ES2202077T3 - Dispositivo de centrado de una gota. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de centrado de una gota de líquido (2) alrededor de un eje (O) predeterminado en un emplazamiento dado de una superficie (4), caracterizado porque consiste en formar en este emplazamiento un vaciado acampanado (6) tal que, en cualquier punto (CP1) del límite de contacto entre la gota y el vaciado, este tiene una curvatura inferior u opuesta a la de un círculo (TC) tangente a la superficie del vaciado en dicho punto y en un punto simétrico (CP2) de esta superficie con respecto dicho eje (O) de centrado.

Description

Dispositivo de centrado de una gota.

La presente invención se refiere al mantenimiento de una gota de líquido en una posición predeterminada sobre una superficie sólida, y más particularmente al centrado de dicha gota.

Se puede por diversas razones querer mantener una gota colocada sobre una superficie, centrada con precisión sobre un eje predeterminado. Un medio conocido consiste en modificar alrededor de este eje la humectabilidad de la superficie con respecto al líquido de la gota.

La figura 1 representa en vista lateral en sección una gota de líquido 2 dispuesta sobre una superficie 4. La superficie 4 ha sido tratada según una zona circular C1 centrada sobre un eje O. El tratamiento de la zona C1 es tal que su humectabilidad con respecto al líquido de la gota 2 es grande. Así, las fuerzas de capilaridad mantienen la gota 2 centrada sobre el eje O.

Una mejora, no representada, de dicho tratamiento de superficie consiste en crear alrededor del eje O varias zonas concéntricas circulares. El tratamiento de estas zonas es entonces tal que cuanto más próxima está una zona al eje O, mayor es su humectabilidad con respecto al líquido de la gota 2. Dicha mejora permite un centrado de la gota 2 para diferentes ángulos de contacto. Esto es particularmente interesante cuando se dispone de un medio de cambiar éste, por ejemplo con la ayuda de una tensión eléctrica. Dichos tratamientos de superficie pueden sin embargo ser delicados y costosos de realizar.

Un objeto de la presente invención es centrar una gota dispuesta sobre una superficie sin tener que recurrir a una modificación de la humectabilidad de la superficie.

Para alcanzar este objeto, la presente invención prevé un procedimiento de centrado de una gota de líquido alrededor de un eje predeterminado en un emplazamiento dado de una superficie, que consiste en formar en este emplazamiento un vaciado acampanado tal que, en cualquier punto del límite de contacto entre la gota y el vaciado, éste tiene una curvatura inferior u opuesta a la de un círculo tangente a la superficie del vaciado en dicho punto y en un punto simétrico de esta superficie con respecto a dicho eje de centrado.

Según un modo de realización de la presente invención, el vaciado acampanado tiene la forma de un tronco de cono de eje perpendicular a dicha superficie.

Según un modo de realización de la presente invención, el vaciado acampanado tiene la forma de la parte superior central de un toro de eje perpendicular a dicha superficie.

Según otro aspecto de la presente invención, se prevé un procedimiento de centrado de una gota de líquido alrededor de un eje predeterminado sobre la superficie externa de una superficie convexa, que consiste en conferir a esta superficie, en cualquier punto del límite de contacto con la gota, una forma tal que esta superficie sea de curvatura superior a la de un círculo tangente a esta superficie en este punto y en un punto simétrico de esta superficie con respecto a dicho eje de centrado.

Según un modo de realización de la presente invención, se forma la superficie convexa por revolución alrededor de dicho eje de un arco de círculo de radio inferior al de dicho círculo tangente.

La presente invención prevé también una lente de foco variable que utiliza el procedimiento mencionado que comprende una pared de un material aislante, una gota de un primer líquido aislante dispuesta sobre una zona de una primera cara de la pared, un segundo líquido conductor que recubre la primera cara de la gota, siendo los primer y segundo líquidos no miscibles, de índices ópticos diferentes y sensiblemente de igual densidad, y unos medios para aplicar una tensión eléctrica entre el líquido conductor y un electrodo dispuesto sobre la segunda cara de dicha pared, estando la gota dispuesta en un vaciado acampanado de la pared.

