CN102271613B

CN102271613B - 具有单体式设计的充当热沉的牙科用光固化器

Info

Publication number: CN102271613B
Application number: CN200980153817.XA
Authority: CN
Inventors: D·杰索普; J·希茨; N·T·杰索普
Original assignee: Ultradent Products Inc
Current assignee: Ultradent Products Inc
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: EP2373249B1; EP2373249A4; CN102271613A; JP2016105751A; AU2016200457B2; BRPI0923789A2; KR20110107824A; US20220202547A1; JP6434393B2; AU2016200457A1; USD954262S1; AU2009335047A1; US11007043B2; EP3427690A1; WO2010078368A1; US10646315B2; KR20160105916A; AU2017225034A1; JP5907731B2; US11273021B2

Abstract

牙科用光固化器包括设备体，该设备体高效率地从光固化器的发光二极管(LED)部分传导走热量。设备体包括近侧持握端和远侧头端。设备体是从导热体材料形成的。使用置于设备体上的导热层来达成从LED管芯极佳的热传导。导热层充当用于快速地从LED管芯传导走热量以在设备体的材料内进行散热的管道。以此方式，设备体的材料充当高效率的散热器。将导热层耦合至设备体的表面区域充分大，以使得在设备的操作期间由导热层传导的热量中的大多数(例如，基本上全部)被传递至设备体。

Description

具有单体式设计的充当热沉的牙科用光固化器

背景

1.发明领域

本发明一般涉及光固化设备领域。更具体地，本发明涉及包括一个或多个发光二极管(例如，LED)的光固化设备，该一个或多个发光二极管用于提供被配置成固化可聚合组合物的光固化波长。

2.相关技术

在牙科领域中，常常用通过暴露于诸如可见光之类的辐射能而固化的光敏可聚合组合物来填充和/或密封牙腔或牙窝洞制备。这些通常被称为能光固化的组合物的组合物被放置在牙窝洞制备内或牙齿表面上，这些组合物随后在该牙齿表面上被光照射。所照射的光使组合物内的光敏成分发起可聚合成分的聚合，由此硬化牙窝洞制备或其他牙齿表面内的能光固化的组合物。

光固化设备通常配置有诸如石英-钨-卤素(QTH)灯泡或发光二极管(LED)之类的激活光源。QTH灯泡生成可被用来固化宽范围的可聚合组合物的宽光谱。QTH灯泡生成显著的废热并需要大体积的周围结构以将废热从灯泡移除并散发废热。

LED光源的使用是对牙科用固化设备的显著改进。LED小于QTH灯泡并且一般而言以围绕特定峰值波长的窄范围发光。LED常常需要显著更小的输入功率以生成期望的照射输出。另外，LED光源提供比QTH灯泡更长的寿命(例如，数万小时或更多)。然而，对于包括LED光源的设备而言，热管理(例如，耗散热)仍是问题。

虽然先前的LED光固化设备可产生比灯泡固化设备更少的废热，但是LED固化设备仍趋向于在照明期间产生显著提高LED和直接周围结构的温度的废热。此温度升高可减少LED的有用寿命。如果没有散热，LED可能由于数分钟内的过热而烧坏，从而需要替换LED光源。

发明概述

本发明涉及在使用期间高效率地从发光二极管(LED)散热的光固化设备。牙科用光固化器设备包括设备体，该设备体具有通过颈部连接至远侧头部的近侧持握端(即，把手部)。设备体有利地是从一种或多种导热体材料(例如，导热金属、聚合物、陶瓷、和/或导热陶瓷纤维或纳米材料)形成的。在一个实施例中，设备体是一个不具有接头的连续部件(即，“单体式”构造)。只要设备体具有充分的导热性以散发在使用期间由LED生成的期望热(即，设备被设置成最大用户可选择的光输出)，那么设备体的全部或一部分可由导热体材料制成。在一个实施例中，LED组装件被包括在设备体的远侧头部上或远侧头部内。LED组装件包括一个或多个LED管芯和导热的LED组装件衬底，并且该一个或多个LED管芯电耦合至LED组装件上的一个或多个触点。该一个或多个LED管芯被配置成发射能够固化能光固化的组合物的光谱。在所有LED都被配置成以相同的波长进行发射的实施例中，所发射的光谱可包括一个峰值波长。替换地，该光谱可包括两个或更多个不同的峰值波长，其中LED管芯中的至少一个LED管芯被配置成发射相对于至少一个其他LED管芯而言不同的峰值波长。

从LED组装件的散热可使用设备体的远侧头部上的位于LED组装件与设备体的导热体材料之间的导热层来达成。该导热层很薄并且因此缺少足以充当热沉的质量；然而，该导热层具有充分大的表面区域和导热性以充当将热量从LED组装件衬底散发到设备体的体材料中的管道。设备体的材料充当高效率的散热器，由此消除对单独的内部热沉的需要。在一个实施例中有利地，牙科用固化设备不包括内部热沉。将导热层耦合至设备体的表面区域充分大，以使得由导热层从LED组装件传导走的热量中的大部分(例如，基本上全部)被传递至设备体。

在一个实施例中，导热层可包括被固定至设备体的一部分的分开的部件并可具有从约100微米到约1.5mm的范围内的厚度以及可由一种或多种高度导热的材料制成，诸如但不限于氧化铍、金刚石、氮化铝或其组合。在另一实施例中，导热层可包括(例如，通过化学或等离子汽相沉积或者等离子火焰喷镀)施加在设备体的至少一部分上的非常薄的层。在此类实施例中，厚度可以仅为约0.05微米到50微米。导热层的厚度和表面区域足以确保由LED生成的废热中的大部分(若非基本上全部)通过该导热层传递并被散发到体材料中。在中等至较低工作温度下，导热层可按热量从LED组装件散发到LED组装件衬底中的速率相同的速率来散发来自LED组装件衬底的热量，由此允许连续的中等至较低温度操作。与设备体的充分的表面区域接触的导热层的使用已被发现提供惊人地良好的从一个或多个LED的散热。本发明的配置基本上消除了长久存在的与基于LED的光固化器中的过热相关联的问题。

根据一替换实施例，个体LED半导体管芯可被直接安装到设备体。换言之，设备体变成LED半导体管芯被直接安装于其上的衬底。至个体管芯的电源连接可由置于在设备体上形成的导热电绝缘层上的或通过该导热电绝缘层的导电金属迹线(例如，金)进行。这不同于以上所描述的实施例，在这些实施例中，包括其自己的LED组装件衬底的相对较大的LED组装件被安装在设备体的远侧头部上。在该替换实施例中，置于设备体的至少远侧头部上的导热电绝缘薄层比LED组装件衬底的厚度(例如，在约500-1000微米的数量级上)显著更薄(例如，约0.05至50微米)。此类LED衬底必须充分厚，以便向包括安装在衬底上的一个或多个LED管芯的总体LED封装提供保护度和强度。导热/电绝缘层充分厚，以便使管芯与可包括金属的下层体电绝缘。同时，该导热/电绝缘层相对较薄(例如，不超过50微米，优选不超过10微米)，以便使对通过该层的热传导的抵抗最小化。此类实施例可呈现更进一步改进的散热，因为消除了LED封装组装件的相对较厚的衬底层。

在一个实施例中，光固化设备包括控制至该一个或多个LED管芯的功率的电子组装件。该电子组装件可被配置成以非常高的光强驱动该一个或多个LED管芯达延长的时段，而同时由于高效率地从LED散热的能力而不会使LED管芯过热。在一个实施例中，该一个或多个LED管芯可产生至少约2000mW/cm²、至少3000mW/cm²、或甚至大于3500mW/cm²的稳定的光发射。本发明的LED固化设备可用一个或多个LED达成稳定的光输出，该光输出的强度与由通常以3500mW/cm²工作的弧光灯生成的光的强度相同或者甚至更强。本发明的光固化器通过设备体来散发热量，从而允许设备以大功率工作并且比常规的光固化设备工作得时间更长。

在本发明的一个实施例中，电子组装件被配置成即使在高强度光输出下也使该一个或多个LED管芯的输出的波长偏移最小化。在此实施例中，电子组装件被配置成以最大功率输入来向LED管芯供电，该最大功率输入显著低于LED管芯的实际最大的或额定的功率输入。例如，光固化器可包括额定10瓦特的LED组装件，并且电子组装件可被配置成以2.5瓦特的最大输入功率来向设备供电。在一个实施例中，电子组装件被配置成以小于该一个或多个LED管芯的额定最大输入的约80％的最大功率，优选小于约50％的最大功率，更优选小于该一个或多个LED管芯的额定最大输入的约40％的最大功率来向该一个或多个LED管芯供电，而同时达成来自光固化设备的至少约1000mW/cm²的总光输出、优选至少约2000mW/cm²的总光输出、更优选至少约3000mW/cm²的总光输出、或者甚至来自光固化设备的总光输出的至少约3500mW/cm²的总光输出。以此方式，维持光输出的稳定性。例如，任何波长偏移被最小化，以便使波长偏移优选小于约1％，较优选小于约0.5％，更优选小于约0.1％。

