Zahnärztliches Handstück Die e Erfindung bezieht sich auf ein zahnärzt- liches Hand stück für Bohrer oder andere rotierende Werkzeuge, bei dem im abgewinkelten Kopfteil als Antrieb für das Werkzeug eine Druckluftturbine für 100000 und mehr Umdrehungen pro Minute eingebaut ist.
Bei derartigen Hand stücken ist bekanntlich die Turbine im Interesse möglichst geringer Reibung auf beiden Seiten in Kugellagern gelagert. Diese Kugellager haben jedoch bei ihren kleinen Abmessungen und der starken Beanspruchung durch die hohen Drehzahlen nur eine verhältnismässig geringe Lebensdauer. Sie verlangen beste Wartung in Gestalt einer Kühlung und Ölschmierung. Zu diesem Zweck hat man die staub- und wasserfrei gemachte Treibluft mit einem Ölnebel versetzt und zumindest teil weise durch die Kugellager abgeführt. Man muss dabei in Kauf nehmen, dass mit der in Richtung zum Bohrer abströmenden Luft, die gleichzeitig zum Kühlen des Bohrers und der Behandlungsstelle dient, auch Ölreste auf die Behandlungsstelle treffen. Das setzt voraus, dass nur bestes, für den Atmungsweg indifferentes Öl Verwendung findet.
Zu diesen aufwendigen Massnahmen für eine möglichste Schonung und Erhaltung der Kugellager kommt als weiterer Nachteil der Kugellager hinzu, dass durch die Drehfrequenz ein Pfeifton angeregt wird, der von manchen Patienten als sehr störend empfunden wird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch eine Luftlagerung für die Turbine die genannten Mängel vermieden werden können.
Bei motorischen Antrieben anderer Art als bei einem Druckluftturbinenantrieb sind Gleitlager bekannt, deren axialen Lagerspalten über radiale Spalten Druckluft zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung besteht einerseits in der Anwendung derartiger Druckluftgleitlager für die radiale Lagerung der Welle des Turbinenrades zu beiden Seiten des Rades. Anderseits besteht die Erfindung darin, dass zur Aufnahme des axialen Bohrdruckes an die beiden Stirnflächen des Turbinenrades radiale Lagerspalte angrenzen, in die die axialen, mit Druckluft gefüllten Lagerspalte übergehen. Dadurch ist erreicht, dass auf jede der Stirnflächen des Turbinenrades in axialer Richtung ein Druck ausgeübt wird. Die beiden einander entgegenwirkenden Axialdrucke halten das Turbinenrad sowohl im Leerlauf als auch bei auftretendem Bohrdruck in seiner Mittelstellung im Turbinenraum fest.
Dadurch, dass beim Gegenstand der Erfindung sowohl die radiale als auch die axiale Lagerung ausschliesslich mittels Druckluft erfolgt, läuft die Turbine nahezu reibungslos. Die Lager haben daher eine lange Lebensdauer. Ausserdem entfällt die Notwendigkeit einer Ölschmierung. Auch der durch umlaufende Kugeln erzeugte Pfeifton ist vermieden.
Zweckmässig wird die Antriebsluft für die Turbine auch zur axialen Lagerung benützt. Das ist dadurch erreicht, dass das Turbinenrad zwei zu seiner Mittelebene symmetrisch angeordnete Schaufelreihen aufweist und die Form der Schaufeln und die Richtung der Zuführung der Antriebsluft derart gewählt sind, dass auf das Rad sowohl ein Drehmoment als auch ein von beiden Seiten gegen seine Mittelebene gerichteter Axialdruck ausgeübt wird.
Diese zusätzliche axiale Druckluftlagerung bewirkt eine Aufnahme auch grösserer axialer Bohrdrucke, wie sie bei zahnärztlichen Laborarbeiten gelegentlich auftreten können.
Mit Vorteil wird wenigstens ein Teil der in den Lagerspalten befindlichen Druckluft zugleich als An triebsluft für die Turbine verwendet, indem die beiden Wellenstümpfe der Turbine mit gewindeähnlichen Drehrillen zum Abströmen der Lagerluft nach den Schaufeln hin versehen sind und der Schaufelgrund mit einer kleinen Ausnehmung in die Welle hinein vertieft ist.
