JP5233019B2 - 歯科用工具芯金およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、歯科用工具に関し、特に、金属製のシャフトの一端に、シャフト径より太い作業芯部を有する歯科用工具芯金およびその製造方法に関する。

一般にダイヤモンドバーと称されている歯科用研磨工具は、シャフトの一端にダイヤモンド等の砥粒を付着させた作業部（研磨部）を有している。また、ステンレスバーやピーソリーマ、ゲーツドリルと称されている歯科用研磨工具は、シャフトの一端に刃を形成した作業部を有している。そして、シャフトを回転工具のチャックで掴み、低速〜高速回転させて使用する。歯科用研磨工具の作業部に砥粒を付着する前および、刃を形成する前の状態の金属部分を、ここでは「芯金」ということにし、芯金のうち、砥粒を付着させたり、刃を形成したりして作業部となる部分を「作業芯部」ということにする。

このような歯科用研磨工具には、シャフトより太い作業芯部を有するものがある。この作業芯部の径がシャフトの径より大きい芯金は、従来、次のようにして製造していた。

まず、図３の（ａ）に示すように作業芯部の径と同じか若干太い径の線材１を用意し、これに切削加工を施して（ｂ）に示すような細いシャフト２の先端に太い作業芯部３を持った芯金４を形成する。作業芯部３の断面形状は（ｃ）に示すように円形である。この後、先端の径の太い作業芯部３に、電着などによってダイヤモンドや超硬の砥粒を付着・固定することで、（ｄ）に示す作業部５を備えた歯科用研磨工具６としていた。また、図示はしないが、作業芯部を切削して刃をつけて形成した場合は、ステンレスバーやピーソリーマ、ゲーツドリル等としていた。

しかし、図３の製造方法では、切削量が多く、材料屑が大量に出る。また、作業量が多く、生産性が悪い、といった問題がある。また、シャフト２の部分を回転工具のチャックで掴んで高速回転させるのであるが、どのメーカーの工具のチャックでも把持できるようにする必要がある。そのため、シャフト２の径ｄが１．５９５ｍｍに対して公差を±５μｍという高精度に削り出す必要があり、この切削が非常に難しい。また、歯科用の研磨砥石は、錆に強いオーステナイト系のステンレス鋼を使用することが多いが、熱処理による硬化ができないので、伸線加工によって結晶組織をファイバー状にすることで硬化させている。

しかし、ファイバー状組織の素材に切削加工を施すと、上記ファイバー状組織のファイバー目に沿って、破断・劈開をする虞があるため、切削加工時、シャフトと作業芯部の境目をなだらかに形成するなどの制御をする必要があった。さらに、硬度は中心に向かって徐々に低下するので、太い線材から切削して細いシャフト２にすると、シャフト２の硬度が所望の硬度より低下してしまう、という問題もある。

本発明は、上記の問題を解決するためのもので、材料の無駄がなく、生産性が高く、シャフトの径の精度を保ち易く、しかも破断しにくい歯科用工具芯金およびその製造方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明の歯科用工具芯金は、ファイバー状の結晶構造を有するオーステナイト系ステンレス鋼のシャフトと該シャフトの先端に作業芯部を一体的に形成した歯科用工具芯金において、前記シャフトの先端部を鍛造によって変形させることで前記シャフトより太い作業芯部を形成するとともに、該作業芯部の少なくとも先端側に前記シャフトと同様のファイバー状の結晶構造を有する構成としたことを特徴としている。前記シャフトの先端部を変形させた後、少なくとも前記作業芯部とシャフトとの境界部分を焼きなました構成としても良い。

または、ファイバー状の結晶構造を有するオーステナイト系ステンレス鋼のシャフトと該シャフトの先端に作業芯部を一体的に形成した歯科用工具芯金において、前記シャフトの先端部を鍛造によって変形させることで前記シャフトより太い作業芯部を形成するとともに、該作業芯部が粒状組織を有する構成としたことを特徴としている。

