JPH10502570A

JPH10502570A - Liquid spray device and method

Info

Publication number: JPH10502570A
Application number: JP7516050A
Authority: JP
Inventors: ハンバーストーン，ヴィクター，キャレイ; サント，アンドリュー，ジョナサン
Original assignee: Technology Partnership PLC
Current assignee: Technology Partnership PLC
Priority date: 1993-12-09
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 1998-03-10
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: EP0732975A1; CA2176573A1; ES2123227T3; DE69413708D1; ATE171654T1; JP3659593B2; KR960706374A; CZ168196A3; KR100326679B1; AU1195995A; DE69413708T2; AU687136B2; DK0732975T3; BR9408281A; EP0732975B1; WO1995015822A1

Abstract

A method of and apparatus for atomising a liquid are disclosed, in which a liquid is caused to pass through tapered perforations (50) in a vibrating membrane (5) in the direction from that side of the membrane (5) at which the perforations (50) have a smaller cross-sectional area to that side of the membrane (5) at which the perforations (50) have a larger cross-sectional area.

Description

【発明の詳細な説明】液体スプレー装置及び方法本発明は、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。或る従来例では（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(bendingoscillation)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４６０５１６７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定式化は、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滴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、「ノーマル」テーパ付き孔及び「リバース」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、「ノーマル」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 Ｃer amＴec)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ーズドループとする。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、クロー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９２の圧力を大気圧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、所要に応じて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、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、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、毛細管ウェーブの特定数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、肺病用薬物投与に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に至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。Description: LIQUID SPRAY APPARATUS AND METHOD The present invention relates to an apparatus and a method for generating a spray of a liquid or a liquid emulsion or suspension (hereinafter referred to as “liquid”) by an actuator. . It is known to generate a fine droplet spray by subjecting a liquid attached to a surface to the action of high frequency mechanical vibrations with ambient air. Related prior art includes European Patent Publication No. 432,922, British Patent Publication No.2263076, European Patent Publication No. 516565, U.S. Pat. No. 4,605,167. In some prior art (eg, US Pat. No. 3,738,574), a liquid on a plate is excited by bending oscillations by transmitting ultrasonic vibrations from a remote piezoelectric transducer through a solid coupling medium structure. Introduce the liquid as a thin film. In another conventional example (for example, U.S. Pat. No. 4,533,082), a perforated thin film or a perforated plate (hereinafter, referred to as a "thin film" in the present specification) through a liquid as mechanical or acoustic vibration wave as an acoustic vibration wave. ), Which retains the liquid in the absence of acoustic or ultrasonic vibration waves. Vibration waves in the liquid act to cause the liquid to be ejected as droplets from the holes in the thin film. In these cases, it is convenient to reduce the size of the holes from the rear surface (hereinafter, defined as the “surface opposite to the front surface”) to the “front surface” (hereinafter, defined as the surface on which droplets are generated). It is good. In another prior art (for example, EP-A-516565) which fuses the above two prior arts, mechanical vibration is passed through a thin layer of liquid through a perforated thin film, which is mechanically Holds the liquid without vibration. In EP-A-516565 there is no teaching of the advantages or disadvantages of the particular geometry of the holes. Further, in other prior art examples (eg, British Patent Publication No. 2263076, U.S. Pat. No. 4,605,167, and European Patent Publication No. 432992), a mechanical vibration source is mechanically connected to a perforated thin film, and the thin film is Holds the liquid without vibration. The liquid is released as droplets from the holes of the thin film by the action of vibration. In these cases, it is advantageous to reduce the size of the holes from the “rear side” to the “front side” which is the thin film droplet ejection surface. The devices described above can be divided into two types. That is, for example, the first type of spray device described in U.S. Pat. No. 3,378,574 and European Patent Publication No. 5 16565 transmits vibrations through a liquid to the liquid surface on the side of generating the spray, but does No mention is made of geometric features of the liquid surface that affect dimensions. These devices (as in US Pat. No. 3,378,574) have no perforated membrane to hold the liquid in the absence of vibration, or (as in EP-A-516565, eg, column 6, line 12). B) having a perforated thin film, but the pores of the thin film do not affect the droplet size. For example, the second general type of spray device described in U.S. Pat. No. 4,605,167, U.S. Pat. No. 4,333,082, EP 432,922 and U.K. Pat. Having a perforated film that delimits or defines the size of the film, the pores of the film affecting the droplet size. In these prior art examples, the inventor of the present invention generated a generally cylindrical fluid jet from a "small orifice" opening at the front of the membrane, and this jet was directed toward and away from the membrane at each oscillation cycle. Is observed to fluctuate. If