JP2021506237A - フィードバック制御を有するエアロゾル発生装置 - Google Patents

Abstract

エアロゾルを発生するために、エアロゾル形成基体（１０２）を加熱するように構成された発熱体（２６）と、発熱体の温度を測定するための温度センサーと、発生したエアロゾルの物理的特性および化学組成のちの少なくとも一つを含むエアロゾル特性を測定するためのエアロゾル監視手段と、ｉ）第一のフィードバック制御ループ（２１０）における測定された発熱体温度、およびｉｉ）第二のフィードバック制御ループ（２２０）における測定されたエアロゾル特性に基づいて、発熱体に供給される電力を調整するように構成されたコントローラー（３２）とを備える、エアロゾル発生装置（２０）。【選択図】図１

Description

本発明は、フィードバック制御を有するエアロゾル発生装置に関する。

手持ち式の電気的に作動するエアロゾル発生システムは一般的に、抵抗発熱体を用いてエアロゾル形成基体を加熱して蒸気中に揮発性化合物を放出し、その後、これが冷却されてエアロゾルを形成する。発熱体の最大温度を制御することにより、高温で形成される、従来的な紙巻たばこの煙で一般的に見られるものなど、望ましくない化学的化合物の放出が防止される。従って、発熱体の温度は通常、発生したエアロゾルの品質を制御するための唯一の制御変数である。発熱体の温度は多くの場合、発熱体の電気抵抗を検出することにより判定される。しかしながら、測定された抵抗は、発熱体全体にわたる温度の表示を提供しており、局所的な過熱を検出しない場合がある。

さらに、発生したエアロゾルの品質は、装置毎に、ならびにエアロゾル形成基体のタイプ毎に異なりうる。また、エアロゾル発生システムの性能は、吸煙強度、吸煙期間、および装置保守などの他の要因に依存しうる。現在入手可能な装置は通常、一貫したエアロゾル品質を提供するのにこれらの要因を考慮しておらず、装置内の構成要素の誤用または故障に対応できていない。

さらに、これらの従来技術の装置は通常、所定の相関関係および設定制御プロフィールに基づいてヒーター制御を提供するため、ユーザーの個々の要望に最も適したエアロゾルを発生するためのヒーター制御のカスタム化を提供する能力が限られている。

従って、改善されたヒーター制御機構を提供することができるエアロゾル発生システムを提供することが望ましい。

本発明の第一の態様によれば、エアロゾルを発生するために、エアロゾル形成基体を加熱するように構成された発熱体と、発熱体の温度を測定するための温度センサーと、発生したエアロゾルの物理的特性および化学組成のうちの少なくとも一つを含むエアロゾル特性を測定するためのエアロゾル監視手段と、ｉ）第一のフィードバック制御ループにおける発熱体の測定された温度、およびｉｉ）第二のフィードバック制御ループにおける測定されたエアロゾル特性に基づいて、発熱体に供給される電力を調整するように構成されたコントローラーとを備えた、エアロゾル発生装置が提供されている。

測定されたエアロゾル特性は、一つ以上のエアロゾル特性を含みうる。エアロゾル監視手段は、発生したエアロゾルの少なくとも一つの物理的特性または化学組成を監視するためのセンサーを含みうる。センサーは、発熱体の下流のフローチャネルに、またはこれに沿って位置付けられうる。発生したエアロゾルの物理的特性は、発生したエアロゾルの液滴密度、液滴サイズ、液滴速度、および流量のうちの任意の一つ以上を含みうる。化学組成は、望ましくない化学的化合物レベル、燃焼ガスレベル、およびニコチンレベルのうちの任意の一つ以上を含みうる。

温度センサーは、熱電対などの専用の温度センサーであってもよい。発熱体は温度センサーとして使用されうることが好ましい。例えば、ヒーターは、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）として使用されうる。測定された電気抵抗は、温度と相関しうる。

発生したエアロゾルのエアロゾル特性を監視することにより、コントローラーはより高度なフィードバック制御機構を採用しうる。例えば、測定されたヒーター温度に加えて、発生したエアロゾルの温度が入力として使用される場合、コントローラーが発生したエアロゾルの品質を微調整すること、ならびに異常な状態に対応することが可能になりうる。

第一のフィードバック制御ループおよび第二のフィードバック制御ループは、発熱体温度を制御するために協働しうる。例えば、発熱体に供給される電力の制御は、第二のフィードバック制御ループにおける測定されたエアロゾル特性に基づき、第一のフィードバック制御ループは、ヒーター温度が所定の最大温度を超えないことを確実にするために使用されてもよい。

コントローラーは、測定されたエアロゾル特性を予期されたエアロゾル特性と比較して、異常な状態があるかどうかを判定するように構成されうる。異常な状態とは、測定されたエアロゾル特性が、その特性に対する予期または所望の値または値の範囲とは異なるときに生じるものと定義されうる。測定されたエアロゾル特性が予期または所望の範囲内にある場合には、そのエアロゾル特性に対する通常状態にあるものとみなすことができる。各測定されたエアロゾル特性に対する予期または所望の範囲または標的値は、ユーザーによって調整可能であってもよい。各測定されたエアロゾル特性に対する予期または所望の標的値は、異なるエアロゾル形成基体に対して異なっていてもよい。各測定されたエアロゾル特性に対する予期または所望の標的値は、その他の測定されたパラメータに依存してもよい。例えば、予期または所望のエアロゾル温度の範囲は、周囲温度または湿度に依存してもよい。予期または所望のエアロゾル密度は、ユーザーが選択した装置設定に依存してもよい。予期または所望のエアロゾル特性または複数の特性は、コントローラー内のメモリに格納されてもよい。

コントローラーは、異常な状態がない場合には第一のフィードバック制御ループに基づいて電力を調整し、異常な状態がある場合には第二のフィードバック制御ループに基づいて電力を調整するように構成されてもよい。少なくとも一つの異常なエアロゾル状態の検出時にのみ第二のフィードバック制御ループを起動することにより、測定されたエアロゾル特性と発熱体温度を相互参照する必要がないため、単純なコントローラーを使用することが可能になる。

エアロゾル発生装置は、発生したエアロゾルのエアロゾル特性を変化させるための補助的なエアロゾル制御手段を備えてもよく、コントローラーは、第二のフィードバック制御ループにおける測定されたエアロゾル特性に基づいて、補助的なエアロゾル制御手段に対する少なくとも一つの制御変数を調整するように構成される。補助的なエアロゾル制御手段は、有利なことに、エアロゾルが形成された後、またはエアロゾル形成中のエアロゾル特性のさらなる調整および制御を提供しうる。補助的なエアロゾル制御手段は、当業者に公知のエアロゾルの形成、エアロゾルの物理的特性および化学組成、例えば、温度および圧力制御手段、機械的フィルターおよび化学吸収剤、に影響を与える任意の機構を含みうる。

補助的なエアロゾル制御手段は、発生したエアロゾルを冷却するように構成されうる。例えば、補助的なエアロゾル制御手段は、熱電装置、熱交換器、熱ポンプ、またはヒートシンクのうちの少なくとも一つを含みうる。発生したエアロゾルの温度は、エアロゾル液滴の形成および成長、およびそのため液滴密度およびサイズに顕著な影響を有する。補助的なエアロゾル制御手段は、有利なことに、電流が熱電装置に印加された時にその表面に加熱／冷却を提供しうる、熱電装置を含む。有利なことに、熱電装置はペルチェ装置である。ペルチェ装置は通常、単純な構造を有し、可動部品を含まないため、信頼性がある。さらに、ペルチェ装置は比較的コンパクトで軽量であり、手持ち式のエアロゾル発生装置で使用するための理想的な選択肢である。

エアロゾル発生装置は、エアロゾルを発生するためのエアロゾル発生チャンバーを備えてもよい。補助的なエアロゾル制御手段は、エアロゾル発生チャンバーの容積を変化させるためのアクチュエータを含みうる。これは、チャンバーの長さまたはエアロゾル発生チャンバーの形状を調整することによって達成されうる。これは、例えば、圧電素子を使用して達成されうる。エアロゾル発生チャンバーの容積を変化させることにより、マウスピースを通して引き出されるまでの、発生したエアロゾルの滞留時間が変化しうる。これは、エアロゾル液滴の量およびサイズに顕著な影響を与えうる。

