-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an einem Drehwerkzeugkopf
zur Verwendung mit einem Handstück
für Rotationsantrieb.
Die vorliegende Erfindung findet besonders Anwendung auf modulare
Werkzeugköpfe
und Werkzeugköpfe, die
Hülsen
mit einem chirurgischen Drahtantrieb enthalten.
-
Drehwerkzeugköpfe werden
in vielen Anwendungen wie dem Antrieb von Schrauben und anderen
Befestigungen, dem Bohren von Löchern,
dem erweitern von Hohlräumen,
dem Antrieb von Drähten und
Stiften und beim Schleifen und Formen mit Handstücken für den Rotationsantrieb genutzt. Üblicherweise
wurde jede dieser unterschiedlichen Funktionen durch ein unterschiedliches,
dafür vorgesehenes
Handstück
ausgeführt,
das eine spezielle Werkzeugkopf-Konfiguration enthält. Um Kosten
und Platz zu sparen, haben einige Forscher Universal-Handstücke mit
modularen Werkzeugköpfen
bereitgestellt. Unterschiedliche Werkzeugköpfe, die jeder für einen unterschiedlichen
Zweck konfiguriert wurden, sind lösbar an das Universal-Handstück angepasst,
wie sie für
die Durchführung
einer speziellen Aufgabe gebraucht werden. Modulare Werkzeugköpfe haben wegen
ihrer Platz und Kosten sparenden Ausführungsformen eine besondere
Eignung für
chirurgische Instrumente. Die Einfachheit des Befestigens und Lösens der
modularen Werkzeugköpfe
ist für den
Anwender wichtig. Ein Problem, das auftritt, wenn man einen modularen
Werkzeugkopf befestigt, ist ein Ausrichtungsfehler der Welle. In
vielen modularen Werkzeugköpfen
nach dem Stand der Technik kann ein Ausrichtungsfehler der Welle
eine Behinderung und den Verlust von Zeit und Konzentration verursachen, wenn
die Welle von Hand neu ausgerichtet wird, um einen richtigen Eingriff
zu gewährleisten. Dieses
Problem wird in modularen Werkzeugköpfen wie einigen Drahtantriebs-Konfigurationen
mit freilaufenden Wellen, die vom Anwender während der Befestigung des Werkzeugkopfes
nicht erfasst werden, verschlechtert. Freilaufende Wellen, die,
wenn die Welle falsch ausgerichtet ist, den Werkzeugkopf hin- und
herdrehen, während
sich das Einführungsende
der Welle in Kontakt mit dem Handstück befindet, neigen nicht dazu,
die Welle mit der Hülse
auszurichten, weil die Wellenlager es der Welle ermöglichen,
sich im Werkzeugkopf zu drehen. Die Druckschrift DE-A-4 103 663
zeigt ein Handstück
für einen Rotationsantrieb
und einen modularen Kopf, wobei die Welle des Werkzeugs direkt mit
der Hülse
des Handstücks
verbunden ist.
-
Außerdem enthalten
viele Drehwerkzeugköpfe
Hülsen,
um eine Welle oder einen Draht greifen zu können. Hülsen werden in den Drehwerkzeugköpfen verwendet,
um Schleifbohrer bzw. -fräser
zu halten und um Stifte und Drähte
zu greifen. Ein chirurgischer Drahtantrieb ist eine solche Anwendung,
die eine Hülse
zum Greifen eines Drahtes enthält.
Die Hülse
weist eine Längsachse
auf, die mit einer sich durch den Drahtantrieb und das Handstück erstreckenden
Kanüle
ausgerichtet ist. Die Kanüle
berücksichtigt
den Gebrauch von Draht, der länger
ist als die Hülse
selbst, da sich der Draht vollständig
durch das Instrument erstrecken kann. Der Draht muss vor dem Anwenden
in die Hülse
und die Kanüle
eingeführt werden.
