振動系統和方法

2023-06-27 06:59:31

專利名稱：振動系統和方法
技術領域：
本發明總的涉及一種振動系統，其有效轉移來自振動誘導元件的
振動。在優選實施例中，壓電傳感器將超聲振蕩傳遞到振動板，特別 是煙霧產生器裝置的振動孔(口 )板，其中振動板穿有孔並且在流體 介質中可操作。本發明還可以用於流體介質中超聲波傳輸的領域，包 括但不限於水下聲納，深度聲納和障礙物檢測聲納。
背景技術：
其中利用以環的形式的壓電傳感器振動圓形孔板的裝置在本領域 中是已知的。例如，在Maehara的美國專利No.US 4,605,167中，在 其中具有至少一個噴嘴口的可振動板固定到剛性外殼，以及壓電環固 定到可振動板，用於在其中產生位移以放出少量液體通過噴嘴口。在 本領域中描述的另一裝置中，圓形振動板直接結合到壓電環並覆蓋壓 電環中的中心開口；例如，如Toda的美國專利US 5,297,734中所述。 作為另一個例子，Humberstone等人的美國專利US 5,518,179， Ross 等人的美國專利US 5,261,601和Davison等人的美國專利US 6,062,212描述了 一種振動裝置，其中圓形可振動板安裝在結合到壓電 環上的薄的環形元件，或"墊圏"的中心開口上方。當啟動時，壓電環 徑向振動以使得墊圏以沿軸向方向振動可振動板的"彎曲模式"操作。 當製造這些類型的裝置時，在振動板連接到墊圏以及墊圏定位在壓電 環中開口上方時，各部件必須彼此仔細地同心對準。如Maehara所教導的將超聲傳感器直接安裝到剛性框架或外殼 上也是有問題的。原因在於傳感器的整個主體振動， 一些部分以小幅 度振動， 一些部分以放大幅度振動。當傳感器安裝在剛性固定物上時， 振蕩幅度減小。現有技術裝置的另一問題在於壓電環沿3個方向(即， X， Y和Z軸)固有振動，並將這種振動傳遞到振動板。傳遞到板的 振動疊加，軸向振動的作用可以取消或部分抵消。因此，希望濾掉壓 電元件的不希望振動以及僅使用沿一個方向例如軸向方向的振動。嘗 試解決這個問題包括在彈性保持元件，或"指狀物，，上安裝振動板，例 如如Martens III等人的美國專利US 6450,419中所述；在橡膠O環 上支持雙壓電晶片型傳感器，例如如Ross等人的美國專利US 5，261，601和Humberstone等人的美國專利US 5,518,179中所述；和 利用墊圏在適當的位置保持壓電環，例如如Helf等人的美國專利US 6,293,474和Tomkins等人的美國專利US 6,382,522中所述。
上述裝置將壓電環的徑向振動轉換為穿孔板的軸向振動以將液體 分散為煙霧。在另一類型的裝置中，壓電傳感器可以是管狀的，並且 可以軸向擴大和收縮(沿管中心軸的方向)以移動穿孔板。例如，見 Newcombe等人的美國專利US 5,838,350。
通常，在流體介質中操作，例如在煙霧器中使用的壓電傳感器中， 需要分離壓電元件和可振動元件以便可振動元件可以浸沒在液體中， 以及壓電元件可以與液體電絕緣。在一些情況下，這種絕緣可以通過 利用彈性材料封閉壓電元件來提供。這種材料在提供電絕緣時，還具 有衰減壓電傳感器的振蕩幅度的能量吸收特性，因此對裝置的效率具 有不利的影響。
目前存在多種煙霧器和噴霧器。特別感興趣在於它們振動孔板或 其它元件以產生煙霧。這些煙霧器的一些例子在美國專利號5,169,740， 5，938，117， 6，540，154， 5，586，550， 5,750,647， 6,467,476, 6，014，970， 6,755,189， 6,814,071， 6,554,201， 6,732,944， 6,615,824， 6,845,770和 6,815,626中描述，每篇文獻的整個內容在此結合作為參考。利用煙霧 器(特別是利用高腐蝕性液體用於醫用的煙霧器)的問題是部件的汙
染和腐蝕。煙霧器暴露在液體中的某些部件可能需要被清洗或去除， 以保持煙霧器在良好的工作狀態。這些部分的許多是很難清洗的，由 於壓電傳感器和它們相關的電子設備相對昂貴，因此使其為一次性的 在經濟上可能是不可行的。因此，希望使某些煙霧器元件可拆卸或可 代替。

發明內容
本發明的 一個或多個實施例定向為 一種振動系統，其有效轉移來
動元件中產生軸向振i。在二個特i布置中，振動誘導元件可以i具 有中心開口的環形壓電傳感器，振動元件可以是薄的圓形板以及支持
元件可以具有保持圓形板的圓形截面；然而，元件還可能具有其它形 狀。在其它布置中，振動誘導元件與其它結構分離以便它可以對於其 它應用重新使用。此外，本發明的其它布置有效地將振動誘導元件與 液體的接觸隔離，因此特別適合於在流體介質，例如在煙霧器環境中 的操作。更進一步，本發明提供一種包括壓電環和圓形可振動板的振 動系統的元件自對準的方法，以便使得系統的製造簡單和便宜。
