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Gerät zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen Die Erfindung betrifft
ein Gerät zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen, insbesondere für zahnmedizinische,
medizinische oder kosmetische Zwecke, mit einem elektrisch erregbaren Schwingelement.
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Insbesondere in der Zahnmedizin werden schon seit- längerer Zeit mit
Ultraschall arbeitende Geräte verwendet, insbesondere zur Zahnsteinentfernung. Bei
diesen Geräten werden Nickelstäbe oder Ferrite zu Resonanzschwingungen erregt die
etwa im Bereich von 20 .. 30 kHz liegen. Mit diesen Schwingungen werden Arbeitswerkzeuge
zum Ablösen des Zahnsteins von den Zähnen angetrieben.
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Gegenüber der manuellen Methode der Entfernung von Zahnstein durch
den Zahnarzt stellten diese Geräte eine wesentliche Arbeitserleichterung dar, da
die Energie für die Zahnsteinentfernung, die direkt am Arbeitswe-rkzeug in der Größenordnung
von einigen Watt liegt, nicht mehr vom Menschen aufgebracht werden mußte, sondern
einer Energiequelle, meist dem elektrischen Netz, entnommen werden konnte.
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Vom meaizinischen Standpunkt dagegen ist die Verwendung solcher Geräte
zur Zahnsteinentfernung nicht frei von Bedenken. Durch die relativ hohe Konzentration
mechanischer Leistung an der Spitze des Zahnsteinentferners entstehen im Zahnschmelz
Riefen, die beim darauffolgenden Genuß von Speisen entmineralisiert werden und Ansatzpunkte
für Karies bilden. Ferner sind die bekannten Geräte relativ groU und schwer und
beanspruchen viel Raum, was wegen des notorischen Platzmangels an zahnärztlichen
Behandlungsstühlen als sehr störend empfunden wird. Auch ist nicht ausgeschlossen,
daß Ultraschallschwingungen auch auf die Hand der Bedienungsperson ubertragen werden
und dort mit der Zeit Gelenkschäden hervorrufen.
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Ss ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, Zeile der bekannten Geräte
zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Gerät dadurch
erreicht, daß das Schwingelement als Schwingquarz ausgebildet ist. Quarzkristalle
sind im Gegensatz zu Ferriten sehr leicht und erlauben es vor allem, bei sehr geringen
Verlusten wesentlich höhere Frequenzen zu erreichen. Bei der Zahnsteinentfernung
sind aber höhere Frequenzen für den Patienten wesentlich angenehmer, und vor allem
wird der Zahnschmelz im Vergleich zu den bekannten Geräten wesentlich stärker geschont,
da er bei höheren Frequenzen eher einem Poliervorgang ausgesetzt ist, besonders
bei Auswahl einer richtigen Schwingungsform des Arbeitswerkzeuges. Damit werden
Ultraschallgeräte zur Zahnsteinentfernung auch vom medizinischen Standpunkt gesehen
der manuellen Methode überlegen. Außerdem wird es, bedingt durch die kleine Masse
des Quarzes, möglich, die Übertragung von Ultraschallschwingungen auf die Hand der
Bedienungsperson weitgehend zu vermeiden, so daß gesundheitliche Schäden vermieden
werden könne Eine besonders einfache Lösung ergibt sich nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung dadurch, daß der Schwingquarz als frequenzbestimmendes Element eines
zu seiner Erregung bestimmten Generators ausgebildet ist. Man benötigt in diesem
Fall keinen gesonderten Oszilator mit allen dadurch entstehenden hbstimmungsproblemen,
wie sie von den herkömmlichen Geräte her bekannt sind, sondern der Quarz bestimmt
selbst die Frequenz, so daß auch Temperaturschwanktingen, oder Frequenzschwankungen
infolge unterschiedlicher Belastung, keinerlei Schwierigkeiten ergeben.
