JP6443513B2 - 着色透光性ジルコニア焼結体及びその用途 - Google Patents

Description

本発明は焼結体密度及び強度が高く、歯に極めて近い色調を有し、なおかつ透光性に優れる着色ジルコニア焼結体に関する。この着色透光性ジルコニア焼結体は、特に歯科用途で使用され、さらには義歯材料等のミルブランク、歯列矯正ブラケットとして用いるのに適する。

安定化剤としてＹ_２Ｏ_３（イットリア）を少量固溶させたジルコニア焼結体は、高強度、高靭性であることから切断工具、ダイス、ノズル、ベアリングなどの機械構造用材料や歯科材料等の生体材料として広く利用されている。近年、高強度であるジルコニア焼結体が歯科材料に用いられる様になったが、その色調を自然歯の色調に近づけるため、これまではジルコニア焼結体の表面に他の材料を積層し、審美性を調整して用いられていた。しかしジルコニア焼結体の歯科分野での利用が進むにつれて、他材料を積層せず歯科材料にそのまま使用できるジルコニア焼結体の要求が高まっている。

ジルコニア焼結体をそのまま歯科材料に用いるためには、透光性と着色（色観）の双方が求められる。これまで、自然歯に近い象牙色を有するジルコニア焼結体が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献においては、焼結体にＰｒ_６Ｏ_１１及びＺｎＯの添加が必須であり、透光性についての記載はない。

また、３ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３、０．２５ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の組成において透光性を有する焼結体密度９９．８％のジルコニア焼結体が開示されている（例えば、特許文献２、３参照）。しかし、そこに開示された焼結体は着色剤を含まないものであり、これまで着色していてなおかつ高い透光性を有するジルコニア焼結体は存在しなかった。

特許文献４にはＦｅの添加により黄色色調に着色した透光感ジルコニア焼結体が開示されている。黄色色調の付与により自然歯に近似した色調は得られるが、赤味や黒味が不足しており、表面に他の材料を積層して自然歯の色調に近づけることでの使用はできたが、そのままでは自然歯との色調差が大きく使用できなかった。

特開平４−２８０８６４号公報 特開２００８−５０２４７号公報 ＷＯ２００９／１２５７９３号 ＷＯ２０１３／０１８７２８号

本発明では、上記のような従来方法における課題を解消し、焼結体密度及び強度が高く、透光感に優れる着色ジルコニア焼結体を提供するところにあり、特にその様なジルコニア焼結体を常圧焼結によって製造することができる。

本発明者らは、ジルコニア焼結体の着色剤の種類及び含有量を調整すると、自然歯の色調見本と同等な着色と透光性を両立したジルコニア焼結体が得られることを見出し、本発明を完成するに到ったものである。尚、自然歯の色調見本とはＶＩＴＡ社のシェードガイド「ＶＩＴＡＰＡＮ（登録商標） ｃｌａｓｓｉｃａｌ」や松風社の「ヴィンテージハロー ＮＣＣシェードガイド」が例として挙げられる。

即ち、本発明は、２〜４ｍｏｌ％のイットリア、０．０２〜０．８ｍｏｌ％のＥｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で２０〜２０００ｐｐｍ未満の鉄化合物及び０．００５〜０．２ｗｔ％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含み、残部がジルコニアであるジルコニア焼結体であって、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊が５５〜７５、ａ^＊が０〜１０、ｂ^＊が０〜３０であり、相対密度が９９．８０％以上、且つ、試料厚さ１ｍｍにおけるＤ６５光源による全光線透過率が１８％以上４０％以下であることを特徴とする着色透光性ジルコニア焼結体及び２〜４ｍｏｌ％のイットリア、ＣｏＯ換算で０．０１ｗｔ％未満の酸化コバルト、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で２０〜２０００ｐｐｍ未満の酸化鉄、０．００５〜０．２ｗｔ％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含み、残部がジルコニアであるジルコニア焼結体であって、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊が５０〜７５、ａ^＊が−１〜１０、ｂ^＊が０〜３０であり、相対密度が９９．８０％以上、且つ、試料厚さ１ｍｍにおけるＤ６５光源による全光線透過率が１８％以上４０％以下であることを特徴とする着色透光性ジルコニア焼結体に関する。

以下、本発明の着色透光性ジルコニア焼結体をさらに詳細に説明する。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体は、２〜４ｍｏｌ％のイットリア、０．０２〜０．８ｍｏｌ％のＥｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で２０〜２０００ｐｐｍ未満の鉄化合物及び０．００５〜０．２ｗｔ％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含み、残部がジルコニアであるジルコニア焼結体であって、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊が５５〜７５、ａ^＊が０〜１０、ｂ^＊が０〜３０であり、相対密度が９９．８０％以上、且つ、試料厚さ１ｍｍにおけるＤ６５光源による全光線透過率が１８％以上４０％以下である着色透光性ジルコニア焼結体である（ジルコニア焼結体Ａ）。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは、安定化剤として２〜４ｍｏｌ％のイットリアを含むものである。安定化剤が２ｍｏｌ％未満では、強度が低下し、結晶相が不安定となる。又、４ｍｏｌ％をこえると焼結体強度が低下してしまう。

