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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handstück mit einem
elektrischen Antrieb und einer Werkzeugaufnahme für ein rotierendes
Werkzeug.
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Stand der Technik
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Zahnärztliche
Handstücke
mit elektrischen Antrieben sind im Stand der Technik vielfältig bekannt.
Aus der
DE 32 37 197
A1 beispielsweise ist ein Handstück mit einem integrierten Motor
bekannt, der zum Antrieb von rotierenden Werkzeugen dient.
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Üblicherweise
arbeiten elektrische Motoren in zahnärztlichen Handstücken mit
hohen Drehzahlen von etwa 40.000 Umdrehungen pro Minute, weswegen
es in den meisten Fällen
erforderlich ist, die Drehzahl mittels Getrieben auf die für die entsprechende
Anwendung erforderliche Drehzahl zu reduzieren. Die dafür notwendigen
kompakten Getriebe sind aufwendig zu konstruieren und herzustellen
und verteuern damit den Gerätepreis.
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Darüber hinaus
haben Elektromotoren ein vergleichsweise geringes Drehmoment. Ein
hohes Drehmoment ist jedoch in einigen dentalen Anwendungen, zum
Beispiel beim Bohren von Zahnhartsubstanz, erwünscht. Bisher wurde dies durch
den Einsatz von relativ groß dimensionierten
Motoren gelöst, die
das Handstück
vergrößern und
schwerer machen.
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Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung, ein zahnärztliches Handstück anzugeben,
bei dem auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden kann und
dessen Motor bei kompakten Abmessungen ein hohes Drehmoment bereitstellen
kann.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein zahnärztliches
Handstück
gemäß dem Anspruch
1.
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Erfindungsgemäß wird ein
zahnärztliches Handstück angegeben,
das einen elektrischen Antrieb und eine Werkzeugaufnahme für ein rotierendes Werkzeug
umfasst, wobei der elektrische Antrieb als Ultraschallmotor ausgebildet
ist. Der Ultraschallmotor ermöglicht,
die für
die jeweilige Anwendung erforderliche Drehzahl an dem rotierenden
Instrument direkt bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil eines Ultraschallmotors
ist, dass er verglichen mit Elektromotoren ein hohes Drehmoment
bereitstellen kann. Darüber
hinaus sind Ultraschallmotoren äußerst wartungsarm.
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Der
umfasst Ultraschallmotor umfasst piezoelektrische Schwingelemente
und eine mit den Schwingelementen verbundene elastisch biegbare Spitze.
Die Spitze ist aufgrund ihrer Gestalt durch die Schwingelemente
zu longitudinalen und transversalen Schwingungen anregbar, wodurch
das Ende der Spitze auf eine lineare, kreisförmige oder elliptische Bahn
zwingbar ist. Dieser Aufbau ermöglicht
die Umwandlung von aus dem Schwingelement stammenden longitudinalen
Bewegungen in kreisförmige
oder elliptische Bewegungen, wie dies bei rotierend angetriebenen
Werkzeugen gewünscht
ist.
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Dazu
berührt
ein Ende der Spitze des Ultraschallmotors die Antriebswelle oder
eine auf der Antriebswelle sitzende Antriebsscheibe, wobei die Spitze
so gestaltet ist, dass Kraft von der Spitze reibschlüssig oder
formschlüssig
auf die Antriebswelle oder die Antriebsscheibe übertragbar ist. Auch andere
Kraftschlüsse
sind denkbar. Eine Antriebsscheibe ist sinnvoll bei Anwendungen,
bei denen ein besonders hohes Drehmoment erforderlich ist, da der
Abstand zum Drehzentrum der Antriebswelle mit einer Antriebscheibe
gegen über
einer Antriebswelle gesteigert werden kann, was das übertragene
Drehmoment bei konstanter Kraft linear mit dem Abstand erhöht.
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Vorteilhafterweise
ist die Spitze so gestaltet, dass sie sich an die Antriebswelle
oder die Antriebsscheibe anschmiegt. Diese Art der Ankopplung hat sich
als besonders zuverlässig
erwiesen.
