PT2091663E - Atomizador de líquido utrasson - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

ΑΤΟΜΙZADOR DE LÍQUIDO UTRASSON

Campo da invenção A presente invenção diz respeito aos distribuidores de fluido comummente denominados atomizadores, que permitem difundir de forma precisa, por meio de elementos piezoelétricos, fluidos sob forma de micro goticulas ou de aerossóis.

Estado da técnica A distribuição de fluidos ou de liquidos, qualquer que seja a sua natureza (oleosa, aquosa ou alcoólica), quer se trate de soluções ou suspensões (partículas em suspensão num liquido), efectua-se num grande número de aplicações por micronização, atomização, nebulização ou produção de aerossóis. As principais aplicações utilizando estes dispositivos de distribuição de fluido dizem respeito à administração de medicamentos (farmácia), à difusão de produtos cosméticos (em particular os perfumes), à desinfecção, à formação de odores, à humidificação do ar ou de suportes (papel, têxteis....) e à distribuição de reativos biológicos.

No que diz respeito às aplicações médicas, nebulizadores têm sido utilizados ao longo de décadas para administrar medicamentos por inalação. Os dispositivos utilizados para este efeito podem comportar uma bomba doseadora mecânica, um nebulizador pneumático ou ultra sonoro. Até recentemente, estes dispositivos estavam destinados à administração de medicamentos pelas vias respiratórias, a um nível relativamente superficial. Desde há alguns anos, a indústria farmacêutica interessa-se pela administração de medicamentos sob forma de aerossóis no mais profundo dos pulmões a fim de alcançar os bronquíolos. Agindo desta forma, seria possível administrar pela via respiratória medicamentos sistémicos ou genes.

Para que isto ocorra, é necessário desenvolver novas tecnologias para melhorar o rendimento, a precisão e a homogeneidade dos aerossóis destinados a serem depositados nos bronquíolos. Os dispositivos tradicionais são, de modo geral, limitados ou pela excessiva velocidade de expulsão do aerossol, ou pelo consumo excessivo, ou pela degradação dos produtos medicamentosos, ou pelo excessivo tamanho das goticulas, ou pelo barulho. 1

Para satisfazer as novas condições exigidas para a administração de medicamentos através do tracto respiratório, vários fabricantes de geradores de aerossóis desenvolveram dispositivos baseados em grelhas ou membranas microperfuradas baseadas em grelhas ou membranas vibrantes microperfuradas. Entre os fabricantes, podemos citar Nekter (Aeroneb), Odem (TouchSpray), Pari (e-Flow), Pfeiffer (MicroHaler) , Omron (NE-U022), Sheffield Pharmatical (Premaire), Alexza (Staccato).

Os primeiros estudos relativos a atomizadores ultrassonoros, comportando uma membrana vibrante micro perfurada foram realizados pelo laboratório de pesquisa de Matsushita nos anos 1980. O principio de ejecção de liquido em goticulas finas através de uma membrana vibrante micro perfurada sujeita a vibração está particularmente desenvolvido nas seguintes publicações: Ueha S., e al. Influence of the vibrating system of a multipinhole-plate ultrasonic nebulizer on its performance. Review of scientific Instruments, 57(11), Nov. 1986, pp. 2870- 2876. Maehara N. e al. A pinhole-plate ultrasonic atomizer. Ultrasonics Nov. 1984. O conjunto desses estudos foi objecto de várias invenções, nomeadamente US 4 533 082 (1985) e US 4 605 167 (1986) que descrevem um atomizador utilizando uma membrana vibrante perfurada de micro orifícios. A membrana comporta uma parte curva (protuberância ou cúpula) no seu centro permitindo fazer divergir as goticulas geradas. A membrana comporta micro perfurações de 30 a 100 pm de diâmetro. O elemento vibrante é uma cerâmica piezoelétrica anelar de diâmetro exterior de 5 a 15 mm, de diâmetro interior de 2 a 8 mm. A membrana vibrante de uma espessura de 30 a 120 pm está unida ao anel de cerâmica. Esta cerâmica piezoelétrica é estimulada a frequências entre 30 e 200 kHz no seu modo de deformação radial. A invenção Bespack US 5 152 456 (1992), ver igualmente o pedido europeu correspondente, EP 0 432 992 Al, de acordo com o preambulo da reivindicação 1, emprega o princípio proposto por Matsushita. No entanto, o elemento vibrante (ou vibrador) é constituído por um disco anelar de alumínio de 22 mm de diâmetro. A cerâmica piezoelétrica é fixada sobre este disco de alumínio. O modo de funcionamento da cerâmica piezoelétrica corresponde a uma deformação radial. A abertura central do disco em alumínio é de 4 mm. A membrana em Níquel comporta 1500 perfurações (ou orifícios) de 3 pm de diâmetro. A invenção Toda US 5 297 734 (1994) faz referência a um atomizador do tipo lâmina vibrante de geometria quadrada permitindo débitos até 11/hora. O atomizador é constituído por uma membrana em Níquel de 50 pm de espessura fixada a um disco de cerâmica piezoelétrica de diâmetro exterior de 24 mm, de diâmetro interior de 12 mm e espessura 6 mm. A membrana dispõe de orifícios cónicos, de 1 mm de diâmetro interior e 20 pm de diâmetro exterior. 2 A invenção de Technology Transfer Partnership (TTP) US 5 261 601 (1993) descreve um atomizador com base na supracitada invenção Bespack. A invenção TTP US 5 518 179 (1996) faz, quanto a ela, referência a um disco atomizador ou a membrana perfurada é electro formada em Níquel. O atomizador TTP não requer câmara de líquido por detrás da membrana e a alimentação em líquido é efetuada por capilaridade (utilização de pavio ou material poroso) . O atomizador TTP destaca a sua estrutura bimorfa precisando o modo de flexão do conjunto composto pela cerâmica piezoelétrica e da membrana micro perfurada. A membrana é de rigidez comparável à da cerâmica piezoelétrica anular. O atomizador de referência é constituído por um anel de latão de diâmetro exterior de 20 mm e de espessura 200 μιη. O anel de cerâmica piezoelétrica tem um diâmetro exterior de 20 mm, um diâmetro interior de 6 mm e uma espessura de 200 pm. A invenção US 6 085 740 (2000) d'Aerogen menciona um meio para atomizar um liquido em finas gotículas utilizando uma micro rede. A membrana, munida de micro orifícios de 1 a 6 pm de diâmetro, é posta em vibração por uma placa bimetal piezoelétrica funcionando a 45 kHz. O líquido é alimentado por capilaridade e a membrana é dissociável do vibrador. A invenção US 6 427 682 (2002) d'Aerogen descreve a realização de um aparelho de difusão de medicamentos utilizando uma membrana vibrante. O seu princípio é muito próximo daquele de

Matsushita. É constituído por uma peça de alumínio colocada em vibração por flexão com a ajuda de uma cerâmica piezoelétrica anular. A membrana vibrante munida de micro orifícios é realizada por eletroformação. Uma câmara, contendo o líquido está em contacto com a membrana.

