DE2809539C2

DE2809539C2 - Antriebseinrichtung für ein luftgelagertes zahnärztliches Handstück

Info

Publication number: DE2809539C2
Application number: DE2809539A
Authority: DE
Inventors: Shoji Kyoto Nakayama; Hiroshi Sugai
Original assignee: J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1977-03-08
Filing date: 1978-03-06
Publication date: 1984-06-28
Also published as: JPS5642940B2; DE2809539A1; JPS53110295A; US4209293A; CH624293A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein luftgelagertes zahnärztliches Handstück, bei dem ein zur Aufnahme eines Schneidwerkzeugschaftes geeigneter Turbinenrotor mittels Lagereinheiten gelagert ist, die einen vorderen und einen hinteren Axialspalt und in Abstand voneinander liegende Radialspalte aufweisen.

An zahnärztliche Handstücke wird die Forderung gestellt, die Bohr- oder Schneidarbeiten innerhalb kurzer Zeit durchführen zu können, möglichst ohne daß dem Patienten Schmerzen verursacht werden. Bei der schneidenden Bearbeitung von Zähnen ist ein breiter Drehzahlbereich erforderlich, der von superhohen Drehzahlen beispielsweise 550 000 l/min bis zu niedrigen Drehzahlen von 100 000 l/min reicht. Mittels eines konventionellen luftgelagcrten Handstückes, wie es zu Vergleichszwecken in Fig. 7 dargestellt ist, lassen sich aufgrund des internen Aufbaus und der Form des Handstückes superhohe Drehzahlen relativ leicht erzielen. Solche Handstücke sind jedoch nicht für ein Arbeiten im mittleren Drehzahlbereich geeignet. Im mittleren Dreh-/ahlbereich werden keine hinlänglichen Schneidleistungen erzielt. Der Zahnarzt muß vielmehr, wenn Schneidarbeiten mit mittelhohen Drehzahlen ausgeführt werden sollen, in der Regel zu einem kugclgclagcrten Handstück oder einem Handstück greifen, das mittels eines elektrischen Mikromotors angetrieben ist.

Es ist bekannt (DE-AS 12 77 516), bei einer Antriebsvorrichtung für ein luftgelagertes zahnärztliches Handstück zum Vergrößern des Lasttragvermögens des Schubkräfte aufnehmenden Teils Tragluft über axial gerichtete Düsen in Lagerspalte einzublasen, die in Radialrichtung verlaufen, in Axialrichtung mit Druck beaufschlagt werden und vorliegend als Axialspalte bezeichnet sind. Die Ausbildung solcher Düsen ist, selbst wenn es sich dabei im einfachsten Fall nur um eine Mehrzahl von Präzisionsminiaturbohrungen in den Lagerstirnflächen handelt, aber fertigungsmäßig relativ aufwendig. Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, für eine Verbesserung des Lasttragvermögens des Schubkräfte aufnehmenden Teiles und damit eine Erweiterung des nutzbaren Drehzahlbereichs auf eine fertigungsmäßig besonders einfache Weise zu sorgen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Axialspalten der Lagereinheiten gegenüberliegenden Stirnflächen teilweise zurückspringende Oberflächenteile vorgesehen sind, die die Axialspalte im zentripetalen Bereich vergrößern. Eine solche Spaltvergrößerung läßt sich bei der Fertigung problemlos durchführen. Ohne komplizierte Vorkehrungen treffen zu müssen, wird auf diese sehr einfache Weise der nutzbare Drehzahlbereich auf mittelhohe Drehzahlen erweitertEin mit der Antriebseinrichtung nach der Erfindung ausgerüstetes zahnärztliches Handstück gestattet so die Durchführung von Arbeiten sowohl bei superhohen Drehzahlen von 550 000 l/min als auch bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen im Bereich von 100 000 l/min.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in beiden axialen Schaufelendteilen der Turbinenschaufel des Turbinenrotors Ausnehmungen ausgebildet. Dies bewirkt in Kombination mit den teilweise zurückspringenden Oberflächenteilen eine Drehmomentsteigerung insbesondere im oberen Drehzahlbereich. Es ist zwar bekannt (US-PS 39 62 789), bei einem kugelgelagerten Turbinenrotor für zahnärztliche Handstücke die Turbinenschaufeln in radialem Abstand von der Rotorwelle auf einen die Rotorwelle ringförmig umgebenden Mittelsteg aufzusetzen, um die in die Turbine eintretende Treibluft nach Aufprall auf eine Turbinenschaufel durch Unterlaufen der nachfolgenden Turbinenschaufeln ungehindert abzuführen und auf diese Weise die Turbinenleistung und -drehzahl zu erhöhen. Die Ausbildung von Ausnehmungen in den Turbinenschaufeln selbst hat demgegenüber den Vorteil, daß derjenigen Treibluft, die nach dem ersten Auftreffen auf eine Turbinenschaufel noch nutzbare Reslenergie aufweist, in verstärktem Maße Gelegenheit gegeben wird, die Restenergie auf in Umfangsrichtung folgende Turbinenschaufeln zu übertragen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Handstückes mit einer Antriebseinrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer Lagereinheit des Handstückes,

