(57)【要約】ハロゲンランプからの放射を用いて歯科材料を硬化する方法および装置は、ランプの加熱素子内の電流の流れを調整することによって、硬化が速い短波長側に放射のスペクトルをシフトする。電流は、硬化を行う時間にわたって流される。加熱素子に流される電流の大きさの上限値を維持するため、加熱素子の動作温度に達する前に、この時間の初期部分の間、電源によって加熱素子に印加される電圧を減らすように、調整された電源の制御信号で帰還回路とフィードフォーワード回路が動作し、これによって、ランプの動作寿命を延ばすために、加熱素子の明確に不必要な動作に対する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハロゲンランプからの放射を用いて材料を硬化する方法であって、
前記ランプの加熱素子内の電流の流れを調整するステップを含み、前記放射のスペクトルを硬化が速くなる波長へシフトさせるステップと、
前記材料の硬化を行う時間にわたって前記電流を流すステップと、
前記ランプの動作寿命を延ばす、前記加熱素子に流される前記電流の大きさの上限値を維持するために、前記加熱素子の動作温度に達する前に、前記時間の初期部分の間、電源によって前記加熱素子に印加される電圧を減らすステップを有する方法。
【請求項２】
前記スペクトルの前記シフトは、前記スペクトルを短波長側にシフトさせ、前記電流調整ステップは、電流の流れを増大させることにより、前記ランプによって生成される放射の強度を増大させ、前記材料は歯科材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱素子は、比較的低い温度で抵抗が比較的低く、比較的高い温度で抵抗が比較的高いような正の温度係数を特徴とする抵抗を有するフィラメントであり、前記抵抗は、前記時間の前記初期部分の間に高くなり、前記電圧を減らすステップは、前記フィラメントの前記抵抗値にほぼ比例する電圧を出力する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電源は、制御信号に対応する大きさを有する電圧を出力する電力調整器を含み、前記電圧を減らすステップは、前記時間の前記初期部分の間に前記制御信号を変化させることによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電源は、前記制御信号を出力する帰還回路と、減少する振幅を有する傾斜波信号によって前記制御信号の値を変化させるために、前記時間の前記初期部分の間、前記帰還回路を補助するように動作するフィードフォーワード回路を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記加熱素子は、比較的低い温度で抵抗が比較的低く、比較的高い温度で抵抗が比較的高いような正の温度係数を特徴とする抵抗を有するフィラメントであり、前記抵抗は、前記時間の前記初期部分の間に高くなり、前記電圧を減らすステップは、前記フィラメントの前記抵抗値にほぼ比例する電圧を出力する、請求項８に記載の方法。
【請求項７】
ハロゲンランプを励起する電流の大きさの上限値を維持しながら、前記ランプからの放射を開始および終了させる方法であって、
前記放射を行う時間にわたって、前記電流を前記ランプ内の加熱素子に流すステップと、
前記ランプの動作寿命を延ばす、前記加熱素子に流される前記電流の大きさの上限値を維持するために、前記加熱素子の動作温度に達する前に、前記時間の初期部分の間、電源によって前記加熱素子に印加される電圧を減らすステップを有し、
前記電源は、制御信号に対応する大きさを有する電圧を出力する電力調整器を含み、前記電圧を減らすステップは、前記時間の前記初期部分の間に前記制御信号を変化させることによって行われる方法。
【請求項８】
ハロゲンランプを励起する電流の大きさの上限値を維持しながら、前記ランプからの放射を開始および終了させる方法であって、
前記放射を行う時間にわたって、前記電流を前記ランプ内の加熱素子に流すステップと、
