JP4385526B2 - 液滴のセンタリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の滴を、固体表面のあらかじめ定められた位置に維持すること、ならびに、より正確には、滴のセンタリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々な理由により、表面にある滴を、あらかじめ定められた軸を正確に中心にして維持することが望まれている。既にある方法としては、滴に関する表面のぬれ度を、軸のまわりで修正するものがある。
【０００３】
図１は、表面４上にある滴２を、断面図により示したものである。表面４は、軸０を中心とする円形のエリアＣ１の中で処理される。エリアＣ１の処理は、滴２に関するぬれ度が強くなるように行われる。この結果、滴は毛管現象により軸０を中心にして維持される。
【０００４】
ここでは示されていない、上記のような表面処理の改良形は、軸０のまわりにいくつかの同心円のエリアを形成するものである。該エリアの処理は、軸０にそのエリアが近ければ近いほど、液滴２に関するぬれ度がより強くなるというものである。このような改良形により、異なる接触角での滴２のセンタリングが実現している。この改良形は、例えば、電圧による手段など、該角度を変える方法がある際にとりわけ有利である。このような表面処理は、しかしながら、実施が難しく、またコストも高い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、表面上にある滴を、表面のぬれ度を修正する方法を用いることなく、センタリングすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本目的の達成のため、本発明は表面上の所定の位置に液滴をセンタリングする方法を提供する。この方法は、滴とくぼみの接触する境界のポイントにおいて、かかるくぼみが、該表面の該ポイントならびに対称ポイントでくぼみの表面にタンジェント円の曲率よりも小さい、もしくは反対の曲率を持つフレア状のくぼみを、該位置に形成するものである。
【０００７】
本発明の実施形態によれば、フレア状のくぼみは、該表面に対し垂直の軸を持つ円錐台の形状をしている。
【０００８】
本発明の実施形態によれば、フレア状のくぼみは、該表面に対し垂直の軸を持つトーラスの上部中央部分の形状をしている。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、凸表面の外側の表面に滴をセンタリングする方法が提供される。この場合は、該表面が、滴との接触の境界のポイントにおいて、該表面に該ポイントならびに対称ポイントで接するタンジェント円よりも大きい曲率を持つ形状を備えるようにする。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、凸表面は、かかるタンジェント円よりも小さい半径を備えた円の弧を該軸に対し回転させることにより形成される。
【００１１】
本発明は、上記の方法を導入した可変焦点レンズをも提供する。該レンズは、絶縁体で作られた壁、壁の第１の表面のエリア上に配置される第１の絶縁性液体の滴、第１の表面ならびに滴をカバーする第２の導電性液体、（第１の液体と第２の液体には混和性がなく、異なる光学インデックスを持ち、実質的に同密度である）、導電性液体と該壁の第２の表面上に配置された電極の間に電圧をかける手段、ならびに壁のフレア状のくぼみの中にある滴より成る。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、電極は金属板であり、フレア状のくぼみは、該金属板をエンボス加工することにより形成された円錐台であり、第１の表面に対し垂直な軸を中心としており、同金属板の下部には中心を通る穴が開けられており、絶縁体の壁は、電極ならびにくぼみの壁に張りついた透明なプラスチックのフィルムであり、かかる穴をカバーしている。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、電極は金属板であり、フレア状のくぼみは、該金属板を機械加工することにより形成された円錐台であり、第１の表面に対し垂直な軸を中心としており、同金属板の下部には中心を通る穴が開けられており、絶縁体の壁は、電極ならびにくぼみの壁に張りついた透明なプラスチックのフィルムであり、かかる穴をカバーしている。
【００１４】
以上の、本発明の目的、特徴ならびに有効性は、付随する図面に関する以下の限定的でない具体的な実施形態の中で、詳しく述べる。
