DE2814517A1

DE2814517A1 - Ultraschallgeraet

Info

Publication number: DE2814517A1
Application number: DE19782814517
Authority: DE
Inventors: Raymond L Abair; Jun Stanley J Kulish
Original assignee: Champion Spark Plug Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1978-04-04
Publication date: 1978-11-16
Also published as: JPS6017583B2; US4113809A; FR2386357A1; CA1106053A; JPS53122911A; GB1594750A; BR7802061A

Description

DJPL.-PHYS. F. ENDLICH u-eo_d4 unterpfaffenhop-n 31. März 1978 S/fcn

PATENTANWALT J— 28145T7

MÜNCHEN 84 36 38

rnunc

F. ENDLICH, POSTFACH D - BO34 -UNTERPFAFFEN HOFEN

TELEX: B2173O

Meine Akte: C-UU

Champion Spark Plug Company, Toledo, USA Ultraschallgerät

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallgerät, insbesondere ein Ultraschall-Zerstäubungsgerät, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ultraschall-Zerstäubungsgeräte werden allgemein zur Zuführung von Aerosolen in Medikamentform bei Patienten verwendet, die an Atembeschwerden leiden, beispielsweise Emphysem. Ultraschall-Zerstäubungsgeräte weisen im allgemeinen einen keramischen piezoelektrischen Wandler auf, der am Boden eines FlUssigkeitsbehälters angeordnet ist, sowie eine Hochfrequenzquelle zur Erregung des Wandlers. Wenn der Wandler durch einen Wechselstrom mit einer Frequenz bei oder nahe seiner Resonanzfrequenz erregt wird, schwingt er, so daß Über der Oberfläche der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit

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eine Quelle und aus dieser Quelle äußerst feine Flüssigkeitspartikel erzeugt werden. Die vom Patienten inhalierte Luft wird an dieser Quelle vorbeigezogen, so daß die feinen Flüssigkeitspartikel in den Luftstrom eintreten und auf diese Weise das Medikament dem Patienten zugeführt wird. In Krankenhäusern sind relativ große Ultraschall-Zerstäubungsgeräte üblich. Diese Zerstäubungsgeräte werden auf Tische aufgesetzt oder auf einer Säule bzw. einem Gestell befestigt. Für Patienten, die eine häufige medikamentöse Behandlung oder Zuführung erfordern, sind kleinere, tragbare Zerstäubungsgeräte wünschenswert. Bei einem mit der Hand haltbaren Zerstäubungsgerät ist eine innere Speisequelle zur Erzeugung des hochfrequenten Stromes vorgesehen. Eine abgemessene Dosis des Medikaments wird in das Zerstäubungsgerät eingesetzt, um dem Patienten zugeführt zu werden. Bei derartigen Ultraschall-Zerstäubungsgeräten treten jedoch beträchtliche Probleme auf. So ist bei einem dieser von Hand tragbaren Zerstäubungsgeräte ein drücker- oder fingerbetätigter Schalter am Zerstäubungsgerät zum manuellen Einschalten bzw. Erregen des Wandlers während des Inhalierens vorgesehen. Da ein Aerosol jedoch nicht erzeugt wird, wenn der Schalter nicht geschlossen ist, enthält ein Teil des inhalierten Gases kein Medikament, falls der Patient nicht in geeigneter Weise zeitlich das Schließen des Schalters mit dem Inhalieren abstimmt. Bei einem anderen derartigen Zerstäubungsgerät kann die Speisequelle so angeschlossen sein, daß sie kontinuierlich den Wandler erregt. Bei beiden Arten von Zerstäubungsgeräten besteht jedoch in erhöhter V/eise die Möglichkeit, daß der Wandler beschädigt wird, da der Wandler in einem mechanisch nicht belasteten oder trockenen Zustand*in Betrieb gesetzt sein kann. Dies kann insbesondere deswegen auftreten, weil es erwünscht ist, das Zerstäubungsgerät bis in den Trockenzustand arbeiten zu lassen, um die vollständig ausgemessene Dosis des Medikaments dem Patienten

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zuzuführen und weil der Patient das im der Hand tragbare Zerstäubuugsgerät irgendwann mit einer Kappe versehen kann, wodurch das flüssige Medikament vom Wandler wegstromen kann. Zerstäubungsgerste größerer Dimension, die" auf einem Sockel befestigt oder ouf einem Tisch aufgesetzt sind, weisen Schalter zur Feststellung des Flüssigkeitspegels auf, die das Zerstäubungsgerät obschalten, wenn der Flüssigkeitspegel unter einen vorbestimmten Mert obfällt.

