JP2002248171A - エアロゾルの液滴の熱生成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】人体の肺への投薬において肺胞にまで届くよう
な大きさの液滴を生成し、かつ熱効率の良好な液滴生成
装置及び方法を提供する。 【解決手段】室（３２）内に充填された薬液を加熱器
（３４）により瞬間的に加熱することにより、熱変換器
（３４）表面の薬液が気化して気泡が発生する。この気
泡が膨張することにより、室（３２）内の薬液がオリフ
ィス（２４）を通り外部に押し出される。熱変換器面積
の平方根に対する室（３２）の厚さが所定の値となるよ
うに形成された室（３２）から放出される薬液は、複数
の粒径の小さな液滴となって分散する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エアロゾルの飛沫
同伴に適する大きさの液滴の生成に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療およびバイオテクノロジの発展が続
いていることにより、生体および化学物質（ペプチド、
プロテインおよび微分子等）を患者の血流に送達するこ
とを要する効果的かつ有望な全身的治療が多数提供され
つつある。所定の物質を経皮および経口等従来の送達手
段により血流に送り出すことに関連して様々な問題があ
る。たとえば、治療用プロテインの経口送達は、プロテ
インが血流に到達する機会を有する前に消化されてしま
うため機能しない。したがって、上記および他の理由に
より、かかる物質をできる限り直接的な経路で血流に送
達することが最良である。

【０００３】エアロゾルは気体中に浮遊する非常に細か
い固体または液体粒子である。エアロゾルは、現在、所
定の薬品を患者の肺に送達するために使用される。薬品
または他の治療物質を患者の肺に送達することを肺送達
ということもある。

【０００４】肺の最も内側の組織は肺胞上皮として知ら
れ、肺胞と呼ばれる、大きな毛細血管網に囲まれた数億
もの小さな気嚢を含む。肺胞壁は薄い単一の細胞質層で
あり、肺胞から血流への液体の高速吸収を可能にする。
最も有効な肺送達は、物質が肺胞に送達されるときに実
現される。送達プロセスでは、エアロゾルとして気体中
で飛沫同伴され、患者が肺胞に吸い込むことができる極
めて微粒子、すなわち液滴を生成し、これを血流に伝達
することが必要となる。

【０００５】肺の肺胞は、直径が約４μｍの液滴を容易
に吸収することができ、これは３３．５フェムトリット
ルの体積を表す。１フェムトリットルは、１リットルの
１０の１５乗分の一（１０^-15）である。液滴が大きい
ほど肺胞に到達する前に肺壁に接触しやすく、血流への
壁に浸透しにくくなる。これは、肺胞への気道が、厚く
繊毛状の粘液に覆われた細胞層で内張りされているから
である。

【０００６】一般的な肺送達機構は、計量式吸入器（Ｍ
ＤＩ）として知られる。これらは、喘息の薬物の送達に
広く用いられている。ＭＤＩ送達系は、肺組織に投薬す
るように設計される薬物に有効である一方、肺胞（すな
わち、血流）への物質の送達に最適ではない。これにつ
いて、ＭＤＩは、通常、加圧された容器において薬品を
促進剤と混合させる。装置の起動により、計量された量
のエアロゾルが放出されるが、液滴の粒度分布は大き
く、促進剤の蒸気圧は温度および使用回数によって変化
する。したがって、空気流中の物質の挙動およびどの程
度の液滴が肺胞に到達するかはいくぶん予測不可能とな
る。

【０００７】上記の点に鑑みて、エアロゾルの飛沫同伴
について、粒度分布がほぼ均一の極めて小さい体積の液
滴を確実に生成可能な液滴生成器の必要があることが分
かる。

【０００８】参考文献の１つとして米国特許第５，８９
４，８４１号では、インクジェット印刷に使用される種
類から適合される液滴生成器を使用して極めて微粒の液
滴を生成する可能性が認められている。ここで、この当
該種のインクジェット印刷（多くの場合、サーマルイン
クジェット印刷と呼ぶ）は、インクを小さい室に導く。
各室は、たとえば、薄膜抵抗器等の熱変換器を含み、室
上にあるオリフィスを通してインク滴を噴出する気泡を
生成する。室およびオリフィスはプリントヘッド素子に
組み込まれ、このプリントヘッド素子はインク供給源に
接続されるとともに、液滴の噴出に同期して画像を媒体
上に再生するコントローラに接続されている。上記の参
考文献では、有効な肺送達に好適なフェムトリットルサ
イズの液滴を生成する熱効率のよい液滴生成器の詳細に
ついて提示していない。

