KR20220149706A - 트랜스듀서의 피드백 제어를 갖춘 에어로졸 발생 장치 - Google Patents

트랜스듀서의 피드백 제어를 갖춘 에어로졸 발생 장치 Download PDF

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리안더 디트만
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필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
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Abstract

에어로졸 발생 장치가 제공된다. 에어로졸 발생 장치는 압전 트랜스듀서(10)를 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 압전 트랜스듀서에 연결되고 트랜스듀서에 발진 전류를 인가하도록 구성된 구동 회로(12)를 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 구동 회로에 연결되고 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성된 제어 회로(14)를 포함할 수 있으며, 제어 회로는 압전 트랜스듀서의 공진 거동에 기초하여 구동 회로의 작동을 제어하도록 구성된다.

Description

트랜스듀서의 피드백 제어를 갖춘 에어로졸 발생 장치
본 개시는 액체 에어로졸 형성 기재를 사용하는 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 액체 에어로졸 형성 기재를 이동시키거나 분무하기 위해 진동 트랜스듀서를 사용하는 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다.
에어로졸 발생 장치의 하나의 예는 전자 담배이다. 통상적으로, 전자 담배에서, 액체 에어로졸 형성 기재는 가열되어 증기를 발생시킴으로써 에어로졸을 발생시킨다. 그러나, 액체 에어로졸 발생 장치로부터 에어로졸을 형성하는 액적을 발생시키기 위해 진동 트랜스듀서를 사용하는 대안적인 설계가 제안되었다.
진동 트랜스듀서는 또한, 소형 액체 펌프의 기초로서 사용될 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재를 저장소로부터 히터 또는 진동 트랜스듀서와 같은 분무 요소까지 전달하기 위해, 소형 액체 펌프가 전자 담배와 같은 에어로졸 발생 장치에 사용될 수 있다.
에어로졸을 발생시키거나 장치 내에서 액체를 이동시키기 위해, 에어로졸 발생 장치에서 사용되는 임의의 진동 트랜스듀서의 효율을 가능한 한 최적화하는 것이 바람직할 것이다. 이는 통상적으로 배터리 전력이 공급되고, 바람직하게는는 가능한 한 작지만, 사용자에 의해 요구될 때 상당한 부피의 에어로졸을 발생시킬 필요가 있는 전자 담배와 같은 핸드헬드 에어로졸 발생 장치에서 특히 중요하다.
또한, 에어로졸 발생 장치의 출력 및 효율에 영향을 미치는 임의의 변화하는 작동 조건을 신속하고 간단하게 검출할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 양태에 따르면, 에어로졸 발생 장치가 제공된다. 에어로졸 발생 장치는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 트랜스듀서는 압전 트랜스듀서일 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 트랜스듀서에 연결되고 트랜스듀서에 발진 전류를 인가하도록 구성된 구동 회로를 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 구동 회로에 연결되고 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성된 제어 회로를 포함할 수 있으며, 제어 회로는 트랜스듀서의 공진 거동에 기초하여 구동 회로의 작동을 제어하도록 구성된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "공진 거동"은 발진 입력 신호에 대한 압전 트랜스듀서의 응답의 임의의 측정 가능한 측면을 의미한다. 예를 들어, 공진 거동은 공진 주파수 또는 공진 주파수들, 또는 공진 주파수 또는 공진 주파수들의 변화, 응답의 최대 진폭 또는 응답의 최소 진폭, 최대 또는 최소 입력 임피던스, 위상 응답 또는 위상 응답의 변화일 수 있다.
트랜스듀서의 공진 거동은 입력 임피던스 또는 최대 진폭 응답의 하나 이상의 주파수와 같은 하나 이상의 측정 가능한 매개변수에 의해 표현될 수 있다.
압전 트랜스듀서는 트랜스듀서 조립체의 일부일 수 있다. 트랜스듀서 조립체는 장치 내의 액체 에어로졸 형성 기재와 상호 작용하도록 구성될 수 있다. 트랜스듀서 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키도록 구성될 수 있다. 트랜스듀서 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재를 이동시키도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 트랜스듀서 조립체는 천공된 멤브레인 또는 메시를 포함한다. 트랜스듀서는 천공된 멤브레인 또는 메시를 하나 이상의 주파수에서 진동으로 구동하도록 구성될 수 있다. 천공된 멤브레인 또는 메시의 진동은 천공된 멤브레인 또는 메시를 통해 액체 에어로졸 형성 기재를 강제할 수 있으며, 이는 액체 에어로졸 형성 기재의 액적을 포함하는 에어로졸의 형성을 초래할 수 있다.
일부 구현예에서, 트랜스듀서 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하도록 구성된 멤브레인 또는 표면을 포함한다. 트랜스듀서는 하나 이상의 주파수에서 멤브레인 또는 표면을 진동으로 구동하도록 구성될 수 있다. 멤브레인 또는 표면의 진동은 인접한 메시 또는 천공된 멤브레인을 통해 액체를 강제할 수 있으며, 이는 액체 에어로졸 형성 기재의 액적을 포함하는 에어로졸의 형성을 초래할 수 있다.
일부 구현예에서, 트랜스듀서 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하도록 구성된 분무 표면, 및 분무 표면에 표면 탄성파(SAW)를 발생하도록 구성된 트랜스듀서 상의 전극을 포함한다. SAW는 에어로졸을 형성하는, 액체 에어로졸 형성 기재의 액적을 발생시킨다.
일부 구현예에서, 트랜스듀서 조립체는 액체 펌프의 일부를 형성한다. 트랜스듀서는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하도록 구성된 멤브레인 또는 표면을 포함할 수 있다. 트랜스듀서는 하나 이상의 주파수에서 멤브레인 또는 표면을 진동으로 구동하도록 구성될 수 있다. 멤브레인 또는 표면의 진동은 인접한 액체 밸브를 통해 액체를 강제할 수 있다.
이들 구현예 모두에서, 트랜스듀서의 공진 거동의 변화에 응답하여 트랜스듀서의 작동 주파수 또는 트랜스듀서의 작동 전력(또는 트랜스듀서의 작동 주파수와 작동 전력 둘 모두)을 제어할 수 있는 것이 유익하다. 특히 작동 주파수를 제어하는 것은 시스템의 효율을 개선하기 위해 유익할 수 있다. 작동 주파수를 제어하면 에어로졸의 발생이 최대화될 수 있다.
제어 회로는 장치가 처음 활성화되는 시점에 구동 회로의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 회로는 장치의 작동 중에 주기적으로 또는 간헐적으로 구동 회로의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.
장치의 작동 중에 압전 트랜스듀서의 공진 거동이 변할 수 있는 몇 가지 이유가 있다. 트랜스듀서의 공진 거동에 영향을 미칠 수 있는 하나의 매개변수는 온도이다. 트랜스듀서 조립체의 공진 주파수는 트랜스듀서 조립체의 재료가 팽창하거나 수축함에 따라 온도에 따라 변할 수 있으며, 이는 치수의 변화 및 트랜스듀서 조립체 내의 잔류 응력의 변화를 초래한다. 주변 온도의 변화로 인해 트랜스듀서 조립체의 온도 변화가 발생할 수 있다. 작동 중에 장치 내에서 에너지 소산의 결과로서 트랜스듀서 조립체의 가온으로 인해 트랜스듀서 조립체의 온도 변화가 발생할 수 있다. 통상적으로, 트랜스듀서 조립체는 장치의 작동 중에 예열될 것이다. 트랜스듀서 조립체의 가온은 트랜스듀서의 공진 주파수의 하락을 초래할 수 있다.
