JP2020074797A - 加熱式エアロゾル発生装置、及び一貫した特性のエアロゾルを発生させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エアロゾル発生装置におけるエアロゾルの発生を制御する方法を提供する。【解決手段】この装置は、エアロゾル形成基材を加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素を含むヒータと、この加熱要素に電力を供給するための電源とを備え、上記方法は、加熱要素に供給される電力を、第１段階において加熱要素の温度が初期温度から第１の温度に上昇するように電力が供給され、第２段階において加熱要素の温度が第１の温度よりも低い第２の温度に低下するように電力が供給され、第３段階において加熱要素の温度が再び上昇するように電力が供給されるよう制御するステップを含む。加熱過程の最終段階中に加熱要素の温度を上昇させると、時間経過に伴うエアロゾル送達の減少が軽減又は防止される。【選択図】図５

Description

本発明は、エアロゾル発生装置、及びエアロゾル形成基材を加熱することによってエアロゾルを発生させる方法に関する。特に、本発明は、エアロゾル形成基材の連続的又は反復的加熱期間にわたって一貫した所望の特性のエアロゾルをエアロゾル形成基材から発生させるための装置及び方法に関する。

当業では、エアロゾル形成基材を加熱することによって動作する、例えば加熱式喫煙装置を含むエアロゾル発生装置が知られている。国際公開第２００９／１１８０８５号には、基材の燃焼を防ぐのに望ましい温度範囲内に温度を制御しながら基材を加熱してエアロゾルを発生させる加熱式喫煙装置が記載されている。

エアロゾル発生装置は、時間経過にわたって一貫したエアロゾルを生成できることが望ましい。このことは、加熱式喫煙装置のようにエアロゾルが人間に消費される場合、特に当てはまる。枯渇性の基材が一定時間にわたって連続的又は反復的に加熱される装置では、基材に残っているエアロゾル形成成分の量及び分布、並びに基材の温度の両方に関連して、連続的又は反復的加熱と共にエアロゾル形成基材の特性が大幅に変化する場合があるので、一貫したエアロゾルの生成は困難になり得る。特に、連続的又は反復的加熱装置のユーザは、ニコチンや、場合によっては香味料を伝達するエアロゾル形成体が基材から枯渇するにつれ、エアロゾルの香り、味及び感覚が薄れていくのを体験することがある。従って、動作中に最初に送達されるエアロゾルが最後に送達されるエアロゾルとほぼ同程度になるように、時間経過にわたって一貫したエアロゾル送達を実現する。

国際公開第２００９／１１８０８５号

本開示の目的は、エアロゾル形成基材の連続的又は反復的加熱期間にわたって特性がより一貫したエアロゾルを提供するエアロゾル発生装置及びシステムを提供することである。

第１の態様では、本開示は、エアロゾル発生装置におけるエアロゾルの発生を制御する方法を提供し、この装置は、
エアロゾル形成基材を加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素を含むヒータと、
加熱要素に電力を供給するための電源と、
を備え、上記方法は、加熱要素に供給される電力を、第１段階において加熱要素の温度が初期温度から第１の温度に上昇するように電力が供給され、第２段階において加熱要素の温度が第１の温度よりも低い第２の温度に低下するように電力が供給され、第３段階において加熱要素の温度が第２の温度よりも高い第３の温度に上昇するように電力が供給されるよう制御するステップを含む。

本明細書で使用する「エアロゾル発生装置」は、エアロゾル形成基材と相互作用してエアロゾルを発生させる装置に関連する。エアロゾル形成基材は、例えば喫煙物品の一部などの、エアロゾル発生物品の一部とすることができる。エアロゾル発生装置は、エアロゾル発生物品のエアロゾル形成基材と相互作用して、ユーザの口を通じてユーザの肺に直接吸入できるエアロゾルを発生させる喫煙装置とすることができる。エアロゾル発生装置は、ホルダーとすることができる。

本明細書で使用する「エアロゾル形成基材」という用語は、エアロゾルを形成できる揮発性化合物を放出することが可能な基材に関連する。このような揮発性化合物は、エアロゾル形成基材を加熱することによって放出することができる。エアロゾル形成基材は、便宜上、エアロゾル発生物品又は喫煙物品の一部とすることができる。

本明細書で使用する「エアロゾル発生物品」及び「喫煙物品」という用語は、エアロゾルを形成できる揮発性化合物を放出することが可能なエアロゾル形成基材を含む物品を意味する。例えば、エアロゾル発生物品は、ユーザの口を通じてユーザの肺に直接吸入できるエアロゾルを発生させる喫煙物品とすることができる。エアロゾル発生物品は、使い捨てとすることができる。以下では、一般に「喫煙物品」という用語を使用する。喫煙物品は、タバコスティックとすることができ、或いはタバコスティックを含むことができる。

通常、反復的又は連続的に基材を加熱することによってエアロゾルを発生させる既存のエアロゾル発生装置は、時間経過にわたって単一の一定温度を達成するように制御される。しかしながら、エアロゾル形成基材は加熱によって枯渇し、すなわち基材における主要エアロゾル成分の量が減少し、このことは、所与の温度のエアロゾル発生が減少することを意味する。さらに、エアロゾル形成基材の温度が定常状態に達すると、熱拡散効果が低下することによってエアロゾルの送達が減少する。この結果、加熱式喫煙装置の場合にはニコチンなどの、主要エアロゾル成分に関して測定したエアロゾルの送達が時間と共に減少する。加熱過程の最終段階中に加熱要素の温度を上昇させると、時間経過に伴うエアロゾル送達の減少を軽減又は防止することができる。

