(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の回転ワーク軸に装着されるワーク軸側ホルダ(1)と工作機械の回転工具軸に装着される工具軸側ホルダ(3)とを備え、
前記ワーク軸側ホルダは、前記ワーク軸に固定される取付部(11)と、試料(6)を固定するテーブル(15)と、前記取付部を前記ワーク軸に固定したときに前記テーブルを前記ワーク軸の軸線と直交する直線方向に沿って案内するガイド(13)と、前記テーブルに固定した試料の球体の中心を前記ワーク軸の軸線上に保持可能とするための、テーブルの前記直線方向の位置を調整する高さ調整具(17)及び前記直線方向と前記ワーク軸の軸線との両者に直交する方向の位置を調整する位置調整具(22)と、前記テーブルに作用する前記直線方向の力を検出するセンサ(16)とを備え、
工具軸側ホルダは、前記工具軸に装着するシャフト(31)と試験皿(8)を固定する受台(32)とを備えている、人工関節の摩耗試験装置。
【請求項２】
工作機械の回転ワーク軸に装着されるワーク軸側ホルダ(1)と工作機械の回転工具軸に装着される工具軸側ホルダ(3)とを備え、
前記ワーク軸側ホルダは、前記ワーク軸に固定される取付部(11)と、試験皿(8)を固定するテーブル(15)と、前記取付部を前記ワーク軸に固定したときに前記テーブルを前記ワーク軸の軸線方向に沿って案内するガイド(13)と、前記テーブルに作用する前記ワーク軸の軸線方向の力を検出するセンサ(16)とを備え、
工具軸側ホルダは、前記工具軸に装着するシャフト(31)と試料(6)を固定する受台(32)とを備えている、人工関節の摩耗試験装置。
【請求項３】
前記ワーク軸側ホルダ(1)に装着された液容器(4)を備え、前記工具軸側ホルダの受台(32)のシャフト側の面(33)が部分球面とされ、前記液容器の密閉蓋(43)が円形開口(45)及びこの円形開口と前記部分球面との隙間を液封する液封パッキン(46)を備え、前記試料の球体と試験皿とが密閉された液容器内で相対揺動可能である、請求項１又は２記載の摩耗試験装置。
【請求項４】
回転角制御可能な回転ワーク軸及び回転工具軸を備えたＮＣ工作機械を用い、
当該工作機械の前記ワーク軸に請求項１記載の摩耗試験装置のワーク軸側ホルダを装着し、前記工具軸に当該装置の工具軸側ホルダを装着し、当該ワーク軸側ホルダに人工関節の球側試料を固定し、工具軸側ホルダに人工関節の試験皿を固定し、当該工作機械のＮＣ装置に、前記ワーク軸を指定した第１の角度範囲で往復揺動する動作と前記工具軸を指定した第２の角度範囲で往復揺動する動作と前記工具軸をＸ軸方向に往復移動させる動作とを同一周期で繰り返す加工プログラムを登録して、当該加工プログラムを動作させることを特徴とする、人工関節の摩耗試験方法。
【請求項５】
回転角制御可能な回転ワーク軸と旋盤におけるＢ軸に相当する軸まわりの揺動角を制御可能な工具軸とを備えたＮＣ工作機械を用い、
当該工作機械の前記ワーク軸に請求項２記載の摩耗試験装置のワーク軸側ホルダを装着し、前記工具軸に当該装置の工具軸側ホルダを装着し、当該ワーク軸側ホルダに人工関節の試験皿を固定し、工具軸側ホルダに人工関節の球側試料を固定し、当該工作機械のＮＣ装置に、前記ワーク軸を指定した第１の角度範囲で往復揺動する動作と、前記工具軸を指定した第２の角度範囲で旋盤におけるＢ軸に相当する軸回りに往復揺動する動作と、この往復揺動に同期して前記試験皿と試料の球体の中心が同一位置に保持されるように前記工具軸を旋盤におけるＺ軸方向及びＸ軸方向に相当する両方向に移動させる動作と、前記工具軸を旋盤におけるＺ軸方向に相当する方向に往復移動させる動作とを同一周期で繰り返す加工プログラムを登録して、当該加工プログラムを動作させることを特徴とする、人工関節の摩耗試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工関節の耐摩耗性試験に用いる摩耗試験装置及び当該装置を用いた人工関節の摩耗試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工関節は、手術によって人体に装着される。