JP2013255920A - 超音波式液体噴霧器 - Google Patents

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Abstract

【課題】液体を圧電素子により微小滴の形態で拡散させるべく使用されうる超音波式液体噴霧器を提供すること。
【解決手段】本発明は、開口を画成する第1端部と、第2端部とを有する堅固な圧電変換器本体(1)であって、該圧電変換器本体(1)の内部は噴霧されるべき液体を収容するキャビティを備えると共に、該本体(1)は対称軸心を更に備えるという堅固な圧電変換器本体(1)と、上記第1端部に対して取付けられて上記開口を覆う微小穿孔膜(3)と、上記圧電変換器本体(1)を振動させるべく適合かつ配置された圧電素子(2、9)と、を備える超音波式液体噴霧器において、上記圧電変換器本体(1)をその対称軸心に対して平行な方向に振動させるために、上記圧電素子(2、9)は上記第2端部の近傍に配置されることを特徴とする超音波式液体噴霧器に関する。
【選択図】図６

Description

本発明は、流体を圧電素子により微小滴もしくはエーロゾルの形態で正確に拡散させるべく使用される一般的には噴霧器と称される流体供与器に関する。
多くの用途において、それらの性質(油性、水性もしくはアルコール性)に関わらず、また、そられが溶液であるか(粒子が液体中に懸濁された)懸濁液であるかに関わらず、流体もしくは液体は、微粉化、噴霧化、気化、または、エーロゾル生成により供与される。これらの流体供与デバイスを使用する主な用途は、薬剤の投与(調剤)、化粧品(特に香水)の拡散、消毒、香気生成、空気もしくは媒体(紙材、織地など)の加湿、および、生物学的試薬の供与に関している。
医療用途に関しては数十年にわたり、吸入により薬剤を投入すべく噴射器が採用されてきた。この目的に対して使用されるデバイスは、機械的な回分供与ポンプ、空気圧式もしくは超音波式の噴射器を含み得る。最近まで、これらのデバイスは、比較的に表面的なレベルにて気道を通して医薬を投入すべく設計された。而して、ここ数年にわたり医薬業界は、細気管支に到達するために肺内へと可及的に深くエーロゾル形態での医薬投与を試行してきた。これを行い得ることにより、気道を介して全身的な医薬もしくは遺伝子を投与することが可能であろう。
そのためには、細気管支内に投入されることが意図されたエーロゾルの効率、精度および均一性を増進する新たな技術を開発することが必要である。習用のデバイスは概略的に、エーロゾルの過剰に高速な放出により、または、過剰な消費により、または、医薬品の劣化により、または、過剰に大きな液滴により、または、ノイズにより制限される。
気道による医薬の投入により要求される新たな条件を満足するために、エーロゾル生成器の多数の製造者は、微小穿孔された格子もしくは膜の振動に基づくデバイスを開発した。これらの製造者としては、ネクター社[Nectar](エーロネブ[Aeroneb])、オデム社[Odem](タッチスプレイ[TouchSpray])、パリ社[Pari](イーフロー[e-Flow])、オムロン社[Omron](NE-UO22)、シェフィールド・ファーマシューティカル社[Sheffiled Pharmaceutical](プレメール[Premaire])、アレクザ社[Alexza](スタッカート[Staccato])が挙げられる。
振動式の微小穿孔膜を含む超音波式噴霧器に関する最初の研究は、1980年代に松下(Matsushita)の調査研究所により実施された。振動に委ねられる微小穿孔振動膜を通して細かい液滴で液体を射出する原理は、特に以下の刊行物において開発されている：非特許文献１、非特許文献２および非特許文献３。
これらの研究の全ては、微小孔が穿孔された振動膜を使用する噴霧器を記述する特に特許文献１および特許文献２などの多数の特許の主題を構成している。膜はその中央部に、生成された液滴を発散させる湾曲部(突出部もしくはドーム)を含んでいる。膜は、30〜100μm直径の微小穿孔を含んでいる。振動部材は、5〜15mmの外径、2〜8mmの内径を有する環状の圧電セラミックである。30〜120μm厚みの振動膜は、環状セラミックに対して接着される。この圧電セラミックは、その径方向変形モードにて30〜200kHzの周波数で励起される。特許文献３、ならびに、それに対応する特許文献４は、松下により提案された原理を取り上げている。但し、振動部材(もしくは振動子)は、直径が22mmであるアルミニウム製の環状ディスクから成っている。圧電セラミックは、このアルミニウム・ディスクに対して固定される。圧電セラミックの動作モードは、径方向変形に対応する。アルミニウム・ディスクの中央開口は4mmである。ニッケル膜は、1500個の3μm直径の穿孔(もしくは孔)を有する。
特許文献５は、1リットル／時間に上るスループットを許容する矩形の幾何学形状の振動プレート型噴霧器に言及している。噴霧器は、24mmの外径、12mmの内径、および、6mmの厚みを有する圧電セラミック・ディスクに対して接着された50μm厚みのニッケル膜を備える。膜は、1mmの内径および20μmの外径を有するテーパ付き孔を有する。
テクノロジ・トランスファ・パートナーシップ社(TTP)の特許文献６は、上記の特許文献３に基づく噴霧器を記述している。またTTPの特許文献７は、穿孔膜が電気鋳造ニッケルから成るというディスク噴霧器に言及している。TTPの上記噴霧器は、膜の背後における液体チャンバを必要とせず、且つ、液体は毛管現象(芯材もしくは孔質材料の使用)により送給される。TTPの上記噴霧器は、上記圧電セラミックと微小穿孔膜とから成るアセンブリの曲げモード(flexing mode)を特定する該噴霧器のバイモルフ的構造を強調している。膜は、環状圧電セラミックの剛性に匹敵する剛性を有する。上記文献の噴霧器は、20mmの外径および200μmの厚みを有する真鍮リングを備える。その圧電セラミック・リングは、20mmの外径、6mmの内径、および、200μmの厚みを有している。特許文献８は、微小格子を用いて液体を細かい液滴へと噴霧する手段に言及している。1〜6μmの直径を有する微小孔を備えた膜は、45kHzで動作する圧電式バイメタル帯片により振動される。液体は毛管現象により送給されると共に、膜は振動子から分離され得る。
