一种新型模态转换压电钻

    随着社会经济的发展和人民生活水平的日益提高,口腔卫生和口腔保健越来越受重视,口腔医疗事业迅速发展。口腔科使用的牙钻手机是治疗牙病和进行牙齿修复的必备器械,使用频率高。和低速手机与洁牙手机相比,高速牙钻的切削能力强^[1-3],其主要用于切割牙体,制备牙洞、制备牙形和修整牙形等,以电机为动力源的牙科手机的转速一般只能达到几万转/分钟,通常作为低速手机使用,目前普遍使用的高速手机是滚珠轴承式牙科高速涡轮手机,转速为(30~50)×10⁴r/min,而悬浮式空气轴承牙科高速涡轮手机的转速可达60×10⁴r/min,使用寿命较长,但由于其在使用时所产生的噪音较大和扭矩较小,所以很少被人所采用。高速涡轮手机不仅价格高,且在使用中还存在诸多问题^[4-6],如

    (1)需频繁润滑。

    (2)结构精密,不易消毒。

    (3)空转易损坏。

    (4)需压缩空气提供动力,结构复杂,体积大,移动不便。

    (5)易造成口腔误伤,需专门的保护装置。

    近年来牙科高速手机的研究大都集中在对高速手机的结构改造、完善和材料的改进上,尤其是对轴承材料。同时也有一些新的牙科手机研究,如等离子体、激光牙钻[7]等,但目前还都处在实验阶段,没有进入实际应用。

    本文从原理上进行突破,提出了一种基于逆压电效应^[8-16]的新型模态转换压电钻,无需轴承、润滑,结构简单,自锁性能好(关闭开关后在微秒时间内停止振动,在移出过程中不会伤害患者)。该压电钻利用压电陶瓷的逆压电效应激发钻头的切削功能,可实现微幅切削,切削频率可达336×10⁴次/min,且由于振动处于超声范围内,可实现无噪音工

作。

    1　压电钻结构

    图1为模态转换压电钻结构。定子基体为一夹心式结构,由上配重(铜)、下配重(钢)、纵振压电陶瓷片组组成,下配重及上配重设计成螺纹结构,可通过螺纹结构将纵振压电陶瓷片组压紧并为压电陶瓷提供预紧力。上配重采用变截面杆,整个定子基体形成一个超声变幅杆结构,工作时可在上配重端部获得最大的纵振振幅。钻头采用普通医用牙科钻头,从与基体轴线夹角为45°的方向通过过盈配合安装在上配重端部。这样定子基体和钻头就形成了一个纵弯模态转换器,它可同时实现2个目标:

    (1)满足电机设计的需要,该结构可将基体的纵向振动转换成钻头的局部弯振。

    (2)满足使用时的可操作性,可作为弯形牙科手机直接使用。压电陶瓷片组由4片厚1 mm,外径 15 mm,内径为 8 mm的纵振压电陶瓷片及电极片组成,其极化安装方式如图2所示。