JP2023511246A - 電気音響機器 - Google Patents
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Abstract
少なくとも1つの音響波(Fv、Vx)を発生させる為の電気音響機器(5)であって、該機器が、圧電基板(10)と、該基板上に配設された第1の群(15)及び第2の群(20)の電極(70、75、60、65)とを備えており、該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極がトラック(80a-f、85a-f、90a-d、95a-d)を備えており、該第1の群の該電極の該トラック(90a-d、95a-d)が、第1の巻き方向(W1)に沿って同じ螺旋軸(Z)の周りを螺旋状に巻いており、並びに、該第2の群の該電極の該トラック(80a-f、85a-f)が、該第1の巻き方向と反対の第2の巻き方向(W2)に沿って上記螺旋軸の周りを螺旋状に巻いている、前記電気音響機器。【選択図】図1
Description
本発明は、とりわけ、10-2m未満のサイズであり、流体媒質、とりわけ液体媒体、に浸漬されており、そして特に該流体媒質より密度が高く及び/又はよりも剛性である、対象物を操作する為の電気音響機器に関する。
ナノサイズ及びマイクロサイズの対象物の選択的操作は、様々な技術分野、例えば細胞生物学、マイクロ流体、ナノサイズ及びマイクロサイズのシステムアセンブリ、における複雑な操作である。
操作は、用具、例えばピンセット又はマイクロピペット、を用いて行われうる。次に、該対象物は該用具の変位によって操作される。このような操作法は、一般に「直接接触」法と呼ばれており、特に該対象物が柔らかい、又は粘つく、又は脆い場合には、望ましくない。その上、それは、該操作される対象物を変えることができる。最後に、該対象物が置かれているシステムへの該用具の導入は、該システムの特性を変更することができる。例えば、該対象物が電磁場に付される場合、該用具を導入することは、上記場の擾乱を生じさせうる。それはまた、何らかの汚染をもたらすことができる。該システムが細胞を含む生物培地である場合、細胞挙動が該用具の導入によって変更されることができる。
代替の非接触法、例えば誘電泳動法、磁気泳動法、又は「光ピンセット」法とまた呼ばれる光泳動法、が開発されている。しかしながら、全てのこれらの技法は大きな欠点を有している。例えば、誘電泳動法は、該対象物の分極率に依存し、操作されるべき該対象物の近傍に電極を設置することを要求する。磁気泳動法は、該対象物へのマーカのグラフト化を要求する。光泳動法は、グラフト化の有無にかかわらず使用されることができるが、この方法に固有の有意な発熱及び光毒性によって非常に小さな力に限定される。
別の方法が開発されており、「定在波音響泳動法」(standing wave acoustophoresis)と呼ばれ、それは、基板に載っている又は重なっている対象物を操作する為に該基板に発生される弾性表面波(SAW:surface acoustic waves)を実装することからなる。このような方法の例が、米国特許第7,878,063 8B1号明細書、国際公開第2013/116311A1号パンフレット、国際公開第2015/134831号パンフレット、論文「Fast acoustic tweezer for the two-dimensional manipulation of individual particles in microfluidic channels」,S.B.Q.Tran,P.Marmottant and P.Thibault,Applied Physics Letters,American Institute of Physics,2012,101,pp.114103、及び論文「On-chip manipulation of microparticles,cells,and organisms using surface acoustic waves」,X.Do,g et al.,Proc.Nat.Ac.Sci.,2012,109,pp.11105-11109に示されている。
全ての既知の該定在波音響泳動法は、対象物を操作する為の定在音響波を発生させることからなる。しかしながら、これらの方法の選択性は制限される。特に、全ての対象物が該波の節又は腹のいずれかに向けて移動する。結果として、定在波音響泳動法は、その近隣から独立した対象物の選択的操作を可能にしない。
国際公開第2017/157426A1号パンフレットは、基板を備えており且つ該基板内を伝搬する、以下「SSAW」と称される、渦を巻く弾性表面波(swirling surface acoustic wave)を発生させるように構成されている、装置を教示している。支持部が該基板上に音響的に結合されることができ、そして密度が高く及び/又は剛性な対象物を含む液体媒体が該支持部上に配置されることができる。該基板内に発生された該SSAWは該支持部に伝達され、その中で音響渦又は縮退された音響渦として該支持部のバルク内を伝搬する。それ故に、該渦の放射圧に付されている該対象物は捕捉され、そして操作されることができる。
しかしながら、国際公開第2017/157426A1号パンフレットの電気音響機器の1つの欠点は、対象物が、任意的に縮退されていてもよい該音響渦によるいずれかの捕捉による平行移動によって変位される場合、平行移動が該対象物の回転を伴って起こるということである。該回転は該平行移動から切り離されることができず、従って制御されることができない。該対象物の該平行移動及び回転の組み合わせに関連付けられた流体力が該対象物の脱捕捉をもたらすことができるので、この回転は有害であることができる。さらに、幾つかの用途の為に対象物の向きを制御することが必要であるが、これは、国際公開第2017/157426A1号パンフレットに記載されている装置で達成されることができない。
それ故に、電気音響機器と音響的に結合された流体媒質中に包埋された対象物を平行移動によって操作する場合に、国際公開第2017/157426A1号パンフレットの装置の欠点を克服する、電気音響機器の必要性がある。
本発明は、少なくとも1つの音響波を発生させる為の電気音響機器であって、該機器は、圧電基板と、該基板上に配設された第1の群の電極及び第2の群の電極とを備えており、該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極はトラックを備えており、
該第1の群の該電極の該トラックは、第1の巻き方向に沿って同じ螺旋軸の周りを螺旋状に巻いており、並びに、
該第2の群の該電極の該トラックは、該第1の巻き方向と反対の第2の巻き方向に沿って上記螺旋軸の周りを螺旋状に巻いている、上記の電気音響機器に関する。
該第1の群の該電極の該トラックは、第1の巻き方向に沿って同じ螺旋軸の周りを螺旋状に巻いており、並びに、
該第2の群の該電極の該トラックは、該第1の巻き方向と反対の第2の巻き方向に沿って上記螺旋軸の周りを螺旋状に巻いている、上記の電気音響機器に関する。
給電される場合に、該第1の群の電極及び該第2の群の電極における電気信号が該圧電基板内に応力を発生させる。該基板の結果として生じる変形は音響波の発達と共に生じる。該第1の群の電極の、該基板との相互作用が、該螺旋軸の周りの方向に位相回転する音響波を発生させる一方、該第2の群の電極の、該基板との相互作用は、該螺旋軸に沿って反対方向に位相回転する音響波を発生させる。言い換えれば、該第1の群の電極、該第2の群の電極それぞれ及び該基板は、第1の波トランスデューサ又は第2の波トランスデューサを画定する。
該第1の群及び該第2の群の該電極に選択的に給電することによって、該第1の群の電極及び該第2の群の電極の両方によって発生された波の相互作用から生じる波形は、該対象物の操作中に、上記された回転及びその関連した不要な影響を制御する、及びとりわけ防止する、ように適合されることができる。従って、該対象物の回転を阻止しつつ該対象物の向きを定めること及び/又は該対象物を平行移動させることが容易に行われることができる。
好ましくは、該第1の群の電極及び該第2の群の電極の巻数は、それらが同じ電気信号によって駆動される場合に、該捕捉された対象物に印加されている強度及び/又はトルクが10%未満だけ異なるように調節される。こうすることによって、各群の電極によって発生される該音響渦の強度の不均衡を低減させることが可能であり、従って該音響渦の回転方向を制御することがより容易である。
本明細書において、音響波は、1MHz~10000MHzの周波数を有すると考えられる。
