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Vorrichtung zur Lagesteuerung von Behandlungsstuhlen
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oder dergleichen mittels Ultraschall Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Lagesteuerung von Behandlungsstühlen oder dergleichen, beispielsweise
Stühlen für zahnärztliche oder ärztliche Behandlungs- oder Untersuchungszwecke,
oder StUhle wie sie bei Friseuren oder in Schönheitssalons eingesetzt werden, durch
UltraschallUbermittlung in Luft, und insbesondere eine Vorrichtung, die für eine
selbsttätige elektronische Steuerung der Höhenlage und/ oder der Schwenklage eines
zweiten Bauteils (beispielsweise Sitz, RUckenlehne, Kopfstütze oder dergleichen)
gegenüber einem ersten Bauteil (beispielsweise einem Sockel) sorgt, wobei eine Abstandsänderung
durch lineare Relativbewegung
möglich ist, indem ein in Luft Ubertragener
Ultraschallimpuls als Positionsdetektormedium verwendet wird.
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Die Erfindung ist vorliegend anhand eines zahnärztlichen Behandlungsstuhls
erläutert. Wie die Seitenansicht nach Fig. 1 und die Draufsicht gemäß Fig. 2 erkennen
lassen, weist ein solcher Behandlungsstuhl 1 normalerweise einen auf dem Fußboden
2 stehenden Sockel 3, einen Sitz 5, der mittels einer Kolbenstange 4 einer in dem
Sockel 3 untergebrachten, nicht veranschaulichten hydraulischen Hubeinrichtung in
im wesentlichen waagrechter Lage auf und abbewegt werden kann, eine Rückenlehne
9, die sich gegenüber dem Sitz 5 durch Ausfahren und Einziehen einer Kolbenstange
7 einer hydraulischen Schwenkeinrichtung 6 um eine Drehachse 8 nach hinten und vorne
schwenken läßt, und eine Kopfstütze 11 auf, die Uber einen Arm 10 gegenüber der-Rückenlehne
9 gleichfalls nach hinten und vorne geschwenkt werden kann. Die Höhenverstellung
des Sitzes 5 und das Schwenken der Rückenlehne 9 werden durch Betätigen eines Höhenverstellpedals
120 bzw. eines Schwenkpedals 121 einer auf dem Fußboden 2 stehenden Pedalanordnung
12 ausgelöst. Mit anderen Worten, der Sitz 5 stellt ein zweites Bauteil dar, dessen
Abstand von dem ein erstes Bauteil bildenden Sockel 3 sich durch eine lineare Verstellbewegung
(Auf- und Abbewegung) ändert während die
Schwenkbewegung der RUckenlehne
9 gegenüber dem Sitz 5 durch die Linearbewegung der ein- und ausfahrbaren Kolbenstange
7 der hydraulischen Schwenkeinrichtung 6 substituiert wird. Wenn in diesem Fall
ein stationärer Teil 7a der hydraulischen Schwenkeinrichtung 6 ein erstes Bauteil
ist, wird die Kolbenstange 7 zu einem zweiten Bauteil, dessen Lage sich gegenüber
dem ersten Bauteil im Verlauf einer Linearbewegung ändert, wobei der Abstand zwischen
dem ersten und dem zweiten Bauteil gesteuert wird. Wenn zahlreiche Patienten nacheinander
behandelt werden, stellt es fUr den Zahnarzt oder seine Assistentin unter den derzeitigen
Bedingungen der zahnärztlichen Untersuchung und Behandlung eine erhebliche Arbeitsbelastung
dar, den Behandlungsstuhl entsprechend den verschiedenen Körperhaltungen der Patienten
unter BerUcksichtigung der körperlichen Verschiedenheiten der einzelnen Patienten
durch bloßes Betätigen des vorstehend genannten Fußpedal einzustellen. Dementsprechend
wurde in jUngster Zeit die elektrische Steuerung von BehandlungsstUhlen vorgeschlbgen.
Einige dieser Vorschläge wurden praktisch angewendet.
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So ist aus der JA-O$ 41 477/1978 eine St-euervorrichtung bekannt,
bei welcher eine Sitzhvbeinrichtung (im folgenden als Antriebseinheit buzeichnet)
dadurch betätigt ynd gesteuert
wird, daß eine ein Potentiometer
aufweisende Positionserfassungseinrichtung mit der Antriebseinheit entsprechend
der Hub- und Senkbewegung des Sitzes verbunden wird. Die Position des Sitzes wird
in Form eines elektrischen Widerstandswertes des Potentiometers erfaßt. Die Abweichung
der Sollstellung von der Iststellung des Sitzes wird als Differenz des elektrischen
Widerstandswertes abgeleitet. Dabei muß die Potentiometerwelle mit der Antriebseinheit
mechanisch gekoppelt werden, um auf einem Widerstand einen Schleifer zu verstellen.
Der Verschleiß des Widerstandes und der Antriebseinheit, verursacht durch den Schleifkontakt
zwischen Widerstand und Antriebseinheit, verringert die Zuverlässigkeit des erfaßten
Widerstandswertes. Diese Zuverlässigkeitwird zusätzlich durch mechanische Fehler
beeinträchtigt, die sich in der Kopplungseinrichtung einstellen können. Infolgedessen
muß ein hochverläßliches, kostspieliges Potentiometer verwendet werden, das nicht
thermisch beansprucht werden darf. Dies steigert die Produktionskosten.
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Es wurde des weiteren vorgeschlagen, für den.Sitz eine Mehrzahl von
Sollhöhenstufen vorzusehen, jeder solchen Stufe einen Endschalter zuzuordnen, eine
mit der Antriebseinheit des Sitzes verbundene, mechanisch betätigte Stange
vorzusehen
und mittels der Stange selektiv einen beliebigen Endschalter zu betätigen. Dabei
ist es jedoch unmöglich, die Sollstellungen von außen zu ändern.
