DE3221146A1

DE3221146A1 - Zahnaerztliches handstueck

Info

Publication number: DE3221146A1
Application number: DE19823221146
Authority: DE
Inventors: Gerd 7970 Leutkirch Schulz
Original assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Current assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1982-06-04
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3221146C2; FR2527922B1; IT8367619A0; FR2527922A1; CH658986A5; IT1159028B

Description

Zahnärztliches Handstück

Die Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handstück mit einem Gleichstrom-Nebenschlußmotor, dessen Drehzahl mittels einer steuerbaren Spannungsquelle veränderbar ist.

Zahnärztliche Handstücke mit elektrischen Kleinstmotoren, die als Gleichstroinnebenschlußmotor betrieben werden, sind bekannt- Bekanntlich sinkt bei einem Gleichstromnebenschlußmotor die Drehzahl mit der Belastung, wenn die Versorgungsgleichspannung unverändert bleibt. Um dem entgegen zu wirken, hat man für Gleichstromnebenschlußmotoren in zahnärztlichen Handstücken bisher eine Kompensationsschaltung verwendet. Diese Kompensationsschaltung beruhte darauf, den Spannungsabfall über eine im Motorstromkreis befindlichen Widerstand zur Steuerung der steuerbaren Spannungsquelle zu verwenden. Dabei wurde davon ausgegangen, daß bei durch höhere Belastung sinkender Drehzahl der Motorstrom ansteigt und an den Widerstand einen entsprechend höheren Spannungsabfall erzeugt, mittels welchem die Versorgungsspannung für den Motor auf einen höheren Spannungswert gesteuert werden kann. Der höhere Spannungswert führt dann zu

^ou einer Wiederanhebung der Drehzahl. Obwohl dieses Prinzip keine echte Drehzahlregelung darstellt, sondern nur zu einer ungefähren Kompensation von Drehzahleinbrüchen infolge Belastungserhöhung (z.B. dann, wenn das zahnärztliche Werkzeug an den Zahn gelegt wird) führt, war dieses Prinzip bisher für die Praxis

] ausreichend Dies u.a. deshalb, weil man sich bisher mit einem Drehzahlbereich von etwa 1ooo bis I0000 {Verhältnis 1:1o) zufrieden gab. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die in der Mundhöhle maximal zulässige Spannung, die dann gleich der Versorgungsspannung für den Motor ist, durch gesetzliche Bestimmung nicht höher als 24 Volt sein darf. Die Einstellung der Drehzahl erfolgt durch Steuerung der Spannungsquelle. Geht man von dem vorstehend angegebenen Drehzahl-Bereich von 1:1o aus und setzt man voraus, daß die Drehzahl etwa proportional der Versorgungsspannung für den Motor ist, so entsprechen 24 Volt der höchsten und 2,4 Volt der niedrigsten Drehzahl. Der Spannungswert von 2,4 Volt ist noch so hoch, daß er von Störgrößen noch nicht allzu sehr beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, den Drehzahlbereich wesentlich zu erhöhen, und zwar mindestens auf das Verhältnis 1:4o, was Drehzahlen von I000 bis 4oooo U/min entspricht. In diesem Fall würde die Drehzahl von 4oooo U/min der Versorgungsspannung von 24 Volt entsprechen, während für die Drehzahl von I000 U/min nur noch 0,6 Volt Versorgungsspannung verwendet werden dürften. Bei dem letztgenannten geringen Spannungswert versagt das bisher bekannte Kompensationsprinzip, da hier Störgrößen, wie der Kohlekontakt-Widerstand, Reibungswiderstände der Kugellager, Motorerwärmung usw. zu einer nennenswerten Beeinflussung des Spannungsabfalls am Widerstand führen, so daß dieser kein brauchbares Maß mehr für die Kompensation ist.

Es wäre nun naheliegend, eine echte Drehzahlregelung unter Verwendung eines Tachogenerators anzuwenden, der mit demMotor gekoppelt ist. Dies ist jedoch aus

• β * ft* H

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Ι Platzgründen in dem zahnärztlichen Handstück und auch aus Kostengründen unerwünscht.

