JP7397489B2 - 気泡噴出方法、電源装置、および、気泡噴出用装置 - Google Patents

Description

本開示は、気泡噴出方法、電源装置、および、気泡噴出用装置に関する。特に、新たな気泡噴出原理により、導電体に気泡を連続的に噴出できる気泡噴出方法、当該気泡噴出方法を実施するための電源装置、および、気泡噴出用装置に関する。

近年のバイオテクノロジーの発展に伴い、細胞の膜や壁に孔をあけ、細胞から核を除去又はＤＮＡ等の核酸物質の細胞への導入等、細胞等の局所加工の要求が高まっている。局所加工技術（以下、「局所アブレーション法」と記載することがある。）としては、電気メス等のプローブを用いた接触加工技術や、レーザー等を用いた非接触アブレーション技術などを用いた方法が広く知られている。

また、細胞等への核酸物質等を導入するための局所的な物理的インジェクション技術（以下、「局所インジェクション方法」と記載することがある。）としては、電気穿孔法、超音波を用いたソノポレーション技術及びパーティクルガン法等が広く知られている。

更に、上記の電気メス等のプローブを用いた接触加工技術、レーザー等を用いた非接触アブレーション技術、電気穿孔法等の細胞等への核酸物質等を導入するための局所的な物理的インジェクション技術以外にも、気泡噴出部材を用いた局所アブレーション法、気液噴出部材を用いた局所アブレーション法、局所インジェクション方法も知られている（特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載された気泡噴出部材は、（１）導電材料で形成された芯材と、（２）絶縁材料で形成され、前記芯材を覆い、かつ前記芯材の先端から延伸した部分を含む外郭部と、（３）前記外郭部の延伸した部分及び前記芯材の先端との間に形成された空隙と、（４）前記延伸部の先端（空隙の芯材とは反対側）に形成された気泡噴出口、を含んでいる。そして、気泡噴出部材を用いて気泡を噴出する際には、（５）先ず、気泡噴出部材の少なくとも気泡噴出口および対向電極を溶液に浸漬させ、（６）次に、気泡噴出部材の芯材と対向電極に高周波電圧を印加すると、（７）空隙に気泡が発生し、次いで、空隙で発生した気泡が気泡噴出口から引きちぎられるように放出し、（８）放出した気泡を加工対象物に連続的に放出することで、加工対象物を切削（局所アブレーション）できること、が記載されている。

また、特許文献１には、（９）気泡噴出部材の外郭部の外側に、外郭部と空間を有するように外側外郭部を設け、（１０）前記空間にインジェクション物質を溶解及び／又は分散した溶液を導入することで、インジェクション物質が溶解及び／又は分散した溶液が界面に吸着した気泡を発生することができ、（１１）該気泡を加工対象物に連続的に放出することで加工対象物を切削するとともに、気泡を覆う溶液に含まれるインジェクション物質を加工対象物にインジェクションできる、ことが記載されている。

上記特許文献１に類似した技術として、気泡噴出口が基板の上方に開口するように気泡噴出部を形成した気泡噴出チップが知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載された気泡噴出チップは、（１）基板、通電部、気泡噴出部を少なくとも含み、（２）前記通電部は、前記基板上に形成され、（３）前記気泡噴出部は、導電材料で形成された電極、絶縁性の感光性樹脂で形成された外郭部及び外郭部から延伸した延伸部を含み、前記外郭部は前記電極の周囲を覆い且つ前記延伸部は前記電極の先端より延伸し、更に、前記気泡噴出部は前記延伸部及び前記電極の先端との間に形成された空隙を含み、（４）前記気泡噴出部の電極は前記通電部上に形成される、ことが記載されている。

国際公開第２０１３／１２９６５７号 国際公開第２０１７／０６９０８５号

上記のとおり、特許文献１に記載の気泡噴出部材および特許文献２に記載の気泡噴出部は、何れも、導電材料で形成された芯材（電極）の周囲を絶縁材料で形成した外殻部で覆い、更に、外殻部から延伸した延伸部と芯材（電極）とで空隙を設けている。そして、気泡は先ず空隙で生成され、そして、気泡噴出口から噴出するため、気泡噴出部材および気泡噴出部は、外殻部から延伸した延伸部が必須の構成要素である。

しかしながら、特許文献１に記載の延伸部は、ガラス等の絶縁材料を加熱して引き切る必要がある。また、特許文献２に記載の延伸部は、フォトリソグラフィ技術を用い、感光性樹脂で形成する必要がある。そのため、気泡噴出部材、気泡噴出部を含む気泡噴出チップの製造工程が煩雑になるという問題がある。

本開示は、上記問題点を解決するためになされたものであり、鋭意研究を行ったところ、（１）導電性材料で形成された気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加することで、（２）気泡発生用電極の先端部が、導電性材料が露出した状態、換言すると、特許文献１および２に記載の延伸部および空隙を形成することなく、気泡発生用電極の先端部から導電体に気泡を噴出できること、を新たに見出した。

