KR860000378B1 - 치아의 진동 절삭시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

치아의 진동 절삭시스템

제1도는 금속의 2차원 절삭에 있어서의 진동절삭법의 원리를 도해한 설명도.

제2도는 선반에 있어서의 진동절삭의 등가모형의 설명도.

제3도는 본 발명에 의한 치아 진동절삭의 등가모형의 설명도.

제4도, 제5도 및 제6도는 각각 다른 형상의 본 발명에 의한 치아여진장치의 일부절결 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 치조골 2, 6 : 스프링

3 : 대슈포트 4 : 세멘트질

5 : 상아질 8 : 섬유아세포

9 : 토옴스섬유 10 : 상아질세관내 치액

11 : 에나멜질 13 : 수용기

14, 15 : 증폭기 16 : 기록계

17 : 기록지 91 : 절삭공구

21, 24a : 포온 23 : 종초음파 진등자

24 : 종초음파 진동포온접촉자 24b : 선단접촉자

28 : 그립 32 : 종진동포온

33 : 접촉자

본 발명은 치아(齒牙)의 진동절삭시스템에 관한 것으로, 특히 상세히는 공지의 고속회전 절삭공구와 함께 사용하는 초음파 치아 여진(募振)장치와, 그들의 공구 및 장치에 의해서 치아를 절삭하는 시스템에 관한 것이다.

치아의 절삭에 관해서는, 절삭시의 불쾌감, 공초감 및 동통의 경감을 목적으로 해서 오래동안 절삭공구, 핸드피이스, 콘트러, 유닛등의 기구 또는 마취방법에 관해서, 그 이론과 기술의 개발연구가 행해져 왔다. 절삭공구재료는 고속도 공구강으로부터 초경질공구재료 되고, 공구수명이 개선되고, 절삭날의 장시간에 걸친 절삭도의 향상이 실현되고 있다. 칼날이 형성상정밀도도 균일해지고, 절삭도의 불균형이 없어지고, 절삭력의 변동이 적어지고 있다. 한편, 핸드피이스 콘트러 각 부품의 가공정밀도도 향상하였기 때문에, 회전부의 회전정밀도가 향상되고, 회전축의 흔들림도 극히 적어지고, 또 보올베어링의 정밀도 및 조립정밀도의 개선에 의해서 고속회전이 가능하게되어, 최근에는, 매분 30만회전에서 50만회전이라는 고속회전이 가능하게 되었다. 그리고, 다이야몬드를 사용한 절삭공구가 개발되어서 고속절삭에 의한 절삭력의 경감이 가능해졌다. 유닛의 구조에 관해서도 인간공학적 해석이 이루어져서 작업성, 안정성 및 불안감을 완화시키는 색책에까지 여러가지 상세한 검토가 이루어지고, 그 성능 및 가능이 현저하게 개선되어 왔다.

그러나, 각 방면의 노력에도 불구하고, 치아절삭시의 불쾌감, 공포감, 및 동통은 아직 일소되지 않고 있다. 절삭공구에 의해서 치아를 절삭한다는 역학적 절삭을 행하고 있는 것이므로, 그 역학적 절삭력을 약간이라도 경감하고, 치아절삭시의 치아의 동적인 거동을 없애고 신경에의 동적자극의 요인을 제거하는 것이, 동통을 경감하는 하나의 방법으로서 고려된다. 즉 동통을 경감시키는 방법의 순서로서, 1) 치아의 고정, 2) 절삭력의 경감, 3) 마취효과의 이용이 고려된다. 이 사고방식으로 오늘날의 기술을 해석하면, 치아를 고정하는데는, 인접해있는 치아를 이용하는 브리지법이 알려져 있다.

그러나, 이 브리지법은 그 준비가 대단히 번거롭기 때문에, 실제로는 거의 실용되고 있지 않다. 상기 2) 의 방법은, 잘드는 날카로운 날을 가진 다이아몬드공구에 의한 고속절삭에 의해서 도전이 행해지고 있는 것으로, 절삭시의 절삭력을 경감하고, 치아의 동적거동을 조금이라도 적게 하고 동통을 경감하려는 점에서 어느 정도의 효과는 얻어지고 있으나, 여전히 불쾌감, 공포감 및 동통을 참을 것을 강요당하고 있다. 따라서 부득이한 경우에는, 상기 3)의 방법인 마취주사 혹은 소기(笑氣)마취에 의해서 동통을 제거하고 있는 것이 오늘의 현상이다. 그러나, 약물에 의한 쇼크등의 이유로 종래의 마취를 이용할 수 없는 경우가 최근 대단히 많아지고 있다. 또, 마취를 이용할 수 있었다고 해도 회복에는 장시간을 필요로하고 있다. 이 마취를 이용하지 않아도 불쾌감, 고통, 공포감 및 동통을 느끼게하지 않고 치아를 절삭하는 것이 이상적인 치아절삭인 것이다.

종래에 있어서는 펄스절삭력 파형이 나타나는 것과 같은 형태로 치아를 진동 절삭하면, 종래의 고속회전절삭에 비하면 훨씬 동통이 적어진다는 것은, 1961년 10월 17일에 공고된 본 발명자에 의한 일본특허 No. 296443에서 해명되어 있다. 이 일본특허는, 상기 사실에 비추어, 절삭공구를 진동수 f, 진폭 a으로 비틀어 초음파진동시키고, 또한 이것을 고속회전시켜서, 그 절삭속도 V를 V＜2

af로 할 것을 제안하고 있다. 그러나, 이와 같은 조건을 만족시키는 절삭공구는 그립부분의 형상이 대형화되어 버려, 손으로 잡고 정밀한 절삭작업을 실시하기에는 불편하였기 때문에, 앞니절삭이나 치과기공용으로 사용할수 있는데에 그치고 있었다. 한편, 치과영역에 있어서의 초음파의 적용은, 예를들면, 미국특허 No. 3,589,012, No. 3,651,576, No. 3,924,335, No. 4,110,908 및 No. 4,229,168에서 볼 수 있으나, 이것들은 치석제거기, 안마기, 청소기 및 콘트러앵글 등에 대하여 적용하는 것이며, 특히 치아절삭의 분야에 있어서의 유익한 제안은 거의 정체되고 있다.

