JP2015519952A - 層流液滴ジェネレータ装置及び使用方法 - Google Patents

Abstract

圧電エジェクタ装置は、流体の層流を供給することによって、作動時に装置への空気吸入を最小にするように設計されている。ジェネレータプレートと、流体の指向性液滴流を発生させる周波数で、ジェネレータプレートを直接又は間接的に振動させるように動作可能な圧電アクチュエータとが含まれているエジェクタ機構において、ジェネレータプレートには、流体対向面と、液滴吐出面と、これらの面の間に、ジェネレータプレートの厚さを貫通して形成された複数の孔とが含まれている。複数の孔は、乱流を最小にするような孔の形状を構成することによって、指向性液滴流の発生時に、複数の開口を通って液滴吐出面から流体対向面に至る気流を最小にするように構成されている。【選択図】図４

Description

関連出願
本出願は、２０１２年５月１４日に出願された「エジェクタ機構、エジェクタ装置及び使用方法」という名称の米国特許出願第６１／６４６，７２１号、並びに、２０１２年１１月５日に出願された「層流液滴ジェネレータ装置及び使用方法」という名称の米国特許出願第６１／７２２，６００号の出願日の利益を主張し、これらの内容は、参照によりこれらの全体において本明細書に援用される。

ミスト又はスプレーの形態で製品を投与するための噴霧装置の使用は、安全で使いやすい製品に対して大きな可能性のある分野である。噴霧装置に必要とされる重要な分野は、眼科用薬剤の送達である。しかしながら、かかる装置の提供における主な課題は、適切な用量の一貫性のある正確な送達を提供することである。さらに、複数回投与噴霧装置は、非滅菌外部環境との相互作用の結果として生じ得る汚染に暴露するようになる場合がある。

したがって、眼科用、局所用、経口用、経鼻用又は経肺用の、対象に対して安全で適切かつ反復可能な用量を送達する送達装置の必要性が存在する。

本開示は、眼科用、局所用、経口用、経鼻用又は経肺用の、対象に対して安全で適切かつ反復可能な用量を送達するためのエジェクタ機構、エジェクタ装置及び方法に部分的に関する。本開示は、適用時に適切かつ反復可能な高い割合の液滴堆積を生じる特性を有した指向性液滴流(directed stream of droplet)の形態の規定体積の流体を送達することが可能なエジェクタ装置及び送達システムに関する。

本開示によれば、圧電エジェクタ装置は、本明細書で更に詳細に説明するとおり、作動時に装置への空気吸入を最小にするように設計されている。エジェクタ機構には、ジェネレータプレートと、流体の指向性液滴流を発生させる周波数で、ジェネレータプレートを直接又は間接的に振動させるように動作可能な圧電アクチュエータとが含まれ得る。ジェネレータプレートには、流体対向面と、液滴吐出面と、これらの面の間に、ジェネレータプレートの厚さを貫通して形成された複数の開口とが含まれる。本開示によれば、ジェネレータプレートとその複数の開口は、液体の層流が流体対向面から液滴吐出面に通過する場合、液体の層流を促進することによって、振動時に、複数の開口を介して液滴吐出面から流体対向面に通る気流を最小にするように構成される。

図１は、本開示の態様に係る乱流及び層流の例を示す。 図２は、本開示の態様に係る、乱流（左）及び層流（右）を発生させる例示的なジェネレータプレートの開口幾何形状を示す。 図３は、本開示の態様に係る、乱流（左）及び層流（右）を発生させる例示的なジェネレータプレートの開口幾何形状を示す。 図４は、本開示の態様に係る層流ジェネレータプレート開口の例示的な曲率を示す。 図５は、本開示の態様に係る層流ジェネレータプレート開口の例示的な曲率を示す。 図６は、本開示の実施形態に係る管／開口の助走距離パラメータを示す。 図７は、本開示の態様に係る、レイノルズ数の関数としての初期乱流助走距離のプロットを示す。 図８は、本開示に係る動作時の非層流ＮｉＣｏエジェクタの一実施形態を示す。 図９は、本開示に係る動作時の層流ＮｉＣｏエジェクタの別の実施形態を示す。 図１０は、本開示に係る動作時の非層流ＰＥＥＫエジェクタの一実施形態を示す。 図１１は、本開示に係る動作時の層流ＰＥＥＫエジェクタの別の実施形態を示す。 図１２は、液滴ジェネレータプレートの種々の実施形態のエジェクタ面の三次元図を示す。 図１３は、液滴ジェネレータプレートの種々の実施形態のエジェクタ面の三次元図を示す。 図１４は、液滴ジェネレータプレートの種々の実施形態のエジェクタ面の三次元図を示す。 図１５は、本開示に係る液滴ジェネレータプレート孔の側面図を示す。 図１６は、本開示の態様に係るエジェクタ装置の断面図を示す。 図１７Ａ、図１７Ｂは、図１６のエジェクタ装置における作動エジェクタプレートの断面図を示す。 図１８は、本開示のエジェクタ機構の一実施形態の平面図である。 図１９は、本開示の対称エジェクタ機構の分解図である。 図２０は、本開示の対称エジェクタ機構の平面図である。

本開示は、概して、例えば、眼への眼科用流体などの流体の送達に有用な圧電エジェクタ装置に関する。エジェクタ装置には、エジェクタ機構及び流体供給部を含むエジェクタアセンブリが含まれ得る。特定の態様において、エジェクタ機構は、圧電アクチュエータと、液滴ジェネレータプレートとを備えていてもよく、これらは、アクチュエータがジェネレータプレートを直接又は間接的に振動させるように作動する場合、流体の指向性（directed，方向づけされた）液滴流を発生させるように動作可能である。流体には、エジェクタ機構を用いて液滴形成が可能な範囲の粘度を有する懸濁液又はエマルジョンが含まれるが、これらに限定されない。

