JP5743265B2 - 霧化噴霧装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動を用いて微細なノズルから薬剤、化粧液、芳香剤、ワクチンおよび高濃度電解液などの液体を噴霧する霧化噴霧装置に関する。

微細な多数のノズルを有するノズル板を圧電振動子により振動させて、このノズル板に供給される液体をノズルから噴霧する装置、あるいは微細な多数のノズルを有するノズル板と近接する超音波振動体の間に供給される液体をノズルから噴霧する装置は、小型かつ省エネルギーの特徴を背景に、近年医療用ネブライザー（吸入器）、加湿器、アロマディフューザーや保湿化粧液の霧化器等に幅広く応用されている。

これらの霧化噴霧装置として、ノズルから噴霧される微細粒子を拡散するために間欠的に拡散させる装置（特許文献１参照）や、振動子への省電力化又は電力制限のために振動子を間欠運転させる装置（特許文献２及び特許文献３参照）が開示されている。

一方、高粘度液体をノズルから液滴として吐出する技術に関しては、吐出のための液滴せん断に必要な大きなせん断力を与える技術（特許文献４参照）や、温度等により高粘度液体の粘度を低下させてノズルからの吐出をしやすくする技術（特許文献５参照）が開示されている。

特表２００２−５３６１７３号公報 特開２０００−２７１５１７号公報 特表２００５−５１１２７５号公報 特開２０１０−１４２７３７号公報 特開２００３−２２０７０２号公報

しかしながら、（１）高粘度溶液の継続的な霧化分散が困難である、（２）高粘度分散液滴の受容側での吸収拡散が困難である、という課題を有していた。
先ず、（１）霧化方法の課題として、霧化噴霧装置が発揮する噴霧性能においては、霧化液体の物性上、特に粘性による制約があり、１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）を超える高粘度液体の霧化が難しいことが、例えば、特許文献１にて開示されている。
ところが、薬剤、化粧液、アロマ液等においては、特に１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）を超える高粘度の液体の霧化が期待されており、この期待に副えないという課題があった。
（２）霧化液滴の吸収上の課題は、例えば小型EDLC製造における電解液のEDLC容器への電解液注入が困難な点である。超小型EDLCは、MSD（面実装）機能を要求され、ハンダリフロー条件（２６０℃＊１０秒）が要求されるためEMIBF4（Ethyle,Methyle,Imidazolium tetra Fuluoro Borate）のようなイオン液体は、粘度高く、表面張力が大で、電解液を滴下しても電極合剤に拡散、浸透しないので、液滴環境を昇温するか、減圧加圧を行い、電解液の供給を行っているのが現状であり、このような高粘度のイオン液体も高速で、電極合剤中に浸透拡散する技術が期待されていた。

しかし、高粘度液体の霧化における従来の試みである大きなせん断力による技術では、霧化噴霧装置の給液構造が複雑化や、消費電力アップ、あるいは強いせん断力による液滴サイズのばらつきが拡大するなどの課題があった。
また、液体の粘度を下げて吐出しやすくする技術では、熱により液体の化学的変性や分解が起こるため医療用ネブライザー等の分野では使用できる薬液の選択範囲が狭くなるという課題があった。

本発明は、上記課題に着目し、給液構造や霧化噴霧構造を簡易な構造のままで、霧化困難な高粘度溶液においても液体の変性や分解を伴わずに、低粘度はもとより特に高粘度の液体をも霧化噴霧することができる、実用上、極めて有用な霧化噴霧装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、多数のノズルを有し粘性液体が供給されるノズル板と、このノズル板または前記粘性液体を振動させる振動子と、この振動子の振動と停止とを間欠的に繰り返すための電気信号発生手段とを有し、前記粘性液体の連続霧化噴霧により前記ノズル板の噴霧出口側表面に前記粘性液体の液溜まりが生じて隣接する前記多数のノズルの噴霧出口側が塞がれる霧化噴霧装置であって、前記ノズル板の噴霧出口側が前記連続霧化噴霧により前記ノズル板の噴霧出口側表面に前記粘性液体の液溜まりが生じて隣接する前記多数のノズルの噴霧出口側が塞がれる前に前記電気信号発生手段により前記振動子の振動を停止し、この停止した後に前記振動子を再び振動させる間欠運転をするようにしたものである。

