(57)【要約】【課題】液体中に一方向の電界を発生させる場合に、液体の電気分解や電気化学反応の発生を抑制し、電極の腐食を抑制することを課題とする。【解決手段】物体が浮遊する液体を注入された容器と、前記容器に注入された液体に、それぞれ少なくとも一部が浸されるように所定の間隔を空けて配置された第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および第２の電極に接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて液体と直接接触せず、前記交流発生器が印加した非対称交流によって、前記液体中に浮遊する物体に対し、前記第１の電極から第２の電極への移動、または前記第２の電極から第１の電極への移動のうちいずれか一方の移動をさせることを特徴とする浮遊体移動装置。【選択図】図６
2014055979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体が浮遊する液体を注入された容器と、
前記容器に注入された液体に、それぞれ少なくとも一部が浸されるように所定の間隔を空けて配置された第１の電極および第２の電極と、
前記第１の電極および第２の電極に接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、
前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて液体と直接接触せず、
前記交流発生器が印加した非対称交流によって、前記液体中に浮遊する物体に対し、前記第１の電極から第２の電極への移動、または前記第２の電極から第１の電極への移動のうちいずれか一方の移動をさせることを特徴とする浮遊体移動装置。
【請求項２】
試料を含む液体が注入された泳動槽と、
前記泳動槽に注入された液体に、それぞれ少なくとも一部が浸されるように所定の間隔を空けて配置された第１の電極および第２の電極と、
前記第１の電極および第２の電極に接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、
前記交流発生器が印加した非対称な交流によって、液体中に含まれた試料を、液体中の第１の電極と第２の電極との間を泳動させ、
前記第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて前記液体と直接接触しないことを特徴とする電気泳動装置。
【請求項３】
所定の間隔を空けて対向配置された第１の電極および第２の電極と、
前記第１の電極と第２の電極とに挟まれた空間に配置され、電気泳動粒子と分散液とを内包した複数のカプセルからなる電気泳動素子と、
前記第１の電極と第２の電極とに接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、
前記カプセルが絶縁性を有し、
前記非対称な交流によって、各カプセル内の電気泳動粒子を一方の電極の方向へ移動させることを特徴とする電気泳動表示装置。
【請求項４】
物体が浮遊する液体を容器に注入する準備ステップと、
第１の電極と第２の電極とを、それぞれ少なくとも一部が前記液体に浸されるように所定の間隔を空けて配置する配置ステップと、
前記第１の電極と第２の電極との間に非対称交流を印加し、前記液体中に浮遊する物体に対し、前記第１の電極から第２の電極への移動、または前記第２の電極から第１の電極への移動のうちいずれか一方の移動をさせる移動ステップを含む浮遊体移動方法であって、
前記第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて液体と直接接触しないことを特徴とする浮遊体移動方法。
【請求項５】
電気泳動によって移動させる試料を含む液体を、泳動槽に注入する準備ステップと、
第１の電極と第２の電極とを、それぞれ少なくとも一部が前記液体に浸されるように所定の間隔を空けて配置させる配置ステップと、
前記第１の電極と第２の電極との間に非対称交流を印加して、前記試料を液体中の第１の電極と第２の電極との間を泳動させる泳動ステップとを含み、
前記第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて前記液体と直接接触しないことを特徴とする電気泳動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体中に電界を発生させる電界発生装置および電界発生方法に関する。また、液体中に浮遊する固体を移動させる浮遊体移動装置および浮遊体移動方法、電気泳動装置および電気泳動方法、電気浸透流ポンプおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、荷電粒子やタンパク質などの分子の分離・分析をするために、分子等を含む溶液中に一対の電極を浸してその電極間に直流電圧を印加する電気泳動法が用いられてきた。このように、一対の電極間に直流電圧を印加すると、溶液中に一方向の電界が生じるので、荷電粒子等を一方の電極の方向へ移動させることができる。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、ＤＮＡの塩基配列を決定するのに用いられる電気泳動装置が記載されている。
この特許文献１の電気泳動装置では、溶液に相当するスラブ状泳動ゲルの両端に、電解液に収容された電極層を配置し、この電極層には泳動電圧を印加する泳動電源が接続される。泳動電源は直流電源であり、電極層間に一方向の直流電圧（電界）が印加されると、一方向に直流電流が流れ、泳動ゲル中に注入された分析対象のＤＮＡ断片試料が、泳動ゲル中を泳動して分離される。
また、液体中に一対の電極を配置して、この電極間に直流電圧を印加して液体中に一方向の電界を発生させる装置は、電気浸透流ポンプや、帯電した微細な粒子を移動させる装置など、種々の分野で利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１５１６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電極間に直流電流を流すことにより液体内に電界を発生させた場合、長時間一方向への電流が流れることにより、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題があった。
さらに、これらの反応により、液体中に気泡が発生し、又は液体が汚染されるという問題も発生する。また、これらの問題は、電気泳動装置においては、試料の汚染につながり、電気浸透流ポンプにおいては、気泡による動作不良を招いていた。
【０００６】
そこで、この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、液体の電気分解や電気化学反応等を起こすことなく、液体中の一方向に電界を発生させることが可能な電界発生装置および電界発生方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、物体が浮遊する液体を注入された容器と、前記容器に注入された液体に、それぞれ少なくとも一部が浸されるように所定の間隔を空けて配置された第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および第２の電極に接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて液体と直接接触せず、前記交流発生器が印加した非対称交流によって、前記液体中に浮遊する物体に対し、前記第１の電極から第２の電極への移動、または前記第２の電極から第１の電極への移動のうちいずれか一方の移動をさせることを特徴とする浮遊体移動装置を提供するものである。
これによれば、第１の電極と第２の電極との間に非対称な交流を印加しているので、液体内に浮遊する物体を一方向に移動することができ、液体が電気分解を起こすことや電気化学反応を起こすことはほとんどなく、電極が腐食することを抑制することができる。
【０００８】
また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるので、２つの電極間に直流電流が流れない。したがって、液体が電気分解を起こすことや電気化学反応を起こすことはほとんどなく、電極が腐食することを更に確実に防止できる。
【０００９】
また、この発明は、試料を含む液体が注入された泳動槽と、前記泳動槽に注入された液体に、それぞれ少なくとも一部が浸されるように所定の間隔を空けて配置された第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および第２の電極に接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、前記交流発生器が印加した非対称な交流によって、液体中に含まれた試料を、液体中の第１の電極と第２の電極との間を泳動させ、前記第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて前記液体と直接接触しないことを特徴とする電気泳動装置を提供するものである。
これによれば、第１の電極と第２の電極との間に非対称な交流を印加しているので、試料を電気泳動させることができ、電気泳動を行なう際に、液体が電気分解して気泡が発生することを防止でき、電気化学反応により電極が腐食して液体が汚染することを防止できる。したがって、電気泳動により、試料に対するより精確な解析が可能となる。
【００１０】
また、この発明は、所定の間隔を空けて対向配置された第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極とに挟まれた空間に配置され、電気泳動粒子と分散液とを内包した複数のカプセルからなる電気泳動素子と、前記第１の電極と第２の電極とに接続され、両電極間に非対称な交流を印加させる交流発生器とを備え、前記カプセルが絶縁性を有し、前記非対称な交流によって、各カプセル内の電気泳動粒子を一方の電極の方向へ移動させることを特徴とする電気泳動表示装置を提供するものである。
これによれば、第１の電極と第２の電極との間に非対称な交流を印加しているので、各カプセル内の電気泳動粒子を一方の電極の方向に移動させ続けることができ、各カプセルの位置を画素とした場合に、電気泳動に基づく表示をさせることができる。
【００１１】
また、この発明は、物体が浮遊する液体を容器に注入する準備ステップと、第１の電極と第２の電極とを、それぞれ少なくとも一部が前記液体に浸されるように所定の間隔を空けて配置する配置ステップと、前記第１の電極と第２の電極との間に非対称交流を印加し、前記液体中に浮遊する物体に対し、前記第１の電極から第２の電極への移動、または前記第２の電極から第１の電極への移動のうちいずれか一方の移動をさせる移動ステップを含む浮遊体移動方法において、前記第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて液体と直接接触しないことを特徴とする浮遊体移動方法を提供するものである。
これによれば、第１の電極と第２の電極との間に非対称な交流を印加するので、液体内に浮遊する物体を一方向に移動することができ、液体が電気分解を起こすことや電気化学反応を起こすことはほとんどなく、電極が腐食することを抑制することができる。
また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるので、２つの電極間に直流電流が流れない。したがって、液体が電気分解を起こすことや電気化学反応を起こすことはほとんどなく、電極が腐食することを更に確実に防止できる。
【００１２】