在一个实施例中，功率不足的设备可达成输入功率的每瓦特总光输出的非常高的效率。在一个实施例中，光固化器的LED管芯的效率可以至少约40％，至少约60％、或者甚至至少约80％。牙科用光固化器设备的最高效率可以用包括LED与透镜之间的反射环和/或包括透镜上的抗反射涂层的配置来达成。一些实施例可采用光准直光子晶体而不是透镜。

设备体由于其相对于LED管芯和/或LED组装件而言大得多的大小而具有显著的散热能力。因为设备体充当散热器，所以在设备体内不需要单独的热沉。消除热沉(与典型的现有技术设备相比)可简化制造过程并允许能在病人的口内更容易操作的、更小的、更薄的颈部和远侧头部配置，而同时提供很好的散热。提供具有单体式构造的设备体帮助使散热最大化。这还使在其中碎片可能聚集的接头和接缝最少。

在一个实施例中，设备体的头部可具有杯状可移除构件，该杯状可移除构件容纳LED组装件和导热层的至少一部分。导热层耦合至LED组装件以促成将热量从组装件的LED传递到可移除构件和设备体中。可移除构件可拧入远侧头部的一部分或以其他方式连接至远侧头部的一部分。当被附连时，可移除构件变成与远侧头部热集成，例如，通过确保远侧头部的相应部分与可移除构件之间的大表面区域接触，从而维持通过可移除构件和至设备体的其余部分的高效率的热传导。

在一个实施例中，包括把手部、颈部和远侧头部的设备体的整体是由单块导热材料形成的。可被使用的示例性金属包括但不限于铝、铜、镁和/或其合金。可被使用的示例性导热陶瓷材料包括但不限于碳纤维或碳纳米材料(例如，石墨烯)、硼、氮化硼、和/或其组合。因为单块体仅是一个部件，所以在该单块体本身内没有接缝或接头，并且总体设备内的其他接口被减到最少。例如，单块体(即，单体式构造)可包括LED头组装件孔、控制组装件孔和电源线孔。LED头组装件孔被配置成容纳包括LED组装件的可移除构件。在其中个体LED半导体管芯(没有任何支承LED组装件的衬底)被直接安装到设备体的头上的实施例中，可以省略LED头组装件孔。当然，在另一实施例中，个体LED半导体管芯可被直接安装到可移除构件上，该可移除构件稍后耦合至设备的LED头组装件孔中。在设备体的把手部内形成的控制组装件孔被配置成容纳电子控制组装件。在设备体近端处形成的电源线孔被配置成容纳耦合至电子控制组装件的电源线。当然，设备体可包括通过该设备体的用于容适一个多个螺钉或其他附连装置的其他孔以将内部组件保持在适当的位置。

由于设备体整体被形成为单体式构造中的单个部件，因而改善了遍及设备体的散热，因为设备体本身内的接缝(即，设备体的第一部件邻接设备体的第二部件)可创建对热传导的抵抗。设备体有利地不具有此类邻接接缝。设备体内没有此类接缝还提供了稳健的可更好地承受粗暴的操作和/或抛下的牙科用光固化器。

本发明的这些和其他益处、优点和特征将从以下描述和所附权利要求而变得更显而易见，或者可通过如之后阐述的对本发明的实践来获悉。

附图简述

为了获得本发明的上述和其他益处、优点和特征，对以上简要描述的本发明的更具体的描述将通过引用本发明的在附图中解说的具体实施例来呈现。应理解，这些附图仅描绘本发明的典型实施例并且因此不被认为限定其范围，本发明将用附加的特性和细节通过附图的使用来描述和解释，其中：

图1是包括具有近侧持握端和远侧头端的设备体的牙科用光固化器的俯视透视图；

图2是图1的牙科用光固化器的仰视透视图；

图3是图1的牙科用光固化器的剖视图；

图4是图1的牙科用光固化器的设备体的俯视透视图；

图5是图1的牙科用光固化器的设备体的仰视透视图；

图5A是图4的设备体的剖视图；

图5B是替换牙科用光固化器的远侧头端部的剖视图；

图5C是具有替换配置的另一替换牙科用光固化器的远侧头端部的剖视图；

图5D是LED管芯和相关联的结构的附连之前图5B的设备体的远侧头端的透视图；

图5E是施加了电绝缘导热薄层之后图5D的远侧头端部的透视图；

图5F是图5E的远侧头端部的剖视图；

图5G是LED管芯被直接安装到设备体之后图5E的远侧头端部的透视图；

图5H是图5G的远侧头端部的剖视图；

图5I是在LED管芯周围建立了反射井之后图5H的远侧头端部的剖视图；

图5J是在LED管芯上施加了保护层之后图5I的远侧头端部的剖视图；

图6是图1的设备体的颈部一部分的剖视图，该剖视图示出刮擦涂层和覆盖其表面的含氟聚合物涂层；

图7是图1的光固化器的颈部和头部的剖视图；

图8是图1的光固化器的LED组装件的透视图；

图9是图8的LED组装件的剖视图；

图10是包括多个LED管芯的替换LED组装件的剖视图；

图11是一替换实施例的颈部和头部的部分分解图，其示出容纳LED组装件的可移除构件；

图12解说图11的头部和颈部，其中可移除构件被耦合到远侧头部的井中；以及

图13解说图12的设备的远侧头部和颈部的剖视图。

具体实施方式

i.引言

本发明涉及一种高效率地从光固化器的发光二极管(LED)部分散热的牙科用光固化器。设备体是从导热体材料(例如，导热金属、聚合物、陶瓷、和/或导热陶瓷纤维或纳米材料)形成的。使用耦合至设备体的导热层来达成极佳的从一个或多个LED的散热。导热层放置在设备体的远侧头部的至少一部分上，以便高效率地从该一个或多个LED传导热量并将热量传导到设备体中。导热层的导热性充分高，以使得该导热层充当快速地将热量从LED组装件的衬底或从直接安装的LED管芯传导到在其中热量被散发的设备体材料。以此方式，设备体的体材料可充当高效率的散热器。将LED组装件或直接安装的LED管芯热耦合至设备体的导热层的表面区域充分大，以使得传导到导热层中的废热中的大部分(例如，基本上全部)被快速地传递至设备体以进行散热。一般而言，导热层的表面区域有利地大于LED组装件衬底或直接安装的LED管芯的表面区域。

为了本发明的目的，术语“大部分”意味着大于50％。

为了本发明的目的，术语“光固化设备的最高功率设置”是设备用户可选择的最高功率设置，而不是可被输入该设备的一个或多个LED的理论最大功率。

除非另外声明，“额定最大功率”应当指代由已测试和额定LED的LED制造商提供的最大额定功率或如由用于测试和额定LED的最大功率的工业标准定义的最大功率输入两者中较大的一者。

II.示例性牙科用光固化器

图1-3解说包括设备体102的示例性牙科用光固化器100，该设备体102具有远侧头端104和近侧持握端106。远侧端104包括颈部108和头部110。远侧端104的大小适于并被配置成插入到牙科病人的口中。

牙科用光固化器100还包括放置在设备体102的空腔内的电子组装件112。电子组装件112允许牙医使牙科用光固化器100通电和断电并控制来自光固化器100的光输出的强度和历时。电子组装件可包括允许LED管芯由用户选择性地供电和操作的硬件、电路系统和/或程序设计。在一个实施例中，该电路系统是可编程的。在申请人共同待审的题为“Dental Curing Light IncludingActive And Activatable Programs For Alternate Uses(包括用于交替使用的活动程序和可激活程序的牙科用光固化器)”的美国专利申请序列号61/174,562中描述了可编程电路系统的示例，该申请通过援引纳入于此。

光固化器100包括电源线114，该电源线114具有允许设备耦合至电源的插头116。然而，在替换实施例中，牙科用光固化器可具有向电子组装件供电的可充电电池。设备体102可包括附连至近侧端的保护套管118。保护套管118可包围设备体102中由电源线114穿过的开口并还可支持电源线114以防止电源线114短路。

图2示出牙科用光固化器100的仰视透视图。头部110包括LED组装件120。LED组装件120被配置成以适于固化牙科病人口中的牙齿固化组合物的一个或多个波长来发光。孔122a和122b允许使用例如一对螺钉来将电子组装件112固定到设备体102。

图3示出牙科用光固化器100的剖视图。电子组装件112包括电路板124、电源按钮126、和强度选择器128。电源按钮126允许牙医使光固化器100通电和断电。强度选择器128允许牙医将从LED组装件120发射的光的强度从最小功率输出增大到最大功率输出。致动强度选择器128会增大通过电路板124递送至LED组装件120的功率。为了减小功率强度，用户可使光固化器100断电并再次通电。替换的控制和操作模式对于本领域技术人员而言将是显而易见的。导线134将电路板124与LED组装件120相连接。电源线114也连接至电路板124以向电子组装件112供电。

