DE3431481A1

DE3431481A1 - Verfahren zum betrieb von ultraschall-leistungsschwingern, insbesondere in geraeten zur zahnsteinentfernung

Info

Publication number: DE3431481A1
Application number: DE19843431481
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 München Mágori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-04-22
Filing date: 1984-08-27
Publication date: 1986-02-27

Description

Verfahren zum Betrieb von Ultraschall-Leistungsschwin-
gern, insbesondere in Geräten zur Zahnsteinentfernung.
Zusatz zu Patent . ... ... (P 33 14 609) Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anwendung des Verfahrens nach dem Hauptpatent (-anmeldung P 33 14 69) generell für Ultraschall-Leistungsschwinger und insbesondere für solche in Geräten zur Zahnsteinentfernung.
In der Beschreibung zum Hauptpatent ist als Anwendungsbeispiel der dort geschützten Erfindung die Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubung angegeben, und zwar im Zusammenhang mit dem bei Flüssigkeitszerstäubern auftretenden Problem, daß die zur Flüssigkeitszerstäubung vorgesehene, in Schwingungen zu versetzende Arbeitsplatte in zu starkem Maße mit an ihr anhaftender Flüssigkeitsmenge mechanisch belastet ist. Im normalen Zerstäubungsbetrieb tritt ein solcher Zustand, bei dem die schwingende Arbeitsplatte mit tropfenförmig anhängender Flüssigkeit bedeckt ist, nicht auf, sondern zugeführte Flüssigkeit wird sofort in feine Tröpfchen zerteilt abgesprüht.
Ein mit dem als Beispiel näher erörterten Anwendungsgebiet der Flüssigkeitszerstäubung verwandtes Problem tritt bei mit Ultraschall-Schwingern betriebenen Zahnsteinentfernern, bei Piezomotoren und bei Ultraschall-Reinigung und -Bearbeitung auf. Es ergeben sich dort zeitlich mehr oder weniger lange Intervalle, in denen eine höhere Bedämpfung des Schwingers eintritt. Zum Beispiel hat Zahnstein nicht durchwegs gleich hohe Härte, und wenn man mit einem Zahnsteinentferner auf weniger harten Zahnstein stößt, kann die dabei auftretende höhere Bedämpfung zum Aussetzen der Schwingungen führen.
Andererseits würde ein Zahnsteinentferner, dessen Leistung auf den bei weicherem Zahnstein auftretenden Leistungsbedarf abgestellt ist, die sehr nachteilige Eigenschaft haben, auf hartem Zahnstein derartige Meißelschläge auszuführen, die auch den Zahnschmelz beschädigen könnten.
Mit der vorliegenden Erfindung wird insbesondere bei Anwendung beim Zahnsteinentferner das Problem gelöst, daß eine selbsttätige Regulierung der Leistungsabgabe des Ultraschall-Schwingers an den Meißel eintritt. Eine Weiterbildung der Erfindung löst das Problem, unterschiedliche Konsistenz des gerade bearbeiteten Zahnsteins dem Zahnarzt erkennbar zu machen.
Mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 wird das oben erwähnte, als Aufgabe zugrundeliegende Grundproblem gelöst.
Die Unteransprüche geben Lösungen zu obengenannten Detailproblemen an.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.
Fig.1 zeigen eine Seitenansicht und eine stirnseitige An-und Fig.2 sicht eines Zahnsteinentferners mit piezoelektrisch erzeugten Ultraschall-Schwingungen und Fig.3 zeigen Einzelheiten zur elektronischen Schaltung nach bis Fig.9 dem Hauptpatent, die zur Schwingungsanregung des Gerätes nach Fig.1 und 2 dient.
Der Zahnsteinentferner 101 - Einzelheiten hierzu sind auch im deutschen Patent(-anmeldung 30 32 022.0) angegeben - hat eine Anzahl quaderförmiger Wandlerkörper 2 aus Piezokeramik.
