JP2013543717A - 歯科用重合ランプへの電力供給に適した発電機 - Google Patents

Abstract

圧電モータ用の発電機は、歯科用重合ランプのための高出力ＬＥＤに整流器を介して電力供給するのにも適しており、それぞれ主巻き線（Ｌ１）及び副巻き線（Ｌ２）を備える２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）、及び超音波基準発振器で制御される４つのスイッチ（１９Ａ、１９Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ）を備え、２つのスイッチ（２１Ａ、２１Ｂ）は２つの変圧器の副巻き線を交互に圧電負荷（５）に接続するよう配設され、他の２つのスイッチ（１９Ａ、１９Ｂ）は２つの主巻き線を交互に電源（１７）に接続するよう配設され、これにより、正交番の間、変圧器のうちの１つの主巻き線は充電され、変圧器のうちの他方の副巻き線は圧電負荷（５）へ放電し、また、「負」交番の間、第１の変圧器の副巻き線はそのエネルギを放電し、第１の変圧器の主巻き線は充電される。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電変換器に電力供給するための発電機に関し、この発電機はまた、歯科用重合ランプのための高出力ＬＥＤに整流器を介して電力供給するのにも適している。本発明は更に、上述の発電機と、整流器を含む歯科用重合ランプとを備えるデバイスに関する。

歯科医学において、特に虫歯あるいは他の原因で生じた歯の穴を充填するために、光感受性組成物が一般的に使用されている。これを達成するために、まず歯科用組成物液又はペーストを歯の上又は中に配置し、続いて、組成物はランプによる照射を受け、これにより組成物は重合して硬化する。この目的のために、重合に必要な光量を生成するための、ＬＥＤ（発光ダイオード）を含む複数の歯科用重合ランプが存在する。波長４６０ｎｍ周辺の比較的狭い帯域に制限されたスペクトルを有する、「歯科用青色光」と呼ばれる有色光を放出する、高出力ＬＥＤを提案するＬＥＤ製造者もある。これらの「歯科用青色光」ＬＥＤの１つの利点は、比較的少量の寄生熱しか産生しないため、患者の口内に直接挿入するのに適していることである。

歯科用重合ランプのＬＥＤを動作させるためには、典型的には約１０〜２０ボルトの平流電圧と約１５ワットの電力を供給する電源に接続しなければならない。しかし、これらの値は単なる例として挙げたものであり、供給電圧は、ランプが備えるＬＥＤの個数及びＬＥＤを相互接続する方法にとりわけ左右されることは明らかである。

歯科医学において、超音波歯科用設備を使用することもできる。歯科医師は、汚れ落としのため、より一般的には歯の表面のいずれの沈着物を除去するために、この設備を使用する。通常、超音波歯科用設備は、実際に振動するツールを形成する超音波インサートが搭載された手持ち部品の形態を取る。この手持ち部品に圧電変換器も配設して、超音波振動を生成し、この振動をインサートに伝達する。

超音波設備の圧電変換器を作動させるためには、超音波周波数で交番する最大数百ボルトの電圧を供給する電源に接続しなければならない。公知の様式では、可撓性リードを用いて手持ち部品を電源に接続してよい。その上、手持ち部品とリードとの間の接合部にコネクタを配設してよく、これによって、特に清掃又は滅菌のために手持ち部品を取り外すことができる。

最近、Ｍｅｃｔｒｏｎ Ｓ．Ｒ．Ｌ．社は、全く異なる様式で動作する２種類の手持ち部品、即ち超音波設備として使用される手持ち部品と、歯科用重合ランプとして使用される手持ち部品との両方に接続することができる、多用途電子超音波発電機の販売を開始した。この種の多用途電子超音波発電機を用いる１つの利点は、超音波ツール用と重合ランプ用の２つの別個の電源を使用する必要がもはや無くなることである。

２つの電源の代わりに単一の多用途発電機を使用すると、いくつかの難点が生じる。実際、超音波設備を作動させるためには、数十ｋＨｚで交番する数百ボルトの電圧が必要である。これと対照的に、歯科用重合ランプを動作させるためには通常約１０ボルトの平流電圧しか必要としない。この難点を克服し、超音波装置を備える発電機を有する重合ランプに電力供給するための、１つの可能な解決法は、電圧を低下させて、交番電圧を平流電圧に変換するための回路をランプ内に配設することである。

