JP6566895B2 - 気密封止されたｌｅｄ灯、及び、気密封止されたｌｅｄ灯の製造方法 - Google Patents

気密封止されたｌｅｄ灯、及び、気密封止されたｌｅｄ灯の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、気密封止されたＬＥＤ灯と、気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法とに関する。本発明は、より詳細には医療分野において、すなわち医療機器や医療器具のために使用されるＬＥＤ灯に関する。
ＬＥＤ灯は、医療分野において、特に歯科医用の設備においてますます利用されてきており、特に医療機器の一部にさえなっていると言っても差し支えない。ＬＥＤ灯は、照明目的のため、例えば患者の口腔内を照明するために使用され、さらには、特に内視鏡のカメラライトとして、例えば欠陥部位の識別を容易にする特定の波長の光を放射して虫歯などの欠陥部位を検出するために使用され、さらには、充填剤を硬化させるため、例えばＵＶ光を用いて硬化性プラスチックを硬化させるために使用される。
このようなＬＥＤ灯は、典型的には高い負荷に曝されている。特に殆どの医療機器は、気密に封止されている必要があり、場合によってはオートクレーブ可能でさえなければならない。
さらには、使用される機器は耐久性を備えるべきであり、如何なる有害物質をも放出してはならない。
特に歯科用器具からは、ＬＥＤ光源を含むハンドルが知られている。ＬＥＤ光源は、殆どの場合ハンドルのハウジング内に組み込まれており、ＬＥＤ光源によって放射された光は、ライトガイドを用いてハンドルの先端領域にある窓へと向けられ、その窓から光が口腔内に入射する。
例えば高分子ポッティング化合物によって封止されている公知のＬＥＤ灯は、通常、少なくともその外側においては医療器具と共に使用するために充分には適さない。
従って、本発明は、医療機器に組み込むために良好に適しており、且つ、耐久性及び気密性の観点から医療分野で増加する要求を満たすことが可能な、気密封止されたＬＥＤ灯を提供するという課題に基づいている。
本発明の課題は、独立請求項に記載された気密封止されたＬＥＤ灯と、気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法とによってもう解決される。
本発明の好ましい実施形態及び改良形態は、各従属請求項の主題によって規定されている。
本発明は、気密封止されたＬＥＤ灯に関し、このＬＥＤ灯は、少なくとも液密なハウジングを備えるＬＥＤ灯である。
ＬＥＤ灯は、複数のＬＥＤを備えるベースを含む。
好ましくは、これらのＬＥＤは、ベースに直接結合されたＬＥＤチップの形態で実装されている。
このようなＬＥＤチップは、高出力ＬＥＤを含むことができ、ベースを介して熱が容易に放熱され、構成要素がコンパクトである。
ベースは、セラミック材料からなる。特にベースは、酸化アルミニウム及び／又は窒化アルミニウムからなる。
ＬＥＤ灯はさらに、少なくとも１つの窓を有する金属キャップを含む。金属キャップは、好ましくは複数の窓を有し、それぞれの窓は、それぞれのＬＥＤに面しており、これらの窓を通ってＬＥＤ灯から光が出射する。
金属キャップは、ベースにはんだ付けされており、ＬＥＤ灯はさらに、電気的要素、光学的要素、及び／又は機械的要素を導き入れるための、ベースとキャップの両方を貫通して延在するチャネルを有する。
セラミック製のベースを、はんだ付けによって金属キャップに結合させることにより、これらの構成要素を貫通して延在するチャネルが存在するにも拘わらず、高密度を実現するＬＥＤ灯の形態の１つのユニットを提供することが可能となった。
チャネルは、特に採用された医療装置の一部である電気的要素又は機械的要素を収容するために使用される。
チャネル内には、例えばイメージセンサと特にカメラとを配置することができ、これらに対して光源としてＬＥＤ灯が使用されている。
