JP2006186283A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードの温度上昇を抑えて発光効率の低下を防止する。
【解決手段】光照射装置は、表面実装型の発光ダイオード１と、熱の良導体により筒状に形成され内部の先端近傍に発光ダイオード１が収納された本体２とを備える。本体２の内部には熱伝導性が高いポッティング（封止）材９が充填されて封止される。而して、本体２の内部にポッティング材９を充填した後に加熱・硬化させれば、発光ダイオード１の発する熱がポッティング材９を介して本体２に伝導されることで放熱が促進されるから、発光ダイオード１の温度上昇を抑えて発光効率の低下を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードを光源とする光照射装置に関し、特に光硬化性樹脂を硬化させるために紫外線を照射する紫外線硬化装置に用いるのに好適な光照射装置に関するものである。

従来、光硬化性樹脂に紫外線などの光を照射して硬化させる紫外線硬化装置においては、放電ランプやレーザ発振器を光源とする光照射装置が用いられていたが、近年では発光ダイオードを光源とする光照射装置が普及しつつある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２９１１５３号公報

ところで、光源に発光ダイオードを用いる際に最も問題となるのが発光ダイオードからの発熱である。すなわち、発光ダイオードは低温の方が発光効率が良く、高温になるほど発光効率が低下し、照射する光のエネルギも減少してしまうから、発光ダイオードの温度上昇を抑える必要がある。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光ダイオードの温度上昇を抑えて発光効率の低下を防止することができる光照射装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、光硬化性樹脂に対して硬化用の光を照射する光照射装置であって、前記光を発する１乃至複数個の発光ダイオードと、熱の良導体によって筒状に形成され内部の先端近傍に発光ダイオードが収納される本体とを備え、本体内において発光ダイオードと本体内壁を熱伝導性が高い材料で熱的に結合したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、封止材である前記材料により本体内における発光ダイオードの周囲を封止したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、金属である前記材料により棒状に形成された放熱ロッドを本体内に収納したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、発光ダイオードの温度を検出する測温素子を備え、該測温素子を金属材料からなる筒状体の内部に収納し、該筒状体の一端部を本体内で発光ダイオードの表面に当接させた状態で封止材で封止したことを特徴とする。

本発明によれば、発光ダイオードの発する熱が熱伝導性が高い材料を介して本体に伝導されることで放熱が促進されるから、発光ダイオードの温度上昇を抑えて発光効率の低下を防止することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本実施形態の光照射装置を示す断面図である。この光照射装置は、表面実装型の発光ダイオード１と、熱の良導体により筒状に形成され内部の先端近傍に発光ダイオード１が収納された本体２とを備える。さらに本体２は、円筒形に形成されて発光ダイオード１を保持するＬＥＤホルダ３と、ＬＥＤホルダ３よりも胴長が長い円筒形に形成された筒体４とで構成される。

ＬＥＤホルダ３は陽極酸化処理並びに封孔処理（いわゆるアルマイト処理）がされたアルミ合金製であって、図２に示すように先端側（図２（ａ）における左端側）に雄ねじ部３１が設けられるとともに後端側（図２（ａ）における右端側）に雌ねじ部３２が設けられる。ＬＥＤホルダ３内にはリング状の内鍔部３３が設けられ、この内鍔部３３には後端側より円環状の取付板３４が接着等によって固定され、さらに取付板３４の後面に接着等によって発光ダイオード１が取り付けられる（図１参照）。尚、取付板３４もＬＥＤホルダ３と同様に陽極酸化処理並びに封孔処理がされたアルミ合金製である。

発光ダイオード１は、紫外領域にピーク波長を有する表面実装型の紫外線発光ダイオードであって、実装面（図１における右側面）のアノード端子並びにカソード端子にそれぞれリード線７０の一端が半田付けされ、さらに各リード線７０の他端にケーブル８０の電線８１がかしめ固定される。また発光ダイオード１の実装面には銅製のパイプ（筒状体）７が一端面を当接するようにして固定されており、このパイプ７の内部にサーミスタ測温素子８が収納固定されている。尚、サーミスタ測温素子８の２本のリードはケーブル８０の電線８１に半田付けされるとともに当該接続部位が絶縁チューブ７１で保護されている。

