JP2024017207A - 噴霧装置用メッシュ部材及び超音波液体噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の超音波液体噴霧装置が有していた液滴の微小化と霧化量の確保との関係を改善し、微細な液滴を効率良く生成可能な超音波液体噴霧装置、及び、それに使用される噴霧装置用メッシュ部材等を提供すること。【解決手段】複数の吐出孔を有するメッシュ部材に接した液体に超音波振動を印加して当該吐出孔を通じて当該液体を噴出することで液滴を形成する液体噴霧装置に使用される噴霧装置用メッシュ部材であって、当該吐出孔の少なくとも一部において、当該吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の少なくとも一部に非円形の断面形状が含まれることを特徴とする噴霧装置用メッシュ部材。【選択図】図９

Description

本発明は、超音波振動を利用して液体を霧化して噴出するための超音波液体噴霧装置等に関する。

超音波振動により液体を霧化する液体噴霧装置は、例えば、室内に湿度を付加するための加湿装置として使用される他、霧状にした液体状の治療薬を呼吸器系疾患を有する患者に吸入させることによって、患者の喉部や気管内の患部に治療薬を供給する目的で広く使用される。

上記の超音波液体噴霧装置においては、例えば、特許文献１乃至特許文献４等に記載されるように、液体を吐出するための微細な吐出孔（貫通孔）が設けられた略平面状のメッシュ部材に対して、ホーン振動子等の振動子の振動面を所定の間隔をおいて配置し、当該メッシュ部材と振動面の間に霧化される液体を充填した状態で振動子を振動させることによって、上記吐出孔から微小単位で液体を吐出させることで当該液体を微細な液滴として霧化する構造が広く使用されている。

上記構造を有する超音波液体噴霧装置においては、一般に微細な液滴を効率良く生成することが求められる。当該要求を満たすために、例えば、上記特許文献２においては、メッシュ部材に設けられる貫通孔の径や分布を調整することによって、所望の霧化を行う技術が記載されている。また、上記特許文献３においては、当該貫通孔の縦断面（メッシュ部材の表面と垂直な断面）での形態を各種調整することが記載されている。また、上記特許文献４においては、当該メッシュ部材を形成する際の製造方法を最適化することによって、発生する液滴の粒子径分布を小さくする技術が記載されている。

特開２０１４－４２１１号公報 特開２０１４－４２０９号公報 国際公開ＷＯ２００２／０２８５４５号 特開２０１５－９６２３５号公報

上記のように超音波液体噴霧装置において液体の吐出に使用されるメッシュ部材について、当該メッシュ部材に設けられる吐出孔（貫通孔）の断面形状や直径等に応じて生成される液滴の粒子径等が変化することが知られている。そして、一般には、メッシュ部材の表面における吐出孔の径を縮小させることにより、微細な液滴が形成可能になる一方で、当該吐出をする際の抵抗が高くなることから、各吐出孔から吐出される液体の量が減少し、効率の良い霧化が困難となる。

一方、吐出孔の微細化に伴って吐出される液体の量が減少する現象は、吐出孔の数を増加させることによって補うことが可能である。しかしながら、所定の面積のメッシュ部材において吐出孔の数を増加させた際には、メッシュ部材において吐出孔の開口部が占める面積の割合が高まる結果、メッシュ部材の剛性の低下を生じ、振動子の振動にメッシュ部材が追従する等して全体としての吐出量が増加しないという問題を生じる。つまり、上記メッシュ部材を使用して液体を霧化する装置においては、生成する液滴の粒子径の微小化と、霧化量の確保との間にトレードオフの関係が存在し、微細な液滴を効率良く生成しようとする際には所定の困難性が存在する。

本発明は、従来の超音波液体噴霧装置が有していた上記のような液滴の微小化と霧化量の確保との関係を改善し、微細な液滴を効率良く生成可能な超音波液体噴霧装置、及び、それに使用される噴霧装置用メッシュ部材等を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１）複数の吐出孔を有するメッシュ部材に接した液体に超音波振動を印加して当該吐出孔を通じて当該液体を噴出することで液滴を形成する液体噴霧装置に使用される噴霧装置用メッシュ部材であって、当該吐出孔の少なくとも一部において、当該吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の少なくとも一部に非円形の断面形状が含まれる噴霧装置用メッシュ部材。
（２）上記非円形の断面は、当該断面内において当該断面の幾何中心から最も遠い吐出孔の内壁までの距離が、当該断面の幾何中心から最も近い吐出孔の内壁までの距離の１．２倍以上である上記の噴霧装置用メッシュ部材。
（３）上記吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の内、断面積が最小の断面の断面積が３０μｍ^２以下である吐出孔を有する上記の噴霧装置用メッシュ部材。
（４）上記吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の内、少なくとも断面積が最小の断面の形状が非円形である上記の噴霧装置用メッシュ部材。
（５）上記の噴霧装置用メッシュ部材を有する超音波液体噴霧装置。

