CN101557882A - 超声液体雾化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声液体雾化器，其包括：带有限定开口的第一末端和第二末端的刚性压电换能器体(1)，压电换能器体(1)内部包含用于容纳待雾化液体的腔并且所述压电换能器体(1)还包含对称轴；附在所述第一末端并覆盖所述开口的微孔膜(3)；适于并提供振动压电换能器体(1)的压电部件(2，9)；特征在于压电部件(2，9)在所述第二末端附近放置，以便以平行于压电换能器体(1)对称轴的方向振动压电换能器体(1)压电换能器体(1)。

Description

超声液体雾化器
技术领域
本发明涉及通过压电部件以微滴或气溶胶方式精确散布流体的流体分配器，通常称作雾化器。
背景技术
在许多应用中，流体或者液体，无论其性质如何(油性的、水性的或者醇性的)，无论它们是溶液还是悬液(悬浮在液体中的颗粒)，通过微粉化、雾化、汽化或气溶胶发生进行分配。使用这些流体分配装置的主要应用涉及药品施用(药学)、化妆品的扩散(特别是香水)、消毒、气味产生、空气或介质(纸、织物等)的增湿以及生物学试剂的分配。
关于医学应用，采用雾化器通过吸入递送药品已达十年。用于该目的的装置可包括机械定量泵、气动或超声雾化器。直到最近，这些装置才被设计成通过呼吸途径以相对浅表水平递送药物。若干年来，制药工业一直在解决以气溶胶的形式尽可能深入地进入肺以到达细支气管的药物施用。通过将此变为现实，有可能通过呼吸途径全身施用药物或基因。
为此，有必要开发新的技术以提高有效性、准确度和预期留在细支气管内的气溶胶的均匀性。常规装置通常因气溶胶过快排出、或者因过度消耗、或者因药品降解、或者因微滴过大、或者因噪音而受限制。
为了满足通过呼吸途径递送药物所需要的新条件，许多气溶胶发生器制造商已经开发了基于振动微孔网或膜的装置。这些制造商包括Nektar(Aeroneb)、Odem(TouchSpray)、Pari(e-Flow)、Pfeiffer(MicroHaler)、Omron(NE-UO22)、Sheffield Pharmaceutical(Premaire)、Alexza(Staccato)。
有关包含振动微孔膜的超声雾化器的首次研究由Matsushita研究实验室于二十世纪八十年代开展。细小微滴穿过受迫振动的微孔振动膜的喷射原理特别是在下列出版物中得以发展：Ueha S.等，Mechanism of ultrasonicatomisation using a multi-pinhole plate.Acoust.Soc.Jpn.(E)6，1：21(1985)；Maehara N.等，Influence of the vibrating system of a multipinhole-plateultrasonic nebulizer on its performance.Review of scientific instruments，57(11)，Nov.1986，pp.2870-2876；Maehara N.等，A pinhole-plate ultrasonicatomizer.Ultrasonics Nov.1984。
所有这些研究已经形成了许多专利，特别是US 4 533 082(1985)和US 4 605 167(1986)的主题，它们描述了采用具有微洞穿孔的振动膜的雾化器。膜包含位于其中心的弯曲部分(突起或穹窿)，导致所产生的微滴发散。膜包含30至100μm直径的微孔。振动部件是具有5至15mm外径、2至8mm内径的环形压电陶瓷。30至120μm厚的振动膜胶接至环形陶瓷。该压电陶瓷在30和200kHz之间的频率下以径向形变模式受激。Bespack专利US 5 152 456(1992)，还可参见相应的欧洲申请EP 0 432 992 A1，吸收了Matsushita提出的原理。然而，振动部件(振动器)包含直径22mm的环形铝盘。压电陶瓷固定至该铝盘上。压电陶瓷的操作模式相当于径向形变。铝盘的中央开口为4mm。镍膜具有1500个直径3μm的孔(或洞)。