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Besonders im Hinblick auf die Zuführung der elektrischen Energie und
die Schwingungsabschirmung hat sich eine Ausbildung als äußerst vorteilhaft erwiesen,
die dadurch
gekennzeichnet ist, daß der als Schwingelement dienende
Schwingquarz und ein zu seiner Erregung dienender Generator zu einer einzigen Baueinheit
vereinigt sind, und daß der Generator in dieser Baueinheit vom Quarz räumlich getrennt
und schwingungsmäßig isoliert angeordnet ist. Eine solche Baueinheit läßt sich mit
modernen Bausteinen der Leistungselektronik sehr klein bauen und ermöglicht im Vergleich
zu den bekannten Geräten eine sehr beachtliche Raumersparnis, was sich besonders
am Behandlungsstuhl des Zahnarztes sehr vorteilhaft bemerkbar macht. Während man
nämlich bisher vielfach gezwungen war, den Zahnsteinentferner anderswo aufzustellen,
und der Patient daher für die Behandlung seinen Platz wechseln mußte, läßt sich
eine erfindungsgemäße Baueinheit wegen ihres kleinen Raumbedarfs an Jedem Behandlungsstuhl
leicht und ohne Schwierigkeiten unterbringen und bringt daher auch in dieser Hinsicht
einen wesentlichen Fortschritt mit sich.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in der nachfolgenden, anhand der Zeichnungen gegebenen Beschreibung eines vorteilhaften
AusfUhrungsbeispieles der Erfindung behandelt.
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Es zeigen: Fig, 1 eine raumbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen
Geräts, das vorzugsweise zur Entfernung von Zahnstein ausgebildet ist; Fig. 2 eine
teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Geräts nach Fig. 1;
Fig.
3 eine Darstellung der im Inneren des Geräts nach den Fig. 1 und 2 angeordneten
Bauteile, wobei die äußere Hülle des Geräts nur strichpunktiert angedeutet ist;
Fig. 4 eine Darstellung der elektrischen Schaltung des Geräts nach den Fig. 1 bis
3 in Verbindung mit dem Schwingquarz; Fig. 5 eine Draufsicht auf das Gerät nach
den Fig. 1 bis 4, von der Seite des Arbeitswerkzeugs aus gesehen, und Fig. 6 eine
raumbildliche Darstellung eines Quarzkristalls und zweier für die Erfindung besonders
geeigneter Arten von Quarzschnitten; in dieser Darstellung ist das übliche X-Y-Z-Achsensystem
eingetragen.
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Fig. 1 zeigt in leicht vergrößertem Maßstab ein erfindungsgemäßes
Gerät 10 zur Erzeugung von Ultraschall, das vorzugsweise zur Entfernung von Zahnstein
ausgebildet ist, aber zum Beispiel auch zur Vernebelung von Flüssigkeiten, z.B.
Aerosolen oder von Vergaser-Kraftstoff, oder zur Nagelpflege verwendet werden kann.
Das Gerät weist einen Kopf 11 auf, in dem elastisch ein Kupferrohr 12 gelagert ist,
dfts unter der Wirkung eines in einem mit 13 bezeichneten Abschnitt des Gerätes
angeordneten Schwingquarzes Ultraschallschwingungen ausführt, wenn ein mit 14 bezeichneter
Schaltknopf betätigt wird. In einem mit 15 bezeichneten Abschnitt des Gerätes 10
ist ein zur Erregung des Schwingquarzes erforderlicher Generator untergebracht,
vorzugsweise durch Eingießen in Epoxydharz. Ein Schlauch 16 dient zur Zuführung
von Kühlwasser, das durch die
Öffnung 17 des Rohres 12 in ein auf
das Ende des Rohres 12 aufsetzbares Schabewerkzeug 18 und in eine in diesem vorgesehene
Bohrung 19 fließt und beim Austritt aus der.Bohrung 19 vernebelt wird und dabei
die abgelösten Zahnsteinpartikel wegschwemmt. Parallel zum Schlauch 16 läuft auch
eine elektrische Energieversorgungsleitung 16' (Fig. 2) zur Zufuhr einer niedrigen
Versorgungsspannung von z.B.
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6 oder 12 Volt. Für spezielle Zwecke können auch Geräte für Batteriebetrieb
verwendet werden, bei denen dann die Zufuhr elektrischer Energie von außen nicht
erforderlich ist.
