JP5559802B2

JP5559802B2 - 流体メニスカスを測定する装置

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Publication number: JP5559802B2
Application number: JP2011533876A
Authority: JP
Inventors: ブール，バルトエムデ; ホーフ，トーマスイェーデ; ペーハーヘーヤンセン，テオドリュス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-11-03
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: EP2347214B1; CN102203546A; US20110204902A1; EP2347214A1; CN102203546B; JP2012507704A; US9109876B2; RU2011122473A; WO2010061300A1; RU2535641C2

Description

本発明は、流体メニスカスの形状を測定する装置に関する。

本発明は、更に、このような装置を有するカテーテルに関する。

本発明は、更に、流体メニスカスの形状を測定する方法に関する。

国際公開第２００６／０３５４０７（Ａ１）号パンフレット（特許文献１）には、制御可能な光学レンズシステムが開示されている。かかるシステムは、第１及び第２の流体を収容し、該第１及び第２の流体の間のインターフェースがレンズ面を定めるチェンバを備えたレンズを有する。システムは、レンズ面の形状を電気的に制御する第１の電極及び第２の電極を有する電極配置と、第１及び第２の電極の間のキャパシタンスを測定する働きをするキャパシタンス検知配置によって供給される信号に基づいて電極配置を制御するフィードバック制御ループとを更に有する。

上記特許文献１で開示されている技術は、流体メニスカスに対して特定の形状（例えば、傾斜平板メニスカス又は対称凹面若しくは凸面形状）を生成するには適さない。
国際公開第２００６／０４８１８７号パンプレット（特許文献２）は、可変焦点距離レンズについて記載している。４つの測定セグメントが、メニスカスを検出するために、流体チェンバの周囲に配置されている。各セグメントは、それぞれのキャパシタンスメーターと接続されている。別組のセグメントが、メニスカスを成形するよう非対称場を適用するために使用される。

国際公開第２００６／０３５４０７（Ａ１）号パンフレット国際公開第２００６／０４８１８７号パンフレット

本発明は、より正確に流体メニスカスの形状を測定可能な流体メニスカス形状測定装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、本発明に従う装置によって達成され、当該装置は、
導電性の第１の流体及び絶縁性の第２の流体を有し、前記第１の流体及び前記第２の流体が相互に混合することなく流体メニスカスを介して互いに接している流体チェンバと、
前記流体メニスカスの形状を制御する、メインプレーンに位置付けられるメインエレクトロウェッティング電極、及び部分的に前記流体チェンバを囲み、それぞれの補助プレーンに位置付けられる補助エレクトロウェッティング電極と、
前記メインエレクトロウェッティング電極と複数の補助エレクトロウェッティング電極との間に、それぞれの周波数又は方形波信号を含むそれぞれの電圧を供給する電圧源と、
前記メインエレクトロウェッティング電極とそれぞれの補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを別々に測定する測定回路であって、前記それぞれの周波数又は方形波信号を含む復調信号によってそれぞれのキャパシタンスを示す信号を復調して、該信号をそれぞれの信号成分に分解するマルチプレクサを有する測定回路と
を有する。

補助エレクトロウェッティングを複数設け、メインエレクトロウェッティング電極と少なくとも２つの補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスを測定することによって、流体メニスカスの形状は、有利に、より正確な決定を可能にさせる。前記補助エレクトロウェッティング電極は、前記流体チェンバに含まれる導電性の第１の流体を介して互いに電気的に接続される。従って、第１の流体の特性に依存して、補助エレクトロウェッティング電極間には有意な相互作用が存在する。補助エレクトロウェッティング電極間の相互作用は、単一のキャパシタンスの決定を妨げる。すなわち、該相互作用に起因して、メインエレクトロウェッティング電極と補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスを表す信号は、全体的な特性を示す。補助エレクトロウェッティング電極間の相互作用の結果に対抗するよう、本発明に従う装置は、メインエレクトロウェッティング電極と補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間のキャパシタンスを表す信号を復調するマルチプレクサを設ける。より具体的に、当該信号は、別々の補助エレクトロウェッティング電極に関連するキャパシタンスを表す成分に分けられる。結果として、メインエレクトロウェッティング電極と少なくとも２つの補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスは、別々の測定のために補正可能である。すなわち、流体メニスカスの実際の形状に関する更なる情報が利用可能である。結果として、本発明に従う装置は、流体メニスカスの形状のより正確な測定を可能にする。

本発明に従う装置の好ましい実施形態において、前記測定回路は、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間のキャパシタンスを測定するよう配置される。この利点は、流体メニスカスの形状に関する更なる情報が利用可能になることである。

本発明に従う装置の好ましい実施形態において、当該装置は、前記測定回路によって供給される制御信号に基づいて前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間に供給される電圧を制御する電圧制御回路を有する。この特徴に係る利点は、流体メニスカスの実際の形状と必要とされる形状との間の偏差を補償する点である。このような偏差は、起こり得る製造公差や、例えば温度変化による流体チェンバ内の流体のインサイチュ（in situ）変形により引き起こされうる。更に、偏差は、第１の流体の密度が第２の流体の密度と異なる場合に、重力場に関して流体チェンバの位置付けの変化に起因して引き起こされる。前記電圧制御回路は、前記測定回路によって供給される信号を、必要とされる流体メニスカスを表す設定点信号と比較して、その後に、前記測定回路によって供給される信号と設定点信号との間の起こり得る差に基づいて前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間に適切な電圧を供給することによって、前述の偏差の補償を達成する。