装着した人工関節が摩耗して使用に耐えなくなると交換しなければならず、交換には再度の手術が必要である。再度の手術を行うことなく、できるだけ長く人工関節を使用できるようにするためには、人工関節に高い耐摩耗性能が要求される。人工関節材料等の生体材料の摩耗試験装置としては、特許文献１記載の装置が提案されている。また、人工関節専用の摩耗試験装置も提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５１８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
人工関節の耐摩耗性を向上させるためには、その材料の耐摩耗性を向上させることが大切である。しかし、人工関節は、それが装着される人体の部位（例えば股関節や膝関節）及び人体の運動態様によって当該人工関節の滑動範囲や、当該人工関節に作用する力の方向が異なる。従って、人体に装着された人工関節は、その部位や動作習慣などによって異なる態様の部分的摩耗が生ずると考えられる。
【０００５】
摩耗がどのように生ずるかが判れば、人工骨表面の耐摩耗性を部分的に高くする表面処理を施すとか、摩耗部分への関節液の流動を促進する形状を採用するとか、摩耗代を含んだ形状とするとか、材質の改良をすることで人工関節の耐久性を更に向上させることができる。すなわち、人工関節の摩耗をより詳しく試験するためには、関節の部位に特有な動きや力のかかり方を模擬できる試験装置が必要である。このような試験装置として、人工関節専用の摩耗試験装置が提供されている。しかしこの専用の摩耗試験装置は、極めて高価である。
【０００６】
この発明は、比較的広く普及している機械を用いて人体の各部位に特有な動作条件で人工関節の耐摩耗試験を行うことができる装置を得ること、及び当該装置を用いて人工関節の耐摩耗試験を行う方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の人工関節の摩耗試験装置は、工作機械のワーク軸Ａに装着されるワーク軸側ホルダ１と工作機械の工具軸Ｂに装着される工具軸側ホルダ３とを備えている。ワーク軸Ａは、加工されるワークを装着する主軸やテーブルなどの部材であって、ＮＣ装置によりその軸まわりの回転角や回転速度を制御されている部材である。工具軸Ｂは、加工する工具を装着する工具主軸や刃物台などの部材であって、ＮＣ装置によりその位置や必要な方向を制御されている部材であり、回転工具軸は、更に、ＮＣ装置によりその軸まわりの回転角や回転速度を制御されている部材である。ワーク軸側ホルダ１は、ワーク軸Ａに固定される取付部１１と、試料６を固定するテーブル１５とを備えている。
【０００８】
この出願の請求項１に係る人工関節の摩耗試験装置のワーク軸側ホルダは、取付部１１をワーク軸Ａに固定したときにテーブル１５をワーク軸Ａの軸線すなわち回転中心軸と直交する直線方向に沿って案内するガイド１３と、テーブル１５に固定した試料６の球体６１の中心をワーク軸Ａの軸線上に保持可能とするための、テーブル１５の前記直線方向の位置を調整する高さ調整具１７及び前記直線方向と前記ワーク軸Ａの軸線との両者に直交する方向の位置を調整する位置調整具２２と、テーブル１５に作用する前記直線方向の力を検出するセンサ１６とを備えている。また、請求項１に係る摩耗試験装置の工具軸側ホルダ３は、工具軸Ｂに装着するシャフト３１と試験皿８を固定する受台３２とを備えている。摩耗試験においては、通常、試料６及び試験皿８が共に人工関節材料で製作され、両者の摩耗を試験する。