本発明によれば、メッシュ部材に設けられる吐出孔の断面積を縮小した際にも、所定の吐出量を確保しつつ液滴の生成が可能であり、微細な液滴を効率良く生成可能な超音波液体噴霧装置等が提供される。

従来の超音波液体噴霧装置における吐出孔の周囲の状態を示す模式図である。 従来の超音波液体噴霧装置における、メッシュ部材と振動面間の液体１０の挙動を示す模式図である。 本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出口の形状の例を示す模式図である。 略三角形の吐出口から超音波振動によって吐出される液体等の挙動のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔の縦断面の形状の例を示す模式図である。 本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔の縦断面の形状の例を示す模式図である。 本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材として使用する電鋳膜を作製する過程を示す模式図である。 実施例１に係るメッシュ部材のＳＥＭ像と、その吐出口の顕微鏡像である。 本発明の実施例及び比較例に係るメッシュ部材を使用して生理食塩水を霧化した際に生成する液滴の粒子径と、霧化量を示すグラフである。

図１には、従来の超音波液体噴霧装置のメッシュ部材１に設けられた吐出孔２の周囲の状態を模式的に示す。図１に示すように、超音波液体噴霧装置においては、メッシュ部材１に対して、所定の間隔で対向してホーン振動子等の振動子３が配置され、当該振動子３の振動面４とメッシュ部材１の間に霧化される各種の液体１０を充満した状態で振動子３を振動面４と略垂直な方向に振動可能とされている。図１に示す状態で、振動面４を振動させることによって、振動面４で周期的に変動する水撃圧力が生じて、その結果、液体１０が吐出孔２の開口部（吐出口）から噴出し、液滴が形成される。

なお、本明細書においては、メッシュ部材１に貫通して設けられる液体の通路を「吐出孔」と記載し、当該吐出孔の吐出側表面近くに設けられる吐出孔の横断面積の最も狭い開口部を「吐出口」と記載する場合がある。

メッシュ部材１に設けられる吐出孔２の縦断面の形状は、その径（ｄ）が一定である円筒形状とされる以外に、図１に示すように、例えば、液体１０が吐出孔２の開口部から噴出する際の速度を向上する等の目的によって、その縦断面において振動子３の側で広く開口し、噴出側で狭くされ、その間を滑らかに結ぶような縦断面の形状とすることが一般に行われる。

図２には、図１において振動子３が振動する過程において、振動面４とメッシュ部材１間に充填された液体１０が示す挙動について模式的に示す。図２（ａ）に示すように、振動面４がメッシュ部材１から離れるように移動することによって生じる負の水撃圧によって周囲からの液体１０の補充が生じると同時に、吐出孔２の中の液体が振動面４の側に移動して吐出孔２の中には空気が満たされるものと考えられる。
一方、振動面４がメッシュ部材１に接近するように移動することによって生じる正の水撃圧によって、まず液体１０が吐出孔２の中に貫入され（図２（ｂ））、その後に吐出孔２の開口部から線状の液体１０が放出され、当該線状の液体１０が自らの表面張力等の作用によって分断されて粒状の液滴１２が生成する（図２（ｃ））ものと考えられる。

その後、再び生じる負の水撃圧によって、振動面４とメッシュ部材１の間に周囲からの液体１０の補充が生じると同時に、吐出孔２の中の液体が振動面４の側に移動して吐出孔２の中には空気が満たされた状態（図２（ａ））を生じ、その繰り返しによって継続的に液滴１２が放出されるものと考えられる。

つまり、メッシュ部材１を用いた超音波液体噴霧装置において、液滴１２の放出は断続的に生じるものであり、特に、図２（ａ），（ｂ）に示すような、吐出孔２の中の気相／液相を置換する過程をコントロールすることによって超音波液体噴霧装置による液体１０の霧化の効率化を図ることが可能であると考えられる。

