(57)【要約】【課題】超音波発振機構から伝達される縦振動を変換処理して超音波ホ−ン先端のメス部において縦−捩れの合成振動を出力し、メス部における非作業面の変位速度を作業面の速度より減速して、操作性、安全性、操作効率に優れ、高精度の外科手術等を実現する。【解決手段】縦振動素子、裏打ち板および前面板からなり超音波振動を出力する超音波発振機構と、超音波発振機構に連結されて伝達される振動を増幅するホ−ンと、前記超音波発振機構から伝達される振動をホーンの中心軸方向の縦振動とホーンの中心軸を支点とする捩れ振動とからなる合成振動に変換する振動変換機構と、作業面を有して前記ホーン先端に設けられたメス部とを有し、振動変換機構は、ホ−ンまたは前記裏打ち板の周面に形成した１以上の溝部で構成し、メス部には、振幅調整機構を設けるとともにメス部先端面に傾きを形成して構成される。【選択図】    図４
2004275592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦振動素子とこの両端に取り付けた裏打ち板および前面板からなり所定周波数の超音波振動を出力する超音波発振機構と、この超音波発振機構に連結されて前記超音波発振機構から伝達される振動を増幅するための１／２波長以上のホ−ンと、前記超音波発振機構から伝達される振動をホーンの中心軸方向の縦振動とホーンの中心軸を支点とする捩れ振動とからなる合成振動に変換する振動変換機構と、前記ホーン先端に設けられたメス部と、を具えてなり、
前記振動変換機構は、前記ホ−ン先端と音波発振機構の電歪素子との間においてホーン、超音波発振機構、またはホーンと超音波発振機構との間に介装される部材のいずれかの外側面に形成した１以上の溝部で構成するとともに、前記メス部は先端面と生体組織の処理をなす作業面とこの作業面の後背部とからなり、前記後背部の先端隅部に振幅調整機構としての切欠部を形成したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項２】
請求項１において、作業面はメス部端において中心軸より外方に突出形成した凸部の突出面に前記中心軸と平行に形成したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項３】
請求項１又は２いずれかにおいて、メス部の先端面は作業面に対して９０度以下の所定角度を有するようにしたことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、作業面はその表面に凹凸部を具えることを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項５】
請求項１ない４のいずれかにおいて、前記溝部は螺旋状に形
成したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記溝部は複数並設してなり、前記ホ−ンおよびまたは前記超音波発振機構の中心軸に対して周面において所定の偏向角αを有していて、この偏向角αを０＜α＜９０度に設定したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、溝部は捩れ振動の腹位置近傍に設けたことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、溝部と超音波発振機構の電歪素子との間には捩れ振動衰減手段を設け、この捩れ振動衰減手段を溝部が形成される周面部より大きい径の周面部により構成したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、溝部と超音波発振機構の電歪素子との間には捩れ振動衰減手段を設け、この捩れ振動衰減手段は、溝部における断面積（軸方向に対する縦断面）より大きい断面積を有する緩衝部により構成したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、振動変換機構は、ホーンと超音波発振機構との間に着脱自在に介装される本体部とこの本体部周面に形成した溝部とにより構成したことを特徴とする複合振動超音波ハンドピ−ス。
【請求項１１】
請求項１ないし１０記載の複合振動超音波ハンドピ−スにおいて、次の工程からなるメス部作業面の動作調整方法。
（ａ）  先端面と生体組織の処理をなす作業面とこの作業面の後背部とからなるメス部において、メス部の先端面を切削して、メス部の先端面に作業面に対して９０度未満の所定角度を有する傾斜面の形成に併せてホーン長さを調節してメス部作業面の周波数調整をなす工程、