補助的なエアロゾル制御手段は、マイクロインパクターまたは可変シーブなどの可変フィルターを含みうる。可変フィルターは、有利なことに、濾過されたエアロゾル液滴が許容可能なサイズ範囲内となるように、大きな液滴をフィルターにかけうる。より具体的には、可変フィルターは、様々なエアロゾル特性に応じてシーブサイズを変化させうる。例えば、可変フィルターは、液滴密度が異常に高いことが見いだされる場合には、シーブサイズを減少させうる。濾過が増大すると、エアロゾル濃度が低下する。

エアロゾル監視手段は、分光計、電気化学センサーおよび金属酸化物半導体（ＭＯＳ）センサーのうちの少なくとも一つを含みうる。これらの化学センサーの使用により、望ましくない化学組成を検出することが可能になる。望ましくない化学組成の存在を検出すると、コントローラーは、発熱体への電力供給を切断するか、発熱体への電力供給を減少させて、発熱体温度を低下しうる。発熱体温度を低下することにより一般的に、発生したエアロゾル中の望ましくない化学組成の生成が妨げられる、または望ましくない化学組成レベルが低くなりうる。

エアロゾル発生装置は、コントローラーに接続されたデータレシーバを含みうる。エアロゾル発生装置は、コントローラーに接続されたデータトランスミッタを含みうる。データトランスミッタおよびデータレシーバは、外部装置との無線通信を可能にしうる。データトランスミッタおよびレシーバは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙトランシーバを含みうる。コントローラーは、データレシーバを通して受信したデータに基づいて、予期または所望の、または標的のエアロゾル特性または発熱体パラメータを更新するように構成されてもよい。

エアロゾル発生装置はさらに、予測制御アルゴリズムまたは比例積分微分アルゴリズムを格納するメモリを備えうる。コントローラーは、予測制御アルゴリズムまたは比例積分微分アルゴリズムのいずれかを使用して、第一のフィードバック制御ループ、または第二のフィードバック制御ループ、または第一のフィードバック制御ループおよび第二のフィードバック制御ループの両方を実施するように構成されてもよい。予測制御アルゴリズムは、測定された温度、または測定されたエアロゾル特性、または測定された温度および測定されたエアロゾル特性の両方における変化前および変化後の両方の変数を調節しうる。

エアロゾル発生システムは手持ち式のエアロゾル発生装置を備えてもよい。手持ち式エアロゾル発生装置は、ユーザーによる吸入のためのエアロゾルを発生するように構成されてもよい。手持ち式のエアロゾル発生装置は、装置によって発生したエアロゾルを装置の外へと引き出すためにユーザーが吸煙しうるマウスピースを備えてもよい。エアロゾル発生システムは電池で作動する装置であってもよい。エアロゾル発生システムは、温度センサー、エアロゾル監視手段、および発熱体を保持するためのハウジングを備えうる。ハウジングはまた、基体を部分的にまたは完全に収容しうる。装置は、片手の指の間に保持するのが快適な携帯型装置であることが好ましい。装置は実質的に円筒状であってもよく、７０〜２００ｍｍの長さを有してもよい。装置の最大直径は１０〜３０ｍｍであることが好ましい。

エアロゾル発生システムは、少なくとも一つの化学組成のタイプおよび／または量を直接的に測定し、それを第二のフィードバック制御ループにおいて使用する可能性を提供する。この点に関して、システムは、発生したエアロゾルの吸収スペクトルを測定しうる。発生したエアロゾルの吸収スペクトルは、発生したエアロゾル内に存在する組成の表示を提供しうる。

発熱体は、装置の動作中にエアロゾル形成基質を持続的に加熱するように構成しうる。この文脈での「連続的に」とは、装置を通る気流がない時でさえも電力が発熱体に送達されうるように、加熱が装置を通る気流に依存しないことを意味する。電力が発熱体に供給されるが空気が装置を通して引き出されない期間中にハウジングの温度は上昇しうるため、装置のハウジングを冷却することは、連続的に加熱される装置において特に望ましい。別の方法として、装置は、気流を検出するための手段を含んでもよく、発熱体は、気流が閾値レベルを超え、ユーザーが装置を吸っていることを示す時にのみエアロゾル形成基体を加熱するように構成されてもよい。

本明細書で使用される「エアロゾル発生装置」は、エアロゾル形成基体と相互作用してエアロゾルを発生する装置に関する。エアロゾル形成基体は、エアロゾル形成物品の一部、例えば喫煙物品の一部であってもよい。エアロゾル発生装置は、エアロゾル形成物品のエアロゾル形成基体と相互作用してユーザーの肺にユーザーの口を通して直接吸入可能なエアロゾルを発生する喫煙装置であってもよい。エアロゾル発生装置は、エアロゾル形成物品を保持しうる。エアロゾル形成物品は、エアロゾル発生装置内に完全にまたは部分的に収容されてもよい。エアロゾル形成物品は、使用中にユーザーが吸煙しうるマウスピースを含みうる。

本明細書で使用される「エアロゾル形成基体」という用語は、エアロゾルを形成することができる揮発性化合物を放出する能力を有する基体に関する。こうした揮発性化合物は、エアロゾル形成基体を加熱することによって放出されてもよい。エアロゾル形成基体は、好都合なことにエアロゾル形成物品の一部であってもよい。

本明細書で使用される「エアロゾル形成物品」という用語は、エアロゾルを形成することができる揮発性化合物を放出する能力を有するエアロゾル形成基体を含む物品を指す。例えば、エアロゾル形成物品は、ユーザーの口を通ってユーザーの肺に直接吸入可能なエアロゾルを発生しうる。しかしながら、従来的な紙巻たばことは対照的に、エアロゾル形成物品はエアロゾルを発生するために燃焼を必要としない。エアロゾル形成物品は、使い捨てであってもよく、たばこスティックとしてもよく、またはたばこスティックを含んでもよい。

本明細書で使用される場合、「エアロゾル発生システム」という用語は、エアロゾル発生装置と、装置で使用するための一つ以上のエアロゾル形成物品との組み合わせを指す。エアロゾル発生システムは、電気的に作動するまたは電気式エアロゾル発生装置内の搭載型電力供給源を再充電するための充電ユニットなど追加的な構成要素を含んでもよい。

本明細書で使用される場合、「マウスピース部分」という用語は、エアロゾル発生物品またはエアロゾル発生装置によって発生するエアロゾルを直接吸い込むためにユーザーの口に入れられるエアロゾル形成物品、またはエアロゾル発生装置の一部を指す。エアロゾルはマウスピースを通してユーザーの口に運ばれる。

外部発熱体は、電気抵抗性の材料を含みうる。適切な電気抵抗性の材料には例えば、ドープされたセラミックなどの半導体、「導電性」のセラミック（例えば、二ケイ化モリブデンなど）、炭素、黒鉛、金属、合金、およびセラミック材料製・金属材料製の複合材料が挙げられるが、これに限定されない。こうした複合材料は、ドープされたセラミックまたはドープされていないセラミックを含んでもよい。適切なドープされたセラミックの例としては、ドープ炭化ケイ素が挙げられる。適切な金属の例としては、チタン、ジルコニウム、タンタル白金、金、銀が挙げられる。適切な金属合金の例としては、ステンレス鋼、ニッケル含有、コバルト含有、クロム含有、アルミニウム含有、チタン含有、ジルコニウム含有、ハフニウム含有、ニオビウム含有、モリブデン含有、タンタル含有、タングステン含有、スズ含有、ガリウム含有、マンガン含有、金含有、および鉄含有合金、ならびにニッケル、鉄、コバルト、ステンレス鋼系の超合金、Ｔｉｍｅｔａｌ（登録商標）、ならびに鉄−マンガン−アルミニウム系合金が挙げられる。複合材料において、電気抵抗性材料は、必要とされるエネルギー伝達の動態学および外部の物理化学的特性に応じて、断熱材料内に包埋、断熱材料内に封入、もしくは断熱材料で被覆されてもよく、またはその逆も可である。別の方法として、電気ヒーターは赤外線発熱体、光子供給源、または誘導発熱体を含みうる。

