(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子と、この超音波振動子から出力される超音波振動を収束して出力するホーン部と、このホーン部と前記超音波振動子とを収納したハンドピース組立体と、このハンドピース組立体に装着されるワックス加工用の超音波工具と、前記超音波振動子に定電力の励振信号を出力する発振器とを備え、前記超音波工具は、一又は二以上の前記超音波振動の節が先端以外の露出面に生じるような長さに形成された、超音波加工装置。
【請求項２】
前記発振器は、前記定電力の値を外部から任意に変えられる定電力可変機能を備えた、請求項１記載の超音波加工装置。
【請求項３】
前記発振器は、前記定電力の値を外部から極めて大きく変えられる急速加熱機能を備えた、請求項１記載の超音波加工装置。
【請求項４】
前記発振器は、前記励振信号を出力し始める際に、前記定電力の値を緩やかに増加させるスロースタート機能を備えた、請求項１記載の超音波加工装置。
【請求項５】
前記発振器は、前記超音波工具の保熱用の前記定電力を供給する保熱機能を備えた、請求項１記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯科医療の分野で用いられる超音波加工装置に関し、詳しくは、所定周波数の超音波を出力するホーン部を収納したハンドピース組立体と、このハンドピース組立体に装着されて使用される所定長さの超音波工具とを備えた超音波加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯科診療における補綴物（クラウン、ブリッジ、金属床、クラスプ等）や保存修復物（インレー等）の作製に際しては、各種ワックスを用いて模型上でワックスパターンを形成することが、従来より一般に行われている。
【０００３】
この場合、ワックスの溶解温度は通常３５℃〜９０℃のものが使用されており、その溶解に際しては、ガスバーナで加熱したワックスアップ用インスツルメント、又は電気ゴテを用いる、という手法が採用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例にあって、ガスバーナによる加熱では、作業室内の換気が悪くなり、狭い部屋では長時間の継続作業ができないという不都合が生じている。また、長期にわたっては、室内の各所に微細な汚染物質が堆積するという不都合があった。
【０００５】
さらに、上述した電気ゴテを用いる方法にあっては、工具（ツール）の加熱に所定の時間を要し、一方、溶融したワックスは粘性が低いことから工具（ツール）上でのワックスの保持量は少ない。このため、ワックスの溶解とパターン形成とを同一箇所で同時に実行しなければならないという煩わしさが常に生じ、作業性が悪いという不都合があった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、特に固形ワックスを工具により直接溶解するとともに、溶けたワックスをこの工具上で比較的多量に安定して保持し、これによって模型上でのワックスパターンの形成作業の能率向上及び作業環境の改善を図った超音波加工装置を提供することを、その目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超音波加工装置は、超音波振動子と、この超音波振動子から出力される超音波振動を収束して出力するホーン部と、このホーン部と前記超音波振動子とを収納したハンドピース組立体と、このハンドピース組立体に装着されるワックス加工用の超音波工具と、前記超音波振動子に定電力の励振信号を出力する発振器とを備え、前記超音波工具は、一又は二以上の前記超音波振動の節が先端以外の露出面に生じるような長さに形成されたものである。また、前記発振器は、前記定電力の値を外部から任意に変えられる定電力可変機能、前記定電力の値を外部から極めて大きく変えられる急速加熱機能、前記励振信号を出力し始める際に前記定電力の値を緩やかに増加させるスロースタート機能、前記超音波工具の保熱用の前記定電力を供給する保熱機能等を備えている。
