JP2010523182A - 振動カップリングユニット - Google Patents

Abstract

振動ジェネレータ（１２）から高周波の機械的振動を工具（３４）へ伝達するためのカップリングユニット（２４）が記載される。これは、２本の等しい、互いに変位した振動バー（２６、２８）を介して互いに結合された、入力部分（２２）と出力部分（３０）を有している。これら振動バーは、入力運動の方向と９０°の角度を形成する方向の出力運動を形成するために、四分円の形状を有している。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載された、高周波駆動装置から機械的な振動を工具へ伝達するための振動カップリングユニットに関する。

その場合に、高周波というのは、その周波数が５０Ｈｚと１００ｋＨｚの間、特に１５ｋＨｚと３０ｋＨｚの間にある振動のことである。

この種のカップリングユニットは、たとえば特許文献１から読み取ることができる。それにおいて、振動システムは、共振において横振動するリングを有しており、そのリングにおいて角方向に変位された２つの振動ノードが入力部分ないし出力部分と結合されている。

この種のカップリングユニットは、多くの場合において満足のゆくように作動する。しかしこれは、振動エネルギを比較的大きい区間にわたって伝達するために用いることはできないが、それは、時には、たとえばカップリングユニットを長くて細い歯科用ハンドピース内へ組み込んで、患者の後方の歯列領域を処理しようとする場合には、好ましいことである。

独国特許出願公開ＤＥ４２３８３８４Ａ１

従って本発明によって、請求項１の前文に記載された振動カップリングユニットを、比較的長い区間にわたって振動エネルギを伝達することが可能であるように、展開しようとしている。

この課題は、本発明によれば、請求項１に記載された特徴を有する振動カップリングユニットによって解決される。

本発明の好ましい展開が、下位請求項に記載されている。

請求項２に記載されているような、カップリングユニットは、実質的に平行四辺形振動器の特性を有している：入力運動と出力運動は、互いに対して平行な方向に延びている。カップリングユニットは、伝達方向に対して垂直の方向においても、極めて小さい寸法を有している。

請求項３に記載の本発明の展開は、簡単な形成に関して効果的である。というのは、１つのタイプの振動バーしか必要とされないからである。さらに、２本のバーは同じ振動をするので、振動バー自体によっては、入力運動に対する出力運動の傾斜は、行われない。

請求項４に記載の本発明の展開も、幾何学的に簡単な状況と良く定められた方向を有する出力運動を形成するために用いられる。振動バーは、入力部分および出力部分と共に、負荷を受けない状態において、たとえば矩形を形成し、振動状態においては、サイクリックに変化する平行四辺形を形成する。このようにして、入力運動が、方向変化なしで次へ伝えられる。あるいはこれらの部分は、その角角度がサイクリックに変化する、平行四辺形または台形を形成する。

請求項５に記載の展開も、同様に振動バーの簡単な形成に関して効果的である。

請求項６に記載のカップリングユニットは、それに加えられる振動エネルギを特に長い区間にわたって移送することができ、その場合に個々の振動バーは、比較的小さい長さを有すれば済む。

請求項７に記載の展開によって、従動運動の方向は、もはや入力運動の方向とは一致しない。

その場合に、請求項８に記載の本発明の展開は、従動運動を入力運動に対して位相内に保持することを許す。請求項８に記載の本発明の展開によって、２本の振動バーの駆動する端部は、それらの長さが異なるにもかかわらず、同じ位相位置を有している。このようにして、従動側において再び、ほとんど傾斜コンポーネントをもたない、直線的な運動が得られる。

請求項９に記載された、振動バーのための幾何学配置は、振動エネルギの連続的な方向変換とカップリングユニットのコンパクトな構造に関して、効果的である。

請求項１０に記載されているような、カップリングユニットは、近づきにくい領域、特に人の歯列の近づきにくい領域を処理するのに、特に適している。

請求項１１に記載の本発明の展開は、カップリングユニットの駆動側の明確なインターフェイスを形成する。入力部分と出力部分の堅固な形成は、カップリングユニットの振動を確実に前もって計算することも許す。

