DE2821465B2

DE2821465B2 - Ultraschallgenerator

Info

Publication number: DE2821465B2
Application number: DE2821465A
Authority: DE
Inventors: Pièrre Bordeaux Mabille
Original assignee: SATELEC TALENCE FR Ste; Satelec Talence Ste
Current assignee: SATELEC TALENCE FR Ste; Satelec Talence Ste
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1981-07-16
Also published as: US4156157A; DE2821465C3; JPS53144318A; FR2391001B1; DE2821465A1; FR2391001A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs i.

Der Ultraschallgenerator kann insbesondere in der zahnärztlichen Praxis eingesetzt werden.

Ein Ultraschallgenerator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmalen ist bereits bekannt (US-PS 35 96 206).Als Oszillator bei diesem Ultraschallgenerator ist ein Transistor vorgesehen, dessen Arbeitspunkt mittels eines Spannungsteilers eingestellt und stabilisiert ist. Die Impedanzen einer Primär- und einer Rückkopplungswicklung sind so gewählt, daß die Resonanzfrequenz höher als der Frequenzbereich des Transistors ist. Bei Schließung des Stromkreises der Sekundärwicklung über den Umformer wird durch die entsprechend bemessene Impedanz der Sekundärwicklung die Resonanzfrequenz in den Frequenzbereich des Transistors verschoben. Der Transistor beginnt daher zu schwingen und versorgt den Umformer mit Leistung.

Wenn der Transistor nicht schwingt, sperrt er die Primärwicklung und die Sekundärwicklung ist spannungslos. Mit dieser Anordnung soll verhindert weiden, daß am Oszillator zu hohe Spannungen auftreten, wenn der Umformer vom Transformator getrennt ist. Bisher bekannte Ultraschallgeneratoren weisen im allgemeinen Umformer piezoelektrischer oder magnetostrikliver Art auf. Sie können in zwei bestimmte Klassen eingestellt werden, je nachdem ob der verwendete Umformer auf eine Reihenresonanzfrequenz oder eine

Parallelresonanzfrequenz eingestellt ist.

Ein bei seiner Parallelresonanzfrequenz arbeitender Umformer zeichnet sich durch die Tatsache aus, daß einerseits seine Impedanz ihr Maximum für die Parallelresonanzfrequenz erreicht und daß andererseits eine Vergrößerung der mechanischen Belastung eine Verringerung der Impedanz zur Folge hat.

Einige Konstrukteure verwenden diese Lösung, denn durch sie kann eine gute Anpassung der Leistung bei Belastung mit Hilfe einer Einstellung der Spannung erhalten werden. Jedoch hat die Bauart, die einen auf die Parallelresonanzfrequenz eingestellten Umformer verwendet, den prinzipiellen Nachteil, daß an den Umformer selbst bei der Verwendung von geringer Leistung sehr hohe Spannungen angelegt werden müssen. Hierdurch wird diese Lösung für medizinische Zwecke oder für industrielle Verwendungen mit sehr hoher Leistung ungeeignet

Die Arbeitsweise sines auf die Serienresonanzfrequenz eingestellten Umformers ist entgegengesetzt der. eines auf die ParalJelresonanzfrequenz eingestellten Umformers. In der Tat wird ein auf seiner Serienresonanzfrequenz arbeitender Umformer durch die Tatsache gekennzeichnet, daß einerseits seine Impedanz ihr Minimum bei der Serienresonanzfrequenz erreicht und daß andererseits eine Vergrößerung der mechanischen Belastung eine Vergrößerung der Impedanz hervorbringt.

Bekannt ist ein auf die Serienresonanzfrequenz eingesteliter Umformer, der mit einer veränderbaren Spannung gesteuert wird (DE-OS 23 38 503). Der Oszillator wird bei dieser Vorrichtung von einer geregelten Gleichspannungsquelle gespeist, deren Ausgangsspannung so geregelt ist, daß die Schwingungsfrequenz des Umformers gleich bleibt Bei dieser Art der Steuerung des Umformers nimmt die an den Umformer abgegebene Leistung in Abhängigkeit von dessen Impedanz nach einem hyperbolischen Gesetz ab. Je mehr angeforderte Leistung eingespeist wird, desto weniger Leistung gibt der Umformer daher ab. Es kann sein, daß ein falsch eingestellter Umformer zu viel mechanische Arbeit aufnimmt, die zerstören kann. Der Umformer arbeitet daher unwirtschaftlich und gefährlich.

