JP5383097B2 - 薬剤吐出装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、利用者が携帯して使用することができるように構成され、薬剤を利用者に吸入させるための吸入装置などに利用できる薬剤吐出装置及びその制御方法に関する。

マウスピースを介して吸入される空気が流れる気流路中に、インクジェット方式の吐出原理を利用して薬剤の微小液滴を吐出させて利用者に吸入させる吸入装置が開発されている（特許文献１、２参照）。このような吸入装置は、所定量の薬剤を均一化した粒径によって精密に噴霧することができるという利点を有している。

このような薬剤吐出装置の基本的な構成として、発熱素子などの吐出エネルギー発生素子が配された吐出ヘッドと、その吐出ヘッドに供給する薬剤を収容する薬剤タンクがある。ここで、吐出された薬液が効率よく肺で吸収されるには、液滴径が数ミクロンと非常に微小であることが重要であり、それに伴って、吐出ヘッドのオリフィス径も数ミクロンが要求されている。

また、インクジェット記録装置の分野において、可撓性のインクタンクの外側空間を負圧発生用のポンプで間接的に引くことで、インクタンク内の負圧を確保する方法が開示されている（特許文献３参照）。
特開２００４−２９０５９３号公報 特開２００４−２８３２４５号公報 特開平６−７９８８１号公報

初めて使用する吐出ヘッドには、薬剤タンク内の薬剤が吐出口まで充填されていない状態となっている。また、複数回目の使用時においても、吐出口付近の薬剤を入れ替えてリフレッシュする回復操作が必要となる場合がある。この点、インクジェット記録装置の分野では吐出口のオリフィス面の外部から真空ポンプで吸引するなどして初回の充填操作、２回目以降の回復操作を行うのが一般的である。

一方、インクジェット方式においては、いったん吐出ヘッドに薬剤が充填された後適正な吐出を行うためには、吐出ヘッドオリフィス内部で適正な負圧が確保されていなければならない。吐出口が３μｍの吐出ヘッドで吐出する場合、吐出ヘッドオリフィス内部の圧力は、外気圧を基準として−１ｋＰａ〜−５ｋＰａの範囲に維持するのが好ましいとわかっている。ここでオリフィス内部の圧力は、吐出ヘッドに連結した薬剤タンクの内部圧力とほぼ等価である。

従来のように吸引ポンプで充填回復操作をしたり、特許文献３に記載のような方法で薬剤タンク内の負圧を確保しようとすると、装置の大型化を招く。このことは、吸入装置のように携帯性が求められる薬剤吐出装置においては好ましくない。

本発明の目的は、薬剤の吐出前に行う薬剤の充填回復操作及び初期負圧確保をより簡単な機構と動作で行うことが可能な薬剤吐出装置を提供することである。

上記課題に鑑み、本発明の薬剤吐出装置は、
吐出口と、薬剤を前記吐出口からインクジェット方式の吐出原理により吐出させる素子とを有する薬剤吐出部と、
前記薬剤吐出部と連結し、前記薬剤を収容する薬剤収容部と、を有し、前記薬剤を吐出する薬剤吐出装置であって、
前記薬剤収容部の一端に取り付けられ、前記薬剤収容部の内外からかかる圧力の差によって変位する可動壁と、
前記薬剤吐出部に前記薬剤を充填するための前記可動壁の変位量、及び、前記薬剤収容部の薬剤残量に応じて、該薬剤収容部の内部の圧力を負圧状態にするための前記可動壁の変位量、を記憶する記憶部と、
前記薬剤吐出部からの薬剤の吐出を禁止する禁止手段を備え、前記可動壁を変位させる制御部と、を有し、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された変位量に基づいて前記可動壁を変位させることにより、前記薬剤吐出部に前記薬剤を充填し、前記薬剤の吐出に先立って前記薬剤収容部の内部の圧力を負圧状態とし、且つ、前記薬剤収容部の内部の圧力を負圧状態とする前は、前記薬剤吐出部からの薬剤の吐出を禁止し、前記薬剤を吐出している間は、前記薬剤収容部の内部の前記負圧状態を保持することを特徴とする。

本発明の薬剤吐出装置によれば、吐出ヘッドに対する薬剤の充填回復操作と、吐出を行うための薬剤容器内の初期負圧確保を、同一の圧力調整機構で行うことで簡単な機構と動作で行うことができる。その結果、装置の小型化、低コスト化が実現でき、携帯機器としての吸入装置により適した薬剤吐出装置を提供できる。

以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。

図１は、本発明の薬剤吐出装置の一部を概念的に示した図である。薬剤吐出部（吐出ヘッド部）１は、薬剤が吐出される吐出口（ノズル）１ａと、薬剤を吐出口１ａから吐出するためのエネルギーを発生させる素子１ｂとからなる。吐出エネルギー発生素子１ｂは、薬剤供給口５を通ってきた薬剤に吐出エネルギーを付与する。これにより、吐出口１ａから薬剤が吐出される。

吐出する薬剤を収容する薬剤収容部２は、薬剤吐出部１と連結しており、吐出口１ａ以外では外気から遮断されている。よって、吐出口１ａから薬剤が吐出され、薬剤収容部２に収容されている薬剤が減少すると、薬剤収容部２の内部と外部とに圧力差が生じることになる。

