电场产生装置及电场产生方法
【专利摘要】一种电场产生装置，其特征在于，具备：注入有液体的容器；以分别使至少一部分浸在注入到所述容器的液体的方式空开规定的间隔配置的第一电极及第二电极；以及与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流的交流产生器，所述交流产生器使所述液体中产生实质上从所述第一电极朝向第二电极的电场或实质上从所述第二电极朝向第一电极的电场中的任一方的电场。
【专利说明】电场产生装置及电场产生方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及使液体中产生电场的电场产生装置及电场产生方法。此外，涉及使悬浮在液体中的固体移动的悬浮体移动装置及悬浮体移动方法、电泳装置及电泳方法、电渗流泵及其动作方法。
【背景技术】
[0002]以前，为了分离/分析带电粒子、蛋白质等的分子，使用将一对电极浸在包含分子等的溶液中，在该电极间施加直流电压的电泳法。像这样，当在一对电极间施加直流电压时，在溶液中产生一方向的电场，因此，能使带电粒子等向一方的电极的方向移动。
[0003]例如，在专利文献I记载了用于确定DNA的盐基排列的电泳装置。
[0004]在该专利文献I的电泳装置中，在相当于溶液的胶粘状泳动凝胶(gel)的两端配置收容于电解液的电极层，在电极层连接有施加泳动电压的泳动电源。泳动电源是直流电源，当在电极层间施加一方向的直流电压(电场)时，在一方向上流过直流电流，注入到泳动凝胶中的分析对象的DNA断片样品会在泳动凝胶中泳动而被分离。
[0005]此外,在液体中配置一对电极,在该电极间施加直流电压而使液体中产生一方向的电场的装置被利用于电渗流泵、使带电的微小的粒子移动的装置等各种各样的领域。
[0006]现有技术文献 专利文献
专利文献1:日本特开平7 - 151687号公报。
【发明内容】
[0007]发明要解决的课题
然而，在通过在电极间流过直流电流而使液体内产生电场的情况下，通过长时间向一方向流过电流，从而存在由于液体电解或电化学反应而使电极腐蚀的问题。
[0008]进而，由于这些反应，还会产生在液体中产生气泡或液体被污染的问题。此外，这些问题在电泳装置中会导致样品的污染，在电渗流泵中会招致由气泡造成的动作不良。
[0009]因此，本发明是考虑到以上那样的情形而完成的，其课题是，提供一种能在不会引起液体的电解、电化学反应等的情况下在液体中的一方向上产生电场的电场产生装置及电场产生方法。
[0010]用于解决课题的方案
本发明提供一种电场产生装置，其特征在于，具备:注入有液体的容器；以分别使至少一部分浸在注入到所述容器的液体的方式空开规定的间隔配置的第一电极及第二电极；以及与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流的交流产生器，所述交流产生器使所述液体中产生实质上从所述第一电极朝向第二电极的电场或实质上从所述第二电极朝向第一电极的电场中的任一种电场。
[0011]由此，在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，因此，能在液体内产生实质上一方向的电场，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能抑制电极腐蚀。
[0012]在此，在所述的电场产生装置中，其特征在于，所述第一电极与第二电极以与注入到所述容器的所述液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值
Veff = / V (t) dt
实质上为0，不具有实质性的直流成分。
[0013]由此，因为在第一电极与第二电极之间不流过实质的直流电流，所以，变得难以引起液体的电解、电化学反应，能可靠地防止电极腐蚀。
[0014]此外，在电场产生装置中，其特征在于，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
[0015]由此，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以，在两个电极间不流过直流电流。因此，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能更可靠地防止电极腐蚀。
[0016]此外，本发明提供一种悬浮体移动装置，其特征在于，具备:注入有物体悬浮的液体的容器；以分别使至少一部分浸在注入到所述容器的液体的方式空开规定的间隔配置的第一电极及第二电极；以及与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流的交流产生器，通过所述交流产生器施加的不对称交流，使悬浮在所述液体中的物体进行从所述第一电极向第二电极的移动或从所述第二电极向第一电极的移动中的任一方的移动。.
