。
【００５２】
次にシリコーンゴムの一種であるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板５５について説明する。ＰＤＭＳ基板５５は、図５（ａ）に示したように、流路６０と弁部６１に外気を導入する通気部６４としての空気抜き経路とが溝状に形成された疎水性のシートである。そして、図５（ａ）では図示の都合上ＰＤＭＳ基板５５を上下面逆に記載しているが、図５（ｂ）に示す如く、ＰＤＭＳ基板５５の溝状の流路６０が形成されている面をガラス基板チップ５に密着されることにより印字装置４としての流路６０を形成した。
【００５３】
なお空気抜き経路の幅は、流体の逆流を防ぐために流路６０の幅よりも小さく形成し、流路６０の溝と空気抜き経路の溝とが交差する箇所が、上述の弁部６１上に位置するようにした。なお流路６０の入口６０ａには容量を大きくしたインク溜６０’を連結して形成した。以上のように印字装置４を形成した。
【００５４】
そしてこの印字装置４の流路６０中を送液する電解質を有する流体は、０．１Ｍ塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液とし、この水溶液を吸収する基材としてはインクジェット用紙を使用した。
【００５５】
上記のように構成した印字装置４は、正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２に電圧を印加及び該印加を停止することにより、上記実施形態のプリンタヘッド２と同様の動作をする。
【００５６】
そして流路６０の幅ｗを２５．５μｍ、高さｈを２．７μｍ、入口６０ａから出口６０ｂまでの長さＬを３００μｍとして、正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２に電圧を印加した状態すなわち流路６０の内壁面を親水性として流路６０に上記水溶液を流す実験を行った。この結果、毛管現象によって２１ｐｌの上記水溶液を送液することができた。このとき送液に要した時間は０．１２秒であった。
【００５７】
また上記と同様に流路６０の内壁面を親水性にし、毛管現象によって４９ｎｌの黒色水溶性染料を加えた液体を、出口６０ｂからインクジェット用紙に転移させる実験を行った。この結果、φ９５０μｍのドットで前記液体をインクジェット用紙に転移させることができた。
【００５８】
また弁部６１により流路６０中で水溶液を所定量に分割し、紙に転移させる実験を行った。この結果、弁部６１により分割された水溶液つまり弁部６１より下流側に流路容積である６ｎｌの水溶液を紙に転移させることができた。このときの印加電圧は２００Ｖ、電流はμｍ以下であった。
【００５９】
これにより印字装置４において、目標とする性能を満たし、かつ弁部６１によって流路６０中で一定量の流体を完全に分割して出口６０ｂから排出できることが確認できた。
【００６０】
次に図６に別の実施形態の印字装置を示す。なお本実施形態の印字装置は、上述した実施形態のプリンタヘッド又は印字装置４と略同様の構成であるため、同じ箇所は同符号で示して説明を省略し、異なる箇所についてのみ説明する。
【００６１】
上述した実施形態のプリンタヘッド２又は印字装置４においては、インクジェット用紙等の紙３を、流路１０、６０の出口１０ｂ、６０ｂに接触させて、インクｉを紙３に転移させるときに、紙３と接触する出口１０ｂ、６０ｂの外縁部が親水性を有する場合には、この外縁部がインクｉで濡れてしまい、弁部１１、６１にて一定量に分割されたインクｉを、正確な量だけ紙３に転移させるのは困難である。
【００６２】
そこで本実施形態の印字装置は、図６に示す如く、上述した実施形態のプリンタヘッド２又は印字装置４の紙３と接触する出口１０ｂ、６０ｂの外縁部７を疎水性誘電膜で被覆している。こうすることにより外縁部７はインクｉを弾くのでインクｉで濡れることが略なくなり、弁部１１、６１にて一定量に分割されたインクｉを正確な量で確実に紙３に転移させることができる。
【００６３】
次に図７に別の実施形態の印字装置、図８に第二の電極９の斜視図の一例を示す。なお本実施形態の印字装置も、上述した実施形態のプリンタヘッド又は印字装置４と略同様の構成であるため、同じ箇所は同符号で示して説明を省略し、異なる箇所についてのみ説明する。
【００６４】
上述した実施形態のプリンタヘッド２又は印字装置４においては、インクジェット用紙等の紙３を、流路１０、６０の出口１０ｂ、６０ｂに接触させて、インクｉを紙３に転移させるときに、流路１０、６０内で一定量に分割されたインクｉが紙３に全て転移せずに出口１０ｂ、６０ｂ付近に残ってしまう場合がある。このインクｉが残る可能性のある区間を出口区間と呼ぶが、出口区間の長さは、インクｉの粘度や表面張力、流路１０、６０の大きさや親水性、紙３の濡れ性等の因子により変動する。
【００６５】
そこで本実施形態の印字装置は、図７に示す如く、弁部１１、６１よりも出口１０ｂ，６０ｂ側の親水性を有する一定区間Ｂを除いて出口１０ｂ、６０ｂに隣接する流路１０、６０の出口区間の内壁８ａ、及び出口１０ｂ、６０ｂの外縁部８を疎水性誘電膜で被覆して、出口区間の内壁８ａ及び外縁部８のうち出口１０ｂ、６０ｂに隣接する周縁部８ｂに、インクｉの表面張力を減少させるための弁部１１、６１に設けられた電極１３、５１ａ−１、２とは別に、正負の二極からなる第二の電極９ａ、９ｂを設けている。
【００６６】
第二の電極９ａ、９ｂは、例えば図８の左図に示す如く、インクｉの流れ方向に沿って２つに分割された角柱状に構成され、一方を正の電極９ａ−１、他方を負の電極９ｂ−１とすることができる。また図８の右図に示す如く、インクｉの流れ方向に沿って２つに分割された円柱状に構成され、一方を正の電極９ａ−２、他方を負の電極９ｂ−２とすることもできる。
【００６７】
上記のように構成された印字装置では、図７においてインクｉが出口区間を通過するときには電極９ａ、９ｂに電圧を印加して、電極９ａ、９ｂと接している出口区間の内壁８ａ及び周縁部８ｂを親水性にしておき、図示しない紙等の吸収性の被転移基材を出口１０ｂ、６０ｂに接触させることにより、弁部１１、６１で一定量に分割されたインクｉを被転移基材に転移させる。このとき出口１０ｂ、６０ｂ付近の流路１０、６０内にインクｉが残留している場合には、前記電圧の印加を停止して内壁８ａ及び周縁部８ｂを親水性から疎水性に変化させる。
【００６８】
これにより残留していたインクｉは濡れ性の差によって被転移基材に転移するので、流路１０、６０内で一定量に分割されたインクｉを被転移基材に完全に転移させることができる。なおことのき周縁部８ｂを除いた外縁部８は、常に疎水性を有しているので、上記実施形態と同様に、外縁部８がインクｉを弾きインクｉで濡れることが略ないため、弁部１１、６１にて一定量に分割されたインクｉを正確な量で確実に被転移基材に転移させることができる。