펄스절삭력 파형의 작용하에 있어서의 진동절삭의 이론은, 현재로서는 정밀기계가공의 분야에서도 알려지게되고 있으나, 이 이론의 개략은 다음과 같다. 즉 , 제1도에 표시된 원리도면을 참조하면, 금속 2차원 절삭에 있어서, 피공작물(100)이 운동해서 얻어지는 절삭속도 V 의 화살표(105)의 절삭방향과 같은 방향으로 바이트(101)를 진동수 f, 진폭 a으로 진동시켜, 그 절삭속도 V를 V＜2

af로 하면, 제1도 우측에 나타낸 바와 같은 펄스현상의 절삭형파형(106)(107)이 된다. 즉, 바이트날(101)은 원점 0에서부터 진동을 개시해서,

의 절삭시간 tc로 칩(102)을 생성하고, 진동속도가 같아지는 점(A)에서 칩(102)과 바이트 날 각도면이 때어지기 시작해서, 0점보다 t₂시간후의 점(B)에서 제차 칩(103)과 접촉하기 시작하여,

의 절삭시간 tc에서 새로운 칩(104)을 생성한다. 즉, 이 tc시간때만 절삭력이 작용하고, 기타의 시간에는 절삭력은 작용하지 않는 절삭기구가 되어서 펄스형상의 절삭력파형을 연속해서 발생시킬 수가 있다.

절삭속도 V 를 증속해서 V=2

af로하면, 이 펄스형상의 절삭력 파형은 소감해서 관용의 고속절삭력 파형 P+psnwt 파형이 된다. 상기 펄스절삭력파형은 수식으로 나타내면, 다음과 같다.

다음에 펄스절삭력파형이 탄성진동하기 쉬운 피공작물에 작용하였을때의 피공작물의 수평방향변위(x)의 동적기동에 대해서 제2도에 표시된 선삭(旋削)가공의 경우로 해석한다. 피공작물(110)의 수평방향변위(x)의 운동방식은,

여기서, M는 피공작물의 질량, C는 대슈포트상수 및 K는 탄성상수이다. 따라서,

위식에서 피공작물(110)의 동적변위(x)는,

여기서

여기에서, 피공작물(110)의 수평방향각 고유진동수 wn가 바이트(111)의 각 고유진동수 w보다 작을 경우, 즉

의 경우에 있어서는,

[2]

이때, 바이트(111)의 진동수 f 및 진폭 a의 강제진동을 멈추고 피공작물(110)을 고속회전시켜서 관용 고속절삭상태로 하면, 그때의 절삭력파형은 Pt+Pt sin wt로 나타나는 파형이 된다. 따라서, 이때의 피공작물(110)의 수평방향위(x)의 운동방정식은,

[3]

원식에 있어서, 피공작물의 수평방향각 고유진동수 Wn가 절삭력파형의 각 고유진동수 w 보다도 작을 경우, 즉,

의 경우에있어서는,

[4]

위의 [2]식 및[4]식에는 함께 시간의 함수가 제기되어 있다. 즉, 피공작물은 시간적으로 요동하지 않고 [2]식 또는 [4]식으로 표시되는 정적인 변위량만큼 절삭전의 회전중심인 점 0의 위치로부터 변위하는 것 뿐으로 되는 것을 알 수 있다. 관용 저속절삭하면 [4]식은

로 되어 시간과 함께 피공작물은 크게 요동해서 기공정밀도가 저하한다. 고속절삭하는 이유는 [4]식의 상태에 피공작물을 정지화하는 효과를 얻는 것이라는 것이 해석된다. 본 발명의 하나의 입장은, 이 사실을 치아의 절삭에 응용하는 것이며, 그 경우, 펄스절삭력파형을 작용시켜서 절삭하는 이유는 [4]식에 비교해서 더욱

로 감소하는 [2]식의 상태로 피공작물을 미소변위시키고, 이것을 다시 정지화하는 효과를 얻는 것이라는 것이 해석된다.

제2도에 표시된 선반가공에 있어서의 등가모형을 잘 관찰하면, 이 도면에 있어서의 스프링 k부 및 대슈포트 c부는 치조골(齒槽骨)과 치아와의 사이에 존재하는 치근막의 부분에 상당하며, 그리고 피공작물(110)은 치아에 상당하고 있다는 것을 알게된다. 따라서, 위식[4]가 표시하는 물리적 의미를 바탕으로 절삭공구를 고속회전시켜서 고속절삭하면, 치아의 변위(x)의 요동의 변화가 적어지고, 그에 수반하는 동통은 경감하게 된다. 이것이 현금의 매분 30만회전으로부터 55만회전의 고속회전의 영역에까지 도달되고 있는 다이몬드공구에 의한 치아의 고속절삭법이다. 그러나, 본 발명자의 연구에 의하면, 이 고속절삭법만으로 마취없이 절삭하려고 하면, 공구의 회전수는 다시 한자리 높혀서 고속절삭하지 않으면 [4]식으로 표시한 고속절삭에 의한 효과는 치아에 대해서는 실현되지 않을 것이라고 생각된다. 즉, 회전수의 범위에 있어서의 고속회전의 것에 있어서는 절삭을 놓고, 또 그 마찰열로 인해서 절삭공구의 수명이 단축되고, 절삭도가 변화되기 쉬우며, 절삭력(p)를 변동시키기 때문에, 치아를 불규칙하게 변위시켜서, 이것들이 동통을 주게된다. 따라서, 콘트러, 핸드피이스의 회전부의 회전정밀도의 조정이나 절삭공구를 빈번하게 교환하거나, 항상 동통의 정도를 관찰하면서, 부득이할 때에는 마취해서 절삭하고 있다. 한편, 진동절삭에서의 치아의 변위(x)는 [2]식에서 표시하는 바와 같이 다음과 같이 나타내어진다.

