CN103764298A - 可分离的膜的改进 - Google Patents

Abstract

一种液滴生产设备，包括：有孔膜（33、39）；用于供应液体至膜的一侧的模块；用于振动膜的致动器（31），所述振动引起从膜的另一侧喷出液滴；其中磁力用于将致动器连接至膜，使得能够传输振动。

Description

可分离的膜的改进

技术领域

本发明涉及电子喷射装置，在该电子喷射装置中使用振动的有孔膜生成液滴；具体地说，本发明涉及如何通过使振动膜能与其驱动元件分离来能够使这种装置更有用。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种液滴生产设备，该液滴生产设备包括：有孔膜；用于将液体供应至所述膜的一侧的模块；用于振动所述膜的致动器，所述振动引起从所述膜的另一侧喷出液滴；其中磁力用于将所述致动器连接至所述膜，使得能够传输振动。

背景技术

关于可分离的膜的技术的介绍及现有技术

使用超声振动生成液滴的电子喷雾器是本领域熟知的，并且已发现在包括医疗药物传递和空气处理（例如芳香剂传递和加湿）在内的众多领域中使用。广泛使用中的这类装置中的一部分（通常被称为“池雾化器（pond mister）”）使用被液体覆盖的振动表面，以引起通过驻波在无液体表面上的离解生成液滴（US3,812,854是一示例）。该离解引起生成具有很多尺寸的液滴，并且液体容器在液位上方的成形用于限制离开并被传递的液滴的尺寸范围。由于很多液滴被容纳并被返回至主液体，所以这种装置具有低效率，这导致高功耗。这种装置的效率能够通过用有孔膜对液体的自由表面进行约束来改进（例如US4,533,082）。该膜可以只具有单个喷嘴（例如用于可以根据需要分配各滴的分配应用或印刷应用）或可以具有数千喷嘴（例如用于喷雾器应用）。当使用这种有孔膜时，产生相对单分散的液滴，其中液滴直径与有孔膜中开口或喷嘴的尺寸相关。这种装置仍具有多个缺点：具体地，振动表面需要安装在膜附近，但不接触，以便有效生成液滴，并且不是该容器中的所有液体都能够被传递（因为需要液体将压力波传输至有孔膜）。因此，这种装置的优选实施例是有孔膜自身被驱动元件（通常被称为致动器）振动的实施例，示例包括US4,533,082和EP0431992。这使能够传递相对良好地单分散的液滴，而不需要通过液体层传输压力波，这进一步提高效率并使更多实施例成为可能。如在US5,518,179中描述的这种装置的优选实施例使用弯曲模式致动器来将振动能量传递至膜，因为这使得能够使用薄的低成本的致动器并且进一步提高效率。

通常想要使用主体-筒（master-cartridge）模型，其中主体单元能够喷射在可替换的筒中容纳的液体。优选地，所有液体接触组件都位于该筒上，并且尽可能多的非液体接触组件位于该主体上。这使筒的成本最小化，同时避免筒之间的液体交叉污染和该主体的液体污染。这种方法适用的领域的示例是医学领域和消费者芳香剂领域。在医学领域中，剂灭菌（dose sterility）可能是关键的，并且这能够通过将每个剂容纳在其自己的筒（或盒（capsule））中实现。而且，在医学领域中，相同的主装置可以被设计为对一个以上的患者使用并且应避免交叉污染。在芳香剂领域，每个筒可以容纳不同的芳香剂并且还应避免交叉污染。满足类似要求的其它领域将对本领域技术人员是显而易见的。

避免交叉污染的一种方法是将有孔膜和致动器放置在该主体中具有电子器件和电源的筒组件中。这将两个组件之间的所需连接限制为电连接，但由于致动器在筒中，所以在筒中留下相对高成本的组件。进一步，并且更重要地，对于每个筒容纳单个剂的医学应用而言，筒尺寸可能与其容纳的液体的量相比相对大。因此，需要将致动器移出筒组件，只留下接触液体的有孔膜，因为该方法能够降低筒成本和尺寸。

避免交叉污染的要求在本领域是已知的，并且对于低功耗不关键的相对低效应用而言，已提出解决方案。US3,561,444教导对于池雾化器型装置而言，使用未被分配的液体来提供该主体中的振动元件和筒中待振动表面之间的连接。US4,702,418、WO2006/006963、WO2009/150619、WO2010/026532和WO2009/136304教导将振动力连接至筒中与有孔膜紧邻的表面的各种方式，然后通过待喷射的液体传输振动。EP1,475,108和US5,838,350教导将压电陶瓷组件直接耦接至有孔膜，但没有教导如何能够以有效的方式或在没有导致过多能量吸收的连接方法的情况下进行该耦接。BüchiB-90纳米喷射干燥机，通过要求用户使用定制螺母将膜拧到致动器上至指定的扭矩水平，使有孔膜能够被替换。尽管这适于实验室仪器，但是该替换过程在小型装置中难以自动化，这对于被设计为由例如消费者操作的装置来说是不可接受的。

