JP2019508301A - 基材上での１以上の液滴の滑りを増大させる方法 - Google Patents
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Abstract
基材（５）上での１以上の液滴（１５）の滑りを促進する方法であって、液滴を慣性毛管固有振動モードで変形させるのに十分な振幅の超音波表面波を基材に発生させて、基材への液滴の付着力を低減させて、外力の作用下での液滴の移動を促進し、該超音波表面波の振幅が、該超音波表面波の伝播方向の外力の非存在下で液滴の移動を起こすまでの液滴の対称的変形を生じるには不十分である、方法。
【選択図】 図３
【選択図】 図３
Description
本発明は、基材上の１以上の液滴の滑りを促進する方法に関する。
様々な分野において、表面上での液体の蓄積に関連する影響を排除する必要がある。例えば、医療用途では、抗凝固剤を添加する必要なく、表面上での血液滴の凝固を防止又は少なくとも遅らせることが必要とされることがある。光学の分野では、レンズに水滴が凝結すると正確な観察ができなり、きれいにする必要があるが、これは面倒である。追加の例として、ある種のエンジン部品上に燃焼生成物又は燃料の液滴の凝縮物が蓄積すると、それらのエネルギー効率が低下しかねない。
また、表面上での液滴の動きを正確に制御することも有用である。
表面に溜まった液滴を除去するため、例えば自動車のフロントガラスのワイパー等によって、液滴に機械的な力を加えることは周知である。しかし、ワイパーは、ドライバーがアクセスできる視界を制限する。また、ワイパーはフロントガラスの表面に付着した油状粒子を広げる。さらに、ワイパーのシールを定期的に更新する必要がある。さらに、極めて多数の用途、例えばマイクロフルイディクスでは、適切な機械的手段を設けることのできるスペースがなく、さらに機械的手段によって表面が損傷しかねないため、機械的な力を容易には液滴に加えることができない。
表面に溜まった液滴を除去する公知の方法は、表面を官能化することからなる。例えば、米国特許出願公開第２０１４／０８１７６６６号及び同第２０１４／２９０７３２号には、ナノメートル又はマイクロメートルサイズの細孔を有する多孔質体で覆われて、官能化表面を形成する基材が記載されている。この官能化表面上に液滴が堆積すると、多孔質体は液体で含浸され、基材と液滴との間に潤滑層を形成し、表面を容易に滑ることができる。しかし、表面官能化に適した基材を構成する材料の数は限られている。さらに、表面官能化は、濡れ性以外の表面特性を変化させてしまうおそれがある。例えば、表面の光学特性を伴う用途では興味が薄い。最後に、表面の飽和と乾燥の数サイクル後に、液体に含まれる残留粒子の蓄積によって多孔質体の細孔が次第に充填されていき、ついには潤滑層が形成されなくなってしまう。すると、官能化表面は液滴の滑りを促進する能力を失う。
表面の疎水性を制御するための電界の印加は、特にマイクロフルイディクスの分野でも知られている。ＥＷＯＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ）という略語で知られるこの技術は、２つの電極間に電位差を加えて、表面を電気的に極性化して親水性にし、表面から液滴を緩めるようにすることからなる。極性化の位置を制御することによって、液滴を移動させることができる。しかし、この技術には適した材料が少なく、さらに厚い基材には適さない。さらに、ＥＷＯＤ技術は、濡れ特性の制御が必要とされる表面全体における電極の特に精密な位置決めが必要とされる。
液滴が存在する基材を振動させることによる、特に表面の液滴の移動又は液滴の気化を起こす超音波表面波の発生による、液滴の除去も知られている。超音波表面波は、トランスデューサによって容易に発生させることができるという利点を有する。さらに、それらはほとんど減衰せず、大きな距離を伝播させることができる。
英国特許第２３８７１０７号及び同第１０３７７８７号には、それぞれ、雨滴を除去するための超音波発生用トランスデューサを備えるヘルメットバイザー及びフロントガラスが記載されている。しかし、これらの文献には、超音波の特性は何ら記載されていない。
米国特許第４７６８２５６号には、フロントガラスから雨滴を移動させる装置であって、フロントガラスに当てた超音波によって、雨滴を、縦超音波の伝播方向とは反対方向に移動させる装置が記載されている。
