JP4747236B2 - チャック - Google Patents

Description

本発明は、骨などの脆く不定形な物を切削加工する加工装置に関するものである。詳細には、脆く不定形な物（骨片）を掴んで加工装置に固定するチャックに関する。

骨接合術においては、チタンなどの金属製の骨接合ねじを骨折部に埋込んで骨を固定する術式が一般的に行なわれている。しかし、生体内にある金属は腐食のおそれや感染巣を提供する危険があるため、骨が癒合した後には埋込んだ金属製ねじを除去する再手術が必要であり、患者に麻酔の危険性や精神的、身体的負担を強いることになる。

生体内で周囲の骨と一体化して最終的には正常な骨に置換されるような材料、例えば患者本人の骨を切り出し、この骨片で骨接合ねじを作製すれば、骨が癒合した後に再手術をして骨折部に埋め込んだ骨接合ねじを除去する必要がなくなるため、患者の負担を大幅に軽減することができる。

手術室内などで用いることができるような小型の旋盤は従来から存在し、例えば本出願人によって小型のチャック装置などが出願されている（特許文献１）。しかし、骨は内部に粗密構造があって硬い部分や柔らかい部分が混在して脆いうえに切出される骨片は不定形であるため、従来の金属加工用のチャックでは上手く掴んで保持することができず、また強い力で不定形の骨片を掴んで力が一点に集中すると骨片を折損してしまうという問題があった。
特開２００３−１１７７０７号公報

解決しようとする問題点は、従来の金属加工用旋削装置のチャックでは不定形で脆い骨片を上手く掴んで保持できず、また強い力で掴むと骨片を折損してしまうおそれがあった点であり、脆く不定形の骨片を確実に保持することのできるチャックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載のごとく、把持すべき骨片の周囲に緩衝部材を配置し、この緩衝部材を介してチャック本体の把持部材により前記骨片を把持するようにし、
前記緩衝部材は、流体が漏洩しない材料製の袋により形成して、袋の内部に粒状体と流体とを混合して充填し、袋には吸引ホースを接続して内部の流体のみを吸引又は充填することで硬い状態と軟らかい状態を選択可能に構成し、
チャック本体には吸引装置の取付口を設けて、前記吸引ホースをこの取付口に連結する。

請求項２記載のごとく、前記チャック本体は、側部に複数のクランプねじを備えると共にこのクランプねじの先端を略球状に形成し、この先端に緩衝部材をユニバーサルに取付けた。

請求項１記載のごとく、把持すべき骨片の周囲に緩衝部材を配置し、この緩衝部材を介してチャック本体の把持部材により前記骨片を把持するようにした。よって、不定形な骨片に把持部材（チャック爪）を当接して一点に力を集中させることなく、緩衝部材を介して骨片を把持して、骨片を折損することなく保持することができる。
また、粒状体と流体とを混合して充填した袋に吸引ホースを接続し、内部の流体を吸引又は充填することで緩衝部材を硬い状態と軟らかい状態に自在に変化させることにより、緩衝部材を自在に骨の形状に合わせて密着させて、不定形で脆い骨片を折損することなく確実に掴んで保持することができる。

請求項２記載のごとく、チャック本体に設けたクランプねじの先端に緩衝部材をユニバーサルに取付けたことにより、不定形な骨片に当接する緩衝部材を骨片の面に馴染ませると共に骨片の一点に力を集中させることなく確実に把持することができ、さらにクランプねじにより骨片の把持位置を調節して骨片の心出しを精密に行なうことができる。

以下、本発明に係るチャックの第１の実施形態について図１乃至図２を参照して説明する。図１は第１の実施形態のチャックの構成を示す断面図である。図２は第１の実施形態のチャックの先端部の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。また、図１は図２のＢ−Ｂ断面図である。

第１の実施形態のチャック１ａは、主軸２に連結されるチャック本体３に骨片を把持するチャック爪４ａを装着し、このチャック爪４ａの主軸側の外周面に形成したねじ部にカバー１０を螺合する構成となっている。図２において、３本のチャック爪４ａを周を等分する位置に装着して把持部材とし、それぞれのチャック爪４ａはチャック本体３の内面に設けられたスライド溝５に嵌合している。チャック爪４ａは、カバー１０を回転させることによりこのスライド溝５に沿って前進後退して骨片を把持又は開放する。

