JP6556808B2 - ハンドピース型高周波振動式切削装置 - Google Patents

ハンドピース型高周波振動式切削装置 Download PDF

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Description

本発明は、ハンドピースに取り付けられた切削工具等に高周波振動を伝搬することにより、対象物の切削加工を効率良く行うことができる高周波振動式切削装置に関する。
ハンドピース内部のタングに加振装置を設け、この加振装置によってタングを振動させることで、タングに取付けられた切削工具を高周波振動させて、切削加工効率を向上させ、かつ、加工精度の向上を図ることができるハンドピースタイプの高周波振動式切削装置が提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
特開2001−204735号公報 特許第3553486号公報
特許文献1の高周波振動式切削装置では、口腔外科手術時の骨組織を切削等する際に、加振装置で、高周波振動によって、又は低周波数に変調された振動によって、又は一連の低周波バースト振動によって、切削工具を振動状態にさせる。高周波振動によって骨組織の正確な切削を行うとともに、一連の低周波バースト振動へ変調することによって切削工具の振動によるエネルギを放散させることにより、柔軟な組織上で発生する熱を最小限にすることができる。
特許文献2の力学的麻酔件患部分離装置では、20〜100[kHz]の超音波振動を発振する超音波発振器と、低周波振動を発振する低周波振動発振器とを備えている。力学麻酔を行うように超音波振動発振器のみを作動させる作動状態において、超音波振動に加えて低周波振動させる変調作動状態により、患部接触子に力を入れなければならない状態が予測されるときには、低周波振動により歯根膜を切断して歯牙を歯槽骨から分離することを容易にし、患部接触子に大きな力を加えずに患部の分離を超音波振動を停止させることなく行う。
しかし、口腔外科手術での対象物の切削加工時に、高周波振動式切削装置の操作性を向上させるためには、特許文献1のように骨組織自体を高周波振動によって正確に切削すること、および一連の低周波振動で発生する熱を最小限にすることや、特許文献2のように低周波振動により歯根膜を切断して歯牙を歯槽骨から分離することを容易にするだけでなく、操作者に感覚的にどれくらい切削したかの切削量を打撃的切削感覚で確認させることが好ましい。
そこで、本発明は、操作者にどれくらい切削したかの切削量を打撃的切削感覚によって確認しながら切削させることで操作性を向上できるハンドピース型高周波振動式切削装置を提供することを目的とする。
[1]上記目的を達成するため、本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置は、
ハウジングと、
当該ハウジングに設けられた加振装置と、
当該加振装置に設けられた工具と、
前記加振装置の動作を制御することにより、前記工具を前記加振装置の軸線の方向に振動させる制御装置と、を備えているハンドピース型高周波振動式切削装置であって、
前記制御装置が、前記加振装置による前記工具の振動を、停止と振動を繰り返すバースト発振に制御し、かつ、
前記工具が振動しているバースト期間と前記工具が停止している停止期間とを合わせて1周期とする全体の前記工具のバースト周波数f1を、1〜8[Hz]の範囲に制御し、前記バースト周波数f1のパルス幅t1をパルス周期T1で除算したデューティー比d1を、5〜50[%]の範囲に制御し、前記バースト期間の前記工具の振動周波数f2を20〜60[kHz]の範囲に制御することを特徴とする。
かかる構成によれば、ハウジングに設けられた加振装置によって、当該加振装置に設けられた工具を振動させる。制御装置が、加振装置による工具の振動を停止と振動を繰り返すバースト発振に制御する。具体的には、制御装置が、工具のバースト周波数f1を操作者がバースト期間と停止期間の周期を認識可能な低周波数である、1〜8[Hz]の範囲に制御し、バースト周波数のパルス幅t1をパルス周期T1で除算したデューティー比d1を、5〜50[%]の範囲に制御する。このため、操作者にノミをハンマーで叩いているような感覚も与えて、どれくらい切削したかという切削量の目安を、バースト周波数f1による打撃の周期とそれによる打撃的切削感覚によって、正確に確認しながら被加工物を切削させることで操作性を向上できる。工具を少しずつ段階的に目的の深さに被加工物を切削しながら入れることができる。また、制御装置が、バースト期間の前記工具の振動周波数f2を20〜60[kHz]の範囲に制御するので、高周波振動によって正確な切削を行うことができる。
[2]また、本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置において、前記制御装置が、前記バースト周波数f1を1〜4[Hz]の範囲に狭めて制御し、前記デューティー比d1を、10〜25[%]の範囲に狭めて制御することが好ましい。
