JP5249091B2 - 歯科用窯 - Google Patents

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Description

この発明は、請求項1および2前段に記載の歯科用窯、ならびに請求項11および12前段に記載の昇温および冷却方法に関する。
この種の燃焼窯および方法は特に歯科材料の焼結の分野において使用される。
この種の歯科用窯および方法は久しい以前から知られている。特に型取りされた歯科材料の焼結に関して、一方で必要な材料硬化を確実にするとともに他方で収縮が周囲全体において均等に生じることを保持するために、昇温、実質的な燃焼、さらに冷却を予め設定されかつ再現可能なスキームに従って進行させることが重要である。
そのため通常歯科用窯の内部空間の温度が精密に予設定された温度プロフィールに従って制御される。このため発熱体が適宜な制御装置に接続され、大抵温度センサが使用される。
温度センサは通常、処理空間として作用し補綴材が載置される燃焼室の上部領域に配置される。
従って温度センサは燃焼室の壁中あるいは壁上に配置することができ、特殊な較正装置によって歯科用窯の内部空間の温度が所与の温度プロフィールに従ったものとなるように保証することが知られている。
他方、収容された材料片の熱容量が歯科材料の昇温プロフィールに影響を与えるパラメータとなる。通常大きな材料片が使用される場合昇温速度は低くなり、小さな材料片が使用される場合は昇温速度が高くなる。この現象を補償するために、収容される材料片を予め計測して較正曲線を多様な材料片に対応して提供することが可能である。しかしながらこれは高コストであるとともに、操作員の注意力に大きく依存する。
加えて、大抵の場合収容される歯科材料を正確に測定することは不可能である。
従って、どのような材料片が使用されるかにかかわらず均一な温度補償を生じさせる可能性を歯科材料に与えるために、比較的低い昇温速度で処理することが知られている。この方法は原則的有効であるが、短い製造サイクルによってコストを削減するという歯科技工所の要望に対して正反対のものとなる。
さらに独国特許出願公開第4447130A1号明細書により、100℃/分の極めて大きな昇温速度と1300℃ないし1600℃の高温を組み合わせることが知られている。そこに記載されている焼結窯は、寸法安定性がそれ程重要でない材料の高速焼結のためには基本的に有効である。しかしながら、その種の窯は歯科材料には適していない。
従って本発明の目的は、製造技術的な利点を有しているにもかかわらず、歯科材料の製造にも極めて良好に適合する請求項1および2前段に記載の歯科用窯、ならびに請求項11および12前段に記載の方法を提供することである。
前記の課題は、本発明に従って請求項1、2、11、および12によって解決される。
好適な追加構成が従属請求項によって定義される。
本発明によれば、燃焼窯を有する歯科用窯を予焼結温度に相当する温度に到達するまで極めて高い第1の昇温速度をもって加熱する。本発明に係る好適な予焼結によって焼結材料が予焼結の後に加工可能になることが達成される。
意外なことに、1000℃、1100℃、それどころか1200℃の温度で初めて終了する本発明に係る第1の昇温速度を有する迅速な昇温によって、最終硬度あるいは整合精度に問題を及ぼすことなく焼結サイクルを顕著に高速化することができる。
意外なことに、この迅速な昇温によって低速な昇温の場合に比べて最終硬度が高められることが観察される。
本発明によれば、高い第1の昇温速度を有した第1の昇温に対してその第1の昇温期間に比べて顕著に低い昇温速度あるいは温度勾配を有する中間加熱期間が後続する。この中間加熱期間の間の温度勾配は例えば2°K/分、3°K/分、5°K/分、あるいは10°K/分となり得る。
この中間加熱期間の持続時間は必要に応じて広範囲に調節し、例えば5分、10分、20分、あるいは30分とすることができ、この中間加熱期間に続いて温度勾配あるいは昇温速度が大幅に高くなり例えば少なくとも20°K/分、特に約50°K/分となり得る最終昇温期間が設けられる。