例えば、図２（ａ）において、吐出孔２内から振動面４の側に移動する液体の量を減少させて吐出孔２内に残留する液体量を増加することによって、気体で満たされた吐出孔２内に液体を貫入させる仕事量が減少すると共に、一周期当たり吐出される液体の量を増加させることが可能であると考えられる。また、図２（ｂ）において、吐出孔２内に液体を貫入させる際の抵抗を低減することによっても、一周期当たり吐出される液体の量を増加させることが可能であると考えられる。

上記発想に基づいて本発明者がメッシュ部材１に設けられる吐出孔２の形態について検討したところ、以下の実施例において示すように、吐出孔２の吐出側の開口部の形状を、従来の円形に代えて、三角形や四角形、星形などの異方性を有する形状にすることにより、吐出孔２の吐出側の開口面積を小さくした際にも効率的に液体の霧化が生じることを見出し、本発明に至ったものである。

図３には、異方性を有する開口形状として、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔２の吐出側の開口部の形状の例を示す。従来の噴霧装置用のメッシュ部材には、一般に円状の開口部を有する吐出孔（図３（ｆ））が設けられているのに対して、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材においては、図３（ａ）～（ｅ）に示すような、略多角形、或いは楕円形等、異方性を有する形状の開口部を有する吐出孔が設けられていることを特徴とする。

以下の実施例に示すように、異方性を有する形状の開口部（吐出口）を有する吐出孔を有するメッシュ部材を使用して超音波振動によって液体を霧化した場合には、円形の開口部を有する吐出孔を有するメッシュ部材の場合と比較して、より小さな開口面積によって円形の開口部のメッシュ部材と同程度の吐出量が得られることが見出された。また、その際に形成される液滴の平均粒径は、円形の開口部のメッシュ部材と同程度となることが見出された。

上記の結果は、円形の開口部（吐出口）を有する吐出孔と比較した際に、異方性を有する形状の開口部を有する吐出孔は効率良く液体を吐出可能であることを示すものと推察される。メッシュ部材に設ける吐出孔の開口部の形状に応じて、超音波振動によって液体を吐出して液滴を形成する際の効率が変化する機構は以下のように理解される。

図４には、異方性を有する形状の開口部の例として、略三角形の開口部（吐出口）を有する吐出孔を用いて、超音波振動によって繰り返して液体を吐出する際の吐出孔内部の液体（生理食塩水）の分布をシミュレーションした結果の一例を示す。図４に示すシミュレーションを行った吐出孔は、吐出側の開口形状を略正三角形として当該開口面を底面とした略三角柱の部分と、メッシュ部材の振動子側の面にすり鉢状の裾野を有し、両者を滑らかな面で連結した形状を有している。また、図４では、当該開口部から液体を吐出している状態（図２（ｃ）に対応する状態）での、吐出孔の開口から吐出される液体の形状、及び、吐出孔の内壁付近での液体と空気の存在分布を示している。

図４に示すように、シミュレーションの結果に基づけば、三角形の吐出口から噴出する線状の液体の断面形状は必ずしも三角形ではなく、特に、その角の部分が丸まることが観察され、当該角部には空気層が存在することが示唆された。また、吐出孔のすり鉢状の部分（振動子側）の内面では略均一なコントラストが観察され、液体が充満していることが示唆される一方で、吐出孔の内壁付近ではコントラストに縞模様が観察され、液体と空気が混合して存在することが示唆された。

上記のシミュレーション結果は、例えば、図２（ｂ），（ｃ）に示すような液体の吐出過程において、吐出孔内を吐出開口に向けて貫入して移動する液体は必ずしも吐出孔断面の全面を充満せず、特に非円形断面を有する吐出孔の側壁との間に空気層を残留した状態を形成することを示すものと考えられる。そして、吐出孔（吐出口）の断面を異方性の高い形状にすることにより、当該空気層の残留が助長されるものと推察された。