近年、「Ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｓｅｓｓｉｌｅ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｖｉａ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ」と題する論文（Ｍ． Ｂａｕｄｏｉｎ， Ｐ． Ｂｒｕｎｅｔ， Ｏ． Ｂｏｕ Ｍａｔａｒ ａｎｄ Ｅ． Ｈｅｒｔｈ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．１００， １５４１０２ （２０１２））に、水滴が存在する基材に、液滴が振動して非対称に変形するような周波数及び振幅を有する超音波表面波を印加して、液滴を超音波表面波の伝播方向に移動させる方法が記載されている。
フランス特許第１３０８８７７号及び国際公開第２０１２／０９５６４３号には、超音波蒸発によってフロントガラスから雨滴を除去する方法が記載されている。振動の振幅及び周波数は、フロントガラス上に落下する雨滴がフロントガラスに接触することができず、フロントガラスの表面の振動運動領域に入ると気化するように選択される。
しかし、液滴の蒸発又は移動を達成するため、記載された基材の一つを振動させるために必要とされる出力が特に高く、それらの実用性、特に自律型デバイスの開発のための実用性が制限される。特に、フランス特許第１３０８８７７号及び国際公開第２０１２／０９５６４３号には、液滴を気化させるために発生させる波の振幅及び周波数は特定されていないが、蒸発には、基材上で液滴を移動させるのに必要なエネルギーよりも大きなエネルギーが必要とされることは周知である。
そこで、簡単に実施できて、基材の表面に付着した液滴を除去することができる方法であって、様々な形状、サイズ及び構成材料の基材に適用できる方法に対するニーズが存在する。
本発明は、このようなニーズを満たすことを目的とし、基材上での１以上の液滴の滑りを促進する方法であって、液滴を慣性毛管固有振動モードで変形させるのに十分な振幅の超音波表面波を基材に発生させて、基材への液滴の付着力を低減させて、外力の作用下での液滴の移動を促進し、該超音波表面波の振幅が、該超音波表面波の伝播方向の外力の非存在下で液滴の移動を起こすまでの液滴の対称的変形を生じるには不十分である、方法を提案することによって、かかる目的を達成したものである。
本発明に係る方法は、上述の先行技術の方法よりも低い出力の超音波によって、液滴の移動の妨げとなる基材の不規則性から液滴が放出される点で傑出している。こうした液滴は、外力、特に小さな外力を加えることによって、簡単に移動させることができる。「液滴の放出」とは、液滴の慣性毛管振動によって、表面不規則性、特に化学的及び機械的な表面不規則性に当初捕捉されていた接触線又は三重線（基材、液滴及び周囲気体（例えば空気）と同時に接触する）が解除できるようになることを意味する。
さらに、本発明に係る方法は、表面の振動及びそれにより液滴の振動を能動的に制御できるという点で特にロバストである。したがって、表面の状態の関数として表面の振動を適合させることができる。本発明に係る方法は、先行技術の方法よりも、基材の汚染及び表面欠陥に対する感受性が低い。
さらに、本発明に係る方法は、また、基材上での液滴の動きを正確に制御することができる。
本発明に係る方法の向上したエネルギー効率は、先行技術では、接触線の振動を起こさずに液滴が基材の表面を移動することに起因する可能性がある。そのため、不規則性によって形成されたトラップから接触線が離脱し始めるいわゆるヒステリシス角を超えて、液滴が移動し続けるための、十分なエネルギーを液滴に供給する必要がある。このように、液滴を移動させるには、本発明に係る方法よりも大きなエネルギーの供給が必要とされる。特に、本発明に係る方法で、液滴の滑りを促進するために用いられる超音波表面波の出力は、先行技術で液滴の移動に用いられる超音波の出力よりも少なくとも１０倍、さらには少なくとも３０倍低い。