特許文献９は、振動膜を用いる薬剤拡散器具の使用を記述している。その原理は、上記松下のそれと非常に類似している。それは、環状圧電セラミックを用いて曲げにより振動されるアルミニウム製の部分を備えている。また微小孔を備えた振動膜は、電気鋳造により作製される。上記膜に対しては、液体を収容するチャンバが接触する。
更にオムロン社は、微小穿孔膜を通して液体を噴霧することを可能とする超音波ポンプ技術を開発した。この技術は、特許文献１０に記述されている。オムロン社の技術において微小穿孔膜は、振動部材により直接的に振動されるのではない。超音波ポンプにより動的に圧力が変化するときに各孔を通る液体の射出により、液滴が形成される。
振動に委ねられる微小穿孔膜を含む現状技術の圧電式もしくは超音波式の噴霧器(20kHzより大きい周波数)は全て、膜と、それに組み合わされた圧電セラミックとの曲げにより動作する。実際問題としてこれは、環状圧電セラミックと、多数の微小穿孔を含む薄寸の金属膜とを種々の様式で組み合わせる段階を包含する。この種の構造は、厚みが小さいという利点がある。
米国特許第4,533,082号 米国特許第4,605,167号 米国特許第5,152,456号 欧州特許公開EP0432992A1号 米国特許第5,297,734号 米国特許第5,261,601号 米国特許第5,518,179号 米国特許第6,085,740号 米国特許第6,427,682号 米国特許第6,901,926号
ウエハ・エス等(Ueha S., et al.)の"多重ピン孔プレートを用いた超音波式噴霧の機構(Mechanism of ultrasonic atomisation using a multi-pinhole plate)、Acoust.Soc. Jpn. (E) 6、1:21 (1985) マエハラ・エヌ等(Maehara N., et al)の"多重ピン孔プレート型の超音波式噴射器の性能に対する振動システムの影響(Influence of the vibrating system of a multipinhole-plate ultrasonic nebulizer on its performance)"、科学機器論評(Review of scientific instruments)、57 (11)、Nov. 1986．pp.2870-2876 マエハラ・エヌ等(Maehara N., et al.)の"ピン孔プレート型の超音波式噴霧器(A pinhole-plate ultrasonic atomizer)"、超音波学(Ultrasonics)、Nov. 1984
しかし現状技術の各デバイスは、多数の欠点がある。
第1の欠点は、微小穿孔膜が噴霧器の共振モードに対して強く寄与するという事実に在る。この現象の影響は、膜と接触する液体により、噴霧器自体が該噴霧器の共振に関して相当に減衰されることである。噴霧器の動作は、液体の量に対し、または、膜の背後の液体により及ぼされる圧力に対し、強く依存する。これにより、噴霧器の励起周波数の制御が複雑となる。更にこの減衰は、振動部材および膜の過熱に繋がる。この過熱によれば、噴霧器の動作時間は限られ、噴霧器に対して必要な電気消費量は増大され、且つ、噴霧されるべき液体の特性が劣化し得る。更にこの形式の構造において、曲げによる膜の変形によれば、該膜の表面全体にわたる均一な変位を実現することはできない。また膜上の各微小孔の位置決めに依存し、該膜は同一のスループットを有さず、且つ、エーロゾル生成は不安定となり得る(スレッショルド効果)。同様に、機械的固定具および液体シールに対する上記振動構造の感度(擬似減衰)によれば、斯かる構造を大量かつ低コストで工業的に実施する技術解決策は、複雑で不経済とされる。
故に、これらの種々の欠点を克服すると共に、更に高信頼性であり、電子的な制御が更に容易であり、更にエネルギ効率的であり、大量かつ低コストでの工業化が更に容易であるというデバイスを提案するという必要性が在る。
本発明は、特に前項において説明された問題を克服するものである。
この目的の為に、本発明の主題は主請求項に定義された噴霧器である。
好適実施形態は、従属請求項の主題である。
本明細書において、“変換器”という語句は、圧電変換器本体と、少なくともひとつの圧電素子と、選択的に後部質量部と、を含む部材を意味すると理解されるべきである。
“断面”という語句は、平面と体積物との交差部から成る幾何学的図形を意味すると理解されるべきである。故に、可変的な内径を有する円筒状物体の例を考えると、それはその丈の全体にわたり変化する断面を有すると表現される。
変換器本体は、対称軸心を有する。
本発明に係る噴霧器により提供される多数の利点は、膜が固定される圧電変換器本体が、縦モードで振動し、すなわち、該圧電変換器本体の対称軸心に対して平行な方向において振動するという事実から帰着する。
ひとつ以上の圧電素子が配備され得る。
好適には、圧電変換器本体の断面は該本体の丈の全体にわたり変化する。
一実施形態に依れば、上記断面は不連続的に変化する。
好適には、上記断面は単一点にて急激に変化する。
