JP2021514617A - 電圧変換器を含むエアロゾル生成装置及びそれを制御する方法 - Google Patents

電圧変換器を含むエアロゾル生成装置及びそれを制御する方法 Download PDF

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Abstract

エアロゾル生成装置は、バッテリ、エアロゾル生成物質を加熱するためのヒータ、電圧変換器及び制御部を含んでもよい。エアロゾル生成装置は、バッテリ及びヒータの間に、バッテリから印加された電圧を一定電圧に変換して既設定の固定電圧を出力する電圧変換器を配置し、ヒータに固定電圧を印加し、制御部は、予熱モードで既設定の固定電圧がヒータに印加されるようにヒータに供給される電力を制御することができる。

Description

本発明は、電圧変換器を含むエアロゾル生成装置及びそれを制御する方法を提供する。
最近、一般的なシガレットの短所を克服する代替方法に関する需要が増加している。例えば、シガレットを燃焼させてエアロゾルを生成させる方法ではない、シガレット内のエアロゾル生成物質が加熱されることにより、エアロゾルが生成する方法に関する需要が増加している。これにより、加熱式シガレットまたは、加熱式エアロゾル生成装置に係わる研究が活発に進められている。
エアロゾル生成装置のヒータは、エアロゾル生成装置に挿入されるシガレットを加熱する。エアロゾル生成装置は、予め設定された温度プロファイルに基づいてヒータに供給される電力を制御することができる。
一方、設定された温度プロファイルに基づいたヒータは、予熱モード及び加熱モードで動作する。ヒータが予熱モードで動作する場合、エアロゾル生成装置は、短時間内にヒータの温度が予熱目標温度に到逹するために、多くの電流を消耗してしまう。これにより、バッテリの出力電圧が瞬間的に急落する恐れがある。バッテリの出力電圧が急落する場合には、ヒータの温度変化をリアルタイムでモニタリングし難いために、加熱されるシガレットごとに予熱時間を一定に調節することが困難である。これにより、加熱されるシガレットごとに味の差が発生する。
本発明が解決しようとする課題は、電圧変換器を含むエアロゾル生成装置及びそれを制御する方法を提供することである。本発明が解決しようとする技術的課題は、予熱モードでバッテリの出力電圧が急に落ちることにより、加熱されるシガレットごとに予熱時間が一定しない問題を解決することにある。
本実施例が解決しようとする技術的課題は、前述したような技術的課題に限定されず、以下の実施例からさらに他の技術的課題が類推可能である。
上述した技術的課題を達成するための技術的手段として、本開示の第１側面は、バッテリと、エアロゾル生成物質を加熱するためのヒータと、前記バッテリから印加された電圧を一定電圧に変換して既設定の固定電圧を出力する電圧変換器と、前記電圧変換器から前記ヒータに供給される電力を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記ヒータが予熱モードで動作するか否かを決定し、前記予熱モードで前記既設定の固定電圧が前記ヒータに印加されるように、前記ヒータに供給される電力を制御する、エアロゾル生成装置を提供する。
また、前記電圧変換器は、前記バッテリから印加された電圧が前記既設定の固定電圧よりも低い場合、前記印加された電圧を昇圧させ、前記バッテリから印加された電圧が前記既設定の固定電圧よりも高い場合、前記印加された電圧を降圧させる。
また、前記ヒータは、予熱モード及び加熱モードで動作し、前記制御部は、前記予熱モードで前記ヒータの温度が既設定の予熱目標温度に到逹するように前記ヒータに供給される電力を制御し、前記加熱モードで前記ヒータの温度が前記既設定の予熱目標温度よりも低い温度範囲で保持されるように、前記ヒータに供給される電力を制御する。
また、前記制御部は、前記予熱モードにおいて、前記ヒータの温度が前記既設定の予熱目標温度に到逹するために要求される電力量及び前記ヒータに印加される前記既設定の固定電圧に基づいて前記ヒータの予熱に必要な時間を決定し、前記既設定の固定電圧が前記ヒータに印加されることで、前記ヒータの予熱に必要な時間は、比較的一定している。
また、前記電圧変換器は、バックブースタコンバータ（buck boost converter）、演算増幅器（Operating Amplifier、OP Amp）及びLDO（Low Dropout）電圧レギュレータ（regulator）のうち、いずれか１つである。
また、前記エアロゾル生成装置は、前記電圧変換器及び前記ヒータの間に位置し、入力される制御信号によって開閉状態が調節される第１スイッチと、前記ヒータと接地部との間に位置し、入力される制御信号によって開閉状態が調節される第２スイッチをさらに含んでもよい。
また、前記制御部は、前記ヒータが加熱される期間の間に前記第１スイッチを閉鎖する制御信号を出力し、前記ヒータが加熱される期間の間に前記ヒータの電力デューティーサイクルによって前記第２スイッチを繰り返して開放及び閉鎖する制御信号を出力する。
また、前記第１スイッチと前記第２スイッチは、電界効果トランジスタ(field effect transistor)でもある。
電圧変換器がバッテリから印加された電圧を一定電圧に変換して既設定の固定電圧を出力することにより、ヒータに既設定の固定電圧を印加することができる。これにより、既設定の固定電圧がヒータに一定に供給されて加熱されるシガレットごとに予熱時間を同一に保持することができる。また、予熱モードでバッテリの出力電圧が急落する程度を改善できるので、バッテリの電力効率を高めることができる。
