JP6779384B2 - 表面弾性波電子たばこシステム - Google Patents
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Description
本発明は、電子タバコの技術領域に属し、具体的には、表面弾性波電子たばこシステムに関する。
近来、たばこを制限する全世界的な情勢と健康を賛助する世論との二つ重い圧力の下で、従来の巻きたばこの発展はますます制約され、電子たばこが巻きたばこの危害の少ない新型代替品の１つとなっており、今日ますます多くの消費者から広く歓迎されており、全世界的な電子たばこ市場は現在持続的に発展する情勢を見せている。
現在の電子たばこは、主として電熱式で霧状化するものが大多数であり、超音波で霧状化するものは一部である。電熱式の霧状化は熱伝導原理に基づき、気流センサ、機械式ボタン、又は接触式ボタンを介して電子たばこを動作させ、導通回路がニクロム、ステンレス合金、ニッケル200合金、又はチタン合金線を巻き付けた発熱コイルにより給電し、たばこ液を加熱して霧状化しエアロゾルを生成してユーザに供給して吸引させる。電熱式霧状化電子たばこの伝熱速度は速く、霧状化効率は高いが、電子たばこの連続吸引プロセス中に、発熱コイルは摂氏500〜600度まで持続的に温度上昇し、潜在的に安全性を危険に晒すことがあると同時に、たばこ液が高温で熱分解しアルデヒド類などの有害物質を放出することがあり、健康を侵す可能性がある。超音波霧状化は超音波変換器の高周波振動を利用して振動片が高周波共振することをもたらし、更に超音波指向性圧力を生成し、たばこ液の表面を隆起させ、隆起した液面の周囲にキャビテーション作用を生成し、たばこ液を霧状化してエアロゾルを生成する。電熱式霧状化電子たばこと比べると、超音波霧状化電子たばこの非高熱特性は安全性を高め、有害物質の放出量を低減させるが、超音波はバルク弾性波の一種なので、エネルギーの伝播プロセス中に四方に向かって拡散することを制御することができず、たばこ液霧状化の作業率の損失をもたらし、速度が遅く、効率が低く、連続的に安定的に粒径分布が均一なエアロゾルを生成することが難しく、且つ高粘度のたばこ液にとっては霧状化の効果が良好ではない。この他に言及する価値があることとして、前述の２つの霧状化方式の電子たばこに基づいて、まだ普遍的に存在する以下の共通の問題がある。（１）誘導液材料の毛細管現象によって誘導液が受動的に進行し、誘導液の速度は制御することができず、不安定であり、誘導液の速度が霧状化速度よりも小さいときに、容易に煮詰まって変な匂いがし、吸引の品質と感覚的な体験に深刻な影響を与える。（２）接触式の霧状化に属するものでは、たばこ液と発熱コイル又は振動片とが直接接触し、容易に焼結粘着し、更に発熱コイル又は振動片の霧状化性能に影響を与え、その使用寿命を短くする。したがって、現有技術の改善とブレークスルーが急がれる。
上述の現有技術の不足に鑑みて、本発明は表面弾性波技術の固有の利点と電子たばこの機能の特徴を、性能に対するニーズと有機的に結合し、表面弾性波の弾性流れ効果（音響流れ効果）と定常波の表面弾性波の霧状化メカニズムに基づいて、表面弾性波により実現された主導的な誘導液、表面弾性波の非接触霧状化、及び表面弾性波の電子たばこシステムを提供し、電熱式霧状化の快速高熱が引き起こす潜在的な安全健康への危険、超音波霧状化の高損失低効率、エアロゾル粒径分布の不均一、使い道に合わない高粘度たばこ液霧状化の欠陥を有効に克服し、且つ現有技術の中の電子たばこの受動的な誘導液が吸引の品質に不良をもたらすこと、接触式霧状化が発熱コイル又は振動片の霧状化の性能又は使用寿命に影響を与えるという問題を合理的に解決する。
