Handstück zum linearen Antreiben eines vorzugsweise dentalen Werkzeuges ======================================
Die Erfindung betrifft ein Handstück zum linearen Antreiben eines vorzugsweise dentalen Werkzeuges.
Es sind Handstücke zum linearen Antreiben von dentalen Werkzeugen bekannt, bei denen zur Führung des Werkzeuges ein schwingender Ring verwendet wird (DE 42 38 384 AI) . Ein Umfangsabschnitt des in Resonanz betriebenen Ringes, der einem Schwingungsbauch entspricht, ist mit dem Ab- triebsteil eines Ultraschallgenerators verbunden, während ein winkelmäßig hierzu versetzter ebenfalls einem Schwingungsbauch zugeordneter Ringabschnitt das Werkzeug trägt. Auf diese Weise ist es möglich, die parallel zur Achse des Ultraschallgenerators erzeugte Bewegung in eine hierzu geneigte Richtung umzulenken. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil der Ultraschallgenerator, der z.B. einen Stapel piezoelektrischer Keramikscheiben aufweisen kann, in der Regel große axiale Abmessungen aufweist, mit dem Werkzeug aber ein Zugang zu den Zahn- Oberflächen unter den im Mund eines Patienten herrschenden beschränkten Raumverhältnissen gewünscht wird.
Die Schwingungsamplitude solcher Ringe ist deshalb auf einen Wert von in der Praxis etwa 50μm begrenzt, weil die zulässige elastische Dehnung des Ringmateriales nicht überschritten werden darf. Zur Vergrößerung der Amplituden wäre denkbar, den Ringdurchmesser größer zu wählen oder die Wandstärke des Ringes kleiner zu wählen. Große Ringe sind aber im Hinblick auf kompakte Abmessungen des Handstückes nicht erwünscht. Auch ist es vorteilhaft,
wenn die Resonanzfrequenz des Ringes über der Hörgrenze des Menschen liegt.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Handstück gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß ebenfalls eine kompakte Umlenkung der von der Antriebseinheit erzeugten Bewegung in eine zur Achse der Motoranordnung geneigte Richtung erfolgt, andererseits größere Amplituden des Werkzeuges erzeugt werden können.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Handstück mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Bei dem erfindungsgemäßen Handstück werden zwei einander gegenüberliegende Wandabschnitte der Führungseinrichtung gegenphasig bewegt . Diese gegenphasige Bewegung führt dazu, daß ein mittlerer Abschnitt der Führungseinrichtung, der das Werkzeug senkrecht zu diesem Abschnitt verlaufend trägt, in zur Ebene der Führungseinrichtung senkrechter, also zur Achse des Werkzeuges paralleler Richtung bewegt wird. Durch dieses Ausknicken des mittleren Abschnittes der Führungseinrichtung erhält man eine Amplitudenübersetzung. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Führungs- einrichtung ist zugleich gewährleistet, daß das Werkzeug sicher auf seiner Achse geführt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben .
Bei einem Handstück gemäß Anspruch 2 benötigt man nur einen einzigen Linearmotor und zwei einfache Geometrie aufweisende Übertragungsteile . Das Handstück ist somit mechanisch besonders einfach aufgebaut.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist im Hinblick auf möglichst kleine radiale Abmessungen des Handstückes von Vorteil .
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick auf gute Kraftübertragungsgeometrie an den Übergangsstellen zwischen Linearmotor und zweitem Übertragungsteil bzw. zweitem Übertragungsteil und Randabschnitt der Führungseinrichtung von Vorteil.
Durch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß das Gehäuse des Handstückes, welches vom Benutzer ergriffen wird, nicht mit Schwingungen beaufschlagt wird. Dies ist einerseits im Hinblick auf den Komfort der Bedienung des Handstückes, andererseits im Hinblick auf das Vermeiden unerwünschter Schwingungsdämpfung von Vorteil .