ジルコニア焼結体Ａに含まれるイットリアは、焼結後にイットリアとなるものであればよく、焼結前に用いるイットリウム化合物としては特に限定はなく、例えば、塩化イットリウム、硝酸イットリウムのような可溶性化合物や酸化イットリウムのような不溶性化合物が挙げられる。イットリウム化合物はジルコニアゾルに添加して溶解させることが好ましい。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは着色剤を含むが、着色剤を構成する元素としてはジルコニアを着色するＥｒ_２Ｏ_３及び鉄化合物を必須とする。またＥｒ_２Ｏ_３の含有量は０．０２〜０．８ｍｏｌ％、さらに０．０５〜０．７ｍｏｌ％であることが好ましい。また鉄化合物の含有量はＦｅ_２Ｏ_３換算で２０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ未満、さらにＦｅ_２Ｏ_３換算で１００ｐｐｍ以上、１５００ｐｐｍ未満であることが好ましい。

ジルコニア焼結体Ａに含まれるＥｒ_２Ｏ_３は、焼結後にＥｒ_２Ｏ_３となるものであればよく、焼結前に用いるエルビウム化合物としては特に限定はなく、例えば、塩化エルビウム、硝酸エルビウムのような可溶性化合物や酸化エルビウムのような不溶性化合物が挙げられる。エルビウム化合物はジルコニアゾルに添加して溶解させることが好ましい。その理由は、ジルコニア粉末の粉砕時にエルビウム化合物を添加すると、局所的に粒子が異常成長し、焼結体密度の低い、或いは強度の低い焼結体となるからである。

エルビウム化合物が均一に溶解していれば、イットリウム化合物と共に安定化剤として含有しても良い。エルビウム化合物のみで安定化したジルコニア粉末を他のイットリウム化合物で安定化したジルコニア粉末と混合して用いても良い。エルビウム化合物のみで安定化したジルコニア粉末の場合、２〜４ｍｏｌ％のエルビア化合物を含むジルコニア粉末が好ましく、他のイットリウム化合物で安定化したジルコニア粉末との混合によりエルビウム化合物の含有量が０．８ｍｏｌ％未満となるようにすれば良い。

用いる鉄化合物としては特に限定はなく、例えば、塩化鉄、硝酸鉄のような可溶性化合物や酸化鉄、酸化水酸化鉄のような不溶性化合物が挙げられる。不溶性化合物を使用する際は平均粒径が１μｍ以下の鉄化合物をジルコニア粉末の粉砕時に添加して分散混合することが好ましい。その理由は、それ以外の時に不溶性鉄化合物を添加し、撹拌混合しただけでは、凝集物の存在により焼結体に斑点が生じて、色調が不均一となる、或いは強度の低い焼結体となるからである。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは、さらにＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を含むものである。アルミナを含むことで、ジルコニア焼結体の耐水熱劣化特性が向上する。アルミナの含有量は、０．００５〜０．２ｗｔ％未満であり、さらに０．００５ｗｔ％以上、０．１５ｗｔ％以下含むことが好ましい。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａのアルミナ含有量が０．２ｗｔ％以上になると、高密度化が困難となり、また、焼結体中へのアルミナ粒子の存在による光の拡散が起こるため、透光性が得られ難くなり、０．００５ｗｔ％未満では、耐水熱劣化特性が悪化するおそれと焼結体色調の脱色が起こるおそれがある。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊が５５〜７５、ａ^＊が０〜１０、ｂ^＊が０〜３０である。明度Ｌ^＊、ａ^＊値、ｂ^＊値が該範囲外であると、歯により近い色調を得ることは困難である。審美性の点で、好ましいＬ^＊値としては５０〜７５、ａ^＊値としては０〜７、ｂ^＊値としては、１０〜２７である。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａの相対密度は、９９．８０％以上であり、好ましくは９９．８９％以上、更に好ましくは９９．９５％以上である。相対密度が９９．８０％未満であると透光性が低くなりやすく、歯科材料としての審美性に劣った焼結体となってしまう。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは厚さ１．０ｍｍでの全光線透過率が１８％以上、４０％以下の透光性を有するものである。濃い色調を有し、明度Ｌ^＊の値が低い着色ジルコニア焼結体では全光線透過率の値は低下し、本発明で得られる高い焼結体密度の着色ジルコニア焼結体の透光感は、明度Ｌ^＊が高く、高い焼結体密度を有する焼結体と比較しても同等な透光感を持ち、自然歯と同等な審美性を有する。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａはさらに結晶粒径が０．３５〜０．５０μｍであることが好ましい。結晶粒径が０．３５μｍ未満であると、粒間に微細な気孔が多く存在するため、相対密度が９９．８％に到達しないことがある。また、結晶粒径が０．５０μｍを超えると、焼結体の水熱劣化が著しく進行し、焼結体が破壊してしまうため好ましくない場合がある。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａには異常に成長した結晶粒子（異常成長粒子）が存在せず、均一な粒子径の結晶粒子により焼結体が構成されている。異常成長粒子とは平均粒子径の５倍以上のサイズとなった粒子のことであり、主に安定化剤の偏析により生成し易く、粒子の結晶相が立方晶（Ｃｕｂｉｃ）となるために低強度の原因となり易い。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは、その結晶相が正方晶（Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）を含むことが好ましく、正方晶の単相であることが好ましい。これにより機械的強度が高くなりやすい。本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは、３点曲げ強度が１０００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下である事が好ましい。さらに好ましい強度は１１００ＭＰａ以上である。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａは、１４０℃の熱水中に２４時間浸漬させた後の単斜晶相の転移深さが１５μｍ以下であることが好ましい。単斜晶相の転移深さが１５μｍを超えると焼結体の水熱劣化が進行し、焼結体が破壊してしまう。より好ましい単斜晶相の転移深さは１０μｍ以下である。ここで、単斜晶相の転移深さは焼結体を切断し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することで結晶の転移の様子が観察できる。