前記ランプの動作寿命を延ばす、前記加熱素子に流される前記電流の大きさの上限値を維持するために、前記加熱素子の動作温度に達する前に、前記時間の初期部分の間、電源によって前記加熱素子に印加される電圧を減らすステップを有し、
前記電源は、制御信号に対応する大きさを有する電圧を出力する電力調整器を含み、前記電圧を減らすステップは、減少する振幅を有する傾斜波信号によって前記制御信号の値を変化させるために、前記時間の前記初期部分の間、前記帰還回路を補助するように動作するフィードフォーワード回路によって行われる方法。
【請求項９】
前記加熱素子は、比較的低い温度で抵抗が比較的低く、比較的高い温度で抵抗が比較的高いような正の温度係数を特徴とする抵抗を有するフィラメントであり、前記抵抗は、前記時間の前記初期部分の間に高くなり、前記制御回路は、前記フィラメントの前記抵抗値にほぼ比例する電圧を出力する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１０】
ハロゲンランプを励起する電流の大きさの上限値を維持しながら、前記ランプからの放射を開始および終了させる装置であって、
前記放射を行う時間にわたって、前記電流を前記ランプ内の加熱素子に流す電源と、
前記ランプの動作寿命を延ばす、前記加熱素子に流される前記電流の大きさの上限値を維持するために、前記加熱素子の動作温度に達する前に、前記時間の初期部分の間、前記電源によって前記加熱素子に印加される電圧を減らす制御回路を有し、
前記電源は、制御信号に対応する大きさを有する電圧を出力する電力調整器を含み、前記制御回路は、前記時間の前記初期部分の間に前記制御信号を変化させるように動作するフィードフォーワード回路を含む装置。
【請求項１１】
前記制御回路は、前記制御信号を出力する帰還回路を含み、前記フィードフォーワード回路は、減少する振幅を有する傾斜波信号によって前記制御信号の値を変化させるために、前記時間の前記初期部分の間、前記帰還回路を補助するように動作する、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯科硬化工程におけるハロゲンランプの動作方法に関し、特に、ランプの耐用寿命を短くせずに、有用なスペクトル領域において、より大きなパワーを得ることに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハロゲンランプは、ランプが動作している間、電流によって加熱されるタングステンフィラメントを有する。ランプの寿命は、フィラメントに損傷がないことにもとづいている。ひとたびフィラメントが焼き切れてしまうと、ランプはもはや動作しない。ランプが動作している間、フィラメント内の電流によって生成された熱がフィラメントを蒸発させる。したがって、フィラメントは、ランプが動作している間、絶えず蒸発しており、フィラメントの直径が臨界点に達すると、ランプは燃えつきる。フィラメントにより大きな電流が流れると、蒸発はより急速になる。したがって、フィラメントがその動作温度に達する前のランプの起動期間の間は、はるかに大きな電流が流れるので、結果として蒸発速度がより速くなる。
【０００３】
ランプが頻繁に点滅される動作中、タングステンフィラメントを有するランプの寿命を失わないようにするため、ひとたびフィラメントが動作温度まで加熱されると、電気抵抗を無視できるようして、初期の流入電流を抑制する、ＮＴＣ（負温度係数）サーミスタのような電流制限器を用いることが知られている。不幸なことに、このような電流制限器は、初期流入電流を抑制した後に大きな熱を生じ、電力がランプから取り除かれた後、ランプを再点灯されるまでに冷却（回復）時間を必要とする。サーミスタの温度依存動作特性のため、サーミスタは、その抵抗値をランプの再点灯に適した値に戻すために冷却できなければならない。冷却時間はおよそ１分である。これは、ランプを再点灯する前に一時的にランプを消灯することが望まれる状況では不便である。また、電流制限器は、ランプの動作に有用に用いられたはずのいくらかの電力を消費するという欠点を有する。
【０００４】