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Entsprechend einem anderen Vorschlag erfolgt eine Positionssteuerung,
bei welcher ein Sitz in eine Sollstellung gebracht wird, dadurch, daß ein Motor
oder eine hydraulische Antriebsvorrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer durch
Einstellen eines Zeitgeberwertes wirksam gemacht wird. Eine solche Anordnung gestattet
es jedoch nicht, den Sitz von einer beliebigen Position in eine Sollstellung zu
bringen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung und der Viskosität des Öls
kann es außerdem zu Anhaltefehlern kommen, wenn die hydraulische Antriebsvorrichtung
nach vorbestimmten Zeitdauern gestoppt wird.
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Schließlich wurde eine Steuervorrichtung vorgeschlagen (JA-OS 30 696/1979)
bei welcher eine Sitzstellung selbsttätig gesteuert wird, indem eine Sollhöhe des
Sitzes durch die Anzahl von Impulsen bestimmt wird, die in einen elektronischen
Dauerspeicher eingegeben werden, die Sitzhöhe mit der dem Ist-Wert entsprechenden
Impulszahl verglichen wird sowie das Vorzeichen und der Betrag der Differenz zwischen
der Impulszahl des Soll-Wertes und der Impulszahl des Ist-Wertes ausgenutzt werden.
Dieses
System ist jedoch hinsichtlich seiner industriellen Anwendbarkeit
problematisch, weil die Schaltungsauslegung kompliziert ist und weil es zu Störungen
durch externe Störsignale kommen kann. Weil die fUr eine Abstandssteuerung notwendigen
Additions- und Subtraktionsvorgänge in einer Vergleicherschaltung durchgeführt werden,
indem die Drehbewegung des Antriebsmotors mit einer Impulserzeugereinrichtung verknupft
wird, ist die Vergleichsdurchfuhrung relativ kompliziert und störanfällig, zumal
die Impulszahlen für den Vergleich noch in Spannungswerte umgesetzt werden müssen.
Die Vergleicherschaltung für den Sponnungsvergleich bedingt ferner einen kostspieligen
Verschlüssler oder ein mit einem Servomotor ausgerustetes Potentiometer oder dergleichen,
damit ein Vergleichsparameter aufrechterhalten werden kann, wenn die Vorrichtung
nach einer Betriebsunterbrechung oder der Abschaltung der Speisespannung wieder
in Betrieb genommen werden soll. Die Fertigungskosten sind infolgedessen hoch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lagesteuerung
von Behandlungsstuhlen oder dergleichen zu schaffen, die zuverlässig und exakt arbeitet
und gleichwohl relativ kostengunstig ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung erlaubt eine vollständig kontaktlose
Lagesteuerung oder -regelung, ohne daß ein in der Steuervorrichtung untergebrachtes
mechanisches Kontaktglied notwendig wird. Bei relativ kurzen Abständen ist eine
sehr genaue Messung möglich, weil fUr die Lagesteuerung relativ schmale und eng
gebündelte Impulse herangezogen werden können. Die Lagesteuerung läßt sich nicht
nur bei einer relativen Linearbewegung durchführen, sondern auch dann, wenn es um
eine Abstandssteuerung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil geht, deren
gegenseitige Bewegung in eine Linearbewegung umsetzbar ist. FUr die Lagesteuerung
ist eine Änderung des Aufbaus konventioneller BehandlungsstUhle nicht erforderlich.
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Die Vorgabe der Sollstellung des Stuhls kann kontinuierlich erfolgen.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere
aus den UnteransprUchen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher
erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine
Seitenansicht eines zahnärztlichen Behandlungsstuhls, Fig. 2 eine Draufsicht auf
den Behandlungsstuhl nach Fig. 1, Fig. 3A eine schematische Darstellung der vorliegend
verwendeten Ultraschallübertragungsvorrichtung, Fig. 3B einen konventionellen Ultraschallimpuls,
Fig. 3C einen erfindungsgemäßen Ultraschallimpuls, Fign. 3D Längsschnitte durch
den Ultraschall-und 3E sender bzw. den Ultraschallempfänger, Fig. 4 ein Blockschaltbild
der Steuervorrichtung nach der Erfindung, Fig 5 verschiedene Signale, die in der
Steuervorrichtung an den betreffenden Stellen auftreten,
Fig. 6
ein elektrisches Schaltbild, das Einzelheiten der Anordnung nach Fig. 4 erkennen
läßt, und Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.
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Wie aus den Fign. 1 und 2 hervorgeht, ist an der Unterseite des Sitzes
5 ein Ultraschallimpulssender 13 angeordnet, während an dem Sockel 3 ein Ultraschallimpulsempfänger
14 befestigt ist, der dem Sender 13 auf einer geraden Linie gegenübersteht, wobei
die Hauptachsen von Sender und Empfänger vorzugsweise im wesentlichen zusammenfallen.
Der Sender 13 und der Empfänger 14 dienen der Steuerung des Sitzes 5. Ein Ultraschallimpulssender
15 und ein Ultraschallimpulsempfänger 16 sind in ähnlicher Weise vorgesehen, um
die Schwenklage der RUckenlehne 9 zu steuern. Der Sender und der Empfänger stehen
dabei einander auf einer gerade Linie gegenUber, wobei der Sender 15 mit dem stationären
Teil 7a und der Empfänger 16 mit der Kolbenstange 7 der hydraulischen Schwenkeinrichtung
6 verbunden ist. Im Körper der Rückenlehne 9 ist entsprechend Fig. 2 ein Steuerkasten
17 untergebracht. Der Steuerkasten 17 nimmt einen Ultraschallimpulsgenerator 30,
eine Empfangsimpulsgeneratorschaltung
40, eine Positionsstelleinheit
oder Stellimpulsgeneratorschaltung 50, eine Positionserfassungsschaltung 60 und
eine logische Steuereinheit 70 für die Höhenverstellung des Sitzes und das Verschwenken
der RUckenlehne auf. Wählglieder 18, 19, 20 und 21 sind vorgesehen, um die Sollstellungen
von Sitz 5 und RUckenlehne 9 von Hand einzustellen. Dabei dienen die Wählglieder
18 und 20 der Höhenverstellung des Sitzes 5, während die Wählglieder 19 und 21 für
das Verschwenken der Rückenlehne 9 vorhanden sind. Die Wählglieder sind in der Gruppierung
18-19 und 20-21 paarweise zusammengefaßt. Die Wählglieder 18, 19, 20 und 21 sind
so ausgelegt, daß die Positionen von Sitz 5 und RUckenlehne 9 nacheinander eingestellt
werden können. Eine Befehlstastenbox 22 ist ebenso wie der Steuerkasten 17 in der
Rückenlehne 9 untergebracht. Mittels eines Drucktastenschalters 23 werden der Sitz
5 und die Rückenlehne 9 in die mittels der Wählglieder 18, 19 vorgegebenen Sollstellungen
gebracht, während ein Drucktastenschalter 24 die den Wählglieder 20, 21 entsprechenden
Sollstellungen vorgibt. Die Höhenverstellung des Sitzes 5 und die Schwenkbewegung
der-Rückenlehne 9 erfolgen über die Kolbenstange 4 und die hydraulische Schwenkeinrichtung
6, die sich zum einen Uber die Pedalanordnung 12 und zum anderen über die Schalter
23, 24 betätigen lassen.