超音波振動により吐出孔から液体を吐出する際に、吐出孔の側壁と液体の間に空気層が形成される機構は以下のように考察される。つまり、図２に示すように、振動面４がメッシュ部材１に近づくように移動することで、液体が加圧されて吐出孔の内部に貫入すると考えられる。一方で、吐出孔が開放されているために、特に液体の前線付近では液体内部の圧力が大気圧とほぼ同じであり、当該液体の形態は主に液体の表面張力によって決定されるものと推察される。このため、特に液体の前線付近では、その表面積の増加が抑制され、その結果として吐出孔内部の角部分などに液体が浸入し難いことで液体の貫入後にも吐出孔内に空気が残留し、当該空気が液体の流れによって撹拌等されることで吐出孔の側壁との間に空気層が形成されるものと推察される。

所定の粘性を有する液体が物体に接して流れる際には、当該粘性によって物体近傍部分（境界層）での流速が低下することが知られている。そして、特に直径が１０μｍ程度以下とされる吐出孔内部での液体の流れにおいて、当該境界層による流速の抑制は流れに対する抵抗として強く作用するものと考えられる。これに対して、上記のように吐出孔の側壁と液体の間に空気層が形成されることにより、液体の流れに対する抵抗が低下することが考えられ、これによって吐出孔の開口断面の形状を非円形とした際に、当該開口断面の面積を小さくした際にも効率的に液体を吐出可能になるものと考察される。

図２等に示す行程によって液滴を形成する際に、メッシュ部材１の剛性が十分でなく、振動子３の振動によってメッシュ部材１に変位を生じる場合には、当該変位量の拡大によって液体の吐出量が低下すると考えられる。これに対して、例えば、メッシュ部材１の材質や厚み、吐出孔の数等が同一とした際には、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材によって当該メッシュ部材に設けられる各吐出孔の開口面積を小型化することにより、メッシュ部材１の機械的な剛性が向上することで振動子３の振動によるメッシュ部材１の変位量を抑制することが可能であり、効率良く液滴を生成することができる。

また、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材による各吐出孔の開口面積の小型化により、例えば、メッシュ部材の剛性を同程度に維持しながら吐出孔の数を増加させることで液体の吐出量を増加したり、同様にメッシュ部材の剛性を同程度に維持しながらメッシュ部材の厚みを減少させて液体の吐出抵抗を低減することによって液体の吐出量を増加する等、メッシュ部材の設計の自由度を拡大することが可能となる。

本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔の開口の断面形状として、例えば、図３に示す三角形、四角形等の多角形を基本とし、その幾何中心（重心）を基準とした際に異方性を有する形状とすることができる。多角形を基本とした断面形状を有する吐出孔に液体が貫入する際には、当該液体の表面張力等の作用によって当該断面の各角部に液体が浸入し難い等により、吐出孔の壁面に空気層を形成し易くすることができる。

なお、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔の開口の断面形状は、図３に示すような正三角形や正方形等の長さの等しい直線の組合せによって形成される形状である必要はなく、特に加工精度の要請等に応じて、例えば、角部が所定の丸味を有する形状や曲線で区画される形状であってもよい。

異方性を有する吐出孔の開口形状は、以下のように定義することが可能である。つまり、吐出孔の開口は、吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な吐出孔の断面に相当するところ、当該断面内において、当該断面の幾何中心（重心）から最も遠い吐出孔の内壁までの距離（ｍ）が、当該断面内において当該断面の幾何中心（重心）から最も近い吐出孔の内壁までの距離（ｓ）がｍ／ｓ＞１以上の条件を満たす形状とすることで異方性を有する開口形状とすることが可能であり、当該ｍ／ｓ値を拡大することにより異方性の程度を高めることができる。

当該ｍ／ｓ値について、例えば、長さの等しい直線の組合せによって形成される形状において、正三角形（図３（ａ））ではｍ／ｓ＝２であり、正方形等（図３（ｂ））ではｍ／ｓ＝１．４１程度となり、少ない各数の図形とすることでｍ／ｓ値を拡大することができる。ｍ／ｓとして、概ね１．２以上の形状とすることにより吐出孔の開口形状に十分な異方性を生じさせることが可能である。

また、ｍ／ｓ値を拡大するために、開口の内側に凸を有する形状（例えば、図３（ｄ），（ｅ）等）とすることもできる。また、例えば、明確な角部を有しない開口形状として、図３（ｃ）に示すような楕円形状とすることも可能である。一方、過大なｍ／ｓ値を有して異方性が高い開口形状とした際には、実質的に液体が流通しない箇所を生じることで液体の流通抵抗が増加するため、例えば、ｍ／ｓ値が３以下、或いは２．５以下である開口形状とすることが好ましい。

