Zahnärztliches Handstück mit Druclduftturbinenmotor
Die Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handstück mit einem Druckluftturbinenmotor als Antrieb für einen in das Hand stück einspannbaren Bohrer und andere rotierende Werkzeuge, bei dem der Rotor des Motors in Druckluftlagem gelagert ist.
Bei einem solchen aus der deutschen Patentschrift 1 099 963 bekannten Hand stück ist die zylindrische Mantelfläche des Rotors, die der Lagerung dient, durch das Turbinenrad in zwei Teile unterteilt. Jedem dieser beiden Teile der zylindrischen Mantelfläche des Rotors ist eine von zwei hohlzylindrischen Lagerbuchsen zugeordnet, deren innerer Durchmesser etwa 0,01 bis 0,02 mm grösser gewählt ist als der äussere Durchmesser der Lagerteile des Rotors. Dadurch ergeben sich zwei axiale Lagerspalte. Jede der beiden Lagerbuchsen ist mit mindestens einem Kranz von radialgerichteten Düsen versehen, deren Durchmesser etwa 0,1 bis 0,2 mm beträgt. Diese Düsenkränze stehen mit einer Druckluftquelle in Verbindung, von der die beiden axialen Lagerspalte die zur Abstützung des Rotors in radialer Richtung erforderliche Druckluft erhalten.
Zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der beiden hohlzylindrischen Lagerbuchsen ist das Turbinenrad angeordnet. Jede der beiden Stirnflächen des Turbinenrades hat einen Abstand von etwa 0,1 bis 0,2 mm von der ihr zugewandten Stirnfläche der Lagerbuchse. Dadurch ist auf jeder der beiden Seiten des Turbinenrades ein radialer Lagerspalt geschaffen, der in den auf der gleichen Seite des Turbinenrades liegenden axialen Lagerspalt mündet. Von diesem axialen Lagerspalt aus erhält jeder der beiden radialen Lagerspalte die zur Abstützung des Rotors in axialer Richtung erforderliche Druckluft.
Bei derartigen zahnärztlichen Hand stücken haben sich Schwierigkeiten ergeben, die durch den beim Bohren entstehenden radialen und axialen Arbeitsdruck bedingt sind. Die beschriebenen Druckluftlager halten diesem Arbeitsdruck nicht mit Sicherheit stand. Dadurch kommt es leicht zum Anliegen des Rotors an den Lagerbuchsen.
Die Erfindung hat zum Ziel, die Tragkraft der Druckluftlager ohne nennenswerte Verstärkung des Druckes der Lagerluft und ohne Vergrössern der Abmessungen des Motors wesentlich zu erhöhen.
Die Erfinder haben bei der Verfolgung dieses Zieles zunächst festgestellt, dass bei den bekannten Handstükken infolge Herstellungstoleranzen der beiden Lagerbuchsen des Rotors diese beiden Lagerbuchsen normalerweise nicht fluchten. Die Folge davon ist, dass mindestens einer der beiden Lagerspalte den Rotor nicht mehr zentrisch, sondern exzentrisch umgibt. Dadurch geht ein Teil der Tragkraft der Lager verloren.
Auf diesen Beobachtungen der Erfinder fusst das erste Merkmal der Erfindung, das darin besteht, die Luftlagerung des Rotors mit einem einzigen axialen hohlzylinderförmigen Lagerspalt auszurüsten, der einerseits durch eine einzige zylindrische Mantelfläche des Rotors und andererseits durch die Innenfläche einer einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse begrenzt wird, und mit zwei radialen Lagerspalten, die einerseits durch Teile der Stirnflächen des Rotors und andererseits durch zu diesen Stirnflächen parallel liegende Flächenteile von Lagerteilen begrenzt werden. Die erwähnten Schwierigkeiten, die auf die bekannte Verwendung von zwei Lagerbuchsen für die Abstützung des Rotors in radialer Richtung zurückgehen, sind dadurch vermieden.
Die Erfinder haben weiter festgestellt, dass bei den eingangs erwähnten bekannten zahnärztlichen Handstükken mit eingebauter Druckluftturbine und mit einer Druckluftlagerung des Rotors in zwei axialen und zwei radialen Lagerspalten durch die Druckluftversorgung der beiden radialen Lagerspalte aus den axialen Lagerspalten auch die Druckluftlagerung des Rotors in axialer Richtung wenig stabil ist. Gerade in axialer Richtung tritt aber beim Bohren ein erheblicher Arbeitsdruck auf.