歯科材料を硬化するためにハロゲンランプを用いる場合、硬化の速度を速めるようにランプを動作させるのが効果的である。これによって、硬化をより短い時間で効果的に行うことができる。これを行う１つの方法は、ランプの動作電圧を上げることであり、その結果、光出力が増大するとともに、ランプの電力消費が増大する。しかしながら、こうすると、ランプの寿命が短くなるという欠点が生じる。硬化工程を速める際に考慮する他の要因は、ランプによって生成される光のスペクトル分布である。硬化工程は、約４５０ｎｍ（ナノメートル）の光波長で最もうまく行える。しかしながら、タングステンフィラメントによって加熱される典型的なハロゲンランプの場合、ハロゲンランプの光の９５パーセントを超える光は、６００ｎｍを超える波長を有する。したがって、ハロゲンランプの通常の動作は、歯科材料の硬化に用いるために、光のスペクトル分布が最適化されていない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記欠点と問題点に鑑み、本発明の目的は、ランプの予測寿命をほぼ維持しつつ、歯科材料のより急速な硬化を達成するように、ハロゲンランプを動作させることにある。本発明の実施の特徴によると、ランプによって放射された光のスペクトルが、ランプを励起するのに用いられる電圧に依存することが認められる。したがって、タングステンフィラメントによって加熱される典型的なハロゲンランプの場合、動作電圧が１０パーセント増大すると、色温度は６パーセント上昇するようにシフトする。このランプにおける動作電圧の１０パーセントの増大はまた、放射される光のエネルギーを３４パーセント増大させる。色温度の上昇は、最大スペクトル放射出力が長波長側から短波長側へシフトすることによって明らかになる。前記の例の場合、スペクトルシフトによって、光出力が５パーセント増大する。印加電圧を増大すると、ランプの動作において前記の有利な特徴がもたらされるが、電圧の増大は、動作電圧が前記のように１０パーセント高くなると、その結果、ランプの寿命が４０パーセント短くなるという欠点によって達成されることに注意されたい。
【０００６】
本発明の方法および装置によると、歯科材料の硬化のために改良されたハロゲンランプの使用方法は、初期のサージ電流とそれに関連するフィラメントの急速な蒸発を避けるためにランプの初期点灯時に電圧を徐々に増大するように印加電圧を調整しつつ、スペクトルをシフトさせ、出力光の周波数スペクトルをより上手に利用して、出力光の強度を増大させるために、ランプに印加される電圧を増大させることによって得られる。ランプの設計寿命は、電圧の増大と関連している、ランプの使用による損失が、スペクトルの利用を改善することと、電流の大きさの上限値を維持するように初期のサージ電流を避けることによって均衡が保たれるので維持される。
【０００７】
本発明の前記態様とその他の特徴は、添付図面と関連して、以下の記述において説明される。
【０００８】
異なる図面に現れる同一の符号が付された要素は同じ要素を指すが、全ての図面の説明では参照されないことがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、ハロゲンランプ１０は、ハロゲンガスを含み、ランプ１０を加熱する、電気的フィラメント１４の形をとる加熱素子を含むエンベロープ１２を有する。ランプ１０の電源が、フィラメント１４に電圧を印加し、フィラメント１４に電流を流す、可変電池１６として示されている可変電圧源によって表現されている。電池１６によって、フィラメント１４をランプ１０の動作温度まで加熱するのに十分な電流を流すと、ランプ１０は、トレー２２内に保持されている歯科材料２０を照射するために、フィルタ１９を介して光１８を放射する。フィルタ１９に入射する光１８の光線は、符号１８Ａによってさらに特定され、フィルタ１９によって出力された光１８の光線は、符号１８Ｂによってさらに特定されている。フィルタ１９は、３００ｎｍから６００ｎｍのスペクトル透過帯域を有する。フィルタされた光１８Ｂは、歯科材料２０の硬化を促進する。光１８の強度が強ければ、結果として硬化を行う時間が短縮される。また、４５０ｎｍの光波長の近傍の強度を増大するために、光１８のスペクトル分布を調整すると、結果として硬化を行う時間が短縮される。ランプ１０の寿命の延長は、フィラメント１４の電気抵抗がフィラメント１４の温度とともに高くなるため、フィラメント１４への加熱電流の大きさを制限するために励起電圧を徐々に印加することによって達成される。