Diese Körper sind - wie aus den Figuren ersichtlich - an einem prismatischen Stahlkörper 105 angebracht, insbesondere mit elektrisch leitfähigem Kleber angeklebt. Mit 111 und 112 sind Elektroden bezeichnet, die zum Anschluß der über die Zuleitungen 13 und 13' zugeführten elektrischen Anregungsspannug der Elektronik 118 dienen. Mit 171 ist eine Zuleitung zum Masse-Anschluß des Stahl körpers 105 bezeichnet. Mit 102 ist ein Gehäuse bezeichnet, aus dem an dessen Vorderseite ein kegelförmiger Anteil 103 des Stahl körpers herausragt, der ein Schwingungstransformator ist. Mit 107 ist der Rüssel des Gerätes bezeichnet, auf dessen vorderem Ende sich das zur Zahnsteinentfernung angepaßte Applikationsteil befindet.
In dem bereits erwähnten Gehäuse 102 befindet sich die elektronische Schaltung 118, an die die Betriebsspannung U anzulegen ist, und die alle obengenannten Funktionen ausführt, die im Rahmen der oben erörterten Anpassungen der mechanischen Leistung des Gerätes an die jeweiligen Betriebsbedingungen gewährleistet.
Fig.3 zeigt die zur Anregung des Schwingers des Gerätes 101 dienende Elektronik.
Mit 11 ist die eigentliche Anregungselektronik bezeichnet und mit 12 ist auf eine gemäß einer Weiterbildung vorgesehene zusätzliche Elektronikschaltung hingewiesen, die der Überwachung des betriebsmäßigen Schwingverhaltens des Ultraschall-Schwingers 1 dient. Dabei wird die Abklingzeitkonstante des Wandlers in den Speisepausen ausgewertet.
Über die Leitung 13 wird die von der Schaltung 11 abgegebene elektrische Leistung dem Wandler 2 zugeführt. Die Schaltung 11 wird an den Anschlüssen 14 z.B. mit 220 Volt Wechselspannung oder auch mit 12 Volt Gleichspannung gespeist. Mit 15 ist eine Verbindungsleitung zur Schaltung 12 bezeichnet, nämlich über die während der Speisepause im Zeitintervall "t2 ein vom Wandler 2 zurückgeliefertes elektrisches Signal dieser Schaltung 12 zugeführt werden kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Wandler 2 eine zusätzliche (Rückkopplungs-)Elektrode hat, die über die Leitung 15 mit der Schaltung 12 verbunden ist. Die Leitung 16 zwischen den Schaltungen 11 und 12 dient dazu, von der Schaltung 12 Auswertesignale an die Schaltung 11 zu liefern, um diese zu steuern. Diese Steuerung kann sich insbesondere auf die Frequenz f der AnregungsWechselspannung (z.B. im Bereich von 100 kHz), auf die obere Schwelle S1 der Schwingungsamplitude des Schwingers 1 und/oder auf die untere Schwingungsamplitude S2 desselben beziehen.
Mit den Leitungen 17 ist auf Steuersignalausgänge der Schaltung 12 hingewiesen, z.B. zu einer Leuchtdiode 18, die als Betriebssignallampe dienen kann.
Das Diagramm der Fig.4 zeigt die über die Leitung 13 dem Wandler 2 und damit dem Schwinger 1 zugeführte elektrische Leistung N, aufgetragen über der Zeit. Die Takte 21 mit den ersten Zeitintervallen #t1 sind die eigentlichen Speiseintervalle. In diesen Intervallen erhält der Schwinger eine so große elektrische Leistung zugeführt, daß er in die geforderte Ultraschall-Schwingung versetzt wird, und zwar unabhängig davon, wie groß - in vernünftigen Grenzen - die momentane mechanische Belastung des Gerätes ist. In den Zeitintervallen dt2 wird elektrische Leistung entsprechend den Takten 22 zugeführt. Die Leistung der Takte 22 kann so hoch bemessen sein, daß kontinuierliches Weiterschwingen bewirkt wird. Die elektrische Leistung der Takte 22 kann aber den Wert Null haben, d.h.
man läßt in den zweiten Zeitintervallen #t2 den Schwinger 1 ausschwingen. Das Taktverhältnis #t1:(#t1+#t2) beträgt z.B.
