JP6192773B1

JP6192773B1 - 金属表面改質装置

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Publication number: JP6192773B1
Application number: JP2016114633A
Authority: JP
Inventors: 基弘井上
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2036-06-08
Also published as: JP2017217246A; US20170358423A1; US10115560B2

Abstract

【課題】チタン製のインプラントの電子ビームによる表面改質を高効率に行なうようにする。【解決手段】金属表面改質装置は、チタン製のインプラントの被照射体８を収容する真空チャンバ１と、被照射体８を移動させる移動装置２と、被照射体８を載置するテーブル１０と、大面積照射が可能な電子銃５Ａと、各被照射体８を同時に任意の方向に所定の角度傾斜するように被照射体８を設置する被照射体設置装置６と、を含んでなる。被照射体設置装置６は、テーブル１０の上に固定され被照射体８を保持する保持冶具７の底部位７Ａの曲面形状と相対する曲面を有する複数の収容穴６０Ａを有する移動保持台６Ａと、真空チャンバ１に固定され移動保持台６Ａの上側に移動保持台６Ａに対して相対移動可能に重なるように配置されて各収容穴６０Ａに対向する位置に貫通孔６０Ｂを有する固定押出板６Ｂと、を含んでなる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属の被照射体に電子ビームを照射して被照射体の表面を改質する金属表面改質装置に関する。特に、本発明は、チタン合金を含むチタン製のインプラントを表面改質する金属表面改質装置に関する。

チタンは、比重４．５の軽金属であり、比較的軽量である。特に、チタンは、安定金属であり、耐蝕性が高い。また、チタンは、生体物質と反応しにくいため、人体中で溶解しにくいとともに、生体必須元素ではないことから、摂取量が極めて少なく、毒性が低い。そのため、チタンないしチタン合金は、医療器具の材料として多用されている。生体用チタン合金は、例えば、ＴｉＮｉ，Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ，Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ，Ｔｉ−Ｎｂ−Ｓｎがある。チタンは、通常所定量以下の不純物を含んでいるが、以下の説明では、チタン合金を含めて単にチタンという。

チタンは、フッ化物によって腐蝕する。歯磨粉にフッ化物が含まれることがあるので、チタンを歯科用インプラントの素材とするときは、チタンが体内に摂取されるおそれがある。チタンは、毒性が極めて低いと認知されているものの、耐蝕性をより高くするために、チタン製のインプラントには、一般的に、被膜を生成するような表面処理が施されている。そのため、依然として、チタンは、耐蝕性と耐磨耗性が高い歯科用インプラントの材料として適している。

チタン製のインプラントの表面処理方法は、水溶液中で表面処理する方法と、真空または空気中で表面処理する方法とに大きく分類することができる。水溶液中で表面処理する方法は、要求される設備が比較的簡単な構成であり、複雑な形状のインプラントの表面処理が可能である利点がある。真空中または空気中で処理する方法は、化学薬品を使用しないで表面処理を行なうことができ、また、より薄い被膜を形成することが可能である利点を有する。

水溶液による表面処理を行なう場合に使用する化学薬品がインプラントに残留している場合があり、インプラントを長期間使用しているときに、化学薬品が少しずつ溶解して体内に吸収されるおそれがあることを考慮する必要がある。また、一般に、チタン製の成形品の表面を鏡面のように平滑にするためには、表面をある程度の仕上面粗さまで機械的に研磨をしておくことが要求され、表面処理による被膜が薄いほど、表面処理後のインプラントの表面に機械加工に依存する粗面が残りやすい。そのため、治療を受けた人が痛みを感じやすくなる。

例えば、特許文献１ないし特許文献３に示されるような電子ビームによるチタン製の義歯またはインプラントの表面改質方法が知られている。電子ビームによる表面改質方法は、化学薬品を使用しない。また、電子ビームによる表面改質方法は、物理的な原理として被照射体の表層を微細結晶化させるものであり、被覆に比べて薄い改質層で耐蝕性と耐磨耗性がより高く、より高い耐久性を得ることができる。また、機械加工では得ることができない平滑面を得ることができる利点がある。とりわけ、比較的大きい面積で低密度エネルギの電子ビームを照射できる場合は、照射ムラが少なく、極めて浅い改質層を得ることができる。

