JPS63117747A - イオン交換強化ガラスから調製した歯列矯正用ブラケット - 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】 本発明はイオン交換強化ガラスからつくられた歯列矯正
用ブラケットに関する。

歯列矯正用ブラケットは歯に直接装着されて、歯列矯正
用アーチワイヤーからの矯正力を、そのブラケットが取
り付けられている歯に伝達するように機能する。歯列矯
正用ブラケットに関する要件は非常に過酷である。第一
に、アーチワイヤーにより伝達される力、結紮力、およ
び咀矯力を含む力に耐える十分な機械的強度を有しなけ
ればならない。第二に、口腔環境において化学的に不活
性でなければならないので、それは腐食することなく、
また生物学的に不活性であり、かつ不活性のままである
ものとする。ブラケッ１−はこれらの要件に合致せねば
ならず、その上、歯に装着するのに十分小さいままであ
ることを要する。多くの異なった材料から歯列矯正用ブ
ラケッ１−をつくることが提緊されているにも抱らず、
今日用いられている歯列矯正用ブラケットの圧倒的多数
は金属、通常はステンレス鋼から作られている。金属ブ
ラケラトは基本的要件の全てに合致するが、それらは一
つの望ましくない特質を有している。すなわち、それら
が目障りであることである。歯列矯正処置を受ける人は
、歯の最前面の完全に見える所に人目を引く量の金属を
取り付けることになる。

そして、この処置は何年にも亘る可能性があるので、こ
の目障りな外観を可成り長い期間に亘り堪え忍ばなけれ
ばならない。

ブラケットをより目障りではない材料から作成する誘因
は長年に亘って存在して来た。しかしながら、近年、歯
列矯正処置は次第に多くの成人にも施されるようになっ
て来て、それらの人々にとって金属ブラケットの目障り
な外観は単なる閉口以上のものとなっている。従って、
より美的な歯列矯正処置を提供するための誘因は、従前
よりも今は一層大きくなっている。

金属歯列矯正用ブラケットの目障りな外観を回避するた
め、成る場合（しかし、全てではない）には歯の世間に
ブラケットおよびアーチワイヤーを装着することが可能
である。しかし、世間技法（Ｉｉｎｇｕａｌ　５ｉｄｅ
　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）は、慣用の却側技法（ｂｕｃｃ
ａｌ　５ｉｄｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）と比べて、処置
を完了するのに通常より長い時間を要し、そして通常よ
り費用の掛かるものである。更に、ブラケットおよびア
ーチワイヤーはスピーチの聞苦を妨害する。

歯列矯正用ブラケットを、より目障りではない材料、た
とえば透明または半透明プラスチック（たとえば、ポリ
カーボネート）、あるいはセラミック材料で、天然の歯
の状態により類似するものによって作り上げることが提
案されて来た。プラスチック材料およびセラミックス双
方の問題は、それらの機械的強度が不確かなものであり
、そしてブラケットの破損またはクリープが重大な問題
となる可能性がある。現在利用されているセラミックブ
ラケットは（材料の物性限界を克服するために）、どち
らかと言えば崇高なので、それらは患者にとって幾分不
愉快なものになり勝ちである。

美的な観点からすれば、プラスチックまたはセラミック
材料のいずれも完全に満足すべきものではない。それは
プラスチックが（コーヒ、茶、煙草および各種の食品に
よって）変色する可能性があり、そしてセラミックの色
は自然の歯牙と滅多に厳密に整合しないからである。セ
ラミックおよびプラスチックブラケットの強度限界を克
服する努力に際して、この種のプラスチックブラケット
を（アーチワイヤー溝に関して）金属インサートや金属
ライナーで補強することが提案されて来た。

これは（完全に緩和されるものではないが）プラスチッ
クまたはセラミックブラケットの強度限界を向上させる
ものである。しかし、この種の解決は、プラスチックま
たはセラミックブラケットが提案された理由であった美
的問題を、少なくとも限定された程度に制限してしまう
ものである。従って、現在まで上記の美的問題を満足に
解決する、市場において入手可能な歯列矯正用ブラケッ
トは存在しない。