4 ms, wobei letzterer Wert vorteilhafterweise aus der Netzfrequenz abgeleitet ist. Wichtig für das Taktverhältnis ist, daß zusammen mit dem Leistungsverhältnis N1 zu N2 die zulässigerweise zuzuführende mittlere elektrische Leistung nicht überschriten wird, aber dennoch mit der Höhe der Leistung N1 stets sicheres Anschwingen gewährleistet ist.
Fig.5 zeigt das Diagramm der elektrischen Leistung N, wiederum aufgetragen über der Zeit t, jedoch mit Gruppen von - bei diesem Beispiel jeweils drei - Takten 31. Ein jeder dieser Takte 31 hat die Länge eines Zeitintervalles #1' von z.B. 1 ms Dauer. Die Repetition dieser Takte 31 innerhalb einer Gruppe ist vorzugsweise periodisch mit der Frequenz F1. Die Gruppen 32 bestehen aus der jeweiligen Anzahl der Einzeltakte 31, haben vorzugsweise ebenfalls periodische Repetition mit der Frequenz F2. Insbesondere wird diese Frequenz F2 zwischen 10 und 100 Hz, vorzugsweise 50 Hz (60 Hz), groß gemacht. Für das Maß der bereits oben erwähnten zugeführten mittleren elektrischen Leistung kommt es auf die Summe der Zeitintervalle #t1t einer einzelnen Gruppe 32 im Verhältnis zur Periodendauer der Repetitionsfrequenz F2 an.
Das Diagramm der Fig.6 zeigt einen sich bei Speisung mit Anregungsleistung nach Fig.3 ergebenden Amplitudenverlauf der Schwingung des Schwingers 1 bzw. der Arbeitsplatte 3. Da zwischen dem letzten Zeitintervall #t1, der einen Gruppe 32 und dem ersten Zeitintervall #t1, der folgenden Gruppe 32 nach Fig.5 keine elektrische Leistungszufuhr vorgesehen ist, erfolgt in diesem Zeitintervall #t2 ein asymptotisches Abklingen bis zum erneuten Wiederanschwingen.
Es ist bereits oben darauf hingewiesen worden, daß es von Vorteil sein kann, die Schwingungsamplitude A zwischen einer oberen Schwelle S1 und einer unteren Schwelle S2 zu halten, wie dies Fig.7 zeigt. Die Zeitintervalle des #t1 bzw. das Zeitintervall, in dem Zeitintervalle #1t' (Fig.5) vorliegen, und das Zeitintervall dt, ergeben sich dann aus dem jeweiligen Betriebsschwingungsverhalten des Schwingers 1 und sind hier in ihrer zeitlichen Länge über die Dauer betrachtet variabel. Wie ebenfalls bereits oben erwähnt, erfolgt die Steuerung der Zeitintervalle Xt1 und #t2 mit Hilfe der Schaltung 12, in der ein über die Leitung 15 geliefertes Rücksignal des Schwingers 1 ausgewertet wird.
Fig.8 zeigt ein vollständiges Schaltbild für eine Schaltung 11 zur Erzeugung der den Schwinger 1 speisenden elektrischen Leistung. Die Repetitionsfrequenz wird in dieser Schaltung von dem Generator 61 geliefert. Mit dem Generator 62 wird die Frequenz f der über die Leitung 13 zuzuführenden Wechselspannung, z.B. 100 kHz, gesteuert. Der Schaltungsteil 63 ist eine Treiberstufe und der Transistor 64 ist die Endstufe. Das Schaltungsteil 65 mit der Zenerdiode dient der Korrektur einer Schwankung der Versorgungsspannung 66.
Die weiteren Einzelheiten der Schaltung gehen für den Fachmann ohne weiteres erkennbar aus dem Schaltbild hervor.
Fig.9 zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine Schaltung 12.
Es sind mit 71 das für eine Signal verzögerung vorgesehene Schaltungsteil und mit 72 der Signalkomparator bezeichnet.
Auch dieses Schaltbild bedarf für den Fachmann keiner weiteren Erläuterung.
