JP6201268B2 - 光硬化用の固体光源 - Google Patents

Description

本発明は、モノマー、オリゴマー又はポリマー材料の硬化（ｃｕｒｉｎｇ）、硬化（ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）、及び／又は重合を誘起するために光を供給するシステムに関する。光硬化の用途として、単なる例として、歯科医療、被覆、画像形成、インク、製造、プラスチック、エレクトロニクス、及びパッケージングが挙げられる。

モノマー、オリゴマー、又はポリマー材料の硬化（ｃｕｒｉｎｇ）、硬化（ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）、及び／又は重合を誘起するために可視光及び／又は紫外線光を用いる光硬化システムが開発されている。一般的に言えば、光硬化性樹脂／接着剤は、樹脂のフリーラジカル重合の開始に寄与する光開始剤を含む。樹脂は、重合が開始されるまで液体／加工可能状態に留まる。重合を開始するために、光開始剤による吸収に適した波長の光を供給するために、光源が使用される。光開始剤は、フリーラジカルの生成を誘起する正確な波長の光子を吸収すると励起状態になる。フリーラジカルは、モノマー、オリゴマー、又はポリマー材料の硬化（ｃｕｒｉｎｇ）、硬化（ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）、及び／又は重合を誘起する。

光エネルギーは、典型的には、４つのタイプの硬化光：すなわち、石英タングステンハロゲン（ＱＴＨ）ランプ、アークランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、及びアルゴンレーザのうちの１つによって与えられる。ＱＴＨ及びアークランプの両方とも、広範囲の樹脂の重合を開始するのに適した広い発光スペクトルを有する。しかしながら、ＱＴＨ及びアークランプはまた、大量の熱／赤外線も放射する。熱／赤外線出力は、特定の光開始剤に適した出力波長を選択するためにも使用できるフィルタを用いて低減される。しかしながら、大きな熱出力は、ＱＴＨ及びアークランプシステムがかなり大きな熱管理システムを有することを必要とし、またランプの寿命も短くするので、費用のかかる交換部品が必要になる。さらに、ＱＴＨ及びアークランプのどちらも、スペクトル出力が安定するまでに相当なウォームアップ時間を有する。従って、実際には、シャッターを用いて光出力を制御しながら、ランプを連続的に作動させ続ける必要がある。このことは、光源の有効寿命をさらに短くする。

アルゴンレーザシステムを用いて、光硬化用途のために光を供給することができる。この光出力はコヒーレントであり、従って、この光出力を用いて、選択された波長の光子による高強度照射を生成することができる。しかしながら、アルゴンレーザの発光スペクトルは非常に狭く、かつ、幾つかの光硬化樹脂に適合しないことがある。さらに、アルゴンレーザシステムは高価であり、大幅な熱調節を必要とする。

ＬＥＤ（発光ダイオード）は、過去数十年の間に著しく成熟した。ＬＥＤは、特定の波長の光を放射し、アークランプ及びＱＴＨランプと比較して発生する熱がずっと少なく、そのため、より長い寿命、容易な切り換え、一貫した出力及びより低い電力消費をもたらす。しかしながら、ＬＥＤは、放射波長に依存する強度、幅広い発光スペクトル（３０ｎｍのオーダー又はそれを上回るスペクトル半値幅）、不十分なスペクトル安定性、及び発光の広い角度範囲に関するトレードオフを提示する。帯放射が狭いと、幾つかの光硬化樹脂に適合しないことがある。さらに、ＬＥＤを製造するのに用いられるプロセスは、ＬＥＤのスペクトル安定性を厳重に制御することができず、良好なスペクトル安定性を必要とする用途にＬＥＤを使用することを望む人は、一般的に、供給者と直接連携して特定用途のためのＬＥＤを基本的に自ら選ぶ。さらに、ＬＥＤのスペクトル出力は温度と共に変化する。また、ＬＥＤは、広い角度範囲にわたって光を放射する（光強度の５０％が７０°で放射される）。光学系により発光バンドが狭くし、光出力を合焦させることができるが、結果として生じる出力の損失、及び熱出力の増大により、光硬化のためのＬＥＤの使用がさらに困難になる。従って、特定の光開始剤を励起するのに適した波長において十分な光を供給することが困難となり得る。

照明製造業者は、全ての用途に万全であることはできないとはいえ、それがまさにライトエンジンの設計の需要の広さである。そのために、製品は簡単な光源ではなく、むしろ、ライトエンジン、光源、及び純粋かつ強力な光を試料に又は機械的に可能な限り試料の近くに供給するのに必要とされる全ての補助的構成要素となる。光源技術の関数としてのライトエンジン性能の定性的比較を表Ｉにまとめる。

広範囲の光開始剤が入手可能である。重合を開始するためには、選択された光開始剤が吸収できる波長において十分な光エネルギーを供給することが必須である。しかしながら、各光開始剤は、特定の吸収スペクトルを有する。さらに、光開始剤に達するために、光エネルギーは、樹脂及び他の材料を透過しなければならないことがある。光開始剤を組み込んだ樹脂は、様々な方法で光の透過及び吸収に影響を及ぼすことがある。従って、光開始剤を励起するのに適した波長において十分な光エネルギーが供給されることを保証するのが困難である場合がある。適切な吸収がなければ、樹脂全体にわたってフリーラジカル重合が一様に生じないことがある。さらに、ＬＥＤのような狭帯域の光源が使用される場合、供給される波長は、全ての組成物及び製造環境において全ての光開始剤を励起するのには適していない。