Typische ?ekannte Zerstäubungsgeräte enthalten eine Hochfrequenzquelle, die in öblicher Weise .nit dem piezoelektrischen Kristall-lfandler gekoppelt ist. Eine solche Anordnung gibt eine volle Leistung au den Wandler ab, wenn sie mechanisch belastet ©der mit einer Flüssigkeit bedeckt ist und ouch dann, wenn sie nicht mit der Flüssigkeit bedeckt und mechanisch nicht belastet ist. Ifenn der Wandler trocken .wird oder mechanisch nicht belastet ist, koran er Jedoch beschädigt oder zerstört werden, wenn die Leistung kontinuierlich weiter angelegt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Öltraschall-Zerstäubungs— gerät zu schaffen, welches die vorstehend angegebenen Nachteile und Schwierigkeiten vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgeiaäß durch den Gegenstand des iHauptanspruchs gelöst* Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den

Die Erfindung schafft ein iUltrascball-Zerstäubungsgerät zur Zuführung von Aerosol in Form von Medikamenten, dessen Schaltung so aufgebaut ist, daß die dem piezoelektrischen Kristall-Wandler zugeführte Energie automatisch abnimmt, wenn der Wandler einen trockenen Zustand oder unbelasteten Zustand einnimmt, damit der Handler gegenüber einer Beschädigung auf Grund zu hoher Leistungsabgabe geschützt wird. Die Energieabnanme kann dadurch erreicht werden, daß eine induktive Kopplung zwischen dem Speiseoszillator und dem Handler vorgesehen wird.

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die so abgestimmt ist, daß sie mit der Massenkapazität des Wandlers in Resonanz steht. Eine Impedanzänderung des Wandlers nach Beseitigung der mechanischen Belastung bewirkt eine Verstimmung der Schaltung durch Nebenschließen der Massenkapazität des Wandlers mit einem niedrigen Widerstand, der die dem Wandler zugeführte Leistung reduziert.

Das Zerstäubiingsgerät weist eine Hochfrequenzquelle auf, die den aus einem piezoelektrischen Kristall aufgebauten Wandler bei oder nahe bei dessen Resonanzfrequenz ansteuert. Das Hochfrequenzausgangssignal des Oszillators wird über einen Induktor dem Wandler zugeführt. Der Induktor ist so abgestimmt, daß er mit der Massenkapazität des Wandlers resoniert. Wenn die Flüssigkeitsbelastung aufgebraucht oder auf andere Weise vom Wandler entfernt wird, ergibt sich eine wesentliche Verringerung des Wirkwiderstandes des Wandlers, was zu einem Nebenschluß der Massenkapazität des Wandlers führt. Die äquivalenten Eigenschaften oder Impedanz des Wandlers ändert sich von einem Zustand, in welchem der Wandler primär kapazitiv wirkt, in einen Zustand, in dem er im wesentlichen einen niedrigen Widerstand gegenüber Signalen bei oder nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers darstellt. Infolge dieser Impedanzänderung wird die dem Wandler zugeführte Energie wesentlich reduziert, wodurch der Wandler gegen Beschädigungen geschützt ist. Im Normalbetrieb inhaliert der Patient periodisch, so daß Aerosol und Wärme vom Zerstäubungsgerät abgegeben wird. Das Zerstäubungsgerät ist so konzipiert, daß es die durch die Energieverluste erzeugte Wärme in dem Wandler abgibt , wenn der Patient Aerosol inhaliert. Wenn jedoch Aerosol nicht periodisch aus dem Zerstäbungsgerät abgezogen wird, kann die sich auf Grund eines unwirksamen Zustands des Wandlers ergebende Wärme in einem mechanisch belasteten Zustand zu einer

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unerwünschten Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur über ein Zeitintervall fuhren. Dieses Problem kann dadurch beseitigt werden, daß ein thermischer Schutzschalter in dem Gerät vorgesehen wird.

Da der Wandler vor einer Beschädigung auf Grund eines zu großen Energieverbrauchs geschlitzt wird, wenn er sich in einem mechanisch nicht belasteten oder trockenen Zustand befindet, kann das Ultraschall-Zerstäubungsgerät kontinuierlich erregt werden und bedarf keines DrUckers oder Schalters, wie es bei dem bekannten Handgerät der Fall ist. Das kontinuierlich erzeugte Aerosol wird in dem Zerstäubungsgerät durch eine rohrförmige Hülse und ein Einwegeventil mit Ausnahme des Inhalationszeitraumes gesammelt. Infolgedessen empfängt der Patient bei jedem Inhalieren sofort eine Dosis des Medikaments. Der Patient kann darüber hinaus die gesamte, abgemessene Dosis des in das Zerstäubungsgerät eingegebenen Medikaments aufbrauchen, ohne daß eine Beschädigung des Zerstäubungsgeräts dadurch möglich ist, daß es einen Trockenzustand erreicht.

