(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりも自動化率、製造効率を向上でき、並びに審美性、機能性を向上させ、適用症例の拡大を図ることができるコンピュータ制御による歯科用構造材の製造装置及び方法を提供する。【解決手段】粉状体を積層する粉状体積層機構と液状体を吐出させる液状体吐出機構を有する歯科用造形装置において、粉状体積層機構による粉状体積層と液状体吐出機構による液状体の吐出を繰返すことにより重層し含浸層を形成させ造形物を造形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉状体を積層する粉状体積層機構と液状体を吐出させる液状体吐出機構を有する歯科用造形装置において、粉状体積層機構による粉状体積層と液状体吐出機構による液状体の吐出を繰返すことにより重層し含浸層を形成させ造形物を造形することを特長とする歯科用造形装置。
【請求項２】
造形手段制御部、造形ステージを有し、粉状体積層機構が１個以上の粉状体積層フィダーを有し、液状体吐出機構が１個以上の液状体吐出ノズルを有する請求項１記載の歯科用造形装置であって、
粉状体積層機構による粉状体積層と液状体吐出機構による液状体の吐出の間で、粉状体を均厚機構で均一な厚みとすることを特徴とする歯科用造形装置。
【請求項３】
粉状体が有機粉体、無機粉体、金属粉体のうちいずれか１種類または２種類以上の混合物である請求項１、２記載の歯科用造形装置。
【請求項４】
請求項１〜３記載の液状体が、水、モノマー、オリゴマー、有機溶媒から選ばれる１種以上の組成物または混合物である歯科用造形装置。
【請求項５】
液状体中にフィラーまたは繊維状体が含まれることを特徴とする請求項４に記載の歯科用造形装置。
【請求項６】
中空正方形四角柱であって上端縁が水平な壁を基台に固定し、壁の内側に擦設する造形ステージを設け、造形ステージが上下に移動するスライド機構を設け、壁の外側周囲に間隔を空けて外壁を設け、壁と外壁の間に粉状体回収トレイを設け、外壁の外側に水平方向に移動するスライド機構を設け、スライド機構により造形ステージ上を移動する作業腕を設け、作業腕には移動方向に合わせて順に粉状体散布機構、壁の上端縁を滑りながら移動するすり板、作業腕を移動させるスライド機構と直角にスライド機構を設けそのスライド機構を介して液状体吐出機構を設け、吐出液状体を硬化させる硬化機構を設けた歯科用造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はコンピュータ制御による歯科用構造材の立体造形装置であり、従来の歯科用構造材の製造方法よりも自動化率、製造効率を向上することができ、審美性、機能性を向上させ、適用症例の拡大を図ることができる歯科用構造材の製造方法に関する。本発明は歯科分野における補綴物を作製する作製装置およびその方法であり、特にＣＡＭシステムである。
【０００２】
【従来の技術】
歯科臨床および歯科研究においては、矯正用ブラケット・矯正力発現部材、インレイ、オンレイ、ブリッジ、コア材、インプラント上部構造、局部床義歯、全部床義歯、各種模型、実験用治具、実験用構造材などの歯科用構造材の製造には主に手作業による型取り、複製模型の作製、ワックスアップ、埋没、脱鑞、鋳型、築盛などを組み合わせた煩雑かつ多段階の工程からなる方法が用いられているのが現状である。これらの方法の実施には多岐に渡る材料、器材の調達と正しい使い分け、適用のための正しい知識が必須であり、更には操作を実施するための十分な習熟と技能が求められる。こうした条件下で歯科用構造材を製造するには多大な労力と時間が必要であり、製造効率、生産性の向上には限界がある。また数度に渡る型取り作業や鋳造作業による誤差の発生が避けられないため、最終製造品の適合性や色調に不満の残る結果になることが多く、この問題の解消のために熟練と手間と時間を要する調整、修正作業を強いられているのが現状である。そのため、近年著しく発達したコンピュータによる加工技術を元にして、品質改善、製造効率の向上を目的とした多くの方法が開発されてきた。
【０００３】
コンピュータを応用したこれらの方法の多くは一般工業界において特に１９８０年以降に急激に発達し、実用性の高まったコンピュータによる数値制御技術を骨格とした機械による自動加工技術の応用によって実現された。この段階での加工技術としては回転する刃物を動かして被加工物を削って目的の形状に加工する方式が主流であった。刃物を移動させる方向をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３軸で制御すると３次元の加工が可能になり、立体形状の製作が可能になる。刃物の移動経路を数値化してプログラムとし、自動的に目的の形状を加工する方法が確立された。
【０００４】
歯科特有の問題として、扱う形状が患者ごとに異なる点、形状が曲面を主体にして構成される点があり、当初の歯科への応用は極めて限定された範囲でしかなかったが、これらの特徴を持つ形状の数学的な定義や演算方法の確立と加工装置の制御技術の発達、およびコンピュータの処理能力の飛躍的な向上により普及度も徐々に向上しつつある。
【０００５】
このような加工装置を用いて目的の形状を作るための型を加工製作する方法が数多く考案されている。特開平１１−１２８２４８にはこの種の人工歯製造システムが示されている。この方法によれば、型を用いた成型作業によって同じ形状の歯科用構造物を幾つも作製できるという特徴を有するが、本来、歯科用構造物は患者によって大きさや形態などが異なっているため、複製製作可能という特徴は大きなメリットとはなりえない。あくまで大量の人工歯を生産する工場などでしかその利点を享受できないという問題がある。また、加工装置で加工製作した型を用いて成型するための工程とそれに用いる成型機その他の設備が必要になり、時間と場所と手間がかかるという重大な問題があった。