従って、従来技術の制限を克服する光硬化用のＬＥＤ光源を提供することが望ましい。

本発明は、光硬化に適したＬＥＤライトエンジンシステム（ｌｉｇｈｔ ｅｎｇｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ）を提供する。このＬＥＤライトエンジンシステムは、コンパクトで受動的に冷却され、耐久性があり、低価格の固体照明解決策であり、光硬化のための光生成に非常によく適している。本発明の一実施形態において、このライトエンジンは、強力で安定し、低価格の光を、光硬化に適したある範囲の波長にわたって供給することができる。このＬＥＤライトエンジンシステムは、光管理構成要素の構成全体を単一の簡単なユニットに直接置き換えるように設計される。出力、スペクトル幅及び純度、安定性及び高信頼性のデータは、光硬化用途のためのＬＥＤライトエンジンシステムの利点を示す。性能及びコスト分析は、ＱＴＨ、アークランプ、及びレーザに基づく伝統的な光学サブシステムよりも優れている。さらに、ＬＥＤライトエンジンは比較的小さい設置面積、及び低い熱出力を有するので、所要電力が低く、ファンなどの可動部品を必要としない。

一実施形態において、本発明は、光硬化用途のための従来のアークランプ、金属ハロゲン化物及びキセノン白色光源の代替品として使用可能な、コンパクトで受動的に冷却される固体照明システムを提供する。この固体照明システムは、光硬化に適した高強度光出力を生成するためにＬＥＤモジュールを使用する。光出力は、３８０ｎｍから５３０ｎｍまでの可視スペクトル内で連続的であり、かつ広範囲の光開始剤を用いる光硬化に適している。タッチスクリーンインタフェースにより、スペクトル出力、強度及び継続時間のプログラミングが可能になる。出力は、タッチスクリーンインタフェース及び／又はフットペダルを用いて開始することができる。

本発明の実施形態は、従来のＱＴＨ及びアークライト光硬化ランプの代替品として使用するのに適したＬＥＤライトエンジンシステムに向けられる。特定の実施形態において、ＬＥＤライトエンジンは、広範囲の光開始剤を励起するのに適した３８０ｎｍから５３０ｎｍまでの間の広帯域の波長を生成する。

本発明の別の実施形態は、冷却空気流によるＬＥＤモジュール及び光路の汚染を減らす、ＬＥＤライトエンジンシステムのＬＥＤモジュールを冷却するための改善されたシステムに関する。このシステムは、ＬＥＤモジュールから、受動的に冷却される遠隔のヒートシンクへの熱の伝導伝達のための手段を含む。

添付図面を考慮して読むと、当業者には、以下の種々の実施形態の説明から、本発明の他の目的及び利点が明らかになるであろう。

以下の図面に基づいて、本発明の種々の実施形態を説明することができる。

本発明の一実施形態によるＬＥＤライトエンジンシステムの図を示す。 図１ＡのＬＥＤライトエンジンシステムのスペクトルパワー出力を示す。 本発明の一実施形態によるＬＥＤライトエンジンの外観図を示す。 本発明の一実施形態によるＬＥＤライトエンジンの外観図を示す。 図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンの内部斜視図を示す。 図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンの内部側面図を示す。 図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンの内部側面図を示す。 図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンの底面図を示す。 図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンの制御システムを示す。 本発明の一実施形態による、図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンのＬＥＤモジュールの斜視図を示す。 図３ＡのＬＥＤモジュールの部分斜視図を示す。 図３ＡのＬＥＤモジュールの断面図を示す。 本発明の一実施形態による、図２Ａ及び２ＢのＬＥＤライトエンジンの出力光学系サブシステムの上面図を示す。 図４Ａの出力光学系サブシステムの光学部品の上面図を示す。 図４Ａの出力光学系サブシステムの異なる断面図を示す。 図４Ａの出力光学系サブシステムの異なる断面図を示す。

図面においては、共通の参照数字が、図面及び詳細な説明の全体を通して同じ要素を示すのに使用され、従って、関連した要素が他の場所で説明される場合には、そうした図面に特有の詳細な説明において、図面内で用いられる参照数字に言及することも言及しないこともある。３桁の参照数字の１桁目は、言及される項目が初めに現れる一連の図面を示す。４桁の参照数字の初めの２桁も同様である。

光硬化用のＬＥＤライトエンジンシステム
どの照明解決策も全ての機器構成を最適に満たすことはできないが、本発明の一実施形態によるＬＥＤライトエンジンは、光硬化に望ましい全ての波長にわたる全ての性能指数に基づいて、表Ｉに列挙される伝統的技術に対応する又はこれを凌ぐように、最良の固体技術を組み合せる。本発明の一実施形態において、ＬＥＤライトエンジンは、光硬化に適した波長において、１０Ｗ／ｃｍ^２までの強度を有する、５００ｍＷ／カラーを超える光を放射することができる。本発明は光生成のための高性能な代案を提供する。このＬＥＤライトエンジンの能力が、表ＩＩ内で強調されている。ＬＥＤライトエンジンがもたらす高性能の照明は、照明構成要素の集合全体に取って代わるように設計された単一のコンパクトなユニットの形で具体化される。光源、励起フィルタ、マルチカラー切り換え能力及び高速パルシングが、設置面積の小さい１つの箱内に含まれるので、外部の光学系又は機構は必要でない。