주변 조건에서의 다른 변화는 트랜스듀서의 공진 거동에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 대기압 또는 습도의 변화는 트랜스듀서의 공진 거동에 영향을 미칠 수 있다.
트랜스듀서 조립체와 접촉하는 재료의 변화는 트랜스듀서의 공진 거동을 변화시킬 수 있다. 특히, 트랜스듀서 상의 부하의 변화는 트랜스듀서의 공진 거동을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서 조립체와 접촉하는 액체 에어로졸 형성 기재의 부피의 변화는 트랜스듀서 상의 부하를 변화시킬 수 있다. 트랜스듀서 조립체와 접촉하는 액체 에어로졸 형성 기재의 조성의 변화는 트랜스듀서 상의 하중을 변화시킬 수 있다.
트랜스듀서의 공진 거동은 트랜스듀서 조립체의 하나 이상의 구성요소의 노화의 결과로서 변할 수 있다.
따라서, 트랜스듀서 조립체의 공진 거동의 변화가 빠를 수 있거나 더 장기간의 드리프트를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 장치가 빠른 변화와 장기간의 드리프트 둘 모두에 응답할 수 있는 것이 유익하다.
제어 회로는 발진 전류가 압전 트랜스듀서의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 구동 회로의 작동을 제어하게 구성될 수 있다. 공진 주파수에서의 작동은 최대 전력량이 트랜스듀서로 전달될 수 있게 한다. 공진 주파수에서의 작동은 진동의 최대 진폭 및 최대 진동 속도를 초래할 수 있다. 이는 바람직한 특성을 갖는 에어로졸을 발생시키는 데 유익할 수 있다.
제어 회로는 발진 전류가 트랜스듀서의 공진 주파수로부터 주파수 오프셋을 갖도록 구동 회로의 작동을 제어하게 구성될 수 있다. 이는 일부 상황에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 그의 공진 주파수에서 트랜스듀서의 임피던스가 구동 회로의 출력 임피던스와 일치하지 않을 때, 작은 주파수 오프셋은 최고 전력이 트랜스듀서에 전달되는 임피던스 정합 지점에서 시스템을 작동시키는 데 유용하다. 이러한 주파수는 공진 주파수와 반-공진 주파수 사이의 어딘가에 있을 수 있다. 이러한 영역에서 임피던스는 주파수에 따라 크게 변하여, 정밀한 조정을 가능하게 한다.
제어 회로는 상이한 진동 모드에 대응하는 트랜스듀서의 복수의 공진 주파수에서 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 트랜스듀서는 상이한 특성을 갖는 에어로졸 액적을 발생시키기 위해 복수의 상이한 주파수로 구동될 수 있다.
제어 회로는 트랜스듀서에 전달된 전력 또는 트랜스듀서의 입력 임피던스를 측정함으로써 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 공진 주파수에서, 전달된 전력이 최대화되고 입력 임피던스가 최소화된다.
제어 회로는 트랜스듀서로부터의 출력 신호의 무 교차점 또는 트랜스듀서로부터의 출력 신호의 변곡점을 결정함으로써 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 무 교차점 또는 변곡점은 작동 주파수를 결정하는 데 사용될 수 있다.
제어 회로는 위상 동기 루프(PLL)를 포함할 수 있다. 위상 동기 루프는 위상 비교기를 포함할 수 있고 트랜스듀서로부터의 응답에서 위상 이동을 결정할 수 있다. 위상 동기 루프의 사용은 마이크로프로세서를 필요로 하지 않기 때문에 유리할 수 있다. 이는 저비용 및 고 신뢰성의 해결책일 수 있다.
일부 구현예에서, 구동 및 제어 회로는:
a) 구동 주파수를 갖는 전류를 트랜스듀서에 인가하고;
b) 주기적으로 이격된 시간 슬롯 동안, 구동 주파수보다 높거나 낮은 주파수인 제2 주파수를 갖는 전류를 인가하고;
c) 트랜스듀서에 전달되는 전력이 제1 주파수와 비교할 때 제2 주파수에서 증가되는지를 결정하고;
d) 전달된 전력이 제2 주파수에서 증가되는 경우, 제2 주파수를 구동 주파수로서 사용하거나, 아니면 기존의 구동 주파수를 유지하고;
e) 단계 a) 내지 d)를 반복하도록 구성된다.
구동 회로는 대체 시간 슬롯에서 구동 주파수보다 높은 제2 주파수를 사용할 수 있고 대체 시간 슬롯에서 구동 주파수보다 낮은 제2 주파수를 사용할 수 있다.
이러한 공정은 트랜스듀서의 공진 주파수를 자동으로 추적하는 장치를 초래한다.
제2 주파수는 미리 결정된 양만큼 구동 주파수보다 높거나 낮을 수 있다.
공진 주파수의 변화를 검출하기 위한 다른 옵션은 전용 MEMS 센서의 사용을 포함한다. 예를 들어, 낮은 관성을 갖는 MEMS 캔틸레버는 캔틸레버가 트랜스듀서 조립체의 발진과 동기화되고 대응하는 전기 신호를 제공하도록 트랜스듀서 조립체의 진동 가능한 요소와 접촉하게 배치될 수 있다. 다른 옵션은 트랜스듀서의 전압과 전류를 모니터링하여 실시간 임피던스 측정을 사용하는 것이다. 이 경우, 트랜스듀서의 직렬 및 병렬 모드는 개별적으로 지정될 수 있다. 트랜스듀서 거동은 기계적 부품에 대한 직렬의 정전용량(C1), 인덕턴스(L1), 및 저항(R1) 그리고 트랜스듀서 전기 부품에 대한 병렬의 다른 정전용량(C0)과 저항(R0)으로 이루어진 전기 등가 회로의 관점에서 설명될 수 있다. 주파수에 따라, 이러한 회로는 직렬 분기(C1, L1, R1)가 자체적으로 공진하는 상태(직렬 공진 모드) 또는 이러한 LCR-시리즈가 병렬 C0(병렬 공진 모드)로 공진하는 상태에서 실행될 수 있다. 직렬 공진 주파수는 트랜스듀서의 공진 주파수에 가깝고 병렬 공진 주파수는 트랜스듀서의 반-공진 주파수에 가깝다. 직렬 모드 공진은 낮은 임피던스를 제공하고 동일한 전력에 대해 더 높은 전류 및 더 낮은 전압을 초래한다. 이는 기계적으로 큰 변위 진폭을 제공한다. 병렬 모드 공진은 높은 임피던스를 제공하고 동일한 전력에 대해 더 낮은 전류 및 더 높은 전압을 초래한다. 기계적으로 손실은 더 낮다. 이 경우, 튜닝 직렬 인덕턴스가 추가될 수 있고, 전기-음향 에너지 전달 효율은 반-공진에서 더 높을 수 있다.
장치는 트랜스듀서의 공진 주파수를 조정하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전 트랜스듀서에 커플링된 멤브레인은 DC 바이어스 전압의 인가에 의해 예비-응력을 받을 수 있으며, 이는 그의 공진 거동을 변경시킬 것이다. 장치의 구성요소가 노화됨에 따라, 에어로졸 형성 기재와 연관된 특정의 원하는 주파수 또는 주파수들과 일치하도록 장치의 공진 응답을 조정하는 것이 유리할 수 있다.
제어 회로는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 제어 회로는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA)를 포함할 수 있다. 구동 회로 및 제어 회로는 단일 회로에 통합될 수 있다.