ここで、薬剤収容部２の一端には、薬剤収容部２の内外からかかる圧力の差によって変位する可動壁３が取り付けられている。可動壁３は薬剤収容部２に対してスライド可能となっており、薬剤収容部２の容積を可変としている。その結果、薬剤収容部２の内部の圧力が所定の値に保たれる。そして、本発明では制御部４で積極的に可動壁３を変位させることにより、薬剤収容部２の内部の圧力を制御することができる。具体的には、薬剤収容部２の容積を減少させる方向（図１中のＡ方向）に可動壁３を変位させると、薬剤収容部２の内圧が増加する。また、容積を増加させる方向（図１中のＢ方向）に可動壁３を変位させると、薬剤収容部２の内圧が減少する。可動壁３の変位は制御部４を通じて行うことができる。

薬剤収容部（薬剤タンク）２の具体的な構成は後述の実施例で説明するが、概略を説明する。薬剤タンクのうち、本体を両端の開いたガラス容器とし、その一端を可動壁３としてのゴム栓などの部材で塞いだ構成とすることができる。他端は吐出ヘッド部１に接続されている。ゴム栓をガラス容器の内部に向かってスライド変位させれば、容器内圧が増加することになる。

薬剤の吐出を行うには、薬剤収容部２内の薬剤が薬剤吐出部１の吐出口１ａまで十分に満たされていなければならない。そこで、吐出に先立って、薬剤収容部２内の薬剤を薬剤吐出部へ充填する操作が必要となる。本発明では制御部４により可動壁３をＡ方向に所定量変位させる。その結果、薬剤収容部２の内部が正圧状態となり、薬剤が押し出されるように薬剤吐出部１へ充填される。この操作を本明細書において以下、充填操作という。

本明細書において「充填」とは、吐出ヘッド部１の初回使用時に吐出ヘッド部１が空の状態から薬剤を吐出口１ａまで満たすことのみならず、すでに薬剤が満たされている場合に、新たな薬剤を吐出口１ａまで満たすことも含む。すでに薬剤が満たされている場合に、このように薬剤をレフレッシュする操作は「回復操作」ということもある。

充填が完了した後に、吐出を開始するにあたり、素子１ｂにより吐出口１ａから適正に薬剤を吐出するには、吐出口１ａの内側の空間を所定の負圧とする必要がある。「所定の負圧」とは、液体を吐出し飛翔的液滴を形成するのに必要なメニスカスが維持されるに充分な程度外気より低い圧力である。具体的には、吐出ヘッドの外気圧を基準として−１ｋＰａ〜−５ｋＰａの範囲から選択される。そこで制御部４により可動壁３をＢ方向に所定量変位させる。その結果、薬剤収容部２の内部が負圧状態となる。薬剤収容部２は薬剤吐出部１と連結しているので、この内圧は吐出口１ａの内側空間の圧力とほぼ等価である。よって、適正な吐出が実現できる。この操作を本明細書において以下、初期負圧確保操作という。

薬剤収容部２の内圧を適正な負圧状態とした後、素子１ｂを駆動して薬剤を吐出する。吐出中も所定負圧を維持するために、薬剤収容部２内の薬剤の減少にあわせて、可動壁３ｂをＡ方向に変位させることが好ましい。このため、素子１ｂの駆動は、可動壁３ｂの変位を制御する制御部４により同期して行うことが好ましい。また、吐出は利用者の吸入に利用する薬剤を吐出するいわゆる本吐出でも良いし、本吐出に先立って吐出状態を確認する「予備吐出」であっても良い。

また、充填、初期負圧確保の操作を行わずに薬剤の吐出を行うことは好ましくないので、上記の操作が行われる前は吐出を禁止する禁止手段を設けることが好ましい。具体的には、上記の操作が行われる前には吐出を禁止する制御フローを制御部４内のファームウェアに組み込んでおくことができる。

次に、充填操作又は初期負圧確保操作を行う際の可動壁３のＡ方向又はＢ方向への変位量について説明する。薬剤タンク２から吐出ヘッド部１へ連結する連通管の体積及び吐出ヘッド部１の内部空間の体積の総和は既知であるため、充填操作に必要な可動壁３の変位量も一対一に対応して既知である。また、充填操作後の容器内圧から所定の負圧状態とするための変位量も既知である。よって、この変位量を予め記憶しておく記憶部を有し、制御部４はその情報に基づいて可動壁３を変位させることが好ましい。このようにすれば、薬剤タンク２の内圧をｉｎ−ｓｉｔｕで測定するための圧力センサを設ける必要がなく、より簡単な構成とすることができる。

初期負圧確保のために可動壁３をＢ方向に毎回同じ距離を変位させる場合、薬剤タンク２の容積、すなわち薬剤残量が異なると、生じる圧力変動も異なる。よって、薬剤収容部の内部の薬剤残量に応じて、可動壁３の変位量を可変として、毎回同じ負圧状態を確保することが好ましい。具体的には、薬剤残量に対応して必要な変位量を予め記憶しておき、初期負圧確保操作の直前に測定した薬剤残量に基づいて変位を行うことができる。

ここで、薬剤吐出部（吐出ヘッド）１は任意の吐出エネルギー発生素子を有する。薬剤に熱エネルギーを付与する電気熱変換素子又は機械エネルギーを付与する電気機械変換素子を例示できる。すなわち、薬剤の吐出方法としては、電気熱変換素子を用いて薬剤に熱エネルギーを付与して吐出させる方法（サーマルインクジェット方式）、薬剤に機械エネルギーを付与する電気機械変換素子（例えば圧電素子）の振動圧を用いて薬剤を吐出する方法（ピエゾインクジェット方式）を例示できる。吐出方法については、薬剤の種類などに応じて選択可能である。本明細書における「インクジェット方式」は、インクを吐出することを意味するものではなく、当該方式の吐出原理を利用して薬剤を吐出することを意味するものである。

