專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲液體霧化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)壓電部件以微滴或氣溶膠方式精確散布流體的流體分 配器，通常稱(chēng)作霧化器。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中，流體或者液體，無(wú)論其性質(zhì)如何(油性的、水性的或者 醇性的)，無(wú)論它們是溶液還是懸液(懸浮在液體中的顆粒)，通過(guò)微粉化、 霧化、汽化或氣溶膠發(fā)生進(jìn)行分配。使用這些流體分配裝置的主要應(yīng)用涉 及藥品施用(藥學(xué))、化妝品的擴(kuò)散(特別是香水)、消毒、氣味產(chǎn)生、空氣或 介質(zhì)(紙、織物等)的增濕以及生物學(xué)試劑的分配。
關(guān)于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，采用霧化器通過(guò)吸入遞送藥品已達(dá)十年。用于該目的 的裝置可包括機(jī)械定量泵、氣動(dòng)或超聲霧化器。直到最近，這些裝置才被 設(shè)計(jì)成通過(guò)呼吸途徑以相對(duì)淺表水平遞送藥物。若干年來(lái)，制藥工業(yè)一直 在解決以氣溶膠的形式盡可能深入地進(jìn)入肺以到達(dá)細(xì)支氣管的藥物施用。 通過(guò)將此變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，有可能通過(guò)呼吸途徑全身施用藥物或基因。
為此，有必要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)以提高有效性、準(zhǔn)確度和預(yù)期留在細(xì)支氣 管內(nèi)的氣溶膠的均勻性。常規(guī)裝置通常因氣溶膠過(guò)快排出、或者因過(guò)度消 耗、或者因藥品降解、或者因微滴過(guò)大、或者因噪音而受限制。
為了滿足通過(guò)呼吸途徑遞送藥物所需要的新條件，許多氣溶膠發(fā)生器 制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于振動(dòng)微孔網(wǎng)或膜的裝置。這些制造商包括
Nektar(Aeroneb)、 Odem(TouchSpray) 、 Pad(e-Flow) 、 Pfeiffer(MicroHaler)、 Omron(NE-U022)、 Sheffield Pharmaceutical(Premaire) 、 Alexza(Staccato)。
有關(guān)包含振動(dòng)微孔膜的超聲霧化器的首次研究由Matsushita研究實(shí)驗(yàn) 室于二十世紀(jì)八十年代開(kāi)展。細(xì)小微滴穿過(guò)受迫振動(dòng)的微孔振動(dòng)膜的噴射 原理特別是在下列出版物中得以發(fā)展Ueha S.等，Mechanism of ultrasonic atomisation using a multi-pinhole plate. Acoust.Soc. Jpn.(E) 6， 1:21(1985);Maehara N.等，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; MaeharaN.等，A pinhole隱plate ultrasonic atomizer. Ultrasonics Nov. 1984。
所有這些研究已經(jīng)形成了許多專(zhuān)利，特別是US4 533 082(1985)和 US 4 605 167(1986)的主題，它們描述了采用具有微洞穿孔的振動(dòng)膜的霧化 器。膜包含位于其中心的彎曲部分(突起或官窿)，導(dǎo)致所產(chǎn)生的微滴發(fā)散。 膜包含30至100 jxm直徑的微孔。振動(dòng)部件是具有5至15 mm外徑、2至 8mm內(nèi)徑的環(huán)形壓電陶資。30至120 nm厚的振動(dòng)膜膠接至環(huán)形陶瓷。該 壓電陶瓷在30和200 kHz之間的頻率下以徑向形變才莫式受激。Bespack專(zhuān) 利US 5 152 456(1992)，還可參見(jiàn)相應(yīng)的歐洲申請(qǐng)EP 0 432 992 Al,吸收 了 Matsushita提出的原理。然而，振動(dòng)部件(振動(dòng)器)包含直徑22 mm的環(huán) 形鋁盤(pán)。壓電陶資固定至該鋁盤(pán)上。壓電陶瓷的操作模式相當(dāng)于徑向形變。 鋁盤(pán)的中央開(kāi)口為4 mm。鎳膜具有1500個(gè)直徑3 的孔(或洞)。
Toda專(zhuān)利US 5 297 734(1994)涉及正方形幾何形狀的振動(dòng)板類(lèi)型霧化 器，使得通過(guò)量達(dá)到1 1/小時(shí)。霧化器包含膠接至外徑24mm、內(nèi)徑12mm 和厚度6 mm的壓電陶瓷盤(pán)的50 nm厚的鎳膜。膜具有內(nèi)徑1 mm和外徑 20 的錐形孔。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓合伙(TTP)專(zhuān)利US 5 261 601(1993)描述了基于上述Bespack 專(zhuān)利的霧化器。TTP專(zhuān)利US 5 518 179(1996)涉及盤(pán)霧化器，其中多孔膜由 電鑄鎳制作而成。TTP霧化器不需要膜后的液體室并且液體通過(guò)毛細(xì)管作 用供應(yīng)(使用芯或多孔材料)。TTP霧化器亮點(diǎn)在于其雙壓電晶片結(jié)構(gòu)，確 定了由壓電陶瓷和微孔膜構(gòu)成的部件的繞曲才莫式。膜具有與環(huán)形壓電陶瓷 可比的剛性。參照霧化器包含外徑20mm、厚度200 的黃銅環(huán)。壓電 陶瓷環(huán)夕卜徑20 mm 、內(nèi)徑6 mm 、厚度200 。 Aerogen專(zhuān)利 US 6 085 740(2000)提到了通過(guò)使用微網(wǎng)將液體霧化成細(xì)小微滴的方法。帶 有直徑1至6pm微孔的膜通過(guò)在45kHz下工作的壓電雙金屬片振動(dòng)。液 體通過(guò)毛細(xì)管作用供應(yīng)，并且膜可以與振動(dòng)器分離。
