JPH02243165A - 液体の超音波霧化装置 - Google Patents

液体の超音波霧化装置

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JPH02243165A
JPH02243165A JP1287255A JP28725589A JPH02243165A JP H02243165 A JPH02243165 A JP H02243165A JP 1287255 A JP1287255 A JP 1287255A JP 28725589 A JP28725589 A JP 28725589A JP H02243165 A JPH02243165 A JP H02243165A
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JP1287255A
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James R Higson
ジェームズ・エイ・ヒグソン
Alfonso David A D
デーヴィッド・エイ・ダルフォンソ
Robert R Walls
ロバート・アール・ウォールズ
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Mountain Medical Equipment Inc
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    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
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    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は薬物の吸入のための医用装置に関し且つ特に新
規な且つ改良された超音波噴霧器に関する。
（従来の技術） 正しい周波数及びパワーの超音波エネルギが液体へ適用
される時、非常に微細な粒子の霧が液面から放出される
。水を霧へのように液体を転換するために必要とされる
周波数で、超音波エネルギは鉛ジルコナートチトナート
のような圧電性物質を電気的に励振することによって、
及びその物質を液体へ機械的に結合することによって、
発生されることができる。この形式の装置へ入る全エネ
ルギのうち、一部は圧電性物質中の熱に変換され、一部
は液体中の熱に変換されることがあり、且つ残りは粒子
を放す過程で液体表面で消費されて霧を形成する。
医学的応用において、この過程は霧化と呼ばれており且
つ呼吸系の病気の治凍で：ｉｉ物を吸入川霧に転換する
ために使用される。これを最も有効にするために、薬物
は特別の寸法範囲の粒子又は演にまで霧化されるべきで
あり、概して、粒子が小さい程、肺及び気管支通路への
粒子の侵入は良好になる。
過去に、圧電性物質を採用した超音波噴霧器は多くの問
題に遭遇しており、これら問題のなかには、熱の発生の
ために象、速に劣化する物質の傾向、高い音響エネルギ
レベルにより生じる液体のキャビテーシヨン、及び薬物
及び洗浄剤による表面の化学的作用がある。音響エネル
ギが１つの物質から他の物質へ横切る度毎に、一部が通
過され且つ一部が反射される０表面を保護するために変
換器と液体との間に配置された物質は高エネルギ伝達効
率と変換器への後方への低エネルギ反射性をもつべきで
ある。この状態は、テフロン、ポリイミド樹脂又は金の
ような約１／１００−の薄い皮膜又はめっきを設けるこ
と、又は変？Ａ器の表面に付着された一部２又はその倍
数の−、３Ｗ／２のような厚さを有するカバーを設ける
ことによって起こり得ることは判明している。ここで、
ｒＷ４は励振信号の波長である。ガラスは、それが容易
に清浄にされ且つ液体に耐える表面を呈し且つ高温度に
耐え得るので、そのようなカバーとして好ましい物質で
ある。それにもかかわらず、２つの表面の間の空隙を橋
絡するために結合剤が必要とされる。
正しい粘性及び温度能力の油が雫ましい結合剤である。
油は変換器／ガラスの高エネルギ密度中心の方へ移行す
る傾向があり、且つ高温度が油の一部を周辺へ押し進め
た後でも起こる。また、重力及び毛管力が不活動期間中