この解決法もまた、ある難点を発生させる。実際、圧電変換器用の発電機の殆どは、特許文献１に記載されているような挙動を示す。添付の図１は特許文献１から引用したものであるが、これは、最小電力（カーブI）、中間電力（カーブII）、及び最大電力（カーブIII）それぞれの場合において、送達される電力Ｐを変換器インピーダンスＺに従って示す図である。中間電力カーブIIを参照すると、変換器インピーダンスＺが閾値Ｚｄ未満のままである間、変換器に送達される電力Ｐはインピーダンスに比例して増大することが分かる。インピーダンスが基準閾値を超えると、定電流発電機がブロックされ、電圧発電機のブロックが解除される。これ以降、送達される電力は、インピーダンスが増加するにつれて双曲線の法則に従って減少する。よって、圧電変換器用の通常の電力発電機は、（図１Ａの曲線I及びIIの概ね三角形の形状によって証明されるように、）極めて正確な変換器インピーダンス値についてしか最大電力を供給することができないという欠点を有することは明らかである。従って、重合ランプに電力供給するためには、電圧を低下させて整流するだけでは不十分であることは明らかである。ランプ及び電圧を低下させるための回路によって形成される負荷のインピーダンスが発電機に適合しているかどうかをチェックすることも必要である。

フランス特許第２３９１００１号

従って、本発明の目的は、送達される電力が実質的に負荷インピーダンスに依存しない、歯科用重合ランプに電力供給することができる電子超音波発電機を提供することであり、本発明の別の目的は、発電機とランプの間に電圧を低下させるための回路を挿入する必要がない、歯科用重合ランプに電力供給することができる電子超音波発電機を提供することである。

本発明はこの目的を、添付の請求項１による発電機を提供することによって達成する。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、単なる非限定的な例として与えられる以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。

図１Ａは、先行技術による圧電変換器用発電機によって圧電変換器のインピーダンスに従って送達される電力を示すグラフである。 図１Ｂは、本発明による発電機によって負荷インピーダンスに従って送達される電力と、先行技術による発電機によって同一の条件で送達される電力とを比較したグラフである。 図２は、本発明の実施形態の回路図である。 図３Ａは、図２の発電機の変圧器の巻き線における電流及び電圧を、ある負荷インピーダンス値において示すグラフである。 図３Ｂは、図２の発電機の変圧器の巻き線における電流及び電圧を、別の負荷インピーダンス値において示すグラフである。 図３Ｃは、図２の発電機の変圧器の巻き線における電流及び電圧を、更に別の負荷インピーダンス値において示すグラフである。

図２は、本発明の発電機の特定の実施形態の回路図であり、その出力は、歯科用重合ランプ７の高出力ＬＥＤ５に接続されている。ランプ７はまた、整流器９も備える。歯科用重合ランプ７に電力供給するための発電機は、２つの変圧器１１Ａ及び１１Ｂを含み、これらはそれぞれ、主巻き線Ｌ１及び副巻き線Ｌ２を備える。２つの副巻き線Ｌ２はそれぞれ、その端子のうちの一方によって、ランプ７の２つの端子のうちの一方に接続され、各副巻き線とランプとの間には、ダイオード（１３又は１５）も挿入されている。各副巻き線の他方の端子はアースに接続される。

変圧器１１Ａ及び１１Ｂの主巻き線Ｌ１はそれぞれ、電源の端子間でスイッチ（１９Ａ又は１９Ｂ）と直列接続される。本実施例では、電源は符号１７で示す電源によって形成され、その端子の一方は各主巻き線Ｌ１に接続され、その端子の他方はアースに接続される。スイッチ１９Ａ及び１９Ｂは、本明細書中で言及する他のスイッチと同様、トランジスタの形態で実装してよい電子制御スイッチである。これ以降、これらのスイッチを単に「スイッチ」と呼ぶものとする。２つの変圧器の副巻き線Ｌ２に接続されるのに加えて、ランプ７の２つの端子はそれぞれ、ダイオード２３及びスイッチ２１Ｂ、又はダイオード２５及びスイッチ２１Ａを介してアースにも接続される。つまり、ランプ７はダイオード１３、ダイオード２５及びスイッチ２１Ａと、変圧器１１Ａの副巻き線Ｌ２の端子間で直列接続され、ランプ７はまた、ダイオード１５、ダイオード２３及びスイッチ２１Ｂと、変圧器１１Ｂの副巻き線Ｌ２の端子間でも直列接続される。