該電気音響機器は更に、単独で又は組み合わせとして考えられる、以下の任意的な特徴の1以上を呈することができる。
該第1の群の各電極は、該基板上に配設された接触ブラシを備えていることができ、該接触ブラシが、該第1の群の該電極の対応する該トラックに接続されている。
該接触ブラシは、例えば電源装置に接続されることによって、それらが接続されている該トラックに電力を供給することが目的とされる。
一つの実施態様において、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の各接触ブラシは更に、該第2の群の対応する電極の該トラックに接続されていることができる。別の実施態様において、該第2の群の各電極は、該基板上に配設された接触ブラシを備えていることができ、該接触ブラシが、該第2の群の該電極の対応する該トラックと接続されている。
該第1の群の該電極の該トラックは、該第2の群の該電極の該接触ブラシから離れて配設されていることができる。
該第1の群の該電極の該接触ブラシは、該第2の群の該電極の該接触ブラシと異なることができる。
該第1の群の各電極の該トラックは、該第2の群の該対応する電極の該トラックと接触していることができる。
特に、該第2の群の各電極の該トラックは、その複数の端部のうちの1つによって該第2の群の該電極の対応する該接触ブラシの1つと、且つその複数の反対端部のうちの1つによって該第1の群の対応する該電極の該トラックと接触していることができる。
該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシ上に部分的に重畳されることができ、及び/又は該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは、該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシ上に部分的に重畳されていることができる。
該第1の群の該電極の該トラックは反時計回り方向に螺旋状に巻くことができ、そして該第2の群の該電極の該トラックは時計回り方向に螺旋状に巻くことができる。代替的には、該第1の群の該電極の該トラックは時計回り方向に螺旋状に巻くことができ、そして該第2の群の該電極の該トラックは反時計回り方向に螺旋状に巻くことができる。
該基板は、圧電性部分及び該圧電性部分を覆っており且つ該圧電性部分と音響的に結合された誘電層を備えていることができる。該誘電層は、該圧電性部分を保護すると意図されていることができる。
該誘電層はシリカで作られていることができる。
該誘電層の厚さは好ましくは、0.1μm~200μmである。
該第2の群又は第1の群の該電極の1つの該接触ブラシの2つの部分が、該圧電性部分に面する該誘電層の面の反対側である該誘電層の面に設けられることができる。該2つの部分は、該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックのいずれの側にも配設されることができ、上記トラックは該誘電層の同じ側に設けられている。該2つの部分は、該誘電層内に形成されたトンネルに埋設されている該接触ブラシの第3の部分で互いと接続されている。該トンネルは、該シリカ層の一部分が電極の該第1の群の該電極又は第2の群の該電極の該トラックと第3の部分との間に設けられているようなものである。
該誘電層の一部分が該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシの一部分の間に挟まれることができ、そして該誘電層の別の部分が該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシと該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの一部分との間に挟まれることができ、及び/又は該誘電層の一部分が該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシの一部分の間に挟まれることができ、そして該誘電層の別の部分が該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシと該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの一部分との間に挟まれることができる。
該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシの一部分が該誘電層の一つの面に設けられることができ、そして上記接触ブラシの別の部分が反対側の面に設けられることができ、上記接触ブラシの部分が、該誘電層に配設された窓によって互いと架橋されている。
好ましくは、該第1の群の該電極の少なくとも1つ、とりわけ該第1の群の各電極、が少なくとも1つのトラックを備えていることができ、及び/又は該第2の群の該電極のうちの少なくとも1つ、とりわけ該第2の群の各電極、が少なくとも1つのトラックを備えていることができる。
幾つかの実施態様において、該第1の群の各電極は、とりわけ多重コイルを備えていることができる、単一のトラックを備えていることができる。該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラック、とりわけ該第1の群の各電極の該トラック、及び/又は該第2の群の電極の該トラック、とりわけ該第2の群の各電極の該トラック、は、該螺旋軸の周りを螺旋状に巻く幾つかのコイルを備えていることができる。該コイルの数を増やすことは、集束を改善して捕捉力を増す。
該第1の群の該電極は、該螺旋軸を全体的に取り囲む半径方向内側のコイルを備えていることができ、及び/又は該第2の群の該電極は、該螺旋軸を全体的に取り囲む半径方向内側のコイルを備えていることができる。
他の実施態様において、該第1の群の各電極は、少なくとも2つのトラック、更には少なくとも4つの、また更には少なくとも6つの、トラックを備えていることができる。該第2の群の各電極は、少なくとも2つのトラック、更には少なくとも4つの、また更には少なくとも6つの、トラックを備えていることができる。該第1の群の各電極は同じ数のトラックを備えていることができ、及び/又は該第2の群の各電極は同じ数のトラックを備えていることができる。
該トラックの数を増やすことは捕捉力を増す。
該電極の1つの該トラックは全て、該電極の該接触ブラシに接続されていることができる。
該第1の群の電極は少なくとも2つの電極を備えていることができる。それは、少なくとも3つの、又は更には少なくとも4つの、電極を備えていることができる。該第1の群の各電極は、該第1の群の該他の電極に印加されることが目的とされる電気信号と異なる、更には特に位相を異にする、電気信号で給電されると意図されることができる。
とりわけ、幾つかの実施態様において、該第1の群の電極は2つの電極からなる。
該第2の群の電極は少なくとも2つの電極を備えていることができる。それは、少なくとも3つの、又は更には少なくとも4つの、電極を備えていることができる。該第2の群の各電極は、該第2の群の該他の電極に印加されることが目的とされる電気信号と異なる、更には特に位相を異にする、電気信号で給電されると意図されることができる。
とりわけ、一つの実施態様において該第2の群の電極は2つの電極からなる。
一つの実施態様において、該第1の群の電極は2つの電極からなり、且つ該第2の群の電極は2つの電極からなる。
該第1の群の電極及び第2の群の電極は一組の交差指電極を画定することができる。とりわけ、一つの実施態様において、該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極は、互いと交差指形にされている幾つかのトラックを備えている。
変形例において、該第1の群の電極は、該第2の群の電極に対して半径方向内側に設けられている。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは、該第1の群の該電極のうちの別の1つの電極の2つのトラックの間に配設されていることができる。
該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは、該第2の群の該電極のうちの別の1つの電極の2つのトラックの間に配設されていることができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラック及び該第1の群の該電極のうちの別の1つの電極の該トラックは、該螺旋軸の周りで、半径方向に交互の様式で且つ好ましくは隣接する様式で配設されていることができる。