【００１０】
加熱素子は、比較的低い温度では抵抗が比較的低く、比較的高い温度では抵抗が比較的高く、抵抗が、加熱素子の温度上昇のために、加熱素子に電圧が印加されたあとただちに高くなるような正の温度係数を特徴とする抵抗を有する。フィラメントを加熱する初期段階の間に低減された大きさの電圧を印加し、その電圧をフィラメントの抵抗値にほぼ比例するように上げることができるようにすることによって、電流の大きさは、フィラメントの初期加熱段階の間、ほぼ一定に維持され、これによって電流の大きさに上限値を設定し、フィラメントへの電流の突発的な流入を防止する。これによって、フィラメントの望ましくない蒸発を避け、ランプの使用の延長を促進する。「ほぼ比例」という言葉を用いることによって、印加電圧が抵抗値の変化に正確に従わないことがあること、および、関係が完全に線形ではないことが理解されるだろう。しかしながら、電圧は、電流の上限値を維持するために抵抗値に十分密接に追従する。
【００１１】
図２では、グラフが、ランプ１０によって放射された光の強度を光の周波数の関数として示している。強度が縦軸に沿って示され、長くなる波長が、横軸に沿って右方向に示されている。参照を容易にするために、フィルタ１９に入射する光１８Ａは、図２では白色光として特定され、フィルタ１９によって出力されたフィルタされた光１８Ｂは、図２では青色光として特定されている。フィルタされていない光に対する上側のグラフと、フィルタされている光に対する下側のグラフの双方では、下側の曲線がランプの通常の励起に対する光出力を表し、上側の曲線がフィラメントに対して増大された電流と電圧で励起した場合の光出力を表す２つの曲線がある。４５０ｎｍの値がグラフに示されており、歯科材料の硬化のための光波長の好ましい値を表している。本発明を歯科材料の硬化の場合について説明しているが、本発明は、放射の強度とスペクトル分布が処理を最適にするように選択される他の材料の処理にも用いることができることに注意されたい。
【００１２】
図３は、電源２４のハロゲンランプ１０への接続を示している。住宅や事務所に供給される電力の入力線電圧のような入力線電圧が、端子対２６によって印加される。端子対２６における電力は、逓降変圧器２８とダイオードブリッジ整流器３０によって、電源２４に結合されている。変圧器２８は、ＡＣ（交流）線電圧を、ブリッジ整流器３０を駆動する、端子３２と３４の間のより低い値のＡＣ電圧に低減する。ＡＣ電圧は、ブリッジ整流器３０によって、ライン３６とアース３８の間に現れるＤＣ（直流）電圧に変換され、ＤＣ電圧は、ライン３６とアース３８を介して電源２４に印加される。電圧は、電源２４からライン４０とアースを介してハロゲンランプ１０に出力される。
【００１３】
電源２４は、電力調整器４２と、３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、４つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、２つのダイオードＤ１、Ｄ２と、スイッチ４４を有する。コンデンサＣ１は、ライン３６上の入力電圧をフィルタするため、ライン３６とアースの間を接続している。コンデンサＣ２は、ライン４０上の出力電圧をフィルタするため、ライン４０とアースの間を接続している。ライン３６上の入力電圧は、電力調整器４２の第１の入力電圧端子４６に印加される。ライン４０上の出力電圧は、電力調整器４２の出力電圧端子４８によって出力される。調整器４２の第２の入力端子５０は、所望の電圧をライン４０上に出力するために、調整器４２を作動する、ライン３６上の電圧のようなＤＣ電圧に応答する。端子５０から電圧を除くと、ライン４０上の出力電圧がなくなる。調整器４２には、負帰還端子５２もまた含まれ、これによって、調整器４２の動作は、ライン４０上の出力電圧を所望の値に維持するために、帰還信号に応答する。