スイッチ１９Ａ、２１Ｂは、ここでは「ダイレクト」信号と呼ばれる第１の周期的制御信号で制御されるよう配設され、スイッチ１９Ｂ及び２１Ａは、第２の周期的制御信号によって制御されるよう配設され、この第２の周期的制御信号は、第１の周期的信号に対して半周期分だけ位相変位されており、ここでは「逆」信号と呼ばれる。本実施例では、ある手段（図示せず）が、第１及び第２の制御信号を形成する周期的パルスの持続時間を制御する。このパルス幅変調（ＰＷＭ）は好ましくは両信号に作用し、２つの制御信号の周期的パルスが共に同一の持続時間を有するようにする。

発電機により供給される電力はパルス持続時間に左右されること、従って発電機により供給される電力をＰＷＭ手段が制御することが、以下の説明から、当業者には理解されるであろう。しかし、本発明はＰＷＭによって電力が制御される発電機に限定されるものではないことを指摘しておくべきである。実際、別の実施形態によると、発電機により供給される電力を例えば最終的なものとして設定することができる。その代わりに、発電機により供給される電力を、電源１７により供給される電圧を調節することにより、又は第１及び第２の制御信号の周波数を変化させることにより、制御することもできる。後者の可能性に関しては、圧電変換器と違って、歯科用重合ランプは共振回路を形成せず、抵抗性回路しか形成しない（つまり、発電機に接続される重合ランプの性質によって、発電機が作動されるべき周波数が決定されない）ことに留意することが重要である。

スイッチ１９Ａ及び２１Ｂは、「ダイレクト」信号パルスの持続時間全体にわたって閉状態である。「逆」信号パルスの持続時間全体にわたって閉状態であるのはスイッチ１９Ｂ及び２１Ａである。「逆」信号パルスの間、変圧器１１Ａの副巻き線Ｌ２、ランプ７、ダイオード１３及び２５並びにスイッチ２１Ａで形成される回路は閉状態であり、変圧器１１Ａに貯蔵されたエネルギは負荷に伝達される。同時に、スイッチ１９Ｂは閉状態であり、変圧器１１Ｂの主巻き線Ｌ１は電源１７に直接接続されている。主巻き線を通る電流は磁束の増強をもたらす。従って、エネルギは磁性回路内に貯蔵される。「ダイレクト」信号パルスの間は、その逆である。変圧器１１Ｂの副巻き線Ｌ２は、ランプ７、ダイオード１５及び２３並びにスイッチ２１Ｂを含む回路へと放電することによってエネルギを戻し、その一方で、変圧器１１Ａの主巻き線Ｌ１を通る電流は、磁性回路内に貯蔵されるエネルギを発生させる。図３Ａのグラフは、パルスの持続時間が半期間に正確に等しい例示的な場合における、２つの変圧器１１Ａ又は１１Ｂの一方の巻き線Ｌ１、Ｌ２及びＬ３内の電流及び電圧の挙動を示す。変圧器の主巻き線内の電流ＩＬ１は、ある交番の間に上昇し、降下してゼロに戻り、次の交番の持続時間の間そこに留まることを規則的に繰り返すことがわかる。２つの交番の間の遷移時に、副巻き線がこれを引き継ぐ。電流ＩＬ２は強度が低下しており、これは副巻き線を通って流れることがわかる。ここに示す実施例では、電流ＩＬ２は、貯蔵されたエネルギが完全に消費されるまで流れる。電流ＩＬ２の強度の変化に伴って、副巻き線の端子間の電圧ＵＬ２の対応する変化が起こる。

２つの変圧器１１Ａ及び１１Ｂを有すること、並びにランプ７を一方の変圧器及び他方の変圧器に交互に接続することにより、交番供給電圧がランプに供給されることになることは明らかである。更に、当業者には、要するにスイッチ１９Ａ、１９Ｂ、２１Ａ、２１Ｂの機能は、変圧器１１Ａ及び１１Ｂを、これらがフライバックモードで作動するように制御することであることが理解されるであろう。