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Vorteilhafterweise
sind piezoelektrische Schwingelemente vorgesehen, die Schwingungen des
Schwingelements in axialer Richtung erzeugen können.
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Die
Art des Antriebs mittels Ultraschallmotor erlaubt es in Verbindung
mit einer gebogenen Spitze ohne weiteres, rotatorische sowie translatorische
Bewegungen der Antriebswelle zu überlagern.
Mit den translatorischen Schwingungen ist es beispielsweise möglich, die
Abtragsleistung eines Bohrers zu erhöhen, etwa nach Art des Schlagbohrens.
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Eine
federnde axiale Lagerung ist für
ein gleichmäßiges Drehmoment
und für
eine gleichmäßige Drehzahl
vorteilhaft.
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Vorteilhafterweise
ist die Antriebswelle mit der Werkzeugaufnahme verbunden.
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Wenn
die Antriebsscheibe bzw. die vollständige Antriebswelle mit der
Antriebsscheibe mit Vorteil auswechselbar gestaltet ist, kann sie
bei Verschleiß ausgetauscht
werden.
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Vorteilhafterweise
ist die Werkzeugaufnahme einstückig
mit der Antriebswelle ausgebildet. Dies spart Herstellungskosten
und verringert das Ausfallrisiko.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine Rotationsachse der Antriebswelle und
eine Rotationsachse der Werkzeugaufnahme koaxial sind. Dies verringert
den erforderlichen Bauraum.
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Vorteilhafterweise
ist der Ultraschallmotor in einem Hals- und Kopfbereich des zahnärztlichen Handstücks angeordnet.
Dies verbessert die Balance des zahnärztlichen Handstücks und
macht das zahnärztliche
Handstück
ergonomischer in der Bedienung.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Anhand
der Figuren wird die Erfindung eingehend erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus des Kopfbereichs eines erfindungsgemäßen zahnärztlichen
Handstücks,
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2A–C die Funktionsweise
des Ultraschallmotors in einer ersten Antriebsweise in verschiedenen
Phasen, die
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3A–E die Funktionsweise
des Ultraschallmotors in einer zweiten Antriebsweise in verschiedenen
Phasen, die
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4 eine
Spitze für
einen Antrieb gemäß 2.
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5 eine
Spitze für
einen Antrieb gemäß 3.
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6 eine
Spitze für
einen Antrieb in rein linearer Richtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen zahnärztlichen Handstücks 1.
Der dargestellte Ausschnitt zeigt den Hals- und Kopfbereich 2 des
zahnärztlichen
Randstücks 1.
In einem Kopf 3 des zahnärztlichen Handstücks 1 befindet
sich eine Antriebswelle 4, die Teil des erfindungsgemäßen Ultraschallantriebes
ist.
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Der
Ultraschallantrieb umfasst weiterhin ein mittels eines Kabels 5 mit
Strom versorgtes und gesteuertes piezoelektri sches Aktuatorelement 6 sowie eine
elastisch biegbare Spitze 7, die als Biegeschwinger ausgebildet
ist. Derartige Biegeschwinger sind aus den Ultraschallhandstücken bekannt.
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Die
Spitze 7 ist an dem Aktuatorelement 6 lösbar befestigt,
damit sie bei Verschleiß ausgetauscht
werden kann.
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Das
Aktuatorelement 6 ist auf der der Spitze 7 abgewandten
Seite federnd mittels Federn 8 am Gehäuse des zahnärztlichen
Handstücks 1 abgestützt. Die
federnde Abstützung
mittels der Federn 8 dient der Entkopplung der Schwingbewegungen
des Aktuatorelements 6 entlang der Achse 7.1 und
der Entkopplung der Spitze 7 vom Gehäuse, damit das Handstück vibrationsarm
betrieben werden kann.
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Die
Antriebswelle 4 ist mittels der Lager 9 im Kopf 3 des
zahnärztlichen
Handstücks 1 um
eine Achse 4.1 drehbar gelagert. Am unteren Ende der Antriebswelle 4 befindet
sich eine Werkzeugaufnahme 10 zur Aufnahme eines Werkzeuges 11.