[0017]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加有不对称的交流，所以，能在一方向上移动悬浮在液体内的物体，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能抑制电极腐蚀。
[0018]在此，在所述的悬浮体移动装置中，其特征在于，所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值
Veff = / V (t) dt
实质上为0，不具有实质性的直流成分。
[0019]由此，因为在第一电极与第二电极之间不流过实质的直流电流，所以，难以引起液体的电解、电化学反应，能可靠地防止电极腐蚀。
[0020]此外，在悬浮体移动装置中，其特征在于，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
[0021]在上述实施方式中，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以在两个电极间不流过直流电流。因此，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能更可靠地防止电极腐蚀。
[0022]此外，本发明提供一种电泳装置，其特征在于，具备:注入有包含样品的液体的泳动槽；以分别使至少一部分浸在注入到所述泳动槽的液体的方式空开规定的间隔配置的第一电极及第二电极；以及与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流的交流产生器，通过所述交流产生器施加的不对称的交流使包含在液体中的样品在液体中的第一电极与第二电极之间泳动，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
[0023]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能使样品电泳，在进行电泳时，能防止液体电解而产生气泡，能防止由于电化学反应造成电极腐蚀而污染液体。因此，通过电泳能对样品进行更精确的分析。
[0024]此外，本发明提供一种电泳显示装置，其特征在于，具备:空开规定的间隔相向配置的第一电极及第二电极；配置在被所述第一电极和第二电极夹着的空间，由内含电泳粒子和分散液的多个胶囊(capsule)构成的电泳元件；以及与所述第一电极和第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流的交流产生器，通过所述不对称的交流使各胶囊内的电泳粒子向一方的电极的方向移动。
[0025]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能使各胶囊内的电泳粒子向一方的电极的方向持续移动，在将各胶囊的位置作为像素的情况下，能进行基于电泳的显不。
[0026]此外，本发明提供一种电渗流泵，其特征在于，具备:流过液体的流路；在所述流路的上游部和下游部分别分开地配置，具有多个孔的第一电极和第二电极；以及与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流的交流产生器，通过施加所述不对称交流，从而从处于流路内的上游部的第一电极向处于下游部的第二电极的方向输送流入到所述流路内的液体。
[0027]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能在一方向上传送流路内的液体，能防止液体电解而产生气泡，能防止由于电化学反应而造成电极腐蚀。因此，不需要用于除去气泡的机构，所以能简化电渗流泵的构造，能提高电渗流泵的可靠性。
[0028]在此，在所述的电渗流泵中，其特征在于，所述第一电极与第二电极以与流入到所述流路的所述液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值
Veff = / V (t) dt
实质上为0，不具有实 质性的直流成分。
[0029]由此，因为在第一电极与第二电极之间不流过实质的直流电流，所以难以引起液体的电解、电化学反应，能可靠地防止电极腐蚀。
[0030]此外，在电渗流泵中，其特征在于，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
[0031]由此，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以在两个电极间不流过直流电流。因此，液体不会电解而产生气泡，还能更可靠地防止由于电化学反应而造成电极腐蚀。
[0032]进而，在电渗流泵中，也可以在所述第一电极与第二电极之间的所述流路内设置由多孔介质构成的电渗材料。
[0033]此外，本发明的电渗流泵能设置在燃料电池。
[0034]进而，本发明的电渗流泵也可以用作驱动冷却泵、药液供给装置的装置。
[0035]此外，本发明提供一种电场产生方法，其特征在于，包括:对容器注入液体的准备步骤；以分别使至少一部分浸在所述液体的方式空开规定的间隔配置第一电极与第二电极的配置步骤；以及在所述第一电极与第二电极之间施加不对称交流，使所述液体中产生实质上从所述第一电极朝向第二电极的电场或实质上从所述第二电极朝向第一电极的电场中的任一种电场的电场产生步骤。[0036]根据本发明，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能在液体内产生实质上一方向的电场，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能抑制电极腐蚀。
[0037]此外，本发明是所述的电场产生方法，其特征在于，所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值
Veff = / V (t) dt
实质上为0，不具有实质性的直流成分。
[0038]由此，因为在第一电极与第二电极之间不流过实质的直流电流，所以难以引起液体的电解、电化学反应，能可靠地防止电极腐蚀。