本発明の種々の実施形態において、ＬＥＤライトエンジンは、ある範囲の光開始剤を励起するのに適した波長の光を放射する発光ダイオードを有するＬＥＤモジュールを含む。ＬＥＤは自然放射プロセスによって作動し、それにより、効率的な誘導放射（レーザ動作）に使用可能であるよりも利用可能波長の選択がずっと広くなる。各々が１又はそれ以上のカラー光を放射するＬＥＤを含むＬＥＤモジュールの出力が、光学系を用いて結合されて単一の出力にされ、複数のカラーが同時に又は順々に生成される。ＬＥＤモジュールは、連続的に照明することができ、強度を制御することができ、特定の用途において光開始剤を励起するのに必要なように又は望ましいように迅速にオンオフするようにパルス化することができる。ＬＥＤモジュールは、使用の間、熱出力を無くすようにスイッチをオフにすることができる。これは、連続的に動作しなければ安定しない、ＱＴＨランプ、アークランプ、及びレーザなどの代案と対比することができる。

ＬＥＤモジュールの固体特性及び独立して動作可能な設計が、使用される典型的な材料の速い（約１０ｎｓ）減衰時間と結合されるために、ＬＥＤライトエンジンは、切り換え制御のサポートによるいずれの幅広スペクトル光源よりも性能が優れている。ＱＴＨランプ及びアークランプ・ベースの光源は、それらを１乃至５０ミリ秒の領域に格下げする機械的サポートを伴うフィルタ及び／又はシャッターに結合され、かつランプの連続動作を必要とする。ＬＥＤライトエンジンは、全てのその能力を高度に統合された設計に組み込む。従って、切り換え時間は、現在、光源を制御する基板の電子機器によって制限される。２０μｓ未満の立ち上がり時間及び２μｓ未満の立ち下がり時間を達成することができる。さらに、各カラーは、独立して切り換えることができ、ＴＴＬ、ＲＳ２３２及びＵＳＢによる始動、並びにＲＳ２３２、ＵＳＢ又は手動による強度制御に適合する。

ＬＥＤライトエンジンを用いて、光開始剤の瞬間的な励起を効率的に行い、ライトエンジン自体以外の外部ハードウェアを使用せずに所望の硬化効果を達成することができる。さらに、ＬＥＤライトエンジンは固体技術に基づくので、それらは短時間の実験及び長時間にわたる使用のどちらにおいても極めて安定である。ＬＥＤライトエンジンは、ＤＣモードで動作する２４Ｖ電源によって電力供給され、従って６０Ｈｚノイズが存在しない。全てのカラーが同様に機能する。２４時間の連続動作において、出力は１％のオーダーで変動する。１．０ｍｓのオーダーの短時間安定度は、約０．５％である。０．１ｍｓ間の短時間安定度は、１０分の１に減って０．０５％となる。

図１Ａは、本発明の一実施形態によるＬＥＤライトエンジンシステム１１０の図を示す。図１Ａに示すように、ＬＥＤライトエンジンシステム１１０は、ＬＥＤライトエンジン１００と、ライトガイド１０２と、制御装置１０４とを含み、フットペダル（図示せず）もまたＬＥＤライトエンジンシステム１１０に備えられる。ＬＥＤライトエンジン１００は、集光工学系及び伝送光学系を備えた、出力要件を最も良く満たすように調整された固体技術に基づく、別個の出力の各々についてのＬＥＤモジュールを含む。ライトガイド１０２は、ＬＥＤライトエンジン１００から光出力を受け取り、それを光が光硬化のために使用される場所及び／又は機器に伝送する。ライトガイド１０２は、例えば、液体ライトガイド又は光ファイバライトガイドとすることができる。ライトガイド１０２は、ＬＥＤライトエンジン１００の外部にあるアダプタ１０８に接続する。制御装置１０４は、この実施形態においては、制御装置１０４がＬＥＤライトエンジン１００の動作を制御することを可能にするソフトウェアを実行しているタッチスクリーン・タブレットである。タッチスクリーン・タブレットは、ユーザが、強度、カウントダウンタイマーを設定し、さらに特有の硬化サイクルをプログラムすることを可能にする。そのようにプログラムされた出力の開始は、タッチスクリーン又はフットペダル（図示せず）によって作動させることができる。制御装置１０４は、ＵＳＢケーブル１０６によってＬＥＤライトエンジンに接続されるが、代替的な実施形態においては、無線又はネットワーク接続を用いることができる（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉｆｉ、ＮＦＣ、イーサネット等）。

ＬＥＤライトエンジン１００は、コンパクトで新規な、ファンが無い設計を有する。最適化された熱管理と組み合わせた固体光源の使用により、ファンを使用しない冷却動作が可能になる。ＬＥＤライトエンジン１００は長い寿命を有し、耐久性のある再現可能で強固な硬化に理想的である。二重インターロックシステムが、ライトガイド１０２が取り外されたときに、ＬＥＤライトエンジン１００からの光出力を機械的にも電子的にも防止する。ＬＥＤライトエンジン１００は、交換可能部品を有さず、保守も必要としない。瞬間的なウォームアップ時間及び優れた安定性は、再現性の高い光学出力パワーをもたらす。ＬＥＤライトエンジン１００は、正確に制御できる迅速なオン／オフ時間、並びに強度制御を行うことができる。一実施形態において、ＬＥＤライトエンジンシステム１１０は、表ＩＩＩに示される特徴を有する。