在一个实施例中，电源线114可包括高强度纤维和/或复合材料。例如，电源线114可包括包含凯夫拉(Kevlar)和/或碳纤维的材料。此类材料提供高度柔性和柔软的具有优越的强度特性的电源线。在一优选实施例中，使用结130来将电源线114固定到设备体102。电源线114中的结130放置在设备体102的电源线孔132内。结130在孔132周围邻接设备体并防止电源线114牵拉通过孔132。结130已被发现高度抵抗牵拉通过孔132并通过跨较大表面区域分布牵拉力来防止破裂。结130可任选地被接合或固定到设备体102以防止结130被进一步推入设备体的空腔。令人吃惊地，诸如凯夫拉和/或碳纤维之类的高强度线材料和内部结的组合已被发现能经受住大于约50磅的拔出力。使用结的电源线甚至可被强有力地牵拉(例如，如在牙医在电源线上绊倒时发生)，而不会导致对电源线与电路板之间的连接的损坏。

电路板124电耦合至LED组装件120。电连接可以是适于在牙科应用中使用的任何连接，包括但不限于导电迹线和/或导线。图3解说了将电路板124连接至LED组装件120的导线134。

A.设备体

图4、5和5A解说了牙科用光固化器100的设备体102。设备体102包括大小适于并被配置成使牙医用手来持握和操作的把手或持握部106。把手部106通常被磨圆并显著宽于被配置成用于插入牙科病人口中的颈部108。颈部108通常很窄且细长以使在病人口中操作光固化器100所必需的空间最小化。头部110可宽于颈部108以提供用于LED组装件的空间。其他配置(例如包括直接LED管芯安装和/或小的柔性的有机LED管芯)可具有与颈部一样窄或者甚至比颈部更窄的头部。在一个实施例中，设备体可以是细长的。虽然本文中所描述的设备通常包括将设备配置成在病人口中使用的结构特征，但是该设备不限于在口中使用。头110被解说成具有容纳LED组装件的凹部或空腔144。然而，在一替换实施例中，头110可具有支承LED组装件的平坦表面(例如，参见图5B-5C)。如以下更全面地描述的，头110还可包括包含LED组装件的可移除构件。

设备体102包括内部空腔136。空腔136大小适于并被配置成容纳被用来操作牙科用光固化器(包括向LED组装件120供电)的电子组装件。空腔136可包括被配置成可靠地容纳电子组装件的安装点、凹槽、和其他特征。在一个实施例中，空腔136包括边缘138，边缘138被配置成形成与电子组装件112的相应边缘(图3)的紧配合以确保空腔136的正确密封。

头部106还包括末端开口132，该末端开口132提供从空腔136到设备体102的外部的通道。开口132向如以上所描述的电源线114提供通道。环140为保护电源线114并封闭132的套管118提供连接，如以上参照图3所描述的。

设备体102可包括在空腔136与头部110中的凹部或空腔144之间延伸的第二通道142。通道142提供空腔136与144之间的通路以向LED组装件120递送功率。

设备体102是从导热体材料构造的。设备体102可由任何合适的导热体材料形成，包括但不限于导热金属、聚合物、陶瓷、纤维、和/或纳米材料(例如，诸如石墨烯之类的纳米管和/或纳米薄片材料)。在一个实施例中，合适的导热金属的示例包括但不限于铝、铜、镁及其合金。在一优选实施例中，设备体包括铝合金。铝合金提供足够坚固以供在其中仪器常常经受可能发生损坏、损伤或以其他方式导致变形的状况或情况的牙科实践中使用的设备体。铝合金通常包括增加材料的韧性和其他性质的合金。可与铝或其他基本金属合金的金属的示例包括但不限于锌、镁、铜、钛、锆及其组合。在一个实施例中，铝合金是从ANSI 6000或7000铝合金系列选择的合金。对ANSI 6000和7000系列铝和其他合适的设备体材料的讨论可在“Handbook of Aluminum：Volume 2：AlloyProduction and Materials Manufacturing(铝手册：第二卷：合金生产和材料制造)”，Jeorge E.Totten(编辑)、D.Scott MacKenzie，CRC，第一版(2003年4月25日)；“Introduction to Aluminum Alloys and Tempers(对铝合金和回火的介绍)”，J.Gilbert Kaufman，ASM国际，第一版(2000年12月15日)；以及“Aluminum and Aluminum Alloys：ASM Specialty Handbook(铝和铝合金：ASM专业手册)”，Joseph R.Davis，ASM国际(1993年12月1日)，所有这些文献通过援引纳入于此。

在一个实施例中，铝合金可以是ANSI铝合金6061、6033、6013、6020、7075、7068和/或7050或具有充分强度和导热性特性的任何合金。在又一实施例中，设备体可包括导热陶瓷纤维(例如，碳纤维、硼纤维、氮化硼纤维、或其他导热纤维)。在又一实施例中，设备体可包括导热纳米材料(例如，石墨烯纳米薄片和/或纳米管)。

导热聚合物的示例包括在其中包括导热填充材料的疏水和/或亲水聚合物，诸如但不限于碳纳米材料、氧化铍、氮化硼、和/或其他导热陶瓷和/或导热微粒金属。导热陶瓷的示例包括氮化铝、氧化铍、碳化硅和氮化硼。

设备体可包括上述导热体材料中的任何一者或其组合。尽管或许不是优选的，但是设备体可包括非导热材料，只要设备体的大部分是导热的以便在通电时从一个或多个LED散发期望的热量。

设备体在其某些部分中可以是实心材料和/或在其他部分中可以是空心的。例如，尤其是在LED组装件不可移除和/或LED管芯直接安装到导热层上的实施例中，头部和颈部可以是实心的。设备体的空心部分可提供用于容纳诸如但不限于电组件之类的各种组件的位置。

在一个实施例中，设备体具有单体式构造。把手106、颈108和头110的至少一部分可从单块体材料形成。在一优选实施例中，把手部、颈部和头部中基本上所有为单块体材料。设备体102充当一个或多个LED的散热器。从单块导热材料形成设备体使进入设备体102的热传导最大化，在设备体102中，热量可被快速地散发遍及设备体并进入空气。

在图4、5和5A中示出了此类单体。设备体102的整体(包括把手部106、颈部108和头部110)是由单块导热材料(例如，优选由诸如铝合金之类的金属)形成的。因为单块体102仅是一个部件，所以在设备体102本身内没有接缝，并且其接口被减到最少。例如，所解说的示例包括LED头组装件孔144、控制组装件孔136和电源线孔132。LED头组装件孔144被配置成容纳LED头组装件120(图3)。在把手部106内形成的控制组装件孔136被配置成容纳电子控制组装件112。在设备体102近端处形成的电源线孔132被配置成容纳耦合至电子控制组装件112的电源线114(图3)。

图4、5和5A中示出的单体式构造消除了通过设备体102本身的接缝和接头，并在总体上使设备100内的接口减到最少。由于设备体102整体被形成为单个部件，因而改善了遍及设备体102的散热，因为设备体内的接缝或接头(即，设备体的第一部件邻接设备体的第二部件)可创建对热传导的抵抗。设备体102内没有此类接缝还提供了稳健的能够承受粗暴的操作和/或抛下的牙科用光固化器。这还减少了在其中碎片或细菌可能聚集的接头或缝隙。

尽管LED头组装件120在所解说的实施例中包括单独的部件(例如，以便提供如果LED或其他LED组装件组件发生故障则能快速替换的优点)，但是仅有单个必须在其上导热的附加接缝，因为热是从LED头组装件120导入单体102中的。单个接缝的存在是对在其中设备体包括邻接和结合在一起的多个部件的配置的显著改进。此类实施例容易地允许对LED头组装件的移除和替换(例如，在发生故障的LED的情形中或者为了用不同的LED头组装件来升级该LED头组装件)。在一替换实施例中，甚至LED头组装件也可被集成在单块体中，以使得没有在其上必须将热从一个或多个管芯传入单体的其余部分的接缝。结合图5B示出并描述这种配置。

通常，LED头组装件120包括与设备体102相同的材料。在优选实施例中，这些结构是由金属(例如，铝合金)形成的，并充当由一个或多个LED管芯生成的废热被散发到其中的唯一热沉。优选地，在LED头组装件120和设备体102是分开的部件的实施例中，LED头组装件120的质量小于设备体102的质量。例如，LED头组装件120具有不大于设备体102的质量的约25％的质量，较优选地具有不大于设备体102的质量的约10％的质量，更优选地具有不大于设备体102的质量的约5％的质量。由此，与设备体102相比，LED头组装件120的质量和散热特性是次要的或微不足道的。LED头组装件120具有相对较小的质量并简单地用于快速地促成跨组装件120地将热传导到在其中可散热的设备体102。作为实际情况，设备体102充当唯一的热沉。

