JP2003033364A - 超音波ハンドピ−ス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波発振機構から伝達される縦振動を変換
処理して超音波ホ−ン先端において所望の縦−捩れの合
成振動を出力して、操作性、操作効率に優れ、高精度の
外科手術あるいは素材加工を実現する。 【解決手段】 超音波振動を出力する超音波発振機構
と、この超音波発振機構に連結されて前記超音波発振機
構から伝達される振動を増幅するホ−ンと、前記超音波
発振機構から伝達される縦振動を縦−捩れの合成振動に
変換するための溝部を具え、該溝部は、前記ホ−ンおよ
びまたはこれに接合される部材の周面に１以上形成して
なり、さらに該溝部は捩れ振動の腹位置近傍に設けたこ
とを特徴とする超音波ハンドピ−スにより上記課題を解
決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、超音波ハンドピ
−スに係り、詳しくは振動源からの縦振動を変換してホ
−ン先端において縦−捩れの合成振動が生成されるよう
にした超音波ハンドピ−スおよびこれに使用する超音波
ホ−ンに関するものである。

【０００２】

【発明の背景】本願発明者等は、先に、超音波振動源か
らの縦振動を変換してホ−ン先端において縦−捩れの合
成振動が生成されるようにした超音波ハンドピ−スを開
発し、特願２００１−０１４４９５として開示したが、
さらに、当該技術につき研究開発を継続した結果、本願
発明をなすにいたった。

【０００３】すなわち、特願２００１−０１４４９５に
係る発明の完成段階では、超音波振動源からの縦振動を
縦−捩れの合成振動に変換合成するにつき、振動変換機
構としての溝部の作用効果の原理解析に止まったきらい
があるが、本願発明にいたって、溝部の設定位置とこれ
により生成される縦−捩れの合成振動の相関関係の理論
的解析が相当程度進み、設計上、所望の縦−捩れの合成
振動を実現できるようになり、本願発明の出願にいたっ
たものである。

【０００４】したがって、本願発明において公知例とし
ての従来技術は、特願２００１−０１４４９５に開示す
るものと同一である。

【０００５】

【発明の概要】本願発明において、超音波ハンドピ−ス
は、縦振動素子とこの両端に取り付けた裏打ち板および
前面板からなり所定周波数の超音波振動を出力する超音
波発振機構と、この超音波発振機構に連結されて前記超
音波発振機構から伝達される振動を増幅するホ−ンと、
前記超音波発振機構から伝達される縦振動を縦−捩れの
合成振動に変換するための溝部を具え、該溝部は、前記
ホ−ンおよびまたは前記裏打ち板の周面に１以上形成し
てなり、さらに該溝部は捩れ振動の腹位置近傍に設ける
構成を具備している。

【０００６】前記構成において、溝部と超音波発振機構
との間には捩れ振動衰減手段を設けることがある。

【０００７】また、上記各構成において、捩れ振動衰減
手段は溝部が形成される周面部より大きい径の周面部に
より構成することがある。

【０００８】さらに、上記各構成において、前記溝部は
複数とし、それぞれ個々に並設して形成することがあ
る。

【０００９】またさらに、上記構成において、前記溝部
は、前記ホ−ンおよびまたは前記超音波発振機構の中心
軸に対して周面において所定の偏向角αを有していて、
この偏向角αを０＜α＜９０度にすることがある。

【００１０】本願はまた、超音波ハンドピ−スに使用す
る超音波ホ−ンを、ホ−ン端部に設けられて前記超音波
発振機構から伝達される縦振動を縦−捩れの合成振動に
変換するための溝部を具え、該溝部は、前記ホ−ンの周
面に１以上形成するとともに、さらに該溝部は捩れ振動
の腹位置近傍に設けて構成する。

【００１１】上記ホ−ンにおいて、前記溝部は、複数並
設することがある。

【００１２】さらに、上記各構成のいずれかにおいて、
前記溝部は、前記ホ−ンの中心軸に対して周面において
所定の偏向角αを有していて、この偏向角αを０＜α＜
９０度に設定することがある。

【００１３】

【発明の実施形態】以下、本願発明の実施形態を説明す
る。本願発明において、図１の模式図に示すように、捩
れ振動は縦振動成分の一部を曲げることで、縦方向とは
異なる方向への振動を生成することにより得ている。図
１において、縦振動成分を溝部１により捩れ方向に曲げ
た時、その成分は縦波と横波との合成となるが、この合
成を理論的（数学的）に表現する困難であるため縦波、
横波の各成分をベクトル的に示してある。

