SE524192C2 - Verktygshållare - Google Patents

Description

524 192 2 . a n . .. ~~ n..

Det är tidigare känt med vrídåtdragare för benskruv. I SE 9000836-8 beskrivs en vridåtdragare för benskruv, som är utlösbar vid ett på förhand inställt vridmomentvärde.

Vridåtdragaren innefattar en elmotor, en varvtalsnedväxlande enhet och en vridåtdragningsdel. Vridåtdragningsdelen är antingen anordnad vid motorns 5 kraftförsörjningsdel eller vid växellådan. I det första fallet är elmotorns energiförsörjningskrets bortbrytbar vid nämnda förutbestämda vridmomentvärde. I det andra fallet är vridåtdragningsdelen ansluten till den varvtalnedväxlande enheten, vid en frikopplingsdel, som är aktiverbar vid nämnda förutbestämbara vridmomentvärde. 10 WO 98/27886 beskriver ett kirurgiskt instrument innefattande verktyg för användning vid bland annat åtdragning av benskruv. Instrumentet kännetecknas av att det innefattar detekteringselement. Detekteringselementet sänder signaler beroende på vridmoment och vinkel hos verktyget till en displayenhet, vilken innefattar en datorenhet. Vridmomentets vinkelkurva kan avläsas och bildar sedan basen för bestämning av benvävnadens kvalitet. 15 I GB 2,021,022 beskrivs en mätanordning för mätning av vridmoment och vinkel vid åtdragning av benskruv.

Inget av de nämnda dokumenten tillhandahåller en skruvdragare som mäter moment och 20 som stannar, alternativt ger någon form av signal, som låter operatören veta när momentet mellan skruv och ben är som högst. En anordning med dessa egenskaper skulle öka kvaliteten i behandlingen av frakturer, i synnerhet hos äldre patienter med osteoporosrelaterade frakturer. 25 Skruvdragare och borrmaskiner med momentavkännare finns inte inom något område.

Inom industrin används rasterkopplingar, som gör att maskinen slirar vid överbelastning. I många av de tidigare konstruerade anordningarna för mätning av vridmoment används motorns strömförbrukning relativt vridningsvinkeln, den ingängade längden, för beräkning av vridmomentet. Detta är inte tillräckligt noggrant eftersom en dålig benstruktur innebär ':'¿ 30 att skruven roterar utan att förflytta sig. Detta medför att den ingängade längden registreras fel, vilket i sin tur medför att gängan förstörs. .få Genom föreliggande uppfinning uppnås att för ifrågavarande material tillämpliga och för z-H: handen varande maximala vridmomentet alltid uppnås. uppfinningen är därvid generell ' ff 35 och kan appliceras på alla typer av material, från skör biologisk vävnad till stålkvalitet.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL OCH LÖSNINGEN AV PROBLEMET Ändamålet har varlt att lösa ovan beskrivna problem genom att åstadkomma en roterande I.. ' verktygshållare: 524 192 3 n ; - - . . . _ ._ a ~ vilken läser momentkurvan oberoende av verktygets storlek, längd och diameter, samt materialets struktur, benstruktur och liknande, o i vilken standardkomponenter kan användas, inga specialkonstruerade eller specialtillverkade komponenter behövs, 5 o vilken väl känner av belastningen, och ~ vilken kan användas både inom ortopedi, finmekanik och precisionsteknik.

Detta har lösts genom att den momentdefinierande och frigörande enheten omfattar en vridmomentsensor, som exempelvis kan vara magnetbaserad. vridmomentsensorn är 10 kopplad till en krets som jämför en första utgående momentrelaterad signal med en andra utgående momentrelaterad signal, och/eller producerar en första och en andra utgående momentrelaterad signal, och vilken vridmomentsensor vidare är anordnad att stoppa verktyghållarens rotation vid ett maximalt uppnått vridmoment. 15 KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN I det följande kommer uppfinningen att detaljerat beskrivas med hjälp av ett antal utföringsformer och med hänvisning till närslutna ritning, i vilken: Fig. 1 schematiskt visar den roterande verktygshållaren enligt uppfinningen från sidan och dess ingående delar, och 20 Fig. 2 visar en schematisk, illustrerande vridmomentkurva enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Uppfinningen innefattar en vridmomentsensor, exempelvis FAST Technology, i modifierat utförande, vilken i ritningen betecknas 1, en fast koppling 2, innefattande kilförband eller 25 liknande, en planetväxel 3, en motor 4 av DC eller AC-typ, en snabbväxelchuck 5, ett verktyg 6, vilket kan vara av olika slag, exempelvis borr, Skruvdragare, slip, fräs eller liknande, samt en brytare 7.

Anordningen enligt uppfinningen behöver ej vara motordriven, utan vridmomentsensorn 1 30 kan även kopplas till en manuellt handdriven verktygshållare. ,:_ vridmomentsensorn 1 som används i uppfinningen finns beskriven i dokumenten, WO ' 00/57150 och WO 00/58704. I WO 99/56099 beskrivs vidare en anordning för :ff vridmomentsensorn och i WO 98/52063 beskrivs en krets för vridmomentsensorn. Dessa Äff 35 patentskrifter är inkorporerade häri som referenser.