エアロゾル発生装置は、内部発熱体または外部発熱体、または内部および外部の両方の発熱体を含みうるが、ここで「内部」および「外部」は、エアロゾル形成基体についてである。内部ヒーターは、任意の適切な形態を取りうる。例えば、内部ヒーターは、加熱ブレードの形態を取ってもよい。別の方法として、内部ヒーターは、異なる導電性部分または電気抵抗性の金属チューブを有するケーシングまたは基体の形態を取りうる。別の方法として、内部ヒーターは、エアロゾル形成基体の中心を貫通する一つ以上の加熱用の針または棒としうる。その他の代替としては、加熱ワイヤーまたはフィラメント、例えばＮｉ−Ｃｒ（ニッケルクロム）、白金、タングステン、または合金ワイヤーもしくは加熱プレートが挙げられる。内部発熱体は剛直な担体材料内またはその上に配置されうる。こうした一つの実施形態において、電気抵抗ヒーターは、温度と比抵抗の間で明確な関係を有する金属を使用して形成しうる。こうした例示的な装置において、金属は、ジルコニアのようなセラミック材料などの適切な断熱材料上にトラックとして形成された後、ガラスなどの別の断熱材料内に挟まれることができる。この様態で形成されたヒーターは、動作中のヒーターの加熱と、その温度の監視との両方に使用されうる。

外部ヒーターは、任意の適切な形態をとってもよい。例えば、外部ヒーターは、ポリイミドなどの誘電性基体上の一つ以上の柔軟性のある加熱フォイルの形態をとってもよい。可撓性の加熱箔は、基体を受容するくぼみの周辺部に適合する形状にすることができる。別の方法として、外部ヒーターは、金属グリッド（単一または複数）、柔軟性のあるプリント基板、成形回路部品（ＭＩＤ）、セラミックヒーター、柔軟性のある炭素繊維ヒーターの形態をとってもよく、または適切な形状の基体上にプラズマ蒸着などのコーティング技法を使用して形成されてもよい。外部ヒーターはまた、温度と比抵抗との間に明確な関係を有する金属を使用して形成されてもよい。こうした例示的な装置において、金属は適切な断熱材料の二層の間のトラックとして形成されうる。この様式で形成された外部ヒーターは、動作の間、加熱と外部ヒーターの温度の監視との両方に使用されてもよい。

内部または外部ヒーターは、熱を吸収・貯蔵して、その後、ある期間にわたりエアロゾル形成基体に熱を放出する能力を持つ材料を含む、ヒートシンク、または蓄熱体を含みうる。ヒートシンクは、適切な金属またはセラミック材料など、任意の適切な材料で形成されてもよい。一つの実施形態で、材料は、高い熱容量（目的に適った熱貯蔵材料）を持つか、または熱を吸収しその後で可逆的な過程（高温相変化など）を経て放出する能力を持つ材料である。目的に適った適切な熱貯蔵材料は、シリカゲル、アルミナ、炭素、ガラスマット、ガラス繊維、鉱物、金属または合金（アルミニウム、銀または鉛）、およびセルロース系材料（紙など）を含む。可逆的な相変化により熱を放出するその他の適切な材料は、パラフィン、酢酸ナトリウム、ナフタリン、ろう、ポリエチレンオキシド、金属、金属塩、共晶塩の混合物または合金を含む。ヒートシンクまたは蓄熱体は、エアロゾル形成基体と直接的に接触し、かつ保存した熱を基体に直接的に伝達できるように配置されてもよい。別の方法として、ヒートシンクまたは蓄熱体に貯蔵された熱は、金属チューブなどの熱導体の手段によってエアロゾル形成基体に伝達されうる。

エアロゾル形成物品は実質的に円筒状でありうる。エアロゾル形成物品は実質的に細長くてもよい。エアロゾル形成物品は、長さと、その長さに対して実質的に直角を成す円周とを有してもよい。エアロゾル形成基体は実質的に円筒状であってもよい。エアロゾル形成基体は実質的に細長くてもよい。エアロゾル形成基体はまた、長さと、その長さに対して実質的に直角を成す円周とを有してもよい。

エアロゾル形成物品は、およそ３０ｍｍ〜およそ１００ｍｍの全長を有してもよい。エアロゾル形成物品は、およそ５ｍｍ〜およそ１２ｍｍの外径を有してもよい。エアロゾル形成物品はフィルタープラグを備えてもよい。フィルタープラグは、喫煙物品の下流端に位置付けられてもよい。フィルタープラグは、セルロースアセテートフィルタープラグであってもよい。一実施形態において、フィルタープラグは、およそ７ｍｍの長さであるが、およそ５ｍｍ〜およそ１０ｍｍの長さを有してもよい。

一実施形態において、エアロゾル形成物品はおよそ４５ｍｍの全長を有する。喫煙物品の外径は、およそ７．２ｍｍであってもよい。さらに、エアロゾル形成基体は、およそ１０ｍｍの長さを有してもよい。別の方法として、エアロゾル形成基体は、およそ１２ｍｍの長さを有してもよい。さらに、エアロゾル形成基体の直径は、およそ５ｍｍ〜およそ１２ｍｍであってもよい。エアロゾル形成物品は外側紙ラッパーを備えてもよい。さらに、エアロゾル形成物品は、エアロゾル形成基体とフィルタープラグとの間に分離部を備えてもよい。分離部は、およそ１８ｍｍであってもよいが、およそ５ｍｍ〜およそ２５ｍｍの範囲であってもよい。

エアロゾル形成基体は固体エアロゾル形成基体であってもよい。別の方法として、エアロゾル形成基体は固体構成要素と液体構成要素の両方を備えてもよい。エアロゾル形成基体は、加熱に伴い基体から放出される揮発性のたばこ風味化合物を含有するたばこ含有材料を含んでもよい。別の方法として、エアロゾル形成基体は非たばこ材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は、高密度で安定したエアロゾルの形成を促進するエアロゾル形成体をさらに備えてもよい。適切なエアロゾル形成体の例は、グリセリンおよびプロピレングリコールである。

エアロゾル形成基体が固体エアロゾル形成基体である場合、固体エアロゾル形成基体は、薬草の葉、たばこ葉、たばこの茎の断片、再構成たばこ、均質化したたばこ、押し出し成形たばこ、キャストリーフたばこ、および膨化たばこのうちの一つ以上を含む、例えば粉末、顆粒、ペレット、断片、スパゲッティ、細片、またはシートのうちの一つ以上を含んでもよい。固体エアロゾル形成基体は、ばらの形態になっていてもよく、または適切な容器もしくはカートリッジ内で提供されてもよい。固体エアロゾル形成基体は、基体の加熱に伴い放出される追加的なたばこまたは非たばこ揮発性風味化合物を含有してもよい。固体エアロゾル形成基体はまた、例えば追加的なたばこまたは非たばこ揮発性風味化合物を含むカプセルも含有してもよく、こうしたカプセルは固体エアロゾル形成基体の加熱中に溶けてもよい。

本明細書で使用される「均質化したたばこ」は、粒子状たばこを凝集することによって形成された材料を意味する。均質化したたばこは、シートの形態であってもよい。均質化したたばこ材料は、乾燥質量基準で５％超のエアロゾル形成体含有量を有してもよい。別の方法として、均質化したたばこ材料は、乾燥質量基準で５〜３０重量％のエアロゾル形成体含有量を有してもよい。均質化したたばこ材料シートは、たばこ葉ラミナおよびたばこ葉茎のうちの一方または両方を粉砕またはその他の方法で細分することによって得られた粒子状たばこを凝集することによって形成されてもよい。別の方法として、または追加的に、均質化したたばこ材料シートは、例えばたばこの処理、取り扱いおよび輸送中に形成されたたばこダスト、たばこの微粉、その他の粒子状たばこ副産物のうちの一つ以上を含んでもよい。均質化したたばこ材料シートは、粒子状たばこの凝集を助けるために、一つ以上の本来備わっている結合剤（すなわち、たばこ内在性結合剤）、一つ以上の外来的な結合剤（すなわち、たばこ外来性結合剤）、またはこれらの組み合わせを含んでもよいが、別の方法として、または追加的に、均質化したたばこ材料シートは、たばこおよび非たばこ繊維、エアロゾル形成体、湿潤剤、可塑剤、風味剤、充填材、水性および非水性の溶剤、ならびにこれらの組み合わせを含むがこれらに限定されないその他の添加物を含んでもよい。