圧電液滴発生及びマイクロチャネル内の流れは、マイクロオリフィスを通る液体流、流体表面相互作用、出口オリフィス径、入口キャビティ幾何形状、キャピラリ管の長さ、エジェクタ材料の機械的性質、機械的変位の振幅及び位相、並びにエジェクタプレートの変位の周波数の間の複雑な相互作用によって異なる。さらに、かかる粘性、密度及び表面エネルギーなどの流体特性は、液滴形成において主な役割を果たしている。本開示の特定の態様によれば、液滴発生動力学及びマイクロ流体流を最適化する新規なエジェクタ孔構造及び幾何形状が開発されている。例えば、特定の実施形態は、エジェクタ面の三次元トポグラフィ及びノズル幾何形状を正確に制御する、コンピュータ制御レーザ微細加工に関する。これによって、流体速度増幅、抵抗、乱流及び高粘性流体の弁作用において、独立制御がもたらされる。

本開示によれば、圧電エジェクタ装置は、本明細書で更に詳細に説明するとおり、作動時に装置への空気吸入を最小にするように設計されている。上述したように、エジェクタ機構には、ジェネレータプレートと、流体の指向性液滴流を発生させる周波数で、ジェネレータプレートを直接又は間接的に振動させるように動作可能な圧電アクチュエータとが含まれている。ジェネレータプレートには、流体対向面と、液滴吐出面と、これらの面の間に、ジェネレータプレートの厚さを貫通して形成された複数の開口とが含まれている。本開示に開示されている種々の実施形態に説明されているように、ジェネレータプレートとその複数の開口は、指向性液滴流の発生時に、複数の開口を介して液滴吐出面から流体対向面に通る気流を最小にするように構成されている。本明細書に説明されているように、気流の最小化によって、部分的に、指向性液滴流の層流が発生する。背景としてであり、理論に制限されるものではないが、作動時におけるエジェクタ装置への空気吸入によって、装置内の予測不能の挙動が生じ、装置の動作を変更するだけでなく、故障の原因となることが多い。また、制限されるものではないが、本開示のエジェクタ機構の吐出領域の振動ポンプのような作用によって、液滴吐出方向とともに吐出の反対方向に圧力勾配が発生する。圧力勾配が吐出方向と反対側に配置されると、周辺領域内の空気は、エジェクタ開口を通過することによって、作動領域後方の低圧領域に移動する可能性を有する。

しかしながら、エジェクタ開口を介する空気の吸入は、エジェクタ開口後方の流体の存在によって防止することができ、これによって、システムへの空気の流入を阻止することができる。特定の例において、空気は、適切な対称充填条件（symmetric fill condition）を妨げる過程時に生じる隙間から形成された経路を介してシステムに流入し得る。これらの過程は、液体と空気との間にカオス乱流領域（chaotic turbulent regions）を発生させ、カオス乱流領域によって超える差圧（overpressure）が発生し、当該差圧は、開口に移動し泡を発生させる空気を封入する。

ジェネレータプレート開口の抵抗を克服することによって空気がシステムに流入することができる方法の１つは、例えば、流体がジェネレータプレートの流体貯留部側に流入する場合に、流体流の急激な遷移から生じるエジェクタ機構の流体側における乱流によるものである。急速な流体の移動によって、遷移点における大きくかつ急激な傾斜の変化が原因で、流れの急激な変化が生じる。図１Ａを参照すると、流体は、遷移点領域を「越えて」、ゼロ以外の渦度（vortice）の領域である渦又は「vena contracta（縮脈）」を生じる下流の流体を剪断する。図１Ａに示されているように、これは、０よりも大きな値を有するように、渦度ω（流体速度の関数である。）を生じる。これに対して、図１Ｂに示されているように、遷移が緩やかである場合、剪断は生じず、渦が回避される（渦度ω＝０）。

図２を参照すると、左のジェネレータプレートは、急激な遷移を示すが、これによって、乱流及びカオス噴霧を生じ、外気が、作動時に、ジェネレータプレートの開口を介してシステムに流入し得る。図示するジェネレータプレートの開口は、流体貯留部側から液滴吐出側に大きく変化する形状を備え、この形状は、破断流（broken flow）及び開口内の隙間の形成をもたらす渦の形成を促進する。これに対して、右のジェネレータプレート開口は、流体貯留部側から液滴吐出側の傾斜において徐々に変化し、層流及び効果的な噴霧を生じる。

本開示は、概して、例えば、眼科用、局所用、経口用、経鼻用又は経肺用の流体の送達に有用な、具体的には、眼への眼科用流体の送達に用いるエジェクタ装置に関する。一実施形態において、エジェクタ装置には、制御可能な流体の液滴流を発生させるエジェクタ機構を含んだエジェクタアセンブリが含まれている。エジェクタ機構は、電荷分離機構であってもよい。流体には、エジェクタ機構を用いて、液滴形成が可能な範囲の粘度を有する懸濁液又はエマルジョンが含まれるが、これらに限定されない。流体には、医薬品及び薬剤が含まれていてもよい。

