JP6407579B2 - 歯科用光デバイス - Google Patents

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Description

関連出願
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている2009年4月2日に出願した「CURING LIGHT DEVICE」という名称の米国仮出願第61/166,130号の非仮出願である2010年4月1日に出願した「CURING LIGHT DEVICE」という名称の米国特許出願第12/752,335号の一部継続出願である。
本発明は、照明または光デバイスに関し、より具体的には、口腔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明し、硬化させるために光を提供する照明デバイスに関する。
多くの照明デバイスまたは光デバイスが、歯科および口腔用途での使用のために存在する。歯科用照明デバイスの1つの特定のカテゴリは、様々な理由のために患者の口内の領域を照明するために、患者の口に近接して保持されるハンドヘルドデバイスを対象とする。1つの特定の使用は、口内で光硬化性化合物を硬化させることを目的とする。適したハンドヘルド光デバイスが、歯科用途のために存在するが、そのような光デバイスに関連して、特に、歯科用硬化ライトに関して、様々な欠点がしばしば存在する。
多くのそのような歯科用ライトは、発光ダイオード(LED)などの光素子を含む本体を有する。先細りの湾曲した光導波路が、次いで、光を捕捉し、所望の場所に向けるために、本体の端部および発光素子とインターフェースする。一般にそのような光導波路は、光ファイバ要素の束であり、光ファイバ要素の束は、患者の口から離れたデバイス内の光を捕捉し、次いで、その光を、患者の口内の関心領域に配置され得る先端に転送するように動作する。そのような光導波路は、適切な方法で動作するが、それらは、非常に非効率的でもある。デバイス内で生成された光のほとんど半分は、光導波路を介するその源から先端までの伝送中に失われる。そのように非効率性は、化合物を硬化させるなどのために、硬化部位において必要な光を生成するために、非常に大きい光エンジンを必要とする。今度は、熱が生成され、熱は、光エンジンから適切に除去され、光エンジンから離れる方に導かれなければならない。光エンジンによって必要とされる出力がより大きくなると、対処されなければならない熱がより多くなる。
そのような歯科用ライトに関連する別の問題は、それらの滅菌である。理解され得るように、歯科用ライトの先端は、一般に、患者の口または口のどこかの部分に近接され、または実際に接触される。したがって、光デバイスの先端は、様々な細菌およびバクテリアに曝される。したがって、患者間の細菌または感染の伝播を防止するために、歯科用器具は、しばしば、非常に高い温度でオートクレーブ処理されることなどによって、滅菌される。歯科用ライトの光エンジンを動作先端に近づけるために、提案およびいくつかの試みが、当該技術分野で行われているが、そのような試みは、滅菌の問題に徹底的には対処していない。例えば、オートクレーブ処理が達成される温度は、LEDアレイ中の発光素子などの光エンジンに潜在的に有害である。したがって、滅菌の問題は、歯科用硬化ライトなどの既存の歯科用ライトによって十分に対処されていない。
既存の歯科用ライトに対する別の欠点は、それらの電源に対する必要性に向けられる。しばしば、そのようなライトは、実際に、次いで壁のコンセントなどのAC電源に結合するベースにプラグで接続される。いくつかは、AC壁コンセントに直接接続される。いくつかのポータブル歯科用光デバイスは、ベースに取り付けられずに、充電式バッテリなどの電池を利用する。しかしながら、充電式バッテリは、充電するためにかなりの時間を必要とし、したがって、そうでなければ使用することができる、歯科用ライトのために必要ないくらかの貴重なダウンタイムが存在する可能性がある。さらに、既存のバッテリ充電技術は、いくぶん限られた充電回数があるバッテリを使用する。いくぶん限られた回数の後、バッテリは、交換されなければならない。したがって、ポータブル硬化ライトにおける電力問題に対処する必要性が依然として存在する。
そのように、現在の技術によって対処されていない様々な欠点が、歯科用ライト、特に、歯科用硬化ライトの分野に残っている。
特許請求の範囲に記載の手段によって、課題を解決する。
本発明の特徴を組み込んだ光デバイスの側面図である。 充電ベース内の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の一部の拡大図である。 ハウジングに係合する先端構造体を示す図1の光デバイスの側断面図である。 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。 本発明の先端構造体に関する端部キャップ構造体の平面図である。 発明された光デバイスを充電するために使用される充電回路に関する回路図である。 図6の回路の動作に関する曲線のグラフィカル描写である。 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ィカル描写である。 キャパシタ充電曲線のグラフィカル描写である。 キャパシタ放電曲線のグラフィカル描写である。 本発明の一実施形態に関する電源電流源を示す回路図である。 本発明の別の実施形態に関する電源電流源を示す回路図である。 本発明の別の実施形態に関する電源電流源を示す回路図である。 本発明の別の実施形態に関する電源電流源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ィカル描写である。 本発明の別の実施形態に関する電源電流源を示す回路図である。 本発明の別の実施形態に関する電源電流源を示す回路図である。 充電器ベース内の光デバイスの代替実施形態の斜視図である。 図17の実施形態による充電器ベースの分解図である。 図17の実施形態による充電器ベースのプラグの斜視図である。 図17の実施形態による光デバイスの分解図である。 図20の実施形態による光デバイスの断面図である。 図20の実施形態による光デバイスのための取り外し可能な先端の分解図である。 図20の実施形態による光デバイスのためのソケットの分解図である。 図20の実施形態による光デバイスのためのソケットの部分断面図である。 図20の実施形態による光デバイスの断面図である。 図20の実施形態による光デバイスのための光エンジンの部分断面図である。 図20の実施形態による光デバイスのための光エンジンの斜視図である。 図20の実施形態による光デバイスのための光エンジンの側面図である。 図20の実施形態による光デバイスのための光エンジンの上面図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図17の実施形態による充電器ベース内の充電回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための主制御回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための主制御回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための主制御回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための主制御回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための放電回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための放電回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための放電回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための放電回路の回路図である。 図20の実施形態による光デバイスのための放電回路の回路図である。
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例示し、以下に与える本発明の全体的な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
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、硬化のために使用され得るが、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用途も期待される。したがって、本発明は、例示的な実施形態のための本明細書で説明する特定の用途に限定されない。硬化デバイス10は、ハウジング12、および、ハウジング12に取り外し可能に結合される先端構造体14を含む。本発明の一態様によれば、以下にさらに説明するように、先端構造体14は、デバイス全体から別々にオートクレーブ処理され得るように、取り外され得る。デバイス10は、デバイス10を制御するためのボタン、スイッチ、または他の適切な手動制御部を含むことができる外部制御部18を有する適切な制御電子機器16(図2参照)も含む。表示デバイス20も利用され得、表示デバイス20は、デバイス10の動作の視覚的表示を提供するためのスクリーン、個々の光素子、または他のグラフィカル要素を含むことができる。例えば、デバイスの動作モードおよび設定、選択可能な硬化時間、残りの硬化時間、充電または電力状態、ならびに、診断グラフィックスは、また、視覚的ディスプレイ20を利用して示され得る。先端構造体14は、ハウジング12に取り外し可能に結合される近位端部22、および、本発明による、光硬化性化合物を硬化させるための、患者の口内に配置される遠位端部24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)の再充電可能な内部要素を充電するための、図1Aに示すような、充電ベースまたはブロック27の形態のACまたはDC電源などの適切な外部電源に結合され得る。ベース26は、また、独立型のテーブル取り付けベース、壁、ポール、もしくは椅子に取り付けるための取り付け構造体などの適切な構造体内に適合するように構成され得、または、硬化デバイス10を保持し、充電するための歯科用椅子の一部に組み込まれ得る。
図2および図2Aは、先端構造体14とハウジング12との間のインターフェースを示す、デバイス10の断面図を示す。
図3は、ハウジングと係合する先端構造体14を示す。図では、断面線30は、例示の目的のためにハウジング12の取り外し可能な部分を示して示されている。ハウジング12、ならびに先端構造体14は、ハンドヘルド硬化デバイスに適するように寸法決めされ得、ハンドヘルド硬化デバイスは、デバイスの遠位端部24を患者の口内に、そうでなければ、光硬化性材料および化合物の近位に位置決めするように操作され得る。
先端構造体14は、先端構造体内を近位端部22から遠位端部24まで延在するヒートシンク構造体または要素32を含む。本発明の一実施形態では、図2および図2Aに示すように、ヒートシンク32は、硬化光デバイスからの熱の適切な熱伝達のために、ハウジング12と係合するように先端構造体14の近位端部22を越えて延在する。ヒートシンクは、金属(例えば、銅)またはアルミニウムなどの適切な熱伝導または熱伝導性材料から作られ得る。代替的に、熱分解グラファイトシート(PGS(登録商標))などの高熱伝導性材料が、ヒートシンク32のために使用され得る。一実施形態では、ヒートシンク32は、先端構造体14の内部に位置決めするために適切な形状で形成された細長い銅管である。適切な断熱材34が、ヒートシンク32を取り囲む。先端構造体14は、本体36を含み、本体36は、先端構造体の要素を収容し、以下にさらに説明するように、その近位および遠位端部22および24において適切にシールされる。本体36は、本発明の一態様によるオートクレーブ処理可能な材料から作られる。上述したように、患者の口の内、またはその上、またはそれに近接して使用または挿入されるものなどの、特定の再使用可能な歯科用要素を滅菌することが望ましい。過去の硬化光デバイスは、歯科専門家によって望まれる程度にオートクレーブ処理可能ではなかった。本発明は、121℃を超えるような高温オートクレーブ処理に耐えることができ、したがって、内部の発光デバイスまたはエンジンを含む先端構造体全体も同様にオートクレーブ処理可能にするオートクレーブ処理可能な材料から作られたシール本体36内に封入された先端構造体を提供する。