（ｂ）先端面と生体組織の処理をなす作業面とこの作業面の後背部とからなるメス部において、前記後背部の先端隅部に切欠部形成するとともにその切欠量の調節によりメス部作業面の振幅調整をなす工程。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、複合振動超音波ハンドピ−スに係り、詳しくは振動源からの縦振動を変換してホ−ン先端においてホーンの中心軸方向の縦振動とホーンの中心軸を支点とする捩れ振動とからなる合成振動を生成する一方、ホーン先端のメス部には、前記合成振動における捩れ振動の振幅調整機構を形成してメス部における作業面の振幅を所定値に設定するとともに作業面後背部の往復回転速度が作業面の速度より減速されるようにした複合振動超音波ハンドピ−スに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波ハンドピ−スは、従来より外科分野における各種手術具の一つとして、あるいはまた、各種素材の加工用機器として使用されている。
図１０は、手術具としての従来の超音波ハンドピ−スを示し、超音波発振回路によって高周波を発生させ、その高周波電力を図１０（ａ）に示すようなハンドピ−ス部１によりメス部４ａの機械的超音波振動に変換するようになっている。すなわち、図示のハンドピ−ス部１にはその外郭をなす管状部材２内に図１０（ｂ）に示すような振動機構３（電歪型、磁歪型）が内蔵され、これが管状部材２から突出するホ−ン４に固定された構成を有している。
この振動機構３は、振動子３ａとその両端に取り付けた金属製の裏打ち板３ｂおよび前面板３ｃとにより構成されており、図外の超音波発振回路から供給された高周波電力は、この振動機構３で機械的振動に変換され、その機械的振動はメス部であるホ−ン４の先端４ｂに伝達される。
また、図において、５は手術部位に対して生理食塩水などを供給するイリゲ−ションパイプ、６は吸引口４ｂから血液、手術に伴い発生する切除細片等を回収するための吸引パイプである。  なお、この吸引パイプ６に替えて、図１０（ｃ）に示すように振動機構３の中央部に吸引口４ｂと連通する吸引経路３ｄを形成し、振動機構３の冷却機能を兼備させることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の超音波ハンドピ−スにあっては、生体における手術、各種素材の加工等において作業部となるホ−ン先端の振動は、超音波発振機構を構成する振動素子により規制されることになる。  例えば、振動素子の特性が軸方向に沿ったいわゆる縦振動である場合、ホ−ン先端には縦振動が生成されることになる。  しかしながら、外科手術あるいは各種素材の加工においても、切削等の所要作業の効率を図り、あるいは微細な作業を切れ味よくスム−ズになすために作業部には縦振動に加えて、軸まわりに反復回動するいわゆる捩れ振動が求められる。  このため、振動機構の振動素子を縦振動素子と捩れ振動素子により構成して、縦−捩れの合成振動を得る構成も考えられるが、超音波発振機構の構造が複雑となり、重量も増加するので使い勝手が悪くなるばかりか、高周波電力の出力系統の負荷も増大するので、製造コストのみならずランニングコストの面でも問題もあって実用化にはいたっていないのが現状である。
【０００４】
また、生体の硬組織の切削には、従来ドリルが用いられてきたが、神経や血管などが複雑に錯綜する部位ではドリルの回転により神経や血管を巻き込む虞がある。  このため、神経や血管の近傍では使用できず、手術が不可能とされるケースが少なくなかった。  さらに、従来は、作業面の振幅調整にはホーン径の選択によらざるを得ないうえ、メス部の作業面の振幅を大きくすると作業面の裏側すなわち後背部の振幅も大きくなり、治療部位の周辺組織を損傷してしまう恐れがあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、簡素な構成により縦振動と捩れ振動との合成による複合振動を得られる超音波ハンドピースを提供して手術等における精細な作業を可能にし、かつメス部の振幅をメス部の作業面の後背部に形成する切欠部の大きさにより自在に調節できるようにして上記従来の課題を解決しようとするものである。
すなわち、本願に係る複合振動超音波ハンドピースは、
縦振動素子とこの両端に取り付けた裏打ち板および前面板からなり、所定周波数の超音波振動を出力する超音波発振機構と、この超音波発振機構に連結されて前記超音波発振機構から伝達される振動を増幅するための１／２波長以上のホ−ンと、前記超音波発振機構から伝達される振動をホーンの中心軸方向の縦振動とホーンの中心軸を支点とする捩れ振動とからなる合成振動に変換する振動変換機構と、前記ホーン先端に設けられたメス部と、を具えてなり、
前記振動変換機構は、前記ホ−ン先端と音波発振機構の電歪素子との間においてホーン、超音波発振機構、またはホーンと超音波発振機構との間に介装される部材のいずれかの外側面に形成した１以上の溝部で構成するとともに、前記メス部は先端面と生体組織の処理をなす作業面とこの作業面の後背部とからなり、前記後背部の先端隅部に振幅調整機構としての切欠部を形成したことを特徴としている。
【０００６】