斯かる断面変化は、圧電変換器本体が、異なる外径を有する２つの部分を有するという以下の実施形態において例示される。その端部が膜を含むという変形増幅領域は、最小の直径を有する。本明細書においては“角笛部材(horn)”と称されるこの構成において、長手方向の超音波の変位は、変換器の断面の変化部にて増幅される。管状部材は、微小長手方向変位の増幅器として作用する。
本発明の別実施形態に依れば、膜は少なくとも部分的に、多数の機能を提供するドームを形成する。先行技術においては一般的に、微小穿孔膜は、該膜の背後における噴霧チャンバ内に液体を保持すべく、且つ、その静的圧力を封じ込めるべく設計される。膜に対して使用される、各圧力の平衡性、各孔の形状、および、材料の性質は、液体が膜から浸出せず、且つ、“液漏れ”すなわち液体喪失現象が生じない如きである。更に、ドーム形状は、単純な幾何学的効果により噴流を発散させることで、微小滴もしくはエーロゾル・ミストの更に良好な分布を提供する。同様に、膜の変位に関連する振動速度によれば、各孔を通して微小滴を射出することが可能とされる。本発明の場合、ドームおよび微小穿孔膜の夫々の寸法は、ドームが、膜の表面の全体にわたり均一である振動速度分布を保持し乍ら、振動動作増幅効果を提供する如きである。先行技術におけるのと異なり、膜は、変換器の振動挙動に影響しない。膜の厚みが如何なるものであれ(たとえば20〜200μm)、圧電素子は自身の動的特性および自身の振動性能を維持する。より詳細には、変換器の共振周波数および振動変位は、膜の機械的連結により変更されない。これにより噴霧器に対しては利点が与えられる、と言うのも、変換器(周波数、振動変位、変形モード、結合係数、および、機械的品質係数)は、膜(幾何学形状および材料)を考慮せずに設計され得るからである。
本発明のこの特性によれば、変換器のエーロゾル出力速度、または、スループット、または、共振周波数、または、消費量、または、効率のいずれかを促進するために、該変換器(すなわち転換器)の構造を最適化することが可能とされる。この様にして、殆どゼロ速度(医療用途)から、たとえば30m／秒のオーダー(化粧品用途)の射出速度までにてエーロゾルを生成し得る振動膜式の噴霧器を作製し得る。同様に、噴霧スループットはもはや、圧電セラミックの表面積に対して直接的に関連付けられるのではなく、圧電変換器の長さに対して関連付けられることから、スループットを1μリットル／秒〜300μリットル／秒まで適合させ得る。噴霧器の共振周波数を支配するのは、この同一の長さである。噴霧器の動作モードは、曲げモードではなく、長手方向伸びモードである。これにより、液体スループットを低下させずに、且つ、特に非常に少ない損失を以て、小径の圧電セラミックにより高周波数(50〜200kHz)で作動させることが可能となる。変換器における熱として消散されるエネルギに対応する機械的損失は、該変換器の動作周波数に従い著しく増大する。本発明において機械的損失は減少される、と言うのも、長手方向変換器形式の構造の効率は、曲げにより動作する“バイメタル帯片”形式の構造よりも遙かに良好だからである。
変換器における低損失は、低い電気消費量の噴霧器の設計態様に繋がる。この利点は相当である、と言うのも先行技術の噴霧器は、噴霧時間、および、電源電池もしくはバッテリの寿命により、用途が限られるからである。実施に際し、振動する微小穿孔膜による噴霧器の好適な用途は主として、電池もしくはバッテリで動作する“携帯式”デバイスに関している。本発明の主題である構造は、膜の背後における液体による減衰が少ない。この特性によれば、噴霧されるべき液体の加熱が少なくなる。噴霧器が医学的調製物を投入するという用途において、液体の加熱は、禁止的であると共に、斯かる噴霧器の利点を大きく制限し得る。
更に、好適実施形態に依れば本発明は、振動結節点が利用可能とされ得ることで噴霧器が容易に機械的に固定され得るという事実により特徴付けられる。環状セラミックの曲げにより動作する先行技術の噴霧器は、振動モードを阻害せずに且つ該振動モードを大きく減衰せずに機械的に固定することが困難である。本発明の場合に噴霧器は、振動結節点(この結節点は固有である)の領域内に好適に機械的に固定もしくは重ね型成形されると共に、非常に単純かつ非常に安価であるという機械的アセンブリおよびシールの解決策を許容する。
本発明の別の特性は、液体が膜の後面に対して直接的に接触して載置され得ることである。実際問題として、縦モードにおける噴霧器の振動モードは、液体の存在に対し、且つ、この液体の筒状物の重量に対して殆ど感度を有さない。
この特性によれば噴霧器は、垂直から水平にわたる任意の角度にて等しく動作する。
液体はまた、管路、芯材、または、適切な孔質材料を使用して毛管現象によっても、膜へと案内され得る。この様にして、液体リザーバは噴霧器の上方、回り、または、下方に配置され得る。
本発明の変更例に依れば、噴霧器の構造は、動的質量部とも称される後部質量部であって、その役割は変換器が後方に振動することを阻止することであるという後部質量部と、共通の接続部により連結された２個の圧電セラミックと、キャビティを含む振動運動増幅器と、変化形状であるが好適には突出部もしくはドームを形成すべく皿状とされた微小穿孔膜とを備える。
