JP3659593B2 - 液体スプレー装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体又は液体エマルジョン又は懸濁液（以下本明細書中「液体」と称する）のスプレーをアクチュエータによって発生させる装置及び方法に関するものである。
表面に付着した液体を周囲のエアとともに高い周波数の機械的振動を作用させることによって微細な液滴スプレーを発生させることは既知である。関連する従来技術としては、ヨーロッパ特許公開第432992号、イギリス国特許公開第2263076号、ヨーロッパ特許公開第516565号、アメリカ合衆国特許第3738574号、ヨーロッパ特許公開第480615号、アメリカ合衆国特許第4533082号及びアメリカ合衆国特許第4605167号に記載されているものがある。
或る従来例（例えば、アメリカ合衆国特許第3738574号）では、液体は超音波振動を遠隔の圧電変換から固体結合媒体構体を介して伝達することによってベンディング振動（bending oscillation）で励起されるプレート上の薄いフィルムとして液体を導入する。
また或る従来例（例えば、アメリカ合衆国特許第4533082号）では、機械的振動を音響的又は超音波振動ウェーブとして液体を介して有孔薄膜又は有孔プレート（以下本明細書中「薄膜」と称する）に伝播させ、この薄膜は音響的又は超音波振動ウェーブがないと液体を保持する。液体内の振動波は液体を薄膜の孔から液滴として放出させるよう作用させる。これらの場合、孔の寸法が後面（以下「前面とは反対側の面」と定義する）から「前面」（以下液滴が発生する側の面と定義する）に向かうにつれて減少させると都合がよいとされている。
上述の２つの従来例を融合させた他の従来例（例えば、ヨーロッパ特許公開第516565号）においては、機械的振動を液体の薄い層を介して有孔薄膜に通過させ、この薄膜は機械的振動がないと液体を保持する。ヨーロッパ特許公開第516565号においては、孔の特別な幾何学的形状の利点又は欠点についての教示はない。
更に、他の従来例（例えば、イギリス国特許公開第2263076号、アメリカ合衆国特許第4605167号及びヨーロッパ特許公開第432992号）では、機械的振動源を有孔薄膜に機械的に連結し、この薄膜は振動がないと液体を保持する。振動の作用により液体を薄膜の孔から液滴として放出させる。これらの場合、孔の寸法は「後面」から薄膜の液滴射出面である「前面」に向けて減少させると有利であるとしている。
上述の装置は２つのタイプに分類することができる。即ち、
例えば、アメリカ合衆国特許第3378574号及びヨーロッパ特許公開第516565号に記載の第１のタイプのスプレー装置は、振動を液体を介してスプレーを発生する側の液体表面に伝達するが、液滴寸法に影響を与える液体表面の幾何学的特徴についての記載はない。（アメリカ合衆国特許第3378574号のように）これらの装置は振動がない場合に液体を保持する有孔薄膜を持たないか、又は（ヨーロッパ特許公開第516565号、例えば第６コラム第12行目のように）有孔薄膜を有するが、薄膜の孔が液滴寸法に影響しない。
例えば、アメリカ合衆国特許第460516号、アメリカ合衆国特許第4533082号、ヨーロッパ特許公開第432992号及びイギリス国特許公開第2263076号に記載の第２の一般的タイプのスプレー装置は、液滴が発生する液体面を区切る又は画定する有孔薄膜を有するが、この薄膜の孔は液滴寸法に影響を与える。これらの従来例では、本発明の発明者は、ほぼ円筒形の流体ジェットを薄膜の前面に開口する「小オリフィス」から発生し、またこのジェットは振動サイクル毎に薄膜に接近する方向及び離れる方向に変動していることを観察している。励起が十分強いとジェットの端部部分がちぎれて自由液滴を形成する。この挙動を図１に示す。いずれの場合においても、液滴直径は薄膜の「前」面のオリフィス開口の直径の1.5〜２倍の範囲内の値をとる。この関係はインクジェット印刷でも知られており、多くの研究において液体ジェットの不安定性が指摘されている。「前」面に向かって寸法が減少するオリフィスを有してスプレーを発生する利点はこれらのすべての装置に共通しており、インクジェット技術から知られている。例えば、米国特許第3683212号に記載されている。