さらに、以下に示すように、本発明に係る方法は特に汎用性が高い。特に、超音波表面波を伝播するのに十分な剛性を有している限り、薄いものでも厚いものでも、マイクロメートル又は数十メートルの長さの幅広い基材に適用することができる。さらに、本発明に係る方法は、特定の種類の液体には限定されない。
このように、本発明の実施は簡単であり、特筆すべきことに、基材表面の複雑で特殊な処理は一切必要としない。
今回、驚くべきことに、そして未だ解明されていないものの、液滴の慣性毛管モードでの振動は、低い周波数、特に超音波表面波の基本周波数よりも低い、特に少なくとも６００００倍、さらには１００万倍低い周波数で起こるという観察結果が得られた。さらに、同じ基本周波数の波で表面に応力を加えることによって、様々な直径の液滴をそれらの固有慣性毛管モードで振動させることができることは判明した。このように、同じ周波数の波によって、非常に異なるサイズの液滴の振動を引き起こすことができる。
液滴の「慣性毛管固有振動モード」は、液滴の慣性とその表面張力との間の競合に起因する液滴の共振モードである。これは、Ｊ． Ｒａｙｌｅｉｇｈ， Ｐｒｏｃ． Ｒ． Ｓｏｃ． Ｌｏｎｄｏｎ， Ｖｏｌ．２９， ７１（１８７９）及びＨ． Ｌａｍｂ， ”Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ”， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， Ｅｎｇｌａｎｄ（１９３２）で論証されている。これは一般にレイリー−ラムモードとも呼ばれる。
本発明の非限定的な実施形態の例に関する以下の詳細な説明を参照し、本発明に係る方法を実施するための様々な装置が図１及び図４に図解されている添付の図面を参酌することによって、本発明の理解を深めることができるであろう。
添付の図面では、明瞭化のため、様々な構成要素の実際の比率が必ずしも反映されているわけではない。
図１〜図４は、超音波表面波１０を伝播することができる基材５と、液滴１５と、超音波表面波を発生させる手段２０とを備える、本発明に係る方法を実施するための装置１ａ〜１ｄを示す。
基材
基材５は、超音波表面波１０を伝播させることができる任意の材料で作ることができる。好ましくは、弾性率０．１ＭＰａ超、例えば１０ＭＰａ超、さらには１００ＭＰａ超、さらには１０００ＭＰａ超、さらには１００００ＭＰａ超の材料で作ることができる。このような弾性率を有する材料は、超音波表面波の伝播に特に適した剛性を有する。
基材５は、超音波表面波１０を伝播させることができる任意の材料で作ることができる。好ましくは、弾性率０．１ＭＰａ超、例えば１０ＭＰａ超、さらには１００ＭＰａ超、さらには１０００ＭＰａ超、さらには１００００ＭＰａ超の材料で作ることができる。このような弾性率を有する材料は、超音波表面波の伝播に特に適した剛性を有する。
基材は、その自重下で破壊されずに、変形、特に弾性変形することができるという意味で、可撓性であってもよい。
具体的には、材料は、圧電物質、ポリマー、特に熱可塑性樹脂、ガラス、金属及びセラミックから選択し得る。
縦表面波が伝播する基材の表面は平坦であってもよい。また、表面の曲率半径が超音波表面波の波長よりも大きい限り、基材の表面は湾曲していてもよい。
表面は、波長よりも小さな粗さＲａをもつ粗面であってもよい。
基材は、例えば図１に示すように、平板の形態であってもよいし、或いは一方向に１以上の曲率を有していてもよく、厚さｅは０．０１ｍ未満である。平板の長さは、０．１ｍ超であってもよく、さらには１ｍ超、さらには１０ｍ超であってもよい。
「基材の厚さ」は、超音波が伝播する表面に垂直な方向に測定される基材の最小寸法を意味する。
変形例として、例えば図２に示すように、基材はブロックの形態であってもよく、その厚さは例えば０．０５ｍ超、さらには０．１ｍ超であってもよい。
基材は水平に対して平らに配置してもよい。変形例として、基材は水平に対して１０°超、さらには２０°超、さらには４５°超、さらには７０°超の角度αで傾けてもよい。基材は垂直に配置してもよい。
一実施形態では、基材は、光学的に透明、特に可視領域の光に対して透明な材料で作られる。本発明に係る方法は、基材を通して自身の環境を観察するユーザーの視覚的快適性の改善を必要とする用途に特に適している。
光学的に透明な材料は、以下に挙げるものの、完全又は部分的な形成に特に適している。
