DE2244027A1 - Ultraschall-zahnbehandlungsvorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwalt DIPL-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81 · WISSMANNSTRASSE 14 · TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München, den 7, September 1972 Unser Zeichen: 45-1014

Laboratolres Millot S.A., 10 rue Haute des Tanneurs, 80 Amiens (Prankreich)

Ultraschall-Zahnbehandlungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Zahnbehandlungsvorrichtung, mit einem elektrischen Schwingungsgenerator, einem Handgriff, der einen lamellierten magnetostriktiven Wandler, einen Impedanzwandler und ein Werkzeug umfaßt, mit einer elektrischen Verbindungsleitung zwischen Schwingungsgenerator und Wandler, und mit einer Leitung zum Zuführen von Wasser an das Behandlungsende des Werkzeuges,

Bei den bekannten derartigen Behandlungsvorrichtungen ist die Einstellung der Vibrationsfrequenz schwierig auszuführen und muß häufig während der Arbeit korrigiert werden. Außerdem ist das Werkzeug meistens mit dem magnetostriktlven Wandler und dem Impedanzwandler fest verbunden, so daß die Gesamtheit dieser drei Teile ausgewechselt werden muß, wenn ein anderes Werkzeug eingesetzt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zahnbehandlungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen leichteren Wechsel des Werkzeuges ermöglicht sowie eine Nach-

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stellung der Schwingungsfrequenz überflüssig macht.

Die Lösung dieser Aufgabe 1st darin zu sehen, daß der Impedanzwandler ein Innengewinde aufweist, daß das Werkstück an seinem Befestigungsende mit einem dazu passenden Gewinde versehen ist, daß sich das Innengewinde über mindestens den vierten Teil der Länge des Impedanzwandler erstreckt, und daß die schwingfähigen Teile über schlecht ultraschalleitende Stützglieder gegenüber dem Handgriff abgestützt sind.

Gemäß einer Weiterbildung ist um das Ende eines StUtzdornes des Wandlere eine elastische und schlecht ultraschalleitende Kunststoffnase gelegt, die den Impedanzwandler aufnimmt, wobei die Kunetstoffnaee frei drehbar, Jedoch gegenüber Translationsbewegungen fest gelagert ist und eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Werkzeuges aufweist. Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung weist der magnetostriktive Wandler eine Erregerspule und eine Oetektorspule oder Rückkopplungespule auf, welch letztere dazu dient, die Übereinstimmung der Frequenz des Schwingungs gener a tor β mit der mechanischen Resonanzfrequenz der schwingenden Teile selbsttätig In Übereinstimmung zu bringen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem AusfUhrungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Figur 1 1st ein Längsschnitt durch das Handstück einer Zahnbehandlungsvorrichtung nach der Erfindung.

Figur 2 1st ein Schnitt durch den vorderen Bereich des Handstückes nach Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Oszillatorschaltung zum Betrieb des Handstückes nach Figur I₁ und

Figur 4 zeigt den Wasserkreislauf der Zahnbehandlungsvorrichtung nach der Erfindung.

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Das in Figur 1 dargestellte Handstück umfaßt im wesentlichen einen magnetostriktiven Wandler 1, der zwei Spulen trägt, nämlich eine Erregerspule 2 und eine Detektorspule 3. Ferner ist ein Impedanzwandler k vorgesehen, an dessen Ende ein austauschbares Werkzeug 5 angeschraubt ist.

Der magnetostriktive Wandler 1 hat einen quadratischen Querschnitt und besteht aus Nickelblechen₉ wobei die einzelnen Bleche durch Verkleben mittels eines Harzes voneinander isoliert sind.

Der Wandler 1 liegt in einem festen Dorn 6, der aus einem wärmehärtbaren Harz hergestellt ist und der innen einen Kanal aufweist mit einem quadratischen Querschnitt entsprechend dem Querschnitt des magnetostriktiven Wandlers, damit dieser leicht mit einem gewissen Spiel in den Dorn eingesetzt werden kann, ohne daß er sich um seine Achse drehen kann.