【０００８】
まず、装置全体を稼働状態に設定し、固形ワックスに対してワックス加工用の超音波工具（以下、「ツール」という。）を軽く押しつける。これにより、ツールの振動によって固形ワックスの接触面がたたかれ、固形ワックスの接触部が加熱溶融してツールに付着する。
【０００９】
溶融したワックスは、ツールの振動変位の少ない箇所である節に集まり、ツール上の一又は二以上の箇所で保持される。この場合、ツール自身も超音波に対する応力によりその振動の節が発熱してワックスの溶融状態を維持する。ツール上の溶融ワックスは、ツールの先端を下向きにしても、振動の腹からの振動変位に起因した押し上げ作用によって、落下せずにツール上の振動の節に保持される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る超音波加工装置の一実施形態を示す、一部を切り欠いた外観図である。図２は図１におけるホーン部を示し、図２（Ａ）は正面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の右側面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００１１】
超音波加工装置１０は、所定周波数の超音波を出力するハンドピース組立体１と、ハンドピース組立体１へ定電力の励振信号を出力する発振器１２とから構成されている。
【００１２】
発振器１２は、筐体１４と、筐体１４内に納められた後述する電子回路とから構成されている。筐体１４には、電源スイッチ１４１、定電力可変用のロータリスイッチ１４２、急速加熱用のスイッチ１４３、励振信号出力用の雌型コネクタ１４４、AC100V電源用のプラグ１４５、フットスイッチ１４６等が付設されている。
【００１３】
ハンドピース組立体１は、超音波振動子２と、超音波振動子２から出力される超音波振動を収束して出力するホーン部３と、超音波振動子２及びホーン部３を収納するケース部４とを備えている。本実施形態における超音波振動子２は、縦波超音波を出力するものが使用されている。
【００１４】
ホーン部３は、円柱状のものが使用され、中心軸上で前述した超音波振動子２に両ねじをもって螺合され一体化されている。ホーン部３には、フランジ部３Ａが形成されている。フランジ部３Ａを介してホーン部３がケース部４に装着されている。ホーン部３の先端には、ツール固定ネジ３Ｂが装着されている。超音波振動子用の信号線３Ｃは、雄型コネクタ１４７を介して、雌型コネクタ１４４に接続される。
【００１５】
ホーン部３の右端には、所定長さのワックス加工用のツール５が着脱自在に装着されている。ツール５は、先端以外の露出面に少なくとも一つの超音波振動の節が生ずるように、その長さが特定されている。また、ツール５は、縦振動に共振する形態のものが使用されている。
【００１６】
一般に、ツールには、印加される超音波が縦振動であっても縦振動と横振動とが同時に発生する。通常の超音波加工では縦振動が使用されることから、横振動は極力発生しないようにツールの形状が決定される。この縦振動と横振動の発生については、一般にツールの断面積が小さいほど（ツールが細くて長いほど）横振動が顕著に現れる。後述する図５に開示したツール５は、この横振動の発生を抑制した形状のものが使用されている。
【００１７】
図３は、図１における発振器１２の構成を示す回路図である。以下、図１及び図３に基づき説明する。ただし、図３において図１と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
発振器１２は、AC100Vを整流平滑する整流平滑回路２０と、整流平滑回路２０から出力された直流電圧から直流定電力を得る定電力回路２２と、定電力回路２２に付勢されて作動するドライブ回路２５と、ドライブ回路２５によって交互にオン／オフ駆動されるスイッチングトランジスタ２７，２８と、スイッチングトランジスタ２７，２８により形成される所定周波数の励振信号を超音波振動子２に印加するコンデンサ３０、出力トランス３２及びチョークコイル３４とを備えている。また、本実施形態では、超音波振動子２の共振周波数を自動追尾するための、周波数追尾用回路３６及びフィードバック回路３８が付設されている。
