(57)【要約】【目的】本発明の目的は発光ダイオードからの光を効率よく照射対象物へ照射し且つ高光出力で照射ムラのない軽量・小型で且つ信頼性の高い光重合装置を提供することにある。【構成】本発明は、ピーク発光波長が３５０〜５００ｎｍの光を放射する発光ダイオードを放熱体の先端部に密着固定して配置し、且つ発光ダイオードの光出力を増大させるために発光ダイオード背面に密着固定した放熱効果を持つフレキシブルな放熱体を中空パイプ内に収納してなる発光部によって発光ダイオードの動作時温度を低減化でき、且つ短時間において通電する電流を定格電流以上に高めることを可能とし、その結果発光ダイオードへの入力電力を高めることが可能となり放射される光量の増大化が計られたことのみならず過大な電流を通電しても放熱効果により発光ダイオードの熱劣化による信頼性を損なわないように構成したことを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードを用いた光重合器において、発光ダイオードに流す電流の平均値を、発光ダイオードの平均値電流の絶対最大定格値以上１．５倍以下にし、通電時間を  ６０秒以下とし、かつ発光ダイオードの絶対最大接合部温度を超えて使用することを特徴とする光重合器。
【請求項２】
前記光重合器は発光部と本体と電源供給部より構成され、発光部はへの字状に曲げられた中空パイプと、中空パイプの一方の先端に密封されてとりつけられた前記発光ダイオードと、前記発光ダイオードの背面に取り付けられた棒状放熱体と、前記発光ダイオードに電力を供給するための導電体と、導電体と電気的な接続をする端子を持ち中空パイプの他の一端に密封された端子部を備へ本体より脱着、回転が可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の光重合器。
【請求項３】
前記光重合器は前記発光ダイオードからの光を外部へ導出するライトガイドと、ライトガイド入射端に対向し光放射面側を密着あるいは近接配置した前記発光ダイオードと、前記発光ダイオードの熱を放出するための放熱体を備えた事を特徴とする請求項１に記載の光重合器。
【請求項４】
前記ライトガイドは多芯結束ガラスファイバー或いは石英製ムク棒からなることを特徴とする請求項３に記載の光重合照射器。
【請求項５】
前記発光ダイオードは複数の発光素子よりなることを特徴とする請求項１に記載の光重合照射器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は歯科用コンポジットレジン充填材に、発光ダイオードから発した光を高出力で効率よく且つ均斉度高く照射させることによって、ムラが無く重合硬化するための可視光重合照射器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバーを利用した光重合照射器の光源部の基本構造において、従来から発光ダイオ−ドの発光素子から発する光を効率よく導光用ファイバーへ入射するために特開平０９−０１０２３８号、特開平０７−２４０５３６号、特開平１１−２１９６０８号などに開示されているように種々の構造のものが案出されている。例として図１０に示すような特開平１１−２１９６０８号によれば複数の樹脂レンズ型発光ダイオード１０１を同一方向へ光が放射できるように回路基板１０２上に配列し、発光ダイオード１０１の前方に配置したテーパー部に金属反射層１０４を被覆した先細のテーパー状の透明集光体１０３によって光を出射面側へ導きその先細の集光部即ち出射部に光ファイバー１０５を接続することによって複数の発光ダイオード１０１からの光を集光させることが可能となり光ファイバー１０５へ光を入射させることが試みられている。    またさらに、特開平０９−０１０２３８号を図１１で説明すると片側端面が発光面となる凸状の二次曲面からなる透明で且つ円錐面上に金属反射層１１５を付けた円錐状導光体１１２において前記凸状の二次曲面の接線に対して直角の方向に光を出射できるように複数の樹脂レンズ型発光ダイオード１１１を凸面上に配置し、その光を円柱状導光体１１３内で集光１１４することによって前記円錐状導光路１１２を介して円柱状導光体１１３の出射面側から光を外部へ照射する構造などが知られている。    そして、これらの光源部の基本構造を利用した光重合照射器の従来例として図１２に示す小型の光重合照射装置が特開２０００ー２７１１５５号に開示されているように多数個の発光ダイオード１２１を球面からなる発光ダイオード支持体１２２に配列し、その発光ダイオードは光ファイバー１２３の入射端に集光できるようになっている。このように構成された光学系を制御する回路１２４と駆動電源１２５と共にハンドピース１２６内に収納することによって、ハンディな光重合照射器が実用化されていることが良く知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平０９−０１０２３８号においては複数の発光ダイオードからの光を導光体を介して光ファイバー内に集光点を持たせる事によって効率よく光ファイバーへ入射できるものの、その光の均斉度が悪く光ファイバーから出射された光も同様に均斉度の悪いものであった。