Die Nickelbleche sind gemäß Figur 2 untereinander verbunden und mittels einer Lot- oder Schweißstelle la mit dem Impedanzwandler verbunden. Am gegenüberliegenden Ende ist keine Lot- oder Schweißstelle vorhanden, das heißt der monolithische Charakter des Wandlers ist lediglich durch Verkleben herbeigeführt.

Die Erregerspule 2 und die Detektorspule 3 sind in Umfangsaus<nehmungen des Domes 6 untergebracht.

Der Impedanzwandler ¹J weist einen ersten zylindrischen Teil 4a (Figur 2) und einen zweiten zylindrischen Teil ^b auf. Die Querschnitte und Längen dieser zylindrischen Teile sind so bemessen, daß sich eine Impedanzwandlung und eine Konzentration der Ultraschallwellen ergibt. Der zweite zylindrische Teil ^b ist mit einem Innengewinde 7 versehen, welches sich über einen großen Bereich der Länge dieses Teiles erstreckt und an den sich ein Innenkanal 8 anschließt, welcher in den inneren Kanal des Dornes über eine öffnung 9 mündet.

Das Werkzeug 5 ist mit einem prismatischen Kopf 10 versehen, der

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In ein Gewinde 11 übergeht, welches In das Innengewinde des Impedanzwandlers eingeschraubt ist. Letzterer ist von einer Kunststoffnase 12 umgeben, die aus einem elastischen, schlecht ultraschalleitenden Kunststoff hergestellt 1st und deren Innenkanal einen prismatischen Querschnitt aufweist, der etwas größer ist als der des prismatischen Kopfes 10. Die Kunststoffnase 12 ist mit einer ringförmigen Wulst 13 versehen, welche in eine Ringnut 14 am Ende des Domes 6 eingreifen kann, so daß sich die Kunststoffnase 12 um ihre Achse drehen kann.

In Figur 2 ist die Stellung des Werkzeuges beim Einführen in die Kunststoffnase gestrichelt dargestellt. Sobald das Ende des Gewindes 11 in den Anfang des Innengewindes 7 eingeschraubt ist, braucht man lediglich die Kunststoffnase 12 um ihre Achse zu drehen, um das Werkstück 5 mittels des prismatischen Kopfes 10 fest einzuschrauben. Das Verschrauben erfolgt also ohne Zuhilfenahme Irgendeines Schlüssels und läßt sich daher einfach durchführen.

Die Kunststoffnase 12 läßt sich aus dem Dorn 6 durch Zug herausnehmen, so daß man den magnetostriktiven Wandler, den Impedanzwandler und das Werkzeug gemeinsam herausnehmen kann.

An dem dem Werkzeug gegenüberliegenden Ende des Dornes endet in einem Kragenteil 15 eine Leitung, welche drei elektrische Leitungsdrähte und eine Wasserleitung umfaßt. Es 1st in der Nähe des Kragenteiles eine Nut 16 vorgesehen, welche den Anschluß der Zuleitungsdrähte zu der Erregerspule 2 und der Detektorspule 3 ermöglicht, ohne daß irgendein Vorsprung an dem Handstück entsteht. Dieses 1st angrenzend an die Spulen mit einer Hülle 17 Umgeben (Figur 2).

Die Wasserleitung ist an eine Mündung in dem Kragenteil 15 (nicht dargestellt) angeschlossen. Das Wasser dringt dabei in den Zwischenraum zwischen den magnetostriktiven Wandler 1 und den Dorn 6 ein und mündet an einem Dichtungsring 18 (Figur 2), der

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in einer Nut 19 des Impedanzwandlers sitzt und am Ende des Dornes 6 in einer Ausdrebung 19a. Ein zweiter Dichtungsring 20 liegt an der Anschlußstelle 21 des ersten und zweiten zylindrischen Teiles ^a bzw. 4b des .Impedanzwandlers an und an einer Sphulterflache 22 der Kunststofföse 12.

Die Abdichtung erfolgt durch den Dichtungsring 18, so daß das Wasser nur durch die öffnung $ und durch den Kanal in dem Impedanzwandler und in dem Werkzeug (Kapillare 23) fließen kann und durch die öffnung 5a aus dem Werkzeug austreten kann.

