ELECTRICALLY DRIVEN MOVABLE FLUID DEVICE

Abstract: 1. An apparatus for optically switching an incident light beam by displacement of a fluid, comprising a first face (16) of a transparent entry component (2), inclined in relation to the incident light beam (7), the first face (16) being adapted to constitute a reflection surface for the incident light beam, and comprising a second face (17) of an exit component (1), said first and second faces being substantially parallel to one another and delimiting a capillary space (3) containing at least a first fluid (13) and a second fluid, the fluids being immiscible with one another and having different dielectric constants as well as refraction indices, the first face (16) and the second face (17) each comprising, disposed face to face and on both sides of the capillary space, at least two control electrodes (5, 10 and 6, 11), each connected to an electric control generator, characterized in that the electrodes (5, 10) of the first face (16), whereupon light reflections are intended to take place, are connected to a common potential level.

Description: DISPOSITIF A COMMANDE ELECTR*IQUE DE DEPLACENENT D'UN FLUIDE L'invention concerne un dispositif à commande électrique de dépla cernent d'un fluide utiLisable notamment dans des dispositifs d'affichage de données nu m ériques ainsi que dans des dispositifs de co m m utation de faisceaux lumineux. De tels dispositi,Fs comportent essentiellement un espace capillaire délimité par deux plaques parallèles porteuses de couples d'électrodes. Le rempLissage partiel de cet espace capillaire permet de disposer d'une phase globulaire dont les éléments fluides peuvent évoluer au sein d'une phase lacunaire. L'evolutiolz est com mandée électriquement en appliquant des tensions électriques flux couples d'électrodes. Grâce à une différence de permittivité électrique entre les deux phase fluides et aux gradients de cha mp électriques qui résultent des tensions appliquées, la polarisation électrique donne naissance à des forces permettant de déplacer les éléments fluides dans l'étendue du volume capillaire. Plus précisément, un globule fluide présentant uns permittivité électrique supérieure à son enviro'- nem ent sera attiré v ers un couple d'électrodes siège d'une tension électrique. Par le jeu des forces de tension superficielles, ce globule tend à conserver son individualité et en admettant qu'il soit totalement libre, on peut se le représenter com me e une goutte circulaire aplatie entre les deux plaques. L'étale m ent ne telle goutte est constant dans le cas d'un espace capillaire de hauteur uniforme. Pour entraver le moins possible le déplacement d'un élément fluide, les faces de contact des plaques doivent offrir une faible m ouillabilité que l'on obtient par un traite ment approprie. La demande de brevet français déposée par la demanderesse le 23 mars 19 & sous I e n 83 04745 décrit un tel dispositif utilisable notamment pour la visu 3 lisation de données numériques. Le même type d dispositif à commande électrique de déplacement d'un fluide peut être utilisé dans des dispositifs de com mutation de faisceaux lumineux notamment po ur la commutation de lumière entre fibres optiques. De tels dispositifs ont été décrits dans les demandes de brevets français déposées par la deman deresse les 4 juillet 1983 et 21 octobre 1983 sous Les n respectifs 83 11074 et 83 16793. Ces dispositifs sont caractérisés en ce que les moyens commutateurs consistent à placer sur le trajet d'un faisceau lumineux à com muter soit un premier fluide provoquant La réflexion du faisceau, soit un second fluide provoquant sa transmission. Ces fluides sont contenus dans un espace capillaire défini par des éléments transparents et ne sont pas mis cibles. De plus, ces fluides possèdent des permittivités diélectriques distinctes, l'un desdits fluides ayant une structure globulaire noyée dans ta structure lacunaire de l'autre fluide. Le dispositif de com mutation comprend égale m ent des m oyens inducteurs d'un gradient de ch a m p électrique faisant converger le fluide ayant la plus forte permittivité vers une région de l'espace capillaire soumise au champ électrique. Les. mpyens inducteurs comprennent un premier couple d'électrodes situées en vis à vis de part et d'autre de l'espace capillaire et un deuxiê m e couple d'électrodes voisines des premières et également situées en vis à vis de part et d'autre de L'espace capillaire. Le fonctionne ment du dispositif est tel qu'ure globule de fluide de forte permittivité est déplacé de la zone de l'espace capillaire comprise entre les électrodes du premier couple vers la zone de L'espace capillaire comprise entre les électrodes du deuxième couple, ei vice versa, selon