本発明の別の変更例に依れば、後部質量部、セラミックおよび増幅器を機械的に連結すべく、ネジなどの予備応力機構が使用され得る。増幅器は金属製であり、且つ、好適にはステンレス鋼、チタンもしくはアルミニウムから作成される。微小穿孔膜は振動増幅器に対して接着される。噴霧器の振動挙動に対して殆ど影響を有さない膜は、プラスチック、シリコン、セラミックの如き種々の材料で作成され得るが、好適には金属製とされる。微小穿孔は種々の手段により作製され得るが、好適には電気鋳造により又はレーザにより作製され得る。微小穿孔の量は、オンデマンドで液体を供与するための１個の孔から、数千個の孔までにわたり得る。微小孔のサイズ、または、格子の網目は、噴霧器の用途に従い均等な直径にて1μm〜100μmにわたり得る。噴霧器からの液滴の噴流のスループットおよび均一性能は、膜の変位モードに大きく依存することが例証されている。これらの性能レベルは、膜が曲げによる変形なしで“ピストン”モードで変位されるならば、増進される。現状技術において、噴霧器は曲げにより動作することから、膜の内側におけるひとつ以上の振動結節点に帰着する。本発明において、膜は変換器の振動モードに関与せず、且つ、膜が“ピストン”モードで変形されるべく該膜の幾何学形状を工夫して最適化することが可能である。このために、モデル化および試験の結果、突出部(もしくはドーム)の直径は、液体を収容するキャビティ(またはチャンバ)の直径に近似されるべきことが示された。これは、ドームの最大高さがキャビティの内径の半分に近似されるべきことを意味する。
“ピストン”モードにおける膜の変位は、該膜の表面上の振動速度が均一とされ得ることを意味する。この結果、各微小穿孔(すなわち孔)は、更に良好に較正されるサイズであって、相互に比較されたときに同一のスループットを有するというサイズの微小滴を射出する。
本発明の他の実施形態は、以下に簡潔に記述される。
・単一もしくは複数の圧電素子は、十分な剛性の接着剤を以て、振動運動に委ねられる変換器に対して固定された単一のセラミックにより表される。
・圧電セラミックは、低電圧の電力供給(1〜15VDC)を許容する、たとえばエプコス社(Epcos)、フジ社(Fuji)、ノリアック社(Noliac)、モルガン・マトロック社(Morgan Matroc)またはフィジック・インスツルメント社(Physic Instruments)などにより供給され得る如き多層である。
・圧電セラミックは、該圧電セラミックと、噴霧されるべき液体との間に接触がない様に、変換器の本体に対して固定される。この構成によれば、圧電セラミックを電気絶縁することが可能となり、且つ、液体に対するシール緊密性および適合性(医療用途)の一切の問題が排除され得る。
・噴霧器の振動変位増幅器(すなわち“角笛部材”)は、液体のチャンバもしくはリザーバが該角笛部材の回りに配置される様に、通路、溝もしくは孔を含む。
・噴霧器の圧電変換器は、“角笛部材”の端部における“鐘状口部”であって、好適には一切の曲げなしで“ピストン”モードに従い振動するという“鐘状口部”を含む。この“鐘状口部”は、変換器の振動変位を増幅するだけでなく、更に大きな直径の微小穿孔膜も固定し得るという利点を有する。この構成は、噴霧器の小さなサイズに関わらず、該噴霧器のスループットを増大するためのものである。
・縦モードで動作している圧電変換器は、微小穿孔膜もしくは円筒状格子を振動かつ変形させる。変換器と鐘状口部との間に載置された円筒状膜の変位を最適化するためには、該膜の剛性を適切に高めるために突出部が付加され得る。
噴霧器は、断面の急激な変化により振動運動の増幅を許容する例えば截頭円錐の如き特定形状の“角笛部材”を含む。この特定構成において、圧電素子の直径に対する膜−圧電素子の距離の比率は、好適には0.5より大きい。
・微小穿孔された膜もしくは格子は、接着はされないが、機械的圧力手段により変換器に対して音響的に結合される。
・外部媒体に対する噴霧器の固定は、変換器に対して組み合わされてはいないセラミックの電極に対し、機械的手段によりもしくは接着により固定された箔もしくは可撓回路により提供される。この特定の固定方法は、その実施の簡素さ及びコストの低さの故に好適である。この構成は、変換器を外部媒体から分断し(静的抵抗)、その動的動作を阻害しないという利点を有している。更に、金属箔(もしくは可撓回路)によれば、圧電セラミックに対して電気を供給することが可能とされる。
・噴霧器は変換器本体を備え、該変換器本体は、該変換器本体の動的動作を阻害せずに且つ該変換器本体の性能に影響せずに、リザーバを固定する手段を含む。
・噴霧器は、変換器の本体の動作を阻害せずに該本体に対して機械的に固定されたリザーバを含む。
・噴霧器は、好適にはプラスチックである種々の材料製の中実もしくは中空の機械的ユニットであって、液体を収容するキャビティの内側に同軸的に載置されると共に、好適には円筒状である変化形状の機械的ユニットを含み、その役割は、振動膜のレベルにて形成され得る気泡であって噴霧プロセスを阻害するという気泡を案内することである。
・噴霧器は、“角笛部材”の内側であり且つ振動膜に接近して載置された電極を備える液体存在センサを含む。この電極に対しては低周波の交流電流が印加され、その信号は、変換器の電気接地部にて読み取られる。交流は電極から、液体の導電性により、上記振動膜まで伝搬される。この信号の有無は、液体の有無を表す。
・噴霧器は、変化形状のハウジングであって、手に保持されるか、マスクの様に体(人間もしくは動物)の一部に対して装着され得ると共に、好適にはプラスチックである種々の材料で作成され得るというハウジング内に載置される。このハウジングは、香水の、水分の、消毒剤の、または、医薬の拡散器を構成し得る。より詳細には、上記ハウジングに組み合わされた噴霧器は、肺、鼻または眼球の経路により医薬を投入するデバイスとして使用され得る。
・噴霧器は、特に肺経路により医薬を投入すべく専用とされたハウジングに対して組み合わされ得る。このハウジングは、この医薬の吸入または拡散の管理を可能とする機能の全てを含み得る。それは特に、使い捨て可能とされ得る先端部もしくは解剖学的アダプタと、空気の流れ(吸引もしくは送出)を更に良好に管理することを可能とするバルブもしくは曲路のアセンブリと、吸入時に噴霧をトリガするデバイスであって機械的もしくは電子的に構成され得るというデバイスと、大気圧もしくは減圧(無菌)制御雰囲気のいずれかとされるリザーバと、液体レベル・センサと、本特許に記述された如く気泡の形成を回避する機構とを含む。本明細書において、このアセンブリは“吸入器”と呼称される。
