HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Umschaltstufe in einem
zahnärztlichen Handstück zum Erkennen der Art eines Einsatzes in
einem Gehäuse und zum Steuern eines elektrischen
Schaltkreises und/oder anderer Umschalteinrichtungen zum Steuern der
korrekten Kombination von Luft, Pulver und/oder Wasser, wie
sie wunschgemäß an den Einsatz geliefert werden soll. Ein
einziges Umschaltsystem ermöglicht die Verwendung einer
Anzahl verschiedener Arten von Einsätzen in demselben
Handstück.
1. STAND DER TECHNIK
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Warrin et al geben im US-Patent 4,492,574 ein zahnärztliches
Endodontie-Ultraschallhandstück mit einer Spule zum Aufbauen
eines Wechselmagnetfelds an, wobei das Gehäuse an einem Ende
einen Kühlf lüssigkeitseinlaß aufweist und am anderen Ende
geöffnet ist, um einen austauschbaren Einsatz aufzunehmen
und zu halten.
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Rzewinski gibt im US-Patent 4,494,932 ein Gerät zum Ausgeben
von Reinigungspulver in einen Luftstrom, der auf die
Oberfläche von Zähnen zu richten ist, an. Das Gerät beinhaltet
eine fluiddichte Kammer zum Aufnehmen einer zuzuführenden
Menge an Reinigungspulver. In die Kammer wird Luft unter
Druck geleitet, und ein Auslaß in der Seitenwand der Kammer
ermöglicht das Ausströmen von Luft und Pulver unter Druck.
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Eine Schaltung zum Betreiben eines zahnärztlichen
Ultraschallwerkzeugs bei seiner Resonanzfrequenz ist bereits aus
dem Dokument US-A-4,403,176 bekannt. Diese Literaturstelle
offenbart eine Schaltung zum Betreiben der Wandleranordnung
eines zahnärztlichen Handstücks bei seiner Resonanzfrequenz.
Die Schaltung beinhaltet einen Oszillator mit variabler
Frequenz sowie einen Spitzenwert-Erfassungsprozessor, der es
ermöglicht, daß der Oszillator ein kontinuierliches Band von
Frequenzen durchfahren kann, bis der Maximalstrom in der
Wandlertreiberspule erfaßt wird.
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Eine andere Schaltung zum Betreiben eines zahnärztlichen
Ultraschallwerkzeugs ist aus dem Dokument FR-A-2 336 912
bekannt. Diese bekannte Schaltung umfaßt einen
elektromechanischen Wandler und einen Oszillator mit variabler Frequenz
zum Aktivieren des Wandlers. Die geregelte
Einstellkorrektur der Frequenz des Oszillators wird durch ein erstes
Signal gehandhabt, das von dem durch den Wandler fließenden
Strom abhängt, und einem zweiten Signal, das von der
Anschlußspannung des Wandlers abhängt.
2. HINTERGRUND
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Verfärbungen von Zähnen können von verschiedenen Quellen
oder Gründen herrühren, wozu Rauchen, das Kauen von Tabak,
übermäßiges Trinken von Tee oder gemüsebedingte Ursachen
gehören. Zahnstein ist häufig von verschiedener Art,
insbesondere von Serum und Speichel herrührend, und
Zahnsteinablagerungen sammeln sich im allgemeinen in Taschen zwischen
den Zähnen und dem umgebenden Weichgewebe an, wobei der
serumsbedingte Zahnstein vom Speichel herrührt. Die
Bestandteile fällen aus und haften selbst an den freiliegenden
Zahnoberflächen an.
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Zum Reinigen von Zähnen sind bereits verschiedene Techniken
und Ausrüstungen bekannt und werden verwendet, wozu
Handinstrumente gehören, z.B. rotierende Gumminäpfe, die eine
Polierpaste aus Bimsstein tragen, wobei all diese Techniken
beim Entfernen von Zahnstein wirkungsvoll verwendet werden
können, wobei jedoch keine der Techniken zufriedenstellend
ist, wenn es um das Entfernen verschiedener Arten von
Verfärbungen geht, insbesondere das Entfernen von Verfärbungen
aus großen Flächen der Zähne.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, die Zähne unter
Verwendung von Ultraschall-Zahnsteinentferner-Einsätzen zu
reinigen. In einem Ultraschall-Zahnsteinentferner wird die
Schwingungsbewegung eines Wandlers in eine Biege- oder
elliptische Bewegung einer Einsatzspitze umgesetzt. Diese
Bewegung der Spitze wird dazu verwendet, Zahnstein von den
Zähnen zu entfernen. Der Zahnsteinentferner verfügt auch
über eine Einrichtung zum Spülen des Bereichs, in dem die
Zahnsteinentfernerspitze verwendet wird, durch Ausgeben
einer Flüssigkeit, am häufigsten Wasser, durch oder über die
Oberfläche der Zahnsteinentfernerspitze.
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Es ist im Stand der Technik auch bekannt, die Zähne unter
Verwendung einer Luftpoliereinrichtung zu reinigen, die zum
Entfernen von Verfärbungen in Schmelzsprüngen in den Zähnen
von besonderem Nutzen ist.