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Im folgenden sei ein Ausführungsbeispiel für die Steuerung der Höhenlage
des Sitzes 5 und die Schwenklage der Rückenlehne 9 gegenUber dem Sitz 5 erläutert.
Die Steuerung läßt sich dabei grob in zwei Teile unterteilen, nämlich -zum einen
das Übermitteln von Ultraschall impulsen und zum anderen das Messen der Position
aufgrund des Ubermittelten Impulses und die Positionssteuerung in Abhängigkeit von
dieser Messung. Die nachfolgende Beschreibung entspricht dieser Einteilung.
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I Übermittlung von Ultraschallimpulsen Es wurden verschiedenartige
Systeme vorgeschlagen, die Ultraschallwellen fUr Meß- oder Übertragungszwecke in
Wasser ausnutzen. Es erwies sich jedoch als schwierig, fUr industrielle Anwendungen
solche Maßnahmen auf ein System zu Ubertragen, bei dem eine Ultraschallwelle als
unmittelbares Meßmittel oder als Übertragungssignal zwischen einem Sender und einem
Empfänger in Luft herangezogen wird, um die gegenseitige Lage zweier bewegbarer
Bauteile zu steuern oder zu regeln, indem dieses Meßmittel oder Übertragungssignal
auf mechanisch kontaktlose Weise ausgenutzt wird.
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Wenn nämlich ein Sender und ein Empfänger fUr Ultraschallwellen benachbart
einer mechanischen Anordnung installiert
werden, was praktisch
stets der Fall ist, kommt es zu Überlagerungen zwischen reflektierten Wellen und
Übertragungssignalen, was es schwierig macht, Ultraschallimpulse genau zu übermitteln,
weil der Übertragungsbereich, innerhalb dessen Ultraschallimpulse über die Luft
übertragen werden, durch die mechanische Anordnung beschränkt ist.
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Wenn der Sender und der Empfänger in geringem gegenseitigem Abstand
eingebaut werden und zwischen beiden oder in der Nähe des Übertragungsweges Hindernisse
vorhanden sind, kann es leicht zur Ausbildung von stehenden Wellen kommen, wodurch
die Übermittlung von genauen Ultraschallimpulsen gleichfalls erschwert wird.
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Des weiteren ist es notwendig, daß der Sender und der Empfänger Ultraschallwellen
emittieren bzw. empfangen, während Sender und/oder Empfänger bewegt werden. Auf
eine solche Bewegung zurückzufUhrende Luftschwingungen oder durch miteinander zusammenwirkende
Oberflächen, natürliche Konvektion oder dergleichen verursachte Vibrationen werden
als externes Rauschen erfaßt, das sich dem durch die Luft übermittelten Ultraschallimpuls
überlagert. Auch dies macht eine genaue Ultroschollimpulsübermittiung problematisch.
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Fig. 3B zeigt schematisch den Ultraschallimpuls, den das piezoelektrische
Element eines konventionellen Ultraschallsenders aufgrund eines Treiberimpulses
erzeugt. Wenn ein Treiberimpuls über einen Impulsübertrager an den konventionellen
Sender angelegt wird, erfolgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine starke
Anregung des Elements. Wegen der Resonanzeigenschaften des piezoelektrischen Elements
wird ein Ultraschallimpuls mit einer charakteristischen Frequenz (fo) in die Luft
emittiert.
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Wenn also dem piezoelektrischen Element ein Treiberimpuls zugeführt
wird, kommt es zu einer kräftigen Anregung. Auch nachdem der Treiberimpuls verschwunden
ist, setzen sich nicht nur Nachschwingungen für eine lange Zeitspanne fort, sondern
es breiten sich auch an der hinteren Stirnfläche des piezoelektrischen Dickenschwingers
durch das Gehäuse hindurch Schwingungen geringfügig später als die Schwingungen
an der vorderen Stirnfläche aus. Diese Schwingungen laufen zu der vorderen Stirnfläche.
Sie bewirken dort Nachhall- und Echoeffekte; es kommt zu einer Störung der Impulsausbreitung.