Aerogen專(zhuān)利US 6 427 682(2002)描述了使用振動(dòng)膜的藥物散布器具的 用途。其原理與Matsushita的非常接近。其包含由鋁制做的，通過(guò)使用環(huán)形壓電陶資繞曲而振動(dòng)的部分。帶有微孔的振動(dòng)膜通過(guò)電鑄生產(chǎn)。容納液 體的室與膜接觸。
此外，Omron已經(jīng)開(kāi)發(fā)了超聲泵技術(shù)，這使得通過(guò)微孔膜將液體霧化 成為可能。該技術(shù)描述于專(zhuān)利US 6 901 926(2005)中。在Omron的技術(shù)中， 微孔膜不是直接通過(guò)振動(dòng)部件振動(dòng)。當(dāng)壓力因超聲泵而動(dòng)態(tài)變化時(shí)，通過(guò) 將液體經(jīng)孔噴射而形成微滴。
現(xiàn)有技術(shù)水平的包含受振動(dòng)微孔膜的壓電或超聲霧化器(頻率大于 20kHz)均通過(guò)膜和與其結(jié)合的壓電陶覺(jué)的繞曲運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際上，其包括環(huán)形 壓電陶瓷與包含極大量微孔的薄金屬膜以不同方式的組合。該類(lèi)型結(jié)構(gòu)受 益于小的厚度。
然而，現(xiàn)有技術(shù)水平的裝置的確具有大量缺點(diǎn)。
第一個(gè)缺點(diǎn)在于這樣的事實(shí)，即微孔膜強(qiáng)烈促成霧化器的共振模式。 該現(xiàn)象的影響是霧化器自身在共振中被與膜接觸的液體極大減振。霧化器 的運(yùn)轉(zhuǎn)極大依賴(lài)于液體量或者膜后液體所施加的壓力。這在控制霧化器激 發(fā)頻率中產(chǎn)生了一個(gè)難題。此外，該減振導(dǎo)致振動(dòng)部件和膜過(guò)熱。這種過(guò) 熱導(dǎo)致霧化器的操作時(shí)間受限制，霧化器運(yùn)作所需要的電消耗增加，并且 可能導(dǎo)致待霧化液體性質(zhì)的退化。此外，在該類(lèi)型結(jié)構(gòu)中，通過(guò)繞曲產(chǎn)生 的膜形變不可能使整個(gè)膜表面上的位移一致。依賴(lài)于微孔在膜上的定位， 膜不具有相同的通過(guò)量并且氣溶膠的生成是不穩(wěn)定的(閾效應(yīng))。同樣，振 動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械固定和液體密封的敏感性(亂真減振)使得大量且低成本工業(yè) 實(shí)施此結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案既復(fù)雜又昂貴。
因此，需要彌補(bǔ)這些不同的缺點(diǎn)并且構(gòu)想出更結(jié)實(shí)、更易電子控制、 更高能量效率、更易大量且低成本工業(yè)化的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖彌補(bǔ)特別是在上述部分說(shuō)明的問(wèn)題。 為此，其主題是如主權(quán)利要求中所定義的霧化器。 優(yōu)選的實(shí)施方案是從屬權(quán)利要求的主題。
在本文中，術(shù)語(yǔ)"換能器，，應(yīng)該理解為意思是指包含壓電換能器體、至 少一個(gè)壓電部件和任選后質(zhì)量塊的部件。術(shù)語(yǔ)"截面"應(yīng)該理解為意思是指包含平面與體積相交的幾何圖。因此， 考慮到具有可變內(nèi)經(jīng)的圓柱狀物體的實(shí)例，可以說(shuō)成其具有在其長(zhǎng)度范圍 內(nèi)改變的截面。
換能器體具有對(duì)稱(chēng)軸。
本發(fā)明霧化器所提供的諸多優(yōu)點(diǎn)源于這樣一個(gè)事實(shí)，即膜所固定至的 壓電換能器體以縱向模式振動(dòng)，即以與壓電換能器體對(duì)稱(chēng)軸平行的方向振 動(dòng)。
可以提供一個(gè)或一個(gè)以上壓電部件。
優(yōu)選地，壓電換能器體截面在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)改變。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，截面間斷性改變。
有利地，截面在單個(gè)點(diǎn)突然改變。
此種截面變化圖解于下列實(shí)施方案中，其中壓電換能器體具有外徑不 同的兩個(gè)部分。其末端包含膜的形變放大區(qū)具有最小的直徑。在本文中稱(chēng) 作"角狀物"的該結(jié)構(gòu)中，縱向超聲波在換能器截面改變處的位移被放大。
管狀部件充當(dāng)微縱向位移放大器。
