JP5593377B2 - 歯科光デバイスシステム - Google Patents

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Description

本発明は、照明デバイスまたは光デバイスに関し、より詳細には、口腔用途および歯科
用途に用いられ、歯科用途における光硬化性化合物を照らして硬化させる光を提供する照
明デバイスシステムに関する。
歯科用途および口腔用途において使用するために、多くの照明デバイスまたは光デバイスがある。歯科照明デバイスのある特定種類のものは、様々な理由で患者の口の中の部位を照らすための、患者の口の近傍で保持される手持ち式デバイスを対象としている。特定の用法の1つは、口の中で光硬化性化合物を硬化させることに関する。歯科用途の好適な手持ち式光デバイスがあるが、特に歯科硬化ライトに関連して、このような光デバイスに関する様々な欠点がしばしばある。
このような歯科ライトの多くは、発光ダイオード(LED)のような光素子を含む本体を有する。さらに、先細の湾曲した光ガイド(light guide)は、本体の端部と発光素子とのインタフェースとなって、光を捕えてその光を所望の部位に向ける。一般に、このような光ガイドは、患者の口から離れたところにあるデバイスの光を捕えて、次に患者の口の中の対象部位に置かれ得る先端部にその光を送るように動作する、光ファイバ素子の束である。このような光ガイドは好適な方法で動作するが、それらは非常に非効率でもある。デバイスが発生する光のほぼ半分は、光源から先端部までの、光ガイドを介する伝送の間に失われる。このような効率の悪さによって、例えば化合物を硬化させるために、硬化部位にめがけて必要な光を発生させるために非常に大きい光源が必要とされる。その結果、光源から適切に取り去り外に放つ必要がある熱が発生する。光源によって必要とされる出力が大きくなるほど、対処すべき熱が増える。
このような歯科ライトに関連する別の問題は、それらの殺菌である。理解されるように、歯科ライトの先端部は、通常、患者の口、または口の何らかの部分の近傍に持ち込まれるか、またはそれらと実際に接触する。このように、光デバイスの先端部は、様々なばい菌やバクテリアにさらされる。そのため、ばい菌の増殖、または患者間の感染を防ぐために、例えば非常に高温でオートクレーブ滅菌処理することによって、歯科器具はしばしば殺菌される。歯科ライトの光源を動作先端部の近くに移動させる提案やいくつかの試みが当技術分野においてなされたが、これらの試みでは、殺菌の問題が十分に対処されていない。例えば、オートクレーブ滅菌処理が達成される温度が、LEDアレイにおける発光素子などの光源を傷める可能性がある。したがって、殺菌の問題は、歯科硬化ライトなどの既存の歯科ライトによって十分に対処されていない。
既存の歯科ライトの別の欠点は、それらの電源の必要性に関する。しばしば、このようなライトは、実際にはベースにプラグ接続され、そのベースは、壁付きコンセントなどの交流電源に結合している。ライトの中には、交流の壁付きコンセントに直接接続されるものもある。一部の携帯型歯科光デバイスは、ベースに接続されないが、それらは充電式電池などの電池をむしろ利用する。しかし、充電式電池は、充電するのに多大な時間を必要とするため、充電がなければ使用状態にあり得るときに、歯科ライトに必要となる幾分大事な休止時間があり得る。さらに、既存の電池充電技術では、ある程度限定された数の充電サイクルを条件としている電池が用いられる。充電してその状態を維持する電池の継続能力は、時間と使用にわたって減少する。ある程度限られた数のサイクル後には、電池を取り替える必要がある。このように、携帯型硬化ライトにおける電源の問題に対処する必要性が、依然としてある。
したがって、歯科ライト、特に歯科硬化ライトの領域では、現行技術によって対処されていない様々な欠点が残されている。
特許請求の範囲に記載の構成によって課題を解決する。
本発明の特徴を取り入れている光デバイスの側面図である。 充電ベースにおける光デバイスの斜視図である。 図1の光デバイスの分解断面図である。 図2の一部分の拡大図である。 ハウジングと係合している先端部構造体を示す図1の光デバイスの側面断面図である。 本発明の光デバイスの代替実施形態の部分断面図である。 本発明の先端部構造体のための端部キャップ構造体の平面図である。 発明した光デバイスを充電するために用いられる充電回路の回路図である。 図6の回路の動作に対する曲線のグラフ表現である。 本発明の実施形態によるウルトラキャパシタの充電のグラフ表現である。 キャパシタ充電曲線のグラフ表現である。 キャパシタ放電曲線のグラフ表現である。 本発明の一実施形態のための電源電流源回路を示す回路図である。 本発明の別の実施形態のための電源電流源回路を示す回路図である。 本発明の別の実施形態のための電源電流源回路を示す回路図である。 本発明の別の実施形態のための電源電流源回路を示す回路図である。 本発明の実施形態による放電関数のグラフ表現である。 本発明の別の実施形態のための電源電流源回路を示す回路図である。 本発明の別の実施形態のための電源電流源回路を示す回路図である。
本明細書に含まれており、その一部を構成する添付図面は、本発明の原理を説明するのに役立つ、以下で与えられる本発明の全体的な説明と共に、本発明の実施形態を例示する。