【０００６】
一方で、型を製作するのではなく、直接目的の形状を加工製作する方式が開発されている。特開平９−１０２３３に歯冠補綴物の製作方法が示されている。この方式によれば原則として１つだけ製作すればよい場合においては、型を製作する方式と比較して時間、場所、手間が低減できるという利点がある。
【０００７】
しかし、目的の歯科用構造物を直接削りだして加工製作する方式では、基本的に被削材が単色であるため、従来方法で作製されたものと比べると、審美性が著しく劣っているという問題がある。近年になって被削材に色調的なグラデーションをつけてこの問題を改善する方法も考案されているが、サイズ、形状、色調が患者個々で異なっているという現状に完全に適用することは難しく、満足のいく方法ではない。さらにこの方式で用いられる被削材は基本的に単一の材料でできており、部分ごとに異なる物性や特性をもたせる事は不可能である。また、この方式では、ラミネートベニアやシェルのような薄い形状の歯科用構造物を製作する際には欠けたりクラックが入ったりしやすく、形状作製の自由度に大きな制約がある。さらに、この方法では機械による加工が終了するまで被削材を保持するためのスプルーが必要であり、機械による加工が終了した後に手作業でこのスプルーを除去し、その切断面を整形する必要がある。
【０００８】
更には切削加工装置の工具の移動方向が３方向以下であれば、アンダーカット形状で一部加工できないケースが発生する。この問題を解決する方法として、特開平９−５６７３１に歯型の製造方法が示されている。この方法では通常のＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３軸での工具の制御に加えて、ワーク材の保持部分にも回転軸を持たせて４軸による加工方式とすることによって、３軸加工では製作することが極めて困難であったアンダーカット部分もある程度加工できるように工夫してある。しかしながら、これによってもワークの回転方向によっては一部加工できない部分が生じる場合がある。
【０００９】
その他、削り出しによる方式では一般に削り出しに用いる工具の径が大きいほど一回の切削量が多く、それだけ加工時間が短くなるが、細かな形状の加工はできなくなる。逆に工具径を小さくすると細部の加工は可能になるが、全体の加工に要する時間は多くなる。この問題に対し、異なる径の工具を複数用意して最初の粗加工には大きな工具を使い、細部の加工には小さな径の工具を用いるという方式が考案されている。しかし、この方式では、複数工具の収納や工具の交換機構が必要になる。また、工具を変えながら加工する際に精度的に不十分であれば加工物に段差が生じるなどの問題も発生する。
【００１０】
いずれにしてもボールエンドミルを使う限りにおいて、切削部分は球面の移動した軌跡となり、削り残しが発生するのは避けられない。直角を出したい部分も使用工具径分の丸みが残ってしまうため、手作業を中心とした修正のための後加工が必要になり、自動化率向上に対して大きな妨げとなっている。これらの問題の存在により、この削り出し方式で作製した歯科用構造物は手作業による研磨、調整作業を十分に行わないと患者への十分な適合性が得られなかったり、セメントのスペースが大きすぎたりすることが多いという問題がある。したがって、金属冠など露出する部分への適用には手作業による研磨などの長時間、熟練、多大な手間を要する後加工の実施が前提となる。このように、審美性、用途、生産性、効率、適合精度、付随する作業、設備の設置スペースの面から大きな制約を受けるため、臨床応用への普及には限りがあるのが現状である。
【００１１】
以上述べたように削り出しによる加工製作の欠点を解決するため、削り出しによらない種々の加工方法が考案、開発されている。比較的初期から実用化され、歯科への応用も検討されてきた方法に光造形法がある。この方法では、目的の形状を積層造形する積層槽に、特定の波長を持つ光線を照射することによって重合硬化する樹脂を一定の厚みになるように注入する。この状態で重合硬化させたい部分に光線を当てて重合させる。この操作を繰り返して積層造形して目的の形状を作製する。
【００１２】
この方法によれば前述の削り出し方式に見られたアンダーカット形状の製作において制約がほとんどなくなり、所望の形状を製作することが可能になる。また、薄い形状の加工も削り出し方式よりも容易に製作できる。
【００１３】
しかしながら光造形システムでは基本的に光による重合硬化を用いるため、積層硬化させる樹脂は一回の積層時に光が層の底部まで透過する程度の透明性を有する必要があるので、自由な着色や十分な不透明性を持つことが極めて困難であり、歯科での適用範囲が大変狭いという問題がある。また、液状の樹脂のみから製作するため強度面で限界があり、長期間口腔内で咀嚼力などがかかるという状況下での耐久性の確保が困難であるという問題がある。また積層槽に液状樹脂を注入するという方式のため、多色化、多成分化はできず、色調的な審美性の向上はできない。したがって、不透明性や色調的な審美性を要求される用途での実績はほとんどなく、このような条件がつかない一部の研究用試作などでわずかに使用されているに過ぎない。
【００１４】
シート状の材料をレーザー光線などで切断して必要な部分を残しながら積層して目的形状を製作する薄膜積層法と呼ばれる方法も開発されている。
【００１５】