제어 회로는 구동 회로로부터의 발진 전류의 캐리어 주파수, 듀티 사이클, 전력, 변조 주파수 또는 진폭을 제어하도록 구성될 수 있다.
설명된 바와 같이, 트랜스듀서의 공진 거동은 트랜스듀서 조립체의 일부분과 접촉하는 액체의 양에 의해 영향을 받을 수 있다. 제어 회로는 트랜스듀서의 공진 거동 변화에 기초하여 트랜스듀서 조립체와 접촉하는 액체의 양의 감소를 검출하도록 구성될 수 있다. 이는 임계량보다 더 큰 공진 주파수의 갑작스러운 변화에 기초할 수 있다. 제어 회로는 트랜스듀서 조립체에 전달된 액체의 상당한 감소를 검출하는 것에 응답하여 구동 회로의 작동을 정지시키도록 구성될 수 있다. 제어 회로는 트랜스듀서의 공진 거동에 기초하여 결정된, 장치의 임의의 오작동에 기초하여 구동 회로의 작동을 정지시키거나 변경하도록 구성될 수 있다.
압전 트랜스듀서는 단결정 재료를 포함할 수 있다. 압전 트랜스듀서는 석영을 포함할 수 있다. 압전 트랜스듀서는 세라믹을 포함할 수 있다. 세라믹은 티탄산 바륨(BaTiO3)을 포함할 수 있다. 세라믹은 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)을 포함할 수 있다. 세라믹은 Ni, Bi, La, Nd 또는 Nb 이온과 같은 도핑 재료를 포함할 수 있다. 압전 트랜스듀서는 극성을 가질 수 있다. 압전 트랜스듀서는 극성을 가지지 않을 수 있다. 압전 트랜스듀서는 극성을 갖는 압전 재료와 극성을 갖지 않는 압전 재료 둘 모두를 포함할 수 있다.
구동 회로는 약 20 kHz 내지 약 1500 kHz, 또는 약 50 kHz 내지 약 1000 kHz, 또는 약 100 kHz 내지 약 500 kHz의 주파수를 갖는 발진 전류를 인가하도록 구성될 수 있다. 이는 원하는 에어로졸 출력 속도 및 원하는 액적 크기를 제공할 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 사용자 흡입을 위한 에어로졸을 발생시키도록 구성될 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 전기 작동식 흡연 장치일 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 액체 에어로졸 형성 기재를 함유하는 액체 저장소를 포함할 수 있다. 사용 시, 압전 트랜스듀서는 액체 저장소로부터의 액체와 접촉할 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 액체 저장 부분을 함유하는 액체 에어로졸 형성 기재 저장소를 포함할 수 있다. 액체 저장 부분은 장치의 나머지로부터 분리 가능한 카트리지의 일부를 형성할 수 있다. 에어로졸 발생 시스템의 액체 저장부는 실질적으로 원통형이되, 원통의 일 단부에 개구가 있는 하우징을 포함할 수 있다. 액체 저장부의 하우징은 실질적으로 원형의 단면을 가질 수 있다. 하우징은 강성 하우징일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 '강성 하우징'은 자기 지지형 하우징을 의미하도록 사용된다. 액체 저장부의 강성 하우징은 가열 수단에 대한 기계적 지지를 제공할 수 있다.
액체 저장부는 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 하우징 내에 캐리어 재료를 더 포함할 수 있다.
액체 에어로졸 형성 기재는 담체 또는 지지부 상에 흡착되거나 달리 로딩될 수 있다. 캐리어 재료는 임의의 적합한 흡수성 플러그 또는 흡수체, 예를 들어 발포성 금속이나 플라스틱 재료, 폴리프로필렌, 테릴렌, 나일론 섬유 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 시스템의 사용 이전에 캐리어 재료 내에 유지될 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 사용하는 동안 캐리어 재료 내에 방출될 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 사용 바로 직전에 캐리어 재료 내에 방출될 수 있다.
일 실시예에서, 액체 에어로졸 형성 기재는 모세관 재료 내에 담긴다. 모세관 재료는 액체를 재료의 일 말단으로부터 다른 말단까지 능동적으로 전달하는 재료다. 모세관 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 트랜스듀서조립체에 전달하도록 하우징 내에 유리하게 지향될 수 있다. 모세관 재료는 섬유상 구조를 가질 수 있다. 모세관 재료는 스펀지 구조를 가질 수 있다. 모세관 재료는 모세관 번들을 포함할 수 있다. 모세관 재료는 복수의 섬유를 포함할 수 있다. 모세관 재료는 복수의 스레드(thread)를 포함할 수 있다. 모세관 재료는 미세 보어(bore) 튜브를 포함할 수 있다. 모세관 재료는 섬유, 실 및 미세 보어 튜브의 조합을 포함할 수 있다. 섬유, 스레드 및 미세 보어 튜브는 일반적으로 액체를 진동 가능한 요소에 전달하도록 정렬될 수 있다. 모세관 재료는 스펀지형의 재료를 포함할 수 있다. 모세관 재료는 발포체형의 재료를 포함할 수 있을 수 있다. 모세관 재료의 구조는 액체가 모세관 작용에 의해 운반될 수 있는 복수의 작은 보어 또는 튜브를 형성할 수 있다.
모세관 재료는 임의의 적합한 재료 또는 재료의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 재료의 예는 스펀지 또는 발포체 재료, 섬유 또는 소성된 분말 형태의 세라믹계 또는 그래파이트계 재료, 발포된 금속 또는 플라스틱 재료, 예를 들어 스펀되거나 압출된 섬유로 이루어진 섬유상 재료, 예컨대 셀룰로스 아세테이트, 폴리에스테르, 또는 결합된 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 테릴렌 또는 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유 또는 세라믹이다. 모세관 재료는 상이한 액체 물성과 함께 사용되기 위해 임의의 적합한 모세관 현상 및 다공성을 가질 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 점도, 표면 장력, 밀도, 열 전도율, 비등점 및 원자 압력을 포함하되, 이에 한정되지 않는 물성을 가지며, 이는 모세관 작용에 의해 액체가 모세관 재료를 통해 이송될 수 있게 한다. 모세관 재료는 에어로졸 형성 기재를 트랜스듀서 조립체에 운반하도록 구성될 수 있다.
캐리어 재료는 트랜스듀서 조립체와 접할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 모세관 작용에 의해 액체 저장 부분으로부터 트랜스듀서 조립체에 운반될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 장치는 펌프를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 펌프에 의해 저장소로부터 트랜스듀서 조립체로 전달될 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 액체 저장 부분의 하우징 내에 액체 에어로졸 형성 기재를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물들을 방출할 수 있는 기재이다. 휘발성 화합물은 진동 가능한 요소의 통로를 통해 액체 에어로졸 형성 기재를 이동시킴으로써 방출될 수 있다.
액체 에어로졸 형성 기재는 니코틴을 포함할 수 있다. 니코틴 함유 액체 에어로졸 형성 기재는 니코틴 염 매트릭스일 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 식물계 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 담배를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 가열시에 에어로졸 형성 기재로부터 방출되는, 휘발성 담배 향미 화합물을 함유하는 담배 함유 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 균질화 담배 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 비-담배 함유 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 균질화 식물계 재료를 포함할 수 있다.