Es erwies sich infolgedessen in der Praxis als schwierig, einen Ultraschallimpuls
auszusenden, der dem Treiberimpuls entspricht, der hervorragende Dämpfungseigenschaften
hat und dessen Ausbreitungswinkel schmal ist. Wenn nämlich ein Sender einen Ultraschallimpuls
abgibt und ein
Empfänger, der den gleichen Aufbau wie der Sender
hat, in geringem Abstand von dem Sender diesem gegenüberstehend montiert wird, und
wenn sich in der Nachbarschaft von Sender und Empfänger ein Hindernis befindet,
wird der von dem Sender emittierte Ultraschallimpuls von dem Empfänger aufgenommen,
während er zugleich auch von dem Hindernis reflektiert und zu einem Teil zum Sender
zurückgeleitet wird. Wenn jetzt der Sender nachschwingt, fUhren die reflektierten
Wellen und die Nachschwingungen zur Ausbildung von stehenden Wellen; die Übertragung
des Ultraschallimpulses wird gestört. Es ist in Verbindung mit Ultraschallwellen
bekannt, daß ein Dickenschwinger zu verhältnismäßig kleinen Ausbreitungs- oder Abstrahlungswinkeln
führt. Bei konventionellen Kapselungen oder Gehäuseausbildungen breiten sich die
an der hinteren Stirnfläche des Dickenschwingers entstehenden Vibrationen gegenüber
den Schwingungen der vorderen Stirnfläche des Schwingers geringfUgig verzögert durch
das Gehäuse hindurch zu der vorderen Stirnfläche hin aus. Dort bewirken sie Nachhall-
und Echoerscheinungen, welche die Übermittlung der Ultraschallwelle stören und den
Abstrahlungswinkel, den der Dickenschwinger ursprünglich hat, ungünstig beeinflussen.
Es wird infolgedessen schwierig, eine eng gebündelte Ultraschallwelle auszusenden.
Die Anwendung von konventionellen Gehäuseanordnungen bereitet infolgedessen Schwierigkeiten,
wenn
der Übertragungsraum, innerhalb dessen die Ultraschallwelle übermittelt wird, durch
mechanische Anordnungen beschränkt ist. Ein weiteres Verfahren, bei dem eine zwischen
dem Sender und dem Empfänger in Luft übermittelte Ultraschallwelle ausgenutzt wird,
macht von dem Erfassen oder Abhören von Luftschwingungen oder Ultraschallwellen
zwischen Sender und Empfänger Gebrauch. Um dabei für eine Verstärkung im Sender
und im Empfänger zu sorgen, d.h. den piezoelektrischen Effekt maximal auszunutzen,
wird eine Ultraschallübermittlung mit hoher kapazitiver Last praktiziert, indem
die Kapazität des piezoelektrischen Elements erhöht wird. Weil andererseits der
mechanische Q-Wert herobgesetzt wird, beeinträchtigt eine solche Übertragung mit
großer kapazitiver Belastung in unnötiger Weise eine Ausstrahlung mit einer anderen
als einer begrenzten Frequenz. Luftschwingungen, die auf Bewegungen oder Vibrationen
von miteinander zusammenwirkenden Oberflächen oder natUrliche Konvektion oder dergleichen
zurückgehen, werden als externe Rauschsignale erfaßt und den Ultraschallübertragungssignalen
überlagert, wodurch es schwierig wird, Impulse auf dem Luftweg genau zu übertragen.
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Die Ultraschallsender 13, 15 (im folgenden nur als 13 bezeichnet)
und die Ultraschallempfänger 14, 16 (im folgenden
nur als 14 bezeichnet),
sind vollkommen gleich aufgebaut. Sie stehen einander mit ihren vorderen Stirnflächen
auf einer geraden Linie gegenUber. Zur Vermeidung von Wiederholungen ist nur der
Sender 13 näher erläutert. Entsprechend Fig. 3D weist der Sender 13 ein piezoelektrisches
Element in Form eines Dickenschwingers 131 auf, der mit Ausnahme seiner frontseitigen
Stirnfläche von einem schwingungsabsorbierenden oder schwingungsdämpfenden Bauteil
132 hermetisch umschlossen ist. Das Bauteil 132 sitzt seinerseits mit Ausnahme seines
vorderen Außenumfangs in einem Gehäuse 133 und steht mit diesem in Kontakt. Auf
den vorderen Außenumfang des Bauteils 132 ist eine Frontabdekkung 135 aufgesetzt,
die mit dem Gehäuse 133 in Kontakt steht und einen frontseitigen Schutzfilm 134
von guter Schalldurchlässigkeit aufweist. Zwischen dem Schutzfilm 134 und der frontseitigen
Stirnfläche des piezoelektrischen Schwingers 131 ist eine schwingungsübertragende
Klebstoffschicht 136 eingebracht, die ein hervorragendes Schwingungsübertragungsvermögen
hat. Eine schwingungsdämpfende Klebstoffschicht 137 befindet sich in dem Grenzbereich
zwischen dem Gehäuse 133 und der Frontabdeckung 135. Leitungen 138 und 139 sind
mit einer Elektrode 1380 bzw. einer Elektrode 1390 verbunden. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform steht eine schwingungsabsorbierende oder schwingungsdämpfende, dichtende
rückseitige Deckschicht 1332 mit der Rückseite 1331 des Gehäuses
in
Kontakt. Der piezoelektrische Dickenschwinger 131 hat in bekannter Weise zylindrische
Form. Werkstoff und Gestalt des Schwingers 131 können in bekannter Weise gewählt
sein. Die Aufgabe des schwingungsabsorbierenden oder schwingungsdämpfenden Bauteils
132 besteht im wesentlichen darin, in Radialrichtung des Schwingers 131 erzeugte
Radialschwingungen sowie von der Rückseite des Schwingers 131 ausgehende Dickenschwingungen
zu absorbieren und den Schwinger 131 zu haltern. Das Bauteil 132 kann zweckmäßig
aus Polyurethan oder anderen Schaumstoffen und/oder aus Glasfasern und dergleichen
gefertigt sein. Mittels des Gehäuses 133 werden die unerwünschten Radial- und Dickenschwingungen,
soweit sie von dem Bauteil 132 nicht absorbiert sind, weiter gedämpft. Das Gehäuse
133 dient ferner der Verstärkung des Bauteils 132 und verhindert die Weitergabe
von externen Schwingungen nach innen. Das Gehäuse 133 besteht beispielsweise aus