また、この発明は、電気泳動によって移動させる試料を含む液体を、泳動槽に注入する準備ステップと、第１の電極と第２の電極とを、それぞれ少なくとも一部が前記液体に浸されるように所定の間隔を空けて配置させる配置ステップと、前記第１の電極と第２の電極との間に非対称交流を印加して、前記試料を液体中の第１の電極と第２の電極との間を泳動させる泳動ステップとを含み、前記第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われて前記液体と直接接触しないことを特徴とする電気泳動方法を提供するものである。
これによれば、第１の電極と第２の電極との間に非対称な交流を印加しているので、試料を電気泳動させることができ、電気泳動を行なう際に、液体が電気分解して気泡が発生することを防止でき、電気化学反応により電極が腐食して液体が汚染することを防止できる。したがって、電気泳動により、試料に対するより精確な解析が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、液体中の一対の電極である第１および第２の電極間に非対称な交流を印加するので、液体中に実質的に一方向の電界を発生させることができ、電極間に直流電流による一方向の電界を印加しつづけることはなく、液体に電気分解および電気化学反応が生じることを抑制でき、電極の腐食を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】対称な交流の波形の一実施例の説明図である。
【図２】この発明の非対称な交流の波形の一実施例の説明図である。
【図３】この発明の非対称な交流の波形の一実施例の説明図である。
【図４】非対称交流であることの判定方法の一実施例の説明図である。
【図５】この発明の電界発生装置の一実施例の概略構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２の電界発生装置の概略構成図である。
【図７】この発明の非対称な交流の波形の一実施例の説明図である。
【図８】液体中の電極間に直流電圧を印加した場合の電界発生現象の説明図である。
【図９】この発明の非対称交流のシミュレーションモデルの説明図である。
【図１０】この発明の非対称交流のシミュレーションモデルの説明図である。
【図１１】この発明の第１のシミュレーションで用いる非対称な矩形波の一実施例の波形図である。
【図１２】この発明の第１のシミュレーションで誘起される電荷量のグラフである。
【図１３】この発明の第１のシミュレーションで誘起される電荷量のグラフである。
【図１４】この発明の第１のシミュレーションにおける液体中の電界の強さのグラフである。
【図１５】この発明の第１のシミュレーションにおいて、平均電界と定数ｎとの関係を示すグラフである。
【図１６】この発明の第１のシミュレーションにおいて、液体中の物体の位置の時間変化のグラフである。
【図１７】この発明の第２のシミュレーションで用いる非対称な矩形波の一実施例の波形図である。
【図１８】この発明の第２のシミュレーションにおいて、液体中の物体の位置の時間変化のグラフである。
【図１９】この発明の第３のシミュレーションで用いる対称な矩形波の一実施例の波形図である。
【図２０】この発明の第３のシミュレーションにおいて、液体中の物体の位置の時間変化のグラフである。
【図２１】この発明の第４のシミュレーションで用いる非対称な三角波の一実施例の波形図である。
【図２２】この発明の第４のシミュレーションで誘起される電荷量のグラフである。
【図２３】この発明の第４のシミュレーションで誘起される電荷量のグラフである。
【図２４】この発明の第４のシミュレーションにおける液体中の電界の強さのグラフである。
【図２５】この発明の第４のシミュレーションにおいて、平均電界と定数ｎとの関係を示すグラフである。
【図２６】この発明の第４のシミュレーションにおいて、液体中の物体の位置の時間変化のグラフである。
【図２７】この発明の実施の形態３の浮遊体移動装置の概略構成図である。
【図２８】この発明の実施の形態４の浮遊体移動装置の概略構成図である。
【図２９】この発明の実施の形態５の浮遊体移動装置の概略構成図である。
【図３０】この発明の実施の形態６の電気泳動装置の概略構成図である。
【図３１】この発明の実施の形態７の電気泳動表示装置の概略構成図である。
【図３２】この発明の実施の形態８の電気浸透流ポンプの概略構成図である。
【図３３】この発明の実施の形態９の電気浸透流ポンプの概略構成図である。
【図３４】この発明の実施の形態１０の電気浸透流ポンプの概略構成図である。
【図３５】この発明の実施の形態１１の燃料電池の概略構成図である。
【図３６】この発明の実施の形態１２の冷却ポンプの概略構成図である。
【図３７】この発明の実施の形態１３の薬液供給装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜用語の定義＞
まず、この発明で用いる「非対称交流」の定義を、図１〜図４を用いて説明する。
図１は、非対称でない、すなわち対称な交流の波形を例示したものである。図２および図３は、非対称な交流の波形を例示したものである。図４は、非対称であるか否かを判定する具体的な方法を説明する図である。
【００１６】
図１は、非対称でない、すなわち対称な交流の波形（電圧Ｖと時間ｔの関係を示すグラフ）を４つ例示している。
図１（ａ）は、対称な正弦波である。グラフ上で１１１は電圧が最小値をとる点であり、１１２は電圧が最大値をとる点であり、１１３は再び電圧が最小値をとる点である。波形の一部分１１４（１１１から１１２の区間）は昇圧過程であり、波形の他の一部分１１５（１１２から１１３の区間）は降圧過程である。点１１１から点１１３までは交流の１周期となっている。
【００１７】
ここで、図１（ａ）の正弦波を対称と判断する基準を図４（ａ）および（ｂ）で説明する。
図４（ａ）は図１（ａ）を再掲したものである。図４（ｂ）では、図４（ａ）の波形の昇圧過程１１４を抜き出して、電圧軸を反転している（１１４ｒ）。当然、この１１４ｒは、波形の降圧過程１１５と正確に重なる。すなわち、昇圧過程と降圧過程とが完全に重なる交流を、非対称でない交流あるいは対称交流と呼ぶ。
【００１８】
図１（ｂ）は対称な矩形波である。この場合、電圧が最小となる点は１つではなく、１２１ａとしても１２１ｃとしてもよく、あるいはそれら２点の間である１２１ｂとしてもよい。同様に、電圧が最大となる点も１つではなく、１２２ａとしても１２２ｃとしてもよく、あるいはそれら２点の間である１２２ｂとしてもよい。
しかしながら、前述のように非対称か否かの判定を行なうためには、波形の昇圧過程１２４と降圧過程１２５の範囲を確定する必要がある。今後は、電圧が最小（最大）となる点が複数ある場合は、その最終の点を採用することとする。すなわち、昇圧過程１２４は１２１ａと１２２ａの間、降圧過程は１２２ａと１２３ａの間であるとする。昇圧過程１２４（１２１ａから１２２ａの区間）と降圧過程１２５（１２２ａから１２３ａの区間）は、電圧軸を反転することにより完全に重なるから、明らかに図１（ｂ）の矩形波の交流も対称である。
【００１９】
図１（ｃ）は対称な三角波である。昇圧過程１３４（１３１から１３２の区間）と降圧過程１３５（１３２から１３３の区間）は、電圧軸を反転することにより完全に重なる。図１（ｄ）の波形は複雑であるが、やはり対称な交流である。昇圧過程１４４（１４１から１４２の区間）と降圧過程１４５（１４２から１４３の区間）は、電圧軸を反転することにより完全に重なるからである。
【００２０】
一方、図２は、非対称な交流の波形を４つ例示している。
図２（ａ）は、波形が正弦的に変化するが、非対称な交流である。なぜならば、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、昇圧過程２１４（２１１から２１２の区間）を電圧軸で反転しても（２１４ｒ）、降圧過程２１５（２１２から２１３の区間）とは重ならないからである。
図２（ｂ）は、高電位にある時間（高電位持続時間）と低電位にある時間（低電位持続時間）が異なる、非対称な矩形波である。昇圧過程２２４（２２１から２２２の区間）を電圧軸で反転しても、降圧過程２２５（２２２から２２３の区間）とは重ならないからである。
【００２１】
図２（ｃ）は、非対称な三角波である。昇圧過程２３４（２３１から２３２の区間）を電圧軸で反転しても、降圧過程２３５（２３２から２３３の区間）とは重ならないからである。非対称な三角波は、立ち上がり時間と立ち下がり時間が異なる三角波である。
図２（ｄ）の波形は複雑であるが、やはり非対称な交流である。昇圧過程２４４（２４１から２４２の区間）を電圧軸で反転しても、降圧過程２４５（２４２から２４３の区間）とは重ならないからである。
この他にも、図示しないが、非対称な交流としては、立ち上がり時間と立ち下がり時間が異なるのこぎり波を用いてもよい。
【００２２】
図３は、周期または振幅が時間と共に変化する、非対称な交流の例である。
図３（ａ）は、時間と共に周期が増加する。昇圧過程３１４（３１１から３１２の区間）を電圧軸で反転しても、降圧過程３１５（３１２から３１３の区間）とは重ならないから、非対称な交流である。
図３（ｂ）は、時間と共に振幅が増加する。昇圧過程３２４（３２１から３２２の区間）を電圧軸で反転しても、降圧過程３２５（３２２から３２３の区間）とは重ならないから、非対称な交流である。
【００２３】
以上をまとめると、図２と図３に例示したように、非対称な交流とは、交流の昇圧過程と降圧過程とが、その一方の電圧軸を反転しても重なることのない交流と定義し、非対称交流とも呼ぶ。
以下、非対称な交流を用いて液体中に実質的に一方向に電界を発生させる装置および方法について、具体例を用いて説明する。
【００２４】
＜実施の形態１＞
本発明の第１の実施の形態である、液体中に一方向の電界を発生させる電界発生装置および電界発生方法を、図５を用いて説明する。
図５に、液体中に一方向の電界を発生させる装置（電界発生装置）１１００の概略断面図を示す。
容器１１１１は、液体１１１２で満たされている。第１の電極１１１３と第２の電極１１１４は、その少なくとも一部が液体１１１２に浸されている。第１の電極１１１３と第２の電極１１１４には、非対称な交流を発生する交流電源１１１５（交流発生器とも呼ぶ）が接続されている。
【００２５】
ここで、容器１１１１は、液体１１１２を保持できるものであればよい。
液体１１１２は、効果よく一方向電界を発生するために、イオン濃度が小さなものが好ましい。例えば、エタノール、メタノール、ＩＰＡ（Isopropyl Alcohol）などのアルコール類、ベンジン、アセトンなどの有機溶媒などが好ましい。水を用いる場合は、純水、無イオン水などを用いるのが好ましい。
【００２６】
第１の電極１１１３および第２の電極１１１４は、十分な導電性を有していればよい。
なお、第１の電極１１１３と第２の電極１１１４は、互いに対向するように配置することにより、２つの電極間の電界の向きと強さを均一にすることができる。したがって、後述する実施例で示されるように、液体中の帯電した物体を一方向に移動させ、または、電気泳動を行う際には、物体や電気泳動の対象物を正確にコントロールすることができる。
また、電極材料としては、たとえば、銅、金、タングステン、アルミニウムなどの金属や導電性を与える不純物を添加したシリコンなどの半導体を用いることができる。
【００２７】
電極の形状は、たとえば平板状とし、電極のサイズ，面積は５ｃｍ×５ｃｍ程度とする。１対の電極は所定の距離だけ離して対向配置させ、その電極間の距離はたとえば１０ｃｍ程度とする。ただし、電極の形状や配置はこれに限るものではなく、網状、リング状、塊状の形状の電極を、電界を発生させたい領域を挟むように配置してもよい。また、電極間の距離は、電界を発生させたい領域の大きさに応じて決めればよく、数μｍ〜数十ｃｍとする場合もある。
【００２８】
交流電源１１１５で発生させて、第１の電極１１１３と第２の電極１１１４に印加する非対称交流は、例えば、図２や図３に示したものを用いることができる。図２および図３における交流電圧値Ｖを、第２の電極１１１４を基準電圧として、第１の電極１１１３に加える電圧とする。このとき、例えば図２に示す非対称交流を印加したとき、液体１１１２内に実質的に発生する電界の向きは右向き（図５の矢印１１１７の向き）となる。