該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラック及び該第2の群の該電極のうちの別の1つの電極の該トラックは、該螺旋軸の周りで、半径方向に交互の様式で且つ好ましくは隣接する様式で配設されていることができる。
該第2の群のうちの少なくとも1つの、更には少なくとも2つの、電極の該トラックは、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックと該第2の群の別の電極の該トラックとの間に配設されていることができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは、該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの半径方向内側に配設されることができ、又はその逆の関係である。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔は一定であることができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔は一定であることができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔は該螺旋軸から半径方向に減少することができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔は該螺旋軸から半径方向に減少することができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔の半径方向の減少率及び該第2の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔の減少率は異なることができる。該半径方向の間隔の「半径方向の減少率」は、1つの所定の半径方向に関する該半径方向の間隔の数学的微分に相当する。従って該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサは異なる共振周波数を呈することができる。
該第1の群の該電極及び/又は該第2の群の該電極は、該基板の同じ面に配設されていることができる。変形例として、該第1の群の該電極は該基板上の第1の面に設けられることができ、そして該第2の群の該電極は、該第1の面の反対側である該基板の第2の面に設けられることができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは該基板上の第1の面に設けられることができ、そして該第1の群の該電極のうちの別の該トラックは、該第1の面の反対側である該基板の第2の面に設けられることができる。
該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックは該基板上の第1の面に設けられることができ、そして該第2の群の該電極のうちの別の該トラックは、該第1の面の反対側である該基板の第2の面に設けられることができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラック、とりわけ該第1の群の各電極の該トラック、及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラック、とりわけ該第2の群の各電極の該トラック、は、該螺旋軸の周りを、90°より大きい、とりわけ180°より大きい、好ましくは270°より大きい、更には300°より大きい、角度で角度的に延在することができる。
第1の具体的な実施態様において、該機器は、該基板内を伝搬する渦を巻く弾性表面波を発生させるように構成されることができる。
該渦を巻く弾性表面波は、10-7m~10-3mの基本波長λを呈することができる。
該渦を巻く弾性表面波は、一般化されたラム波又は好ましくは一般化されたレイリー波であることができる。
とりわけ、該機器は、本明細書に記載されている、該基板と音響的に結合された支持部を備えていることができ、該機器は更に、該渦を巻く弾性表面波が該支持部に伝達され、その中で、任意的に縮退されていてもよい音響渦として伝搬するように構成されている。
渦を巻く弾性表面波(SSAW)は、破壊的干渉が波振幅の相殺をもたらす位相特異点の周りを回転しながら伝搬する波である。渦を巻くSAWは、引用により援用される、国際公開第2017/157426A1号パンフレットに記載されている通り、等方性基板内及び/又は異方性基板内を伝搬することができる。該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極の各トラックは、下記の式によって定義される線に沿って螺旋状に巻くことができる。
該第1のトランスデューサは、第1のSSAWを発生させるように構成されることができ、及び、該第2のトランスデューサは、第2のSSAWを発生させるように構成されることができる。幾つかの実施態様において、該第1のトランスデューサ及び該第2のトランスデューサによって発生される該SSAWの基本波長は等しいことができる。幾つかの他の実施態様において、それらは異なることができる。
該第1の波トランスデューサは、該第2の波トランスデューサと異なる共振周波数を呈することができる。後により明らかになる通り、該第1の群の電極に及び該第2の群の電極に印加されるべき該1以上の電気信号の周波数を適切に選択することによって、該対象物が該機器によって発生された該音響波に付される場合に該対象物の回転を容易に制御することができる。
該第1の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔は一定であることができる。
変形例において、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔は一定であることができる。さらに、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔及び該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔は一定である及び異なることができる。
上記半径方向の間隔(Δ)は、0.48λ~0.52λに含まれる、好ましくはλ/2に等しい、ことができ、λは、該第1の波トランスデューサ又は該第2のトランスデューサによって発生された該渦を巻く超音波表面波の基本波長である。
第2の具体的な実施態様において、該機器は、集束された音響渦を発生させるように構成されている。該機器は、該集束された音響渦が該支持部内を伝搬するように構成されることができる。変形例において、該機器は、本明細書に記載されている、該基板と音響的に結合された、支持部を備えており、該集束された音響渦が該支持部内を伝搬する。最後の変形例において、流体媒質、とりわけ液体媒体、が該機器と音響的に結合されている場合、該集束された音響渦は該流体媒質内を伝搬する。
該電気音響機器は、国際公開第2017/157426A1号パンフレットに示された渦と比較して、該圧電基板内を伝搬する弾性表面波を合成するようには構成されていない。該電気音響機器は、集束された音響渦二次環の大きさが、国際公開第2017/157426A1号パンフレットの装置によって発生される円筒音響渦又は縮退された音響渦より速く半径方向に減少するようなものである。その上、対象物が該集束された音響渦の最低音響強度のゾーンに捕捉される場合、それは該螺旋軸に平行な方向に沿って操作されることができる。最後に、操作されるべき同じ対象物を考えると、本発明の該電気音響機器を実装することによって該対象物に印加される力は、エネルギーが3次元で集束されているので、国際公開第2017/157426A1号パンフレットに教示されている装置によるより大きくなることができる。最後に、該螺旋軸に対する横断面で、圧力は異方的に分布されることができる。
該液体媒体は水性、例えば水、であることができる。それは、生体物質の物理的完全性を維持するように適合されている、食塩水ベースの媒質であることができる。
好ましくは、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の距離は該螺旋軸から半径方向に減少しており、及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の、半径方向に隣り合う2つのトラックの間の距離は該螺旋軸から半径方向に減少している。