エアロゾル生成装置にシガレットが挿入された例を示す図面である。 エアロゾル生成装置にシガレットが挿入された例を示す図面である。 エアロゾル生成装置にシガレットが挿入された例を示す図面である。 一般的なエアロゾル生成装置の温度制御特性を示す概路図である。 エアロゾル生成装置の構成の一例を示す図面である。 電圧変換器がバッテリとヒータとの間に位置する場合の、予熱時間の一例を説明するための図面である。 電圧変換器がバッテリとヒータとの間に位置する場合の、経時的なバッテリ出力電圧の一例を説明するための図面である。
一実施例は、バッテリと、エアロゾル生成物質を加熱するためのヒータと、前記バッテリから印加された電圧を一定電圧に変換して既設定の固定電圧を出力する電圧変換器と、前記電圧変換器から前記ヒータに供給される電力を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記ヒータが予熱モードで動作するか否かを決定し、前記予熱モードで前記既設定の固定電圧が前記ヒータに印加されるように、前記ヒータに供給される電力を制御する、エアロゾル生成装置を提供する。
実施例で使用される用語は、本発明での機能を考慮しながら、可能な限り、現在広く使用される一般的な用語を選択したが、これは、当業者の意図または判例、新たな技術の出現などによっても異なる。また、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、その場合、当該発明の説明部分において、詳細にその意味を記載する。従って、本発明で使用される用語は、単純な用語の名称ではない、その用語が有する意味と、本発明の全般にわたる内容とを基に定義されなければならない。
明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、それは、特別に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。また、明細書に記載された「…部」、「…モジュール」というような用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、あるいは、ハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現される。
以下、添付図面を参考にし、本発明の実施例について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施可能なように詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態にも具現され、ここで説明する実施例に限定されない。
以下では、図面を参照し、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１ないし図３は、エアロゾル生成装置にシガレットが挿入された例を示す図面である。
図１を参照すれば、エアロゾル生成装置１は、バッテリ１１、制御部１２及びヒータ１３を含む。図２及び図３を参照すれば、エアロゾル生成装置１は、蒸気化器１４をさらに含む。また、エアロゾル生成装置１の内部空間には、シガレット２が挿入される。
図１ないし図３に示されたエアロゾル生成装置１には、本実施例と係わる構成要素が示されている。したがって、図１ないし図３に示された構成要素以外に他の汎用的な構成要素がエアロゾル生成装置１にさらに含まれることを、本実施例と係わる技術分野で通常の知識を有する者であれば、理解することができるであろう。
図１には、バッテリ１１、制御部１２及びヒータ１３が一列に配置されていると示されている。また、図２には、バッテリ１１、制御部１２、蒸気化器１４及びヒータ１３が一列に配置されていると示されている。また、図３には、蒸気化器１４及びヒータ１３が並列に配置されていると示されている。しかし、エアロゾル生成装置１の内部構造は、図１ないし図３に示されていることに限定されない。すなわち、エアロゾル生成装置１の設計によって、バッテリ１１、制御部１２、ヒータ１３及び蒸気化器１４の配置は、変更される。
シガレット２がエアロゾル生成装置１に挿入されれば、エアロゾル生成装置１は、ヒータ１３及び／または蒸気化器１４を作動させ、エアロゾルを発生させることができる。ヒータ１３及び／または蒸気化器１４によって発生したエアロゾルは、シガレット２を通過してユーザに伝達される。
必要に応じて、シガレット２がエアロゾル生成装置１に挿入されない場合にも、エアロゾル生成装置１は、ヒータ１３を加熱することができる。
バッテリ１１は、エアロゾル生成装置１の動作に用いられる電力を供給する。例えば、バッテリ１１は、ヒータ１３または、蒸気化器１４が加熱されるように電力を供給し、制御部１２の動作に必要な電力を供給することができる。また、バッテリ１１は、エアロゾル生成装置１に設けられたディスプレイ、センサ、モータなどの動作に必要な電力を供給することができる。
制御部１２は、エアロゾル生成装置１の動作を全般的に制御する。具体的に、制御部１２は、バッテリ１１、ヒータ１３及び蒸気化器１４だけでなくエアロゾル生成装置１に含まれた他の構成の動作を制御する。また、制御部１２は、エアロゾル生成装置１の構成それぞれの状態を確認し、エアロゾル生成装置１が動作可能な状態であるか否かを判断することもできる。
制御部１２は、少なくとも１つのプロセッサを含む。プロセッサは、多数の論理ゲートのアレイとして具現され、汎用的なマイクロプロセッサと、該マイクロプロセッサで実行されるプログラムが保存されたメモリの組み合わせによっても具現される。また、他の形態のハードウェアとして具現されてもよいということを、本実施例が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、理解することができるであろう。