図１Ｂは、図１ＡのＬＥＤライトエンジンシステム１１０のスペクトルパワー出力を示す。図１Ｂに示すように、ＬＥＤライトエンジン１１０は強力、高強度であり、一般的な光開始剤を活性化するのに適した３８０ｎｍから５３０ｎｍまでの波長範囲にわたる広いスペクトルの光出力を生成する。ＬＥＤライトエンジン１００は、ＵＶＡ及び可視波長硬化用に設計された光硬化接着剤に良好に適合する出力を供給する。ＬＥＤライトエンジン１１０は、ほぼ１ワットの光学出力パワーを生成する高性能機器である。

図１Ｂに示すように、ＬＥＤライトエンジンシステム１１０は、光硬化用ＬＥＤ（発光ダイオード）に適した広い波長範囲にわたって高強度の可視光を生成する。このシステムは、良好なスペクトル安定性及び合焦した放射を示す。広い発光帯は、大部分の光硬化性樹脂に適合する。温度は、寿命及びスペクトル安定性の両方を維持するように良好に制御される。従って、特定の光開始剤を励起するのに適した波長において、十分な光が供給される。さらに、ＬＥＤライトエンジンシステム１１０によって生成される可視光は、ＵＶ光に比べて光硬化性樹脂内に良好に浸透し、広い発光帯は、広範囲の組成物、環境、樹脂の深さ等にわたって光開始剤を確実に励起することができ、それにより確実で効率的な光硬化が保証されることを意味する。

光硬化用のＬＥＤライトエンジン
図２Ａ−図２Ｇは、図１ＡのＬＥＤライトエンジンシステム１１０のＬＥＤライトエンジン１００の図を示す。図２Ａ及び図２Ｂは、ＬＥＤライトエンジン１００の外観図を示す。図２Ｃは、カバーを取り除いたＬＥＤライトエンジン１００の斜視図を示す。図２Ｄ及び図２Ｅは、カバーを取り除いたＬＥＤライトエンジン１００の側面図を示す。図２Ｆは、ＬＥＤライトエンジン１００の底面図を示す。

図２Ａ及び図２Ｂは、ＬＥＤライトエンジン１００の外観図を示す。図２Ａ、図２Ｂに示すように、ＬＥＤライトエンジン１００は、卓上での使用に適した小さい設置面積を有するハウジング２００内に完全に密封される。一実施形態において、ＬＥＤライトエンジン１００は、１１０ｍｍ×２３０ｍｍ×１９０ｍｍ（４．２インチ×９．１インチ×７．５インチ）の寸法を有する。三面カバー２１２が、ＬＥＤライトエンジン１００の上面、左側面及び右側面を覆う。カバー２１０は、ＬＥＤライトエンジン１００の右側を通って冷却空気が流れるのを可能にする通気孔２１２を含む。アダプタ１０８が、ＬＥＤライトエンジン１００の前板２１４に嵌合される。裏板２２０は、電源スイッチ２２２、ＵＳＢポート２２４、電源コネクタ２２６及びフットペダルコネクタ２２８を含む。ＬＥＤライトエンジン１００は、底板２１８に取り付けられた４つの脚部２１６の上に載る。従って、ハウジング２００は、三面カバー２１０、前板２１４、裏板２２０、及び底板２１８から成る。ハウジング２００は、ＬＥＤライトエンジン１００を保護し、光、及びハウジング２００を通って通気孔によりもたらされる以外の空気の出入りを実質的に防ぐ。

図２Ｃは、三面カバー２１０が取り除かれたＬＥＤライトエンジン１００の斜視図を示す。図２Ｃに示すように、プラットフォーム２３０が、前板２１４と裏板２２０との間に垂直方向に取り付けられる。プラットフォーム２３０は、ハウジングの左側と右側を完全に分離する。プラットフォーム２３０の左側２３２は、ＬＥＤモジュール及び光学系を取り付け、支持するように実質的に平担である。プラットフォーム２３０の右側２３４は、プラットフォーム２３０の冷却のための多数の垂直フィン２３６を含む。プラットフォーム２３０は、アルミニウム又は別の伝導性金属又は金属合金から機械加工されることが好ましい。

図２Ｃに示すように、固体ＬＥＤライトエンジン１００の内部は、プラットフォーム２３０によって分割される。プラットフォーム２３０の左側２３２は、実質的に平担であり、固体光源及び関連した光学系を支持する。プラットフォーム２３０の右側２３４は、プラットフォーム２３０の冷却のための大きい表面積を与える複数のフィン２３６を支える。フィンは、ハウジングの底部から上昇し、ハウジングの上面を通って抜け出る空気流の軸に対して平行に垂直に配置される。プラットフォーム２３０は、該プラットフォーム２３０と三面カバーとの間のハウジングの右部分内に冷却空気流を保持する。これは、光学部品の汚染の可能性を減らす。

図２Ｃに示すように、プラットフォーム２３０の左側２３２に取り付けられているのは、選択された波長の光を生成するための３つのＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３である。ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の各々は、モジュールから出力された光を平行（ｃｏｌｉｍａｔｅｄ）ビームにする、コリメータ２４１ｃ、２４２ｃ、及び２４３ｃを含む。ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の光出力は、同じくプラットフォーム２３０の左側２３２に取り付けられた２つの二色性ミラー２４４、２４５を用いて結合されて単一の出力ビームになる。単一の出力ビーム光は、出力光学系２５６に向けられ、これにより結合したビームが、アダプタ１０８に挿入されたライトガイド（図示せず）内に合焦する。