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Bei der Verwendung einer Luftpoliereinrichtung für
zahnbezogene Zwecke ist die Zufuhr und Ausgabe von Polierteilchen
in einer Luftsuspension in den Mund nicht einwandfrei, und
bei einigen bekannten, zum Schneiden von Zähnen verwendeten
Einrichtungen wurde eine Absaugeinrichtung zum Errfassen der
Polierteilchen verwendet. Eine solche ist jedoch sperrig und
hinderlich. Bei manchen bekannten Systemen wurde auch daran
gedacht, die Zähne folgend auf eine Polierbehandlung mit
Wasser zu waschen, jedoch überwindet ein derartiger
anschließender Waschvorgang nicht die unerwünschte
anfängliche Verteilung von Polierteilchen auf dem weichen Gewebe und
in anderen Teilen des Munds. Um diese Schwierigkeiten zu
überwinden und eine Luftpolier-Prophylaxeeinrichtung zu
schaffen, die für bequeme und wirkungsvolle Entfernung von
Verfärbungen und/oder Zahnstein auf eine Weise sorgt, die
einfach ist und zu minimaler Unbequemlichkeit für den
Patienten führt, wurde ein Handstück mit einer Düse mit einem
Luftpolier-Auslaßkanal und einem den Luftpolierkanal
umgebenden Wasserauslaßkanal zusammen mit einer
Steuereinrichtung geschaffen, durch die angewärmtes Wasser zur Ausgabe
durch den Wasserkanal zugeführt wurde, und die
Luftpolierund Wasserströme wurden so koordiniert, daß Polierteilchen
nach ihrer Ausgabe aufgenommen werden.
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Im bekannten Handstück ist der Wasserauslaßkanal so
ausgerichtet, daß ein Auftreffen auf die Oberfläche des Zahns,
der gerade gereinigt wird, in einem Bereich erfolgt, der
unmittelbar an den Bereich angrenzt oder mit diesem
überlappt, auf den der Luftpolierstrom trifft. Vorzugsweise ist
ein Wasserstrom vorhanden, um einen den Luftpolierstrom
umgebenden Vorhang zu bilden. Bei der wirkungsvollsten
Ausführungsform bewirken die Bewegung des Pulvers und der
Flüssigkeit, wenn diese aus dem Handstück ausgegeben wird, ein
Vermischen von Pulver und Wasser, wodurch eine Aufschlämmung
entsteht. Eine solche Aufschlämmung aus Polierpulver und
Wasser sorgt für wirkungsvollstes Reinigen von Zähnen.
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In der Praxis hat es sich als am geschicktesten und
wirkungsvollsten herausgestellt, sowohl das
Ultraschall-Zahnsteinentferner-System als auch das Luftpoliersystem, wie
oben beschrieben, zu verwenden, um für eine
Prophylaxebehandlung von Zähnen zu sorgen. Die Verwendung beider
Systeme erfordert jedoch zwei Sätze von Einrichtungen oder
zumindest zwei Handstücke: ein Handstück zum Entfernen von
Zahnstein und Belägen durch Ultraschall, und ein zweites
Handstück zum Luftpolieren von Verfärbungen und zum
Entfernen
von Belägen. Außerdem ist ein Wassererwärmer zur
Verwendung mit dem Luftpolierteil der Vorrichtung erwünscht. Da
Raum am Behandlungsort im allgemeinen sehr gesucht ist, sind
die Nachteile bei Verwendung der beschriebenen Einrichtung
offensichtlich. Außerdem ist es in der Praxis mühselig und
zeitaufwendig, Handstücke mitten in einer Behandlung zu
wechseln.
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Die bekannten Systeme zum Betreiben eines
Zahnsteinentferner-Einsatzes eines Handstücks umfassen einen
magnetostriktiven Wandler, einen Signalgenerator, eine
Spannungsversorgung und eine Art Rückkopplung.
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Die bekannten Rückkopplungssysteme können in drei Klassen
eingeteilt werden. Bei der einfachsten Art einer
Rückkopplung ist die Spannung eine Funktion der Frequenz, und sie
steht in Beziehung zur Summe aller internen
Phasenverschiebungen. Diese Art von Rückkopplung ist nur bei Verwendung in
Wandlern hoher Qualität praktisch, die so konzipiert sind,
daß sie in einem speziellen Frequenzbereich arbeiten, in dem
die Werte der induzierten Spannungen klein sind.
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Systeme, die sich auf rein elektrische Rückkopplung stützen,
enthalten ein zweites Rückkopplungssystem. Diese zwei
Systeme haben die folgenden Mängel:
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1.) Das System kann in einem von zwei verschiedenen
Phasenzuständen starten, was zu sehr verschiedenen mechanischen
Ausgangswerten führt.
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2.) In einem der möglichen Phasenzustände kann die Impedanz
im System eine Reaktanz im lastfreien Zustand bewirken, was
zu verschlechtertem Startvermögen führt.
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3.) Wenn das System in der Lage sein muß, hohe Lasten zu
handhaben, arbeitet es bei niedrigeren Lasten im allgemeinen
mit verringertem Wirkungsgrad.
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4.) Die Abstimmung des Systems muß immer ein Kompromiß
zwischen
höherem Wirkungsgrad und Starterfordernissen sein.
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Das dritte System nutzt eine Geschwindigkeitsrückkopplungs-
Messung. Bei diesem System steuert die
Schwingungsaufnahmespannung einen Generator, dessen Verstärkung eine Funktion
der an der lastabfallenden Spannung und der
Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den zwei Enden des mechanischen
Resonators ist.