Além disso, a Omron desenvolveu a tecnologia da bomba ultra sonora permitindo atomizar um líquido através de uma membrana micro perfurada. Esta tecnologia está descrita na invenção US 6 901 926 (2005). Na tecnologia Omron, a membrana micro perfurada não é directamente posta em vibração pelo elemento vibrante. As gotículas finas são formadas por ejecção do líquido através dos orifícios quando da variação de pressão dinâmica devida à bomba ultra sonora.

Os atomizadores piezoelétricos ou ultra sonoros do estado da técnica (frequência superior a 20 kHz) que compreende uma membrana micro perfurada submetida à vibração funcionam todos por flexão da membrana e da cerâmica piezoelétrica que lhe está associada. Na verdade, trata-se de combinar de formas diferentes uma cerâmica piezoelétrica anular e uma membrana metálica de fina espessura comportando um grande número de micro perfurações. Este tipo de estrutura beneficia de uma espessura fina.

Os dispositivos do estado da técnica possuem todavia vários inconvenientes. 3

Um primeiro inconveniente reside no facto de que a membrana micro perfurada participa fortemente no modo de ressonância do atomizador. Este fenómeno tem por efeito que o atomizador é ele mesmo fortemente amortizado na sua ressonância pelo liquido que está em contacto com a membrana. 0 funcionamento do atomizador depende fortemente da quantidade de liquido ou da pressão exercida pelo liquido por detrás da membrana. Isto traduz-se por uma complicação na direcção da frequência de excitação do atomizador. Além disso, este amortecimento conduz a um aquecimento do elemento vibrante e da membrana. Este aquecimento tem por consequência limitar o tempo de funcionamento do atomizador, aumentar o consumo eléctrico necessário ao funcionamento deste e pode conduzir a uma degradação das propriedades do liquido a atomizar. Para além disso, neste tipo de estrutura, a deformação da membrana em flexão não permite obter um deslocamento homogéneo no conjunto da superfície da membrana. Seguindo a localização dos micro orificios sobre a membrana, estes não têm o mesmo fluxo e a geração de aerossol pode revelar-se instável (efeito de limiar). Por outro lado, a sensibilidade da estrutura vibrante a fixações mecânicas e a estanquicidade ao liquido (depreciação parasitária) tornam as soluções tecnológicas custosas e complexas para implementar industrialmente, tais estruturas em grande quantidade e a custo reduzido.

Existe então uma necessidade de remediar a esses diferentes inconvenientes e de propor dispositivos mais robustos, mais fáceis a dirigir electronicamente, mais económicos em energia, mais fáceis a industrializar em grande quantidade e de custo reduzido.

Descrição geral da invenção A presente invenção propõe-se remediar nomeadamente aos problemas expostos no capítulo precedente.

Para o efeito, ela tem por objecto um atomizador tal como definido na reivindicação principal.

Modos de realização preferenciais fazem objecto de reivindicações dependentes.

No presente texto, por «transdutor», entende-se um elemento constituído por um corpo transdutor piezoelétrico, de pelo menos um elemento piezoelétrico e opcionalmente de uma massa traseira.

Por «secção», entende-se uma figura geométrica constituída pela intersecção de um plano e de um volume. Assim, considerando por exemplo um objecto cilíndrico em que o interior tem um diâmetro variável, diremos que ele possui uma secção variável sobre o seu comprimento. 4 0 corpo de transdutor comporta um eixo de simetria. Várias vantagens oferecidas pelo atomizador segundo a presente invenção resultam do facto que o corpo de transdutor piezoelétrico sobre o qual é fixada a membrana, vibra segundo um modo longitudinal, quer dizer, segundo uma direcção paralela ao eixo de simetria do corpo do transdutor piezoelétrico.

Um ou vários elementos piezoelétricos podem ser previstos.

De preferência, a secção do corpo de transdutor piezoelétrico varia no seu comprimento.

Segundo um modo de realização, a secção varia de forma descontinua.

Vantajosamente, a secção varia bruscamente num só local.

Uma tal variação de secção está ilustrada no modo de realização seguinte no qual o corpo de transdutor piezoelétrico comporta duas partes cujo diâmetro externo difere. A zona de amplificação de deformações em que a extremidade compreende a membrana, possui o diâmetro mais frágil. Nesta configuração, nomeada « tronco » no presente texto, as ondas ultra sonoras longitudinais são amplificadas em deslocamento quando da mudança de secção do transdutor. 0 elemento tubular desempenha o papel de amplificador de deslocamentos longitudinais micrométricos.

Segundo um outro modo de realização da invenção, a membrana forma pelo menos parcialmente uma cúpula que realiza várias funções. De forma comum ao estado da técnica anterior, a membrana micro perfurada é concebida para reter o líquido na câmara de atomização à retaguarda da membrana e conter a pressão estática deste. 0 equilíbrio das pressões, a forma dos orifícios e a natureza do material utilizado para a membrana é assim que o líquido não vaza no exterior da membrana e que não aparece nenhum fenómeno de « gotejamento » ou de perda de líquido. Para além disso, a forma de cúpula permite repartir melhor a névoa de micro gotículas ou de aerossol fazendo divergir o jacto por simples efeito geométrico. Por outro lado, a velocidade vibratória associada ao deslocamento da membrana, permite ejectar as micro gotículas através dos orifícios. No caso da presente invenção, as dimensões da cúpula e da membrana micro perfurada são tais que a cúpula desempenha um efeito de amplificação de movimento vibratório mantendo uma distribuição de velocidade vibratória homogénea sobre a superfície da membrana. Contrariamente ao estado da arte anterior, a membrana não influencia o comportamento vibratório do transdutor. Qualquer que seja a espessura da membrana (por exemplo de 20 a 200pm), o elemento piezoelétrico conserva as suas características dinâmicas e seus desempenhos vibratórios. Mais especificamente, a frequência de ressonância e os deslocamentos vibratórios do transdutor não são modificados pelo acoplamento 5 mecânico da membrana. Este procura vantagens ao atomizador na medida onde a concepção do transdutor (frequências, deslocamentos vibratórios, modos de deformação, coeficiente de acoplamento e factor de qualidade mecânica) possa ser efectuada sem ter em conta a membrana (geometria e matéria).