【００６９】
次に図９に別の実施形態のプリンタヘッドの概略模式図を示す。なお本実施形態のプリンタヘッドは、上述した実施形態のプリンタヘッドと略同様の構成であるため、同じ箇所は同符号で示して説明を省略し、異なる箇所についてのみ説明する。
【００７０】
本実施形態のプリンタヘッド２’は、図９（ａ）に示す如く、出口１０ｂを有する流路出口部１０’が、印刷装置１００本体から突出している。具体的には、例えばプリンタヘッド２’本体の上端外周面に鍔部２１を設け、この鍔部２１の下端面が、開口を有する印刷装置１００本体の支持板１００ａに当接することにより、印刷装置１００がプリンタヘッド２’を支持するように構成することができる。このときプリンタヘッド２’内部のインク溜２０に、印刷装置１００に設けられ、インクｉを供給するインク供給路２０ａが接続される。
【００７１】
これにより出口１０ｂが平坦面に位置するときよりも、インクｉを転移させる紙３と出口１０ｂとを確実に接触させることができる。なお流路出口部１０’の先端外周を、図９（ａ）に示す如く、斜めに切り取って先鋭形状とすることにより出口１０ｂが紙３にくい込むような効果を持たせることができる。
【００７２】
また上記流路出口部１０’は、例えばゴム等の弾性部材で形成してもよい。このとき流路出口部１０’は、流路１０が変形しなければ、例えば流路１０の出口１０ｂ付近のみ、つまり一部を弾性部材で形成してもよいし、全部を弾性部材で形成してもよい。こうすることにより流路出口部１０’は柔軟に変形可能となるので、出口１０ｂと紙３とがより接触し易くなる。
【００７３】
また上記流路出口部１０’は、出口１０ｂがインクｉの流れ方向に弾性を有するものであってもよい。具体的には、例えば図９（ｂ）に示す如く、プリンタヘッド２’本体の下側外周面に第二の鍔部２２を設け、この第二の鍔部２２の上端面と支持板１００ａの下端面との間にばね部材２ａを配設することができる。このときインク供給路２０ａは弾性を有するパイプ等で形成する。これにより流路出口部１０’を紙３に圧着させることができるので、出口１０ｂと紙３とをより確実に接触させることができる。
【００７４】
また例えば図９（ｃ）に示す如く、上記ばね部材２ａの代わりにゴム等の弾性部材２ｂを配設してもよい。この場合、弾性部材２ｂが通気部１４による通気を阻害しないように、弾性部材２ｂを多孔性を有するものとしたり、通気経路をもつ形状にしたりする。例えば図９（ｃ）に示す如く、弾性部材２ｂの内面と通気部１４の開口との間に、外気と通じる間隙を設けてもよい。
【００７５】
次に上述した実施形態のプリンタヘッド２、２’の印刷装置への実装例について説明する。ここで図１０にプリンタヘッド２、２’を実装した印刷装置のイメージ斜視図、図１１に図１０の印刷装置の正面図を示す。
【００７６】
図１０、図１１の印刷装置１００では、複数のプリンタヘッド２、２’の流路出口を回転自在に配置された転写ドラム１０１の全面上に配設し、転写ドラム１０１の下方から基材１０３を支持する回転体１０２によってプリンタヘッド２、２’と基材１０３は相対速度ゼロで一定時間接するようにされている。そしてプリンタヘッド２、２’の流路出口は図１１に示す如く、基材１０３に接しながら一定速度で回転する。このとき各プリンタヘッド２、２’の電極へ電圧を印加したり停止したりすることによって、図１０の左図や右図に示す如く、印刷パターンを制御する。
【００７７】
なお本実施形態では複数のプリンタヘッド２、２’を転写ドラム１０１に配設したが、例えば平面上の転写体に配設してもよい。この場合プリンタヘッド２、２’の流路出口は、一定時間基材１０３ と接触した状態を保った後に退避して、基材１０３が搬送され、必要ならば再度この工程が繰り返される。
【００７８】
また上記実施形態では、プリンタヘッド２、２’を面状に配設したが、例えばラインインクジェットプリンタのように、基材１０３の幅方向全体に対応するように、複数のプリンタヘッド２、２’の流路出口を線状に配置してもよい。この場合、プリンタヘッド２、２’と基材１０３とは、プリンタヘッド２、２’の配列方向と直交する方向に相対移動し、一回の相対移動で基材１０２全体を走査可能とする。なお転移量を増やすために２回以上走査してもよい。
【００７９】
また例えばシリアルインクジェットプリンタにように、数ｍｍ〜数十ｍｍの長さで複数のプリンタヘッド２、２’の流路出口を線状に配置してもよい。この場合、プリンタヘッド２、２’と基材１０３とは、プリンタヘッド２、２’の配列方向と直交する方向に相対移動し、一回の相対移動で基材１０３の一部しか走査できないので、走査毎に、プリンタヘッド２、２’を基材１０３に対して未走査位置まで移動させて次回の走査をさせる。
【００８０】
なお流路中に送液する流体を、機能性粒子を分散させた液体とした場合には、例えば上記と同様にして、ＤＮＡチップ、プロテインチップ、細胞チップ等に使用するパターニング装置に適用することができる。なおこの液体を水性液体とすることにより、機能性材料をパターニングしたデバイスが、その用途を終了して破棄される際、溶媒が蒸発する場合にはその途中の工程においても、油性液体と比較して環境への負荷を小さく抑えることができる。
【００８１】
なお上述した全ての実施形態は、電極として正負の二極からなる二電極系を採用しているが、正極一流体間の電位差及び負極一流体間の電位差を把握して最適な電圧制御を行うため、作用電極、対向電極及び参照電極を用いた三電極系を採用することもできる。この場合、例えば弁部に臨設する電極として作用電極、他方の電極として対向電極、さらに流体に接触する任意の位置に参照電極を配置すること等が考えられる。
【００８２】
本発明の送液装置及び該送液装置における送液制御方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】（ａ）送液装置の概略構成図、（ｂ）弁部拡大図
【図２】送液装置の動作の説明図
【図３】別の実施形態の送液装置の概略構成図
【図４】プリンタヘッドの動作の説明図
【図５】印字装置の（ａ）分解斜視図、（ｂ）正面図、（ｃ）主要部Ａ拡大上面図
【図６】別の実施形態の印字装置
【図７】さらに別の実施形態の印字装置
【図８】第二の電極の斜視図の一例
【図９】別の実施形態のプリンタヘッドの概略模式図
【図１０】プリンタヘッドを実装した印刷装置のイメージ斜視図
【図１１】図１０の印刷装置の正面図
【図１２】エレクトロウェッティング現象の説明図（その１）
【図１３】エレクトロウェッティング現象の説明図（その２）
【符号の説明】
【００８４】
１、１’ 送液装置
１０、６０ 流路