固体エアロゾル形成基体は、熱的に安定な担体上に提供されてもよく、またはその中に包埋されてもよい。担体は、粉末、顆粒、ペレット、断片、スパゲッティ、細片またはシートの形態を取ってもよい。別の方法として、担体は、その内表面上、もしくはその外表面上、またはその内表面および外表面の両方の上に堆積された固体基体の薄い層を有する、管状の担体であってもよい。こうした管状の担体は、例えば紙、または紙様の材料、不織布炭素繊維マット、低質量の目の粗いメッシュ金属スクリーン、もしくは穿孔された金属箔、または任意の他の熱的に安定した高分子マトリクスで形成されてもよい。

固体エアロゾル形成基体は、例えばシート、発泡体、ゲル、またはスラリーの形態で担体の表面上に堆積されてもよい。固体エアロゾル形成基体は担体の表面全体の上に堆積されてもよく、または別の方法として、使用中に不均一な風味送達を提供するためのパターンで堆積されてもよい。

上記では、固体エアロゾル形成基体を参照したが、その他の形態のエアロゾル形成基体をその他の実施形態で使用しうることが当業者に明らかであろう。例えば、エアロゾル形成基体は液体エアロゾル形成基体としうる。液体エアロゾル形成基体が提供される場合、エアロゾル発生装置は、液体を保持する手段を備えることが好ましい。例えば、液体エアロゾル形成基体は容器内に保持されうる。別の方法として、または追加的に、液体エアロゾル形成基体は多孔性担体材料の中に吸収されうる。多孔性担体材料は、任意の適切な吸収性のプラグまたは本体、例えば発泡性の金属またはプラスチック材料、ポリプロピレン、テリレン、ナイロン繊維またはセラミックで作成しうる。液体エアロゾル形成基体は、エアロゾル発生装置を使用する前に、多孔性担体材料内に保持されてもよく、または別の方法として、液体エアロゾル形成基体材料は、使用中にまたは使用の直前に多孔性担体材料の中へと放出されてもよい。例えば、液体エアロゾル形成基体はカプセル内に提供されてもよい。カプセルのシェルは、加熱に伴い溶融し、液体エアロゾル形成基体を多孔性担体材料の中に放出することが好ましい。カプセルは、液体とともに固体を含む場合がある。

別の方法として、担体は、たばこ成分が組み込まれた不織布繊維または繊維の束としうる。不織布繊維または繊維の束は、例えば炭素繊維、天然セルロース繊維、またはセルロース誘導体繊維を含みうる。

エアロゾル発生装置はさらに、内部ヒーターおよび外部ヒーターに電力を供給するための電源を備えうる。電源は、任意の適切な電源、例えば電池などの直流電圧供与源でもよい。一実施形態において、電源はリチウムイオン電池である。別の方法として、電源は、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、またはリチウム系電池（例えば、リチウムコバルト電池）、リチウム鉄リン酸塩電池、チタン酸リチウム、もしくはリチウムポリマー電池であってもよい。

本開示の別の態様では、本発明の第一の態様による装置を備えるエアロゾル発生システムが提供されており、装置は、ハウジングと、ハウジング内に部分的にまたは完全に受けられるエアロゾル形成基体とを含む。

本発明の第三の態様によれば、エアロゾル形成基体と、エアロゾルを発生するためにエアロゾル形成基体を加熱するように構成された発熱体と、発熱体の温度を測定するための温度センサーと、発生したエアロゾルの物理的特性および化学組成のうちの少なくとも一つを含むエアロゾル特性を測定するためのエアロゾル監視手段と、ｉ）第一のフィードバック制御ループにおける測定された発熱体温度温度、およびｉｉ）第二のフィードバック制御ループにおける監視されたエアロゾル特性に基づいて、発熱体に供給される電力を調整するように構成されたコントローラーと、を備えた、エアロゾル発生システムが提供されている。

本発明の第四の態様によれば、発生したエアロゾルのエアロゾル特性を監視し、エアロゾル発生装置内のコントローラーと通信するように構成されたエアロゾル監視手段を備えるエアロゾル発生システムで使用するためのエアロゾル形成基体が提供されている。

本発明の第五の態様によれば、エアロゾルの生成を制御する方法が提供されており、その方法は、
ｉ） 発熱体を用いてエアロゾル形成基体からエアロゾルを発生することと、
ｉｉ） 発熱体の発熱体温度を測定することと、
ｉｉｉ） 第一のフィードバック制御ループにおける測定された温度に基づいて、発熱体に供給される電力を調整することと、
ｉｖ） 発生したエアロゾルのエアロゾル特性を測定することであって、該エアロゾル特性が、発生したエアロゾルの物理的特性または化学組成のうちの少なくとも一つを含む、測定することと、
ｖ） 一つ以上の測定されたエアロゾル特性を予期されたエアロゾル特性と比較して、異常な状態があるかどうかを判定することと、
ｖｉ） 異常な状態がない場合に、第一のフィードバック制御ループに基づいて発熱体に供給される電力を調整することと、
ｖｉｉ） 異常な状態がある場合に、第二のフィードバック制御ループに基づいて発熱体に供給される前記電力を調整することと、を含む。

一態様に関して説明された特徴は、本発明の他の態様にも等しく適用されてもよい。

ここで、例証としてのみであるが、以下の添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１ａは、本発明の一実施形態によるエアロゾル発生システムの概略図である。 図１ｂは、動作時の図１のエアロゾル発生システムの例示的な図である。 図１ｃは、代替的なエアロゾル発生システムの例示的な図である。 図２は、本発明の別の実施形態による液体エアロゾル形成基体を気化するために適合されたエアロゾル発生システムの例示的な図である。 図３ａは、ＰＩＤコントローラーおよび予測ロジック制御を有するコントローラーを示す流れ図である。 図３ｂは、ＰＩＤコントローラーおよび予測ロジック制御を有するコントローラーを示す流れ図である。 図４は、本発明のさらに別の実施形態によるエアロゾル形成物品と一体的に形成されたエアロゾルセンサーを示す例示的な図である。 図５は、本発明の別の実施形態による誘導発熱体を有するエアロゾル発生システムを示す例示的な図である。 図６は、本発明の別の実施形態によるマウスピースと共に形成されたエアロゾルセンサーを示す例示的な図である。

図１ａは、エアロゾル発生装置２０と、エアロゾル発生装置２０で使用するためのエアロゾル形成物品１００とを備えるエアロゾル発生システム１０を示す。例示の実施例におけるエアロゾル形成物品１００は、エアロゾル形成基体を含有する消耗部分１０２と、発生したエアロゾルを物品を通して引き出すためのマウスピース１０４と、エアロゾル形成基体１０２とマウスピース１０４との間の中間部分１０６とを有するたばこプラグである。

エアロゾル発生装置２０は、ハウジング２２の近位端の開口部を通してエアロゾル形成物品１００を受けるように構成されたくぼみ２４を有する管状ハウジング２２を含む。図１ｂに示す通り、エアロゾル形成物品１００がくぼみ２４内に挿入されると、くぼみ２４内の発熱体２６は、エアロゾル形成基体１０２に加熱を提供するように、エアロゾル形成物品１００の消耗部分１０２を貫通してそれ自体を完全にその中へと包埋させる。発熱体２６は、電流がそれを通過する時に熱を発生する抵抗発熱体である。使用時に、発熱体２６は、摂氏２００〜３５０度の使用温度に加熱されてエアロゾルを発生する。発熱体２６は、くぼみの中へと挿入された時のエアロゾル形成基体１０２の中へのその貫通を容易にするように、ブレードの形状である。発熱体２６は、使用時に、第一のくぼみ部分２４ａ内の消耗部分１０２の全体または一部が加熱されうるように、くぼみ２４に受けられた時に、エアロゾル形成物品１００の消耗部分１０２に対応するようにサイズ設定されて位置付けられる。