才艮據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，膜至少部分地形成常窿，提供多種功 能。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常將微孔膜設(shè)計(jì)成擋住膜后霧化室內(nèi)的液體并容忍 其靜壓力。壓力、孔洞形狀和膜所使用的材料的性質(zhì)之間的平衡為如此程 度這樣液體不滲出膜并且沒(méi)有"滴落"或液體損失現(xiàn)象發(fā)生。此外，官窿形 狀通過(guò)導(dǎo)致因單一幾何效應(yīng)而使噴射發(fā)散，使得微滴或氣溶膠霧分布更 佳。同樣，與膜位移相關(guān)的振動(dòng)速度使得可以噴射微滴穿過(guò)孔洞。至于本 發(fā)明，穿窿和微孔膜的尺寸為如此程度，這樣穿窿提供振動(dòng)運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)， 而同時(shí)保留了膜表面上均一的振動(dòng)速度分布。與現(xiàn)有技術(shù)不同，膜不影響
換能器的振動(dòng)行為。不管膜厚度如何(例如從20至200 nm)，壓電部件保 留了其動(dòng)態(tài)特性和其振動(dòng)性能。更加具體而言，換能器的共振頻率和振動(dòng) 位移不因膜的機(jī)械偶合而改變。既然可以設(shè)計(jì)換能器(頻率、振動(dòng)位移、形 變模式、偶合系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù))而無(wú)需考慮膜(幾何形狀和材料)，因此 這賦予霧化器諸多優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的該特性有利地使優(yōu)化換能器(或變換器)的結(jié)構(gòu)成為可能，以 利于氣溶膠的排出速度、通過(guò)量、共振頻率、消耗或者換能器效率。以此方式，可以產(chǎn)生振動(dòng)膜霧化器，其可以以幾乎零速度(醫(yī)學(xué)應(yīng)用)一直到
噴射速度，如30m/s的級(jí)另'K化妝品應(yīng)用)產(chǎn)生氣溶膠。類(lèi)似地，霧化通過(guò)
量不再與壓電陶覺(jué)的表面面積直接相聯(lián)系，而是與壓電換能器的長(zhǎng)度相聯(lián)
系，這使得調(diào)整通過(guò)量從1 pl/s至300 nl/s成為可能。就是該相同長(zhǎng)度直 接控制著霧化器的共振頻率。霧化器工作模式不是繞曲模式，而是縱向延 伸^f莫式。這使得可以用小直徑的壓電陶瓷在高頻率(50至200 kHz)下工作， 而無(wú)損液體通過(guò)量，并且最重要的是損失極低。對(duì)應(yīng)于消散于換能器變熱 中能量的這些機(jī)械損失根據(jù)換能器的操作頻率極大增加。在本發(fā)明中，這 些機(jī)械損失被降低，因?yàn)榭v向換能器類(lèi)型結(jié)構(gòu)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于通過(guò)繞曲工 作的"雙金屬片"類(lèi)型結(jié)構(gòu)的效率。
換能器的低損失導(dǎo)致設(shè)計(jì)出低電消耗的霧化器。該優(yōu)勢(shì)是客觀的，因 為現(xiàn)有技術(shù)水平的霧化器因霧化時(shí)間和供電電池或電池組的壽命而限制 了其應(yīng)用。實(shí)踐中，振動(dòng)微孔膜霧化器的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用主要涉及基于電池或電 池組工作的"手持"裝置。為本發(fā)明主題的結(jié)構(gòu)較小地^支膜后的液體減振。 該特性使得待霧化的液體變熱較小。在霧化器遞送醫(yī)學(xué)制劑的應(yīng)用中，液 體變熱可能是禁止性的并且極大限制了此種霧化器的益處。
此外，根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，本發(fā)明的特征在于，振動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以被接 入使得霧化器能夠容易地被機(jī)械固定?，F(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)環(huán)形陶瓷繞曲工作 的霧化器很難機(jī)械固定而又不擾亂振動(dòng)模式和使振動(dòng)模式極大減振。至于 本發(fā)明，霧化器優(yōu)選地被機(jī)械固定或包覆成型于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域(該節(jié)點(diǎn)是唯 一的)并且可用于非常簡(jiǎn)單和非常廉價(jià)的機(jī)械組裝和密封方案。
本發(fā)明的另一個(gè)特征在于，液體可以置放于與膜的后面直接接觸。實(shí) 際上，縱向模式的霧化器的振動(dòng)模式對(duì)液體的存在和該液體柱的重量的敏 感性微乎其微。
該特性使得霧化器能夠在從垂直到水平的任何角度下同樣工作。 液體也可以通過(guò)使用管、芯或適當(dāng)多孔材料的毛細(xì)管作用被引導(dǎo)至 膜。以此方式，液體儲(chǔ)池可以位于霧化器的上方、周?chē)蛘呦路健?br> 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)變形實(shí)例，霧化器結(jié)構(gòu)包含阻止換能器向后振動(dòng)的 后質(zhì)量塊，也稱(chēng)作動(dòng)態(tài)質(zhì)量塊、通過(guò)普通連接結(jié)合的兩個(gè)壓電陶資、包括 腔和微孔膜的振動(dòng)移動(dòng)放大器，其中所述的微孔膜具有形成突起或穿窿的改變的形狀，但優(yōu)選盤(pán)形。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)變形實(shí)例，預(yù)應(yīng)力機(jī)械裝置如螺旋可用于機(jī)械 連接后質(zhì)量塊、陶瓷和放大器。放大器為金屬的，并且優(yōu)選由不銹鋼、鈦 或鋁制成。微孔膜膠接至振動(dòng)放大器。對(duì)霧化器振動(dòng)行為具有很小影響的 膜可以有多種材料制成，如塑料、硅、陶瓷，但是優(yōu)選由金屬制成。微孔 可以通過(guò)不同手段產(chǎn)生，但優(yōu)選通過(guò)電鑄或激光產(chǎn)生。微孔數(shù)量可以從分 配所需液體的一個(gè)孔至數(shù)千個(gè)孔。微孔的大小或者網(wǎng)的網(wǎng)目可根據(jù)霧化器
