DE202005020763U1

DE202005020763U1 - Handgriffelement für eine medizinische Vorrichtung mit einem gekapselten LED-Modul

Info

Publication number: DE202005020763U1
Application number: DE202005020763U
Authority: DE
Original assignee: W&H Dentalwerk Buermoos GmbH
Current assignee: W&H Dentalwerk Buermoos GmbH
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2015-01-18

Abstract

Handgriffelement (200) für eine medizinische Vorrichtung mit mindestens einem gekapselten LED-Modul (10) wobei das LED-Modul folgendes umfaßt:
– einen Sockel (20),
– mindestens einen LED-Chip (60), der direkt oder indirekt auf dem Sockel (20) befestigt ist,
– mindestens eine Abdeckung (80), die so an den Sockel (20) befestigt ist, daß sie mit dem Sockel (20) einen hermetisch abgedichteten Innenraum (90) bildet, in dem der mindestens eine LED-Chip (60) angeordnet ist,
– wobei der Sockel und/oder die mindestens eine Abdeckung (80) mindestens einen transparenten Bereich (84) zum Durchtritt des von dem mindestens einen LED-Chip (60) direkt oder indirekt erzeugten Lichts umfaßt,
– mindestens eine Kontaktvorrichtung (40, 50) für die Energieversorgung des mindestens einen LED-Chips (60).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Handgriffelement für eine medizinische Vorrichtung mit einem gekapselten LED-Modul, das mindestens einen LED-Chip umfaßt.
Solche Handgriffelemente oder Handgriffe werden in mannigfaltigen medizinischen Geräten eingesetzt, insbesondere in der Dentalmedizin, bei der solche Handgriffe beispielsweise für rotierende, oszillierende oder eine Hubbewegung ausführende Werkzeuge, wie zum Beispiel Bohrer, Sägen, Fräsen oder Feilen, für prophylaktische Anwendungen, z.B. zum Polieren von Zähnen mit Bürsten oder Prophy-Cups, für Scaler zur Zahnsteinentfernung, für endodontische Anwendungen, zum Beispiel zur Aufbereitung und Tiefenmessung des Wurzelkanals, für intraossere Injektionen oder auch für Laservorrichtungen verwendet werden. Die entsprechenden Werkzeuge, die in solche Handgriffe eingesetzt werden, beispielsweise ein mechanischer Bohrer, können mittels Elektromotoren aber auch mittels druckluftbetriebenen Turbinen angetrieben werden. Vorrichtungen wie beispielsweise ein Scaler werden pneumatisch oder elektrisch (mittels eines magnetostriktiven oder Piezo-Elements) angetrieben.
Handgriffe werden jedoch auch in vielen anderen medizinischen, zahntechnischen, dentalchirurgischen und allgemein-chirurgischen Bereichen, wie zum Beispiel der Orthopädie und der Knochenchirurgie, verwendet. Auch hier können typischerweise unterschiedliche "Werkzeuge" verwendet werden, wobei unter dem Begriff "Werkzeuge" auch in diesem Fall mechanische Werkzeuge (Sägen, Fräser, Reamer, Shaver, Bohrer, Feilen, ...) oder beispielsweise Laserbehandlungswerkzeuge fallen.
Neben den Handgriffen zum Antrieb von Werkzeugen sind verschiedenste medizinische Handgriffe bekannt, deren Aufgabe primär in der Abgabe von Licht besteht. Dazu gehören insbesondere Handgriffe zum Aushärten lichthärtender Materialien, Handgriffe zur Abgabe einer Behandlungs- oder Diagnosestrahlung, zum Beispiel zum Nachweis kariösen Gewebes, Handgriffe zur Beleuchtung der Präparations-/Operationsstelle, Handgriffe zur Abgabe einer Behandlungs- oder Kühlflüssigkeit, sogenannte Spritzhandstücke, oder Handgriffe zum Absaugen von Flüssigkeiten, sogenannte Funktionshandstücke.
Unter dem Begriff Handgriffelement sind im wesentlichen vollständige Handgriffe, aber auch Teilelemente, Bausteine etc. solcher Handgriffe zu verstehen, beispielsweise auch Motore, insbesondere Bürstenmotore und bürstenlose Elektromotore, Kupplungen, Adapter und Zwischenstücke zur Verbindung von Bauteilen eines medizinischen Geräts.
Insbesondere im Dentalbereich, aber auch in vielen anderen medizinischen Bereichen, ist es erforderlich oder wünschenswert, den Arbeitsbereich zu beleuchten, wobei zur Beleuchtung unterschiedliche Beleuchtungssysteme eingesetzt werden, unter ihnen auch LEDs.
Um die LEDs vor Belastungen und Verunreinigungen, beispielsweise durch Feuchtigkeit, Nässe, Partikel, Staub, etc, zu schützen, können die LEDs gekapselt werden, wobei sie hierzu in einem transparenten Kunststoff eingegossen werden, üblicherweise Epoxidharz.
In der EP 1 093 765 A2 ist beispielsweise ein Handgriff für eine medizinische Vorrichtung beschrieben, der LEDs aufweist, die in einer LED-Haltevorrichtung angeordnet sind, wobei die Haltevorrichtung, in der sich die LEDs befinden, vollständig mit Epoxidharz ausgegossen ist.