装置１０は、ハウジング２２内に電気エネルギー供給源３０、例えば再充電可能リチウムイオン電池を含む。装置はさらに、発熱体２６、電気エネルギー供給源３０およびユーザーインターフェース３４に接続されたコントローラー３２を備える。この場合、ユーザーインターフェース３４は機械的ボタンである。ユーザーインターフェース３４を起動すると、コントローラー３２は、エアロゾル形成基体１０２の温度を調節するために、電気的接続２７を介して発熱体２６に供給される電力を制御する。コントローラー３２はさらに、少なくとも一つのセンサーからの測定されたデータを分析するためのプロセッサ３８を含む。例えば、コントローラーは、メモリ３６に格納された変換規則に基づいて、発熱体２６の両端で検出された電気抵抗をヒーター温度に変換するように構成されてもよい。メモリ３６はまた、必要に応じてセンサーデータをプロセッサ３２に提供するように、測定された温度の時間履歴を格納するように構成されてもよい。

コントローラー３２はさらに、外部装置と通信するための通信モジュール３９を含む。このように、エアロゾル特性およびヒーター使用温度の予期値などのプロセスパラメータは、通信モジュールを通して接続された外部装置から変化しうる。ファームウェア更新が提供されてもよい。装置の使用および装置の状態に関連するデータは、装置から外部装置へアップロードされてもよい。例示の実施例では、通信モジュールは、外部装置との無線通信を提供する能力を有するＢｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ（ＢＬＥ）装置である。一部の場合では、無線通信モジュールはコントローラー３２には提供されず、充電器などの補助的な装置上に提供される。この場合、コントローラーは、補助的な装置を介して外部装置からデータを送受信しうる。

ハウジングはさらに、くぼみ２４内で発生した熱から電気構成要素を分離して遮蔽するために、発熱体２６に隣接した断熱材料などの断熱層２８を含む。また、断熱層は、くぼみ２４と電子構成要素との間にシールを提供する。断熱層により、くぼみ内の液体が電気構成要素と接触することが防止される。この実施例では、断熱層２８はまた、発熱体２６の基部をハウジングに固定する。エアロゾル形成物品１００の装置の中への挿入中にエアロゾル形成基体１０２を貫通する際、断熱層が発熱体２６を支持する。

使用時に、発熱体２６は使用温度まで加熱され、エアロゾル形成基体がくぼみ２４内でエアロゾルを発生する。次に、ユーザーは、エアロゾル形成物品１００のマウスピース１０４で吸煙して、発生したエアロゾルをくぼみ２４から引き出しうる。図１ｂに示すように、発生したエアロゾルの一部は、基体１０２とくぼみ２４の内壁との間に形成される間隙６０内にオーバーフローする場合がある。こうしたオーバーフローしたエアロゾルは、発生したエアロゾルを表している。エアロゾルセンサー４０は、オーバーフローしたエアロゾルの一つ以上の特性を感知するために、くぼみ２４の内壁上に提供される。測定されたエアロゾル特性であるエアロゾルセンサーの出力は次に、フィードバック制御ループで使用するためにコントローラー３２に伝えられる。

例示の実施例では、発生したエアロゾル中の一つ以上の化学組成を感知するための、小型金属酸化物半導体（ＭＯＳ）センサーまたは小型分光計などのエアロゾルセンサー４０である。さらに、または別の方法として、エアロゾルセンサー４０は、エアロゾル液滴の量、密度および粒子サイズ、ならびに発生したエアロゾルの温度など、物理的特性を検出するための光学粒子および温度センサーのうちの一つ以上を含みうる。従って、エアロゾルセンサー４０は、発生したエアロゾルの化学組成および物理的特性のうちの一つ以上を提供する能力を有する。

一例として、エアロゾルセンサー４０は、発生したエアロゾル中の組成を監視するための、および特にエアロゾル形成基体中の望ましくない燃焼または過熱を示す一酸化炭素（ＣＯ）のレベルを検出するための化学センサーを含みうる。コントローラー３２は、測定されたＣＯレベルを、通常の動作中に発生したエアロゾル中の予期されたＣＯレベルを示す予期値と比較するように構成される。予期されたレベルよりもＣＯが多い場合、コントローラーは異常な状態があると判定しうる。

化学センサーは一般的に、分析素子に関連した認識素子を含む。認識素子は、発生したエアロゾル中の標的化学物質の分子と選択的に相互作用する受容体部位を含む。分析素子は、認識素子によって出力された信号を処理するための電子構成要素を含む。

図１ｃは、本発明の別の実施形態を示す。図１ｂのエアロゾルセンサー４０は、電気化学コーティング４０ｂと置き換えられる。電気化学コーティング４０ｂは、くぼみ２４の壁の実質的な一部分上に被覆される。この実施形態では、電気化学コーティング４０ｂが認識素子であり、分析素子はコントローラーと統合される。電気化学コーティングは、コントローラーと電気的に接続するように配置される。被覆は、オーバーフローしたエアロゾル中の特定の標的化学物質と接触すると、コントローラーに電気信号を戻す。電気化学コーティングによって戻された電気信号は、発生したエアロゾル中の標的化学物質の濃度に比例する。電気化学コーティングからの信号が正常または予期された範囲外である場合、コントローラーは異常な状態があると判定する。この配置は薄い化学センサーを提供する。異常な状態がない場合、コントローラー３２は、第一のフィードバック制御ループにおける発熱体２６で判定された温度に基づいて、発熱体２６に供給される電力を制御しうる。発熱体の温度は、ヒーターにおける別個の電熱対によって、または抵抗発熱体２６の両端で検出された瞬間的な電気抵抗に基づいて測定されうる。

過剰なＣＯなどの検出された異常な状態に反応して、コントローラーは、第一のフィードバック制御ループをオーバーライドして第二のフィードバック制御ループを使用するように構成され、ここで発熱体に供給される電力は、測定されたエアロゾル品質に基づいて制御される。例えば、上記の事例では、異常な量のＣＯを検出すると、コントローラーは、測定されたＣＯレベルが予期値未満に降下するまで、発熱体温度を参照することなく発熱体２６への電力供給を停止または減少させる。

一部の実施形態では、コントローラーは、通常の状態中であっても測定されたエアロゾル品質に基づいて発熱体に供給される電力が連続的に制御されるように、連続的な方法で第二のフィードバック制御ループを使用するように構成される。測定されたエアロゾル特性は、例えば、発熱体の標的温度を調整するために使用されうる。

一部の実施形態では、一つ以上の予期されたエアロゾル特性は、手動で変更されてもよく、あるいは特定のトリガー条件を満たす際に変更されてもよい。第二のフィードバック制御ループは、異なる閾値レベルで起動しうる。例えば、屋外での使用中の予期されたＣＯレベルは、エアロゾル発生装置２０が閉鎖環境で使用される時に減少しうる。従って、エアロゾル発生装置２０は、屋内で使用される時には低い使用温度で動作する。装置は、ＢＬＥ装置３９を使用して装置が屋内にあるときを検出しうる。

一部の実施形態では、ＢＬＥ装置３９は、一つ以上のエアロゾル特性の予期値を手動で変更するために、携帯電話などの外部装置と通信する。その他の一部の実施形態では、ＢＬＥ装置３９は、他の外部装置（例えば、ホームエンターテイメントシステム）へのその近接を感知し、屋内使用に適したＣＯの予期値を低下させる。

一部の場合では、第二の制御ループで動作する時、第一のフィードバック制御ループによって使用される発熱体温度がなおも考慮されうる。例えば、エアロゾル中の異常に低い量のニコチンを検出すると、第二のフィードバック制御ループは、第一の制御ループにおける温度制御をオーバーライドして、発熱体２６への電力供給を増大する。これにより、気化が増大し、ニコチンの放出が促進される。この場合、安全対策として、コントローラーは第一のフィードバックループにおける発熱体温度を連続的に参照する。コントローラーは、発熱体温度が所定の安全カットオフ限度に達した場合に、電力供給の増大を中止するように構成される。典型的な所定の安全カットオフ限度は、摂氏３００〜４００度であってもよいが、加熱されるエアロゾル形成基体のタイプに応じて変化しうる。

一部の場合では、複数のエアロゾル特性が測定され、測定されたパラメータの階層に基づいて、二次制御ループが発熱体２６に供給される電力を制御しうる。例えば、望ましくない化学組成の検出などの安全カットオフは、ニコチンレベルに基づいて制御をオーバーライドしうる。そのため、望ましくない高いレベルの化学的化合物および異常に低いレベルのニコチンを検出すると、コントローラーは、ヒーター温度を上げてニコチン放出を増大する代わりに、発熱体への電力供給を停止して望ましくないレベルの化学的化合物を減少させる。

