| 【発明の名称】 |
レジン硬化装置および光学装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大塚 正博
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】複数の発光素子１３ａ〜１３ｎを、個々の発光素子が放射する光の進行方向が同一の方向になるように配列し、各発光素子を、冷却ファンにより強制的に冷却しながら、定格電流より大きな駆動電流により発光させて短時間にレジンを硬化させることのできる光強度の高い多くの光を得ることにより、レジンを数秒で硬化させることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】複数のＬＥＤ素子を有するＬＥＤアレイを含み、それぞれのＬＥＤが放射する光の進行方向が同一の方向になるように配列され、所定の波長の光を放射する光源と、この光源からの光を所定の位置に案内するガイド部材と、を有するレジン硬化装置において、前記複数のＬＥＤアレイを、冷却ファンにより強制的に冷却することを特徴とするレジン硬化装置。
【請求項２】前記複数のＬＥＤ素子を、定格電流より大きな駆動電流を供給することを特徴とするレジン硬化装置。
【請求項３】前記それぞれのＬＥＤ素子が発光する光の波長は、３７０〜４８０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載のレジン硬化装置。
【請求項４】複数発光素子が密着もしくは近接して配列可能な、または任意個数の光源からの平行光線が入射する第１の曲面と、前記第１の曲面に比較して狭い光出射域を有し、前記第１の曲面に入射された光を、所定の方向に出射する第２の曲面と、前記第１の曲面と前記第２の曲面との間に満たされ、前記それぞれの発光素子が放射する光または前記平行光線の波長に対して光学的に透明な材質からなり、前記光源の前記それぞれの発光素子からの光または前記平行光線を、前記第１の曲面に入射された時点よりも狭い領域に集光して前記第２の曲面に案内する光学装置。
【請求項５】前記光学装置の前記第１の曲面は、前記それぞれの発光素子が放射する光または前記平行光線を、前記第１の曲面の曲率中心側に向かわせることを特徴とする請求項４記載の光学装置。
【請求項６】複数のＬＥＤ素子を有するＬＥＤアレイを含み、それぞれのＬＥＤが放射する光の進行方向が同一の方向になるように配列され、所定の波長の光を放射する光源と、この光源からの光を所定の位置に案内するガイド部材と、をさらに有し、前記光学装置の前記第２の曲面から出射された光が前記ガイド部材に入射されることを特徴とする請求項５記載の光学装置。
【請求項７】前記光学装置および前記光源の複数のＬＥＤ素子を冷却する冷却機構をさらに有することを特徴とするレジン硬化装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光硬化性の樹脂すなわち光重合型レジンを硬化するための所定の波長の光を硬化対象に向けて照射するレジン硬化装置、特に歯科用に用いられ、口腔内の切削部の保護および防湿に用いられるレジンを短時間で硬化するための歯科用のレジン硬化装置および入射面に入射した平行光線を入射面に入射された時点よりも狭い領域に光強度を減衰させることなく集光する光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】歯科用のレジン硬化装置としては、例えば特開平６−３０２７５号公報に開示されているように、電源装置とＬＥＤと光ファイバと光照射ヘッドを有するものが知られている。
【０００３】上述した公報に開示されているレジン硬化装置（レジン硬化用光源装置）は、波長４５５ｎｍの光を放射するＬＥＤを複数個光源に用い、その光を光ファイバを介して光照射ヘッドに供給して、光照射ヘッドから口腔内の所定の位置（照射対象）に光を照射するものである。
【０００４】なお、上述した公報によれば、光源としてのＬＥＤは、光出力が１２００μＷのＬＥＤチップを２０個程度配列したとの記載がある。
【０００５】また、特開平９−２８７１９号公報には、電池を電源とし、固体輻射線放出器と光伝送路とともに一体型として、取り扱いを容易とした重合装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】レジン硬化装置においては、レジンの硬化特性から、ＬＥＤチップが放射する光の波長は、４３０〜４８０ｎｍの青色である。しかしながら、周知の通り青色の光を放出するＬＥＤの光出力は、今日でも、例えば赤色（波長６８０ｎｍ）やオレンジ色（波長５８０ｎｍ）に比較して数分の１であり、口腔内の所定の位置に位置された光重合型のレジンを完全に硬化させるためには、数十秒を要する。
【０００７】このため、口腔内の処置、特に虫歯の治療に訪れている患者に対して、比較的長い時間、口を閉じないように、窮屈な姿勢を要求する問題がある。