bo F i g. 3 eine grafische Darstellung der Druckverteilung in den Axialspalten des Lagers der Anordnung gemäß den F i g. 1 und 2. sowie die entsprechende Druckverteilung bei einem herkömmlichen Lager,

Fig.4 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Turbinenrotors der Anordnung nach F i g. 4,

F i g. 6 eine schematische Darstellung der Treibluft-

führung bei dem Rotor nach F i g. 5,

Fig.7 teilweise im Schnitt eine Relation zwischen einem konventionellen Turbinenrotor und der Lagereinheit,

F i g. 8 eine grafische Darstellung dv: Schneideigenschaften des Handstückes nach der Erfindung und eines konventionellen Handstückes, und

F i g. 9 einen Längsschnitt für eine Anordnung mit abgewandelten Turbinenschaufeln.

Vor Erläuterung der speziellen baulichen Merkmale der ersten und der zweiten Ausführungsform sei kurz der beiden Ausführungsformen gemeinsame Aufbau beschrieben. Mit t ist ein Schneidwerkzeugschaft bezeichnet, der von einer Welleneinheit 24 abgestützt wird. Die Welleneinheit 24 umfaßt eine Welle 20 eines Turbinenrotors 2 und eine über die Welle 20 geschobene Wellenhülse 21. Mit dem Bezugszeichen 3 sind Lagereinheiten bezeichnet Die Lagereinheiten 3 bilden Radialspalte 4, die in Abstand mit Bezug auf die Welleneinheit 24 liegen, sowie Axialspalte 5, die sich im Bereich eines senkrecht verlaufenden Flanschs 2tO befinden, der am Ende der Wellenhülse 21 ausgebildet ist. Die Lagereinheiten 3 umfassen innere und äußere Laufringe 30 und 31. Die Lagereinheiten werden mit Bezug auf ein Gehäuse 7 festgelegt, indem O-Ringe 6 zwischen den äußeren Laufring 31 und die innere Umfangsfläche des Gehäuses 7 gepreßt werden. Die Lagereinheiten sind mit Luftzutrittsöffnungen 8 und 9 ausgestattet, über die den Spalten 4 und 5 Luft zugeführt wird. Des weiteren sind vorgesehen ein zu den Turbinenschaufeln 22 führender Lufteinlaßkanal 10, ein Luftauslaßkanal 11, zu den Lagereinheiten führende Lufteinlaßkanäle 12, eine mit dem Gehäuse 7 über ein Gewinde 131 verschraubte Abdeckung 13 sowie von den Lagereinheiten 3 wegführende Auslaßkanäle 14 und 15. Bekanntlich dient bei einem Handstück dieser Art über die Lufteinlaßkanäle 10 und 12 zugsführte Druckluft dem Antrieb der Turbinenschaufeln sowie der radialen und axialen Lagerung über die Spalte 4 und 5.

Im Falle der ersten Ausführungsform sind teilweise zurückspringende Oberflächenteile 32, die eine wesentliche Vergrößerung der Axialspalte 5 im zentripetalen Bereich bewirken, an den den Axialspalten zugekehrten Stirnflächen 33 der vorderen und der hinteren Lagereinheit 3 vorgesehen. Entsprechend der bevorzugten Ausbildung gemäß den Fig. 1 und 2 sind die teilweise zurückspringenden Oberflächenteile 32 derart gestaltet, daß im radial außenliegenden Bereich der Stirnflächen 33 senkrechte Teile 34 (d. h. nicht zurückspringende Bereiche) stehenbleiben. Die teilweise zurückspringenden Oberflächenteile werden dadurch erhalten, daß den L-förmig abgebogenen Teilen der Flansche 210 der Wellenhülsen 21 gegenüberliegende Abschrägungen vorgesehen werden. Die Stirnflächen 33 konventioneller Lagereinheiten 3 bilden dagegen entsprechend F i g. 7 auf ihrer vollen Länge zur Turbinenachse senkrecht stehende Wände; es kommt zu keiner Vergrößerung der zentripetalen Spalte zwischen gegenüberliegenden Turbinenschaufeln 22. Wie aus der nachfolgenden Erläuterung hervorgeht, bewirken die teilweise zurückspringenden Oberflächenteile 32 eine Ausdehnung der Arbeitsdrehzahlen auf den mittleren Drehzahlbereich. Die Kurven nach Fig. 8 zeigen dazu die Relation zwischen der auf den Werkzeugschaft einwirkenden Gegenkraft und der Drehzahl des Werkzeugschaftes bei einer Änderung der Belastung des Schaftes. Dabei gilt die Kurve a für die konventionelle Ausführung gemäß F i g. 7. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, hat die bekannte Anordnung bei einer Last von 100 g eine Drehzahl von 350 000 l/min. Wenn die Last über diesen Wert ansteigt, bleibt der Werkzeugschaft plötzlich stehen: es wird unmöglich. Schneidarbeiten durchzuführen. Im Gegensatz dazu läßt die für die oben erläuterte erste Ausführungsform geltende Kurve b erkennen, daß zwar die Drehzahl bei gleicher Belastung im Lastbereich zwischen 0 und 100 g etwas geringer als im Fall der Kurve α ist; es können jedoch Schneidarbeiten bei Belastungen bis