本発明の一実施形態において、ＬＥＤライトエンジン１００は、各々が異なるピーク波長（カラー）の光を生成する３つのＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３を含む。２つの二色性ミラー２４４、２４５は、単一の同軸三色ビームを生成するためのカラーを供給する。一実施形態において、ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３は、紫色（４０５ｎｍ）、青色（４４０ｎｍ）及びシアン（４８５ｎｍ）の光を生成する。好ましい実施形態において、出力ビームは、３８０ｎｍ−５３０ｎｍのスペクトルにわたって実質的に連続しているので、広範囲の光開始剤を励起するのに適している。一つ一つのＬＥＤ光源は、コリメートされ、二色性ミラー２４４、２４５によって効率的に結合され、結合後、照射される機器又はシステムに伝えるために、単一の同軸ビームが出力光学系２５６によってライトガイド内に再合焦される。ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の１つ又はそれ以上を交換することにより、付加的な又は異なるカラーを用いることができる。例えば、紫色のＬＥＤモジュールの代わりに又はそれに加えてＵＶ ＬＥＤを含むＵＶ光ＬＥＤモジュールを用いることができる。

固体照明システムの冷却要件は、白熱光源のものとは実質的に異なる。白熱灯は、典型的には、それらが発生させる９０％ほどの熱を赤外線放射により、そして１０％未満を伝導によって環境に放出する。比較すると、ＬＥＤは、典型的には、それらが発生させる９０％ほどの熱を伝導により、そして１０％未満の熱を伝導によって環境に放出する。熱散逸は、ＬＥＤ光源のパワー出力を制限する主要な要因である。ＬＥＤ電球が、電気エネルギーを光に変換する上で、白熱光源よりも著しく効率的であっても、ＬＥＤ部品及びその駆動電子機器は、依然として相当な量の熱を生成することがある。この熱が適切に散逸されない場合、ＬＥＳの光の質、発光スペクトル、及び平均余命は劇的に減少する。従って、ＬＥＤに依拠する固体照明システムにおいて、ＬＥＤの伝導冷却のための効果的な解決策を提供することが重要である。プラットフォーム２３０は、ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の取り付け、並びに後述の温度調節の両方をもたらす。

前述のように、冷却空気は、ハウジングの左部分内には流れない。しかしながら、ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３は、動作中に熱を発生する。この熱は、固体光源の温度を所望のレベルに維持するために、除去する必要がある。従来の機器においては、個々の固体光源に個々のフィン付きヒートシンクを設け、共通の又は個々のファンを用いて、空気がヒートシンクの上を通過するようにして熱を除去したが、この冷却システムにより、埃及び／又は他の汚染物質が光源内及び光学部品上に入っていけるようになった。埃及び／又は他の汚染物質は、光学効率の低下、ハウジング内での光の散乱、焦げ、焦げ臭を含む多くの問題を引き起こすことがある。図２Ａ−図２Ｆに示すＬＥＤライトエンジン１００において、ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の各々は、プラットフォーム２３０と良好な熱接触状態にある。熱接触は、直接的な金属−金属接触であるか、又はＬＥＤモジュールとプラットフォーム２３０との間の熱ペーストを介して行われることもある。プラットフォーム２３０は、伝導性金属又は金属合金から作製されるので、ＬＥＤモジュールからの熱は、冷却空気が流れることができるフィン２３６に向かって迅速に伝導により除去される。プラットフォーム２３０は、ＬＥＤモジュール、二色性ミラー及び出力光学系を取り付け、位置合わせするための光学台としても、ＬＥＤモジュールのための共通ヒートシンクとしても機能する。以下で図３Ａ−図３Ｃに関連して説明するように、ＬＥＤモジュールは、それらの構成要素からプラットフォーム２３０に熱を効率的に伝えるように適切に設計される。ＬＥＤモジュールは、それらの熱出力に基づいて、例えば一実施形態においては、ＬＥＤモジュール２４１、２４２、２４３がそれぞれ２５ワットの熱を出すことに基づいて、プラットフォーム２３０上に配置される。従って、光源の熱出力は、光源を配置するときに、各々がプラットフォーム２３０のフィン付き側上の冷却空気流によって適切に冷却されることを保証するように考慮される。例えば、図２Ｅにおいて、ＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３は、それぞれが効率的に冷却されるように互いに水平方向にずらされるように配置されることに留意されたい。好ましい実施形態においては、ハウジング２００内の通気孔（図２Ａ、図２Ｂ参照）を通る空気によるフィン２３６の受動的冷却は、ファンを用いずにＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の温度を維持するのに十分である。また、プラットフォーム２３０は、ハウジング２００の内部体積を分割して、冷却空気が右側のみを通ってフィン２３６の上を流れるようにすることにも留意されたい。ハウジング２００の左側２３２は通気されないので、外部空気は、光学部品及びＬＥＤモジュール２４１、２４２、及び２４３の周りに流れない。これにより、埃等による汚染の可能性が低減される。

図２Ｄ及び図２Ｅは、三面カバー２１０が取り除かれたＬＥＤライトエンジン１００の側面図を示す。図２Ｄは、プラットフォーム２３０の右側２３４を示し、加熱された空気が底板２１８を通って上昇し、三面カバー２１０内の通気孔を通って出ることができるように垂直方向に取り付けられ、従って、ファンを使用せずにフィン２３６の対流冷却を容易にするフィン２３６を示す。制御基板２４０もまた、プラットフォーム２３０の右側２３４に隣接して収容され、裏板２２０を介して電源スイッチ２２２、ＵＳＢポート２２４、電源コネクタ２２６、及びフットペダルコネクタ２２８を含むように接続される。制御基板２４０も冷却空気流を受け入れる。制御基板２４０は、ＬＥＤライトエンジン１００の固体光源及びセンサを駆動するための回路を含む。