第１のタイプの装置は電気的入力エネルギを（圧電）振動アクチュエータに利用する効率が比較的悪い。例えば、米国特許第3378574号に記載のタイプの実際的な装置では、１ジュールの入力エネルギに対して2.5マイクロリットルの水を霧化することができる。ヨーロッパ特許公開第516565号の改良案では１ジュールで約10マイクロリットルの水を霧化することを特許請求しているが、液体供給が薄膜をアクチュエータから注意深く隔離することが必要な毛細管作用に限定されており、構造が相当複雑である。いずれにせよ、薄膜の孔が液滴寸法に大きく影響する装置ではない。更に、懸濁薬剤投与又は他の用途において、ヨーロッパ特許公開第516565号の場合、毛細管供給に対する制約があるとともに、液滴寸法を定義又は液滴寸法に影響を与える孔の機能がないため不利であるといえる。一般的に、用途に応じて最も適切な方法を得るよう多種多様な液体供給方法から自由に選択できるようにすることが望ましい。例えば、薬剤のスプレーに対しては、アトマイザ（霧化装置）に計量した液体投与を行い、「ハングアップ」即ち、アトマイザに残留薬剤が残存することを回避することが望ましい。この残留薬剤は次の投与を汚すことにつながる。他の大きな懸濁物質に対しては、例えば、発汗防止懸濁物質では、限定された範囲の毛細管ギャップが毛細管供給の閉塞を引き起こす恐れがある。液滴寸法を決定し、又は液滴寸法が少なくとも装置の物理的特徴によって影響を受け、従って、装置の製造品質を維持することによって液滴寸法の再現性に役立つようにすることは有用である。
液滴を発生する方向を制限する孔を有する第２のタイプの装置は、オリフィス出口直径よりも大きい液滴寸法の発生比率が高い。このような装置にとっては、固体粒子寸法が所要の液滴直径よりも相当小さくない限り、懸濁液を液滴に霧化するのは困難である。
第２に、第２のタイプの装置は、極めて小さい液滴寸法のスプレーを発生させるように調整しにくい。例えば、患者に吸入させるのに適当な形式の医薬剤の懸濁液又は溶液のスプレーを発生するのが望ましい。代表的には、喘息薬の肺への投与に対して、６μｍの範囲の平均液滴寸法のスプレーを、肺気道内の最適領域に「狙いを定めて（照準を合わせて）」薬剤投与を行うことができるようにすることが望ましい。第２のタイプの装置では、３μｍ〜４μｍの範囲の出口直径を有する孔を必要とする。このような小さい孔寸法を有する薄膜は製造が困難でありかつ高価であり、また孔寸法、液滴直径及びこのような「照準」の再現性が悪い。更に、このような懸濁薬剤の安式化は、約２μｍの平均固体寸法で最も容易に生ずる。しかし、このような小さいオリフィス及びこのような固体粒子の寸法では閉塞や低送給効率を生ずる。
第３に、大きな液滴寸法でも懸濁液体に含有される固体が狭い孔に流入することによって、特に固体寸法がチャンネルの寸法に相当するとき、閉塞を誘発する恐れがある。一つの例として、薄膜の後面での比較的大きい孔直径は、前面の比較的小さい直径を通過させるには大きすぎる粒子を受入れることになる。第２の例として孔を狭くすることは、２個又はそれ以上の固体粒子を互いに孔の側壁に接触させる。このような状況では送出動作を継続することを不可能にし、また閉塞を誘発する。
本発明の目的は、多種多様の液体、懸濁液及び液体供給手段で動作することができる低コストで構造簡単なスプレー装置を得るにある。
本発明の第１の特徴は、
有孔薄膜と、
前記薄膜を振動させるアクチュエータと、
前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段と
を具える液滴スプレー装置において、
前記薄膜の孔に逆テーパを付ける即ち、前記薄膜の面における断面で見て小さい断面領域よりも大きい断面領域から液体を発生させるようにしたことを特徴とする。本明細書の全体にわたり、用語「薄膜」は用語「プレート」も含むこととする。
アクチュエータは、ベンディングモードで動作する圧電アクチュエータとすることができる。好適な実施例においては、アクチュエータの厚さは少なくとも１個の他の次元よりも相当小さいものとする。
好適には、外部ガスによって直接に又は間接的に薄膜の液滴発生表面に加わる圧力が薄膜の反対側の表面に接触する液体の圧力に等しいか又はそれ以上の値の差圧を生じ、この差圧が薄膜の孔から液体内に通過する圧力よりもそれほど大きくないものとする。外部ガスによって加わる圧力は、例えば、薄膜の表面に形成される液体フィルムに作用するとき間接的に薄膜表面に加わる。液体供給手段又は装置それ自体の動作の作用によって液滴を閉鎖したリザーバから追い出し、又は他の手段を使用してこのような差圧を形成する。
好適な実施例においては、孔から液体が通過するのに抵抗するよう液体に低い圧力を生ずる圧力バイアス手段を設ける。
液滴が発生する薄膜の面では薄膜の孔に液体が接しないようにするとよい。
薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段は毛細管供給機構又はバブルジェネレータ供給機構により構成すると好適である。