Polyacetal oder anderen harten Kunstharzen. Die Frontabdeckung 135 überdeckt mit
ihrem frontseitigen Schutzfilm 134 die Vorderseite des Schwingers 131, um das Eindringen
von Staub und Feuchtigkeit zu verhindern. Die Frontabdeckung 135 umfaßt außerdem
den freiliegenden vorderen Außenumfang des Bauteils 132. Ihre Funktion entspricht
dort derjenigen des Gehäuses 133. Der frontseitige Schutzfilm 134 schwingt in Resonanz
mit den Dickenschwingungen
der Stirnseite des piezoelektrischen
Schwingers 131, wodurch die vor dem Film 134 befindliche Luft in Schwingungen versetzt
wird. Der Schutzfilm 134 besteht vorzugsweise aus Polystyrol oder anderen hochpolymeren
weichen Kunststoffen. Die Klebstoffschicht 137 verbindet den Schwinger 131 mit dem
Film 134, um Schwingungen zuzulassen. Die Schicht 137 besteht aus einem Schwingungen
nicht absorbierenden Stoff. Die schwingungsdämpfende Klebstoffschicht 137 sorgt
für ein Anhaften der Frontabdeckung 135 an dem Gehäuse 133. Sie absorbiert Schwingungen
und verhindert, daß Schwingungen, die das Bauteil 132 nicht absorbiert hat, zu Nachhall-
und Echoerscheinungen führen, welche mit den Dickenschwingungen in Wechselwirkung
treten, die durch das Gehäuse 133 hindurchlaufen und von der vorderen Stirnfläche
des Schwingers 131 abgestrahlt werden. Die Schicht 137 ist infolgedessen wesentlich,
um eng gebündelte Ultraschallimpulse zu erzielen. Die Klebstoffschicht 137 ist in
Form eines abgestuften Flanschrings veranschaulicht, dessen Durchmesser in der Richtung
des Durchmessers des Schwingers 131 stufenweise zunimmt. Als Werkstoff fUr die Schicht
137 wird vorzugsweise Silikonkautschuk oder ein anderer viskoelastischer Klebstoff
auf Kautschukbasis benutzt. Die rückseitige Deckschicht 1332 unterdrückt in Verbindung
mit der Rückseite 1331 des Gehäuses 133 Dickenschwingungen, die von der Rückseite
des
Gehäuses 133 ausgehen. Die Deckschicht 1332 dichtet ferner
die Leitungen 138, 139 ab. Die Deckschicht 1332 besteht aus einem Bitumen, beispielsweise
Steinkohlenteerpech.
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Die Deckschicht 1332 kann gegebenenfalls weggelassen werden, wenn
die Schwingungsabsorption oder -dämpfung durch das Gehäuse 133 ausreicht und die
Leitungen 138, 139 auf andere Weise geeignet abgedichtet sind.
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Der Ultraschallwellenempfänger 14 ist in genau der gleichen Weise,
wie vorstehend erläutert, aufgebaut. Für den Empfänger 14 sind infolgedessen in
Fig. 3E entsprechende Bezugszeichen vorgesehen wie für den Sender 13, mit der Ausnahme,
daß diese Bezugszeichen mit 14 statt mit 13 beginnen.
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Weil die Frontabdeckung 135 von dem Gehäuse 133 durch die schwingungsdämpfende
Klebstoffschicht 137 akustisch getrennt ist, werden die von dem Gehäuse 133 abgestrahlten
Schwingungen auf ein praktisch vernachlässigbares Maß vermindert, so daß Ultroschallimpulse
auf eng gebündelte Weise emittiert werden können. Das heißt, der Obertragungsbereich,
innerhalb dessen ein Ultraschallimpuls Ubermittelt wird, läßt sich sehr klein halten,
wie dies in Fig. 3A durch den Raum X angedeutet ist, der zwei Raumbereiche ausfüllt.
In dem einem dieser Raumbereiche wird der Ultraschallimpuls
mit
kleinem Ausbreitungswinkel abgestrahlt.
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In dem anderen Raumbereich kann der Empfänger 14, der den gleichen
Aufbau wie der Sender 13 hat und der dem Sender 13 gegenübersteht, den emittierten
Ultraschallimpuls erfassen. Selbst wenn daher der Sender 13 und der Empfänger 14
benachbart einer mechanischen Anordnung installiert werden, ist die Übermittlung
von genauern Ultraschallimpulsen möglich, solange sich zwischen dem Sender 13 und
dem Empfänger 14 kein Hindernis befindet.
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Des weiteren ist es möglich, einen Ultraschallimpuls zu Ubermitteln,
ohne daß es zur Ausbildung von stehenden Wellen kommt, selbst wenn der Sender 13
und der Empfänger 14 in geringem Abstand voneinander sitzen und wenn sich in der
Nachbarschaft von Sender und Empfänger Hindernisse befinden. Dabei wird der Treiberimpuls
an den innerhalb des Senders befindlichen piezoelektrischen Schwinger 131 angelegt.
Der Schwinger 131 wird in seinem ersten einen Zyklus entsprechend Fig. 3C mit erhöhter
Amplitude in Schwingungen versetzt. Nachschwingungen des piezoelektrischen Elements
131 werden durch das Bauteil 132 absorbiert, wobei die Zeitkonstante der Hüllkurve
der anschliessenden gedämpften Schwingung des piezoelektrischen Elements 131 herabgesetzt
wird.
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Weil bei dem Sender 13 und dem Empfänger 14, die den oben erläuterten
Aufbau haben, ein piezoelektrischer Schwinger vorgesehen ist, der ein minimales
Ultraschallausgangssignal abgeben kann, das erforderlich ist, damit Ultraschallwellen
den Abstand durchlaufen, der geregelt werden soll, und weil Sender und Empfänger
einen hohen mechanischen Q-Wert haben, sind der Sender und der Empfänger nur gegenüber
Schwingungen innerhalb eines begrenzten Frequenzbereichs empfindlich. Infolgedessen
erfaßt der Empfänger keine Luftschwingungen oder Vibrationen als externes Rauschen,
die von miteinander zusammenwirkenden Oberflächen ausgehen oder auf natürlich Konvektion
oder dergleichen zurückzuführen sind. Vielmehr kann ein exakter Ultraschallimpuls
übermittelt werden.
