AT500364B1

AT500364B1 - Zahnärztliches handinstrument mit einem keramische bauelemente aufweisenden wälzlager

Info

Publication number: AT500364B1
Application number: AT0020205A
Authority: AT
Inventors: Thomas Bierbaum; Rainer Worschischek; Walter Schumacher-Ruf
Original assignee: Sirona Dental Systems Gmbh
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2011-05-15
Also published as: CH697985B1; AT500364A2; FR2868940B1; FR2868940A1; DE102004019236B4; AT500364A3; DE102004019236A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handinstrument (1, 3) mit mindestens einem keramische Bauelemente aufweisenden Wälzlager (4), wobei das Wälzlager (4) mehrere Wälzkörper (5) aufweist, die mittels eines Käfigs (8, 12) geführt sind, und der zumindest im Bereich von Führungsflächen (8.1-8.3, 12.1-12.3) aus Keramik oder Glaskeramik besteht. Der Käfig (8, 12) weist weiters Sollbruchstellen für eine zerstörende Demontage auf.

Description

österreichisches Patentamt AT 500 364 B1 2011-05-15

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handinstrument mit einem keramische Bauelemente aufweisenden Wälzlager. Bei derartigen Wälzlagern sind mehrere Wälzkörper vorhanden, die mittels eines Käfigs geführt und zueinander auf Abstand gehalten sind.

STAND DER TECHNIK

[0002] Käfige aus Kunststoff nach dem Stand der Technik haben zwar eine Lebensdauer, die bei 2.000 bis 5.000 Sterilisationszyklen liegt, weisen aber schlechte Notlaufeigenschaften auf. Darüber hinaus begrenzt die Temperaturbeständigkeit der Käfigmaterialien aus Kunststoff das Sterilisationsverfahren auf die Wasserdampfsterilisation bei üblichen Temperaturen von 134° C bzw. bei einer Heissluftsterilisation bis 180° C.

[0003] Der Ausfall typischer bekannter Käfige aus Kunststoff lässt sich auf lokale Temperaturerhöhungen durch Reibung zurückführen, die den Käfig schädigen, in dem Partikel abgelöst oder abgeschmolzen werden, wodurch unter anderem Anlagerungen an die Wälzkörper entstehen können, die den weiteren Verschleiß begünstigen.

[0004] Aus der WO 90/14049 A1 ist ein zahnärztliches Handinstrument mit einem sich drehenden Bearbeitungswerkzeug bekannt, bei dem wenigstens die Wälzkörper eines käfiglosen Wälzlagers aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Dieses Instrument kann sterilisiert werden und ohne Schmierung der Lager betrieben werden.

[0005] Aus der DE 198 43 951 A1 ist ein zahnärztliches Handstück bekannt, in dessen Antriebssystem eine Wälzlageranordnung zur Lagerung einer Motorwelle vorgesehen ist. Die Wälzlageranordnung weist mehrere Rollelemente auf, die aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen, insbesondere aus einem keramischen Material. Darüber hinaus können Laufringe des Wälzlagers aus keramischem Material geformt sein. Als Material wird insbesondere Siliziumnitrid vorgeschlagen.

[0006] Aus der DE 196 12 571 A1 wird für käfiglose Wälzlager vorgeschlagen, zwischen Keramikwälzkörpern einzelne Wälzkörper aus Plastik anzuordnen, die mit einem Schmierstoff getränkt sind, Schmierstoff abgeben und/oder aus selbstschmierendem Werkstoff bestehen.

[0007] Das grundsätzliche Problem bei käfiglosen Wälzlagern besteht darin, dass im Kontaktbereich zwischen zwei Wälzkörpern aufgrund der unterschiedlichen Richtungskomponenten der sich berührenden Wälzkörper die doppelten Geschwindigkeiten erreicht werden und damit eine besondere Anfälligkeit für Verschleiß vorliegt.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Lebensdauer eines Wälzlagers eines zahnärztlichen Handinstrumentes weiter zu verbessern. Darüber hinaus soll insbesondere die Sterilisierbarkeit des Wälzlagers berücksichtigt werden und ebenso die Problematik der Schmierung des Wälzlagers.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0009] Die Erfindung betrifft somit ein zahnärztliches Handinstrument mit mindestens einem keramische Bauelemente aufweisenden Wälzlager mit mehreren, mittels eines Käfigs geführter Wälzkörpern so ausgebildet, dass der Käfig zumindest im Bereich von Führungsflächen aus Keramik besteht. Erfindungsgemäß sind bei einem vollkeramischen Käfig Sollbruchstellen vorgesehen, die eine Demontage erleichtern. Keramik ist typischerweise bruchempfindlich und kann zur Demontage leicht zerstört werden.

