(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯の表面に接触して、流体を前記表面の付近に向けるための作動変換器の歯科用ツールであって、
前記歯の表面に接触するよう成形された遠位表面を有する作動チップであって、該作動チップの中心軸に沿って形成される流体通路を有する作動チップと、
前記作動チップを作動変換器に接続する作動変換器接続本体と、
前記作動チップの流体通路に接続され、前記作動チップの該流体通路の流体放出口から放出される流体の流れを提供する流体源とを備えるツールであって、
該流体放出口が遠位軸からずれて形成されるように該流体通路が該中心軸から心違いとなって形成されていることを特徴とする変換器作動の歯科用ツール。
【請求項２】
前記流体放出口が、前記チップの側面に形成されるように、前記チップ流体通路が、チップの縦方向の中心軸から角度を付けて心違いになる請求項１記載のツール。
【請求項３】
前記流体通路はほぼ３度より少ない角度で該チップの中心軸より角度をもって心違いとなっている請求項２に記載のツール。
【請求項４】
前記流体通路はほぼ２度より少ない角度で該チップの中心軸から角度をもって心違いとなっていて、該流体通路の出口は前記チップの遠位端から２ｍｍ〜８ｍｍに位置する請求項２に記載のツール。
【請求項５】
前記流体通路は、該チップの中心軸に関して線形に延在する請求項４に記載のツール。
【請求項６】
前記流体通路は、該チップの中心軸に関して湾曲して延在する請求項４に記載のツール。
【請求項７】
前記流体放出口は、その中心が該チップの遠位端からほぼ０．０１ｍｍからほぼ８ｍｍに位置する請求項１に記載のツール。
【請求項８】
前記流体放出口の中心軸が、前記チップの遠位端からほぼ５．５ｍｍからほぼ６．５ｍｍの間にある請求項７に記載のツール。
【請求項９】
前記作動変換器は、音波、超音波、流体、または空気で前記チップを作動させる請求項１に記載のツール。
【請求項１０】
前記作動変換器は圧電結晶である請求項１に記載のツール。
【請求項１１】
前記放出流体は塩水、水、または薬剤を含む溶液である請求項１に記載のツール。
【請求項１２】
前記チップはネジ、圧入、ハンダ付け、ロウ付けまたは溶接によって前記接続本体に接続する請求項１に記載のツール。
【請求項１３】
前記遠位チップ表面は、歯の表面に接触するよう成形された請求項１に記載のツール。
【請求項１４】
前記チップは、ステンレス鋼、炭素充填のポリカーボネート、またはグラファイト複合材料で形成される請求項１に記載のツール。
【請求項１５】
前記チップの形状は、歯科で一般的に使用できるように、遠位部が約６０から７０度の弧で中心線の軸から曲がる請求項１に記載のツール。
【請求項１６】
前記チップ形状は、１箇所以上の曲げ部を含み、前記口が前記チップの遠位端付近の曲げ半径の内側に存在する請求項１に記載のツール。
【請求項１７】
前記変換器は前記チップがチップの縦方向の中心線軸に対して垂直の実質的な屈曲動作を生成するように超音波で作動させ、前記流体口はチップの屈曲節点に近いが屈曲または縦方向のループ付近ではない位置にある請求項１に記載のツール。
【請求項１８】
前記ツールのチップは、円形、長方形、または不規則な断面を有する請求項１に記載のツール。
【請求項１９】
前記チップの流体放出口はツールの遠位端から約６ｍｍ以内の窪み面に配置される請求項１８に記載のツール。
【請求項２０】
該チップ流体通路の出口は該チップ軸から偏心し、該流体通路は該チップの中心軸と０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲でほぼ平行である請求項１に記載のツール。
【請求項２１】
該チップの遠位端はワークピースの表面に接触する形状であって、流体排出オリフィスは該ワークピース表面上に該流体を衝突させうるように位置する請求項２０に記載のツール。
【請求項２２】
電磁界を生成するコイルを含むハンドピースを備えた、おおむね軸方向に細長い円筒形構造の超音波作動の歯科用ツールのための挿入部材であって、
前記挿入部材は前記コイルに応答して縦方向の動作の高い周波数で振動し、
前記挿入部材は磁歪要素と、
前記高周波数の動作を前記超音波磁歪要素から軸方向に伝達する接続本体と、
前記接続本体に軸方向で取り付けられ、前記縦方向の動作を受けて、遠位表面が歯と接触するように成形され、該作動チップの中心軸に沿って形成される流体通路を有するチップとを備え、
該流体通路は、該流体放出口が遠位軸からずれて形成されるように、該中心軸から心違いとなって形成されていることを特徴とする前記挿入部材。
【請求項２３】
前記通路はほぼ３度より少ない角度で該チップの軸より角度をもって心違いとなっている請求項２２に記載の挿入部材。
【請求項２４】
前記チップの通路の出口は前記チップの遠位端からほぼ２ｍｍ〜８ｍｍに位置する請求項２３に記載の挿入部材。
【請求項２５】
前記チップの形状が前記歯の表面に適合し、前記流体口は流体の流れを前記歯の付近に向けるために前記曲げ部の凹面部に位置した上で曲げ半径をもっている請求項２４に記載の挿入部材。
【請求項２６】