【０００９】
この出願の請求項２の発明に係る人工関節の摩耗試験装置のワーク軸側ホルダ１は、ワーク軸Ａに固定される取付部１１と、試験皿８を固定するテーブル１５と、取付部１１をワーク軸Ａに固定したときにテーブル１５をワーク軸Ａの軸線方向（旋盤におけるＺ軸方向）に沿って案内するガイド１３と、テーブル１５に作用する前記ワーク軸の軸線方向の力を検出するセンサ１６とを備えており、工具軸側ホルダ３は、工具軸Ｂに装着するシャフト３１と試料６を固定する受台３２とを備えている。
【００１０】
人工関節の摩耗試験は、試料６と試験皿８を人工関節液に浸積した状態で行われるので、この発明の摩耗試験装置は、一般的には、人工関節液を収容する液容器４が必要である。液容器４は、ワーク軸側ホルダ１に装着して設けるのが好ましく、工具軸に装着するシャフトの先端に受台３２を備えた工具軸側ホルダにおいては、受台３２のシャフト側の面３３が部分球面とされ、液容器４の密閉蓋４３が円形開口４５及びこの円形開口と前記部分球面との隙間を液封する液封パッキン４６を備え、試料の球体６１と試験皿８とが密閉された液容器内で相対揺動可能な構造とされる。
【００１１】
この出願の請求項４の発明に係る人工関節の摩耗試験は、請求項１記載の摩耗試験装置を回転角制御可能な回転ワーク軸及び回転工具軸を備えたＮＣ工作機械に装着して行われる。すなわち、ワーク軸側ホルダ１を当該工作機械のワーク軸Ａに装着し、工具軸側ホルダ３を工具軸Ｂに装着する。ワーク軸側ホルダ１には、人工関節の球側試料６を固定し、工具軸側ホルダＢに試験皿８を固定する。そして、当該工作機械のＮＣ装置に、ワーク軸Ａを指定した第１の角度範囲で往復揺動する動作と工具軸Ｂを指定した第２の角度範囲で往復揺動する動作と工具軸Ｂを旋盤におけるＸ軸方向に往復移動させる動作とを同一周期で繰り返す加工プログラムを登録して、当該加工プログラムに従って工作機械を動作させることによって、人工関節の摩耗試験を行う。
【００１２】
この出願の請求項５の発明に係る人工関節の摩耗試験は、請求項２記載の摩耗試験装置を回転角制御可能な回転ワーク軸と、旋盤におけるＢ軸に相当する軸まわりの揺動角を制御可能な、回転する又は回転しない工具軸Ｂとを備えたＮＣ工作機械に装着して行われる。すなわち、ワーク軸側ホルダ１を当該工作機械のワーク軸Ａに装着し、工具軸Ｂに工具軸側ホルダ３を装着する。ワーク軸側ホルダ１には、人工関節の試験皿８を固定し、工具軸側ホルダ３に球側試料６を固定する。そして、当該工作機械のＮＣ装置に、ワーク軸Ａを指定した第１の角度範囲で往復揺動する動作と、工具軸Ｂを指定した第２の角度範囲で旋盤におけるＢ軸に相当する軸回りに往復揺動する動作と、この往復揺動に同期して試験皿８と試料の球体６１の中心が同一位置に保持されるように工具軸Ｂを旋盤におけるＺ軸方向及びＸ軸方向に相当する両方向に移動させる動作と、当該工具軸Ｂを旋盤におけるＺ軸方向に相当する方向に往復移動させる動作とを同一周期で繰り返す加工プログラムを登録して、当該加工プログラムにより工作機械を動作させることによって、人工関節の摩耗試験を行う。
【００１３】
なお、工作機械としては、例えば旋盤やマシニングセンタを使用できる。回転ワーク軸は、旋盤では主軸、マシニングセンタではワークテーブルであり、ワーク軸の軸心は、これらの回転中心軸である。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の人工関節の摩耗試験方法は、既存のＮＣ工作機械をそのまま、又は主軸モータや工具モータを加工プログラムで指定された角度範囲で揺動動作可能なモータに交換した既存の工作機械を用い、その回転ワーク軸及び回転工具軸にこの発明の摩耗試験装置を装着して、当該工作機械のＮＣ装置の加工プログラムにより、試験する人工関節が装着される人体の部位に応じた揺動動作及び力を作用して、摩耗試験を行うものである。