Einzelheiten eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein zahnärztliches Winkelhandstück in Seitenansicht,
Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch den Winkelkopf in vergrössertem Massstab,
Fig. 3 den gleichen Schnitt in weiterer Vergrö sserung, jedoch abgebrochen und mit der Turbine in Ansicht,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Winkelkopf nach Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 eine Seitenansicht der Turbine mit t ihren Lagerteilen nach Entfernen der äusseren Hülle des Winkelkopfes.
Das zahnärztliche Bohrhandstück 1 besteht aus dem Griffteil 2, dem abgewinkelten Stiel 3 mit dem Winkelkopf 4 und dem Bohrer 5, dem die Druckwasser- und Druckluftleitungen enthaltenden Schlauchstück 6. In dem zylindrischen Gehäuse des Winkelkopfes befindet sich die Antriebsturbine für das Werkzeug mit dem Turbinenrad 8 und der Turbinenwelle 9, in deren Längsbohrung die Spannhülse 10 als Werkzeughalterung eingesetzt ist. Das zylindrische Gehäuse 7 ist vorn und hinten durch Schraubendeckel 11, 12 abgeschlossen.
Druckluft wird dem Winkelkopf 4 durch die Leitung 13 zugeführt, die sich kurz vor dem Eintritt in den Winkelkopf für die Luftlagerung der Turbine in zwei Leitungen 14, 15 aufteilt. Der wesentliche Teil der entspannten Arbeitsluft wird durch die Leitung 16 abgeführt. Für die Druckwasserzufuhr zum Bohrer und zur Behandlungsstelle ist eine Leitung 17 vorgesehen, die in einer Ausströmdüse 18 endet.
Die in den Winkelkopf eingebauten Lagerungsteile für die Turbine setzen sich, im wesentlichen aus fertigungstechnischen Gründen, aus mehreren Teilen zusammen. In das Gehäuse 7 ist ein Ring 19 mit genau planparallelen Stirnflächen eingepresst. Gegen diese Stirnflächen sind die beiden Düsenringe 20, 21 saugend in das Gehäuse 7 eingeführt. In den Düsen rin gen sitzen auch wieder saugend bis stramm die Verteilerringe 22, 23, gegen die die ebenfalls saugend eingesetzten Verschlussringe 24, 25 drükken. Die beiden Schraubdeckel 11, 12 sichern axial die Verschlussringe, Verteilerringe und Düsenringe.
Für die radiale Luftlagerung der Turbine befindet sich zwischen den Lagerungsteilen und den Wel- lenstümpfen 26, 27 je ein ringförmiger Lagerspalt 28, 29. Diesen axialen Spalten wird die Druckluft von den Leitungen 14, 15 aus radial zugeführt. Zu diesem Zwecke sind die Düsenringe 20, 21 - bei völlig gleichförmiger Ausbildung beider Lagerseiten sei im folgenden nur noch die eine Seite an n Hand der Fig. 3 beschrieben - mit einer Ringnut 30 versehen, in deren Bodenfläche, über den ganzen Umfang gleichmässig verteilt, acht radiale Bohrungen 31 angebracht sind, die sich im Verteilerring 22 fortsetzen. Auch in den Verteilerring ist eine Ringnut 32 eingeschnitten, so dass bei der radialen Druckluftzufuhr zum axialen Lagerspalt immer wieder für eine gleichmässige Verteilung der Druckluft über den ganzen Ringumfang gesorgt ist.
Aus der Bohrung 31 verteilt sich dann die Druckluft in axialer Richtung nach beiden Seiten durch weitere Bohrungen 33, die unter völlig gleichmässiger Druckverteilung in Ringnuten 34 enden. Diese Ringnuten sind in unmittelbarer Ringverbindung mit den ringförmigen, schmalen, senkrecht zum Wellenstumpf 26 und zum axialen Lagerspalt 28 stehenden Luftzufuhrspalten 35, von denen aus die Druckluft in den Ringlagerspalt 28 gelangt. Um einen guten Trageffekt zu erhalten, müssen natürlich die Abmessungen der Lagerspalte und der Zufuhrspalte aufeinander abgestimmt sein. Zweckmässigerweise wird der Querschnitt der Zufuhrspaite kleiner gehalten als der der Lagerspalte, etwa im Verhältnis 2 : 3.