能量的有效连接对于低功率装置来说，尤其对于致动器如在US5,518,179中那样以弯曲模式操作的装置来说，甚至更关键。进一步，通过弯曲接口的能量的有效连接与通过转换接口的能量的有效连接相比显著地更有挑战性。这是因为除正常力之外还必须传输扭矩，还因为任何导致装置变更厚的结构（例如螺纹）减少振动。

总之，需要一种使振动能够有效地从致动器传输至有孔膜的方式，其中有孔膜能够被不熟练的消费者或自动地在小型装置内容易地移除和替换。这种传输理想地不吸收过多的振动能量。这种传输理想地不会减少有孔膜的振动振幅。这些优选的要求尤其对弯曲模式致动器装置具有挑战性，因为它们更容易衰减。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供一种液滴生产设备，该液滴生产设备包括：有孔膜；用于供应液体至所述膜的一侧的模块；用于振动所述膜的致动器，所述振动引起从所述膜的另一侧喷出液滴；其中磁力用于将所述致动器连接至所述膜，使得能够传输振动。

通常适用的致动器设计和安装

本发明适用于众多致动器类型，但对使用与金属连接或支撑材料（以后称为无源组件）结合的压电的、电致伸缩的或磁致伸缩的材料（即，响应于被施加的电场或磁场改变形状的材料，以后称为有源组件）的致动器特别有利。这种致动器的示例包括纵向致动器、呼吸模式致动器和弯曲模式致动器，所述纵向致动器驱动所述有孔膜沿大体平行于有源组件的膨胀和收缩方向的方向振动，所述呼吸模式致动器驱动所述有孔膜沿大体垂直于所述有源组件的膨胀和收缩方向的方向振动，所述弯曲模式致动器具有更早且更详细地在本发明特别适用的US5,518,179中描述的类型，该US5,518,179通过引用并入本文。尽管对于一些致动器来说，无源层自身不变形并且仅仅用作支撑组件，但是对于大多数致动器设计来说，无源层自身响应于有源层的变形而弹性地膨胀、收缩、弯曲或变形。例如，对于纵向致动器来说，无源组件能够用于放大有源组件的应变速率，对于包含单晶片（unimorph）的弯曲模式致动器来说，无源组件的特性严重影响致动器性能。对于这样的致动器来说，无源层材料和设计（本文中称为“变形无源组件”）对于致动器性能而言是不可或缺的，并且对其进行改变或向其质量进行添加将影响装置性能。

对于所有这样的致动器来说，很多因素影响它们的性能。关于性能，我们指它们使膜产生液滴同时最大化效率、最小化尺寸以及最小化总系统的成本的能力。效率在这里被定义为产生液滴所需的理想能量除以进入系统内的能量。

关于致动器，如在下面的段落中描述的，改进性能的特定特征是减少致动器质量，减少内部能量耗散以及减少被传输至除有孔膜之外的组件的能量：

减少致动器质量通常提高性能。这是因为任何质量需要被加速，这需要施加力并增加存储的能量。对于给定品质因素（Q-因素），这引起每振动周期的额外能量耗散。增加致动器质量的其它缺点是致动器启动和停止时间的增加以及任何驱动电路的增加的复杂度、增加的成本或降低的效率，或者这些的结合。

减少致动器的内部能量吸收（即，增加其Q-因素）是重要的，因为该能量被耗散为热，而不是被传递至膜。致动器的有源组件和无源组件的变形引起热性发热，如同任何结合材料的变形一样。例如，对于弯曲模式致动器来说，有源组件和无源组件通常使用粘合剂结合在一起。保持该粘合层薄且坚硬有助于避免其吸收过多能量。

减少从致动器向除有孔膜之外的部件传输能量使性能提高。这包括作为液滴传递液体（除在膜孔附近以外）。通常，这能够通过使致动器的振动振幅最小化（同时使膜的振动振幅最大化）来完成。进一步，经常需要将致动器安装到支撑结构，以作为装置的一部分操作并且使液体可靠地传递至有孔膜。该安装的设计和实现能够对致动器性能和被传输至有孔膜的能量的量具有显著影响。用于不同致动器类型（细长的指状物和软支撑环是两种这样的方法）的很多支撑结构是本领域中已知的，但是它们通常试图减少从致动器向底座传输的振动能量。当底座不需要支撑由被施加至致动器或有孔膜或别处的力导致的任何大反作用力时，这能够更容易地实现。

通常适用的膜设计和致动器附接

为了将能量从致动器有效地传输至膜，需要仔细地设计这两个组件和它们的相互作用。除确保这些组件以适当的频率且以适当的模式形态（mode shape）振动之外，需要很多通常使用的特征来以最小能量消耗传递最大膜速度。该系列特征类似于制作好的致动器的特征，但具有一些区别：

首先，膜的质量应优选最小化，尤其是不使膜变硬的任何质量。最小化膜的质量减少必须由致动器向膜供应的力，这使该组件中的损耗最小。任何质量增加使需要供应的所需力增大，这需要更大、更低效率的致动器。

其次，除非膜被单独地支撑（引起降低的效率），否则致动器和膜之间的接合需要传输周期力，如果忽略重力，则该周期力关于零的平均值振荡（即，该接合必须支撑沿一个以上方向施加的瞬时力）。这可以是推力/拉力、顺时针扭矩/逆时针扭矩、或类似物。