【００２９】
非対称交流の好ましい周波数は、液体の種類によって異なる。一般的に、液体はイオンを含み、液体中のイオン濃度が高いほど、電極の電位変化に対応して液体中に発生した電界が速やかに消失する。非対称交流の電圧変化（周波数に比例）が、液体中に発生した電界が消失する時間より長い場合には、液体中にほとんど電界を発生させることができない。そのため、イオン濃度が低い液体では周波数を低く、イオン濃度が高い液体では周波数を高くする。
例として、液体としてＩＰＡを用いた場合は、好ましくは５Ｈｚ〜５０ｋＨｚであり、液体として純水を用いた場合は５００Ｈｚ〜５ＭＨｚである。しかしながら、液体の汚染によりイオン濃度が高い場合には、周波数を高くする必要がある。
【００３０】
液体１１１２のイオン濃度が高い場合、第１の電極１１１３および第２の電極１１１４に非対称交流を印加した際に、液体１１１２中に一方向に電界が発生するのを阻害する効果がより強くなる。
これは、第１の電極１１１３および第２の電極１１１４の表面付近にも多くのイオンが存在するため、第１の電極１１１３および第２の電極１１１４の電位の変化に対して、第１の電極１１１３および第２の電極１１１４の表面付近の電荷数の変化が速やかに追従するからである。
したがって、液体１１１２のイオン濃度が高い場合、非対称交流の周波数を高くする必要が生じる。液体１１１２のイオン濃度が高い場合の液体１１１２のイオンの挙動は、後ほどシミュレーション結果の最後でも説明する。
【００３１】
非対称交流の好ましい電圧は、必要な電界の強さにより適宜決定する。例えば、電極間の距離が１ｃｍのときは、１Ｖ以上５００Ｖ以下の電圧を用いることができる。
このように、非対称な交流を第１の電極１１１３と第２の電極１１１４に印加することによって、液体１１１２内に実質的に一方向に電界が発生する。その理由は、後述するシミュレーション結果を元に、説明する。
【００３２】
ところで、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題は、専ら電極間を流れる直流電流成分で決定され、交流では、ほとんど問題とならない。
電気化学反応（電食）においては、直流電流が流れる場合は、陽極では酸化反応が起こって腐食が進行するが、陰極では還元反応が起こって腐食は起こらない。
【００３３】
一方、交流電流が流れる場合は、それぞれ同じ程度の酸化反応と還元反応が交互に起こるため、２つの電極ともほとんど腐食が起こらない。電気分解も同様である。
実際は、反応生成物質が拡散により移動するため、低周波数では酸化反応と還元反応が完全に相殺するとは限らないが、一般的には交流での電気化学反応や電気分解は直流の場合よりも遥かに小さい。
それゆえ、交流により液体中に一方向に電界が発生できるということは、電気化学反応や電気分解をほとんど起こさずに液体中に一方向に電界を発生できることを意味する。
【００３４】
このように、直流電流を流す場合は、陽極の腐食が起こるのに対して、交流電流を流す場合は、電気化学反応や電気分解は起こりにくいので、電極の腐食はほとんど起こらない。
また、交流の場合、対称交流と非対称交流のいずれの場合も、酸化反応と還元反応が交互に起こるので、電極の腐食はほとんど起こらない。
【００３５】
液体１１１２中に、実質的に一方向に電界を発生させるステップは、主として、以下のステップからなる。
（１）容器１１１１に、液体１１１２を注入する準備ステップ、
（２）第１の電極１１１３と第２の電極１１１４を、それぞれ少なくとも一部が液体１１１２に浸されるように、所定の間隔を空けて配置する配置ステップ、
（３）第１の電極１１１３と第２の電極１１１４との間に非対称交流を印加し、液体１１１２中に実質的に第１の電極１１１３から第２の電極１１１４へ向かう電界、または第２の電極１１１４から第１の電極１１１３へ向かう電界のいずれか一方の電界を発生させる電界発生ステップ。
【００３６】
上述のような方法または装置を用い、２つの電極１１１３、１１１４間に非対称な交流を印加することにより、液体１１１２内に実質的に一方向の電界を発生することができる。
また、非対称交流では、瞬間的に電界の方向が交互に反転するが、上記したように、昇圧と降圧の過程が重ならないので、実質的に一方向の電界となる。実質的に一方向とは、液体中に発生した電界ベクトルを非対称交流の１周期分、整数周期分または十分に長い時間積分したときに、電界ベクトルが０にならずに有限の大きさで一方向を向くということを意味する。したがって、電界ベクトルの向きが常に一方向を向いているということを意味するものではない。実際、非対称交流が印加された場合は、電界ベクトルの向きは非対称交流の周期で反転している。
【００３７】
このように実質的に一方向の電界を発生した場合、上記したように酸化と還元が交互に起こるので、液体が電気分解されることはほとんどなく、また、電気化学反応もほとんど生じない。ただし、対称交流を印加した場合は、同様に電極の腐食は起こりにくいが、一方向の電界を発生させることはできない。
したがって、非対称交流を印加した場合は、直流電流と同様に、液体内に一方向の電界を発生させることができ、対称交流と同様に、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するのを抑えることができる。
【００３８】
本実施の形態では、第１の電極１１１３と第２の電極１１１４はいずれも液体１１１２と直接触れているため、もし２つの電極間に直流を印加すると直流電流が流れる。それゆえ、非対称交流が実質的な直流成分を持たないこと、すなわち上記第１の電極と第２の電極との間の電圧Ｖ（ｔ）を交流の１周期に渡って積分したＶｅｆｆが実質的に０であることが好ましい。なぜならば、このようにすることにより２つの電極間に正味の直流電流が流れないので、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題をより確実に回避できるからである。
【００３９】
非対称交流として好ましい例は、図２（ｂ）に示すような非対称な矩形波（高電位持続時間と低電位持続時間が異なる矩形波）である。このような矩形波は、発生させるための回路が比較的単純であり、効率よく液体中に実質的に一方向の電界を発生できるからである。なお、図２（ｂ）の例では高電位持続時間が短く低電位持続時間が長いが、高電位持続時間を長く低電位持続時間を短くした場合は、液体中に発生する実質的に一方向の電界の向きを反対にすることができる。
【００４０】
非対称交流としては、図２（ｃ）に示すような非対称な三角波（立ち上り時間と立ち下り時間が異なる三角波またはのこぎり波）を用いてもよい。このような三角波も、同様に発生させるための回路が比較的単純であり、効率よく液体中に実質的に一方向の電界を発生しうる。なお、この例では立ち上り時間が短く立ち下り時間が長いが、立ち上り時間が長く立下り立ち下り時間を短くすると、液体中に発生する実質的に一方向の電界の向きを反対にすることができる。
図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい理由は、後述するシミュレーション結果の解釈と共に詳しく述べる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
本発明の第２の実施の形態である、液体中の一方向に電界を発生させる電界発生装置および電界発生方法を、図６を用いて説明する。
本実施の形態が、実施の形態１と異なるのは、第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われることである。
【００４２】
図６は、本実施の形態の液体中の一方向に電界を発生させる装置１２００の概略断面図である。
容器１２１１は、液体１２１２で満たされている。第１の電極１２１３と第２の電極１２１４は、その少なくとも一部が液体１２１２に浸されている。第１の電極１２１３と第２の電極１２１４は絶縁膜１２１６で覆われており、非対称な交流を発生する交流電源１２１５が接続されている。
【００４３】
ここで、容器１２１１は、液体１２１２を保持できるものであればよい。液体１２１２は、イオン濃度が小さなものが好ましい。例えば、エタノール、メタノール、ＩＰＡなどのアルコール類、ベンジン、アセトンなどの有機溶媒などが好ましい。水を用いる場合は、純水、無イオン水などを用いるのが好ましい。第１の電極１２１３および第２の電極１２１４は、十分な導電性を有していればよい。
また、この場合も、実施の形態１と同様に、２つの電極間の電界の向きと強さを均一にするために、第１の電極１２１３と第２の電極１２１４は、互いに対向するように配置することが好ましい。これにより、液体中の帯電した物体の一方向への移動や、電気泳動の対象物の移動を、正確にコントロールすることができるようになる。
【００４４】
絶縁膜１２１６は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、樹脂薄膜などを用いることができる。
また絶縁膜１２１６は、電極全体を覆うように形成し、たとえば電極が銅、金、タングステン、アルミニウムなどの金属や導電性を与える不純物を添加したシリコンなどの半導体材料で形成されている場合、１０ｎｍ〜２μｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜を形成すればよい。絶縁膜は、公知の従来技術、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成すればよい。
【００４５】
交流電源１２１５で発生させて、第１の電極１２１３と第２の電極１２１４に印加する非対称交流は、例えば、図２や図３に示したものを用いることができる。図２および図３におけるＶを、第２の電極１２１４を基準電圧として、第１の電極１２１３に加える電圧とする。このとき、例えば図２に示す非対称交流を印加したとき、液体１２１２内に実質的に発生する電界の向きは右向き（図６の矢印１２１７の向き）となる。
【００４６】
また、非対称交流は、例えば、図７に示した波形の交流を用いてもよい。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示す波形は、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示す波形に、それぞれ直流成分Ｖｓａ、Ｖｓｂ、ＶｓｃおよびＶｓｄを加えたものである。
図２に示す波形は、交流の一周期にわたって電圧を平均したものが０となるが、図７に示す波形では０にならない。しかしながら、第１の電極１２１３および第２の電極１２１４は絶縁膜１２１６で覆われているため、２つの電極間に直流電流は流れない。したがって、図７に示すような波形であっても特に悪影響なく、液体１２１２中に、実質的に一方向の電界を発生することができる。
【００４７】
図６に示す本実施の形態では、第１の電極１２１３および第２の電極１２１４は共に絶縁膜１２１６で覆われているが、どちらか一方の電極が絶縁膜１２１６で覆われていれば良い。この場合でも、２つの電極間に直流電流が流れることを防ぐことができるからである。
【００４８】
非対称交流の好ましい周波数および電圧は、実施の形態１と同様に設定すればよい。
実施の形態２では、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、２つの電極間に直流電流が流れない。すなわち、電極と液体間で直接電子の移動が起こるので、酸化反応や還元反応が起こることがない。
したがって、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題を確実に防ぐことができる。
【００４９】
また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、第1の電極から第2の電極へ直接電子が到達して電流が流れることがない。そのため、この系で消費される電力は、電極を覆う絶縁膜が構成するキャパシタンスの充放電によるもののみである。したがって、消費電力を著しく小さくし、ジュール熱の発生も著しく減らすことが可能となる。
