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Bezeichnung: Handgerät zur Erzeugung von Ultraschall-
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schwingungen Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Handgerät zur
Erzeugung von Ultraschallschwingungen mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 aufgeführten
Merkmalen.
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Insbesondere in der Zahnmedizin werden schon seit längerer Zeit mit
Ultraschall arbeitende Geräte verwendet, insbesondere zur Zahnsteinentfernung. Das
erfindungsgemäße Gerät ist besonders für diesen Zweck geeignet, aber auch für sonstige
medizinische Zwecke zu verwenden, vor allem für chirurgische Zwecke; es ist jedoch
auch für kosmetische Zwecke zu gebrauchen, wobei bei allen vorgenannten Zwecken
gleichzeitig eine Vernebelung von Flüssigkeiten vorgenommen werden kann. Das Gerät
kann aber auch nur zur Vernebelung von Flüssigkeiten, z.B. Aerosolen für die Inhalation
od. dgl. benutzt werden. Es läßt sich jedoch auch für viele andere Zwecke, bei denen
eine Ultraschallschwingung gewünscht wird, benutzen, so z.B. zum Gravieren und Beseitigen
von Metallpunkten oder sonstigen Verunreinigungen auf lruokplatten oder anderen
Körpern.
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In der DTOS 2 145 924 ist ein Gerät mit den Merkmalen des Oberbegriffes
beschrieben, bei dessen besonderer Ausgestaltung das piezoelektrische Schwingelement
zwischen einem Tragglied und einer Peder eingespannt ist, welche mit dem schwingenden
Arbeitsstab verbunden ist. Bei einer solchen Anordnung kann nur mit Hilfe einer
mechanischen Ubersetzungsanordnung zur Vergrößerung der Schwingungsamplituden eine
hinreichend intensive Schwingung erzeugt werden. Die Lagerung und Unterbringung
der schwingenden Elemente kann bei einem solchen Gerät zu Problemen für eine wirtschaftlich
sinnvolle Ausnutzung führen.
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Bei einem aus der USPS 3 427 480 bekannten piezoelektrischen Dental-Reinigungsgerät
ist ein zylinderrohrförmiges piezoelektrisches Schwingelement mit dem als Arbeitswerkzeug
ausgestalteten schwingenden Stab fest verbunden, wobei dieser mit Hilfe einer elastischen
Dichtung in der Spitze des Kopfes gelagert ist, während das hintere Ende des zylinderrohrförmigen
piezoelektrischen Schwingelementes im Gehäuse abgedichtet und elastisch gelagert
ist. Ein derart aufgebautes piezoelektrisches Schwingelement ist außerordentlich
groß und hat eine im Vergleich zum ganzen Gerät relativ große Masse, so daß das
ganze Gerät in für den Benutzer unangenehmen und oft sogar gesundheitsschädlichen
Schwingungen geratenkann. Außerdem ist in dem Handgerät kein Platz vorhanden, um
einen Generator unterzubringen, so daß ein außen liegender oft sehr großer Generator
mit abgeschirmter Zuleitung erforderlich wird, was bei dem notorischen Platzmangel
an Behandlungsstühlen von Zahnärzten oder Operationstischen störend ist. Die Abstimmung
bereitet Schwierigkeiten. Durch die Erfindung sollen vor allem die vorerwähnten
Nachteile vermieden, die Vorteile der bekannten Geräte jedooh möglichst
erhalten
und vor allem die unten aufgeführten Vorteile erzielt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein überall gut unterzubringendes
und einzusetzendes, kompaktes, gut arbeitendes Ultraschallgerät der eingangs genannten
Art bei möglichst kleinem Aufbau und möglichst großer Leistungsabgabe so auszugestalten,
daß möglichst günstige Schwingungsbedingungen herrschen. Erfindungsgemäss sind die
im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale vorgesehen. Durch die Wahl
einer stabförmigen Keramik und ihre entsprechende Halterung ist es möglich geworden,
die erforderlichen Schwingungsintensitäten auch bei einem so kleinen Gerät mit eingebautem
Generator in wirtschaftlich vernünftig herstellbarer Weise zu verwirklichen. Man
kann nun der Schwingeinheit aus Arbeitswerkzeug, dem sie tragenden Stab und der
piezoelektrischen Keramik eine so kleine Masse gegenüber dem Gesamtgerät geben,
daß das Arbeitswerkzeug in Schwingungen versetzbar ist, ohne daß das Gerät als solches
wçsentliche Schwingungen erfährt.