【００１９】
定電力回路２２は、出力電流Ｉｏを検出する電流検出部２４と、出力電流Ｉｏに対して常に一定の出力電力Ｐｏ（＝Ｉｏ×Ｖｏ）となるように出力電圧Ｖｏを調整する電圧調整部２６とに、構成上分けられる。
【００２０】
電圧調整部２６は、基準電圧発生用の定電圧ダイオード２６１、大電流出力用の制御トランジスタ２６２、制御トランジスタ２６２のベース電圧制御用の増幅トランジスタ２６３、増幅トランジスタ２６３のベース電圧制御用の可変抵抗器２６４、電流制限用の抵抗器２６５，２６６、電圧平滑化用のコンデンサ２６７等からなり、一般的な電圧安定化回路と類似した構成である。
【００２１】
電流検出部２４は、抵抗器ｒ１〜ｒ６，２４１，２４２、ロータリスイッチ１４２、フットスイッチ１４６、急速加熱用のスイッチ１４３、コンデンサ２４４等によって構成されている。抵抗器ｒ１〜ｒ６，２４１，２４２、ロータリスイッチ１４２、フットスイッチ１４６及びスイッチ１４３は、スイッチングトランジスタ２８のエミッタに接続するラインＬ１とアースのラインＬ２との間に設けられている。コンデンサ２４４は、制御トランジスタ２６２のエミッタに接続するラインＬ３とラインＬ２との間に設けられている。抵抗器ｒ１〜ｒ６，２４１，２４２の各抵抗値は、例えば抵抗器２４２＞抵抗器ｒ１＞抵抗器ｒ２＞抵抗器ｒ３＞抵抗器ｒ４＞抵抗器ｒ５＞抵抗器ｒ６＞抵抗器２４１となっている。
【００２２】
次に、発振器１２の動作を説明する。
【００２３】
まず、電源スイッチ１４１を閉にすると、整流平滑回路２０の出力電圧からなるベース電圧が抵抗器２６６を介して制御トランジスタ２６２に印加され、制御トランジスタ２６２がオンとなる。すると、定電圧ダイオード２６１に抵抗器２６５を介して電流が流れるとともに、可変抵抗器２６４を介して増幅トランジスタ２６３にベース電圧が印加され増幅トランジスタ２６３がオンとなる。これにより、電圧調整部２６から出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏが得られることになる。
【００２４】
このとき、ロータリスイッチ１４２で抵抗器ｒ１を選んで接続し、フットスイッチ１４６を閉にしたとする。すると、出力電流Ｉｏは、電流検出部２４において抵抗器ｒ１及び抵抗器２４２を通って流れる。ここで、電流検出部２４における電圧降下すなわちコンデンサ２６７の両端での電圧を電圧降下Ｖ1 とすると、出力電流Ｉｏが増えれば電圧降下Ｖ1 も増え、出力電流Ｉｏが減れば電圧降下Ｖ1 も減る。電圧降下Ｖ1 が増えると、増幅トランジスタ２６３のベース電圧が上がり、これにより抵抗器２６６での電圧降下が増え、制御トランジスタ２６２の出力電圧Ｖ0 が下がる。逆に、電圧降下Ｖ1 が減ると、増幅トランジスタ２６３のベース電圧が減り、これにより抵抗器２６６での電圧降下が減り、制御トランジスタ２６２の出力電圧Ｖ0 が上がる。これらの関係は、図４〔イ〕、〔ロ〕のように示される。そして、図４〔ハ〕に示すように出力電力Ｐ0 （＝Ｖｏ×Ｉｏ）が一定となるように、例えば、可変抵抗器２６４の抵抗値が調整され、定電圧ダイオード２６１の降伏電圧が設定されている。
【００２５】
ところで、ツール５の形状・材質等が変わると、超音波振動子２側の入力インピーダンスも変化する。仮に発振器１２が定電圧出力を行うものであれば、ツール５を他のものに取り替えると、ツール５側に供給される電力が大きくなったり小さくなったりする。ツール５側に供給される電力が大きくなると、ワックスが霧化しやすくなるので、ワックスをツール５上に保持できなくなる。ツール５側に供給される電力が小さくなると、ワックスが溶融しにくくなるので、やはりワックスをツール５上に保持できなくなる。また、ツール５の加熱状態によっても超音波振動子２側の入力インピーダンスが変化するので、経時変化により同様の問題が生ずる。しかし、発振器１２は定電力出力を行うものである。したがって、どのようなツール５に取り替えても、又は加熱状態がどのように変化しても、ツール５側に供給される電力は常に一定となるので、このような問題は生じない。
