DE3925459A1 - Ultraschallerzeuger mit einem piezoelektrischen wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallerzeuger mit einem piezoelektrischen Wandler gemäß der durch den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einem aus der US-PS 35 96 206 bekannten Ultraschallerzeuger dieser Art ist der Oszillator mit einem Transistor selbstschwin­ gend ausgebildet. Der Transistor ist dafür zur Ausbildung einer modifizierten Meißner-Schaltung mit der Primärwicklung eines Trans­ formators in Reihe geschaltet und durch einen Spannungsteiler auf seinen Arbeitspunkt eingestellt. Der Spannungsteiler weist dabei auch einen Anschluß an eine Rückkopplungswicklung auf, die mit der Primärwicklung des Transformators induktiv gekoppelt ist. Für den Transistor wird daher eine Frequenz erhalten, die gleich der Serien-Resonanzfrequenz des mit der Sekundärwicklung des Trans­ formators in Reihe geschalteten piezoelektrischen Wandlers ist. Der Treiberkreis des Wandlers respektive dessen vorgeschalteter Transformator werden im übrigen aus einem mit Wechselspannung be­ triebenen Netzteil über einen mit der Primärseite des Transfor­ mators verbundenen Gleichrichter und einen parallelgeschalteten Glättungskondensator versorgt. Außerdem ist in die Verbindung zwischen der Rückkopplungswicklung des Transformators und dem Transistor noch eine mit einem Kondensator und einem Widerstand gebildete Reihenschaltung geschaltet, mit welcher die zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Transistor bestehende und im übrigen für eine Schonung des Wandlers mittels eines Unter­ brechers willkürlich ausschaltbare Rückkopplung abgestimmt wird.

Aus der FR-PS 81 09 330 ist die Verwendung eines im wesentlichen gleich ausgebildeten Ultraschallerzeugers zur Verwendung bei einem Gerät zur Zahnbehandlung mittels Ultraschall bekannt. Auch dabei ist mit der Sekundärwicklung eines Transformators ein piezoelek­ trischer Wandler verbunden. Die Sekundärwicklung ist über eine Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Transistor rückge­ koppelt, der mit einem Anschluß an die Primärwicklung des Trans­ formators einen selbstschwingenden Oszillator in der Ausbildung einer modifizierten Meißner-Schaltung bildet. Die Schaltung wird aus einer mit zwei Transistoren und mehreren Widerständen sowie einem Potentiometer gebildeten Konstantstromquelle versorgt. Mit dem Potentiometer wird der Grenzstrom abgestimmt, der bei fehlen­ der Leistungsabnahme an den Wandler angeliefert wird.

Bei den bekannten Ultraschallerzeugern wird durch die unter Ver­ wendung eines Transistors selbstschwingende Ausbildung des Oszil­ lators eine unmittelbare Abhängigkeit der Arbeitsbedingungen für den piezoelektrischen Wandler von den Toleranzen der Bauteile er­ halten, die unmittelbar mit dem Wandler verbunden sind. Sobald sich die aufeinander abgestimmten Toleranzen der Bauteile verän­ dern, was bei einer Serienfertigung mit aus verschiedenen Bezugs­ quellen beschafften Bauteilen immer wieder vorkommen kann, so er­ geben sich dadurch dann entsprechend kritische Störeinflüsse auf das Schwingungsverhalten des Oszillators und damit auch auf die Leistungsabgabe des Wandlers, wobei die Beseitigung solcher Stör­ einflüsse wenn überhaupt dann nur mit einem kostenmäßig sehr gros­ sen Aufwand möglich ist.

Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, einen Ultraschallerzeuger der angegebenen Gattung derart auszubilden, daß für die Leistungsabgabe des piezoelektri­ schen Wandlers eine weniger kritische Abhängigkeit von Toleranzen der damit verbundenen Bauteile erhalten wird.

