JPH06506132A - 歯科診断などのための接触式ディジタイザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 歯科診療などのための接触式ディジタイザこの発明は物体の表面の形状を表わす ディジタルデータの発生のためにその表面をトレースできる電気機械式ディジタ イザを含むプローブ方式に関する。このディジタイザの主な用途は、歯科試験室 などにおいて口腔内または口腔外にある歯の表面をディジタルデータ化すること である。

このディジタイザの発生するデータは、コンピュータによる型（例えば線状の型 、面状の型、立体的な型）の製作、および歯列矯正、義歯挿入ほかの補修歯科医 術、法医学、教育など種々の応用分野におけるＣＡＤ技術に使われることを想定 している。

背景技術 ］ンピュータによる型の製作および機械的接触式ディジタイザの歯科医術への応 用は新しく、実用的見地からの試験はまだなされていない。

一般的な市販のディジタイザ ここ数年の間に三次元ディジタイザ装置が普及し、航空機、自動車、産業および レジャーの分野で使われている。

これらディジタイザ装置は大まかに四つに分類できる。すなわち −機械的接触式 一磁気式 一超音波式 一ディジタル映像式 である。歯科用には機械的接触式がもっとも可能性があり、歯科診療および歯科 の所要技能レベルにめられる諸変更を最小限にするものとみられる。

機械式の歯科医療システム 米国特許第４，１８２，３１２号はプローブに接続されたトランスデユーサ機構 により三次元情報を発生する歯科用のプローブ機構を対象としている。米国特許 第５，１０７．１３９号、同第４．９９７，３６９号および英国公開出願ＧＢ第 ２，１４０，３０８号−Ａには他の機械式プローブが記載されている。

光学式の歯科医療システム この発明の発明者らはこの分野におけるフランソワ　デュレ（Ｆｒａｎｃｏｉｓ 　Ｄｕｒｅｔ）の仏国および米国での業績を承知している。彼は映像発生装置に ついて欧州特許出願および米国特許出願（ＥＰ　Ｏ０４０１６５−Ａ１；ＥＰ　 Ｏ０９１８７６−Ａ１．およびＥＰ　Ｏ１１０７９７−ＡＩ）を出願ずみであり 、業界誌にもごく僅かながら紹介された。彼による映像発生装置は口腔内の多様 の映像を生ずる超小型白黒カメラにより構成される。

他の光学式システム 米国特許第４，５７５，８０５号は歯の表面を光学的に走査しディジタルデータ 化して輪郭データを記録し、対応するはめ込み体の所要の形状を決定し、そのは め込み体の作成の工程を制御するシステムを記載している。

上に述べた従来技術はいずれも本発明の発明者らによる特定の歯科応用、とくに ここに提案するディジタル化システムを対象としたものではない。

この発明の要約 この発明は、とくに補修歯科医術、法医学的歯科医術、歯列矯正術、および歯科 医学教育の分野での使用に供される機械式のディジタイザに関する。

補修歯科医術−歯冠および菌種の作成における現在の補修技術は歯の下準備、印 象どり、補修体の形成および挿入を含んでいる。

柔らかい組織および硬い組織のディジタルデータ化の可能性は歯科医術および一 般医術における他の分野、すなわち印象どりが現在のところ不都合または不可能 な分野への潜在的応用をもたらす。

口腔外科−上顎骨または下顎骨の補綴体の作成を含む口腔外科処置（例えば移植 ）における印象どりは一つの例である。下顎骨の印象どりを高忠度で達成するこ とは組織の処理に問題があるので大へん難しいが、下顎骨のディジタルデータ化 は組織が−たん露出すれば容易に達成できる。

法医学的応用−口腔内諸表面形状、とくに上下歯の咬合面は指紋と同様に各個人 に特有であると考えられており、個人を特定するのに利用できる。ディジタイザ 装置はコン持表十６−５０６１３２　（４） ピユータデータベースの構築に利用でき、このデータベースから可視出力をとり 出せる。諸形状間の量的比較は数値制御的手法により可能であり、データベース の出力と未知のデータとの比較を可能にし、無傷のエナメル質部分と補修処置に より途切れた部分との形状の詳細を比較するだけで個人の正確な特定が可能にな る。口腔内緒形状をディジタルデータ化により捕捉しその諸形状を量的に比較す ることが可能になるので歯の情報に基づく個人の特定の信頼性とスピードが改善 される。

歯列矯正への応用−口腔内諸表面形状データベースは歯列矯正術にも広く応用で きる。歯列矯正への応用にはとくに利点が多い。すなわち、この分野では経時変 化の判断の基になる上記諸形状関係の量的データベースがめられるからである。

この諸形状関係の量的データベースと三次元ディスプレイ機能およびそれらディ スプレイの操作機能とを備えることにより、歯列矯正医は現在まだ不可能な診療 ができるようになる。ディスプレイ装置は治療効果の表示に使える。口腔内諸表 面形状は歯の動きの影響や歯茎並びの変化などを示すためにある期間にわたり追 跡調査できる。現在の方法よりも高度に量的な計測および比較が可能である。

歯列矯正医の行う最も重要な決定の一つは、歯に所要の動きを与えるために各歯 にかけるブラッヶットの正確な位置づけである。上記諸形状データベースは、コ ンピュータによる型が結果的に備える数学的機能と組み合わされて、歯の動きの 所要の割合、形式および度合を生ずるように各歯の上の正確なブラッケット位置 の計算および表示を支援する。これによってより正確な機能が達成できる。これ だけでも、現在の方法に対比して大幅な改善となる。

りの可視表示機能との組合わせにより教育への応用が広がる。三次元空間で諸表 面形状を回転させたり、強調または点検のために拡大したり、透視方向を変えた りすることができるので、教え方により高い創造性を発揮させ得る手段を講師に 与えることとなる。可視表示は操作により座標系を容易に変更できる。

県南−このディジタルデータ発生システムにより全体または部分義歯用の柔らか い組織の輪郭を複製することが可能となろう。

上述の可能性を考慮し、この発明の目的は歯とその周辺の表面形状をコンピュー タによる型製作に先立ってディジタルデータ化する機械的接触式ディジタイザを 作ることである。