本発明の歯科用工具芯金の製造方法は、ファイバー状の結晶構造を有するオーステナイト系ステンレス鋼のシャフトを、その先端を突出させた状態で第１金型で把持する工程と、突出させた先端を、第１金型と対向する第２金型と第１金型との間で押圧してシャフトの先端に前記シャフトより太い作業芯部を形成する工程と、を有することを特徴としている。

前記押圧前のシャフトの引張強度が、６００〜１８００Ｎ／ｍｍ^２に調整されている構成としたり、少なくとも前記作業芯部とシャフトとの境界部分を焼きなます工程を付加した構成としたり、前記回転軸の突出した先端部分に該当する部分を、予め焼きなましておく構成とすることができる。

本発明の歯科用工具およびその製造方法によれば、鍛造でシャフトの先端部を変形させて作業芯部を形成するので、作業時間が短くなる、削り屑が出ない、という優れた効果を奏する。また、シャフトの部分は切削加工しなくてもよいので、シャフトとなる線材を形成する際に所望の精度で形成しておけば良くなり、切削精度を気にすることもない、という効果も奏する。また、シャフトと同様のファイバー状の結晶構造を少なくとも先端に有することで、高い硬度の部分を作業芯部の先端に適用できることとなる。特に、オーステナイト系ステンレス鋼の最も硬い部分である素材の表面付近の部分が先端に現れているので好ましい歯科用工具芯金とすることができる。

シャフトと作業芯部が一体成形となっておりファイバー状の結晶構造が作業芯部の先端まで切断されることなく連続している構成にすると、作業芯部とシャフトとの境目（ネック部）に自然にＲが出来るとともに破断・劈開のおそれがない。そのため作業芯部とシャフトとの境目を破断しにくい形状に切削する等の制約が無く、所望の形状に形成することができる。

また、芯金を鍛造で形成した後、少なくとも作業芯部とシャフトの境界部分を焼きなますか、鍛造の前に予め先端部を焼きなましておくことで、組織を粒状組織として、硬度を低くコントロールすることもできる。このような構成とすることでネック部が脆弱になるのを防ぐことができ、疲労破断の心配がなくなる。

なお、ここでいう粒状組織には、ファイバー状結晶構造が、焼きなましによってファイバー状組織から粒状組織に移行する中間状態も含めるものとする。

または、鍛造前のシャフトの引張強度を６００〜１８００Ｎ／ｍｍ^２と若干低くすることによって、鍛造後にネック部が加工硬化を受けても、脆弱になるほどの加工硬化を受けることはなくなる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の歯科用工具芯金の製造方法を説明する図で、（ａ）は、型鍛造で加工を開始する状態の図、（ｂ）は鍛造完了の状態を示す図、（ｃ）は芯金に砥粒を付着して歯科用研磨工具にした状態の図である。

図１によって、本発明の歯科用工具芯金の製造方法を説明する。まず、シャフト１０となる線材は、医療用に適したオーステナイト系のステンレス鋼を使用する。オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、熱処理をしても硬化しない。そこで、所望の硬度を得るために、太い線材に何段階かの伸線加工を加えて所定の径まで細くした線材を用いた。伸線加工を繰り返すことで、ファイバー状の結晶組織となり、加工硬化を受けて所望の硬度に達する。シャフト１０の径は、伸線加工工程において、シャフト径として必要な精度である±５μｍの精度に仕上げることができる。もしくは伸線加工工程後に研磨を行い±５μｍの精度に仕上げても良い。 シャフト１０の引張強度は、従来のものと同じで２０００Ｎ／ｍｍ^２としたが、８００Ｎ／ｍｍ^２〜２４００Ｎ／ｍｍ^２程度とすることが好ましく、さらに好ましくは１８００〜２２００Ｎ／ｍｍ^２とする。

