JP2018069199A - 液滴下ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル先端部の撥液性を簡便に高めて、滴下量の少量化を実現することができる液滴下ノズルを提供する。【解決手段】ノズル１０の先端側に撥液部材１１を取り付けて、かかる撥液部材１１によってノズル１０の先端部の少なくとも一部が構成されるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、液体を少量ずつ滴下可能な液滴下ノズルに関する。

一般に、目薬の点眼用容器などでは、容器内の液体（目薬）を少量ずつ滴下できるように注出部分にノズルが備えられている。
ここで、通常、人間の眼には約２０μＬ程度の涙液を保持する容積があるが、従来の点眼用容器のノズルでは、１滴の滴下量が約３０〜４０μＬというのが一般的となっており、滴下された目薬のほぼ半分が眼から溢れ出てしまうという問題があった。
そこで、このような人間の眼の涙液保持容積に対応した、より少量の滴下を可能とする点眼用容器のノズルに関する提案がなされている。

例えば、特許文献１には、容器から点眼液を滴下させる注出ノズルの先端に、外径が０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のニードル部を備えることにより、１滴の滴下量を約５〜２５μＬ程度にすることができる「点眼用容器」が提案されている。

国際公開第号２０１４／１２３１４０号

しかしながら、特許文献１記載の「点眼用容器」では、ノズルの先端に微細なニードル部を備えることで滴下量を小さくしようとするものであるが、ノードル部自体には撥液性能はなく、滴下が行われるうちに、ニードル部を含むノズル先端部分に液滴が付着したりして残存してしまい、繰り返し使用されるに従って定量滴下が行えなくなるという問題があった。
また、０．５〜２．５ｍｍという微細なニードルは、点眼を行うユーザにとって、先端が非常に尖って見えることから、眼に突き刺さるような恐怖心を与えるおそれもあった。
また、そのような微細なニードルによっても、滴下量はせいぜい１０μＬ程度が限界であり、滴下量の少量性としても十分なものとは言えなかった。

本発明は、以上のような従来の技術が有する課題を解決するために提案されたものであり、ノズル先端部の撥液性を簡便に高めて、滴下量の少量化を実現することができる液滴下ノズルの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の液滴下ノズルは、注出口部に装着される液滴下ノズルであって、前記液滴下ノズルの先端側に、撥液部材が取り付けられており、前記撥液部材が、前記液滴下ノズルの先端部の少なくとも一部を構成している構成としてある。

本発明によれば、液滴下ノズルの先端側に撥液部材を取り付けて、撥液部材によって液滴下ノズルの先端部の少なくとも一部が構成されるようにすることで、ノズル先端部の撥液性を簡便に高めて、滴下量の少量化を実現することができる。

本発明の実施形態に係る液滴下ノズルの一例を示す説明図であり、（ａ）は点眼用容器全体の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すノズルの先端部分の拡大断面図である。 撥液部材の表面に形成される粗面の形態を模式的に示す説明図である。 図２に示す撥液部材の表面での液滴の接触パターンをＣａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒモデル及びＷｅｎｚｅｌモデルで模式的に示す説明図である。 本発明の実施形態に係る液滴下ノズルの一例における液滴の状態を模式的に示す説明図である。 滴下量のばらつきを模式的に示す説明図である。 本発明の実施形態に係る液滴下ノズルの他の例を示す説明図であり、（ａ）は点眼用容器全体の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すノズルの先端部分の拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る液滴下ノズルの他の例における液滴の状態を模式的に示す説明図である。

以下、本発明に係るノズルの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る液滴下ノズルの一例を示す説明図であり、（ａ）は点眼用容器全体の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すノズルの先端部分の拡大断面図である。

［点眼用容器］
同図に示すように、本実施形態に係る液滴下ノズルは、目薬の点眼用容器１の注出口となるノズル１０を構成している。
具体的には、点眼用容器１は、内部に目薬となる液体を収容・貯留可能な容器本体２と、この容器本体２の上面（滴下使用時の底面）のほぼ中心から突出した、液体の注出口となるノズル１０を備えている。容器本体２とノズル１０とは連通しており、容器本体２に貯留された目薬がノズル１０の開口１０ａから、容器外部に注出・滴下されるようになっている。

なお、ノズル１０を含む容器本体２には、図示しないキャップが着脱可能に装着されるようになっており、キャップによって、ノズル１０が覆われ、容器本体２の内部が密閉されるとともに、ノズル１０の先端部が保護されるようにすることができる。