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist ebenfalls im Hinblick auf eine Amplitudenüberhöhung am Werkzeug von Vorteil.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, daß die Relativbewegung zwischen den bei- den Randabschnitten der Führungseinrichtung von zwei
Linearmotoren erzeugt wird. Man erhält so eine Amplitudenaddition und gleichzeitig eine Leistungsaddition.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist wiederum im Hinblick auf das Fernhalten von Schwingungen vom Gehäuse und im Hinblick auf das Vermeiden einer Dämpfung der Antriebsbewegung für das Werkzeug von Vorteil.
Ein Handstück, wie es im Anspruch 9 angegeben ist, baut
in axialer Richtung besonders kompakt .
Bei einem Handstück gemäß Anspruch 10 erbringen beide Linearantriebe der Antriebseinheit die gleiche Leistung. Dies ist im Hinblick auf die Verwendung gleicher Komponenten und im Hinblick auf gleiche Belastung der Antriebe von Vorteil .
Das zweite Übertragungsteil muß zwangsläufig einen End- abschnitt aufweisen, der auf die Achse des ersten Übertragungsteiles zurückgeführt ist. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 wird auf einfache Weise erreicht, daß die von den beiden Linearantrieben zu bewegenden Massen gleich groß sind, da der dem zweiten Linearantrieb zugeordnete Winkel des Basisteiles eine entsprechende Kürzung des zweiten Übertragungsteiles (und damit eine Verringerung seiner Masse) ermöglicht und/oder die im zweiten Übertragungsteil vorgesehene Ausnehmung eine Massenreduktion bewirkt.
Gemäß Anspruch 12 kann man dann, wenn sich die bewegten Massen aus geometrischen Gründen nicht angleichen lassen, trotzdem dafür sorgen, daß die Randabschnitte der Führungs- einrichtung gegensinnig mit gleicher Amplitude bewegt werden.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 gestattet es, die den beiden gegenüberliegenden Randabschnitten der Führungseinrichtung aufgeprägten Bewe- gungen exakt gegenphasig einzustellen und so fertigungs- bedingte Unsymmetrien in den Linearantrieben und den Übertragungsteilen auszugleichen.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 14 ist im Hinblick auf eine Amplitudenvergrößerung durch ein
Übertragungsteil von Vorteil.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 15 zeichnet sich durch besonders einfachen mechanischen Aufbau der Führungseinrichtung aus. Darüber hinaus hat man eine gute verkippsichere Anbringung des Werkzeuges an der Führungseinrichtung.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 16 wird erreicht, daß die beiden Blattfedern der Führungseinrichtung sich kontrolliert stets in der einen Richtung aus ihrer Ruhelage herausbewegen, wenn das Handstück nach einem Halt wieder in Betrieb genommen wird.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Figur 1: einen axialen Schnitt durch ein erstes denta- les Ultraschall-Handstück;
Figur 2 : einen axialen Schnitt durch ein zweites dentales Handstück und ein Blockschaltbild einer zugeordneten Betriebsschaltung;
Figur 3 : einen axialen Schnitt durch ein drittes dentales Handstück und ein Blockschaltbild einer zugeordneten Betriebsschaltung;
Figur 4: eine schematische seitliche Ansicht der schwingenden Teile eines weiteren dentalen Handstückes; und
Figur 5: eine ähnliche Ansicht wie Figur 4, in welcher eine abgewandelte Führungseinrichtung für
das Werkzeug wiedergegeben ist.
In den Figuren ist ein dentales Ultraschall-Handstück insgesamt mit 10 bezeichnet. Es umfaßt ein Gehäuse 12, welches im wesentlichen geschlossen rohrförmig ist und an seinem in den Figuren rechts gelegenen Ende mit einem Steckverbinderteil 14 ausgebildet ist.
Die in der Zeichnung unten liegende Wand des Gehäuses 12 weist beim in der Zeichnung links gelegenen vorderen Endabschnitt ein Fenster 16 auf, durch welches sich eine schematisch bei 18 wiedergegebene Spannzange unter radialem Spiel hindurcherstreckt. Die Spannzange 18 trägt ein Werkzeug 20.
