JP5636287B2 - ジグザグフルートを有する自己切削型ねじ込み体 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばねじ込み可能な人工股関節寛骨臼カップなどのように、好ましくは屈曲または湾曲した外套面と、ねじ山を有するこの外套面上に配置された領域とを含む自己切削型ねじ込み体であって、そのねじ山歯断面形状はねじ込み体の仮想軸から離れるように−好ましくはほぼ垂直に−延在し、ねじ山は少なくとも２つのフルートによって分割されている自己切削型ねじ込み体に関し、行きつ戻りつ変化するフルートの進路に基づいて、フルートとねじ山歯との間に形成される切刃が、ねじ山歯の一方のフランクまたはねじ山歯の他方のフランク上に交互にずれている。これによって、ねじ込み体の他の特性に不利な影響を及ぼすことなく、ねじ込みに必要な力が大幅に小さくなるため、この種類の構造は特定の用途にとって有利である。

ねじ山は、一般的な機械工学の構成要素として普及している。通常、ねじ山は円筒状に構成されている。また、たとえば油田パイプ用に円錐状のねじ山も用いられる。多数の異なるねじ山断面形状が知られており、規格に定められている。通常、１つの工作物のねじ山断面形状は自身の長さに沿って変化しない。このような規格から外れたものとして、製造技術上の理由により、ねじ山の先頭部または終端部において標準的な断面形状から外れたものがあり得る。ねじ溝およびねじ山歯から形成され、かつねじ山の少なくとも１つの部分領域で流れるように変化するねじ山断面形状の形が実現される変形例も公知であり、これは、たとえば自己切削型ネジの場合や、たとえばねじ山をナットのねじ山に挿入するのを容易にするためなどに用いられる。

しかし、特にねじ込み式人工股関節寛骨臼カップの場合に生じるように、主に湾曲した面のねじ山では、ねじ山に関して特別な幾何学的状況が存在する。この場合、シェル本体の外套形状に関して、たとえば内球、半球または超球、円錐球、放物線状、円環、楕円およびこれらに類似する幾何学形状が知られている。この種類のねじソケットを製造するための機械加工製造方法では、流れるように変化するねじ山断面形状の歪みが必然的にある程度生じるが、このような歪みは殆どの場合意図されておらず、望ましいものでもない。特に、非対称のフランク（ねじ山歯のそれぞれの辺の角度）を有するねじ山歯を使用する場合、その結果として生じるねじ山歯の傾斜方向によっては、カップ赤道部からカップ極部へと向かう方向において、歯の高さが流れるように増加または減少するという現象が起こり、その結果、極部に近いねじ山の先頭部で、大きすぎるねじ山歯が生じるか、または、ほとんど伸びていない（nahezu verkuemmerte）ねじ山歯が生じるかのいずれかとなる。前者の場合、極端に大きいねじ山歯のために、カップにねじ込むために非常に大きな力が必要となり、さもなければインプラントを骨と完全に接触させるまでねじ込めないということにつながる。後者の場合、きわめて不十分な一次固定しか達成できないことになる。いずれの場合にもインプラントが緩むという危険性があり、結果的に、患者の再度の手術が必要となる。

そこで、カップの仮想軸に対してほぼ垂直に方向付けられた歯断面形状を用いて、ねじ山歯の高さに対する歯断面形状の傾斜角の影響を多少抑えることができる。しかし、湾曲した外套面を有するねじ込み体の場合は依然としてさらなる問題があり、すなわち、対応して掘削されたキャビティへねじ込むときに、個々のねじ山歯が最初は−しばしば想定されるように−ねじ込み方向の前方に位置するねじ山先頭部とともに、同時にまたは全く食込まない。むしろ、たとえば４つのねじ山リブ周回部（Gewinderippenumlaeufen）を有する球状の股関節寛骨臼カップの場合、赤道部から見て第２の周回部が最初に食込み、それに続いて第１および第３の周回部が食込む。上述の３つの周回部が実質的に食込んだ後で初めて、第４の周回部がキャビティと接触する。その時点で、第１から第３の周回部の歯は、すでに切削された溝の中に強制的に誘導されるので、第４のねじ山周回部は、その貫通方向に関してこの強制を受けることになる。すると、ほぼ垂直なねじ山歯断面形状の場合、径方向外側に方向付けられた変化が起こり、これによって、フルートが存在しなくても、ねじ山歯断面形状の両方のフランクに対する締付け力が発生する。