Según un modo de realización de la presente invención, el electrodo es una chapa metálica, el vaciado acampanado es un tronco de cono formado por embutición de dicha chapa, centrado sobre un eje perpendicular a la primera cara, y cuyo fondo está perforado por un orificio centrado, y la pared de material aislante es una película plástica transparente aplicada al electrodo y a las paredes del vaciado y que recubre dicho orificio.

Según un modo de realización de la presente invención, el electrodo es una placa metálica, el vaciado acampanado es un tronco de cono formado por mecanizado de dicha placa, centrado sobre un eje perpendicular a la primera cara, y cuyo fondo está perforado por un orificio centrado, y la pared de material aislante es una película plástica transparente aplicada al electrodo y a las paredes del vaciado y que recubre dicho orificio.

Estos objetos, características y ventajas, así como otras de la presente invención serán expuestos en detalle en la descripción siguiente de modos de realización particulares dada a título no limitativo con relación a las figuras anexas, entre las cuales:

la figura 1, descrita anteriormente, representa una vista lateral en sección de un medio de centrado de una gota según la técnica anterior;

la figura 2 representa una vista lateral en sección de una gota de líquido dispuesta sobre una superficie plana;

las figuras 3 a 7 son unas vistas laterales en sección de un gota de líquido dispuesta en un vaciado acampanado de una superficie;

las figuras 8 a 10 son unas vistas laterales en sección de una gota de líquido situada en un extremo de un vástago de toma de gota;

la figura 11 representa una vista lateral en sección de una aplicación de la presente invención al centrado de una gota de líquido transparente utilizada como lente; y

la figura 12 representa una vista lateral en sección de una variante de la figura 11.

Los mismos elementos serán designados por las mismas referencias en las figuras que siguen. En particular, la referencia 2 designará una gota de líquido de pequeñas dimensiones cuya posición sobre una superficie será esencialmente definida por las fuerzas de capilaridad (la tensión superficial). La referencia 4 designará una superficie cuya humectabilidad es constante con respecto al líquido de la gota 2.

La figura 2 representa una superficie 4 plana cortada por un eje O ortogonal a esta superficie. Si se busca disponer una gota de líquido en una posición A centrada sobre el eje O, por ejemplo depositándola a partir de un vástago de toma de gota, se tienen pocas probabilidades de llegar a ello con precisión, quedando la gota allí donde es depositada, por ejemplo en una posición B.

Como se ha ilustrado en la figura 3, para resolver el problema del centrado de una gota 2 con respecto a un eje O, el inventor ha pensado en principio disponer la gota 2 en un vaciado formado en la superficie 4, teniendo este vaciado la forma de un casquete esférico simétrico con respecto al eje O. Sin embargo, ha resultado que cualquier posición de la gota 2 en el vaciado 6 es una posición estable. Así, como en el caso de una superficie 4 plana, si se busca disponer la gota 2 en una posición A centrada sobre el eje O, se tienen pocas probabilidades de llegar a ello con precisión puesto que la gota permanecerá allí donde habrá sido depositada, por ejemplo, en una posición B.

En un primer tiempo, el inventor ha abandonado por tanto la idea del centrado de una gota por medio de un vaciado. Así, la solicitud de patente FR 2 769 375 A presentada por el presente solicitante describe una lente líquida de foco variable formada por una gota de líquido dispuesta en la superficie de un sólido, centrada sobre un eje por los medios descritos en relación con la figura 1. Esta solicitud describe además unos medios electromagnéticos para deformar la gota manteniéndola al mismo tiempo centrada sobre el eje.

Por otra parte, esta solicitud de patente describe una lente líquida de foco variable formada por una gota de líquido contenida en un tubo y mantenida centrada sobre el eje del tubo por capilaridad. Resulta así que se puede centrar una gota 2 sobre un eje O disponiéndola en un vaciado cilíndrico de la superficie 4, centrado sobre este eje. Sin embargo, es difícil disponer una gota de líquido en dicho vaciado cilíndrico evitando que quede una burbuja en la base de la gota.