Das erfindungsgemäße Zerstäubungsgerät weist somit eine verbesserte Schaltung zum Schütze des piezoelektrischen Wandlers auf, wenn der Wandler in einem mechanisch nicht belasteten Zustand betrieben wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Zerstäubungsgerät zur Zuführung eines Aerosols in Medikamentform zu einem Patienten wird das Ausgangssignal eines Oszillators Über einen Serieninduktor einem Wandler zugeführt, der neben einem Behälter angeordnet ist, so daß aus dem Medikament ein Aerosol erzeugt wird. Der Induktor ist so abgestimmt, daß er eine Serienresonanz zu der Massenkapazität des Wandlers bildet. Eine Impedanzänderung des Wandlers nach Beseitigung der Flüssigkeit oder Aufbrauch der Flüssigkeit im Behälter führt zu

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einer Reduzierung der dem Wandler zugeleiteten Leistung bzw. Energie, so daß der Wandler vor einer Beschädigung geschützt wird. Bei diesem Zerstäubungsgerät handelt es sich insbesondere um ein Hand-Zerstäubungsgerät.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des Ultraschall-Zerstäubungsgeräts anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigenr

Fig. 1 eine Perspektivansicht des Ultraschall-Handzerstäubungsgeräts mit der vom Zerstäubungsgerät entfernt liegenden Speisequelle,

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht durch das Zerstäubungsgerät nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Schaltung der Ultraschall Speisequelle, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Ersatzschaltbildes eines keramischen, piezoelektrischen Wandlers während des Betriebs bei oder nahe der Resonanz.

Fig. 1 zeigt eine mit 10 bezeichnete Zerstäubungseinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung . Die Zerstäubungseinheit 10 enthält eine Speisequelle 11, die ein Hochfrequenzsignal abgibt und über ein Koaxialkabel 12 an das Zerstäubungshandgerät 13 anlegt. Die Speisequelle 11 ist mit einem Ein-Aus-Schalter \4 und einer Kontrollampe 15 versehen. Für die Speisequelle 11 und für das Ultraschall-Zerstäubungsgerät 13 sind keine weiteren Kontrollen erforderlich, da das Aerosol von dem Zerstäubungsgerät 13 nur dann ab-

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gegeben wird, wenn der Patient über einen Aerosol-Auslaß 16 inhaliert; das Zerstäubungsgerät 13 wird vor einer Beschädigung geschützt, wenn es in einem mechanisch nicht belasteten oder leeren Zustand arbeitet. Vorzugsweise ist das Zerstäubungsgerät 13 ausreichend klein, so daß es von einem Patienten mit der Hand gehalten werden kann. Die kleine Größe des Zerstäubungsgeräts 13 führt dazu, daß es insbesondere für den Hausgebrauch und für bettlägerige Patienten geeignet ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Zerstäubungsgerät auch so aufgebaut sein, daß die Speisequelle 11 und der Ultraschall-Zerstäuber 13 in einem gemeinsamen Gehäuse kombiniert sein können, welches auf einem Tisch oder einer anderen geeigneten Unterlage aufgestellt wird. Für eine wirtschaftliche medikamentöse Behandlung und für eine umfangreiche Anwendung bei medikamentösen Behandlungen ist es wünschenswert, ein ZufUhrungsrohr minimaler Länge zwischen dem Zerstäubungsgerät und dem Patienten einzusetzen.

Fig. 2 ist eine vertikale Schnittansicht durch das Zerstäubungsgerät 13. Das Ultraschall-Zerstäubungsgerät 13 weist einen keramischen piezoelektrischen Wandler 17 auf, der in ein Metallgehäuse eingesetzt ist, welches aus einer Dose 18 und einem Deckel 19 besteht. Die Dose 18 und der Deckel 19 werden durch ein schützendes Endteil 20 zusammengehalten, das aus Gummi oder einem elastischen synthetischen Kunstharzmaterial besteht. Das Koaxialkabel 12 geht durch das Endteil 20 und den Deckel 19 hindurch und ist über einen thermischen Schalter 21 an den Wandler 17 angeschlossen. Die Abschirmung 22 des Koaxialkabels 12 ist über eine Masse-Anschlußfahne 23, eine Platte 24 und Bolzen 25 zu der Dose 18 und dann zu der oberen Fläche des Wandlers 17 geführt. Der abgeschirmte Draht des Koaxialkabels 12 ist dagegen über den Wärmeschalter 21 mit der Bodenfläche des Wandlers 17 verbunden. Während normaler Betriebszustände bildet der thermische Schalter 21 eine elektrische Verbindung zwischen dem Koaxialkabel 12 und

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dem Wandler 17. Wenn jedoch der Wandler 17 eine vorbestimmte Sicherheitstemperatur überschreitet, beispielsweise 140 Farad, dann öffnet sich der Schalter 21 und es wird die Verbindung zwischen der Speisequelle und dem Wandler 17 unterbrochen. Da die Wärme des Wandlers 17 im Wandler erzeugt wird, erreicht der Wandler 17 diese Temperatur, während die Flüssigkeit in dem Zerstäubungsgerät 13 noch niedriger ist, beispielsweise bei etwa 110 Farad liegt.