この方法では不透明な目的形状の製作が可能であるが、シート状材料の不要部分の再利用ができないので材料ロスが甚だ多くなる。また多色化、他成分化は一層単位でしか行えないので歯科における用途に要求されるような多色化、多成分化ができないという問題は解決できない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述の歯科用補綴物自動作製装置に見られる自動化率や生産効率の頭打ち、審美性、機能性における限界点の存在、適用範囲の制約、加工形状の制約などの課題を解決するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は歯科用構造物を積層造形するための上下方向に移動可能な造形ステージと、造形ステージ上に粉状体を一定の厚みに積層する機構と、造形ステージ上の任意の位置に液状体を一定量吐出する機構と、液状体を含浸させた含浸層を重合する手段と、目的形状データを記憶、編集、保持、保存し、形状データに基づいて上記の各構成要素を制御するためのコンピュータから構成される歯科用構造材自動作製装置によって粉状体を造形ステージ上に一層づつ積層し、硬化させたい部分にのみ所望する色調や物理的または化学的特性を持った液状体を粉状体層中に微量吐出して粉状体層中に含浸した部分のみを硬化機構により硬化させ、これを繰り返して積層することによって目的の歯科用構造物を造形することにより上記の課題を解決する。
【００１８】
本発明は粉状体を積層する粉状体積層機構と液状体を吐出させる液状体吐出機構を有する歯科用造形装置において、粉状体積層機構による粉状体積層と液状体吐出機構による液状体の吐出を繰返すことにより重層し含浸層を形成させ造形物を造形することを特長とする歯科用造形装置である。
【００１９】
本発明は造形手段制御部、造形ステージを有し、粉状体積層機構が１個以上の粉状体フィーダを有し、液状体吐出機構が１個以上の液状体吐出ノズルを有する歯科用造形装置であって、粉状体積層機構による粉状体積層と液状体吐出機構による液状体の吐出の間で、粉状体を均厚機構で均一な厚みとすることを特徴とする歯科用造形装置である。
【００２０】
本発明は粉状体が有機粉体、無機粉体、金属粉体のうちいずれか１種類または２種類以上の混合物である歯科用造形装置である。
【００２１】
本発明は液状体が、水、モノマー、オリゴマー、有機溶媒から選ばれる１種以上の組成物または混合物である歯科用造形装置である。
【００２２】
本発明は液状体中にフィラーまたは繊維状体が含まれることを特徴とする歯科用造形装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を詳しく説明する。
液状体は粉状体中に含浸して形状を構成するためのバインダーとなる液材である。
液状体の組成は、水、モノマー、オリゴマー、有機溶媒のうち１種類、または２種類以上の組み合わせからなる。
具体的には水、アクリル系、ウレタン系または他の系統を主成分とするモノマー、又はオリゴマーおよび、これらのモノマーやオリゴマーと可塑剤とからなる組成物、有機溶媒のうち少なくとも１種類以上から成る組成物、または混合物である液状体、またはこれらの液状体にフィラーまたは繊維状体が含まれる液状体が好ましい。
【００２４】
本発明は歯科用構造物を積層造形するための上下方向に移動可能な造形ステージと、造形ステージ上に粉材を一定の厚みに積層する粉材積層機構と、造形ステージ上の任意の位置に液状体を一定量吐出する液状体吐出機構と、液状体を含浸させた粉材凝固部分を重合する手段と、目的形状データを記憶、編集、保持、保存し、形状データに基づいて上記の各構成要素を制御するためのコンピュータから構成される歯科用構造材自動作製装置とこの装置で歯科用構造材を積層造形するために用いる粉状体および液状体を用いた歯科用構造材の製造方法に関する。
【００２５】
歯科用構造物を積層造形するための高さ方向に移動可能な造形ステージは、垂直に立てたリニアアクチェータの移動部分に移動方向と垂直にステージを設置して上下方向に移動できるようにして構成する。造形ステージは一回の粉状体積層高さ単位で自由に上下動可能な精度を持っており、コンピュータで制御される。
【００２６】
造形ステージ上に粉状体を一定の厚みに積層する機構は、造形ステージの平面に平行に、縦あるいは横方向に移動可能なスライド機構上に造形ステージ幅全体に渡って粉状体を流出させるスリットを有する粉状体フィーダとその粉状体フィーダの直後に取り付けられたすり板、および造形ステージの周囲を巡らせた高さが一定の壁から構成される。このスリットには必要時のみ粉状体を流出させ、不要時には流出させないように自在に開閉できるふたを設ける。すり板はその下端辺が造形ステージとの間に一定の間隔を空けるように平行に設置される。
【００２７】
好適にはすり板はスリットの後ろ側に設置されており、スリットと同時に移動するのが好ましく、このような位置関係で設置することによって、粉体積層機構が造形ステージ平面上を一回掃引するだけで粉状体の積層と均一化が達成される。すり板はスリットの前後に設置されていることが好ましい。この場合、液状体吐出機構はすり板が移動した後に位置するように移動可能とするか、それぞれのすり板の掃引方向の後ろ側に各１個づつ設けることが好ましい。すり板が一枚しかない構成では一回の粉材積層作業後もとの位置に戻らなければならないのに対し、すり板がスリットの前後に設置され、かつどちらの方向に掃引しても前述のように液状体吐出機構が設けられていれば新たに散布された粉状体上に液状体を吐出できるので粉材積層機構が造形ステージ平面上をどちらの方向から掃引しても粉材を均一に積層することができ、また粉体積層後に元の位置に戻る必要がなくなるので加工時間を短縮することが可能である。
【００２８】
すり板を用いる方法の他に、粉体積層後に上から板やブロックなどの平面部分で押さえる方法も利用できる。
【００２９】
積層厚みは用途に応じて可変とすることができる。これによって製作する歯科用構造物に応じて最適な積層厚みを選択することができる。
【００３０】