Esta propriedade da presente invenção permite otimizar vantajosamente a estrutura do transdutor (ou conversor) a fim de favorecer ou a velocidade de saida do aerossol, ou o fluxo, ou a frequência de ressonância, ou o consumo ou o rendimento do transdutor. Desta forma, é possivel realizar atomizadores a membrana vibrante permitindo a produção de aerossóis a velocidade quase nula (aplicação médica) até velocidades de ejecção por exemplo da ordem de 30 m/s (aplicação cosmética). Da mesma forma, o fluxo de atomização não é mais ligado directamente à superfície da cerâmica piezoelétrica mas ao comprimento do transdutor piezoelétrico permitindo adaptar fluxos de Ιμΐ/s a 300pl/s. É este mesmo comprimento que governa directamente a frequência de ressonância do atomizador. O modo de funcionamento do atomizador não é um modo de flexão mas um modo de alongamento longitudinal. Isto permite trabalhar em altas frequências (50 a 200 kHz) com cerâmicas piezoelétricas de fraco diâmetro sem penalizar o fluxo de líquido e sobretudo com perdas muito baixas. Estas perdas mecânicas que correspondem a uma energia dissipada em calor no transdutor elevam-se fortemente em função da frequência de funcionamento do transdutor. Na presente invenção, estas são reduzidas porque os rendimentos das estruturas de tipo transdutor longitudinal são bem melhores que as estruturas de tipo « placa bimetal » funcionando em flexão.

As perdas reduzidas no transdutor conduzem à concepção de atomizadores cujo consumo eléctrico é fraco. Esta vantagem é considerável na medida em que os atomizadores do estado da técnica anterior são limitados na sua aplicação pela duração de atomização e a duração de vida das pilhas ou das baterias de alimentação. Com efeito, as aplicações vantajosas dos atomizadores a membrana vibrante micro perfurada dizem respeito essencialmente a dispositivos « manuais » funcionando com pilhas ou baterias. A estrutura, objecto da presente invenção, é menos amortizada pelo líquido na retaguarda da membrana. Esta propriedade permite um aquecimento menor do líquido a atomizar. Nas aplicações ou atomizadores provendo formulações medicamentosas, um aquecimento do líquido pode ser proibitivo e limitar fortemente o interesse de tais atomizadores.

Além disso, segundo um modo de realização preferido, a presente invenção caracteriza-se pelo facto de que os nós de vibração são acessíveis para permitir facilmente a fixação mecânica do atomizador. Os atomizadores do estado da técnica funcionam por flexão da cerâmica anular são difíceis de fixar mecanicamente sem perturbar e amortecer fortemente o modo de vibração. No caso da presente invenção, o atomizador é de preferência fixado 6 mecanicamente ou moldado na zona do nó de vibração (este nó é único) e permite soluções de montagem mecânica e de estanquicidade muito simples e barata.

Uma outra caracteristica da invenção é que o liquido pode ser directamente posto em contacto com a face traseira da membrana. Com efeito, o modo de vibração do atomizador segundo um modo longitudinal é pouco sensivel à presença de um liquido e ao peso da coluna desse liquido.

Esta propriedade permite ao atomizador funcionar indiferentemente seguindo um ângulo que pode variar da vertical para a horizontal. 0 liquido pode também ser guiado até à membrana por capilaridade utilizando canais, bits ou materiais porosos adequados. Desta forma, o reservatório de liquido pode situar-se acima, em redor ou abaixo do atomizador.

Segundo uma variante da invenção, a estrutura do atomizador compreende um volume retaguarda, nomeado igualmente volume dinâmico, em que a função é impedir o transdutor de vibrar à retaguarda, duas cerâmicas piezoelétricas interligadas por uma conexão comum, um amplificador de movimento vibratório comportando uma cavidade e uma membrana micro perfurada de forma variada mas preferencialmente convexa formando uma protuberância ou cúpula.

Segundo uma outra variante da invenção, um mecanismo de pré-carga como um parafuso permite ligar mecanicamente a massa traseira, as cerâmicas e o amplificador. 0 amplificador é metálico e preferencialmente em aço inox, em titânio ou em alumínio. A membrana micro perfurada é colada no amplificador vibratório. A membrana, que influi pouco sobre o comportamento vibratório do atomizador, pode ser realizada em materiais variados como o plástico, silicone, a cerâmica mas é preferencialmente realizada em metal. As micro perfurações podem ser realizadas por diferentes meios mas preferencialmente por eletroformação ou por laser. A quantidade de micro perfurações pode ir de um orifício para a distribuição de líquido sob pedido, a vários milhares de orifícios. 0 tamanho dos micro orifícios ou a malha das grelhas pode ir de 1 pm até 100 pm em diâmetro equivalente segundo as aplicações do atomizador. Foi demonstrado que o desempenho em fluxo e homogeneidade do jato de gotículas do atomizador eram fortemente dependentes do modo de deslocamento da membrana. Estes desempenhos são melhorados se a membrana se desloca em modo « êmbolo » sem deformação em flexão. No estado da técnica anterior, os atomizadores funcionam em flexão e conduzem então a um ou vários nós de vibração no interior da membrana. Na presente invenção, a membrana não participa no modo de vibração do transdutor e é possível dimensionar e optimizar a geometria da membrana a fim de que esta se deforme em modo « êmbolo ». Para tal, a modelagem e os 7 resultados de testes mostram que o diâmetro da protuberância (ou cúpula) deve ser próximo do diâmetro da cavidade contendo o liquido (ou câmara). Isto implica que a altura máxima da cúpula deve estar próxima da metade do diâmetro interior da cavidade. 0 deslocamento da membrana em modo « êmbolo » permite homogeneizar a velocidade vibratória sobre a superfície da membrana. Resulta que as micro perfurações (ou orifícios) ejectam micro gotículas de tamanhos melhor calibrados e com um fluxo idêntico quando comparados entre si.