【０００９】サーマルインクジェット印刷とともに使用
されるような液滴生成器について、オリフィスサイズ
は、抵抗器（または他の適当な熱変換器）の起動ごとに
放出される液滴体積のサイズを調節する一つのファクタ
でしかない。オリフィスと関連するインク室の形状、な
らびにこの室における熱変換器のサイズおよびエネルギ
ー生成能力の方がかなり大きな役割を果たす。

【００１０】現行のインクジェット設計は、４０００フ
ェムトリットルに等価な４ピコリットルと小さい液滴体
積を生成する液滴生成器を提供する。数十フェムトリッ
トルの範囲の飛沫同伴可能な液滴を生成するためには、
たとえば、液滴を肺胞に送達するエアロゾルにおいて、
現行の設計の単純なスケールダウンによりこのような小
さい液滴体積に到達することを妨げるいくつかの課題に
直面する。

【００１１】たとえば、数十フェムトリットルのサイズ
範囲で単一液滴を噴出する際、従来のインクジェットプ
リントヘッド製造プロセスで製造および制御することが
困難な臨界寸法を有する極めて小さいインク室および抵
抗器が必要である。このような製造が行われたとして
も、このような小さい抵抗器は熱効率が低くなりやす
い。このような小さな抵抗器からの熱損失（すなわち、
気泡形成の過程においてインクに伝達されないエネルギ
ー）は、気泡形成の際にエネルギー（ターンオンエネル
ギー（ＴＯＥ）と呼ばれる）を比較的増大させて克服し
なければならない。ＴＯＥを増大することにより熱変換
器においてより大きな応力が生じ、経時的に変換器の信
頼性が低下していく傾向がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、室から液体
を噴出することで、噴出された体積を多数の微粒の液滴
に分解する効果が得られるように構成された形状を有す
る熱式液滴生成器を目的とする。これにより、（熱変換
器の起動ごとに１つの微粒の液滴を生成するような大き
さのものと比べて）熱効率のよい液滴生成器を提供し、
全体として、上述の困難な製造公差を満たす必要性をな
くしている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の好ましい一実施
形態において、液体室の厚さと熱変換器の面積の関係は
上述の分解局面を提供するように制御される。

【００１４】液体の噴出は、噴出された液滴の量を精度
よく計量する際の制御が容易である。したがって、本発
明により想到される液滴の熱生成は、１つの動作（すな
わち、液体室の中身を放出するための熱変換器の制御さ
れた「発射(firing)」）において、放出された流体の量
を計量し、かつ適度に微粒の液滴を生成することを行う
ということが理解されるであろう。すなわち、室からの
液体の発射に、噴出された液体の体積を適度に微粒の液
滴に減じるためのその他の機構が伴う必要はない。

【００１５】本発明の別の態様において、室における液
体の体積は、上述の体積分解局面を用いることで多数の
オリフィスを通して放出される。これは、熱変換器を起
動する都度、生成される液滴の数を倍増する（単一オリ
フィスの実施形態に対して）効果がある。

【００１６】本発明を実施する装置および方法について
以下詳述する。本発明の他の利点および特徴については
本明細書の以下の部分および図面を検討することで明ら
かになろう。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一態様にしたが
って形成される液滴生成器の動作の計算流体力学シミュ
レーションからのグラフの再現図である。本図におい
て、液滴生成器２０は断面図で描かれている。モデリン
グの目的で、固体オリフィス構造２２は、円形オリフィ
ス２４を内部に形成した略平面部材として構成される。

【００１８】オリフィス構造は、オリフィス構造の下に
位置する固体基板部材２６と連なり、その対向側面は液
通している。基板には２個の吸入口２８が形成され、液
体が室３２に流れ込む（矢３０で示す）構成である。室
３２は、液体が室からオリフィス２４を通って噴出する
前に流体を保持する小さい貯蔵部である。

【００１９】流体を室から噴出する機構は熱変換器３４
であり、液体が充填された室において気泡を生成し、こ
の気泡の膨張により液体を噴出する。計算の目的で、熱
変換器３４は平坦部材（薄膜抵抗器等）と考えられ、起
動時に、約４ｎＪ／ｍ²のエネルギー密度を供給する。
考察中の液体は粘度が約３ｃｐであり、沸点が１００℃
である。