好ましくは、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の距離は該螺旋軸から半径方向に減少しており、及び/又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの、半径方向に隣り合う2つのコイルの間の距離は該螺旋軸から半径方向に減少している。
好ましくは、該流体媒質内での該機器によって発生された該音響渦の基本波長は100nm~10mmであることができる。
該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極は、給電されると意図されるホット電極及び接地されると意図される接地電極を備えていることができる。該第1の群又は該第2の群の該ホット電極及び該接地電極は、半径方向に沿って交互に配設されていることができる。
変形例において、該第1の群の電極又は該第2の群の電極は、異なる、例えば互いと位相を異にする、電気信号で給電されると意図される第1のホット電極及び第2のホット電極を備えていることができる。加えて、該機器は、接地されると意図される第1の接地電極又は第2の接地電極を備えていることができる。
該第1の群の電極又は該第2の群の電極は該基板の1つの側に配設されることができ、そして該第2の群の電極又は該第1の群の電極は該基板の反対側に配設されていることができる。該第1の接地電極又は該第2の接地電極は、該第1の群又は第2の群の2つの隣接する第1のホット電極及び第2のホット電極の間に配設されていることができる。
例えば、該第1の接地電極又は該第2の接地電極は、該第1の群又は該第2の群の該第1のホット電極及び該第2のホット電極と重畳されたコーティングであることができる。該第1の接地電極又は該第2の接地電極は、該螺旋軸の周りを螺旋状に巻き、且つ該第1の群又は該第2の群の該第1のホット電極の該トラック及び/又は該第2のホット電極の該トラックに重なることができるトラックを備えていることができる。
該第1の接地電極及び該第2の接地電極は、該基板の同じ面に設けられることができる。それらは、同じ接触ブラシを共有することができる又は同じ接触ブラシに接続されていることができる。
変形例において、該第1の接地電極は該第2の接地電極であることができ、逆もまた同じである。
該第1の接地電極は、該第2の群の該電極が配設されている面の反対側の該基板の面に設けられることができ、及び/又は該第2の接地電極は、該第1の群の該電極が配設される面の反対側の該基板の面に設けられることができる。
該第1の群又は該第2の群のうちの少なくとも1つのホット電極の幅は、該螺旋軸から半径方向に変わることができる。従って、該集束された超音波渦の振幅は変更されることができる。とりわけ、半径方向に沿って、上記ホット電極の半径方向内側のトラックの幅は、隣接する半径方向外側のトラックの幅より大きくなることができる。
該接地電極及び/又は該ホット電極は、電気絶縁材料で、好ましくは4分の1波長層の形態で、被覆されることができる。4分の1波長層は、音響波の伝達を高める。
特に、該第1の群の該電極の該トラックの少なくとも1つ、及びとりわけ全ての該トラック、並びに/又は該第2の群の該電極の該トラックの少なくとも1つ、及びとりわけ全ての該トラック、が中心Cから、図11及び図12に示されている通り、極座標R(θ)に沿って線を描き、上記極座標が下記の式(i)を解くことによって得られ、
式(i)を解く為に、一旦4変数関数
該機器は、該圧電基板、該支持部、及び任意的に該支持部上に積層された少なくとも1つの他の支持部を連続して備えている積層を備えていることができる。方程式系(i)~(viii)を解くことによって該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極の形状を画定する為に、以下の方法が実装されることができ、該方法は:
該積層の各材料、即ち該圧電基板及び/又は該支持部及び/又は該1以上の他の支持部、におけるスローネスを、当業者によって周知の標準法によって計算すること、
式(iv)の解として屈折角
該積層の各材料、即ち該圧電基板及び/又は該支持部及び/又は該1以上の他の支持部、におけるスローネスを、当業者によって周知の標準法によって計算すること、
式(iv)の解として屈折角
式(i)において、角度Ψ0の2πの増加ごとに、同じ極性を有する一連の該第1の群の新たな電極又は該第2の群の電極をもたらす。逆極性はπの増加で与えられる。
例えば、該積層は、圧電基板及び支持部からなることができ、該支持部が、該圧電基板より厚く、好ましくは5倍厚く、且つ等方性材料で作られており、そして該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極は、中心Cから、極座標R(θ)に沿って線を描き、該極座標の式が、
式(viii)は、
該第1の群の該電極及び/又は該第2の群の該電極並びに、適宜、該第1の接地電極及び/又は該第2の接地電極は、金属材料、とりわけ金、銀、アルミニウム及びそれらの混合物の中から選択される金属材料、から作られていることができる。アルミニウムが100MHz超の周波数での用途の為に好まれる。良好な導電性が必要とされる場合には金及び/又は銀が好まれる。
該第1の群の該電極及び/又は該第2の群の該電極は、フォトリソグラフィによって該基板上に成膜されることができる。特に、該基板上の該電極の密着を改善する為に、該電極を成膜する前に、クロム又はチタンを含む材料の層が該基板上に成膜されうる。
該基板は、500μm以上の厚さを有する板であることができる。
前記された通り、該基板は、圧電性部分を備えている又はそれからなっていることができる。該圧電性部分は、異方性材料、好ましくはニオブ酸リチウム、チタン酸リチウム、石英、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛及びそれらの混合物の中から選択される異方性材料、で作られることができる。
該基板は、少なくとも部分的に非不透明材料、好ましくは透明材料、で作られることができる。
該基板は、回転軸の周りを旋回軸上で回転可能に装着されることができる。
本明細書に上記された通り、該機器は、該基板と音響的に結合された支持部を備えていることができる。該支持部は、該第1の群の電極及び該第2の群の電極並びに該基板に重なることができる。
該支持部は、少なくとも部分的に非不透明材料、好ましくは透明材料、で作られることができる。
該支持部は非圧電材料で作られることができる。
該支持部は、超音波の伝搬に関して等方性材料で作られることができる。
該支持部は、ガラス及びポリマーの中から選択される材料、特に熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート(PMMA)、を含むことができる。とりわけ、該支持部は、ガラスで作られることができる。
該支持部は、該基板に対して固定されていることができる。例えば、それは該基板に接着されている。
該機器は、該基板と該支持部との間に挟まれる結合媒体で作られる層を備えていることができる。該結合媒体は例えば、光学接着剤、例えばNorland ProductのNOA61、である。
該第1の群の電極及び/又は該第2の群の電極は、該基板と該支持部の間に挟まれることができる。
該電気音響機器は、好ましくは非圧電材料で作られた、該支持部及び/又は該基板上に配置されている、基部を備えていることができる。
該基部は、少なくとも部分的に非不透明材料、好ましくは透明材料、で作られる、とりわけガラスで作られることができる。
該基部は、該基板及び/又は該支持部上に成膜された層の形態であることができる。
該基板及び/又は該支持部は、顕微鏡の対物レンズの一部であることができる、又は顕微鏡の対物レンズに固定されるように構成された機器の一部であることができる。
該機器は、該トランスデューサに相対的に該支持部を、好ましくは共に垂直、且つ該基板に平行な2つの軸のいずれかに沿った平行移動によって、変位させるように構成された構造を備えることができる。
その上、該機器は円板形状であることができる。該機器は、該基板の中央ゾーンに置かれており、例えば該第1のトラック及び該第2のトラックと同じ材料で作られた、視覚マーキングを備えていることができる。
該機器は、電源装置に接続されていることができる。該第1の群のコネクタ、及び適宜該第2の群のコネクタが該電源装置に接続される。
該電源装置は、該圧電基板内に、とりわけ各々が100KHz~10GHzの基本周波数を有する、音響波を発生させるように、該第1の群及び該第2の群の該電極にそれぞれ給電するように構成されていることができる。