Outros modos de realização da invenção são brevemente abaixo descritos: • 0 ou os elementos piezoelétricos são representados por uma só cerâmica fixa com uma cola de rigidez suficiente sobre o transdutor submetido ao movimento vibratório. • A cerâmica piezoelétrica é uma multicamada permitindo uma alimentação eléctrica de baixa tensão (1 a 15 VDc) como podem providenciar, por exemplo as sociedades Epcos, Fuji, Noilac, Morgan Matroc ou Physic

Instruments. • A cerâmica piezoelétrica é fixa sobre o corpo do transdutor de tal modo que não haja nenhum contacto entre esta e o líquido a atomizar. Esta configuração permite isolar eletricamente a cerâmica piezoelétrica e elimina todo o problema de estanquicidade e de compatibilidade (aplicação médica) com o líquido. • 0 amplificador de deslocamento vibratório (ou « tronco ») do atomizador comporta passagens, ranhuras ou orifícios de tal forma que a câmara ou o reservatório de líquido está situado ao redor do tronco. • 0 transdutor piezoelétrico do atomizador comporta um « pavilhão » à extremidade do « tronco » que vibra preferencialmente segundo um modo « êmbolo » sem qualquer flexão. Este « pavilhão » tem a vantagem de amplificar o deslocamento vibratório do transdutor mas também de poder fixar uma membrana micro perfurada de maior diâmetro. Esta configuração é destinada a aumentar o fluxo do atomizador apesar da sua pequena dimensão. • 0 transdutor piezoelétrico, funcionando em modo longitudinal, faz vibrar e deformar-se uma membrana micro perfurada ou uma grelha de forma cilíndrica. Para optimizar o deslocamento da membrana cilíndrica que está colocada entre o transdutor e o pavilhão, uma protuberância pode ser adicionada a fim de enrijecer a membrana de forma adequada. 8 0 atomizador comporta um « tronco » de forma particular como, por exemplo, um cone truncado permitindo uma amplificação de movimento vibratório por mudança brutal de secção. Nesta configuração particular, a relação entre a distância membrana-elemento piezoelétrico sobre o diâmetro do elemento piezoelétrico é de preferência superior a 0,5. A membrana micro perfurada ou grelha não é colada mas acoplada acusticamente ao transdutor por meios mecânicos de pressão. A fixação do atomizador sobre um suporte exterior é realizada por um ouropel ou um circuito flexível ligado por meios mecânicos ou por colagem sobre o eléctrodo da cerâmica que não está associado ao transdutor. Este modo de fixação particular é interessante pela sua simplicidade de implementação e seu baixo custo. Esta configuração tem a vantagem de dissociar o transdutor do suporte exterior (modo estático) e de não perturbar o seu funcionamento dinâmico. Para além disso, o ouropel metálico (ou o circuito flexível) permite alimentar eletricamente a cerâmica piezoelétrica. O atomizador é constituído por um corpo de transdutor que compreende um meio de fixação de um reservatório sem perturbar o seu funcionamento dinâmico e sem alterar as suas performances. O atomizador compreende um reservatório que é fixo mecanicamente sobre o corpo do transdutor sem perturbar o funcionamento deste. O atomizador compreende um órgão mecânico pleno ou vazio realizado em diferentes matérias mas preferencialmente plástico, colocado coaxialmente no interior da cavidade contendo o líquido, de forma variada mas preferencialmente cilíndrica cuja função é a de guiar as bolhas de ar que possam ser formadas ao nível da membrana vibrante e que bloqueariam o processo de atomização. O atomizador compreende um captador de presença de líquido constituído por um eléctrodo colocado no interior do « tronco » e próximo da membrana vibrante. Injecta-se neste eléctrodo uma corrente eléctrica alternativa baixa frequência em que o sinal é recuperado sobre a massa eléctrica do transdutor por tratamento. A corrente alternativa propaga-se do elétrodo à membrana vibrante via a condutividade do líquido. A presença ou a ausência deste sinal indica a presença ou a ausência de líquido. 9 0 atomizador é colocado num invólucro de forma variada que pode ser realizado em mão ou aplicado sobre uma parte do corpo (humano ou animal) como uma máscara e realizado em diferentes matérias mas preferencialmente em plástico. Este invólucro pode constituir um difusor de perfume, de humidade, de desinfectante ou de medicamento. Particularmente, o atomizador associado ao invólucro pode ser utilizado como um dispositivo de administração do medicamento, por via pulmonar, nasal ou ocular. 0 atomizador poderá estar associado a um invólucro dedicado especificamente à administração do medicamento por via pulmonar. Este invólucro poderá comportar o conjunto das funções permitindo gerar a inalação ou a difusão deste medicamento. Em particular, ele comportará uma proteção ou adaptador anatómico que pode ser descartável, um conjunto de válvulas ou deflectores permitindo gerar melhor o fluxo de ar (absorvido ou eliminado), um dispositivo de libertação da atomização à inalação que pode ser realizado ou mecanicamente ou eletronicamente, um reservatório ou a pressão ambiente ou a atmosfera controlada (estéril) em depressão, um captador de nivel de liquido e um mecanismo evitando a formação de bolhas de ar tal como descrito nesta invenção. No presente texto, este conjunto é designado como « inalador ». 0 atomizador, integrado num invólucro mecânico, pode ser comandado electronicamente por um invólucro electrónico exterior permitindo alimentá-lo por pilhas, baterias ou sector. Este mesmo invólucro electrónico pode estar integrado num invólucro mecânico a fim de assegurar uma autonomia completa do dispositivo. Este invólucro electrónico integrado poderá ser alimentado por uma bateria, uma pilha ou um super condensador recarregável ou pelo sector ou pelo efeito indutivo. 0 atomizador compreende uma função eletrónica de descalcificação ou, mais geralmente de escoamento realizado por um modo de alimentação eléctrico particular aplicando ciclos de tensões eléctricas sobre os elementos piezoelétricos de duração, de amplitude ou de frequência diferentes da alimentação electrónica nominal. Este modo de escoamento poderá ser realizado enquanto que o atomizador é imerso num banho de produto descalcificante, de limpeza ou esterilizador. 10 • 0 atomizador compreende uma membrana comportando orifícios de tamanho mícron em que o diâmetro foi reduzido por meio de um tratamento de superfície (polímero ou metálico) mais particularmente por depósito de eletrólise de ouro. Além disso esses diferentes tratamentos de superfície desempenham um papel para reduzir os fenómenos de gotículas ou de entupimento e proporcionar, em certos casos, funções de bactericida, viricidas e biocompatibilidade. • 0 atomizador é constituído por materiais ou comportando um tratamento de superfície permitindo assegurar a sua esterilização a frio ou a quente (secadura). Em particular, o atomizador compreenderá cerâmicas piezoelétricas alta temperatura (>150°C), um transdutor em aço inoxidável ou em titânio, uma membrana recoberta de um flash de eletrólise de ouro. • 0 atomizador é conectado electricamente de tal modo que o potencial eléctrico da membrana seja diferente da massa eléctrica do invólucro electrónico. Esta configuração eléctrica permite carregar electricamente as micro gotículas a fim de facilitar o guiamento do aerossol através do circuito ventilador do dispositivo e das vias respiratórias. • 0 atomizador compreende um mecanismo de perfuração realizado por uma cânula ou agulha oca realizada, por exemplo, em plástico ou em metal colocado ao centro do atomizador. Este mecanismo pode compreender as funções de prevenção de bolhas de ar e de medida de nível de líquido. Este dispositivo de perfuração permite receber um reservatório ou um frasco estéril e estanque possuindo um opérculo de matéria elastómera capaz de ser perfurado. • 0 atomizador é munido de um ouropel metálico (ou circuito flexível) servindo de eléctrodo e permitindo a alimentação da cerâmica que pode ser utilizada para realizar um captador de depressão associado com a cerâmica piezoelétrica. A tensão geral sobre a cerâmica aquando da inspiração pode ser explorada para realizar um dispositivo de libertação da atomização na inalação. É evidente que a invenção não se limita aos modos de realização expostos acima. Estes constituem apenas exemplos entre outros.