図２Ｆは、ＬＥＤライトエンジン１００の底面図を示す。底板２１８は、フィン２３６（図示せず）の間の間隙と位置合わせされた複数のスロット２１９を含む。スロット２１９は、空気がスロット２１９を通ってフィン２３６の間を流れ、それにより、ファンを必要とした状態で受動的対流によってプラットフォーム２３０（図示せず）が冷却され得るように設計される。

ＬＥＤモジュール２４１、２４２、２４３は、制御基板２４０によって、出力ビームのスペクトルコンテンツを制御するために、一緒に又は個々に制御される。本発明の実施形態において、３つのＬＥＤモジュール２４１、２４２、２４３は、紫色４０５ｎｍ、青色４２５−４６０ｎｍ、及びシアン４６０−５００ｎｍを中心としたスペクトル成分を生成する。３つのＬＥＤモジュール２４１、２４２、２４３の全てを同時に調整し、異なるカラーを結合して３８０ｎｍ−５３０ｎｍの範囲にわたる実質的連続スペクトルを生成することができる。

図２Ｇは、ＬＥＤライトエンジン１００の制御システムを示す。図２Ｇに示すように、制御基板２４０は、コントローラ２７０を含む。コントローラ２７０は、種々のセンサ、入力ポート及び入力装置からデータを受け取り、データ出力ポート及び／又は任意のインジケータ／ディスプレイ装置にデータを送るための入力／出力システム２７２を含む。コントローラ２７０は、電力をＬＥＤライトエンジン１００の電気部品、光学部品及び機械部品に供給する電力出力システム２７４に結合される。使用される典型的な材料の速い（約１０ｎｓ）減衰時間と組み合せられた、光源の固体特性及び独立して動作可能な設計のために、固体照明システムは、機械的シャッターを必要とせず、コントローラ２７０の制御下で２０μｓ未満の立ち上がり時間及び２μｓ未満の立ち下がり時間が可能であり、これは、ＵＳＢポート２２４に接続された制御装置１０４、及び／又は、フットペダルポート２２８に接続されたフットペダルによる始動に適合する。連続的な光出力スペクトルを生成するために、各光源は同時に作動される。代替的に、各光源を独立して切り換えて所望のスペクトルパワー分布及び／又はカラーの出力を生成することができる。

図２Ｇに示す制御システムの実施形態において、コントローラ２７０は、入力／出力システム２７２によって、ＵＳＢポート２２４、フットペダル入力２２８、安全フラップセンサ２７６、トグルスイッチ２２２、付加的センサ２７８、ディスプレイ／インジケータ２８０、並びにＬＥＤモジュール２４１、２４２、２４３の熱センサ及び光センサに結合される。コントローラ２７０は、ＬＥＤ及びＬＥＤモジュール２４１、２４２、２４３のレーザダイオードを駆動するための電力を供給する電力出力システム２７４に結合される。システムの所望の機能をサポートするために、付加的センサ２７８、ディスプレイ／インジケータ２８０、並びに入力部／スイッチ及び出力部を、必要に応じて、ＬＥＤライトエンジン１００に加えることができるが、典型的には、ＵＳＢポート２２４に接続された制御装置１０４が、ＬＥＤライトエンジン１００を制御し、監視するのに使用され、ソフトウェアアプリケーションを通して制御及びデータ表示の融通性をもたらす。例えば、図１Ａに示すように、タッチスクリーン・タブレットの形態の制御装置１０４は、該制御装置１０４がＬＥＤライトエンジン１００の動作を制御するのを可能にするソフトウェアを実行する。タッチスクリーン・タブレットは、ユーザが、各ＬＥＤモジュールの強度を別個に又は集団として設定し、カウントダウンタイマーを設定及び開始し、特有の硬化サイクルをプログラムすることを可能にする。そのようにプログラムされた出力の開始は、タッチスクリーン又はフットペダル（図示せず）によって作動させることができる。制御装置１０４は、ＵＳＢケーブル１０６によってＬＥＤライトエンジン１００に接続されるが、代替的な実施形態においては、無線又はネットワーク接続を用いることができる（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉｆｉ、ＮＦＣ、イーサネット等）。

光硬化システムのＬＥＤモジュール
図３Ａ−図３Ｃは、ＬＥＤモジュール２４１及びコリメータ２４１ｃの図を示す。ＬＥＤモジュール２４２及び２４３は同じ設計を有するが、ＬＥＤモジュール２４１、２４２及び２４３の各々は、ＬＥＤモジュール２４１、２４２及び２４３のうちの他のものとは異なる波長の光を放射するＬＥＤを含むことが好ましい。図３Ａは、ＬＥＤモジュール２４１、コリメータ２４１ｃ、及び関連した二色性ミラー２４４の斜視図を示す。図３Ａに示すように、ＬＥＤモジュール２４１は、プラットフォーム２３０（図２Ｃ−図２Ｅ参照）に取り付けられるように適合されたベース３００を含む。コリメータ２４１ｃは、ベース３００に取り付けられる。

図３Ｂは、ＬＥＤモジュール２４１、コリメータ２４１ｃ、及び関連した二色性ミラー２４４の部分斜視図を示す。図３Ｂに示すように、ＬＥＤモジュール２４１は、ＬＥＤダイ３１０を含む。ＬＥＤダイ３１０は、同じ基板上に複数の発光ダイオードを含む。この基板は、ベース３００と直接又は間接的に熱接触するように取り付けられるので、動作中に発光ダイオードによって発生する熱がベース３００に伝えられる。ベース３００は、プラットフォーム２３０と熱接触するように固定され、その結果、熱はプラットフォーム２３０に迅速に伝達され、次いでフィン２３６から散逸する。

