CN1104226C - 牙齿除垢器系统中尖端振动的连续控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种操纵具有振动除垢尖端的牙齿除垢系统的方法,通过连续监测尖端振动的幅值和频率来实现。该尖端向病人口中的牙齿提供除垢功率。尖端振动的幅值和频率被连续地调节,以保持大致恒定的除垢功率。最好是,当用户改变施加于尖端和牙齿之间的压力时,插件以共振频率振动并且该系统提供大致恒定的尖端运动。
Description
技术领域
本发明涉及牙齿除垢系统。本发明的牙齿除垢系统和方法提供了牙齿除垢尖端的振动幅值和频率的连续控制。
背景技术
本发明提供了一种牙齿除垢手机,它具有一个驱动线圈、一个补偿线圈和一个反馈线圈,用来控制尖端的振动幅值和频率。反馈线圈产生一个电反馈信号,该信号在幅值和相位上与加到驱动线圈上的电驱动信号以及磁致伸缩换能器的特征值成比例。对于具体的换能器和不同的换能器,换能器振动幅值和频率的变化被减至最小,这是通过连续使用来自手机中反馈线圈的反馈信号幅值及反馈信号相位特征与手机处用户命令输入信号幅值及驱动信号相位特征的直接比较,来连续控制刀具尖端振动幅值和频率。
反馈信号相位相对于驱动信号相位的变化与一个锁相环电路配合,以保持两信号之间的几乎恒定的90°相移。这迫使工作频率跟踪磁致伸缩换能器的共振点。这可在变化的外部使用条件下提供基本恒定的振动频率。
反馈信号幅值相对于用户命令输入信号的变化被反馈控制电路用来将磁致伸缩换能器的振动幅值设定和保持为基本恒定。这在变化的外界条件期间提供了基本恒定的振动幅值。尖端(换能器)的振动幅值通过脉宽调制功率放大器级来控制。这控制了加到手机上的驱动信号占空比及平均功率。脉宽调制最好使用一个具有复合晶体管器件的功率放大器来实现。脉宽调制便于使用功率MOS-FET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件作为替代的功率放大器的实现方式。
用于控制换能器振动幅值的另一种方式是通过幅值调制功率放大器级从而控制驱动信号的幅值,进而控制加到手机的平均功率。用户命令输入信号通过一个双斜率放大器和幅值调节器处理,该调节器允许反馈控制系统使用不同的磁致伸缩换能器(插件)来工作。一般来说,不同的插件类型表现出不同的反馈信号敏感性,变化大约为2至1。双斜率放大器和幅值调节器通过反馈控制环路调节送至功率放大器的信号,从而使这些不同减至最小。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种通过连续监测尖端的振动幅值和频率来控制具有一个振动除垢尖端的牙齿除垢系统的方法,该尖端向病人口中的牙齿提供除垢功率。
Wieser在U.S.专利4,371,816中公开了一种用于具有一个线圈的超声牙齿除垢器的控制电路,但没有提供尖端振动幅值的用户可选择范围。Warrin等人在U.S.专利4,820,152中公开了一种用于牙科设备的单独的多功能手机。
现有技术的牙齿除垢器没有提供如本发明所提供的尖端振动的连续控制。
这里所用的占空比是指周期性时间间隔的这一部分,即在此期间施加功率,此后不施加功率。增加占空比就增加了在一个或多个时间间隔内施加功率的时间长度。
本发明提供了一种通过连续监测尖端的振动幅值和频率来控制具有一个振动除垢尖端的牙齿除垢系统的方法,该尖端向病人口中的牙齿提供除垢功率。尖端振动的幅值和频率响应于外界条件而被连续调节以保持基本恒定的尖端运动。最好,尖端以其共振频率振动,并且在用户改变施加于牙齿上的尖端的压力时该系统提供基本恒定的除垢作用。最好,牙齿除垢器通过一个磁致伸缩换能器;驱动线圈;补偿线圈;和反馈线圈的作用来激励(致动)。磁致伸缩换能器的振动在反馈线圈中感应出磁致伸缩特征信号。将驱动信号施加于驱动线圈导致换能器响应于驱动信号而振动。反馈信号在幅值和相位上与驱动信号和磁致伸缩特征信号成比例。通过比较反馈信号幅值与一个用户命令输入信号幅值,提供一个幅值比较。提供根据幅值比较来控制驱动信号幅值,和将反馈信号相位与驱动信号相位比较,提供一个相位比较,并把它用来控制响应于相位比较的驱动信号频率。
所述反馈信号在共振点相对于所述驱动信号具有85°与95°相移之间的相位变化,所述反馈信号相位变化由锁相环保持,从而所述磁致伸缩换能器的振动频率被大致保持于所述磁致伸缩换能器的共振频率。
附图说明
图1是根据本发明的牙齿除垢系统的示意框图。图1被分解为图1A、图1B、和图1C,将图1 B置于中间、图1A置于左侧、图1C置于右侧,则形成图1。
图2是图1所示牙齿除垢系统的电路图。图2被分解为图2A和图2B,将图2A置于左侧,图2B置于右侧,则形成图2。