El inventor ha buscado entonces sistemáticamente qué tipo de vaciado centrado sobre un eje O permite sin dificultades centrar una gota de líquido sobre este eje.

Las figuras 4 a 7 representan cada una una vista lateral en sección de una gota de líquido 2 dispuesta en un vaciado acampanado 6 centrado sobre un eje O y formado en una superficie 4. Para una posición A de la gota 2, centrada sobre el eje O, se llama CP1 un punto cualquiera del límite de contacto entre la gota 2 y la superficie del vaciado 6. Se denomina círculo tangente TC el círculo, cuyo centro está situado sobre el eje O, y que es tangente a la superficie del vaciado a la vez en el punto CP1 y en un punto CP2 simétrico.

La figura 4 representa una gota de líquido 2 dispuesta en un vaciado 6 formado por la revolución alrededor del eje O de un arco de círculo de radio inferior al del círculo TC anterior. Así, en cualquier punto CP1 del límite de contacto entre la superficie del vaciado y la gota, la curvatura de la superficie del vaciado es superior a la del círculo TC.

La figura 5 representa una gota de líquido 2 dispuesta en un vaciado 6 formado por revolución de un segmento de recta alrededor del eje O. El vaciado 6 es un tronco de cono. Así, en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota, la curvatura de la superficie del vaciado 6 es nula, inferior a la del círculo tangente TC.

La figura 6 representa una gota de líquido 2 dispuesta en un vaciado 6 formado por revolución alrededor del eje O de un arco de círculo de radio superior al del círculo TC anterior. Así, en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota, la curvatura de la superficie del vaciado es inferior a la del círculo tangente TC.

La figura 7 representa una gota de líquido 2 dispuesta en un vaciado 6 formado por revolución alrededor del eje O de un arco de círculo de curvatura opuesta a la del círculo tangente TC. El vaciado 6 corresponde a la parte superior central de un toro. En cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota, la curvatura de la superficie del vaciado 6 es opuesta a la del círculo tangente TC.

El inventor ha puesto en evidencia que, para una gota 2 dispuesta en un vaciado 6 acampanado centrado sobre un eje O, la curvatura de la superficie del vaciado 6 en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota determina si una posición A de la gota, centrada sobre el eje O, es una posición de equilibrio o no.

Así, cuando como en las figuras 5, 6 y 7, la curvatura en cualquier punto CP1 es inferior o inversa a la del círculo tangente TC, una gota dispuesta en dicho vaciado toma naturalmente una posición A centrada sobre el eje O.

Por otra parte, cuando como en la figura 4 la curvatura en cualquier punto CP1 es superior a la del círculo tangente TC, una posición A de la gota, centrada sobre el eje O, es particularmente inestable y no podrá ser mantenida. Una gota dispuesta en dicho vaciado toma naturalmente una posición B descentrada con respecto al eje O.

Finalmente, cuando como en la figura 3 la curvatura en cualquier punto CP1 es igual a la del círculo tangente TC, cualquier posición de la gota es estable, y una gota dispuesta en dicho vaciado en una posición B descentrada conservará esta posición.

Así, la presente invención prevé un procedimiento de centrado de una gota según la primera reivindicación.

Se observará que solamente cuenta el límite de contacto entre la gota y la superficie del vaciado. La forma del fondo del vaciado no tiene importancia y la misma podrá ser plana, convexa o cóncava.

Según otro aspecto de la invención, se considera una superficie convexa de humectabilidad uniforme, centrada sobre un eje O, sobre la cual es depositada una gota de líquido en una posición A centrada sobre el eje O. Se considera de nuevo el punto CP1 y el círculo tangente TC descritos anteriormente.

Las figuras 8 a 10 son unas vistas laterales en sección de una gota de líquido 14 dispuesta sobre una superficie convexa 16 centrada sobre un eje O.

La figura 8 representa el caso en que la superficie convexa es esférica. La superficie de la esfera 16 en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota 14 está siempre confundido con el círculo tangente TC.

En el caso de la figura 9 la superficie convexa es cónica. La "curvatura" de la superficie cónica 16 en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota 14 es siempre inferior a la del círculo tangente TC.