【００１５】
同一の要素は、以下の図面において、同一の参照番号で示される。とりわけ、参照番号２は、表面における位置を必然的に毛管現象（表面張力）により決定される寸法の小さい液滴を指す。参照番号４は、表面を指し、ぬれ度は液滴２に関して一定である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２は、表面に対し垂直な軸０により切断された平らな表面４を示している。滴が軸０を中心とする位置Ａに配置されることが望まれるときに、例えば、滴把持ロッドからおろされた場合、位置Ａに正確に配置される精度は低く、例えば位置Ｂのところなど、滴があった位置にとどまる。
【００１７】
図３に示されるように、滴２を軸０に関しセンタリングを行うことの問題を解決するため、本発明の発明者は、最初、滴２を表面４内に形成されたくぼみに置くことを考えついた。このくぼみは、軸０に関し対称な球形キャップの形状をしている。しかしながら、くぼみ６の中の滴のあらゆる配置が、安定的配置とみなされてしまう。結果、平らな表面４の場合、滴が軸０を中心とする位置Ａに配置されることが望まれるときには、例えば位置Ｂのところなど、滴があった位置にとどまるので、位置Ａに正確に配置される精度は低い。
【００１８】
当初、本発明の発明者は、くぼみによる滴のセンタリングのアイデアを断念した。結果、本出願人により出されたフランス国における特許出願番号９７／１２７８１は、図１に関連して記述のある手段により、軸を中心にして固体の表面に配置された滴により形成された可変焦点レンズについて説明している。同出願においては、滴を軸中心に維持しつつ変形する、電磁的手段についての説明も行っている。
【００１９】
一方、本出願では、チューブの中にあり、毛管現象によりチューブの軸を中心として維持されている滴により形成される可変焦点液体レンズについて説明している。ここでは、滴２を、軸を中心とする表面４の円筒状のくぼみの中に置くことにより、軸０を中心として配置することが可能なようにみえる。しかしながら、滴の形状を保ちながら、泡を作らないように、滴をこのような円筒状のくぼみに置くことは困難である。
【００２０】
本発明の発明者は、軸０を中心とするくぼみのうち、どのような形状のものが、この軸上での滴の容易なセンタリングを実現するかについて、体系的に調査した。
【００２１】
図４〜７はそれぞれ、軸０を中心として表面４上に形成されたフレア状のくぼみ６の中に位置する、滴２の断面図を表している。軸０を中心とする滴２の位置Ａについて、ＣＰ１は、滴２とくぼみ６の表面の接触の境界のポイントを指す。中心を軸０上にとる円は、ポイントＣＰ１ならびに対称ポイントであるＣＰ２の両方において、くぼみの表面に接しており、タンジェント円ＴＣと呼ばれる。
【００２２】
図４は、前出の円ＴＣの半径よりも小さい半径を持つ円の弧を、軸０のまわりに回転させることによって形成されたくぼみ６の中に位置する滴２を示している。くぼみの表面と滴の接触の境界のポイントＣＰ１において、くぼみの表面の曲率は、円ＴＣの曲率よりも大きい。
【００２３】
図５は、セグメントを軸０のまわりに回転させることによって形成されたくぼみ６の中に位置する滴２を示している。くぼみ６は円錐台である。結果として、滴との接触の境界のポイントＣＰ１において、くぼみ６の表面の曲率は０であり、タンジェント円ＴＣの曲率よりも小さい。
【００２４】
図６は、前出の円ＴＣの弧よりも大きい円の弧を軸０のまわりに回転させることによって形成されたくぼみ６の中に位置する滴２を示している。結果として、滴との境界のポイントＣＰ１において、くぼみの表面の曲率は、タンジェント円ＴＣの曲率よりも小さい。
【００２５】
図７は、タンジェント円ＴＣと反対の曲率を持つ円の弧を、軸０のまわりに回転させて形成されたくぼみ６の中に位置する滴２を示している。くぼみ６は、トーラスの上部中央部分に一致する。滴との接触の境界のポイントＣＰ１において、くぼみ６の表面の曲率は、タンジェント円ＴＣの曲率と反対である。
【００２６】
軸０を中心とするフレア状のくぼみ６の中に位置する滴２については、滴との接触の境界のポイントＣＰ１におけるくぼみ６表面の曲率が、軸０を中心とする滴の位置Ａが均衡点であるか否かを決定することを、本発明の発明者は示している。
【００２７】
結果として、図５、６、７にあるように、ポイントＣＰ１における曲率は、タンジェント円ＴＣの曲率よりも小さい、もしくはそれと逆であり、そのようなくぼみに位置する滴は、自然に軸０を中心とする位置Ａをとる。
【００２８】
