DE3327119A1

DE3327119A1 - Luftlageranordnung fuer ein zahnaerztliches handstueck

Info

Publication number: DE3327119A1
Application number: DE19833327119
Authority: DE
Inventors: Shozo Nakayama; Sekiya Kyoto Ogino
Original assignee: J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1984-02-09
Also published as: DE3327119C2; JPS5922542A; JPS6136931B2; US4521190A

Description

■Ζ-

PAF 1149

Kabushiki Kaisha Morita Seisakusho 680 Higashihama Minami-machi, Fushimi-ku Kyoto-shi, Japan

Luftlageranordnung für ein zahnärztliches

Handstück

Die Erfindung betrifft eine Luftlageranordnung für ein zahnärztliches Handstück, bei dem ein zur Aufnahme eines Werkzeugschafts bestimmter Turbinenrotor in einem Lager unter Ausbildung eines Radialspalts und eines Axialspalts gelagert ist.

In Fig. 1 ist ein zahnärztliches Handstück mit einer Luftlageranordnung bekannter Art veranschaulicht. Dabei sind zwischen ein- . ander gegenüberliegenden Flächen eines einen Werkzeugschaft 1 haltenden Turbinenrotors 2 und eines Lagers 5 ein Radialspalt 3 und Axialspalte 4 ausgebildet. Ein komprimiertes Hochgeschwindigkeits-Treibmedium (im allgemeinen Druckluft) wird in die Spalte 3, 4 von Luftkanälen 6 aus über Lufteinlaßöffnungen 7 und verengte Lager öffnungen 8 eingeleitet, um in beiden Spalten 3, 4 einen dünnen Luft film für den sowohl radial als auch axial zu lagernden, umlaufenden Rotor 2 auszubilden, dessen Drehzahl beispielsweise bei maximal 500.000 Min. liegt. Luft strömt über einen Austrittskanal 9 ab. Der Turbinenrotor 2 trägt Turbinenschaufeln 10. Die Lager 5 werden über elastische O-Ringe 11 abgestützt. Treibluft zum Antrieb der Turbinenschaufeln 10 strömt über eine Luftzuleitung 12 ein. Der Turbinenrotor 2 und die Lager 5 sitzen in einem Handstückgehäuse 13, das mit einem Deckel 14 versehen ist. Bei der bekannten Ausführung bildet das Lager 5 die

Oberfläche eines Rotationskörpers, beispielsweise eines Hohlzylinders oder dergleichen oder eines Kegelstumpfs, dessen Achse mit der Achse des Werkzeugschafts 1 zusammenfällt. Die Kombination aus einem solchen Rotationskörper und dem Turbinenrotor 2 war jedoch hinsichtlich der Belastungsfähigkeit oder Tragfähigkeit und der Lagersteifigkeit beschränkt. Die geringe Lagersteifigkeit führte zu dem sogenannten Wirbelphänomen, während die geringe Belastungsfähigkeit Kontaktgeräusche durch einen Kontakt zwischen dem Lager 5 und dem Rotor 2 zur Folge hatte. Dadurch war der Einsatz in der zahnärztlichen Praxis erschwert. Die bekannte Konstruktion brachte außerdem Schwierigkeiten hinsichtlich einer geeigneten Fertigbearbeitung der einander gegenüberliegenden Flächen von Rotor 2 und Lager 5 mit sich, was zu mangelnder Dauerhaftigkeit führte. Unter anderem stellte sich heraus, daß die Rotordrehzahl um bis zu 100.000 Min.~ aufgrund des erwähnten Wirbelphänomens im Vergleich zu der Drehzahl abfallen konnte, die erhalten wurde, wenn der Werkzeugschaft 1 nicht eingesetzt war.

In dem Bemühen, den geschilderten Problemen beizukommen, wurden die Lösungen gemäß den US-PSen 4 326 846 und 4 209 293 entwickelt. Im ersten Fall werden die Turbinenschaufeln mit jeweils einem Verbindungskanal versehen, und ein Teil der über diesen Kanal geführten Luft wird veranlaßt, auf die in der Drehrichtung nächste Turbinenschaufel aufzutreffen und diese anzutreiben, um das erzielbare Drehmoment zu vergrößern. Bei der zweiten Lösung werden Drosselteile an der Axialstirnfläche des Luftlagers vorgesehen, um für eine Erhöhung des Zentripedal~Axialspalts und damit für eine Verbesserung der Lagersteifigkeit zu sorgen, wobei die Drosselteile eine Luftkammer bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftlageranordnung für zahnärztliche Handstücke mit verbesserter Lagersteifigkeit und Belastungsfähigkeit zu schaffen, bei dem die Gefahr von anomalen Lauf geräuschen und Vibrationen aufgrund des Wirbelphänomens vermindert sind.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Eine bevorzugte weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Bei der Anordnung nach der Erfindung sind entlang des Umfangs des Radialspalts mehrere Luftkammern vorhanden, wobei gleichzeitig Sorge dafür getroffen ist, daß keine Störung der Luftströmung in Längsrichtung des Radialspalts erfolgt. Die Luftkammern werden vorzugsweise von Ausnehmungen im Rotor- oder in der gegenüberliegenden Fläche des Lagers gebildet, die in Umfangsrichtung in Abstand voneinander liegen.