図1は、本発明の光デバイス10の一実施形態を示す。光デバイス10の一実施形態は、硬化用に使用することができるが、照明、歯のホワイトニング、または他の治療用途などの、他の使用方法も考えられる。したがって、本発明は、例示的実施形態のために本明細書で説明する特定の使用方法に限定されない。硬化デバイス10は、ハウジング12と、ハウジング12に取り外し可能に結合している先端部構造体14とを含む。本発明の一態様によれば、以下でさらに説明するように、先端部構造体14は、デバイス全体とは別にオートクレーブ滅菌処理され得るように取り外すことができる。デバイス10はまた、デバイス10を制御するためのボタン、スイッチ、または他の好適な手動コントロール類を含むことができる外部制御部18と共に、好適な制御電子回路16(図2参照)を含む。また、利用され得る表示デバイス20は、デバイス10の動作に関する視覚表示を提供するための画面、個々の光素子、または他の表示素子を含むことができる。例えば、デバイスの動作モードまたは設定、選択可能な硬化時間、残りの硬化時間、充電状態または給電状態、および診断表示を、視覚ディスプレイ20を利用して示すこともできる。本発明によれば、先端部構造体14は、ハウジング12と取り外し可能に結合している近位端22と、光硬化性化合物を硬化させるために患者の口の中に置かれる遠位端24とを含む。ハウジング12のベース26は、デバイス10の電源回路28(図2参照)の充電可能な内部素子を充電するために、図1Aに示されているように、充電ベースまたは充電ドック27の形態である交流電源または直流電源などの好適な外部電源に結合され得る。ベース26はまた、スタンドアローンのベース、テーブルに取り付けられたベース、また、壁、柱、またはチェアにベース26を取り付けるための取り付け構造体などの、好適な構造体の中にはめるように構成することができ、また、硬化デバイス10を保持して充電する歯科チェアの部分に合体させることができる。
図2および図2Aは、先端部構造体14とハウジング12の間の接続部分を示す、デバイス10の断面図を例示する。
図3は、ハウジングに係合している先端部構造体14を示す。図では、説明のために、ハウジング12の省略可能な部分を示す切断線30が示されている。ハウジング12ならびに先端部構造体14は、患者の口の中、あるいは光硬化性材料および光硬化性化合物の近くにデバイスの遠位端24を配置するように操作され得る手持ち式硬化デバイス用に適切である大きさに作ることができる。
先端部構造体14は、先端部構造体において近位端22から遠位端24に延在するヒートシンク構造体またはヒートシンク素子32を含む。本発明の一実施形態では、図2および図2Aに示されているように、ヒートシンク32は、硬化光デバイスからの熱の適切な熱移動を目的としてハウジング12と係合するため、先端部構造体14の近位端22を越えて延在している。ヒートシンクは、金属(例えば、銅)もしくはアルミニウムなどの好適な熱移動材料または熱伝導材料から作ることができる。あるいは、熱分解グラファイトシート(PGS)などの高熱伝導性材料をヒートシンク32に用いることができる。一実施形態では、ヒートシンク32は、先端部構造体14の内部に配置するのに適切な形に形成された、細長い銅のチューブである。好適な熱絶縁材料34は、ヒートシンク32を囲んでいる。先端部構造体14は、先端部構造体の素子を収容する本体36を含み、以下でさらに説明するように、先端部構造体の近位端22および遠位端24で適切に密封されている。本体36は、本発明の一態様によって、オートクレーブ滅菌処理可能な材料から作られている。上記で示したように、例えば患者の口の中で使われ、また口の中に挿入され、または口の上もしくは口の近くに置かれる、特定の再利用可能な歯科部品を殺菌することが望ましい。従来の硬化光デバイスは、歯科医が望む程度までオートクレーブ滅菌処理することが可能ではなかった。本発明は、例えば121℃を越える高温のオートクレーブ滅菌処理に耐えることができるオートクレーブ滅菌処理可能な材料から作られ、それによって先端部構造体の全体をなし、同様にオートクレーブ滅菌処理可能な発光デバイスまたは光源を内部に含む、密封された本体36で囲まれた先端部構造体を提供する。
本発明の一実施形態では、オートクレーブ滅菌処理可能な本体36は、ステンレス鋼などの好適な金属から形成される。あるいは、本体36は、オートクレーブ滅菌処理に関する温度に耐えることができるセラミック、ガラス、または磁器材料から形成され得る。一般に、本体36は、ヒートシンク32および絶縁材料34と共に好適な形に形成されることになる。例えば、ヒートシンク32および絶縁材料34を形成した後に、セラミック、ガラス、磁器、または他のオートクレーブ滅菌処理可能な材料で覆うことによって、本体36を形成することができる。図に示されている実施形態では、先端部構造体14は、患者の口などの硬化部位における操作のために適切に湾曲しており、そのため本体36も同様に湾曲して形成されている。
ヒートシンク32の遠位端には、発光デバイスまたは発光源40が結合している。このような発光デバイスは、歯科化合物などの光硬化性化合物の硬化用に知られている、様々な製造業者から入手可能な1つまたは複数のLED素子を含むことができる。高パワーLED素子は、本発明のデバイスのための素子の好適な種類の1つである。例えば、高パワー歯科LEDを用いることができる。発光源では、単一のLED素子またはアレイ状の複数の素子が使用され得る。一般には、硬化のために、発光デバイスは、光硬化性化合物を硬化させる特定の所望の波長における光を発することになる。様々な歯科化合物に対する好適な光は、400〜500ナノメートルの波長範囲、または青色光の波長範囲におけるものである。虫歯を見つけ、部位を照らし、またがん検診を行う口腔部位の検査などの、本発明の光の他の用途に対しては、他の波長を用いることができる。
また一方で、本発明の別の態様によれば、様々な異なる先端部構造体14は、ハウジング12に対して容易に着脱可能であるため、単一のハウジング12に対して複数の異なる先端部構造体を利用することができる。そのため、様々な先端部構造体の発光デバイスは、歯のホワイトニング、または患者の口の中の照明などの他の用途を対象とすることもできるが、依然として同じハウジング12と、そのコントロール類とによって動作することになる。このように、本発明は、特定の種類の照光デバイスまたは使用方法に限定されず、様々な異なる先端部構造体14は、硬化、ホワイトニング、照明、検診などの様々な用途に対して適切な範囲の波長における光を発する発光デバイスと共に利用され得る。