上記の線材を所定の長さに切断し、図１（ａ）に示すように、シャフト１０としてプレス機の第１金型１１、１１の間に挟んで固定する。図示の実施例における第１金型１１は下方にあって、２つ割になっているが、複数であればよく、２つに限定されるものではない。第１金型１１の上方には、凹部１１ａが形成されている。凹部１１ａの紙面と直交する方向の断面形状は円形である。第１金型１１、１１の把持部より上に突出しているシャフト１０の体積は、作業芯部１３の体積と同じになるようにしている。

第1金型と対向する位置、即ち上側にある第２金型１２には、中央に楕円の１／２の凹部１２ａが形成されている。第１金型１１の凹部１１ａと第２金型１２の凹部１２ａとを重ねると、作業芯部１３の形状の空間ができるようになっている。図の実施例では、作業芯部が楕円形であるがこれに限定されるものではなく、製造しようとする歯科用研磨工具の作業芯部の形状に合わせた任意の形状とすることができる。第１金型と第２金型の凹部の形状により、第１金型と第２金型の形状や割り方を変える必要があれば、変更すればよい。また、図の実施例では、第２金型１２は１つであり、割型になっていないが、割型にしてもよい。

図１（ａ）に示すように第１金型１１、１１の間に強く挟まれたシャフト１０の上部に、プレス機によって第２金型１２を降下させ冷間鍛造をする。シャフト１０の第１金型１１、１１に挟まれたところより上の部分が塑性変形を起こして第１金型１１の凹部１１ａと第２金型１２の凹部１２ａとの内部が満たされ、図１（ｂ）に示すように作業芯部１３が形成される。この後、第２金型１２と第１金型１１とを離反させ、シャフト１０を取り出すと、シャフト１０の先端に作業芯部１３が形成された歯科用工具芯金１４が出来上がる。このようにして製造された歯科用工具芯金１４は、シャフトと作業芯部が一体成形となっておりファイバー状の結晶構造が作業芯部の先端まで切断されることなく連続している構成となっているため、作業芯部とシャフトとの境目(ネック部)に自然にＲが出来るとともに破断・劈開のおそれがない。そのため作業芯部とシャフトとの境目を破断しにくい形状に切削する等の制約が無く、所望の形状に形成することができる。シャフトと同様のファイバー状の結晶構造を少なくとも先端に有することで、高い硬度の部分を作業芯部の先端に適用できることとなる。特に、オーステナイト系ステンレス鋼の最も硬い部分である素材の表面付近の部分が先端に現れているので好ましい歯科用工具芯金とすることができる。また、鍛造により作業芯部の表面に凹凸ができてざらつくため、後工程で砥粒を電着する際などに、砥粒がより固着しやすくなる、という効果も奏する。

なお、上記実施例では、第１金型を下に、第２金型を上に配置したが、上下を反転したり、水平方向に左右に配置するなど、種々の配置にすることができる。

なお、第１金型１１で挟んだ部分が、第１金型によって変形し、直径が±５μｍ以内に入らなくなる場合がある。しかし、第１金型１１で把持する部分は、作業芯部１３のすぐ下の部分である。一方回転工具のチャックで把持する部分は、シャフト１０の図における下端部であるから、チャックで把持する部分を第１金型１１で把持しないようにすればよい。

こうして形成された芯金１４の作業芯部１３のネック部１３ａは、鍛造によって加工硬化を受け、硬度は上がっている。一般に硬度が上がれば脆くなり、硬度が下がれば靱性が向上する。また、オーステナイト系のステンレス鋼を伸線加工した場合、引張強度が向上し、同時に硬度も上がって脆くなっていく。よってネック部１３ａは、鍛造後、脆くなっている場合もある。そのような場合は、ネック部１３ａの部分、すなわち、少なくとも作業芯部とシャフトとの境界部分を焼きなますと良い。境界部分の他、作業芯部全体を焼きなましても良い。また、作業芯部とシャフトとの境界部分の鍛造加工後または焼きなまし後の最終的な引張強度は、２３００Ｎ／ｍｍ^２以下とすることが好ましい。２３００Ｎ／ｍｍ^２を越えると、脆くなり過ぎるからである。