Für den
Anwender ist es wichtig, dass der Draht leicht in die Hülse einführbar ist
und dass der Draht in einer korrekten Ausrichtung mit der Hülsenachse
eingeführt
wird. In 1 wird eine Anordnung von Welle
und Hülse
nach dem Stand der Technik gezeigt. Die Anordnung enthält eine
Welle 1 mit einem Hülsenende 3.
Die Welle ist für
eine freie Drehbewegung in Lagern 4 angebracht. Diese Anordnung
wird dann in ein Werkzeugkopfgehäuse
eingebaut. Das Hülsenende 3 enthält parallel
zur Längsachse
Mitnehmer 5. Die Mitnehmer 5 sind durch lineare
Schlitze 6 getrennt. In diesen Hülsen nach dem Stand der Technik
kann ein Draht 7 die Nuten zwischen den Hülsenmitnehmern
verlassen und kann das Eindringen in die Kanüle gemäß 1 verfehlen.
Wenn dies passiert, muss der Draht zurückgezogen und neu eingeführt werden.
Diese Verfahrensweise kann behindernd und zeitaufwendig sein. Zusätzlich wird, wenn
ein Teil des Drahtes in eine der Nuten rutscht und von ihnen zwischen
den Mitnehmern erfasst wird, der Draht außeraxial sein, wobei der Draht
nicht rund laufen wird, wenn der Anwender versucht, ihn anzutreiben. Ähnlich dazu
muss in einer Hülse,
die zum Greifen eines Schleifbohrers bzw. -fräsers verwendet wird, der Bohrer
mit der Hülsenachse
ausgerichtet sein oder der Bohrer wird sich nicht zuverlässig drehen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung stellt Verbesserungen für Drehwerkzeugköpfe bereit.
Im Fall eines modularen Werkzeugkopfes ist die Welle mit einem polygonalen
Querschnitt zum Übertragen
einer Drehbewegung versehen. Die Welle ist in eine Hülse mit einer
korrespondierenden polygonalen Form im Handstück einführbar. Das Ende der Hülse verjüngt sich,
um die Einführung
zu erleichtern. Ebene Flächen,
die jeder Seite des Wellenpolygons entsprechen, konvergieren zum
Ende der Welle. Auf diese Weise setzen sich die Ecken des Polygons
entlang des sich verjüngenden
Teils fort, wenn sein Querschnittsbereich abnimmt. Wenn die Welle
in die Hülse
eingeführt
wird, ermöglicht
es die Verjüngung, dass
die Welle in die Hülse
gelangt. Sobald damit begonnen wurde, stoßen die Ecken der sich verjüngenden
Welle auf die Flachstellen der Hülse.
Da das Ende verjüngt
ist und die Ecken des Polygons sich entlang des verjüngten Teils
erstrecken, bewirkt die Kraft der Flachstellen der Hülse an den
Ecken des verjüngten
Teils, dass sich die Welle und die Hülse in Ausrichtung miteinander
drehen. Der selbst ausrich tende Charakter dieser Anordnung führt zu einem leicht
aufsteckbaren Werkzeugkopf.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1 eine
seitliche Draufsicht einer Wellenanordnung nach dem Stand der Technik;
-
2 eine
vordere Draufsicht eines Rotationshandstücks entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
-
3 eine
seitliche Draufsicht des Rotationshandstücks von 2;
-
4 eine
vordere Draufsicht eines Drehwerkzeugkopfes entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
-
5 eine
perspektivische Ansicht teilweise in Explosionsansicht des Drehwerkzeugkopfes
von 4;
-
6 eine
vordere Schnittansicht des Drehwerkzeugkopfes von 4;
-
7 eine
vordere Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
einer Wellenanordnung;
-
8 eine
seitliche Draufsicht der Wellenanordnung von 7;
-
9 eine
vordere Draufsicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Wellenanordnung;
-
10 eine
vordere Draufsicht der Welle von der Wellenanordnung von 9;
-
11 eine
seitliche Draufsicht der Welle von 10;
-
12 eine
vordere Draufsicht des Hülsenendes
der Welle von 10;
-
13 eine
vordere Draufsicht, die teilweise im Schnitt dargestellt ist, um
das Zusammenwirken zwischen dem Einführungsende der Welle von 10 mit
der Hülse
des Handstücks
von 3 zu zeigen;
-
14 eine
grafische Darstellung, die die entstehenden Kräfte veranschaulicht, die durch
das in 13 gezeigte Zusammenwirken erzeugt
werden;
-
15 eine
seitliche Draufsicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels
einer Wellenanordnung.