【００２０】本発明によれば、室３２の形状と熱変換器
３４により供給されるエネルギーの関係は、熱変換器３
４の起動ごとに２つ以上のフェムトリットルサイズの液
滴３６を放出するように制御される。室３２内の液体を
放出するため、変換器は気泡（図１において点線３８で
図示される）を生成する。この気泡は、先端が室３２か
ら突出するまで膨張する。上述の関係を履行するため、
室３２から全液体を放出するのに必要十分な体積を有す
る気泡を発生させるような、室の厚さと熱変換器の面積
を選択する。さらに、室は比較的薄いため、さらに十分
に後述するように、室から噴出された液体は液滴３６に
分解し、それぞれの液滴は室から噴出された液体の体積
の一部を構成する。図１に示すように、液滴の軌跡はほ
ぼ放射状に広がる。

【００２１】室３２の形状と、液体室の中身全体を別々
の液滴３６の形状で放出するために熱変換器３４により
供給されるエネルギーとの関係に到達する１つの手法
は、室を変換器の面積に対して比較的薄くすることであ
る。

【００２２】たとえば、図１の寸法「Ｔ」は室の厚さを
表し、寸法「Ｒ」は熱変換器の長さ寸法（より一般的に
いえば、またこの図示において方形状の変換器と仮定し
たとき、Ｒは熱変換器の面積の平方根である）を表す。
一実施形態において、変換器面積の平方根「Ｒ」に対す
る室の厚さ「Ｔ」の比からなる無次元パラメータは、約
０．７５より小さく、より好ましくは０．５０より小さ
く、最も好ましくは約０．３５になるように選択され
る。かかる例において、体積が平均約３３フェムトリッ
トル（直径約４μｍ）である液滴が生成され、上記のよ
うに、この液滴はエアロゾルにおいて容易に飛沫同伴さ
れるため肺送達にとって理想的である。

【００２３】以下では、前述した関係にしたがって液滴
生成器を製造する１つの好ましい方法を説明する。

【００２４】図２は、本発明にしたがって形成される１
つの液滴生成器２０をかなり拡大した断面図を示す。説
明の目的で液滴生成器を１つだけ図示するが、以下で明
らかになるように、本製造方法により、多数の液滴生成
器の製造が可能である。製造される液滴生成器の数は、
所与の用途に必要な液滴の量によって異なる。この要件
をフラックス、すなわち、液滴生成器から同時に噴出さ
れる液滴の数について考察することができる。フラック
ス要件が大きいほど、多くの液滴生成器が作製される。

【００２５】代表的な液滴生成器２０はシリコンベース
４２から構成される剛性基板４０を備える。シリコンベ
ース４２は、好ましくは、従来のシリコンウェハとシリ
コンウェハ上に積層された二酸化ケイ素などの絶縁層か
ら構成される。基板４０は、インクジェット印刷に関す
る従来技術、たとえば、米国特許第４，７１９，４７７
号（参照により本明細書に援用する）に記載されたもの
と同様であってもよい。基板はタンタルアルミニウム等
の抵抗性材料の部分３５の層を含み、この部分３５が、
より十分に後述するように、液滴生成器を操作するコン
トローラ５２と接続する可撓性回路６０（図６参照）上
に設けられたトレースと、導電性層によって個々に接続
されている。

【００２６】図２に戻って、抵抗層の個々の部分３５は
以下熱変換器または抵抗器と呼ばれ、纏めて基板４０の
コントロール層４４とも呼ばれるものの一部である。基
板４０は、抵抗器保護パッシベーション層およびその
他、たとえば米国特許第４，７１９，４７７号に記載さ
れるサブレイヤを含むことが好ましい。パッシベーショ
ン層の要件は、室から噴出される液体が抵抗器を破損さ
せない場合に最小とすることができる。

【００２７】なお、基板が、液滴生成器を発射する際に
多重化制御信号を使用することができるＣＭＯＳ回路素
子を搭載可能であることは注目に値する。熱変換器３５
との簡略化された接続（すなわち、多数のトレースを熱
変換器に直接接続する必要がない）に加え、ＣＭＯＳ回
路によりもたらされる複雑な制御ロジックにより、たと
えば緻密な計量要件がその回路にプログラムされ、液滴
生成器が製造されるための素子により担持されることが
可能である。たとえば、投与量を徐々に増やすことが必
要なエアロゾル治療の際に医療液の液滴を噴出しようと
する場合、以降素子を１回使用する毎に追加の液滴生成
器を発射する（フラックスを増やす）ように制御回路を
プログラム可能である。