上記において、作業面はメス部端において中心軸より外方に突出形成した凸部の突出面に前記中心軸と平行に形成することがある。
【０００７】
また、上記いずれかにおいて、メス部の先端面は作業面に対して９０度以下の所定角度を有するように構成することがある。
【０００８】
さらに、上記いずれかにおいて、作業面はその表面に凹凸部を具えるように構成することがある。
【０００９】
またさらに、上記のいずれかにおいて、前記溝部は螺旋状に形成することがある。
【００１０】
また、上記いずれかにおいて、前記溝部は複数並設してなり、前記ホ−ンおよびまたは前記超音波発振機構の中心軸に対して周面において所定の偏向角αを有していて、この偏向角αを０＜α＜９０度に設定することがある。
【００１１】
また、上記いずれかにおいて、溝部は捩れ振動の腹位置近傍に設ける構成となすことがある。
【００１２】
さらに、上記いずれかにおいて、溝部と超音波発振機構の電歪素子との間には捩れ振動衰減手段を設け、この捩れ振動衰減手段を溝部が形成される周面部より大きい径の周面部により構成することがある。
【００１３】
また、上記いずれかにおいて、溝部と超音波発振機構の電歪素子との間には捩れ振動衰減手段を設け、この捩れ振動衰減手段は、溝部における断面積（軸方向に対する縦断面）より大きい断面積を有する緩衝部により構成することがある。
【００１４】
そして、上記いずれかにおいて、振動変換機構は、ホーンと超音波発振機構との間に着脱自在に介装される本体部とこの本体部周面に形成した溝部とにより構成することがある。
【００１５】
【発明の実施形態】
以下、本願発明の実施形態を説明する。
図１は、本願発明の第１実施形態に係る超音波ハンドピ−スの側面図である。図において、１１は超音波ハンドピ−スであり、超音波発振機構１２とこれに接合される超音波ホ−ン１３とを具えており、これらは不図示の外筒に嵌挿されている。  超音波発振機構１２は、縦振動素子１４とこの両端に設置される前板１５および裏打ち板１６を有している。
【００１６】
超音波ホ−ン１３の端部近傍には、前記超音波発振機構１２から伝達される振動を超音波ホ−ン１３の中心軸方向の縦振動と超音波ホ−ン１３の中心軸を支点とする捩れ振動とからなる合成振動（縦−捩れの）に変換する振動変換機構１７が設けられている。
また、３０は超音波ホ−ン１３の先端に設けられたメス部である。
【００１７】
振動変換機構１７は、該実施形態では、図２に示すように超音波ホ−ン１３の周面を巻回するように形成された複数の溝部１７ａにより構成されている。
これら複数の溝部１７ａは、それぞれ所定間隔をもって並列に刻設されていて、周面において超音波ホ−ン１３の中心軸Ｘ−Ｘと所定の偏向角αを有していて、この角度αは０度＜α＜９０度の範囲に設定されている。                  また、溝部１７ａはの形状は、長方形をなしていてその幅は０．５〜５ｍｍに、長さは３〜３０ｍｍに、そして深さは０．５ｍｍ以上の範囲に設定されている。  なお、振動変換機構１７としての溝部の設定位置は、ホーン周面に限られることはなく、ホ−ン先端と音波発振機構の電歪素子との間においてホーン、音波発振機構、またはホーンと音波発振機構との間に介装される部材のいずれかの外側面に形成することができる。
【００１８】
図３は、前記メス部３０の各種実施形態に係る側面図であり、図３（ａ）においてメス部３０は超音波ホーン１３先端に形成されていて、生体骨等の切削をなす作業面３１と、この作業面３１の後背部の隅部に形成される振幅調整機構としての切欠部３２と、作業面３１に対して９０度未満の傾斜角を有する先端面３３とを具えている。  作業面３１の表面には凹凸部３１ａが形成されていて、生体骨等の切削を容易にしている。
【００１９】
そして、図３（ｂ）に示す実施形態では、作業面３１はメス部３０の先端に形成した凸部３４の突出面に形成されていて、メス部３０（超音波ホーン１３）の中心軸と平行になっている。  また、前記と同様に、作業面３１の表面には凹凸部３１ａが形成されていて、生体骨等の切削を容易にしている。  作業面３１の後背部すなわち、中心軸をはさんで凸部３４とは反対側のメス部隅部には振幅調整機構としての切欠部３２が形成されている。
さらに、メス部３０の先端面３３は、作業面に対して傾斜角を有するように形成されていてこの傾斜角度は９０度以内に設定されるが、このように先端面を傾斜させるのは、前記実施形態と同様に生体組織における切削、切除等の処理動作を容易にするためであるから、傾斜角度はそれらの条件を勘案して所定角度に設定されることになる。
【００２０】
図４は、前記図３（ｂ）に示したメス３０の一部切欠斜視図であり、前述のようにメス部３０は、超音波ホーン（チップ）１３の先端に形成されていて、作業面３０は超音波ホーン（チップ）１３の先端において中心軸から外方に突出する凸部３４の突出面に中心軸と平行となるように形成されており、表面には前記の凹凸部３１ａが形成されている。  そして、メス先端面３３は、作業面３１に対して所定の角度で傾いて形成されている。  そして、凸部４の後背部には振幅調整機構としての切欠部３２を具えている。