また、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材においては、上記異方性を有する開口部の面積を３０μｍ^２以下、或いは１５μｍ^２以下とすることが可能であり、特に１０μｍ^２以下、或いは７μｍ^２以下の微小な開口面積とした際にも効率的な液体の吐出を行うことが可能であり、微細な液滴を生成することができる。また、吐出する液体の粘度等に応じて、上記異方性を有する開口部の面積を１μｍ^２以上、或いは２μｍ^２以上とすることにより、良好な液体の吐出を行うことが可能である。

図５、図６には、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔の縦断面の形状の例を示す。なお、図５，６では吐出口の形状が三角形の場合について記載するが、本発明はこれに限定されず、各種の異方性を有する非円形の開口形状とすることができる。

本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔は、図５（ａ）に示すように、上記異方性を有する開口形状を底面として、メッシュ部材の厚さ方向にわたって略同一の断面形状を有する柱状の形状とすることができる。当該同一の断面形状を有する柱状の吐出孔を複数設けたメッシュ部材は、例えば、メッシュ部材を構成するための板状体をレーザー光線等によって所望の形状の開口を穿孔することによって製造することが可能である。

また、図５（ｂ）に示すように、吐出孔２の長さを所定に維持した状態でメッシュ部材１の厚みを増加／減少したり、吐出孔２を形成する際の要請等に基づいて、実質的な吐出孔２の開口部が設けられる吐出面１１に対して、その周囲のメッシュ部材の表面が当該吐出面１１と同一の平面に含まれないようにすることも可能である。例えば、図５（ｂ）に示すように、吐出口が含まれる吐出面１１の窪みの大きさを吐出口に比べて十分に大きくすることにより、当該吐出口の形状に応じた液体の吐出を行うことができる。

上記のような形態のメッシュ部材では、吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な吐出孔の断面の内、断面積が最小の断面において噴出される線状の液体の断面積（径）等が実質的に決定されることから、当該断面を液体の噴出における実質的な吐出口と捉えることが可能であり、当該断面の形状を異方性を有する形状とすることにより、効率良く液滴の生成を行うことができる。

また、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材においては、例えば、メッシュ部材と振動子との間で加圧された液体を効率良く吐出する目的で、図６（ａ）に示すように、吐出孔の振動子と対向する側面の形状をすり鉢形状として振動子の側の開口面積を拡大し、当該すり鉢形状と上記異方性を有する開口形状との間を滑らかな面で結んだ形状とすることで、振動子の側からの液体の取り込みを生じ易い形状とすることができる。

更に、図６（ｂ）に示すように、吐出側の開口形状に対してメッシュ部材の厚み方向に略相似形を保ちながら拡大し、すり鉢形状との間で滑らかに連結することで、液体の吐出抵抗を低減することができる。また、吐出孔の振動子の側の開口面積を拡大する際の手段としてすり鉢形状（円形断面）を使用する以外に、例えば、吐出側の開口形状をメッシュ部材の厚み方向に略相似形を保ちながら拡大することによって吐出孔の振動子の側の開口面積を拡大する等、吐出孔の振動子の側の開口を任意の形状とすることができる。

図６（ｂ）に示すように、吐出面１１での吐出口の開口形状に対して、吐出孔１の横断面の形状をメッシュ部材の厚み方向に略相似形を保ちながら拡大する比率は、横断面積の面積として、吐出口の面積の１．１～３倍程度とすることが望ましく、特に１．２～１．７倍程度とすることで良好に液体の吐出抵抗を低減することができる。

上記のように、メッシュ部材の厚み方向で断面形状や面積が変化する吐出孔においては、吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の少なくとも一部において異方性の形状を有していればよく、特に当該断面の内で断面積が最小の断面の形状を非円形とすることにより、効率的に液体の吐出を行うことができる。
また、メッシュ部材の厚み方向に異方性を有する開口形状とすり鉢形状を組み合わせた縦断面形状を有する吐出孔とする際には、液体の取り込み易さと、上記異方性の開口形状による抵抗の低減を両立する目的で、メッシュ部材の厚みに対してすり鉢形状の部分の厚みを、３０～７０％の範囲、より好ましくは５０～６０％の範囲とすることが望ましい。