自己切削挙動を達成するために、この種類のねじ山にフルートを設ける場合、先行技術に従って直線または斜めのいずれか一方の進路を用いる。直線進路の場合、ねじれ角は０°であるか、または０°のツイスト角として規定され得る。したがって、ねじ山歯上に形成される切削またはフライス削り面は間隙を介して中立的に立ち、この結果、切削挙動は不十分なものとなる。個々のフルートの斜めの進路を用いると、よりよい結果を達成することができる。ここで、＋４５°から−４５°のねじれ角またはツイスト角が知られているが、どの場合も均一なねじれ方向または均一なツイスト方向を有する。この結果、どの場合も２つのねじ山歯フランクの一方に関して、ねじ山歯の一端に、いわゆる正の切削またはフライス削り面が形成される。この切削またはフライス削り面の切刃は、同一のねじ山歯フランク上に常に位置し、送り中にこの場所における効果的な切削を確実なものにする。この効果は、反対のねじ山フランクでは生じない。なぜならここでは、ねじ山歯フランクと切削またはフライス削り面との間に鈍角しか形成されないからである。したがって、つまみ力およびずれ力はこのねじ山歯フランクでのみ生じる。ねじ込みトルクの望ましくないほど高い値が、この問題の帰結となる。

工学の分野では、右巻のねじ山が標準である。左巻のねじ山は、たとえば対応して方向付けられたねじり荷重が生じるとねじ山結合が緩むことが予測される場合のような、特別な用途に留保されている。この予測はしたがって、ねじ結合を右回りに締付け、左回りに緩めることに深く根付いている。あらゆるねじ蓋やねじキャップはこのように構成されており、たとえば自己切削型ネジも同様である。ねじ込み体（たとえば人工股関節寛骨臼カップ）も例外ではない。ねじ込み体がフルートによって自己切削型に設計されている場合、これらのフルートはしばしば中立的に伸びており、すなわち０度のツイスト角で伸びている。その場合、各ねじ山歯の断面は、ねじ山のピッチ角のためにわずかに正の切削またはフライス削り面を形成する。自己切削型タッピングネジの中には、若干左にねじれた、または左方に向かって若干斜めに伸びるフルートを有するものもあるが、このようなフルートはねじ山のピッチ角を補償するものに過ぎず、それらの切削またはフライス削り面は中立的に位置決めされる。左巻のフルートは、たとえば貫通孔のねじ山（Durchgangsgewinden）の場合に、切削時に生じる切屑をタップ孔を通じてタップから運び出すべきねじタップの場合に知られている。

人工寛骨臼カップについては、これまで右回りのネジしか知られていない。ねじ山歯は、大半の製品において、カップ軸に対して垂直である。このような股関節寛骨臼カップが、湾曲または屈曲した外套輪郭と、直線に伸びるフルートと、一定のねじ山ピッチとを有している場合、ねじ込み処理の際の力は、フルートによってねじ山歯に形成される切削またはフライス削り面において、および大体中立に立つそれらの切刃のところで、少なくとも理論上は均一に分配される。しかし、ねじ込みの際に操作者によって加えられる軸方向の圧力（推定で約５０から約Ｎ）のために、切削力は、極方向に位置するねじ山歯の切刃上へ大半が移動する。したがって、この側に、正の切削またはフライス削り角度を有する切刃を構成することは非常に理にかなっている。それによって、必要なねじ込み力がいくらか小さくなるからである。これは、明瞭なねじれ角またはツイスト角を有する右向きまたは右巻きのフルートによって、簡単なやり方で実現可能である。