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Fig. 2 zeigt das Gerät 10 von der Seite. Der Kopf 11 ist im Schnitt
dargestellt, um die Form des als Teil des Arbeitswerkzeuges dienenden Kupferrohres
12 deutlich zu zeigen. Das Rohr 12 ist über ein elastisches Schlauchstück 22 mit
einem Rohr 23 verbunden, das seinerseits an den Sclauch 16 angeschlossen ist Sinne
Klemm-Mutter 20, die zusammen mit dem Schabewerkzeug 18 auf das Rohr 12 aufgeschraubt
ist, ermöglicht es, das Werkzeug 18 in verschiedenen Lagen zu fixieren.
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Fig. 3 zeigt in etwas vergrößertem Maßstab den inneren Aufbau des
Gerätes nach den Fig. 1 und 2. Der Kopf 11 ist mit einem Außengewinde 24 versehen,
auf'das ein in Fig. 3 nur schematisch angedeutetes Rohr 25 aufgeschraubt wird, das
z.B. aus Metall bestehen kann und die ganze Oszillatoranordnung nach außen abschirmt,
so daß keine Radiostörungen auftreten können.
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Ein Schwingquarz 26, der die Form eines runden Plättchens hat, ist
mit seinen beiden flachen Seiten 27 und 28, die zweckmäßig versilbert sind, zwischen
einem Tragglied 29, z.B. aus einem Epoxydharzlaminat, und einer Feder 30,
z.B.
aus Phosphorbronze, eingespannt. Die Feder 30 ist an zwei Stellen 31 und 32 abgebogen,
so daß sie die Form eines langgestreckten S hat. Mit ihrem einen freien Schenkel
33 ist sie mittels einer Niete 34 auf das Tragglied 29 aufgenietet, während ihr
anderer freier Schenkel 35 mit starker Vorspannung gegen die Seitenfläche 28 des
Schwingquarzes 26 anliegt. Die Feder 30'ist als flacher Blechstreifen ausgebildet,
dessen Breite mindesteins dem Durchmesser des Quarzes 26 entspricht. - Gegebenenfalls
kann statt eines runden Quarzes 26 z.B. auch ein Quarz mit rechteckförmigem Querschnitt
verwendet werden.
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Zwischen der Seitenfläche 27 des Quarzes 26 und dem isolierenden Tragglied
29 liegt ein flacher elektrischer Leiter 40, der U-förmig um das Tragglied 29 herumgebogen
ist, s0 daß sein unteres Ende 41, wie dargestellt, an eine Leitung 42 Angeschlossen
werden kann, während an die Niete 34 eine Leitung 43 angeschlossen ist. Über diese
Leitungen 42 und 43, die zweckmäßig aus flexibler Litze bestehen, wird der Schwingquarz
26 elektrisch angeschlossen.
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Das Kupferrohr 12, das im Kopf 11 zweimal abgewinkelt ist, so daß
es in dessen Mitte austritt, aber im Inneren des Gerätes 10, wie in Fig. 3 dargestellt,
parallel nach oben versetzt ist, ist mit seinem parallel nach oben versetzten Teil
45 in geeigneter Weise mit der Feder 30 verbunden, vorzugsweise durch eine Löt-
oder Schweißverbindung 46.
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Es bildet daher sozusagen eine Verlängerung des oberen Schenkels 35
-der Feder 30 nach links (bezogen auf Fig. 3), d.h. wenn das linke Ende (bezogen
auf Fig. 3) des Rohres 12 angehoben oder abgesenkt wird, verdreht sich die Feder
30 um die ale Anlenketelle dienende Niete 34 und ihren daran
anschließenden
Abschnitt. Wird umgekehrt der Quarz 26 durch Anlegen einer elektrischen Spannung
so erregt, daß sich seine Seitenflächen 27 und 28'mit einer bestimmten Amplitude
aufeinander zu und voneinander weg bewegen, so führt das freie Ende des Rohres 12
Schwingungen mit einer vergrößerten Amplitude durch, da die Feder 30 und das Rohr
12 zusammen als Ubersetzungshebel wirken, der die Schwingungsamplituden des Quarzes
26 in größere Werte übersetzt. Dies ist besonders deshalb wichtig, weil bei ärztlichen
Geräten strenge Vorschriften bezüglich der Spannungshöhe bestehen (6 oder 12 Volt)
und Schwingquarze bei kleinen Betriebsspannungen auch nur kleine Schwingungsamplituden
haben. Die Schwingungsamplituden des Quarzes sollten also zweckmäßig in größere
Werte übersetzt werden, und hierzu eignet sich die dargestellte Anordnung sehr gut.