装置には順（通常）テーパ付き孔と逆テーパ付き孔の双方を設けることができる。順テーパ付き孔は逆テーパ付き孔の外側の周りに配列すると好適である。薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段は、液滴を発生する側とは反対側の薄膜表面に液体を供給するようにする。
本発明の他の特徴は、液体を霧化する方法において、振動する薄膜のテーパ付き孔を小さい断面領域の存在する薄膜側面側から大きい断面領域の存在する薄膜側面側に向かう方向に液体を通過させることを特徴とする。
本発明による装置は霧化すべき液体に毛細管ウェーブを励起することによって動作すると本発明の発明者は確信している。このような毛細管ウェーブの霧化に対する発明者の理解は以下の通りである。
本明細書中、以下の説明及び請求の範囲において、液滴を発生する前面よりも後面の方が大きい領域を有する孔は「順（通常）」テーパ付き孔と称し、前面より後面の方が小さい領域を有する孔は「逆」テーパ付き孔と称する。従って、「逆テーパ付き」薄膜、及び「順テーパ付き」薄膜と定義する。
アクチュエータ、このアクチュエータの取付部、及びアクチュエータを動作させる電子駆動回路は、例えば、国際公開第9310910号、ヨーロッパ特許公開第432992号、米国特許第4533082号、同第4605167号に記載の従来技術の任意の形式、又は他の適当な形式とすることができる。アクチュエータ及び電子駆動装置は互いに協調動作して共振振動を励起するものとすると好適である。
この構成の利点の一つは、構造簡単かつ低コストの装置を使用して懸濁液の液滴スプレーを発生し、平均懸濁粒子寸法に対する平均液滴寸法の比が従来技術の装置よりも相当減少することができる点である。
この構成の第２の利点は、製造が容易でありかつ使用中に孔の閉塞を生ずる可能性が低い薄膜を使用して肺への吸入に好適な小さい液滴直径の液体及び懸濁液スプレーを発生することができる点である。
この構成の第３の利点は、表面への塗布を均一にするのに適当な比較的低速な液体スプレーを発生することができる点である。
次に、本発明の好適な実施例を、単に例示としてのみ添付図面につき説明し、
図１は、薄膜の後面の領域におけるよりも（液的を発生する）薄膜前面の領域での方が小さい孔からの液滴の放出（イジェクション）の順次の段階を示す従来装置の線図的断面図、
図２は、好適な液滴分注装置の断面図、
図３は、図２の装置のための有孔薄膜の断面図、
図４は、霧化（アトマイジング）ヘッドの好適な実施例の平面図及び断面図、
図５は、本発明による液滴分注装置を形成するため霧化ヘッドに使用することができる他の流体圧力制御装置の線図的断面図、
図６は、本発明者が理解した液滴発生方法を示す説明図、
図７は、第２液滴分注装置の線図的断面図、
図８は、（図７の装置の場合）薄膜構体の他の実施例の断面図、
図９は、「順」テーパ付き孔及び「逆」テーパ付き孔の双方からの液滴放出を線図的示す断面図である。
図１は、「順」テーパ付き孔を有する薄膜61の、後面に接触する液体２に対して（薄膜の平面にほぼ直交する方向の）矢印58で示す振動を加えたときの状態を示す。図1a〜図1cは、テーパ付き孔からほぼ円筒形の流体ジェット63及びそれに続く自由液滴64を形成する振動の１サイクルにおける理解されているメニスカス62の順次の展開状態を示す。
図２は、有孔薄膜５の後面52に液体２を直接供給するエンクロージャ３と、電子音響ディスク及びサブストレートとして示した電子回路８によって動作可能な振動手段又はアクチュエータ７により構成した液滴分注装置１を示す。回路８は電力を電源９から受けて有孔薄膜５をこの薄膜の平面にほぼ直交する方向に振動させ、有孔薄膜の前面51から液体の小滴（液滴）を発生させる。有孔薄膜５とアクチュエータ７との組み合わせを以下に「エアゾルヘッド」40と称する。
エアゾルヘッド40は、その振動を不当に制限されないように、例えば、ソフトシリコンラバー（図示せず）で形成した溝付き環状取付部に保持する。後面52への液体貯蔵及び送給は例えば、図２に示すエンクロージャ３によって行う。
図3aは、第１実施例の有孔薄膜５の詳細な断面を示し、この実施例の有孔薄膜５はほぼ矢印58の方向に振動するよう作用し、微細なエアゾルスプレーを発生する液滴分注装置１に使用するのに好適である。一実施例においては、薄膜５は複数個のテーパ付き円錐形の孔53を有する円形のポリマー層により構成する。各孔50は、前面側の開口53及び入口後面の開口54を有し、これら孔は方形の格子状に配列する。このような孔は例えば、エクシマ（高エネルギ準位二量体）レーザを使用したレーザ穿孔によってポリマー薄膜に形成することができる。