[0039]此外，本发明的特征在于，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
[0040]由此，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以在两个电极间不流过直流电流。因此，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能更可靠地防止电极腐蚀。
[0041]此外，优选使用高电位持续时间与低电位持续时间不同的矩形波作为所述不对称交流。
[0042]由此，用于产生不对称交流的电路比较简单，能高效率地在液体中产生实质上一方向的电场。
[0043]此外，优选使用上升时间与下降时间不同的三角波或锯齿波作为所述不对称交流。
[0044]由此，用于产 生不对称交流的电路比较简单，能高效率地在液体中产生实质上一方向的电场。
[0045]此外，本发明提供一种悬浮体移动方法，其特征在于，包括:将悬浮有物体的液体注入到容器的准备步骤；以分别使至少一部分浸在所述液体的方式空开规定的间隔配置第一电极和第二电极的配置步骤；以及在所述第一电极与第二电极之间施加不对称交流，对于悬浮在所述液体中的物体，使其进行从所述第一电极向第二电极的移动或从所述第二电极向第一电极的移动中的任一种移动的移动步骤。
[0046]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能在一方向上移动悬浮在液体内的物体，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能抑制电极腐蚀。
[0047]在此，在所述的悬浮体移动方法中，其特征在于，所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值
Veff = / V (t) dt
实质上为0，不具有实质性的直流成分。
[0048]由此，因为在第一电极与第二电极之间不流过实质的直流电流，所以难以引起液体的电解、电化学反应，能可靠地防止电极腐蚀。
[0049]此外，在悬浮体移动方法中，其特征在于，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
[0050]由此，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以在两个电极间不流过直流电流。因此，几乎不会引起液体电解、电化学反应，能更可靠地防止电极腐蚀。[0051]此外，本发明提供一种电泳方法，其特征在于，包括:将包含通过电泳移动的样品的液体注入到泳动槽的准备步骤；以分别使至少一部分浸在所述液体的方式空开规定的间隔配置第一电极和第二电极的配置步骤；以及在所述在第一电极与第二电极之间施加不对称交流，使所述样品在液体中的第一电极与第二电极之间泳动的泳动步骤，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
[0052]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能使样品电泳，在进行电泳时，能防止液体电解而产生气泡，能防止由于电化学反应造成电极腐蚀而污染液体。因此，通过电泳能对样品进行更精确的分析。
[0053]此外，本发明提供一种电渗流泵的动作方法，其特征在于，在电渗流泵的流路内的上游部和下游部分别分开地配置第一电极和第二电极，在所述第一电极与第二电极之间施加不对称交流，从处于所述流路内的上游部的第一电极向处于下游部的第二电极的方向输送流入到所述流路内的液体。
[0054]由此，因为在第一电极与第二电极之间施加不对称的交流，所以能在一方向上传送流路内的液体，能防止液体电解而产生气泡，能防止由于电化学反应而造成电极腐蚀。因此，不需要用于除去气泡的机构，所以能简化电渗流泵的构造，能提高电渗流泵的可靠性。
[0055]在此，在所述的电渗流泵的动作方法中，其特征在于，所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值
Veff = / V (t) dt
实质上为0，不具有实质性的直流成分。
[0056]由此，因为在第一电极与第二电极之间不流过实质的直流电流，所以能防止液体电解而产生气泡，能更可靠地防止由于电化学反应而造成电极腐蚀。
[0057]此外，在电渗流泵的动作方法中，其特征在于，所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
[0058]由此，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以在两个电极间不流过直流电流。因此，液体不会电解而产生气泡，还能更可靠地防止由于电化学反应而造成电极腐蚀。
[0059]发明效果
根据本发明，因为在液体中的作为一对电极的第一及第二电极之间施加不对称的交流，所以能使液体中产生实质上一方向的电场，不会在电极间持续施加由直流电流造成的一方向的电场，能抑制在液体产生电解及电化学反应，能抑制电极的腐蚀。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]图1是对称的交流的波形的一个实施例的说明图。
[0061]图2是本发明的不对称的交流的波形的一个实施例的说明图。
[0062]图3是本发明的不对称的交流的波形的一个实施例的说明图。
[0063]图4是不对称交流的判定方法的一个实施例的说明图。
[0064]图5是本发明的电场产生装置的一个实施例的概略结构图。
[0065]图6是本发明的实施方式2的电场产生装置的概略结构图。[0066]图7是本发明的不对称的交流的波形的一个实施例的说明图。
[0067]图8是在液体中的电极间施加了直流电压的情况下的电场产生现象的说明图。
[0068]图9是本发明的不对称交流的仿真模型(simulation model)的说明图。
[0069]图10是本发明的不对称交流的仿真模型的说明图。
[0070]图11是在本发明的第一仿真中使用的不对称的矩形波的一个实施例的波形图。