图3是图1所示牙齿除垢系统的部分的电路图。图3被分解为图3A、图3B和图3C,将图3B置于中间、图3A置于左侧、图3C置于右侧,则形成图3。
图4表示反馈电压和手机驱动电压的典型传递函数。
具体实施方式
现在参照表示根据本发明的牙齿除垢系统的图1-4来描述本发明。具体参照图1,可见牙齿除垢系统100。牙齿除垢系统包括压控振荡器1,脉宽调制器2,驱动级和调谐器3,换能器4,衰减器和零交叉检测器5和6,时间延迟器7,相位检测器8,滤波器9,U/S启动10,斜率放大器11,积分器12,峰值检测器和衰减器13,升压启动14和可变电阻元件15。
压控振荡器1通过导线61与脉宽调制器2连接。脉宽调制器2通过导线62与启动级和调谐器3连接。启动级和调谐器3通过导线63与换能器4连接。衰减器5通过导线65与相位检测器8连接。衰减器6通过导线66与时间延迟器7连接。时间延迟器7通过导线67与相位检测器8连接。相位检测器8通过导线68与低通滤波器9连接。低通滤波器9通过导线69与压控振荡器1连接。U/S启动10通过导线110与启动级和调谐器3连接。
双斜率放大器和幅值调节器11通过导线71与差分和积分器12连接。差分和积分器12通过导线72与脉宽调制器2连接。峰值检测器和衰减器13通过导线73与差分和积分器12连接。升压启动14通过导线74与双斜率放大器和幅值调节器11连接。功率控制15通过导线75与双斜率放大器和幅值调节器11连接。脚踏开关20通过导线80与U/S启动10连接。脚踏开关22通过导线82与升压启动14连接。衰减器6通过导线76与换能器4连接。换能器4包括超声尖端52,和线圈54、56、58。
再具体参照图2和3,可见压控振荡器1包括振荡器359,电容360和电阻362。如图3所示,锁相环680(I.C.)是一个集成电路(I.C.)器件,它包括振荡器359和相位比较器430。振荡器359通过导线360C和360CC与电容360连接。锁相环集成电路680通过导线与电容432和电阻362连接。
如图3所示,脉宽调制器2包括比较器366和电阻367、368、369、370、371。比较器366通过导线367C和369C分别与电阻367和电阻369连接。电阻369通过导线368C和370C与电阻368和307连接。电阻370通过导线371C与电阻371连接。
如图2所示,驱动级和调谐器3包括散热器和功率放大器375、电容376、电阻377、三极管378、电阻379、可变电阻380、三极管381、电阻382、电容383、电感384、电磁线圈385、电容390、电阻391和二极管392。如图2所示,放大器375通过导线376C、376CC、377C、378C和392C与电容376、电阻377、二极管372和三极管378连接。三极管378通过导线379C与电阻379连接。电阻379通过导线380C与可变电阻380连接。可变电阻通过导线381C与三极管381连接。三极管381通过导线382C与电阻382连接。二极管392通过导线390C与电容390连接。二极管392通过导线391C与电阻391连接。二极管392通过导线385C与电磁线圈385连接。
如图2所示,手机4包括驱动线圈54、连接器355、反馈线圈58和补偿线圈56。线圈54通过导线355C与连接器355连接。线圈54通过导线54C与线圈56连接。线圈56通过导线56C与连接器355连接。线圈58通过导线58C和58CC与开关355C连接。
如图3所示衰减器和零交叉检测器5包括比较器390、电容391、电阻390R、电阻392、电阻393以及电阻394。如图3所示,比较器390通过导线390C、391C、392C、393C和394C分别与电容391,以及电阻390R、392、393、和394连接。
如图3所示,衰减器和零交叉检测器6包括比较器396、电阻397、电阻398、电阻399、电阻400和电阻401。比较器396通过导线397C、398C、399C、和400C分别与电阻397、398、399和400连接。电阻400通过导线401C与电阻401连接。
如图3所示,时间延迟器7包括非可再触发、单稳态多谐振荡器I.C.器件410、电容412、电阻414、电容416、电容420和电阻418。多谐振荡器410通过导线412C和412CC与电容412连接。多谐振荡器410通过多谐414C与电阻414连接。多谐振荡器410通过导线416C和416CC与电容416连接。多谐振荡器410通过导线420C和420CC与电容420连接。电容420通过导线418C与电阻418连接。
如图3所示,相位检测器8包括比较器430和电容432。
如图3所示,低通滤波器9包括电容438和电阻440。电容438通过导线438C与电阻440连接。