;'"; Kretsen som beskrivs i WO 98/52063 är liknande den krets som används i föreliggande uppfinning och beskrivs därför inte närmare häri. 10 15 20 25 30 I: n oc: o en o 35 5 2 4 19 2 2"; "_'=_ šx: _ 5:." o n . ~ . .o n. ma. 4 Kretsen läser av ett alstrat magnetfält och producerar en signal som sedan jämförs med en tidigare signal. Signalerna tas om hand i en elektrisk styrkrets, i form av ett kontroilsystem, som i sin tur stoppar eller varnar när momentet ökar eller minskar. Den elektriska styrkretsen som används är ett återkopplat system som är byggt på ett så smidigt och minimalt sätt som möjligt. Signalernas inbördes storlek bestämmer frikopplíngen av det roterande momentet.

Vridmomentsensorn 1 har mycket hög noggrannhet och känner väl av belastningen.

Belastningsmätningen görs som en momentmätning. Belastningsvärdet återkopplas sedan till kontrollsystemet. Idén enligt föreliggande uppfinning bygger på att man magnetiskt kodar den i Vridmomentsensorn 1 ingående axeln, mellan chuck 5 och planetväxel 3.

Principen medger trådlös överföring mellan axel och efterföljande elektroniksystem.

Anordningen känner av drivaxelns belastning under hög hastighet, vilket kräver ett snabbt och noggrant mätförlopp. Mätning av moment enligt uppfinningen ger mycket snabba och exakta värden och kan utföras vid varvtal upp till 100000 varv/minut, vilket är nödvändigt då operatören i vissa fall behöver kunna stoppa verktyget 6 på bråkdelar av en sekund.

Uppfinningen är speciellt konstruerad för medicinsk användning där stor noggrannhet krävs, men är även användbar inom andra områden som kräver stor noggranhet, såsom exempelvis inom finmekanik och precisionsteknik.

Verktyget 6 kan utgöras av ett borr, en skruvdragare, en slip, en fräs eller liknande roterande verktyg. De två huvudanvändningssätten anordningen enligt uppfinningen är konstruerad för, är följande: 1. Vid idragnlng av skruv i olika benstrukturer i samband med Ortopediska operationer. Då krävs ett kontrollsystem som hela tiden kontrollerar benstrukturens hållfasthet och vid behov larmar eller stoppar. Om inget larm avges fortsätter dragningen tllls inställt takvärde uppnås. 2. Vid borrning av hål, i vilka skruvarna ska skruvas i som sammanhållande element mellan skelettdelar och förstärkningsdetaljer. Även vid denna operation kontrolleras borrmotståndet och anordningen enligt uppfinningen larmar eller stoppar vid behov. Vid genomborrning av skelettdelar minskar momentet och borret snabbstoppas för att minimera risken för skador på underliggande blodkärl, nerver och vävnader.

Hastigheten hos skruvdragaren eller borrmaskinen är steglös, varvid operatören bestämmer hastigheten. Motoraxelns varvtal ligger runt 15 000-16 000 varv/minut, vilket a so: u o oo n oo oooo o oo n ø oo to 10 15 20 25 30 35 o n "o o . a - - a . . ,", _"_ _00 M < - - ~ .. o _ - n n - n s . . _ ° ß o n a .- U - - - . n. a . o _ _: :»-~ a . ..- .. . . - . c : z ,- , _ _ _ _ a p s . I ' ~ ~ an n.. 5 sedan växlas upp eller ner medelst en planetväxel. Planetväxeln har en fast ner- eller uppkoppling, som väljs efter behov. Det utgående varvtalet beror på valet av planetväxel. varvtalet kan sedan varieras inom den akuella planetväxelns område.

Planetväxeln 3 i föreliggande uppfinning har en fast nedväxling som regleras medelst brytaren 7. Vid borrning används företrädesvis ett varvtal på cirka 250 varv/minut och vid iskruvnlng används ett varvtal på cirka 100 till 200 varv/minut. Vid borrning kan exempelvis antalet varv/minut varieras mellan cirka 10 till 250 varv/minut, vilket operatören reglerar medelst brytaren 7.

Olika typer av borr, skruvar och övriga verktyg används beroende på benvävnaden. Vad det gäller skruvar används kortiala skruvar vid normal/frisk benvävnad och spongösa skruvar vid benskörhet, osteoporos.

Den momentdefinierande och frlgörande enheten omfattar vridmomentsensor 1. Kretsen till vilken vridmomentsensorn 1 är kopplad jämför en första utgående momentrelaterad signal med en andra utgående momentrelaterad signal, och/eller producerar en första och en andra utgående momentrelaterad signal. vridmomentsensorn 1 avlämnar en vridmomentsignal (v) som datorenheten läser av vid tiden to. Vid tiden to avläser datorenheten en ny signal som vridmomentsensorn avlämnar.