的用途從1 pm至100 nm當(dāng)量直徑。已經(jīng)證明，從霧化器噴射微滴的通過(guò) 量和均勻性性能極大地依賴(lài)于膜的位移模式。如果膜以不存在繞曲形變的 "活塞，，模式位移，則這些性能水準(zhǔn)提高。在現(xiàn)有技術(shù)水平中，霧化器通過(guò) 繞曲工作，并且因此導(dǎo)致在膜內(nèi)部出現(xiàn)一個(gè)或一個(gè)以上振動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在本發(fā) 明中，膜不參與換能器的振動(dòng)模式，并且這可以設(shè)計(jì)并優(yōu)化膜的幾何形狀， 以便于膜以"活塞"模式形變。為此，建模和測(cè)試結(jié)果顯示，突起(或穹窿) 的直徑必須接近于容納液體的腔(或室)的直徑。這意味著官窿的最大高度 必須接近于腔內(nèi)經(jīng)的一半。
膜以"活塞"模式位移意味著膜表面上的振動(dòng)速度可以一致。這樣的結(jié) 果是，彼此相比微孔(或洞)噴射更標(biāo)準(zhǔn)化大小的微滴，并且以相同的通過(guò) 量噴射。
本發(fā)明的另外的實(shí)施方案簡(jiǎn)要描述如下一個(gè)或多個(gè)壓電部件由單一陶資代表，所述陶瓷以足夠剛性的膠固
定至接受振動(dòng)移動(dòng)的換能器。
壓電陶覺(jué)為多層，允許使用例如如Epcos 、 Fuji、 Noliac、 Morgan Matroc
或Physic Instruments公司可以供應(yīng)的低電壓電池(l至15 VDC)。
壓電陶瓷固定至換能器體，這樣換能器體與待霧化的液體之間不接
觸。該構(gòu)造可以使壓電陶瓷電絕緣并且消除了密封緊密性和液體相
容性(醫(yī)學(xué)應(yīng)用)中的任何問(wèn)題。
霧化器的振動(dòng)位移放大器(或"角狀物")包括通道、凹槽或洞，這樣液
體室或儲(chǔ)池位于角狀物周?chē)?br> 霧化器的壓電換能器包括"角狀物，，末端的"喇叭口"，其優(yōu)選地以沒(méi)有
任何繞曲的"活塞"模式振動(dòng)。該"喇叭口"不但具有放大換能器振動(dòng)位移的優(yōu)點(diǎn)，還具有能夠固定較大直徑微孔膜的優(yōu)點(diǎn)。雖然尺寸小，
但是該構(gòu)造用于增加霧化器的通過(guò)量。
以縱向模式工作的壓電換能器使微孔膜或圓柱狀網(wǎng)振動(dòng)并形變。為
了優(yōu)化置于換能器和喇叭口之間的圓柱狀膜的位移，可加入突起以
適當(dāng)增加膜的剛性。
霧化器包括特定形狀的"角狀物"，例如截錐，允許通過(guò)截面的陡變放
大振動(dòng)移動(dòng)。在該特定構(gòu)造中，膜-壓電部件距離與壓電部件直徑之
比優(yōu)選地大于0.5。
微孔膜或網(wǎng)不是膠粘，而是通過(guò)機(jī)械壓力裝置聲偶聯(lián)至換能器。
霧化器與外部媒介物的安裝固定通過(guò)以機(jī)械裝置固定或者膠粘至不
與換能器結(jié)合的陶資電極固定的箔或柔性電路提供。該特定的安裝
固定方法是有利的，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并且成本低。該構(gòu)造具有可從
外部媒介物分離換能器(靜態(tài)阻力)和不千擾動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。此外，
金屬箔(或柔性電路)使得可以向壓電陶瓷供電。
霧化器包含換能器體，換能器體包括固定儲(chǔ)池而不干擾動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)并
不影響其性能的裝置。
霧化器包括機(jī)械固定至換能器體并不干擾換能器體運(yùn)轉(zhuǎn)的儲(chǔ)池。
霧化器包括實(shí)心或中空的機(jī)械部件，該部件由不同材料，但優(yōu)選塑
料制成，并同軸性地置于容納液體的腔內(nèi)，并且具有不同的形狀，
優(yōu)選圓柱形，其作用是引導(dǎo)可能在振動(dòng)膜水平層形成的且可能阻止
霧化過(guò)程的氣泡。
霧化器包括包含電極的液體存在傳感器，液體存在傳感器置于"角狀 物，，內(nèi)部并且4妄近振動(dòng)膜。向該電極施加低頻率交流電，通過(guò)加工在 換能器的接地線上重新獲得電流信號(hào)。交流電經(jīng)由液體的導(dǎo)電性從 電極向振動(dòng)膜傳播。該信號(hào)的存在與否指示著液體的存在與否。
霧化器置于可以手持或者適用于身體(人或者動(dòng)物)一部分的，并且由 不同材料，但優(yōu)選塑料制成的不同形狀的容納物內(nèi)，如面具內(nèi)。該 容納物可制成香水?dāng)U散器、水份擴(kuò)散器、消毒劑擴(kuò)散器或藥物擴(kuò)散 器。更加具體而言，與容納物結(jié)合的霧化器可用作通過(guò)肺、鼻或眼 睛途徑遞送藥物的裝置。 霧化器可與專(zhuān)用于通過(guò)肺途徑遞送藥物的容納物結(jié)合。該容納物可 以包括能進(jìn)行藥物吸入或擴(kuò)散的所有功能。具體而言，其包括可以 是一次性的尖端或解析適配器、使其能夠更好處理空氣流(吸或吹)