ヒータ１３は、バッテリ１１から供給された電力によって加熱される。例えば、シガレットがエアロゾル生成装置１に挿入されれば、ヒータ１３は、シガレットの外部に位置する。したがって、加熱されたヒータ１３は、シガレット内のエアロゾル生成物質の温度を上昇させることができる。
ヒータ１３は、電気抵抗性ヒータでもある。例えば、ヒータ１３には、電気伝導性トラック(track)を含み、電気伝導性トラックに電流が流れることにより、ヒータ１３が加熱される。しかし、ヒータ１３は、前記例に限定されず、希望温度まで加熱されるものであれば、制限なしに該当する。ここで、希望温度は、エアロゾル生成装置１に既に設定されていてもよく、ユーザによって所望温度に設定されてもよい。
一方、他の例で、ヒータ１３は、誘導加熱式ヒータでもある。具体的に、ヒータ１３には、シガレットを誘導加熱方式で加熱するための電気伝導性コイルを含み、シガレットは、誘導加熱式ヒータによって加熱されるサセプタを含んでもよい。
例えば、ヒータ１３は、管状加熱要素、板状加熱要素、針状加熱要素または棒状加熱要素を含み、加熱要素の形状によってシガレット２の内部または外部を加熱することができる。
また、エアロゾル生成装置１には、ヒータ１３が複数個配置されてもよい。この際、複数個のヒータ１３は、シガレット２の内部に挿入されるように配置され、シガレット２の外部に配置されてもよい。また、複数個のヒータ１３のうち、一部は、シガレット２の内部に挿入されるように配置され、残りは、シガレット２の外部に配置される。また、ヒータ１３の形状は、図１ないし図３に示された形状に限定されず、多様な形状にも作製される。
蒸気化器１４は、液状組成物を加熱してエアロゾルを生成し、生成されたエアロゾルは、シガレット２を通過してユーザに伝達される。すなわち、蒸気化器１４によって生成されたエアロゾルは、エアロゾル生成装置１の気流通路に沿って移動し、気流通路は、蒸気化器１４によって生成されたエアロゾルがシガレットを通過してユーザに伝達されるように構成される。
例えば、蒸気化器１４は、液体保存部、液体伝達手段及び加熱要素を含んでもよいが、それらに限定されない。例えば、液体保存部、液体伝達手段及び加熱要素は、独立したモジュールとしてエアロゾル生成装置１に含まれてもよい。
液体保存部は、液状組成物を保存することができる。例えば、液状組成物は、揮発性タバコ香成分を含むタバコ含有物質を含む液体でもあり、非タバコ物質を含む液体でもある。液体保存部は、蒸気化器１４から脱／付着されるように作製され、蒸気化器１４と一体として作製されてもよい。
例えば、液状組成物は、水、ソルベント、エタノール、植物抽出物、香料、香味剤、またはビタミン混合物を含んでもよい。香料は、メントール、ペパーミント、スペアミントオイル、各種果物の香り成分などを含むが、それらに制限されるものではない。香味剤は、ユーザに多様な香味または風味を提供する成分を含んでもよい。ビタミン混合物は、ビタミンＡ、ビタミンＢ、ビタミンＣ及びビタミンＥのうち、少なくとも１つが混合されたものでもあるが、それらに制限されるものではない。また、液状組成物は、グリセリン及びプロピレングリコールのようなエアロゾル形成剤を含んでもよい。
液体伝達手段は、液体保存部の液状組成物を加熱要素に伝達することができる。例えば、液体伝達手段は、綿繊維、セラミック繊維、ガラスファイバ、多孔性セラミックのような芯(wick)にもなるが、それに限定されない。
加熱要素は、液体伝達手段によって伝達される液状組成物を加熱するための要素である。例えば、加熱要素は、金属熱線、金属熱板、セラミックヒータなどにもなるが、それらに限定されるものではない。また、加熱要素は、ニクロム線のような伝導性フィラメントで構成され、液体伝達手段に巻かれる構造によっても配置される。加熱要素は、電流供給によって加熱され、加熱要素と接触された液体組成物に熱を伝達し、液体組成物を加熱することができる。その結果、エアロゾルが生成される。
例えば、蒸気化器１４は、カトマイザ(cartomizer)または霧化器(atomizer)とも称されるが、それらに限定されない。
一方、エアロゾル生成装置１は、バッテリ１１、制御部１２、ヒータ１３及び蒸気化器１４外に汎用的な構成をさらに含んでもよい。例えば、エアロゾル生成装置１は、視覚情報の出力が可能なディスプレイ及び／または触覚情報の出力のためのモータを含んでもよい。また、エアロゾル生成装置１は、少なくとも１つのセンサを含んでもよい。また、エアロゾル生成装置１は、シガレット２が挿入された状態でも外部空気外部空気が流入されるか、内部気体が類推可能な構造によっても作製される。
図１ないし図３には、示されていないが、エアロゾル生成装置１は、別途のクレードルと共にシステムを構成してもよい。例えば、クレードルは、エアロゾル生成装置１のバッテリ１１の充電に用いられる。または、クレードルとエアロゾル生成装置１が結合された状態でヒータ１３が加熱されてもよい。
シガレット２は、一般的な燃焼型シガレットと類似してもいる。例えば、シガレット２は、エアロゾル生成物質を含む第１部分とフィルタなどを含む第２部分に区分される。または、シガレット２の第２部分にも、エアロゾル生成物質が含まれてもよい。例えば、顆粒またはカプセルの形態に作られたエアロゾル生成物質が第２部分に挿入されてもよい。
エアロゾル生成装置１の内部には、第１部分の全体が挿入され、第２部分は、外部に露出される。または、エアロゾル生成装置１の内部に第１部分の一部だけ挿入され、第１部分の全体及び第２部分の一部が挿入されてもよい。ユーザは、第２部分を口にした状態でエアロゾルを吸い込む。この際、エアロゾルは、外部空気が第１部分を通過することで生成され、生成されたエアロゾルは、第２部分を通過してユーザの口に伝達される。