本発明は表面弾性波電子たばこシステムを開示し、該システムは、圧電基板１、誘導液キャビティ２、霧状化キャビティ３、及び高周波信号を印加するための給電ポート４を含む。前記誘導液キャビティ２と前記霧状化キャビティ３は前記圧電基板１の表面上に設けられ、前記誘導液キャビティ２と前記霧状化キャビティ３の中間には隔離板１３が設けられ、前記給電ポート４は前記圧電基板１の外側に設けられ、外部の高周波信号源に接続しており、前記誘導液キャビティ２は第１のインターデジタルトランスデューサー５１、貯液槽６、及び微流道８を含み、前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１と微流道８は前記貯液槽６の両側に配置され、前記貯液槽６と前記微流道８は相互に連通し、前記貯液槽６の頂部には注液ポート７が有り、前記霧状化キャビティ３の底部には出液ポート９を介して微流道８に嵌入されたＴ字型繊維紙１０が設けられ、Ｔ字型繊維紙１０の両側に且つＴ字型繊維紙１０とは接触しないで第２のインターデジタルトランスデューサー５２と第３のインターデジタルトランスデューサー５３が配置され、前記霧状化キャビティ３の側部と頂部とに入気ポート１１と吸引ノズル１２とが個別に設けられている。
有利なことには、前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１、貯液槽６、微流道８、第２のインターデジタルトランスデューサー５２、第３のインターデジタルトランスデューサー５３、及びＴ字型繊維紙１０が、何れも圧電基板１の表面に緊密に取り付けられている。
有利なことには、前記圧電基板１の材料が、石英、圧電セラミックス、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸リチウムのうちの１つである。
有利なことには、前記圧電基板１が、YカットXが１２８．６８°の方向のニオブ酸リチウムであり、その厚さ、機械電気結合（カップリング）係数、温度係数、及び表面弾性波の伝播速度が、それぞれ、０．５mm、５．５％、−７２×１０−６／℃、及び３９９２m／sである。
有利なことには、前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１が励起した進行波パターンの表面弾性波が、貯液槽６内に入れられたたばこ液を、前記微流道８の出液ポート９まで主導してポンピングし、前記第２のインターデジタルトランスデューサー５２と前記第３のインターデジタルトランスデューサー５３が共同作用して生成した定常波パターンの表面弾性波が、前記Ｔ字型繊維紙１０上のたばこ液の液膜を霧状化しエアロゾルを生成する。
有利なことには、前記貯液槽６及び前記微流道８の材料が、高ホウケイ酸ガラス又はポリジメチルオキソシランであり、前記Ｔ字型繊維紙１０が、有機多孔材料である。
有利なことには、前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１、前記第２のインターデジタルトランスデューサー５２、及び前記第３のインターデジタルトランスデューサー５３の形状がどれも皆、手の指を交差したような形状であり、金属薄膜である。
有利なことには、前記金属薄膜が、アルミニウム、銅、又は金の薄膜である。
既存の技術と比較すると、本発明は以下のような有利な効果を有する。すなわち、
（１）表面弾性波は、弾性媒体の表面上に沿って伝播する機械波であり、エネルギーの大部分は媒体表面に集中し、深度が深くなるに従って減衰する指数を表す。そのエネルギーの指向的集中特性が、霧状化効率を高め、連続的に安定して粒径が均一な所望のエアロゾルを生成することができ、超音波と比較して更に適合した高粘度のたばこ液を霧状化する。これ以外に、表面弾性波の励振周波数は、通常１０MHz〜５００MHzであり、超音波の２０ｋHz〜３MHzより一桁以上高い程度の数量である。エアロゾルの粒径と周波数との関係式ｄ＝０．３４×３√（８πλ／ρｆ２）（ここで、ｄはエアロゾルの粒径であり、λはたばこ液の表面張力であり、ρはたばこ液の密度であり、ｆは励振周波数である）を知ることによって、エアロゾルの粒径は励振周波数の２／３乗に反比例することとなる。このために、超音波霧状化と比較して、表面弾性波の霧状化が生成するエアロゾルの粒径は更に小さく、口腔粘膜或いは舌面の上に残留しにくく、吸引の快適性が更に強く、香りの純正な繊細さをまた更に加える。