・車両の窓ガラス、特に自動車のフロントガラス、サイドガラス又はリアウィンドウ、
・建物の窓ガラス、
・眼鏡レンズ、フィールドスコープ、望遠鏡、顕微鏡、カメラレンズ、双眼鏡、バックミラーから選択される光学デバイスのレンズ。
・車両の窓ガラス、特に自動車のフロントガラス、サイドガラス又はリアウィンドウ、
・建物の窓ガラス、
・眼鏡レンズ、フィールドスコープ、望遠鏡、顕微鏡、カメラレンズ、双眼鏡、バックミラーから選択される光学デバイスのレンズ。
かかる基材が使用される用途では、本発明に係る方法は、透明材料と接触する液滴の表面密度を低減させることができる。上述の通り、本発明に係る方法は、基材から液滴を放出し、外力によってそれらを除去する。これによって、先行技術の方法のように表面と接して動く液滴同士の凝集による液体のかたまりの形成が防止されるが、このような液体のかたまりは基材の光学特性を変えてしまう。
特に、本発明に係る方法は、基材が自浄性となるように実施し得る。
他のタイプの基材も考えられる。特に、基材は、ラブオンチップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）の基板、特にマイクロフルイディクス用途向けのものであってもよい。基材は燃焼機関の内壁であってもよい。本発明に係る方法は、燃焼生成物の凝縮又は使用されなかった燃料の液滴の堆積によって壁上に形成される液滴を効果的に除去することによって、エンジン効率を向上させることができる。基材は、タービンの要素、例えばブレード、特に航空機エンジンのブレードであってもよい。
基材は電気ケーブルであってもよい。例えば、基材が高電圧送電線及び／又は鉄道送電用の電気ケーブルである変形例では、本発明に係る方法は、電気ケーブル上に堆積した雨滴の滑りを促進することによって、電気ケーブル及びそれを支える電柱の振動を引き起こす雨の影響を低減させる。さらに、冬期には、本発明に係る方法は、電気ケーブル上に堆積した雨滴の滑りを促進することによって、ケーブル上での霜又は氷の形成を制限する。したがって、ケーブルの損傷又は破損の危険性が低減される。
基材は航空機の構造の要素、例えば翼、胴体又は尾部であってもよい。前の段落で説明したように、本発明に係る方法は、これらの要素上での液滴の滑りを促進することによって、航空機の構造上での霜又は氷の形成を制限する。
基材は、医療用インプラントの要素であってもよい。特に、超音波表面波の振幅及び基本周波数は、血液の凝固を防止するため血液の液滴の滑動を促進する、或いは表面での生物体液に含まれる生体物質の沈着を防止するため生物体液の滑動を促進するように、選択し得る。
基材は、熱交換器の要素、配管設備、換気システムの要素、油井から油を抽出するためのシステムの要素、例えばパイプから選択することもできる。かかる基材は、一般に、例えば凝縮などによって堆積した液滴を除去するためにアクセスするのが困難な表面を有する。したがって、本発明に係る方法は、このタイプの基材に特に適している。
基材は、食品貯蔵用の要素、例えば冷蔵庫の内壁、又は液体の凝縮に曝される壁であってもよい。例えば、冷蔵庫では、壁に水滴が凝縮すると、壁と冷蔵庫内の冷気の体積との間の熱交換が増加し、その効率が低下する。
上記で既に例示した通り、本発明に係る方法は、高温に遭遇する用途で実施することができる。好ましくは、その場合の基材の表面温度は、１００℃超、さらには３００℃超、さらには５００℃超である。
液滴
好ましい実施形態では、基材の表面は複数の液滴で少なくとも部分的に覆われる。
好ましい実施形態では、基材の表面は複数の液滴で少なくとも部分的に覆われる。
液滴１５は、５ｍｍ未満、特に０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ、例えば１ｍｍに等しい静止時のサイズΦを有し得る。液滴の「静止時のサイズ」とは、基材に縦表面波が加えられていない状態での、表面から最も遠い液滴の点と表面との間の距離を意味する。本明細書において、液滴のサイズに言及する場合、別途記載しない限り、静止時の液滴のサイズをいう。
基材は、液滴サイズのマルチモーダル分布を有する複数の液滴で覆われていてもよい。その場合、好ましくは、複数の液滴の各液滴を慣性毛管振動モードで変形させるのに適した基本周波数及び振幅をもつ複数の超音波表面波を基材で発生させる。