［ノズル］
ノズル１０は、図１に示すように、容器本体２とは別体に形成されており、容器本体２の注出口部に形成されたノズル装着用の突出部分に挿入・嵌合されて容器本体２と一体となって、点眼用容器１を構成する。
具体的には、ノズル１０は、例えば円筒形状や角筒形状に形成され、容器本体２の液体の貯留空間と連通するようになっている。そして、その筒状のノズル１０の開口１０ａを介して、容器本体２の内部から液体が注出・滴下される。

本実施形態では、このようなノズル１０の先端側に、撥液部材１１が取り付けられており、かかる撥液部材１１が、ノズル１０の先端部の少なくとも一部を構成している。

［撥液部材］
本実施形態において、撥液部材１１は、非フッ素系樹脂からなり、撥液部材１１の表面を形成する非フッ素系樹脂の分子鎖中に、フッ素原子が組み込まれている。例えば、非フッ素系樹脂の分子鎖を−（ＣＨ_２）ｎ−で表すと、この分子鎖の一部にフッ素原子が組み込まれ、例えば−ＣＨＦ−或いは−ＣＦ_２−などの含フッ素部分が生成されて、撥液部材１１の表面がフッ素化されるようにしている。

撥液部材１１の表面を形成する非フッ素系樹脂の分子鎖中への組み込みは、フッ素プラズマを用いたエッチングにより行うことができる。例えば、ＣＦ_４ガスやＳｉＦ_４ガスなどを使用し、撥液部材１１（フッ素化前の撥液部材１１を形成する基材）の表面を、一対の電極間に配置し、高周波電界を印加することにより、フッ素原子のプラズマ（原子状フッ素）を生成させ、これを撥液部材１１の表面に衝突させることによって、フッ素原子は撥液部材１１の表面を形成している非フッ素樹脂の分子鎖中に組み込まれる。すなわち、表面の樹脂が気化乃至分解し、同時に、フッ素原子が組み込まれることとなる。
従って、フッ素原子が組み込まれている領域には、エッチングにより、超微細な凹凸が形成されることとなる。この超微細な凹凸での算術平均粗さＲａは、一般に、１００ｎｍ以下であり、Ｒａ／ＲＳｍ≧５×１０^−３である。

また、撥液部材１１の表面は、必要に応じて微細な凹凸部が形成されるように粗面化することができる。例えば、レジスト法等により所望の凹凸に対応する粗面部が形成されたスタンパを適宜の温度に加熱し、これを撥液部材１１の表面に押し当てて粗面部を転写することにより、撥液部材１１の表面を粗面化することができる。

撥液部材１１に用いる非フッ素系樹脂、すなわち、フッ素を含有していない樹脂としては、撥液部材１１の表面に凹凸部を形成して粗面化でき、かつ、フッ素プラズマエッチングによりフッ素原子の分子鎖中への組み込みが可能である限り、任意の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂などを挙げることができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン、又はプロピレンと他のオレフィンとの共重合体等に代表されるオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステルが好ましく用いられる。

［撥液部材の動作原理］
以下、本実施形態における撥液部材１１の動作原理について、図２及び図３を参照しつつ説明する。
本実施形態において、撥液部材１１の表面に形成される粗面の形態を図２に示す。同図において、撥液部材１１の表面には、微細な凹凸からなる粗面１００が形成されているとともに（図２において、粗面１００中の凸部の頂部はＳで示されている）、この粗面１００を形成する非フッ素系樹脂の分子鎖中には、フッ素原子が組み込まれている。

上記のような粗面１００での液の撥液性について、図３を参照して説明する。
図３（ａ）に示すように、上記のような粗面１００での液滴の接触パターンは、液滴が粗面１００上に載ったＣａｓｓｉｅモードでは、粗面１００中の凹部がエアポケットとなっており、液滴は固体と気体（空気）との複合接触の状態となる。このような複合接触では、液滴の接触界面での接触半径Ｒは小さく、液滴と粗面の密着力は低く、疎液性が最も高い空気に液体が接触するため、高い撥液性が発現する。このようなＣａｓｓｉｅモードでの粗面１００の接触角は、以下の理論式（１）に示す通りである。
cosθ^＊＝（１−φ_Ｓ）cosπ＋φ_Ｓcosθ_Ｅ
＝φ_Ｓ−１＋φ_Ｓcosθ_Ｅ （１）
θ_Ｅ：接触角
θ^＊：見かけの接触角
φ_Ｓ：面積比（単位面積当たりの固−液界面の投影面積）
この理論式（１）から理解されるように、φ_Ｓが小さいほど、見かけの接触角θ^＊は１８０度に近づき、超撥液性を示すようになる。

