本发明涉及一种电子喷雾装置，其中多孔膜被振动以产生液滴。具体地讲，本发明涉及用于参照来自适当的传感器的需求信号使该装置的输送速率能够适应所需速率的方法。
背景技术：
对于诸如电子烟等吸入装置而言，对感测用于触发烟雾或产生液滴的流动的需求是众所周知的。例如，us2012186594描述了使用传感器来感测吸入空气的流动方向和速率。这种传感器用于确定空气流动何时处于正确方向并且超过设定的阈值速率以便触发烟雾产生。
对待输送给用户的任何流体或药剂进行调整以适应吸入速率从而提供更好的用户体验并且还使药剂/吸入剂的输送效率最大化，是有好处的。类似地，对于涂覆过程而言(其中使用液滴输送来用于涂覆基底)，使输送速率与感测到的接收基底的性质相匹配可以优化涂覆品质并且使涂覆材料的损耗最小化。此外，当处理与吸入空气不同的气体流时，如果使用传感器来确定所需输送速率，则对输送速率进行匹配以适应气体流动速率将使成本最小化并且使处理过程的益处最大化。
使用超声振动来产生液滴的电子液滴产生器是众所周知的并且在广泛领域中进行使用，其中包括医疗药物输送领域以及空气或气体处理领域(例如，香水输送和加湿领域)、并且用于表面涂覆(如对皮肤施加处理)或工业程序涂覆(如喷涂部件或对部件施加表面处理)。
这种超声喷雾装置的一个优选实施例是通过驱动器元件(通常被称为致动器或振动器元件)来使多孔膜自身振动的装置，实例包括us4,533,082和ep0431992。这使得能够相对较好地输送单分散的液滴，而不需要将压力波传输穿过液体层。us5,518,179中描述了这种装置的一个优选实施例，其使用弯曲模式的致动器将振动能量输送到膜，因为这使得能够使用薄的低成本致动器。
按照定义，电子喷雾技术需要与喷雾产生器结合或链接的电源和电子电路(此后被称为喷雾控制器)。
喷雾产生器(例如，以上所描述的那些喷雾产生器)通常具有一定谐振频率，能量在该谐振频率下被有效地传递给多孔膜并且因此传递给液体。为了获得良好的性能，已知的是，喷雾产生器必须以谐振频率(例如，ep1,731,228)或至少以接近该谐振频率的频率操作。
对于这种装置而言，振动通常是通过跨单压电晶片式或双压电晶片式压电陶瓷部件或类似部件施加交流电压来产生的。交流电压在驱动频率下驱使这个部件振荡变形。这种变形被关联至多孔膜，从而使其振动并产生液体喷雾。因此，输入电波形的特性与所产生的喷雾具有直接关系。
技术实现要素：
本发明提供了一种用于将流体喷雾直接地或经由诸如管或管道等流动导管输送到用户口中的装置。该喷雾装置使用振动的多孔膜来创造喷雾，并且该膜的振动响应于来自流动速率传感器的输入而被控制，该流动速率传感器通过该装置或通过该流动导管来检测流动速率。可以使用以下特征来实现本发明，这些特征中的任何或所有特征可以以任何组合来实施以便实现所期望的效果。本发明还提供了一种用于控制喷雾输送装置中的喷雾头的对应方法。
根据本发明，提供了一种用于将流体喷雾输送到流体流动导管的喷雾输送装置，该喷雾输送装置包括：
喷雾产生器；
喷雾控制器；以及
空气流动传感器；
其中，该喷雾产生器包括多孔膜以及致动器件，该致动器件被配置成用于响应于来自该喷雾控制器的驱动信号使该多孔膜进行超声振动，从而该多孔膜的振动使得液滴从该多孔膜的喷出侧喷出；并且
其中，该流动传感器被配置成用于提供表示穿过该流动导管的空气流动速率的流动信号，从而使得该喷雾控制器能够响应于所感测到的空气流动速率而调节该喷雾产生器的喷雾速率。
该流动信号可以与该空气流动速率成比例或可以与该空气流动速率的函数成比例。
该喷雾控制器可以被配置成当所感测到的空气流动低于预定的阈值时不产生喷雾。
该喷雾控制器可以被配置成用于使用基于时间的调制来调制该驱动信号。