その上、本発明はまた、その観点の1つに従う、流体媒質、とりわけ液体媒体、中に包埋された対象物を操作する為の方法であって、
少なくとも1つの任意的に縮退されていてもよい音響渦を本発明の第1の具体的な実施態様に従う該機器を用いて発生させること、又は集束された音響渦を本発明の第2の具体的な実施態様に従う機器を用いて発生させること、
上記任意的に縮退されていてもよい音響渦又は上記集束された音響渦を、該対象物が付される放射圧を生じさせるように該流体媒質内に伝搬させること、並びに
該流体媒質に相対的に該第1の群の該電極及び該第2の群の該電極を変位させることによって該対象物を操作すること
の工程を含む、上記方法に関する。
少なくとも1つの任意的に縮退されていてもよい音響渦を本発明の第1の具体的な実施態様に従う該機器を用いて発生させること、又は集束された音響渦を本発明の第2の具体的な実施態様に従う機器を用いて発生させること、
上記任意的に縮退されていてもよい音響渦又は上記集束された音響渦を、該対象物が付される放射圧を生じさせるように該流体媒質内に伝搬させること、並びに
該流体媒質に相対的に該第1の群の該電極及び該第2の群の該電極を変位させることによって該対象物を操作すること
の工程を含む、上記方法に関する。
本発明はまたその観点の別の1つに従って、方法であって、
少なくとも1つの任意的に縮退されていてもよい音響渦を本発明の第1の具体的な実施態様に従う該機器を用いて発生させること、又は集束された音響渦を本発明の第2の具体的な実施態様に従う機器を用いて発生させること、
上記任意的に縮退されていてもよい音響渦又は上記集束された音響渦を、流体媒質、とりわけ液体媒体、の渦流れを発生させるように該流体媒質内に伝搬させること
の工程を含む、上記方法に関する。
少なくとも1つの任意的に縮退されていてもよい音響渦を本発明の第1の具体的な実施態様に従う該機器を用いて発生させること、又は集束された音響渦を本発明の第2の具体的な実施態様に従う機器を用いて発生させること、
上記任意的に縮退されていてもよい音響渦又は上記集束された音響渦を、流体媒質、とりわけ液体媒体、の渦流れを発生させるように該流体媒質内に伝搬させること
の工程を含む、上記方法に関する。
例えば、該渦流れは、該流体媒質の混合を促進することができる。
本発明の観点が何であれ、該方法は、単独で又は組み合わせとして考えられる、以下の特徴のいずれかを呈することができる。
該対象物は好ましくは、10-2m未満であるサイズを有する。
該対象物は好ましくは、密度が高く及び/又は該流体媒質よりも剛性である。
該対象物は生体物質であることができる。該生体物質は、音響波の非存在下で、該流体媒質中を可動であることができる。それは、1以上の細胞を含むことができる。例えば、それは、繊毛微生物、精子又は卵母細胞である。好ましくは、該対象物は無標識である。該任意的に縮退されていてもよい音響渦又は該集束された音響渦はそれぞれ、該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極のうちの少なくとも1つにマスタ信号を電気的に供給し、該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極のうちの少なくとも別の1つにスレーブ信号を電気的に供給することによって発生されることができる。
該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサは異なる共振周波数を有することができ、そして該任意的に縮退されていてもよい音響渦の発生又は該集束された音響渦の発生は、該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサの該共振周波数の間の範囲の周波数で該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサを励起するように適合された、マスタ及びスレーブ電気信号の少なくとも1つの組の供給を含むことができる。
該第1の群の対応する該電極に供給される該第1のマスタ信号の振幅及び/又は該第1のスレーブ信号の振幅、並びに該第2の群の対応する該電極に供給される該第2のマスタ信号の振幅及び/又は該第2のスレーブ信号の振幅は、それぞれ、異なることができる。
該第1の群の該対応する電極に供給される該第1のマスタ信号の周波数及び/又は該第1のスレーブ信号の周波数、並びに該第2の群の該対応する電極に供給される該第2のマスタ信号の周波数及び/又は該第2のスレーブ信号の周波数は、それぞれ、異なることができる。
該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該信号の該振幅及び/又は該周波数を制御することによって、該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサの相対効果を、例えば該音響波によって捕捉された対象物の回転を防止するように制御することができる。
特に、該対象物を操作する工程は、
該対象物の、それ自体の周りの回転を制御すること、とりわけ、該対象物の、それ自体の周りの回転を防止すること、及び/又は
該対象物の平行移動を制御すること、とりわけ、該対象物の平行移動を防止すること
を含むことができる。
該対象物の、それ自体の周りの回転を制御すること、とりわけ、該対象物の、それ自体の周りの回転を防止すること、及び/又は
該対象物の平行移動を制御すること、とりわけ、該対象物の平行移動を防止すること
を含むことができる。
更に特に、該対象物を操作する該工程は、とりわけ該対象物が音響波の非存在下で該流体媒質中を可動な生体物質、例えば繊毛微生物又は精子、である変形例において、該対象物を固定化することを含むことができる。
変形例において、該第1の群の該対応する電極に供給される該マスタ信号の周波数及び/又は該スレーブ信号の周波数、並びに該第2の群の該対応する電極に供給される該マスタ信号の周波数及び/又は該スレーブ信号の周波数は、該第1の波トランスデューサの共振周波数と該第2の波トランスデューサの共振周波数との間の範囲であることができる。
別の変形例において、該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該マスタ信号及び該スレーブ信号は波束を含むことができる。
該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該マスタ信号の波束の継続時間は異なることができ、及び/又は該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該スレーブ信号の波束の継続時間は異なることができる。
該第1の群の電極へのマスタ信号及びスレーブ信号の供給は、該第2の群の電極へのマスタ信号及びスレーブ信号の供給と時間が交互になることができる。とりわけ、該第1の群の該電極に波束が供給される場合、該第2の群の該電極はオフであることができ、逆もまた同じである。
該操作工程は:
1つの初期位置から最終位置に向けた該対象物の平行移動、
1つの初期向きから最終向きに向けた該対象物の回転;該向きは、例えば該対象物の具体的な方向、例えば該対象物の延在方向との間の角度によって測定される;最終向きで、該対象物は回転するのを防止しているが、平行移動されることができる
の少なくとも1つを含むことができる。
1つの初期位置から最終位置に向けた該対象物の平行移動、
1つの初期向きから最終向きに向けた該対象物の回転;該向きは、例えば該対象物の具体的な方向、例えば該対象物の延在方向との間の角度によって測定される;最終向きで、該対象物は回転するのを防止しているが、平行移動されることができる
の少なくとも1つを含むことができる。
その上、該マスタ信号及び/又は該スレーブ信号の該振幅及び/又は周波数及び/又は波束の継続時間は、該対象物の平行移動を可能にしつつ、該螺旋軸の周りの該対象物の回転を、とりわけ完全に抑制するように適合されることができる。
本発明はまた、任意的に縮退されていてもよい音響渦又は集束された超音波渦を発生させる為の本発明の該電気音響機器の使用に関する。該集束された超音波渦は等方性又は異方性であることができる。特に、それは球形であることができる。
例えば、「等方性媒質」内を伝搬する「球形渦」が、下記の式(ix)によって定義される:
「半径」方向は、該螺旋軸に垂直である。
「半径方向の」平面は、該螺旋軸及び1つの半径方向の両方を含む。
「横断」面は、該螺旋軸に垂直である。