在一個或多個實施例中，本發明的振動系統包括薄的圓形可振動 板，保持振動板的管狀元件和耦合到管狀元件的壓電環。可振動板可 以同心配置在薄壁管狀元件的內腔中；壓電環可以在可振動板的位置 處同心定位在管狀元件的外圓周周圍。壓電環沿徑向方向可擴大和收 縮，其又使得管狀元件的壁沿徑向方向擴大和收縮。管狀元件壁的該 移動擴大和收縮板的外圓周，使得其中間區域沿軸向方向振蕩(即振 動)。由於本發明的可振動板的外圓周定位在壓電環的中心開口中，與 其中心面對準，與其中可振動板的表面(或圍繞板的同心墊圏)橫跨 壓電環的中心開口固定在壓電環的表面的現有系統相反，因此壓電環 產生的徑向負栽更對稱地施加到本發明的可振動板。
在一個實施例中，可振動板可以是包括多個錐形孔並優選是圓頂 形的孔板。孔板可以耦合到配置在管狀元件的內腔中的安裝結構，其 保持孔板垂直於管狀元件的中心軸。在另 一 實施例中，管狀元件可以由抗腐蝕金屬材料例如鈀/鎳合金
或不鏽鋼製造，並具有柔性薄壁，例如厚度小於0.5mm。在其它實施 例中，管狀元件可以包括塑料材料，並且可以包括至少一個配置在其 中的彈性部分，例如彈性體，其允許管狀元件通過壓電環壓縮和擴大。 在另一實施例中，壓電環可以從管狀元件拆卸並且對於其它應用重新 使用。例如，管狀元件可以錐形化以形成"錐形鎖"，其中壓電環與管 狀元件壓入配合。在又一實施例中，壓電環可以永久結合到管狀元件 以形成整體單元。
在一個實施例中，包含孔板的管狀元件可以可操作地耦合到液體 的容器，或容器可以是管狀元件的整體部分，以便將液體提供到管狀 元件中的孔板。以該方式，當孔板根據本發明振動時，液滴以煙霧形 式從孔板中噴出。任選地，環可以配置在壓電環的外圓周周圍以輔助 以其共振頻率振動孔板。在其中管狀元件和壓電環不與容器集成的實 施例中，O環或其它密封件可以提供在容器和管狀元件之間以用作液 密密封件，其防止壓電環的汙染，以及還提供衰減壓電環和煙霧器外 殼，由此增加系統的效率。在另一實施例中，管狀元件可以與容器的 排出口"壓入配合"(即形成"幹涉配合")。
在本發明的一個實施例中，容器和包含孔板的管狀元件可以集成 為單個單元，壓電環可以在煙霧器的容器上方滑動以與管狀元件形成 壓入配合。以該方式，壓電環可以被去除，而不會受到容器和管狀元 件中的物質的潛在汙染，或受到孔板產生的煙霧的潛在汙染。在另一 實施例中，壓電環和管狀元件可以一起結合為整體單元。
本發明的振動系統可以結合到多種產品中並且可以連接到電源， 電子設備以振動振動誘導元件等。在一個實施例中，本發明的振動系 統利用與壓電環的第一表面電接觸的第一導線和與振動誘導元件的第 二表面電接觸的第二導線連接到電源。這些導線可以定位在圍繞外殼 的外表面的凹槽中，振動系統定位在該外殼中，以便它們與容器中的 液體隔離並位于振動系統的管狀元件中。
可以使用本發明的振動系統的產品的例子包括通風機，連續正氣
道壓(CPAP)系統，手提噴霧器等，以及利用流體介質中超聲波傳 輸的裝置，例如多種聲納裝置。作為一個例子，通風機迴路可以包括 管的長度，本發明的振動系統可以可操作地耦合到管以將振動系統產 生的煙霧引入到通風機迴路中。作為另一例子，煙霧器可以構造為具 有嘴口的外殼，本發明的振動系統可以配置在該外殼中以便由振動孔 板產生的液滴噴出通過嘴口並進入用戶的呼吸系統。
本發明的 一 個實施例提供製造振動系統的示例性方法，包括以下 步驟將可振動板插入到圍繞板的支持結構；利用構形為徑向擴大和 收縮的振動誘導元件圍繞包括可振動板的支持結構；和啟動振動誘導 元件以相對於支持元件產生徑向擴大和收縮，從而產生可振動板的軸 向振動。
在 一 個特定實施例中， 一 種製造振動系統的方法包括以下步驟 提供具有縱向內腔的管狀元件，將圓形可振動板固定在內腔中以便可 振動板垂直於管狀元件的中心軸；提供具有中心開口的壓電環；將管 狀元件定位在壓電環的中心開口中以便管狀元件的外圓周與開口的內 圓周接觸，振動誘導元件圍繞管狀元件中的可振動板；和將振動誘導 元件固定到管狀元件。
在另一實施例中， 一種振動板的方法包括以下步驟將可振動板 插入在圍繞板的整個外周的支持結構中，將包括可振動板的支持結構 插入到構形為徑向擴大和收縮的振動誘導元件的中心開口中，和啟動 振動誘導元件以相對於支持元件產生徑向擴大和收縮，從而產生可振 動板的軸向振動。
在另一實施例中，提供一種治療病人的方法，其包括以下步驟 提供振動系統，該振動系統包括具有外圓周的圓形可振動孔板；同心 配置在可振動板的外圓周周圍的管狀元件，其中管狀元件具有外圓周； 以及同心配置在管狀元件的外圓周周圍的環形振動誘導元件，其中振 動誘導元件可徑向擴大和收縮以使得孔板沿軸向方向振動；經由管狀 元件將液體藥物提供到孔板；啟動振動誘導元件以振動孔板和使液體 藥物成煙霧狀散開；以及將煙霧劑提供到病人的呼吸系統。


圖la和lb是本發明的振動系統的分解透視圖。
圖2是圖la和lb的裝配好的振動系統的部分截面圖。