本発明の一実施形態では、オートクレーブ処理可能な本体36は、ステンレス鋼などの適切な材料から作られる。代替的に、本体36は、オートクレーブ処理に関連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。一般的に、本体36は、ヒートシンク32および断熱材34と共に適切な形状に形成されることになる。例えば、ヒートシンク32および断熱材34が形成され得、次いで、本体36が、セラミック、ガラス磁器、ポリマー、または他のオートクレーブ処理可能な材料でコーティングすることによって形成され得る。図に示す実施形態では、先端構造体14は、患者の口などの硬化部位における操作から適切に湾曲し、したがって、本体36は、同様に湾曲状に形成される。
ヒートシンク32の遠位端部において、発光デバイスまたは発光エンジン40が結合される。そのような発光デバイスは、歯科用化合物などの光硬化性化合物を硬化させるために知られている1つまたは複数のLED素子を含むことができ、様々な製造業者から入手可能である。高出力LEDは、本発明のデバイスのための1つの適切なタイプの素子である。例えば、高出力歯科用LEDが使用され得る。発光エンジンは、単一のLED素子、または、アレイにおける複数の素子を使用することができる。一般に、硬化目的のために、発光デバイスは、光硬化性化合物を硬化させるために特定の所望の波長の光を放出する。様々な歯科用化合物に関して、適切な光は、370〜500ナノメートルの波長範囲または青色光範囲内にある。カリエスを検出するための口腔領域の検査、領域の照明、および、癌検診の提供などの、本発明のライトの他の用途に対して、他の波長が使用され得る。
しかしながら、本発明の別の態様によれば、様々な異なる先端構造体14は、複数の異なる先端構造体が単一のハウジング12と共に利用され得るように、ハウジング12に対して容易に除去および挿入され得る。その目的のために、様々な先端構造体の発光デバイスは、歯のホワイトニング、または、患者の口内の照明などの他の用途に向けられ得るが、依然として、同じハウジング12およびその制御部で操作されることになる。そのように、本発明は、特定のタイプの照明デバイスまたは用途に限定されず、様々な異なる先端構造体14は、硬化、ホワイトニング、照明、検診などの異なる用途に適切な波長範囲の光を放射する発光デバイスと共に利用され得る。
そのような発光デバイスまたは光エンジン40は、一般に、発光ダイオードまたはLEDの形態などの、1つまたは複数の発光構造または半導体接合部を支持するベースまたは基板42を含む。構造または素子の電力に応じて、単一の発光構造が利用され得、または、構造のアレイが、デバイス40を提供する基板42上に配置され得る。高出力LED素子が、例えば使用され得る。発光デバイス40は、高温に耐えることができ、したがって、高温構造、またはLEDを利用する。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の遠位端部に直接接着される。ヒートシンク32への発光デバイス40の直接結合は、発光構造44または基板42によって生成される熱の除去のための最適な熱結合を提供する。
ハウジング36の遠位端部24をシールするために、図2および図3に示すように、ガラス窓46または他の透明要素が、ハウジング36に対してその周囲をはんだでシールされる。透明要素は、光がハウジングの遠位端から外へ通過できるように構成される。その目的のため、ガラス窓46は、高温はんだまたは他の適切な高温接着剤を利用してハウジング36に適切にはんだでシールするために、その周囲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からの光を集束するために、これらの構造上のレンズ48と共に動作する。窓46は、図2に示される。代替的に、別々のレンズ48が、窓46の代わりにハウジング36の端部にシールされ得る。レンズ48は、発光デバイス40からの光を集束するために適切に成形され得る。例えば、レンズ48について以下にさらに説明するように、内部全反射(TIR)レンズが使用され得る。
発光デバイス40に電力を供給するために、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。フレックス回路は、全体的に、ヒートシンク32に近接する先端構造体の内側に沿って延在する。フレックス回路は、可撓性であり、したがって、ヒートシンクの輪郭または形状に従うことができる。本発明の一実施形態では、フレックス回路50、52の配置のための適切なトレースまたはチャネルが、ヒートシンク32内に形成され得る。以下にさらに説明するように、フレックス回路50、52は、今度は、フレックス回路に結合するための、その上のトレースなどの適切な導電性要素を用いて、セラミックエンドキャップ54に結合し、最終的に、電源および制御回路に結合する。
ここで図2Aを参照すると、先端構造体14の近位端部22、特に、ハウジング36の近位端部は、図5に示すように、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エンドキャップ54を利用してシールされる。具体的には、本発明の1つの特定の特徴では、先端構造体14は、ハウジング12と回転可能に結合される。そのような回転を容易にするために、発光デバイス40への電気信号の送達を維持しながら、本発明のデバイス10は、エンドキャップ54上または中に形成された導電性要素または回路トレース56、58を組み込む。図5に示すように、回路トレース56、58は、全体的にエンドキャップの形状に従い、全体的に円形の形状を有する。さらに、エンドキャップ54は、図2Aに示すように、その中に形成された、ヒートシンク32を通過させるために適切な中央開口部60を有する。図2Aに示すように、最も内側の回路トレース56は、フレックス回路50に電気的に結合されて示されている。同様に、エンドキャップ54上の外側の回路トレース58は、フレックス回路52に結合される。エンドキャップ54は、酸化アルミニウムなどの適切なセラミック材料のセラミックエンドキャップであり得る。セラミックキャップは、本体36に接着され得る。本体が金属である場合、セラミックキャップ54のエッジは、キャップを本体の端部にはんだ付けするために金属化され得る。代替的に、本体がガラスから作られている場合、適切な高温接着剤が、エンドキャップをガラス本体に結合するために利用され得る。
図2Aおよび図5に示すように、金属トレース56、58は、先端構造体の遠位端部におけるフレックス回路の接続をもたらすために、エンドキャップ54を貫通して形成される。図2Aに示すように、ハウジング12に結合された、またはハウジング12に差し込まれたとき、フレックス回路50、52は、セラミックエンドキャップ54を介して、適切な電源回路および制御部に結合される。具体的には、ばね接点62、64が、先端構造体14とインターフェースするハウジング12の端部に取り付けられる。これらのばね接点62、64は、適切な接続部または回路66、68を介して、適切な電源回路28に戻って結合される。供給される電力は、次いで、発光デバイスの強度、その照明の持続時間、および、デバイス10の動作モードに関連する様々な他のパラメータを制御するように、適切な制御回路16を介して制御され得る。ハウジング12は、その遠位端部における先端構造体14および発光デバイス40に電力を供給するための電気的接続部/回路66、68に加えて、適切な制御回路網16および電源回路28を含む。電源回路28は、接点70を介して、電源の要素を充電するための、AC電源またはDC電源などの外部電源に結合され得る。例えば、図1Aに示すように、ベース27は、再充電の目的のためにデバイス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、オペレータによって操作される外部電源から充電および取り外され得るバッテリなどの再充電可能な供給要素を含む。本発明の代替実施形態では、図4に関連して以下に説明するように、ウルトラキャパシタ素子または回路が、発光デバイス40のための所望の電力を供給するために利用され得る。ハウジング12は、プラスチックもしくは金属、または、なにか他の硬質材料などの、任意の適切な材料で形成され得る。
図3に示すように、先端構造体14がハウジング12に結合されたとき、接点62、64は、先端構造体の端部においてそれぞれ回路要素またはトレース56、58と係合する。これは、発光デバイスを電源回路に電気的に結合する。トレースの独特な円形パターンのため、接点62、64が、トレース56、58との接続を依然として維持しながら、先端構造体14は、0°〜360°の範囲で回転され得る。代替的に、円形導電性要素は、360°未満のいくらかの円形範囲にわたってのみ接触され得、依然として少なくとも部分的に回転可能である。そのように、先端構造体は、ハウジング12と先端構造体14との間の電気的接続を損なうことなく、回転され得る。導電性要素56、58は、ハウジング上に配置されるように、先端構造体および接触要素62、64上に形成されるように示されているが、それらの相対的な位置は、ハウジング12上の要素56、58、および先端構造体14上の要素62、64と逆転され得る。すなわち、導電性要素またはトレース56、58、および接触要素62、64は、対向するハウジングと先端構造体との間に電力を通過させるために、これらのいずれかの上に配置され得る。代替実施形態では、発光デバイスおよび電源回路を電気的に結合するために、ハウジングと先端構造体との間に、交互のピンおよびソケットが使用され得る。
同時に、ヒートシンク32の近位端部は、ハウジング12内に形成された適切なチャネル80に係合する。チャネル80は、好ましくはアルミニウムなどの適切な金属で形成された追加のまたは二次的なヒートシンク構造もしくは要素82によって形成される。チャネル80に加えて、ヒートシンク82は、追加のヒートシンク材料を含むリザーバ部84を含む。そのリザーバ部は、金属ヒートシンクを形成するようにすべて金属であり得る。本発明の一実施形態によれば、リザーバ部84は、金属で作られ得るが、その場合、ある量の相変化材料86を含む。相変化材料は、二次ヒートシンク構造体82から熱を吸収し、そのような吸収の際に相を変化させる。例えば、1つの適切な相変化材料は、熱を吸収すると溶融するパラフィンワックであり得る。これは、通常の使用時の発光デバイスおよび先端構造体全体のための安全な温度レベルを提供するために、発光デバイス40の温度上昇の適切な遅延を可能にする。他の相変化材料が、二次ヒートシンク構造体82のリザーバ部84内にも含まれ得、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に示すように、先端構造体14がハウジング12に差し込まれた、または、さもなければハウジング12と結合もしくは係合されたとき、ヒートシンク32と二次ヒートシンク構造体82との間の直接的な熱的接続または結合をもたらすように、ヒートシンク32の端部がチャネル80に挿入されるように、ヒートシンク32は、二次ヒートシンク構造体82と係合する。そのように、二次ヒートシンク構造体82の金属は、ヒートシンク32によって伝導された熱を吸収することができる。リザーバ部84が、単に固体金属である、または、金属材料で充填されている場合、その金属は、熱を吸収することになり、したがって、発光デバイスの温度を適切な動作点に保つことになる。代替的に、相変化材料86がリザーバ84を充填する場合、相変化材料は、その熱の吸収に際して溶融することができ、したがって、動作点を適切に低温に維持するように相を変化させることができる。回路66、68は、高温回路であり、したがって、二次ヒートシンク構造体82の近接にあるのが適切であることになる。さらに、断熱のジャケット88が、リザーバ部84などの二次ヒートシンク構造体82の一部を取り囲むことができ、電源回路28などの適切な電子要素、および接点70の一部も、二次ヒートシンク構造体82の熱からそれらを保護するために、取り囲むことができる。