チャネルは、任意の形状、特に円錐形状、円柱形状、又は多角形形状を有することができる。例えばベースとキャップとにおいてチャネルの直径を異ならせることによって、階段状のチャネルを設けることも考えられる。この場合にはこのような階段を、機械的要素又は電気的要素をより良好に保持するためのストッパとして使用することができる。
好ましい１つの実施形態では、ＬＥＤ灯は、環形の形状を有し、チャネルは、ほぼ中央に配置されている。
ＬＥＤは、好ましくはこのようにして形成されたリングの周囲に分配されている。ＬＥＤ灯は、特に４〜１０個のＬＥＤを含むことができる。
このようなＬＥＤ灯は、特に医療機器、例えば歯科医のドリル装置のヘッドピースの上に配置することができる。この場合には、ドリル及び／又はドリル装置の駆動シャフト自体が、チャネルを貫通して延在することができ、これらのＬＥＤは、特に照明目的で使用される。
好ましくは、ＬＥＤは、環形に分配された複数の窓を含む。
本発明の１つの改良形態では、窓は、レンズによって画定されている。
特にＬＥＤの光を、窓を介して合焦させることができる。
好ましい１つの実施形態では、複数の窓のそれぞれが、金属キャップのそれぞれのチャネル内に配置されている。窓が配置されたチャネルは、好ましくは０．１５〜２０ｍｍの高さを有する。好ましくは、各チャネルがそれぞれベースまで延在しており、すなわち、各チャネルに直接隣接して、金属キャップがベースにはんだ付けされている。
特に金属キャップが、好ましくは円筒形の、特に円柱形の形状のチャネルを有するようにし、これらのチャネル内にレンズの形態のガラス製の窓を溶着させることが考えられる。
このような金属キャップを製造するために、ガラスロッドの一部をチャネル内に導き入れることができる。ガラスは加熱されると溶融し、ガラスの表面張力によってレンズが形成される。
１つの実施形態では、ＬＥＤ灯は、複数の窓を含み、金属キャップは、それぞれの窓に隣接したくぼみを有する。
特に、金属キャップは、チャネルに隣接した上面にくぼみを有する。
レンズが形成されるようにガラス製の窓がチャネル内に溶着されている場合には、レンズは、くぼみのおかげで金属キャップの上面から突出しなくなるので、このＬＥＤ灯を別の保護ガラスを用いずに使用した場合にも、物体が接触したときに窓が損傷することはなくなる。なぜなら金属キャップが窓に隣接しているからである。
本発明の１つの実施形態では、窓の下のチャネル内に変換器が配置されている。特にリン、ＹＡＧ等のような蛍光粒子が埋め込まれたシリコーンキャリアマトリクスを備える変換器を使用することができる。変換器は、例えば接着剤による結合によってチャネル内に特に簡単に取り付けることができる。シリコーンマトリクス変換器を使用すると、その結果として製造が簡単になり、且つ温度安定性が向上する。無機マトリクスを備える変換器の使用も、同様に考えられる。
ガラス製の窓をチャネル内に溶着させ、好ましくはこのガラス製の窓を、任意選択的に採用された変換器の前にできるだけ近接して配置することによって、広いビーム角度又は出射角度を有するＬＥＤ灯を提供することが可能となる。
特に出射角度は、８５°よりも大きく、好ましくは９０°よりも大きく、より好ましくは９４°よりも大きい角度とすることができる。本発明の文脈では、出射角度は、強度の半値幅の水平方向の各点の間に含まれた角度を表す。
本発明はさらに、気密封止されたＬＥＤ灯、特に上述したようなＬＥＤ灯に関する。
このようなＬＥＤ灯は、複数のＬＥＤと、複数の窓を有する少なくとも１つのキャップとを備えるベース、好ましくはセラミック製のベースを含み、ＬＥＤ灯は、別個に制御可能な、それぞれ異なる光の色の複数のＬＥＤを含み、少なくとも２つの別個に制御可能なＬＥＤの光出射角度は、それぞれ異なっている。