請求項１２に記載の展開は、カップリングユニットをその長手軸に対して垂直に向けられた運動によって刺激しようとする場合に、特に効果的である。

その場合に、請求項１３によれば、駆動装置から遠く離れた振動バーも運動させることができる。

請求項１４は、機械的に簡単に構成されたカップリングユニットを使用し、それにもかかわらず線形の従動運動を保証することを、許す。

以下、図面を参照しながら、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

歯表面を超音波処理するための歯科用ハンドピースの患者側部分を図式的に示している。 図１と同様の図であるが、その場合により大きい区間にわたって超音波エネルギの伝達が行われる。 他の変形されたハンドピースを示す同様な図であって、９０°の運動方向変換が行われる。 図３と同様の図であるが、その場合にカップリングユニットは、図３に比較して逆方向に湾曲された振動バーを有している。 図１と同様の図であるが、その場合にカップリングユニットは異なる長さの振動バーを有している。 図１と同様の図であるが、その場合に振動バーは、平行四辺形の一部である。 図３と同様の図であるが、その場合に振動発生装置の作動方向が９０度回動されている。 図１と同様の図であるが、その場合に振動バーは、切り詰めた三角形または細い台形の一部である。 図１のカップリングユニットと同様の図であるが、その場合に駆動部分が上方の振動バーの中央に作用する。 図９と同様の図であるが、その場合に駆動部分は、下方の振動バーの中央に作用する。 ２本の平行な同じ長さの振動バーを有するカップリングユニット内に形成される振動形状を図式的に示している。 単独の振動バーと、自由端部へ向かって互いに接近するように延びる２本の振動バーの直列接続から構成される、カップリングユニットを図式的に示している。

図面において、歯表面を超音波処理し、かつ歯を超音波細割するために使用される、歯科用ハンドピースの患者側の部分が、全体を符号１０で示されている。

超音波は、振動ジェネレータ１２によって発生され、その振動ジェネレータは、軸方向に相前後して積み重ねられた多数の圧電ディスク１４とカウンター質量１６とを有している。ディスク１４とカウンター質量１６は、ボルト１８によって一列にまとめられており、そのボルトは、ソノトロード２０の後方の端部内に固定されている。

適切な高周波−交流電圧源と接続されている場合に、振動ジェネレータ１２によって発生された超音波振動は、ソノトロード２０から、全体を符号２４で示すカップリングユニットの入力側２２へ伝達される。

入力側２２は、直方体形状の金属の構成部分であって、図１において左に位置する側面内に、２本の振動バー２６、２８の駆動される端部を収容している。

振動バー２６、２８の、図１において左に位置する駆動する端部は、出力部分３０内に固定されており、その出力部分も直方体形状の金属片とすることができる。

出力部分は、中央の孔３２を有しており、その中に工具３４のシャフトが収容される。ボルト３６は、孔３２内に工具シャフトを固定するために用いられる。

振動ジェネレータ１２とカップリングユニット２４は、図１に破線で示唆されるハウジング３８によって、わずかな間隔で包囲されてる。

振動バー２６、２８の端部は、入力部分２２および出力部分と溶接または蝋付けによって結合することができる。

代替的に、カップリングユニット２４は、材料ブロックから作り出すこともできるので、振動バー２６、２８および入力部分２２と出力部分３０は、材料組織においても、まとまっている。

切欠き作用を減少させるために、鋭いエッジは丸められている。

図面から明らかなように、２本の振動バー２６、２８は等しい長さであって、かつ互いに対して平行に延びている。

従って振動バー２６、２８と入力部分２２および出力部分３０は、矩形フレームを形成し、その矩形フレームは、２つの変形可能な側（振動バー２６、２８）と２つの固定の側（入力部分２２と出力部分３０）を有する。

振動ジェネレータ１２の周波数と、２本の振動バーの固有振動は次のように、すなわち振動バー２６、２８の長さがそれぞれ半波長の整数倍に相当し、かつ固有振動の腹部が振動バーの端部に来るように、調整されている。

入力部分２２上に、図１において垂直に向けられた振動が加えられると、振動バー２６、２８は次のように、すなわち上で言及した、振動バー２６、２８と入力部分２２および出力部分３０からなるフレームが歪められて、近似的に平行四辺形の形状に達するように、変形される。上方の最大位置に達した後に、その後システム全体が再び戻るように弾性変形する。システムは、その後、通過位置において再び図１に示す幾何学配置に達し、その後下方へ平行四辺形になるように撓み、ついには下方の死点に達し、下方へ撓んだ平行四辺形がだんだんと再びフラットになって、図１に示す幾何学配置を有するゼロ位置を通って、上昇方向に振動される。

振動バー２６、２８がこのように振動する場合に、出力部分３０が垂直方向に運動される、工具３４も同様に運動される。

工具の運動軸が、振動ジェネレータ１２とソノトロード２０の軸に対して側方に変位していることが、認識される。このようにして工具３４は、振動ジェネレータ１２がスペースを見いだすことができない、狭い空間内で作業することができる。

図２から明らかなように、２つの振動バーシステムを相前後してセットすることによって、入力運動が行われる軸と工具運動が行われる軸を、互いにさらに離れさせることができる。その内の第２の振動バーシステムは、ダッシュを付した参照符号で示されている。第２のシステムの入力部分２２’は、同時に第１のシステムの出力部分３０である。