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Um die nachstehende Erläuterung des Steuersystems zu vereinfachen,
ist auf den Fall Bezug genommen, daß ein Abstand L zwischen dem Ultraschallsender
13 und dem Empfänger 14 geregelt werden soll.
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II Steuerprinzip Fig. 5 zeigt Signale a bis m, die an entsprechend
bezeichneten Stellen der Schaltungsanordnung nach den Fign. 4 una 6 auftreten. Diese
Schaltungsanordnung umfaßt den Ultraschallimpulsgenerator
30,
die Ultraschallempfangsschaltung 40, die Stellimpulsgeneratorschaltung 50, die Positionserfassungs-
und -steuerschaltung 60 sowie die Antriebsschaltung 70.
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Der Ultraschallimpulsgenerator 30 weist einen synchronen Triggerimpulsgenerator
31, eine Ultraschallimpulstreiberschaltung 32 und den mit der Schaltung 32 verbundenen
Sender 13 auf. Der Generator 31 erzeugt einen Triggerimpuls (Fig. 5a) und steuert
damit die Schaltung 32 an. Infolgedessen legt die Schaltung 32 einen Spannungsimpuls
an den Sender 13 an. Dieser Spannungsimpuls wird entsprechend Fig. 5b mit der für
ein maximales Ausgangssignal des Senders 13 sorgenden Impulsbreite angeliefert.
Der Sender 13 erzeugt seinerseits Ultraschallwellen, wie dies in Fig. 5c dargestellt
ist.
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Die auf diese Weise emittierten Ultraschallwellen werden von dem Empfänger
14 aufgenommen. Sie werden gemäß den Fign. 5d, 5e und 5f mittels einer Ultraschallimpulsverstärker-
und Detektorschaltung 41 und einer Formerschaltung 42 verstärkt, gleichgerichtet
und geformt sowie dann in eine Latch-Schaltung 61 der Positionserfassungs- und -steuerschaltung
70 als Empfangsimpulse eingegeben. Die Stellimpulsgeneratorschaltung 50 ist derart
ausgelegt,
daß die Zeitkonstante eines Multivibrators 502 geändert
werden kann, indem ein Widerstand 503 des Multivibrators 502 mit Hilfe der Wählglieder
18, 19, 20 und 21 geändert wird. Wenn der Drucktastenschalter 23 geschlossen wird,
gibt eine Befehlsschaltung 52 ein Befehlssignal gemäß Fig. 5g ab, wodurch der Ausgang
Q eines RS-Flip-Flops 505 auf den Pegel L springt. Infolgedessen wird ein Transistor
504 stromführend. Ein Stellimpuls (Fig. 5h) der um eine der Zeitkonstante des externen
Widerstands 503 entsprechende Zeitspanne nach der Erzeugung des Triggerimpulses
(Fig. 5a) erzeugt wird, geht an eine Vergleicherschaltung 63, die aus einer mit
zwei Eingängen versehenen NAND-Schaltung der Positionserfassungs- und -steuerschaltung
60 besteht. In Fig. 6 sind drei Drucktastenschalter 23, 24 und 25 zur Erzeugung
des Stellimpulses veranschaulicht. Es versteht sich jedoch, daß gegebenenfalls nur
ein solcher Schalter oder eine größere Anzahl von Drucktastenschaltern vorgesehen
sein kann. Die Drucktastenschalter 23, 24 und 25 sind ferner so ausgestaltet, daß
gleichzeitig nicht mehr als zwei Schalter betätigt werden können. Wenn eine Mehrzahl
von Drucktastenschaltern vorhanden ist, ist beispielsweise eine Regelung entsprechend
der Anzahl der Drucktastenschalter möglich.
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Der Einfachheit halber ist im folgenden davon ausgegangen, daß nur
ein Drucktastenschalter 23 verwendet wird.
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Bei der veranschaulichten Ausführungsform gehören zu der Positionserfassungs-
und -steuerschaltung 60 eine Positionserfassungsschaltung 64, die Latch-Schaltung
61, eine Anstiegsdifferentialimpuls-Erzeugerschaltung 62 und die Vergleicherschaltung
63, die aus einer NAND-Schaltung mit zwei Eingängen besteht. Die Schaltung 60 ist
so ausgelegt, daß sie einen von dem Empfänger 14 empfangenen und gleichgerichteten
Empfangsimpuls (Fig. 5f) sowie einen Stellimpuls nach Fig. 5h aufnimmt, der mittels
der Stellimpulsgeneratorschaltung 50 erzeugt wird und die vom Benutzer voreingestellte
Sollposition erkennen läßt. Die Schaltung 60 ermittelt die Reihenfolge, in welcher
der Empfangsimpuls und der Stellimpuls in die Schaltung 60 einlaufen und fUhrt eine
entsprechende Regelung aus. Der vorstehend genannte Empfangsimpuls wird in die Latch-Schaltung
61 eingespeist. Diese legt daraufhin ein Ausgangssignal mit H-Pegel an die Impulserzeugerschaltung
62 sowie ein Ausgangssignal mit L-Pegel an einen K-Eingang einer aus einem JK-Flip-Flop
bestehenden Erfassungs- oder Entscheidungsschaltung 641 jedes Mal dann, wenn in
die Schaltung 61 ein Triggerimpuls (Fig. 5a) eingespeist wird. Dadurch wird das
Ausgangssignal des JK-Flip-Flops entsprechend
Fig. 5i umgekehrt.
Selbst wenn daher der Empfänger 14 nach dem Einlaufen des Empfangsimpulses (Fig.
5f) in den Empfänger 14 mit Rauschen beaufschlagt wird, verharrt das Ausgangssignal
des Empfängers 14 in dem beschriebenen Schaltzustand; unerwünschte Operationen sind
ausgeschlossen. Die Anstiegsdifferentialimpuls-Erzeugerschaltung 62 erzeugt einen
Übereinstimmungsimpuls gemäß Fig. 5k, der die gleiche Breite wie der Stellimpuls
(Fig. 5h) hat, aufgrund des Anstiegs des Ausgangssignals der Latch-Schaltung 61
auf den Pegel H. Die aus einem JK-Flip-Flop bestehende Erfassungsschaltung 641 ist
so angeschlossen, daß das Ausgangssignal der Latch-Schaltung 61 an den J-Eingang
und den K-Eingang geht, während ein Stellimpuls (Fig. 5h) dem CK-Eingang zugeführt
wird. Der die Vergleicherschaltung 63 bildenden NAND-Schaltung gehen der Stellimpuls
und der Übereinstimmungsimpuls als Eingangssignale zu.