「半径方向内側」の部分は、半径方向に沿って「半径方向外側」の部分より該螺旋軸に近い。
螺旋の「コイル」は、少なくとも360°の角度の、該螺旋軸の周りを角度的に延在する螺旋の一部である。
部分の「厚さ」は、該螺旋軸に平行な方向に沿って測定される。
圧電基板の両面に場合により設けられた複数の電極のうち、該圧電基板の横断面が該螺旋軸に沿って投影されて観察される場合に、第1の電極に「隣接する」第2の電極は、該第1の電極からの半径方向の距離が最短である電極である。同じことが螺旋のコイルに当てはまる。この定義に従って、該圧電基板の一つの面に設けられた第1の電極が、該圧電性部分の反対側の面に設けられた第2の電極に隣接することができる。
本発明は、その例示的且つ非限定的な実施態様を参照して、以下の詳細な説明を読むことから、及び添付の図面の吟味によって、より良く理解されることができる。
図面において、異なる要素のそれぞれの比率及びサイズは、明確化の為に必ずしも順守されるわけではない。
図1は、本発明に従う電気音響機器5を示す。
該機器は、基板10及び該基板の一つの面に配設された第1の群15の電極及び第2の群20の電極を備えている。
該基板は、圧電材料で作られた部分25及び該部分に接触して重なる、シリカで作られた誘電層30を備えている。それは、方向X及びYによって定義される平面に平行な板としての形状にされている。該基板は、例えば120μmに等しい厚さesを有し、そして上面35及び下面40を呈する。それは例えば、35°でYカットされたLiBNO3で作られている。該2つの群の電極が該基板の該上面に設けられている。変形例において、それらは、該基板の反対側の面に配設されていることができる。
該第1の群の電極及び該基板は第1の波トランスデューサ45を画定し、そして、該第2の群の電極及び該基板は第2の波トランスデューサ50を画定する。
該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極60、65、70、75は幾つかのトラック80a-f、85a-f、90a-d、95a-dを備えている。各トラックは、該板に垂直である同じ螺旋軸Zの周りを螺旋状に巻いている。
該第1の群の該電極の該トラック90、95は、曲線矢印W1によって示されている通り、第1の巻き方向に沿って同じ螺旋軸Zの周りを螺旋状に巻いており、そして該第2の群の該電極60、65の該トラック80、85は、曲線矢印W2によって示されている通り、該第1の巻き方向W1と反対である第2の巻き方向に沿って上記螺旋軸の周りを螺旋状に巻いている。該第1の群の該電極の該トラック90、95が反時計回り方向に螺旋状に巻いている一方、該第2の群の該電極の該トラック80、85は時計回り方向に螺旋状に巻いている。該螺旋軸Zは、該第1の群の電極及び該第2の群の電極を支持する該基板上面に垂直である。
該第1の群の該電極70、75の該トラック90、95は、該第2の群の該電極60、65の該トラック80、85から半径方向に内側に設けられている。
図3に示されている通り、各トラックは幅wdを有し、半径方向rdに沿って測定されており、これは該トラックの長さより小さく、例えば少なくとも10倍小さく、更には少なくとも100倍小さく、該長さは該第1の巻き方向又は該第2の巻き方向に沿って測定される。
該第1の群は第1の電極70及び第2の電極75からなり、各々1つの接触ブラシ100、105及び4つのトラック90a-d、95a-dを備えており、そして該第2の群は2つの電極60、65からなり、各々2つの接触ブラシ110、115及び6つのトラック80a-f、85a-fを備えている。このような数のトラックはそれでも限定的でなく、発生させる波面の所望の形状に応じて適合されていることができる。
該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極の各トラックは、それが接触している該接触ブラシから、300°超の角度で該螺旋軸の周りを延在している。
該第1の群又は該第2の群の該第1の電極の該トラック及び該第2の電極の該トラックは、該螺旋軸から半径方向に、交互の様式で配設されている。
該第1の群の該電極の該トラックは該第2の群の該電極の該接触ブラシから或る距離をおいており、逆もまた同じである。さらに、該第1の群の該第1の電極の該トラックは該第1の群の該第2の電極の該トラックから或る距離をおいており、そして該第2の群の該第1の電極の該トラックは該第2の群の該第2の電極の該トラックから或る距離をおいている。
加えて、該4つの接触ブラシの各々は、以下本明細書でより詳細に説明される通り、あらゆる電極に特定の電気信号を提供することが目的とされる電源装置120に接続されている。
図1の例において、該第1の群の該電極及び該第2の群の該電極の各々の隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔Δrは一定であり、そして該機器はSSAWを発生させるように適合される。図3に観察される通り、該半径方向の間隔は、コイル又はトラックの半径方向内側縁とトラックの隣り合うコイルの半径方向内側縁との間の半径方向の距離によって定義される。
さらに、図2に観察される通り、該機器は、該基板に音響的に結合されている支持部130を備えている。該電極は、該支持部と該基板との間に配設されている。該支持部は、結合媒体135、例えばPortland Productの光学接着剤NOA61、の層によって該圧電性部分に音響的に結合されている。
該機器は更に、該支持部の該上面に配置された基部132を備えている。該基部は、150μmの厚さeaのホウケイ酸ガラスで作られた板である。それは、該螺旋軸を横断する少なくとも2つの方向に移動されることができる。10μm未満の厚さの界面液体133が、該支持部と該基部を音響的に結合するように且つ該基部が該支持部に損傷を与えることなく該支持部に相対的に変位されることができるように、該基部と該支持部との間に設けられている。
例えばPDMSで作られた吸音器140が該基部上に設けられており、それは、流体媒質150、好ましくは液体媒体、を含むキャビティ145を画定する。対象物155が該流体媒質中に包埋されている。
該第1の群及び該第2の群の両方の該電極が電気的に供給される場合、SSAWが該機器によって発生されて該基板の表面で伝搬する。それは、矢印Vxによって示されている通り、支持部のバルク内で伝達されるが、該渦を巻くSAWは、該基板と該支持部との間の界面において、該支持部の該バルク内及び該液体媒体内を伝搬する音響渦に又は縮退された音響渦に縮退する。
該渦と関連した放射圧は、破線の正方形168によって表される体積に集中しており、それは、該基板に垂直に置かれ且つ該螺旋軸Zと実質的に整列されている。
該対象物155は、「3Dトラップ」とも呼ばれる、破線の正方形168によって表される上記体積の近傍に置かれる場合、該渦を巻くSAWの波長と同等のサイズを有していれば、3Dトラップに上記対象物を捕捉することを目的とする引力に付される。
該支持部に相対的に該基部を変位させることによって、該対象物は該螺旋軸の近くに寄せられることができる。次に、それは操作される、特に該螺旋軸に沿って捕捉される、ことができる。
変形例において、該電極の該トラックは、該支持部に関する面の反対側である該基板の面に設置されていることができる。渦を巻く波は、ラム波又はバルク波のいずれかであることができる。
該対象物の回転を制御する、且つとりわけ該対象物のいかなる回転も防止する為に、図1及び図2に示された該機器は、電源装置120によって電気的に供給される。
電力供給は、以下の方法で行われることができる。
該電源装置は、該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極のうちの1つにマスタ電気信号を送り出し、該第1の群の該他の電極又は該第2の群の該他の電極に、該マスタ電気信号と位相を異にするスレーブ電気信号を送り出すことができる。
好ましくは、該第1の群の電極に又は該第2の群の電極に供給される該マスタ電気信号の振幅及び該スレーブ電気信号の振幅は等しい。好ましくは、該第1の群の電極に又は該第2の群の電極に供給される該マスタ電気信号の周波数及び該スレーブ電気信号の周波数は等しい。
該機器の第1の実装例において、図4に示されている通り、該第1の群の電極に供給される、該マスタ電気信号160の振幅A又は該スレーブ電気信号165に対する振幅Aは、該第2の群の電極に供給される、該マスタ電気信号170の振幅A又は該スレーブ電気信号175に対する振幅Aと異なる。