このような発光デバイスまたは光源40は、例えば発光ダイオードすなわちLEDの形態である、1つまたは複数の発光構造体または半導体接合部を支えるベースまたは基板42を一般に含む。デバイス40を設けるために、発光構造体または素子のパワーに応じて、単一の発光構造体を利用することができ、また構造体のアレイを基板42上に配置することができる。例えば、高パワーLED素子を用いることができる。発光デバイス40は高温に耐えることができるため、高温構造体または高温LED構造体が利用される。基板42は、高温接着剤またはセメントを利用して、ヒートシンク32の遠位端に直接接着される。ヒートシンク32に発光デバイス40を直接結合させることによって、発光構造体44または基板42により発生する熱を除去するための最適な熱結合がもたらされる。
ハウジング36の遠位端24を密封するために、図2および図3に示されているように、ガラス窓46または他の透明素子は、ハウジング36に対する、ガラス窓46または他の透明素子の周辺部のまわりを半田封止される。この透明素子は、光がハウジングの遠位端を通過できるように構成されている。そのため、ガラス窓46は、高温半田を利用するハウジング36への適切な半田封止、または他の適切な高温接着剤用に、ガラス窓46の周辺部のまわりに金属化部分を含むことができる。一般に、発光デバイス40は、LEDまたは他の発光構造体からの光の焦点を合わせるために、これらの構造体を覆うレンズ48と共に動作する。図2には、窓46が示されている。あるいは、窓46の代わりに、独立したレンズ48をハウジング36の端部に閉めてもよい。レンズ48は、発光デバイス40からの光の焦点を合わせるために、適切に形作ることができる。
発光デバイス40に給電するために、本発明は、高温フレキシブル回路またはフレックス回路50、52を利用する。一般に、このフレックス回路は、ヒートシンク32に隣接する、先端部構造体の内部に沿って延在している。フレックス回路は可撓性があるため、ヒートシンク32の輪郭または形状に追従することができる。本発明の一実施形態では、フレックス回路50、52を配置するために、好適なトレースまたはチャネルをヒートシンクに形成することができる。さらに、フレックス回路と、最終的には以下でさらに説明する電源および制御回路とに結合する、トレースなどの好適な導電性素子を有するセラミック端部キャップ54に、フレックス回路50、52が結合する。
次に図2Aを参照すると、先端部構造体14の近位端22、特にハウジング36の近位端は、図5に示されているように、セラミック端部キャップ54の内部に形成された回転回路トレース56、58を有するセラミック端部キャップ54を利用して密封されている。具体的には、本発明の一実施形態では、先端部構造体14は、ハウジング12と回転可能に結合している。このような回転を容易にするために、発光デバイス40への電気信号の伝送を維持しつつ、本発明のデバイス10は、端部キャップ54の上部または内部に形成された円形の導電性素子または回路トレース56、58を組み込んでいる。図5に示されているように、回路トレース56、58は、一般に、端部キャップの形状に従っており、全体的に円形である。さらに端部キャップ54は、図2Aに示されているように、ヒートシンク32を通すために内部に形成された適切な中央開口部60を有する。図2Aに示されているように、図示されている最も内側の回路トレース56は、フレックス回路50に電気的に結合している。同様に、端部キャップ54上の外側の回路トレース58は、フレックス回路52と結合している。端部キャップ54は、酸化アルミニウムなどの好適なセラミック材料で作られたセラミック端部キャップでもよい。セラミックキャップは、本体36に接着することができる。本体が金属である場合には、セラミックキャップ54の縁部は、本体の端部にセラミックキャップ54を半田付けするために金属化することができる。あるいは、本体がガラスで作られている場合には、ガラスの本体に端部キャップを結合させるために、好適な高温接着剤を利用することができる。
図2Aおよび図5に示されているように、金属トレース56、58は、先端部構造体の遠位端におけるフレックス回路の接続をもたらすために、端部キャップ54を貫通して形成されている。図2Aに示されているように、ハウジング12と結合するか、またはハウジング12に差し込まれる場合には、フレックス回路50、52は、セラミックの端部キャップ54を介して好適な電源回路およびコントロール類に結合する。具体的には、先端部構造体14とのインタフェースとなるハウジング12の端部に、ばね接点62、64が実装されている。これらのばね接点62、64は、後方の適切な接続部または回路66、68を介して、好適な電源回路28に結合している。電源回路はさらに、例えば発光デバイスの強度、発光デバイスの照明の持続時間、およびデバイス10の動作モードに関係する他の様々なパラメータを制御するために、好適な制御回路16を介して制御され得る。ハウジング12は、先端部構造体14および先端部構造体14の遠位端における発光デバイス40に給電するために、様々な電気接続部/回路66、68と共に好適な制御回路16および電源回路28を含む。電源回路28は、電源の素子を充電するために、交流電源または直流電源などの外部電源に接点70を介して結合することができる。例えば、図1Aに示されているように、ベース27は、再充電するためにデバイス10を保持またはドッキングすることができる。本発明の一実施形態では、電源回路は、操作者による操作のために充電されて外部電源から取り外すことができる、電池などの充電可能な電源素子を含む。本発明の代替実施形態では、図4に関して以下に説明するように、発光デバイス40に所望の電力を供給するために、ウルトラキャパシタ素子またはウルトラキャパシタ回路を利用することができる。ハウジング12は、プラスチックもしくは金属または何らかの他の硬質材料などの、任意の好適な材料から形成することができる。