les tensions appliquées aux électrodes. Pour que le déplacement d'un globule de fluide se fasse aisément, il convient que les deux couples d'électrodes soient suffisa m went proches selon L'intensité des cha mps électriques appliquest, D plus, pour faciliter le déplacement d'un globule, les électrodes possèdent d es indentations co mplé mentaires. On peut alors constater l'existence gun reflux d'un film mince sur les parois de l'espace capillaire, dû à un gradient champ électrique. Cela peut se produire nota m m ent dans le cas de gic)l mules de liquides à faible tension superficielle et faible viscosité tels que les hydrocarbures de faible poids moléculaire La formation d'un tel film mince dégrade cc nsidérablement les qualités optiques, l'état de poli nota m m ent, des surfoc es utilisées pour obtenir la réflexion totale des faisceaux à com muter. L'invention fournit une solution permettant d' inviter la formation d'un film mince sur la face de l'espace capillaire sers,r à à la réflexion d'un faisceau lumineux, et remédie ainsi à l'inconénient décrit précédem ment. L'invention concerne donc un dispositif à com mande électrique de déplacement d'un fluide comportant une première face d'une première pièce d'entrée transparente, une deuxième face d'une deuxième pièce de sortie, lesdites première et deuxième faces étant sensiblement parallèles et délimitant un espace capillaire contenant au moins un premier fLuide et un deuxième fluide non miscibles entre eux, de permittivités electriques et d'indices de réfraction différents, la première face et La deuxième face comportant chacune, en vis à vis de part et d'autre de l'espace capillaire, au moins deux électrodes de commande reliées chacune à un générateur électrique de commande caractérisé en ce que les électrodes de la premiere face sont connectées à un même niveau de potentieL L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaitront au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: : - les figures 1 et 2 représentent schématiquement un dispositif de co m m utation optique selon l'art connu; - la figure 3 représente schématiquement un autre dispositif de commutation optique connu dans la technique; - la figure 4 représente un dispositif de com mutation optique selon L'invention; - La figure 5 représente un exemple d'électrodes selon l'art connu; - la figure 6 représente un exemple de réalisation d'éLectrodes selon l'invention; - les figures 7 et 8 représentent des variantes de réalisation d'électrodes selon l'invention. En se reportant aux figures 1 et 2 on va décrire un dispositif de com mutation selon l'art connu. Ce dispositif comporte deux Lames 1 et 2 transparentes séparées par des entretoises 9. Elles délimitent ainsi un espace capillaire 3. Sur les faces 16 et 17 des Lames i et 2, délimitant cet espace capillaire 3, sont déposées en vis à vis deux groupes d'éLectrodes 5-6 et 10-11. Un générateur électrique non représenté fournit à La demande des différences de potentiel sur les fils V1 et V2, vers les électrodes 5-6, d'une part, et V3 et V4, vers Les électrodes 10-11 d'autre part. Ces différences de potentiel peuvent être de l'ordre de 10 à 300 voltes pour créer des cha mps électriques de L'ordre de 5.105 à 108 volts par mètre. D ans L'espace capillaire 3 est placé un globule de fluide 13. Le reste de l'espace capillaire est rempli d'un deuxième fluide, de L'air par exempLe. Le globule 13 peut donc se déplacer dans l'espace capillaire 3. La nature du fluide du globule 13 peut être choisie parmi les hydrocar bures tels que des alcanes comprenant 5 à 25 atomes de carbone, des cétones (acétone, cyclohexanone, méthyléthylcétone) ou des dérivés nitrés (nitrobenzène, nitrotoluéne), avec un indice de réfraction compris, par exemple, entre 1,4 et 1,7. L'utilisation de mélanges de liquides pour constituer le fluide 13 permet de contrôler la tension superficielle, d'éviter la dislocation des globules lors de leur déplacement et d'optimiser le temps de réponse du dispositif aux commandes électriques. Le globule 13 se trouve pincé entre les lames 1 et 2. Son volume est tel que pLacé entre les électrodes 5 et 6, com me représenté sur la figure 1, il déborde légère ment le contour des électrodes. Il pourrait égale ment être plus volumineux et empiéter sur le couple d'électrodes 10 et 11. Sur les faces extérieures des plaques 1 et 2 sont collés des prismes à réflexion totale 14 et 15. Un faisceau lumineux 7 est envoyé sous incidence oblique en direction de l'électrode 10. L'obliquité du faisceau 7 est choisie de façon à permettre la possibilité d'une réflexion totale sur la face interne 16 de la Lame 2. Le faisceau 7 traverse le prisme 14 et parvient sur la face interne de la lame 2. D eux cas peuvent