CN115209751A - 具有对换能器的反馈控制的气溶胶生成装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种气溶胶生成装置。所述气溶胶生成装置可包括压电换能器(10)。所述气溶胶生成装置可包括驱动电路(12)，所述驱动电路连接到所述压电换能器并且被配置成向所述换能器施加振荡电流。所述气溶胶生成装置可包括连接到驱动电路并且被配置成监测压电换能器的谐振行为的控制电路(14)，所述控制电路被配置成基于压电换能器的谐振行为控制驱动电路的操作。

Description

具有对换能器的反馈控制的气溶胶生成装置

技术领域

本发明涉及使用液体气溶胶形成基质的气溶胶生成装置。具体地讲，本公开涉及使用振动换能器移动或雾化液体气溶胶形成基质的气溶胶生成装置。

背景技术

气溶胶生成装置的一个例子是电子烟。通常，在电子烟中，将液体气溶胶形成基质加热以生成蒸汽从而生成气溶胶。然而，已经提出了使用振动换能器从液体气溶胶生成装置生成液滴的替代设计，其中液滴形成气溶胶。

振动换能器也可以用作小型液体泵的基础。小型液体泵可用于例如电子烟的气溶胶生成装置中，以将液体气溶胶形成基质从贮存器递送到例如加热器或振动换能器的雾化元件。

发明内容

期望尽可能优化用于气溶胶生成装置中生成气溶胶或用于在装置内移动液体的任何振动换能器的效率。这在手持式气溶胶生成装置中尤其重要，例如电子烟，电子烟通常由电池供电，并且期望尽可能小，但需要根据使用者的需求生成大量的气溶胶。

还期望能够快速且简单地检测影响气溶胶生成装置的输出和效率的任何改变的操作条件。

根据本发明的一个方面，提供一种气溶胶生成装置。气溶胶生成装置可以包括换能器。换能器可以是压电换能器。所述气溶胶生成装置可包括驱动电路，所述驱动电路连接到所述换能器并且被配置成向所述换能器施加振荡电流。所述气溶胶生成装置可包括控制电路，所述控制电路连接到所述驱动电路并且被配置成监测所述换能器的谐振行为，所述控制电路被配置成基于所述换能器的谐振行为控制所述驱动电路的操作。

如本文所用，“谐振行为”意指压电换能器对振荡输入信号的响应的任何可测量方面。例如，谐振行为可以是一个谐振频率或若干谐振频率，或一个谐振频率或若干谐振频率的变化、最大响应振幅或最小响应振幅、最大或最小输入阻抗、相位响应或相位响应的变化。

换能器的谐振行为可以由一个或多个可测量参数表示，例如输入阻抗或一个或多个最大振幅响应频率。

压电换能器可以是换能器组件的一部分。所述换能器组件可以被配置成与所述装置内的液体气溶胶形成基质相互作用。所述换能器组件可以被配置成从所述液体气溶胶形成基质生成气溶胶。所述换能器组件可以被配置成移动所述液体气溶胶形成基质。

在一些实施例中，所述换能器组件包括穿孔膜或网。所述换能器可以被配置成以一个或多个频率驱动所述穿孔膜或网振动。穿孔膜或网的振动可迫使液体气溶胶形成基质通过穿孔膜或网，这可使得形成包括液体气溶胶形成基质的液滴的气溶胶。

在一些实施例中，所述换能器组件包括被配置成接触液体气溶胶形成基质的膜或表面。所述换能器可以被配置成以一个或多个频率驱动所述膜或表面振动。膜或表面的振动可迫使液体通过相邻的网或穿孔膜，这可使得形成包括液体气溶胶形成基质的液滴的气溶胶。

在一些实施例中，所述换能器组件包括雾化表面，所述雾化表面被配置成接触液体气溶胶形成基质和所述换能器上的电极，所述电极被配置成在所述雾化表面上生成表面声波(SAW)。SAW生成液体气溶胶形成基质的液滴，其形成气溶胶。

在一些实施例中，所述换能器组件形成液体泵的一部分。所述换能器可包括被配置成接触液体气溶胶形成基质的膜或表面。所述换能器可以被配置成以一个或多个频率驱动所述膜或表面振动。膜或表面的振动可迫使液体通过相邻的液体阀。

在所有这些实施例中，能够响应于换能器的谐振行为的变化而控制换能器的操作频率或换能器的操作功率(或换能器的操作频率和操作功率两者)是有益的。特别是控制操作频率可以是有益的，以便提高系统的效率。控制操作频率可以允许最大化气溶胶生成。

所述控制电路可以被配置成在装置被首次激活时控制驱动电路的操作。控制电路可以被配置成在装置的操作期间周期性或间歇地控制驱动电路的操作。

压电换能器的谐振行为在装置操作期间可能改变，原因有多种。可能影响换能器谐振行为的一个参数是温度。换能器组件的谐振频率可随着温度在换能器组件的材料膨胀或收缩时改变，从而使得尺寸改变和换能器组件内的残余应力改变。由于环境温度的变化，换能器组件的温度可能发生变化。由于在操作期间装置内的能量耗散，传感器组件的温度变化可由于传感器组件的增温而发生。通常，在装置操作期间，换能器组件将变热。换能器组件增温可能使得换能器的谐振频率下降。