固液相変化材料は、熱を吸収し、それらの温度は、それらが層を変化させる点(それらの融点)まで上昇する。材料は、次いで、大幅により熱くなることなく、追加の熱量を吸収する。二次ヒートシンクによってもたらされるリザーバ内の雰囲気温度が低下するとき、相変化材料86は、固化し、したがって、その蓄積された熱を放出する。したがって、相変化材料は、ハンドヘルドハウジング12のために望ましい概ね一定の温度を維持しながら、熱を吸収および放出する。
別の適切な相変化材料は、炭素を加えたパラフィンワックスである。ヒートシンクが外部ヒートシンクのボア孔またはチャネル80と係合すると、適切な熱伝導が達成される。
ばね接点62、64のばね付勢性質は、ハウジング12と先端構造体14との間の一貫性のある堅牢な電気的接続をもたらす。
図4を参照すると、本発明の別の実施形態によれば、電源回路28は、先端構造体14内の発光デバイスに供給するための電力を提供するために、1つまた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む。1つまたは複数のウルトラキャパシタ90は、電源回路28内のバッテリを置き換えるために利用され得る。ウルトラキャパシタは、高エネルギーストレージを提供し、発光デバイスに電力を供給することなどを求められたとき、瞬時に電力を供給することができる。ウルトラキャパシタは、また、本発明の態様による、本明細書で説明する充電または充電回路を使用して、非常に急速に、時には数秒で充電する。それらは、また、本発明のデバイス10の用途のために必要なエネルギーの突然のバーストをもたらすために使用され得る。本発明の電源回路28によってもたらされる急速充電時間は、急速充電用途を提供し、完全に充電するのに数時間を必要とする可能性がある充電式バッテリの必要性を排除する。さらに、ウルトラキャパシタは、より長い耐用年数を有する。NiMHバッテリは、500サイクル充電され得、または、Liイオンバッテリは、300サイクル充電され得るが、本発明は、500000サイクル充電され得るウルトラキャパシタを使用する。さらに、本明細書で説明するように充電および放電されるそのようなウルトラキャパシタは、(バッテリユニットのような)メモリを有さず、低減した重量およびコストを有し、廃棄時に有害廃棄物を生じない。例えば、NiMHおよびLiイオンバッテリは、平均的にウルトラキャパシタよりもかなり大きい重量である。
本発明の特徴を利用するデバイス10は、デバイス10(図1A)の接点70に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内などの適切な外部電源に結合され得る。ウルトラキャパシタ90は、ウルトラキャパシタ90は、デバイス10のための硬化サイクルなどの一連の使用サイクルにわたって、充電され得、次いで放電され得る。デバイスは、次いで、ウルトラキャパシタを再充電するために、その充電ベースまたはドック中に入れ替えられ得る。一般的に、ウルトラキャパシタ素子は、バッテリのように、デバイス10の有効期間中に交換される必要はないであろう。ウルトラキャパシタ90は、非常に急速に充電するので、デバイス10のための充電サイクル間のダウンタイムは、非常に短い。例えば、NiMHバッテリまたはLiイオンバッテリは、完全に充電するのに約2.5時間かかる可能性があるが、本発明の回路によって充電されるようなウルトラキャパシタは、15秒で完全に充電され得る。
図6は、デバイス10を充電するための、具体的には、本発明のそのような一実施形態で提供されることにな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内で利用されるべき1つの可能な充電または充電回路の回路図である。充電回路100は、適切なDC電力を回路に供給する電源回路/構成要素102を含む。例えば、電源102は、ACコンセントに差し込むための適切なAC電源コード104と結合され得、例えば、5〜24ボルトの範囲内のDC電力を供給することができる。インジケータLED106は、ベース27が電力を有することの表示を与えるために使用され得る(図1Aを参照)。図1Aに示すように、ベース27は、また、デバイス10が充電しているまたは完全に充電されたことを示すためのインジケータ111、113を含むことができる。回路100は、本発明の一実施形態によれば、電流フォールドバック回路の形態で電流源として動作するように構成される。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、キャパシタが一般的に充電され得る方法と異なる、ウルトラキャパシタ素子90の所望の急速充電をもたらす。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を充電するために、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関する典型的な充電および放電曲線を示す。例えば、図9Aは、充電曲線を示し、図9Bは、放電曲線を示す。一般的なキャパシタの理論では、キャパシタの充電および放電曲線は、図9Aおよび図9Bに示すように、指数関数であると考えられる。単一の時定数、または1Tは、キャパシタが一般的にその満充電の約63%まで充電するのにかかる時間の量を示す。満充電のための時間は、図9Aに見られるように、5Tとして表される。図9Bは、これも指数関数である放電曲線を示し、時定数1Tは、その満充電の約37%まで放電するのにかかる時間を示す。
しかしながら、本発明では、本発明のデバイス10のオペレータ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必要がある。すなわち、歯科用化合物を硬化させるなどの特定の用途のために、硬化プロセス中の待ちおよびダウンタイムを回避するために、ウルトラキャパシタを非常に急速に充電することが望ましい。図6に示すように、本発明の一実施形態によれば、電流源電源回路100は、ウルトラキャパシタを所望の速度で充電するために使用される。図8に示すように、本発明は、ウルトラキャパシタのための、急速で、概して非指数関数的な充電関数を提供する。図8は、図6の充電回路に関する充電ウルトラキャパシタ電圧対時間を示し、非常に急な線形勾配および充電が、図6に示すように、線形変化関数を提供する本発明によって提供される。これは、本発明の重要な利点を提供する。
再び図6を参照すると、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作動する。図7は、図6に示すように、電流フォールドバック供給の動作に関する曲線を示す。デバイス10が充電ベース27内に置かれたときなど、電源が充電されるように接続されたとき、電流は、ウルトラキャパシタが完全に充電されるまで一定であり、このとき、ウルトラキャパシタに対する出力電流は、事実上小さいか、存在しない。
充電回路100は、National Semi-Conductorから入手可能なLM1084ITレギュレータなどの、線形調節可能な電圧レギュレータ108を利用する。回路100では、レギュレータ108は、制御フィードバック信号がトランジスタQ1の電圧Vbeによって制御される標準的な線形レギュレータである。コネクタ109に結合された充電ウルトラキャパシタ素子を通る電流は、検出抵抗器(R3/R4)の両端間の電圧を生成する。検出抵抗器の両端間の電圧がトランジスタQ1のVbe(0.6V)に等しくなったとき、トランジスタは、オンになり、電流をフォールドバックし、一般に、I=0.6V/R3+R4の値に制限するように、線形電圧レギュレータ108を強制する。ウルトラキャパシタが完全に充電されると、電流は、概してまたは事実上、0アンペアである。電流源として作動するそのような回路によるキャパシタ充電時間は、およそT=C(V/I)として図8に示されている。
本発明で利用され、本明細書で開示されるような、定電力充電トポロジは、一般に、充電源またはベースからの利用可能な電力のすべてをエネルギー貯蔵ウルトラキャパシタに転送する。直線的な定電流または電力供給は、一般に、キャパシタの従来の充電によるように5Tまで待たなければならないのに比較して、1Tより速い本発明の電力供給の再充電を提供することができる。実際には、実際的な充電時間は、ウルトラキャパシタが許容することができ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、線形定電流フォールドバック電源である充電回路100を示しているが、急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、パルス限界およびパルスバイパルス限界を有するスイッチモード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イオン)バッテリ充電器が利用され得る。代替的に、ニッケル水素(NiMH)バッテリ充電器も、ウルトラキャパシタを充電する目的のために利用され得る。
本発明の目的のために、様々な異なるウルトラキャパシタが利用され得る。一実施形態では、ウルトラキャパシタ素子は、約150ファラドの容量を有する。50〜1000ファラドの範囲が、本発明の目的のために適当であり得る。Illinois Capacitorからのものなどの多層ウルトラキャパシタが利用され得る。代替的に、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も利用され得る。さらに別の実施形態では、カーボンエアロゲルから作られたウルトラキャパシタが使用され得る。リチウムイオンウルトラキャパシタも利用され得、非常に低い自己放電特性と有意なサイクリング(例えば、100000サイクル)を提供することができる。ウルトラキャパシタの別の望ましい特徴は、それらが、充電式バッテリなどの従来の電源よりも小さく、薄く、軽くあり得ることである。
本発明の一実施形態では、デバイス10は、歯科用化合物を硬化させるために利用される。そのような用途では、光デバイスまたはエンジン40に使用されるLEDは、一般に、そのようなLEDのアレイなどの高出力青色LEDである。そのようなデバイスは、一般に、電流装置であり、LEDからの光出力は、電源から供給される電流の一次関数である。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素子またはアレイ40への電流は、一定であるべきである。本発明の1つの特徴では、本発明は、LEDに電力を供給するために、電流源を提供する。すなわち、ウルトラキャパシタは、電流源として放電される。その目的のため、本発明のウルトラキャパシタのための所望の放電関数は、図14に示すように、直線状の一次関数であり、放電時間は、
Tdischarge=C(V1-V2)/I
となり、ここでV1は、満充電電圧であり、V2は最低動作電圧である。本発明の一実施形態では、光エンジン40を構成する1つまたは複数のLED素子またはアレイを駆動する電源は、昇圧パルス幅変調(PWM)電流源、または降圧PWM電流源であり得る。代替的に、昇降圧PWM電源が利用され得る。また、フライバック電流源またはSEPIC電流源が、以下に説明するように使用され得る。昇降圧技術は、ウルトラキャパシタが完全に充電されたときに、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のために望ましい長い実行時間(放電時間)を提供することになり、電圧は、LEDに必要な順方向電圧よりも高くなり得る。放電によりウルトラキャパシタの充電が、LEDのための順方向電圧より低いとき、そのようなトポロジは、次いで、LEDへ電力を供給する。一実施形態では、2つの100Fウルトラキャパシタを使用し、例えば、それぞれ10秒の30〜40の放電硬化サイクルが、一回の充電で達成され得る。