액체 에어로졸 형성 기재는 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성제는, 사용 시, 조밀하고 안정적인 에어로졸의 형성을 용이하게 하고 시스템의 작동 온도에서 열적 분해에 대하여 실질적으로 저항하는 임의의 적합한 공지된 화합물 또는 화합물의 혼합물이다. 적합한 에어로졸 형성제는 당업계에 잘 공지되어 있으며, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 및 글리세린과 같은 다가 알코올; 글리세롤 모노-, 디- 또는 트리아세테이트와 같은 다가 알코올의 에스테르; 및 디메틸 도데칸디오에이트(dimethyl dodecanedioate) 및 디메틸 테트라데칸디오에이트(dimethyl tetradecanedioate)와 같은, 모노-, 디- 또는 폴리카르복실산의 지방족 에스테르를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 에어로졸 형성제는 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 및 글리세린과 같은 다가 알코올 또는 그의 혼합물일 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 향미제와 같은 다른 첨가제 및 성분을 포함할 수 있다.
에어로졸 형성 기재는 니코틴 및 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성제는 글리세린일 수 있다. 에어로졸 형성제는 프로필렌 글리콜일 수 있다. 에어로졸 형성제는 글리세린 및 프로필렌 글리콜 둘 모두를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 약 2% 내지 약 10%의 니코틴 농도를 가질 수 있다.
에어로졸 형성 기재는 20℃의 온도에서 약 0.4 mPa.S (0.4 mPl, 0.4 cP) 내지 약 1000 mPa.S (1000 mPl, 1000 cP), 또는 약 1 mPa.S 내지 약 100 mPa.S, 또는 약 1.5 mPa.S 내지 약 10 mPa.S의 동적 점도(μ)를 가질 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 전력 공급부를 포함할 수 있다. 전력 공급부는 배터리일 수 있다. 배터리는 리튬계 배터리, 예를 들어 리튬-코발트, 리튬-철-인산염, 리튬 티탄산염 또는 리튬-폴리머 배터리일 수 있다. 배터리는 니켈-수소 합금 배터리 또는 니켈 카드뮴 배터리일 수 있다. 전력 공급부는 커패시터와 같은 다른 형태의 전하 저장 장치일 수 있다. 전력 공급부는 재충전이 필요할 수 있고, 다수의 충전 및 방전 사이클에 맞게 구성될 수 있다. 전력 공급부는 한 번 이상의 흡연을 경험하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있는 용량을 가질 수 있으며; 예를 들어, 전력 공급부는 종래의 궐련을 흡연하는 데 걸리는 통상적인 시간에 대응하는 약 6분, 또는 6분의 여러 배의 기간 동안 연속적으로 에어로졸을 생성하기에 충분한 용량을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 공급부는 소정 회수의 퍼핑, 또는 가열 수단 및 액추에이터의 미리 결정된 횟수의 이산된 활성화를 허용하는 충분한 용량을 가질 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 휴대용일 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 종래의 엽궐련 또는 궐련과 비슷한 크기를 가질 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 약 30 mm 내지 약 150 mm의 총 길이를 가질 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 약 5 mm 내지 약 30 mm의 외경을 가질 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 세장형일 수 있다. 하우징은 임의의 적합한 재료 또는 재료의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 재료의 예는 금속, 합금, 플라스틱 또는 이들 재료 중 하나 이상을 포함하는 복합 재료, 또는 식품이나 약제학적 적용에 적합한 열가소성 수지, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에틸렌을 포함한다. 재료는 가벼우면서 비-취성(non-brittle)일 수 있다.
하우징은 전력 공급부를 수용하기 위한 공동을 포함할 수 있다. 하우징은 마우스피스를 포함할 수 있다. 마우스피스는 적어도 하나의 공기 유입구 및 적어도 하나의 공기 배출구를 포함할 수 있다. 마우스피스는 하나 초과의 공기 유입구를 포함할 수 있다.
액체 에어로졸 형성 기재 상의 트랜스듀서 조립체의 작용은 에어로졸 형성 기재를 가열할 수 있다. 이는 사용자에게 가온 에어로졸을 전달하는 것이 바람직할 때 바람직할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 장치는 히터를 포함할 수 있다. 히터는 트랜스듀서 조립체에 도달하기 전에, 트랜스듀서 조립체에서 또는 에어로졸이 형성된 후에 액체 에어로졸 형성 기재를 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 에어로졸 발생 장치를 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 장치는 압전 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 장치는 압전 트랜스듀서에 연결된 구동 회로를 포함할 수 있다. 장치는 압전 트랜스듀서의 매개변수를 모니터링하도록 구성되고 구동 회로에 연결된 제어 회로를 포함할 수 있다. 상기 방법은 구동 회로를 사용하여 발진 전류를 트랜스듀서에 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 제어 회로를 사용하여 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 압전 트랜스듀서의 모니터링된 공진 거동에 기초하여 구동 회로의 작동을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
압전 트랜스듀서는 트랜스듀서 조립체의 일부일 수 있다. 트랜스듀서 조립체는 액체 펌프 내에 있을 수 있다. 트랜스듀서 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하도록 구성된 멤브레인 또는 표면을 포함할 수 있다. 압전 트랜스듀서는 멤브레인 또는 표면을 진동으로 구동하도록 구성될 수 있다. 멤브레인 또는 표면의 진동은 액체 펌프 내의 인접한 액체 밸브를 통해 액체를 강제할 수 있다.
상기 방법은 압전 트랜스듀서의 모니터링된 공진 거동에 기초하여 구동 회로의 작동을 정지시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 구동 회로로부터의 발진 전류의 캐리어 주파수, 듀티 사이클, 전력, 변조 주파수 또는 진폭을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
공진 거동을 모니터링하는 단계는 상이한 주파수로 발진 전류를 주기적으로 인가하는 단계 및 상이한 주파수에서 트랜스듀서의 공진 거동을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 사인파 주파수를 포함하는 발진 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 트랜스듀서 상의 부하의 변화 및 주변 조건 또는 장치 조건의 변화에 관계없이, 작동 전반에 걸쳐 효율적인 작동의 장점을 제공할 수 있다. 본 발명은 또한, 액체 에어로졸 형성 기재의 감소된 공급과 같은 오기능 및 비정상적인 작동 조건을 검출하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
본 발명은 청구범위에 정의된다. 그러나, 아래에 비제한적인 예의 비-포괄적인 목록이 제공된다. 이들 예의 임의의 하나 이상의 특징은 본원에 설명된 다른 예, 구현예, 또는 양태의 임의의 하나 이상의 특징과 조합될 수 있다.