１０ａ、６０ａ 入口（流路入口）
１０ｂ、６０ｂ 出口（流路出口）
１１、６１ 弁部（疎水性）
１２ａ、１２ｂ 内壁面（親水性）
１３、５１ａ 電極
１３ａ、５１ａ−１ 正の電極
１３ｂ、５１ａ−２ 負の電極
１４、６４ 通気部
２、２’ プリンタヘッド
２０、６０’ インク溜
３ 紙（被転写基材）
４ 印字装置
Ｆ 流体
ｉ インク
【技術分野】
【０００１】
本発明は送液装置に関し、特に流体を一定量だけ分割して送液することができる送液装置及び該送液装置における送液制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学、光学、臨床、バイオ技術等の分野において、化学実験や化学操作等を微細化するため、基板上に微細な溝やくぼみ等の流路が形成されたチップ（マイクロチップ）上に、混合、化学反応、分離、検出等、一連の工程を集積化させたμ−ＴＡＳ（マイクロタス）、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ（ラボオンチップ）等と呼ばれる化学・分析システムの開発が進められており、このように微細化された化学・分析システムでは、試料や廃液の量の削減、分析時間の大幅な短縮と効率化、省スペース、携帯性等、様々な利点が期待されている。
【０００３】
しかしながら上記のように微細化された化学・分析システムでは、微細な流路中に流体を送液する必要があり、従来より使用されている、ポンプ等の外力を利用する一般的な送液装置では、流路が細くなるほど界面張力等の影響が大きくなり、流れる流体の抵抗が大きくなってしまうので、流体を流すためには大きな圧力が必要となり、この圧力により微細な流路を破損させてしまう虞があるため、流路の構造を強固なものにする必要があった。また大きな圧力を生じさせるためには、消費電力も大きくなってしまう問題があった。
【０００４】
そこで、近年では微細な流路中に流体を送液するために、エレクトロウェッティング（Electrowetting：以下、ＥＷ）という現象を利用した送液装置が提案されている（特許文献１）。ＥＷは、図１２の左図に示す如く、電極Ｅ上に直接電解質水溶液が接しているときに、この液体と電極間に電圧を印加することにより、図１２の右図に示す如く、液体の固液界面近傍に電極が陽電極である場合には負のイオンが、陰電極である場合には正のイオンが集まり、イオン同士が反発することによって、液体の界面張力を低下させる。すなわち左図の状態での液体と電極との接触角度θが、右図に示すように液体の界面張力が低下することによりθよりも小さい値の接触角度θ’になり、電極上の液体のいわゆる濡れ性が向上する。
【０００５】
また、右図のように液面の界面張力が低下した状態から、電圧の印加をやめることで、左図に示す如く、界面近傍に集まっていたイオンが拡散して表面張力が回復することにより、前記濡れ性が低下する。
【０００６】
なお上記ＥＷの現象は、電極と電解質水溶液とが直接接触せずに、図１３に示す如く、誘電膜を介している場合でも生じる。これは誘電膜が、図１３に示す如く、電界が与えられることにより電極が陽電極である場合には電極側が陰極、電解質水溶液側が陽極に分極し、電極が陰電極である場合には電極側が陽極、電解質水溶液側が陰極に分極するので、誘電膜と電解質水溶液との界面でも上記電極と電解質水溶液との界面と同様のＥＷの現象が生じるからである。
【０００７】
上記送液装置は、電極が埋め込まれ内面が疎水性の流路において、電極に電圧を印加することで上記ＥＷの現象により流路内に流体を導いている。
【０００８】
一方、上記ＥＷの現象をインクジェットのプリンタヘッドに使用したものとして、疎水性膜で取り囲まれたノズルの先端部にノズルの出口側に進行する電場を形成して、インクの表面張力を変化させることによってインクから所定体積を有する液滴を分離して、静電気によりノズルからインクを吐出させるものがある（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５−１９９２３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２１６８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら上記のような送液装置では、電圧の印加を停止することにより流路内の流体の移動を停止することはできるものの、流路入口に隣接したいわゆる液溜から流路出口までの流路内に連続して流体が充填されてしまっている。このため、例えば上記送液装置をインクジェットプリンタのプリンタヘッドに利用する場合等には、例えば印刷用の用紙等の浸透性又は親水性を有する基材を前記流路出口に接触させたときに、流体つまりインクは、基材がインクを吸収できなくなるまで、又は液溜内のインクがなくなるまで基材に転移し続けることになる。これはいわば万年筆のような状態である。
【００１０】
この場合、基材へのインクの転移を中断させるためには、万年筆を用紙から離すのと同様に、流体出口を基材から離せばよいが、微細なパターンを描く際にこのような動作をさせると例えば用紙の移動方向の微細なズレ等によってパターンの品質を損ねてしまう虞がある。
【００１１】
一方、特許文献２に記載のプリンタヘッドでは、インクの表面張力を変化させることのみで液滴を分離するため、流路内で完全に液滴を分割することは困難である。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、流路中で一定量の流体を完全に分割することができる送液装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の送液装置は、電解質を有する流体を流路中に送液する送液装置であって、
前記流路の内壁面の少なくとも一部は、該流路の入口から出口までの全体に亘って、少なくとも一つの送液を遮断する疎水性を有する弁部を除いて親水性を有し、
前記弁部に、前記流体の表面張力を減少させるための電極と、前記流体を切断するため外気を導入する通気部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の送液装置は、前記電極が、正負の二極を有し、
該正負の二極の一方の電極が、前記疎水性の弁部に臨設されていることが好ましい。
【００１５】
この場合、前記正負の二極の電極が、前記流体の流れ方向に前後して配置されていることが好ましい。
【００１６】
また本発明の送液装置は、前記電極と前記流路とを、誘電膜によって隔てることができる。
【００１７】
また本発明の送液装置は、前記出口の外縁部が疎水性を有することが好ましい。
【００１８】
また本発明の送液装置は、前記流路の出口区間の内壁及び前記出口の外縁部が疎水性を有するものであり、