【００２１】
メス部先端における前記切欠部３２は、メス部３０の振幅すなわち捩れ振動の振幅を調整するため、具体的には作業面の振幅を大きくする一方、作業面の後背部の振幅を減少するために形成される。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、メス先端において作業面３１の後背部の隅部を斜めに切り欠くと、同じ条件下で切欠部３２のない場合に比べて作業面３１の振幅が大きくなることが実験で確認されている。  しかしながら、現時点では切欠部３２の作業面３１との関係での作用の理論的解析は未了であり、切欠部３２の面積あるいは斜角等と振幅の相関関係等の解明も今後の研究に待たざるを得ないところである。
【００２２】
一方、振幅調整機構としての切欠部３２がそれ自身の振幅を減少させる機序を図５により説明する。図５（ａ）は切欠部が形成されていないメス部先端面の正面図、同（ｂ）は側面図である。  同図において、は超音波ホーン（チップ）１３の先端にメス部３０が形成されていて、凸部３４の突出面に凹凸部を有する作業面が中心軸４０と平行に形成されている。捻り振動により、図５（ａ）に示すようにメスの先端面は中心軸４０を中心に往復動するが、このとき作業面３１の後背部の回転角はαである。  これに対して、図５（ｃ）、（ｄ）は、図３（ｂ）に示すメス部３０のそれぞれ先端面の正面図および側面図である。ここに示されるメス部には、
切欠部３２が形成されており、図５（ｃ）において、３２ａは切欠部３２の形成により先端面３３から消失した部分である。  捻り振動により先端面３３は中心軸４を中心に往復回動をなすが、このとき先端面３３の上端（図で３３の上辺）の回動角はβである。  ここで、前記αとβを比較するとβの値は小さいが、その差は先端面３３における消失部分３２ａにより先端面３３の上端（図で３３の上辺）が中心軸４０に近づいた分に相当する。
以上のように、切欠部３２の形成により作業面３１の後背部の振幅は減少する。
このことは、特に微細な手術作業において意義を有する。  すなわち、作業面の後背部が作業中に生体組織へ接触するようなことがあっても振幅が小さくなっているため、組織に重大な損傷を与える虞が防止できるからである。
【００２３】
次に、作業面３１に対して傾きをもって形成されたメス部の先端面３３の作用効果を図６により説明する。
図６（ａ）に示すメス部３０は、先端面３３と作業面３１との角度が９０度に設定されているので、例えば切削時に先端面３３が生体骨Ｂに当たってしまい作業面３１の切削動作が円滑に為し得ない不都合が生じ、特に切削の深度が増すにしたがいその不都合は顕著となり精細な手術作業の障害となる。
一方、図６（ｂ）に示すメス部３０は、図３（ｂ）および図４に示す構成を具備しており、先端面３３は作業面３１に対して所定の角度の傾きを有しているから、作業面３１による生体骨Ｂの切削時に先端面３３が生体骨Ｂに当接して作業面３１の切削動作に支障を来たす虞が解消される。
【００２４】
図７は、図３（ｂ）および図４に示すメス部３０の製作工程の一例を示す側面図である。  メス３０における点Ｓを支点として作業面３１の後背部の隅部３５および先端面３３を切削して、振幅調整機構としての切欠部３２を形成するとともに先端面３３が作業面３１に対して傾きを形成していく。この一連の切削は、振幅と周波数を調整しつつ実行する。  凸部３４と切欠部３２との割合によりメス部３０の捻り振動の振幅が決まる。例えば、凸部３４を一定とする場合、切欠部３２を大きくすると振幅は大きくなる。  また、先端面３３の切削により周波数の調整をなすことができる。すなわち、先端面３３の切り取りによりメス部の軸方向長さが短くなるにつれて周波数は高くなる。以上のような条件を勘案しつつ切削加工を施して所望の性能を備えるメス部を形成する。
【００２５】
さて、振動変換機構１７に関しては、前述の実施形態では、並設された複数の溝部により構成する場合を述べたが、この溝部は、図８に示すように超音波ホ−ン１３の表面を周回するように形成した１本の溝１７ｂで構成してもよい。  ただし、この溝１７ｂも、周面において超音波ホ−ン１３の中心軸と所定の偏向角αを有していて、この角度αは０度＜α＜９０度の範囲に設定される。また、この溝１７ｂの幅、深さも、前記実施形態と同様に、それぞれ０．５〜５ｍｍ、０．５ｍｍ以上の範囲に設定される。
【００２６】
図９は、第２実施形態に係る超音波ホ−ンの側面図である。
該実施形態では、振動変換機構１７は、超音波ホ−ン１３の表面を周回するように形成した螺旋状溝部１７ｃにより構成されている。  そして、この螺旋状溝部１７ｃも前記同様に周面において超音波ホ−ン１３の中心軸と所定の偏向角αを有していて、この角度αは０度＜α＜９０度の範囲に設定される。
