DE60001416T2

DE60001416T2 - Kontrollvorrichtung für ein zahnärztliches ultraschallhandstück

Info

Publication number: DE60001416T2
Application number: DE60001416T
Authority: DE
Inventors: Pascal Cabrignac; Xavier Capet; Dominique Mariaulle
Original assignee: Societe pour la Conception des Applications des Techniques Electroniques SAS
Current assignee: Societe pour la Conception des Applications des Techniques Electroniques SAS
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: EP1191895B1; ES2190978T3; EP1191895A1; CN1368867A; WO2001001878A1; DE60001416D1; JP4641134B2; FR2795943B1; JP2003503148A; FR2795943A1; ATE232373T1; DK1191895T3; CN1195455C; US6765333B1; TW534808B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung zum Regeln eines dentalen Handstückes vom Typ, in welchem die Schwingung eines Instruments mittels eines piezoelektrischen Transducers erhalten wird.
Es ist bekannt, dass ein Ultraschallschwingungen erzeugender piezoelektrischer Transducer soweit wie möglich in der Resonanz verwendet wird, so dass maximale Amplituden und eine Leistung der maximalen Schwingungen erhalten werden (siehe beispielsweise US-A-4 371 816). Wenn ein derartiger Transducer, an welchem mechanisch ein Instrument gekuppelt ist, während einer Arbeitsphase mit verschiedenartigem Gewebe in Kontakt kommt, d. h. mit hartem Gewebe, weichem Gewebe, bei Vorhandensein oder ohne Vorhandensein von Flüssigkeit, wird sich sein Resonanzkreis während der Arbeit verändern. Es ist bekannt, dass in einem derartigen Handstück die Schwingungsgeschwindigkeit des Transducers eine direkte Funktion des elektrischen Stroms ist, der in dem Letztgenannten fließt, und dass die für diese Schwingung erforderliche Kraft eine direkte Funktion der Speisespannung an den Anschlüssen des Transducers ist. Man versteht, dass, wenn man wünscht, dass ein Handstück mit einem optimalen Wirkungsgrad funktioniert, die Schwingungen des Transducers der Serienresonanz dieses Handstücks entsprechen müssen und dass während der Arbeit die Betriebsbedingungen derart variieren müssen, dass sie in Resonanz bleiben.
Erfindungsgemäß wird man die Frequenz verfolgen, indem man die Phasenverschiebung beobachtet, die zwischen der Spannung und dem gelieferten Strom existiert und indem die intrinsische Kapazität des Transducers elektrisch kompensiert wird.
Ein derartiger elektrischer Stromkreis äußert sich in der Serienresonanz durch eine geringe Impedanz und eine Phasenverschiebung Null.
Die vorliegende Erfindung hat somit zur Aufgabe, eine derartige Vorrichtung zum Regeln des piezoelektrischen Transducers eines Schwingungserzeugers für ein Handstück vorzuschlagen, das geeignet ist, permanent bei der Serienresonanzfrequenz zu funktionieren, und dies unabhängig von der Art der Gewebe, denen das Instrument, mit dem dieses Handstück ausgerüstet ist, zur Eingriffnahme zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung hat somit zum Gegenstand eine Vorrichtung zum Regeln eines dentalen Handstückes, das durch einen Ultraschallgenerator aktiviert wird, Speisemittel einer gegebenen Frequenz aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass
- sie zwei Stromkreise aufweist, nämlich einen Anschluss- Arbeitsstromkreis, mit dem der Ultraschallgenerator verbunden ist, und einen Steuerstromkreis,
- der Arbeitsstromkreis eine Induktivität parallel zwischen seinen Ausgangsanschlüssen aufweist,
- die Speisung in der Lage ist, am Ausgang eine Spannung bereitzustellen, die mit einer Spannung in gleicher Phase ist, die ihr an ihrem Eingang bereitgestellt wird,
- der Steuerstromkreis aus einem Stromwandler gebildet ist, dessen Primärseite in Serie im Arbeitsstromkreis angeordnet ist und dessen Sekundärseite mit einer Kapazität und einem Widerstand, die ihm zugeordnet sind, eine RLC- Schaltung bildet, deren Spannung in den Anschlüssen des Widerstandes an den Eingang der vorgenannten Speisung gesendet wird,
- der Steuerstromkreis Mittel aufweist, die gestatten, den Wert der Kapazität und/oder denjenigen der Drossel der Sekundärseite des Stromwandlers zu variieren.
Vorzugsweise weist die Sekundärseite des Stromwandlers einen mobilen Kern innerhalb ihrer Wicklung auf, die in der Lage ist, ihre Induktivität zu variieren.
Die Speisemittel sind in einer bevorzugten Ausführungsform mit dem Arbeitsstromkreis mittels eines Spannungswandlers verbunden, dessen Induktivitäten der Primärseite und der Sekundärseite hoch sind.