圖3a和3b是圖2的振動系統的截面側^L圖。
圖4a是根據本發明的煙霧器的一個實施例的截面側視圖。
圖4b是圖4a所示的煙霧器的部分截面圖。
圖4c是圖4a所示的煙霧器的透視圖。
圖4d是根據本發明的煙霧器的另一個實施例的截面側視圖。 圖5a是根據本發明的振動系統的另一實施例的透視圖。 圖5b是圖5a所示的振動系統的部分截面圖。 圖6是根據本發明的振動系統的另一實施例的透視圖。 圖7a是根據本發明的煙霧器的另一個實施例的透視圖。 圖7b是圖7a的煙霧器的截面側視圖。
圖8是根據本發明的煙霧器系統的另 一 實施例的截面側視圖。
具體實施例方式
在此引用的所有公開物，專利和專利申請，無論是在前文中還是 在下文中，其整個內容通過引用的方式併入到本文中，如同每個單獨 的公開物，專利或專利申請具體和單獨地指示為通過引用的方式併入 到本文中。
必須注意，如在本說明書和所附權利要求中所用的，單數形式 "一，，，"一個"和"該"包括多個，除非內容明確地另外規定。
在此參考的"一個實施例"，"一個變型"或"一個方面"將包括一個 或多個這種實施例，變型或方面，除非內容明確地另外規定。
在一個或多個實施例中，本發明的振動系統包括可振動板，圍繞 可振動板的支持元件，和圍繞支持元件的振動誘導元件，其中振動誘 導元件構形為相對於支持元件徑向擴大和收縮以便產生可振動板的軸 向振動。下面的詳細描述定向為本發明的一個優選實施例，其中可振 動板是圓形的，支持元件具有圓形截面，例如管狀元件(圓柱或錐形), 圓形可振動板配置在其中，並且振動誘導元件是具有中心開口的環形
盤，即壓電環，支持元件配置到其中。然而，應當理解，本發明不限 於該實施例。
管狀元件可以由抗腐蝕金屬例如不鏽鋼(優選等級316, 303或 416)，鈦，或C-276鉻/鎳合金(例如Hastelloy⑧C-276)製造。管狀 元件優選具有相對薄的可以通過壓電環有效偏斜的壁。在一個實施例 中，管狀元件的壁的厚度在O.lmm至0.5mm的範圍內，優選約 0.25mm。在一個實施例中，管狀元件可以具有圍繞其內表面配置的擱
板結構，可振動板的外周可以結合到該內表面，以便它延伸橫跨垂直 於其中心軸的管狀元件的內部內腔。
元件。在一個實施例中，壓電環可以包括任何顯示壓電屬性的材料， 例如壓電陶資材料如鋯鈦酸鉛(PZT)或偏鈮酸鉛(PN),並且可以 採取具有中心孔的基本不變厚度的盤的形狀。這種壓電環在市場上可 買到,，J:i口從American Piezo Ceramics, Inc. (APC)， Mackeyville， Pennsylvania,和Morgan Electro Ceramics (MEC)， Fairfield, New Jersey。壓電環可以供有來自電源的以選定頻率的交流電；例如，壓 電環可以通過導線電連接到包含控制壓電環振動必需的電子設備的控 制器。
根據本發明，管狀元件定位在壓電環的中心開口中。當通過來自 控制器的交流電場啟動時，壓電環沿徑向方向相對於在可振動板附近 的管狀元件的壁擴大和收縮。管狀元件壁的該移動擴大和收縮可振動 板的外周，由此強迫可振動板的中心沿軸向方向振蕩，即沿管狀元件 的中心軸線上和下移動。儘管壓電環還可以沿軸向方向振動，以及可 以產生橫向表面波，但是僅徑向振動可以通過管狀元件傳遞到可振動 板。以該方式，衝突振動模式的疊加被消除，電能量到機械移動的有 效轉換實現。本發明的實施還允許振動系統直接安裝到剛性主體，例 如煙霧器，噴霧器或其它裝置的框架或外殼，不會將振動轉移到整個 主體。這主要因為管狀元件的端部不會振動，因此可以用於將振動系 統安裝到剛性主體。
當使用管狀元件來保持環形孔板或其它具有多個孔的結構時，本 發明可以特別有用。當將液體通過管狀元件施加到孔板的一側以及啟 動壓電環時，孔板以使得液滴從孔噴出的方式振蕩。所得到的煙霧然 後可以分配到管狀元件的開口端外。
孔板的特別有用的類型是具有錐形孔的板，其從接觸液體的表面 到噴出液滴的表面逐漸變細。同樣，在一些實施例中，孔板可以是圓
頂形狀，儘管本發明不限於這種孔板。優選的孔板可以具有20至100 微米範圍中的厚度。可以用於本發明的壓電材料和孔板的例子在美國 專利US 6,235,177和5,758,637中描述，其在此結合作為參考。在另一 實施例中，壓電環可以以在從約20Khz至約500Khz的範圍中的頻率 振動，例如大約128Khz。在另一優選實施例中，液滴可以具有適合用 於製藥學的尺寸，例如在約3微米(pm)至約6pm的範圍中，以及 液體可以是在從約5-20微升/秒的範圍中的速率成煙霧狀散開。