反対に、図４にあるように、ポイントＣＰ１における曲率が、タンジェント円ＴＣの曲率よりも大きいとき、軸０を中心とする滴の位置Ａは、極めて不安定であり、維持することが不可能である。そのようなくぼみに位置する滴は、自然と、軸０に関して中心からずれた位置Ｂをとる。
【００２９】
最後に、図３にあるように、ポイントＣＰ１における曲率が、タンジェント円ＴＣの曲率と等しいとき、滴のあらゆる位置が安定的であり、そのようなくぼみの中で中心からずれた位置Ｂに位置する滴は、その位置を保ち続ける。
【００３０】
結果として、本発明は、滴との接触の境界のポイントＣＰ１において、タンジェント円ＴＣの曲率よりも小さい、もしくはそれと反対の曲率を持つフレア状のくぼみを表面の所定の位置に形成し、該位置に滴をセンタリングする方法を提供する。
【００３１】
重要なのは、滴とくぼみの表面の接触の境界だけであることに注意しなければならない。くぼみの形は全く重要ではなく、平らでも、凸面でも、凹面でもよい。
【００３２】
本発明のもうひとつの側面によると、軸０を中心とする均一なぬれ度の凸面の表面が検討されており、かかる凸面の上には滴があり、滴は軸０を中心とする位置Ａにある。前述のポイントＣＰ１ならびにタンジェント円ＴＣは再び検討される。
【００３３】
図８〜１０は、軸０を中心とする凸面の表面１６上に位置する滴１４の断面図である。
【００３４】
図８は、凸面の表面が球体である場合の図である。滴１４との接触の境界のポイントＣＰ１における球体１６の表面は、常にタンジェント円ＴＣと交わる。
【００３５】
図９におけるケースでは、凸面の表面は円錐形である。滴１４との接触の境界のポイントＣＰ１における円錐形の表面１６の「曲率」は常に、タンジェント円ＴＣの曲率よりも小さい。
【００３６】
図１０におけるケースでは、凸面の表面は、タンジェント円ＴＣの半径よりも小さい半径を持つ円の弧を、軸０のまわりに回転させることによって形成される。滴１４との接触の境界のポイントＣＰ１における表面の曲率は常に、タンジェント円ＴＣの曲率よりも大きい。
【００３７】
軸０を中心とする凸面の表面１６上に位置する滴１４については、滴との接触の境界のポイントＣＰ１における曲率が、軸０を中心とする滴の位置Ａが均衡点であるか否かを決定することを、本発明の発明者は示している。
【００３８】
結果として、図１０にあるように、ポイントＣＰ１における曲率がタンジェント円ＴＣの曲率より大きいとき、そのような表面に位置する滴は、自然に軸０を中心とする位置Ａをとる。
【００３９】
しかしながら、図９にあるように、ポイントＣＰ１における曲率がタンジェント円ＴＣの曲率よりも小さいとき、軸０を中心とする滴の位置Ａは不安定である。そのような表面に位置する滴は、自然と、軸０に関して中心からずれた位置Ｂをとる。
【００４０】
最後に、図８にあるように、ポイントＣＰ１における曲率がタンジェント円ＴＣの曲率に等しいとき、滴のあらゆる位置が安定的であり、中心からずれた位置Ｂに位置する滴は、その位置を保ち続ける。
【００４１】
結果として、本発明は、滴との接触の境界のポイントＣＰ１において、タンジェント円ＴＣの曲率よりも大きい曲率を凸面の表面にもたせることにより成る、滴をセンタリングする方法を提案する。
【００４２】
本方法の応用によれば、凸面の表面１６は、滴１４を把持するためのロッド１８の先端を形成している。事実、化学的あるいは生物学的取り扱い操作のためには、正確に、そして確実に滴を取り扱うことを可能にする滴把持ロッドを備えることが望まれる。滴把持ロッドは、先端が本発明に従って形成されており、確実に滴を中心に運ぶことを可能にする。
【００４３】
光学レンズとして用いる滴をセンタリングする手段を形成する、本発明の応用について、以下に述べる。
【００４４】
図１１は、導電性液体８を満たした誘電性格納装置の中に形成された可変焦点液体レンズを簡略的に示した断面図である。誘電体４は、導電性液体８に関し、自然に低いぬれ度を持つ。格納装置４の壁の表面は、下部にくぼみ６を備えており、この壁に垂直な軸０を中心としている。本発明によれば、くぼみ６は、例えば図５に示されているように円錐台である。絶縁性液体２の滴は、くぼみ６の中に位置する。ここまで見てきたように、絶縁体液体の滴２は、自然に、軸０を中心とした位置Ａをとる。絶縁性液体２ならびに導電性液体８は、ともに透明で、混和性がなく、異なる光学インデックスを持ち、実質的に同密度である。液体８と液体２の間に形成されるジオプトリは液体レンズの表面を形成し、その光学的軸は軸０であり、もうひとつの表面は、滴とくぼみの下部の間の接点に一致する。電極１０は、軸０の近くの穴１１を含み、誘電格納装置４の外側の表面に位置している。電極１２は、導電性液体８に接している。電極１２は、液体８の中に沈み、あるいは格納装置４の内壁に設けられる導電付着となる。電圧源（図示なし）により、電極１０ならびに電極１２の間に電圧Ｖをかけることが可能になる。
