-
Antriebs- und Steuereinrichtung fUr mit Ultraschall arbeitende Zahn-
-
behandlungsgeräte Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebs-
und Steuereinrichtung fUr mit Ultraschallimpulsen arbeitende Zahnbehandlungsgerdte
oder dgl,, mit einem elektromechanischem, insbesondere magnetostriktiven oder piezzoelektischen
Wandler und mit einem den Wandler treibenden, durch eine Regelspannung, insbesondere
§leichspannung nachstimmbaren Oszillator.
-
Die Verwendung von im Ultraschallbereich arbeitenden Behandlungsgerdten,
insbesondere von Geraten zur Entfernung von Zahnstein usw., mit einem magnetostriktiven
oder piezzoelektrischen Wandler und an diesem Wandler befestigten Werkzeug ist an
sich bekannt.
-
Diesen bekannten Geräten ist gemeinsam, daß der Wandler mit dem am
Wandler befestigten Werkzeug ein Schwingungssystem darstellt, welches zur Abgabe
optimaler
Leistung genau mit Resonanzfrequenz betrieben werden mu, d.h.
-
mit einem Signal angesteuert werden muß, dessen Frequenz 'er Eigenreso
nanz des mit dem Werkzeug versehenen wandlers entspricht. Durch ie unte rschiedlichen
mechanischen Längenabmessungen er mit dem Wandler zu verbindenden Werkzeuge, durch
Abnutzung dieser Werkezeuge, durch 'wechseln des Schwingungssystems sowie durch
Belastung der Werkzeuge unter Arbeits bedingungen ergeben sich Verlagerungen der
Resonanzfrequenz des Schwingungssystems bzw. des Wandlers, die entweder von Hand
durch Anclerung der Frequenz des den Wandler ansteuernden Ultraschallgenerators
bzw. Oszillat tors oder aber durch selbsttätige Frequenznachstimmung ausgeglichen
werden müssen.
-
Bei den bekannten Antriebs- und Steuereinrichtungen mit selbsttätiger
Frequenznachstimmung werden entweder selbsterregte Oszillatoren Uber ein vom Wandler
gespeiste Rückkopplungswicklung betrieben oder aber im Wandler sind zusätzliche
Fühlerelemente, z.B. Piez-oelemente vorgesehen, die ein Signal zur Nachstimmung
bzw. Nachsteuerung des Oszillators auf die Resonanz frequenz es Wandlers liefern.
-
Die bekannten Antriebs- und teuereinrichtungen fUr impulsgesteuerte
Ultraschallzahnbehandlungsgeräte sind in ihrem Aufbau sehr aufwendig und weisen
in der Regel nur einen relativ schmalen Abstimm- bzw. Fangbereich auf, wobei unter
"Fangbereich" derjenige Frequenzbereich zu verstehen ist, in welchem ausgehend von
einer Grundfrequenz, auf welcher der Oszillator beim Einschalten der Antriebs- und
Steuereinrichtung zI-nächst zu schwingen beginnt, noch eine automatische Nachstimmung
des Oszillators auf die Resonanzfrequenz des Wandlers möglich ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile bekannter
rntriebs- und Steuereinrichtungen zu vermeiden und eine Uber einen weiten Nachstimmbereich
bzw. Fangbereich automatisch arbeitende, einfache und
billig herstellbare,
auf kleinstem Raum unterzubringende und insbesonder die Herstell- und Abgleichkosten
des Wandlers sowie der Werkzeuge senken de Antriebs- und Steuereinrichtung aufzuzeigen,
die außerdem eine Nachstimmung des Oszillators auf die Resonanzfrequenz es Wandlers
ohne groß Regelabweichung gestattet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektrisch
Antriebs- und Steuereinrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungs gemäß gekennzeichnet
durch eine Phasenvergleichsschaltung, der zur Erzeugung der Regelspannung bzw. Regelgröße
für die Nach stimmung des Oszillators ein erstes direkt vom Oszillator abgeleitetes
Signal sowie ein zweites von der Spannung und/oder dem Strom des Wandlers abgeleitete;
zweites Signal als Vergleichssignale zugeführt werden.