（１）表面弾性波は、弾性媒体の表面上に沿って伝播する機械波であり、エネルギーの大部分は媒体表面に集中し、深度が深くなるに従って減衰する指数を表す。そのエネルギーの指向的集中特性が、霧状化効率を高め、連続的に安定して粒径が均一な所望のエアロゾルを生成することができ、超音波と比較して更に適合した高粘度のたばこ液を霧状化する。これ以外に、表面弾性波の励振周波数は、通常１０MHz〜５００MHzであり、超音波の２０ｋHz〜３MHzより一桁以上高い程度の数量である。エアロゾルの粒径と周波数との関係式ｄ＝０．３４×３√（８πλ／ρｆ２）（ここで、ｄはエアロゾルの粒径であり、λはたばこ液の表面張力であり、ρはたばこ液の密度であり、ｆは励振周波数である）を知ることによって、エアロゾルの粒径は励振周波数の２／３乗に反比例することとなる。このために、超音波霧状化と比較して、表面弾性波の霧状化が生成するエアロゾルの粒径は更に小さく、口腔粘膜或いは舌面の上に残留しにくく、吸引の快適性が更に強く、香りの純正な繊細さをまた更に加える。
（２）表面弾性波は回折入射してたばこ液に入る弾性エネルギー（音響エネルギー）を介して霧状化を実現することができ、駆動効率は一般的に０．５Wから３Wであり、発熱量が小さく、加えて圧電基板が一定の散熱効果を有し、たとえ連続的に吸引しても、熱量はまた累積しにくく、温度は素早く上昇することができず、高温での熱分解の可能性を大幅に低減させる。これによって、表面音声波霧状化の安全性は良好であり、且つ有害物質の放出量もまた電熱式霧状化と比べて確実に低減させることができる。
（３）本発明の電子たばこシステムアセンブリは誘導液キャビティを有し、表面弾性波の弾性流れ効果に基づいて、第１のインターデジタルトランスデューサーが生成した進行波パターンの表面弾性波が提供する駆動力を利用してたばこ液を主導するポンピングを実現し、駆動効率を調節することによってたばこ液の誘導液速度を正確に制御し、それを霧状化速度と適合させ、たばこ液の持続安定的なポンピングを確保し且つ適時に十分霧状化を行い、受動的な誘導液が存在するという技術的欠陥を解決し、煮詰まるという現象が発生することを免れ、それによって吸引の品質を改善し、ユーザの体験を向上させる。
（４）本発明の電子たばこシステムの第２のインターデジタルトランスデューサー５２と第３のインターデジタルトランスデューサー５３は、前記Ｔ字型繊維紙１０と接触せず、第２のインターデジタルトランスデューサーと第３のインターデジタルトランスデューサーが共同作用して定常波パターンの表面弾性波を励振することによってＴ字型繊維紙上のたばこ液の液膜に対して非接触霧状化を実現する。これによってたばこ液とトランスデューサーは直接接触せず、トランスデューサー上で焼結粘着するたばこ液が存在しないと共にトランスデューサーの動作性能又は使用寿命に影響を与える問題が存在しない。これ以外に、定常波パターンの表面弾性波のエネルギー基数が大きく、たばこ液の霧状化に対する能力が高く、これにより本発明の電子たばこシステムは単位時間内に十分なたばこ霧の量を生成することができ、ユーザは吸引の満足感を迅速に得ることができる。
本発明を説明する目的で、技術方法及び有利な点を更に明瞭にするために、以下、図面と実施例を併せて、本発明に対して更に詳細な説明を行う。
本発明の実施例の表面弾性波電子たばこシステムの構造を示す図１を参照すると、該システムは、圧電基板１、誘導液キャビティ２、霧状化キャビティ３、及び給電ポート４を含む。前記誘導液キャビティ２と前記霧状化キャビティ３は前記圧電基板１の上方に設けられ、両方のキャビティはすぐ隣に配置され、中間には隔離板１３が設けてある。誘導液キャビティと霧状化キャビティの拡大図がそれぞれ図２と図３である。前記給電ポート４は前記圧電基板１の外側に設けられ、外部の高周波信号源に接続している。前記誘導液キャビティ２は、第１のインターデジタルトランスデューサー５１、貯液槽６、貯液槽６の頂部に設けられた注液ポート７、及び貯液槽６と連通した微流道８により構成されている。前記霧状化キャビティ３の底部にはＴ字型繊維紙１０、第２のインターデジタルトランスデューサー５２、及び第３のインターデジタルトランスデューサー５３が設けてあり、霧状化キャビティ３の側部と頂部とに入気ポート１１と吸引ノズル１２とが個別に設けられている。