In einer interessanten Ausführungsform der Erfindung ist die Induktivität, die zwischen den Ausgangsanschlüssen des Arbeitsstromkreises angeordnet ist, derart, dass mit der intrinsischen Kapazität des Handstückes und seinem Innenwiderstand ein RLC-Widerstand in Umgebung der Resonanz gebildet wird.
Nachfolgend wird beispielhaft und nicht beschränkend eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
- Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Frequenzüberwachungsvorrichtung ist;
- Fig. 2 ein Schema ist, das die Phasenverschiebungen zwischen Strom und Intensität in einem Stromkreis des Typs darstellt, der in Fig. 1 wiedergegeben ist.
- Fig. 3 ist eine Kurve, die die Variation der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in einem Stromkreis gemäß der Erfindung als Funktion eines Vielfachen der Frequenz darstellt;
- Fig. 4 ist eine Kurve, die die jeweiligen Variationen als Funktion der Frequenz, der Leistung, die an einem spezifischen Handstück bereitgestellt wird, und der Phasenverschiebung zwischen Strom und entsprechender Intensität wiedergibt.
Der Oszillator zur Frequenzüberwachung, der in Fig. 1 dargestellt ist, ist im wesentlichen gebildet aus einer Speisung 1, die in der Lage ist, zwischen ihren beiden Ausgangs-Anschlüssen A und B eine Spannung Vp zu erzeugen, die die Primärseite 3 eines Spannungswandlers T&sub1; speist. Der eine der Anschlüssen C der Sekundärseite 4 dieses Wandlers ist mit einem Ausgang S1 des Stromkreises verbunden, an welchen Ausgang S1 ein Eingang E&sub1; eines Handstückes 5 angeschlossen wird. Der andere Anschluss D dieser selben Sekundärseite 4 ist mit dem anderen Ausgang S2 des Stromkreises mit Zwischenschaltung der Primärseite 7 eines Stromwandlers T&sub2; verbunden. Der zweite Eingang E2 des Handstückes 5 wird mit dem Anschluss S2 verbunden. Eine Induktivität 9 eines Werts Ls ist parallel zwischen den Eingangsanschlüssen E&sub1; und E&sub2; des Handstückes 5 angeordnet.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Sekundärseite 11 des Stromwandlers T&sub2; in Serie mit einer Kapazität 13 eines Werts C&sub2; und einem Widerstand 15 eines Werts R&sub2; geschaltet, wobei dieser Letztgenannte die Störwiderstände des somit gebildeten RLC-Stromkreises darstellt.
Die Anschlüsse C und H des Widerstands 15 sind an Eingangsanschlüssen IJ der Speisung 1 vereinigt.
Somit hat man zwei Stromkreise, nämlich einen Arbeitsstromkreis, der das Handstück 5 steuert, und einen Steuerstromkreis, der durch den RLC-Stromkreis gebildet ist.
Die Speisung 1 ist derart aufgebaut, dass die an ihren Ausgangsanschlüssen A, B erzeugte Spannung VP in Phase mit der Spannung Vr ist, die zwischen ihren Eingangsanschlüssen I und J existiert.
Wie im Schema von Fig. 2 dargestellt, ist es unter diesen Bedingungen erforderlich, damit der Oszillator, der durch die Drossel 11, die Kapazität 13 und den Widerstand 15 gebildet ist, in Schwingung gerät, dass das Spannungssignal Vr, das an den Anschlüssen des Widerstands R&sub2; aufgenommen wird, sich mit Vs in Phase befindet, welche Bedingung erfüllt ist, wenn φ2 = -φ1. Tatsächlich repräsentieren φ2 und φ1 die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Intensität jeweils im schwingenden Steuerstromkreis RLC und im Arbeitsstromkreis, welcher die Schwingungen des Handstückes 5 steuert.
Wenn man die Spannung Vr ausdrückt, die zwischen den Eingangsanschlüssen I und J der Speisung 1 als Funktion des Stroms I&sub1; existiert, der in der Primärseite 7 des Wandlers T2 fließt, stellt man fest, dass der Strom I&sub1; bezogen auf die Spannung Vs (oder auf die Spannung Vp) um φ1 nacheilend ist und dass die Spannung Vr mit dem Strom 12 in Phase ist.
Wenn man Gleichungen des Wandlers berücksichtigt, erhält man, indem man die komplexe mathematische Anzeige verwendet:
V&sub1; = Z&sub1;I&sub1; + jmωl&sub2; mit Z&sub1; = jL&sub1;ω (1)
0 = Z&sub2;I&sub2; + jmωI&sub1; mit Z&sub2; = R&sub2; + j(L&sub2;ω - 1/C&sub2;ω (2)
wobei m den gegenseitigen Induktionskoeffizienten der einen der Wicklungen des Wandlers an der anderen Wicklung darstellt.
Wenn der Wandler T&sub2; ein Stromwandler ist, kann man auf bekannte Weise den Einfluss der sekundären Wicklung auf die primäre Wicklung vernachlässigen, derart, dass der Ausdruck jmωl&sub2; = 0 und man von der Gleichung (1) den Wert von I&sub1; herausbringt, angenommen, dass:
I&sub1; = V&sub1;/jL&sub1;ω = -jV&sub1;/L&sub1;ω
Indem man diesen Wert in die Gleichung (2) überträgt, erhält man den Ausdruck des Stroms I&sub1; im Arbeitsstromkreis als Funktion des Stroms I&sub2; im RLC-Stromkreis angenommen, dass:
I&sub1; = 1/mω(1/C&sub2;ω - L&sub2;ω + jR&sub2;)I&sub2;
Unter diesen Bedingungen ist die Phasenverschiebung des Stroms 12 bezogen auf den Strom I&sub1;:
tgφ&sub2; = R&sub2;/ω/(1/C&sub2;ω - L&sub2;ω) = R&sub2;C&sub2;ω/1 - L&sub2;C&sub2;ω² (3)
Wie vorstehend erwähnt, gibt es unter diesen Bedingungen Schwingung, wenn φ&sub2; = -φ&sub1; oder tgφ&sub2; = -tgφ&sub1;, angenommen, dass ausgehend von der Gleichung (3):
R&sub2;C&sub2;ω/1 - L&sub2;C&sub2;ω² = -tgφ&sub1; (4)
In Fig. 3 hat man die Variation des Werts von tgφ&sub1; als Funktion des Werts von w dargestellt, der die Schwingungsfrequenz darstellt, bei dem Wert von 2π nahe (ω = 2πN)
Man wird bemerken, dass sich ohne Handstück die Belastung des Oszillators im Arbeitskreis auf 1a Wert der Induktivität Ls reduziert, die parallel zwischen den Ausgangsanschlüssen S&sub1; und S&sub2; des Stromkreises geschaltet ist. Ferner, wenn man mit Rs den Innenwiderstand des Oszillators bezeichnet, wird die Phasenverschiebung des Stroms I&sub1; bezogen auf Vs ausgedrück durch den Ausdruck:
tgφ = Ls/Rs
Die Schwingungsbedingung tgφ&sub2; = -tgφ&sub1; wird nun:
R&sub2;C&sub2;ω/(1 - L&sub2;C&sub2;ω²) = -Lsωs/Rs
angenommen, dass
ω² = (Ls + RsR&sub2;C&sub2;)/(LsL&sub2;C&sub2;) (5)
Indem man die Werte von L&sub2; der Wicklung der Sekundärseite 11 des Wandlers T&sub2; und/oder den Wert C&sub2; des Kondensators 13 beeinflusst, kann man folglich die Frequenz des Oszillators unbelastet derart regulieren, dass man die Kurve des in Eigenschwingungen-Geratens modifiziert, die in Fig. 3 dargestellt ist.
In der Praxis repräsentiert R&sub2; die Störwiderstände des Stromkreises und man hält C&sub2; konstant.
Für jedes Gerät einer gegebenen Serie genügt es nun, den Wert L&sub2; der Sekundärseite 11 des Wandlers T&sub2; zu variieren, bis die Spannung T&sub1; mit dem Strom I&sub1; in Phase ist, der im Stromkreis fließt.
Das Gerät wird nun geeicht und der Oszillator gerät an der induktiven Nacheilungslast Ls in Eigenschwingungen bzw. "hakt sich fest".
Wie in Fig. 4 dargestellt, verfügt man ferner über eine Kurve, die die Variation der Leistung an den Anschlüssen E1, E2 des Handstückes 5 sowie den Wert der Phasenverschiebung zwischen Strom und Intensität an seinen Anschlüssen repräsentiert. Ein jeder Typ eines Handstückes 5, das mit einem bestimmten Instrument versehen ist, besitzt somit eine Kurve dieses Typs.
Man stellt an dem Beispiel von Fig. 4 fest, dass die Leistung maximal ist und dass die Phasenverschiebung Null ist für eine Frequenz in der Umgebung von 30 kHz. Dieser Wert, der an dem Punkt X an dem Schema von Fig. 3 übertragen ist, zeigt, dass die Regelung des RLC-Stromkreises korrekt ist, da der Wert von tgφ&sub1; für diese Frequenz nahe 0 ist.
Es ist wohlgemerkt bekannt, dass während des Betriebs des Handstückes der Wert der Frequenz, für die man eine maximale Schwingung mit Phasenverschiebung Null erhält, als Funktion einerseits der physikalischen Natur des Handstückes aber auch als Funktion des Oberflächenzustandes des zu bearbeitenden Materials variiert. Für ein Handstück und ein gegebenes Instrument erhält man folglich zwei extreme Frequenzen N&sub1; und N&sub2;, die einer Arbeit des Instruments an Weichteilgeweben und an härteren Elementen entsprechen, denen Werte X&sub1; und X&sub2; von ω entsprechen, wie in Fig. 3 dargestellt.
Man hat festgestellt, dass sich im allgemeinen die Frequenz N in der Umgebung von 30 kHz befand. Unter diesen Bedingungen wird man dafür sorgen, dass unbelastet eine Regelung eines jeden Produkt-Stromkreises vorgenommen wird (durch Regelung beispielsweise des Werts von L&sub2;), so dass sich während der Arbeit die Punkte X&sub1; und X&sub2; richtig in Zonen befinden, für die tg&sub1; nahe Null ist, wie in Fig. 3 dargestellt.
Die Variation der Induktivität L&sub2; kann insbesondere durch Verlagerung eines Kerns in der Mitte der Drossel 11 erhalten werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Regeln eines dentalen Handstückes (5), das durch einen Ultraschallgenerator aktiviert wird, Speisemittel (1) aufweisend,