図3に示されているように、先端部構造体14がハウジング12に結合している場合には、接点62、64は、先端部構造体の端部において回路素子またはトレース56、58とそれぞれ係合している。これによって、発光デバイスは電源回路と電子的に結合する。独特なトレースの円形パターンのために、接点62、64が依然としてトレース56、58への接続を維持しながら、先端部構造体14は、0°〜360°の範囲で回転することができる。あるいは、360°未満のいくらかの円形範囲にわたってのみ円形の導電性素子を接触させることができるが、それによって、少なくとも部分的な回転が依然として可能である。そのようにして、先端部構造体は、ハウジング12と先端部構造体14の間の電気接続部を危険にさらすことなく回転することができる。先端部構造体上に形成された導電性素子56、58、およびハウジング上に配置された接点素子62、64が図示されているが、それらの相対位置は、素子56、58をハウジング12上にし、素子62、64を先端部構造体14上にして、逆にすることができる。つまり、導電性素子またはトレース56、58および接点素子62、64は、対向するハウジングと先端部構造体の間に電気を通すために、これら2つのどちらかに配置することができる。代替実施形態では、発光デバイスと電源回路を電気的に結合させるために、代替のピンとソケットをハウジングと先端部構造体の間に用いることができる。
同時に、ヒートシンク32の近位端は、ハウジング12に形成された好適なチャネル80に係合する。このチャネル80は、好ましくはアルミニウムなどの好適な金属から形成される追加の、または第2のヒートシンク構造体またはヒートシンク素子82によって形成されている。チャネル80に加えて、ヒートシンク82は、さらなるヒートシンク材料を含有するリザーバ部分84を含む。そのリザーバ部分は、金属のヒートシンクを形成するために全て金属であり得る。本発明の一実施形態によれば、リザーバ部分84は、金属から作ることができるが、さらに、いくらかの相変化材料86を含む。相変化材料は、第2のヒートシンク構造体82から熱を吸収し、そのような吸収時に相を変化させる。例えば、好適な相変化材料の1つは、熱を吸収する際に溶けるパラフィンワックスでもよい。これによって、通常使用時の発光デバイスおよび先端部構造体全体に対する安全な温度レベルをもたらす、発光デバイス40の温度上昇における好適な遅れが可能となる。他の相変化材料も、第2のヒートシンク構造体82のリザーバ部分84内に含むことができ、したがって本発明は、特定の相変化材料86に限定されない。
図3に示されているように、先端部構造体14がハウジング12に差し込まれる場合、あるいはハウジング12と結合または係合する場合、ヒートシンク32は、ヒートシンク32の端部がチャネル80に挿入されてヒートシンク32と第2のヒートシンク構造体82との間で直接的な熱接続または熱結合をもたらすように、第2のヒートシンク構造体82と係合する。そのようにして、第2のヒートシンク構造体82の金属は、ヒートシンク32によって伝えられる熱を吸収することができる。リザーバ部分84が単に固体金属であるか、または金属材料で充填されている場合、その金属は熱を吸収し、それによって発光デバイスの温度が好適な動作点に維持される。あるいは、相変化材料86がリザーバ84を充填する場合は、その相変化材料は熱の吸収時に溶けることができ、それによって相を変化させて好適な低温における動作点を維持することができる。回路66、68は高温回路であるため、それらは第2のヒートシンク構造体82の近傍において好適である。さらに、絶縁ジャケット88は、リザーバ部分84などの、第2のヒートシンク構造体82の一部を囲むことができ、また、第2のヒートシンク構造体82の熱から保護するために電源回路28などの好適な電子素子、および接点70の部分を囲むこともできる。
固液相変化材料は熱を吸収し、その固液相変化材料の温度は、その固液相変化材料が相を変化させる点(固液相変化材料の融点)まで上昇する。次に、この材料は、非常に熱くなることなく、さらなる量の熱を吸収する。第2のヒートシンクによってもたらされるリザーバの周囲温度が低下すると、相変化材料86は凝固し、それによって、蓄えられた熱が放出される。したがって、相変化材料は、全体的に一定の温度を維持しつつ熱を吸収しまた放出するが、そのことは手持ち式ハウジング12にとって望ましい。
好適な別の相変化材料は、カーボンを加えたパラフィンワックスである。ヒートシンクが、ボアホール(bore hole)、または外部ヒートシンクのチャネル80にひとたび係合すると、好適な熱伝導が達成される。
ばね接点62、64のばねがかかった性質によって、ハウジング12と先端部構造体14の間に、安定した強固な電気接続がもたらされる。
図4を見ると、本発明の別の実施形態によって、電源回路28は、先端部構造体14の発光デバイスに供給する電力を提供する1つもしくは複数のウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタを組み込んでいる。1つまたは複数のウルトラキャパシタ90は、電源回路28の電池を置き替えるために利用することができる。ウルトラキャパシタは、高エネルギー貯蔵を実現し、例えば発光デバイスに給電するために、要求時に直ちに電力を送ることができる。またウルトラキャパシタは、本発明の態様に従って本明細書で説明する充電回路または充電器回路を用いて、時には数秒で非常に急速に充電する。さらにウルトラキャパシタは、本発明のデバイス10の用途のために、必要となるエネルギーの急激なバーストを与えるために用いることもできる。本発明の電源回路28により提供される急速充電時間によって、急速充電の用途が可能となり、完全に充電するのに数時間を要することがある充電式電池が必要なくなる。さらに、ウルトラキャパシタは耐用寿命が長い。ニッケル水素電池は500サイクル充電することができ、またリチウムイオン電池は300サイクル充電することができるが、本発明では、500,000サイクル充電することができるウルトラキャパシタが用いられる。さらに、本明細書で説明する、このような充放電されるウルトラキャパシタは、(電池ユニットのような)メモリーを有さず、より軽く安価であり、廃棄時に有害廃棄物を発生しない。例えば、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池は、ウルトラキャパシタより通常ははるかに重い。