【００１５】
この発明の摩耗試験方法によれば、人工関節が装着される人体の部位に特有の繰り返し動作を模擬して摩耗試験を行うことができ、材料自体の摩耗特性は勿論、それぞれの関節の部位に固有の摩耗がどのように生ずるかを詳細に調べることができる。
【００１６】
従って、広く普及している既存のＮＣ工作機械をそのまま、又は既存のＮＣ工作機械に若干の改造を加えて、当該ＮＣ工作機械にこの発明の摩耗試験装置を装着し、所望の加工プログラムを準備することにより、安価な費用で人工関節の詳細な耐摩耗性の試験を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の摩耗試験装置の第１実施例を示す斜視図
【図２】試料を装着したワーク軸側ホルダのＺ軸直角方向の断面図
【図３】ワーク軸側ホルダの側面図
【図４】ワーク軸側ホルダの底面図
【図５】旋盤に装着した摩耗試験装置を主軸原点位相で示す模式図
【図６】この発明の摩耗試験装置の第２実施例を示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、工作機械として旋盤を用いた例を示す図面に基づいて説明する。図１ないし図４は、この発明の人工関節の摩耗試験装置を示した図である。図において、１はワーク軸側ホルダ、３は工具軸側ホルダである。ワーク軸側ホルダ１は、旋盤の主軸Ａに固定される取付部１１を備えたホルダベース１２と、このホルダベースにリニアガイド１３を介して支持されたテーブル１５と、ホルダベース１２とテーブル１５との間に介装されたロードセル１６及び高さ調整ねじ１７と、テーブル１５に取り付けられた位置調整ねじ２２、２３とを備えている。摩耗試験に供する試料６は、液容器４を備えた試料ホルダ５を介してテーブル１５上に固定される。工具軸側ホルダ３は、旋盤の回転工具軸Ｂに嵌挿するシャフト３１を一体に備えた受台３２を備えている。
【００１９】
ワーク軸側ホルダのホルダベース１２は、側面視でＬ形をしている。１８は補強板である。ホルダベース１２の壁板１９の上端に、ホルダベース１２を旋盤の主軸Ａに取り付けるための取付部１１が設けられている。取付部１１には、主軸の軸心と取付部１１の軸心とを一致させるための嵌合部（図示されていない。）及び固定ボルト用のボルト孔２０が設けられている。ホルダベース１２の床板２１には、高さ調整ねじ１７を介して、取付部１１の中心線（旋盤の主軸に取り付けたときの主軸軸線と一致する線）と直交する方向の荷重を計測するロードセル１６が装着されている。
【００２０】
また、ホルダベースの床板２１には、ロードセル１６を中心として、ロードセル１６の荷重計測方向と平行に、３個のリニアガイド１３が装着されている。摩耗試験をする試料６を固定するためのテーブル１５は、３個のリニアガイド１３のスライドロッド１４に固定されて、ロードセル１６の荷重計測方向と平行に移動可能である。高さ調整ねじ１７は、テーブル１５と取付部１１の中心線との間隔を調整する調整具である。
【００２１】
摩耗試験用の試料６は、杆体６２の先端に骨頭となる球体６１を一体に成形したもので、試料ホルダ５を介してテーブル１５に固定される。試料ホルダ５は、テーブル１５上に定着される台座５１と、その上面に取り付けられた試料チャック（コレット型のチャック）５２とを備えている。試料６は、その杆体６２をテーブル１５の面と直交する方向にして、試料チャック５２で保持される。台座５１は正方形で、その四隅部分にボルト挿通孔を備えている。テーブル１５の上面には、台座５１の四辺を四方から（旋盤のＸ軸方向とＺ軸方向両側から）押圧する位置調整ねじ２２、２３が設けられている。テーブル１５上に載置された試料ホルダ５は、位置調整ねじ２２及び２３でＸ軸方向及びＹ軸方向に位置調整した後、固定ねじ５４でテーブル１５に固定される。５５は、試料を取外す楔、５６は試料取外し時に楔を押動するねじである。