Die Dichtungsringe 18 und 20 verhindern eine Verschiebung der beweglichen Teile unter dem Druck des Wassers und des Werkzeuges während des Betriebes.

Das Handstück nach Figur 1 läßt sich mit einem Schwingungsgenerator nach Figur 3 betreiben»

Die Schaltung nach Figur 3 umfaßt eine regelbare Gleichspannungs*- quelle 24, mit der sich die Leistung des Ultraschall-Schwlngungserzeugers einstellen läßt.

Der Schwingungserzeuger umfaßt einen Eingangstransistor 25, zwei in Darlington-Schaltung betriebene Transistoren 26 und 27» einen Kondensator 28 sowie die Erregerspule 2 und die Detektorepule 3 des magnetostriktlven Wandlers. Die Verbindungasteilen des magnetostriktlven Wandlers mit dem Schwingungsgenerator sind mit 29, 30 und 31 bezeichnet und erfolgen über einen Stecker 49 sowie eine Leitung.

Die Schaltung umfaßt ferner drei Kondensatoren 32„ 33 und 34, Widerstände 35 bis 42, ein Betätigungspedal 43, welches als ünterbrecherschalter ausgebildet ist, ein Elektroventll 44, eine Diode '45 sowie eine Selbstinduktion 46.

Die automatische Hachregelung der Schwingungsfrequenz auf die mechanische Resonanzfrequenz des belasteten magnetostriktlven

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Wandlere folgt In an sich bekannter Welse mittels einer Detektor- oder Rückkopplungsspule, indem die an den Klemmen derselben auftretende Induktionsspannung als Regelgröße verwendet wird.

Die neuartige Anwendung dieser selbstregelnden Schaltung mit einer Zahnbehandlungsvorrichtung nach der Erfindung bringt wesentliche Vorteile mit sich. Eine derartige Anordnung kommt mit einer wesentlich geringeren Leistung aus, um eine vergleichbare Ultraschalleistung zu erzeugen, da das Werkzeug immer in Resonanz betrieben wird. Die Resonanaüberhöhung kann mehr als 100 betragen, so daß man selbst bei Abweichung von der Resonanz noch im Bereich hohen Wirkungsgrades verbleibt. Außerdem wird die Erwärmung aufgrund einer Fehlanpassung durch das hindurch" strömende Wasser auf einer annehmbaren Temperatur gehalten, die einen Patienten nicht stört.

Es 1st offensichtlich, daß bei Zahnbehandlungsvorrichtungen die statischen und dynamischen akustischen Impedanzen sich beträchtlich ändern können. Bei den bekannten Vorrichtungen war es erforderlich, die Schwingungsfrequenz für Jede besondere Arbeit gesondert einzustellen und die Frequenz auch noch während des Arbeitens nachzustellen.

Bei der Zahnbehandlungsvorrichtung nach der Erfindung ergibt die Kopplung Über den Kondensator 28 eine Zwangssynchronisierung des Schwingungsgenerators auf die mechanische Resonanzfrequenz der schwingenden mechanischen Teile, und zwar über die Detektor·»· spule 3. Die aus dem Kondensator 28 und der Selbstinduktion der Erregerspule 2 bestehende Schwingungsschaltung hat eine genügende Spannungsüherhöhung, um eine Schwingung aufrechtzuerhalten. Während des Betriebes der Vorrichtung treten daher keine Schwingungsaussetzer und auch kein Leistungsabfall auf.

Der Aufbau der automatischen Naehatimmschaltung gemäß bestimmten bekannten Anwendungen soll nicht daau dienen, eine für mechanische Arbeiten genügende akustische Energie zu liefern.

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Die Zahnbehandlungsvorriehtuag nach a<sv Erfindung ergibt eine automatische Naohstlromung_s obwohl die Werkzeuge auswechselbar sind.

Die bekannten Verbindungsarten eines Handstüekes mit einem Werkzeug verzehren eine erhebliehe akustische Energie. Dies hat dazu geführt, daß man bei bestimmten Geräten den Vorteil der Austauschbarkeit des Werkzeuges nicht ©raielen konnte, sondern den magnetostrlktlven Wandler» den Impedanzwandler und das Werkzeug gemeinsam austauschen mußte.

