WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTEDipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch

Piezoaktoren: Antrieb und Testhelfer für Inhalationsgeräte
Schwingungen erzeugen – Schwingungen messen

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
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Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie
direkt in mechanische und umgekehrt. Dies birgt
interessante Möglichkeiten: Für die Erzeugung vonSchwingungen von großer Bedeutung ist beispielsweise
die Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische
Wechselspannung an ein piezoelektrisches Material
angelegt

wird.

Aktoren,dieauf demPiezoeffektbasieren, bewegen sich mit Auflösungen im SubNanometerbereich bei hoher Dynamik und Frequenzen
bis zu mehreren tausend Hertz. In der im Folgenden
beschriebenen Anwendung bringt dies gleich doppelten
Nutzen: In Inhalationsgeräten sorgen piezoelektrische
Elemente

fürtenzerstäubung

eine

gleichmäßige

und auch beim

Medikamen-Funktionstest

derAerosolerzeuger sind die Piezos die treibende Kraft.

Abb. 2 Ein Piezo-Element regt die Membran desVerneblers zu Ultraschallschwingungen an. Das Fluid
wird durch die rund 3000 feinen Löcher der Membran
gepresst und so zerstäubt (Pari Pharma)
Dazu wird zunächst das Reservoir des Inhalationsgeräts
mit der gewünschten Medikamentendosis befüllt. ImVernebler (Abb. 2) wird daraus dann mit Hilfe einer
gelochten Stahlmembran das Aerosol erzeugt. „Ein
Piezo-Element

regt

dieseMembranzu

Ultraschallschwingungen an mit einer Frequenz von ca.
120 kHz“, erläutert Philipp Holzmann (Abb. 3), Leiter derGruppe Entwicklung Mikrosysteme bei Pari Pharma, die
Funktionsweise des Verneblers. „Durch die daraus®

Abb. 1 Das Inhalationssystem eFlow rapid arbeitet bei
vergleichsweise kurzen Inhalationszeiten sehr effizient
und kommt damit den Patientenbedürfnissen sehr
entgegen (Pari Pharma)
Schwingungen äußern sich unterschiedlich: Sie können

resultierenden Druckänderungen an der Membran wird
das Fluid durch Löcher in der Membran gepresst und sozerstäubt. Die rund 3000 Löcher der Membran habeneinen Durchmesser von circa 2 µm. Eine definierte
Tropfen-Größenverteilung ist dadurch garantiert.“

störend oder gar zerstörend wirken, z. B. bei Unwucht,Lärm, Reibung oder Stoß. Andererseits entfalten sieaber auch positive Wirkung, z. B. als Musik oder intherapeutischenAnwendungen,Atemwegserkrankungen.

Beim

beispielsweise
Inhalieren

beimüssenflüssige Medikamente in feinste Tröpfchen zerstäubt unddieAtemluft

möglichst

homogenmit

demMedikamentennebel angereichert werden. Die PariPharma GmbH hat hierfür mit dem Inhalationssystem®

eFlow rapid (Abb. 1) ein innovatives Gerät entwickelt,
das bei vergleichsweise kurzen Inhalationszeiten sehreffizient arbeitet.

Abb. 3 Dipl.-Ing. (FH) Philipp Holzmann, Leiter derGruppe Entwicklung Mikrosysteme bei Pari Pharma (PariPharma)

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WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTEDipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar UhlitzschÜberzeugende Argumente für das
Piezo-Element„Außerdem

bei der Aerosolerzeugung sprachen gleich mehrereGründe. So ist die Erzeugung von Vibrationen eine
geradezu klassische Piezo-Anwendung, denn beim
einer

Wechselspannung

beginnt

wirmitPI Ceramic,

einer

Tochtergesellschaft der in Karlsruhe ansässigen Firma

Für die Wahl eines Piezo-Elements als treibende Kraft

Anlegenhaben

dasPhysik

Instrumente

(PI),

einen

etablierten

undkompetenten Hersteller gefunden (Abb. 5), der diePiezoelemente

speziell

imHinblickauf

unsereApplikationsgegebenheiten modifiziert und produziert“,ergänzt Holzmann.