本発明の特徴を利用するデバイス10は、例えばデバイス10の接点70と係合するのに十分な接点を有する電源ベースまたはドック27(図1A)における、好適な外部電源に結合することができる。ウルトラキャパシタ90は、デバイス10用に、硬化サイクルなどの一連の使用サイクルにわたって、充電され、次に放電され得る。さらに、このデバイスは、ウルトラキャパシタを充電するために、そのデバイスの充電ベースまたはドックに戻すことができる。一般に、ウルトラキャパシタ素子は、デバイス10の寿命の間に、電池のように取り替えを必要としない。ウルトラキャパシタ90は、非常に急速に充電するため、デバイス10の充電サイクル間の休止時間は非常に短い。例えば、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池は、完全に充電するのに約2.5時間かかることがあるが、本発明の回路によって充電されるウルトラキャパシタは、15秒で完全に充電することができる。
図6は、デバイス10、特に、本発明のこのような一実施形態で提供されるウルトラキャパシタを充電するための、ベースユニットまたはドック27の中で利用される1つの実現可能な充電回路または充電器回路の回路図である。充電器回路100は、回路に好適な直流電力を供給する電源回路/部品102を含む。例えば、電源102は、交流のコンセントに差し込むための適切な交流電源コード104と結合していてもよく、例えば5〜24ボルトの範囲内の直流電力を供給する。インジケータLED106は、ベース27が通電していることを表示するために使用することができる(図1A参照)。図1Aに示されているように、ベース27は、デバイス10が充電中であるか、または完全に充電されているかを示すためのインジケータ111、113を含むこともできる。回路100は、本発明の一実施形態によって、電流フォールドバック回路(current foldback circuit)の形態で、電流源として動作するように構成されている。この電流フォールドバック回路100は、本発明のウルトラキャパシタ電源回路28を充電するために利用され、ウルトラキャパシタが全般的にどのように充電され得るかによって様々である、ウルトラキャパシタ素子90の所望の急速充電を実現する。具体的には、本発明の一実施形態では、ウルトラキャパシタ素子90を充電するための電流源が利用される。
図9Aおよび図9Bは、通常のキャパシタに対する典型的な充電曲線および放電曲線を示す。例えば、図9Aは充電曲線を示し、また図9Bは放電曲線を示す。一般的なキャパシタの理論では、キャパシタの充電曲線および放電曲線は、図9Aおよび図9Bに示されているように指数関数的であると考えられる。単一の時定数すなわち1Tは、キャパシタがフル充電の一般に約63%まで充電するのに要する時間量を示す。図9Aに見られるように、フル充電の時間は5Tとして表されている。図9Bは、同様に指数関数的である放電曲線を示し、このうち時定数1Tは、フル充電の約37%まで放電するのに要する時間を示す。
しかし、本発明では、本発明のデバイス10の操作者による効率的な使用のために、従来の充電より速くウルトラキャパシタを充電することが必要である。すなわち、例えば歯科化合物を硬化させるための特定用途に向けては、硬化処理の際の待機および休止時間を避けるために、非常に急速にウルトラキャパシタを充電することが望ましい。図6に示されている本発明の一実施形態によれば、電流源電源回路100は、所望の速度でウルトラキャパシタを充電するために用いられている。図8に示されているように、本発明は、ウルトラキャパシタ用の、急速で、一般に指数関数的でない充電関数を提供する。図8は、図6の充電器回路に対する、充電中のウルトラキャパシタ電圧と時間との関係を示しており、非常に急峻な直線の傾きと充電が、図6に示されているように、線形変化の関数を与える本発明によって実現される。これは、本発明の著しい利点をもたらす。
図6に再度戻ると、回路100は、電流フォールドバック機能を有するリニア電源として働いている。図7は、図6に示されている電流フォールドバック電源の動作に関する曲線を示す。デバイス10が充電ベース27に置かれるときのように、充電のために電源が接続されると、ウルトラキャパシタが完全に充電されるまで電流は一定となり、次に、ウルトラキャパシタへの出力電流は、実質的にほとんどなくなるか全くなくなる。
充電器回路100は、National Semi-Conductorより入手可能なLM1084ITレギュレータなどの、リニア可変電圧レギュレータ108を利用する。回路100において、レギュレータ108は、トランジスタQ1の電圧Vbeによって制御フィードバック信号が制御される、標準的なリニアレギュレータである。コネクタ109に結合している充電中のウルトラキャパシタ素子を流れる電流は、検知抵抗器(R3/R4)の両端に電圧を発生させる。検知抵抗器の両端の電圧がトランジスタQ1のVbe(0.6V)に等しいと、トランジスタはオンし、リニア電圧レギュレータ108をフォールドバックさせ、一般にI=0.6V/R3+R4の値に電流を制限させる。ウルトラキャパシタがひとたび完全に充電されると、電流は、大体または実質的に0アンペアとなる。電流源として働くこのような回路によるキャパシタ充電時間は、おおよそT=C(V/I)として図8に示されている。
本発明において利用され、本明細書で開示される一定の充電接続形態によって、一般に、利用可能な全ての電力が、充電ソースまたは充電ベースからエネルギー貯蔵ウルトラキャパシタに移される。概して、直線リニア一定電流伝送または直線リニア一定電力伝送によって、キャパシタの従来の充電によって5Tまで待たなければならないことに対して、1Tより速い、本発明の電源の再充電が実現され得る。効果的には、実際の充電時間は、ウルトラキャパシタが許容し得る最大ピーク電流によって設定されることになる。