[5]

즉, 치아의 절삭부, 이송속도, 공구형상 등의 절삭조건을 같게해서 관용 고속절삭했을 때와, 진동절삭했을때의 절석력(Pt)이 동일하다고 가정하여도(실제로는 진동절삭시의(Pt)가 작아진다)치아의 변위(x)에 영향을 주는 외관상의 절삭력은 [5]식에서 나타낸 바와 같이

로 되어서, 그 절삭력은 종래의 고속절삭에 비해서 격감한다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 해서 치아를 진동절삭해서 펄스절삭파형을 탄성 진동하기 쉬운 치아에 작용시켜서 절삭하는 방법이 관용 고속절삭에 비해서 동통이 적어진다는 것이 해석되고 있다.

그래서, 본 발명자들은, 이 사고방식에 따라서, 상기한 미 일본특허 No. 296443에 있어서, 절삭공구를 진동수 f, 진폭 a으로 비률이, 초음파 진동시키고, 또한 이것을 회전시켜서, 그 절삭속도 V를 V＜2

af로 해서 치아를 절삭하는 방법을 제안한 것이나, 이 방법의 실시에 있어서 사용하는 치아절삭장치는 손에 쥐고 절삭작업을 실시하는 그 립부분의 형상이 대형화되어 버려서, 실용적인 제품을 얻기에 이르지 못했다는 것이다.

본 발명의 목적은, 환자에 동통을 거의 주는 일이 없이 치아를 절삭할수가 있는 세로운 시스템을 제공하려는 것이다.

또, 본 발명의 목적은, 공지의 고속회전 절삭공구와 함께 사용해서 유익한 치아여진장치를 제공하고저함에 있다.

본 발명의 치아를 절삭하는 고속회전의 선단팁을 가진 치아절삭용구와, 상기 치아에 접촉해서 이 치아를 여진하는 치아여진장치와의 결합으로 이루어진 치아의 진동절삭시스템으로서, 사이 치아여진장치는 다음의 것으로 이루어진다. 즉, 앞단에 개구를 가진 통형상의 하우징과 이 하우징내에 배치된 음향변환기로서, 예정된 주파수의 진동에너지를 발생하는 것과, 상기 하우징내에 배치된 후방부분과 이 하우징의 개구를 지나서 바깥쪽으로 뻗어, 그 자유단이 상기 치아에 접촉할 수 있도록 되어있는 전방부분을 가진 진동전달부재로서, 상기 후방부분의 단부는 상기 음향변환기에 연결되어 있는 것과, 상기 음향변화기와 상기 전달부재로 이루어진 진동기를 이 진동기의 평형점에 있어서 상기 하우징에 고정하는 지지수단과, 상기 음향변환기에 전력을 공급하는 전기수단을 갖추고, 상기 음향변환기는, 상기 치아의 고유진동수보다 높은 발진주파수를 가지고, 또한 상기 전달부재의 전방부분의 자유단에 있어서의 한쪽 진폭이 최대 30㎛이하가 되도록 이 자유단을 여진하는 것으로 이루어지고, 상기 시스템은, 다음 조건의 적어도 하나를 만족시키는 것.

즉, ①상기 절삭공구의 이송속도 s와 이 절삭공구의 이송방향에 대한 상기 치아의 진동최대속도 2

af와의 관계가 s＜2

af이다.

여기서, a는 상기 전달부재의 자유단의 한쪽 진폭 및 f는 상기 음향변환기의 진동주파수이다.

②상기 절삭공구에 의한 상기 치아의 깎아내는 깊이 t와 상기 한쪽 진폭 a과의 관계가 t＜a이다.

상기 음향변환기는 초음파역의 높은 진동에너지를 발생하는 초음파 변환기가 바람직하다.

본 발명에 의하면, 치아는 초음파변환기로부터 전달부재를 게재해서 공급되는 진동에너지에 의해서, 그 외관상의 스프링상수가 극히 커지고, 그것에 의해서 마치 부동상태로 고정된 것과 동등한 구속상태에 놓여지고, 이 상태에 있어서 절삭공구에 의해서 펄스절삭력파형이 나타나는 형태로 절삭이 행하여지기 때문에, 환자에 동통을 거의 주는 일이 없이 치과치료를 실시할수가 있다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 더욱 상세히 설명한다. 처음에 본 발명의 이론적 배경에 대해서 다시 구명한다. 본 발명자는 치아절삭에 있어서 동통경감법의 기초적 연구를 진행해 왔으나, 그 결과, 치조골에 대해서 치근막을 개재해서 시멘트질, 상아질, 치수, 에나멜질로 이루어진 치아를 절삭공구로 절삭할때의 동통달계전의 모형화에 성공하였다. 제3도는, 이 모형을 도해하는 것이다. 즉, 치조골(1)에 대해서 치근막의 탄성상수 k를 가진 스프링(2) 및 대슈포트(3)를 개재해서, 시멘트질(4)및 에나멜질(11)로 둘러싸인 질량 M의 치아가 고정되어 있다. 에나멜질(11)과 상아질(5)과의 사이에는 상아질세관 치액(10)으로 지지되어 있는 토옴스섬유(9) 및 상아 아세포(芽細胞)와 섬유 아세포(8)가 있고, 이것이 탄성상수 k를 가진 스프링(6)과 점성감쇠계수 c를 가진 대슈포트(7)로 치수의 신경섬유군에 의해서 지지되어 있다. 따라서, 토옴스섬유(9) 및 상아 아세포, 섬유 아세포(8)의 정적변위 혹은 동적변위에 따라서 치수의 신경섬유의 스프링(6)에 변형이 생긴다. 이 변형의 대소를 변형게이지에 상당하는 신경계의 수용기(13)로 계측해서, 그 변형량을 주파수특성을 가진 증폭기(15)로 증폭한뒤, 기록계(16)의 기록지(17)위에 기록파형으로서 그리게 하면, 그 파형의 높이가 치수로 부터의 동통에 비례한다고 생각된다. 한편, 치근막의 스프링(2)의 변위는 치근막에 분포하는 신경군에 상당하는 변형게이지에 의해서, 스프링(2)의 변형을 계측하고, 이 변형량을 주파수특성을 가진 증폭기(14)로 증폭한 위에, 기록계(16)의 기록지(17)위에 기록파형으로서 그리게 하면, 그 파형의 높이가 치근막 신경군으로부의 동통에 비례한다고 생각된다. 이 창안의 모형도에 의해서, 동통은 기록파형을 패턴으로 인식해서, 그 높이에 비례한다고 생각되는 것이기 때문에, 기록파형의 산의 높이가 낮아지도록 연구하는 것이 동통경감대책이 된다는 것을 용이하게 이해할수 있다. 절삭공구(19)에 의해서 치아를 절삭할때, 치근막의 스프링(2) 및 치수의 스프링(6)에 변형을 주지않으면, 기록계의 기록용펜의 흔들림은 0이 되고, 그 기록파형은 직선형상 즉 동통은 전연 없어진다. 이것은 치수를 뽑아서 스프링(6)을 제거한 치아를 치조골에 고정해서 스프링(2)의 변동을 전연 없게해서 절삭할 경우에 상당한다.