-
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß ein elektromechanischer
Wandler, insbesondere ein magnetostriktiver oder piezoelektri scher Wandler çchwingkreischarakter
(z.B. Saugkreischarakter) aufweist und aus diesem Grunde die Spannung bzw. der Strom
am wandler eine Phasen verschiebung gegenüber einem direkt vom Oszillator abgenommenen
Signal aufweist, wenn die Oszillatorfrequenz außerhalb der Resonanzfrequenz des
Wandlers liegt. Aus dieser Phasenverschiebung läßt sich mit Hilfe der Phasenvergleichsschaltung
eine Regelgröße bzw. Regelspannung ableiten, die eine sehr genaue bzw. scharfe Nachstellung
des Oszillators gestattet Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
-
Die Erfindung wird im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren an
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Verlauf
der Impedanz eines magnetostriktiven oder pizoelektrischen Wandlers in Abhängigkeit
von der Frequenz; Fig. 2 den prinzipiellen Verlauf des Stromes, der induktiven sowie
kapazitiven Spannungskomponenten sowie der Phasenlage der Spannen
am
Wandler in Abhängigkeit von der Frequenz; Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Antriebs-
und Steuereinrichtung gemdß der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 eine Phasenvergleichsschaltung
zur Verwendung bei der Antriebs-und Steuereinrichtung gemäß Fig. 3, zusammen mit
einer Anzeigevorrichtung; Fig. 5 eine praktische erste Ausführung der Schaltung
gemäß Fig. 3; Fig. 6 eine praktische zweite Ausfuehrung der Schaltung gemäß Fig.
3.
-
In der Fig. 1 ist in Abhdngigkeit von der Frequenz f der Verlauf des
Blindanteils X der Impedanz eines magnetostriktiven oJer piezoelektrischen Wandlers
gezeigt. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, weist ein solcher Wandler Schwingkreischorakter
auf, d. h. bei Resonanzfrequenz fres heben res sich die kapazitiven und induktiven
Blindwiderstände XC und XL gegenseitig auf, so daß nur noch ein in Fig. 1 nicht
berücksichtigter reeller diirkwiderstand verbleibt. Unterhalb der Resonanzfrequenz
f Uberwiegt es der kapazitive Blindwiderstand XC und oberhalb der Resonanzfrequenz
f res der induktive Blindwiderstand XL.
-
Aus diesem Schwingkreisverhalten ergeben sich die in Fig. 2 gezeigten
Verläufe fUr die Spannungen Uc und UL an dem kapazitiven bzw. induktiven Blindwiderstand
des Wandlers' fUr den Strom i durch den Wandler sowie fUr die Phasenlage p der Gesamtspannungskomponente
am Wandler.
-
Die aus Fig. 2 ersichtliche Phasenverschiebung der Spannung am Wandler
kann nun entsprechende Erkenntnis der vorliegenden Erfindung als Nachstimmkreterium
fUr den Oszillator einer Antriebs- und Steuereinrichtung fUr mit Ultraschall arbeitende
Zahnbehandlungsgerute verwendet werden.
-
Die prinzipielle AusfUhrung einer derartigen Antriebs- und Steuereinrichtung
ist in Fig. 3 gezeigt.
-
Die dargestellte Schaltung besteht aus dem Oszillator 1, welcher vorzug
weise ein in seiner Frequenz durch eine gleichspannung verdnderbarer bzw steuerbarer
Multivibrator ist, aus dem Wandler 2 , aus der Phasenvergleichsschaltung bzw. dem
Phasendetektor 3 sowie einer Filteranordnung 4 die im einfachsten Fall von einer
Tiefpaßanordnung, z.B. von einem RC-Glied gebildet wird.
-
Wie Fig. 3 zeigt, wird das Signal des Oszillators 1 sowohl dem Wandler
2 als auch dem Eingang 5 der Phasenvergleichsschaltung 3 zugeführt und dient dort
zur erzeugung einer Regelgröße bzw. -Spannung am Ausgang 6, die von der Phasenlage
des dem Eingang 7 zugeführten Signals (Spannung) des Wandlers 2 abhängig ist. Diese
Regelspannung am Ausgang 6 wird einen ähnlichen Verlauf aufweisen, wie er in Fig.
2 fUr die Phasenlage p der Spannung am Wandler 2 gezeigt ist.
-
Die am Ausgang 6 anliegende Regelspannung wird dem Oszillator 1 Uber
das Filter 4, welches im wesentlichen das Einschwingverhalten des Regelkreises bestimmt
und durch welches hochfrequente Signalanteile in der Regelspannung unterdruckt werden
, zur Nachstimmung der Oszillatorfrequenz zugeführt, so daß sich der Oszillator
1 jeweils automatisch auf die Resonanzfrequenz f des Wandlers 2 einstellt, die im
wesentlichen auch res von der geometrischen Form und Masse des jeweils mit dem Wandler
verbundenen Werkzeuges abhängt, so daß diese Resonanzfrequenz bei verschiedenen
Werkzeugen jeweils einen anderen Wert aufweist. Die Schaltung stellt somit sicher,
daß der Wandler zwei unabhängig von dem jeweiligen Werkzeug und unabhangig von anderen
Frequenz bestimmenden Parametern jeweils bei Resonanzfrequenz betrieben wird, bei
welcher der wandler 2 die maximale Leistung abgeben kann.