サーマルインクジェット方式を用いた場合、個々の吐出ヘッドについて、吐出口の口径、吐出に利用される熱パルスの熱量、電気熱変換素子としてのマイクロ・ヒーターなどのサイズ精度、再現性を高くすることが可能である。このため、狭い液滴径分布を達成することが可能である。また、ヘッドの製作コストが低く、ヘッドを頻繁に交換する必要がある小型の装置への適用性も高い。従って、薬剤吐出装置に携帯性や利便性が求められる場合には、特に、サーマルインクジェット式の吐出原理を採用することが好ましい。

本発明に用いられる薬剤とは、薬理的、生理的な作用を示す医薬用化合物の薬剤のみならず、医薬用化合物に加えて更に、嬌味嬌臭目的の成分、染料、顔料なども含まれる概念である。また、任意の添加剤を含んでよい。

（薬剤吐出装置）
図２は、本発明の薬剤吐出装置の一例で、利用者に薬剤を吸入させる吸入器の外観を示す斜視図である。ハウジングケース１７、アクセスカバー１８で本体外装を形成している。４０はアクセスカバーのロック解除ボタンである。使用中にアクセスカバー１８が開かないように設けたフック部１９（図４）が、バネによって付勢されたロック解除ボタン４０と一体になって作動するフック引っ掛け軸に止まる構成としている。アクセスカバー１８を開ける時には、解除ボタン４０を押すことでフックの掛かりが外れて、アクセスカバー１８が開く方向に付勢する不図示バネの力によって開くよう構成されている。アクセスカバー１８には、投与量、時刻、エラー表示等を行うための表示ユニット１５を設けている。また、利用者が設定を行うためのメニュ切替えボタン１１、設定ボタンのアップボタン１２，ダウンボタン１３、決定ボタン１４を設けている。

図３は、図２の吸入器においてアクセスカバー１８が開いた状態を図示したものである。アクセスカバー１８が開くと、装置本体に対して着脱可能となっている薬剤吐出部としての吐出ヘッド部１と薬剤収容部としての薬剤タンク２が見えてくる。吐出ヘッド部１は薬剤を気流路７へ向かって吐出する。利用者は吸入口（マウスピース）２０から息を吸い込むことで、気流路内に吐出された薬剤を吸入することができる。本実施形態では、吸入口２０と気流路７が一体となっている。吸入口２０は、吸入時毎に使い捨てるか、または、吸入の後に洗浄して再使用する。吐出ヘッド部１と薬剤タンク２は、薬剤タンク２内の薬剤量が１回の吸入で投与すべき薬剤の量より少なくなると交換する。例えば、本体内に吐出量をカウントする機能があり、この吐出量カウント機能により残量を算出できるので交換時期を告知し、利用者に交換を促すか、または、交換が完了するまで吐出を行わないことも可能である。３１は、利用者が吸入器の内部機構に容易に触れないようにするための駆動部保護カバーである。

（吐出ヘッド部及び薬剤タンク）
本発明の薬剤吐出装置に用いられる吐出ヘッド部１及び薬剤タンク２の具体的な構成の一例を、図４〜図６で説明する。

図４は、吐出ヘッド部１と薬剤タンク２の外観を示した斜視図である。また図５は、図４の主断面図であり、吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が連結される前の状態を示している。図６は、連結後の断面図である。

吐出ヘッド部１は、以下の構成要素からなる。すなわち、複数の吐出口が配される吐出ヘッド８が筐体３９に取付け・支持されており、筐体の内部には薬剤タンクから吐出ヘッド８へ薬剤を供給するための中空針３８が配される。中空針３８を介して薬剤３２を吐出ヘッド８へと導く薬液流路４２は、途中で圧力検知口２３に分岐され、薬液流路４２内に発生する内圧を測定可能としている。圧力検知口２３には、本体装着後圧力センサ４３（図８）に連結した時の圧力漏れを防止するためのシール材２２が配置してある。連通後は、薬液流路内の圧力は、ガラス容器内の圧力とほぼ等しいので、この構成で薬剤タンク内の圧力を測定できる。

吐出ヘッド８には、吐出口付近に吐出エネルギー発生素子であるヒータが設けられ、加熱された薬剤が発泡するエネルギーで吐出口から吐出される。ヒータに電力を供給するための電気接続面９ａと、それを支持する電気配線部品９もある。電気接続面９ａを通して、吸入器本体に保持している２次電池として充電可能なバッテリー２９（図８）から電力が供給される。

本体に装着する前から吐出ヘッド８を保護するため、吐出ヘッド８の吐出口面に接するように薬液吸収体３５を有するヘッド保護レバー２１が配されている。これは、吐出時には吐出口と気流路が連通するように退避するようになっている。

薬剤タンク２は、以下の構成要素からなる。すなわち、薬剤を収容するためのガラス容器３３があり、ガラス容器３３の一端は、固定ゴム栓３６がアルミニウム製のカシメ用金具３７で押さえ込まれている。そして、ガラス容器３３の他端では、容器の内部に可動壁としての可動ゴム栓３４がはめ込まれ、薬剤を外気から遮断している。吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が連結された段階では、ガラス容器内は吐出ヘッド８の吐出口以外では外気から遮断されている。この構成により薬剤タンクの密閉性を維持し、薬剤の変性、濃度変化を最小限に抑えている。