発明者等により、単結晶アルミナ（サファイア）から歯
列矯正用ブラケットをつくることが提案された。たとえ
ば、１９８５年６月１２日出願の米国特許出願第７４３
，８５１号を参照されたい。このようなサファイアブラ
ケットは美的問題に関して優れた解決であるが、それら
はどちらかと言えば高価であり、そして未だに市販され
ていない。

本発明は、歯に取り付けるためのベース部材と、このベ
ース部材から延びる本体部材とを含んで構成される歯列
矯正用ブラケットを提供する。本体部材はアーチワイヤ
ー溝を構成する壁を有している。本発明のブラケットは
イオン交換により強化されたガラスから成る。ガラスの
透明性が、金属ブラケットよりも遥かに美的なブラケッ
トの提供を許容する。イオン交換による強化は、これま
でに提供されて来たプラスチックまたはセラミックブラ
ケットよりも強いブラケットを提供する。

イオン交換の時によりガラス物品を強化するために利用
されて来た。たとえば、下記の米国特許を参照されたい
。

クリープ（Ｇｒｅｇｏ）他の米国特許第３，７５１，２
３８号モーケル（Ｍｏｃｈｅｌ）の米国特許第３，７９
０，４３０号ナカガワ（Ｎａｋａｇａｗａ）他の米国特
許第３，９５９．０００号 フォーカー・ジュニア（Ｆｏｒｋｅｒ、　ｊｒ、）他の
英国特許第４，４８３，７００号 下記の米国特許は、美的歯列矯正用ブラケットを提供す
るための初期の試みを開示している。

レイノズルの米国特許第４．２１６，５８３号および第
４．３２２，２０６号ならびにウォールシェイン（Ｗａ
ｌｌｓｈｅｉｎ）の米国特許第４，２１９，６１７号は
、射出成形し、ランダムに延伸した多結晶質セラミック
材料からつくられた歯列矯正用ブラケットを開示してい
る。

レイノズルにより開示されたブラケットは市販されてい
るが、それらは余り商業的成功を収めていない。

アーチワイヤー溝に関して金属補強またはライナーを含
むプラスチック歯列矯正用ブラケットは、アントリユー
ス（Ａｎｄｒｅｗｓ）の米国特許第３．９３０．３１１
号、スクール（Ｓｔａｈｌ）の米国特許第３．９６４．
１６５号、クルツ（Ｋｕｒｚ）の米国特許第４．１０７
，８４４号、フランツ（Ｆｒａｎｔｚ）の米国特許第４
，２９９，５６９号、およびウォールシェインの米国特
許第４．３０２．５３２号中　゛に開示されている。

本発明はイオン交換強化ガラス製の歯列矯正用ブラケッ
トの提供を指向するものである。

本明細書中で使用される術語「イオン交換強化ガラス」
は、圧縮応力層がガラスの表面に形成されるように熱化
学的（ｃｈｅｍｏ　ｔｈｅｒｍａ　ｌ）イオン交換処理
によって強化されているガラスを指す。この種のガラス
は当該技術分野で知られている。それらは、ガラス物品
を交換可能なイオンを含む溶融塩浴中に、溶融塩浴中の
イオンがガラス中のイオンと交換されるように浸漬する
ことによってつくられる。この処理はガラスの歪み点を
超えるが、その変形温度未満の高温で行われる。ガラス
物品のイオン交換強化に関する典型的な方法を例示する
ために、リチウムアルミノシリケートガラス製の物品を
溶融硝酸ナトリウム浴中に温度約４００°Ｃで約４時間
浸漬する。この物品を取り出し、冷却し、次いで溶剤中
ですすいで残留塩を除去する。得られた物品は、そのガ
ラス表面上の薄層中に発現した圧縮応力のために、当初
物品よりも非常に強（なっている。