the excitation is strong enough, the end of the jet will be torn and form free droplets. This behavior is shown in FIG. In each case, the droplet diameter ranges from 1.5 to 2 times the diameter of the orifice opening in the "front" face of the membrane. This relationship is also known in ink jet printing, and many studies have pointed out the instability of liquid jets. The advantage of generating a spray with an orifice decreasing in size toward the "front" surface is common to all these devices and is known from inkjet technology. For example, it is described in U.S. Pat. No. 3,683,212. The first type of device is relatively inefficient in utilizing electrical input energy for (piezoelectric) vibratory actuators. For example, a practical device of the type described in U.S. Pat. No. 3,378,574 can atomize 2.5 microliters of water for 1 joule of input energy. The improvement in EP-A-516565 claims to atomize about 10 microliters of water per joule, but is limited to capillary action where the liquid supply requires careful isolation of the membrane from the actuator. The structure is quite complicated. In any case, the pores of the thin film are not devices that greatly affect the droplet size. In addition, in suspended drug administration or other applications, EP-A-516565 is disadvantageous because of the limitations on capillary supply and the lack of a hole function that defines or affects drop size. It can be said that there is. In general, it is desirable to be able to freely select from a wide variety of liquid supply methods to obtain the most appropriate method depending on the application. For example, for a drug spray, it is desirable to perform a metered liquid dose to an atomizer (atomizer) to avoid "hang-up", i.e., residual drug remaining in the atomizer. This residual drug leads to fouling of the next dose. For other large suspensions, for example, in antiperspirant suspensions, a limited range of capillary gaps can cause blockage of the capillary supply. It is useful to determine the droplet size, or to have the droplet size affected by at least the physical characteristics of the device, thus helping the reproducibility of the droplet size by maintaining the manufacturing quality of the device. . The second type of device, which has holes that restrict the direction in which droplets are generated, has a high incidence of droplet sizes larger than the orifice exit diameter. For such devices, it is difficult to atomize the suspension into droplets unless the solid particle size is significantly smaller than the required droplet diameter. Second, devices of the second type are difficult to adjust to produce very small droplet size sprays. For example, it may be desirable to generate a spray of a suspension or solution of the pharmaceutical agent in a form suitable for inhalation by a patient. Typically, for the administration of asthma drugs to the lungs, a spray with an average droplet size in the range of 6 μm is applied to the optimal area in the lung airways “targeted”. It is desirable to be able to do so. The second type of device requires holes with exit diameters in the range of 3-4m. Thin films with such small pore sizes are difficult and expensive to manufacture, and poor reproducibility of pore size, droplet diameter and such "aim". Moreover, the formulation of such suspended drugs most easily occurs with an average solid size of about 2 μm. However, such small orifices and the size of such solid particles result in plugging and low delivery efficiency. Third, even large droplet sizes can cause blockage of solids contained in the suspension into the narrow pores, which can cause blockage, especially when the solids size corresponds to the size of the channel. As one example, a relatively large pore diameter at the rear surface of the film will accept particles that are too large to pass through the relatively small diameter of the front surface. As a second example, narrowing a hole causes two or more solid particles to contact one another with the side walls of the hole. Such a situation makes it impossible to continue the delivery operation and induces an occlusion. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a low-cost, simple-structure spray device which can be operated with a wide variety of liquids, suspensions and liquid supply means. According to a first aspect of the present invention, there is provided a droplet spray apparatus including a perforated thin film, an actuator for vibrating the thin film, and liquid supply means for supplying a liquid to a surface of the thin film. It is characterized in that a taper is provided, that is, droplets are generated from a larger cross-sectional area than a small cross-sectional area when viewed in a cross section on the surface of the thin film. Throughout this specification, the term "film" will also include the term "plate". The actuator can be a piezoelectric actuator that operates in a bending mode. In a preferred embodiment, the thickness of the actuator is substantially less than at least one other dimension. Preferably, the pressure applied by the external gas, directly or indirectly, to the droplet generating surface of the thin film produces a pressure difference equal to or greater than the pressure of the liquid contacting the opposite surface of the thin film, It is assumed that the differential pressure is not much greater than the pressure that passes through the pores of the membrane into the liquid. The pressure exerted by the external gas is applied indirectly to the thin film surface, for example, when acting on a liquid film formed on the surface of the thin film. Drops are expelled from the closed reservoir by the action of the liquid supply means or the operation of the device itself, or other means are used