従って、ＬＥＤ灯は、複数の異なる用途のために、複数の異なる光の色の複数のＬＥＤを含む。ＬＥＤ灯が、歯科分野のために提供される場合には、これらのＬＥＤは例えば、口腔内を照明するためのほぼ白色の光を備えるＬＥＤと、虫歯や歯垢を検出するための特別な光の色のＬＥＤと、樹脂を硬化するために使用されるＵＶ光を放射するＬＥＤとを含むことができる。これらのＬＥＤは、別個に制御することができる。この目的のためにベースは、それぞれのＬＥＤ又はそれぞれのＬＥＤの集合のための複数の電気的なフィードスルーを有する。
特に、少なくとも１つのＬＥＤが６０°より小さい出射角度を有するようにし、別のＬＥＤが７０°よりも大きい出射角度を有するようにすることが考えられる。さらには、少なくとも２つのＬＥＤの出射角度が互いに少なくとも１０°、好ましくは少なくとも２０°だけ異なっているようにすることが特に考えられる。
この目的のために好ましくは、複数の窓が使用され、これらの窓は、それぞれ異なる焦点距離及び／又はそれぞれ異なる開口角度を有するレンズによって画定されている。
これらのレンズが、ガラスをチャネル内に溶融させることによって形成される場合には、このようなレンズを、例えば種々異なる形状のチャネル及び／又は種々異なるガラスによって設けることができる。
例えばＵＶ光を放射するＬＥＤの場合には、小さい出射角度で光及び放射を合焦することが便利であり、その一方で、口腔内を照明するためのＬＥＤは、より広い出射角度を有する。
ＬＥＤ灯は、特に医療機器の一部であり、ＬＥＤ灯は、ＬＥＤの光が直接外部に出射するように医療機器に組み込まれている。つまり光は、ライトガイドを介して窓から出射するように案内されない。しかしながら、放射方向に別の窓又は保護ガラスを設けることも考えられる。しかしながら好ましくは、ＬＥＤ灯の、窓を備える金属キャップによって、医療機器の終端が画定される。
本発明はさらに、ＬＥＤ灯の製造方法、特に上述したようなＬＥＤ灯の製造方法に関する。
まず、セラミックからなるベース上に、特にチップ上に配置されているＬＥＤが組み付けられる。その後、金属はんだを用いてベースに金属キャップがはんだ付けされる。
好ましくは、はんだ付け工程よりも前に既に、金属キャップのそれぞれのチャネル内にガラスを溶融又は溶着させることによって、金属キャップに少なくとも１つの窓が設けられる。
少なくとも１つの窓を、ガラスと金属の圧縮封止（a compression glass-to-metal seal）の形態で設けることも考えられる。
ガラス製の窓は、好ましくは良好な化学耐性を有する材料、特にケイ酸塩ガラス、例えばホウケイ酸塩ガラスから形成される。
その後、まだやり残されている唯一のことは、それぞれの構成要素の結合、すなわち窓を備える金属キャップと、セラミック製のベースとの結合である。
適切なはんだが使用される場合、とくに金錫はんだが使用される場合には、特にＬＥＤチップの形態のＬＥＤに損傷の危険が生じるほどＬＥＤ灯が高い温度になることなく、安定的な気密封止された接続を実現できることが判明している。
金錫はんだを使用することにより、オートクレーブ可能なハウジングを提供することが可能となる。
さらには、その後の如何なるはんだ付け工程の間でも、特にリフロー工程の間でも、又は、錫−銀−銅はんだが使用される場合でも、この接続は安定的である。
好ましくは、溶融温度が３００℃未満、より好ましくは２８０℃未満のはんだ、特に金錫はんだが使用される。
さらに好ましくは、セラミック製のベースは、金属はんだによって気密封止される電気的なフィードスルーを有する。
ＬＥＤを電気的に接続するために通されるこれらのフィードスルーも、好ましくは、ベースと金属キャップとをはんだ接合する前に形成される。
本発明の１つの改良形態によれば、少なくとも１つの金属キャップに、コーティング、特にニッケル及び／又は金を含有するコーティングが設けられる。特に、硬質金コーティングが施される。
金属キャップは、好ましくはステンレス鋼から、特に低い熱膨張係数を有するステンレス鋼から形成される。従って、金属キャップは、セラミックの低い熱膨張係数に適合されている。特に、金属キャップの材料は、室温において１５ｐｐｍ／Ｋ未満、好ましくは８ｐｐｍ／Ｋ未満、より好ましくは５ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張係数αを有する。