すなわち、本開示の目的は、新たな原理に基づく気泡噴出方法、当該気泡噴出方法を実施するための電源装置、および、気泡噴出用装置を提供することである。

本開示は、以下に示す、気泡噴出方法、電源装置、および、気泡噴出用装置に関する。

（１）導電体への気泡噴出方法であって、
該気泡噴出方法は、
気泡発生用電極を導電体に接触する工程、
対向電極を導電体または加工対象物に接触する工程、
前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程、
を含み、
前記気泡発生用電極の少なくとも先端部は導電性材料が露出している、
気泡噴出方法。
（２）前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程が、
パルス状の電圧を印加し、且つ、
前記気泡発生用電極に、マイナスの電圧から印加を開始する、
上記（１）に記載の気泡噴出方法。
（３）前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程に連続して、プラスの電圧を印加する工程を含む、
上記（２）に記載の気泡噴出方法。
（４）前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程が、
交番電圧を印加し、
前記交番電圧がマイナス電圧側で振幅する、
上記（１）に記載の気泡噴出方法。
（５）前記気泡発生用電極の導電性材料が露出している先端部以外は、絶縁性材料で被覆されている、
上記（１）～（４）の何れか一つに記載の気泡噴出方法。
（６）前記導電体に接触している前記気泡発生用電極の表面積と、前記導電体または加工対象物に接触している前記対向電極の表面積とを比較した場合、前記気泡発生用電極の方が小さい、
上記（１）～（５）の何れか一つに記載の気泡噴出方法。
（７）前記気泡発生用電極の先端部が先尖形状である、
上記（１）～（６）の何れか一つに記載の気泡噴出方法。
（８）印加する電圧を制御するための制御部を含む電源装置であって、
前記制御部は、
マイナスのパルス状の電圧から印加を開始するように制御する
電源装置。
（９）印加する電圧を制御するための制御部を含む電源装置であって、
前記制御部は、
マイナス電圧側で振幅する交番電圧を印加するように制御する、
電源装置。
（１０）気泡発生用電極、および、上記（８）または（９）に記載の電源装置、
を少なくとも含む、気泡噴出用装置。

本明細書で開示する気泡噴出方法は、導電性材料が露出した気泡発生用電極を用いて導電体に気泡を噴出できる。したがって、新しい原理の気泡噴出方法を提供できる。また、電源装置は、新しい原理の気泡噴出方法に好適に用いることができる。更に、当該電源装置と気泡噴出用電極を組み合すことで、新しい原理の気泡噴出用装置を提供できる。

図１は、気泡噴出用装置の実施形態の概略を示す図である。 図２は、気泡発生用電極２の先端部２１の例を示す図である。 図３、新規の電源装置３が出力するパルス状の電圧の例を示す図である。 図４は、新規の電源装置３が出力する交番電圧の例を示す図である。 図５Ａは、図面代用写真で、実施例１で印加した電圧、電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。図５Ｂは、図面代用写真で、（１）実施例２で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。 図６Ａは、図面代用写真で、（１）実施例３で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。図６Ｂは、図面代用写真で、（１）比較例１で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。 図７Ａは、図面代用写真で、（１）実施例４で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。図７Ｂは、図面代用写真で、（１）実施例５で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。 図８は、図面代用写真で、（１）実施例６で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。 図９は、図面代用写真で、（１）実施例７で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。 図１０Ａは、図面代用写真で、（１）実施例８で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。図１０Ｂは、図面代用写真で、（１）比較例２で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（３）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。 図１１は、図面代用写真で、（１）実施例９で印加した電圧、（２）電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、（２）電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真、である。 図１２は、図面代用写真で、実施例１０および１１で噴出した気泡の位置を比較するため、ハイスピードカメラのフレームを解析した写真である。 図１３Ａは図面代用写真で、実施例１２において、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。図１３Ｂは図面代用写真で、比較例３において、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。

以下に、図面を参照しながら、気泡噴出方法、電源装置、および、気泡噴出用装置について、詳しく説明する。

（気泡噴出用装置の実施形態）
図１は、気泡噴出用装置の実施形態の概略を示す図である。気泡噴出用装置１は、気泡発生用電極２、電源装置３を少なくとも含んでいる。対向電極４は、気泡噴出用装置１を構成する部材としてもよいし、気泡噴出用装置１とは別体として、必要に応じて準備してもよい。また、気泡発生用電極２と電源装置３、および、対向電極４と電源装置３は、予め電線５で接続してあってもよいし、必要に応じて、接続してもよい。

気泡発生用電極２は、導電性材料で形成され、先端部２１は導電性材料が露出している。導電性材料としては、電気を通し電極として使用できるものであれば特に制限はないが、好ましくは金属で、例えば、金、銀、銅、鉄、アルミニウム、白金、タングステン等、これらにスズ、マグネシウム、クロム、ニッケル、ジルコニウム、ケイ素、イリジウムなどを加えた合金、例えば、ステンレス等が挙げられる。また、金属以外では、カーボン等が挙げられる。