Am meisten fällt bei einer solchen Lösung ins Gewicht, daß, wenn der Umformer nicht mehr belastet wird, die ihm zugeführte Leistung sehr stark anwächst, was sich in der Praxis so auswirken kann, daß das Ultraschallwerkzeug verschlissen wird.

Es ist dem Vorangegangenen zu entnehmen, daß die Steuerung über die Spannung der Arbeitsweise eines auf die Serienresonanzfrequenz eingestellten Umformers vom Prinzip her entgegensteht.

Es ist versucht worden, diesen Nachteil durch die Verwendung komplexer, passiver Schaltungen zu vermeiden, die auf die Reihenresonanzfrequenz des Umformers abgestimmt sind. Jedoch weisen diese Lösungen wiederum den Nachteil auf, daß sie zu umfangreichen Konstruktionen führen und daß sehr präzise passive, also schwer reproduzierbare Komponenten benötigt werden. Überdies ist dann nur ein Arbeiten bei einer Frequenz möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallgenerator der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwicklen, daß er sich bei völlig sicherer Arbeitsweise automatisch an die effektive Leistung des Umformers anpaßt und zur Steuerung von Umformern mit beliebiger Art der Resonanzfrequenz

eingesetzt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind im Anspruch 2 erläutert Die Erfindung wird nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild eines Ultraschallgenerators,

Fig. 2 ein Diagramm der Arbeitsweise des Ultraschallgeneraiors gemäß F · g. 1 und

F i g. 3 ein mehr detailliertes Schaltbild einer Ausführungsform eines Ultraschallgenerators.

Der in F i g. 1 dargesiellte Ultraschallgenerator weist beispielsweise einen piezoelektrischen Ultraschallumformer 1 auf, der an der Sekundärwicklung eines Transformators 2 anliegt Die Primärwicklung dieses Transformators 2 ist mit dem Ausgang eines Oszillators 3 vtrbundea

Gemäß der Erfindung wird der Oszillator 3 parallel von einer Konstantstromquelle 4 und einer Spannungsquelle 5 aus gespeist Außerdem sind Vorrichtungen vorgesehen, die die Spannungsquelle 5 abschalten, sobald die Impedanz der Ladung unterhalb einer einstellbaren Schwelle bleibt und umgekehrt die Stromquelle 4 abschalten, sobald diese Impedanz die vorgenannte einstellbare Schwelle überschreitet Diese Vorrichtungen enthalten eine Spannungsteilerkette 6, die parallel zum Oszillator 3 und den Quellen 4 und 5 angeordnet ist Diese Spannungsteilerkette 6 weist in der Reihenschaltung einen Widerstand 7, einen Spannungsteiler 8 und einen Widerstand 9 auf. Der Schieber des Spannungsteilers 8 liegt am Eingang einer Vergleichsschaltung 11, an deren anderem Eingang eine feste Bezugsspannung V_r angelegt ist die von einer konstanten Spannungsquelle 12 geliefert wird. Die Vergleichsschaltung 11 ihrerseits ist über zwei Ausgänge mit der Konstantstromquelle 4 bzw. der Spannungsquelle 5 verbunden.

Desgleichen vergleicht die Vergleichsschaltung 11 permanent einen Bruchteil kV₅ der Eingangsspannung V₅ mit der festen Bezugsspannung K₁-, die von der Spannungsquelle 12 geliefert wird.

Sobald die Teilspannung kV_s der Eingangsspannung V₅ unterhalb der Bezugsspannung V_r liegt, blockiert die Vergleichsschaltung 11 die Spannungsquelle 5 und die Konstantstromquelle 4 wird nur zur Speisung des Oszillators 3 eingeschaltet In diesem Fall ist die an den Umformer 1 gelieferte Energie proportional zur Impedanz, also zur abgeforderten oder anfallenden mechanischen Arbeit.

Diese Beziehung läßt sich an Hand der Fig.2 erläutern, in welcher die Veränderung der gelieferten Leistung PaIs Funktion der Impedanz Zdes Uniformers 1 dargestellt ist, und zwar in bezug auf den Fall einer minimalen Leistung (Kurve I), einer mittleren Leistung (Kurve II) und einer maximalen Leistung (Kurve III). Die gelieferte Leistung ist mit Hilfe des Spannungsteilers 8 der Spannungsteilerkette 6 einstellbar. Beim Betrachten der der mittleren Leistung entsprechenden Kurve II wird deutlich, daß, sobald die Impedanz Zdes Umformers 1 unterhalb der Schwelle Zb verbleibt, die an den Umformer gelieferte Leistung P proportional zur Impedanz gemäß dem Teil der Linie O-B variiert. Für die minimalen und maximalen Leistungen gelten die Impedanzschwellen 7.<Zt>bzw.Z_c<Zb.