【００１４】
抵抗Ｒ１とＲ２は、抵抗Ｒ１とＲ２の間の接合部において、ライン４０の出力電圧のサンプルを出力するために、ライン４０とアースの間に直列に接続されている。出力電圧のサンプルは、出力電圧のほんの一部に等しい大きさを有し、帰還信号として、調整器４２の帰還端子５２に印加される。これは、ライン４０上の出力電圧の大きさを制御する、電源２４の帰還回路を構成する。端子５２における帰還信号の大きさは、ライン４０上に現れる電圧の大きさを定める。この回路の構成の一例として、抵抗Ｒ１とＲ２が、これらの抵抗の値が所望の出力電圧を出力するように選択された固定抵抗として示されている。しかしながら、もし望むなら、抵抗Ｒ１とＲ２の分圧回路は、出力電圧を手動調整できるようにする可変抵抗（不図示）を含んでいてもよい。
【００１５】
スイッチ４４は、図３に示されているように、調整器４２の第２の入力端子５０を接地するための第１の位置と、ライン３６の電圧がスイッチ４４によって調整器４２の第２の入力端子５０に印加される第２の位置の２つの位置を有する。スイッチ４４の第１の位置では、調整器４２は、ライン４０上の電圧をランプ１０に出力しないようにオフにされる。スイッチ４４の第２の位置では、調整器４２は、ランプを励起するために、ライン４０上の電圧を出力するようにオンにされる。
【００１６】
フィードフォーワード回路５４が、調整器４２の第２の入力端子５０と帰還端子５２の間を接続している。フィードフォーワード回路５４は、コンデンサＣ３と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、抵抗Ｒ３、Ｒ４を有する。フィードフォーワード回路５４は、スイッチ４４が第１の位置から第２の位置へ切り替えられるとただちに動作する。フィードフォーワード回路５４は、スイッチ４４が第２の位置に切り替えられると、ステップ電圧を入力され、このステップ電圧を帰還端子５２に印加される傾斜波電圧に変換する。初期の傾斜波電圧は、調整器４２に、比較的低い値のライン４０上の出力電圧をランプ１０に出力させるために、抵抗Ｒ１とＲ２によって出力される帰還電圧を過大にするほど十分に高い。傾斜波電圧の大きさが減少するにつれて、その効果が小さくなり、調整器４２は、ライン４０上の出力電圧の大きさを増大し始める。傾斜波電圧の出力が終了すると、調整器４２の動作は、抵抗Ｒ１とＲ２によって出力される帰還電圧のみによって制御されるので、完全な値の所望の出力電圧がライン４０上に現れる。
【００１７】
フィードフォーワード回路５４の動作では、ステップ電圧の立ち上がり部分が、コンデンサＣ３によってダイオードＤ２に結合され、その後、抵抗Ｒ３を介して帰還端子５２に結合される。抵抗Ｒ３を抵抗Ｒ１とＲ２の接合部に接続することにより、傾斜波電圧の大きさをライン３６上に現れる入力電圧のほんの一部分に低減させる分圧器の構成が得られる。スイッチ４４を第２の位置にするためにスイッチ４４が閉じられた後、電流が、コンデンサＣ３と、ダイオードＤ２と、抵抗Ｒ３、Ｒ２を介してアースに流れ、この電流は、コンデンサＣ３を充電して、コンデンサＣ３の両端に絶えず増大する電圧降下を生成する。コンデンサＣ３の両端の増大する電圧降下によって、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ２を流れる電流が減少し、帰還端子５２に振幅の低減された傾斜波電圧が出力される。ランプ１０の励起が終わり、スイッチ４４をその第１の位置にするためにスイッチ４４が開かれると、コンデンサＣ３は、ダイオードＤ３と、抵抗Ｒ４と、スイッチ４４と、アースからなる直列回路を流れる電流によって放電する。抵抗Ｒ４の値は、ランプ１０の次の期間の動作のためにフィードフォーワード回路５４を準備するのに十分早い放電時間を得られるように選択される。
【００１８】