図3bは、本発明による第２の実施例の有孔薄膜205の詳細な断面を示し、この薄膜は液滴分注装置１に使用してほぼ矢印58の方向に振動するよう動作する。この薄膜は、電鋳したニッケルにより直径8mmの円形ディスクとして形成し、例えば、オランダ国エールベックのストルク ベコ（Stork Veco）社によって製造されたものとすることができる。厚さは70mmとし、複数個の孔2050を形成し、「前」面2051における開口の直径「ａ」を120ミクロンとし、「後」面2052における開口の直径「ｂ」を30ミクロンとする。孔は、ピッチ170μｍの正三角形の格子状に配列する。孔の輪郭は、薄膜の厚さにわたり、前面直径と後面直径との間で滑らかに変化させ、前面2051に最小寸法50μｍのほぼ平坦な「ランド」領域（符号「ｃ」で示す）を生ずるようにする。
図3a,3bにつき示したのと同様の形状で、ガラス又はシリコンのような他の材料で形成した薄膜を使用することもできる。
図４はエアゾルヘッド40の好適な実施例の平面図及び断面図を示す。このエアゾルヘッドは、「インバール（invar）」として知られているニッケル−鉄合金の環状体71を有する電子音響ディスク70により構成し、この環状体71に圧電セラミック環状体72及び円形有孔薄膜５を結合する。この有孔薄膜は図3bにつき説明したと同様に形成する。ニッケル−鉄合金製環状体の外径は20mm、厚さ0.2mmとし、直径4.5mmの中心の同心孔73を有する。圧電セラミックは、ドイツ連邦共和国のラウフのヘキスト セラムテック（Hoechst CeramTec）社製のタイプP51とし、外径16mm、内径10mm、厚さ0.25mmとする。セラミックの上側表面74に２個の電極即ち、駆動電極75とオプショナル感知電極76とを設ける。この感知（sense）電極76は、1.5mmの幅の金属被覆（金属化）したものにより構成し、この実施例ではほぼ内側から外側に半径方向に延在させる。駆動電極75は表面の残りの部分にわたり延在させ、0.5mmの空隙によって感知電極から電気的に絶縁する。これらの電極は、はんだ付けによって図示しない微細ワイヤに接続する。
動作にあたり、駆動電極75は電子回路８を使用し、代表的には約30Vの電圧で100〜300kHzの周波数の正弦波又は矩形波信号によって駆動し、有孔薄膜の前面51から液滴スプレーを発生し、この場合、液滴の平均寸法は代表的には10ミクロンの範囲内である。アクチュエータヘッドは、一般的に、液滴を効率よく発生する共振周波数を有するものとする。このような共振において、感知電極76からの信号は共振周波数で局所的に最大となる。駆動回路は、電極76からのフィードバック信号を使用しないオープンループとするか、又はフィードバック信号を使用するクロ−ズドループとする。各々の場合において、電子駆動回路は、共振におけるアクチュエータヘッドの変化する電気的挙動に応答することができ、これにより、アクチュエータヘッドと駆動回路は協調してアクチュエータヘッドの共振を維持するよう動作する。例えば、クロ−ズドループの形式では、駆動電極とフィードバック又は感知電極との間の位相角度が最大の送出を行う所定の角度となるよう維持することによって圧電アクチュエータは共振を確実に維持することができる。
図5aは、セルが開放した毛細管状発泡体により構成した導管を有する流体供給部の断面を示す。このような毛細管による供給を使用して液体圧力制御を行う。（圧力制御の利点を以下に説明する。）通気孔83及び毛細管81の作用により、外気の圧力よりも低い圧力で液体は毛細管81内に保持される。毛細管状発泡体の孔の寸法を使用してこの圧力の値を制御する。毛細管81を丈夫な外部ハウジングによって包囲する。この構成は、特に、危険な例えば、有毒な液体のスプレー送出に有効であるとともに、液体損失などの危険性も減少する。毛細管材料81の毛細管現象は液体を閉じ込める作用を行い、たとえ外部ハウジング82が破損したとしても、液体の漏洩を減少又は最小限にくい止めることができる。この利点は薬品若しくは医薬品の液体、又は可燃性液体を保持するのにも適用できる。
図5bは、いわゆる「バブルジェネレータ」装置の断面を示し、この装置は印刷機器の技術で知られており、液体圧力制御にも使用することができる。薄膜の孔からの液体分注作用により、リザーバ90の圧力、従って、薄膜に接触する液体91の圧力を大気圧力以下の圧力に減少する。圧力が液体のメニスカス圧力に抗して薄膜の孔又は代案として１個の又は複数個の）補助開口92を経て空気を吸引するのに十分低いとき、流体メニスカスが差圧に耐えるに十分高くなるまでバブルとして吸い込む。このようにして、液体圧力は外圧以下の値に調整される。（開口92は、エンクロージャから液体が容易に漏れないほど十分小さい寸法に選択するのが一般的である。）上述の圧力範囲に維持するこれらの圧力制御方法は、霧化ヘッド40からのスプレー送出性能を向上することができることがわかっており、また他の方法も本発明に適用することができる。