Um auch die axiale Luftlagerung der Turbine sicherzustellen, sind zwischen den beidseitig am Turbinenrad 8 befindlichen Ringflanschen 43 und den Düsenringen 20, 21 radialstehende Ringspalte 42 vorgesehen. Diese radialen Lagerspalte 42 sind so schmal als möglich gehalten und stehen mit den axialen Lagerspalten 28, 29 in unmittelbarer Verbindung. Die Turbine liegt also radial und axial in Druckluft. Beim Auftreten axialer äusserer Kräfte wird durch Erhöhung des Gegendruckes das zum Ausweichen neigende Turbinenrad in der Mittellage gehalten.
Das Turbinenrad 8 ist aus einem zylindrischen Werkstück herausgearbeitet, indem zwei symmetrisch nebeneinanderliegende Schaufel ! reihen ausgefräst sind.
Die beiden Reihen sind durch eine beim Ausfräsen der einzelnen Schaufeln 37 längs des Radumfanges stehengebliebene Mittelrippe 36 voneinander getrennt. Die Schaufeln jeder Reihe sind gegenüber der Mittelebene des Turbinenrades in einem von 90o verschiedenen Winkel q (Fig. 3 und 5) geneigt, wobei jeweils der Winkel a in beiden Reihen der gleiche ist. Sie können aus zur zugehörigen Stirnfläche des Rades hin offenen Ausnehmungen bestehen, deren Querschnitt vom Schaufeigrund zum Radumfang hin zunimmt. Vorteilhafterweise haben die Schaufeln etwa die Form eines Hohlkegelstumpfes mit völlig tischem Querschnitt, wobei ein Teil des Stumpfes durch die Stirnflächen des Rades abgeschnitten ist und die kleinere Deckfläche des Stumpfes den Schaufelgrund 38 bildet.
Die Hauptachse der Ellipse ist zur Turbinenachse im spitzen Winkel geneigt, so dass die Längsachsen benachbarter Schaufeln der beiden Schaufelreihen im stumpfen Winkel zueinander stehen (Fig. 5).
Die Zuführung der Antriebsluft zu den Schau f. ln erfolgt tangential, wobei die Stromrichtung in einem von 909 verschiedenen Winkel zur Mittel cbene 36 des Turbinenrades geneigt ist. Gemäss dem Ausführungsbeispiel wird die Antriebsluft in der Ringnut 30 der beiden Düsenringe 20, 21 abgezweigt. Jede der beiden Ringnuten ist durch vier düsenartige Bohrungen 39 mit dem Turbinenraum derart verbunden, dass die durch sie hindurchströmende Druckluft schrägtangential in die Schaufeln 37 zum Schaufelgrund 38 hin einfällt. Ausbildung und Anordnung der Düsen 39 und der Schaufeln 37 sind so aufeinander abgestimmt, dass auch die von beiden Seiten einfallende Antriebsluft zum Festhalten des Turbinenrades in der Mittellage beiträgt.
Auch der beidseitig der äusseren Teile des Turbinenrades vorhandene Spalt 44 zu den Düsenringen 20, 21 hin wird sehr eng gehalten, und es trifft die aus den Düsen 39 ausströmende Druckluft bei einer etwaigen axialen Verschiebung des Turbinenrades mit grösserem Druck auf die Stellen der gegenseitigen Stirnfläche des Rades auf, die keine Schaufelausfräsungen aufweisen. Es kann eine gerade Zahl von Schaufeln und Düsen gewählt werden, wobei die Schaufelzahl zugleich ein Vielfaches der Düsenzahl betragen kann. Axiale Schwingungen werden dadurch vermieden, dass die Beaufschlagung der Schaufeln von beiden Seiten im gleichen Rhythmus erfolgt und sich die durch äussere Kräfte verursachten axialen Verschiebungen sofort ausgleichen.