Es ist daher ein weiteres Merkmal der Erfindung, die einzige hohlzylindrische Lagerbuchse für den Rotor mit mindestens einem Kranz von radialgerichteten Düsen für den Zutritt der Druckluft zu dem einzigen axialen Lagerspalt zu versehen und die Lagerteile, die die beiden radialen Lagerspalte begrenzen, mit mehreren axialgerichteten Düsen für den Zutritt der Druckluft zu diesen radialen Lagerspalten auszurüsten. Die radialen Lagerspalte erhalten dadurch unabhängig von dem einzigen axialen Lagerspalt Druckluft, deren Tragkraft durch eine geeignete Bemessung der axialgerichteten Düsen hinreichend gross gemacht werden kann.
Ein besonders einfacher Aufbau des Gegenlagers für den Rotor lässt sich gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch erreichen, dass die beiden Stirnflächen der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse als die einen Begrenzungsflächen der beiden radialen Lagerspalte benutzt werden und dass die beiden anderen Begrenzungsflächen der beiden radialen Lagerspalte von Mantelflächen des Rotors gebildet werden, die zu den beiden Stirnflächen der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse parallel liegen. Die einen Begrenzungsflächen der beden radialen Lagerspalte und die innere Begrenzung des axialen Lagerspaltes sind dann Mantelflächen des Rotors und alle Gegenflächen sind Mantelflächen der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse. Dadurch lässt sich eine grosse Genauigkeit der Begrenzungsflächen für alle Lagerspalte erreichen.
Als Mantelflächen des Rotors, die der einen Begrenzung der beiden radialen Lagerspalte dienen, können die inneren Stirnflächen von zwei Turbinenrädern benutzt werden, von denen je eines auf jedes Ende des Rotors festsitzend aufgeschoben ist. Die zwischen den beiden Turbinenrädern liegende einzige zylindrische Mantelfläche des Rotors dient in diesem Fall als die innere Begrenzung des einzigen axialen Lagerspaltes.
Bei einer Abwandlung dieser Ausführungsform kann das zweite Turbinenrad durch einen dem Turbinenrad im Durchmesser entsprechenden ringförmigen Flansch des Rotors ersetzt werden.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung betrifft die einzige hohlzylindrische Lagerbuchse für den Fall, dass es erwünscht ist, mehrere Kränze von radialgerichteten Düsen in Längsrichtung der Lagerbuchse verteilt anzubringen. Dabei ist es zur Erzielung eines gleichstarken Luftdruckes an allen Düsenkränzen zweckmässig, innerhalb der hohlzylinderischen Lagerbuchse einen hohlzylindrischen Kanal für den Druckausgleich vorzusehen, in den einerseits die Kränze der radialgerichteten Düsen und andererseits ein Kranz von Druckluftzuführungen münden.
Eine Lagerbuchse mit einem solchen hohlzylindrischen Druckausgleichskanal wird am einfachsten dadurch erhalten, dass die Lagerbuchse fest zusammengefügt ist aus einem ersten hohlzylindrischen Körper, der an jedem Ende seiner zylindrischen Aussenfläche mit einer Ringnut für je einen Ring aus elastischem Stoff zur Abstützung dieses ersten hohlzylindrischen Körpers im Gehäuse des Handstücks versehen sein kann, und einem zweiten hohlzylindrischen Körper mit an seinen beiden Stirnseiten angebrachten ringförmigen Flanschen, deren Aussendurchmesser dem Innendurchmesser des ersten hohlzylindrischen Körpers angepasst ist, um mittels dieser Flansche mit festem Sitz in den ersten hohlzylindrischen Körper eingeschoben werden zu können.
Der zwischen den beiden Flanschen liegende Teil des zweiten hohlzylindrischen Körpers hat dann einem Abstand von der Innenfläche des ersten hohlzylindrischen Körpers, durch den der hohlzylindrische Druckausgleichskanal gebildet wird.