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Trotzdem sind an der Arbeitsspitze bei derartigen Geräten bisher nicht
zu verwirklichende Leistungen verfügbar. Besonders gute Schwingergebnisse lassen
sich erzielen, wenn die piezoelektrische Keramik als Flachstab mit rechteckigem
Querschnitt ausgebildet ist. Sie läßt sich dann auch verhältnismäßig klein herstellen,
wobei trotzdem relativ große Leistungen und günstige Schwingungsformen zu erzielen
sind.
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Bei Anwendung der im Anspruch 3 behandelten Merkmale kann das pieoelektrische
Schwingelement einerseits sehr günstig gehalten werden und andererseits wird durch
die kegelförmige Gestalt des Konzentrationsteiles eine sehr günstige Uberleitung
der Schwingungen vom piezoelektrischen Schwingelement auf den Arbeitsstab gewährleistet,
die zu
einer verstärkenden Trichterwirkung führt. Bei Anwendung
der im Anspruch 4 aufgeführten Merkmale werden Verluste auf ein Mindestmaß reduziert
und die ubertragung von Schwingungen w7rd auch bei direkter Befestigung im Gehäuse
praktisch vermieden.
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Bei Anwendung der im Anspruch 5 aufgeführten Merkmale kommt man zu
einer Unterteilung des ganzen Gerätes in einen vorderen Schwingteil und einen hinteren
Generatorteil, so daß man eine gewisse räumliche Trennung und vor allem die schwingungsmäßige
Isolierung verbessern kann. Die Gehäusetrennwand kann zusätalich beim unbeabsichtigten
Fallenlassen als Schutz und Abstützung für die Keramik dienen.
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Bei Anwendung der im Anspruch 6 aufgeführten Merkmale wird das Schwingungsverhalten
durch den elektrischen Anschluß nicht beeinträchtigt und mechanische Zerstörungen
an den elektrischen Zuleitungen w-erden->baktisch-ve--rmi-eienv Bei Anwendung
der im Anspruch 7 aufgeführten Merkmale kann man auf eine zusätzliche Rohrleitung
für das Austretenlassen der Flüssigkeit verzichten. Außerdem wird eine gute Vernebelung
erreicht. Die Merkmale des Anspruches 8 führen zu einer guten Kühlung des kleinen
im Handgerät nur schwer unterzubringenden Generators. Bei Anwendung der Merkmale
des Anspruches 9 tritt das zerstäubte Kühlmittel unmittelbar am Arbeitswerkzeug
aus, 80 daß hier abgelöste Zahnsteinpartikel od. dgl. besonders gut entfernt werden
können.
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Bei Anwendung der im Anspruch 10 aufgeführten Merkmale kommt man zu
einer sehr günstig herzustellenden und betriebssicheren Gestaltung, wobei vor allem
die Sohwingungsisolierung
für die Leitung und die schwingungsmäßige
Trennung zwischen Generator und Schwingteilen günstig zu verwirklichen sind. Bei
Anwendung der im Anspruch 11 aufgeführten Merkmale ergibt sich eine günstige Montage
und eine schwingungsgünstige Anordnung der Kühlmittelleitung.
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Günstige Verhältnisse bezüglich der Frequenz, der erforderlichen Leistungsaufnahme
und Leistungsabgabe sowie Schwingungsamplitude kann man bei Einsatz von Titanaten
als piezoelektrische Keramik erzielen. Dabei kommen beispielsweise Bleizirkonat-Titanat
oder Bariumtitanat als keramisches MateriaL in Betracht. Bei Schwingfrequenzen im
Bereich von 40 - 80 kHz arbeiten solche Geräte in einem für den behandelnden Patienten
und den Benutzer sowie für das erstrebte Behandlungsergebnis günstigen Bereich.