-
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
-
2–6 veranschaulichen
einen beispielhaften modularen Werkzeugkopf 10 und ein
Rotationshandstück 12,
durch die die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Der gezeigte spezielle Werkzeugkopf ist ein modularer, orthopädischer
Drahtantrieb, der lösbar mit
dem Handstück
verbindbar ist. Das Handstück 12 weist
eine polygonale Hülse 11 zum
aneinander passenden Eingreifen einer Antriebswelle an den Werkzeugkopf 10 auf.
Die Hülse 11 weist
mehrere Seiten 9 mit angrenzenden Seiten auf, die auf die
Ecken 13 treffen. Funktionell unterschiedliche Werkzeugköpfe und
nicht modulare Werkzeugköpfe
können
die vorliegende Erfindung ebenso beinhalten, wie beschrieben werden
wird.
-
7 und 8 veranschaulichen
ein Ausführungsbeispiel
einer Wellenanordnung 14 eines Werkzeugkopfes mit einer
Welle 16 mit einem verjüngten
Einführungsende 18.
Die Welle 16 hat rechtwinklig zu ihrer Längsachse
eine polygonale Querschnittsform. Die Welle weist eine Vielzahl
von Seiten 20 mit angrenzenden Seiten auf, die an den Ecken 22 aufeinander
treffen. Die Form der Welle 16 korrespondiert mit der Hülse 11,
so dass sie formschlüssig in
Eingriff kommen, um ein Drehmoment zu übertragen. Die beispielhafte
Welle 16 und die Hülse 11 weisen
eine sechseckige Form auf. Das Einführungsende 18 ist
zu einem Kegelstumpf geschliffen, der in eine sechskantförmige Welle 16 übergeht.
Bei Gebrauch wird das kegelstumpfförmige Einführungsende 18 in die
polygonale Hülse 11 eingeführt. Wenn das
Ende 18 mit der Hülse 11 in
eine allgemeine Ausrichtung gebracht wird, führt die Verjüngung das Ende 18 in
die Hülse 11 und
er leichtert damit die Befestigung des Kopfes 10 an das
Handstück 12.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die kegelförmige Form
des Endes 18 das Ende 18 manchmal in der Hülse 11 klemmt.
Dies geschieht, wenn die Übergangsbereiche 24 vom
kegelstumpfförmigen
Ende 18 zu den Ecken 22 der Welle 16 mit
den flachen Seiten 9 der Hülse 11 in Kontakt
kommen. Der Übergangsbereich
ist eine ausgedehnte, glatte Fläche, die
sich über
ihre Ecken zum Wellenmaß verjüngt. Daher
neigt er dazu, sich in der Hülse 11 zu
verkeilen. Das Rütteln
der Welle 16 von Seite zu Seite hilft, die Welle 16 zu
lösen und
ermöglicht
es, sie einzusetzen. Diese Verfahrensweise funktioniert aber nicht immer
und die Welle 16 muss gelegentlich gelöst und neu in die Hülse eingeführt werden.
Im Fall eines Drahtantriebs ist die Welle 16 im Werkzeugkopf 10 eingeschlossen
und ist an freilaufenden Lagern 26 angebracht. Das Drehen
des Werkzeugkopfes 10 um die Wellenachse führt nicht
dazu, eine verkeilte Welle 16 zu befreien, da sich die
Welle 16 im Werkzeugkopf 10 dreht.