Obwohl diese in Epoxidharz eingegossenen LEDs weitgehend Feuchtigkeit oder Verunreinigungen fernhalten, hat sich insbesondere herausgestellt, daß die Epoxid-Schutzumhüllung nicht besonders temperaturbeständig ist und insbesondere im Falle häufiger Temperaturschwankungen Undichtigkeiten auftreten können. Ferner hat sich herausgestellt, daß in dem Falle, daß die Handgriffe häufiger sterilisiert werden, was bei dem medizinischen Geräten zwingend erforderlich ist, die Epoxidverkapselungen trüb werden bzw. Farbveränderungen auftreten, so daß die Lichttransmission negativ beeinflußt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Handgriffelement mit einem gekapselten LED-Modul und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen, bei dem insbesondere die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Handgriffelement gemäß Anspruch 1 Die Ansprüche 2 bis 16 betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Handgriffs nach Anspruch 1.
Erfindungsgemäß umfaßt das gekapselte LED-Modul in dem Handgriff einen Sockel und mindestens einen LED-Chip, der direkt oder indirekt auf dem Sockel befestigt ist.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Handgriffelements ist, daß aufgrund der Anordnung des LED-Moduls ein hermetisch abgedichteter Innenraum zur Verfügung gestellt wird, der zum einen den mindestens einen LED-Chip sicher gegen schädliche Umgebungseinflüsse sichert, gleichzeitig aber ferner der LED-Chip selbst nicht durch Harz oder ähnliche Materialien, die im Stand der Technik zur Abdichtung verwendet werden, negativ beeinflußt wird. Insbesondere ermöglicht der geschaffene hermetisch abgedichtete Innenraum auch die Möglichkeit, neben dem mindesten einen LED-Chip weitere Funktionselement mit einzubringen, wie zum Beispiel Filter, Reflektionselemente, Farbkonversionsmaterialien etc., so daß ein hermetisch abgedichteter Funktionsraum gebildet wird, der eine Vielzahl von Funktionselementen vor gegebenenfalls schädlichen Umgebungseinflüssen schützt, ferner ein direktes und effektives Zusammenwirken dieser Funktionselemente ermöglicht. Ferner wird der Ein satz von bestimmten Funktionselementen, wie zum Beispiel des Farbkonversionsmaterials, durch einen solchen hermetisch abgedichteten Innenraum erst ermöglicht, so daß die gewünschten LED-Chips und LED-Module erst dadurch in Handgriffelementen für medizinische Vorrichtungen eingesetzt werden können.
Ein Sockel, insbesondere aus metallischem Material, hat den Vorteil, daß er eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß Wärme, die von dem mindestens einen LED-Chip zwangsweise erzeugt wird, gut abgeführt werden kann, was zum einen den LED-Chip schont und damit zu einer höheren Lebensdauer führt, zum anderen einen hohen Wirkungsgrad sicherstellt. Ferner wird bevorzugt der Sockel bei einem Einbau in einem Gerät ebenfalls an einem gut wärmeleitenden Material befestigt, so daß die Wärme auch von dem Sockel selbst gut weggeleitet werden kann.
Bevorzugt ist daher der LED-Chip direkt auf dem Sockel angeordnet, da auch dies die Ableitung entstehender Wärme fördert, es ist jedoch auch möglich, den LED-Chip indirekt auf dem Sockel, d.h. insbesondere mit einer Zwischenschicht, anzubringen, wobei sich hier ebenfalls metallische Schichten, aber auch thermisch leitende und elektrisch leitende oder thermisch leitende und elektisch nichtleitende Klebe-Schichten oder elektrischen Isolationsschichten eignen.
Erfindungsgemäß umfaßt das gekapselte LED-Modul in dem Handgriff ferner eine Abdeckung, insbesondere aus einem metallischen Material, die so an dem Sockel befestigt ist, daß sie mit dem Sockel einen hermetisch abgedichteten Innenraum bildet, in dem der mindestens eine LED-Chip angeordnet ist, wobei die Abdeckung einen transparenten Bereich, insbesondere ein Glasfenster, zum Durchtritt des von dem mindestens einen LED-Chip erzeugten Lichts umfaßt.
Da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einem Sockel und einer Abdeckung, insbesondere aus metallischem Material, sowie dem transparenten Bereich eine Gesamtverkapselung zur Verfügung gestellt wird, die bevorzugt ausschließlich aus Metall und Glas besteht, und deren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt sein können, treten die oben geschilderten Probleme bei Modulen, in denen ein LED-Chip in eine transparente Kunststoffschicht eingegossen ist, nicht auf, wobei insbesondere auch bei längerem Einsatz in einer Umgebung mit wechselnden Temperaturen oder auch bei wiederholten Sterilisationsprozessen ein Eindringen von Partikeln, Wasserdampf, Chemikalien, etc. unmöglich gemacht wird. Auch treten keine Verschlechterungen des Wirkungsgrades durch eine Trübung oder eine Farbveränderung auf, was die effektive Lebensdauer eines LED-Moduls deutlich erhöht.
Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, daß der Begriff "Glas" in einem weiten Umfang ausgelegt sein soll und einen amorphen Festkörper betrifft, der sich im Glaszustand befindet bzw. der durch einen Glasübergang aus der Schmelze entstanden ist. Es sind unterschiedliche Arten von Gläsern bekannt, wie beispielsweise Oxid-Gläser (z.B. SiO₂, B₂O₃, GeO₂, Al₂O₃, P₂O₅) oder Chalkogenid-Gläser (z.B. As₂S₂, P₂Se) sowie molekulare bzw. organische Gläser. Insbesondere wird ein optisches Glas verwendet, das sich durch hohe Reinheit der verwendeten Materialien, hohe Lichtdurchlässigkeit, Durchsichtigkeit sowie durch Spannungs- und Schlierenfreiheit auszeichnet. Der Begriff "Glasfenster" umfaßt auch Linsen und Lichtleiter.