流体通路は前記チップ軸から偏心で心違いであって、チップの中心軸にほぼ平行であるがチップからずれて形成される請求項２２に記載の挿入部材。
【請求項２７】
前記通路は前記軸から約０．１から０．５ｍｍだけずれている請求項２６に記載の挿入部材。
【請求項２８】
放出口から流れる流体が前記チップの接触する歯の表面に接触する際に所望のパターンを形成するように放出口が成形されている請求項２６に記載の挿入部材。
【請求項２９】
歯の表面に接触して、流体を前記表面付近に向けるための変換器作動の歯科用ツールのチップの製造方法であって、該製造方法は、
前記歯の表面に接触する遠位表面を形成するようにチップ本体を成形する工程と、
前記チップ本体内に該チップの中心軸に沿って流体通路を形成する工程とを備え、
前記流体通路は、該流体放出口が遠位軸からずれて形成されるように該流体通路が該中心軸から心違いとなって形成されていることを特徴とする変換器作動の歯科用ツールの製造方法。
【請求項３０】
ワークピースに接触するために所望の形状で円筒形の棒内の成形する工程は、前記流体口がワークピース付近にまたはワークピース上に流体の流れを向けるために窪み内に位置するように機械加工し、曲げる工程を含む請求項２９に記載の製造方法。
【請求項３１】
前記チップの流体通路を形成する工程は、
前記棒の遠位表面と反対側の前記棒の後部端が、旋盤の縦方向の中心軸と心違いになるように円筒棒を旋盤に固定する工程と、
前記通路が前記チップの遠位端から２ｍｍから８ｍｍの位置に流体放出口を形成するように前記棒を中ぐりする工程とを含む請求項２９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、ワークピース表面に接触し、流体をワークピースの付近に向ける変換器作動のツールに関する。特に、本発明は歯科用器具またはその挿入部材など、歯の表面に接触するための振動チップを含む、超音波作動のツールに関する。チップは、流体を歯またはチップの表面に向けるための導管または通路を含む。
多くの有用な歯科用器具は、清浄、歯石除去、および同様の施術のための器具のツール・チップに、実質的な振動動作を利用する。ツール・チップは、約０．０２から０．２ｍｍの屈曲動作を有する屈曲振動および縦振動を生成するよう設計される。チップは通常、高周波数で振動するよう誘導できる電気機械部品または部分に取り付けられる。器具は電子発生器によって、通常は２０ｋＨｚを上回るオーダーの比較的高い周波数で作動して、適切な動作を獲得し、さらに、人間の聴覚閾値は約１８ｋＨｚなので、不快な騒音を最小限に抑える。エネルギー発生器および関連の電気機械部は、電気力学式、圧電式、または磁歪式などの数タイプのいずれでもよい。チップおよびそれに関連した電気機械コンポーネントの設計は、幾つかのパラメータを組み合わせて駆動周波数で機械的共振（調和振動）を生成し、増幅した機械的動作、特に遠位チップ端における増幅した機械的動作を生成する。
振動チップ・ツールを利用する多くの施術においては、ワークピースの表面またはツールの表面、あるいはその両方を冷却するか、または作業により発生した残骸を除去するために、ワークピースの表面またはツールの表面、あるいはその両方に衝突する水またはその他の流体の供給源を有することが有用であり、往々にしてそれが必要である。たとえば、歯科用途では、清浄施術を実行するのに必要なように、超音波振動チップが歯の表面に接触すると、歯の表面に対して移動するチップが熱を発生する。施術者が、洗浄中に歯に弱い圧力をかけた場合でも、患者は激痛になり得る痛みを経験することがある。熱を除去し、痛みおよび熱によって生じ得る歯の損傷を最小限に抑えるため、通常は水またはその他の流体が歯の表面に供給される。さらに、振動チップにするのに使用する多数の電気機械装置は、施術中に内部に熱を発生する。
コイルを含むハンドピースが、ツール・チップを固定した磁歪式挿入部本体に電磁界を与える超音波歯科用ツールの例が、PerdreauxによってRe.30,536(Cavitron)に記載されている。Perdreauxの設計では、振動中にツール内の電気および機械的摩擦損失によって生じる熱は、動作中の磁歪式要素または送水管上を、ツールの挿入部に対して軸方向に流れ、挿入部とハンドピースとの間の環状空間から出てツールの作業端に向かう冷却用流体によって放散される。Cavitronは、挿入部本体によって発生した熱が流体を加熱し、これが次に、潅注、洗浄、冷却用の流体の便利な供給源となるよう、動作中のチップまたはワークピース領域に向かうような配置構成である。温かい流体は、低温に対して敏感な患者の反応を最小限に抑える。
多くの歯科施術では、振動チップは、施術者によって歯の表面の上およびその周囲に誘導される。チップは、歯間、あるいは歯肉または歯茎線より下に侵入できなければならない。通常、歯および歯肉間に適切にアクセスできるよう、チップは断面が小さくなければならず、遠位チップ端から約２．５〜５ｍｍ後部から先細りの断面を有してチップが尖っているのが理想的である。
さらに、歯の表面に一致するか、あるいはこれに適合するよう、チップを全体的に湾曲させるか、形作る。有用なチップは、隣接する表面間に侵入する必要があるか、口腔の歯肉より下の領域に到達する必要がある場合に、歯の前面に広がれるよう十分に湾曲する。