ίο über 150 g und bei Drehzahlen bis unter ungefähr 200 000 !/min ausgeführt werden. Damit ist eine Ausdehnung des nutzbaren Arbeitsbereiches bis zu mittleren Drehzahlen gewährleistet. Die Schneidleistung nimmt bei Belastungen bis etwa 100 g nur um ungefähr 5% ab; stellt man dies der Ausdehnung des nutzbaren Drehzahlbereiches gegenüber, ist die Leistungsabsenkung ausreichend klein, um vernachlässigt werden zu können. Die Kurven nach F i g. 8 wurden aufgenommen, während die Belastung dadurch erfolgte, daß die Spitze des Schneidwerkzeuges mit Metall in Berührung gebracht wurde. Entsprechende Verhältnisse werden in der Praxis erhalten, wenn die Belastung dadurch erfolgt, daß der Zahnarzt Bohr- oder Schneidarbeiten am Zahn ausführt.

In Fig. 3 ist für die bekannte Ausbildung (gemäß F i g. 7) und die vorstehend beschriebene erste Ausfühpingsform die errechnete Druckverteilung innerhalb der Axialspalte 5 im Stillstand grafisch dargestellt. Dabei ist in der Abszissenachse rder Abstand vom inneren Ende r₀ der Lagerstirnfläche 33 gemäß F i g. 1 in Richtung auf das radial außenliegende Ende /2 aufgetragen, wobei die Abstufung η dem teilweise zurückspringenden Obcrflächenteil 32 entspricht. In Richtung der Ordinatenachse ρ ist der zu jedem Abstand gehörende Druck aufgetragen. Die Kurve A gilt für ein konventionelles Handstück. Wie zu erkennen ist, fällt der Druck innerhalb der Axialspalte 5 am inneren Ende r₍. stärker ab als am äußeren Ende r?; es verbleibt keine Druckreserve. Im Gegensalz dazu zeigt die Kurve B, daß im Falle der ersten Ausführungsform mindestens von dem ganz außenliegenden Ende r? bis zum abgestuften Teil r\ nur ein geringer oder gar kein Druckabfall auftritt. Es wird vielmehr ein hoher Druck aufrechterhalten. Erst beginnend von dem abgestuften Bereich r\ sinkt der Druck in Richtung auf das innenliegende Ende η> steil ab. Selbst in diesem Bereich des steilen Druckabfalls bleibt im Falle der Kurve B der Druck wesentlich höher als bei der Kurve A. Mit anderen Worten, im Falle der ersten Ausführungsform ist die Radialdruckverteilung innerhalb der Axialspalte absolut höher als bei dem konventionellen Handstück. Es kann davon ausgegangen werden, daß die theoretische grafische Darstellung den tatsächlichen Druckverlauf weitgehend approximiert.
Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, daß das Lasttragevermögen des Schubkräfte aufnehmenden Teiles, nämlich der aus einer Integration der Druckverteilung über der gesamten Schubfläche erhaltene Wert, bei dem Handstück gemäß der eisten Ausführungsform wesentlich größer als bei einem Handstück konventioneller Ausbildung ist. Das Lasttragevermögen in Schubrichtung hält das Lager 3 und den Rotor 2 im Gleichgewici.;, was sich in der Ausdehnung des Drehzahlbereiches bis zu mittleren Drehzahlen widerspiegelt.