실시예 Ex1: 에어로졸 발생 장치로서, 압전 트랜스듀서; 상기 압전 트랜스듀서에 연결되고 상기 트랜스듀서에 발진 전류를 인가하도록 구성된 구동 회로; 및 상기 구동 회로에 연결되고 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성되고 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동에 기초하여 상기 구동 회로의 작동을 제어하도록 구성된 제어 회로를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex2: 실시예 Ex1에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 구동 회로의 작동을 제어하여 상기 발진 전류가 상기 압전 트랜스듀서의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex3: 실시예 Ex1에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 구동 회로의 작동을 제어하여 상기 발진 전류가 상기 압전 트랜스듀서의 공진 주파수로부터 주파수 오프셋을 갖도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex4: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어 회로는 상이한 진동 모드에 대응하는 압전 트랜스듀서의 복수의 공진 주파수에서 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex5: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 압전 트랜스듀서에 전달된 전력 또는 상기 압전 트랜스듀서의 임피던스를 측정함으로써 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex6: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 구동 회로 및 제어 회로는 위상 동기 루프(PLL)를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex7: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 액체 에어로졸 형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키도록 구성된 에어로졸 발생 요소인, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex8: 실시예 Ex7에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 천공된 플레이트를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex9: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex6 중 어느 하나에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 액체 펌프의 일부인, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex10: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 액체 에어로졸 형성 기재를 함유하는 액체 저장소를 포함하고, 사용시, 상기 압전 트랜스듀서는 상기 액체 저장소로부터의 액체와 접촉하는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex11: 실시예 Ex10에 있어서, 상기 액체는 상이한 화합물들의 혼합물을 포함하는, 에어로졸 발생 장치
실시예 Ex12: 실시예 Ex10 또는 Ex11에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동 변화에 기초하여 압전 트랜스듀서와 접촉하는 액체 양의 감소를 검출하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex13: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 에어로졸 발생 장치는 전자 담배인, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex14: 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 발진 전류는 적어도 하나의 다른 주파수로 변조된 제1 주파수를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
실시예 Ex15: 에어로졸 발생 장치를 작동시키는 방법으로서, 상기 장치는 압전 트랜스듀서, 상기 압전 트랜스듀서에 연결된 구동 회로, 및 상기 압전 트랜스듀서의 매개변수를 모니터링하도록 구성되고 상기 구동 회로에 연결된 제어 회로를 포함하고, 상기 방법은,
상기 구동 회로를 사용하여 발진 전류를 상기 트랜스듀서에 인가하는 단계;
상기 제어 회로를 사용하여 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하는 단계; 및
상기 압전 트랜스듀서의 모니터링된 공진 거동에 기초하여 상기 구동 회로의 작동을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
이제, 예가 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 피드백 제어 시스템을 예시하고;
도 2는 본 발명에 따른 에어로졸 발생 장치의 개략도이고;
도 3은 도 2의 시스템에 사용하기 위한 트랜스듀서 조립체를 예시하고;
도 4는 시간 경과에 따른 트랜스듀서의 응답 변화를 도시하는 개략도이고;
도 5는 피드백 제어를 구현하는 구동 및 제어 회로의 예를 예시하고;
도 6은 본 발명에 따른 압전 펌프를 포함하는 에어로졸 발생 장치의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 피드백 제어 루프의 개략도이다. 피드백 루프는 트랜스듀서(12), 구동 회로(14) 및 제어 회로(14)를 포함한다. 본 실시예에서 트랜스듀서는 압전 트랜스듀서이다. 트랜스듀서는 액체 공급부로부터 에어로졸을 발생시키기 위한 멤브레인에 커플링되고 이를 진동시킨다. 트랜스듀서(12)는 구동 회로(12)에 의해 특정 구동 주파수로 구동된다. 구동 회로(12)는 발진 전류를 트랜스듀서에 공급하여 트랜스듀서가 팽창하고 수축하게 한다. 이는 결국 멤브레인이 진동하게 한다.
트랜스듀서는 하나 이상의 공진 주파수를 갖는다. 공진 주파수는 트랜스듀서 상의 부하를 포함하는 여러 요인에 따라 달라진다. 트랜스듀서의 부하는 멤브레인의 특성과 멤브레인의 임의의 부하에 따라 달라진다. 공진 주파수는 또한, 예를 들어 온도에 따라 달라진다.
트랜스듀서가 구동 회로에 의해 공진 주파수로 구동되는 것을 보장하기 위해, 제어 회로(14)는 피드백 루프를 완성한다. 제어 회로는 트랜스듀서로부터 피드백 매개변수, 예를 들어 위상 이동 또는 진동 진폭을 수신한다. 피드백 매개변수의 값은 구동 주파수가 트랜스듀서의 공진 주파수에 얼마나 가까운지에 따라 달라진다. 구동 회로(12)는 트랜스듀서(10)에 인가되는 발진 전류의 구동 주파수를 조정하고 피드백 매개변수에 대한 구동 주파수의 그 변화의 효과는 제어 회로에 의해 모니터링된다. 이어서, 제어 회로는 제어 신호를 구동 회로에 송신하고, 구동 회로는 특정 효과를 달성하기 위해 제어 신호에 기초하여 인가된 발진 전류의 주파수를 조정한다. 많은 경우에, 가능한 한 공진 주파수에 가깝게 트랜스듀서를 구동하는 것이 바람직하다. 그러나, 일부 상황에서, 공진 주파수로부터의 특정 오프셋에서 또는 공진 주파수와 반-공진 주파수 사이의 주파수에서 트랜스듀서를 구동하는 것이 바람직할 수 있다. 제어 회로는 제어 신호를 발생하기 위해 피드백 매개변수를 처리하기 위한 필터, 마이크로컨트롤러 또는 임의의 아날로그 또는 디지털 수단을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 예시된 피드백 제어를 포함하는, 본 발명에 따른 에어로졸 발생 장치의 제1 구현예의 개략도이다. 도 2는 본질적으로 개략적이다. 구체적으로, 도시된 구성요소는 개별적으로 또는 서로에 대해 상대적으로 그 치수가 반드시 비례하지는 않는다. 에어로졸 발생 장치는, 바람직하게는 일회용인 카트리지(200)와 협력하는 재사용 가능한 장치 부분(100)을 포함한다. 도 2에서, 상기 장치는 전기 작동식 흡연 시스템이다.
장치 부분(100)은 하우징(101)을 갖는 본체를 포함한다. 하우징(101)은 실질적으로 원형의 원통(circularly cylindrical) 형상이고, 약 100 mm의 길이방향 길이 및 약 20 mm의 외경을 갖는데, 이는 종래의 엽궐련과 비슷하다. 장치에서, 배터리(102)의 형태인 전기 전력 공급부 및 전자 제어 회로(104)가 제공된다. 전기 제어 회로(104)는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 트랜스듀서용 구동 회로 및 제어 회로를 포함한다. 본체 하우징(101)은 또한 카트리지(200)가 수용되는 공동(112)을 정의한다.
(도 2에 개략적인 형태로 도시된)카트리지(200)는 액체 저장 부분(201)을 한정하는 강성 하우징을 포함한다. 액체 저장부(201)는 액체 에어로졸 형성 기재(도시되지 않음)를 유지한다. 카트리지(200)의 하우징은 유체 불투과성이지만, 카트리지가 장치(100)로부터 제거될 때 제거 가능한 뚜껑(도시되지 않음)에 의해 덮일 수 있는 개방 단부(도시되지 않음)를 갖는다. 상기 뚜껑은 카트리지가 장치에 삽입되기 전에 카트리지(200)로부터 제거될 수 있다. 카트리지(200)는 카트리지(200)가 뒤집혀서 장치에 삽입되지 않도록 하기 위한 키 결합 특징부(도시되지 않음)를 포함한다.
