DE19843951C2 - Antriebssystem für zahnärztliche Handstücke - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für zahnärztliche Handstücke nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zahnärztliche Handstücke umfassen allgemein einen Instrumentenabschnitt zur Aufnahme
eines zahnärztlichen Werkzeuges, zum Beispiel eines Turbinenbohrers, einen Antriebs
motor zum Antreiben des rotierenden zahnärztlichen Werkzeuges und einen Schlauch
abschnitt mit einem Medien-Zufuhrschlauch zum Zuführen von bestimmten Versorgungs
medien für den Betrieb des zahnärztlichen Werkzeuges, wie beispielsweise Strom, Spray-
oder Kühlluft, Spraywasser, etc..
Fig. 4 zeigt beispielhaft die drei Einzelkomponenten Instrumentenabschnitt 1 mit dem am
Kopfteil 6 drehbar gelagerten zahnärztlichen Werkzeug 5, Antriebsmotor 3 und Schlauch
abschnitt 2 mit dem Medien-Zufuhrschlauch 4, die durch Aufstecken direkt hintereinander
gekoppelt werden. Ein derartiger Aufbau bei einem Antriebssystem der ein
gangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der DE 28 34 099 C2
bekannt. Eine alternative Aufbauart ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dem Antriebsmotor 3
handelt es sich hier um eine sogenannte Motorpatrone, die in einem von dem
Instrumentenabschnitt 1 und dem Schlauchabschnitt 2 gebildeten Hohlraum gehalten wird.
Als Antriebsmotor wird ein Elektromotor ein insbesondere ein Gleichstrom
motor verwendet, wie er aus der DE 196 04 628 A1 der Anmelderin bekannt ist. Der
Antriebsmotor umfaßt im wesentlichen einen über eine Motorwelle drehbar gelagerten
Rotormagneten und einen Stator mit einer freitragenden Stator-Luftspaltwicklung, die
Freiräume für Medienleitungen aufweist, welche dem ankuppelbaren zahnärztlichen
Instrument bestimmte Versorgungsmedien zuführen. Die Motorwelle ist durch ein vorderes
und ein hinteres Motorlager in einem Motorgehäuse gelagert. Als Motorlager werden
üblicherweise Wälzlageranordnungen eingesetzt, die aus einem inneren Laufring, einem
äußeren Laufring und mehreren zwischen den beiden Laufringen angeordneten
Rollelementen zusammengesetzt sind, wobei sowohl die Laufringe als auch die Roll
elemente in an sich bekannter Weise aus Stahl gebildet sind. Alternativ zu dem
beschriebenen Gleichstrommotor kann ebenso ein Wechselstrommotor eingesetzt werden.
Bei Verwendung eines Elektromotors muß dieser hingegen
lösbar mit dem Instrumentenabschnitt verbunden sein, um ihn für den Sterilisationsprozeß
von dem Instrumentenabschnitt zu trennen, da die elektronischen Bauteile des Elektro
motors im allgemeinen den wiederholten Sterilisationen zumindest auf Dauer nicht stand
halten.
In der US 4,966,552 ist ein medizinisches oder dentalmedizinisches Turbinenhandstück
beschrieben mit einer im Handstückkopf integrierten Druckluftturbine mit einem
Turbinenrad, das auf einer das Werkzeug aufnehmenden Antriebshülse sitzt, die in
einem oberen und einem unteren Wälzlager im Handstückkopf drehbar gelagert ist.
Zwecks Verringerung der Lagerreibung unter Berücksichtigung der bei
Turbinenhandstücken hohen Drehzahlen von bis zu 500 min-1 sind bei dieser bekannten
Ausgestaltung reibungsarme Wälzlager vorgesehen, wobei wenigstens die Rollelemente
der Wälzlager aus Keramikmaterial bestehen.
Ebenfalls zur Verringerung der Reibung sind bei einem aus der DE 196 12 571 A1
entnehmbaren Turbinenhandstück zwischen Keramikwälzkörpern der Wälzlager für eine
ein Werkzeug aufnehmende Antriebshülse einzelne Wälzkörper aus Plastik angeordnet,
die mit einem Schmierstoff getränkt sind, Schmierstoff abgeben und/oder aus
selbstschmierendem Werkstoff bestehen.
Ferner sind bei zahnärztlichen Handstücken verschiedene Sicherheitsvorschriften zu
beachten. So existiert beispielsweise eine DIN EN ISO 7494, Dezember 1997, "Zahn
ärztliche Behandlungsgeräte", die Anforderungen und Prüfmethoden für zahnärztliche
Behandlungsgeräte unabhängig von ihrer Konstruktion festlegt. Unter anderem werden in
Punkt 5.3 dieser DIN-Vorschrift elektrische Anforderungen zusammengestellt, deren
Einhaltung gewährleisten soll, daß Verletzungen des Patienten und/oder des behandelnden
Personals, beispielsweise durch einen elektrischen Stromschlag, vermieden werden.