本発明の着色ジルコニア焼結体Ａは、色調の微細な調整をするため、ジルコニアに固溶する化合物を含有してもよい。ジルコニアに固溶する化合物としては、例えば、周期表３ａ族（３族）、５ａ族（５族）、６ａ族（６族）、７ａ族（６族）、７ａ族（７族）、８族（８〜１０族）及び３ｂ族（１３族）のいずれか一種以上の酸化物を上げることができる（カッコ内は、国際純正応用科学連合（ＩＵＰＡＣ）による表示方法）。

また、本発明の着色透光性ジルコニア焼結体は、２〜４ｍｏｌ％のイットリア、ＣｏＯ換算で０．０１ｗｔ％未満の酸化コバルト、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で２０〜２０００ｐｐｍ未満の酸化鉄、０．００５〜０．２ｗｔ％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含み、残部がジルコニアであるジルコニア焼結体であって、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊が５０〜７５、ａ^＊が−１〜１０、ｂ^＊が０〜３０であり、相対密度が９９．８０％以上、且つ、試料厚さ１ｍｍにおけるＤ６５光源による全光線透過率が１８％以上４０％以下である着色透光性ジルコニア焼結体である（ジルコニア焼結体Ｂ）。

ここで、イットリウム、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３はジルコニア焼結体Ａと同様のものを用いることができる。

ジルコニア焼結体Ｂは、ＣｏＯ換算で０．０１ｗｔ％未満の酸化コバルトを含むものである。

ジルコニア焼結体Ｂに含まれる酸化コバルトは、焼結後に酸化コバルトとなるものであればよく、焼結前に用いるコバルト化合物としては特に限定はなく、例えば、塩化コバルト、硝酸コバルトのような可溶性化合物や酸化コバルトのような不溶性化合物が挙げられる。不溶性化合物を使用する際は平均粒径が１μｍ以下のコバルト化合物をジルコニア粉末の粉砕時に添加して分散混合することが好ましい。その理由は、鉄化合物の場合と同じ理由である。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂは、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊が５０〜７５、ａ^＊が−１〜１０、ｂ^＊が０〜３０である。明度Ｌ＊、ａ＊値、ｂ＊値が該範囲外であると、歯により近い色調を得ることは困難である。審美性の点で、好ましいＬ^＊値としては５０〜７５、ａ^＊値としては−１〜７、ｂ^＊値としては、１０〜２７である。

また、ａ^＊値とｂ^＊値の関係が以下の関係であることが好ましい。
ａ^＊＞０．０１２３ｂ^＊２−０．０５９８ｂ^＊−２．９０８８
本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂの相対密度は、９９．８０％以上であり、好ましくは９９．８９％以上、更に好ましくは９９．９５％以上である。相対密度が９９．８０％未満であると透光性が低くなりやすく、歯科材料としての審美性に劣った焼結体となってしまう。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂは厚さ１．０ｍｍでの全光線透過率が１８％以上、４０％以下の透光性を有するものである。濃い色調を有し、明度Ｌ^＊の値が低い着色ジルコニア焼結体では全光線透過率の値は低下し、本発明で得られる高い焼結体密度の着色ジルコニア焼結体の透光感は、明度Ｌ＊が高く、高い焼結体密度を有する焼結体と比較しても同等な透光感を持ち、自然歯と同等な審美性を有する。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂはさらに結晶粒径が０．３５〜０．５０μｍであることが好ましい。結晶粒径が０．３５μｍ未満であると、粒間に微細な気孔が多く存在するため、相対密度が９９．８％に到達しないことがある。また、結晶粒径が０．５０μｍを超えると、焼結体の水熱劣化が著しく進行し、焼結体が破壊してしまうため好ましくない場合がある。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂには異常に成長した結晶粒子（異常成長粒子）が存在せず、均一な粒子径の結晶粒子により焼結体が構成されている。異常成長粒子とは平均粒子径の５倍以上のサイズとなった粒子のことであり、主に安定化剤の偏析により生成し易く、粒子の結晶相が立方晶（Ｃｕｂｉｃ）となるために低強度の原因となり易い。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂは、その結晶相が正方晶（Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）を含むことが好ましく、正方晶の単相であることが好ましい。これにより機械的強度が高くなりやすい。本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂは、３点曲げ強度が１０００ＭＰａ以上である事が好ましい。さらに好ましい強度は１１００ＭＰａ以上である。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂは、１４０℃の熱水中に２４時間浸漬させた後の単斜晶相の転移深さが１５μｍ以下であることが好ましい。単斜晶相の転移深さが１５μｍを超えると焼結体の水熱劣化が進行し、焼結体が破壊してしまう。より好ましい単斜晶相の転移深さは１０μｍ以下である。ここで、単斜晶相の転移深さは焼結体を切断し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することで結晶の転移の様子が観察できる。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ｂは、０．０２〜０．８ｍｏｌ％のＥｒ_２Ｏ_３を含有してもよい。該Ｅｒ_２Ｏ_３としてはジルコニア焼結体Ａと同様のものを用いることができる。

