歯科矯正用 NiT
Ti 超弾性性アーチ
チワイヤのの CNC 加熱曲げげに関関する応用用研究
東京医科歯歯科大学

医歯歯学総合研究究科、先端材
材料評価学分野
野助
助教 中村英英雄（平平成 21 年度一一般研究開発
発助成 AF-20009016）

キーワード：歯科矯正，アアーチワイヤ，超弾性材料， NiTi（ニチノノール），曲げげ加工

１．研究の目目的と背景

馬蹄蹄形に成形されれた製品を利用用することが多い
い．歯科医が患
患

近年の歯科科医療の高度化化および予防歯歯科の発展に伴伴いう者様様の口腔内を目目視し，チェアササイドで形状修修正を行う場合
合歯羅漢率は減減少している．ししかし食文化のの変化により硬 い物にはは同図(c)のようなスポット溶接
接電源に類似ししたパルス通電
電を食べる機会会が減少したため
め，顎骨は小ささくなり,歯牙の 幅は加熱
熱機器を用いてて手作業で屈曲曲し，試適を繰り返しながら行
行顎骨の変化にに追いつけず，その結果としてて歯列異常（歯 並びってている．しかし，通通電加熱によりり処理したワイヤ
ヤは初期材料ととが悪いこと）がが問題になっており，歯科矯正正の需要が増加加して剛性性が異なる感じががあるなどの疑疑問が残されていいた．

1)

いる ．

本研究では，そ本の自動化を目指指して歯科矯正
正用 NiTi 合金金鋼製矯正ワイヤ
ヤなどを用いた矯正治療におおいてステンレス鋼ワイヤの通電加熱成成形に関する基基礎的検討を行行った．

は図 1(a)のよような特殊なルーープ構造を用いいて矯正力を制制御していたが 2)，そそれらは同図(bb)のような手作業により製作さされていた．

(a) 超弾性性型 NiTi 矯正ワ
ワイヤを用いる歯歯列矯正 4)(a) 矯正（ルループ）ワイヤの例例(b) 矯正ワ
ワイヤの手加工
図 1 矯正ワイイヤを用いる歯列列矯正

在の歯科矯正臨
臨床においては，従来金属よりりも弾
一方，現在(b) 超弾性型
超NiTi のの変形特性の概概要 4)性係数が小さくかつ弾性ひずずみが大きい超超弾性材料 2),3))が広おり，図 2(a)ののようにそれをブブラケットで固定定してく利用されてお用いられている
る．とくに，TiNii 合金は優れたた機能安定性， 耐腐食性および生生体適合性を有する．図 2(b)はは，その変形特特性を従来用いられれていたコバルトトクロム合金やスステンレス鋼と 比較して示したもののであるが，小ささな一定の矯正正力を歯に与ええることができる．ししかし，TiNi 合金は手加工が非常に困難でで予めー 81 ー(c) パルス通電電による NiTi 超 弾性矯正ワイヤ
ヤの形状修正 4)
図 2 超弾性型 NiTi 矯正
正ワイヤを用いる歯歯列矯正

通電曲げ試験においては，長さ 30mm の素材を Z テーブル

２．実験方法
実験には，直径 0.406mm（0.16 インチ）の円形断面の超弾性および XYθテーブルに固定したジグ（銅電極）でクランプし，型 NiTi ワイヤ（SENTALLOY-Medium, TOMY International Inc.）

所定の座標および角度に設定後，パルス通電加熱処理した．

5)に対して，500℃（60min）で直線記憶熱処理済みのものを用いた．この材料は口腔内の温度 37℃で最適な超弾性特性を示すように設計されている．諸元を表 1 に示す．
NiTi ワイヤの通電・引張試験および通電曲げ試験の概要と実験条件をそれぞれ図 3, 4 および表 1, 2 に示す．通電加熱
電源は，定電流電源を使用し，通電制御にはパソコンで制御された SSR を用いた．電流値は回路に直列に接続された無誘導型の 0.1Ωシャント抵抗を用いた．また，通電加熱時のワイヤ表面の温度測定には，素線直径 25μm の K 型熱電対を用

３．実験結果3.1 超弾性型 NiTi ワイヤの変形特性
図 5 は，負荷・除荷の繰り返しを与えた場合の応力－ひずみ曲線である．同図(a)～(c)は，除荷開始ひずみをそれぞれ2.0, 6.0, および 8.0 と変化させた場合の結果である．
応力－ひずみ曲線のヒステリシスループ，繰り返し変形による変態降伏応力の低下と非回復ひずみの増大などの典型的な超弾性挙動を示している．