En el caso de la figura 10 la superficie convexa está formada por revolución alrededor del eje O de un arco de círculo de radio inferior al del círculo tangente TC. La curvatura de la superficie en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota 14 es siempre superior la del círculo tangente TC.

El inventor ha puesto en evidencia que, para una gota 14 dispuesta sobre una superficie convexa 16 centrada sobre un eje O, la curvatura en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota determina si una posición A de la gota, centrada sobre el eje O, es una posición de equilibrio o no.

Así, cuando como en la figura 10, la curvatura en cualquier punto CP1 es superior a la del círculo tangente TC, una gota dispuesta sobre dicha superficie toma naturalmente una posición A centrada sobre el eje O.

Por el contrario, cuando como en la figura 9 la curvatura en cualquier punto CP1 es inferior a la del círculo tangente TC, una posición A de la gota, centrada sobre el eje O, es inestable. Una gota dispuesta sobre dicha superficie toma naturalmente una posición B descentrada con respecto al eje O.

Finalmente, cuando como en la figura 8 la curvatura en cualquier punto CP1 es igual a la del círculo tangente TC, cualquier posición de la gota es estable, y una gota dispuesta en una posición B descentrada conservará esta posición.

Así, la presente invención prevé un procedimiento de centrado de una gota sobre una superficie convexa que consiste, en cualquier punto CP1 del límite de contacto con la gota, en conferir a la superficie una curvatura superior a la del círculo tangente TC.

Según una aplicación de este procedimiento, la superficie convexa 16 constituye el extremo de un vástago 18 de toma de una gota 14. En efecto, para ciertas manipulaciones químicas o biológicas, es deseable disponer de vástagos de toma de gota que permitan manipular unas gotas de líquido con precisión y fiabilidad. Un vástago de toma de gota cuyo extremo está formado según la presente invención, permite transportar unas gotas centradas de manera cierta.

Se describirá ahora una aplicación de la presente invención a la realización de un medio de centrado de una gota de líquido utilizada como lente óptica.

La figura 11 representa una vista en sección simplificada de dicha lente líquida de foco variable, formada en un recinto dieléctrico 4 lleno de un líquido conductor 8. El dieléctrico 4 presenta naturalmente una baja humectabilidad con respecto al líquido conductor 8. Una cara interior de una pared del recinto 4 presenta un vaciado 6, centrado alrededor de un eje O perpendicular a esta pared. El vaciado 6 es un tronco de cono según la presente invención, tal como el representado en la figura 5. Una gota de un líquido aislante 2 es colocada en el vaciado 6. Como se ha visto anteriormente, la gota de líquido aislante 2 toma naturalmente una posición A centrada sobre el eje O. El líquido aislante 2 y el líquido conductor 8 son ambos transparentes, no miscibles, son de índices ópticos diferentes y tienen sensiblemente la misma densidad. La dioptra formada entre los líquidos 8 y 2 constituye una cara de una lente líquida cuyo eje óptico es el eje O y cuya otra cara corresponde al contacto entre la gota y el fondo del vaciado. Un electrodo 10, que presenta un orificio 11 en la proximidad del eje O, está dispuesto sobre la cara exterior de la pared del recinto dieléctrico 4. Un electrodo 12 está en contacto con el líquido conductor 8. El electrodo 12 puede estar sumergido en el líquido 8, o bien ser un depósito conductor realizado sobre una pared interna del recinto 4. Una fuente de tensión (no representada) permite aplicar una tensión V entre los electrodos 10 y 12.

Se puede hacer crecer la tensión V de 0 voltios a una tensión máxima que depende de los materiales utilizados. Cuando la tensión crece, la gota de líquido aislante 2 se deforma hasta alcanzar una posición límite (designada por la referencia B). Mientras que la gota 2 se deforma de su posición A su posición B, el foco de la lente líquida varía.

Se observará que, siendo la gota 2 de un líquido aislante, no se producen microgotas en su superficie cuando la tensión V es elevada, contrariamente a lo que se produciría si la gota fuera de un líquido conductor.