図１ａおよび１ｂに示すエアロゾル発生装置はさらに、エアロゾルが発熱体で発生すると、エアロゾルの品質を調整するための補助的なエアロゾル制御手段５０を備える。例示の実施例における補助的なエアロゾル制御手段５０は、エアロゾル形成物品１００の中間部分１０６を通って流れる発生したエアロゾルを冷却するように、第二のくぼみ部分２４ｂから熱を吸収するペルチェ装置である。図２に示すように、第二のくぼみ部分２４ｂは、有利なことに、第一のくぼみ部分２４ａの下流に位置付けられ、その結果、発生したエアロゾルはマウスピースを通して引き出される前に冷却される。これは、中間部分１０６において発生したエアロゾルの急な冷却速度につながり、従ってより多くのエアロゾル液滴の播種および形成が増大する。一部の実施形態では、中間部分１０６は、それを通過するエアロゾルの冷却を補助するための熱伝導材料を含みうる。

一部の実施形態では、別の補助的なエアロゾル制御手段５０が使用されてもよい。例えば、補助的なエアロゾル制御手段５０は、蒸気からのエアロゾル液滴形成の程度を変化させるために、くぼみの膨張容積、ならびにエアロゾル流路の長さを調整するように構成されたマイクロアクチュエータであってもよい。補助的なエアロゾル制御手段５０は、許容可能な範囲外にある発生したエアロゾル液滴を濾過するための、マイクロインパクターなどの可変機械的フィルターであってもよい。

熱電装置などの補助的なエアロゾル制御手段５０は、電力供給源３０からの追加的な電力を消費する。この例示の実施例では、補助的なエアロゾル制御手段５０は、異常なエアロゾルが検出されると、エアロゾル特性を調整するために第二の制御ループにのみ適用される。補助的なエアロゾル制御手段５０は、発生したエアロゾルのエアロゾル特性が通常の動作範囲内であると判断された場合には起動しない。代わりに、補助的なエアロゾル制御手段は、発生したエアロゾルが所望の限度外にある場合、エアロゾル品質を改善するための是正措置として起動する。

光学粒子サイザー４０は、エアロゾルセンサー４０の一例であり、測定されたエアロゾル特性は液滴量および液滴サイズを含む。液滴量および液滴サイズが通常の動作範囲内にあると検出された場合、コントローラー２７は、発熱体２６に供給される電力が測定されたヒーター温度に基づいている、第一のフィードバック制御ループを採用する。しかしながら、異常に低い液滴密度および／または低減された液滴サイズを検出すると、コントローラー２７は、エアロゾル特性に基づいて発熱体への電力供給を低減するだけでなく、液滴形成を促進するために熱電装置５０を起動する、第二のフィードバック制御ループを採用しうる。

一部の実施形態では、マウスピースで引き出されたエアロゾルのエアロゾル特性を監視するために、追加的なエアロゾルセンサー（図示せず）が提供されてもよい。例えば、追加的なエアロゾルセンサーは、補助的なエアロゾル制御手段５０が発生したエアロゾルの欠陥を是正する際の有効性を監視しうる。コントローラー２７は、エアロゾルセンサー４０、または追加的なエアロゾルセンサー、またはエアロゾルセンサー４０および追加的なエアロゾルセンサーの両方からの測定されたエアロゾル特性に基づいて、補助的なエアロゾル制御手段５０を制御するように構成されうる。

追加的なエアロゾルセンサーは、エアロゾルセンサー４０と同じエアロゾル特性を監視してもよく、または異なるエアロゾル特性を監視してもよい。例えば、エアロゾルセンサー４０は、ＣＯレベルを検出するための分光計であってもよく、追加的エアロゾルセンサーは、粒子量、または粒子サイズ、または粒子量および粒子サイズの両方を測定するための光学粒子サイザーであってもよい。コントローラーは、一つの特性における異常な状態が別の特性における異常な状態に基づいて制御をオーバーライドするように、エアロゾルの階層および発熱体特性に基づいて、発熱体への電力を調整しうる。

図２は、液体エアロゾル形成基体１０２ｂを有するエアロゾル形成カートリッジ１００ｂで使用するためのエアロゾル発生装置２０ｂを備える代替的なエアロゾル発生システム１０ｂを示す。エアロゾル発生システム１０ｂは、たばこロッドを加熱するように構成されていないことを除いて、図１に示す実施形態１０と同じ構成要素を備える。エアロゾル発生システム１０ｂは、ｅリキッドとして一般的に公知の液体基体１０２ｂを気化するように構成される。

マウスピース１０４ｂは、ねじ取り付けまたはクリップ取付けによってくぼみ１２４ｂの開口部に取り外し可能に取り付けられる。エアロゾル形成カートリッジ１００ｂは、マウスピース１０４ｂを取り外して再び取り付けすることによって、くぼみ１２４ｂの中へと挿入されうる。使用時に、エアロゾル形成カートリッジ１００ｂはくぼみ１２４ｂの中へと挿入される。液体基体１０２ｂは発熱体２６ｂに送達されて発熱体２６ｂによって加熱され、このプロセス中にエアロゾルを発生する。発生したエアロゾルは、ユーザーがマウスピース１０４ｂを吸煙するのに伴いくぼみから引き出される前にくぼみ１２４ｂ内に形成される。

一般的に、第二のフィードバック制御ループが使用される場合、フルフィードバックモードと呼ばれうる。フルフィードバックモードでは、エアロゾルセンサーによって測定される少なくとも一つのエアロゾル特性が、メモリ３８に格納された制御ロジックに従って、発熱体２６を調節するための連続的なフィードバック制御ループで使用される。制御ロジックは、製造時に固定されてもよく、または機械学習によって更新されてもよく、または装置のユーザーによってプログラムされてもよい。

フルフィードバックモードで動作する時、エアロゾルセンサー４０で測定された少なくとも一つのエアロゾル特性は、補助的なエアロゾル制御手段５０を制御するために、ヒーター温度またはその他の変数を変更するために適用される。インテリジェントアルゴリズムまたは制御ロジックを使用してもよく、これらは考えられる偽陽性を考慮しうる。

フルフィードバックモードでの動作は、比較的感応性の高いエアロゾルセンサー４０、ならびに専用の制御ロジックの使用を必要とする。このような要件が満たされていない一部の場合には、第二のフィードバック制御ループは、より単純に動作する場合があり、この場合、エアロゾルセンサー４０は安全スイッチとして作用する。例えば、望ましくない化学的化合物の存在を感知すると、第二の制御ループは、発熱体における温度制御をオーバーライドし、装置を完全にオフにする。より具体的には、第二のフィードバック制御ループは、フィードバック制御を提供する代わりに、装置の動作を中止しうる。

図３ａおよび３ｂはそれぞれ、エアロゾル発生装置１０内に第一のフィードバック制御ループ２１０および第二のフィードバック制御ループ２２０を提供するための比例積分微分（ＰＩＤ）制御および予測ロジック制御の二つの代替的な流れ図を示す。ＰＩＤ制御のアプリケーションは、変更が測定された後にパラメータを調節し、予測ロジック制御は、変更が測定された前後にパラメータを調節する。

図３ａでは、第一のフィードバック制御ループ２１０は、ヒーター温度を制御するために提供されている（エアロゾルセンサー４０によって異常なエアロゾル特性が検出されない場合、発熱体の検出された電気抵抗に基づいて）。第一の工程２１２において、発熱体を通る電流の測定値および発熱体の両端の電圧が受信される。第二の工程２２４において、発熱体の電気抵抗を算出するために測定値が使用される。算出された発熱体抵抗は工程２１６で標的抵抗と比較され、差異は工程２１８で比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラーに出力される。ＰＩＤコントローラーの出力は、発熱体の電気抵抗を標的抵抗に向かわせるために必要な電圧の値である。ＰＩＤコントローラーを使用することは、閉ループ制御のための周知の技法である。ＰＩＤコントローラーは、ヒーター温度または抵抗とは無関係の固定パラメータを有する。工程２２０で、ＰＩＤコントローラーの出力が電圧および電流の最大限度に対してチェックされる。出力電圧が最大限度よりも小さい場合には、ヒーター制御ブロック２３０に出力され、そうでなければ最大電圧が電圧制御ブロック２３０に出力される。