チャック本体３には、それぞれのチャック爪４ａに臨む位置に主軸側から把持側へ貫通穴１７が設けられている。この貫通穴１７の把持側開口部に緩衝部材２０を取付ける。また、貫通穴１７の主軸側開口部から吸引ホース２２を挿入し、フィルタ２３を介してこの吸引ホース２２の一端を緩衝部材２０と接続する。吸引ホース２２の他端は吸引装置（図示せず）の取付口２４に接続する。この取付口２４はチャック本体に固定され、また開閉弁２５を備える。

緩衝部材２０は、アラミド繊維、ポリエチレン、ザイロン（商品名）、ケブラー（商品名）及びポリアリレートなどの抗張力の大きい繊維素材からなる袋の内部に、直径０．１〜１．０ｍｍ程度の金属、セラミック又はゴムなどの弾性体からなる粒状体と共に空気、水又はアルコールなどの流体を満たして形成されており、通常時は充填された流体によって軟らかく不定形であるが、袋を圧迫しながら内部の流体を吸引装置で吸引することにより粒状体が寄り集まって特定の形状に固まる。

フィルタ２３は、吸引装置（図示せず）によって緩衝部材２０の内部の流体を吸引する際に上記粒状体が吸引されないように設けたものである。フィルタ２３の目は粒状体が通過しないような細かさのものが用いられる。このフィルタ２３を介して吸引ホース２２を緩衝部材２０に取付けることで、吸引装置で吸引しても緩衝部材２０の内部の粒状体が流出しないように構成する。

本実施形態では、内部流体を吸引することで任意の形状に固まる陰圧式の緩衝部材２０を用いているが、袋内部に熱を加えたり、冷やしたり、赤外線や紫外線などの電磁波を照射したりすることで固化したり軟化したりする物質を充填して形成した緩衝部材を用いてもよい。

このようにして形成したチャック１ａは、チャックハンドル（図示せず）などを用いてカバー１０を回転してチャック爪４ａを締めると共に吸引装置（図示せず）により緩衝部材２０の内部の流体を吸引し、緩衝部材２０を介して骨片を掴んで保持する。

上記のごとく構成したチャック１ａは、チャック爪４ａと骨片との間に緩衝部材２０を介在させ、緩衝部材２０によって不定形の骨片の全面に均等に圧力を加えて掴むことにより、硬いチャック爪で直接骨片を掴まずに、また、一点に力が集中することなく、不定形で脆い骨片を折損することなく確実に保持することができる。

次に、チャック爪の第２の実施形態について図３乃至図４を参照して説明する。図３は本実施形態のチャック１ｂの構成を示す断面図である。図４は本実施形態のチャック１ｂの先端部の断面図であり、図３のＣ−Ｃ断面図である。また、図３は、図４のＤ−Ｄ断面図である。

本実施形態のチャック１ｂは、チャック本体３の基部にねじ穴を設け、このねじ穴に主軸２に連結される押込ねじ１１を螺合して挿通し、この押込ねじ１１を捩じ込むことにより移動する底板１２と、この底板１２によって前進後退するチャック爪４ｂとを備えている。図４において、３本のチャック爪が把持部材として周を等分する位置に装着されており、それぞれのチャック爪４ｂはチャック本体３の内面に設けられたスライド溝５に嵌合している。チャック爪４ｂは、押込ねじ１１を捩じ込んで底板を移動させることによって前進後退する。

底板１２には、それぞれのチャック爪４ｂに臨む位置に主軸側から把持側へ貫通穴１７ａが設けられている。この貫通穴１７ａの把持側開口部に緩衝部材２０を取付ける。さらに、チャック本体３の基部には、底板１２に設けた貫通穴１７ａに対応する位置に貫通穴１７を設けて、貫通穴１７の主軸側開口部から吸引ホース２２を挿入して貫通穴１７ａに通し、フィルタ２３を介して吸引ホース２２の一端を緩衝部材２０と接続する。吸引ホース２２の他端には吸引装置（図示せず）の取付口２４を接続する。この取付口２４はチャック本体に固定され、また開閉弁２５を備える。

このようにして形成したチャック１ｂは、チャック本体３を回転するか又は主軸２を回転して押込ねじ１１を捩じ込み、底板１２を移動させてチャック爪４ｂを締めると共に吸引装置（図示せず）により緩衝部材２０の内部の流体を吸引し、緩衝部材２０を介して骨片を掴んで保持する。

