CN115381152A - 电子雾化装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种电子雾化装置及控制方法；其中，电子雾化装置包括：储液腔；可振动元件，用于产生振动以雾化液体基质；有源微分模块，检测可振动元件的谐振电压的变化率，并当变化率大于预设阈值时输出高电平信号；高电平信号具有第一频率；分频器，高电平信号输出可检测信号；可检测信号具有第二频率，第二频率是第一频率的整数分之一；控制器，被配置为根据可检测信号的频率、周期或间隔时间确定可振动元件的振动频率。以上电子雾化装置，通过有源微分运算和分频处理，将3～4MHz的高频信号转换成相对更低频的可检测信号，进而便于控制器采样和检测可振动元件的频率。

Description

电子雾化装置及控制方法

技术领域

本申请实施例涉及电子雾化技术领域，尤其涉及一种电子雾化装置及控制方法。

背景技术

烟制品(例如，香烟、雪茄等)在使用过程中燃烧烟草以产生烟草烟雾。人们试图通过制造在不燃烧的情况下释放化合物的产品来替代这些燃烧烟草的制品。

此类产品的示例为雾化装置，例如有加热式雾化装置或超声雾化装置。其中，加热式雾化装置是通过加热元件加热汽化由毛细元件递送的液体生成供吸食的气溶胶；超声雾化装置，是通过可以往复高频振动的振动部件例如压电陶瓷片通过高频振动打散毛细元件递送的液体变成微粒，形成可吸入的气溶胶。该液体可包含尼古丁和/或芳香剂和/或气溶胶生成物质(例如，甘油)。以上雾化装置工作中，需要实时监测振动部件的振动频率，以保证提供给振动部件的液体基质能被高频振动充分雾化；在实施中，振动部件的振动频率通常采用在3～4MHz的频段，而通常电子产品中高性能的主控制器芯片的最高采样频率都不超过几百KHz，对于准确采样振动部件的振动频率是难以实现的。