Das Werkzeug 11 weist dabei in der Regel dieselbe Rotationsachse 11.1 wie
die Antriebswelle 4 auf.
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Weiterhin
ist an der Antriebswelle 4 eine Antriebsscheibe 12 angebracht,
an der das freie Ende der Spitze 7 zur Anlage kommt.
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Die
Spitze 7 besteht aus einem elastischen Material mit hoher
Abriebfestigkeit, insbesondere am freien Ende. Hier kommt insbesondere
Stahl oder Titan in Frage, aber auch eine keramische Beschichtung.
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Das
Aktuatorelement 6 wird mittels des Kabels 5 mit
Strom versorgt und gesteuert, wozu eine Steuer- oder Regelungseinheit 5.1 erforderlich
ist.
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Das
Zusammenwirken zwischen der Spitze 7 und der Antriebsscheibe 12 wird
in den 2A bis D eingehend anhand nicht
maßstabsgetreuer
Schemazeichnungen erläutert.
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In
der in 2A dargestellten Schwingungsform
berührt
die Spitze 7 die Antriebsscheibe 12 seitlich und
führt dabei
eine elliptische Schwingung tangential zu der Antriebsscheibe 12 durch,
wobei die eine Halbschwingung in Kontakt mit der Antriebsscheibe 12 stattfindet
und die Rückschwingung
ohne Kontakt zu der Antriebsscheibe 12. Durch den Kontakt
der Spitze 7 mit der Antriebsscheibe 12 bewegt sich
die Antriebsscheibe 12 in Richtung des Pfeils 7.1,
sodass auch ein zur Verdeutlichung angegebener Punkt 13 im
Uhrzeigersinn um die Drehachse 4.1. gedreht wird.
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In 2B ist
ein aufeinanderfolgende Zustände
durchlaufender Ablauf für
die Einleitung der Antriebskraft mittels der Spitze 7 in
die Antriebsscheibe 12 gezeigt, beginnend von oben nach
unten. Die Spitze wird dabi in Richtung des Pfeils 7.1 bewegt.
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Bei
einer in 2C dargestellten üblicherweise
zumindest zweidimensionalen Bewegung der Spitze 7 folgt
die Spitze einem einer Ellipse ähnliches Schwingungsmuster.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn in der Richtung der Hauptachse der
Ellipse ein Antrieb durch Kraftschluss bereitgestellt wird und in
der Richtung der Nebenachse der Ellipse ein Abheben oder Andrücken der
Spitze an die Antriebsscheibe 12.
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In
der in den 3A–3E dargestellten Schwingungsform
berührt
die Spitze 7 die Antriebsscheibe 12 von dem Aktuatorelement 6 aus
betrachtet frontal und führt
dabei eine elliptische Schwingung senkrecht zu der Mittelachse 6.1 der
Spitze 7 durch.
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In 3A befindet
sich das Ende der Spitze 7 in einem Kontakt mit der Antriebsscheibe 12.
Auf der Antriebsscheibe 12 ist ein Punkt 13 dargestellt, der
lediglich zur Visualisierung der Lage der Antriebsscheibe 12 dient
und der sich in etwa auf der Höhe des
Kontaktpunktes zwischen der Spitze 7 und der Antriebsscheibe 12 befindet.
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Die
Spitze 7 befindet sich in einem Schwingungszustand, in
dem eine einer elliptischen Bahn 13.1 folgende Bewegung
von oben nach unten stattfindet, wie durch einen Pfeil 7.1 gekennzeichnet
ist. Die Antriebsscheibe 12 erfährt aufgrund des reibschlüssigen Kontaktes
mit der Spitze 7 ein Drehmoment in die gleiche Richtung,
dargestellt durch den Pfeil 13.2, und dreht sich um die
Achse 4.1. Aufgrund der reibschlüssigen Kontakts folgt die Spitze
nicht der Bahn 13.1 der freien Schwingung, sondern folgt
vielmehr der von der Oberfläche
der Antriebsscheibe vorgegebenen Geometrie.