・機械的ハウジング内に取入れられた噴霧器は、外部電子モジュールにより電子的に制御されることで、それに対する電池、バッテリもしくは商用電源による給電が可能とされる。この同一の電子モジュールは、デバイスの完全な自立性を確実とするために、機械的モジュール内に取入れられ得る。この取入れられた電子モジュールは、バッテリ、電池、もしくは、再充電可能な超コンデンサにより、または商用電源により、または誘導効果により給電され得る。
・噴霧器は、電子的な水垢除去機能、または更に概略的には目詰り解除機能であって、圧電素子に対し、名目的な電子電力供給とは異なる持続時間、振幅もしくは周波数の電圧サイクルを印加することにより生成されるという機能を有する。この目詰り解除モードは、噴霧器が水垢除去、清浄化もしくは殺菌製品の浴漕内に浸漬される間に実施され得る。
・噴霧器は、微小サイズの孔を備えた膜を含み、各孔の直径は、表面処理(ポリマもしくは金属)により、更に詳細には電解による金の析出により減少されている。更に、これらの種々の表面処理は、液漏れもしくは目詰りの現象の低減を助力すると共に、一定の場合には、殺菌、殺ウィルスまたは生体適合的な機能を提供する。
・噴霧器は、該噴霧器に対する低温もしくは高温(加熱乾燥)の殺菌を可能とする材料で作成されるか、または、該殺菌を可能とする表面処理を含む。特に噴霧器は、高温用の圧電セラミック(＞150℃)と、ステンレス鋼もしくはチタン製の変換器と、電解による金フラッシュにより覆われた膜とを含む。
・噴霧器は、膜の電気的ポテンシャルが電子モジュールの電気接地部とは異なる様に電気接続される。この電気的構成によれば、デバイスの空気的回路および気道を通るエーロゾルの案内を促進するために、微小滴を帯電させることが可能とされる。
・噴霧器は、たとえばプラスチックもしくは金属で作成されると共に該噴霧器の中心に載置されたカニューレもしくは中空ニードルにより作製された穿孔機構を含む。この機構は、気泡回避機能および液体レベル測定機能を有し得る。この穿孔デバイスによれば、穿孔され得るエラストマ材料で作成された膜シールを有する無菌で防水のリザーバもしくは小瓶を受容することが可能とされる。
・噴霧器は、電極の役割を果たす金属箔(もしくは可撓回路)であって、セラミックに対する電気の供給を可能にする金属箔(もしくは可撓回路)を備え、これは、圧電セラミックに組み合わされた減圧センサを構成すべく使用され得る。吸入の間にセラミックに対して生成された電圧は、吸入に対する噴霧をトリガする機構を構成すべく活用され得る。
本発明は、上記に記述された各実施形態に限定されない。それらは、単なる一例にすぎない。
縦振動モードの導入に加え、径方向振動モードを提供することが可能であることも銘記されたい。
本発明に係る代表的な噴霧器の断面図である。 本発明に係る代表的な噴霧器の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 噴霧器の変更例の断面図である。 各噴霧器の構造に係る膜の変形を示す図である。 本発明に係る噴霧器の振動挙動をモデル化した図である。 本発明に係る噴霧器の振動挙動をモデル化した図である。 自身が縦モードに従い振動する“角笛部材”の回りに載置された管状振動膜を含む噴霧器の断面図である。 円筒管状の噴霧器の斜視図である。 円筒管状の噴霧器の断面図である。 截頭円錐状の噴霧器の斜視図である。 截頭円錐状の噴霧器の断面図である。 本発明により記述された噴霧器を取入れた単純なT形状の医療用吸入器の斜視図である。 本発明により記述された噴霧器を取入れた単純なT形状の医療用吸入器の断面図である。 本発明により記述された噴霧器を取入れると共に外部電子モジュールにより駆動される“懐中”形態の吸入器を示す図である。 本発明により記述された噴霧器を取入れると共に、電子機器はモジュール内に取入れられた“懐中”形態の吸入器を示す図である。 同一の吸入器の断面図であり、そのモジュール内の噴霧器の位置の視認が可能とされている。 種々の気泡排出機能および液体存在センサ機能を備える噴霧器の断面図である。
本発明はこの項において、詳細な説明および図面により示された非限定的な例により更に良好に理解されよう。
図１Ａに示された噴霧器は、好適には50kHz〜200kHz範囲で振動される圧電変換器本体1を備える。図１Ｂは同一の噴霧器を示すが、該噴霧器の種々の部分の長手方向変位の最大振幅を示す曲線が該噴霧器と並べて示される。圧電変換器本体1は２つの領域により特徴付けられる：応力集中領域1aおよび変形増幅領域1b。図１から図６において、応力集中領域1aの外径は変形増幅領域1bの外径と同一である。しかし、変形増幅領域1bの内径は、応力集中領域1aの内径より大きい。
図７から図９に示された噴霧器において、応力集中領域1aの外径は変形増幅領域1bの外径より大きい。但し、変形増幅領域1bの内径は応力集中領域1aの内径と同一である。
図８Ｂは、図１Ｂと同一形式の情報、すなわち、噴霧器の種々の部分の長手方向変位の最大振幅を示す曲線を表している。
変形増幅領域1bの内部は、噴霧されるべき液体を収容するキャビティ4を備える。一定の場合、特に図５、図７、図８から図１０を参照すると、キャビティ4は応力集中領域1aの内側に延在する。この構成によれば、超音波エネルギは主として、振動変位増幅器を構成する変形増幅領域1b内に保持される。変形増幅領域1b内におけるエネルギの保存は、変形応力の変換を必要とする。
応力集中領域1aのレベルにて、噴霧器の頂部内には、好適には単片式圧電セラミック2または多層式圧電セラミック9から成るひとつ以上の圧電素子が配置される。たとえば図１は、たとえば真鍮製の中央電極7により接続された２個の単片式圧電セラミック2を表している。