La forma cónica del vaciado 6 es tal que, cualquiera que sea la forma de la gota 2 que contiene, la curvatura de su superficie en cualquier punto de contacto entre el límite de la gota y la superficie es inferior a la de un círculo tangente TC que pasa por este punto. Así, según un aspecto de la presente invención, el vaciado 6 es tal que, a todo lo largo de su deformación de su posición A a su posición B, la gota de líquido 2 es continuamente mantenida centrada sobre el eje O. Se dispone así de una lente líquida cuyo eje óptico permanece fijado con precisión, y cuyo foco varía con la tensión V.

Se observará que un vaciado 6 según la presente invención, que asegura el centrado continuo de la gota de líquido 2, es relativamente simple de realizar y que reemplaza ventajosamente los medios de centrado electromagnéticos o por tratamiento de superficie descritos en la solicitud de patente francesa antes mencionada.

Se utilizará preferentemente como tensión V una tensión alterna, a fin de evitar la acumulación de cargas eléctricas en el espesor del material 4, a partir de la superficie sobre la cual está depositada la gota 2.

A título de ejemplo se podrá utilizar como líquido conductor 8 agua cargada de sales (minerales u otras) o cualquier líquido, orgánico o no, que sea conductor o hecho tal por adición de compuestos iónicos. Como líquido aislante 2, se podrá utilizar aceite, un alcano o mezcla de alcanos, eventualmente halogenados, o cualquier otro líquido aislante y no miscible con el líquido conductor 8. La pared dieléctrica 4 puede ser una placa de cristal o una superposición de polímero fluorado, de resina epoxi, de polietileno. El electrodo 10 puede ser un depósito metálico.

La figura 12 representa una vista en sección simplificada de una variante de realización de la lente líquida de foco variable de la figura 11. Las mismas referencias designan los mismos elementos en las figuras 11 y 12. En este modo de realización, el electrodo 10 puede ser una chapa metálica en la cual el vaciado 6 está formado por embutición. La misma puede ser también una pared metálica en la cual se ha formado el vaciado 6 por mecanizado y después pulido. La pared 4 es entonces, por ejemplo, una película plástica delgada transparente aplicada sobre el electrodo 10 y que recubre el orificio 11. Esta película plástica podrá por ejemplo ser aplicada por termoconformado.

En el ejemplo de aplicación de la figura 12, la gota 2 tiene un diámetro en reposo de aproximadamente 1 a 5 mm. Siendo el líquido conductor 8 y el líquido aislante de la gota 2 sensiblemente de igual densidad, la gota 2 tiene la forma de un casquete esférico. Cuando la misma está en reposo (posición A), el borde de la gota 2 forma un ángulo de aproximadamente 45 grados con la superficie del vaciado 6, si este último es un cono que tiene una pendiente de 45 grados. En su posición límite (posición B), el borde de la gota 2 forma un ángulo de aproximadamente 90 grados con la superficie del recinto 4. El dispositivo descrito que utiliza como líquido conductor 8 agua salada de índice óptico 1,35 y como líquido aislante de la gota 2 aceite de índice óptico 1,45, permite obtener aproximadamente 30 dioptrías de variación de foco para una tensión aplicada de 250 V y una potencia eléctrica disipada de algunos mW. La frecuencia de la tensión alterna está en este caso comprendida entre 100 y 10.000 Hz, siendo su período netamente inferior al tiempo de respuesta del sistema en aproximadamente algunas centésimas de segundo.

La lente de foco variable según la presente invención puede tener un tamaño comprendido entre algunas centenas de \mum y algunas decenas de mm y puede en particular ser aplicada al campo de los sistemas optoelectrónicos, de endoscopia, de formación de imagen y de visión.

Desde luego, la presente invención es susceptible de diversas variantes y modificaciones que aparecerán al experto en la materia. En particular, la presente descripción ha sido dada en relación con unos vaciados que tienen una sección circular, es decir formados por rotación alrededor de un eje O. Sin embargo, se podrán por ejemplo prever unos vaciados alargados, que tengan la forma de un canal. En este caso, se considerarán las figuras 5 a 7 como que describen la vista en sección de un canal, y el eje O representará el plano de simetría de dicho canal.

