JP2010207297A - 液体吐出装置及び液体吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のタイミングで確実に吐出させることができ、吐出時に液体を無駄にすることのない液体吐出装置を実現する。
【解決手段】オリフィスプレート５は、液体タンクから液室３に供給される液体を吐出する吐出口１と、吐出口１の大気側に、吐出口１を覆うように液体を保持する池６を形成するための壁部材７と、池６の液体を除去する気泡を発生するためのヒータ２とを有する。圧力印加手段によって液室３の液体を加圧し、池６に液体を保持して吐出口１からの液滴の吐出を抑えておき、吐出させたいタイミングにおいてヒータ２に通電し、気泡を発生させて吐出口１を覆う液体を除去することによって、液滴を吐出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液剤等を微細に液滴化して吐出する液体吐出装置及び液体吐出方法に関するものである。

薬を患者に投与する方法として、吸入器を使用して、溶液に分散させた薬剤（薬液）を微小液滴にして患者に吸引させる方法がある。特に、薬を血管まで運ぶには、液滴を肺胞まで到達させなければならない。液滴を肺胞まで到達させるには、液滴径を少なくとも１０μｍ以下、望ましくは３μｍ程度にすることが必要である。また、薬効を得るには大量の液滴を吸入しなければならない。それ故、吸入によって薬を血管に投薬する用途に対しては、小さな液滴を大きな吐出量で発生させることが、吸入器に求められる。

液体を微小な液滴として吐出させる方式として、高圧力を加えた液体を吐出ヘッドの吐出口まで導入し、その圧力によって吐出口から液滴として噴霧させる方式（圧力印加方式）がある。この方式の液体吐出装置は、ポンプなどの圧力印加手段、液体を蓄える液体タンク、液体を吐出する吐出ヘッドから構成される。吐出ヘッドは、吐出口が開けられたプレートであるオリフィスプレートと、液体を保持する液室とで構成されている。液体タンクから送られた液体が吐出ヘッドに送られ、圧力印加手段によって薬液が吐出ヘッド内で加圧される。そして、吐出ヘッドの吐出口において、液体が持つ圧力によるエネルギーが運動エネルギーに変換されることで、連続的な液の流れから構成された液柱が吐出口から吐出する。吐出口からある程度液柱が進んだ部位で、液柱側面に自然発生した波によって液柱は破断され、液滴が生成する。

特許文献１はこのような圧力印加方式を使用した吸入器を開示している。吐出ヘッドと薬液タンクがカートリッジとして一体構造化されており、カートリッジの材料は塑性を持つ。投薬時はバネの力で押し出されたピストンが、カートリッジの一部を押しつぶすことで大きな圧力を発生させ、吐出口から薬液を吐出させる。この方法では、一回の投薬毎にカートリッジを交換する。カートリッジは使い捨てである。これをシングルドーズと呼ぶ。シングルドーズに対して、カートリッジやヘッド構成を変えずに複数回の投薬を実現する方法をマルチドーズと呼ぶ。

圧力印加方式の吸入器は、構造が単純で吐出量も自由に増やせる利点がある。しかし、吐出口が小さいほど薬液を吐出させるのに必要な吐出圧力が増大。これは、表面張力に起因した吐出口のメニスカス圧力が増大し、且つ、吐出口での粘性摩擦も増大するためである。ミクロンオーダーの微細な吐出口から薬液を吐出させる時の吐出圧力は、特許文献１にも記載されているように２ＭＰａ以上にも成り得る。

他の技術分野のプリンタでは、コンティニュアスインクジェット方式のプリンタが圧力印加方式を使用している。特許文献２はコンティニュアスインクジェット方式のプリンタの一例である。ポンプによってインクタンクよりインクが汲み上げられ、インクが加圧され吐出ヘッドまで移送される。吐出ヘッドの吐出口からインクが吐出し、液滴が発生する。このときインクの液柱を精度良く破断して液滴を作るために、吐出ヘッド内に超音波が印加されることが多い。吐出口前方には電場を発生できる電極と、吐出した液滴を回収できるガータが設けられる。印刷したい時に、吐出した液滴は電場によって曲げられ、紙面に着弾する。印刷しない場合は、電場は印加されず、液滴はガータに入り、インクタンクに戻される。プリンタ使用時は、紙面に印刷しない時でも液滴は常に吐出している。

特許第０３３７５６３７号公報 特開平２−３６９４８号公報

液体吐出装置は、所望のタイミングで液滴を迅速に吐出できることが必要である。ところが圧力印加方式による液体吐出装置は、圧力印加手段によって吐出圧力まで加圧する時間（加圧時間）が必要である。その結果、装置に吐出を指令してから実際に液滴が吐出するまでにタイムラグが生じることが避けられない。特に、液滴径が小さくなるほど、吐出圧力は大きくなるため加圧時間が長くなる。