【００４５】
電圧Ｖは、０ボルトから、最高電圧まで増加させることができ、それは、用いられる素材による。電圧を増加させると、絶縁性液体の滴２は限界位置（参照番号Ｂで示す）に到達するように変形する。滴２が位置Ａから位置Ｂに変形するのに伴い、液体レンズの焦点が変化する。
【００４６】
絶縁性液体である滴２には、電圧Ｖが高いとき、周辺でマイクロドロップは起こらず、逆に、滴が導電性液体であるときには、マイクロドロップが起こる。
【００４７】
くぼみ６は、どのような形状の滴２を含もうと、滴の限界と表面の接触の境界のポイントＣＰ１におけるくぼみの表面の曲率が、このポイントを通るタンジェント円ＴＣの曲率よりも小さくなる円錐形である。結果として、本発明の側面によれば、くぼみ６はそのようなものであるため、位置Ａから位置Ｂへの変形の間中、滴２は、軸０を中心に取り続ける。正確に固定された光学的軸ならびに電圧に伴い変化する焦点を備えた液体レンズは、このようにして実現される。
【００４８】
本発明に従ったくぼみ６は、滴２の継続したセンタリングを確保し、比較的導入が簡単で、前述のフランス国特許出願で説明されている電磁気的センタリング手段あるいは表面処理によるセンタリング手段に有効に取って代わるものであるということに注意しなければならない。
【００４９】
表面に滴２が存在する素材４の厚さの両端の電気的負荷の蓄積を避けるために、電圧Ｖには、好ましくはＡＣ電源が利用される。
【００５０】
例として、塩（ミネラルあるいはその他）を注がれた水、または、その他の有機あるいは無機の液体には導電性があり、あるいはイオン成分の追加によって導電性液体８として使用することが可能になる。絶縁性液体２には、可能であればハロゲン化したアルカリ性あるいはアルカリ性混合の油または、導電性液体８と混和性のない他の絶縁性液体を使用することができる。誘電壁４は、ガラス板もしくはフッ化ポリマー、エポキシ樹脂、ポリエチレンの重ね合わせでよい。電極１０は、金属の付着でよい。
【００５１】
図１２は、図１１の可変焦点液体レンズの代替的な実施形態を簡略的に示した断面図である。図１１ならびに図１２において、同一の要素は同一の参照番号で示される。この実施形態では、電極１０は金属板であり、中で、くぼみ６がエンボス加工により形成されている。電極１０はまた、中で、くぼみ６が機械加工により形成され、その後研磨される金属板である場合もある。壁４は、例えば、電極１０に張りついた薄い、透明のプラスチックフィルムであり、穴１１をカバーしている。該プラスチックフィルムは、例えば、熱成形によりくっつけられる。
【００５２】
図１２の応用例では、滴２の直径は約１〜５ｍｍである。導電性液体８と、絶縁性液体の滴２は実質的に同密度であり、滴２は、球形キャップの形状をしている。アイドリング状態（位置Ａ）のとき、滴２の縁の角度は、くぼみが４５度の傾きを持った円錐であった場合、くぼみ６の表面に対して、約４５度となる。限界位置（位置Ｂ）において、滴２の縁の角度は、格納装置４の表面に対して約９０度となる。光学インデックス１．３５の食塩水を導電性液体８として、光学インデックス１．４５の油を滴２の絶縁性液体として用いた前述の装置により、２５０Ｖの電圧の印加ならびに数ｍＷの電力の放散によって約３０ジオプトリの焦点のバリエーションが実現する。この場合、ＡＣ電圧の周波数は約１００〜１０，０００Ｈｚであり、その周期は、システムの応答時間である1/200〜1/300秒よりもはるかに小さい。
【００５３】
本発明に基づいた可変焦点レンズは数百μｍ〜数十ｍｍのサイズであり、とりわけ、光電子、内視鏡検査、画像ならびにビジョンシステムに応用できる。
【００５４】
もちろん、本発明は技術の進歩に伴う様々な変形ならびに改良形を有する。とりわけ、本発明は、円が交差する、つまりは、軸０のまわりの回転によって形成されたくぼみに関連してなされたものである。しかしながら、例えば、みぞ形の細長いくぼみなども提供される。この場合、図５〜７は、みぞ形の断面を描いたものと考えられ、軸０は、みぞ形の対称面を表す。
【００５５】
反対に、図１１においては、底が平らなくぼみ６が示されている。それは、平凸レンズとなる。くぼみ６の底の形状は、滴２のセンタリングの状態に影響を及ぼさないことがわかる。結果として、くぼみ６の底の曲率を修正することによって、両凸あるいはメニスカスレンズを容易に形成することができる。