Durch die bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallerzeuger vorgesehene Ausbildung des Oszillators mit einem getakteten Schaltregler und die damit verbundene Steuereinrichtung ist es auf erkennbar ein­ fache Weise möglich, mit einer entsprechend angepaßten Steuerung des mit diesem Schaltregler übersetzten Tastverhältnisses und der übersetzten Frequenz alle veränderlichen Toleranzen auszugleichen, welche die sich in einer veränderlichen Impedanz auswirkende Lei­ stungsabgabe des Wandlers nachteilig beeinflussen könnten. Ins­ besondere bei Verwendung eines Mikrocomputers als Steuereinrich­ tung sind dabei gleichzeitig zahlreiche Möglichkeiten eröffnet, um für den Oszillator eine optimale Frequenzsteuerung und ebenso optimale Regelung des Tastverhältnisses zu erhalten, wobei mit einem solchen Mikrocomputer dann auch eine kontinuierliche Anpas­ sung an sich verändernde Arbeitsbedingungen mit der Vorgabe ins­ besondere eines ständigen Ist-/Soll-Vergleichs bei der mit der Leistungsabgabe des Wandlers zusammenhängenden Impedanzerfassung entsprechend einfach zu realisieren ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallerzeugers ist in der Zeichnung mit einem Blockschaltbild schematisch darge­ stellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Der Ultraschallerzeuger ist mit einem piezoelektrischen Wandler 1 gebildet, dessen Treiberkreis aus einem mit Wechselspannung ver­ sorgten Netzteil 2 mit einer Arbeitsspannung U_L versorgt wird. Das Netzteil 2 ist mit einem Gleichrichter und einem Glättungs­ kondensator ausgebildet. Sofern der Ultraschallerzeuger zur Ver­ wendung bei einem Gerät zur Zahnbehandlung vorgesehen ist, so be­ findet sich dabei dann dieser Wandler in einem über eine Kabelver­ bindung an das Gerät angeschlossenen Handstück, um an einer bei­ spielsweise für eine Zahnsteinentfernung oder auch für eine Wur­ zelbehandlung speziell ausgebildeten Instrumentenspitze den mit dem Wandler übersetzten Ultraschall für die Zahnbehandlung zur Anwendung zu bringen. Für die Zahnbehandlung ergeben sich dabei unterschiedliche Leistungsvorgaben für den Wandler, so daß das Gerät für eine entsprechende Veränderungsmöglichkeit seiner Ar­ beitsspannung U_L mit einem an den Treiberkreis eingeschalteten Potentiometer 3 ausgerüstet ist.

Der Abgriff des Potentiometers 3 ist mit der Ein-/Ausgabe-Be­ schaltung 4 eines aus dem Netzteil 2 versorgten Mikrocomputers 5 verbunden. Dieser Mikrocomputer 5 ergibt eine mit dem Wandler 1 rückgekoppelte Steuereinrichtung, die einen aus dem Netzteil 2 in einer Kaskadenschaltung versorgten Schaltregler 6 steuert, mit welchem ein Oszillator des Ultraschallerzeugers ausgebildet ist. Der Schaltregler 6 ist über einen Verstärker 7 mit einem Impedanz­ wandler 8 verbunden, die beide ebenfalls aus dem Netzteil 2 mit einer gegenüber dem Mikrocomputer 5 und dem Schaltregler 6 wesent­ lich höheren Versorgerspannung versorgt werden. Der Impedanzwand­ ler 8 ist durch einen Transformator bereitgestellt, der die Ar­ beitsspannung U_z für den Wandler 1 liefert.

Die für den Mikrocomputer 5 vorgesehene Rückkopplung mit dem pie­ zoelektrischen Wandler 1 ist über eine mit dem Impedanzwandler 8 verbundene Impedanz-Meßschaltung 9 verwirklicht, in welcher ein als Tiefpass ausgebildeter Integrator 10 angeordnet ist. Die Im­ pedanz-Meßschaltung 9 ist an eine Hilfswicklung 11 des Impedanz­ wandlers 8 angeschlossen. Mit der Hilfswicklung ist die magneti­ sche Kopplung des Impedanzwandlers für eine präzise Bestimmung des Istwertes der Impedanz des gesamten Treiberkreises optimal erfaß­ bar, so daß dem Mikrocomputer 5 ein für einen Ist-/Soll-Vergleich vorgesehener Meßwert für die diesem Istwert entsprechende Span­ nung U_Z entsprechend präzise anlieferbar ist. Alternativ könnte die Impedanz-Meßschaltung auch einen Anschluß an die Primärwick­ lung oder auch an die Sekundärwicklung des Impedanzwandlers erhalten.

An der Hilfswicklung 11 wird im übrigen die Betriebsspannung für die Ein-/Ausgabe-Beschaltung 4 des Mikrocomputers 5 abgenommen, wobei in der betreffenden Versorgungsleitung 12 ein geeigneter Spannungsregler 13 angeordnet ist.

