KR101166847B1

KR101166847B1 - 가변 틈새를 갖는 나사산 연결부

Info

Publication number: KR101166847B1
Application number: KR1020107000751A
Authority: KR
Inventors: 알데꼬아 에두아르도 아니뚜아
Original assignee: 바이오테크놀로지 인스티튜트, 아이 엠에이에스 디, 에스. 엘.
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2012-07-19
Also published as: CO6251340A2; WO2008155633A8; US20100304336A1; CL2008001780A1; CN101796312A; AR067036A1; KR20100018620A; EP2158408A2; CA2690770A1; JP5296783B2; ES2333188B1; ATE537369T1; WO2008155633A2; PT2158408E; RU2010101224A; BRPI0811711A2; WO2008155633A3; CN101796312B; ES2333188A1; EP2158408B1

Abstract

수컷부분(2)과 암컷부분(1) 사이, 특히 나사와 치아 임플란트 사이의 나사산 연결부분으로, 상기 양쪽부분(1,2)이 스파이어들을 갖는 나사산 프로파일과 꼭 맞추어지고, 이에 따라서 상기 수컷부분(2)의 나사산 프로파일의 나사산 피치(4b)가 상기 암컷부분(1)의 나사산 프로파일의 나사산 피치(4a)와 달라서, 양쪽 부분 사이에 피제어 틈새(3)를 얻는다. 본 발명에 의하면, 상기 2개의 부분(1,2) 중 한쪽은 가변 나사산 피치를 갖는다. 그러므로, 양쪽 부분(1,2) 사이의 상기 나사산 연결부분은, 비선형 방식으로 변화하는 틈새(3)를 나타낸다. 상기 나사산 피치들의 특정 설계를 적절하게 조절함으로써, 응용의 관심사에 따라 나사산 연결부분 전체에 걸친 응력 분포를 제어하는 것이 가능하다.

Description

가변 틈새를 갖는 나사산 연결부{THREADED CONNECTION WITH VARIABLE GAP}

본 발명은, 모든 형태의 나사산 연결부분, 예를 들면, 치아 임플란트와, 인공치아 등을 보유하는데 사용되는 나사간의 나사산 연결부분 등에 적용가능한 수나사산 부분과 암나사산 부분간의 나사산 연결부에 관한 것이다.

(일련의 스파이어(spire)로 이루어진 나사산 프로파일을 갖는) 수컷부분과 (일련의 스파이어로 이루어진 나사산 프로파일을 갖고, 여기에 상기 수컷부분의 상기 나사산 프로파일이 완전하게 꼭 맞는) 암컷부분간의 종래의 나사산 연결부분은, 틈새가 없도록, 또는 달리 말하면, 양쪽 부분들의 상기 나사산 프로파일이 서로 완벽하게 꼭 맞도록 설계되었다. 이들 연결부분을 분석한 후, 상기 나사산 연결부분의 내용년수 동안 상기 스파이어들의 응력 분포에 의해 일부의 스파이어들이 다른 것보다 큰 장력을 견딜 수 있다. 보다 구체적으로는, 보다 큰 응력에 견디는 스파이어들은, 제 1 스파이어들, 또는 달리 말하면, 상기 나사의 헤드에 가장 근접한 스파이어들이거나, 마찬가지로 상기 나사의 팁(tip)으로부터 가장 먼 스파이어들이다.

일부의 특허, 이를테면 US3664540 및 US2870668에는, 외부 부분(수컷) 및 내부 부분(암컷)의 나사산 프로파일과 상기 암컷부분의 나사산 프로파일간의 틈새가 있는 나사산 연결부분이 기재된 것이 공지되어 있다. 그 틈새는, 선형으로 커져 균일하게 응력을 분포시키거나, 또는 달리 말하면, 상기 스파이어들 모두는 대략 같은 장력에 견딘다.