【００２８】単一オリフィス部材４８はコントロール層
４４に固定され、各液滴生成器につきオリフィス２５お
よびオリフィスに連なる下部の液体室３３を画定するよ
うな形状である。抵抗器３５は、電流のパルスにより選
択的に駆動（加熱）される。抵抗器からの熱は、室３３
内の液体の一部を気化させるのに十分であり、これによ
りオリフィス２５を通過する液体が、図１について上述
したように液滴３６に分解される。

【００２９】各噴出後、各室３３は、コントロール層４
４を通って形成される吸入口５４を通って室に流れ込ん
だ液体で再び充填される。好ましい実施形態において、
基板のコントロール層４４の上面５６には、吸入口５４
を形成するようにパターンが形成されてエッチングが施
された後、オリフィス部材４８が基板に取り付けられ、
また、後述のように基板４０のベース４２にチャネル５
８がエッチングされる。（便宜上表面５６を「上部」と
呼ぶが、液滴生成器が図２に示す向きから反転した場
合、表面５６はコントロール層４４の残部の下で配向さ
れることが理解される。） 液滴生成器２０の製造工程の詳細について、図３Ａを参
照して、予め形成されている吸入口５４を設けたコント
ロール層４４を担持するように処理された後の基板ベー
ス４２を示す。

【００３０】図３Ｂは、オリフィス部材４８を構成する
ことになるフォトレジスト材料の層が基板の上面５６に
塗布された後の基板４０を図示する。好ましい一実施形
態において、オリフィス部材は低速架橋ポリマー（slow
-cross-linking polymer）であり、たとえばKarl Suss
KGにより製造されるような従来のスピンコーティングツ
ールにより低速架橋ポリマーが塗布される。好ましい一
実施形態において、フォトレジスト材料は、ＳＵ−８と
して業界において一般に知られる光重合可能なエポキシ
樹脂を含む。一例として、マサチューセッツ州ニュート
ンにあるMicroChem社からＳＵ８−１０の商品名で販売
されているものがある。しかしながら、オリフィス部材
は、ＵＶ放射等電磁放射に照射された後の現像液に不溶
性になる多数のフォトレジスト材料のいずれを含んでも
よいことが認められよう。

【００３１】スピンコーティングツールに関連するスピ
ンコーティング工程により、低速架橋ポリマーが吸入口
５４を充填する際に平坦面を形成することができる。ス
ピンコーティング工程の一例は、７０ｒｐｍに設定され
た、加速度１００ｒｐｍ／ｓ、拡散時間２０秒のスピン
コーティングツールによりレジストの層を基板ウェハに
拡散させる。そして１００ｒｐｍ／ｓの減速で回転を停
止して１０秒間おく。そしてコーティングされた基板
を、加速度３００ｒｐｍ／ｓで３０秒間１０６０ｒｐｍ
で回転させ、レジストをウェハ全体に拡散させる。

【００３２】代替のポリマー塗布工程として、ロールコ
ーティング、カーテンコーティング、押出しコーティン
グ、スプレーコーティング、ディップコーティングがあ
る。当業者であれば、ポリマー層を基板に塗布する他の
方法が存在することが理解されよう。低速架橋ポリマー
は、光ダイ（たとえばオレンジ＃３、〜２重量％）を光
イメージ可能なポリイミドまたは光イメージ可能なエポ
キシ透明ポリマー材料に混ぜ合わせることによって作製
される。ダイを追加することによって、必要な電磁エネ
ルギーの量は、この材料を架橋するダイを混合しない材
料より大きい。

【００３３】図３Ｃは、少ない供与量の電磁エネルギー
による部材４８の架橋ポリマー材料の層の照射を示す
（矢６２で示される）。例示の実施形態において、上記
工程は、カリフォルニア州サンホゼにあるＳＶＧ社によ
り製造されるＭｉｃｒａｌｉｇｎ走査投影アライナによ
り、６０．３ミリジュールの照射設定で実行される。こ
の照射設定は、ポリマーを照射不足にして所望の深さに
架橋するのにちょうど十分である。本実施形態におい
て、照射不足である所望の深さは二重ハッチングで図示
され、たとえば約２μｍとすることができる。

【００３４】エネルギー（ＵＶ照射等）は、マスク（図
示せず）を通してオリフィス部材材料に塗布される。こ
のマスクは、たとえば酸化鉄(II)等の半透明な誘電体層
を有する石英基板を含む従来の素子である。マスクには
クロム等の不透明物質がパターニングされ、（照射しな
いままとすることによって）オリフィス２５の形状を画
定する。オリフィス２５の形状は円形であることが好ま
しい。