上記のごとく構成したチャック１ｂは、チャック爪４ｂと骨片との間に緩衝部材２０を介在させ、緩衝部材２０によって不定形の骨片の全面に均等に圧力を加えて掴むことにより、硬いチャック爪で直接骨片を掴まずに、また、一点に力が集中することなく、不定形で脆い骨片を折損することなく確実に保持することができることに加えて、チャックハンドルを用いる必要がないため、チャック爪４ｂを締める操作が簡易に行える。

次に、チャック爪の第３の実施形態について図５乃至図６を参照して説明する。図５は本実施形態のチャック１ｃの構成を示す断面図である。図６は本実施形態のチャック１ｃの先端部の断面図であり、図５のＥ−Ｅ断面図である。また、図５は図６のＦ−Ｆ断面図である。

本実施形態のチャック１ｃは、主軸２に連結されるチャック本体３の側部にねじ穴を設けてクランプねじ１３を取付け、このクランプねじ１３の先端に骨片を把持する把持部材である把持板４ｃを装着する構成となっている。図６において、４本のクランプねじ１３が周を等分する位置に取付けられており、クランプねじ１３を回旋することでそれぞれの把持板４ｃが前進後退する。また、側部の外側にクランプねじ１３の位置を固定するための固定用ナット１５を取付ける。

チャック本体３の基部には、それぞれの把持板４ｃに臨む位置に主軸側から把持側へ貫通する貫通穴１７が設けられている。この貫通穴１７の把持側開口部に緩衝部材２０を取付ける。また、貫通穴１７の主軸側開口部から吸引ホース２２を挿入し、フィルタ２３を介してこの吸引ホース２２の一端を緩衝部材２０と接続する。吸引ホース２２の他端には吸引装置（図示せず）の取付口２４を接続する。この取付口２４はチャック本体に固定され、また開閉弁２５を備える。

このようにして形成したチャック１ｃは、それぞれのクランプねじ１３を回旋して把持板４ｃを締めると共に吸引装置（図示せず）により緩衝部材２０の内部の流体を吸引し、緩衝部材２０を介して骨片を掴んで保持する。

上記のごとく構成したチャック１ｃは、把持板４ｃと骨片との間に緩衝部材２０を介在させ、緩衝部材２０によって不定形の骨片の全面に均等に圧力を加えて掴むことにより、硬いチャック爪で直接骨片を掴まずに、また、一点に力が集中することなく、不定形で脆い骨片を折損することなく確実に保持することができることに加えて、各把持板４ｃが独立に動く単動チャックのため、不定形な骨片の心出し調整を容易に行うことができる。

本発明の緩衝部材２０は、上記したチャック爪の第１乃至第３の実施形態で示したような、袋内部に金属やゴムなどの弾性体からなる粒状体と空気やアルコールなどの流体の混合物を充填したものに限られない。以下、その他の緩衝部材の実施形態などについて図７乃至図９を参照して説明する。

緩衝部材の第２の実施形態について図７乃至図８を参照して説明する。図７は本実施形態のチャック１ｄの構成を示す断面図である。図８は本実施形態のチャック１ｄの側面図で、図７のＧ矢視図である。また、図７は図８のＨ−Ｈ断面図である。

本実施形態のチャック１ｄは、主軸２に連結されるチャック本体３の側部にねじ穴を設け、このねじ穴にクランプねじ１３を取付けて構成されている。図８において、４本のクランプねじ１３が把持部材として周を等分する位置に取付けられており、それぞれのクランプねじ１３には、側部の外側でクランプねじ１３の位置を固定するための固定用ナット１５が取付けられている。

このクランプねじ１３の先端を略球状に形成し、これに略球状の中空部を有する緩衝部材２０を取付けてユニバーサルに接続する。また、チャック本体３の基部の中心にセンタ軸１６を設ける。本実施形態において、緩衝部材２０は、ゴムや樹脂などの弾性体により形成される。また、骨片と当接するセンタ軸１６の先端部も弾性体で形成してもよい。

このようにして形成したチャック１ｄは、それぞれのクランプねじ１３を回旋して、クランプねじ１３の先端の緩衝部材２０によって骨片を掴んで保持する。

上記のごとく構成したチャック１ｄは、クランプねじ１３の先端に緩衝部材２０をユニバーサルに取付けてこの緩衝部材２０によって骨片を掴むことにより、緩衝部材２０が骨片の表面に従って角度を変えて、骨片を適度な状態で掴むことができ、不定形で脆い骨片を折損することなく確実に保持することができる。また、各クランプねじ１３が独立に動く単動チャックであると共に緩衝部材２０はゴムなどの弾性体により形成されていることにより、骨片の心出しを精密に行なうことができる。