如图3所示,U/S启动10包括放大器444和446、三极管448和450。放大器444通过导线452C、454C、458C和460C与电阻452、454、458和460连接。放大器444通过导线456C与电容456连接。电阻460通过导线462C与二极管462连接。放大器446通过大小导线464C和466C与电容464和电阻466连接。三极管448通过导线468C、470C和472C与电阻468、电阻470和电容472连接。三极管448通过导线392C与电阻392连接。如图3所示,三极管450通过导线474C与电阻474连接。
如图2所示,双斜率放大器11包括放大器480和482。放大器480通过导线484C、486C、486CC、488C和490C与电阻484、486、488和490连接。电阻488分别通过导线492C、494C和496C与电阻492和494以及二极管496连接。二极管496通过导线498C与电阻498连接。放大器482分别通过导线500C、502C、504C、504CC、506C和508C与电容500、502和504以及电阻506和508连接。如图2所示,电阻508通过导线510C和512C与电阻510和512连接。
如图3所示,差分和积分器12包括放大器520和三极管522。放大器520分别通过导线524C、526C、528C、528CC、530C和532C与电阻524和526、电容528和530以及二极管532连接。三极管522通过导线534C和536C与电阻534和536连接。电阻527通过导线527C与电阻538连接。电阻538分别通过导线540C和542C与电阻540和542连接。
如图3所示,峰值检测器13包括放大器550。放大器550通过导线552C、554C、556C和558C与电阻552、554、556和558连接。电阻558通过导线560C和562C与电容560和二极管562连接。如图3所示,二极管562通过导线564C和566C与电阻564和566连接。
如图3所示,升压启动14包括放大器570。放大器570通过导线521C、514C和576C与电容572、电阻574和电阻576连接。
本发明的除垢系统包括两个闭环。闭环之一被设置用来自动调谐。也就是说,工作频率被自动调谐至具体插件的共振点或其附近。
第二环路控制在不同负载条件下的输出行程(stroke)水平,换能器4包括驱动线圈绕组54、补偿线圈绕组56和反馈线圈绕组58。换能器4还包括换能器尖端52。
驱动线圈提供一个磁场,使换能器振动。补偿线圈有效地消除了反馈线圈绕组所在的换能器部分上的驱动磁场。振动的换能器产生自己的磁场。反馈线圈探测由换能器振动产生的磁场,将其转换为反馈电压。这样,所产生的反馈电压与插件振动成正比。
图4表示反馈电压和手机驱动电压的典型的传递函数。在共振点,反馈电压与手机电压之比最大。在两个信号中间还有大约90°的相位延迟。在本发明中应用这一关系将除垢尖端的工作频率保持在共振点或其附近。
手机驱动电压通过导线76从驱动线圈54加至衰减器6。衰减器6最好是一个零交叉检测器(比较器),它随之提供开关信号。此信号通过时间延迟器7来延时。时间延迟器7最好是非可再触发单稳多谐振荡器。此时间延迟对应于30K插件的具体频率范围上的90°相位滞后。一输出信号从时间延迟器7通过导线67传递至相位检测器8。相位检测器8通过导线65从衰减器5接收一输入信号。衰减器5通过导线130从反馈线圈58接收信号。低通滤波器9通过导线68从相位检测器8接收信号。低通滤波器9最好是一个阻容网络,它产生与两个输入之间的相位差成正比的直流电压。此电压随后被加至压控振荡器1。压控振荡器1产生与直流电压输入成正比的频率,该直流输入驱动脉宽调制电路2。脉宽调制器2通过导线62向驱动器级和调谐网络3送出输出信号。驱动器级和调谐网络3通过导线63向驱动线圈54传送手机电压驱动信号。
相位锁定是通过以低于任何插件的共振频率的频率初始地运行压控振荡器1来获得的。通常,使压控振荡器1在低于25kHz的频率下工作,低通滤波器9提供零直流电压,这样就足以覆盖可用的插件的共振频率范围。
压下脚踏开关位置1,通过U/S启动10来启动系统之后,25kHz的初始频率被加至换能器。所产生的手机电压驱动信号和随之产生的反馈电压信号驱动相位检测器8。相位检测器产生一个错误电压将低通滤波器充电至大于零伏的新的直流电平。随后,压控振荡器开始增大频率。只有当相位检测器在其两个输入之间达到0°相移时,频率的改变才停止。但是由于时间延迟代表了手机驱动信号中的90°相移,所以当反馈电压和手机电压驱动信号之间具有90°的相移时,发生相位检测器输入的0°相移。但是从图4可见这两个信号之间的90°相移在共振状态时发生。