-
Fig. 4 zeigt eine praktische Ausfuehrung der Phasenvergleichsschaltung
3.
-
Diese Schaltung besteht im wesentlichen aus den beiden Transistoren
8
und 9, wobei dem als Emitterfolger geschalteten Transistor 8
an der Basi das vom Oszillator einstammenoe Referenzsignal und am Emitter bzw. am
Emitterwiderstand 10 über einen erien- bzw. Schutzwiderstan 11 das vom Wandler 2
stammende Signal zugefuhrt wrd. Im Emitterwiderstand des Transistors 8 werden beide
Signale addiert und im Transistor 9 derart verstärkt, daß sich am Kollektor des
Transistors 9 bzw. am im Kollektorstrom kreis dieses Transistors liegenden Arbeitswiderstuni
Xmpulse ergeben, de ren Länge der Phasenverschiebung zwischen den an tien Eingängen
5 und 7 liegenden Signalen proportional ist. Durch Gleichrichtung (Diode 13) wird
aus diesen Impulsen am Kondensator eine Gleichspannung erzeugt, deren Größe ebenfalls
dem Phasenwinkel zwischen den an den Eingängen 5 und 6 liegenden Signalen proportional
ist und die als Regelspannung zur Nachstimmung des Oszillators 1 verwendet wird.
Gleichzeitig istauch möglich, diese Gleichspannung einem als Abstimmanzeige 15 dienenden
Zeigerinstrument, einer analog-digitalgesteuerten LED oder einer Zifferanzeigeanordnung
zuzuführen.
-
In Fig. 5 ist eine praktische Ausfuehrung der in Fig. 3 im Blockschaltbild
dargestellten Antriebs- und Steuereinrichtung gezeigt. Zur Ansteuerung der Wicklung
16 des Wandlers 2 dient ein Transistor 17, in dessen Kollektorstromkreis die Wicklung
16 angeordnet ist und dessen Basis durch das Ausgangssignal des als Multivibrator
ausgebildeten Oszillators 1 angesteuert wird. Im Kollektorstromkreis des Transistors
17 ist parallel zur Wicklung 16 eine aus dem Ddmpfungswiderstand 18 sowie aus der
Diode 19 bestehende Serienschaltung angeordnet, die in an sich bekannter Weise die
Aufgabe hat, beim Sperren des Transistors 17 die in der Wicklung 16 gespeicherte
magnetische Energie im Dämpfungswiderstond 18 zu vernichten und ein zu großes Uberschwingen
der Spannung am Kollektor des gesperrten Transistors 17 Uber die Batteriespannung
UB hinaus zu vermeiden.
-
Der Kollektor des Transistors 17 ist mit dem Eingang 7 der Phasenvergleichsschaltung
3
verbunden, während dem Eingang 5 der Phasenvergleichsschaltung vom Oszillator 1
direkt ein Vergleichssignal zugeführt wird.
-
Am Ausgang 6 der Phasenvergleichsschaltung ergibt sich dann, wie oben
beschrieben wurde eine Regelspannung, die von der Phasendifferenz zwischen den an
den Ausgängen 5 und 7 anliegenden Signalen abhängt. Diese Regelspannung wird dem
einen Eingang des Verstärkers 20 zugeführt, an dessen anderernEingang eine Spannung
anliegt, die am Emitterwiderstand 21 des Transistors 17 abgegriffen wird und proportional
zu dem durch den Wandler 2 bzw. dessen Wicklung 16 fließenden Strom ist. Zur Unterdruckung
von hochfrequenten Signalanteilen, ist jedem Eingang des Verstärkers 20 jeweils
ein Kondensator 22 bzw. 23 parallel geschaltet. Im Verstärker 20 werden die von
der Phasenvergleichsschaltung 3 gelieferte Regelspannung sowie die am Emitterwiderstand
21 abgegriffene Spannung addiert, so daß am Ausgang des Verstärkers 20 eine gemeinsame
Regelspannung entsteht, die über die Leitung 24 und einen in dieser Leitung angeordneten
Widerstand 25 dem Eingang 26 des Oszillators 1 zu dessen Nachstimmung zugeführt
wird.