设备体102优选包括诸如铝、铜、镁之类的金属，或包括此类金属的合金。特别优选的铝合金包括ANSI铝合金6061、6033、6013、6020、7075、7068和/或7050。7075是可在设备体102的制造中使用的示例性铝合金。可以机械加工、铸造或模塑单块铝合金材料，从而导致单块体(即，单体式构造)。机械加工是优选的，因为其提供具有非常窄的容限尺寸的设备体。与通过替换方法(例如，铸造或金属注模法)形成的金属或合金相比，经机械加工的合金还常常呈现出更大的密度和强度。

图5B解说了不包括单独的LED头组装件但是LED管芯160′被直接安装到单块体本身的远侧头端110′上的替换实施例100′。因此，单块导热体102′不包括被配置成容纳LED组装件的LED组装件孔，因为LED管芯被直接安装到单块导热体102′上。设备100′的头部和颈部可以是实心的，而近侧把手部可包括用于容纳电子控制组件的空腔。尽管这种配置不易允许对一个或多个失灵的LED管芯的替换或者对LED组装件的容易替换/升级，但是该配置确实提供了没有在其上必须将热量从LED管芯导入单块体中的接缝的优点。另外，在LED管芯160′与下层安装层154′之间有利地没有中间衬底层。对此类层(例如，主热沉和/或相对较厚的衬底)的消除进一步提高了设备的散热能力，因为必须通过其来导热的接口较少。此类接口的减少可进一步减少对相对效率低下的通常在此类层之间的接口处使用的热油脂和/或环氧树脂的需要。

这种配置也是极稳健的且抗损坏，因为该配置消除了体积相对较大的包括厚组装件衬底162和封装164(图8)的LED组装件120。有利地，在半导体管芯160′与导热体上薄的导热/电绝缘层154′之间没有衬底层。因为每个LED管芯160′被直接安装到导热体102′的导热/电绝缘层154′，因而有利地使对从每个管芯生成的废热至导热体102′的热传导的抵抗最小化。

如在图5B中可见，单体102′的至少远侧头端110′包括直接在单体102′上形成的薄的导热且电绝缘层154′(例如，下层金属体衬底的氧化物或氮化物)。(不具有任何组装件衬底的)LED管芯160′被安装在层154′上，以便使LED管芯160′与下层(例如，金属)衬底电绝缘。此薄层154′具有在约0.05微米与约50微米之间的厚度，该厚度足以使LED管芯160′与下层单体衬底102′电绝缘。在一些实施例中，层154′的厚度不大于为电绝缘所要求的厚度是有利的，因为此层的导热性可显著小于下层金属体102′的导热性。例如，铝合金7075(例如，体102′)的导热性为约130W/m-K，而氧化铝(例如，层154′)的导热性仅为约40W/m-K。取决于层154′的材料，此类问题可以不太重要。例如，氮化铝具有约285W/m-K的导热性。为了清楚起见的目的，在附图中显著夸大了层154′的厚度。

尽管电绝缘/导热层154′可具有与约0.05微米一样小的厚度或者约50微米的厚度，但是较优选地，层154′的厚度在约0.1微米与约10微米之间，并且更优选地在约0.2微米与约1微米之间。

层154′也得益于使下层金属或其他导热材料体的热膨胀相对于LED管芯160′的热膨胀的差异效果最小化。换言之，在LED管芯的相对较低的热膨胀系数与金属体材料的高热膨胀系数之间常常有显著的差异。层154′的材料可被选择，以便呈现在体材料(例如，金属)的热膨胀系数与一个或多个LED管芯的热膨胀系数之间的热膨胀系数，从而帮助使下层体在使用期间延长的温度循环之后形成微裂纹和裂缝的任何趋势最小化。在一些实施例中，甚至可以省略导热层(例如，154′或154)。例如，在体(例如，102′)是由电绝缘材料(例如，碳纤维、氮化硼、和/或石墨烯)形成的情况下，导热层可以作为由下层体材料(例如，体102′)提供的极佳的导热性的结果而被省略，并且LED管芯(例如，160′)可被直接安装到电绝缘的导热的体材料(例如，体102′)上。可化学地(例如，通过导热环氧树脂的使用)和/或通过机械压缩(例如，使用导热油脂和/或凝胶)来达成安装。

根据一个实施例，层154′可被施加在整个单金属体衬底102′或其大部分上。层154′可通过化学或等离子汽相沉积、等离子火焰喷镀、或对于本领域技术人员将显而易见的其他技术来施加。至LED半导体管芯160′的电源连接可通过在层154′上敷设(例如，通过沉积过程)金或其他传导性的金属迹线170′来实现，该层154′使迹线170′与下层体102′电绝缘。为了保护迹线170′免受损坏，这些迹线被夹在层154′之间。例如，层154′可实际上被敷设为具有如以上所描述的总厚度的两层，其中传导性的金属迹线170′夹在这两层之间。图5B中示出了这种配置。如所解说的，迹线170′可包括一个或多个电源连接点171′，其中迹线170′被暴露以便电接触LED管芯160′。在所解说的实施例中，颈部和远侧头端可以是实心的而不是空心的(图7中示出空心的示例)，因为电源连接是通过迹线170′而不是通过馈通空心头的导线实现的。提供实心的颈部和头部可进一步提高单体的散热能力，因为该体的质量的大部分直接与生成热的LED管芯160′毗邻。为了清楚起见的目的，仅为每个LED半导体管芯160′示出单个电源连接点171′，但是另一连接点(或者甚至两个以上连接点)可被提供在不同的或者甚至相同的横截平面中。

所描述的实施例中的任何实施例都可进一步包括用于准直光线的光子晶体。参照图5B，牙科用光固化器100′被解说为进一步包括充当光准直仪的光子晶体150′。光子晶体是以与半导体晶体影响电子运动类似的方式影响光子运动的周期性光学纳米结构。作为示例，诸如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和彩虹甲虫之类的一些自然存在的材料包括光子材料。光子晶体在量子能级上工作以捕获传入的光子并以特定方式折射这些光子。光子晶体被定制成它们进行捕获和准直的特定波长或范围。因此，晶体被选择成捕获和准直期望波长的光(例如，约350nm与约490nm之间的光——晶体匹配于LED管芯)。

与传统透镜相比，光子晶体在准直光线方面更高效。另外，光子晶体需要较少空间，以便在较小可用的空间中提供较好的聚焦/准直能力。此类晶体可以例如约0.5mm到约1mm厚，这要比通过物理折射光波起作用的传统透镜小得多。光准直光子晶体可包括蚀刻在非常薄的经气相沉积的膜中的光子结构。光子晶体的使用进一步使设备的远侧头端的厚度最小化。尽管不需要，但是光子晶体的使用和LED管芯至体102(或者所描述的其他实施例中的任何一个实施例的体)的直接安装的实现而不是一起使用LED封装组装件有助于进一步使设备的总体结构最小化，例如，从而允许可在病人口内更容易操作的非常薄的远侧头端。

与所描述的实施例中的任何一个实施例联用的LED管芯本身可包括任何合适的被配置成在期望的光谱内发光的LED。示例性LED管芯包括无机固态LED管芯和有机LED管芯。有机LED(OLED)管芯是其电致发光层包括有机化合物膜的发光二极管。该电致发光层可通常包括允许放置合适的有机化合物的聚合物。这些有机化合物是按行和列被放置到平坦载体上的。OLED管芯的使用可进一步减小牙科用光固化器的远侧头部的厚度，因为OLED管芯是柔性的并比常规的无机固态LED管芯更薄(例如，OLED管芯的单独使用可减少厚度1-2mm)。

例如，所公开的实施例中的任何一个实施例的远侧头端可具有小于约8mm的厚度。更具体地，包括直接安装有LED的管芯、OLED和/或用于光准直的光子晶体而不是透镜的实施例还可具有小于约8mm的厚度，优选小于约5mm的厚度，更优选小于约2mm的厚度(例如，与约1mm或更少那样薄)。

图5C示出了牙科用光固化器的剖视图，该牙科用光固化器可以其他方式类似于图5B的牙科用光固化器，但是其中颈部108″和头部110″的形状不同，从而使与远侧头部110″的厚度相关联的益处最大化。例如，设备体沿着从颈部108″向远侧头部110″过渡的顶部表面基本上是直的且平坦的，而设备体的底侧包括从颈部108″向设备的最薄部分(即，远侧头部110″)过渡的曲线。近侧可持握的把手部(未示出)的形状和大小可被设计成类似于图1中所示的实施例，因为把手部是设备最宽的被配置成用于持握的部分。提供遍及颈部108″和头部110″的平坦顶部表面可使口内的可操作性最大化，但是替换配置可包括平坦底部表面或者在顶部和底部表面上弯曲。头部厚度T可小于约8mm，优选小于约5mm，更优选小于约2mm或者甚至小于约1mm。当然，以上描述的光子晶体光准直仪的使用、LED管芯的直接安装、以及OLED管芯的使用不限于结合图5B-5J描述的实施例，但是此类特征可与本文中描述的牙科用光固化器中的任何一个牙科用光固化器联用。