このすり板が造形ステージ周囲の壁の上辺に沿って移動することで積層された粉状体を均して造形ステージ上に一定の厚みで均一にする働きをする。または押さえ板を用いる場合は、押さえ板で押さえたときに造形ステージ周囲の壁の上端縁まで粉状体を圧縮しながら、同時に余剰の粉状体は周囲の壁より外側に押し出される。
【００３１】
すり板、または押さえ板で層の厚みを均一にする工程で造形ステージ周囲の壁を越えて余剰の粉状体が排除されるが、この余剰粉状体が飛散するのを防止するためにさらに外壁やカバーを設けることが好ましい。
【００３２】
また排除されて落下した粉状体を効率よく回収するためのトレイ、吸引装置や運搬機構を造形ステージの下部に設けてもよい。この機構によって回収した粉材は再び粉状体貯留タンクに戻して繰り返して使用することもできる。
【００３３】
粉状体は貯留タンク内に準備しておき、チューブを通してスリットに供給する方式や、スリット上部に貯留タンクを配置して重力によってスリットに供給する方法などをとることができる。
【００３４】
粉状体の貯留タンクは複数設置することができ、夫々の貯留タンクには異なる組成や色調などを持つ複数種類の粉材を準備しておき、加工時に目的に合わせてこれらを適宜使い分け、組み合わせて使用することができる。
【００３５】
必要な精度と速度で粉状体を一定の厚みに積層するためには、スリットや粉状体フィーダ、粉状体貯留タンクからの粉状体供給もコンピュータによって制御されることが好ましい。
【００３６】
スリットの横方向の大きさは使用する粉状体組成中の最大の粒子径の１．０１倍以上で造形ステージと等幅以下であることが好ましく、高さ方向の大きさは使用する粉材組成中の最大の粒子径の１．０１倍以上、３００倍以下であることが好ましい。
【００３７】
造形ステージ上の任意の位置に液状体を一定量吐出させる機構は、一定量の液状体を吐出する吐出ノズルを、このノズルをステージ平面状の任意の場所に移動させるための一個以上のスライド機構で構成される移動機構に固定して構成する。
【００３８】
液状体吐出ノズルは液状体貯留タンクと直接、あるいはチューブを介して間接的に接続できる構造になっている。液状体貯留タンクは移動機構とは別に設置することも移動機構上に搭載することも可能である。
【００３９】
液状体貯留タンクはカートリッジとするすることも勿論好ましい。これにより液状体の種類を変更したり、液状体を補充する際に作業が簡便となる。
【００４０】
液状体吐出ノズルの口径は目的の加工形状に合わせて任意の大きさとすることができるが、好適には１μｍから２ｍｍの範囲にあることが好ましい。通常歯科用に製造される構造材の大きさに鑑みるならばより好適には３μｍから１ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００４１】
液状体吐出ノズルには様々な動作原理のものを用いることができる。一定量の液状体を吐出する機構は空気や窒素ガスなどの気体を用いてその圧力によって吐出する方式や、ピエゾ素子を用いて微小量の液状体を飛ばす方法、バブルジェット方式、液状体を帯電させて電気的な引力を利用して吐出する方法、超音波などのエネルギーを利用して液状体を飛ばす方法などを使用材料や使用目的に応じて自由に選択して用いることができる。空気などの圧力によって液状体を吐出させるタイプやピエゾ素子を用いたタイプ、バブルジェットタイプなどが好ましい。
【００４２】
一個の液状体吐出ノズルに１個または２個以上の液状体供給を行うことも可能である。この場合、各々の液状体供給パイプをノズルに直結してもよいし、また各液状体供給パイプを一本にまとめてから液状体吐出ノズルに接続してもよい。
【００４３】
また、液状体吐出ノズルは複数設置することが可能であり、各々のノズルごとに異なる液状体を供給して使用できる。
【００４４】
ノズルは吐出量と造形時の分解能に基づいてその吐出量にあった口径を持つ。
【００４５】
その個数は用いる液状体の種類数と同数を基本単位とし、一層あたりの吐出処理速度を向上させるためには基本単位の倍数単位で増加させることができる。
【００４６】
その配置には特に制約を設けないが、直線状や行列状、または円形に配置するのが好ましい。
【００４７】
異なる色調を有する液状体を組み合わせて使用すれば各液状体の吐出量を変化させることで幅広い色調の再現が可能になる。
【００４８】
また、硬化後の物性が異なるように調整した液状体を組み合わせて使用すれば必要な部分だけに必要な物性を持たせた歯科用構造材を製造することが可能になる。
【００４９】
液状体吐出ノズルは造形ステージ幅全体に渡って多数配置することも可能であり、その場合はスライド機構を一軸のみで構成しても造形ステージ平面上の任意の場所に液状体を吐出することが可能である。
【００５０】
さらには液状体吐出ノズルを造形ステージ平面上全面に渡って縦横に配列することも可能である。この場合は液状体吐出ノズルを造形ステージ平面上の任意の場所に移動させるための移動機構を必ずしも設ける必要はないが、粉材積層時に液状体吐出ノズルを退避させるための移動手段が必要になる。
【００５１】
２つのスライド機構を互いに直交するように配置しておき、コンピュータによって各軸が独立して制御されるように構成することももちろん可能である。２軸以上のスライド機構を用いた場合には、液状体吐出ノズルが一個であっても造形ステージ平面上の任意の場所に液状体を吐出させることが可能になる。またこの移動機構にさらにスライド機構を組み合わせる事によってノズルと造形ステージの距離を変化させることを可能にしたり、移動機能を水平方向に回転させて座標系を変化させることを可能にするように構成することもできる。
【００５２】
含浸層を重合する手段としては、光重合、化学重合、熱重合、近赤外線重合、遠赤外線重合、超音波重合など歯科または工業界において広く普及している任意の方法をひとつ、あるいは複数用いることができる。