-
9–12 veranschaulichen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Anordnung wird auch
im in 2–6 gezeigten,
beispielhaften Werkzeugkopf und Rotationshandstück veranschaulicht. Die Wellenanordnung 30 weist
eine Welle 32 mit einer Längsachse auf. Die Welle 32 weist
eine polygonale Querschnittsform rechtwinklig zur Längsachse
auf. Die Welle 32 weist eine Vielzahl von Seiten 34 mit
angrenzenden Seiten auf, die an den Ecken 36 aufeinander
treffen. Die Form der Welle 32 korrespondiert mit der Hülse 11,
so dass sie formschlüssig
in Eingriff kommen, um ein Drehmoment zu übertragen. Die beispielhafte
Welle 16 und die Hülse 11 haben
eine sechseckige Form. Die Welle 32 ist auf Lagern 38 im Werkzeugkopf 10 angebracht.
Die Welle weist ein Einführungsende 40 auf.
Im veranschaulichten Drahtantrieb liegt die Welle 32 an
ihrem Einführungsende 40 vom
Werkzeugkopf frei. Das Einführungsende 40 weist
eine Vielzahl von kon vergierenden ebenen Flächen 42 auf, die zum
Beispiel durch Bandschleifen oder Fräsen ausgebildet werden. Es
gibt eine eins-zu-eins Entsprechung zwischen den Seiten des Wellenpolygons 34 und
den konvergierenden ebenen Flächen 42,
so dass ein Querschnitt des verjüngten
Endes 40 rechtwinklig zur Längsachse auch ein Polygon mit
der gleichen Anzahl von Seiten wie das Wellenpolygon ist, aber mit
kleinerer Fläche.
Die Ecken 36 des Wellenpolygons setzen sich entlang des
verjüngten
Endes 40 fort, um an der Verjüngung 40 die Ecken 44 zu
bilden. Wenn das verjüngte
Ende 40 in die Hülse 11 eingefügt ist,
kommen die Ecken 44 des Verjüngungsendes 40 mit
den Seiten 9 der Hülse 11 in
Kontakt. Die Ecken 44 sind Linien, die durch die Schnittpunkte
der ebenen Flächen 42 gebildet
werden. Darüber
hinaus konvergieren die Ecken 44 von einem maximalen Abstand
neben der Welle 32 zu einem minimalen Abstand neben dem
freien Ende der Welle. Diese Form des Einführungsendes führt gemäß 13 zu
einem Punktkontakt 46 zwischen den Seiten 9 der
Hülse 11 und
den Ecken 44 des Einführungsendes 40.
Die sich verjüngenden Ecken 44,
verbunden mit einer axialen Kraft, die die Welle 32 in
die Hülse 11 drückt, erzeugt
gemäß 14 seitlich
entstehende resultierende Kräfte 48 zwischen
den Ecken 44 und den Seiten 9. Die seitlichen
resultierenden Kräfte 48 wirken über den
Radius der Welle 32 und der Hülse 11, um resultierende Torsionskräfte 50 zu
erzeugen, die bewirken, dass sich die Welle 32 und die
Hülse 11 in
Ausrichtung miteinander drehen. Diese Anordnung von Welle und Hülse wird
sich selbst ausrichten, es sei denn, dass die Ecken 44 mit
den Seiten 9 genau in der Mitte der Seiten 9 in
Kontakt kommen, so dass sich keine seitlich entstehenden Kräfte ergeben.
Wenn dies eintritt, genügt
ein leichtes Rütteln
des Werkzeugkopfes, um die Ausrichtung des Punktkontaktes 46 zu ändern, so dass
sie vorteilhafterweise unstabil ist und die selbstausrichtenden
entstehenden Kräfte
erzeugt.
-
9–12 zeigen
außerdem
eine verbesserte Hülse,
die Ausrichtungsfehler der in der Hülse angeordneten Drähte oder
Wellen verhindert. Die Welle 32 weist ein Hülsenende 52 auf.
Von der Wand der Welle 32 sind mehrere Mitnehmer 54,
in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel
sind es vier, ausgebildet. Die Mitnehmer sind durch nicht-lineare Schlitze 56 in
der Wand der Welle 32 getrennt. Das Ausführungsbeispiel
von 9–12 weist zick-zack-förmige Schlitze 56 auf.