的閥裝置或者磁壓縮器(chicane)組件、用于觸發(fā)吸入劑以機(jī)械方式或 電子方式產(chǎn)生霧化的裝置、在環(huán)境壓力下的或者具有減壓(無(wú)菌)受控 大氣的儲(chǔ)池、液體水位傳感器和如本專(zhuān)利所述的用于避免氣泡形成 的機(jī)械裝置。在本文中，該裝置命名為"吸入器"。
整合有機(jī)械容納物的霧化器可以通過(guò)外部電子組件電子控制，這使 得其可以通過(guò)電池、電池組或者千線供電。該電子組件可以整合有 機(jī)械組件內(nèi)以保證裝置的完全自主性。該整合的電子組件可以通過(guò) 電池組、電池或者可再充電的超級(jí)電容器、或者通過(guò)干線或者通過(guò) 感應(yīng)作用供電。
霧化器包括通過(guò)特定的供電模式產(chǎn)生的電子清除，或更普遍稱(chēng)作清 除堵塞物的功能，所述特定供電模式是通過(guò)向壓電部件施加持續(xù)時(shí) 間、振幅或頻率與額定電源不同的電壓循環(huán)而供電。將霧化器浸泡 于清除、清洗或滅菌產(chǎn)品的槽液中時(shí)，可以執(zhí)行該清除堵塞物模式。
霧化器包括帶有微小尺寸洞的膜，其直徑已經(jīng)通過(guò)表面處理方式(聚 合物或者金屬的)，更具體而言通過(guò)電解金沉積減小。此外，這些不 同的表面處理助于減少滴落或堵塞現(xiàn)象并且在一定情況下提供殺 菌、殺病毒或者生物相容性功能。
霧化器由能保證冷或熱滅菌(烘干)的材料制成或者包含能保證冷或 熱滅菌(烘干)的表面處理。具體而言，霧化器將包括高溫壓電陶瓷 (>150°C)、不銹鋼或鈦換能器、覆有快速電解鍍金的膜。
霧化器電連接這樣膜的電勢(shì)不同于電子組件的電接地。這種帶電構(gòu) 造使得它能夠?qū)ξ⒌纬潆?，以利于引?dǎo)氣溶膠穿過(guò)裝置的通風(fēng)回路 和呼吸途徑。
霧化器包括位于霧化器中央的，通過(guò)由例如塑料或者金屬制成的套 管或空心針產(chǎn)生的打孔機(jī)械裝置。該機(jī)械裝置可包括避免氣泡和測(cè) 量液面的功能。該打孔裝置使得其可容納具有可穿孔彈性材料制成 的膜密封的無(wú)菌且防水的儲(chǔ)池或管。 霧化器帶有金屬蕩(或柔性電路)充當(dāng)電極并且使得它可以給陶瓷供 電，金屬箔(或柔性電路)可用于產(chǎn)生與壓電陶瓷結(jié)合的減壓傳感器。 在吸入過(guò)程中，利用在陶瓷上產(chǎn)生的電壓產(chǎn)生觸發(fā)霧化的裝置。 由此得出結(jié)論，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施方案。上述實(shí)施方案僅是實(shí)例。
還應(yīng)當(dāng)注意到，除了引入縱向振動(dòng)模式之外，還可以提供徑向振動(dòng)模式。


圖1是本發(fā)明示例性霧化器的剖面圖。
圖2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10和13是該霧化器變形實(shí)例的剖面圖。
圖11表示膜根據(jù)霧化器結(jié)構(gòu)的形變。
圖12表示本發(fā)明霧化器振動(dòng)行為的建模。
圖13是霧化器的剖面圖，霧化器包括置于"角狀物"周?chē)墓軤钫駝?dòng)
膜，其自身以縱向模式振動(dòng)。
圖14和15分別顯示柱管狀或截錐霧化器透視圖和剖面圖。
圖16表示整合有本發(fā)明所述霧化器的簡(jiǎn)單的T形藥物吸入器的透視
圖和剖面圖。
圖17A和17B圖解說(shuō)明整合有本發(fā)明所述霧化器的"口袋"式吸入器 的兩種構(gòu)造。圖17A表示由外部電子組件驅(qū)動(dòng)的吸入器。圖17B表示整合 有電子組件的吸入器。圖17C顯示該吸入器的剖面圖，可以看到霧化器在 其組件中的位置。
圖18表示包含不同的氣泡排空和液體存在傳感器功能的霧化器的剖 面圖。
在圖中所使用的數(shù)值舍義列表
1. 壓電換能器體 la應(yīng)力集中區(qū) lb形變放大區(qū)
2. 單片壓電陶瓷
3. 微孔膜4.容納液體的月空5.后質(zhì)量塊6.預(yù)應(yīng)力螺旋7.電極8.連接部件9.多層壓電陶瓷10.11.電4妻i也回^各12.換能器罩13.儲(chǔ)池14.塞15.組件16.尖端17.開(kāi)口或閥18.電源電纜19.電子組件20.電連接器21.同軸管22.液體存在傳感器23.傳感器回^^電纜
具體實(shí)施例方式
在這一部分通過(guò)詳細(xì)描述和用解說(shuō)明的非限定性實(shí)施例方式可 以更好地理解本發(fā)明。
圖1A圖示的霧化器包含優(yōu)選在50 kHz至200 kHz范圍內(nèi)振動(dòng)的壓電換能 器體l。圖1B圖示同樣的霧化器，但是在霧化器旁邊圖示著一條曲線，顯 示霧化器不同部分縱向位移的最大幅度。壓電換能器體l的特征在于有兩 個(gè)區(qū)應(yīng)力集中區(qū)1A和形變放大區(qū)lb。在圖1至6中，應(yīng)力集中區(qū)la 的外徑與形變放大區(qū)lb的外徑相同。然而，形變放大區(qū)lb的內(nèi)徑大于應(yīng) 力集中區(qū)la的內(nèi)徑。在圖7至9所示的霧化器中，應(yīng)力集中區(qū)la的外徑大于形變放大區(qū)lb的 外徑。然而，形變放大區(qū)lb的內(nèi)徑與應(yīng)力集中區(qū)la的內(nèi)徑相同。
圖8B表示與圖1B同一類(lèi)型的信息，即顯示霧化器不同部分縱向位 移最大幅度的曲線。