Naturgemäß gibt es sehr viele Arten von mechanischen Übersetzungen, von denen sich
voraussichtlich viele ebenfalls für den gleichen Zweck eignen werden. Auch diese
anderen Lösungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
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Das Tragglied 29 ist in geeigneter Weise am Kopf 11 befestigt, der
zur Aufnahme dieses Traggliedes 29 zweckmäßig einen Schlitz aufweist, in den das
Tragglied 29 z.B. eingeklebt werden kann. Um zu verhindern, daß Schwingungen vom
Rohr 12 auf den Kopf 11 übertragen werden, und auch zur Abdichtung des Geräts 10
und zur Lagerung des Rohres 12, ist der Kopf 11 mit einem Silikonkautschuk 50 ausgegossen,
von dem auch der Quarz 26 sowie die Feder 30 mindestens teilweise umgeben sind.
Da das Tragglied 29 mit dem Kopf 11 und über dieses mit dem Mantelrohr 25 verbunden
ist, also mit Teilen, welche eine große Masse im Verhältnis zu der-Jenigen des Quarzes
26 und'des Rohres 12 haben, sind der Kopf i1 und das Rohr 25 weitgehend schwingungefrei,
und
es schwingt nur das Rohr 12 und das an ihm befestigte Werkzeug
18.
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Wie aus Fig. 3 weiter hervorgeht, ist der parallel nach oben versetzte
Teil 45 des Rohres 12 über das Schlauchstück 22, z.B. einen Gummischlauch, mit dem
Rohr 23 verbunden, welches durch den zur Erregung des Quarz es 26 vorgesehenen Generator
51 durchgeführt ist. Auf das Rohr 23 ist eine als Wärmesenke für einen Leistungstransistor
52 dienende Platte 53 aufgelötet, an der ein Gewindestift 54 befestigt ist, der
den Transistor 52 durchdringt.
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Zwischen dem Transistor 52 und der Wärme senke 53 befindet sich ein
dünnes Glimmerplättchen 55, das zur Isolation dient und eine kleine Kapazität zwischen
dem Kollektor dieses Transistors und der Wärmesenke 53 schafft. Auf der unteren
Seite des Transistors 52 (bezogen auf Fig. 3) liegt eine Platte 56 aus Isoliermaterial
auf, auf deren Unterseite eine gedruckte Schaltung 57 aufgebracht ist. Der Gewindestift
54 durchdringt auch die Platte 56, und eine auf ihn aufgeschraubte Mutter 58, unter
der eine Isolierscheibe 59 liegt, verspannt die Wärmesenke 5f, den Transistor 52
und die Platte 56 miteinander, so daß der Transistor 52 in gutem wärmeleitendem
Kontakt mit der Wärmesenke 53 steht. Auf der Platte 56 sind in üblicher Weise schematisch
angedeutete Schaltelemente 60 festgelötet, ferner eine Anschlußleitung 62 und die
Leitungen 42 und 43. Das in die Leitung 23 rechts (bezogen auf Fig. 3) einströmende
Wasser kühlt also die Wärmesenke 53 und damit den Transistor 52, und es kühlt ferner
die Feder 30 und damit den Schwingquarz 26, ehe es aus dem Rohr 12 in vernebelter
Porm austritt. In die Zuleitung 16 kann eine an sich bekannte Wassermangelsicherung
eingeschaltet sein, um ein Betreiben des Geräts 10 ohne Kühlwasser zu verhindern.
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Fig. 4 zeigt in etwas schematisierter Form nochmals den Kopf 11 mit
dem Kupferrohr 12 und dem Schwingquarz 26 sowie dessen elektrische Anschlüsse 41
und 34. Der Anschluß 34 steht in galvanischer Verbindung mit dem Rohr 12, kommt
also bei der Behandlung mit dem Patienten in leitende Verbindung, während der Anschluß
41 durch den Quarz 26 vom Patienten isoliert ist.
