CN110769776A - 具有独立发光构造的led/ld照明装置及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照明装置(1)，其包括基板(2)、与基板(2)连接从而被密封的不透明间隔件(4)、与所述基板(2)相对的间隔件(4)中的开口、以及位于间隔件(4)下方且位于开口下方的照明元件(3)，所述元件与基板(2)连接从而被密封，其特征在于间隔件(4)中的开口由玻璃材料组成的光学元件(5)闭合，从而被密封，所述光学元件的体积包括至少一种发光体并因此构成发光复合玻璃材料。

Description

具有独立发光构造的LED/LD照明装置及其生产方法
本发明涉及一种基于LED或激光二极管(LD)的照明装置及其生产方法，所述照明装置具有由玻璃材料制成的光学元件(例如透镜)的形式的新颖的密封远距离发光构造，其体积包括发光材料并且因此适合于过热蒸汽灭菌，其中“发光物质”在下文中应理解为表示发光材料。
具有远距离发光构造的这种先前已知的照明装置是小型化的LED模块，其也以环形布置例如在医疗器械(例如医疗，特别是牙科手持件或反角手持件)中使用。例如通过以下方式生产密封设计(参见DE102015103331B4)：
在由陶瓷或金属制成的底座(基座或支架，在本说明书的后续过程中称为基板)上，安装发射蓝光的LED芯片，并且带有由透明玻璃制成的一个或多个窗口的金属盖形式的间隔件钎焊或焊接在其上。然而，在连接到基板之前，将转换器作为薄元件胶粘到透明窗口的内侧上。原则始终是空气空间与LED相邻，在远处布置远距离发光膜，在所述膜上方又布置透明透镜。
在现有技术中在玻璃基质中描述了发光颗粒的情况下，仅涉及在玻璃(或陶瓷)载体上的施加、胶粘或烧结的层，所有这些都不适合于制造密封的LED装置。
例如，在US20120107622A1中，在一种烧结工艺中将发光层施加到玻璃板。
US20080029720A1描述了有机结合剂中的发光层，类似于漆或涂层。
WO2006097876公开了陶瓷基质中的发光层。
WO2014178515A1涉及由玻璃制成的涂覆模制部件，发光颗粒类似于玻璃基质中的先前文献。
在US20110215701中，在用发光物质涂覆载体的框架内列出了各种粘合剂和光散射添加剂。
US20100002450A1描述了一种基于机械固定的透镜支架。在该文献中未提及颜色转换或发光物质。
基于上面列出的构造类型的照明装置来实现密封装置的工艺是耗时的、昂贵的并且仍然充满问题。例如，由于转换器(转换器元件)的厚度通常为200μm，因此转换器在窗口上的胶粘可能会失败，或者无法进一步减小间隔件(金属盖)的高度。现有技术中规定的并且描述在玻璃或陶瓷基质中的分散的发光颗粒的所有解决方案被证明不适合与金属模制体形成密封连接。
总而言之，目前在该领域中现有技术的塑料的粘附或涂覆不会导致根据本发明的密封设计，其对于医疗用途所需的期望的过热蒸汽灭菌和抗温度冲击性是必需的。
因此，本发明基于以下目的：简化这种照明装置以便因此以适于医疗用过热蒸汽灭菌的密封设计为远距离发光元件产生稳定而可靠的设计，以及具体说明如何容易且经济地生产这种装置的方法。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。在相关的从属权利要求中描述了本发明的有利发展。
图1在截面图A-A中示出了根据本发明的装置。
图2示出了这种装置的俯视图。
图3示出了牙科手持件或反角手持件的形式的医疗器械。
图4示出了具有独立照明装置的医疗器械的前部分。
图5在截面图B-B中示出了具有环形照明装置的牙科手持件或反角手持件的头端。
图6示出了具有环形照明装置的牙科手持件或反角手持件的头端的俯视图。
本发明的基本思想是将光学部件(例如，透明透镜)和远距离发光膜的先前分开的布置组合在单个部件中，使得发光物质分散在光学部件(例如，透镜)的玻璃材料中，即均匀地熔合到其中，这不仅导致更好的热性能，而且通常证明更稳定和更耐用。
图1示出了根据本发明的照明装置1的截面图A-A。图2示出了该装置的俯视图。
例如由陶瓷制成的优选不透明的基板2形成根据本发明的照明装置1的底座。在该基板2上牢固地安装有照明元件3、LED元件或激光二极管。在该情况下，照明元件3可以被设计为集成电路或SMD部件(表面安装装置)。照明元件3的电连接以密封的方式被引导通过基板，例如，通过也烧入陶瓷中的金属直通连接或通过熔融玻璃馈通。在基板2上还定位有不透明的间隔件4，所述间隔件在开口中与基板表面保持一定距离地支撑透镜或漫射器盘(漫射盘)或在下面同样提及的不同光学元件5。该距离的尺寸确定成使得在光学元件和基板2之间形成空气空间6，所述空气空间能够容易地容纳照明元件3。间隔件4有利地由金属和圆柱体制成，并且与由其支撑的光学元件5一起形成盖，所述盖以密封的方式将照明元件3从外室7密封。该空气空间6朝着外腔7的密封对于本发明来说是非常重要的，一方面通过将间隔件4与基板2钎焊或焊接，另一方面通过在非常高的温度下在开口的区域中将光学元件5熔合或浇铸到间隔件4而实现。已经描述了照明元件3通过基板2的电连接的类似密封。