特開２００３−１１１７７８号公報特表２０１１−５１０８１０号公報特表２００２−５３５１０９号公報

電子ビームによる表面改質の場合、被照射体であるインプラントの全面に連続的に満遍なく電子ビームを照射することが難しい。また、電子ビームを複数のインプラントに対して同時に均一のエネルギで繰返し照射することが難しく、作業効率の向上が望まれている。とりわけ、電子ビーム柱の直径が比較的小さく、高エネルギ密度の電子ビームをインプラントに照射すると、改質層の厚さが１０μｍ以上に及ぶ可能性があり、エッジが損傷して許容できない程度まで部分的に原形を失うおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、同時に複数のチタン製のインプラントの表面を均一に改質できるとともに、それぞれのインプラントの表面の全面に連続的に電子ビームを照射することができる改良された金属表面処理装置を提供することを主たる目的とする。本発明によって得ることができるいくつかの利点は、本発明の実施の形態の説明において、その都度、具体的に既述される。

本発明の金属表面改質装置は、上記課題を解決するために、チタン製のインプラントの被照射体（８）を収容して真空の環境下に置く真空チャンバ（１）と、真空チャンバ（１）の中に設置され少なくとも水平１軸方向とその水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向とに被照射体（８）を移動させる移動装置（２）と、移動装置（２）の上に設置され被照射体を載置するテーブル（１０）と、所定の断面積を有するカソード電極（５０Ａ）とプラズマを生成するための環状のアノード電極（５０Ｂ）と磁場を形成するソレノイド（５０Ｃ）とを含んでなる電子銃（５Ａ）と、を備えた金属表面改質装置であって、テーブル（１０）の上に固定され被照射体（８）を保持する保持冶具（７）の底部位（７Ａ）の曲面形状と相対する曲面を有する複数の収容穴（６０Ａ）が上面に形成された移動保持台（６Ａ）と、真空チャンバ（１）に固定され移動保持台（６Ａ）の上側に移動保持台（６Ａ）に相対移動可能に重なるように配置されて各収容穴（６０Ａ）にそれぞれ対向する位置に複数の貫通孔（６０Ｂ）が形成された固定押出板（６Ｂ）と、でなり、移動装置（２）が被照射体（８）を移動させるのにともなって各被照射体（８）を任意の方向に所定の角度傾斜するように被照射体（３）を設置する被照射体設置装置（６）と、を含んでなるようにする。

本発明の金属表面改質装置は、比較的大面積で低密度のエネルギで電子ビームを照射できる電子銃を備え、移動装置によって被照射体を移動させることにより、複数の被照射体を一斉に任意の方向に所定角度傾斜するように各被照射体を配設する被照射体保持装置を設けてなるので、複数のインプラントに対して同時に略均一に低密度のエネルギで電子ビームを照射することができるとともに、インプラントの前面にわたって繰返し連続的に電子ビームを照射することができる。その結果、高品質のインプラントをより容易に効率よく製作することができる。

本発明の金属表面改質装置の概容を示す側面図である。本発明の金属表面改質装置の被照射体保持装置を示す斜視図である。被照射体の保持冶具の実施の形態を示す三次元側面図である。被照射保持装置の一部を拡大して示す側面の断面図である。

図１に、本発明の実施の形態の金属表面改質装置が示される。実施の形態の金属表面改質装置は、真空チャンバ１と、移動装置２と、真空装置３と、稀ガス供給装置４と、電子ビーム発生装置５と、被照射体設置装置６と、を含んでなる。被照射体設置装置６は、実質的に保持冶具７を含む。被照射体８は、チタン製の歯科用インプラントである。また、実施の形態の金属表面改質装置は、被照射体８の被照射面から生じた滓を含むチャンバ１の中の汚れたガスを強制的に排出することができる図示しない浄化装置を備えている。

真空チャンバ１は、インプラントの被照射体を収容して真空の環境下に置く手段である。本発明において、真空は、気圧が０．１Ｐａ以下の真空に近い状態を含む。図１において、真空チャンバ１は、断面で示される。真空チャンバ１は、基台１Ａの上に設定される。真空チャンバ１は、金属表面改質装置の前面で被照射体８を出し入れをするために開口している。真空チャンバ１には、開口を閉鎖する密閉扉１Ｂが設けられている。真空チャンバ１は、気圧を０．０３Ｐａ以上０．１Ｐａ以下の範囲で真空状態を維持することができるように設計されている。

移動装置２は、水平１軸方向と、水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向と、鉛直方向と、に被照射体８を移動させる手段である。移動装置２は、水平１軸方向に往復移動することができる移動体２Ａと、水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向に往復移動することができる移動体２Ａと、上下方向に往復移動することができる昇降装置２Ｃと、図示しないモータを含む駆動装置と、でなる。昇降装置２Ｃの上に被照射体８を載置できる取付台であるテーブル１０が設置されている。