一方、図３（ｂ）に示すように、液滴が粗面１００中の凹部に侵入した場合には、液滴は上記のような複合接触ではなく、固体のみとの接触となり、Ｗｅｎｚｅｌモードで示される。このようなＷｅｎｚｅｌモードでは、液滴の接触界面での接触半径Ｒは大きく、液滴と粗面の密着力は高い。その凹凸表面の接触角は、以下の理論式（２）に示す通りである。
cosθ^＊＝ｒcosθ_Ｅ （２）
θ_Ｅ：接触角
θ^＊：見かけの接触角
ｒ：凹凸度（＝実接触面積／液滴の投影面積）
この理論式（２）から理解されるように、ｒが大きいほど、見かけの接触角θ^＊は１８０度に近づき、超撥液性を示すようになる。

ここで、撥液性については、上記の通り、ＷｅｎｚｅｌモードとＣａｓｓｉｅモードのいずれの状態においても撥液性が向上することが知られているが、粗面１００と液滴との密着力を低減させ、少量の液滴を滴下させるには、Ｗｅｎｚｅｌモードではなく、Ｃａｓｓｉｅモードを安定的に維持すること、すなわち、凹部のエアポケットを安定に維持することが必要であると考えられる。
すなわち、Ｗｅｎｚｅｌモードでは、液相と固相の界面が大きく、その結果、界面に働く物理的な吸着力も大きくなるため、接触角は大きく撥液はしているが、液滴が容易に滴下・転落することはない。
これに対して、Ｃａｓｓｉｅモードでは、界面が小さいため、液滴が滴下する際乗り越えなければならない密着力が低く、容易に滴下・転落し、何度でも繰り返し滴下すると考えられる。

そこで、本実施形態においては、上記のＣａｓｓｉｅモードでの液滴の接触を有効に維持するために、ノズル１０の先端部１１の粗面１００を形成している非フッ素系樹脂の分子鎖中にフッ素原子を組み込むことにより、化学的に撥液性を付与するようにしている。
すなわち、粗面１００中の凹部に液体が侵入してしまうと、液滴の接触パターンはＷｅｎｚｅｌモードとなってしまい、この結果、Ｃａｓｓｉｅモードによる超撥液性は損なわれてしまうが、本実施形態では、粗面１００を形成する非フッ素系樹脂の分子鎖中にフッ素原子を組み込むことにより、粗面１００に対して化学的に撥液性を付与することができ、これによって凹部内への液体の侵入が有効に抑制され、Ｃａｓｓｉｅモードによる超撥液性が安定に維持されることとなる。

特に、本実施形態では、粗面１００の少なくとも一部分、例えば、凸部の頂部や凹部の底部において、この面を形成する非フッ素系樹脂の分子鎖中に、化学的撥液性を発現させるためのフッ素原子が組み込まれるようになっている。このため、この粗面１００に液が繰り返し接触した場合にも、このフッ素原子が取り除かれることはなく、化学的撥液性が安定して維持され、結果として、Ｃａｓｓｉｅモードによる超撥液性が低下することなく、初期段階と同様に高いレベルに維持されるようになる。
さらに、フッ素原子を含む膜を形成するのではなく、表面の非フッ素系樹脂の分子鎖中にフッ素原子を組み込んでいるため、剥離や脱落などによる異物混入の問題も一切生じない。

ここで、上記のような粗面１００の凹凸の程度は、Ｃａｓｓｉｅモードによる撥液性が十分に発揮されるように、粗面１００中の単位面積当たりの凸部頂部Ｓの面積で表される面積比φｓが０．０５以上、好ましくは０．０８以上の範囲にあることが好ましい。
さらに、成形性や機械的強度の観点から、面積比Φは０．８以下、特に０．５以下の範囲にあることが好ましい。
また、粗面１００における深さｄは、５〜２００μｍ、特に１０〜５０μｍの範囲にあることが好適である。

本実施形態において、撥液部材１１の表面に形成される粗面は、図２に示した粗面１００の凹凸形状に限定されないが、エアポケットを安定に形成するという観点からは、図２に示したような凸部及び凹部が矩形状に形成されていることが好ましい。例えば、凹部がＶ字形状のような形態となっていると、液滴が凹部内に入り込みやすくなるからである。
また、撥液部材１１の表面は、フッ素化され、かつ、先端部１１の表面が粗面化されることが、撥液性を向上させることから好ましいが、撥液部材１１の表面は、少なくともフッ素化されていれば、撥液性能を発揮することができる。また、前述したように、撥液部材１１の表面をフッ素化するためのプラズマ処理は、非常にアタック性の強いもので、プラズマ処理によって撥液部材１１の表面には微細な凹凸が形成されて粗面化される。
従って、撥液部材１１の表面は、少なくともフッ素化されていればよく、必要に応じて、さらに先端部１１の表面を粗面化するものであれば良い。