この実施の形態２の場合も、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【００５０】
＜シミュレーション＞
以下、このような非対称交流を液体中の２つの電極に印加した場合に、液体中に発生する電界、および帯電した物体の運動をシミュレーションした結果を述べる。
（１）シミュレーションモデル
非対称交流を液体中に浸した２つの電極に印加した場合に発生する電界および、帯電した物体の運動のシミュレーション結果を、図８〜図２６を用いて説明する。
【００５１】
図８は、液体中に浸した２つの電極に、時間Ｔ＝０より一定の直流電圧を印加した場合に起こる現象を説明する図である。
第１の電極１２１３と第２の電極１２１４の間には、液体１２１２が満たされているものとする。第１の電極１２１３および第２の電極１２１４はそれぞれ絶縁膜１２１６で覆われているものとする。この場合、２つの電極間には電流は流れない。第１の電極１２１３と第２の電極１２１４には、電源１２１５が接続されている。
Ｔ＝０で、電源１２１５から第１の電極１２１３および第２の電極１２１４に電圧を印加し始めると、図８（ａ）に示すように、液体１２１２中には、矢印１２１７で示した向きに電界が発生する。
【００５２】
液体中には、液体の種類に依存する濃度の正イオンと負イオンが存在する。そのため、電圧印加開始から時間Ｔ１が経過した後、図８（ｂ）に示すように、第１および第２の電極を覆う絶縁膜１２１６上には、それぞれの電極に誘起された電荷と反対符号の電荷が集まり始める。絶縁膜１２１６上に誘起された電荷は、それぞれの電極に誘起された電荷から発生する電気力線を終端するため、液体１２１２中の電界の強さは時間が経るにつれて次第に弱くなる。
【００５３】
電圧印加開始から十分な時間Ｔ２が経過した後は、図８（ｃ）に示すように、それぞれの電極に誘起された電荷から発生する電気力線は、絶縁膜１２１６上に誘起された電荷によって完全に終端されるため、液体１２１２中の電界の強さは０になる。
液体中の電界がほぼ０になるまでに要する時間（時定数）は、液体中に存在するイオンの濃度に依存し、イオン濃度が小さいほど長時間を要する。例えば、ＩＰＡでは１０秒以内であり、純水では０．１秒以内である。塩類が溶解した水では、更に短くなる。
【００５４】
このように、液体中には可動イオンが存在して電極の絶縁膜上に集まることができるために、従来は、液体中に浸された電極に電圧を印加しても、溶液中には一方向の電界を持続して発生させることは困難とされていた。
また、絶縁膜で覆われない裸の電極を用いて直流電圧を印加すれば、液体中に一方向の電界を持続して発生させることができるが、一方向電界が持続すると、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題があった。
なお、絶縁膜で覆われた２つの電極間に交流電圧を印加すれば、液体中に交流電界を発生させることは可能である。２つの電極間に交流を印加した場合は、その周波数の逆数が上記時定数より小さい時、電極の電位の変化に対して電極に誘起される電荷が追従できないため、液体中に電界が侵入する。しかしながら、液体中の電界の時間平均は０であり、液体中で一方向の電界を発生させることはできないとされていた。
【００５５】
図９および図１０に、シミュレーションのモデルの説明図を示す。
図９に示すように、第１の電極１３１３および第２の電極１３１４は、それぞれ絶縁膜１３１６で覆われている。絶縁膜１３１６で覆われた２つの電極１３１３、１３１４間は、液体１３１２で満たされている。第１の電極１３１３および第２の電極１３１４には、任意の波形が発生できる電源１３１５が接続されている。液体１３１２中には、帯電した物体１３１８が浮遊している。このようなモデルを用いて、以下のようなシミュレーションを考える。
【００５６】
第２の電極１３１４には接地電位（ＧＮＤ）を印加し、第１の電極１３１３には時間ｔに電圧Ｖ(t)を印加する。もともと系が帯電していない場合、第１の電極１３１３表面に誘起される電荷量をｑe(t)とし、第１の電極１３１３を覆う絶縁膜１３１６上に誘起される電荷量をｑs(t)とすると、第２の電極１３１４上に誘起される電荷量は−ｑe(t)、第２の電極１３１４を覆う絶縁膜１３１６上に誘起される電荷量は−ｑs(t)となる。
絶縁膜１３１６の誘電率はεdεo、液体１３１２の誘電率はεsεoとする。ここで、εdおよびεsはそれぞれ絶縁膜１３１６および液体１３１２の比誘電率、εoは真空中の誘電率である。また、液体中の電界の強さをＥ(t)とする。
【００５７】
第１の電極１３１３上の絶縁膜１３１６の両端の容量をＣd1、第２の電極１３１４上の絶縁膜１３１６の両端の容量をＣd2、液体１３１２の両端の容量をＣsとすると、
【数１】
2014055979.tif 000003
である。
ただし、ｄd1、ｄd2およびｄsは、それぞれ第１の電極１３１３を覆う絶縁膜１３１６の厚さ、第２の電極１３１４を覆う絶縁膜１３１６の厚さ、および液体１３１２の厚さである。電極の面積は１とした。
【００５８】
このとき、Ｃd1、ＣsおよびＣd2の３つの容量を直列に接続したモデル全体の容量ＣAは、
【数２】
2014055979.tif 000004
であらわされる。
一方、液体１３１２を導電体と考えて、Ｃd1とＣd2の２つの容量を直列に接続した場合の全体容量ＣBは、
【数３】
2014055979.tif 000005
であらわされる。
【００５９】
ここで、電源１３１５が任意の波形を発生した場合のシミュレーションの指針を、図１０を用いて述べる。
まず、波形を短い時間Δtごとに分割して考える。この時間Δtごとに、瞬時に電圧を変化させる電圧変化ステップと、電圧を変化させない電圧一定ステップの２段階を考えることにより、任意の波形を階段状のステップで近似する。
【００６０】
（ａ）電圧変化ステップ
この電圧変化ステップでは、瞬時に電圧がΔＶ(t)変化するものとする。このとき、電圧の変化により液体中のイオンが追従して移動することはできない。すなわち、ｑs(t)および−ｑs(t)は変化しない。ただし、電極の電荷は液体中のイオンに比べて十分に早く動けるため、ｑe(t)および−ｑe(t)は電圧変化ΔＶ(t)にただちに追従して変化することとする。このとき、２つの電極間の容量は、ＣAであるかのように振舞う。
以上のことより、電圧変化ステップでは以下の式が成立する。
Δｑe(t)＝ＣAΔＶ(t) （６）
Δｑs(t)＝０          （７）
ここで、Δｑe(t)およびΔｑs(t)は、時刻ｔにおける電圧変化ΔＶ(t)によって、それぞれｑe(t)およびｑs(t)が変化する量をあらわしている。
【００６１】
（ｂ）電圧一定ステップ
この電圧変化ステップでは、電圧が変化することなく時間Δtが経過するものとする。
電圧が変化しない場合は、図８で説明したように、液体中の電界を弱めるように、すなわち平衡状態に近づくように液体中のイオンが移動し、ｑs(t)が変化する。平衡状態とは、液体中の電界が０の状態であり、液体は導電体とみなしてよい。ゆえに、２つの電極間の容量はＣBとみなすことができる。また、ｑs(t)が変化することにより、Δｑe(t)も変化する。
【００６２】
以上のことから、ｑs(t)の変化は次式であらわすことができる。
【数４】
2014055979.tif 000006
【００６３】
ここで、ｑeq(t)は時間ｔにおける、ｑs(t)の平衡状態の値であって、
ｑeq(t)＝ＣBＶ(t) （９）
の関係を満たす。
【００６４】
ｎは、ｑs(t)の変化率と、ｑs(t)の平衡状態とのずれ｛ｑs(t)−ｑeq(t)｝との関係を規定する量である。ｎ＝１の場合は、ｑs(t)の変化率はｑs(t)の平衡状態とのずれが大きいほど大きくなり、かつ、変化率が平衡状態とのずれに比例する（線形関係にある）。
一方、０＜ｎ＜１の場合は、変化率が平衡状態とのずれに依存する（すなわち、平衡状態のずれが大きいほど変化率が大きくなる）ものの、変化率は平衡状態とのずれに比例しない（線形関係にない）。ａは、ｑs(t)がｑeq(t)に近付く速さを示す量である。
液体中のイオン濃度が高いほど速やかにｑs(t)が変化できるから、ａが大きくなる。
【００６５】
一方、ｑe(t)の変化率は、ｑs(t)の変化率から、以下のように求めることができる。まず、時間において、２つの電極間に印加される電圧Ｖ(t)は、Ｃd1、ＣsおよびＣd2の両端に印加される電圧の和として、
【数５】
2014055979.tif 000007
としてあらわされる。
【００６６】
両辺の変化率をとると、
【数６】
2014055979.tif 000008
となる。
【００６７】
一方、電圧一定ステップでは、
【数７】
2014055979.tif 000009
であるから、（１１）式と（１２）式から、
【数８】
2014055979.tif 000010
となり、ｑe(t)の変化率とｑs(t)の変化率の関係を得ることができる。
【００６８】
時刻ｔにおける、液体中の電界の強さＥ(t)は、
【数９】
2014055979.tif 000011
とあらわされる。
【００６９】
（ｃ）液体中での帯電した物体の運動
液体中の帯電した物体が受ける力Ｆ(t)は、物体が持つ実質的な電荷量をｑob、粘性抵抗係数をｃ、物体の速度をν(t)、物体の質量をｍ、物体の加速度をａ(t)とすると、
Ｆ(t)＝ｑobＥ(t)−ｃν(t)＝ｍａ(t) （１５）
であり、この運動方程式を解くことにより、液体中での物体の運動を記述することができる。
なお、粘度ηの液体中にある、半径ｒの球状物体を考えると、レイノルズ数が小さなときは、ストークスの定理により粘性抵抗係数ｃは６πηｒとあらわされる。
【００７０】
（２）シミュレーション結果
以下、いくつかの交流波形を例にとって、シミュレーションの結果を説明する。
このシミュレーションで用いた定数は、以下の通りである。
物体の質量ｍは１．５７×１０-14［ｋｇ］、物体の半径ｒは１×１０-7［ｍ］、物体の実質的な電荷量ｑobは３．７２×１０-14［Ｃ］、液体の粘度は８×１０-4［Ｐｓ］、電極上の絶縁膜の比誘電率εdは４、電極上の絶縁膜の厚さｄd1およびｄd2は４×１０-8［ｍ］、液体の比誘電率εsは２０、液体の厚さｄsは１×１０-2［ｍ］、定数ａは１０である。
また、特に断わりのない場合は、定数ｎは０．８であり、ｑs(t)の変化率と、ｑs(t)の平衡状態とのずれ｛ｑs(t)−ｑeq(t)｝との関係は非線形であるとした。
【００７１】
［第１実施例の結果］
第１実施例では、図１１に示すように、振幅２００Ｖで周波数５Ｈｚの非対称な矩形波（高電位持続時間と低電位持続時間が異なる矩形波）を、第１の電極１３１３と第２の電極１３１４との間に印加する。Ｖ(t)は第２の電極１３１４を基準とした第１の電極の電位である。時刻０以前は、電圧は印加されていないこととする。
【００７２】
このとき、ｑs(t)およびｑe(t)は、それぞれ図１２および図１３のように変化する。電圧の印加を開始した時刻０付近を除いて、それぞれ周期的に変化する。液体中の電界の強さＥ(t)は、図１４のように、電圧の印加を開始した時刻０付近を除いて周期的に変化する。
【００７３】
ここで、図１５に、電圧印加開始から十分時間が経過して定常状態となったときの平均電界Ｅavと、非線形性をあらわす定数ｎとの関係を示す。
平均電界Ｅavは、電圧印加開始から十分時間が経過したとき、交流の１周期に渡って電界Ｅ(t)を平均して求めた。平均電界Ｅavが０でないということは、液体中に実質的に一方向の電界が存在することを示している。
【００７４】
非線形性をあらわす定数ｎが１のとき（非線形性が存在しない）は、Ｅavは０であり、液体中には純粋に交流電界が存在するのみである。
一方、ｎが１より小さくなるにつれて、すなわち非線形性が強くなるにつれて、Ｅavは大きくなり、液体中の実質的に一方向の電界が強くなる。このことは、本発明の本質である、液体中での実質的に一方向の電界発生は、ｑs(t)の変化率と、ｑs(t)の平衡状態とのずれ｛ｑs(t)−ｑeq(t)｝と間の非線形性にあることを示唆している。なお、Ｅavが正とは、図１０において実質的に一方向の電界は下向きであることを示している。