図6は、リニア一定電流フォールドバック電源である充電器回路100を示すが、高速ウルトラキャパシタ充電のための本発明の別の代替実施形態は、パルスリミットおよびパルスバイパルスリミット(pulse-by-pulse limit)を有するスイッチング電流モード電源を使用することである。別の実施形態では、リチウムイオン(Li-Ion)電池充電器を利用することができる。あるいは、ウルトラキャパシタを充電するために、ニッケル水素(NiMH)電池充電器を利用することもできる。
本発明の目的に向けて、様々な異なるウルトラキャパシタを利用することができる。一実施形態では、1つまたは複数のウルトラキャパシタ素子は、約150ファラッドの容量を有する。50〜1,000ファラッドの範囲が、本発明の目的に好適であり得る。例えば、Illinois Capacitor製の多層ウルトラキャパシタを利用することができる。あるいは、カーボンナノチューブから作られたウルトラキャパシタを利用することもできる。さらに別の実施形態では、カーボンエーロゲルから作られたウルトラキャパシタを利用することができる。リチウムイオンウルトラキャパシタを利用することもでき、それは非常に低い自己放電特性と共に、際立ったサイクル(例えば、100,000サイクル)を実現する。ウルトラキャパシタについて望ましい別の特徴は、それらが充電式電池などの従来の電源より小さく、薄く、また軽くなり得ることである。
本発明の一実施形態では、デバイス10は、歯科化合物を硬化させるために利用される。このような用途では、光デバイスまたは光源40に用いられるLEDは、一般に、例えば高パワー青色LEDなどのアレイである、高パワー青色LEDである。このようなデバイスは、一般に電流デバイスであり、LEDからの光出力は、電源から供給される電流の直接的な関数である。本発明の一態様によれば、一定の光出力を維持するために、LED素子またはLEDアレイ40への電流は一定である必要がある。本発明の特徴の1つにおいて、本発明は、LEDに給電する電流源を提供する。すなわち、ウルトラキャパシタは、電流源として放電する。そのため、本発明のウルトラキャパシタ用の所望の放電関数は、図14に示されているように直線の線形関数であり、このうち放電時間は、
Tdischarge=C(V1-V2)/I
となり、ここでV1はフル充電電圧であり、V2は最低動作電圧である。本発明の一実施形態では、1つもしくは複数のLED素子、または光源40を構成するアレイをドライブする電源は、ブーストパルス幅変調(PWM)電流源、またはバックPWM電流源でもよい。あるいは、バックブーストPWM電流源を利用することもできる。また、以下で説明するように、フライバック電流源またはSEPIC電流源を用いることもできる。バックブースト接続形態は、ウルトラキャパシタが十分に充電されており、その電圧がLEDに必要な順方向電圧より高くなり得る場合に、1つまたは複数のLED素子に電力を供給することによって、デバイス10のための所望の長い実行時間(放電時間)を提供する。さらに、このような接続形態は、放電によってウルトラキャパシタの充電がLEDの順方向電圧より低くなる場合に、LEDに電力を同様に供給する。一実施形態では、例えば、2つの100ファラッドのウルトラキャパシタを用いて、1回の充電に対して30〜40回の、それぞれ10秒の放電硬化サイクルを達成することができる。
図10は、本発明の実施形態で使用するための好適なバックブーストコンバータ200の一実施形態を示す。図10に示されている実施形態では、2つのウルトラキャパシタC1、C2が例示されている。あるいは、単一のウルトラキャパシタを利用することもできる。その上さらに、以下で説明するように、本発明を実現するために3つ以上のウルトラキャパシタを利用することもできる。このように、本発明は、電源に利用され得るウルトラキャパシタのいかなる特定の数にも限定されない。
電源回路200は、PWM集積回路U1を利用する。U1はインダクタL1と結合しており、1つまたは複数のLEDに電力を供給する。図10は、単一のLED1を象徴的に示しているが、このような記号は複数のLEDのアレイも含む。PWM回路U1は、電流検知抵抗器R3を介して電力を供給する。電源は、LEDおよび光源の動作用にオン/オフ制御機能およびオン/オフタイミング機能を提供する好適な制御回路U3と結合しているオン/オフスイッチS1を介して制御され得る。回路U4は、U3制御回路用の局部電源を提供する。本発明における電流源としてのU1を制御するために、演算増幅器などの回路U2は、抵抗器R3によって検知された、LEDを流れる電流をフィードバック電圧に変換する。このフィードバック電圧は、電流源としてのU1回路を任意に制御するために用いられる。抵抗器R1およびR2は、電圧フィードバックレベルをU2回路に設定する。
本発明の代替実施形態では、バックコンバータ電源300は、ウルトラキャパシタに対する一定の電源負荷を与え、任意のLED素子に一定電流を供給するために利用することができる。図11に示されているように、バックコンバータ接続形態は、同じ参照数字を共有する同じ要素を用いて図10で説明したバックブースト接続形態にある程度類似している。PWM回路U1からの電力経路は、図示されているように、ショットキーダイオード素子D1およびインダクタL1を含む。バックコンバータ回路300は、LED光源の電圧要件がウルトラキャパシタのスタック電圧を下まわる場合に利用することができる。
あるいは、LED光源の電圧要件がウルトラキャパシタのスタック電圧を上まわる場合には、ブーストコンバータ接続形態を利用することができる。例えば、ブーストコンバータ回路400は、図12に示されているように、LED光源をドライブするために用いることができる。図12は図10と類似しており、同じ参照数字が同じ要素に利用されている。回路400のブースト接続形態では、半導体スイッチQ1は、スイッチS1の制御に基づいて電源をオン/オフする機能を提供する。このようなスイッチQ1は、回路200および回路300に対しても同様に望ましい場合がある。ショットキーダイオードD1およびインダクタ素子L1は、ブーストコンバータの動作用に適切に結合している。