【００３５】図３Ｄは、低速架橋ポリマー材料のさらな
る照射を示し、この低速架橋ポリマー材料が、ポリマー
４８の層の厚み全体を照射して架橋するのに十分な比較
的高供与量のエネルギーによりオリフィス部材層４８を
構成している。このエネルギーの印加は、液体室３３の
基板４０の上面５６に隣接する部分が照射されないよう
にマスクされる。図３Ｄに示すように、室のこの部分は
熱変換器３５に隣接し、吸入口５４と上面５６の接合面
にかかるように延在している。

【００３６】図３Ｅは、吸入口５４を充填する部分を含
むオリフィス部材４８の非照射部分、すなわち非架橋部
分が除去される現像工程を示す。例示の工程は、Ｎ―メ
チル―２―ピロリジノン（ＮＭＰ）において１ｋｒｐｍ
で７０秒間現像した後、イソプロピルアルコール（ＩＰ
Ａ）とＮＭＰを１ｋｒｐｍで８秒間混合し、次にＩＰＡ
により１ｋｒｐｍで１０秒間洗浄し、最後に２ｋｒｐｍ
で６０秒間回転させる。かかる現像ツールは、カリフォ
ルニア州サンホゼにあるSolitec Wafer Processing社か
ら市販されている。

【００３７】図２は、現像工程の完了後、また基板の下
面６６が水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）
等のシリコンエッチングでエッチングされチャネル５８
を形成した後の完成液滴生成器を示す。チャネル５８
は、液体吸入口５４と液通している。これにより、チャ
ネル５８内の液体は吸入口５４を通って流れ、室３３か
ら液体が１回噴出されるごとに室を再び充填することが
可能である。

【００３８】上述のように、熱変換器３５のサイズおよ
び室３３の厚さは所望のＴ／Ｒ比を確立するように設計
される。上記の寸法「Ｔ」は室３３の厚さを表し、コン
トロール層の上面５６（上面５６は室３３における液体
と固体の界面を表す）からオリフィス部材４８の外表面
４９（図２）まで測定される。寸法「Ｒ」は図２にも示
され、上記のように定義される。好ましい一実施形態に
おいて、Ｔ／Ｒ比は約０．７５より小さくなるように選
択され、最も好ましくは約０．３５となるように選択さ
れる。したがって、面積が１４４μｍ²の方形状の熱変
換器であれば（すなわち、「Ｒ」値が１２μｍ）、最も
好ましい室の高さ「Ｔ」は約０．３５×１２、すなわち
約４μｍである。

【００３９】ここで注目すべきは、たとえ有効な設計パ
ラメータであったとしても、Ｔ／Ｒ比は、本発明の根底
を成す室のサイズと抵抗エネルギーとの関係に到達する
唯一の方法ではないことである。たとえば、熱変換器の
面積は、抵抗器（熱変換器）のエネルギー密度と相関
し、室／抵抗器の関係は、たとえば、室から液体を噴出
して液体を所望の容量範囲（数十フェムトリットル以
下）の液滴に分解するのに必要な室の高さと変換器エネ
ルギー密度の値で表現できることが理解されよう。ま
た、０．７５より大きい（最大約１．０）のＴ／Ｒ比で
製造された液滴生成器であってもここで問題のフェムト
リットルサイズの液滴を提供できることが想到される。

【００４０】液体は、多数の方法のうちいずれによって
もチャネル５８に供給可能である。たとえば、基板の下
面６６を液体の貯蔵器を担持する装置の本体６８（図６
参照）の外表面に取り付けてもよい。本体表面は、いく
つかの導管７０（その１つを図２に示す）により構成さ
れ、各導管７０はチャネル５８と整列され、貯蔵器から
チャネルに液体を導く。上記のように、基板は多数の液
滴生成器２０を担持することが可能であり、そのいくつ
かを基板において線形チャネル５８と流体結合させるこ
とが可能であり、かかるチャネルのいくつかを基板が担
持することができる。装置全体（多数の液滴生成器を有
する基板）は、液滴生成器ヘッド７２（図６）と考える
ことができる。