図６のように、薬剤タンク２を吐出ヘッド部１に押し込んで、中空針３８が固定ゴム栓３６を突き破り、吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が連通される。薬剤３２の吐出ヘッド８への充填は、可動ゴム栓３４を押し込むことにより行われる。

利用者が吸入装置本体に装着しやすくするため、吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が連結される前は、これらは一体となって薬剤カートリッジ１０を構成することが好ましい。

（装置本体内部）
図７は、図２の駆動部保護カバー３１を取り去って、装置内部を見た斜視図である。

まず、薬剤タンク２を吐出ヘッド部１に連結させて、薬剤流路４２を形成させるための押し込みユニット５０がある。そして、薬剤タンク２をはさんで反対側に可動ゴム栓３４をガラス容器３３の中で移動させ、薬剤タンク２の内部容積を可変させる可動ゴム栓移動ユニット６０を配置している。可動ゴム栓移動ユニット６０のスクリュウ軸を有するスクリュウ軸モータ６４（図８）を駆動回転させて、ピストン軸を移動させる。可動ゴム栓ジョイント４５とピストン軸６１を引き動作で抜けないように、引っ掛ける動作を行うためのピストン軸回転ユニット７０がある。さらに、薬剤カートリッジ１０（吐出ヘッド部１と薬剤タンク２がパッケージされたもの）の両側には、まず、圧力センサ４３を圧力検知口２３に連結するための圧力センサ連結ユニット８０がある。そして、吐出ヘッド８を保護していたヘッド保護レバー２１を移動させ、吐出面を開放するためのヘッド保護レバー退避ユニット９０が配置してある。吐出ヘッド上方向には、吐出ヘッド８が本体に装着された状態で吐出ヘッド８の乾燥防止とゴミの付着を防ぐためのヘッドキャッピングユニット１００が設けてある。

図８は、図７において外装をすべて取り去り、本体内部の機構部を示す図である。押し込みユニット５０は、薬剤タンクを押し込む駆動力を発生させるモータ５１と、モータ５１のモータ軸に圧入されたピニオン５２と、ピニオン５２と噛み合うラック形状を一部に有する押し込みラック板５３から構成される。ラック板５３がガラス容器３３の後端を押すように配置している。

次に、可動ゴム栓移動ユニット６０について説明する。スクリュウをモータ主軸に有するスクリュウ軸モータ６４のスクリュウのネジ形状が一致する雌ネジを有するピストン軸連結板６２にはめ込まれている。ガイドシャフト６３がスクリュウ軸の両側に配置され、ピストン軸連結板６２の回転止めとスライド時のガイドを行っている。よって、スクリュウ軸モータ６４の回転駆動力がピストン軸６１をスライド移動させ、可動ゴム栓ジョイント４５を介して連結している可動ゴム栓３４を移動させることができる。

ピストン軸連結板６２には、ピストン軸反転ユニット７０が組み込まれている。ピストン軸反転ユニット７０は、ピストン軸反転モータ７１とモータ主軸に圧入されている反転モータギア７２の駆動力をピストンギア７３に伝達し、ピストン軸を回転させることができる。ピストンギア７３の回転によって、ピストン軸６１と可動ゴム栓ジョイント４５とを係合させ、可動ゴム栓３４をガラス管３３に対して、押し引きを行い、ガラス管内部の薬剤容積または内部圧力を調整可能としている。

また、制御基板２８を薬剤カートリッジ１０の下側に配置し、各駆動モータの制御及び吐出ヘッドの駆動等の本体制御を行うため制御部４としてのＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭが制御基板上に設けられている。

さらに、制御基板２８の下側には、各駆動モータの駆動源及び吐出するためのエネルギー源としてのバッテリー２９を配置し、この本体のみで薬剤を吐出し、吸入が行える構成としているのでどこでも簡単に使用可能としている。

圧力センサ連結ユニット８０について説明する。このユニットは、圧力センサ４３を筐体３９に設けた圧力検知口２３と連通及び解除するための移動を行う。モータ８１の駆動力をスライド移動させるためにモータ主軸に圧入された連結モータギア８２の回転力をスライド移動に変換できるラック形状を有した連結ラック８４を有する。圧力センサ４３の保持部を合わせ持つ連結ラック８４に駆動伝達し、筐体３９より離れる方向にスライド移動させる。つまり、モータ８１は、連結を解除するのに使用する。また、連結は以下のように行われる。すなわち、連結ラック８４の移動時のガイドを行っている連結ラックガイド軸８５の外周部に組み込んだ圧力センサ連結用加圧バネ８６のバネ圧によって加圧連結されている。本体電源を切っても圧力センサ４３が、連結を解除しないようにするためであり、こうすれば未使用時に保存状態での薬剤タンク内圧を監視することができる。

ヘッド保護レバー退避ユニット９０について説明する。モータ９１の主軸上に圧入されたピニオン９２と、ラック形状を有する保護レバラック９３とが噛み合う。すると、保護レバラック９３は、スライド移動し、ヘッド保護レバー２１の端部に設けた退避用突起部２１ａを跳ね上げ、ヘッド保護レバー２１が回転し、吐出ヘッド８が露出される。ヘッド保護レバー退避ユニット９０は、薬剤カートリッジの装着時のみの駆動となる。