Bevorzugt umfaßt das gekapselte LED-Modul in dem Handgriff ferner mindestens ein Kontaktelement für die Energieversorgung des mindestens einen LED-Chips, wobei das mindestens eine Kontaktelement mit dem LED-Chip verbunden und durch Öffnungen in dem Sockel aus dem Innenraum herausgeführt ist, wobei diese Öffnungen mittels einer Glasversiegelung verschlossen sind. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kontaktstifte, der Glasversiegelung und des Sockels sind bevorzugt so aufeinander abgestimmt, daß auch bei raschen Temperaturwechsel keine Undichtigkeiten auftreten können. Ferner umfaßt das gekapselte LED-Modul mindestens ein Bondingelement zum Verbinden des mindestens einen Kontaktelements mit dem mindestens einen LED-Chip.
Durch diese Konfiguration wird insbesondere ein einfaches Herstellungsverfahren ermöglicht, ferner kann sichergestellt werden, daß der Sockel mit Kontaktelementen, die durch Öffnungen in dem Sockel hindurchgeführt und mittels einer Glasversiegelung abgedichtet worden sind, hergestellt werden kann, bevor der LED-Chip auf dem Sockel aufgesetzt wird. Dies stellt sicher, daß der LED-Chip nicht hohen Temperaturen ausgesetzt wird, die beispielsweise beim Herstellen der Glasversiegelung für den Sockel auftreten, da die LED-Chips, insbesondere Hochleistungs-LED-Chips, durch hohe Temperaturen beschädigt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Kontaktelemente vorgesehen, die mit jeweils mindestens einem Bondingelement, bevorzugt einem Bonding-Draht, mit den jeweiligen Anschlüssen des LED-Chips verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, lediglich ein Kontaktelement vorzusehen, während der zweite Anschluß des LED-Chips über ein Bondingelement, auch hier bevorzugt einen Bonding-Draht, mit dem Sockel des LED-Moduls verbunden ist, der als Masse dient.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedes Kontaktelement mittels zweier Bonding-Drähte mit dem entsprechenden Anschluß des LED-Chips verbunden. Hierdurch wird eine besonders hohe Leitfähigkeit zur Verfügung gestellt, ferner eine Funktionsweise des Systems auch dann sichergestellt, wenn beispielsweise ein Bonding-Draht während des Einsatzes des LED-Moduls beschädigt wird, beispielsweise durch Erschütterungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Bondingelement bzw. bestehen die Bondingelemente aus Gold oder einer Gold-Legierung, wobei ferner bevorzugt die Kontaktelemente mit einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet sind. Bevorzugt wird hier eine hochreine sogenannte "Dickschicht" aus einem Gold-Nickel-Material verwendet.
Das dadurch ermöglichte "Gold-Bonding" benötigt im Vergleich zu einem Aluminium-Bonding deutlich geringere Temperaturen, so daß auch diese bevorzugte Ausgestaltung vermeidet, daß der LED-Chip bei der Herstellung des LED-Moduls erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, so daß Beschädigungen, die zum totalen Ausfall des LED-Chips führen können, vermieden werden. Bevorzugt bestehen die Kontaktelemente selbst aus einer Co-Fe-Ni-Legierung, die, wie oben erwähnt, vorzugsweise mit einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet ist. Die Nickel-Schicht, die auf der Co-Fe-Ni-Legierung aufgebracht ist, weist bevorzugt eine Dicke von 4 bis 8 μm auf, die darauf bevorzugt galvanisch aufgebrachte Goldschicht hoher Reinheit weist insbesondere eine Dicke von 0,4 bis 0,65 μm auf.
Bei einer speziellen Ausführungsform ist in dem LED-Modul ferner ein Farbkonversionsmaterial vorgesehen. Ein solches Farbkonversionsmaterial wird eingesetzt, um die Wellenlänge des von dem LED-Chip emittierten Lichts zu verändern, insbesondere um ein im wesentlichen "weißes Licht" zu erzeugen.
Solche Farbkonversionsmaterialien können beispielsweise Lumineszenzfarbstoffe enthalten, die beispielsweise durch energiereiches blaues Licht zum Leuchten angeregt werden, wodurch langwelligeres, energieärmeres gelbes Licht abgegeben wird. Da nicht das gesamte blaue Licht umgewandelt wird, gibt die resultierende additive Mischung der Spektralfarben ein weißes Licht. Der Farbton bzw. die sogenannte Farbtemperatur sind dabei über Wahl und Dosierung der Farbstoffe in weiten Bereichen einstellbar. Eine bevorzugte Farbtemperatur einer weißen LED liegt je nach Anwendung zwischen 3000 K und 7000 K, insbesondere zwischen 4000 K und 6000 K. Um die Lichtabgabe zu verbessern, kann die Innenseite der Abdeckung mit einem reflektierenden Material beschichtet sein, um somit Streulicht zurück in den Innenraum oder Funktionsraum zu bringen. Eine weitere Möglichkeit, um die Lichtausbeute zu verbessern, ist der Einsatz von Miniaturreflektoren um den LED Chip.