この発明のもう一つの目的は歯とその周辺を数分間（５１０分以下）にディジタ ルデータ化することである。

この発明の他の目的は全体としての精度が約０．０２５ｍｍ（２５ミクロン）よ りも高いディジタイザをつくることである。

この発明のさらに他の目的は周知の装着技術によって口腔内に付着させることの 可能なディジタイザをつくることである。

この発明のさらに他の目的は歯科探査器具に感知力と操作性をもたせることであ る。

この発明のさらに他の目的は口腔内に入るほどに小型であって、しかも口腔内の あらゆる点に届くように伸長可能なディジタイザをつくることである。

この発明のさらに他の目的はプローブ先端があらゆる角度から口腔内のあらゆる 内側表面に届くように手持操作部に６次の自由度を与えたディジタイザをつくる ことである。

これらの目的およびこれら以外の目的は、歯の表面をトレースするように動かせ る先端を備えるプローブを含む歯表面トレーサであって、前記トレーサを安定し た基準位置に装着し基底面を定める装着手段と、実質的に同一の平面内にあって 動きの面を定め前記動きの面が前記基底面と可変角度を成すように前記装着手段 に枢着された第１の複数のリンクと、前記複数のリンクの１つを成し前記動きの 面内で２次元的に可動な末梢リンクと、前記プローブ先端の動きを表わす電気信 号を前記第１の複数のリンクの動きだけの関数として発生する手段と、前記プロ ーブを支持する歯科用手持操作部と、この操作部を保持するとともに前記第１の 複数のリンクにとり付けられた第２の複数のリンクとを含み、前記第２の複数の リンクが前記プローブ先端を前記動きの面内で前記第１の複数のリンクの中の前 記末梢リンクに関して固定の位置に常時保持し、前記固定の位置から前記プロー ブ先端を移動させることなく前記手持操作部が３軸のまわりで動けるようにした 歯表面トレーサによって達成できる。前記手持操作部を除いた前記トレーサ全体 を人間の口腔内に収容できる大きさにすれば有利である。

この発明のもう一つの側面によれば、プローブと、このプローブを支持しこのプ ローブに少なくとも６次の自由度を与える複数の継ぎ手を備えるリンク機構と、 前記リンク機構を安定な基準位置にとり付ける手段と、この基準位置についての 前記プローブのあらゆる動きを計測する検出手段とを含み、前記プローブに３次 の自由度を与えるとともにその動きが前記検出手段により検出されている第１の 複数の継ぎ手を前記リンク機構が含み、また前記第１の複数の継ぎ手とは独立に ３次の自由度を前記プローブに与えるとともにその動きが前記検出手段に検出さ れている第２の複数の継ぎ手を前記リンク機構が含むプローブシステムが得られ る。上述のとり付は手段は前記リンク機構を仕事台または顎の基準位置にとり付 けることができる。

前記第２の複数の継ぎ手のジンバル型配列は前記プローブ先端を前記第１ないし 第３の継ぎ手について同一位置に保持するとともに第４、第５および第６の継ぎ 手と共通の回転軸に常時保持しながら前記手持操作部に３次の自由度を与えるの に有利である。

上記検出システムは少なくとも１つのホール（Ｈａｌｌ）センサと前記リンク機 構に結合された磁石とを含み、前記第１、第２および第３の継ぎ手とそれぞれ結 合された第１、特表平ｅ−５ｏｅｘａ２（５） 第２および第３のホールセンサを、前記第１のホールセンサが前記第１および第 ２のリンクの相対的な動きを検出し前記第２のホールセンサが前記第２および第 ３のリンクの相対的な動きを検出し前記第３のホールセンサが前記第３および第 ４のリンクの相対的な動きを検出するように配置すれば有利である。

この発明のもう一つの側面は前記ホールセンサの出力信号を受けてその直線性を 改善する直線性手段に関する。

この発明のさらに他の側面によると、６次の自由度をもつ歯科プローブを含む歯 表面トレーサであって、与えられた顎についての基準位置に装着でき基底面を定 める装着手段と、この装着手段と一体的な第１のリンクと、実質的に互いに同一 平面内にあって動きの面を定めるように前記第１のリンクにピボット搭載され前 記動きの面を前記基底面の上および下で可動にする第２のリンクならびに第３お よび第４のリンクと、前記動きを表わす電気信号を発生する第１の手段とを含み 、前記動きの面内の予め定めた範囲で前記第４のリンクの末梢端が可動になるよ うに前記第２、第３および第４のリンクを相互間に予め定めた範囲の角度運動が 可能な状態で互いに連結し、前記末梢端が３次の自由度と前記動きを表わす電気 信号を発生する第２の手段とプローブと前記第４のリンクの前記末梢端にとり付 けられ前記プローブを支持するジンバル手段とを含み前記第１ないし第４のリン クの動きを伴うことな（前記プローブに３次の自由度の動きを可能にし、前記プ ローブが前記基準位置について６次の自由度で可動である歯表面トレーサが得ら れる。上述のリンク全部とジンバル手段は人間の口腔内に収まる程度の大きさに する。上記第２、第３および第４のリンクは互いに相隣るリンク間に９０°以上 、好ましくは１００°以上の角度運動が可能な状態で互いに連結する。

この明細書記載の機械的接触式のディジタイザ装置は従来技術の制約を除去し、 したがって口腔外科および歯科用または歯科試験室用に適する。斜視図を第１図 に示す。装置は口の中に完全に入るほどに小さい。このように小型であるために 、リンク機構の曲げを最小にし継ぎ手運動センサの回転動を最大にすることによ る高精度の達成が容易になる。リンク機構は全部の歯に届くための最適の直線運 動と全部の歯のあらゆる表面にセンサ先端を動かすための回転運動とができるよ うに設計した。ディジタイザの全体としての精度が２５ミクロンよりも高くなる ように各リンク機構、センサともに精度０．００２５ａａ（２５ミクロン）で設 計した。継ぎ手は遊びを減らし剛性を増すために予荷重をかけた。継ぎ手の剛性 とホール効果継ぎ手動きセンサの精度およびヒステリシスとの試験の結果はディ ジタイザの総合精度を２５ミクロンよりも高くできることを示している。

ここに記載する機械的接触式ディジタイザは歯科医または試験室要員が歯または 義歯およびその周囲を迅速にしかも正確にディジタルデータ化することを可能に するとともに、炎症を伴う歯茎収縮処置を不要にする。すなわち、プローブの先 端を歯茎収縮を要することなく歯茎の下まで届かせることができるからである。