本発明者らの実験によれば、液滴径が４μｍの液滴を吐出させるのに、１．９ＭＰａもの正圧が必要であった。なお、吐出圧力は、大気圧からの差圧で定義しており、吐出圧力が大気圧であればゼロであり、大気圧よりも大きければ正圧、小さければ負圧であることに留意されたい。

圧力印加手段としてポンプを使用したが、加圧時間は１０秒以上にも及んだ。このように加圧時間が長くなるほど、加圧時間のばらつきによって、吐出するタイミングを正確に測れなくなる問題が発生する。この問題は吐出を正確に行わねばならない液体吐出装置では深刻である。

例えば吸入器では、患者が吸入するタイミングに合わせて液滴を吐出しなければならない。なぜなら、患者が一度に液滴を吸入できるのは３秒程度であり、その間に必要量の投薬を行わねばならないためである。液滴が吐出するタイミングを確定できないと、吸入が失敗し、患者への投薬量が狂い、適切な治療を行えなくなる。また、投薬ミスの際には、薬液を無駄にし、利用者に経済的な負担が生じる。ちなみに、コンティニュアスインクジェットプリンタでは、使用時は常に液滴が連続的に吐出している状態であり、印刷する時に必要な液滴を取り出す仕組みなので、このような問題は深刻ではなかった。したがって、圧力印加方式による液体吐出装置では、所望のタイミングで確実に液滴を吐出させる手段がなく、その解決が望まれていた。

特許文献１に開示された吸入器では、バネ付きのピストンによる瞬間的な撃力を一度に薬液に加えて、短い加圧時間で吐出させているため、このような問題は生じにくい。しかしながら瞬間的撃力による加圧は、吐出ヘッドに急激な圧力が掛かるため、吐出ヘッドの耐久性に問題が生じる。特許文献１に開示された構成では、吐出ヘッドとカートリッジが一体であり、かつ、シングルドーズのため、１回の投薬ごとにカードリッジを使い捨てにできるので、吐出ヘッドの耐久性は問題ではない。しかし、マルチドーズでは、吐出ヘッドを複数回繰り返し使用するため、このような急激加圧によって、加圧時間を短くすることは、耐久性の観点で問題となる。

また、圧力印加方式による液体吐出装置の他の問題として、本発明者らの実験では、液滴を吐出させようとしても、吐出口の前面に液溜まりが発生し、液滴が吐出できないエラー（不吐）が時々発生した。このような不吐が生じると、大量に液を無駄にし、なおかつ吐出口前面に溜まった液を除去しなければならなくなる。したがって、どのような状況においても、確実に吐出できる方法が望まれていた。

さらに、圧力印加方式による液体吐出装置の他の問題として、吐出時にある程度の液を無駄にすることが挙げられる。これは、加圧時間中に吐出口から液が溢れてしまうためであり、圧力印加方式の原理上避けられない。このような液の無駄を防止する方法が望まれていた。

本発明は、圧力印加方式による液体吐出装置において、所望のタイミングで確実に吐出口から液体を吐出させるとともに、吐出時に生じていた液体のロスを低減することのできる液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することを目的とするものである。

本発明の液体吐出装置は、液体タンクから供給される液体を収容する液室と、前記液室の液体に圧力を印加することにより液滴を吐出するための吐出口と、前記液室の液体に圧力を印加する圧力印加手段と、前記吐出口の大気側に、前記吐出口を覆うように液体を保持する液体保持手段と、前記吐出口の大気側に保持された液体を除去する液体除去手段と、を有し、前記液体除去手段によって、前記吐出口から液滴を吐出するタイミングを制御することを特徴とする。

また、本発明の液体吐出方法は、液体タンクから供給される液体を収容する液室と、前記液室の液体に圧力を印加することにより前記液体を吐出するための吐出口と、前記液室の液体に圧力を印加する圧力印加手段と、を有する液体吐出装置による液体吐出方法であって、前記吐出口の大気側に、前記吐出口を覆うように液体を保持する工程と、前記液体に圧力を印加する工程と、保持された前記液体を除去することで、前記吐出口から前記液体を吐出させる工程と、をこの順に有することを特徴とする。

液体除去手段によって、液滴を吐出するタイミングを制御することで、所望のタイミングで確実に液滴を吐出することができ、吐出時に生じていた液体のロスも低減される。

第１の実施形態による吐出ヘッドを示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡーＡ線に沿った断面図である。 第１の実施形態による吐出ヘッドの吐出手順を示す工程図である。 実験より得られた、圧力印加方式の吐出ヘッドにおける加圧速度と吐出成功率との関係を示すグラフである。 第２の実施形態による吐出ヘッドの吐出手順を示す工程図である。 第３の実施形態による吐出ヘッドを示す平面図である。 第３の実施形態による吐出ヘッドの吐出手順を示す工程図である 第４の実施形態による吐出ヘッドを示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢーＢ線に沿った断面図である。 第４の実施形態による吐出ヘッドの吐出手順を示す工程図である 第４の実施形態による液体吐出装置の全体を示す模式図である。 第５の実施形態による吐出ヘッドの吐出手順を示す工程図である 第６の実施形態による吐出ヘッドの吐出手順を示す工程図である 第７の実施形態による吸入器を示す模式図である。

