JP2009038255A

JP2009038255A - 光源

Info

Publication number: JP2009038255A
Application number: JP2007202160A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miyake; 健三宅
Original assignee: San Ei Giken Inc
Current assignee: San Ei Giken Inc
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】面発光素子と電極間の配線の保護ができず、電源との接続、面発光素子の冷却の信頼性の確保が十分でない。
【解決手段】冷却ヘッダ１１４の上面に接触して配置された３列３台、合計９台の発光モジュール５の各列上方に、長方形電極板２０が設けられ、この長方形電極板２０の下面と各発光モジュール５の上面とに接した光照射方向２３と同じ方向に弾力性を持つ中空の弾性電極部材１９を備え、各長方形電極板２０と各電源２２が配線１１２で接続され、冷却ヘッダ１１４と各電源２２が配線１１３で接続され、各長方形電極板２０は、両端部で絶縁材の支柱２１を介して冷却ヘッダ１１４に固定され、中空の弾性電極部材１９の中空部に前記光学４角柱３を設ける。
【選択図】図９

Description

この発明は、面発光素子から成る発光源と光学系とを用いて面発光素子から発する光を任意の光束として放射する光源に関する。

近年、発光源として長い歴史を持つランプに代わって、半導体面発光素子があらゆる分野に用いられるようになってきた。この半導体面発光素子を代表する製品は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）であり、照明、表示等に広く使用されている。

一方、産業用としても、光合成等に使用できる光源として期待されているが、一定以上の生産性を得るために、従来から用いられてきたランプに相当する光出力が求められる。

しかしながら、面発光素子１個の光出力は小さいので、数多くの面発光素子を用いる必要がある。

一方、光源として高出力が求められる以外に、使用目的にあった光質を有していることも重要である。即ち、光源から放射される光束の照度が均一であること、任意に光の放射角度が決められるなどである。

また、面発光素子の保護と、電気接続および冷却等が容易に行なえる機能を有した交換可能な部品化も実用上望まれることである。こうした要望に十分答えられる実用上問題のない機能と構造の面発光素子を発光源とする光源は実現していない。なお、面発光素子を発光源として用いた光源を開示するものとして下記特許文献１が挙げられる。
特開２００７−２５６１３号公報

複数の面発光素子を発光源とする光源についてすでに開示されている技術として、発光源である複数の面発光素子が、単に基板上に開放状態で実装されているものはある（上記特許文献１参照）。

しかしながら、このように単に基板上に開放状態での実装では、実用上必要な面発光素子や面発光素子と電極間の配線等の保護ができない。また、電源との接続、面発光素子の冷却等が信頼性高く、かつ容易に行なえる構造を明示していない。また、面発光素子は長寿命ではあるが消耗品であり、新品との交換が容易に行なえることも必要である。

このように、既に開示されている技術だけでは、実用上支障をきたす多くの課題を包含している。

本発明は、このような課題を解決して、実用上優れた構造と機能を有する面発光素子による光源を提供しようとするものである。

即ち、この発明に基づいた面発光素子を発光源とする光源は、平面状に集合させた複数の面発光素子から成る発光源と光学系とを用いて前記面発光素子から発する光を任意の光束として放射する光源であって、前記平面状に集合させた複数の面発光素子から成る発光源を、任意の筐体に収納して前記面発光素子の保護と、電気接続および冷却等が容易に行なえる機能を有した交換可能な部品としての発光モジュールとして、この発光モジュールに少なくとも１個の光学多角柱の端面を接近または接触させて配置し、前記発光モジュールから発する光を、前記光学多角柱を通過させて照度を均一化したのち、レンズによって任意の光束として放射する光源である。

さらに、この発光モジュールと光学多角柱、レンズから成る前記光源を、１台の光照射ユニットとして複数台設け、この複数の光照射ユニットから発する光を任意の光束として放射する光源としてもよい。