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Wenn die Schaltung 63 gleichzeitig mit dem Stellimpuls und dem Übereinstimmungsimpuls
beschickt wird, gibt die Schaltung 63 ein Signal an den R-Eingang einer RS-Latch-Schaltung
642. Zu Beginn des Arbeitens der Schaltungsanordnung nach Fig. 6, d.h. beim Einschalten
der Versorgungsspannung, wird die RS-Latch-Scholtung 642 anfänglich zurückgestellt
und auf dem L-Eingangspegel der Latch-Schaltung gehalten. Wenn kein Drucktostenschalter
23 betätigt wird oder wenn der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger mit
dem vom Benutzer voreingestellten Abstand
übereinstimmt sowie der
Stellimpuls und der Übereinstimmungsimpuls gleichzeitig in die Vergleicherschaltung
63 einlaufen, läßt eine Steuersignalbefehlsschaltung 643 die Ausgangssignale m und
n auf den L-Pegel übergehen.
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Wenn der Drucktastenschalter 23 geschlossen wird, wählt die Schaltung
643 das durch den Q-Ausgang der Erfassungsschaltung 641 bestimmte Signal aus; sie
gibt das für den Steuervorgang notwendige Signal ab.
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Im folgenden sei näher erläutert, wie die Positionserfassungs- und
Steuerschaltung arbeitet und für die beabsichtigte Positionssteuerung aufgrund eines
von außen kommenden Eingangssignals sorgt, wenn der Ist-Abstand L zwischen dem Sender
13 und dem Empfänger 14 kürzer als der von dem Benutzer eingestellte Soll-Abstand
ist. Dabei sei angenommen, daß der Empfänger 14 feststeht und nur der Sender 13
bewegbar ist, sowie daß ein m-Signal ein Antriebs signal für eine Hubantriebsschaltung
71 ist, um den Sender 13 von dem Empfänger 14 wegzubewegen. Bei dem n-Signal handelt
es sich dagegen um ein Antriebssignal fUr eine Senkantriebsschaltung 72, um den
Sender 13 in Richtung auf den Empfänger 14 zu verstellen. In der Praxis wird also
der Abstand zwischen zwei bewegbaren Bauteilen geregelt, indem der Abstand L zwischen
dem Sender 13 und dem Empfänger 14 ermittelt wird. Die Erläuterung der Positionserfassungs-
und
-steuerschaltung 16 erfolgt unter Bezugnahme auf eine Bewegung
zwischen dem Sender 13 und dem Empfänger 14.
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Wenn bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 die Versorgungsspannung
eingeschaltet wird, wird anfänglich die RS-Latch-Schultung 642 zurückgestellt, um
den Ausgang der Schaltung 642 auf L-Pegel zu halten. Daher geht den beiden NAND-Schaltungen
der Steuersignalbefehlsschaltung 643 ein L-Signal zu. Der Ausgang der Schaltung
643 wird auf dem gleichen L-Pegel gehalten, den der Ausgang vor dem Einschalten
der Versorgungsspannung hatte. Entsprechend wird der Abstand L zwischen dem Sender
13 und dem Empfänger 14 auf dem vor dem Einschalten der Versorgungsspannung vorhandenen
Wert gehalten.
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Wird dann der Drucktastenschalter 23 gedrUckt, nachdem die von dem
Sender 13 abgestrahlten Ultraschallimpulse von dem Empfänger 14 periodisch aufgenommen
wurden, geht der in Fig. 5h veranschaulichte Stellimpuls als die errechnete Zeitdauer,
welche dem vom Benutzer eingestellten Abstand entspricht, als Taktimpuls an den
CK-Eingang der Entscheidungs- oder Erfassungsschaltung 641. Entsprechend Fig. 51
wird von dem Q-Ausgang der Schaltung 641 in Abhängigkeit von dem zu diesem Zeitpunkt
vorliegenden JK-Eingang ein Signal mit H-Pegel abgegeben. Dieses H-Pegel-Ausgangs
signal wird zusammen mit einem umgekehrten H-Pegelsignal
in die
beiden NAND-Schaltungen der Steuersignalbefehlsschaltung 643 eingespeist, wodurch
ein H-Pegelsignal am Ausgang m der Schaltung 643 erzeugt wird. Bei dem umgekehrter
H-Pegelsignal handelt es sich dabei um das Signal, welches die RS-Latch-Schaltung
642 umkehrt und aufgrund des in Fig. 5g gezeigten Befehlssignals abgibt, das erzeugt
wird, wenn der Drucktastenschalter 23 gedrückt wird. Das m-Ausgangssignal betätigt
die Hubantriebsschaltung 71, wodurch der Sender 13 nach oben verstellt und von dem
Empfänger 14 weiter wegbewegt wird.
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Während sich der Sender 13 aufgrund des m-Signals von dem Empfänger
14 weg nach oben bewegt, wird der Triggerimpuls wiederholt abgegeben. Jedes Mal
wenn der Triggerimpuls von dem Empfänger 14 als Empfangssignal aufgenommen wird,
erfaßt die Schaltung 641 die Reihenfolge, in welcher ein Übereinstimmungsdetektorimpuls
(Fig. 5h), der das Eingehen des Empfangsimpulses erkennen läßt, und ein von dem
Triggerimpulsgenerator 31 erzeugter Stellimpuls in die Erfassungsschaltung 641 einlaufen.