[0010] Gegenüber den bislang verwendeten typischen Käfigen aus Kunststoff ist die Temperaturbeständigkeit erhöht und der Verschleiß reduziert, insbesondere dann, wenn Mangelschmierung vorliegt oder auf eine Schmierung insgesamt verzichtet wird. Die Führung des Käfigs kann 1/9 österreichisches Patentamt AT 500 364 B1 2011-05-15 am Innenring oder am Außenring oder durch die Wälzkörper erfolgen.

[0011] Durch die Verwendung von auf den Anwendungsfall angepasster Keramik ist es insbesondere auch möglich, gute Gleiteigenschaften bereit zu stellen und die Reibung zu reduzieren. Insbesondere in der Materialpaarung Keramik/Stahl für Käfig/Kugel bzw. Käfig/Lagerring führt das gute Reibungsverhalten zu einem stark reduzierten Verschleiß im Bereich der Käfigführung, aber auch im Bereich der Kugelführung innerhalb des Käfigs.

[0012] Die Verwendung eines Käfigs, der vollständig aus Keramik besteht, hat darüber hinaus den Vorteil, dass bei Verwendung der Wälzlager innerhalb eines Magnetfeldes keine durch den Käfig hervorgerufenen Wirbelstromverluste entstehen, wie dies etwa bei Metallkäfigen der Fall wäre. Insofern werden hier die positiven Eigenschaften eines Kunststoffkäfigs vollständig erreicht. Zudem kann die Herstellung derartiger Käfige einfacher sein.

[0013] Ein weiterer Vorteil ist die Sterilisationsbeständigkeit von Keramik. Keramik ist unter den gegebenen Sterilisationsbedingungen weitestgehend chemisch inert und den mechanischen Beanspruchungen durch Dampf und Hitze gewachsen.

[0014] Vorteilhafterweise wird eine Keramik verwendet, deren Dichte geringer ist als die von Metall, und hier insbesondere von Stahl. Nicht nur die Dichte geht in die Berechnung des Massenträgheitsmoments ein, sondern die geometrische Ausbildung der Käfigkonstruktion hat ebenfalls einen Einfluss. Lässt sich das Bauvolumen verringern, kann dies entscheidende Vorteile haben. So werden die dynamischen Eigenschaften beim Beschleunigen und Abbremsen verbessert.

[0015] Ist eine elektrische Isolierung mittels des Wälzlagers angestrebt, wozu beispielsweise gemäß dem Stand der Technik die Wälzkörper oder die Laufringe oder alles zusammen aus Keramik ausgeführt sein kann, lässt sich bei der Verwendung eines Keramikkäfigs gegenüber einem Metallkäfig die Luft- und Kriechstrecke vergrößern. Mit Kohlenstoff verstärkte Kunststoffkäfige haben hingegen den Nachteil, dass sie keine so guten Isolierungseigenschaften aufweisen.

[0016] Auch bei Belastung weist die Keramik einen Elastizitätsmodul auf, der zumindest dem von Stahl entspricht, in der Regel jedoch sogar noch höher liegt.

[0017] Vorteilhafterweise ist das zahnärztliche Handinstrument mit einem Käfig ausgestattet, dessen keramische Beschichtung oder Käfigmaterial aus Siliziumnitrid (Si3N4) besteht. Si-lizumnitrid erweist sich hinsichtlich seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften für den Einsatz im zahnärztlichen Umfeld als besonders geeignet.

[0018] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die verwendete Keramik zumindest an der Oberfläche des Käfigs im Bereich der Führungsflächen porös, um Schmierstoff aufzunehmen. Dieser Schmierstoff wird im Betrieb abgegeben und beugt einer Mangelschmierung vor.