Bevorzugt wird insbesondere eine Farbkonversionspaste eingesetzt, die entweder direkt auf den LED-Chip aufgebracht wird, beispielsweise durch Aufspritzen bzw. "Jetten". Es ist jedoch auch möglich, die Farbkonversionspaste in den "Raum" um den LED-Chip, also innerhalb des Innenraums des LED-Moduls, aufzubringen. Auch ist es prinzipiell möglich, die Farbkonversionspaste bzw. das Farbkonversionsmaterial auf der Innenseite des Fensters der Abdeckung des LED-Moduls aufzubringen sowie beispielsweise mittels eines Druckverfahrens genau dosiert das Konversationsmaterial auf das LED Modul direkt aufzutragen.
Die Farbkonversionsmaterialien bzw. Farbkonversionspasten werden bevorzugt in einem Ofen ausgehärtet, wobei hier relativ geringe Temperaturen, insbesondere Temperaturen kleiner als 150°C, beispielsweise kleiner als 120°C, verwendet werden, die sich nicht negativ auf den LED-Chip auswirken.
Als Farbkonversionsmaterialien können beispielsweise Orthosilikate, wie beispielsweis in der US 6,809,347 offenbart, oder YAG Farbstoffe eingesetzt werden, die Farbkonversionspigmente können insbesondere in einem organischen Trägermaterial, bevorzugt transparenter Epoxidharz oder silikonbasierte Trägermaterialen eingebettet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abdeckung des LED-Moduls an dem Sockel angeschweißt, wobei bevorzugt dieses Anschweißen mittels eines sehr präzisen und kurzen Laserprozesses durchgeführt wird. Der Laserprozeß ist bevorzugt innerhalb einer sehr kurzen Zeit, bevorzugt innerhalb von maximal drei Sekunden, insbesondere innerhalb von 2 Sekunden, abgeschlossen. Ferner findet das Verschweißen der Abdeckung an dem Sockel bevorzugt an Bereichen des Sockels statt, die möglichst weit von dem aufgebrachten LED-Chip entfernt sind, um die Wärmebelastungen des LED-Chips zu minimieren. Neben dem Verschweißen mittels eines Lasers ist es prinzipiell auch möglich, die Abdeckung an dem Sockel anzulöten bzw. zu verkleben. Weiters ist es möglich, den Sockel mit der Abdeckung durch elektrische Widerstandsschweißung, mittels Kaltschweißverfahren oder durch Press-Fit-Verfahren zu verbinden.
Bei einer besonderen Ausführungsform sind der transparente Bereich oder das Fenster in einer Öffnung der Abdeckung des LED-Moduls angeordnet und bevorzugt mit dieser durch sogenanntes Glaslot verbunden, wobei bei einer anderen Ausführungsform das Fenster in dieser Öffnung eingeschmolzen ist. Beide Verbindungsmöglichkeiten stellen eine hohe Dichtigkeit und Lebensdauer sicher.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fenster ferner als Linse ausgebildet, so daß eine besondere Abstrahlcharakteristik des emittierten Lichts eingestellt und auf dem jeweiligen Anwendungsbereich angepaßt werden kann. Auch kann das Fenster als Lichtleiter ausgebildet sein, so daß Licht, das durch die Öffnung der Abdeckung austritt, in dem Lichtleiter zu einer gewünschten Austrittsstelle geführt wird. Als Lichtleiter-Fenster eignet sich insbesondere ein Glasfenstermaterial.
Ferner können LED-Module in dem Handgriff oder in Handgriffelementen vorgesehen sein, die mehrere LED-Chips umfassen. Dabei ist es möglich, daß es sich bei den LED-Chips um im wesentlich identische LED-Chips handelt, es ist jedoch auch möglich, daß LED-Chips unterschiedlicher Art vorgesehen sind. Beispielsweise können mehrere LED-Chips vorgesehen sein, die Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufweisen, so daß insgesamt ein im wesentlichen weißes Licht abgestrahlt wird. Auch ist es möglich, durch die Verwendung und/oder gezielte Ansteuerung einzelner LED-Chips unterschiedliche Farben und/oder Spektralanteile auszublenden bzw. diese gezielt zu erzeugen.
Auch ist es möglich, daß mehrere LED-Chips zusammengefaßt werden, um die Gesamtabstrahlleistung des LED-Moduls zu erhöhen oder ein bestimmtes Abstrahlmuster oder einen gewünschten Beleuchtungsbereich zu erzielen.
Die LED-Chips können auf unterschiedliche Weisen angeordnet sein, beispielsweise in einer Rasteranordnung, aber auch linienförmig, kreisförmig oder kreissegmentförmig, um bestimmte Anforderungen in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen zu erfüllen, beispielsweise Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen, um Schattenwürfe zu vermeiden bzw. deren Auswirkungen zu verringern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Handgriff um eine dentalmedizinische Vorrichtung, insbesondere einen Handgriff für einen Bohrer, einen Scaler oder eine Laservorrichtung. Das gekapselte LED-Modul dient hier der Beleuchtung des Arbeitsbereichs, so daß das LED-Modul bzw. entsprechende Lichtleiter oder Lichtleitvorrichtungen so angeordnet sind, daß das von dem LED-Modul erzeugte Licht insbesondere auf diesen Arbeitsbereich und die direkte Umgebung ausgerichtet ist.