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Bei diesem System kommt die Geschwindigkeitsrückkopplung
entweder in Resonanz oder es erfolgt in anderer Weise eine
Signalformung, um dem Verstärker eine eindeutige
Frequenzinformation zuzuführen. Für diesen Stand der Technik heißt es,
daß dies eine Forderung für die Verwendung des
Geschwindigkeitsaufnahmesignals ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend
beschriebenen, beim Stand der Technik bestehenden
Schwierigkeiten zu überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung schafft eine Umschaltstufe in einem
zahnärztlichen Handstück zur Ultraschall-Zahnsteinentfernung und zum
Polieren von Verfärbungen und zum Entfernen von Belägen von
Zähnen.
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Diese Schaltstufe ist mit folgendem versehen: mindestens
einer Treiberspule zum Errichten eines elektromagnetischen
Wechselfelds, und mindestens einer Rückkopplungsspule, wobei
die Umschaltstufe über ein Spannungssignal verfügt, das von
der Art des Einsatzes abhängt, der innerhalb der Wicklungen
der Treiberspule der Rückkopplungsspule liegt; und einer
Logikschaltung, die so ausgebildet ist, daß sie
Differenzspannungssignale in der Umschaltstufe erfaßt, mit einem
Puffer, einem Spannungskomparator, einem
Frequenzdiskriminator und einem Logikarray, wobei das Eingangssignal in das
Logikarray bestimmt, welche Schaltkreise durch das
Logikarray aktiviert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform weist ein
Rückkopplungssystem auf, das die Geschwindigkeit des Wandlers bei dessen
Benutzung mißt, und das diese Meßergebnisse in einem
phasensynchronisierten System verwendet, um dem System
Information zuzuführen, um unabhängig von den Lastzuständen einen
konstanten mechanischen Ausgangswert aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung vereinfacht die Arbeitsumgebung durch
Kombinieren einiger der Einrichtungen, wie sie zur
prophylaktischen Zahnreinigung erforderlich sind, in ein System. Auch
ist der Zahnreinigungsvorgang vereinfacht, daß der Anwender
den Vorgang nicht unterbrechen muß, um Handstücke zu
wechseln und einen anderen Satz von Schaltern zu aktivieren, wie
sie für das andere Handstück zu verwenden sind. Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts kann der Anwender eine
Anzahl von Einsätzen auf der Werkzeugschale vor einem
Patienten auslegen, und er kann Einsätze jederzeit während des
Vorgangs auf einfache, leichte und schnelle Weise ändern,
und das in das Handstück eingebaute Umschaltsystem stellt
sicher, daß die richtigen Bestandteile zur Verwendung mit
dem verwendeten Einsatz dem Handstück automatisch zugeführt
werden.
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Bei der Erfindung hat es sich herausgestellt, daß das bei
ihr verwendete Rückkopplungssystem die folgenden Vorteile
gegenüber bekannten Systemen hat, wenn Betrieb ohne
Modifizierung eines Geschwindigkeit-Rückkopplungssignals, zusammen
mit einer einzigartigen Vorversorgung, erfolgt:
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1.) Präzise Steuerung des Systembetriebs am Punkt maximaler
mechanischer Ausgangsleistung.
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2.) Verbesserter Start sowohl unter Last- als auch
lastfreien Zuständen.
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3.) Erhöhte Fähigkeit akustischer Belastung.
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4.) Manipulierung von Systemparametern ist möglich.
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5.) Erhöhter elektromechanischer Betriebswirkungsgrad.
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6.) Der System-Arbeitspunkt wird durch Schwankungen der
Spannungsversorgung nicht beeinflußt.
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7.) Es ist keine Abstimmkontrolle erforderlich.
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8.) Es ist ein erweiterter Betriebsfrequenzbereich möglich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Handstück
mit einer erfindungsgemäßen Umschaltstufe zusammen mit zwei
Einsätzen zeigt, wie sie beim Handstück verwendet werden
können.
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Fig. 2 ist eine Stirnansicht der Düse des
Luftpoliereinsatzes, und sie veranschaulicht eine konzentrische
Zuführleitungsanordnung.
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Fig. 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für das
Gehäuse eines Handstücks, das eine Auswahl von Medikamenten
beim Spülen ermöglicht.
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Fig. 4 ist eine Stirnansicht des Gehäuses von Fig. 3.
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Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Düse des
Luftpoliereinsatzes.
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Fig. 6 ist eine abgewickelte 360º-Veranschaulichung der
Spulenkonstruktion des Handstücks.
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Fig. 7 ist ein Schaltbild der Spulenschaltungsanordnung des
Handstücks.
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Fig. 8 ist eine vereinfachte Blockveranschaulichung der
Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen
Umschaltmechanismus.
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Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das das Treibersystem für den
Wandler im Zahnsteinentferner-Einsatz veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DES VERANSCHAULICHTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Gemäß Fig. 1 weist ein Handstück 10 ein langgestrecktes
Gehäuse 12 mit einer Öffnung 14 an einem Ende auf, die so
ausgebildet ist, daß sie einen Einsatz 20 oder 30 aufnehmen
kann, wobei ein Kabel 15 am entgegengesetzten Ende
angebracht ist. Das Kabel 15 enthält Luft- und Wasserschläuche
zum Zuführen von Luft, Pulver und Wasser zum Handstück,
sowie alle elektrischen Drähte, die dazu erforderlich sind,
die Spulen im Handstück zu aktivieren und mit Energie zu
versorgen.