Toda专利US 5 297 734(1994)涉及正方形几何形状的振动板类型雾化器，使得通过量达到1 l/小时。雾化器包含胶接至外径24mm、内径12mm和厚度6mm的压电陶瓷盘的50μm厚的镍膜。膜具有内径1mm和外径20μm的锥形孔。
技术转让合伙(TTP)专利US 5 261 601(1993)描述了基于上述Bespack专利的雾化器。TTP专利US 5 518 179(1996)涉及盘雾化器，其中多孔膜由电铸镍制作而成。TTP雾化器不需要膜后的液体室并且液体通过毛细管作用供应(使用芯或多孔材料)。TTP雾化器亮点在于其双压电晶片结构，确定了由压电陶瓷和微孔膜构成的部件的绕曲模式。膜具有与环形压电陶瓷可比的刚性。参照雾化器包含外径20mm、厚度200μm的黄铜环。压电陶瓷环外径20mm、内径6mm、厚度200μm。Aerogen专利US 6 085 740(2000)提到了通过使用微网将液体雾化成细小微滴的方法。带有直径1至6μm微孔的膜通过在45kHz下工作的压电双金属片振动。液体通过毛细管作用供应，并且膜可以与振动器分离。
Aerogen专利US 6 427 682(2002)描述了使用振动膜的药物散布器具的用途。其原理与Matsushita的非常接近。其包含由铝制做的，通过使用环形压电陶瓷绕曲而振动的部分。带有微孔的振动膜通过电铸生产。容纳液体的室与膜接触。
此外，Omron已经开发了超声泵技术，这使得通过微孔膜将液体雾化成为可能。该技术描述于专利US 6 901 926(2005)中。在Omron的技术中，微孔膜不是直接通过振动部件振动。当压力因超声泵而动态变化时，通过将液体经孔喷射而形成微滴。
现有技术水平的包含受振动微孔膜的压电或超声雾化器(频率大于20kHz)均通过膜和与其结合的压电陶瓷的绕曲运转。实际上，其包括环形压电陶瓷与包含极大量微孔的薄金属膜以不同方式的组合。该类型结构受益于小的厚度。
然而，现有技术水平的装置的确具有大量缺点。
第一个缺点在于这样的事实，即微孔膜强烈促成雾化器的共振模式。该现象的影响是雾化器自身在共振中被与膜接触的液体极大减振。雾化器的运转极大依赖于液体量或者膜后液体所施加的压力。这在控制雾化器激发频率中产生了一个难题。此外，该减振导致振动部件和膜过热。这种过热导致雾化器的操作时间受限制，雾化器运作所需要的电消耗增加，并且可能导致待雾化液体性质的退化。此外，在该类型结构中，通过绕曲产生的膜形变不可能使整个膜表面上的位移一致。依赖于微孔在膜上的定位，膜不具有相同的通过量并且气溶胶的生成是不稳定的(阈效应)。同样，振动结构对机械固定和液体密封的敏感性(乱真减振)使得大量且低成本工业实施此结构的技术方案既复杂又昂贵。
因此，需要弥补这些不同的缺点并且构想出更结实、更易电子控制、更高能量效率、更易大量且低成本工业化的装置。
发明内容
本发明试图弥补特别是在上述部分说明的问题。
为此，其主题是如主权利要求中所定义的雾化器。
优选的实施方案是从属权利要求的主题。
在本文中，术语“换能器”应该理解为意思是指包含压电换能器体、至少一个压电部件和任选后质量块的部件。
术语“截面”应该理解为意思是指包含平面与体积相交的几何图。因此，考虑到具有可变内经的圆柱状物体的实例，可以说成其具有在其长度范围内改变的截面。
换能器体具有对称轴。
本发明雾化器所提供的诸多优点源于这样一个事实，即膜所固定至的压电换能器体以纵向模式振动，即以与压电换能器体对称轴平行的方向振动。
可以提供一个或一个以上压电部件。
优选地，压电换能器体截面在其长度范围内改变。
根据一个实施方案，截面间断性改变。
有利地，截面在单个点突然改变。