また、溝の幅、深さも、前記実施形態と同様に、それぞれ０．５〜５ｍｍ、０．５ｍｍ以上の範囲に設定される。
【００２７】
図１０は、第３実施形態に係る超音波ホ−ンの側面図である。
この実施形態では、図に示すように振動変換機構１７は、超音波ホ−ン１３と超音波発振機構１２との間に着脱自在に介装される本体部１８とこの本体部１８周面に形成した１以上の溝部１７ａとで構成されている。
本体部１８は、図示のように超音波ホ−ン１３および超音波発振機構１２における裏打ち板１６とボルト１９、１９によりそれぞれ着脱自在に連結されている。  該実施形態では、振動変換機構１７の取り外しが簡単にできるので、例えば、縦振動のみで使用したい場合には、振動変換機構１７を取り外して、超音波ホ−ン１３と超音波発振機構１２を直結すれば良いという利点を有している。
【００２８】
図１０では、本体部１８に形成する溝部は、本体部１８の周面を巻回するよに形成した並列する複数の溝部１７ａで構成しているが、前述の各実施形態に係る図８、図９に示すように、本体部１８の表面を周回するように形成した１本の溝１７ｂ、あるいは本体部１８の表面を周回するように形成した螺旋状溝部１７ｃにより構成することができる。
【００２９】
図１１は、超音波ホ−ン１３の先端における動作を示す図で、振動変換機構１７における縦振動の変換により生成された縦振動および捩れ振動の合成により、超音波ホ−ン１３の先端は中心軸回りに矢符Ａ方向の高速往復回動（捩れ振動）をなす一方、中心軸に沿って矢符Ｂ方向の高速往復動（縦振動）をなすことになる。
【００３０】
超音波ホ−ン１３の先端に上述のような合成運動を得ることは、例えば外科手術における生体骨の切削等に大きな利点をもたらすことになる。
すなわち、従来生体骨の切削には、鋸タイプあるいは回転ドリルタイプ等の手術具が多く使用されているが、神経組織、血管等を破損する虞のある部位では超音波メスが適している。
しかしながら、従来の超音波メスでは軸方向に沿った往復動であるため、メス先が組織深部に侵入する場合、メスの側部が組織に接触圧迫されてメスの運動が減衰されるという問題が生じる。
【００３１】
しかるに、本願発明に係る超音波ホ−ンにあっては、その先端では高速往復回動と高速往復動が合成されるため、生体骨の切削等は極めてスム−ズになすことができる。  すなわち、図１２は、本願発明に係る超音波ハンドピ−ス（超音波メス）による生体骨の切削動作を示す模式図であり、メス（ホ−ン）１３先端には縦振動に加えて、捩れ振動が出力されているので、メス（ホ−ン）１３には矢符Ａ方向の高速往復回動（捩れ振動）が生じる。  このため、メス（ホ−ン）１３先端の側端部１３ａが生体骨を切削するので、メス（ホ−ン）１３先端と生体骨２０との間には間隙Ｋが形成されるので生体骨の深部にわたり切削を成す場合にも極めてスム−ズになすことができる。  また、メス先端の縦振動による切削作用も、捩れモ−メントを伴うため組織の剪断効率が著しく向上するばかりか、切削作用における尖鋭度いわゆる切れ味も格段に良好となるため、切削部位の組織には圧壊等が生ぜず、綺麗な状態の切削を実現できる。
以上は、外科手術の場合を説明したが、これに限らず、各種の素材の加工においても同様の効果を期待できることは勿論である。
【００３２】
本願発明に係る振動変換機構の機序作用の全容についての解明は、各種実験デ−タの解析によりなしつつあるが、溝部による振動変換の作用は、現在時点では次のように推測され得る。図１２に示すように溝部１７ａは縦振動により変形を繰り返し、この変形に際して縦方向の成分の一部が捩れ方向に変換されるものと考えられる。  すなわち、図１３（ａ）において、溝部１７ａには矢符Ｓに示す縦振動による応力が作用し、このため溝部１７ａは実線で示す状態から点線で示す状態への変形を繰り返すことになる。これを、特定箇所で示すと、溝部１７ａの角部Ａは、矢符Ｂに示すように原位置とＡ’点との間で往復動を繰り返す。そしてこのことは、溝部の全部位で生じていることになる。図１３（ｂ）は、前記角部Ａの軌跡をＹ軸を縦方向運動、Ｘ軸を横方向運動としたグラフに角部Ａの上記運動の軌跡を表示した図である。これによれば、角部Ａは縦方向に加え横方向にも移動しつつ原点とＡ’点との間を往復動しており、横方向における往復動が捩れ振動成分として生じるものと理解される。
かくして、本体部１８には縦振動と捩れ振動による合成振動が生成され、この合成振動が超音波ホ−ンの先端において出力されることになる。
【００３３】
超音波ホ−ンの先端において得られる縦振動と捩れ振動による合成振動に対して、現時点では以下の条件が影響を及ぼすことが実験により判明しているが、現在のところ詳細なデ−タを採集して条件と合成振動との関係式を構築中である。
ａ：溝の幅、長さ、深さおよび中心軸との角度
ｂ：溝の軸方向における位置
ｃ：超音波ホ−ンの形状
ｄ：溝の数
【００３４】