一例として、外部空気は、エアロゾル生成装置１に形成された少なくとも１つの空気通路を介して流入される。例えば、エアロゾル生成装置１に形成された空気通路の開閉及び／または空気通路の大きさは、ユーザによって調節される。これにより、霧化量、喫煙感などがユーザによって調節される。他の例として、外部空気は、シガレット２の表面に形成された少なくとも１つの孔(hole)を介してシガレット２の内部に流入されてもよい。
図４は、一般的なエアロゾル生成装置の温度制御特性を示す概路図である。
図４を参照すれば、エアロゾル生成装置１内のエアロゾル生成物質を加熱するヒータの温度プロファイル４００が示される。ここで、ヒータの温度プロファイルとは、ヒータを加熱するために前もって設定された温度プロファイルを意味する。一実施例で温度プロファイル４００は、図１ないし図３に示されたシガレット２を加熱するヒータ１３に対する温度プロファイル４００でもあるが、ヒータ１３の種類及びヒータ１３の加熱する対象は、それに制限されない。
ヒータ１３の温度プロファイル４００は、予熱モード４１０及び加熱モード４２０で構成される。
予熱モード４１０は、ヒータ１３の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するように、ヒータに電力が供給される区間に該当する。予熱目標温度は、２００℃ないし３５０℃の温度でもある。また、予熱モード４１０に該当する区間の長さは、２０秒ないし４０秒の期間でもある。
エアロゾル生成装置１は、ユーザから入力を受信することで、ヒータ１３を予熱モード４１０で動作させうる。例えば、ユーザがエアロゾル生成装置１を使用するために、エアロゾル生成装置１に備えられたボタンを押せば、ヒータ１３は、予熱目標温度まで急速に温度を高める予熱モード４１０に突入することができる。
ヒータ１３が予熱モード４１０に突入した場合、制御部１２は、予熱モード４１０の温度プロファイルに基づいてヒータ１３に供給される電力を制御することができる。例えば、制御部１２は、予熱モード４１０からヒータ１３の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するように、ヒータ１３に電力を供給する。制御部１２は、短時間内にヒータ１３の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するように、パルス幅変調を通じてバッテリ１１がヒータ１３に供給する電流パルスの周波数及びデューティーサイクルをそれぞれの最大値に設定することができる。
パルス幅変調は、プロセッサのデジタル出力によってアナログ回路を制御する変調技法である。１周期Ｔ(period)内で信号がｏｎ状態である時間を持続時間(pulse width)とし、ｏｎとｏｆｆ時間の比率をデューティー（Ｄｕｔｙ）とするとき、デューティー値は、持続時間(pulse width)＊１００／Ｔ(period)と決定される。デューティー値が大きいほど全体周期Ｔにおけるｏｎ時間の比率が大きいので、負荷に伝達される平均電力が高くなる。したがって、制御部１２は、パルス幅変調器のデューティー値を調節して予熱モード４１０でヒータ１３に供給する電力を調節することができる。
ただし、制御部１２がヒータ１３に供給される電力を制御する方法は、パルス幅変調方式に限定されるものではなく、ＯＮ／ＯＦＦ制御、比例制御、積分制御、微分制御及びＰＩＤ制御などのさまざまな方式でヒータ１３の温度を制御することができる。
ヒータ１３の温度が予熱目標温度に到逹した場合、エアロゾル生成装置は、予熱モード４１０を終了する。しかし、予熱区間６１０の開始及び終了基準は、それに制限されない。予熱モード４１０が終了した場合、エアロゾル生成装置１は、視覚情報を出力するディスプレイまたはランプ、触覚情報を出力するモータ、音情報を出力するスピーカーなどを通じて、ユーザに予熱が終了したことを通知する。
予熱モード４１０が終了すれば、エアロゾル生成装置１は、ヒータ１３が加熱モード４２０に入る。加熱モード４２０では、ヒータ１３の温度が予熱目標温度以上になるように加熱され、予熱モード４１０が終了した時点以後を意味する。
制御部１２は、加熱モード４２０の温度プロファイルに基づいてヒータ１３に供給される電力を制御する。例えば、制御部１２は、ヒータ１３の温度が予熱目標温度よりも低い温度に保持されるようにヒータ１３に供給される電力を制御することができる。
加熱モード４２０に該当する区間の長さは、３分ないし５分の期間でもある。加熱モード４２０の開始後、既設定の時間が過ぎてしまえば、エアロゾル生成装置１は、ヒータ１３に供給される電力を遮断することができる。一方、加熱モード４２０の開始後、既設定の時間が過ぎてしまう前にでも、エアロゾル生成装置１でカウントしたユーザのパフ回数が既設定の回数に到逹する場合、エアロゾル生成装置１は、ヒータ１３に供給される電力を遮断することもできる。
一方、予熱モード４１０に該当する区間の長さ、すなわち、予熱時間の差によって、加熱されるシガレットの温度に差が発生しうる。加熱されるシガレットの温度に差が発生する場合、喫煙時にシガレットの味が一定していないという問題点が発生してしまう。したがって、制御部１２は、バッテリ１１の出力電圧及びヒータ１３の温度変化をモニタリングし、加熱されるシガレットごとに予熱時間が最大限一定になるように制御する。
ただし、上述したように予熱モード４１０においてエアロゾル生成装置１は、短時間内にヒータ１３の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するために、多くの電流を消耗する場合がある。そのために、バッテリ１１の出力電圧が瞬時に急落する恐れがある。
バッテリ１１の出力電圧が瞬時に落ちる場合には、制御部１２がヒータ１３の温度変化をリアルタイムでモニタリングし難いために、加熱されるシガレットごとに予熱時間を同一に調節し難い問題点が発生しうる。また、バッテリ１１の出力電圧がカットオフ電圧以下に落ちる場合には、ユーザが喫煙を完了できない問題点が発生してしまう。