此种截面变化图解于下列实施方案中，其中压电换能器体具有外径不同的两个部分。其末端包含膜的形变放大区具有最小的直径。在本文中称作“角状物”的该结构中，纵向超声波在换能器截面改变处的位移被放大。管状部件充当微纵向位移放大器。
根据本发明的另一个实施方案，膜至少部分地形成穹窿，提供多种功能。在现有技术中，通常将微孔膜设计成挡住膜后雾化室内的液体并容忍其静压力。压力、孔洞形状和膜所使用的材料的性质之间的平衡为如此程度这样液体不渗出膜并且没有“滴落”或液体损失现象发生。此外，穹窿形状通过导致因单一几何效应而使喷射发散，使得微滴或气溶胶雾分布更佳。同样，与膜位移相关的振动速度使得可以喷射微滴穿过孔洞。至于本发明，穹窿和微孔膜的尺寸为如此程度，这样穹窿提供振动运动放大效应，而同时保留了膜表面上均一的振动速度分布。与现有技术不同，膜不影响换能器的振动行为。不管膜厚度如何(例如从20至200μm)，压电部件保留了其动态特性和其振动性能。更加具体而言，换能器的共振频率和振动位移不因膜的机械偶合而改变。既然可以设计换能器(频率、振动位移、形变模式、偶合系数和机械品质因数)而无需考虑膜(几何形状和材料)，因此这赋予雾化器诸多优点。
本发明的该特性有利地使优化换能器(或变换器)的结构成为可能，以利于气溶胶的排出速度、通过量、共振频率、消耗或者换能器效率。以此方式，可以产生振动膜雾化器，其可以以几乎零速度(医学应用)一直到喷射速度，如30m/s的级别(化妆品应用)产生气溶胶。类似地，雾化通过量不再与压电陶瓷的表面面积直接相联系，而是与压电换能器的长度相联系，这使得调整通过量从1μl/s至300μl/s成为可能。就是该相同长度直接控制着雾化器的共振频率。雾化器工作模式不是绕曲模式，而是纵向延伸模式。这使得可以用小直径的压电陶瓷在高频率(50至200kHz)下工作，而无损液体通过量，并且最重要的是损失极低。对应于消散于换能器变热中能量的这些机械损失根据换能器的操作频率极大增加。在本发明中，这些机械损失被降低，因为纵向换能器类型结构的效率远远好于通过绕曲工作的“双金属片”类型结构的效率。
换能器的低损失导致设计出低电消耗的雾化器。该优势是客观的，因为现有技术水平的雾化器因雾化时间和供电电池或电池组的寿命而限制了其应用。实践中，振动微孔膜雾化器的优势应用主要涉及基于电池或电池组工作的“手持”装置。为本发明主题的结构较小地被膜后的液体减振。该特性使得待雾化的液体变热较小。在雾化器递送医学制剂的应用中，液体变热可能是禁止性的并且极大限制了此种雾化器的益处。
此外，根据优选的实施方案，本发明的特征在于，振动节点可以被接入使得雾化器能够容易地被机械固定。现有技术中通过环形陶瓷绕曲工作的雾化器很难机械固定而又不扰乱振动模式和使振动模式极大减振。至于本发明，雾化器优选地被机械固定或包覆成型于振动节点区域(该节点是唯一的)并且可用于非常简单和非常廉价的机械组装和密封方案。
本发明的另一个特征在于，液体可以置放于与膜的后面直接接触。实际上，纵向模式的雾化器的振动模式对液体的存在和该液体柱的重量的敏感性微乎其微。
该特性使得雾化器能够在从垂直到水平的任何角度下同样工作。
液体也可以通过使用管、芯或适当多孔材料的毛细管作用被引导至膜。以此方式，液体储池可以位于雾化器的上方、周围或者下方。
根据本发明的一个变形实例，雾化器结构包含阻止换能器向后振动的后质量块，也称作动态质量块、通过普通连接结合的两个压电陶瓷、包括腔和微孔膜的振动移动放大器，其中所述的微孔膜具有形成突起或穹窿的改变的形状，但优选盘形。