負荷インピーダンスが、変圧器内に貯蔵されたエネルギの全てを消費するには不十分であるということが起こり得る。このような状況を図３Ｃのグラフに示す。このグラフを参照すると、負荷インピーダンスが特に低い場合、電流ＩＬ２及び電圧ＵＬ２は、交番が終わる前に降下してゼロに戻る時間がないことがわかる。また、副巻き線で消費されないエネルギは、次の交番の開始時には主巻き線内にあることもわかる。この消費されないエネルギのせいで、交番の開始時に主巻き線Ｌ１内の電流ＩＬ１の強度がゼロにならない（図３Ｃ）。よって、ある閾値より下では、インピーダンスが小さければ小さいほど、強い強度の電流ＩＬ１が主巻き線に存在することは明らかである。

図２はまた、２つの測定回路３９Ａ及び３９Ｂを示す。これらの測定回路はそれぞれ、主巻き線（Ｌ１）並びに２つの変圧器１１Ａ及び１１Ｂのうちの一方の電流を測定するために配設される。基本的には、測定回路で測定される電流は、発電機に接続された負荷のインピーダンスと相関している。よって、この測定を用いて発電機を調節することができる。具体的には、いずれの台形の電流形状（ＩＬ１、図３Ｃ）は、エネルギの一部が消費されておらず、先行する交番から変圧器内に残留していることを示すものである。更に、電流の測定は、例えばいずれの短絡若しくは共振周波数を検知することができ、又は、発電機に接続された負荷の種類（共振回路又は抵抗性回路）を自動的に決定することもできる。

図２はまた、変圧器１１Ａ及び１１Ｂはそれぞれ第３の巻き線Ｌ３を含むことを示す。変圧器１１Ａの巻き線Ｌ３は、電源１７とアースの間でダイオード３１及び抵抗器３５に直列接続される。同様に、変圧器１１Ｂの巻き線Ｌ３は、電源１７とアースの間でダイオード３３及び抵抗器３７に直列接続される。以下により詳細に見るように、巻き線Ｌ３の機能は、副巻き線Ｌ２の出力において供給される最大電圧を制限することである。

変圧器のうちの１つに貯蔵されたエネルギが負荷へと伝達される際に、Ｌ２における電流の強度が低下する速度は、負荷に関連するインピーダンスに当然左右される。インピーダンスが高ければ高いほど、電流の強度はより速く低下し、副巻き線の端子間の電圧はより高くなる。図３Ｂのグラフは、発電機に接続された負荷のインピーダンスが特に高い場合における、図２の発電機の挙動を示す。図３Ｂは、電流ＩＬ２の強度が図３Ａの場合よりも実質的により速く低下することを示す。更に、交番の開始時の電圧ＵＬ２はまた、図３Ａの場合よりもかなり高い。何らかの理由で（例えば回路内で焼損した構成部品のせいで）ランプ７のインピーダンスが極めて大きくなる場合、出力電圧ＵＬ２は発電機に損傷を与えるレベルまで上昇することがあることは明らかである。本実施例において、２つの変圧器１１Ａ及び１１Ｂがそれぞれ、第１の巻き線Ｌ１及び第２の巻き線Ｌ２に誘導結合される第３の巻き線Ｌ３を含むのは、このためである。

図２を再び参照すると、ダイオード３１及び３３は、そのカソードで巻き線Ｌ３に接続され、そのアノードでアースに接続される。各巻き線Ｌ３の他方の端子は、電源１７の正端子に接続されるため、ダイオードは通常負電圧ＵＬ３を受ける。こういった条件では、ダイオード３１及び３３は電流が通過するのを回避する。しかし、Ｌ３に誘導された電圧が平流供給電圧を超過する場合、ダイオードにわたって残存する電圧ＵＬ３は一時的に正電圧となり、電流ＩＬ３がＬ３を流れ始めることができる。この一時的な電流ＩＬ３は、巻き線Ｌ２の端子において電圧ＵＬ２を制限する効果を有する。よって、巻き線Ｌ３の存在によって、電圧ＵＬ２を、Ｌ２とＬ３の誘導値の比率を選択することによって決定される値に制限することができる。