現在參考圖la， lb和2，描述本發明的一個實施例。振動系統IO 包括可振動板101，管狀元件102和壓電環103。管狀元件102具有外 圓周104和內圓周105，它們一起限定相對薄的圓柱壁，優選具有從 約O.lmm至0.5mm的範圍中的厚度。管狀元件102的中空中心(內 腔)在其相對端處終止於開口 106和107。安裝結構111包括圓形脊， 其在優選開口 106和107之間的中心位置處從內圓周105垂直突出到 管狀元件102的內腔中。壓電環103包括具有中心孔108的壓電材料 的環形盤，該孔的圓周112大約等於管狀元件102的外圓周104。可 振動板101包括圍繞薄圓形可振動中心部分110的圓形外凸緣109。
在製造振動系統10的一種方法中，金屬管狀元件102可以首先通 過在與端部106和107等距的位置處圍繞內圓周105粘合金屬脊來設 置有安裝結構111。可振動板101然後可以同心配置在管狀元件102 的內腔中，圓形凸緣109的下表面定位在安裝結構111的上表面上方， 可振動板101的外周鄰接內圓周105。可振動板101的外凸緣109可 以利用適當的連接步驟固定到安裝結構111上，該步驟例如是冶金工 序如銅焊，焊接，軟焊等，或化學結合工序如粘接。
在一個優選實施例中，適當抗腐蝕銅焊填充材料，例如70%金和 30%銅的混合物的銅焊環可以放置在安裝結構111的上表面和可振動 板101的外凸緣109之間。管狀元件102，可振動板IOI，和銅焊環的 整個組件可以通過放置在可振動板101頂部的重量來保持在適當的位 置。組件可以放置在爐中並加熱到足夠熔化銅焊並且以常規銅焊步驟 永久將表面連接在一起的溫度。在另一實施例中，可振動板101可以 利用軟焊材料例如錫/鉛軟焊材料軟焊到安裝結構111上；然而，如果 組件將暴露在酸性的藥用配製中，那麼該方法不適用。在另一實施例 中，可振動板101可以通過超聲或雷射焊接固定到安裝結構111上。
一旦可振動板101橫跨管狀元件102的內腔固定，那麼管狀元件 102可以定位在壓電環103的中心孔108中。在一個實施例中，管狀 元件102可以放置在保持管狀元件102豎直的固定物中，壓電環103 可以沿著管狀元件102向下縱向滑動，直到壓電環103在直接相應於 管狀元件102的內圓周105上的安裝結構111和可振動板101的位置 處圍繞外圓周104。例如通過圍繞圓周104和圓周112的接縫沉積適 當的液體粘合劑以及例如利用UV光固化該粘合劑，管狀元件102的 外圓周104和壓電環103中中心孔108的圓周112然後可以結合到一 起。使用的粘合劑應當能夠有效地將來自壓電環103的振動轉移到管 狀元件102。儘管理想地粘合劑具有壓電環的彈性模量("楊氏模量")， 即約60GPa (千兆帕)來實現振動的最終轉移，但是這不是對於任何 粘合劑都是可能的。大多數結構粘合劑(例如環氧樹脂)具有塑料材 料的彈性模量，其約為2 GPa,並且如果固化到大約該硬度，應當適 合於本發明。作為適當粘合劑的例子，可以使用多種環氧樹脂和厭氧 粘合劑，例如市場上可買到的由商標Loctite銷售的UV可固化環氧樹 脂粘合劑。
如之前所述，壓電環103構形為在交流電場經由電線傳遞到它時 徑向擴大和收縮。例如，如圖3a所示，當通過第一電場啟動時，壓電 環103向其中心開口 (方向D)徑向收縮。該徑向收縮4吏得壓電環103 在安裝結構111附近沿管狀元件102的外圓周104向內推動，由此夾緊管狀元件102的壁。管狀元件102的收縮使得凸緣109也徑向收縮， 結果，可振動板IOI的中心部分110沿方向A軸向移動。當通過第二 電場啟動時，如圖3b所示，壓電環103遠離其中心開口徑向擴大(方 向D，)，由此釋方文沿管狀元件102的圓周104的向內壓力。該壓力的 釋放允許凸緣109徑向擴大，這使得孔板101的中心部分110沿方向 A，軸向移動到其原始位置。連續交替電場產生中心部分110在圖3a和 3b所示的位置之間的振蕩(振動)。
如之前所述，本發明的振動系統特別用於使液體成煙霧狀散開。 圖4a， 4b和4c說明了根據本發明實施例的煙霧化系統(在此稱為"煙 霧器40")。相同的附圖標記用於每個附圖中以涉及相同的組件。現在 參考圖4a，煙霧器40包括上外殼401，可拆卸下外殼405和振動系統 10(例如見圖2)。振動系統IO包括管狀元件102，壓電環103和孔板 101 。上外殼401包括構形為保持例如液體藥物的液體體積的容器402， 和在容器402下端處的圓錐部分403，其終止於由圓柱壁406限定的 排出管404。由上外殼401的圓柱壁408限定的接合管407同心配置 在排出管404周圍並完全包圍它。
振動系統IO適合於可拆卸地與上外殼401接合，振動系統10的 管狀元件102的上部分(即管狀元件102在壓電環103上方的部分) 構形為在排出管404中壓入配合，振動系統10的壓電環103構形為與 接合管407壓入配合。當裝配時，壓電環103的管狀元件102的上部 分完全由排出管404包圍，壓電環103的頂表面鄰接排出管404的下 端。管狀元件102和排出管404的該壓入配合配對形成防止從容器402 排出到排出管404中的液體與壓電環103接觸的液體不漏密封。