Ein erfindungsgemäßes Handgriffelement kann dabei ein einziges LED-Modul umfassen, das, wie oben erläutert, einen ohne mehrere LED-Chips umfassen kann, es ist jedoch auch möglich, daß ein Handgriff mehrere LED-Module umfaßt.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Handgriffelements ist das LED-Modul bzw. sind die LED-Module so angeordnet, daß das von den LED-Chips emittierte Licht direkt aus dem Fenster austritt, insbesondere aus einem im wesentlich planaren Fenster oder einem als Linse ausgebildeten Fenster, und auf den Arbeitsbereich gerichtet ist. Bei einer anderen bevorzugten Ausbildungsform ist jedoch das LED-Modul mit einem Lichtleiter verbunden, der das von dem LED-Modul erzeugte Licht insbesondere im Handgriff weiterleitet und an einer Austrittsstelle, bevorzugt in der Nähe eines Arbeitskopfes eines Handgriffes, auf den Arbeitsbereich abgibt.
Es ist dabei möglich, daß der Lichtleiter, bevorzugt ein Glasfasermaterial, direkt mit der Abdeckung des LED-Moduls verbunden ist, der Lichtleiter daher als "Fenster" im Sinne dieser Erfindung dient, es ist jedoch auch möglich, daß das LED-Modul an sich abgeschlossen ist, insbesondere einen im wesentlichen planes Fenster umfaßt, an das sich direkt ein Lichtleiter als zusätzliches Element anschließt.
Auch ist es möglich, daß das aus dem LED-Modul austretende Licht durch andere Lichtleitelemente, beispielsweise Spiegel oder Reflexionsflächen, innerhalb des Handgriffes bis zu einer Austrittsfläche gelenkt wird, die bevorzugt durch ein Austrittsfenster abgeschlossen ist, so daß der Innenbereich des Handgriffes nach außen abgeschirmt ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Handgriffelement für eine medizinische Vorrichtung mit einem LED-Modul, das nicht oder nicht ausschließlich der Beleuchtung dient, wobei mindestens ein LED-Modul so ausgebildet ist, daß es Licht mindestens einer Wellenlänge emittiert, die Bearbeitungs- bzw. Behandlungszwecken dient. Ein typisches Anwendungsgebiet findet sich hierbei im Dentalbereich, für den ein Handgriff mit mindestens einem LED-Modul zur Verfügung gestellt wird, das Licht mindestens einer Wellenlänge emittiert, die dem Aushärten von lichthärtendem Kunststoff dient, der beispielsweise für Zahnfüllungen eingesetzt wird.
Es ist hierbei durchaus möglich, daß ein erfindungsgemäßes Handgriffelement auch ein oder mehrere LED-Module umfaßt, die ausschließlich der Beleuchtung dienen, und ferner mindestens ein LED-Modul umfaßt, das solchen Bearbeitungs- bzw. Behandlungszwecken dient. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß ein einziges LED-Modul beide Zwecke erfüllt, insbesondere kann das LED-Modul so ausgebildet sein, daß die Wellenlänge bzw. der Wellenlängenbereich des emittierten Lichts gesteuert und eingestellt werden kann.
Bei der Herstellung eines solchen Handgriffelements mit einem gekapselten LED-Modul wird der Sockel insbesondere bevorzugt auch mit dem mindestens einen Kontaktelement und der zugehörigen Glasversiegelung hergestellt, bevor der mindestens eine LED-Chip auf dem Soc kel befestigt wird, wodurch sichergestellt werden kann, daß der oder die LED-Chips bei der Herstellung keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Auch aufgrund der Tatsache, daß die Abdeckung mit dem bereits in einer Öffnung der Abdeckung befestigten Fenster getrennt von dem Sockel bzw. dem LED-Chip hergestellt wird, kann vermieden werden, daß die hierbei auftretenden höheren Temperaturen nicht auf dem LED-Chip wirken.
Das Verbinden der Abdeckung mit dem Sockel, bevorzugt mittels Verschweißen oder Verlöten, kann dabei sehr schnell erfolgen, so daß auch hierdurch keine erhöhten Wärmebelastungen auf den LED-Chip ausgeübt werden. Besonders bevorzugt wird das mindestens eine Kontaktelement mit dem mindestens einen LED-Chip mittels Gold-Bonden verbunden, wodurch ebenfalls die Temperaturen, insbesondere im Vergleich beispielsweise zu Aluminium-Bonden, gering gehalten und Belastungen des LED-Chips vermieden werden. Wie oben erläutert wird hierzu insbesondere ein Bonding-Draht aus Gold oder einer Gold-Legierung verwendet, ferner werden bevorzugt Kontaktelemente verwendet, die mit einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet sind.
Bei einer optionalen Ausführungsform wird ferner vor dem Aufsetzen der Abdeckung auf den Sockel ein Farbkonversionsmaterial eingebracht, das entweder direkt auf den LED-Chip aufgebracht (vor oder nach dem Befestigen des LED-Chips auf dem Sockel) oder in den Umgebungsbereich des LED-Chips nach dessen Befestigung auf dem Sockel eingebracht wird, wobei bei einer anderen Ausführungsform das Farbkonversionsmaterial auch auf der Innenseite des Fensters der Abdeckung aufgebracht werden kann.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen LED-Moduls und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen deutlich:
1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines LED-Moduls eines erfindungsgemäßen Handgriffs in schematischer Darstellung;
2 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines LED-Moduls eines erfindungsgemäßen Handgriffs in schematischer Darstellung;
3 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines LED-Moduls eines erfindungsgemäßen Handgriffs in schematischer Darstellung;
4 zeigt einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines LED-Moduls eines erfindungsgemäßen Handgriffs in schematischer Darstellung;
5 zeigt einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines LED-Moduls eines erfindungsgemäßen Handgriffs in schematischer Darstellung;
6 zeigt einen Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform eines LED-Moduls eines erfindungsgemäßen Handgriffs in schematischer Darstellung;
7 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines LED-Chips zum Einsatz in einem LED-Modul eines erfindungsgemäßen Handgriffs;
8 zeigt einen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls in schematischer Darstellung;
9 zeigt eine Querschnitt durch eine achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls in schematischer Darstellung;
10 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Handgriffelement, teilweise im Querschnitt, mit einem LED-Modul; und
11 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus dem in 8 gezeigten Handgriffelement.