to create such a pressure differential. In a preferred embodiment, a pressure biasing means is provided which produces a low pressure on the liquid to resist passage of the liquid through the holes. On the surface of the thin film where the droplets are generated, it is preferable that the liquid does not contact the pores of the thin film. The liquid supply means for supplying the liquid to the surface of the thin film is preferably constituted by a capillary supply mechanism or a bubble generator supply mechanism. The device can have both forward (normal) and reverse tapered holes. The forward tapered holes are preferably arranged around the outside of the reverse tapered holes. The liquid supply means for supplying the liquid to the surface of the thin film supplies the liquid to the surface of the thin film on the side opposite to the side where the droplets are generated. Another feature of the present invention is that, in the method of atomizing liquid, the liquid passes through the tapered hole of the vibrating thin film in a direction from the thin film side surface where the small cross-sectional area exists to the thin film side surface where the large cross-sectional area exists. It is characterized by making it. The inventor of the present invention believes that the device according to the invention operates by exciting a capillary wave in the liquid to be atomized. The inventor's understanding of such capillary wave atomization is as follows. In this specification, in the following description and claims, a hole having a region having a larger rear surface than a front surface that generates droplets is referred to as a “forward (normal)” tapered hole, and the rear surface has a larger area than the front surface. Holes with small areas are referred to as "reverse" tapered holes. Therefore, it is defined as a “reverse tapered” thin film and a “forward tapered” thin film. An actuator, a mounting portion of the actuator, and an electronic drive circuit for operating the actuator are disclosed in, for example, International Publication No. 9310910, European Patent Publication No. 432992, US Pat. Nos. 4,533,082 and 4,605,167. It can be in any form or any other suitable form. It is preferable that the actuator and the electronic drive unit work together to excite resonance vibration. One of the advantages of this configuration is that it uses a simpler and less costly device to generate the droplet spray of the suspension, and the ratio of the average droplet size to the average suspended particle size is higher than prior art devices. The point is that it can be considerably reduced. A second advantage of this arrangement is that small droplet diameter liquid and suspension sprays are suitable for inhalation into the lung using a thin film that is easy to manufacture and that is unlikely to cause pore blockage during use. Can be generated. A third advantage of this arrangement is that it can generate a relatively slow liquid spray suitable for uniform application to a surface. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A preferred embodiment of the invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which FIG. 1 shows a smaller area in the area of the thin film front (which generates liquid) than in the area of the rear side of the thin film. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional apparatus showing sequential steps of ejection of a droplet from a hole, FIG. 2 is a cross-sectional view of a preferred droplet dispensing apparatus, and FIG. FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view of a preferred embodiment of an atomizing head, and FIG. 5 is an atomizing head for forming a droplet dispensing apparatus according to the present invention. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of another fluid pressure control device that can be used for the head. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a droplet generation method understood by the present inventors. FIG. 7 is a second droplet dispensing device. FIG. 8 is a cross-sectional view of another embodiment of the thin-film structure (in the case of the apparatus of FIG. 7), and FIG. Le "is a cross-sectional view showing diagrammatically the droplets emitted from both the tapered hole and" reverse "tapered hole. FIG. 1 shows a thin film 61 having "normal" tapered holes when a vibration indicated by an arrow 58 (in a direction substantially perpendicular to the plane of the thin film) is applied to the liquid 2 contacting the rear surface. 1a-1c show the sequential deployment of the meniscus 62 as understood in one cycle of oscillation forming a substantially cylindrical fluid jet 63 and subsequent free droplet 64 from a tapered hole. FIG. 2 shows a droplet dispensing system composed of an enclosure 3 for supplying the liquid 2 directly to the rear surface 52 of the perforated thin film 5 and an oscillating means or actuator 7 operable by an electroacoustic disk and an electronic circuit 8 shown as a substrate. 