本文脈では、連続的又は反復的加熱とは、通常は５秒よりも長く、場合によっては３０秒よりも長い持続時間にわたって基材又は基材の一部を加熱してエアロゾルを発生させることを意味する。加熱式喫煙装置、又はユーザが吸煙を行って装置からエアロゾルを吸引する他の装置の文脈では、このことが、ユーザが装置の吸煙を行っているか否かに関わらず、ユーザによる複数回の吸煙を含む期間にわたってエアロゾルが連続的に発生するように基材を加熱することを意味する。本文脈では、基材の枯渇が重要な問題になる。このことは、ユーザによる吸煙毎に別個の基材又は基材の一部が加熱され、持続時間が約２〜３秒の長さである１回の吸煙よりも長く基材部分が加熱されない瞬間的加熱とは対照的である。

本明細書では、「吸煙」という用語と「吸入」という用語を同義的に使用し、これらは、ユーザが口又は鼻を通じて自分の体内にエアロゾルを吸い込む動作を意味するものである。吸入は、エアロゾルがユーザの肺に吸い込まれた状況、さらにはエアロゾルがユーザの体から排出される前にユーザの口又は鼻腔のみに吸い込まれた状況を含む。

第１、第２及び第３段階中に連続的にエアロゾルが発生するように、第１、第２及び第３の温度を選択する。第１、第２及び第３の温度は、基材内に存在するエアロゾル形成体の揮発温度に対応する温度範囲に基づいて決定されることが好ましい。例えば、エアロゾル形成体としてグリセリンを使用する場合には、摂氏２９０度〜３２０度以上の温度（すなわち、グリセリンの沸点よりも高い温度）を使用する。第２段階中には、温度が最低許容温度を下回らないことを確実にするための電力を加熱要素に供給することができる。

第１段階では、加熱要素の温度を、エアロゾル形成基材からエアロゾルが発生する第１の温度に上昇させる。多くの装置、特に加熱式喫煙装置では、装置の作動後にできるだけ早く所望の成分を含むエアロゾルを発生させることが望ましい。加熱式喫煙装置の消費者体験を満足のいくものにするには、「最初の吸煙までの時間」が極めて重要と考えられる。消費者は、装置が作動してから最初の吸煙までに長い時間待つ必要があることを望まない。このため、第１段階では、加熱要素をできるだけ速く第１の温度に上昇させるための電力を加熱要素に供給することができる。第１の温度は、許容温度範囲内に収まるように選択することができるが、消費者への最初の送達として満足できる量のエアロゾルを発生させるために、最大許容温度の近くを選択することができる。装置の最初の動作時間中には、装置内の凝縮によってエアロゾルの送達が減少する。

許容温度範囲は、エアロゾル形成基材に依存する。エアロゾル形成基材は、異なる温度において様々な範囲の揮発性化合物を放出する。エアロゾル形成基材から放出される揮発性化合物の中には、加熱過程を通じてしか形成されないものもある。各揮発性化合物は、固有の放出温度以上で放出される。最大動作温度をいくつかの揮発性化合物の放出温度未満に制御することにより、これらの揮発性化合物の成分の放出又は形成を回避することができる。最大動作温度は、通常の動作条件下では基材の燃焼が起きないことを確実にするように選択することもできる。

許容温度範囲は、摂氏２４０度〜摂氏３４０度の下限と、摂氏３４０度〜摂氏４００度の上限とを有することができ、好ましくは摂氏３４０度〜摂氏３８０度とすることができる。第１の温度は、摂氏３４０度〜摂氏４００とすることができる。第２の温度は、摂氏２４０度〜摂氏３４０度、好ましくは摂氏２７０度〜摂氏３４０度とすることができ、第３の温度は、摂氏３４０度〜摂氏４００度、好ましくは摂氏３４０度〜摂氏３８０度とすることができる。第１、第２及び第３の温度の最大動作温度は、いずれも従来の着火端部付きシガレットに存在する望ましくない化合物の燃焼温度又は約摂氏３８０度を超えないことが好ましい。

第２段階及び第３段階では、加熱要素に供給される電力を制御するステップを、加熱要素の温度を許容温度範囲又は所望の温度範囲内に維持するように行うことが有利である。

第１段階から第２段階にいつ遷移すべきか、同様に第２段階から第３段階にいつ遷移すべきかについての決定には多くの可能性がある。１つの実施形態では、第１段階、第２段階及び第３段階の各々が、所定の持続時間を有することができる。この実施形態では、装置の作動後の時間を使用して第２及び第３段階をいつ開始していつ終了するかを決定する。別の例では、加熱要素が第１の目標温度に達したらすぐに第１段階を終了することもできる。さらに別の例では、加熱要素が第１の目標温度に達した後の所定の時間に基づいて第１段階が終了する。別の例では、作動後に加熱要素に送達された総エネルギーに基づいて第１段階及び第２段階を終了することができる。さらに別の例では、装置を、例えば専用の流量センサを用いてユーザによる吸煙を検出するように構成することができ、所定の吸煙回数後に第１及び第２段階を終了することができる。これらの選択肢の組み合わせを用いて、いずれか２つの段階の遷移に適用できることが明らかであろう。加熱要素の動作段階が３つよりも多くの異なるものであってよいことも明らかであろう。

第１段階が終了すると第２段階が開始し、加熱要素の温度が第１の温度よりも低い温度ではあるが許容温度範囲内の第２の温度に低下するように加熱要素への電力を制御する。この加熱要素の温度の低下が望ましい理由は、装置及び基材が温まると、所定の加熱要素の温度で凝縮が抑えられてエアロゾルの送達が増加するからである。第１段階後には、基材が燃焼する可能性を抑えるためにも加熱要素の温度を低下させることが望ましい。また、加熱要素の温度を低下させると、エアロゾル発生装置が消費するエネルギーの量も減少する。さらに、装置の動作中に加熱要素の温度を変化させることにより、時間変調型の温度勾配を基材に導入できるようになる。

第３段階では、加熱要素の温度を上昇させる。第３段階中には、基材がますます枯渇するにつれて継続的に温度を高めることが望ましい。第３段階中に加熱要素の温度を上昇させることにより、基材の枯渇及び熱拡散の低下に起因するエアロゾル送達の減少が補償される。しかしながら、第３段階中における加熱要素の温度の上昇は、あらゆる所望の時間的プロファイルを有することができ、装置及び基材の形状、機材の組成、並びに第１及び第２段階の持続時間に依存することができる。加熱要素の温度は、第３段階全体を通じて許容範囲内に保たれることが望ましい。１つの実施形態では、加熱要素への電力を制御するステップが、第３段階中に加熱要素の温度を継続的に上昇させるように行われる。