根据本发明的另一个变形实例，预应力机械装置如螺旋可用于机械连接后质量块、陶瓷和放大器。放大器为金属的，并且优选由不锈钢、钛或铝制成。微孔膜胶接至振动放大器。对雾化器振动行为具有很小影响的膜可以有多种材料制成，如塑料、硅、陶瓷，但是优选由金属制成。微孔可以通过不同手段产生，但优选通过电铸或激光产生。微孔数量可以从分配所需液体的一个孔至数千个孔。微孔的大小或者网的网目可根据雾化器的用途从1μm至100μm当量直径。已经证明，从雾化器喷射微滴的通过量和均匀性性能极大地依赖于膜的位移模式。如果膜以不存在绕曲形变的“活塞”模式位移，则这些性能水准提高。在现有技术水平中，雾化器通过绕曲工作，并且因此导致在膜内部出现一个或一个以上振动节点。在本发明中，膜不参与换能器的振动模式，并且这可以设计并优化膜的几何形状，以便于膜以“活塞”模式形变。为此，建模和测试结果显示，突起(或穹窿)的直径必须接近于容纳液体的腔(或室)的直径。这意味着穹窿的最大高度必须接近于腔内经的一半。
膜以“活塞”模式位移意味着膜表面上的振动速度可以一致。这样的结果是，彼此相比微孔(或洞)喷射更标准化大小的微滴，并且以相同的通过量喷射。
本发明的另外的实施方案简要描述如下：
●一个或多个压电部件由单一陶瓷代表，所述陶瓷以足够刚性的胶固定至接受振动移动的换能器。
●压电陶瓷为多层，允许使用例如如Epcos、Fuji、Noliac、Morgan Matroc或Physic Instruments公司可以供应的低电压电池(1至15VDC)。
●压电陶瓷固定至换能器体，这样换能器体与待雾化的液体之间不接触。该构造可以使压电陶瓷电绝缘并且消除了密封紧密性和液体相容性(医学应用)中的任何问题。
●雾化器的振动位移放大器(或“角状物”)包括通道、凹槽或洞，这样液体室或储池位于角状物周围。
●雾化器的压电换能器包括“角状物”末端的“喇叭口”，其优选地以没有任何绕曲的“活塞”模式振动。该“喇叭口”不但具有放大换能器振动位移的优点，还具有能够固定较大直径微孔膜的优点。虽然尺寸小，但是该构造用于增加雾化器的通过量。
●以纵向模式工作的压电换能器使微孔膜或圆柱状网振动并形变。为了优化置于换能器和喇叭口之间的圆柱状膜的位移，可加入突起以适当增加膜的刚性。
●雾化器包括特定形状的“角状物”，例如截锥，允许通过截面的陡变放大振动移动。在该特定构造中，膜-压电部件距离与压电部件直径之比优选地大于0.5。
●微孔膜或网不是胶粘，而是通过机械压力装置声偶联至换能器。
●雾化器与外部媒介物的安装固定通过以机械装置固定或者胶粘至不与换能器结合的陶瓷电极固定的箔或柔性电路提供。该特定的安装固定方法是有利的，因为其实现简单并且成本低。该构造具有可从外部媒介物分离换能器(静态阻力)和不干扰动态运转的优点。此外，金属箔(或柔性电路)使得可以向压电陶瓷供电。
●雾化器包含换能器体，换能器体包括固定储池而不干扰动态运转并不影响其性能的装置。
●雾化器包括机械固定至换能器体并不干扰换能器体运转的储池。
●雾化器包括实心或中空的机械部件，该部件由不同材料，但优选塑料制成，并同轴性地置于容纳液体的腔内，并且具有不同的形状，优选圆柱形，其作用是引导可能在振动膜水平层形成的且可能阻止雾化过程的气泡。
●雾化器包括包含电极的液体存在传感器，液体存在传感器置于“角状物”内部并且接近振动膜。向该电极施加低频率交流电，通过加工在换能器的接地线上重新获得电流信号。交流电经由液体的导电性从电极向振动膜传播。该信号的存在与否指示着液体的存在与否。
●雾化器置于可以手持或者适用于身体(人或者动物)一部分的，并且由不同材料，但优选塑料制成的不同形状的容纳物内，如面具内。该容纳物可制成香水扩散器、水份扩散器、消毒剂扩散器或药物扩散器。更加具体而言，与容纳物结合的雾化器可用作通过肺、鼻或眼睛途径递送药物的装置。
●雾化器可与专用于通过肺途径递送药物的容纳物结合。该容纳物可以包括能进行药物吸入或扩散的所有功能。具体而言，其包括可以是一次性的尖端或解析适配器、使其能够更好处理空气流(吸或吹)的阀装置或者磁压缩器(chicane)组件、用于触发吸入剂以机械方式或电子方式产生雾化的装置、在环境压力下的或者具有减压(无菌)受控大气的储池、液体水位传感器和如本专利所述的用于避免气泡形成的机械装置。在本文中，该装置命名为“吸入器”。