以下に本発明の動作方法を（図6a〜図6gにつき）説明する。更に、本発明者が理解している本発明による液滴発生のメカニズムも説明する。これらのメカニズムは十分証明されうるものではなく、また本発明を制限するものでもない。
液体に加わる差圧がゼロに近づくとき（即ち、霧化ヘッドの液体の圧力が薄膜の前面の圧力に近似するとき）、液体２は、図6aに示す薄膜５の後面52に付着したメニスカス65として薄膜に接触する。薄膜の振動に応答して液体は、図6bの中間位置に示すように、薄膜５の前面に向かって流動することが観測される。
薄膜が振動していないときに液体メニスカス圧力に抗してエアを薄膜の孔に通過させるに必要な差圧にくらべて小さい差圧では、共通して、薄膜の材料及び孔の断面輪郭によって図6cに示す薄いフィルムとして薄膜の前面51に流出する。この前面において、薄膜５の振動によって、図6dに示すように、液体メニスカス67の表面に毛細管ウェーブを励起することができる。このことは、例えば、図3aにつき説明したエアゾルヘッドの薄膜５にポリマー材料を使用するとき生じることを本発明者は見い出した。これらの波の位置は、孔50の側壁即ち、開口53を区切る側壁と前面との交わるラインによっては制限されない。液体メニスカス67の振幅が十分大きい場合、液滴が発生し、典型的には液滴直径は毛細管ウェーブの波長の約1/3である（例えば、超音波技術のローゼンベルク原理参照）。孔の形状によって、メニスカス67からの液滴としての液体損失を効率よく補充することができる。薄膜の形状により効率よく振動を励起することができる。
好適には、面51を完全には孔で満たすことはしないが、液体は有孔領域よりも広い面51の領域に自由に広がる。この特徴により、振動58に応答する流れの量と、メニスカス67における毛細管ウェーブからの液滴として液体がスプレーされる量との間のバランスをとることができる。このバランスは、例えば、代案として又は上述の方法と組み合わせて（振動に応答する孔通過流に対向して）面51上に依然として薄いフィルムを形成するに十分低い差圧を利用することによって達成することができる。このバランスによって液滴スプレーの形成を阻止する恐れがある前面51上への過剰液体の流れを防止する。
代案として、孔50を通過する流れに対向する差圧は、多量の液滴が薄膜５の前面51に流動せず、図6eに示すように、薄膜の前面51及び後面52において又は前面と後面との間において、接触するメニスカス66を生ずるよう選択することができる。この場合、薄膜の振動は、図6eに示すように、液体メニスカス66の各々に振動を励起することができる。（代表的には、このことは、薄膜が振動されないときに孔の最大液体メニスカス圧力に抗して孔からエアを吸引するに必要な圧力に匹敵するがこの圧力よりも大きくない差圧を必要とする。）薄膜の振動と液体との結合は、孔の形状が流体メニスカスの形状を補足するため、この場合特に効率がよい。生じた液体メニスカスの励起は、毛細管ウェーブの形式をとる。好適には、このような毛細管ウェーブの整数を孔の数と「整合（fit）」させる。このようにして、孔の形状は，毛細管ウェーブで励起されるとき、メニスカスの形状によく適合し、これらのウェーブは効率よく発生する。このようにして、液滴エジェクションが適当な周波数及び振幅で観測される。
図6f及び図6gにおいて、図6eの特別な実施例を示し、図6f及び図6gには、液体メニスカスが後面52の孔との交差領域の近傍（図6f）又は薄膜の前面51との交差領域の近傍に保持されるとともに、振動58の作用によって毛細管ウェーブがメニスカスで形成されるよう差圧を選択したものである。やはり、このことにより、メニスカスの振動を効率よく励起することができ、また振動58の振幅及び周波数が適切であると、液滴が放出される。これらの孔に接触する液体の表面張力の作用に抗して薄膜の孔からエア（又は他の周囲のガス）を吸引するのに必要な圧力と、ゼロとの間の値の差圧が液滴発生効率を改善する。
図6e,図6f及び図6gに示す実施例では、単独の毛細管ウェーブ（即ち、毛細管ウェーブの１波長）のみが開口53,54間の孔直径の範囲内にあるが、所望に応じて１個以上のこのような毛細管ウェーブがこの範囲内にはまるようにすることもできる。このことは、振動励起の周波数で以下に示す関係をほぼ保持することを必要とすることによって表現することができる。即ち、

ただし、
Φ＝薄膜の前面と後面との間の或るポイントでのテーパ付き孔の直径、