第二の制御ループ２４０は、工程２４２でエアロゾルの感知された化学的または物理的特性を受信する。感知された特性は、工程２４４で感知された特性に対する予期値と比較され、差異が出力される。差異は、工程２４６で比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラーに出力される。ＰＩＤコントローラーの出力は、感知されたエアロゾル特性を標的値に向けて戻すための値である。工程２４８で、ＰＩＤコントローラーの出力が電圧および電流の最大限度に対してチェックされる。出力電圧が最大限度よりも小さい場合には、ヒーター制御ブロック２３０に出力され、そうでなければ最大電圧が電圧制御ブロック２３０に出力される。また、第二の制御ループ２４０の出力は、冷却＿制御出力によって示されるように、ペルチェ装置などの追加的なエアロゾル制御装置にも適用されうる。

ヒーター制御ブロック２３０は、異常なエアロゾル特性が検出されない限り、第一の制御ループ２１０からの入力を使用するように構成されうる。異常なエアロゾル特性は、第二の制御ループからの上書き信号によってヒーター制御ブロック２３０に伝達される。

ただし、第二の制御ループは、第一の制御ループを微調整するために連続的に使用されてもよい。第二の制御ループの出力は、矢印２３２で示されるように、第一の制御ループのＰＩＤコントローラーに入力されうる。逆に、矢印２３４で示されるように、標的抵抗と第一の制御ループ２１０からの測定された抵抗との間の差異は、第二の制御ループ２４０のＰＩＤコントローラーに入力されうる。これは安全機構としての役割を果たしうる。例えば、発熱体２６に燃焼または損傷をもたらす可能性がある発熱体の著しい過熱を示す抵抗差により、第二のフィードバック制御ループ２４０が上書き信号を発して発熱体２６への電力供給を中止または著しく減少させうる。

図３ｂは、予測制御ロジックを使用した同様の第一の制御ループ２６０および第二の制御ループ２７０を示し、ここでコントローラーは、以前の経験および特性評価に基づいて、イベントが実際に起こる前のシステムの挙動を予測する。

第一の制御ループ２６０の第一の工程２６２において、ヒーターを通る電流の測定値および電圧の測定値が受信され、次いで第二の工程２６４において、これらは発熱体の電気抵抗を算出するために使用される。算出された発熱体抵抗は工程２６６で標的抵抗と比較され、差異または誤差は工程２６８で予測ロジックコントローラーに出力される。予測ロジックコントローラーは、温度、電圧、時間、電流、および標的抵抗と算出された抵抗との間の誤差などの複数のパラメータに基づくモデルまたは理想的な発熱体挙動に基づいてもよい。図３ａの制御ループでの場合と同様に、予測ロジックコントローラーの出力が、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するために使用される前に、ヒーターを通る電流、または必要な出力電圧が所定の最大限度よりも大きいかどうかが最初にチェックされる。ヒーターを通る電流が、電池が送達することのできる最大電流より大きい場合、工程２６９において電圧に必要な値は、最大許容電流と、算出されたヒーター抵抗との積として設定される。出力はヒーター制御ブロック２８０に入力される。

第二の制御ループ２７０は、工程２７２でエアロゾルの感知された化学的または物理的特性を受信する。感知された特性は、工程２７４で感知された特性に対する予期値と比較され、差異が出力される。工程２７６で、差異が予測ロジックコントローラーに出力される。予測ロジックコントローラーの出力は、感知されたエアロゾル特性を標的値に向けて戻すための電圧の値である。工程２７８で、ＰＩＤコントローラーの出力が電圧および電流の最大限度に対してチェックされる。出力電圧が最大限度よりも小さい場合にはヒーター制御ブロック２８０に出力され、そうでなければ最大電圧が電圧制御ブロック２８０に出力される。また、第二の制御ループの出力は、冷却＿制御出力によって示されるように、ペルチェ装置などの追加的なエアロゾル制御装置にも適用されうる。

図３ａに示す実施例におけるように、ヒーター制御ブロック２３０は、異常なエアロゾル特性が検出されない限り、第一の制御ループ２１０からの入力を使用するように構成されうる。異常なエアロゾル特性は、第二の制御ループ２４０からの上書き信号によってヒーター制御ブロック２３０に伝達される。

ただし、第二の制御ループ２４０は、第一の制御ループを微調整するために連続的に使用されてもよい。第二の制御ループ２４０の出力は、矢印２３２で示されるように、第一の制御ループのＰＩＤコントローラーに入力されうる。逆に、矢印２３４で示されるように、標的抵抗と第一の制御ループ２１０からの測定された抵抗との間の差異は、第二の制御ループ２４０のＰＩＤコントローラーに入力されうる。これは安全機構としての役割を果たしうる。例えば、発熱体に燃焼または損傷をもたらす可能性がある発熱体２６の著しい過熱を示す抵抗差により、第二のフィードバック制御ループ２４０が上書き信号を発して発熱体２６への電力供給を中止または著しく減少させうる。

予測制御ロジックは、メモリ３８に格納され、ユーザーによって頻繁に更新されるか、またはユーザーの挙動を学習するために、または使用のベストモードを特定するために、使用毎に自動的に更新されてもよい。例えば、コントローラー３２は、メモリ３８内の時間履歴が、ユーザーが常に短期間の吸煙を行う、または発生したエアロゾルが特定の温度を超えると完全に吸煙を停止することを示すため、特定のユーザーは冷たい発生されたエアロゾルを好む傾向があると特定しうる。その結果、第一のフィードバック制御ループ、または第二のフィードバック制御ループ、または第一のフィードバック制御ループおよび第二のフィードバック制御ループが次に予測ロジックを実施しうるが、ここで、予期されたエアロゾル特性がより低い値に低減される。

図４は、本発明の別の実施形態によるエアロゾル形成物品３００を示す。図１のエアロゾル形成物品１００と同様、エアロゾル形成物品３００はまた、エアロゾル形成基体を含有する消耗部分３０２と、マウスピース３０４と、エアロゾル形成基体３０２とマウスピース３０４との間の中間部分３０６とを含む。この実施形態では、エアロゾルセンサー３４０は、エアロゾル形成物品３００の中間部分３０６と一体的に形成される。エアロゾルセンサー３４０は、エアロゾル形成物品３００を有する使い捨てセンサーであってもよい。

エアロゾルセンサー３４０は、マウスピースで引き出される主エアロゾル流内の少なくとも一つのエアロゾル特性を検出するように構成され、これにより正確な測定を行うことが可能になる。例示の実施例では、エアロゾルセンサー３４０は、エアロゾル発生装置１０の様々な構成要素と無線で接続される。例えば、エアロゾルセンサー３４０は、近距離無線通信（ＮＦＣ）を使用してコントローラー３２と通信し、誘導充電などの無線充電によって電力供給源３０から電力供給を取得する。別の方法として、エアロゾルセンサー３４０には、コントローラー３２および電力供給源３０との物理的な電気的接続を確立するために、エアロゾル形成物品３００の外表面に電気コネクターが提供されてもよい。

図５は、電力供給源４３０に接続されたコントローラー４３２と、エアロゾルセンサー４４０と、補助的なエアロゾル制御手段４５０と、ハウジング４２２内にあるがくぼみ４２４内に受けられたエアロゾル形成物品４００内のエアロゾル形成基体４０２の外表面の周りに配置されたインダクタコイル４７０とを含む代替的なエアロゾル発生装置４２０を図示したものである。エアロゾル形成物品は、ユーザーが吸煙するためのマウスピース４０４を含む。エアロゾル発生装置４２０は、図１および２に示す通り、エアロゾル発生装置２０と類似した方法でエアロゾル発生を制御するために、第一のフィードバック制御ループ、または第二のフィードバック制御ループ、または第一のフィードバック制御ループおよび第二のフィードバック制御ループの両方を採用する。