本発明の着色ジルコニア焼結体Ｂは、色調の微細な調整をするため、ジルコニアに固溶する化合物を含有してもよい。ジルコニアに固溶する化合物としては、例えば、周期表３ａ族（３族）、５ａ族（５族）、６ａ族（６族）、７ａ族（６族）、７ａ族（７族）、８族（８〜１０族）及び３ｂ族（１３族）のいずれか一種以上の酸化物を上げることができる（カッコ内は、国際純正応用科学連合（ＩＵＰＡＣ）による表示方法）。

次に本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａ，Ｂの製造法を説明する。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａ，Ｂの製造に用いるジルコニア粉末は、ＢＥＴ比表面積が１０〜１５ｍ^２／ｇの範囲であることが好ましい。ジルコニア粉末のＢＥＴ比表面積が、１０ｍ^２／ｇよりも小さくなると低温で焼結しにくい粉末となる場合があり、また、１５ｍ^２／ｇよりも大きくなると粒子間の凝集力が著しい粉末となる場合がある。特にＢＥＴ比表面積が１１〜１４ｍ^２／ｇの範囲であることが好ましい。

ジルコニア粉末は、平均粒径が０．４〜０．７μｍの範囲内であることが好ましい。ジルコニア粉末の平均粒径が０．４μｍよりも小さくなると粉末の凝集性を高める微小粒子が多くなって成形しにくいものとなることがあり、一方、０．７μｍよりも大きくなると硬い凝集粒子を含む粗粒が多くなるために、成形し難いものとなり、かつ、粗粒が焼結の緻密化を阻害するために焼結性の悪いものとなる場合がある。好ましい平均粒径は０．４〜０．６μｍである。また、ジルコニア粉末の最大粒径が２．０μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１．５μｍ以下である。

ジルコニア粉末は、大気中、昇温速度３００℃／時の常圧焼結における相対密度７０％から９０％までの焼結収縮速度（△ρ／△Ｔ：ｇ／ｃｍ^３・℃）（以下、単に「焼結収縮速度」とする）が０．０１２以上０．０１６以下であることが好ましい。焼結収縮速度はジルコニア粉末の焼結性の指標である。焼結収縮速度がこの範囲であることで、焼結性に優れたジルコニア粉末となる。なお、焼結収縮速度は相対密度が７０％以上での測定値である。そのため、焼結収縮速度は成形体の密度のばらつきによる影響を受けない。さらに、相対密度７０％から９０％における焼結収縮速度は、その速度が一定である。このように、焼結収縮速度が温度と相対密度の一次関数となるため、特別な近似計算処理を用いることなくても正確な焼結収縮速度を求めることができる。

ジルコニア粉末は、例えばジルコニウム塩水溶液の加水分解で得られる水和ジルコニアゾルを、乾燥，仮焼，粉砕して得ればよいが、該ジルコニウム塩水溶液にアルカリ金属水酸化物及び／又はアルカリ土類金属水酸化物を加えた後に、反応率が９８％以上になるまで加水分解を行って得られる水和ジルコニアゾルに、安定化剤の原料としてイットリウム、必要によってはエルビウムを添加して乾燥しても良い。

水和ジルコニアゾルの製造に用いるジルコニウム塩としては、オキシ塩化ジルコニウム，硝酸ジルコニル，塩化ジルコニウム，硫酸ジルコニウムなどが挙げられ、この他に水酸化ジルコニウムと酸との混合物を用いてもよい。ジルコニウム塩水溶液に加えるアルカリ金属水酸化物及び／又はアルカリ土類金属水酸化物としては、リチウム，ナトリウム，カリウム，マグネシウム，カルシウム等の水酸化物を挙げることができる。上記の水酸化物は、水溶液にして加えることが好ましい。

上記で得られた水和ジルコニアゾルの乾燥粉を１０００〜１２００℃の温度で仮焼することによってジルコニア粉末を得ることができる。仮焼温度がこの範囲外になると、本発明の下記粉砕条件で得られるジルコニア微粉末の凝集性が著しく強くなったり、あるいは硬い凝集粒子を含む粗粒が多くなってしまい、平均粒径が０．４〜０．７μｍの範囲外となって、ジルコニア粉末が得難い場合がある。仮焼温度は特に１０５０〜１１５０℃が好ましい。

次いで、上記で得られた仮焼粉を平均粒径が０．４〜０．７μｍの範囲にジルコニアボールを用いて湿式粉砕することが好ましい。上記仮焼温度で仮焼した仮焼粉末を平均粒径が０．４〜０．７μｍとなるように粉砕を行うことで、ＢＥＴ比表面積が１０〜１５ｍ^２／ｇの範囲のジルコニア粉末が得られる。また、この時の結晶子径は２５〜４０ｎｍとなり、仮焼後にはほぼ１００％の正方晶相のジルコニア粉末が、単斜晶相が３０〜５０％のジルコニア粉末となる。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体の製造にアルミニウムを用いる場合には、原料化合物としては、アルミナ、水和アルミナ、アルミナゾル、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウムなどを挙げることができる。着色元素化合物と同様に不溶性の化合物を使用することが好ましい。

目的とする色調の焼結体を得るために、イットリアとエルビアで安定化したジルコニア粉末に着色剤として鉄化合物、コバルト化合物を必要量添加した着色ジルコニア粉末をそれぞれ調整して製造しても良いが、それぞれの着色剤を含有した数種類のジルコニア粉末を先に準備し、所望の配合となるように数種類の着色ジルコニア粉末を混合して、着色剤組成を変えることも可能である。