に油を空隙から離れる方へ運ばないように、且つ工矛ル
ギが通用された時に油が空隙の中心の方へ移行すること
を保証するように油が閉し込められ得るように、油を含
むことは重要である。また、噴霧器の要素を組立てる過
程で油に存在する閉じ込められた気体の量を最小限にす
ることと、変換器からその耐用期間中に逃げ得る閉じ込
められた気体の蓄積に備えることとは望ましい。
（発明が解決しようとする１課題） 本発明の目的は、超音波噴霧器に新規で改良された圧電
式変換器を設けることであって、圧電性要素から面板へ
超音波エネルギを音響的に結合する手段が液体であり、
更に面板と圧電性要素との間に形成される間隙がエネル
ギ伝達が最大限にされ且つ加熱が外部冷却手段の必要を
回避するように最小限にされるように形成され、且つ更
に使用者による吸入のために最適な大きさの粒子の分離
及び移動を最大限にすると共に詰まりを最小限にするよ
うに大きい粒子を一層有効に集め且つ再霧化する噴霧器
を捉供することである。
究極的に結晶とその保護カバーとの間の膜として採用さ
れる「油」流体は「自己保護し且つ自己回復する」特性
を有し、即ち破壊的状態が現れる時に、油膜は最も活性
領域から移動する。不利益な状態が去った後、即ちボウ
ルに薬物があり且つ良好なインピーダンス整合がある時
、油はそれ自体良好な音響的結合を許すために必要な領
域へポンプ作用する。
適当である音響的結合流体の特性は、粘性、粘性破壊、
温度安定性、音響インピーダンス、化学的安定性、及び
分子組成を含む、これらの特性は次に個々に扱われる。
Ｕ：経験的分析であるが、出願人は粘性の作業可能な限
界を決定することができた。＆１１立体を製作する能力
が下限を境界付ける。もし流体が薄すぎる（油について
１００°Ｃで１センチストークス以下）ならば、過剰な
空気がそれ自体閉じ込もることなく結晶とガラスとの間
を親密に結合することは非常に困難である。上限で（油
について１００℃で１００センチストークス以上）、流
体は音響エネルギを依然通すが、減衰が大きくなる。
試験したより高い粘性の流体は流体の粘性と比較してよ
り低い出力を生じた。流体ができるだけ平坦な粘性曲線
を有することは望ましい。これは装置の温度が変化する
時に一様性を与える。好ましい粘性範囲は油の結合につ
いて１００℃で４〜１０センチストークスである。この
範囲で、結合又は寿命のいずれにも検知し得る差がなか
った。
ｆｄｕＬ！ｌ：インピーダンスが不整合されている（即
ち空気だけで薬物がない）時に反射された音響波の高エ
ネルギ密度の故に、対応する高温度が結晶と流体を含む
ガラスとの間の界面に見つけらる。所望の粘性範囲及び
妥当な寿命を維持するために、流体は関連した高い温度
及びエネルギ密度に露出された時に粘性に永久的な変化
を受けるべきでない。
ムエ安定性Ｓｆｉ体は高い作動温度限界並びに適度に平
坦な粘性曲線をもつ必要がある。温度要件はもし引火点
が２００℃より上であるならばかなっており、且つ繰返
しの熱サイクル後に粘性破壊かない。
、　ンピー゛ンス：流体は大きな減衰を伴わずに所望の
周波数で組立体装置に許容され得る音響インピーダンス
を有しなければならない、結晶とカバーとの間の理想的
なインピーダンス整合は得ることが困難であるが、経験
的な試験を通して、許容性の窓は与えられた系の流体で
かなり大きかった。
化７ｈ皮足立：試験した流体の幾つかは制限された回数
の使用後に音響エネルギを通さなかった。
高い矛エルギ密度及び熱勾配が流体をして化学的組成を
変化せしめたことが仮説とされる。それ故、流体は高い
温度及びエネルギ密度に露出された時に化学的組成を維
持することを必要とする０合成油は厳しい条件をとり且
つそれらの初期の特性を維持する能力を有すると思われ
る。
ＬＥｉｉｉ：上の規準に合った流体の幾つかは有効とす
るに充分な音響エネルギを依然通さなかった。これにつ
いての出願人の最良の推測は、分子組成がこれら流体の
分子組成が上の性質の特性より重要であったようである
ことである。
奸盪星孟婆：出願人によって好適とされる流体は、群と
して、合成油基剤である０本発明の商業的実施例で出願
人によって現在採用される好適な実施例は８センチスト
ークス（１００’Ｃで）のポリαオレフィン基剤油であ
る。
結合を行うために作業可能な等級の流体の発見は長期持