超音波で作動し潅注されたこのようなチップを使用するという経験から、チップが使用可能な大きさの振動動作の応力を支持できるほど強力なように、チップの形状および流体の供給システムとの組合せを選択しなければならないことが実証された。破損の焦点となるような微小な破面またはその他の弱点が、使用中にチップ材料に導入されないような形成プロセスでなければならない。
上述のPerdreauxのツールにおおむね類似した多くの振動ツールが、歯科医、医療、獣医およびその他の用途に現在使用されている。これらのツールは、ワークピース表面を冷却し、ワークピースからの残骸を除去する手段として、作業対象の表面付近または表面上に水または別の流体を向けるための様々なデザインを利用する。たとえば、幾つかの超音波作動のツールは、水およびその他の流体をワークピースまたはチップ付近またはその上に導くため、器具自体の外部に別個の流体導管を採用する。Kleesattelその他は、合衆国特許第3,076,904号において、ハンドピースの外部に延びる毛細管を利用し、これは作業対象の歯の表面に水を向けるため、チップの極めて近辺に延びる屈曲可能な金属製のノズルを有する。このような配置構成の問題は、毛細管がツール・チップの自由な使用を妨げるかもしれないことである。
幾つかの超音波ツール・チップは、チップのコンポーネントまたは本体の縦の中心軸に沿って中ぐりされた内部流体通路を含む。多くのこのようなチップでは、ワークピース上に流体を向けるため、流体放出口がツールの遠位端に形成される。このようなチップのデザインは、たとえばBalamuthその他により、米国特許第3,924,335号で、圧電結晶により振動する歯科ツールについて述べられている。このチップのデザインを利用する際の問題は、十分に強力なチップおよび十分な流体の流れを提供する通路を持たせるため、通常はチップを１ｍｍ以上のオーダーの比較的大口径にしなければならないことである。このようなチップは、多くの歯科用途には鈍すぎる。というのは、適切に先端を細くできないので、ツールが小さい歯間のスペースに侵入できず、歯茎下に使用すると、歯肉を損傷する可能性があるからである。
たとえばhayduの米国特許第3,488,851号およびRichmanの米国特許第3,589,012号で示されているように、歯科用チップ端として、チップの円筒壁の縦方向の側面部を除去して形成された流体放出口を含む内部中心軸の通路を有する多くのチップが提案されている。Bankoの米国特許第3,930,173号、Robinsonの米国特許第3,703,037号、およびWarrinの米国特許第5,125,837号では、遠位チップの残りの側壁が、中心軸の中ぐりから放出する水をワークピースに向けるのに役立つ溝を形成するよう、チップが切除される。
これらの切除デザインの問題は、残りの部分的に中空のチップ端がかなり脆弱な殻になり、破砕の危険なしには適切な振動動作を支持できない可能性があることである。また、チップの残りの作業面が小さくなると浸食速度が上がり、その結果、ツール・チップの有効寿命が、所望の寿命より短くなる。
チップの遠位端またはその付近から流体を放出するチップはすべて、高屈曲動作点またはその前でチップから放出し、この動作は往々にして、この点の流体が噴霧されるか、チップおよびワークピースの近辺に霧を形成する。このような噴霧または霧によって、流体がワークピース部分に到達せず、患者および施術者上を含め比較的広範囲に分配されることがある。
したがって、当技術分野で既知のチップに関する流体分配特性は、患者および施術者を不快にさせるばかりでなく、作業面を不明瞭にもする過剰な噴霧および霧を形成するので、おおむね不完全である。さらに、内部流体通路の放出口は、チップ表面を弱体化する傾向があり、特にチップの遠位端を弱体化させるので、破砕や過剰な磨耗によりチップが早期に破損する。チップの遠位端に軸方向の放出口を有するチップは、チップに必要となる金属量が非常に多くなるので、特に歯科用途において、制限された小さい表面に接触する場合に、所望の程度より有用性の低い比較的鈍いツールになる。
最新技術から、振動作動ツールに使用する新しいチップのデザインは、過剰な噴霧がなくワークピースに冷却／洗浄流体の適切な流れを提供でき、ツール・チップが破砕せずにチップの必要な屈曲動作に耐えられるよう、内部通路および出口を設けられることが望ましい。
発明の要約
本発明は、ワークピース表面に接触して流体を前記表面付近またはその上に向け、ワークピース表面に接触するよう成形された遠位表面を有する作動チップを備える変換器作動のツールを備える。チップはさらに、組み合わせて、おおむねチップの縦の中心軸に沿っているが、流体放出口が遠位チップ軸からずれて形成されるよう心違いになった、チップ内部の流体通路を含む。接続本体は、前記チップを作動用変換器に接続し、流体源がチップの流体通路に接続されて、チップの流体通路口から放出する流体の流れを提供する。チップの遠位端は、ワークピース表面に接触する湾曲表面を形成するよう成形、または曲げられ、チップの流体放出口は前記流体がワークピース表面に衝突するよう配置される。
