DE102007048340A1

DE102007048340A1 - Elektromotor zur Verwendung in einem zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstück

Info

Publication number: DE102007048340A1
Application number: DE102007048340A
Authority: DE
Original assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Current assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-16
Also published as: WO2009049807A1; JP2010541537A; EP2206222A1; US20100233651A1

Abstract

Bei einem Elektromotor (10) zur Verwendung in einem zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstück (1) mit einem mittels einer Lageranordnung drehbar gelagerten Rotor (11) sowie einem den Rotor (11) umgebenden Stator (12) weist die Lageranordnung einerseits ein an einem Endbereich des Rotors (11) befindliches erstes Lager (11b) sowie andererseits ein an dem gegenüberliegenden Endbereich des Rotors (11) befindliches zweites Lager (11a) auf, welches als Loslager ausgebildet ist und mittels einer Federanordnung in Richtung des ersten Lagers (11b) vorgespannt ist. Erfindungsgemäß ist die Federkraft der Federanordnung innerhalb eines Arbeitsbereichs im Wesentlichen unabhängig von der Position des Loslagers (11a).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der zur Verwendung in einem zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstück vorgesehen ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen sogenannten kollektorlosen Motor.
In zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstücken werden Behandlungs- bzw. Bearbeitungsinstrumente mit Hilfe eines Antriebs in Rotation bzw. Schwingungen versetzt. Der Antrieb kann einerseits in Form einer Luftturbine bzw. eines Luftmotors ausgeführt sein, alternativ hierzu hat sich in letzter Zeit allerdings auch vermehrt der Einsatz von Elektromotoren durchgesetzt. Hierbei kommen insbesondere sogenannte kollektor- bzw. bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) zum Einsatz, deren Rotor zumindest einem Permanentmagneten aufweist. Derartige Motoren zeichnen sich durch ihren hohen Wirkungsgrad sowie die Möglichkeit, Drehzahl und Drehmoment variieren zu können, aus.
Ein derartiger kollektorloser Motor verfügt üblicherweise über eine im Stator integrierte Lagerung für den Rotor des Motors. Dabei ist in der Regel eine Lagerstelle als sogenanntes Loslager und die zweite Lagerstelle als Festlager ausgeführt. Um einen ruhigen Lauf und damit auch eine hohe Lebensdauer der Rotorlager zu gewährleisten, müssen diese in jedem Betriebszustand mit einer bestimmten vorgegebenen, möglichst konstanten Kraft angestellt werden. Aus dem Stand der Technik ist dementsprechend bekannt, Radialkugellager durch sogenannte Wellfederscheiben in Richtung des Festlagers vorzuspannen.
Das Statorgehäuse eines Elektromotors besteht auf Grund der isolierenden Wirkung und auch aus hygienischen Gründen in der Regel aus Kunststoff, der eine höhere Wärmeausdehnung als Stahl aufweist. Kommt es nunmehr im Betrieb des Motors zu einer Erwärmung desselben, dann hat dies zur Folge, dass sich der Stator ausdehnt. Der Abstand zwischen den beiden Lagerstellen für den Rotor nimmt in diesem Fall zu, d. h. das Festlager wandert mit dem Stator mit und verändert so die Position des Rotors. Die Federanstellung des Loslagers nimmt also zumindest an Kraft ab oder geht sogar in einen Zustand über, in dem die Achse des Rotors nicht mehr in gewünschter Weise angestellt ist. Die aus der Stand der Technik bekannte Wellfederscheibe zur Anstellung des Loslagers bringt unter diesen Umständen den Nachteil mit sich, dass die Kraft über den Betätigungsweg gesehen relativ stark ansteigt. Wurde während der Herstellung des Motors ein bestimmter Arbeitspunkt festgelegt, so schwankt die Kraft schon durch einen kleinen Hub während des Betriebs des Motors relativ stark. Da ferner aus fertigungsbedingten Toleranzen des Stators und der Achse zusätzlich eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Federkernlinie resultieren kann, unterliegt die Anstellkraft für das Loslager, die durch die Wellfederscheibe hervorgerufen wurde, verhältnismäßig starken Schwankungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden um eine zuverlässige Federanstellung für das Loslager des Elektromotors zu erzielen.