【００２２】
工具軸側ホルダ３は、延長軸７を介して旋盤の回転工具軸Ｂに装着される。延長軸７は、基端側に旋盤の回転工具軸Ｂの軸端に挿入されるシャンクを備え、先端側に工具軸側ホルダのシャフト３１を固定するコレットチャックを備えている。工具軸側ホルダ３は、シャフト３１側となる背面３３を部分球面とし、反シャフト側をシャフト３１の軸線（従って旋盤の回転工具軸の軸線）と直交する受面３４とした受台３２を備えている。摩耗試験に供する試験皿８は、その台座８１をねじ３５で受面３４に固定して装着される。受台の背面３３は、試験皿８と試料の球体６１とが面接触する摩耗試験状態で、球体６１の中心を中心とする部分球面となっている。
【００２３】
図の試験皿８の皿（球体６１と面接触する凹部）は、実施例で使用したＮＣ旋盤のベッド面（Ｚ−Ｘ平面）が水平面に対して６０度傾斜していること、及び大腿骨の骨頭を受ける骨盤の凹部の形状を考慮して、台座８１の取付平面に対して傾斜した面に形成されている。
【００２４】
関節は、関節液内で運動する。従って、人工関節の摩耗試験は、関節液と同等な性質を持った液体（人口関節液）に浸漬した状態で行う必要がある。この液体を封入する液容器は、図３〜４に示されている。
【００２５】
液容器４は、その容器本体４１の底面を試料ホルダ５に固定して取り付けられており、試料ホルダ５の円柱部との間に介装したＯリング４２により液封されている。容器本体４１の上面には、密閉蓋４３が装着されており、この密閉蓋４３は、傾斜した面４４を備え、その上面に工具軸側ホルダの受台３２を挿通するための当該受台より小径の円形開口４５が設けられている。円形開口４５の周縁部には、液封パッキン４６が取り付けられている。容器本体４１には、上方と下方とに、液容器４内に人工関節液を循環させるパイプを接続するためのニップル４７、４８が取り付けられている。
【００２６】
工具軸側ホルダ３は、そのシャフト３１を密閉蓋の円形開口４５に挿通した後、旋盤の回転工具軸に装着された延長軸７の軸端に嵌着される。そのあと、回転工具軸が装着された刃物台のＺ方向及びＸ方向移動により、試験皿８を試料の球体６１に接触させた状態で、密閉蓋４３が容器本体４１に固定される。この状態で、密閉蓋の円形開口４５と工具軸側ホルダの受台の背面３３との隙間が液封パッキン４６によって密封される。受台の背面３３が球体６１の中心を中心とする部分球面となることから、試料の球体６１と試験皿８とは、球体６１の中心を中心として液容器４内で相対揺動運動をすることができ、かつ液容器４の密閉状態も保持される。
【００２７】
次に上記構造の摩擦試験装置を用いた人工関節の試験方法について説明する。試験に用いた旋盤は、主軸Ａ及び回転工具軸ＢをＮＣ（数値制御）により加工プログラムで設定された角度範囲で揺動させることが可能な旋盤である。主軸を指定角度範囲で揺動させることができる旋盤は一般的であるが、回転工具軸を指定角度範囲で揺動させることができる旋盤は一般的とは言えないので、場合によっては工具軸モータをそのような機能を備えたモータに交換する必要がある。
【００２８】
試験に供する人工骨の試料６は、試料ホルダ５を介してワーク軸側ホルダ１に固定し、試験皿８は、工具軸側ホルダ３に固定する。ワーク軸側ホルダ１は、その取付部１１を旋盤の主軸軸端に固定し、Ｘ軸方向の位置調整ねじ２２と高さ調整ねじ１７により、試料の球体６１の中心を旋盤の主軸軸線と一致させる。工具軸側ホルダ３は、延長軸７を介して旋盤の回転工具軸に装着し、回転工具軸が取り付けられている刃物台のＺ軸方向の位置を調整して、回転工具軸の中心を試料の球体６１の中心に一致させる。
【００２９】