加熱要素への電力を制御するステップは、加熱要素の温度又は加熱要素の近くの温度を測定して測定温度を提供し、測定温度と目標温度の比較を行い、この比較結果に基づいて、加熱要素に供給する電力を調整するステップを含むことができる。目標温度は、装置の作動後の第１、第２及び第３段階がもたらされる時間と共に変化することが好ましい。例えば、第１段階中には、目標温度を第１の目標温度とすることができ、第２段階中には、目標温度を第２の目標温度とすることができ、第３段階中には、目標温度を第３の目標温度とすることができ、第３の目標温度は時間と共に次第に上昇する。目標温度は、第１、第２及び第３の動作段階の制約範囲内であらゆる所望の時間的プロファイルを有するように選択できることが明らかであろう。

加熱要素は、電気抵抗性加熱要素とすることができ、加熱要素に供給される電力を制御ステップは、加熱要素の電気抵抗を測定し、この測定した電気抵抗に依存して加熱要素に供給される電流を調整するステップを含むことができる。加熱要素の電気抵抗は加熱要素の温度を示し、従って測定された電気抵抗を目標電気抵抗と比較し、これに応じて供給電力を調整することができる。測定温度を目標温度に導くためには、ＰＩＤ制御ループを使用することができる。さらに、加熱要素の電気抵抗を検出する以外に、バイメタル板、熱電対又は専用サーミスタ、或いは加熱要素から電気的に分離された電気抵抗素子などの、温度を検知するための機構を使用することもできる。これらの選択的な温度検知機構は、加熱要素の電気抵抗をモニタすることによる温度測定に加えて、又はその代わりに使用することができる。例えば、加熱要素の温度が許容温度範囲を超えた時に加熱要素への電力を削減するための制御機構内で別個の温度検知機構を使用することができる。

方法は、エアロゾル形成基材の特性を識別するステップをさらに含むことができる。その後、この識別された特性に依存して、電力を制御するステップを調整することができる。例えば、異なる基材には異なる目標温度を使用することができる。

本発明の第２の態様では、電気作動式エアロゾル発生装置を提供し、この装置は、
エアロゾル形成基材を加熱してエアロゾルを発生させるように構成された少なくとも１つの加熱要素と、
加熱要素に電力を供給するための電源と、
電源から少なくとも１つの加熱要素への電力の供給を制御するための電気回路と、
を備え、この電気回路は、加熱要素に供給される電力を、第１段階において加熱要素の温度が初期温度から第１の温度に上昇し、第２段階において加熱要素の温度が第１の温度未満に低下し、第３段階において加熱要素の温度が再び上昇し、第１、第２及び第３段階中に継続的に電力が供給されるように制御するよう構成される。

各段階の持続時間及び各段階中の加熱要素の温度についての選択肢は、第１の態様に関連して説明した通りである。電気回路は、第１段階、第２段階及び第３段階の各々が一定の持続時間を有するように構成することができる。電気回路は、加熱要素に供給される電力を、第３段階中に加熱要素の温度が継続的に上昇するように制御するよう構成することができる。

この回路は、加熱要素に電力を電流パルスとして供給するように構成することができる。そして、加熱要素に供給される電力は、電流のデューティサイクルを調整することによって調整することができる。このデューティサイクルは、パルス幅又はパルスの周波数、或いはこれらの両方を変更することによって調整することができる。或いは、この回路を、加熱要素に電力を連続ＤＣ信号として供給するように構成することもできる。

電気回路は、加熱要素の温度又は加熱要素の近くの温度を測定して測定温度を提供するように構成された温度検知手段を含むことができるとともに、測定温度と目標温度の比較を行い、この比較に基づいて、加熱要素に供給される電力を調整するように構成することができる。目標温度は、電子メモリに記憶することができ、装置の作動後の第１、第２及び第３段階がもたらされる時間と共に変化することが好ましい。

温度検知手段は、サーミスタなどの専用電気部品、又は加熱要素の電気抵抗に基づいて温度を測定するように構成された回路とすることができる。

電気回路は、装置内のエアロゾル形成基材の特性を識別する手段と、電力制御命令及び対応するエアロゾル形成基材の特性のルックアップテーブルを保持するメモリとをさらに含むことができる。

本発明の第１及び第２の態様では、いずれも加熱要素が電気抵抗材料を含むことができる。好適な電気抵抗材料としては、以下に限定されるわけではないが、ドープセラミック、（例えば二珪化モリブデンなどの）「導電性」セラミック、炭素、黒鉛、金属、金属合金、及びセラミック材料と金属材料から成る複合材料などの半導体が挙げられる。このような複合材料は、ドープセラミック又は非ドープセラミックを含むことができる。好適なドープセラミックの例としては、ドープ炭化珪素が挙げられる。好適な金属の例としては、チタン、ジルコニウム、タンタル、白金、金及び銀が挙げられる。好適な金属合金の例としては、ステンレス鋼、ニッケル含有合金、コバルト含有合金、クロム含有合金、アルミニウム含有合金、チタン含有合金、ジルコニウム含有合金、ハフニウム含有合金、ニオブ含有合金、モリブデン含有合金、タンタル含有合金、タングステン含有合金、スズ含有合金、ガリウム含有合金、マンガン含有合金、金含有合金及び鉄含有合金、及びニッケル、鉄、コバルト、ステンレス鋼、Ｔｉｍｅｔａｌ（登録商標）に基づく超合金、並びに鉄−マンガン−アルミニウム基合金が挙げられる。複合材料では、エネルギー伝達の動力学及び必要な外部的物理化学的特性に依存して、任意に電気抵抗材料を絶縁材料に埋め込み、又は絶縁材料で封入又は被膜することができ、或いはこの逆も可能である。

