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Zahnärztliches Handstück Die Erfindung bezieht sich auf ein zahnärztliches
Hand-stück mit einem darin angeordneten, mit hochfrequentem Strom erregbaren elektro-mechanischen
Wandler und einem am vorderen Ende des Handstückes angeordneten, die mechanischen
Schwingungen des Wandlers aufnehmenden Werkzeug.
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Solche Handstück werden in der zahnmedizinischen Technik hauptsächlich
zum Entfernen von Zahnstein, Stopfen von Amalgam und ztim Schneiden von Geweben
bei chirurgischen Eingriffen eingesetzt. Bei einem bekannten derartigen Handstück
ist ein magnetostriktiver Wandler vorgesehen, der im wesentlichen aus einem von
einer Spule umgebenen Nickelkern besteht. Die Spule wird zur Erregung des Kernes
mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist, der aus einem separaten, vom Handstück
räumlich getrennten Generator entnommen wird. Der Hochfrequenzgenerator ist und
u meist in einem speziellen Gehäuse untergebracht und über einen Zuleitungsschlauch
mit dem Handstück verbunden.
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Zum Betrieb solcher Handstücke ist insbesondere ein schaltungstechnisch
relativ großer Aufwand erforderlich, der auch einen relativ großen Platzbedarf zur
Unterbringung der zur Erzeugung der hochfrequenten Ströme zur Erregung des Schwingers
erforderlichen Bauteile mit sich bringt. Dif Unterbringung des Generatorteils in
einer Dentaleinrichtung ist insbesondere bei einem Nachrüsten der Einrichtung mit
einem solchen Handstück problematisch, weii die baulich ohnehin schon sehr zusammengedrängte
Anordnung der diversen Versorgungsteile für die Bohr- und Spritzhandstücke häufig
kaum Platz für zusätzliche Handstück läßt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zahnärztliches
Handstück der eingangs genannten Art anzugeben, das - unter Beibehaltung der Vorzüge,
die solche bekannte Handstücke bieten - einfacher aufgebaut ist als ein vergleichbares
.Handstück nach dem Stand der Technik. Insbesondere soll der Aufwand an elektrischen
Bauteilen verringert und die Servicefreundlichkeit verbessert werden.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß mit dem elektro-mechanischen
Wandler ein Rückkopplungsglied mechanisch verbunden ist, welches am Eingang einer
Steuer einrichtung für den Wandler angeschlossen ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag-kann eine äußerst einfache Erregerschaltung
zur Erregung des elektro-mechanischen Wandlers aufgebaut werden. Ein Abgleich oder
ein Abstimmen des Hochfrequenzteils, wie es bei dem bekannten Handstück erforderlich
ist, entfällt, da das Rückkopplungsglied seine Impulse zur Erregung des elektro-mechanischen'Wandlers
stets in der Eigenfrequenz des Wandlers abgibt.
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Das Rückkopplungsglied ist ein elektro-mechanischer Wandler und kann
ein Dehnungsmeßstreifen sein, dessen Widerstandswert sich bei einem Schwingen des
elektro-mechanischen Wandlers ändertund dessen sich änderndes Spannungspotential
als Ausgangsgröße auf die Steuereinrichtung des elektro-medEanischen Wandlers wirkt.
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Auch ein mit einer Tauchspule zusammenwirkender, mit dem elektromechanischen
Wandler mechanisch gekoppelter Magnet kann -vorgesehen werden. Bei einer solchen
Anordnung werden auftretende Magnetfeldänderungen mittels geeigneter Übertragungsmittel
in elektrische Signale umgewandelt, die dann der Steuereinrichtung zugeführt werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, als Rückkopplungsglied einen druckempfindlichen
Transistor vorzusehen.
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Ein besonders einfacher und preislich ganstiger Aufbau des Handstückes
läßt sich erreichen, wenn als Rückkopplungsglied ein piezokeramischer Wandler vorgesehen
ist. Das Rückkopplungsglied kann grundsätzlich mit jedem elektro-mechanischen Wandler
als schwingendes mechanisches Glied gekoppelt werden. Besondere Vorteile lassen
sich jedoch erzielen, wenn, wie in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen wird,
auch der elektro-mechanische Wandler aus piezokeramischem Material hergestellt ist.