また、前記光照射ユニットを構成する少なくとも前記発光モジュールとレンズを光照射方向と直交する方向の形状を四角形にして、複数台の該光照射ユニットを光照射方向と直交する方向に互いに接近または接着して密集させた光源としてもよい。

また、前記複数台の発光モジュールを並列に電圧を印加して用いる場合、発光モジュールの製作上の誤差により生じた電気特性のバラツキによる出力低下を低減するため、各発光モジュールをその電気特性に従って複数のグループに分け、各グループに適した電圧を印加することが望ましい。

さらに、前記複数台の光照射ユニットを構成する発光モジュールの冷却方式が水冷方式であり、前記発光モジュールの筐体の発光面と反対面に冷却水の出入口が設けられた発光モジュールであって、前記複数の発光モジュールへの給排水が、冷却水の出入口が設けられた発光モジュール筐体の面に接した少なくとも一台の冷却ヘッダから行なわれるようにしてもよい。

また、発光モジュールへの電力供給は、前記発光モジュール筐体の発光面と反対面に接した冷却ヘッダと、発光面側の面に接した光照射方向に弾力性を持つ中空の弾性電極部材を介して設けられた少なくとも一つの電極間に電圧が印加されて行なわれるようにしてもよい。

また、前記光照射ユニットを構成する発光モジュール筐体の発光面側の面に接して光照射方向に弾力性を持つ中空の弾性電極部材の中空部に前記光学多角柱を設けるようにしてもよい。

以上述べたように、この発明に基づいた面発光素子を発光源とする光源は、面発光素子を筐体に収納してモジュール化した発光源と、この発光源に適合した光学系を組み合わせて用いることによって、実用的で信頼性が高く、かつ高性能な光源として提供することができる。

上述した本発明の内容を、図を参照して説明する。図１は、すでに開示されている面発光素子による光源の背景技術例についての側面図であり、複数の光照射ユニットから成る光源を示している。即ち、各光照射ユニットは基板１に実装された面発光素子２Ａ、光学４角柱３、レンズ群４Ａ、および面発光素子２の冷却部１４から構成されていることを示している。また、１つの光照射ユニットのレンズ群４Ａから放射される光束を２５で示している。

図２は、レンズ群４Ａの正面図で、四角形レンズが縦横各３枚、計９枚の四角形レンズが互いに接着された状態を示している。即ち９台の光照射ユニットで構成された光源を表している。

この背景技術例でも明らかなように、発光源である面発光素子２Ａは、基板１上に開放された状態で実装されている。

しかしながら、このように単に基板上に開放状態での実装では、実用上必要な面発光素子や面発光素子と電極間の配線等の保護ができない。また、電線との接続、面発光素子の冷却等が信頼性高く、かつ容易に行なえる構造を明示していない。また、面発光素子は長寿命ではあるが消耗品であり、新品との交換が容易に行なえることも必要である。

図３から図９は、図１および図２で示した背景技術の課題を解決するための本発明に基づいた実施の形態を示すものである。

（発光モジュールの構造）
図３から図５は、平面状に集合させた複数の面発光素子から成る発光源が、任意の筐体に収納されて前記面発光素子の保護と、電気接続および冷却等が信頼性高く、かつ容易に行なえる機能を有した交換可能な部品としての発光モジュール５を示している。

図３は、この発光モジュール５の側面図であり、またこの発光モジュール５への電力供給回路も合わせて示している。即ち、複数の面発光素子２は、絶縁層を含む基板１Ａ上に実装され、基板１Ａを挟んで上部筐体６と下部筐体７が取付けられている。

上部筐体６の上面には複数の面発光素子２が発する光を透過させる透明保護板８が設けられている。また、下部筐体７は、複数の面発光素子２を冷却するための水冷機能を有している。図３において、基板１Ａ、面発光素子２、上部筐体６、および透明保護板８は断面で図示している。