[0071]图12是在本发明的第一仿真中感应的电荷量的曲线图。
[0072]图13是在本发明的第一仿真中感应的电荷量的曲线图。
[0073]图14是本发明的第一仿真中的液体中的电场的强度的曲线图。
[0074]图15是示出在本发明的第一仿真中平均电场与常数η的关系的曲线图。
[0075]图16是示出在本发明的第一仿真中液体中的物体的位置的时间变化的曲线图。
[0076]图17是在本发明的第二仿真中使用的不对称的矩形波的一个实施例的波形图。
[0077]图18是在本发明的第二仿真中液体中的物体的位置的时间变化的曲线图。
[0078]图19是在本发明的第三仿真中使用的对称的矩形波的一个实施例的波形图。
[0079]图20是在本发明的第三仿真中液体中的物体的位置的时间变化的曲线图。
[0080]图21是在本发明的第四仿真中使用的不对称的三角波的一个实施例的波形图。
[0081]图22是在本发明的第四仿真中感应的电荷量的曲线图。
[0082]图23是在本发明的第四仿真中感应的电荷量的曲线图。
[0083]图24是本发明的第四仿真中的液体中的电场的强度的曲线图。
[0084]图25是示出在本发明的第四仿真中平均电场与常数η的关系的曲线图。
[0085]图26是在本发明的第四仿真中液体中的物体的位置的时间变化的曲线图。
[0086]图27是本发明的实施方式3的悬浮体移动装置的概略结构图。
[0087]图28是本发明的实施方式4的悬浮体移动装置的概略结构图。
[0088]图29是本发明的实施方式5的悬浮体移动装置的概略结构图。
[0089]图30是本发明的实施方式6的电泳装置的概略结构图。
[0090]图31是本发明的实施方式7的电泳显示装置的概略结构图。
[0091]图32是本发明的实施方式8的电渗流泵的概略结构图。
[0092]图33是本发明的实施方式9的电渗流泵的概略结构图。
[0093]图34是本发明的实施方式10的电渗流泵的概略结构图。
[0094]图35是本发明的实施方式11的燃料电池的概略结构图。
[0095]图36是本发明的实施方式12的冷却泵的概略结构图。
[0096]图37是本发明的实施方式13的药液供给装置的概略结构图。
【具体实施方式】
[0097]〈用语的定义〉
首先，使用图1?图4对在本发明中使用的“不对称交流”的定义进行说明。
[0098]图1例示了不是不对称的，即对称的交流的波形。图2及图3例示了不对称的交流的波形。图4是说明判定是不是不对称的具体的方法的图。
[0099]在图1中，例示了四个不是不对称的，即对称的交流的波形(示出电压V与时间t的关系的曲线图)。[0100]图1 (a)是对称的正弦波。在曲线图上111是电压取最小值的点，112是电压取最大值的点，113是电压再次取最小值的点。波形的一部分114 (从111到112的区间)是升压过程，波形的另一部分115 (从112到113的区间)是降压过程。从点111到点113是交流的一个周期。
[0101]在此，用图4 (a)及(b)说明判断图1 (a)的正弦波为对称的基准。
[0102]图4 Ca)是重新示出图1 (a)的图。在图4 (b)中，截取图4 Ca)的波形的升压过程114，反转了电压轴(114r)。显然，该114ι 与波形的降压过程115准确地重合。S卩，将升压过程与降压过程完全重合的交流称为不是不对称的交流或对称交流。
[0103]图1 (b)是对称的矩形波。在该情况下，电压成为最小的点不是一个，既可以设为121a，也可以设为121c，或者还可以设为这两点之间的121b。同样地，电压成为最大的点也不是一个，既可以设为122a，也可以设为122c，或者还可以设为这两点之间的122b。
[0104]然而，要像前述的那样进行是不是不对称的判定，需要确定波形的升压过程124与降压过程125的范围。以后，在有多个电压成为最小(最大)的点的情况下，设为采用其最后的点。即，升压过程124设为121a与122a之间，降压过程设为122a与123a之间。升压过程124 (从121a到122a的区间)与降压过程125 (从122a到123a的区间)通过反转电压轴而完全重合，因此，明显地，图1 (b)的矩形波的交流也是对称的。
[0105]图1 (C)是对称的三角波。升压过程134 (从131到132的区间)与降压过程135(从132到133的区间)通过反转电压轴而完全重合。图1 (d)的波形虽然复杂，但仍是对称的交流。这是因为，升压过程144 (从141到142的区间)与降压过程145 (从142到143的区间)通过反转电压轴而完全重合。
[0106]另一方面，在图2中，例示了四个不对称的交流的波形。
[0107]在图2 (a)中 ，虽然波形以正弦方式变化，但是，是不对称的交流。这是因为，如图4 (c)及(d)所示，即使将升压过程214 (从211到212的区间)对电压轴进行反转(214r)，也不与降压过程215 (从212到213的区间)重合。
[0108]图2 (b)是处于高电位的时间(高电位持续时间)与处于低电位的时间(低电位持续时间)不同的不对称的矩形波。这是因为，即使将升压过程224 (从221到222的区间)对电压轴进行反转，也不与降压过程225 (从222到223的区间)重合。
[0109]图2 (C)是不对称的三角波。这是因为，即使将升压过程234 (从231到232的区间)对电压轴进行反转，也不与降压过程235 (从232到233的区间)重合。不对称的三角波是上升时间与下降时间不同的三角波。
[0110]图2 (d)的波形虽然复杂，但仍是不对称的交流。这是因为，即使将升压过程244(从241到242的区间)对电压轴进行反转，也不与降压过程245 (此不过242到243的区间)重合。
[0111]除此以外，虽然未图示，但是作为不对称的交流也可以使用上升时间与下降时间不同的锯齿波。
[0112]图3是周期或振幅随时间变化的不对称的交流的例子。
[0113]在图3 (a)中，周期随时间增加。因为即使将升压过程314 (从311到312的区间)对电压轴进行反转，也不与降压过程315 (从312到313的区间)重合，所以是不对称的交流。[0114]在图3 (b)中，振幅随时间增加。因为即使将升压过程324 (从321到322的区间)对电压轴进行反转，也不与降压过程325 (从322到323的区间)重合，所以是不对称的交流。