再次，在致动器与膜之间的接合中吸收的能量应优选地最小化。对于不需要有孔膜分离的装置来说，这能够通过本领域众所周知的若干方法实现。这些包括粘接剂结合、熔接、铜焊和焊接等。所有这样的方法将最小质量（如果有的话）添加至装置，通常吸收较少能量且不减少振动的振幅。它们通过在这两个组件之间直接生成非常薄坚硬结合实现这些特征。还使用将组件栓接在一起、夹接在一起或拧接在一起，但是如先前讨论的，这增加质量且还会影响装置的振动特性。

最后，向不参与液滴形成的液体传输的能量应优选地最小化。这能够通过使非被穿孔的膜的任何区域最小化来实现（即，通过使接触液体但不传递液滴的振动区域最小化）。向液体的能量传输还能够通过使用软芯（soft wick）或其它类似的传递液体的方式来减少，而不是将膜与主体液体接触。

总之，任何可分离的膜设计将理想地允许在不吸收能量的条件下以关于零平均值的振荡力的形式从致动器至膜的有效能量传输。其会理想地使致动器和膜的任何质量增加最小化。其会理想地使致动器中任何增加的阻尼最小化。其会理想地使由致动器传输至除膜之外的元件（例如底座）的能量最小化。其会理想地避免将能量传输至要被传递的液体。

附图说明

发明的方面

致动器与膜之间的磁性连接具有满足所有这些优选要求的能力。现参照下面附图公开本发明的一些方面：

图1概括与当前的不可分离的构造相关的一些致动器类型和它们与有孔膜的接合。

图2是致动器与膜的接合的、示出需要传输的力的详细图。

图3是与弯曲模式致动器相关的对从致动器至膜传输的力的幅度进行预测的有限元模型的输出。

图4图示每个结合只需要传输单向力的实施例。

图5是致动器的无源组件是永久磁铁且膜由铁磁材料制成的本发明优选实施例。

图6示出对各种磁连接设计能够传输的典型力幅度。

图7显示磁性基板弯曲模式致动器的一些变形，这些变形包括使用支撑环的变形。

图8显示磁性基板弯曲模式致动器的变形，其中支撑环形成剂盒的一部分且位于波节位置。

图9示出两个示例致动器和膜安装机构，其中致动器和膜连接不包含直接接触。

图10示出被设计为使总阻尼最小的两个示例致动器和膜安装机构。

图11示出液体容纳盒的示例实施例，其中液体在传递前不久形成与有孔膜的接触。

图12示出对图8所示设计的替代盒设计，该替代盒设计包含增加设备喷射方向的特征。

图13是膜使磁路完整的本发明实施例。

具体实施方式

图1(a)示出纵向型1的本领域已知轴对称液滴生产设备。致动器包含与变形无源组件12结合的有源组件11，变形无源组件12被设计成在共振时该无源组件放大该有源组件的张力。有孔膜13结合至致动器，并且该装置具有总体的对称轴线10。致动器14的膨胀和收缩引起有孔膜沿大致平行的方向的放大运动15。根据设计，膜自身可以全部同相振动，具有穿过其半径的一个波长的运动（即，中心区可以与边缘异相）或一个波长以上的运动。图2(a)示出与该设备相关的致动器与膜的接合的细节。膜通过诸如粘合剂结合、激光焊接、铜焊、焊接等方式16永久地附接至致动器。该附接机构必须穿过该接合传输时变的力17，该力沿方向A和方向B主要垂直于结合面。作为示例，这种力概述在图2（d）中。当力沿方向A时，结合部16受压，当力沿方向B时，结合部张紧。

图1(b)示出另一轴对称液滴生产设备，但是具有呼吸类型。致动器再次包含有源组件21和无源组件22，但在该实例中，平面的致动器运动24引起膜23沿垂直于致动器运动的方向25的振动。图2(b)中示出该结合部接合。对于该类致动器来说，结合部26必须主要支撑剪切力27沿时变的径向向内并然后径向向外方向的传输。

在图1(c)中示出本发明适用的第三类装置。该装置使用单晶片致动器，该单晶片致动器包括在弯曲34中操作的有源层31和变形无源层32。该弯曲运动连接至膜33，并且驱动膜沿垂直于单晶片中性面的方向35振动。在图2(c)中示出结合细节，在该情况下，结合部36必须将时变的扭矩37a和法向力37b从致动器传输至膜。这两个主体力的相对强度和相将是设计相关的，但结果是结合部必须支撑穿过其表面的径向且时变的剪切力、压缩和张力。图3更详细示出基于有限元建模结果的关于特定致动器设计的这一点。尽管该模型只部分地捕获运动的物理性质（例如，其假设小的偏斜），但是其的确示出被传输的力的复杂度。在图3(a)中，在单个时间周期上绘出在致动器的无源组件的内半径处的时变的法向力和剪切力，其示出必须沿两个方向将法向力和剪切力传输至有孔膜。图3(b)示出必须传输的峰值法向力和剪切力如何在结合宽度上变化。除了非常靠近内半径的峰值之外，峰值法向力被预测为在结合宽度上大致均匀。