下外殼405包括由圓柱壁412限定的接收管411,同心配置在接 收管411的底部周圍的環形凸緣413和由圓柱壁415限定的煙霧室 414。下外殼405可以適合於可拆卸地與振動系統IO和上外殼401接 合，振動系統10的管狀元件102的下部分(即管狀元件102在壓電環 103下方的部分)構形為在接收管411中壓入配合，環形凸緣413構 形為在接合管407中壓入配合。當裝配時，管狀元件102的下部分完全由接收管411包圍並形成直接到煙霧室414中的通路。壓電環103 的底表面鄰接接收管411的上端以將振動系統10固定保持在接合管 407中。
現在參考圖4b和4c，壓電環103可以從電池或另一電源(未示 出)通過導線416和417提供有電流。每個導線416和417可以成形 為"c夾子"布置並且分別緊貼到圍繞上外殼401的壁415的外周切割 的凹槽418和419中。導線416的終端420可以通過壁415中的開口 422進入接合管407，並與壓電環103的上表面電接觸。導線417的終 端421可以通過上外殼401的壁415中的孔423進入接合管407，並 與壓電環103的下表面電接觸。
孔板101的中心部分110的幾何形狀可以是圓頂形，儘管可以使 用其它形狀。同樣，中心部分110可以包括從背側(面對容器402 ) 至前側的逐漸變細的孔。當煙霧器40沿大致豎直的方位放置時，來自 容器402的液體可以通過重力傳送並擱置在中心部分110的背側。壓 電環103構形為當通過由導線416和417提供的交流電場啟動時徑向 擴大和收縮。在這過程中，管狀元件102的壁也收縮和擴大。以該方 式，中心部分110軸向振動以^f更從其前側噴射液滴以及噴出煙霧室414 上的開口 。
利用振動系統10的一個優點在於，煙霧器40可以被構造成，振 動系統10從上外殼401和下外殼405可拆卸。以該方式，振動系統 10 (其包含相對昂貴的壓電環103)可以在其它應用中重新使用。能 夠相對便宜製造的上外殼401和下外殼405可以在使用後丟棄。利用 振動系統10的另 一個優點在於管狀元件102的端部可以直接連接到剛 性主體，例如上外殼401的壁406和下外殼405的壁412，不影響孔 板110的振蕩幅度。這使得煙霧器能夠更有效地產生液滴。
現在參考圖4d，煙霧器40，類似於煙霧器40並包括包含容器402， 的上外殼401，，包含煙霧室414，的可拆卸下外殼405，，以及振動系統 10，，其包括管狀元件102，，壓電環103，和孔板中心部分110，。然而， 在煙霧器40，中，管狀元件102，的上部分不壓入配合到排出管404，中(如圖4a所示)，而是O環420可以定位成填充管狀元件102，的上部 分和外殼401，的排出管404，之間的間隙。以該方式，形成液體不漏密 封，以防止來自容器402，的液體接觸壓電環103，。類似地，0環421 可以定位以填充管狀元件102，的下部分和下外殼405，的接收管411，之 間的間隙，以形成液體不漏密封，其防止由孔板中心部分IIO，產生的 煙霧接觸壓電環103，。因此，壓電環103，可以保護免受汙染，該汙染 可能防止它在從煙霧器40，拆卸後重新使用，不需壓入配合所需要的 緊密尺寸，如關於煙霧器40所描述的那樣。由於O環420和421定 位在壓電環103，的頂和底表面上，並用於懸浮壓電環103，，使其不與 上外殼401，和下外殼405，直接接觸，因此O環420和421還可以具有 減振效果，其減小了來自壓電環103，的振動到上外殼401，和下外殼 405，的不希望轉移。
現在參考圖5a和5b，描述本發明的另一實施例。振動系統50包 括具有中心開口 504的壓電環502。如前所述，壓電環502可以由啟 動時徑向擴大和收縮的壓電材料構造，如以上所述。管狀元件506配 置在開口 504中並適合於利用在此所述的任一種技術將孔板508保持 其內部內腔509中。管狀元件506可以由剛性材料構造，該材料例如 硬塑料，金屬，陶瓷等。管狀元件506可以任選地包括突出510以提 供與壓電環502的良好機械接觸。作為替換，管狀元件506可以是錐 形以確保良好的機械接觸。
管狀元件506可以包括一個或多個彈性部分511,其從其內圓周 上的位置徑向延伸到其外圓周上的相應位置。這些部分可以由彈性材 料構造並定位在多個位置處。彈性部分511允許管狀元件506由剛性 材料(用於固定保持孔板508)構造，同時還允許管狀元件506利用 壓電環502徑向擴大和收縮。更明確的，在管狀元件506通過壓電環 502收縮時，彈性部分511壓縮以減小內腔509的直徑。當壓電環502 徑向擴大時，彈性部分511擴大以增加內腔509的直徑。因此，擴大 和收縮量可以部分基於使用的彈性材料的尺寸，數量和類型而改變。
方便地，振動系統50可以耦合到煙霧器(未示出)的容器，以允