장치 부분(100)은 마우스피스 부분(120)도 포함한다. 마우스피스 부분(120)은 이러한 예에서 힌지식 연결에 의해 본체 하우징(101)에 연결되지만, 스냅 끼워맞춤이나 나사 끼워맞춤과 같은 임의의 종류의 연결이 사용될 수 있다. 마우스피스 부분(120)은 복수의 공기 유입구(122), 공기 배출구(124)와 에어로졸 형성 챔버(125), 및 그 내부에 장착된 분무기(300) (도 2에 개략적으로 도시됨)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 유입구(122)는 마우스피스 부분이 폐쇄 위치에 있을 때 마우스피스 부분(120)과 장치(100)의 본체 하우징(101) 사이에 한정된다. 도 2에 화살표로 도시된 바와 같이, 기류 경로(127)는 공기 유입구(122)로부터 에어로졸 형성 챔버(125)와 분무기(300)을 경유하여 공기 배출구(124)까지 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 분무기(300)는 진동 가능한 요소(301) 및 분무기 하우징(304) 내부에 수용된 트랜스듀서(302)를 포함한다. 분무기 하우징(304)은 중공 원통형 박스를 포함하는데, 유입 개구(305)와 배출 개구(306)가 하우징(304)의 대향 측면에 동축 정렬로 배치된다. 하우징(304)은 나사산 연결(도시되지 않음)에 의해 장치 부분(100)의 마우스피스(120)에 착탈식으로 연결된다. 숫나사산(도시되지 않음)은 분무기 하우징(304)의 외부 표면에 제공되는데, 숫나사산은 마우스 피스(120)의 내부 표면 상의 암나사산(도시되지 않음)과 상보적이다. 분무기(300)는 폐기나 청소를 위해 장치 부분의 마우스피스 부분(120)으로부터 제거될 수 있다.
진동 가능한 요소(301)는, 두께가 약 2 mm이고 직경이 약 15 mm이며 실질적으로 원형인 알루미늄 디스크(disc)를 포함한다.
복수의 통로(303)는 진동 가능한 요소의 유입구 측(308)에서 이에 대향하는 배출구 측(309)까지 연장된다. 복수의 통로는 실질적으로 원 형상을 갖는 어레이를 형성한다. 상기 실질적으로 원 형상인 어레이는 약 7 mm의 직경을 가지며 상기 요소(301)에서 실질적으로 중앙에 배치된다.
통로(도시되지 않음)는 실질적으로 원형 단면을 가지며 진동 가능한 요소(301)의 유입구 측(308)에서 배출구 측(309)까지 테이퍼진다. 통로는 유입구 측에서 약 8 μm의 직경을 가지고 배출구 측에서 약 6 μm의 직경을 갖는다. 통로는 일반적으로 고속 레이저 천공(drilling)에 의해 형성된다. 복수의 통로는 상기 어레이에 걸쳐 동일 간격으로 배치된 약 4000개의 통로로 구성된다.
트랜스듀서(302)는 압전 트랜스듀서를 포함한다. 압전 트랜스듀서는 압전 재료, 일반적으로 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 이루어진 실질적으로 원형인 환형 디스크이다. 압전 트랜스듀서는 약 2 mm의 두께, 약 17 mm의 외경, 및 약 8 mm의 내경을 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(302)는 진동 가능한 요소의 배출구 측(309)에서 진동 가능한 요소(301)와 직접 접촉된다. 압전 트랜스듀서(302)의 내경은 진동 가능한 요소(301)의 통로(303) 어레이를 둘러싸며, 배출구 측 통로의 개방 단부는 압전 트랜스듀서(302)에 의해 덮이지 않는다. 다른 구현예(도시되지 않음)에서는 압전 트랜스듀서(302)가 유입구 측(308)에서 진동 가능한 요소(301)와 직접 접촉될 수 있는 것으로 여겨진다.
진동 가능한 요소(301)와 압전 트랜스듀서(302)는 한 쌍의 탄성중합체 O-링(311)에 의해 분무기 하우징(304) 내에 지지되는데, O-링은 진동 가능한 요소(301)와 압전 트랜스듀서(302)가 하우징(304) 내에서 진동할 수 있게 한다. 진동 가능한 요소(301)와 압전 트랜스듀서(302)는 대향하는 O-링(311)으로부터의 압력에 의해 함께 유지된다. 그러나, 다른 구현예(도시되지 않음)에서는 진동 가능한 요소(301)와 압전 트랜스듀서(302)가 접착제 층과 같은 임의의 적합한 수단에 의해 결합될 수 있다.
진동 가능한 요소(301)와 압전 트랜스듀서(302)는 통로(303)의 어레이가 하우징(304)의 유입구 및 배출구 개구(305, 306)와 동축 정렬되도록 분무기 하우징(304) 내에 배치된다.
하나 이상의 스프링 핀(310)이 분무기 하우징(304)의 개구(312)를 통해 연장되어 압전 트랜스듀서(302)를 장치(100)의 제어 회로(104)와 배터리(102)에 전기적으로 연결시킨다. 하나 이상의 스프링 핀(310)은 압전 트랜스듀서(302)가 진동하는 동안 양호한 전기 접촉이 유지되도록 기계적 연결이 아닌 압력에 의해 압전 트랜스듀서(302)와 접촉하여 유지된다.
사용 중에, 분무기(300)가 장치 부분(100)의 마우스피스 부분(120)에 착탈식으로 연결되고 카트리지(200)가 장치의 공동(112)에 수용되면, 세장형 모세관 몸체(도 2에는 도시되지 않음)가 카트리지(200)의 액체 저장 부분(201)으로부터 분무기(300)까지 연장되어 카트리지(200)를 분무기(300)에 유체 연결한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 세장형 모세관 몸체(204)는 분무기 하우징(304) 내로 연장되어 통로(303)의 어레이에서 진동 가능한 요소(301)의 유입구 측(308)과 접한다. 가열 수단은 모세관 몸체(204)를 둘러싸는 코일 히터(205)의 형태로 액체 저장부 내에 제공된다. 코일 히터는 개략적으로만 도 3에 도시되었음에 유의한다. 도 2 또는 도 3에는 도시되지 않았지만, 코일 히터(205)는 액체 저장 부분(200)의 외측을 따라 통과할 수 있는 연결부(도시되지 않음)를 통해 장치(100)의 전기 회로(104)와 배터리(102)에 연결된다.
사용 중에, 액체 에어로졸 형성 기재(도시되지 않음)는 모세관 작용에 의해 액체 저장부(201)로부터, 액체 저장부(201) 내로 연장되는 모세관 몸체(204)의 일 단부에서, 히터 코일(205)을 지나서, 모세관 몸체(204)의 타 단부에 전달되는데, 모세관 몸체의 타 단부는 분무기 하우징(304) 내로 연장되어 통로(303)의 어레이에서 유입구 측(308)에서 진동 가능한 요소(301)와 접경한다.
사용자가 마우스피스부(120)의 공기 배출구(124)에서 흡인할 때, 주변 공기가 공기 유입구(122)를 통해 흡인된다. 도 2의 구현예에서, 제어 전자기기(104)의 일부로서 마이크로폰 형태의 퍼핑 검출 장치(106)가 또한 제공된다. 소량의 기류가 본체 하우징(101)의 센서 유입구(121)를 통해 마이크로폰(106)을 지나서 마우스피스부(120) 안쪽까지 흡인된다. 전기 회로(104)에 의해 퍼핑이 검출되면, 전기 회로(104)는 히터 코일(205)과 압전 트랜스듀서(302)를 작동시킨다. 배터리(102)는 전기 에너지를 코일 히터(205)에 공급하여 상기 코일 히터에 둘러싸인 모세관 몸체(204)를 가열한다.
