DE3925459C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallerzeuger mit einem elektromechanischen Wandler der durch den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Bei einem aus der DE 36 41 058A1 bekannten Ultraschallerzeuger dieser Art ist ein magnetostriktiver Wandler verwendet, dessen Erregerspule im Kollektorkreis eines Transistors liegt. Der Emitterkreis des Transistors ist über einen zur Erfassung des Stromdurchgangs durch die Erregerspule angeordneten Widerstand und eine Spannungsauswerteschaltung mit der die Lieferung der Erregerimpulse an die Basis des Transistors vermittelnden Steuereinrichtung verbunden. Die Spannungsauswerteschaltung liefert ein digitales Signal entsprechend der an dem Widerstand abfallenden Spannung und ist entweder mit einer Reihenschaltung eines Spannungs-Frequenz-Wandlers und eines Zählers oder mit einer ebenfalls in Reihe geschalteten Anordnung einer Gleich­ spannungsunterdrückungsschaltung, einer Tiefpaßschaltung und eines Analog-Digital-Wandlers gebildet. Die Steuereinrichtung ist ausgangsseitig mit einem Zähler verbunden, der Impulse mit einer durch das Liefersignal der Spannungsauswerteschaltung bestimmten Impulsrate abgibt. Die Weiterleitung dieser Impulse an die Basis des Transistors ist durch einen getakteten Schalt­ regler festgelegt, der mit der Steuereinrichtung gesteuert wird. Die Steuereinrichtung ist noch mit einem Potentiometer verbunden, um die Leistungsvorgabe des magnetostriktiven Wandlers verändern zu können.
Bei diesem bekannten Ultraschallerzeuger mit einem magneto­ striktiven Wandler ist die Steuereinrichtung ausschließlich zur Einstellung der Impulsrate der Erregerimpulse auf den Resonanz-Arbeitspunkt des Wandlers vorgesehen. Dabei werden während einer primären Abgleichphase der Schaltungsanordnung der Erregerspule Impulse mit einer jeweils vorgegebenen Anzahl von Impulsraten in jeweils aufeinanderfolgend kleineren Impuls­ ratenbereichen angeliefert. Jeder zu Beginn der Inbetriebnahme somit in einzelnen Abgleichstufen fest eingestellten Impuls­ ratenbereich der Erregerimpulse, bei dem der magnetostriktive Wandler mit einer Resonanzfrequenz arbeitet, wird im übrigen nur mit einer einfachen Fehleranzeige überwacht, die mit der Steuereinrichtung gesteuert wird, um bei einem Abweichen dieser Resonanzfrequenz von dem fest eingestellten Impuls­ ratenbereich die bloße Anzeige eines vorhandenen Fehlers zu erhalten, ohne daß dabei die eigentliche Fehlerquelle gleich­ zeitig korrigiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall­ erzeuger der durch den Patentanspruch 1 angegebenen Gattung derart auszubilden, daß bei Verwendung eines piezoelektrischen anstelle eines magnetostriktiven Wandlers für die Leistungs­ abgabe eine weniger kritische Abhängigkeit von Toleranzen der mit dem Wandler verbundenen Bauteile der Schaltungsanordnung besteht und die Leistungsabgabe auch korrigierbar ist, wenn sich der während einer Einmeßphase eingestellte Resonanz- Arbeitspunkt des Wandlers im Betrieb des Ultraschallerzeugers verändern sollte.
Die mit einem Ultraschallerzeuger der erfindungsgemäßen Aus­ bildung mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Patentan­ spruches 1 erzielbaren Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß durch die mit dem Mikrocomputer realisierte ständige Nachregelung des Resonanz-Arbeitspunktes des Ultraschallerzeu­ gers jetzt alle die Leistungsabgabe des Wandlers beeinflussen­ den veränderlichen Toleranzen der Schaltungsanordnung optimal aufeinander abgestimmt werden können und darüber hinaus jede Veränderung der Leistungsabgabe des Wandlers für eine optimale Beibehaltung des Resonanz-Arbeitspunktes kontinuierlich berück­ sichtig werden kann. Die Verwendung eines Mikrocomputers er­ gibt dabei gleichzeitig noch den wesentlichen Vorteil, daß der Gerätehersteller umschaltbare Einzelprogramme mit unterschied­ lichen Leistungsvorgaben einplanen kann. Es wird dann ein entsprechend universell einsetzbarer Ultraschallerzeuger bereit gestellt, der benutzerseitig ein unproblematisches Arbeiten als Folge eines vorhandenen Einzelprogramms für jede spezielle Arbeitsfolge erlaubt.
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 UL versorgt wird. Das Netzteil 2 ist mit einem Gleichrichter und einem Glättungs­ kondensator ausgebildet. Wenn der Ultraschallerzeuger zur Ver­ wendung bei einem Gerät zur Zahnbehandlung vorgesehen ist, so be­ findet sich dabei der Wandler 1 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 sogenannten Resonanz-Arbeitspunkt des Wandlers, die für eine entsprechende Veränderungsmöglichkeit der Arbeits­ spannung UL mit einem Potentiometer 3 anwählbar sind.