図４に示されている一組のグラフでは、各グラフは、図３の回路中の選択されているノード１、２、３、４の番号付けに対応する符号１、２、３、４によって特定されている。ノード１は、端子５０と、スイッチ４４と、コンデンサＣ３の接合部にある。ノード２は、コンデンサＣ３と、抵抗Ｒ４と、ダイオードＤ２の接合部にある。ノード３は、端子５２と、抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２の接合部にある。ノード４は、端子４８と、ランプ１０と、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ２の接合部にある。図４の第１のグラフと、第２のグラフと、第３のグラフと、第４のグラフは、ノード１、２、３、４にそれぞれ現れる電圧の波形を示している。４つの各グラフでは、電圧は縦軸に沿って示されており、進行する時間が横軸に沿って右方向に示されている。４つのグラフのすべてに示されている電圧波形は、相互に時間を合わせて描かれている。
【００１９】
ノード１における波形に関しては、ノードがスイッチ４４によって接地されると、電圧はゼロである。スイッチ４４が第２の位置へ動かされることによって回路がオンにされると、電圧は、ダイオードブリッジ整流器３０によって出力された、ライン３６上の電圧に等しい。これら２つの電圧の状態が、第１のグラフに示されている。
【００２０】
ノード２における波形に関しては、電圧は、コンデンサＣ３を流れる電流に比例し、波形は、回路をオン状態にするスイッチ４４の動作で始まる。このグラフは、コンデンサＣ３が充電すると、電流は時間とともに減少して、充電の初期段階の間、傾斜波電圧に近似する。最終的には、コンデンサＣ３を通る電圧は、ダイオードＤ２を導通状態に維持するために必要なレベルを下回る。その時点から、傾斜波電圧はノード３においてはもはや何の作用も及ぼさない。充電時間は、スイッチ４４のオン時間より十分に短い。
【００２１】
ノード３における波形に関しては、ノード２の電圧波形の値を小さくするための電圧波形の縮小と、そのノード２の電圧と抵抗Ｒ１とＲ２の分圧回路によって生成された電圧との加算がある。したがって、ノード３における電圧波形の初期段階（図４には傾斜波期間として特定されている）は傾斜波を含んでいるが、波形の残りの部分はほぼ一定振幅の電圧を示している。抵抗Ｒ４の値は、コンデンサＣ３の放電過程が充電過程より短い時間ですむように、抵抗Ｒ３の値よりはるかに小さい。
【００２２】
ノード４における波形に関しては、帰還端子５２に帰還された（ノード３における）電圧に応答して、調整器４２によってランプ１０に出力された電圧が示されている。図４で傾斜波期間として特定されている時間の間、ランプ１０への大きな流入電流を避ける所望の「ソフト」起動を行うために、ランプ１０に出力される電圧の振幅は徐々に増大する。その後、ランプ１０に出力される電圧は、スイッチ４４が、ノード１が接地されるオフ状態へ切り替えられるまで一定の振幅を有する。オフ状態へ切り替えられると、調整器４２は、ランプ１０への電圧の出力を終了する。
【００２３】
本発明の上述した実施形態は説明のためのものにすぎず、これらの修正は当業者が容易に行えることを理解すべきである。したがって、本発明は、本明細書で開示している実施形態に限定されるものとしてみなされるべきでなく、添付した特許請求の範囲によってのみ定められるものとして限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】内部の電気フィラメントによって加熱され、歯科材料の硬化に有用な光を放射するハロゲンランプの模式図を示す。
【図２】ハロゲンランプのスペクトル放射特性を、ランプのフィラメントに印加される電圧の関数として表現した２つのグラフを示し、上側のグラフはフィルタされていない光であり、下側のグラフはフィルタされた光である。
【図３】本発明の実施において、ランプのフィラメントに印加される電圧と、ランプのフィラメントに流される電流を制御する電気回路の図である。
【図４】電圧を、ランプのフィラメントを加熱するのに必要な時間の関数として示した１組のグラフである。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004527319.tif 000023
【国際調査報告】
2004527319.tif 000024