本発明に係る方法は、特性の種々異なる液体からなる液滴の滑りを促進することができるという点で特に汎用性である。一例として、液体の粘度は、２５℃で０．０００１〜２Ｐａ．ｓとし得る。
好ましくは、液滴を構成する液体は、水、特に雨水、生物体液、例えば動物又はヒトの血液、基材洗浄用の液体、化学溶液、原動機燃料及びこれらの混合物から選択される。
一実施形態では、基材は、方法の有効性を低下させずに、第１の液体からなる液滴と、第１の液体とは異なる第２の液体からなる液滴とで覆われる。
特に、液体は、基材と１８０°未満、特に１２０°未満の接触角を有し得る。したがって、本発明に係る方法は、親水性又は疎水性基材上にある液滴の滑りを促進することができる。
液体は、粒子、例えばコロイド粒子を含んでいてもよい。液体は、有効成分又は医薬品を含んでいてもよい。
慣性毛管モードにより振動させると、液滴は、液滴を形成する液体の特性、特に密度に依存して、低周波数で変形することによって振動する。好ましくは、慣性毛管モードによる液滴の振動の周波数は、２０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの間にある。
超音波表面波
超音波表面波の基本周波数及び振幅は、好ましくは、基材及び液体の特性の関数として決定される。
超音波表面波の基本周波数及び振幅は、好ましくは、基材及び液体の特性の関数として決定される。
特に、当業者は、Ｊ． Ｃａｍｐｂｅｌｌ ａｎｄ Ｗ． Ｊｏｎｅｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｓｏｎｉｃｓ Ｕｌｔｒａｓｏｎ．， １７： ７１ （１９７０）に記載されているように、基材上で静止した液体に対する超音波表面波の伝送長さを決定することができ、好ましくは、液滴のサイズと超音波表面波の伝送長さとの比が０．０４〜１０となるようにする。当業者は、超音波表面波の振幅を調整することができる。例えば、ある液体から形成された液滴よりも表面張力の高い液体の液滴は、大きな振幅を適用する必要がある。同じことは、粘度の高い液滴にも当てはまる。
好ましくは、超音波表面波の基本周波数及び振幅は、液滴の振動の振幅と静止時の液滴のサイズとの比が１．４以下、さらには１．３以下、さらには１．１５以下となるように調整される。液滴の「振動の振幅」とは、表面弾性波を基材に印加したときに、液滴の振動期間にわたって測定された液滴に外接する最小球の最大直径を意味する。
様々なタイプの超音波表面波を発生させてもよく、特に基材の幾何学的形状に適合される。
好ましくは、超音波表面波はラム波又はレイリー波である。特に、基材が超音波表面波の波長よりも大きい厚さを有している場合には、レイリー波であってもよい。波のエネルギーの最大部分が波の伝播する表面に集中し、液滴に伝達させて振動させることができるので、レイリー波が好ましい。
好ましくは、超音波表面波の基本周波数は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内にある。一実施形態では、該基本周波数は５ＭＨｚ〜４０ＭＨｚの範囲内にあり、特に２０ＭＨｚとすることができる。
さらに、超音波表面波の基本周波数は、特に液滴のサイズの関数として慣性毛管モードによる振動状態を最適化するため、２０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの変調周波数で変調してもよい。好ましくは、表面波の基本周波数は、液滴の慣性毛管固有振動モードの固有周波数によって変調される。液滴の固有振動数ｆｇは、Ｊ．Ｒａｙｌｅｉｇｈ、Ｐｒｏｃ。Ｒ． Ｓｏｃ。ロンドン、Ｖｏｌ。２９、７１（１８７９）及びＨ．Ｌａｍｂ、”Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ”、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、Ｅｎｇｌａｎｄ（１９３２）に記載されたレイリー−ラム式からほぼ決定することができる
ｎは振動モードの次数を表し、例えば四重極振動モードの場合には２に等しく、
σはＮ．ｍ−１単位で表される表面張力であり、
ρはｋｇ．ｍ−３単位で表される液体の密度であり、
Ｒは液滴の曲率半径であって、その体積及び接触角に依存し、ｍ−３単位で表される。