일반적으로 절삭하려고 하는 치아는, 각종의 치근막염을 일으키고 있으며, 균형이 잡혀있어 변형이 없는 건전치의 스프링상태에 비해서 어떠한 신축이 있어서 변형이 생기고 있는 상태에 있다. 따라서, 기록지상의 파형은 어느 주기를 가지고 파동되고 있으며, 지근지근한 동통을 느끼고 있는 상태에 있다. 이 치아는 외부로부터 극히 근소한 힘만이 작용하는 탐침(探針)으로도 격렬한 동통을 느낀다. 이치아를 브리지법 등에 의해서 인접해있는 치아를 이용해서 고정하는 것은, 그 작업 자체가 치아에 접촉하기때문에, 격렬한 동통을 수반하는 결과가 된다. 따라서, 절삭력을 경감시키는 일이 동통경감을 위한 첫째로 고려될 구체적수단인 것이 명백하다. 더우기, 절삭공구를 사용해서 치아에 절삭공구날끝이 직접닿아서 뉴우톤의 법칙에 따라서 작용력을 미치면서 결삭가공을 하는 한, 현재의 절삭이론 및 기술로서는 펄스절삭력파형을 작용시켜도, [2]식이 나타내는 바와 같이 치아의 변위 즉 스프링(2)의 변위는 격감하기는 하나, 이것을 0으로하느 것은 불가능하다. 치근막의 스프링(2)은 건전하나, 치수의 스프링(6)이 각종의 치수염을 일으키고 있으며 신축현상이 생겨서 변형을 일으키고 있는 경우에 대해서 고찰하면, 이 경우도 기록지상의 파형은 어느 주기를 가지고 파동되고 있으며, 지근지근하는 동통을 느끼고 있는 상태이다. 그래서, 치아표면의 에 나멜질로부터 절삭을 개시해가면, 상아질로 옮기는 경계부근에서 치아 그 자체는 치아를 고정했을때와 같이 부동상태 즉 스프링(2)을 부동상태로 했을 경우에도 한순간 격렬한 동통을 느낀다. 이것은 치액(10)내에 위치하는 미소한 질량군의 토옴스섬유(9)의 치액의 유동 및 절삭력에 의한 동적변위 및 상아 아세포군와 섬유아세포군(8)의 절삭력에 의한 동적변위에 의해서 스프링(6)을 탄성변위 혹은 탄성진동시키기 때문이라고 설명할 수 있다. 이때의 동통을 경감시키기 위해서는, 스프링(6)의 탄성변위 혹은 탄성진동을 극력 적게하는데에 그치는 것도 제3도에서 짐작할 수 있다. 그 구체적 방법은 섬유 아세포군(8) 및 토옴스섬유(9)의 탄성변위 혹은 탄성진동을 극력 적게하는데에 있기때문에 [2]식에서 나타내는 바에 의해서 펄스절삭력파형을 작용시켜서 절삭하는 것이 최선의 방법이라는 것을 알수 있다. 그러나, 이것이 역시 근소한 스프링(6)의 정적변위의 발생은 면할 수 없다. 절삭력이 경감하는 최선의 방법에 의해서 치아를 절삭해도 그래도 일어나는 동통에 도저히 견딜수 없을 경우의 최후의 수단으로서, 약물에 의한 마취주사와 소기마취에 의한 방법이 있다. 이 마취주사는 제3도에 표시된 동통전달회로중 증폭기(14)(15)부근의 접속을 열거나, 단선시키든가 해서 기록계에의 신호를 보낼수 없도록 하는 것에 상당하는 것이라고 설명할 수 있다. 또 소기마취는 기로계(16)부근의 접속을 열거나, 단선시키는 것에 상당하기 때문에, 동통의 신호를 기록할수 없게하기 위한 것이라고 설명할 수 있다.