对于以上描述的所有三个结合部16、26和36来说，必须支撑的力是双向的。使致动器和膜之间的结合部或多个结合部只支撑单向力是可能的，但是这需要外部支撑的施加或多个结合（或接触）面的使用。这在图4中图示。在图4(a)中，从外部支撑18施加力19来将膜压缩至致动器的结合部，这导致结合部161只需要支撑时变的压缩力（如图4(c)中图示）。这具有只通过将这两个组件按在一起就能实现结合部的优点，但导致降低的效率，因为振动能量将在力施加机构19和致动器底座中耗散。

如图4(b)所示，另一种使致动器至膜的结合只需要支撑单向力的方法是通过使用一个以上的结合面。该示例是通过四个结合面（361至364）传输时变的力和力矩的弯曲模式装置。这些结合部中每个结合部只必须主要支撑时变的压缩力（还将需要支撑小的剪切力）。该示例包括螺纹和卡栓型安装（bayonet type fitting）。还应注意，结合部361和362能够合并，结合部363和364也能够合并，这导致穿越它们宽度的径向变化的力。这种方法的主要缺点是增加的附接和拆卸复杂度，增加的制造复杂度和增加的厚度。

应注意，与上面示例相关的讨论广泛地适用于其它致动器设计。进一步，尽管这些示例通常例示在可应用的模式（即最低频率弯曲模式）的致动器第一共振频率处的振动，讨论和本发明同样地适用于更高阶模式致动。

致动器和膜之间的双向力和扭矩能够通过使用磁力直接产生。这比其它临时结合机构（如使用偏置弹簧将它们按在一起）有利，因为如上讨论的，其取消对第二力施加机构（如偏置弹簧或第二机械接口）的需要。

在本发明的优选实施例中，通过使用构成致动器一部分的永久磁铁产生磁力。对于具有变形无源组件的致动器来说，于是在优选实施例中，磁铁构成该变形无源组件的一部分。图5示出本发明的一个优选实施例。在该实施例中，与图1(c)所示的致动器类似的薄盘单晶片致动器在由压电陶瓷组件31驱动的弯曲模式中起作用。弯曲模式致动器的使用由于其小型尺寸、低质量和高效率而是优选的。图1(c)中的变形无源组件32已被永久磁铁38代替，永久磁铁在该情况下是被轴向磁化的镀镍NeFeB稀土磁铁（即，其极点位于形成与对称轴线垂直的平面的那两个表面）。通过替换变形无源组件（其典型地由钢、铜、黄铜或铝制成）而不是添加新组件，没有质量被添加到致动器。在该示例中，致动器是单晶片型（unimorphtype），优选实施例。有孔膜优选由铁磁材料制成。在该实施例中，有孔膜39由50μm厚的马氏体不锈钢（Martensitic Stainless Steel）模压板制成，在马氏体不锈模压板中已经通过激光打孔制作锥形孔（或喷嘴391）。在储液器/盒中约束的或以液滴形式的液体主体40位于膜的一侧，并且在致动期间作为液滴41通过锥形喷嘴传递（从更开放侧向更闭合侧）。在该实施例中，100μl的液体液滴被放置在膜上，通过具有3289个喷嘴的膜已观察到超过9μl/s的流速，其中质量平均空气动力学直径是～4.5μm，即对于药物喷雾是理想的。这种结果纯粹是作为示例包括的，并且不应解释为对本发明的能力的限制。这种具有单个喷嘴的装置能够以按需滴落的方式用于进行例如流体的精确分配或印刷。

就致动器来说，强有力的永久磁铁是优选的，因此钕铁硼（NeFeB）稀土磁铁是理想的。这些能够被容易地制造成盘，然而除非差的产率和更高的成本能够被接受，否则小于0.4mm的厚度当前难以制作。这比一些当前的弯曲模式致动器（例如在由德国百瑞公司（Pari GmbH）制作的eFlow中发现的致动器）的变形无源组件更厚，因此使设计基于具有更厚无源组件的致动器是期望的。在上面的示例中，变形无源组件是0.5mm厚。尽管这能够进一步增加，但是其使结构变硬，使给定有源组件的共振振幅减少。因此，对于这种装置来说，0.4mm和1.0mm之间的无源组件厚度被认为是理想的，然而本发明仍然适用于更广范围的厚度。

就通常由具有150μm或更少（优选100μm或更少）厚度的薄材料构成的膜而言，连接力受限于该材料的磁饱和度（而不是受限于例如许可（permissivity））。因此，相对高饱和度的铁磁组件（理想地，那些具有大于1.6特斯拉饱和感应的组件）是优选的。还适合于激光打孔的这种优选材料的示例包括马氏体和铁素体不锈钢以及波明德（Permendur）合金。具有较低饱和度的铁磁材料（如铜坡莫合金（mumetal）和镍（Nickel））通常传递降低的性能。然而，镍具有可电成型（制造有孔膜的常用手段）的优点，因此在一些实施例中可以是优选的膜材料。

