[논문]치과용 골 수술기의 초음파 진동자 설계 및 평가

박기문; 김정현; 고태조

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.3.102

치과용 골 수술기의 초음파 진동자 설계 및 평가
Evaluation and Design of Ultrasonic Vibrator for Dental Surgery 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.3, 2016년, pp.102 - 108

박기문 (영남대학교 기계공학부) , 김정현 (경일대학교 기계자동차학부) , 고태조 (영남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A dental ultrasonic surgical instrument, commercially known as a scaler, is a high-value-added advanced technology that is used for tartar removal, implant operations, and gum and jaw bone surgery. In this study, the piezoelectric phenomenon for making linear motion associated with input electrical signals was studied, and the behavior of the ultrasonic vibrator was investigated by using the commercially available finite element program ANSYS(R) for the purpose of designing dental surgery tools. Modal analysis was carried out, and the optimal frequency range was calculated from the analyzed results. The ultrasonic vibrator was then redesigned based on the calculated optimal frequency range. The performance of the system was tested, and consequently, the proposed methodology was proven useful in vibrator design.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 30~40 kHz 대역을 가지는 치과수술용 압전형 골 수술기의 진동자를 BLT 설계방법과 유한요소해석을 통해 설계하는 방법을 제안하였다. 설계 및 해석기법을 이용하여 제작된 수술기에 대해서 진동실험을 통하여 이론의 타당성을 입증하여 다음의 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 피에조 세라믹의 압전현상을 이용한 골 수술기의 진동부를 설계하고 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 30~40 kHz의 초음파대역을 이용하는 치과용 초음파 골 수술기의 진동자를 설계 및 제작하고 상용 제품으로서의 성능을 알아보았다.

제안 방법

8V, G=50 이며, 식 (13)을 이용하면 진동부에 40V만큼의 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있다. 10 Hz에서 51.2 kHz까지 주파수를 점점 증가시킨 것을 입력하여 그에 따른 출력 변화를 관찰하였다.
3은 진동자 3D 모델을 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS에 적용시킨 mesh model이다 총. 20개의 모드해석을 진행하였으며 설계 목표로 정한 40 kHz 근처 영역 대에서 종진동 모드가 있는지를 확인하였다.^[6] 14~17 번째 모드해석에서 확인할 수 있으며 Fig.
본 연구에서는 30~40 kHz 대역을 가지는 치과수술용 압전형 골 수술기의 진동자를 BLT 설계방법과 유한요소해석을 통해 설계하는 방법을 제안하였다. 설계 및 해석기법을 이용하여 제작된 수술기에 대해서 진동실험을 통하여 이론의 타당성을 입증하여 다음의 결론을 도출하였다.
이를 확인하기 위하여 비접촉식변위센서인 광섬유방식 진동 변위계 (UNIPULSE PM-E, Japan)를 이용하여 압전형 진동자의 끝단에서 변위량을 측정하였다.
진동이 발생하는 PZT부분을 기준으로 최대변위가 발생하도록 Front 끝단까지 λ/2로 설정하고 전체 길 이를 λ로 설정하여 진동부 각 파트의 사이즈를 결정할 수 있도록 하였다.
9와 같이 진동자 끝단에서 센서를 위치시켜서 변화량을 측정한다. 초음파 발생기에서 1차 공진점인 37 kHz에서 30V의 전압을 입력하여 관찰하였다. 변위 표시는 Fig.
측정하는 방법은 Fig. 9와 같이 진동자 끝단에서 센서를 위치시켜서 변화량을 측정한다. 초음파 발생기에서 1차 공진점인 37 kHz에서 30V의 전압을 입력하여 관찰하였다.

대상 데이터

이러한 작은 변위를 증폭시키기 위해서는 PZT를 적층한 구조를 적용했고, 볼트로 고정한 BLT(bolted langevin type transducer)를 응용한 구조이다. Fig. 1과 같이 PZT는 중앙에 적층되어 있고, 전후로 금속 재질의 Front와 Body로 구성되어 있는 모델을 디자인 하였다. PZT를 적층한 구조는 전기 기계변환효율이 커서 강력진동자로의 작용이 가능하다.
PZT는 전기적-기계적으로 높은 응력을 가지는 Hard타입이 적합하며 중국 SUNNYTEC사의 S-42(직경 12 mm)를 진동부에 6개 적층하여 사용하였다. Body와 Front부분은 티타늄 합금으로 이루어져 있다.
티타늄은 열전도도와 열팽창률이 작아서 구조물 제작시 변형이 적고 고도의 내식재료로서 사용가능하다. 따라서 고열이 발생하는 골 수술기에 적용하기가 매우 적합한 소재이기 때문에 선정하였다.