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In 3B ist
der Zustand von Spitze 7 und Antriebsscheibe 12 zu
einem späteren
Zeitpunkt gezeigt, die Spitze 7 befindet sich in neutraler
Lage, schwingt jedoch weiterhin in der Zeichnungsebene nach unten
wiederum dargestellt durch den Pfeil 7.1. Die Spitze 7 wäre zu diesem
Zeitpunkt leicht gestaucht, wenn nicht die Federelemente 8 eine
Ausgleich gegen eine Federkraft ermöglichen würden.
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In 3C ist
die Situation zu einem noch späteren
Zeitpunkt als in 2B dargestellt. Die Spitze 7 befindet
sich in einer Auslenkung nahe ihres unteren Umkehrpunktes.
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3D zeigt
die Situation kurz nach Erreichen des unteren Umkehrpunktes der
Spitze 7. Die Spitze 7 wird mittels des Aktuatorelements 6 auf
eine elliptische Bahn gezwungen, wobei die Ellipsenebene hier in
der Darstellungsebene angeordnet ist. Die Spitze 7 bewegt
sich, sobald sie den Kontakt zu der Antriebsscheibe 12 verloren
hat, auf der elliptischen Bahn zurück. Kurz nach Erreichen des
Umkehrpunktes gelangt die Spitze 7 wieder in Kontakt mit
der Antriebsscheibe 12.
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Die
nur phasenweise Kraftübertragung
von der Spitze 7 auf die Antriebsscheibe 12 in
nur einer halben Schwingungsperiode stellt in der Praxis kein Problehm
dar, da die Trägheit
der rotierenden Masse des Antriebssystems bestehend aus Antriebswelle 4, Antriebsscheibe 12,
Werkzeugaufnahme 10 und Werkzeug 11 innerhalb
der Rückkehrzeit
der Spitze 7 zum oberen Umkehrpunkt dafür sorgt, dass die Drehzahl
des Werkzeuges 11 nicht zu stark abfällt.
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In 4 ist
eine Spitze für
einen tangentialen Antrieb gemäß 2 dargestellt, wobei die Achse 6.1.
des Aktuatorelements 6 zu der Mittelachse 4.1 der
Antriebswelle bzw. der Antriebsscheibe 12 versetzt ist.
Die Spitze ist um einen Winkel Alpha gebogen.
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In 5 ist
eine Spitze für
einen frontalen Antrieb gemäß 3 dargestellt, wobei die eigentliche kraftübertragende
Bewegung nicht parallel, wie in 4, oder
rein frontal, wie in 3, in die Antriebsscheibe 12 eingeleitet
wird, sondern in einer Zwischenposition. Auch hier ist ein Abstand
zwischen der Achse 6.1 des Aktuatorelements 6 und
der Abtriebsachse 4.1 vorhanden.
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In 6 ist
eine Spitze dargestellt, die im Prinzip in rein linearer Richtung
schwingt, wobei für einen
Antrieb die Krafteinleitung in die Antriebsscheibe wie in 5 schräg erfolgt.
Die rein linear schwingende Spitze 7 verformt sich allein
aufgrund der Anlage an die Antriebsscheibe 12. Aufgrund
der Trägheit
der Spitze hebt diese bei der Rückwärtsbewegung
von der Antriebsscheibe ab, sodass eine Rückholbewegung vermieden wird.
Auch hier ist ein Abstand zwischen der Achse 6.1 des Aktuatorelements 6 und
der Abtriebsachse 4.1 vorhanden.
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- 1
- Zahnärztliches
Handstück
- 2
- Kopfbereich
- 3
- Kopf
- 4
- Antriebswelle
- 4.1
- Rotationsachse
der Antriebswelle
- 5
- Kabel
- 6
- Aktuatorelement
- 7
- Spitze
- 8
- Federn
- 9
- Lager
- 10
- Werkzeugaufnahme
- 11
- Werkzeug
- 11.1
- Rotationsachse
des Werkzeugs
- 12
- Antriebsscheibe
- 13
- Punkt
- 14
- Piezoelement
- 15
- Kugellager
- 16
- Lager
- 17
- Kabel