该喷雾控制器可以被配置成用于通过基于幅度的调制来调制该驱动信号。
该喷雾控制器可以被配置成用于通过使该驱动信号的频率偏移离开该装置的谐振频率来调制该驱动信号，从而使得通过该喷雾产生器针对相同的驱动信号幅度输送较低功率。
该喷雾控制器可以被配置成用于通过调整该驱动信号的传号空号比(markspaceratio)来调制该驱动信号。
该喷雾控制器可以被配置成用于调整该驱动信号的传号空号比，从而使得喷雾头驱动器以不同于谐振驱动频率的频率被打开和关闭。
该喷雾控制器可以被配置成用于调整该驱动信号的传号空号比，从而使得该喷雾头驱动器以低于该谐振驱动频率的频率被打开和关闭。
该喷雾控制器可以被配置成用于调整该驱动信号的传号空号比，从而使得该喷雾头驱动器以足够的速率被打开和关闭以便在2秒的时间周期内提供至少5个切换循环。
该喷雾控制器可以被配置成用于将流动信号与比例常数k相乘以得到驱动信号的幅度。
该装置可以被配置成用于准许用户改变该比例常数k。
该喷雾控制器可以被配置成用于随时间调整该比例常数k以便随时间减小针对给定的吸入速率的剂量输送速率。
该装置可以被配置成用于响应于该流动信号而调整该比例常数k。
该装置可以被配置成用于通过使用多个该装置来调整该比例常数k以便适配输送曲线，从而适应该用户的吸入。
该装置可以被配置成用于调整该比例常数k，从而使得在该用户的典型吸入时间内基本上均匀地输送限定的剂量。
该装置被配置成用于调整该比例常数k，从而使得在该用户的总吸入时间的预先限定的子部分内基本上均匀地输送限定的剂量。
本发明进一步提供了一种吸入装置，该吸入装置包括根据以上权利要求中任一项所述的喷雾输送装置，其中，该喷雾输送装置被配置成用于通过该吸入装置的本体将该流体喷雾输送到流体流动路径。
该吸入装置可以被配置成用于输送基于尼古丁的制剂、或者可以是电子烟。
本发明进一步提供了一种用于将流体喷雾直接地或经由诸如管或管道等流动导管输送到用户口中的装置，该装置包括用于产生该喷雾的可振动的多孔膜，其中，该装置被配置成用于响应于来自流动速率传感器的输入来控制该膜的振动，该流动速率传感器通过该装置或通过该流动导管来检测流动速率。
本发明进一步提供了一种用于控制喷雾输送装置中的喷雾头的方法，该喷雾头包括用于产生喷雾的可振动的多孔膜，该方法包括：接收感测到的空气流动信号，该感测到的空气流动信号表示穿过流动导管的空气流动速率，该喷雾头被安排成用于将喷雾输送到该流动导管；并且响应于所感测到的空气流动信号来调节该喷雾产生器的喷雾速率。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1a示出了根据本发明的一个实施例的装置的示意图；
图1b示出了根据本发明的另一个实施例的装置的示意图；
图2展示了用于在本发明的实施例中实施的第一传感器信号和对应的膜驱动信号；
图3展示了用于在本发明的实施例中实施的第二传感器信号和对应的膜驱动信号；
图4展示了用于在本发明的实施例中实施的传号空号调制器信号和传感器信号；
图5展示了用于在本发明的实施例中实施的另一个传号空号调制器信号和传感器信号；
图6展示了用于在本发明的实施例中实施的传感器信号和对应的驱动信号；并且