本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１の実施形態による液体吐出装置の主要部を示す。この液体吐出装置は、吐出口１と、吐出口１から液滴を吐出するタイミングを制御するための液体除去手段であるヒータ２と、液体を収容する液室３を構成する液室壁４と、液室３の上壁を形成するオリフィスプレート５と、を有する。

オリフィスプレート５に形成された吐出口１は、所望の液滴を発生させるようにその大きさが設定される。圧力印加方式の吐出ヘッドでは、吐出により生じる液滴の液滴径は吐出口径の約２倍であり、吸入器用途では、１０〜１μｍの液滴径が望まれるため、望ましい吐出口径は０．５〜５μｍである。吐出口１の大気側には、凹状に窪んだ池６を構成する液体保持手段である壁部材７が形成されている。吐出口１からの吐出を抑えるのに必要な液体を保持できる池６の深さとして、１〜１００００μｍの範囲に設定することが好ましい。

池６の底には吐出口１が配置され、吐出口前面近傍の壁部材７にヒータ２が配置されている。ヒータ２は導電性を持ち、抵抗の高い薄膜が好適である。例えば、微結晶金属やアモルファス金属、金属元素をベースとした酸化物、ホウ化物、窒化物、炭化物がよい。具体的には、ＡｕＳｉ， ＺｒＳｉ， ＰｄＳｉ， ＮｂＳｉ， Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＢ， ＴａＣ， ＴａＮＯ， ＨｆＢ， ＨｆＮ， ＨｆＢ， ＨｆＣ， ＨｆＮＯ、ＺｒＮ， ＺｒＢ， ＺｒＣ， ＺｒＮＯ， Ｎｂ， ＮｂＮ， ＮｂＢ， ＮｂＣ， ＮｂＮＯ が挙げられる。ヒータ２は、パルス電流源に接続され、通電により発熱する。また、池６を形成する壁部材７の吐出口１から離れた部分には、液体を逃すための液体流出流路８が設けられている。

図２は、図１の液体吐出装置の制御方法、すなわち本発明の液体吐出方法を示す工程図である。ヘッド不使用時は、液室３は、連通口９を経て液体タンクから供給された液体で満たされている（図２（ａ）参照）。図示しない圧力印加手段によって液室３の液体は加圧され、吐出口１の前面（大気側）に液体が溢れる（図２（ｂ）参照）。液室３の液体が吐出圧力以上にまで加圧された後は、吐出終了まで液室３の圧力は一定に保たれている。

壁部材７によって吐出口前面に溜まった液体１０には、液体流出流路８の方向へ流れが生じている（図２（ｃ）参照）。吐出口前面に溜まる液量を適切に制御するために、吐出口１の形状及び吐出圧力を勘案して、池６や液体流出流路８の形状が決められる。この状態において、吐出口１の前面には、吐出を抑えられる程度の液体が溜まっているため、その液体の表面張力によって吐出口１から液柱が発生することができない。吐出圧力と液滴径から決まる液柱の運動エネルギーを考慮して、吐出口前面に溜めるべき液量が決まる。

図２（ｂ）の加圧工程では、加圧速度（目標とする圧力を加圧時間で割った値）を適切に設定する必要がある。図３は、実験より得られた加圧速度と正常に吐出する確率との関係を示すグラフである。実験は、ルビーで構成されたオリフィスプレートを用いた吐出ヘッドにより行われた。吐出口数は１つ、吐出口径は４０μｍ、オリフィスプレートの厚さは５００μｍである。液体は精製水を用いた。この吐出ヘッドの吐出に必要な最小の吐出圧力は０．０７ＭＰａであった。図３の横軸の加圧速度は、この吐出圧力で割った圧力値を示した。図３の縦軸の吐出確率は、同じ条件で５〜１０回吐出を行うことで求めた。

加圧速度を上げることで、正常に吐出する確率は高まり、加圧速度が毎秒につき吐出圧力の５０％（この場合は０．０３５ＭＰａ／ｓｅｃ）以上になったとき、１００％の確率で吐出が成功した。また、吐出圧力の５０％／ｓｅｃ以下の加圧速度でエラーが生じ始めた。これは、加圧速度が小さくなることで、吐出口前面に液体が溜まり、吐出できなくなったためである。したがって、本発明の吐出手順で図２（ｃ）の状態にするには、加圧速度を低く設定し、好適には毎秒につき吐出圧力の５０％以下にすることで、吐出口前面に液体を溜めて、液柱を吐出させないようにすればよい。