真空装置３は、密閉された真空チャンバ１の中を所定の気圧まで減圧して真空に近い状態にする手段である。真空装置３は、真空ポンプによって真空チャンバ１の中の空気を外に排出する、いわゆる真空引きを行なう。真空ポンプは、スクロールポンプまたはロータリポンプの第１ポンプ３Ａと、ターボ分子ポンプまたは油拡散ポンプの第２ポンプ３Ｂとでなる。所定の気圧まで減圧した後は、流量調整弁３Ｃと流量調整弁３Ｄを閉鎖する。真空ポンプ３は、電子ビームを照射している間稼働しており、真空チャンバ１の排気を継続して真空チャンバ１の中の減圧状態を維持している。

稀ガス供給装置４は、真空チャンバ１の中に稀ガスを供給する手段である。稀ガスは、長周期表第１８族元素であるヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンを示す。実施の形態の表面改質装置においては、稀ガス供給装置４は、アルゴンガスを供給する。アルゴンガスは、プラズマの生成を促す。稀ガス供給装置４は、液化アルゴンを封入したボンベ４と、真空チャンバ１とボンベ４Ａとを接続する配管４Ｂと、ボンベ４Ａを開閉するバルブ４Ｃと、を含んでなる。

本発明において、稀ガスと窒素ガスのような化学反応性の低い気体とを含めて不活性ガスという。実施の形態の金属表面改質装置においては、窒素ガスは、図示しない浄化装置において、電子ビームの照射によって汚れたアルゴンガスを真空チャンバ１の外に追い出して真空チャンバ１の中を正常化するときに使用される。

電子ビーム発生装置５は、電子銃５Ａと電源装置５Ｂとでなる。実施の形態の電子ビーム発生装置５における電子銃５Ａは、カソード電極５０Ａと、環状のアノード電極５Ｂと、磁場を形成するソレノイド５０Ｃと、を含んでなる。被照射体８に通電するコレクタ５０Ｄは、実質的にテーブル１０である。テーブル１０は、グランドライン５０Ｅによって真空チャンバ１にアースする。

実施の形態の電子ビーム発生装置５における電源装置５Ｂは、電子ビーム発生用電源装置５０Ｆと、プラズマ発生用電源装置５０Ｇと、スイッチ５０Ｈと、を含んでなる。電子ビーム発生用電源装置５０Ｆは、カソード電極５０Ａとテーブル１０に通電する被照射体８との両極間に電子ビームを発生させるための電圧パルスを印加する高圧電源を含む。プラズマ発生用電源装置５０Ｇは、カソード電極５０Ａとアノード電極５０Ｂとの間に設けられ、アノード電極５０Ｂの環内にプラズマを発生させる電圧を供給する。スイッチ５０Ｈは、カソード電極５０Ａとアノード電極５０Ｂにおける電源の接続を切り換える。

カソード電極５０Ａは、所定の断面積を有する断面円形の基板にチタンの多数の針状突起が設けられてなる。断面積が比較的大きいカソード電極５０Ａによって直径が大きくエネルギ密度がより小さい電子の粒子線束を発生させることができる。そのため、一度の照射においてより広範囲に均一に被照射面に電子ビームを衝突させることができ、表面から数μｍ程度の極浅い深さで被照射体８の表面を改質させることができる。

カソード電極５０Ａは、密閉された真空チャンバ１内の上側に固定される。カソード電極５０Ａの上側の密閉空間の中には、カソードのギャップスイッチが存在する。カソード電極５０Ａは、電子が被照射体８を破壊しない速度で被照射体８と衝突して被照射体８の表面を改質するように決められている所定距離だけテーブル１０の上に載置される被照射体８から離れている。実施の形態の金属表面改質装置は、断面積の大きい電子ビーム柱を重力方向に直線的にばらつきなく照射することができる。

アノード電極５０Ｂは、カソード電極５０Ａの断面積よりも大きい内径を有するリング形状を有している。実施の形態の金属表面改質装置においては、例えば、カソード電極５０Ａの直径が６０ｍｍφであるときに、アノード電極５０Ｂの内径が２１０ｍｍφである。アノード電極５０Ｂは、円環内に比較的存在期間が短いプラズマを生成する。プラズマの電離層は、カソード電極５０Ａから放出される電子を収束する。

被照射体設置装置６は、移動装置２が被照射体８を移動させるのにともなって各被照射体８を任意の方向に所定の角度傾斜するように被照射体８を設置する手段である。被照射体設置装置６は、テーブル１０の上に設けられる。被照射体設置装置６は、移動保持台６Ａと固定押出板６Ｂとでなる。被照射体設置装置６は、広義には、補助手段である保持冶具７を含む。移動保持体６Ａと固定押出板６Ｂは、共に非磁性体材料で形成されている。具体的に、実施の形態の被照射体設置装置６においては、移動保持体６Ａと固定押出板６の材質は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）である。被照射体設置装置６は、被照射体８に通電する。