好ましい実施例では、チップの流体通路は、口の中心軸が前記チップの遠位端から０．０１ｍｍから約８ｍｍに配置されるよう、流体放出口をチップの側面に形成するよう、チップの縦方向の中心軸から角度を付けて心違いになる。最も好ましい実施例では、チップが歯科用ツールのコンポーネントで、流体放出口がチップの遠位端から約５．５〜６．５ｍｍに配置される。チップは、用途に応じた湾曲形状を含み、最も好ましくは、遠位部が約６０〜７０度の円弧で中心線の軸から屈曲する、歯科施術に有用な自在の形状である。ツールは音波、超音波、流体または空気の手段によって作動させることができる。送られる流体は、そのツールを利用する特定の最終用途に有用ないかなる流体でもよく、通常は塩溶液、水、または薬剤を含む溶液である。
ツールは、歯科、医療および獣医の用途に特に有用である。ツールの好ましい用途は、洗浄、歯石除去などの歯科施術である。好ましいツールのチップは、超音波エネルギー発生器手段で作動する挿入部のコンポーネントである。好ましい超音波作動のツール挿入部は、磁歪要素と、前記磁歪要素に軸方向に接続される接続本体と、接続本体に軸方向に取り付けられるチップとを備え、前記チップは、通常は歯の表面であるワークピースに接触するよう成形された遠位表面を有する。組み合わせて、チップは、おおむねチップの中心軸沿いであるが、前記チップ内に形成される放出口が遠位チップ端の中心軸からずれるように前記軸と心違いであるチップ内部の流体通路を含む。好ましい挿入部では、口がチップの遠位端から２〜８ｍｍの範囲内に存在するように、通路の角度がチップ軸から約３度未満だけ心違いになる。挿入部は、歯の洗浄または歯石除去、およびその他の歯科手順に特に有用で、このような業務では、遠位端が通常約６０〜７０度の円弧で曲がる。
本発明は、円筒形の棒に通路を機械加工するか中ぐりするステップを含む方法を含み、これは棒の端の中心軸で開始し、棒の反対側の遠位端から２〜８ｍｍに通路が放出口を形成するよう、前記棒の中心軸から約３度未満の角度で続行する。流体通路および放出口を形成する好ましい方法は、放電加工による。
次に、例えば歯の表面のような所望のワークピース表面に接触するよう、中ぐりした円筒棒を所望のチップ形状に形成する。円筒棒は、オプションにより、先細りのチップまたは輪郭に形成してから、内部の流体通路のために穿孔、機械加工、中ぐりまたは錐もみすることができる。
チップの流体通路口は、チップの軸に対して偏心でもよく、ここで通路はチップの中心軸に対してほぼ平行であるが、０．１から０．１ｍｍだけ軸からずれて中ぐりされる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ハンドピースと組み合わせた歯科用ツール挿入部のコンポーネントとしての、本発明の超音波作動のツール・チップの断面図である。
図２は、電気／流体供給用接続部を取り外したハンドピースのコンポーネントの端面図である。
図３は、角度がずれた流体通路を有する本発明のチップの拡大断面図である。
図４は、特定の好ましい歯科用途のために形成された、図３に類似したチップの立面図である。
図５は、別の好ましい歯科用途のために成形された、図３の別の実施例である。
図６は、本発明の図５の改造した実施例である。
図７は、偏心の流体通路を有する本発明のチップの拡大断面図である。
図８は、流体放出口を示す図７のチップの遠位端の端面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明は概して、ワークピースの表面に接触して、流体をワークピース上に向けるための変換器作動のツールである。本発明の主要な要素は、ワークピースの表面に接触するよう成形された遠位表面を有する作動チップである。さらにチップは、チップの縦の中心軸にほぼ沿っているが、流体放出口が遠位チップ軸からずれて形成されるように心違いで延びるチップ内部の流体通路を含む。接続本体は、チップを作動用変換器に接続し、流体源はツールに接続されて、流体を通路口から放出するように、流体通路を通して流体の流れを提供する。
本発明の作動チップの重要な利点は、チップの遠位端に対する流体通路とその放出口の配置構成との関係が、チップの最大動作点という非常に有用な部分で構造の金属または材料を除去することにより、チップの遠位部分を弱体化させることがない配置構成であることである。第２に、本発明の配置構成の流体放出口が、屈曲動作の節点またはその付近に配置され、屈曲ループの付近ではないので、口で生成される噴霧または霧が最小限になる。
図面を参照すると、図１および２は、チップが歯科用途の超音波作動のツール１０のコンポーネントであり、ハンドピース１２と組み合わせた歯科ツール挿入部１１を備える、本発明の好ましい実施例を示す。