図10〜12、15、16の回路では、PWM回路U1は、例えば1.5ボルトから12ボルトの低電圧で動作可能な、標準的なバック、ブースト、またはバックブーストPWM回路であり得る。5つの回路のそれぞれにおいて、U2回路素子は、電流源機能を提供するPWM回路U1への電圧フィードバックを制御するために利用される。R3素子の両端の電圧は、LEDを流れる電流に正比例しており、誤差増幅器は、内部のPWM基準電圧と同じになるように、低オームの検知抵抗器R3の両端のわずかな電圧降下を増幅する。U3回路は、光源のオン時間と、PWM回路U1による使用によって低すぎる点までウルトラキャパシタが放電したときのシャットダウンとを制御する制御回路である。U3回路は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、複合型プログラム可能論理デバイス(CPLD)、またはZSCT1555などの単純なアナログタイマでもよい。U4回路は、低パワーバックブーストコントローラとして働くチャージポンプ電源であり、ウルトラキャパシタの放電の間に安定した一定の電源電圧を制御回路に供給する。Q1回路は、電源がオフされる場合に、ウルトラキャパシタからLED電源を切断するための半導体スイッチとして働く。図12に示されている電源回路400は、Q1素子を利用する。このような半導体スイッチQ1は、図11のバックコンバータ、または図10のバックブーストコンバータに必要であってもなくてもよい。インダクタ素子L1は、スイッチング電源(SMPS)に必要な電子素子である。L1の値は、一般に1μHから300μHの範囲であり得る。D1素子は、上記で示したように、図11および図12のバックコンバータまたはブーストコンバータ用に一般に利用されるショットキーダイオードである。
図15は、本発明の実施形態による、LED光源に給電するための代替電流源を示す。図15は、フライバック電流源600を示しており、ここでは他の実施形態に関して上記に示した同様の素子が用いられている。図15では、T1はフライバックトランスを示し、素子Q2はフライバックスイッチを示しており、ここで抵抗器R4は、スイッチQ2用の電流制限検知抵抗器である。動作時には、スイッチQ2がオンの場合、トランスT1の一次巻線は入力電圧源に直接接続される。二次巻線の両端の電圧は負となり、そのためダイオードD1は逆バイアスされる(すなわち、遮断される)。出力キャパシタは、LED1などの出力負荷にエネルギーを供給する。スイッチがオフの場合は、トランスに蓄えられたエネルギーがコンバータの出力部に移される。電流検知抵抗器R3からのフィードバック信号は、LED電流を制御するPWM回路U1に送り戻される。
図16は、「シングルエンド一次インダクタ変換器」(SEPIC)コンバータ700の形態である、別の代替電流源を示す。SEPICコンバータは、このコンバータの出力部における電圧を、その入力部の電圧より大きく、小さく、または同じにすることができるタイプのDC-DCコンバータである。SEPICコンバータの出力は、LED電流を制御するU1のPWM回路に送り戻される、電流検知抵抗器R3からのフィードバック信号によるU1回路のデューティサイクルによって制御される。図10〜図13、および図15で使用されている同様の参照が、図16において用いられている。Q1は、電源をオン/オフする半導体スイッチである。スプリットインダクタL1およびL2は、ブースト機能(L1)およびバック機能(L2)を可能にする。キャパシタC4は、図16の回路における交流結合を可能にする。
様々な図10〜13、図15、図16は、2つの直列のウルトラキャパシタC1およびC2を例示しているが、上記で示したように、単一のウルトラキャパシタを利用することができる。あるいは、ウルトラキャパシタC1、C2は、共に並列に接続されてもよい。その上さらに、3つ以上のウルトラキャパシタを利用することもでき、それらは共に、光デバイス10に必要な電圧および電力を供給するために直並列構成で結合することができる。
本発明の代替実施形態では、例えば歯科化合物の硬化以外の用途の、より低電力のLEDに電力を供給するために、図13に示されている回路を利用することができる。図13の回路500は、ウルトラキャパシタC1、C2によって給電されるブーストコンバータの形態におけるものである。この回路の電圧検出部分は、光デバイス10が十分に充電されていることを示す「レディ(ready)」LED(図1A参照)に電力を供給する。オン/オフスイッチ部分は、選択時間(例えば、5〜40秒)後に電源をオンオフするために半導体スイッチQ2をドライブするタイマ回路に給電する。さらにブーストコンバータは、図示されているLEDまたはLEDアレイに必要な電力を供給する。
本発明を実施形態の説明によって例示し、それらの実施形態をかなり詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲をこのような細部に制限すること、またいかなる方法においてもそのような細部に限定することは、本出願人の意図するところではない。さらなる利点および改変が、当業者には容易に思い浮かぶであろう。そのため、広範な態様を有する本発明は、装置および方法を表す特定の細部、ならびに図示され説明された説明用の例に限定されない。したがって、出願人の全体的な発明概念の主旨または範囲から逸脱することなく、このような細部からの逸脱が行われ得る。
10 光デバイス
12 ハウジング
14 先端部構造体
16 制御電子回路
18 外部制御部
20 表示デバイス
22 近位端
24 遠位端
26 ベース
27 充電ベースまたはドック
28 電源回路
32 ヒートシンク構造体またはヒートシンク素子
34 熱絶縁材料
36 本体
40 発光デバイスまたは光源
42 基板
44 発光構造体
46 ガラス窓
48 レンズ
50 フレックス回路
52 フレックス回路
54 セラミック端部キャップ
56 回転回路トレース
58 回転回路トレース
62 ばね接点
64 ばね接点