ｎ＝整数
λｃ＝液体の毛細管ウェーブの波長
毛細管ウェーブの波長λと励起周波数ｆとの関係は以下の式で与えられる。即ち、
λ_c ³f²＝８πσ／ρ
ただし、σ＝（周波数ｆでの）表面張力
ρ＝流体密度
本発明の発明者はこの関係は上述の孔によって区切られる毛細管ウェーブの場合でもほぼ保持されることを見いだしている。従って、上述の式で定義した直径Φのテーパ付き孔に対して、装置を以下の関係となるように設計し動作させると好適である。即ち、

上述の

の近似式に対応して、この関係が以下の範囲内に保持されるとき、動作が満足のいくものになることを見いだした。即ち、

毛細管ウェーブの所定の数ｐのみが確実にテーパ付き孔内で成立することができるようにすることが有利な装置では、孔の小さい直径に対する孔の大きい直径（「53」で示す）が１〜（ｐ＋１）/pの範囲内の値をとるようにすべきである。このことは、ｐが小さい整数値の場合に効率的である。
毛細管ウェーブ液滴が毛細管ウェーブ波長λｃの約1/3の直径であるため、本発明による装置は、直径が出口開口53の直径の約1/3又はそれ以下の大きさの液滴を発生することができる。（液体メニスカスを薄膜の後面52における開口54又はその近傍に維持するとき、本発明による装置は、開口54の直径のほぼ1/3又はそれ以下の直径の大きさ液滴を発生することができる。従来の装置とは異なって、孔の直径は液滴寸法に影響を与え、従って、所要の直径の液滴発生に役立つよう有利に選択することができる。）装置は、例えば、肺病用薬物投与の用途に必要とされる小さい液滴を発生するのに特に有用である。
液滴発生は、図3bにつき説明した有孔薄膜、図４につき説明した霧化ヘッド、図5bにつき説明したバブルジェネレータを使用するとき、図6e,図6f,図6gにつき説明した装置及び方法により生ずる。このような装置から水をスプレーするとき、−30mbarの差圧（薄膜の前面に流体が流動するのに抵抗する）で最適なスプレーが開始された。差圧が上昇するにつれ、スプレー量及びスプレー効率は、−76mbarの差圧に達するまで向上した。この圧力で有孔薄膜はバブルジェネレータとして作用し、最適のスプレーが得られた。この挙動は典型的なものである。バブルジェネレータ、毛細管供給、及び流動に抵抗する差圧を発生する他の手段は、本発明に特別な利点を与える。この装置のスプレー動作は、周波数115,137,204及び262kHzで、51μｍ〜30μｍの範囲の対応するように計算された毛細管ウェーブ波長で、30Vの電圧の正弦波励起によって得られる。上記の波長は孔の最小開口寸法に対応し、約10μの寸法の液滴を発生する。この装置が、10ミクロンの範囲の液滴を発生するのに、本発明の発明者が知り得たうちで最良の実施例である。
このような種々の実施例において、本発明による「逆テーパ付き孔」の使用は、懸濁液を霧化するときの閉塞を防止するきに役立つ。更に、先ず、従来の技術の装置とは異なって、孔は薄膜を完全に通過できない固体粒子を受け入れない（しかし、孔を永久的に塞ぐことかないよう薄膜振動によって攪拌される）。第２に、２個又はそれ以上の固体粒子は互いにまた孔の側壁に接触することがないよう、従って、孔を塞ぐことがないよう誘導される。第３に、所定の液滴寸法を生ずるために、比較的大きい孔を使用して懸濁液内の比較的大きい粒子を通過させて閉塞することがないようにすることができる。本発明による装置によれば、更に、小さい液滴例えば、肺病用薬物投与好ましい大きさの液滴が必要とされる場合、薄膜を比較的容易に製造することができる。
更に、同一孔寸法を有する本発明による装置と従来技術の装置との間の液滴放出の相対周波数には明確な差がある。例えば、15μｍの最小孔直径では、従来技術の装置は40kHzの領域の周波数で液滴を放出するのが一般的である。一方、本発明装置では400〜700kHzの範囲で液滴放出が発生するのが典型的である。
更に、従来技術の装置との差は、上述の負の液体バイアス圧力の作用からも明らかである。従来技術の装置では例えば、図１に示すように、特に、薄膜の前面の湿潤を防止する負のバイアス圧力を使用することが知られている。しかし、このようなバイアスは新たな均衡位置まで孔内にメニスカスを引き込むことはない。従来技術の装置では、バイアス圧力がメニスカスの端縁を薄膜の前面と孔との交差領域から引き離すに十分な状態になるとすぐにメニスカスを孔から完全に引き離し、スプレー動作が阻止される。本発明によれば、薄膜の前面の湿潤状態を許容するよう差圧を選択するか、又は（差圧がテーパ付き孔内に流体メニスカスを引き戻すに十分である場合）流体メニスカスをテーパ付き孔内で新たな均衡位置をとることができ、従って、安定した液滴放出を可能にする。後者の場合、更に、毛細管ウェーブ波長の整数が孔の範囲に「嵌まり」、効率よく液滴を放出するバイアス圧力及び周波数の組み合わせを確立することができる。