かかる構成によれば、制御装置が、バースト周波数f1を1〜4[Hz]の範囲に制御し、前記デューティー比d1を、10〜25[%]の範囲に狭めて制御するので、操作者がバースト期間と停止期間の周期をより認識し易くなる。結果、操作者にノミをハンマーで叩いているような音などによる感覚をより明確に与えて、打撃的切削感覚を認識し易くさせ、より操作性を向上することができる。
[3]また、本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置において、前記ハンドピースを構成するハウジングには、前記操作者に向けて音又は光を出力する出力部が備えられ、前記制御装置が、前記バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で音又は光を出力するように前記出力部を制御することが好ましい。
かかる構成によれば、音又は光を出力する出力部がハンドピースのハウジングに備えられているので、操作者が音又は光を外部から認識し易い。そして、制御装置が、バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で音又は光を出力するように出力部を制御するので、操作者が音又は光の出力間隔から切削量の目安をつけることができ、操作者により適切な切削感覚を覚えさせ、操作性をより向上させることができる。
[4]また、本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置において、前記ハンドピースを構成するハウジングには、前記制御部に制御されて前記ハウジングを振動する振動子が備えられ、前記制御装置が、前記バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で振動し、かつ、前記加振装置の振動方向に対して垂直方向に振動するように、前記振動子を制御することが好ましい。
かかる構成によれば、ハウジングを振動する振動子がハンドピースを構成するハウジングに備えられているので、操作者がハウジングの振動を認識することができる。そして、制御装置が、バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で振動し、かつ、前記加振装置の振動方向に対して垂直方向に振動するように、振動子を制御するので、操作者が切削の邪魔にならない微弱なハウジングの振動間隔から切削感覚を得ることができ、操作者により適切な切削感覚を覚えさせ操作性をより向上させることができる。
本発明の第1実施形態としてのハンドピース型高周波振動式切削装置の構成に関する説明図。 本発明の第2実施形態としてのハンドピース型高周波振動式切削装置の構成に関する説明図。 本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置の作用結果の説明図。 図4Aは本発明の全体として矩形波に変調されたバースト周波数の波形の説明図。図4Bは比較例の全体としてsin波に変調されたバースト周波数の波形の説明図。 図5Aは本発明の時間経過と被加工物の切削状態に関する説明図。図5Bは比較例の時間経過と被加工物の切削状態に関する説明図。 図6Aは本発明の時間経過と切削量に関する図。図6Bは比較例の時間経過と切削量に関する図。
(第1実施形態)
図1に示されている本発明の第1実施形態としてのハンドピース型高周波振動式切削装置は、ハンドピースを構成する略円筒状のハウジング10と、保持部材11と、工具12と、制御装置20と、加振装置21とを備えている。
ハウジング10は、通常の人間が片手で持てる程度のサイズに設計されている。ハウジング10およびその内部空間に少なくとも一部が配置される保持部材11等の構成要素により高周波振動式切削装置のハンドピースが構成されているが、当該ハンドピースを取り扱いの簡便性のために軽量化する観点から、当該構成要素の種類および仕様が適当に選定されてもよい。
保持部材11は、その後端部が加振装置21に対して取り付けられ、ハウジング10の内側壁に対して固定されている支持部112、114を介してハウジング10に軸線方向移動自在に支持されている。保持部材11は、振幅を増大するホーンとしての機能を有している。工具12は、保持部材11の先端部に対して脱着自在に取り付けられている。保持部材11の軸線方向に対して垂直な方向について工具12のサイズは、例えば1〜10[mm]または2〜5[mm]の範囲に含まれている。工具12の形状としては、先端が直線状、円弧状の刃物や、略円柱状、匙状、屈曲または湾曲したロッド状などの任意の形状が採用される。
加振装置21は、ハウジング10の取付部10aに対して取り付けられ、ハウジング10の内部空間に配置されている圧電素子により構成され、保持部材11をその軸線方向に振動させるまたは往復駆動する。ハウジング10の後端部に取り付けられているケーブル24およびハウジング10の内部空間に配置されている制御装置20および導線を通じて加振装置21に対して電力が供給される。