［ノズル先端部の構造］
図１に示す例において、ノズル１０の先端側には、ノズル１０の開口１０ａと同径・同軸に開口１１ａが穿設された撥液部材１１が取り付けられており、かかる撥液部材１１が、ノズル１０の先端部を構成するようにしている。
ノズル１０の先端側に撥液部材１１を取り付けるには、例えば、撥液部材１１をインサート材としてインモールド成形によりノズル１０を成形することによって取り付けてもよく、超音波融着、熱融着、接着剤、嵌合などの適宜手段によって取り付けるようにしてもよく、脱着可能としてもよい。

撥液部材１１は、ノズル１０よりも小さな部材であるため、フッ素化・粗面化する際の搬送効率が向上するとともに、処理装置を小型化でき、同時にフッ素化・粗面化できる数を増やすこともできる。また、フィルム状又はシート状の基材をフッ素化・粗面化した後に、これを打ち抜いて撥液部材１１を作製することもできる。
従って、ノズル１０の先端側に撥液部材１１を取り付けて、かかる撥液部材１１によってノズル１０の先端部が構成されるようにすることで、ノズル先端部の撥液性を簡便に高めることができる。

その結果、容器本体２から注出される液体（目薬）がノズル１０の先端部に対して広範囲に濡れることを防ぎ、開口１０ａの内径を調整・設定することで、ノズル１０から注出される液体の滴下量を任意に設定することができる。
すなわち、図４に示すように、先端部の撥液性が高められたノズル１０から注出される液滴Ｄｕはノズル先端に濡れ拡がることなく、ほぼ球体状となる。そして、液滴Ｄｕとノズル先端の密着力より液滴Ｄｕの重量が上回ったタイミングで、液滴Ｄｕはノズル表面から離脱して転落・滴下されるようになる。液滴Ｄｕは濡れ拡がっていないので密着力は小さく、滴下する液滴Ｄｕは少量となる。また、ノズル１０の開口１０ａの内径を所定の寸法（例えば０．５ｍｍ以下）に設定することで、所望の滴下量（例えば１０μＬ以下）の液滴Ｄｕを注出・滴下させることができる。

また、ノズル先端部の撥液性を高くしても、注出される液滴の滴下量にばらつきが生じる場合がある。
図５は、滴下量のばらつきを模式的に示す説明図である。ノズル１０から滴下される液滴Ｄｕは、正常な場合には図４に示すように、ノズル先端の開口の中心で球体状となり、液滴Ｄｕが一定重量に至った時点でノズル先端から離脱して落下・滴下されるようになる。

ところが、ノズル先端部の撥液性に偏りがある場合には、ノズル１０から注出される液滴Ｄｕは、より撥液性の低い側に移動し、例えば図５（ａ）に示すように、ノズル開口の中心から偏った状態となってしまう。このような状態では、正常な場合と比較して液滴Ｄｕが大きくなるため、滴下される滴下量も、本来の正常な場合よりも大きなものとなってしまう。
また、液体をノズルから注出させる際に、液体中に気泡が発生・混入する、所謂エアの噛み込みが発生する場合がある。このようなエアの噛み込みがあると、ノズル１０から注出される液滴Ｄｕは、例えば図５（ｂ）に示すように、液量の異なる複数の液滴Ｄｕに分離されてしまい、これら複数の液滴Ｄｕが個別に又は一体となって滴下されることで、本来の正常な場合とは異なる滴下量となってしまうことがある。

これに対処するために、ノズル１０の先端部表面を、ノズル中心側に位置する第一の表面と、第一の表面の外周側に連続する第二の表面との２種類（２段階）の表面構成として、第一の表面と第二の表面とが異なる表面自由エネルギーを有する、すなわち、第二の表面が第一の表面よりも高い撥液性を有するように構成することができる。
ここで、撥液性としては、例えば対象となる液体（水など）を水平な搭載面に載せたときに、搭載面と液体表面の接線とのなす角度である「接触角」をθ_Eとした場合に、θ_E≧９０°であれば、その搭載面は対象となる液体について撥液性が「高い」（低エネルギー表面）ということになり、θ_E＜９０°であれば、撥液性が「低い」（高エネルギー表面）ということになる。