気泡発生用電極２の少なくとも先端部は導電性材料が露出している。換言すると、気泡発生用電極２は、全てが導電性材料で形成されていてもよいし、先端部２１以外の部分は絶縁性材料で被覆されていてもよい。なお、本明細書において「先端部」とは、気泡発生用電極２の導電体Ｌに接触する側の端部を意味する。本明細書で開示する気泡噴出方法は、気泡発生用電極２の先端にマイナスの電界を集中させることで気泡が噴出する。したがって、電界を集中し易くするため、先端部２１は非常に小さいことが好ましい。先端部２１を絶縁性材料で被覆する場合は、例えば、導電性材料で電極本体を作製後、絶縁性材料に浸漬、絶縁性材料を塗付または絶縁性材料を蒸着することで電極本体の周囲を先ず被覆し、次いで、電極本体の先端部２１の絶縁性材料を除去することで、先端部２１の導電性材料を露出すればよい。また、絶縁性材料で形成したチューブに、先端部２１が露出するように電極を嵌め込んでもよい。

絶縁性材料としては、電気を絶縁するものであれば特に限定はなく、例えば、ガラス、マイカ、石英、窒化ケイ素、酸化ケイ素、セラミック、アルミナ、等の無機系絶縁材料、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム等ゴム材料、エチレン酢酸ビニル共重合体樹脂、シラン変性オレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン系樹脂、弗素系樹脂、シリコン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース系樹脂、ＵＶ硬化樹脂等の絶縁性樹脂が挙げられる。

図２は気泡発生用電極２の先端部２１の例を示す図である。気泡発生用電極２は、先端部２１が小さいほど電界は集中し易くなることから、可能な限り先端部２１が小さくなるように作製すればよい。例えば、図２Ａに示すように、上記の導電性材料で可能な限り直径が小さい細線を作製し切断することで作製できる。また、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、先ず細線を作製し、次いで、先端を研磨することで気泡発生用電極２の先端部２１に向けて先尖状となるように形成してもよい。なお、先尖状とする際には、角錐等のエッジがある形状ではなく、円錐等のエッジが無い形状の方が好ましい。換言すると、気泡発生用電極２の断面が角を有しない曲面で形成され、先端部２１に近づくほど断面積が小さくなる形状が好ましい。なお、図２Ｂおよび図２Ｃに示す先端部２１は一つであるが、図２Ｄに示すように、先端部２１は２以上形成してもよい。

後述する実施例および比較例に示すとおり、本明細書で開示する気泡噴出方法は、気泡発生用電極２にマイナスの電圧を印加することで、気泡発生用電極２の先端から気泡を噴出することができる。したがって、気泡噴出方法に用いる電源装置は、マイナスの電圧を印加できるものであれば特に制限はない。

ところで、後述する実施例および比較例に示すとおり、気泡発生用電極２に印加する電圧は、先ずマイナスのパルス状の電圧を印加、或いは、マイナス電圧側で振幅する電圧を印加することが好ましい。しかしながら、電気はプラスからマイナスに流れるため、一般的に市販されている電源装置は、プラスの電圧から印加するように設計されている。そのため、本明細書で開示する電源装置３は、プログラム設計により、先ずマイナスのパルス状の電圧を印加、或いは、マイナス電圧側で振幅する電圧を印加できるように作製している。図１に示す電源装置３では、新たに設計したプログラムを制御部３１に記憶している。つまり、気泡噴出用装置の実施形態で開示する電源装置３は、新規の電源装置である。

図３は、新規の電源装置３が出力する（気泡発生用電極２に印加される）パルス状の電圧の例を示す図である。図３Ａはマイナスのパルス状の電圧を一回印加する例を示しており、図３Ｂはマイナスのパルス状の電圧を２回印加する例を示している。なお、複数回印加する場合、回数に特に制限はない。また、図３Ｃは、マイナスのパルス状の電圧を印加する工程に連続して、プラスのパルス状の電圧を印加する例を示している。後述する実施例に示すとおり、本明細書で開示する気泡噴出方法は、（１）気泡発生用電極２にマイナスの電圧が印加されている時に気泡Ｂが生成し、（２）マイナスから相対的にプラス方向の電圧が印加される時に、気泡発生用電極２から対向電極４に向かう導電体の流れが発生し、（３）発生した導電体の流れが生成した気泡Ｂを押し出す（気泡Ｂが噴出する）と考えられる。したがって、パルス状の電圧を印加する場合は、最初にマイナスの電圧から印加されれば、連続してプラスの電圧が印加されてもよい。なお、本明細書において「連続」とは、図３Ｃに示すようにマイナスからプラスにダイレクトに電圧が変化してもよいし、生成した気泡Ｂの噴出に影響がない範囲内であれば、図３Ｄに示すように、マイナスからプラスの電圧を印加する際に、電圧が印加されない時間（０Ｖの時間）があってもよい。また、図３Ｃおよび図３Ｄに示す「マイナスの電圧を印加→プラスの電圧を印加」を一セットとした場合、当該セットを複数回繰り返してもよい。