特に、金属キャップは、フェライト系のステンレス鋼から形成されている。
本発明の１つの実施形態では、金属キャップの熱膨張係数αと、窓の材料の熱膨張係数αとの差は、５ｐｐｍ／Ｋ未満、好ましくは１ｐｐｍ／Ｋ未満である。同様のことが、好ましくはベースの熱膨張係数と金属キャップの熱膨張係数にも当てはまる。
ＬＥＤを電気的に接続するためのフィードスルーに使用可能なはんだは、例えば金錫はんだ、錫はんだ、銅はんだ、及び銀はんだを含む。
本発明によれば、オートクレーブ可能でさえある、気密封止されたＬＥＤ灯を提供することが可能となる。
以下、本発明の主題について、例示的な実施形態を参照しながら説明する。
気密封止されたＬＥＤ灯の例示的な実施形態の平面図である。 図１の断面図である。 図２の詳細を説明する図である。 底面図である。 イメージセンサと組み合わせた、本発明に係る気密封止されたＬＥＤ灯の使用例を説明する概略図である。 本発明に係る気密封止されたＬＥＤ灯が組み込まれた医療機器の概略図である。 気密封止された環形でないＬＥＤ灯の別の例示的な実施形態を示す図である。
図１は、本発明に係る気密封止されたＬＥＤ灯１の例示的な実施形態の平面図を示す。
この実施形態ではＬＥＤ灯１は、環形の形状を有する。頂部には金属キャップ２が見て取れ、この金属キャップ２は、下にあるＬＥＤから放射された光を通す複数の窓３を有する。
ＬＥＤ灯１は、給電線４を介して接続させることができる。
この例示的な実施形態において図示されている６つの窓３は、ＬＥＤ灯１の周囲に分配されている。
さらには、円形の断面を有する中央のチャネル５が見て取れ、この中央のチャネル５は、電気的要素、光学的要素、又は機械的要素を収容するために意図されている。
図２は、図１に図示されたＬＥＤ灯の断面図である。
ステンレス鋼からなる金属キャップ２が、カップ形状であることが見て取れる。
セラミック材料、特に酸化アルミニウムからなるベース６は、下側からカップ形状の金属キャップ２に取り付けられ、金錫はんだを用いて金属キャップ２にはんだ付けされている。
プレート形状のベース６も同様に環形であり、従って、チャネル５は、ベース６と金属キャップ２の両方を貫通して延在している。
ベース６は、フィードスルー（図示せず）を有し、ＬＥＤを駆動するための電流は、このフィードスルーを通って給電線４を介して上面に供給される。
図３は、図２の細部、すなわち窓３が配置されている領域を図示している。
窓３の下では、ベース６にＬＥＤ１０が備え付けられていることが見て取れる。ＬＥＤ１０は、チップの形態で、とりわけ表面実装デバイス（ＳＭＤ）として実装されている。
ベース６の上面には、例えばＬＥＤ１０を電気的に接続するためのフラットな導電性トレース（図示せず）の形態の給電線を設けることができる。
さらには、窓３がレンズの形態で設けられていることが見て取れる。
窓３は、チャネル７内に配置されており、このチャネル７自体は、金属キャップ２を貫通して延在している。
窓３のレンチキュラー形状は、ガラスの表面張力に起因するものであり、ガラスロッドをチャネル７内に挿入してから溶融させることによって製造される。
チャネル７の上側端部には、周縁くぼみ８が設けられている。
くぼみ８のおかげでレンズの形態の窓３は、突出しないようになっている。
任意選択的に、所期の光の色に応じてチャネル７内に変換器９を配置してもよい。このような変換器９は特に、チャネル７内に接着剤によって結合されたシリコーンマトリクスを備える変換器とすることができる。
さらには、ベース６の上面が、カップ形状の金属キャップ２の下面にはんだ付けされている様子が見て取れる。
この実施形態ではベース６の縁部は、金属キャップ２から離間している。
ベース６と金属キャップ２とをはんだ付けによって接続させ、且つ、チャネル７内に窓３を溶融させることによって、ＬＥＤ１０の気密封止が実現される。
