JP7809256B2 - 電気音響機器 - Google Patents

電気音響機器

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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。
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。
ここで：
Ｒ（θ）は、方位角θに関する該線の極座標であり、
は自由パラメータであり、
ｌは、脈動ωの渦を巻くＳＡＷの渦次数であり、ｌは、｜ｌ｜≧１である整数である。
は
によって与えられており、ここで、ｚｉ－ｚｉ－１は、該基板上に積層された材料を隔てる２つの連続する界面の間の距離であり、ｚ０が、該基板と該基板に接触する層との間の界面の高さであり、積層された層が存在しない場合には、
であり、
は、
で評価された、
であり、
ここで、
は、下記の式：
において、
に依存する：
は、伝搬方向Ψにおける該基板の表面平面での波スローネスであり、そして、
は、面外方向における波スローネスであり、ｒ又はｚである方向ｉにおける波スローネスが、波数ｋiから
及び
として計算される
は、伝搬方向に関する
の微分であり、
は、関連付けられた電場に対して方向Ψに伝搬している該波の上下動の位相である。
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、
ここで、
において、ｚ（Ｎ）は、図１１に示されている通り、該第１の群の該電極又は該第２の群の該電極が設けられている該圧電基板の面と該渦の焦点位置２との間の軸Ｚに沿った距離であり、
は、該第１の群の該電極又は該第２の群の該電極が設けられている平面上の軸Ｚに沿った高さで圧電効果によって該渦に結合された電位の位相であり；式(i)は、該位相が電極に沿って一定である場合に解かれ、
は、該渦の該焦点位置での角スペクトルの位相であり、
及び
はビームステアリング角（beam stirring angle）であり、好ましくは、
であり、ｍは正の整数であり、
は圧電結合係数であり、
は該渦の波動であり、
は基準速度であり、例えば該圧電基板における平均音波速度に等しく、
は該波の無次元飛行時間であり、これは
と読め、ここで、
において、
は、該圧電基板上にｎ回積層された材料の第１の界面と該第１の群の該電極又は該第２の群の該電極を含んでいる平面との間の距離であり、ｎの媒体が該圧電基板上に積層された場合に、ｎ＝０は、該第１の群の該電極又は該第２の群の該電極を含んでいる平面に対応し、
及び
は、伝搬方向が角度
及び
によって指定される円柱座標系における波スローネスベクトルの成分であり；
は、伝搬則の為該材料から独立しており、且つ例えば該圧電性部分における波スローネスの半径方向成分である
に等しいとして選択され；各波は、多数の波の干渉によって該渦を形成するが、該渦の該焦点位置から測定される軸Ｚからのそれぞれ方位角及び傾斜角である角度
及び
並びに該圧電基板を構成する該材料の屈折角である
で表される方向に沿って媒体ｎ内を伝搬し；角度
が、該波が伝搬するところの該材料から独立している一方、該屈折角
は、スネル－デカルトの関係
を解くことによって得られ；当業者は、当該技術において周知の堅実な音響方法を用いていかなる種類の波に対してまた該材料の特性からスローネスを計算する仕方を知っており；
が以下の分散関係によって与えられ、
そして、
は該渦のグイ位相であり、ここで
はシグネチャ、即ち
で評価される関数ｈのヘッセ行列Ａ
の正固有値の数と負固有値の数との間の差、である。
式(i)を解く為に、一旦４変数関数
が得られると、周知の数値法を用いて、ビームステアリング角
が、以下の微分方程式系
の解として得られる。
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
を計算し、式(v)の解として該積層の各構成要素（ｎ）における波スローネスベクトルのｚ成分を計算すること、
式(iii)の解として関数ｈを計算すること、
式(vii)の解として
を計算すること、
式(vi)の解としてグイ位相を評価すること、
関数
を計算すること、並びに
Ｒ（θ）を評価すること
の連続工程を含む。
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、
である。
式(viii)は、
及び
によって式(i)～式(vii)の集合の解析解として得られ、ｓは該支持部材料における該渦のスローネスであり、及びαは
に影響を有しない定数である。このような場合、式(vi)を解くことが、
及び
をもたらす。更に、
及び、Ａは単位行列であり、グイ位相はπ／２であり、且つレベル集合
の影響を有しない定数であるので放棄されることができる。言い換えれば、式(viii)において、
は定数である。
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。
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。
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。
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。
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：
そして「異方性媒質」内を伝搬する「球形渦」が、下記の式(x)によって定義される：
ここで：
は、図１１に示されている通り、デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）における球座標であり、
は方位角であり、及び
は軸ｚからの傾斜角であり、及び
は該渦の焦点位置からの方位角
及び傾斜角
に沿った半径であり、
及び
は、逆格子空間における該渦の伝搬に対する
及び
それぞれの類似形であり、
は次数ｎ及び次数ｍの球面調和関数であり、
そして
は次数ｎの球ベッセル関数であり、且つ
はルジャンドルの陪多項式である。
「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１は、本発明に従う機器の第１の例の一部分を、螺旋軸に沿った正面図から示す。 図２は、図１に示された該電気音響機器の横断面図である。 図３は、図１に示された例の電極の該トラックの幾つかの他の特徴を示す。 図４は、幾つかの実装の例に従う、図１に示された該機器の第１の群の電極及び第２の群の電極に供給されるマスタ信号及びスレーブ信号の振幅Ａの時間ｔに伴う進展を示す。 図５は、幾つかの実装の例に従う、図１に示された該機器の第１の群の電極及び第２の群の電極に供給されるマスタ信号及びスレーブ信号の振幅Ａの時間ｔに伴う進展を示す。 図６は、本発明の機器の第２の例に従う、該螺旋軸への半径方向の距離ｒｄに応じた、該第１の群の電極及び該第２の群の電極の隣り合うトラックの間の半径方向の間隔の進展を示す。 図７は、該電気音響機器の第２の例の横断面図である。 図８は、機器の別の例の正面図である。 図９は、図８に示された該機器の該螺旋軸を含む平面における横断面図である。 図１０は、該機器の別の例の正面図である。 図１１は、式（ｉ）～（ｘ）を表現する為の基準点の定義を示す。 図１２は、本発明の第２の具体的な実施態様に従う集束された超音波を発生させる為のホット電極の特別な形状を定義する為に実装される方法を示す。
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、該トラックが該トラックの端部２１５、２２０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、該トラックの反対の（別の）端部２０５、２１０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 (15)