後部質量部5(動的質量部)によれば、圧電セラミックの後部における変形を減少することが可能とされる。予備応力ネジ6によれば、この積層体の全てを機械的に連結することが可能とされる。このアセンブリは、縦モードに従い振動する電気機械的変換器である圧電変換器を構成する。縦モードは、変換器が、該変換器の断面の伸張または収縮により該変換器の対称軸心に沿い変形されるという事実により定義される。この形式の変換器の振動挙動は本質的に、圧電セラミックの直径もしくは幅に対する変換器の全長の比率が好適には１以上である様に、該変換器の長さにより支配される。
振動速度が最大である圧電変換器本体1の端部に対しては、微小穿孔膜3すなわち小さな厚み(20〜200μm)の格子が機械的に固定される。膜3の固定は、該膜が領域1bにおいて上記変換器に対して音響的に結合される如きである。第1の変形モードにおいて且つ例示的にのみ、この変換器はその半波長に従い変形されて振動する。図１Ｂは、変換器の対称軸心(丈)に沿う断面の各点の変位の傾向を示している。
図２は、連結部材8を介して変換器に対して機械的かつ音響的に連結された膜を備えることで該膜に対する高圧の提供を可能とする、この同一の噴霧器を示している。概略的に膜は増幅領域に対し、接着により、ろう付けにより、圧着により、または、溶接により機械的に連結され得る。
図３は変換器の変更例であり、その場合に後部質量部は構成の簡素化の理由により排除される。変換器は、変位が単片式圧電セラミック2のレベルにおいては可及的に小さく且つ増幅領域1bにおいては可及的に大きくなる様に寸法設定される。電極7は、ポリイミド上に、たとえば真鍮箔を固定することにより、または、撓曲可能なプリント配線回路を接着することにより作成され得る。
図４は、多層式圧電セラミック9を用いる本発明の変更例を示している。各層はたとえば20〜200μmの厚みを有すると共に、斯かる多層を使用すると、低コストで、上記セラミックの各端子における電力供給電圧を低減することが可能とされる。この構成は、電池もしくはバッテリ電源を要求する用途に対して大きな利点がある。
図５は、液体4を含むキャビティ(チャンバ)が変換器1の全長にわたり該変換器の本体と交差するという本発明の変更例を示している。この場合、単片式圧電セラミック2はその中央に孔を有している。この構成に依れば、キャビティに対して容易に液体を送給することが可能とされる。
図６は、通路、孔もしくは溝を形成することにより、外部と連通する液体4にてキャビティを充填するという別の形式の液体送給を示している。この構成によれば、液体リザーバが変換器の回りに載置され得る。
図７および図８の実施形態において、液体4を収容するキャビティは、形状の簡素化の理由で筒状である。
図７の構成において、セラミック2はもやは変換器1の本体の後部ではなく、応力集中領域1aの前方における変位増幅器のレベルに載置される。故に単片式圧電セラミック2は、変換器1の本体により保護される。
この構成によれば、セラミック2を液体と接触させず、且つ、リザーバによるシール緊密さの問題の発生がない、という利点が提供される。変換器1の本体の断面変化によれば更に、膜3のレベルにおける振動変位を増幅することが可能とされる。
図９は、微小穿孔膜3が機械的かつ音響的に固定された鐘状口部10を変換器1が備えるという別実施形態を示している。この構成の利点は、単純な表面効果により該構成が噴霧液体スループットを高める一方で、高レベルの振動変位増幅を維持するということである。
図１０は、一例として、振動変位増幅器1bの截頭円錐形状の幾何学形状を示している。この構成によれば、微小穿孔膜3の寸法を増大することが可能とされる。
図１１は、微小穿孔膜3の振動動作を示している。先行技術から帰着する構造(図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃ)において噴霧器は、環状圧電セラミックを微小穿孔膜と連結することにより曲げモードで動作する。膜が平坦であるとき(図１１Ａ)、最大振動変位(Ux)は、膜の中央に位置されると共に、中央からの距離が増大するにつれて大きく減少する。この場合、噴流は高度に指向的である。膜が皿状とされ且つドームから成る場合(図１１Ｂおよび図１１Ｃ)、後者は振動モードの剛性を高めて、単純な幾何学的効果により噴流を発散させる。このことは、関連する曲げ振動モードに関わらずに観測される。曲げモード１は、この観点から更に好適である。本発明(図１１Ｄ)の場合、膜の幾何学形状および性質は噴霧器の振動モードに影響しない。実施に際し、膜の曲げ剛性は変換器の長手方向変形に影響を有しない。最適結果を得るためには、膜が単にこの点における最大振動変位に追随するために、ドームの直径が変換器の直径と非常に近似すれば十分である。斯かる構成によれば、噴霧器に対しては更に高い効率が提供されることから、同一の噴霧スループットに対する消費量が減少される。更に、噴流が特に均一に拡散する。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、本発明に従い作製されると共に一例として与えられた噴霧器に関する有限要素計算法による変形を示している。
この特定の場合において、変換器1の本体はステンレス鋼で作成される。液体4を収容する内部キャビティは6mmの直径を有すると共に、応力集中領域1aは16mmの外径を有する。
変形増幅領域1bは、8mmの外径を有する。単片式圧電セラミック2は、8mmの内径、16mmの外径および1mmの厚みを有するPIC255(フィジック・インスツルメント社)セラミックである。