ベース６内のフィードスルーは、好ましくは同様にはんだによって充填される。
本発明に係るＬＥＤ灯を組み立てるためには、まず、窓が溶着された金属キャップ２が製造され、これとは別個に、ベース６にＬＥＤ１０が備え付けられる。
その後、これら２つの主要な要素が３４０℃未満、好ましくは３２５℃未満、より好ましくは３００℃未満の溶融温度を有する金錫はんだを用いて一緒にはんだ付けされる。
本発明の方法は、図示された環形のＬＥＤ灯のみならず、他の種類のＬＥＤ灯、特に中央のチャネルを有さないＬＥＤ灯のためにも適している。
図４は、ＬＥＤ灯１の底面図を示す。
この例示的な実施形態ではフィードスルー１１及び１２を有している環形のベース６が見て取れ、これらのフィードスルー１１及び１２を介して、上面にあるＬＥＤが駆動される。
ベース６は、カップ形状の金属キャップ２内に嵌め込まれている。
さらには中央のチャネル５が見て取れ、この中央のチャネル５内には、電気的要素、光学的要素、又は機械的要素を配置することができる。
給電線４は、底面に接してチャネル５の周囲に延在している。
１つのＬＥＤ灯が、別個に制御される複数のＬＥＤを有する場合には、典型的にはこのＬＥＤ灯が、図４に図示されているような正の端子及び負の端子のための２つのフィードスルーよりも、多くのフィードスルーを有し得ることを理解すべきである。なぜなら、これらのＬＥＤを駆動するための各駆動回路は、好ましくは、図示されたＬＥＤ灯の気密封止された部分の中に配置されるのではなく、外部に配置されるからである。
図５は、気密封止されたＬＥＤ灯１を概略的に示す。このＬＥＤ灯１は、この実施形態においても環形のセラミック製のベース６を含み、このベース６には、同様に環形である金属キャップ２がはんだ付けされており、この金属キャップ２は、複数の窓３を有し、これらの窓３を介してＬＥＤ１０からの光が外部に出射するようになっている。
中央のチャネル５内には、イメージセンサ１３及びレンズ１４が配置されている。
図６は、医療機器、特に歯科用ドリル装置のヘッドピースの概略図である。
レセプタクル１６が見て取れ、このレセプタクル１６の中には、駆動シャフトに接続可能となるようにドリルが挿入される。
本発明に係る気密封止されたＬＥＤ灯は、医療機器１５のヘッドに直接取り付けられ、ＬＥＤ灯からの光は、窓３を通って外部に直接出射する。
本発明に係るＬＥＤ灯のハウジングは良好に封止されているので、このＬＥＤ灯を医療機器のハウジングの中に配置する必要はなく、また、放射された光をライトガイドを用いて前面に導く必要もない。
図７は、気密封止されたＬＥＤ灯の１つの実施形態を示す。このＬＥＤ灯は、環形の構造を有してはいないが、本発明に係る方法に基づいて製造されたものである。
ＬＥＤ灯１７は、セラミック材料、特に酸化アルミニウムからなるベース１８を含み、このベース１８には、特にステンレス鋼からなる金属キャップ１９が、金錫はんだを用いてはんだ付けされている。
ベース１８は、金属キャップ１９の内部に配置されているのではなく、金属キャップ１９の端面に取り付けられている。
金属キャップ１９は、斜縁を有する。その結果として形成された間隙内のはんだ２３によって、要素同士がより良好に結合される。
気密封止されたＬＥＤ灯１７の内側には、チップとして構成されたＬＥＤ２２が配置されており、このＬＥＤ２２からの光はまず、上に置かれた変換器２１に入射する。変換器２１は、レンズの形態の窓２０の下に配置されている。
このＬＥＤ灯１７を製造するためには、ここでもまず、金属キャップ１９内にガラスを溶融させることによってガラスから窓２０が製造される。任意選択的に、金属キャップ１９内に変換器２１が付加的に組み付けられる。
その後、既に組み付けられたＬＥＤ２２を含むベース１８に、金属キャップ１９がはんだ付けされる。
１ ＬＥＤ灯
２ 金属キャップ
３ 窓
４ 給電線
５ チャネル
６ ベース
７ チャネル
８ くぼみ
９ 変換器
１０ ＬＥＤ
１１ フィードスルー
１２ フィードスルー
１３ イメージセンサ