  1. 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、
    第１の巻き方向（Ｗ １ ）に沿って該第１の群の該電極の該トラック（９０ ａ－ｄ 、９５ ａ－ｄ ）を辿るときに螺旋軸（Ｚ）から連続的に離れながら該螺旋軸（Ｚ）の周りに巻かれていることによって、該第１の群の該電極の該トラック（９０ａ－ｄ、９５ａ－ｄ）が、該第１の巻き方向（Ｗ１）に沿って同じ該螺旋軸（Ｚ）の周りを螺旋状に巻いており、並びに、
    該第１の巻き方向（Ｗ １ ）と反対の第２の巻き方向（Ｗ ２ ）に沿って該第２の群の該電極のトラック（８０ ａ－ｆ 、８５ ａ－ｆ ）を辿るときに該螺旋軸（Ｚ）から連続的に離れながら該螺旋軸（Ｚ）の周りに巻かれていることによって、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（Ｗ １ ）と反対の該第２の巻き方向（Ｗ２）に沿って該螺旋軸（Ｚ）の周りを螺旋状に巻いている
    前記電気音響機器。
  2. 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。
  3. 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、請求項２に記載の機器。
  4. 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に接続されている、請求項１又は２に記載の機器。
  5. 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。
  6. 該第２の群の各電極の該トラックが、該トラックの端部（２１５、２２０）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、且つ該トラックの別の端部（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。
  7. 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１～６のいずれか１項に記載の機器。
  8. 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、その中で音響渦（Ｖｘ）として伝搬するように構成されている、請求項７に記載の機器。
  9. 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
    該機器が、該基板と音響的に結合されている流体媒質（１５０）を備えており、該音響波が、該流体媒質（１５０）内を伝搬する、集束された音響渦（Ｆｖ）である、
    請求項１～６のいずれか１項に記載の機器。
  10. 流体媒質（１５０）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つの音響渦（Ｖｘ）を請求項８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９に記載の機器を用いて発生させる工程、
    該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工程
    を含む、前記方法。
  11. 該対象物を操作する該工程が、
    該対象物の回転を制御する工程、ここで、前記回転は、前記対象物それ自体が回ることである、及び／又は
    該対象物の平行移動を制御する工程
    を含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 方法であって、
    少なくとも１つの音響渦（Ｖｘ）を請求項８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９に記載の機器を用いて発生させる工程、
    該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）内に伝搬させる工程
    を含む、前記方法。
  13. 該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、又は、
    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１０～１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 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１３に記載の方法。
  15. 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１０～１４のいずれか１項に記載の方法。
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