以下、バッテリ１１の出力電圧が瞬時に落ちるバッテリ１１の電圧ドロップ(drop)現象を改善するためのエアロゾル生成装置１の構成について説明する。
図５は、エアロゾル生成装置の構成の一例を示す図面である。
図５を参照すれば、エアロゾル生成装置５００は、バッテリ５１０、電圧変換器５２０、ヒータ５３０、制御部５４０、第１スイッチ５５０及び第２スイッチ５６０を含んでもよい。但し、図５に示されたエアロゾル生成装置５００には、本実施例と係わる構成要素だけが示されている。したがって、エアロゾル生成装置５００には、図５に示された構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれるということは、当業者に自明である。
バッテリ５１０は、エアロゾル生成装置５００の動作に用いられる電力を供給する。すなわち、バッテリ５１０は、ヒータ５３０が加熱されるように電力を供給することができる。また、バッテリ５１０は、エアロゾル生成装置５００内に備えられた他のハードウェア、制御部５４０、センサ及びインターフェースの動作に必要な電力を供給することができる。
バッテリ５１０は、リチウムリン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）バッテリでもあるが、これに制限されず、酸化リチウムコバルト（ＬｉＣｏＯ２）バッテリ、リチウムチタン酸塩バッテリなどによって作製される。バッテリ５１０は、充電可能なバッテリであるか、使い捨てバッテリでもある。
一方、バッテリ５１０がヒータ５３０を含むエアロゾル生成装置５００の各構成要素に用いられる電力を供給することにより、バッテリ５１０は、放電可能である。バッテリ５１０が放電されることにより、バッテリ５１０から出力される電圧は下降する。但し、バッテリ５１０が過放電される場合、バッテリ５１０が使用不能になる恐れもあるので、エアロゾル生成装置５００にカットオフ電圧(cut-off voltage)を設定することができる。カットオフ電圧は、放電が完了したと見なされる電圧値であって、過放電を遮断するためである。カットオフ電圧を高く設定する場合、バッテリ５１０は、初期放電が終了し、使用可能なバッテリ５１０の容量が減るが、カットオフ電圧を低く設定する場合には、バッテリが過放電状態になる恐れがあって、適正なカットオフ電圧を設定する必要がある。
例えば、バッテリ５１０がリチウムイオンバッテリである場合、バッテリ５１０の電圧が、約３．３Ｖないし３．４Ｖで放電される時点から、急に放電が起きて、過放電状態になる。したがって、エアロゾル生成装置１に、約３．５Ｖのカットオフ電圧を設定して過放電を防止することができる。
電圧変換器５２０は、バッテリ５１０と電気的に直列に連結される。例えば、電圧変換器５２０は、バッテリ５１０と第１スイッチ５５０との間に配置され、バッテリ５１０と電気的に直列に連結される。
電圧変換器５２０は、バッテリ５１０から印加された電圧を一定電圧に変換して既設定の固定電圧を出力する。バッテリ５１０から印加された電圧は、バッテリ５１０の出力電圧と同一である。ヒータ５３０の温度上昇効率、発生する霧化量の均一性及びタバコ風味の品質などを考慮して、既設定の固定電圧が設定される。
また、既設定の固定電圧は、ヒータ５３０が予熱モードで動作する場合、バッテリ５１０の出力電圧が瞬間的に急落する電圧ドロップ現象を改善するように設定される。例えば、バッテリ５１０の出力電圧が低電圧である場合には、ヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するために、多くの電流を消耗するので、バッテリ５１０の出力電圧が瞬間的に急落する恐れがある。これを改善するために、バッテリ５１０の出力電圧を電圧変換器５２０を通じて既設定の固定電圧に昇圧してヒータ５３０に印加する場合、バッテリ５１０の出力電圧がそのままヒータ５３０に印加される場合よりも、比較的少ない電流を消耗する。これにより、予熱モードでバッテリ５１０の出力電圧が急落する程度を改善することができる。
例えば、既設定の固定電圧は、３．６Ｖないし４Ｖに該当し、望ましくは、約３．８Ｖに該当する。
電圧変換器５２０は、バックブースタコンバータ（buck boost converter）、演算増幅器（Operating Amplifier、OP Amp）及びLDO（Low Dropout）電圧レギュレータ（regulator）のうち、いずれか１つに該当する。
電圧変換器５２０は、バッテリ５１０から印加された電圧が既設定の固定電圧よりも低い場合、印加された電圧を昇圧させ、バッテリ５１０から印加された電圧が既設定の固定電圧よりも高い場合、印加された電圧を降圧させる。
このように、電圧変換器５２０をバッテリ５１０とヒータ５３０との間に配置することで、バッテリ５１０の出力電圧がそのままヒータ５３０に印加されず、電圧変換器５２０が出力する既設定の固定電圧がヒータ５３０に印加される。
したがって、既設定の固定電圧がヒータ５３０に一定に供給されて、加熱されるシガレットごとに予熱時間を同一に保持することができる。また、バッテリ５１０の出力電圧が低電圧である場合、バッテリ５１０の出力電圧を電圧変換器５２０を通じて既設定の固定電圧に昇圧してヒータ５３０に印加することにより、バッテリ５１０の出力電圧がそのままヒータ５３０に印加される場合よりも比較的少ない電流を消耗し、これにより、予熱モードでバッテリ５１０の出力電圧が急落する程度を改善可能なので、バッテリ５１０の電力効率を高めることができる。