Datorenheten jämför sedan de momentrelaterade signalerna, vid to och to. Så länge Av är positivt, vilket i ritningen betecknas a, får instrumentet fortsatt strömförsörjning, men så fort Av är lika med noll, vilket i ritningen betecknas b, eller när Av är negativt, vilket i ritningen betcknas c, bryts strömmen. Datorenheten avläser hela tiden nya momentvärden. Efter att momentvärdena vid to och t, har jämförts, jämförs momentvärdena vid to och t; , to och t, och så vidare. På detta sätt är vridmomentsensor 1 anordnad att stoppa verktyghållarens rotation vid ett maximalt uppnått vridmoment, alltså när Av är lika med noll, vilket i ritningen betecknas b. Det är alltså tänkt att strömmen ska brytas direkt när Av är lika med noll. Om kurvan blir negativ mycket snabbt och mätningarna inte görs tillräckligt ofta, så att datorenheten missar när Av är lika med noll, bryts strömmen när Av är negativt, vilket i ritningen betecknas c.

I ett första utföringsexempel stannar verktyget 6 direkt när vridmomentet minskar, vid en negativ momentförändring, utan att man behöver se eller lyssna till en larmsignal och sedan agera utefter den. När verktyget stannar, gör, enligt en utföringsform, en signal eller liknande operatören uppmärksam på detta. 10 15 20 25 30 35 n ~ ~ . .n 524 192 ="s"I=..="s=" ;";. 6 I ett andra utföringsexempel aktiveras kontrollsystemets felvaringssystem när vridmomentet minskar. Felvarningssytemet innefattar en Iarmenhet, vilken larmenhet ger operatören möjlighet att bedöma nödvändigheten av att ingripa. Larmet skall vara stegrande relativt avvikelsen och vara av typen ljud, ljus, vibration eller liknande.

Principen innebär att förändringar i vridmotstånd ger motsvarande förändringar i signalstyrka. Ett ljud ökar respektive minskar i volym, ett knäppande ljud ökar respektive minskar l frekvens och så vidare. Larm kan även ges i form av vibration, via avläsning på en dataskärm, i form av en ljussignal eller liknande. Överföringen kan ske visuellt, med en summer, en öronsnäcka eller liknande system.

Det föreligger en rad olika parametrar som påverkar beräkningen av det maximala momentet som ligger till grund för när kontrollsystemet ska stoppa eller utlösa larm. I synnerhet gängans stigning, verktygets (gängans) stigning kontra antalet varv, verktygets diameter och längd, materialet alternativt kvaliteten på benstrukturen, olika spänningar i materialet/benvävnaden, verktygets hastighet i förhållande till stigningen på verktyget och liknande. Exempelvis är momentbehovet för föreliggande uppfinning vid följande skruv = :ia 4mm, 80-120 Ncm skruv = cp 8mm, 2,4 Nm skruvdiametrar; skruv = cp 12mm, 4,5 Nm De olika stora momenten beror bland annat på tldskravet, det vill säga hur lång tid det maximalt får ta innan kontrollsystemet stannar verktyget eller larmar operatören. Denna tid kan definieras på olika sätt.

Enligt en utföringsform deflneras en längsta tid, exempelvis om verktyget måste stanna på en tiondelssekund eller mindre, s en tiondelssekund.

Enligt en ytterligare utföringsform definieras tiden relaterat till antalet varv det maximalt får ta innan verktyget stannar, exempelvis 1/4 varv.

Enligt en ytterligare utföringsform definieras tiden enligt ett antal förbestämda fasta lägen, exempelvis markeras tio olika siffror på ett varv, varvid operatören kan ställa in vid vilken markering verktyget ska stanna och således hur snabbt verktyget stannar.

Föreliggande uppfinning har nu beskrivits med hjälp av några utföringsexempel och det bör förstås att olika modifieringar och kompletteringar kan göras inom ramen för uppfinningen så som den definierats i de närslutna patentkraven.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 5 2 4 19 2 "rf _ f. 21:. = o. »nu 7 PATENTKRAV

1. Roterbar verktygshållare innefattande en hållare för flxering av ett verktyg (6) samt en momentdeflnierande och rotationsfrlgörande enhet, kännetecknad av att den momentdefinierande och rotationsfrigörande enheten omfattar en magnetbaserad vridmomentsensor (1), kopplad till en krets som jämför en första utgående momentrelaterad signal med en andra utgående momentrelaterad signal, och/eller producerar en första och en andra utgående momentrelaterad signal, och är anordnad att stoppa verktyghållarens rotation vid ett maximalt uppnått vridmoment.

2. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktyg (6) utgörs av en skruvåtdragare.

3. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktyg (6) utgörs av en borr.

4. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktyg (6) utgörs av en slip.

5. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktyg (6) utgörs av en fräs.

6. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktyg (6) används vid ortopedi.

7. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktygshållare är manuellt handdriven roterbart anordnad.

8. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktygshållare är motordrlven roterbart anordnad. 524 192 =_.=š:::_ , n a» Ino 8

9. Roterbar verktygshållare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda verktygshållare är anordnad att trådlöst överföra nämnda momentrelaterade signaler mellan axel och efterföljande elektroniska krets.