中間加熱期間の終端の温度と最終昇温期間の終端における最終温度の間の温度差は比較的小さく、整合精度を低下させることなく例えば100°より若干高くされるか、または例えば200°とされる。
それに対して、中間加熱期間の間の低い昇温速度によって整合精度が顕著に改善される。
本発明によれば、昇温期間の終了後に保持期間が接続し、その間は燃焼室内の温度が実質的に昇温期間の終端の温度あるいはそれより僅かに低い温度に保持されれば極めて好適である。この処理によって歯科材料の最終密度および硬度を顕著に改善することができる。
本発明に係る温度プロフィールの設定のために、特殊な歯科用窯を提供することが極めて好適である。所要の高い温度勾配を実現するために、本発明に係る歯科用窯は発熱体と燃焼室の間に例えば石英ガラス等の薄い断熱材料から形成することができる低い熱容量を有することが好適である。比較的高効率な発熱体によって歯科用窯を10分より若干長い時間の間に室温から1600℃に加熱することが可能になり、その際に本発明に従って特別な温度プロフィールの実現が試みられることが理解される。
本発明に係る歯科用窯は、乾燥焼結に際して焼結が初期段階と中間段階と最終段階の3つの段階から実施され、その中で中間段階中に焼結速度、すなわち単位時間当たりの材料の収縮が最も大きくなり、従って中間段階の終端に際して例えば最終密度の90%を達成し得るという事実を特に考慮するものである。
本発明によれば、予焼結の間に既に初期段階を実施させ、従って仕上げ焼結の間の焼結速度が中間段階と最終段階のみの間に進行することが極めて好適である。
この点に関して本発明によれば、断熱のためにも低い熱容量を使用すれば好適であり、その際例えば断熱層を発熱体から離間して保持し、その結果容量の影響を受けないようにすることも可能である。このことはさらに、対流によって発熱体の冷却を顕著に改善し得るという重要な利点を有する。例えば背面が通気形状化された発熱体、すなわち窯蓋部材を開放した際に気流が発熱体の燃焼室とは逆の側をも冷却するように作用する発熱体を提供することも可能である。
本発明に係る歯科用窯は、基礎部材から取り外すことができる燃焼室を有する窯とすることができる。それによって、押し上げベアリングおよび回転ベアリング、ならびにそれらの組み合わせの全てが可能となる。その種のベアリングの一例が独国特許第19542984C1号明細書に記載されている。
確実に所要の冷却速度を達成するために、対流冷却に加えて冷却ファンによる能動的な冷却を使用することもできる。このことは従来形式の燃焼室扉を備えた歯科用窯を使用する場合に特に有効であるが、平坦な載置面と取り外し可能な燃焼フードを有する歯科用燃焼窯が好適である。
本発明によれば、予焼結による予硬化の温度および継続時間は必要に応じて広範囲に調節することができる。この予焼結は独立した処理工程において歯科用ブロック上で行うことが好適である。例えば予焼結は第1の昇温期間の最終温度、すなわち例えば1100℃あるいは1250℃で行うことができる。この予焼結は、予焼結された材料の硬度が仕上げ焼結された材料に比べて著しく小さいためまだ機械的に加工することができるという利点を有する。
周知の高温焼結窯に対して、本発明によれば周知の高温焼結窯において一般的な8ないし10時間の仕上げ焼結と冷却に要する時間と比べてサイクル時間が顕著に短縮されることが極めて好適である。
すなわち本発明によれば、総サイクル時間を冷却も含めて3時間未満に短縮することが可能であり、さらに本発明の解決方式の一変更例によれば高硬度の歯科セラミックと1500℃超の燃焼温度の使用にもかかわらず総サイクル時間を90分未満に短縮することができる。
別の実施形態によれば、本発明に係る歯科用窯を提供するために焼結窯に代えてマイクロ波オーブンが使用される。
本発明に従って高速化された燃焼曲線は、グラフ表示において“肩部を有するブロック形”を特徴とする。第1の昇温期間は極めて短く大きな温度勾配を有しており、同じく急激な温度勾配を有する最終冷却相と同様である。それによって、加熱曲線の全長に対して著しく延長された1100℃を超える温度相が提供され、それを本発明に従って最適化することができる。すなわち本発明によれば、いずれも室温からの加熱および室温までの冷却と燃焼温度が1100℃超に維持される継続時間の関連において、3時間未満の短い温度曲線において“高温相”が総燃焼サイクルの68%、すなわち70%弱を占め、標準的な温度曲線においてはそれどころか80%超を占めれば好適である。