Optimale Bedingungen lassen sich bei einer Frequenz von etwa 50 kHz erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen an einem vorteilhaften
Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 die raumbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen
Gerätes, das vorzugsweise zur Entfernung von Zahnstein ausgebildet ist; Fig. 2 einen
Längs schnitt durch ein Handgerät zur Zahnsteinentfernung mit piezoelektrischem
Schwingelement und innenliegendem Generator; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie
3-3 in Pig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig.
2; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 2 und Fig. 6 eine Schaltung
für den Generator und das piezoelektrische Schwingelement des Gerätes nach den Pig.
1 bis 5.
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Pig. 1 zeigt in leicht vergrößertem Maßstab ein erfindungsgemäßes
Gerät 10 zur=Erzeugung von Ultraschall, das vorzugsweise zur Entfernung von Zahnstein
ausgebildet ist, aber auch zum Beispiel zur Vernebelung von Flüssigkeiten, z.B.
Aerosolen für die Inhalation od. dgl. oder zur Nagelpflege oder zum Gravieren oder
zur Entfernung von störenden Teilen auf Druckplatten od. dgl. verwendet werden kann.
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Aus dem schlanken Handgerät ragt vorn ein Stab 12 heraus, auf den
das Arbeitswerkzeug 18 aufgesetzt ist. In dem mit 13 bezeichneten Abschnitt ist
das piezoelektrische Element untergebracht, welches Ultraschallschwingungen ausführt,
wenn ein mit 14 bezeichneter Schaltknopf betätigt wird. In einem mit 15 bezeichneten
Abschnitt des Gerätes 10 ist ein zur Erregung des piezoelektrischen Schwingelementes
erforderlicher Generator untergebracht.
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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 zur
Zufuhr einer niedrigen Versorgungsspannung
von zum Beispiel 6,
12 oder 24 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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Das Ausführungsbeispiel nach den Pig. 2 bis 6 zeigt ebenfalls ein
längliches, in der äußeren Form dem Gerät der Fig. 1 im wesentlichen entsprechendes
Gerät 110, dessen äußeres Gehäuse 125 aus Kunststoff bestehen kann und dann im Innern
zweckmäßig mit einem Metallüberzug zur Abschirmung versehen wird. Es könnte auch
aus Metall bestehen. Im Abschnitt 13 ist das piezoelektrische Schwingelement 126
untergebracht, während im Abschnitt 15 der Generator 151 vorgesehen ist.
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Das piezoelektrische Schwingelement 126 ist eine piezoelektrische
Keramik, insbesondere ein Titanat, beispielsweise ein Blei-Zirkonat-Titanat ( PZT
) oder ein Barium-Titanat. Diese können zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften
auch andere Zusätze nach den Brfat.rungen des Herstellers enthalten. Wesentlich
für die Auswahl ist, daß die Keramik piezoelektrische Eigenschaften aufweist und
beim Einwirken einer Hochfrequenzspannung mechanische Schwingungen von geeigneter
Form und Amplitude ausführt. Dabei kommen vor allem Schwingungen in der Größenordnung
von 40 - 80 kHz, insbesondere ca. 50 kHz, in Betracht.
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Das Schwingelement ist - wie die Fig. 2 und 4 veranschaulichen - als
länglicher Flachstab mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Sein vorderes Ende
127 ist in geeigneter Weise in einem Führungs- und Halteteil 150 im Kopf 111 des
Gerätes befestigt, beispielsweise in einen entsprechenden Schlitz eingeklebt. Das
FUhrungs- und
Halteteil 150 besteht beispielsweise aus Aluminium
und ist, wie die Fig. 2 veranschaulicht, in seinem vorderen, die Schwingungen sinnvoll
führenden und gegebenenfalls verstärkenden Konzentrationsteil 180 trichterförmig
nach Art eines Kegels gestaltet. Das vordere Ende weist eine Bohrung 181 auf, deren
Seitenwände 182 geschlitzt sind und in die das Rohr 112, welches den schwingenden
Stab darstellt, eingesteckt ist. Eine Uberwurfmutter 120 dient zum Festspannen des
Rohres. Das austauschbare Rohr 112 wird den Erfordernissen entsprechend als Arbeitswerkzeug
für den Jeweiligen Einsatzzweck ausgebildet.