本発明に従う装置の好ましい更なる実施形態において、前記測定回路は、前記メインエレクトロウェッティング電極とそれぞれの補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを測定する演算増幅器を有する。この演算増幅器は、所定の測定キャパシタンスを有する測定キャパシタを設けられている負帰還ループを設けられ、前記マルチプレクサの入力部と協働するよう配置される。関連する実施形態に係る前記測定回路の利点は、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間のキャパシタンスの正確な測定を妨げうる寄生キャパシタンスによる攪乱効果に対抗する当該測定回路の能力にある。

このような寄生キャパシタンスの潜在的な発生源は、同軸測定ケーブルである。従って、本発明に従う装置の関連する実施形態は、特に、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極とが前記測定回路から遠く離れて位置付けられるように流体チェンバが配置される応用にとって有利でありうる。ここで、そのような配置と前記測定回路とは、望ましくは、同軸ケーブルを介して互いに接続される。このような応用の一例は、カテーテルによって与えられ、前記配置は、走査の間、超音波及び／又はレーザビームの向きを変えるようカテーテルの先端に取り付けられる。比較的小さい寸法のカテーテルの先端を考えると、前記測定回路を当該カテーテルの先端に組み込むことはできない。従って、本実施形態の更なる利点は、カテーテルにおける当該装置の利用を可能にするということである。

この具体的な例において、前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれは、少なくとも１つの寄生キャパシタンスが伴う。それに加えて、寄生キャパシタンスは相互に連結される。すなわち、メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスは、流体チェンバ内の第１及び第２の流体を介して相互に作用する。それに加えて、寄生キャパシタンスは、使用の間、同軸ケーブルの屈曲動作により一定でない。

本発明に従う装置の更なる実施形態において、前記測定回路は、前記メインエレクトロウェッティング電極とそれぞれの補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを測定するスイッチング回路を有し、該スイッチング回路は、所定の第１の測定キャパシタンスを有する第１の測定キャパシタと、所定の第２の測定キャパシタンスを有する第２の測定キャパシタとを有し、前記第１の測定キャパシタンス及び前記第２の測定キャパシタンスは相互に異なり、前記スイッチング回路は、前記第１の測定キャパシタ及び前記第２の測定キャパシタを交互に且つ相互排他的に駆動するキャパシタンススイッチを更に有し、前記マルチプレクサの入力部と協働するよう配置される。関連する実施形態の前記測定回路の利点は、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスの正確な測定を妨げうる寄生キャパシタンスによる攪乱効果を相殺する当該測定回路の能力にある。

本発明に従う装置の好ましい実施形態において、前記マルチプレクサは、周波数領域マルチプレクサであり、前記電圧源は、特定の周波数で電圧を供給するよう配置される。前記周波数領域マルチプレクサは、それぞれの補助エレクトロウェッティング電極が前記電圧源によって駆動される周波数に対応する周波数成分をそれぞれ有する復調信号を用いることによって、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスを表す信号を復調する。

本発明に従う装置の実際の実施形態において、前記マルチプレクサは、時間領域マルチプレクサである。該時間領域マルチプレクサは、復調信号を用いて、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスを表す前記信号を復調する。各復調信号は、ロー値及びハイ値を有する方形波信号である。前記電圧源は、それぞれの復調信号のハイ値に対応する電圧との接続を交互に切る電圧スイッチを有する。方形波信号がロー値に達する場合、それぞれの電圧はそれぞれの電圧スイッチによって接続を切られる。方形波信号がハイ値に達する場合、それぞれの電圧は、付随する電圧スイッチを通じて接続される。

本発明に従う装置の更なる実際の実施形態において、前記第１の流体は第１の音速を提供し、前記第２の流体は第２の音速を提供し、前記第１の音速及び前記第２の音速は相互に異なる。すなわち、前記第１の流体を横切る音の速度は第１の値を有し、前記第２の流体を横切る音の速度は第２の値を有し、これらの第１及び第２の値は相互に異なっている。結果として、前記流体メニスカスの形状を適切に制御することにより、前記流体メニスカスは、音の方向を変えることができる。関連する実施形態の可能な応用は、超音波ビームの方向を制御することにある。

本発明に従う装置の更なる実際の実施形態において、前記第１の流体は第１の屈折率を有し、前記第２の流体は第２の屈折率を有し、前記第１の屈折率及び前記第２の屈折率は相互に異なる。結果として、前記流体メニスカスの形状を適切に制御することにより、前記流体メニスカスは、例えばレーザビーム等の電磁放射の方向を変えることができる。

本発明は、更に、流体チェンバにおける導電性の第１の流体と絶縁性の第２の流体との間の流体メニスカスの形状を測定する方法であって、前記第１の流体及び前記第２の流体は相互に混合しない方法において、
メインプレーンに位置付けられるメインエレクトロウェッティング電極と、部分的に前記流体チェンバを囲み、補助プレーンに位置付けられる補助エレクトロウェッティング電極と間に、それぞれの周波数又は方形波信号を含むそれぞれの電圧を供給するステップと、
前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを、前記それぞれの周波数又は方形波信号を含む復調信号によって前記キャパシタンスのそれぞれを示す信号を復調して、該信号をそれぞれの信号成分に分解するマルチプレクサを有する測定回路によって、別々に測定するステップと
を有する方法を提供することを目的とする。

本発明に従う方法の好ましい実施形態において、前記測定回路によって供給される信号に基づいて前記補助エレクトロウェッティング電極へ供給される電圧を制御するステップが提供される。

本発明は、更に、音及び／又は電磁放射の方向の実時間制御のためのカテーテルを提供することを目的とする。本発明のこの目的は、本発明に従う装置を設けられた本発明に従うカテーテルによって達成される。