그렇지만, 이렇게 선형으로 커지는 틈새에 의해, 상기 나사산 연결부분 전체 걸쳐서 응력 분포를 제어할 수 없어, 응력 분포가 다른 나사산 연결부분이 바람직한 특정한 응용에 관심을 둘 것이다. 이들 특정 응용에 있어서, (제 1 스파이어들이 최대의 응력하에 있는) 종래의 나사산 연결부분도 (스파이어들 모두가 같은 응력하에 있는) US3664540 또는 US2870668에서와 같은 나사산 연결부분도 가장 적절하지 않을 수도 있다. 대신에, 이들 특정한 응용에 있어서 흥미로운 것은, 나사산 연결부분의 어떠한 스파이어들에서도, 심지어 최종 스파이어들에서도 응력 피크가 일어날 것이다는 것이다. 예를 들면, 항공학에 사용된 나사산 연결부분에 있어서, 최종의 스파이어들은, 대부분의 상기 나사가 나사가 파손된 채로 유지되는( 그러므로 계속 작용하는) 것을 확실하게 하기 위해서 하중이 최대가 되어야 하고, 그에 따라서 그 나사산 연결이 확실하게 유지된다. 이와는 달리, 그것은 상기 나사의 헤드에서 결함이 일어나서 파손하는 경우에 상기 나사의 추출을 용이하게 하도록 상기 나사산 연결부분을 설계할 관심사가 있기도 하다.

본 발명은, 응력 분포가 균일하게 될 필요도 상기 제 1 스파이어들을 최대의 응력하에 있을 필요도 없는 응용에 적절한 나사산 연결부분의 설계를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은, 수컷부분과 암컷부분 양쪽이 스파이어들로 이루어진 나사산 프로파일을 갖는 수컷부분와 암컷부분의 나사산 연결부분이고, 그에 따라서 상기 수컷부분의 상기 나사산 프로파일의 나사산은 상기 암컷부분의 나사산 프로파일의 나사산과 다르고, 거기에서 양쪽 부분들간에 피제어 틈새가 있다. 본 발명에 의하면, 2개의 부분들(수컷 또는 암컷) 중 한쪽이 가변 나사산 피치(thread pitch)를 나타낸다. 이 때문에, 양쪽의 부분들 사이의 상기 나사산 연결부분은, (양쪽의 부분의 나사산 피치가 약간 다르지만 항상 일정하여, 선형으로 변화하는 틈새를 생성하는 US3664540 및 US2870668에서의 틈새와는 달리) 비선형 방식으로 변화하는 틈새를 나타낸다. 특정의 상기 나사산 피치들의 설계( 및 이 때문에 비선형 틈새의 형태)를 적절하게 조절함으로써, 각 특정한 응용의 이해관계에 따라 상기 나사산 연결부분 전체에 걸쳐 상기 응력 분포를 제어하는 것이 가능하다. 그러므로, 본 발명에 의해, 보다 많은 응력하에 있을 상기 나사산 연결부분의 영역을 구성 또는 선택할 수 있으므로, 상기 연결 파손의 영역이 일어날 것을 제어할 수 있다.

가변 나사산 피치는, 상기 수컷부분 또는 상기 암컷부분의 어느 한쪽에 있어도 된다. 그 피치가 상기 수컷부분에서 사용된 경우 나사산 피치가 증가하는 것이 일반적이고, 그 피치가 상기 암컷부분에서 사용된 경우 나사산 피치가 감소하는 것이 일반적인 것을 고려해야 한다. 다른 부분은, 일정한 나사산 피치를 갖는 나사산 프로파일을 갖는다.

"증가하는" 및 "감소하는"이란 상기 수컷부분(그 수컷부분은 일반적으로 나사 또는 유사한 것임)의 헤드로부터 팁을 향해 상기 나사산 연결부분을 관찰하는데 사용된다는 것을 명심해야 한다.

바람직하게는, 변동이 비선형인 틈새는, 실질적으로 n-단계 포물선 모양, 타원형 또는 폴리노믹(polynomic) 변동을 나타낸다. 일 형태의 틈새 또는 다른 형태의 틈새의 선택은, 본 발명을 사용할 응용에 의존한다.