1 shows an apparatus 1. The circuit 8 receives electric power from the power supply 9 and oscillates the perforated thin film 5 in a direction substantially perpendicular to the plane of the thin film, thereby generating liquid droplets from the front surface 51 of the perforated thin film. The combination of the perforated thin film 5 and the actuator 7 is hereinafter referred to as “aerosol head” 40. The aerosol head 40 is held, for example, by a grooved annular mounting portion formed of soft silicone rubber (not shown) so that the vibration is not unduly limited. Liquid storage and delivery to the rear face 52 is performed, for example, by the enclosure 3 shown in FIG. FIG. 3a shows a detailed cross section of the perforated thin film 5 of the first embodiment. The perforated thin film 5 of this embodiment acts so as to vibrate substantially in the direction of an arrow 58 to generate a fine aerosol spray droplet. It is suitable for use in the dispensing device 1. In one embodiment, the membrane 5 comprises a circular polymer layer having a plurality of tapered conical holes 53. Each hole 50 has an opening 53 on the front side and an opening 54 on the rear side of the entrance, and these holes are arranged in a rectangular lattice. Such holes can be formed in the polymer thin film, for example, by laser drilling using an excimer (high energy level dimer) laser. FIG. 3b shows a detailed cross section of a second embodiment of a perforated membrane 205 according to the present invention, which membrane is used in the drop dispenser 1 and operates to oscillate substantially in the direction of arrow 58. The film is formed as a circular disk of 8 mm diameter from electroformed nickel and may be, for example, one manufactured by Stoke Veco of Ehlbeck, The Netherlands. The thickness is 70 mm, a plurality of holes 2050 are formed, the diameter "a" of the opening in the "front" surface 2051 is 120 microns, and the diameter "b" of the opening in the "rear" surface 2052 is 30 microns. . The holes are arranged in a regular triangular lattice with a pitch of 170 μm. The hole profile varies smoothly between the front and back diameters across the thickness of the membrane, resulting in a substantially flat "land" area (indicated by the letter "c") on the front face 2051 with a minimum dimension of 50 μm. To do. A thin film made of another material such as glass or silicon may be used in a shape similar to that shown for FIGS. 3a and 3b. FIG. 4 shows a plan view and a cross-sectional view of the preferred embodiment of the aerosol head 40. The aerosol head comprises an electroacoustic disk 70 having a nickel-iron alloy ring 71 known as "invar", which includes a piezoelectric ceramic ring 72 and a circular perforated thin film 5. To join. The perforated thin film is formed as described with reference to FIG. 3b. The annular body made of a nickel-iron alloy has an outer diameter of 20 mm, a thickness of 0.2 mm, and a concentric hole 73 having a diameter of 4.5 mm. The piezoelectric ceramic is a type P51 manufactured by Hoechst CeramTec of Rauch, Germany, having an outer diameter of 16 mm, an inner diameter of 10 mm, and a thickness of 0.25 mm. The upper surface 74 of the ceramic is provided with two electrodes, a drive electrode 75 and an optional sensing electrode 76. The sense electrode 76 comprises a 1.5 mm wide metallization (metallization), which in this embodiment extends radially from substantially inside to outside. The drive electrode 75 extends over the rest of the surface and is electrically insulated from the sense electrode by a 0.5 mm gap. These electrodes are connected to fine wires (not shown) by soldering. In operation, the drive electrode 75 uses an electronic circuit 8 and is typically driven at a voltage of about 30 V by a sine wave or square wave signal having a frequency of 100 to 300 kHz to spray droplet spray from the front surface 51 of the perforated thin film. Occurs, in which case the average size of the droplet is typically in the range of 10 microns. The actuator head generally has a resonance frequency that efficiently generates droplets. In such a resonance, the signal from the sensing electrode 76 has a local maximum at the resonance frequency. The driving circuit is an open loop that does not use a feedback signal from the electrode 76 or is a closed loop that uses a feedback signal. In each case, the electronic drive circuit is responsive to the changing electrical behavior of the actuator head at resonance, whereby the actuator head and the drive circuit operate in concert to maintain actuator head resonance. For example, in the form of a closed loop, the piezoelectric actuator can reliably maintain resonance by maintaining the phase angle between the drive electrode and the feedback or sensing electrode at a predetermined angle for maximum delivery. FIG. 5a shows a cross section of a fluid supply having a conduit constituted by a capillary foam with open cells. Liquid pressure control is performed using such a capillary supply. (The advantages of pressure control will be described below.) By the action of the vent 83 and the capillary 81, the liquid is held in the capillary 81 at a pressure lower than the pressure of the outside air. The pore size of the capillary foam is used to control the value of this pressure. The capillary 81 is surrounded by a sturdy outer housing. This arrangement is particularly useful for spraying dangerous, for example, toxic, liquids, while reducing the risk of liquid loss and the like. The capillary action of the capillary material 81 acts to confine the liquid, and can reduce or minimize leakage of liquid, even if the outer housing 82 is damaged. This advantage is also applicable to holding liquids of drugs or pharmaceuticals, or flammable liquids. FIG. 5b shows a cross-section of a so-called "bubble generator" device, which is known in the art of printing equipment and can also be used for liquid pressure control. The action of dispensing liquid from the pores of the membrane reduces the pressure in the reservoir 90, and thus the pressure of the liquid 92 in contact with the membrane, to a sub-atmospheric pressure. The fluid meniscus is high enough to withstand the differential pressure when the pressure is low enough to draw air through the apertures in the membrane or, alternatively, the auxiliary opening (s) 92 against the meniscus pressure of the liquid. Inhale as a bubble until. In this way, the liquid pressure is adjusted to a value equal to or less than the external pressure. (Aperture 92 is typically selected to be small enough so that