Die Schwingungsdämpfung bei der Eahnbehandlungsvorriehtung nach der Erfindung 1st durch die besonder© Konstruktion auf ein Minimum reduziert.

Gewöhnlich sind die Bleche too magnetostriktion Wandlern an beiden Stirnseiten desselben.miteinander verschweißt, um einen als monolithischen Block wirkenden Wandler zu erzielen«. Derartige magnetostriktiv Wandler weisen elnesi verhältnismäßig großen Querschnitt auf, wobei die UUt³Qh die Schweißstellen hervorgerufenen Dämpfungein recht beaohtllch sind. Außerdem kann man keinen hohen Wasserdruck anwenden, da dadurch eine zusätzliche Dämpfung auftreten würde. Da jedoch eine bestimmte Wasserströmungsmenge erforderlich ist, kann die Wasserströmung nicht In einem Kanal im Innern des Werkzeuges geleitet werden.

Bei der Zahnbehandlungsvorrichtung nach der· Erfindung weist der magnetostriktiv« Wandler einen kleinen Querschnitt auf, hat eine geringe Dämpfung und geringe Wärraeverluste.

Das lange Gewinde führt zu einer guten akustischen Kupplung zwischen den durch das Gewinde verbundenen Teilen. Vorzugsweise erstreckt sich das Gewinde über einen Bruchteil der Länge des Impedanzwandler in der Größe von etwa 1/*!, und der Druck-an der Verbindungsstelle des Werkzeuges und des Impedanzwandlers liegt bei einigen 100 kg. Die Resonanzfrequenz der Verbindungsstelle zwischen diesen Teilen ist merklich höher als die Schwlngungs-

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frequenz des Generators, so daß die Energieverluste beträchtlich verringert werden. Das gesamte schwingende System let axial und radial nur durch die elastischen Dichtungsringe 18 und 20 gelagert, und der prismatische Kopf 10 des Werkzeuges spielt im Betrieb nur die Rolle einer Führung mit einem Spiel im Innenraum der Kunststoffnase 12. Dadurch wird auch die Absorption akustischer Energie beträchtlich verringert.

Die Zahnbehandlungsvorrichtung nach der Erfindung ermöglicht eine leichtere Nachstellung des Schwingungserzeugers, die sonst schwer zu erreichen ist. Hierzu tragen auch gewisse Schaltungseinzelheiten bei. Wenn die schwingfähigen Teile (magnetostriktiver Wandler« Impedanzwandler und Werkzeug) eine mechanische Resonanzwellenlänge Λ aufweisen, ist der magnetostriktive Wandler 1 für eine Resonanzwellenlänge λ/2 dimensioniert.

Die Erregerspule 2 und die Detektorspule 3 beeinflussen sich induktionsmäßig gegenseitig, und außerdem 1st eine direkte elektrische Kupplung zwischen beiden vorgesehen, da sie gemeinsam an die Kollektoren der Transietoren 26 und 27 angeschlossen sind.

Versuche haben ergeben, daß eine gewisse Abwägung zwischen der magnetischen Kupplung und der elektrischen Kupplung der beiden Wicklungen die Stabilität der Schaltung verbessert.

Die Schwingungserzeugerschaltung bildet einen Teil der Erfindung, da sie wesentlich zu einer verbesserten Frequenznachstimmung beiträgt.

Figur 3 läßt erkennen, daß der Durchtritt von Gleichstrom durch den Schaltungezweig mit dem Widerstand 42, dem Elektroventil 44 und der Diode 45 eine Polarisation ergibt, die sich dem Wechselstrom In der Erregerspule 2 überlagert. Diese Polarisation dient in an sich bekannter Weise dazu, zu verhindern, daß der magnetostriktive Wandler mit einer anderen Frequenz als seiner Grund-

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frequenz entsprechend der Wellenlänge λ /2 schwingt.

Die Selbstinduktion 46 verhindert, daß das Signal des Schwingungserzeugers über den Widerstand 42 und das Elektrqventll 44 nach Masse abgeleitet wird, während die Diode 45 den Transistor 27 gegen Abreißspannungen schützt.