１４ レンズ
１５ 医療機器
１６ レセプタクル
１７ ＬＥＤ灯
１８ ベース
１９ 金属キャップ
２０ 窓
２１ 変換器
２２ ＬＥＤ
２３ はんだ

Claims (13)

  1. 気密封止されたＬＥＤ灯であって、
    複数のＬＥＤが載置されたセラミックからなるベースと、複数の窓を有し且つ前記ベースにはんだ付けされた少なくとも１つの金属キャップと、を含み、
    前記ＬＥＤ灯は、電気的要素、光学的要素、又は機械的要素を導き入れるための、前記ベース及び前記金属キャップを貫通して延在する主チャネルを有し、
    前記ＬＥＤ灯は、別個に制御可能な、それぞれ異なる光の色の複数のＬＥＤを含み、
    少なくとも２つの別個に制御可能なＬＥＤは、それぞれ異なる光出射角度を有する、
    気密封止されたＬＥＤ灯。
  2. 気密封止されたＬＥＤ灯であって、
    複数のＬＥＤが載置されたセラミックからなるベースと、複数の窓を有し且つ前記ベースにはんだ付けされた少なくとも１つの金属キャップと、を含み、
    前記ＬＥＤ灯は、電気的要素、光学的要素、又は機械的要素を導き入れるための、前記ベース及び前記金属キャップを貫通して延在する主チャネルを有し、
    前記複数の窓は、それぞれ異なる焦点距離及び／又はそれぞれ異なる開口角度を有するレンズによって画定されている、
    気密封止されたＬＥＤ灯。
  3. 前記金属キャップは、複数のチャネルを有し、前記複数のチャネル内に前記複数の窓が溶着される、
    請求項１又は２記載の気密封止されたＬＥＤ灯。
  4. 前記ＬＥＤ灯は、中央に配置された主チャネルを備える環形の形状を有する、
    請求項３記載の気密封止されたＬＥＤ灯。
  5. 前記ＬＥＤ灯は、環形に分配された複数の窓を含む、
    請求項４記載の気密封止されたＬＥＤ灯。
  6. 前記複数の窓は、レンズによって画定されている、
    請求項５記載の気密封止されたＬＥＤ灯。
  7. 前記金属キャップは、それぞれの窓に隣接したくぼみを有する、
    請求項３から６のいずれか１項記載の気密封止されたＬＥＤ灯。
  8. 前記窓の下の前記複数のチャネルの１つ内に、蛍光粒子が埋め込まれたシリコーンキャリアマトリクスを備える変換器が配置されている、
    請求項３から７のいずれか１項記載の気密封止されたＬＥＤ灯。
  9. 医療器具であって、
    請求項１から８のいずれか１項記載の気密封止されたＬＥＤ灯を含み、
    前記ＬＥＤ灯は、ＬＥＤの光が直接外部に出射するように前記医療器具に埋め込まれている、
    医療器具。
  10. 請求項１から８のいずれか１項記載の気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法であって、
    まず、セラミックからなるベース上に少なくとも１つのＬＥＤを組み付け、
    その後、金錫はんだを用いて前記ベースに金属キャップをはんだ付けする、
    気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法。
  11. 前記ベースに前記金属キャップをはんだ付けする前に、前記金属キャップに窓を設ける、
    請求項１０記載の気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法。
  12. 前記金属キャップのそれぞれのチャネル内にガラスを溶融させることによって、前記窓を製造する、
    請求項１１記載の気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法。
  13. 前記金属キャップを、ニッケル及び／又は金を含有するコーティングによって被覆する、
    請求項１０から１２のいずれか１項記載の気密封止されたＬＥＤ灯の製造方法。
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