本発明の第１及び第２の態様では、いずれもエアロゾル発生装置が、内部加熱要素又は外部加熱要素、或いはこれらの両方を含むことができ、この場合、「内部」及び「外部」はエアロゾル形成基材に関するものである。内部加熱要素は、あらゆる好適な形をとることができる。例えば、内部加熱要素は、加熱ブレードの形をとることができる。或いは、この内部ヒータは、異なる導電性部分を有するケーシング又は基材、或いは電気抵抗性金属チューブの形をとることもできる。或いは、内部加熱要素は、エアロゾル形成基材の中心を通る１又はそれ以上の加熱針又はロッドとすることもできる。他の選択肢としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケルクロム）、白金、タングステン、又は合金ワイヤなどの加熱ワイヤ又はフィラメント、或いは加熱プレートが挙げられる。任意に、内部加熱要素は、剛性キャリア材料内又は剛性キャリア材料上に堆積させることもできる。このような１つの実施形態では、規定の温度−抵抗率関係を有する金属を用いて電気抵抗性加熱要素を形成することができる。このような例示的な装置では、セラミック材料などの好適な絶縁材料上のトラックとして金属を形成し、ガラスなどの別の絶縁材料に挟み込むことができる。このようにして形成したヒータを用いて、動作中に加熱要素の加熱と温度のモニタの両方を行うことができる。

外部加熱要素は、あらゆる好適な形をとることができる。例えば、外部加熱要素は、ポリイミドなどの誘電体基板上の１又はそれ以上の可撓性加熱ホイルの形をとることができる。この可撓性ホイルは、基材受け入れキャビティの外周に適合するように成形することができる。或いは、外部加熱要素は、１又は複数の金属グリッド、フレキシブル回路基板、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）、セラミックヒータ、可撓性炭素繊維ヒータの形をとることもでき、或いはプラズマ蒸着などのコーティング技術を用いて好適な成形基板上に形成することもできる。外部加熱要素は、規定の温度−抵抗率関係を有する金属を用いて形成することもできる。このような例示的な装置では、この金属を２つの好適な絶縁材料の層間のトラックとして形成することができる。このようにして形成した外部加熱要素を用いて、動作中に外部加熱要素の加熱と温度のモニタの両方を行うことができる。

内部又は外部加熱要素は、ヒートシンク、又は熱を吸収して蓄えた後に時間と共にエアロゾル形成基材に熱を放出できる材料を含む蓄熱体を含むことができる。ヒートシンクは、好適な金属又はセラミック材料などのあらゆる好適な材料で形成することができる。１つの実施形態では、この材料が高熱容量を有し（顕熱蓄熱材）、又は熱を吸収した後に高温相変化などの可逆過程を通じて熱を放出できる材料である。好適な顕熱蓄熱材としては、シリカゲル、アルミナ、炭素、ガラスマット、ガラス繊維、鉱物類、アルミニウムや銀又は鉛などの金属又は合金、及び紙などのセルロース材料が挙げられる。可逆相変化を通じて熱を放出する他の好適な材料としては、パラフィン、酢酸ナトリウム、ナフタレン、蝋、ポリエチレンオキシド、金属、金属塩、共晶塩の混合物、又は合金が挙げられる。ヒートシンク又は蓄熱体は、エアロゾル形成基材と直接接触して、蓄えた熱を直接基材に伝達できるように構成することができる。或いは、ヒートシンク又は蓄熱体に蓄えられた熱は、金属チューブなどの熱導体を用いてエアロゾル形成基材に伝達することもできる。

加熱要素は、熱伝導によってエアロゾル形成基材を加熱することが有利である。加熱要素は、基材、又は基材が堆積された担体と少なくとも部分的に接触することができる。或いは、内部又は外部加熱要素のいずれかからの熱を、熱伝導要素によって基材に伝導することもできる。

本発明の第１及び第２の態様では、いずれも動作中にエアロゾル形成基材をエアロゾル発生装置に完全に収容することができる。この場合、ユーザは、エアロゾル発生装置のマウスピースを吹かすことができる。或いは、動作中、エアロゾル形成基材を含む喫煙物品をエアロゾル発生装置に部分的に収容することもできる。この場合、ユーザは、喫煙物品を直接吹かすことができる。加熱要素は、装置のキャビティ内に位置することができ、このキャビティは、使用時に加熱要素がエアロゾル形成基材内に存在するようにエアロゾル形成基材を受け入れるよう構成される。

喫煙物品は、実質的に円筒形状とすることができる。喫煙物品は、実質的に細長とすることができる。喫煙物品は、長さと、この長さに対して実質的に垂直な外周とを有することができる。エアロゾル形成基材は、実質的に円筒形状とすることができる。エアロゾル形成基材は、実質的に細長とすることができる。エアロゾル形成基材も、長さと、この長さに対して実質的に垂直な外周とを有することができる。

喫煙物品は、約３０ｍｍ〜約１００ｍｍの全長を有することができる。喫煙物品は、約５ｍｍ〜約１２ｍｍの外径を有することができる。喫煙物品は、フィルタプラグを含むことができる。フィルタプラグは、喫煙物品の下流端に位置することができる。フィルタプラグは、セルロースアセテートフィルタプラグとすることができる。フィルタプラグは、１つの実施形態では長さが約７ｍｍであるが、約５ｍｍ〜約１０ｍｍの長さを有することができる。

１つの実施形態では、喫煙物品が、約４５ｍｍの全長を有する。喫煙物品は、約７．２ｍｍの外径を有することができる。さらに、エアロゾル形成基材は、約１０ｍｍの長さを有することができる。或いは、エアロゾル形成基材は、約１２ｍｍの長さを有することができる。さらに、エアロゾル形成基材の直径は、約５ｍｍ〜約１２ｍｍとすることができる。喫煙物品は、外側紙ラッパを含むことができる。さらに、喫煙物品は、エアロゾル形成基材とフィルタプラグの間に分離距離を有することができる。この分離距離は、約１８ｍｍとすることができるが、約５ｍｍ〜約２５ｍｍであってよい。この分離距離は、エアロゾルが喫煙物品内を基材からフィルタプラグに通過する際にエアロゾルを冷却する熱交換器によって喫煙物品内で満たされることが好ましい。熱交換器は、例えば、皺寄せしたＰＬＡ材料などの高分子フィルタとすることができる。