そして、砲弾型発光ダイオードの配光特性のバラツキが大きく導光しようとする光ファイバー径が小さくなるほど多数個の発光ダイオードを同一点に集光することは非常に困難になり、個々の発光ダイオード固有の配光バラツキ、光軸バラツキがあるために発光ダイオード個別の光学的な位置調整が必要になったり、導光体としても寸法精度が要求される透明の且つ円錐面に金属層を設けた円錐状二次曲面が必要になるなど実用上大変な困難性があった。    さらには、多数個の発光ダイオードを配列したことによって実質的な光源の大きさが大きくなり過ぎ、さらに多数個の発光ダイオードを使用するために消費電力も大きくなり蓄電池容量が大きくなったり或いは直流電源部が大きくなるなど装置全体の大きさにも影響を与え小型軽量化を目的とする装置においてはハンドリングの悪さや重すぎるなどの実用上の問題があった。    特開平１１−２１９６０８号においては透明のテーパー状導光体によって発光ダイオードからの光が集光されるものの光反射による光減衰や光導光用ファイバーへ入射する光の入射角度を規定の角度以内即ち臨界角内に納めるためにテーパー角度を大きくすることができないことから、実質的にテーパー角度が小さくなり発光ダイオードから集光点即ち光導光用ファイバーの入射端との距離が遠くなり距離による光減衰が大きくなるなど、光学系からの光の漏れが少ないものの、光の反射、屈折損失に加えて照射距離が長くなることによって光減衰が大きくなるなどの問題があった。    一方、実用上の面から小型にするためにテーパー角度を大きく取り実質的な長さを短くしようとすると発光ダイオードの光がテーパ面で大きく屈折することによって反射ロスが大きくなりあまり効率の良いものにはならなかった。    このために前者従来例と同様多数個の発光ダイオードを使用する点では変わりなく実用上装置が大きくなり、消費電力も大きなものになっていたのが現状であった。    上述のように、従来技術においては基本的な構成は光ファイバーからの出射光の増大を計るために多数個の発光ダイオードを用いて光学的な工夫をすることによって高光出力のファイバー用光源を得る工夫がなされ装置の小型化や低消費電力性さらには高価になるなど実用に供するには問題があったのが現状である。    さらにこれら光源部の基本構造を利用した例として特開２０００−２７１１５５号に示したハンディな装置においては、前記したように基本的に多数個の発光ダイオードを利用したものでありハンディとはいえその大きさは大きく実用上問題があった。
【０００４】
【目的】本発明の目的は発光ダイオードからの光を効率良く照射対象物へ照射でき且つ照射ムラのない軽量・小型で且つ信頼性の高い光重合照射装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】発光ダイオード等の半導体素子は電気的温度的な絶対最大定格が有りこれを越えて使用する事は発光素子の寿命を損ねるためにしてはならないことになっており、絶対最大定格を越えないで使用すればその寿命は数万ないしは数十万時間以上が保証される。
しかしながらそのような長寿命を必要としない場合には絶対最大定格を越えて使用することにより特性が大幅に改善されることが考えられる。
現在歯科用光重合器の光源としてはハロゲンランプが主力であるがその寿命は高々数十時間から数百時間であり、実用に充分供されている。この観点からすれば発光ダイオードの寿命は数百時間から数千時間もあれば充分なものと言える。
一方歯科用光重合器の実用的な照射時間は短い方がよいのだが最長１分までが限界とされる。
上記観点に立ち現在市販されている発光ダイオードで調べてみると、発光ダイオードに充分大きい放熱体を取り付けその発光素子の平均値電流の絶対最大定格値の１．５倍以内、通電時間が１分以内であれば接合部温度が素子の絶対最大定格を越えて使用しても数千時間以上の寿命が有ることが判明した。
また発光素子に流す電流の平均値電流が、その発光素子の平均値電流の絶対最大定格値の１．５倍以内であればデューディ比を小さくすることによりジャンクション温度を低下させることが出来、更に大きな電流を流しうることが判明した。
素子に電流を流してからしばらくして熱的に安定してからの通電時間と電流値の関係を図３に、通電時間と接合部温度の関係を図４に示してある。
すなわち発光素子の平均値電流の絶対最大定格値をＩａｖｅ（ｍａｘ）、発光素子の寿命が大きく損なわれることなく１分間流しうる平均値電流をＩａｖｅ（ｅｘｔ）、デューディ比をＤとし、その時に流す電流値をＩｐｅａｋ、素子に電流が流れている時間（ｓｅｃ）とすると次の式が成り立つことを確認した。
１．５  Ｉａｖｅ（ｍａｘ）≧Ｉａｖｅ（ｅｘｔ）≧Ｉｐｅａｋ＊Ｄ      ・・・・  １
Ｄ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）                  ・・・・  ２
Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ≦６０                          ・・・・  ３
例として  Ｉａｖｅ（ｍａｘ）＝０．３５Ａ，Ｄ＝０．４とした場合最大に流しうる電流及び時間は上の式より簡単に求められる。
１．５＊０．３５＝０．＊Ｉｐｅａｋ
０．４＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）
Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ＝６０
よりＴｏｎ＝２４ｓｅｃ、Ｔｏｆｆ＝３６ｓｅｃ、Ｉｐｅａｋ＝１．３Ａが得られる。
すなわち平均値電流の絶対最大定格が３５０ｍＡの発光ダイオードは１．３Ａの電流を最長２４秒
間流すことが可能である。発光ダイオードからの光出力は電流にほぼ比例して増加し、上記の例においては光出力は定格内で使用したときに得られる最大光出力の約３．５倍得ることが出来た。
図５に一般に使用されている歯科用コンポジットレジンにこのとき得られる光を照射し照射時間と硬化膜の厚さの関係を調べた。。この時の発光ダイオードの発光波長は４７０ｎｍである。
５秒照射で３ｍｍ、１０秒照射で４．３ｍｍ硬化し、充分に実用範囲であることがわかった。
このような方法により従来複数個の発光ダイオードを使用しなければ得られなかった特性が一個の発光ダイオードを使用するだけで得られるため、発光ダイオードを取り付ける位置の自由度が増え色々な利点が得られるようになった。
例えばへの字型の中空パイプの先端に一個の発光ダイオードを取り付けることにより
従来必ず必要であったライトガイドが不要となり、大幅なコストダウンや、ライトガイドによる光の損失が無くなり更なる光出力増加が可能となった。
また本体内部に発光ダイオードを取り付ける場合にはレンズなどで集光する必要が無いためにライトガイドの直近に取り付けることが可能で、同様にコストダウン、効率アップが図れるという長所が得られる。
以上述べたように、発光ダイオードの点灯電流と点灯時間及び休止時間と発光ダイオードのジャンクション温度及び発光ダイオード背面側の温度上昇値との関係をを詳細に検討した結果、上記に示すように定格電流以上の点灯条件においても充分実用に供し得ることを確認した。
なお発光ダイオードの光出力を増大させるためには発光ダイオード背面に密着固定した放熱効果を持つ放熱体を設ける事が必須の条件であり、このことによって発光ダイオードの動作時温度を低減化でき、一定の時間を限定して通電できる電流を高めることを可能とし、その結果発光ダイオードへの入力電力を高められ放射される光出力の増大が計られたことのみならずさらに短時間において過大な電流を通電しても放熱体の放熱効果により発光ダイオードの熱劣化による信頼性を大きく損なわないですむ。
【０００６】
【実施例１】以下、本発明の第一の実施例を図１、図２において説明する。
図１において、１１は放熱基板１２上に搭載されている４７０ｎｍ或いは４９０ｎｍの光を放射する発光素子でありその周囲を発光素子からの光の取り出し効率を改善するためと発光素子の保護のために凸状の透明シリコン樹脂或いは透明エポキシ樹脂１３にて覆われている。そして発光素子上の電極１４ａｂはそれぞれカソードリード１５とアノードリード１６へ金線１７ａ，ｂにて電気的に接続されており、リード間に電流を通電することによって発光素子が発光する構造になっている。このような発光ダイオードを用いて図２に示すよう前記発光ダイオード２１の放熱基板２２の背面には表面が電気的絶縁処理が施された銅金属棒からなる放熱体２３の一方の端部に熱伝導性の接合材２４を介して密着されている。そして発光ダイオード２１への電流供給は２本の電線２５ａ，ｂから為され発光ダイオード２１から出ているアノード及びカソードリード２６ａｂと電気的に接続され放熱体２３に沿うように配線され電源部へと接続されている。そしてこの様な構成にすることによってことによって発光ダイオード２１から発する熱は放熱体２３によって外部へ直接熱が放散され、発光ダイオード点灯時の発熱を放熱体によって外部へ放散することが出来る。
【０００７】
【実施例２】
上記の実用的な構造として図６に示すように、前記発光ダイオード６１の放熱基板６２の背面には表面が電気的絶縁処理が施された銅金属の細径線を束ねた縒り線状のフレキシブルな放熱体６３の一方の端部に熱伝導性の接合材６４を介して密着されている。このフレキシブルな放熱体６３はステンレス金属からなる中空パイプ６５の中に挿入・収納されている。そして発光ダイオード６１は中空パイプの一方の先端部に気密に接着固定した樹脂製の発光ダイオードホルダー６６の中に収納し、発光ダイオードホルダー６５と発光ダイオード６１の隙間は封着樹脂６０によって埋められ密封されている。さらに前記発光ダイオード６１への電流供給は２本の電線６７ａ，ｂから為され発光ダイオード６１から出ているアノード及びカソードリード６８ａｂと電気的に接続され縒り線からなるフレキシブルな放熱体６３に沿うように配線され、その一方の線は中空パイプ６５のもう一方の端部に気密に封着された電気的な接続を可能とし且つ気密性を保ちながら電気的な通電が可能なフィードスルー端子６９接続されている。もう一方の電線は中空パイプ６５の中でステンレス金属からなる中空パイプの内面にフレキシブルな放熱体によって押しつけられるように固定され中空パイプ６５と実質的に電気的に接続されている。  又、ここではフレキシブルな放熱体として銅金属の細径線からなる縒り線を用いたが高価ではあるが軟銅や軟鉄（純鉄）などを用いても同様の効果が期待できることは容易に考えられる。