【００７５】
図１６に、液体中に置かれた帯電した物体の位置ｘ(t)（図１０における上下方向）の時間変化を示す。
物体は、時刻０で負方向（図１０における上方向）に動いた後、振動しながら正方向（図１０における下方向）に動いていく。これは、電界Ｅ(t)の時間平均Ｅavが正であることによる。このことから、２つの電極間に非対称交流を印加することにより、帯電した物体を一方向に移動させることがわかる。
【００７６】
以上のことから明らかなように、電極が絶縁膜で覆われており、液体中を電流が流れない場合であっても、電極間に非対称交流を印加することにより、液体中の一方向に実質的な電界を発生させ、物体を移動させることが可能となる。
非対称な矩形波により、液体中の物体が一方向に動くことは実験でも確かめられ、その方向はシミュレーションが予測する方向と一致した。
【００７７】
［第２実施例の結果］
第２実施例では、図１７に示すように、振幅２００Ｖで周波数５Ｈｚの非対称な矩形波（高電位持続時間と低電位持続時間が異なる矩形波）を、第１の電極１３１３と第２の電極１３１４との間に印加する。第１の場合と異なるのは、図１７のＶ(t)を一周期に渡って平均すると０になるように、図１１に示す波形に直流バイアスを加えていることである。
【００７８】
図１８に、液体中に置かれた帯電した物体の位置ｘ(t)の時間変化を示す。
電圧印加直後の挙動は第１の例の場合（図１６）と異なるものの、やはり物体は振動しながら正方向に動いていく。また、正方向に動いていく速度は、第１の例の場合と全く同じである。
このことは、電極が絶縁膜で覆われている場合は、非対称交流に対して直流成分を加えても、液体内部に発生する電界や液体内部に浮遊する帯電した物体の運動には影響を与えないことを示している。このことは、実際の実験でも確認された。
【００７９】
［第３実施例の結果］
この第３実施例は、対称な交流を印加するものであり、第１および第２実施例と比較するために示した実施例である。
第３実施例では、図１９に示すように、振幅２００Ｖで周波数５Ｈｚの対称な矩形波を、第１の電極１３１３と第２の電極１３１４との間に印加する。
図２０に、液体中に置かれた帯電した物体の位置ｘ(t)の時間変化を示す。
物体は振動するが、一方向に動いていくことはない。すなわち、対称な交流では、液体中の一方向に実質的な電界を発生させることはできず、また、物体を実質的に移動させることもできない。
【００８０】
［第４実施例の結果］
第４実施例は、図２１に示すように、振幅２００Ｖで周波数５Ｈｚの非対称な三角波（立ち上り時間と立ち下り時間が異なる三角波またはのこぎり波）である。
この例では、昇圧過程では急激に電圧が変化し、降圧過程では緩やかに電圧が変化する。
このとき、ｑs(t)およびｑe(t)は、それぞれ図２２および図２３のように変化する。電圧の印加を開始した時刻０付近を除いて、それぞれ周期的に変化する。液体中の電界の強さＥ(t)は、図２４のように、電圧の印加を開始した時刻０付近を除いて周期的に変化する。
【００８１】
ここで、電圧印加開始から十分時間が経過して定常状態となったときの平均電界Ｅavと、非線形性をあらわす定数ｎとの関係を、図２５に示す。
非線形性をあらわす定数ｎが１のとき（非線形性が存在しない）は、Ｅavは０であり、液体中には純粋に交流電界が存在するのみである。
一方、ｎが１より小さくなるにつれて、すなわち、非線形性が強くなるにつれて、Ｅavは大きくなり、液体中の実質的に一方向の電界が強くなる。このことは、第１の例の場合（図１５）と同様であるが、グラフの曲線の形は異なる。
【００８２】
図２６に、液体中に置かれた帯電した物体の位置ｘ(t)の時間変化を示す。
物体は、振動しながら正方向に動いていく。これは、電界Ｅ(t)の時間平均Ｅavが正であることによる。
なお、図２１の波形を変形し、昇圧過程では緩やかに電圧が変化し、降圧過程では急激に電圧が変化するような非対称交流を印加した場合は、物体の運動方向は反対方向となることが、シミュレーションから予想されるが、実際の実験でも確かめられている。
【００８３】
以上まとめると、シミュレーション結果によって、次のことが予想できる。
（１）２つの電極に非対称交流を印加すると、液体中に実質的に一方向の電界を発生させることができるが、対称な交流ではできない。
（２）２つの電極に非対称交流を印加すると、液体中に浮遊する帯電した物体を一方向に移動させることができるが、対称な交流ではできない。
（３）これらの効果は、電極上の絶縁膜上の電荷誘起速度が、平衡状態からのずれの大きさに比例していないことに由来する。
【００８４】
このシミュレーションモデルとシミュレーション結果によると、非対称な交流が液体中に実質的に一方向の電界を発生させる理由は、以下のように解釈できる。
非対称な交流とは、既に定義したように、交流の昇圧過程と降圧過程とが、その一方の電圧軸を反転しても、重なることのない交流である。
このような非対称な交流が電極に印加されると、昇圧過程と降圧過程とで、ｑs(t)の平衡状態とのずれ｛ｑs(t)−ｑeq (t)｝が異なる。このシミュレーションのモデルでは、ｑs(t)の変化率と、｛ｑs(t)−ｑeq (t)｝との間に非線形性を導入した。そのため、ｑs(t)の変化率と（１３）式および（１４）式で結びつくＥ(t)を、交流１周期に渡って平均しても０でなくなり、液体中に実質的に一方向の電界が発生するのである。
【００８５】
また、以上のことから、好ましい非対称な交流は、昇圧過程または降圧過程において電圧が急激に変化する交流であることがわかる。電圧が急激に変化した瞬間に、｛ｑs(t)−ｑeq (t)｝が大きくなり、ｑs(t)の変化率と、｛ｑs(t)−ｑeq (t)｝との間の非線形性が大きくなるからである。このことから、図２（ｂ）や図２（ｃ）のような、非対称な矩形波や三角波が好ましく、実験でも効果が大きいことが確かめられている。
【００８６】
なお、電極上に絶縁膜がない場合であっても、非対称交流を２つの電極間に印加することによって、液体中に実質的に一方向の電界を発生させ、また、帯電した物体を一方向に移動させることが可能となる。
しかしながら、この場合は、電極の腐食を抑制するために、非対称交流が実質的な直流成分を持たないことが好ましい。すなわち上記第１の電極と第２の電極との間の電圧Ｖ(t)を交流の１周期に渡って積分したＶeffが
Ｖeff＝∫Ｖ(t)dt＝０ （１６）
であることが好ましい。
このように積分値を０にすることにより、２つの電極間に正味の直流電流が流れないので、液体が電気分解することも、電気化学反応が生じることもほとんどない。したがって、電極が腐食することを抑制できる。
【００８７】
ところで、ｑs(t)が平衡状態に達する時間（ａの逆数に比例する時定数）が、非対称交流の周波数の逆数よりも短い場合は、電界が液体中に侵入できないため、一方向の電界も発生しない。また、ｑs(t)が変化するためには液体中に散在するイオンが液体中を移動して電極上に集まる必要があるため、上記時定数は、液体のイオン濃度が高いほど短くなる。
そのため、液体中のイオン濃度が高い場合は、電界を液体中に侵入させて一方向の電界を発生させるために、より電極の電位を速く変化させる必要があるので非対称交流の周波数を高くする必要がある。
一方、液体中のイオン濃度が低い場合は、上記時定数が大きく容易にｑs(t)を平衡状態から大きく遠ざける（すなわち｛ｑs(t)−ｑeq (t)｝を大きくする）ことができるため、一方向の電界が発生しやすい。
以上の理由により、液体中のイオン濃度が低いほど効率よく液体中に一方向の電界を発生することが可能であり、また、非対称交流の周波数を下げることができるので好ましい。
【００８８】
＜実施の形態３＞
本発明の第３の実施の形態である、液体中に浮遊する物体を移動させる浮遊体移動装置および浮遊体移動方法を、図２７を用いて説明する。
図２７に、本実施の形態の液体中に浮遊する物体を移動させる装置２１００の概略断面図を示す。
容器２１１１は、液体２１１２で満たされている。第１の電極２１１３と第２の電極２１１４は、その少なくとも一部が液体２１１２に浸されている。第１の電極２１１３と第２の電極２１１４には、非対称な交流を発生する交流電源２１１５が接続されている。
【００８９】
ここで、容器２１１１は、実施の形態１と同様に、液体２１１２を保持できるものであればよい。液体２１１２は、実施の形態１と同様に、イオン濃度が小さなものが好ましい。
第１の電極２１１３と第２の電極２１１４に印加する非対称交流も、同様に、図２や図３に示したものを用いればよい。例えば、第２の電極２１１４を基準電圧として、図２に示す非対称交流を印加したとき、液体２１１２内に実質的に発生する電界の向きは、右向き（図２７の矢印２１１７の向き）となる。
したがって、液体中に浮遊する物体２１１８が負に帯電している場合は、図２７に示すように、左向き（図２７の矢印２１１９の向き）に移動する。物体２１１８が正に帯電している場合は、反対向き（右向き）に移動する。
【００９０】
非対称交流の好ましい周波数および電圧は、実施の形態１と同様に設定すればよい。
液体中に浮遊する物体２１１８は、実質的に帯電していれば良い。
実質的に帯電しているとは、物体に発生する電荷を、物体２１１８と液体２１１２の界面に誘起された電荷と、その電荷により物体付近の液体中に誘起され、固体と共に移動する電荷の総和とすることができることを意味する。言いかえれば、液体中のゼータポテンシャルが０でないと言うこともできる。
実質的に帯電していない物体を用いる場合は、非イオン系の界面活性剤を用いて物体のゼータポテンシャルを変えることができる。
物体の具体例は、例えば、ナノメートルサイズから１ｍｍ以下のサイズの、誘電体微粒子、半導体微粒子、金属微粒子、微細な半導体デバイス、細胞、ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質などである。
【００９１】
このように、非対称な交流を第１の電極２１１３と第２の電極２１１４に印加することによって、液体２１１２内に実質的に一方向に電界が発生し、液体２１１２中に浮遊する物体２１１８を一方向に移動させることができる。その移動原理は、上記したシミュレーションと同様である。
【００９２】
液体１１１２中に、実質的に一方向に電界を発生させるステップは、主として、以下のステップからなる。
（１）物体２１１８が浮遊する液体２１１２を、容器２１１１に注入する準備ステップ、
（２）第１の電極２１１３と第２の電極２１１４をそれぞれ少なくとも一部が液体２１１２に浸されるように所定の間隔を空けて配置する配置ステップ、
（３）第１の電極２１１３と第２の電極２１１４との間に非対称交流を印加し、液体２１１２中に浮遊する物体２１１８を第１の電極２１１３から第２の電極２１１４へ移動させるか、または上記物体を第２の電極２１１４から第１の電極２１１３へ移動させる移動ステップ。
【００９３】
上述のような方法または装置を用い、２つの電極２１１３、２１１４間に非対称な交流を印加することにより、液体２１１２内に浮遊する物体２１１８を一方向に移動させることができる。
したがって、液体内に浮遊する物体を一方向に移動するために、非対称交流により実質的に一方向の電界を印加しているので、液体が電気分解することを抑制し、電気化学反応により電極が腐食することを抑制することができる。
【００９４】
本実施の形態でも、第１の電極２１１３と第２の電極２１１４はいずれも液体２１１２と直接触れているため、２つの電極間に直流を印加したとすると直流電流が流れる。したがって、上記実施の形態１と同様に、腐食の発生を回避するために、非対称交流が実質的な直流成分を持たないこと、すなわち上記第１の電極と第２の電極との間の電圧Ｖ（ｔ）を交流の１周期に渡って積分したＶｅｆｆが実質的に０であることが好ましい。