Piezoelement zu schwingen. Da der ringförmige Piezo(Abb. 4) direkt mit dem Metallring der Membran verklebt
ist, schwingt die Membran mit. Die Amplitude liegt dabei
im Bereich weniger µm. „Die vom Piezoelement erzeugte
Schwingung passt also sowohl in der Frequenz als auchin der Auslenkung perfekt für die Anwendung“, freut sich
Holzmann. Die kurzen Ansprechzeiten der Piezos unddiehohe

DynamikderBewegung

kommenderAnwendung als Membran-Antrieb natürlich ebenfalls
entgegen.

Abb. 5 Bei Piezoelementen sind unterschiedliche
Varianten realisierbar, die die Anpassung an die
jeweilige Anwendung ermöglichen: z. B. Piezorohre,Scheiben, Bieger, Scherer oder Translatoren

Qualitätssicherung der Membranen
direkt im Fertigungsprozess
Wichtige Voraussetzung für den Patientennutzen desneuen Inhalationssystems ist die fehlerfreie Funktion desVerneblersystems. Deshalb setzt der Hersteller hier auf
Abb. 4 Der ringförmige Piezo ist direkt mit demMetallring der Membran verklebt. Beim Anlegen derWechselspannung schwingt das Piezoelement mit einer
Frequenz von 120 kHz (Pari Pharma/PI)
Es gibt jedoch noch weitere Argumente, die für den
Piezo-Einsatz im Aerosol-Vernebler sprechen: Da dieBewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, ist
Abnutzung bei dieser Technik nicht zu befürchten; esgibt

auch

keine

Zahnräder,Lageroderandereverschleißanfällige Mechanik. Piezos erzeugen keine
Magnetfelder und werden auch nicht von solchen
beeinflusst. Sich ändernde Umgebungstemperaturen
beeinträchtigen den Piezoeffekt ebenfalls nicht.

eine 100-Prozent-Prüfung. „Hierfür wäre prinzipiell aucheine elektrische Impedanzprüfung infrage gekommen,
mit der sich bestimmte Schwingungseigenschaften desBauteils (Abb. 6) erfassen lassen,“ fährt Holzmann fort.
„Letztendlich hielten wir diese Methode jedoch nicht fürgenau und zuverlässig genug. Da das Schwingverhalten
bereits in der Entwicklungsphase mit einem ScanningVibrometer optimiert wurde, konnten wir aus den
gewonnenen

Erkenntnissen

ermitteln,beidiesolche

Messpunkte

SchwingungsmessungeninderFertigung qualitätsrelevante Ergebnisse liefern. Wir
entschieden uns also auch bei der Qualitätskontrolle fürden Einsatz eines Laser-Vibrometers.“Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 KarlsruheTel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.deSeite 3 von 5

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AbweichungenderMembranqualität,z. B.

durch

Verformungen bei der Montage oder Fehler beim
Klebeprozess,lassensichanhandderoptischen

Schwingungsanalyse zuverlässig aufspüren.

Abb. 7 Qualitätskontrolle mit dem Laser-Vibrometer:
Exemplarisches Frequenzspektrum einer Membran (PariPharma)„Als Bewertung für die Güte einer Messung wirdAbb. 6 Blick auf die Prüflinge (Pari Pharma)
Für die Qualitätskontrolle in der Fertigung wurde ein

zusätzlich das Signal-/Rauschverhältnis berechnet.“halbautomatisierter Messplatz entwickelt. Kernstück ist

Um sicherzustellen, dass der Laser bei jedem Prüflingein Laser-Vibrometer aus dem Produktprogramm vonauf eine ebene Stelle zwischen den Löchern derPolytec, das ausMembran

einer Steuereinheit

und einem

trifft,wirddieMessung

anhandderLichtleiterkabel

Lichtintensität des rückgestreuten Lichts bewertet. Bei zubesteht. Im Rahmen der Qualitätskontrolle wird nun anniedriger Laserintensität wird der Messpunkt mit einer

jedem Aerosolerzeuger das Schwingungsverhalten derAblenkeinheit um wenige Mikrometer verfahren, bis die

Membranberührungslos

volle Intensität erreicht ist (Bild 8).