いた．

表 2 実験条件（通電・引張試験）

通電・引張試験においては装置を保温器内で 37℃に保温して行った．ひずみ速度は，約 7×10-4 /s である．
表 1 試験片
NiTi round wire
Diameter: dLength: ℓHeat treatment

SENTALLOY-Medium
TOMY International Inc.
0.406 mm (0.16 inch)
180 mm (original)
Straight , 500 ℃ (60 min)Temperature of specimen: TW
Strain rate:
Current: iPulse width: T

37±0.5 ℃
7×10-4 s-10-6
A
1 – 100 s

表 3 実験条件（通電曲げ試験）
Ambient temperature: Ta
Current: iPulse width: T

図 3 NiTi ワイヤの通電・引張試験

23±1.0 ℃
0-6A
1 – 100 s

図 4 NiTi ワイヤの通電曲げ試験の概要

ー 82 ー

通電加熱を利用する試みが，SMA アクチュエータ駆動におけるひずみ回復動作において多く利用されている 3), 4)．また，極細線の冷間引抜き後の熱処理に利用する試みが報告されているが 7), 8)，形状記憶済みの材料に対する形状修正への適用に関する報告はほとんどない．
図 6 は，l1=10mm の長さの素材ワイヤにパルス通電したときの電流と素材中央の温度の変化である．定電流電源を使用しているために電流はステップ変化をしている．一方，温度は時間遅れをともなって上昇し，約 5s で最高温度の約 520℃に達する．
図 7 は，パルス幅を T=10s に固定して，電流を変化させた(a) ε1 = 2 %場合の素材中央の最高温度である．白丸が 10mm の長さの素材ワイヤに通電した場合で，黒丸が 70mm の長さの素材ワイヤに通電した場合である．l1=10mm の場合には 70mm の場合よりも到達温度が低いが，4.5A で約 520℃に達する．
図 8 は，図 4 の手順に従って l1=10mm の長さの素材ワイヤを 90°に曲げた状態でパルス通電により形状記憶処理を試みた結果である．また，図 9 は，通電時のワイヤの温度分布であり，ジグに近傍では温度の低下が発生する．i=4.5A (T=10s)
では，素材中央部の温度は 520℃に達する．
TiNi 合金ワイヤの通電曲げ成形では，ひずみ回復とスプリングバックにより戻りが生じる．残留曲げ角αr は，通電パルス(b) ε1 = 6 %幅 T の増大とともに目標角度 90°に近づくが，T=10s 以上では改善がみられず，約+10°のずれが残る．電流値の増大によっても目標角度に近づくが，i=4.5A と i=5.5A では差異がな
く，i=4.5A の条件で形状記憶処理が完了している．しかし，図7 のように短い素材ワイヤの両端を電極で固定している場合には，両端部での温度が不十分である可能性がある．また，後述のように，形状記憶処理がなされ回復ひずみがゼロとなっても，弾性回復が生じるために，ヤング率が相対的に小さい
NiTi 合金では，大きなスプリングバックが発生する．

(b) ε1 = 8 %
図 5 超弾性型 NiTi ワイヤの変形特性

3.2 超弾性型 NiTi ワイヤの通電加熱曲げ
NiTi 合 金 製 細 線 は ， 最 終 段 階 で は 冷 間 引 抜 き さ れ て
400-500℃で，10-60 min で（形状記憶）熱処理される．その熱処理には通常，雰囲気炉が用いられ，その温度と時間は製品の特性に大きな影響を及ぼす 6)．一方，NiTi 合金の加熱にー 83 ー