Erfindungsgemäß wird deshalb eine Lösung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine im Motorstromkreis angeordnete Unterbrecherschaltung, eine die Motorspannung abtastende und speichernde Abtast- und Speicherschaltung, einen Regler für die steuerbare Spannungsquelle, dem als Sollwert eine Steuerspannung und als Istwert der jeweils von der Abtast- und Speicherschaltung gespeicherte Motorspannungswert zugeführt wird, und eine Zeitsteuerschaltung, welche die Unterbrecherschaltung wiederholt kurzzeitig zum Unterbrechen des Motorstromes und die Abtast- und Speicherschaltung

■5 mit Verzögerung nach Beginn der Unterbrechung des Motorstromes, jedoch vor deren Beendigung zur Abtastung des Motorspannungswertes veranlaßt.

Die erfindungsgemäße Lösung geht davon aus, daß der ^zu Motor in der Unterbrechungsphase als Generator betrieben wird, wobei die Generator-EMK als Ist-Wert für eine echte Regelungsschaltung verwendet wird. Die Unterbrechung der Motorstromversorgung darf nicht zu lang sein, da der Motor dann ein Drehmoment einbüßt. *^J Sie darf auch nicht zu kurz· sein, da nach Beginn der Unterbrechung zunächst eine Peldabbau-Phase auftritt, in der die Generator-EMK nicht meßbar ist. Aus diesem Grunde muß die Abtastung verzögert erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß auch ohne Verwendung eines Tachogenerators eine echte Drehzahlregelung erfolgt und daß ein großer Regelbereich bis zu sehr niedrigen Drehzahlen überstrichen

werden kann.
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• Für einen Miniaturinotor der hier betrachteten Art, der eine maximale Motorstromversrgungsspannung von etwa 24 Volt und einen Motorstrom von maximal etwa 5 Ampere hat, wurden als besonders günstig ermittelt, ein Wiederholungsfrequenzbereich von Io bis 1ooo Hz, eine Ausschaltzeit für den Motorstrom zwischen 25o und 5oo psBc. und eine Abtastzeit zwischen 5 und 3o psec,

Den vorstehenden optimalen Bereichen liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: Ist die Wiederholungsfrequenz zu klein, so läuft der Motor nicht mehr gleichmäßig (er ruckelt), und es ist eine einwandfreie Regelung nicht mehr gewährleistet. Ist die Wiederholungsfrequenz zu groß, so muß zur Aufrechterhaltung der für ein '5 bestimmtes Drehmoment notwendigen Mittelwertes der Versorgungsspannung für den Motor die Ausschaltzeit verkürzt werden, was bei Erreichen des unteren Grenzwertes für die Ausschaltzeit dazu führt, daß die Generator-EMK nicht mehr gemessen werden kann, weil die 2" Feldabbauphase noch nicht beendet ist. Ist die Ausschaltzeit zu lang, so büßt der Motor wegen eines zu geringen Mittelwertes der Versorgungsspannung für den Motor an Drehmoment ein. Eine zu kurze Abtastzeit führt dazu, daß der Mittelwert der Istwert-Spannung

^isJ zu gering wird. Die obere Grenze der Abtastzeit ist durch die Zeitdifferenz zwischen dem Ende der Feldabbauphase und dem Wiedereinschalten des Motorstromes festgelegt.

Als Sollwertgeber wurden bisher Spannungsteiler in Form von linearen Potentiometern (sog. Anlasser) verwendet. Die meisten Zehnarztpraxen sind mit solchen Anlassern bereits ausgerüstet. Bei dem bisherigen

Drehzahlbereich von 1ooo bis "ioooo U/min war eine 35

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ι ausreichend feinfühlige Einstellung der Drehzahl mit dem Anlasser möglich. Durch die mit der Erfindung erzielte Erhöhung des Drehzahlverhältnisses ist die absolute Drehzahleinstellung bei gleichem Verstellweg des Potentiometers nichz mehr in dem geschilderten feinfühligen Maße möglich. In Weiterbildung der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß der abgetastete Motors-pannungswert in eine:n Amplitudenverzerrer-Netzwerk so beeinflußt wird, daß größere Amplitudenwerte mit einer höheren Dämpfung bzw. geringen Verstärkung übertragen werden als niedrigere Amplitudenwerte.

₄m>, Angestrebt wird eine etwa logarithmitsche Verzerrung,

derart, daß mit etwa dem gleichen Verstellweg an dem Potentiometer, d.h. der gleichen Sollwert-Spannungs-

'5 änderung etwa die gleiche relative Drehzahländerung bewirkt wird.