【００４１】図４は、図２と同様の、ただし本発明の別
の好ましい実施形態にしたがって製造される液滴生成器
を示す断面図である。この液滴生成器１２０は、上記の
基板１４０と熱変換器１３５とを含む。しかしながら、
本実施形態において、室１３３は２個以上のオリフィス
１２５と液通している。たとえば、室を中心としてその
周りに配列された４個のオリフィス１２５を使用するこ
とが可能である（図４では上記のオリフィスが２個だけ
現れている）。この実施形態において、熱変換器１３５
は単一部材であるため、上記の実施形態の場合と同様に
各室に１つの熱変換器がある。単一変換器１３５が起動
され、生成された気泡により室の中身が２個以上のオリ
フィスを通って押し出され、液体を多数の液滴に分解す
る。ここで使用される「単一」という用語は、熱変換器
１３５が単体部材として機能することを意味するものと
する。たとえば、熱効率を高めるために熱変換器１３５
の抵抗要素が分割され、あるいは他の方法で分化される
ことが考えられる。

【００４２】上述のように図４の多数オリフィスの実施
形態が低いＴ／Ｒ比で構成される限り、液滴が個々のオ
リフィス１２５から出るときに液滴の分解がさらに生じ
るであろう。したがって、この多数オリフィスの実施形
態は、熱変換器が起動する都度、生成された液滴フラッ
クスを（単一オリフィスの実施形態に対して）倍増させ
る効果がある。

【００４３】本発明にしたがって製造される液滴生成器
の別の可能な構成の断面図を図５に示す。この実施形態
において、基板２４０には多数対の熱変換器２３５が、
基板２４０のベース２４２にエッチングされたチャネル
２５８の対向側面にくるように配置されている。まずコ
ントロール層２４４が塗布され、変換器２３５を構成す
る抵抗材料の層が、チャネル２５８の対向端縁上で対向
する変換器対を形成するようにパターニングされる。変
換器２３５に対する導電性トレースは、対向する変換器
の間隙にかからないように配列される。

【００４４】コントロール層２４４は、各対の変換器２
３５の間にスロットを形成するようエッチングされ、フ
ォトイメージング可能なオリフィス部材２４８の塗布に
より変換器を覆い、スロットを充填する。次にオリフィ
ス部材２４８は、上記のように照射され、現像されて室
２３３およびオリフィス２２５を形成する。図５に示す
ように、オリフィス部材２４８と変換器２３５の間の間
隙により流体吸入口２５４が形成される。

【００４５】好ましい一実施形態において、オリフィス
部材材料が塗布される前に基板ベース２４２の上面を覆
うように、プラズマを施した酸化テトラエトキシシラン
（ＴＥＯＳ）等の保護層を塗布する。この保護層は図５
において点線８０で図示され、２個の変換器２３５の間
のスロットを、図示のようにコントロール層２４４にわ
ずかに重なって覆うような形状である。オリフィス部材
材料２４８は保護層の表面に塗布され、前述のような形
状である。

【００４６】保護層８０は、チャネル２５８を１回目に
エッチングしながら適所に設けられる。この長い、ベー
ス２４２を通る「バルク(bulk)」ＴＭＡＨエッチングと
いう用語は多少不均一の結果を残すおそれがある。これ
について、チャネル壁の図示の延長部８２は、チャネル
２５８の最初のエッチング後のこれらの壁を表す。最初
のエッチング１回だけである場合、対向する吸入口２５
４はサイズが一致しないことは明らかである。具体的に
は、ベース２４２とオリフィス部材２４８の間のギャッ
プが一致せず、チャネル２５８から室２３３への液体の
流量が異なってしまう。

【００４７】しかしながら、本実施形態では、たとえば
ＢＯＥ(buffered oxide etchant：緩衝酸化物エッチャ
ント）を介して保護層８０を除去した後、（チャネル２
５８を完成するため）ベース２４２について二回目のＴ
ＭＡＨエッチングを行う。これにより、二回目のＴＭＡ
Ｈエッチングがベース２４２とオリフィス部材２４８の
間のギャップを等化するまで基板ベース２４２のシリコ
ン表面が照射され、吸入口２５４を通って室２３３に流
れる液体が液滴生成器全体にわたってほぼ均一になる。
上述のように、各液滴生成器２２０は、上述した所望の
Ｔ／Ｒ比を有するように構成される。

【００４８】本発明に係るエアロゾルの液滴の熱生成は
他の液滴生成器の構成により実行されてもよいことが想
到される。たとえば、レーザ除去されたオリフィス部材
により作製される、米国特許第５，３０５，０１５号
（参照により本明細書に援用する）に記載されるような
液滴生成器は、上述した室の厚さと変換器のサイズ（エ
ネルギー）の関係を維持する場合に好適である。