本明細書で更に詳細に説明するように、エジェクタ機構は、標的の方に誘導することが可能な指向性液滴流を形成することができる。液滴は、サイズを分布させ、それぞれの分布が平均液滴サイズを有するように形成することができる。平均液滴サイズは、約１５ミクロン〜４００ミクロン超、２０ミクロン超〜約４００ミクロン、約２０ミクロン〜約８０ミクロン、約２５ミクロン〜約７５ミクロン、約３０ミクロン〜約６０ミクロン、約３５ミクロン〜約５５ミクロン、約２０ミクロン〜約２００ミクロン、約１００ミクロン〜約２００ミクロンなどの範囲内にあり得る。ただし、平均液滴サイズは、意図する用途に応じて、２５００ミクロンという大きなサイズであってもよい。さらに、液滴の平均初期速度は、約０．５ ｍ／ｓ〜約１００ ｍ／ｓ、例えば、約０．５ ｍ／ｓ〜約２０ ｍ／ｓ、例えば、約０．５〜約１０ ｍ／ｓ、約１ ｍ／ｓ〜約５ ｍ／ｓ、約１ ｍ／ｓ〜約４ ｍ／ｓ、約２ ｍ／ｓなどであってもよい。本明細書において用いる吐出サイズ及び初期速度は、液滴がエジェクタプレートから離れるときの液滴の大きさ及び初期速度である。標的に誘導された液滴流によって、その組成を含む一定の割合の液滴質量が標的に堆積する。

本明細書に説明するように、本開示のエジェクタ装置及びエジェクタ機構は、液滴流と同様に概して低い又は比較的高い粘性の流体を吐出するように構成することができる。一例として、エジェクタ装置による使用に適した流体は、例えば、水の場合、１ ｃＰ以下、例えば０．３ ｃＰなどの非常に低い粘度を有し得る。さらに、流体は、最大６００ ｃＰの範囲の粘度を有し得る。具体的には、流体は、約０．３〜１００ ｃＰ、０．３〜５０ ｃＰ、０．３〜３０ ｃＰ、１ ｃＰ〜５３ ｃＰなどの粘度範囲を有し得る。一部の実施形態において、エジェクタ装置を用いて、液滴流と同様に比較的高い粘度の流体、例えば、約１ｃＰ〜約６００ ｃＰ、約１ ｃＰ〜約２００ ｃＰ、約１ ｃＰ〜約１００ ｃＰ、約１０ ｃＰ〜約１００ ｃＰなどの１ ｃＰよりも大きい粘度の流体を吐出することができる。一部の実施形態において、適切な粘性及び表面張力を有する溶液又は薬剤は、変更することなく、貯留部内で直接用いることができる。他の実施形態において、流体パラメータを調整するのに、付加的な材料を加えることができる。

液滴は、電荷分離エジェクタ機構に連結された貯留部に収容された流体から、エジェクト機構によって形成することができる。電荷分離エジェクタ機構及び貯留部は、使い捨て又は再利用可能であってもよく、その構成要素は、参照により内容が本明細書に援用される、米国仮特許出願第６１／５６９，７３９号、同６１／６３６，５５９号、同６１／６３６，５６５号、同６１／６３６，５６８号、同６１／６４２，８３８号、同６１／６４２，８６７号、同６１／６４３，１５０号及び同６１／５８４，０６０号、並びに、米国特許出願第１３／１８４，４４６号、同１３／１８４，４６８号及び同１３／１８４，４８４号に記載されているものなどのように、エジェクタ装置のハウジング内に被覆されていてもよい。具体的には、例示的なエジェクタ装置及びエジェクタ機構は、「エジェクタ機構、エジェクタ装置及び使用方法」という名称の２０１１年１２月１２日に出願された米国特許出願第６１／５６９，７３９号、「中心対称無鉛エジェクタ機構、エジェクタ装置及び使用方法」という名称の２０１２年４月２０日に出願された米国特許出願第６１／６３６，５６５号、並びに、「高弾性高分子エジェクタ機構、エジェクタ装置及び使用方法」という名称の２０１２年１月２７日に出願された米国特許出願第６１／５９１，７８６号に示されており、これらはそれぞれ、参照によりこれらの全体において本明細書に援用される。

本開示の特定の実施形態によれば、本開示のジェネレータプレートの開口は、流体対向面から液滴吐出面への緩やかな傾斜変化を有した形状を有するように構成されている。背景としてであり、理論に制限されるものではないが、一次元で移動する流体では、最適な機能は直線状（例えば、管）であり、システムにおける乱流は、速度、管径、流体の密度及び流体の粘性の関数であるレイノルズ数に関連している。レイノルズ数は、慣性力と粘性力の比率であり、このため、無次元量である。流れは、一般に、レイノルズ数が２３００未満である場合、層流と考えられ、レイノルズ数が４０００を超える値では乱流と考えられる。２３００〜４０００の領域では、流れは、「遷移している」と考えられ、このことは、層流と乱流の両方が考えられることを意味する。

式中、Ｒｅはレイノルズ数であり、
ρは流体の密度であり、
ｖは流体の速度であり、
Ｌは管径であり、
ηは液体の粘度である。

開口の形状において、急速な遷移（段階）から形成された乱流領域の存在を最小にするために、湾曲（curvature）は、小さい二次導関数による関数とすることができる。本開示の一態様によれば、二次導関数の最小値をもたらす二次曲線は円形であり、その関数は以下に示されている。この点に関して、かかる湾曲は、流体対向面から液滴吐出面に至る円形形状の外部入口曲率半径を有した形状を備えている。