みぞやアンダカットも検出し計測できる。このようにして、このディジタイザは 現行の印象どりによる手法への代替手段を歯科医に提供する。

この発明のディジタイザは補綴体製作関係の自動機械を制御する制御データまた は数値制御コマンドを発生できる適当なコンピュータによる型作成装置とともに 使用することを想定している。歯科診療所内のシステムは、例えば、ディジタル データ発生とフロッピィディスクへの歯表面形状データの供給とを行うことがで きる。このデータを地域の歯科試験室に送り情報処理および補綴体の実際の作成 を行う。このデータはモデムやケーブルなどを用いたデータ伝送によって送るこ ともできる。

歯表面の形状または口腔全体がコンピュータによる情報処理のためにディジタル データ化されると、歯の複製、検討用模型の鋳込みのための鋳型、または最終的 な補綴体そのものの自動加工に必要なあらゆる表面形状情報を電子的に発生でき る。型どりは、例えば、メアリランド大学歯学部イー　ダイアン　リコウ（Ｅ、 　Ｄｉａｎｎｅ　Ｒｅｋｏｗ）助教授および同助教授の協力者により開発された 表面型どりプログラムを用いて行うことができる。

この発明の手法の重要な拡張は構造型どりの分野にある。

表面形状データが−たん得られると、このソフトウェアにより個々の歯またはひ と組の歯全部の詳細な素子構造の型をつくることができる。このような詳細な素 子構造の型により応力の分布を種々の負荷条件の下で決定し表示することができ 、歯科用諸材料の試験、不正咬合の影響の検討、および適切な補修条件の決定の 新しい手法の案出を可能にする。詳細な素子構造の型は特定の負荷パターンに対 する適合材料の厚みの変動量の算出を含む義歯の構造の詳細設計に使える。これ によって失敗を減らすことができる。すなわち、予想される応力レベルに基づく 材料配置と歯の作成とが可能になるからである。新世代のより高度化された試験 装置が実現可能になる。

ディジタイザプローブは口腔内で探査器と同様に使える。

また、試験室内の台上でも使える。歯の下準備のあと（歯茎収縮処置によること なく）、口腔内の１つの選んだ歯または同じ顎の側で選んだ複数の歯にディジタ イザを装着し、下準備ずみの歯表面をその表面の輪郭に詳細に従ってトレースす る。プローブ先端を歯表面に接触させ、特定の周波数または周期で、その表面を 表わすデータをディジタイザのリンク機構の検出素子を通じて記録する。この方 法により、歯表面を表わすに十分な数の（例えば数百の）個別データ抽出点から のデータが得られる。

例えば、歯冠補修においては、歯の下準備（歯茎収縮処置によらない）のあと、 ディジタイザ装置を正常な歯に一時的に装着し、この正常な歯を顎基準の基準点 として用いる。プローブの先端で、ディジタルデータ化すべき歯の表面を走査す る。一本の歯をディジタルデータ化するための所要時間は、歯冠補修用の場合は ３分以下、歯列矯正用の特表十６−５０６１３２　（６） 場合は１５秒／歯または８分（歯３２本Ｘ０．２５分／歯）であり、１秒あたり 数百のデータ採取点という速さでデータ記録が行われる。精度を２５ミクロンよ りも高くするには１つの歯あたり最低４００の表面点をデータ採取点とする必要 があると思われる。歯表面への直接接触により半透過や水分起因の反射の問題を 回避できる。超微小球状先端部（０，５閣以下）を完全なリンク機構で動かすこ とができるので、歯のあらゆる部分、すなわち歯茎線の下を含むあらゆる部分に 届かせることにより、視差問題を解消できる。

口腔内表面形状のディジタルデータ化における基本的問題の一つはすべての空間 座標データの基となる基準点の選択である。この明細書記載の装置を使用に最も よく適合させる基準点は上記計測デバイスを一時的にとり付けるか接着する走査 対象以外の歯である。この基準点となる歯は顎に共通に付着しているので走査さ れる表面について剛性を備える。後述のとおり、上歯のディジタルデータ化には 上歯の１つを基準点にし、下歯のディジタルデータ化には下歯の１つを基準点に する。

上述の目的のためのシステム全体は、空間座標データを発生するディジタイザ装 置と、上記データを処理しフロッピィディスクまたはその他の蓄積装置もしく′ は伝送媒体に供給する回路と、エキスパートシステムまたはＣＡＤシステムを伴 うコンピュータ型どり手段と、ある種の用途に適合した補修体または型の自動作 成とを含む。上記データは型作成ソフトウェアへの入力のために適当なフォーマ ットに変換される。ＮＣコマンド発生の可能なソフトウェアなど適当な型作成ソ フトウェアを使用できる。このようなシステム全体を第１Ａ図に示す。

この発明の上記以外の目的、特徴および利点は図面を参照した実施例の下記の詳 細な説明から把握されるであろう。

図面の簡単な説明 第１図はディジタイザの斜視図であり、第１Ａ図はディジタルデータ発生および データ処理システムの一例の機能ブロックダイヤグラムであり、第２図は一部を 断面図で他の一部を仮想線で示したディジタイザの立面図であり、 第３図は基底部１の立面図であり、 第４図は基底部１に搭載されたピボットブロック２の図であり、 第５図はフレーム７と直線状リンク８とくの字型リンク９とが互いに最も接近し た位置にある状態を示す平面図であり、 第６図はフレーム７の平面図であり、 第７図および第７Ａ図は直線状リンク８の立面図および平面図をそれぞれ示し、 第８図、第８Ａ図、および第８Ｂ図はくの字型リンク９の平面図、立面図および 断面図をそれぞれ示し、第９図、第９Ａ図、および第９Ｂ図は第１のアーチ部材 １２の側面図、背面図および上面図をそれぞれ示し、第１０図および第１０Ａ図 は第２のアーチ部材の側面図および上面図をそれぞれ示し、 第１１図はプローブ１４の立面図であり、第１２図はディジタイザのある部分に より実現可能な運動の範囲を示す連鎖図であり、 第１３図はディジタイザの出力信号の条件付けのための電子回路を示す概略ブロ ック図である。