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Zum Betrieb des Quarzes 26 dient der Generator 51, welcher den schwingungsfesten
npn-Leistungstransistor 52 aufweist, an dessen Kollektor die Leitung 42 und an dessen
Emitter die Leitung 43 angeschlossen ist, so daß der Quarz 26 parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 52 geschaltet ist, also auf dessen Leistungsseite. Ferner ist ein
kleiner Kondensator 63 parallel zum Quarz 26 geschaltet. - Der Emitter des Transistors
52 ist. über eine HF-Drossel 64 mit Masse verbunden, so daß das Rohr 12 gleichstrommäßig
direkt mit tasse verbunden ist. Der Kollektor des TransIstors 52 ist über eine HF-Drovsel
65 mit dem einen Anschluß eines Schalters 66 verbunden, dessen anderer Anschluß
z.B. an t 12 Volt liegt und der mittels des Schaltknopfs 14 (Fig. 1 und 2) betätigbar
ist. Parallel zur Drossel 65 liegt eine Kapazität 67, welche in der Praxis durch
das Glimmerplättchen 55 gebildet wird. Die Drossel 65 bildet mit der Kapazität 67
einen Schwingkreis, der etwa auf die Frequenz des Schwingquarzes 26 abgestimmt ist.
Zwischen Masse und dem Schalter 66 liegt ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen
68 und 69, deren Verbindungspunkt 70 mit der Basis des Transistors 52 und - über
einen Kondensator 71 - mit Masse verbunden ist. Ein Siebkondensator 72 liegt zwischen
Masse und dem Schalter 66. Der Transistor- 52 sowie die zugehörigen Bauteile werden
zweckmäßig mit Epoxydharz umgossen, wie das durch die strichpunktierten
senkrechten
Linien 73 in Fig. 3 angedeutet ist.
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Das beschriebene Gerät arbeitet wie folgt: Wird durch Betätigen des
Knopfes 14 der Schalter 66 geschlossen, so beginnt der aus dem Quarz 26 und dem
Transistor 52 mit seinen zugeordneten Schaltelementen bestehende Generator zu schwingen,
und zwar mit einer Frequenz, die von den Dimensionen des Quarz es 26 abhängt und
die vorzugsweise zwischen 60 und'1000 kHz, insbesondere zwischen 100 und 800 kHz
liegt. Der Quarz 26 verändert dabei seine mechanischen Abmessungen im Rhythmus der
elektrischen Schwingungen, und diese mechanischen Schwingungen werden mit vergrößerter
Amplitude auf das Rohr 12 übertragen. Die auf das Rohr 12 aufgesetzte Spitze 18
(Fig. 1) führt dabei Schwingungen in verschiedenen Richtungen aus, wie sie in Fig.
5 in der Draufsicht von vorne durch Pfeile angedeutet sind. Die Schwingungen 75
sind die Folge von Dickenechwingungen, die Schwingungen 76 die Folge von diagonalen
Längsschwingungen des Quarzes 26.
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Beim Ausführungebeispiel wurde ein Quarz mit Y-Schnitt verwendet.
Fig. 6 zeigt einen Quarzkristall 74 mit eingezeichnetem Koordinatensystem, in dem
zwei Möglichkeiten 77 und 78 für Y-Schnitte eingetragen sind.
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Beim Ausführungsbeispiel führt die Spitze 18 also vorzugsweise transversale
Schwingungen aus, doch können mit anderen Ausfllhrungsformen bzw. bei anderer Anordnung
des Quarzes auch longitudinale Schwingungen erzeugt werden.
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Transversale Schwingungen sind freilich z.B. bei der Zahnsteinentfernung
aus den eingangs erläuterten Gründen (Polierwirkung statt Riefenbildung) vorzuziehen.
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Außer fiir die Zahnsteinentfernung eignen sich erfindungsgemäße Geräte
auch für andere Anwendungen, z.B. für die Behandlung in der Kosmetik, oder für Zwecke
der Gehirnchirurgie. Auch hat es sich gezeigt, daß mit derartigen Schwingern Vergaser-Kraftstoff
sehr gut vernebelt werden kann, und daß damit besonders bei kleinen Brennkraftmaschinen
beachtliche Leistungssteigerungen erzielbar sind.