环境条件的其它变化可能影响换能器的谐振行为。例如，大气压或湿度的变化可能影响换能器的谐振行为。

与换能器组件接触的材料的变化可以改变换能器的谐振行为。特别地，换能器上的负荷变化可以改变换能器的谐振行为。例如，与换能器组件接触的液体气溶胶形成基质的体积的变化可以改变换能器上的负荷。与换能器组件接触的液体气溶胶形成基质的组成改变可改变换能器上的负荷。

换能器的谐振行为可由于换能器组件的一个或多个部件的老化而改变。

因此，可以看到，换能器组件的谐振行为的变化可能是快速的，或者可以包括较长期的漂移。该装置能够应对快速变化和长期漂移是有益的。

控制电路可以被配置成控制驱动电路的操作，使得振荡电流具有等于压电换能器的谐振频率的频率。以谐振频率操作可以允许将最大量的功率传递到换能器。以谐振频率操作可产生最大振动振幅和最大振动速度。这可以有利于生成具有所需特性的气溶胶。

控制电路可以被配置成控制驱动电路的操作，使得振荡电流具有从换能器的谐振频率偏移的频率。这在一些情况下可能是有利的。例如，当换能器在其谐振频率下的阻抗与驱动电路的输出阻抗不匹配时，频率的较小偏移可用于在最高功率输送给换能器的阻抗匹配点处操作系统。此频率可为谐振频率与反谐振频率之间的某个频率。在该区域中，阻抗随着频率而显著改变，允许精确的调谐。

所述控制电路可以被配置成监测所述换能器在对应于不同振动模式的多个谐振频率下的谐振行为。可以多个不同频率驱动换能器，以便生成具有不同特性的气溶胶液滴。

控制电路可以被配置成通过测量递送到换能器的功率或换能器的输入阻抗来监测压电换能器的谐振行为。在谐振频率下，递送功率最大化且输入阻抗最小化。

控制电路可以被配置成通过确定来自换能器的输出信号的过零点或来自换能器的输出信号的拐点来监测压电换能器的谐振行为。过零点或拐点可用于确定操作频率。

控制电路可包括锁相环(PLL)。所述锁相环可以包括相位比较器，并且可以确定来自换能器的响应中的相移。使用锁相环可能是有利的，因为它不需要微处理器。它可能是低成本和高可靠性的解决方案。

在一些实施例中，驱动和控制电路被配置成：

a)将具有驱动频率的电流施加到所述换能器；

b)在周期性间隔的时隙期间，施加具有第二频率的电流，所述第二频率是比所述驱动频率更高或更低的频率；

c)当与所述第一频率相比时，确定递送到所述换能器的功率是否在所述第二频率下增加；以及

d)如果在所述第二频率下递送的功率增加，使用所述第二频率作为所述驱动频率，否则保持现有驱动频率；以及

e)重复步骤a)至d)。

在替代时隙中，驱动电路可以使用高于驱动频率的第二频率，并且在替代时隙中，可以使用低于驱动频率的第二频率。

此过程使得装置自动跟踪换能器的谐振频率。

第二频率可以比驱动频率高或低预定量。

用于检测谐振频率变化的其它选项包括使用专用MEMS传感器。例如，低惯性MEMS悬臂可以放置成与换能器组件的振动元件接触，使得悬臂与换能器组件的振荡同步并提供对应的电信号。另一种选项是通过监测换能器中的电压和电流来使用实时阻抗测量。在此情况下，可单独地解决换能器的串联和并联模式。可根据对于机械部分由串联的电容C1、电感L1和电阻R1组成，对于并联的换能器电部分由另一电容C0和电阻R0组成的电等效电路来描述换能器行为。取决于频率，此电路可在串联分支(C1，L1，R1)自身谐振(串联谐振模式)或此LCR串联与并联C0谐振(并联谐振模式)的状态中运行。串联谐振频率接近于换能器的谐振频率，并联谐振频率接近换能器的反谐振频率。串联模式谐振提供低阻抗，且对于相同功率产生较高电流和较低电压。机械上，这提供了大的位移振幅。并联模式谐振提供高阻抗，且对于相同功率产生较低电流和较高电压。机械上的损失较低。在这种情况下，可以增加调谐串联电感，并且电声能量传递效率在反谐振处可以更高。

所述装置可包括调谐所述换能器的谐振频率的装置。例如，耦合到压电换能器的膜可以通过施加DC偏置电压来预加应力，DC偏置电压将改变其谐振行为。当装置的部件老化时，对装置的谐振响应进行调谐以匹配与气溶胶形成基质相关联的特定所需一个或多个频率可能是有益的。