本発明は、更に、請求項１１乃至１３に記載されるようなカテーテル、光学式記憶装置、及びフォトカメラにおける本発明に従う装置の使用に関する。

流体チェンバ、メインエレクトロウェッティング電極及び補助エレクトロウェッティング電極を有する装置を断面図において図式的に表す。図１Ａに表される装置の底面図を図式的に示す。図１Ａ及び図１Ｂに従う装置に適用される測定回路及び同軸ケーブルとともにエレクトロウェッティングレンズの電気的挙動モデルを図式的に表す。流体チェンバ、メインエレクトロウェッティング電極、補助エレクトロウェッティング、及び時間領域マルチプレクサを設けられた測定回路を有する装置を断面図において図式的に表す。図３Ａに表される装置の底面図を図式的に表す。図３Ａ及び図３Ｂの装置に適用される測定回路及び同軸ケーブルとともにエレクトロウェッティングレンズの電気的挙動モデルを図式的に表す。流体メニスカスの形状を測定する方法を表すフローチャートを示す。

本発明に従う装置の第１実施形態が、図１Ａ、図１Ｂ及び図２に表されている。図１Ａは、装置１０２の断面図を示し、一方、図１Ｂは、装置１０２の底面図を示す。装置１０２は流体チェンバ１０４を有する。流体チェンバ１０４は、底面１０６と、壁面部１０８、１１０、１１２及び１１４（図１Ｂ参照）を有する壁面とを有する。壁面部１０８、１１０、１１２及び１１４は、ショートカットを防ぐ絶縁層１１６を設けられている（図１Ａ参照）。代替の実施形態において、流体チェンバ１０４は、円錐形若しくは円筒形の壁面、又は他の何らかの適切な壁面を有してよい。装置１０２は、この具体的な実施形態では底面１０６に取り付けられているメインエレクトロウェッティング電極１１８と、部分的に流体チェンバ１０４を囲み、壁面部１０８、１１０、１１２及び１１４にそれぞれ取り付けられている補助エレクトロウェッティング１２０、１２２、１２４及び１２６（図１Ｂ参照）とを有する。この具体例において、メインプレーン１１９及び補助プレーン１２１、１２３、１２５及び１２７は重ならない。

図１Ａを参照して、流体チェンバ１０４は、第１の流体１２８及び第２の流体１３０を有し、第１の流体１２８及び第２の流体１３０は、相互に混合することなく、流体間のインターフェースである流体メニスカス１３２を定める。第１の流体１２８は導電性であり、第２の流体１３０は絶縁性である。すなわち、第１の流体１２８は第１の導電率を有し、第２の流体１３０は第２の導電率を有し、第２の導電率は第１の導電率と比較して十分に小さい。理想的には、第２の導電率は無である。望ましくは、第１の流体１２８の密度と第２の流体１３０の密度とは、装置１０２を重力場に対する方向の変化に比較的鈍感にするように、ほとんど相互の違いを有さない。

動作の間、電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３及びＶ_４は、それぞれ周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３及びｆ_４で電圧源１３４によって補助エレクトロウェッティング１２０、１２２、１２４及び１２６のそれぞれに供給される。ここで、ｆ_１≠ｆ_２≠ｆ_３≠ｆ_４とする。電圧を補助エレクトロウェッティング１２０、１２２、１２３及び１２４に供給することにより、流体メニスカス１３２の形状は、接触角度φ１及びφ２を制御することで制御される（図１Ａ参照）。接触角度φ１は、流体メニスカス１３２と壁面部１０８との間の角度として定義され、接触角度φ２は、流体メニスカス１３２と壁面部１１２との間の角度として然るべく定義される（図１Ｂ参照）。この実施形態では、目的は、図１Ａに示されるように、傾斜した真っ直ぐな流体メニスカスを発生させることである。接触角度は、エレクトロウェッティング効果を用いることで制御される。接触角度は、メインエレクトロウェッティング電極１１８と補助エレクトロウェッティング１２０、１２２、１２４及び１２６のそれぞれとの間のキャパシタンスを測定することで推定される。すなわち、前述のキャパシタンスは、導電性の第１の流体１２８によりカバーされるエレクトロウェッティング電極の領域１３６及び１３８の面積によって決定される。導電性の第１の流体１２８によりカバーされる領域１３６及び１３８は、接触角度φ１及びφ２とともに比例的に変化する。流体メニスカス１３２と壁面部１１０及び１１４との間の接触角度も同様に制御される。

この具体例では、装置１０２は、図１Ａに表されるように、超音波トランスデューサ１４４によって生成される超音波ビーム１４２の方向を実時間で制御するために、カテーテルの先端１４０に取り付けられている。そのために、第１の流体１２８は第１の音速を提供し、第２の流体１３０は第２の音速を提供し、第１の音速は第２の音速とは異なる。流体メニスカス１３２で起こる音速に対する不連続は、超音波ビームの方向を変える。従って、流体メニスカスの傾斜角を制御することで、超音波ビーム１４２は、例えば人体内部の目的の場所へと向けられる。より詳しくは、国際公開第２００６／０３５４０７（Ａ１）号パンフレットを参照されたい。装置１０２は、カテーテルにおける適用に限定されず、他の期待できる用途は、内視鏡、生検針及び走査型顕微鏡にある。