liquid does not easily leak from the enclosure.) These pressure control methods, which maintain the pressure range described above, involve spray delivery from atomizing head 40. It has been found that performance can be improved, and other methods can be applied to the present invention. The method of operation of the invention is described below (with reference to FIGS. 6a to 6g). Further, the mechanism of droplet generation according to the present invention, which is understood by the present inventors, will be described. These mechanisms are not well-proven and do not limit the invention. When the pressure difference on the liquid approaches zero (ie, when the pressure of the liquid in the atomizing head approximates the pressure on the front side of the membrane), the liquid 2 will have a meniscus 65 adhering to the back surface 52 of the membrane 5 shown in FIG. As a thin film. In response to the vibration of the membrane, it is observed that the liquid flows towards the front of the membrane 5, as shown in the middle position in FIG. 6b. At a differential pressure that is smaller than the pressure required to allow air to pass through the pores of the membrane against the liquid meniscus pressure when the membrane is not oscillating, it is common to see the cross-sectional profile of the membrane material and pores. 6c flows out to the front surface 51 of the thin film as a thin film. On this front side, the vibration of the thin film 5 can excite a capillary wave on the surface of the liquid meniscus 67, as shown in FIG. 6d. The inventor has found that this occurs, for example, when using a polymer material for the thin film 5 of the aerosol head described with reference to FIG. 3a. The location of these waves is not limited by the side wall of the hole 50, i.e., the line intersecting the front surface with the side wall separating the opening 53. If the amplitude of the liquid meniscus 67 is large enough, a droplet will be generated, typically the droplet diameter will be about 1/3 of the wavelength of the capillary wave (see, for example, the Rosenberg principle of ultrasonic technology). Depending on the shape of the hole, liquid loss as a droplet from the meniscus 67 can be efficiently supplemented. Vibration can be efficiently excited by the shape of the thin film. Preferably, the surface 51 is not completely filled with holes, but the liquid is free to spread over a larger area of the surface 51 than the perforated area. This feature allows a balance between the amount of flow responsive to vibration 58 and the amount of liquid sprayed as droplets from the capillary wave at meniscus 67. This balance is achieved, for example, by utilizing a differential pressure low enough to form a still thin film on surface 51 (as opposed to the through-flow in response to vibration) as an alternative or in combination with the methods described above. be able to. This balance prevents the flow of excess liquid onto the front surface 51, which may prevent the formation of droplet spray. Alternatively, the pressure differential opposite the flow through the holes 50 may be such that a large amount of droplets do not flow to the front face 51 of the membrane 5 and, as shown in FIG. Can be selected to produce a touching meniscus 66. In this case, the vibration of the thin film can excite the vibration in each of the liquid meniscuses 66, as shown in FIG. 6e. (Typically, this requires a differential pressure comparable to, but not greater than, the pressure required to draw air from the hole against the maximum liquid meniscus pressure in the hole when the membrane is not vibrated. The coupling between the vibration of the thin film and the liquid is particularly efficient in this case because the shape of the holes complements the shape of the fluid meniscus. The excitation of the resulting liquid meniscus takes the form of a capillary wave. Preferably, an integer of such capillary waves is "fit" with the number of holes. In this way, the shape of the holes, when excited by capillary waves, conforms well to the shape of the meniscus, and these waves are generated efficiently. In this way, droplet ejection is observed at the appropriate frequency and amplitude. 6f and 6g show a special embodiment of FIG. 6e, in which the liquid meniscus is shown in the vicinity of the area of intersection with the hole in the rear face 52 (FIG. 6f) or the intersection with the front face 51 of the membrane. The differential pressure is selected so as to be held in the vicinity of the region and to form a capillary wave at the meniscus by the action of the vibration 58. Again, this allows for efficient excitation of the meniscus oscillations and, if the amplitude and frequency of the oscillations 58 is appropriate, drops are ejected. The pressure difference between the pressure required to aspirate air (or other ambient gas) from the pores of the membrane against the effects of the surface tension of the liquid in contact with these pores and the value of zero is Improve drop generation efficiency. In the embodiment shown in FIGS. 6e, 6f and 6g, only a single capillary wave (ie one wavelength of the capillary wave) is within the range of the hole diameter between the openings 53, 54, but only one if necessary. Such a capillary wave as described above can be made to fall within this range. This can be expressed by requiring that the following relationship be maintained approximately at the frequency of the vibrational excitation. That is, Where Φ = the diameter of the tapered hole at some point between the front and back surfaces of the thin film, n = integer λc = wavelength of the capillary wave of the liquid The relationship between the wavelength λ of the capillary wave and the excitation frequency f is Given by the formula. That