WO2019097840A1 - 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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寒河江　茂兵衛
敏 小林
義博 皆川
広樹 鈴木
仁彦 中嶌
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ミクロン精密株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a high frequency vibration type cutting device capable of efficiently cutting an object by propagating high frequency vibration to a cutting tool or the like attached to a hand piece.
  • a vibrating device is provided on the tongue inside the hand piece, and the cutting device attached to the tongue is vibrated at a high frequency by vibrating the tongue by this vibrating device to improve the cutting efficiency and improve the machining accuracy.
  • a handpiece type high frequency vibration type cutting device capable of achieving the above (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the mechanical anesthesia affected part separation apparatus of Patent Document 2 includes an ultrasonic oscillator that oscillates ultrasonic vibration of 20 to 100 kHz, and a low frequency vibration oscillator that oscillates low frequency vibration.
  • an ultrasonic oscillator that oscillates ultrasonic vibration of 20 to 100 kHz
  • a low frequency vibration oscillator that oscillates low frequency vibration.
  • the periodontal membrane is cut by low frequency vibration to facilitate separation of teeth from alveolar bone, and separation of the affected area is performed without stopping ultrasonic vibration without applying a large force to the affected area contactor.
  • the bone tissue itself is accurately cut by high-frequency vibration as in Patent Document 1, and a series
  • the operator It is preferable to confirm how much the amount of cutting has been performed sensuously by a striking cutting feeling.
  • an object of the present invention is to provide a handpiece type high frequency vibration type cutting device capable of improving operability by performing cutting while confirming with a striking cutting feeling how much cutting has been performed to the operator. .
  • the handpiece type high frequency vibration type cutting device of the present invention is With the housing, An excitation device provided in the housing; A tool provided to the vibration device, A control device for vibrating the tool in the direction of the axis of the vibration device by controlling the operation of the vibration device, the handpiece type high frequency vibration type cutting device comprising: The control device controls the vibration of the tool by the vibration device to a burst oscillation that repeats stop and vibration, and The burst frequency f1 of the entire tool is controlled in the range of 1 to 8 Hz, wherein the total of the burst frequency f1 of the tool is one cycle including the burst period in which the tool is vibrating and the stop period in which the tool is stopped.
  • the duty ratio d1 obtained by dividing the pulse width t1 of the burst frequency f1 by the pulse period T1 is controlled in the range of 5 to 50 [%], and the vibration frequency f2 of the tool in the burst period is in the range of 20 to 60 [kHz] To control.
  • the tool provided in the vibration device is vibrated by the vibration device provided in the housing.
  • the control device controls the vibration of the tool by the vibration generator to stop and repeat the vibration to a burst oscillation.
  • the control device controls the burst frequency f1 of the tool to a range of 1 to 8 Hz, which is a low frequency at which the operator can recognize the period of the burst period and the stop period, and pulses of the burst frequency
  • a duty ratio d1 obtained by dividing the width t1 by the pulse period T1 is controlled in the range of 5 to 50%.
  • the operator is given a sense of hitting a chisel with a hammer, and an indication of the cutting amount as to how much the cutting is accurately confirmed by the striking cycle by the burst frequency f1 and the striking feeling thereby
  • the operability can be improved by cutting the workpiece.
  • a tool can be inserted while cutting a workpiece to a desired depth little by little and gradually.
  • the control device controls the vibration frequency f2 of the tool in the burst period in the range of 20 to 60 [kHz], accurate cutting can be performed by high frequency vibration.
  • the control device narrows and controls the burst frequency f1 to a range of 1 to 4 Hz, and the duty ratio d1 is 10 to It is preferable to narrow and control in the range of 25 [%].
  • the control device controls the burst frequency f1 in the range of 1 to 4 Hz and controls the duty ratio d1 in the range of 10 to 25% so that the operator can It becomes easier to recognize the period of the burst period and the stop period.
  • the control device controls the burst frequency f1 in the range of 1 to 4 Hz and controls the duty ratio d1 in the range of 10 to 25% so that the operator can It becomes easier to recognize the period of the burst period and the stop period.
  • the housing constituting the handpiece is provided with an output unit for outputting sound or light toward the operator, and the control device is Preferably, the output unit is controlled to output sound or light in a cycle of integer 1 to 50 times the cycle (1 / f1) of the burst oscillation.