カテーテルの先端は比較的小さい寸法であるために、測定回路１４４及び電圧源１３４はカテーテルの先端１４０に組み込まれないことがある。結果として、測定回路１４４及び電圧源１３４はカテーテルの先端１４０から離れて配置される。測定回路１４４は、信号１５３に基づいて、メインエレクトロウェッティング電極１１８と補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６との間のキャパシタンスを別々に測定するよう配置される。信号１５３は、メインエレクトロウェッティング電極１１８と補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６のそれぞれとの間のキャパシタンスを示す。これらのキャパシタンスは、それぞれ、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４によって表される（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。従って、具体例において、補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６のそれぞれは、測定回路１４４によって考慮される。測定回路１４４及び電圧源１３４は、同軸ケーブル１４６、１４８、１５０、１５１及び１５２を用いてエレクトロウェッティングレンズ１０２と物理的に接続されている。これらの同軸ケーブルは、同軸ケーブル間に相互結合が存在しないようにシールドされているが、同軸ケーブル１４６、１４８、１５０、１５１及び１５２は、寄生キャパシタンスＣ_Ｐ１、Ｃ_Ｐ２、Ｃ_Ｐ３、Ｃ_Ｐ４及びＣ_Ｐ５を有する有意な寄生キャパシタを導入する。寄生キャパシタンスは、使用の間の同軸ケーブル１４６、１４８、１５０、１５１及び１５２の屈曲動作により、一定でない。ケーブル１４６、１４８、１５０及び１５１は、共通の電気的に絶縁されたケーブルによって具現されてよく、それらのケーブルの間には、寄生キャパシタンスが現れうる。

図２は、装置１０２の電気的な挙動のモデルを表す。更に、図２は、より詳細に、図１Ａ及び図１Ｂの装置において適用される測定回路１４４を表す。キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４を別々に測定するために、測定回路２０２は、負帰還ループ２０６を設けられた演算増幅器２０４を有し、負帰還ループ２０６は、測定キャパシタンスＣ_ｍｅａｓを有する測定キャパシタ２０８を設けられている。演算増幅器の正入力Ｖ_＋は接地されている。負帰還ループ２０６により、演算増幅器２０４の負入力Ｖ₋は仮想接地にある。すなわち、Ｖ₋＝Ｖ_＋である。後者はＶ₋＝０［Ｖ］を暗に意味する。電流が寄生キャパシタンスＣ_Ｐ１、Ｃ_Ｐ２、Ｃ_Ｐ３、Ｃ_Ｐ４を通って流れるが、キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４にかかる電圧は、それぞれ、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３及びＶ_４に等しい。Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４を通って流れる電流は、寄生キャパシタンスＣ_Ｐ５が、仮想電圧にある演算増幅器の負入力Ｖ₋に接続されているので、寄生キャパシタンスＣ_Ｐ５を流れない。従って、メインエレクトロウェッティング電極１１８と補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６との間のキャパシタンスを表す信号２１０を特徴付ける電圧Ｖ_ｍｅａｓは、下記の式から得られる：

ここで、ωはラプラス変数の虚数部分に相当し、ｊは虚数単位を表す。更に、Ｖ_ｍｅａｓは、それ自体知られているボルトメーター（Voltmeter）を用いてキャパシタンスＣ_ｍｅａｓの両端で測定される電圧である。

測定回路２０２は、この具体例において周波数領域マルチプレキシングを用いるマルチプレクサ２１２を更に有する。代替的に、時間領域マルチプレキシングが用いられてよい。演算増幅器２０４は、マルチプレクサ２１２の入力２１１と協働する。マルチプレクサ２１２は、キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４を表す信号２１０を、これらのキャパシタンスのそれぞれを表す複数の信号２１４、２１６、２１８及び２２０に複製する。複製の数は、補助エレクトロウェッティング電極の数に対応する。複製の後、信号２１４、２１６、２１８及び２２０は、周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３及びｆ_４をそれぞれ有する復調信号を用いて復調される。復調信号の周波数は、補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６が電圧源１３４によって駆動されている周波数と同じである（図１Ｂ参照）。復調信号は正弦関数であってよい。代替的に、復調信号は、方形波又は他の適切な波形によって具現されてよい。周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３及びｆ_４は、復調の後、信号２１４、２１６、２１８及び２２０の中のただ１つの周波数成分が直流（すなわち、０［Ｈｚ］）に復調され、一方、復調された信号２２２、２２４、２２６及び２２８に存在する可能な他の周波数成分が０［Ｈｚ］から十分に離れている（少なくとも１００［Ｈｚ］）ようにする。

動作の間、復調された信号２２２、２２４、２２６及び２２８は、それぞれ、復調された信号の直流成分が影響を受けず、他方、より高い周波数成分が有効に減衰されるようなカットオフ周波数を有するローパスフィルタ２３０、２３２、２３４及び２３６によりフィルタをかけられる。ローパスフィルタをかけられた信号２３８、２４０、２４２及び２４４は、電圧Ｖ_{ｍｅａｕ，１}、Ｖ_{ｍｅａｕ，２}、Ｖ_{ｍｅａｕ，３}及びＶ_{ｍｅａｕ，４}によって特徴付けられる。これらの電圧は、下記の関係に従って、それぞれ、キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４に関連している：

なお、ｋ∈｛１，２，３，４｝である。従って、メインエレクトロウェッティング電極１１８と補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２，１２４及び１２６との間のキャパシタンスＣ_ｋのそれぞれは、下記の関係に従って、決定されてよい：

なお、ｋ∈｛１，２，３，４｝である。本発明に従う第１実施形態は、必ずしも、補助エレクトロウェッティング電極の数が４である場合に限定されないと協調される。すなわち、指数ｋは、２以上の数であればいくつであってもよい。