Die Bolzen 25 sind in einem Gehäuseglied 27 verankert, welches an der Dose 18 anliegt. Die Platte 24 und die Bolzen 25 halten den Wandler 17, den Schalter 21 und die Dose 18 zusammen und an einem Gehäuseteil 27. Das Gehäuseteil 27 hat im wesentlichen die Form einer Tasse und enthält eine innere Öffnung oder einen Hohlraum 28, welcher den Flüssigkeitsbehälter zur Aufnahme eines geeigneten Medikaments für einen Patienten bildet. Die Öffnung bzw. der Hohlraum 28 ist an seinem Boden durch eine .obere Fläche 29 des Wandlers 17 verschlossen. Eine geeignete Dichtung, beispielsweise eine O-Ringdichtung 30 liegt zwischen dem Wandler 17 und dem Gehäuse 27, so daß ein Austritt der Flüssigkeit zwischen letzteren verhindert wird, während ein Schwingen der Wandlerfläche 29 ermöglicht wird. Eine ringförmige Hülse 31 sitzt in einem oberen Abschnitt 32 des Hohlraums 28. Eine Ringdichtung 33 dichtet die Zwischenfläche zwischen der Hülse 31 und dem oberen Öffnungsabschnitt 32 ab. Eine ringförmige Hülse 34 geht unter einem Winkel von der Hülse 31 nach außen und oben weg und bildet den Aerosol-Auslaß 16. Der Auslaß 16 steht mit einer inneren öffnung 35 in der Hülse 31 in Verbindung, die über dem Hohlraum 28 ausgebildet ist.

Ein rohrförmiges Glied 36 ist koaxial in einem oberen Ende 37 der Hülse 31 befestigt. Ein oberes Ende 38 des rohrförmigen Glieds 36 bildet eine Lufteinlaßöffnung 39 für das Zerstäubungsgerät 13, während

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ein unteres Ende 40 sich nach unten in die öffnung 35 an dem Auslaß 16 vorbei erstreckt. Ein Rückschlagventil in Form einer elastischen Klappe 21 ist in dem rohrförmigen Glied 36 zwischen dem oberen Ende 38 und dem unteren Ende 40 befestigt. Die elastische Klappe 41 ist normalerweise so positioniert, daß Durchgänge 42 geschlossen sind. Da Luft durch den Einlaß 39 eingezogen wird, wenn der Patient am Aerosol-Auslaß 16 inhaliert, biegt sich die elastische Klappe 41 und ermöglicht einen Luftdurchgang durch das rohrförmige Glied 36 in die öffnung 35. Das untere Ende 40 des rohrförmigen Glieds 36 ist koaxial in/unter Einhaltung eines Abstandes zu der Öffnung 35 vorgesehen und befindet sich unterhalb des Auslasses 16. Vor einer Betätigung des Zerstäubungsgeräts 13 wird eine abgemessene Medikamentendosis in die Kammer oder den Hohlraum 28 eingesetzt und bedeckt die Wandleroberfläche 29, wie durch den Flüssigkeitspegel 43 in Fig. 2 dargestellt ist. V/enn der Wandler 17 dann während des Betriebs des Zerstäubungsgeräts erregt wird, bildet sich über der Oberfläche der Flüssigkeit 43 eine Quelle (Geiser)44 und es werden feine FlUssigkeitsteilchen in dem Hohlraum 28 Über dem Flüssigkeitskörper 43 erzeugt. Das rohrförmige Glied 36 verhindert, daß die Flüssigkeitsteilchen der Springquelle bzw. des Geisers 44 direkt in den Auslaß 16 eintreten. Wenn ein Patient seinen Mund über den Auslaß 16 verbringt und inhaliert, wird Luft über den Einlaß 39 an der Rückschlagventilklappe 41 vorbei in das untere Ende 40 des rohrförmigen Gliedes 36 gezogen. An dieser Stelle werden die Flüssigkeitspartikel in die Luft eingebracht und das sich daraus ergebende Aerosol wird über den ringförmigen Raum zwischen dem unteren Ende 40 des ringförmigen Glieds 36 und der Öffnung 35 nach oben gezogen. Von da aus strömt die Aerosolmischung durch den Auslaß 16 zum Patienten. Gewünschtenfalls kann eine entfernbare oder sterilisierbare Kunststoffhülse

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oder ein Mundstück auf den Aerosol-Auslaß 16 aufgesetzt werden, so daß das Reinigen erleichtert und der Patient geschützt wird. Wenn der Patient nicht inhaliert, sammelt sich ein Teil des Aerosols und föllt in den Flüssigkeitskörper 43 zurück. Daher wird nur das inhalierte Aerosol verbraucht, auch wenn das Zerstäubungsgerät 13 kontinuierlich aktiviert ist.