また、上記すり鉢形状の開口面積を、上記異方性を有する開口形状の開口面積に対して、５０倍以上とし、より好ましくは１００～２００倍の範囲とすることにより、メッシュ部材と振動子との間で加圧された液体を効率良く吐出孔に取り入れることができる。
上記のような複雑な縦断面形状を有する吐出孔は、例えば、特許文献４に記載されるような、いわゆる電鋳と呼ばれる手段によって適宜形成することができる。

上記のようにメッシュ部材に設けられる吐出孔の吐出口の形状として、非円形であり、異方性の開口形状とすることにより小面積の吐出口によって効率的に液体の吐出が可能になるが、メッシュ部材に設けられる吐出孔の全てにおいて異方性の開口形状を有する必要はなく、当該吐出孔の一部において異方性の開口形状を有することによって吐出口の総開口面積を減少しても効率的に液体の吐出が可能になる。

本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材の厚みは、メッシュ部材を構成する材料や、メッシュ部材に設ける噴出孔の密度、メッシュ部材の面積等に応じて適宜決定することができる。例えば、Ｐｄ－Ｎｉを用いた電鋳によってφ６ｍｍ程度のメッシュ部材を構成する場合には、メッシュ部材の剛性を確保する点で、メッシュ部材の厚みを１０μｍ以上とすることが好ましく、更に１５μｍ以上、２０μｍ以上とすることが好ましい。一方、吐出孔からの液体の吐出を効率的に行う点からは、メッシュ部材の厚みを１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下とすることができる。

本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材の厚みは、その使用目的等に応じて適宜の材質により構成することができる。例えば、メッシュ部材を樹脂により構成することにより、所望の形状に形成された金型を使用して、いわゆるナノインプリントと呼ばれる手法によって形成することが可能になり、低コストで任意の吐出孔形状等を有するメッシュ部材を製造することができる。当該メッシュ部材を構成する樹脂材料としては、例えば、ＰＥＴ樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート、ポリエステル、シンジオ型ポリスチレン、（メタ）アクリレート樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、エポキシ、フェノール、ポリイミド等を挙げることができる。

また、メッシュ部材を金属によって構成することにより、上記のような樹脂を使用する場合と比較してメッシュ部材の剛性を向上することが可能になり、霧化の効率を高めることができる。また、メッシュ部材を金属によって構成する際には電気メッキにより母型表面に厚膜のメッキ層を形成する、いわゆる電鋳を使用することで、任意の微細形状を有するメッシュ部材を形成することができる。このため、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材を構成する金属材料としては、電鋳などのメッキによって形成可能な材質が好ましく使用され、例えば、パラジウム－ニッケル合金、白金や、スルファミン酸ニッケル、ニッケルーコバルト合金、金、銀、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、パラジウム等を含む白金合金等が好ましく使用される。

メッシュ部材を電鋳により形成する際には、例えば、特許文献４に記載されるように、母型の基材表面にレジストを使用して任意の形状を形成して母型とし、その表面に電気メッキにより当該母型の形状を写し取り、形状を制御した厚膜を形成し、その後に母型を除去することにより、所望の形状の吐出孔を有するメッシュ部材を製造することができる。また、必要に応じて、当該方法によって得られたメッシュ部材の一方又は両方の面を研磨等によって除去することによって、所望の厚みや、所望の吐出孔の形状を有するメッシュ部材を製造することができる。

その他、本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材を、アルミナ、ジルコニア、タングステンカーバイド、炭化ケイ素等のセラミックス材料で形成することで、メッシュ部材の剛性を高めることができる。

本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材に設けられる吐出孔の数や密度は、当該メッシュ部材の用途や、メッシュ部材を構成する材質や厚み、大きさに応じて、メッシュ部材の剛性等を考慮して適宜決定することができる。例えば、隣接する吐出孔から噴出した液滴の干渉を防止する目的で、吐出孔のピッチを吐出口の有効径の１０倍以上、更に２０倍以上にすることが好ましく、当該吐出孔の配置を行った際に適切な剛性等が確保できる範囲でメッシュ部材を構成する材質や厚みを決定することができる。
以下、本発明について実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明は当該実施例等に限定して理解されるものではない。

以下に説明する方法で、各種の吐出孔の形状を反転した形状をレジストワークによって所定のピッチで複数個形成した基材を母型として、ニッケル－パラジウムを用いた電気メッキを行うことで母型表面にニッケル－パラジウム厚膜を形成する方法で各種のメッシュ部材を形成した。