次に刃物台をＸ軸方向に移動して試料６と試験皿８とを所定の位置関係に設定する。このとき、試料６の球体６１と試験皿８とは、その間に関節液の液膜が形成される隙間を残した状態で面接触する。この状態で液容器の密閉蓋４３を容器本体４１に固定する。そして、ニップル４７、４８を通して図示しない関節液循環装置により液容器４内に人工関節液を循環する。
【００３０】
この状態で旋盤の主軸と回転工具軸とをそれぞれ旋盤を制御するＮＣ装置のプログラムで指定した角度範囲で同期揺動し、この揺動と同期させて刃物台のＸ軸送りモータに関節の皿と球面との間に作用する周期的な負荷変化に対応する微少送り指令を与えて摩耗試験を行う。
【００３１】
人工股関節の場合の一例を述べると、主軸を試料の杆体６２が鉛直方向となる原点位相の両側に２５度と１８度で振り分けた角度範囲で往復揺動させ、この往復揺動に同期して回転工具軸をＺ軸に対して１０度と２度に振り分けた角度範囲で往復揺動させ、かつこの往復揺動に同期して、ロードセル１６で検出される荷重が歩行時に股関節に作用する荷重の変動パターンを模した変動パターンで変化するように回転工具軸を装着した刃物台のＸ軸位置を微少移動させる。この角度範囲及び荷重変化は、歩行時の股関節動作角度の範囲及び荷重変化を模したものである。なお、試料６と試験皿８は、共に人工骨として使用する材料で製作される。
【００３２】
上記の第１実施例は、主軸側に骨頭となる球体を備えた試料６を取り付け、回転工具軸に試験皿８を取り付けたものであるが、逆にすることもできる。この場合は、図６に例示したように、取付部１１で旋盤の主軸に取り付けたワーク軸側ホルダ１のテーブル１５に試験皿８を固定し、工具軸に取り付けた工具軸側ホルダ３に試料６を固定する。工具軸側ホルダ３は、第１実施例の延長軸７と同様な構造、すなわち、基端に回転工具軸に嵌着されるシャンクを備え、先端に試料の杆体６２を把持するコレットチャックを備えた構造である。ワーク軸側ホルダのテーブル１５は、主軸軸線方向のリニアガイド１３に案内され、かつロードセル１６を介してホルダベース１２に固定されている。第１実施例の高さ調整ねじ１７に相当する部材は、設けられていない。
【００３３】
この第２実施例の摩耗試験装置は、回転工具軸が旋盤のＸ軸、Ｙ軸に加えてＢ軸まわりに揺動可能な旋盤に装着して使用する。試験は、回転工具軸を停止した状態で行うので、回転工具軸の軸回りの揺動は不要である。前述した人口股関節の例であれば、この第２実施例のものでは、回転工具軸をＢ軸回りに４３度の角度範囲で往復揺動させ、この往復揺動に同期して回転工具軸を装着した刃物台のＺ及びＸ軸移動により試料６の球体６１と試験皿８の皿の中心相互が一致す位置関係を保持し、更に回転工具軸の上記往復揺動に同期して、主軸を１２度の角度範囲で往復揺動させ、かつこの往復揺動に同期して、ロードセル１６で検出される荷重が歩行時に股関節に作用する荷重の変動パターンを模した変動パターンで変化するように回転工具軸を装着した刃物台のＸ軸位置を微少移動させる。
【００３４】
以上説明したように、この発明の試験方法によれば、人体の動作及びその動作中に作用する負荷の変化を最も頻繁に行われる日常動作に準じた状態で変化させて摩耗試験を行うことができ、実際に人体に装着したときの人工関節の摩耗を高い精度で試験することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  ワーク軸側ホルダ
３  工具軸側ホルダ
４  液容器
６  試料
８  試験皿
１１  取付部
１３  ガイド
１５  テーブル
１６  センサ
１７  高さ調整具
２２  位置調整具
３１  シャフト
３２  受台
４３  密閉蓋
４５  円形開口
４６  液封パッキン
６１  球体
Ａ  ワーク軸
Ｂ  工具軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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