図２（ｃ）の状態において、吐出させたいタイミングで、気体発生手段であるヒータ２に通電・加熱し、発泡させる。発泡により気泡（気体）１１が発生し、吐出口前面の液体の全部あるいは一部が除去される（図２（ｄ）参照）。その結果、吐出を抑えていた液体からの分子結合力が弱まるため、吐出口１から液柱１２が吐出する。池６内に溜まっていた液体は、元々の流れと気泡１１によって押されることによって、液体流出流路８へ移動し、吐出口１からは定常的に液滴１３が発生する状態となる（図２（ｅ）参照）。

ヒータ２は、吐出口１前面の液体中の分子結合力を十分に弱めることができる気泡１１を発生できるような抵抗と面積を持つように設計される。また、ヒータ２への投入電力と投入時間によって、気泡１１の大きさや圧力を制御できる。ヒータ２を発熱させる必要があるのは、吐出させる際に吐出口１の前面の液体を除去する時のみである。吐出口１から液柱１２が発生した後は、液室３の圧力エネルギーによって、連続した液滴１３の吐出が維持される。ヒータ２の消費電力を抑えるうえでも、池６の形状を最適化し、図２（ｃ）に示す工程で吐出口前面に溜まっている液量を必要最小限にすることが望ましい。

吐出を終了させる時は、液室３の液体の圧力をゼロもしくは負圧に減圧する。そして、図２（ａ）に示すように吐出口１まで液体が満たされた状態で保管する。

液体保持手段としては、池６を形成する壁部材７に限らず、吐出口大気側に液体を安定的に溜めることができる構造であれば、何でもよい。例えば、オリフィスプレート上に何も構造物がない普通のオリフィスプレート上に、重力や分子間力によって、巨大な液溜まりが張り付いている場合も、液体保持手段として有効である。

図４は、第２の実施形態による液体吐出装置の主要部を示す。これは、液体除去手段として、図示しない高圧の圧縮気体を発生する気体発生源であるタンクと、このタンクに接続するように、吐出口前面の池６を構成する壁部材７に設けられた気体発生手段である気体噴射口１４とを備える。

図４（ａ）は、液体除去手段を駆動する直前の状態を示す。液室３は吐出圧力以上の圧力に保持されている。池６は液体で満たされ、液室３から液体流出流路８に向かって流れが生じている。図４（ｂ）は、タンクに接続された気体噴射口１４から気体を噴出し、吐出口１の前面の液体を、液体流出流路８に向けて吹き飛ばして、吐出を開始した状態を示す。液体をスムーズに除去するうえで、気体の噴射方向は、液体流出流路８に向かって気体を噴射できるように気体噴射口１４を設けることが好適である。気体の種類として空気、窒素、アルゴンなど不活性気体が挙げられる。本発明の液体吐出装置を吸入装置に適用した場合には、患者が吸入することを考慮すれば、酸素が好ましい。液体を除去するのに十分に効果のある気体の圧力範囲として０．００１〜０．５ＭＰａが好適である。

上記第１及び第２の実施形態では、液体除去手段として気体を発生させる気体発生手段を用いている。気体発生手段は、オリフィスプレートなどのヘッド部品を傷つけずに、効率的に、吐出口前面から液体を除去できる点、また、迅速に液体を除去できる点で優れている。そのうち、第１の実施形態のヒータは、狙った吐出口前面の液体のみを選択的に除去することが可能であり、構造を小型化・単純化し易く、かつ高速に動作させることができる点で特に優れている。

図５は第３の実施形態による液体吐出装置の主要部を示す。本実施形態では、液体除去手段として、機械的な可動部材であるワイパー１５を用いる。ワイパー１５は棒状又は板状の部材から構成され、スライド、回転などの動作が可能である。

棒状のワイパー１５は、オリフィスプレート５上に設けられ、モーター、ギア、シャフトなどの駆動手段により、オリフィスプレート５と平行な面を自由に回転することができる。円形の池６の周壁を構成する壁部材７には、周方向に間隔をおいて液体流出流路８が設けられる。ワイパー１５は池６の中に設けられており、ワイパー１５を駆動することで、池６のほとんどの空間を払うことができる。池６の底には複数の吐出口１が存在する。オリフィスプレート５を傷つけないように、ワイパー１５はオリフィスプレート５には接触しないように構成するのが望ましい。