図４Ａ、Ｂ、および、Ｄは、新規の電源装置３が出力する（気泡発生用電極２に印加される）交番電圧の例を示す図である。交番電圧を気泡発生用電極２に印加する場合は、マイナス電圧側で振幅する電圧を印加すればよい。例えば、図４Ａに示すように、マイナス電圧側で常に振幅する例が挙げられる。また、図４Ｂに示すように、最初の電圧印加時に一端プラス電圧を印加した後、マイナス電圧側で振幅しながらマイナス電圧を印加する交番電圧であってもよい。ただし、図４Ｃに示すように、最初にマイナス電圧を印加しても、その後、プラス電圧側で振幅しながらプラス電圧を印加する交番電圧の場合、気泡は噴出するが、気泡発生用電極２から噴出する気泡が少なくなる。したがって、新規の電源装置３が出力する「マイナス電圧側で振幅する電圧」とは、図４Ａに示すように振幅の全てがマイナス電圧側で行われることに加え、図４Ｂ及び図４Ｄに示すように、振幅の大部分がマイナス電圧側で行われていることを意味する。例えば、図４Ｄに示すように、マイナス電圧側の任意のピークの絶対値（Ｖ２）が、隣接するプラス方向のピークのプラス成分の絶対値（Ｖ１、Ｖ３）より大きい電圧を意味する。

気泡発生用電極２に印加する電圧、換言すると、電源装置３が出力する電圧は、気泡発生用電極２から気泡を噴出できれば特に制限はない。気泡発生用電極２の材料、大きさ、電界が集中する先端部の形状、および、気泡噴出用電極２を接触させる導電体の種類と対向電極４を接触させる導電体または加工対象物の種類に応じて、印加する電圧を適宜設定すればよい。電源装置３が出力する電圧がパルス状の電圧の場合、パルス幅、複数のパルスを印加する場合のパルス間隔、出力する電流等は、気泡発生用電極２から気泡を噴出できる範囲であれば特に制限はなく、適宜設定すればよい。また、電源装置３が出力する電圧が交番電圧の場合、周波数、出力する電流等は、気泡発生用電極２から気泡を噴出できる範囲であれば特に制限はなく、適宜設定すればよい。

対向電極４は電気が通るものであれば特に制限はなく、気泡発生用電極２と同様の材料を用いればよい。気泡発生用電極２と対向電極４は、同じ材料であってもよいし、異なっていてもよい。また、対向電極４は露出した導電性材料を導電体または加工対象物に接触することができれば形状等に特に制限はなく、線状、板状等の任意に形状であればよい。なお、気泡発生用電極２は、電界が集中するように小さくすることが好ましいが、対向電極４は小さくする必要はない。したがって、対向電極４は気泡発生用電極２より大きくてもよい。換言すると、導電体に接触している気泡発生用電極の表面積と、導電体または加工対象物に接触している対向電極の表面積とを比較した場合、気泡発生用電極２の方が小さい。

（気泡噴出用方法の実施形態）
次に、図１を参照して、気泡噴出方法の実施形態について説明をする。気泡噴出方法の実施形態は、（１）気泡発生用電極２を導電体Ｌに接触する工程、（２）対向電極を導電体Ｌまたは加工対象物に接触する工程、（３）気泡発生用電極２にマイナスの電圧を印加する工程、を少なくとも含んでいる。気泡発生用電極２から気泡を噴出するためには、気泡発生用電極２の先端部２１を導電体Ｌに接触（浸漬）させる必要がある。一方、対向電極４は、気泡発生用電極２と回路が形成されればよい。したがって、図１に示すように、対向電極４および気泡発生用電極２を、導電体Ｌに接触（浸漬）してもよいし、あるいは、後述する加工対象物が導電性の場合、加工対象物の少なくとも一部を導電体Ｌに接触させ、気泡発生用電極２は導電体Ｌに接触し、対向電極４は加工対象物に直接接触するようにしてもよい。

導電体Ｌは、気泡発生用電極２および対向電極４が通電でき、気泡を噴出できるものであれば特に制限はなく、液体、気泡の噴出を妨げない程度の粘度の粘性液体、或いは、液体または粘性液体と固体の混合物等が挙げられる。液体としては、例えば、水、または、水にＫＣｌ、ＮａＣｌ_２、等の塩を溶解、或いは、生物分野で用いられているＰＢＳ等の緩衝液、培地等が挙げられる。粘性液体としては、前記液体に増粘剤を添加したもの、或いは、血液等の生体成分が挙げられる。液体または粘性液体と固体の混合物とは、導電性の体液を多量に含む生体組織が挙げられる。