前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１、貯液槽６、微流道８、第２のインターデジタルトランスデューサー５２、第３のインターデジタルトランスデューサー５３、及びＴ字型繊維紙１０は、圧電基板１の表面に垂直且つ緊密に取り付けられている。前記圧電基板１は、圧電特性を備える材料、例えば石英、圧電セラミックス、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸リチウムにより構成されている。有利であるのはYカットXが１２８．６８°の方向のニオブ酸リチウムであり、その厚さ、機械電気結合係数、温度係数、及び表面弾性波の伝播速度が、それぞれ、０．５mm、５．５％、−７２×１０−６／℃、及び３９９２m／sである。前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１、第２のインターデジタルトランスデューサー５２、及び第３のインターデジタルトランスデューサー５３は、微加工の生産加工技術を採用し、表面研磨後の圧電基板上に手の指を交差したような形状のアルミニウム、銅、又は金などの金属薄膜をスパッタ堆積して形成し、圧電基板の外側に設けた給電ポート４を介して高周波信号源と接続する。前記貯液槽６の一方の側に第１のインターデジタルトランスデューサー５１が配置され、前記貯液槽６は他方の側にある微流道８と連通している。貯液槽６及び微流道８の材料は、高ホウケイ酸ガラス又はポリジメチルオキソシランを選んで使用する。前記第１のインターデジタルトランスデューサー５１は進行波パターンの表面弾性波を励起して、貯液槽６内に入れられたたばこ液に駆動力を提供し、たばこ液を主導して微流道８までポンピングする。前記Ｔ字型繊維紙１０は出液ポート９を介して微流道８に嵌入され、たばこ液を均一に分散させ且つ素早く液膜を形成するのに用いられ、材料はポリエステル繊維又はその他の有機多孔材料を選んで使用する。前記第２のインターデジタルトランスデューサー５２と第３のインターデジタルトランスデューサー５３は、Ｔ字型繊維紙の両側に対向して配置され、距離において一定の位相を形成し、共同作用して定常波パターンの表面弾性波を生成しＴ字型繊維紙上のたばこ液の液膜を霧状化してエアロゾルを生成する。
電子たばこシステムを使用する前に、注液ポート７を介してたばこ液を貯液槽６に注入して、たばこ液の液面が一定の高さに到達するに至る。標準大気圧の下で、たばこ液の表面張力と貯液槽６内壁及び微流道８内壁の粘性係数とが不変であるために、たばこ液は自ずから流れることができない。高周波信号源を起動すると、第１のインターデジタルトランスデューサー５１、第２のインターデジタルトランスデューサー５２、及び第３のインターデジタルトランスデューサー５３が給電ポート４を介して交流電気信号を与えられ且つ励振され、トランスデューサーが圧電基板本体の逆圧電効果を利用して電気信号を弾性信号（音響信号）に変換し、外部から加えられた信号と同じ周波数であり且つ圧電基板の表面に沿って伝播する表面弾性波を形成する。第１のインターデジタルトランスデューサー５１が生成した進行波パターンの表面弾性波が貯液槽６内に至るまで伝播したときに、弾性エネルギーがたばこ液に回折入射し、弾性流れ結合効果を生成し、貯液槽６と出液ポート９のところで圧力差を形成することができ、貯液槽６の圧力場の平衡が打破され、たばこ液の微流道８の水路の流れを主導して出液ポート９までポンピングし、Ｔ字型繊維紙１０上に素早くたばこ液を均一に分散させて液膜を形成する。駆動効率を調節することによって圧力差を改変することができ、誘導液速度の数量化制御を実現し、たばこ液の持続安定的なポンピングを確保し適時に十分な霧状化を行う。第２のインターデジタルトランスデューサー５２と第３のインターデジタルトランスデューサー５３が励起した進行波パターンの表面弾性波が、互いに向かい合って伝播干渉して重なった後でエネルギー基数がより高い定常波パターンの表面弾性波を形成することができる。定常波パターンの表面弾性波とＴ字型繊維紙１０上の液膜が相互に接触したときに、それに伴うエネルギーが液膜の自由表面生成を強烈にかき乱し、液膜自身の表面張力を不足させることによって幾何学的形態の安定を保持することができ、エアロゾルを破裂生成させる。
