DE2822949A1

DE2822949A1 - Ultrasonic dental scaler including vibrator - which comprises magnetostrictive transducer within energising coil, and has acoustic impedance transformer

Info

Publication number: DE2822949A1
Application number: DE19782822949
Authority: DE
Inventors: Dale O Cranston
Original assignee: Litton Industrial Products Inc
Current assignee: Western Atlas Inc
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1979-11-29

Abstract

The ultrasonic dental scaler has a handpiece which comprises an outer shell, housing an electromechanical vibrator. The vibrator consists of a magnetostrictive transducer positioned within an energising coil located within the shell, an acoustical impedance transformer connected at one end to the transducer, and a dental work tool connected to the other end of the transformer. The transformer provides an acoustical transmission line between the transducer and the work tool. An O-ring is mounted inside the sleeve at the balance point of the transformer to form the sole support for the vibrator. The O-ring support causes the nodal plane of the vibrator to shift from its natural position to the supported position.

Description

BESOHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall- Zahnreinigungsgerät mit einem als Handstück ausgebildeten Gehäuse und mit einer elektromechanischen Vibratoreinrichtung zur Erzeugung von Schwingungen in einem für Zahnreinigungszwecke geeigneten Frequenzbereich, zu der ein akustischer Impedanzwandler, eine Ultraschallwandlereinrichtung und ein Zahntearbeitungswerkzeug gehören und die durch eine Unterstützungseinrichtung so in dem Gehäuse befestigt ist, daß das Werkzeug aus einem Ende des Gehäuses herausragt, und außerdem auf ein Verfahren zur HersteLlung eines derartigen Gerätes. The invention relates to an ultrasonic tooth cleaning device with a housing designed as a handpiece and with an electromechanical Vibrator device for generating vibrations in one for tooth cleaning purposes suitable frequency range to which an acoustic impedance converter, an ultrasonic converter device and include a dental work tool and provided by a support facility is fixed in the housing so that the tool protrudes from one end of the housing, and also to a method for manufacturing such a device.

Bei diesen Geraten besteht die Ultraschallwandlereinrichtung gewöhnlich aus einem Plattenstapel aus magnetostriktivem Material, den eine Erregerspule zu Längsexpansions-und -sontraktionsschwingungen im hreqenzbereich von etwa 20.000 Hz anregt. In these devices, the ultrasonic transducer device usually consists from a stack of plates made of magnetostrictive material to which an excitation coil is attached Longitudinal expansion and contraction vibrations in the frequency range of around 20,000 Hz excites.

Die Vibratoreinrichtung, bei der der einerseits mit dem Wandler-Stapel und andrerseits mit dem Werkzeug verbundene Impedanzwandler eine akustische tbertragungsstrecke vom Ultraschallwandler zum Werkzeug bildet, ist üblicherweise im Gehäuse mittels eines 0-Rings an der Stelle gehalten, wo sich im Impedanzwandler ein Longitudinalschwingungsknoten bildet, wenn vom Ultraschallwandler Kompressionswellen mit iietriebsfrequenz erzeugt werden, Für eine optimale Schwingungsamplitude am Werzeugende und Energieübertragung ist das Verhältnis der Vibrator-Gesamtlänge zu der frequenz der dem Ultraschallwandler zugeführten elektrischen Schwingungen so abgestimmt, daß nahe oder an dem Arbeitsende des Werkzeugs eine schleifenförmige Bewegung der erzeugten Druckwellen auftritt0 Mit anderen Worten: Die Gesamtlänge des Vibrators entspricht etwa einer ganzzahligen Anzahl von Schallwellenlängen-HälSten 2 bei dem betreffenden Material und bei BetriebsErequenzb Die Länge des Ultraschallwandlers entspricht ebenfalls einer ganzzahligen Anzahl von Halbwellenlängen - typischerweise einer -, weil man ein möglichst leichtes System anstrebt. The vibrator device, in which the one hand with the transducer stack and on the other hand, an impedance converter connected to the tool, an acoustic transmission path from the ultrasonic transducer to the tool is usually in the housing means of a 0-ring held at the point where there is a longitudinal node in the impedance converter forms when compression waves with operating frequency are generated by the ultrasonic transducer For an optimal oscillation amplitude at the generator and energy transfer is the ratio of the total length of the vibrator to the frequency of the ultrasonic transducer supplied electrical vibrations so tuned that near or at the end of work of the tool a loop-like movement of the generated pressure waves occurs 0 In other words: the total length of the vibrator corresponds approximately to an integer Number of sound wavelength halves 2 for the material in question and for operating frequency b the The length of the ultrasonic transducer also corresponds to an integer number of Half-wavelengths - typically one - because you have a system that is as light as possible aspires to.