Der Abgriff des Potentiometers 3 ist mit der Ein-/Ausgabe-Be­ schaltung 4 eines aus dem Netzteil 2 versorgten Mikrocomputer 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. Der Schaltregler 6 ist über einen Verstärker 7 mit einem Impedanz­ wandler 8 verbunden, die beide aus dem Netzteil 2 mit einer gegenüber dem Mikrocomputer 5 und dem Schaltregler 6 wesentlich höheren Versorgerspannung versorgt werden. Der Impedanzwandler 8 ist durch einen Transformator bereitgestellt, der die Ar­ beitsspannung UL für den Wandler 1 liefert.
Der pie­ zoelektrische Wandler 1 ist mit dem Mikrocomputer 5 über eine mit dem Impedanzwandler 8 verbundene Impedanz-Meßschaltung 9 rückgekoppelt, 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 erfaßbar, so daß dem Mikrocomputer 5 ein für einen Ist/Soll-Vergleich vorgesehener Meßwert für die diesem Istwert entsprechende Span­ nung UZ 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 Gleichrichters des Netzteils 2 zugeführte Gleichspannung wird durch den Schaltregler 6 in eine Wechselspannung umgewandelt, deren Tast­ verhältnis die dem Verstärker 7 zugeführte Arbeitsspannung UL 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 UP aus der als Sollwert für den Arbeitspunkt des Wandlers 1 übersetzten Spannung Upot 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 Uf in der Größenordnung zwischen 0 und 2.5 V auf einen von dem Resonanz-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 UL 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 zeugten Ausgangsspannungen Ua1 und Ua2 angeliefert werden. Nach der Verstärkung durch den Verstärker 7 werden die getakteten Ausgangsspannungen an zwei Primärwicklungen 21 des Impedanzwandlers 8 angeliefert, um durch dessen Sekundärwicklung 22 zu der Arbeitsspannung UL des Wandlers 1 transformiert zu werden. Die Verstärkung der Ausgangs­ spannung 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 über den Regeleingang 15 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 puter 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 Hilfwicklung 11 des Impedanzwandlers 8 erfaßte Impedanz als eine den Resonanz-Arbeitspunkt des Wandlers beein­ flussende Absolutgröße der entsprechenden Spannung UZ mittels des Mikrocomputers 5 bestimmt. Die Bestimmung führt dabei zu der Er­ mittlung eines Sollwertes für die Steuerspannung Uf, welche den vorgegebenen Arbeitspunkt des piezoelektrischen Wandlers 1 be­ stimmt und bei einer Frequenz der Arbeitsspannung UL 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 Uf 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 Handstück, 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 UL 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 Handstückes 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 (6)

1. Ultraschallerzeuger mit einem elektromechanischen Wandler (1), in dessen Treiberkreis eine Reihenschaltung eines getakteten Schaltreglers (6) eines Verstärkers (7) angeordnet ist, wobei das Tastverhältnis und die Frequenz des Schaltreglers von einer mit dem elektromechanischen Wandler zur Erfassung seines Stromdurchganges rückgekoppelten Steuereinrichtung (5) gesteuert sind, an welche ein Potentiometer (3) zur veränderbaren Einstellbarkeit einer Leistungsvorgabe für den Wandler angeschlossen ist, wobei die Steuereinrichtung eines Ist-/Vergleich zwischen der für den Wandler mittels einer Impedanz-Meßschaltung (9) erfaßten Impedanz als Istwert und der mittels des Potentiometers (3) eingestellten Leistungsvorgabe als Sollwert durchführt und bei jeder gegenüber dem Sollwert festgestellten Abweichung einer Anpassung des Tastverhältnisses und/oder eine Anpassung der Frequenz des Schaltreglers (6) mittels einer dem Schaltregler zugeführten Regelspannung (Up) und/oder einer Steuerspannung (Uf) steuert, wobei die betreffenden Regel- und Steuereingänge (15, 19) des Schaltreglers (6), die Impedanz-Meßschaltung (9) und das Potentiometer (3) an eine Ein-/Ausgabe-Beschaltung (4) der Steuereinrichtung (5) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als elektro­ mechanischer Wandler ein mit einem vorgeschalteten Impedanzwandler (8) verbundener piezoelektrischer Wandler (1) und als Steuereinrichtung ein Mikrocomputer (5) verwendet sind, mit welchem der Resonanz-Arbeitspunkt des Ultraschallerzeugers während des Betriebs ständig nachgeregelt wird.
2. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (7) mit einem Konstantstrom arbeitet und der Verstärker­ strom an einem an Masse liegenden Widerstand (23) des Ver­ stärkers (7) genommen und über einen als Tiefpaß ausge­ bildeten Integrator (24) einem zweiten Regeleingang des Schaltreglers (6) zugeführt wird.
3. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (6) mit einem Frequenzzähler (25) des Mikrocomputers (5) rückgekoppelt ist.
4. Ultraschallerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Schnittstelle des Mikrocomputers (5) ein externes Peripherie-Gerät (26) angeschlossen ist.
5. Ultraschallerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Schnittstelle des Mikrocomputers (5) angeschlossene Peri­ pherie-Gerät (26) ein für Servicezwecke vorgesehener Personalcomputer ist.
6. Ultraschallerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (5) mit einem Arbeitsprogramm ausgerüstet ist, bei dem mit unterschiedlichen Leistungsvorgaben unterschiedliche Resonanz-Arbeitspunkte des piezoelektrischen Wandlers (1) berücksichtigt sind, wobei eine Umschaltmöglichkeit zwischen den verschiedenen Einzelprogrammen für jeweils eine vorbestimmte Leistungsvorgabe vorgesehen ist.
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