発明の実施例の詳細な説明 この明細書において、上、下、水平、垂直などの用語は単に相対的用語として用 いる。ディジタイザ使用中の向きにあたる位置の限定を意図するものではない。

第１図はディジタイザの斜視図である。第２図は部分的に断面図および仮想図を 含むディジタイザの立面図である。

このディジタイザは基底部１と、ピボットブロック２と、フレーム７と、直線状 リンク８と、くの字型リンク９と、第１のアーチ１２と、第２のアーチ１３と、 プローブ１４と、ハンドル２０とを含む。「第１の継ぎ手」はピボットブロック ２とフレーム７との間に形成され、「第２の継ぎ手」はフレーム７と直線状リン ク８との間に形成され、以下同様に形成される。部品はすべてステンレススチー ルなど丈夫で生体互換性ある材料によって作っである。後段で詳述するとおり第 １ないし第３の継ぎ手の運動はホール効果センサで検出される。第４ないし第６ の継ぎ手およびそれらの周囲のリンクはジンバル同様の素子で形成し、この素子 がこのディジタイザに秀れた接触感と操作性とを与えている。さらに、ジンバル の有利な点は、第４ないし第６の継ぎ手の動きの検出を要することなくプローブ 先端の位置を継続的に検出できることである。

第３図は基底部１の立面図である。この部材は水平方向寸法がおよそ０．４６イ ンチＸ０．５４インチの横部材１０１と、この部材にとり付けた一対のフランジ １０２と、横部材１０１のほぼ中央から垂直方向にわずかにテーパ状に延びるス テム１０３とを含む。ステム１０３は特定の歯へのアクセスを必要に応じて容易 にするように横方向部材の中央からずらしてもよい。ステムの外側面の一部を第 ３図で一点鎖線のブロック１０４で囲んで表示しである。これはあとでとり付け るピボットブロック２の通常の位置を示すものである。

第２図において、基底部１は歯１０５にとり付けられた状態で示しである。粘着 材１０６が基底部１と歯１０５との間に塗布され、一時的に基底部１を歯１０５ に動かないように粘着させる、歯科医が通常用いる適当な粘着剤は「灰色粘着化 合物」として知られる。

第４図は基底部１にとり付けられたピボットブロック２を示す。第２図および第 ５図も併せて参照されたい。ピボットブロック２は基底部１のステム１０３に中 央部の孔１０７を通じて圧力ばめになり、孔１０７はステム１０３のテーパ形状 に合わせてテーパ状にしである。テーパの度合すなわちテーパ角度はごく小さく 、例えば３°であり、特表平６−５０６１３２　（７） 「緩み止めテーパ」を構成する。フレーム７は第２図の面内でピボットブロック ２のまわりで回転できる。

第４図および第５図に示すとおりフレーム７にはベアリング５が備わっている。

このディジタイザにおけるベアリングは予荷重ボールベアリング、すなわち、デ ィジタイザそのものに荷重がかかっていない場合にも力が加えられた状態のボー ルベアリングが好ましい。ベアリングへの予荷重は剛性を高め遊びを減らすため のものである。予荷重ベアリングの構成そのものはこの明細書記載の発明の諸特 徴と関連した形ではないが当業者に周知である。

フレーム７においてピボットブロック２の外側面の一対のテーパ付き突起１１０ はベアリング５に支持される。これによって、フレーム７はピボットブロック２ にピボット支持される。第２図に仮想線で示すとおり、このピボット角度は、水 平方向の上側および下側に少なくとも１５°とし、この角度は基底部１の横部材 １０１によって定まる。

第２図において、フレーム７、直線状リンク８およびくの字リンク９を、ピボッ トブロック２について３００の可動範囲全体を通じ１つのユニットとして一緒に 旋回するように連結しであることに注意されたい。

第６図はフレーム７の平面図である。フレーム７は全体として平らで厚さおよそ ０．２５インチの板状の形状を備える。その一端にはピボットブロック２をその 内側に非接触的に収容できるような形状の大きい開口１１２が形成しである。フ レーム７の一辺に沿って長さ方向切出し面１１３が形成しである。フレーム７の 開口１１２と反対側の端部で切出し面１１３の近傍にはベアリング孔１１４があ る。

この孔は切出し面１１３とほぼ垂直な方向に同一平面内でフレーム７の一部から 突出して形成しである。このフレームの一端１１６ａから孔１１４の中心までの 寸法はおよそ０、８９６インチである。

切出し面１１３と開口１１２の長さ方向内側面１１２ａとの成す角度はおよそ４ ０°である。また、上記面１１２ａと表面１１３の延長部１１３　ａ％すなわち 表面１１３とおよそ１０°ずれた面との成す角度はおよそ５０°である。

長さ方向側面１１５は面１１２ａとおよそ１０３０’の角度を成す。第６図に概 略的に示したベアリング５は粘着剤でフレーム７に保持されている。第６Ａ図の フレーム７の側面図に示すとおり、ベアリング孔１１４を形成した第２の端部１ １７は互いに平行で二叉を形成する上部分１１７ａおよび下部分１１７ｂを備え る。第６Ａ図に概略的に示すとおり、好ましくはボールベアリングから成るベア リング５は粘着剤によりこれら上部分１１７ａおよび下部分１１７ｂにそれぞれ 保持される。

直線状リンク８の立面図を第７図に示し、その平面図を第７Ａ図に示す。直線状 リンク８は第１の端部１２３と第２の端部１２４とを備える。リンク８の上面お よび下面は平らで互いに平行である。リンク８は中央部１２５で端部１２３．１ ２４の厚み（およそ０．１１６インチ）よりも大きいおよそ０．２５インチの厚 みをもつ。リンク８の孔１２６および１２８の中心間の寸法はおよそ０．５イン チであり、その全体の寸法は０．ツイフチである。

第１の端部１２３はフレーム７の第２の端部１１７の上部１１７ａおよび１１７ ｂの間に精密にはまる寸法にしである。垂直方向に延びる貫通孔１２６には寸法 の合致したシャフトが挿入されており、ベアリング５をフレーム７の第２の端部 １１７に係合させるために止めねじ１１で固定しである。