여기서 절삭력을 다시 경감시키는 구체적인 방법에 대해서 고찰하기 위해서, 다음과 같은 실험을 행하였다. 즉, 마그네시아(모오스경도 6), 밀라이트(모오스경도 7), 산화지르콘(모오스 경도 8), 멀미너(모오스경도 9)의 세라믹스덩어리의 샘플을 진수도 20KHZ, 한쪽 진폭 8㎛으로 초음파진동하는 진폭확대용포온의 선단에 에폭시수지로 접착해서 초음파진동시켜, 이것에 직경 1mm의 다이아몬드공구를 0.4N(40gf)의 일정하중으로 밀어낸 다음에, 전동기와 에어터어빈을 구동해서 회전수를 10,000~300,000r.p.m까지 변화시켜서, 그때에 생긴 우목한 곳의 깊이 h㎛를 진동방향과 하중방향이 일치할 경우에서 측정해보면, 예를들면 300,000rpm인때 알루미나에 대해서 h=500㎛의 값이 얻어진다. 이 h의 값은 공구의 회전수의 고속화와 하중에 비례해서 증가하는 경향을 나타낸다. 회전수를 약 4배로 고속화해도, 그 가공량 h의 깊이는 약 2배정도 증가할뿐이라는 특징을 나타내는 것이 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 특성인 것같이 생각된다. 이때, 세라믹스의 샘플의 초음파진동을 정지해서, 다이아몬드공구의 회전속도만의 종래의 절삭방법에 의할때의 h를 측정해보면 h=200㎛라는 얕게 패인 곳이 된다. 세라믹스를 포음파진동시키면, 그 패인 곳의 깊이, 즉 가공량은 세라믹스를 초음파진동시키지 않는 종래의 절삭이론과 기술에 의한 방법에 비해서 실로 2.5배이상이 된다. 같은 하중으로 가압했을 경우, 그 가공깊이가 깊다는 것은, 그만큼 절삭저항이 경감되어 있다는 것을 증명하는 것이다. 이것을 회전수의 고속화만으로 실현시키려고 하면, 그 회전수는 실로 900,000rpm이라는 고속회전수를 필요로 한다.

이 회전수는 현재의 이론과 기술에서는 550,000rpm정도가 한계라고 일컬어지고 있는 에어터어빈에 의한 회전구동기술을 가지고서는 어쨌든 불가능하다고 할수있는 고속회전이다. 세라믹스의 샘플을 초음파진동시키는 것은 현재의 회전수에서의 다이아몬드공의 절삭도를 비약적으로 향상시킨다. 또한, 현재의 절삭도와 동등하게 하려고 하면, 회전수를 300,000rpm으로부터 10,000rpm으로 감속시킬 수가 있다.

즉, 공구수명은 절삭속도에 비례하므로, 저속절삭하면 공구수명을 연장하는 효과가 얻어진다. 이와같이 세라믹스와 같은 단단하고 부서지기쉬운 재료측을 초음파진동시키면, 절삭공구의 절삭도를 향상시키거나, 공구수명을 연장하는 효과가 얻어진다는 것이 판명되었다. 그래서, 다음에 재질이 균일하다고 생각되는 상아의 샘플을 진동수 28KHz, 진폭 8㎛으로 초음파진동시키고, 이것을 0.9N(90gf)의 하중으로 직경 1mm의 30,000rpm으로 고속회전하는 다이아몬드공구를 사용하여 일정시간 가압해서, 그때의 가공심도(h㎛)를 종래의 고속회전만의 방법과 비교해면, 상아의 섬유방향에서 다소 다르나, 상아를 초음파진동시킨 h는 종래의 방법인때의 약 2.5~5배 깊어지고, 상아에 대해서도 세라믹스에 대해서 얻어진 효과와 마찬가지인 획기적 효과가 얻어지는 것을 알았다. 발치한 각종의 치아를 진동수 28KHz, 진폭 8㎛으로 종(縱)초음파진동하는 포온의 선단에 아랄다이트로 착하여 초음파 진동시켜서, 이것에 직경이 1mm의 다이아본드공구를 회전수 300,000rpm으로 고속회전시켜, 하중 0.9N(90gf)의 일정하중으로 가압해서, 가공시간을 일정하게하고, 초음파진동시키지 않는 종래의 절삭방법의 경우와 가공심도를 비교한 바, 세라믹스나 상아에 대한 경향과 마찬가지로 치아를 초음파진도시킨 효과가 현저히 나타나서 종래에 고속회전만으로 의존하는 방법에 비해서 실로 2~6배 정도로 깊이어진다는 것이 확인되었다. 즉 절삭저항은

정도로 경감되는 현상을 발견하였다. 이것을 해석하면, 초음파 진동에수반하는 응력변형이 발생해서, 절삭시의 외관상의 치아와 같은 단단하고 부서지기 쉬운재료의 절삭기구에 영향을 주는 치아 그자체의 기계적 강도 예를들면 인장강도가 감소되는 것이 요인인 것이라고 설명된다.

실제의 치아에 대한 적용에 있어서, 치조골에 치근막을 개재해서 위치하는 치아를 어떻게 해서 초음파 진동시키는가, 그 초음파진동수 구동방법에 대해서 설명한다. 치아의 질량 M 및 치근조의 스프링(2)의 탄성상수 k에서 치아의 고유진동수 fn를 계산하여, 계측하면 약 300~2000Hz가 된다. 따라서, 이 fn의 값보다 높은 진동수로 여진한다. 치아초음파진동구동용 포온(21)을 화살표(22)의 방향으로 초음파역의 높은 진동수로 진동시켜서, 이것을 사용해서 가볍게 화살표 A방향으로 치아를 가압하므로서, 치아를 포온(21)의 진동수 f를 가지고, 그 진폭 a에 가까운 정현(正弦)파형으로 초음파진동시킬수가 있다. 예를들면 f=65KHz, a=4㎛를 가지고 치아를 초음파진동시킬 수가 있다. 이 방법에 의해서 진동수 f, 진폭 a을 가지고 초음파진동하고 있는 치아에 대해서 고속회전하고 있는 다이아몬드공구(19)를 사용하고, 그 경우, 수동에 의한 이송속도의 다소의 불균형은 부득이하다 하드 래도대체로 일정치의 이송속도 s를 화살표(20)방향을 향해서 부여해서 절삭한다. 이때, 절삭공구의 이송속도 s와 이 절삭공구의 이송방향에 대한 치아의 진동최대속도 2πaf와의 사이에 s<2πaf의 관계를 부여하거나 절삭공구에 의한 깎아내는 깊이 t와 한쪽 진폭 a과의 사이에 t<a의 관계를 부여하면 고속회전공구와 치아와는 규칙적인 접촉, 이탈현상이 생기는 절삭기구가 되고, 치아절삭시에 효과적인 펄스 절삭력파형을 발생시킬 수가 있다. 즉, 치아의 여진방향에 대한 절삭공구의 이송방향을 베터적으로 해석하였을 경우, 그 이송방향이 치아의 여 진방향성분을 포함할때에는 전자의 관계를 부여하고, 이것을 포함하지 않을때 즉 절삭공구의 이송방향이 치아의 여진방향과 직교할 때에는 후자의 관계를 부여하는 것이다. 그리고 [2]식에 나타낸 바에 따라서