alors se produire suivant La nature du fluide compris entre les électrodes 10 et 11. Le faisceau 7 est réfléchi en un faisceau 12 lorsque le volume contrôlé par les électrodes 10 et 11 est occupé par un gaz tel que l'air dont l'indice de réfraction optique est de l'ordre de 1, alors que celui du verre de la lame 2 est de l'ordre de 1,5. C'est ce qui est représenté par la figure 1. Si le volume contrôlé par les électrodes 10 et i1 est occupé par le globule 13 initialement situé entre les électrodes 5 et 6, l'indice de réfraction de cette région passe à une valeur qui est comprise entre 1,4 et 1,7. D ans ces conditions, la réflexion totale sur la face interne de la la m e de verre 2 est supprimée et le faisceau 7 est transmis en un faisceau 8 comme le montre la figure 2. Pour faire passer le globule 13 de L'espace inter-électrodes 5-6 à L'espace inter-électrodes 10-11, on applique aux électrodes 10-11 une différence de potentiel V3-V4 supérieure à la différence de potentiel V1-V2. Pour faire revenir le globule à sa position d'origine on effectue L'opération inverse. Si des différences de potentiel égales sont appliquées en même temps, ou si aucune différence de potentiel n'est appliquée, Le globule 13 ne tend pas à se déplacer. Sans excitation électrique, le gLobule reste donc dans la position où il se trouve, comme représenté en figure 1 par exemple, le faisceau 7 est réfléchi en un faisceau 12. Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre les électrodes 10 et 11 et que Le champ électrique qui y est alors induit est suffisant, le globule vient se placer entre ces électrodes et y restera après suppression du champ électrique (c'est te cas de la figure 2). Le faisceau 7 est alors transmis en un faisceau 8. Pour que le globule reparte entre les électrodes 5 et 6, il faut inverser le processus de commande. C'est donc bien d'un dispositif de commutation optique à coni ande électrique dont on dispose. C e dispositif est formé de l'association de plusieurs éléments qui déterminent des interfaces perm ettant des réfLexions. Sur la figure 1, La réflexion se fait sur la face interne 16 de la plaque 2. Cette face a donc subi tout spécialem ent une préparation qui consiste en des nettoyages appropriés et des dépôts de surface qui doivent contrarier la formation de films capillaires par le liquide dont on souhaite contrôler électriquement le déplace nient. Pour obtenir un déplacement efficace et rapide du fluide de plus haute permittivité, il est avantageux de réduire la distance qui sépare Les électrodes de commande. De plus, comme cela est décrit dans le demande de brevet français n" 83 10914 déposée le 30 juin 1983, il est avantageux de donner aux bords des électrodes situés en regard, une forme dentelée qui augm ente les gradients de cha mp électrique et permet d'utiliser la relaxation du périmètre du fluide à déplacer, vers une Longueur minimum. Cette relaxation du périmètre du fluide se produit quand le champ électrique est interro mpu sur un couple donné d'électrodes, et conduit le fluide à déborder sur les indentations des électrodes voisines, lorsqu'on a donné à ces indentations une longueur et une configuration convenables. L'application d'un champ électrique entre les électrodes sur lesquelles déborde Le fLuide permet alors de déplacer ceLui-ci rapidement. L'inconvénient d'utiliser des intervalles faibles et des indentations entre électrodes est précisément l'établissement d'intenses gradients de champ électrique qui non seulement permettent le déplacement rapide du fluide, mais aussi provoquent un reflux d'un film mince, particulièrement dans le cas de Liquides à faible tension superficielle et faible viscosité, tel que les hydrocarbures de faible poids moléculaire. La formation d'un tel film mince dégrade L'état de surface de la face interne de la lame 2 et détériore la qualité de la réflexion du faisceau 7 lorsque le globule 13 est dans la position indiquée sur La figure 1. L'image fournie par le faisceau 12 ne représente plus alors une image nette du faisceau 7. Les problèmes de détérioration du faisceau sont encore plus graves lorsque te faisceau doit subir plusieurs réflexions successives. C'est ainsi que la demande de brevet français n" 8316793 déposée le 21 octobre 1983 décrit une structure de com mutateur optique en cascade tel que représenté sur la figure 3. Cette structure est formée par L'association de deux prismes à réflexion totale agencés de façon à satisfaire les conditions de propagation d'un faisceau lumineux comme il a été défini plus haut Le prisme 50 et le prisme 51 dont le sommet a été tronqué et dont La face 52 a été polie, définissent un espace capillaire où un fluide est susceptible d'être déplacé par co m m ande électrique. A