发明内容

本申请的一个实施例提供一种电子雾化装置，包括：

储液腔，用于存储液体基质；

可振动元件，被配置为产生振动以雾化液体基质生成气溶胶；

有源微分模块，被配置为检测所述可振动元件的谐振电压的变化率，并当所述变化率大于预设阈值时输出高电平信号；所述高电平信号具有第一频率；

分频器，被配置为根据所述高电平信号输出可检测信号；所述可检测信号具有第二频率，所述第二频率是所述第一频率的整数分之一；

控制器，被配置为根据所述可检测信号的频率、周期或间隔时间确定所述可振动元件的振动频率。

在优选的实施中，所述控制器被配置为调整所述可振动元件的振动频率，以使所述可振动元件的振动频率与预设频率保持相同或基本接近。

在优选的实施中，所述分频器的分频系数大于等于8。

在优选的实施中，所述有源微分模块包括有源微分单元和比较器；其中，

所述有源微分单元被配置为检测所述可振动元件的谐振电压的变化率；

比较器，被配置为将所述变化率与预设阈值进行比较运算，并在当所述变化率大于预设阈值时输出高电平信号。

在优选的实施中，所述有源微分单元包括：第一电容、第一电阻、第二电容、第二电阻以及运算放大器；其中，

所述第一电容的第一端与所述可振动元件连接、第二端与第一电阻的第一端连接；

所述运算放大器的第一输入端与所述第一电阻的第二端连接、输出端与所述比较器连接；

所述第二电容的第一端与所述第一电阻的第二端连接、第二端与所述运算放大器的输出端连接；

所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接、第二端与所述运算放大器的输出端连接。

在优选的实施中，所述有源微分模块还包括：

信号接入单元，位于所述有源微分单元与所述可振动元件之间；所述信号接入单元包括：第一二极管、第三电阻和第四电阻；其中，

所述第一二极管的第一端与所述可振动元件连接、第二端与所述第三电阻的第一端连接，并被配置为仅允许电流由所述可振动元件流向所述第三电阻；

所述第三电阻的第二端与所述有源微分单元连接；

所述第四电阻的第一端与所述第三电阻的第二端连接、第二端接地。

在优选的实施中，所述预设阈值是当所述变化率为0时所述运算放大器的输出值。

本申请的又一个实施例还提出一种电子雾化装置的控制方法，所述电子雾化装置包括：储液腔，用于存储液体基质；

可振动元件，被配置为产生振动以雾化液体基质生成气溶胶；

所述方法包括：

检测所述可振动元件的谐振电压的变化率，当所述变化率高于预设值时生成高电平信号；所述高电平信号具有第一频率；

根据所述高电平信号输出可检测信号；所述可检测信号具有第二频率，所述第二频率是所述第一频率的整数分之一；

基于所述可检测信号的周期、频率或间隔时间确定所述可振动元件的振动频率。

在优选的实施中，还包括：

调整所述可振动元件的振动频率，使所述振动频率与预设频率保持相同或基本接近。

在优选的实施中，所述第二频率小于等于所述第一频率的八分之一。

以上电子雾化装置，通过有源微分运算和分频处理，将3～4MHz的高频信号转换成相对更低频的可检测信号，进而便于控制器采样和检测可振动元件的频率。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请一实施例提供的电子雾化装置的结构示意图；

图2是图1中电路一个实施例的结构框图；

图3是图2中驱动模块一个实施例的基本组件的示意图；

图4是图2中有源微分模块一个实施例的基本组件的示意图；

图5是图2中分频器一个实施例的基本组件的示意图；

图6是图3中第一采样点采样的可振动元件的电压变化的示意图；

图7是有源微分模块的各单元输出信号的变化示意图；

图8是分频器的一个实施例中输入信号和输出信号的示意图；

图9是是一个实施例提出的电子雾化装置的控制方法的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施方式，对本申请进行更详细的说明。

本申请的一个实施例提出一种电子雾化装置，用于雾化液体基质生成供吸食的气溶胶。本公开的电子雾化装置还可以被表征为气溶胶生成系统或药物递送制品。因此，这种装置或系统可以被适配以便提供一种或多种可吸入形式或状态的物质(例如，风味剂和/或药物活性成分)。例如，可吸入物质可以基本上呈气溶胶形式(即，气体中细固体颗粒或液滴的悬浮液)。

图1示出了电子雾化装置100的一个实施例的结构示意图；装置通常包括设置在外部主体或外壳(可以被称为壳体)内的数个部件。外部主体或外壳的总体设计可变化，且可限定电子雾化装置100的总体尺寸和形状的外部主体的型式或配置可变化。通常，类似于香烟或雪茄的形状的细长主体可由单个一体式壳体形成，或细长壳体可由两个或更多个可分离的主体形成。例如，电子雾化装置100可以在一端具有控制主体，该控制主体具备包含一个或多个可重复使用的部件(例如，诸如充电电池和/或可充电的超级电容器的蓄电池、以及用于控制该制品的操作的各种电子器件)的壳体，并且在另一端具有能可移除地耦合且包含一次性部分(例如，一次性含香料筒)的外部主体或外壳。

具体进一步参见图1所示，电子雾化装置100包括存储有液体基质并对其进行雾化生成气溶胶的雾化器10、以及为雾化器10供电的电源机构20。电源机构20和雾化器10以功能性关系可拆卸地对齐。可以利用各种结构将雾化器10连接到电源机构20，从而产生螺纹接合、压入配合接合、过盈配合、磁性接合等等。在一些示例实施方式中，当雾化器10和电源机构20处于组装配置时，电子雾化装置100可基本上是棒状、扁筒状、杆状、柱状形状等。

在可选的实施中，电源机构20和雾化器10可包括可由多种不同材料中的任意材料形成的分离的单独的壳体或外部主体。壳体可由任何适合的结构上完好的材料形成。在一些示例中，壳体可由诸如不锈钢、铝之类的金属或合金形成。其它适合的材料包括各种塑料(例如，聚碳酸酯)、金属电镀塑料(metal-plating over plastic)、陶瓷等等。

进一步参见图1所示，电子雾化装置100具有沿长度方向相对的近端110和远端120；其中，在使用中近端110通常作为被用户抽吸的一端、远端120远离用户的一端。雾化器10被布置于近端，电源机构20倍布置于远端120。

根据图1，电源机构20包括：

电芯21，用于供电；电芯21可包括例如电池(一次性的或可充电的)、可充电的超级电容器、可充电的固态电池(SSB)、可充电的锂离子电池(LiB)等或它们的某种组合。