- zwei Stromkreise aufweisend, nämlich einen Anschluss- Arbeitsstromkreis (S1, S2), mit dem der Ultraschallgenerator verbunden ist, und einen Steuerstromkreis, und in welcher Vorrichtung

- der Arbeitsstromkreis eine Induktivität (Ls) parallel zwischen seinen Ausgangsanschlüssen (S1, S2) aufweist,

- die Speisung (1) in der Lage ist, am Ausgang (A, B) eine Spannung (Vs) bereitzustellen, die mit einer

- Spannung in gleicher Phase ist, die ihr an ihrem Eingang (I, J) bereitgestellt wird,

- der Steuerstromkreis aus einem Stromwandler (T&sub2;) gebildet ist, dessen Primärseite (7) in Serie im Arbeitsstromkreis angeordnet ist und dessen Sekundärseite (11) mit einer Kapazität (13) und einem Widerstand (15), die ihm zugeordnet sind, eine RLC-Schaltung bildet, deren Spannung in den Anschlüssen des Widerstandes (15) an den Eingang der vorgenannten Speisung (1) gesendet wird,

- der Steuerstromkreis Mittel aufweist, die gestatten, den Wert der Kapazität (13) und/oder denjenigen der Drossel der Sekundärseite (11) des Wandlers (T&sub2;) zu variieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite (11) des Stromwandlers (T&sub2;) einen mobilen Kern innerhalb ihrer Wicklung aufweist, die in der Lage ist, ihre Induktivität (L&sub2;) zu variieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisemittel (1) mit dem Arbeitsstromkreis mittels eines Spannungswandlers (T&sub1;) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (Ls), die zwischen den Ausgangsanschlüssen (S&sub1;, S&sub2;) des Arbeitsstromkreises angeordnet ist, derart ist, dass mit der intrinsischen Kapazität des Handstückes (5) und seinem Innenwiderstand ein RLC-Widerstand in Umgebung der Resonanz gebildet wird.