[0019] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Käfig zumindest im Bereich der Führungsflächen mit einer Beschichtung versehen, die härter als unerwünschte Fremdteile wie z.B. metallische Partikel oder Kohlepartikel des antreibenden Elektromotors ausgebildet ist, so dass eine Anlagerung der Partikeln an die Führungsfläche vermieden werden kann und es ist aufgrund der Härte der Keramik nicht zu einer Einlagerung in die Oberfläche kommt. Es kann sich hier also insgesamt um eine einlagige oder mehrlagige Beschichtung handeln. Die metallischen Partikel können beispielsweise durch Abrieb freigesetzt werden.

[0020] Die Verwendung von Käfigen, die keramische Komponenten beinhalten, hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Wärmeausdehnung der Keramik durch geschickte Wahl der Werkstoffzusammensetzung so beeinflusst werden kann, dass sich die Führungsspalte der Wälzlager und der Käfigführung bei Wärmeänderungen in gewünschter Weise verändern bzw. konstant bleiben, dass also insbesondere der Spalt nicht zu groß, aber auch nicht zu klein wird.

[0021] Vorteilhafterweise weist der Käfig weitere Bohrungen auf, die nicht zur Führung der Wälzkörper dienen. Derartige Bohrungen tragen zu einer Gewichtsreduktion und zu einer Verringerung der Massenträgheit bei. 2/9 österreichisches Patentamt AT 500 364 B1 2011-05-15 [0022] Vorteilhafterweise kann der Käfig mit einem oder mehreren nichtkeramischen Ringen verstärkt werden, um den Fliehkräften entgegen zu wirken. Dies ist insbesondere bei einem vollkeramischen Käfig von Vorteil. Die Ringe können an dem Außenumfang des Käfigs angeordnet sein. Die Verstärkungsringe sind in diesem Fall bevorzugt aus Metall gefertigt.

[0023] Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, wenn die Verstärkungsringe unter Vorspannung stehen, so dass sichergestellt ist, dass der Käfig stets einer Druckspannung ausgesetzt ist, auch bei hohen Drehzahlen.

[0024] Vorteilhafterweise ist das zahnärztliche Handinstrument mit einer Turbine angetrieben und das Wälzlager ist mit mindestens 200.000 U/min (3.333 1/s) betreibbar. Dadurch kann ein zahnärztliches Handinstrument mit einem keramische Bauelemente aufweisenden Lager an bestehenden Behandlungsplätzen eingesetzt werden, die Druckluft bereit stellen.

[0025] Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des zahnärztlichen Handinstruments besteht darin, dass das Handinstrument zum Antrieb einen elektrischen Motor aufweist und das Wälzlager im Bereich des Motors angeordnet ist und mit Umdrehungen bis zu 50.000 U/min (833 1/s) betreibbar ist. Dies ermöglicht den Betrieb eines zahnärztlichen Handinstruments, wenn ein turbinenbetriebenes Handinstrument nicht betrieben werden kann oder nicht erwünscht ist.

[0026] Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wälzlager zur Lagerung der Antriebswellen dient. Hier kommen seine Vorzüge gegenüber herkömmlichen Wälzlagern zum Tragen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0027] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt die: [0028] Fig. 1 ein Handinstrument in einer Ausführung als Turbine, die [0029] Fig. 2 ein zahnärztliches Handinstrument in Form eines Winkelstücks mit Elektromotor, die [0030] Fig. 3A ein Wälzlager der Turbine aus Fig. 1 mit einem Käfig mit eine Beschichtung aufweisenden Führungsflächen, die [0031] Fig. 3B ein Wälzlager der Turbine aus Fig. 1 im Schnitt AA aus Fig. 3a, die [0032] Fig. 4 einen Käfig mit Sollbruchstellen und mehreren Verstärkungsringen, die [0033] Fig. 5 einen Oberflächenausschnitt eines Käfigs mit einer porösen Oberfläche im

Bereich der Führungen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

[0034] Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes zahnärztliches Handinstrument 1, bei dem als Antrieb eine von Druckluft betriebene Turbine verwendet wird. Die Turbine befindet sich im Kopfteil 2 des Handinstruments 1, ist aber in der Zeichnung nicht dargestellt. Als Lager der Turbine kann ein keramische Bauelemente aufweisendes Wälzlager zum Einsatz kommen, wie es in den Fig. 3A, 3B gezeigt ist.

[0035] Die Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes zahnärztliches Handinstrument 3, dessen Antrieb als Elektromotor ausgeführt ist. Ein erfindungsgemäßes Wälzlager kann hier beispielsweise zur Lagerung einer Antriebswelle in einem Handinstrument oder der Motorwelle in einem Motor dienen.