  • the output unit for outputting sound or light is provided in the housing of the handpiece, the operator can easily recognize the sound or light from the outside. Then, since the control unit controls the output unit to output sound or light at a cycle of integer 1 to 50 times the cycle of burst oscillation (1 / f1), the operator cuts off from the output interval of sound or light An indication of the amount can be given, and the operator can feel an appropriate cutting feeling and can further improve operability.
  • a housing constituting the handpiece is provided with a vibrator that is controlled by the control unit to vibrate the housing, and the control device is Controlling the vibrator so as to vibrate in a cycle of integer 1 to 50 times the cycle (1 / f1) of the burst oscillation and to vibrate in a direction perpendicular to the vibration direction of the vibrator. Is preferred.
  • the vibrator for vibrating the housing is provided in the housing constituting the hand piece, the operator can recognize the vibration of the housing. Then, the vibrator is vibrated so that the control device vibrates in a cycle of integer 1 to 50 times the burst oscillation cycle (1 / f1) and in the direction perpendicular to the vibration direction of the vibration device. Since the control is performed, the operator can obtain the cutting feeling from the vibration interval of the weak housing which does not get in the way of the cutting, and the operator can more appropriately feel the cutting feeling to further improve the operability.
  • a handpiece type high frequency vibration type cutting device as a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 comprises a substantially cylindrical housing 10 constituting a handpiece, a holding member 11, a tool 12, and a control device. 20 and an excitation device 21.
  • the housing 10 is designed to be sized so that a normal human can hold it with one hand.
  • the handpiece of the high frequency vibration type cutting device is constituted by components such as the housing 10 and the holding member 11 at least a part of which is disposed in the internal space thereof.
  • the type and specifications of the component may be appropriately selected from the viewpoint of
  • the holding member 11 is axially movably supported on the housing 10 via supports 112 and 114 attached at its rear end to the excitation device 21 and fixed to the inner side wall of the housing 10 There is.
  • the holding member 11 has a function as a horn that increases the amplitude.
  • the tool 12 is detachably attached to the tip of the holding member 11.
  • the size of the tool 12 in the direction perpendicular to the axial direction of the holding member 11 is, for example, in the range of 1 to 10 mm or 2 to 5 mm.
  • the shape of the tool 12 may be any shape such as a straight blade, a circular arc blade, a substantially cylindrical shape, a bowl shape, or a bent or curved rod shape.
  • the excitation device 21 is attached to the attachment portion 10 a of the housing 10 and is constituted by a piezoelectric element disposed in the internal space of the housing 10, and vibrates or reciprocates the holding member 11 in the axial direction. Electric power is supplied to the excitation device 21 through the cable 24 attached to the rear end of the housing 10, the control device 20 disposed in the internal space of the housing 10, and the lead wires.
  • the excitation device 21 and the holding member 11 are disposed such that their respective axis lines are common and spaced apart in the respective axial directions, the axes are disposed in parallel so as to be separated or not in parallel.
  • the housing 10 can be made compact.
  • the high frequency vibration type cutting device can be configured as a hand piece in which the ease of handling and the improvement of the operability are achieved.
  • a lubricant such as grease generally used for the transmission mechanism becomes unnecessary. Therefore, when the high frequency vibration type cutting device as a medical device is sterilized by high pressure steam, the occurrence of contamination of the medical device due to the presence of the lubricant can be avoided.
  • the control device 20 controls the operation of the vibration device 21.
  • the microcomputer or processor which comprises the control apparatus 20 is arrange
  • control device 20 controls the vibration of the tool 12 by the vibrating device 21 to a burst oscillation that repeats stop and vibration, and a burst period in which the tool 12 is vibrating and a stop in which the tool 12 is stopped.
  • the burst frequency f1 of the entire tool 12 which is combined with the period into one cycle is controlled to a low frequency at which the operator can recognize the cycle of the burst period and the stop period.
  • the object is cut by the tool 12 provided at the tip of the holding member 11 as the holding member 11 is reciprocally driven in the axial direction. Ru.
  • the control device 20 controls the vibration of the tool 12 by the vibration device 21 to be a burst oscillation that repeats and stops the vibration.
  • the controller 20 controls the burst frequency f1 of the tool 12 in a range of 1 to 8 Hz, which is a low frequency at which the operator can recognize the cycle of the burst period and the stop period, and the burst frequency
  • the duty ratio d1 obtained by dividing the pulse width t1 of the pulse period T1 by the pulse period T1 is controlled in the range of 5 to 50%.