控制电路可包括微处理器。控制电路可包括现场可编程门阵列(FPGA)。驱动电路和控制电路可集成到单个电路中。

控制电路可以被配置成控制来自驱动电路的振荡电流的载波频率、占空比、功率、调制频率或振幅。

如所描述，换能器的谐振行为可能受到与换能器组件的部分接触的液体量的影响。控制电路可以被配置成基于换能器的谐振行为的变化来检测与换能器组件接触的液体量的减少。这可以基于大于阈值量的谐振频率的突然变化。所述控制电路可以被配置成响应于检测到递送到所述换能器组件的液体的显著减少而停止所述驱动电路的操作。控制电路可以被配置成基于装置的任何故障来停止或修改驱动电路的操作，所述装置的故障是基于换能器的谐振行为确定的。

所述压电换能器可包括单晶材料。所述压电换能器可包括石英。所述压电换能器可包括陶瓷。所述陶瓷可包括钛酸钡(BaTiO3)。陶瓷可包括锆钛酸铅(PZT)。陶瓷可包括掺杂材料，例如，Ni、Bi、La、Nd或Nb离子。压电换能器可被极化。压电换能器可未极化。压电换能器可包括极化和未极化两种压电材料。

驱动电路可以被配置成施加频率可在20kHz与约1500kHz之间，或在约50kHz与约1000kHz之间，或在约100kHz与约500kHz之间的振荡电流。这可提供所需的气溶胶输出速率和所需的液滴大小。

气溶胶生成装置可以被配置成生成气溶胶以供使用者吸入。气溶胶生成装置可为电操作吸烟装置。

气溶胶生成装置可包括包含液体气溶胶形成基质的液体贮存器。在使用中，压电换能器可与来自液体贮存器的液体接触。

气溶胶生成装置可包括包含液体气溶胶形成基质贮存器的液体存储部分。所述液体存储部分可形成可与所述装置的剩余部分分离的筒的一部分。气溶胶生成系统的液体存储部分可包括大体上圆柱形的外壳，其中开口在圆柱体的一端。液体存储部分的外壳可具有大体上圆形的横截面。外壳可以是刚性外壳。如本文中所使用，术语“刚性外壳”用以表示自支撑式外壳。液体存储部分的刚性外壳可提供对加热构件的机械支撑。

液体存储部分可进一步包括在用于持有气溶胶形成基质的外壳内的载体材料。

液体气溶胶形成基质可以吸附或以其它方式装载到载体或支撑件上。载体材料可从任何合适的吸收塞或吸收体制成，例如，发泡金属或塑料材料、聚丙烯、涤纶、尼龙纤维或陶瓷。在使用气溶胶生成系统前，液体气溶胶形成基质可保留于载体材料中。可在使用期间将液体气溶胶形成基质释放到载体材料内。可在使用前立即将液体气溶胶形成基质释放到载体材料内。

在一个实例中，在毛细管材料中持有液体气溶胶形成基质。毛细管材料为将液体从材料的一端主动地传送到另一端的材料。毛细管材料可有利地定向于外壳中以将液体气溶胶形成基质传送到换能器组件。毛细管材料可以具有纤维状结构。毛细管材料可以具有海绵状结构。毛细管材料可包括毛细管束。毛细管材料可包括多个纤维。毛细管材料可包括多条线。毛细管材料可包括细孔管。毛细管材料可包括纤维、线与细孔管的组合。纤维、线与细孔管可通常对准以将液体传送到可振动元件。毛细管材料可包括海绵状材料。毛细管材料可包括泡沫状材料。毛细管材料的结构可形成多个小孔或小管，液体可以通过毛细管作用输送通过所述小孔或小管。

毛细管材料可包括任何适合的材料或材料的组合。合适材料的例子是海绵或泡沫材料，呈纤维或烧结粉末的形式的陶瓷或石墨基材料，泡沫金属或塑料材料，例如由纺制或挤出纤维制造的纤维状材料，如醋酸纤维素、聚酯或粘合聚烯烃、聚乙烯、涤纶或聚丙烯纤维、尼龙纤维或陶瓷。毛细管材料可具有任何合适的毛细管作用和孔隙度，以便与不同的液体物理性质一起使用。液体气溶胶形成基质具有包括(但不限于)粘度、表面张力、密度、热导率、沸点和原子压力的物理性质，这允许通过毛细管作用将液体输送通过毛细管材料。毛细管材料可被构造成将气溶胶形成基质传送到换能器组件。

载体材料可邻接换能器组件。液体气溶胶形成基质可通过毛细管作用从液体存储部分输送到换能器组件。

替代性地或另外，所述装置可以包括泵。液体气溶胶形成基质可通过泵从贮存器递送到换能器组件。

气溶胶生成装置可包括在液体存储部分的外壳中的液体气溶胶形成基质。液体气溶胶形成基质是能够释放可以形成气溶胶的挥发性化合物的基质。可通过将液体气溶胶形成基质移动通过可振动元件的过道来释放挥发性化合物。

液体气溶胶形成基质可包括尼古丁。包含液体气溶胶形成基质的尼古丁可为尼古丁盐基质。液体气溶胶形成基质可包括植物基质料。液体气溶胶形成基质可包括烟草。液体气溶胶形成基质可包括含有挥发性烟草香味化合物的含烟草材料，所述材料在加热后即从气溶胶形成基质释放。液体气溶胶形成基质可包括均质化的烟草材料。液体气溶胶形成基质可包括不含烟草的材料。液体气溶胶形成基质可包括均质化的植物基材料。