배터리(102)는 구동 및 제어 회로의 제어 하에서 압전 트랜스듀서(302)에 전기 에너지를 추가로 공급하여, 진동함으로써 두께 방향으로 변형된다. 압전 트랜스듀서(302)는 통상적으로 약 150 kHz로 진동한다. 트랜스듀서에 공급된 구동 전류는 메모리에 저장된 매개변수에 기초하여 초기 주파수 및 파 형상을 갖는다. 장치의 제작 동안, 진동 가능한 요소(301)를 포함하는 트랜스듀서 조립체의 주파수 응답이 특성화될 수 있고, 초기 주파수 및 파형이 설정될 수 있다. 압전 트랜스듀서(302)는 진동 가능한 요소(301)에 진동을 전달하고, 진동 가능한 요소 또한 두께 방향으로 변형되면서 진동한다. 또한, LED(108)가 작동되어 장치가 활성화되어 있음을 나타낸다. 후술하는 바와 같이, 작동 중에, 피드백 제어 루프는 공진 거동에서의 검출된 변화에 응답하여 트랜스듀서에 공급된 구동 전류를 조정하는 데 사용된다.
코일 히터(205)는 코일 히터(205)를 지나 모세관 몸체를 따라 전달되는 액체 에어로졸 형성 기재를 미리 결정된 온도인 약 45℃로 가열한다.
진동 가능한 요소의 진동은 복수의 통로(303)를 변형시키는데, 복수의 통로는 가열된 액체 에어로졸 형성 기재를 진동 가능한 요소(301)의 유입구 측(308)에 있는 복수의 통로(303)를 통해 모세관 몸체(204)로부터 흡인하고, 분무된 에어로졸 형성 기재의 액적을 진동 가능한 요소(301)의 배출구 측(309)에 있는 상기 통로를 통해 배출하여 에어로졸을 형성한다. 동시에, 분무되는 가열된 액체는 모세관 작용에 의해 모세관 몸체(204)를 따라 움직이는 추가 액체에 의해 교체된다. (이는 가끔 '펌핑 작용'으로서 지칭된다.) 진동 가능한 요소(301)로부터 배출된 에어로졸 액적은 에어로졸 형성 챔버(125) 내에서 유입구(122)로부터의 기류(127)와 혼합되고 반송되며, 사용자가 흡입할 수 있도록 마우스피스(120)의 공기 배출구(124)를 향해 반송된다.
전술한 바와 같이, 작동 중에 트랜스듀서의 공진 응답이 변할 수 있다. 도 4는 시간 경과에 따른 주파수의 변화를 도시하는, 트랜스듀서로부터의 감지된 매개변수의 개략도이다. 제로를 통한 신호의 연속적인 크로싱 사이의 시간 거리는 주파수의 척도이며, 트랜스듀서의 작동 주파수, 이러한 예에서 그의 공진 주파수와 구동 신호를 동기화하는 데 사용될 수 있다. 신호는 예를 들어, 트랜스듀서와 직렬로 감지 저항기에 의해 측정된 전류일 수 있다. 그 경우, 진폭은 전류에 대한 암페어의 단위를 가질 수 있거나, 진폭은, 예를 들어 최대값에 의해 정규화될 수 있으며, 이 경우 진폭의 단위는 1이다. 시간은, 예를 들어 트랜스듀서에 의해 커버되는 특징적인 주파수 작동 범위에 따라 밀리초 또는 마이크로초의 단위를 가질 수 있다.
그러한 피드백 루프의 가능한 구현의 구체적인 일례가 도 5에 도시된다. 도 3의 구현예에서 진동식 천공 판에 연결되는 트랜스듀서(500)는 2개의 전력 MOSFET 510, 515로 이루어진 하프 브리지(505)에 의해 구동된다. 옵션인 직렬 인덕터(520), 예를 들어 10 마이크로헨리 인덕터는 임피던스를 조정하기 위해 하프 브리지와 트랜스듀서 사이에 사용될 수 있다. 예를 들어, 1 Ω의 전류 감지 저항기(525)는 트랜스듀서(500)의 하단부에 배치될 수 있다. 전류 감지 저항기를 가로질러 측정된 전압은 트랜스듀서를 통과하는 전류에 비례한다. 이러한 전압 신호는 필터에 의해 필터링되고 이득 단계(530)에 의해 증폭될 수 있다. 필터 및 이득 단계(530)는, 예를 들어 고주파 고조파를 차단하기 위한 저역 통과 필터, 및 신호를 증폭하기 위한 FET 증폭기, 예를 들어 AD823을 포함할 수 있다. 비교기(540)는 피드백 신호를 생성하는데, 이러한 예에서 게이트 드라이버(550)에 대한 적절한 입력 파형으로서 구형파 신호를 생성한다. 게이트 드라이버(550)는, 예를 들어 LT1162 유형의 IC일 수 있고, 하프 브리지(505)를 구동한다. 주파수의 변화가 검출되어 드라이버로 다시 송신됨에 따라, 트랜스듀서(500)는 항상 그의 작동 주파수, 예를 들어 그의 공진 주파수에서 구동될 것이다. 도 5에 도시된 구동 회로 및 제어 회로는 도 2에 도시된 제어 회로(104)에 통합될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 에어로졸 발생 장치의 예시이다. 도 6은 본질적으로 개략적이다. 구체적으로, 도시된 구성요소는 개별적으로 또는 서로에 대해 상대적으로 그 치수가 반드시 비례하지는 않는다. 도 6의 장치는 히터를 사용하여 액체 에어로졸 형성 기재를 가열함으로써 에어로졸을 발생시킨다. 그러나, 장치는 액체 에어로졸 형성 기재를 히터로 이송하기 위해 압전 트랜스듀서를 사용하는 펌프를 포함한다.
장치는 핸드헬드, 전기 작동식 흡연 장치(600)이며 하우징(610)을 포함한다. 하우징(610) 내에는 배터리(612) 형태의 전기 전력 공급부와 제어 회로(614)가 있다. 또한, 하우징 내에는 사용자가 흡입하는 에어로졸을 형성하기 위해 기화되는 액체 에어로졸 형성 기재를 함유하는 액체 저장소(620)가 있다. 분무기 조립체(630)는 액체 저장소(620)에 커플링된 하우징 내에 제공된다. 분무기 조립체는 이러한 예에서 전기 히터인 기화기(634) 및 액체 저장소(620)로부터 기화기(634)로 액체를 펌핑하도록 위치된 펌프(632)를 포함한다. 펌프(632)와 전기 히터(634) 둘 모두는 후술되는 바와 같이 제어 회로(614)의 제어 하에 배터리(612)로부터 전력을 공급받는다.
하우징(610)은 공기 유입구(618)와 공기 배출구(616)를 포함한다. 공기 배출구(616)는 하우징의 마우스피스 단부에 제공된다. 사용 시, 사용자는 하우징의 마우스피스 단부에서 빨아들인다. 이는 공기 유입구(618)를 통해 하우징으로 공기를 흡인하고, 기화기(634)를 지나 배출구(616)를 통해 사용자의 입으로 빠져나간다. 흡인되어 기화기를 지나간 공기는 기화된 에어로졸 형성 기재를 비말동반한다. 기화된 에어로졸 형성 기재는 장치를 통해 사용자의 입 속으로 이동하면서 냉각되어 에어로졸을 형성한다.
히터의 작용은 사용자가 하우징(610)의 버튼을 누름으로써 직접적으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 시스템은 시스템을 통과하는 기류를 검출하는 마이크로폰(615)과 같은 기류 센서를 포함할 수 있고, 히터는 기류 센서로부터의 신호에 기초하여 작용될 수 있다. 사용자가 시스템을 통해 공기를 흡인하면(본원에서는 퍼핑으로 지칭됨), 공기는 기류 센서(615)를 지나 흐른다. 기류 센서에 의해 검출된 기류가 임계값을 초과하는 경우, 제어 회로가 히터에 전력을 공급하여 히터를 작동시킬 수 있다. 제어 회로는 미리 결정된 시간 동안 히터에 전력을 공급할 수 있거나, 검출된 기류가 임계값을 초과하는 동안 히터에 전력을 공급할 수 있다. 제어 회로는 전용 온도 센서와 같은 온도 감지 수단, 또는 히터의 전기 저항 모니터링에 의한 온도 감지 수단을 포함할 수 있다. 이어서, 제어 회로는 히터에 전력을 공급하여 원하는 온도 범위 이내로 히터의 온도를 올릴 수 있다. 온도는 에어로졸 형성 기재를 기화시킬 만큼 충분하되, 연소의 위험이 상당할 만큼 너무 높지 않아야 한다.