許液體提供到孔板508。同樣，也可以使用其它液體傳送系統，例如 吸液系統等。可替換地，振動系統50可以結合到其它系統例如噴霧器， 通風機等中。
圖6說明了圖5a和5b所示的振動系統50，外環512配置在壓電 環502的外圓周周圍，壓電環502又配置在管狀元件506周圍。環512 可以被使用以調節壓電環502的操作頻率。在許多應用中，希望以大 約130Khz的頻率操作壓電環502,該頻率是孔板的近似諧振頻率。當 壓電環502由壓電陶瓷材料製造時，其頻率與其直徑成反比，其中
因此，如果壓電環502的直徑製作得較大以減小壓電環的頻率， 那麼壓電環502對於某些應用可能太大。壓電環502的低操作頻率可 能得到，因為壓電材料"軟，，且重。為了增加頻率而不增加直徑，可以 添加外環512(其可以由剛性且輕重量材料構造，例如氮化矽)。環512 和壓電環502的結合用於將頻率增加到所需範圍。
參考圖7a和7b，描述根據本發明的煙霧化系統的實施例。系統 80包括煙霧器，其為了方便討論，包括具有環512的振動系統50,如 圖6所示，儘管可以理解，也可以使用本發明的其它振動系統。耦合 到振動系統50的管狀元件506 (或與其整體形成)是用於保持液體的 容器802。方便地，蓋子804可以提供以在液體填充以後封閉容器802。 同樣耦合到管狀元件506的是出口 806，通過它由孔板508產生的煙 霧可以被分配。O環或墊圏密封件805可以配置在容器802和振動系 統50之間，以及在振動系統50和出口 806之間以提供組件之間的足 夠密封和減震。
煙霧化系統80的一個特定特徵在於壓電環502具有足夠大的內 徑，以4更它可以在出口 806和容器802上方滑動。以該方式，系統80 可以容易地裝配和拆卸以去除壓電環502。此外，壓電環502不與任 何液體接觸，因此可以與另一煙霧化系統重新使用。此外，容器82， 管狀元件506和孔板508可以構造為相對便宜以便它們在隨後的使用 中可以去除。同樣，系統80可以容易地結合到其它系統例如手提噴霧器，通風機等中。
在操作中，容器802充滿液體，蓋子804放置在適當的位置。壓 電環502在容器802上方滑動並放置在管狀元件506上方。提供電流 到壓電環502以使它擴大和收縮。在此過程中，與孔板508接觸的液 體作為液滴噴射到出口 806中。隨後的使用中，容器802可以再充滿， 或可以丟棄但保留壓電環502。
圖8說明了本發明的另一實施例，其中煙霧化系統卯包括管狀元 件906，該管狀元件包括尖銳的端部901和排出端903。如前所述，管 狀元件卯6還包含橫跨其內部內腔的孔板(未示出)。壓電環904配置 在管狀元件906周圍。當煙霧化系統90未在使用中時，尖銳的端部 901可以具有罩(未示出)，其保護該端部免受損傷和汙染。當準備使 用時，革可以;帔去除，尖銳的端部901可以插入通過小並瓦卯2頂部的 膜，該瓶包含將被煙霧化的液體905。液體905然後經由尖銳的端部 901和管狀元件906的內腔輸送到其中包含的孔板。壓電環904可以 啟動以振動孔板，由此以之前所述的方式煙霧化液體905。所得到的 煙霧然後分配通過排出端卯3。使用後，小瓶卯2可以從尖銳的端部 901去除和丟棄，壓電環卯4可以從組件中去除以再次使用，剩餘的 組件可以丟棄。
如之前所述，在此描述的煙霧器可以結合到其它系統中。通風機 系統的例子例如在共同未決的2004年4月20日提交的美國專利申請 No.10/828，765中描述，其整個公開內容在此結合作為參考。在此描述 的系統特別用於新生兒和嬰兒的連續正壓氣道壓力(CPAP)治療。 因此，本發明的煙霧器可以耦合到這種通風機或CPAP迴路，以將煙 霧化的藥物例如通過病人接口裝置提供到病人的呼吸系統。當治療完 成時，煙霧器或其某些組件可以去除和重新使用，而系統的其它組件 可以丟棄。
作為另一例子，本發明的煙霧器可以結合到噴霧器中，該噴霧器 例如在2004年4月27日提交的共同未決的美國專利申請 No.10/833，932中描述，其整個公開內容在此結合作為參考。噴霧器包
括耦合到煙霧器外殼的主外殼，該煙霧器外殼可以包括如之前關於圖
4a， 4b和4c所示的煙霧器40描述的煙霧化系統，其包括用於保持將 被煙霧化的液體藥物的容器和根據本發明的具有孔板的振動系統，該 孔板具有多個在第一表面和第二表面之間延伸的錐形孔，如在美國專 利Nos.5，164，740， 5，586，550， 5，758，637和6，085，740中所述，其整個內 容在此結合作為參考。噴霧器還可以具有耦合到主外殼的嘴口。本發 明的振動系統的管狀元件的至少 一部分可以配置在外殼中，以便液滴 噴射通過嘴口以允許病人吸入該煙霧化的藥物。孔板中的孔可以形成 合適的尺寸，以產生其中約70% (重量)或更多的液滴具有從約1至 約5微米範圍中的尺寸的煙霧。隨後的使用中，煙霧外殼可以從主外 殼中去除。液體可以再充滿，或一個或多個組件可以替換。例如，振 動系統可以被去除並與另 一噴霧器重複使用。