Die Er findung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen :

Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes zahnärztliches Handstück,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt einer Luftlageranordnung gemäß der Erfindung, wobei der Rotor der Fig. 2 exzentrisch in dem Lager dargestellt ist,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV - IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Rotors gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI - VI der Fig.5,

Fig. 7 eine Druckverteilungskurve für ein Handstück nach der Erfindung und

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche vergleichsweise die Beziehung zwischen dem Druck und der Drehzahl sowie der Stabilität für ein Handstück mit einer Luftlageranordnung nach der Erfindung und ein bekanntes Handstück erkennen läßt.

Bei der vorliegenden Luftlageranordnung für zahnärztliche Handstücke ist der Turbinenrotor 2 mit eingesetztem Werkzeugschaft in dem Luftlager 5 gelagert, das zusammen mit dem Rotor 2 einen Radialspalt 3 und einen Axialspalt 4 begrenzt. Der Radialspalt weist eine Mehrzahl von Spalterweiterungen 31 auf, die bezüglich der Längs- und Umfangsrichtung des Lagers 5 Luftkammern oder Luftpolster bilden. Die Spalterweiterungen 31 stehen weder im Bereich der beiden Längsenden 32, 33 der Radialspalte 3 noch in Umfangsrichtung miteinander in Verbindung. Die Länge 1 der Spalterweiterungen in Achsrichtung ist größer als die Um fangsbreite W der Spalterweiterungen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 werden die Spalterweiterungen 31 von parallelen, in Längsrichtung langgestreckten Ausnehmungen 15 an der Um fangs fläche des Rotors 2 gebildet. Die Ausnehmungen 15 liegen in Umfangsrichtung in Abstand voneinander. Zu beiden Seiten der Turbinenschaufeln 10 sind jeweils 8 solche Ausnehmungen vorhanden. Auch bei der abgewandelten Ausführungsfor gemäß den Figuren 5 und 6 verlaufen die Ausnehmungen 15 parallel zueinander. Abweichend von der zuvor beschriebenen Ausführungsform haben sie jedoch im Querschnitt die Form von Kreissegmenten .

Des weiteren ist es möglich, Ausnehmungen 15 in der der Rotoroberfläche gegenüberliegenden Innenfläche des Lagers 5 vorzuseher, um den obenerwähnten Effekt zu erreichen. Es ist nicht notwendig < > daß die Ausnehmungen 15 parallel zueinander liegen; sie können praktisch beliebige Ausgestaltung haben, solange sie nicht miteir ander in Verbindung stehen. Es ist auch nicht erforderlich, daß die Ausnehmungen 15 untereinander gleiche Tiefe aufweisen.

Ferner besteht keine Einschränkung hinsichtlich der Anzahl der Ausnehmungen 15.

Das Vorhandensein solcher Ausnehmungen 15 führt zur Bildung der Spalterweiterungen 31 zwischen dem Lager 5 und dem Rotor 2 im Vergleich zu dem unmodifizierten Radialspalt 3. Der bekannten Lageranordnung gemäß Fig. 1 und der Lageranordnung nach der vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, daß es sich bei dem benutzten Luftlager um ein Lager mit inhärenter Drosselung oder Düsendrosselung handelt. Bei solchen Luftlagern mit Drosselung variiert der innerhalb des Lagers herrschende Druck in Abhängigkeit von der Größe des Lagerspalts von dem Moment an, zu dem die Druckluftzufuhr über die verengten Öffnungen oder Düsen 8 zwecks Erzielung geeigneter Tragfähigkeit und/oder Lagersteifigkeit gestartet wird. Es sind mehrere Drosselöffnungen oder Düsen 8 vorhanden, die nicht über Nuten oder dergleichen innerhalb des Lagerspalts miteinander in Verbindung stehen. Dagegen gibt es bei Lu ft lagern mit Flächendrosselung, solche, bei denen die verengten Öffnungen miteinander in Verbindung stehen oder Lager mit einer einzigen Düse und Nuten zur Verteilung der Luft über den Innenraum des Lagers, die sich über den gesamten Umfang des Lagerkörpers erstrecken. Solche Lager sind von Lagern mit inhärenter Drosselung oder Düsendrosselung zu unterscheiden. Vorliegend ist dafür gesorgt, daß das Luftlager ein Lager mit inhärenter- oder Düsendrosselung ist, in dem die Ausnehmungen 15 so ausgestaltet werden, daß sie, insbesondere in Umfangsrichtung, nicht miteinander in Verbindung stehen.