로 할수가 있으며, 그 절삭력은, 본 발명을 실시하지 않는 종래의 고속회전만에 의한 방법에 있어서의 절삭력 P의

(예를들면

)로 경감시키는 효과가 확실하게 얻어진다.

일반적으로 초음파역과 같은 높은 진동수로 진동하고 있는 탄성체의 샘플에 변형게이지를 접착해서, 변형게이지의 저항의 변화에 따른 전압의 변화를 증폭기에 의해서 증폭한 다음 기록계에 의해서, 기록지상에 기록해서 이 탄성체샘플의진동수, 진폭을 측정하려고 할 경우, 증폭기, 그 지시계 혹은 기록계의 주파수특성이 낮을때에는, 그 진농진폭을 정확하게지시, 기록할수가 없고, 일반적으로는 실제의 진동진폭보다 작은 값을 지시, 기록하게되는 것이 알려져 있다. 50Hz용의 교류전류계를 사용하여서는 고주파전류치의 전대치를 정확하게 계측할수 없다.

전자오실로 그래프에 의한 기록의 경우에도, 500Hz의 낮은 고유진동수를 가진 전자오실로그래프용 갤버를 사용해서 20KHz의 초음파 전류치를 기록지에 기록시키고저 해도 기록지상에 있어서는, 그 전류에 비례하는 기록용 펜의 변위는 전연없으며, 기록용 펜은 원점위치에 멈춘다.

이와 같은 현상이 제3도에 표시한 동통전달계열에도 나타난다. 즉 진동수 60KHz, 진폭 4㎛으로 진동하고 있는 치아의 진동자태를 변형게이지에 상당하는 검출기로 검출해서 주파수 특성이 낮은 지각신경에 상당하는 증폭기 및 감각중추에 상당하는 기록계로 기록하려고 하면, 치아의 진동자태에 비례한 기록용펜의 움직임은 없고, 거의 정지상태로 기록지사의 그래프의 움직임은 볼 수 없다. 즉, 치아를 정적으로 8㎛ 변위시켰을때는, 이것을 동통으로서의 감각을 느끼나, 한쪽 진폭 4㎛로 해서 진폭수 60KHz로 초음파진동시키면, 그 변위량은 전연 감지할 수 없고, 동통을 전혀 느끼지 못하게되는 효과가 얻어진다. 이 효과는, 주사마취 혹은 소기마취에 의한 마취효과와 실질적으로 같은효과로서, 이하의 설명에 있어서는, 이와 같은 효과를 "역학적 마취"라고 부른다.

치아의 고유진동수는 상기한 바와 같이 약 300~2000Hz이나, 본 발명의 실시에 의해서 주어지는 초음파진동수가 예를들면 60KHz라고 하면 치아는 60KHz의 진동수에 의해서 진동하는 것이고, 절삭중의 외관상 고유진동수를 높이게되는 것이다.

(W_n: 치아의 각 고유진동수, K : 치근막의 탄성상수, M : 치아의 질량)의 관계가 있다. 이제, 절삭하려고 하는 치아의 고유진동수를 600Hz 라고 하면

, 즉 탄성상수를 외관상 약 10000배로 강성(剛性)화 한 것이 된다. 즉, 치아측에 대해서 고려하면, 치아는 초음파발진기로부터의 진동공급에너지에 의해서, 그 외관상의 탄성상수는, 치아 본래의 탄성상수의 약 10,000배로 강성화된 것이 된다. 바꾸어 말하면, 치아 진동구동파형에 의해서 마치 치아를 종래의 브리지법에 의해서 고정하고, 이것을 부동상태로 해서 절삭한 것에 상당하게 하는 획기적 효과를 발휘한다. 이제, 절삭하려고 하는 치아를 종진동수 60KHz, 선단한쪽 진폭 4㎛, 출력 20W를 가지고 진동하는 치아 초음파진동 구동용 포온의 둥글기를 부여한 선단을 가볍게 대어서 초음파진동시킨다.

이 치아를 직경 1mm의 다이아몬드공구를 매분 30만 회전시켜서, 이것을 가벼운 가압력을 주어서 절삭방향으로 보내서 초음파진동하고 있는 치아를 절삭한다. 이와같이 하므로서 펄스절삭력파형을 작용시키게되고, 치아에 동통의 원인이 되는 동적변위를 주는 절삭력을 경감시켜, 다시 치아진동계열의 동특성을 이용해서 외관상의 격감시키므로, 20W 정도의 미소한 출력으로 구동되고 있는 치아의 초음파진동자태는 흐트러짐이 없이 외관상의 탄성상수를 높인 상태로 규칙적인 초음파진동을 접속해서 역학적 마취효과를 발휘하기 때문에, 치아절삭시의 동통을 격감 혹은 전무하게 할 수 있다. 절삭조건으로서는, 절삭력에 의한 치아의 동적변위가, 지금 주어져 있는 초음파진동의 한쪽 진폭 4㎛로부터 10㎛로 충분히 만족된다. 때로는, 절삭력이 과대해지면, 치아의 초음파진동은 저해되고, 진폭을 감소시켜 진폭이 0이 되면, 본 발명의 효과는 소멸되어 버린다. 이와 같은 경우에는 출력을 증대시키든가 혹은 진폭을 증가시켜서, 치아의 규칙적인 초음파진동을 회복하도록 한다.