液体气溶胶形成基质可包括至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂是任何合适的已知化合物或化合物的混合物，该化合物在使用中有利于形成致密且稳定的气溶胶并且在系统的操作温度下基本上耐热降解。合适的气溶胶形成剂是本领域众所周知的，并且包括但不限于：多元醇，诸如三甘醇，1,3-丁二醇和甘油；多元醇的酯，诸如甘油单、二或三乙酸酯；和一元、二元或多元羧酸的脂肪酸酯，诸如二甲基十二烷二酸酯和二甲基十四烷二酸酯。气溶胶形成剂可为多元醇或其混合物，例如，三甘醇、1,3-丁二醇和丙三醇。液体气溶胶形成基质可以包括其它添加剂和成分，例如香料。

气溶胶形成基质可包括尼古丁和至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂可为丙三醇。气溶胶形成剂可为丙二醇。气溶胶形成剂可包括丙三醇和丙二醇两者。气溶胶形成基质可具有在约2％与约10％之间的尼古丁浓度。

气溶胶形成基质可在20℃的温度下具有在约0.4mPa.S(0.4mPl、0.4cP)与约1000mPa.S(1000mPl、1000cP)之间或在约1mPa.S与100mPa.S之间或约1.5mPa.S和约10mPa.S的动态粘度(μ)。

气溶胶生成装置可以包括电源。电源可为电池。电池可为基于锂的电池，例如锂钴、锂铁磷酸盐、钛酸锂或锂聚合物电池。电池可为镍金属氢化物电池或镍镉电池。电源可以是另一形式的电荷存储装置，例如，电容器。电源可能需要再充电，且针对许多充放电循环而配置。电源可具有允许存储用于一或多次吸烟体验的足够能量的容量；例如，电源可具有足够地容量以允许在大约六分钟(对应于吸常规香烟所花去的典型时间)的周期内或在六分钟的倍数的周期内连续生成气溶胶。在另一实例中，电源可具有足够容量以允许预定数目次的喷烟或加热构件和致动器的离散启动。

气溶胶生成装置可以是便携式的。气溶胶生成装置可以具有与常规雪茄或香烟相当的大小。气溶胶生成系统可具有在约30mm与约150mm之间的总长度。气溶胶生成装置的外径可以在大约5mm与大约30mm之间。

气溶胶生成装置可包括外壳。外壳可为细长的。外壳可包括任何合适的材料或材料的组合。合适的材料的实例包括金属、合金、塑料或含有那些材料中的一种或多种的复合材料，或适用于食物或药物应用的热塑性材料，例如聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)和聚乙烯。材料可以是轻的且不易碎的。

外壳可包括用于接纳电源的空腔。外壳可以包括烟嘴。烟嘴可以包括至少一个空气入口和至少一个空气出口。烟嘴可以包括一个以上的空气入口。

传感器组件对液体气溶胶形成基质的作用可以加热气溶胶形成基质。当期望将温热的气溶胶递送给使用者时，这可以是期望的。替代地或另外，所述装置可包括加热器。加热器可在液体气溶胶形成基质到达换能器组件之前、在换能器组件处或在已形成气溶胶之后加热液体气溶胶形成基质。

在本发明的另一方面，提供了一种操作气溶胶生成装置的方法。所述装置可包括压电换能器。所述装置可包括连接到压电换能器的驱动电路。所述装置可包括控制电路，所述控制电路被配置成监测所述压电换能器的参数并且连接到所述驱动电路。所述方法可包括使用驱动电路将振荡电流施加到换能器。所述方法还可包括使用控制电路监测压电换能器的谐振行为。所述方法还可包括基于被监测的压电换能器的谐振行为来控制驱动电路的操作。

压电换能器可以是换能器组件的一部分。所述换能器组件可以在液体泵中。所述换能器组件可包括被配置成接触液体气溶胶形成基质的膜或表面。压电换能器可以被配置成驱动膜或表面振动。膜或表面的振动可迫使液体通过液体泵中的相邻液体阀。

所述方法可包括基于被监测的压电换能器的谐振行为停止驱动电路的操作。所述方法可包括控制来自驱动电路的振荡电流的载波频率、占空比、功率、调制频率或振幅。

监测谐振行为的步骤可包括施加具有不同频率的振荡电流，以及确定在不同频率下换能器的谐振行为。所述方法可包括施加包括多个正弦频率的振荡电流。

本发明可以在整个操作中提供高效操作的优点，而不管换能器上的负荷变化和环境条件或装置条件的变化如何。本发明还可以提供用于检测故障和异常操作条件的手段，例如减少液体气溶胶形成基质的供应。

本发明在权利要求书中限定。然而，下文提供了非限制性实例的非详尽清单。这些实例的任何一个或多个特征可与本文中描述的另一实例、实施例或方面的任何一个或多个特征组合。

实例Ex1：一种气溶胶生成装置，包括：压电换能器；驱动电路，所述驱动电路连接到所述压电换能器并且被配置成向所述换能器施加振荡电流；以及控制电路，所述控制电路连接到所述驱动电路并且被配置成监测所述压电换能器的谐振行为，所述控制电路被配置成基于所述压电换能器的谐振行为控制所述驱动电路的操作。