在至少一个LED管芯被配置成发射第一峰值波长(例如，约390-410nm下的UV)并且另一LED管芯被配置成发射不同的峰值波长(例如，约440-480nm下的蓝光)的实施例中，可能需要一个以上光子晶体，因为每个晶体被定制成用于特定的峰值波长。示例性的光子晶体可从位于英国St.Andrews的ePIXnet；位于Billerica，MA的Luminus Devices；位于瑞典Malmo的Obducat AB和位于Poway，CA的Daylight Solutions获得。

如所解说的，设备100′可进一步包括反射井168′，LED管芯160′被放置在该反射井168′内。反射井168′还可辅助任何所发射的光朝期望方向的重定向(例如，不被光子晶体150′捕获或者在不包括晶体150′的实施例中)。透明保护层161′(例如，硅树脂)可被施加在结构160′和150′上，以便在使用期间保护这些结构不被粗暴的操作或抛下损坏。结合图5B-5J的实施例描述的任何特征可被适配成与本文中描述的其他实施例中的任何一个实施例联用。例如，一个实施例可在可被容纳在单体的LED头组装件孔中的单独的LED头组装件上包括直接安装的LED管芯。

根据一种制造方法，提供如图5D中所示的单块金属体102′。如图5E-5F中所示，在金属体102′的至少远侧头端外表面上形成薄的电绝缘和导热层154′。薄层154′优选包括下层金属体材料102′的氧化物或氮化物(例如，在体102′为金属的实施例中)。层154′可通过化学或等离子汽相沉积、等离子火焰喷镀、或对于本领域技术人员将显而易见的其他技术来施加。传导性的迹线170′可被应用，以便夹在电绝缘/导热层154′之间。

如图5G-5H中所示，一个或多个LED管芯160′随后被敷设并例如用导热性环氧树脂被直接接合到薄的电绝缘/导热层154′的外表面。任何此类环氧树脂层的厚度被最小化，以便使该厚度极薄，从而可忽略该环氧树脂层对导热性的抵抗的影响，因为导热的热环氧树脂尽管被表征为具有导热性，但是仍是相对较差的热导体(例如，或许如1W/m-K那样小)。使任何此类层的厚度最小化使此类层对散热的负面影响最小化。光子晶体150′可被附连在LED管芯160′上，以便接收所发射的光。

如图5I中所示，反射井168′可被附连至体102′的远侧头端110′，以使得管芯160′被装入到反射井168′内。尽管可以在安装管芯160′之前安装反射井168′，但是优选在完全平坦的平滑表面上安装管芯160′以确保与电源连接171′和下层导热/电绝缘层154′的良好接触。因此，优选在稍晚阶段附连反射井168′。最后，如图5J中所示，硅树脂或其他可硬化或可固化的树脂保护涂层可被施加在管芯160′和光子晶体150′上，以便保护这些精密结构免受损坏。包括直接安装的LED管芯的实施例的附加细节可在2008年12月30日提交的先前通过援引所纳入的美国专利申请序列号61/141,482中找到。

牙科用光固化器可具有适于用作固化设备的任何形状。在一个实施例中，牙科用固化设备可具有细长形的设备体以促成在病人口中使用该设备。但是，牙科用固化设备的细长形状仅是本发明范围内的牙科用光固化器的一个示例。应当领会，牙科用光固化器可具有适于在病人口内或甚至口外固化牙齿组合物中使用的其他形状。例如，现有技术中已知的具有类似枪形配置的光固化器可包含本文中所公开的任何特征。一般而言，任何已知的光固化器配置可结合本文中描述的特征来使用。

因为设备体充当散热器，所以不要求设备体的空腔、开口或其他配置容适热耦合至LED的具有足以起热沉作用的热容的单独的金属体。从本文中描述的牙科用光固化器移除“传统热沉”的能力允许制造低轮廓牙科用光固化器设备。具体而言，与使用容纳在光固化器设备的头部或颈部内的单独热沉的牙科用光固化器相比，颈部和头部可做得小得多和/或薄得多和/或容适更大的LED组装件。在图5C示出了包括极薄的远侧头部的实施例。

因为设备体102包括导热材料，所以设备体102可充当热导体和散热器。另外，与塑料体牙科用光固化器的外壳相比，设备体102可做得更实心和更薄。在一个实施例中，导热体材料是一种金属构造，该金属构造提供增大的强度和耐久性而同时仍达成较小的可较容易操作的光固化器。

在一个实施例中，设备体的把手部可具有范围在约10-50mm，优选在约15-30mm的范围内的厚度。此类尺寸向用户提供舒适的持握。颈部和头部比把手部更薄并可具有范围在约1-15mm，优选在约1-10mm的范围内的厚度。如以上描述的，当使用直接管芯安装、光子晶体光准直、或有机LED中的一者或多者时，小于约8mm，优选小于约5mm，或者甚至小于约2mm的头部厚度是可能的。

B保护涂层

在一个实施例中，设备体的外表面的全部或一部分包括一个或多个涂层。为了本发明的目的，设备体102的外表面是暴露在经组装的光固化器中或由不显著改变表面形状的涂层覆盖的表面。例如，在图1-5解说的实施例中，颈部108的表面是外表面，但是内部空腔136的表面不是外表面，因为电子组装件112覆盖在该表面上。类似地，如图1-5中所解说的环140不是外表面，因为其被保护套118覆盖。然而，若期望，设备体102的不提供外表面的部分可被涂覆。

设备体102的外表面可以用一个或多个涂层来涂覆以保护该表面和/或促成清洗和/或消毒光固化器100。在一个实施例中，设备体102的外表面可被涂覆有抗刮擦涂层和/或含氟聚合物涂层。图6是设备体102的颈部108的一部分的解说保护涂层的剖视图。抗刮擦涂层146被置于毗邻设备体102的表面。这些涂层可通过化学或等离子汽相沉积、等离子火焰喷镀、或对于本领域技术人员将显而易见的其他技术来施加。

抗刮擦涂层146是由其硬度大于设备体102的体材料的硬度的任何材料制成的薄层。在一个实施例中，抗刮擦层可以是金属氧化物或金属氮化物。抗刮擦层可以与导热层相同。在一个实施例中，抗刮擦涂层146可以是在金属设备体102的表面上形成的阳极化层。例如，在金属体材料包括铝的情况下，阳极化设备体102的表面会创建氧化铝表面。在一优选实施例中，抗刮擦涂层146的厚度在约0.05微米与约100微米之间(在图6中未按比例示出)。厚度优选大于约1微米，更优选大于约10微米，并且最优选大于约25微米。在一个实施例中，厚度可以在从约1微米到约40微米的范围内，或者替换地，在从约5微米到50微米的范围内。

虽然抗刮擦层的厚度可以稍微取决于被使用的材料和期望的抗刮擦性，但是对于阳极化铝而言，抗刮擦层的厚度必须显著大于约5-15nm，该厚度是已知不具有足以给予抗刮擦性的厚度的自钝化铝的厚度。

在一优选实施例中，抗刮擦涂层的硬度大于洛氏(Rockwell)C尺度上的55，更优选大于约60，并且最优选大于约65。该硬度通常在洛氏C尺度上的约60-90，更优选约65-80的范围内。合适的抗刮擦涂层的示例包括氧化铝、氮化铝、氮化铬、氧化铬、氧化锆、氮化钛、碳化钨、碳化硅、碳化铬、及其组合。

可被施加于设备体的外表面的含氟聚合物涂层148可提供使摩擦最小化的表面，以便使设备在口内是高度可操作的。另外，设备易于消毒并且较不倾向于保留细菌和/或碎片，这是重要的，因为牙科用光固化器被使用在牙科病人的口中并且必须在使用之间被清洗以避免牙科病人之间的污染和感染。在一个实施例中，含氟聚合物涂层具有范围在从约0.05微米到约10微米，更优选在从约0.1微米到约1微米的厚度。合适的含氟聚合物的示例包括但不限于聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物、氟化乙烯丙烯、聚乙烯四氟乙烯、聚乙烯氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟氯乙烯、及其组合。尽管或许在技术上不是含氟聚合物，但是可附加地或替换地施加聚对二甲苯涂层(例如，通过化学气相沉积来施加)。聚对二甲苯是从二-p-亚二甲苯制造的聚合物。聚对二甲苯可被应用在薄的明层中并且是生物相容的。如本文中使用的，“含氟聚合物涂层”被宽泛地解释成还包括聚对二甲苯涂层。聚对二甲苯涂层可包括聚对二甲苯N、聚对二甲苯C、聚对二甲苯D、聚对二甲苯AF-4、聚对二甲苯SF、聚对二甲苯HT、聚对二甲苯A、聚对二甲苯AM、聚对二甲苯VT-4、聚对二甲苯CF、和聚对二甲苯X。