Die im Turbinenraum entspannte Luft tritt durch die Rückführungsleitung 16 über das Handstück 1 und den anschliessenden Schlauch 6 frei aus.
Auch die in die axialen Lagerspalte 28, 29 hineingedrückte Pressluft trägt zum Antrieb der Turbine bei. Es befinden sich auf den Wellenstümpfen 26, 27 der Turbine gewindeähnliche Drehrillen 40 der Art, dass die Lagerluft beim Drehen der Turbine nach den Schaufeln zu abströmen kann. Die Ausfräsung des Schaufelgrundes 38 läuft bei 41 zur Welle hin aus, so dass dort eine kleine Ausnehmung für ein Sichausdehnen der Lagerluft entsteht.
Von dort aus strömt die Luft gegen die schräggestellten Schaufeln 37 und trägt so zum Antrieb der Turbine bei.
Der vordere axiale Lagerspalt 28 ist ausserdem mit dem Ringspalt 45 in der vorderen Abdeckung 11 des Winkelkopfes verbunden, so dass ein Teil der radialen Lagerluft zum Bohrer hin ausströmt. Damit gleiche Druckverhältnisse zu beiden Seiten des Turbinenrades herrschen, muss die gleiche Luftmenge auch an dem rückseitigen Ende des Winkelkopfes irgendwie austreten können. Es kann beispielsweise eine Bohrung 46 (Fig. 2) vorgesehen sein, die den gleichen Querschnitt wie der Ringspalt 45 hat. Diese Bohrung ermöglicht ausserdem ein Ausstossen des Bohrers aus dem Turbinenkopf von der Rückseite aus.
Beim Einwirken äusserer Kräfte kann ein Anlaufen der Turbine gegen die Lagerflächen vorkommen. Die möglichen Berührungsflächen müssen daher gute Gleitl aufeigenschaften haben. Abgesehen von einer äusserst glatten Oberfläche müssen die Werkstoffe für die Turbinenwelle und die Anlaufflächen so gewählt sein, dass sie gut aneinander gleiten. Es empfiehlt sich, z. B. den einen Teil aus Teflon mit Molykote oder einem ähnlichen Kunststoff und den anderen Teil aus nichtrostendem Stahl oder Messing zu fertigen. Vorteilhafterweise wird man eine Turbine mit grosser Masse wählen und die Anlauf- flächen mit einem Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften auskleiden.
Dental handpiece The invention relates to a dental handpiece for drills or other rotating tools, in which a compressed air turbine for 100,000 and more revolutions per minute is installed in the angled head part as a drive for the tool.
In such hand pieces, the turbine is known to be mounted in ball bearings on both sides in the interest of the lowest possible friction. However, given their small dimensions and the high stress caused by the high speeds, these ball bearings only have a relatively short service life. They require the best maintenance in the form of cooling and oil lubrication. For this purpose, the propellant air, which has been made free of dust and water, has been mixed with an oil mist and at least partially discharged through the ball bearings. One has to accept that with the air flowing out in the direction of the drill, which simultaneously serves to cool the drill and the treatment site, oil residues also hit the treatment site. This assumes that only the best oil that is indifferent to the respiratory tract is used.
In addition to these complex measures for the greatest possible protection and preservation of the ball bearings, there is a further disadvantage of the ball bearings that the rotational frequency stimulates a whistling sound that is perceived as very annoying by some patients.
The invention is based on the knowledge that the mentioned deficiencies can be avoided by air bearings for the turbine.
In the case of motor drives of a different type than in the case of a compressed air turbine drive, plain bearings are known whose axial bearing gaps are supplied with compressed air via radial gaps.