Wenn der Teil *Κ über die Bezugsspannung V_r hinauswächst, ändert die Vergleichsschaltung 11 ihren Zustand und betreibt sodann die Abschaltung des Generators 4 für konstanten Strom.

Die Speisung erfolgt dann aus der Spannungsquelle und begrenzt die Ausgangsleistung. -, Aus Fig.2 geht schließlich ateh hervor, daß bei Betrachtung der der mittleren Leistung entsprechenden Kurve II bei Überschreitung der Schwelle Zs durch die Impedanz Zsich die Leistung /»verringert, wenn sich die Impedanz Zvergrößert und dabei einem hyperbolischen

ίο Gesetz folgt, die übliche Eigenschaft von Geräten, die nur eine Spannungsquelle verwenden.

Daher kann, wenn die Impedanz Z die einstellbare Impedanzschwelle Zb erreicht und überschreitet die Leistung P nicht den dem Punkt B entsprechenden

ι s Maximalwert überschreiten, weil sie nach diesem Punkt fortschreitend abnimmt So bietet das erfindungsgemäße Gerät jegliche Sicherheit in der Arbeitsweise.

Gemäß den Einstellungsbedingungen kann die Leistung einen vorbestimmten Maximalwert nicht über- schreiten. Wenn das Gerät beispielsweise für die Zahnsteinentfernung verwendet wird, ist absolut sichergestellt daß bei Benutzung des erfindungsgemäßen Gerätes das Ultraschallwerkzeug nur den Zahnstein (Belag) angreift, ohne den Zahn selbst zu beschädigen.

Es wird nun mit Bezug auf Fig.3 eine d«e Erfindung nicht hierauf einschränkende Schaltung im Detail beschrieben werden.

Im Schaltbild von F i g. 3 sind Einzelteile, die solchen aus F i g. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet

Der erfindungsgemäße Ultraschallgenerator weist in diesem Beispiel einen Eingangstransformator 13 auf, dessen Primärwicklung mit einem Wechselstromnetz verbunden ist und dessen Sekundärwicklung eine Gleichrichterbrücke mit einer Diodenkette 14 und einem parallelgeschaltetem Glättungskondensator 15 hat, die parallel geschaltet sind.

Die so gewonnene Spannung ist über einen Widerstand 16 an den Kollektor eines Transistors 17 angelegt dessen Emitter über einen Widerstand 18 und ein Potentiometer 19, die parallel geschaltet sind, mit einer Seite der Primärwicklung des Transformators 2 verbunden ist Die andere Seite dieser Primärwicklung ist mit dem Kollektor eines Transistors 21 verbunden, dessen Emitter an Masse liegt Eine Seite der Sekundärwicklung des Transformators 2 ist mit dem Umformer 1 verbunden, während die andere Seite einerseits mit der Masse über einen Widerstand 22 und andererseits mit der Basis des Transistors 21 über eine Schaltung verbunden ist, welche einen induktiven Widerstand 23 und einen Kondensator 24 aufweist. Desgleichen liegt ein Widerstand 25 zwischen der Basis des Transistors 21 und dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 18 und der Primärwicklung des Transformators 2. Der Transistor 21 arbeitet auf diese Weise als Selbstschwinger infolge einer Stromreaktion, die über die Einheit aus Widerstand 22, induktiver Widerstand 23, Kondensator 24 und Widetstand 25 abläuft.

bo Es wird nun im besonderen die Realisierung der Spannungs- und Stromversorgung eines Oszillators beschrieben werden. Sie erfolgt außer über den Transistor 17 über zwei weitere Transistoren 26 und 27. deren Kollektoren zusammen an der Basis des

μ Transistors 17 liegen. Die Basis des Transistors 26 ist mit dem Schieber des Potentiometers 19 verbunden, während der Emitter einerseits mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 18 und der Primär-

wicklung des Transformators 2 und andererseits mit einer Reihe verbunden ist, die einen Widerstand 28, einen Widerstand 29 und ein Potentiometer 3 μ aufweist, dessen Schieber an Masse anliegt. Ein normalerweise offener Startunterbrecher 32 ist zwischen einem Pol und Widerständen 33, 34 und 35 angeschlossen, wobei der Widerstand 33 ebenfalls mit der Basis des Transistors 17 und mit dem Kollektor der beiden Transistoren 26, 27 verbunden, wobei der Widerstand 34 mit dem Emitter des Transistors 27 und schließlich einem Widerstand 33 verbunden ist, der an ein Relais 36 angeschlossen ist. Schließlich ist noch der Emitter des Transistors 27 über eine Zenerdiode 37, die die Bezugsspannungsquelle darstellt, mit der Masse verbunden.