式中、Ｒは、湾曲の外半径である。

図３を参照すると、形状が円形でない外部入口湾曲を有する開口が左側に示されている。かかる開口は、入口湾曲の傾斜の大きく急激な変化を示し、これによって、乱流及びカオス噴霧が促進され、外気がシステムに流入する可能性が増加する。これに対して、右側には、本開示の一実施形態に係る開口が示され、外部入口曲率半径は円形であり、これによって、層流が生じ、外気がシステムに流入する可能性が最小になる。

このように、本開示に係る層流開口は、円形湾曲を徐々に変化させるように構成することができ、当該湾曲は、渦度を最小にし、また、渦の存在を排除することによって、層流を促進する。図４及び５を参照すると、層流ジェネレータプレート開口を構成する寸法は、本開示の態様に従って提供される。図４において、変数Ｐ、Ｒ及びＤはそれぞれ、開口、円形入口形状の曲率半径及び開口の出口径との間のピッチを表わす。図５において、付加的な変数Ｄｅ及びσはそれぞれ、入口径、及び出口径に対する曲率半径の比率である。

本開示の一態様によれば、比率σ（液滴吐出面における開口の大きさに対する曲率半径の大きさの比率）は、層流エジェクタを構成する適切な条件を定義する。一実施形態において、液滴吐出面の開口が約４０ μｍよりも大きい場合、σは、約２．５以上になるように選択される。別の実施形態において、液滴吐出面の開口が約４０ μｍよりも小さい場合、液滴吐出面における開口の大きさに対する曲率半径の大きさの比率σは、約５よりも大きくなるように選択される。（ジェネレータプレートによって構成される）メッシュの高さ又は厚さは、必ずしも図５に示されている寸法に限定されず、図示する寸法よりも大きくか又は小さくできることに留意すべきである。

別の態様によれば、ジェネレータプレートの開口は、層流領域の発生を促進するような助走距離又はジェネレータプレート厚さを有するように構成されている。背景としてであり、理論に制限されるものではないが、管に流入する流体（すなわち、本開示の文脈において、ジェネレータプレートの開口に流入する流体）は、流体と管／開口の表面との間の初期境界条件により、層流が可能ではない期間（period）（長さ，length）を経験する。このことは図６に示されている。境界では、入口壁の摩擦及び粘性力は、表面に最も近い流体に優位である。「非滑り（no-slip）」境界条件下では、壁に非常に近い流体は、ゼロの接線速度を有し、この境界層は、隣接する流体層に粘性抵抗を付与し、抗力は、境界層からの距離に伴って減少する。これによって、流体に層依存性速度領域が生じ、平衡状態において最終粘性境界層の不均一な積層が生じる。境界層が一定の層を構成するのに要する距離は、「助走距離（entrance length）」として公知のものである。「非粘性（inviscid）」領域は、粘性の影響が無視できる領域である。流れが助走距離ｌ_eを超えて通過すると、層流が可能である（層流領域は、ポアズイユ(Poiseuille)流が確立される領域である。）。ポアズイユ流は、速度プロファイルが放物線状である流れ条件である。この距離ｌ_eはレイノルズ数Ｒｅの関数であり、式ｌ_e＝（０．０６ｖｄ）（Ｒｅ）によって示され、式中、ｖ、ｄ及びＲｅはそれぞれ、流体の速度、ノズルの径及びレイノルズ数である。レイノルズ数の関数としての層流の範囲は、この初期助走距離ｌ_eを通過した流体に適用される。下記の図表において、レイノルズ数と助走距離の双方の値は、一実施形態において、算出された平均液滴速度値に基づいて、及び、０．５〜５ ｍ／ｓの範囲内の作動膜の速度を測定した実施形態のデジタルホログラフィック顕微鏡（ＤＨＭ）の結果によって示されるように選択された、２ ｍ／ｓの速度を仮定して算出された。図表において選択されたエジェクタ径の孔の大きさは、４０ミクロンであった。表面張力値は、ゴニオメーター（goniometer，接触角分析器）により測定され、粘度測定は、音叉型「ｖｉｂｒｏ」粘度計で行なわれ、そして、密度測定は、薬剤の既知の量を測定し、感度の高い計量手段を用いて薬剤を秤量することによって行なった。

結果を以下の表１に示す。

上述したように、レイノルズ数は、慣性力と粘性力の比率であり、また、流れは、一般に、レイノルズ数が２３００未満である場合、層流と考えられ、レイノルズ数が４０００を超える値では乱流と考えられる。２３００〜４０００の領域では、流れは、「遷移している」と考えられ、このことは、層流と乱流の両方が考えられることを意味する。ただし、表１の結果によって実証されているように、そして、以下の図７に示されているように、レイノルズ数も助走距離ｌ_eに関連している。

図７は、１〜１０ ｍ／ｓの速度範囲について算出されたレイノルズ数の関数としての発生流の助走距離を説明している。その結果、１５０マイクロメートルを超える助走距離ｌ_e（すなわち、チャネル長）によって構成された開口は、４０ミクロンの出口径の層流条件を生じるのに十分であるが、２０ミクロンの径の孔では、１００ミクロンを超える助走距離ｌ_eが必要であることが分かった。したがって、層流エジェクタの開口を構成する場合、層流エジェクタの厚さ（すなわち、チャネル長）は、少なくとも部分的に、孔の入口径によって決定することができる。特定の態様において、本明細書に説明されているように、流体が液滴吐出面に到達するまでに吐出流体の層流を達成するのに十分なチャネル長を選択することができる。