実際、上述の固有周波数ｆｇは、低粘度で浮遊した液滴に対して計算される。付着した液滴については、固有振動数の計算は、Ｍ． Ｓｔｒａｎｉ ａｎｄ Ｆ． Ｓａｂｅｔｔａ， Ｊ． Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．， １４１： ２３３−２４７に記載された修正法を用いて適合させなければならず、粘稠な液体の場合には、上掲のＨ．Ｌａｍｂの論文に記載された上記式の補正を考慮に入れなければならない。
基本周波数は、振幅が０又は１でかつ周波数が変調周波数に等しいパルスプロファイルを有する波によって、又は検討される２つの周波数における２つの高調波信号の積によって変調してもよい。
さらに、超音波表面波の振幅は、液滴を慣性毛管固有振動モードで変形させるのに十分である。好ましくは、超音波表面波が伝播する基材の表面の垂直変異に対応する、超音波表面波の振幅は、レーザ干渉法によって測定して、５０ｎｍ未満である。この方法の特定の実施形態では、上記振幅は５ｎｍ未満、さらには１ｎｍ未満、さらには０．５ｎｍ未満であってもよい。
電源及び任意に増幅器１８によって給電される様々な装置を超音波表面波の発生に使用し得る。かかる装置は、レーザー、補聴器、トランスデューサから選択し得る。好ましくは、超音波表面波は、基材に接続されたトランスデューサ、好ましくは基材と接触したものによって発生される。
一実施形態では、トランスデューサは接触型超音波トランスデューサであり、超音波表面波が伝播する表面の面積が１０−３ｍ２を超える用途に特に適している。トランスデューサから基材の表面への波の伝播を最適化するため、インピーダンス整合音響指数の伝達ゲルを音響トランスデューサと表面との間に挟み込んでもよい。
第１の変形例では、図１に示すように、特に基材が超音波表面波の長さよりも小さい厚さを有する場合及び／又は超音波表面波がラム波である場合、接触型超音波トランスデューサ２０ａは好ましくは直角超音波が伝播する表面に対して直角に配置される。同じタイプの第２のトランスデューサを、超音波が伝播する表面と反対側の表面に配置してもよい。
第２の変形例では、特に基材が超音波表面波の長さよりも大きい厚さを有する場合及び／又は超音波表面波がレイリー波である場合、接触型超音波トランスデューサ２０ｂは、例えばシュー２５によって、トランスデューサの軸が、超音波表面波が伝播する表面の法線と９０°未満の角度θをなすように配置され、その値はスネル−デカルトの法則を用いて決定し得る。
別の実施形態では、特に超音波表面波が伝播する表面の面積が１０−３ｍ２未満である用途、特にマイクロフルイディクスタイプの用途では、トランスデューサ２０は、基材と直接接触して或いは基材上に配置された中間層と接触して配置された互いに噛み合う櫛歯３０ａ，３０ｂを備えており、中間層は、圧電物質、特にニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛及びこれらの混合物を含む群から選択される圧電物質から作られる。図３及び図４は、この実施形態に係る装置を示す。図３において、基材５は圧電物質で作られ、トランスデューサで覆われ、かつトランスデューサと接触している。変形例として、図４に示すように、基材５は非圧電物質であり、圧電物質の中間層３５で覆われている。トランスデューサは、中間層に接触して配置される。
基材が大きな表面波の伝播面積、例えば１０−３ｍ２超の伝播面積を有している場合、又は表面が複数の液滴で覆われている場合、複数の超音波表面波を、トランスデューサのアレイによって発生させてもよい。トランスデューサのアレイは、複数の液滴のうちの個々の液滴による篩作用及び波の散乱作用を制限することができる。液滴を慣性毛管モードで変形させるのに十分な振幅を有する超音波表面波を発生させるようにトランスデューサのアレイの配置を適合させることは当業者がなし得る事項である。
外力
外力は、固有慣性毛管モードで振動する液滴の滑りを促進することができる。
外力は、固有慣性毛管モードで振動する液滴の滑りを促進することができる。
特に、滑りは小さい外力で得ることができる。好ましくは、外力は、超音波が基材の表面で発生していないときに基材の表面で液滴を移動させるのに必要な力よりも小さい。