实例Ex2：根据实例Ex1的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成控制所述驱动电路的操作，使得所述振荡电流具有等于所述压电换能器的谐振频率的频率。

实例Ex3：根据实例Ex1的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成控制所述驱动电路的操作，使得所述振荡电流具有从所述压电换能器的谐振频率偏移的频率。

实例Ex4：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成以对应于不同振动模式的所述压电换能器的多个谐振频率监测所述压电换能器的谐振行为。

实例Ex5：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成通过测量递送到所述压电换能器的功率或所述压电换能器的阻抗来监测所述压电换能器的谐振行为。

实例Ex6：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其中所述驱动电路和控制电路包括锁相环(PLL)。

实例Ex7：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其中所述压电换能器是气溶胶生成元件，所述气溶胶生成元件被配置成从液体气溶胶形成基质生成气溶胶。

实例Ex8：根据实例Ex7的气溶胶生成装置，其中所述压电换能器包括穿孔板。

实例Ex9：根据实例Ex1至Ex6中任一项的气溶胶生成装置，其中所述压电换能器是液体泵的一部分。

实例Ex10：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其包括含有液体气溶胶形成基质的液体贮存器，其中在使用中，所述压电换能器与来自所述液体贮存器的液体接触。

实例Ex11：根据实例Ex10的气溶胶生成装置，其中所述液体包括不同化合物的混合物。

实例Ex12：根据实例Ex10或Ex11的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成基于所述压电换能器的谐振行为的变化检测与压电换能器接触的液体量的减少。

实例Ex13：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其中所述气溶胶生成装置为电子烟。

实例Ex14：根据前述实例中任一项的气溶胶生成装置，其中所述振荡电流包括用至少一个其它频率调制的第一频率。

实例Ex15：一种操作气溶胶生成装置的方法，所述装置包括：换能器组件；驱动电路，所述驱动电路连接到所述压电换能器；和控制电路，所述控制电路被配置成监测所述压电换能器的参数并且连接到所述驱动电路；所述方法包括：

使用所述驱动电路向所述换能器施加振荡电流；以及

使用所述控制电路监测所述压电换能器的谐振行为，以及

基于被监测的所述压电换能器的谐振行为控制所述驱动电路的操作。

附图说明

现在将参考附图进一步描述若干实例，其中：

图1示出了根据本发明的反馈控制系统；

图2是根据本发明的气溶胶生成装置的示意图；

图3示出了用于图2的系统中的换能器组件；

图4是示出换能器的响应随时间的变化的示意图形；

图5示出了实施反馈控制的驱动和控制电路的实例；以及

图6是根据本发明的包括压电泵的气溶胶生成装置的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的反馈控制回路的示意图。反馈回路包括换能器12、驱动电路14和控制电路14。本实例中的换能器是压电换能器。所述换能器联接到膜并且振动膜以用于从液体供应生成气溶胶。换能器12由驱动电路12以特定驱动频率驱动。驱动电路12向换能器供应振荡电流，这使其膨胀和收缩。这继而使膜振动。

所述换能器具有一个或多个谐振频率。谐振频率取决于若干因素，包括换能器上的负荷。换能器上的负荷取决于膜的特性和膜上的任何负荷。例如，谐振频率也取决于温度。

为了确保由驱动电路以谐振频率驱动换能器，控制电路14完成反馈回路。控制电路从换能器接收反馈参数，例如相移或振动振幅。反馈参数的值根据驱动器频率与换能器的谐振频率的接近程度而变化。驱动电路12调整施加到换能器10的振荡电流的驱动频率，且驱动频率的该改变对反馈参数的影响由控制电路监测。控制电路接着将控制信号发送至驱动电路，且驱动电路基于控制信号调整所施加振荡电流的频率，以便实现特定效果。在许多情况下，期望使换能器尽可能接近谐振频率。但在一些情况下，可能期望以与谐振频率的特定偏移或以谐振频率与反谐振频率之间的频率驱动换能器。控制电路可包括滤波器、微控制器或任何模拟或数字装置以处理反馈参数以便生成控制信号。

图2是根据本发明的气溶胶生成装置的第一实施例的示意图，所述气溶胶生成装置包括图1中所示的反馈控制。图2在本质上是示意性的。明确地说，所展示的部件独立地或相对于彼此未必按比例。气溶胶生成装置包括与筒200(其优选地为一次性)合作的可重新使用的装置部分100。在图2中，装置为电操作式吸烟系统。

装置部分100包括具有外壳101的主体。外壳101为大体上圆形圆柱形，且具有约100mm的纵向长度和约20mm的外径，这与常规雪茄相当。在装置中，提供呈电池102形式的电源和电控制电路104。电控制电路104包括用于换能器的驱动电路和控制电路，如参考图1所述。主体外壳101还限定筒200接收至的腔112。