ヘッドキャッピングユニット１００について説明する。モータ１０４の駆動力により、モータ軸に圧入されたピニオン１０３を介してキャピングプレート１０２をスライド可能としている。キャッピングプレート１０２下面に組み込まれたラックと噛み合いスライド移動する。キャピングモータ１０４の駆動は、キャピングプレート１０２の退避時にのみ使用する。吐出ヘッド８のキャッピングは、キャピングバネ１０１の加圧力によって行う。本体電源がＯＦＦの場合でもキャッピングを行うためである。つまり、吐出ヘッド８からの吐出を行う場合のみ、ヘッドキャッピングユニット１００を駆動させ、薬剤吐出時以外は、乾燥防止のためにキャッピングしている。

（吸入装置のブロック図）
図９は、図２〜図８に示した本発明の一実施形態にかかる吸入器のブロック構成図である。

吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が一体化された薬剤カートリッジが吸入装置本体に装着されたことを検出するカートリッジ検出センサ１１３が制御部４に接続されている。また吐出ヘッド部１には、薬剤噴霧を行うためにヒータに駆動信号を与えるためのヘッド駆動回路１１０が電気接点９ａ（図４）を介して接続されている。ヘッド駆動回路１１０は、ＡＳＩＣなどのゲートアレイで構成されており、制御部４からの制御データと起動信号により、所要の噴霧を自ら実行するよう設計されている。

吐出ヘッド部１には、前述したタンク内圧を測定する圧力センサ４３が接続されており、ここで測定された結果は制御部４へ送られる。また、可動壁送り機構（図８における６０および７０）の中のスクリュウ軸モータ６４は、制御部４により制御されるモータ駆動回路１１１により駆動される。モータ駆動回路１１１は、ヘッド駆動回路１１０と同様ゲートアレイで構成される。

さらに制御ユニット４には、患者が吸入口２０から吸入を行ったことを検出する吸入検出センサ１１４が接続されている。また、最終的に装置の電源をオンもしくはオフにするための電源スイッチ１１２が接続されている。

（吸入装置の使用例）
図１０は、吸入装置の全体動作の一例を示したフローチャートである。電源スイッチ１１２により電源がオンされるとステップＳ００１から開始される。最初にカートリッジ検出センサ１１３で薬剤カートリッジが装着されているかどうかの判断がされる。装着されていなければカートリッジ無しの表示を行い（Ｓ０１３）、装着されていれば薬剤残量の判断に入る（Ｓ００２）。薬剤残量が不十分であれば残量警告を行い（Ｓ０１４）、薬剤残量が十分であればバッテリー残量の判断に入る（Ｓ００３）。薬剤残量の判断は、ソフト的な手法をとることができる。すなわち、最初の薬液量から過去に使われた全投薬量を減算して得られた液量が、次の吐出における最大の吐出量より大きいかどうかの判断をする。Ｓ００３で薬剤残量が十分であればバッテリー残量の判断に入り、残量が不十分であればバッテリー警告を行い（Ｓ０１５）、残量が十分であればＳ００５以降の吐出のためのルーチンに入る（Ｓ００４）。

薬剤カートリッジが新規に装着されたものであれば、まだ吐出ヘッドに薬剤が充填されていないので、薬剤の充填処理を行う必要がある。ここで検知された薬剤カートリッジが新品かどうかの判断は、非接触ＩＣタグに薬剤カートリッジの最終情報を記録しておき、それを読取ることで実現が可能である。別の方法としては、薬剤タンクの可動壁の位置を光学的に読取り、その位置情報により判断することができる。更に別の方法としては、初期充填が完了したら、カートリッジの筐体の一部に取り付けられたツメ部材を折ることもできる。

Ｓ００５ですでに初期充填が終了している薬剤カートリッジと判断された場合は、初期処理ルーチンＳ００６をスキップし、吸入のタイミング待ち判断（Ｓ００７）に入る。初期処理ルーチンＳ００６では、後述するヘッドに対する薬剤初期充填と、次の噴霧に備えるための負圧確保のための動作を行う。ただし、初期充填が終了している薬剤カートリッジと判断された場合でも、使用のたびに回復操作を行う場合には、初期処理ルーチン（Ｓ００６）を行うことができる。ここで、電源がオンになった後、初期処理ルーチンＳ００６を行う場合には、それが完了しない限り薬剤の吐出を行えないようにする禁止手段を設けることが好ましい。

Ｓ００７で利用者の吸入開始を検知したら、噴霧に必要な所定投薬量がすでに設定されているかどうかの判断に入る（Ｓ００８）。投薬量設定は、図２で説明したアップボタン１２、ダウンボタン１３、および決定ボタン１４で行われる。投薬量が毎回固定的であれば、過去に行った設定値をもってその投薬量とする。Ｓ００８で設定が行われていなければ、投薬量を患者に設定するよう警告し（Ｓ０１６）、すでに設定が行われていれば吐出ルーチン（Ｓ００９）に入る。

後述する吐出ルーチンＳ００９で吐出を完了した後、電源ＯＦＦ条件かどうかの判断を行う（Ｓ０１０）。ここで電源ＯＦＦの判断のための条件は、利用者が電源スイッチ１１２を操作したことを検知したこととしてもよく、または投薬が完了したらその都度行うこととしても良い。更には、ローバッテリの判断がなされた場合に行っても良い。Ｓ０１０で電源ＯＦＦ条件であれば終了処理ルーチンに入る（Ｓ０１１）。