なお、振動変換は、図１４に示す螺旋体によっても得られることが知見されている。  図において、２１は、超音波ホ−ン１３ａにおいて一体に形成された螺旋部である。
【００３５】
本願発明において、図１６の模式図に示すように、捩れ振動は縦振動成分の一部を曲げることで、縦方向とは異なる方向への振動を生成することにより得ている。図１５において、縦振動成分を溝部１により捩れ方向に曲げた時、その成分は縦波と横波との合成となるが、この合成を理論的（数学的）に表現する困難であるため縦波、横波の各成分をベクトル的に示してある。
【００３６】
縦振動から捩れ振動を生成するための溝部は、図１６に示すように捩れ振動の腹位置（その近傍を含む）に設けられている。図において、２は、チタン合金による超音波ホ−ン、３は超音波振動子（不図示）と超音波ホ−ン１との間に介装される裏打ち板であり、溝部１は超音波ホ−ン１の周面において、捩れ振動の腹位置の近傍範囲４内に複数並設されていて、各溝部はホ−ンの中心軸に対して周面において所定の偏向角α（０＜α＜９０度）を有している。
【００３７】
図１６は、実験結果による、溝部の位置と縦振動、捩れ振動の相関関係を示す図であるが、図１６（ａ）において、溝部１は振動の腹位置から若干振動子寄りに設置されていて、図示のように捩れ振動周波数は腹位置にある場合より下がっている。また、図１６（ｂ）において、溝部１は振動の腹位置から若干ホ−ン先端寄りに設置されていて、図示のように捩れ振動周波数は腹位置にある場合より上がっている。  そして、図１６（ｃ）において、溝部１は振動の腹位置に設置されていて、この場合縦振動と捩れのそれぞれの振動周波数は一致していて、縦−捩れの振動がそれぞれに共存していて最も好ましい合成振動を得られることになる。
【００３８】
上述のように、縦−捩れ振動の合成振動を好ましい状態で得るには、縦振動と捩れ振動を共存させる必要があるが、このためにはそれぞれ固有の周波数をほぼ一致させることを要し、この条件が大きく崩れるといずれかの振動が消滅してしまう。  なお、それぞれの周波数が完全に一致する必要はなく、一致が起こる腹位置近傍であれば、それぞれの周波数を近付けるといずれかに引き込まれて周波数が一致する現象が生じる。
【００３９】
さて、捩れ振動は、縦振動における、縦波（変位が振動の進行方向である波で）と横波（変位が振動の進行方向にに対して垂直な波）との合成振動であるが、同一周波数で振動させた場合、縦波速度と横波速度の相違により縦波と横波とでは半波長の長さが異なってきて、縦振動に比較して捩れ振動の半波長の長さが短くなる。  したがって、上述のように好ましい合成振動（捩れ振動）を得るには、捩れ振動を発生するチップ（ホ−ンおよび裏打ち板）の設計にあたっては、縦振動と捩れ振動との周波数を一致させる必要があり、この条件により溝部の設定位置はおのずと所定位置、すなわち捩れ振動の腹位置となる。
【００４０】
溝部１を捩れ振動の腹位置近傍に設けることにより、溝の性状、形態を変えることにより、縦振動と捩れ振動との比率を種々変換することができる。
すなわち、図１７は、溝部１のホ−ン中心軸に対する偏向角αを種々変えた場合の縦振動と捩れ振動との比率の変化を示す模式図である。
図において、（ａ）では、α＝２０度、（ｂ）では、α＝４５度、（ｃ）では、α＝６０度に設定されている。  実験によれば、（ｂ）において、縦振動と捩れ振動は均衡しており、（ａ）では捩れ振動が勝り、逆に（ｃ）では、縦振動が捩れ振動に勝っている。  これらの結果から、溝部の角度も捩れ振動の発生機序に関連しているものと考えられる。
【００４１】
また、溝部の深さも捩れ振動の生成に影響を及ぼすものと考えられる。すなわち、溝部の形成される周面の断面を考えた場合、溝部が深くなると溝部と交錯する縦振動成分が多くなり、したがって捩れ振動への変換量が増加する、すなわち溝部が深くなると捩れ振動成分が増加することになる。
上記と同様に、溝部の長さ、本数等も縦振動と捩れ振動との比率に影響を及ぼす要素となる。
【００４２】
図１８は、前記実施形態に係る超音波ハンドピ−スの側面図である。  図において、１１は超音波ハンドピ−スであり、超音波発振機構１２とこれに接合される超音波ホ−ン１３とを具えており、これらは不図示の外筒に嵌挿されている。超音波発振機構１２は、縦振動素子とこの両端に設置される前板および裏打ち板を有する周知構成のものである。なお、１３ａ、１３ｂはそれぞれ後述の絞り部および捩れ振動衰減手段である。
【００４３】
超音波ホ−ン１３の端部近傍には、前記超音波発振機構１２から伝達される振動を縦−捩れ振動の合成振動に変換する溝部１が複数設けられている。
これら複数の溝部１は、それぞれ所定間隔をもって並列に刻設されていて、周面において超音波ホ−ン１３の中心軸と所定の偏向角αを有していて、この角度αは０度＜α＜９０度の範囲に設定されている。
【００４４】
また、溝部１の形状は、長方形をなしていてその幅は０．５〜５ｍｍに、長さは３〜３０ｍｍに、そして深さは０．５ｍｍ以上の範囲に設定されている。