Der vorstehend beschriebene Druckausgleichskanal kann ferner in Längsnuten an der Innenfläche des ersten hohlzylindrischen Körpers der Lagerbuchse unterteilt sein, wobei die Anzahl der Längsnuten der Anzahl von Düsen entspricht, die in den Kränzen von radialgerichteten Düsen vorgesehen sind. An dem zweiten hohlzylindrischen Körper sind in diesem Fall keine Flansche erforderlich. Er besteht aus einer Buchse, deren Aussendurchmesser dem Innendurchmesser des ersten hohlzylindrischen Körpers an den nicht mit Längsnuten versehenen Stellen so angepasst ist, dass er festsitzend in den ersten hohlzylindrischen Körper eingeschoben werden kann.
Obwohl durch die Erfindung die Druckluftlagerung des Rotors wesentlich verbessert wird, kann bei einem sehr starken Arbeitsdruck auf das rotierende Werkzeug ein Schleifen des Rotors an der Innenfläche der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse eintreten. Um in diesem Fall die Reibungskräfte zwischen dem Rotor und der Lagerbuchse geringzuhalten, kann im Rahmen der Erfindung bei Verwendung eines Rotors aus Stahl die Lagerbuchse an ihrer Innenseite aus Kohle bestehen.
Weitere Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, die Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes darstellen.
In den Figuren sind veranschaulicht in Fig. 1 ein zahnärztliches Hand stück in Seitenansicht, bei dem der Kopfteil, in dem die Druckluftturbine eingebaut ist, winklig zur Längsachse des Handstücks angeordnet ist, in den Fig. 2 bis 5 in gegenüber der Fig. 1 vergrössertem Massstab je ein axialer Längsschnitt durch verschiedene Ausführungsformen des Kopfteils des Handstücks nach der Fig. 1, in den Fig. 6 und 7 ein axialer Längsschnitt und ein Querschnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6 mit einer besonderen Ausführungsform des äusseren hohlzylindrischen Körpers der Lagerbuchse.
Das zahnärztliche Handstück nach der Fig. 1 besteht aus dem Griffteil 2, dem davon abgewinkelten Stiel 3, dem zylindrischen Kopfteil 4 mit darin eingespanntem Bohrer 5 und dem in das rückwärtige Handstückende eingeführten Schlauch 6 zur Zuführung von Druckluft und Druckwasser.
Bei der Ausführung des Kopfteils 4 nach der Fig. 2 ist in das hohlzylindrische Gehäuse 7 der eigentliche Druckluftturbinenmotor eingeschoben. Er besteht aus dem Rotor mit der Rotorwelle 18 und den auf die beiden Wellenstümpfe 18a aufgeschobenen Turbinenrädern 21 sowie aus der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse 10.
Elastische Ringe 11 und 12, die in Ringnuten der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse 10 gehaltert sind, stützen diesen Druckluftturbinenmotor gegen die Innenwand des hohlzylindrischen Gehäuses 7 ab. Kappen 8 und 9 schliessen beide Stirnflächen des zylindrischen Gehäuses 7 ab. Sie können in das zylindrische Gehäuse 7 eingepresst, eingeklebt oder eingeschraubt sein. Der Rotor ist innerhalb der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse 10 in Druckluftlagern gelagert, die aus dem einzigen axialen Lagerspalt 17 und den beiden radialen Lagerspalten 20 bestehen. Dem axialen Lagerspalt 17 wird Druckluft über den Kanal 13 im zylindrischen Kopfteil 7, über einen Kranz von Bohrungen 14 und über drei Kränze von radialgerichteten Düsen 16 in der einzigen Lagerbuchse 10 zugeführt. Die beiden radialen Lagerspalte 20 erhalten ihre Druckluft über die axialgerichteten Düsen 19 in der Lagerbuchse 10.