続する超音波噴霧器の開発で主要な前進であったが、そ
れはボウル部分の全体的設計で解決されるべき新しい問
題を与えた。ガラスカバーと結晶との間に採用される密
な間隔の故に、問題の現象の１つは不使用期間中の流体
の毛管作用であった。即ち、流体は毛管作用のためにガ
ラスの外方縁へ簡単に移動して失われた。また、ユニッ
トがオン及びオフに切換わる時に遷移期間がある。
これらの時間中に、組立体は電気的励振が発生した、即
ち機械的移動が発生した、新しい状態に安定化すること
を試みている。最初に励振された時、組立体は流体を活
動の中心へポンプ作用して音響インピーダンスを正しく
整合するように試みる。
この移動の機構は充分に理解されていないが、出願人は
、ゆっくり動き、移動する波が螺動ポンプ作用と同様に
結晶表面と保護ガラスカバーとの間に発生されることを
仮説する。この波は必要なにの流体中でゆっくり生じて
結合を完成し且つ結晶の音響インピーダンスをガラス及
び薬物とより良く整合させ、即ち好適な流体は実際に組
立体を最適性能に対して自己調節させる。音響インピー
ダンスが整合されると、ガラスカバーは結晶に対する同
様な振動特性を達成し、組立体の中心における流体で安
定な定常波を生じる。ユニットがオフに切換えられると
、流体動力学的力、物質力、及び結晶及びカバーの幾何
形状は前に形成された定常波の谷部分に含まれた流体を
除去する傾向がある。前述した毛管作用と共に、流体は
組立体の周辺の方へ押し出た。最終的の結果は流体を活
動の中心へポンプ作用する所望の機構に充分な流体の…
失であり、それにより有効なｉｆ的結合を終了させた。
（実施例） 新規で且つ改良された形式の携帯式の噴霧器ユニットが
第１図〜第３図に例示され且つ概ね円筒状のハウジング
１２０を具備し、該ハウジングは上方室部分１２１と下
方ボウル部分１２２とに分割される。下方ボウル部分１
２２は空所１２３を画成し、圧電性結晶１２６の直ぐ上
方で空所の底部に穴１２４を有する。結晶１２６は半波
長ガラスカバー板１２７によって覆われており、板１２
７はエラストマーのブーツ１２８によって結晶の上方表
面に対して弾性的に押圧されている。第２図に最良に示
されるように、ブーツ１２８は結晶１２６及び板１２７
の周辺を取囲む外方壁１３０を有し、溜め１２９が結晶
１２６及びカバー板１２７の間の界面１２５の外側縁と
連通状態にある。
ブー゛ツ１２８は上方環状戻りフランジ１３１及び下方
環状戻りフランジ１３２を有し、且つ結晶１２６及びカ
バー板１２７が接着剤を必要とせずにブーツ１２８とし
まり嵌めのシールされた関係で一緒に押付けられるよう
にブーツが結晶！２６及びカバー板１２７の上に伸張さ
れねばならないように寸法付けられている。エネルギ結
合油膜１３３は界面即ち間隙１３０に配置される。
通常のサーモスイッチ１３４が環状プラス千ンク支持部
材１３６によって結晶１２６の真下で支持されており、
且つケーブル保持体が図示しないパワーバックユニット
のパワーバック連結部１３９を有する。
板ばね接点１４２が結晶＋２６の下側表面上の中心の正
電極１４３の間に介在され且つパワーバック連結部１３
９中へ下方へ延びる正電気ストラップ１４４へ連結され
る。負電気ストランプ又はリード１４５が結晶の外方負
電ＩＪ！１１４６との接触を確立し且つパワーバンク連
結部１３８中へ延びる。
上方室部分１２１は内方同心状管１５０及び外方同心管
１５１で作られ、これら管はボウルユニ７）１２２に関
して同軸状に且つそれと連通状態で配置される。内方同
心状管１５０はその上方端においてオン−オフ弁組立体
１５４を受ける拡大された環状座部分１５２で終端し、
該弁組立体はフラップ弁部材＋５６を設けている。弁部
材１５６のそれぞれは、固定ハブ１５８へ固定され且つ
開口１６０を横切って外方へ放射する概ね円形形状の薄
い弾性膜である。弁部材は通常は弁を閉じる方向へ押圧
されているが、負圧力が管１５０の内部に発生された時
、それは円形膜を開がせ且っ外側の空気を内方管１５０
を通して矢印の方向へ入れる。必要な負圧力即ち吸引は
管１５０及び１５１の間の同心状空間１６３と連通状態
にあるマウスピース１６２によって発生され、空気を管
を通してボウルユニッｌ−１２２の空所中へ下方へ引入
れ、圧電性結晶によって発生された液体薬物の粒子を拾
い上げ、該粒子はボウルユニットによって形成された空