【００５３】
粉状体を予め加熱しておき、吐出され、粉状体に含浸した段階で粉状体から熱を供給して液状体を熱重合させる方法も有効である。
【００５４】
光重合を用いる場合には光照射器を、造形ステージの当該箇所に光を照射できるように位置と向きを調整して設置する。必要があればコンピュータによる光照射方向制御装置を設けることも可能である。一層分を積層して必要な箇所に液状体を吐出して粉状体に液状体を含浸させた後、光を照射して重合、硬化させる。この場合には液状体にのみ光重合触媒を配合しておけば、液状体の含浸した部分だけが重合硬化し、液状体を含浸させなかった部分は重合硬化しない。したがって不要な部分の粉状体は次の加工時に再び使用できる。
【００５５】
粉状体に過酸化ベンゾイル、液状体に３級アミンを配合しておけば、液状体を吐出した部分だけが液状体と粉状体に夫々配合した化学重合触媒が接触することで化学重合が起こって硬化する。この場合も液状体の含浸した部分だけが重合硬化し、液状体を含浸させなかった部分は重合硬化しない。したがって不要な部分の粉状体は次の加工時に再び使用できる。このような化学重合のみを用いる場合、重合用設備を特に設ける必要はない。
【００５６】
熱重合を用いる場合、いくつかの実施方法があり、目的に応じて自由に選択することが可能である。
【００５７】
例えば過酸化ベンゾイルなど熱を加えることでラジカルを発生する重合開始材を粉材のみに配合した系、および液状体にのみ重合開始材を配合した系のどちらも使用可能である。
【００５８】
この方法では必ずしも一層積層ごとに重合操作を行う必要がなく形状が完成後に一度に熱を加え硬化させることができる。形状作製中には重合工程が無いため、一層積層ごとの重合操作とそれに必要な時間を無くすことができ、省力化と加工時間の短縮を図ることができる。
【００５９】
近赤外線を用いた重合方法では、近赤外線照射装置は造形ステージ上の任意の場所に近赤外線ビームを照射できるように位置と向きを調整して設置する。必要があればコンピュータによる光照射方向制御装置を設けることも可能である。この場合、重合エネルギーを近赤外線の細いビームの形で目的の形状に与えることができるため、一層積層するごとに必要部分だけに熱エネルギーを加えて重合させることが可能になる。したがって前述の加熱による重合方法と同様の材料系を用いることができる。
【００６０】
また、近赤外線は必ずしもビームにして照射する必要は無く、通常のヒーターのようにして加工品全体を同時に加熱することもできる。この場合も粉材のみに重合開始材を配合した系と液状体にのみ重合開始材を配合した系のどちらも使用可能である。
【００６１】
いずれの場合にも一層積層するごとに重合操作を加えても、形状の積層加工が終了した後に一度に重合硬化させることも可能である。
【００６２】
この点において近赤外線による重合硬化という方法は従来の光重合法と加熱重合法の特徴を併せ持ち、なおかつこれらの方法のもつ欠点を解消もしくは軽減したような形態で重合操作を行うことを可能にする。
【００６３】
従来から樹脂材料の重合硬化に用いられているような複数の重合方式の併用による重合硬化方法を用いることももちろん可能である。この場合、例えば光重合と化学重合を組み合わせれば、光の到達しない部分は化学重合にて硬化させ、一般的に化学重合では重合性の悪い表面を光重合で十分に硬化させるというように夫々の欠点を夫々の利点で補うような重合方法を用いることができる。
【００６４】
目的形状データを記憶、編集、保持、保存し、形状データに基づいて上記の各構成要素を制御するためのコンピュータは、ハードウェアに関しては広く普及している一般的なパーソナルコンピュータが使用できる。ソフトウェアは目的の形状を記憶、編集、保持、保存する機能と、異なる材料を使い分けるための演算機能と、目的形状のデータに基づいて前述の各構成要素の制御データを生成する機能、生成した制御データにしたがって前述の各構成要素を制御して自動的に目的の形状を加工するための機能を持つ必要がある。
【００６５】
更にはネットワークを介して必要なデータのやり取りをする機能や形状計測装置の制御機能、形状計測データから目的形状のデータを生成する機能、機器の状態をモニタする機能、必要に応じて警告を発したり、各構成要素の動作を緊急停止する安全機能などを持たせることができる。
【００６６】
本発明に用いる粉状体の組成には有機物、無機物、酸化金属など任意の種類の粒体を一種類、または複数種類を組み合わせて使用することが可能である。
【００６７】
その形状には特に制限を加えるものではない。不定形、球形、ドーナツ型、ポーラス状、凝集塊、ウィスカ、棒状、針状などの形状や表面性状など目的に応じて必要な形状を持つ材料を自由に用いることができる。
【００６８】
不定形、球形、ドーナツ型、ポーラス状などは造形しやすいという利点を持つ。ウィスカ、棒状、針状のものは、硬化後の強度向上に大変効果がある。凝集塊、多孔質、ディンプル状などは、粉状体と液状体の接着性の向上に効果があり、硬化後は機械的な維持力を発現するという利点を持つ。
【００６９】
粒径についても特に制限を加えるものではないが、一回の粉状体積層厚さより小さい粒径である必要がある。好適には平均粒子径が０．００１μｍ以上、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは０．１μｍ以上、０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００７０】