図１Ｂは、圧電変換器インピーダンスによって説明した発電機により供給される電力の挙動を示す第１のカーブを含むグラフである。グラフはまた、前述の特許文献１で説明されているような圧電変換器のための従来技術による発電機の電力の挙動を示す第２のカーブも含む。図１Ｂは、第１のカーブが第１の上昇部分、第２の一定部分及び最後に第３の下降部分を含むことを示す。第２の部分は、グラフの中央部全てを占め、よって中間インピーダンス値に相当する。この範囲では、本発明の発電機により供給される電力は実質的に一定であり、発電機の挙動は図３Ａのグラフに示すものと対応する。カーブの第１の部分は、交番が終わる前に変圧器に貯蔵されたエネルギ全てを消費するには不十分なインピーダンス値を示すものである。このカーブの第１の部分は、発電機の挙動が図３Ｃのグラフに示すものと対応するような範囲を示すものである。この範囲内では、供給される電力はインピーダンスに比例して低減される。カーブの第３の部分は最も高いインピーダンスを示すものである。この領域に置ける発電機の挙動は、図３Ｂのグラフで説明されるものに対応する。この領域では。副巻き線Ｌ２の端子間の電圧は巻き線Ｌ３によって制限され、よって電流はインピーダンスが上昇するにつれて漸進的に減少する。

よって、図１Ｂの第１のカーブは、出力において本発明による発電機により供給される電力が、幅広い負荷インピーダンス値範囲について実質的に一定であることを示している。発電機が圧電変換器に電力供給する際、本発明のこの特徴により、変換器に、圧電変換器がさらされる物理的負荷のいずれの変動から独立して、一定の電力を供給することができる。更に、歯科用重合ランプのＬＥＤ（そのインピーダンスは極めて小さい）を圧電変換器として用いる場合、発電機により供給される電力は影響されない。

Claims (8)

1. 圧電変換器に電力供給するための、また、歯科用重合ランプのための高出力ＬＥＤに整流器を介して電力供給するのにも適している、発電機であって、
   それぞれ主巻き線（Ｌ１）及び副巻き線（Ｌ２）を備える２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）、及び超音波基準発振器で制御される４つのスイッチ（１９Ａ、１９Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ）を備え、
   ２つの前記スイッチ（２１Ａ、２１Ｂ）は前記２つの変圧器の前記副巻き線を交互に圧電負荷（５）に接続するよう配設され、他の２つの前記スイッチ（１９Ａ、１９Ｂ）は前記２つの主巻き線を交互に電源（１７）に接続するよう配設され、
   これにより、「正」交番と呼ばれる第１の交番の間、前記変圧器のうちの１つの前記主巻き線は充電され、前記変圧器のうちの他方の前記副巻き線は前記圧電負荷（５）へ放電し、また、「負」交番と呼ばれる第２の交番の間、前記第１の変圧器の前記副巻き線はそのエネルギを放電し、前記第１の変圧器の前記主巻き線は充電される、発電機。
2. 前記発電機により供給される電力を制御する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
3. 前記電力を制御する手段は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用することを特徴とする、請求項２に記載の発電機。
4. 前記電力を制御する手段は、前記電源（１７）により供給される電圧並びに／又は第１及び第２の周期的制御信号の周波数を変調することを特徴とする、請求項２に記載の発電機。
5. 各前記変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）は、固定電圧に維持される第３の巻き線（Ｌ３）と、前記第３の巻き線と直列のダイオード（３１、３３）とを含み、これにより、前記第３の巻き線（Ｌ３）の端子間の負電圧を制限する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電機。
6. 前記変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）の少なくとも１つは、前記第１の巻き線（Ｌ１）の電流を測定するための回路（３９Ａ、３９Ｂ）を含み、前記回路は、先行する交番から残留している未消費のエネルギの存在を示す、いずれの台形の電流形状を検知するために配設される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電機。
7. 前記変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）の少なくとも１つは、前記第３の巻き線（Ｌ３）の電流を測定するための回路（３５、３７）を含み、前記回路は、前記第３の巻き線が電流を通過させることができるかどうかを検知するため、即ち、前記第３の巻き線の前記端子間の前記負電圧が制限されているかどうかを検知するために配設される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電機。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電機を備える、歯科医師用の電子デバイスであって、
   前記発電機は、整流器（９）を介して、少なくとも１つの高出力ＬＥＤ（５）に接続される、電子デバイス。

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