JP6618497B2 - Handpiece type high frequency vibration cutting machine - Google Patents

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敏 小林
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義博 皆川
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広樹 鈴木
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仁彦 中嶌
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本発明は、ハンドピースに取り付けられた切削工具または切除工具に高周波振動を伝搬することにより、対象物の除去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。   The present invention relates to a high-frequency vibration type cutting apparatus that can efficiently remove an object by propagating high-frequency vibrations to a cutting tool or a cutting tool attached to a handpiece.

本願の出願人により、切除面に十分量の液体を提供し、かつスピンドル、砥石軸、またはそれらの締結部に加わる熱的影響を低減することにより、切除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高周波振動式切除装置が提案されている(特許文献1参照)。   The applicant of the present application improves the cutting efficiency by providing a sufficient amount of liquid on the cutting surface and reducing the thermal effect applied to the spindle, the grindstone shaft, or the fastening portion thereof, and processing accuracy. There has been proposed a high-frequency vibration excision device capable of improving the above (see Patent Document 1).

特開2015−058480号公報JP2015-058480A

しかし、対象物が骨などの硬質生物組織である場合、切除箇所およびその周辺箇所における他の生物組織の昇温による変質または損傷を回避する必要がある。   However, when the target object is a hard biological tissue such as a bone, it is necessary to avoid alteration or damage due to the temperature rise of other biological tissues at the excision site and the surrounding region.

そこで、本発明は、硬質生物組織の切除効率の向上を図りながら、当該切除箇所およびその周辺箇所における生物組織の変質または損傷の抑制を図り得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。   Therefore, the present invention provides a handpiece type high-frequency vibration cutting device capable of improving the excision efficiency of a hard biological tissue while suppressing the alteration or damage of the biological tissue at the excision site and its peripheral site. Objective.

本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置は、回転駆動装置と、前記回転駆動装置の出力軸に対して取り付けられている加振装置と、前記加振装置に対して後端部が取り付けられているスピンドルと、前記スピンドルの先端部に設けられた工具と、前記加振装置および前記回転駆動装置のそれぞれの動作を制御することにより、前記スピンドルを前記出力軸と共通の軸線の回りに回動させ、かつ、当該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、前記工具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、前記制御装置が、前記加振装置による前記スピンドルの振動周波数fを20〜60[kHz]の範囲に制御し、かつ、前記回転駆動装置による前記スピンドルの回転速度vを50〜1000[rpm]の範囲に制御し、かつ、前記入力インターフェースを通じて入力された前記工具のタイプの別に応じて、前記スピンドルの振動周波数fおよび回転速度vの組み合わせ態様を調節することを特徴とする。 The handpiece type high-frequency vibration cutting device of the present invention includes a rotation drive device, a vibration device attached to an output shaft of the rotation drive device, and a rear end portion attached to the vibration device. The spindle is rotated around an axis common to the output shaft by controlling the operations of the spindle, the tool provided at the tip of the spindle, the vibration exciting device, and the rotation driving device. A handpiece type high-frequency vibration type cutting device comprising a control device that moves and vibrates in the direction of the axis , further comprising an input interface for allowing a user to input the tool type, The control device controls the vibration frequency f of the spindle by the vibration device in a range of 20 to 60 [kHz], and the speed by the rotary drive device. The rotational speed v of the dollar is controlled in the range of 50 to 1000 [rpm], and, according to another type of the tool which is input through the input interface, the combination aspect of the oscillation frequency f and the rotational speed v of the spindle It is characterized by adjusting .

本発明のハンドピース型高周波振動式切削装置によれば、硬質生物組織の切除効率の向上を図りながら、当該切除箇所およびその周辺箇所における生物組織の変質または損傷の抑制が図られる。   According to the handpiece type high-frequency vibration type cutting device of the present invention, it is possible to suppress the alteration or damage of the biological tissue at the excision site and its peripheral site while improving the excision efficiency of the hard biological tissue.

本発明の一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。Explanatory drawing regarding the structure of the handpiece type | mold high frequency vibration type cutting device as one Embodiment of this invention. 工具の微小な凹凸に由来して対象物に残される痕跡に関する説明図(実施例)。Explanatory drawing (Example) regarding the trace left on a target object resulting from the micro unevenness | corrugation of a tool. 工具の微小な凹凸に由来して対象物に残される痕跡に関する説明図(比較例)。Explanatory drawing regarding the trace left on a target object resulting from the micro unevenness | corrugation of a tool (comparative example).

(構成)
図1に示されている本発明の一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、スピンドル11と、工具12と、制御装置20と、加振装置21と、電動モータ22(回転駆動装置)と、を備えている。
(Constitution)
A handpiece type high-frequency vibration cutting device as an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a substantially cylindrical housing 10, a spindle 11, a tool 12, and a control device 20 that constitute a handpiece. The vibration device 21 and the electric motor 22 (rotary drive device) are provided.