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Eine Pulverauslaßöffnung 16 am Gehäuse 12 ist so
ausgebildet, daß sie einen Pulvereinlaß 34 aufnimmt, wenn der
Luftpoliereinsatz 30 im Handstück 10 verwendet wird.
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Verfahren zum Zuführen von Luft, Pulver und Wasser zu einem
Luftpolier-Handstück sind im US-Patent 4,494,932 und den
dort zitierten Literaturstellen offenbart.
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Wie es im Stand der Technik bekannt ist, umfaßt ein
Zahnsteinentferner-Einsatz 20 einen Wandlerstapel 22, der mit
einem Wechselmagnetfeld wechselwirkt, das z.B. von einer
Spule im Gehäuse 12 erzeugt wird, um den Einsatz in
Ultraschallschwingung zu versetzen. Der Zahnsteinentferner
verfügt über ein geformtes, zahnärztliches Werkzeug 24, das so
ausgebildet ist, daß es Zahnstein von Zähnen entfernt, und
dieses zahnärztliche Werkzeug 24 enthält eine Einrichtung
zum Spülen des Arbeitsbereichs, während es verwendet wird.
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Der Luftpoliereinsatz 30 umfaßt ein Heizelement 32 und einen
Pulvereinlaß 34, der so ausgebildet ist, daß er in die
Pulverauslaßöffnung 16 des Gehäuses 12 eingesetzt werden kann.
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Es ist eine Wassereinlaßeinrichtung 38 vorhanden, die das
Vorbeileiten von Wasser über das Heizelement 32 in die Düse
50 hinein ermöglicht. Eine konzentrische Leitungsanordnung
36 ist Teil der Düse 50. Beim veranschaulichten
Ausführungsbeispiel umfaßt die Düse 50 einen auf das Gehäuse 12 ge
schraubten Bund.
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Das Heizelement 32 umfaßt beim veranschaulichten
Ausführungsbeispiel ein hohles, rohrförmiges Material, das auf ein
Magnetfeld reagiert. Vorzugsweise ist das Heizelement 32 ein
rohrförmiges Eisenmaterial mit Nickelplattierung, das
induktive Heizung zum Erwärmen von Wasser verwendet, das über das
Heizelement 32 läuft. Im allgemeinen wird vom Heizelement 32
Wärme dadurch erzeugt, daß die Energie des
elektromagnetischen Wechselfelds Sekundärströme in ihm erzeugt. Dies ist
allgemein als Wirbelstromheizung bekannt. Wasser, das über
das Element läuft, wird erwärmt, und es wird durch die
Wassereinlaßeinrichtung 38 durch die Düse 50 und in die
konzentrische Leitungsanordnung 36 geführt.
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Auf ähnliche Weise laufen Luft und Pulver von einer
entfernten Quelle durch das Gehäuse 12 und in den Pulvereinlaß 34
und die konzentrische Leitungsanordnung 36.
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Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, gemäß der die
konzentrische Leitungsanordnung 36 eine Außenleitung 40 und eine
Innenleitung 42 enthält. Die Außenleitung 40 wird zum
Zuführen einer Flüssigkeit, wie Wasser, durch eine äußere
Öffnung 44 verwendet, und die Innenleitung 42 wird zum Ausgeben
von Polierpulver durch eine innere Öffnung 46 verwendet. Die
Flüssigkeit, die durch die äußere Öffnung 44 läuft, wird
hauptsächlich dazu verwendet, mit dem Luftpolierpulver
wechselzuwirken, das durch die innere Öffnung 46 ausgegeben
wird, um mit diesem Polierpulver eine Aufschlämmung zu bil
den, und diese Aufschlämmung wird dazu verwendet, die Zähne
zu reinigen und das Entweichen von Polierpulver in die
Atmosphäre zu minimieren. Der Fachmann erkennt, daß die
verwendete Flüssigkeit auch Medikamente enthalten kann oder auf
andere Weise so ausgebildet sein kann, daß sie für
therapeutische Aktivität sorgt. In der konzentrischen
Leitungsanordnung 36 sind Führungseinrichtungen oder Vertiefungen 48
vorhanden, um die konzentrische Beziehung zwischen der
Außenleitung 40 und der Innenleitung 42 aufrechtzuerhalten, um
sicherzustellen, daß Flüssigkeit das Polierpulver umgibt,
wenn es aus der inneren Öffnung 46 austritt.
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Es wird nun auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, gemäß denen
das erfindungsgemäße Luftpolier-Handstück 60 gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel mit Zylinderform ausgebildet
sein kann, mit einer Einrichtung 62 innerhalb des Handstücks
zum Ausgeben von Pulver, und mit einer Wasserleitung 64 zum
Ausgeben von Wasser an den Einsatz. Außerdem kann das
Handstück z.B. mit Zusatzleitungen 66 und 68 versehen sein, die
dazu verwendet werden können, Medikamente oder eine Mischung
von Medikamenten zum Spülen des Bereichs zuzuführen, der mit
dem Polierpulver zu behandeln ist. Als Zusatzmerkmal kann
ein Kühlwasserstrom-Rücklauf 69 im Handstück vorhanden sein,
um das zum Kühlen desselben verwendete Wasser rückzuführen.