【００２６】
発振器１２は、出力電力Ｐ0 を外部から任意に変えられる定電力可変機能と、出力電力Ｐ0 を外部から極めて大きく変えられる急速加熱機能と、励振信号を出力し始める際に出力電力Ｐ0 を緩やかに増加させるスロースタート機能と、ツール５の保熱用の出力電力Ｐ0 を供給する保熱機能とを備えている。
【００２７】
ロータリスイッチ１４２で抵抗器ｒ１〜ｒ６のいずれかを選択することによって、出力電力Ｐ0 を外部から任意に変えられる（定電力可変機能）。このとき、抵抗器ｒ１〜ｒ６のうち抵抗値の小さいものを選択するほど、同じ出力電流Ｉｏに対して電圧降下Ｖ1 が低くなる。そのため、同じ出力電流Ｉｏに対してより高い出力電圧Ｖｏが得られる結果、出力電力Ｐ0 が大きくなる。
【００２８】
急速加熱用のスイッチ１４３を閉にすることにより、出力電力Ｐ0 を外部から極めて大きく変えられる（急速加熱機能）。スイッチ１４３を閉にすると、抵抗器ｒ１〜ｒ６のいずれかと抵抗器２４１とが並列接続され、同じ出力電流Ｉｏに対して電圧降下Ｖ1 が極めて低くなるので、出力電力Ｐ0 が極めて大きくなる（図４〔ロ〕）。したがって、ツール５でワックスを瞬時に溶融できる。
【００２９】
フットスイッチ１４６を閉にして励振信号を出力しようとすると、出力電流Ｉｏはまず始めに抵抗器ｒ１〜ｒ６を介してコンデンサ２４４を充電する。これにより、ツール５に供給される出力電力Ｐ0 は緩やかに増加する（スロースタート機能）。したがって、動作開始直後の出力電力Ｐ0 のオーバーシュートにより、ツール５上でワックスが霧化することを防止できる。
【００３０】
フットスイッチ１４６が開のときでも電源スイッチ１４１が閉になっていれば、出力電流Ｉ0 はわずかではあるが抵抗器２４２を介して流れる。これにより、ツール５に保熱用の出力電力Ｐ0 を供給することができる（保熱機能）。したがって、ツール５が予め保熱されているので、フットスイッチ１４６を閉にすれば、ツール５がすぐに加熱される。
【００３１】
図５に、超音波振動によってツール５上に生じる応力分布および振動変位の状態を例示する。この図５では、縦波超音波をツール５に出力するとともに、このツール５として縦振動に強い共振点を有するように形成されたものが使用されている。
【００３２】
ツール５は、振動周波数の波長λに対して、その長さが「λ／２」に設定された場合を示す。かかる場合、中央部のａ部分に応力が集中し、この部分の温度が応力に対応して高くなる。
【００３３】
そして、図６に、前述した図５の場合のツール５の断面積とツール５のａ部分での発熱量との関係を定性的に示す。断面積が小さい程応力の集中が高くなり、これに対応してａ部分での発熱量も増大することが確認されている。また、この場合の外部（被加圧物）に対する振幅と発熱量との関係を図７に示す。
【００３４】
ツール５内の応力値は、ツール５の断面積又は直径に逆比例し、また、ツール５の材質や硬度によって異なる。例えば、ステンレス、工具鋼などで焼き入れ処理等により硬度が高い材質（ＨＲＣ４０〜６０以上）では、直径１〔ｍｍ〕〜４〔ｍｍ〕程度で、ワックスが溶ける温度までツール５が発熱する。そして、この場合の振動振幅の大きさは、超音波周波数６０〔ｋＨｚ〕の場合，ホーン部３の先端のツール取り付け部で５〜１０〔μｍ〕が確認された。
【００３５】
そして、この場合のツール５のａ部分における温度は、印加する超音波の出力によって相違するが、前述したワックスの溶解温度に設定するのは極く容易となっている。図８（Ａ）に、ツール５でワックスを溶解する場合の状態を示す。そして、このツール５の中央部で溶解されたワックスは、図８（Ｂ）に示すように、両端部に形成される振動の腹の振動変位から押し戻されて振動の節に相当する温度の高い中央部に、そこを定位置としてそのまま溜まるようになっている。この場合、ツール５の先端部を固形ワックスに当接し、その振動エネルギにて固形ワックスを加熱して溶解するようにしてもよい。