本願では、引張強度を目的の値にすることで、所望の硬度を得ることにした。各工程における引張強度を、例えば、第１の例では、鍛造加工前の引張強度：８００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：１６００Ｎ／ｍｍ^２→焼きなまし処理後の引張強度：１２００Ｎ／ｍｍ^２としている。また、第２の例では、鍛造加工前の引張強度：２２００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：２８００Ｎ／ｍｍ^２→焼きなまし処理後の引張強度：２２００Ｎ／ｍｍ^２としている。また、第３の例では、鍛造加工前の引張強度：１８００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：２４００Ｎ／ｍｍ^２→焼きなまし処理後の引張強度：１８００Ｎ／ｍｍ^２としている。尚、鍛造加工後に焼きなましをするのではなく、鍛造加工前に、シャフト１０の先端部を予め焼きなましておくことも有効であり、同様の効果を得ることができる。各工程における引張強度は例えば、焼きなまし処理前の引張強度：１２００Ｎ／ｍｍ^２→焼きなまし処理後の引張強度：６００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：１２００Ｎ／ｍｍ^２としたり、焼きなまし処理前の引張強度：２６００Ｎ／ｍｍ^２→焼きなまし処理後の引張強度：１８００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：２２００Ｎ／ｍｍ^２としたりすることができる。
上記の引張強度の値は、歯科用工具の種類や使用目的の違いなどによって、適切な値が選択されることになる。

また、引張強度を調整するため、焼きなまし処理後、鍛造加工をし、再度焼きなまし処理をすることも可能である。

上記各実施例において、鍛造加工後に、焼きなまし処理を含む調質をすると内部応力の除去ができる。ただ、テンパー処理等、焼きなまし処理以外の調質を行った場合、調質前に比較し数％硬くなるので、材料時点で引張強度を数％下げておくことが好ましい。

こうして焼きなましをした芯金１４の作業芯部１３に、切削加工をして刃をつけたり、ダイヤモンド砥粒や、各種超硬材の砥粒を電着等によって固着することで、作業部１５を形成し、歯科用工具１６としての歯科用研磨工具ができあがる。
〔実施例２〕

実施例１と同様に伸線加工してファイバー状の結晶組織の線材を得て、これをシャフト１０とする。ただし、シャフト１０の伸線加工の程度を若干軽くする（例えば減面率を大きくする）ことで、引張強度を６００〜１８００Ｎ／ｍｍ^２と若干低くする。

この線材を所定の長さにカットし、シャフト１０として以下実施例１と同様にして鍛造し、作業芯部１３を作成する。実施例１ではネック部１３ａを焼きなましたが、この実施例では、焼きなましをしない。これは、ネック部１３ａが加工硬化を受けても、元々の引張強度が若干小さくなっているので、脆弱にならなくて済むからである。

本実施例で引張強度を６００〜１８００Ｎ／ｍｍ^２としたのは、１８００Ｎ／ｍｍ^２を越えると、鍛造後のネック部が過度の加工硬化を受け脆弱になるからである。引張強度が６００Ｎ／ｍｍ^２未満になると、シャフトの硬度が不足し、使用中にシャフトが曲がるおそれがあるからである。各工程における引張強度は例えば、鍛造加工前の引張強度：６００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：１２００Ｎ／ｍｍ^２としたり、鍛造加工前の引張強度：１８００Ｎ／ｍｍ^２→鍛造加工後の引張強度：２２００Ｎ／ｍｍ^２としたりすることができる。