前記出口区間及び前記外縁部のうち前記出口に隣接する周縁部に、前記流体の表面張力を減少させるための第二の電極が設けられていることが好ましい。
【００１９】
また本発明の送液装置は、前記出口を有する流路出口部が、装置本体から突出していることが好ましい。
【００２０】
この場合、前記流路出口部が、弾性部材で形成されていることが好ましい。
【００２１】
なお流路出口部は、流路が変形しなければ、例えば流路の出口付近のみ等、一部を弾性部材で形成してもよいし、全部を弾性部材で形成してもよい。
【００２２】
また、前記流路出口部が前記流体の流れ方向に弾性を有するものであってもよい。
【００２３】
また本発明の送液装置は、前記流体を、機能性粒子を分散させた液体とすることができる。
【００２４】
本発明の送液制御方法は、上記送液装置において、
前記電極に電圧を印加することにより、前記流路中の前記弁部を疎水性から親水性に変化させて前記流体を送液し、電圧の印加を停止することにより、前記弁部を疎水性に変化させて前記通気部から外気を該弁部に導入して前記流体を一定量だけ分割することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、流路の内壁面の少なくとも一部は、流路の入口から出口までの全体に亘って、少なくとも一つの送液を遮断する疎水性を有する弁部を除いて親水性を有し、弁部に、流体の表面張力を減少させるための電極と、流体を切断するため外気を導入する通気部が設けられているので、電極に電圧を印加することにより、弁部を疎水性から親水性に変化させて流体を送液し、電圧の印加を停止することにより、弁部を疎水性に変化させて通気部から外気を弁部に導入して流体の送液を停止することができ、流路中の弁部において弁部に導入した外気により流路中の流体を分割することができる。
【００２６】
このように流路中で流体を分割、つまり切ることができるので、流路の容積を調整することで、任意の量の流体を分割して送液することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明にかかる一実施形態の送液装置１について、図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本実施形態の送液装置１の概略構成図、図１（ｂ）は（ａ）の弁部拡大図、図２は図１の送液装置１の動作の説明図である。
【００２８】
本実施形態の送液装置１は、図１（ａ）に示す如く、電解質を有する流体Ｆを流路１０中に送液するものであり、流路１０は、入口１０ａから後述の弁部１１までの内壁面１２ａ及び弁部１１から出口１０ｂまでの内壁面１２ｂすなわち入口１０ａから出口１０ｂまでの弁部１１を除く内壁面１２が親水性を有している。流路１０は毛管現象が起こる程度の微細な径又は断面積を有するものであり、流路１０の断面形状は、溝状であっても円や多角形等の管状であってもよい。また流路１０は弁部１１を除く内壁面１２の少なくとも一部が入口１０ａから出口１０ｂまで連続して親水性を有していれば、例えば内壁面１２全体を親水性にしてもよいし、底面のみ等、一面のみを親水性にしてもよい。
【００２９】
弁部１１（図中斜線）は、内壁面１２ａと内壁面１２ｂの間隙部分であって、流路１０中の送液を遮断するものであり、流路１０中に少なくとも１つ設けられ、図１（ｂ）に示す如く、一部の流路１０区間の内壁面を全て疎水性にすることによって構成されている。また弁部１１の流路１０区間すなわち流れ方向の寸法（以下、ギャップという）は、流路１０の形状によって決定される。
【００３０】
弁部１１には、流体Ｆの表面張力を減少させるための電極１３が設けられている。電極１３は例えば金やカーボン等で構成された正負二極からなり、この二極は、図１（ａ）に示す如く、流体Ｆの流れ方向に前後して配置され、本実施形態では正極１３ａが疎水性の弁部１１に臨設され、弁部１１よりも流路１０の入口１０ａ側の内壁面１２ａの下側に負極１３ｂが配置されている。ここで「正極１３ａが疎水性の弁部１１に臨設され」とは、正極１３ａが必ずしも弁部１１（斜線部分）の全面積を覆うことを意味せず、正極１３ａが弁部１１の少なくとも内壁面１２ａから内壁面１２ｂに向かう方向の全長に亘って存在することを意味する。
【００３１】
つまり弁部１１は、図１（ｂ）に示す如く、流路１０において親水性の内壁面１２ａと内壁面１２ｂとの間隙に臨む正極１３ａの表面に疎水性の被膜を施すことにより形成することができる。このとき疎水性の被膜は疎水性誘電膜とすることができる。なお正極１３ａの表面全体に疎水性の被膜を施しても良い。そしてこの電極１３は、電極１３に接続されているスイッチをＯＮ又はＯＦＦすることにより、電極１３に電圧を印加したり、電圧の印加を停止したりすることができる。
【００３２】
さらに弁部１１には、流体Ｆを切断するため外気を導入する通気部１４が設けられている。通気部１４は、図１（ａ）、（ｂ）に示す如く、弁部１１の流路１０区間内と連通する空気孔を有する溝や管で形成され、弁部１１に確実に外気を導入するために、図１（ａ）に示す如く、弁部１１の両側から外気を導入すべく弁部１１に２つ設けられている。また通気部１４は、弁部１１のギャップよりも大きな径で形成されている。なお弁部１１に外気が導入できれば、ギャップと同じ径であっても、小さい径であってもよい。また通気部１４は、流路１０中を流体Ｆが流れるときに、空気孔に流体Ｆが流れ込まないように、空気孔の径は流路１０の径よりも小さく、かつ、内面は疎水性を有している。
【００３３】
このようにして本実施形態の送液装置１は構成されている。そして次にこの送液装置１の動作について説明する。
【００３４】
送液装置１は、図２（ａ）に示す如く、先ずスイッチをＯＦＦにした状態すなわち電極１３に電圧を印加しない状態で、流路１０の入口１０ａから流体Ｆを導入する。すると入口１０ａから入った流体Ｆは、親水性の内壁面１２ａを有する流路１０中を毛管現象によって自律的に円滑に伝わって、弁部１１の手前で停止する。
【００３５】
そこで図２（ｂ）に示す如く、スイッチをＯＮ、すなわち電極１３に電圧を印加し、[背景]の項で説明したＥＷの現象（図１２、図１３参照）によって弁部１１を疎水性から親水性に変化させる。すると流体Ｆは親水性の弁部１１を通過し、親水性の内壁面１２ｂを有する流路１０内に流れ込んで毛管現象によってそのまま流路１０の出口１０ｂにまで進む。
【００３６】
次に図２（ｃ）に示す如く、スイッチをＯＦＦ、すなわち電圧の印加を停止することにより弁体１１を親水性から疎水性に回復させる。すると流体Ｆは弁体１１の手前で移動が停止し、通気部１４から弁部１１に外気が導入されて、この外気によって流体Ｆが完全に分割される。言い換えると流路１０中で連続した流体Ｆを弁部１１で切ることができる。