再び、図３Ｂを参照すると、ＬＥＤダイ３１０から放射された光は、ダイ３１０の上方に配置された平凸レンズ３２６を通って集光される。光は、平凸レンズ３２６を通過し、コリメータ２４１ｃの平凸レンズ３２７、３２８によってコリメートされる。光センサ３２９が平凸レンズ３２７に隣接して配置され、そこで光センサ３２９は、ＬＥＤダイ３１０の光出力を監視するために散乱光を受け取る。平凸レンズ３２７、３２８を通過した後、コリメートされた光ビームは、二色性ミラー２４４に向けられる。二色性ミラー２４４は、コリメートされた光ビームが出力光学系２５６に向かって光軸に沿って指向されるように位置合わせされる（図２Ｅ参照）。

図３Ｃは、ＬＥＤモジュール２４１及びコリメータ２４１ｃの断面図を示す。図３Ｃに示すように、ＬＥＤモジュール２４１は、ＬＥＤダイ３１０を含む。ＬＥＤダイ３１０は、同じ基板上に複数の発光ダイオードを含む。基板は、ベース３００と直接又は間接的に熱接触するように取り付けられるので、動作中にＬＥＤダイ３１０によって発生する熱がベース３００に伝えられる。ベース３００は、プラットフォーム２３０と熱接触するように固定され、その結果、熱はプラットフォーム２３０に迅速に伝達され、次いでフィン２３６から散逸する（図示しないが、図２Ｄを参照されたい）。再び図３Ｃを参照すると、ＬＥＤダイ３１０から放射された光は、ダイ３１０の上方に配置された平凸レンズ３２６を通って集光される。光は、平凸レンズ３２６を通過し、コリメータ２４１ｃの平凸レンズ３２７、３２８によってコリメートされる。

光硬化システム用の出力光学系
図４Ａ−図４Ｄは、ＬＥＤライトエンジン１００（図２Ｃ及び２Ｅ参照）の出力光学系２５６を示す。図４Ａに示すように、出力光学系２５６は、ＬＥＤライトエンジン１００の全ての光源から、コリメートされた結合光ビーム２５４を受け取り、結合ビーム２５４を合焦し、それをライトガイド１０２の開口部４２８内に向ける。アダプタ１０８がライトガイド１０２を出力光学系２５６に接続し、ライトガイドの開口部４２８が正しく位置決めされて合焦した結合光ビーム２５４を受け取るように、ライトガイド１０２を位置決めする。出力光学系２５６は、ライトガイド１０２を前板２１４内の開口部を通して出力光学系２５６に接続できるように、前板２１４に対して位置決めされる。

図４Ｂに示すように、出力光学系２５６は、２つの平凸レンズ４２６、４２７を含む。平凸レンズ４２６、４２７は、ＬＥＤライトエンジン１００の全ての光源からコリメータされた結合光ビーム２５４を受け取り、結合ビーム２５４を合焦し、それをライトガイド１０２の開口部４２８内に向ける。ライトガイド１０２は、結合ビームを、光開始剤を励起するのに使用される場所又は器具に伝える。

図４Ｃ−図４Ｄは、ライトガイド１０２の取り付け部を示す出力光学系２５６の断面図である。図４Ｃは、ライトガイド１０２が所定の位置にない出力光学系を示す。図４Ｃに示すように、ライトガイド１０２は、内腔４０２を定めるハウジング４００を含む。ハウジング４００は、プラットフォーム２３０に取り付けられる。ハウジング４００は、前板２１４内の開口部４２４を通って突出するので、固体照明システム７００の外部から内腔４０２にアクセス可能である。図４Ｃに示すように、ライトガイド１０２が接続されていないときに、内腔４０２を通って光が出ていくこと又は汚染物質が侵入することを防止するように、安全フラップ４０４が内腔４０２を塞ぐ。安全フラップ４０４は、ライトガイド１０２の除去時に内腔４０２を自動的に塞ぐようにばね荷重式である。安全フラップ４０４は、ライトガイド１０２が挿入されると、ピボット運動して経路から外れる。１つ又はそれ以上の限界センサ（図示せず）が安全フラップ４０４に結合され、安全フラップ４０４の位置（従ってライトガイドの有無）を検出し、そうした情報を制御基板２４０に供給する。安全フラップ４０４及びセンサは、ライトガイド１０２が除去されると、ＬＥＤライトエンジン１００から光出力を機械的にも電子的にも防止する二重インターロックシステムとして機能する。

図４Ｄに示すように、ライトガイド１０２は、アダプタ１０８内に収容され、このアダプタ１０８は、ライトガイド１０２を出力光学系２５６に接続し、ライトガイド１０２の開口部４２８が合焦された結合光ビーム２５４を受け取るために正確に配置されるように、ライトガイド１０２を配置する。アダプタ１０８及びライトガイド１０２がハウジング４００の内腔４０２に挿入されると、安全フラップ４００がピボット運動して経路から外れる。開口部４２８は、平凸レンズ４２６、４２７と同軸に配置され、その結果、結合光ビーム２５４がライトガイド１０２の開口部４２８内に合焦される。ライトガイド１０２は、結合ビームを、光開始剤を励起するのに使用される場所又は器具に伝える。