is, Where σ = surface tension (at frequency f) ρ = fluid density The inventor of the present invention has found that this relationship is substantially retained even in the case of capillary waves delimited by the above-mentioned holes. Therefore, it is preferable that the device be designed and operated so that the following relationship is established with respect to the tapered hole having the diameter Φ defined by the above equation. That is, It has been found that the operation is satisfactory when this relationship is kept within the following range, corresponding to the approximate expression: That is, In a device which advantageously ensures that only a certain number p of capillary waves can be established in the tapered hole, the large diameter of the hole (indicated by "53") for the small diameter of the hole is 1- ( The value should be in the range of (p + 1) / p. This is efficient when p is a small integer value. Because the capillary wave droplet is about one-third the diameter of the capillary wave wavelength λc, the device according to the invention produces a droplet whose diameter is about one-third or less than the diameter of the outlet opening 53. be able to. (When the liquid meniscus is maintained at or near the opening 54 in the back surface 52 of the film, the apparatus according to the present invention is capable of producing droplets of a size approximately one-third or less of the diameter of the opening 54. Unlike conventional devices, the diameter of the holes affects the droplet size and can therefore be advantageously selected to help generate droplets of the required diameter.) The device may be, for example, a pulmonary drug. It is particularly useful for generating the small droplets required for dosing applications. Droplet generation is achieved by the apparatus and method described with reference to FIGS. 6e, 6f and 6g when using the perforated thin film described with reference to FIG. 3b, the atomizing head described with reference to FIG. 4, and the bubble generator described with reference to FIG. 5b. Occurs. When spraying water from such a device, optimal spraying was started at a pressure difference of -30 mbar (resisting fluid flow in front of the membrane). As the differential pressure increased, the spray volume and spray efficiency increased until a differential pressure of -76 mbar was reached. At this pressure, the perforated thin film acted as a bubble generator, and an optimal spray was obtained. This behavior is typical. Bubble generators, capillary feeds, and other means of creating a differential pressure that resists flow provide particular advantages to the present invention. The spray operation of this device is obtained by sinusoidal excitation at a voltage of 30 V at frequencies 115, 137, 204 and 262 kHz, with correspondingly calculated capillary wave wavelengths in the range of 51 μm to 30 μm. The above wavelengths correspond to the minimum aperture size of the hole and produce droplets of the order of 10μ. This device is the best example known to the inventor of the present invention for producing droplets in the 10 micron range. In these various embodiments, the use of a "reverse tapered hole" according to the present invention helps prevent blockage when atomizing the suspension. Furthermore, firstly, unlike prior art devices, the pores do not accept solid particles that cannot pass completely through the membrane (but are agitated by membrane vibration so as not to permanently block the pores). Second, the two or more solid particles are guided so that they do not contact each other and the sidewalls of the pores, and thus do not block the pores. Third, relatively large pores can be used to allow relatively large particles in the suspension to pass and not occlude to produce a given droplet size. The device according to the invention furthermore makes it possible to produce thin films relatively easily when small droplets are required, for example droplets of a preferred size for pulmonary drug administration. Furthermore, there is a clear difference in the relative frequency of droplet ejection between a device according to the invention and a device according to the prior art having the same pore size. For example, with a minimum pore diameter of 15 μm, prior art devices typically emit droplets at frequencies in the region of 40 kHz. On the other hand, in the apparatus of the present invention, droplet discharge typically occurs in the range of 400 to 700 kHz. Furthermore, the differences from the prior art devices are also evident from the effect of the negative liquid bias pressure described above. Prior art devices, for example, as shown in FIG. 1, are known to use a negative bias pressure to prevent, in particular, wetting of the front surface of the membrane. However, such a bias does not pull the meniscus into the hole to the new equilibrium position. In prior art devices, as soon as the bias pressure is sufficient to pull the meniscus edge away from the intersection of the membrane front surface and the hole, the meniscus is completely pulled away from the hole and the spray operation is prevented. According to the present invention, the differential pressure is selected to allow wetting of the front surface of the membrane, or (if the differential pressure is sufficient to pull the fluid meniscus back into the tapered hole). Can assume a new equilibrium position, thus allowing a stable droplet ejection. In the latter case, it is further possible to establish a combination of bias pressure and frequency in which the integer number of capillary wave wavelengths "fits" into the area of the hole and efficiently ejects droplets. FIG. 7 shows a second droplet dispensing device 101 having another fluid supply unit. The liquid supply has a supply pipe 