図８〜１１は、層流孔を備えた液滴ジェネレータプレートとは対照的に、規則的な非層流孔を備えた液滴ジェネレータプレートを有するエジェクタの作動時における空気吸入についての装置の性能を示す試験結果である。金属製（ＮｉＣｏ、図８及び９）の液滴ジェネレータプレート、並びに高分子（ＰＥＥＫ、図１０及び１１）材料が検討された。図８の実施形態において、アクチュエータを１０７ ｋＨｚで作動させ、液滴ジェネレータプレートは、非層流孔を備えていた。図９の実施形態において、アクチュエータを１３２ ｋＨｚで作動させ、液滴ジェネレータプレートは、層流孔を備えていた。

図１０の実施形態において、１００ μｍの厚さの液滴ジェネレータプレートを用い、アクチュエータを１１０ ｋＨｚで作動させた。図８の実施形態において、液滴ジェネレータプレートの孔は、規則的な非層流孔であった。図１１の実施形態において、１００ μｍの厚さの液滴ジェネレータプレートを用い、アクチュエータを１１１ ｋＨｚで作動させた。図９の実施形態と同様に、この液滴ジェネレータプレートは、層流孔を備えていた。したがって、それぞれの材料における、本明細書に説明されている基準を用いて構成された非層流及び層流エジェクタ構造の性能の一例である。試験は、水（表１に示されているように、水は高い表面張力を有し、これによって、試験に最悪のシナリオをもたらす気泡の形成が助長される。）を充填した半透明貯留部を備え、大気に対して開放させた装置を取り付けることによって行なった。ピーク噴霧条件時に、貯留部の背面を画像化し、システム内の気泡の形成を追跡した。取付条件は、すべての比較試料と同一である。層流構造エジェクタ（図９及び図１１）は、すべての試験において、非層流エジェクタ（図８及び図１０）よりも良好に機能することが分かった。層流エジェクタ構造は、噴霧時に流体を充填保持することによってエジェクタ開口（ノズル）内の空気間隙（air gaps）を排除することにより、作動時のシステムに流入する外気の可能性を減少させる。

付加的な空気吸入からシステムを遮断する利点には、システム内の圧力の予測できない変化を引き起こすシステム内の過剰な空気から障害が発生することなく、装置の動作を継続させることが含まれる。また、過剰な空気は、システム内の流体を汚染する可能性もあり、これは、医薬組成物、具体的には、防腐剤の含量が低い医薬組成物及び防腐剤を含有しない医薬組成物を送達する場合に望ましくない。

更なる態様において、液滴ジェネレータプレートの吐出面における液体の蓄積を回避するために、吐出面は、図１２〜１４に示されているように、１以上のエジェクタ孔の少なくとも一部の周辺に溝（trench）を構成するように構成することもできる。溝（trench）は、一般に、吐出孔を閉塞せずに、吐出面に残存し得る流体を溝内に貯留することができる。さらに、この溝は、吐出面における流体の蓄積、及び液滴吐出に対する干渉を減少させることができる。

さらに、吐出面における流体ビーディング及び流体蓄積の影響を妨げるために、特定の態様は、エジェクタプレートの表面におけるコーティング、例えば、金コーティング、銀コーティング、抗菌コーティングなどの使用に更に関する。特定の実施形態において、コーティング、例えば金コーティングを、ジェネレータプレート、例えばＰＥＥＫジェネレータプレート上に堆積させ、流体が流れやすくなるように表面を改質し（親水性を向上させるより高い表面エネルギー）、表面の流体ビーディングを低減させることなどができる。

更なる他の態様において、液滴ジェネレータプレートの厚さも、層流パラメータに影響を及ぼす可能性があり、良好な層流は、プレートの振動にも影響を及ぼしつつ、長いキャピラリ管の長さを有する厚いプレートから得られ、薄いプレートは、高い周波数で良好な流体吐出を示す。一実施形態では、１２５ μｍのキャピラリ管の長さによって、良好に作動することが分かった。層流の溝付き(flute)吸入部１５０２に関連するキャピラリ管又はチャネル１５００は、図１５に示されている。

エジェクタアセンブリには、液滴ジェネレータプレート及び圧電アクチュエータに連結されたエジェクタプレートが含まれ得る。図１６は、例えば、エジェクタ機構１６０１及び貯留部１６２０を含むエジェクタアセンブリの一実施形態を示している。エジェクタ機構１６０１には、アクチュエータ１６０４（例えば、圧電アクチュエータ）によって作動させることができる、ジェネレータプレートに連結された又はジェネレータプレートを排除した又は中央液滴ジェネレータ領域若しくは１以上の開口１６２６を含むエジェクタ領域１６３２のみを構成したエジェクタプレート１６０２を備える振動プレート機構又はシステムが含まれ得る。参照しやすいように、液滴ジェネレータ領域１６３２は、エジェクタプレートと一体的に形成されているか、又は別個の液滴ジェネレータプレートとしてエジェクタプレートに連結されているか否かを問わず、本明細書において、液滴ジェネレータプレート又は液滴ジェネレータ領域と区別なく言及される。アクチュエータ１６０４は、１以上の開口１６２６から単一の液滴１６１２（要求に応じた液滴）としてか、又は方向１６１４に沿って１以上の開口１６２６から吐出される液滴１６１２の流れとして、貯留部１６２０から流体１６１０を送達するように振動するか、又は、それ以外に、エジェクタプレート１６０２を変位させる。

一部の用途において、眼科用流体は、例えば、ヒト成人若しくは子供又は動物の眼に向けて吐出することができる。流体は、眼若しくは皮膚表面、又は経鼻若しくは経肺用のいずれかによる、ヒト又は動物の不快感、症状又は疾患を治療するための医薬を含有していてもよい。