［実施例１］
図７には、実施例１に係るメッシュ部材（φ６ｍｍ）として使用する電鋳膜を作製する過程を模式的に示す。ステンレス製基板（φ８インチ）を基材２０として、ネガ型フォトレジスト（東京応化製、ｉＮ０８０ ＬＰ １４９ＣＰ）を使用して露光装置（ハイデルベルグ・インストルメンツ製、レーザー直接描画装置 型番ＭＬＡ―１５０）からｉ線（３７５ｎｍ）により描画、現像等を行うことによりサイズがφ５０μｍ、厚み３μｍの一段目レジスト層２１を、相互に７０μｍの間隔をおいて１６６４個形成した。

次に、上記一段目レジスト層２１のそれぞれの中心部に、ネガ型フォトレジスト（日本ゼオン製、ＺＰＮ１１５０－９０）を使用して、露光装置（ハイデルベルグ・インストルメンツ製、レーザー直接描画装置 型番ＭＬＡ―１５０）からｈ線（４０５ｎｍ）により描画、現像等を行うことにより二段目レジスト層２２を形成した。その際に、実施例１においては、二段目レジスト層２２が一段目レジスト層２１に接合する箇所（二段目レジスト層の下面）の形状が、一辺の長さが２．４μｍの略正三角形であり、二段目レジスト層２２の厚みが９μｍ、二段目レジスト層２２の上面が一辺４．０μｍ（底面の１．６６倍）の略正三角形となるようにし、当該二段目レジスト層の下面～上面間の格段面の辺の長さが一段目レジスト層２１の上面からの距離に比例するような逆テーパー形状とした。

上記一段目、及び二段目のレジスト層を形成した基材２０（図７（ａ））を母型にして、電気メッキによって母型表面にパラジウム－ニッケル厚膜を形成した。電気メッキは、中性のアンモニア系パラジウム－ニッケルメッキ浴（松田産業製、ｐＨ６．７５、Ｐｄ濃度６．５ｇ/L、Ｎｉ濃度１．５ｇ/L）を５０℃に保持した状態で、２．５Ａ／ｄｍ^２の電流密度で１０ｍｓＯＮ／５ｍｓＯＦＦのパルス電源を印加して行った。

上記レジスト層を形成した基材２０に対して電気メッキにより金属を析出させることで、析出初期において金属は基材２０の表面のレジストに覆われていない部分に析出して基材２０の面に対して直角な方向（縦方向）のみに成長して金属膜が形成される。一方、当該金属膜の厚みが一段目レジスト層２１の厚み以上に達した後は、金属膜は基材２０の面と平行な方向（横方向）にも成長し、円盤状の一段目レジスト層２１の上面には当該基材２０の面に対して直角な方向及び平行な方向への成長速度等に応じた端面形状を生じることを利用して、二段目レジスト層２２の周囲にすり鉢状の空間を形成させた。

そして、当該すり鉢状の空間を区画する金属膜の端面が二段目レジスト層２２に接触した後、当該金属膜の端面が二段目レジスト層２２の上面状を横方向に成長する直前に電気メッキを中止することにより（電気メッキの時間：６５分間）、図７（ｂ）に示す形態の電鋳膜（メッシュ部材１）を形成した。その際に、吐出口を設けていない部分の電鋳膜の厚みは２５μｍ程度であり、一段目レジスト層２１の底部から測定した吐出孔長さは２２μｍ程度であった。
その後、形成された電鋳膜から基材２０を剥離して除去し、残留するレジストを酸素プラズマを使用したアッシングによって除去することによってメッシュ部材１を作製した。

図８には、上記で作製したメッシュ部材のＳＥＭ像（図８（ａ））、及び、メッシュ部材に形成された吐出口をデジタルマイクロスコープ（キーエンス製）によって撮影した像（図８（ｂ））を示す。図８に示すように、上記電気メッキによって形成された電鋳膜の表面には、上記二段目レジスト層を中心としたすり鉢状の窪みが形成されると共に、当該電鋳膜の母型側の表面には、上記二段目レジスト層の下面形状に相当する略三角形の孔（一辺の長さ：２．３７μｍ）が形成されたことが確認された。