燃焼補助材を省略することによって燃焼補助材を有する燃焼窯と比べて熱容量あるいは熱質量をさらに低減することができる。本発明によればさらに、断熱材と発熱体との間の中間領域、さらに開放された燃焼室の内部においても受動冷却に代えて能動的な送風が実施されれば極めて好適であり、それによって所要の冷却を達成することができる。
この点に関して、背面が通気形状化された燃焼室が通風に有利なように形成されれば好適であり、それによって能動的な送風を比較的小さなファン回転数でならびに極めて静粛に実現することができる。
このため、2つの通気流路、すなわち背面通気路と燃焼室を貫通する通気路を設けることが好適であり、その際(特に高温においても)少なくとも部分的に対流冷却も実施可能であることが理解される。
別の好適な構成形態によれば、焼結される材料が第1の昇温期間中に50°K/分超の昇温速度で予加熱され、その際第1の昇温期間の終端と最終加熱期間の開始の間に50°K/分よりも顕著に低く、特に10°K/分未満である昇温速度を有する中間加熱期間が存在し、また前記第1の昇温期間と最終加熱期間は材料と無関係に設定され、前記中間加熱期間はその長さおよび昇温速度の点に関して焼結される材料に依存して決定される。
別の好適な構成形態によれば、加熱室内の最大温度は約1600℃となり、窯が室温を起点にしてその加熱室内で30分未満の間に1600℃まで加熱可能である。
別の好適な構成形態によれば、中間昇温速度は略10の累乗、特に10ないし50の係数で第1の昇温速度よりも低くなる。
別の好適な構成形態によれば、窯の加熱室が耐熱性の絶縁材、特に繊維から形成されたプレス成形材によって被包されていて、その壁厚は15ないし25mmとなることが好適である。
別の好適な構成形態によれば、中間加熱期間は温度および/または時間に関して焼結される歯科材料の焼結工程のうちで温度/時間に相関する焼結速度が最大となる中間段階を包合するように選択される。
別の好適な構成形態によれば、燃焼される歯科材料が予焼結および/または予硬化され、実質的な焼結の前に焼結材料の最終硬度に比べて顕著に低く、特にその半分未満である硬度を有する。
別の好適な構成形態によれば、第1の昇温速度は第1の昇温期間から中間加熱期間への移行に際してオーバシュートは発生しないが少なくとも50°K/分となるような最大昇温速度に相当するように選択される。
別の好適な構成形態によれば、保持期間の終了後に第1の昇温期間の昇温速度より低く中間加熱期間の昇温速度よりは高い第1の冷却速度によって窯が冷却され、その後により高い第2の冷却速度が設定される。
別の好適な構成形態によれば、歯科用窯がマイクロ波オーブンとされる。
別の好適な構成形態によれば、歯科補綴材料が乾式あるいは湿式焼結によって焼結され、焼結材料が特にZrO、Al、およびそれらの化合物から形成されまた特にドーピング補助剤を有する酸化セラミックを含むことを特徴とする。
別の好適な構成形態によれば、保持期間の終了と共に開始して窯の強制冷却が実施され、それによって60分未満、特に20ないし60分の間に約400℃である取り出し温度までの歯科補綴材料の冷却が達成される。
本発明のその他の詳細、特徴ならびに利点は、添付図面を参照しながら以下に記述する実施例の説明によって明らかにされる。
本発明に係る歯科用窯を部分的に透視して示した概略構成図である。 本発明に係る歯科用窯の2つの例示的な燃焼曲線の実施形態を示した説明図である。
図1に示された歯科用窯10は、回転関節部材14を介して窯基礎部材16上に支承されている窯フード12を備える。基礎部材16はその上面に燃焼する歯科材料を収容するように設定された載置面18を有している。窯フード12内には燃焼室20が設けられており、それは一種の平型の円筒形に延在し、窯フード12が閉鎖されている際に載置面18によって下から遮蔽され、従って載置面18が燃焼室20の床部を形成する。