次に緩衝部材の参考例について図９を参照して説明する。図９は緩衝部材の参考例のチャックの構成を示す正面断面図である。

チャック１ｅは主軸２に取付けられる第１基部３０と、主軸２に対向する芯押軸７に取付けられる第２基部３１と、これら基部３０、３１を両側から挟むように装着して円柱状の密閉空間３６を形成する密閉容器３３とにより構成されている。また、それぞれの基部３０、３１には主軸２及び心押軸７の軸線上にセンタ軸３４が向い合って設けられており、さらにチャック１ｅには密閉空間３６に緩衝剤２１を注入する注入装置（図示せず）を取り付けるための注入口３５が設けられている。注入口３５には第１基部３０に挿通される注入ホース３７を取り付ける。

本参考例で用いられる緩衝剤２１は、ヒアルロン酸、ＰＣＬ（ポリカプロラクトン）やＰＬＬＡ（ポリ乳酸）やＰＧＡ（ポリグリコリド）などの分解性高分子、低融点金属、人工骨及び骨セメントなどの人体に無害な物質であり、これらの物質からなる緩衝剤２１を注入口３５から密閉空間３６に注入して固化することで緩衝部材２０としている。

このようにして形成したチャック１ｅは、まず第１基部３０及び第２基部３１に設けたセンタ軸３４によって骨片の両端を挟んで保持し、密閉容器３３を基部３０、３１に装着する。次に、溶融した緩衝剤２１を注入口３５から密閉空間３６に注入して固める。緩衝剤２１が固化したら、密閉容器３３を取り外して、円柱状に成形された骨片を切削する。

上記のごとく構成したチャック１ｅは、不定形の骨片を緩衝剤２１で覆って円柱状の被削材を形成するため、被削材を確実に掴んで保持することができ、さらに緩衝剤２１によって骨片が補強されて切削加工する際に骨片を折損してしまうのを防ぐことができる。

また、本実施形態のチャック１ｅは、骨片の成形装置として用いることもできる。つまり、チャック１ｅによって骨片を緩衝剤２１で覆って固めることで被削材を円柱状に形成し、これをチャック１ｅから取外して、従来の３爪チャックやコレットチャックなどを備えた旋盤装置に装着して加工することもできる。

次に本発明に係るチャックを装着した旋盤の実施形態について説明する。図１０は緩衝部材の第２の実施形態に係るチャックを装着した旋盤の実施形態を示す斜視図である。

旋盤１００は、基台１０１に主軸ガイド１０２とＺ軸ガイド１０３とを平行に設け、主軸ガイド１０２に主軸台１１０及び心押し台１２０とを摺動自在に取り付ける一方、Ｚ軸ガイド１０３にはＺ軸ステージ１０４を取り付け、さらにＺ軸ステージ１０４に主軸と直交するＸ軸ガイド１０５を設け、このＸ軸ガイド１０５にＸ軸ステージ１０６を取り付け、Ｘ軸ステージ１０６上にバイトホルダ１０７を設けて、このバイトホルダ１０７にバイト１０８を取り付けて構成される。

主軸台１１０は、小型のモータ１１１を備え、このモータ１１１の出力軸を主軸としてこれにチャックを取り付けて構成される。本実施形態では、緩衝部材の第２の実施形態に係るチャック１ｄを装着している。また、主軸台１１０は主軸の回転角度を検出するエンコーダ（図示せず）や入出力部１１３を備えており、パソコン等の入出力端末に接続して制御することでＮＣ旋盤として用いることもできる。

心押し台１２０にも主軸台１１０と同様に緩衝部材の第２の実施形態に係るチャック１ｄが装着されている。さらに、心押し台１２０はチャック１ｄのセンタ軸１６を押し出す押出し器１２１を備えている。心押し台１２０は、調心軸ガイド１２２を介して主軸ガイド１０２に取り付けられており、センタ軸１６をＸ軸方向に調心させる。

骨片の心出しは、骨片の両端をそれぞれ主軸台１１０及び心押し台１２０に設けたチャック１ｄによって把持した状態で行なわれる。心出しを行なった後は、心押し台１２０の押出し器１２１によってセンタ軸１６を押し出して骨片を心押しして、心押し台１２０に設けたチャック１ｄのクランプねじ１３を緩めて心押し台１２０を後方に下げ、骨片を心押ししたままチャック１ｄから露出させて、この状態で骨片の加工を行なう。図１０は、センタ軸１６で骨片を心押ししたまま心押し台１２０を後方に下げてバイト１０８により加工を行なっている状態を示している。