【００４５】
この実施形態において、超音波ホ−ン１３は、チタン合金で、形成されており、溝部１は図１６に示すように、捩れ振動の腹位置近傍に形成されているが、チップ自体の長さは、具体的には縦振動速度（縦波速度）Ｃ１、捩れ振動速度（横波速度）Ｃｔによって決定される。  よって、チタン合金の物性値である縦弾性係数Ｅ（Ｅ＝  ６０７０ｍ／ｓ）、横弾性係数Ｇ（Ｇ＝３１２５ｍ／ｓ）  、密度Ｐ（Ｐ＝４．５０  ×１０３ｋｇ／ｍ３）
に基づき、所定式により縦振動速度（縦波速度）Ｃ１を求めると以下のようになる。
Ｃ１＝４．９ｍ／ｓ
【００４６】
よって、チタン合金の丸棒では、１秒間に４．９ｍの速度で縦振動が伝わるので、２．４５ｍの長さの丸棒を往復するには１秒かかることになる。
このことは、チタン合金を１Ｈｚで振動させるには２．４５Ｍの長さを要することになる。  該実施例では、２５ＫＨｚで発振させているので、この場合に、丸棒の長さは、以下のようにして得られる。
４．９÷（２×２５０００）＝０．００００９８ｍ
したがって、丸棒の長さは、９８ｍｍとなる。
このようにして、所定の縦振動に対応するホ−ン長さが決まる。
【００４７】
さらに、図１９により説明する。図に示すように、該実施例では、超音波ホ−ン１３には絞り部１３ａが形成されており、この絞り部１３ａにより、軸方向へ伝達される縦振動は、集束され見かけ上の速度を増すことができる。
このため、図１９に示すように、縦振動を節位置で分けた場合、超音波ホ−ン１３において先端側の方が振動の長さが大きくなる。
このことから、超音波ホ−ン１３の形状により速度を変化させて超音波ホ−ン１３の長さを種々設定することが可能になる。すなわち、速度を算定することにより超音波ホ−ン１３の長さを簡易に求めることができる。
【００４８】
同様に、捩れ振動速度により超音波ホ−ン１３における腹位置とホ−ン先端との長さ、換言すれば超音波ホ−ン１３において、溝部１を設定すべき腹位置を具体的に特定することができる。  該実施例の設計は、図２０に示す各振動波形と超音波ホ−ンとの関係に基づいてなされている。
すなわち、捩れ振動が、縦振動の周波数（２５ＫＨｚ）に適合するような長さかつその他必要な性能になるように超音波ホ−ン１３において腹位置を設定し、この条件下で、さらに縦振動が所定の２５ＫＨｚに適合するように超音波ホ−ン１３の全体の長さ、かつその他の必要性に応じて超音波ホ−ンを設計することになるが、このとき縦振動成分の節Ｆの位置は、図示のように捩れ振動成分の腹位置Ｈの左方に設定しても、あるいは腹位置Ｈより右方に設定してもその効果は同様である。
【００４９】
次に、前記実施形態の、捩れ振動衰減手段について説明する。  本願発明では、溝部と超音波発振機構との間に捩れ振動衰減手段を設けて、振動子側に伝わる捩れ振動を衰減して、振動子の発熱、電歪素子の劣化等を防止するようにしているが、この実施形態において、超音波ホ−ン１３上において溝部が形成される周面部より大きい径の周面部を超音波ホ−ンの超音波発振機構に設け、これにより捩れ振動衰減手段を構成している。
【００５０】
すなわち、図２１において、１３ｂは超音波ホ−ン１３の後端の振動子側に形成された捩れ振動衰減手段であり、超音波ホ−ン１３の後端部の大径部１４と、これと径を同じくする超音波発振機構１２とにより構成されている。
溝部１の設定される周面の径ａに対して、前記大径部１４と、これに接合される超音波発振機構１２の径はａより大きいｂとなっており、溝部１で生成された捩れ振動は、前記大径部１４および超音波発振機構１２に至り拡散衰減されることになる。
【００５１】
また、本願発明において、捩れ振動衰減手段は、溝部における断面積（軸方向に対する縦断面）より大きい断面積を有する緩衝部により構成することもあるが、図２２はこのような緩衝部を有する超音波ハンドピースの１実施形態を示す図である。  図において、４１は溝部１を有する超音波ホ−ン１３と超音波発振機構１２との間に設けた緩衝部である。この緩衝部４１の断面積（軸方向に対する縦断面）は溝部１におけるものより大きく形成されており、このことにより、超音波発振機構１２側に伝わる往復回転振動（捩れ振動）が衰減されて、振動子の発熱、電歪素子（ＰＺＴ）の劣化等を防止できる。
【００５２】
緩衝部による衰減作用を図２３により説明すると以下のとおりである。  図の上段には、Ｓ２  のホーン１３とその後端に接続され断面積Ｓ１  を有する緩衝部４
１が示され、これに対応して図の下段には、振動による変位量の変化を示すグラフが示されている。  なお、Ｉ１  、Ｉ２  は、それぞれ緩衝部４１とホーン１３の長さを表している。
一般的に、変位の運動方程式は、次のように表される。
ｕ”（ｘ）＋  Ｓ’（ｘ）ｕ’（ｘ）／Ｓ（ｘ）＋ｗ２  ｕ（ｘ）／ｃ２  ＝０図において、  Ｓ１  ：  Ｓ２  ＝２：１であるから、長さ方向の距離ｘにおける変位の運動方程式は、次のようになる。