【００３６】
そして、この溶融ワックスの使用に際しては、ツール５の先端を目的物に近づけた後、前述したフットスイッチ１４６をオフ操作する。これによって、溶融ワックスはツール５の先端が下がった方向に移動することとなる。
【００３７】
次に、他の実施形態を、図９乃至図１１に基づいて説明する。
【００３８】
図９乃至図１１に示す実施形態は、前述した図１の実施形態がツール５として縦波振動を共振出力するように形成されたものを使用していたのに対し、横波振動を共振出力するように形成されたツール１５が使用されている。
【００３９】
この場合、ツール１５としては、図１０（Ａ）に示すように棒状のものを使用しているが、図１０（Ｂ）に示すように短冊状のものであってもよい。この場合、実験的には、６０〔ｋＨZ 〕の超音波を使用し、ツール１５の直径ｄが１〜３〔ｍｍ〕、又は厚さＴが０．２〜２．０〔ｍｍ〕の場合に、比較的効率よい横波振動を得ることができた。図９（Ａ）にその振動の態様を示す。その他の構成は、前述した実施形態の場合と同様となっている。
【００４０】
そして、この場合も、前述した図８（Ａ）の場合と同様に、固形ワックスに対してツール１５を軽く押しつけると、ツール５の横振動によって固形ワックスの接触面がたたかれ、これによって固形ワックスの接触部が溶融してツール１５に付着する。この場合の溶融したワックスの付着状態を図９（Ｃ），図１１（Ａ）に示す。図１１では、作業能率を考慮してツール１５の先端部を細く形成した場合を示す。
【００４１】
すなわち、溶融したワックスは、横振動の複数の節に集まり、ツール１５上の複数の節で保持される。この場合、前述した図１の場合と同様に、ツール１５の先端部を下向きにしてもツール１５上の溶融ワックスは落下せず、ツール１５上に保持される。
【００４２】
また、この場合、ツール１５の振動が横振動であることから、縦波による場合よりもその波長が短くなり、従って、縦波の場合と同一の大きさのツール１５を使用した場合には溶融したワックスのの留まる箇所を縦波の場合より多くすることができる。このため、より多くの溶融ワックスをツール１５上に留めることができるという利点がある。
【００４３】
そして、ツール１５上での横振動が解除されると、その時点で溶融ワックスは落下する。実際には、かかる性質を利用して、電気ゴテでは不可能なほどの多量の溶融ワックスを、図１１（Ａ）に示すようにツール１５上保持しておき、使用箇所にツール１５の先端部を下向きにして近づけるとともに、図１１（Ｂ）（Ｃ）に示すようにフートスイッチ１４６を適当に操作することにより、その適当量を滴下することによって使用することが可能となる。図１１（Ｄ）は溶融ワックスを一部残した場合を示す。
【００４４】
このように、上記各実施形態によると、ツール５，１５が棒状の部材であっても、このツール５，１５上に、比較的多くの溶融ワックスをツール５，１５の傾きにかかわりなく載せることができ、必要に応じていつでも確実に滴下することができるという利点を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、ツールが棒状の部材であっても、このツール上に、比較的多くの溶融ワックスを当該工具の傾きにかかわりなく載せることができ、必要に応じていつでも確実に滴下することができ、特に固形ワックスをツールにより直接溶解するととともに、溶けたワックスをツール上で比較的多量に安定して保持し、これによって、模型上におけるワックスパターンの形成作業の能率を著しく向上させることができ、煙等が一切でないことから、作業環境を大幅に改善することができるという従来にない優れた超音波加工装置を提供することができる。しかも、発振器は定電力出力を行うので、ツールの形状・材質等が変わっても、又はツールの加熱状態がどのように変化しても、ツール５側に供給される電力を常に一定にできる。したがって、どのようなツールでも使用できるので、ツールの設計を容易化及び迅速化できるとともに、ツールの改良等も簡単に行うことができる。