图6示出对各种膜材料与在图5中显示的设计相关的致动器和膜之间的相对连接力。除非另有说明，否则图6中的所有实施例具有下面的几何特性：4mm的致动器无源组件的内半径、11.4mm的致动器无源组件的外半径、0.5mm的致动器无源组件的厚度、8mm的有孔膜的外半径、50μm的有孔膜的厚度。对于以下讨论的实施例E至M，还使用具有下面尺寸的支撑环：4mm的内半径、6.5mm的外半径、0.5mm的厚度。

参照图6，实施例A是上面描述的传递9μl/s喷射速度的实施例，该实施例的估计磁吸引力是0.5N。实施例B和实施例C示出当使用不同的网状材料时的相对力变化。尽管轴向磁化已显示出传递良好的液滴生成性能，但是连接力能够通过使用径向磁化来增强，在径向磁化中一个磁极位于变形的无源组件的内半径，另一磁极位于外半径。因此，在本发明的优选实施例中，致动器由大体轴对称的环构成，永久磁铁部分的磁极化是径向的且垂直于环的旋转对称轴线。这样的部分的制造更具有挑战性，因为在磁体制造期间需要施加强的径向磁力，这需要定制工具，因此可能不总是优选的。因此，在一些情况中，本发明的优选实施例具有由大体轴对称的环构成的致动器，并且永久磁铁部分的磁极化平行于环的旋转对称轴线。对于图5和图6中考虑的实施例来说，使用径向磁化而不是轴向磁化预期传递连接力的四倍增加（图6中的实施例D）。这种方法还可以有利于线性装置，在该线性装置中有孔膜和致动器采取具有被模压的二维结构的近似形状，其中有孔膜的有孔部分的模压长度大于其宽度。对于这种线性装置来说，优选的磁化方向将基本上垂直于液滴生成方向。

如果需要额外的连接力（例如，使装置能够以更大的功率驱动，使得能够分配更粘的配方）或如果出于其它原因而必须使用非铁磁膜，则除使用铁磁膜材料之外或代替使用铁磁膜材料，能够使用被结合到膜上或将膜夹持到致动器上的永久磁铁或铁磁支撑结构。在一个优选实施例中，铁磁支撑结构的永久磁铁在使用时将有孔膜夹持到致动器上。该布置使支撑结构在需要时能够被重新利用，而不是每个有孔膜需要一个支撑结构。在另一优选实施例中，永久磁铁或铁磁支撑结构永久地结合至有孔膜。该布置使（但不是必须）支撑结构能位于致动器和有孔膜之间，这在一些情况中更可能是有利的。

应注意，这里术语“支撑”主要指结构对从致动器至膜的能量传输连接进行支撑的事实。这种结构还能够用来在膜不使用时或不附接至致动器时向膜提供机械支撑。尽管这必然增加装置的质量，但是该增加能够是最小的。图6的实施例E至实施例M示出通过使用各种2.5mm×0.5mm横截面的支撑环产生的连接力，该支撑环具有与致动器内直径匹配的内直径。使用软铁磁材料（如430系列不锈钢）能够相对于没有这种支撑环提供小的连接力增加，但是使用硬磁环能够传递增加的力。作为替代方案，致动器无源组件能够由软铁磁材料制成，支撑环由硬铁磁材料制成。

尽管用一个硬磁性材料和一个软磁性材料只能产生吸引力，但是用两个硬磁性材料则还能够直接产生扭矩。这能够用于帮助组件的连接并且还能够用于帮助使膜自位于致动器中心。为了进一步帮助力传输到垂直于接触表面的那些以外（还适用于当使用一个软磁性材料和一个硬磁性材料的情况），能够使用致动器或膜接触区域的表面特征，其中表面特征引起静摩擦系数的增加和/或帮助膜至致动器的对准。示例特征包括突起、沟槽、竖柱和孔。这种特征还能够帮助致动器至有孔膜的对准。因此，在优选实施例中，接触致动器的有孔膜表面具有沿垂直于与致动器的特征接合的接触表面的方向延伸的机械特征。纹理、粗糙化和不滑涂层的添加还可能是有利的。

图7提供使用铁磁支撑结构的示例实施例。在图7(a)中，结构42可以永久地结合至膜33或39或可以非永久地结合至膜33或39，并且将膜夹持至致动器。在图7(b)和图7(c)中，支撑结构永久地结合至膜。图7(c)具有能够使用用于对准的支撑结构43的额外益处。这种对准能够通过其它手段实现，其它手段的一个示例在图7(d)中示出。这里，有孔膜在激光打孔后隆起成穹顶状，以借助于用于对准目的的穹顶的外部特征增加硬度。