また、実施の形態１と同様の理由により、液体中に浮遊する物体を効率よく一方向に移動させるためには、非対称交流としては、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【００９５】
＜実施の形態４＞
本発明の第４の実施の形態である、液体中に浮遊する物体を移動させる浮遊体移動装置および浮遊体移動方法を、図２８を用いて説明する。
本実施の形態が、実施の形態３と異なるのは、第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われることである。
【００９６】
図２８に、本実施の形態の液体中に浮遊する物体を移動させる装置２２００の概略断面図を示す。
容器２２１１は、液体２２１２で満たされている。第１の電極２２１３と第２の電極２２１４は、その少なくとも一部が液体２２１２に浸されている。第１の電極２２１３と第２の電極２２１４は絶縁膜２２１６で覆われており、非対称な交流を発生する交流電源２２１５が接続されている。
【００９７】
ここで、容器２２１１は、実施の形態１と同様に、液体２２１２を保持できるものであればよい。液体２２１２は、イオン濃度が小さなものが好ましい。絶縁膜２２１６は、実施の形態２と同様に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、樹脂薄膜などを用いることができる。
第１の電極２２１３と第２の電極２２１４に印加する非対称交流も、同様に、図２や図３に示したものを用いればよい。例えば、第２の電極２２１４を基準電圧として、図２に示す非対称交流を印加したとき、液体２２１２内に実質的に発生する電界の向きは右向き（図２８の矢印２２１７の向き）となる。
したがって、液体中に浮遊する物体２２１８が負に帯電している場合は、図２８に示すように、左向き（図２８の矢印２２１９の向き）に移動する。物体２２１８が正に帯電している場合は、反対向き（右向き）に移動する。
【００９８】
また、非対称交流は、実施の形態２と同様に、図７に示した波形の交流を用いてもよい。第１の電極２２１３および第２の電極２２１４は絶縁膜２２１６で覆われているため、２つの電極間に直流電流は流れないので、図７に示すような波形であっても特に悪影響なく、液体２２１２中に浮遊する物体２２１８を一方向に移動することができる。また、本実施の形態でも、どちらか一方の電極が絶縁膜２２１６で覆われていれば良い。
【００９９】
非対称交流の好ましい周波数および電圧は、実施の形態１と同様に設定すればよい。
また、液体中に浮遊する物体２２１８は、実質的に帯電していれば良い。物体の具体例は、実施の形態３に示したものと同様のものを用いればよい。
このように、電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆った場合においても、非対称な交流を第１の電極２２１３と第２の電極２２１４に印加することによって、液体２２１２内に実質的に一方向に電界が発生し、液体２２１２中に浮遊する物体２２１８を一方向に移動させることができる。
【０１００】
実施の形態４では、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、２つの電極間に直流電流が流れない。したがって、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題を確実に防ぐことができる。また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、第1の電極から第2の電極へ直接電子が到達して電流が流れることがない。そのため、この系で消費される電力は、電極を覆う絶縁膜が構成するキャパシタンスの充放電によるもののみである。したがって、消費電力を著しく小さくし、ジュール熱の発生も著しく減らすことが可能となる。
この実施の形態４の場合も、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【０１０１】
＜実施の形態５＞
本発明の第５の実施の形態である、液体中に浮遊する物体を移動させる浮遊体移動装置および浮遊体移動方法を、図２９を用いて説明する。
本実施の形態が、実施の形態４と異なるのは、第１の電極および第２の電極が、対向する２つの基板上に形成されており、液体中に浮遊する物体はこの２つの電極間を一方向に移動することである。
【０１０２】
図２９に、本実施の形態の液体中に浮遊する物体を移動させる装置２３００の概略断面図を示す。
第１の基板２３２１と第２の基板２３２２が対向しており、その間を液体２３１２が満たしている。第１の基板２３２１の液体２３１２に接する側の表面には、第１の電極２３１３が形成されている。第２の基板２３２２の液体２３１２に接する側には、第２の電極２３１４が形成されている。
第１の電極２３１３および第２の電極２３１４の表面には絶縁膜２３１６が形成されており、第１の電極２３１３と第２の電極２３１４の間に直流電流が流れるのを防いでいる。また、第１の電極２３１３と第２の電極２３１４には、絶縁膜２３１６で覆われていない側には、非対称な交流を発生する交流電源２３１５が接続されている。
【０１０３】
ここで、第１の基板２３２１および第２の基板２３２２としては、ガラス、樹脂、セラミック等の絶縁体を用いることができる。
液体２３１２は、実施の形態１と同様に、イオン濃度が小さなものが好ましい。
第１の電極２３１３と第２の電極２３１４に印加する非対称交流も、同様に、図２や図３に示したものを用いればよい。例えば、第２の電極２３１４を基準電圧として、図２に示す非対称交流を印加したとき、液体２３１２内に実質的に発生する電界の向きは下向き（図２９の矢印２３１７の向き）となる。
したがって、液体中に浮遊する物体２３１８が負に帯電している場合は、図２９に示すように、上向き（図２９の矢印２３１９の向き）に移動する。物体２３１８が正に帯電している場合は、反対向き（下向き）に移動する。
【０１０４】
図２９において、第１の電極２３１３は第２の電極２３１４よりも鉛直方向において上方に配置している。この場合でも、図２９のように電界の向きが鉛直方向下向きであったとしても、物体は、重力とは逆方向である上方向に移動する。
なお、対向する一対の電極の配置は、図２９に示すものに限ることではなく、たとえば、第１の電極および第２の電極がそれぞれ１枚の電極ではなく、それぞれ複数の電極に分割されて隙間を設けて配置されていてもよい。あるいは２つの電極が網状であってもよい。このような場合は、透明な基板と組合せることによって、液体中に浮遊する物体を外部から観察することができる。
【０１０５】
また、非対称交流は、上記した実施の形態２と同様に、図７に示した波形の交流を用いてもよい。図７に示すような波形であっても特に悪影響なく、液体２３１２中に浮遊する物体２３１８を一方向に移動することができる。どちらか一方の電極が絶縁膜２３１６で覆われていれば良く、この場合でも、２つの電極間に直流電流が流れることを防ぐことができる。
非対称交流の好ましい周波数および電圧は、実施の形態１と同様に設定すればよい。
また、液体中に浮遊する物体２３１８は、実質的に帯電していれば良い。物体の具体例は、実施の形態と同様のものを用いればよい。
【０１０６】
なお、本実施の形態のように、２つの電極が２つの対向する基板上に形成されており、２つの基板の間に物体が浮遊する液体が満たされている場合は、物体の移動を以下のように利用することもできる。
物体２３１８は、液体２３１２中に多数浮遊しており、図２９の下向きに重力が働いているとする。すなわち、第２の基板２３２２を下向きに設置したとする。この場合、２つの電極２３１３、２３１４に一方向電界が上向きの非対称交流を印加すれば、重力が付加されるので、物体２３１８を速やかに第２の基板２３２２の側に移動させることができる。すなわち、物体２３１８を速やかに沈殿させることができる。
また、一方向電界が下向きの図２９のような非対称交流を２つの電極２３１３、２３１４に印加して物体２３１８を上向きに移動させれば、物体２３１８が重力により沈降するのを防ぐこともできる。
【０１０７】
上述のような方法または装置を用い、２つの電極２３１３、２３１４間に非対称な交流を印加することにより、液体２３１２内に浮遊する物体２３１８を一方向に移動させることができる。
また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、２つの電極間に直流電流が流れない。したがって、液体が電気分解し、または電気化学反応により電極が腐食するといった問題を確実に防ぐことができる。また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、第1の電極から第2の電極へ直接電子が到達して電流が流れることがない。そのため、この系で消費される電力は、電極を覆う絶縁膜が構成するキャパシタンスの充放電によるもののみである。したがって、消費電力を著しく小さくし、ジュール熱の発生も著しく減らすことが可能となる。
この実施の形態５の場合も、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【０１０８】
＜実施の形態６＞
本発明の第６の実施の形態である、電気泳動装置および電気泳動方法を、図３０を用いて説明する。
図３０に、本実施の形態の電気泳動装置３１００の概略図を示す。
容器３１２３の両側には、第１の電極３１１３および第２の電極３１１４が設置されている。第１の電極３１１３と第２の電極３１１４には、非対称な交流を発生する交流電源３２１５が接続されている。第１の電極３１１３および第２の電極３１１４上には絶縁膜３１１６が形成されている。
【０１０９】
電気泳動を行なう際には、容器３１２３を所定の液体で満たすとともに、容器３１２３内にウェル３１２５を形成したアガロースゲル３１２４を設置する。ウェル３１２５は、試料を注入するための穴である。
次に、ＤＮＡなどの試料を、ウェル３１２５に注入し、第１の電極３１１３と第２の電極３１１４に非対称な交流を印加する。これにより試料を一定の方向に移動させる電気泳動を行なうことができる。
【０１１０】
上記液体としては、従来の電気泳動においては、２つの電極間に直流電流を流すので、導電性のものを用いる。しかしながら、本実施の形態では、液体のイオン濃度が小さい方が液体中に一方向の電界を発生させて試料を泳動させやすいので、純水など、イオン濃度が小さく、かつ試料を変性させないものを用いるのが好ましい。
【０１１１】
第１の電極３１１３と第２の電極３１１４に印加する非対称交流は、例えば、図２や図３に示したものを用いればよい。例えば、第２の電極３１１４を基準電圧として、図２に示す非対称交流を印加したとき、液体内に実質的に発生する電界の向きは右向き（図３０の矢印３１１７の向き）となる。それゆえ、液体中の試料が負に帯電している場合は、図３０に示すように、左向き（図３０の矢印３１１９の向き）に移動する。試料の分子量によりアガロースゲル３１２４を進む距離が異なるため、試料に含まれる分子などを分離でき、試料の分子量を可視化することができる。
また、非対称交流は、実施の形態２と同様に、図７に示した波形の交流を用いてもよい。図７に示すような波形であっても特に悪影響なく、電気泳動を行なうことができる。なお、どちらか一方の電極が絶縁膜３１１６で覆われていれば良く、２つの電極間に直流電流が流れることを防ぐことができる。
非対称交流の好ましい周波数および電圧は、実施の形態１と同様に設定すればよい。
【０１１２】
このように、非対称な交流を第１の電極３１１３と第２の電極３１１４に印加することによって、液体内に実質的に一方向に電界が発生し、液体中の試料を一方向に移動させることができる。
【０１１３】
電気泳動を行なうステップは、主として、以下のステップからなる。
（１）それぞれ少なくとも一部が液体で浸された第１の電極３１１３と第２の電極３１１４および測定されるべき試料を備えた泳動槽を準備するステップ、
（２）第１の電極３１１３と第２の電極３１１４との間に非対称交流を印加して試料を泳動させるステップ。
【０１１４】