筒体４は、ＬＥＤホルダ３と同じく陽極酸化処理並びに封孔処理がされたアルミ合金製であって、図３に示すように先端側（図３（ａ）における左端側）にはＬＥＤホルダ３の雌ねじ部３３に螺合する雄ねじ部４１が設けられ、後端側（図３（ａ）における右端側）には後述するケーブルホルダ６の雌ねじ部６２に螺合する雄ねじ部４２が設けられる。したがって、先端の雄ねじ部４１をＬＥＤホルダ３の雌ねじ部３３に螺合することで筒体４の先端にＬＥＤホルダ３が取り付けられて本体２が構成される。

本体２の先端、つまりＬＥＤホルダ３の先端にはレンズユニット５が取り付けられる。レンズユニット５は、ＬＥＤホルダ３と同じく陽極酸化処理並びに封孔処理がされたアルミ合金製であって、図４に示すように先端面に円形の照射口５１が開口した有底円筒形のレンズホルダ５０と、球面平凸レンズからなり照射口５１を塞ぐ形でレンズホルダ５０の内底面に接着固定される第１のレンズ５２と、球レンズ（ボールレンズ）からなり第１のレンズ５２に接するようにレンズホルダ５０内に収納されて接着固定される第２のレンズ５３とを備える。レンズホルダ５０の後端部には雌ねじ部５４が設けられ、この雌ねじ部５４にＬＥＤホルダ３先端の雄ねじ部３１を螺合することでレンズユニット５が本体２の先端側に取り付けられる（図１参照）。ここで、図２に示すようにＬＥＤホルダ３内部の先端側には、第２のレンズ５３の半径にほぼ等しい曲率半径を有する曲面形状に形成されたレンズ支持部３５が設けられており、ＬＥＤホルダ３の先端にレンズユニット５が取り付けられた状態では第２のレンズ５３の後端面がレンズ支持部３５に当接して支持されることになる。

また本体２の後端、つまり筒体４の後端にはケーブル８０を支持するケーブルホルダ６が取り付けられる。ケーブルホルダ６は、図１に示すようにＬＥＤホルダ３と同じく陽極酸化処理並びに封孔処理がされたアルミ合金によって円筒形に形成され、内部にはケーブル６の外径よりも若干大きい程度の保持孔６０が貫通されている。そして、この保持孔６０にケーブル６を挿通し、径方向に貫設されたねじ孔６１に外側からねじ（図示せず）を螺合させて締め付けることによってケーブル８０がケーブルホルダ６に固定される。さらに、ケーブルホルダ６の先端側には筒体４の後端側の雄ねじ部４２が螺合する雌ねじ部６２が設けられ、この雌ねじ部６２に筒体４後端の雄ねじ部４２を螺合することでケーブルホルダ６が本体２の後端側に取り付けられる。

尚、レンズユニット５は交換可能であって、図５に示すように球レンズからなる第２のレンズ５３の代わりに球面平凸レンズからなる第３のレンズ５５を内部に収納したレンズユニット５’を本体２の先端に取り付けることができ、互いに焦点距離が異なる複数種類のレンズユニット５，５’を適宜選択して使用することができる。

ここで、本体２の内部には熱伝導性が高いポッティング（封止）材９が充填されて封止される。この種のポッティング材９としては、例えば熱伝導度が２．５［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度である加熱硬化型のシリコンゴムが好適である。而して、図１に示すように本体２並びにケーブルホルダ６の内部にポッティング材９を充填した後に加熱・硬化させれば、発光ダイオード１と本体２の内壁とがポッティング材９を介して熱的に結合され、発光ダイオード１の発する熱がポッティング材９を介して本体２に伝導されることで放熱が促進されるから、発光ダイオード１の温度上昇を抑えて発光効率の低下を防止することができる。