リンク８は第７Ａ図に示すとおりほぼ一定の幅（α１８７５インチ）を有する。

第１の端部１２３は実質的に円形の外郭線を備える。第２の端部１２４は横方向 片側では実質的に円形に角落とししであるが他方の側ではその側の辺とおよそ８ ０°の角度を成している。第２の端部１２４も後述のシャフトの挿入を受ける貫 通孔１２８を備える。

リンク８の一方の側面から他方の側面に延びる方向で上面および下面のほぼ中間 に斜貫通孔２９が設けである。この例ではこの孔はほぼ円形の断面をもち、その 円筒状の壁面はリンク８の両壁面とおよそ６４°の角度を成す。

第８図、第８Ａ図および第８Ｂ図はくの字リンクの平面図、立面図および断面図 をそれぞれ示す。第８Ｂ図の断面図は第８Ａ図の線８Ｂ−８Ｂでみた断面を示す 。リンク８は第１の端部１４０と第２の端部１４１とを有する。第１の端部１４ ０は上部分１４０ａおよび下部分１４０ｂをもち、これら部分は互いに平行で、 直線状リンク８の第２の端部１２４に係合するための二叉構造をもつ。上部分１ ４２ａおよび下部分１４２ｂをもつ搭載孔１４２はリンク８の孔１２８と目合せ 状態になる。ベアリング５は上側孔１４２ａおよび１４２ｂにそれぞれ配置され 、止めねじ１１などで貫通孔１２８に固定されるシャフト（図示してない）を保 持する。

くの字型リンク９は縦方向を定める一対の横側面１４３および１４４を備える。

第１の端部１４０は縦方向とおよそ３０″の角度を成して延びる第１の外側面１ ４５を備える。第２の外側面１４６は縦方向とおよそ５０６の角度を成して延び る。内側面１４７は縦方向とおよそ５０’の角度を成して延びる。端壁１４８は 縦方向とおよそ５０°の角度を成し、第２の外側壁１４６および内側壁の両方と およそ１００°の角度を成す。

第２の内側壁１４９は縦方向とおよそ４０°の角度で延び、したがって内壁１４ ７と９０°の角度を成す。この内壁１４９は横壁１４４から内側に向かって延び る。第２の外側面１４６および端壁１４８の表面は実質的に平らで角を形成する 。第１の端部１４０は端壁１４８と第１の内側壁１４７との間で好ましくは円形 に角落しする。

切出し面１５５は上面から延びる。横側壁ではこの切出し面は一対の肩部が定め る。切出し面１５５の中の底面壁は肩部１５６および中央部角落し部１５８の近 傍の実質的に平らな部分１５７で形成される。平坦部１５５は水平面との間でお よそ４５°の角度を成すのが好ましい。角落し部１５４はリンク９の縦方向に延 びる軸をもつ円筒の形状特表十６−５０６１３２　（９） にするのが好ましい。

第２の端部１４１は端壁１６０を有する。貫通孔１６１が好ましくは角落し部１ ５８の軸と同軸的に形成してあり、端壁１６０を通じて縦方向に延び切出し面１ ５５からさらにリンク９の本体まで延びている。

リンク９の寸法は横方向がおよそ０．３３０インチ、端壁１６０から孔１４２の 中心までがおよそ０．７２５インチである。

第１のアーチ１２の側面図、端面図および上面図を第９図、第９Ａ図および第９ Ｂ図にそれぞれ示す。第１のアーチ１２は第１の端部１６４と第２の端部１６５ とを備える。

第１の端部はくの字リンク９の切出し面１５５の角落し部１５８と合致する形状 を備える、好ましくは円筒状の角落し面１６６を備える。貫通孔１６７は切出し 面１５５の両側のベアリング５と係合するピンの挿入を受ける。ピン（図示して ない）は寸法の合致した一対の貫通孔１１に備えられている止めねじにより第１ の端部１６４に保持される。第１の端部１６６から上向きに延びる形でアーチ１ ２が９０°屈曲し第２の端部１６５に達する。第２の端部１６５は互いに平行で 貫通孔１７２を形成する孔１７２ａおよび１７２ｂをそれぞれもつ上側部および 下側部を有する。これら孔１７２ａおよび１７２ｂにはベアリング５がそれぞれ 設けである。一対の角度壁１７３ａおよび１７３ｂがアーチ１２に形成してあり 、これら壁が二叉部材１６５ａおよび１６５ｂの第２の端部とは反対側の端部で これら二叉部材１６５ａおよび１６５ｂの中に空間を定義する。これら角度壁の 各々はアーチ１２の縦方向両辺とおよそ４５゜の角度を成し、両者間でおよそ９ ０°の角度を成す。これら２つの角度壁の接合部を除去してアーチ１２の縦方向 と垂直な短い平坦部１７４を形成することもできる。アーチ１２の端部１６４か ら孔１７２の中心までの水平面内の寸法はおよそ０．６６６インチである。

第２のアーチ１３をその側面図で第１０図に上面図で第１０Ａ図に示す。この第 ２のアーチは第１の端部１８０から９０°屈曲して第２の端部１８１に達する。

舌状部１８２はその内部に垂直方向の貫通孔１８３を有する。第１のアーチの開 口部１７５に舌状部１８２を挿入した状態でピン１６（第２図）を止めねじ１１ により貫通孔１９３内に保持し、第２のアーチ１２の第２の端部１６５のベアリ ングに回転可能状態で支持することができる。

二対の傾斜壁１８４　ａ、　１８４　ｂ、　１８４ｃおよび１８４ｄは舌状部１ ８２の第１の端部１８０とは反対側の端部に形成する。傾斜壁１８４ａおよび１ ８４ｂは舌状部１８２の上に、傾斜壁１８４ｃ　（図示してない）および１８４ ｄは舌状部１８２の下にある。好ましくは、小さい平坦部分１８５をこれら傾斜 壁の各対の間の接合部に形成する。これら傾斜壁の各対の成す角度は９０°とし 、各傾斜壁がアーチ１３の縦方向と成す角度をおよそ４５°とする。アー゛チ１ ３の第２の端部１８１から貫通孔１８３の中心までの水平面の寸法はおよそＬ２ ４５インチである。

上述のとおり、構成素子はいずれも小型であるが断面では大きい。断面が大きい のでベアリングにおけるトルクおよび重力に起因する曲げを回避でき、したがっ て高精度を達成できる。継ぎ手には低い曲げトルクおよび遊びのない動きを生ず るために、予荷重をかけた超小型ボールベアリングを用いる。