図１と２に示す実施例において、工具運動は、振動ジェネレータの作業運動と同じ方向に行われており、ただ２つの運動方向のみが、互いに変位している。

図３に示す実施例において、カップリングユニット２４の入力運動と出力運動の間に角度的な変位が得られる。機能的にすでに図１と２で説明された部分に相当する、ハンドピースの部分は、幾何学配置において異なっている場合でも、同一の参照符号を有している。

２本の振動バー２６、２８は、同様に四分円の形状を有している。振動バーの接線状の終端部分が、段付きの入力部分２２内、ないしは段付きの出力部分３０内に取り付けられている。従って２本の振動バーは、同じ長さを有している。その曲率中心点は、固定の並進分だけ互いに変位している。曲率中心点は、カップリングユニットの対称軸（振動ジェネレータ１２の軸と工具３４の軸の間の角度を二分する線）に沿って相前後して並んでいる。それによって、傾斜に対する特別な剛性がもたらされる。

変形例において、異なる幾何学配置（他の長さ、他の厚み、他の曲率）あるいは他の材料のアーチ形状の振動バーが使用される場合に、２本の振動バーのパラメータの組合せは次のように、すなわち図３において上に位置する、振動バー２６、２８の駆動される端部の同相の刺激が、図３において左に位置する、振動バー２６、２８の駆動する端部の同相の運動ももたらすように、互いに調整されなければならない。

そのために、振動バー２８よりも長い振動バー２６内の振動のための伝播速度が、増大された円弧長さに従って、より大きくなければならない。従ってこの種の振動バー２６は、材料においても、その横断面幾何学配置においても、振動バー２８とは異なっていなければならない。

バー内の音伝播速度にとって、その面慣性モーメント、その横断面積および材料の弾性定数が、重要である。これらの変量を考慮しながら、当業者は、２本の振動バー２６、２８の幾何学配置を、それが計算機によるものであろうと、実験によるものであろうと、それに応じて互いに適合させることができる。

振動ジェネレータ１２の周波数と２本の振動バーの固有周波数も、振動バー２６、２８の長さがそれぞれ半波長の整数倍に相当し、かつ固有振動の腹部が振動バーの端部に来るように、調整される。

図４に示す実施例は、図３に示す実施例にほぼ相当し、ただ、振動バー２６、２８が逆方向に円形に湾曲されている。意味に従って、図３についての説明が有効である。

図３と４に示す実施例の変形例において、振動バー２６、２８は他のように湾曲された幾何学配置、たとえば楕円弧、双曲円弧あるいは放物円弧の形状を有することもできる。重要なことは、ただ、２本の振動バー２６、２８が互いに対して変位して延びており、その中で場合によっては超音波振動のための伝播速度が異なっており、かつ振動バーの、出力部分３０に隣接する端部も、同位相で振動することが保証されていることである。

図３と４に示すカップリングユニット２４によって、振動ジェネレータ１２によって発生される運動の方向と９０°の角度を形成する方向の工具運動が得られる。

振動バー２６、２８の角度の広がりを、９０°より大きく、あるいは小さく選択することによって、必要と要望に応じて、工具運動の軸と振動ジェネレータの軸の間の角度を、変化させることができる。

図５は、図１に示す実施例の変形例を示しており、振動バー２８が振動バー２６よりも短い。従って振動バー２６、２８、入力部分２２および出力部分３０は、台形状の振動システムを形成する。図３と４に示す実施例において説明したように、ここでも、振動バー２６、２８の、出力部分３０に隣接する端部がそれぞれ同じ位相位置を有するように、２本の振動バー２６、２８内の超音波振動のための伝播速度は、異なるように選択されなければならない。

図６は、図５と同様の変形例を示すが、ただ、２本の振動バー２６、２８は同じ長さであって、入力部分２２および出力部分３０と共に平行四辺形の側面を形成している。

図７に示す実施例は、図３に示す実施例と同様であるが、ただ、振動ジェネレータの軸が９０度だけ垂直方向へ回動されており、工具３４は、その作業円盤の作業面に対して平行に延びる横運動を行う。

図８に示す実施例は、図６に示す実施例と同様であるが、ただ、振動バー２６、２８がカップリングユニット２４の水平の中心平面に対して対称に傾斜しており、入力部分２２および出力部分３０と共に、切り詰めた三角形または台形の側面を形成する。

必要な場合には、傾斜角度を増大させることによって、出力部分３０のサイクリックな傾斜を得ることができる。

図９は、図１と同様のカップリングユニットを示しているが、ただ、横方向に振動するソノトロード２０が、棒状の駆動部分を介して、上方の振動バー２６の中央に作用する。

図１０は、図９に相当するが、ただ、ソノトロード２０は、下方の振動バー２８に作用し、そのために駆動部分４０は、上方の振動バー２６内の開口部４２にゆとりをもって挿通されている。