燃焼室20は発熱体22によって円環形状あるいは螺旋形状に包囲されている。
歯科用窯10の構成は周知である。
本発明によれば極めて強力な発熱体が設けられ、それは基本的に室温から1600℃まで約15分以内の窯の加熱を達成し得るように設計されている。従ってこの歯科用窯は120°K/分の最大温度勾配を有する。
燃焼室20およびその燃焼室20を被包している部材の熱容量は小さいものである。
さらに発熱体22は明確に背面が通気形状化されている。そのため発熱体22と燃焼室20を全方位から包囲する中空室28が設けられている。この中空室28は極めて大きく、窯フード12の内部の多くの部分を占めている。窯フード12は中空室28を被包して断熱層30を備えており、これは(図1には示されていないが)通気路を形成する破断部を備えることもでき、従って窯フード12の上部領域の排気口32を介して気流が容易になる。
中空室12および断熱層30の寸法はいずれも必要に応じて広範囲に調節することができ、その際例えば僅か15mmの極めて薄い断熱層によって形成することも可能となる。
適宜に提供される歯科材料は本発明に従って載置面18上に設置される。窯フード12を閉鎖した後発熱体22が最大出力で点入され、従って燃焼室20が極めて迅速に例えば1200℃まで加熱される。この温度は実質的に予焼結温度に相当し得る。それに続いて中間加熱期間の間に最終温度より約100℃低い温度に到達するまで小さな温度勾配で温度が高められる。それに続いて温度が再び極めて迅速に最終温度まで高められその後所与の時間間隔で保持され、その際その保持時間は投入された歯科材料の材料分量ならびにその他のパラメータに依存するものとすることができる。
その後、好適には最初は能動冷却を使用せずに、温度が低減され、そこで再び予焼結温度に到達した際に能動冷却が点入され、従ってその温度から室温に到達するまでは冷却がより迅速に進行する。
それに代えて、さらに強力に高速化される燃焼サイクルにおいては保持時間の直後に強制冷却によって冷却を実施することができ、冷却期間を全体としてさらに短縮することができる。
図2によれば約1100℃で終了する第1の昇温期間40に、約1350℃までの加熱を実施する中間加熱期間42が後続する。
それに続いて温度の1500℃まで上昇させる最終昇温期間44が設定されており、“曲線2”においてはその最終温度に燃焼サイクルの開始後100分で到達する。
保持時間46の間温度が30分間1500℃に保持され、第1の冷却期間48の間に30分未満の間に温度が1100℃まで低下する。
それに続いて最終冷却期間50が設定されており、それによって再び約30分未満の間に温度が室温まで低下する。
本発明に係る燃焼サイクルは図2において2つの実施形態で示されている。“曲線2”と呼称される曲線に対して以下の燃焼曲線が示される。
Figure 0005249091
Figure 0005249091
“曲線1”の変更された実施形態においては燃焼曲線全体がさらに95分まで短縮されているが、いずれも場合も実質的に台形状の燃焼曲線の変化が提供され、それぞれ大きな第1昇温速度とそれと同じくあるいは殆ど同じく大きな最終冷却速度を有している。そのことは上記の表からも理解される。
曲線2の燃焼サイクルと異なって、曲線1においては保持時間46の温度より例えば50℃高い温度への加熱エネルギーのオーバシュートが示されている。
意外なことに、予焼結温度まで、あるいは1250℃までの高速加熱によって硬度が高められ、同時に整合精度に対して検出可能な影響は発生しない。それに対して、中間加熱期間の間の低速な加熱によって整合精度と歪が改善され、他方硬度への悪影響は生じない。一方、1500℃ないし1600℃となり得る最終予加熱温度までの例えば150℃の加熱によっては硬度に対して顕著な影響はもたらされず、整合精度に対しては全く影響がもたらされない。
それに対して、比較的長い保持時間は硬度と特に最終密度に対して極めて大きな影響をもたらし、曲線2に示されている比較的低速な予焼結温度までの冷却も硬度に対して検知可能な影響をもたらし、他方それに続く室温への冷却は実質的に硬度あるいは密度に対してそれ以上の影響をもたらさない。