好ましくは、外力は、重力、慣性力、反作用力、摩擦力、磁力及び電気的力から選択されるか、或いは流体、例えば空気の運動に起因するもの又は液滴と移動する物体との接触に起因するものであってもよい。好ましくは、外力は、特に基材が傾斜している変形例では、重力である。重力は、液滴に重力を加えるための特別な装置を必要としないという利点を有する。外力は、無論、本段落で説明した外力の組合せに起因するものであってもよい。
例示の目的として、基材が自動車の傾斜したフロントガラスである場合、外力は、車両の運動に起因する重力成分と空力成分とを有することができる。低速では、空力成分は重力成分よりも弱いので、外力の作用は液滴の下方への滑りを促進する。しかし、車両が高速で走行しているときには、空力成分が支配的となり、液滴は、外力の作用下で車両の屋根に向かってフロントガラスを滑動する。
本発明に係る方法を実施するため図３に示すような装置を準備する。
基材は水平に対して１０°〜４０°の範囲内の角度αで傾斜している。
基材は１２８°カットのニオブ酸リチウムからなり、その上にフォトリソグラフィで堆積した櫛形電極を含むトランスデューサが配置される。これらの電極は、厚さ２０ｎｍのチタン基材上のキーイングコートと、厚さ１００ｎｍの金の導電層からなる。電極の幅とそれらの間隔は共に４３．７５μｍである。これらは、ｆｓａｗ＝ｃｓ／λ＝ｃｓ／４ａ＝１９．７ＭＨｚとして計算されるトランスデューサの共振周波数ｆｓａｗを決定する。ただし、λは縦波の波長であり、ｃｓ＝３４８４ｍ／ｓはニオブ酸リチウムの結晶軸Ｚに沿ったレイリー波の伝播速度である。交流電圧をＩＦＲ２０２３Ａ発生器で印加し、Ｅｍｐｏｗｅｒ社製増幅器（モデルＢＢＭ０Ｄ３ＦＥ１）で増幅し、次いで基材の表面上を伝播するレイリー波を発生させる。発生した波の音響出力は、レーザ干渉計による表面の垂直変異の測定及び波の周波数に基づいて計算される。
トランスデューサは、超音波表面波が基材の傾斜方向に上方に伝播するように、基材上に配置される。
さらに、オクタデシルトリクロロシランの単原子層を基材の表面に堆積して、表面を疎水性にするとともに、液滴と基材との接触角を制御する。
各試験では、一滴の水滴を基材上に載せる。
試験には、２μｌ、５μｌ、１０μｌ及び１５μｌの異なる液滴体積Ｖを用いる。
静止時には、超音波表面波を印加しないと、基材の傾斜角にかかわらず、液滴は表面上で動かない。
次いで波を連続的に発生させる。すると、液滴は振動し始め、その動力学を、ベローズ及び焦点距離１００ｍｍのマクロレンズを備えたＰｈｏｔｒｏｎ ＳＡ３高速度カメラを用いて記録する。
次いで、カメラで取得した画像をｉｍａｇｅＪソフトウェアで処理することによって接触線の位置を決定して、液滴が基材に付着したままであるか或いは液滴が基材から放出されたかを確認することができる。
本実施例の様々な試験では、音響ウェーバー数がＷｅａｃ０．５未満の波を発生させる。
音響ウェーバー数Ｗｅａｃは、超音波表面波が表面を変形させる能力を特徴付ける。これは次式で表される。
基材の傾斜にかかわらず、音響ウェーバー数が０．２未満の超音波の場合、液滴は慣性毛管モードで振動し、基材への付着から解放される。次いで、重力の作用によって基材に沿って滑り落ちる。
比較のために、ウェーバー数が０．２を超える場合、表面波で惹起される液滴の非対称変形は、液滴を波の伝播方向に変形させるのに十分である。傾斜角が小さい場合、液滴は波の伝播方向に伝播し、基材に沿って上昇する。大きな角度では、液滴は反対方向に伝播する。
ウェーバー数が１を超える場合、液滴の非対称変形は、液滴を破砕するものとなり得る。この液滴の破砕は、液滴の霧化によって起こることもあるし、又は重力と音響力の反対作用のために起こることもある。
本発明は、専ら例示を目的とする実施例によって限定されるものではない。
Claims (17)
- 基材（５）上での１以上の液滴（１５）の滑りを促進する方法であって、液滴を慣性毛管固有振動モードで変形させるのに十分な振幅の超音波表面波（１０）を基材に発生させて基材への液滴の付着力を低減させて、外力の作用下での液滴の移動を促進し、該超音波表面波の振幅が、該超音波表面波の伝播方向の外力の非存在下で液滴の移動を起こすまでの液滴の対称的変形を生じるには不十分である、方法。
- 液滴の振動の振幅と静止時の液滴のサイズとの比が、１．４以下、さらには１．３以下、さらには１．１５以下となるように、超音波表面波の基本周波数及び振幅が調整される、請求項１に記載の方法。