プローブ１４を第１１図に示す。第２図の構成図に示すとおり、ベアリング１８ ６の一組の対が第２のアーチ１３の第２の端部１８１の貫通孔１８８に形成した 内聞溝１８７の中に保持リング１８５により装着しである。

プローブ１４はその長さの約２／３にわたり実質的に直線状である。第１の端部 １９２にはねじ切りが施しである。

第２の端部１９３は概ねＣ字状である。この第２の端部にプローブ先端１９４が ある。このプローブ先端は直径約０．５ｍ＋＊の球にするのが好ましい。接触先 端は歯茎および隣の歯からの干渉を最小に抑えるために直径０．５ｍ以下にする ほうが好ましい。また、曲線状の第２の端部１９３は、部分１９３ａにおいてシ ャフト１９２ａとほぼ垂直な方向に延び、部分１９３ｂにおいて前記シャフトと 平行に延び、部分１９３ｃにおいて前記シャフトとおよそ６５°の角度を成すの が好ましい。部分１９３ｃは先端部表面の成す角度がおよそ１６°になるように テーパ状にし、取付点においてプローブ先端１９４よりも小さくしかもプローブ の剛性を確保するために太さが急速に増す形状にするのが好ましい。プローブ１ ４の全体の長さはおよそＬ７０インチである。

プローブ１４は、第２のアーチ１３の貫通孔１８８に、みぞ１９６内の保持リン グ１９５とこの保持リング１９５およびアーチ１３の第１の端部１８１の間の適 当な厚みのシムとにより回転可能な状態で保持される。プローブ先端１９４は、 プローブ１４のシャフト１９４　ａ、第１および策２のアーチ１２．１３の貫通 孔１７２，１８３およびくの字型リンク９の貫通孔１６１とそれぞれ共通軸をも つように向きを定めである。これらの特徴により、くの字型リンク９とアーチ１ ２および１３とは上述の利点の非常に多いジンバル様の機構を形成する。

くの字型リンク９、直線状リンク８およびフレーム７はリンク８の貫通孔１２６ および１２８に挿入されたピンにより連結できる形状を備える。連結が第１図に 示すとおり形成されると、リンク９は、フレーム７とリンク８および９とが同一 平面内に留まったままの状態でフレーム７の方向にもその逆方向にも延ばすこと ができる。換言すれば、フレーム７とリンク８および９とは、ピボットブロック ２に関して、水平面の上下両方向にそれぞれおよそ１５°の角度だけユニットと して旋回できる。

リンク８は、第５図に示すとおりリンク９が延びの最も小さい位置にあるときは フレーム７とリンク９との間に小さく収まるような形状を備える。上記状態にお いて直線状リンク８の円形角落し端部１２３がフレーム７の表面１１３に平行な 状態でこれと接していることに注意されたい。ま特表十６−５０６１３２　（９ ） た、上記状態において、くの字型リンク９の端壁１４８がフレーム７の角度オフ セット延長部１１３ａに接するような角度を与えられている。一方、リンク８の 第２の端部１２４の角落しした部分はフレーム７に接し、同端部１２４の角落し してない部分１２７はフレーム７から外向きに突出する。

第１２図はフレーム７、リンク８およびリンク９の組合せで実現できる動きの範 囲を示す連鎖図である。第１２図において、アルファはフレーム７についての直 線状リンク８の回転を表わし、ベータは直線状リンク８についてのくの字型リン クの回転を表わす。参照数字１２６ａ、１２６ｂおよび１２６ｃはアルファが０ ．３および１００°のときの貫通孔１２６の位置をそれぞれ示す。参照数字１２ ８ａは貫通孔１２８の位置を示す。Ａ、　Ｂ、　ＣおよびＤはアルファおよびベ ータの図示の値に対応するくの字型リンク９の末梢端の位置を示す。

例えば、第５図に示した最小延びの状態から始めて、リンク９は角度ベータの値 およそ１００°まで回転できる。

この回転の限界はリンク８の中央部１２５の面１２５ａに接触するリンク９の面 １４８によって定まる。角度ベータが１００’近くになると端壁１４８と延長部 １１３ａとの間に干渉が生じ、ベータが１００’の状態でアルファは最小値３° になるように制約を受ける。第１２図における線９′はアルファがＯのときにリ ンク９がとる理論的位置を示している。

アルファの値はリンク８の第２の端部１２４の直線部１２７、すなわちアルファ が１００°に達したときフレーム７の垂直側壁と接触する直線部１２７により１ ００°に限定される。

第２図に示すとおり、管状部２１と末梢端部２２と手元端部２３とを含む手持操 作部（ハンドル）２０はプローブの第１の端部１９２に同端部のねじ形成部によ り強固に連結される。この連結は止めねじ１１により確実にされる。

上述のとおり、本願記載の機構はディジタイザに６次の自由度を与える。プロー ブ１４は手持操作部２０によりその軸のまわりに３６０°回転可能であり、アー チ１３の第１の端部にジャーナル軸受けされている。プローブ回転中はプローブ 先端は第１のアーチ１２と第２のアーチ１３との間のピボットピン１６の軸に留 まる。

第１のアーチ１２はアーチ１３に関し、アーチ１３との間にあるピボット点で旋 回できる。これらアーチの各々において傾斜壁が４５°の角度で形成しであるの で、これらアーチの各々は第２図に示した平面に対しおよそ１３５゜旋回できる 。換言すれば、第２図図示の状態、すなわちアーチ１２を静止位置に保持した状 態を始点として、アーチ１３は上記平面からいずれの方向にも１３５°旋回でき る。

この旋回動作を通じて、プローブ先端１９４は、アーチ　１２および１３の間の ピボットピン１６の軸とアーチ１２の第１の端部１６４の貫通孔１６７の中心軸 とに留まる。

アーチ１２はくの字型リンク９の切出し面１５５のピボットピンのまわりでも旋 回できる。切出し面１５５の直線部１５７とアーチ１２の第１の端部の対応面と によって、アーチ１２はピボットピン１５のまわりでいずれの方向にもおよそ４ ５°旋回できる。切出し面１５５内のアーチ１２の旋回を通じて、プローブ先端 はピボットピン１５の軸との同心円上にある。