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Die Steuereinrichtung enthält einen vorzugsweise zweistufigen Verstärker,
dessen Ausgang mit dem elektro-mechanischen Wandler verbunden ist. Besondere Vorteile
werden erzielt, wenn, wie in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen wird, die
Bauteile, des Verstärkers im Handstück eingebaut sind. Dadurch entfällt das bei
bekannten Hand stücken erforderliche Hochfrequenzzuleitungskabel. Bei entsprechender
Ausbildung der Anschlußstüöke kann das erfindungsgemäße Handstück auch an den Versorgungsschlauch
eines mit Gleichspannung gespeisten elektro-motorisch betriebenen Handstückes, dessen
Motor im Handstück untergebracht ist, angeschlossen werden.
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Weitere Vorteile, sowie der Aufbau des erfindungsgemäßen Handstückes
werden nachstehend in den Figuren anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 ein zahnärztliches Handstück zum
Zahnsteinentfernen in schaubildlicher Ansicht mit teilweise aufgeschnittenem Griffstück,
Fig. 2 den Aufbau des elektro-mechanischen Wandlers und die Anordnung des Rückkopplungsgliedes
in schematischer Darstellung und Fig. 3 die elektrische Schaltungsanordnung der
Steuereinrichtung für den elektro-mechanischen Wandler.
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Die Fig. 1 zeigt ein zahnärztliches Handstück, in dessen Griffstück
1 ein elektro-mechanischer Wandler 2 und die Bauteile einer Steuereinrichtung 3
zur Erregung des Wandlers 2 untergebracht sind. Am vorderen Ende des elektro-mechanischen
Wandlers 2 ist ein Kupplungsteil 4 angeordnet, an dem betriebsmäßig lösbar ein Werkzeug
5 gehaltert ist. Die elektrischen Bauteile der Steuereinrichtung 3 sind zu einem
Block zusammengefaßt und an dem dem werkzeugseitigen Ende gegenüberliegenden Ende
des Wandlers 2 angeordnet. Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen Wandler
2 und Steuereinrichtung 3 sind mit 13 und 14 bezeichnet.
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Das Griffstück 1 ist an einen Zuleitungsschlauch 7 anschließbar, der
im wesentlichen elektrische Leitungen 8 zur Zuführung elektrischer Energie an die
Steuereinrichtung 3 sowie einen Leitungskanal 9 zur Zuführung von Kühl- oder Spülmitteln
an das Werkzeug enthält. Der elektro-mechanische Wandler 2 besteht aus mehreren
dünnen sandwichartig übereinander zu einem Schwingerpaket angeordneten plattenförmigen
piezokeramischen Binzelschwingern 10. An der Oberseite des Wandlers 2 ist ein die
mechanischen Schwingungen aufnehmendes Rückkopplungsglied 11 angeordnet. Das Rückkopplungsglied
11 wandelt die mechanischen Schwingingen in elektrische Impulse um, die über die
elektrische Verbindungsleitung 15 der Steuereinrichtung 3 zugeführt werden.
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Der Rückkopplungsschwinger kann auch in Paketmitte oder
auf
der Unterseite des Schwingerpakets angeordnet sein. Einzelheiten des Aufbaus des,
Schwingerpakets sowie den Aufbau der Steuereinrichtung 9 zeigen die Figuren 2 und
3.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die iinzelschwinger 10 in Parallelschaltung
elektrisch miteinander verbunden sind. Die Parallelschaltung ist konstruktiv so
gelöst, daß zwischen den Einzelschwingern 10 dünne Metallfolien 12 eingelegt sind,
die ihrerseits zu den metallisierten Flächen der Einzelschwinger 10 eine gut-leitende
Verbindung herstellen. Das an der Oberseite des Schwingerpakets 2 aufgesetzte Rückkopplungsglied
11 besteht ebenfalls aus piezokeramischem Material, ist in der gleichen Technik
wie die Einzelschwinger 10 aufgebaut und mechanisch mit dem Schwingerpaket verbunden.
Wird an die Verbindungsleitungen 13 und 14 eine Gleichspannung Uv angelegt, so beginnt
der elektro-mechanische Wandler 2 zu schwingen. Da der piezoelektrische Effekt umkehrbar-ist,
d.h. bei mechanischer Beanspruchung des Wandlers sich an den metallisierten Flächen
Ladungen bilden, die der deformierenden Kraft (mechanischen Schwingungen) proportional
sind, kann durch das Rückkopplungsglied 11 der elektromechanische Wandler 2 auf
einfachste Art und Weise in seiner Eigenfrequenz erregt werden. Der Vorteil des
Rückkopplungsgliedes ist, daß sich eine sehr einfache Erregerschaltung aufbauen
läßt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.