導電体Ｌに気泡発生用電極２を接触させ、対向電極４を導電体Ｌまたは加工対象物に接触した後に、気泡発生用電極２にマイナスの電圧を印加することで、気泡発生用電極２の先端部２１から導電体Ｌに気泡Ｂを噴出することができる。

また、特許文献１および２に記載のように、本明細書で開示する気泡噴出方法により気泡発生用電極２から噴出した気泡Ｂを加工対象物に衝突させることで、加工対象物を局所的にアブレーションすることができる。また、導電体Ｌとして液体を用いた場合、液体に、ＤＮＡやＲＮＡ等の核酸、タンパク質、アミノ酸、水溶性の薬剤、或いは、窒素・へリウム・二酸化炭素・アルゴン等の気体状のインジェクション物質を溶解しておくことで、加工対象物を局所的にアブレーションしながら、インジェクション物質を加工対象物にインジェクションすることもできる。

加工対象物としては、気泡によりアブレーションできるものであれば特に制限は無く、動物、葉や種等の植物、微生物等の生体、該生体から分離した組織や細胞、或いは、タンパク質等が挙げられる。細胞としては、ヒトまたは非ヒト動物の組織から単離した幹細胞、皮膚細胞、粘膜細胞、肝細胞、膵島細胞、神経細胞、軟骨細胞、内皮細胞、上皮細胞、骨細胞、筋細胞、卵細胞等の動物細胞、植物細胞、昆虫細胞、大腸菌、酵母、カビなどの微生物細胞などの細胞を挙げることができる。また、生体以外では、樹脂や金属等が挙げられる。

アブレーションは、例えば、導電体として液体を用い、液体に浸漬した気泡発生用電極２および対向電極４の間に加工対象物を配置し、気泡発生用電極２にマイナスの電圧を印加することで噴出した気泡を加工対象物に衝突させることで実施できる。なお、上記のとおり、加工対象物が導電性の場合は、対向電極４は加工対象物に直接接触させてもよい。また、加工対象物が導電体（導電性の体液を多量に含む生体組織等）の場合は、気泡発生用電極２および対向電極４を加工対象物に接触させ、気泡発生用電極２にマイナスの電圧を印加することで、加工対象物を直接アブレーションできる。

以下に実施例を掲げ、各実施形態を具体的に説明するが、この実施例は単にその具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は、発明の範囲を限定したり、あるいは制限するものではない。

［交番電圧を気泡発生用電極に印加した実施例］
＜実施例１＞
（気泡噴出用装置の作製）
先ず、ステンレスで細線を作製し、細線の先端部を研磨加工することで先端部が略円錐状の気泡発生用電極を作製した。図５Ａ（２）に作製した気泡発生用電極の先端部の写真を示す。なお、写真右側の広がり部分は浸水を防ぐために塗布した接着剤である。先端部の長さ（図５Ａ（２）中の矢印で示した部分の紙面上下方向の長さ）は約０．３ｍｍであった。次に、アルミ板（５ｍｍ×１０ｍｍ×０．０４４ｍｍ）で対向電極を作製した。次に、電源装置としてＨｙｆｒｅｃａｔｏｒ２０００（ＣｏｎＭｅｄ（株））を用い、電源装置と気泡噴出電極および対向電極とを、電線で接続した。なお、気泡発生用電極に印加される電圧は、最初はプラス電圧が印加されるが、その後はマイナス電圧側で振幅が起きるようにプログラムを改良した。

（気泡噴出方法の実施）
作製した気泡噴出用装置の気泡発生用電極の先端部と対向電極を、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ：Ｗａｋｏ １６３－２５２６５ １０×ＰＢＳ（－）を１０倍希釈）に浸漬した。なお、対向電極の５ｍｍ×５ｍｍ×０．０４４ｍｍの体積を浸漬した。次に、Ｈｙｆｒｅｃａｔｏｒ２０００をＨｉモード（５Ｗ）、振幅回数５回を１セットとし、連続して３００セットに条件設定し、電圧を印加した。気泡発生用電極の先端部の状況は、ハイスピードカメラ（ＤＩＴＥＣＴ社製 ＨＡＳ－Ｕ２）を用い、１５００ｆｐｓの条件で撮影した。図５Ａ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した１セット当たりの電圧の変化（矢印で示す電圧の変化のグラフの下方のグラフは、電流の変化を表す。以下の図においても同様である。）、図５Ａ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図５Ａ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真で、矢印で示した部分が噴出した気泡である。

＜実施例２＞
（気泡噴出用装置の作製）
電源装置としてＨｙｆｒｅｃａｔｏｒ２０００（ＣｏｎＭｅｄ（株））をそのまま用い、気泡発生用電極に印加される電圧が、最初はマイナス電圧が印加されるが、その後はプラス電圧側で振幅が起きるようにした以外は、実施例１と同様の手順で気泡噴出用装置を作製した。

（気泡噴出方法の実施）
気泡発生用電極に印加される電圧が、プラス電圧側で振幅が起きた以外は、実施例１と同様の手順で気泡噴出方法を実施した。図５Ｂ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図５Ｂ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図５Ｂ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。