Bei der zweiten Ausführungsform ist in Kombination

b5 mit den Lagereinheiten 3 der ersten Ausführungsform eine besondere Ausgestaltung der Turbinenschaufeln 22 vorgesehen. Wie in den F i g. 4 und 5 veranschaulicht ist, sind an beiden axialen Enden der Turbinenschaufeln 22

Ausnehmungen 23 ausgebildet. Die Ausnehmungen 23 sind vorliegend als längsverlaufende rechteckige Ausschnitte an der Innenseite der Schaufelenden veranschaulicht. Wie in Fig.6 dargestellt ist, trifft die von dem Lufteinlaßkanal 12 aus unter Druck zugeführte Luft innerhalb einer Rotorschaufelkammer 25 nacheinander auf die Turbinenschaufeln 22, wodurch die Schaufeln gedreht werden. Ein Teil der Luft durchläuft die Ausnehmungen 23, die in Unifangsrichtung miteinander in Verbindung stehen und einen zu einem Auslaßkanal 121 führenden kontinuierlichen Luftdurchlaß bilden. Es ist bekannt, daß bei einer Turbine der beschriebenen Art der größte Teil der Luft, der auf die Turbinenschaufeln 22 trifft, in Richtung auf die innere Umfangswandseite des Gehäuses 7 gelenkt wird, wobei ein Teil des Impulses in ein auf die Schaufeln 22 einwirkendes Drehmoment umgesetzt wird. Weil bei der konventionellen Ausgestaltung die Turbinenschaufeln 22 im wesentlichen geschlossen sind, prallt die Luft, die nach der vorerwähnten Kollision mit den Turbinenschaufeln 22 ihre Richtung geändert hat, heftig auf die Innenumfangsfläche des Gehäuses 7 auf. Dadurch wird ein Teil des Impulses in Form von Reibung aufgrund der Kollision mit der inneren Umfangsfläche des Gehäuses verbraucht. Die zur Erzeugung des Drehmomentes der Turbinenschaufeln 22 zur Verfugung stehende Energie wird kleiner; das Schneidvermögen nimmt ab. Bei der zweiten Ausführungsform entweicht dagegen ein Teil der Luft durch die Ausnehmungen 23 und trifft auf die in der Drehrichtung hintereinander angeordneten Turbinenschaufeln 22. Dadurch werden Energieverluste durch Reibung am Gehäuse 7 kleiner; das Drehmoment des Rotors kann verbessert werden.

Die Kurve c in F i g. 8 zeigt die Schneideigenschaften der zweiten Ausführungsform. Wie zu erkennen ist ergibt sich gegenüber konventionellen Vorrichtungen der entscheidende Vorteil, daß nicht nur bisher unerreichbar hohe Drehzahlen wie 550 000 l/min sondern auch niedrige Drehzahlen wie 100 000 l/min erzielt werden können.

Die Erfindung wurde anhand spezieller Ausführungsbeispieie im einzelnen erläutert. Es versieht sich jedoch, daß zahlreiche Abwandlungen möglich sind. Beispielsweise können im Falle der ersten Ausführungsform die zurückspringenden Oberflächenteile 32 so gestaltet werden, daß sie über die volle Oberfläche vom radial außenliegenden Ende r> bis zum innenliegenden Ende r₀ der Stirnfläche 33 reichen.

Im Falle der zweiten Ausführungsform können an Stelle von durchgehenden öffnungen entsprechend 50 Fi g. 9 nutenförmige Ausnehmungen an den beiden äußeren Erjden der Schaufeln Yor^CTesehen sein. Auch in diesem Falle durchströmt die Luft die Ausnehmungen 23 und die Turbine im wesentlichen in der in Fig. 6 angedeuteten Weise. 55

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Antriebseinrichtung für ein luftgelagertes zahnärztliches Handstück, bei dem ein zur Aufnahme eines Schneidwerkzeugschaftes geeigneter Turbinenrotor mittels Lagereinheiten gelagert ist, die einen vorderen und einen hinteren Axialspalt und in Abstand voneinander liegende Radialspalte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Axialspalten (5) der Lagereinheiten (3) gegenüberliegenden Stirnflächen (33) teilweise zurückspringende Oberflächenteile (32) vorgesehen sind, die die Axialspalte im zentripetalen Bereich vergrößern.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der teilweise zurückspringenden Oberflächenteile (32) ^von einem Teil der Stirnfläche (33) der Lagereinheit (3) gebildet ist, während ein Teil (34) einer senkrechten Wandfläche unverändert bleibt

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der teilweise zurückspringenden Oberflächenteile (32) sich über den gesamten Bereich der Stirnfläche (33) der Lagereinheit (3) erstreckt.

4. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ausnehmungen (23) in beiden axialen Schaufelendteilen der Turbinenschaufeln (22) des Turbinenrotors (2) ausgebildet sind.

5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (23) Nuten sind.

6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen durchgehende Löcher sind.