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スピンドル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。   The housing 10 is designed to have a size that can be held by a normal person with one hand. The handpiece of the high-frequency vibration type cutting device is configured by the housing 10 and the constituent elements such as the spindle 11 at least partially disposed in the internal space thereof, but the handpiece is reduced in weight for ease of handling. From the viewpoint, the type and specification of the component may be appropriately selected.

スピンドル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ベアリング112、114を介してハウジング10に回転自在に支持されている。スピンドル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、スピンドル11の先端部に対して脱着自在に取り付けられている。スピンドル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、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。   The spindle 11 has a rear end attached to the vibration device 21 and is rotatably supported by the housing 10 through bearings 112 and 114 fixed to the inner wall of the housing 10. The spindle 11 has a function as a horn that increases the amplitude. The tool 12 is detachably attached to the tip portion of the spindle 11. The size of the tool 12 in the direction perpendicular to the axial direction of the spindle 11 is included in the range of 1 to 10 [mm] or 2 to 5 [mm], for example. As the shape of the tool 12, an arbitrary shape such as a substantially cylindrical shape, a bowl shape, a bent or curved rod shape, or the like is employed.

加振装置21は、電動モータ22の出力軸222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、スピンドル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スリップリング212を通じて加振装置21に対して電力が供給される。電動モータ22は、ハウジング10の内部空間に配置されている超音波モータにより構成され、出力軸222と共通の軸線回りにスピンドル11を回転駆動する。ケーブル24を通じて電動モータ22に対して電力が供給される。   The vibration device 21 is attached to the output shaft 222 of the electric motor 22 and is constituted by a piezoelectric element disposed in the internal space of the housing 10. The vibration device 21 vibrates or reciprocates the spindle 11 in its axial direction. Electric power is supplied to the vibration exciter 21 through the cable 24 attached to the rear end of the housing 10 and the slip ring 212 arranged in the internal space of the housing 10. The electric motor 22 is composed of an ultrasonic motor disposed in the internal space of the housing 10, and drives the spindle 11 to rotate about an axis common to the output shaft 222. Electric power is supplied to the electric motor 22 through the cable 24.

電動モータ22およびスピンドル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電動モータ22およびスピンドル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。   Since the electric motor 22 and the spindle 11 are arranged so that their respective axes are common and are separated from each other in the axial direction, the axes are arranged in parallel or apart from each other. As compared with the above, the space occupied by the electric motor 22 and the spindle 11 in the internal space of the housing 10 in the direction perpendicular to the axis, and thus the housing 10 can be made compact. As a result, the high-frequency vibration cutting device can be configured as a handpiece that is improved in ease of holding and operability.

電動モータ22の回転駆動力が、ギア等を用いた伝動機構が用いられることなくスピンドル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。   Since the rotational driving force of the electric motor 22 is directly transmitted to the spindle 11 without using a transmission mechanism using a gear or the like, a lubricant such as grease generally used for the transmission mechanism is unnecessary. Become. Therefore, when the high-frequency vibration type cutting device as a medical device is sterilized by high-pressure steam, a situation in which contamination of the medical device due to the presence of the lubricant occurs is avoided.

制御装置20は、加振装置21および電動モータ22のそれぞれの動作を制御する。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、図1においてハウジング10の外側に配置されて表示されているものの、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によるスピンドル11の軸線方向の振動周波数fが20〜60[kHz]の範囲に含まれるように制御し、かつ、電動モータ22によるスピンドル11の軸線回りの回転速度vが50〜1000[rpm]の範囲に含まれるように制御する。f=25〜35[kHz]、v=200〜500[rpm]に制御されることがより好ましい。   The control device 20 controls the operations of the vibration device 21 and the electric motor 22. Although the microcomputer or the processor constituting the control device 20 is arranged and displayed outside the housing 10 in FIG. 1, it is arranged in the internal space of the housing 10 together with the substrate on which it is mounted. The control device 20 performs control so that the vibration frequency f of the spindle 11 in the axial direction by the vibration device 21 is included in the range of 20 to 60 [kHz], and the rotational speed of the spindle 11 around the axis of the spindle 11 by the electric motor 22. Control is performed so that v is included in the range of 50 to 1000 [rpm]. It is more preferable that f = 25 to 35 [kHz] and v = 200 to 500 [rpm].