cet effet, des électrodes, disposées par couples, sont gravées sur Les faces internes des prismes. Pour une structure à cinq sorties, il faut disposer de cinq couples d'électrodes 53, 54, 55, 56 et 57. Par com mande électrique, un globule diélectrique 58 peut être déplacé succes sivement d'un couple d'électrodes à un autre couple pour aboutir entre le couple d'électrodes situé sur le trajet voulu du faisceau lumineux. La figure 3 montre un exemple de com mutation possible pour un faisceau lumineux 59 entrant perpendiculairement à une face du prisme 51 et dont les conditions de réflexion totale sur la face interne 16 de ce prism e sont respectées. Le faisceau lu mineux subit une cascade de réflexions sur la face interne 16 du prisme 51 et sur sa face 52 qui satisfait également aux conditions de réflexion totale. Le faisceau lumineux est transmis Lorsque la continuité des indices de réfraction des milieux qu'il rencontre est assurée. C'est ainsi qu'il traverse le globule 58 situé entre les faces 16 et 17, au niveau du couple d'électrodes 56, pour constituer un faisceau 80 qui sort perpendiculairement à la face 81 du prisme 50. On voit donc que si un film de fluide se forme sur la face interne 16 du prisme 51, on risque d'avoir une détérioration du faisceau à chaque réflexion du faisceau. Toutes les détériorations s'additionneraient et le faisceau 80 serait fortement déforme. L'invention fournit une solution per m ettant d'éviter les défauts de réflexion ainsi décrits. Selon L'invention, toutes les électrodes de com mande transparentes, situées sur la face 16 où se fait la réflexion totale, sont reliées à un même potentiel, la masse par exempLe. De cette façon, on évite sur cette face l'établissement de gradients de champ électrique qui entraîneraient, par électro-capillarité et électro-mouillage, le reflux du film mince dont on cherche à éviter La formation. Sur la figure 4, on a représenté un exemple de circuit permettant de commander un dispositif de commutation. Les électrodes 5 et 10 situées côte à côte sur La face de réflexion 16 du dispositif sont interconnectées, Les électrodes 5 et 6 sont alimentées par un générateur de tension 90 entre la terre T et un potentiel V fourni par un com mutateur 91. Les électrodes 10 et 11 peuvent être de même alimentées par Le générateur de tension 90 entre la terre T et un potentiel V fourni par un com mutateur92. Un faisceau lumineux véhiculé par une fibre optique 30 et une Lentille 33 est réfléchi par la face interne 16 de la lame 2 vers une lentille 34 et une fibre de sortie 31. Les électrodes 5 et 10 étant au même potentiel le gradient de champ électrique à leur voisinage est nul et la formation d'un film de fluide est évitée à la surface de l'électrode 10. Selon un exemple de réalisation des électrodes tel que décrit dans la demande de brevet français nO 83 11074 déposée le 4 juillet 1983, il est prévu de concevoir le déplacement d'un globule de fluide d'un espace inter électrodes 5-6 par exemple, vers un autre espace inter-électrodes 10-11 par exemple, à l'aide d'un ensemble d'électrodes teL que représenté en figure 5. Il est en effet avantageux de donner aux électrodes une géo métrie qui permette un déplacement rapide et efficace des globules. La figure 5 montre un exemple de géométrie d'électrodes qui permet de former un globule de liquide dans une région particulière du dispositif où on désire modifier les conditions de propagation d'un faisceau lumineux par exemple dans la zone hachurée. Un élément de commutation optique peut être obtenu en plaçant face à face deux tels ensembles d'électrodes. Sur la figure 5 par exemple, on a représenté un ensemble d'électrodes de la face 16 d'un dispositif tel que précéde m ment décrit. Cet ensemble est constitué de sept plots conducteurs référencés de 61 à 67 qui sont reliés à des générateurs de tensions par l'intermédiaire d'autant de conducteurs référencés de 71 à 77. Les liaisons aux générateurs se font de telle sorte qu'une différence de potentiel peut se manifester entre des plots situés en vis à vis sur les faces 16 et 17 d'un dispositif de com mutation. Les plots 61 à 66 et les plots correspondants situés en regard permettent le contrôle des volumes qui servent de réservoirs de liquide. Le plot 67 et celui qui lui fait face permettent le déplacement du liquide sur le trajet d'un faisceau lumineux incident par application d'une différence de potentiel appropriée, donc d'un champ électrique. Lorsque l'on supprime la différence de potentiel entre ces plots et qu'on applique une différence de potentiel entre les plots 61 à 66 et ceux qui leur font face, les forces de tension superficielle et les forces dues aux cha mps électriques jouent Le rôle de forces de rappel