Fig. 3 zeigt schematisch die Schaltung für die Speisequelle 11, das Koaxialkabel 12, den thermischen Schalter 21 und den Wandler 17. Die Speisung 11 wird durch eine übliche Speisequelle betrieben, beispielsweise mit 110 Volt, 60 Hz bzw. 220 bis 230 Volt, 50 Hz. Die Speiseeinheit 11 ist über ein übliches Netzkabel 50 und einen Stecker 51 an eine übliche Speisequelle angeschlossen. Der Stecker 51 weist drei Steckerstifte auf, von denen einer an einen Masseanschluß 52 eines die Speisequelle 11 umgebenden Gehäuses angeschlossen ist. Ein zweiter Stift des Steckers 51 ist an eine Seite einer Primärwicklung 53 eines Speisetransformators 54 angeschlossen, während der andere Steckerstift über den Leistungsschalter 14 an die Primärwicklung 53 angeschlossen ist. Die Kontrollampe 15 liegt parallel zur Primärwicklung 53 und leuchtet auf, wenn der Schalter 14 geschlossen ist* Gewünschtenfalls kann die Kontrollampe 15 auch weggelassen werden.

Der Netztransformator 54 enthält eine Sekundärwicklung 55, die eine in enger Kopplung damit stehende Hf-Oszillatorschaltung 56 speist. Eine Seite der Sekundärwicklung 55 ist an eine positive Leitung oder Schiene 57 angeschlossen, die über die Abschirmung 22 des Koaxialkabels 12 an die Dose 18 und den Deckel 19 sowie Masse angeschlossen ist, welche den Wandler ]7 umgeben. Die zweite Seite der Sekundärwicklung 55 ist über einen Diodengleichrichter 58 an den

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negativen Anschluß 59 angeschlossen. Ein Filterkondensator 60 liegt zwischen dem Anschluß 59 und der Leitung 57. Vom Anschluß 59 wird die Leistung über eine Hf-Spule 61 an den Anschluß 62 geführt. Der Emitter eines Transistors 63 ist mit dem Anschluß 62 und dessen Kollektor mit der positiven Leitung 57 verbunden. Ein Spannungsteiler, bestehend aus drei Serienwiderständen 64, 65 und 66, liegt zwischen dem Anschluß 62 und der Leitung 57. Der Widerstand 64 ist zwischen die Basis des Transistors 63 und den Anschluß 62 geschaltet, während der Widerstand 65 zwischen der Basis des Transistors 63 und einer Verbindung 67 liegt; der Widerstand 66 ist zwischen die Verbindung und die positive Leitung 57 geschaltet. Eine Zenerdiode 68 liegt zwischen der Verbindung 67 und dem negativen Anschluß 59 und dient zur Regulierung der Basisvorspannung des Transistors 63 bezüglich Schwankungen der Leitungsspannung. Ein Kondensator 69 ist parallel zum Widerstand 64 zwischen den Anschluß 62 und die Basis des Transistors 63 geschaltet und liefert einen Weg niedriger Impedanz für den hochfrequenten Strom. Die Basis des Transistors 63 ist außerdem über einen abgestimmten LC-Serienkreis an eine Verbindung 70 geschaltet, wobei diese Serienschaltung aus einer Drossel 71 und einem Kondensator 72 besteht. Ein Kondensator 73 liegt zwischen dem Anschluß 62 und der Verbindung 70. Die beschriebene Oszillatorschaltung schwingt mit einer Frequenz, die vorwiegend durch die Resonanzfrequenz der Drossel 71 und des Kondensators 72 bestimmt ist. Die Frequenz kann jedoch in kleinem Ausmaß auf Grund der Belastung an der Verbindung 70 verändert sein. Der Ausgang der Oszillatorschaltung 56, der durch die Verbindung 70 dargestellt wird, wird über eine einstellbare Drossel 74 dem abgeschirmten Leitungsdraht 26 des Koaxialkabels 12 zugeführt. Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Zerstäubungsgerät 13 ist der mittlere oder abgeschirmte Leiter 26 des Koaxialkabels 12 über den thermischen Schalter 21 mit dem V/andler

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17 verbunden und die Abschirmung des Koaxialkabels 12 ist ebenfalls an den Wandler 17 angeschlossen.

