JP2014212277A - 半導体光源ユニットおよびシート状対象物測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温環境下で使用しても放熱器を介した放熱を行なうことができる半導体光源ユニットおよびこの半導体光源ユニットを提供する。
【解決手段】半導体発光素子と、半導体発光素子の熱が伝わる放熱器と、空気の導入口と排出口とが設けられ、半導体発光素子と放熱器とを外気にさらさない状態で覆うための断熱筐体とを備えた半導体光源ユニット。半導体発光素子の出射光を入射し、光線角度を整えて出射する内面反射鏡をさらに備え、断熱筐体は、半導体発光素子と放熱器とに加え、内面反射鏡を外気にさらさない状態で覆うようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置の半導体光源ユニットに関し、特に、高温環境下で使用されるシート状対象物測定装置に適した半導体光源ユニットに関する。

抄紙工程や樹脂フィルム製造工程等では品質管理のために製造物の水分量や色、厚さ等の測定が行なわれる。このような測定に用いられる測定装置は、紙や樹脂フィルム等のシート状対象物に光を照射し、透過光や反射光を受光することにより測定を行なうものが多い。

従来、光を利用した測定装置の光源としては、スペクトラムが連続的でブロードなハロゲンランプが主に用いられてきたが、近年は、ＬＥＤ等の半導体光源が採用されるようになってきている。ＬＥＤ等の半導体光源は、小型で長寿命であることに加え、光電変換効率が高く発熱が少ないこと、所望の波長の光を選択的に得られること、電気的変調が可能であること等の特徴があり、分光光学系やメカニカルな変調部品が不要となることから、測定装置が簡素化できる等のメリットがある。

例えば、特許文献１には、図６に示すような半導体光源ユニット５００を用いた抄紙工程用の赤外線水分センサが開示されている。図６に示す半導体光源ユニット５００では、ＬＤやＬＥＤといった発光波長の限定される発光素子５２０を複数個狭ピッチで実装した基盤５３０を、角錐型の内面反射鏡５１０の入射端５１０ａに極力接近させて配置している。

複数個の発光素子５２０は、水分に吸収され、セルロースに吸収されない波長の光を発光する素子と、水分に吸収されず、セルロースに吸収される波長の光を発光する素子と、水分にもセルロースにも吸収されない波長の光を発光する素子を含んでいる。

複数個の発光素子５２０から発したそれぞれの波長の光のうち、内面反射鏡５１０の光軸に対してθ１のように比較的角度のある光線は、入射直後に壁面で反射し、次に反対面で反射してθ２のような小さな角度で内面反射鏡５１０の出射端５１０ｂに向かうことになる。すなわち、反射する度に、テーパー状の斜面により内面反射鏡５１０の光軸に対して平行な角度に近づいていく。一方、光軸に対して平行に近い角度で出射された光線は、出射端５１０ｂに近い壁面で反射してさらに光軸に対して平行な角度に近づいていく。

このように、内面反射鏡５１０を用いることで、入射時の角度が異なる光線であっても、出射端５１０ｂでは、光軸に対して平行に近い光束に集光されて紙４００に向かうことになり、有効利用が可能な光束を得ることができる。一般に、出射端５１０ｂは、１０数ｍｍから数１０ｍｍ程度のサイズが好適であるのに対し、ＬＥＤ等の半導体光源は、数ｍｍ程度のサイズであるが、このように容易に好適なサイズの出射光を得ることができる。

内面反射鏡５１０の出射端５１０ｂには、数ｍｍの隙間を空けて、測定試料である紙４００が置かれる。紙４００の下には、数ｍｍの隙間を空けて内面反射鏡５１０のほぼ光軸上に検出器５４０が配置してある。検出器５４０には、受光素子５４２が実装されており、出射端５１０ｂから出射され、紙４００を透過した光束を受光する。検出器５４０の測定結果は、図示しない赤外線水分センサの制御装置に送られ、各波長の透過減衰率から紙４００の水分率が算出される。

一般に、光を利用した測定装置は高輝度の光源が求められる。半導体光源は、ハロゲンランプ等に比較して発熱量は少ないが、熱に弱いという特性があり、高温にさらされると、発光効率の低下、発光波長の変化、寿命短縮を招くおそれがある。このため、半導体光源を高輝度で動作させる場合は何らかの冷却構造が必要となる。

光源の冷却構造としては、例えば、図７に示すように、半導体光源６１０の基盤に放熱フィン等の放熱器６２０を取り付ける構造が一般的である。放熱器６２０は、外気開放され、半導体光源６１０から伝わる熱を外部に放熱する。また、半導体光源６１０の周辺に形成された中空の空気層６３０には、通気口６４０ａ、６４０ｂが設けられており、半導体光源６１０で熱せられた空気が外部に排出されるようになっている。