しかし、上述の構成では、ねじ込み挙動に関して技術的に可能な最適条件を達成することができない。すなわち、フライス削り角度が大きくなるほど−したがってより正になるほど−切削またはフライス削り面の他方の切刃がより鈍角になり−したがってより負になる。ねじ山歯のヘッドまたはフランクに逃げ角がなく、かつ存在する切刃が露出していなければ、過度のねじ込み力が必要であること、および受け手側で粒状化効果が発生することを常に想定しなければならない。その結果、締め過ぎに対する余裕（Ueberdrehreserve）も不都合なほど減少してしまう。

今日まで、左回りのフルートと、湾曲した外套面と、中立的に立つねじ山歯とを有する３種類の人工股関節寛骨臼カップが市販されている。これらは、Brehm社のＭＣモデル、Zimmer社のＭＴモデル、およびDePuy社のＰＡＣモデルである。一番目のモデルについては、ねじれ角は１５°であり、他の２つについては１０°である。その場合、主として作用する切刃のフライス削り角度は鈍角（技術用語では「負」）であるため、不都合に挟まれやすく粒状化しやすい、全体的に許容できない切削挙動につながる。

したがって、目的は、好ましくは適切に装備されたＣＮＣ機械で機械加工の態様で製造可能なねじ込み体（たとえば人工股関節寛骨臼カップ、大腿骨頸部ネジ、肩または歯インプラントなどの形態）であって、湾曲したまたは角度がついた外套面の少なくとも部分領域に配置されたねじ山を有し、ねじ山歯断面形状は、ねじ込み体の仮想軸に対してほぼ垂直に方向付けられており、少なくとも２つのフルートを有し、従来のねじ込み体と比較してねじ込みトルクが減少したねじ込み体を製作することである。

この目的は、たとえばねじ込み可能な人工股関節寛骨臼カップなどのように、好ましくは少なくとも一部が屈曲または湾曲した外套面と、ねじ山歯断面形状がねじ込み体の仮想軸から離れるように方向付けられたねじ山を有するこの外套面上に配置された領域と、少なくとも２つのフルートによって分割されている一連のねじ山リブとを有する、特別な自己切削型ねじ込み体を設けることによって本発明に従って達成され、フルートのねじれ方向またはツイスト方向が交互に右回りおよび左回りの進路を取り、各切刃が、右ねじ山歯フランクと左ねじ山歯フランクとの間の位置に関して一定してずれている。

よりよい理解のため、本発明を５つの図面に基づいて以下により詳細に説明する。湾曲した外套面を有するねじ込み体の一例として、本件では、簡素化して描かれた股関節寛骨臼カップ、および一連のねじ山リブの概略的に示される一部を用いた。

先行技術に係るねじ山を有する人工股関節寛骨臼カップの断面図である。 負のねじれ角を有するフルートの機械加工製造についての選択肢を、図１に対応する股関節寛骨臼カップについて示す図である。 一連のねじ山リブの一部を示す図である。 一連のねじ山リブの一部を示し、図３のより困難な変形を示す図である。 歯フランクの技術的なフライス削り加工の例を示す図である。

図１は、２：１の割合で拡大された縮尺の、先行技術に係るサイズ５２の区分された人工股関節寛骨臼カップ１の概略図を示す。示される例は、湾曲したシェル外套の球状輪郭を有する。単一のねじ山の４つのねじ山歯７、８、９および１０が頂部に見られ、底部には１１、１２、１３および１４が見られる。フルート導入前の技術的製造状態が示される。股関節寛骨臼カップの仮想中心軸が一点鎖線６で示される。内側形状は、球状領域２および円錐状領域３によって特徴付けられる。また、インレーに係合するための留め溝５および底孔（Bodenloch）４も存在している。