본 발명의 상세 내용은, 첨부도면들에서 올바르게 인식될 수 있고, 이는 본 발명의 범위를 한정하지 않는다:
도 1은 틈새 없는 종래의 나사산 연결부분을 나타내고,
도 2는 본 발명에 따른 나사산 연결부분의 도면을 나타내고,
도 3은 이전의 도면의 상기 나사산 연결부분의 몇 개의 연속적인 스파이어의 확대도를 나타내고,
도 4는 도 1의 상기 나사산 연결부분 전체에 걸친 응력 분포를 나타내고,
도 5는 도 2의 상기 나사산 연결부분의 응력 분포를 나타내고,
도 6은 상기 틈새에 대한 상기 응력의 그래프를 나타내고,
도 7은 틈새 없는 종래의 나사산 연결부분, 선형으로 증가하는 틈새를 갖는 종래의 나사산 연결부분 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 나사산 연결부분에서의 스파이어들 전체에 걸친 힘의 분포의 그래프를 나타내고,
도 8은 종래의 연결부분과 본 발명의 일부의 실시예들의 틈새값들을 열거한 표를 나타내고,
도 9는 이전의 도면에서의 상기 틈새의 그래픽 표시를 나타낸다.

도 1은 암컷부분(1)과 수컷부분(2)간의 종래의 나사산 연결부분을 도시하고, 여기서는 양쪽의 부분(1,2) 사이에 틈새가 없다.

도 2는 암컷부분(1)과 수컷부분(2) 사이의 본 발명에 따른 나사산 연결부분의 실시예를 나타내고, 여기에서 양쪽의 부분(1,2) 사이의 틈새는 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치(4)와 상기 수컷부분(2)의 나사산 피치(4)가 서로 다르다는 사실의 결과로서 형성된다. 본 발명에 의하면, 그 2개의 부분(1,2) 중 한쪽의 나사산 피치(4)는, 일 스파이어로부터 다른 스파이어로 일정하지 않은 방식으로 증가된다. 따라서, 상기 틈새(3)의 폭은 비선형 방식으로 증가된다. 본 도면에 도시된 실시예에서는, 증가하는 나사산 피치(4)를 나타내는 암컷부분(1)이 있고, 수컷부분(2)은 일정한 나사산 피치(4)를 나타낸다. '나사산 피치(4)'란, 나사산 프로파일에서 일 스파이어와 다음의 스파이어 사이의 거리를 말한다.

도 3은 암컷부분(1)과 수컷부분(2) 사이의 나사산 연결부분의 각종의 연속적인 스파이어의 확대도를 나타낸다. 상기 수컷부분(2)의 나사산 피치(4b)는 고정되고, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a, 4a',4a'')은 연속적인 스파이어들에서 증가한다. 나사산 피치들(4a, 4a',4a'',4b)은, 상기 틈새(3)의 폭이 실질적으로 포물선 모양, 타원형 또는 n-단계 폴리노믹 변동을 나타내는 것이 바람직하다.

상기 틈새(3)가 실질적으로 포물선 모양 방식으로 커지기 위해서, 상기 수컷부분(2)의 나사산 피치(4b)는 일정하고, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치피치(4a, 4a',4a'')는 스파이어 수에 대한 선형함수를 따른다; 즉, 일 나사산 피치와 그 이전의 나사산 피치간의 차이는 상수이다. 달리 말하면, 상기 스파이어 수에 따라 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치의 그래픽 표시는 직선이다. 예를 들면, 상기 수컷부분(2)의 나사산 피치(4b)가 상수 'p'일 경우, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a, 4a',4a")은 각각 p+k, p+2k 및 p+3k이고, 여기서 k는 일정하다. 따라서, 이 경우에, 상기 틈새(3,3',3")의 폭은 각각 k, 3k 및 6k이다. 대다수의 스파이어에 대해 가능한 최대 틈새 폭 시리즈는, k, 3k, 6k, 10k, 15k, 21k, 28k..., 또는 달리 말하면, 도 9에 도시된 것처럼, 상기 스파이어 수에 따라 실질적으로 포물선 모양 방식으로 증가하는 폭이다.