図10は、本発明の実施形態で使用するための適切な昇降圧コンバータ200の一実施形態を示す。図10に示す実施形態は、2つのウルトラキャパシタC1、C2を示す。代替的に、単一のウルトラキャパシタが利用され得る。さらに、以下に説明するように、本発明を実現するために、2つより多くのウルトラキャパシタが利用され得る。そのように、本発明は、電源に利用され得る任意の特定の数のウルトラキャパシタに限定されない。
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に結合され、1つまたは複数のLEDに電力を供給する。図10は、単一のLED1を記号的に示しているが、そのような記号は、また、複数のLEDのアレイをカバーする。PWM回路U1は、電流検出抵抗器R3を介して電力を供給する。電源は、適切な制御回路U3に結合されたオン/オフスイッチS1を介して制御され得、制御回路U3は、LEDおよび光デバイスの動作のためのオン/オフ制御およびタイミング機能を提供する。回路U4は、U3制御回路のためのローカル電源を提供する。U1を本発明の電流源として制御するために、演算増幅器などの回路U2は、抵抗器R3によって感知されたLEDを流れる電流をフィードバック電圧に変換する。フィードバック電圧は、所望のように、U1回路を電流源として制御するために使用される。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、降圧コンバータ電源300が、ウルトラキャパシタ上の定電力負荷を提供し、任意のLED素子に定電流を供給するために利用され得る。降圧コンバータトポロジは、図11に示すように、同様の要素が同様の参照番号を共有する図10に記載の昇降圧トポロジに多少類似している。PWM回路U1からの電力経路は、図示のように、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。降圧コンバータ回路300は、LED光エンジン電圧要件がウルトラキャパシタスタック電圧未満である場合、利用され得る。
代替的に、LED光エンジン電圧要件がウルトラキャパシタスタック電圧より高い場合、昇圧コンバータトポロジが利用され得る。例えば、昇圧コンバータ回路400は、図12に示すように、LED光エンジンを駆動するために使用され得る。図12は、図10に類似しており、同様の参照番号が同様の要素のために利用される。回路400の昇圧トポロジでは、固体スイッチQ1が、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。そのようなスイッチQ1は、回路200および300にも同様に望ましい可能性がある。ショットキーダイオードD1およびインダクタ素子L1は、昇圧コンバータ動作のために適切に結合される。
図10〜図12、図15、図16の回路では、PWM回路U1は、1.5ボルトから12ボルトまでなどの低電圧で動作することができる標準的な降圧、昇圧、または昇降圧PWM回路であり得る。5つの回路の各々では、U2回路素子は、電流源機能を提供するために、PWM 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素子の両端間の電圧は、LEDを流れる電流に直接比例し、誤差増幅器が、低オーム感知抵抗器R3の両端間の小さい電圧降下を、内部PWM基準電圧と等しくなるように増幅する。U3回路は、光エンジンのオン時間と、ウルトラキャパシタがPWM回路U1によって使用するためには低すぎる点まで放電され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、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス(CPLD)、または、ZSCT1555などの単純なアナログタイマであり得る。U4回路は、低電力昇降圧コントローラとして作動するチャージポンプ電源であり、ウルトラキャパシタの放電中に制御回路に安定した一定の供給電圧を供給する。Q1回路は、電源がオフにされたとき、LED電源とウルトラキャパシタとの接続を切る固体スイッチとして作動する。図12に示す電源回路400は、Q1要素を利用する。そのような固体スイッチQ1は、図11の降圧コンバータまたは図10の昇降圧コンバータと共に必要である場合があり、または必要でない場合がある。インダクタ素子L1は、スイッチ電力モード電源(SMPS)のために必要な電子素子である。L1の値は、一般に1μLから300μHまでおよび得る。D1素子は、上述したように、一般に図11および図12の降圧または昇圧コンバータ構成のために利用されることにな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光エンジンに電力を供給するための代替的な電流源を示す。図15は、フライバック電流源600を示し、同様の要素が、上述したように、他の実施形態に関連して使用される。図15では、T1は、フライバックトランスを示し、要素Q2は、フライバックスイッチを示し、抵抗器R4は、スイッチQ2のための電流制限検知抵抗器である。動作時に、スイッチQ2がオンであるとき、トランスT1の一次側は、入力電圧源に直接接続される。二次巻線の両端間の電圧は、負であるので、ダイオードD1は、逆方向バイアスされる(すなわち、ブロックされる)。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。スイッチがオフであるとき、トランスに蓄積されたエネルギーは、コンバータの出力に転送される。電流感知抵抗器R3からのフィードバック信号は、LED電流を制御するために、PWM回路U1に送り返される。
図16は、「シングルエンド一次インダクタコンバータ」(SEPIC)コンバータ700の形態の別の代替的な電流源を示す。SEPICコンバータは、その出力における電圧を、その入力の電圧より高く、より低く、または等しくすることを可能にするDC-DCコンバータの一種である。SEPICコンバータの出力は、LED電流を制御するためにU1 PWM回路に送り返される電流感知抵抗器R3からのフィードバック信号からの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で使用したのと同様の参照が図16で使用される。Q1は、電源をオン/オフする固体スイッチである。分割されたインダクタL1およびL2は、昇圧機能(L1)および降圧機能(L2)を提供する。キャパシタC4は、図16の回路内のAC結合を提供する。
様々な図10〜図13、図15、図16は、直列の2つのウルトラキャパシタC1およびC2を示しているが、上述したように、単一のウルトラキャパシタが利用され得る。代替的に、ウルトラキャパシタC1、C2は、互いに並列に接続され得る。さらに、2つより多くのウルトラキャパシタが、利用され得、それらは、光デバイス10のために必要な電圧および電力を提供するために、直列-並列配置で互いに結合され得る。
本発明の代替実施形態では、歯科用化合物を硬化させること以外の用途のためのより低電力のLEDに電力を供給することなどのために、図13に示すような回路が利用され得る。図13の回路500は、ウルトラキャパシタC1、C2によって電力を供給される昇圧コンバータの形態である。回路の電圧検出器部分は、光デバイス10が完全に充電されたことを示すために、「準備完了」LED(図1A参照)に電力を供給する。オン/オフスイッチ部分は、タイマー回路に電力を供給し、タイマー回路は、選択された期間(例えば、5〜40秒)後に、電源をオンおよびオフにするために、固体スイッチQ2を駆動する。昇圧コンバータは、次いで、図示のようにLEDまたはLEDアレイに必要な電力を供給する。
図17は、本明細書で開示する様々な特徴および態様を組み込んだ本発明の別の実施形態を示す。硬化ライトシステム1000は、充電器ドックまたはベース1004に差し込まれて示されている硬化光デバイス1002を組み込んでいる。充電器ベース1004、およびその中の充電器電子機器は、電源コネクタコード(図示せず)によって、壁コンセントなどのAC電源に結合される。電源コネクタコードは、12ボルトDC信号などの適切で使用可能なDC信号を充電器ベース1004に供給する適切なトランスおよびインバータ回路網を含む、AC-DCコンバータを含む。充電器ベース1004は、図17に示すように、光デバイス1002の端部を内部に保持するために適切な開口部1006を有する。光デバイスは、次いで、患者の口内で、歯科用化合物を硬化させることなどのために、容易に取り外しおよび使用され得る。充電器ベース1004は、平坦なテーブルまたはカウンタートップの表面上に位置するように構成される。充電器ベースは、充電器ベースは、光デバイスの充電状態を示すために照明される適切なインジケータ1008を含む。
充電器ベース1004は、光デバイス1002の光出力を測定するための放射計センサも含む。放射計センサは、図17に示すように、入力ポート1010、および複数のインジケータライト1012を含む。光デバイス1002の出力端部は、入力ポート1010に隣接して配置され、光のビームを出力するように操作される。インジケータ1012による表示は、光デバイスの出力のパワーレベルの指標を提供する。一般的に、光デバイス1002は、1100〜1800mW/cm2の範囲のパワーレベルを出力することになる。複数のインジケータは、以下に説明するように、その光パワーの相対的な指標を提供するために、段階的な様式で照明される。
図17を参照すると、放射計センサ1010は、生成された光のパワーの段階的な指標を提供する複数のインジケータライト1012を有する。本発明の一実施形態では、図17に示すように、5つのインジケータライトが使用される。ライトは、異なる色を有し、生成された光の強度を示すために、順次に照明される。放射計を動作させるために、以下に説明するように、光に関する硬化時間間隔は、10秒周期に設定される。硬化サイクルの間、放射計センサ1010の上に先端を保持すると、インジケータライトは、下から上に照明することになり、光強度の表示を与える。放射計センサは、硬化サイクルが完了するまで、照明されるべきである。本発明の一実施形態では、下の2つのライトは、こはく色であり、上の3つのライトは、青色である。本発明の1つの特徴では、インジケーションライトは、光デバイスが硬化サイクルのために動作可能であることを示すために照明されなければならない最小数を有する。本発明の一態様によれば、少なくとも1つの青色ライト(合計3つのライト)が、適切な硬化のために照明されなければならない。第1のライトは、750mW/cm2以上の強度で照明される。第2のライトは、850mW/cm2以上の強度で照明される。第3のライト(第1の青色ライト)は、950mW/cm2以上の強度で照明される。第4のライトは、1050mW/cm2以上の強度で照明され、第5のライトは、1250mW/cm2以上の強度で照明される。一般的に、最初の4つのライトは、点灯するとき、安定した輝きを放射することになる。一番上のインジケータライトは、後述するように、光デバイスの周期的レベルシフト(PLS)に敏感であり、第5のライトに関する点滅またはちらつき効果を引き起こすことになる。
ここで、図18を参照すると、充電器ベース1004の分解図が示されている。充電器ベース1004は、マサチューセッツ州ピッツフィールドのSABIC Innovative Plasticsから入手可能なValox(登録商標)樹脂などの適切な熱可塑性樹脂から形成された中心部1020を含む。中心部1020は、金属ベース1022上に位置する。金属ベースは、亜鉛合金などの適切な金属から作られ、300〜320グラムの重さであり、一実施形態では、約313グラムである。中心部1020は、ネジなどの適切な留め具によって様々な1022に結合される。適切なプリント回路基板1026上に配置された充電器電子機器1024が、中心部とベースとの間に取り込まれる。充電器電子機器は、中心部の適切な立ち上がりセクション1030に取り込まれた直立充電器プラグ1028を含む。一緒に、プラグおよびセクションは、図17に示すように、光デバイスが充電器ベースに装着され、差し込まれたとき、光デバイス1002の端部に受け入れられる直立充電器プラグ1028を提供する。金属ベース1022からの適切な絶縁を提供するために、絶縁体トレイ1032が、回路基板1026の下に配置される。充電器電子機器は、AC/DC電源コードのプラグを受け入れ、12ボルトを充電器電子機器1024に送達するための適切なコンセント1034を含む。カバー1036が、次いで、完成した充電器ベース1004を提供するために、中心部1020に配置され、適切に固定される。金属ベース1022に固定されたねじ込みゴム足1038は、平坦な支持面との適切な係合を提供する。