Die Spannzange 18 ist fest mit jeweils einem mittleren Abschnitt 22 bzw. 24 einer Blattfeder 26 bzw. 28 verbunden. Die Blattfedern 26, 28 haben identische Geometrie, verlaufen parallel zueinander und sind mit ihren End- abschnitten an Stirnabschnitte 30, 32 eines ersten Übertragungsteiles 34 bzw. eines zweiten Übertragungsteiles 36 festgemacht.
Wie ersichtlich steht die Achse der Spannzange 18 senk- recht auf den mittleren Abschnitten 22, 24 der Blattfedern 26, 28.
Das erste Übertragungsteil 36 ist geradlinig und verläuft parallel zur Achse des Gehäuses 12. Sein in der Zeichnung rechts gelegenes, hinteres Ende ist mit einer ersten
Stirnfläche 38 eines Ultraschallschwingers 40 verbunden.
Das zweite Übertragungsteil 36 hat die Form eines nach unten offenen rechteckigen U oder C mit einem Basisab- schnitt 42 und hierzu senkrechten Schenkeln 44, 46.
Der Schenkel 44 ist fest mit den links gelegenen Enden der Blattfeder 26, 28 verbunden; der Schenkel 46 ist fest mit einer in der Zeichnung rechts gelegenen zweiten Stirnfläche 48 des Ultraschallschwingers 40 verbunden. Der Basisabschnitt 42 erstreckt sich unter kleinem Abstand parallel zum Übertragungsteil 34.
Der Ultraschallschwinger 40 umfaßt eine Mehrzahl (in der Zeichnung 15) axial hintereinander gestapelter piezo- elektrischer Scheiben 50. Das in Schwingung Versetzen des Ultraschallschwingers 40 erfolgt unter Verwendung einer geeigneten HF-Hochspannung, die über Leitungen 52, 54 den metallisierten Stirnflächen 38 und 48 des Ultraschallschwingers 40 zugeführt werden. Die Leitungen 52 und 54 sind mit Stiften 56, 58 des Steckverbinderteiles 14 verbunden .
Die Befestigung einer durch den Ultraschallschwinger 40 und die Übertragungsteile 34, 36 gebildeten Antriebs- einheit 60 am Gehäuse 12 erfolgt über eine Zwischenwand 62 des Gehäuses 12, welche eine Halteöffnung 64 aufweist, die die axial mittlere der Scheiben 50 im Preßsitz aufnimmt oder mit dieser verklebt oder sonstwie fest verbunden ist ist. Ferner hat die Zwischenwand 62 eine Durchgangsöffnung 66, durch welche das Übertragungsteil 36 unter Spiel hindurchgeführt ist.
Das Steckverbinderteil 14 hat ferner einen Anschlußstutzen 68, der mit einer auf die untere Wand des Gehäuses 12 aufgesetzten Fluidleitung 70 in Verbindung steht.
Letztere trägt an ihrem freien, dem Werkzeug benachbarten Ende eine Düse 72, deren Achse bei 74 angedeutet ist .
Bei betriebsbereitem Handstück ist der Anschlußstutzen
68 mit einer Quelle für Arbeitsfluid verbunden, die z.B. eine wässrige Suspension abrasiver Partikel bereitstellt. Diese Partikel werden über die Düse 72 auf die Spitze des Werkzeuges 20 gegeben.
Wird an die Stifte 56, 58 HF-Hochspannung gelegt, so wird der Ultraschallschwinger 40 zum Schwingen angeregt. Seine erste Stirnfläche 38 drückt oder zieht das erste Übertragungsteil 34, während seine zweite Stirnfläche 48 das zweite Übertragungsteil 36 zieht bzw. drückt. Auf diese Weise werden auf die Enden der Blattfedern 26, 28 gleich große gegensinnige Bewegungen aufgeprägt. Diese Bewegungen führen dazu, daß die Blattfedern 26, 28 gebogen werden. Dies führt zu einer Axialbewegung des Werkzeuges 20. Die Amplitude dieser Axialbewegung ist größer als die Amplitude am Ultraschallschwinger 40, da die Axialbewegungen der mittleren Abschnitte 22, 24 der Blattfedern 26, 28 auf Grund der Ausknick- Geometrie größer sind als die in der Zeichnung horizon- talen Bewegungen, die den Enden der Blattfedern 26, 28 aufgeprägt werden.