図１Ａ及び図１Ｂを参照して、電圧制御回路１５４が表されている。電圧制御回路１５４は、流体メニスカス１３２の実際の形状が流体メニスカス１３２の所望の形状と一致するように、測定回路１４４によって供給される制御信号１５６に基づいて、補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６にそれぞれ供給される電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３及びＶ_４を制御するために配置される。流体メニスカス１３２の形状のための所望の形状は、接触角度設定点φ _ｓｅｔによって表される。この具体的な実施形態において、φ _ｓｅｔは４次元ベクトルであり、流体メニスカス１３２と壁面部１０８、１１０、１１２及び１１４のそれぞれとの間の接触角度φ_１、φ_２、φ_３（図示せず。）及びφ_４（図示せず。）のそれぞれのための基準を有する。接触角度設定点φ _ｓｅｔは、換算テーブル１５８を用いて、キャパシタンス設定点Ｃ _ｓｅｔに変換される。キャパシタンス設定点Ｃ _ｓｅｔは、キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４、すなわち、メインエレクトロウェッティング電極１１８と補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６との間のキャパシタンスのための４次元基準ベクトルである。換算テーブル１５８は、例えば、実験的に得られる。４次元加重点１６０において、キャパシタンス設定点Ｃ _ｓｅｔは、測定されるキャパシタンスＣ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}と比較される。ここで、Ｃ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}は、測定回路１４４によって決定されるキャパシタンスＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３及びＣ_４を含むベクトルである。コントローラ１６２は、Ｃ _ｓｅｔとＣ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}との間の差Δ（すなわち、Δ＝Ｃ _ｓｅｔ−Ｃ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}）に応じて、４次元電圧制御信号１６４を電圧源１３４に供給する。また、電圧制御信号１６４は、測定回路１４４が式［３］に従って計算を行うことを可能にするために、測定回路１４４に供給される。その後、電圧源１３４は、前述の電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３及びＶ_４を、それぞれ、補助エレクトロウェッティング電極１２０、１２２、１２４及び１２６に供給する。単にこの特定の実施形態のためにだけ、電圧制御回路１５４は４つの電圧を制御するよう設けられている。すなわち、少なくとも２以上であれば、電圧制御回路１５４によって制御される電圧の数はいくつであってもよい。

本発明の第２実施形態は、図３Ａ、図３Ｂ及び図４に表されている。図３Ａは装置３０２の断面図を示し、一方、図３Ｂは装置３０２の底面図を示す。装置３０２は流体チェンバ３０４を有する。流体チェンバ３０４は、上端３０６と、壁面部３０８、３１０、３１２及び３１４（図３Ｂ参照）を有する壁面とを有する。壁面部３０８、３１０、３１２及び３１４は、ショートカットを防ぐ絶縁層３１６を設けられている（図３Ａ参照）。代替の実施形態において、流体チェンバ３０４は、円錐形若しくは円筒形の壁面、又は他の何らかの適切な壁面を有してよい。装置３０２は、上端３０６に取り付けられている接地されたメインエレクトロウェッティング電極３１８を有する。この具体例では、装置３０２は、部分的に流体チェンバ３０４を囲み、壁面部３０８及び３１２にそれぞれ取り付けられている２つの補助エレクトロウェッティング３２０及び３２２を有する。

図３Ａに示されるように、流体チェンバ３０４は、第１の流体３２４及び第２の流体３２６を有し、第１の流体３２４及び第２の流体３２６は、相互に混合することなく、流体間のインターフェースである流体メニスカス３２８を定める。第１の流体３２４は導電性であり、第２の流体３２６は絶縁性である。すなわち、第１の流体３２４は第１の導電率を有し、第２の流体３２６は第２の導電率を有し、第２の導電率は第１の導電率と比較して十分に小さい。理想的には、第２の導電率は無である。

使用の間、電圧Ｖ_１及びＶ_２は、電圧源３３０によって補助エレクトロウェッティング３２０及び３２２に供給される。電圧を補助エレクトロウェッティング３２０及び３２２に供給することにより、流体メニスカス３２８の形状は、接触角度φ１及びφ２を制御することで制御される。接触角度φ１は、流体メニスカス３２８と壁面部３０８との間の角度として定義され、接触角度φ２は、流体メニスカス３２８と壁面部３１２との間の角度であるように然るべく定義される。この例では、流体メニスカス３２８について上方に面した形状、すなわち、流体チェンバ３０４の底面から見られる形状を発生させることが目的である。接触角度は、エレクトロウェッティング効果を用いることで制御される。接触角度φ１及びφ２は、メインエレクトロウェッティング電極３１８と補助エレクトロウェッティング３２０及び３２２のそれぞれとの間のキャパシタンスを測定することで推定される。すなわち、前述のキャパシタンスは、導電性の第１の流体３２４によりカバーされるエレクトロウェッティング電極の領域３３２及び３３４の面積によって決定される。導電性の第１の流体３２４によりカバーされる領域３３２及び３３４は、接触角度φ１及びφ２とともに比例的に変化する。電圧Ｖ_１及びＶ_２は、それぞれ、第１の電圧スイッチ３３１及び第２の電圧スイッチ３３３を用いて交互に接続を切られる。時間ｔ_１の期間の間、電圧Ｖ_１は接続され、電圧Ｖ_２は接続を切られる。時間ｔ_２の期間の間、電圧Ｖ_２は接続され、電圧Ｖ_１は接続されない。従って、補助エレクトロウェッティング電極３２０及び３２２の一方が一度に駆動される。すなわち、期間ｔ_１及びｔ_２は、連続的に繰り返される。

この実施形態において、装置３０２は、レーザ３４０によって生成されるレーザビーム３３８の方向を実時間で制御するために、光学式記憶ドライブに取り付けられている（図３Ａ参照）。そのために、第１の流体３２４は第１の屈折率を有し、第２の流体３２６は第２の屈折率を有し、第１及び第２の屈折率は相互に異なっている。流体メニスカス３２８で起こる屈折率に対する不連続は、レーザ３４０によって供給されるレーザビーム３３８の方向を変える。従って、接触角度φ１及びφ２を制御することで、レーザビーム３３８は、例えば光学式記憶ディスク上の目的の場所に焦点を合わせられる。