  • the operator is given a feeling of sound like hitting a chisel with a hammer, and the indication of the cutting amount as to how much cutting is accurate by the batting cycle by the burst frequency f1 and the striking feeling by it
  • the operability can be improved by cutting the workpiece while confirming it, and the tool can be put into the desired depth while cutting the workpiece little by little.
  • control device 20 controls the vibration frequency f2 of the tool 12 in the burst period in the range of 20 to 60 [kHz] and controls the burst frequency f1 in the range of 1 to 4 [Hz]. Control is performed by narrowing the ratio d1 to a range of 10 to 25 [%].
  • the control device 20 controls the vibration frequency f2 of the tool 12 in the burst period to a range of 20 to 60 [kHz], whereby accurate cutting can be performed by high frequency vibration.
  • FIG. 3 shows the results of the operator's sense of cutting and a sense of complete stopping with the burst frequency f1.
  • the burst frequency f1 is changed stepwise from 0.1 [Hz] to 14 [Hz], and the cutting feeling felt by the operator is bad for bad results, ⁇ ⁇ for poor results, ⁇ for good results, ⁇ for better results ⁇ .
  • the low frequency burst frequency f1 is controlled in the range of 1 to 8 Hz, it is possible to prevent the false recognition that the operator has completely stopped at 1 Hz or more, and 8 [8] The operator can recognize the cycle of the burst period and the stop period below [Hz].
  • control device 20 controls the burst frequency f1 in the range of 1 to 4 Hz and controls the duty ratio d1 in the range of 10 to 25%. Therefore, it is possible to prevent the false recognition that the operator is in the stop state when the burst frequency f1 is 1 [Hz] or more, and the operator recognizes the difference between the burst period and the stop period at 4 [Hz] or less. Further, by controlling the duty ratio d1 in a narrow range of 10 to 25%, control can be made to make the operator feel a more appropriate cutting feeling, and operability can be further improved. As a result, it is possible to more clearly give the operator a sense of sound such as hitting a hammer with a chisel, to make it easy to recognize a striking cutting sense, and to improve operability.
  • FIG. 4A is an explanatory view of a waveform of a burst frequency modulated to a rectangular wave as a whole according to an embodiment of the present invention, and a burst period t1 in which the tool 12 (see FIG. 1) is vibrating;
  • the stopping period (T1-t1) that is present is taken as one cycle T1.
  • the duty ratio d1 is a value obtained by dividing the pulse width t1 of the burst frequency by the pulse period T1.
  • the controller 20 (see FIG. 1) is configured such that the vibration frequency f2 in the axial direction of the holding member 11 by the vibrator 21 (see FIG. 1) is included in the range of 20 to 60 kHz, for example.
  • the vibration control device 21 is controlled so that the burst wave is modulated to a rectangular wave as a whole while controlling to a high frequency.
  • the burst wave as a whole is controlled by the controller 20 so that the burst frequency f1 is in the range of 1 to 8 Hz, and the duty ratio d1 is controlled in the range of 5 to 50%.
  • the burst wave is modulated into a square wave as a whole. For this reason, the operator can recognize a striking cutting feeling such as hitting the tool 12 with a hammer.
  • FIG. 4B is an explanatory view of a waveform of a burst frequency modulated to a sine wave as a whole of the comparative example.
  • the burst wave itself is a high frequency, but the entire waveform of the burst wave is a sin wave by ultrasound modulated to a low frequency. For this reason, the operator can not feel the difference between the stop period and the vibration period of the tool as a whole of the burst wave, and can not recognize a striking cutting feeling.
  • Drawing 5A is an explanatory view about time progress of an embodiment concerning the present invention, and a cutting state of a processed material.
  • the workpiece 40 is further cut by the tool 12 and the cutting amount becomes L3.
  • the tool 12 can be inserted while cutting the workpiece 40 little by little stepwise to the desired depth.
  • the operator can recognize the striking feeling of hitting the tool 12 with a hammer, and the indication of the cutting amount as to how much to cut, the cycle of striking by the burst frequency f1 and the feeling of striking cutting accordingly
  • the operability can be improved by cutting the workpiece 40 while accurately checking.
  • FIG. 5B is an explanatory view of the elapsed time of the comparative example and the cutting state of the workpiece.
  • the workpiece 40 is further cut by the tool 12 and the cutting amount becomes L3.