筒200(图2中以示意性形式展示)包括限定液体存储部分201的刚性外壳。液体存储部分201持有液体气溶胶形成基质(未展示)。筒200的外壳流体不可渗透，但具有开口端(未展示)，当从装置100去除筒时，所述开口端可由可去除盖(未展示)覆盖。在将筒插入到装置内前，可从筒200去除盖。筒200包含键合特征(未展示)以确保筒200不能被倒置地插入到装置内。

装置部分100还包括烟嘴部分120。在此实例中，烟嘴部分120通过铰接连接而连接到主体外壳101，但可使用任何种类的连接，例如，搭扣配合或螺丝配合。烟嘴部分120包括多个空气入口122、空气出口124和气溶胶形成腔室125和安装于其中的雾化器300(在图2中示意性地展示)。当烟嘴部分处于闭合位置时，空气入口122限定于烟嘴部分120与装置100的主体外壳101之间，如图2中所展示。气流路线127是从空气入口122经由气溶胶形成腔室125和雾化器300到空气出口124形成，如在图2中由箭头展示。

如图3中所展示，雾化器300包括容纳于雾化器外壳304内部的可振动元件301和换能器302。雾化器外壳304包括中空圆柱形盒，其具有在外壳304的相对侧同轴对准地布置的入口开口305和出口开口306。通过螺纹连接(未展示)，外壳304可去除地连接到装置部分100的烟嘴120。外螺纹(未展示)提供于雾化器外壳304的外表面处，外螺纹与在烟嘴120的内表面上的内螺纹(未展示)互补。雾化器300可从装置部分的烟嘴部分120去除供弃置或供清洁。

可振动元件301包括大体上圆形铝圆盘，具有约2mm的厚度和约15mm的直径。

多个过道303从入口侧308延伸到可振动元件的对置出口侧309。多个过道形成具有大体圆形形状的阵列。大体上圆形阵列具有约7mm的直径，且大体上在元件301中居中布置。

所述过道(未展示)具有大体上圆形横截面且从可振动元件301的入口侧308到出口侧309逐渐变细。所述过道在入口侧具有约8μm的直径，且在出口侧具有约6μm的直径。所述过道通常是通过高速激光钻孔形成。所述多个过道由跨阵列以相等间距布置的约4000个过道组成。

换能器302包括压电换能器。压电换能器为压电材料(通常是锆钛酸盐)的大体上圆环形圆盘。压电换能器具有约2mm的厚度、约17mm的外径和约8mm的内径。

如图3中所展示，换能器302与可振动元件301在可振动元件的出口侧309处直接接触。压电换能器302的内径环绕可振动元件301的过道303的阵列，使得在出口侧处的过道的开口端不由压电换能器302覆盖。在其它实施例(未展示)中，预见到压电换能器302可在入口侧308处与可振动元件301直接接触。

可振动元件301和压电换能器302由一对弹性体O型环311支撑在雾化器外壳304内，这允许可振动元件301和压电换能器302在外壳304内振动。通过来自对置O型环311的压力将可振动元件301和压电换能器302保持在一起。然而，在其它实施例(未展示)中，可振动元件301与压电换能器302可通过任何合适构件(例如，粘合层)结合。

可振动元件301和压电换能器302布置于雾化器外壳304内，使得过道303的阵列与外壳304的入口开口305和出口开口306同轴对准。

一个或多个弹簧接脚310延伸穿过雾化器外壳304中的开口312以提供压电换能器302到装置100的控制电路104和电池102的电连接。通过压力而非通过机械连接保持一个或多个弹簧接脚310与压电换能器302接触，使得在压电换能器302的振动期间维持良好电接触。

在使用中，当雾化器300可去除地连接到装置部分100的烟嘴部分120且筒200接收于装置的腔112中时，细长毛细管体(图2中未展示)从筒200的液体存储部分201延伸到雾化器300以将筒200流体连接到雾化器300。如图3中所展示，细长毛细管体204延伸到雾化器外壳304内，且在过道303的阵列处邻接可振动元件301的入口侧308。将加热构件按包围毛细管体204的线圈加热器205的形式提供于液体存储部分中。注意，线圈加热器仅示意性地展示于图3中。线圈加热器205经由可沿着液体存储部分200的外部而过的连接(未展示)连接到装置100的电路104和电池102，但这在图2或图3中未展示。

在使用中，液体气溶胶形成基质(未展示)通过毛细管作用从液体存储部分201，从毛细管体204的延伸到液体存储部分201内的端部传送，经过加热器线圈205，且到毛细管体204的另一端，所述另一端延伸到雾化器外壳304内且在过道303的阵列处的入口侧308处邻接可振动元件301。

当使用者在烟嘴部分120的空气出口124上抽吸时，通过空气入口122抽吸环境空气。在图2的实施例中，也将呈麦克风的形式的喷烟检测装置106提供为控制电子器件104的部分。小气流被抽吸通过主体外壳101中的传感器入口121，经过麦克风106，且向上到烟嘴部分120内。当电路104检测到喷烟时，电路104启动加热器线圈205和压电换能器302。电池102将电能供应到线圈加热器205以加热由线圈加热器包围的毛细管体204。