加振装置21および保持部材11は、それぞれの軸線が共通するように、かつ、それぞれの軸線方向について離間して配置されているため、当該軸線が平行に離間してまたは非平行に配置されている場合と比較して、当該軸線に対して垂直な方向について、ハウジング10の内部空間における加振装置21および保持部材11の占有スペース、ひいてはハウジング10のコンパクト化が図られる。これにより、持ちやすさおよび操作性の向上が図られたハンドピースとして高周波振動式切削装置が構成されうる。
加振装置21の力が、伝動機構が用いられることなく保持部材11に対して直接的に伝えられるため、一般的に当該伝動機構に用いられるグリス等の潤滑剤が不要になる。よって、医療機器としての高周波振動式切削装置が高圧水蒸気によって滅菌処理される場合、潤滑剤の存在に由来する当該医療機器のコンタミネーションが生じる事態が回避される。
制御装置20は、加振装置21の動作を制御する。制御装置20を構成するマイクロコンピュータまたはプロセッサは、これが実装されている基板とともにハウジング10の内部空間に配置されている。制御装置20は、加振装置21による保持部材11を介しての工具12の軸線方向の振動周波数f2が20〜60[kHz]の範囲に含まれるように制御する。f2=25〜35[kHz]に制御されることがより好ましい。
さらに、制御装置20が、加振装置21による工具12の振動を、停止と振動を繰り返すバースト発振に制御し、かつ、工具12が振動しているバースト期間と、工具12が停止している停止期間とを合わせて1周期とする全体の工具12のバースト周波数f1を、操作者がバースト期間と停止期間の周期を認識可能な低周波数に制御する。
前記構成のハンドピース型高周波振動式切削装置によれば、保持部材11がその軸線方向に往復駆動されることにより、当該保持部材11の先端部に設けられている工具12によって対象物が切削される。
制御装置20が、加振装置21による工具12の振動を停止と振動を繰り返すバースト発振に制御する。
具体的には、制御装置20が、工具12のバースト周波数f1を操作者がバースト期間と停止期間の周期を認識可能な低周波数である、1〜8[Hz]の範囲に制御し、バースト周波数のパルス幅t1をパルス周期T1で除算したデューティー比d1を、5〜50[%]の範囲に制御する。このため、操作者にノミをハンマーで叩いているような音の感覚も与えて、どれくらい切削したかという切削量の目安を、バースト周波数f1による打撃の周期とそれによる打撃的切削感覚によって、正確に確認しながら被加工物を切削させることで操作性を向上させ、工具を少しずつ段階的に目的の深さに被加工物を切削しながら入れることができる。
より好ましい周波数としては、制御装置20が、バースト期間の工具12の振動周波数f2を20〜60[kHz]の範囲に制御し、バースト周波数f1を1〜4[Hz]の範囲に制御し、デューティー比d1を、10〜25[%]の範囲に狭めて制御する。
次にハンドピース型高周波振動式切削装置の工具12の振動周波数f2の作用結果について説明する。制御装置20が、バースト期間の工具12の振動周波数f2を20〜60[kHz]の範囲に制御することで、高周波振動によって正確な切削を行うことができる。
次にハンドピース型高周波振動式切削装置の工具12のバースト周波数f1の作用結果について説明する。図3は、バースト周波数f1による、操作者の切削感覚と完全停止感覚についての結果である。バースト周波数f1を0.1[Hz]〜14[Hz]まで段階的に変化させ、操作者が感じる切削感覚が、悪い結果を×、あまり良くない結果を△、良い結果を○、より良い結果を◎とした。
操作者が感じる切削感覚については、バースト周波数f1を、0.5[Hz]、5[Hz]〜8[Hz]としたときの結果が○であり、バースト周波数f1を、1[Hz]〜4[Hz]としたときの結果が◎であった。
操作者が完全に止まったような感じを得る完全停止感覚については、バースト周波数f1を、0.5[Hz]としたときの結果が△であり、1[Hz]〜14[Hz]としたときの結果が○であった。
以上の結果により、低周波のバースト周波数f1を1〜8[Hz]の範囲に制御するので、1[Hz]以上で操作者が完全停止状態になったとの誤認を防ぐことができ、8[Hz]以下で操作者がバースト期間と停止期間の周期を認識できる。
さらには、制御装置20が、バースト周波数f1を1〜4[Hz]の範囲に制御し、デューティー比d1を、10〜25[%]の範囲に狭めて制御する。このため、バースト周波数f1が1[Hz]以上で操作者が停止状態になったとの誤認を防ぐことができ、4[Hz]以下で操作者がバースト期間と停止期間の周期をより違いを認識し易くなり、さらにデューティー比d1を、10〜25[%]の範囲に狭めて制御することで、操作者により適切な切削感覚を覚えさせることでき、操作性をより向上させることができる。結果、操作者にノミでハンマーを叩いているような音の感覚などをより明確に与えて、打撃的切削感覚を認識し易くさせ、より操作性を向上させることができる。
次にバースト波の波形について説明する。図4Aは本発明係る実施形態の全体として矩形波に変調されたバースト周波数の波形の説明図であり、工具12(図1参照)が振動しているバースト期間t1と、工具12が停止している停止期間(T1−t1)とを合わせて1周期T1とする。デューティー比d1は、バースト周波数のパルス幅t1をパルス周期T1で除算した値である。