図１の人工股関節寛骨臼カップを二等分したものが、図２に示される。図面の都合上、フルートは示されていない。４つの周回部からなる一連のねじ山リブは、対称の歯断面形状を有する。これは、２４°の囲まれたフランク角を有し、カップの仮想軸に対して垂直である。したがって、ねじ山断面形状の部分フランク角は、ねじ山歯の各フランクについて−１２°および＋１２°である。ねじ山歯の高さが僅か２ｍｍである場合、ねじ山ピッチには５ｍｍの値が選択された。この比較的高い値は、複数の理由により特に有利である。一方では、これは、インプラントの材料と収容する「材料」骨との強度比を考慮している。他方では、これによって少なくなったねじ山リブ周回部によって、ねじ込みトルクが大幅に減少する。最後に、結果的により大きなスペースができるので、隣接するねじ山歯を傷つけることなく、フルートをフライス加工または研削する工具を用いてねじ山リブおよび任意で股関節寛骨臼カップの外套面を掘削することができる。実際には、この種類の０から１ｍｍの掘削深さが実現され、たとえば、フライス削りアーバを収容するための好適な孔１６を有する凸状の半円形状カッタ１５、または角度フライスカッタなどの側フライスがこのために用いられる。図２に示される側フライスは、フルートの本発明に係るスキューを実現するために、軸方向の面と比較して４５°旋回する。たとえば正のねじれ角またはツイスト角を有する種類の個々のフルートを機械加工する場合、左右に隣接するフルートの機械加工の場合は、角度的に片寄った（例では９０°）工具の位置決めがその後行われるので、それによって、符号の変わったねじれ角またはツイスト角が生じる。

一連のねじ山リブの機械加工の本発明に係る結果が、概略的な例に基づいて図３に示される。図１および図２のねじ山歯断面形状を有する４つの得られたねじ山歯１７、１８、１９、２０が示され、これらのねじ山歯は、フルート２１、２２、２３、２４、２５（一点鎖線で示される）によって作られた。一連のねじ山リブの斜めの進路は、ねじ山ピッチの影響を示す。ねじ込み体の湾曲または屈曲した外套面上への位置決めに起因する、実際に発生する歪みの正確な描写は、図面のコストを省くために省略した。図面では、互いのあとを辿るフルートの右回り進路と左回り進路との間の一定の変化（Umsprung）が明らかに示されており、この結果、形成された切刃２６、２７、２８、２９は、ねじ山歯の一方または他方のフランク上に交互にずれている（verlagert）。この場合、互いに関して、および／または一連のねじ山リブのピッチ角に対して、フルートの角度がついた進路は、可能な限り正のフライス削り角度が実現される限り重要ではない。好ましくは、各フルートは、単一のねじ山歯のみに関連し、各場合において、隣接するねじ溝の領域内までそれぞれの長さで延在する。

図３に従ったねじ山の構成によって、ねじ込み体の仮想軸に対してほぼ垂直なねじ山歯断面形状を位置決めする従来の構成と比較して、ねじ込みトルクが大幅に減少することになる。しかし、この挙動は、それぞれの歯のそれぞれの切刃が一連のねじ山リブの進路から露出している、および／または逃げ角を有して切刃の後側に構成されている場合に、本発明にしたがってさらに良好なものになる。この種類の設計が図４に示される。

上述のようにして得られた図４に示される一連のねじ山リブは、各場合において破線で示されるフルート３５、３６、３７、３８、３９によって区切られた４つのねじ山歯（ねじ羽根としても示される）３１、３２、３３、３４から形成される。示される例では、各場合において、ねじ込み体の仮想軸に対して＋４５°および−４５°の角度が選択されたため、これらのフルートは交互に左右方向に走る。切刃４０、４１、４２、４３は各場合において切削またはフライス削り面の前方に存在しており、これらの切刃は、フルートの斜めの進路のために自身の後側にいわゆる正のフライス削り角度を有する。これらの切刃は各場合において、ねじ山歯上の横方向の位置に関して交互の位置を占める。したがって、切刃４０はねじ山歯の右フランク上に配置され、切刃４１は左側に配置され、切刃４２は次に右側に配置される、等となる。各ねじ山歯の幅、およびしたがってその高さも、ねじ山歯の端と比較して、ねじ込み方向（フライス削り面）の前方に配置される面において明らかに拡大されていることが、図面から明らかに理解できる。図面の右側に配置されたねじ山歯３１および３２のフランクは互いに同一平面上にあるが、ねじ羽根３２の切刃４１は、ねじ羽根３１の端と比較して左側に突出している。ねじ山の設計はこの場合、ねじ込み方向に関連している。これは矢印３０によって示される。