【００３７】
このように流路１０中で流体Ｆを切ることができるので、流路１０の容積を調整することで、任意の量の流体Ｆを分割して送液することが可能となる。また内壁面が親水性である流路１０においては、流体Ｆは流路１０中を毛管現象によって自律的に進むので、送液装置１では流体を移動させるための外部からの圧力や熱、電場等の力を必要としない。また弁部１１においても殆ど電流が流れないため、弁部１１で消費する電力は非常に小さい。よって送液装置１は省エネルギー性に優れている。
【００３８】
さらに送液装置１では、電解質を含む流体であれば特に制約条件がないため、様々な機能性液体を送液することができる。
【００３９】
なお本実施形態の送液装置１では、電極１３を上記のように流体Ｆの流れ方向に前後して配置したが、本発明はこれに限られるものではない。ここで図３に別の実施形態の送液装置１’の概略構成図を示す。本実施形態の送液装置１’では、図３（ａ）に示す如く、弁部１１において正極１３ａと負極１３ｂとを流体Ｆの流れ方向に対して並列に配置する。このとき正極１３ａ及び負極１３ｂは、図３（ｂ）に示す如く、疎水性誘電膜で構成された弁部１１に少なくとも一部が接するように配設される。
【００４０】
この送液装置１’では、電極１３に電圧が印加されると、図３（ｂ）に示す如く、正極１３ａと接している部分の弁部１１と流体Ｆとの界面近傍に負のイオンが集まり、負極１３ｂと接している部分の弁部１１と流体Ｆとの界面近傍に正のイオンが集まって、それぞれの部分においてＥＷの現象が生じることにより疎水性が親水性となり流体Ｆが通過する。
【００４１】
次に上述した送液装置１を利用したインクジェットプリンタのプリンタヘッド２について説明する。図４は本実施形態のプリンタヘッド２の動作の説明図である。なお図４において弁部１１に設けられた電極１３やスイッチ等は図示を省略し、送液装置１と同様の箇所は同符号で示して説明を省略する。また便宜上、流体の流れ方向の上流側を上方、下流側を下方として説明する。
【００４２】
本実施形態のプリンタヘッド２は、上述した実施形態の送液装置１の流路１０の入口１０ａに、上方から下方に向かうにつれて開口径が小さくなる略円錐状のインク溜２０の排出口を連結して構成されている。なおこのときインク溜２０には流体Ｆとして電解質を含む水溶性のインクが充填されている。
【００４３】
まずインク溜２０に充填されたインクｉは、図４（ａ）に示す如く、インク溜２０から入口１０ａを通って流路１０ａ中に導入される。そして送液装置１と同様に親水性の流路１０中を毛管現象によって自律的に円滑に伝わって、弁部１１の手前で停止する。ここで図示しない電極１３に電圧を印加することによって弁部１１を疎水性から親水性に変化させると、インクｉは、図４（ｂ）に示す如く、親水性の弁部１１を通過し、毛管現象によってそのまま流路１０の出口１０ｂ側の親水性の流路１０に流れ込む。
【００４４】
次に電圧の印加を停止することにより弁体１１を親水性から疎水性に回復させる。すると図４（ｃ）に示す如く、インクｉは弁体１１の手前で移動が停止し、通気部１４から弁部１１に外気が導入されて、この外気によって流体Ｆが分割される。このとき流路１０の出口１０ｂから染み出したインクｉに紙３を接触させると、インクｉは紙３に流れ込み、弁部１１以降のインクｉを紙３に転移することができる。
【００４５】
このように上記プリンタヘッド２では、ＥＷの現象を使用しているため、電解質を有する流体であれば水性液体のインクｉを使用することができるので、インクｉが転移した印刷物がその用途を終了して破棄されるときには、油性液体と比較して環境への負荷を小さく抑えることができる。
【００４６】
また上記実施形態の送液装置１と同様に、流路１０中でインクｉを切ることができるので、流路１０の容積を調整することで、任意の量のインクｉを分割して送液することが可能となる。従って紙３に任意の量のインクｉを転移させることができる。
【００４７】
一方、上記のようにＥＷの現象を印刷機器に利用するためには、例えば「印刷画像の綺麗さ」に関係する「液体の移動量」として０．３秒で５〜２０ｐｌの性能を目標とし、「印刷速度」に対応する「液体の移動速度」として液体を０．３秒で滴下可能であることを目標としてもよい。液体の移動速度は、流路の形状により異なるが、流路長さを短くすることにより液体が滴下されるまでの応答時間を短縮することができる。また流路の親水性をより良くすることにより流速を早くすることもできる。そして本願発明者は、上記性能を満たす印刷機器用の送液装置としての印字装置４を提案した。ここで図５に印字装置４の（ａ）分解斜視図、（ｂ）正面図、（ｃ）主要部Ａ拡大上面図を示す。
【００４８】
印字装置４は、図５（ａ）に示す如く、まずガラス基板５１上に金（Ａｕ）電極５１ａをスパッタし、正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２を、それぞれ流体Ｆの流れ方向に前後して狭い間隔を隔てて配置した。
【００４９】
そしてＡｕ電極５１ａがスパッタされたガラス基板５１の上全面を誘電体であるシリコーンゴム５２で５０μｍ被膜して、その上に正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２部分を覆う疎水性誘電膜として旭硝子社製のサイトップ（登録商標）５３を５μｍ被膜し、さらにその上に流路６０の親水性の内壁面として３μｍのアルミニウム（Ａｌ）５４をスパッタした。このときアルミニウム５４と正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２とはシリコーンゴム５２及びサイトップ（登録商標）５３で隔てられているため電気的な導通はなく、電流が流れないので、アルミニウム５４は電気的な機能を持たない。
【００５０】
またシリコーンゴム５２とサイトップ（登録商標）５３の二層によって誘電膜が形成されるが、この誘電膜は表面に多くの電荷が誘導されるとＥＷによる効果が大きくなるため、誘電膜は誘電率の大きい材料で形成することが好ましい。同時に、誘導される電荷量が多くなる条件、すなわち高い電圧で機能できるように、絶縁耐圧が高い材料で形成することが好ましい。
【００５１】
またアルミニウム５４には、図５（ｃ）に示す如く、正の電極５１ａ−１の上になる一部に流体の流れ方向の幅が１５０μｍのギャップ５４ａを形成した。このギャップ５４ａには、アルミニウム５４の下に位置する疎水性誘電膜のサイトップ（登録商標）５３が臨むため、流路６０の内壁面は親水性の区間つまりアルミニウム５４と疎水性の区間つまりサイトップ（登録商標）５３とが存在し、この疎水性の区間が弁部６１となる。そして以上をまとめてガラス基板チップ５とする。