66 接続部または回路
68 接続部または回路
70 接点
80 チャネル
82 ヒートシンク構造体またはヒートシンク素子
84 リザーバ部分
86 相変化材料
88 絶縁ジャケット
90 ウルトラキャパシタ
100 充電器回路
102 電源回路/部品
106 インジケータLED
108 レギュレータ
200 バックブーストコンバータ回路
300 バックコンバータ回路
400 ブーストコンバータ回路
500 ブーストコンバータ回路
600 フライバック電流源
700 SEPICコンバータ
C1 ウルトラキャパシタ
C2 ウルトラキャパシタ
D1 ショットキーダイオード
L1 インダクタ
Q1 半導体スイッチ
Q2 スイッチ
R3 電流感知抵抗器
T1 トランス
U1 PWM集積回路
U2 演算増幅器
U3 制御回路
U4 チャージポンプ回路

Claims (16)

  1. ハウジングを備えた光デバイスと、
    前記光デバイスを充電するために、前記光デバイスを受けるように構成されているベースユニットと、
    光硬化性化合物を硬化させるのに好適な波長範囲における光を発することが可能な少なくとも1つの発光デバイスと、
    前記ハウジングに取り外し可能に結合するように構成された先端部構造体であって、先端部構造体の遠位端に配置された少なくとも1つの発光デバイスを含む、先端部構造体と、
    前記ハウジング内に配置されるとともに、前記先端部構造体を介して前記発光デバイスに給電するために前記少なくとも1つの発光デバイスに動作可能に結合しており、再充電が可能であり、充電される少なくとも1つのウルトラキャパシタ素子を含んでおり、前記少なくとも1つの発光デバイスをドライブするために電流源として前記ウルトラキャパシタを放電させるように構成され、前記ウルトラキャパシタ素子と前記発光デバイスとの間に結合された電流源回路を含む、電源回路と
    を含み、
    前記先端部構造体は、前記発光デバイスが発生した熱を取り除くための、前記発光デバイスと結合したヒートシンク素子を含み、
    前記ヒートシンク素子の端部は、前記先端部構造体の近位端を通り越して延在しており、
    前記ハウジングは、前記先端部構造体を取り外し可能に結合するために、前記先端部構造体の近位端を通り越して延在している前記ヒートシンク素子の端部を収容するチャネルを含み、
    前記ベースユニットは、前記少なくとも1つのウルトラキャパシタを充電するための充電器回路を含み、
    前記充電器回路は、線形充電関数において前記少なくとも1つのウルトラキャパシタを充電するための電流源として動作するように構成されている、光デバイスシステム。
  2. 前記電流源回路が、バックコンバータ回路、ブーストコンバータ回路、バックブーストコンバータ回路、フライバック回路、およびシングルエンド一次インダクタ変換器(SEPIC)回路の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  3. 前記電源回路が、線形放電関数において前記ウルトラキャパシタを放電させるように構成されている、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  4. 前記電源回路が、複数のウルトラキャパシタを含む、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  5. 前記発光デバイスと前記電源回路を電気的に結合させるために、前記ハウジング、および前記先端部構造体の近位端のどちらかに配置された導電素子および接点素子を含む、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  6. 前記先端部構造体が、前記発光デバイスを収容する本体を含み、前記本体が、オートクレーブ滅菌処理に耐えられるオートクレーブ滅菌処理可能な材料で形成されている、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  7. 前記先端部構造体の本体が、金属材料、セラミック材料、ガラス材料、または磁器材料の少なくとも1つを含む材料から形成されている、請求項6に記載の光デバイスシステム。
  8. 前記先端部構造体の本体が、オートクレーブ滅菌処理可能な材料の被膜を含むように形成されている、請求項6に記載の光デバイスシステム。
  9. 前記先端部構造体の本体が、前記発光デバイスからの光が前記ハウジングを通過することができるように構成された透明素子によって前記遠位端において密封されている、請求項6に記載の光デバイスシステム。
  10. 前記透明素子が、ガラス窓またはレンズの少なくとも1つを含む、請求項9に記載の光デバイスシステム。
  11. 前記ハウジングが第2のヒートシンク素子を含み、前記先端部構造体が前記ハウジングと取り外し可能に結合している場合に、前記先端部構造体の前記ヒートシンク素子が、前記第2のヒートシンク素子と熱的に結合している、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  12. 前記第2のヒートシンク素子が、熱の吸収時に相を変化させる相変化材料を含む、請求項11に記載の光デバイスシステム。
  13. 前記先端部構造体が、前記ヒートシンク素子を囲む絶縁材料を含む、請求項1に記載の光デバイスシステム。
  14. 前記先端部構造体が前記ハウジングに対して回転できるように、前記導電素子が円形であり、また前記接点素子が、0°から360°の範囲にわたって前記導電素子と係合することができる、請求項5に記載の光デバイスシステム。
  15. 前記先端部構造体が、前記発光デバイスに電力を送るための高温フレックス回路を含む、請求項5に記載の光デバイスシステム。
  16. 前記充電器回路が、電流フォールドバック回路として動作するように構成されている、請求項1に記載の光デバイスシステム。
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