Das Elektroventil 44 steuert den Wasserfluß. Man erkennt, daß bei abgenommener Verbindungsleitung, wenn also die Stellen 29» 30 und 31 durchtrennt sind, das Betätigungspedal 43 keinen Einfluß auf das Elektroventil hat. Es tritt also kein Wasser an der Verbindungsstelle aus.

Gemäß Figur 4 1st die Wasserzuführungsleitung zu dem Handstück über eine Leitung 48 mit einem Stecker 49 verbunden unter Zwischenschaltung eines Elektroventils 50 und eines als Stellventil dienenden Nadelventils 51.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Leistungstransistoren 26 und 27 des Schwingungserzeugers durch die Wasserleitung gekühlt, indem diese In Form eines Kupferrohres in einem zwischen dem Transistor und dem Chassis gelegenen Zwischenboden geleitet 1st und beispielsweise zwischen das Elektroventil 50 und das Nadelventil 51 eingeschaltet ist.

Man erhält auf diese einfache Welse eine wirksame Kühlung der Transistoren und verhindert eine Zerstörung derselben aufgrund von magnetisch induzierten Oberspannungen während der Abschaltintervalle der Transistoren. Die Erwärmung des Wassers durch dl« Kühlung der Transistoren 1st außerdem angenehm für die behandelte Person.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   Ultraschall-Zahnbehandlungsvorrichtung, mit einem elektrischen Schwingungsgenerator, einem Handgriff, der einen lamellierten magnetostriktiven Wandler, einen Impedanzwandler und ein Werkzeug umfaßt, mit einer elektrischen Verbindungsleitung zwischen Schwingungsgenerator und Wandler und mit einer Leitung zum Zuführen von Wasser an das Behandlungsende des Werkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (4) ein Innengewinde (7) aufweist, daß das Werkzeug

   (5) an seinem Befestigungsende mit einem dazu passenden Gewinde (11) versehen ist, daß sich das Innengewinde (7) über mindestens den vierten Teil der Länge des Impedanzwandlers (4) erstreckt, und daß die schwingungsfähigen Teile über schlecht Ultraschalleltende Stützglieder (18, 20) gegenüber dem Handgriff (6, 12, 17) abgestützt sind.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der magnetostriktive Wandler (1) aus einem lamellierten Kern besteht, daß die Bleche des Kerns durch Verkleben gegeneinander isoliert und lediglich an der Ansatzstelle (la) für den Impedanzwandler (4) miteinander verschweißt sind.

   3» Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß um das Ende eines Stütz domes

   (6) des Wandlers eine elastische und schlecht ultraschall-Ieitende Kunststoffnase (12) gelegt ist, die den Impedanzwandler aufnimmt, daß die Kunststoffnase (12) frei drehbar, Jedoch gegenüber Translationsbewegungen fest gelagert ist, und daß sie eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Werkzeuges (5) aufweist,

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   Ί. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß das Werkzeug (5) mit einem prismatischen Kopf (10) versehen ist, welcher in ein Gewinde (11) übergeht,und daß der Kopf in die Ausnehmung der Kunststoffnase (12) eingreift.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der magnetostriktive Wandler eine Erregerspule (2) und eine Detektorspule (3) umfaßt.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Erregerspule (2) und die Detektorspule (3) einen gemeinsamen Verbindungspunkt aufweisen, der mit dem Kollektor des Leistungstransistors des Schwingungserzeugers verbunden ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen parallel zu der Erregerwicklung (2) liegenden Kondensator, der zusammen mit der Selbstinduktion der Erregerspule auf die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingenden Teile annähernd abgestimmt ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Stützglieder als elastische Ringe (18, 20) ausgebildet sind, die zugleich als Dichtungsringe dienen.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß in die Wasserleitung ein Elektroventll eingeschaltet ist, dessen Wicklung über die Verbindungsleitung zwischen Schwingungsgenerator und Wandler geführt ist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens ein Leistungstransistor über eine von dem Wasser durchflossene Zwischenplatte zwischen dem Transistor und dem Chassis gekühlt ist, ,-, _

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