Die Aufgabe wird durch einen Elektromotor, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Idee, zur Anstellung des Loslagers eine Federanordnung zu verwenden, welche derart ausgestaltet ist, dass die von ihr ausgeübte Kraft innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs im Wesentlichen unabhängig von der Position des Loslagers ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend ein Elektromotor zur Verwendung in einem zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstück vorgeschlagen, der einen mittels einer Lageranordnung drehbar gelagerten Rotor sowie einen den Rotor umgebenen Stator aufweist, wobei die Lageranordnung einerseits ein an einem Endbereich des Rotors befindliches erstes Lager – vorzugsweise in Form eines Festlagers – sowie andererseits ein an dem gegenüberliegenden Bereich des Rotors befindliches zweites Lager aufweist, welches als Loslager ausgebildet und mittels einer Federanordnung in Richtung des ersten Lagers vorgespannt ist, und wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Federkraft der Federanordnung innerhalb eines Arbeitsbereichs im Wesentlichen unabhängig von der Position des Loslagers ist.
Durch die erfindungsgemäße Unabhängigkeit der Federkraft der verwendeten Federanordnung ergibt sich der Vorteil, dass das Loslager prinzipiell in jeder Situation in gleichbleibender Weise gegenüber dem ersten bzw. dem Festlager angestellt ist. Dies führt über den Betrieb des Elektromotors hinweg zu deutlich besseren Eigenschaften, welche letztendlich auch zu einer längeren Lebensdauer des Motors insgesamt führen.
Dabei kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere vorgesehen sein, dass die Federanordnung durch eine Parallelanordnung mehrerer Druckfedern gebildet ist, welche in Achxialrichtung des Elektromotors wirksam sind. Es besteht in diesem Fall die Möglichkeit, z. B. über die Drahtstärke oder die Wicklungsanzahl der einzelnen Federn in einfacher Weise Einfluss auf die Kernlinie der Federn zu nehmen, sie also beispielweise mit einer verhältnismäßigen flachen Kennlinie auszulegen. Diese Parallelschaltung von mehreren, insbesondere von drei Druckfedern erlaubt darüber hinaus das parallele Verschieben der Kennlinie hin zu unterschiedlichen Kräften, ohne die Federrate verändern zu müssen. Die Kraft im Arbeitspunkt variiert dementsprechend auch bei toleranzbedingten unterschiedlichen Positionen des Rotors deutlich geringer, als dies bei einer Wellfederscheibe der Fall wäre. Vorteilhaft wirkt sich ferner auch die geringere Kraftänderung bei einem Hub um den Arbeitspunkt aus, falls es zu einer thermisch bedingten Verformung des Elektromotors kommt.
Die Druckfedern sind insbesondere gleichmäßig über den Umfang des Loslagers verteilt angeordnet. Sie können durch Spiralfedern gebildet sein, wobei eine Anlagefläche für die einzelnen Druckfedern durch einen Außenring des Loslagers gebildet ist. Die Aufnahme der einzelnen Federn erfolgt dabei vorzugsweise innerhalb einer speziellen Lagerbuchse, welche auch verhindert, dass die Federn im demontierten Zustand des Rotors herausfallen können.
Letztendlich wird durch die erfindungsgemäße Lösung erreicht, dass die Betriebsbedingungen des Motors im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weiter verbessert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 die Darstellung eines zahnärztlichen Handstücks, bei dem der Einsatz eines erfindungsgemäßen Elektromotors geplant ist,
2 die Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Elektromotors und
3 eine vergrößerte Darstellung des vorderen Endbereichs des Motors mit dem Loslager.
Das in 1 schematisch dargestellte und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene Handstück, bei dem der erfindungsgemäße Elektromotor zum Einsatz kommt, weist eine längliche Griffhülse 2 auf, die in einen hinteren Bereich 2a sowie einen vorderen Bereich 2b unterteilt ist, wobei beide Bereiche 2a, 2b einen Winkel α von etwa 155° bis 170° miteinander einschließen. Die Handhabung des Handstücks 1 innerhalb des Mundraums eines Patienten wird durch diese abgewinkelte Ausgestaltung vereinfacht. An dieser Stelle soll allerdings angemerkt werden, dass die Verwendung des nachfolgend noch näher beschriebenen erfindungsgemäßen Elektromotors nicht auf derartige so genannte Winkelhandstücke beschränkt ist. Stattdessen kann der Motor allgemein bei zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstücken zum Einsatz kommen.
Am vorderen Ende der Griffhülse befindet sich der Kopfbereich des Handstücks 1, der eine mittels zweier Lager 6a, 6b drehbar gelagerte Werkzeugaufnahme 5 aufweist. Diese Werkzeugaufnahme ist insbesondere zur Aufnahme von zahnärztlichen Bohrern vorgesehen. Aus ergonomischen Gründen kann ferner vorgesehen sein, dass der Kopfbereich 3 derart ausgeführt ist, dass die Langsachse 1 der Werkzeugaufnahme 5 mit der Achse 2 des vorderen Endbereichs 2b der Griffhülse einen Winkel β von etwa 100° einschließt. Die Werkzeugaufnahme 5 wird dabei mit Hilfe des nachfolgend noch näher beschriebenen Motors 10 in Rotation versetzt, wobei die Drehung des Motors 10 über eine Antriebswelle 15, die sich durch den vorderen Griffhülsenbereich 2b erstreckt, weitergeleitet wird. Die Antriebswelle 15 ist hierbei mittels zweier Lager 16a, 16b drehbar gelagert und an ihrem rückseitigen Ende über ein Getriebe 17 mit dem Rotor 11 des Motors 10 sowie an ihrem vorderen Ende über ein weiteres Getriebe 8 mit der Werkzeugaufnahme 5 gekoppelt.