Die vier gezeigten Schlitze können
durch gleichzeitiges Schneiden gegenüberliegender Schlitze ausgebildet
werden, wenn das Schneidwerkzeug, der Teil oder beides bewegt wird.
Der Teil kann dann gedreht und das andere Paar Schlitze ausgebildet
werden. Wenn eine ungerade Anzahl von Schlitzen oder ein unregelmäßiger Abstand
der Schlitze gewünscht
wird, können
sie einzeln geschnitten werden. Diese Art von Schlitz kann durch
eine jeweilige Bewegung von Seite zu Seite oder einer jeweils wechselnden
Drehbewegung erzeugt werden. Der Schnittpunkt der Schlitze 56 bildet entlang
der Längsachse
eine mittlere Bohrung. Alternativ kann die Welle eine Bohrung aufweisen,
die entlang der Längsachse,
wie zum Beispiel durch Bohren ausgebildet ist, die größer ist
als die Schnittpunkte der Schlitze 56, um einen größeren Draht oder
Welle unterzubringen. Entlang der Längsachse ist ein zwischen den
Mitnehmern 54 eingeführter Draht 58 oder
eine Welle geführt,
und in der Mitte der Mitnehmer 54 enthalten. Der Draht 58 oder
die Welle wird durch die nicht-linearen Schlitze 56 daran
gehindert, zwischen den Mitnehmern hervorzustehen. Wenn der Draht 58 oder
die Welle gegen die Innenseite der Mitnehmer gerichtet ist, ist
der Draht nicht mit einer beliebigen, parallel zur Längsachse
liegenden Öffnung
vorhanden, die lang genug ist, um den Draht 58 oder die
Welle zwischen die Mitnehmer 54 rutschen zu lassen. In
der beispielhaften Drahtantriebsanordnung ist die Wellenanordnung 30 in
einem Gehäuse 57 eingebaut.
Eine Endkappe 59 wird auf das Gehäuse 57 geschraubt
und deckt das Hülsenende 52 ab.
Ein verjüngter
Teil 61 der Endkappe 59 wirkt zusammen mit einem
verjüngten
Teil 63 des Hülsenendes 62,
damit die Mitnehmer 54 zusammengepresst werden, um den
Draht zu greifen, wenn der Teil 63 in den Teil 61 vorgeschoben
wird. Um die Teile 61 und 63 relativ zu einander
zu bewegen, wird ein Hebel 65 betätigt. Der Hebel bewegt die
gesamte Wellenanordnung 30 im Gehäuse 57 nach vorn.
Eine Feder 67 setzt die Wellenanordnung 30 rückwärtig im Gehäuse 57 unter
Vorspannung.
-
15 veranschaulicht
ein alternatives Ausführungsbeispiel,
in dem die Mitnehmer 60 durch nicht-lineare, spiralförmige Schlitze 62 getrennt
werden. Diese Hülse
könnte
mit nur zwei Mitnehmern 60 verwendet werden, die durch
einen spiralförmigen Schlitz 62 getrennt
sind. Sie könnte
ebenso, wie das Ausführungsbeispiel
von 9, mehrfache Mitnehmer und Schlitze aufweisen.
Die spiralförmigen Schlitze 62 von
diesem Ausführungsbeispiel
können durch
eine kontinuierliche relative Drehung erzeugt werden, während der
Teil oder das Schneidwerkzeug vorgeschoben wird.
-
Es
wird für
den Fachmann verständlich,
dass durch das Vorhergehende ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mittels einer beispielhaften modularen
Drahtantriebsanordnung beschrieben wurde. Die Erfindung kann verwendet
werden, um eine verbesserte Form eines Welleneinführungsendes
in einem modularen Werkzeugkopf bereitzustellen, der kein Hülsenende
aufweist. Das verbesserte Wellenhülsenende kann ebenso in einem
nicht-modularen Werkzeugkopf verwendet werden. Schließlich können im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
Veränderungen
in Entwurf und Aufbau vorgenommen werden, ohne vom Umfang der in
den Ansprüchen
definierten Erfindung abzuweichen.