Notar-se-á igualmente que além da instauração de um modo de vibração longitudinal, é possível prever um modo de vibração radial. 11

Descrição detalhada da invenção A invenção será melhor compreendida no presente capitulo por meio de uma descrição detalhada e de exemplos não limitativos ilustrados pelas figuras.

Breve descrição das figuras: A figura 1 representa em corte um exemplo do atomizador segundo a invenção.

As figuras 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 e 13 representam em corte, variantes deste atomizador.

As figuras 11 representam as deformações das membranas segundo a estrutura dos atomizadores.

As figuras 12 representam modelagens do comportamento vibratório do atomizador segundo a presente invenção. A figura 13 representa um corte de um atomizador compreendendo uma membrana vibratória tubular colocada ao redor do « tronco », ele mesmo vibrante segundo um modo longitudinal.

As figuras 14 & 15 mostram respectivamente as vistas em perspectiva e os cortes dos atomizadores tubulares cilíndricos ou em frusto cónico. A figura 16 representam a vista em perspectiva e o corte de um inalador medicinal simples em forma de T integrando um atomizador tal que descrito pela presente invenção.

As figuras 17A & 17B ilustram duas configurações de um inalador em formato « bolso » integrando um atomizador tal que descrito pela presente invenção. A figura 17A representa um inalador pilotado por um invólucro electrónico exterior. A figura 17B representa um inalador em que a eletrónica está integrada no invólucro. A figura 17C mostra um corte deste mesmo inalador e permite visualizar a posição do atomizador no seu invólucro. A figura 18 representa o corte de um atomizador comportando as diferentes funções de evacuação de bolhas de ar e de captador de presença de liquido.

Lista das referências numéricas utilizadas nas figuras: 1. Corpo de transdutor piezoelétrico la. Zona de concentração de limitações lb. Zona de amplificação de deformações 2. Cerâmica piezoelétrica monobloco 3. Membrana micro perfurada 4. Cavidade contendo o liquido 5. Massa traseira 6. Parafuso de compressão 7. Eléctrodo 8. Elemento de ligação. 9. Cerâmica piezoelétrica multicamada 10. Pavilhão 12 11. Retorno de massa eléctrica 12. Invólucro transdutor 13. Reservatório 14. Tampa 15. Invólucro 16. Proteção 17. Aberturas ou válvulas 18. Cabos de alimentação 19. Invólucro electrónico 20. Conector eléctrico 21. Tudo coaxial 22. Sensor de presença de líquidos 23. Cabo de retorno do sensor. O atomizador ilustrado na figura IA comporta um corpo de transdutor piezoelétrico 1 que se faz vibrar de preferência na gama de 50kHz a 200kHz. A figura 1B ilustra o mesmo atomizador mas ao lado do qual está ilustrada uma curva mostrando a amplitude máxima dos deslocamentos longitudinais das diferentes partes do atomizador. O corpo do transdutor piezoelétrico 1 caracteriza-se por duas zonas: uma zona de concentração de restrições la e uma zona de amplificação das deformações lb. Nas figuras 1 a 6, o diâmetro externo da zona de concentração de restrições la é idêntica ao diâmetro externo da zona de amplificação de deformações lb. Pelo contrário, o diâmetro interno da zona de amplificação de deformações lb é superior ao diâmetro interno da zona de concentração de restrições la.