例えば、３ｍｏｌ％のイットリアで安定化したジルコニア粉末を製造する（粉末１）。別に、３．２ｍｏｌ％のエルビアで安定化したジルコニア粉末を製造する（粉末２）。さらに、３ｍｏｌ％のイットリアで安定化したジルコニア粉末にＦｅ_２Ｏ_３換算で１５００ｐｐｍの鉄化合物を添加した粉末とＣｏＯ換算で０．０５ｗｔ％のコバルト化合物を添加した粉末をそれぞれ製造する（粉末３，４）。粉末１〜４には０．００５〜０．２ｗｔ％未満のアルミナを含有している。これら４種類の粉末を均一になるまで混合し、着色剤としてのＥｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯの含有量を目的とする濃度に配合して焼結体を得ることで、イットリアとエルビアで安定化したジルコニア粉末に着色剤として鉄化合物、コバルト化合物を必要量添加した着色ジルコニア粉末を焼結した場合と同じ色調の着色焼結体が得られる。

自然歯の色調見本であるＶＩＴＡ社のシェードガイド「ＶＩＴＡＰＡＮ（登録商標） ｃｌａｓｓｉｃａｌ」には１６色の色調見本があるが、上記４種類の粉末の混合割合を調整することで全ての色調を再現できる。

この時、４種類の粉末物性（例えばＢＥＴ比表面積）を微調整し、焼結性の指標である焼結収縮速度をできるだけ一致させることで、得られる焼結体の密度を低下させずに、高密度焼結体が得られ、透光性も損なうことがない。

ジルコニア粉末は、噴霧造粒粉末顆粒を用いることが好ましく、有機バインダーを含む噴霧造粒粉末を用いてもよい。

ジルコニア粉末をスラリーにして噴霧乾燥することにより、成形体を形成する際の流動性が高く、焼結体中に気泡が生成し難いものとなる。顆粒の粒径は３０〜８０μｍ、軽装嵩密度が１．１０〜１．４０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。

顆粒にバインダーを使用する場合、バインダーとしては、一般に用いられるポリビニルアルコール、ポリビニルブチラート、ワックス、アクリル系等のバインダーを挙げることができ、中でも分子中にカルボキシル基またはその誘導体（例えば、塩、特にアンモニウム塩など）を有するアクリル系のものが好ましい。このアクリル系のバインダーとして、例えば、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、アクリル酸共重合体、メタクリル酸共重合体やその誘導体を挙げることができる。バインダーの添加量は、セラミックス粉末スラリー中のセラミックス粉末に対し０．５〜１０重量％が好ましく、特に１〜５重量％が好ましい。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａ，Ｂを得るには、当該ジルコニア粉末を通常のプレス成形（必要に応じて静水圧プレス（ＣＩＰ処理））により相対密度５０±５％程度の成形体として焼結することが好ましい。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａ，Ｂの製造は、常圧下にて１３５０〜１４５０℃、特に１４００℃で焼結することにより製造することが好ましい。

焼結温度が１３５０℃未満であると、相対密度が９９．８０％に到達しない場合があり、１４５０℃を超えると、焼結体の水熱劣化が著しく進行し、焼結体が破壊し易いという問題が生じる場合がある。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体Ａ，Ｂは常圧焼結で得るが、焼結雰囲気としては還元性雰囲気でなければ特に制限は無く、酸素雰囲気、大気中焼結で良い。特に大気中で焼結することが好ましい。

本発明の着色透光性ジルコニア焼結体は、歯に近い色調を呈し、高密度、高強度でなおかつ透光性に優れているため、歯科用途で使用されるジルコニア焼結体、具体的には義歯材料等のミルブランク、歯列矯正ブラケットとして用いる焼結体として優れたものであり、本発明の着色透光性ジルコニア焼結体用の粉末は、常圧焼結でもＨＩＰ等の加圧焼結でも上記特徴を有する着色透光性ジルコニア焼結体を製造できるものである。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何等限定されるものではない。

例中、ジルコニア微粉末の平均粒径は、マイクロトラック粒度分布計（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製，型式：９３２０−ＨＲＡ）を用いて測定した。試料の前処理条件としては、粉末を蒸留水に懸濁させ、超音波ホモジナイザー（日本精機製作所製，型式：ＵＳ−１５０Ｔ）を用いて３分間分散させた。

原料粉末の成形は、金型プレスにより圧力１９．６ＭＰａで行い、当該予備成形体をゴム型に入れて、圧力１９６ＭＰａで冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）処理して成形体とした。得られた成形体は所定温度（保持時間２時間）に設定して焼結させた。

焼結体の色調は、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターＬ^＊、ａ^＊、ｂ^＊を測定した。焼結体が透光性を有するため、色調の測定には焼結体厚さを２．８ｍｍに統一し、鏡面に研磨した面を測定した。

焼結体の密度は、アルキメデス法で測定した。

焼結体の全光線透過率は、濁度計（日本電色工業（株）製、型式：ＮＤＨ２０００）を用いて、ＪＩＳ Ｋ７３６１に準拠して光源Ｄ６５で測定した。試料は焼結体を両面研磨した厚み１ｍｍの円盤形状のものを用いた。