ヒータ５３０は、制御部５４０の制御によってバッテリ５１０から供給された電力によって電気的に加熱される。ヒータ５３０は、シガレットを収容するエアロゾル生成装置５００の収容通路内部に位置する。シガレットが外部からエアロゾル生成装置５００の挿入孔を通じて挿入された後、収容通路に沿って移動することで、シガレットの一側端部がヒータ５３０内部に挿入される。したがって、加熱されたヒータ５３０は、シガレット内のエアロゾル生成物質の温度を上昇させることができる。ヒータ５３０は、シガレットの内部に挿入される形態であれば、制限なしに該当する。
ヒータ５３０は、熱源及び熱伝逹物体を含んでもよい。例えば、ヒータ５３０の熱源は、電気抵抗性パターンを備えたフィルム(film)状に作製され、フィルム形状のヒータ５３０は、熱伝逹物体（例えば、熱伝達管）の外側表面の少なくとも一部を覆い包むように配置される。
熱伝達管は、アルミニウムやステンレススチール(stainless steel)のように熱を伝達する金属素材や、合金素材や、炭素や、セラミック素材などを含んでもよい。ヒータ５３０の電気抵抗性パターンに電力が供給されれば、熱が発生し、発生した熱は、熱伝達管を通じてエアロゾル生成物質を加熱することができる。
エアロゾル生成装置５００には、別途の温度感知センサが備えられる。または、別途の温度感知センサが備えられる代わりに、ヒータ５３０が温度感知センサの役割を行うこともできる。または、ヒータ５３０が温度感知センサの役割を行うと共に、エアロゾル生成装置５００には、別途の温度感知センサがさらに備えられてもよい。温度感知センサは、伝導性トラックまたは素子形態としてヒータ５３０上に配置される。
例えば、温度感知センサに加えられ電圧及び温度感知センサに流れる電流が測定されれば、抵抗Ｒが決定される。この際、下記数式１によって温度感知センサは、温度Ｔを測定することができる。
Figure 2021514617
数式１において、Ｒは、温度感知センサの現在抵抗値を意味し、Ｒ０は、温度Ｔ０（例えば、０℃）での抵抗値を意味し、αは、温度感知センサの抵抗温度係数を意味する。伝導性物質（例えば、金属）は、固有の抵抗温度係数を有しているところ、温度感知センサを構成する伝導性物質によってαは、予め決定されうる。したがって、温度感知センサの抵抗Ｒが決定される場合、前記数式１によって温度感知センサの温度Ｔが演算されうる。
制御部５４０は、エアロゾル生成装置５００に含まれる構成要素の動作を制御する。制御部５４０は、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラのようなプロセッシングユニットとして具現された集積回路である。
制御部５４０は、温度感知センサによってセンシングされた結果を分析し、これにより、ヒータ５３０が所定の温度まで加熱されるか、適切な温度を保持するように、ヒータ５３０に供給される電力の量及び電力が供給される時間を制御することができる。
制御部５４０は、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に配置されることにより、電圧変換器５２０からヒータ５３０に供給される電力を制御することができる。制御部５４０は、ヒータ５３０が予熱モードで動作する場合、ヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するように、ヒータ５３０に供給される電力を制御し、ヒータ５３０が加熱モードで動作する場合、ヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度よりも低い温度範囲に保持されるように、ヒータ５３０に供給される電力を制御する。
例えば、制御部５４０は、ヒータ５３０が予熱モードで動作するか否かを決定し、ヒータ５３０が予熱モードで動作する場合、電圧変換器５２０から出力された既設定の固定電圧がヒータ５３０に印加されるように、ヒータ５３０に供給される電力を制御する。
また、制御部５４０は、予熱モードでヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するために要求される電力量及び電圧変換器５２０から出力されてヒータ５３０に印加される既設定の固定電圧に基づいて、ヒータ５３０が予熱される時間を決定することができる。
一方、均一なタバコ風味を保持するためには、加熱されるシガレットのエアロゾル生成物質ごとに供給されなければならない熱量は、一定している必要がある。したがって予熱モードでヒータ５３０に供給されなければならない電力量は、一定なものである。ヒータ５３０に供給される電力量は、ヒータ５３０に印加される電圧及び電圧が印加される時間によって決定される。この際、ヒータ５３０に印加される電圧は、バッテリ５１０の出力電圧に関係なく、既設定の固定電圧によって一定しているので、予熱モードで要求される電力量をヒータ５３０に供給するために、ヒータ５３０が予熱される時間は、比較的一定している。
第１スイッチ５５０は、電圧変換器５２０とヒータ５３０との間に配置される。第１スイッチ５５０は、外部入力信号によって開放状態または閉鎖状態に状態が転換される。ヒータ５３０は、第１スイッチ５５０が開放状態になることにより、バッテリ５１０から電力需給が遮断され、閉鎖状態になることにより、バッテリ５１０から電力を供給される。
例えば、制御部５４０は、第１スイッチ５５０の開閉状態を制御する制御信号を出力することができる。制御部５４０は、ヒータ５３０が加熱されねばならない期間の間に第１スイッチ５５０が閉鎖され、それ以外の期間の間に第１スイッチ５５０が開放されるように制御する制御信号を出力することができる。したがって、ヒータ５３０が加熱されなければならない期間の間には、第１スイッチ５５０が閉鎖され、電圧変換器５２０が出力する既設定の固定電圧がヒータ５３０に印加される。