电池102在驱动和控制电路的控制下进一步将电能供应到压电换能器302，压电换能器振动，从而在厚度方向上变形。压电换能器302通常以大致150kHz振动。供应给换能器的驱动电流具有基于存储在存储器中的参数的初始频率和波形。在装置的制造期间，可表征包括振动元件301的换能器组件的频率响应以及初始频率和波形集。压电换能器302将振动传输到振动的可振动元件301，从而也在厚度方向上变形。LED 108也被启动以指示装置被启动。如将描述的，在操作期间，反馈控制回路用于响应于检测到的谐振行为变化而调整供应给换能器的驱动电流。

线圈加热器205将正沿着毛细管体传送、经过线圈加热器205的液体气溶胶形成基质加热到约45℃的预定温度。

可振动元件的振动使多个过道303变形，所述过道从毛细管体204抽吸经加热的液体气溶胶形成基质，通过在可振动元件301的入口侧308的多个过道303，且从在可振动元件301的出口侧309处的过道排出液体气溶胶形成基质的经雾化的液滴，从而形成气溶胶。同时，正被雾化的经加热的液体由通过毛细管作用沿着毛细管体204移动的另外液体替换。(这有时被称作‘抽汲作用’)。从可振动元件301排出的气溶胶液滴与来自气溶胶形成腔室125中的入口122的气流127混合且在气流中携带，且朝向烟嘴120的空气出口124携带以用于由使用者吸入。

如先前所描述，在操作期间，换能器的谐振响应可能变化。图4是感测的来自换能器的参数的示意图，示出了频率随时间的变化。信号连续穿过零之间的时间距离是频率的度量，可用于使驱动信号与换能器的工作频率同步，在此实例中与其谐振频率同步。信号可以是例如由与换能器串联的感测电阻器测量的电流。在此情况下，振幅对于电流可具有安培单位，或振幅可例如通过其最大值进行归一化，在此情况下，振幅的单位是1。时间可具有例如毫秒或微秒的单位，这取决于由换能器覆盖的特征频率工作范围。

此反馈回路的可能实现的一个具体实例在图5中示出。连接到图3的实施例中的可振动穿孔板的换能器500由半桥505驱动，半桥由两个功率MOSFET 510、515组成。可选的串联电感器520，例如10微亨电感器，可以在半桥和换能器之间使用以调谐阻抗。例如1欧姆的电流感测电阻器525可以放置在换能器500的低压端处。在电流感测电阻器两端测量的电压与通过换能器的电流成比例。此电压信号可被滤波器和增益级530滤波和放大。滤波器和增益级530可包括：例如低通滤波器，以便切断高频谐波；以及例如AD823的FET放大器，以放大信号。比较器540产生反馈信号，在此实例中是方波信号，作为栅极驱动器550的适当输入波形。例如，栅极驱动器550可以是LT1162型的IC，并且驱动半桥505。当检测到频率变化并将其发送回驱动器时，将始终以其工作频率驱动换能器500，例如其谐振频率。图5中所示的驱动和控制电路可并入到图2中所示的控制电路104中。

图6为根据本发明的另一实施例的气溶胶生成装置的示意图。图6在本质上是示意性的。明确地说，所展示的部件独立地或相对于彼此未必按比例。图6的装置通过使用加热器加热液体气溶胶形成基质来生成气溶胶。然而，所述装置包括使用压电换能器将液体气溶胶形成基质输送到加热器的泵。

装置为手持式电操作吸烟装置600且包括外壳610。在外壳610内，存在呈电池612的形式的电源和控制电路614。外壳内还存在含有液体气溶胶形成基质的液体贮存器620，所述液体气溶胶形成基质被蒸发以便形成由使用者吸入的气溶胶。雾化器组件630设置在外壳内，联接到液体贮存器620。雾化器组件包括蒸发器634，在此实例中为电加热器，和经定位以将液体从液体贮存器620泵送到蒸发器634的泵632。在控制电路614的控制下，向泵632和电加热器634两者提供来自电池612的电力，如将描述的。

外壳610包括空气入口618和空气出口616。空气出口616设置在外壳的烟嘴端处。在使用中，使用者在外壳的烟嘴端上吸吮。这将空气通过空气入口618吸取到外壳中，经过蒸发器634且通过出口616离开，进入到使用者的嘴里。吸取经过蒸发器的空气夹带蒸发的气溶胶形成基质。蒸发的气溶胶形成基质随着其移动穿过装置并且进入使用者的嘴巴冷却以形成气溶胶。

加热器的激活可通过使用者按压外壳610上的按钮而直接控制。或者，所述系统可包括检测穿过系统的气流的气流传感器，例如麦克风615，且可基于来自气流传感器的信号激活加热器。当使用者经由系统吸取空气时，这在本文被称作喷烟，空气流动经过气流传感器615。如果由气流传感器检测到的气流超出阈值，那么控制电路可通过将电力供应到加热器来激活加热器。控制电路可持续预定时间周期将电力供应到加热器，或只要检测到的气流超出阈值就可将电力供应到加热器。控制电路可包含温度感测构件，例如专门的温度传感器，或通过监视加热器的电阻。控制电路接着可将电力供应到加热器以将加热器的温度升高到所要温度范围内。所述温度应足以使气溶胶形成基质蒸发，但不会过高以致存在显著的燃烧风险。