1 zeigt schematisch und im Querschnitt eine erste Ausführungsform eines LED-Moduls 10 für ein erfindungsgemäßes Handgriffelement (200, s. 10). Das LED-Modul 10 umfaßt einen metallischen Sockel 20, wobei der metallische Sockel 20 bei dieser Ausführungsform aus einer Eisen-Nickel Legierung besteht.
In dem metallischen Sockel 20 sind zwei Öffnungen zur Durchführung jeweils eines Kontaktelementes 40 vorgesehen, wobei die Öffnungen in dem Sockel 20 wie auch der Querschnitt der länglichen Kontaktelemente 40 im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind.
Die Öffnungen in dem Sockel 20 sind mittels Glasversiegelungen 22 verschlossen, wobei die Glasversiegelung 22 gleichzeitig eine sichere Befestigung der Kontaktelemente 40 an dem Sockel 20 ermöglicht.
Direkt auf dem Sockel 20 ist ein LED-Chip 60 angeordnet, der mittels zweier Bondingdrähte 50 mit Kontaktköpfen 42 der Kontaktelemente 40 verbunden ist.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform bestehen die Kontaktelemente 40 im wesentlichen aus einer Co-Fe-Ni-Legierung, wobei die Kontaktköpfe 42 zusätzlich mit einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet sind. Die Bonding-Drähte 50 bestehen aus Gold. Durch diese Materialwahl der Kontaktköpfe 42 der Kontaktelemente 40 und des Bonding-Drahts 50 wird ein sogenanntes Gold-Bonding ermöglicht, das während des Bondings deutlich geringere Temperaturen benötigt als beispielsweise ein Aluminium-Bonding.
Wie aus 1 deutlich ersichtlich ist, weist der Sockel 20 in seinem Querschnitt eine Stufe 24 auf, so daß die Dicke des Sockels 20 in seinem Mittelbereich etwa doppelt so groß ist wie die Dicke des Sockels 20 in seinem Randbereich.
Das LED-Modul 10 umfaßt ferner eine metallische Abdeckung 80, die bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ebenfalls aus einer Eisen-Nickel Legierung besteht. Die Abdeckung 80 ist in ihrem Längs-Querschnitt im wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei sie am Ende ihres im wesentlichen zylindrischen Wandbereichs einen Flansch 82 aufweist, der im Außenbereich des Sockels 20 angeordnet und an diesen mittels Verschweißens befestigt ist.
Die Abdeckung 80 weist an ihrer Oberseite 86 eine im wesentlichen kreisförmige Öffnung 88 auf, in die ein Fenster 84 eingesetzt ist, das bei der in 1 gezeigten Ausführungsform als Linse ausgebildet ist, in diesem Falle eine plan-konvexe Linse. Das Fenster 84 ist bei dieser Ausführungsform in die Öffnung 88 eingeschmolzen, es besteht jedoch grundsätzlich die Möglichkeit, das Fenster auf andere Weise, beispielsweise mittels Verlöten, in der Öffnung zu befestigen.
Bei dem in 1 eingesetzten LED-Chip 60 handelt es sich typischerweise um einen 1 × 1 mm großen AIInGaN Blue LED Power Chip in Flip-Chip-Technologie mit einer dominanten Wellenlänge von ca. 460 nm mit ca. 2000 mcd Lichtleistung bei einer elektrischen Versorgung von 350 mA/3,2 V, wobei jedoch auch andere LED-Chips, beispielsweise AlGaInP verwendet werden können.
Der Chip weist eine Oberfläche von ca. 1 mm² auf, während der Durchmesser des Sockels 20 ca. 3 mm beträgt, der Durchmesser des Flansches des Sockels 20 beträgt ca. 4 mm. Die Dicke des Sockels 20 beträgt im Mittelbereich ca. 1 mm und im Randbereich ca. 0,5 mm. Der Durchmesser der Öffnung 88 in der Abdeckung 80 und damit der Durchmesser des als Linse ausgebildeten Fensters 84 beträgt ca. 2,5 mm. Selbstverständlich handelt es sich bei diesen Werten lediglich um Beispiele bei der hier gezeigten Ausführungsform, wobei Abweichungen je nach Anwendungsgebiet möglich sind.