又、本発明の目的は歯科用光重合を目的としたが、本発明の基本構成によって他の目的、即ち３５０〜５００ｎｍの範囲を越えた発光波長の発光ダイオードを搭載することによって工業用内視鏡、医療用内視鏡、各種照明装置、各種車載用光源への応用展開が容易に考えられる。
【実施例３】
さらに図７に示すような多芯結束或いは単芯ムク棒のガラスからなる光ファイバー製ライトガイド７２を用いて、その光ファイバーの入射端７４近傍に発光ダイオード７１を配置することによって発光ダイオード７１から放射された光を導光し、一方の光ファイバーの出射端７５に導くことによって効率よく光利用が可能な構造とする事が出来る。また、この時発光ダイオード７１から発生した熱を背面側に放熱するために発光ダイオード７１の背面に熱伝導性接着剤７３を介して密着して放熱器７６が配置してある。
以上のように二つの装置全体の構成例において前記したようにいずれの構造でも発光ダイオードへの通電電流条件が変わることはない。さらには本実施例においては単一の発光ダイオードを使用したが、これが複数個になっても上記の条件は変わらないことは容易に考えられる。
【実施例４】
図８に請求項２項に基づき装置全体の一実施例を示してある。
発光部８１と、本体８６に内蔵され前記発光部８１のオン、オフを制御する制御部８２と前記発光部に平均値電流の絶対最大定格値以上、１．５倍以下の電流を供給する電流源部８３と電流源部に電力を供給するバッテリー部８４と本体内のバッテリーに電力を供給する電源供給部８５より構成されている。
発光部８１と本体８６は切り離すことが出来るために使用後発光部８１を取り外して消毒する事が容易に出来る。
また本体８６にはバッテリーが内蔵されているために使用時には本体と電源供給部８５は切り離すことが出来いわゆるコードレス状態となり使い勝手が大変良い。
本体８６内には必ずしもバッテリーを内蔵するする必要はなく、バッテリーを取り外して直接電流源部に電源供給部８５を接続することも可能である。この場合使用時は本体と電源供給部８５はつながれた状態になりコストが安くなり、更なる小型化も可能となる。
【実施例５】
図９に請求項３に基づき装置全体の一実施例を示してある。
発光ダイオード９１からの光を外部に導出するライトガイド９２と本体９３内にはライトガイド入射端近傍に取り付けられた発光ダイオード９１と、発光ダイオード９１の熱を放出する放熱体９４と、  発光ダイオード９１に平均値電流の絶対最大定格値以上、１．５倍以下の電流を供給する電流源部９５と電流源部に電力を供給するバッテリー部９６と本体９３内のバッテリーに電力を供給する電源供給部９７より構成されている。
実施例４と同様に本体にはバッテリーが内蔵されているために使用時には本体と電源供給部９７は切り離すことが出来いわゆるコードレス状態となり使い勝手が大変良い。
本体９３内には必ずしもバッテリーを内蔵するする必要はなく、バッテリーを取り外して直接電流源部に電源供給部９７を接続することも可能である。この場合使用時は本体と電源供給部９７はつながれた状態になり安くなり、更なる小型化も可能となる。
【０００８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の基本構成は３５０〜５００ｎｍの光を放射する発光ダイオード背面側を放熱体の先端部に密着固定した構成とし且つ発光ダイオードに通電する電流を定格電流の１．５倍以下とすることによって、さらに連続通電時間を６０秒以下に限定することによって発光ダイオードからの光量を寿命などの信頼性を大きく損なわずに高めることが出来た。
【０００９】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に基付く発光ダイオードの概略構造断面図である。
【図２】図２は本器の発光部の基本構造である。
【図３】図３は通電時間と電流値の関係の測定結果である。
【図４】図４は通電時間と接合部温度の関係を示した図である。
【図５】図５は実施例１における硬化実験結果である。
【図６】図６は実施例２における構成説明図である。
【図７】図７は実施例２におけるもう一つの実用上の構成説明図である。
【図８】図８は実施例３における構成説明図である。
【図９】図９は実施例４における構成説明図である。
【図１０】図１０は従来例
【図１１】図１１は従来例
【図１２】図１２は従来例
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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