Nunmehr sei die funktionsweise der Spalterweiterungen 31 erläutert. Wenn die Um fangs fläche des Rotors 2, soweit sie nicht von den Ausnehmungen 15 gebildet ist, als vorstehender Teil 16 bezeichnet und die Luftlängsströmung in Fig. 3 betrachtet wird, gelangt über die verengten Öffnungen 8 eingetretene Luft in den teilerweiterten Spalt 31. Weil in dem oberen teilerweiterten Spalt 310 in Fig. 3 die Spalte 310 selbst an den beiden offenen Längsenden des Lagers 5 relativ breit sind, entweicht

die Luft weitgehend unbehindert zur Außenseite des Lagers, und in dem Spalt kann der Druck nicht aufrechterhalten werden. Dagegen ist der untere Spalt 311 aufgrund des Vorhandenseins der vorstehenden Teile 16 an den beiden offenen Längsenden wesentlich enger, so daß die in dem Spalt 31 vorhandene Luft nicht leicht in Längsrichtung entweichen kann. Auch in Umfangsrichtung tritt die Luft wegen des engen Spalts zwischen dem vorstehenden Teil und der Innenfläche des Luftlagers 5 nicht unbehindert aus. Dieser Spalt ist im Bereich des untersten vorstehenden Teils am engsten. Infolgedessen wird in dem Spalt 3 auf der Seite des Rotors 2, zu der hin der Rotor exzentrisch versetzt ist, ein hoher Druck aufrechterhalten. Damit wirkt auf den Rotor 2 eine Kraft, wie sie erforderlich ist, um den Rotor in seine normale konzentrische Position zurückzubringen. Dies trägt zu der Lagersteifigkeit oder Tragfähigkeit wesentlich bei. Die obige Erläuterung ging von dem Fall einer maximalen Exzentrizität des Rotors 2 aus. Der beschriebene Effekt stellt sich jedoch in dieser Tendenz unabhängig vom Exzentrizitätsgrad ein. Eine Voraussetzung für den genannten Effekt ist, daß die Spalterweiterungen 31 an den beiden Längsenden 32, 33 sowie in Umfangsrichtung nicht ohne weiteres miteinander in Verbindung stehen. Ferner kommt es darauf an, daß die Länge 1 der Spalterweiterungen in Axialrichtung größer als die Breite W in Umfangsrichtung ist, weil andernfalls die Luftströmung in Umfangsrichtung größer als die Luftströmung in Längsrichtung wird und infolgedessen der vorliegend ausgenutzte Effekt sich nicht in dem erwünschten Maße einstellen kann. Wenn die Beziehung 1 größer W aufrechterhalten wird, nimmt der Druckaufbau in dem von den vorstehenden Teilen 161 des Rotors und dem Lager 5 in Fig. 4 begrenzten Raum allmählich ab, selbst wenn die Breite der Spalterweiterung 31 klein ist. Dies steht im Gegensatz zu einem Luftlager ohne Ausnehmungen (im Rotor 2); die Lagertragfähigkeit ist daher im wesentlichen die gleiche. Daher ist es nicht notwendig, für die Breite W in Umfangsrichtung einen Grenzwert vorzugeben.

In Fig. 7 ist die Druckverteilung veranschaulicht. Dabei sind die Spalterweiterungen 31 durch A, C, E, G und I sowie die vorstehenden Teile 16 durch B, D, F und H auf der Abszissenachse dargestellt. Der Luftdruck ist in Ordinatenrichtung aufgetragen, Die Luftdrücke in den betreffenden vertieften und vorstehenden Teilen 31, 16 bei Strömen der Luft in Umfangsrichtung sind als Funktion der betreffenden Positionen veranschaulicht. Aus der graphischen Darstellung der Fig. 7 ist zu erkennen, daß die Druckverteilung in Umfangsrichtung recht ausgeprägt ist. Versuche mit den Ausführungsformen der Figuren 2, 3 und 4 zeigten, daß die normale Drehzahl bei einem Luftdruck von 3,5 kg/cm auch dann aufrechterhalten werden konnte, wenn die Gesamtlänge des Schneidwerkzeugs 1 25 mm oder sein Gewicht 600 mg betrug. Bei Benutzung eines Versuchsschafts von 1,6 mm Durchmesser und 20 mm Länge kam es zu keinem Kontakt zwischen dem Lager 5 und dem Rotor 2 selbst bei einem Luftdruck von nur 1,8 kg/cm^. Im Falle eines konventionellen Handstücks mit Luftlager betrug dagegen die maximal brauchbare Gesamtlänge bei einem Luftdruck von 3,5 kg/cm^ nur 22 mm, während das verwendbare Höchstgewicht 400 mg betrug. Infolgedessen kann bei der erfindungsgemäßen Ausbildung ein Schneidwerkzeug verwendet werden, das bis zu 200 mg schwerer und bis zu 3 mm länger ist.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß ein erfindungsgemäßes Handstück eine bemerkenswert hohe Lagersteifigkeit selbst bei niedrigem Luftdruck aufweist. Dies bedeutet, daß mit dem Handstück auch dann noch gearbeitet werden kann, wenn der Luftdruck aufgrund von Kompressorstörungen abfällt, wie sie in der zahnärztlichen Praxis relativ häufig auftreten. Bei normalen Luftdruck kann mit einem größeren Schneidwerkzeug gearbeitet werden, ohne daß dies zu Lasten der Schneidleistung geht.