Dort, wo feinfühlige Arbeiten leicht zu ha-ndhabende Geräte erfordern, kommen Größe und Gewicht besondere Bedeutung zu.Wherever sensitive work requires easy-to-use devices, size and weight are particularly important.

Bei konventionellen Zahnreinigungsgeräten ist der gesamte Vibrator etwa 150 bis 175 mm lang. Bei dem Bestreben, ihn zu verkürzen und so ein kompakteres Handstück zu erzielen würde die Systemfrequenz auf über 40.000 Hz steigen -und dies ist ein für Dentalzwecke ungeeigneter Wert. With conventional tooth cleaning devices, the entire vibrator is about 150 to 175 mm long. Trying to shorten it and make it more compact To achieve the handpiece, the system frequency would rise to over 40,000 Hz - and this is an unsuitable value for dental purposes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zahnreinigungsgerät der eingangs genannten Art, das ein kürzeres Handstück besitzt und dennoch im geeigneten Frequenzbereich arbeitet, und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzuschlagen. The object of the invention is to provide a tooth cleaning device of the initially mentioned mentioned type, which has a shorter handpiece and still in the appropriate frequency range works, and to propose a method for producing the same.

Für das gerät wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Länge der Ultraschallwandlereinrichtung geringer ist als die halbe Wellenlänge der Schwingungsfrequenz, und daß Mittel zum Induzieren einer vom natürlichen Zustand abweichenden Schwingungsknotenebene an einer bestimmten Stelle in Längsrichtung des Impedanzwandlers, so daß die Ultraschallwandlereinrichtung in dem geeigneten Frequenzbereich schwingt, vorhanden sind. According to the invention, this object is achieved for the device by that the length of the ultrasonic transducer device is less than half the wavelength the frequency of oscillation, and that means for inducing one of the natural state deviating vibration node level at a certain point in the longitudinal direction of the impedance converter, so that the ultrasonic transducer device in the appropriate Frequency range oscillates, are present.

Die Grundidee der Erfindung liegt in der Erzeugung einer erzwungenen Knotenebene an einer Stelle des. Impedanzwandlers, die nicht mit einer natürlichen Knotenebene übereinstimmt. Diese Zwangs-Schwingungsknotenebene ist ferner so gewählt, daß Keduzierung der Schwingungsfrequenz des Vibrators gegenüber seiner natürlichen Hesonanzfrequenz eintritt. The basic idea of the invention is to create a forced Nodal level at one point of the. Impedance converter that is not with a natural Coincides with the node level. This compulsory oscillation node level is also chosen so that that reduction of the vibration frequency of the vibrator compared to its natural Resonance frequency occurs.

Ist Xdie Wellenlänge der Vibrator-Resonanzfrequenz, dann hatten herkömmliche Zahnreinigungsgeräte einen Ultraschallwandler mit einer akustischen Länge von einem ungeradzahligen Vielfachen von i. im Gegensatz dazu erlaubt die Erfindung eine Verkürzung des Ultraschallwandlers, verbunden mit einem entsprechenden Ansteigen der Vibratorfrequenz, weil die erzwungene Schwingungsknotenverschiebung wiederum eine Reduzierung der Frequenz bewirkt, z.B. in den Bereich von 25.000 Hz. If X is the wavelength of the vibrator's resonance frequency, then conventional Tooth cleaning devices have an ultrasonic transducer with an acoustic length of one odd multiples of i. in contrast, the invention a shortening of the ultrasonic transducer, associated with a corresponding increase the vibrator frequency, because the forced oscillation node shift in turn causes a reduction in frequency, e.g. in the range of 25,000 Hz.

Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist die Vibratoreinrichtung durch die Unterstützungseinrichtung in einer durch den Gleichgewichtspunkt des Impedanzwandlers gehenden Ebene unterstützt. Vorteilhafterweise kann die Vibratoreinrichtung im Gleichgewichtspunkt durch einen 0-Ring unterstützt sein, um die nicht-natürliche bchwingungsknotenebene in den Vibrator an einer Stelle zu induzieren, die zu einer Verminderung der Vibratorfrequenz des Wandlers führte Bezüglich des Herstellverfahrens eines solchen Gerätes wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schwingungsknotenebene in einer Position im Verlauf der Länge des akustischen Impedanzwandlers erzeugt wird, welche von der natürlichen Schwingungsknotenebene abweicht, so daß die chwingungsfrequenz der Vibratoreinrichtung gegenüber ihrer natürlichen Schwingungsfrequenz abgesenkt wird, und daß die Ultraschallwandlereinrichtung so dimensioniertibd daß die Vibratoreinrichtung mit einer gewünschten Frequenz schwingt. In a preferred exemplary embodiment of the invention, the vibrator device is by the support device in one by the equilibrium point of the impedance converter walking plane supported. The vibrator device can advantageously be at the point of equilibrium be supported by a 0-ring to the non-natural vibrational nodal level to induce in the vibrator at a point that leads to a decrease in the vibrator frequency of the converter. Regarding the manufacturing process of such a device the object set is achieved according to the invention in that a vibration node plane generated in a position along the length of the acoustic impedance converter which deviates from the natural oscillation nodal plane, so that the oscillation frequency the vibrator device is lowered compared to its natural oscillation frequency is, and that the ultrasonic transducer device is dimensioned so that the vibrator device vibrates at a desired frequency.

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung naher erläutert. The following is a preferred embodiment of the invention explained in more detail using a drawing.

Darin zeigen: kig. 1 eine Seitenansicht des nachstehend beschriebenen Zahnreinigungsgerätes, und Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Gerät.Show in it: kig. 1 is a side view of the one described below Tooth cleaning device, and FIG. 2 shows a longitudinal section through the device.

In einem als Bandstück ausgebildeten äußeren Gehäuse 11 des in einer Hand zu haltenden Zahnreinigungsgerätes 10 befindet sich ein Innengehäuse 12, und ein Endabschnitt 13 des zylindrischen Gehäuses 11 ist bei leicht reduziertem Durchmesser offen. Ineinen Durchbruch am anderen Gehäuseende 15, dessen Durchmesser größer sein kann, sind außer einer Wasseranschlußleitung 41 zwei mit einer geeigneten Energiequelle in Verbindung stehende elektrische Adern 17 und 19 eingeführt sowie mit einer um einen Abschnitt von Innengehäuse 12 herumgewickelten Erregerspule 21 verbunden. In an outer housing 11 designed as a piece of tape in a Hand-held tooth cleaning device 10 is an inner housing 12, and an end portion 13 of the cylindrical housing 11 is easy at reduced diameter open. In a breakthrough at the other end of the housing 15, the Can be larger in diameter, except for a water connection line 41 are two with electrical wires 17 and 19 connected to a suitable energy source inserted and wrapped around a portion of inner housing 12 Excitation coil 21 connected.

Innerhalb des Gehäuses 11 befindet sich eine elektromechanische Vibratoreinrichtung, bestehend aus einem magnetostriktiven Wandler 23, einem akustischen Impedanzwandler 25 und einem Zahnbearbeitungswerkzeug 31. Der innerhalb des Innengehäuses 12 im bereich der Erregerspule 21 befestigte Ultraschallwandler 23 enthält einen Lamellenstapel, zusammengefügt aus einer Anzahl dünner und kompakt gestapelter Platten aus Nickel oder einem anderen magnetostriktiven Material Das eine Ende dieses Plattenstapels 23 ist durch Schweißen oder Löten mit einem Ende des als Werkzeughalter ausgebildeten Impedanzwandlers 25 verbunden. Inside the housing 11 there is an electromechanical vibrator device, consisting of a magnetostrictive converter 23, an acoustic impedance converter 25 and a tooth processing tool 31. The inside the inner housing 12 in area of the excitation coil 21 attached ultrasonic transducer 23 contains a stack of lamellas, assembled from a number of thin and compactly stacked plates of nickel or some other magnetostrictive material. One end of this stack of disks 23 is formed by welding or soldering with one end of the tool holder Impedance converter 25 connected.