Da die spannungsführenden Bauteile von zahnärztlichen Handstücken bis in den Antriebs
motor reichen und die Übertragungsteile der Handstücke einschließlich zahnärztlicher
Werkzeuge überwiegend aus Metall und damit elektrisch leitend sind, müssen in den
zahnärztlichen Handstücken aufwendige Schutzmaßnahmen getroffen werden.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem der eingangs
genannten Art bereitzustellen, bei welchem auf einfache Weise weitere Vorkehrungen zur
Einhaltung der elektrischen Sicherheitsanforderungen getroffen sind, um die Sicherheit des
Patienten und des behandelnden Personals weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Verwendung von
Stahl-Wälzlageranordnungen mit Rollelementen aus einem elektrisch nichtleitenden
Material gewährleistet eine elektrische Isolierung zwischen Stator bzw. Motorgehäuse und
Rotor des Antriebsmotors. Hierdurch wird verhindert, daß bei einem Defekt des
Antriebsmotors Strom über die Kugellager und das Gehäuse des Antriebsmotors zum
Patienten oder zum behandelnden Personal abfließen kann.
Vorteilhafterweise werden Stahl-Wälzlageranordnungen mit Keramik-Rollelementen (sog.
Hybrid-Wälzlager) bzw. Vollkeramik-Wälzlageranordnungen zur Lagerung der Motor
welle des Antriebssystems eingesetzt. Dies führt aufgrund der besonderen Material
eigenschaften keramischer Materialien zu weiteren Vorteilen. Besonders vorteilhaft ist
hierbei die Verwendung von Siliziumnitrid (Si3N4) für die Rollelemente und evt. die
Laufringe.
Als vorteilhafte Materialeigenschaften keramischer Materialien sind in diesem Zusammen
hang neben dem großen elektrischen Widerstand insbesondere das geringere spezifische
Gewicht, die geringere Wärmeleitfähigkeit, die deutlich bessere Beständigkeit gegen
Chemikalien und die bessere Temperaturbeständigkeit als Stahl zu nennen.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung im Schnitt entlang seiner Längsachse;
Fig. 2 ein zahnärztliches Handstück mit einem Antriebssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung im Schnitt entlang der Längsachse;
Fig. 3 einen Elektromotor als Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung in
Längsschnittdarstellung;
Fig. 4 ein herkömmliches zahnärztliches Handstück in schematischer Darstellung;
Fig. 5 ein weiteres herkömmliches zahnärztliches Handstück in schematischer
Darstellung.
Bei zahnärztlichen Handstücken wird grundsätzlich ein Antrieb über ein Fluid,
insbesondere Luft, und ein Antrieb mittels elektrischem Strom unterschieden. Die
vorliegende Erfindung ist grundsätzlich für beide Antriebsmöglichkeiten anwendbar.
Fig. 1 zeigt zunächst ganz allgemein ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 3 (Elektro
antrieb) in schematischer Darstellung. In einem Motorgehäuse 10 ist ein auf einer
mittigen Motorwelle 11 befestigter Rotor 12 angeordnet. Die Motorwelle 11 ist in dem
Motorgehäuse 10 mittels eines vorderen Motorlagers 13 und eines hinteren Motorlagers 14
drehbar gelagert. An der dem vorderen Motorlager 13 zugewandten Seite weist das
Motorgehäuse 10 ferner ein vorteilhafterweise genormtes Kupplungselement 15 zum
Ankuppeln eines anzutreibenden zahnärztlichen Instruments 1 auf. Das Kupplungselement
15 enthält einen mit der Motorwelle 11 drehfest verbundenen Kupplungszapfen 16, der mit
einem entsprechenden Mitnehmerstift des Instrumentenabschnittes 1 beim Aufstecken des
Instrumentenabschnittes 1 in Eingriff kommt und die Drehbewegung der Motorwelle 11
mechanisch überträgt. Durch an sich bekannte, geeignete mechanische Verbindungs
elemente wird diese Drehbewegung im Instrumentenabschnitt 1 weiter auf das am Kopfteil
6 des Instrumentenabschnittes 1 gehaltene zahnärztliche Werkzeug 5 übertragen.