本発明の実施に際して、先ず歯列矯正用ブラケットをイ
オン交換強化可能なガラスから所望形状に形成し、次い
でそれをイオン交換処理により強化するものとする。こ
のブラケットは以下の工程により所望形状に形成するこ
とができる。

所定の横断面形状を有するガラスロッドは、このロッド
を加熱した黒鉛ダイスを経由して引き抜くことによる公
知の方法によって生成することができる。このガラスは
その加工温度に加熱すべきであるが、それは通常１３０
０°乃至１５００℃のオーダーであり、この場合その粘
度は１０４ボイズのオーダーである。冷却後、ロッドは
仕上げのために機械加工してもよく、個々のブラケット
ブランクに切断し、次いでイオン交換処理を施す。この
方法を添付図面を参照しながらより詳細に説明する。

第１図乃至第４図は本発明によってつくられた歯列矯正
用ブラケットを示している。ブラケット１０は、ベース
部材１２および本体部１４を包含している。ベース部材
１２は、第２図および第４図から理解されるように、複
合凹所を備える山部接触面１６を含んでいて、ブラケッ
ト１０が結着されるべき歯の輪郭に整合する。本体部１
４内のアーチワイヤー溝は壁１８ａ、１８ｂＳ１８ｃに
より形成される。本体部分はまた、「サドル」を有し、
これは壁２０　ａ、　２０　ｂ、　２０　ｃにより形成
される。図示されたブラケットは符号２２，２４．２６
及び２８で表される二対のタイウィングを含む「ツイン
ブラケット」である。

第１図〜第４図に示されたブラケットは以下の工程によ
り調製することができる。

イオン交換強化可能ガラスをその加工温度に加熱し、そ
してオリフィス３０を備える加熱した黒鉛ダイス２９（
第１２図）を経由して引き抜いてロンドブランク３２　
（第１３図）を生成する。これは寸法は小さいけれども
オリフィス３０の輪郭と本質的に同一である横断面形状
を有している。

次いで、ロンドブランク３２を機械加工してロッド３４
　（第５図）を調製し、これから、下記に説明するよう
に、個々のブラケットブランク４２（第６図および第７
図）を切断することができる。

第５図に示されたロッド３４は壁１８　ａ、　１８ｂ。

１８Ｃにより形成された縦溝を備えている。ロッド３４
はまた一対の縦溝３６，３８を備え、それらは該ロッド
３４の各側に刻まれている。３本全ての溝はダイアモン
ド研削砥石によってロンドブランク３２中に刻むことが
できる。次いで、ロッド３４は凹所を設けるように研削
されたその底部側４０を備えることが可能である。この
凹所は第６図に符号１５によって最も容易に理解される
。

次に、第一の凹所に対して直角である第二の凹所をロッ
ド３４の底部に研削して、第４図の符号１６により最も
容易に理解できる凹所として設けることができる。好ま
しいのはこれら２個の凹所を、両凹所を一度に研削する
段階的研削法で、複合形状ホイールを用いることにより
機械加工することである。凹所をロフト３４の底部内に
研削した後、サドルを段階的研削法を利用するこにより
研削することが可能であり、次いでこのロッドを個々の
ブラケットブランク４２に切断する。個々のブラケット
ブランク４２を調製するための切断は、ロッド３４の軸
線りに垂直な線に対し僅かな角度αをもって行われる。

これは最も明瞭に第６図および第７図中に示されている
。

次いで、ブラケットは好ましくはポリッシュされて微細
な表面上の欠陥を除去し、そして輪郭を滑らかにする。

適切な磨き浴は、５０％フッ化水素酸水溶液３部と濃硫
酸１部とから成る溶液である。ブラケットは磨き浴内に
室温で短時間、たとえば１乃至３分間浸漬され、取り出
され、ついで洗浄される。それで、それらのブラケ−／
　トはイオン交換強化工程に関し準備完了となる。