焼結体の結晶粒径は、鏡面研磨した焼結体を熱エッチング処理し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子（株）製、型式：ＪＳＭ−６３９０ＬＶ）を用いてプラニメトリック法により算出した。具体的には、顕微鏡画像上に円を描いたとき、円内の粒子数ｎｃと円周にかかった粒子数Ｎｉの合計が少なくとも１００〜１５０個となるような円を描いて、または１００個に満たない画像の場合には、粒子数の合計（ｎｃ＋Ｎｉ）が少なくとも１００〜１５０個となるように数視野の画像を用いて複数の円を描き、プラニメトリック法により平均結晶粒径を求めた。

焼結体の強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠して、３点曲げ測定法で評価した。

水熱劣化特性は、得られた焼結体の片面を鏡面研磨し、１４０℃の熱水中に２４時間浸漬させ、生成する単斜晶相の転移深さを求めることによって評価した。

転移深さとは浸漬処理した焼結体を切断し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子（株）製、型式：ＪＳＭ−６３９０ＬＶ）で観察し、鏡面とした面から結晶組織が粗となった深さを観察することで求めた。

なお、本発明におけるジルコニア粉末に係わる「平均粒径」とは、体積基準で表される粒径分布の累積カーブが中央値（メディアン径；累積カーブの５０％に対応する粒径）である粒子と同じ体積の球の直径をいい、レーザー回折法による粒径分布測定装置によって測定したものをいう。

「安定化剤濃度」とは、安定化剤／（ＺｒＯ_２＋安定化剤）の比率をモル％として表した値をいう。

「添加物含有量」とは、添加物／（ＺｒＯ_２＋安定化剤＋添加物）の比率を重量％として表した値をいう。ここで、添加物は酸化物に換算した値である。

「相対密度」とは、アルキメデス法により実測した密度ρとＨＩＰ焼結体の密度ρ_０とを用いて、（ρ／ρ_０）×１００の比率（％）に換算して表した値をいう。

実施例１〜５及び参考例１〜３
（０．０５ｗｔ％アルミナ・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニア顆粒粉末の合成）
オキシ塩化ジルコニウム水溶液にイットリアを添加し、Ｙ_２Ｏ_３濃度を３．０ｍｏｌ％としてから加水分解によって得られた水和ジルコニアゾルを乾燥させ、１１００℃の仮焼温度で２時間仮焼した。

得られた仮焼粉末を水洗処理したあとに、α−アルミナをアルミナ含有量で０．０５ｗｔ％、及び蒸留水を加えてジルコニア濃度４５重量％のスラリーにした。このスラリーを直径３ｍｍのジルコニアボールを用いて、振動ミルで２４時間粉砕処理した。

得られたスラリーの平均粒径は０．４１μｍ、最大粒径は≦１．５μｍであった。乾燥したジルコニア粉末のＢＥＴ比表面積は１３ｍ^２／ｇであり、結晶子径は３３ｎｍ、乾燥粉末のＭ相率は４０％であった。得られたスラリーに有機バインダーを３ｗｔ％加えて、噴霧乾燥を行い平均顆粒径５０μｍのジルコニア顆粒粉末を得た。
（０．０５ｗｔ％アルミナ・３．０ｍｏｌ％イットリア・１５００ｐｐｍ酸化鉄含有ジルコニア顆粒粉末の合成）
また、オキシ塩化ジルコニウム水溶液にイットリアを添加し、Ｙ_２Ｏ_３濃度を３．０ｍｏｌ％としてから加水分解によって得られた水和ジルコニアゾルを乾燥させ、１１００℃の仮焼温度で２時間仮焼した。

得られた仮焼粉末を水洗処理したあとに、α−アルミナをアルミナ含有量で０．０５ｗｔ％、酸化水酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で１５００ｐｐｍ、及び蒸留水を加えてジルコニア濃度４５重量％のスラリーにした。このスラリーを直径３ｍｍのジルコニアボールを用いて、振動ミルで２４時間粉砕処理した。

得られたスラリーの平均粒径は０．４２μｍ、最大粒径は≦１．５μｍであった。乾燥したジルコニア粉末のＢＥＴ比表面積は１３ｍ^２／ｇであり、結晶子径は３３ｎｍ、乾燥粉末のＭ相率は４２％であった。得られたスラリーに有機バインダーを３ｗｔ％加えて、噴霧乾燥を行い平均顆粒径４８μｍのジルコニア顆粒粉末を得た。
（０．０５ｗｔ％アルミナ・３．２ｍｏｌ％エルビア含有ジルコニア顆粒粉末の合成）
また、オキシ塩化ジルコニウム水溶液にエルビアを添加し、Ｅｒ_２Ｏ_３濃度を３．２ｍｏｌ％としてから加水分解によって得られた水和ジルコニアゾルを乾燥させ、１１００℃の仮焼温度で２時間仮焼した。

得られた仮焼粉末を水洗処理したあとに、α−アルミナをアルミナ含有量で０．０５ｗｔ％、及び蒸留水を加えてジルコニア濃度４５重量％のスラリーにした。このスラリーを直径３ｍｍのジルコニアボールを用いて、振動ミルで２４時間粉砕処理した。

得られたスラリーの平均粒径は０．４２μｍ、最大粒径は≦１．５μｍであった。乾燥したジルコニア粉末のＢＥＴ比表面積は１２ｍ^２／ｇであり、結晶子径は３４ｎｍ、乾燥粉末のＭ相率は３９％であった。得られたスラリーに有機バインダーを３ｗｔ％加えて、噴霧乾燥を行い平均顆粒径４５μｍのジルコニア顆粒粉末を得た。