Die beiden Motorlager 13, 14 sind jeweils in Form von Wälzlageranordnungen aus
gebildet. Sie bestehen im wesentlichen aus einem inneren Laufring 17, einem äußeren
Laufring 18 und mehreren zwischen den beiden Laufringen 17, 18 angeordneten
Rollelementen 19, die insbesondere in Form von Kugeln ausgebildet sind und eine relative
Bewegung der Laufringe 17, 18 zueinander ermöglichen.
Erfindungsgemäß werden nun bei der Zusammensetzung der Wälzlageranordnungen 13, 14
Rollelemente 19 aus einem elektrisch nichtleitenden Material eingesetzt. Dies gewährleistet
eine elektrische Isolierung zwischen Stator bzw. Motorgehäuse 10 und Rotor 12 des
Antriebsmotors 3. Hierdurch kann wirksam mit einfachen Mitteln verhindert werden, daß
bei einem Defekt des Antriebsmotors 3 Strom über die Kugellager 13, 14 und das
Motorgehäuse 10 zum Patienten oder zum behandelnden Personal abfließen kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich bei der Wahl der Wälzlagerzusammensetzung die
Verwendung von Rollelementen 19 aus einem keramischen Material erwiesen. Hierbei
kann zwischen einem Vollkeramik-Wälzlager und einem Stahl-Wälzlager mit Keramik-
Rollelementen (sogenanntes Hybrid-Wälzlager) gewählt werden. In jedem Fall sind aber
zumindest die Rollelemente 19 aus einem keramischen Material geformt.
Unter den bekannten und auf dem Markt erhältlichen keramischen Werkstoffen, wie
insbesondere Nitride, Karbide und Boride, hat sich Siliziumnitrid (Si3N4) als die am besten
geeignete Keramik für Wälzlager der oben beschriebenen Art herausgestellt. Formkörper
aus Siliziumnitrid lassen sich durch Reaktionssintern, Sintern, Heißpressen und Heiß
isostatpressen herstellen, wobei auch kombinierte Herstellungsverfahren möglich sind.
In der untenstehenden Tabelle sind verschiedene Werkstoffeigenschaften mit für
Siliziumnitrid typischen Werten zusammen mit den entsprechenden typischen Werten für
herkömmlichen Wälzlager-Stahl aufgelistet:
Neben der bereits oben erläutereten elektrischen Isolationsfähigkeit sollen nachfolgend
einige weiter Werkstoffeigenschaften herausgegriffen und die mit ihnen verbundenen
Vorteile gegenüber dem herkömmlich für Wälzlageranordnungen in Antriebssystemen für
zahnärztliche Handstücke verwendeten Stahl diskutiert werden.
Aufgrund der geringeren Dichte von Keramik treten bei Drehbewegung geringere Flieh
kräfte auf, was zu günstigeren Lagerbeanspruchungen führt. Außerdem ist auch ein
geringerer Reibwiderstand der Rollelemente 19 und somit eine geringere Wärme
entwicklung festzustellen, was zu einer höheren Lebensdauer des Wälzlagers führt. Es hat
sich hierbei weiter gezeigt, daß Keramik-Wälzlager und Hybrid-Wälzlager auch ohne
Schmierung der Lagerzusammensetzung höhere Lebensdauern als Stahl-Wälzlager
aufweisen. Eine höhere Lebensdauer wird ebenfalls durch die größere Formstabilität der
Keramik gegenüber Stahl auch bei hohen Temperaturen unterstützt.
Die geringere Wärmeleitfähigkeit der Keramik bewirkt ferner, daß die durch die
Rotordrehung vom Rotor 12 entwickelte Wärme schlechter nach außen zum Motorgehäuse
10 transportiert wird. Diese bessere thermische Isolierung ist insbesondere bei Motor
handstücken sinnvoll, die vom Anwender in der Hand gehalten werden.
Der Fachmann wird ohne weiteres aus den in der obigen Tabelle aufgeführten sowie
weiteren bekannten Werkstoffeigenschaften von Keramiken noch weitere Vorteile
erkennen, die der erfindungsgemäße Einsatz von Keramik- bzw. Hybrid-Wälzlagern in
Antriebssystemen für zahnärztliche Handstücke mit sich bringt.
In Fig. 2 ist ein zahnärztliches Handstück mit dem mit dem Instrumentenabschnitt 1
verbundenen Antriebssystem 3 dargestellt. Die Kupplung 15, 16 weist hierbei zusätzlich
eine umlaufende Kupplungsisolation 27 auf, die aus einem elektrisch nichtleitenden
Material, vorzugsweise einem Kunststoff-Material besteht. Hierdurch wird das im
allgemeinen metallene Motorgehäuse 10 von dem Instrumentenabschnitt 1 elektrisch
isoliert, so daß eine weiter Sicherheitsfunktion für den Patienten gegeben ist, da kein
Strom über das Motorgehäuse 10 zum Instrumentenabschnitt 1 und evt. das Dental
werkzeug 5 abfließen kann.