【００５６】
反対に、図５のような円錐形のくぼみを用いた可変焦点レンズの実施形態が図１１ならびに図１２に示されている。しかし、本発明は、本発明に基づく別の形のくぼみを用いた可変焦点レンズにも容易に適用することができる。
【００５７】
最後に、例えば全て一緒に、または別々に操作され、単一の白色光の源から来る光を通す、あるいは遮断する、別々に制御される３つの可変焦点レンズ、赤のレンズ、緑のレンズ、青のレンズ、のグループにより形成されるネットワークを備えた装置が形成され、巨大な照明カラースクリーンを低コストで形成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 前述の、従来の技術に基づく、滴センタリング手段の断面図を示したものである。
【図２】 平らな表面にある滴の断面図である。
【図３】 表面のフレア状のくぼみに位置する滴の断面図である。
【図４】 表面のフレア状のくぼみに位置する滴の断面図である。
【図５】 表面のフレア状のくぼみに位置する滴の断面図である。
【図６】 表面のフレア状のくぼみに位置する滴の断面図である。
【図７】 表面のフレア状のくぼみに位置する滴の断面図である。
【図８】 滴把持ロッドの一端にある滴の断面図である。
【図９】 滴把持ロッドの一端にある滴の断面図である。
【図１０】 滴把持ロッドの一端にある滴の断面図である。
【図１１】 本発明を、レンズとして用いる透明の滴のセンタリングに応用したものの断面図である。
【図１２】 図１１の変形を断面図として示したものである。
【符号の説明】
０ 軸
２ 滴（絶縁性液体）
４ 表面
６ くぼみ
８ 導電性液体
１０ 電極
１１ 穴
１２ 電極
１４ 滴
１６ 凸表面
１８ 滴把持ロッド
Ａ 位置Ａ
Ｂ 位置Ｂ
Ｃ１ 円形エリア
ＣＰ１ 滴とくぼみの接触の境界のポイント
ＣＰ２ ＣＰ１の対称ポイント
ＴＣ タンジェント円

Claims (4)

1. 絶縁材料で形成された壁（４）と、
   前記壁の第１の表面のエリア上に配置された第１の絶縁性液体の液滴（２）と、
   前記第１の表面及び前記液滴をカバーする第２の導電性液体（８）と、
   前記第２の導電性液体と前記壁の第２の表面上に配置された電極（１０）との間に電圧（Ｖ）を印加する手段（１２）とを備えており、
   前記第１の絶縁性液体と前記第２の導電性液体とは混和性がなく、異なる光学インデックスを持ち、実質的に同密度であり、
   前記液滴が前記壁のフレア状のくぼみ（６）に配置されており、該フレア状のくぼみが表面を有するように形成されており、前記液滴と前記表面との接触の境界における任意のポイント（ＣＰ１）において、該ポイント及び前記ポイントと対称である、前記表面のポイント（ＣＰ２）で前記表面が該表面に接している円（ＴＣ）の曲率よりも小さい曲率又は該円の曲率と逆の曲率を備えていることを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 前記電極（１０）が金属板であり、
   前記フレア状のくぼみ（６）が、該金属板をエンボス加工することにより形成された円錐台であると共に前記第１の表面に対し垂直な軸（０）を中心としており、前記金属板の下部には中心を通る穴（１１）が開けられており、
   前記壁（４）が、前記電極及び前記フレア状のくぼみに張りついた透明なプラスチックのフィルムであり、前記穴をカバーしていることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
3. 前記電極（１０）が金属板であり、
   前記フレア状のくぼみ（６）が、該金属板を機械加工することにより形成された円錐台であると共に前記第１の表面に対し垂直な軸（０）を中心としており、前記金属板の下部には中心を通る穴（１１）が開けられており、
   前記壁（４）が、前記電極及び前記フレア状のくぼみに張りついた透明なプラスチックのフィルムであり、前記穴をカバーしていることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
4. 前記フレア状のくぼみ（６）が、円錐台であると共に前記第１の表面に垂直な軸（０）を中心としており、前記電極（１０）の下部には中心を通る穴（１１）が開けられており、
   前記壁（４）が透明であり、前記穴をカバーしていることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。

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