本発明のツールの全体的な構成は当技術分野で周知であり、Re.30,536でPerdreauxが述べた超音波装置に類似している。ツール挿入部１１は、本発明の重要な要素であり以下で詳述するツール・チップ２０と、磁歪要素１４とを含み、両者が接続本体１５によって結合される。接続本体１５の一部は、接続本体がチップに自由にエネルギーを伝達するよう、接続本体１５の一部を囲むよう形成されたスリーブ１６で囲まれる。さらに、スリーブは、流体がチップ２０に流れることができる環状通路１７を形成する。スリーブ１６の端部は断面積が小さくなるので、筐体１２に取外し可能な状態で挿入することができる。Ｏリング１８は、スリーブ内に切られた溝に嵌め込まれ、両者の間でこれを保持する摩擦嵌合を提供する。この部分の内部背面１９は座ぐりが施され、これによって接続本体付近の流体の流れが容易になる。スリーブの遠位端において、その内腔にＯリング２１付きの溝が嵌め込まれ、これと接続本体１５との組合せにより、組み立てたスリーブと接続本体とから流体が流れないよう密封する。
接続本体１５は、磁歪導管１４から作業ツール・チップ２０へエネルギーを伝達する音響インピーダンス変換器として作用する。当技術分野で周知のように、接続本体１５はその縦方向の長さに沿って断面が変化し、それが機械的振動の振幅を変化させ、その最終目的は、ワークピース上で仕事を実施するために有用な作業チップで、所望の振幅拡大を得ることである。これらの原理は米国特許第3,930,173号でBankoによって十分に述べられ、これを参照によって本明細書に組み込む。Bankoが述べたように、接続本体の様々な部分の断面、したがって質量は、縦振動のループおよび節点を適切に配置するよう設計される。本明細書で述べるように、節点とは縦振動の振幅がゼロで接続本体の内部応力が最大になる場所であり、一方ループは、縦方向の動作が最大で応力が最低の点である。したがって、支持し密封するＯリングおよび同様の部品を、節点に配置することが望ましい。
接続本体１５は、その軸上に節点に隣接してロウ付けまたは機械加工されて、スリーブの内面に切られた対応する溝２３に緩やかに嵌め込まれるようなサイズのリング２２を含む。リング２２は、その外周に１本のキー（図示せず）を含み、これは、中ぐりの内面に縦方向に切られ、互いから１８０°離れて溝２３の半径または高さを中心とする１本または２本の半円形バイパス（図示せず）に嵌め込まれる。キーは、組立後にキーの保持器として作用する一方のバイパス内に保持され、他方のバイパスは、リング周辺の流体の流路を提供する。
ロウ付けまたは他の方法で接続本体１５に堅固に取り付けるのは、磁歪振動子または導管１４で、これはパーマニッケル（permanickel）、ニッケル、または引っ張り強さが大きく磁歪特性が強いその他の合金で形成するのが好ましい。
筐体またはハンドピース１２は、磁歪導管１４を通して挿入部１１に縦方向の動作を励起する磁界を発生するコイル・ユニット２４を含む。コイル・ユニットは、交流電源に接続された駆動コイル２５を含む。駆動コイル２５は保持フランジ２６、２７間に二重コイルで巻き付けられ、ハンドピース１２内に電磁界を設ける。ハンドピースおよび電磁界内の挿入部によって発生する電圧を記録するために、細線ワイヤの帰還コイル２８が設けられる。帰還コイルは、フランジ２９、３０間の５層の線の巻線で、図２に示す接地端子３１および端子３２に接続される。帰還コイルより重いワイヤのバッキング・コイル３４は、帰還コイルの上に１層で巻き付け、駆動コイルと帰還コイル間の誘導結合を最小限に抑えるよう設計する。
バッキング・コイルと駆動コイルとは、１本の連続するワイヤで端子３１、３３間を接続する。駆動コイルを端子３３に取り付けて、たとえば右手巻を用いて、フランジ２６からフランジ２７へ、およびその反対に巻き付ける。次に、ワイヤの端部を端子３１に接続する。バッキング・コイルと駆動コイルとは、直列に配線し、反対方向に巻き付け、したがって電磁的に位相が１８０°ずれる。バッキング・コイルを、帰還コイルから電気的に絶縁する。
電力および流体は、ハンドピースに接続するプラグ取付部を含むケーブル３５によって器具に供給する。電源は、図２に示すハンドピースのレセプタクル端子に合う電気３ピン接続部３７（１本だけ図示）を通して接続する。端子３２、３３に接続したピン接続部は、、コイルに電力を提供し、接地端子３１に接続したピンが共通の地面として作用する間に帰還値を記録する。ケーブル３５は、流体導体３８と、ハンドピースの本体に取り付けるための接続部取付部品３９も含む。導体は、最初は磁歪要素１４に接続する通路４０を通して流体をハンドピースへ、そして最終的にはツール・チップ２０へ供給し、冷却する。
接続本体１５の遠位端において、接続本体に座ぐりを施し、流体がチップ２０に流れるための中心軸縦通路４１を形成する。流体通路の中ぐりの内部終点における接続本体１５の半径方向中ぐり４２は、中央の通路４１をスリーブ１６の内部と接続し、磁歪要素の周囲から流れる流体（図面に小さい矢印で示す）を集める。半径方向中ぐり４２は、Ｏリング・ガスケット２１の内側に配置されるので、ハンドピース内部からの流体の流れは、接続本体を出て中心通路４１からの流れだけである。
チップ２０は、超音波作動のツールの作動部分で、ワークピースの表面を接触させる遠位チップ部分４３と、接続本体１５に固定されたシャンク部分４４とを含む。接続本体は、ロウ付け、嵌め合いネジまたは同様の手段で固定できるチップのシャンク４４を受けるため、座ぐりを含む。チップの要素または本体の内部に形成され、以下で詳述する流体通路４５は、チップの内壁または側壁を通って出て、流体放出口４６を提供する。