103 and an annular plate 102 which cooperates with a surface 1051 of the membrane 105 to create a capillary liquid channel leading to a hole 1060 of the membrane 105. The membrane 105 is connected to the vibration means or the actuator 7. The actuator 7 connects to the seal support and mounting section 108, the electronic circuit 8 and the power supply 9. The supply pipe 103 is attached to the seal support 108 (this is not shown). The circuit 8 and the power supply 9 can be, for example, the same as those shown in the first embodiment. The droplet 1010 is generated from the front surface 1051 of the thin film by the vibration of the perforated thin film 105 in the direction substantially perpendicular to the plane of the thin film in the direction of the arrow 58. The combination of the perforated thin film 105 and the actuator 107 is hereinafter referred to as an aerosol head 1040. FIG. 8 is a cross-sectional view showing details of the liquid that contacts the perforated thin film 105. The membrane 105 has a polymer layer having a plurality of normal tapered or forward tapered conical holes 1060 and reverse tapered conical holes 1050. The reverse tapered hole 1050 positions the liquid so that there is no liquid in front of the thin film. The forward tapered holes 1060 receive liquid from the front of the membrane and are conveniently arranged, for example, around the reverse tapered holes 1050. The droplet generation mechanism described in the first embodiment applies to the second droplet dispensing apparatus. However, the presence of the forward tapered hole 1060 allows the liquid to be supplied to the front surface of the thin film 5 in various ways. The liquid is supplied to the front side of the thin film in the forward tapered hole 1060. Conveniently, one of the liquid supply means is a capillary supply means having an annular plate 102 operatively associated with the front surface 1051 of the thin film 105. In use, this second drop dispenser transfers liquid from the forward tapered hole 1060 to the back surface 1052 of the thin film 105, where it interacts with the liquid in the reverse tapered hole 1050 by liquid wetting action. The contact can be maintained and the droplet can be dispensed from the front of the hole 1050 in the same manner as in the droplet dispensing device of the first embodiment. The details of the other parts are the same as those of the droplet dispensing apparatus of the first embodiment. FIG. 9 shows a second embodiment using a thin film having both "normal (forward)" tapered holes and "reverse" tapered holes. This thin film can combine both the normal droplet generation mechanism described in FIGS. 1 and 6 and the droplet generation mechanism according to the present invention in a single device. The "forward" and "reverse" tapered holes can be roughly the same size or different sizes. Thus, such a device can generate droplets at one operating frequency with one mechanism and at another frequency with the other mechanism. Similarly, such a device would generate a relatively large size droplet 1011 from a normal or forward tapered hole 1060 in one mechanism and a relatively small size from an "reverse" tapered hole 1050 in the other mechanism. Droplets 1010 of dimensions can be generated. In addition, relatively fast sprays can be generated with one mechanism and relatively slow sprays with the other mechanism. Of course, other combinations of droplet size, operating frequency and droplet velocity can be used. Finally, for example, in the bubble generator enclosure design described above, the negative pressure bias is used to improve droplet generation from the “reverse” tapered region of the thin film using the “forward” tapered hole 1060 droplet generation mechanism. It can also occur. The best conditions and details of the atomization head of the device of the present invention, which the present inventor is currently aware of, have been described with reference to FIGS. 3b, 4, 5b and 6e-6g. Without being limited to the illustrated embodiment, the device of the present invention can be optionally operated in a range of directivity, either downward spray, side spray, or upward spray.

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項【提出日】１９９５年５月２３日【補正内容】請求の範囲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、前記大きい断面領域とは反対側の前記小さい断面領域は、発生する液滴スプレーの補充を行うよう液体が流入するのに使用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減少した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．減少した圧力は、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。[Procedure of Amendment] Article 184-7, Paragraph 1 of the Patent Act [Submission date] May 23, 1995 [Correction contents] The scope of the claims 1. Perforated thin film, An actuator for vibrating the thin film, Liquid supply means for supplying a liquid to the surface of the thin film; In a droplet spray device comprising: The hole of the thin film is reversely tapered, that is, small in a cross section in the plane of the thin film Droplets are generated from a larger cross-sectional area than the larger cross-sectional area. The small cross-sectional area opposite the surface area provides for replenishment of the generated droplet spray. A droplet spraying device used for introducing a liquid. 2. A reduced pressure is applied to the liquid in contact with the surface of the thin film opposite the surface where the droplets are generated. 2. The apparatus according to claim 1, further comprising a pressure bias means for generating the pressure. 3. The reduced pressure is zero and the pressure that draws air through the pores of the membrane where the fluid contacts 3. The apparatus of claim 2, wherein the value is in a range between 4. The liquid is prevented from contacting the pores of the thin film on the surface of the thin film where droplets are generated. An apparatus according to any one of claims 1 to 3. 