상기 틈새(3)를 실질적으로 타원형 방식으로 증가하기 위해서, 상기 수컷부분(2)의 상기 나사산 피치(4b)는 일정하고, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a,4a',4a")은 상기 스파이어 수에 대한 포물선 함수를 따른다. 예를 들면, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치는, 제 2 나사산이 제 1 나사산보다 긴 상수이고; 제 3 나사산이 제 2 나사산보다 2배만큼 긴 등이 되도록 증가한다. 보다 구체적으로, 상기 수컷부분(2)의 나사산 피치(4b)가 상수 'p'인 경우, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a,4a',4a")은 각각 p+k, p+3k 및 p+6k이어도 된다. 그러므로, 얻어진 상기 틈새(3,3',3")의 폭은 각각 k, 4k 및 10k이다. 대다수의 스파이어에 대한 가능한 최대의 틈새 폭 시리즈는, k, 4k, 10k, 20k, 35k, 56k, 84k..., 또는 달리 말하면, 도 9에 도시된 것처럼, 상기 스파이어 수에 따라 실질적으로 타원형 방식으로 증가하는 폭이다.

상기 틈새(3)를 실질적으로 n 단계 폴리노믹 방식으로 증가하기 위해서, 상기 수컷부분(2)의 상기 나사산 피치(4)는 일정하고, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a,4a',4a")은 상기 스파이어 수에 대한 (n-1) 단계 폴리노믹 함수를 따른다. 예를 들면, 단계 5의 다항에 따라 폭이 증가하는 틈새(3,3',3")에 대해, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a,4a',4a")은 단계 4의 폴리노믹 함수에 따라 증가해야 한다. 일례로서 특정값을 보면, 상기 수컷부분(2)의 나사산 피치(4b)가 상수 'p'인 경우, 상기 암컷부분(1)의 나사산 피치들(4a,4a',4a")은 각각 p+k, p+5k 및 p+15k이어도 된다. 따라서, 상기 얻어진 틈새(3,3',3")의 폭은 각각 k, 6k 및 21k이다. 대다수의 스파이어에 대해 가능한 최대의 틈새 폭 시리즈는, 6k, 21k, 56k, 126k, 252k, 462k..., 또는 달리 말하면, 도 9에 도시된 것처럼, 상기 스파이어 수에 따라 실질적으로 5 단계 폴리노믹 방식으로 증가하는 폭이다.

논리적으로, 포물선 모양 증가 및 타원형 증가의 경우는, n단계 다항 증가의 특정의 경우이어서, 각각 n=2 및 n=3이다.

도 4는 그레이 레벨이 다른 응력값의 스케일(MPa)을 나타내는 도 1의 종래의 나사산 연결부분 전체에 걸친 응력 분포를 도시한 것이다. 본 도면에서 알 수 있듯이, 상기 수컷부분(나사)의 제 1 스파이어(도면의 좌측)에 (거의 흰색으로 음영된) 고 응력 레벨이 집중된다. 그 후, (그레이의 다른 음영에 도시된) 비교적 갑작스러운 천이 다음에는, 상기 수컷부분의 팁에 위치된 (다크 그레이 및 블랙에서의) 느슨하게 팽팽한 스파이어들이 많이 있다. 상기 수컷부분이 견딘 최대 응력값은, 대략 752MPa이다.

도 5는, 도 2의 나사산 연결부분 전체에 걸친 응력 분포를 도시한 것이다. 이 경우에, 본 발명에 의해 효과들이 일부 흥미있게 된다. 먼저, 도 4에서보다 그레이의 레벨간의 천이가 완만하기 때문에 이해되는 모든 스파이어들은, 균일하게 응력을 받는다. 다음으로, 상기 수컷부분에 인가된 최대 값 또는 응력 피크는, 568MPa 정도의 값으로 감소된다. 달리 말하면, 도 4의 상기 나사산 연결부분과 비교하여, (본 도면과 다른 도면에서의 하부) 상기 수컷부분에 인가된 최대 응력값은, 약 20%만큼 감소된다.