重い金属ベース1022は、光デバイス1002が充電器ベースに抜き差しされるとき、充電器ベースを支持面上に下ろして保持するために、充電器ベース1004に所望の重さを提供する。これは、ユーザに、充電器ベースを押さえつける必要なく、片手で光デバイスを容易に取り外す能力を提供する。片手での取り外しは、望ましい利点および利益を提供し、ユーザが充電器ベースを転倒させることなく、そうでなければ、充電器ベースを他方の手で固定することなく、片手での使用のために光デバイスを容易に把持することを可能にする。中心部1020およびカバーは、上述したように、Valox樹脂などの適切な熱可塑性樹脂から形成され得る。インジケータセクション1040などの他の部分は、Lexan(登録商標)、ポリカーボネート材料などの他の材料から形成され得る。当業者は、適切な材料が、充電器ベースならびに光デバイスを形成する際に、耐久性、審美性、および他の目的のために使用されることを理解するであろう。
図19は、直立充電器プラグ1028を示し、直立充電器プラグ1028は、差し込まれたときに光デバイス1002との適切な電気的接続を提供するための、金属ばね式指状部1042などの適切な充電接点を含む。光デバイスの端部のソケットは、以下に説明するように、直立充電プラグ1028を受け入れる。バネ式充電器接点は、充電器ベース内のデバイスを保持し、デバイスと充電器ベースとの間の堅牢で確実な電気的接触を提供するために、本体150内のプラグソケット1081の対応する接点に力を加える。光デバイス1002が充電器ベース1004に差し込まれたとき、インジケータ1008は、光デバイスの充電状態を示すために照明される。異なる色のライトは、異なる状態を示す。ライトが1つの色で照明された場合、光デバイスは、現在充電中である。インジケータライトが、別の色に変化したとき、光デバイスは、完全に充電されている。本発明の一実施形態では、インジケータライト1008は、光デバイスが充電中のとき、こはく色で照明されることになり、光デバイスが完全に充電されたとき、緑色で照明されることになる。さらに以下に説明するように、光デバイスが定期的に再充電されるとき、完全な再充電のために40秒のみの充電を必要とすることになる。電源が、数日の不活動の後に完全に放電される場合、ユニットは、完全な再充電のために最大70秒必要とする可能性があるが、その後の再充電のためには約40秒のみを必要とすることになる。
バネ式接点1042の保持力に加えて、充電器ベースは、デバイス1002が充電のために差し込まれたとき、デバイス1002の摩擦嵌合も提供する。具体的には、摩擦嵌合は、立ち上がりセクション1030のプラスチックと、デバイス本体1050のベースにおけるプラグソケット1086のプラスチック材料との間に引き起こされる。4〜5ニュートンの点力が、接点におけるソケット1086の本体ソケット接点(図示せず)上の充電器ベース接点1042によって発揮される。しかしながら、セクション1030およびプラグソケット1086のプラスチック材料によって引き起こされる追加の摩擦嵌合は、約7.8ニュートンの必要な手動取り外し力のために本体に追加の力を加える。この力に対抗し、本発明の態様による片手での取り外しを提供するために、充電器ベース1004は、約456グラムの重量を提供する。一実施形態では、金属ベース1022は、約313の重量であり、他の部品およびプラスチック部分が、残りを提供する。その目的のため、425〜475グラムの範囲の充電器ベース重量は、片手での取り外しを提供するのに適している可能性がある。これは、硬化ライトを取り外すのに必要な取り外し力が、充電器ベースによって提供される下向きの重力よりも小さいことを保証する。
図20を参照すると、本発明の一態様によれば、硬化光デバイス1002は、ハンドピースまたは本体1050と、本明細書では先端部1052と呼ばれる取り外し可能なLEDライトアタッチメントとを含む。本体は、歯科医などのユーザによって手動で操作される。先端部は、図20に示すように、本体に差し込まれ、先端部を変更または交換するために、容易に取り外され得る。先端部1052は、また、先端部およびそこからの光を硬化部位または他の部位に位置決めするために、適切に回転され得る。光デバイスは、ゴムグロメット1056によって本体1050上に保持されるライトシールド1054も含む。ライトシールドは、オレンジ色のプラスチックなどの適切なプラスチック材料から作られ、光学的に透明である。本発明の別の態様によれば、ゴムグロメットは、所望のような本体1050からのシールドの容易な取り外しを可能にし、また、先端部が回転されるときなどに、所望のようなシールドの容易な回転を容易にする。
ハンドピースまたは本体1050は、ユーザによって把持されるハンドルセクション1058と、ユーザが光デバイスをハンドルセクションで保持しているときに、ユーザの指などによって手動で操作され得るインジケータセクション1060とを有する。硬化光デバイス本体は、充電器ベースに差し込むためのソケットを含む近位端部1062と、取り外し可能な先端部1052を受け入れるためのソケット1066を含む遠位端部1064とを含む。
図25は、光デバイスの様々な構成要素、ならびに本体1050のセクションを示す、硬化光デバイス1002の断面図を示す。本体1050は、複数のウルトラキャパシタ1068の形態の、光デバイス用の電源を取り囲む。光デバイス本体1050は、一対のプリント回路基板1070、1072上に適切に配置された適切な電力放電電子機器および制御電子機器も取り囲む。一般的に、ウルトラキャパシタ1068は、ハンドルセクション1058内に含まれるが、個々の制御ボタン1074が、電子機器とインターフェースすることができ、硬化サイクルを開始するなどのために、光デバイスを制御するために使用され得るように、電子機器1070、1072は、制御セクション1060に近接する。
図20および図25を参照すると、本体1050は、デバイスの構成要素のためのハウジングを形成し、本体のための剛構造およびベースを形成する内部フレーム1080を含む。フレームは、先端部1052を受け入れるソケット1066を保持するための適切な構造も提供する。フレーム1080は、アルミニウムなどの適切な剛性材料で作られる。本体は、上部サブ支持体1082も含み、上部サブ支持体1082は、フレームと協働し、ネジ1084などを用いて回路の基板1070、1072を固定するための構造を提供する。サブ支持体1082は、また、図25に示すように、プラグソケット1086を、本体の近位端部1062において支持する。ソケット1086は、硬化光デバイスがベース充電器に差し込まれたときに、直立プラグ1028を受け入れ、ソケットは、ウルトラキャパシタおよび光デバイスに電力を供給するために、充電器ベース内のプラグのばね接点1042とインターフェースするために、適切な金属接点(図示せず)を含む。上部カバー1090および下部カバー1092は、ハンドピース本体1050を形成するためにフレームおよび上部サブ支持体1082と共に働く。上部サブ支持体1082およびカバー1090、1092は、Valox樹脂、および/または、オハイオ州エイボンレイクのPolyOne GLSから入手可能なGLS VersaFlex(登録商標)TPE Alloyなどの、適切な熱可塑性樹脂材料で形成され得る。当業者は、本体1050が、様々な異なる方法で形成され得、したがって、本発明は、様々なセクションおよび本体要素の材料または配置に具体的に限定されないことを理解するであろう。
フレーム1080と結合する支持体1082は、図21に示すように、制御セクション1060を画定する。制御セクションは、デバイスをオンにし、動作モードを選択するための操作ボタン1074a、1074b、ならびに、さらに以下に説明するように、選択された硬化処理の長さを示すなどのためのインジケータライト1094を含む。
図22は、分解図で示される取り外し可能な先端部1052の一実施形態を示す。具体的には、図22は、先端部の遠位端部2000上のLED光エンジンを保持し、冷却し、支持する、取り外し可能な先端部の構造を示す。先端部の近位端部2002は、次いで、図20に示すように、適切なソケット1066に差し込む。
先端部1052は、2つのコアおよび本体要素2004a、2004bを含み、これらの要素は、図示のように、クラムシェル方式で組み合わさる。本体要素は、導電性かつ熱伝導性の材料で形成される。一実施形態では、要素2004a、2004bは、遠位端部2000における光エンジンへの電気エネルギーの伝達を提供することと、光エンジンが動作されたときに生成される熱を除去し、発散させるための熱伝導性を提供することの両方のために、銅で形成される。図22に示すように、絶縁板または要素2006が、導電性本体要素2004a、2004b間に配置される。したがって、本体要素は、電気的に絶縁され、以下に望まれるように、電力をデバイスの光エンジンに供給するために、正および負の導体として作用することができる。絶縁体要素は、図22に示すように、板構造であり、概して本体要素と同じ断面形状を有する。その絶縁体要素は、例えば、図20に示すように、完成した先端部1052を形成するために、適切な位置合わせのための、本体要素2004a、2004b内の位置合わせ開口部2008と協働する位置合わせ構造2007を組み込む。図示のようにコアおよび本体要素は、遠位端部2000近くでは固体であるが、図示のように、その長さの一部に沿って繰り抜かれている。近位端部は、それぞれ、一体型の電気的接触構造2010、2012を含み、電気的接触構造2010、2012は、本体要素と共に形成され、互いから長手方向にオフセットされるように先端部の長さに沿って配置される。電気的接触構造2010、2012は、以下にさらに説明するように、先端部の遠位端部2000上の光エンジンに電力を供給するために、先端部のための電源(ウルトラキャパシタ)との電気的な接触をもたらす。完成した先端部では、図20に示すように、ソケット1066内に存在し、電源に結合された正および負の接点が、光エンジンに電力を供給するための適切な電気的接触をすることができるように、オフセット接触構造2010、2012は、長手方向に分離され、電気的に絶縁された接点を提供する。電源からの信号の正と負の位置の両方が本体1050から先端の遠位端部および光エンジンまで送達され得るように、絶縁体要素2006は、本体要素2004a、2004bを互いに電気的に絶縁されたままにする。絶縁体要素は、本体要素2004a、2004bの端部と当接する平坦なベース2014を含む。銅の本体要素2004a、2004bは、ニッケルめっきなどによって適切にめっきされ得る。スチール円板2016も、ベース2014に当接される。スチール円板2016も、ニッケルめっきでメッキされ得、以下に説明するように、ソケット1066内の先端部を固定するために、先端部1052のための固定装置の一部を提供する。
先端部が図22に示すように組み立てられると、先端部の本体全体は、Valox樹脂などの適切な熱可塑性樹脂材料2018で適切に覆われる(図25参照)。図20に示すように、適切な電気的接触のために接触構造2010、2012を露出させたままにしながら、プラスチック材料層2018が、先端部を構成する要素の表面輪郭に概してしたがうことになる。図26に示し、さらに以下に説明するように、硬化光デバイス1002で利用される光エンジンは、先端部1052の遠位端部2000に結合される。