对于本发明来说，同样重要的是将先前独立的转换器元件集成到光学元件5中，由此一方面降低了装置的复杂性，另一方面显著提高了可靠性，特别是关于耐高温高压性和抗温度冲击性。不需要用于颜色转换元件的费时的组装步骤。代替先前使用的透明的、无色的玻璃，使用发光玻璃复合材料作为光学元件5(如已经提到的，术语“发光物质”在本文中应理解为发光/有光材料)。为此目的，在下述生产工艺中，将玻璃粉末与发光颗粒均匀地混合并熔合到间隔件的开口。
如有必要，可以添加其它的光散射添加剂(例如Al2O3或TiO2)或其它赋形剂，后者例如是为了防止在进一步的工艺步骤中将染料颗粒从玻璃基质分离或通过填料颗粒调节基质的粘度。然而，本发明的优选实施例是发光颗粒在光学元件5的玻璃材料中的纯均匀分散。
刚刚描述的照明装置1的生产方法如下：
首先，产生间隔件4和玻璃复合材料光学元件5之间的密封连接。该步骤可以通过两种方式进行：
变型1：
通过熔化具有均匀地混合在其中的发光颗粒和可能的附加添加剂的玻璃粉末，生产棒状复合玻璃体。
从该玻璃体分离所需厚度的玻璃板。将分离的玻璃板插入到间隔件4的开口中，并且在保护气体下在开口的区域中以密封的方式以大约1000℃(900-1200℃)与其熔合或浇铸。
变型2：
将玻璃粉末与均匀混合在其中的发光颗粒和可能的附加添加剂一起压制以形成板片。
将板片插入间隔件4的开口中，并且在保护气体下在开口的区域中以密封的方式以大约1000℃(900-1200℃)与其熔合或浇铸。
例如，光学元件5的透镜形状因此可以由液体玻璃复合物的表面张力产生。对于这两种变型，也可以通过适当的措施(例如，通过模制托盘)获得其它(透镜)形状。
然后，将照明元件3以密封的方式附接到基板2，并且通过玻璃馈通或金属直通连接密封照明元件3通过基板2的电线。
最后，基板2类似地通过钎焊或焊接(对于太不同且难以连接的材料，例如金属/陶瓷，优选地通过激光焊接)连接到间隔件4。
应当再次强调的是，与其中发光层被烧结到玻璃体上的流行的现有技术方法(在US20120107622A1中描述)相反，通过上述程序，整体浇铸的光学元件(例如，玻璃透镜)的体积中的发光颗粒只会均匀地分布。
也不需要粘合剂连接(例如，在现有技术中将发光膜胶粘到光学元件上，该膜是最不温度稳定的部件)，并且附接预加工的发光物质/玻璃体而无需随后的熔合过程，这将大大降低装置所需的热稳定性。仅由于整个系统的高热稳定性，使用大功率激光二极管(LD)作为照明元件3的上述可能性也是可能的。
由于发光玻璃体的熔化过程或熔融过程需要相对较高的温度，这可能潜在地损害发光物质的效率，因此提出了非常温度稳定并因此特别适合于本发明的发光物质。这些物质是黄色和绿色发光石榴石，例如YAG：Ce3+，LuAG.Ce3+，红色发光氧化物，例如Y2O3：EU3+，或基于氧氮化物/基于氮化物的红色发光物质(例如SrAlSi4N7：Eu2+，(Ca,Sr)AlSi4N7：Eu2+，CaSiAlON：Eu2+，CaAlSi(ON)3：Eu2+，CaAlSiN3：Eu或(Ca,Sr)AlSiN3：Eu)，其在单独的或总的浓度上具有5到40体积％，但优选10到25体积％的均匀体积分布。取决于发射的白光的期望色温，可以适当考虑所提及的总浓度来使用具有2或3种发光物质的发光混合物。有利的是，发光物质的总浓度不应超过40体积％。具有光滑表面的球形(球状)颗粒在该应用中特别有利。所使用的发光物质的平均粒度(所谓的d50值)在2至20μm之间，优选地在5至18μm之间。
在本发明的圆柱形照明装置1和作为光学元件5的透镜的情况下，就用于牙科或内窥镜检查而言，提供了以下数量级：
(r)透镜的直径＝间隔件的内径：0.5-10.0mm
例如1.73(+0.04；-0.01)mm；
(s)间隔件的外径：1.0-15mm，例如2.05(+0.02；-0.05)mm；
(t)开口的直径：0.5-10.0mm，例如1.53mm；
(u)间隔件的高度：0.5-5mm，例如1.20(±0.10)mm；
(v)空气空间的高度：0.01-4.8mm，例如0.70(+0.17；0.00)mm；
(w)内部透镜曲率：0-+/-5mm，例如最大0.07mm；