【００５２】
次にシリコーンゴムの一種であるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板５５について説明する。ＰＤＭＳ基板５５は、図５（ａ）に示したように、流路６０と弁部６１に外気を導入する通気部６４としての空気抜き経路とが溝状に形成された疎水性のシートである。そして、図５（ａ）では図示の都合上ＰＤＭＳ基板５５を上下面逆に記載しているが、図５（ｂ）に示す如く、ＰＤＭＳ基板５５の溝状の流路６０が形成されている面をガラス基板チップ５に密着されることにより印字装置４としての流路６０を形成した。
【００５３】
なお空気抜き経路の幅は、流体の逆流を防ぐために流路６０の幅よりも小さく形成し、流路６０の溝と空気抜き経路の溝とが交差する箇所が、上述の弁部６１上に位置するようにした。なお流路６０の入口６０ａには容量を大きくしたインク溜６０’を連結して形成した。以上のように印字装置４を形成した。
【００５４】
そしてこの印字装置４の流路６０中を送液する電解質を有する流体は、０．１Ｍ塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液とし、この水溶液を吸収する基材としてはインクジェット用紙を使用した。
【００５５】
上記のように構成した印字装置４は、正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２に電圧を印加及び該印加を停止することにより、上記実施形態のプリンタヘッド２と同様の動作をする。
【００５６】
そして流路６０の幅ｗを２５．５μｍ、高さｈを２．７μｍ、入口６０ａから出口６０ｂまでの長さＬを３００μｍとして、正負の電極５１ａ−１、５１ａ−２に電圧を印加した状態すなわち流路６０の内壁面を親水性として流路６０に上記水溶液を流す実験を行った。この結果、毛管現象によって２１ｐｌの上記水溶液を送液することができた。このとき送液に要した時間は０．１２秒であった。
【００５７】
また上記と同様に流路６０の内壁面を親水性にし、毛管現象によって４９ｎｌの黒色水溶性染料を加えた液体を、出口６０ｂからインクジェット用紙に転移させる実験を行った。この結果、φ９５０μｍのドットで前記液体をインクジェット用紙に転移させることができた。
【００５８】
また弁部６１により流路６０中で水溶液を所定量に分割し、紙に転移させる実験を行った。この結果、弁部６１により分割された水溶液つまり弁部６１より下流側に流路容積である６ｎｌの水溶液を紙に転移させることができた。このときの印加電圧は２００Ｖ、電流はμｍ以下であった。
【００５９】
これにより印字装置４において、目標とする性能を満たし、かつ弁部６１によって流路６０中で一定量の流体を完全に分割して出口６０ｂから排出できることが確認できた。
【００６０】
次に図６に別の実施形態の印字装置を示す。なお本実施形態の印字装置は、上述した実施形態のプリンタヘッド又は印字装置４と略同様の構成であるため、同じ箇所は同符号で示して説明を省略し、異なる箇所についてのみ説明する。
【００６１】
上述した実施形態のプリンタヘッド２又は印字装置４においては、インクジェット用紙等の紙３を、流路１０、６０の出口１０ｂ、６０ｂに接触させて、インクｉを紙３に転移させるときに、紙３と接触する出口１０ｂ、６０ｂの外縁部が親水性を有する場合には、この外縁部がインクｉで濡れてしまい、弁部１１、６１にて一定量に分割されたインクｉを、正確な量だけ紙３に転移させるのは困難である。
【００６２】
そこで本実施形態の印字装置は、図６に示す如く、上述した実施形態のプリンタヘッド２又は印字装置４の紙３と接触する出口１０ｂ、６０ｂの外縁部７を疎水性誘電膜で被覆している。こうすることにより外縁部７はインクｉを弾くのでインクｉで濡れることが略なくなり、弁部１１、６１にて一定量に分割されたインクｉを正確な量で確実に紙３に転移させることができる。
【００６３】
次に図７に別の実施形態の印字装置、図８に第二の電極９の斜視図の一例を示す。なお本実施形態の印字装置も、上述した実施形態のプリンタヘッド又は印字装置４と略同様の構成であるため、同じ箇所は同符号で示して説明を省略し、異なる箇所についてのみ説明する。
【００６４】
上述した実施形態のプリンタヘッド２又は印字装置４においては、インクジェット用紙等の紙３を、流路１０、６０の出口１０ｂ、６０ｂに接触させて、インクｉを紙３に転移させるときに、流路１０、６０内で一定量に分割されたインクｉが紙３に全て転移せずに出口１０ｂ、６０ｂ付近に残ってしまう場合がある。このインクｉが残る可能性のある区間を出口区間と呼ぶが、出口区間の長さは、インクｉの粘度や表面張力、流路１０、６０の大きさや親水性、紙３の濡れ性等の因子により変動する。
【００６５】
そこで本実施形態の印字装置は、図７に示す如く、弁部１１、６１よりも出口１０ｂ，６０ｂ側の親水性を有する一定区間Ｂを除いて出口１０ｂ、６０ｂに隣接する流路１０、６０の出口区間の内壁８ａ、及び出口１０ｂ、６０ｂの外縁部８を疎水性誘電膜で被覆して、出口区間の内壁８ａ及び外縁部８のうち出口１０ｂ、６０ｂに隣接する周縁部８ｂに、インクｉの表面張力を減少させるための弁部１１、６１に設けられた電極１３、５１ａ−１、２とは別に、正負の二極からなる第二の電極９ａ、９ｂを設けている。
【００６６】
第二の電極９ａ、９ｂは、例えば図８の左図に示す如く、インクｉの流れ方向に沿って２つに分割された角柱状に構成され、一方を正の電極９ａ−１、他方を負の電極９ｂ−１とすることができる。また図８の右図に示す如く、インクｉの流れ方向に沿って２つに分割された円柱状に構成され、一方を正の電極９ａ−２、他方を負の電極９ｂ−２とすることもできる。
【００６７】
上記のように構成された印字装置では、図７においてインクｉが出口区間を通過するときには電極９ａ、９ｂに電圧を印加して、電極９ａ、９ｂと接している出口区間の内壁８ａ及び周縁部８ｂを親水性にしておき、図示しない紙等の吸収性の被転移基材を出口１０ｂ、６０ｂに接触させることにより、弁部１１、６１で一定量に分割されたインクｉを被転移基材に転移させる。このとき出口１０ｂ、６０ｂ付近の流路１０、６０内にインクｉが残留している場合には、前記電圧の印加を停止して内壁８ａ及び周縁部８ｂを親水性から疎水性に変化させる。
【００６８】
これにより残留していたインクｉは濡れ性の差によって被転移基材に転移するので、流路１０、６０内で一定量に分割されたインクｉを被転移基材に完全に転移させることができる。なおことのき周縁部８ｂを除いた外縁部８は、常に疎水性を有しているので、上記実施形態と同様に、外縁部８がインクｉを弾きインクｉで濡れることが略ないため、弁部１１、６１にて一定量に分割されたインクｉを正確な量で確実に被転移基材に転移させることができる。