エジェクタプレート１６０２へのエジェクタ１６０４の取付けも、吐出アセンブリ１６００の動作、及びその単一液滴又は流れの発生に影響を及ぼし得る。例えば、図１６の実施形態において、エジェクタ１６０４（又はエジェクタの個々の構成要素１６０４の多く）は、貯留部１６２０とは反対側の面１６２２において、エジェクタプレート１６０２の周辺領域に連結することができる。

エジェクタプレート１６０２の中央領域１６３０には、流体１６１０を通して液滴１６１２を発生させる１以上の開口１６２６を有した液滴ジェネレータ領域１６３２が含まれている。吐出領域（若しくは液滴ジェネレータ）１６３２は、中央領域１６３０の一部、例えば中心を占有していてもよいし、又は、液滴ジェネレータ領域１６３２の吐出孔（ejection hole）のパターンは、中央領域１６３０の全領域を実質的に占有していてもよい。さらに、貯留部ハウジング１６０８の開口領域１６３８は、吐出領域１６３２の大きさに実質的に相当していてもよいし、又は、開口領域１６３８は、吐出領域１６３２よりも大きくてもよい。

この点に関して、開口の位置は、質量堆積に影響を及ぼす可能性があり、中央領域１６３０の中心付近の吐出孔パターンが一般に好ましい。さらに、エジェクタプレート１６０２の内径と外径、及びアクチュエータ１６０４の厚さを含む、圧電アクチュエータ１６０４の構成及び位置は、動作に影響を及ぼし得る。一実施形態において、外径１９ ｍｍ、内径１４ ｍｍで、厚さ２５０ミクロンのアクチュエータを非端部取付用（non-edge mounted application）に用いることができる。

図１６に示されているように、エジェクタプレート１６０２は、流体１６１０を収容した貯留部１６２０に配置されているか又は当該貯留部と流体連通している。例えば、貯留部のハウジング１６０８は、貯留部壁１６５０を封止する適切なシール又はＯリング１６４８ａなどの継手を用いて、第１の主面１６２５の周辺領域１６４６において、エジェクタプレート１６０２に連結することができる。また、貯留部のハウジング１６０８の部分１６４４は、折畳み式ブラダーの形態で設けられてもよい。ただし、本開示はそのように限定されず、いずれかの適切なブラダー又は貯留部を用いることができる。

励起前において、エジェクタアセンブリ１６００は、静止状態に設定されている。アクチュエータ１６０４（例えば、圧電アクチュエータ）の対向する面１６３４及び１６３６上の電極１６０６ａ及び１６０６ｂに電圧が印加されると、図１７Ａ及び１７Ｂにそれぞれ示されているように、エジェクタプレート１６０２は、相対的凹状１７００と相対的凸状１７０１との間で変化するように曲がる。

交流電圧によって駆動すると、アクチュエータ１６０４は、エジェクタプレート１６０２の凹状１７００及び凸状１７０１を逆転させるように作動し、これによって、吐出領域（液滴ジェネレータ）１６３２において、エジェクタプレート１６０２の周期的運動（振動）が生じる。上述したように、液滴１６１２は、開口(aperture, or opening)１６２６において形成されるとともに、吐出領域１６３２の振動運動によって、１以上の液滴１６１２が、例えば、単一液滴（要求に応じた液滴）の適用において、又は液滴流として、流体送達（吐出）方向１６１４に沿って吐出される。

上述したように、駆動電圧及び周波数は、吐出機構の性能向上のために選択することができる。特定の態様において、アクチュエータ１６０４の振動周波数は、流体を充填したエジェクタ機構の共振周波数又はその付近で、又は重合せ、干渉若しくは共振結合によって、かかる共振においてエジェクタプレート１６０２を振動させるように選択される１以上の周波数で選択することができる。

共振周波数又はその付近（例えば、共振の半値全幅以内）で作動する場合、エジェクタプレート１６０２は、エジェクタ領域（液滴ジェネレータ）１６３２の変位を増幅することができ、これによって、直接連結構造と比較して、アクチュエータの相対的な所要電力を減少させることができる。エジェクタプレート１６０２及び液滴ジェネレータ１６３２を含む共振システムの減衰係数は、疲労を低減させ、実質的に故障することなく耐用年数を増加させるために、圧電アクチュエータの入力電力よりも大きくなるように選択することもできる。

エジェクタアセンブリの例は、「エジェクタ機構、エジェクタ装置及び使用方法」という名称の２０１２年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／５６９，７３９号に記載されており、これは、参照により本明細書に援用される。一特定実施形態において、エジェクタプレート機構１６０１には、例えば、図１８に示されているように、及び、参照により本明細書に援用される「中心対称無鉛エジェクタ機構、エジェクタ装置及び使用方法」という名称の２０１２年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／６３６，５６５号に記載されているように、ジェネレータプレート型アクチュエータ１６０４に連結された回転対称エジェクタプレート１６０２が含まれ得る。ただし、本開示は、そのように限定されない。

図１８の特定の構成において、ジェネレータプレート型アクチュエータ１６０４には、上述したように、回転対称エジェクタプレート１６０２を駆動する、１以上の個別の圧電素子又はその他のアクチュエータ要素が組み込まれている。液滴ジェネレータプレート１６３２は、中央領域１６３０において、開口１６２６のパターンを含み、下記のように、適切な駆動信号発生回路を用いて、エジェクタプレート１６０２により駆動する。駆動電圧を発生させる例示的な技術は、「エジェクタ装置及びシステムのための方法、ドライバ及び回路」という名称の２０１２年５月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／６４７，３５９号に示されており、これは、参照により本明細書に援用される。