et entraînent le retrait du liquide hors du trajet du faisceau lumineux. Ce retrait est complet et rapide lorsque Les volu m es définis par Les plots 61 à 66 et leur vis à vis ne sont que partielle m ent re m plis. Les valeurs des différences de potentiel entre Les plots de retrait du Liquide peuvent être identiques ou échelonnées. Pour améliorer encore le transfert des fluides sous L'influence d'un gradient de cha mp électrique, il est avantageux que les différents plots se succèdent en présentant des indentations. Sur la figure 5, les indentations sont en forme de dents de scie. Les plots étant, par l'intermédiaire de leurs indentations, encastrés Les uns dans les autres, te transfert des globules est sensible m ent facilité. Selon L'invention, les conducteurs 71 à 77 des électrodes situées sur la face 16 de la lame 2 du dispositif de com mutation seront connectées à un m ê m e potentiel, tandis que les électrodes situées sur la la ni e 1 seront alimentées par des potentiels différents selon les déplacements que L'on désire imposer au globule de fluide. Selon une variante de l'invention, représentée par la figure 6, les différentes électrodes de la face 16 de La lame 2 sont reliées les unes aux autres par des connexions telles que la connexion 78 pour Les électrodes 62 et 63. Les différentes électrodes de cette lame sont alors alimentées par un seul conducteur 71. Les électrodes de la face 17 de La lame 1 sont réalisées comme celles de La figure 5 et le système fonctionne de la même façon que précédemment. Selon une autre variante de L'invention, représentée par la figure 7, les électrodes de La lame 2 sont réalisées en une seule électrode 60 alimentée par un conducteur 71. Cette électrode 60 a une forme correspondant au contour général de toutes les électrodes de la la m e 1. Cette variante perm et éventuellement de simplifier la réalisation de la lame 2. Enfin, l'électrode de la la m e 2 peut recouvrir tout ou partie de La face de la La me, débordant alors largement par rapport au contour général des électrodes de la lame 1. Par exemple comme représenté sur La figure 8, représentant les deux lames i et 2, le côté de l'électrode 60 de la lame 2, en correspondance avec les conducteurs 71 à 78 de la lame 1, épouse La forme extérieure des électrodes 61 à 68. Par contre, du côté opposé, la face de la Lame 2 est entière m ent m étallisée.

Claims: REVENDICATIONS 1/ Dispositif à com mande électrique de déplacement d'un fluide comportant une première face (16) d'une première piece d'entrée (Z) transparente, une deuxième face (17) d'une deuxième pièce de sortie (1), lesdites première et deuxième faces étant sensiblement paralLèles et délimitant un espace capillaire (3) contenant au moins un premier fluide (13) et un deuxième fluide non miscibles entre eux, de permittivités électriques et d'indices de réfraction différents, la première face (16) et La deuxième face (17) comportant chacune, en vis à vis de part et d'autre de L'espace capillaire, au moins deux électrodes de com mande (5, 10 et 6, 11) reliées chacune à un générateur électrique de com mande, caractérisé en ce que Les électrodes (5,10) de la première face (16) sont connectées à un même niveau de potentieL 2/ Dispositif à commande électrique de déplacement de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première face (16) comporte des liaison conductrices (78) reliant entre elles Les différentes électrodes (62, 63) de ladite première face (16). 3/ Dispositif à commande électrique de déplacement de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième face (17) comporte plusieurs électrodes indépendantes (61 à 67) et que la première face (16) comporte une seule électrode (60) dont le contour correspond au contour de l'ensemble des électrodes de la deuxième face. 4/ Dispositif à commande électrique de déplacement de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième face (17) comporte plusieurs électrodes indépendantes (61 à 67) et que la première face (16) comporte une seule électrode (60) la recouvrant entièrement sauf dans la zone correspondant aux conducteurs de commande des électrodes de la première face. 5/ Dispositif à commande électrique de déplacement de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième face (17) comporte plusieurs électrodes indépendantes (61 à 67) et que La première face (16) comporte une seule électrode (60) La recouvrant entièrement. 6/ Dispositif à commande électrique de dépLacement de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit niveau de potentiel est de valeur nulle.

Inventors: HARENG, MICHEL, LE PESANT, JEAN-PIERRE, MOUREY, BRUNO
Applicants: THOMSON-CSF
Application year: 1985
Main classification: G02B26
IPC codes: G02B6, G09F9, G02B26