图8(a)显示使用硬的磁性支撑环124来传递增强的性能的优选实施例。在该实施例中，弯曲模式致动器121的变形无源组件由用具有7.75mm内直径、21mm外直径的被轴向磁化的磁铁制成，该磁铁典型地由涂覆有NeFeB的锌制成，且标称0.5mm厚。将其结合至由德国百瑞公司制造那种具有12mm内直径、19mm外直径以及0.20mm厚度的由PIC151材料制成的PZT盘122。该磁铁的锌涂层用于提高这两个组件之间的结合。其它涂覆材料也可使增强的结合成为可能，这包括镍、环氧树脂和金。盒包含100μm厚的430型不锈钢盘123，该盘已被激光打孔以产生～3000个孔，然后以大约10mm的穹顶半径隆起成穹顶状，该穹顶延伸出至刚好小于致动器的内直径的直径。该有孔膜已被结合至具有9mm内直径、12mm外直径以及1.5mm厚度的被轴向磁化（并且定向为当放置时将被吸引至变形无源组件）的磁性支撑环124，磁性支撑环124典型地由NeFeB制成。可选地，薄塑料盖125附接至该支撑环以创建容纳待分配液体的封闭容积，并且能够施加相对于大气压力的压力差（用已知的稍微降低的压力，以提高这种装置的性能）。

该优选实施例受益于优良的可重复性和性能，以及盒相对于致动器的方便定位。该设备全部同相地对膜的有孔区域进行操作，这最小化任何制造变差的影响，同时振动波长被最大化。使用盐溶液，以大约4.5μm的液滴尺寸（D(4,3)）展示超过20μl/s的传递速度，以大约9μm的液滴尺寸（D(4,3)）展示超过140μl/s的传递速度。

被认为有益的该实施例的一个优选特征是在设备的波节位置处或在设备的波节位置附近放置支撑环。通过这一点，我们指将支撑环定位成在使用时致动器的波节点（nodal point）位于支撑环内直径和外直径之间，或位于支撑环内直径和外直径的0.5mm内。这由图8(b)图示，图8(b)示出使用激光扫描测振仪通过扫描共振处的装置的前（液滴喷出侧）表面测量上面描述的实施例在膜速度峰值点处的代表性运动。在0和3.875mm半径之间，线示出有孔膜的速度，并且在3.875mm半径和10.5mm半径之间，线示出致动器的速度。应注意，该线只示出代表性运动，因为实际上运动是不完全轴对称的。参照图，致动器波节位置位于大约5.7mm半径和9.0mm半径处，并且这些位置中的第一个位置位于支撑环的内半径和外半径之间。该位置指支撑环的运动最小化，这减少来自致动器的所需能量传递并且提高性能。还被认为有益的是，将盒或储液器的壁放置为它们在使用时在致动器的波节位置处或在致动器的波节位置附近接触有孔膜和/或致动器。无论是否利用支撑环，这都适用，因为其使所述壁的运动最小化，因此减少需要从致动器传递的能量的量。这种放置还能够用于将设备（致动器以及盒/储液器）安装到装置本身。这可使致动器支撑待移除的或待最小化的结构底座（即致动器能够经由盒/储液器在结构上安装至装置的其余部分），这对一些实施例可以是有益的。

在许多情况下，并且如在上面的实施例中描述的，期望将优选地使致动器和膜直接物理接触。在这些情况下，磁力将优选是吸引的。本发明还能够被认为以膜和致动器不直接物理接触的形式体现。这可以例如为了卫生目的或美学目的而通过用薄的无源层分离这两个部分。另外，通过避免物理接触，有可能放大位移，使得有孔膜整体相比于致动器的任何部分移动更大范围。这是有益的，因为这能够提高效率，并且对给定量的膜运动需要较少的致动器运动。因此在本发明的一个优选实施例中，致动器和膜在操作期间不直接物理接触，并且被配置为使得邻近致动器的有孔膜的运动幅度大于致动器自身的运动幅度。实现该放大的手段包括将膜附接至被设计成在致动器的振荡频率下机械共振的结构。该结构能够包含例如环形的鼓皮或鼓裙（其可以是膜自身的延伸）。可替代地，共振结构可以是弹簧，该弹簧也被设计为在致动器频率下或在致动器频率附近振动。图8显示两个示例实施例。

在图9(a)中，致动器81是包含有源组件811和无源组件812的纵向型，其中无源组件是如图中所示被轴向剪短的永久磁铁。致动器位于固定壁82后面。待分配的流体被容纳在配件83中，该配件83包含永久磁铁支撑环831、有孔膜823、盒背表面822和底座824。底座在使用时附接至固定壁，在该实施例中，支撑环被剪短使得其在安装时被致动器排斥。有孔膜在支撑环和底座之间延伸，使得其将该配件保持在一起，保持支撑环靠近致动器无源组件，并且当被致动时以共振方式弯曲。液体被容纳在包含有孔膜、支撑环和背表面的表面内。

在图9(b)中示出另一示例实施例。致动器具有与图9(a)中示出的致动器类似的类型，但是这里有孔膜861由软铁磁材料制成且被吸引至致动器无源组件842。底座864和边部（skirt）842保持有孔膜离开致动器。在该实施例中，边部是与有孔膜分离的组件，边部与有孔膜连接并且被设计为能以最小的能量耗散使致动器和膜之间的运动放大。应注意，图9显示致动器和膜不直接物理接触的示例实施例，若干可替代实施例将对具备本领域知识的人员来说基于本说明书是显而易见的。