本発明の第１及び第２の態様では、いずれもエアロゾル形成基材を固体エアロゾル形成基材とすることができる。或いは、エアロゾル形成基材は、固体成分と液体成分の両方を含むこともできる。エアロゾル形成基材は、加熱時に基材から放出される揮発性タバコ香味化合物を含むタバコ含有材料を含むことができる。或いは、エアロゾル形成基材は、非タバコ材料を含むこともできる。エアロゾル形成基材は、エアロゾル形成体をさらに含むことができる。好適なエアロゾル形成体の例には、グリセリン及びプロピレングリコールがある。

エアロゾル形成基材が固体エアロゾル形成基材である場合、固体エアロゾル形成基材は、例えば、ハーブ葉、タバコ葉、タバコ茎の断片、再構成タバコ、均質化タバコ、抽出タバコ、成型葉タバコ及び膨張タバコのうちの１つ又はそれ以上を含む粉末、顆粒、ペレット、小片、細糸、条片又はシートのうちの１つ又はそれ以上を含むことができる。固体エアロゾル形成基材は、バラバラの形であっても、又は好適な容器又はカートリッジに入れて提供することもできる。任意に、固体エアロゾル形成基材は、基材の加熱時に放出される追加のタバコ又は非タバコ揮発性香味化合物を含むこともできる。固体エアロゾル形成基材は、追加のタバコ又は非タバコ揮発性香味化合物を含むカプセルを含むこともでき、このようなカプセルは、固体エアロゾル形成基材の加熱中に溶解することができる。

本明細書で使用する均質化タバコとは、粒子状タバコを塊にすることによって形成される材料を意味する。均質化タバコは、シートの形をとることができる。均質化タバコ材料は、５乾燥重量％を上回るエアロゾル形成体含有量を有することができる。或いは、均質化タバコ材料は、５〜３０乾燥重量％のエアロゾル形成体含有量を有することもできる。均質化タバコ材料のシートは、タバコ葉の葉身とタバコ葉の茎の一方又は両方をすり潰し又は別様に粉砕することによって得られる粒子状タバコを塊にすることによって形成することができる。これとは別に、又はこれに加えて、均質化タバコ材料のシートは、例えばタバコの処理、取り扱い及び出荷中に副産物として形成されるタバコくず、タバコ粉末及びその他の粒子状タバコのうちの１つ又はそれ以上を含むこともできる。均質化タバコ材料のシートは、粒子状タバコを塊にする支援となるように、タバコの内部を発生源とする１又はそれ以上の内因性バインダ、タバコの外部を発生源とする１又はそれ以上の外因性バインダ、又はこれらの組み合わせを含むことができ、またこれとは別に、又はこれに加えて、均質化タバコ材料のシートは、以下に限定されるわけではないが、タバコ及び非タバコ繊維、エアロゾル形成体、保湿剤、可塑剤、香味料、充填剤、水性及び非水性溶媒、並びにこれらの組み合わせを含む他の添加物を含むこともできる。

任意に、固体エアロゾル形成基材は、熱的に安定した担体上に提供し、又はこの担体に埋め込むことができる。この担体は、粉末、顆粒、ペレット、小片、細糸、条片又はシートの形をとることができる。或いは、この担体は、その内面又は外面、或いはこれらの両方に固体基材の薄層が堆積した管状担体とすることもできる。このような管状担体は、例えば、用紙又は用紙状材料、不織性炭素繊維マット、低質量網目金属スクリーン又は有孔金属ホイル、或いは他のいずれかの熱的に安定した高分子マトリックスで形成することができる。

固体エアロゾル形成基材は、例えば、シート、泡、ゲル又はスラリの形で担体の表面に堆積させることができる。固体エアロゾル形成基材は、担体の表面全体に堆積させることもでき、或いは使用中に不均一な香味送達が行われるように一定パターンで堆積させることもできる。

以上、固体エアロゾル形成基材について言及したが、当業者には、他の実施形態では他の形のエアロゾル形成基材を使用できることが明らかであろう。例えば、エアロゾル形成基材は、液体エアロゾル形成基材であってもよい。液体エアロゾル形成基材を提供する場合、エアロゾル発生装置は、液体を保持する手段を有することが好ましい。例えば、液体エアロゾル形成基材は、容器内に保持することができる。これとは別に、又はこれに加えて、液体エアロゾル形成基材を多孔性担体材料に吸収させることもできる。多孔性担体材料は、例えば、発泡金属又はプラスチック材料、ポリプロピレン、テリレン、ナイロン繊維又はセラミックなどのあらゆる好適な吸収プラグ又は吸収体から形成することができる。液体エアロゾル形成基材は、エアロゾル発生装置の使用前に多孔性担体材料内に保持することができ、或いは、液体エアロゾル形成基材材料を使用中又は使用直前に多孔性担体材料内に放出することもできる。例えば、液体エアロゾル形成基材は、カプセルに入れて提供することができる。カプセルの殻は、加熱時に溶解して、液体エアロゾル形成基材を多孔性担体材料内に放出することが好ましい。カプセルは、任意に液体と組み合わせて固体を含むこともできる。

或いは、この担体は、タバコ成分が組み込まれた不織布又は繊維束とすることもできる。この不織布又は繊維束は、例えば、炭素繊維、天然セルロース繊維又はセルロース派生繊維を含むことができる。