図３および４を参照すると、本発明の好ましい実施例５０、６０が図示してある。図３は、ワークピースの表面に接触するための成形の前の、ツール・チップ５０の断面立面図である。概して、直線のツール形状にも用途があり、本発明の範囲内であるが、本発明のツール・チップ５０は、図４に示すような形状を有するツール・チップ６０に屈曲することにより、さらに形成し、図４の形状は、このツールを利用する特定の用途に有用である。図３を参照すると、ツールは、接触すべきワークピース表面に適合するよう特別に先を細くして成形した遠位チップ端５１を含む。チップはさらに、図１に関して上述したように、接続本体１５の座ぐりによって受けられる縮小端を含むシャンク５２も含む。流体通路５３は、チップの本体を通して中ぐりされ、流体放出口５７がチップ本体の側壁に形成され、チップの遠位端５８から選択した距離に配置されるよう、チップ本体の縦方向中心軸５６からの角度をつけて心違い５４になる。本発明の重要な要素は、通路放出口５７の中心軸の位置と遠位チップ端５８との間の関係である。
流体通路５３の中ぐりは、シャンク５２の中心軸５６から開始し、流体放出口が好ましくはチップ端５８から約２〜８ｍｍずれるように、チップ中心軸に対して角度のある心違いになり、これは３°未満であることが好ましい。その結果、チップの端部５１は比類なく著しく強力で、容易に先を細くして、有用な細いポイントに成形することができる。さらに、放出口５７の位置は、比較的低動作の振動節点の付近になるよう配置され、噴霧および霧の形成を最小限に抑える。
流体放出口５７の正確な位置、したがって通路５３の中ぐりに利用した角度の心違い５４は、所望のチップの最終的形状および屈曲動作によって決定される。
図４〜６に示すように、チップの形状が図３の直線状の輪郭からずれる場合は、挿入部の縦振動に曲げ力が導入される。この曲げ力は、下記のように、チップの曲管または成形端５８に、曲管チップの軸に対してほぼ直角に屈曲性の共振を発生する。
屈曲共振では、本発明のチップ挿入部のような棒状の金属片は、前後の曲げによって振動する。その振動速度、つまり周波数は、物理的特性によって決まる。振動の最低周波数は、棒の全長が０．５波長の長さになる周波数である。棒は、その中点、つまり節点を中心に前後に曲がり、端は動作軸に対して直角に動く。節には動きがないが、端には最大動作のループが存在する。屈曲振動の最低周波数は、棒の長さが０．５波長の場合、基本周波数と呼ばれる。接続本体に関して上述したように、このような振動棒の端において、動作が最大の場合に、棒の金属中の応力はゼロになり、一方、節では動作がゼロで、応力は最大になる。このような応力のために、最大動作または歪みは、棒の材質の最終的な疲労強度によって制限される。
棒は、「調和周波数」つまり基本周波数の整数倍でも振動する。そこで、倍振動の数と同数の節（屈曲動作ゼロの点）がある。たとえば、５番目の倍振動（基本周波数の５倍）では５個の節点と６個のループがある。
棒の断面、材料、および形状が均一であれば、節点およびループの位置も均一で、長さに沿って分布する。断面および材料が棒の長さに沿って変化して、変化する質量軸を構成する場合は、ループおよび節点の分布が変化し、これは一般に断面積の寸法と逆の割合になる。
「質量軸」、つまり棒の物理的長さに沿った質量分布の中心が直線であると、縦振動が励起されても、屈曲は生じない。
本発明の挿入部１１では、材料および断面がその縦方向に長さに沿って、形状も面積も変化する。これらの違いは、縦でも屈曲でも共振を妨げるものではなく、節およびループの位置および振幅に影響を及ぼす。歯の穴や表面などの特定のワークピースに接触するように有用な形状にチップを曲げるか、あるいは成形すると、チップの遠位端またはその付近で質量の変位が発生する。この変位により、チップ内に挿入部の周波数の屈曲振動が発生する。チップは、屈曲動作振動に必要な振幅を与え、歯の様々な領域に有用なアクセスが可能なように成形される。
屈曲モードの振動は、チップの端から挿入部の反対側の端まで、ループおよび節点を生成する。しかし、挿入部の断面積または質量軸は、チップからの距離が増大するにつれ大幅に増加するので、ループにおける屈曲振動の大きさは、チップで生成された大きさの数分の位置に減少する。上述した従来のチップでは、挿入部およびワークピース領域を冷却するためのチップの流体流は、振動するチップ上をチップの遠位作業端部に向かって流れるので、流体は、挿入部の端にある屈曲振動のループを通過しなければならない。多くの従来のチップでは、積極的な作業性を提供するため、チップ付近のループにおける動作は比較的大きく、流体は即座に霧、噴霧、またはエアゾールとしてチップから出るので、流体はそれを必要とするチップに到達しない。