本發明的一個實施例提供一種治療病人的方法，該病人顯示一種 或多種感染症狀或其它呼吸疾病或異常。該方法通常包括以下步驟 提供振動系統，其包括具有外圓周的圓形可振動孔板；同心配置在可 振動板的外圓周周圍的管狀元件，其中管狀元件具有外圓周；以及同 心配置在管狀元件的外圓周周圍的環形振動誘導元件，其中振動誘導 元件可徑向擴大和收縮以使得孔板沿軸向方向振動；提供液體藥物到 振動系統；啟動振動誘導元件以振動孔板並煙霧化藥物；和將煙霧提 供到病人的呼吸系統。
根據本發明的煙霧產生器具有相對於功率輸入產生高流量的煙霧 的能力。例如，當使用標準的鹽溶液(2%NaCl)時，具有4微米容 量中徑(VMD)的煙霧的流速可以是15微升/秒，產生器的功耗可以 是3瓦。
現在已經為了清楚和理解的目的詳細描述了本發明。然而，可以 理解，某些改變和變形可以在所附權利要求的範圍內實現。
權利要求
1.一種振動系統，包括可振動板；圍繞可振動板的支持元件；和圍繞支持元件的振動誘導元件，其中振動誘導元件構形為相對於支持元件徑向擴大和收縮以便產生可振動板的軸向振動。
2. 根據權利要求1所述的振動系統，其特徵在於，可振動板為圓 形，支持元件具有圓形可振動板配置在其中的圓形截面，並且振動誘 導元件是具有中心開口的環形盤，支持元件配置在該中心開口中。
3. 根據權利要求2所述的振動系統，其特徵在於，支持元件為管 狀並且振動誘導元件是壓電環。
4. 一種振動系統，包括 具有外圓周的圓形可振動板；同心配置在板的外圓周周圍的管狀元件，其中管狀元件具有外圓 周；和同心配置在管狀元件的外圓周周圍的環形振動誘導元件，其中振 動誘導元件相對於管狀元件可徑向擴大和收縮以使得板沿軸向方向振 動。
5. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述板包括多個錐 形孔。
6. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述板具有在從約 20微米至約IOO微米的範圍內的厚度。
7. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述板是圓頂形狀。
8. 根據權利要求5所述的系統，進一步包括液體容器，其適合於 將液體提供到板。
9. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，管狀元件包括尖銳 的端部，其適合於通過刺穿覆蓋小瓶中開口的膜從液體的所述小瓶中吸取液體。
10. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，管狀元件具有從 約O.lmm至約0.5mm範圍內的厚度的壁。
11. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，振動誘導元件包 括壓電環。
12. 根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，管狀元件包括至 少一個配置在其中的彈性部分。
13. 根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，環配置在壓電環的外圓周周圍以調節壓電環的操作頻率。
14. 根據權利要求4所述的系統，進一步包括配置在管狀元件內 的安裝結構，以及其中板由安裝結構保持。
15. 根據權利要求4所述的系統，進一步包括用於控制振動誘導 元件的徑向擴大和收縮的控制器和將控制器與振動誘導元件連接的導 線。
16. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，振動誘導元件可 從管狀元件中去除。
17. —種振動板的方法，包括以下步驟 將可振動板插入到圍繞板的支持結構中；用構形為徑向擴大和收縮的振動誘導元件圍繞包括可振動板的支 持結構；和啟動振動誘導元件以相對於支持元件產生徑向擴大和收縮，從而 產生可振動板的軸向振動。
18. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，支持元件濾掉除 軸向振動以外的振動。
19. 一種用于振動板的方法，包括提供具有外圓周的板和配置在板的外圓周周圍的管狀元件，所述 管狀元件具有外圓周；在與板的外圓周重合的位置處提供同心定位在管狀元件的外圓周 周圍的壓電環；和相對於管狀元件徑向擴大和收縮壓電環以使得板沿軸向方向振動。
20. 根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，壓電環以從約 20Khz至約500Khz的範圍內的頻率振動。