上記３種の粉末を任意の比でポリ瓶の中で混合して、Ｙ_２Ｏ_３濃度２．８５〜２．９２ｍｏｌ％、Ｅｒ_２Ｏ_３濃度０．０８〜０．１７ｍｏｌ％、酸化水酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で２００〜１４３０ｐｐｍの混合粉末を得た。

得られた混合粉末を一軸プレス（１９．６ＭＰａ）で成形後、ＣＩＰ（１９６ＭＰａ）成形し、焼結温度１４００℃又は１４５０℃、昇温速度６００℃／ｈｒ、保持２時間の条件で焼結させて（常圧焼結）着色透光性ジルコニア焼結体を製造した。

実施例６〜８及び参考例４
実施例６〜８及び参考例４は１４５０℃で常圧焼結して得られたジルコニア焼結体をさらに、処理温度１４００℃、圧力１５０ＭＰａでＨＩＰ処理を実施して着色透光性ジルコニア焼結体を製造した。

ＨＩＰ処理前後で着色透光性ジルコニア焼結体の相対密度及び全光線透過率の変化はほとんどなかった。これにより、本発明の着色透光性ジルコニア焼結体は、ＨＩＰ処理をすることなく、ＨＩＰ処理と同等の特性を有する焼結体であることが分かった。

比較例１〜３
Ｅｒ_２Ｏ_３を含まない上記２種の粉末を任意の比でポリ瓶の中で混合して、Ｙ_２Ｏ_３濃度３．０ｍｏｌ％、酸化水酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で２００または４５０ｐｐｍの混合粉末を得た。

得られた顆粒粉末を一軸プレス（１９．６ＭＰａ）で成形後、ＣＩＰ（１９６ＭＰａ）成形し、焼結温度１４００℃又は１４５０℃、昇温速度６００℃／ｈｒ、保持２時間の条件で焼結させて（常圧焼結）着色透光性ジルコニア焼結体を製造した。

Ｅｒ_２Ｏ_３を含まない着色透光性ジルコニア焼結体では、ａ^＊値が低下し、赤味が薄れてしまうため、自然歯の色調が得られないことが分かった。

実施例９〜１１及び参考例５
上記３種の粉末を任意の比でポリ瓶の中で混合して、Ｙ_２Ｏ_３濃度を２．４０〜２．７０ｍｏｌ％、Ｅｒ_２Ｏ_３濃度を０．３３〜０．６６ｍｏｌ％とする以外は実施例１〜５及び参考例１〜３と同じ方法で着色透光性ジルコニア焼結体を製造した。

実施例１２〜１４及び参考例６
実施例１２〜１４及び参考例６は１４５０℃で常圧焼結して得られたジルコニア焼結体をさらに、処理温度１４００℃、圧力１５０ＭＰａでＨＩＰ処理を実施して着色透光性ジルコニア焼結体を製造した。

実施例１〜８、参考例１〜４、比較例１〜３におけるイットリア量、Ｅｒ_２Ｏ_３量、Ｆｅ_２Ｏ_３としてのＦｅ添加量、アルミナ添加量組成、焼結温度、得られたジルコニア焼結体の実測密度、相対密度、Ｄ６５光源での全光線透過率、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ^＊値、ａ^＊値、ｂ^＊値、強度、結晶粒径、１４０℃の熱水中に２４時間浸漬させた後の単斜晶転移深さを以下の表１に示し、実施例９〜１４及び参考例５〜６の同じ数値を以下の表２に示す。

実施例１５〜３５
（０．０５ｗｔ％アルミナ・３６０ｐｐｍ酸化コバルト・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニア顆粒粉末の合成）
オキシ塩化ジルコニウム水溶液にイットリアを添加し、イットリア濃度を３．０ｍｏｌ％としてから加水分解によって得られた水和ジルコニアゾルを乾燥させ、１１００℃の仮焼温度で２時間仮焼した。

得られた仮焼粉末を水洗処理したあとに、α−アルミナをアルミナ含有量で０．０５ｗｔ％、酸化コバルトをＣｏＯ換算で３６０ｐｐｍ、及び蒸留水を加えてジルコニア濃度４５重量％のスラリーにした。このスラリーを直径３ｍｍのジルコニアボールを用いて、振動ミルで２４時間粉砕処理した。

得られたスラリーの平均粒径は０．４１μｍ、最大粒径は≦１．５μｍであった。乾燥したジルコニア粉末のＢＥＴ比表面積は１３ｍ^２／ｇであり、結晶子径は３２ｎｍ、乾燥粉末のＭ相率は４３％であった。得られたスラリーに有機バインダーを３ｗｔ％加えて、噴霧乾燥を行い平均顆粒径４７μｍのジルコニア顆粒粉末を得た。

上記粉末と実施例１〜５及び参考例１〜３で調整した３種の粉末を表３に示した組成となるようにポリ瓶の中で混合して、混合粉末を得た。

得られた顆粒粉末を一軸プレス（１９．６ＭＰａ）で成形後、ＣＩＰ（１９６ＭＰａ）成形し、焼結温度１４５０℃、昇温速度６００℃／ｈｒ、保持２時間の条件で焼結させて（常圧焼結）着色透光性ジルコニア焼結体を製造した。