Nos atomizadores ilustrados nas figuras 7 a 9, o diâmetro externo da zona de concentração de restrições la é superior ao diâmetro externo da zona de amplificação de deformações lb. Por outro lado, o diâmetro interno da zona de amplificação de deformações lb é idêntico ao diâmetro interno da zona de concentração de restrições la. A figura 8B representa o mesmo tipo de informação que a figure 1B, a saber uma curva mostrando a amplitude máxima dos deslocamentos longitudinais das diferentes partes do atomizador. O interior da zona de amplificação de deformações lb é constituída por uma cavidade 4 contendo o líquido a atomizar. Em certos casos, ver particularmente as figuras 5, 7 e 8 a 10, a cavidade 4 estende-se ao interior da zona de concentração de restrições la. Graças a esta configuração, a energia ultra sonora é conservada principalmente na zona de amplificação de deformações lb, o que constitui um amplificador de deslocamentos vibratórios. A conservação de energia na zona de amplificação de deformações lb implica uma conversão das restrições em deformações. 13

Um ou vários elementos piezoelétricos, constituidos de preferência por uma cerâmica piezoelétrica monobloco 2 ou multicamada 9, estão dispostos na parte superior do atomizador, ao nivel da zona de concentração de deformações la. A figura 1 por exemplo representa duas cerâmicas piezoelétricas monoblocos 2 conectadas por um eléctrodo central 7, por exemplo em latão. A massa posterior 5 (massa dinâmica) permite reduzir as deformações à retaguarda das cerâmicas piezoelétricas. 0 parafuso de protensão 6 permite ligar mecanicamente o conjunto deste empilhamento. Este conjunto constitui um transdutor piezoelétrico que é um conversor electromecânico que vibra segundo um modo longitudinal. Um modo longitudinal é definido pelo facto de que o transdutor se deforma segundo o seu eixo de simetria por alongamento ou contracção da sua secção. 0 comportamento vibratório deste tipo de transdutor é governado essencialmente pelo seu comprimento de tal modo que a relação comprimento do transdutor sobre o diâmetro ou largura da cerâmica piezoelétrica é, preferencialmente, superior ou igual a 1. A membrana microperfurada 3 ou uma grelha de fraca espessura (20 a 200 pm) é fixada mecanicamente no final do corpo de transdutor piezoelétrico 1 onde a sua velocidade vibratória é máxima. A fixação da membrana 3 é tal que esta está acoplada acusticamente ao transdutor na la zona lb. Num primeiro modo de deformação e a titulo de exemplo, este transdutor deforma-se e vibra segundo o seu meio-comprimento de onda. A figura 1B mostra a evolução do deslocamento dos pontos do transdutor numa secção segundo seu eixo de simetria (comprimento). A figura 2 mostra este mesmo atomizador munido de uma membrana ligada mecanicamente e acusticamente ao transdutor via um elemento de ligação 8 permitindo assegurar uma forte tensão sobre a membrana. De forma geral, a membrana pode ser acoplada mecanicamente à zona de amplificação por colagem, por brasagem, soldadura ou cravação. Em particular, a soldadura laser pode ser utilizada. A figura 3 é uma variante do transdutor ou a massa traseira é eliminada por razões de simplicidade de construção. O transdutor é dimensionado de tal forma que o deslocamento ao nivel da cerâmica piezoelétrica monobloco 2 ou seja o mais fraco possivel e o maior possivel na zona de amplificação lb. O eléctrodo 7 pode ser constituído fixando um ouropel de latão por exemplo ou colando um circuito impresso flexivel sobre poliimida. A figura 4 representa uma variante da invenção utilizando uma cerâmica piezoelétrica multicamada 9. As camadas têm uma espessura por exemplo de 20 a 200 pm e a utilização de tais multicamadas permite, a custo reduzido, reduzir a tensão de alimentação eléctrica aos bornes da cerâmica. Esta configuração 14 é muito interessante para as aplicações exigindo uma alimentação a pilhas ou bateria. A figura 5 apresenta uma variante da invenção ou a cavidade (câmara) contendo o liquido 4 atravessa o corpo do transdutor 1 de lado a lado do seu comprimento. Neste caso, a cerâmica piezoelétrica monobloco 2 apresenta um orificio no seu centro. Esta configuração permite alimentar facilmente a cavidade em liquido. A figura 6 mostra um outro tipo de alimentação em liquido praticando as passagens, orifícios ou ranhuras para fazer comunicar a cavidade cheia de líquido 4 com o exterior. Esta configuração permite colocar o reservatório de líquido em volta do transdutor.

Na forma de realização das figuras 7 e 8, a cavidade contendo o líquido 4 é tubular por razões de simplicidade de forma.

Na configuração da figura 7, a cerâmica 2 não está mais situada na traseira do corpo do transdutor 1 mais ao nível do amplificador de deslocamento na frente da zona de concentração de restrição la. A cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é assim protegida pelo corpo do transdutor 1.

Esta configuração oferece a vantagem de não ter a cerâmica 2 em contacto com o líquido e de não causar problemas de estanquicidade com o reservatório. A variação de secção do corpo do transdutor 1 permite sempre amplificar o deslocamento vibratório ao nível da membrana 3. A figura 9 mostra uma outra forma de realização ou o transdutor 1 comporta um pavilhão 10 sobre o qual é fixada mecanicamente e acusticamente uma membrana micro perfurada 3. A vantagem desta configuração é de aumentar o fluxo de líquido atomizado por simples efeito de superfície mantendo um nível de amplificação de deslocamento vibratório elevado. A figura 10 ilustra, a título de exemplo, uma geometria em forma de um cone truncado do amplificador de deslocamentos vibratório lb. Esta configuração permite aumentar a dimensão da membrana micro perfurada 3. A figura 11 explicita o funcionamento vibratório da membrana micro perfurada 3. Nas estruturas resultantes do estado anterior (11A, 11B, 11C), o atomizador funciona em flexão por acoplamento de uma cerâmica piezoelétrica anular com a membrana micro perfurada. Quando a membrana é plana (Fig. 11A), o deslocamento vibratório máximo (Ux) situa-se ao centro da membrana e diminui fortemente quando se afasta. Neste caso o jacto é muito directivo. Quando a membrana é bombeada e comporta uma cúpula (Fig. 11B e 11C), esta endurece o modo de vibração e faz divergir o jacto por simples efeito geométrico. Isto é observado 15 indiferentemente do modo de vibração em flexão considerado. 0 modo 1 de flexão sendo mais vantajoso deste ponto de vista. No caso da presente invenção (11D), a geometria e a natureza da membrana não influi sobre o modo de vibração do atomizador. Com efeito, a rigidez em flexão da membrana não tem qualquer influência sobre a deformação longitudinal do transdutor. Para obter o melhor resultado, é suficiente que o diâmetro da cúpula seja muito próximo da do transdutor a fim de que a membrana siga simplesmente as deslocações vibratórias máximas neste local. Uma tal configuração assegura ao atomizador um maior rendimento e portanto um menor consumo para um fluxo de atomização idêntico. Para além disso, o jacto é particularmente homogéneo e difuso.