これらの粉状体には必要に応じて各種の表面処理を施すことも可能である。例えばシラン処理や加熱処理が実施できる。使用する粉状体には特に制限を加えるものではないが、安全性や加工性の観点からは特に歯科において広く用いられている実績のある材料を用いることが好ましい。具体的にはガラス系材料、各種の金属酸化物、金、白金、銀、銅、錫、パラジウム、ニッケル、クロム、チタン、鉄、アルミニウム、モリブデン、ベリリウム、マグネシウム、コバルトなどの純金属、またはこれらのうち１種類以上を含む歯科用合金、または他の金属、その他セラミックス材を主成分とする溶融品の粉材材料、およびこれらの粉状体を含有するまたは含有しないポリマーを単独で用いるか又はこれらを組み合わせた組成物が好ましい。
【００７１】
本発明に用いる液状体の組成としては重合性単量体を基本として目的に応じて各種の添加剤を配合したものを使用することが可能である。また液状体として本発明の実施上求められる粘度や各種物性を損なわない限りにおいて任意の粒体、繊維状物質などを含むことも可能である。液状体として用いる材料には特に制限を加えるものではないが、安全性や加工性の観点からは特に歯科において広く用いられている実績のある材料を用いることが好ましい。具体的には水、アクリル系、ウレタン系または他の系統を主成分とするモノマー、又はオリゴマーおよび、これらのモノマーやオリゴマーと可塑剤とからなる組成物、有機溶媒のうち少なくとも１種類以上から成る組成物、または混合物である液状体、またはこれらの液状体にフィラーまたは繊維状体が含まれる液状体が好ましい。
【００７２】
３次元の立体を数値化した形状データは各構成要素を制御するために必要な処理を施して制御データを作成する目的に供する。
【００７３】
いくつかの色調を用意しておき、これらの液状体の吐出量をそれぞれ変えて配合量を変化させることにより混色されて任意の色調を得る方法が好適に用いられる。基本的に減算混色理論で所望の色調を得る。
【００７４】
明度の制御は透明液状体、および不透明液状体との混合で行う。すなわち、透明液状体の配合量を多くすれば透明性が向上し、不透明液状体を多くすれば透明性が低下する。不透明液状体の不透明材を白色としておけば、同時に明度向上の役割も持たせることができる。明度を低下させるためには黒色液状体を使用するのが好適である。
【００７５】
この方法で用いられる色調のセットには、歯科用構造材の使用目的に合致する限りにおいて任意の色調を選択でき、その色相、明度、彩度の範囲には一切の制限はない。この方法で用いられる色調セットの色調数は、歯科用構造材の使用目的に応じて単色から多数色セットまで任意の数で構成することができる。多数色の上限は特に設けないが、通常は液状体の保守や設置スペースの確保などの観点から見ると可能な限り少ない色調セットで色調再現範囲を可能な限り広くような色調セット構成とすることが好ましい。そのため、好適には１色から２４色のセットとすることが好ましい。より好適には２色から１２色のセットとすることが好ましい。さらに好適には３色から８色のセットとすることが好ましい。
【００７６】
液状体のセット構成については異なる色調の組み合わせのみを考慮するのではなく、重合後の物理的、あるいは／または化学的特性がそれぞれ異なるように組成を違えた多種類のセットとすることもできる。例えば歯牙形状内面部には強靭性を持った樹脂を主成分とする液状体を用い、エナメル質部には表面硬度が高く耐磨耗性に優れた樹脂を主成分とする液状体を用いることで磨耗しにくく、且つ割れにくいという特徴を持たせることで長期間の使用に耐える義歯を作製することができる。
【００７７】
異なる色調と異なる物性を持った各液状体を任意に組み合わせて液状体セットとすることも勿論可能である。このような構成をとることにより、従来の手作業、あるいは機械による自動製作による歯科用構造材の作成方法と比較して、審美性と機能性の向上と、これらの両立が可能になり、歯科臨床、および研究用として幅広い用途への応用が可能である。
【００７８】
（装置の構成）
以下に試作した歯科用造形装置について、簡単に説明する。
１辺が１００ｍｍの中空正方形四角柱であって上端縁が水平な壁を基台に固定し、壁の内側に擦設する造形ステージを設け、造形ステージが上下に２００ｍｍ移動するスライド機構を設けた。
さらに壁の外側周囲に１ｃｍの間隔を空けて外壁を設け、壁と外壁の間に粉状体回収トレイを設けた。
【００７９】
外壁の外側に水平方向に２００ｍｍ移動するスライド機構を設け、スライド機構により造形ステージ上を移動する作業腕を設けた。
作業腕には移動方向に合わせて順に粉状体散布機構として一定量の粉状体を造形ステージに供給するフィーダー、壁の上端縁を滑りながら移動するすり板、作業腕を移動させるスライド機構と直角にスライド機構を設けそのスライド機構を介してノズルヘッドを設けた。
フィーダーは造形ステージと同じ１００ｍｍ幅で高さが２ｍｍのスリットを持ち、スリットを開閉するふたで構成する。また、すり板はスリットに平行に５ｍｍの間隔を空けて取り付けた。
【００８０】
ノズルヘッドは直径０．０５ｍｍの吐出ノズル７２個を有する。６個のノズルで１列とし、これを１２段並べて構成する。本装置には容量１００ｃｃの液状体貯留タンクを６個設けてあり、各液状体貯留タンクは各列のノズルとチューブによってそれぞれ接続されている。すなわち、各列の１段目から１２段目までの１２個のノズルはそれぞれに対応する列の液状体貯留タンクと接続されている。各ノズルは制御コンピュータからの信号により、ピエゾ素子によって１回の信号につき０．０５ｃｃづつ造形ステージ上に吐出される。
造形ステージに光放射する５個のハロゲンランプを硬化機構として設けた。この硬化機構はハロゲンランプが造形ステージ上面を均一に照射できるように位置と向きを調整して設置した。
【００８１】
本装置はパーソナルコンピュータに接続し、各スライド機構、スリットのふたの開閉、ノズルヘッドからのバインダーの吐出、ハロゲンランプの点灯、を制御する。
【００８２】
（形状データ取得）