実施例１５以降の「相対密度」は、理論密度ρ_０及び実測密度ρから以下の（１）式から求めた。実測密度はアルキメデス法により求めた。

相対密度（％）＝（ρ／ρ_０）×１００ ・・・（１）
また、混合に用いた各組成における焼結体の理論密度ρ_ｘ，ρ_ｙ，ρ_ｚは、添加した酸化物の密度と濃度から、以下の式から求めた。
０．０５ｗｔ％アルミナ・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニア焼結体の理論密度ρ_ｘ＝１００／［（０．０５／ρ_Ａｌ）＋（９９．９５／ρ_Ｚｒ）］
＝６．０９４０ｇ／ｃｍ^３
０．０５ｗｔ％アルミナ・３．０ｍｏｌ％イットリア・１５００ｐｐｍ酸化鉄含有ジルコニア焼結体の理論密度ρ_ｙ＝１００／［（０．０５／ρ_Ａｌ）＋（０．１５／ρ_Ｆｅ）＋（９９．８０／ρ_Ｚｒ）］
＝６．０９２５ｇ／ｃｍ^３
０．０５ｗｔ％アルミナ・３６０ｐｐｍ酸化コバルト含有・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニア焼結体の理論密度ρ_ｚ＝１００／［（０．０５／ρ_Ａｌ）＋（０．０３６／ρ_Ｃｏ）＋（９９．９１４／ρ_Ｚｒ）］
＝６．０９４１ｇ／ｃｍ^３
尚、
ρ_Ａｌ：アルミナの理論密度；３．９９ｇ／ｃｍ^３
ρ_Ｆｅ：Ｆｅ_２Ｏ_３の理論密度；５．２４ｇ／ｃｍ^３
ρ_Ｃｏ：ＣｏＯの理論密度；６．４０ｇ／ｃｍ^３
ρ_Ｚｒ：３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニアの理論密度；６．０９５６ｇ／ｃｍ^３
とした。

０．０５ｗｔ％アルミナ・３．２ｍｏｌ％エルビア含有ジルコニア焼結体の理論密度はＨＩＰ焼結体密度６．３３６ｇ／ｃｍ^３を用いた。
これら、各組成における焼結体の理論密度とその配合比から理論密度ρ０を以下の（２）式から求めた。

ρ０＝１００／［（ｘ／ρｘ）＋（ｙ／ρｙ）＋（ｚ／ρｚ）
＋（１００−ｘ−ｙ−ｚ）／６．３３６］ ・・・（２）
ｘ：０．０５ｗｔ％アルミナ・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニアの配合割合；重量％
ｙ：０．０５ｗｔ％アルミナ・１５００ｐｐｍ酸化鉄含有・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニアの配合割合；重量％
ｚ：０．０５ｗｔ％アルミナ・３６０ｐｐｍ酸化コバルト・３．０ｍｏｌ％イットリア含有ジルコニアの配合割合；重量％
実施例１５〜２６における組成、焼結温度、得られたジルコニア焼結体の実測密度、相対密度、Ｄ６５光源での全光線透過率、ＪＩＳ−Ｚ８７２９に規定された色彩パラメーターの明度Ｌ＊値、ａ＊値、ｂ＊値、強度、結晶粒径、１４０℃の熱水中に２４時間浸漬させた後の単斜晶転移深さを以下の表３に示す。

この表から明らかな様に、実施例１〜１４及び参考例１〜６の着色透光性ジルコニア焼結体は相対密度が９９．８０％以上と高く、且つ、Ｄ６５光源での全光線透過率が１８％以上と高く、非常に優れた着色透光性ジルコニア焼結体であり、ミルブランク、歯列矯正ブラケット等の歯科材料としての利用が期待される。

本願の着色透光性ジルコニア焼結体は焼結体密度及び強度が高く、歯の色調に極めて近い色観を有しなおかつ透光性に優れるため、特に歯科用途で使用されるジルコニア焼結体、さらには義歯材料等のミルブランク、歯列矯正ブラケットとして用いるのに適する。

Claims (11)

1. ２〜４ｍｏｌ％のイットリア、０．０２〜０．８ｍｏｌ％のＥｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で４００〜２０００ｐｐｍ未満の鉄化合物及び０．００５〜０．２ｗｔ％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含み、残部がジルコニアである混合粉末。
2. ＣｏＯ換算で５ｐｐｍ以上０．０１ｗｔ％未満の酸化コバルトを含むことを特徴とする請求項１記載の混合粉末。
3. Ｅｒ_２Ｏ_３濃度が０．０８〜０．６６ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合粉末。
4. Ｙ_２Ｏ_３濃度が２．４０〜２．９８ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の混合粉末。
5. 鉄化合物濃度がＦｅ_２Ｏ_３換算で４００〜１４３０ｐｐｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の混合粉末。
6. ２〜４ｍｏｌ％のイットリア、ＣｏＯ換算で０．０１ｗｔ％未満の酸化コバルト、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で８５０〜２０００ｐｐｍ未満の酸化鉄、０．００５〜０．２ｗｔ％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含み、残部がジルコニアである混合粉末。
7. 請求項１乃至６のいずれかの混合粉末を成形することを特徴とする成形体の製造方法。
8. 請求項１乃至６のいずれかの混合粉末が成形された状態であることを特徴とする成形体。
9. 請求項１乃至６のいずれかの混合粉末を使用することを特徴とする焼結体の製造方法。
10. 請求項１乃至６のいずれかの混合粉末を使用することを特徴とする歯科材料の製造方法。
11. 請求項１乃至６のいずれかの混合粉末を使用することを特徴とするミルブランクの製造方法。