図５Ａ（１）に示すように、気泡発生用電極にマイナス電圧側で振幅した電圧を印加した場合、図５Ａ（３）の矢印に示すように、気泡発生用電極の先端部から気泡の噴出を確認した。一方、図５Ｂ（１）に示すように、気泡発生用電極に最初にマイナス電圧を印加し、次いで、プラス電圧側で振幅した電圧を印加した場合、図５Ｂ（３）に示すように、気泡発生用電極の先端部に気泡の噴出は確認をしたが、実施例１より気泡の噴出の程度は低かった。以上の結果より、（１）交番電圧を気泡発生用電極に印加する場合、マイナス電圧を気泡発生用電極に印加することで、気泡発生用電極の先端から気泡を噴出できること、（２）電圧以外の条件が同じ場合、マイナス電圧側で振幅が起きるように電圧を印加する方が好ましいこと、が明らかとなった。

［パルス状の電圧を気泡発生用電極に印加した実施例および比較例］
＜実施例３＞
（気泡噴出用装置の作製）
ステンレスに代え、銅を用いた以外は実施例１と同様の手順で先端部がやや斜めにカットされた略円錐状の気泡発生用電極を作製した。図６Ａ（２）に作製した気泡発生用電極の先端部の写真を示す。また、電源装置としてＨｙｆｒｅｃａｔｏｒ２０００（ＣｏｎＭｅｄ（株））に代え、ＣＦＢ１６（株式会社ベックス社製）を用い、０Ｖからマイナス方向への電圧の立上りが約ｄＶ／ｄｔ＝１０Ｖ／１μs、パルス印加後に０Ｖ方向への電圧の立下りが約ｄＶ／ｄｔ＝１０Ｖ／１μｓ、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧を印加できるようにプログラムを改良した以外は、実施例１と同様の手順で気泡噴出用装置を作製した。

（気泡噴出方法の実施）
ＰＢＳに代え２ｍＭＫＣｌを用い、マイナス１０００Ｖ、パルス幅が３μｓ、パルス間隔が１５０μｓのパルス状の電圧を５０回連続して印加した以外は、実施例１と同様の手順で気泡噴出方法を実施した。図６Ａ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加したパルス一回当たりの電圧の変化、図６Ａ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図６Ａ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真で、矢印で示した部分が噴出した気泡である。

＜比較例１＞
（気泡噴出用装置の作製）
実施例３の電源装置を、マイナスに代えプラス電圧を印加できるように改良した以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出用装置を作製した。

（気泡噴出方法の実施）
気泡発生用電極に印加される電圧が、プラスのパルス状の電圧であった以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出方法を実施した。図６Ｂ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図６Ｂ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図６Ｂ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。

図６Ａ（１）に示すように、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧を印加した場合、図６Ａ（３）の矢印に示すように、気泡発生用電極の先端部から気泡の噴出を確認した。一方、図６Ｂ（１）に示すように、気泡発生用電極にプラスのパルス状の電圧を印加した場合、図６Ｂ（３）に示すように、気泡発生用電極の先端部に気泡は発生しなかった。以上の結果より、パルス状の電圧を気泡発生用電極に印加する場合は、マイナスのパルス状の電圧を印加すると、気泡発生用電極の先端部から気泡を噴出できることが明らかとなった。

＜実施例４＞
次に、マイナスのパルス状の電圧に連続して、プラスの電圧を印加するように電源装置を改良し、２ｍＭＫＣｌに代え０．５×ＰＢＳを用い、プラスおよびマイナスの電圧を６００Ｖ、パルス幅をプラスおよびマイナス電圧とも６μsとし、パルス間隔（プラスのパルスを印加終了後、次のマイナスのパルスを印加するまでの時間）を１００μｓとし、マイナス→プラス電圧のパルスの印加を１セットとした場合、連続して５０セット印加した以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図７Ａ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した１セットのパルスの電圧の変化、図７Ａ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図７Ａ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真で、矢印で示した部分が噴出した気泡である。

＜実施例５＞
プラスの電圧に連続して、マイナスの電圧を印加するように電源装置を改良した以外は、実施例４と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図７Ｂ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図７Ｂ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図７Ｂ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。

図７Ａ（１）に示すように、気泡発生用電極にマイナス→プラスのパルス状の電圧を連続して印加した実施例４では、図７Ａ（３）の矢印に示すように、気泡発生用電極の先端部から多くの気泡の噴出を確認した。一方、図７Ｂ（１）に示すように、気泡発生用電極にプラス→マイナスのパルス状の電圧を連続して印加した場合、図７Ｂ（３）に示すように、気泡発生用電極の先端部から気泡の噴出を確認したが、マイナス→プラスのパルス状の電圧を印加した実施例４より気泡の噴出の程度は低かった。以上の結果より、マイナスおよびプラスのパルス状の電圧を交互に気泡発生用電極に印加する場合、電圧以外の条件が同じなら気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧から印加することが好ましいことが明らかとなった。