Obwohl die genannte Erhöhung der Lagersteifigkeit ohne weiteres für eine Steigerung der Tragfähigkeit spricht, wurde zur Bestätigung ein weiterer Versuch durchgeführt, bei dem die Last- gemessen wurde, bei welcher der Rotor 2 in Kontakt mit dem Lager 5 zu kommen begann, wenn das Schneidwerkzeug 1 verschieden stark be-

lastet wurde. Während bei einem konventionellen Handstück ein Kontakt bei einer Last von 100 g aufzutreten begann war im Falle eines erfindungsgemäß ausgebildeten Handstücks kein Kontakt festzustellen, selbst wenn die Last auf 120 g erhöht wurde. Die Fig. 8 veranschaulicht die Drehzahl und die Stabilität als Funktion des Luftdrucks, wenn das Handstück mit einem Versuchsschaft von 1,6 mm Durchmesser und 20 mm Länge versehen wirdc

In Fig. 8 gilt die Kurve (a) für ein bekanntes Handstück, während die Kurve (b) für ein erfindungsgemäß aufgebautes Handstück aufgenommen wurde. Das Zeichen "x" bedeutet, daß die Drehung bei der betreffenden Drehzahl instabil war, während die Markierung "o" bedeutet, daß die Drehung stabil war. Die graphische Darstellung gemäß Fig. 8 läßt erkennen, daß ein erfindungsgemäßes Handstück mit höherer Drehzahl als ein entsprechendes bekanntes Handstück bei jedem Luftdruck innerhalb des sinnvollen Luftdruckbereiches betrieben werden kann, und daß selbst bei hoher Last mit einem Luftdruck im Bereich von 2,0 bis 3,5 kg/cm^ ein Arbeiten mit hoher Drehzahl und ausgezeichneter LaufStabilität möglich ist. Im Gegensatz dazu konnte das entspre-

2 chende bekannte Handstück nur bei einem Luftdruck von 3,5 kg/cm stabil betrieben werden; bei einem Abfall des Luftdrucks wurde es sofort instabil.

Im Falle der zuvor erläuterten Ausführungsform ist das Handstück mit zwei Lagern 5 ausgestattet. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch ohne weiteres auch Lösungen möglich, bei denen für den Rotor nur ein einziges Lager vorgesehen, d.h. der Rotor auslegerartig abgestützt ist. Zu den besonderen Vorteilen der geschilderten Ausbildung gehören eine Verbesserung der Schneidleistung des Handstücks aufgrund erhöhter Lagersteifigkeit und Tragfähigkeit, verminderte Gefahr anormaler Laufgeräusche und Vibrationenen aufgrund des Wirbelphänomens, verbesserte Konzentrizität und erhöhte Lebensdauer.

- -/O-Leerseite

Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MÜNCHEN 83

Morita PAF 1149

ANSPRÜCHE

Jo Luftlageranordnung für ein zahnärztliches Handstück, bei dem ein zur Aufnahme eines Werkzeugschafts bestimmter Turbinenrotor in einem Lager unter Ausbildung eines Radialspalts und eines Axialspalts gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der RadialspaltC3)an mehreren Stellen unter Bildung von Luftkammern erweitert ist, die sich in Längs- und Umfangsrichtung des Luftlagers(S)erstrecken, ohne an den beiden Längsenden (32, 33)des Radialspalts und in Umfangsrichtung miteinander Verbindung zu haben, und daß die Länge (1) der Luftspalterweiterungen (31) größer als deren Breite (W) in Umfangsrichtung ist.
2. Luftlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Luftspalterweiterungen(31)von einer Mehrzahl von Ausnehmungen (1$ des Lagers (5 )oder des Turbinenrotors (2 )gebildet sind, deren Längsabmessung sich in der Axialrichtung des Lagers (5 )erstreckt und die in Umfangsrichtung in Abstand voneinander liegen.