Man erkennt, daß man bei dem oben beschriebenen Handstück eine Bewegungsumlenkung von der Achse des Hand- Stückes in eine hierzu senkrechte Richtung (Werkzeugachse) erhält und außerdem eine Amplitudenüberhöhung erhält .
Bei dem abgewandelten Handstück nach Figur 2 sind Kom- ponenten, die obenstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 schon erläutert wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Komponenten werden nachstehend nicht nochmals detailliert beschrieben.
Beim Handstück nach Figur 2 ist ein zweiter Ultraschall-
schwinger 76, der die gleichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufweist wie der Ultraschallschwinger 40, hinter dem Ende des gegenüber Figur 1 verkürzten zweiten Übertragungsteiles 36 angeordnet, wobei das hintere Ende des zweiten Übertragungsteiles 36 mit einem in der Zeichnung links gelegenen, vorderen Stirnabschnitt 78 des Ultraschallschwingers 76 verbunden ist, während ein in der Zeichnung rechts gelegener, hinterer Abschnitt 80 des Ultraschallschwingers 76 fest mit der links gele- genen Stirnfläche eines Basisteiles 82 verbunden ist, welches fest mit dem Gehäuse 12 verbunden ist, z.B. in dieses eingespritzt ist. Die links gelegene Stirnfläche des Basisteiles 82 ist auch fest mit der zweiten Stirnfläche 48 des Ultraschallschwingers 40 verbunden.
Die Übertragungsteile 34 und 36 unterscheiden sich aber trotz Vorsehens des zweiten Ultraschallschwingers 76 immer noch in ihrer Länge, und außerdem trägt das Übertragungsteil 36 noch den zur Achse des ersten Übertragungs- teiles zurückführenden Schenkel 44. Um die durch den zweiten Ultraschallschwinger 76 zu bewegende Masse der des ersten Übertragungsteiles 36 anzugleichen, ist im zweiten Übertragungsteil 36 eine Ausnehmung 84 entsprechender Größe vorgesehen.
Die Ausnehmung 84 ist in der Zeichnung nur schematisch angedeutet . In der Praxis kann diese Ausnehmung aus einer Vielzahl in Umfangsrichtung des zweiten Übertragungsteiles 36 verteilter Ausnehmungen bestehen, die zusammen die gewünschte Massenreduzierung bringen, dabei aber gewährleisten, daß das zweite Übertragungsteil 36 weiterhin unter den Ultraschall-Einsatzbedingungen als starr angesehen werden kann.
Zum Erregen der Ultraschallschwinger 40 und 76 ist ein
HF-Hochspannungsteil 86 vorgesehen. Dessen Ausgangsklemmen sind direkt mit dem Ultraschallschwinger 76 verbunden und über einen einstellbaren Phasenschieber 88 mit dem Ultraschallschwinger 40 verbunden. Auf diese Weise lassen sich Restunterschiede in dem durch die beiden Ultraschallschwinger zu bewegenden Lasten kompensieren und eine exakt gegenphasige Antriebsbewegung für die beiden Enden der Blattfedern 26, 28 gewährleisten. Wo auf eine solche Feinabstimmung verzichtet werden kann, kann man zusätzliche Stifte 90, 92 des Steckverbinderteiles 14, über welche die Speisung des Ultraschallschwingers 76 erfolgt, verglichen mit den Stiften 56, 58 "über Kreuz" mit dem Ausgang des HF-Hochspannungsteiles verbinden.
Auch beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 wird somit eine gegenphasige aufgeprägte Bewegung der Enden der Blattfedern 26, 28 in eine Axialbewegung von Spannzange 18 und Werkzeug 20 umgesetzt.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ähnelt demjenigen nach Figur 2 mit der Maßgabe, daß ein Teil des Massenunterschiedes zwischen dem zweiten Übertragungsteil 36 und dem ersten Übertragungsteil 34 dadurch ausgegli- chen wird, daß das Basisteil 82 als abgewinkeltes Teil ausgebildet wird. Die Masse desjenigen Armes des Basisteiles 82, der sich parallel zum ersten Übertragungsteil 34 erstreckt, braucht nicht durch Vorsehen einer Ausnehmung 84 kompensiert zu werden. Damit kann man die Aus- nehmung 84 kleiner wählen. Falls gewünscht, kann man den parallel zum ersten Übertragungsteil 34 verlaufenden Arm des L-förmigen Basisteiles 82 von Figur 3 auch noch länger wählen, so daß eine Ausnehmung 84 ganz entfallen kann.