Letzterer erstreckt sich durch den Mittelabschnitt des äu-Beren Gehäuses 11 und besitzt außer einem zylindrischen Hauptteil 27 einen dünneren Rohransatz 29 mit einem Innengewinde 30 zur Aufnahme eines wewindezapfens am Anschlußende des Werkzeugs 31. Das Werkzeug selbst kann konventionell ausgebildet sein, gewöhnlich besitzt es ein abgewinkeltes Distalende 33. Die Axialbohrung 35 des Rohransatzes 29 verbindet eine Radialbohrung 37 im Hauptteil 27 mit einer Axialbohrung 39 des Werkzeugs 31. Von der Wasseranschlußleitung41 am Gehäuseende 15 kann eine Kühlflüssigkeit in das Innere des Gehäuses 11 sowie durch die Bohrung 37, 35 und 39 in der Weise zum Distalende 33 des Werkzeugs 31 geleitet werden, daß sie dort austritt und zu Kühl- und Reinigungszwecken ausnutzbar iste Durch eine Schulter 51 am Impedanzwandler- Hauptteil 27 und ferner durch das innere Ende einer in das offene Ende 13 des Gehäuses 11 eingesetzten sowie mit Preßsitz in das offene Ende des Innengehäuses 12 eingesetzten Buchse 52 wird eine Stützkammer 50 gebildet. Die Buchse 52 dient außerdem als Halteelement für ein drehbar gelagertes Spannelement 53, dessen mit Konturen versehene Öffnung 54 mit einem Paar Vorsprüngen 55 des Werkzeuges 31 im eingriff steht, die Lösezwecken dienen. Die Stützkammer 50 befindet sich vorzugsweise im Gleichgewichts- bzw. Schwerpunkt des Impedanzwandlers 25. Man beachte, daß sich dieser Gleichgewichtspunkt von der natürlichen Schwingungsknotenebene der gesamten Kombination unterscheidet. Die Stützkammer 50 dient zur Aufnahme eines 0-Rings 60 , der sich innerhalb des Innengehäuses 12 abstützt und nicht nur als einzige Unterstützung für die gesamte Vibratoreinrichtung dient, sondern außerdem als Dichtungselement verhindert, daß Wasser aus dem Innengehäuse 12 an dessen offenem Ende austreten kann.The latter extends through the middle section of the outer housing 11 and, apart from a cylindrical main part 27, has a thinner tube attachment 29 with an internal thread 30 for receiving a threaded pin at the connection end of the Tool 31. The tool itself can be conventional, usually it has an angled distal end 33. The axial bore 35 of the tubular attachment 29 connects a radial bore 37 in the main part 27 with an axial bore 39 of the Tool 31. From the water connection line 41 at the end of the housing 15, a cooling liquid can into the interior of the housing 11 and through the bore 37, 35 and 39 in the manner be directed to the distal end 33 of the tool 31 that it exits there and to Can be used for cooling and cleaning purposes. A shoulder 51 on the impedance converter Main part 27 and further through the inner end of one into the open end 13 of the housing 11 used as well as with a press fit in the open end of the inner housing 12, a support chamber 50 is formed. The socket 52 is used also as a holding element for a rotatably mounted clamping element 53, with which Contoured opening 54 with a pair of projections 55 of the tool 31 in the intervention is available, which are used for solving purposes. The support chamber 50 is preferably located in the equilibrium or center of gravity of the impedance converter 25. Note that this point of equilibrium from the natural nodal plane of the whole Combination makes a difference. The support chamber 50 is used to accommodate an O-ring 60 , which is supported within the inner housing 12 and not just as the only support serves for the entire vibrator device, but also as a sealing element prevents water from leaking out of the inner housing 12 at its open end can.