[0036] Die Fig. 3A zeigt einen Schnitt durch ein keramische Bauelemente aufweisendes Wälzlager 4, bei dem als Wälzkörper Kugeln 5 verwendet werden, die in Kontakt mit dem Innenring 6 und dem Außenring 7 des Wälzlagers 4 stehen. Die Kugeln 5 werden von einem Käfig 8 geführt, der an der dem Innenring 6 zugewandten seitlichen Führungsfläche 8.1 und an der den Wälzkörpern 5 zugewandten radialen Führungsfläche 8.2 zumindest an der Oberfläche eine Beschichtung 9,10 aus Keramik oder Glaskeramik aufweist. Darüber hinaus kann die Beschichtung 9, 10 porös sein. Die Porosität gewährleistet eine Aufnahme von Schmierstoffen in das 3/9 österreichisches Patentamt AT 500 364 B1 2011-05-15

Material der Beschichtung, sodass die Schmierung des Lagers 4 auch dann sichergestellt bleibt, wenn von außen kein neuer Schmierstoff zugeführt wird. Das Wälzlager 4 dient zur Aufnahme einer Welle 11, an welcher der Innenring 6 befestigt ist.

[0037] Die Fig. 3B zeigt ein keramische Bauelemente aufweisendes Wälzlager 4 in einem Querschnitt entlang der Linie AA aus Fig. 3A. Zu erkennen ist die Führungsfläche 8.3 in Umfangsrichtung, welche ebenfalls eine Beschichtung 10 trägt. Der Käfig 8 kann auch vollständig aus Keramik oder Glaskeramik bestehen. Auch dann ist eine zusätzliche Beschichtung möglich, aber nicht zwingend erforderlich.

[0038] Die Fig. 4 zeigt einen Käfig 12, der zusätzlich zu den seitlichen Wälzkörperführungen 13 Sollbruchstellen 14 aufweist, die einerseits zu einer Verringerung des Trägheitsmoments des Lagers beitragen und andererseits oftmals im Sinne der Wartungsfreundlichkeit erwünscht sind. Außerdem sind Bohrungen 14' vorhanden, die zu einer weiteren Reduktion des Trägheitsmoments führen. Zusätzlich ist der Käfig 12 auf seinem Außenumfang mit Verstärkungsringen 15 verstärkt, die den Käfig 12 besser vor Fliehkräften und Stoßbelastungen, wie sie im zahnärztlichen Behandlungsalltag häufig Vorkommen, schützen, da die Verstärkungsringe 15 dem Käfig 12 eine höhere Festigkeit verleihen und damit eine höhere Drehzahl des Wälzlagers 4 ermöglichen. Die Verstärkungsringe 15 werden dazu bevorzugt unter Vorspannung montiert, was den Vorteil hat, dass der Käfig 12 auch bei hohen Drehzahlen stets einer Druckspannung ausgesetzt ist. Dies erhöht zusätzlich die Haltbarkeit des Wälzlagers 4. Der gegenüber dem Käfig 8 weitergebildete Käfig 12 ist an seinen Führungsflächen 12.1, 12.2, 12.3 ebenfalls mit einer porösen Schicht 9, 10 ausgestattet, um bezüglich der Schmierungseigenschaften dieselben Vorteile zu erzielen wie bei dem in den Fig. 3a und 3b dargestellten Käfig 8. Es ist möglich, das Wälzlager 4, das in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist, alternativ zum Käfig 8 mit dem weitergebildeten Käfig 12 auszurüsten. Umgekehrt kann auch der Käfig 8 aus den Fig. 3A, 3B mit einem oder mehreren Verstärkungsringen versehen sein.

[0039] Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Oberfläche des Käfigs 8 bzw. 12. Auf das Grundmaterial 16 des Käfigs 8, 12 ist eine poröse keramische Beschichtung 9 aufgebracht, die zumindest so tief reicht, dass eine Tränkung der Oberfläche dieser Beschichtung mit Schmiermittel möglich ist. Die poröse Beschichtung 9, 10 kann bei Käfigen, die aus einem keramischen oder nichtkeramischen Grundmaterial bestehen, durch bekannte Beschichtungsverfahren aufgebracht werden oder bei Käfigen, die aus einem keramischen oder glaskeramischen Grundmaterial bestehen, durch spezielle Bearbeitungsschritte beim Formungsprozess entstehen. Die Größe und Anzahl der Poren 17 ist so gewählt, dass einerseits das Schmiermittel in die poröse Schicht 9 eindringen kann, andererseits die Oberfläche des Käfigs 8 eine Härte aufweist, die hoch genug ist, um den Belastungen im Praxisbetrieb standzuhalten.