【００４９】同様に、米国特許第５，６０８，４３６号
（参照により本明細書に援用する）の記載に基づき構成
される液滴生成器でも十分である。これらの液滴生成器
は、室の一部を形成し、かつ基板の上位層と薄膜の金属
製オリフィス板の間にあるポリマー製障壁層を含む。あ
るいは、米国特許第５，３０５，０１５号（参照により
本明細書に援用する）に記載されるように、オリフィス
板をレーザ除去されたポリマー材料で形成し、オリフィ
スを形成するようにしてもよい。このような構成におい
て、オリフィス板および／または障壁層は、所望のＴ／
Ｒ関係が存在するように非常に薄膜に作製される（これ
ら２個の要素は上述のオリフィス部材と同等と考えられ
る）。

【００５０】上記実施形態のいずれについても、比較的
大きい厚さ寸法「Ｔ」の場合、対応して大きな変換器面
積を使用することによっても所望のＴ／Ｒ比が依然とし
て満たされることを念頭に置くことは重要である。換言
すれば、この比の両項は、所要のＴ／Ｒ比を満たすとと
もに他の設計制約を満足するため必要に応じて可変であ
る。

【００５１】上記のように、本発明は、フェムトリット
ルサイズの液滴３６（図１）を生成する熱効率に優れた
液滴生成器であって、液滴３６は、一例として、有効な
肺送達の際にエアロゾルにおいて飛沫同伴するのに好適
である、液滴生成器を提供する。本実施形態において、
これは、図６に示すような吸入器７１を介して達成され
る。かかる吸入器の一実施例は、薬液（または、上記の
ように、あらゆる流体系生体または化学物質）の供給源
７５が嵌合する容器を有する本体６８を含む。

【００５２】供給源７５は、針および相互連結中隔(sep
tum interconnection)等によって本体の導管７３と結合
され、供給源の液体を、図２に関連して上述したように
多数の液滴生成器を担持する液滴生成器ヘッド７２に導
く。好ましくは導管および液滴生成器ヘッドは、製造時
に、あるいは次に説明するように吸入器が動作して液滴
を噴出する前にユーザによって（ヘッドのオリフィスに
吸気を加えること等によって）プライミングしておく。

【００５３】上記の可撓性回路６０は、たとえば、本体
６８の対応する形状のリセス６１において吸入器７１に
接合されてもよい。この回路は液滴生成器の熱変換器
を、吸入器制御システム８１の一部であるコントローラ
５２からの適当な調整済み制御信号と接続させる。制御
システム８１は、電源７９およびオペレータスイッチ７
７を設けたコントローラ５２を含む。このコントローラ
は、制御された電流パルスをヘッド７２に送ることによ
ってスイッチ信号に応答し、必要に応じて液滴生成器を
発射する集積回路である。なお、上記制御システムは、
多数の方法のいずれにより構成されてもよく、吸入器の
本体と一体化されることが最も好ましいことが認められ
よう。

【００５４】液滴生成ヘッド７２は、吸入器のマウスピ
ース６９に配置されることが好ましい。液滴が空気中で
飛沫同伴されるように、リセス６１または他の機構を用
いて吸気中に空気流を提供するようにしてもよい。

【００５５】なお、制御システム８１および液滴生成器
ヘッド７２の配列（すなわち、ヘッド７２により生成さ
れた液滴が即座に周囲の空気に放出されるような）によ
り、噴出される液滴の量と放出される流体の量の精度の
よい計量が行われるとともに、適度に微粒の液滴を生成
することが理解されよう。すなわち、室からの流体の排
出に、噴出された液体の体積を適度に微粒の液滴に減じ
る他の機構を伴う必要がない。

【００５６】上記記載は肺胞への液滴のエアロゾル送達
に適する液滴の製造に焦点を当ててきたが、このような
微粒の液滴を他の適用について生成可能であることが理
解されよう。本発明の液滴生成器は、精確に調整された
量の殺虫剤、塗料、燃料等を分注する芳香送達(scent d
elivery)に適する液体の供給とともに組み込み可能であ
る。

【００５７】以上、本発明の好ましい実施形態を説明し
てきたが、当業者には他の変形例を発明の範囲内で行う
ことが可能であることが予想される。したがって、本発
明の好適および代替の実施形態を説明してきたが、発明
の精神および範囲はこれらの実施形態に制限されず、特
許請求の範囲において定義される各種変形例および同等
物に及ぶことが認められよう。