【０００８】また、レジンを硬化させようとしている医師に対しても、同様にレジンが硬化するまでの間、レジンが位置されている部分に、光が継続して照射されるよう、同じ姿勢で所定の波長の光を照射するよう、特定の光照射姿勢を要求する問題がある。
【０００９】このことは、医師に対しては、労働条件（治療姿勢）を過酷なものとし、患者に対しては、治療時間が長く、歯科治療は大変であるとの認識を増大させる問題がある。
【００１０】また、光強度を高めるために複数の発光素子を用いると、それぞれの発光素子からの光または平行光線を口腔内に挿入または近接可能な大きさに集光する必要が生じるが、それぞれの発光素子からの光または平行光線を入射面に入射された時点よりも狭い領域に光強度を減衰させずに集光する技術は、現在のところ確立されていない。
【００１１】このため、今日は、集光装置およびレジン硬化装置の双方が大きく、かつ重くなり、医師にとっては、必ずしも扱いやすい装置ではなく、しかも発光素子からの発熱により、患者および医師の双方に厚さを感じさせることになる。
【００１２】この発明の目的は、レジン硬化用の光を照射してから僅かな時間で光重合型のレジンを硬化することのできるレジン硬化装置および入射面に入射した平行光線を入射面に入射された時点よりも狭い領域に、光強度を減衰させることなく集光する光学装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】この発明は、上述した問題点に基づきなされたもので、複数のＬＥＤ素子を有するＬＥＤアレイを含み、それぞれのＬＥＤが放射する光の進行方向が同一の方向になるように配列され、所定の波長の光を放射する光源と、この光源からの光を所定の位置に案内するガイド部材と、を有するレジン硬化装置において、前記複数のＬＥＤアレイを、冷却ファンにより強制的に冷却することを特徴とするレジン硬化装置ことを特徴とするレジン硬化装置を提供するものである。
【００１４】またこの発明は、複数発光素子が密着もしくは近接して配列可能な、または任意個数の光源からの平行光線が入射する第１の曲面と、前記第１の曲面に比較して狭い光出射域を有し、前記第１の曲面に入射された光を、所定の方向に出射する第２の曲面と、前記第１の曲面と前記第２の曲面との間に満たされ、前記それぞれの発光素子が放射する光または前記平行光線の波長に対して光学的に透明な材質からなり、前記光源の前記それぞれの発光素子からの光または前記平行光線を、前記第１の曲面に入射された時点よりも狭い領域に集光して前記第２の曲面に案内する光学装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】図１は、この発明のレジン硬化装置を説明する概略図である。
【００１７】図１に示すように、レジン硬化装置１は、装置本体２と、装置本体２の一端に設けられたライトガイド接続部３と、装置本体２の握り部２ａを介して装置本体２と接続された電源線４からなる。なお、ライトガイド接続部３は、カプラー３ａを含み、任意の開口部断面形状が与えられたライトガイド（光ファイバを所定形状に集合させた光ファイバ集合体）１１が着脱可能に形成されている。これにより、用途や患者の年齢に応じて、異なる大きさのライトガイド１１を任意に交換可能である。
【００１８】また、装置本体２の握り部２ａの内側には、図２を用いて後段に説明するように、電源線４を介して供給される商用電源から所定の電圧および電流を取り出す電源装置が収容されている。なお、電源装置への通電および光源のオン／オフのための２組のスイッチ５ａ（主電源用），５ｂ（ＬＥＤ発光用）が握り部２ａの任意の位置に設けられている。
【００１９】図２は、図１に示したレジン硬化装置の内部構成を説明する概略図である。
【００２０】図２に示されるように、ライトガイド１１の一端部の近傍には、所定の間隔であるいはライトガイド１１に密着されて、ＬＥＤアレイ１３の個々のＬＥＤ素子１３ａ，・・・，１３ｎが放射する光を、個々のＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎにより定義される直径よりも小さな直径の領域に集光する集光装置１２が設けられている。
【００２１】ＬＥＤ１３の各ＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎには、図５に示すように、電源回路１５により所定の電圧に変圧された交流電圧を直流に変換し、所定のＬＥＤ駆動電流が供給可能なＬＥＤ駆動ユニット１４が接続され、スイッチ５ａ，５ｂがオンされることにより、所定の電圧で所定の大きさの電流が供給される。
【００２２】電源回路１５には、例えば交流または直流駆動のモータ式の冷却ファン１６が接続されている。なお、冷却ファン１６は、例えば図１に示した装置本体２のファイバ接続部３と離れた側の排気口２ｂの側に収容され、冷却ファン１６が回転されることで、装置本体２の長手方向の概ね中央部であって、ＬＥＤアレイ１２に冷却風を効率よく当てることのできる位置に設けられた吸気口２ｃから冷却風を取り入れ、ＬＥＤアレイ１３の各ＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎ、集光装置１２および冷却ファン１６のモータ本体を冷却しながら、排気口へ抜ける冷却風を起こす。この冷却ファン１６により、各ＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎの動作が安定され、また温度の上昇により集光装置１２の光学特性が変動することが抑止される。