(x)外部透镜曲率：0-+/-5mm，例如0.15(0.00；-0.20)mm；
(y)到间隔件的上边缘的内部透镜曲率：例如0.40(0.00；-0.10)mm；
(z)焊接/钎焊槽的上外边缘的直径：1.0-15mm
例如2.20(±0.10)mm。
另外，在根据本发明的照明装置的发展的背景下的研究表明，对于上述尺寸，在0.2至1.0mm之间，优选在0.4至0.8mm之间的玻璃复合材料的厚度似乎是最佳的。
在根据本发明的照明装置1的这种尺寸设计和根据上述方法的密封的情况下，在照明装置的空气空间中可以实现小于10-8mbar*升/秒的泄漏率，如前所述，其能够实现稳定的耐高温高压性和抗温度冲击性。不排除针对其它应用和使用领域的其它数量级(例如，在亚毫米范围内或厘米范围内)的设计。
还应确保耐高温高压性(即对过热蒸汽灭菌的适用性)和抗高温冲击性，因为相应地选择和/或设计了根据本发明的装置的所有部件及其互连的材料。
照明装置1也可以被设计为环形灯或以相关结构形状的形式被设计，其中由发光玻璃复合材料制成的透明光学元件5可以在一侧或两侧具有曲率。
因此，间隔件4可以具有若干(可能径向对称布置的，尺寸不同的)开口，所述开口分别由合适的光学元件5以密封的方式闭合，并且其中以密封的方式附接到基板的照明元件3对应于每个开口/光学元件组合，并且其中各个开口的光学元件5和照明元件3可以绝对不同。
图3至6示出了根据本发明的照明装置1如何可以例如在牙科技术中使用。
医疗，特别是牙科手持件8包括手柄部分9和与其成一定角度布置的头部10。在头部10中布置有可移动的，优选旋转的工具保持器或工具开口13，其中可以容纳工具14(例如可旋转的钻头)。可以通过例如按下按钮11来解锁该工具，并且然后再次移除。
因此，在图3的情况下，工具14从头部10相对于手柄部分9的纵向轴线成一定角度突出。工具14由至少一个驱动元件驱动，并且因此连接到工具14。在该情况下，驱动元件优选设计为旋转轴。取决于手持件8的类型，驱动元件可以包括附加的或替代的部件，例如一个或多个附加的旋转轴或摆动轴、一个或多个齿轮或齿轮单元、电机、气动转子、振动发生器等。在手柄部分9的端部处，牙科手持件具有连接件15，所述连接件可以用于为头部10供应驱动所需的流体或介质(例如水、压缩空气、电流等)。
根据本发明的照明装置可以例如以两种方式使用：单独地或以环形的形状。
根据图4，照明16单独发生，即，仅将根据本发明的单个照明装置1集成到手柄部分9的面向头部10的端部中，并且因此实现将束状的光束传输至治疗部位的工作区域。在该情况下，照明装置1位于手持件8的外套的光输出开口中。
根据图5和6，照明18通过环形流体和辐射输出端12以环形的形状发生，辐射(例如光)和流体(例如水、压缩空气等)可以通过所述输出端引入治疗部位的工作区域中。
图5在截面图中示出了牙科器械8的头端10，在所述头端的中心布置有工具开口13。在该截面图中，根据本发明的照明装置1容纳在其中的辐射输出开口18位于工具开口13的左侧。在工具开口13的右侧定位有流体输出开口17，若干流体通道通向所述流体输出开口以便能够单独地或作为混合物输出各种流体(例如，水和压缩空气)。图6示出了辐射输出开口18和流体输出开口17交替地布置在环形流体和辐射输出端12上，以便实现辐射或流体输出的一定均匀性。
在WO 2013011075中公开了具有环形照明的牙科器械的详细描述。
附图标记的列表
1 (根据本发明的)照明装置
2 基板
3 照明元件
4 间隔件
5 光学元件(例如透镜)
6 空气空间
7 外室
s 间隔件的外径
t 开口的直径
u 间隔件的高度
v 空气空间的高度
w 内部透镜曲率
x 外部透镜曲率
y 到间隔件的上边缘的内部透镜曲率
z 焊接/钎焊槽的上外边缘的直径
8 牙科器械或手持件
9 手柄部分
10 器械头或头部
11 按钮
12 环形流体和辐射输出端
13 工具开口
14 工具
15 连接件
16 单独的照明
17 流体输出开口
18 辐射输出开口

Claims (21)

1.照明装置(1)，其包括
-基板(2)，
-以密封的方式连接到所述基板(2)的不透明间隔件(4)，
-在所述间隔件(4)中与所述基板(2)相对的开口，
-照明元件(3)，所述照明元件位于所述间隔件(4)下方和所述开口下方并且以密封的方式连接到所述基板(2)，
其特征在于
所述间隔件(4)的所述开口由玻璃材料制成的光学元件(5)以密封的方式闭合，所述光学元件的体积包括至少一种发光物质，并且因此是发光玻璃复合材料。
2.根据权利要求1所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述玻璃复合材料是均质发光玻璃复合材料。