従って本発明によれば、短い燃焼サイクルにもかかわらず極めて効果的な燃焼結果を有する歯科用窯を提供することができる。
10 歯科用窯
12 窯フード
14 回転関節部材
16 窯基礎部材
18 載置面
20 燃焼室
22 発熱体
28 中空室
30 断熱層
40 第1昇温期間
42 中間加熱期間
44 最終昇温期間
46 保持時間
48 第1冷却期間
50 最終冷却期間
独国特許出願公開第4447130A1号明細書 独国特許第19542984C1号明細書

Claims (25)

  1. 加熱室が加熱手段によって第1の昇温期間中に50°K/分超の第1の昇温速度をもって加熱され、それによって窯を少なくとも1000℃超昇温する歯科用窯であり、
    前記第1の昇温期間に対して少なくとも5分の長さの中間加熱期間が後続しその勾配あるいは昇温速度を燃焼窯(10)内で焼結される材料に応じて調節し、
    その後に30°K/分超の昇温速度で加熱する最終昇温期間(44)が続き、その最終昇温期間(44)の間に少なくとも5分間窯温度が前記第1の昇温期間の終端の温度より高くに保持され、
    それに続いて制御手段によって窯(10)の強制冷却が実施され、
    その際歯科用窯の第1の昇温速度がその歯科用窯の断熱材の極めて小さな熱容量および歯科用窯の発熱体と加熱室の間の極めて小さな熱容量によって達成されることを特徴とする歯科用窯。
  2. 中間加熱期間が少なくとも10分の長さであることを特徴とする請求項1記載の歯科用窯。
  3. 最終昇温期間(44)に50°K/分超の昇温速度で加熱することを特徴とする請求項1または2記載の歯科用窯。
  4. 最終昇温期間(44)の間に少なくとも25分間窯温度が第1の昇温期間の終端の温度より高くに保持されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の歯科用窯。
  5. 焼結される焼結材料が加熱手段によって第1の昇温期間中に50°K/分超の予加熱率で予加熱される歯科用窯であり、
    第1の昇温期間の終端と最終加熱期間の開始の間に50°K/分よりも顕著に低い加熱率を有する中間加熱期間が存在し、また前記第1の昇温期間と最終加熱期間は材料と無関係に設定され、前記中間加熱期間はその長さおよび加熱の点に関して焼結される材料に依存して決定され、
    その際歯科用窯の第1の昇温速度がその歯科用窯の断熱材の極めて小さな熱容量および歯科用窯の発熱体と加熱室の間の極めて小さな熱容量によって達成されることを特徴とする歯科用窯。
  6. 中間加熱期間が10°K/分未満の加熱率を有することを特徴とする請求項5記載の歯科用窯。
  7. 加熱室(20)内の最大温度は約1600℃となり、窯(10)が室温を起点にしてその加熱室(20)内で30分未満の間に1600℃まで加熱可能であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の歯科用窯。
  8. 中間昇温速度は略10の累乗で第1の昇温速度よりも低くなることを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の歯科用窯。
  9. 中間昇温速度は10ないし50の係数で第1の昇温速度よりも低くなることを特徴とする請求項記載の歯科用窯。
  10. 窯(10)の加熱室(20)が耐熱性の絶縁材、特に繊維から形成されたプレス成形材によって被包されていて、その壁厚が15ないし25mmとなることを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の歯科用窯。
  11. 耐熱性の絶縁材が繊維であることを特徴とする請求項10記載の歯科用窯。
  12. 中間加熱期間は温度および/または時間に関して焼結される歯科材料の焼結工程のうちで温度/時間に相関する焼結速度が最大となる中間段階を包合するように選択されることを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の歯科用窯。