本実施形態の組立手順を簡単に説明する。まず、発光ダイオード１をＬＥＤホルダ３に取り付け、発光ダイオード１のアノード端子並びにカソード端子にリード線７０を半田付けし、さらに発光ダイオード１の実装面にパイプ７を固定してその中にサーミスタ測温素子８を収納した後、ＬＥＤホルダ３内をポッティング材９で封止する。それから、リード線７０並びにサーミスタ測温素子８のリードにそれぞれケーブル８０の電線８１を接続し、ケーブル８０を挿通した筒体４をＬＥＤホルダ３と結合した後、筒体４の後端（図１における右端）側から内部にポッティング材９を充填し、さらにケーブルホルダ６を筒体４の後端側に結合する。このとき、シリコンゴムからなるポッティング材９がある程度の粘度を有しているため、筒体４に結合したケーブルホルダ６の内部にもポッティング材９を充填することができる。そして、ポッティング材９を加熱硬化すれば本体２並びにケーブルホルダ６の内部がポッティング材９で封止される。尚、ポッティング材９を本体２内に充填する際、内部に気泡が生じるのを防ぐために本体２内の空気を抜きながら充填することが望ましい。

ところで、本実施形態ではサーミスタ測温素子８を銅製のパイプ７に収納しているが、サーミスタ測温素子８を発光ダイオード１の実装面に直接取り付けても構わない。但し、直接取り付ける場合、サーミスタ測温素子８のリードをほぼ直角に曲げる必要が生じるため、リードの断線等の不具合が発生する虞がある。これに対して発光ダイオード１の実装面に銅製のパイプ７を取り付けてパイプ７の中にサーミスタ測温素子８を収納すれば、発光ダイオード１の発する熱が銅製のパイプ７を介してサーミスタ測温素子８に伝導されるために測温性能が低下することはなく、しかも、サーミスタ測温素子８のリードを曲げる必要がないことから断線などの不具合の発生も防止できる。

（実施形態２）
図６は本実施形態の光照射装置を示す一部省略した断面図である。本実施形態が実施形態１と異なる点は、ポッティング材９の代わりに金属によって棒状に形成された放熱ロッドを本体２内に収納して発光ダイオード１と本体２内壁を熱的に結合した点に特徴がある。但し、図６に示すように本実施形態の基本構成はほぼ実施形態１と共通であるから、共通する構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の光照射装置は、１個の発光ダイオード１を光源として光を放射する発光部１００と、筒状に形成され内部の先端近傍に発光部１００が収納された本体１１０とを備える。

発光部１００は、表面実装型の発光ダイオード１の他に、第１及び第２のレンズ１０３Ａ，１０３Ｂと、第１及び第２のスペーサ１０４Ａ，１０４Ｂとを有している。第１及び第２のレンズ１０３Ａ，１０３Ｂは同一のものであって、平凸レンズからなる。第１のスペーサ１０４Ａは金属材料によって円筒形に形成され、軸方向の一端面を後述するＬＥＤホルダ１０５の先端面に当接させ、軸方向の他端面を第１のレンズ１０３Ａの平面に当接するように配置されて発光ダイオード１と第１のレンズ１０３Ａの距離を一定に保つ役割を担っている。また第２のスペーサ１０４Ｂは金属材料によって円筒形に形成され、その軸方向の長さが第１のスペーサ１０４Ａに比べて短いものであって、軸方向の一端面を第１のレンズ１０３Ａの球面に当接させるとともに、軸方向の他端面を第２のレンズ１０３Ｂの球面に当接するように配置されて、互いの球面を対向させた状態で第１及び第２のレンズ１０３Ａ，１０３Ｂ間の距離を一定に保つ役割を担っている。

一方、本体１１０は、レンズホルダ１１１並びにレセプタクルホルダ１１２で構成される。レンズホルダ１１１は金属材料によって両端が開口する円筒形に形成され、先端側の開口に内鍔１１１ａが設けられるとともに、後端側の内周面には雌ねじ１１１ｂが設けられている。レセプタクルホルダ１１２は外周面に雄ねじが形成され外径がレンズホルダ１１１の内径に略等しい円筒形のねじ部１１２ａと、ねじ部１１２ａと同心の円筒形であって外径がレンズホルダ１１１の外径に略等しい胴部１１２ｂとが金属材料によって一体に形成されたものである。尚、このレセプタクルホルダ１１２の後端部にケーブル８０が固定される。