図７は、他の流体供給部を有する第２の液滴分注装置101を示す。この液体供給部は供給パイプ103と、薄膜105の面1051と連係して薄膜105の孔1060に到る毛細管液体チャンネルを生ずるよう作用する環状プレート102とを有する。薄膜105を振動手段又はアクチュエータ７に連結する。アクチュエータ７はシール支持及び取付部108、電子回路８及び電源９に接続する。供給パイプ103はシール支持部108に取り付ける（このことは図示しない）。回路８及び電源９は例えば、第１実施例に示したのと同様にすることができる。矢印58の方向に薄膜の平面に対してほぼ直交する方向の有孔薄膜105の振動により薄膜の前面1051から液滴1010を発生する。この有孔薄膜105及びアクチュエータ107の組み合わせは以下にエアゾルヘッド1040と称する。
図８は有孔薄膜105に接触する液体の詳細を示す断面図である。薄膜105は、複数個の通常のテーパ即ち、順テーパ付き円錐形孔1060と逆テーパ付き円錐形孔1050を有するポリマー層を有する。逆テーパ孔1050は薄膜の前面に液体がないように位置決めする。順テーパ付き孔1060は薄膜の前面から液体を受け取り、例えば、逆テーパ付き孔1050の周囲に配列すると都合がよい。
この第２の液滴分注装置においても、第１実施例の装置につき説明した液滴発生メカニズムが当てはまる。しかし、順テーパ付き孔1060の存在により、薄膜５の前面に種々の方法で液体を供給することができる。液体は順テーパ付き孔1060の薄膜の前面側に供給する。液体送給手段と一つとして、薄膜105の前面1051に連係動作する環状プレート102を有する毛細管供給手段とすると都合がよい。使用にあたり、この第２の液滴分注装置は、順テーパ付き孔1060から液体を薄膜105の後面1052に移送し、薄膜の後面1052において液体湿潤作用により逆テーパ付き孔1050の液体との接触を維持し、第１実施例の液滴分注装置におけるのと同様の方法で孔1050の前面から液滴を分注することができる。他の部分の詳細は上述の第１の実施例の液滴分注装置のものと同様である。
図９は「通常（順）」テーパ付き孔と、「逆」テーパ付き孔の双方を有する薄膜を使用した第２の実施例を示す。この薄膜は図１及び図６で説明した通常の液滴発生メカニズムと本発明による液滴発生メカニズムの双方を単一の装置で組み合わせることができる。「順」テーパ及び「逆」テーパ孔は、大まかに同一寸法にしたり、又は異なる寸法にすることができる。従って、このような装置は、一つの動作周波数で一方のメカニズムで液滴を発生し、また他の周波数で他方のメカニズムで液滴を発生することができる。同様に、このような装置は一方のメカニズムで通常の即ち、順テーパ付き孔1060から比較的大きな寸法の液滴1011を発生し、他方のメカニズムで「逆」テーパ付き孔1050から比較的小さい寸法の液滴1010を発生することができる。更に、一方のメカニズムで比較的高速のスプレーをまた他方のメカニズムで比較的低速のスプレーを発生することができる。勿論、他の液滴寸法、動作周波数及び液滴速度の組み合わせとすることができる。最後に、例えば、上述のバブルジェネレータのエンクロージャ設計において、「順」テーパ付き孔1060の液滴発生メカニズムを使用し、薄膜の「逆」テーパ付き領域からの液滴発生を改善する負圧バイアスを発生することもできる。
本発明の発明者が現在知り得ている本発明装置の霧化ヘッドの最良の条件及び詳細は、図3b,4,5b及び6e〜6gにつき説明した。
図示の実施例に限定されることなく、本発明装置は、指向性の範囲、下向きスプレー、側方スプレー、又は上向きスプレーのいずれかで任意に動作させることができる。

Claims (25)

1. 有孔薄膜と、
   前記薄膜を振動させるアクチュエータと、
   前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段と
   を具える液滴スプレー装置において、
   前記薄膜の孔に逆テーパを付ける即ち、前記薄膜の面における断面で見て小さい断面領域よりも大きい断面領域から液滴を発生させるようにしたことを特徴とする液滴スプレー装置。
2. 液滴が発生する面とは反対側の薄膜の面に接触する液体にバイアス圧力を発生させる圧力バイアス手段を更に設けた請求項１記載の装置。
3. バイアス圧力は、ゼロと、流体が接触する薄膜の孔からエアを吸引する圧力との間の範囲の値とした請求項２に記載の装置。