本発明の第１及び第２の態様では、いずれもエアロゾル発生装置が、加熱要素に電力を供給するための電源をさらに備えることができる。この電源は、例えばＤＣ電圧源などのあらゆる好適な電源とすることができる。１つの実施形態では、電源がリチウムイオン電池である。或いは、電源は、ニッケル水素電池、ニッカド電池、又は、例えばリチウムコバルト電池、リン酸鉄リチウム電池、チタン酸リチウム電池又はリチウムポリマー電池などのリチウムベースの電池とすることができる。

本発明の第３の態様では、本発明の第１の態様の方法を実行するように構成された、電気作動式エアロゾル発生装置のための電気回路を提供する。

本発明の第４の態様では、電気作動式エアロゾル発生装置のためのプログラム可能な電気回路上で実行された時に、このプログラム可能な電気回路に本発明の第１の態様の方法を実行させるコンピュータプログラムを提供する。本発明の第５の態様では、本発明の第４の態様によるコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ可読記憶媒体を提供する。

異なる態様を参照しながら本開示について説明したが、本開示の１つの態様に関連して説明した特徴を、本開示の他の態様にも適用できることが明らかであろう。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態をほんの一例として詳細に説明する。

本発明による電気加熱式喫煙装置の概略図である。 図１に示すタイプの装置の第１の実施形態の前端部の概略断面図である。 加熱要素の平坦な温度プロファイルの概略図である。 平坦な温度プロファイルによってエアロゾル送達が減少している概略図である。 本発明の実施形態による加熱要素の温度プロファイルの概略図である。 本発明の実施形態による一定したエアロゾル送達の概略図である。 本発明の１つの実施形態による、加熱要素の温度調整を行うために使用する制御回路を示す図である。 本発明によるいくつかの別の目標温度プロファイルを示す図である。

図１に、電気加熱式エアロゾル発生装置１００の実施形態の構成要素を単純化した形で示す。詳細には、図１では、電気加熱式エアロゾル発生装置１００の要素を縮尺通りに示していない。図１では、本実施形態の理解と関係のない要素については単純化のために省略している。

電気加熱式エアロゾル発生装置１００は、ハウジング１０と、例えばシガレットなどのエアロゾル形成基材１２とを備える。エアロゾル形成基材１２は、ハウジング１０の内部に押し込まれて加熱要素１４と熱的に近接する。エアロゾル形成基材１２は、異なる温度において様々な範囲の揮発性化合物を放出する。電気加熱式エアロゾル発生装置１００の動作温度をいくつかの揮発性化合物の放出温度未満になるように制御することにより、これらの揮発性化合物の成分の放出又は形成を回避することができる。

ハウジング１０内には、例えば充電式リチウムイオン電池などの電気エネルギー供給源１６が存在する。加熱要素１４、電気エネルギー供給源１６、及び、例えばボタン又はディスプレイなどのユーザインターフェイス２０には、コントローラ１８が接続される。コントローラ１８は、加熱要素１４の温度を調整するために、加熱要素１４に供給される電力を制御する。通常、エアロゾル形成基材は、摂氏２５０度〜摂氏４５０度の温度に加熱される。

説明する実施形態では、加熱要素１４が、セラミック基板上に堆積された１又は複数の電気抵抗トラックである。セラミック基板はブレードの形をとり、使用時にはエアロゾル形成基材１２に挿入される。図２は、装置の前端部の概略図であり、装置内を流れる空気流を示している。なお、図２では、装置の要素の相対的寸法を正確に示していない。エアロゾル形成基材１２を含む喫煙物品１０２は、装置１００のキャビティ２２内に受け入れられる。装置内には、ユーザが喫煙物品１０２のマウスピース２４を吸引する動作によって空気が吸い込まれる。空気は、ハウジング１０の近位面を形成する入口２６を通じて吸い込まれる。装置内に吸い込まれた空気は、キャビティ２２の外側周囲の空気チャネル２８を通過する。吸い込まれた空気は、キャビティ２２内に設けられたブレード状の加熱要素１４の近位端に隣接する喫煙物品１０２の遠位端においてエアロゾル形成基材１２に入り込む。吸い込まれた空気は、エアロゾル形成基材１２内を進み、エアロゾルを同伴して、喫煙物品１０２の唇側端部に至る。エアロゾル形成基材１２は、タバコベースの材料の円筒形プラグである。

図３に示すように、現行のエアロゾル発生装置は、動作中に一定の温度をもたらすように構成されている。装置の作動後には、目標温度５０に達するまで加熱要素に電力が供給される。目標温度５０に達すると、加熱要素は、装置が停止するまでこの温度に維持される。図４は、図３に示す平坦な温度プロファイルを用いた主要エアロゾル成分の送達を示す概略図である。線５２は、装置の作動中に送達されるグリセロール又はニコチンなどの主要エアロゾル成分の量を表す。成分の送達はピークを迎え、その後、基材が枯渇して熱拡散効果が弱まるにつれ、時間と共に低下することが分かる。

図５は、本発明の実施形態による加熱要素の温度プロファイルの概略図である。線６０は、経時的な加熱要素の温度を表す。

第１段階７０では、加熱要素の温度が大気温度から第１の温度６２に上昇する。温度６２は、最低温度６６と最高温度６８の間の許容温度範囲内にある。許容温度変化は、基材から所望の揮発性化合物は揮発するものの、さらなる高温で揮発する望ましくない化合物は揮発しないように設定される。また、許容温度範囲は、通常の動作条件下、すなわち通常の温度、圧力、湿度、ユーザの吸煙動作及び空気組成で基材の燃焼が生じ得る温度未満でもある。

第２段階７２では、加熱要素の温度が第２の温度に低下する。第２の温度は、許容温度範囲内にあるが、第１の温度よりも低い。

第３段階７４では、加熱要素の温度が、停止時間７６まで次第に上昇する。加熱要素の温度は、第３段階全体を通じて許容温度範囲内に保たれる。

図６は、図５に示す加熱要素の温度プロファイルによる主要エアロゾル成分の送達プロファイルの概略図である。加熱要素の作動後の初期送達増加後、送達は、加熱要素が停止するまで一定を保つ。第３段階における温度の上昇が、基材のエアロゾル形成体の枯渇を補償する。