図４の好ましいチップ６０は、通路が、第１の振動節点またはその極めて近くで流体放出口６２として成形チップから現れるよう、内部流体通路６１を、図３に示すようにチップ本体の縦方向の中心軸から角度のある心違いでチップを通すことにより、この問題を克服している。図４のチップのデザインは、２５ｋＨｚおよび３０ｋＨｚではチップから約４〜５ｍｍに第１の節点を生成する。第２のループは、チップ端６３のループの後、チップ端６３から８〜９ｍｍの間に発生し、ここの屈曲動作は依然として十分に大きいので、チップに向かって流れる流体は完全に霧になる。
最も好ましいチップの流体通路は、チップ端６３から約５．５〜６．５ｍｍの間でチップ壁から突き出すように、角度のある心違いになる。
放出口５２から出る流体は、振動動作が霧または噴霧を生成しないレベルまで低下した点で供給される。放出されると、流体はその速度により、基本的にチップの凹面に沿って、チップの遠位端６３まで運ばれる。ここで、動作は再び最大になる。噴霧は発生するが、噴霧は作業面にあり、歯の表面を適切に洗浄し、冷却する。
上述したように、図４のチップ６０は本発明の好ましい実施例で、洗浄、歯石除去、および汎用ツールとして使用するため、歯科領域で全体的に有用であり、屈曲動作は好ましく、磨耗品質は良好で、噴霧の干渉は最小である。図４に示したチップ６０の形状は、１回曲げによって作成する。チップは約６０〜７０度の円弧で曲げ、通常はこれを通路の中ぐりの後に行う。したがって、曲げによってチップを通る流体の流れを制限しないのが確実なよう、注意しなければならない。チップの正確な形状は、ツールを使用するワークピース表面によって決まる。
図５および６は、本発明のチップの他の実施例７０、８０を示し、これも歯科用途に有用で、図４のチップ６０と異なる形状を有する。図５〜６では、３つの曲げ半径が明白で、これはチップの形状を決定するために用いられる。図６では、チップ８０の遠位端８１をさらに曲げ、チップの一部を除去して、流体が特定の方法でワークピースに流れるのを補助し、その方向を決定するための溝８２を形成する。
歯科用器具などの分野では、利用される特定の形状および正確な口の放出の構成が、ワークピースまたは実施すべき施術の関数であることが認識されている。最も有用または最適の形状は、当業者が経験で決定することが多い。本発明の重要な要素は、口を遠位端から十分離れた位置に配置し、なおかつチップおよびワークピースに流体を向けるのに十分近いよう、作業チップの遠位端と放出口の位置との間の関係を確立したことである。放出口の位置は、機械加工後に有効寸法として残るチップ本体に強度があるような位置でなければならない。第２に、流体の流れが、ツールの有効な働きを妨害する過剰な噴霧および霧を生成しないよう、口を配置しなければならない。
本発明の別の実施例を、図７および８に示す。図７に示すチップ９０では、流体通路９１がチップ本体の中心軸９２に対してほぼ平行であるが、そこから選択した寸法だけわずかに平行または偏心の心違い９３で、本体中に穿孔される。流体放出口９４は、図８に示すようにチップの中心軸９２に対して偏心である。図７に示すように、チップの端部９５は、放出口の位置を所望に従って調節できるよう、この場合はチップ端からずれるよう機械加工される。大抵のツール・チップの場合と同様、図７の実施例を利用するチップ９０は、所望の屈曲動作を伝達し、所望のワークピースの形状に適合するため、湾曲した形状に成形される可能性が最も高い。図７の実施例は、チップの凸側に屈曲強度および耐磨耗性のために、より多くの金属を保持するという長所を維持し、図４〜６に示すように、いかなる構成にも曲げることができる。
図１を参照すると、作業中は、上述したコイル・ユニット２４に与えられる交流電流が、磁歪導管１４を囲むハンドピース部１２に交流磁界を生成する。電磁界は、振動で磁歪導管１４を励起し、接続本体１５およびそれに接続するチップ２０に、超音波周波数で縦方向の動作を伝達する。前述したように、縦方向の動作により、チップ２０の遠位端４３は屈曲振動して、たとえば歯の洗浄などの、ワークピース上で仕事を実施するのに有用な動作を生じる。同時に、冷却／潅注の流れが、磁歪導管を含むハンドピース区画に流入して導管を冷却し、それを通過してスリーブ１６と接続本体１５との間の環状空間に入る。流体は、接続本体の放出通路を出て、チップの通路４５に流入し、放出口４６からワークピース表面へと放出されて、冷却および洗浄、または使用流体および作業対象のワークピースの特性に応じたその他の所望の効果を提供する。
本発明から、ツールを縦方向に作動させる装置の性質は限定されないことが明白である。ツールは、上述したような電磁歪要素または圧電結晶、または空気や水による作動などのその他の手段によって電子的に作動することができる。本発明の好ましい実施例は、洗浄や歯石除去など、歯科施術用のツールへの使用に焦点を当てているが、この器具には、チップおよびワークピースの表面を洗浄する流体を供給するのと同時に振動動作でワークピース表面に作用するのが望ましい場合は常に、幅広い使用例および用途があることが意図される。チップの正確な寸法は、チップを利用する作業によって決まる。チップ端の先を細くして、狭い裂け目や歯間の領域にぴったり入るのに十分なほど小さい直径にするよう、典型的なチップのシャンク直径は、特定の歯科用途の場合、０．０６５インチ(1.65mm）である。流体の放出口の正確な位置は、作業の周波数や使用する変換器など、多くの要因によって決まる。