図６は第３の実施形態による液体吐出装置による吐出手順を示す工程図である。液室３を加圧して、オリフィスプレート５上の池６に液体を溢れさせる。液室３の圧力は吐出圧力以上まで加圧する。ワイパー１５を駆動する前の状態において（図６（ａ）参照）、吐出させたいタイミングでワイパー１５を駆動する。ワイパー１５が回転し、吐出口１の前面の液体を払うように動作することで（図６（ｂ）参照）、液体を部分的に除去し、吐出口１から液体を吐出させる（図６（ｃ）参照）。

ワイパー１５が液体に接触したときに、液体がワイパー１５に吸着しやすいことが好適である。そのために、ワイパー１５は親水膜で被われていてもよいし、液体を吸収する吸収体の部材を有していてもよい。

本実施形態のように、１つのワイパーで全吐出口前面の液体を除去してもよいが、各吐出口に独立してワイパーを有していてもよい。

また、池６を構成する壁部材７自体が可動部材であるワイパーとして機能し、オリフィスプレート面に平行にスライドし、液体を除去する構成でもよい。

以上に例示してきた以外の液体除去手段として、圧電素子などにより、超音波を発生させて、液体を除去してもよい。

図７は第４の実施形態による液体吐出装置の主要部を示す。

第１〜３の実施形態において、吐出口１から溢れた液体は、液体を保持する空間である池６に溜めるのみであったが、本実施形態では、液体タンクへの回収口を設け、池６と回収口を連通させことで、吐出時に溢れた液体を無駄にせずに回収する。

図７（ａ）は本実施形態による液体吐出装置の主要部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。吐出口１とは別に、池６に面してオリフィスプレート５に回収口１６が設けられる。液体除去手段は、第１実施形態と同様にヒータ２を用いる。吐出口１から溢れた液体は、オリフィスプレート５上を流れ、回収口１６より吐出ヘッド内に戻される。吐出ヘッドには、吐出口１に連通した吐出側の第１の液室３と、回収口１６に連通した回収側の第２の液室１７が、分離して設けられる。吐出側の液室３に連通した連通口９より液体が流入し、回収側の液室１７に連通した連通口１８から液体が流出する。

図８は、本実施形態による液体吐出装置による吐出手順を示す。図８（ａ）は吐出前（保管時）であり、吐出口１と回収口１６を境として、それらよりタンク側を全て液体で満たされている。液体には０．１〜１００ｋＰａ程度の負圧が印加され、オリフィスプレート５の表面に液体が溢れず、吐出口１と回収口１６のメニスカスによって液体が安定的に保持される。

図８（ｂ）は吐出圧力まで液体を加圧したときの状態である。吐出口１から液柱は吐出せず、液体は吐出口１から流出し、池６を通って、回収口１６へ流入し、最終的に液体タンクに戻る。

図９は、その時における液体吐出装置全体の構成を示したものである。第１のバルブ４０と第２のバルブ４１は開けられ、第３のバルブ４２は閉じられた状態にある。液体タンクカートリッジ３８からポンプ２６へ液体が移送され、吐出ヘッド３７へ送られた後、吐出口１から溢れた液体は回収口１６を経て、吐出ヘッド３７から再び液体タンクカートリッジ３８に戻される。圧力印加手段はポンプ２６であり、ポンプ２６によって、ポンプ２６から吐出口１までの流路内の液体が吐出圧力まで加圧される。吐出直前において液体は液体吐出装置内を循環し、池６は液体で満たされる。

このとき、回収口１６へ液体が流入するように、吐出口１の大気側から液体タンクカートリッジ３８までの流路内の液体には負圧が加えられることが好ましい。ポンプ２６として、歯車ポンプなどを用いると、ポンプ２６から吐出口１側へ正圧を加えつつ、ポンプ２６から回収口側に負圧を加えることができる。この場合、流量制御ユニット２４などにより、循環している液体流路の各場所での圧力値を制御することができる。

図９では、吐出口１の大気側から液体タンクカートリッジ３８までの流路内の負圧を、より精密に制御する一手段として、ピストン機構によって圧力制御できる液体タンクカートリッジ３８を示している。液体タンクカートリッジ３８は液体容器（容器）３２と蓋部材３１から構成され、容器３２の中を蓋部材３１がスライドすることが可能になっている。蓋部材３１と容器３２との間は、液漏れが生じないように密閉されている。蓋部材３１は往復運動できるピストン３０に接続される。ピストン３０内の螺旋状の溝が彫られた穴と、シャフト２９のネジが嵌め合わされている。シャフト２９はギアボックス２８を介してモーター２７に接続される。モーター２７を回転させることでシャフト２９が回転し、ピストン３０と蓋部材３１が前後に動くことによって、液体カートリッジから吐出口１の大気側までの流路内の液体の圧力を制御する。ピストン３０を押すことで加圧し、引くことで減圧できる。液体を交換するときは、シャフト２９と蓋部材３１の接続を解除して、カートリッジを交換する。