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Der Konzentrationskegel 180 schließt sich an den Halteteil 185 des
Führungs- und Halteteiles 150 unmittelbar an.
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Der Halteteil 185 ist als kurzes zylindrisches Stück ausgebildet und
in das vordere Ende des Rohres 125 eingesetzt. Die deren 'Wcndabschnitte 187 aiNd
durch Schlitze 188 voneinander getrennt, so daß eine Mutter 124 die Abschnitte 187
zusammendrückt und damit das Halteteil 185 im Gehäuse 125 festspannt. Die Gesamtschwingeinheit
aus piezoelektrischem Schwingelement 126, Halte-und Führungsteil 150, Rohr 112 und
Mutter 120 ist derart abgestimmt, daß das Halteteil 185 in einem Schwingungsknoten
liegt, so daß die Schwingungsform und Intensität durch das Festhalten nicht beeinträchtigt
und auf das Gehäuse 125 nennenswerte Schwingungen nicht über tragen werden. Das
piezoelektrische Schwingelement 126 erstreckt sich, wie Fig. 2 veranschaulicht,
vom Führungs-und Halteteil 150.nach hinten in das Gehäuse 125 und ragt hier durch
eine wenig größere, im Querschnitt angepaßte, aus Fig. 4 im einzelnen ersichtliche
Öffnung 190 in einer Gehäuseabstützung ;i29, die hier beispielsweise als Trennwand
ausgebildet ist. Sie liegt ebenfalls im
Bereich eines Schwingungsknotens
der Gesamtschwingeinheit, so daß auch hier keine Schwingungsübertragungen auf das
Gehäuse stattfinden, andererseits die Keramik 126 jedoch beim Fallenlassen des ganzen
Gerätes abgestützt wird und somit gegen Bruch gesichert ist. Die Öffnung 190 hat
hier auch seitliche Aussparungen 191 für die Durchführung der Rückkopplungsleitungen.
Seitlich im vorderen Ende des Gehäuses 125 liegt der Schalter 166 mit dem außerhalb
liegenden Betätigungsknopf 114 für die Schaltung des Generators 151 und gegebenenfalls
eine Fernschaltung des Wasserzuflusses.
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Durch das Führungs- und Halteteil 150 führt eine schräge Kühlmittelleitung
212, die in die Bohrung 181 mündet und an die sich nach hinten in das Gehäuse hinein
ein Rohrstück 213 erstreckt, welches in das Führungs- und Halteteil dicht eingesetzt,
beispielsweise eingeklebt ist.
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Dieses Rohrstück reicht bis zu der Gehäuseabstützung 119, wo es in
einem elastischen Schlauchstück 122 steck, welches die Abstützung 129 durchdringt
und die schwingungsmäßige Isolation des vorderen Teiles der Kühlmittelleitung vom
hinteren Teil darstellt. So können das Führungs-und Halteteil 150 mit der piezoelektrischen
Keramik 126 und dem Rohrstück 213 von vorn in das Gehäuse 125 eingesteckt werden,
während der Generator 151 von hinten eingesteckt wird.