The present invention consists on the one hand in the use of such compressed air plain bearings for the radial bearing of the shaft of the turbine wheel on both sides of the wheel. On the other hand, the invention consists in that in order to absorb the axial drilling pressure, radial bearing gaps adjoin the two end faces of the turbine wheel, into which the axial bearing gaps filled with compressed air merge. This ensures that a pressure is exerted on each of the end faces of the turbine wheel in the axial direction. The two opposing axial pressures hold the turbine wheel in its central position in the turbine space, both when idling and when drilling pressure occurs.
Because both the radial and the axial bearings are carried out exclusively by means of compressed air in the subject matter of the invention, the turbine runs almost smoothly. The bearings therefore have a long service life. In addition, there is no need for oil lubrication. The whistling sound generated by rotating balls is also avoided.
The drive air for the turbine is also expediently used for axial bearing. This is achieved in that the turbine wheel has two rows of blades arranged symmetrically to its center plane and the shape of the blades and the direction of the supply of the drive air are selected such that both a torque and an axial pressure directed from both sides against its center plane are applied to the wheel is exercised.
This additional axial compressed air storage also causes the absorption of larger axial drilling pressures, as can occasionally occur in dental laboratory work.
Advantageously, at least part of the compressed air in the bearing gaps is also used as drive air for the turbine by providing the two stub shafts of the turbine with thread-like rotary grooves to allow the bearing air to flow out towards the blades and the blade base with a small recess in the shaft is absorbed in it.
Details of an embodiment of the invention shown schematically in the drawing are explained in more detail below. Show it:
1 shows a dental handpiece in a side view,
2 shows an axial longitudinal section through the angle head on an enlarged scale,
3 shows the same section in a further enlargement, but broken off and with the turbine in view,
4 shows a cross section through the angle head along line IV-IV in FIG. 3, FIG. 5 shows a side view of the turbine with its bearing parts after the outer casing of the angle head has been removed.
The dental drill handpiece 1 consists of the handle part 2, the angled handle 3 with the angle head 4 and the drill 5, the hose section 6 containing the pressurized water and compressed air lines. The drive turbine for the tool with the turbine wheel 8 is located in the cylindrical housing of the angle head and the turbine shaft 9, in whose longitudinal bore the clamping sleeve 10 is used as a tool holder. The cylindrical housing 7 is closed at the front and rear by screw covers 11, 12.
Compressed air is supplied to the angle head 4 through the line 13, which is divided into two lines 14, 15 shortly before entering the angle head for the air bearing of the turbine. The major part of the relaxed working air is discharged through line 16. A line 17, which ends in an outflow nozzle 18, is provided for the pressurized water supply to the drill and to the treatment site.
The bearing parts for the turbine built into the angle head are composed of several parts, essentially for manufacturing reasons. A ring 19 with precisely plane-parallel end faces is pressed into the housing 7. The two nozzle rings 20, 21 are introduced into the housing 7 by suction against these end faces. The distributor rings 22, 23, against which the locking rings 24, 25, which are also used for suction, are seated in the nozzle rings, sucking up to tight. The two screw caps 11, 12 axially secure the locking rings, distributor rings and nozzle rings.
For the radial air bearing of the turbine, an annular bearing gap 28, 29 is located between the bearing parts and the stub shafts 26, 27. The compressed air is supplied radially to these axial gaps from the lines 14, 15. For this purpose, the nozzle rings 20, 21 are provided with an annular groove 30, in the bottom surface of which is evenly distributed over the entire circumference, with a completely uniform design of both bearing sides, only one side will be described below with reference to FIG. eight radial bores 31 are provided, which continue in the distributor ring 22. An annular groove 32 is also cut into the distributor ring, so that with the radial supply of compressed air to the axial bearing gap, an even distribution of the compressed air over the entire circumference of the ring is ensured again and again.
The compressed air is then distributed from the bore 31 in the axial direction to both sides through further bores 33, which end in annular grooves 34 with a completely uniform pressure distribution. These annular grooves are in direct ring connection with the annular, narrow air supply gaps 35 which are perpendicular to the shaft stub 26 and to the axial bearing gap 28, from which the compressed air reaches the ring bearing gap 28. In order to obtain a good carrying effect, the dimensions of the bearing gap and the feed gap must of course be coordinated with one another. The cross section of the feed sheet is expediently kept smaller than that of the bearing gap, for example in a ratio of 2: 3.