电路22，用于在电芯21和雾化器10之间引导电流。

根据图1所示，雾化器10包括：

位于近端110的吸嘴口A，用于供用户抽吸；

储液腔11，用于存储液体基质；

可振动元件12，与储液腔12流体连通的，通过机械振动将传递至可振动元件12上的液体基质雾化成气溶胶；

液体传递元件13，用于在储液腔11与可振动元件12之间传递液体基质。

在一个可选的实施中，可振动元件12可以是通常的片状的超声振动部件或者是片状的压电陶瓷；或者是例如CN112335933A号专利提出的超声波雾化片等。这些可振动元件12在使用中通过高频振动(优选振动频率为1.7MHz～4.0MHz，超过人的听觉范围属于超声频段)将液体基质打散而产生微粒自然悬浮的气溶胶。

在一个可选的实施中，液体传递元件13可以是通常的毛细元件，例如纤维棉、多孔体等。在其他的优选的实施中，液体传递元件13可以是微型泵，将预定量的液体基质成储液腔11中泵出至可振动元件12上；例如基于微机电系统(MEMS)技术的微型泵。合适的微型泵的例子包括thinXXS Microtechnology AG的MDP2205型微型泵和其他微型泵、BartelsMikrotechnik GmbH的mp5和mp6型微型泵和其他微型泵、以及Takasago Fluidic Systems的压电微型泵。

进一步电路22包括数个电子部件，且在一些示例中可以形成在支撑且电连接电子部件的印刷电路板(PCB)上。电子部件可包括微处理器或处理器核以及存储器。在一些示例中，控制部件可包括具有集成的处理器核和存储器的微控制器，且可以进一步包括一个或多个集成输入/输出外围设备。

根据图2所示，电路22包括有：

MCU控制器221；

驱动模块222，定位于电芯10和可振动元件12之间，以在它们之间引导电流。基于超声雾化的通常实施，驱动可振动元件12超声雾化的电流可以有两种，一种是通常的高频交流，另一种是脉冲式的方向恒定大小变化的电流。具体在优选实施中，该驱动模块222优选采用引导产生包括呈周期性的正向电流和负向电流的交流电供应至可振动元件12上；

有源微分模块223，用于检测可振动元件12两端电压的变化率，并将电压的变化率与预设阈值进行比较，在当电压的变化率大于预设阈值时输出脉冲式的高电平信号；

分频器224，根据有源微分模块223输出的脉冲式的高电平信号转换成低频方波脉冲信号输出，从而便于MCU控制器21采样以获取可振动元件12的振动频率。

进一步图3示出了一个实施例的驱动模块222的基本器件的结构的示意图；在图3所示的实施例中驱动模块222包括：

电感L，第二端与可振动元件12形成串联；具体，电感L的第二端与可振动元件12的第一端连接，可振动元件12的接地；

开关管驱动FD2204；

第一开关管Q1，D极与电芯21的电压输出端连接、S极与电感L的第一端连接、G极与开关管驱动FD2204连接；

第二开关管Q2，D极与电感L的第一端连接、S极接地、G极与开关管驱动FD2204连接；

开关管驱动FD2204根据MCU控制器221的控制信号，进而交替地导通第一开关管Q1和第二开关管Q2，从而引导周期性变化的正向和负向电流供应至可振动元件12，从而使可振动元件12产生高频振动。

具体根据图3所示，电感L和呈容性的可振动元件12组成类似于LC振荡的负载，并由第一开关管Q1和第二开关管Q2组成的半桥进行驱动，从而形成流经可振动元件12的交变电流。

进一步可振动元件12的工作中，当液体基质提供至可振动元件12时，提供可振动元件12振动的阻尼力，使可振动元件12的高频往复振动基本呈阻尼谐振。当然，谐振电压或振幅与驱动频率、驱动电流等多个因素相关。

进一步图6示出了图3中可振动元件12的第一端的第一采样点W1采样的电压信号经二极管整流后的电压变化的示意图，二极管过滤了负半部分的波形；同理可知，第二采样点W2采样的电压变化与第一采样点W1采样的电压信号S1共同组成可振动元件12的两端的谐振电压变化大体是呈简谐波形。

进一步图4示出了一个实施例的有源微分模块223的基本器件的结构的示意图；在图4中包括：

信号接入单元2231，用于接入图3中第一采样点W1的电压信号；信号接入单元2231中，接入的信号依次经整流二极管D1整流、分压电阻R1和分压电阻R2分压后，提供至有源微分单元2232进行运算；同时信号接入单元2231中还有稳定分压信号的稳压管Z。