変換器1および変形増幅領域1bの長さは夫々、16mmおよび12mmである。微小穿孔膜3は、5μmの直径の800個の孔を備えた電気鋳造ニッケルで作成されている。膜の厚みは50μmであり、該膜は8mmの外径を有する。ドームは、5mmの直径に対して0.8mmの高さを有する。膜は、接着により上記変換器に対して固定される。関連する縦モードは夫々、77kHzおよび120kHzの共振周波数を有する。
図１３に係る実施形態において、微小穿孔膜3は円筒状または管状の幾何学形状を有する。膜は、一方では応力集中領域1a上に、他方では変形増幅領域1bに対して固定される。この場合、膜は径方向モードに従い振動する。
図１４および図１５は、液滴サイズおよびエーロゾル・スループットに関して優れた結果を与えた代表的実施形態を示している。図１４Ａおよび図１４Ｂは、本体がステンレス鋼で作成された変換器1の斜視図および断面図を表している。液体4を収容する内部キャビティは6mmの直径を有すると共に、応力集中領域1aは16mmの直径を有する。この特定構成においてリザーバ固定機構は、螺条が形成された後部質量部5の形態を取る。この後部質量部の外径および長さは夫々、10mmおよび8mmである。単片式圧電セラミック2は、8mmの内径、16mmの外径および1mmの厚みを有するPIC255(フィジック・インスツルメント社)セラミックである。変形増幅領域1b(すなわち“角笛部材”)は、7mmの外径および12mmの長さを有する。
単片式圧電セラミック2に対して電気接続される電極7は、直径が30mmで厚みが50μmであるステンレス鋼の箔である。電気鋳造ニッケル膜3は、20μmの厚みに対して10,800個の2μm孔を備える。噴霧器によれば、80kHzの動作周波数における0.6ml／分のスループットに対して2μmのサイズを有する液滴が実現され得る。
図１５Ａおよび図１５Ｂは、その変換器本体がステンレス鋼から作成された噴霧器の斜視図および断面図を示している。液体4を収容する内部キャビティは6mm〜12mmで変化する直径を有すると共に、応力集中領域1aは20mmの直径を有する。この特定構成におけるリザーバ固定機構は、螺条が形成された後部質量部5の形態を取る。この後部質量部の外径および長さは夫々、10mmおよび8mmである。単片式圧電セラミック2は、10mmの内径、20mmの外径および1mmの厚みを有するPIC255(フィジック・インスツルメント社)セラミックである。円錐形状の変形増幅領域1b(すなわち“角笛部材”)は、7mm〜14mmで変化する外径および9mmの長さを有する。
単片式圧電セラミック2に対して電気接続される電極7は、直径が30mmで50μm厚みのステンレス鋼で作成される。電気鋳造ニッケル膜3は、20μmの厚みに対して45,300個の2μm孔を備える。噴霧器に、70kHzの動作周波数における2.5ml／分のスループットに対して2μmのサイズを有する液滴が実現され得る。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、肺経路により医薬を投入する吸入器を表している。この吸入器は、たとえばインターサージカル社(Intersurgical)により供給されるT形状モジュール15であって、本発明の主題である上記噴霧器が取入れられるというモジュールに組み合わされたマウスピース16の形態を取り得る。噴霧器は、変換器カバー12を用いてモジュール15内に載置される。自身のプラグ14を備えるリザーバ13は、変換器1を担持する。単片式圧電セラミック2は、箔の形態の電極7により電力が供給される。噴霧器は、ケーブル18を介して給電される。噴霧器が動作するとき、該噴霧器はモジュール15の内側にエーロゾルを生成する。患者は、この様に生成されたエーロゾルをマウスピース16を介して吸入する。
図１７は、吸入器の別の形態を表している。図１７Ａは本発明の主題である噴霧器を取入れた吸入器を示し、その場合に電子モジュール19は、外部に載置されると共に、ケーブル18により吸入器のモジュール15に対して連結されている。この吸入器は、マウスピース16と、噴霧器に対して連結されたリザーバ13と、プラグ14とを含んでいる。空気流と上記噴霧器により生成されたエーロゾルとを管理すべくモジュール15内には、開口17が形成されている。
図１７Ｂは、当該“懐中”吸入器のモジュール15内に電子モジュール19が取入れられるという吸入器を示している。
図１７Ｃは、図１７Ａの吸入器を断面で示している。同図は、たとえば成形プラスチック製のモジュール15と、取外し可能であり且つ使用後に使い捨て可能とされ得る先端部16と、噴霧器をモジュール15内に取付け且つ該モジュールをコネクタ20およびケーブル18を介して電子モジュール19に接続することを可能とする変換器カバー12とを示している。噴霧器は、変換器1の本体と、単片式圧電セラミック2と、振動膜3と、電極7と、接地部11と、リザーバ13と、プラグ14とを備えている。エーロゾルは、モジュール15のキャビティ内で生成されると共に、マウスピース16を通して患者により吸引される。
図１８は、気泡の排出を可能とする管材と、液体存在センサとを備えた噴霧器の断面図である。この噴霧器は、管状の変換器本体1と、単片式圧電セラミック2と、微小穿孔振動膜3と、リザーバ13の固定を可能とする後部質量部5とを備える。単片式圧電セラミック2は、一方にて接地部11に対して且つ電極7に対して接続されたケーブル18により電力が供給される。液体キャビティ4の内側には、好適にはプラスチックから作成されると共に、たとえば3mmの直径を有する管材21が同軸様式で載置される。噴霧器の液体スループットが高くなるとき、膜3は、液体4を収容する上記キャビティの内側を空気が貫通し得る如く、減圧を生成する。膜3のレベルに気泡が形成されると、エーロゾルの形成が阻害され得ると共に、噴霧器の動作が悪影響され得る。管材21は、空気／液体の界面に対して影響する毛管力の作用により、気泡を排出し得る。この同一の管材21はその中央に電気導通ワイヤ23を有し、その端部22は液体に対して直接的もしくは間接的に電気接触する。導通ワイヤ23に対しては、好適には500Hzにおける低周波の交流電気信号が送信される。膜3および変換器本体1は同一の電気的ポテンシャルには無いことから、結果は、キャビティ4内に存在する液体の抵抗性に依る電流である。この電流の存在は、液体の存在に対応する。液体存在センサ22に由来する情報によれば、噴霧器の動作を自動的に開始もしくは停止することが可能とされる。