In order to also ensure the axial air bearing of the turbine, between the annular flanges 43 located on both sides of the turbine wheel 8 and the nozzle rings 20, 21 radially extending annular gaps 42 are provided. These radial bearing gaps 42 are kept as narrow as possible and are in direct connection with the axial bearing gaps 28, 29. The turbine lies radially and axially in compressed air. When external axial forces occur, the turbine wheel, which tends to give way, is kept in the central position by increasing the counter pressure.
The turbine wheel 8 is carved out of a cylindrical workpiece by two symmetrically adjacent blades! rows are milled out.
The two rows are separated from one another by a central rib 36 that remains along the wheel circumference when the individual blades 37 are milled out. The blades of each row are inclined with respect to the center plane of the turbine wheel at an angle q different from 90o (FIGS. 3 and 5), the angle a being the same in both rows. They can consist of recesses which are open towards the associated end face of the wheel and whose cross section increases from the base of the blade to the circumference of the wheel. Advantageously, the blades are approximately in the form of a hollow truncated cone with a completely table cross-section, part of the stump being cut off by the end faces of the wheel and the smaller top surface of the stump forming the blade base 38.
The main axis of the ellipse is inclined at an acute angle to the turbine axis, so that the longitudinal axes of adjacent blades of the two rows of blades are at an obtuse angle to one another (FIG. 5).
The supply of drive air to the show f. In takes place tangentially, the direction of flow being inclined at an angle different from 909 to the central plane 36 of the turbine wheel. According to the exemplary embodiment, the drive air is branched off in the annular groove 30 of the two nozzle rings 20, 21. Each of the two annular grooves is connected to the turbine chamber by four nozzle-like bores 39 in such a way that the compressed air flowing through them falls obliquely tangential into the blades 37 towards the blade base 38. The design and arrangement of the nozzles 39 and the blades 37 are coordinated with one another in such a way that the drive air incident from both sides also contributes to holding the turbine wheel in the central position.
The gap 44 on both sides of the outer parts of the turbine wheel towards the nozzle rings 20, 21 is also kept very narrow, and the compressed air flowing out of the nozzles 39 hits the points on the opposite end face of the turbine wheel with greater pressure if there is any axial displacement of the turbine wheel Wheel that do not have any blade cutouts. An even number of blades and nozzles can be selected, and the number of blades can also be a multiple of the number of nozzles. Axial vibrations are avoided by the fact that the blades are acted upon in the same rhythm from both sides and the axial displacements caused by external forces are immediately balanced out.
The air relaxed in the turbine chamber emerges freely through the return line 16 via the handpiece 1 and the adjoining hose 6.
The compressed air pressed into the axial bearing gaps 28, 29 also contributes to the drive of the turbine. There are thread-like rotary grooves 40 on the stub shafts 26, 27 of the turbine, such that the bearing air can flow off towards the blades when the turbine is rotating. The milling of the blade base 38 runs out at 41 towards the shaft, so that there is a small recess for the bearing clearance to expand.
From there, the air flows against the inclined blades 37 and thus contributes to the drive of the turbine.
The front axial bearing gap 28 is also connected to the annular gap 45 in the front cover 11 of the angle head, so that part of the radial bearing clearance flows out towards the drill. So that the pressure conditions are the same on both sides of the turbine wheel, the same amount of air must somehow escape from the rear end of the angle head. For example, a bore 46 (FIG. 2) can be provided which has the same cross section as the annular gap 45. This bore also enables the drill to be ejected from the turbine head from the rear.
When external forces act, the turbine can run against the bearing surfaces. The possible contact surfaces must therefore have good sliding properties. Apart from an extremely smooth surface, the materials for the turbine shaft and the contact surfaces must be selected so that they slide smoothly against one another. It is recommended, for. B. to manufacture one part from Teflon with Molykote or a similar plastic and the other part from stainless steel or brass. It is advantageous to choose a turbine with a large mass and to line the contact surfaces with a material with good sliding properties.