＜実施例６＞
気泡発生用電極の材料としてタングステンを用い、０．５×ＰＢＳに代え２ｍＭＫＣｌを用い、プラスおよびマイナスの電圧を１０００Ｖ、パルス幅をプラスおよびマイナス電圧とも２μsとした以外は、実施例５と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図８（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図８（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図８（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。

図８に示すように、気泡発生用電極にプラス→マイナスのパルス状の電圧を連続して印加した場合でも、図８（３）の矢印に示すように、気泡発生用電極の先端部から多くの気泡の噴出を確認した。実施例３～６および比較例１の結果より、（１）マイナスおよびプラスのパルス状の電圧を交互に気泡発生用電極に印加する場合、電圧以外の条件が同じなら気泡発生用電極にマイナスのパルス電圧から印加することが好ましいこと、（２）気泡発生用電極の材料や形状、パルス幅や電圧の絶対値等を調整することで、気泡発生用電極にプラス→マイナスのパルス状の電圧を連続して印加した場合でも気泡発生用電極から気泡を噴出できること、（３）つまり、気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加すれば気泡を噴出できること、を確認した。

＜実施例７＞
次に、気泡発生用電極の先端を平面状に研磨し、印加する電圧を１２００Ｖとした以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図９（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図９（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図９（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真で、矢印で示した部分が噴出した気泡である。

図９（１）に示すように、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧を印加した場合、図９（３）の矢印に示すように、放射状の気泡の噴出を確認した。これは、気泡発生用電極の先端部が平面状であることから、先端部に円周状に電界が集中したためと考えられる。以上の結果より、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧を印加した場合は、気泡発生用電極の電界が集中し易い箇所から気泡が噴出することが明らかとなった。

＜実施例８＞
次に、気泡発生用電極の先端を断面形状が直角三角錐形状となるように研磨し、印加する電圧を１１５０Ｖとした以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図１０Ａ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図１０Ａ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図１０Ａ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真で、矢印で示した部分が噴出した気泡である。

＜比較例２＞
プラスの電圧を印加するように電源装置を改良した以外は、実施例８と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図１０Ｂ（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図１０Ｂ（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図１０Ｂ（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。

図１０Ａ（１）に示すように、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧を印加した場合は実施例３と同様、図１０Ａ（３）の矢印に示すように、先端部の尖った部分から気泡の噴出を確認した。一方、図１０Ｂ（１）に示すように、気泡発生用電極にプラスのパルス状の電圧を印加した場合、図１０Ｂ（３）に示すように、気泡発生用電極の先端部に気泡は発生しなかった。以上の結果より、気泡の噴出には気泡発生用電極にマイナスの電圧の印加が必要で、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧を印加すると、気泡発生用電極の電界が集中し易い箇所から気泡が噴出することが明らかとなった。

＜実施例９＞
次に、気泡発生用電極の材料としてステンレスを用い、実施例３、７、８より先端が鋭角となるように研磨した気泡発生用電極を作製した。そして、印加電圧を１２００Ｖとした以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出用装置の作製および気泡噴出方法を実施した。図１１（１）の矢印は気泡発生用電極に印加した電圧の変化、図１１（２）は電圧を印加する前の気泡発生用電極の先端部の写真、図１１（３）は、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真で、矢印で示した部分が噴出した気泡である。

実施例９に示す気泡発生用電極を用いた場合、図１１（３）（実施例９）、図６Ａ（３）（実施例３）、図９（３）（実施例７）および図１０Ａ（３）（実施例８）の比較から明らかなように、気泡発生用電極の先端部から指向性のある連続した気泡が噴出されることを確認した。これは、先端部が他の実施例より尖っているため、電界が集中し易かったためと考えられる。以上の結果より、電界は尖った部分に集中することから、気泡の噴出目的に応じて、先端部の尖った箇所の数、尖り具合を調整すればよいことが明らかとなった。

［マイナスのパルス状の電圧を連続して印加した場合とマイナス－プラスのパルス状電圧のセットを連続して印加した場合の比較］
＜実施例１０＞
次に、ステンレスを用い先端を研磨することで作製した気泡発生用電極を用い、実施例１０では、実施例３と同様の手順でパルス状の電圧を印加した。なお、ハイスピードカメラは、８００ｆｐｓで撮影を行った。