図１１は、本発明の薬剤吐出装置の制御方法の特徴である図１０の初期処理ルーチンＳ００６について、工程を追って説明するものである。モータ５１を駆動し、吐出ヘッド部１と薬剤タンク２を連通させる（Ｓ１０２）。中空針３８を通って、薬剤が吐出ヘッド８に流れ込む薬剤流路４２が形成される。次に、ピストン軸６１を可動ゴム栓３４と連結させるために可動ゴム栓３４側に一定量前進させる（Ｓ１０３）。一定量とは、ピストン軸６１の先端部が可動ゴム栓に接触する移動量である。移動量は、スクリュウ軸モータ６４がステッピングモータを使用しているので、接触までの距離から換算されるステップ数で制御できる。次に、ピストン軸反転モータ７１を駆動させ、ピストン軸先端部が、可動ゴム栓ジョイント４５と係合するように９０°回転する（Ｓ１０４）。次に、圧力センサ４３を前進させるためにモータ８１を駆動させる（Ｓ１０５）。圧力センサ４３は、圧力検知口２３に入り込み、シール材２２に密着して圧力漏れを防ぐ。シール材２２と圧力センサ４３の密着力は、連結用加圧バネ８６の戻りバネ力で発生させている。

次に、薬剤３２を吐出ヘッド８に充填させる工程に入る。ピストン軸６１を前進させ、可動ゴム栓３４をガラス容器３３の内容積が減少する方向に移動させる。するとガラス容器３３の内部の薬剤３２が薬剤流路４２を通って吐出ヘッド８の内部に流れ込み、薬剤流路４２内の空気が吐出口から押し出され、吐出ノズル８内は、薬剤で満たされていく（Ｓ１０６）。しかし、吐出ノズル１ａの直径が３μｍと小さいので薬剤は、すぐには漏れ出さずに、薬剤流路内及びガラス管内の圧力が上昇し始める。その圧力変化を測定し、可動ゴム栓３４の移動制御にフィードバックする（Ｓ１０７）。

この充填時の薬剤タンク内の圧力変化を図１２に示す。時刻Ｔ１からピストン軸６１を前進させていくと内圧は徐々に上昇する。Φ３μｍの吐出ノズルでは、２ｋＰａ付近でメニスカスが破れて薬液が漏れ出すことが実験からわかっている。さらにピストン軸６１を前進させると２ｋＰａ付近でメニスカスが破れ（時刻Ｔ２）、薬液が漏れ出すことにより内圧が急に下降するのが圧力センサに表れる（時刻Ｔ３）。

こうしてＳ１０７にて初期充填が完了したことが判断されると、次に初期負圧確保のための動作に入る。ゴム栓３４をタンク内の体積が増加する方向にスライドさせるようにスクリュウ軸モータ６４を回転させ、ゴム栓３４を後退させる（Ｓ１０８）。圧力センサ４３にて適正な負圧が検知されるまでゴム栓を後退させたら初期処理ルーチンを終了する（Ｓ１０９）。これらの動作を図１２で説明する。時刻Ｔ３からモータ駆動を逆回転させ、時刻Ｔ５にて適正負圧である−１．０ｋＰａに達している。これで初期充填および負圧の確保が完了したので、最初の吐出のために、ヘッド保護レバー２１を回転する（Ｓ１１０）。漏れ出した薬剤は、ヘッド保護レバーの内部に設けた薬剤吸収体３５によって、吸い上げ吸収される。このように薬剤タンク２内の圧力を測定するための圧力センサ４３を設ければ、本発明の充填操作、初期負圧確保操作を精度よくモニターすることができる。

図１３は、図１０における吐出ルーチンＳ００９を詳細に説明するものである。Ｓ２０１からルーチンに入ると、まずヘッド吐出の起動を行う（Ｓ２０２）。ここでは制御部４がヘッド駆動を行うためのパラメータに従い、ヘッド駆動回路１１０に対して吐出のための起動をかける。パラメータは、具体的には吐出動作期間、ヘッド駆動周波数、パルス幅、および駆動電圧である。吐出動作期間とは、１回の投薬において吐出ヘッドの駆動素子に与える最初のパルスから最後のパルスが発生し終えるまでの時間である。またヘッド駆動周波数とは、単位時間あたりに吐出ヘッドの各駆動素子に与えるパルス信号の数に相当する。パルス幅は、１回のパルス信号付与における通電時間であり、駆動電圧は、吐出エネルギー発生素子に与える印加電圧のことである。これらのパラメータにより、単位時間あたりの吐出量および１回あたりの投薬量を決定することができる。

過剰負圧でないことが圧力センサの検出値から判断されたら（Ｓ２０３）、吐出薬液量に見合ったタイミングであるかどうかの判断をし（Ｓ２０４）、スクリュウ軸モータ６４を１ステップ送り出す（Ｓ２０５）。Ｓ２０４からＳ２０５までの動作を所定量Ｎだけ繰り返し（Ｓ２０６）、完了後ヘッド駆動回路１１０での駆動が完了していることを条件に吐出ルーチンを完了する（Ｓ２０７）。

図１４は、図１０における終了処理ルーチンＳ０１１を説明するものである。
Ｓ３０１からルーチンに入ると、可動ゴム栓ジョイント４５をピストンから切り離すため、モータ７１を初期処理ルーチン時とは逆の方向に回転させ、係合を解除する（Ｓ３０２）。その後モータ６４にてカートリッジの取り外しが行えるようピストン軸６１を初期位置まで戻す（Ｓ３０３）。その後、制御部４が電源回路をオフするための動作に入る（Ｓ３０４）。電源ＯＦＦを行うにあたり、次回の装置システムの立上げ時に必要な装置状態のデータなどを、適宜制御部４に実装されている不揮発性メモリへ記憶させておく。