図１９は、対称なエジェクタ機構１６０１の分解図である。本実施形態において、エジェクタプレート１６０２は、図１９の左右に示されているように、背面（裏面）１６２５及び正面（表面）１６２２のそれぞれから、別々の（別個の）液滴ジェネレータプレート１６３２を利用する。液滴ジェネレータプレート１６３２は、中央開口１６５２において、エジェクタプレート１６０２に機械的に連結されており、上述したように、ジェネレータプレート型アクチュエータ１６０４によって駆動すると、流体液滴流を発生させるように構成された開口１６２６のパターンを含んでいる。

図２０は、対称なエジェクタ機構１６０１の平面図である。上述したように、エジェクタ機構１６０１には、ジェネレータプレート型アクチュエータ１６０４との機械的継手１６０４Ｃを備えたエジェクタプレート１６０２と、中央領域１６３０において開口１６２６のパターンを有する液滴ジェネレータプレート１６３２とが含まれている。エジェクタ機構１６０１は、タブ型の機械的継手要素１６５５において、又は、図１６を参照して上述したその他の適切な連結を用いて、開口１６５１を介して流体貯留部又はその他の吐出装置の構成要素に連結することができる。

図２０に示されているように、エジェクタ機構１６０１及びエジェクタプレート１６０２は、用途に応じて、例えば、約２１ ｍｍ、又は約１０ ｍｍ以下から約２５ ｍｍ以上の範囲で、全体寸法１６５４によって構成することができる。エジェクタプレート１６０２及び液滴ジェネレータ１６３２に適した材料には、ステンレス鋼などの柔軟応力(flexible stress)及び疲労耐性金属が含まれるが、これらに限定されない。

配向の目的のために、図１８〜２０に示されているようなエジェクタ機構１６０１の種々の構成要素を、図１６を参照して上述したように、流体１６１０又は貯留部１６２０の位置に対して説明することができる。一般に、液滴流又は吐出方向１６１４に沿って構成されるように、機構１６０１の近位要素は、流体貯留部１６２０付近に配置され、遠位要素は、流体貯留部１６２０から離れて配置されている。

本明細書に説明されているエジェクタアセンブリは、エジェクタ装置に組み込むことができる。例示的なエジェクタ装置は、２０１１年７月１５日に出願された米国特許出願第１３／１８４，４８４号に示されており、その内容は、参照により本明細書に援用される。

本発明の多くの実施形態が開示されている。本開示は、一実施形態の特徴のうちのいずれかを他の１以上の実施形態の特徴と組み合わせることが考慮される。例えば、エジェクタ機構又は貯留部のうちのいずれかを、開示されているハウジング又はハウジングの特徴、例えば、カバー、支持体、レスト、照明、シール及びガスケット、充填機構又はアライメント機構のうちのいずれかと組み合わせて用いることができる。本明細書によるいずれかの実施形態のいずれかの構成要素における更なる変形形態が当業者の範囲内に入り、本開示によって考慮される。かかる変形形態には、材料、コーティング又は製造方法の選択が含まれる。電気技術及び電子技術のうちのいずれかは、いずれかの実施形態で無制限に用いることができる。さらに、いずれかの及びすべての実施形態に対して、装置によって取り込まれたデータに関するいずれかのネットワーク構築、遠隔アクセス、対象モニタリング、ｅ‐ヘルス、データ記憶、データマイニング又はインターネット機能性が応用可能であり、これらはともに実行可能である。さらにまた、いずれかの実施形態の機能性に、生理学的パラメータの試験又は測定の実施などの追加の診断機能を組み込むことができる。緑内障又はその他の眼の検査は、これらの診断機能性の一部として装置によって実施可能である。当該技術分野において公知であり、本明細書で明示的に列挙されていない他の製造方法を用いて、装置を製造し、試験し、修理し又は維持することができる。さらに、装置には、援用される先の出願に記載されているものよりも高度な画像形成機構又はアライメント機構が含まれ得る。例えば、装置又は基部は、ユーザと装置を整合させるための特異的なＩＤを作成し、両眼間の輪郭を描くように、虹彩若しくは網膜スキャナを備えているか又はこれらに連結されていてもよい。または、装置又は基部は、いずれかの適切な種類の写真撮影又は放射線医学用の高度な画像形成装置に連結されているか又はこれを含んでいてもよい。

上述の事項では、例示及び例によって種々の実施形態について説明しているが、当業者であれば、本出願の趣旨及び範囲内において、種々の変更及び改良を実行できることを認識する。

Claims (25)