此实例中的液体包括水、甘油、丙二醇、尼古丁和调味剂的混合物。液体保持在液体贮存器620内。液体贮存器提供为筒，其可在液体已经用完时更换。为了防止使用之前和期间液体渗漏，液体贮存器具有由刚性塑料材料形成的外壳，且为液密的。如本文所使用，“刚性”意味着外壳为自承式。在此实例中，贮存器通过使用基于丙烯酸的感光聚合物进行3D印刷而形成。筒必须很坚固且能够承受运送和储存期间的显著负载。然而，因为液体贮存器外壳密封且刚性，所以液体贮存器具有固定的内部容积。随着液体被泵移除液体贮存器内部的内部压力的减小可能不利地影响泵送液体离开贮存器的能力。为了防止显著的压力下降，液体贮存器具有平衡空气入口阀622。当贮存器内部和贮存器外部之间的压力差超出阈值压力差时，平衡阀622允许空气进入液体贮存器。

泵可以与加热器相同的方式激活。举例来说，控制电路可持续与电力被供应到加热器相同的时间周期将电力供应到泵。或者，控制电路可在紧接在加热器激活之后的周期内将电力供应到泵。

控制电路614包括用于控制泵632的如图1所示的反馈回路。泵632包括驱动柔性膈膜振动的压电换能器。在柔性膈膜的振动减小腔室体积时将液体气溶胶形成基质通过出口阀推出泵室，增加室体积时将液体气溶胶形成基质通过入口阀抽吸到泵室中。为了使泵送效率最大化，在换能器的谐振频率或接近所述谐振频率下操作泵632是有利的。然而，如先前所描述，换能器的谐振频率可由于多种原因而改变。

可监测由温度变化、其它环境变化或老化引起的换能器的谐振频率的变化，并且使用上述反馈机制中的一个相应地修改驱动信号。

由于抽吸到泵室中的液体不足而改变换能器的谐振频率可被检测为谐振行为的突然改变，例如两个测量周期之间的大于预定阈值的变化。如果检测到谐振行为突然改变，泵和加热器的操作可以停止，直到将新的液体贮存器放入装置中。

Claims (14)

1.一种气溶胶生成装置，包括：

压电换能器；

驱动电路，所述驱动电路连接到所述压电换能器并且被配置成向所述换能器施加振荡电流；以及

控制电路，所述控制电路连接到所述驱动电路并且被配置成监测所述压电换能器的谐振行为，所述控制电路被配置成基于所述压电换能器的谐振行为控制所述驱动电路的操作；其中

所述压电换能器形成液体泵中的换能器组件的一部分，并且所述换能器组件包括被构造成接触液体气溶胶形成基质的膜或表面，所述换能器组件被配置成驱动所述膜或表面振动，所述膜或表面的振动迫使液体通过所述液体泵中的相邻液体阀。

2.根据权利要求1所述的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成控制所述驱动电路的操作，使得所述振荡电流具有等于所述压电换能器的谐振频率的频率。

3.根据权利要求1所述的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成控制所述驱动电路的操作，使得所述振荡电流具有从所述压电换能器的谐振频率偏移的频率。

4.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成以对应于不同振动模式的所述压电换能器的多个谐振频率监测所述压电换能器的谐振行为。

5.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成通过测量递送到所述压电换能器的功率或所述压电换能器的阻抗来监测所述压电换能器的谐振行为。

6.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成装置，其中所述驱动电路和所述控制电路包括锁相环(PLL)。

7.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中所述压电换能器是气溶胶生成元件，所述气溶胶生成元件被配置成从液体气溶胶形成基质生成气溶胶。

8.根据权利要求7所述的气溶胶生成装置，其中所述压电换能器包括穿孔板。

9.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成装置，其包括含有液体气溶胶形成基质的液体贮存器，其中在使用中，所述压电换能器与来自所述液体贮存器的液体接触。

10.根据权利要求10所述的气溶胶生成装置，其中所述液体包括不同化合物的混合物。

11.根据权利要求10或11所述的气溶胶生成装置，其中所述控制电路被配置成基于所述压电换能器的谐振行为的变化检测与压电换能器接触的液体量的减少。

12.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成装置，其中所述气溶胶生成装置为电子烟。

13.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成装置，其中所述振荡电流包括用至少一个其它频率调制的第一频率。

14.一种操作气溶胶生成装置的方法，所述装置包括：液体泵中的换能器组件，其中所述换能器组件包括压电换能器和被构造成接触液体气溶胶形成基质的膜或表面，所述压电换能器被配置成驱动所述膜或表面振动，所述膜或表面的振动迫使液体通过所述液体泵中的相邻液体阀；驱动电路，所述驱动电路连接到所述压电换能器；和控制电路，所述控制电路被配置成监测所述压电换能器的参数并且连接到所述驱动电路；所述方法包括：

使用所述驱动电路向所述换能器施加振荡电流；以及

使用所述控制电路监测所述压电换能器的谐振行为，以及

基于被监测的所述压电换能器的谐振行为控制所述驱动电路的操作。

Images