【００６９】
次に図９に別の実施形態のプリンタヘッドの概略模式図を示す。なお本実施形態のプリンタヘッドは、上述した実施形態のプリンタヘッドと略同様の構成であるため、同じ箇所は同符号で示して説明を省略し、異なる箇所についてのみ説明する。
【００７０】
本実施形態のプリンタヘッド２’は、図９（ａ）に示す如く、出口１０ｂを有する流路出口部１０’が、印刷装置１００本体から突出している。具体的には、例えばプリンタヘッド２’本体の上端外周面に鍔部２１を設け、この鍔部２１の下端面が、開口を有する印刷装置１００本体の支持板１００ａに当接することにより、印刷装置１００がプリンタヘッド２’を支持するように構成することができる。このときプリンタヘッド２’内部のインク溜２０に、印刷装置１００に設けられ、インクｉを供給するインク供給路２０ａが接続される。
【００７１】
これにより出口１０ｂが平坦面に位置するときよりも、インクｉを転移させる紙３と出口１０ｂとを確実に接触させることができる。なお流路出口部１０’の先端外周を、図９（ａ）に示す如く、斜めに切り取って先鋭形状とすることにより出口１０ｂが紙３にくい込むような効果を持たせることができる。
【００７２】
また上記流路出口部１０’は、例えばゴム等の弾性部材で形成してもよい。このとき流路出口部１０’は、流路１０が変形しなければ、例えば流路１０の出口１０ｂ付近のみ、つまり一部を弾性部材で形成してもよいし、全部を弾性部材で形成してもよい。こうすることにより流路出口部１０’は柔軟に変形可能となるので、出口１０ｂと紙３とがより接触し易くなる。
【００７３】
また上記流路出口部１０’は、出口１０ｂがインクｉの流れ方向に弾性を有するものであってもよい。具体的には、例えば図９（ｂ）に示す如く、プリンタヘッド２’本体の下側外周面に第二の鍔部２２を設け、この第二の鍔部２２の上端面と支持板１００ａの下端面との間にばね部材２ａを配設することができる。このときインク供給路２０ａは弾性を有するパイプ等で形成する。これにより流路出口部１０’を紙３に圧着させることができるので、出口１０ｂと紙３とをより確実に接触させることができる。
【００７４】
また例えば図９（ｃ）に示す如く、上記ばね部材２ａの代わりにゴム等の弾性部材２ｂを配設してもよい。この場合、弾性部材２ｂが通気部１４による通気を阻害しないように、弾性部材２ｂを多孔性を有するものとしたり、通気経路をもつ形状にしたりする。例えば図９（ｃ）に示す如く、弾性部材２ｂの内面と通気部１４の開口との間に、外気と通じる間隙を設けてもよい。
【００７５】
次に上述した実施形態のプリンタヘッド２、２’の印刷装置への実装例について説明する。ここで図１０にプリンタヘッド２、２’を実装した印刷装置のイメージ斜視図、図１１に図１０の印刷装置の正面図を示す。
【００７６】
図１０、図１１の印刷装置１００では、複数のプリンタヘッド２、２’の流路出口を回転自在に配置された転写ドラム１０１の全面上に配設し、転写ドラム１０１の下方から基材１０３を支持する回転体１０２によってプリンタヘッド２、２’と基材１０３は相対速度ゼロで一定時間接するようにされている。そしてプリンタヘッド２、２’の流路出口は図１１に示す如く、基材１０３に接しながら一定速度で回転する。このとき各プリンタヘッド２、２’の電極へ電圧を印加したり停止したりすることによって、図１０の左図や右図に示す如く、印刷パターンを制御する。
【００７７】
なお本実施形態では複数のプリンタヘッド２、２’を転写ドラム１０１に配設したが、例えば平面上の転写体に配設してもよい。この場合プリンタヘッド２、２’の流路出口は、一定時間基材１０３ と接触した状態を保った後に退避して、基材１０３が搬送され、必要ならば再度この工程が繰り返される。
【００７８】
また上記実施形態では、プリンタヘッド２、２’を面状に配設したが、例えばラインインクジェットプリンタのように、基材１０３の幅方向全体に対応するように、複数のプリンタヘッド２、２’の流路出口を線状に配置してもよい。この場合、プリンタヘッド２、２’と基材１０３とは、プリンタヘッド２、２’の配列方向と直交する方向に相対移動し、一回の相対移動で基材１０２全体を走査可能とする。なお転移量を増やすために２回以上走査してもよい。
【００７９】
また例えばシリアルインクジェットプリンタにように、数ｍｍ〜数十ｍｍの長さで複数のプリンタヘッド２、２’の流路出口を線状に配置してもよい。この場合、プリンタヘッド２、２’と基材１０３とは、プリンタヘッド２、２’の配列方向と直交する方向に相対移動し、一回の相対移動で基材１０３の一部しか走査できないので、走査毎に、プリンタヘッド２、２’を基材１０３に対して未走査位置まで移動させて次回の走査をさせる。
【００８０】
なお流路中に送液する流体を、機能性粒子を分散させた液体とした場合には、例えば上記と同様にして、ＤＮＡチップ、プロテインチップ、細胞チップ等に使用するパターニング装置に適用することができる。なおこの液体を水性液体とすることにより、機能性材料をパターニングしたデバイスが、その用途を終了して破棄される際、溶媒が蒸発する場合にはその途中の工程においても、油性液体と比較して環境への負荷を小さく抑えることができる。
【００８１】
なお上述した全ての実施形態は、電極として正負の二極からなる二電極系を採用しているが、正極一流体間の電位差及び負極一流体間の電位差を把握して最適な電圧制御を行うため、作用電極、対向電極及び参照電極を用いた三電極系を採用することもできる。この場合、例えば弁部に臨設する電極として作用電極、他方の電極として対向電極、さらに流体に接触する任意の位置に参照電極を配置すること等が考えられる。
【００８２】
本発明の送液装置及び該送液装置における送液制御方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】（ａ）送液装置の概略構成図、（ｂ）弁部拡大図
【図２】送液装置の動作の説明図
【図３】別の実施形態の送液装置の概略構成図
【図４】プリンタヘッドの動作の説明図
【図５】印字装置の（ａ）分解斜視図、（ｂ）正面図、（ｃ）主要部Ａ拡大上面図
【図６】別の実施形態の印字装置
【図７】さらに別の実施形態の印字装置
【図８】第二の電極の斜視図の一例
【図９】別の実施形態のプリンタヘッドの概略模式図
【図１０】プリンタヘッドを実装した印刷装置のイメージ斜視図
【図１１】図１０の印刷装置の正面図
【図１２】エレクトロウェッティング現象の説明図（その１）
【図１３】エレクトロウェッティング現象の説明図（その２）
【符号の説明】
【００８４】
１、１’ 送液装置
１０、６０ 流路
１０ａ、６０ａ 入口（流路入口）
１０ｂ、６０ｂ 出口（流路出口）
１１、６１ 弁部（疎水性）