測定回路３４２及び電圧源３３０は、図３Ａ及び図３Ｂに表されているように、エレクトロウェッティングレンズ３０２から離れて配置される。測定回路３４２は、メインエレクトロウェッティング電極３１８と補助エレクトロウェッティング電極３２０及び３２２との間のキャパシタンスを別々に測定するよう配置される。これらのキャパシタンスは、それぞれ、Ｃ_１及びＣ_２によって表される。測定回路３４２及び電圧源３３０は、望ましくは、同軸ケーブル３４４、３４６及び３４８を用いてエレクトロウェッティングレンズ１０２と物理的に接続されている。同軸ケーブル３４４、３４６及び３４８は、同軸ケーブル間に相互結合が存在しないようにシールドされているが、寄生キャパシタンスＣ_Ｐ１、Ｃ_Ｐ２及びＣ_Ｐ３を有する有意な寄生キャパシタを導入する。寄生キャパシタンスは、使用の間の同軸ケーブル３４４、３４６及び３４８の屈曲動作により、一定でない。

図４は、装置３０２の電気的な挙動のモデルを表す。更に、図４は、より詳細に、図３Ａ及び図３Ｂの装置において適用される測定回路３４２を表す。キャパシタンスＣ_１及びＣ_２を別々に測定するために、測定回路４０２はスイッチング回路４０４を有する。スイッチング回路４０４は、既知のキャパシタンスＣ_ｍｅａｓを有する第１の測定キャパシタ４０６と、既知のキャパシタンスｘＣ_ｍｅａｓを有する第２の測定キャパシタ４０８とを有する。ここで、ｘ≠１である。スイッチング回路４０４は、交互に且つ相互排他的に第１の測定キャパシタ４０６及び第２の測定キャパシタ４０８を駆動するキャパシタンススイッチ４１０を更に有する。第１の電圧スイッチ４０７及び第２の電圧スイッチ４０９によって、電圧Ｖ_１及びＶ_２は、それぞれ交互に接続を切られる。

期間ｔ_１の間、Ｖ_２は接続されない。期間ｔ_１の第１の部分の間、キャパシタンススイッチ４１０は第１の測定キャパシタ４０６を有効にし、期間ｔ_１の第２の部分の間、キャパシタンススイッチ４１０は第２の測定キャパシタ４０８を有効にする。従って、期間ｔ_１の第１の部分の間、電圧Ｖ_{ｍｅａｓ１}は、期間ｔ_１の第１の部分の間キャパシタンスＣ_１及びＣ_２を表す信号４１２を特徴付ける電圧であって、下記の式によって与えられる：

ここで、Ｃ_Ｒ２は、Ｃ_Ｐ２及びＣ_２により得られる容量を表し、該容量は、下記の式に従って定義される：

同様に、第２の測定キャパシタ４０８が有効にされる場合において、次の式が、期間ｔ_１の第２の部分の間の信号４１２を特徴付ける電圧Ｖ_{ｍｅａｓ２}について得られる：

式［４］及び［６］を考えると、得られる容量Ｃ_Ｒ２は、期間ｔ_１の間一定のままであると推測される。期間ｔ_１は、通常１ｋＨｚから１ＭＨｚのサンプル周波数に関連する。この周波数は、流体チェンバ３０４に含まれる第１の流体３２４及び第２の流体３２６のバンド幅よりも大いに大きい周波数である。従って、その推測が正当だと理由付けられ、結果として、キャパシタンスＣ_１及びＣ_２の測定に伴う精度は下がらない。式［４］及び［６］を組み合わせて、２つの一次方程式の系が得られる。この系は、２つの未知数、すなわち、キャパシタンスＣ_１及び寄生キャパシタンスＣ_Ｐ３を組み込む。一次方程式の系は、未知のキャパシタンスＣ_１に関して解かれ、その解は、次の式によって与えられる：

期間ｔ_２の第１の部分の間、キャパシタンススイッチ４１０は第１の測定キャパシタ４０６を有効にし、期間ｔ_２の第２の部分の間、キャパシタンススイッチ４１０は第２の測定キャパシタ４０８を有効にする。期間ｔ_２の間、Ｖ_１は接続を切られている。従って、期間ｔ_２の第１の部分の間、電圧Ｖ_{ｍｅａｓ３}は、期間ｔ_２の第１の部分の間の信号４１２を特徴付ける電圧であって、下記の式によって与えられる：

ここで、Ｃ_Ｒ１は、Ｃ_Ｐ１及びＣ_１により得られる容量を表し、該容量は、下記の式に従って定義される：

同様に、第２の測定キャパシタ４０８が有効にされる場合において、次の式が、期間ｔ_２の第２の部分の間の信号４１２を特徴付ける電圧Ｖ_{ｍｅａｓ４}について得られる：

式［８］及び［１０］を考えると、得られる容量Ｃ_Ｒ１は、期間ｔ_２の間一定のままであると推測される。期間ｔ_１と同じく、期間ｔ_２は、通常１ｋＨｚから１ＭＨｚのサンプル周波数に関連する。この周波数は、流体チェンバ３０４に含まれる第１の流体３２４及び第２の流体３２６のバンド幅よりも大いに大きい周波数である。従って、その推測が正当だと理由付けられ、結果として、キャパシタンスＣ_１及びＣ_２の測定に伴う精度は下がらない。式［８］及び［１０］を組み合わせて、２つの一次方程式の系が得られる。この系は、２つの未知数、すなわち、キャパシタンスＣ_２及び寄生キャパシタンスＣ_Ｐ３を組み込む。一次方程式の系は、未知のキャパシタンスＣ_２に関して解かれ、その解は、次の式によって与えられる：