まず造形の準備として造形データを用意する。目的の形状データを得るには、形状計測を行うか、コンピュータ内で形状データを作成するシステムやＣＡＤによる形状データの作成を行う。また、形状計測データをＣＡＤや他のソフトを用いて編集して用いることも勿論可能である。
【００８３】
このようにして得られた３次元データに対して必要ならば内部構造を与える。更に必要な場合には各構造部に異なる色調や異なる物性を設定することができる。さらに必要な場合にはグラデーション様の色調、あるいは物性の順次変化をつけることも勿論可能である。
【００８４】
この作業の際に色調を決定するために機械測色装置のデータを用いることもできる。本装置の制御ソフトによって、これらの装置によって指示されるシェードと呼ばれる色調指定記号を入力するとそれに対応した色調を再現するために必要な液材の色調と各色調の液材の吐出量を算出して液材吐出制御データに付加される。
【００８５】
このようにして作成した３次元データを水平線方向に切断して、液状体吐出制御データを作成する。このとき、隣接する切断面間の距離は一回の積層高さと同じになる。
【００８６】
（装置準備）
造形装置の準備として粉状体と液状体を用意する。粉状体貯留タンクに粉状体を入れ、液状体貯留タンクには液状体を入れる。複数の液状体を用いる場合はそれぞれの液状体貯留タンクに対応する液状体を入れる。
【００８７】
次に作業開始時にすぐに造形ステージ上に粉状体、液状体を供給できるようにするため、各貯留タンクから粉状体フィーダーと液状体吐出ノズルの間に残っている空気を排出するためのドレン操作を行う。具体的には、造形装置にドレン排出弁がある場合にはそれを操作して空気を排出し、ない場合には空運転操作によって空気を排出する。
【００８８】
ピエゾ素子を用いた方式やバブルジェット方式を用いた液材吐出ノズルが用いる造形装置の場合も何度かテスト吐出を行ってかすれやむらのないことを確認する。
【００８９】
（造形作業  積層と硬化）
ここまでの準備が整ったら造形作業に入る。造形作業は「粉状体積層」工程、「液状体吐出」工程、「硬化」工程を必要回数繰り返すことによって進行する。
【００９０】
「粉状体積層」工程は造形ステージ上に粉状体を一定の厚みに積層する工程である。造形ステージ上面の高さ方向に一定の距離を置いて造形ステージ上面と平行に移動する粉状体フィーダーを駆動して粉状体を散布する。前述したすり板を用いて粉状体の厚みを均一にする。
【００９１】
「粉状体積層」工程が終了後、「液状体吐出」工程に移る。この工程では、液状体吐出ノズル制御データに従って液状体吐出ノズルを搭載したスライド機構を制御し、液状体吐出ノズルを造形ステージ上の任意の位置に移動させ、任意の種類の液状体を吐出する。このようにして硬化させたい部分にのみ必要な種類の液状体を吐出して一層分の液状体吐出を完了する。
【００９２】
一層分の液状体吐出が終了すると、「硬化」工程に入る。硬化方法としては光重合や熱重合などを選択して用いる。粉状体と液状体の組み合わせによっては化学重合を併用するなど硬化性を高めるための工夫を施すことができる。
【００９３】
造形ステージを一単位だけ下げて、再び「粉状体積層」工程に戻る。このようなサイクルを必要回数繰り返して目的の形状を積層造形する。
【００９４】
必要回数の積層造形を繰り返して目的の形状を造形した後、硬化させなかった余剰の粉状体を除去する。空気圧によって吹き飛ばす、または造形ステージを上下反転させて余剰粉状体を落下させる、吸引させるなどの手段が好適に用いられる。
【００９５】
取り出した造形物は必要がある場合には表面滑沢材への浸漬処理や研磨を行い、段差の解消と表面滑沢性を付与して完成する。
【００９６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。なお、以下の実施例は本発明の実施の形態を明確にするための詳細な例示であり、本発明の内容、範囲を限定するものではない。
【００９７】
実施例１：クラウン、ブリッジの作製
本発明の装置を用いてメタルレスのクラウンおよびブリッジを作製した。この実施例では一層毎に光を照射して硬化させる方法を用いた。
（粉状体の調整）
材料は粉状体にポリメチルメタアクリレートの球状粒子体（平均粒子径１０μｍ）９５重量部、酸化チタン５重量部の混合物を用いた。
（液状体の調整）
液状体には食用インクにて着色したメチルメタアクリレートモノマー液１００重量部にカンファーキノンを１重量部とジメチルアミノパラトルイジンを１．７５重量部配合して光重合可能とした組成物を色調の異なる４種類として用いた。すなわち、液状体１は透明に、液状体２は乳白色、液状体３は茶褐色、液状体４は黒色に調色した。
【００９８】
（形状及びプログラムの設定）
これらの液状体を吐出時に目的の色調の液状体となるようにコンピュータによって配合量を自動的に算出して用いた。目的形状データを編集して実際の歯の構造を模して内部に複数の層からなる構造を持たせ、これに基づいてＣＡＤによってＳＴＬデータを作成した。
【００９９】
（歯科用造形装置の説明）
試作した装置を用いた。
【０１００】
（造形工程）
このＳＴＬデータを用いて装置の各構成要素を制御して目的のクラウンとブリッジを作製した。
造形後の補綴物は造形ステージより取り外して最終研磨を施した。
なお、この実施例では造形ステージ上に一度にクラウン２個、ブリッジ２個を配置し、さらにこの配置状態を高さ方向に３段分設定し、１２個の補綴部材を一度に作製した。液状体の含浸しない粉状体がそのままサポート材として機能するのでこのような作製方法が実施できた。作製したクラウンおよびブリッジは内部、外部ともに３色の色調を使い分けて作製されたため、概観は複数の異なる色調の重ね合わせによって、従来のＣＡＤ／ＣＡＭ応用技術を用いた方法では加工できないような極めて高い審美性を有していた。
【０１０１】
実施例２：デンチャーの作製
（粉状体及び液状体の調整）