ブラケットは、歯列矯正用ブラケットとして使用するの
に適切な程度まで強化するに足る時間、イオン交換反応
を受ける。ブラケットに使用されるガラスがリチウムア
ルミノシリケートであれば、イオン交換浴は、たとえば
溶融硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硫酸ナトリウム、
硫酸カリウムおよびそれらの混合物であればよい。イオ
ン交換処′理は、ガラスの歪み点を超え、かつ軟化点未
満の高温において溶融塩から成る浴中にブラケットを浸
漬させることにより行われる。ガラス片の変形の可能性
を最小に減少させるために、溶融塩浴はガラスの歪み点
以上の５０″乃至１００℃を超えない温度とすることが
好ましい。たとえば、溶融硝酸ナトリウム中でイオン交
換されるリチウムアルミノシリケートガラスについて適
切な温度は約４００℃である。その処理時間は、ガラス
および処理塩の特殊性、温度等のような要因に従って変
化するものであるが、通常は約２乃至２４時間となろう
。硝酸ナトリウム処理塩を使用する場合、上に論述した
具体的な物質については約３−１／２乃至約４−１／２
時間の処理時間が適当である。その処理工程は、ガラス
の表面または近傍の交換可能なイオンの全てが交換され
ると、イオン交換が停止するという点において定型的な
ものである。

イオン交換処理後、ブラケットはイオン交換浴から取り
出され、冷却され、次いでアセトン、水またはその他の
、上記の塩のための溶剤から成る浴を使用して、過剰の
塩をきれいに洗い流す。超音波処理を行って、過剰の塩
の除去を強化あるいは促進してもよい。

下記の実施例において、使用したイオン交換可能ガラス
は分光分析法によれば以下の分析値を有していた。

酸化金属　　　　重量％ ５ｉｆ２６６．２ Ａ　ｌ　２０３　　　　２ｌ−４ Ｔｉｅ、　　　　　　１．７３ Ｆ　ｅ　２０３　　　　　０．０６ Ｍｇ０　　　　　　０．０１ Ｃａ　０　　　　　　３．４４ Ｎ　ａ　２０　　　　　０．５０ Ｋ　、０　　　　　　０．３０ ＳｎＯ□１．７８ Ｌ　ｉ　ｚｏ　　　　　　３．８６ Ｂ　２０．Ｊｏ、　１６ Ｓｂ２０□　　　　　０．３５ 合計　　　　　　９９．８χ １止± イオン交換可能ガラスの大きなブロックを１．２５″Ｘ
　０．１２５”ｘｏ、０６２”の曲げ強さバーおよび０
．０８２”×Ｘ０．０６０”Ｘｏ、１５０”の片に機械
加工した。後者の片は、その中心下方に機械加工した横
断面に０．０２０”Ｘｏ、０３０”のスロットを有して
いた。これらの片は、アーチワイヤーにより装着された
ブラケットに加えられるであろうシミュレート力に関す
るトルク試験を受けるようにした。全ての曲げ強さバー
およびトルク試験片は、５０χ塩化水素酸水溶液３部お
よび濃硫酸（８５％）　１部から成る浴中に室温で２分
間浸漬することにより磨いた。これらの片を浴から取り
出し、そして水ですすいだ。これら片の半分は対照とし
て保持し、そして他の半分は硝酸ナトリウムの溶融浴中
に４００℃で４時間浸漬した。

これらのイオン交換した片を硝酸ナトリウムから取り出
し、そしてアセトン中ですすいだ。

曲げ用バーはインストロン試験機における３点荷重を利
用して試験した。磨いたままの、およびイオン交換した
、それぞれの状態の２０本のバーを試験した。クロスヘ
ッド速度は１インチスパンを横切る方向で０．０１ｃｍ
／秒であった。