虽然有孔膜可以独立于待分配液体的引入而形成与致动器的接触，但是在许多应用中，将膜和液体一起存储并带给致动器是有益的。因此在优选的实施例中，有孔膜永久地附接至液体容纳储液器。图10(a)示出一个这样的理想地适合于低成本消费者应用的实施例，其中膜39被结合至构成液体容纳储液器98一部分的柔性支撑结构97。该柔性支撑结构可能是被分配的硅酮或低肖氏硬度弹性化合物。可替代地，并且如图10(a)所示，其可以是由一个或多个薄膜层构成的柔性袋。该柔性支撑不仅仅适用于被供应有流体的膜的情况。因此，在优选实施例中，有孔膜在不与致动器接触时通过柔性支撑被支撑。参照图10(a)中的示例实施例，这种袋可以构成液体容纳结构的仅一部分或大部分。位置特征96能够用于帮助膜至致动器的初始对准。该储液器98包含所有液体接触组件，并且可以是可用户替换的。包括有源组件31和变形无源组件38的致动器在这里使用低肖氏硬度硅酮94被结合至主装置上的刚性支撑结构95。如细长指状物这样的其它低阻尼支撑能够用于该连接，因为接合不需要是不透液体的。

图10(b)示出更适合于基于盒的配剂传递的可替代实施例。在该实施例中，每个盒包含有孔膜33或39、也构成盒液体容纳结构一部分（优选实施例）的铁磁支撑环92、以及使储液器98完整的衬背99。这种衬背可以是刚性的或柔性的。盒在不附接至致动器时被外结构100宽松地支撑，该外结构100例如可以是保持许多盒的带结构的一部分。该结构用于将盒移动至致动器附近，其在该点处通过磁力对准和连接，这将盒拉到致动位置上。当附接至致动器时，几乎没有（如果有）与支撑结构100的任何接触，这最小化通过阻尼的能量损耗。

通常可适用于很多有孔膜液滴生成设备的其它特征能够被添加到该盒，以帮助灭菌并减少通过例如蒸发的液体损失。这样的特征包括有孔膜上的可剥落盖以及只在使用前不久将液体引至膜的内部阀。图11中示出这种内部阀的示例实施例。在该图的实施例示例中，提供了用于在液滴生成设备中使用的有孔膜，该有孔膜与待通过该有孔膜分配的液体封装在一起，其中液体被存储在基本不透液体的隔室中，其中所存储的液体与膜的一侧形成接触，然后从膜的另一侧生成液滴，其中所述液滴生成是由膜的振动引起的。

在图11(a)中，容纳待传递的液体101的袋102与类似容积的空袋104分离，有孔膜106在类似容积的空袋104中构成一侧。在将压力施加至容纳液体的袋时，不透液体的阀103打开，允许液体涌至网眼后，空气通过通风口105逸出。

导致液体形成与有孔膜的一侧接触的行为优选地还导致一旦接触，液体就处于略低于大气压力的压力下，这已知会增强液滴生成。实现这一点的若干手段是可能的。盒能够被设计成增加容积。盒的一个或多个表面能够被机械地施加偏压或弹起，使得它们对液体施加力。一旦液体与膜形成接触，就能够提取一些液体或与液体一起存储的气体。与液体一起存储的气体能够被冷却。进一步，盒结构能够具有两个稳态，一个是液体位于不透液体的隔室，一个是利用增加的盒容积在隔室和有孔膜之间产生流体路径。图11(b)和图11(c)中示出其容积作为使液体与有孔膜形成接触的行为的一部分增加的盒的示例，其中阀打开运动基本上垂直于有孔膜表面（优选实施例）。在图11(b)中，无菌液体容纳腔室由模铸组件102a和盖102b组成，其中盖是在将液体被注入盒中以后添加的。盖可以是例如箔片或模铸的塑料，并且能够被粘附地结合、被热熔或被超声焊接至模铸组件102a。阀103构成与有孔膜106连接的空袋组件104的一部分。当液体容纳隔室远离网眼表面107移动时，阀打开，这允许液体形成与有孔膜108的接触并且空气替代液体109。由于两个腔室102和104的总体积增加，所以空气将通过有孔膜进入腔室。只要液体在完成盒运动107之前形成与全部膜孔的接触，那么在孔上挂住的流体将限制此空气进入，导致液体处于周围大气的压力以下的压力。这已知会增强液滴生产性能。如图11(c)所示，确保液体在完成运动（并且对应的容积增加）之前与膜孔接触能够通过阀的慢开启或两级开启、仔细的阀设计或通过使用一个以上的阀来完成。这里，阀103b使空气替代无菌盒中的液体，同时阀103a使液体快速地流动至与有孔膜接触。

通常可适用于很多有孔膜液滴生成设备的其它特征能够被添加至该盒，以增加方向独立性。例如，如图12所示，如灯芯的开孔泡沫这样的多孔材料126能够被放置为与有孔膜的液体侧接触。这将有助于在盒空时保持液体与膜的接触。将在特定实施例中有益的其它特征包括使用板或类似结构127，板或类似结构127位于有孔膜表面且基本平行于有孔膜表面并且被定型为在分配流体129时表面张力朝向有孔膜中心吸引液体。对于这样的结构来说，膜与结构128表面之间的最小距离应当是2.0mm或更少，优选更小的值尤其用于低表面张力液体。