１２ａ、１２ｂ 内壁面（親水性）
１３、５１ａ 電極
１３ａ、５１ａ−１ 正の電極
１３ｂ、５１ａ−２ 負の電極
１４、６４ 通気部
２、２’ プリンタヘッド
２０、６０’ インク溜
３ 紙（被転写基材）
４ 印字装置
Ｆ 流体
ｉ インク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を有する流体を流路中に送液する送液装置であって、
前記流路の内壁面の少なくとも一部は、該流路の入口から出口までの全体に亘って、少なくとも一つの送液を遮断する疎水性を有する弁部を除いて親水性を有し、
前記弁部に、前記流体の表面張力を減少させるための電極と、前記流体を切断するため外気を導入する通気部が設けられていることを特徴とする送液装置。
【請求項２】
前記電極が、正負の二極を有し、
該正負の二極の一方の電極が、前記疎水性の弁部に臨設されていることを特徴とする請求項１に記載の送液装置。
【請求項３】
前記正負の二極の電極が、前記流体の流れ方向に前後して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の送液装置。
【請求項４】
前記電極と前記流路とが、誘電膜によって隔てられていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項５】
前記出口の外縁部が疎水性を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項６】
前記流路の出口区間の内壁及び前記出口の外縁部が疎水性を有するものであり、
前記出口区間及び前記外縁部のうち前記出口に隣接する周縁部に、前記流体の表面張力を減少させるための第二の電極が設けられていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項７】
前記出口を有する流路出口部が、装置本体から突出していることを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項８】
前記流路出口部が、弾性部材で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の送液装置。
【請求項９】
前記流路出口部が、前記流体の流れ方向に弾性を有するものであることを特徴とする請求項７に記載の送液装置。
【請求項１０】
前記流体が、機能性粒子を分散させた液体であることを特徴とする請求項１から９いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項１１】
請求項１から１０いずれか１項に記載の送液装置において、
前記電極に電圧を印加することにより、前記流路中の前記弁部を疎水性から親水性に変化させて前記流体を送液し、電圧の印加を停止することにより、前記弁部を疎水性に変化させて前記通気部から外気を該弁部に導入して前記流体を一定量だけ分割することを特徴とする送液制御方法。
【請求項１】
電解質を有する流体を流路中に送液する送液装置であって、
前記流路の内壁面の少なくとも一部は、該流路の入口から出口までの全体に亘って、少なくとも一つの送液を遮断する疎水性を有する弁部を除いて親水性を有し、
前記弁部に、前記流体の表面張力を減少させるための電極と、前記流体を切断するため外気を導入する通気部が設けられていることを特徴とする送液装置。
【請求項２】
前記電極が、正負の二極を有し、
該正負の二極の一方の電極が、前記疎水性の弁部に臨設されていることを特徴とする請求項１に記載の送液装置。
【請求項３】
前記正負の二極の電極が、前記流体の流れ方向に前後して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の送液装置。
【請求項４】
前記電極と前記流路とが、誘電膜によって隔てられていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項５】
前記出口の外縁部が疎水性を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項６】
前記流路の出口区間の内壁及び前記出口の外縁部が疎水性を有するものであり、
前記出口区間及び前記外縁部のうち前記出口に隣接する周縁部に、前記流体の表面張力を減少させるための第二の電極が設けられていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項７】
前記出口を有する流路出口部が、装置本体から突出していることを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項８】
前記流路出口部が、弾性部材で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の送液装置。
【請求項９】
前記流路出口部が、前記流体の流れ方向に弾性を有するものであることを特徴とする請求項７に記載の送液装置。
【請求項１０】
前記流体が、機能性粒子を分散させた液体であることを特徴とする請求項１から９いずれか１項に記載の送液装置。
【請求項１１】
請求項１から１０いずれか１項に記載の送液装置において、
前記電極に電圧を印加することにより、前記流路中の前記弁部を疎水性から親水性に変化させて前記流体を送液し、電圧の印加を停止することにより、前記弁部を疎水性に変化させて前記通気部から外気を該弁部に導入して前記流体を一定量だけ分割することを特徴とする送液制御方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−６６４６４（Ｐ２００９−６６４６４Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３４２３０（Ｐ２００７−２３４２３０）
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度 独立行政法人科学技術振興機構、研究成果実用化検討（ＦＳ）に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２５０５０２）理想科学工業株式会社 (1,191)
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度 独立行政法人科学技術振興機構、研究成果実用化検討（ＦＳ）に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２５０５０２）理想科学工業株式会社 (1,191)
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]