この負圧を精密に制御するために、図９で示したピストン機構ではなく、別途第２のポンプを設けてもよい。第２のポンプによって、液体に望ましい負圧を印加しやすくなる。また、第１〜３の実施形態においても、液体保持手段に保持された液体に、このような負圧発生手段によって、大気圧よりも小さい負圧を加えてもよい。その場合、吐出口から液体流出流路８側へ液体が移動しやすくなるので好適である。なぜなら、液体が移動しないと、吐出口前面から液体が十分に除去されないおそれがあるからである。また、流量制御ユニット２４によって、流路を流れる液体の流量を制御し、液体タンクカートリッジ３８付近の圧力を精密に制御することができる。

液体を吐出する時は、ヒータ２に通電し、気泡１１を発生させて、吐出口１を覆う液体１０を除去する。その結果、吐出口１から液滴が吐出する（図８（ｃ）参照）。吐出口１より前面にあった液体は回収口１６に回収され、回収口１６のメニスカスによって液体の流れが止まる（図８（ｄ）参照）。液体を回収する負圧をさらに強めて回収側の液室１７を空にしてもよい。

吐出を終了するときは、第３のバルブ４２を開けることで、液室３の液体の正圧を下げ、負圧にする。最後は、ポンプ２６を停止し、第１のバルブ４０と第２のバルブ４１とを閉じた後、全液体を０．１〜１００ｋＰａ程度の負圧にして、図８（ａ）の状態で保管することが望ましい。

図１０は第５の実施形態による液体吐出装置の主要部を示す。

本発明は、吐出時に、吐出口から大気側に液体の流れを設けることを特徴とする。第１〜４の実施形態では、その液体の流れは大気に曝されているが、本実施形態では、吐出口１の前面を流れる液体を開口部５０を有する遮蔽部材５１で覆うように構成する。遮蔽部材５１は、吐出口１に対向する開口部５０を有し、吐出口１から溢れた液体のほとんど全てが、遮蔽部材５１で覆われているため、液体が吐出ヘッドから外に飛散するおそれがない。

遮蔽部材５１は、大気から液体を十分に遮蔽できればなんでもよい。また、遮蔽部材５１によって、液体を清潔に保つことができる。オリフィスプレート５よりも大気側は遮蔽部材５１によって覆われており、オリフィスプレート５と遮蔽部材５１で囲まれた中空部に液体１０が保持される。

吐出口１に対向した開口部５０は、少なくとも吐出口１から吐出した液柱が、遮蔽部材５１に衝突せずに通過しなければならない。そのため、吐出口１の面積よりも開口部５０の面積の方が大きいことが必要である。吐出口１と開口部５０の形状が円の場合は、吐出口径よりも開口部径が大きいことが必要である。

図１０（ａ）は保管時における吐出ヘッドを示す。吐出口１と回収口１６よりも液室側は液体で満たされている。図８（ｂ）と同様に、吐出側の液室３に正圧を印加し、回収側の液室１７に負圧を印加することで、吐出口１から回収口１６へ向かうような液体の流れが中空部に発生する。この状態において、液体除去手段であるヒータ２によって、吐出口前面の液体を除去し、発生した液柱１２又は液滴１３が、遮蔽部材５１の開口部５０を通過して、外に吐出する（図１０（ｂ）参照）。吐出を終了する時は、吐出側の液室３を速やかに負圧まで減圧する。吐出側の液室３と回収側の液室１７を適度な負圧に保持することで、液体は全て両液室内に回収された状態に戻る（図１０（ａ）参照）。

なお、吐出を停止した後、双方の液室３、１７に若干の正圧を印加して、図１０（ｃ）のように、開口部５０まで液体を満たし、開口部５０にメニスカスを形成し、その後、両液室３、１７をゼロ又は０．１〜１００ｋＰａ程度の負圧に保持して保管してもよい。その場合は、溶液の乾燥による吐出口１の詰まりを防止することができる。

図１１は第６の実施形態による液体吐出装置の主要部を示す。第５の実施形態では、吐出させる際に、液体除去手段によって液体の一部が開口部５０から大気側へ吐出し、不所望な液体が吐出してしまうおそれがあり、不所望な液体の吐出は液体の無駄となる。本実施形態は、このような問題を解決できる構成を有し、オリフィスプレート５より大気側の構造以外は、図１０と同じ構造を持つ。図１１（ａ）は、吐出側の液室３を加圧し、回収側の液室１７を減圧して、液体除去手段を駆動する前の吐出ヘッドの状態を示す。開口部５０には、液体を誘導する誘導部材５２が設けられ、誘導部材５２から回収口１６への流路５３を設けて、液体１０を回収できるようにしている。