液体は超音波振動によりノズルから吐出され液滴となり、この液滴は振動子の振動毎に発生し多数の液滴が連続吐出されることで霧化噴霧となる。液体粘度が高くなると振動エネルギーを大きくしないと液滴としてノズル板から離脱しない。
発明者らは、１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）を超える高粘度液体では振動エネルギーを大きくしても液滴として分離する前にノズル板に引き戻されやすくなってノズル板に付着し、ノズル板に付着した液体は徐々に集まってノズルを塞ぎ、液滴の発生を阻害するという現象を確認した。

この現象を解析した結果、隣接する多数のノズルの噴霧出口側が粘性液体で濡れ覆われることが、高粘度液体を霧化できなくなる原因であることを究明した。
このため、上述したように、振動子を間欠的に振動停止するタイミングとして、振動により隣接する多数のノズルの噴霧出口側が粘性液体で濡れ覆われる前に振動を停止するようにしたことにより、１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）を超える高粘度液体でも霧化噴霧できるようにしたのである。

また、発明者らは、ノズルに付着した液が少量であれば、ノズルが静止状態の時に表面張力によりノズル内の液体にノズルに付着した液が吸収一体化される現象も確認した。振動の後の停止の間にこの吸収一体化をさせることで、次に始まる振動による液滴発生が再開できることを見出した。この吸収一体化の現象は、付着液体が同じ量でも高粘度であるほど時間を要するため、高粘度ほど休止する時間を短くしないことで霧化噴霧が可能となることも見出した。

請求項２に記載の発明は、粘性液体の温度を検出する検出手段と、この検出した温度に応じて電気信号の長さを決定する決定手段とを有し、電気信号の長さによってノズルから霧化噴霧される粘性液体量を制御するようにしたものである。

請求項３に記載の発明は、粘性液体が、２０℃で１０〜４０ｍＰａ・ｓの高粘度を有するようにしたものである。

請求項４に記載の発明は、粘性液体の粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上で、振動の時間を２０ｍｓ以下と設定したものである。

請求項５に記載の発明は、粘性液体の粘度が３０ｍＰａ・ｓ以上で、振動の時間を１０ｍｓ以下と設定したものである。

請求項６に記載の発明は、隣接する前記ノズル同士の間の距離が１５０μｍ以上としたものである。

本発明に係る請求項１に記載の霧化噴霧装置によれば、高粘度液体でもノズルを塞ぐのを抑え、ノズルから液滴が発生するのを妨げることなく連続して霧化噴霧をすることができ、しかも、給液構造や霧化噴霧構造を簡易な構造のままで、液体の変性や分解を伴わずに、低粘度はもとより特に高粘度の液体をも霧化噴霧することができる、という優れた効果を得ることができる。

本発明に係る請求項２に記載の霧化噴霧装置によれば、振動子の振動と停止の時間を液体の粘土に応じて的確に制御でき、高粘度液体でも霧化噴霧できる、という優れた効果を得ることができる。

本発明に係る請求項３に記載の霧化噴霧装置によれば、従来技術では得ることができなかった、２０℃で１０〜４０ｍＰａ・ｓの高粘度を有する粘性液体を得ることができる、という優れた効果を得ることができる。

本発明に係る請求項４、５に記載の霧化噴霧装置によれば、液体が高粘度であるほど液滴になりにくいためノズル板に付着しやすく、また付着した液体は振動毎に徐々に増加するため、高粘度ほど振動の時間を短くしたので、高粘度液体でも霧化噴霧できなくなるのを回避できる、という優れた効果を得ることができる。

本発明に係る請求項６に記載の霧化噴霧装置によれば、ノズルの間の距離が短すぎると噴霧出口側のノズル同士が液膜で繋がって霧化噴霧できなくなるのを防止できる、という優れた効果を得ることができる。