Membrandas

kompakten

Messkopf

mit

flexiblem

gemessenFrequenzspektrum

undfürjede

ermittelt.

Diemaßgeblichen Messpunkte hierfür wurden bereits in derEntwicklungsphase mit Hilfe des Scanning-Vibrometers
gewonnen.

Piezo als treibende Kraft beim Test
Auch beim Funktionstest übernimmt der Piezo als
treibende Kraft eine Schlüsselrolle: Er wird elektrisch ineinem Frequenzspektrum zwischen 30 und 300 kHz
angeregt.

MessungenderSchwingungsamplituden

innerhalb dieses Frequenzbandes und die Lage derResonanzen

lassendann

Rückschlüsse

auf

dieMembranqualität zu (Abb. 7).
Die Auswertung übernimmt die Prüfsoftware QuickCheckvon Polytec, die sich sehr gut an unsere Anforderungenanpassen ließ und Gut- und Schlechtteile zuverlässig
trennt“, ergänzt Holzmann.

Abb. 8 Integration des Laser-Vibrometers in den
Prüfstand (Foto: Pari Pharma/Polytec)

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Die 100-Prozent-Prüfung mit dem Laser-Vibrometer stellt
damit sicher, dass die Inhalationssysteme im praktischen
Einsatz

beim

Patienten

zuverlässig

funktionieren.

Wesentlich dazu tragen aber auch die eingesetzten
Piezoelemente bei, die sowohl bei der Aerosolerzeugung
als auch bei der Schwingungsprüfung die treibende Kraftsind.

Über PolytecAlsinnovatives

Hochtechnologie-Unternehmen

entwickelt, produziert und vertreibt Polytec seit über 40
Jahrenlaserbasierte

Messtechnik-Lösungen

fürForschung und Industrie. Aufbauend auf dem Erfolg im
Distributionsgeschäft begann Polytec bereits in den 70er
Jahren mit der Entwicklung und der Fertigung eigener,
laserbasierter

AutorenMessgeräte.

Heutenimmt

dasUnternehmen mit Stammsitz in Waldbronn bei KarlsruheDipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“

im Bereich der optischen Schwingungsmessung mit

bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing.

Laservibrometern eine weltweit führende Position ein.

Elmar Uhlitzsch, Produktmanager Vibrometer bei derSysteme

Polytec GmbHanalytische Messtechnik sowie Geschwindigkeits- undfür

dieOberflächenmesstechnik,

dieLängenmessung gehören ebenfalls zur mittlerweile breitÜber die PI Gruppe

gefächerten Palette innovativer Eigenprodukte.

In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik
Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zumführenden

HerstellervonPositioniersystemenmitÜber Pari Pharma
Seit über 100 Jahren hat sich PARI einen Namen als

Genauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. Dasweltweit anerkannter Spezialist in der Atemwegstherapie

privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen ingemacht. Heute werden in der PARI Pharma GmbH

Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- undmoderne Geräte zur Inhalationstherapie entwickelt. Mit

Serviceniederlassungen international vertreten. Übereigener Forschung und Produktion gelingt es dem

700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt

Unternehmen immer wieder, in der Aerosoltechnologieversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jedeinternational Standards zu setzen. Sorgfältige Auswahl

Anforderung

der Materialien, die Produktion in unseren eigenen

ausdemBereichPräzisionspositioniertechnik

erfüllen.

Alle

Fertigungsstätten

eigenenHaus

garantieren die Zuverlässigkeit der Produkte, deren Sinnentwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin

es ist, den Menschen, die an Atemwegserkrankungenzurleiden, und denen, die sich um sie kümmern, das Leben

Schlüsseltechnologien
Auslieferungzuinnovativer

werdenimkontrolliert

werden:diePräzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie diePositionssensorik.

Die

piezokeramischen

Elemente

dafür

benötigten

werdenbeiundstrengste

zu erleichtern.

derTochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem
der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischerundPI miCosGmbH

spezialisiert

aufsensorischerinPiezoprodukte.

Eschbach

flexible

Freiburg

ist

Positioniersysteme

fürUltrahochvakuum-Anwendungenkinematische

beiDiesowie

Positioniersysteme

mitparallelsechs

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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