  • the amount of cutting smoothly increases in proportion to the passage of time, so it is not possible to confirm a striking feeling of cutting.
  • FIG. 6A is a diagram relating to the elapsed time and the cutting amount of the embodiment according to the present invention, and the cutting amount is L1, L2, L3 each time the burst period T1, 2 ⁇ T1, 3 ⁇ T1 and the burst period T1 elapse And gradually increase.
  • FIG. 6B is a diagram relating to the passage of time and the cutting amount of the comparative example, and as the time passes T1, 2 ⁇ T1 and 3 ⁇ T1, the cutting amount is linearly proportional to L1, L2, and L3. To increase.
  • the handpiece type high frequency vibration cutting apparatus includes an output unit 30 at the rear end of the housing 10 and a vibrator 31 at the outer peripheral portion of the housing 10. ing.
  • the output unit 30 and the vibrator 31 are supplied with power by being connected from the cable 24 via the control device 20.
  • the output unit 30 and the vibrator 31 are connected to the control device 20 via a wire (not shown), and the control device 20 controls the output.
  • the output unit 30 is a small speaker that outputs a sound.
  • the control unit 20 controls the output unit 30 to output sound or light at a cycle of integer 1 to 50 times the cycle (1 / f1) of the burst oscillation. For this reason, the operator can give a rough indication of the amount of cutting from the sound output interval by hearing, and the operator can feel an appropriate cutting feeling and can further improve operability.
  • the feeling of cutting can be easily felt, and the operability can be further improved.
  • the output unit 30 is a speaker, but the output unit 30 may be a light source that outputs light.
  • the control unit 20 controls the output unit 30 to output light at a cycle of integer 1 to 50 times the cycle (1 / f1) of the burst oscillation.
  • the output unit 30 is a light source, the degree of cutting can be recognized visually, and the operability of the handpiece type high frequency vibration cutting apparatus can be improved.
  • the output unit 30 for outputting sound or light is provided in the housing 10 of the handpiece 11, the operator can easily recognize the sound or light from the outside. Then, since the control unit 20 controls the output unit to output sound or light at predetermined intervals, the operator can measure the amount of cutting from the output interval of sound or light, which is more appropriate for the operator Can be transmitted to improve operability.
  • the vibrator 31 for vibrating the housing 10 is provided in the housing 10 constituting the handpiece, it is possible for the operator to recognize a weak vibration of the housing 10 which does not disturb the cutting.
  • the control device 20 vibrates in a cycle of integer 1 to 50 times the burst oscillation cycle (1 / f1) and vibrates in a direction perpendicular to the vibration direction of the vibration device 21. It is preferable to control the child 31.
  • the operator can obtain the cutting feeling from the vibration interval of the housing 10, and the operator can transmit the appropriate cutting feeling to further improve the operability.
  • the frequency f4 of the vibration of the vibrator 31 to the burst frequency f1, the feeling of cutting can be more easily felt, and the operability can be further improved.
  • the high frequency vibration type cutting apparatus further includes an input interface for allowing the user to input the type of the tool 12, and the control device 20 has the vibration frequency of the tool 12 according to the type of the tool input through the input interface. You may adjust the combination aspect of f2 and the rotational speed v.
  • the input interface may be configured by, for example, a keyboard, a touch panel button or an operation button.
  • the excitation device 21, the output unit (speaker, light source) 30, and the vibrator 31 may be selectively selected and controlled.
  • the high-frequency vibration type cutting device may be configured to include one or more of the vibrating device 21, the output unit (speaker, light source) 30, and the vibrator 31.
  • control device 20 is configured to set the output of the output unit 30 and the vibration of the vibrator 31 to a cycle of integer 1 to 50 times the cycle (1 / f1) of the burst oscillation. It is possible to control the cycle so that the operator feels comfort, which is called so-called (1 / f) fluctuation, or the cycle in which the operator can recognize the standard of the cutting amount.

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Abstract

ハンドピース型高周波振動式切削装置は、ハウジング１０と、加振装置２１と、保持部材１１と、工具１２と、加振装置２１のそれぞれの動作を制御することにより、振動させる制御装置２０とを備えている。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し、かつ、保持部材１１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周期とする全体の前記工具１２のバースト周波数ｆ１を、１～８［Ｈｚ］の範囲に制御し、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。

Description

ハンドピース型高周波振動式切削装置
　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。 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。 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。 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。 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。 本発明の時間経過と切削量に関する図。 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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