Ein derartiges Handstück kann in solchen Fällen verwendet
werden, in denen für Spülzwecke eine sicher sterile
Wasserquelle erwünscht ist.
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Obwohl die veranschaulichten Ausführungsbeispiele ein
birnenförmiges und ein kreisförmiges Handstück sind, erkennt
der Fachmann, daß Handstücke mit anderen Formen vorliegen
können, abhängig von der Art des Materials, das durch das
Handstück auszugeben ist, mit der Form, die sich zum Halten
am bequemsten zeigt.
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Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, gemäß der die Düse 50
des Einsatzes 30 ein Loch 52 oder eine ähnliche Einrichtung,
über einem Gewinde 53 aufweist, durch das Wasser aus dem
Gehäuse 12 heraus- am Heizelementende 56 durch den Kanal 54
hindurch in die Außenleitung 40 strömen kann. Das erwärmte
Wasser läuft dann durch die Außenleitung 40 und aus der
äußeren Öffnung 44 heraus.
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Auf ähnliche Weise laufen Luft und Wasser aus dem Auslaß 16
im Gehäuse 12 in den Pulvereinlaß 34, durch einen sich
verjüngenden Übergang 58, durch die Innenleitung 52 und aus der
inneren Öffnung 46 heraus.
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Der sich verjüngende Übergang 58 in der Innenleitung 52
sorgt für einen glatten Übergang von der großen
Einlaßleitung 34 in die kleinere Innenleitung 42. Die Verwendung des
sich verjüngenden Übergangs 58 in der Leitungsanordnung 52
bewirkt, daß das Polierpulver gleichmäßig mit weniger
Verstopfen strömt, als dies bei bekannten Vorrichtungen der
Fall ist.
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Das Gehäuse 12 des Handstücks ist so ausgebildet, daß es den
Kontakt zum speziell verwendeten Einsatz oder dessen
Positionierung feststellt, und es verfügt über eine zugehörige
Einrichtung zum Aktivieren des Handstücks auf die Erfassung
hin. Die Erfassungseinrichtung kann elektromechanisch oder
elektrisch sein. Die ansprechende Aktiviereinrichtung kann
eine elektromechanische Schalteinrichtung oder eine
elektrische Schalteinrichtung sein. Beim veranschaulichten
Ausführungsbeispiel sind die Erfassungs- und Schalteinrichtung
elektrisch und elektromechanisch.
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So wie der Begriff Kontakt hier verwendet wird, soll er
elektromagnetischen oder elektrischen wie auch körperlichen
Kontakt umfassen. Unter elektromagnetischem Kontakt wird
verstanden, daß ein elektromagnetisches Feld durch den
Einsatz unterbrochen und/oder erfaßt wird.
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Der Fachmann erkennt, daß das Umschalten auf Grundlage von
Pneumatikdruck im System erfolgen kann. Z.B. kann der
Einsatz dann, wenn er in das Handstück eingesetzt wird, eine
Änderung des Luftdrucks im Handstück hervorrufen, die durch
das System erkannt wird und dazu verwendet werden kann, die
Schaltungsanordnung zu steuern, die dazu verwendet wird, die
Zufuhr von vom Handstück verwendeten Materialien zu steuern.
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Es wird nun auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen, gemäß denen
die Treiberspule 72, die mit einer Wechselstromquelle
verbunden ist, als Doppelspule zwischen Teiler 19 und 21 (Fig.
3) gewickelt ist, und die ein elektromagnetisches
Wechselfeld im Handstück 10 errichtet. Eine Ausgleichsspule 74 und
die Treiberspule 72 sind in einem durchgehenden Draht
zwischen Anschlüsse 27 und 28 geschaltet. Die Treiberspule 72
ist am Anschluß 27 angebracht und sie ist unter Verwendung
z.B. der Wickelrichtung nach rechts vom Teiler 19 zum Teiler
21 und zurück gewickelt. Der Draht von der Treiberspule 72
durchquert dann den Raum 23 zwischen den Teilern 18 und 19
und er ist mit einer Linkswicklung zwischen den Teilern 17
und 18 aufgewickelt, um die Ausgleichsspule 74 zu bilden.
Das Ende des Drahts ist dann am Anschluß 28 angeschlossen.
Die Ausgleichsspule 74 und die Treiberspule 72 sind in Reihe
geschaltet, und sie sind in entgegengesetzten Richtungen
gewickelt, weswegen zwischen ihnen elektromagnetisch eine
Phasenverschiebung von 180º besteht.
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Eine Rückkopplungsspule 76 ist ein dünner Draht, und sie ist
vorhanden, um die Spannung zu erfassen, wie sie z.B. durch
die Bewegung eines Ultraschall-Zahnsteinentferner-Einsatzes
20 im elektromagnetischen Feld des Handstücks 10 entsteht.
Die Rückkopplungsspule 76 wird zwischen die Teiler 17 und 18
am Handstück gewickelt, vorzugsweise vor dem Aufwickeln der
Ausgleichsspule 74, und sie ist mit Anschlüssen 28 (Masse)
und 29 verbunden. Die Rückkopplungsspule ist gegen die
Ausgleichsspule elektrisch isoliert.