Figur 4 zeigt eine Antriebseinheit 60, die ähnlich ist zu derjenigen nach Figur 2. Nur sind die Übertragungsteile 34, 36 jeweils sich zum freien Ende hin verjüngend ausgebildet . Man erhält so eine der Querschnittsabnahme entsprechende Amplitudenverstärkung nach Art einer Sono- trode .
Im Übertragungsteil 36 ist auf der Achse des Spannzange
18 eine Durchgangsöffnung 94 vorgesehen, und das zugehörige Gehäuse, welches in Figur 4 nicht gezeigt ist, hat eine weitere fluchtende Durchgangsöffnung. Ferner ist die Spannzange 18 so ausgebildet, daß das Werkzeug 20 von der Hinterseite her (in der Zeichnung von oben) eingesetzt werden kann. Damit kann das Werkzeug 20 insgesamt von hinten (oben) in das Handstück eingesetzt werden. Dies ermöglicht es, das Wekrzeug mit einem Bund (nicht gezeigt) zu versehen, der ein Herausfallen des Werkzeuges nach vorn (in der Zeichnung nach unten) verhindert, wenn der Werkzeugschaft von der Spannzange nicht richtig gespannt sein sollte.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 entspricht weitgehende demjenigen nach Figur 4, nur sind die beiden Blattfedern 26, 28 im unbelasteten Zustand vom Werkzeug her gesehen etwas konvex gekrümmt (die Krümmung ist in der Zeichnung übertrieben wiedergegeben) , so daß die Blattfedern nicht aus exakt neutraler Mittellage sondern aus schon vorgekrümmter Geometrie herausbewegt werden, wenn ihre Enden gegenphasig bewegt werden. Es versteht sich, daß man die beiden Blattfedern auch vom Werkzeug her gesehen beide konkav vorkrümmen kann.
Die oben beschriebenen Handstücke haben folgende Vorteile:
Die Blattfedern verstärken geometrisch die Schwingungsam-
plitude an den Enden der Übertragungsteile und führen so zu einer wesentlich größeren axialen Schwingungsamplitude des Werkzeuges.
Das Werkzeug ist gut und verkippungssicher axial geführt.
Eine zusätzliche Amplitudenverstärkung erhält man durch die sich verjüngenden Abschnitte der Übertragungsteile.
Die Blattfedern selbst werden nicht in Resonanz betrieben. Sie können daher geringere Dicke aufweisen als die beim Stand der Technik verwendeten Umlenkringe. Ihre Dicke kann so gering gewählt werden, daß auch bei sehr großer Amplitude die Bruchdehnung des Materiales nicht überschrit- ten wird.
Bei Verwendung zweier Ultraschallschwinger erhält man doppelt so große Amplituden wie beim Stand der Technik.
Die Antriebseinheit kann einfach so modifiziert werden, daß das Werkzeug von der Hinterseite der Spannzange eingesetzt werden kann. Durch konische Gestalt der Werkzeug- aufnähme der Spannzange und des Werkzeugschaftes und/oder Vorsehen eines Bundes auf dem Werkzeugschaf , kann sichergestellt werden, daß das Werkzeug auch bei nicht korrekt spannender Spannzange nicht nach vorne aus der letzteren herausfallen kann.
Die Kosten des Handstückes sind vermindert, da die beim Stand der Technik verwendeten Umlenkringe teuer sind.
Die in der Praxis als Piezoaktuatoren ausgebildeten Ultraschallschwinger lassen sich in gebohrter Ausführung ihrer Scheiben leicht mit den Übertragungsteilen bzw. dem Basisteilt verspannen.