利用手机电压驱动信号和直接从换能器得到的反馈电压信号,出人意料地提供了共振状态的很好的保持。本发明在保持共振频率的同时为龈下应用提供了极低的行程操作。不需要手动地解调该系统来获得很低的行程。
手机具有驱动线圈、补偿线圈和反馈线圈,用来接收和产生电信号,它们与磁致伸缩换能器和相关的控制电路一起使用。反馈线圈产生一个电信号,即反馈信号,该信号在幅值和相位上与施加在驱动线圈上的信号,即驱动信号,以及磁致伸缩换能器特征成比例。由外部条件引起的换能器特征变化的影响被最小化,因为在控制电路中应用了手机处的反馈信号幅值和相位特征的直接比较。
反馈信号相位相对于驱动信号相位的变化与锁相环电路一起使用,以保持两信号之间的接近恒定的90°相移,迫使工作频率跟踪磁致伸缩换能器的共振点,以得到在变化的外部条件之下的最优振动。
反馈信号幅值相对于用户要求的输入信号的变化与反馈控制电路一起使用,以将磁致伸缩换能器的振动幅值设定和连续保持为接近恒定,以得到在变化的外部条件下的最优性能。换能器的振动幅值是这样控制的,通过脉宽调制功率放大级从而控制驱动信号占空周期,最终控制施加于手机的平均功率。脉宽调制最好以使用功率MOS-FET器件或双极型复合晶体管器件的功率放大器来执行。
连续控制换能器振动幅值的另一种实现方式是通过调制功率放大器级的幅值从而控制驱动信号的幅值,并最终控制施加于手机的平均功率。用户要求的输入信号通过双斜率放大器和幅值调节器来处理,幅值调节器允许控制系统用一定范围的磁致伸缩换能器正常工作,这些换能器具有2到1的量级的反馈信号灵敏度。双斜率放大器和幅值调节器修正了换能器类型之间的差别,提供了更好的整体解决方案和更优的性能。
应当理解,虽然本发明根据其具体实施例已被相当详细地描述,但不应被认为限于这些实施例,而是可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下以其他方式应用。
Claims (13)
1.一种牙齿除垢器系统中尖端振动的连续控制方法,包括:
提供一种牙齿除垢器,它具有
一个具有尖端的磁致伸缩换能器;
一个驱动线圈;
一个补偿线圈;
一个反馈线圈;
所述磁致伸缩换能器具有一个磁致伸缩特征信号,
响应于用户需要的输入信号,向所述驱动线圈施加驱动信号,所述驱动信号感应出响应于所述驱动信号的反馈信号和磁致伸缩特征信号,所述反馈信号在幅值和相位上与所述驱动信号成比例,所述磁致伸缩特征信号在幅值和相位上与所述驱动信号成比例,
比较所述反馈信号幅值和所述用户要求的输入信号幅值,以提供一个幅值比较,
响应于所述幅值比较,控制所述驱动信号幅值,
将所述反馈信号相位与所述驱动信号相位比较,以提供一个相位比较,
响应于所述相位比较,控制所述驱动信号频率。
2.权利要求1的方法,其中所述反馈信号在共振点相对于所述驱动信号具有85°与95°相移之间的相位变化,所述反馈信号相位变化由锁相环保持,从而所述磁致伸缩换能器的振动频率被大致保持于所述磁致伸缩换能器的共振频率。
3.权利要求1的方法,其中当与控制输入信号比较时,所述反馈信号具有一个幅值变化,所述幅值变化被送至反馈控制电路。
4.权利要求1的方法,其中所述牙齿除垢器还包括功率放大器。
5.权利要求4的方法,其中所述牙齿除垢器还包括脉宽调制器用来脉宽调制来自一个闭环电路内的所述功率放大器的功率放大器信号,所述脉宽调制器被连接,以将脉宽改变的信号送至所述驱动线圈。
6.权利要求5的方法,其中所述脉宽调制器包括一个功率金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
7.权利要求5的方法,其中所述脉宽调制器包括幅值调制一个双极型复合晶体管器件。
8.权利要求1的方法,其中所述牙齿除垢器还包括双斜率放大器和幅值调节器。
9.权利要求1的方法,还包括向插件尖端施加一个变化的负载力,该力影响尖端运动和磁致伸缩特征信号,磁致伸缩特征信号中的所述变化被反映于反馈信号的成比例的变化中,反馈信号中的所述变化被反映于驱动信号的成比例的变化中,驱动信号在消除尖端运动的所述变化的方向起作用。
10.权利要求1的方法,其中所述牙齿除垢器还包括一个脚踏开关,所述脚踏开关具有第一和第二位置触点。
11.权利要求10的方法,其中所述第二位置提供振动幅值的暂时升高,而不要求操作者的身体或眼睛离开操作现场。
12.权利要求1的方法,其中所述牙齿除垢器包括增大振动幅值的范围,而不中断共振。
13.权利要求1的方法,其中所述磁致伸缩特征信号在幅值和相位上与施加在所述尖端上的外力成比例。
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