液体除去手段は、除去した液体が誘導部材５２に衝突するように、第１のヒータ２と第２のヒータ５４を有し、開口部５０から、液滴の吐出方向に対して斜め方向へ液体１０を吹き飛ばせるように配置されている。

図１１（ｂ）は、液体除去手段を駆動した直後の吐出ヘッドを示している。２つのヒータ２、５４によって発生した気泡１１が、斜め方向へ膨張し、吐出口１を覆っていた液体の一部を、誘導部材５２によって、吐出口１による液滴の吐出方向と異なる方向へ導く。吐出口１からは液柱が吐出を始めている。押し出された液体は、誘導部材５２に衝突した後、流路５３を通って回収口１６に回収される。

図１１（ｃ）に液滴吐出時における吐出ヘッドを示す。オリフィスプレート５上の液体は全て回収口１６から回収される。吐出を停止するときは、吐出側の液室３を適度な正圧まで減圧して液柱１２の吐出を止める。液室３が正圧のため、吐出口１から液体が溢れる。溢れた液体が開口部５０にメニスカスを形成したら、吐出側の液室３と回収側の液室１７を同一の負圧まで減圧して、図１１（ａ）に示す状態にする。図１１（ａ）に示すように、吐出口１と回収口１６より大気側の液体を全て吐出ヘッド内に回収して保管してもよい。

図１２は第７の実施形態による吸入器を示す。装置ハウジング６２内に薬液を保管する薬液タンク６７、圧力印加手段である第１のポンプ６０、吐出ヘッド３７、負圧発生手段である第２のポンプ６１、が存在し、それらはチューブとバルブによって連結している。吐出ヘッド３７は第５の実施形態に示された吐出ヘッドである。さらに圧力センサーが要所に取り付けられている。第１のポンプ６０によって第１のポンプ６０から吐出口１までの流路内の液体は加圧され、第２のポンプ６１によって吐出口１から先の流路内の液体に負圧が印加される。

また、制御回路部６４と電源部６６を有し、各部品の動作を制御する。ハウジング６２上面には表示／インターフェース部６５が設けられる。表示／インターフェース部６５には、吸入器を操作するための各種スイッチと、吸入器の状態や投薬情報を表示するディスプレイが存在する。利用者は表示部を見て、スイッチ類を操作して、吸入器を操作する。吐出ヘッド３７の前面に設けられ、かつ、ハウジング６２から突き出た吸入管６３（マウスピースやノーズピース）から液滴が噴霧される。患者は吸入管６３に顔を近づけ、吐出された薬液を吸引することで、液滴を吸入できる。

この吸入器を使用するときの使用者の操作手順と各部の動作を説明する。電源がオフの保管状態において吸入器内の全てのバルブは閉じられている。使用者は、電源を入れ、表示／インターフェース部６５で投薬量を設定し、スタンバイスイッチを押す。スタンバイスイッチを押すと、第１のポンプ６０が動き始め、第１のバルブ７１と第２のバルブ７２が開となり、第１のポンプ６０が薬液タンクから薬液を汲み上げて吐出ヘッド３７側に押し出す。そして第１のポンプ６０から吐出口１までの流路内の薬液の加圧が始まる。また第２のポンプ６１が動作を開始して、吐出口１大気側から第２のポンプ６１までの流路内の液体の減圧が始まる。制御回路部６４は圧力計３５、３６により流路内各部の圧力をモニターし、加圧と減圧の速度や、流量を適切に制御する。ポンプに吸引された薬液は薬液タンク６７に戻される。

吐出ヘッド３７内が吐出圧力以上まで加圧され、薬液が吸入器内の薬液流路を循環している状態になると、表示／インターフェース部６５のスタンバイランプが点灯する。この状態で、吸入器はいつでも液滴を発生することができる。利用者は、吸入管６３に顔を近づけ、吸入開始ボタンを押すと同時に吸入を開始する。吸入開始ボタンが押されたら、液体除去手段であるヒータ２が、吐出口１前面に気泡１１を発生させ、吐出口１前面の薬液を除去する。液滴の吐出が始まり、吐出量で決まる吐出時間だけ液滴が吐出する。液滴が吐出を開始してから停止するまで、利用者は吸入を続ける。吐出が終了すると、第１のポンプ６０は停止し、第３のバルブ７３が開く。その結果、吐出ヘッド３７内の圧力が急減し、吐出が停止する。第２のポンプ６１によって、吐出ヘッド３７と第２のポンプ６１との間の薬液が負圧まで減圧される。吐出ヘッド３７内が保管状態に最適な負圧値になったら第２のポンプ６１は停止し、全てのバルブは閉じられる。そして吸入器は保管状態となる。

本実施形態によれば、圧力印加方式による吸入器において、利用者は吐出するタイミングを精密に制御でき、さらに濡れによる不吐の心配もないので、正確な投薬量で確実に薬を吸入することができる。さらに従来の圧力印加方式による吸入器に比べて、吸入動作時において薬を無駄にすることがない。