図５には、特別な進路を有する本発明に係る歯フランクの製造オプションの例が示され、たとえば、ネジ表面の形態の、または逃げ角を有する形態であって、特に行きつ戻りつ変化する進路（hin-und-her springendem Verlauf）を有する例を示す。ここでは、参照番号１から６は図１から取っている。シャフト４４上の第１のフライス４５は極側歯フランクの機械加工用に意図されており、第２のフライス４７はシャフト４６上に設けられて赤道側歯フランクを機械加工する。機械加工時間を節約する、この提案されたねじ山についての簡潔な製造方法が、たとえばＥＰ１０５１１３１から公知である、いわゆる「ホブル旋削」（独語では"Humpeldrehen"、英語では"hobble turning"）によって利用可能である。フライス削りまたはホブル旋削によって実現される機械加工ステップは好ましくは、歯同士の間の除去されるべき体積の大部分が旋削によって既に取払われた後に、仕上げにのみ用いられるべきである。

本発明は、図面に示される範囲を明らかに越える多数の実際的な実施例で実現可能であることを理解すべきである。特に、ねじ込み体のねじ山によって広範な設計が可能となる。これは、たとえば先頭部の数の選択において、ねじ山断面形状、その高さおよび幅、囲まれたフランク角および傾斜角、または部分フランク角、ねじ山ピッチ、さらには異なるねじ山ピッチ、フライス削りおよび逃げ角、ならびにフルートの形状、幅、深さ、およびねじれ角またはツイスト角およびそれらの数からなる。したがって、たとえばねじ山歯は、ねじ山歯端の方向においてフライス削り面から始まって間引きされ、ねじ山歯断面形状の幅および／または高さが減少するように、ネジ表面から、またはねじ山断面形状によって形成可能である。

したがって、本発明では、自己切削型ねじ山と、ねじ山の領域内に配置され、かつ好ましくは湾曲および／または屈曲した外套面と、ねじ込み体の仮想軸上にほぼ垂直に立つねじ山歯断面形状とを有する、多面的に実現可能なねじ込み体が提供され、このねじ込み体は、従来の構成と比較して特別な構造を有するために、ねじ込み挙動および締め過ぎ挙動が明らかに向上しており、これによって、たとえばインプラントの場合に緩み率の低下が期待される。このねじ込み体は、技術的な問題なしに、また数値制御機械に対する時間的な付加コストなしに製造可能である。

Claims (6)

1. 屈曲および／または湾曲した外套面と、この外套面上に存するねじ山を備えた領域とを有する自己切削型ねじ込み体であって、そのねじ山の歯のねじ山歯断面形状は前記ねじ込み体の仮想軸から離れるよう延在し、前記ねじ山は傾斜されたまたはねじられた少なくとも２つの切削フルートによって分割されており、前記切削フルートは前記ねじ込み体の前記仮想軸に対して交互に正の角度および負の角度を有するように延びるので、切削フルートとねじ山歯の側面との間に形成される切刃が、前記ねじ山歯の一方の側面上または他方の側面上に交互に偏倚させられていることを特徴とする、ねじ込み体。
2. 前記ねじ山歯断面形状は、前記ねじ込み体の前記仮想軸に対して垂直に方向付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のねじ込み体。
3. 前記切刃は一連のねじ山の峰のつながりから偏倚させられており、すなわち、反対側に存するねじ山歯の側面は互いに整列しているが、ねじ山片の切刃はねじ込み方向に先行するねじ山の終端に関して一方側へ偏倚していることを特徴とする、請求項１または２に記載のねじ込み体。
4. 各ねじ山歯を包む複数の表面は、ネジ表面からの複数の切抜であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載のねじ込み体。
5. 各ねじ山歯を包む３つの表面のうちの少なくとも１つは、削り面の後側に逃げ角を形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載のねじ込み体。
6. 人工股関節寛骨臼カップ、人工肩関節の一部、大腿骨頸部ネジ、骨ネジ、または歯インプラントとして実現されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載のねじ込み体。

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