含氟聚合物涂层148可被单独使用或与抗刮擦涂层146组合使用。然而，抗刮擦涂层146在含氟聚合物涂层148下方的使用已被发现提供不能由这些层单独达成的显著益处。例如，含氟聚合物涂层148可能难以接合至一些金属表面。在一个实施例中，抗刮擦涂层146被选择以提供含氟聚合物涂层148至设备体102的外表面的良好粘附。例如，诸如氧化铝之类的金属氧化物提供铝合金与诸如聚四氟乙烯之类的含氟聚合物之间的良好接合。

即使在抗刮擦层置于含氟聚合物涂层以下的实施例中，抗刮擦涂层146也可防止含氟聚合物涂层148的磨损。抗刮擦涂层的硬度帮助防止在体材料内形成凹痕，以使得外表面保持平滑并且接触含氟聚合物表面的物体或材料将从该表面滑落而不会显著磨损该表面。如果在设备体的表面上形成刮痕、凹痕或其他缺陷，那么含氟聚合物涂层可能在该缺陷的边缘处更容易受到磨损。包括抗刮擦涂层146帮助防止此类情况的发生。抗刮擦涂层和/或含氟聚合物涂层可各自包括单个层，或者一者或两者可包括两个或更多个子层。

C包括LED和导热层的头部

在一个实施例中，设备体102的头部110包括LED组装件120，该LED组装件120允许牙医照明可聚合组合物并使该可聚合组合物固化。图7是牙科用光固化器100的更详细地解说远侧端部104的部分剖视图。头部110支承或包含LED组装件120。LED组装件120可包括透镜150、LED封装152和导热层154。在图7的实施例中，导热层可包括单独的被固定至体102的相对较厚的构件而不是如图5B和5D-5J中所示的通过气相沉积或等离子火焰喷镀施加的非常薄的层。当然，在其中相对较薄的导热层被施加于体102(通过气相沉积或等离子火焰喷镀)的替换方案是可能的。

LED封装152和导热层154被置于空腔144内。导线134和134b延伸通过通道142并向LED封装152供电。LED封装152和导热层154被固定至空腔144的底面156。底面156通常是平坦的以促成导热层154与底面156的表面之间的良好接触。然而，只要在设备体102与导热层154之间接触的表面区域足以快速地传导由一个或多个LED管芯在使用期间通过导热层154产生的热，那么其他配置可被使用。可使用确保良好热接触的任何技术来将导热层154热耦合、接合或以其他方式固定至底面156。导热层154通过LED组装件衬底162热耦合至LED封装152，该LED组装件衬底162可以是以下参照图7-8更全面地描述的封装体164的一部分。

导热层154包括高度导热材料的至少第一层。该第一层材料的导热性优选大于约150W/m-K，更优选大于170W/m-K，甚至更优选大于200W/m-K，并且最优选大于约300W/m-K。在一个实施例中，该导热性可以在从约150W/m-K到约2000W/m-K的范围内，更优选在从约170W/m-K到约500W/m-K的范围内。可被用于制作导热层154的第一层材料的示例包括但不限于氮化铝、氧化铍、金刚石、碳化硅、氮化硼、碳纳米材料(例如，碳纤维、碳纳米管纤维、和/或石墨烯)、氧化铍、氮化硼、和/或其他导热陶瓷和/或导热颗粒金属和/或陶瓷和/或其衍生物和/或其组合。

在一个实施例中，导热层154的第一层是不导电的。非导电材料在第一层中的使用允许导热层包括迹线。这些迹线被图案化成电耦合至LED组装件衬底的触点以向LED管芯供电。这些迹线可以从对于制作迹线而言有用的任何材料制成，诸如但不限于金、铜、银、铂、或铝。在一个实施例中，这些迹线可由铜衬垫或铜板提供。

在一个实施例中，导热层154的第一层是由具有基本上与LED组装件衬底162的热膨胀系数匹配的热膨胀系数的材料制成的。

在一个实施例中，导热层可以是导热的印刷电路板。该导热的印刷电路板可以是陶瓷电路板或金属化的印刷电路板。电路板领域中的技术人员熟悉用于制造导热的印刷电路板的技术。

在一个实施例中，导热层可包括可变形层，诸如导热的可变形衬垫和/或导热的凝胶或油脂层。通常，该可变形层置于第一层以下(即，毗邻设备体)。导热油脂的示例包括硅油脂、聚合物油脂、金属化的油脂、和纳米颗粒油脂。纳米颗粒油脂通常包括导热填料(例如，陶瓷、碳、或金刚石)。

热凝胶的示例可从以下公司在以下网站获得，这些网站的内容通过援引纳入于此：

导热油脂、凝胶或粘合剂可包括填充材料以改善导热性。导热填充材料的示例包括氮化铝、氧化铍、碳、金刚石、碳化硅、氮化硼、及其组合和/或其纳米材料。在一些实施例中，可以不需要单独的导热层154。例如，取决于LED组装件和包括在其中的LED组装件衬底162的特性，可以不需要附加的导热层154。在此类示例中，LED组装件衬底162有效地充当充分导热的层，并可简单地用导热油脂、凝胶或粘合剂来耦合至牙科用光固化器的下层体。此类LED组装件衬底162优选具有与本文中相对于单独采用的导热层154所描述的特性类似的表面区域和厚度特性。

在一优选实施例中，导热层154具有比在设备体中使用的材料(例如，形成底面156的表面的例如铝合金之类的材料)的导热性更高的导热性的导热层154。

导热层154相对于体102较薄并因此缺少足以充当热沉的质量和热容。在一个实施例中，导热层154的厚度在从约100微米到1.5mm的范围内，更优选在从约200微米到约1mm的范围内，并且最优选在从约500微米到900微米的范围内。此类层154的厚度显著大于在其中导热层包括通过气相沉积或等离子火焰喷镀技术施加的层的实施例。例如，此类层可仅具有在约0.05微米与约50微米之间的厚度。在任何情形中，层154的导热性充分大，以使得导热层154充当将热从一个或多个LED管芯散发到设备体的材料的管道。以此方式，设备体的材料可充当高效率的散热器。将导热层耦合至设备体的表面区域充分大，以使得由导热层传导的热量中的大多数被传递至设备体。

导热层154热耦合至LED封装152和设备体102。导热层154至LED封装152和设备体102的热耦合与导热层的厚度的组合可被选择以确保在光固化器100的使用期间由LED生成的热量中的大多数(若不是基本上全部)被快速地传导到体材料中以进行散热。因为该配置在从LED管芯传导走热量方面很高效，所以即使在连续操作期间也可维持低至中等温度。

在一优选实施例中，层154具有比封装152显著更能接触的平坦表面区域。使导热层154尺寸过大可通过将热传递至LED封装152的外围周围的设备体来显著提高散热。将设备体用作散热器允许在其中导热层能够以显著的速率从LED封装152传递热量的充足的表面区域。因此，导热层利用比直接将LED封装152耦合至设备体好得多的设备体热容。一般而言，因为导热层154具有比设备体更高的导热性，所以若耦合导热层154和设备体102的表面区域越大，则至设备体的热传递的速率就越大。

与设备体的充分的表面区域接触的导热层的使用已被发现提供从LED封装的惊人地良好的散热。本发明中使用的配置基本上消除了长久存在的与基于LED的光固化器中的过热相关联的问题。

如所提及的，导热层154可具有比设备体的导热性更大的导热性。在一个实施例中，导热层154具有比铝合金更高的导热性。虽然设备体可从若干不同的材料制成，但是铝合金已被发现提供设备体的热容/导热性与可制造性和耐久性之间的良好平衡。尽管铝合金趋向于具有比纯铝差的热传递特性，但是导热层提供至铝合金的充分大区域的快速散热以克服与纯铝相比使用铝合金的缺点。这是令人惊讶且料想不到的结果。

如图7中所示，光固化器100可包括被用来聚焦由LED封装152生成的光的聚焦透镜150。聚焦透镜150可以是适于准直具有在牙科用光固化器100中使用的波长和光强的光的任何透镜。虽然图7解说传统的折射透镜配置，但是本发明可包括其他类型的透镜，包括用于光准直的光子晶体。

在一个实施例中，组装件120在封装中包括一个或多个LED管芯。适于在固化可聚合组合物中使用的可耦合至导热层并且由此耦合至设备体102的任何LED封装均可在本发明中使用。不仅如此，具有以相同或不同的波长发光的一个或多个附加LED管芯的两个或更多个LED封装可在本发明的牙科用光固化器中使用。在图8-9中解说示例性LED封装152。LED封装152包括安装在封装体164的组装件衬底162上的LED管芯。组装件衬底可以单独使用或与LED封装的任何其他特征组合使用。例如，在图7和8中示出的非限定性示例中，封装体164环绕LED管芯160并形成具有底面167的封装空腔166。封装空腔166通常具有倾斜的壁168。壁168和/或封装152的其他表面可涂覆有反射涂层以限制对由LED管芯160生成的光的吸收并使光输出最大化。另外，相同或不同的反射涂层可被应用于头空腔144和头110的内部表面以使对来自LED管芯160的光的吸收最小化。合适的反射材料的示例包括但不限于贵金属，优选为铑。在一个实施例中，封装152可具有反射环和/或与该环类似的抗反射涂层和以下结合图13描述的抗反射涂层。