图7展示了用于在本发明的实施例中实施的传感器信号和对应的驱动信号的另一个实例。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的一个实施例的吸入装置的示意性表示。该装置具有用于感测吸入的气流速率的器件，该器件优选地由限流器的组合提供，该限流器是由用作压力限制的开口1提供的。该开口典型地具有6mm2到12mm2的截面积，而压力传感器2优选地被安装在pcb3上。嘴部件7和本体9的组合可以形成除开口1和嘴部件7的开口之外在其他方面密封的腔室。当用户吸入时，由压力传感器来测量通过穿过1吸进空气引起的压力降。来自压力传感器2的信号被传达至控制器(微控制器)4、并且由该控制器测量。进而，由控制器4计算空气的流动速率，并且针对所测量的吸入速率确定进入穿过吸入器的流动的流体的适当的输送速率。然后，控制器产生驱动信号以驱动雾化头6。驱动信号的变化允许通过关于图2至图7中所描述的手段来将输送速率与吸入速率进行调整。控制器4和pcb3被供以来自电池8的能量。由控制器4产生的驱动信号被供应到基于多孔膜的谐振雾化头6，该谐振雾化头进而被安装在流体储器5中。谐振雾化头本身将典型地由pzt陶瓷致动器构成，该pzt陶瓷致动器被粘结到金属基底上，从而使得当通过适当的频率激励该致动器时，交流信号将振动并引起多孔膜振动。
可以设想替代性构型，其中喷雾输送装置被安排成邻近流动导管(如管道、管或其他通道)以便传导流体流动、优选地气体流动(如空气)。喷雾输送装置可以被安排成用于将喷雾输送到流体流动中。流动传感器可以被配置成用于测量流动导管中的流动，并且喷雾装置可以被配置成用于响应于如下文中所描述的流动传感器的输出将流体输送到作为喷雾的流动中。因此，将清楚的是，本文中描述的输送装置和控制器件可以用于吸入装置中或喷雾输送装置中，该喷雾输送装置被配置成用于将喷雾输送到流动导管中，该喷雾装置被放置成与该流动导管处于流体连通。
图1b中示出了这种安排的实例。在这个图中，流动导管20具有流动传感器10，如由霍尼韦尔(honywell)s&c生产的、零件编号awm720p1的流动传感器。这种流动传感器提供被供给到喷雾装置17中的信号，其中该装置(优选地在子板14上)对流动信号进行处理以便控制喷雾的输送。驱动pcb13和电池16进而将必需的驱动信号供应给喷雾头19，该喷雾头以适当的速率从流体储器18输送液滴。液滴经由端口12被供给到流动导管20中的空气流中。下文中讨论的驱动方法中的任一种方法当然可以用于图1a和图1b的装置之一中。
可以通过喷雾控制器在开始喷雾之前扫描预编程的频带来实现用于致动器的驱动信号的调谐，并且使用这个扫描的结果来记录喷雾产生器的谐振频率并且将其用作随后的参考频率。在此情况下，可以在喷雾时由控制器定期检查谐振频率以便捕获例如由于液体装载变化造成的谐振频率的任何偏移。可替代地，可以使用自谐振驱动电路，喷雾产生器在其中形成谐振电路的一部分，从而使得驱动信号频率被自动调谐到该头的谐振频率。
有效率且有效用的喷雾产生器和驱动电子器件的组合可以允许实现高输送速率。然后，这提供了调谐流体输送速率以适应应用的特定且变化的需求的可能性。可以受益于响应可变参数而调整流体流动或输送速率的典型应用包括：在使用附加流体给气体流配量的情况下，使流体输送速率与气体流的流动速度相匹配(例如，一旦液滴蒸发就添加水液滴以允许控制气体流的湿度)；以及与气体的流动速率成比例地将麻醉剂添加到气体流中。另外的应用包括药物输送应用，如雾化器、吸入器、或类似的药物输送装置或消费者药物输送装置(包括鼻用喷雾以及类似的非处方药(otc)装置)，其中药物的输送速率被调节成与用户的吸入速率成比例。
对于药物输送应用而言，流动速率可以与吸入速率成比例、任选地经受最小触发电平，低于该触发电平时不能开始输送。
调整输送速率的方法
用于超声喷雾产生器的来自驱动电子器件的输出可以通过多种方法来调整以便调节输送速率。作为一些实例，这些方法包括：改变输出电压；改变驱动频率使其稍微偏离谐振；并且使用脉冲宽度调制。