所領域内でやや円錐形状にされた乱流噴流中へ噴出しよ
うとする０粒子は空気流中に同伴され、且つマウスピー
ス１６２の下方の内方管１５０の外側表面上の螺旋形に
延びるそらせ板１６４によって生じる螺旋形の流れ経路
に沿って上方へ流れる。
機能的な噴霧器の工夫において、放出される粒子寸法の
分布を、有効な呼吸系の治療のために生理学的に必要と
される分布に適合させることは重要である。超音波噴霧
器は典型的に粒子寸法の範囲を作り、その大多数は臨床
的に有効な寸法よりも大きい。これらのより大きな粒子
は治療の目標とされる呼吸系組織へ到達せず、それ故浪
費される薬物に相当する。約４ミクロンより大きい粒子
がマウスピースを通して出て患者へ行くのを防止するた
めに、噴霧器の上方部分は粒子衝突そらせ板１６４を設
け、マウスピースへの途中の円形経路を通る粒子を加速
し、且つより大きい粒子だけが側壁上に蓄積し且つボウ
ル中へ下方へ逆に流れて再霧化される。その結果として
、実質的に全部の液体薬物が臨床的に有効な粒子へ転換
されて正確で経済的な治療を保証する。
第１図〜第３図に例示した噴霧器の形の全体的構造及び
配置を考察すると、圧電性結晶１２６及びそのカバー板
１２７の詳細な構造及び配置のより良い理解が得られる
。前述したように、結晶１２６は、中心電極１４３と、
結晶の頂表面及び外方周辺を囲む外方の離間した同心状
負電極１４６とを有する。好ましくは、電極は、ニッケ
ル、銀又は金のような薄い皮膜又はめっきからなる０選
択される皮膜はそれが結晶の表面から分離する傾向がな
く且つ音響エネルギ結合損失及びその結果の霧化の減少
を生しないようなものであることは重要である。カバー
板＋２７は好ましくは半波長ｇ３１１Ｓ叉ぼ名８ｍ数Ｓ
Ｗ、８ＷノＱ、０Ｗ８よ４′Ｉ′ｉ江δ堂ＷＴ／Ｂカー
ウλ勃πでめりｋつｆれレエ双攬器へ又は結晶の表面へ
組込まれる。−！−のらん、ガラスはそれが容易に清浄
にされ且つ液体に対して耐え得る表面を呈し且つ高温度
に耐え得るのでそのようなカバーに便利な物質である。
液体結合膜＋３３は結晶１２６及びカバー板１２７の２
つの対面する表面の間に形成さ杵る間隙を橋絡する作用
をする。好ましくは、形成される間隙は、結晶１２６の
平らな表面１２６“とカバー板１２７の凹表面１２７゛
とによって画成された概ね円形の凹部である。これは確
かな最適の油膜を与えると共に油を結晶ガラス界面の高
エネルギ密度中心の方へ移行させ、且つ更に間隙即ち凹
部は油層での同心状の定常液活動によって生じる変換器
表面の破壊を導くことが判明した−様な四部深さと関連
した問題を回避する。油結合系の成功は、重力及び毛管
力が結合膜を不活動期間中に間隙から運び出さないよう
に油が収容されることを示唆する。
それにもかかわらず、ブーツに形成された溜めＩフルギ
が痩換ｇＡ通用された時に油１ΩΩを中心の方へ移行さ
せる。このため、油溜め１２９は油が変換器をガラスか
ら分離するよりはむしろ温度増加と共に膨張するのを許
す、加えて、ブーツ１２８は振動する変換器及びガラス
組立体を外方ハウジングから音響的に絶縁することによ
って減衰を減らす。
超音波噴霧器での圧電性結晶に関連した別の問題は、作
動中に放出される時に霧化を遅らせるように油を変位し
且つガラスカバーを分離することがある閉じ込められた
気体を保持する結晶の多孔性表面の部分の傾向である。
この退行的な作用を制御するために、予組立油飽和処理
が非常に有用であり且つ非常に低い圧力環境で囲まれた
油浴に結晶を配置することによって実行されることが判
明した。ブーツ１２８中の周辺の油溜め１２９はその使
用期間中に変換器又は結晶表面から逃げることがある残
りの閉じ込められた気体を蓄積する作用をする。従って
、説明したように圧電性組立体の選択的設計は優れたエ
ネルギ伝達効率、増大したパワーレベル許容範囲を生ず
ると同時に冷却剤を必要としない点まで結晶の熱範囲を
広げることが判明している。
【図面の簡単な説明】
第１図は携帯式噴霧器ユニットの好適な形の断面図であ
り、第２図は第１図の圧電式変換器組立体の断面詳細図
であり、第３図は結晶の好適な形の底面図である。 １２０・・・円筒状ハウジング、 １２１・・・上方室部分、 １２２・・・下方ボウル部分、 １２３・・・空所、　　１２４・・・穴、６・・・圧電
性結晶、 ７・・・カバー板、　　１２８・・・ブーツ、９・・・