[0115]对以上进行总结，像图2和图3所例示的那样，不对称的交流定义为交流的升压过程与降压过程即使将其一方的电压轴反转也不会重合的交流，也称为不对称交流。
[0116]以下，使用具体例子对使用不对称的交流使液体中实质上在一方向上产生电场的装置及方法进行说明。
[0117]〈实施方式1>
使用图5，对作为本发明的第一实施方式的使液体中产生一方向的电场的电场产生装置及电场产生方法进行说明。
[0118]在图5示出使液体中产生一方向的电场的装置(电场产生装置)1100的概略截面图。
[0119]容器1111被液体1112所装满。关于第一电极1113与第二电极1114，其至少一部分浸在液体1112。在第一电极1113与第二电极1114连接有产生不对称的交流的交流电源1115 (也称为交流产生器)。
[0120]在此，容器1111只要是能保持液体1112的容器即可。
[0121]为了效果良好地产生一方向电场，优选液体1112是离子浓度小的液体。例如，优选是乙醇(ethanol)、甲醇(methanol)、IPA (Isopropyl Alcohol:异丙醇)等酒精类、轻汽油(benzine)、丙酮(aceton)等有机溶剂等。在使用水的情况下，优选使用纯净水、无离子水等。
[0122]第一电极1113及第二电极1114只要具有充分的导电性即可。
[0123]另外，第一电极1113与第二电极1114通过以相互相向的方式配置，从而能使两个电极间的电场的方向和强度均匀。因此，像在后述的实施例中示出的那样，在使液体中的带电的物体在一方向上移动或进行电泳时，能准确地控制物体或电泳的对象物。
[0124]此外，作为电极材料，例如，能使用铜、金、钨、铝等金属或添加了赋予导电性的杂质的娃等半导体。
[0125]电极的形状例如设为平板状，电极的尺寸、面积设为5cmX5cm左右。使一对电极分开规定的距离相向配置，该电极间的距离例如设为IOcm左右。但是，电极的形状、配置不限于此，也可以以夹着要想产生电场的区域的方式配置网状、环状、块状的形状的电极。此夕卜，电极间的距离只要根据想要产生电场的区域的大小来确定即可，有时也设为几Pm?几十cm。
[0126]用交流电源1115产生、施加在第一电极1113与第二电极1114的不对称交流例如能使用图2或图3所示的不对称交流。设图2及图3中的交流电压值V是以第二电极1114为基准电压而施加在第一电极1113的电压。此时，例如在施加了图2所示的不对称交流时，在液体1112内实质性地产生的电场的方向变成向右(图5的箭头1117的方向)。
[0127]不对称交流的优选频率根据液体的种类而异。一般来说，液体包含离子，液体中的离子浓度越高，与电极的电位变化对应地在液体中产生的电场就越快消失。在不对称交流的电压变化(与频率成比例)比在液体中产生的电场消失的时间长的情况下，几乎不能使液体中产生电场。因此，在离子浓度低的液体中将频率设低，在离子浓度高的液体中将频率设闻ο
[0128]作为例子，在使用IPA作为液体的情况下，优选是5Hz?50kHz，在使用纯净水作为液体的情况下，是500Hz?5MHz。然而，在由于液体的污染而造成离子浓度高的情况下，需
要将频率设高。
[0129]在液体1112的离子浓度高的情况下，在第一电极1113及第二电极1114施加不对称交流时，阻碍在液体1112中在一方向上产生电场的效果将变得更强。
[0130]这是因为，在第一电极1113及第二电极1114的表面附近也存在许多的离子，因此，对于第一电极1113及第二电极1114的电位的变化，第一电极1113及第二电极1114的表面附近的电荷数的变化不能迅速地跟随。
[0131]因此，在液体1112的离子浓度高的情况下，产生将不对称交流的频率设高的需要。关于在液体1112的离子浓度高的情况下的液体1112的离子的动态，回头在仿真结果的最后还将进行说明。
[0132]不对称交流的优选的电压根据所需的电场的强度而适宜地确定。例如，在电极间的距离为Icm时，能使用IV以上500V以下的电压。
[0133]像这样，通过在第一电极1113和第二电极1114施加不对称的交流，从而在液体1112内实质上在一方向上产生电场。其理由将基于后述的仿真结果进行说明。
[0134]不过，由于液体电解或电化学反应而造成电极腐蚀的问题，专门由流过电极间的直流电流成分所确定，在交流中，几乎不成为问题。
[0135]在电化学反应(电腐蚀)中，在流过直流电流的情况下，虽然在阳极发生氧化反应而进行腐蚀，但是在阴极发生还原反应而不会发生腐蚀。
[0136]另一方面，在流过交流电流的情况下，因为分别相同程度的氧化反应和还原反应交替地发生，所以两个电机都几乎不发生腐蚀。电解也是同样的。
[0137]实际上，因为反应生成物质通过扩散而移动，所以在低频率下氧化反应与还原反应不一定完全相抵，但是，一般来说交流下的电化学反应、电解要远小于直流的情况。
[0138]因此，能利用交流在液体中在一方向上产生电场，意味着能在几乎不引起电化学反应、电解的情况下在液体中在一方向上产生电场。
[0139]像这样，相对于在流过直流电流的情况下发生阳极的腐蚀，在流过交流电流的情况下，因为难以发生电化学反应、电解，所以几乎不发生电极的腐蚀。
[0140]此外，在交流的情况下，在对称交流与不对称交流的任一种情况下，因为氧化反应与还原反应交替地发生，所以几乎不发生电极的腐蚀。
[0141]在液体1112中实质上在一方向上产生电场的步骤主要由以下的步骤构成。
(1)在容器1111注入液体1112的准备步骤；
(2)以分别使至少一部分浸在液体1112的方式空开规定的间隔配置第一电极1113和第二电极1114的配置步骤；以及
(3)在第一电极1113与第二电极1114之间施加不对称交流，使液体1112中产生实质上从第一电极1113朝向第二电极1114的电场或从第二电极1114朝向第一电极1113的电场的任一种电场的电场产生步骤。