移動保持台６Ａは、保持冶具７に保持される被照射体８を水平方向に移動させる。移動保持台６Ａは、図示しない複数の取付ボルトによってテーブル１０の上に強固に取付固定される。そのため、移動装置２の移動体２Ａと移動体２Ｂが移動することによってテーブル１０が水平方向に移動するとき、移動保持台６Ａがテーブル１０と同じ移動方向に同じ移動量移動する。

固定押出板６Ｂは、ブラケット６Ｃによって真空チャンバ１に吊り下げられるように固定される。固定押出板６Ｂは、水平方向に移動する移動保持台６Ａの直上に移動保持台６Ａに対して相対移動可能に重なるように配置される。固定押出板６Ｂは、固定押出板６Ｂに対して移動保持台６Ａが摺動可能であるように移動保持台６Ａに接触している。ただし、移動保持台６Ａと固定押出板６Ｂとの間は、完全に離れていてもよい。

移動保持台６Ａの上面には、例えば、図２に示されるように、被照射体８を保持する保持冶具７の底部位の曲面形状と相対する曲面を有する複数の収容穴６０Ａが形成されている。収容穴６０Ａは、移動保持台６Ａに等間隔に複数設けられる。収容穴６０Ａの最大数は、複数の被照射体８に均一に電子ビームを照射するために、電子ビームの照射面積に依存する。言い換えると、カソード電極５０Ａとアノード電極５０Ｂのサイズによって、一度に表面改質できる被照射体８の数が決まる。

固定押出板６Ｂには、移動保持台６Ａの各収容穴６０Ａに対してそれぞれ対向する位置に複数の貫通孔６０Ｂが等間隔で形成されている。固定押出板６Ｂは、移動保持台６Ａが任意の水平方向に移動するとき、図４に示される保持冶具７の重心Ｏよりも上側を被照射体８が移動する方向に対して反対の方向に保持冶具７を押し出すようにして、被照射体８を所定の角度傾斜させる。

貫通孔６０Ｂの直径は、固定押出板６Ｂの板厚に関連して被照射体８が固定押出板６０Ｂに干渉することなく要求される最大の角度まで傾斜することができる大きさである。固定押出板６Ｂは、移動保持台６Ａが移動するときに貫通孔６０Ｂの内壁で保持冶具７と当接する。また、保持冶具７が最大の角度まで傾斜したときに、固定押出板６Ｂは、貫通孔６０Ｂの他の内壁で傾斜した保持冶具７または被照射体８と当接する。

保持冶具７は、被照射体８を保持して移動保持台６Ａと固定押出板６Ｂとによって被照射体８を傾斜させるための補助手段である。図３に示されるように、保持冶具７は、底部位７Ａと、上部位７Ｂと、突出部位７Ｃと、でなる。円筒形の突出部位７Ｃの外周面に雄螺子が形成されている。被照射体８は、歯科用インプラント（人工歯根）であって、土台部位８Ｂと、歯根部位８Ｂとに分けられる。土台部位８Ａは、図示しない円筒形の中空空間を有し、中空空間の内壁に雌螺子が形成されている。

実施の形態の保持冶具７は、被照射体８を引っくり返して土台部位８Ａの雌螺子を突出部位７Ｃの雄螺子に螺合させて突出部位７Ｃに捩じ込んで固定して被照射体８を保持する。例えば、被照射体８を保持冶具７の突出部位７Ｃに単に被せるように挿嵌したり、被照射体８をネジで締め付けたりして保持冶具７に被照射体８を保持させることができ、保持冶具７が傾斜するときに脱落しない限り、被照射体８を保持する方法に格別の制約はない。

図１および図２に示されるように、被照射体８を保持した状態の保持冶具７は、被照射体８が固定押出板６Ｂの貫通孔６０Ｂを通り抜けて移動保持台６Ａの収容穴６０Ａに被照射体８が垂直になるように配置される。先に全ての被照射体８を移動保持台６Ａの各保持穴６０Ａに垂直に配設し、その後で上側から固定押出板６Ｂを下ろして所定の高さに固定する。

図３に示されるように、保持冶具７の底部位７Ａは曲面形状を有する。また、保持冶具７の上部位７Ｂは、固定押出板６Ｂが押し当てられたときに固定押出板６Ｂが当接面で引っかかることがなく、保持治具７の重心Ｏを中心に回動して傾斜することができるように、平滑な曲面または傾斜面が形成されている。