先端部1052は、約4.10インチの両端間の長さX、約3.22インチの長さY、および、約2.58インチの長さZの大きさにされ得る。図20に示すように、先端部のプラグ端部の幅Wは、約0.34インチであり得、幅W2は、約0.94インチであり得る。これは、近位端部2002よりも広い先端部1052に安定したベース2013をもたらす。図25を参照すると、先端部の遠位端部2000は、先端部の長手方向軸Lから約60°の角度をなし得る。
ここで図23を参照すると、本体1050の遠位端部1064に配置されたソケット1066の分解図が示されている。ソケットは、ハウジング2020、およびキャップ2022を組み込み、キャップ2022は、ハウジングと係合し、その間に複数のスペーサ2024、2026を保持する。電気ばね接点2028は、スペーサの間に適切に保持され、先端部がソケット1066に差し込まれ、固定されたときに、先端部1052内の接触構造2010、2012と物理的に接触するように整列される。その目的のため、電気接点は、ソケットの内側をおおよそ360°全体的に取り囲む形状のばね接点の形態である。この形状のばね接点は、先端部の接触構造2010、2012との所望の物理的および電気的接触をもたらす複数の肩部2032を作成する。図24に示すように、接点2028および2030は、先端部の近位端部2002において接触構造2010および2012の長手方向のオフセット間隔と一致するように、ソケットの長さに沿って離間される。図24に示すように、ソケットの端部に配置されるガスケット2023は、サブ支持体1080と係合する。
本発明の一態様では、先端部1052は、磁気機構を用いてソケット1066内に固定される。図24を参照すると、先端部1052がソケット1066に差し込まれたとき、接触構造2010および2012は、それぞれ、それらの個々の電気接点2028、2030を押圧するように固定される。より具体的には、接触構造2010、2012は、これらの電気ばね接点の肩部2032に当接する。接点2028、2030および構造2010、2012は、ソケットの周囲に全面的に強固な電気接点を提供するような寸法である。先端部を所定の位置に保持するために、図23および図24に示すように、磁気円板2027などの磁石が、キャップ2022の後端に配置される。磁気円板は、スチール円板2016を先端部の近位端に磁気的に引きつける。そのようにして、先端部は、本体1050のソケット1066内に依然として取り外し可能にしっかりと保持される。
磁石または磁気円板2027は、例えば、定格N52のネオジウム鉄ボロン磁石(NdFeB)などの、希土類磁石材料で作られる。本発明では、それらの磁気スケールが定格N28〜N52、または28MGOe〜52MGOeの他の適切な希土類磁石が使用されなければならない。N52磁気円板は、本体1050内の先端部1052の強力な固定をもたらす。この強力な磁気的係合は、先端部を物理的に固定するだけでなく、先端部の近位端部とソケット1066の接点2028、2030との間の強力で堅牢な電気的接触も維持する。先端部1052の磁気的固定は、また、先端部が、ソケット内にとどまって固定されながら、ソケットの周りに自由に回転されることを可能にする。これは、より高い柔軟性をユーザに提供する。磁気円板2027は、先端部を固定するために、0.5〜6ポンドの範囲の引張力を引き起こし、一実施形態では、約2ポンドの引張力が、ソケット内に先端部を固定するために提供される。先端部は、容易に回転され得るだけでなく、磁力を手動で克服することによって、望まれるときに容易に取り外され得る。磁気機構が、ソケット内の磁気円板によって例示され、円板が、先端部の上にあるが、配置は、先端部上の磁気円板およびソケット内の円板と逆転され得る。
ばね接点は、ソケット1066から後方へ延び、光デバイスの制御および電力を先端部およびLED光エンジンに提供するための適切な回路1070および1072に接触する。上述したように、例示的な実施形態では銅である先端部2004aおよび2004bの本体要素は、電気ばね接点2028、2030から、先端部の遠位端部2000における光エンジンへの電気的接続を提供する。すなわち、電流は、先端部および要素2004a、2004bの長さに沿って下流へ伝導する。同時に、本体要素2004a、2004bは、熱伝導性でもあり、光エンジンから離れる方に、および、先端部の遠位端部から離れる方に熱を流すように、光エンジンに熱的に結合される。熱は、本体要素を介して先端部の長さに沿って離れる方に伝導し、これらの本体要素を介して、および、熱可塑性樹脂材料層2018を介して適切に発散される。そのようにして、本発明の光デバイス1002は、熱を除去し、光エンジンおよびLED発光体に望ましい長い動作寿命を提供する。
ここで図26〜図26Cを参照すると、本発明で使用するための1つの例示的な光エンジンが示されている。図26を参照すると、光エンジン2050は、1つまたは複数のLED発光デバイス2054が上に配置された基板ベース2052を利用する。図26Aを参照すると、例示的に示す実施形態は、アレイを形成する3つのLED発光体を利用する。本発明は、同時に、光エンジンによって生成される熱を制御しながら、上述したように、1100〜1800mW/cm2の範囲の硬化光出力パワーを提供するために、この数のLED発光体による光エンジンを実装する。先端部の本体要素2004a、2004bは、歯髄温度の有意な上昇を防止するために、離れる方に熱を流すように構成され、寸法決めされる。3つのLED発光体は、先端部の固有の熱発散特徴と組み合わせて、硬化サイクル中に生成される熱が、LED素子を過熱または燃焼させず、ライト先端部の遠位端に、硬化されている歯の組織に損傷を与えることになる熱をもたらさないことを保証する。より具体的には、3つのLED発光体と、本体要素2004a、2004bの構成および寸法との組み合わせは、温度が制御され、硬化されている歯の歯髄温度が摂氏5度より大きく上昇しないことを保証する温度特性である。1つの例示的な実施形態では、ノースカロライナ州ダラムのCREE,Inc.からのLED発光体が利用される。具体的には、EZ-900シリーズの適切なCREEのLEDが利用され得る。一実施形態では、主波長464〜468.5nmおよび400mW〜420mWの放射フラックスを有するC470 EZ-900発光体が利用され得る。LED発光体2054は、ベース2052に適切に物理的および電気的に固定される。ベース2052は、例えば、電気的絶縁ならびに良好な熱伝導性を提供する窒化アルミニウム基板であり得る。ベース2052は、次いで、先端部1052の遠位端部2000に電気的に接着される。適切な正および負の電気的接続が、先端部の本体要素2004a、2004bを介して提供され、したがって、適切な電気的接続は、光エンジン2050に提供される。
本発明の一実施形態によれば、ベース2052は、先端部の2つのそれぞれの本体要素2004a、2004bと接続する接点2056を含む。図示の実施形態では、接点2056は、図22に示すように、要素2004a、2004bに見られるスロット2057に嵌合するタブの形態である。そのような直接接続は、堅牢な電気的接続を提供し、先端要素2004a、2004bと基板とのあいだのどのような配線の必要性も排除する。図26Aおよび図26Cに示すように、基板の上部層は、適切なマイクロストリップ導体およびパターン2058、ならびに、LED発光体2054を互いに直列電気接続で結合するためのジャンパ線2060を含む。図26Bに示すように、ツェナーダイオード2062などの保護回路構成要素が、LED発光素子2054の保護のために、ベース2052の底部の接点2056間で利用され得る。光エンジンを構成するベースおよびLED発光体は、光を硬化部位に直接提供するために、先端部の遠位端部2000に結合される。光は、長い光導波路を通過する必要がなく、したがって、光エンジンをデバイスの本体内部に実装し、細長い光導波路に頼る硬化ライトよりも少ない熱を生成しながら、適切な量の光が提供され得る。要素2004a、2004bが、導電体ならびに熱伝導体の両方として機能するユニークな先端部設計は、また、生成された熱が、光エンジンから離れる方に、かつ先端部の遠位端部から離れる方に導かれながら、十分な電力が光エンジンに供給されることを保証する。
本発明は、また、生成された光を捕捉し、コリメートするために、非結像レンズなどの非結像光学デバイスを使用することによって、光伝達のより高い効率を提供する。再び図26を参照すると、光をコリメートするために、非結像レンズ素子2070が、光エンジンに結合される。より具体的には、レンズ素子は、先端部の遠位端部において、光エンジン2050の上、具体的にはLED発光体2054の上に配置される。レンズ素子2070は、図26および図26Aに示すように、截頭円錐セクション2072および円筒セクション2074を有する。截頭円錐セクションの一方の端部、具体的には小径端部2076は、LED発光体の上に配置される。截頭円錐セクション2072は、次いで、より大きい直径の端部2078に向かってその長さに沿って直径が外向きにテーパー状になり、その直径で円筒セクション2074として連続する。一実施形態では、レンズは、約0.279インチの長さL、および約0.219インチのL2、ならびに約0.320インチの直径Dを有する。また、截頭円錐セクションは、約42度のテーパー角度θを有する。
レンズ素子2070は、非結像レンズ素子であり、LED発光体2054から生成された光をコリメートし、その光をレンズ素子の遠位端部2080の外に向ける。レンズの遠位端部またはフェース面2080は、概して、先端部1052の遠位端部を表し、最終的に、硬化光デバイスの遠位端部を表す。使用時には、遠位端部2080は、硬化すべき歯科用化合物材料を含む部位などの作業部位に近接して配置される。LED発光体2054から生成された光は、捕捉され、コリメートされ、遠位端部2080の外に向けられるように、レンズ素子2070の本体内で効果的に反射される。本発明の一実施形態では、レンズ素子2070は、少ない光喪失、および、硬化部位への光エネルギーのより大きい供給のために、光を捕捉し、コリメートし、光をレンズ素子の端部に効率的に向けるために構成された内部全反射(TIR)レンズ素子である。適切な非結像レンズ素子は、ニューヨーク州エルムズフォードのSchott North America, Incから入手可能であることになる。
レンズ素子2070を取り付けるために、小径端部2076は、円形金属パターン2081によって図26Aに示すように、その周囲に沿って金属化された本体表面を有するようにコーティングされ得る。同様に、ベース2052を形成する基板は、その上に、金属パターン2081およびレンズ素子と当接し、光エンジン2050(図26C参照)をシールするための金属化パターン2082を含む。レンズ素子の小径端部2076は、また、図26Bに示すように、凸状のくぼみ2084を組み込む。レンズ素子の小径端部2076の凸状のくぼみは、LED発光体2054の上にある。さらにレンズ素子を取り付け、LED発光体を環境からシールするために、ベース2052内の開口部または穴2086などを介して、シリコーン接着剤が凸状空洞2084内に注入される。より具体的には、適切なシリコーン接着剤は、1つの穴に注入され得、空気が他の穴2086の外に導かれながら、空洞を充填する。1つの適切なシリコーン接着剤は、UV-200屈折率整合シリコーン接着剤として、Schott North America, Inc.から入手可能であり得る。シリコーン接着剤が注入された後、穴は、次いで、はんだ付けなどによってシールされる。したがって、LED素子は、放射エネルギーがそこからレンズ素子2070とのインターフェースを通過することを可能にしながら、環境からシールされる。レンズは、さらに、遠位端部2080に近接するレンズの周囲に接着剤を用いて、先端部1052内に固定され得る。ギャップ2083が、そのような接着剤のために先端部内に設けられる。プラスチック材料2018の端部は、フェースまたは遠位表面2080と略同一平面である。