本発明の第一実施形態を示す霧化噴霧装置の断面図である。 本発明の第一実施形態に用いた振動子のインピーダンス特性を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の第一実施形態におけるパルス波形を示す図である。 本発明の第一実施形態における霧化噴霧動作を示す説明図である。 本発明の第一実施形態における霧化噴霧の異なる動作を示す拡大説明図である。 本発明の第一実施形態におけるパルス印加パターンを示す図である。 本発明の第二実施形態を示す霧化噴霧装置の断面図である。 本発明の第三実施形態におけるパルス印加パターンを示す図である。 本発明の第五実施形態を示す霧化噴霧装置の断面図である。 本発明の第六実施形態における特性図で、（Ａ）は時間―ノズル近傍温度、（Ｂ）は温度―粘度、（Ｃ）は吐出時間―吐出量である。 本発明の第六実施形態におけるパルス印加パターンを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基いて説明する。
（第一実施形態）
本発明の好ましい第一実施形態にかかわるノズル式霧化噴霧装置１０を図１に示している。ノズル板１１は、電鋳技術により製作された配置ピッチ２００μｍで１２μｍの径（この径の範囲は1〜１００μｍ）の多数のノズル１２を有しており、圧電振動子１３に接着されている。このノズル板１１の一方の側に設けられた容器２０には、霧化噴霧される２０℃で１０〜４０ｍＰａ・ｓ（１０〜４０ｃｐｓ）の高粘度を有する保湿用化粧液である粘性液体２１がノズル１２に接する状態で満たされている。この状態における圧電振動子１３は、図２にインピーダンス特性を示すように共振周波数が約９８ｋＨｚで、電気信号発生手段であるパルス発生駆動回路１４に接続されている。

圧電振動子１３を駆動する電圧パルスは、図３（Ａ）に示す正弦波であり、周波数１００ｋＨｚで電圧振幅は約４０Ｖである。この電圧パルスは、Ｔｏｎ＝３ｍｓの間、４００パルスで連続発振した後に、１０００パルス相当の時間Ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ停止するというパルス印加パターンを単位としてこれを繰り返して圧電振動子１３に印加される。電気信号におけるＴｏｆｆは、図３（Ｂ）に示すように振幅電圧を圧電素子が実質振動しない程度の電圧に低下させることでも以下に述べる作用を実現する。また、図３（Ｃ）におけるＴｏｆｆのように、Ｔｏｎでの共振周波数から実質振動を起こさない周波数に変調することも、同様に以下の作用を実現することができる。

圧電振動子１３の電圧パルスによる振動により、図４に示すようにノズル１２から液滴３１が発生し、粘性液体２１は霧化３２を始める。４００パルスの駆動パルスを印加している間、図５（Ａ）に示すように、一部のノズル１２Ａの表面では液滴にならずに液溜り３３となってノズル１２Ａの噴霧出口側１５を塞ぎ、以降この液溜り３３はノズル振動の度に容量を増し成長する。４００パルスの駆動パルスの後、圧電振動子１３の駆動パルスが停止すると、図５（Ｂ）に示すようにノズル１２Ａの噴霧出口側１５に溜まった液溜り３３はノズル１２Ａの背面の化粧液２１に表面張力により吸い込まれ、図５（Ｃ）に示すように振動開始前の状態に戻る。

この第一実施形態において、連続発振パルス数が５０００パルス以上（Ｔｏｎ＝５０ｍｓ）では図５（Ａ）に示すように液溜り３３が大きくなりすぎて隣接する多数のノズル１２を覆いノズル板１１の広い面積を塞いでしまい、全く液滴が発生せず数単位のパルス印加パターンで霧化噴霧は停止した。

また、３００パルスの駆動パルスに続く停止時間Ｔｏｆｆを３００パルス相当分の３ｍｓ未満にした場合は、図５（Ｂ）に破線で示すように液溜り３３の吸い込みが不完全なまま次の駆動パルス印加が起こり、液溜り３３が成長してやはり数単位のパルス印加パターンで霧化噴霧は停止した。