[0142]使用上述那样的方法或装置，通过在两个电极1113、1114间施加不对称的交流，从而能在液体1112内产生实质上一方向的电场。[0143]此外，在不对称交流中，虽然电场的方向会瞬间地交替反转，但是，像上述的那样，因为升压与降压的过程不重合，所以实质上成为一方向的电场。实质上一方向意味着如下的情况，即，在将在液体中产生的电场矢量对不对称交流的一个周期、整数个周期或充分长的时间进行积分时，电场矢量不为0，以有限的大小朝向一方向。因此，并不是意味着电场矢量的方向始终朝向一方向。实际上，在施加了不对称交流的情况下，电场矢量的方向以不对称交流的周期进行反转。
[0144]在像这样产生实质上一方向的电场的情况下，因为像上述的那样交替地发生氧化和还原，所以液体几乎不会电解，此外，也几乎不会产生电化学反应。但是，在施加对称交流的情况下，虽然同样地难以发生电极的腐蚀，但是不能产生一方向的电场。
[0145]因此，在施加了不对称交流的情况下，与直流电流同样地，能使液体内产生一方向的电场，与对称交流同样地，能抑制由于液体电解或电化学反应而造成电极腐蚀。
[0146]在本实施方式中，因为第一电极1113与第二电极1114全都与液体1112直接接触，所以如果在两个电极间施加直流，就会流过直流电流。因此，优选不对称交流不具有实质性的直流成分，即，遍及交流的一个周期对上述第一电极与第二电极之间的电压V (t)进行积分的Veff实质上为O。这是因为，通过这样，从而不会在两个电极间流过实质的直流电流，所以能更可靠地避免由于液体电解或电化学反应而造成电极腐蚀的问题。
[0147]作为不对称交流而优选的例子是如图2 (b)所示的不对称的矩形波(高电位持续时间与低电位持续时间不同的矩形波)。这是因为，关于这样的矩形波，用于产生矩形波的电路比较简单，能高效率地在液体中产生实质上一方向的电场。另外，虽然在图2 (b)的例子中高电位持续时间短而低电位持续时间长，但是，在使高电位持续时间长而低电位持续时间短的情况下，能使在液体中产生的实质上一方向的电场的方向相反。
[0148]作为不对称交流，也可以使用如图2 (C)所示的不对称的三角波(上升时间与下降时间不同的三角波或锯齿波)。关于这样的三角波，也同样地用于产生三角波的电路比较简单，能高效率地在液体中产生实质上一方向的电场。另外，虽然在该例子中上升时间短而下降时间长，但是当使上升时间长而下降时间短时，能使在液体中产生的实质上一方向的电场的方向相反。
[0149]关于图2 (b)或图2 (c)的波形优选的理由，将与后述的仿真结果的解释一同详细地叙述。
[0150]〈实施方式2>
使用图6对作为本发明的第二实施方式的使液体中的一方向上产生电场的电场产生装置及电场产生方法进行说明。
[0151]本实施方式与实施方式I不同之处在于，第一电极与第二电极的至少一方被绝缘
膜所覆盖。
[0152]图6是本实施方式的使液体中的一方向上产生电场的装置1200的概略截面图。
[0153]容器1211被液体1212所装满。关于第一电极1213与第二电极1214，其至少一部分浸在液体1212。第一电极1213与第二电极1214被绝缘膜1216所覆盖，连接有产生不对称的交流的交流电源1215。
[0154]在此，容器1211只要是能保持液体1212的容器即可。液体1212优选是离子浓度小的液体。例如，优选是乙醇、甲醇、IPA等酒精类、轻汽油、丙酮等的有机溶剂等。在使用水的情况下，优选使用纯净水、无离子水等。第一电极1213及第二电极1214只要具有充分的导电性即可。
[0155]此外，在该情况下，也与实施方式I同样地，为了使两个电极间的电场的方向和强度均匀，优选第一电极1213与第二电极1214以相互相向的方式配置。由此，能准确地控制液体中的带电的物体的向一方向的移动、电泳的对象物的移动。
[0156]绝缘膜1216能使用硅氧化膜、硅氮化膜、树脂薄膜等。
[0157]此外，绝缘膜1216以覆盖电极整体的方式形成，在例如电极由铜、金、钨、铝等金属、添加了赋予导电性的杂质的娃等半导体材料形成的情况下，只要形成IOnm?2 μ m左右的膜厚的硅氧化膜即可。绝缘膜只要由众所周知的现有技术例如CVD (Chemical VaporDeposition:化学气相沉积)法形成即可。
[0158]在交流电源1215产生、施加在第一电极1213与第二电极1214的不对称交流例如能使用图2、图3所示的不对称交流。将图2及图3中的V作为以第二电极1214为基准电压而施加在第一电极1213的电压。此时，例如在施加图2所示的不对称交流时，在液体1212内实质上产生的电场的方向变成向右(图6的箭头1217的方向)。
[0159]此外，不对称交流例如可以使用图7所示的波形的交流。图7 (a)、(b)、(c)及(d)所示的波形是在图2 (a)、(b)、(c)及(d)所示的波形分别加上直流成分Vsa、Vsb, Vsc及Vsd的波形。
[0160]在图2所示的波形中，虽然遍及交流的一个周期对电压进行平均为0，但是在图7所示的波形中不为O。然而，因为第一电极1213及第二电极1214被绝缘膜1216所覆盖，所以两个电极间不流过直流电流。因此，即使是如图7所示的波形也不会特别造成坏影响，能在液体1212中产生实质上一方向的电场。
[0161]在图6所示的本实施方式中，虽然第一电极1213及第二电极1214—同被绝缘膜1216所覆盖，但是只要任何一方的电极被绝缘膜1216所覆盖即可。这是因为，在该情况下，也能防止在两个电极间流过直流电流。
[0162]关于不对称交流的优选的频率及电压，只要与实施方式I同样地设定即可。
[0163]在实施方式2中，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，所以在两个电极间不流过直流电流。即，因为在电极与液体间直接发生电子的移动，所以不会发生氧化反应、还原反应。
[0164]因此，能可靠地防止由于液体电解或电化学反应造成电极腐蚀的问题。
[0165]此外，因为第一电极及第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖，电子不会直接从第一电极到达第二电极而流过电流。因此，在该系统中消耗的电力只有由覆盖电极的绝缘膜所构成的电容的充放电造成的电力。因此，能显著减小功耗，还能显著减少焦耳热的产生。