本発明の種々の実施形態の前述の説明は、例証及び説明の目的で与えられたものである。これは、網羅的であること又は本発明を開示された正確な形態に限定することを意図したものではない。当業者には、多くの修正及び変形が明らかになるであろう。実施形態は、本発明の原理及びその実際の適用を最も良く説明し、それにより当業者が、本発明、種々の実施形態を、企図される特定の使用に適した種々の実施形態によって理解できるように、選択され記載された。本発明の他の特徴、態様及び目的は、図及び特許請求の範囲の再検討から得ることができる。本発明の他の実施形態を開発することができ、それらは本発明の趣旨及び範囲並びに特許請求の範囲に入ることを理解されたい。

１００：ＬＥＤライトエンジン
１０２：ライトガイド
１０４：制御装置
１０６：ＵＳＢケーブル
１０８：アダプタ
１１０：ＬＥＤライトエンジンシステム
２００：ハウジング
２１０：三面カバー
２１２：通気孔
２１４：前板
２１６：脚
２１８：底板
２１９：スロット
２２０：裏板
２２２：電源スイッチ
２２４：ＵＳＢポート
２２６：電源コネクタ
２２８：フットペダルコネクタ（フットペダルポート）
２３０：プラットフォーム
２３２：左側
２３４：右側
２３６：フィン
２４０：制御基板
２４１、２４２、２４３：ＬＥＤモジュール
２４１ｃ、２４２ｃ、２４３ｃ：コリメータ
２４４、２４５：二色性ミラー
２５４：結合ビーム
２５６：出力光学系
２７０：コントローラ
２７２：入力／出力システム
２７４：電力出力システム
２７６：安全フラップセンサ
２７８：付加的センサ
２８０：ディスプレイ／インジケータ
３００：ベース
３１０：ＬＥＤダイ
３２６、３２７、３２８：平凸レンズ
３２９：光センサ
４００：ハウジング
４０２：内腔
４０４：安全フラップ
４２４、４２８：開口部
４２６、４２７：平凸レンズ

Claims (13)

1. 空間を囲むハウジングと、
   第１の実質的に平担な表面及び第２の表面を有する金属プラットフォームと、
   を含み、
   前記金属プラットフォームは、前記囲まれた空間を、前記第１の実質的に平担な表面及び前記ハウジングによって定められる第１の体積と、前記第２の表面及び前記ハウジングによって定められる第２の体積とに垂直に分割し、
   各々が固体光源及び金属ベースを有しかつ光ビームを放射する、第１の体積内に配置された複数の光源と、
   が設けられ、
   前記複数の光源の各々の前記金属ベースの各々は、前記プラットフォームの前記実質的に平担な表面に取り付けられ、
   前記金属ベースの各々は、固体光源と前記金属プラットフォームとの間に熱伝導経路をもたらし、それにより前記固体光源によって発生した熱が前記ベースを介して前記プラットフォームに伝えられ、
   前記第１の体積内に配置され、かつ前記プラットフォームの前記実質的に平担な表面に取り付けられた複数の二色性素子をさらに含み、前記複数の二色性素子は、前記複数の光源からの光ビームを結合して結合ビームにし、
   前記ハウジングに通気孔が設けられて、前記第２の体積を通る空気流が前記プラットフォームの受動的対流冷却をもたらすことが可能になり、前記ハウジングは前記第１の体積を実質的に密閉して汚染を防止することを特徴とする光硬化システム。
2. 前記固体光源の各々は、ＬＥＤ光源を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
3. 前記第１の体積内に配置され、前記プラットフォームの前記実質的に平担な表面に取り付けられ、かつ前記結合ビームを受け取って前記結合ビームをライトガイドの入口開口部内に合焦するように適合された出力光学ステージをさらに含み、前記出力光学ステージは、ライトガイドがないときに光出力を防ぐための機械的フラップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
4. 前記ハウジング内の開口部を通して前記出力光学ステージに結合されたライトガイドと組み合せられ、前記ライトガイドは、前記結合ビームを伝えるように適合されることを特徴とする、請求項３に記載の光硬化システム。
5. 前記ハウジングの前記第２の体積内に取り付けられた制御基板をさらに含み、前記制御基板は、前記複数の光源に電流を供給するように適合されることを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
6. 前記結合ビームは、直径３ｍｍのライトガイドと共に使用されるとき、少なくとも１０Ｗ／ｃｍ²の強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
7. 前記結合ビームは、３８０ｎｍから５３０ｎｍまでの間で実質的に連続的であることを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
8. 前記結合ビームは、直径３ｍｍのライトガイドと共に用いられるとき、少なくとも１０Ｗ／ｃｍ²の強度を有し、
   前記結合ビームは、３８０ｎｍから５３０ｎｍまでの間で実質的に連続的であることを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
9. 前記結合ビームの出力を制御するためにフットペダルと組み合せられることを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
10. 強度、カウントダウンタイマーを設定し、さらに特有の硬化サイクルをプログラムするように適合されたタッチスクリーン制御装置をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
11. 前記結合ビームをライトガイド内に合焦するように適合された出力光学系をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
12. 前記結合ビームをライトガイド内に合焦するように適合された出力光学系をさらに備え、前記出力光学系は、ライトガイドがないときに前記結合ビームを妨げるための機械的フラップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。
13. 前記結合ビームをライトガイド内に合焦するように適合された出力光学系をさらに備え、前記出力光学系は、ライトガイドがないときに、前記結合ビームを妨げ、前記複数の光源をオフにするための電子センサ及び機械的フラップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光硬化システム。

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