Eine einfache Realisierung des Amplitudenverzerrer-Netzwerkes für den vorliegenden Fall kann aus einer ^O Serienschaltung von zwei Widerständen und einer Diode bestehen, der der zu verzerrende abgetastete Motorspannungswert zugeführt wird, wobei der verzerrte Motorspannungswert von der aus einem Widerstand und der Diode bestehenden Teilserienschaltung abgenommen

f*· OK

^J wird. Die Diode kann vorzugsweise eine Zener-Diode sein.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Regelschaltung für den Motor;

Fig. 2 die zeitliche Abhänaigkeit der Schaltimpulse

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für die Unterbrecherschaltung und die Abtast-

und Speicherschaltung;

^ Fig. 3 die zeitliche Abhängigkeit der Motorspannung und der Generator-EMK;

Fig. 4 die Abhängigkeit, der Drehzahl des Motors von der Sollwertspannung mit und ohne Entzerrer-Netzwerk.

In Fig. 1 erhält der Gleichstromnebenschlußmotor 1, der in einem (nicht dargestellten ) zahnärztlichen Handstück untergebracht ist, seine Versorgungsspannung von einer steuerbaren Spannungsquelle 2. In den Versorgungsstromkreis ist eine Unterbrecherschaltung 3 eingeschaltet, die von einer Zeitsteuerschaltung 4 gesteuert ist. Die Unterbrecherschaltung 3 unter-

T5 bricht den Motorstrom in wiederholter Folge impulsförmig. Die Zeitsteuerschaltung 4 steuert die Unterbrecherschaltung 3 mit einer Wiederholungsfrequenz von 4oo Hz, d.h. die Unterbrechung des Motorstromes erfolgt 4oo χ in der Sekunde, d.h. mit einem zeitlichen Abstand von 25oo yusec. Der Schaltzustand der Unterbrecherschaltung 3 ist in Fig. 2 in ausgezogenen Linien dargestellt. Die Unterbrechungsdauer ist klein im Verhältnis zum zeitlichen Abstand der Unterbrechungen

und beträgt im vorliecenden Fall 3oo jisec. 25

Wie man der Figur 3 entnehmen kann, bricht die unmittelbar über dem Motor 1 stehende Motorspannung mit dem Beginn der Motorstromunterbrechung zusammen und schlägt durch Feldabbau zunächst in eine Gegenspannung

mit entgegengesetzter Polarität um, bis sie sich auf einen niedrigeren Pegel der gleichen Polarität wie die Motorspannung im nicht- unterbrochenen Zustand einpendelt. Diese niedrige Spannung, die nach der

Feldabbauphase während der Zeit auftritt, in der der 35

• «

* ι;

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Motorstrora unterbrochen ist, ist die Generator-EMK, die der nunmehr infolge seiner Trägheit weiterlaufende und als Generator wirkende Motor erzeugt. Diese Generator-EMK ist direkt proportional zur Drehzahl des Motors. Je höher die Drehzahl des Motors ist, desto höher ist die Generator-EMK.

Die Generator-EMK wird nach Beendigung der Felbabbauphase d.h. mit Verzögerung nach dem Beginn der Motorstromunterbrechung durch eine Abtast- und Speicherschaltung 5, im allgemeinen als sog. sample and hold-Schaltung (S&H-Schaltung bekannt, kurzzeitig abgetastet und dann gespeichert. Der Abtastzeitpunkt und die Abtastdauer werden wiederum durch die Zeitsteuerschaltung 4 bestimmt, die die Abtast- und Speicherschaltung 5 steuert. Jader neu abgetastete Spannungswert wird gespeichert, der davor gespeicherte Wert wird gelöscht. Die Abtastfrequenz ist die gleiche wie die Unterbrecherfrequenz, also 4oo Hz. Die Abtastung erfolgt synchron mit der Stromunterbrechung, und zwar so, daß - wie erwähnt die Abtastung dann beginnt, wenn die Feldabbauphase beendet ist und gleichzeitig mit der Motorstromunterbrechung endet. Die Abtastdauer ist im vorliegenden Fall 2o psec gewählt worden. Sie ist kurz gegenüber der Unterbrecherzeit. Der Schaltzustand der Abtast- und Speicherschaltung ist in Fig. 2 in unterbrochenen Linien dargestellt.