図７には、本発明の１つの実施形態による、説明した温度プロファイルを実現するために使用する制御回路を示す。

ヒータ１４は、接続部４２を介して電池に接続される。この電池（図７には図示せず）は、電圧Ｖ２を供給する。加熱要素１４と直列に、既知の抵抗ｒのさらなる抵抗器４４が挿入され、接地と電圧Ｖ２の中間の電圧Ｖ１に接続される。電流の周波数変調はマイクロコントローラ１８によって制御され、そのアナログ出力４７を介して、単純なスイッチとして機能するトランジスタ４６に送達される。

この調整は、マイクロコントローラ１８に組み込まれたソフトウェアの一部であるＰＩＤレギュレータに基づく。加熱要素の温度（又は温度の指示）は、加熱要素の電気抵抗を測定することによって求められる。加熱要素を目標温度に保持するために、又は加熱要素の温度を目標温度に向けて調整するために、この求められた温度を用いて、加熱要素に供給される電流のパルスのデューティサイクル（この例では周波数変調）を調整する。温度は、デューティサイクルの制御に適合するように選択された頻度で求められ、１００ｍｓ毎に１回の頻度で求めることができる。

マイクロコントローラ１８へのアナログ入力４８は、抵抗４４の電圧を収集するために使用されるとともに、加熱要素を流れる電流の画像を提供する。バッテリ電圧Ｖ＋及び抵抗器４４の電圧を使用して、加熱要素の抵抗変動及び／又はその温度を計算する。

特定の温度で測定されるヒータの抵抗をＲ_heaterとする。マイクロプロセッサ１８がヒータ１４の抵抗Ｒ_heaterを測定するには、ヒータ１４の電流及びヒータ１４の電圧の両方を求めればよい。この結果、以下の周知の式を用いて抵抗を求めることができる。

（１）

図６では、ヒータの電圧がＶ２−Ｖ１であり、ヒータの電流がＩである。従って、以下の式が得られる。

（２）

抵抗ｒが既知であるさらなる抵抗器４４を用いて、再び上記の（１）を使用して電流Ｉを求める。抵抗器４４の電流はＩであり、抵抗器２４の電圧はＶ１である。従って、以下の式が得られる。

（３）

よって、（２）と（３）を組み合わせると、以下の式が得られる。

（４）

このように、マイクロプロセッサ１８は、エアロゾル発生システムが使用されている時にＶ２及びＶ１を測定することができ、ｒの値が既知であることにより、特定の温度におけるヒータの抵抗Ｒ_heaterを求めることができる。

ヒータの抵抗は、温度と相関性がある。線形近似を用いて、温度Ｔと、温度Ｔにおいて測定値された抵抗Ｒ_heaterとを以下の式に従って関連付けることができる。

（５）
式中、Ａは、加熱要素材料の熱抵抗率係数であり、Ｒ₀は、室温Ｔ₀における加熱要素の抵抗である。

単純な線形近似が動作温度の範囲にわたって十分でない場合、抵抗と温度の関係を近似させるための他のさらに複雑な方法を使用することもできる。例えば、別の実施形態では、各々が異なる温度範囲をカバーする２又はそれ以上の線形近似の組み合わせに基づいて関係を導出することができる。このスキームは、ヒータの抵抗を測定する３又はそれ以上の温度校正点に依拠する。これらの校正点の中間の温度では、校正点の値から抵抗値が補間される。校正点温度は、動作中のヒータの予想温度範囲をカバーするように選択される。

これらの実施形態の利点は、大型で高価になり得る温度センサを必要としない点である。また、ＰＩＤレギュレータが、温度の代わりに直接抵抗値を使用することができる。この抵抗値が、方程式（５）に示すように加熱要素の温度に直接相関付けられる。従って、測定した抵抗値が所望の範囲内である場合、加熱要素の温度も所望の範囲内である。従って、実際の加熱要素の温度を計算する必要がない。しかしながら、別個の温度センサを用いてマイクロコントローラに接続し、必要な温度情報を提供することも可能である。

図８に、３つの動作段階をはっきりと確認できる目標温度プロファイルの例を示す。第１段階７０では、目標温度がＴ₀に設定される。加熱要素の温度をできるだけ速くＴ₀に上昇させるように加熱要素に電力を供給する。上述したように、ＰＩＤレギュレータを用いて、装置の動作全体を通じて加熱要素の温度をできるだけ目標温度の近くに保持する。時刻ｔ₁において目標温度がＴ₁に変化しており、これは第１段階７０が終了して第２段階が開始したことを意味する。目標温度は、時刻ｔ₂までＴ₁に維持される。時刻ｔ₂において、第２段階が終了して第３段階７４が開始する。第３段階７４中には、目標温度が時刻ｔ₃まで時間の増加と共に線形的に上昇し、時刻ｔ₃において目標温度がＴ₂になり、これ以上加熱要素に電力が供給されなくなる。

図８に示す形状の目標温度プロファイルは、図５に示す形状の実際の温度プロファイルをもたらす。Ｔ₀、Ｔ₁、Ｔ₂の値は、特定の基材及び特定の装置、加熱要素及び基材形状に適するように調整することができる。同様に、ｔ₁、ｔ₂及びｔ₃の値も、状況に適するように選択することができる。

１つの例では、第１段階が４５秒の長さであってＴ₀が３６０℃に設定され、第２段階が１４５秒の長さであってＴ₁が３２０℃であり、第３段階が１７０秒の長さであってＴ₂が３８０℃である。喫煙体験は、合計３６０秒にわたって続く。

別の例では、第１段階が６０秒の長さであってＴ₀が３４０℃に設定され、第２段階が１８０秒の長さであってＴ₁が３２０℃であり、第３段階が１２０秒の長さであってＴ₂が３６０℃である。この場合も、加熱サイクル又は喫煙体験は、合計３６０秒にわたって続く。