図２は、本発明の鍛造方法によって製造された芯金の別の例である。図２（ａ）に示すものは、作業芯部２３がシャフト１０の径の３倍に近いものである。このように作業芯部２３の径が大きい場合は、鍛造により変形を受けるシャフトの先端部を予め焼きなましておくこと、引張強度を低くすること、鍛造加工後、ネック部の焼きなましを行うこと、を適宜組み合わせて行うとよい。

図２（ｂ）は、シャフト２０の一部がテーパー部２０ａになっているものである。このような場合は、図２（ａ）に示すような芯金２４を形成した後、線材１０の部分を切削加工などによってテーパー部２０ａを形成し、芯金２５にすることになる。しかし、この場合に発生する削り屑は、従来の削り屑に比べて大幅に少なくなる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、鍛造加工の後、作業芯部の精度を上げるために切削加工もしくは研削加工を行ってから切断を行っても良く、その逆に鍛造加工の後に切断を行って、その後、切削加工もしくは研削加工をして精度を上げても良い。

また、焼きなまし・調質で発生したテンパーカラーを落とすのに化学研磨や電解研磨、又は切削加工や研削加工を行ってもよい。

本発明の歯科用工具芯金の製造方法を説明する図で、（ａ）は、型鍛造で加工を開始する状態の図、（ｂ）は鍛造完了の状態を示す図、（ｃ）は芯金に砥粒を付着して歯科用研磨工具にした状態の図である。 本発明の鍛造方法によって製造された芯金の別の例で、（ａ）は作業芯部がシャフト径の３倍に近いもの、（ｂ）は、さらにシャフトの一部がテーパーになっているものの図である。 従来の芯金の製造方法を示す図で、（ａ）は素材としての線材の図、（ｂ）は切削加工で形成した芯金の図、（ｃ）は（ｂ）の右側面図、（ｄ）は作業芯部に砥粒を付着して歯科用研磨工具とした図である。

符号の説明

１０ シャフト
１１ 第１金型
１２ 第２金型
１３ 作業芯部
１４ 芯金
１５ 作業部
１６ 歯科用工具

Claims (7)

1. ファイバー状の結晶構造を有するオーステナイト系ステンレス鋼のシャフトと該シャフトの先端に作業芯部を一体的に形成した歯科用工具芯金において、前記シャフトの先端部を鍛造によって変形させることで前記シャフトより太い作業芯部を形成するとともに、該作業芯部の少なくとも先端側に前記シャフトと同様のファイバー状の結晶構造を有する構成としたことを特徴とする歯科用工具芯金。
2. 前記シャフトの先端部を変形させた後、少なくとも前記作業芯部とシャフトとの境界部分を焼きなましたことを特徴とする請求項１に記載の歯科用工具芯金。
3. ファイバー状の結晶構造を有するオーステナイト系ステンレス鋼のシャフトと該シャフトの先端に作業芯部を一体的に形成した歯科用工具芯金において、前記シャフトの先端部を鍛造によって変形させることで前記シャフトより太い作業芯部を形成するとともに、該作業芯部が粒状組織を有する構成としたことを特徴とする歯科用工具芯金。
4. ファイバー状の結晶構造を有するオーステナイト系ステンレス鋼のシャフトを、その先端を突出させた状態で第１金型で把持する工程と、突出させた先端を、第１金型と対向する第２金型と第１金型との間で押圧してシャフトの先端に前記シャフトより太い作業芯部を形成する工程と、を有することを特徴とする歯科用工具芯金の製造方法。
5. 押圧前のシャフトの引張強度が、６００〜１８００Ｎ／ｍｍ^２に調整されていることを特徴とする、請求項４に記載の歯科用工具芯金の製造方法。
6. 少なくとも前記作業芯部とシャフトとの境界部分を焼きなます工程を付加したことを特徴とする請求項４に記載の歯科用工具芯金の製造方法。
7. 前記シャフトの突出した先端部分に該当する部分を、予め焼きなましておくことを特徴とする請求項４に記載の歯科用工具芯金の製造方法。

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