Der von der Abtast- und Speicherschaltung gespeicherte Spannungswert 5 wird einem Regler 6 als Istwert-Spannung zugeführt. Als Sollwert-Spannung wird dem Regler 6

„p. eine von einem sog. Anlasser erzeugte Spannung 7 zugeführt. Der Anlasser 7 ist ein mit dem Fuß, dem Knie oder mit den Fingern verstellbares lineares Potentiometer, das als Spannungsteiler wirkt. Der Regler 6 erzeugt aus dem Vergleicher vcn Sollwert-Spannung und

or Istwert-Spannung eine Regelspannung, mit der die

_9mΦΨΜ 1o

T steuerbare Spannungsquelle 2 geregelt wird. Es handelt sich hierbei um eine Folge-Regelschaltung, die eine Veränderung der Drehzahl des Motors 1 über einen weiten Drehzahl-Bereich durch Verstellung des Anlassers 7 erlaubt, daneben aber die einmal eingestellte Drehzahl auch bei größeren Belastungsänderungen in hohem Maße konstant hält.

In Figur 4 ist gezeigt, daß mit der Regelschaltung gemäß Figur 1 ein Drehzahlbereich von 1ooo bis 4oooo

U/min überstrichen werden kann. Dazu ist eine Änderung der Sollwert-Spannung mit dem Anlasser 7 zwischen 1 und 1o Volt notwendig. Um mit gleichen Spannungsänderungs-Schritten, d.h. gleichen Verstellwegen des Betätigungselementes am Anlasser 7 etwa gleiche relative Drehzahländerungen zu erreichen, ist zwischen den Motor und die Abtast- und Halteschaltung 5 ein Amplituden-Verzerrernetzwerk 8 eingeschaltet. Dieses besteht aus einer parallel zum Motor 1 geschalteten Serienschaltung ■*" aus zwei Widerständen 9 und 1o und einer Zener-Diode 11. Der Spannungswert für die Abtast- und Speicherschaltung 5 wird von der Teil-Serienschaltung, die aus dem Widerstand 1o und der Zener-Diode 11 gebildet ist, abgenommen. In Figur 4 ist die Wirkung des Amplituden- ^D verzerrer-Netzwerkes erkennbar. Ohne Amplitudenverzerrer-Netzwerk ist die Drehzahl des Motors linear abhängig von der Sollwert-Spannung, mit dem Amplitudenverzerrer-Netzwerk wiird dagegen mit den gleichen Sollwert-Spannungsänderungen im unteren Drehzahl-Bereich

eine geringe absolute Drehzahländerung erreicht, als im obereren Drehzahl-Bereich. Dadurch ist ein feinfühligeres Regeln der Drehzahl für den Zahnart möglich.

/anwalt

Claims

ANSPRÜCHE

1) Zahnärztliches Handstück mit einem Gleichstromnebenschlußmotor, dessen Drehzahl mittels einer steuerbaren Spannungsquelle veränderbar ist, gekennzeichnet durch eine im Motorstromkreis angeordnete Unterbrecherschaltung (3), eine die Motorspannung abtastende und speichernde Abtast- und Speicherschaltung (5), einen Regler (6) für die steuerbare Spannungsquelle (2), dem als Sollwert eine Steuerspannung und als Istwert der jeweils von der Abtast- und Speicherschaltung (5) gespeicherte Motorspannungswert zugeführt wird, und eine Zeitsteuerschaltung (4), welche die Unterbrecherschaltung (3) wiederholt kurzzeitig zum Unterbrechen des Motorstromes und die Abtast- und Speicherschaltung (5) mit Verzögerung nach Beginn der Unterbrechung des Motorstromes, jedoch vor deren Beendigung zur Abtastung des Motorspannungswertes veranlaßt.

2) Zahnärztliches Handstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine maximale Motorversorgungsspannung von etwa 2 4 Volt und einen Motorstrom von maximal etwa 5 Ampere bei einem Wiederholungsfrequenzbereich von 1o bis 1ooo Hz die Ausschaltzeit für den Motorstrom zwischen 25o und 5oo usec und die Abtastzeit zwischen 5 und 3o ^isec beträgt.

3) Zahnärztliches Handstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetastete Motorspannungswert in einem Amplitudenverzerrer-Netzwerk (8) so beeinflußt wird, daß größere Amplitudenwerte mit einer höheren Dämpfung bzw. geringeren Verstärkung übertragen werden als niedrigere Amplitudenwerte.

4) Zahnärztliches Handstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenverzerrer-Netzwerk (8) aus einer Serienschaltung von zwei Widerständen (9,1o) und einer Diode (11) besteht, der der zu verzerrende abgetastete Motorspannungswert zugeführt wird, und daß der ver^ zerrte Motorspannungswert von der aus einem Widerstand (1o) und der Diode (11) bestehenden Teilserienschaltung abgenommen wird.

5) Zahnärztliches Handstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (11) eine Zener-Diode ist.