図６は、上述の粘性液体２１でのパルス印加パターンに関しＴｏｎ、Ｔｏｆｆの水準組み合わせを行った実験結果を示したものである。図６において、Ａ領域は霧化噴霧不能、Ｃ領域は連続霧化噴霧可能、Ｂは霧化噴霧不安定な領域を示す。本実施形態では、Ｔｏｎは最大でも２０ｍｓ（２０００パルス）以下でその時間範囲においてＴｏｎが長いほどＴｏｆｆも長くすることが必要である。

（第二実施形態）
図７は第二実施形態を示したもので、ノズル１１を有するノズル板１２は圧電振動子１４とは別体に対面する如く配置され、このノズル板１２と圧電振動子１４の端面との間の数十μｍから数百μｍの隙間に粘性液体２１が供給され、圧電振動子１４の端面の振動を受け化粧液２１が振動する装置である。この装置においても、化粧液２１とノズル１１が相対的に振動するメカニズムは上述した第一実施形態と同様であり、作用は同じである。

（第三実施形態）
上述した第一実施形態におけるノズル１１の噴霧出口側１５表面にフッ素系撥水（撥油）処理を施した装置において、第一実施形態と同様の実験を行った。なお、第一実施形態の撥水未処理の場合の粘性液体２１の接触角は約８０度であったのに対し、この第三実施形態におけるノズル１１の噴霧出口側１５表面における粘性液体２１の接触角は約１００度である。

この第三実施形態におけるＴｏｎ、Ｔｏｆｆの水準組み合わせを行った実験結果を第一実施形態と同様に図示したのが、図８である。第一実施形態と比べると安定霧化噴霧可能なＣ領域のＴｏｎはより長く、且つＴｏｆｆはより短くなっている。このように撥水処理を施すことにより、連続パルス数を多くでき、停止をより短くできるパルス印加パターンを可能にしている。Ｔｏｎは最大５０ｍｓまで延びたことから、よりＴｏｎとＴｏｆｆで構成するパルス印加パターンの間欠駆動と撥水処理を組み合わせることで更に高粘度の液体を霧化噴霧することができることが判明した。

（第四実施形態）
上述した第一実施形態におけるノズル１２の配置ピッチ２００μｍを１００μｍから３００μｍの間で水準を振った各装置において、第一実施形態と同様の実験を行った。この第四実施形態におけるＴｏｎ、Ｔｏｆｆの水準組み合わせを第一実施形態と併記して図示したのが、表１である。

表１に示す結果からは、ノズル１２の配置ピッチが長ければＴｏｎ時間を延ばすことができるが、Ｔｏｎが短い分にはノズル１２の配置ピッチは影響しない。このことは、図５（Ａ）に示す液溜り３３がノズル１２の配置ピッチが短ければ隣接するノズル１２同士の間で繋がりやすく、繋がってしまうと図５（Ｂ）に示すような液溜り３３がノズル１２Ａ内の液体に吸収一体化されにくくノズル１２Ａが塞がれたままになるものと分析された。 このことから、従来困難であった１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）以上の高粘度液体であれば、安定した霧化噴霧には最低１５０μｍのノズル配置ピッチが望ましく、Ｔｏｎ５０ｍｓ未満、望ましくはＴｏｎ＝２０ｍｓ以下が必要であることが判明した。

（第四実施形態）
上述した第一実施形態においては、粘性液体２１の粘度が４０ｍＰａ・ｓ（４０ｃｓｐ）であったため、異なる粘度の液体における霧化噴霧の可能なパルス印加パターンを調べる実験を行った。従来より霧化可能と言われる５ｍＰａ・ｓ（５ｃｐｓ）、困難と言われる粘度１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）とそれを超える４０ｍＰａ・ｓ（４０ｃｓｐ）までの粘度に対する結果は表２に示すとおりであった。