リンク９、リンク８およびフレーム７の伸長および旋回運動についてはすでに述 べたとおりである。これらとは別に、フレーム７は、第２図に示すとおり、水平 方向に対して上下に少なくともおよそ１５°ずつピボットブロック２のベアリン グ５のまわりを旋回できる。このリンク機構によって、プローブ先端１９４を患 者の口腔内のすべての歯のすべての部分に届かせることができる。

この機構によると、先端１９４は第１、第２および第３の継ぎ手のみについて可 動であり、第４ないし第６の継ぎ手については可動ではない。

また、第４ないし第６の継ぎ手のジンバル同様の機構は、第１ないし第３の継ぎ 手が生ずる空間運動と相体って、操作者の手にかかる荷重全体をプローブ端に伝 えることかでき、したがって６つの継ぎ手を手にかかる荷重から分離できる。こ れによって、必要に応じ、センサによる検出開始点を制御するプローブ先端圧力 センサ（図示してない）の使用が可能になる。

第１ないし第３の継ぎ手を手に対する荷重から分離する手段は上記ジンバル同様 の機構に限られない。例えば、６次の自由度をもつほかのリンク機構でも同じ結 果が得られる。

ヱ乞竺 第１ないし第３の継ぎ手の各々の角運動は継ぎ手に摩擦もトルクもかけないホー ル効果センサを用いて磁気的に計測する。

周知のとおり、ホールセンサの各々は対応磁石からの磁束の関数として可変電圧 を発生する。

第２および第３の継ぎ手の角運動のおよそ１００°の範囲がホール効果素子によ る高精度の角運動検出を可能とする。ディジタイザはご（小さいので、プローブ 先端のごく小さい動きでも継ぎ半角運動はかなり大きくなる。この発明において は、リンクの寸法が小さいことと角運動センサの精度との組合せにより、微小寸 法の計測における高精度計測がプローブに可能になる。

種々の構成素子の相互間の位置はそれら素子にとり付けた複数個の磁石および対 応の複数個のホール素子によって電気信号に変換される。

小さい馬蹄型のＮｄＦｅ磁石３がピボットブロック２の内側体１１１にとりつけ てあり、それに対応するホールセンサ４ａが磁石３に面してフレーム７の内側面 にとりつけである（第２図）。馬蹄型磁石は両極近傍に強度の高い高度に集中さ れた磁界を発生し、近傍にあるホールセンサ４ａによりこの磁界が検出されるが 、フレーム７およびリンク９上にあってこの磁石から離れているホールセンサ４ ｂおよ特表十６−５０６１３２　（１Ｇ） び４ｃには検出されない。

細長いＮｄＦｅ磁石１０は直線状リンク８（第７ａ図）の貫通孔１２９に配置さ れフレーム７の切出し面１１３およびリンク９（第５図）の第２の内側面にそれ ぞれ設けられたホールセンサ４ｂおよび４ｃと対置される。２つのホールセンサ の間に単一の棒磁石を上記のとおり配置し、回転角アルファおよびベータの値を 好ましくは１００°に限定することにより、二つの検出角度の相互間の干渉が避 けられる。

ホールセンサとそれらセンサ対応のリンクの材料は好ましくは非磁性体とし、リ ンクは非磁性ステンレススティールで構成する。したがって、リンク間の相対運 動は棒磁石１０の強力な磁界分布パターンに影響を及ぼさない。棒磁石１０の強 力磁界分布パターンがあるので、この磁石を保持するリンク８の動きがホールセ ンサ４ａに好ましくない磁界変化を生ずる。そこで、この馬蹄型磁石からの強度 の高い磁界の計測には高い増幅度は必要でないので、センサ４ａの出力は低増幅 度で増幅する。したがって、センサ４ａでみた棒磁石１０からの磁界の微小な変 化は問題にならない。この手法により、３つの継ぎ手の動きは互いに独立に計測 できる。

電子回路 第１３図を参照すると、ホールセンサＳ、、Ｓ、およびＳ、には電子回路３００ の精密電源３０２から一定の基準電流を供給する。センサＳ、は第３の継ぎ手に もつとも近く、Ｓ、はフレーム７とピボットブロック２との間に配置される。ホ ールセンサからの信号は、この実施例の中の他のアナログ機能モジュールに必要 な１ないし１０ボルトの範囲にセンサ出力電圧を増幅するそれぞれ対応の低雑音 増幅器Ａ、　、ＡｔおよびＡ、により初期条件付けされる。これら増幅器の利得 はおよそ５０である。対応のオフセット調整モジュールｏｓ、、ｏｓ、およびＯ ８，が一定のセンサバイアス電圧を除去する。

ホールセンサの出力電圧は磁石からの距離に直線的に比例して変化するのではな く、距離の逆数として変化する。

したがって、第２および第３の継ぎ手と結合したセンサについては、センサ出力 電圧とリンク角度との関係は、入力の逆数を出力するアナログ機能モジュールＦ Ｍ、およびＦＭ、によって実質的に直線化される。この信号処理により、第２お よび第３の継ぎ手の動きの全範囲にわたり十分で一様な精度が得られる。

第１の継ぎ手のセンサには直線化は不要である。第２図に示すとおり、その磁石 は馬蹄型磁石であり、センサの可動範囲はＮ極とＳ極との間に限定された狭い範 囲に留まるからである。この機構により、Ｓ、の出力はすでに実質的に直線状に なっている。

信号処理を受けたのち、これら３つの信号はすべて１８Ｍ互換のパーソナルコン ピュータ用の慣用のプラグインＡ／Ｄボード、例えばデータトランジション社Ｄ ７２８０８型ボートに供給してさらに分析できる。

この発明を特定の実施例に関連して述べてきたが、当業者には他の多数の変形や 改変や用途が自明であろう。したがって、この発明はこの明細書の詳細な説明に よって限定されるのではなく添付のクレームのみによって限定されるのが好まし い。

Δ 国際調査報告　。ｌ’Ｔ／ＩＫ。、Ｉｎ、ａＧ＆国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　キャプテン、クシュルー　エムアメリカ合衆国、マサチューセ ッツ州 ０２１３９、ケンブリッジ、フランリン　ストリート４１１．アパートメント３ ０１ （７２）発明者　レーン、アラン　ジェイアメリカ合衆国、マサチューセッツ州 ０２１７３、レキシントン、キャロル　レーン