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Der Generator 151 ist auf einer Tragplatte 156 montiert, deren Unterseite
in nicht näher dargestellter Weise eine gedruckte Schaltung trägt. Auf der Platte
156 sind die schematisch angedeuteten elektrischen Schaltelemente 160 in üblicher
Weise befestigt. Außerdem ist eine Wärmesenke 153 vorgesehen, auf der der Leistungstransistor
152
mit Hilfe der Schraube 154, welche die Platte 156 durchdringt,
und der Mutter 155 in wärmeleitender Verbindung festgespannt ist. In die Wärmesenke
153 führt von hinten der Kuhlmittelanschluß 223. Die Wärmesenke weist eine Kühlmittelbohrung
224 auf, an die seitlich das Kühlmittelrohr 123 angeschlossen ist, welches sich
nach vorn an den übrigen Elementen des Generators 151 entlang erstreckt, vorn nochmals
die Platte 156 zur Halterung mit einer Abwinklung durchdringt und dann in das elastische
Schlauchstück 122 mündet. Der Schlauch 116 führt das Kühlmittel zu. An seinem nicht
dargestellten Ende im Bereich der Versorgungseinheit kemi ein Magnetventil vorgesehen
sein, welches mit Hilfe des Schalters 166 geschaltet wird, um den Wasserzulauf mit
dem Schwinger ein- und auszuschalten.
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Im hinteren Ende des Handgerätes 125 ist eine Steckverbindung 230
vorgesehen, deren Stecker 231 sowohl die Kühlmittelleitung 116 als auch die elektrischen
Versorgungs- und gegebenenfalls Schaltleitungen 216 leicht anzuschließen und zu
lösen gestattet. Der Stecker 231 wird von einer t;berwurfmutter 232 festgehalten.
In dem Gerät sind noch mehrere elektrische Leitungen schematisch angedeutet, die
jedoch im einzelnen nicht alle mit Bezugszeichen versehen wurden -und deren Anschluß
sich aus dem Schaltbild der Fig. 6 ergibt bzw. gemäß dem Wissen eines Fachmannes
vorzunehmen ist. Zu erwähnen ist nur besonders, daß um die piezoelektrische Keramik
126 im vorderen Bereich eine aufgedampfte Gold- oder Silberelektrode 250 gelegt
ist, die über eine Rückkopplungsleitung 251 an die Basis des Transistors 152 angeschlossen
ist, während das metallische Halte- und Führungsteil 150 über eine Masseleitung
243 mit Masse verbunden ist. Die beiden Anschlußleitungen 142 und 143 für den Anschluß
der piezoelektrischen Keramik sind im Bereich der Trennwand 129
in
dem Schwingungsknoten der Gesamteinheit auf den aufgedampften Elektroden 130 und
14? befestigt, beispielsweise angelötet. Es handelt sich zweckmäßig um schwingungsunempfindliche
Litzenzaleitungen.
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Für den Betrieb des piezoelektrischen Schwingungselementes in Form
einer piezoelektrischen Keramik 126 ist beispielsweise die in Fig. 6 dargestellte
Schaltung vorgesehen, in welcher die Keramik 126 sowie das Halte-und Führungsteil
150 mit dem Rohr 112 dargestellt sind, während die Schaltung sonst nur die übrigen
wesentlichen Schaltelemente in schematischer Darstellung aufweist. Der Generator
hat einen schwingungsfesten npn-Leistungstransistor 152, dessen Kollektor an den
Plus-Pol der Spannungsquelle von 12 - 24 Volt angeschlossen ist, wobei der Schalter
166 zwischenzuschalten ist. Die Basis des Transistors 152 ist über einen Arbeitswiderstand
168 ebenfalls mit dem Plus-Pol der Versorgungsquelle verbunden. Der Emitter ist
mit dem Abgriff eir r Induktivität 165 verbunden, deren unterer Anschluß an Masse
liegt, welche mit dem Minus-Pol der Versorgungsspannungsquenle verbunden isto Der
obere Anschluß der Induktivität 165 ist über die Leitung 143 mit der einen Elektrode
141 der piezoelektrischen Keramik 126 verbunden. Die zweite Elektrode 130 der piezoelektrischen
Keramik 126 ist über die Leitung 142 ebenfalls mit Masse verbunden, so daß die Induktivität
165 und die piezoelektrische Keramik 126 mit ihren Elektroden 130 und 141 das LC-Glied
der Schaltung bilden. Die Ringelektrode 250 am vorderen Ende der piezoelektrischen
Keramik 126 ist über die Leitung 251 mit der Basis des Transistors 152 verbunden,
während die Einspannung der piezoelektrischen Keramik 126 in dem Führungs-und
Halteteil
150 über die Leitung 243 wiederum mit Masse verbunden ist.