制御装置20(図1参照)は、加振装置21(図1参照)による保持部材11の軸線方向の振動周波数f2が例えば20〜60[kHz]の範囲に含まれるように加振装置21を高周波に制御するとともに、バースト波を全体として矩形波に変調されたように加振装置21を制御する。全体としてのバースト波は、制御装置20によってバースト周波数f1が1〜8[Hz]の範囲に制御され、デューティー比d1が5〜50[%]の範囲に制御されている。
図4Aでは、バースト波が全体として矩形波に変調されている。このため、操作者は、工具12をハンマーで叩いているような打撃的切削感覚を認識することができる。
次に比較例のバースト波の波形について説明する。図4Bは比較例の全体としてsin波に変調されたバースト周波数の波形の説明図である。バースト波そのものは高周波であるが、バースト波の波形全体としては、低周波数に変調された超音波によるsin波である。このため、操作者はバースト波全体としては、工具の停止期間と振動期間の差を感じることができず、打撃的切削感覚を認識することができない。
次に時間経過と被加工物の切削状態とについて説明する。図5Aは本発明に係る実施形態の時間経過と被加工物の切削状態に関する説明図である。切削開始から、T1[s]時間経過すると、工具12により被加工物40が切削量L1だけ切削される。(4/3)×T1[s]時間経過後および(5/3)×T1[s]時間経過後ともに、それ以上は切削されず切削量はL1のままである。
2×T1[s]時間経過すると、さらに工具12により被加工物40が切削され切削量がL2となる。(7/3)×T1[s]時間経過後および(8/3)×T1[s]時間経過後ともに、それ以上は切削されず切削量はL2のままである。
3×T1[s]時間経過すると、さらに工具12により被加工物40が切削され切削量がL3となる。このように、工具12を少しずつ段階的に目的の深さに被加工物40を切削しながら入れることができる。操作者は、工具12をハンマーで叩いているような打撃的切削感覚を認識することができ、どれくらい切削したかという切削量の目安を、バースト周波数f1による打撃の周期とそれによる打撃的切削感覚によって、正確に確認しながら被加工物40を切削させることで操作性を向上できる。
次に比較例の時間経過と被加工物の切削状態について説明する。図5Bは比較例の時間経過と被加工物の切削状態に関する説明図であり、切削開始から、T1[s]時間経過すると、工具12により被加工物40が切削量L1だけ切削される。(4/3)×T1[s]時間経過後はさらに切削されて切削量がL1aとなり、(5/3)×T1[s]時間経過後はさらに切削されて切削量がL1bとなる。
2×T1[s]時間経過すると、さらに工具12により被加工物40が切削され切削量がL2となる。(7/3)×T1[s]時間経過後はさらに切削されて切削量がL2aとなり、(8/3)×T1[s]時間経過後はさらに切削されて切削量がL2bとなる。
3×T1[s]時間経過すると、さらに工具12により被加工物40が切削され切削量がL3となる。このように、比較例では、時間経過に比例して切削量が円滑に増加するので、打撃的切削感覚を確認することができない。
次に時間経過を切削量をグラフで説明する。図6Aは本発明に係る実施形態の時間経過と切削量に関する図であり、バースト周期T1、2×T1、3×T1、とバースト周期T1が経過するごとに、切削量がL1、L2、L3と段階的に増加する。
これに対して、図6Bは比較例の時間経過と切削量に関する図であり、時間がT1、2×T1、3×T1と経過するに従い、切削量がL1、L2、L3と直線的に比例して増加する。
(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同様の構成については、説明を省略し、符号を流用するものとする。図2に示すように、本発明の第2実施形態としてのハンドピース型高周波振動式切削装置は、ハウジング10の後端部に出力部30を備え、ハウジング10の外周部に振動子31を備えている。出力部30および振動子31は、ケーブル24から制御装置20を介して接続されることで給電される。また、出力部30および振動子31は、制御装置20に配線(不図示)を介して接続され、制御装置20に出力を制御される。
出力部30は、音を出力する小型のスピーカである。制御装置20が、バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で音又は光を出力するように出力部30を制御する。このため、操作者は、聴覚によって音の出力間隔から切削量の目安をつけることができ、操作者により適切な切削感覚を覚えさせ、操作性をより向上させることができる。
なお、出力部30から音を発する周波数f3を、バースト周波数f1に合わせることでも、切削感覚を感じやすくし、操作性をより向上させることができる。