只要LED组装件衬底162具有足以将热量从管芯160传递至导热层154的导热性(图7)，LED组装件衬底162就可包括适于支承LED管芯160的任何材料。在一个实施例中，衬底162可以由与导热层154的第一层相同或类似的材料形成。LED组装件衬底可从一个或多个子层制成，并且只要期望的导热性被维持，还可从一种或多种不同的导热材料制成。LED管芯160可被提供为经封装的LED封装，或者替换地，LED封装可以在设备体上就地创建。

LED管芯被选择成以用于固化可聚合组合物的期望波长发光。LED管芯通常被配置成以从约350nm到约490nm的范围内的特定波长发光，但是本发明不必限于以这些波长发光的设备。能光固化的牙齿组合物通常包括经光激活的仅响应非常窄的波长范围的引发剂。例如，樟脑醌由蓝光激活，而许多专用的引发剂由UV光激活。被选择成以期望波长工作的LED管芯对于达成以期望的方式和时间间隔来固化特定的可聚合组合物而言是重要的。在一个实施例中，LED封装可具有被配置成以范围在从约350nm到约490nm的特定频率发光的一个或多个LED管芯。在一优选实施例中，LED封装可发射至少UV光谱中的光并且分开地或同时地发射蓝光谱中的光。在授予Yan的US专利No.7,473,933中公开了可在本发明的牙科用光固化器中使用的合适的LED封装和管芯的示例，该专利通过援引纳入于此。

至LED管芯160的电源连接可通过触点170a和170b来作出。在此实施例中，这些触点可被嵌入衬底162。然而，在其他实施例中，诸触点可被放置在封装体的其他结构或者LED组装件的其他组件中。诸触点和至LED管芯160的迹线可从金或使用诸如但不限于沉积技术之类的已知技术沉积的其他传导性金属迹线制成。虽然LED封装152已被解说为接收来自导线134a和134b的电力，但是可以使用迹线或引线或适于向LED管芯传递功率的任何其他技术来供电。在一个实施例中，至LED封装152的迹线可被嵌入诸如抗刮擦涂层或被施加的导热层之类的电绝缘涂层，如结合图5B和5D-5J所描述的。在此实施例中，头110与空腔136之间的电接触(例如，导线或迹线)可沿设备体102的颈部108的外侧行进。这些导线或迹线可通过在迹线下方使用诸如氧化铝之类的第一电绝缘层并随后在迹线上方使用诸如氧化铝之类的另一电绝缘涂层的方式被嵌入涂层。绝缘涂层可以是氧化铝、氮化铝或任何其他合适的电绝缘涂层。下绝缘层可通过阳极化铝体的方式形成，而上绝缘层可通过离子火焰喷镀的方式形成。

图10解说本发明的包括多个LED管芯260a、260b、260c和260d的替换实施例。多个管芯的使用允许封装252以一个以上波长发光和/或以一个波长发射更多的光。在一个示例性实施例中，管芯260a和260b被配置成在从约460nm到约470nm的范围内发光，管芯260c被配置成在从约445nm到约455nm的范围内发光，而管芯260d被配置成在从约400nm到约410nm的范围内(例如，约405nm)发光。只要有可供用于管芯覆盖区的物理空间，LED封装252就可包括任何数目的管芯。LED管芯可被配置成以适于固化可光聚合组合物的任何频率发光。LED封装252包括用于驱动LED封装的触点270a-270c。LED管芯可以串联地或并联地并以与结合图1-9讨论的那些LED管芯类似的电压和功率输出来驱动。

D.替换的牙科用光固化器

图11-13解说包括具有杯状可移除构件280的头部的替换牙科用光固化器200。可移除构件280容纳LED封装252，使用导热层254将该LED封装252耦合至可移除构件280。LED封装与设备体202之间的导热性与光固化器100的导热性相同，除了头210包括用于将构件280固定至头210的一部分的耦合装置。

在一个实施例中，该耦合是通过螺纹体282提供的，并且构件280上的螺纹284允许可移除构件280被拧入头210的螺纹体282。井或空腔244的底面256与可移除构件280的底部表面286紧密接触。可移除构件280的底部286和空腔244的底面256的相对较大的表面区域确保头210的各部分之间良好的热传递。可移除构件280与空腔244之间的连接可使用任何可移除连接来作出，诸如但不限于螺纹、搭扣配合连接、销钉接头、或提供类似功能性的类似连接。

可移除构件280可从与如以上参照设备体102所描述的设备体202的其他部分相同的材料来制成。在一个实施例中，可移除构件是从与设备体202相同的材料制成的。然而，在一替换实施例中，可移除构件280可包括具有比设备体202的其他部分更高的导热性的金属或其他导热材料。

导线234与LED封装252之间的电连接可通过提供一对装有弹簧的触头290a和290b来达成。可移除构件280包括相应的电触头292a和292b，该电触头292a和292b在可移除构件280被拧紧时压缩装有弹簧的触头290a和290b。只要电接触可用可靠地密封在空腔244中的可移除构件280来作出，就可使用任何电耦合装置。

可移除构件280的使用允许LED封装252被相对容易地替换或升级。为了用经修理的或改进的LED封装来替换或升级LED封装252，可移除构件280可被移除并且包括新的LED封装252的新的可移除构件280可被拧入头210或耦合到头210上。牙医可由此避免向制造商返回整个设备的费用(如在损坏的设备的情形中)或者在期望更新的设备时丢弃整个设备。可移除构件280可以与以上关于所公开的光固化器中的任何一个光固化器来描述的任何特征相组合地使用。

图13还解说了定义具有内表面295的开口的反射环294。反射环294将来自LED封装252的光反射并引导到透镜250。在一优选实施例中，反射环294具有圆柱形；然而，若期望，则可以使用其他形状。反射环294可在内表面296上包括反射涂层，该反射涂层提高光在其表面上的反射率，由此减少吸收。该反射涂层优选是高光泽贵金属涂层。铑和钯是合适的贵金属的示例，并且铑是特别优选的。贵金属因其抗锈蚀的能力而是优选的，该能力可随时间减少反射率。

在一个实施例中，可使用在透镜外壳300的一部分与螺纹体282之间创建的搭扣配合298来固定可移除构件280的组件。反射环294可由邻接第一垫圈304的波形弹簧302固定在可移除构件280内，该第一垫圈304还邻接透镜外壳300。第二垫圈306将反射环294与可移除构件280的底部分开。反射环294可使用不同类型的弹簧或者诸如但不限于粘合剂之类的不同类型的连接机制来固定。

在一个实施例中，透镜250在其表面上具有抗反射涂层。该抗反射涂层优选在面向LED管芯的表面上；然而，其他表面也可被涂覆。该抗反射涂层减少光从透镜表面的反射，由此增加通过透镜250的光的百分比并减少由从透镜250反射的光引起的吸收。抗反射涂层的示例包括但不限于氟化镁。当然，一个或多个进行准直的光子晶体可被用作透镜250的替换方案。

关于图13的实施例示出的以上结构和涂层可与以上在图1-10中描述的特征相组合地使用。

在本发明的另一替换实施例中，牙科用光固化器将可充电电池包括在设备体的把手部的空腔中。在此实施例中，把手部近侧端处的电插头或其他连接替代电源线并允许牙科用光固化器连接至充电站或充电基座以对电池进行充电。当与可充电电池组合使用以在较长时段内允许较高的功率输出而无需充电和/或减小电池组的大小而同时达成再次充电之间期望的使用时段时，使如以上所描述的LED封装功率不足是特别有利的。

III.牙科用光固化器的操作配置和使用方法

本发明的牙科用光固化器可被配置成以非常高的光输出发光和/或以低工作温度和高效率连续发光。在一个实施例中，光固化器设备包括控制至LED封装的功率的电子组装件。该电子组装件可被配置成以非常高的光强驱动LED管芯达延长的时段而不会使该LED管芯过热。

在一个实施例中，LED封装可产生至少约2000mW/cm²、至少3000mW/cm²、或甚至大于3500mW/cm²的总光输出的稳定发射。为了本发明的目的，除了另外指示，总光输出是使用温差电堆测量设备来测量的。可在一些实施例中使用的其他类型的光测量设备包括分光计和Demetron辐射计

本发明的LED固化设备可用LED达成稳定的光输出，该光输出的强度与由通常以3500mW/cm²工作的弧光灯生成的光的强度相同或者甚至更强。使用LED光源以这样高的光输出来发光的能力部分地归因于将设备体用作散热器和将导热层用来快速地且高效率地将热量从LED管芯传导到在其中散热的设备体。