Nachfolgend soll anhand der Fig. 3 der Aufbau eines Elektromotors
als Antriebssystem für ein zahnärztliches Handstück genauer beschrieben
werden, bei denen jeweils die vorliegende Erfindung zur Anwendung kommt.
Die Antriebsteile des in Fig. 3 gezeigten Gleichstrommotors 3 sind in einem Motorgehäuse
10 angeordnet, wobei mit dem Motorgehäuse 10 ein Kupplungselement 15 verbunden ist,
auf welches ein durch den Gleichstrommotor anzutreibendes zahnärztliches Instrument 1
gesteckt werden kann. Bei diesem Kupplungselement 15 handelt es sich in der Regel um
eine genormte Kupplung. Die Motorwelle 11 ist durch ein vorderes Motorlager 13 und ein
hinteres Motorlager 14 in einer hinteren Lagerhülse 20 drehbar gelagert, wobei für die
beiden Motorlager 13, 14 Keramik-Wälzlager oder Hybrid-Wälzlager gemäß Fig. 1
verwendet werden.
Der auf der Motorwelle 11 befestigte Rotor 12 ist von einem Stator 21 umgeben, der aus
einem weichmagnetischen Rückschlußring 21a und einer darin befindlichen freitragenden
Stator-Luftspaltwicklung 21b besteht, wobei der Rückschlußring 21a vorzugsweise als
geblechter Eisen-Rückschlußring hergestellt ist. Die freitragende Stator-Luftspaltwicklung
21b ist mit Kunststoff ausgegossen oder ausgespritzt und weist Freiräume für die Führung
von Medienleitungen 22 zur Versorgung des ankuppelbaren zahnärztlichen Instruments 1
auf. Desweiteren ist der Gleichstrommotor 3 derart ausgestaltet, daß nach Demontage des
Kupplungselementes 15 der Rotor 12 ohne weitere Demontagemaßnahmen seitlich aus dem
Motorgehäuse 10 herausgezogen werden kann, so daß im Falle einer Reparatur die beiden
Wälzlager 13, 14 wesentlich einfacher zugänglich sind. Eine detailliertere Beschreibung
eines derartigen Elektromotors 3 ist beispielsweise der bereits oben erwähnten DE-A1 196 04 628
der Anmelderin zu entnehmen.
Es sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung
gleichermaßen bei Gleichstrommotoren als auch bei Wechselstrommotoren eingesetzt
werden kann und die oben beschriebenen Vorteile bringt.
Claims (8)
1. Antriebssystem für ein zahnärztliches Handstück, bestehend aus einem Elektromotor
mit einem Stator, einem auf einer Motorwelle (11) befestigten Rotor (12) und
wenigstens einer Wälzlageranordnung (13, 14) zur Lagerung der Motorwelle (11),
wobei die Wälzlageranordnung (13, 14) einen inneren Laufring (17), einen äußeren
Laufring (18), und mehrere zwischen den Laufringen (17, 18) angeordnete
Rollelemente (19) aufweist, und mit einem Kupplungselement zum Ankuppeln eines
anzutreibenden zahnärztlichen Werkzeugs (5) des zahnärztlichen Handstückes (1),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rollelemente (19) der Wälzlageranordnung(en) (13, 14) aus elektrisch nicht
leitendem Material bestehen.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch nichtleitende Material ein keramisches Material ist.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufringe (17, 18) der Wälzlageranordnung(en) (13, 14) aus einem
keramischen Material geformt sind.
4. Antriebssystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rollelemente (19) und die Laufringe (17, 18) der Wälzlageranordnung(en)
(13, 14) aus dem gleichen keramischen Material geformt sind.
5. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das keramische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Nitriden,
Karbiden und Boriden.
6. Antriebssystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das keramische Material Siliziumnitrid ist.
7. Zahnärztliches Handstück nach einem der Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Antriebssystem (3) mit dem Instrumentenabschnitt (1) über eine Kupplung
(15, 16) verbunden ist, die eine Kupplungsisolation (27) aus einem elektrisch
nichtleitenden Material aufweist, um ein Motorgehäuse (10) des Antriebssystems (3)
vom Gehäuse des Instrumentenabschnittes (1) elektrisch zu isolieren.
8. Zahnärztliches Handstück nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch nichtleitende Material der Kupplungsisolation (27) ein Kunststoff-
Material ist.
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