上述したことは本発明の有利な実施例のみであり、本発明を限定するものではない。当業者にとっては、創造性を発揮する労力なしという前提で、概ね本発明が開示した技術的な提案又は技術的な特徴に基づいて行われた如何なる改修、変換、及び改良も同等とみなされる。
１：圧電基板
２：誘導液キャビティ
３：霧状化キャビティ
４：給電ポート
５１：第１のインターデジタルトランスデューサー
５２：第２のインターデジタルトランスデューサー
５３：第３のインターデジタルトランスデューサー
６：貯液槽
７：注液ポート
８：微流道
９：出液ポート
１０：Ｔ字型繊維紙
１１：入気ポート
１２：吸引ノズル
１３：隔離板
２：誘導液キャビティ
３：霧状化キャビティ
４：給電ポート
５１：第１のインターデジタルトランスデューサー
５２：第２のインターデジタルトランスデューサー
５３：第３のインターデジタルトランスデューサー
６：貯液槽
７：注液ポート
８：微流道
９：出液ポート
１０：Ｔ字型繊維紙
１１：入気ポート
１２：吸引ノズル
１３：隔離板
Claims (6)
- 圧電基板（１）、誘導液キャビティ（２）、霧状化キャビティ（３）、及び給電ポート（４）を含み、前記誘導液キャビティ（２）と前記霧状化キャビティ（３）は前記圧電基板（１）の表面上に設けられ、前記誘導液キャビティ（２）と前記霧状化キャビティ（３）の中間には隔離板（１３）が設けられ、前記給電ポート（４）は前記圧電基板（１）の外側に設けられ、前記誘導液キャビティ（２）は第１のインターデジタルトランスデューサー（５１）、貯液槽（６）、及び微流道（８）を含み、前記第１のインターデジタルトランスデューサー（５１）と前記微流道（８）は前記貯液槽（６）の両側に配置され、前記貯液槽（６）と前記微流道（８）は相互に連通し、前記貯液槽（６）の頂部には注液ポート（７）が有り、前記霧状化キャビティ（３）の底部には出液ポート（９）を介して前記微流道（８）に嵌入されたＴ字型繊維紙（１０）が設けられ、Ｔ字型繊維紙（１０）の両側に且つＴ字型繊維紙（１０）とは接触しないで第２のインターデジタルトランスデューサー（５２）と第３のインターデジタルトランスデューサー（５３）が配置され、前記霧状化キャビティ（３）の側部に入気ポート（１１）が設けられ、前記霧状化キャビティ（３）の頂部に吸引ノズル（１２）が設けられている、ことを特徴とする、表面弾性波電子たばこシステム。
- 前記第１のインターデジタルトランスデューサー（５１）、貯液槽（６）、微流道（８）、第２のインターデジタルトランスデューサー（５２）、第３のインターデジタルトランスデューサー（５３）、及びＴ字型繊維紙（１０）が、何れも圧電基板（１）の表面に取り付けられている、ことを特徴とする、請求項１に記載の表面弾性波電子たばこシステム。
- 前記圧電基板（１）の材料が、石英、圧電セラミックス、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸リチウムのうちの１つである、ことを特徴とする、請求項１に記載の表面弾性波電子たばこシステム。
- 前記圧電基板（１）は、YカットXが１２８．６８°の方向のニオブ酸リチウムであり、その厚さ、機械電気結合係数、温度係数、及び表面弾性波の伝播速度が、それぞれ、０．５mm、５．５％、−７２×１０−６／℃、及び３９９２m／sである、ことを特徴とする、請求項３に記載の表面弾性波電子たばこシステム。
- 前記第１のインターデジタルトランスデューサー（５１）が励起した進行波パターンの表面弾性波が、貯液槽（６）内に入れられたたばこ液を、前記微流道（８）の出液ポート（９）まで主導してポンピングし、前記第２のインターデジタルトランスデューサー（５２）と前記第３のインターデジタルトランスデューサー（５３）が共同作用して生成した定常波パターンの表面弾性波が、前記Ｔ字型繊維紙（１０）上のたばこ液の液膜を霧状化しエアロゾルを生成する、ことを特徴とする、請求項１に記載の表面弾性波電子たばこシステム。
- 前記貯液槽（６）及び前記微流道（８）の材料が、高ホウケイ酸ガラス又はポリジメチルオキソシランであり、前記Ｔ字型繊維紙（１０）が、有機多孔材料である、ことを特徴とする、請求項１に記載の表面弾性波電子たばこシステム。
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