曲げ強さ試験の結果は、ワイブル統計分析を利用して曲
げ強さくボンド／平方インチ−ＰＳＩ）の変化における
残存確率に関して報告するものとする。

このタイプの統計分析はアール・ダブリュー・デーヴイ
ソジ（Ｒ，瞳、Ｄａｖｉｄｇｅ）著［セラミックスの機
械的挙動（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　
ｏｆ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ）　Ｊ〔ケンブリッジ大学プレ
ス（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｕｎｉｖ　、Ｐｒｅｓｓ）（
１９７９年）〕第１３３頁以降に説明されている。要約
すれば、分析法は以下の通りである。

個々の試料に関する強度値は昇順に整列される。

合計Ｎ個の試料からのｎ次ランク試料は（そのｎ次ラン
ク試料に関し判明した強度値について）ｎ／　（Ｎ＋１
）Ｘ１００　　（但し、ｎはランキングを表しており、
”■”は最も弱い試料のランクを示し、そして”Ｎ”は
試料の合計数である。）の残存確率を有する。それらの
結果は第９図中に示されており、それは曲げ強さくＸ軸
）対百分率における残存確率（ｙ軸）のグラフである。

それらの結果の要約もまた第１表に示すものとする。

第１表 磨いたままのもの　　１７．７００　２７，４００　３
７．０００イオン交換したもの　６１，５００　　？？
、２００　９３．０００第１０図はトルク強度試験片５
０を示す横断立面図である。これら試験片の具体的な寸
法は以下の通りであった。

ａ−０，１５０インチ ｂ−０，０３０インチ ｃ−０，０３０インチ ｄ−０，０８２インチ ｅ−０，０２０インチ ｆ−０，０３２インチ 試験片は深さくすなわち、第１０図に示された横断面に
対し垂直な寸法において”）　０．０６０インチであっ
た。

ｌ・ルク試験は以下のように行われた。

第８図および第８ａ図を参照すると、トルク強度試験片
５０は上方に面するスロットを備え、試験ブレード５２
と整列するスロットの縦軸Ｌ３を伴う試験スタンドに定
着される。試験ブレード５２は、位置決めホイール６４
を用いてスロット内に挿入し、ブレード５２を位置決め
する。試験ブレード５２はスロットの壁５４ａ、５４ｂ
に何らの拡張力を加えることなく、スロットにすベリば
めする寸法としである。このブレードは、トルクプーリ
６０に取り付けられたワイヤー５８を経由してロードセ
ル５６に作動的に連結される。このロードセル５６はイ
ンストロン試験機（図示せず）に作動的に連結されてい
る。トルクプーリ６０に作用するワイヤー５８によって
試験ブレード５２に回転力が加えられる。ワイヤー５８
により力が加えられると、試験ブレード５２は第８ａ図
に示す矢印Ａ方向において捩じられる。試験は、試験片
５０が破壊するまで継続される。試験に先立って、イン
ストロンは２５０−グラム較正重量を用いて２０００　
ｇロードセルで目盛り定めを行う。荷重を加えるに際し
て、トルキング装置（すなわち、ワイヤー５８）は２　
ｃｒｎ　／分の速度で移動する。（トルクプ−ＩＪ　−
６０は直径？、６２ｃ＋ｎであった。）トルク試験装置
に加えられたトルクは、長方形の横断面を有するアーチ
ワイヤーを頻繁に用いてブラケットにトルクを付与する
際、処置の後段中に通常遭遇する応力にシュミレートす
る。

トルク試験装置において使用される試験片は、１対のタ
イウィングのみを有する「単一ウィング」ブラケットに
シュミレートすること、そして本発明のブラケットの好
ましい実施態様についての先の記載は、二組のタイウィ
ング間に開放スペース（「サドル」）を備える二組のタ
イウィングを有する「ツインブラケット」に関するもの
であったことが理解されよう。従って、試験片は、トル
クに抵抗するより多い材料を有していることが明瞭であ
る。それはアーチワイヤー溝の側壁の連続性を妨げる切
り欠き領域すなわちサドルが全く存在しないからである
。このことは試験結果において、何らの大きな差異を生
じるものではないと信じられる。それは応力に際してガ
ラスおよびセラミックス中に生じる破損率が、ガラス中
の微細な傷の存在に起因する理論的な強度よりも溝かに
低いものだからである。