Por otra parte, se ha representado en la figura 11 un vaciado 6 de fondo plano, que provoca que la lente líquida sea una lente plano-convexa. Ahora bien, se ha visto que la forma del fondo del vaciado 6 no influye sobre sus propiedades de centrado de la gota 2. Así, se podrán realizar sin dificultades unas lentes biconvexas o en menisco modificando la curvatura del fondo del vaciado 6.

Por otra parte también, se ha representado en las figuras 11 y 12 un modo de realización de una lente de foco variable que utiliza un vaciado cónico tal como en la figura 5, pero se adaptará sin dificultades la presente invención a una lente de foco variable que utiliza otra forma de vaciado según la presente invención.

Finalmente, se podrá realizar un dispositivo que comprende una red formada por grupos de tres lentes de foco variable, mandadas separadamente, coloreadas en rojo, verde, azul, que funcionan por ejemplo en todo o nada, que permiten dejar pasar o parar la luz que proviene de una fuente única de luz blanca, formando así una pantalla de color luminoso que puede ser de tamaño muy grande y de coste moderado.

Claims (8)

1. Procedimiento de centrado de una gota de líquido (2) alrededor de un eje (O) predeterminado en un emplazamiento dado de una superficie (4), caracterizado porque consiste en formar en este emplazamiento un vaciado acampanado (6) tal que, en cualquier punto (CP1) del límite de contacto entre la gota y el vaciado, este tiene una curvatura inferior u opuesta a la de un círculo (TC) tangente a la superficie del vaciado en dicho punto y en un punto simétrico (CP2) de esta superficie con respecto dicho eje (O) de centrado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el vaciado acampanado (6) tiene la forma de un tronco de cono de eje perpendicular a dicha superficie.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el vaciado acampanado (6) tiene la forma de la parte superior central de un toro de eje perpendicular a dicha superficie.

4. Procedimiento de centrado de una gota de líquido (14) alrededor de un eje (O) predeterminado sobre la superficie externa de una superficie convexa (16), caracterizado porque consiste en conferir a esta superficie en cualquier punto (CP1) del límite de contacto con la gota una forma tal que esta superficie sea de curvatura superior a la de un círculo (TC) tangente a esta superficie en este punto y en un punto simétrico (CP2) de esta superficie con respecto a dicho eje (O) de centrado.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque consiste en formar la superficie convexa (16) por revolución alrededor de dicho eje de un arco de círculo de radio inferior al de dicho círculo tangente.

6. Lente de foco variable que comprende:

una pared de un material aislante (4),

una gota de un primer líquido aislante (2) dispuesta sobre una zona de una primera cara de la pared,

un segundo líquido conductor (8) que recubre la primera cara y la gota, siendo los primer y segundo líquidos no miscibles, de índices ópticos diferentes y sensiblemente de igual densidad, y

unos medios (12) para aplicar una tensión eléctrica (V) entre el líquido conductor y un electrodo (10) dispuesto sobre la segunda cara de dicha pared, en la que dicha pared presenta un vaciado acampanado (6) que tiene una curvatura que permite centrar en el mismo dicha gota de acuerdo con el procedimiento de la reivindicación 1.

7. Lente de foco variable según la reivindicación 6, caracterizada porque:

el electrodo (10) es una chapa metálica,

el vaciado acampanado (6) es un tronco de cono formado por embutición de dicha chapa, centrado sobre un eje (O) perpendicular a la primera cara, y cuyo fondo está perforado por un orificio (11) centrado, y

la pared de material aislante (4) es una película plástica transparente aplicada al electrodo y a las paredes del vaciado y que recubre dicho orificio.

8. Lente de foco variable según la reivindicación 6, caracterizada porque:

el electrodo (10) es una placa metálica,

el vaciado acampanado (6) es un tronco de cono formado por mecanizado de dicha placa, centrado sobre un eje (O) perpendicular a la primera cara, y cuyo fondo está perforado por un orificio (11) centrado, y

la pared de un material aislante (4) es una película plástica transparente aplicada al electrodo y a las paredes del vaciado y que recubre dicho orificio.