本発明は明らかに、上記で論じられた例に限定されない。同様に、本発明は医療分野に限定されない。本発明に係る噴霧器は、香気および香水の拡散器としても、且つ／又は、化粧品の用途においても使用され得る。本発明はまた、局所的使用のための種々の液体ミストの拡散(加湿器もしくは注油器)、または、バイオ技術もしくは試薬に対する液体操作デバイスも包含する。
1 圧電変換器本体
1a 応力集中領域
1b 変形増幅領域
2 単片式圧電セラミック
3 微小穿孔膜
4 液体を収容するキャビティ
5 後部質量部
6 予備応力ネジ
7 電極
8 連結部材
9 多層式圧電セラミック
10 鐘状口部
11 電気接地部
12 変換器カバー
13 リザーバ
14 プラグ
15 モジュール
16 先端部
17 開口もしくはバルブ
18 電力供給ケーブル
19 電子モジュール
20 電気コネクタ
21 同軸的な管材
22 液体存在センサ
23 センサ戻りケーブル

Claims (21)

  1. 開口を画成する第1端部と、第2端部とを有する堅固な圧電変換器本体(1)であって、該圧電変換器本体(1)の内部は噴霧されるべき液体を収容するキャビティを備えると共に、該本体(1)は対称軸心を更に備えるという堅固な圧電変換器本体(1)と、
    前記第1端部に対して取付けられて前記開口を覆う微小穿孔膜(3)と、
    前記圧電変換器本体(1)を振動させるべく適合かつ配置された圧電素子(2、9)と、を備える超音波式液体噴霧器において、
    前記圧電変換器本体(1)をその対称軸心に対して平行な方向に振動させるために、前記圧電素子(2、9)は前記第2端部の近傍に配置される、ことを特徴とする超音波式液体噴霧器。
  2. 前記圧電変換器本体(1)の断面は該本体の丈の全体にわたり変化する、請求項１に記載の噴霧器。
  3. 前記断面は不連続的に変化する、請求項２に記載の噴霧器。
  4. 前記断面は単一点にて急激に変化する、請求項３に記載の噴霧器。
  5. 前記第2端部の近傍における前記圧電変換器本体(1)の壁部の厚みは、前記第1端部の近傍における前記圧電変換器本体(1)の壁部の厚みよりも大きい、請求項４に記載の噴霧器。
  6. 前記圧電変換器本体は前記第2端部の近傍において中実である、請求項５に記載の噴霧器。
  7. 前記圧電変換器本体は前記第2端部の近傍において中空である、請求項５に記載の噴霧器。
  8. 前記圧電変換器本体(1)の内径は一定である、請求項２、３または４のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  9. 前記圧電変換器本体(1)の内径は可変的である、請求項２、３または４のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  10. 前記第1端部の近傍における前記内径は前記第2端部の近傍における前記内径よりも大きい、請求項９に記載の噴霧器。
  11. 前記圧電素子(2、9)は前記第2端部の外面に当接して配置される、請求項１から請求項１０のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  12. 前記圧電素子(2、9)の前記外面に当接して配置された後部質量部(5)を備える、請求項１１に記載の噴霧器。
  13. 前記圧電変換器本体(1)の外径は一定である、請求項１から請求項１０のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  14. 前記圧電変換器本体(1)の外径は可変的である、請求項１から請求項１０のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  15. 前記第2端部の近傍における前記外径は前記第1端部の近傍における前記外径よりも大きい、請求項１４に記載の噴霧器。
  16. 前記圧電変換器本体の外面は第1直径および第2直径により画成され、該２つの直径間の遷移領域は急激な不連続部を形成する、請求項１５に記載の噴霧器。
  17. 前記圧電素子(2)は前記不連続部に位置されると共に、該圧電素子は、前記第2端部を含む前記圧電変換器本体(1)の部分上に担持される、請求項１６に記載の噴霧器。
  18. 前記キャビティの長さと直径との間の比率は0.5より大きい、請求項１から請求項１７のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  19. 前記微小穿孔膜(3)は、自身の剛性を高め得る突出部を少なくとも部分的に形成する、請求項１から請求項１８のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  20. 前記微小穿孔膜(3)は、20〜200μmの厚みを有すると共に、1μm〜100μmの直径の複数の孔を含む、請求項１から請求項１９のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
  21. 前記圧電素子は多層式圧電セラミック(9)である、請求項１から請求項２０のいずれか一つの請求項に記載の噴霧器。
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