도 6은 상술한 'k'-파라미터(mm)에 대한 상기 나사산 연결부분에 의해 견딘 최대 응력값(N/mm²)을 나타내는 그래프를 도시한 것이고, 이것에 의해 상기 나사산 피치의 증가가 파라미터화된다. 2개의 곡선: 본 발명에 따른 포물선 모양으로 증가하는 틈새와 나사산 연결부분에 관련된 연속적 곡선과, US3664540 또는 US2870668에 따라 선형으로 증가하는 틈새와 나사산 연결부분에 관련된 점선 곡선이, 표시된다. 양쪽의 연결은, 상기 나사산 연결부분이 견디는 최대 응력이 최소인 값인 최적의 'k'값을 선택하는데 있다. 또 관측된 것은, 포물선 모양으로 증가하는 틈새와 상기 나사산 연결부분이 선형으로 증가하는 틈새와 상기 나사산 연결부분보다 낮은 최대 응력값을 나타내는 것이 일반적이고, 이 차이는 보다 큰 'k'에 대해 보다 크다. 이 때문에, 적절한 'k'값과 본 발명에 따른 나사산 연결부분을 사용하여, US3664540와 US2870668에서의 연결과 비교하여 최대 응력에 있어서 상당히 감소하는 것이 가능하다.

도 7은 (스파이어 수로 나타낸) 상기 나사산 연결부분을 구성하는 스파이어들 전체에 걸친 각 스파이어가 견디는 접촉력(N)의 분포의 그래프를 도시한 것이다. 3개의 곡선: 틈새가 없는 종래의 나사산 연결부분에 관련된 연속적 곡선; US3664540 또는 US2870668에 따라 선형으로 증가하는 틈새와 종래의 나사산 연결부분에 관련된 점선 곡선; 포물선 모양으로 증가하는 틈새와 본 발명에 따른 나사산 연결부분에 관련된 대시-도트(dash-dot) 곡선이, 표시된다. 본 도면에 도시된 것처럼, 틈새가 없는 종래의 나사산 연결부분에 있어서, 상기 제 1 스파이어는 매우 높은 힘(약 275N)을 흡수하고, 그 힘은 빠르게 다음의 스파이어에서 저하된다. 선형으로 증가하는 틈새와 나사산 연결부분에 있어서, 제 1 스파이어는 보다 낮은 하중을 받고, 최대 힘은 제 9 및 제 10 스파이어에 가해지고, 최대값은 약 175N이다. 그렇지만, 본 발명에 따른 나사산 연결부분에 있어서, 모든 스파이어들은, 일부의 스파이어가 다른 스파이어보다 훨씬 큰 하중을 가질 경우 통상 발생하는 임의의 스파이어 파손의 위험을 감소시키기 때문에 이로운 균일한 방식으로 적재된다. 추가로, 견디는 최대 힘값은, 상기 2개의 종래의 나사산 연결부분에서보다 훨씬 낮다; 실제로, 그 힘값은, 상기 2개의 종래의 나사산 연결부분과 비교하여 각각 70% 및 55%의 감소에 해당하는 80N정도이다.

도 8은 몇몇의 폴리노믹 증가 시리즈: 단계 1(종래기술에서 공지된, 선형 증가), 2(포물선 모양 증가), 3(타원형 증가), 4, 5 및 6에 따라 얻어진 상기 증가하는 틈새를 나타낸 표를 도시한 것이다. 도 9는 스파이어 수에 대한 이들 틈새의 그래픽 표시를 도시한 것이다. 이러한 그래픽 표시는, 본 발명에 따른 틈새의 포물선 증가, 타원형 증가 등을 관찰하는데 도움이 된다.

본 발명의 나사산 연결부분은, (이들 방법의 어떠한 방법으로도 완벽하게 이룰 수 있다고 생각되는) 가변적 나사산을 생성하는 것이 가능해야 하는 것을 고려해서만 기계화, 주입, 라미네이션 등 등의 임의의 종래의 응용가능한 과정을 사용하여 제조될 수 있다. 그 제조과정은, 특수 도구나, 종래의 나사산 연결부분의 제조 과정보다 긴 생산시간을 필요로 하지 않는다.