図 6 通電加熱時の超弾性型 NiTi ワイヤの温度変化

図 7 通電加熱により得られる超弾性型 NiTi ワイヤの温度(a) i = 2.96 A

図 8 超弾性型 NiTi ワイヤの通電曲げ(b) i = 3.54A(c) i = 3.96 A
図 10 通電加熱後の超弾性型 NiTi ワイヤの変形特性

図 9 通電中の超弾性型 NiTi ワイヤの温度分布

i=2.96A では図 5 の初期特性とほぼ同じであるが，i=3.54A で3.3 通電加熱された超弾性型 NiTi ワイヤの特性一例として，直性形状の記憶処理では，わずかな引張応力は，変態降伏応力がかなり増大するとともに，非回復ひずみ(20–100 MPa)を加えた状態で熱処理が行われる 9)．一方，比の低下もおおきくなる．さらに i=3.96A では大きく異なる挙動を較的複雑な形状の場合には型形状に拘束された状態（予ひ示し，数回の繰り返し負荷で超弾性挙動を示さなくなる．
一方，図 11 は，2, および 3%の予ひずみを与えた状態でずみが与えられた状態）で熱処理される．
図 10 は，1.58MPa の引張応力下で 3.96A(T=10s) のパルス2.98A(T=10s)のパルス通電した場合のワイヤの挙動である．B

通電加熱処理したワイヤの繰り返し変形特性であるが，点でのパルス通電による急速な温度上昇により 3%保持応力の 2 倍近い回復力が発生し，10s の冷却後 C 点に達しておおー 84 ー

よその形状記憶処理が完了するが，その後の除荷により弾性程度で熱処理を行うと，変態応力の増大や回復ひずみの減回復が発生する．

少・消失などの変形特性の変化がが生じる．
d) 予ひずみを与えた超弾性型 NiTi ワイヤに 10s 通電加熱すると，温度上昇時に保持力の 2 倍近い回復力を発生し，冷却後予ひずみ保持応力か若干大きい応力が残留する．その後，除荷すると変態ひずみの回復はないが，弾性ひずみが回復する．
以上のように，適切な電流値で 10s 程度の通電加熱することにより，形状記憶処理は達成できるが，スプリングバックは非常に大きく，また，処理後の変形特性が大きく変化するために，加工の自動化に当たってはこれらをどのように制御するかが大きな課題となる．
(a) ε1 = 2 %謝辞

本研究を行うにあたり，（財）天田金属加工機械技術振興財団より研究助成を賜りましたことをここに付記し，深く謝辞を表します．
また，工場の震災復興の多忙の中で試験材料を準備頂いた㈱トミーインターナショナルに感謝致します．
参考文献(1) 相馬，飯田，山本，葛西，後藤：歯科矯正学 第 5 版, 医歯薬出版株式会社, (2008).
(2) たとえば，佐藤 編：MEAW を用いた矯正治療, ㈱第一歯科出版, (2001).

(b) ε1 = 3 %
図 11 予ひずみを与えた超弾性型 NiTi ワイヤの通電過程(3) D.C. Lagoudas: Shape memory alloys: Modeling andengineering applications, Springer US, (2008).
(3) 田中, 戸伏, 宮崎：形状記憶合金の機械的特性, 養賢

４．まとめ
歯科矯正用の超弾性型 NiTi アーチワイヤの通電加熱曲げの自動化を目指して，基礎的検討を行った．得られた結果は以下のとおりである．

堂 , (1994).
(4) トミー㈱，歯列矯正器具，
http://www.tomyinc.co.jp/wwwroot/products.html(5) TOMY International: SENTALLOY,a) 歯科矯正に用いられる直径 0.4mm の円形断面線材では，

http://www.tomy-ortho.co.jp/products/sentalloy.html

長さ 10～70mm の素材を 4～5A 程度の通電によりワイヤ中(6) Otsuka K, Ren X.: Prog Mater Sci, 50, (2005), 511.

央部を熱処理に必要な 500℃程度まで約 5s で昇温できる．

(7) B. Malard, J. Pilch, P. Sittner, R. Delville, C. Curfs: Acta
Materialia, 59- 4, (2011), 1542.

b) 通電加熱において，素材ワイヤのジグ（電極）近傍では，それを介した熱伝導のために温度の低下が生じて中央部に最(8) Patent applications PV2009–279, PCT/CZ2010/000058.

高値をもつ分布を形成する．また，素材が短いと中央部の(9) Pelton AR, DiCello J, Miyazaki S.: Minim Invas Ther
Allied Technol, 9, (2009), 107.

最高温度が低くなる．
c) 長さ 10mm の素材ワイヤの通電加熱曲げでは，4.5A で 10sの通電で 520℃程度に加熱することにより，変態ひずみ分は緩和されて記憶処理が完了するが，弾性回復分は緩和されず，90°の曲げに対して約 10°のスプリングバックが発生する．
c) 1.58MPa の引張応力下条件でパルス通電加熱により 500℃

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