【００２３】図３は、図１および図２に示したレジン硬化装置において、ＬＥＤアレイの各ＬＥＤ素子から放射された光を、入射時に比較して狭い領域に変換し、光強度を高めて出射する集光装置の原理を説明する概略図である。
【００２４】図３に示すように、複数の平行平板を接続した集光装置１２に対し、入射面が入射光（矢印で示す）に対して直交する部分１２−１に入射した光は、そのまま出射される。
【００２５】これに対して、入射面が入射光に対して所定の角度となるよう、平行四辺形状に形成された部分１２−２，１２−３に入射した光は、それぞれ、平行四辺形状の部分で、屈折の法則により所定の角度で折り曲げられ、平行四辺形の部分から出射する際に、入射した光と平行に戻される。これにより、集光装置１２を出射した光は、入射時の断面積に比較して狭い面積に集められる。また、光強度は、集光装置による損失を除いても、入射時に比較して強められる。
【００２６】なお、集光装置１２による集光の程度は、集光装置１２の材質ならびに厚さにより、任意に設定できる。
【００２７】図４は、図１，図２に示したレジン硬化装置に適用される集光装置を説明する概略図である。
【００２８】図４に示されるように、集光装置１２は、ＬＥＤアレイの個々のＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎが密着または所定の間隔をおいて配列される第１の曲面（入射面）１２ａと、第１の曲面から入射された光が出射される第２の曲面（出射面）１２ｂと、それぞれのＬＥＤ素子１３ａ，・・・，１３ｎが放射する光の波長に対して透明な集光部材（本体）１２ｃからなり、第１の曲面１２ａに入射した光の光路を本体１２ｃで変更して、第１の曲面１２ａよりも狭い第２の曲面１２ｂに集光する。なお、集光部材（本体）１２ｃは、例えば光学ガラスや石英ガラスあるいはアクリル等により形成される。
【００２９】また、第１の曲面１２ａは、図示の通り、ＬＥＤアレイ１３の各ＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎが放射する光が概ね同一の方向となるように、第１の曲面１２ａに沿って配列されているとき、それぞれのＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎからの光のほとんどが、本体１２ｃの中心側に向かって屈折するような所定の曲率が与えられている。
【００３０】一方、第２の曲面１２ｂは、図示の通り、本体１２ｃ内を通過した光をライトガイド１１に効率よく入射させる（集光装置１２を通った光をライトガイド１１に結合する）ための集光レンズ（凸レンズ）として機能するための曲率が与えられている。
【００３１】なお、第１の曲面１２ａには、個々のＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎからの光が第１の曲面で反射されて集光装置１２の外部に戻ることを低減する図示しない反射防止膜（反射防止コーティング）が、同様に、第２の曲面１２ｂには、本体１２ｃを通過した光が第２の曲面で反射されて本体１２ｃに戻されることを低減する反射防止膜（反射防止コーティング）が、それぞれ形成されている。
【００３２】この集光装置１２によれば、入射面（第１の曲面１２ａ）に入射した平行光線を入射面１２ａに入射された時点よりも面積の狭い出射面（第２の曲面１２ｂ）に、光強度を減衰させることなく集光することができる。
【００３３】これにより、集光装置１２の大きさおよび重さが低減され、医師による治療の作業性（治療のしやすさ）が改善される。
【００３４】また、集光された光の光強度の減衰が少ないため、光源に必要なＬＥＤ素子の数が低減され、消費電力および発熱量が低減される。このことは、集光装置１２の大きさおよび重さを低減することに関しても有益である。
【００３５】図５は、ＬＥＤ駆動ユニット１４の一例を説明する概略ブロック図である。
【００３６】電源回路１５により所定の電圧に変圧された交流電圧は、ブリッジＺ１により整流され、Ｌ０，Ｃ１，Ｃ２からなる平滑部によりリップルが低減されてタイマ回路１４ａに入力される。
【００３７】タイマ回路１４ａを通過した直流電圧は、各ＬＥＤ１３ａ〜１３ｎにそれぞれ割り当てられている保護抵抗Ｒ０と電流制限抵抗Ｒａ〜Ｒｎを介して、それぞれのＬＥＤに供給される。なお、電流制限抵抗Ｒａ〜Ｒｎのそれぞれにより、個々のＬＥＤに供給される駆動電流は、各ＬＥＤの定格電流よりも大きな２倍〜３倍の電流値に制御される。このとき、個々のＬＥＤを流れる駆動電流の大きさは、例えば定格電流が２０ｍＡのＬＥＤである場合に、５０〜７０ｍＡに定義されている。