1. 指向性液滴流を発生させる装置であって、該装置は、
   ハウジングと、
   該ハウジング内部に一定体積の流体を収容するように配置された貯留部と、
   該貯留部と流体連通し、前記流体の指向性液滴流を発生させるように構成されたエジェクタ機構であって、該エジェクタ機構が、ジェネレータプレート及び圧電アクチュエータを備えている前記エジェクタ機構と、を備え、
   前記ジェネレータプレートには、流体対向面と、液滴吐出面と、これらの面の間に、前記ジェネレータプレートの厚さを貫通して形成された複数の孔と、が含まれ、
   前記圧電アクチュエータが、前記流体の指向性液滴流を発生させる周波数で、前記ジェネレータプレートを直接又は間接的に振動させるように動作可能であり、
   前記ジェネレータプレートの前記複数の開口が、前記液体が前記孔を通過するときに、前記流体を層流で供給する孔を構成することによって、指向性液滴流の発生時に、前記複数の開口を通って前記液滴吐出面から前記流体対向面に至る気流を低減させるように構成されている、
   前記装置。
2. 前記複数の孔のそれぞれの形状が、前記流体対向面から前記孔への緩やかな変化の傾斜を有するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記流体対向面から前記孔のそれぞれへの吸入部が、前記流体対向面から前記孔に緩やかな遷移を提供する溝付き吸入部を構成するように傾斜している、請求項１に記載の装置。
4. 前記孔のそれぞれの前記溝付き吸入部が、円形形状の外部入口曲率半径を有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記液滴吐出面における前記開口の大きさに対する曲率半径の大きさとの比率が、前記液滴吐出面の前記開口が約４０ μｍよりも大きい場合、約２．５よりも大きいか、又は、前記液滴吐出面の前記開口が約４０ μｍよりも小さい場合、前記比率が約５よりも大きい、請求項４に記載の装置。
6. それぞれの開口が、溝付き吸入部と、前記液滴吐出面まで延びるチャネルとを構成し、前記チャネルが、流体が前記吐出面に到達する前に、流体の層流を達成するように、十分な長さで構成されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記エジェクタ機構が、前記ジェネレータプレート及び前記圧電アクチュエータに連結されたエジェクタプレートを更に備え、前記圧電アクチュエータが、指向性液滴流を発生させる周波数で、前記エジェクタプレート、そして前記ジェネレータプレートを振動させるように動作可能である、請求項１に記載の装置。
8. 前記エジェクタプレートが、前記ジェネレータプレートと並んで配置された中央開口領域を有し、前記圧電アクチュエータが、前記ジェネレータプレートの前記複数の開口を閉塞しないように、前記エジェクタプレートの周辺領域に連結されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記ジェネレータプレートの前記複数の開口が、前記ジェネレータプレートの中央領域に配置され、該中央領域が、前記圧電アクチュエータに覆われず、前記エジェクタプレートの前記中央開口領域と並んで配置されている、請求項８に記載の装置。
10. 前記ジェネレータプレートの大きさが、前記エジェクタプレートよりも小さく、前記ジェネレータプレートの大きさが、前記中央領域によって占有された領域、及び前記複数の開口の配置によって、少なくとも部分的に決定される、請求項８に記載の装置。
11. 前記エジェクタ機構が、指向性液滴流を吐出し、吐出される液滴の質量の少なくとも約７５％が標的に堆積するように構成されている、請求項１に記載の装置。
12. 前記エジェクタ機構が、２０〜４００ミクロンの範囲の平均吐出液滴径を有した液滴流を吐出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記エジェクタ機構が、０．５ ｍ／ｓ〜１０ ｍ／ｓの範囲の平均初期吐出速度を有した液滴流を吐出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
14. 流体エジェクタアセンブリから流体を吐出する前に、前記流体の層流を達成するように流体エジェクタアセンブリを構成することを含む、作動時に流体エジェクタアセンブリへの空気吸入を低減する方法。
15. 前記流体エジェクタアセンブリには、流体対向面と、液滴吐出面と、これらの面の間に、その厚さを貫通して形成された複数の孔とを有する液滴ジェネレータプレートが含まれ、前記方法が、前記流体対向面におけるそれぞれの孔の入口に、前記流体対向面から前記孔への緩やかな遷移を提供する溝付き吸入部を構成する傾斜を設けることを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の開口の入口のそれぞれの傾斜が、前記流体対向面から前記液滴吐出面に至る円形形状の外部入口曲率半径を定義している、請求項１５に記載の方法。
17. 前記流体エジェクタアセンブリには、流体対向面と、液滴吐出面と、これらの面の間に、その厚さを貫通して形成された複数の孔とを有する液滴ジェネレータプレートが含まれ、前記方法が、開口を構成するのに十分な厚さによって構成された液滴ジェネレータプレートに、流体が前記液滴吐出面に到達するまでに流体の層流を達成するのに十分なチャネル長を設けることを含む、請求項１４に記載の方法。
18. それぞれの孔が、溝付き入口、及び該溝付き入口から前記液滴吐出面に延びるチャネルを構成するように構成され、チャネル長が、流体が前記液滴吐出面に到達するまでに流体の層流を達成するのに十分である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記チャネル長が約１２５ μｍである、請求項１８に記載の方法。
20. 圧電機構から流体吐出を向上させる方法であって、前記圧電機構には、その厚さを貫通して流体対向面から液滴吐出面に延びる複数の吐出孔を有した液滴ジェネレータプレートと、圧電アクチュエータと、が含まれ、前記方法が、流体の層流を達成するように前記吐出孔を構成することを含む、
    前記方法。
21. 前記吐出孔のうちの少なくとも１つが、前記流体対向面に溝付き入口と、該溝付き入口から前記液滴吐出面の出口開口に延びるチャネルであって、流体が前記液滴吐出面に到達するまでに吐出流体の層流を達成するのに十分な長さを有するように構成された前記チャネルと、を有するように構成されている、請求項２０に記載の方法。
22. 前記溝付き入口が、円形形状の入口曲率半径を有した傾斜面を構成している、請求項２１に記載の方法。
23. 前記吐出孔のうちの少なくとも１つが、前記液滴吐出面の前記出口開口周辺において、溝によって更に構成されている、請求項２１に記載の方法。
24. チャネル長が約１２５ μｍであり、チャネル直径が約４０ μｍである、請求項２１に記載の方法。
25. 前記液滴ジェネレータプレートの面のうちの少なくとも１つが、金によってコーティングされている、請求項２１に記載の方法。