Der mit dem Mikrocomputer 5 gesteuerte Schaltregler 6 befindet sich auf der Sekundärseite des Netztransformators. Die unter Vermitt­ lung des Gleichrichter zugeführte Gleichspannung wird durch den Schaltregler 6 in eine Wechselspannung umgewandelt, deren Tast­ verhältnis die dem Verstärker 7 zugeführte Arbeitsspannung be­ stimmt. Das Tastverhältnis wird durch einen Regelverstärker 14 festgelegt der an einem Regeleingang 15 des Schaltreglers 6 mit der Ein-/Ausgabe-Beschaltung 4 des Mikrocomputers 5 verbunden ist. Das Tastverhältnis kann daher durch den Mikrocomputer 5 ge­ steuert werden, wobei die maßgebliche Regelspannung U_p aus der als Sollwert für den Arbeitspunkt des Wandlers 1 übersetzten Spannung U_pot der Leistungsvorgabe erhalten wird. Die Frequenz der Ausgangsspannung des Spannungsreglers 6 wird andererseits mit einem Trimmwiderstand 16 und einem Kondensator 17 erhalten, die beide über einen frequenzmodulierenden Vorschaltwiderstand 18 an einem Steuereingang 19 des Schaltreglers 6 liegen. Auch der Steu­ ereingang 19 ist mit der Ein-/Ausgabe-Beschaltung 4 des Mikrocom­ puters 5 verbunden, womit auch die Frequenz der Ausgangsspannung mit einer durch den Mikrocomputer vorgegebenen Steuerspannung U_f in der Größenordnung zwischen 0 und 2.5 V auf einen von dem Ar­ beitspunkt des Wandlers abhängigen zeitlichen Mittelwert gesteuert werden kann.

Der Verstärker 7 ist bevorzugt mit zwei im Gegentakt arbeitenden Transistoren ausgebildet, um für den piezoelektrischen Wandler eine Begrenzung seiner Arbeitsspannung U_L auf etwa 300 V zu erhalten.

Sofern für den Verstärker nur ein Transistor 20 verwendet wird, würde für den Wandler 1 eine Spitzenspannung von etwa 600 V er­ halten werden, womit ableitbar ist, daß die Begrenzung der Spit­ zenspannung für eine Schonung des Wandlers zu bevorzugen ist. Als Transistoren werden vorzugsweise Feldeffekt-Transistoren verwen­ det, denen abwechselnd die von dem Schaltregler 6 getaktet er­ zeugte Ausgangsspannung U_a1 und U_a2 angeliefert wird. Nach der Verstärkung durch den Verstärker 7 wird die Ausgangsspannung an zwei Primärwicklungen 21 des Impedanzwandlers 8 angeliefert, um dann durch dessen Sekundärwicklung 22 zu der Arbeitsspannung U_L des Wandlers 1 transformiert zu werden. Die Verstärkung der Aus­ gangsspannung des Schaltreglers 6 ist im übrigen noch dadurch verfeinert, daß der Verstärkerstrom an einem an Masse liegenden Widerstand 23 abgenommen und über einen als Tiefpaß ausgebildeten Integrator 24 ebenfalls an den Regelverstärker 14 angeschlossen ist. Für die Steuerung des Tastverhältnisses des Schaltreglers 6 wird damit eine zur Konstanthaltung des Verstärkerstroms genutzte Rückkopplung erhalten.

Für die Arbeitsweise des vorbeschriebenen Ultraschallerzeugers ist in der Verwendung bei einem Gerät zur Zahnbehandlung mittels Ultraschall im wesentlichen von folgenden Gegebenheiten auszugehen. Nach dem Einschalten des Gerätes wird zunächst durch den Mikrocom­ puters 5 eine von einer Leistungsvorgabe mittels des Potentiome­ ters 3 abhängige Frequenz-Impedanz-Analyse für den piezoelektri­ schen Wandler 1 aktualisiert. Es wird dafür die mit der Impedanz- Meßschaltung 9 an der Hilfswicklung 11 des Impedanzwandlers 8 er­ faßte Impedanz als eine den Arbeitspunkt des Wandlers somit beein­ flussende Absolutgröße der entsprechenden Spannung U_Z mittels des Mikrocomputers 5 bestimmt. Die Bestimmung führt dabei zu der Er­ mittlung eines Sollwertes für die Steuerspannung U_f, welche den vorgegebenen Arbeitspunkt des piezoelektrischen Wandlers 1 be­ stimmt und bei einer Frequenz der Arbeitsspannung U_L des Wandlers liegt, bei welcher die für einen Wandler typische Impedanzkurve einen plötzlichen Abfall zu einem Tiefwert ergibt, der nach Über­ schreitung der vorbestimmten Frequenz sofort wieder verlassen wird. Bei dieser Ermittlung des Sollwertes für die Steuerspannung U_f wird auch der Verstärkerstrom durch die über den Widerstand 23 und den Integrator 24 vermittelte Rückmeldung an den Schaltregler 6 berücksichtigt, indem der Schaltregler mit einem bei dieser ab­ soluten Bestimmung des Arbeitspunktes des Wandlers mitwirkenden Frequenzzähler 25 des Mikrocomputers 5 rückgekoppelt ist.

Sobald mit dem Handgerät, in welches der piezoelektrische Wandler für eine Zahnbehandlung mittels Ultraschall eingebaut ist, gear­ beitet wird, wird durch die Impedanz-Meßschaltung 9 eine ständige Rückmeldung an den Mikrocomputer 5 vorgenommen, um einen Ist-/ Soll-Vergleich mit der an dem Potentiometer 3 vorgewählten Lei­ stungsvorgabe durchzuführen. Jede bei diesem ständigen Vergleich festgestellte Abweichung löst ein Nachsteuern des Schaltreglers 6 entweder an dem Regeleingang 15 für eine Anpassung des Tastver­ hältnisses oder/und an dem Steuereingang 19 für eine Anpassung der Arbeitsspannung U_L des piezoelektrischen Wandlers 1 aus.