- 超音波表面波の基本周波数が１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの間である、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 超音波表面波の基本周波数が２０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの変調周波数で変調される、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記表面波の基本周波数が、液滴の対称慣性毛管固有振動モードの固有周波数によって変調される、請求項４に記載の方法。
- 前記表面波がレイリー波又はラム波である、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の方法。
- 液滴が、５ｍｍ未満、特に０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ、例えば１ｍｍのサイズ（Φ）を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の方法。
- 液滴の慣性毛管固有振動モードの固有振動数が２０Ｈｚ〜１０ｋＨｚである、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の方法。
- 基材が、０．１ＭＰａ超の弾性率を有する材料からなる、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の方法。
- 基材が、圧電物質、ポリマー、特に熱可塑性樹脂、ガラス、金属及びセラミックから選択された材料からなる、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超音波表面波が、基材に接続された、好ましくは基材と接触したトランスデューサ（２０；２０ａ；２０ｂ）によって発生される、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
- トランスデューサが、基材と直接接触して或いは基材上に配置された中間層（３５）と接触して配置された互いに噛み合う櫛歯（３０ａ；３０ｂ）を備え、該中間層が、圧電物質、特にニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛及びこれらの混合物を含む群から選択される圧電物質からなる、請求項１１に記載の方法。
- 外力が、重力、慣性力、反作用力、磁力、電気的力及び摩擦力から選択され、特に流体、例えば空気の運動に起因するもの、重力、又は移動する物体と液滴との接触に起因するものである、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
- 液滴を形成する液体が、水、特に雨水、生物体液、例えば動物又はヒトの血液、基材洗浄用の液体、化学溶液、原動機燃料及びこれらの混合物から選択される、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
- 基材が光学的に透明な材料からなる、請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
- 基材が、車両の窓ガラス、建物の窓ガラス、光学デバイスのレンズ、ラブオンチップ基板、燃焼機関の内壁、タービンの要素、例えばブレード、電気ケーブル、航空機の構造体の要素、例えば翼、胴体又は尾部、医療用インプラントの要素、熱交換器の要素、配管設備の要素、換気システムの要素、油井から油を抽出するためのシステムの要素、食品貯蔵用の要素、例えば冷蔵庫の内壁、液体の凝縮に曝される壁から選択される、請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
- 基材の表面温度が１００℃超である、請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
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