  13. 燃焼される歯科材料が予焼結および/または予硬化され、実質的な焼結の前に焼結材料の最終硬度に比べて顕著に低い硬度を有していることを特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の歯科用窯。
  14. 燃焼される歯科材料が予焼結および/または予硬化され、実質的な焼結の前に焼結材料の最終硬度に比べて半分未満である硬度を有していることを特徴とする請求項13記載の歯科用窯。
  15. 第1の昇温速度は第1の昇温期間(40)から中間加熱期間への移行に際してオーバシュートは発生しないが少なくとも50°K/分となるような最大昇温速度に相当するように選択されることを特徴とする請求項1ないし14のいずれかに記載の歯科用窯。
  16. 保持期間(46)の終了後に第1の昇温期間(40)の昇温速度より低く中間加熱期間の昇温速度よりは高い第1の冷却速度によって窯(10)が冷却され、その後により高い第2の冷却速度が設定されることを特徴とする請求項1ないし15のいずれかに記載の歯科用窯。
  17. 歯科用窯をマイクロ波オーブンとすることを特徴とする請求項1ないし16のいずれかに記載の歯科用窯。
  18. 加熱室(20)が第1の昇温期間中に50°K/分超の第1の昇温速度をもって予加熱され、それによって窯を少なくとも1000℃に予加熱する方法であり、
    前記第1の昇温期間に対して少なくとも5分、特に少なくとも10分の長さの中間加熱期間が後続しその勾配あるいは昇温速度を窯(10)の焼結材料に応じて調節し、
    その後に20°K/分超、特に約50°K/分の昇温速度で加熱する最終昇温期間(44)が続き、
    その間に少なくとも5分間、特に25分間窯温度が前記第1の昇温期間の終端の温度より高くに保持され、
    それに続いて窯(10)の強制冷却が実施され、
    加熱室(20)の温度が1100℃超にある時間間隔が全燃焼サイクル時間の少なくとも68%となり、その際前記全燃焼サイクル時間を室温からの昇温の開始から再び室温までの冷却の間の時間間隔とすることを特徴とする方法。
  19. 加熱室(20)の温度が1100℃超にある時間間隔が全燃焼サイクル時間の少なくとも80%であることを特徴とする請求項18記載の方法。
  20. 焼結される焼結材料が第1の昇温期間中に50°K/分超の昇温速度で予加熱される方法であり、第1の昇温期間の終端と最終加熱期間の開始の間に50°K/分よりも顕著に低く、特に10°K/分未満である昇温速度で予加熱する中間加熱期間が存在し、また前記第1の昇温期間と最終加熱期間は対象物と無関係に設定済みであるかあるいは設定されるものとし、前記中間加熱期間はその長さおよび昇温速度の点に関して焼結される材料に依存して決定され、
    加熱室(20)の温度が1100℃超にある時間間隔が全燃焼サイクル時間の少なくとも68%となり、その際前記全燃焼サイクル時間を室温からの昇温の開始から再び室温までの冷却の間の時間間隔とすることを特徴とする方法。
  21. 加熱室(20)の温度が1100℃超にある時間間隔が全燃焼サイクル時間の少なくとも80%であることを特徴とする請求項20記載の方法。
  22. 歯科補綴材料を乾式あるいは湿式焼結によって焼結する方法であって、焼結材料がZrO、Al、およびそれらの化合物から形成されまたドーピング補助剤を有する酸化セラミックを含むことを特徴とする請求項18ないし21記載の方法。
  23. 保持時間(46)の終了と共に開始して窯(10)の強制冷却が実施され、それによって60分未満の間に取り出し温度までの歯科補綴材料の冷却が達成されることを特徴とする請求項18ないし22のいずれかに記載の歯科用窯。
  24. 保持時間(46)の終了と共に開始して窯(10)の強制冷却が実施され、20ないし60分の間に取り出し温度までの歯科補綴材料の冷却が達成されることを特徴とする請求項23記載の歯科用窯。
  25. 取り出し温度が約400℃であることを特徴とする請求項23または24記載の歯科用窯。
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