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Mit den Anschlüssen 27 und 29 verbundene Drähte sorgen für
die Spannungszufuhr und die Rückkopplung, und ein mit dem
Anschluß 28 verbundener Draht wirkt als gemeinsame Masse.
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Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die
Treiberspule 72 ungefähr 140 Windungen eines Drahts mit der
Maßzahl 22 auf, die Ausgleichsspule 74 weist ungefähr 9
Windungen eines Drahts mit der Maßzahl 22 auf, und die
Rückkopplungsspule 76 weist ungefähr 300 Windungen eines Drahts mit
der Maßzahl 38 auf.
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Gemäß Fig. 8 arbeitet die Steuerlogik zum Steuern der
Ausgabe von Materialien, wie sie durch die verschiedenen
Einsätze im Handstück 10 verwendet werden, dadurch, daß Wandler-
treiber- und Rückkopplungssignale auf ein Netzwerk geführt
werden, wo sie algebraisch summiert werden. Das
Ausgangssignal wird in eine Gleichspannung umgesetzt, deren Pegel in
Beziehung zum Zustand des Handstücks steht. Wenn in dieses
kein Wandler eingesetzt ist, liegt eine Spannung im Bereich
von 0 bis 2 Volt vor. Wenn sich der Heizeinsatz 30 im
Handstück befindet, liegt eine Spannung im Bereich von 4 bis 6
Volt vor. Wenn ein Ultraschalleinsatz 20 im Handstück
vorhanden ist, wird eine Spannung über 8 Volt erzeugt.
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Der Fachmann erkennt, daß die Spulenwindungen geändert
werden
können und Einsätze mit verschiedenen magnetischen
Eigenschaften vorhanden sein können, und daß die
Spannungsquellen so geändert werden können, daß sie für einen
größeren Bereich und einen anderen Bereich für die Spannungen der
Rückkopplungsspule, der Treiberspule und der Ausgleichsspule
sorgen, und es kann ein Logikarray verwendet werden, um für
eine Erkennung der Auswahl des Endzustands in einem größeren
Bereich verschiedener Einsätze zu sorgen, die mit einem
erfindungsgemäßen Handstück zu verwenden sind.
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Die Logikarrayschaltung und die zugehörigen Schalter zum
Zuführen von Gas, Flüssigkeit und Pulver zum Handstück sind
der Grundplattenanordnung oder dem Gehäuse der Einheit
zugeordnet, die dazu verwendet wird, dem Handstück Spannung,
Gas, Flüssigkeit und Pulver zuzuführen.
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Beim Betreiben der Steuerschaltung läuft das Ausgangssignal
von einem Puffer 82 zu einem Spannungskomparator 84, der in
solcher Weise vorversorgt ist, daß dann, wenn eine Spannung
im Bereich von 4 bis 6 Volt vorliegt, der Logikpegel des
Logikarrays 86 hoch ist (logisch 1). Der Logikpegel des
Logikarrays 86 ist niedrig (logisch 0), wenn Eingangssignale im
Bereich von 0 bis 2 Volt oder über 8 Volt in der Schaltung
vorliegen. Ein zweites Eingangssignal in das Logikarray
kommt von einem Frequenzdiskriminator 88 her. Immer dann,
wenn die Frequenz des Treibersignals in einem auswählbaren
Bereich liegt, wie er durch Ultraschallwandler festgelegt
wird, ist das Ausgangssignal vom Frequenzdiskriminator 88
zum Logikarray 86 ein solches von niedrigem Pegel. Damit das
Heizer- und Luftpolierhandstück aktiviert werden, müssen die
folgenden beiden Logikbedingungen hoch sein: das
Frequenzdiskriminatorsignal muß hoch sein und das
Spannungskomparatorsignal muß hoch sein. Demgemäß werden die die Zufuhr von
Luft und Pulver steuernden Schaltungen nicht aktiviert, wenn
der Ultraschalleinsatz 20 verwendet wird. Wenn die Schaltung
durch den Luftpoliereinsatz 30 aktiviert wird, muß der
Anwender nur einen Fuß- oder Fingerschalter betätigen, um
Wärme zu erzeugen und die Schaltungsanordnung zum Ausgeben von
Luft, Polierpulver und Wasser zum Handstück zu aktivieren.
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Auf ähnliche Weise werden beim veranschaulichten
Ausführungsbeispiel die Schaltungen dann nicht aktiviert, wenn
sich kein Einsatz im Handstück befindet, und Ventile, die
die Strömung von Pulver und Wasser zum Handstück elektrisch
kontrollieren, werden nicht geöffnet, und selbst dann, wenn
der Fußschalter versehentlich ausgelöst wird, strömen kein
Pulver und Wasser durch das Gehäuse 12. So vereinfacht das
erfindungsgemäße Umschaltsystem die Abläufe für die
Bedienperson und beseitigt im wesentlichen die Möglichkeit von
Fehlern, die ein zeitaufwendiges Reinigen des Arbeitsorts
erforderlich machen könnten.
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Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, kann
es der Anwender am geschicktesten empfinden, unter
Verwendung des Zahnsteinentferner-Einsatzes in einem Bereich des
Munds zu beginnen und der Zahnstein-Entfernungsbehandlung
unmittelbar eine Luftpolierbehandlung im selben Bereich des
Munds folgen zu lassen, gefolgt vom selben Ablauf in
anderen Mundbereichen. Bei einem derartigen Ablauf kann der
Anwender beide Einsätze griffbereit halten, und er kann zwei
oder mehr (jede beliebige Anzahl) Austauschvorgänge
gewünschter Einsätze vornehmen, ohne von der Seite des
Patients zu weichen. Das Gerät sorgt daher für einen gleichen
Folgeablauf beim Reinigungsvorgang wie auch für
Zeitersparnis beim Anwender.