上述のような方法または装置を用い、２つの電極３１１３、３１１４間に非対称な交流を印加することにより、電気泳動ができる。また、非対称交流による実質的な一方向電界を印加しているので、電気泳動を行なう際に、液体が電気分解して気泡が発生することなく、電気化学反応を起こすこともなく、電極が腐食して液体が汚染することもなく、ジュール熱が発生するといった問題も回避することができる。したがって、より精確に分子の大きさの違いを検出することが可能となる。
この実施の形態６の場合も、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【０１１５】
＜実施の形態７＞
本発明の第７の実施の形態である、電気泳動表示装置を、図３１を用いて説明する。
図３１は、本実施の形態の電気泳動表示装置４１００の概略断面図である。
第１の基板４１３１と第２の基板４１３２が対向して配置されている。第１の基板４１３１上には、第１の電極（対向電極）４１１３が形成されている。第２の基板４１３２上には、画素毎に第２の電極（画素電極）４１１４が形成されている。
第１の電極４１１３と第２の電極４１１４の間には、電気泳動素子４１３４が配置されている。電気泳動素子４１３４は、円形のカプセル４１３５、分散媒４１３６、白色の電気泳動粒子４１３７および黒色の電気泳動粒子４１３８よりなる。
第１の電極４１１３と第２の電極４１１４には、選択トランジスタ４１３９を介して非対称交流を発生する電源４１１５が接続されている。
第２の電極４１１４と電気泳動素子４１３４の間には、接着層４１３３が設けられている。また、第２の電極４１１４は画素ごとに分離され、選択トランジスタ４１３９が接続されている。
【０１１６】
電気泳動表示装置４１００の第１の基板４１３１側が表示面となる。第１の基板４１３１には、例えばガラスや透明フィルムなどの透明な基板を用いればよい。第２の基板４１３２は、必ずしも透明である必要はなく、ガラス、樹脂フィルム、表面に絶縁膜を形成した金属板を用いればよい。
第１の電極４１１３には、ＩＴＯなどの透明電極を用いることができ、全画素に対して共通するものでよい。第２の電極は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属電極を用いることができる。
【０１１７】
電気泳動素子４１３４を構成する円形のカプセル４１３５は、例えば、直径が２０〜１００μｍの透明樹脂からなる。分散媒４１３６は、イオン濃度が小さい方が分散媒中に一方向の電界を発生させて電気泳動粒子を泳動させやすいので、イオン濃度が小さなものが好ましい。例えば、エタノール、メタノール、ＩＰＡなどのアルコール類、ベンジン、アセトンなどの有機溶媒などが好ましい。水を用いる場合は、純水、無イオン水などを用いるのが好ましい。
【０１１８】
２種類の電気泳動粒子４１３７、４１３８は、カーボンブラック等の黒色顔料、二酸化チタン等の白色顔料を用いることができる。ただし、２種類の電気泳動粒子は分散媒中に発生した実質的に一方向の電界に対して互いに反対方向に移動する必要があるため、２種類の電気泳動粒子は実質的に互いに反対極性に帯電している必要がある。
【０１１９】
電気泳動表示装置４１００の動作は、まず、選択トランジスタ４１３９によって白色（または黒色）表示させるべき画素を選択し、次に選択された画素における第２の電極４１１４と第１の電極４１１３との間に非対称な交流を印加する。
これにより、選択された画素において、白色（黒色）の電気泳動粒子４１３７（４１３８）がたとえば上側に移動し、黒色（白色）の電気泳動粒子４１３８（４１３７）が下側に移動して、白色（黒色）が表示される。
【０１２０】
逆に反転表示をする場合は、選択トランジスタ４３１９によって黒色（白色）表示させるべき画素を選択し、各電気泳動粒子４１３７、４１３８が反対向きに移動するような非対称な交流を、選択された画素における第２の電極４１１４と第１の電極４１１３との間に印加する。以上の動作により、電気泳動表示装置４１００に画像を表示することができる。
【０１２１】
また、非対称交流は、実施の形態２と同様に、図２や図３に示した波形の交流や、図７に示した波形の交流を用いてもよい。
非対称交流の好ましい周波数は、分散媒４１３６の種類によって異なり、一般的にイオン濃度が低い分散媒では周波数を低く、イオン濃度が高い分散媒では周波数を高くする。たとえば、分散媒４１３６として純水を用いた場合は５００Ｈｚ〜５ＭＨｚとすればよい。しかしながら、分散媒の汚染によりイオン濃度が高い場合には、適宜周波数を高くする必要がある。
【０１２２】
このように、非対称な交流を第１の電極４１１３と第２の電極４１１４との間に印加することによって、分散媒内に実質的に一方向に電界が発生し、分散媒中の電気泳動粒子が一方向に移動させることができ、電気泳動表示装置として駆動させることができる。
【０１２３】
従来の電気泳動表示装置は、画素電極と共通電極間に直流電圧を印加する。直流電圧を印加した瞬間は、カプセルの内側に内部の電界を打ち消すに十分な電荷が誘起されないため、カプセルの内部に電界が侵入する。そのために、電気泳動粒子を短い距離（カプセルの直径程度）移動させることができた。また、一旦カプセル内側に到達した電気泳動粒子は静電力によりカプセルの内壁に吸着するため、電圧の印加を停止した後も画像は保存された。しかし、従来の装置では、電気泳動粒子に対する駆動力は時間とともに急速に減衰してしまい、減衰するまでに移動を完了する必要があったので、カプセルの直径、分散媒の種類および電気泳動粒子の種類などに制約があるという問題があった。また、より大きな電気泳動粒子に対する駆動力が必要な場合は、より高い電圧が必要になるという問題もあった。
【０１２４】
一方、本実施の形態の電気泳動表示装置は、画素電極（第２電極）と共通電極（第１電極）間に、非対称な交流を印加することにより、電気泳動粒子を一方向に移動させ続けることができる。したがって、たとえば、白黒の２色による表示をさせる場合、電極に印加する電圧を大きくすることなく、使用したカプセル、分散媒および電気泳動粒子に応じて、十分な時間、電極間に非対称交流を印加することにより、画素の白黒の変換を、より確実に行なうことができる。また、電気泳動粒子を駆動する時間を自由に変えられるので、画素の大きさ、分散媒の種類および電気泳動粒子の種類など、設計の自由度を広げることができる。
この実施の形態７の場合も、非対称交流としては、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【０１２５】
＜実施の形態８＞
本発明の第８の実施の形態である、電気浸透流ポンプとその動作方法を、図３２を用いて説明する。
図３２は、本実施の形態の電気浸透流ポンプ５１００の概略断面図である。
チューブ５１４１の内部は流路となっており、搬送される液体５１１２で満たされている。チューブ５１４１の上流部と下流部には、複数の孔を設けた第１の電極５１１３および第２の電極５１１４が離間して配置されている。第１の電極５１１３と第２の電極５１１４には、非対称な交流を発生する交流電源５１１５が接続されている。
【０１２６】
チューブ５１４１は、樹脂、ガラスなどを用いることができる。
搬送される液体５１１２は、液体のイオン濃度が小さい方が液体中に一方向の電界を発生させて液体を搬送させやすいので、イオン濃度が小さなものが好ましい。例えば、エタノール、メタノール、ＩＰＡなどのアルコール類、ベンジン、アセトンなどの有機溶媒などが好ましい。水を用いる場合は、純水、無イオン水などを用いるのが好ましい。
イオン濃度が高い液体を搬送する場合は、この電気浸透流ポンプを動力として間接的に搬送することができる。
第１の電極５１１３および第２の電極５１１４には、液体が通過できるように、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の大きさの孔を設ける。
【０１２７】
第１の電極５１１３と第２の電極５１１４に印加する非対称交流は、上記実施の形態と同様に、図２や図３に示したものを用いればよい。例えば、第２の電極５１１４を基準電圧として、図２に示す非対称交流を印加したとき、液体５１１２内に実質的に発生する電界の向きは右向き（図３２の矢印５１１７の向き）となる。
このとき、チューブ５１４１の内壁が負に帯電する場合は、図３２に示すように、チューブ５１４１の内壁付近の液体５１１２中には正電荷が誘起される。
内壁に固着する液体と流動する液体の境界面であるすべり面５１４２よりも内壁から離れた領域では、液体５１１２はチューブ５１４１の内壁に固着することなく自由に移動できる。
また、液体５１１２内には実質的に一方向（矢印５１１７の向き）の電界が存在するため、正電荷に帯電した液体分子は第２電極の方へ進行し、液体５１１２は右方向へ搬送される。
非対称交流の好ましい周波数と電圧は、実施の形態１と同様に設定すればよい。
【０１２８】
このように、非対称な交流を第１の電極５１１３と第２の電極５１１４に印加することによって、液体５１１２内に実質的に一方向に電界を発生させることができる。
また、流路内の上流部と下流部にそれぞれ離間して配置された第１の電極と第２の電極との間に、図３２に示すように非対称交流を印加することにより、該流路内を満たした液体５１１２を前記流路内の上流部から下流部へと輸送することができる。
【０１２９】
また、実質的に一方向の電界を発生させる非対称交流を印加しているので、液体を一方向に搬送しても、液体が電気分解して気泡が生じることはなく、また電気化学反応を起こすこともなく、電極が腐食することを防止できる。したがって、気泡を除去するための機構が不要となるので、電気浸透流ポンプの構造を単純化することができ、さらに、電気浸透流ポンプの信頼性を高くすることができる。
【０１３０】
本実施の形態では、第１の電極５１１３と第２の電極５１１４はいずれも液体５１１２と直接触れているため、２つの電極間に直流を印加したとすると直流電流が流れる。それゆえ、非対称交流が実質的な直流成分を持たないこと、すなわち上記第１の電極と第２の電極との間の電圧Ｖ（ｔ）を交流の１周期に渡って積分したＶｅｆｆが実質的に０であることが好ましい。
これにより、２つの電極間に正味の直流電流が流れないので、液体が電気分解して気泡が生じることはなく、または電気化学反応を起こすこともなく電極が腐食することもより確実に防止できる。
この実施の形態８の場合も、液体を効率よく搬送するためには、非対称交流は、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【０１３１】
＜実施の形態９＞
本発明の第９の実施の形態である、電気浸透流ポンプとその動作方法を、図３３を用いて説明する。
本実施の形態が、実施の形態８と異なるのは、第１の電極と第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われることである。
【０１３２】
図３３は、本実施の形態の電気浸透流ポンプ５２００の概略断面図である。
チューブ５２４１の内部は流路となっており、搬送される液体５２１２で満たされている。チューブ５２４１の上流部と下流部には、複数の孔を設けた第１の電極５２１３および第２の電極５２１４が離間して配置されている。
第１の電極５２１３と第２の電極５２１４は絶縁膜５２１６で覆われており、非対称な交流を発生する交流電源５２１５に接続される。
チューブ５２４１は、実施形態８と同様に、樹脂、ガラスなどを用い、搬送される液体５２１２は、イオン濃度が小さなものが好ましい。
【０１３３】
第１の電極５２１３と第２の電極５２１４に印加する非対称交流は、上記実施の形態と同様に、図２や図３に示したものを用いればよい。例えば、第２の電極５２１４を基準電圧として、図２に示す非対称交流を印加したとき、液体５２１２内に実質的に発生する電界の向きは右向き（図３３の矢印５２１７の向き）となる。
このとき、チューブ５２４１の内壁が負に帯電する場合は、チューブ５２４１の内壁付近の液体５２１２中には正電荷が誘起される。すべり面よりも内壁から離れた領域では液体５２１２はチューブ５２４１の内壁に固着することなく自由に移動できる。