ライトシステム1000は、本明細書で説明するように、硬化光デバイス1002および充電器ベース1004を含む。硬化光デバイス1002と充電器ベース1004の両方に含まれる適切な回路網は、所望の充電、放電、およびシステムの動作を提供する。本発明の一態様によれば、光デバイス1002は、光デバイスに電力を供給するためにエネルギーを蓄積するための複数のウルトラキャパシタを内蔵する。例示的な実施形態では、図25に示すように、2つのウルトラキャパシタ1068(時には、スーパーキャパシタと呼ばれる)は、充電器ベース1004およびその中の回路網を介して充電され、光デバイス1002を動作させ、先端部1052の遠位端部の光エンジンに電力を供給するために放電される。適切な充電回路網は、図18に示すように、充電器ベース内の回路基板1026上に含まれる。硬化光デバイスをオンにするため、動作モードを硬化光デバイスに変更するため、および他の動作機能のための回路網は、図25に示すように、適切な回路基板1070および1072上に含まれる。
硬化光デバイスは、いくつかの動作硬化モードを有する。本発明の一実施形態では、光デバイスは、5秒(5)サイクル、10秒(10)サイクル、および20秒(20)サイクルを含む、いくつかの異なる硬化サイクルを提供するために動作され得る。図21に示すように、適切なインジケータライト1094は、図21に示すように、選択された硬化光サイクルまたはモードの指標を提供する。押しボタン1074a、1074bなどの適切な制御部が、硬化光デバイスをオンおよびオフにするため、動作モードおよび硬化サイクルを選択するため、ならびに、硬化サイクルを開始するために使用され得る。特定のサイクルが選択されたとき、硬化ライトは、選択された時間の間、光ビームを出力することになる。本発明の別の態様によれば、光デバイス1002は、周期的レベルシフト(PLS)を組み込む。そのような周期的レベルシフトは、所望の熱特性を維持しながら、増加した光出力を提供する。そのようなPLS機能は、本出願と共通して所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、米国特許第8,113,830号にさらに開示される。制御回路網は、PLS機能あり、またはPLS機能なしの、5、10、および20秒のいくつかの硬化モードを提供する。したがって、6つの動作モードが選択され得る。
再び図21を参照すると、ボタン1074aは、ユニットをオンおよびオフにし、また、PLS機能を選択または選択解除する。ボタン1074bは、動作モードを制御し、また、可聴ブザーを制御する。充電インジケータライト1094aは、図21に示すように、現在の充電によって提供され得る硬化のための時間量を示す。残された硬化時間が40秒以下のとき、充電インジケータライト1094aは、こはく色に発光し、充電がほとんど使い果たされたことをユーザに警告する。充電インジケータライトは、選択された硬化サイクル存続期間を完了するために十分な充電がないときに、赤色に変わる。硬化サイクル存続期間が減少する場合、光は、琥珀色に戻り得、より短い硬化サイクルのために十分な充電があることを示す。一番上の3つのインジケータライト1094は、図示のように、選択された時間間隔または動作サイクルを示す。現在の選択を変更するために、選択ボタン1074bは、所望の時間間隔が個々の照明されたライトによって示されるまで押される。すなわち、5、10、および20秒の硬化時間が選択され得る。次いで、適切な硬化サイクルが選択されたとき、ボタン1074aは、硬化サイクルを開始するために係合される。ボタン1074aが押されたとき、PLS機能が自動的に係合されることになる。PLS機能により、LED発光体は、先端部の端部で点滅するように現れることになる。ボタン1074aが、硬化サイクル中の任意のときに押された場合、硬化サイクルを停止することになる。本発明の1つの特徴によれば、PLS機能は、硬化サイクルを開始するときに、ボタン1074aを押し続けることによって無効化され得る。PLS機能は、ボタンが解除されるまで無効化されることになる。PLSが無効化されたとき、硬化ライトは、約1100mW/cm2の安定した光出力を維持することになり、ユニットは、1秒につき1回ビープ音を発することになる。ボタン1074aが押されたとき、硬化ライトは、短い可聴ビープ音を発する。ビープ音は、硬化サイクルが開始されたことを示す。わずかにより長い可聴ビープ音が、硬化サイクルの終了時に鳴ることになる。10および20秒のサイクルの間、ビープ音は、5秒毎、ならびに、サイクルの終了時に鳴らされる。硬化光デバイスは、また、硬化サイクルが選択されているときに、基本的にボタンを押
さえつけることによって、サイレントモードにされ得る。さらに以下に説明するように、処理回路網は、上述した動作機能および硬化サイクルを提供するために、適切に構成およびプログラムされる。
図27を参照すると、光デバイスの電源およびウルトラキャパシタを充電するための主充電回路が示されている。本明細書で説明する例示的な実施形態では、様々な回路およびそれらの位置が、充電器ベース1004内または光デバイス1002内のいずれかなどの特定の位置に示されることになる。しかしながら、特定の回路または回路構成要素の位置は、特に制限的ではないこと、および、他の実施形態は、異なる回路構成要素を異なる位置に組み込むことができることが、容易に理解されるであろう。図27の主充電回路は、図27A〜図27Gにおけるように、より詳細に示す目的のためのいくつかのセクションに分けて示されている。図18に示すように、図27の回路網は、全体的に基板1026上に含まれる。図27の回路は、電圧変換、ならびに、ウルトラキャパシタへの所望の電圧および電流の送達を提供する。本発明の1つの特徴によれば、充電回路2100は、より急速な充電のための3点接続充電回路での2つのウルトラキャパシタの個々の充電を提供する。さらに、充電回路2100は、最大充電のためのトリクル充電セクションを内蔵する。したがって、本発明は、光デバイスが、充電の目的のための有意なダウンタイムなしに、繰り返し使用され得るように、約40秒以下のオーダーでの光デバイスの非常に急速な充電を提供する。
硬化光デバイスは、充電器ベースに係合されるとすぐに充電を開始する。すなわち、光デバイスが適切な開口部1006内に置かれ、直立プラグ1028がソケット1086に差し込まれたとき、ウルトラキャパシタは、充電を開始することになる。充電器ベースのインジケータ1008は、充電プロセスが進行中であること、および、デバイスが完全に充電されたときの指標を提供する。ウルトラキャパシタは、各々、100ファラドの容量値を有し、それらが完全に充電されたときには、所望の動作サイクル数を提供することになる。本発明に適した1つのウルトラキャパシタは、カリフォルニア州サンディエゴのMaxwell Technologiesから入手可能である。
本発明の一態様によれば、電源は、急速充電時間を依然として維持しながら、ユーザに所望の実行時間、および所望の多い数の動作サイクルを提供するために、2つの100ファラドのキャパシタを内蔵する。本発明の1つの特徴によれば、一緒に動作する2つのウルトラキャパシタは、完全に充電されたとき、少なくとも1分の作業時間または動作実行時間を提供することになる。本発明の別の実施形態では、2つのウルトラキャパシタは、完全に充電されたとき、10分までの動作実行時間を提供することになる。本発明の1つの特定の実施形態によれば、約250秒の実行時間が、2つのキャパシタの完全充電によって提供される。例えば、それは、それぞれ10秒の硬化サイクルを約25回提供することになる。発明者らは、以下に記載するように独自の充電回路を利用して充電される2つの100ファラドのウルトラキャパシタが、上述した250秒の実行時間などの望ましい実行時間量を提供しながら、約40秒の光デバイスの急速充電を提供することになると判断している。したがって、複数のウルトラキャパシタおよび独自の充電回路網の独自の組み合わせは、硬化光デバイスの望ましい特徴を提供する。
本発明の別の特徴によれば、ウルトラキャパシタは、それらが充電されているとき、または、それらが放電されているとき、著しくは昇温せず、したがって、バッテリがそうであるようにそれらの動作寿命に影響を及ぼす著しい熱量を生成しない。したがって、一貫した実行時間量が、各完全な再充電で達成され得る。さらに、ウルトラキャパシタは、500000充電サイクルまで長持ちし、これは、本発明の硬化光デバイスの電源にかなりの寿命を提供する。
図27を参照すると、充電回路2100は、図27Cに示すように、入力セクション2102を含む。入力回路セクション2102は、12ボルトのDC信号を供給するために、DC電源に差し込むための適切なDCジャック2104を含む。そのようなDC電源(図示せず)は、概して、ACを12ボルトDCなどの所望のレベルのDCに変換するために、ACプラグおよび適切なコンバータ回路を含むことになる。図27Bに示すように、入力セクションは、12ボルトDCを主電源セクション2106に供給する。主電源セクション2106は、さらに、5.4ボルトDCのレベルまで下げるような、DC信号変換を提供する。主電源セクションは、ステップダウン変換を提供するために、適切なコンバータ回路2108を内蔵する。本発明の一実施形態では、コンバータ回路2108は、10V/20Aの定電流、定電圧ステップダウンコンバータであり得る。
主電源セクションは、適切なDC電圧信号を電流源回路2120に供給し、電流源回路2120は、ウルトラキャパシタを充電するためにウルトラキャパシタに結合される。図27Aを参照すると、電流源回路2120は、電流源として作動するサブ回路2122、2124を含む。充電すべき各ウルトラキャパシタ(例示的な実施形態では、2つのウルトラキャパシタ)に対して1つの電流源回路が存在する。電流源回路2122、2124は、次いで、それぞれ、各電流源回路に関するトリクル充電回路2126および2128に結合される。トリクル充電回路2126および2128の各々は、個々のウルトラキャパシタの各々のための充電のトップオフ(top-off)を提供する。
本発明の一態様によれば、電流源回路2120は、図27Aに示すように、直列接続されたウルトラキャパシタに三点接続を提供する。理解され得るように、2つの直列接続されたウルトラキャパシタは、ウルトラキャパシタの第1のものとの接続の上部点、ウルトラキャパシタの各々が互いに接続する接続の中間点、および第2のウルトラキャパシタにおける接続の底部または接地点を有する。具体的にコネクタ2130を参照すると、図27Aに示すように、第1のキャパシタとの接続の上部点は、回路トレース2132によって示されている。回路トレース2134は、2つのウルトラキャパシタ間の中点接続である。最後に、回路トレース2136は、第2のウルトラキャパシタへの接地接続を提供する。そのように、様々な電流源回路2122、2124、および個々のトリクル充電回路2126、2128は、トレース2132、2134、2136の三点接続で、ウルトラキャパシタの各々に結合される。そのような三点接続は、ウルトラキャパシタの急速で効率的な充電を提供し、また、ウルトラキャパシタ全体にわたって全体的に等しく分散された完全な充電を提供する。
図27Dおよび図27Eは、充電プロセスの検出、ならびに、インジケータ1008の照明を提供するなどのフォトダイオードによる充電の指標を提供する追加の演算回路網を示す。
図27Fおよび図27Gは、図27Fに示すようなマイクロプロセッサまたはコントローラ要素2140、ならびに図27Gに示すようなレジスタ回路2142を含む、充電プロセスの所望の制御を提供するための制御回路網を示す。
図28は、光デバイス1002のための主制御回路2200を示す。一般的に、主制御回路は、光デバイス本体1050の制御セクション1060内の基板1072上にある。図28Aを参照すると、主制御回路2200は、制御セクションを内蔵し、制御セクションは、光デバイスの動作を制御するための適切なプロセッサまたはコントローラ2202を含む。コントローラ2202は、1つまたは複数のスイッチ2204、2206と相互作用し、スイッチ2204、2206は、図25に示すように、ボタン1074などによって作動される。スイッチは、光デバイスのオン/オフ特性、ならびに、硬化のために選択されるモードを制御する。主制御回路は、さらに、図28Bに示すように、インジケータセクションを含み、インジケータセクションは、様々なLED2210、2212、および、ドライバ回路2214を含む。LEDは、硬化サイクルの長さ(例えば、5、10、20秒)、ならびに、PLSモードまたは非PLSモードなどの特定のモードを示すために、インジケータ1094などを介して所望の指標を提供する。