Die Eingliederung des Mikrocomputers 5 für die Steuerung des als Oszillator ausgebildeten Schaltreglers 6 gibt daneben auch die Möglichkeit des Anschlusses eines externen Peripherie-Gerätes 26 an eine Schnittstelle des Mikrocomputers, so beispielsweise eines für Servicezwecke vorgesehenen Personal-Computers. Auch wird da­ mit die Möglichkeit erhalten, den Ultraschallerzeuger mit einem Arbeitsprogramm auszurüsten, das bei einem Gerät zur Zahnbehand­ lung die unterschiedlichen Leistungen als Vorgaben programmiert, mit denen beispielsweise bei der Zahnsteinentfernung einerseits und bei einer Wurzelbehandlung mit entsprechend unterschiedlichen Instrumentenspitzen des Handgerätes andererseits gearbeitet wird.

Mit einem solchen Arbeitsprogramm des Mikrocomputers können also Erfahrungswerte zum Erreichen einer optimalen Zahnbehandlung ge­ speichert werden, so daß bei einem Arbeiten mit dem Gerät nicht mehr mit individuellen Leistungsvorgaben experimentiert werden muß. Anstelle des sekundärgetakteten Schaltreglers, der im übrigen im Zusammenwirken mit dem Transformator als ein Aufwärts-Wandler ausgebildet ist, könnte grundsätzlich auch ein primärgetakteter Schaltregler verwendet werden. Die Netztrennung wäre dabei nicht durch den normalen Netztransformator sondern durch einen Hochfre­ quenz-Transformator erreichbar, um eine Potentialtrennung zu er­ halten unter Beibehaltung des im übrigen grundsätzlich gleichen prinzips für die Bereitstellung der maßgeblichen Arbeitsspannung des piezoelektrischen Wandlers.

Claims (10)

1. Ultraschallerzeuger mit einem piezoelektrischen Wandler, dessen Treiberkreis mit einem über einen Oszillator gespei­ sten Verstärker und einem damit verbundenen Impedanzwandler gebildet ist, insbesondere zur Verwendung bei einem Gerät zur Zahnbehandlung mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator mit einem getakteten Schaltregler ausgebildet ist, dessen Tastverhältnis und Frequenz von einer mit dem Wandler zur Erfassung seiner Impedanz rückgekoppelten Steuereinrichtung gesteuert sind.

2. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ richtung mit einem Mikrocomputer gebildet ist, dessen Ein-/ Ausgabe-Beschaltung mit einem für die Steuerung des Tastver­ hältnisses vorgesehenen Regeleingang und mit einem frequenz­ bestimmenden Steuereingang des Schaltreglers sowie mit einer Meßschaltung für die Impedanz des Wandlers verbunden ist.

3. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ener­ gie des Verstärkers am Abgriff eines Potentiometers veränder­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Potentiometers mit der Steuereinrichtung bzw. mit der Ein-/ Ausgabe-Beschaltung des Mikrocomputers verbunden ist.

4. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Schnitt­ stelle des Mikrocomputers ein externes Peripherie-Gerät, wie insbesondere ein für Servicezwecke vorgesehener Personal- Computer, anschließbar ist.

5. Ultraschallerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem frequenzbestim­ menden Steuereingang des Schaltreglers ein die Frequenz des Treiberkreises modulierender Widerstand vorgeschaltet ist.

6. Ultraschallerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker mit zwei im Gegentakt arbeitenden Transistoren ausgebildet ist.

7. Ultraschallerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Verstärker mit einem Konstantstrom arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß an einem an Masse liegenden Widerstand des Verstärkers der Verstärkerstrom ab­ genommen und über einen als Tiefpaß ausgebildeten Integra­ tor an den für die Steuerung des Tastverhältnisses vorgesehe­ nen Regeleingang des Schaltreglers angeliefert wird.

8. Ultraschallerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich­ tung bzw. die Ein-/Ausgabe-Beschaltung des Mikrocomputers über eine Impedanz-Meßschaltung mit dem Impedanzwandler verbunden ist.

9. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz-Meß­ schaltung einen als Tiefpaß ausgebildeten Integrator um­ faßt, der an eine Hilfswicklung des Impedanzwandlers ange­ schlossen ist.

10. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hilfswick­ lung des Impedanzwandlers eine Betriebsspannung für die Steuereinrichtung bzw die Ein-/Ausgabe-Beschaltung des Mikro­ computers abgeführt wird.