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Die Steuereinrichtung 5 besteht aus einem zweistufigen Verstärker
mit den Transistoren 16, 17 und den Widerständen 18 bis 21. Mit 22 ist eine Drossel
bezeichnet, welche als Kollektorwiderstand für den Transistor 17 vorgesehen ist
und die zudem verhindern soll, daß Wchselströme zurück in die Gleichspannungsspeisequelle
fließen können. Mit 23 ist ein Ein- und Ausschalter bezeichnet, mit dem die Gleichspannung
Uv an die Steuereinrichtung 3 gelegt wird. Der Schalter kann am Handstück selbst
oder auch'an einer anderen geeigneten Stelle,
z.B. einer Dentaleinrichtung,
angeordnet sein. Die Wirkungsweise ist folgende: Nach Schließen des Schalters 23
wird eine positive Gleichspannung Uv über den Anschluß 14 an den Wandler 2 gelegt
und dieser zu einer gedämpften Sohwingung in der Eigenfrequenz des elektro-mechanischen
Wandler erregt. Die Erregerfrequenz liegt bei 20 bis 40 kHz, also im Ultraschallbereich.
Die Schwingungen erzeugen im wesentlichen eine Längskontraktion des Schwingerpaketes.
Diese Längsschwingungen werden (vgl. Fig. 1) über das Kupplungsteil 4 dem Werkzeug
5 übertragen. Die Längskontraktionen erzeugen durch die mechanische Kopplung mit
dem Rückkopplungsglied 11 eine elektrische Spannung, die über die Leitung 15 der
Basis des Transistorverstärkers 17 zugeführt wird, in dessen Ausgang über die Leitung
14 der elektro-mechanische Wandler 2 liegt. Die rückgekoppelte verstärkte Spannung
gelangt dadurch wieder auf den Wandler, so daß dieser nunmehr eine ungedämpfte Schwingung
durchführt. Durch ein Verändern der Gleichspannung Uv wird die Schwingungsamplitude
und damit die Ausgangsleistung des Wandlers verändert. Es wird dadurch ermöglicht,
durch ein Verändern der Gleichspannung eine Leistungsregelung durchzuführen. Aus
der Darstellung ist ersichtlich, daß der Aufwand an elektrischen Bauteilen für die
Erregerschaltung sehr klein ist. Dadurch ist es besonders leicht möglich, die gesamten
Bauteile im Handstück unterzubringen und das Handstück im Querschnitt sehr klein
zu halten. Dies ist auch dadurch möglich, daß die Abmessungen der Einzelschwinger
10 relativ klein sind. Der Wandler 2 ist nur 30 bis 50 mm lang, die Einzelschwinger
- etwa dreißig an der Zahl - haben eine Stärke von etwa 0,3 mm und eine Kantenlänge
von etwa 8 bis 10 mm. Wie aus der Darstellung in Fig. 1 ersichtlich ist, liegen
die Einzelschwinger mit ihren Längsachsen parallel zur Längsachse des Handstückes.
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Wie eingangs bereits erwähnt, sind lediglich zwei Leitungen für die
Zuführung der elektrischen Energie erforderlich. Die Grundspannung
der
Gleichspannungsquelle-Uv liegt bei 24 V. Bildet man das Anschlußteil des Handstückes
fEr den Zuleitungsschlauch so aus, daß es an die üblichen Anschlußleitungen zur
Versorgung elektro-motorischer Bohrantriebe angyschlossen werden kann, so kann das
erfindungsgemäße Hand stück an die regelbare Steuerelektronik eines elektromotorisch
angetriebenen Bohrhandstückes angeschlossen werden. Der Vorteil liegt darin, daß
an ein und denselben Versorgungsschlauch wahlweise ein elektro-motorisch betriebenes
Bohrhandstück oder auch das erfindungsgemäße Handstück angeschlossen werden kann.
Die Bauteile der Steuereinrichtung zur Erregung des elektro-mechanischen Wandlers
können auch im handstückseitigen Anschlußteil des Zuleitung'sschlauches angeordnet
sein.
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Das erfindungsgemäße Handstück kann je nach Ausführung des auf das
Kupplungsteil 4 aufgesetzten Werkstückes zum Zahnsteinentfernen, zum Stopfen von
Amalgam oder als Schneidwerkzeug verwendet werden. Als piezokeramisches Material
hat sich Barium-Titanat als besonders vorteilhaft erwiesen. Es wird noch darauf
hingewiesen, daß es auch im Rahmen der Erfindung liegt, als Wandler einen magnetostriktiven
Wandler vorzusehen, der mit dem Rückkopplungsglied mechanisch verbunden ist.