有源微分单元2232，计算信号接入单元2231的接入信号的变化率。具体，该有源微分单元2232是常规的具有标准基本器件的有源微分电路，由运算放大器U1、电容C1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电容C2组成；其中，运算放大器U1、电容C1、电阻R3是组成有源微分模块的基本必要组件；电阻R6和电阻R3的比值是1，是避免输出出现较高的尖峰，使电路具有最平坦幅频响应降低Q值；电容C2是稳压目的，避免运放自激振荡。有源微分单元2232运算输出的电压信号Vout1为：

式中，“PP_V”是可振动元件12的谐振电压；根据该计算的公式原理，相关器件的参数是已知给定的，则输出结果可以即为可振动元件12的谐振电压对时间t的导数，即电压的变化率。

比较输出单元2233，在图4中主要是比较器U2，将有源微分单元2232输出的Vout1进行比较运算后输出比较结果Vout2；当有源微分单元2232输出的Vout1高于比较器U2运算所设定的预设阈值时输出高电平。

从以上可以看出，有源微分模块223的信号处理包括：

基于可振动元件12的两端的谐振电压呈周期性简谐波形的特点，先检测可振动元件12的两端谐振电压的变化率；

并将电压的变化率与预设阈值进行比较，当大于预设阈值时输出高电平；此时，生成的高电平与谐振电压肯定是相同频率的。

具体图7示出了有源微分模块223各单元输出信号的变化示意图；其中，在图7中电压信号S1是信号接入单元2231接入的第一采样点W1的电压信号，而后经过分压之输出给有源微分单元2232，波形不变；电压信号Vout1是有源微分单元2232所求取的电压变化率的变化示意图；电压信号Vout2是比较输出单元2233输出的结果信号Vout2。

需要说明的是，根据以上输出的电压信号Vout1的计算公式，图7的Vout1是与电压信号S1负相关的；即当电压信号S1在上升过程中，电压信号Vout1输出为负值，但是由于有源微分单元2232无法输出负的电压信号，则在运算中加上了与一基准值使电压信号Vout1输出始终为正，而后比较器U2则以该基准值作为比较基础；其中，基准值即为公式将采用电压信号S1达到波峰时即电压变化率为0时输出的信号值，即R5*2.5/(R4+R5)，比较器U2参考标准输入信号也是该基准值。从图中可以看出，直至当电压信号S1达到波峰时结果信号Vout2为0；当电压信号Vout1由波峰开始下降时，结果信号Vout2输出为正值；当结果信号Vout2开始高于该基准值后继续增大则说明信号1是处于由峰值开始下降的过程；而后下降结束后输出低电平。

通过以上方式，有源微分模块223通过检测可振动元件12的谐振电压变化率，而后比较生成具有相同频率的方波，并将该方波作为后续获取可振动元件12的振动频率的采样基础。

进一步参见图2和图5所示，电路22还包括有：

分频器224，用于将有源微分模块223输出的高频方波转换成较低频的方波输出，通过降频转换使输出的信号频率能够被MCU控制器221所采样和获取。

“分频器”是电学常用的基础器件，是指使输出信号的频率降低为输入信号的频率的整数分之一的电子器件。

根据分频器的功能，以上高电平具有第一频率；经过分频器分频后，输出更低频率的可检测信号；其中，可检测信号具有第二频率，第二频率为第一频率的整数分之一。

根据图5所示，分频器224是常用的74HC4017-Q100_QFN16型号的二进制数字分频器，该型号的分频器降频转换的分频系数在2⁰～2⁴内可选；例如，图8中示出了采用分频系数为2⁴＝16时输出信号Vout3与结果信号Vout2的示意图，输出信号Vout3的频率为结果信号Vout2频率的1/16，如果有源微分模块223所检测的可振动元件12的谐振电压变化频率为4MHz，则输出信号Vout3的频率为0.25MHz，则大大降低了采样的难度，使信号的可检测频率满足MCU控制器221的采样能力范围，而后MCU控制器221通过采样输出信号Vout3即可确定可振动元件12的振动频率。