3.根据权利要求2所述的照明装置(1)，
其特征在于
均匀分布的单独或总发光浓度为5至40体积％，优选在10至25体积％之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述发光物质是石榴石和/或氮化物/氮氧化物和/或氧化物，优选YAG：Ce3+，LuAG.Ce3+，和/或Y2O3：EU3+。
5.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述间隔件(4)以金属盖的形状形成。
6.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述基板(2)由陶瓷或陶瓷PCB形成。
7.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
在玻璃复合材料和基板(2)之间形成容纳所述照明元件(3)的空气空间(6)。
8.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，其特征在于
基板(2)和间隔件(4)被密封地钎焊，焊接，优选激光焊接。
9.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述照明元件(3)基于蓝色发光LED芯片。
10.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述玻璃复合材料包含光散射添加剂和/或填充材料。
11.根据权利要求10所述的照明装置(1)，
其特征在于
由Al2O3和/或TiO2提供光散射添加剂。
12.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
间隔件(4)和玻璃复合材料通过在保护气体下以大约1000℃熔合而密封地连接。
13.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述玻璃复合材料包含附加的添加剂，所述附加的添加剂防止在所述照明装置(1)的生产期间染料颗粒从玻璃基质分离。
14.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述照明元件(3)的电触点在其下侧被密封，并且还通过玻璃馈通或通过金属直通连接通过所述基板(2)被密封地引导到外部。
15.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述玻璃复合材料的厚度在0.2至1.0mm之间，优选在0.4至0.8mm之间。
16.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
所述照明装置(1)被设计为环形灯或以相关结构形状的形式被设计。
17.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
由发光玻璃复合材料制成的所述光学元件(5)在一侧或两侧具有曲率。
18.根据前述权利要求中的一项所述的照明装置(1)，
其特征在于
该装置的所有部件均由材料制成，并且其互连设计成使得该装置(1)可高压灭菌，即适合于过热蒸汽灭菌，并且具有抗高温冲击性。
19.根据前述权利要求1至18所述的照明装置(1)的生产方法，
其特征在于以下步骤：
-在间隔件(4)和光学元件(5)之间产生密封连接：
变型1：A)通过熔化具有均匀混合在其中的发光颗粒和任何添加剂的玻璃粉末来制造棒状玻璃体；
B)从所述玻璃体分离所需厚度的玻璃板；
C)将所述玻璃板插入所述间隔件(4)的开口中；
D)在保护气体下以大约1000℃以密封方式熔合；
变型2：a)压制具有均匀混合在其中的发光颗粒和任何添加剂的玻璃粉末；
b)将板片插入所述间隔件(4)的开口中；
c)在保护气体下以大约1000℃以密封方式熔合；
-将所述照明元件(3)以密封的方式附接到所述基板(2)，并且借助于玻璃馈通或金属直通连接将通过所述基板(2)的所述照明元件(3)的电线密封；
-通过钎焊，焊接，优选激光焊接以密封的方式将所述基板(2)连接到所述间隔件(4)。
20.根据权利要求19所述的方法，
其特征在于
在熔合步骤期间，通过合适的模具元件将所述光学元件(5)制成特定形状。
21.医疗，特别是牙科手持件或反角手持件，
其特征在于
其包括根据前述权利要求中的一项所述的照明装置。
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