[0166]在该实施方式2的情况下，也优选图2 (b)或图2 (C)的波形。
[0167]〈仿真〉
以下，叙述在将这样的不对称交流施加在液体中的两个电极的情况下对在液体中产生的电场及带电的物体的运动进行仿真的结果。
[0168](I)仿真模型
使用图8?图26对将不对称交流施加在浸于液体中的两个电极的情况下产生的电场及带电的物体的运动的仿真结果进行说明。[0169]图8是说明在对浸于液体中的两个电极从时间T = O起施加固定的直流电压的情况下所发生的现象的图。
[0170]设在第一电极1213与第二电极1214之间装满有液体1212。设第一电极1213及第二电极1214分别被绝缘膜1216所覆盖。在该情况下，在两个电极间不流过电流。在第一电极1213与第二电极1214连接有电源1215。
[0171]在T = 0，当从电源1215对第一电极1213及第二电极1214开始施加电压时，如图8 (a)所示，在液体1212中，在用箭头1217示出的方向上产生电场。
[0172]在液体中存在浓度依赖于液体的种类的正离子和负离子。因此，在从开始施加电压起经过时间Tl之后，如图8 (b)所示，在覆盖第一及第二电极的绝缘膜1216上开始聚集与在每个电极感应的电荷相反符号的电荷。因为在绝缘膜1216上感应的电荷使从在每个电极感应的电荷产生的电力线终结，所以液体1212中的电场的强度随着时间经过而逐渐变弱。
[0173]在从开始施加电压起经过充分的时间T2之后，如图8 (C)所示，因为从在每个电极感应的电荷产生的电力线被在绝缘膜1216上感应的电荷所完全终结，所以液体1212中的电场的强度变为O。
[0174]直到液体中的电场大致成为O为止所需的时间(时间常数)依赖于液体中存在的离子的浓度，离子浓度越小越需要长时间。例如，在IPA中是10秒以内，在纯净水中是0.1秒以内。在溶解有盐类的水中，变得更短。
[0175]像这样，因为在液体中存在可动离子而能聚集在电极的绝缘膜上，所以，以往即使在浸于液体中的电极施加电压，使溶液中持续地产生一方向的电场也是困难的。
[0176]此外，虽然只要使用未覆盖绝缘膜的裸露的电极来施加直流电压就能使液体中持续地产生一方向的电场，但是当一方向电场持续时，存在由于液体电解或电化学反应而造成电极腐蚀的问题。
[0177]另外，如果在被绝缘膜所覆盖的两个电极间施加交流电压，就能使液体中产生交流电场。在两个电极间施加了交流的情况下，在其频率的倒数比上述时间常数小时，因为相对于电极的电位的变化，在电极感应的电荷不能跟随，所以电场侵入到液体中。然而，液体中的电场的时间平均是O，不能使液体中产生一方向的电场。
[0178]在图9及图10示出仿真的模型的说明图。
[0179]如图9所示，第一电极1313及第二电极1314分别被绝缘膜1316所覆盖。被绝缘膜1316所覆盖的两个电极1313、1314之间被液体1312所装满。在第一电极1313及第二电极1314连接有能产生任意的波形的电源1315。在液体1312中，悬浮有带电的物体1318。使用这样的模型，考虑如下的仿真。
[0180]在第二电极1314施加接地电位(GND)，在第一电极1313于时间t施加电压V (t)。当在原本系统不带电的情况下，将在第一电极1313表面感应的电荷量设为(t)，将在覆盖第一电极1313的绝缘膜1316上感应的电荷量设为qs(t)时，在第二电极1314上感应的电荷量为_qe(t)，在覆盖第二电极1314的绝缘膜1316上感应的电荷量为_qs(t)。
[0181]绝缘膜1316的介电常数设为ε d ε。，液体1312的介电常数设为ε s ε。。在此，ε d及es分别是绝缘膜1316及液体1312的相对介电常数，ε。是真空中的介电常数。此外，将液体中的电场的强度设为E (t)。[0182]当设第一电极1313上的绝缘膜1316的两端的电容为Cdl、第二电极1314上的绝缘膜1316的两端的电容为Cd2、液体1312的两端的电容为Cs时，是
[数学式I]
【权利要求】
1.一种电场产生装置，其特征在于，具备: 容器，注入液体； 第一电极及第二电极，以分别使至少一部分浸于注入到所述容器的液体的方式空开规定的间隔配置；以及 交流产生器，与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流， 所述交流产生器使所述液体中产生实质上从所述第一电极朝向第二电极的电场或实质上从所述第二电极朝向第一电极的电场中的任一方的电场。
2.根据权利要求1所述的电场产生装置，其特征在于， 所述第一电极与第二电极以与注入到所述容器的所述液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值Veff = / V (t) dt 实质上为O，不具有实质性的直流成分。
3.根据权利要求1所述的电场产生装置，其特征在于， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
4.一种悬浮体移动装置，其特征在于，具备: 容器,注入悬浮有物体的液体； 第一电极及第二电极，以分`别使至少一部分浸于注入到所述容器的液体的方式空开规定的间隔配置；以及 交流产生器，与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流， 通过所述交流产生器施加的不对称交流，对悬浮在所述液体中的物体，使其进行从所述第一电极向第二电极的移动或从所述第二电极向第一电极的移动中的任一方的移动。
5.根据权利要求4所述的悬浮体移动装置，其特征在于， 所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置， 所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值Veff = / V (t) dt 实质上为O，不具有实质性的直流成分。
6.根据权利要求4所述的悬浮体移动装置，其特征在于， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