Wenn der Abstand L zwischen dem Sender 13 und dem Empfänger 14 mit dem vom Benutzer
eingestellten Soll-Abstand übereinstimmt, gehen der Stellimpuls und der Übereinstimmungsdetektorimpuls
(Fign. 5h und 5k) gleichzeitig in die NAND-Schaltung der Vergleicherschaltung 63
ein. Diese NAND-Schaltung gibt ein Signal mit L-Pegel ab, wodurch der Ausgang der
RS-Latch-Schaltung
642 auf den L-Pegel springt. Das in Fig. 5m veranschaulichte Ausgangssignal der
Steuersignalbefehlsschaltung 643 geht von dem Pegel H auf den Pegel L über. Das
der Hubantriebsschaltung 71 zugeführte m-Signal verschwindet infolgedessen. Der
Abstand L zwischen dem Sender 13 und dem Empfänger 14 hat den vom Benutzer gewünschten
Wert. Der Steuervorgang ist abgeschlossen. Wenn der Ist-Abstand L zwischen dem Sender
13 und dem Empfänger 14 größer als der vom Benutzer eingestellte Soll-Abstand ist,
wird die Senkantriebsschaltung 72 wirksam gemacht; im übrigen läuft der Steuervorgang
nach dem gleichen Prinzip ab.
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Wenn bei der Steuerung der Hubeinrichtung des Behandlungsstuhls nach
Fig. 1, bei welchem der Empfänger 14 an dem Sockel 3 und der Sender 13 an dem Sitz
5 einander geradlinig gegenüberliegend angeordnet sind, beispielsweise die Ist-Höhe
H des Sitzes 5 entsprechend einem von der Positionserfassungsschaltung 64 kommenden
m-Signal kleiner als die vom Benutzer eingestellte Soll-Höhe ist, wird die Hubantriebsschaltung
71 betätigt, wenn der Benutzer den Drucktastenschalter 23 der Befehlsschaltung 52
drückt. Der Sitz 5 wird mittels der an die Hubantriebsschaltung 71 angeschlossenen
Hubvorrichtung nach oben bewegt. Wenn der Sitz 5 die Soll-Höhe erreicht, wird die
Aufwärtsbewegung durch das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 63 zum
Halt
gebracht. Der beabsichtigte Steuervorgang ist abgeschlossen. Wenn umgekehrt der
Sitz 5 eine höhere als die vom Benutzer voreingestellte Lage einnimmt, wird die
Senkantriebsschaltung 72 betätigt. Die Steuerung läuft nach dem gleichen Prinzip
ab. Es versteht sich, daß die Ausgangsklemmen 73, 74 der Hubantriebsschaltung 71
und der Senkantriebsschaltung 72 parallel zu den Höhenverstellschaltungen vorhandener
Behandlungsstuhle 1 gelegt werden können.
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Was die Steuerung der Schwenklage der Rückenlehne 9 gegenüber dem
Sitz 5 anbelangt, so bleibt der gegenseitige Abstand zwischen dem Sender 15, der
mit dem stationären Teil 7a der hydraulischen Schwenkeinrichtung 6 verbunden ist,
und dem Empfänger 16, der dem Sender 15 auf einer geraden Linie gegenübersteht und
an der Kolbenstange 7 montiert ist, von Änderungen der Höhenlage des Sitzes 5 unbeeinflußt.
Der Abstand zwischen dem Sender 15 und dem Empfänger 16 hat daher eine definierte
Beziehung zu dem Neigungswinkel zwischen der Rückenlehne 9 und dem Sitz 5. Die Steuerung
der Neigung der Rückenlehne kann daher durch Steuern des Abstandes zwischen Sender
15 und Empfänger 16 erfolgen.
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Die Erfindung wurde vorstehend beispielshalber anhand eines zahnärztlichen
Behondlungsstuhis erläutert. Es versteht
sich jedoch, daß die beschriebene
Anordnung auch für zahlreiche andere Zwecke eingesetzt werden kann. Beispielsweise
können der Sender und der Empfänger einander in relativ kurzer Entfernung gegenüberstehend
an anderen zweckentsprechenden Teilen eines medizinischen Behandlungsstuhls (einschließlich
eines Operationstisches), eines Friseurstuhls, eines Schönheitssalonstuhl oder anderer
Verstell- und Hubeinrichtungen angebracht werden, um für eine Positionssteuerung
oder -regelung von bewegbaren Bauteilen zu sorgen. Die gegenseitige Anordnung von
Sender und Empfänger läßt sich ebenso modifizieren wie der Einbau der Drucktastenschalter,
des Steuerkastens und dergleichen.
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Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform für den Fall, daß die
Höhe H beim Verstellen eines Gelenkparallelogramms gesteuert werden soll. Dabei
brauchen Sender und Empfänger nur einander geradlinig gegenüberliegend angeordnet
zu werden, wie dies aurch gestrichelte Linien angedeutet ist. Wenn eine solche Anordnung
aus irgendeinem Grund jedoch unmöglich oder unerwUnscht ist, kann die Höhe H in
Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem Sender 13 und dem Empfänger 14 auch dadurch
gesteuert werden, daß der Sender 13 und der Empfänger 14 einander waagrecht gegenüberliegend
zwischen den nach oben und unten verstellbaren Armen P3, P5 und P4, P6 montiert
werden, beispielsweise an den Gelenkstellen P1 und P2, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht
ist.
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Die erläuterte Vorrichtung gestattet eine automatische Steuerung oder
Regelung auf vollkommen kontaktlose Weise, d.h. ohne Verwendung irgendeines mechanischen
Kontaktteils.
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Die als Meß- und Positionssteuermedium verwendeten Ultraschallimpulse
gestatten eine sehr genaue Messung. Die Vorrichtung eignet sich nicht nur dann,
wenn die beiden Bauteile, deren gegenseitiger Abstand eingestellt werden soll, linear
mit Bezug aufeinander bewegbar sind, sondern auch dann, wenn die betreffende Bewegung
in eine Linearbewegung umwandelbar ist. Vorhandene Eehandlungsstühle brauchen nicht
geändert zu werden. Der Behandlungsstuhl läßt sich nacheinander auf mehrere unterschiedliche
Sollstellungen einstellen.