一方、第１スイッチ５５０は、電界効果トランジスタ(field effect transistor, FET)でもある。また、第１スイッチ５５０はＦＥＴ以外の外部入力信号によって開放状態または閉鎖状態に状態転換が可能な他の電気素子でもある。例えば、第１スイッチ５５０は、接合型トレンジスタ(bipolar junction transistor, BJT)、絶縁ゲート両極性トランジスタ(insulated gate bipolar transistor, IGBT)、またはサイリスタ(thyristor)でもあるが、挙げられた種類に制限されない。
第２スイッチ５６０は、ヒータ５３０と接地部との間に配置される。第２スイッチ５６０は、外部入力信号によって開放状態または閉鎖状態に状態が転換される。第２スイッチ５６０の状態は、短期間に開放状態と閉鎖状態とが繰り返して転換される。第２スイッチ５６０は、ヒータ５３０が要求する電力のデューティーサイクルに基づいて開放状態と閉鎖状態に状態が繰り返して転換される。
例えば、制御部５４０は、第２スイッチ５６０の開閉状態を制御する制御信号を出力することができる。制御部５４０は、ヒータ５３０が温度プロファイルによって発熱するように、第２スイッチ５６０の状態を開放状態及び閉鎖状態に繰り返して転換させる制御信号を出力する。したがって、制御部５４０は、第２スイッチ５６０の開閉状態を制御する制御信号を通じて、電圧変換器５２０から出力される既設定の固定電圧がヒータ５３０に印加される時間を調節することができる。
第２スイッチ５６０は、第１スイッチ５５０と同様に電界効果トランジスタ(field effect transistor, FET)でもある。また、第２スイッチ４２は、第１スイッチ５５０と同様に、ＦＥＴ以外の外部入力信号によって開放状態または閉鎖状態に状態転換が可能な他の電気素子でもある。例えば、第２スイッチ５６０は、接合型トレンジスタ(bipolar junction transistor, BJT)、絶縁ゲート両極性トランジスタ(insulated gate bipolar transistor, IGBT)、またはサイリスタ(thyristor)でもあり、挙げられた種類に制限されない。
図６は、電圧変換器がバッテリとヒータとの間に位置する場合、予熱時間の一例を説明するための図面である。
図６は、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置しない場合、及び電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置する場合、それぞれの予熱時間を示した表である。予熱時間は、ヒータ５３０が予熱モードで動作する場合、ヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するまでの所要時間に該当する。
図６の表は、ユーザがエアロゾル生成装置５００を使用するためにエアロゾル生成装置５００に備えられたボタンを押す瞬間のバッテリ５１０の出力電圧による予熱時間を示した表である。表１に示された結果は、バッテリ５１０の出力電圧によって測定された予熱時間の結果のうち、一部である。電圧変換器５２０を除き、残りのエアロゾル生成装置５００の構成及びエアロゾル生成装置５００に挿入されるシガレットがいずれも同一であるという条件下で、電圧変換器５２０の有無によって予熱時間をそれぞれ測定した。
図６の表を参照すれば、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置しない場合には、バッテリ５１０の出力電圧が変化することにより、測定された予熱時間も変化することが分かる。例えば、バッテリ５１０の出力電圧が４．２１Ｖである場合には、ヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するまで２０．０秒が所要し、バッテリ５１０の出力電圧が３．６１Ｖである場合には、２４．１秒が所要する。したがって、バッテリ５１０の出力電圧によって、予熱時間が最大４．１秒の差がある。予熱時間が変わる場合、エアロゾル生成装置５００に挿入されるシガレットが予熱される程度が変わってタバコ風味の差があり得る。
一方、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０の間に位置する場合には、バッテリ５１０の出力電圧が３．６１Ｖないし４．２１Ｖに変化しても、予熱時間が約２１秒ないし２２秒と一定であることが分かる。これは、バッテリ５１０の出力電圧が変化しても、バッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置する電圧変換器５２０がバッテリ５１０の出力電圧を既設定の固定電圧に変換するので、ヒータ５３０に一定電圧が供給されるからである。予熱時間が一定であって、エアロゾル生成装置５００に挿入されるシガレットの予熱程度も一定になって均一なタバコ風味を保持することができる。
図７は、電圧変換器がバッテリとヒータとの間に位置する場合、経時的なバッテリ出力電圧の一例を説明するための図面である。
図７は、ヒータ５３０が予熱モードで動作する場合、ユーザがエアロゾル生成装置５００を使用するために、エアロゾル生成装置５００に備えられたボタンを押す瞬間から予熱モードが終了する瞬間までのバッテリ５１０の出力電圧を示すグラフである。電圧変換器５２０を除き、残りのエアロゾル生成装置５００の構成、エアロゾル生成装置５００に挿入されるシガレット及びユーザがエアロゾル生成装置５００を使用するために、エアロゾル生成装置５００に備えられたボタンを押す瞬間のバッテリ５１０の出力電圧がいずれも同一であるという条件下で、電圧変換器５２０の有無によって、時間によって変化するバッテリ５１０の出力電圧をそれぞれ測定した。例えば、ユーザがエアロゾル生成装置５００を使用するために、エアロゾル生成装置５００に備えられたボタンを押す瞬間のバッテリ５１０の出力電圧は、図７に示されたように３．７Ｖでもあるが、これに制限されず、多様な値の電圧に該当する。