誘導コイル４７０は、サセプタ４７２内で熱を発生する渦電流を誘導する交流電磁場を発生する。また、熱はサセプタ内のヒステリシス損失によって発生しうる。この実施例のサセプタ４７２は、ステンレス鋼で形成される。サセプタ４７２は、エアロゾル形成基体４０２内に包埋され、内側からエアロゾル形成基体４０２を加熱する。一部の実施形態では、サセプタは、エアロゾル形成基体４０２の外表面上に配置されて、エアロゾル形成基体４０２の外部から加熱を提供しうる。別の方法として、サセプタは、くぼみ４２４を囲むサセプタ管であってもよい。

誘導コイル４７０によって活性化されるサセプタ４７２は、この実施形態において発熱体を形成する。従来的な抵抗発熱体とは対照的に、サセプタ４７２の温度は直接測定できない。代わりに、コントローラーは、誘導コイルの両端の見かけのオーム抵抗に基づいて、サセプタ４７２の温度を判定するように配置される。こうした見かけのオーム抵抗は、電力供給源から引き出される電圧および電流に基づいて算出されうる。サセプタ４７２の温度は、第一のフィードバック制御ループにフィードバック制御を提供するためのヒーター温度と考えられうる。

図６は、本発明のさらに別の実施形態における、エアロゾル発生装置のくぼみを取り外し可能に閉じるためのマウスピース５０４を示す。マウスピースは、フローチャネルと、フローチャネルを横切って延びる透過性メッシュ５０６とを含む。マウスピース５０４はさらに、透過性メッシュ５０６上に取り付けられたエアロゾルセンサー５４０を含む。エアロゾルセンサーは、エアロゾル形成基体から発生したエアロゾルの少なくとも一つのエアロゾル特性を感知するために、発生したエアロゾルの経路内に位置付けられる。マウスピースはさらに、くぼみの開口部に取り付けられるとき、コントローラー３２と電力供給源３０との物理的な電気的接続を確立するために、その側壁に沿って位置付けられた電気コネクターを含む。ただし、こうした物理的な電気的接続は、ＮＦＣおよび誘導充電などの無線通信と置き換えられうる。

図６に示す配置により、主エアロゾル流内の少なくとも一つのエアロゾル特性を使い捨てではないエアロゾルセンサー５４０で検出することを可能にする。従って、図４に示す使い捨てのエアロゾルセンサー３４０と比較して、運用が安価なシステムである。
上述の例示的な実施形態は例証するが限定はしない。上記で考察した例示的な実施形態に照らすことによって、上記の例示的な実施形態と一貫したその他の実施形態も当業者には明らかとなろう。

Claims (13)

1. エアロゾル発生装置であって、
   エアロゾルを発生させるために、エアロゾル形成基体を加熱するように構成された発熱体と、
   前記発熱体の温度を測定するための温度センサーと、
   前記発生したエアロゾルの物理的特性および化学組成のうちの少なくとも一つを含むエアロゾル特性を測定するためのエアロゾル監視手段であって、前記発熱体の下流のフローチャネルに、またはそれに沿って位置付けられる、エアロゾル監視手段と、
   ｉ） 第一のフィードバック制御ループにおける前記測定された発熱体温度、および、
   ｉｉ） 第二のフィードバック制御ループにおける前記測定されたエアロゾル特性に基づいて、前記発熱体に供給される電力を調整するように構成されたコントローラーと、
   前記発生したエアロゾルのエアロゾル特性を調整するための補助的なエアロゾル制御手段と、を含み、
   前記コントローラーが、前記第二のフィードバック制御ループにおける前記測定されたエアロゾル特性に基づいて、前記補助的なエアロゾル制御手段に対する少なくとも一つの制御変数を調整するように構成される、エアロゾル発生装置。
2. 前記コントローラーが、前記測定されたエアロゾル特性を予期されたエアロゾル特性と比較して、異常な状態がないかどうかを判定するように構成され、前記コントローラーが、異常な状態がない場合には前記第一のフィードバック制御ループに基づき、異常な状態がある場合には前記第二のフィードバック制御ループに基づいて前記発熱体に供給される前記電力を調整するように構成される、請求項１に記載のエアロゾル発生装置。
3. 前記補助的なエアロゾル制御手段が、前記発生したエアロゾルを冷却するように構成される、請求項１または２のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
4. 前記エアロゾルを発生するためのエアロゾル発生チャンバーをさらに備え、前記補助的なエアロゾル制御手段が、前記エアロゾル発生チャンバーの容積を変化させるためのアクチュエータを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
5. 前記アクチュエータが、前記チャンバーの長さまたは前記エアロゾル発生チャンバーの形状を調整することによって前記エアロゾル発生チャンバーの前記容積を変化させるように構成される、請求項４に記載のエアロゾル発生装置。
6. 前記補助的なエアロゾル制御手段が可変フィルターを含む、請求項１〜５のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
7. 前記可変フィルターがマイクロインパクターおよびシーブうちの少なくとも一つを含む、請求項６に記載のエアロゾル発生装置。
8. 前記エアロゾル監視手段が、分光計、電気化学センサー、および金属酸化物半導体（ＭＯＳ）センサーのうち少なくとも一つを含む、請求項１〜７のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
9. その上に予測制御アルゴリズムまたは比例積分微分アルゴリズムを格納するメモリをさらに備え、前記コントローラーが、前記予測制御アルゴリズムまたは前記比例積分微分アルゴリズムのいずれかを使用して、前記第一のフィードバック制御ループ、または前記第二のフィードバック制御ループ、または前記第一のフィードバック制御ループおよび前記第二のフィードバック制御ループの両方を実施するように構成される、請求項１〜８のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
10. 前記発生したエアロゾルの前記物理的特性が、前記発生したエアロゾルの液滴密度、温度、液滴サイズ、液滴速度、および流量のうちの一つ以上を含む、請求項１〜９のいずれかに記載のエアロゾル発生装置。
11. エアロゾル発生システムであって、
    エアロゾル形成基体と、
    エアロゾルを発生するために、前記エアロゾル形成基体を加熱するように構成された発熱体と、
    前記発熱体の温度を測定するための温度センサーと、
    前記発生したエアロゾルの物理的特性および化学組成のうちの少なくとも一つを含むエアロゾル特性を測定するためのエアロゾル監視手段であって、前記発熱体の下流のフローチャネルに、またはそれに沿って位置付けられる、エアロゾル監視手段と、
    ｉ） 第一のフィードバック制御ループにおける前記測定された発熱体温度、および、
    ｉｉ） 第二のフィードバック制御ループにおける前記監視されたエアロゾル特性に基づいて、前記発熱体に供給される電力を調整するように構成されたコントローラーと、
    前記発生したエアロゾルのエアロゾル特性を調整するための補助的なエアロゾル制御手段と、を備え、
    前記コントローラーが、前記第二のフィードバック制御ループにおける前記測定されたエアロゾル特性に基づいて、前記補助的なエアロゾル制御手段に対する少なくとも一つの制御変数を調整するように構成される、エアロゾル発生システム。
12. 発生したエアロゾルのエアロゾル特性を監視し、エアロゾル発生装置内のコントローラーと通信するように構成されたエアロゾル監視手段を備えるエアロゾル発生システムで使用するためのエアロゾル形成基体。
13. エアロゾルのエアロゾル特性を変化させる方法であって、前記方法が、
    ｉ） 発熱体を用いてエアロゾル形成基体からエアロゾルを発生することと、
    ｉｉ） 前記発熱体の温度を測定することと、
    ｉｉｉ） 第一のフィードバック制御ループにおける前記測定された温度に基づいて、前記発熱体に供給される電力を調整することと、
    ｉｖ） 前記発生したエアロゾルの前記エアロゾル特性を測定することであって、前記エアロゾル特性が、前記発生したエアロゾルの物理的特性または化学組成のうちの少なくとも一つを含む、測定することと、
    ｖ） 前記測定されたエアロゾル特性を予期されたエアロゾル特性と比較して、異常な状態があるかどうかを判定することと、
    ｖｉ） 異常な状態がない場合に、前記第一のフィードバック制御ループに基づいて前記発熱体に供給される前記電力を調整することと、
    ｖｉｉ） 異常な状態がある場合に、前記第二のフィードバック制御ループに基づいて前記発熱体に供給される前記電力を調整することと、
    ｖｉｉｉ） 前記発生したエアロゾルのエアロゾル特性を調整することと、を含む、方法。

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