虽然以上讨论的特征和实施例主要涉及其格外有益于的轴对称弯曲模式装置，但是它们还对于包括径向型和纵向型的那些在内的其它致动器类型具有广泛的适用性。它们还适用于线性类型和其它非轴对称设计。

对于线性致动器来说，图13中公开了利用磁连接力的可替代手段。这里，膜118使磁路完整，这增强会以其它方式出现的吸引力。致动器具有包括有源组件111和变形无源组件112的楔类型，其中该楔块放大振动运动。膜连接至该楔块的厚端，并且跨接连接至非移动支撑结构113。对于一些实施例来说，该非移动结构能够被有源组件和无源组件替换，这产生通过膜中心的对称轴线。变形无源组件112和支撑结构113由合适的铁磁材料形成，并且连接至基本上非移动的永久磁铁114，其中磁铁被定向为一个磁极靠近与支撑结构的接合处，另一磁极靠近无源组件。该实施例的优点在于通过使用楔形设计，永久磁铁不振动。

Claims (28)

1.一种液滴生产设备，包括：

有孔膜；

用于供应液体至所述膜的一侧的模块；

用于振动所述膜的致动器，所述振动引起从所述膜的另一侧喷出液滴；

其中磁力用于将所述致动器连接至所述膜，使得能够传输所述振动。

2.根据权利要求1所述的液滴生产设备，其中所述磁力是通过使用构成所述致动器一部分的永久磁铁产生的。

3.根据权利要求2所述的液滴生产设备，其中所述磁铁是或构成所述致动器的变形无源组件的一部分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备，其中所述致动器是弯曲模式致动器。

5.根据权利要求4所述的液滴生产设备，其中所述致动器具有单晶片构造。

6.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备，其中所述致动器由大体轴对称的环构成，并且其中磁极化是径向的并且垂直于该环的旋转对称轴线。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的液滴生产设备，其中所述致动器由大体轴对称的环构成，并且其中磁极化平行于该环的旋转对称轴线。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的液滴生产设备，其中所述设备是线性装置，并且其中磁极化基本垂直于液滴生成方向。

9.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备，其中致动器的无源组件的厚度在0.4mm和1.0mm之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备，其中所述致动器和膜在操作期间直接物理接触，并且磁力是吸引的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备，其中所述致动器和膜在操作期间不直接物理接触，并且其中所述设备被配置为使得与所述致动器邻近的有孔膜的运动幅度大于所述致动器自身的运动幅度。

12.根据权利要求1或2所述的液滴生产设备，其中所述致动器具有楔型设计，并且磁力是通过使用被安装到楔的厚端的永久磁铁产生的。

13.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备，其中所述有孔膜由铁磁材料制成。

14.根据权利要求13所述的液滴生产设备，其中所述有孔膜由马氏体钢、铁素体钢或波明德合金制成。

15.根据权利要求13所述的液滴生产设备，其中所述有孔膜由具有1.6特斯拉或更大的饱和感应的材料制成。

16.根据权利要求13所述的液滴生产设备，其中所述有孔膜由电铸的镍制成。

17.一种在液滴生产设备中使用的有孔膜，其中所述有孔膜由具有1.6特斯拉或更大的饱和感应的材料制成。

18.一种在液滴生产设备中使用的有孔膜，其中所述有孔膜附接至永久磁铁或铁磁材料支撑结构。

19.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备或有孔膜，其中永久磁铁或铁磁材料支撑结构在使用时将所述有孔膜夹持至所述致动器。

20.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备或有孔膜，其中永久磁铁或铁磁材料支撑结构被永久地结合至所述有孔膜。

21.根据权利要求18、19或20所述的液滴生产设备或有孔膜，其中对所述支撑结构进行定位，使得致动器的波节在使用时位于所述支撑结构的内部界限和外部界限之间，或位于这些界限的0.5mm内。

22.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备或有孔膜，其中接触所述致动器的有孔膜的表面具有沿垂直于接触表面的方向延伸的、与所述致动器的特征接合的机械特征。

23.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备或有孔膜，其中所述有孔膜永久地附接至液体容纳储液器。

24.根据权利要求23所述的液滴生产设备或有孔膜，其中液体容纳结构至少部分地由铁磁材料制成。

25.根据权利要求23或权利要求24所述的液滴生产设备或有孔膜，其中致动器的波节在使用时位于所述液体容纳储液器的壁的内部界限和外部界限之间的、所述壁附接至所述有孔膜的点，或位于这些界限的0.5mm内。

26.根据权利要求23、24或25所述的液滴生产设备或有孔膜，其中多孔材料在所述膜的液体侧与所述有孔膜接触。

27.根据权利要求23、24或25所述的液滴生产设备或有孔膜，其中一结构位于所述有孔膜的液体侧，该结构的与所述有孔膜最近的表面基本平行于所述有孔膜的表面，并且所述结构的表面和所述有孔膜的表面之间的最小距离为2.0mm或理想地2.0mm以下。

28.根据前述权利要求中任一项所述的液滴生产设备或有孔膜，其中所述膜在当不与所述致动器接触时通过柔性支撑被支撑。

Images