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．プローブと、 このプローブを支持しこのプローブに少なくとも６次の自由度を与える複数の継 ぎ手を有するリンク機構と、このリンク機構を安定した基準位置にとりつける装 置と、前記基準位置に関する前記プローブのすべての動きを計測する検出システ ムとを含み、 前記リンク機構が前記プローブに３次の自由度を与える第１の複数個の継ぎ手を 含み、それら継ぎ手の動きが前記検出システムに検出され、 前記リンク機構が前記プローブに前記第１の複数個とは独立に３次の自由度を与 える第２の複数個の継ぎ手を含み、それら第２の複数個の継ぎ手の動きは検出さ れないプローブシステム。
2. ２．前記プローブシステムが歯の表面を走査するためのものであり、前記とりつ ける装置が前記リンク機構を与えられた顎の基準位置にとりつけ可能であり、前 記プローブが前記与えられた顎にある予め定めた歯の表面を完全に走査するよう に可動である請求項１記載のシステム。
3. ３．前記プローブに強固にとり付けられた手持操作部をさらに含み、前記プロー ブが前記手持操作部から延びる弯曲した柄部とこの柄部の末梢端にある先端部と を有し、前記湾曲した柄部が前記歯の表面のすべての部分へのアクセスを容易に 可能にする形状を備え、前記弯曲した柄部の末梢端が前記手持操作部に関して角 度を成しこの角度が前記柄部の末梢端を与えられた顎の面と垂直にするように設 定され一方手持操作部が顎から遠ざかる方向に延びその顎の歯とは接しない状態 に留まる請求項２のシステム。
4. ４．前記リンク機構が少なくとも第１ないし第５の継ぎ手をこの順序で定義する 少なくとも第１ないし第６のリンクを含み、第６の継ぎ手が前記第６のリンクと 前記プローブおよび手持部材との間に定義され、 前記第２、第３および第４のリンクが実質的に同一平面にあり、 前記第４、第５および第６の継ぎ手が前記プローブ先端部および前記第１ないし 第３の継ぎ手を同一位置に留めたまま前記手持操作部の動きを可能にするジンバ ル手段を構成し、 前記ジンバル手段が前記手持操作部に３次の自由度を与えるとともに、前記プロ ーブ先端が前記第１ないし第３の継ぎ手について同一位置に留まったまま回転で きるようにし、 前記第６の継ぎ手が前記第６のリンクについて綾方向軸のまわりの回転を可能に するジャーナルである請求項３のシステム。
5. ５．前記第４および第５の継ぎ手が回転軸を各々が有する回転継ぎ手であり、前 記プローブ先端が前記第４、第５および第６の継ぎ手の共通の回転軸に常に留ま る請求項４のシステム。
6. ６．前記検出手段が前記第１、第２および第３の継ぎ手と結合したホール効果セ ンサシステムを含む請求項５のシステム。
7. ７．前記ホール効果センサの出力信号を受けその直線性を改善する直線化手段を さらに含む請求項６のシステム。
8. ８．６次の自由度をもつ歯科用プローブを含む歯表面トレーサであって、 与えられた顎についての基準点に装着できるとともに基底面を定義できる装着手 段と、 前記装着手段と一体になっている第１のリンクと、一つの運動面を定義し実質的 に互いに同一平面内にあるとともに前記基底面の上下で前記運動面を可動にする ように前記第１のリンクにピボット装着された第２のリンクならびに第３および 第４のリンクと、前記運動を表わす電気信号を生ずる第１の手段とを含み、 前記第２、第３および第４のリンクは前記第４のリンクの末梢端が前記運動面内 の所定の領域で可動となるように所定の相対角度運動範囲をもって互いに連結さ れ、前記末梢端が３次の自由度をもち、さらに、前記トレーサが前記運動を表わ す電気信号を生ずる第２の手段と、プローブと、 前記プローブを支持するとともに前記第４のリンクの前記末梢端にとり付けられ 前記プローブを前記第１ないし第４のリンクの動きを何ら伴うことなく３次の自 由度をもって可動にするジンバル手段とを含み、 前記プローブが前記基準点について６次の自由度をもつて可動である歯表面トレ ーサ。
9. ９．前記リンクのすべておよびジンバル手段を人間の口腔内に収容できる寸法に した請求項８のトレーサ。
10. １０．前記第２、第３および第４のリンクが隣接リンクの対の各々の間に９０° 以上の相対角運動を生ずるように互いに連結されている請求項９のトレーサ。
11. １１．実質的に１０°以上の相対角連動を生ずる請求項１０のトレーサ。
12. １２．前記ジンバル手段が前記第１ないし第４のリンクの運動を伴うことなく前 記運動面内で前記プローブ先端の回転を可能にする請求項１１のトレーサ。
13. １３．前記プローブ先端が前記第１ないし第４のリンクについて常時同一の位置 に留まる請求項１２のトレーサ。
14. １４．与えられた歯の表面をトレースするように動かせる先端付きプローブを含 む歯表面トレーサであって、前記トレーサを安定した基準位置に装着するととも に基底面を定義する装着手段と、 実質的に互いに同一平面内にあり一つの運動面を定義する第１の複数のリンクで あって、前記運動面が前記基底面と可変角度をなすように前記装着手段にピボッ ト付着されるとともに前記運動面内で２次元で動かせる末梢端リンクを含む第１ の複数のリンクと、 前記プローブ先端の動きを表わす電気信号を前記第１の複数のリンクの動きのみ の関数として発生する手段と、前記プローブを支持する歯科手持操作部と、前記 手持操作部を保持するとともに前記第１の複数のリンクにとり付けられた第２の 複数のリンクであって、前記プローブ先端を前記第１の複数のリンクのうちの末 梢リンクについての前記運動面内の固定位置に常時固定するとともに前記プロー ブ先端を前記固定位置から動かすことなく前記手持部材を３つの軸のまわりで可 動にした第２の複数のリンク とを含む歯表面トレーサ。
15. １５．前記手持部材を除いて前記トレーサ全体が人間の口腔に収容できる寸法を 備える請求項１４のトレーサ。