다음에 본 발명의 호적한 실시예를 설명한다.

본 발명에 의한 치아의 쌀진절삭시스템은, 상기한 바에서 명백한 바와 같이, 공지의 고속회전 치아절삭공구와 본 발명에서 제안된 치아여진 장치를 사용해서 실시할 수가 있다. 상기 절삭공구에 대해서는 잘 알려져 있으므로, 여기서는 상세한 설명이 필요하지 않기때문에, 이하에는 상기 치아여진장치에 대해서 상세히 설명한다. 또한, 각 실시예에 있어서, 실질적으로 동등한 부분에 대해서는 같은 참조부호가 사용되고 있다.

제4도는 종초음파진동자(23)와 이 진동자(23)의 진동수로 공진하는 길이를 가진 종초음파진동포온접촉자(24)를 이용할 경우이다. 종초음파진동자(23)는 전기변형 자기변형 자기변형 진동자를 사용한다. 그 진동수는 20KHz이상의 초음파역의 높은 진동수로 한다. 이와 같은 높은 진동수로 하므로서, 본 발명의 치아진동장치를 경량, 소형으로 할 수가 있다. 포온접촉자(24)의 재질은, 일반적으로는 금속봉을 사용하나, 경우에, 따라서는 탄성변형되기 쉬운 비금속봉을 사용하는 경우도 있다. 이 포온진동자(24)는, 상기 초음파진동자(23)와 연결된 후방부분(24a)과, 자유단(24c)을 가진 전방부분(24b)으로 이루어져 잇다. 상기 자유단(24c)은, 치아(25)와 접촉시켜서, 이것을 절삭함이 없이 치아(25)를 진동시키는 것을 목적으로하므로 둥글기를 주고 치아표면을 손상하지 않는 형상으로 한다. 경우에 따라서는 치아표면과의 접촉상태를 안정시키기 위해서 면접촉시키도록 한 곡면 형상으로 하는 경우도 있다. 이 선단접촉자(24b)는 절삭공구와 달라서 마모하지 않므므로 교환의 필요가 없고 포온(24a)과 일체로 제작할 수가 있다. 용도에 따라서는, 직경이 가는것, 굵은 것을 준비할 필요가 있을때가 있으므로, 이때는 선단접촉자(24b)를 포온(24a)과 별개체로 해두어서 나사 혹은 테이퍼 결합해서 사용한다. 진동장치의 단자(26)을 초음파발진기의 출력단자에 접속하면 접촉자(24b)의 선단은 화살표(27)의 방향으로 초음파진동한다.

이 포온(24a)의 진동절을 이용해서 그립(28)을 형성한다. 이 그립(28)내에는 초음파진동자(23)와 포온진동자(24)의 후방부분(24a)이 배치되어, 상기 포올진동자(24)의 전방부분(24b)은 그립(28)에 형성된 개구(28a)를 지나서 전방으로 돌출하고 있다. 그리고, 이 그립을 쥐고 포온접촉자(24), 선단(24c), 치아(25)에 대해서 화살표(29)의 방향으로 가볕게 가압해서 치아(25)를 진동시켜, 이것을 화살표(30) 방향에 고속회전하는 다이아몬드숫돌로 이루어진 절삭공구(31)를 이용해서 절삭한다.

치아(25)의 앞면에 금속관 등이 씌워져 있을때 등에서는 금속관을 개재해서의 진동구동은 충분치 못하므로 관을 씌우지 않은 뒷면에 포온접촉자(24)를 접촉시킬 필요가 생긴다. 제5도는 이와 같은 경우에 사용하는 장치이다. 즉 종초음파진동자(23)와 이 진동자(23)의 진동수로 공진하는 길이를 가진 종진동포온(32)의 선단에 구부러 공진하는 접촉자(33)를 그 진동복에서 부착한 형상에 의한 치아진동장치이다. 접촉자(33)의 선단의 진동복의 위치에 제4도의 포온접촉자(24)의 선단형상과 마찬가지로 둥글기를 준 돌기부(33a)를 형성한다. 이 돌기부(33a)는 화살표(27)의 방향에 초음파진동한다. 이것을 화살표(29)의 방향에 가압해서 치아(25)를 진동시키고, 이 치아(1)를 고속회전하는 절삭공구에 의해서 절삭한다. 포온(32)은, 초음파진동자(23)와 연결된 단부를 가진 후방부분(32a)과, 단부에 접촉자(33)를 가진 전방부분(32b)으로 이루어진다.

제6도는 종진동자와 만곡된 진폭확대용 포온접촉자(34)로 이루어진 치아진동장치이다. 이 장치에 의해서 화살표(27)의 방향으로 접촉자(34)의 선단(34a)이 진동한다. 이것을 치아(25)에 대해서 화살표(29)의 방향으로 가볍게 가압해서 치아(25)를 진동시켜, 이 치아(25)를 고속회전하는 절삭공구에 의해서 절삭한다.