粉状体及び液状体は実施例１と同一のものを用いた。
但し、実施例１で、液状体４は黒色に調色したが、ここでは歯肉色に調色した。
（形状及びプログラムの設定）
実施例１と同様にデンチャーの作製の設定した。
（歯科用造形装置の説明）
実施例１と同一の器械を用いた。
【０１０２】
（造形工程）
このＳＴＬデータを用いて装置の各構成要素を制御して目的のデンチャーを作製した。
造形した義歯は造形ステージから取り外し最終研磨を施した。
なお、この実施例では造形ステージ上にデンチャー１つを作製した。
作製したデンチャーは歯肉色、デンチン色、エナメル色の色調を使い分けて作製されたため、非常に美しいデンチャーに仕上がった。
従来のＣＡＤ／ＣＡＭ応用技術を用いた方法では加工できないような極めて高い審美性を有していた。
【０１０３】
実施例３：矯正用ブラケットにつけて使用するワイヤ部材の作製
（粉状体及び液状体の調整）
粉状体及び液状体は実施例１と同一のものを用いた。
（形状及びプログラムの設定）
実施例１と同様に設定した。
（歯科用造形装置の説明）
実施例１と同一の器械を用いた。
但し、ハロゲンランプの代わりに、近赤外線ビームを設けた。
【０１０４】
（造形工程）
矯正用ブラケットにつけて使用するワイヤ部材を本発明の装置によって樹脂線材として製作した。この実施例では一層毎に近赤外線のビームを造形ステージ平面上で掃引し、液状体の含浸した部分のみを加熱重合させた。造形したワイヤ部材は造形ステージから取り外して最終研磨を施した。
【０１０５】
実施例４：マウスガードの作製（ＤＤＳマウスピース）
（液状体の説明）
液状体はＡ組成としてメチルメタアクリレート９２重量部、両末端アクリル変成ポリブタジエン樹脂５重量部、硼酸アルミニウムウィスカ３重量部、カンファーキノン１．７重量部、ジエタノールパラトルイジン２．２重量部で構成されるものと、Ｂ組成としてメチルメタアクリレート８０重量部、トリエチレングリコールジメタアクリレート１５重量部、カンファーキノン１．２重量部、ジエタノールパラトルイジン１．８重量部としたものを用い、Ａ組成液、Ｂ組成液それぞれについて３原色、黒色、白色、透明の６色を調合して合計１２種類をセットとして使用した。
【０１０６】
（粉状体の説明）
Ａ液を粉状体に吐出して重合すると適度な弾力性を持った樹脂組成物となり、Ｂ液を粉状体に吐出して重合すると変形しにくく十分な強度と耐衝撃性を持つ樹脂組成物となる。
（形状及びプログラムの設定）
使用者の口腔内を象って得られた模型を計測して数値化し、マウスピース形状データを作成した。このデータを編集して、歯牙、歯肉を一定の厚みで取り巻くようにオフセット形状データを作成して弾力材料使用部とし、その外側を強度保持部として製作に供した。
【０１０７】
（歯科用造形装置の説明）
実施例１と同一の器械を用いた。
但し、液状体吐出機構は液状体貯留タンクを１２個とし、液状体吐出ノズルは１２列１２段の合計１４４個とした。
（造形工程）
オフセットデータによって確保した歯牙、歯肉周りの一層はＡ液を使用した。その他の部分はＢ液を用いた。また色調は、Ａ液、Ｂ液の使用区分に関わらずマーブル状に複雑に変化する色調とした。このマーブル状の色調は応力解析結果を色階調で表示したデータをそのまま用いた。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明により、アンダーカット形状の制約を受けることがなく加工できるので所望の形状を製作することが可能になった。また、薄い形状の加工も削り出し方式よりも容易に製作できる。また必要な場所に必要な特性をもたせることができるようになった。さらに色調を自由に設定できるため、審美性が格段に向上した。
【０１０９】
従来の手作業による方法では、既成の人工歯を蝋堤上に排列し、石膏埋没、熱湯中での脱蝋、床用レジン注入、熱湯中での重合、石膏型材からの義歯取り出しという一連の煩雑且つ長時間を要する熟練作業によって初めて製作可能な義歯を自動的に作製することができる。しかも自動的に作製した義歯は従来のＣＡＤ／ＣＡＭ応用技術を用いた方法では決して作製できなかった大きなサイズの補綴物であり、歯牙部分と床部分を一括して自動的に作製できた。しかも歯牙部と床部は色調が異なるだけで材料としては一体構造であり、均一な物理特性を持っており、従来の手作業で作製された義歯に見られるような人工歯の脱落などの恐れがない補綴物とすることができる。
【０１１０】
本発明によって、透明で目立ちにくく、従来法ではまっすぐな線材を曲げたり微調整したりしながら作製する矯正用ブラケットにつけるワイヤ部材と同様の働きをする矯正力発現部材を自動的に、しかも最初から正確な矯正力を保持していて使用時の調整作業を大幅に低減できるワイヤ部材が製作できる。本発明は必要な場所に必要な特性を有し、且つ色調的にカラフルで斬新なしかも物理的根拠に基づいた色調を呈した高付加価値のマウスピースを自動的に作製することができる。本発明は従来方法と比較しても物理的特性並びに視覚的デザインを細かくコントロールでき、使用者への適合性、満足度、実用性に優れたマウスピースを製作できる。
【０１１１】
【図面の簡単な説明】
【図１】歯科用造形装置の斜視図
【図２】歯科用造形装置の断面図
【符号の説明】
１      作業腕
２      スライド機構
３      粉状体フィーダ
４      ふた
５      すり板
６      液状体吐出ノズル
７      スライド機構
８      中空正方形四角柱であって上端縁が水平な壁
９      外壁
１０    造形テーブル
１１    スライド機構
１２    基台
１３    粉状体回収トレイ
１４    ハロゲンランプ
【図１】
2004344623.tif 000003
【図２】
2004344623.tif 000004