Fig_# 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des piezoelektrischen keramischen Wandlers, wenn der Wandler mit oder nahe seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Eine Massenkapazität 80 liegt zwischen einem Paar von Elektroden 81, 82 für den Wandler 17. Der Wert der Massenkapazität 80 wird zum größten Teil durch die Größe, Form und den Abstand zwischen den Elektroden bestimmt, welche die Anschlüsse 81, 82 mit dem keramischen Material verbinden, das den piezoelektrischen Wandler darstellt, sowie durch die dielektrischen Eigenschaften des keramischen Materials. Parallel zur Massenkapazität 80 liegt ein Serien-RLC-Kreis. Dieser Serienkreis enthält einen Widerstand 83, der die mechanische Belastung auf dem piezoelektrischen keramischen Wandler 17 wiedergibt, eine Induktivität 84, eine Kapazität 85 und einen Widerstand 86, der die Verluste in dem Wandler 17 darstellt. Der Wert der Induktivität 84 und des Kondensators 85 bestimmt den Resonanzpunkt des Wandlers 17. Bei einem typischen Wandler 17 hat der Widerstand 83 einen Wert in der Größenordnung von 40 Ohm, wenn Energie an den Wandler 17 angelegt wird und die Flüssigkeit die Wandlerfläche 29 (Fig. 2) bedeckt. Wenn die Flüssigkeit von der Wandlerfläche 29 entfernt ist, liegt der Wert des Widerstands 83 nahe Null. Der Widerstand 86 stellt die Innenverluste im Wandler 17 dar und hat typischerweise einen Wert von etwa 2 Ohm für einen geeignet konzipierten Wandler. Wenn infolgedessen der Wandler bei oder nahe seiner Resonanz betrieben wird, tritt die Impedanz zwischen den Elektroden 81 und 82 als Kapazität auf, die durch die Massenkapazität 80 bestimmt ist und durch einen relativ hohen Lastwiderstand 83 nebengeschlossen ist, wenn eine FlUssigkeitsbelastung auf dem Wandler 17 vorliegt. Wenn die Flüssigkeitsbelastung vom Wandler 17

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entfernt ist, wird die Massenkapazität 80 durch einen Widerstand 86 mit niedrigem Wert nebengeschlossen, der die Verluste im Wandler 17 darstellt. Dies ergibt sich auf Grund der Tatsache, daß der Widerstand 83 von einem relativ hohen Wert auf praktisch Null abnimmt und der Serienresonanzkreis, bestehend aus der Induktivität 84 und dem Kondensator 85, eine niedrige Impedanz bei einem hochfrequenten Strom bei oder nahe der Resonanzfrequenz darstellt.

Der Ausgang des Oszillators 16 ist auf die Resonanzfrequenz des Wandlers oder auf einen Wert nahe der Resonanzfrequnez des Wandlers 17 abgestimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit im Zerstäubungsgerät 13 lagemäßig so vorgesehen wird, daß sie die Wandlerfläche 19 bedeckt. Der Oszillator 56 gemäß Fig. 3 wird dann durch das Schließen des Schalters 14 erregt und die variable Drossel bzw. Induktivität 71 wird so eingestellt, daß das Zerstäubungsgerät in optimaler Weise Aerosol abgibt. Die sich ergebende Frequenz des Oszillators 56 liegt bei oder nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers 17. Dann wird die Flüssigkeit aus dem Zerstäubungsgerät 13 entfernt, um den Wandler 17 mechanisch zu entlasten. Während sich der Wandler 17 im mechanisch entlasteten Zustand befindet, wird die variable Drossel 74, die das Oszillatorausgangssignal zum Wandler \7 fuhrt, so eingestellt, daß ein minimaler Strom zum Wandler 17 fließt, was in Einklang mit der Aufrechterhaltung der erforderlichen Aerosolproduktion steht, wenn Flüssigkeit vorliegt. Bei dieser Einstellung werden die Drossel 74, die Wandler-Massenkapazität 80 und jede Streukapazität, beispielsweise die Kapazität des Koaxialkabels 12, auf oder nahezu auf die Resonanzfrequenz des Wandlers 17 abgestimmt. Da der Wert der variablen Drossel 74 und die Belastung und Entlastung des Wandlers 17 eine kleine Auswirkung auf die Frequenz . am Ausgang des Oszillators 56 haben, können kleinere Einstellungen zwischen

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den Drosseln 71 und 74 erforderlich sein, um ein Gleichgewicht zwischen der besten Aerosolerzeugungsrate und der besten elektrischen Entlastung des Wandlers 17 zu erreichen.