Abweichend von der dargestellten Ausführung können Sekundärdichtungen für zusätzliche Abdichtaufgaben vorhanden sein0 Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Wandlerstapels 23 66,55 mm und die Länge des Impedanzwandlers 24,765 mm . Das dargestellte Werkzeug 31 ist 31,293 mm lang, aber unterschiedliche Werkzeuglängen sind möglich. Die 0-Ring-Unterstützungsebene (Kammer 50) befindet sich 10,16 mm vom werkzeugseitigen 2'frontende des Impedanzwandlers 25, und 14,35 mm vom entgegengesetzten, dem Wandler 23 zugekehrten Ende entfernt. In contrast to the version shown, secondary seals can be used for additional sealing tasks 0 In the preferred embodiment the length of the transducer stack 23 is 66.55 mm and the length of the impedance transducer 24.765 mm. The tool 31 shown is 31.293 mm long, but different Tool lengths are possible. The 0-ring support level (chamber 50) is located 10.16 mm from the tool-side 2'front end of the impedance converter 25, and 14.35 mm from the opposite end facing the transducer 23.

Die Vibratoreinrichtung ist insgesamt 122,6 mm lang und somit wesentlich kürzer als vergleichbare konventionelle Vibratoren bei Verwendung gleicher Materialien und bei gleichen Schwingungsfrequenzen. Die erzwungene Verschiebung der Schwingungsknotenebene ermöglicht es dem erfindungsgemäßen Vibrator, in einem für Zahnreinigungs- bzw. Zahnsteinentfernungsgeräte geeigneten brequenzbereich zu schwingen Selbstverständlich sind Abwandlungen von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich, The vibrator assembly is 122.6 mm long in total and is therefore essential shorter than comparable conventional vibrators using the same materials and at the same oscillation frequencies. The forced displacement of the nodal plane enables the vibrator according to the invention to be used in a tooth cleaning or Scaler suitable frequency range to oscillate Of course, modifications of the exemplary embodiment described are possible in Possible within the scope of the claimed invention,

Claims

Ultrasonic tooth cleaning device and process for its manufacture Claims: 1. Ultrasonic tooth cleaning device with a designed as a handpiece Housing and with an electromechanical vibrator device for generating Vibrations in a frequency range suitable for tooth cleaning purposes which is an acoustic impedance converter, an ultrasonic converter device and a Tooth processing tool belong and which by a support device so is fixed in the housing that the tool protrudes from one end of the housing, characterized in that the length of the ultrasonic transducer device (23) is less is than half the wavelength (of the oscillation frequency, and that means for inducing a vibration node level deviating from the natural state at a certain Place in the longitudinal direction of the impedance converter (25), so that the ultrasonic converter device oscillates in the appropriate frequency range.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the vibrator device the ultrasonic transducer device (o3) with one end and the tool (with the other end of the impedance converter £ 25) and that the vibrator device by the support device (60) in one through the equilibrium E-point of the impedance converter going level is supported.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the inducing means are designed so that the vibrator device all alone and elastic is supported at the specific location and within the housing (11).

4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the Support device is formed by an O-ring (60).

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transducer device (23) one by a number of relatively thin and densely packed plates from one magnetostrictive material formed lamella stack contains

6. Device according to claim 5, characterized in that the stack of lamellas with the pure end of the impedance converter (25) is bound.

7. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the length of the lamellar stack is 66.55mm.

8. Apparatus according to claim 4, characterized in that the acoustic Impedance converter (25) has a shoulder (51) through which the O-ring (60) on the certain point is held.

9. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the acoustic Impedance converter (25) is 24.765 mm long.

10. Apparatus according to claim 2, characterized in that the equilibrium point the vibrator device at a distance of 10.16mm from the one with the tool (31) connected end of the impedance converter is located.

11. Apparatus according to claim 1, characterized in that the tooth processing tool (31) is approximately 31.293 mm long.

12. Process for the production of a compact ultrasonic sensor cleaning device according to claim 1 or 2 to 11, characterized in that a vibration node plane generated in a position along the length of the acoustic impedance converter which deviates from the natural vibration node plane, so that the vibration frequency the vibrator device is lowered compared to its natural oscillation frequency is, and that the ultrasonic transducer device is dimensioned so that the vibrator device vibrates at a desired frequency.

13. Apparatus according to claim 12, characterized in that the vibrator device is only supported in the generated vibration node level.

14. Apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the Vibrator device supported in the equilibrium level of the impedance converter will.

15. Apparatus according to claim 14, characterized in that the vibrator device is supported by means of an 0-ring.