다른 내용에서는, 어떠한 최적의 나사산 피치 증가 파라미터도 없다는 것을 언급해야 한다. 최적의 나사산 피치 파라미터들은, 나사산 연결이 이루어지는 나사산 치수, 나사산 재료, 하중 등에 좌우될 것이다. 각 응용의 필요에 따라, 서로 다른 최적의 파라미터가 산출될 것이다.

본 발명에 따른 상기 나사산 연결부분이 치아 임플란트와 그 치아 임플란트의 연결 나사간의 연결에 적용되고, 그에 따라서 그 치아 임플란트가 암컷부분(1)이고, 그 연결 나사가 암컷부분(2)인 것이 특히 이로운 방식이다. 상기 치아 임플란트에 연결될 부분은, 기둥인 것이 보통이지만, 임의의 다른 보철부품, 이를테면, 반흔 형성 기둥, UCLA 기둥 등이어도 된다. 어떠한 경우에는, 본 발명에 따른 외부 연결부분이, 종래의 나사산 연결부분에 설치된 기계적 세트와 비교하여 보다 강건한 기계적 세트(임플란트, 나사 및 보철 부품)를 제공한다. 따라서, 상기 세트의 강건성은, 통상 사용된 것들에 대한 서로 다른 재료를 사용하지 않고, 또한 상기 기계적 세트에 포함된 서로 다른 소자들의 제조비용을 증대하지 않고 증가된다.

Claims

암컷부분(1)과 수컷부분(2) 사이의 나사산 연결부로서,
양쪽의 부분(1,2)이 연속된 스파이어(spire)로 이루어진 나사산 프로파일(profile)을 포함하고, 상기 2개의 부분(1,2)의 적어도 하나의 상기 나사산 프로파일은 양쪽의 나사산 프로파일 사이에 증가하는 틈새(3)가 생성되도록 가변하는 나사산 피치(4a,4b)을 갖고, 상기 부분들(1,2)의 상기 나사산 피치간의 차이가 상기 스파이어 수에 따라 가변적이고 (n-1)-단계 폴리노믹(polynomic) 함수를 따름으로써, 상기 틈새(3)가 n-단계 폴리노믹 함수에 따라 비선형 방식으로 변화하는 나사산 연결부에 있어서,
상기 부분들(1,2)의 상기 나사산 피치간의 상기 차이가 포물선 함수(단계 2)를 따름으로써, 상기 틈새(3)가 타원형(단계 3)으로 변화하는 것을 특징으로 하는 나사산 연결부.
삭제
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 수컷부분(2)은 일정한 나사산 피치(4b)를 갖고, 상기 암컷부분(1)은 가변하는 나사산 피치(4a)를 갖는 것을 특징으로 하는 나사산 연결부.
제 1항에 있어서,
상기 수컷부분(2)은 가변하는 나사산 피치(4b)를 갖고, 상기 암컷부분(1)은 일정한 나사산 피치(4a)를 갖는 사실을 특징으로 하는 나사산 연결부.
치아 임플란트와 상기 치아 임플란트에 다른 단편을 연결시키기 위한 연결 나사 사이의 연결에 있어서 상기 청구항 1, 청구항 5, 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 나사산 연결부를 이용한 치아 임플란트로서, 상기 치아 임플란트는 상기 암컷부분(1)이고 상기 나사는 상기 수컷부분(2)인 것을 특징으로 하는 나사산 연결부를 이용한 치아 임플란트.
치아 임플란트와 상기 치아 임플란트에 다른 단편을 연결시키기 위한 연결 나사 사이의 연결에 있어서 상기 청구항 1, 청구항 5, 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 나사산 연결부를 이용한 연결 나사로서, 상기 치아 임플란트는 상기 암컷부분(1)이고 상기 나사는 상기 수컷부분(2)인 것을 특징으로 하는 나사산 연결부를 이용한 연결 나사.