さらに別の例では、第１段階が３０秒の長さであってＴ₀が３８０℃に設定され、第２段階が１１０秒の長さであってＴ₁が３００℃であり、第３段階が２２０秒の長さであってＴ₂が３４０℃である。

各動作段階の持続時間及び温度目標は、コントローラ１８内のメモリに記憶される。この情報は、マイクロコントローラによって実行されるソフトウェアの一部とすることができる。一方、この情報は、マイクロコントローラが異なるプロファイルを選択できるようにルックアップテーブルに記憶することもできる。消費者は、ユーザの好み又は加熱する特定の基材に基づいて、ユーザインターフェイスを介して異なるプロファイルを選択することができる。装置は、光学リーダなどの基材識別手段、及び識別された基材に基づいて自動的に選択される加熱プロファイルを含むことができる。

別の実施形態では、目標温度Ｔ₀、Ｔ₁及びＴ₂のみがメモリに記憶され、各段階間の遷移が吸煙回数によって引き起こされる。例えば、マイクロコントローラは、流量センサから吸煙回数データを受け取ることができ、２回の吸煙後に第１段階を終了し、さらなる５回の吸煙後に第２段階を終了するように構成することができる。

上述した実施形態の各々では、図３に示す平坦な加熱プロファイルと比較した場合、基材の加熱中にエアロゾルがより均等に送達されるようになる。最適な加熱プロファイルは複数の要因に依存し、所与の装置、基材の形状及び基材の組成に関して実験的に求めることができる。例えば、装置は、１つよりも多くの加熱要素を含むことができ、加熱要素の構成は、基材の枯渇及び熱拡散効果に影響を与える。各加熱要素は、異なる加熱プロファイルを有するように制御することができる。加熱要素に対する基材の形状及びサイズも重要な因子である。

上述の例示的な実施形態は例示的なものであって限定的なものではないことが明らかであろう。上述した例示的な実施形態を考慮すれば、当業者には、これらの例示的な実施形態に従う他の実施形態が既に明らかであろう。

６０ 線
６２ 第１の温度
６６ 最低温度
６８ 最高温度
７０ 第１段階
７２ 第２段階
７４ 第３段階
７６ 停止時間

Claims (17)

1. エアロゾル発生装置におけるエアロゾルの発生を制御する方法であって、前記装置は、 エアロゾル形成基材を加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素を含むヒータと、
   前記加熱要素に電力を供給するための電源と、
   を備え、前記方法は、
   前記加熱要素に供給される前記電力を、第１段階において前記加熱要素の温度が初期温度から第１の温度に上昇するように電力が供給され、第２段階において前記加熱要素の温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度に低下するように電力が供給され、第３段階において前記加熱要素の温度が再び上昇するように電力が供給されるよう制御するステップを含む、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記加熱要素に供給される前記電力を制御するステップは、前記第２段階及び前記第３段階において前記加熱要素の温度を所望の温度範囲内に維持するように行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記所望の温度範囲は、摂氏２４０度〜摂氏３４０度の下限と、摂氏３４０度〜摂氏４００度の上限とを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の温度は、摂氏３４０度〜摂氏４００度である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記第１段階、前記第２段階又は前記第３段階は、所定の持続時間を有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記第１段階は、前記加熱要素が前記第１の温度に達した時に終了する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記第２段階の前記持続時間は、前記第２段階中に前記加熱要素に供給された総電力量に基づいて決定される、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. ユーザによる前記エアロゾル発生装置の吸煙を検出するステップをさらに含み、前記第１、第２又は第３段階は、ユーザによる所定の吸煙回数を検出した後に終了する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記エアロゾル形成基材の特性を識別するステップをさらに含み、前記電力を制御するステップは、前記識別された特性に依存して調整される、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 電気作動式エアロゾル発生装置であって、
    エアロゾル形成基材を加熱してエアロゾルを発生させるように構成された少なくとも１つの加熱要素と、
    前記加熱要素に電力を供給するための電源と、
    前記電源から少なくとも前記１つの加熱要素への電力の供給を制御するための電気回路と、
    を備え、前記電気回路は、
    前記加熱要素に供給される前記電力を、第１段階において前記加熱要素の温度が初期温度から第１の温度に上昇し、第２段階において前記加熱要素の温度が前記第１の温度未満に低下し、第３段階において前記加熱要素の温度が再び上昇し、前記第１、第２及び第３段階中に継続的に電力が供給されるように制御するよう構成される、
    ことを特徴とする電気作動式エアロゾル発生装置。
11. 前記電気回路は、前記第１段階、前記第２段階及び前記第３段階のうちの少なくとも１つが一定の持続時間を有するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気作動式エアロゾル発生装置。
12. ユーザによる前記エアロゾル発生装置の吸煙を検出する手段をさらに備え、前記電気回路は、前記第１、第２又は第３段階のうちの少なくとも１つがユーザによる所定の吸煙回数を検出した後に終了するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の電気作動式エアロゾル発生装置。
13. 前記装置内の前記エアロゾル形成基材の特性を識別する手段をさらに備え、前記制御回路は、電力制御命令及び対応するエアロゾル形成基材の特性のルックアップテーブルを保持するメモリを含む、
    ことを特徴とする請求項１０、１１又は１２に記載の電気作動式エアロゾル発生装置。
14. 前記加熱要素は、前記装置のキャビティ内に位置し、該キャビティは、使用時に前記加熱要素が前記エアロゾル形成基材内に存在するように該エアロゾル形成基材を受け入れるよう構成される、
    ことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の電気作動式エアロゾル発生装置。
15. 電気作動式エアロゾル発生装置のための電気回路であって、請求項１に記載の方法を実行するように構成される、
    ことを特徴とする電気回路。
16. 電気作動式エアロゾル発生装置のためのプログラム可能な電気回路上で実行された時に、該プログラム可能な電気回路に請求項１に記載の方法を実行させる、
    ことを特徴とするコンピュータプログラム。
17. 請求項１に記載のコンピュータプログラムを記憶している、
    ことを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体。

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