可以通过驱动信号的电平或幅度来控制谐振(但阻尼的)装置的振动幅度。因此，减小输出电压具有的效果是减少喷雾头上以足够的加速度振动以产生液滴的喷嘴的数量，并且因此减小流动速率。这个方法可以在一些限制内提供对流动速率的渐进式控制。例如，在一定的驱动电压下，由于只有非常少的喷嘴将充分振动以排出液滴，所以流动速率将非常显著地减小。然而，这个方法具有的缺点是，需要用于控制输出驱动电压的器件，这通常将需要额外的电子部件。
类似地，振动的幅度是受到激励频率有多接近装置的谐振频率的影响的。调整驱动频率使其稍微偏离谐振频率，例如，通过使谐振频率与真实谐振频率偏离如500hz至几khz的量。通过表征致动器的行为，针对偏离谐振的给定偏离量的流动速率衰减度允许实现对流动速率的控制、并且因此可以提供第二种方式来控制来自这种喷雾产生器的振动和因此的流动速率。这个方法具有的优点是，主要使用与喷雾产生器的基本驱动所需的电子部件相同的电子部件，而不需要额外部件来调整驱动电压。
除了改变频率和/或电压之外，影响喷雾性能的另一种方式是通过使用我们应该称为“占空因数”的驱动信号的基于时间的调制。对于工业环境中的加压喷雾而言，通过迅速地打开或关闭阀门而产生的喷雾的脉冲用于通过这种基于时间的调制来调整流动速率。这通常被称为脉冲宽度调制。通常，流动速度与打开时间成线性比例，因此，从100％(常开)减小到50％(一半时间打开)的占空比将使流动速率近似地减半。因此，图1的控制器可以被配置成用于实施针对图1的装置的驱动信号的这种基于时间的调制。
非显而易见的是，由于不存在用于切换的阀门，所以这个方法将与电子喷雾一起工作，并且驱动信号以高频率振荡以便驱动喷雾产生过程。然而，已经证明，这个驱动信号的基于时间的调制可以用于调整电子喷雾装置的平均流动速率。这种方法的工作方式为：以其间不具有信号间隙或具于减小的信号间隙的脉冲串来施加高频率驱动信号。可接受的切换频率以及打开和关闭周期的限制取决于应用。
例如，对于消费者应用、尤其在电子烟中，感知是关键的。对于一些用途，这个驱动流型的总周期(脉冲时间加间隙时间)必须足够短使得羽流看起来是持续的；而在一些应用中，具有在脉冲之间可辨识的间隙的略微断断续续的输送可以是吸引人的。在微处理器控制的驱动电子器件的情况下，控制参数被设置在固件中、所以可以被改变以适应用户偏好。在此情况下，脉冲切换频率可以例如针对电子烟类型的装置而改变，或者吸入速率与输送速率之间的定标可以被调整成用于使输送速率与用户的吸入偏好相适配。在一个实例中，我们可以考虑如与吸入的流动速率(即，所感测的气体流动速率)成比例的流体输送速率：
输送速率＝k×吸入速率
其中，k是比例因子。如果k增大，针对给定吸入速率的剂量速率或流体输送速率将增大，反之亦然。类似的技术可以用于通过喷雾控制器中提供的嵌入算法通过减小k的值随时间逐渐减小剂量，以便能够逐渐减少在单次吸入的过程中或在延长的时间段内多次吸入的过程中的用户剂量。
除非另外指出，连续输送的出现通常需要占空比的整个周期(调制信号从关闭切换到打开的每种情况之间的时间)小于约30毫秒、更理想地小于15毫秒。对于配量应用(如对管道中的气体流进行处理)而言(例如，对于加湿或麻醉应用而言)，由于气体流内的混合将达到浓度的平均数，所以可接受的切换限制可以具有更长的打开和关闭周期，并且进一步地，输送将对用户不直接可视。因此，输送的外观是不太重要的。考虑到典型的呼吸可能长2秒，为了提供成比例的控制的效果，可以使输送速率发生变化的速率是重要的。在15毫秒的传号空号比切换周期的情况下，超过100切换周期是可用的，从而给出开关切换的足够高的时间分辨率以便给出持续变化的印象。以此方式，超声喷雾装置的响应速度允许几乎实时地匹配来自传感器的需求信号的配量要求。