Die Lagerbuchse 10 besteht aus einem äusseren hohlzylindrischen Körper, in den ein zweiter hohlzylindrischer Körper mit Flanschen an je dem seiner Enden, deren Aussendurchmesser dem Innendurchmesser des äusseren hohlzylindrischen Körpers angepasst ist, mit festem Sitz eingefügt ist. Zwischen den beiden Flanschen des inneren hohlzylindrischen Körpers und der Innenwandung des äusseren hohlzylindrischen Körpers ist dadurch ein ringförmiger Kanal 15 gebildet, der für eine gleichmässige Druckverteilung über die drei Kränze der radialgerichteten Düsen 16 sorgt. Die beiden Turbinenräder 21 sind an ihrem Umfang mit schräg verlaufenden Quernuten 22 versehen. Die inneren Stirnflächen der beiden Turbinenräder 21 sind durch kreisringförmige Scheiben 24 abgedeckt.
Die Zuführung der Treibluft zu den Turbinenrädern erfolgt über die Kanäle 23 im zylindrischen Gehäuse 7 und die Abführung der entspannten Treibluft und der zur Lagerung benutzten Druckluft über zentrale Öffnungen 25 und 26 in den Abschlusskappen 8 und 9. Alle drei Lagerspalte werden einerseits durch Flächen des Rotors 18, 21 und andererseits durch Flächen der einzigen hohlzylindrischen Lagerbuchse 10 begrenzt.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind diejenigen Teile, die den Teilen nach der Fig. 2 entsprechen, mit gleichen Hinweisziffern versehen. Zum Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 nur auf einer Seite der Rotorwelle 18 ein Turbinenrad 27 mit taschenähnlichen Schaufeln 29 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Rotorwelle ist anstelle des anderen Turbinenrades der ringscheibenförmige Flansch 28 aufgeschoben. Auch hierbei werden die drei Lagerspalte einerseits durch den Rotor 18, 27, 28 und andererseits durch die einzige hohlzylindrische Lagerbuchse 10 begrenzt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind diejenigen Bauteile, die denen nach der Fig. 2 entsprechen, ebenfalls mit gleichen Hinweisziffern versehen. Auch bei diesem Beispiel ist nur auf einer Seite der Rotorwelle 18 ein Turbinenrad 27 mit taschenförmigen Schaufeln 29 angeordnet. Der eine radiale Lagerspalt 20 wird in gleicher Weise wie die beiden radialen Lagerspalte beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 einerseits durch die eine Stirnfläche der hohlzylindrischen Lagerbuchse 10 und andererseits durch die innere Stirnfläche des Turbinenrades begrenzt. Der andere radiale Lagerspalt ist mit 31 bezeichnet und wird durch die äussere Stirnfläche des Turbinenrades und die innere Stirnfläche der Kappe 9a begrenzt. In dieser Kappe 9a ist der ringförmige Kanal 32 vorgesehen, in den die Druckluftzuleitung 13a in dem zylindrischen Gehäuse 7 mündet.
Von diesem Ringkanal 32 aus führt ein Kranz von axialgerichteten Düsen 30 in den Lagerspalt 31 hinein.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 geht der Stiel 3 in das topfförmige Gehäuse 33 über, das auf der linken Seite mit der zentralen öffnung 25 versehen und auf der rechten Seite durch die aufgeschraubte Kappe 34 abgeschlossen ist, in der die zentrale Öffnung 26 vorgesehen ist. Der Druckluftturbinenmotor ist aus dem Rotor 18, der nur an seinem linken Ende einen Wellenstumpf hat und in dessen äusserer zylindrischer Mantelfläche in der Längsmitte taschenartige Vertiefungen 35 als Schaufeln angebracht sind, sowie aus der hohlzylindrischen Lagerbuchse 10 mit einem äusseren Flanschteil 37 in ihrer Längsmitte und äusseren Flanschen 38 an ihren beiden Enden sowie aus den beiden stirnseitigen Lagerteilen 39 zusammengesetzt. Um den Schaufelkranz 35 herum ist die hohlzylindrische Lagerbuchse 10 innen mit der Ringnut 36 versehen.