【００１４】縦振動から捩れ振動を生成するための溝部
は、図２に示すように捩れ振動の腹位置（その近傍を含
む）に設けられている。図において、２は、チタン合金
による超音波ホ−ン、３は超音波振動子（不図示）と超
音波ホ−ン１との間に介装される裏打ち板であり、溝部
１は超音波ホ−ン１の周面において、捩れ振動の腹位置
の近傍範囲４内に複数並設されていて、各溝部はホ−ン
の中心軸に対して周面において所定の偏向角α（０＜α
＜９０度）を有している。

【００１５】図２は、実験結果による、溝部の位置と縦
振動、捩れ振動の相関関係を示す図であるが、図２
（ａ）において、溝部１は振動の腹位置から若干振動子
寄りに設置されていて、図示のように捩れ振動周波数は
腹位置にある場合より下がっている。また、図２（ｂ）
において、溝部１は振動の腹位置から若干ホ−ン先端寄
りに設置されていて、図示のように捩れ振動周波数は腹
位置にある場合より上がっている。 そして、図２
（ｃ）において、溝部１は振動の腹位置に設置されてい
て、この場合縦振動と捩れのそれぞれの振動周波数は一
致していて、縦−捩れの振動がそれぞれに共存していて
最も好ましい合成振動を得られることになる。

【００１６】上述のように、縦−捩れの合成振動を好ま
しい状態で得るには、縦振動と捩れ振動を共存させる必
要があるが、このためにはそれぞれ固有の周波数をほぼ
一致させることを要し、この条件が大きく崩れるといず
れかの振動が消滅してしまう。 なお、それぞれの周波
数が完全に一致する必要はなく、一致が起こる腹位置近
傍であれば、それぞれの周波数を近付けるといずれかに
引き込まれて周波数が一致する現象が生じる。

【００１７】さて、捩れ振動は、縦振動における、縦波
（変位が振動の進行方向である波で）と横波（変位が振
動の進行方向にに対して垂直な波）との合成振動である
が、同一周波数で振動させた場合、縦波速度と横波速度
の相違により縦波と横波とでは半波長の長さが異なって
きて、縦振動に比較して捩れ振動の半波長はの長さが短
くなる。 したがって、上述のように好ましい合成振動
（捩れ振動）を得るには、捩れ振動を発生するチップ
（ホ−ンおよび裏打ち板）の設計にあたっては、縦振動
と捩れ振動との周波数を一致させる必要があり、この条
件により溝部の設定位置はおのずと所定位置、すなわち
捩れ振動の腹位置となる。

【００１８】溝部１を捩れ振動の腹位置近傍に設けるこ
とにより、溝の性状、形態を変えることにより、縦振動
と捩れ振動との比率を種々変換することができる。すな
わち、図３は、溝部１のホ−ン中心軸に対する偏向角α
を種々変えた場合の縦振動と捩れ振動との比率の変化を
示す模式図である。図３において、（ａ）では、α＝６
０度、（ｂ）では、α＝４５度、（ｃ）では、α＝２０
度に設定されている。 実験によれば、（ｂ）におい
て、縦振動と捩れ振動は均衡しており、（ａ）では捩れ
振動が勝り、逆に（ｃ）では、縦振動が捩れ振動に勝っ
ている。 これらの結果から、伝達される縦振動が溝部
の角度により方向を変えられて捩れ振動が発生している
ものと考えられる。換言すれば、反射される振動の角度
により縦振動と捩れ振動との大小が決まるものと考えら
れる。

【００１９】また、溝部の深さも捩れ振動の生成に影響
を及ぼすものと考えられる。すなわち、溝部の形成され
る周面の断面を考えた場合、溝部が深くなると溝部と交
錯する縦振動成分が多くなり、したがって捩れ振動への
変換量が増加する、すなわち溝部が深くなると捩れ振動
成分が増加することになる。上記と同様に、溝部の長
さ、本数等も縦振動と捩れ振動との比率に影響を及ぼす
要素となる。