なお、各面発光素子２は、互いに絶縁されている上部筐体６と下部筐体７に電気的に接続され、図示のように電源１１からは配線１２，１３によって上部筐体６と下部筐体７に接続され、上部筐体６および下部筐体７を介して各面発光素子２に電力が供給される。

図４は、図３で示した発光モジュール５の発光側の正面図である。図示のように、この実施の形態では９個の面発光素子２が実装され、円形の透明保護板８が取付けられている。この円形の透明保護板８の上面に、仮想線で示した光学４角柱３の端面を接近または接触させて配置することによって、９個の発光素子２から発する光を効率良く光学４角柱３に入射させることができる。光学４角柱３の透明保護板８との反対側には、図１に示した構成と同様の、レンズ郡が配置される。

図５は、図３で示した発光モジュール５の下部匿体７の裏面を示す背面図である。図示のように、下部筐体７の裏面には、複数の面発光素子２を水冷するための給水口９と排水口１０が設けられている。

（冷却ヘッダの構造）
次に、図６および図７は、複数の発光モジュール５を水冷するために、発光モジュール５の下部筐体７の裏面に接して設けられる一台の冷却ヘッダ１１４を示している。図６は、この冷却ヘッダ１１４の平面図であり、図７は、冷却ヘッダ１１４の側面図である。

図示のように、冷却ヘッダ１１４は直方体のブロックであり、この直方体のブロック内に加工された給水路１５と排水路１６に、仮想線で示した９台の発光モジュール５の給水口９と排水口１０に対応する位置に各々給水連結管１７と排水連結管１８が設けられている。

この冷却ヘッダ１１４によって９台の発光モジュール５を水冷するには、給水路１５に冷却水が供給されると、給水路１５に設けた給水連結管１７を通って各発光モジュール５の給水口９に冷却水が分配されて発光モジュール５が冷却される。冷却後の排水は各発光モジュール５の排水口１０から排水連結管１８を通って排水路１６に流れて排水される。

図示のように、９台の発光モジュール５全てに対して冷却水の給排水が簡便かつ信頼性高く行なえるように、９台の発光モジュール５に対応して、給水路１５と排水路１６が交互に配置されている。

なお、図示していないが、各発光モジュール５の給水口９および排水口１０と冷却ヘッダ１１４の給水連結管１７と排水連結管１８との接続部などには０リング等のシール材で漏水を防止する必要がある。このように、一台の冷却ヘッダ１１４によって、９台の発光モジュール５を簡便かつ信頼性高く水冷することができる。なお、本実施の形態では、冷却ヘッダ１１４に用いる冷媒として冷却水を用いる場合について説明しているが、冷媒として冷却水に限定されるものではなく、その他の液状冷媒を用いることができる。また、液体冷却と気体冷却とを併用してもかまわない。

次に、図８および図９は発光モジュール５に対する電力供給を説明するための図である。図８は、発光モジュール５を主体とする組図の平面図であり、図９は図８の側面図で、一部断面で表示している。

冷却ヘッダ１１４の上面に接触して配置された３列３台、合計９台の発光モジュール５の各列上方に、長方形電極板２０が設けられ、この長方形電極板２０の下面と各発光モジュール５の上面とに接した光照射方向２３と同じ方向に弾力性を持つ中空の弾性電極部材１９を備え、各長方形電極板２０と各電源２２が配線１１２で接続されている。

一方、冷却ヘッダ１１４と各電源２２が配線１１３で接続されている。なお、各長方形電極板２０は、両端部で絶縁材の支柱２１を介して冷却ヘッダ１１４に固定されている。

また、弾力性を持つ中空の弾性電極部材１９は、各発光モジュール５の高さの誤差を吸収して各発光モジュール５と各長方形電極板２０および冷却ヘッダ１１４を確実に電気的に接続する役目を持っている。