形變放大區(qū)lb的內(nèi)部包含容納待霧化液體的腔4。在一些情況下，特 別是參見(jiàn)圖5、 7和8至10，腔4在應(yīng)力集中區(qū)la內(nèi)延長(zhǎng)。帶有該構(gòu)造時(shí)， 超聲能量主要保持在形變放大區(qū)lb內(nèi)，其構(gòu)成振動(dòng)位移放大器。形變放 大區(qū)lb內(nèi)的能量保存需要變形應(yīng)力的轉(zhuǎn)化。
一個(gè)或一個(gè)以上壓電部件，優(yōu)選地包含單片2或多層9壓電陶瓷，位 于霧化器中應(yīng)力集中區(qū)la水平處的頂部部分。圖1，例如，表示通過(guò)例如 由黃銅制成的中心電極7連接的兩個(gè)單片壓電陶瓷2。
后質(zhì)量塊5(動(dòng)態(tài)質(zhì)量塊)是可以減少壓電陶瓷后部的形變。預(yù)應(yīng)力螺旋 6可以將所有該堆部件機(jī)械連接。該裝置構(gòu)成了壓電換能器，其是以縱向 模式振動(dòng)的電機(jī)械換能器。縱向模式通過(guò)這樣的事實(shí)定義，即換能器通過(guò) 沿著其對(duì)稱(chēng)軸延長(zhǎng)或收縮其部分而形變。該類(lèi)型換能器的振動(dòng)行為基本上
由其長(zhǎng)度控制，因此換能器的總長(zhǎng)度與壓電陶瓷的直徑或者寬度之比優(yōu)選 地大于或等于1。
較小厚度(20至200 pm)的微孔膜3或網(wǎng)機(jī)械固定至壓電換能器體1 的末端，在此處振動(dòng)速度最大。膜3以如此方式固定這樣膜3聲偶聯(lián)至換 能器的區(qū)域lb。在第一種形變模式中并且通過(guò)實(shí)施例的方式，該換能器以 其半波長(zhǎng)形變和振動(dòng)。圖1B顯示截面中換能器各點(diǎn)沿其對(duì)稱(chēng)軸(長(zhǎng)度)的位 移趨勢(shì)。
圖2顯示帶有通過(guò)連接部件8機(jī)械和聲連接至換能器的膜的這種相同 霧化器，所述連接可以向膜提供高預(yù)應(yīng)力。通常，膜可以通過(guò)膠粘、釬焊、 巻曲或焊接機(jī)械性偶聯(lián)至放大區(qū)。具體而言，可以使用激光焊接。
圖3是換能器的變形實(shí)例，其中為了構(gòu)造的簡(jiǎn)單化，取除了后質(zhì)量塊。 換能器做成如此尺寸，這樣在單片壓電陶資2水平層處的位移盡可能小， 并且在放大區(qū)lb處的位移盡可能大。電極7可通過(guò)固定例如黃銅箔或者 膠粘聚酰亞胺上的柔性印刷電路構(gòu)成。
圖4表示使用多層壓電陶瓷9的本發(fā)明的變形實(shí)例。層具有例如20至200 pm的厚度，并且此類(lèi)多層的使用可以以較低的成本降低陶瓷末端
處的電源電壓。這種構(gòu)造對(duì)于需要電池或者電池組電源的應(yīng)用具有極大的 好處。
圖5顯示本發(fā)明的變形實(shí)例，其中容納液體4的腔(室)跨越全長(zhǎng)的換 能器體l。在該例中，單片壓電陶瓷2在其中心有個(gè)孔。該構(gòu)造使得可以 容易地向腔內(nèi)加液體。
圖6顯示通過(guò)形成通道、洞或凹槽以便使注入液體4的腔與外界相通 的另一類(lèi)型液體供給。該構(gòu)造使得可以在換能器周?chē)胖靡后w儲(chǔ)池。
在圖7和8的實(shí)施方案中，為了形狀簡(jiǎn)單化，容納液體4的腔為管狀。
在圖7的構(gòu)造中，陶覺(jué)2不再位于換能器體1的后部，而是置于應(yīng)力 集中區(qū)la前面的位移放大器水平層處。因此，單片壓電陶瓷2受換能器體 1保護(hù)。
該構(gòu)造具有陶瓷2不與液體接觸的優(yōu)點(diǎn)并且不具有儲(chǔ)池密封緊密性的 問(wèn)題。換能器體1的截面變化仍然可以在膜3水平層處^:大振動(dòng)位移。
圖9顯示另一個(gè)實(shí)施方案，其中換能器1包含喇叭口 10，微孔膜3 機(jī)械性并聲固定至喇叭口 10。該構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是在保持高水平振動(dòng)位移放大 的同時(shí)通過(guò)單一表面效應(yīng)增加霧化液體的通過(guò)量。
圖10以實(shí)例的方式圖解說(shuō)明截錐形振動(dòng)位移放大器lb的幾何學(xué)。該 構(gòu)造使得可以增加微孔膜3的大小。
圖11解釋微孔膜3的振動(dòng)動(dòng)作。在源自現(xiàn)有技術(shù)(11A、 IIB、 11C) 的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)偶聯(lián)環(huán)形壓電陶瓷與微孔膜，霧化器以繞曲模式運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng) 膜扁平時(shí)(圖11A),最大振動(dòng)位移(Ux)位于膜的中心，并且隨著距離中心 的距離的增加極大地降低。在該情況下，噴射為高定向性的。當(dāng)膜為盤(pán)形 并包含穹窿時(shí)(圖11B和11C)，增加了振動(dòng)模式的剛性并且導(dǎo)致噴射因單 一的幾何效應(yīng)而發(fā)散。不管有關(guān)的繞曲振動(dòng)模式如何，都觀察到了這一現(xiàn) 象。根據(jù)這一觀點(diǎn)，繞曲模式l更有利。至于本發(fā)明(11D),膜的幾何學(xué)和 性質(zhì)不影響霧化器的振動(dòng)模式。實(shí)際上，膜的繞曲剛性對(duì)換能器的縱向形 變沒(méi)有影響。為了得到最佳結(jié)果，官窿的直徑非常接近于換能器的直徑是 足夠的，這樣在該點(diǎn)上膜只發(fā)生最大振動(dòng)位移。此類(lèi)結(jié)構(gòu)為霧化器提供了 更大的效率，并且因此降低了相同霧化通過(guò)量的消耗。而且，噴射特別一致并發(fā)散。