7.—种电泳装置，其特征在于，具备: 泳动槽,注入包含有样品的液体； 第一电极及第二电极，以分别使至少一部分浸在注入到所述泳动槽的液体的方式空开规定的间隔配置；以及 交流产生器，与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流， 通过所述交流产生器施加的不对称的交流，使包含在液体中的样品在液体中的第一电极与第二电极之间泳动， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
8.—种电泳显示装置，其特征在于，具备:第一电极及第二电极，空开规定的间隔相向配置； 电泳兀件，配置在被所述第一电极和第二电极夹着的空间，由内含电泳粒子和分散液的多个胶囊构成；以及 交流产生器，与所述第一电极和第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流， 通过所述不对称的交流使各胶囊内的电泳粒子向一方的电极的方向移动。
9.一种电渗流泵，其特征在于，具备: 流路，流过液体； 第一电极和第二电极，在所述流路的上游部和下游部分别分开地配置，具有多个孔；以及 交流产生器，与所述第一电极及第二电极连接，在两电极间施加不对称的交流， 通过施加所述不对称交流，从而从处于流路内的上游部的第一电极向处于下游部的第二电极的方向输送流入到所述流路内的液体。
10.根据权利要求9所述的电渗流泵，其特征在于， 所述第一电极与第二电极以与流入到所述流路的所述液体直接接触的方式配置，所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值Veff = / V (t) dt· 实质上为0，不具有实质性的直流成分。
11.根据权利要求9或10所述的电渗流泵，其特征在于， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
12.根据权利要求9、10或11中的任一项所述的电渗流泵，其特征在于， 在所述第一电极与第二电极之间的所述流路内设置有由多孔介质构成的电渗材料。
13.一种燃料电池，其特征在于，具备权利要求9至12中的任一项所述的电渗流泵。
14.一种冷却泵，其特征在于，由权利要求9至12中的任一项所述的电渗流泵进行驱动。
15.一种药液供给装置，其特征在于，由权利要求9至12中的任一项所述的电渗流泵进行驱动。
16.—种电场产生方法,其特征在于,包括: 准备步骤，在容器注入液体； 配置步骤，以分别使至少一部分浸在所述液体的方式空开规定的间隔配置第一电极和第二电极；以及 电场产生步骤，在所述第一电极与第二电极之间施加不对称交流，使所述液体中产生实质上从所述第一电极朝向第二电极的电场或实质上从所述第二电极朝向第一电极的电场中的任一方的电场。
17.根据权利要求16所述的电场产生方法,其特征在于， 所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置， 所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值Veff = / V (t) dt实质上为O，不具有实质性的直流成分。
18.根据权利要求16所述的电场产生方法,其特征在于， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
19.根据权利要求16所述的电场产生方法,其特征在于， 所述不对称交流是高电位持续时间与低电位持续时间不同的矩形波。
20.根据权利要求16所述的电场产生方法,其特征在于， 所述不对称交流是上升时间与下降时间不同的三角波或锯齿波。
21.—种悬浮体移动方法,其特征在于,包括: 准备步骤，将悬浮有物体的液体注入到容器； 配置步骤，以分别使至少 一部分浸在所述液体的方式空开规定的间隔配置第一电极和第二电极；以及 移动步骤，在所述第一电极与第二电极之间施加不对称交流，对悬浮在所述液体中的物体，使其进行从所述第一电极向第二电极的移动或从所述第二电极向第一电极的移动中的任一方的移动。
22.根据权利要求21所述的悬浮体移动方法，其特征在于， 所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置， 所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值Veff = / V (t) dt 实质上为0，不具有实质性的直流成分。
23.根据权利要求21所述的悬浮体移动方法，其特征在于， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
24.—种电泳方法,其特征在于,包括: 准备步骤，将包含通过电泳移动的样品的液体注入到泳动槽； 配置步骤，以分别使至少一部分浸在所述液体的方式空开规定的间隔配置第一电极和第二电极；以及 泳动步骤，在所述在第一电极与第二电极之间施加不对称交流，使所述样品在液体中的第一电极与第二电极之间进行泳动， 所述第一电极与第二电极的至少一方被绝缘膜所覆盖而不与所述液体直接接触。
25.—种电渗流泵的动作方法，其特征在于， 在电渗流泵的流路内的上游部和下游部分别分开地配置第一电极与第二电极， 在所述第一电极与第二电极之间施加不对称交流， 从处于所述流路内的上游部的第一电极向处于下游部的第二电极的方向输送流入到所述流路内的液体。
26.根据权利要求25所述的电渗流泵的动作方法，其特征在于， 所述第一电极与第二电极全都以与液体直接接触的方式配置， 所述不对称交流遍及交流的一个周期对所述第一电极与第二电极之间的电压V (t) (t是时间)进行积分的下式的值Veff = / V (t) dt实质上为O，不具有实质性的直流成分。
27.根据权利要求25所述的电渗流泵的动作方法，其特征在于，所述第一电极与第二电极的至少.一方被绝缘膜所覆盖而不与液体直接接触。
【文档编号】G01N27/00GK103443618SQ201280012771
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年2月9日 优先权日:2011年3月11日
【发明者】柴田晃秀, 小宫健治, 根岸哲, 岩田浩 申请人:夏普株式会社