【００３８】スイッチ５ｂは、ＬＥＤアレイ１３の個々のＬＥＤ１３ａ〜１３ｎの発光時間を制御するもので、スイッチ５ａがオンされることで、ブリッジＺ１により整流された直流電圧をＬＥＤ駆動ユニット１４に供給する。なお、タイマ回路１４ａは、各ＬＥＤ１３ａ〜１３ｎへの通電時間を、所定時間、例えば５秒に制限して定格電流よりも大きな駆動電流により高輝度で発光している個々のＬＥＤを保護するためのスイッチング回路であるが、例えば各ＬＥＤに接続されているトランジスタＴａ〜Ｔｎのゲート電圧（Ｒｅｆ）をオン／オフするロジック回路でも、単純な時限スイッチでもよい。
【００３９】スイッチ５ａがオンされることで、タイマ回路１４ａの動作とは独立に図２に示した電源回路１５への通電が確保され、冷却ファン１６が回転される。これにより、定格電流よりも大きな駆動電流で高輝度で発光している個々のＬＥＤ１３ａ〜１３ｎが強制的に冷却される。
【００４０】図６は、図１，図２に示したレジン硬化装置において、光源として用いられるであるＬＥＤアレイのＬＥＤ素子の配列を説明する概略図である。
【００４１】図６に示されるように、ＬＥＤアレイ１３の個々のＬＥＤ素子１３ａ，・・・，１３ｎは、ＬＥＤ素子の円筒状またはテーパ状の外周部のうちの最大の部分が相互に接して個々のＬＥＤ素子１３ａ，・・・，１３ｎの中心を結ぶ線分が概ね三角形（通常は正三角形）となるように、最密充填で、配列されている。
【００４２】また、各ＬＥＤ素子１３ａ，・・・，１３ｎが配列される面積は、例えば概ね円形に定義されている。なお、各ＬＥＤ素子１３ａ，・・・，１３ｎの直径を、例えば３ｍｍとすると、図６に示した配列において、すべてのＬＥＤ素子により求められるＬＥＤアレイ１３の大きさ（直径）は、２５ｍｍ程度となる。
【００４３】なお、各ＬＥＤ素子１３ａ〜１３ｎが発光する光の波長は、例えば３５０ｎｍ〜４８０ｎｍであり、特に、３７０ｎｍ，４３０ｎｍ，４５０ｎｍの波長の光を放射するＬＥＤ素子が容易に入手可能である。
【００４４】これにより、出力する光強度が、集光装置１２により集光されることと合わせて、例えば口腔内に投入される所定量の光重合型のレジンを数秒、例えば５秒で硬化させることのできる大きな出力であるＬＥＤアレイ１３が得られる。
【００４５】図７は、図１，図２に示したレジン硬化装置における冷却風の流れを説明する概略図である。
【００４６】図７に示されるように、装置本体２の、例えば図１に示した装置本体２のファイバ接続部３と離れた側の排気口２ｂの側に収容された冷却ファン１６が回転されることで、吸気口２ｃから取り入れられた冷却風が、ＬＥＤアレイ１３の各ＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎ、集光装置１２および冷却ファン１６のモータ本体を冷却しながら、排気口へ抜ける。この冷却ファン１６により、各ＬＥＤ１３ａ，・・・，１３ｎの動作が安定され、また温度の上昇により集光装置１２の光学特性が変動することが抑止される。
【００４７】なお、集光装置１２の大きさおよび重さが小さく（少なく）、集光された光の光強度の減衰が少ないため、光源に必要なＬＥＤ素子の数が低減されていることにより、発熱量が低減されているので、冷却ファン１６の大きさおよび重さも、低減できる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレジン硬化装置においては、複数の発光素子を定格電流より大きな駆動電流により駆動するとともに、冷却ファンにより強制的に冷却することから、短時間に多くの光を得ることができ、光強度が高く、歯科用のレジンを数秒で硬化させることのできるレジン硬化装置が提供される。
【００４９】また、入射面に入射した平行光線を入射面に入射された時点よりも狭い領域に、光強度を減衰させることなく集光する光学装置が提供される。
【００５０】これにより発熱の要因である光源を小型化、小容量化でき、口腔内の治療に当たる医師や治療を受ける患者の負担が低減される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９１０６５６９７
【氏名又は名称】藤栄電気株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年５月１０日（２０００．５．１０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外５名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３１４４２４（Ｐ２００１−３１４４２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月１３日（２００１．１１．１３） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１３７２００（Ｐ２０００−１３７２００） |
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