流体输送速率还可以被调整成使得用户的典型吸入时间内的总打开时间足以输送特定的剂量。用于调制驱动信号以创建期望的流体输送速率的驱动顺序可以在吸入曲线的顺序上迭代地适配。如果控制器记录了一个或多个相继的吸入事件的持续时间和总空气体积，则控制器可以针对记录的吸入事件的一个或多个事件建立标称吸入持续时间和空气体积。这可以基于最近的先前吸入事件或基于许多先前吸入事件的移动平均数。使用这个标称吸入持续时间，控制器可以确定比例常数k，从而在期望的吸入事件内完成对输送速率的调谐。例如，如果用户通常在2秒吸入周期中吸入2升空气并且设定的剂量体积为15微升，则可以计算适当的k值。为简单起见，如果假定吸入速率在两秒内是恒定的，并且同样假定输送速率在输送持续时间内是恒定的，则输送速率将为每秒7.5微升，并且：
所以，适当的k值将为每分钟吸入空气每升每秒钟0.125微升。
通过以此方式设定k值，控制器可以调谐实际的输送速率以适应吸入速率，该吸入速率实际上将通过吸入发生变化。增大百分之几的k将确保在吸入结束之前输送了该剂量。通过以此方式在吸入事件期间相继地调整k值允许调谐针对用户输送的预期吸入曲线。这可以用于完善输送曲线，从而使得在用户的典型吸入过程中以期望的方式输送剂量。可以对所选择的曲线进行设置以便在用户的典型吸入时间期间均匀地输送流体。可替代地，例如，该曲线可以被调整成使得流体输送针对于用户的典型吸入的特定子部分，以便确保通过增大k值来输送到肺部深处，从而确保在吸入事件结束之前输送了该剂量。
在使所需输送速率与可测量的性质相匹配时，整个系统的性能可以被优化。在药物输送装置的情况下，配量速率可以被控制成处于容许极限内或优化输送速率以便适应吸入速率。这在将药物输送给具有低吸气流动(如copd(慢性阻塞性肺病))的患者或孩子的情况下可能是有用的，其中最大输送速率可能是无法承受的。同样，在自滴定应用中，已经发现，用户偏爱与吸入速率成比例的输送速率。简单地说，用户越用力吸入，输送速率越大。压力限制和压力传感器的使用可以用于创建对呼吸吸入速率的测量。例如，在与压力传感器(如由传感器技术(sensortechnics)提供的、零件编号hdim200dbe8h5的放大压力传感器)组合的具有
可以通过用户控制吸入持续时间和速率来控制总剂量体积。另外或可替代地，在该装置被用户重新装填或准许由控制器重新装填之前，计量函数可以限制有待输送的最大剂量。在对气体流进行处理或针对药物输送装置设置剂量速率中，适当的传感器(如流动传感器)可以提供足够准确的需求信号。可能进一步需要测量温度和/或湿度以便更全面地表征目标输送速率。
图2展示了响应于来自装置的流动传感器的所测量的流动信号来通过本发明的喷雾控制器调制驱动信号的实例。该图示出了正弦驱动信号的调制，如可以用于响应于示出为线性上升信号的需求信号来驱动图1的装置的超声致动器。用于超声喷雾产生器的典型的驱动频率可以在30khz到200khz的范围内、并且更典型地在50khz到120khz的范围内。为清楚起见，这个图中没有使用其真实频率示出驱动信号。
图2还展示了对需求信号的迟延反应，从而使得一旦需求信号达到特定的触发阈值，仅由喷雾控制器启动驱动信号。在通过药物输送装置吸入的情况下，用于触发阈值的典型值为每分钟10到15升。这在吸入时想要尽早开始输送与提供足够鲁棒的传感器值来触发之间用作好的折中，从而避免由于传感器信号噪声造成的错误触发或由于不同于吸入发生的因素造成的空气移动。考虑到在吸入开始时吸入速率达到每分钟10或15升的时间通常为0.1秒或有时更短，这个触发电平很好地利用了可用的吸入体积。这具有的优点是，避免了错误触发事件，并且在幅度调制的情况下还避免对于有效操作使用过低电压来驱动喷雾头。