溜め、 Ｏ・・・界面即ちＩＥ隙、 ３・・・油膜、 ４・・・サーモスイッチ、 ６・・・支持部材、 ９・・・パワーパック連結部、 ２・・・板ばね接点、 ３・・・中心正電極、 ４・・・正電気ストラップ、 ５・・・負電気ストラップ又はリード、６・・・負電極
、 ０．１５１・・・同心状管 ２・・・座部骨、 ４・・・オン−オフ弁組立体、 ６・・・フラップ弁部材、 ８・・・固定ハブ、　　１６０・・・開口、４・・・そ
らせ板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、圧電式変換器が溜め中の液体薬物を霧化するために
    溜めと連通状態に配置された呼吸吸入用流体の超音波霧
    化装置において、 前記圧電式変換器に重合せられた所定の波長の保護カバ
    ー部材であって、該カバー部材及び変換器が概ね平らな
    対面する表面とそれらの間の共通の界面とを有する保護
    カバー部材と、 前記界面からの流体の損失を防止するために前記カバー
    部材と外方取囲み関係にあるシール手段と、 超音波エネルギを前記変換器から前記カバー部材へ結合
    するための前記界面中の結合手段と、を具備する装置。 ２、前記カバー部材がガラスカバー板の形である特許請
    求の範囲第１項記載の装置。 ３、前記変換器及び前記カバー板の前記対面する表面の
    間の前記界面が前記界面の中央部分から半径方向及び外
    方へテーパを付けた間隙を含む特許請求の範囲第２項記
    載の装置。 ４、前記対面する表面が相互に対向した概ね凹面の形状
    を有する特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５、前記シール手段が前記カバー部材及び前記変換器を
    一緒に弾性的に押圧する環状エラストマーブーツで画成
    され、前記ブーツが前記界面と取囲み関係にある油溜め
    を設けている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６、前記エラストマーブーツが前記カバー部材及び前記
    変換器の外方周辺を取囲む外方壁を有し、それが圧力制
    限膜として作用し、それにより前記油結合媒体の熱膨張
    によって発生される圧力が前記カバー部材及び前記変換
    器の間の間隙を変えない特許請求の範囲第５項記載の装
    置。 ７、前記流体溜めと連通状態にある空気入口部分と、前
    記空気入口を通して前記流体溜め中への空気の流れを起
    こし、それにより前記溜めから粒子の形の霧化された液
    体を拾い上げ且つ混合した空気及び粒子を出口へ向ける
    手段と、前記流体溜めから前記出口の方への混合された
    空気及び粒子の流れの経路中にあってより大きい寸法に
    された粒子が前記出口を通過するのを阻止するそらせ手
    段とを含む特許請求の範囲第１項記載の装置。 ８、前記そらせ手段が前記流体溜めから前記出口の方へ
    の混合された空気及び粒子の流れの経路中で概ね螺旋状
    に延びる形である特許請求の範囲第７項記載の装置。 ９、前記空気入口が前記液体溜めと同軸状に整合された
    概ね管状の部分と前記管状の部分の外側表面上の螺旋状
    に延びるそらせ部材とによって画成されている特許請求
    の範囲第７項記載の装置。 １０、前記出口が前記空気入口と外方離間した同心状の
    関係にある外方管状部分と前記空気入口及び前記外方円
    筒状部分の間の同心状空間と連通しているマウスピース
    とを含み、前記そらせ手段が前記より大きい粒子を再霧
    化のために重力によって前記溜めへ排出させる特許請求
    の範囲第９項記載の装置。 １１、前記結合手段が合成油である特許請求の範囲第１
    項記載の装置。 １２、圧電式変換器が結晶であって、頂表面上に電気的
    に接触し且つその側部へ延びる頂部電極とその底部表面
    上に電気的に接触する底部円板電極とを有する結晶と、
    前記結晶をその中心に近接してその最大振動力を集中さ
    せる手段とである特許請求の範囲第１項記載の装置。
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