測定回路４０２は、時間領域マルチプレキシングを用いるマルチプレクサ４１４を更に有する。スイッチング回路４０４は、マルチプレクサ４１４の入力４１３と協働する。マルチプレクサ４１４は、キャパシタンスＣ_１及びＣ_２を表す信号４１２を、これらのキャパシタンスのそれぞれを表す複数の信号４１６及び４１８に複製する。複製の数は、補助エレクトロウェッティング電極の数に対応する。複製の後、信号４１６及び４１８は、それぞれ、フィルタ４２０及び４２２によって、復調信号により復調される。フィルタ４２０及び４２２は復調信号によって駆動され、この具体例では、復調信号は方形波信号である。ここで、方形波信号は、２つの値、すなわち、ロー値及びハイ値を含む信号と考えられる。この具体例において、ロー値は零に等しく設定される。フィルタ４２０を駆動する第１の方形波信号は、期間ｔ_１の間、ハイ値に達し、一方、フィルタ４２２を駆動する第２の方形波信号は、期間ｔ_２の間、ハイ値に達する。従って、第１の方形波信号は、電圧Ｖ_１が接続される場合にハイ値に達し、一方、第２の方形波信号は、電圧Ｖ_２が接続される場合にハイ値に達する。結果として、復調された信号４２４及び４２６は、それぞれ、キャパシタンスＣ_１及びＣ_２に関連している。

スイッチング回路４０４は必ずしも一対の測定キャパシタを有するわけではないことが知られる。すなわち、既知の相互に異なった抵抗を有する一対の抵抗器、又は既知の相互に異なったインダクタンスを有する一対の測定インダクタが、同様に実行可能である。より一般的には、線形な電子測定素子が実行可能である。ここで、線形電子測定素子は、受動電子素子、すなわち、電流と電圧との間、電流と電圧の時間微分との間、又は電流の時間微分と電圧との間の線形な関係に従う電子素子として定義される。結果として、式［４］から［１１］までは異なるものとなる。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、電圧制御回路３５０が表されている。電圧制御回路３５０は、流体メニスカス３２８の実際の形状が流体メニスカス３２８の所望の形状と一致するように、測定回路３４２によって供給される制御信号３４３に基づいて、補助エレクトロウェッティング電極３２０及び３２２にそれぞれ供給される電圧Ｖ_１及びＶ_２を制御するために配置される。

流体メニスカス３２８の形状のための所望の形状は、接触角度設定点φ _ｓｅｔによって表される。この具体的な実施形態において、φ _ｓｅｔは２次元ベクトルであり、流体メニスカス３２８と壁面部３０８及び３１２のそれぞれとの間の接触角度φ_１及びφ_２のそれぞれのための基準を有する。接触角度設定点φ _ｓｅｔは、換算テーブル３５２を用いて、キャパシタンス設定点Ｃ _ｓｅｔに変換される。この具体例では、キャパシタンス設定点Ｃ _ｓｅｔは、キャパシタンスＣ_１及びＣ_２、すなわち、メインエレクトロウェッティング電極３１８と補助エレクトロウェッティング電極３２０及び３２２との間のキャパシタンスのための基準を有する２次元基準ベクトルである。換算テーブル３５２は、例えば、実験的に得られてよい。２次元加重点３５４において、キャパシタンス設定点Ｃ _ｓｅｔは、測定されるキャパシタンスＣ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}と比較される。ここで、Ｃ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}は、測定回路３４２によって決定されるキャパシタンスＣ_１及びＣ_２を含む２次元ベクトルである。コントローラ３５６は、Ｃ _ｓｅｔとＣ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}との間の差Δ（すなわち、Δ＝Ｃ _ｓｅｔ−Ｃ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ}）に応じて、２次元電圧制御信号３５８を電圧源３３０に供給する。その後、電圧源３３０は、前述の電圧Ｖ_１及びＶ_２を、それぞれ、補助エレクトロウェッティング電極３２０及び３２２に供給する。また、電圧制御信号３５８は、測定回路３４２が式［７］及び［１１］に従って計算を行うことを可能にするために、測定回路３４２に供給される。

図５は、フローチャートを用いて本発明に従う方法の実施形態を概略的に表す。方法は、相互に混合することなく流体チェンバ内に含まれる導電性の第１の流体と絶縁性の第２の流体との間の流体メニスカスの形状を測定するよう配置される。

方法は、メインプレーンに位置付けられているメインエレクトロウェッティング電極と、メインプレーンではない補助プレーンに位置付けられ、流体チェンバを部分的に囲む補助エレクトロウェッティング電極との間に電圧を供給するステップ５０２を有する。方法は、マルチプレクサを有する測定回路によって、メインエレクトロウェッティング電極と少なくとも２つの補助エレクトロウェッティング電極との間のキャパシタンスを別々に測定するステップ５０４を更に有する。方法は、測定回路によって供給される信号に基づいて、補助エレクトロウェッティング電極間に供給される電圧を制御するステップ５０６を有する。

図面を参照して本明細書において本発明について詳細に説明してきたが、これらの説明は単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明は、開示されている実施形態に限られない。例えば、本発明に従う装置及び方法は、補助エレクトロウェッティング電極の数に関し、２以上であれば、何らかの制限も課さない。更に、第１の流体の音速及び第１の流体の屈折率は、それぞれ、第２の流体の音速及び第２の流体の屈折率とは異なってよい。それに加えて、測定キャパシタンスを含む負帰還ループを備え、マルチプレクサの入力と協働する演算増幅器による測定は、時間領域マルチプレキシングとともに用いられてよい。本発明に従う装置及びその全ての構成要素は、それ自体知られているプロセス及び材料を適用することによって構成されてよいことが知られる。特許請求の範囲及び明細書において、語「有する（comprising）」は他の要素を排除せず、不定冠詞「１つの（a又はan）」は複数個を排除しない。特許請求の範囲における参照符号はいずれも、適用範囲を限定するよう解されるべきではない。更に、特許請求の範囲で定義される特徴の可能な組合せは全て、本発明の部分であることが分かっている。