ＬＥＤホルダ１０５は放熱ロッドを兼ねるものであって、熱の良導体である金属（例えば、アルミ）によって全体が円柱状に形成され、発光ダイオード１を嵌め込むための凹所１０５ａが軸方向の一端側底面に設けられる。また凹所１０５ａの底面には発光ダイオード１のアノード及びカソードの各端子に対向する位置にそれぞれ横溝１０５ｂ，１０５ｃが設けられ、さらにＬＥＤホルダ１０５の周面には軸方向に沿って他端側の底面に達する縦溝１０５ｄ，１０５ｅが中心軸を挟んで対称となる位置に設けられるとともに、横溝１０５ｂと縦溝１０５ｄ並びに横溝１０５ｃと縦溝１０５ｅがそれぞれ連通させてある。すなわち、発光ダイオード１の背面側に設けられたアノード及びカソードの各端子に半田付けされたリード線１３０がそれぞれ横溝１０５ｂと縦溝１０５ｄ並びに横溝１０５ｃと縦溝１０５ｅに各々収納されることになる（図６参照）。

本実施形態の光照射装置は以下の手順で組み立てられる。まず、第２のレンズ１０３Ｂ、第２のスペーサ１０４Ｂ、第１のレンズ１０３Ａ、第１のスペーサ１０４Ａの順に発光部１００をレンズホルダ１１１の内部に挿入し、さらにリード線１３０が接続された発光ダイオード１を凹所１０５ａに嵌め込んだＬＥＤホルダ１０５を、凹所１０５ａ側の底面が第１のスペーサ１０４Ａに当接する向きに挿入する。次に、外周面に雄ねじが設けられた円筒形の固定ねじ１０６をレンズホルダ１１１の雌ねじ１１１ｂに螺合させ、固定ねじ１０６の周縁に形成された一対の嵌合溝１０６ａに工具を嵌合させ、この工具を用いて固定ねじ１０６をレンズホルダ１１１の先端側へ螺進させることにより、レンズホルダ１１１の内鍔１１１ａと固定ねじ１０６との間で発光部１００を狭持して固定する。続いて、２本のリード線１３０をレセプタクルホルダ１１２に挿通し、ねじ部１１２ａをレンズホルダ１１１の雌ねじ１１１ｂに螺合させてレセプタクルホルダ１１２をレンズホルダ１１１と結合する。それから、レセプタクル（図示せず）の端子にリード線１３０の他端を半田付けし、このレセプタクルをレセプタクルホルダ１１２の後端部に結合すれば、光照射装置が完成する。

而して、本実施形態ではポッティング材９の代わりに熱伝導性が高い金属材料からなる放熱ロッド（ＬＥＤホルダ１０５）によって発光ダイオード１と本体１１０の内壁を熱的に結合しているから、発光ダイオード１の発する熱がＬＥＤホルダ１０５を介して本体１１０に伝導されることで放熱が促進され、発光ダイオード１の温度上昇を抑えて発光効率の低下を防止することができる。

実施形態１の断面図である。 同上におけるＬＥＤホルダを示し、（ａ）は半断面図、（ｂ）は右側面図である。 同上における筒体を示し、（ａ）は半断面図、（ｂ）は右側面図である。 同上におけるレンズユニットの断面図である。 同上における別のレンズユニットの断面図である。 実施形態２の一部省略した断面図である。

符号の説明

１ 発光ダイオード
２ 本体
３ ＬＥＤホルダ
４ 筒体
５ レンズユニット
６ ケーブルホルダ
７ パイプ
８ サーミスタ測温素子
９ ポッティング材

Claims (4)

1. 光硬化性樹脂に対して硬化用の光を照射する光照射装置であって、前記光を発する１乃至複数個の発光ダイオードと、熱の良導体によって筒状に形成され内部の先端近傍に発光ダイオードが収納される本体とを備え、本体内において発光ダイオードと本体内壁を熱伝導性が高い材料で熱的に結合したことを特徴とする光照射装置。
2. 封止材である前記材料により本体内における発光ダイオードの周囲を封止したことを特徴とする請求項１記載の光照射装置。
3. 金属である前記材料により棒状に形成された放熱ロッドを本体内に収納したことを特徴とする請求項１記載の光照射装置。
4. 発光ダイオードの温度を検出する測温素子を備え、該測温素子を金属材料からなる筒状体の内部に収納し、該筒状体の一端部を本体内で発光ダイオードの表面に当接させた状態で封止材で封止したことを特徴とする請求項２記載の光照射装置。

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