4. 液滴が発生する薄膜の面では薄膜の孔に液体が接しないようにした請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の装置。
5. 前記アクチュエータを圧電アクチュエータとした請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置。
6. 前記圧電アクチュエータをベンディングモードで動作しうるようにした請求項５記載の装置。
7. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段を毛細管供給機構により構成した請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段をバブルジェネレータ供給機構により構成した請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置。
9. 前記薄膜の全ての孔を逆テーパ付き孔とした請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記薄膜に順テーパ付き孔を設けた請求項１乃至８のうちのいずれか一項記載の装置。
11. 順テーパ付き孔を逆テーパ付き孔の外周に配列した請求項10記載の装置。
12. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段は液滴を発生する薄膜の前面側に液体を供給する構成とした請求項10又は11記載の装置。
13. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段は液滴を発生する薄膜の前面側とは反対側に液体を供給する構成とした請求項１乃至11のうちのいずれか一項に記載の装置。
14. 前記アクチュエータは以下の関係即ち、
    

    

    を満足するよう前記薄膜を振動させる構成とし、
    ただし、
    Φ＝薄膜の前面と後面との間の或るポイントでのテーパ付き孔の直径、
    ｎ＝整数
    λｃ＝液体の毛細管ウェーブの波長
    σ＝表面張力
    ｆ＝励起周波数
    ρ＝流体密度
    とした請求項１乃至13のうちのいずれか一項に記載の装置。
15. 前記アクチュエータは20kHz〜7MHzの周波数範囲で前記薄膜を振動させる構成とした請求項１乃至14のうちのいずれか一項に記載の装置。
16. 振動する薄膜のテーパ付き孔を小さい断面領域の存在する薄膜前面側から大きい断面領域の存在する薄膜後面側に向かう方向に液体を通過させることを特徴とする液体霧化方法。
17. 液体が前記孔を通過するのに抵抗するよう前記液体に圧力バイアスを発生させた請求項16記載の方法。
18. 前記圧力バイアスを、ゼロと、流体が接触する薄膜の孔からエアを吸引する圧力との間の範囲の値とした請求項17記載の方法。
19. 前記圧電アクチュエータをベンディングモードで動作しうるようにした請求項16記載の方法。
20. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段を毛細管供給機構により構成した請求項16乃至19のうちのいずれか一項に記載の方法。
21. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段をバブルジェネレータ供給機構により構成した請求項16乃至19のうちのいずれか一項に記載の方法。
22. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段は液滴を発生する薄膜の前面側に液体を供給する構成とした請求項16乃至21のうちのいずれか一項に記載の方法。
23. 前記薄膜の表面に液体を供給する液体供給手段は液滴を発生する薄膜の表面側とは反対側に液体を供給する構成とした請求項16乃至21のうちのいずれか一項に記載の記載の方法。
24. 前記アクチュエータは以下の関係即ち、
    

    

    を満足するよう前記薄膜を振動させる構成とし、
    ただし、
    Φ＝薄膜の前面と後面との間の或るポイントでのテーパ付き孔の直径、
    ｎ＝整数
    λｃ＝液体の毛細管ウェーブの波長
    σ＝表面張力
    ｆ＝励起周波数
    ρ＝流体密度
    とした請求項16乃至23のうちのいずれか一項に記載の方法。
25. 前記アクチュエータは20kHz〜7MHzの周波数範囲で前記薄膜を振動させる構成とした請求項16乃至24のうちのいずれか一項に記載の方法。

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