Claims

流体メニスカスの形状を測定する装置であって、
導電性の第１の流体及び絶縁性の第２の流体を有し、前記第１の流体及び前記第２の流体が相互に混合することなく流体メニスカスを介して互いに接している流体チェンバと
前記流体メニスカスの形状を制御する、メインプレーンに位置付けられるメインエレクトロウェッティング電極、及び部分的に前記流体チェンバを囲み、それぞれの補助プレーンに位置付けられる補助エレクトロウェッティング電極と、
前記メインエレクトロウェッティング電極と複数の補助エレクトロウェッティング電極との間に、それぞれの周波数又は方形波信号を含むそれぞれの電圧を供給する電圧源と、
前記メインエレクトロウェッティング電極とそれぞれの補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを別々に測定する測定回路であって、前記それぞれの周波数又は方形波信号を含む復調信号によってそれぞれのキャパシタンスを示す信号を復調して、該信号をそれぞれの信号成分に分解するマルチプレクサを有する測定回路と
を有し、
前記マルチプレクサは、復調信号を用いる時間領域マルチプレクサ又は周波数領域マルチプレクサであり、
前記マルチプレクサが前記時間領域マルチプレクサである場合は、各復調信号はロー値及びハイ値を有する方形波信号であり、前記電圧源は、それぞれの復調信号のハイ値に対応する電圧との接続を交互に切る電圧スイッチを有し、あるいは、
前記マルチプレクサが前記周波数領域マルチプレクサである場合は、前記電圧源は、特定の周波数で電圧を供給するよう配置され、各復調信号はそれぞれの特定の周波数に対応する周波数成分を有する、装置。
前記測定回路は、前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間のキャパシタンスを測定するよう配置される、
請求項１に記載の装置。
前記測定回路によって供給される制御信号に基づいて前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極のそれぞれとの間に供給される電圧を制御する電圧制御回路を有する、
請求項１に記載の装置。
前記測定回路は、前記メインエレクトロウェッティング電極とそれぞれの補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを測定する演算増幅器を有し、該演算増幅器は、所定の測定キャパシタンスを有する測定キャパシタを設けられている負帰還ループを設けられ、前記マルチプレクサの入力部と協働するよう配置される、
請求項１に記載の装置。
前記測定回路は、前記メインエレクトロウェッティング電極とそれぞれの補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを測定するスイッチング回路を有し、該スイッチング回路は、所定の第１の測定キャパシタンスを有する第１の測定キャパシタと、所定の第２の測定キャパシタンスを有する第２の測定キャパシタとを有し、前記第１の測定キャパシタンス及び前記第２の測定キャパシタンスは相互に異なり、
前記スイッチング回路は、前記第１の測定キャパシタ及び前記第２の測定キャパシタを交互に駆動するキャパシタンススイッチを更に有し、前記マルチプレクサの入力部と協働するよう配置される、
請求項１に記載の装置。
前記第１の流体は第１の屈折率を有し、前記第２の流体は第２の屈折率を有し、前記第１の屈折率及び前記第２の屈折率は相互に異なる、
請求項１に記載の装置。
前記第１の流体は第１の音速を提供し、前記第２の流体は第２の音速を提供し、前記第１の音速及び前記第２の音速は相互に異なる、
請求項１に記載の装置。
請求項１に記載の装置を有するカテーテル。
超音波用途のためのカテーテルにおける請求項１に記載の装置の使用。
光学式記憶ドライブにおける請求項１に記載の装置の使用。
フォトカメラにおける請求項１に記載の装置の使用。
流体チェンバにおける導電性の第１の流体と絶縁性の第２の流体との間の流体メニスカスの形状を測定する方法であって、前記第１の流体及び前記第２の流体は相互に混合しない方法において、
メインプレーンに位置付けられるメインエレクトロウェッティング電極と、部分的に前記流体チェンバを囲み、補助プレーンに位置付けられる補助エレクトロウェッティング電極と間に、それぞれの周波数又は方形波信号を含むそれぞれの電圧を供給するステップと、
前記メインエレクトロウェッティング電極と前記補助エレクトロウェッティング電極の中の少なくとも２つとの間のキャパシタンスを、前記それぞれの周波数又は方形波信号を含む復調信号によって前記キャパシタンスのそれぞれを示す信号を復調して、該信号をそれぞれの信号成分に分解するマルチプレクサを有する測定回路によって、別々に測定するステップと
を有し、
前記マルチプレクサは、復調信号を用いる時間領域マルチプレクサ又は周波数領域マルチプレクサであり、
前記マルチプレクサが前記時間領域マルチプレクサである場合は、各復調信号はロー値及びハイ値を有する方形波信号であり、前記それぞれの電圧を供給するステップは、それぞれの復調信号のハイ値に対応する電圧との接続を交互に切るステップを有し、あるいは、
前記マルチプレクサが前記周波数領域マルチプレクサである場合は、前記それぞれの電圧を供給するステップは、特定の周波数で電圧を供給し、各復調信号はそれぞれの特定の周波数に対応する周波数成分を有する、方法。
前記測定回路によって供給される信号に基づいて前記補助エレクトロウェッティング電極へ供給される電圧を制御するステップ
を有する請求項１２に記載の方法。