図28Cに示すように、主制御回路は、ウルトラキャパシタを放電し、硬化プロセスのための光エンジンを駆動するための放電回路に接続するための適切なコネクタ2216も含むことになる。
図29を参照すると、本明細書の一実施形態による放電回路が示されている。放電回路2220は、図29Bに示すように、ウルトラキャパシタ1068と適切に結合する入力セクションを提供する。ウルトラキャパシタは、図示のように、直列に放電され、一般に、5.2ボルトDCが、ウルトラキャパシタの両端間にもたらされ、5.2ボルトDCは、適切なコンバータ回路構成要素2222によって、約3.3ボルトに変換される。入力回路は、また、硬化サイクルの完了などの、光デバイスの動作を示すための、ブザーまたはビーパー2224などの適切な音声要素を提供することができる。放電の適切な制御は、主制御回路(図28参照)のコネクタセクション28Cに対応するコネクタセクション29Dを介して提供される。図29Bの入力セクションからの出力電圧信号は、放電回路セクション23A、23Cに供給され、放電回路セクション23A、23Cは、図29に示すように、光エンジンLED発光体に直接結合される。より具体的には、図29Aに示す回路セクションは、光エンジンのLED発光体を駆動するために、昇圧コンバータ回路2226を含む。昇圧コンバータ回路2226は、FET2230を駆動するFETドライバ構成要素2228を含む。固体スイッチ構成要素2232は、図29Cに示すように、硬化光デバイスをオンおよびオフにするために、スイッチ制御を提供する。
本発明の一実施形態では、硬化光デバイスは、端部にハウジングおよびソケットを含む本体を有する。本体に取り外し可能に固定される先端部は、近位端部および遠位端部を有する。近位端部は、先端部を本体に取り外し可能に固定するために、本体ソケットに差し込むように構成される。先端部は、導電性かつ熱伝導性材料で形成された複数の本体要素を含む。本体要素は、先端部に別個の電気伝導体を形成するために、互いから電気的に絶縁される。光エンジンは、先端部の遠位端部に配置され、先端本体要素に電気的に結合され、光を放射するように動作可能な少なくとも1つの発光素子を含む。放射された光を捕捉し、コリメートするための非結像素子が、先端部の遠位端部における光エンジンに結合される。非結像素子は、非結像レンズを含むことができる。レンズは、截頭円錐セクションを含むことができる。電源は、本体ハウジング内に配置され、ソケット内の電気接点に電気的に結合される。先端本体要素は、光エンジンに電力を供給するために、電気エネルギーを伝導するように、ソケットの電気接点と係合する。電源は、再充電可能であり、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、一実施形態では、1対のウルトラキャパシタをさらに含むことができる。電源は、少なくとも1分の動作実行時間を提供し、最長10分の動作実行時間を提供するように動作可能である。特定の実施形態では、電源は、約250秒の動作実行時間を提供するように動作可能である。
別の実施形態では、硬化光デバイスは、先端部をソケット内に取り外し可能に固定するように構成された磁気機構を含む。磁気機構は、先端部をソケット内に固定するために0.5〜6ポンドの範囲の力を提供することができ、希土類磁石を含むことができる。1つの特定の実施形態では、磁気機構は、先端部をソケット内に取り外し可能に結合するために、本体および先端部のうちの一方に結合された磁石と、本体および先端部のうちの他方に結合された金属要素とを含む。
別の実施形態では、先端部は、本体要素を含み、本体要素同士が合わさって先端部を形成し、本体要素同士は絶縁体要素によって分離されて互いに電気的に絶縁される。先端部は、近位端部より広いベースを有することができ、先端部の近位端部は、本体ソケットに差し込むために、ベースを越えて延びる。先端本体要素は、先端部の近位端部に接触構造を形成するように構成され、接触構造は、電気エネルギーを伝導するために、ソケットの電気接点と係合する。1つまたは複数の本体要素は、本体要素の長さに沿って、固体部分およびくり抜かれた部分を有する。先端部の本体要素は、光エンジン、および先端部の遠位端部から離れる方に熱を流すように動作可能である。特定の実施形態では、先端部の本体要素は、先端部の遠位端から離れる方に熱を流し、硬化されている歯の歯髄において摂氏5度より大きい上昇を防止するように構成される。
別の実施形態では、硬化光デバイスは、光エンジンを有し、光エンジンは、3つの発光素子を含み、1100〜1800mW/cm2の出力パワーを提供するように動作可能である。
別の実施形態では、硬化光デバイスは、電源を再充電するために、デバイス本体を受け入れるための充電器ベースを含む。充電器ベースは、重力を提供し、デバイス本体内のソケットによって受け入れられるように構成されたプラグを含む。充電器ベースからの光デバイスの片手での取り外しを容易にするために、プラグおよびソケットは、デバイスと充電器ベースを分離するために、充電器ベースの重力より小さい取り外し力を必要とする。充電器ベースは、光デバイスの光出力を測定するように動作可能な放射計センサを含むことができる。
本発明を、その実施形態の説明によって例示し、実施形態を、かなり詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に限定またはどのようにも制限することは、出願人の意図ではない。追加の利点および改変は、当業者に容易に思われるであろう。したがって、そのより広い態様における本発明は、特定の詳細な典型的な装置および方法、ならびに図示および説明した例示的な例に限定されない。したがって、出願人の一般的な発明概念の要旨または範囲から逸脱することなく、そのような詳細からの逸脱がなされ得る。
10 光デバイス、硬化デバイス
12 ハウジング
14 先端構造体
16 制御電子機器、制御回路網
18 外部制御部
20 表示デバイス
22 近位端部
24 遠位端部
26 ベース
27 充電ベース、ブロック
28 電源回路
30 断面線
32 ヒートシンク構造体
34 断熱材
36 本体
40 発光デバイス、光エンジン
42 ベースまたは基板
44 発光構造
46 ガラス窓
48 レンズ

Claims (19)

  1. 端部にハウジングおよびソケットを含む本体と、
    近位端部および遠位端部を有する先端部であって、前記近位端部が、前記先端部を前記本体に取り外し可能に固定するために、前記本体のソケットに差し込むように構成されており、
    前記先端部が、導電性かつ熱伝導性の材料で形成された複数の先端部の本体要素を含み、前記先端部の本体要素が、前記先端部内に別個の電気導体を形成するために、互いから電気的に絶縁される、先端部と、
    光を放射するように動作可能な少なくとも1つの発光素子を含む光エンジンであって、
    前記先端部の前記遠位端部に配置され、前記先端部の本体要素に電気的に結合され、前記先端部の本体要素が、共に、前記光エンジンから離れる方に熱を流すように、前記光エンジンに熱的に結合されたヒートシンクを形成する、光エンジンと、
    前記先端部の前記遠位端部において前記光エンジンに結合され、前記放射された光を捕捉し、コリメートする非結像素子と、
    前記ハウジング内に配置され、前記ソケット内の電気接点に電気的に結合される電源であって、前記先端部の本体要素が、前記光エンジンに電力を供給するために、電気エネルギーを伝導するように前記ソケットの電気接点に係合し、前記電源が、再充電可能であり、少なくとも1つのウルトラキャパシタ素子を含む、電源と
    を備える硬化光デバイス。
  2. 前記ソケット内に前記先端部を取り外し可能に固定するために構成された磁気機構をさらに備える、請求項1に記載の硬化光デバイス。
  3. 前記磁気機構が、前記ソケット内に前記先端部を固定するための0.5〜6ポンドの範囲の力を提供する、請求項2に記載の硬化光デバイス。
  4. 前記磁気機構が、希土類磁石を含む、請求項2に記載の硬化光デバイス。
  5. 前記先端部の本体要素同士が合わさって前記先端部を形成し、前記先端部の本体要素同士は絶縁体要素によって分離されて互いに電気的に絶縁される、請求項1から4のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  6. 前記電源が、一対のウルトラキャパシタをさらに備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  7. 前記電源が、少なくとも1分の動作実行時間を提供するように動作可能である、請求項1から6のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  8. 前記電源が、最長10分の動作実行時間を提供するように動作可能である、請求項1に記載の硬化光デバイス。
  9. 電源が、約250秒の動作実行時間を提供するように動作可能である、請求項1に記載の硬化光デバイス。
  10. 前記光エンジンが、3つの発光素子を含み、前記光エンジンが、1100〜1800mW/cm2の出力パワーを提供するように動作可能である、請求項1から9のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  11. 前記先端部の前記本体要素が、前記先端部の前記遠位端部から離れる方に熱を流し、硬化されている歯の歯髄において摂氏5度より大きい上昇を防止するように構成される、請求項1に記載の硬化光デバイス。
  12. 前記先端部の本体要素が、前記先端部の前記近位端部に接触構造を形成するように構成され、前記接触構造が、電気エネルギーを伝導するように前記ソケットの電気接点と係合する、請求項1から11のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  13. 少なくとも1つの前記本体要素が、前記本体要素の長さに沿って固体部分およびくり抜かれた部分を有する、請求項1から12のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  14. 前記先端部が、前記近位端部より広いベースを有し、前記先端部の前記近位端部が、前記本体のソケットに差し込むために、前記ベースを越えて延びる、請求項1から13のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  15. 前記磁気機構が、前記先端部を前記ソケット内に取り外し可能に固定するために、前記本体および前記先端部のうちの一方に結合された磁石と、前記本体および前記先端部のうちの他方に結合された金属要素とを含む、請求項2に記載の硬化光デバイス。
  16. 前記電源を再充電するために、前記デバイスの本体を受け入れるための充電器ベースをさらに備え、前記充電器ベースが、重力を提供し、前記デバイスの本体内のソケットによって受け入れられるように構成されたプラグを含み、前記充電器ベースからの前記硬化光デバイスの片手での取り外しを容易にするために、前記プラグおよびソケットは、前記硬化光デバイスおよび充電器ベースを分離するために、前記充電器ベースの前記重力より小さい取り外し力を必要とする、請求項1から15のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  17. 充電器ベースが、前記硬化光デバイスの光出力を測定するように動作可能な放射計センサを含む、請求項16に記載の硬化光デバイス。
  18. 前記非結像素子が非結像レンズである、請求項1から16のいずれか一項に記載の硬化光デバイス。
  19. 前記非結像レンズが截頭円錐セクションを有する、請求項18に記載の硬化光デバイス。
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