5. 5. The method according to claim 1, wherein said actuator is a piezoelectric actuator. An apparatus according to any one of the preceding claims. 6. The piezoelectric actuator can be operated in a bending mode. Item 6. The apparatus according to Item 5. 7. Liquid supply means for supplying liquid to the surface of the thin film is constituted by a capillary supply mechanism Apparatus according to any one of the preceding claims.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＺ，ＪＰ，ＫＲ，ＵＳ (72)発明者サント，アンドリュー，ジョナサンイギリス国，シービー１３エスエックスケンブリッジ，シャーマースロード 54 【要約の続き】 ──────────────────────────────────────────────────続き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), AU, BR, CA, CZ, JP, KR, US (72) Inventor Santo, Andrew, Jonathan United Kingdom, CB1 3S-X Cambridge, Sharmers Road 54 [Continued abstract]

Claims

[Claims] 1. In a droplet spraying device comprising a perforated thin film, an actuator for vibrating the thin film, and a liquid supply means for supplying a liquid to the surface of the thin film, an inverse taper is applied to the hole of the thin film, that is, the surface of the thin film A droplet spraying device that generates droplets from a larger cross-sectional area than a small cross-sectional area in the cross-section. 2. 2. The apparatus of claim 1, further comprising pressure bias means for generating a reduced pressure on the liquid in contact with the surface of the membrane opposite the surface on which the droplets are generated. 3. 3. Apparatus according to claim 2, wherein the reduced pressure ranges between zero and the pressure at which air is drawn from the pores of the membrane with which the fluid contacts. 4. The apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid does not contact the pores of the thin film on the surface of the thin film where the droplets are generated. 5. The device according to claim 1, wherein the actuator is a piezoelectric actuator. 6. The apparatus of claim 5, wherein the piezoelectric actuator is operable in a bending mode. 7. The apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid supply means for supplying the liquid to the surface of the thin film is constituted by a capillary supply mechanism. 8. The apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid supply means for supplying the liquid to the surface of the thin film is constituted by a bubble generator supply mechanism. 9. 9. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein all holes in the thin film are reverse tapered holes. Ten. The apparatus according to claim 9, wherein the thin film has a forward tapered hole. 11． 11. The apparatus of claim 10, wherein the forward tapered holes are arranged on the outer circumference of the reverse tapered holes. 12． The apparatus according to claim 10, wherein the liquid supply unit that supplies the liquid to the surface of the thin film supplies the liquid to the surface of the thin film that generates droplets. 13. 12. The liquid supply device according to claim 1, wherein the liquid supply unit that supplies the liquid to the surface of the thin film supplies the liquid to a side opposite to the surface of the thin film that generates the droplet. Equipment. 14. The actuator has the following relationship: Where Φ = diameter of the tapered hole at a point between the front and back surfaces of the thin film, n = integer λc = wavelength of liquid capillary wave σ = ( 14. Apparatus according to any of the preceding claims, wherein surface tension (at frequency f) = fluid density. 15． The apparatus according to any one of claims 1 to 14, wherein the actuator is configured to vibrate the thin film in a frequency range of 20 kHz to 7 MHz. 16． A liquid atomizing method characterized by passing a liquid through a tapered hole of a vibrating thin film in a direction from a thin film side surface where a small cross-sectional area exists to a thin film side surface where a large cross-sectional area exists. 17． 17. The method of claim 16, wherein a pressure bias is created in the liquid to resist passage of the liquid through the hole. 18． 18. The method of claim 17, wherein the pressure bias is a value in a range between zero and the pressure at which air is drawn from the pores of the membrane with which the fluid contacts. 19. 17. The method of claim 16, wherein said piezoelectric actuator is operable in a bending mode. 20. 20. The method according to claim 16, wherein the liquid supply means for supplying a liquid to the surface of the thin film is constituted by a capillary supply mechanism. twenty one. 20. The method according to claim 16, wherein the liquid supply means for supplying the liquid to the surface of the thin film is constituted by a bubble generator supply mechanism. twenty two. 22. The method according to claim 16, wherein the liquid supply means for supplying the liquid to the surface of the thin film is configured to supply the liquid to the surface of the thin film that generates droplets. twenty three. 22. The liquid supply device according to claim 16, wherein the liquid supply unit that supplies the liquid to the surface of the thin film supplies the liquid to a surface opposite to the surface of the thin film that generates droplets. the method of. twenty four. The actuator has the following relationship: Where Φ = diameter of the tapered hole at a point between the front and back surfaces of the thin film, n = integer λc = wavelength of liquid capillary wave σ = ( 24. A method according to any one of claims 16 to 23, wherein surface tension (at frequency f) = fluid density. twenty five. The method according to any one of claims 16 to 24, wherein the actuator is configured to vibrate the thin film in a frequency range of 20 kHz to 7 MHz.