성능/효과

1. 란쥬반형 진동자의 설계식은 초음파수술기의 설계에 유효한 식으로 사용할 수 있으며, 유한요소해석을 통한 공진점 탐색과 주파수응답 실험을 통하여 이를 증명할 수 있었다.
2. 설계할 때 고려한 최적주파수보다 실제 제품의 공진점은 낮아지기 때문에 원하는 주파수대역을 맞추기 위해서는 목표하는 값보다 조금 더 높은 주파수로 계산하는 것이 좀 더 정확하고, 유한요소해석을 통해 공진점을 예측할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치과용 초음파 골 수술기 및 스케일러는 어떤 기술인가?	치과용 초음파 골 수술기(bone surgical instrument) 및 스케일러는 치석제거, 임플란트 시술, 잇몸수술, 턱뼈 수술 등 다양한 치의료 영역에서 사용되고 있는 고부가가치 첨단기술이다.
	치아와 뼈를 절개하고 가공할 때 사용되는 방법에는 무엇이 있는가?	단단한 난삭재인 치아와 뼈를 절개하고 가공하기 위해서 여러 가지 방법들이 사용되고 있지만 대표적인 방법으로는 공압형(pneumatic), 자왜형(magnetostrictive), 압전형(piezoelectric) 등이 있다. 기존에 많이 사용되던 방식으로는 공압형으로서 모터의 회전력을 직선 운동으로 바꾸어 골 삭제, 골 성형 등에 이용하는 방법이다.
	치아와 뼈를 절개하고 가공할 때 사용하는, 공압형의 치명적인 문제는 무엇인가?	기존에 많이 사용되던 방식으로는 공압형으로서 모터의 회전력을 직선 운동으로 바꾸어 골 삭제, 골 성형 등에 이용하는 방법이다. 이 방식의 특징은 팁의 끝부분이 연조직에 닿으면 기계적으로 동작을 멈추는 구조로 되어 있어 구조가 복잡하여 기계의 고장이나 장시간 사용으로 인한 파손이 생길 경우 환자에게 위험할 수 있는 치명적 문제를 가지고 있다.[1]

참고문헌 (10)

Lee, J. H., Oh, J. M., Hong, Y., Kim, S., Paik, J., Lee, Y. J., and Lee, S. D., "Design and Evaluation of Ultrasonic Bone Surgical Instruments for Dental Applicaion," Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 25, No. 12, pp. 990-995, 2012.

원문보기 상세보기
Sa, M. W., Shim, H. R., Ko, T. J., Lee, J. M., Kim, J. Y., "A Study about Experimental Evaluation of an Ultrasonic Surgery Unit for Bone-cutting," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 1, pp. 1-7, 2016.
Lee, B. G., Kim, K. L., and Kim, K. E., "Design of Ultrasonic Vibration Tool Horn for Micromachining using FEM," Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 63-70, 2008.
Park, M. H., Kim, T. Y. and Kim, M. H., "Design and FEM Analysis of Langevin Type Ultrasonic Vibrator," KSMTE Conference, pp. 525-528, 2000.
Park, K. M. and Ko, T. J., "Design of Ultrasonic Vibrator for Dental Surgery using FEA," Proc. of the 6th International conference on Manufacturing, Machine Design and Tribology, No. 15-204, pp. 86-87, 2015.
Moreno, E., Acevedo, P., Fuentes, M., Sotomayor, A., Borrto, L., Villafuerte, M. E., and Leija, L., "Design and Construction of a Bolt-Clamped Langevin Transducer," International Conference on Electrical and Electronics Engineering, pp. 393-395, 2005.
Li, C. P. and Ko, T. J., "The Effects of Ultrasonic Vibration on Surface Finish and Tool Wear in End-milling Machining," 2012 International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO), pp. 330-334, 2012.
Zeng, W. M., Li, Z. C., Pei, Z. J., and Treadwell, C., "Experimental observation of tool wear in rotary ultrasonic machining of advanced ceramics," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 45, pp. 1468-1473, 2005.

상세보기
Kadivar, M. A., Akbari, J., Yousefi, R., Rahi, A., and Nick, M. G., "Investigating the effects of vibration method on ultrasonic-assisted drilling of Al/SiCp metal matrix composites," Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 30, pp. 344-350, 2014.

상세보기
Kurniawan, R. and Ko, T. J., "A New Tool Holder Design with two-Dimensional Motion for Fabricating Micro-Dimple and Groove Patterns," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 15, No. 6, pp. 1165-1171, 2014.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증