As figuras 12A e 12B mostram as deformações simuladas por cálculos aos elementos de termo de um atomizador realizado segundo a presente invenção e dado em exemplo.

Neste caso preciso, o corpo do transdutor 1 é realizado em aço inoxidável. A cavidade interior contendo o liquido 4, tem um diâmetro de 6mm e a zona de concentração de restrição la, tem um diâmetro exterior de 16mm. A zona de amplificação de deformação lb tem um diâmetro exterior de 8mm. A cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é uma cerâmica PIC 255 (Physic Instruments) de diâmetro interior 8mm, de diâmetro exterior 16mm e de espessura lmm.

Os comprimentos do transdutor 1 e a zona de amplificação de deformação lb são respectivamente de 16mm e de 12mm. A membrana micro perfurada 3 foi realizada em Níquel electro formada munida de 800 orifícios de 5pm de diâmetro. A espessura da membrana é de 50pm e possui um diâmetro exterior de 8mm. A cúpula tem uma altura de 0,8mm para um diâmetro de 5mm. A membrana é fixada sobre o transdutor por colagem. Os modos longitudinais em causa têm respectivamente frequências de ressonância de 77kHz e 120kHz.

Na forma de realização segundo a figura 13, la membrana micro perfurada 3 possui uma geometria cilíndrica ou tubular. A membrana é fixada por um lado sobre a zona de concentração de restrição la e, por outro lado, sobre a zona de amplificação de deformação lb. Neste caso, a membrana vibra segundo um modo radial.

As figuras 14 & 15 mostram exemplos de realização que deram excelentes resultados em termos de tamanho de goticulas e de fluxo de aerossol. As figuras 14A e 14B descrevem em perspectiva e em corte um transdutor 1 em que o corpo foi realizado em aço inoxidável. A cavidade interior contendo o líquido 4, tem um diâmetro de 6mm e a zona de concentração de restrição la, um diâmetro de 16mm. O mecanismo de fixação do reservatório apresenta-se, nesta configuração específica, como uma massa traseira 5 na qual, foi praticado um segmento. O diâmetro 16 exterior e o comprimento desta massa traseira são prospectivamente de 10mm e 8mm. A cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é uma cerâmica PIC 255 (Physic Instruments) de diâmetro interior 8mm, de diâmetro exterior 16mm e de espessura lmm. A zona de amplificação de deformação lb (ou « tronco ») possui um diâmetro exterior de 7mm e um comprimento de 12mm. 0 eléctrodo 7 permitindo a conexão elétrica da cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é um ouropel em aço inoxidável de 30mm de diâmetro e de espessura 50pm. A membrana 3 em Niquel electro formada compreende 10800 orifícios de 2pm para uma espessura de 20pm. O atomizador permitiu obter gotículas de tamanho 2pm para um fluxo de 0,6 ml/min para uma frequência de funcionamento de 80kHz.

As figuras 15A e 15B descrevem em perspectiva e em corte um atomizador em que o corpo do transdutor 1 foi realizado em aço inoxidável. A cavidade interior contendo o líquido 4, tem um diâmetro que varia de 6mm a 12mm e a zona de concentração de restrição la um diâmetro de 20mm. O mecanismo de fixação do reservatório apresenta-se, nesta configuração específica, como uma massa traseira 5 na qual, foi praticado um segmento. O diâmetro exterior e o comprimento desta massa traseira são respetivamente de lOmm e 8mm. A cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é uma cerâmica PIC 255 (Physic Instruments) de diâmetro interior lOmm, de diâmetro exterior 20mm e de espessura lmm. A zona de amplificação de deformação lb (ou « tronco »)de forma cónica possui um diâmetro exterior que varia de 7mm a 14mm e um comprimento de 9mm. O eléctrodo 7 permite a conexão elétrica da cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é em aço inoxidável de 30mm de diâmetro e de espessura 50pm. A membrana 3 em Níquel electro formado compreende 45 300 orifícios de 2pm para uma espessura de 20pm. O atomizador permitiu obter gotículas de tamanho 2pm para um fluxo de 2,5 ml/min para uma frequência de funcionamento de 70kHz.

As figuras 16A e 16B descrevem um inalador destinado a fornecer medicamentos por via pulmonar. Este inalador pode pôr-se sob a forma de uma proteção bucal 16 associada a um invólucro 15 em forma de T provido, por exemplo, por inter cirurgia na qual se integra o atomizador, objecto da presente invenção. O atomizador é colocado num invólucro 15 com a ajuda de uma cobertura transdutor 12. O reservatório 13 munido da sua tampa 14 tem o transdutor 1. A cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é alimentada pelo eléctrodo 7 sob forma de um ouropel. O atomizador é alimentado por cabos 18. Quando o atomizador funciona, este gera um aerossol no interior do invólucro 15. O paciente inala o aerossol assim gerado, via a proteção bucal 16. 17