該機器の第2の実装の例において、該第1の群の電極に供給される、該マスタ電気信号の周波数又は該スレーブ電気信号の周波数は、該第2の群の電極に供給される、該マスタ電気信号の周波数又は該スレーブ電気信号の周波数と異なる。
第3の実装の例において、該第1の群の電極に供給される、該マスタ電気信号の周波数又は該スレーブ電気信号の周波数、及び該第2の群の電極に供給される、該マスタ電気信号の周波数又は該スレーブ電気信号の周波数は共に、該第1の波トランスデューサ45の共振周波数と該第2の波トランスデューサ50の共振周波数との間の範囲である。上記信号周波数を適切に調整することによって、該機器のユーザは、第1の波トランスデューサ及び第2の波トランスデューサ両方の相対効果を変調することができる。
好ましくは、該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該マスタ電気信号及び該スレーブ電気信号の該周波数は等しい。好ましくは、該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該マスタ電気信号及び該スレーブ電気信号の該振幅は等しい。
当業者は、計算によるか又は適切な測定技術によるかいずれかの、波トランスデューサの共振周波数を決定する仕方を知っている。
両方とも異なる共振周波数を呈する波トランスデューサを有することは、とりわけ、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔又は該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔が、該第2の群の該電極のうちの1つの電極の隣り合う2つのトラックの間の半径方向の間隔又は該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックの隣り合う2つのコイルの間の半径方向の間隔と異なることによって、達成されることができる。
第4の実装の例において、該第1の群の電極又は該第2の群の電極に供給される該マスタ信号及び該スレーブ信号は、波束として提供されることができる。とりわけ、図5に示されている通り、マスタ波束Pm1及びスレーブ波束Ps1が該第1の群の対応する該電極に供給されている場合、該第2の群の該電極はオフであり、それらに電気信号は供給されない。該電気信号の供給は、該第1の群の電極に波束を供給して、該第2の群の該電極がオフであり、続いて該第2の群にマスタ波束Pm2及びスレーブ波束Ps2を供給して、該第1の群の該電極がオフであること、等の間で、交互になることができる。とりわけ図5に示されている通り、第1のパケットに対する該第1の群の電極への波束の供給が終わるや否や、該第2の群の電極に波束が供給されることができ、逆もまた同じである。
特に、該第1の群の電極又は該第2の群の電極に隣り合う2つの波束を供給することの間の継続時間Δt1又はΔt2は、該対象物の流体力学的反応時間より低くなることができる。流体力学的反応時間は、当業者によって該対象物のサイズ及び該対象物を包埋する該流体媒質の粘度から容易に決定されることができる。
とりわけ、該第1の群の電極に供給される該波束の該継続時間及び該第2の群の電極に供給される該波束の該継続時間の合計Δt1+Δt2は、該対象物の該流体力学的反応時間より低い。
図1に示されている例は、とりわけ、該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極の隣り合うトラックが一定の半径方向の間隔だけ分離されていることによって特徴付けられる。図6及び図7に示されている変形例において、該第1の群の該電極又は該第2の群の該電極の該トラックは、2つの連続するトラックの間の半径方向の間隔Δr1又はΔr2が半径方向rdに沿って該螺旋軸から半径方向に減少するように、該基板に配設されている。
その上、且つとりわけ本明細書に上記された第3の実装の例に従う該機器に供給する為に、該半径方向の間隔の半径方向の減少α1、α2は、該2つの群の電極の間で異なることができる。該第1の群の電極及び該第2の群の電極の該トラックは各々、極座標R(θ)に沿って線を描くが、これは本明細書に上記された式(i)を解くことによって得られる。
図7の例において、該第1の群及び該第2の群は各々、該支持部に面する該機器の面に設けられている2つのホット電極60、65、70、75を備えている。各群の該ホット電極には、位相を異にする電気信号が供給される。
その上、該機器は、該基板の該下面40に配設されている接地電極190を備えている。該接地電極は、該電源装置の接地ソケットに接続される。それは、第1の接地電極及び第2の接地電極の両方に重なっている。
該ホット電極(明確化の理由で示されない)に給電する場合、該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサは、該圧電基板内を、実質的に該螺旋軸に平行な方向に沿って伝搬する体積超音波によって変形される。
該波トランスデューサは該体積超音波を該支持部のバルクに伝達し、該体積超音波が、焦点位置(音響強度が最低である)が該キャビティ145内に位置する集束された超音波渦FVを画定する。該支持部に相対的に該基部を変位させることによって、該対象物は該焦点位置の近くに寄せられることができる。次に、それは操作される、とりわけ該螺旋軸に沿って捕捉される、ことができる。
図8に示されている該機器は、該第1の群及び該第2の群の該電極の該トラックが互いと交差指形にされているという事実によって図1に示された該機器と異なる。
とりわけ、該第2の群の電極の一つの群の異なる極性の2つのトラックが該第1の群の電極の2つの異なる群の異なる極性のトラックの間に半径方向に配設されており、逆もまた同じである。該実施態様において、該第1の群の電極及び該第2の群の電極によって合成された2つの反対回転する渦の環強度はより同程度であることができ、該対象物の回転速度を制御する為にマスタ電気信号を平衡させる場合に望ましい。
該第1の群の該電極の該接触ブラシ100、105及びトラック90、95の該基板上での配置はまた、対応する該トラックを接続するような実質的に半径方向に沿った該第2の群の該電極の該接触ブラシ110、115のいかなる連続拡大を防止する。
図9に観察されることができる通り、該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシ110は該圧電性部分25の面に設けられている。該接触ブラシの2つの部分190a-bが、該第1の群の該電極75の1つのトラック95のいずれの側からも該誘電層30の上に設けられている。該2つの部分190a-bは、該第2の群の該電極60のそれぞれのトラック80と接続されている。該2つの部分190a-bは、該誘電層に形成されたトンネル205によって画定された、トラックに倣う埋設された部分200によって互いと接続されている。該埋設された部分は、該誘電層の一部分によって、該第1の電極の1つのトラックから或る距離をおいて設けられている。
該誘電層の該埋設された部分の製造は、該シリカ誘電層の選択エッチングによって、続いて該接触ブラシのそれぞれの部分を形成するような合金又は金属の成膜によって行われることができる。
図10は、本発明に従う該機器5の別の例を示す。それは、第1の群の電極及び第2の群の電極を備えている。
該第1の群15の電極は、該第2の群20の電極に対して半径方向内側に配設されている。
該第1の群の電極は、5つのコイルを備えている単一トラックから各々なる2つの電極90、95を備えている。該第2の群の電極は、7つのコイルを備えている単一トラックを各々備えている2つの電極80、85を備えている。該第2の群の電極の各電極は、単一トラック及び接触ブラシ110、115を備えており、該トラックがその端部205、210の1つによって該接触ブラシに接続されている。更に、該第2の群の各電極の該トラックは、その反対端部215、220によって、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックに接続されている。
従って、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラック及び該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックが共に該第2の群の該電極の該接触ブラシに接続されており、且つ該第1の群の該他の電極の該トラック及び該第2の群の該他の電極の該トラックが共に該第1の群の該電極の該接触ブラシに接続されている。