在本发明的一个实施例中，电子组装件被配置成即使在高强度输出下也使LED管芯的输出的波长偏移最小。在此实施例中，电子组装件被配置成以最大输入功率来向LED管芯供电，该最大输入功率显著低于LED管芯的实际最大的或额定的功率。例如，光固化器可包括额定用于以约10瓦特操作的一个或多个LED管芯，并且电子组装件可被配置成以约2.5瓦特的最大输入功率来向设备供电。

在一个实施例中，电子组装件被配置成以小于LED管芯的额定最大功率的80％、更优选小于约50％、甚至更优选小于约40％、和最优选小于额定最大功率的约30％的最大输入功率来向LED封装供电，而同时达成至少约500mW/cm²、优选至少约800mW/cm²、更优选至少约1000mW/cm²、甚至更优选至少约2000mW/cm²、或甚至至少约3000mW/cm²的光输出。

在一个实施例中，LED光固化器可被配置成甚至在高光输出下也具有非常高的每功率输入瓦特的总光输出效率。本发明的设备可被配置成具有显著大于先前已知的高功率光固化器中的典型效率的总光输出效率，这趋向于具有在10％-30％范围内的每输入功率瓦特的总光输出效率。在一个实施例中，本发明的光固化器的LED管芯的效率为至少约40％，更优选至少约50％，甚至更优选至少约60％并且最优选至少约70％，其中效率是根据至LED管芯的每输入功率瓦特的来自光固化器的总光输出瓦特来测量的。例如在一个实施例中，包括具有4个LED管芯和10瓦特额定功率的LED封装的光固化器是以6瓦特工作的并输出3500mW/cm²的总光强。牙科用光固化器设备的最高效率可用包括LED与透镜或光子晶体之间的反射环的配置来达成。抗反射涂层在任何使用的透镜上的使用进一步提高了效率。

以LED管芯的额定最大功率的一部分来驱动LED管芯使LED管芯和附件结构的温度循环最小化。此技术特别有利于与包括两个或更多个LED管芯的LED配置联用。以低于第一LED管芯的额定功率来驱动该第一LED管芯确保了毗邻的LED管芯以期望的功率输出和其设计波长来发光。因此，多个LED管芯可同时以一个或多个期望的波长连续工作达延长的时段而不会作为过热的结果而导致有害的波长偏移或任何LED管芯中显著的功率下降。

欠驱动LED封装导致LED管芯附近的工作温度下降。在一个实施例中，毗邻管芯的LED封装的温度可被保持在约80℃以下，更优选地在约70℃以下，并且最优选地在约50℃以下，这要比传统光固化器系统典型的最大工作温度(例如，大于125℃)凉得多。本发明的凉爽地运行的光固化器可被插入牙科病人的口中而无需害怕灼伤病人或导致不舒服。尽管本发明的一些实施例包括欠驱动的LED管芯，但是在其他实施例中，可以期望过驱动LED以产生波长偏移。

在本发明的一个实施例中，可以在一时段上使牙科用光固化器100的功率输入和光输出呈斜坡。本发明的光固化器的低工作温度和/或高光输出提供许多可能的斜坡时间和光输出强度。斜坡时间可能对于一种情景而言是合适的但对于另一种情景而言是不合适的。在一个实施例中，牙科用光固化器可包括被配置成允许用户选择用于使牙科用固化设备的光输出斜坡上升的斜坡时间的电路系统。在一个实施例中，牙科用固化设备的电子组装件包括范围在约2-20秒内、更优选在5-15秒内的多个可选择的斜坡时间。示例性的可选择时间包括5秒、10秒、15秒、和20秒。在此实施例中，用户选择该多个斜坡时间中的一个斜坡时间，并且设备递增地增大功率输入以在所选择的时段内达到所选择的光输出强度。例如，如果所选择的光强输出为2000mW/cm²并且用户选择的斜坡时间为5秒钟，那么电子组装件递增地增大去往LED管芯的功率输入以在5秒内达到2000mW/cm²的光强输出。使用相同的设备，用户可选择诸如3秒之类的不同的斜坡时间，并且电子组装件将在3秒内递增地将输入功率增大到期望的光强输出(例如，2000mW/cm²)。在Scott的美国专利公开No.2006/0033052中描述了关于斜坡的附加细节，该专利公开通过援引纳入于此。

本发明还包括用于使用牙科用光固化器来固化可聚合组合物的方法。该方法包括(i)提供根据以上实施例中的一个或多个实施例的牙科用光固化器，(ii)将能光固化的组合物放置在病人的口腔内，以及(iii)使用该牙科用光固化器通过将光束导向可聚合组合物达充分的时间量以固化该能光固化的组合物，该光束具有至少约2000mW/cm²的光强。牙齿组合物包括可聚合组合物和对从光固化设备发射的波长下的光灵敏的光引发剂。在Loveridge的美国专利公开No.2006/0194172中公开了能光固化的牙齿组合物的示例，该专利公开通过援引纳入于此。本领域技术人员熟悉用于将能固化的组合物放置并在病人牙齿中固化的波长和组合物。

应当领会，本发明也可以其他具体形式实施而不背离其精神或基本特性。所描述的诸实施例在各方面仅被视为解说性的而不是限制性的。本发明的范围因此由所附的权利要求而不是由该以上描述来指示。落入权利要求的等价物的含义和范围的所有改变都包含在权利要求的范围内。

Claims

1.一种牙科用光固化器设备，其具有用于从LED散热的导热层，所述牙科用光固化器设备包括：

具有近侧端和远侧端的设备体，所述设备体是由导热体材料形成的，所述设备体包括位于所述远侧端处或所述远侧端附近的头部，所述头部被配置成支承或包含LED组装件；

热耦合至所述设备体的所述头部以使所述设备体充当散热器的LED组装件，所述LED组装件包括一个或多个LED管芯和导热的LED组装件衬底，所述一个或多个LED管芯电耦合至所述LED组装件上的一个或多个触点，所述一个或多个LED管芯被配置成发射能够固化能光固化的组合物的光谱；以及

将所述LED组装件与所述设备体热耦合的、位于所述设备体与所述LED组装件之间的导热层，其中将所述导热层与所述设备体耦合的表面区域足以将在所述光固化设备被设定到最高功率设置时由所述一个或多个LED管芯生成的废热中的大部分传导至作为散热器的所述设备体。

2.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，将所述导热层与所述设备体耦合的表面区域比将所述导热层与所述LED组装件衬底耦合的表面区域大至少10％。

3.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，进一步包括被配置成将所述一个或多个LED管芯驱动到至少500mW/cm2的输出光强的电路系统。

4.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，进一步包括被配置成将所述一个或多个LED管芯驱动到至少2000mW/cm2的输出光强的电路系统。

5.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，进一步包括被配置成用小于所述LED管芯的额定最大功率的70％的最大输入功率来驱动所述一个或多个LED管芯而同时达成至少800mW/cm2的发光的电路系统。

6.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，进一步包括被配置成用小于所述一个或多个LED管芯的额定最大功率的50％的最大输入功率来驱动所述一个或多个LED管芯而同时达成至少800mW/cm2的发光的电路系统。

7.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，进一步包括被配置成用小于所述一个或多个LED管芯的额定最大功率的40％的最大输入功率来驱动所述一个或多个LED管芯而同时达成至少2000mW/cm2的发光的电路系统。

8.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述导热层包括与所述设备体分开的部件并具有从500微米到900微米的范围内的厚度。

9.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述导热层具有至少170W/m-K的导热性，并且所述导热性高于所述设备体的所述体材料的导热性。

10.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述导热层上从由氮化铝、氧化铍、金刚石、碳化硅、氮化硼及其组合构成的组中选择的。

11.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述设备体的所述导热体材料包括从由铝、铜、镁、及其合金构成的组中选择的金属。

12.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述设备体包括颈部和把手部，所述颈部和所述头部具有在1mm与10mm之间的厚度以便被大小设计和配置成用于插入病人的口腔，所述把手部具有在15mm与30mm之间的厚度以便被大小设计和配置成用于由牙医来持握。

13.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述一个或多个LED管芯包括在光谱的蓝光区域中发光的第一LED管芯和在光谱的紫外(UV)区域中发光的第二LED管芯。

14.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述设备体的所述头部包括接受器和导热的可移除构件，所述LED组装件和所述导热层形成所述可移除构件的一部分，所述可移除构件被配置成可移除地附连在所述接受器内。

15.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述导热体材料充当所述LED组装件的热沉，从而不存在内部热沉。

16.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，进一步包括在所述头部与近侧把手部之间覆盖所述设备体的至少一部分的保护涂层，所述保护涂层包括含氟聚合物或聚对二甲苯中的至少一者。

17.如权利要求1所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述设备体是由单块导热材料形成的，以消除所述设备体内的接缝。

18.如权利要求17所述的牙科用光固化器设备，其特征在于，所述单块体包括从由铝、铜、镁、及其合金构成的组中选择的金属，或者所述单块体包括从由碳纤维、硼纤维、氮化硼纤维、及其组合构成的组中选择的导热陶瓷纤维。