この弾性電極部材１９は、断面が円形のつる巻きバネとして図示しているが、電気抵抗を低減するため、断面が大きな角形にしてもよい。

さらに、中空の弾性電極部材１９の中空部に前記光学４角柱３を設けるようにする。このように、９台の発光モジュール５を電気特性によって３つのグループに分け、発光モジュール５の製作上の誤差により生じた電気特性のバラツキによる出力低下を低減するため、各グループに適した電圧を印加することが可能になる。

以上、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

背景技術における面発光素子による光源の側面図である。背景技術におけるレンズ群の正面図である。この発明に基づいた実施の形態における光源の発光モジュールの構造を示す側面図である。この発明に基づいた実施の形態における光源の発光モジュールの構造を示す正面図である。この発明に基づいた実施の形態における光源の発光モジュールの構造を示す背面図である。この発明に基づいた実施の形態における光源の冷却ヘッダの構造を示す平面図である。この発明に基づいた実施の形態における光源の冷却ヘッダの構造を示す側面である。この発明に基づいた実施の形態における光源の発光モジュールを主体とする組図の平面図である。この発明に基づいた実施の形態における光源の発光モジュールを主体とする組図の側面図である。

符号の説明

１Ａ基板、２面発光素子、３光学４角柱、５発光モジュール、６上部筐体、７下部筐体、８透明保護板、９給水口、１０排水口、１１電源、１２，１３配線、１５給水路、１６排水路、１７給水連結管、１８排水連結管、１９弾性電極部材、２０長方形電極板、２１支柱、２２電源、２３光照射方向、１１２，１１３配線、１１４冷却ヘッダ。

Claims

平面状に集合させた複数の面発光素子から成る発光源と光学系とを用いて前記面発光素子から発する光を任意の光束として放射する光源であって、
前記平面状に集合させた複数の面発光素子から成る発光源を、任意の筐体に収納して前記面発光素子の保護と、電気接続および冷却等が容易に行なえる機能を有した交換可能な部品としての発光モジュールとして、
該発光モジュールに少なくとも１個の光学多角柱の端面を接近または接触させて配置し、前記発光モジュールから発する光を、前記光学多角柱を通過させて照度を均一化したのち、レンズによって任意の光束として放射する光源。
前記発光モジュールと光学多角柱、レンズから成る当該光源を、１台の光照射ユニットとして複数台設け、該複数の光照射ユニットから発する光を任意の光束として放射する、請求項１に記載の光源。
前記光照射ユニットを構成する少なくとも前記発光モジュールとレンズを光照射方向と直交する方向の形状を四角形にして、複数台の該光照射ユニットを光照射方向と直交する方向に互いに接近または接着して密集させた、請求項２に記載の光源。
前記複数台の発光モジュールを並列に電圧を印加して用いる場合、発光モジュールの製作上の誤差により生じた電気特性のバラツキによる出力低下を低減するため、各発光モジュールをその電気特性に従って複数のグループに分け、各グループに適した電圧を印加するようにした、請求項２または３に記載の光源。
前記複数台の光照射ユニットを構成する発光モジュールの冷却方式が水冷方式であり、前記発光モジュール筐体の発光面と反対面に冷却水の出入口が設けられた発光モジュールであって、前記複数の発光モジュールへの給排水が、冷却水の出入口が設けられた発光モジュール筐体の面に接した少なくとも一台の冷却ヘッダから行なわれる、請求項２から４のいずれかに記載の光源。
前記発光モジュールへの電力供給は、前記発光モジュール筐体の発光面と反対面に接した冷却ヘッダと、発光面側の面に接した光照射方向に弾力性を持つ中空の弾性電極部材を介して設けられた少なくとも一つの電極間に電圧が印加されて行なわれる、請求項２から５のいずれかに記載の光源。
前記光照射ユニットを構成する発光モジュール筐体の発光面側の面に接して光照射方向に弾力性を持つ中空の弾性電極部材の中空部に前記光学多角柱を設けた、請求項２から６のいずれかに記載の光源。