例えば、図６に示すように、ノズル１０の開口１０ａの周縁に沿って突出する突部１０ｂを形成するとともに、突部１０ｂの外径と同径・同軸に開口１１ａが穿設された撥液部材１１が、突部１０ｂの周囲に配されるようにしてノズル１０の先端側に取り付けられており、かかる撥液部材１１によって、ノズル１０の先端部の一部が構成されるようにすることができる（図６（ｂ）参照）。
これによって、突部１０ｂの先端面をノズル中心側に位置する第一の表面Ｓ１とし、撥液性が低い高エネルギー表面とすることができる。そして、フッ素化・粗面化された撥液部材１１の表面を、第一の表面の外周側に連続する第二の表面Ｓ２とし、第一の表面Ｓ１よりも表面自由エネルギーの低い面（撥液性が高い低エネルギー面）とすることができる。

その結果、第二の表面Ｓ２に撥液性のばらつきがあってもその影響を受けず、また、エアの噛み込みが生じた場合にも液滴が第二の表面Ｓ２側に分離・分散することもなく、図７に示すように、液滴は必ずノズル１０の開口中心に形成されるように誘導され、液滴の偏りやばらつきが生じることなく、確実かつ安定した注出・滴下を行わせることができる。

また、容器本体２に貯留された内容液を滴下する際には、容器本体２を押圧して、その内圧を上昇させて内容液を滴下するが、図６（ｂ）に示すようにして撥液部材１１をノズル１０に取り付けると、撥液部材１１は内圧を直接受けることがないので、内圧上昇に伴う撥液部材１１の脱離を防ぐことができる。また、より強固に脱離を防ぐため、接着剤を介して、撥液部材１１をノズル１０に取り付けた場合でも、接着界面と内容物の注出経路を隔離することができるので、接着剤のコンタミネーションを完全に防ぐことができる。また、ノズル１０に嵌合部１１を設けて脱着可能とし、撥液部材を交換可能にしてもよい。これらは、本発明の大きな作用効果の一つである。

以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る液滴下ノズルは、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。

例えば、上述した実施形態では、本発明に係る液滴下ノズルの適用対象として目薬の点眼用容器を例にとって説明したが、本発明の適用対象は、点眼用容器に限定されるものではない。すなわち、各種の液体を、所定量ずつ滴下させることが望まれる容器又は装置の注出口部に装着されて、滴下量の少量化を実現することができ、目薬以外の薬品用の容器、醤油やソースなどの調味料用の容器、洗剤や化粧品などの化学製品用の容器等の各種の容器や、チェーンや軸受などの機械の駆動系に定期的に少量ずつ潤滑油を供給するための給油装置、スピンコーターなどに用いられる塗布装置等の各種の装置のノズルとして用いることが可能である。

また、上述した実施形態では、表面がフッ素化・粗面化されて撥液性が付与された撥液部材を用いているが、撥液部材はこれに限定されない。例えば、シリコーンオイルなどの撥液性物質を表面に塗布することによって撥液性が付与されたものであってもよく、疎水性シリカなどの疎水性酸化物微粒子を表面に付着することによって撥液性が付与されたものであってもよい。また、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂により撥液部材を形成することで、その表面が撥液性を発揮するようにすることもできる。

本発明は、各種の容器又は装置のノズルとして好適に利用することができる。

１ 点眼用容器
２ 容器本体
１０ ノズル
１０ａ 開口
１０ｂ 突部
１１ 撥液部材
Ｓ１ 第一の表面
Ｓ２ 第二の表面

Claims (4)

1. 注出口部に装着される液滴下ノズルであって、
   前記液滴下ノズルの先端側に、撥液部材が取り付けられており、
   前記撥液部材が、前記液滴下ノズルの先端部の少なくとも一部を構成していることを特徴とする液滴下ノズル。
2. 前記撥液部材が非フッ素系樹脂からなり、
   前記撥液部材の表面を形成する非フッ素系樹脂の分子鎖中に、フッ素原子が組み込まれている請求項１に記載の液滴下ノズル。
3. 前記液滴下ノズルの先端部表面が、
   ノズル中心側に位置する第一の表面と、この第一の表面の外周側に連続する第二の表面とを備え、
   前記第一の表面と前記第二の表面とが、表面自由エネルギーの異なる表面からなる請求項１又は２に記載の液滴下ノズル。
4. 前記液滴下ノズルの開口の周縁に沿って突出する突部が形成され、
   前記撥液部材が、前記突部の周囲に配されるように取り付けられて、前記液滴下ノズルの先端部の一部を構成し、
   前記突部の先端面を前記第一の表面とし、前記撥液部材の表面を前記第二の表面とした請求項３に記載の液滴下ノズル。

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