●整合有机械容纳物的雾化器可以通过外部电子组件电子控制，这使得其可以通过电池、电池组或者干线供电。该电子组件可以整合有机械组件内以保证装置的完全自主性。该整合的电子组件可以通过电池组、电池或者可再充电的超级电容器、或者通过干线或者通过感应作用供电。
●雾化器包括通过特定的供电模式产生的电子清除，或更普遍称作清除堵塞物的功能，所述特定供电模式是通过向压电部件施加持续时间、振幅或频率与额定电源不同的电压循环而供电。将雾化器浸泡于清除、清洗或灭菌产品的槽液中时，可以执行该清除堵塞物模式。
●雾化器包括带有微小尺寸洞的膜，其直径已经通过表面处理方式(聚合物或者金属的)，更具体而言通过电解金沉积减小。此外，这些不同的表面处理助于减少滴落或堵塞现象并且在一定情况下提供杀菌、杀病毒或者生物相容性功能。
●雾化器由能保证冷或热灭菌(烘干)的材料制成或者包含能保证冷或热灭菌(烘干)的表面处理。具体而言，雾化器将包括高温压电陶瓷(＞150℃)、不锈钢或钛换能器、覆有快速电解镀金的膜。
●雾化器电连接这样膜的电势不同于电子组件的电接地。这种带电构造使得它能够对微滴充电，以利于引导气溶胶穿过装置的通风回路和呼吸途径。
●雾化器包括位于雾化器中央的，通过由例如塑料或者金属制成的套管或空心针产生的打孔机械装置。该机械装置可包括避免气泡和测量液面的功能。该打孔装置使得其可容纳具有可穿孔弹性材料制成的膜密封的无菌且防水的储池或管。
●雾化器带有金属箔(或柔性电路)充当电极并且使得它可以给陶瓷供电，金属箔(或柔性电路)可用于产生与压电陶瓷结合的减压传感器。在吸入过程中，利用在陶瓷上产生的电压产生触发雾化的装置。
由此得出结论，本发明不限于上述的实施方案。上述实施方案仅是实例。
还应当注意到，除了引入纵向振动模式之外，还可以提供径向振动模式。
附图说明：
图1是本发明示例性雾化器的剖面图。
图2、3、4、5、6、7、8、9、10和13是该雾化器变形实例的剖面图。
图11表示膜根据雾化器结构的形变。
图12表示本发明雾化器振动行为的建模。
图13是雾化器的剖面图，雾化器包括置于”角状物”周围的管状振动膜，其自身以纵向模式振动。
图14和15分别显示柱管状或截锥雾化器透视图和剖面图。
图16表示整合有本发明所述雾化器的简单的T形药物吸入器的透视图和剖面图。
图17A和17B图解说明整合有本发明所述雾化器的“口袋”式吸入器的两种构造。图17A表示由外部电子组件驱动的吸入器。图17B表示整合有电子组件的吸入器。图17C显示该吸入器的剖面图，可以看到雾化器在其组件中的位置。
图18表示包含不同的气泡排空和液体存在传感器功能的雾化器的剖面图。
在图中所使用的数值含义列表：
1.压电换能器体
1a应力集中区
1b形变放大区
2.单片压电陶瓷
3.微孔膜
4.容纳液体的腔
5.后质量块
6.预应力螺旋
7.电极
8.连接部件
9.多层压电陶瓷
10.喇叭口
11.电接地回路
12.换能器罩
13.储池
14.塞
15.组件
16.尖端
17.开口或阀
18.电源电缆
19.电子组件
20.电连接器
21.同轴管
22.液体存在传感器
23.传感器回路电缆
具体实施方式
在这一部分通过详细描述和用图图解说明的非限定性实施例方式可以更好地理解本发明。
图1A图示的雾化器包含优选在50kHz至200kHz范围内振动的压电换能器体1。图1B图示同样的雾化器，但是在雾化器旁边图示着一条曲线，显示雾化器不同部分纵向位移的最大幅度。压电换能器体1的特征在于有两个区：应力集中区1A和形变放大区1b。在图1至6中，应力集中区1a的外径与形变放大区1b的外径相同。然而，形变放大区1b的内径大于应力集中区1a的内径。
在图7至9所示的雾化器中，应力集中区1a的外径大于形变放大区1b的外径。然而，形变放大区1b的内径与应力集中区1a的内径相同。