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Obwohl das Handstück als magnetostriktives System
veranschaulicht ist, erkennt der Fachmann, daß ein Handstück
unter Verwendung eines Umschaltsystems so ausgebildet sein
kann, daß es unter Verwendung einer anderen Einrichtung als
eines elektrostriktiven Systems betrieben wird.
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Sowohl bei magnetostriktiven als auch elektrostriktiven
Systemen ist es erwünscht, den Wandler bei seiner
Resonanzfrequenz zu betreiben. Diese Frequenz wird teilweise durch eine
komplizierte Wechselwirkung zwischen der Einsatzlänge oder
den körperlichen Abmessungen, der Temperaturcharakteristik
des Wandlermaterials, der mechanischen Belastung des
Systems und der Schallgeschwindigkeit im Wandlermaterial
bestimmt. Da die Ausgangsgröße des Systems der mechanische
Hub oder die Schwingung des Arbeitsendes (Spitze) des
Einsatzes oder des Wandlers ist, besteht das wirkungsvollste
Verfahren zum Erfassen aller mechanischer Änderungen des
Systems, z.B. der Auswirkungen der Temperatur, der
Belastung, der Abnutzung usw. darin, die tatsächliche Bewegung
und Änderungen der Bewegung des Wandlers selbst zu erfassen.
Es kann gezeigt werden, daß dies dadurch erzielt werden
kann, daß ein Geschwindigkeitsaufnehmer verwendet wird, der
die Bewegung des freien Endes des Wandlers, das der
Arbeitsspitze abgewandt ist, mißt.
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Ein selektives Auswählen der in der Schaltung verwendeten
Bauteile sorgt für eine Vorbelastung der Schaltung.
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Im folgenden wird die Grundlage des Steuerabschnitts bei der
Erfindung beschrieben. Wenn das Wandlersystem durch ein
induziertes magnetisches Feld erregt wird, erfährt es maximale
Auslenkung an den beiden freien Enden immer dann, wenn die
Erregungsfrequenz der Resonanzfrequenz des Systems
entspricht. Wenn eine Aufnahme(Rückkopplungs)-Spule einem
freien Ende des mechanischen Systems zugeordnet wird, führt dies
zu einem elektrischen Signal, das sowohl Frequenz- als auch
Phaseninformation enthält. Da der Aufnehmer die Bewegung
oder die Geschwindigkeit des Wandlers mißt, ist die Phase
des elektromagnetischen Sensorsignals abhängig von den in
der Schaltung verwendeten Bauteilen um einen Phasenwinkel
von 50º bis 130º gegen das Ansteuersignal verschoben, wobei
eine Verschiebung von 70º-110º bevorzugter ist und eine
solche von 90º am bevorzugtesten ist. Zusätzlich zu diesem
elektromechanischen Rückkopplungsteil existiert ein
begleitendes, rein elektrisches Signal, und zwar aufgrund der
Wandler-Kopplungswirkung der Treiberspule und der
Rückkopplungsspule. Das Signal der Rückkopplungsspule ist jedoch um
0º oder 180º, abhängig von der Richtung der zwei Wicklungen,
gegen das Signal der Treiberspule verschoben. Wenn die
Spulen z.B. beide in derselben Richtung gewickelt sind,
beträgt die Signalverschiebung ungfähr 0º, und wenn die
Windungen der zwei Spulen in entgegengesetzten Richtungen
gewickelt sind, beträgt die Verschiebung ungefähr 180º. Es
kann gezeigt werden, daß dann, wenn sich die
Resonanzfrequenz des Systems aufgrund der Temperatur, der Abnutzung
mechanischer Teile oder wegen der mechanischen Belastung
ändert, die elektromechanische Phasenbeziehung zwischen dem
Ansteuer- und dem Rückkopplungssignal relativ konstant
bleibt.
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Um ein Starten des Wandlers in jedem Lastzustand zu
gewährleisten, ist es erwünscht, daß das System in jedem
Lastzustand auf die Betriebsfrequenz synchronisiert. Nach dem
Starten nimmt das System eine Einstellung unter Verwendung
seines Steuerteils vor, um ein Stehenbleiben bei den
angetroffenen Arbeitsbedingungen zu verhindern, während
optimale mechanische Ausgangsleistung aufrechterhalten bleibt.
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Die Erfindung erzielt genaue Betriebssteuerung des
elektromechanischen Systems durch folgendes:
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1.) Verwenden der nichtmodifizierten Phaseninformation des
Geschwindigkeitsaufnehmers.
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2.) Verwendung einer einzigartigen Voransteuerung der
Steuerschaltungen, die die Phaseninformation verwenden, um die
Mittenfrequenz des Systems selbst einzustellen.
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Es wird nun auf Fig. 9 Bezug genommen, gemäß der der interne
Oszillator 112 des Phasensynchronisierabschnitts der
Schaltung dann, wenn Spannung an das System angelegt wird, sein
Ausgangssignal einem Pufferverstärker 114 zuführt, der die
Phasensynchronisierung gegen den Ausgangstreiber 116 trennt.