（第２実施形態）
次に薬剤タンク内圧力を計測せずに動作を行う第２の実施形態について説明する。

図１５は、第２実施形態にかかる吸入装置のブロック構成図である。本実施形態では、薬剤タンクの内圧を調整する機能である可動ゴム栓ジョイント４５の代わりに、電磁石を用いて連結を実現している。構成としては、可動壁送り機構に連動して移動する連結ユニット１１７があり、この内部にピストン軸が薬剤タンク２内のピストン位置まで送られたことを検出する連結検出センサ１１６が内蔵されている。連結センサ１１６は対向するゴム栓３４に接触したことを検出するものである。そのため、ゴム栓３４には鉄などの導電性かつ磁石に吸引される材料である部材を一体化して構成する。

図１６は連結ユニット１１７の周辺の構成を表すものである。ゴム栓３４には、磁石に吸着可能な例えばメタルを材質とする級着用プレート１２２が一体に構成されている。連結ユニット１１７には接触端子１１６が埋め込まれており、連結ユニット１１７が吸着用プレート１２２に接触すると導通が起こる位置に設置されている。連結ユニット１１７の端面が吸着用プレート１２２に接触すると、連結センサーライン１２１を介して制御部４で検出される。連結ユニット１１７の端面にはさらに電磁石１１５が装着されており、電磁石駆動ライン１２０を介して電磁石駆動回路１１８から電流駆動される。

図１７は、図１０における初期処理ルーチンＳ００６のフローを表す。Ｓ４０１から開始された後、連結ユニット１１７を送り出し、ピストンに連結させるためのサブルーチン（ＳＵＢ１）を起動する（Ｓ４０２）。このとき引数にはその時の連結ユニット位置（ＣＮＴ）を入力する。初期充填時において連結ユニットは初期位置に退避しているので、ＣＮＴ＝０とする。Ｓ４０２で連結が完了したら、吐出ヘッド初期充填用の押出しを行うためにサブルーチン（ＳＵＢ２）を起動し、吐出ヘッドに薬剤を充填させる（Ｓ４０３）。次に最初の吐出に備え、負圧を確保するためにサブルーチン（ＳＵＢ２）を起動する（Ｓ４０４）。ＳＵＢ２は、所望のステップ数分だけステッピングモータを駆動するもので、必要とするステップ数（Ｎ）および現在の連結ユニット位置ＣＮＴを引数として引き渡す。Ｓ４０３ではヘッド初期充填用に必要なステップ数（α１）が、Ｓ４０４では負圧確保に必要なステップ数（−α２）が使われる。これらステップ数は、製品の寸法ばらつきやカートリッジの装着ばらつきを考慮して、確実に動作が保証される数値をあらかじめ開発段階で決定される。実験によれば、５０μＬで初期充填時が行われることが確認されている。ガラス容器の内径が１０．５ｍｍ、可動壁の移動距離（＝ステッピングモータの移動距離）をｄ（ｍｍ）とすると、
５０μＬ＝π×（１０．５ｍｍ／２）^２×ｄｍｍ
が成立する。ステッピングモータが１ｍｍ移動するのに必要とするパルス数＝１６１であることから、α１＝９１となる。またα２については、α２＝３で適正負圧（−１〜−５ｋＰａ）を実現できることがわかっている。

図１８は、連結用サブルーチンＳＵＢ２のフローを表す。Ｓ６０１で起動された後、ピストンモータを正方向ＦＷＤへ１ステップ分送り出し（Ｓ６０２）、ステッピングモータ位置ＣＮＴを１だけカウントアップする（Ｓ６０３）。この動作を連結センサ１１６が接触するまで繰り返し（Ｓ６０４）、検出されたら電磁石を駆動する（Ｓ６０５）。

図１９は、ピストンモータ送り用サブルーチンＳＵＢ２のフローを表す。Ｓ７０１で起動された後、指定された引数Ｎに応じて正方向ＦＷＤまたは負方向ＲＥＶかを判断する（Ｓ７０２）。引数Ｎは、正方向即ちピストンを送り出す方向であれば正の整数を、負方向即ちピストンを引き戻す方向であれば負の整数を指定する。正方向であれば、ピストンモータを正方向へ１ステップ分送り出し（Ｓ７０３）、ステッピングモータ位置ＣＮＴを１だけカウントアップする（Ｓ７０４）。負方向であれば、ピストンを負方向へ１ステップ分引き戻し（Ｓ７０５）、ステッピングモータ位置ＣＮＴを１だけカウントダウンする（Ｓ７０６）。この動作を所定量Ｎ分繰り返したのちルーチンを終了する（Ｓ７０７）。変数としてはステッピングモータ位置ＣＮＴを返す。

このように予め決定された充填操作及び初期負圧確保操作のための可動壁の変位量を記憶する記憶部を制御部４内に設ける。この情報に基づいて可動壁３を変位させることにより、内圧測定用の圧力センサ４３を設けない簡単な構成を実現できる。また、初期負圧確保のために可動壁３を変位させるときの変位量は、毎回同程度の負圧を確保できるように薬剤残量に応じて可変とすることが好ましい。