【００５８】本発明は以下に要約される。

【００５９】１． 面積を有する略平坦部材である熱変
換器（３５）を基板（４０）の上面（５６）に担持した
前記基板（４０）と、前記基板に取り付けられ、外表面
（４９）を有しており、前記外表面（４９）を通ってオ
リフィス（２５）が形成されるオリフィス部材（４８）
であって、前記熱変換器に隣接し、かつ前記オリフィス
及び前記基板に設けられた吸入口（５４）と液通し、こ
れにより前記吸入口を通して室（３３）に液体を伝達す
るように構成される前記室（３３）を形成するオリフィ
ス部材と、を備える液滴生成器（２０）であって、室の
厚さは前記上面から前記外表面に延びる寸法であり、前
記変換器面積の平方根に対する前記室の厚さの比は約
０．７５より小さい、ことを特徴とする液滴生成器。

【００６０】２． 前記比は０．５０より小さいことを
特徴とする第１項に記載の液滴生成器。

【００６１】３． 前記比は約０．３５であることを特
徴とする第１項に記載の液滴生成器。

【００６２】４． 前記オリフィス部材（４８）は、少
なくとも２個のオリフィス（１２５）が前記室（３３）
から延びて前記オリフィス部材（４８）の前記外表面
（４９）を通過するように開口し、これにより前記室か
ら前記オリフィスを通って液体が放出されることを特徴
とする第１項に記載の液滴生成器。

【００６３】５． 前記室（３３）の前記熱変換器（３
５）は単一部材であることを特徴とする第４項に記載の
液滴生成器。

【００６４】６． 液滴生成方法は、液体の供給源を設
けるステップと、室（３３）に前記液体の一部を充填す
るステップと、前記各室から１００フェムトリットルよ
り小さい体積を有する前記液体の液滴（３６）を放出す
るために必要な気泡を生成するのに十分な熱量を瞬間的
に前記液体に加えるステップと、を備えることを特徴と
する方法。

【００６５】７． ２つ以上の液滴に分解する略単一体
積として前記液体を各室（３３）から放出するステップ
を備えることを特徴とする第６項に記載の方法。

【００６６】８． 前記室（３３）の前記液体を加熱し
た瞬間に前記液体が放出されるように前記液体を瞬間的
に加熱するステップを備えることを特徴とする第７項に
記載の方法。

【００６７】９． 少なくとも２個のオリフィス（１２
５）が前記室（３３）から延びて前記オリフィスを通っ
て前記室から液体を放出させるオリフィス部材（４８）
を設けるステップをさらに備えることを特徴とする第７
項に記載の方法。

【００６８】１０． 前記室（３３）内の前記液体のほ
ぼすべてがオリフィス（２５）を通って放出されるよう
に構成される単一のオリフィス（２５）を設けるステッ
プをさらに備えることを特徴とする第７項に記載の方
法。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にしたがって構成される液滴生成器の動
作の計算流体力学シミュレーションからのグラフの再現
図である。

【図２】本発明にしたがって形成される単一液滴生成器
の拡大断面図である。

【図３】Ａ−Ｅは、本発明の好ましい実施形態にしたが
って液滴生成器を製造する工程を説明する断面図であ
る。

【図４】本発明の別の好ましい実施形態にしたがって製
造される液滴生成器を説明する断面図である。

【図５】本発明の別の好ましい実施形態にしたがって製
造される液滴生成器を説明する断面図である。

【図６】本発明にしたがって形成された液滴生成器につ
いて、エアロゾルにおいて飛沫同伴される液滴を生成す
る目的におけるその使用方法を説明する一部断面図によ
る説明図である。

【符号の説明】

２０ 液滴生成器 ２５ オリフィス ３３ 室 ３５ 熱変換器 ３６ 液滴 ４０ 基板 ４８ オリフィス部材 ４９ 外表面 ５４ 吸入口 ５６ 上部面 １２５ オリフィス

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【手続補正書】

【提出日】平成１４年１月３１日（２００２．１．３
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面積を有する略平坦部材である熱変換器
   （３５）を基板（４０）の上面（５６）に担持した前記
   基板（４０）と、 前記基板に取り付けられ、外表面（４９）を有してお
   り、前記外表面（４９）を通ってオリフィス（２５）が
   形成されるオリフィス部材（４８）であって、前記熱変
   換器に隣接し、かつ前記オリフィス及び前記基板に設け
   られた吸入口（５４）と液通し、これにより前記吸入口
   を通して室（３３）に液体を伝達するように構成される
   前記室（３３）を形成するオリフィス部材と、を備える
   液滴生成器（２０）であって、 室の厚さは前記上面から前記外表面に延びる寸法であ
   り、 前記変換器面積の平方根に対する前記室の厚さの比は約
   ０．７５より小さいことを特徴とする液滴生成器。