Die 2, 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10 für einen Handgriff, die im wesentlichen dem in 1 gezeigten Modul entsprechen, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird. Gleiche oder ähnliche Elemente wurden mit identischen Bezugszeichen versehen.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform entspricht im wesentlichen der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei jedoch das Fenster 84 nicht als Linse ausgebildet ist, sondern vielmehr im wesentlichen eben verläuft, so daß eine im wesentlichen ungehinderte und unbeeinflußte Transmission durch dieses Fenster stattfindet.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform entspricht im wesentlich der in 2 gezeigten Ausführungsform, wobei zusätzlich ein Farbkonversionsmaterial 100 vorgesehen ist, das, lediglich in einer schematischen Darstellung, in dem Bereich um den LED-Chip 60 angeordnet ist. Bei dem Farbkonversionsmaterial 100 handelt es sich in dieser Ausführungsform um die in der US 6,809,347 erwähnte Orthosilikatverbindung auf Silikonbasis.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen LED-Moduls 10, die im wesentlichen der in 1 gezeigten Ausführungsform entspricht, wobei jedoch, wie auch bei der in 3 gezeigten Ausführungsform, ein Farbkonversionsmaterial 100 vorgesehen ist, wobei als Farbkonversionsmaterial 100 in diesem Falle die erwähnten YAG Farbstoffe zum Einsatz gekommen ist.
Bei den in den 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen ist die Abdeckung 80 mittels eines Laserverfahrens an dem Sockel 20 angeschweißt, bei den in den 2 und 4 gezeigten Ausführungsformen ist die Abdeckung 80 an dem Sockel 20 angelötet.
Die 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10', die mehrere LED-Chips 60 umfassen. Der grundsätzliche Aufbau entspricht jedoch im wesentlichen dem Aufbau der in den 1 bis 4 gezeigten LED-Module 10, so daß zur Vermeidung von Widerholungen auf die Beschreibung zu diesen Figuren Bezug genommen wird. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
Wie in 5 deutlich ersichtlich umfaßt die Ausführungsform des erfindungsgemäßen LED-Moduls 10' mehrere LED-Chips 60, die in Reihe angeordnet sind, wobei diese Ausführungsform insgesamt sechs LED-Chips 60 umfaßt. Die LED-Chips 60 sind miteinander bzw. mit den Kontaktelementen 40 mittels Bonding-Drähten 50 verbunden, die auch bei dieser Ausführungsform Golddrähte sind.
Die Abdeckung 80 umfaßt ein im wesentlichen planares, rechteckiges Fenster 84, das die Abstrahlung des von den LED-Chips 60 emittierten Lichts ermöglicht.
Auch der Sockel 20 der in 5 gezeigten Ausführungsform weist eine Stufe auf, wobei die Abdeckung 80 bei dieser Ausführungsform so ausgebildet ist, daß sie direkt an der Stufe 24 anliegt und, bei dieser Ausführungsform, angelötet ist, so daß eine sichere Befestigung der Abdeckung 80 an dem Sockel 20 sichergestellt ist.
6 zeigt, in einer teilweise geschnittenen Darstellung, eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls mit mehreren LED-Chips 60 (in 6 ist lediglich ein LED-Chip 60 sichtbar), wobei die LED-Chips 60 in einer kreisförmigen Konfiguration angeordnet sind. Ansonsten entsprechen die Ausgestaltungen dieser Ausführungsform im wesentlichen der in 5 gezeigten Ausführungsform.
Die Abdeckung 80 umfaßt jedoch im Gegensatz zu der in Figur gezeigten Ausführungsform nicht ein durchgehendes Fenster, sondern mehrere kreisförmige Fenster 84, wobei für jeden LED-Chip 60 ein Fenster 84 vorgesehen ist.
7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen LED-Chip 60, wie er ebenfalls in einem erfindungsgemäßen LED-Modul, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist, eingesetzt werden kann.
Wie in 7 schematisch ersichtlich, ist auf dem LED-Chip 60 direkt eine Farbkonversionspaste 100 aufgebracht, wobei es sich bei der Farbkonversionspaste 100 um die in der US 6,809,347 erwähnte Orthosilikatverbindung auf Silikonbasis handelt. Die Farbkonversionspaste 100 ist mittels Jetten auf die Oberfläche des LED-Chips aufgebracht und durch Wärmeeinwirkung gefestigt worden.
Ebenfalls schematisch ersichtlich sind die Bonding-Drähte 50, bei denen es sich ebenfalls um Gold-Bonding-Drähte handelt. Der Vollständigkeit halber soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß die Gold-Bonding-Drähte 50 auch an der Seitenfläche des LED-Chips 60 angebracht sein können, so daß die gesamte Oberfläche und gegebenenfalls Seitenflächen bzw. Teilbereiche der Seitenflächen des LED-Chips mit einer Farbkonversionspaste 100 versehen werden kann.
8 zeigte eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls, das im wesentlichen der in 4 gezeigten Ausführungsform entspricht, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung zu 4 verwiesen wird. Im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Ausführungsform ist jedoch das Farbkonversionsmaterial 100 direkt auf der Oberfläche des LED-Chips 60 aufgebracht und bedeckt im wesentlichen die gesamte Oberfläche des LED-Chips 60, so daß insbesondere die Hauptabstrahlrichtung des LED-Chips vollständig von dem Farbkonversionsmaterial 100 abgedeckt ist.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10, das im wesentlichen der in 3 gezeigten Ausführungsform entspricht. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Ausführungsform ist jedoch der gesamte Innenraum 90 des LED-Moduls 10 mit einem Farbkonversionsmaterial 100 ausgefüllt.
10 und 11 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Handgriffelements 200, die einen Anschlußbereich 220 zum Anschluß an eine Versorgungsvorrichtung (nicht gezeigt) einen Griffteil 260 und einen Bearbeitungskopf 240 umfaßt. Der Bearbeitungskopf 240 umfaßt einen Werkzeug-Anschlußbereich 242 für ein einzusetzendes Werkzeug, beispielsweise einen Bohrer.