(作用効果)
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、スピンドル11がその軸線方向に往復駆動され、かつ、その軸線回りに回転駆動されることにより、当該スピンドル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。これにより、工具12の微小な凹凸に由来して対象物に残る微小な痕跡が、図2Aに示されているように正弦波のような複数の波形が混在した状態になる。このため、工具12の微小な凸部が同じ痕跡をなぞるような事態が回避される。また、骨組織内のコラーゲン細繊維によって発現する異方性を有する材料の切削において刃物の滑りが抑制されることから、工具12との摩擦熱による組織の損傷も抑制される。さらに、当該痕跡の交差箇所の増大が図られる。スピンドル11の振動周波数fおよび回転速度vのそれぞれは、このような観点から定められている。
(Function and effect)
According to the handpiece type high-frequency vibration cutting device having the above-described configuration, the spindle 11 is provided at the tip of the spindle 11 by being reciprocally driven in the axial direction and rotationally driven about the axis. The object is cut by the tool 12. Thereby, the minute traces remaining on the object due to the minute irregularities of the tool 12 are mixed with a plurality of waveforms such as a sine wave as shown in FIG. 2A. For this reason, the situation where the micro convex part of the tool 12 traces the same trace is avoided. Further, since the sliding of the blade is suppressed in cutting the material having anisotropy expressed by the collagen fine fibers in the bone tissue, the tissue damage due to the frictional heat with the tool 12 is also suppressed. Furthermore, the number of intersections of the traces can be increased. Each of the vibration frequency f and the rotational speed v of the spindle 11 is determined from such a viewpoint.

その一方、スピンドル11が単に軸線回りに回転駆動されただけでは、当該痕跡が、図2Bに示されているように、複数の直線が並列した状態になる。このため、工具12の微小な凸部が同じ痕跡をなぞり、かつ、当該痕跡の交差箇所の増大は図られないため、工具刃先が切除する組織への進入が起こりづらい。   On the other hand, when the spindle 11 is simply driven to rotate around the axis, the trace is in a state where a plurality of straight lines are arranged in parallel as shown in FIG. 2B. For this reason, since the minute convex part of the tool 12 traces the same trace, and the increase of the intersection part of the said trace is not aimed at, the approach to the structure | tissue which a tool blade edge excises does not occur easily.

よって、当該高周波振動式切削装置によれば、硬質生物組織の切除効率の向上を図りながら、当該切除箇所およびその周辺箇所における生物組織の変質または損傷の抑制が図られる。   Therefore, according to the high-frequency vibration type cutting device, it is possible to suppress the alteration or damage of the biological tissue at the excision site and its peripheral site while improving the excision efficiency of the hard biological tissue.

(本発明の他の実施形態)
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、スピンドル11の振動周波数f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いる。
(Other embodiments of the present invention)
The high-frequency vibration type cutting device further includes an input interface for allowing the user to input the type of the tool 12, and the control device 20 determines the vibration frequency f of the spindle 11 according to the type of the tool input through the input interface. The combination mode of the rotation speed v may be adjusted. For example, the input interface includes, for example, a keyboard, a touch panel type button, an operation button, or the like.

10‥ハウジング、11‥スピンドル、12‥工具、20‥制御装置、21‥加振装置、22‥電動モータ(回転駆動装置)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Housing, 11 ... Spindle, 12 ... Tool, 20 ... Control device, 21 ... Excitation device, 22 ... Electric motor (rotation drive device).

Claims (1)

回転駆動装置と、
前記回転駆動装置の出力軸に対して取り付けられている加振装置と、
前記加振装置に対して後端部が取り付けられているスピンドルと、
前記スピンドルの先端部に設けられた工具と、
前記加振装置および前記回転駆動装置のそれぞれの動作を制御することにより、前記スピンドルを前記出力軸と共通の軸線の回りに回動させ、かつ、当該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、
前記工具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、
前記制御装置が、前記加振装置による前記スピンドルの振動周波数fを20〜60[kHz]の範囲に制御し、かつ、前記回転駆動装置による前記スピンドルの回転速度vを50〜1000[rpm]の範囲に制御し、かつ、前記入力インターフェースを通じて入力された前記工具のタイプの別に応じて、前記スピンドルの振動周波数fおよび回転速度vの組み合わせ態様を調節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。
A rotational drive device;
A vibration exciter attached to the output shaft of the rotary drive device;
A spindle having a rear end attached to the vibration device;
A tool provided at the tip of the spindle;
A control device that rotates the spindle around an axis common to the output shaft and vibrates in the direction of the axis by controlling the operations of the vibration exciting device and the rotation driving device; It is a handpiece type high frequency vibration cutting device equipped,
An input interface for allowing a user to input the tool type;
The control device controls the vibration frequency f of the spindle by the vibration device to be in a range of 20 to 60 [kHz], and the rotation speed v of the spindle by the rotary drive device is 50 to 1000 [rpm]. A handpiece type high-frequency vibration type characterized in that the combination mode of the vibration frequency f and the rotational speed v of the spindle is adjusted according to the type of the tool controlled through a range and input through the input interface. Cutting equipment.
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