Der beschriebene Generator arbeitet folgendermaßen: Der Transistor 17 arbeitet gemäß den Arbeitsbedingungen als Konstantstromquelle oder als Spannungsquelle.

Zuerst wird angenommen, daß der Umformer 1 leerläuft. In diesem Fall besteht die Tendenz, daß der vom Oszillator mit dem Transistor 21 absorbierte Strom sehr groß wird, was eine Vergrößerung des Spannungsabfalls an den äußeren Polen des Serienwiderstands 18 mit sich bringt. Diese Vergrößerung des Spannungsabfalls bewirkt dann den Übergang des Transistors 26 in den leitenden Zustand, was zur Blockierung des Transistors 17 führt Daraus ergibt sich eine Begrenzung für die zuvor erwähnte Stromvergrößerung. Die durch den Transistor 17, den Widerstand 18, das Potentiometer 19 und den Widerstand 26 gebildete Einheit arbeitet also sehr wohl als Konstantstromquelle. Der Wert dieses Stroms wird mit Hilfe des Potentiometers 19 eingestellt. Unter diesen Bedingungen liefert die Stromzuführung eine Leistung, die in optimaler Weise der Arbeit des Umformers 1 angepaßt ist.

Es wird nun angenommen, daß der Umformer eine sehr bedeutende mechanische Arbeit zu leisten hat, was sich in einer Vergrößerung der Impedanz des Oszillators ausdrückt. Dann liefert die Stromzuführung über den Transistor 17 einen konstanten Strom. Die Versorgungsspannung wird sich vergrößern, jedoch wird diese Spannungszuführung über die Teilbrücke, die von den Widerständen 28,29 und dem Potentiometer 31 gebildet wird, an die Basis des Transistors 27 übermittelt.

Sobald die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 28, 2S welche an die Basis des Transistors 27 angelegt ist, größer als die Bezugsspannung K_r ist, die über die Zenerdiode 37 fließt und 0,7 Volt übersteigt, wird der Transistor 27 leitend und es besteht die Tendenz, den Transistor 17 zu blockieren, was zur Folge hat, daß die Spannung der Stromzuführung auf den Wert

V =

A₃₈ + Λ,, + R₃

+ R

(K + 0,7)

Jl

begrenzt ist.

Der Transistor 17 dient dann zur stabilisierten Spannungsversorgung. Unter diesen Bedingungen ist die Leistung im Umformer 1 begrenzt und kann sich selbst verringern, wenn dem Umformer eine sehr beachtliche mechanische Arbeit abverlangt wird.

Hierzu 2 Blatt Zcichiumccn

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallgenerator mit einem über einen Transformator von einem Oszillator gespeisten ; Umformer und einer Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle eine Konstantstromquelle (4) und eine Spannungsquelle (5) aufweist und daß eine Vergleichsschaltung (11) zum wechsel weisen Ein- oder Ausschalten der Konstantstromquelle (4) bzw. Spannungsquelle (5) in Abhängigkeit von dem Differenzsignal der Vergleichsschaltung (11) vorgesehen ist, die zwei Eingänge für ein vorgegebenes konstantes Bezugssignal und einen lastabhängigen, einstellbaren r, Abgriff an einem Spannungsteiler (8) aufweist

2. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (11) einen Transistor (17) aufweist, der über die Parallelschaltung eines Widerstands (18) und eines Potentiometers (19) an ein Ende einer Primärwicklung eines Transformators (2) angeschlossen ist, der den Umwandler (1) speist, daß ein zweiter Transistor (26) mit seiner Basis an den Abgriff des Schiebers des Potentiometers (19) und mit seinem Emitter an ein Ende des aus zwei Widerständen (28, 29) und einem Potentiometer (31) in Serienschaltung bestehenden Spannungsteilers angeschlossen ist, der parallel zum Oszillator (21,22,23,24,25) angeordnet ist, und daß ein dritter Transistor (27) mit seiner m Basis an einen Abgriff des Spannungsteilers (28, 29, 31) und mit seinem Emitter an eine das Bezugssignal liefernde Bezugsspannungsquelle (37) angeschlossen ist und die Kollektoren des zweiten und dritten Transistors (26, 27) mit der Basis des ersten r> Transistors (17) verbunden sind.