図１０に示すカップリングユニットの他の差違は、２本の振動バーが負荷をかけられない状態においてやや円弧状に湾曲されていることにある。その場合に円の半径は、振動バーの長さに比較して大きい。さらに、２本の振動バーは、互いに対して鏡対称に配置されているので、全体として両凸の振動バー配置が得られる。

図１０に示す実施例の変形例において、２本の湾曲された振動バーは、全体として両凹の振動バー配置が得られるように、対称に配置することができる。

図１０に示す実施例の他の変形例において、振動バー配置に中心を外れて外部の力の導入を行うことができる。

図１１は、図１に図示されているような、カップリングユニット２４の、従って２本の互いに対して平行な、同一長さの直線的な振動バー２６、２８を有するカップリングユニットの、振動形状を示している。

図１１において、実線は、振動バー２６、２８を負荷を受けない状態において示しており、破線は、カップリングユニット２４が振動する場合にの静止状態から最大の変位の位置を示している。

振動バー２６、２８の運動は、その中央においては純粋な傾斜運動であって、その端部においては、バー軸に対して垂直の方向における純粋な並進運動であることがわかる。その間に位置する点においては、並進運動と傾斜運動の重畳が得られる。傾斜運動の成分は、図１１においてＲで図式的に示されており、並進運動の成分が、Ｔで図式的に示されている。

図１２は、入力部分４６を備えた単独の振動バー４４と、図８に示す振動バー配置２４の直列接続によって形成された、変形されたカップリングユニット２４’を示している。

これら２つの部分システムは、その形成に基づいて、自由端部において逆方向の傾斜運動を発生させる。２つの部分システムの適切な設計において、その場合には、図１２に図式的に示すように、これら２つの傾斜モーメントがまさにゼロになるように加算されるので、カップリングユニット２４（入力部分３６）に加えられる純粋な並進運動が、工具３４の純粋な並進運動をもたらす。

振動バー２６、２８のため、そして好ましくは入力部分２２と出力部分３０のための材料として、チタンが優れている。

Claims (14)

1. 振動システム（２６、２８）を介して駆動する出力部分（３０）と結合されている、駆動される入力部分（２２）を有する、高周波の振動ジェネレータ（１２）から機械的な振動を工具（３４）へ伝達するための振動カップリングユニットにおいて、
   振動システムが、少なくとも２本の互いに対して距離をおいて延びる振動バー（２６、２８）を有しており、前記振動バーの一方の端部が入力部分（１２）と、他方の端部が出力部分（３０）と結合されていることを特徴とする振動カップリングユニット。
2. 振動バー（２６、２８）が、互いに対して実質的に平行に延びていることを特徴とする請求項１に記載のカップリングユニット。
3. 振動バー（２６、２８）が、同一の幾何学配置を有し、かつ互いに対して変位されていることを特徴とする請求項１に記載のカップリングユニット。
4. 振動バー（２６、２８）が、等しく方向づけされており、かつその終端点が矩形、平行四辺形および台形を定めることを特徴とする請求項３に記載のカップリングユニット。
5. 振動バー（２６、２８）が、直線的であり、あるいは湾曲されており、特に円弧形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
6. 複数の振動システム（２６、２８、２６’、２８’）が、直列に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
7. 振動バー（２６、２８）が、異なる長さを有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
8. 幾何学的あるいは材料的に異なるように形成される場合に、振動バー（２６、２８）は、その振動において、振動バー（２６、２８）の、出力部分（３３）に隣接する端部が位相内で振動するように、異なる速度で伝播するように形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
9. 振動バー（２６、２８）が、円弧、楕円弧、双曲線弧または放物線弧の形状を有していることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
10. 振動バー（２６、２８）の入力側の端部における接線が、振動バー（２６、２８）の出力側の端部における接線と、約４５°から約１３５°、好ましくは約９０°の角度を有していることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
11. 入力部分（２２）と出力部分（３０）が、振動バー（２６、２８）に比較して固い部分であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
12. 入力部分（４０）が、振動バー（２６、２８）の端部から離れた点において、好ましくはその中心において、振動バー（２６、２８）の少なくとも１つに作用することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のカップリングユニット。
13. 入力部分（４０）が、振動バー（２６、２８）の１つ（２６）に作用し、かつ振動バー（２６、２８）の他方（２８）内の開口部（４２）にゆとりをもって挿通されていることを特徴とする請求項１２に記載のカップリングユニット。
14. 機械的に直列に接続された２つの振動バー配置（２６、２８、４２）を有し、前記振動バー配置がそれぞれ入力運動に付加的な傾斜コンポーネントを付加し、その場合に２つの振動バー配置は、それらによって発生される傾斜コンポーネントが相互に際立つように、形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のカップリングユニット。

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