【００４６】
請求項２記載の超音波加工装置によれば、定電力可変機能を備えたので、ツールを所望の定電力で使用できる。したがって、より多くの種類のツールを使用できる。
【００４７】
請求項３記載の超音波加工装置によれば、急速加熱機能を備えたので、ツールでワックスを瞬時に溶融できる。したがって、作業性を向上できるとともに作業時間も短縮できる。
【００４８】
請求項４記載の超音波加工装置によれば、スロースタート機能を備えたので、動作開始直後の出力電力のオーバーシュートに起因して、ツール上でワックスが霧化することを防止できる。したがって、作業性を向上できるとともに作業時間も短縮できる。
【００４９】
請求項５記載の超音波加工装置によれば、ツールを予め保熱しておく保熱機能を備えたので、ツールをすぐに加熱できることにより、作業性を向上できるとともに作業時間も短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる超音波加工装置の一実施形態を示す一部を切り欠いた外観図である。
【図２】図１内に開示したホーン部を示す図で、図２（Ａ）はその正面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の右側面図である。
【図３】図１の超音波加工装置における発振器の構成を示す回路図である。
【図４】図１の超音波加工装置における動作の説明図であり、図４〔イ〕が出力電流Ｉｏと電圧降下Ｖ1 との関係を示すグラフ、図４〔ロ〕が電圧降下Ｖ1 と出力電圧Ｖｏとの関係を示すグラフ、図４〔ハ〕が出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの関係を示すグラフである。
【図５】図１内に開示したハンドピース組立体のツール内に生じる縦振動による応力分布を示す図で、図５（Ａ）はそのモデル化したツール部分を示す正面図、図５（Ｂ）はそのツール内に生じる縦振動による応力、発熱温度および振幅の分布の例を示す線図である。
【図６】図５におけるツール内の発熱量を示す図で、ツール断面積と発熱量との関係を示す線図である。
【図７】図５におけるツールの振幅と当該ツールが当接される被当接物の発熱量との関係を示す線図である。
【図８】図５におけるツールの使用例を示す図で、図８（Ａ）は固形ワックスにツールを接触させる場合の例を示す動作説明図、図８（Ｂ）はツール上に溶融ワックスが留まっている状態の例を示す説明図である。
【図９】図１内に開示したハンドピース組立体のツールを横波振動用のツールとした場合にツールの振動変位と溶融ワックスの保持との関係を示す図で、図９（Ａ）はそのモデル化したツール部分が横波振動する状態を示す説明図、図９（Ｂ）はツールの振動変位をモデル化した場合を示す説明図、図９（Ｃ）はそのツール上に溶融ワックスが留まっている状態の例を示す説明図、図９（Ｄ）は溶融ワックスの量に分布例を示す線図、図９（Ｅ）は図９（Ｂ）のツールの横波振動の振動変位をさらにモデル化した場合を示す線図である。
【図１０】図９内に開示したツール部分の形状を示す図で、図１０（Ａ）は丸棒状の場合を示す図、図１０（Ｂ）は短冊状の場合を示す図である。
【図１１】図９内に開示したツールで形状を幾分変化させた場合の例を示す図で、図１１（Ａ）はツール上に溶融ワックスを留めた状態を示す説明図、図１１（Ｂ）はツールの先端を目的物に近づけた状態を示す説明図、図１１（Ｃ）は目的物にツールの溶融ワックスの一部を滴下している状態を示す説明図であり、図１１（Ｄ）はツール上に溶融ワックスが一部残った状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  ハンドピース組立体
２  超音波振動子
３  ホーン部
５，１５  ワックス加工用の超音波工具としてのツール
２０  発振器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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