본 실시예의 액체는 물, 글리세롤, 프로필렌 글리콜, 니코틴 및 향미제의 혼합물을 포함한다. 액체는 액체 저장소(620) 내에 유지된다. 액체 저장소는, 액체가 소모되면 교체될 수 있는 카트리지로서 제공될 수 있다. 액체의 누출을 방지하기 위해, 사용 전과 사용 중 둘 모두의 기간 동안, 액체 저장소는 강성 플라스틱 재료로 형성된 하우징을 가지며 수밀(liquid tight)하다. 본원에서 사용되는 바와 같이 "강성"은 하우징이 자가 지지형임을 의미한다. 본 실시예에서, 저장소는 아크릴계 광중합체를 사용하여 3D 프린팅에 의해 형성된다. 카트리지는 견고해야 하며 운송과 보관 중의 상당한 하중을 견딜 수 있어야 한다. 그러나, 액체 저장소 하우징이 밀봉되어 있고 강성이기 때문에, 액체 저장소는 고정된 내부 용적을 갖는다. 액체가 펌프에 의해 제거되어 액제 저장소의 내압이 감소하면, 저장소에서 액체를 펌핑하는 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 압력의 상당한 강하를 방지하기 위해, 액체 저장소는 평형 공기 유입구 밸브(622)를 갖는다. 저장소 내부와 저장소 외부 사이의 압력 차이가 임계 압력 차이를 초과할 때, 평형 밸브(622)는 공기가 액체 저장소에 유입되게 한다.
펌프는 히터와 동일한 방식으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 히터에 전력이 공급되는 것과 동일한 시간 동안 펌프에 전력을 공급할 수 있다. 대안적으로, 제어 회로는 히터가 작동된 직후의 기간 동안 펌프에 전력을 공급할 수 있다.
제어 회로(614)는 펌프(632)의 제어를 위해 도 1에 예시된 바와 같은 피드백 루프를 포함한다. 펌프(632)는 진동하도록 가요성 다이어프램을 구동하는 압전 트랜스듀서를 포함한다. 가요성 다이어프램의 진동은 챔버 부피를 감소시킬 때 배출구 밸브를 통해 액체 에어로졸 형성 기재를 펌프 챔버 밖으로 밀어내고, 액체 에어로졸 형성 기재가 챔버 부피를 증가시킬 때 유입구 밸브를 통해 펌프 챔버 내로 액체 에어로졸 형성 기재를 흡인한다. 펌핑 효율을 최대화하기 위해, 트랜스듀서의 공진 주파수에서 또는 그에 가깝게 펌프(632)를 작동시키는 것이 유리하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 트랜스듀서의 공진 주파수는 다수의 이유로 변경될 수 있다.
온도 변화, 다른 환경 변화 또는 노화로 인한 트랜스듀서의 공진 주파수의 변화가 모니터링될 수 있고, 구동 신호는 전술한 피드백 메커니즘 중 하나를 사용하여 그에 따라 수정될 수 있다.
펌프 챔버 내로 흡인되는 불충분한 액체로 인한 트랜스듀서의 공진 주파수의 변화는 2회의 측정 사이클 사이의 미리 결정된 임계값보다 큰 변화와 같은 공진 거동의 갑작스러운 변화로서 검출될 수 있다. 공진 거동의 갑작스러운 변화가 검출되면, 새로운 액체 저장소가 장치 내에 배치될 때까지 펌프 및 히터의 작동이 정지될 수 있다.

Claims (14)

  1. 에어로졸 발생 장치로서,
    압전 트랜스듀서;
    상기 압전 트랜스듀서에 연결되고 상기 트랜스듀서에 발진 전류를 인가하도록 구성된 구동 회로; 및
    상기 구동 회로에 연결되고 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성되고, 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동에 기초하여 상기 구동 회로의 작동을 제어하도록 구성된 제어 회로를 포함하며,
    상기 압전 트랜스듀서는 액체 펌프 내의 트랜스듀서 조립체의 일부를 형성하고, 상기 트랜스듀서 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하도록 구성된 멤브레인 또는 표면을 포함하고, 상기 트랜스듀서 조립체는 상기 멤브레인 또는 표면을 진동으로 구동시키도록 구성되고, 상기 멤브레인 또는 표면의 진동은 상기 액체 펌프 내의 인접한 액체 밸브를 통해 상기 액체를 강제하는, 에어로졸 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 구동 회로의 작동을 제어하여 상기 발진 전류가 상기 압전 트랜스듀서의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 구동 회로의 작동을 제어하여 상기 발진 전류가 상기 압전 트랜스듀서의 공진 주파수로부터 주파수 오프셋을 갖도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상이한 진동 모드에 대응하는 상기 압전 트랜스듀서의 복수의 공진 주파수에서 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 압전 트랜스듀서에 전달된 전력 또는 상기 압전 트랜스듀서의 임피던스를 측정함으로써 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로 및 제어 회로는 위상 동기 루프(PLL)를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 액체 에어로졸 형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키도록 구성된 에어로졸 발생 요소인, 에어로졸 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 천공된 판을 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 에어로졸 형성 기재를 함유하는 액체 저장소를 포함하며, 사용시, 상기 압전 트랜스듀서는 상기 액체 저장소로부터의 액체와 접촉하는, 에어로졸 발생 장치.
  10. 제10항에 있어서, 상기 액체는 상이한 화합물의 혼합물을 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
  11. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동 변화에 기초하여 압전 트랜스듀서와 접촉하는 액체의 양의 감소를 검출하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
  12. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어로졸 발생 장치는 전자 담배인, 에어로졸 발생 장치.
  13. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발진 전류는 적어도 하나의 다른 주파수로 변조된 제1 주파수를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
  14. 에어로졸 발생 장치를 작동하는 방법으로서, 상기 장치는, 액체 펌프 내의 트랜스듀서 조립체로서, 상기 트랜스듀서 조립체는 압전 트랜스듀서 및 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하도록 구성된 멤브레인 또는 표면을 포함하고, 상기 압전 트랜스듀서는 상기 멤브레인 또는 표면을 진동으로 구동하도록 구성되고, 멤브레인 또는 표면의 진동으로 액체가 액체 펌프 내의 인접한 액체 밸브를 통해 강제되는, 트랜스듀서 조립체; 상기 압전 트랜스듀서에 연결된 구동 회로; 및 상기 압전 트랜스듀서의 매개변수를 모니터링하도록 구성되고 상기 구동 회로에 연결된 제어 회로를 포함하며; 상기 방법은,
    상기 구동 회로를 사용하여 발진 전류를 상기 트랜스듀서에 인가하는 단계;
    상기 제어 회로를 사용하여 상기 압전 트랜스듀서의 공진 거동을 모니터링하는 단계; 및
    상기 압전 트랜스듀서의 모니터링된 공진 거동에 기초하여 상기 구동 회로의 작동을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
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