従って、電流が対応する該接触ブラシによって該第2の群の電極に供給される場合、それはまた該第1の群の対応する該電極に供給される。
加えて、該第1の群の各電極の該トラックの幅wd1は、該第1の群の該電極が接続されている該第2の群の対応する該電極の該トラックの幅wd2と異なる。異なる幅を有する第1の群及び第2の群の電極のトラックを提供する結果として、異なる推論周波数を呈する第1の波トランスデューサ及び第2の波トランスデューサになる。
該第1の群の電極及び該第2の群の電極に供給される該電気マスタ及びスレーブ信号の適切な周波数を選択することによって、該機器によって発生された音響波に付されている該対象物の回転が制御される、且つとりわけ防止されることができる。
図11は、球形渦、例えば式(x)によって定義されるような球形渦、を定義する為のデカルト座標系の位置を示し、その焦点位置は点2によって指定され、且つ電極が設けられる、n=0によって指定される平面、例えば圧電性部分の上面35、をさえぎる。
図12は、該渦FVが軸Zに沿って距離z(N)にわたって該ホットトラックから該焦点位置2に向けて該支持部内を伝搬する場合の、式(i)~(vii)の解決を示すことを目的とする。該渦FVは、等位相線と呼ばれる、位相が一定であるところの3D線を含む。例えば、等位相線99に沿って、該渦の位相は、点250a~250cまで同じである。該焦点位置2及び該点250a~250cを結ぶ線260に沿った、等位相線の投影は、該トラックが設けられる表面上の中心Cから表されるパラメータR(θ)によって設定される平面線である。言い換えれば、該ホットトラックが設けられなければならない平面上への該集束された超音波渦の位相の交差は、該ホットトラックの描画をもたらす。これは例えば、一組の式(i)~(viii)によって数学的に表される。上記線R(θ)を描く少なくとも1つのホットトラックを形成することによって、焦点2で集束する超音波渦が発生されることができる。
本明細書を通じて明らかであるように、本発明に従う該機器は、流体媒質中に包埋された対象物を操作する効率を、該対象物が補足された場合にその回転を制御することによって、改善する。それは更に、複数の対象物の母集団のうちの特定の対象物を操作するときに、選択性を改善する。
もちろん、本発明は、本明細書に詳説された特定の実施態様に限定されない。
Claims (16)
- 少なくとも1つの音響波(Fv、Vx)を発生させる為の電気音響機器(5)であって、該機器は、圧電基板(10)と、該基板上に配設された第1の群(15)及び第2の群(20)の電極(70、75、60、65)とを備えており、該第1の群の各電極及び該第2の群の各電極がトラック(80a-f、85a-f、90a-d、95a-d)を備えており、
該第1の群の該電極の該トラック(90a-d、95a-d)が、第1の巻き方向(W1)に沿って同じ螺旋軸(Z)の周りを螺旋状に巻いており、並びに、
該第2の群の該電極の該トラック(80a-f、85a-f)が、該第1の巻き方向と反対の第2の巻き方向(W2)に沿って上記螺旋軸の周りを螺旋状に巻いている、
前記電気音響機器。 - 該第1の群の各電極が、該基板上に配設された接触ブラシ(100、105)を備えており、該接触ブラシ(100、105)が、該第1の群の該電極の対応する該トラックに接続されている、請求項1に記載の機器。
- 該第1の群の該電極のうちの1つの各接触ブラシが更に、該第2の群の対応する電極の該トラックに接続されていることができる、請求項2に記載の機器。
- 該第2の群の各電極が、該基板上に配設された接触ブラシ(110、115)を備えており、該接触ブラシ(110、115)が、該第2の群の該電極の対応する該トラックと接続されている、請求項1又は2に記載の機器。
- 該第1の群の該電極の該トラックが、該第2の群の該電極の該接触ブラシから離れて配設されている、請求項4に記載の機器。
- 該第2の群の各電極の該トラックが、その複数の端部のうちの1つによって該第2の群の対応する該電極の該接触ブラシと、且つその複数の反対端部のうちの1つ(205、210)によって該第1の群の対応する該電極の該トラックと接触している、請求項2、4及び5のいずれか1項に記載の機器。
- 該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックが、該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシ上に部分的に重畳されており、及び/又は該第1の群の該電極のうちの1つの電極の該トラックが、該第2の群の該電極のうちの1つの電極の該接触ブラシ上に部分的に重畳されている、請求項3~6のいずれか1項に記載の機器。
- 該音響波が、該基板内を伝搬する渦を巻く弾性表面波である、請求項1~7のいずれか1項に記載の機器。
- 該基板と音響的に結合された支持部(130)を備えており、該機器が更に、該渦を巻く弾性表面波が該支持部に伝達され、その中で、任意的に縮退されていてもよい音響渦(Vx)として伝搬するように構成されている、請求項8に記載の機器。
- 該音響波が、該基板内を伝搬する集束された音響渦(Fv)である、又は
該機器が、該基板と音響的に結合された支持部(130)を備えており、該音響波が、該支持部内を伝搬する集束された音響渦(Fv)である、又は
該音響波が、流体媒質(150)が該機器と音響的に結合されている場合、該流体媒質(150)、とりわけ液体媒体、内を伝搬する、集束された音響渦(Fv)である、
請求項1~7のいずれか1項に記載の機器。 - 流体媒質(150)、とりわけ液体媒体、中に包埋された対象物(155)を操作する為の方法であって、
少なくとも1つの任意的に縮退されていてもよい音響渦(Vx)を請求項9に記載の該機器を用いて発生させること、又は集束された音響渦(Fv)を請求項10に記載の機器を用いて発生させること、
該任意的に縮退されていてもよい音響渦又は上記集束された音響渦を、該対象物(155)が付される放射圧を生じさせるように該流体媒質(150)内に伝搬させること、並びに
該流体媒質に相対的に該第1の群及び該第2の群の該電極を変位させることによって該対象物を操作すること
の工程を含む、前記方法。 - 該対象物を操作する該工程が、
該対象物の、それ自体の周りの回転を制御すること、とりわけ、該対象物の、それ自体の周りの該回転を防止すること、及び/又は
該対象物の平行移動を制御すること、とりわけ、該対象物の該平行移動を防止することを含み、
特に該対象物を操作する該工程が、該対象物を固定化することを含む、
請求項11に記載の方法。 - 方法であって、
少なくとも1つの任意的に縮退されていてもよい音響渦(Vx)を請求項9に記載の該機器を用いて発生させること、又は集束された音響渦(Fv)を請求項10に記載の機器を用いて発生させること、
該任意的に縮退されていてもよい音響渦又は上記集束された音響渦を、流体媒質(150)の渦流れを発生させるように該流体媒質(150)、とりわけ液体媒体、内に伝搬させること
の工程を含む、前記方法。 - 該任意的に縮退されていてもよい音響渦又は該集束された音響渦がそれぞれ、
該第1の群の該電極のうちの少なくとも1つの電極に第1のマスタ信号(160)を電気的に供給し、該第1の群の該電極のうちの少なくとも別の1つの電極に第1のスレーブ信号(165)を電気的に供給すること、及び
電極の該第2の群の該電極のうちの少なくとも1つに第2のマスタ信号(170)を電気的に供給し、該第2の群の該電極のうちの少なくとも別の1つに第2のスレーブ信号(175)を電気的に供給することによって、発生される、
請求項11~13のいずれか1項に記載の方法。 - 該第1のマスタ信号の振幅(A)及び/又は該第1のスレーブ信号の振幅(A)、並びに該第2のマスタ信号の振幅及び/又は該第2のスレーブ信号の振幅がそれぞれ異なる、請求項14に記載の方法。
- 該第1の群の電極及び該第2の群の電極が、該基板と共に、異なる共振周波数を有する第1の波トランスデューサ(45)及び第2の波トランスデューサ(50)を画定しており、該任意的に縮退されていてもよい音響渦の発生又は該集束された音響渦の発生が、該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサの該共振周波数の間の範囲の周波数で該第1の波トランスデューサ及び該第2の波トランスデューサを励起するように適合された、マスタ及びスレーブ電気信号の少なくとも1つの組の供給を含む、請求項11~15のいずれか1項に記載の方法。
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