【００２０】

【発明の実施例】図４は、本願発明の１実施形態に係る
超音波ハンドピ−スの側面図である。図において、１１
は超音波ハンドピ−スであり、超音波発振機構１２とこ
れに接合される超音波ホ−ン１３とを具えており、これ
らは不図示の外筒に嵌挿されている。 超音波発振機構
１２は、縦振動素子とこの両端に設置される前板および
裏打ち板を有する周知構成のものである。なお、１３
ａ、１３ｂはそれぞれ後述の絞り部および捩れ振動衰減
手段である。

【００２１】超音波ホ−ン１３の端部近傍には、前記超
音波発振機構１２から伝達される振動を縦−捩れの合成
振動に変換する溝部１が複数設けられている。これら複
数の溝部１は、それぞれ所定間隔をもって並列に刻設さ
れていて、周面において超音波ホ−ン１３の中心軸と所
定の偏向角αを有していて、この角度αは０度＜α＜９
０度の範囲に設定されている。

【００２２】また、溝部１の形状は、長方形をなしてい
てその幅は０．５〜５ｍｍに、長さは３〜３０ｍｍに、
そして深さは０．５ｍｍ以上の範囲に設定されている。

【００２３】該実施例において、超音波ホ−ン１３は、
チタン合金で、形成されており、溝部１は図２に示すよ
うに、捩れ振動の腹位置近傍に形成されているが、チッ
プ自体の長さは、具体的には縦振動速度（縦波速度）Ｃ
１、捩れ振動振動速度（横波速度）Ｃｔによって決定さ
れる。 よって、チタン合金の物性値である縦弾性係数
Ｅ(E= 6070m/s)、横弾性係数Ｇ(G=3125m/s) 、密度Ｐ(P
=4.50 ×10³kg/m³) に基づき所定式により縦振動速度
（縦波速度）Ｃ１を求めると以下のようになる。 Ｃ１＝４．９ｍ／ｓ

【００２４】よって、チタン合金の丸棒では、１秒間に
４．９ｍの速度で縦振動が伝わるので、２．４５ｍの長
さの丸棒を往復するには１秒かかることになる。このこ
とは、チタン合金を１Ｈｚで振動させるには２．４５Ｍ
の長さを要することになる。 該実施例では、２５ＫＨ
ｚで発振させているので、この場合に、丸棒の長さは、
以下のようにして得られる。 ４．９÷（２×２５０００）＝０．００００９８ｍ したがって、丸棒の長さは、９８ｍｍとなる。このよう
にして、所定の縦振動に対応するホ−ン長さが決まる。

【００２５】さらに、図５により説明する。図に示すよ
うに、該実施例では、超音波ホ−ン１３には絞り部１３
ａが形成されており、この絞り部１３ａにより、軸方向
へ伝達される縦振動は、集束され見かけ上の速度を増す
ことができる。このため、図５に示すように、縦振動を
節位置で分けた場合、超音波ホ−ン１３において先端側
の方が振動の長さが大きくなる。このことから、超音波
ホ−ン１３の形状により速度を変化させて超音波ホ−ン
１３の長さを種々設定することが可能になる。すなわ
ち、速度を算定することにより超音波ホ−ン１３の長さ
を簡易に求めることができる。

【００２６】同様に、捩れ振動速度により超音波ホ−ン
１３における腹位置とホ−ン先端との長さ、換言すれば
超音波ホ−ン１３において、溝部１を設定すべき腹位置
を具体的に特定することができる。 該実施例の設計
は、図６に示す各振動波形と超音波ホ−ンとの関係に基
づいてなされている。すなわち、捩れ振動が、縦振動の
周波数（２５ＫＨｚ）に適合するような長さかつその他
必要な性能になるように超音波ホ−ン１３において腹位
置を設定し、この条件下で、さらに縦振動が所定の２５
ＫＨｚに適合するように超音波ホ−ン１３の全体の長
さ、かつその他の必要性に応じて超音波ホ−ンを設計す
ることになるが、このとき縦振動成分の節Ｆの位置は、
図示のように捩れ振動成分の腹位置Ｈの左方に設定して
も、あるいは腹位置Ｈより右方に設定してもその効果は
同様である。

【００２７】次に、該実施例における捩れ振動衰減手段
について説明する。本願発明では、溝部と超音波発振機
構との間に捩れ振動衰減手段を設けて、振動子側に伝わ
る捩れ振動を衰減して、振動子の発熱、電歪素子の劣化
等を防止するようにしているが、該実施例において、超
音波ホ−ン１３上において溝部が形成される周面部より
大きい径の周面部を超音波ホ−ンの超音波発振機構に設
け、これにより捩れ振動衰減手段を構成している。