图3示出了类似的安排，其中优选地，需求信号表示通过相对高电阻的药物输送装置(如吸入器或电子烟)的吸入。这个实现方式将倾向于给出更长的吸入持续时间，如图中所示的2秒钟或左右。如同图2中，驱动信号与需求信号成比例地调制幅度，该需求信号是流动传感器的输出，并且存在限定的最小阈值触发电平，低于该触发电平时不能启动该驱动信号，该阈值可以是上述值中的任一值。
图4是响应于需求信号的驱动波形的脉冲宽度调制的图示。典型的驱动信号频率可以是100khz，并且用于脉冲宽度调制的周期可以在5到30ms的范围内。这样，这些图的比例尺已经被调整成用于提供易读性并且用于展示技术。图4的图表示出了传感器或需求信号以及打开约4ms和关闭约11ms的驱动信号。这在喷雾产生器被驱动的时间方面以及在算出流体流动输送速率的平均值的产生时间方面产生36％的占空比。
图5示出了类似的安排，其中需求较高，所以用于驱动信号的传号空号比也较高。该图表示出了传感器或需求信号以及打开约8ms和关闭约2ms、80％占空比的驱动信号。已经以此方式示出了变化的占空比以便相对于传号空号比线性地改变输送速率。
图6示出了响应于线性增大的需求信号的驱动信号的传号空号调制。传号空号比响应于增大的传感器信号值以线性方式增加，并因此使输送速率与需求相匹配。
图7示出了响应于吸入呼吸曲线信号的传号空号调制，较高需求信号的周期再次导致较高传号空号比、以及因此的较高输送速率。
在设置针对图4和图5的传号空号比中，吸入的气流值可以在每分钟0到100升的范围内，并且如果控制器被设置成用于将该头驱动100％的时间，当所感测的空气流动为每秒钟100升并且成比例地跨每分钟0到100升(如每分钟50升)时，占空比将为50％，并且因此传号空号比将被设置为1:1，所以打开1个时间单位，并且关闭1个时间单位。将持续时间设置为打开和关闭周期的切换周期可以被设置成如以上所讨论的选择，所以，典型地对于吸入装置而言，切换周期可以被设置为15ms，并且1:1的传号空号比将导致驱动头7.5ms、不驱动头7.5ms。类似地，对于每分钟75升的空气流动而言，传号空号比将为3:4，并且在切换周期内，打开时间将为11.25ms，关闭时间将为3.75ms。在图4中，流动信号是对于控制器的满标值集的0.25(25％)。切换周期已经被设置为15ms，从而使得打开时间为15ms的20％、因此为3ms，并且关闭时间为12ms。在图5中所示出的实例中，切换周期被设置为10ms，并且感测到的流动速率为最大期望值的90％。因此，打开时间为9ms，并且关闭时间为1ms。
图6示出了响应于线性增长的传感器信号(如，空气流动)的控制器的效应。再次地，控制器已经被设置成期望空气流动最高达100升/分钟、并且设置与空气流动速率成比例的传号空号比为最大值。通过在切换周期内取平均流动值，控制器计算了适于那个切换周期的传号空号比。所以，在第一切换周期中，流动平均值为每分钟11升(最大11％)，所以传号空号比被设置为11％。因此，打开时间为1.1ms，并且关闭时间为8.9ms。在该图表的右手边处，平均流动速率为每秒钟50升(或50％的最大期望值)，并且打开时间被设置为5ms，关闭时间为相同的5ms。
在图7中，构型类似于图6的构型。切换周期中的平均测量流动速率被确定、并且用于设置传号空号比。在该图表的左手侧处的第一切换循环中，平均流动速率为最大30％，所以打开时间为切换周期的30％(3ms)，并且关闭时间为切换周期的70％(7ms)。在第4个切换周期中，平均测量流动为最大80％，所以打开时间为8ms(切换周期的80％)，并且关闭时间为2ms。