[0040] Die Reibwerte der Reibpartner des Wälzlagers 4 können durch metallischen Abrieb oder sonstige Verschmutzungen, z.B. Kohlenstaub, im Laufe der Zeit erhöht werden und das Lager kann durch unsachgemäße Benutzung Belastungen ausgesetzt sein, die zu räumlich konzentrierten Belastungsspitzen im Wälzlager 4 führen und Absprengungen von Materialien verursachen könnten. Die Führungsflächen, ob als keramische oder glaskeramische Beschichtung oder als Vollmaterial ausgeführt, sind daher so auszugestalten, dass diese Belastungen ohne Verkürzung der planmäßigen Lebensdauer überstanden werden.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 zahnärztliches Handinstrument mit Turbinenantrieb 2 Kopfteil 3 zahnärztliches Handinstrument mit Elektromotorenantrieb 4 Wälzlager 5 Wälzkörper, ausgebildet als Kugel 6 Innenring 7 Aussenring 8 Käfig 4/9

Claims

österreichisches Patentamt AT 500 364 B1 2011-05-15 8.1 seitliche Führungsflächen 8.2 radiale Führungsfläche 8.3 Führungsfläche in Umfangsrichtung 9 keramische Beschichtung (zum Innenring weisend) 10 keramische Beschichtung (zum Wälzkörper weisend) 11 Welle 12 Käfig 12.1 seitliche Führungsflächen 12.2 radiale Führungsfläche 12.3 Führungsfläche in Umfangsrichtung 13 Wälzkörperführung 14 Sollbruchstelle 14' Bohrung 15 Verstärkungsring 16 Grundmaterial des Käfigs 17 offener Bereich Patentansprüche 1. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) mit mindestens einem keramische Bauelemente aufweisenden Wälzlager (4), wobei das Wälzlager (4) mehrere Wälzkörper (5) aufweist, die mittels eines Käfigs (8, 12) geführt sind, wobei der Käfig (8,12) zumindest im Bereich von Führungsflächen (8.1-8.3, 12.1-12.3) aus Keramik oder Glaskeramik besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (8,12) Sollbruchstellen für eine zerstörende Demontage aufweist.
2. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik ein Siliziumnitrid (Si3N4) ist.
3. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik zumindest im Bereich der Führungsflächen (8.1-8.3,12.1-12.3) eine Porosität aufweist, die zur Aufnahme von Schmierstoff geeignet ist.
4. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (8.1-8.3, 12.1-12.3) des Käfigs (8, 12) eine Beschichtung (9, 10) aufweist, die härter ist als unerwünschte Fremdteile, insbesondere metallische Partikel oder Kohlepartikel eines antreibenden Elektromotors ist.
5. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnung des Käfigs (8, 12) der Wärmeausdehnung der Wälzkörper (5) entspricht und/oder der Laufringe (6, 7) entspricht.
6. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (8, 12) weitere Bohrungen aufweist, die zur Reduktion des Gewichts und der Massenträgheit dienen.
7. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (8, 12) durch einen oder mehrere nichtkeramische Ringe (15) verstärkt ist.
8. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (15) unter Vorspannung stehen.
9. Zahnärztliches Handinstrument (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zahnärztliche Handinstrument (1) eine Turbine aufweist, und das Wälzlager (4) mit mindestens 200.000 U/min (3.333 1/s) betreibbar ist. 5/9 österreichisches Patentamt AT 500 364 B1 2011-05-15
10. Zahnärztliches Handstück (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Handinstrument (3) einen elektrischen Motor aufweist und dass das Wälzlager (4) im Bereich des Motors angeordnet und mit Umdrehungen bis zu 50.000 U/min (833 1/s) betreibbar ist.
11. Zahnärztliches Handinstrument (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (4) zur Lagerung von Antriebswellen dient, welche insbesondere mit Umdrehungen bis zu 200.000 U/min (3.333 1/s) betreibbar sind. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 6/9