Am rückseitigen Ende der Griffhülse 2 ist diese mit dem Anschlussteil 30 eines Versorgungsschlauchs 31 verbunden. Dieser Schlauch 31 führt zu einer (nicht dargestellten) Versorgungseinrichtung eines zahnärztlichen Behandlungsplatzes und dient dazu, dem Handstück 1 die zum Betrieb erforderlichen Medien zur Verfügung zu stellen. Es handelt sich hierbei insbesondere um Strom, der zum Betrieb des Motors verwendet wird. Auch zusätzliche Behandlungsmedien wie Luft und/oder Wasser können über den Schlauch 31 zu dem Handstück 1 geleitet werden. Der Anschluss des Handstücks 1 erfolgt dann über ein im rückwärtigen Ende befindliches Kupplungselement 4, über welches eine Verbindung mit dem Schlauchanschluss 30 erfolgt.
Zahnärztliche Handstücke können grundsätzlich gesehen mit unterschiedlichen Antrieben ausgestaltet sein. Klassischerweise werden beispielsweise Luft- bzw.
Turbinenantriebe oder elektrische Antriebe eingesetzt. Eine Turbine zeichnet sich hierbei durch ihre kompakte Bauweise aus, andererseits ist die Betriebssicherheit im Vergleich zu einem Elektromotor geringer. Ferner bestehen im Vergleich zu einem Elektromotor nur begrenzte Möglichkeiten, die zu übertragende Leistung zu steuern.
Die 2 und 3 zeigen nunmehr den in dem Handstück 1 eingesetzten, erfindungsgemäßen Motor 10 für sich allein genommen bzw. die Anstellung des vorderen Loslagers 11a im Detail. Der Motor 10 weist einerseits einen fest – d. h. nicht drehbar – in der Handstückhülse 2 gelagerten Stator 12 sowie andererseits einen gegenüber diesem Stator 12 mit Hilfe zweier Kugellager 11a und 11b drehbar gelagerten Rotor 11 auf. Das hintere Lager 11b ist hierbei als Festlager ausgestaltet während hingegen das vordere Lager 11a – wie bereits erwähnt – ein Loslager bildet.
Erkennbar sind in der Schnittdarstellung zwei Druckfedern 20, die auf den Außenring 21a des vorderen Kugellagers 11a drücken. Vorzugsweise werden mindestens drei derartige Druckfedern 20 eingesetzt, welche über den Umfang des Außenrings 21a des Loslagers 11a gleichmäßig verteilt angeordnet sind, um zu gewährleisten, dass der Kugellager-Außenring 21a immer definiert parallel zur Anlagefläche positioniert ist. Die Anzahl der verwendeten Druckfedern 20 kann allerdings auch erhöht werden, wobei die Maximalanzahl lediglich durch den zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt ist.
Die Federn 20 werden mit Hilfe eines hülsenförmigen Bauteils 22 in ihrer Position gehalten, welches nachfolgend als Lagerbuchse bezeichnet wird. Die Lagerbuchse 22 liegt an der Außenseite des Außenrings 21a des Loslagers 11a an und weist eine dem Außenring 21a zugewandte Nut 23 auf, in der ein O-Ring 24 zur Abdichtung angeordnet ist. Ferner sind im Stirnbereich der Lagerbuchse 22 entsprechende Ausnehmungen 25 zur Aufnahme der Druckfedern 20 ausgebildet, wobei diese Ausnehmungen 25 entsprechend der Darstellung den Federn 20 einen Hub Δ erlauben und gleichzeitig verhindern, dass die Federn 20 bei demontierten Rotor aus dem Stator 12 herausfallen.
Die axiale Fixierung des hinteren Festlagers 11a erfolgt über ein nicht näher dargestelltes Wellfederpaket, dass sicherstellt, dass das Lager 11b im jedem Betriebszustand an einem entsprechenden Anschlag 29, der im hinteren Endbereich des Stators 12 ausgebildet ist, anliegt.
Durch die Parallelschaltung der einzelnen Druckfedern 20 wird wie bereits erwähnt erzielt, dass die von dieser Federanordnung ausgeübte Kraft auf den Außenring 21a des Loslagers 11a im Wesentlichen unabhängig von der Position des Loslagers 11a ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch eine entsprechende Auswahl der Drahtstärke sowie der Wicklungszahl für die einzelnen Federn 20 in einfacher Weise Einfluss auf die Kennlinie einerseits der einzelnen Feder und damit andererseits auch der gesamten Federanordnung genommen werden kann. Dies erlaubt es, wie gewünscht, eine Federanordnung mit einer verhältnismäßigen flachen Kennlinie zu erzielen, deren Kraft also unabhängig von der Position des Loslagers ist. Toleranzbedingte unterschiedliche Positionen des Rotors, die auf fertigungstechnische Effekte zurückzuführen sind, können auf diesem Wege in einfacher Weise ausgeglichen werden.
Letztendlich wird hierdurch die Anstellung des Rotors in dem erfindungsgemäßen Motor optimiert, sodass insgesamt dessen Betriebseigenschaften und damit dessen Lebensdauer deutlich verlängert werden können.