In Fig.5 ist mit 35 ein Vorimpuls gezeigt, der zeitlich vor Ingangsetzen des eigentlichen Zerstäuberbetriebs dem Schwin- ger 1 zugeführt wird. Es ist dies vorzugsweise ein Burst-Impuls (Schwingungspaket) mit vorteilhafterweise eins bis zwanzig Schwingungen mit einer Frequenz, die wenigstens angenähert gleich der Resonanzfrequenz des Schwingers 1 ist.
Der Vorimpuls stößt eine Schwingung des Schwingers 1 an und dessen Abklingschwingung 45 (in Fig.6) wird, wie oben schon beschrieben, zur Anfangssteuerung der Frequenz f der über die Leitung 13 zuzuführenden Anregungs-Wechselspannung genutzt.
Bereits oben ist darauf hingewiesen, für einen Zahnsteinentferner eine Anzeige für den Arzt vorzusehen, die ihm den momentanen Betriebszustand an einer Leuchtdioden-Einrichtung 18 anzeigt. Vorzugsweise ist die Leuchtdioden-Einrichtung auf dem Gehäuse 102 des Zahnsteinentferners 101 so angeordnet, daß sie sich im Blickfeld des Zahnarztes befindet. Dabei kann die LED-Leuchtdiode 18 anzeigen, ob das Gerät während des Betriebs normal bedämpft ist (angezeigt durch eine grüne LED), ob es leer läuft oder ob es stark bedämpft ist (z.B. Anzeige durch rote LED). Mit entsprechend angepaßter Auswerteelektronik wäre auch eine stufenlose Auswertung der Abklingzeitkonstante und eine stufenlose analoge Anzeige des Betriebszustandes durch stufenlos variable Mischfarben einer Mehrfarben-LED möglich. Dabei könnte - für den Zahnarzt unmittelbar ersichtlich - z.B. grün den Leerlauf, gelb den normalen Betrieb und rot einen stark bedämpften Berieb anzeigen.
Eine solche stufenlose Mehrfarben-Anzeige ist für die Abstimm-Anzeige von FM-Rundfunkempfängern in der Patentanmeldung 32 28 203.6 beschrieben. Des weiteren könnte die Information über den Betriebszustand auch durch unterschiedliches Blinken der LED-Einrichtung zur Anzeige gebracht werden. Damit wäre der Zahnarzt in der Lage, den Zahnsteinentferner durch entsprechendes Aufsetzen desselben stets so zu handhaben, daß optimales Arbeiten erreicht ist.
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Claims

Patentansprüche: 1. Anwendung eines Verfahrens zum Betrieb eines Ultraschall-Schwingers, wobei dieser Schwinger mit einer solchen elektrischen Wechselspannung gespeist wird, die auf optimale Schwingungsleistung des Schwingers abgestimmt wird und wobei die Höhe der in den Schwinger eingespeisten elektrischen Leistung zeitlich repetierlich getaktet wird, für ein erstes Zeitintervall (#t1) die eingespeiste Leistung (N1) so hoch bemessen wird, daß die Einsatzschwelle (E) für das Anschwingen auch bei ungünstiger Betriebs-Anschwingbedingung genügend hoch überschritten ist, für ein zweites Zeitintervall (#t2) die eingespeiste Leistung (N2) vergleichsweise zum Zeitintervall (4t1) geringer bemessen wird und der Mittelwert der eingespeisten Leistung (N1+N2), gemittelt über die beiden Zeitintervalle (#t1, #t2) zusammengenommen auf die vom Schwinger abzugebende Leistung angepaßt bemessen wird (nach Patentanmeldung 33 14 609.8) für einen Ultraschall-Leistungsschwinger, der zur Abgabe mechanischer Leistung zu verwenden ist.
2. Anwendung nach Anspruch 1 für einen Zahnsteinentferner (Fig.1)
3. Gerät für eine Anwendung nach Patentanspruch 2, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das Gerät eine Leuchtanzeige (18) besitzt, die so gespeist ist, daß sie den Betriebs-Dämpfungszustand und/oder Veränderungen dieses Dämpfungszustandes der Bedienungsperson anzeigt.