图8B表示与图1B同一类型的信息，即显示雾化器不同部分纵向位移最大幅度的曲线。
形变放大区1b的内部包含容纳待雾化液体的腔4。在一些情况下，特别是参见图5、7和8至10，腔4在应力集中区1a内延长。带有该构造时，超声能量主要保持在形变放大区1b内，其构成振动位移放大器。形变放大区1b内的能量保存需要变形应力的转化。
一个或一个以上压电部件，优选地包含单片2或多层9压电陶瓷，位于雾化器中应力集中区1a水平处的顶部部分。图1，例如，表示通过例如由黄铜制成的中心电极7连接的两个单片压电陶瓷2。
后质量块5(动态质量块)是可以减少压电陶瓷后部的形变。预应力螺旋6可以将所有该堆部件机械连接。该装置构成了压电换能器，其是以纵向模式振动的电机械换能器。纵向模式通过这样的事实定义，即换能器通过沿着其对称轴延长或收缩其部分而形变。该类型换能器的振动行为基本上由其长度控制，因此换能器的总长度与压电陶瓷的直径或者宽度之比优选地大于或等于1。
较小厚度(20至200μm)的微孔膜3或网机械固定至压电换能器体1的末端，在此处振动速度最大。膜3以如此方式固定这样膜3声偶联至换能器的区域1b。在第一种形变模式中并且通过实施例的方式，该换能器以其半波长形变和振动。图1B显示截面中换能器各点沿其对称轴(长度)的位移趋势。
图2显示带有通过连接部件8机械和声连接至换能器的膜的这种相同雾化器，所述连接可以向膜提供高预应力。通常，膜可以通过胶粘、钎焊、卷曲或焊接机械性偶联至放大区。具体而言，可以使用激光焊接。
图3是换能器的变形实例，其中为了构造的简单化，取除了后质量块。换能器做成如此尺寸，这样在单片压电陶瓷2水平层处的位移尽可能小，并且在放大区1b处的位移尽可能大。电极7可通过固定例如黄铜箔或者胶粘聚酰亚胺上的柔性印刷电路构成。
图4表示使用多层压电陶瓷9的本发明的变形实例。层具有例如20至200μm的厚度，并且此类多层的使用可以以较低的成本降低陶瓷末端处的电源电压。这种构造对于需要电池或者电池组电源的应用具有极大的好处。
图5显示本发明的变形实例，其中容纳液体4的腔(室)跨越全长的换能器体1。在该例中，单片压电陶瓷2在其中心有个孔。该构造使得可以容易地向腔内加液体。
图6显示通过形成通道、洞或凹槽以便使注入液体4的腔与外界相通的另一类型液体供给。该构造使得可以在换能器周围放置液体储池。
在图7和8的实施方案中，为了形状简单化，容纳液体4的腔为管状。
在图7的构造中，陶瓷2不再位于换能器体1的后部，而是置于应力集中区1a前面的位移放大器水平层处。因此，单片压电陶瓷2受换能器体1保护。
该构造具有陶瓷2不与液体接触的优点并且不具有储池密封紧密性的问题。换能器体1的截面变化仍然可以在膜3水平层处放大振动位移。
图9显示另一个实施方案，其中换能器1包含喇叭口10，微孔膜3机械性并声固定至喇叭口10。该构造的优点是在保持高水平振动位移放大的同时通过单一表面效应增加雾化液体的通过量。
图10以实例的方式图解说明截锥形振动位移放大器1b的几何学。该构造使得可以增加微孔膜3的大小。
图11解释微孔膜3的振动动作。在源自现有技术(11A、11B、11C)的结构中，通过偶联环形压电陶瓷与微孔膜，雾化器以绕曲模式运转。当膜扁平时(图11A)，最大振动位移(UX)位于膜的中心，并且随着距离中心的距离的增加极大地降低。在该情况下，喷射为高定向性的。当膜为盘形并包含穹窿时(图11B和11C)，增加了振动模式的刚性并且导致喷射因单一的几何效应而发散。不管有关的绕曲振动模式如何，都观察到了这一现象。根据这一观点，绕曲模式1更有利。至于本发明(11D)，膜的几何学和性质不影响雾化器的振动模式。实际上，膜的绕曲刚性对换能器的纵向形变没有影响。为了得到最佳结果，穹窿的直径非常接近于换能器的直径是足够的，这样在该点上膜只发生最大振动位移。此类结构为雾化器提供了更大的效率，并且因此降低了相同雾化通过量的消耗。而且，喷射特别一致并发散。