종래의 에어터어빈에서의 고속회전에만 의할때는, 공구의 절삭도가 약간이라도 저하하면, 불쾌감, 동통을 느끼므로, 그 시점을 공구수명으로하여, 공구를 빈번하게 교환하지 않을 수 없다는 극히 공구수명이 짧은 상태였으나, 본 발명의 실시에 의해서 공구수명은 3~10배까지도 연장되는 효과가 얻어진다. 또한, 절삭력파형이 펄스형상인 것과 같이, 치아절삭시에 발생하는 절삭열의 파형도 펄스형상파형이 되고, 역학계열에서의 주파수특성과마찬가지로 연전달계열에서도 주파수특성이 나타나서 절삭열에 의한 동통도 격감되는 효과가 얻어진다. 본 발명의 실시에 의해서 마취를 하고 절삭하지 않으면 안되는 상태의 치아에 대해서도, 그것을 생략할 수가 있으며, 약물에 의한 쇼크등의 이유로 마취를 이용할 수 없는 경우 동인때에도 동통이나 불쾌감, 공포감을 주지않고 절삭할 수가 있다는 뛰어난 효과가 얻어진다. 끝으로 또하나의 효과를 추가하면, 종래의 방법으로는 대단히 높았던 결삭음이 본 발명으로 반감된다는 것이다. 본 발명에 의해서 소리에 대한 고통감이 해소되는 것도 특기할만한 효과라고 생각한다.

구체적인 효과예를 설명하면, 다음과 같다.

① 탐침에 의한 촉진의 경우에도 동통을 느끼는 상아질 지각과민증에 대해서, 본 발명을 실시해서 이상적인 와동(窩洞)을 형성할 수 있었다.

②6,C카리에스 3도의 타진통이 있는 치아에 대해서 본 발명을 실시해서 치수의 천정까지 무통상태로 절삭할 수 있었다.

③기타, 급성화농성 치근막염, 만성궤양성 치수염, 치수회저, 급성일부성 화농성 치수염등의 치아에 대새서 본 발명의 실시에 의해서 마취주사를 하지않아도 절삭가공할 수 있었다.

제3도의 모형도에서 알 수 있는 바와 같이 스프링(2) 및 스피링(6)이 절삭력에 따라서 신축하는 외에 각종의 원인, 예를들면 주위가 염증을 일으켜 발열해서 스프링이 팽창해서 변형이 생켜, 그때문에 지근지근하는 동통을 느낄 경우에는, 본 발명의 치아포음파구동용 포온을 이 치아에 대고, 그때의 변형량에 상당하는 진폭을 주어서 초음파구동시키면, 그 지근지근하는 동통을 진정시킬 수 있다. 본 발명장치에는 이와 같은 진통화효과가 있다. 이상 진동수는 초음파역의 20KHz 이상의 진동수를 가지고 설명해 왔으나, 치아의 고유진동수의 약 3배이상의 높은 진동수에서 본 발명의 효과가 얻어진다.

Claims (6)

1. 치아를 절삭하는 고속회전의 선단립을 가진 치아절삭공구와, 상기 치아에 접폭해서, 이 치아를 여진하는 치아여진장치와의 결합으로 이루어진 치아의 진동절삭시스템으로서, 상기 치아여진장치는 즉 앞단에 개구를 가진 통형상의 하우징과, 이 하우징내에 배치된 음향변화기이며, 예정된 주파수의 진동에너지를 발생하는 것과 , 상기 하우징내에 배치된 후방부분과 이 하우징의 개구를 지나서 밖으로 뻗고, 그 자유단이 상기 치아에 접촉할 수도 있도록 되어있는 전방부분을 가진 진동절달부재로서, 상기 후방부분의 단부는 상기 음향변환기에 연결되어 있는 것과, 상기 음향변화기와 상기 전달부재로 이루어진 진동기를 이진동기의 평형점에 있어서 상기 하우징에 고정하는 지지수단과, 상기 음향변환기에 전력을 공급하는 전기수단을 갖추고, 상기 음향변환기는, 상기 치아의 고유진동수보다 높은 발진주파수를 가지고, 또한, 상기 진동전달부재의 자유단에 있어서의 한쪽 진폭이 최대 30㎛이하가 되도록 이 자유단을 여진하는 것으로 이루어지고, 상기 시스템은, 다음의 조건을 적어도 하나를 만족하는 것. 즉, ①상기 절삭공구의 이송속도 S와 이 절삭공구의 이송방향에 대한 상기 치아의 진동최대속도 2πaf와의 관계가 S<2πaf이다.

   여기서 a는 상기 진동전달부재의 자유단의 한쪽 진폭 및 f는 상기 음향변환기의 진동주파수이다.

   ② 상기 절삭공구에 의한 상기 치아의 깎이는 깊이 t와 상기 한쪽 진폭 a과의 관계가 t<a이다.
2. 제1항에 있어서, 상기 음향변화기는 초음파발진기로 이루어진 치아의 진동절삭시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 초음파발진기는 그 발진주파수가 20KHz~100KHz의 범위내에 있는 치아의 진동절삭시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 절삭공구의 이송방향이 상기 치아의 여진방향성분을 포함하고, 상기 조건의 하나를 S<2πaf를 만족시키는 것.
5. 제1항에 있어서, 상기 절삭공구의 이송방향이 상기 치아의 여진방향과 직교하고, 상기 조건의 다른 하나인 t<a를 만족시키는 것.
6. 고속회전의 선단립을 가진 절삭공구에 의행서 치아를 절삭하는 방법에 있어서, 절삭하려는 치아를 이 치아의 고유진동수보다 높은 진도수밑에서 여진하는 스텝과, 상기 절삭하려는 치아에 상기 절삭공구를 적당한 압력하에서 접촉시켜, 그 절삭공구를 다음의 조건의 적어도 하나를 만족하는 상태에서 작동시키는 스텝으로된 방법.

   ① 상기 절삭공구의 이송속도를 이 절삭공구의 이송방향에 대한 상기 치아의 진동최대속도보다 작게한다.

   ② 상기 절삭공구에 의한 상기 치아의 깎아내는 깊이를 상기 여진에 의한 치아의 한쪽 진폭보다 작게한다.

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