この試験の結果は第１１図中に、百分率における残存確
率対グラム−センチメートルにおけるトルク強度のグラ
フによって示される。

３０個の各試料が試験された。酸エツチングし、かつイ
オン交換強化した材料は１２７６　ｇ　−ｃｍ乃至３５
０５　ｇ　−ｃｖａに及ぶトルク強度値を有し、一方酸
エッチングし、かつイオン交換強化しなかった試料は８
００乃至１７８３　ｇ　−ｃｒａに及ぶトルク強度値を
有していた。これらの結果の要約もまた、第１表中に示
す。

第■表 磨いたままのもの　　　９００　　１２５０　　１６０
０イオン交換したもの　　１４００　　２１５０　　２
９００本発明のイオン交換強化ガラスブラケットは上記
試験により測定されたトルク強度少なくとも約１０００
　ｇ　−ｃｍを有していることが望ましい。それはトル
ク１０００　ｇ−■が、今日も用いられている最強のア
ーチワイヤーの降伏する近似点だからである。

上に提示した試験データに関して、本発明のブラケット
はワイブル統計分析を利用すれば、１０００ｇ−ｃｍの
トルクにおいて９５％を超える残存確率を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン交換強化ガラスからつくられた歯列矯正
用ブラケットを示す斜視図、第２図は第１図のブラケッ
トを示す左方立面図、第３図は第１図のブラケットを示
す頂部平面図、第４図は第１図のブラケットを示す前部
立面図、第５図は本発明の歯列矯正用ブラケットを作成
することができるガラスロッドを示す斜視図、第６図は
第５図のロッドから切断された一連のブラケットブラン
クを示す斜視図、第７図は第６図のブラケットを示す頂
部平面図、第８図はトルク強度試験装置を示す概略図、
第８ａ図はスロット内の試験ブレードの運動を示してい
る試験装置に装着されたトルク強度試験片の拡大斜視図
、第９図は残存確率対ガラス対照についての曲げ強さお
よびイオン交換したガラス屈曲バーの関係を示すグラフ
図、第１０図はトルク強度試験について用いられる試験
試料を示す横断立面図、第１１図は残存確率対ガラス対
照についてのトルク強度およびイオン交換したガラスの
トルク試験片との関係を示すグラフ図、第１２図はガラ
スロッドを押し出すのに使用可能であるダイスの面を示
す平面図、そして第１３図は第１２図のダイスを介して
押し出すことによりつくられたガラスロッドを示す斜視
図である。 １０・・・ブラケット、１２・・・ベース部、１４・・
・本体部、１６・・・歯部接触面、１８ａ、１８ｂ、１
８ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、５４ａ、５４ｂ　−−
−壁、３６．３８・・・縦溝。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）歯部接触面を備えるベース部材と、アーチワイヤ
   ー溝を形成する壁を備える本体部材とを有し、イオン交
   換強化ガラスからなっている歯列矯正用ブラケット。
2. （２）前記ブラケットが、ワイベル統計分析を利用する
   ことにより、アーチワイヤー溝において１０００ｇ−ｃ
   ｍのトルク力を少なくとも９５％の確立をもって残存さ
   せるようなトルク強度を有している特許請求の範囲第１
   項記載ののブラケット。
3. （３）前記ガラスが、ナトリウムイオンで強化されたリ
   チウムアルミノシリケートガラスである特許請求の範囲
   第１項記載のブラケット。
4. （４）前記ガラスが、ナトリウムイオンで強化されたリ
   チウムアルミノシリケートガラスである特許請求の範囲
   第２項記載のブラケット。