距離ｘが、０≦ｘ≦ｌ１  の場合、    ｕ＝ｕ０  ｃｏｓμｘ
距離ｘが、ｌ１  ≦ｘ≦ｌ２  の場合、  ｕ＝ｕ０  （Ｓ１  ／Ｓ２  ）２  ｃｏｓμｘ
ここで、  ｕ０  は、ｘ＝０の場合の変位を表し、μ＝２πｆ／ｃ、ｃは音速を表している。
以上より、ｘ＝０およびｌ２  での変位を求めると、
ｕ０  ＝１，  ｕ１２＝４が得られる。  すなわち、ホーン先端方向への振動、すなわち、ｘが０からｌ２  に変化すると変位は４倍となり、逆に戻りの振動すなわちｘがｌ２  から０に変化すると変位は１／４となる。
以上のように、ホーン１３と振動子との間に、前述の条件の緩衝部を設けることによりホーンから振動子方向への戻りの振動を衰減させることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本願発明にあっては、以上説明した構成作用により、次のような効果を期待できる。
（１）  超音波ホ−ンの先端の作業部において、超音波ホ−ンの先端の作業部において、縦−捩れ振動の合成振動が出力されるので、動作における尖鋭性が増して、精妙な動作が容易になり外科手術や各種素材の加工における操作性が格別に向上し、作業効率も向上する。
（２）  縦振動素子のみで、所望の縦−捩れの合成振動が得られるので、製造コストを始めとする諸コストの低減でき、保守管理も容易で、耐久性にも優れる。捩れ振動の所望の比率からなる縦−捩れの合成振動が、出力されるので、動作における尖鋭性が増して、精妙な動作が容易になり外科手術や各種素材の加工における操作性が格別に向上し、作業効率も向上する。
（３）  捩れ振動衰減手段により、超音波発振機構に対する捩れ振動の伝達により生じる振動子の発熱、電歪素子の劣化等を軽減できる。
（４）  メス部において、作業面の後背部に設けた切欠部により作業面の振幅を容易に調整できる一方、メス部先端面に傾きを接待したので作業面の動作が円滑容易になり、先端面による生体組織等への損傷等もを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る超音波ハンドピ−スの側面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】振幅調整機構を有するメス部の縦断面図である。
【図４】突出部に作業面を具えるメス部の斜視図である。
【図５】振幅調整機構としての切欠部の作用説明図である。
【図６】メス部の先端面を傾斜させた場合の作用説明図である。
【図７】メス部の製作工程を示す説明図である。
【図８】１条の溝部を具えた超音波ホ−ンの側面図である。
【図９】螺旋状溝部を具えた超音波ハンドピ−スの側面図である。
【図１０】超音波ホーンと超音波発振機構との間に着脱自在の本体部を具えた実施形態を示す側面図である。
【図１１】超音波ホ−ン１３の先端における動作を示す斜視図である。
【図１２】本願発明に係る超音波ハンドピ−ス（超音波メス）による生体骨の切削動作を示す模式図である。
【図１３】振動変換の推測原理を示す説明図である。
【図１４】螺旋体による振動変換機構を有する超音波ホ−ンの斜視図である。
【図１５】捩れ振動の生成を示す模式図である。
【図１６】溝部の位置と縦振動、捩れ振動の相関関係を示す図である。
【図１７】溝部１のホ−ン中心軸に対する偏向角αを種々変えた場合の縦振動と
捩れ振動との比率の変化を示す模式図である。
【図１８】他の実施形態に係る超音波ハンドピ−スの側面図である。
【図１９】ホ−ン長さと縦振動波長の関係を示す図である。
【図２０】ホ−ン長さ、捩れ振動腹位置、各振動波長さとの関係を示す図である。
【図２１】捩れ振動衰減手段の説明図である。
【図２２】捩れ振動衰減手段の他の実施形態を示す説明図である。
【図２３】捩れ振動衰減の原理説明図である。
【符号の説明】
１．．．．．．．．．．  溝部
１１．．．．．．．．．超音波ハンドピ−ス
１２．．．．．．．．．超音波発振機構
１３．．．．．．．．．超音波ホ−ン
１４．．．．．．．．．縦振動素子
１５．．．．．．．．．前面板
１６．．．．．．．．．裏打板
１７．．．．．．．．．振動変換機構
１７ａ、１７ｂ．．．．溝部
１７ｃ．．．．．．．．螺旋状溝部
１８．．．．．．．．．（振動変換機構）本体部
２０．．．．．．．．．メス部
２１．．．．．．．．．突出部（変速機構）
２４．．．．．．．．．球状体（変速機構）
３０．．．．．．．．．メス部
３１．．．．．．．．．作業面
３２．．．．．．．．．切欠部（振幅調整機構）
３３．．．．．．．．．メス部先端面
３４．．．．．．．．．紡錘体（変速機構）
４１．．．．．．．．．緩衝部（往復回転振（捩れ振動）衰減手段）
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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