図２０は、図１０における吐出ルーチンＳ００９のフローを表す。Ｓ５０１で起動された後、制御部４からヘッド駆動回路１１０に対してヘッド駆動パラメータに従った起動をかける（Ｓ５０２）。次に前述したヘッド駆動パラメータから、単位時間あたりの薬剤吐出体積が決まるので、それに応じて連結ユニット送り用モータ６４を同期駆動して送り出す必要がある。これは吐出している間、ヘッドから吐出される単位時間あたりの薬液体積と、連結ユニットの送り出し量を整合させることで、タンク内圧を常に適正範囲内に保持するためである。ピストン軸駆動用モータ６４の送りタイミングは、吐出ヘッドがステッピングモータの１パルス分の薬剤押し出し量に相当する体積を吐出する時間であればよい（Ｓ５０３）。その時間が経過すると、ピストンモータをＦＷＤ方向へ１ステップ分送り（Ｓ５０４）、ステッピングモータ位置ＣＮＴを１だけカウントアップする（Ｓ５０５）。この動作を必要投薬量Ｍ回行われるまでルーチンを繰り返す（Ｓ５０６）。その後Ｓ５０２で起動をかけ独立して動作しているヘッド駆動回路での吐出動作の完了を確認し、完了していればルーチンを終了する（Ｓ５０７）。変数としてはステッピングモータ位置ＣＮＴを返す。

以下に具体的な数値例を示す。ここでは、実験で使用する薬剤タンクを例に計算する。ガラス容器の内径が１０．５ｍｍ、２０μＬ／秒で吐出させる場合、単位時間あたりのピストン移動長をｄｍｍ／秒とすると、
２０μＬ／秒＝π×（１０．５ｍｍ／２）^２×ｄｍｍ／秒
より、ｄ＝０．２２７ｍｍ／秒となる。実験で使用したステッピングモータが１ｍｍ移動するのに必要とするパルス数が１６１であるので、これは３６．５パルス／秒、すなわち１パルスあたり時間換算にして２７ミリ秒で送ればよいということになる。ここで１回あたりの投薬量を５０μＬとすると、全送りパルス数Ｍは９１となる。

本発明の薬剤吐出装置は、薬剤吸入用の他に種々の用途に用いられ得る。例えば、芳香剤などの噴霧状吐出装置、ニコチンなどの嗜好品の吸入装置、などにも使用することができる。この様に、本発明の薬剤吐出装置は、確実で衛生的な吐出を必要とする種々の用途に適用可能である。

本発明の薬剤吐出装置の一部を概念的に示した図である。 本発明の薬剤吐出装置の一例で、利用者に薬剤を吸入させる吸入器の外観を示す斜視図である。 図２の吸入器においてアクセスカバー１８が開いた状態を図示したものである。 吐出ヘッド部１と薬剤タンク２の外観を示した斜視図である。 図４の主断面図であり、吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が連結される前の状態を示している。 吐出ヘッド部１と薬剤タンク２が連結された後の断面図である。 図３の駆動部保護カバー３１を取り去って、装置内部を見た斜視図である。 図７において外装をすべて取り去り、本体内部の機構部を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる吸入器のブロック構成図である。 吸入器の全体動作の一例を示したフローチャートである。 図１０における初期処理ルーチンＳ００６のフローチャートである。 充填時の薬剤タンク内の圧力変化を示した図である。 図１０における吐出ルーチンＳ００９のフローチャートである。 図１０における終了処理ルーチンＳ０１１のフローチャートである。 第２実施形態にかかる吸入装置のブロック構成図である。 図１５における連結ユニット１１７の周辺概念図である。 第２実施形態における初期処理ルーチンのフローチャートである。 第２実施形態における連結ユニット１１７とピストンとの連結動作を行うサブルーチンのフローチャートである。 第２実施形態における連結ユニット１１７を所定ステップ分送るためのサブルーチンである。 第２実施形態における連結ユニット１１７を吐出タイミングに同期させてステップ送りするためのサブルーチンである。

符号の説明

１ 薬剤吐出部
１ａ 吐出口
１ｂ 吐出エネルギー発生素子
２ 薬剤収容部
３ 可動壁
４ 制御部
５ 薬剤供給口
７ 気流路
８ 吐出ヘッド
３３ ガラス容器
２０ 吸入口（マウスピース）
３４ 可動ゴム栓
４３ タンク内圧力センサ

Claims (1)

1. 吐出口と、薬剤を前記吐出口からインクジェット方式の吐出原理により吐出させる素子とを有する薬剤吐出部と、
   前記薬剤吐出部と連結し、前記薬剤を収容する薬剤収容部と、を有し、前記薬剤を吐出する薬剤吐出装置であって、
   前記薬剤収容部の一端に取り付けられ、前記薬剤収容部の内外からかかる圧力の差によって変位する可動壁と、
   前記薬剤吐出部に前記薬剤を充填するための前記可動壁の変位量、及び、前記薬剤収容部の薬剤残量に応じて、該薬剤収容部の内部の圧力を負圧状態にするための前記可動壁の変位量、を記憶する記憶部と、
   前記薬剤吐出部からの薬剤の吐出を禁止する禁止手段を備え、前記可動壁を変位させる制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶された変位量に基づいて前記可動壁を変位させることにより、前記薬剤吐出部に前記薬剤を充填し、前記薬剤の吐出に先立って前記薬剤収容部の内部の圧力を負圧状態とし、且つ、前記薬剤収容部の内部の圧力を負圧状態とする前は、前記薬剤吐出部からの薬剤の吐出を禁止し、前記薬剤を吐出している間は、前記薬剤収容部の内部の前記負圧状態を保持することを特徴とする薬剤吐出装置。

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