＜実施例１１＞
気泡発生用電極に、マイナス１０００Ｖのパルス状の電圧に連続して、プラス１０００Ｖの電圧を印加した以外は、実施例１０と同様の手順で撮影を行った。

次に、実施例１０および実施例１１のハイスピードカメラのフレームを解析することで、マイナスのパルス状の電圧を印加後、１．２５ｍｓ、２．５ｍｓ経過後に最も遠くまで噴出した気泡の位置を解析した。図１２の上段は実施例１０、下段は実施例１１の解析写真で、写真中の点線は噴出した気泡の到達位置を表す。図１２の写真から明らかなように、実施例１１のマイナス１０００Ｖのパルス状の電圧に連続して、プラスの電圧を印加した方が、マイナス１０００Ｖのパルス状の電圧を印加した実施例１０の気泡より、遠くまで到達した。マイナス電圧のパルス幅は３μｓ、続いて印加するプラス電圧のパルス幅は３μｓである。したがって、１．２５ｍｓ、２．５ｍｓは、最初のパルス状の電圧を印加後、十分に時間が経過していることから、気泡の到達位置の違いは、印加するパルス状の電圧の違いが、気泡噴出力に影響を与えたといえる。以上の結果より、気泡発生用電極にマイナスのパルス状の電圧に連続して、プラスの電圧を印加した方が、気泡の噴出力が強くなることが明らかとなった。

［気泡が噴出する原理の検討］
＜実施例１２＞
先ず、プラチナとイリジウムの合金（ＰＴＩＲ、プラチナ：イリジウム＝９：１）を材料に直径約０．１ｍｍの細線を作製し、先端部を研磨することで気泡発生用電極を作製した。次に、パルス幅が２μｓ、マイナス６００Ｖのパルス状の電圧を印加した以外は、実施例３と同様の手順で気泡噴出方法を実施した。

＜比較例３＞
プラス６００Ｖのパルス状の電圧を印加した以外は、実施例１２と同様の手順で気泡噴出方法を実施した。

図１３Ａは、実施例１２において、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。図１３Ｂは、比較例３において、電圧を印加後の気泡発生用電極の先端部の写真である。図１３Ａおよび図１３Ｂの白丸部分に示すように、実施例１２および比較例３の両方で水流の発生が確認された。更に、図１３Ａの点線で囲った部分は、気泡の発生も認められた。以上の結果より、（ａ）気泡はマイナスの電圧が印加された時のみに生成し、（ｂ）図１３Ａおよび図１３Ｂの黒色矢印が示すように、相対的にプラス方向に電圧が変化した時に水流が発生し、（ｃ）発生した水流により気泡が気泡発生用電極の先端部から噴出すると考えられる。このことは、実施例１１（図１２の下段）のマイナスのパルス状の電圧に連続して、プラスの電圧を印加、換言すると、相対的にプラス方向の電圧の変化量が大きい方が、実施例１０（図１２の上段、マイナスの電圧のパルスを印加）より遠くまで気泡が噴出したことからも裏付けられる。

本明細書で開示する気泡噴出方法に用いる気泡発生用電極２は、導電性材料が露出しているので簡単に作製することができる。したがって、畜産・農林水産分野等、気泡により加工対象物を加工する分野において有用である。

１…気泡噴出用装置、２…気泡発生用電極、３…電源装置、４…対向電極、５…電線、２１…先端部、３１…制御部、Ｂ…気泡、Ｌ…導電体

Claims (9)

1. 導電体への気泡噴出方法であって、
   該気泡噴出方法は、
   気泡発生用電極を導電体に接触する工程、
   対向電極を導電体または加工対象物に接触する工程、
   前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程、
   を含み、
   前記気泡発生用電極の少なくとも先端部は導電性材料が露出している、
   気泡噴出方法。
2. 前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程が、
   パルス状の電圧を印加し、且つ、
   前記気泡発生用電極に、マイナスの電圧から印加を開始する、
   請求項１に記載の気泡噴出方法。
3. 前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程に連続して、プラスの電圧を印加する工程を含む、
   請求項２に記載の気泡噴出方法。
4. 前記気泡発生用電極にマイナスの電圧を印加する工程が、
   交番電圧を印加し、
   前記交番電圧がマイナス電圧側で振幅する、
   請求項１に記載の気泡噴出方法。
5. 前記気泡発生用電極の導電性材料が露出している先端部以外は、絶縁性材料で被覆されている、
   請求項１～４の何れか一項に記載の気泡噴出方法。
6. 前記導電体に接触している前記気泡発生用電極の表面積と、前記導電体または加工対象物に接触している前記対向電極の表面積とを比較した場合、前記気泡発生用電極の方が小さい、
   請求項１～５の何れか一項に記載の気泡噴出方法。
7. 前記気泡発生用電極の先端部が先尖形状である、
   請求項１～６の何れか一項に記載の気泡噴出方法。
8. 気泡発生用電極、および、電源装置、
   を少なくとも含み、
   前記気泡発生用電極の少なくとも先端部は導電性材料が露出しており、
   前記電源装置は、
   印加する電圧を制御するための制御部を含み、
   前記制御部は、マイナスのパルス状の電圧から印加を開始するように制御する、
   気泡噴出用装置。
9. 気泡発生用電極、および、電源装置、
   を少なくとも含み、
   前記気泡発生用電極の少なくとも先端部は導電性材料が露出しており、
   前記電源装置は、
   印加する電圧を制御するための制御部を含み、
   前記制御部は、マイナス電圧側で振幅する交番電圧を印加するように制御する、
   気泡噴出用装置。