なお、実施形態では、出力部30をスピーカとしたが、出力部30は光を出力する光源としてもよい。制御装置20が、バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で光を出力するように出力部30を制御する。出力部30を光源とした場合は、視覚によって切削の程度を認識することができ、ハンドピース型高周波振動式切削装置の操作性を向上させることができる。
このように、音又は光を出力する出力部30がハンドピース11のハウジング10に備えられているので、操作者が音又は光を外部から認識し易い。そして、制御装置20が、所定の間隔で音又は光を出力するように出力部を制御するので、操作者が音又は光の出力間隔から切削量の目安をつけることができ、操作者により適切な切削感覚を伝えて操作性をより向上させることができる。
また、ハウジング10を振動させる振動子31がハンドピースを構成するハウジング10に備えられているので、操作者が切削の邪魔にならない微弱なハウジング10の振動を認識することができる。この場合、制御装置20は、バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で振動し、かつ、加振装置21の振動方向に対して垂直方向に振動するように、振動子31を制御することが好ましい。操作者がハウジング10の振動間隔から切削感覚を得ることができ、操作者により適切な切削感覚を伝えて操作性をより向上させることができる。さらに、振動子31の振動の周波数f4を、バースト周波数f1に合わせることで、より切削感覚を感じやすくし、操作性をより向上させることができる。
なお、高周波振動式切削装置が、工具12のタイプをユーザに入力させるための入力インターフェースをさらに備え、制御装置20が、入力インターフェースを通じて入力された工具のタイプの別に応じて、工具12の振動周波数f2および回転速度vの組み合わせ態様を調節してもよい。例えば、入力インターフェースは、例えば、キーボード、タッチパネル式のボタンまたは操作ボタン等により構成されてもよい。
また、加振装置21、出力部(スピーカ、光源)30及び振動子31を選択的に選び制御する構成としてもよい。また、高周波振動式切削装置に、加振装置21、出力部(スピーカ、光源)30及び振動子31の中から1つ以上備える構成としてもよい。
また、実施形態では、制御装置20が出力部30の出力及び振動子31の振動を、バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期となるようにしたが、これに限定されず、いわゆる(1/f)揺らぎと呼ばれる操作者が快適性を感じる周期や、操作者が切削量の目安を認識できる周期に制御しても差し支えない。
10‥ハウジング、11‥保持部材、12‥工具、20‥制御装置、21‥加振装置、30‥出力部、31‥振動子。

Claims (4)

  1. ハウジングと、
    当該ハウジングに設けられた加振装置と、
    当該加振装置に設けられた工具と、
    前記加振装置の動作を制御することにより、前記工具を前記加振装置の軸線の方向に振動させる制御装置と、を備えているハンドピース型高周波振動式切削装置であって、
    前記制御装置が、前記加振装置による前記工具の振動を、停止と振動を繰り返すバースト発振に制御し、かつ、
    前記工具が振動しているバースト期間と前記工具が停止している停止期間とを合わせて1周期とする全体の前記工具のバースト周波数f1を、1〜8[Hz]の範囲に制御し、前記バースト周波数f1のパルス幅t1をパルス周期T1で除算したデューティー比d1を、5〜50[%]の範囲に制御し、前記バースト期間の前記工具の振動周波数f2を20〜60[kHz]の範囲に制御することを特徴とするハンドピース型高周波振動式切削装置。
  2. 請求項1記載のハンドピース型高周波振動式切削装置において、
    前記制御装置が、前記バースト周波数f1を1〜4[Hz]の範囲に狭めて制御し、前記デューティー比d1を、10〜25[%]の範囲に狭めて制御することを特徴とするハンドピース型高周波振動式切削装置。
  3. 請求項1又は請求項2記載のハンドピース型高周波振動式切削装置において、
    前記ハンドピースを構成するハウジングには、前記操作者に向けて音又は光を出力する出力部が備えられ、
    前記制御装置が、前記バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で音又は光を出力するように前記出力部を制御することを特徴とするハンドピース型高周波振動式切削装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項記載のハンドピース型高周波振動式切削装置において、
    前記ハンドピースを構成するハウジングには、前記制御部に制御されて前記ハウジングを振動する振動子が備えられ、
    前記制御装置が、前記バースト発振の周期(1/f1)の整数1〜50倍の周期で振動し、かつ、前記加振装置の振動方向に対して垂直方向に振動するように、前記振動子を制御することを特徴とするハンドピース型高周波振動式切削装置。
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