Die hohlzylindrische Lagerbuchse 10 liegt mit ihren Flanschteilen 37, 38 unmittelbar der Innenwandung des topfförmigen Gehäuses 33 an und hat zwischen diesen Flanschteilen einen Abstand von der Innenwandung, wodurch zwei Ringkanäle 15 gebildet werden, in die einerseits je zwei Kränze von radialen Düsen 16 und andererseits die Druckluftzuführungen 13 münden. Über die Kanäle 41 und 42 in den Flanschteilen 38 bzw. in den stirnseitigen Lagerteilen 39 erhalten die beiden ringförmigen Kanäle 40, die auf der Aussenseite der stirnseitigen Lagerteile 39 liegen, Druck luft zugeführt, die von dort aus über die axialen Düsen
19 in die beiden radialen Lagerspalte 20 münden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind nur ein axialer Lagerspalt 17 und zwei radiale Lagerspalte 20 vorgesehen, wobei der axiale Lagerspalt 17 einerseits durch die zylindrische Mantelfläche des Rotors 18 und andererseits durch die einzige hohlzylindrische Lagerbuchse 10 begrenzt wird und die beiden radialen Lagerspalte einerseits durch Stirnflächen des Rotors 18 und andererseits durch die dazu parallel liegenden Gegenflächen der stirnseitigen Lagerteile 39 begrenzt werden. Mit 43 ist ein gestrichelt angedeuteter Kanal im Stiel 3 bezeichnet, durch den die entspannte Treibluft aus der Ringnut 36 entweichen kann.
Die Ausführung nach Fig. 6 und 7 ähnelt im allgemeinen Aufbau weitgehend der Ausführung nach Fig. 3 Der Hohlzylinder 7 des Winkelkopfes 4 ist hinten durch die Kappe 9 abgeschlossen, den vorderen Abschluss bildet eine entsprechende Abwinkelung des Zylinders. Die hohlzylindrische Lagerbuchse 10 wird durch elastische Ringe 11, 12, die in entsprechenden Abwinkelungen einer seits des Hohlzylinders 7 bzw. der Kappe 9 und andererseits der Lagerbuchse 10 liegen, radial und axial im Winkelkopf gehalten. Der Rotor besteht aus der Rotorwelle
18, dem auf das hintere Ende der Welle aufgesetzten Turbinenrad 27 und dem ringförmigen Flansch 28, der an dem verjüngten vorderen Ende der Welle befestigt ist. Unterschiedlich ist der Aufbau der Lagerbuchse.
Der hohlzylindrische Gegenkörper 1 0a zur Rotorwelle 18 mit den radialgerichteten Düsenkränzen - jeder Kranz hat beispielsweise acht über den ganzen Zylinderumfang gleichmässig verteilte Düsen 16 (Fig. 7) - besteht aus Kohle od. dgl., der äussere hohlzylindrische Körper 10b beispielsweise aus Messing. In der Innenwand des hohlzylindrischen Körpers 10b sind im Bereich jeder Düsenreihe - jede Reihe umfasst beispielsweise vier Düsen 16 (Fig. 6) - je eine Längsnut 10c eingeschnitten - also bei acht Düsenreihen acht Längsnuten (Fig. 7)-, die eine gleichmässige Verteilung der Druckluft über alle radialgerichteten Düsen 16 sicherstellen. Für die Zuführung der Druckluft zu den Längsnuten ist je eine radialgerichtete Bohrung 14 vorhanden.
Die beiden hohlzylindrischen Körper sind so aufeinander abgestimmt, dass der Aussendurchmesser des inneren Körpers 10a dem Innendurchmesser des äusseren Körpers 10b an den nicht mit Längsnuten 1 0c versehenen Stellen entspricht, der Kohle-Körper also in den Messing-Körper eingeklebt werden kann. Die beiden Stirnflächen der Lagerbuchse 10 bestehen ebenfalls aus Kohle und sind in Gestalt je einer ringförmigen Scheibe 10d auf die Stirnflächen des aus den Teilen 10a und 10b zusammengefügten Hohlzylinders aufgeklebt, nachdem vorher die axialgerichteten Düsen 19 gebohrt sind. Jeder Düsenkranz 19 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus nur vier Düsen, die auf jede zweite Längsnut 10c ausgerichtet sind (Fig. 7) u. von hier aus mit Druckluft versorgt werden.
Wie bei der Ausführung der Fig. 3 liegen zwischen den Rotorteilen 18, 27, 28 und der Lagerbuchse 10 der axial- gerichtete Lagerspalt 17 und die radialgerichteten Lagerspalte 20. Die Zuführung der Druckluft für die Lager erfolgt durch den Kanal 13, der Treibluft für das Turbinenrad durch den Kanal 23.