圖12 A和12B顯示通過(guò)對(duì)根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)并作為實(shí)例給出的霧化器進(jìn)
行有限單元計(jì)算所模擬的形變。
在該特定情況下，換能器體l由不銹鋼制成。容納液體4的內(nèi)腔具有 6 mm的直徑并且應(yīng)力集中區(qū)la具有16 mm的外徑。
形變放大區(qū)lb具有8mm的外徑。單片壓電陶瓷2是內(nèi)徑8mm、外 徑16 mm、厚度1 mm的PIC 255(Physic Instruments)陶瓷。
換能器1的長(zhǎng)度和形變放大區(qū)lb的長(zhǎng)度分別為16 mm和12 mm。微 多孔膜3由電鑄鎳制成，帶有800個(gè)直徑5 pm的洞。膜厚度為50 pm并 且具有8mm的外徑。彎窿高度0.8mm,直徑5 mm。膜通過(guò)膠粘固定至 換能器。有關(guān)的縱向模式分別具有77kHz和120kHz的共振頻率。
在根據(jù)圖13的實(shí)施方案中，微孔膜3具有圓柱狀或管狀幾何形狀。 膜一方面固定至應(yīng)力集中區(qū)1A，另一方面固定至形變放大區(qū)lb。在該情 況下，膜按照徑向模式振動(dòng)。
圖14和15顯示在微滴大小和氣溶膠通過(guò)量方面具有優(yōu)秀結(jié)果的示例 性實(shí)施方案。圖14A和14B顯示由不銹鋼制成的換能器1的透視圖和剖 面圖。容納液體4的內(nèi)腔具有6 mm的直徑并且應(yīng)力集中區(qū)la具有16 mm 的直徑。在該特定構(gòu)造中，儲(chǔ)池固定裝置采用其中形成螺紋的后質(zhì)量塊5 的性狀。該后質(zhì)量塊的外徑和長(zhǎng)度分別是10mm和8mm。單片壓電陶瓷 2是內(nèi)徑8 mm、外徑16 mm 、厚度1 mm的PIC 255(Physic Instruments) 陶瓷。形變放大區(qū)lb(或"角狀物")具有7 mm的外徑和12 mm的長(zhǎng)度。
用于電連接單片壓電陶瓷2的電極7為直徑30mm、厚度50 pm的 不銹鋼箔。電鑄鎳膜3包含10800個(gè)厚度20 nm的2 pm大小的洞。在 80 kHz的工作頻率下，霧化器可以實(shí)現(xiàn)2 pm大小的微滴和0.6 ml/min的 通過(guò)量。
圖15A和15B顯示其換能器體1由不銹鋼制成的霧化器的透視圖和剖 面圖。容納液體4的內(nèi)腔具有/人6mm至12 mm變化的直徑并且應(yīng)力集中 區(qū)la具有20mm的直徑。在該特定構(gòu)造中，儲(chǔ)池固定裝置采用了其中已 經(jīng)形成螺紋的后質(zhì)量塊5的性狀。該后質(zhì)量塊的外徑和長(zhǎng)度分別為10 mm 和8mm。單片壓電陶瓷2是內(nèi)徑10 mm、外徑20mm、厚度1 mm的PIC 255(Physic Tnstruments)陶瓷。圓錐形的形變放大區(qū)lb(或"角狀物")具有 從7 mm至14 mm變化的外徑和9 mm的長(zhǎng)度。
用于電連接單片壓電陶瓷2的電極7由直徑30mm、厚度50 的不 銹鋼制成。電鑄鎳膜3包含45300個(gè)厚度20 nm的2 大小的洞。在 70 kHz的工作頻率下，霧化器可以實(shí)現(xiàn)2 大小的微滴和2.5 ml/mm的 通過(guò)量。
圖16A和16B顯示用于通過(guò)肺途徑遞送藥物的吸入器。該吸入器采用 與例如Intersurgical提供的T形組件15結(jié)合的吹口 16的性狀，在T形組 件15種整合有本發(fā)明主題霧化器。使用換能器罩12將霧化器至于組件15 中。帶有塞14的儲(chǔ)池13支撐著換能器1。單片壓電陶瓷2由箔形式的電 極7供電。霧化器經(jīng)由電纜18供電。當(dāng)霧化器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其在組件15內(nèi)產(chǎn) 生氣溶膠。患者通過(guò)吹口 16吸入以此方式產(chǎn)生的氣溶膠。
圖17顯示另一形式的吸入器。圖17A表示整合有本發(fā)明主題霧化器 的吸入器，其中電子組件19置于外面并且通過(guò)電纜18連接至吸入器的組 件15。該吸入器包括吹口 16、連接至霧化器的儲(chǔ)池13和塞14。在組件 15內(nèi)形成開(kāi)口 17以調(diào)節(jié)空氣流和霧化器產(chǎn)生的氣溶膠。
圖17B表示電子組件19整合入"口袋"式吸入器的組件15內(nèi)的吸入器。
圖17C以剖面圖方式表示圖17A的吸入器。其顯示由例如模制塑料制 成的組件15、可用后去除和廢棄的尖端16 、可以將霧化器安裝在組件15 內(nèi)并通過(guò)電連接器20和電纜18將霧化器與電子組件19連接的換能器罩 12。霧化器包含換能器體l、單片壓電陶瓷2、振動(dòng)膜3、電極7、接地回 路ll、儲(chǔ)池13和塞14。氣溶膠在組件15的腔內(nèi)產(chǎn)生，并通過(guò)吹口 16被 患者吸入。
圖18是帶有排出氣泡的管和液體存在傳感器的霧化器的剖面圖。霧化 器包含管狀換能器體1、單片壓電陶瓷2、微孔振動(dòng)膜3和可以固定儲(chǔ)池 13的后質(zhì)量塊5 。單片壓電陶t:2通過(guò)電纜18供電，電纜18接^接地回 路11和電極7。管21優(yōu)選由塑料制成，并且例如具有3 mm的直徑，其 以同軸方式置于液體腔4內(nèi)。當(dāng)霧化器的液體通過(guò)量變高時(shí)，膜3產(chǎn)生凹 陷，這樣空氣可以穿透入容納液體4的腔內(nèi)。在膜3水平層形成的氣泡可 阻止氣溶膠的形成并且不利地影響霧化器工作。管21使得可以通過(guò)施加于氣液界面的毛細(xì)作用排空氣泡。該2的中心帶有電導(dǎo)線23,電導(dǎo)線23 的末端22直接或間接與液體電接觸。向?qū)Ь€23傳輸?shù)皖l率交流電信號(hào)， 優(yōu)選地500 Hz。 一旦膜3和換能器體1的電位不同時(shí)，會(huì)因?yàn)榍?內(nèi)存在 的液體的電阻而產(chǎn)生電流。該電流的存在對(duì)應(yīng)著液體的存在。來(lái)自液體存 在傳感器22的信息使得可以自動(dòng)化地開(kāi)始或結(jié)束霧化器工作。