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Die Arbeitsweise des Gerätes ist folgende: Beim Einschalten mit Hilfe
des Schaltknopfes 114 wird über den Schalter 166 der Generator 157 an die Versorgungsspannung
gelegt, so daß der Generator und die piezoelektrische Keramik 126 zu schwingen anfangen,
und zwar mit einer Frequenz, die von den Dimensionen der piezoelektrischen Keramik
126 und der auf sie abgestimmten Induktivität 165 abhängt, wobei die Frequenz vorzugsweise
zwischen 40 und 80 kHz liegt. ueber die Rückkopplungselektrode 250 wird der Basis
des Transistors die Resonanzfrequenz aufgegeban. Die piezoelektrische Keramik ist
das frequenzbestimmende Element des zu ihrer Erregung dienenden Generators 151.
Unter dem Einfluß dieser elektrischen Schwingungen wird das piezoelektrische Schwingelement
126 infolge des reziproken Piezoeffektes in mechanische Schwingungen versetzt. Diese
mechanischen Schwingungen teilen sich über das Halte- und Führungsteil 150 insbesondere
über den Konzentrationstrichter 180, dem Rohr 112 und damit dem Arbeitswerkzeug
mit. Das Rohr 112 führt eine kombinierte Longitudinal- und Transversalschwingung
aus, wobei die Longitudinalschwingung in der Amplitude überwiegt, so daß sich eine
etwa 8-förmige Schwingung ergibt, wie sie symbolisch bei 200 dargestellt ist. Durch
die entsprechenden Schwingungen des Arbeitswerkzeuges können Zahnstein entfernt
oder sonstige Reinigungs- und Polierarbeiten ausgeführt werden. Das durch die Leitung
116 zufließende Kühlmittel, insbesondere Wasser, fließt über die Wärmesenke 155
und die weitere Leitung 123, das elastische Schlauchstück, die Leitung 213, den
Kanal 212
und das Innere des Rohres 112 bis zur Arbeitsstelle,
wo es vernebelt wird und zur Kühlung und Wegschwemmung von abgetrennten Partikeln
dient. Es führt gleichzeitig die im Gerät entstehende Wärme ab, so daß es möglich
ist, in einem sö kleinen Gerät den Generator für die erforderliche Leistung von
etwa 8 - 10 Watt unterzubringen, ohne naahteilige Polgen für die Arbeitsweise des
Gerätes.
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Die Schaltungen können auch mit weiteren, dem Fachmann geläufigen
Elementen versehen oder in anderer üblicher Weise als Oszillator-Schaltungen gestaltet
sein. Auch kommen andere piezoelektrische Schwingelemente in Betracht, die sich
von den magnetostriktiven Schwingern vor allem dadurch unterscheiden* daß sie bei
geringerer Leistungsaufnahme günstige Schnittleistungen ermöglichen.
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Außer für die Zahnsteinentfernung eignen sich ^5.4e erfindungsgemäßen
Geräte auch für andere Anwert @@@@ z.3. für die Behandlung in der Kosmetik oder
für @@@@@@ der Chirurgie. Auch'hat es sich gezeigt, daß mit derartigen Schwingern
Flüssigkeiten sehr gut vernebelt werden können, insbesondere Aerosole für die Inhalation.
Man kann das Gerät auch zum Gravieren oder Beseitigen von störenden Stellen benutzen.
Den aus der Spitze des Gerätes herausragenden Stab kann man dafür de: Jeweiligen
Zwecken entsprechend ausgestalten oder auf ihn entsprechende Arbeitswerkzeuge aufsetzen.
Das Arbeitswerkzeug kann demgemäß ein Zahnsteinentfernungswerkseug, eine Vernebelungsdüse,
ein Arbeitswerkzeug für die Nagelpflege, ein chirurgiaches Arbeitswerkzeug, ein.
Gravierstichel, ein Druckplattenschaber oder dergleichen 3ç4Lç