Claims

Elektromotor (10) zur Verwendung in einem zahnärztlichen, zahnmedizinischen oder dentaltechnischen Handstück (1) mit einem mittels einer Lageranordnung drehbar gelagerten Rotor (11) sowie einem den Rotor (11) umgebenden Stator (12), wobei die Lageranordnung einerseits ein an einem Endbereich des Rotors (11) befindliches erstes Lager (11b) sowie andererseits ein an dem gegenüberliegenden Endbereich des Rotors (11) befindliches zweites Lager (11a) aufweist, welches als Loslager ausgebildet ist und mittels einer Federanordnung in Richtung des ersten Lagers (11b) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Federanordnung innerhalb eines Arbeitsbereichs im Wesentlichen unabhängig von der Position des Loslagers (11a) ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung durch eine Parallelanordnung mehrerer Druckfedern (20) gebildet ist, welche in Axialrichtung des Elektromotors (10) wirksam sind.
Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Federanordnung mindestens drei Druckfedern (20) umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (20) gleichmäßig über den Umfang des Loslagers (11a) verteilt angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (20) durch Spiralfedern gebildet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlagefläche für die Druckfedern (20) durch einen Außenring (21a) des Loslagers (11a) gebildet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (20) innerhalb einer Lagerbuchse (22) angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen kollektorlosen Motor (10) handelt.
Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (11b) als Festlager ausgebildet ist.
Zahnärztliches, zahnmedizinisches oder dentaltechnisches Handstück (1) mit einer Antriebseinheit zum Antreiben eines drehbar gelagerten Werkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit durch einen Elektromotor (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche gebildet ist.