［実施例２］
二段目レジスト層２２の下面の形状について、一辺の長さを３．２μｍとし、二段目レジスト層２２の上面が５．３μｍ（底面の１．６６倍）とした以外は、実施例１と同様の方法によりニッケル－パラジウム製の電鋳膜を作製した。
作製された当該電鋳膜の厚みは２５μｍ程度であり、母型側の表面には、上記二段目レジスト層の下面形状に相当する一辺の長さが３．２μｍの略三角形の孔が形成されたことが確認された。

［比較例１～３］
上記実施例１，２で得られた電鋳膜との比較のために、図７における二段目レジスト層が一段目レジスト層に接合する箇所（二段目レジスト層の下面）の形状を円形とし、その直径をφ２．４０μｍ（比較例１）、φ３．３５μｍ（比較例２）、φ４．２５μｍ（比較例３）とすると共に、それぞれの二段目レジスト層の上面を、直径が下面の１．６６倍の円形とした以外は、実施例１と同様の方法によりニッケル－パラジウム製の電鋳膜を作製した。
作製された当該電鋳膜の厚みはいずれも２５μｍ程度であり、母型側の表面には、上記二段目レジスト層の下面形状に相当する直径を有する円形の孔が形成されたことが確認された。

［メッシュ部材としての評価］
上記で作製した各電鋳膜から、吐出孔（７０μｍ間隔、各１６６４個）が集中する領域（約φ３ｍｍ）が中心になるように、放電加工機によってφ６ｍｍの円形を切り抜いてメッシュ部材とし、当該メッシュ部材を市販の超音波液体噴霧装置（オムロンヘルスケア社製、ＮＥ－Ｕ１５０）に取り付けて、生理食塩水を霧化する霧化試験を行った。試験は、各メッシュ部材を使用して各１分間の霧化を行い、霧化により吐出された生理食塩水の量を測定すると共に、発生した霧中の液滴の体積平均粒子径（ＶＭＤ）を測定することにより行った。

図９には、噴霧試験で計測された各体積平均粒子径と吐出量を、各吐出孔の開口面積に対してプロットしたグラフを示す。図９に示すように、メッシュ部材に設ける吐出口の形状を円形とした場合（比較例１～３）では、吐出口の断面積として５～１５μｍ^２とすることで、吐出口の形状を略三角形とした場合（実施例１，２）では、吐出口断面積が２～５μｍ^２の範囲において同等の粒子径の液滴を生じることが示された。また、当該それぞれの吐出口断面積において得られる吐出量が同程度であることから、吐出口の形状を円形から異方性が大きい略三角形とすることによって小断面積の吐出口によって効率良く液滴を生成可能であることが示された。

本発明に係る噴霧装置用メッシュ部材によれば、超音波振動によって液体を霧化する際に、より小断面積の吐出口によって効率良く液滴を生成可能となり、これを利用することで霧化効率の高い超音波液体噴霧装置を構成することが可能となる。

１ メッシュ部材
２ 吐出孔
３ 振動子
４ 振動面
１０ 液体
１１ 吐出面
１２ 液滴
２０ 基材
２１ 一段目レジスト層
２２ 二段目レジスト層

Claims (5)

1. 複数の吐出孔を有するメッシュ部材に接した液体に超音波振動を印加して当該吐出孔を通じて当該液体を噴出することで液滴を形成する液体噴霧装置に使用される噴霧装置用メッシュ部材であって、
   当該吐出孔の少なくとも一部において、当該吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の少なくとも一部に非円形の断面形状が含まれることを特徴とする噴霧装置用メッシュ部材。
2. 上記非円形の断面は、当該断面内において当該断面の幾何中心から最も遠い吐出孔の内壁までの距離が、当該断面の幾何中心から最も近い吐出孔の内壁までの距離の１．２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の噴霧装置用メッシュ部材。
3. 上記吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の内、断面積が最小の断面の断面積が３０μｍ^２以下である吐出孔を有することを特徴とする請求項１に記載の噴霧装置用メッシュ部材。
4. 上記吐出孔内を流通する液体の流通方向に垂直な断面の内、少なくとも断面積が最小の断面の形状が非円形であることを特徴とする請求項１に記載の噴霧装置用メッシュ部材。
5. 上記請求項１～４のいずれかに記載の噴霧装置用メッシュ部材を有することを特徴とする超音波液体噴霧装置。

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