在优选的实施中，基于分频器224的分频系数优选大于8，即分频器224输出信号Vout3的频率小于输入信号Vout2频率的1/8。

基于以上，本申请的又一个实施例还提出一种自适应调节电子雾化装置的可振动元件12振动频率的方法，参见图9所示，包括：

包括如下步骤：

S10，检测可振动元件12的两端电压变化率；

S20，并将电压变化率与预设值比较，当高于预设值时生成高电平信号；

S30，将高电平信号通过分频器进行分频，输出频率降低至整数分之一的可检测信号，通过检测可检测信号的周期或频率或间隔时间计算可振动元件12的振动频率；

S40，由MCU控制器221进一步调整可振动元件12的振动频率，从与预设频率保持相同或基本接近。

通过跟踪检测频率并实时调整，使振动频率与预设频率保持相同或基本接近，进而最大化地提升效率。

需要说明的是，本申请的说明书及其附图中给出了本申请的较佳的实施例，但并不限于本说明书所描述的实施例，进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子雾化装置，其特征在于，包括：

储液腔，用于存储液体基质；

可振动元件，被配置为产生振动以雾化液体基质生成气溶胶；

有源微分模块，被配置为检测所述可振动元件的谐振电压的变化率，并当所述变化率大于预设阈值时输出高电平信号；所述高电平信号具有第一频率；

分频器，被配置为根据所述高电平信号输出可检测信号；所述可检测信号具有第二频率，所述第二频率是所述第一频率的整数分之一；

控制器，被配置为根据所述可检测信号的频率、周期或间隔时间确定所述可振动元件的振动频率。

2.如权利要求1所述的电子雾化装置，其特征在于，所述控制器被配置为调整所述可振动元件的振动频率，以使所述可振动元件的振动频率与预设频率保持相同或基本接近。

3.如权利要求1或2所述的电子雾化装置，其特征在于，所述分频器的分频系数大于等于8。

4.如权利要求1或2所述的电子雾化装置，其特征在于，所述有源微分模块包括有源微分单元和比较器；其中，

所述有源微分单元被配置为检测所述可振动元件的谐振电压的变化率；

比较器，被配置为将所述变化率与预设阈值进行比较运算，并在当所述变化率大于预设阈值时输出高电平信号。

5.如权利要求4所述的电子雾化装置，其特征在于，所述有源微分单元包括：第一电容、第一电阻、第二电容、第二电阻以及运算放大器；其中，

所述第一电容的第一端与所述可振动元件连接、第二端与第一电阻的第一端连接；

所述运算放大器的第一输入端与所述第一电阻的第二端连接、输出端与所述比较器连接；

所述第二电容的第一端与所述第一电阻的第二端连接、第二端与所述运算放大器的输出端连接；

所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接、第二端与所述运算放大器的输出端连接。

6.如权利要求4所述的电子雾化装置，其特征在于，所述有源微分模块还包括：

信号接入单元，位于所述有源微分单元与所述可振动元件之间；所述信号接入单元包括：第一二极管、第三电阻和第四电阻；其中，

所述第一二极管的第一端与所述可振动元件连接、第二端与所述第三电阻的第一端连接，并被配置为仅允许电流由所述可振动元件流向所述第三电阻；

所述第三电阻的第二端与所述有源微分单元连接；

所述第四电阻的第一端与所述第三电阻的第二端连接、第二端接地。

7.如权利要求5所述的气雾生成装置，其特征在于，所述预设阈值是当所述变化率为0时所述运算放大器的输出值。

8.一种电子雾化装置的控制方法，所述电子雾化装置包括：储液腔，用于存储液体基质；

可振动元件，被配置为产生振动以雾化液体基质生成气溶胶；

其特征在于，所述方法包括：

检测所述可振动元件的谐振电压的变化率，当所述变化率高于预设值时生成高电平信号；所述高电平信号具有第一频率；

根据所述高电平信号输出可检测信号；所述可检测信号具有第二频率，所述第二频率是所述第一频率的整数分之一；

基于所述可检测信号的周期、频率或间隔时间确定所述可振动元件的振动频率。

9.如权利要求8所述的电子雾化装置的控制方法，其特征在于，还包括：

调整所述可振动元件的振动频率，使所述振动频率与预设频率保持相同或基本接近。

10.如权利要求8所述的电子雾化装置的控制方法，其特征在于，所述第二频率小于等于所述第一频率的八分之一。

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