実施の形態における保持冶具７は、底部位７Ａが半球形状であり、全体的に略球形に形成されている。点線で示される人工歯８Ｃは、被照射体８であるインプラントの歯根部位８Ｂが顎の骨と歯肉に完全に固着してから、後で土台部位８Ａに取り付けられる。そのため、土台部位８Ａの先端側は、表面にムラが残されていても問題はない。

例えば、図４に示される移動装置２によって移動保持台６Ａが−Ｘで示される水平１軸方向に移動量Δを移動すると、保持冶具７の側面が固定押出板６Ｂの貫通孔６０Ｂの内壁のエッジに点的に当接する。その状態で移動保持台６Ａが−Ｘの方向に移動すると、保持冶具７が移動保持台６Ａが移動する−Ｘの方向に対して反対の＋Ｘの方向に押し出される。保持穴６０Ａが保持冶具７の底部位７Ａの曲面形状と相対する曲面を有しているので、底部位７Ａが保持穴６０Ａの曲面に沿って摺動するようにしながら、保持冶具７が重心Ｏを中心にして回動する。

保持冶具７が押し倒されるとき、保持冶具７に保持されている被照射体８は、＋Ｘの方向に移動量Δに対応する所定の角度傾斜する。保持冶具７がある角度まで傾斜すると、傾斜する＋Ｘの方向において貫通孔６０Ｂと保持冶具７または被照射体８とが干渉して動けなくなる。そのため、実質的に、被照射体８の物理的な限界角度が設けられる。保持冶具７が傾斜できる最大の角度が所望の角度であるように被照射体設置装置６を設計して制作することによって、移動体２Ａと移動体２Ｂとを位置決め制御して保持冶具７を所望の角度に傾斜させる必要がなく、被照射体８をより容易に所望の角度に傾斜させることができる。

実施の形態の被照射体設置装置６の場合は、２０個の歯科用インプラントの被照射体８をセットして、各被照射体８を同時に同じ方向に同じ角度傾斜させることができる。被照射体８を傾斜させる方向を適宜変えながら、被照射体８に電子ビームを繰返し照射することができるので、一度に複数のチタン製の歯科用インプラントを連続的に全面にわたって改質することができる。

本発明は、上記実施の形態の表面改質装置に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、すでにいくつかの具体例が示されているが、種々の変形が可能である。また、本発明の作用効果を得る限りにおいて、他の発明との組合せが可能である。

本発明は、チタン製のインプラントの表面の改質に適用される。特に、歯科用インプラントの表面の改質に有効である。本発明によると、インプラントの表面処理を安全に容易に行なうことができる。本発明は、電子ビームによる表面の改質の技術の進歩に寄与するとともに、医療器具の進歩と発展を助ける。

１：チャンバ
２：移動装置
２Ａ：移動体（Ｙ軸）
２Ｂ：移動体（Ｘ軸）
２Ｃ：昇降装置
３：真空装置
４：稀ガス供給装置
５：電子ビーム発生装置
５Ａ：電子銃
５Ｂ：電源装置
５０Ａ：カソード電極
５０Ｂ：アノード電極
５０Ｃ：ソレノイド
５０Ｄ：コレクタ
５０Ｅ：グランドライン
５０Ｆ：電子ビーム発生用電源装置
５０Ｇ：プラズマ発生用電源装置
５０Ｈ：スイッチ
６：被照射体設置装置
７：保持冶具
７Ａ：底部位
７Ｂ：上部位
７Ｃ：突出部位
８：被照射体
８Ａ：土台部位
８Ｂ：歯根部位
１０：テーブル

Claims

チタン製のインプラントの被照射体を収容して真空の環境下に置く真空チャンバと、前記真空チャンバの中に設置され少なくとも水平１軸方向と前記水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向とに前記被照射体を移動させる移動装置と、前記移動装置の上に設置され前記被照射体を載置するテーブルと、所定の断面積を有するカソード電極とプラズマを生成するための環状のアノード電極と磁場を形成するソレノイドとを含んでなる電子銃と、を備えた金属表面改質装置であって、テーブルの上に固定され被照射体を保持する保持冶具の底部位の曲面形状と相対する曲面を有する複数の収容穴が上面に形成された移動保持台と、真空チャンバに固定され前記移動保持台の上側に前記移動保持台に相対移動可能に重なるように配置されて前記各収容穴にそれぞれ対向する位置に複数の貫通孔が形成された固定押出板と、でなり、前記移動装置が前記被照射体を移動させるのにともなって前記各被照射体を同時に任意の方向に所定の角度傾斜するように前記被照射体を設置する被照射体設置装置と、を含んでな金属表面改質装置。