As figuras 17, descrevem uma outra forma de inalador. A figura 17A representa um inalador integrando o atomizador objecto da presente invenção ou o invólucro electrónico 19 é colocado no exterior e é interligado ao invólucro 15 do inalador por um cabo 18. Este inalador compreende uma proteção bucal 16, um reservatório 13 ligado ao atomizador e uma tampa 14. Aberturas 17 foram praticadas no invólucro 15 para gerar fluxos de ar e o aerossol produzido pelo atomizador. A figura 17B representa um inalador ou o invólucro electrónico 19 está integrado no invólucro 15 do inalador de « bolso ». A figura 17C representa, em corte, o inalador da figura 17A. Encontramos o invólucro 15 fabricado por exemplo em plástico moldado, a proteção bucal 16 que pode ser amovivel e descartável após utilização, a cobertura transdutor 12 que permite montar o atomizador no invólucro 15 e conectá-lo ao invólucro electrónico 19 via o conector 20 e o cabo 18. O atomizador é constituído pelo corpo do transdutor 1, da cerâmica piezoelétrica monobloco 2, da membrana vibrante 3, do eléctrodo 7, do retorno de massa 11, do reservatório 13 e da tampa 14. O aerossol é gerado na cavidade do invólucro 15 e aspirado pelo paciente através da proteção bucal 16. A figura 18 é um corte de um atomizador munido de um tubo permitindo a evacuação das bolhas de ar e de um captador de presença de líquido. Este atomizador compreende um corpo de transdutor tubular 1, uma cerâmica piezoelétrica monobloco 2, uma membrana vibrante micro perfurada 3 e uma massa traseira 5 permitindo fixar o reservatório 13. A cerâmica piezoelétrica monobloco 2 é alimentada por um cabo 18 conectado por um lado ao retorno da massa 11 e ao eléctrodo 7. Um tubo 21, preferencialmente em plástico e por exemplo de 3mm de diâmetro, é colocado na cavidade do líquido 4 de forma coaxial. Quando o fluxo líquido do atomizador se torna importante, a membrana 3 cria uma depressão tal que ar pode penetrar no interior da cavidade contendo o líquido 4. A formação de bolhas de ar ao nível da membrana 3 pode bloquear a formação do aerossol e altera o funcionamento do atomizador. O tubo 21 permite a evacuação de bolhas de ar pela acção de forças capilares que ele exerce sobre a interface ar-liquido. Este mesmo tubo 21 compreende no seu centro um fio condutor eléctrico 23 em que a extremidade 22 está em contacto electricamente directamente ou indirectamente com o líquido. Um sinal eléctrico alternativo baixa frequência preferencialmente a 500Hz é transmitido ao fio condutor 23. A membrana 3 bem como o corpo do transdutor 1, não estando no mesmo potencial eléctrico, resulta uma corrente devido à resistividade do líquido presente na cavidade 4. A existência desta corrente tem a presença do líquido. A informação proveniente do captador de presença de líquido 22 permite iniciar ou finalizar o funcionamento do atomizador automaticamente. 18 A invenção não se limita bem evidentemente aos exemplos debatidos acima. Igualmente, ela não se limita que ao domínio médico. 0 atomizador segundo a invenção pode igualmente ser utilizado como difusor de cheiros e de perfume e/ou na aplicação de produtos cosméticos. A invenção cobre igualmente a difusão de névoa de líquidos variados a uso local (humidificadores ou lubrificadores) ou os dispositivos de manipulação de líquidos pelas biotecnologias ou os reactivos.

Lisboa, 5 de Dezembro de 2012. 19

Claims (21)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Atomizador de líquido para ultrassons compreendendo: um corpo de transdutor piezoelétrico (1) rígido compreendendo uma primeira extremidade formando uma cobertura e uma segunda extremidade, o interior do corpo de transdutor piezoelétricos (1) compreendendo uma cavidade destinada a conter um liquido a atomizar, o dito corpo (1) comportando entre outros um eixo de simetria, - uma membrana micro perfurada (3) fixada sobre a dita primeira extremidade e recobrindo a dita abertura, - um elemento piezoelétricos (2,9) adaptado e disposto de forma a fazer vibrar o corpo de transdutor piezoelétrico (D , caracterizado pelo facto que o elemento piezoelétrico (2,9) está disposto na direção da dita segunda extremidade, de forma a fazer vibrar o corpo de transdutor piezoelétrico (1) segundo uma direção paralela ao seu eixo de simetria.
2. 2. Atomizador segundo a reivindicação 1 no qual a secção do corpo de transdutor piezoelétrico (1) varia sobre seu comprimento.
3. 3. Atomizador segundo a reivindicação 2 no qual a secção varia de forma descontínua.
4. 4. Atomizador segundo a reivindicação 3 no qual a secção varia bruscamente num só local.
5. 5. Atomizador segundo a reivindicação 4 no qual a espessura das paredes do corpo de transdutor piezoelétrico (1) para a dita segunda extremidade é superior à espessura das paredes do corpo de transdutor piezoelétrico (1) para a primeira extremidade.
6. 6. Atomizador segundo a reivindicação 5 no qual o corpo de transdutor piezoelétrico é plano para a dita segunda extremidade.
7. 7. Atomizador segundo a reivindicação 5 no qual o corpo de transdutor piezoelétrico é oco para a dita segunda extremidade.
8. 8. Atomizador segundo uma das reivindicações 2, 3 ou 4 no qual o diâmetro interno o corpo de transdutor piezoelétrico (1) é constante.
9. 9. Atomizador segundo uma das reivindicações 2, 3 ou 4 no qual o diâmetro interno do corpo de transdutor piezoelétrico (1) é variável. 1
10. 10. Atomizador segundo a reivindicação 9 no qual o diâmetro interno para a dita primeira extremidade é superior ao diâmetro interno para a dita segunda extremidade.
11. 11. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações precedentes no qual o elemento piezoelétrico (2,9) está disposto à retaguarda do corpo do transdutor (1) ou à dianteira da zona de concentração de restrição.
12. 12. Atomizador segundo a reivindicação 11 compreendendo uma massa traseira (5) disposta contra a face externa do elemento piezoelétrico (2,9).
13. 13. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações 1 a 10 no qual o diâmetro externo do corpo de transdutor piezoelétrico (1) é constante.
14. 14. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações 1 a 10 no qual o diâmetro externo do corpo de transdutor piezoelétrico (1) é variável.
15. 15. Atomizador segundo a reivindicação 14 no qual o diâmetro externo para a dita segunda extremidade é superior ao diâmetro externo para a dita primeira extremidade.
16. 16. Atomizador segundo a reivindicação 15 em que a face externa do corpo de transdutor piezoelétrico é definida por um primeiro diâmetro e um segundo diâmetro, a zona de transição entre os dois diâmetros formando um deslizamento brusco.
17. 17. Atomizador segundo a reivindicação 16 no qual o elemento piezoelétrico (2) está disposto no deslizamento e apoia-se sobre a porção do corpo de transdutor piezoelétrico (1) que comporta a segunda extremidade.
18. 18. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações precedentes na qual a relação entre o comprimento e o diâmetro da dita cavidade é superior a 0.5.
19. 19. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações precedentes na qual a membrana micro perfurada (3) forma pelo menos parcialmente uma protuberância permitindo enrijecê-la.
20. 20. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações precedentes na qual a membrana micro perfurada (3) tem uma espessura entre 20 e 200 pm e comporta orifícios de diâmetro entre 1 pm e 100 pm.
21. 21. Atomizador segundo uma qualquer das reivindicações precedentes na qual o elemento piezoelétrico é uma cerâmica multicamada (9). Lisboa, 5 de Dezembro de 2012. 2