Bei dem hier gezeigten Handgriffelement bzw. Handgriff 200 handelt es sich um einen Turbinenhandgriff, der mit Druckluft betrieben ist, wodurch insbesondere hohe Drehzahlen des einzusetzenden Bohrers (nicht gezeigt) erzielt werden können.
In dem Griffteil 260 des erfindungsgemäßen Handgriffs 200 ist ein LED-Modul 10 angeordnet, wie er insbesondere in der 11 dargestellt ist, die eine Vergrößerung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts aus 8 zeigt.
Bei dem LED-Modul 10 handelt es sich um eine Modul, wie es in 2 dargestellt ist, wobei direkt angrenzend an das Fenster (84, s. 2) des LED-Moduls 10 ein Lichtleiter 284 angrenzt, bei dem es sich um einen Glasfaserleiter handelt. Das von den LED-Chips emittierte Licht wird daher durch das Fenster (84, s. 2) aus dem LED-Modul 10 emittiert und wird über den Lichtleiter 284 im Inneren des gekrümmten Griffteils 260 bis zu einem Licht-Austrittsbereich 262 geführt, wobei der Austrittsbereich 262 durch das Ende des Lichtleiters 284 gebildet wird. Der Austrittsbereich 262 ist dabei so angeordnet, daß ein Bearbeitungsbereich, der durch die Anordnung des Kopfes 240 bestimmt wird, ausgeleuchtet wird.
In 10 ist ferner ersichtlich, daß das Turbinenhandstück eine Druckluftleitung 300 zum Antrieb der Turbine und eine Rückluftleitung 320 zur Rückführung der Druckluft nach dem Durchlauf durch die Turbine umfaßt. Es soll auch an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß die 10 und 11 lediglich schematische Darstellungen sind, Abweichungen in der Ausgestaltung des Handgriffes daher im Rahmen der Erfindung liegen.
Die in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10, 10': Gekapseltes LED-Modul
20: Sockel
22: Glasversiegelung
24: Stufe (Sockel)
40: Kontaktelement
42: Kontaktköpfe (Kontaktelement 40)
50: Kontaktelement
60: LED-Chip
80: Abdeckung
82: Flansch (Abdeckung 80)
84: Glasfenster
86: Oberseite (Abdeckung 80)
88: Öffnung (Abdeckung 80)
90: Innenraum
100: Farbkonversionsmaterial
200: Handgriff/Handgriffelement
220: Anschlußbereich (Handgriff 200)
240: Bearbeitungskopf
242: Werkzeug-Anschlußbereich (Bearbeitungskopf 240)
260: Griffteil
262: Licht-Austrittsbereich
284: Lichtleiter
300: Druckluftleitung
320: Rückluftleitung

Claims

Handgriffelement (200) für eine medizinische Vorrichtung mit mindestens einem gekapselten LED-Modul (10) wobei das LED-Modul folgendes umfaßt: – einen Sockel (20), – mindestens einen LED-Chip (60), der direkt oder indirekt auf dem Sockel (20) befestigt ist, – mindestens eine Abdeckung (80), die so an den Sockel (20) befestigt ist, daß sie mit dem Sockel (20) einen hermetisch abgedichteten Innenraum (90) bildet, in dem der mindestens eine LED-Chip (60) angeordnet ist, – wobei der Sockel und/oder die mindestens eine Abdeckung (80) mindestens einen transparenten Bereich (84) zum Durchtritt des von dem mindestens einen LED-Chip (60) direkt oder indirekt erzeugten Lichts umfaßt, – mindestens eine Kontaktvorrichtung (40, 50) für die Energieversorgung des mindestens einen LED-Chips (60).
Handgriffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (20) und/oder die mindestens eine Abdeckung (80) aus metallischem Material bestehen.
Handgriffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine transparente Bereich (84) aus Glas besteht.
Handgriffelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktvorrichtung mindestens ein Kontaktelement (40) für die Energieversorgung des mindestens ein LED-Chips (60) umfaßt, wobei das mindestens eine Kontaktelement in dem Innenraum (90) mit dem LED-Chip (60) verbunden und durch Öffnungen in dem Sockel (20) aus dem Innenraum (90) herausgeführt ist, wobei diese Öffnungen mittels einer Glasversiegelung (22) verschlossen sind, und mindestens ein Bonding-Element (50) zum Verbinden des mindestens einen Kontaktelements (40) mit dem mindestens einen LED-Chip (60) umfaßt.
Handgriffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Bonding-Element mindestens einen Bonding-Draht (50) umfaßt.
Handgriffelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bonding-Element (50) aus Gold oder einer Gold-Legierung besteht.
Handgriffelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Kontaktelement (50) mit einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet ist.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem LED-Modul (10) ein Farbkonversionsmaterial (100) vorgesehen ist.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (80) an dem Sockel (20) angeschweißt ist.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Bereich (84) in einer Öffnung (88) der Abdeckung (80) angelötet oder an die Öffnung (88) angeschmolzen ist.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Bereich (84) als Linse ausgebildet ist.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul (10) mehrere LED-Chips (60) umfaßt.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Handgriffelement einer dentalmedizinischen Vorrichtung handelt.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Handgriffelement um ein Turbinenhandstück, ein Handstück mit einem Elektromotor-Antrieb oder um ein Laserhandstück handelt.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Handgriffelement mindestens ein LED-Modul (10) zur Beleuchtung umfaßt.
Handgriffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Handgriff mindestens ein LED-Modul zu Bearbeitungs- bzw. Behandlungszwecken umfaßt.