表２に示すように、１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）では、Ｔｏｆｆのない連続パルスでは連続霧化が困難だが、Ｔｏｎ＝５０ｍｓ以下では連続霧化が可能となった。表２より、パルス印加パターンは粘度に大きな依存があり、連続噴霧の困難な１０ｍＰａ・ｓ（１０ｃｐｓ）以上でのＴｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）のデューティ比は、Ｔｏｎが短いほど高い結果を得た。即ち、連続噴霧の困難な高粘度であればあるほど、短いＴｏｎのパターンでパルス印加することが噴霧レートを高め効率が良くなる。特に約３０ｍＰａ・ｓ（３０ｃｐｓ）以上ではＴｏｎ＝１０ｍｓ以下、実用的にはデューティ３０％以上を得られる領域であるＴｏｎ＝５ｍｓ以下が望ましい。また、化粧液２１の粘度が２０ｍＰａ・ｓ（２０ｃｐｓ）では、Ｔｏｎ＝２０ｍｓ以下で霧化噴霧が可能であり、特にＴｏｎ＝１０ｍｓ以下ではデューティ比を５０％程度以上に高めることができることが判明した。

（第五実施形態）
図９は、霧化噴霧装置の第五実施形態を示したものである。この装置は、薬液注入装置であって、第一実施形態の霧化噴霧装置をベースとして霧化噴霧する粘性液体４１は医療向け薬液で、ノズル板４２は中心に１個のノズル４４を有し、振動子４３に接着されている。この振動子は電気信号発生手段である駆動回路５２によって第一実施形態と同様に間欠的に振動と停止を繰り返す。ノズル４４の下方向には、医薬用カプセル５０が配置され、ノズル４４から吐出する薬液の液滴４６が５マイクロリットル（μＬ）の容量のカプセル５０に注入される。液滴４６はノズル板４２が振動している間、連なるようにあたかも液柱の如く吐出され、振動が停止している間液滴の連なりは途切れる。

医薬分野ではカプセル１個の薬液量の精度が±１０％程度に抑えるよう求められるが、薬液温度により粘度が変化し時間当たりの吐出量の変化を伴う。この第五実施形態は、ノズル板４２近傍に粘性液体の温度検出手段である抵抗温度センサー４５を配置し、この温度センサー抵抗をマイコン５１のＡＤ変換入力端子から読み込み、マイコン５１が参照するＲＯＭ５３内に格納した薬液温度に応じた吐出レートの変換テーブルを参照して演算を行い、吐出時間を逐次決定する決定手段からなる構成となっており、この決定された吐出時間を電気信号の長さとして駆動回路５２（電気信号発生手段）によって振動子を振動させ、その結果、粘性液体４１の霧化噴霧量を制御するものである。

この第六実施形態の装置では、図１０（Ａ）に示すように室温または稼動初期の薬液温度から、装置の稼動（圧電振動子４３の駆動）時間と共に圧電振動子４３の近傍温度が１５分後には約３５℃近くに上昇して飽和する。第五実施形態で示したように、上記薬液の粘度に応じた吐出可能なまたは吐出安定な最大Ｔｏｎ（最大パルス数）、最小Ｔｏｆｆの領域があり、粘度変化がある場合は、駆動すべき最高粘度で安定した吐出を基にしたパルス印加パターン設計が工業的には望ましい。即ち、薬液の相対的に粘度の高い最低温度での安定パルス印加パターンを選択し、このパルス印加パターンでの温度に応じた薬液注入時間を決定することが単純な装置実現を可能とする。ここで薬液注入時間とは、図１１に示す電気信号の時間Ｔ１をいい、時間Ｔ１に含まれる電気信号は、前述の第一実施形態において第３図に示したＴｏｎとＴｏｆｆの繰り返しで構成されている。