ワークピースに噴射される流体の性質は、ワークピースで実施する作業によって異なる。歯科の洗浄環境では、冷却し残骸を除去するのに水が有用な流体である。別の使用例では、塩水、滅菌水または特定の目的を達成するために選択されたなんらかの薬剤を含む溶液を使用することが好ましい。
チップ内に穿孔される通路の性質は、重要ではない。従来、これは直線の中ぐりである。しかし、中ぐりが湾曲しても、それは本発明の範囲内である。本発明の核心は、屈曲強さのためにチップ端に残る材料または金属の量を最大限にし、しかも噴霧が最小限になるようチップに対して口を配置するよう、放出口を確立することである。
チップは、与えられる縦方向および屈曲応力に対して十分な強度を有するいかなる材料でも形成することができる。通常は高力鋼を使用するが、高機能性ポリマーかその他の材料で形成することができる。それは、たとえば炭素充填ポリカーボネート、グラファイト合成物、または作業の動作応力および磨耗に対応するのに十分な硬度と弾性とを有するその他の材料である。
本発明のツール・チップは、断面が円筒形で比較的小さい直径へと先端が細くなるよう描かれていることが分かる。当業者には、ツールが他の構成および断面を有することができ、このようなツールも本発明の範囲内であることは周知である。その結果できるツール・チップが長方形でも、不規則な形状でも、その他の断面形状でも、あるいは作業チップの先端が先細り以外の構成を含んでも、放出出口は、屈曲動作が最小で出口がチップ内に破壊応力を生成する可能性が最も低い屈曲節点か、またはその直前で、チップの終端に位置するのが好ましい。本発明はまた、動作が最大で過剰な噴霧を生成する傾向がある調和ループから、距離をあけて配置しなければならない。本発明のこの好ましい実施例の場合、このようなループは通常、チップ端から７．９ｍｍである。
チップの形状の特定の特性、つまり曲げ半径、曲げ弧の長さ、曲げより先の部分の長さ、チップの先細りおよびチップを形成する材料はすべて、屈曲したチップの性能特性に寄与する。チップのデザイン、特に図４のチップのデザインはおおむね、上述した要因を利用して、挿入部によって生じた縦振動の動作について、２倍から５倍の利得または増幅を提供する。
本発明のチップは、幾つかのフライス加工技術によって製作することができる。好ましい方法では、まず円筒形の棒を、仕上げ加工したチップの直径よりわずかに大きい直径まで引き抜き加工して、チップ本体を形成しなければならない。選択される材料は、耐腐蝕性で、引き張り強さが高く、剪断強さが高く、疲れ限度が高く、靱性が良好で、機械加工で曲げるか、成形、あるいはその両方ができるものである。棒をフライス加工して、ほぼ最終的形状にしてから成形し、曲げる。流体通路は、ドリル穿孔および中ぐりを含む幾つかの技術によって、チップ本体内に形成する。通常、通路を形成した後、チップを機械加工し、その有用な最終形状に形成するか、曲げる。
好ましい中ぐり方法は、放電加工（EDM）によるものである。これは、通路をある角度に向けて、既存の曲げ部または意図した曲げ部の凸側で、好ましくはチップの端から５〜８ｍｍでチップ棒の壁面から出ることを確実にするプロセスである。ＥＤＭでは、ワークピースと成形した電極との間に流れる誘電液の薄膜を通して迅速に反復的な火花放電を生成する直流によって、所望の直径の通路を形成する。イリノイ州Glendale HeightsにあるMitsui Machine Technology,Inc.のJapax EDM Products Divisionが製造したEDMシステムのモデルNo.SP-1Mを使用して、本発明のチップのための直径０．０２２インチ（0.56mm)の流体通路を形成した。
あるいは、心違いにできる心押し台を装備した旋盤を使用して、チップ本体または円筒の内部に通路を中ぐりする。心違いは、たとえばチップ本体の円筒の中心線から１〜１．６度の角度を出すのに十分なだけ調整する。これは、円筒の端で０．４〜０．６ｍｍの心違い距離と同等である。通路をドリル穿孔し、旋盤の心違い心押し台を心出し位置に戻して、旋盤の回りセンタまたは従動センタと心合わせする。次に、たとえば半加工品を機械加工し、テーパをかけて最終設計の寸法にする。その結果できるチップの半加工品は、内部流体通路が半加工品の大端を中心とし、チップの小端からずれているが、その付近にある円筒壁に存在する。このプロセスで、断面が均一で、振動応力が最大になり、強度のために設計パラメータ内の最大の肉を必要とするチップの端付近で先細りになる半加工品が製造される。この方法で最大強度が達成されるのは、機械加工したチップ半加工品が、引き抜き加工中に縦方向の軸に沿って形成された最大強度の方向と同心円を維持しているからである。その結果できるチップは、流体の出口がチップの端から２〜８ｍｍにある。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図６】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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