Der Phasensynchronisierteil der Schaltung umfaßt einen
spannungsgesteuerten Oszillator 112, einen Verstärker 118, ein
Tiefpaßfilter 122, einen Phasendetektor 124, einen
Phasenteiler 132, Komparatoren 134 und 135, eine Stromquelle 138
und einen unveränderlichen Widerstand oder ein
veränderliches Potentiometer 146. Der Treiber 116 gibt ein
Anfangsspannungsignal auf die Ausgangsspule 126. Anfangs wird der
Systemstartpunkt durch den Wert des unveränderlichen
Widerstands oder des Potentiometers 146 bestimmt.
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Da die Anfangsfrequenz des Systems nicht die
Resonanzfrequenz ist, koppelt der Wandler das Treibersignal einfach
mittels Übertragerwirkung auf die Aufnehmerspule 128. Dieses
Signal ist der Art nach rein elektrisch. Das
Rückkopplungssignal von der Aufnehmerspule 128 wird dem Phasenteiler 132
zugeführt, und dessen Signal zur algebraischen Differenz
wird der Komparatorschaltung 135 zugeführt. Die
Voransteuerung in diesem Abschnitt ist dergestalt, daß die
Komparatorschaltung 135 eindeutig die Phaseninformation
aufrechterhält, die im Rückkopplungssignal enthalten ist. An diesem
Punkt der Abfolge sind im Ausgangssignal des Komparators 135
Phasen- und Frequenzinformation vorhanden. Dieses Signal
wird dem Phasendetektoreingang der
Phasensynchronisierschaltung zugeführt. Hier wird das Signal mit dem Treibersignal
verglichen, das durch das Ausgangssignal des
spannungsgesteuerten Oszillators 112 repräsentiert ist.
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Der Phasendetektor 124 erzeugt ein Abweichungssignal für den
spannungsgesteuerten Oszillator 112. Dieses korrigierte oder
verstärkte Signal wird auf dieselbe Weise wie vorstehend
beschrieben um die Schleife geschickt. Wenn das System sich
der korrekten Betriebsfrequenz nähert, wird das
Rückkopplungssignal wegen des Einflusses der Bewegungsrückkopplung
der Art nach elektromechanisch. Wenn das System seine
Resonanzfrequenz erreicht, nähert sich die Phasenabweichung dem
Wert Null, und das System ist auf den Punkt mit maximaler
mechanischer Ausgangsleistung synchronisiert. Wenn das
System einmal auf diesen richtigen Phasenpunkt synchronisiert
ist, werden Änderungen der Betriebsfrequenz aufgrund von
Polarisationseffekten, der Temperatur, der Belastung und einer
Einsatz- oder Wandlerabnutzung automatisch kompensiert, da
die richtige Phasensynchronisiercharakteristik den
Spitzenwert der mechanischen Schwingung als Bezug verwendet.
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Nachdem das System synchronisiert ist, werden die
Vorderflanke des von der Rückkopplungsspule 128 kommenden Signals
sowie die Hinterflanke des Signals von der Treiberspule 126
im Komparator 134 verarbeitet, dessen Ausgangssignal ein
Impuls ist, dessen Breite proportional zur Zeitdifferenz
(Phasendifferenz) zwischen diesen Signalen ist. Der Impuls wird
integriert und einer Stromquelle 138 zugeführt, die einen
Gleichstrom an den spannungsgesteuerten Oszillator 112 gibt,
dessen Mittenfrequenz durch diesen Strom modifiziert wird.
Ein Anstieg des Stroms erhöht die Frequenz des
spannungsgesteuerten Oszillators. Dieses Verfahren hat ein Nachfahren
der Frequenz über einen Frequenzbereich von zwei Oktaven
ohne Verlust der Synchronisierung gezeigt.
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Eine Steuerung der Ausgangsleistung oder der Amplitude
erfolgt durch Verändern des Stroms im Pufferverstärker.
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Der zweckentsprechende Betrieb der Erfindung hängt nicht von
dem Messen irgendwelcher Spannungs- oder
Stromamplitudenschwankungen
ab. Auch beeinflußt die Amplitude des
Rückkopplungssignals den optimalen Betriebspunkt nicht. Außer daß
die Erfindung den Stand der Technik hinsichtlich genauer
Frequenzeinstellung über einen Bereich erweiterter Frequenz
und Belastung weiterführt, stellt die Erfindung auch eine
mechanische Vereinfachung dar, und sie erfordert ein
Minimum an Komponenten. Ferner ist für den Systembetrieb die
Auswahl elektrischer und mechanischer Bauteile nicht
kritisch, da die Systemsteuerung durch das tatsächlich
schwingende System (Wandler) vorgegeben wird.
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Obwohl der Betrieb des Systems unter Verwendung einer
phasensynchronisierten Schaltung beschrieben wurde, ist sein
Betrieb unverändert, wenn irgendeine Steuerschaltung
verwendet wird, die Phasenabweichungen erfaßt und den
Treiberstrom entsprechend einstellt oder korrigiert.
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Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und
Verfahren zum Ausführen derselben veranschaulicht und
beschrieben wurden, erkennt es der Fachmann, daß die Erfindung
innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche auf
andere, verschiedenartige Weise realisiert und ausgeübt werden
kann.