21. 根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，板包括多個孔徑， 並進一步包括將液體提供到板以使液體煙霧化成液滴。
22. 根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，液滴具有從約3 微米至6微米範圍內的尺寸，以及液體以約5微升/秒至約20微升/秒 的速率成煙霧狀散開。
23. 根據權利要求21所述的方法，進一步包括將容器耦合到管狀 元件以將液體提供到板。
24. —種煙霧劑產生系統，包括具有中心孔的壓電環，其內圓周適於在被電啟動時徑向擴大和收縮；連接到所述壓電環的用於其電啟動的至少一個電連接； 配置在壓電環的中心孔內的管狀元件，所述管狀元件具有與所述中心孔的內圓周接觸的外圓周和限定延伸管狀元件長度的內部內腔的圓柱壁；適合於在其軸向振動時煙霧化液體的圓形可振動孔板；其中孔板 橫跨管狀元件的內部內腔配置並在與壓電環的中心孔的內圓周重合的 位置處與內腔的內圓周接觸；和耦合到管狀元件以便將液體提供到可振動孔板的液體的容器，由 此壓電環相對於管狀元件的壁的徑向擴大和收縮使得孔板沿軸向方向 振動並煙霧化液體。
25. 根據權利要求24所述的煙霧劑產生系統，其特徵在於，可振動板為圓頂形狀並具有多個錐形孔。
26. 根據權利要求24所述的煙霧劑產生系統，其特徵在於，壓電 環包括壓電陶瓷材料。
27. 根據權利要求24所述的煙霧劑產生系統，進一步包括通風機系統迴路，該通風機系統迴路可操作地連接到管狀元件以便將由所述 可振動孔板產生的煙霧劑分配到所述迴路中。
28. 根據權利要求24所述的煙霧劑產生系統，其特徵在於，所述 壓電環，所述管狀元件，所述可振動孔板和所述容器配置在具有嘴口 的噴霧器的外殼中。
29. —種製造振動系統的方法，包>^舌 將可振動板放置在圍繞可振動板的支持元件內；以及 在支持元件周圍放置振動誘導元件，該振動誘導元件構形為相對於支持元件徑向擴大和收縮以產生可振動板的軸向振動。
30. —種通過;K利要求29的方法製造的振動系統。
31. —種製造振動系統的方法，包^^: 提供具有縱向內腔的管狀元件；將圓形可振動板固定在內腔中，以使得板垂直於管狀元件的內腔 並覆蓋它；將管狀元件定位在壓電環的中心開口中，以使得管狀元件的內腔 內的可振動板由與管狀元件的外圓周接觸的壓電環圍繞；和 將壓電環固定到管狀元件。
32. 根據權利要求31所述的製造振動系統的方法，進一步包括以 下步驟將一脊結合在管狀元件的內圓周周圍； 將可振動板定位在該脊上；和 將可振動板銅焊或焊接到該脊上。
33. 根據權利要求31所述的製造振動系統的方法，其特徵在於， 壓電環利用粘合劑結合到管狀元件，該粘合劑能夠將來自壓電環的振 動有效轉移到管狀元件。
34. —種治療病人的方法，包4舌提供振動系統，該振動系統包括具有外圓周的可振動孔板；同心 配置在可振動板的外圓周周圍的管狀元件，其中管狀元件具有外圓周； 以及在與孔板的外圓周重合的位置處同心配置在管狀元件的外圓周周圍的壓電環，將液體藥物提供到孔板；電啟動壓電環以徑向擴大和收縮孔板外圓周周圍的管狀元件的 壁，由此使得孔板沿軸向方向振動並煙霧化藥物；和 將煙霧提供到病人的呼吸系統。
35. 根據權利要求34所述的治療病人的方法，其特徵在於，通過 通風機的迴路或CPAP系統將煙霧劑提供到病人的呼吸系統。
36. 根據權利要求34所述的治療病人的方法，其特徵在於，通過具有嘴口的噴霧器將煙霧劑提供到病人的呼吸系統。
37. —種振動系統，包括 具有限定縱向內腔的圓柱壁的管狀元件； 固定到圓柱壁以及橫跨內腔設置的可振動板；和 將徑向振動傳遞到管狀元件的圓柱壁以便在可振動板中產生軸向振動的裝置。
38. 根據權利要求37所述的振動系統，其特徵在於，可振動板是 具有與液體接觸的後面和與其相對的前面的孔板，其中液滴從前面噴射以在孔板的所述軸向振動時形成煙霧劑。
全文摘要
在一個或多個實施例中，振動系統包括可振動板，圍繞可振動板的支持元件，和圍繞支持元件的振動誘導元件，其中振動誘導元件構形為相對於支持元件徑向擴大和收縮以便產生可振動板的軸向振動。在一個實施例中，可振動板具有外圓周，管狀元件同心配置在板的外圓周周圍，並且環形振動誘導元件同心配置在管狀元件的外圓周周圍。振動誘導元件優選是壓電環，其相對於管狀元件的壁可徑向擴大和收縮以使得板沿軸向方向振動。在另一實施例中，煙霧產生系統包括在其啟動時可徑向擴大和收縮的壓電環；配置在壓電環的中心孔中的管狀元件；和橫跨管狀元件的內部內腔配置的圓形孔板。壓電環相對於管狀元件可徑向擴大和收縮以使孔板在軸向上振動，並且液體的容器連接到管狀元件上，以便將液體提供到可振動孔板並在其振動時產生煙霧。
文檔編號A61M15/00GK101208123SQ200680019666
公開日2008年6月25日 申請日期2006年4月17日 優先權日2005年5月25日
發明者Y·伊夫裡 申請人:亞羅擎公司