-
Eine weitere Regelspannung bzw. Regelgröße wird am Punkt 27 zwischen
dem Dämpfungswiderstand 18 und er Diode (bei der gezeigten Ausführungsform an der
Kathode dieser Diode)abgegriffen und Uber den einstellbaren Widerstand 28 ebenfalls
dem Eingang 26 des Oszillators 1 zugeführt. Die Widerstände 25 und 28 bilden zusammen
mit einem Kondensator 29, der zwischen dem Eingang 26 und dem Massepol 30 liegt,
jeweils als Tiefpaß wirkende RC-Glieder, wobei die Grund frequenz es Oszillators
1 durch Anderung des Widerstandes 28 beeinflußbar ist. Zur Einstellung der von dem
Wandler 2 abgegebene Leistung ist weiterhin das Tastverhditnis bzw. der Einschaltzyklus
des Möltivibrators 1 durch einen einstellbaren Widerstand 31 veränderbar.
-
Wie die obigen Ausführungen gezeigt haben, werden bei der in Fig.
5 dargestellten
Ausführungeer erfindungsgemäßen Antriebs- und
Cteuereinrichtun zur Frequenzstabilisation des Oszillators 1 insgesamt drei Regelspannungen
bzw. Regelgröße verwendet, nämlich die am Ausgang 6 der Phasenvergleichsschaltung
3 liegende Regelspannung, die am Emitterwiderstand 21 abgegriffene Spannung sowie
die Spannung am Punkt 27, die sich aus der Versorgungsspannung UB unten Uber diese
Versorgungsspannung hinausgehen den Ruckschlagimpulsen am Ddmpfungswiderstond 18
zusammensetzt. Alle Regel größen bzw. -Spannungen unterstützen sich in ihrer lsfirkung.
-
Die Grundfrequenz des Oszillators 1 wird bei der in Fig. 5 gezeigten
Ausführung der erfindungsgemäßen Antriebs- und Steuereinrichtung so eingestellt,
daß sie außerhalb der Resonanzfrequenz des Wandlers 2 liegt, beispielsweise oberhalb
der Resonanzfrequenz f des Wandlers 2. Als Grund res frequenz wird diejenige Frequenz
bezeichnet, die vom Oszillators 1 bei fehlender Nachregelung bzw. bei fehlenden
Regelspannungen abgegeben wird.
-
Beim Einschalten der Versorgungsspannung UB wird nun der Oszillator
1 zunächst auf dieser höher als die Resonanzfrequenz des Wandlers liegenden Grundfrequenz
schwingen. Aufgrund des durch die Wicklung 16 des Wandlers 2 fließenden Stromes
wird am Emitterwiderstand 21 eine Spannung erzeugt, die durch den Verstärker 20
um 1800 phasenverschoben dem Eingang 26 des Oszillators 1 zugeführt wird. Die Nachstellcharakteristik
des Oszillators 1 ist dabei s+ewöhlt, daß ein Anstieg der am Eingang 26 anliegenden
Regelspannunine Erhöhung der Frequenz des Oszillators verursacht, während ein Absinken
der Regelspannung am Eingang 26 eine Reduzierung der Oszillatorfrequenz bedingt.
-
Da sich die Spannung am Ausgang des Verstärkers 20 beim Auftreten
einer Spannung am Emitterwiderstand 21 bedingt durch die 1800 Phasenverschiebung
des Verstdrkers 20 verringert, wird der Oszillator durch die Uber die Leitung 24
an den Eingang 26 gelieferte Regel spannung in Richtung auf
die
Resonanzfrequenz f hin verstimmt. Jede Verschiebung der Oszillato res frequenz in
Richtung der Resonanzfrequenz des Wandlers 2 bedeutet entsprechend Fig. 2 jedoch
gleichzeitig eine Erhöhung des Stromes durch die Wicklung 16 bzw. durch den Emitterwiderstand
21, so daß sich die an diese Widerstand anliegende Spannung weiter erhöht mit der
Folge, daß die dem Eingang 26 des Oszillators 1 Uber die Leitung 24 zugeführte Regelspannung
weiter abnimmt und der Oszillator noch weiter in Richtung auf die Resonan -frequenz
des Wandlers 2 hin verstimmt wird. dieser Vorgang setzt sich fort, bis die Resonanz
frequenz f des Wandlers , erreicht ist. Kurz res vor Erreichen der Resonanzfrequenz
des Wandlers 2 übernimmt die Phasenvergleichsschaltung 3 die weitere Regelung bzw.