主軸台１１０や心押し台１２０に骨片を軸方向から撮影するカメラ（図示せず）を取り付け、このカメラによって撮影した画像データをパソコン等の入出力端末へ送って骨片の中心を算出し、調心軸ガイド１２２にそって心押し台１２０を移動したりチャック１ｄの４つのクランプねじ１３を回旋することにより骨片の位置を調節して、自動で心出しを行なうこともできる。

本実施形態では、主軸台１１０及び心押し台１２０の両方に緩衝部材の第２の実施形態にかかるチャック１ｄを装着したが、他の実施形態に係るチャックを装着してもよい。また、主軸台１１０及び心押し台１２０のそれぞれに別の実施形態に係るチャックを装着してもよい。

例えば、主軸台１１０にはチャック１ｄを装着し、心押し台１２０には緩衝剤２１の注入口３５を供えたチャック１ｅの第１基部３０を装着する。そして、骨片をチャック１ｄで把持し、他端はチャック１ｅのセンタ軸３４で心押しして、さらに密閉容器３３を第１基部３０とチャック１ｄに取り付けて骨片の周囲に密閉空間３６を形成し、緩衝剤２１を注入して固める。

骨片は、その形状も不定形で性質も個人差があって多様であるため、骨の状態に合わせて適切な構成を取れることが必要であり、上記のように主軸台１１０と心押し台１２０に異なるチャックを取り付けて構成することで、骨片の形状がその両端面をセンタ軸３４で挟みにくい場合でも、確実に把持することができる。

本発明に係るチャックの第１の実施形態の構成を示す正面断面図である。 第１の実施形態のチャックの先端部の断面図である。 チャック爪の第２の実施形態に係るチャックの構成を示す正面断面図である。 チャック爪の第２の実施形態に係るチャックの先端部の断面図である。 チャック爪の第３の実施形態に係るチャックの構成を示す正面断面図である。 チャック爪の第３の実施形態に係るチャックの先端部の断面図である 緩衝部材の第２の実施形態に係るチャックの構成を示す正面断面図である。 緩衝部材の第２の実施形態に係るチャックの側面図である。 緩衝部材の参考例に係るチャックの構成を示す正面断面図である。 本発明にかかるチャックを装着した旋盤の実施形態を示す斜視図である。

１ａ〜１ｅ チャック
２ 主軸
３ チャック本体
４ａ、４ｂ チャック爪
４ｃ 把持板
５ スライド溝
１０ カバー
１１ 押込ねじ
１２ 底板
１３ クランプねじ
１５ 固定用ナット
１６ センタ軸
１７ 貫通穴
２０ 緩衝部材
２１ 緩衝剤
２２ 吸引ホース
２３ フィルタ
２４ 取付口
２５ 開閉弁
３０ 第１基部
３１ 第２基部
３２ 芯押軸
３３ 密閉容器
３４ センタ軸
３５ 注入口
３６ 密閉空間
３７ 注入ホース
１００ 旋盤
１０１ 基台
１０２ 主軸ガイド
１０３ Ｚ軸ガイド
１０４ Ｚ軸ステージ
１０５ Ｘ軸ガイド
１０６ Ｘ軸ステージ
１０７ バイトホルダ
１０８ バイト
１１０ 主軸台
１１１ チャック
１１２ モータ
１１３ 入出力部
１２０ 心押し台
１２１ 押出し器
１２２ 調心軸ガイド

Claims (2)

1. 把持すべき骨片の周囲に緩衝部材を配置し、この緩衝部材を介してチャック本体の把持部材により前記骨片を把持するようにし、
   前記緩衝部材は、流体が漏洩しない材料製の袋により形成して、袋の内部に粒状体と流体とを混合して充填し、袋には吸引ホースを接続して内部の流体のみを吸引又は充填することで硬い状態と軟らかい状態を選択可能に構成し、
   チャック本体には吸引装置の取付口を設けて、前記吸引ホースをこの取付口に連結したことを特徴とするチャック。
2. 前記チャック本体は、側部に複数のクランプねじを備えると共にこのクランプねじの先端を略球状に形成し、この先端に緩衝部材をユニバーサルに取り付けたことを特徴とする請求項１記載のチャック。