本発明の液体吐出装置は、吸入器に限定されることなく圧力印加方式による液体吐出装置の応用機器について広範囲に適用することができる。吐出する液体として、薬液、精製水、芳香剤溶液、エタノール、インク、機能性有機物溶液、機能性金属溶液などが挙げられる。

本発明の液体吐出装置は、吸入器以外にも、加湿器、匂い発生装置、プリンタ、ミスト発生器、電子デバイス（ディスプレイ、配線基板など）の製造装置などに適用できる。本発明の液体吐出装置は、従来の液体吐出装置と比較して、所望のタイミングで迅速かつ確実に吐出させることができる。特に微小な液滴を吐出させるうえで、これらの優位点が際立つものである。また、さらなる優位点として、従来は吐出時に無駄にしていた液体を低減することができる。

１ 吐出口
２ ヒータ
３、１７ 液室
４ 液室壁
５ オリフィスプレート
６ 池
７ 壁部材
８ 液体流出流路
９、１８ 連通口
１１ 気泡
１２ 液柱
１３ 液滴
１４ 気体噴射口
１５ ワイパー
１６ 回収口
５０ 開口部
５１ 遮蔽部材
５２ 誘導部材

Claims (16)

1. 液体タンクから供給される液体を収容する液室と、
   前記液室の液体に圧力を印加することにより液滴を吐出するための吐出口と、
   前記液室の液体に圧力を印加する圧力印加手段と、
   前記吐出口の大気側に、前記吐出口を覆うように液体を保持する液体保持手段と、
   前記吐出口の大気側に保持された液体を除去する液体除去手段と、を有し、
   前記液体除去手段によって、前記吐出口から液滴を吐出するタイミングを制御することを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記圧力印加手段が、前記吐出口より液滴を吐出するために必要な最小の吐出圧力以上の圧力を前記液室の液体に印加した状態で、前記液体除去手段によって前記吐出口を覆う液体を除去し、前記吐出口から液滴を吐出させることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記圧力印加手段は、毎秒につき前記吐出圧力の５０％以下の加圧速度で前記液室の液体を加圧することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 前記圧力印加手段によって液体を加圧し、加圧された圧力を維持することで、前記吐出口から連続して液滴を吐出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出装置。
5. 前記液体保持手段に保持された液体に、大気圧よりも小さい負圧を印加するための負圧発生手段を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出装置。
6. 前記液体除去手段は、気体を発生する気体発生手段を有し、前記気体発生手段により発生した気体が、前記吐出口の大気側に保持された液体を除去することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出装置。
7. 前記気体発生手段は、通電により発熱するヒータを有し、前記ヒータの加熱により発生した気泡が、前記吐出口の大気側に保持された液体を除去することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出装置。
8. 前記気体発生手段は、気体発生源に接続する気体噴射口を有し、前記気体噴射口より気体を噴射することにより、前記吐出口の大気側に保持された液体を除去することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出装置。
9. 前記液体除去手段は、前記吐出口の大気側に設けられたワイパーを有し、前記ワイパーを駆動することによって、前記吐出口の大気側に保持された液体を除去することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出装置。
10. 前記液体保持手段は、前記液体タンクに接続された回収口に連通し、前記回収口より、前記液体保持手段に保持された液体を前記液体タンクへ回収することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の液体吐出装置。
11. 前記液体保持手段は、前記液体保持手段に保持された液体を大気から遮蔽するための遮蔽部材を備え、
    前記遮蔽部材は、前記吐出口に対向する開口部を有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の液体吐出装置。
12. 前記開口部の面積は、前記吐出口の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１１に記載の液体吐出装置。
13. 前記遮蔽部材は、前記液体保持手段に保持された液体を、前記吐出口から吐出される液滴の吐出方向と異なる方向に誘導する誘導部材を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の液体吐出装置。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の液体吐出装置を備えることを特徴とする吸入器。
15. 液体タンクから供給される液体を収容する液室と、前記液室の液体に圧力を印加することにより前記液体を吐出するための吐出口と、前記液室の液体に圧力を印加する圧力印加手段と、を有する液体吐出装置による液体吐出方法であって、
    前記吐出口の大気側に、前記吐出口を覆うように液体を保持する工程と、
    前記液体に圧力を印加する工程と、
    保持された前記液体を除去することで、前記吐出口から前記液体を吐出させる工程と、をこの順に有することを特徴とする液体吐出方法。
16. 前記吐出口より液体を吐出するために必要な最小の吐出圧力以上の圧力を前記液室の液体に印加した状態で、前記吐出口を覆う液体を除去し、前記吐出口から液体を吐出させることを特徴とする請求項１５に記載の液体吐出方法。

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