Nachstimmung des Oszillators 1. Mit Hilfe dieser Phasenvergleichsschaltung 3 ist
es möglich, die Oszillatorfrequenz nahezu exakt auf die Resonanz frequenz des Wandlers
2 -abzustimmen.
-
Die vom Emitterwiderstand 21 abgenommene Regelgröße und die durch
die Phasenvergleichsschaltung 3 erzeugte Regelgröße wirken somit in der Weise zusammen,
daß der Oszillator 1 durch die am Emitterwiderstand 21 abgenommene Regelspannung
zunächst in die Nähe der Resonanz frequenz des Wandlers gebracht wird, wobei dann
die "Scharfabstimmung" durch die an sich nur einen kleinen Fangbereich aufweisende
Phasenvergleichsschaltung 3 erfolgt.
-
Um nun zu vermeiden, daß Schwankungen der Versorgungsspannung UB die
Frequenz-nachregelung des Oszillators 1 negativ beeinflussen, wird der Eingang 26
des Oszillators 1 zugleich auch noch mit der am Punkt 27 abgegriffenen Spannung
beaufschlagt. Bei einem Absinken der Versorgungssponnung UB nimmt der Strom durch
die Wicklung 16 und ebenso auch durch den Emitterwiderstand 21 ab, so daß auch die
am Emitterwiderstand 21 anliegende Spannung kleiner wird. Letzteres wUrde dazu fUhren,
daß am Ausgang des Verstärkers 20 eine ansteigende Regelspannung entsteht, die den
Oszillator
1 in unerwünschter Weise zu höheren Frequenzen hin
verstimmen würde. Diese Fehlabstimmung des Oszillators 1 wird nun dadurch vermie'eni
oaß gleichzeitig mit dem Strom durch die wicklung 11 auch die in der Wicklung 11
gespeicherte magnetische Energie und damit die Amplitude der am Punkt 27 auftretenden
positiven Rückschlogimpulse abnimmt. Hierdurch wird der bei Reduzierung des Stromes
durch den Emitterwiderstand 21 auftretende Spannungsanstieg am Ausgang es Verstörkers
0 wieder kompensiert, so daß die nderung der Versorgungsspannung keinen Einflur
auf di Frequenznachregelung des Oszillators 1 haben kann.
-
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Leistung des Wandlers nicht
nur durch den Widerstand 31, sondern durch Veränderung der Batteriespannung zu regeln.
-
Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung entspricht in ihrem Aufbau im
wesentlichen der Schaltung gemaß Fig. 5, so da.) auch gleiche Schaltungselemente
mit der gleichen Ziffer bezeichnet sind, wie sie in Fig. 5 verwendet wurde. Die
Ausführung der Antriebs- und Steuereinrichtung gemr Fig. 6 unterscheidet sich von
der entsprechenden AusfUhrung gem. Fig. 5 jedoch dadurch, dad auf die am Punkt zwischen
dem Ddmpfungswiderstand 18 und der Diode 19 abgegriffene Regelspannung bzw. Regelgrö3e
zur Nachstellung des Multivibrators 1 verzichtet wurde. Außerdem sind- bei der Antriebs-
und Steuereinrichtung gem. Fig. 6 der Multivibrator 6, die Phasenvergleichsschaltung
sowie der Verstärker 20 zusammen mit einem zusätzlichen Tiefpaß 33 zu einem vollintegrierten
Sdultkreis 3@ zusammen gefaßt, der auch als PLL (Phase Lock Loop - Schaltkreis)
bezeichnet wird Als frequenzbestimmende Glieder für den Multivibrator 1 dienen bei
diese Schaltung der Widerstand 34 sowie der Kondensator 35, die ebenso wie der zur
Regelung des Tastvirhaltnisses des Oszillator 1 dienende änderbare @iderstandes
31 und der dem einen eingang des Verstärkers 20 parallel liegenden Kondensators
22 außerhalb des integrierten Schaltkreises 32
angeordnet sind.
In ihrer Wirkung entspricht die Schaltung gem. Fig. 6 der Schaltung gemtiß Fig.
5. Auch bei der in Fig. 6 dargestellten Antrieb -und Steuereinrichtung wird bei
Einschalten der Batteriespannung der Oszillator 1 zunächst durch die am Emitterwiderstand
21 des Transistors 17 abgegriffene Spannung in die Nche der Resonanzfrequenz des
Wandlers @ verstimmt, wobei dann bei genugender Annäherung an diese Resonanzfrequen
die von der Phasenvergleichsschaltung 3 abgegebene Regelspannung bzw.
-
Regelgröße den Oszillator 1 genau auf Resonanzfrequenz bringt.
Leerseite