また、液体５２１２内には実質的に一方向（矢印５２１７の向き）の電界が存在するため、液体５２１２は右方向へ搬送される。以上の動作は、実施の形態８と同様である。
【０１３４】
また、非対称交流は、上記実施の形態と同様に、図７に示したものを用いてもよい。第１の電極５２１３および第２の電極５２１４は絶縁膜５２１６で覆われているため、２つの電極間に直流電流は流れない。したがって、図７に示すような波形であっても特に悪影響なく、液体５２１２を一方向に搬送することができる。なお、どちらか一方の電極が絶縁膜５２１６で覆われていれば良く、２つの電極間に直流電流が流れることを防ぐことができる。
非対称交流の好ましい周波数および電圧は、実施の形態と同様に設定すればよい。
【０１３５】
このように、非対称な交流を第１の電極５２１３と第２の電極５２１４に印加することによって、液体５２１２内に実質的に一方向に電界を発生させることができる。
また、上述のような方法または装置を用い、２つの電極５２１３、５２１４間に非対称な交流を印加することにより、液体５２１２を一方向に搬送することができる。また、実質的に一方向の電界を発生させる非対称交流を印加しているので、液体を一方向に搬送しても、液体が電気分解して気泡が生じることはなく、また電気化学反応を起こすこともなく、電極が腐食するといった問題を回避することが可能となる。したがって、気泡を除去するための機構が不要となるので、電気浸透流ポンプの構造を単純化することができ、さらに、電気浸透流ポンプの信頼性を高くすることができる。
【０１３６】
更に、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆うことにより、２つの電極間に直流電流が流れないので、電極が腐食することをより確実に防ぐことができる。また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、第1の電極から第2の電極へ直接電子が到達して電流が流れることがない。そのため、この系で消費される電力は、電極を覆う絶縁膜が構成するキャパシタンスの充放電によるもののみである。したがって、消費電力を著しく小さくし、ジュール熱の発生も著しく減らすことが可能となる。
この実施の形態９の場合も、液体を効率よく搬送するためには、非対称交流は、図２（ｂ）や図２（ｃ）の波形が好ましい。
【０１３７】
＜実施の形態１０＞
本発明の第１０の実施の形態である、電気浸透流ポンプの他の実施例を、図３４を用いて説明する。
本実施の形態が、実施の形態９と異なるのは、第１の電極と第２の電極の間の流路に、多孔質からなる電気浸透材を設けたことである。
【０１３８】
図３４は、本実施の形態の電気浸透流ポンプ５３００の概略断面図である。
チューブ５３４１の内部は流路となっており、搬送される液体５３１２で満たされている。チューブ５３４１の上流部と下流部には、複数の孔を設けた第１の電極５３１３および第２の電極５３１４が離間して配置されている。第１の電極５３１３と第２の電極５３１４は絶縁膜５３１６で覆われており、非対称な交流を発生する交流電源５３１５が接続されている。
【０１３９】
流路内であって、第１の電極５３１３と第２の電極５３１４の間には、多孔質からなる電気浸透材５３４３が配置されている。
電気浸透材５３４３とは、たとえば、シリカ繊維材料、多孔質セラミックからなる部材であり、液体を通過させるとともに流路の内壁の面積を実質的に増大する役割を果たすものである。
この電気浸透材５３４３を、図３４に示すように配置することにより、電気浸透材内部に設けられた微細な孔において電気浸透材と液体が触れ、非対称交流により発生する一方向電界の作用により液体が搬送される。電気浸透材内部の多孔質は電気浸透材と液体の接触面積を増大させるため、液体の搬送能力も増大する。
【０１４０】
本実施の形態の電気浸透ポンプによれば、実施の形態９と同様に、液体が電気分解して気泡が生じることはなく、また電気化学反応を起こすこともなく、電極が腐食することを防止できる。
したがって、気泡を除去するための機構が不要となるので、電気浸透流ポンプの構造を単純化することができ、電気浸透流ポンプの信頼性を高くすることができる。
また、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方が絶縁膜で覆われるため、電極の腐食をより確実に防ぐことができる。また、消費電力を著しく小さくし、ジュール熱の発生も著しく減らすことが可能となる。
更に、第１の電極５３１３と第２の電極５３１４の間に、多孔質からなる電気浸透材を配置することにより、電気浸透効果を高めることができるので、ポンプの能力を飛躍的に高めることができる。
【０１４１】
＜実施の形態１１＞
本発明の第１１の実施の形態である、燃料電池を、図３５を用いて説明する。
燃料電池６１００は、本発明の実施の形態８，９または１０のいずれかの電気浸透ポンプ６１５１を備える。また、燃料タンク６１５３から燃料電池セル６１５２へ、燃料輸送管６１５４を通じて燃料を輸送する。
燃料電池セル６１５２には、燃料電池状態センサ６１５６が接続されており、燃料電池の状態を検出する。
燃料電池状態センサ６１５６から燃料電池の状態が燃料供給制御回路６１５７に伝えられ、燃料供給制御回路６１５７が燃料電池６１５１による燃料供給量を制御する。
燃料電池状態センサ６１５６および燃料供給制御回路６１５７に必要な電力は、燃料電池セル６１５２に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ６１５５により供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１５５には、外部に電力を供給するための端子６１５８が接続される。
【０１４２】
本実施の形態の燃料電池は、本発明の電気浸透流ポンプを備えているので、電気浸透流ポンプによって輸送する燃料が電気分解して気泡が生じることはなく、また電気化学反応が起こることもなく、電極が腐食することがない。したがって、気泡を除去するための機構が不要となって、燃料電池の構造を単純化することができ、燃料電池の信頼性を高くすることができる。
【０１４３】
＜実施の形態１２＞
本発明の第１２の実施の形態である、冷却ポンプを、図３６を用いて説明する。
冷却ポンプ６２００は、本発明の実施の形態８，９または１０のいずれかの電気浸透ポンプ６２５１を備える。また、受熱部６２５９と熱交換器６２６０に、冷媒輸送管６２６３を通じて冷媒を循環させる。
受熱部６２５９には、温度センサ６２６１が設けられており、受熱部６２５９の温度をポンプ制御回路６２６２に伝達する。ポンプ制御回路６２６２は温度センサ６２６１からの情報に基づいて電気浸透ポンプ６２５１を制御し、冷媒を移動させ、受熱部６２５９の温度を適正に保つ。
【０１４４】
本実施の形態の冷却ポンプは、本発明の電気浸透流ポンプを備えているので、電気浸透流ポンプによって移動させる冷媒が電気分解して気泡が生じることはなく、また電気化学反応が起こることもなく、電極が腐食することもない。したがって、気泡を除去するための機構が不要となるので、冷却ポンプの構造を単純化することができ、冷却ポンプの信頼性を高くすることができる。
【０１４５】
＜実施の形態１３＞
本発明の第１３の実施の形態である、薬液供給装置６３００を、図３７を用いて説明する。
薬液供給装置６３００は、本発明の実施の形態８，９または１０のいずれかの電気浸透ポンプ６３５１を備える。また、薬液タンク６３６４から薬液供給先へ、薬液輸送管６３６８を通じて薬液を輸送する。
薬液輸送管６３６８の途中には、流量センサ６３６５が設けられており、流量情報が薬液供給制御回路６３６６に伝えられる。薬液供給制御回路６３６６は、薬液供給プログラム入力装置６３６７からあらかじめ伝達された指示と、流量センサ６３６５から伝えられた流量情報とに基づき、電気浸透ポンプ６３５１を制御し、輸送する薬液の流量を調節する。
【０１４６】
本実施の形態の薬液供給装置は、本発明の電気浸透流ポンプを備えているので、電気浸透流ポンプによって輸送する薬液が電気分解して気泡が生じることはなく、また電気化学反応が起こることもなく、電極が腐食することもない。したがって、気泡を除去するための機構が不要となるので、薬液供給装置の構造を単純化することができ、薬液供給装置の信頼性を高くすることができる。
【符号の説明】
【０１４７】
１１１０  電界発生装置
１１１１  容器
１１１２  液体
１１１３  第１の電極
１１１４  第２の電極
１１１５  交流電源
１２１６  絶縁膜
２１００  浮遊体移動装置
２１１１  容器
２１１２  液体
２１１３  第１の電極
２１１４  第２の電極
２１１５  交流電源
２１１８  物体
２２１６  絶縁膜
３１００  電気泳動装置
３１２４  アガロースゲル
３１２５  ウェル
４１００  電気泳動表示装置
４１３１  第１の基板
４１３２  第２の基板
４１３４  電気泳動素子
４１３５  カプセル
４１３６  分散媒
４１３７  電気泳動粒子
４１３８  電気泳動粒子
４１３９  選択トランジスタ
５１００  電気浸透流ポンプ
５１４１  チューブ
５１４２  すべり面
５２１６  絶縁膜
５３４３  電気浸透材
６１００  燃料電池
６１５１  電気浸透流ポンプ
６１５２  燃料電池セル
６１５３  燃料タンク
６１５４  燃料輸送管
６１５５  ＤＣ／ＤＣコンバータ
６１５６  燃料電池状態センサ
６１５７  燃料供給制御回路
６１５８  電力供給端子
６２００  冷却ポンプ
６２５１  電気浸透流ポンプ
６２６３  冷媒輸送管
６３００  薬液供給装置
６３５１  電気浸透流ポンプ
６３６８  薬液輸送管
【図１】
2014055979.tif 000012
【図２】
2014055979.tif 000013
【図３】
2014055979.tif 000014
【図４】
2014055979.tif 000015
【図５】
2014055979.tif 000016
【図６】
2014055979.tif 000017
【図７】
2014055979.tif 000018
【図８】
2014055979.tif 000019
【図９】
2014055979.tif 000020
【図１０】
2014055979.tif 000021
【図１１】
2014055979.tif 000022
【図１２】
2014055979.tif 000023
【図１３】
2014055979.tif 000024
【図１４】
2014055979.tif 000025
【図１５】
2014055979.tif 000026
【図１６】
2014055979.tif 000027
【図１７】
2014055979.tif 000028
【図１８】
2014055979.tif 000029
【図１９】
2014055979.tif 000030
【図２０】
2014055979.tif 000031
【図２１】
2014055979.tif 000032
【図２２】
2014055979.tif 000033
【図２３】
2014055979.tif 000034
【図２４】
2014055979.tif 000035
【図２５】
2014055979.tif 000036
【図２６】
2014055979.tif 000037
【図２７】
2014055979.tif 000038
【図２８】
2014055979.tif 000039
【図２９】
2014055979.tif 000040
【図３０】
2014055979.tif 000041
【図３１】
2014055979.tif 000042
【図３２】
2014055979.tif 000043
【図３３】
2014055979.tif 000044
【図３４】
2014055979.tif 000045
【図３５】
2014055979.tif 000046
【図３６】
2014055979.tif 000047
【図３７】
2014055979.tif 000048