Während des Betriebs der Einheit 10 nach Fig,' I schüttet ein Patient eine abgemessene Medikamentendosis durch den Aerosol-Auslaß 16 in das Zerstäubungsgerät 13. Der Körper des flüssigen Medikaments 43 (Fig. 2) befindet sich dabei über der Wandleroberfläche 29, so lange das Zerstäubungsgerät 13 in einer aufrechten Stellung gehalten wird. Der Schalter 14 wird in die Ein-Stellung bewegt und Aerosol wird unverzüglich im Zerstäubungsgerät 13 erzeugt. Das Aerosol wird jedoch in dem Zerstäubungsgerät 13 durch die rohrförmige Hülse 36 zurückgehalten, die sich nach unten an dem Aerosol-Auslaß 16 vorbei erstreckt. Jedesmal, wenn der Patient seinen Mund über den Aerosol-Auslaß 16 verbringt und inhaliert, empfängt er unverzüglich Aerosol. Der Patient inhaliert wiederholt aus dem Auslaß 16, bis die gesamte, abgemessene Medikamentendosis verbraucht ist. An diesem Zeitpunkt verringert sich die dem Zerstäubungsgerät 13 zugeleitete hochfrequente Energie beträchtlich auf Grund der Impedanzänderung im piezoelektrischen, keramischen Wandler 17. Der Energieabfall ergibt sich auf Grund einer wesentlichen Verringerung der Spannung, die an der Reaktanz des Wandlers 17 erzeugt wird, und zwar wegen der Wirkung des Widerstands niedrigen Werts, welcher in Nebenschlußschaltung zur Massenkapazität im Wandler 17 steht. Die dem Wandler im Zustand niedriger Impedanz zugeleitete, reduzierte Leistung schützt somit den Wandler 17. Es ist zu beachten, daß die Massenkapazität 80 des Wandlers 17 durch eine geeignete Größe, Form und den Abstand der Elektroden 81 und 82 auf ein Minimum reduziert werden kann. Wird die Massenkapazität 80 reduziert, dann erhöht sich der Wert der Drossel 74. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Reduzierung des dem mechanisch entlasteten Wandler 17 zugeführten Stroms.

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Obgleich das erfindungsgemäße Ultraschall-Zerstäubungsgerät zur Erzeugung eines medikamentösen Aerosols beschrieben wurde, ist dieses Zerstäubungsgerät auch für andere Anwendungen geeignet.

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Claims

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH D-8034 unterpfaff.-νηογγν 31. März 1978 S/kn PATENTANWALT TELEFON MÜNCHEN 84 36 38 F ENDLICH, POSTFACH D - BO34 UNTERPFAFFEN H O FEN TELEGRAMMADRESSE: pATENmJCH m0NCHEN CABLE ADDRESS : TELEX: 52173O Meine Akte: C-4417 Champion Spark Plug Company, Toledo, USA Patentansprüche

1. Ultraschallgerät, insbesondere Ultraschall-Zerstäubungsgerät, mit einem Flüssigkeitsbehälter und einer Wandlereinrichtung zur Zerstäubung der in dem Flüssigkeitsbehälter befindlichen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Flüssigkeitsbehälter festlegende Einrichtung (28) vorgesehen ist, daß die Wandler-Einrichtung (17) im wesentlichen als Massenkapazität (80) wirkt und parallel zu einem Serienresonanzkreis (83 bis 86) während des Betriebs innerhalb eines vorbestimmten Resonanzfrequenzbereichs geschaltet ist, daß der Serienresonanzkreis während der Erregung in diesem Frequenzbereich einen vorbestimmten hohen Widerstandswert liefert, so lange die Flüssigkeit in dem Behälter vorhanden ist, während er einen vorbestimmten niedrigeren Widerstand liefert, wenn durch das Fehlen von Flüssigkeit in dem Behälter die Wandlereinrichtung mechanisch unbelastet ist, daß ein Oszillator (56) vorgesehen ist, der in dem Resonanzfrequenzbereich einen Ausgang abgibt, daß

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eine Einrichtung (74) zur Kopplung des Oszillator-Ausgangs mit der Wandlereinrichtung angeordnet ist und eine Drossel aufweist, die mit der Massenkapazität und jeder Streukapazität der Schaltung mit der Massenkapazität zusammenwirkt, so daß ein Serienresonanzkreis gebildet wird, der in dem vorbestimmten Resonanzfrequenzbereich resoniert, so daß bei einer Entfernung der Flüssigkeit aus dem Behälter der vorbestimmte niedrige Widerstand die Spannung an der Massenkapazität verringert, um die in der auf diese Weise mechanisch unbelasteten Wandlereinrichtung verbrauchte Leistung zu reduzieren.

2. Ultraschallgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (71) zur Einstellung der Ausgangsfrequenz des Oszillators (56) in dem Resonanzfrequenzbereich zur Einstellung eines erwünschten Flüssigkeitszerstäubungswerts vorgesehen ist und daß die Drossel (74) eine Einheit zur Einstellung der Induktivität aufweist, so daß der durch die Wandlereinrichtung (17) fließende Strom bei Erregung der Wandlereinrichtung und gleichzeitiger Abwesenheit von Flüssigkeit in dem Behälter auf ein Minimum reduziert werden kann.

3. Ultraschallgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Temperatur der Wandlereinrichtung (17) ansprechende Schaltereinrichtung (21) zur Unterbrechung der Verbindung zwischen der Kopplungseinrichtung (24) und der Wandlereinrichtung (17) bei Überschreiten eines vorbestimmten hohen Temperaturwerts durch die Wandlereinrichtung vorgesehen ist.

4. Ultraschallgerät mit einem Flüssigkeitsbehälter und einer Wandlereinrichtung zur Zerstäubung der in dem Flüssigkeitsbehälter befindlichen Flüssigkeit, wobei die Wandlereinrichtung eine piezoelektrische

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Wandlereinrichtung ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung bei Erregung innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs der Wandler-Resonanzfrequenz im wesentlichen als Massenkapazität

(80) wirksam, ist, daß die Massenkapazität (80) parallel zu einem Serienresonanzkreis geschaltet ist, der einen vorbestimmten hohen Widerstandswert liefert, wenn die Wandlereinrichtung mechanisch belastet ist, während sie einen vorbestimmten niedrigeren Widerstandswert liefert, wenn die Wandlereinrichtung mechanisch unbelastet ist, daß eine Schutzschaltung zur Erregung der Wandlereinrichtung angeordnet ist, die eine Einrichtung (11) zur Abgabe eines Wechselstromsignals innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs und eine das Wechselstromsignal zur Wandlereinrichtung koppelnde Einrichtung (74) enthält, welche eine Drossel aufweist und daß die Drossel, die Wandler-Massenkapazität und jede Streukapazität in dem Schaltkreis mit der Massenkapazität in dem vorbestimmten Frequenzbereich resoniert, wobei im unbelasteten Zustand der Wandlereinrichtung der vorbestimmte niedrige Widerstand die Spannung an der Massenkapazität verringert, um die in der mechanisch unbelasteten Wandlereinrichtung verbrauchte Leistung zu reduzieren.

5. Ultraschallgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eirc auf die Temperatur in der V/andlereinrichtung (17) ansprechende Schaltereinrichtung (21) zur Unterbrechung der Verbindung zwischen der Kopplungseinrichtung (74) und der Wandlereinrichtung (17) bei Überschreitung eines vorbestimmten hohen Temperaturwerts durch die Wandlereinrichtung angeordnet ist.

6. Ultraschallgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (71) zur Einstellung der Frequenz des Wechselstrom-

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signals innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs zur Einstellung des Ausgangs von der Wandlereinrichtung (17} vorgesehen ist und daß eine Einrichtung zur Einstellung der Induktivität der Drossel (74) angeordnet ist, um den durch die Wandlereinrichtung (17) fließenden Strom während des mechanisch unbelasteten Zustande der Wandlereinrichtung auf ein Minimum zu reduzieren.

7.J Ultraschallgerät mit einer piezoelektrischen Wandlereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erregung der Wandlereinrichtung innerhalb eines vorbestimmten Resonanzfrequenzbereichs die Wandlereinrichtung eine erste Impedanz im mechanisch belasteten Zustand und eine dazu unterschiedliche zweite Impedanz im mechanisch unbelasteten Zustand aufweist, daß eine Schutzschaltung zux Erregung der Wandlereinrichtung vorgesehen ist, die eine Einrichtung (Tl) zur kontinuierlichen Erzeugung eines Wechselstromsignals innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs und eine Einrichtung (74) zur Kopplung des Wechselstromsignals zur Wandlereinrichtung enthält, daß die das Wechselstrojnsignal erzeugende Einrichtung und die Kopplungseinrichtung Mittel zur Abgabe einer normalen Betriebsleistung an die Wandlereinrichtung bei Vorliegen der ersten Impedanz und zur Abgabe einer wesentlich reduzierten Leistung zu dem Wandler bei Vorliegen der zweiten Impedanz der Wandlereinrichtung aufweist, so daß die Wandlereinrichtung im mechanisch unbelasteten Zustand vor Beschädigung geschlitzt wird.

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