予熱モードでエアロゾル生成装置５００は、短時間内にヒータ５３０の温度が既設定の予熱目標温度に到逹するために、多くの電流を消耗する。これにより、バッテリ５１０の出力電圧が瞬間的に急落する恐れがある。
図７のグラフを参照すれば、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置しない場合には、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置する場合よりも、バッテリ５１０の出力電圧が瞬間的にさらに急落することが分かる。これは、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置する場合、バッテリ５１０の出力電圧を電圧変換器５２０を通じて既設定の固定電圧に昇圧してヒータ５３０に印加することで、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置しない場合よりも、比較的少ない電流を消耗するからである。
また、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置しない場合には、バッテリ５１０の出力電圧が既設定のカットオフ電圧以下に落ちて、ユーザが喫煙を完了することができない問題点が発生する。カットオフ電圧は、図７に示されたように３．５Ｖでもあるが、これに制限されず、多様な値の電圧に該当する。
一方、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置する場合には、バッテリ５１０の出力電圧のドロップ現象が改善され、バッテリ５１０の出力電圧が既設定のカットオフ電圧以下に落ちることを防止しうる。したがって、使用可能なバッテリ５１０の電力効率が高くなり、結果として、電圧変換器５２０がバッテリ５１０とヒータ５３０との間に位置しない場合に比べて、さらに多くの本数のシガレットを加熱することができる。
本実施形態と係わる技術分野で当業者であるならば、前述の記載の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現されるということを理解することができるであろう。従って、開示された方法は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての違いは、本発明に含まれたものであると解釈されなければならないのである。

Claims (8)

  1. エアロゾル生成装置において、
    バッテリと、
    エアロゾル生成物質を加熱するためのヒータと、
    前記バッテリから印加された電圧を一定電圧に変換して既設定の固定電圧を出力する電圧変換器と、
    前記電圧変換器から前記ヒータに供給される電力を制御する制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記ヒータが予熱モードで動作するか否かを決定し、前記予熱モードで前記既設定の固定電圧が前記ヒータに印加されるように前記ヒータに供給される電力を制御するエアロゾル生成装置。
  2. 前記電圧変換器は、
    前記バッテリから印加された電圧が前記既設定の固定電圧よりも低い場合、前記印加された電圧を昇圧させ、
    前記バッテリから印加された電圧が前記既設定の固定電圧よりも高い場合、前記印加された電圧を降圧させる、請求項１に記載のエアロゾル生成装置。
  3. 前記ヒータは、予熱モード及び加熱モードで動作し、
    前記制御部は、
    前記予熱モードで前記ヒータの温度が既設定の予熱目標温度に到逹するように前記ヒータに供給される電力を制御し、
    前記加熱モードで前記ヒータの温度が前記既設定の予熱目標温度よりも低い温度範囲で保持されるように前記ヒータに供給される電力を制御する、請求項１に記載のエアロゾル生成装置。
  4. 前記制御部は、前記予熱モードにおいて、
    前記ヒータの温度が前記既設定の予熱目標温度に到逹するために要求される電力量及び前記ヒータに印加される前記既設定の固定電圧に基づいて前記ヒータの予熱に必要な時間を決定し、
    前記既設定の固定電圧が前記ヒータに印加されることで、前記ヒータの予熱に必要な時間は、比較的一定している、請求項３に記載のエアロゾル生成装置。
  5. 前記電圧変換器は、バックブースタコンバータ（buck boost converter）、演算増幅器（Operating Amplifier、OP Amp）及びLDO（Low Dropout）電圧レギュレータ(regulator)のうち、いずれか１つである、請求項１に記載のエアロゾル生成装置。
  6. 前記電圧変換器及び前記ヒータの間に位置し、入力される制御信号によって開閉状態が調節される第１スイッチと、
    前記ヒータと接地部との間に位置し、入力される制御信号によって開閉状態が調節される第２スイッチと、をさらに含む、請求項１に記載のエアロゾル生成装置。
  7. 前記制御部は、
    前記ヒータが加熱される期間の間に前記第１スイッチを閉鎖する制御信号を出力し、
    前記ヒータが加熱される期間の間に前記ヒータの電力デューティーサイクルによって前記第２スイッチを繰り返して開放及び閉鎖する制御信号を出力する、請求項６に記載のエアロゾル生成装置。
  8. 前記第１スイッチと前記第２スイッチは、電界効果トランジスタ(field effect transistor)である、請求項６に記載のエアロゾル生成装置。
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