图12A和12B显示通过对根据本发明生产并作为实例给出的雾化器进行有限单元计算所模拟的形变。
在该特定情况下，换能器体1由不锈钢制成。容纳液体4的内腔具有6mm的直径并且应力集中区1a具有16mm的外径。
形变放大区1b具有8mm的外径。单片压电陶瓷2是内径8mm、外径16mm、厚度1mm的PIC 255(Physic Instruments)陶瓷。
换能器1的长度和形变放大区1b的长度分别为16mm和12mm。微多孔膜3由电铸镍制成，带有800个直径5μm的洞。膜厚度为50μm并且具有8mm的外径。穹窿高度0.8mm，直径5mm。膜通过胶粘固定至换能器。有关的纵向模式分别具有77kHz和120kHz的共振频率。
在根据图13的实施方案中，微孔膜3具有圆柱状或管状几何形状。膜一方面固定至应力集中区1A，另一方面固定至形变放大区1b。在该情况下，膜按照径向模式振动。
图14和15显示在微滴大小和气溶胶通过量方面具有优秀结果的示例性实施方案。图14A和14B显示由不锈钢制成的换能器1的透视图和剖面图。容纳液体4的内腔具有6mm的直径并且应力集中区1a具有16mm的直径。在该特定构造中，储池固定装置采用其中形成螺纹的后质量块5的性状。该后质量块的外径和长度分别是10mm和8mm。单片压电陶瓷2是内径8mm、外径16mm、厚度1mm的PIC 255(Physic Instruments)陶瓷。形变放大区1b(或“角状物”)具有7mm的外径和12mm的长度。
用于电连接单片压电陶瓷2的电极7为直径30mm、厚度50μm的不锈钢箔。电铸镍膜3包含10800个厚度20μm的2μm大小的洞。在80kHz的工作频率下，雾化器可以实现2μm大小的微滴和0.6ml/min的通过量。
图15A和15B显示其换能器体1由不锈钢制成的雾化器的透视图和剖面图。容纳液体4的内腔具有从6mm至12mm变化的直径并且应力集中区1a具有20mm的直径。在该特定构造中，储池固定装置采用了其中已经形成螺纹的后质量块5的性状。该后质量块的外径和长度分别为10mm和8mm。单片压电陶瓷2是内径10mm、外径20mm、厚度1mm的PIC 255(Physic Instruments)陶瓷。圆锥形的形变放大区1b(或“角状物”)具有从7mm至14mm变化的外径和9mm的长度。
用于电连接单片压电陶瓷2的电极7由直径30mm、厚度50μm的不锈钢制成。电铸镍膜3包含45300个厚度20μm的2μm大小的洞。在70kHz的工作频率下，雾化器可以实现2μm大小的微滴和2.5ml/min的通过量。
图16A和16B显示用于通过肺途径递送药物的吸入器。该吸入器采用与例如Intersurgical提供的T形组件15结合的吹口16的性状，在T形组件15种整合有本发明主题雾化器。使用换能器罩12将雾化器至于组件15中。带有塞14的储池13支撑着换能器1。单片压电陶瓷2由箔形式的电极7供电。雾化器经由电缆18供电。当雾化器运转时，其在组件15内产生气溶胶。患者通过吹口16吸入以此方式产生的气溶胶。
图17显示另一形式的吸入器。图17A表示整合有本发明主题雾化器的吸入器，其中电子组件19置于外面并且通过电缆18连接至吸入器的组件15。该吸入器包括吹口16、连接至雾化器的储池13和塞14。在组件15内形成开口17以调节空气流和雾化器产生的气溶胶。
图17B表示电子组件19整合入“口袋”式吸入器的组件15内的吸入器。
图17C以剖面图方式表示图17A的吸入器。其显示由例如模制塑料制成的组件15、可用后去除和废弃的尖端16、可以将雾化器安装在组件15内并通过电连接器20和电缆18将雾化器与电子组件19连接的换能器罩12。雾化器包含换能器体1、单片压电陶瓷2、振动膜3、电极7、接地回路11、储池13和塞14。气溶胶在组件15的腔内产生，并通过吹口16被患者吸入。