【００２８】すなわち、図７において、１３ｂは超音波
ホ−ン１３の後端の振動子側に形成された捩れ振動衰減
手段であり、超音波ホ−ン１３の後端部の大径部１４
と、これと径を同じくする超音波発振機構１２とにより
構成されている。溝部１の設定される周面の径ａに対し
て、前記大径部１４と、これに接合される超音波発振機
構１２の径はａより大きいｂとなっており、溝部１で生
成された捩れ振動は、前記大径部１４および超音波発振
機構１２に至り拡散衰減されることになる。

【００２９】

【発明の効果】本願発明にあっては、以上説明した構成
作用により、次のような効果を期待できる。 （１） 超音波ホ−ンの先端の作業部において、縦振動
と捩れ振動の所望の比率からなる縦−捩れの合成振動
が、出力されるので、動作における尖鋭性が増して、精
妙な動作が容易になり外科手術や各種素材の加工におけ
る操作性が格別に向上し、作業効率も向上する。 （２） 縦振動素子のみで、所望の縦−捩れの合成振動
が得られるので、製造コストを始めとする諸コストの低
減でき、保守管理も容易で、耐久性にも優れる。 （３） 捩れ振動衰減手段により、超音波発振機構に対
する捩れ振動の伝達により生じる振動子の発熱、電歪素
子の劣化等を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 捩れ振動の生成を示す模式図である。

【図２】 溝部の位置と縦振動、捩れ振動の相関関係を
示す図である。

【図３】 溝部１のホ−ン中心軸に対する偏向角αを種
々変えた場合の縦振動と捩れ振動との比率の変化を示す
模式図である。

【図４】 本願発明の１実施形態に係る超音波ハンドピ
−スの側面図である。

【図５】 ホ−ン長さと縦振動波長の関係を示す図であ
る。

【図６】 ホ−ン長さ、捩れ振動腹位置、各振動波長さ
との関係を示す図である。

【図７】 捩れ振動衰減手段の説明図である。

【符号の説明】

１．．．．．．．．．．溝部 １１．．．．．．．．．超音波ハンドピ−ス １２．．．．．．．．．超音波発振機構 １３．．．．．．．．．超音波ホ−ン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C060 AA20 4C060 EE04 JJ23 5D107 AA03 AA16 BB01 BB07 CC10 FF01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動を出力する超音波発振機構
   と、この超音波発振機構に連結されて前記超音波発振機
   構から伝達される振動を増幅するホ−ンと、前記超音波
   発振機構から伝達される縦振動を縦−捩れの合成振動に
   変換するための溝部を具え、該溝部は、前記ホ−ンおよ
   びまたはホ−ン後端に接合される部材の周面に１以上形
   成してなり、さらに該溝部は捩れ振動の腹位置近傍に設
   けたことを特徴とする超音波ハンドピ−ス。
2. 【請求項２】 請求項１において、溝部と超音波発振機
   構との間には捩れ振動衰減手段を設けたことを特徴特徴
   とする超音波ハンドピ−ス。
3. 【請求項３】 請求項２において、捩れ振動衰減手段は
   溝部が形成される周面部より大きい径の周面部により構
   成したことを特徴特徴とする超音波ハンドピ−ス。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記溝部は、複数並設したことを特徴とする超音波ホ−
   ン。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記溝部は、前記ホ−ンおよびまたは前記超音波発振機
   構の中心軸に対して周面において所定の偏向角αを有し
   ていて、この偏向角αを０＜α＜９０度に設定したこと
   を特徴とする超音波ハンドピ−ス。
6. 【請求項６】 超音波発振機構から伝達される振動を増
   幅するホ−ンにおいて、このホ−ン端部に設けられて前
   記超音波発振機構から伝達される縦振動を縦−捩れの合
   成振動に変換するための溝部を具え、該溝部は、前記ホ
   −ンの周面に１以上形成するとともに、さらに該溝部は
   捩れ振動の腹位置近傍に設けたことを特徴とする超音波
   ホ−ン。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記溝部は、複数並
   設したことを特徴とする超音波ホ−ン。
8. 【請求項８】 請求項５ないし７のいずれかにおいて、
   前記溝部は、前記ホ−ンの中心軸に対して周面において
   所定の偏向角αを有していて、この偏向角αを０＜α＜
   ９０度に設定したことを特徴とする超音波ホ−ン。