明顯地，本發(fā)明不限于上面討論的實(shí)施例。類(lèi)似地，本發(fā)明不限于醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明的霧化器也可用作氣味和香水?dāng)U散器和/或用于化妝品中。 本發(fā)明還涵蓋用于局部使用的不同液霧的擴(kuò)散器(加濕器或者潤(rùn)滑器)或者 用于生物技術(shù)或者試劑的液體處理裝置。
權(quán)利要求
1.超聲液體霧化器，包含-帶有限定開(kāi)口的第一末端和第二末端的剛性壓電換能器體(1)，壓電換能器體(1)內(nèi)部包含用于容納待霧化液體的腔并且所述壓電換能器體(1)還包含對(duì)稱(chēng)軸，-附在所述第一末端并覆蓋所述開(kāi)口的微孔膜(3)，-為了振動(dòng)壓電換能器體(1)而改造和排列的壓電部件(2，9)，特征在于壓電部件(2，9)在所述第二末端附近放置，以便以平行于壓電換能器體(1)對(duì)稱(chēng)軸的方向振動(dòng)壓電換能器體(1)。
2. 權(quán)利要求1中所述的霧化器，其中壓電換能器體(l)截面在壓電換能 器體(l)長(zhǎng)度范圍內(nèi)改變。
3. 權(quán)利要求2中所述的霧化器，其中截面不連續(xù)地改變。
4. 權(quán)利要求3中所述的霧化器，其中截面在單一點(diǎn)突然改變。
5. 權(quán)利要求4中所述的霧化器，其中所述第二末端附近的壓電換能器體 (l)壁的厚度大于第一末端附近壓電換能器體(l)壁的厚度。
6. 權(quán)利要求5中所述的霧化器，其中壓電換能器體在所述第二末端附近 是實(shí)心的。
7. 權(quán)利要求5中所述的霧化器，其中壓電換能器體在所述第二末端附近 是中空的。
8. 權(quán)利要求2、 3或4之一中所述的霧化器，其中壓電換能器體(l)的內(nèi) 徑是不變的。
9. 權(quán)利要求2、 3或4之一中所述的霧化器，其中壓電換能器體(l)的內(nèi) 徑是可變的。
10. 權(quán)利要求9中所述的霧化器，其中所述第一末端附近的內(nèi)徑大于所述 第二末端附近的內(nèi)徑。
11. 前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中壓電部件(2, 9)靠著所 述第二末端的外部表面放置。
12. 權(quán)利要求11中所述的霧化器，包含靠著壓電部件(2, 9)的外部表面 放置的后質(zhì)量塊(5)。
13. 權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中壓電換能器體(l)的外徑是不變的。
14. 權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中壓電換能器體(l)的 外徑是可變的。
15. 權(quán)利要求14中所述的霧化器，其中所述第二末端附近的外徑大于所 述第一末端附近的外徑。
16. 權(quán)利要求15中所述的霧化器，其中壓電換能器體的外部表面由第一 直徑和第二直徑限定，兩個(gè)直徑之間的過(guò)渡區(qū)形成突然不連續(xù)區(qū)。
17. 權(quán)利要求16中所述的霧化器，其中壓電部件(2)放置于突然不連續(xù)區(qū) 內(nèi)并且正對(duì)著包括第二末端的壓電換能器體(l)部分。
18. 前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中所述腔的長(zhǎng)度與直徑之 比大于0.5。
19. 前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中微孔膜(3)至少部分地 形成突起，使得可以增加膜的剛性。
20. 前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中微孔膜(3)具有20和200 Hm之間的厚度并且包含直徑在1 pm和100 nm之間的洞。
21. 前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的霧化器，其中壓電部件是多層陶瓷 (9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及超聲液體霧化器，其包括帶有限定開(kāi)口的第一末端和第二末端的剛性壓電換能器體(1)，壓電換能器體(1)內(nèi)部包含用于容納待霧化液體的腔并且所述壓電換能器體(1)還包含對(duì)稱(chēng)軸；附在所述第一末端并覆蓋所述開(kāi)口的微孔膜(3)；適于并提供振動(dòng)壓電換能器體(1)的壓電部件(2，9)；特征在于壓電部件(2，9)在所述第二末端附近放置，以便以平行于壓電換能器體(1)對(duì)稱(chēng)軸的方向振動(dòng)壓電換能器體(1)壓電換能器體(1)。
文檔編號(hào)B05B17/06GK101557882SQ200780042180
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
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