图18是带有排出气泡的管和液体存在传感器的雾化器的剖面图。雾化器包含管状换能器体1、单片压电陶瓷2、微孔振动膜3和可以固定储池13的后质量块5。单片压电陶瓷2通过电缆18供电，电缆18接接地回路11和电极7。管21优选由塑料制成，并且例如具有3mm的直径，其以同轴方式置于液体腔4内。当雾化器的液体通过量变高时，膜3产生凹陷，这样空气可以穿透入容纳液体4的腔内。在膜3水平层形成的气泡可阻止气溶胶的形成并且不利地影响雾化器工作。管21使得可以通过施加于气液界面的毛细作用排空气泡。该21的中心带有电导线23，电导线23的末端22直接或间接与液体电接触。向导线23传输低频率交流电信号，优选地500Hz。一旦膜3和换能器体1的电位不同时，会因为腔4内存在的液体的电阻而产生电流。该电流的存在对应着液体的存在。来自液体存在传感器22的信息使得可以自动化地开始或结束雾化器工作。
明显地，本发明不限于上面讨论的实施例。类似地，本发明不限于医学领域。本发明的雾化器也可用作气味和香水扩散器和/或用于化妆品中。本发明还涵盖用于局部使用的不同液雾的扩散器(加湿器或者润滑器)或者用于生物技术或者试剂的液体处理装置。

Claims (21)

1.超声液体雾化器，包含：
-带有限定开口的第一末端和第二末端的刚性压电换能器体(1)，压电换能器体(1)内部包含用于容纳待雾化液体的腔并且所述压电换能器体(1)还包含对称轴，
-附在所述第一末端并覆盖所述开口的微孔膜(3)，
-为了振动压电换能器体(1)而改造和排列的压电部件(2，9)，特征在于压电部件(2，9)在所述第二末端附近放置，以便以平行于压电换能器体(1)对称轴的方向振动压电换能器体(1)。
2.权利要求1中所述的雾化器，其中压电换能器体(1)截面在压电换能器体(1)长度范围内改变。
3.权利要求2中所述的雾化器，其中截面不连续地改变。
4.权利要求3中所述的雾化器，其中截面在单一点突然改变。
5.权利要求4中所述的雾化器，其中所述第二末端附近的压电换能器体(1)壁的厚度大于第一末端附近压电换能器体(1)壁的厚度。
6.权利要求5中所述的雾化器，其中压电换能器体在所述第二末端附近是实心的。
7.权利要求5中所述的雾化器，其中压电换能器体在所述第二末端附近是中空的。
8.权利要求2、3或4之一中所述的雾化器，其中压电换能器体(1)的内径是不变的。
9.权利要求2、3或4之一中所述的雾化器，其中压电换能器体(1)的内径是可变的。
10.权利要求9中所述的雾化器，其中所述第一末端附近的内径大于所述第二末端附近的内径。
11.前述权利要求中任意一项所述的雾化器，其中压电部件(2，9)靠着所述第二末端的外部表面放置。
12.权利要求11中所述的雾化器，包含靠着压电部件(2，9)的外部表面放置的后质量块(5)。
13.权利要求1至10中任意一项所述的雾化器，其中压电换能器体(1)的外径是不变的。
14.权利要求1至10中任意一项所述的雾化器，其中压电换能器体(1)的外径是可变的。
15.权利要求14中所述的雾化器，其中所述第二末端附近的外径大于所述第一末端附近的外径。
16.权利要求15中所述的雾化器，其中压电换能器体的外部表面由第一直径和第二直径限定，两个直径之间的过渡区形成突然不连续区。
17.权利要求16中所述的雾化器，其中压电部件(2)放置于突然不连续区内并且正对着包括第二末端的压电换能器体(1)部分。
18.前述权利要求中任意一项所述的雾化器，其中所述腔的长度与直径之比大于0.5。
19.前述权利要求中任意一项所述的雾化器，其中微孔膜(3)至少部分地形成突起，使得可以增加膜的刚性。
20.前述权利要求中任意一项所述的雾化器，其中微孔膜(3)具有20和200μm之间的厚度并且包含直径在1μm和100μm之间的洞。
21.前述权利要求中任意一项所述的雾化器，其中压电部件是多层陶瓷(9)。
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