従って、図１１（Ｂ）に示す上記薬液の温度に対する粘度曲線における室温の粘度３５ｃｐｓに基づいての表２を参照すれば、Ｔｏｎ＝５ｍｓ程度、Ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ程度としたパルス印加パターンを選択し、このパターンを薬液温度に応じた時間繰り返し印加するよう即ち温度に応じた時間Ｔ１の前記変換テーブルを作成して、圧電振動子４３に選択したパターンの電圧パルスを印加する装置とすることが装置の単純化コストパフォーマンス上最適である。このパルス印加パターンで温度範囲２５〜４０℃に相当する２５〜３５ｍＰａ・ｓ（２５〜３５ｃｐｓ）のときの吐出速度を図１０（Ｃ）に示す。５μＬの吐出時間を各温度でテーブル化することで吐出時間（薬液注入時間）制御が決定される。これにより、薬液注入時間Ｔ１は、カプセル１個あたり最長１７０ｍｓで行うことができ、注入のタクトタイムＴ２が２２０ｍｓで連続カプセル注入が可能となる。尚、ノズル板４２を第三実施形態と同様に、撥水処理を行えば更に短時間での薬液注入作業が可能となる。

この第六実施形態の装置は、発明が解決しようとする課題で記述した小型ＥＤＬＣへの電解液注入への応用が可能である。この応用では、カプセル５０は小型ＥＤＬＣ容器となって内部に４００〜７００μmの肉厚の電極合剤が収められている。電解液EMIBF4は粘度３０〜３５ｍＰａ・ｓ（３０〜３５ｃｐｓ）の粘性液体であるため、本発明の霧化噴霧装置によりノズルから吐出される。図９において、４１は粘性液体である電解液で、ノズル４４より液滴４６となった電解液が、ＥＤＬＣ容器５０内の合剤に着弾する。電解液は間隔をあけた粒径数十μｍから１００μｍの液滴であり、従来容易でなかった合剤への吸収が進む。更に、ノズル数を増やし液滴粒径を小さくし時間間隔を長くすれば、より効率的に合剤への吸収進行が可能である。

１１、４２ ノズル板
１２、４４ ノズル
１３、４３ 振動子
１５ ノズルの噴霧出口側
２１、４１ 粘性液体
１４、５２ パルス発生駆動回路（電気信号発生手段）
４５ 抵抗温度センサー（温度検出手段）
５１ マイコン（決定手段）
５２ 駆動回路（電気信号発生手段）

Claims (6)

1. 多数のノズルを有し粘性液体が供給されるノズル板と、このノズル板または前記粘性液体を振動させる振動子と、この振動子の振動と停止とを間欠的に繰り返すための電気信号発生手段とを有し、前記粘性液体の連続霧化噴霧により前記ノズル板の噴霧出口側表面に前記粘性液体の液溜まりが生じて隣接する前記多数のノズルの噴霧出口側が塞がれる霧化噴霧装置であって、前記ノズル板の噴霧出口側が前記連続霧化噴霧により前記ノズル板の噴霧出口側表面に前記粘性液体の液溜まりが生じて隣接する前記多数のノズルの噴霧出口側が塞がれる前に前記電気信号発生手段により前記振動子の振動を停止し、この停止した後に前記振動子を再び振動させる間欠運転をすることを特徴とする霧化噴霧装置。
2. 前記粘性液体の温度を検出する検出手段と、この検出した温度に応じて電気信号の長さを決定する決定手段とを有し、前記電気信号の長さによって前記ノズルから霧化噴霧される粘性液体量を制御する請求項１に記載の霧化噴霧装置。
3. 前記粘性液体が、２０℃で１０〜４０ｍＰａ・ｓの高粘度を有する請求項１又は請求項２に記載の霧化噴霧装置。
4. 前記粘性液体の粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上で、前記振動の時間が２０ｍｓ以下である請求項１〜３の何れか１項に記載の霧化噴霧装置。
5. 前記粘性液体の粘度が３０ｍＰａ・ｓ以上で、前記振動の時間が１０ｍｓ以下である請求項１〜３の何れか１項に記載の霧化噴霧装置。
6. 前記ノズル板は隣接する前記ノズル同士の間の距離が１５０μｍ以上である請求項１〜５の何れか１項に記載の霧化噴霧装置。