さらに、ペルチェ素子等の電子冷却素子を半導体光源６１０と放熱器６２０との間に配置し、半導体光源６１０から放熱器６２０への熱移動を促進させることも行なわれている。

特開２０１２−１７３２４９号公報 特開２００４−９４１１５号公報

従来、光源の冷却は、光源が発する熱を放熱器に効率よく伝え、放熱器を外気開放して放熱器から外部に放熱することで、光源の温度上昇を防ぐようにしている。この場合、外気の温度、すなわち放熱器の周辺温度が光源の温度よりも十分低いことが条件となる。

しかしながら、産業用の測定装置は高温環境下で用いられるものがある。例えば、抄紙工程等に使用されるシート状対象物測定装置では、常に６０〜７０℃程度の高温にさらされる。このような環境下で使用されるシート状対象物測定装置は、結露防止のため、測定装置全体を外気と同程度の温度に保って使用するようになっている。

このため、ハロゲンランプほど高温にならない半導体光源は、周囲との温度差が小さく、放熱器を介した外気への放熱がほとんど行なわれなくなってしまう。例えば、図７に示したような冷却構造を持つ光源を温度の高い環境下で使用すると、放熱器６２０から外気への放熱が望めないのみならず、外気温の方が高いと放熱器６２０から吸熱して、かえって半導体光源６１０の温度が上昇するおそれもある。

ペルチェ素子等の電子冷却素子を半導体光源６１０と放熱器６２０との間に配置したとしても、放熱器６２０での放熱が不十分であると、半導体光源６１０は、電子冷却素子の発する熱の影響も受けることになり、逆効果となってしまう。

そこで、本発明は、高温環境下で使用しても放熱器を介した放熱を行なうことができる半導体光源ユニットおよびこの半導体光源ユニットを用いたシート状対象物測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である半導体光源ユニットは、半導体発光素子と、前記半導体発光素子の熱が伝わる放熱器と、空気の導入口と排出口とが設けられ、前記半導体発光素子と前記放熱器とを外気にさらさない状態で覆うための断熱筐体と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記半導体発光素子の出射光を入射し、光線角度を整えて出射する内面反射鏡をさらに備え、前記断熱筐体は、前記半導体発光素子と前記放熱器とに加え、前記内面反射鏡を外気にさらさない状態で覆うためのものとしてもよい。
このとき、前記断熱筐体の前記内面反射鏡の出射側の面は、前記半導体発光素子の出射光を透過させる部材で形成することが望ましい。
また、前記排出口は前記導入口よりも大きな口径とすることができる。

上記課題を解決するため、本発明の第２の態様であるシート状対象物測定装置は、上記の半導体光源ユニットを搭載したことを特徴とする。
ここで、前記半導体発光素子の出射光を受光する受光素子と、前記受光素子の熱が伝わる第２の放熱器と、空気の導入口と排出口とが設けられ、前記受光素子と前記第２の放熱器とを外気にさらさない状態で覆うための第２の断熱筐体とをさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、温環境下で使用しても放熱器を介した放熱を行なうことができる半導体光源ユニットおよびこの半導体光源ユニットを用いたシート状対象物測定装置が提供される。

本実施形態に係る半導体光源ユニットの構造を模式的に示す図である。 半導体光源ユニットを搭載するシート状対象物測定装置を模式的に示す図である。 本実施形態に係る半導体光源ユニットの構造の別例を模式的に示す図である。 受光器に適用した場合を説明する図である。 排出口を導入口よりも大きく設定した場合の図である。 半導体光源ユニットを用いた従来の抄紙工程用の赤外線水分センサを説明する図である。 従来の光源の冷却構造を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る半導体光源ユニットの構造を模式的に示す図である。本図示すように半導体光源ユニット１００は、複数個の半導体発光素子１０１を搭載した光源パッケージ１０３と角錐状の内面反射鏡１０４とを備えており、光源パッケージ１０３から出力される光が内面反射鏡１０４の入射口に入射するようになっている。また、光源パッケージ１０３の内面反射鏡１０４の反対側の面には放熱器１０２が取り付けられている。これにより、半導体発光素子１０１の熱が放熱器１０２に伝えられる。

これらの部品は、略直方体形状あるいは円筒状の断熱筐体１１０によって覆われている。すなわち、光源パッケージ１０３のみならず、放熱器１０２を含めて断熱筐体１１０によって覆われている。ただし、断熱筐体１１０は他の形状であってもよい。

断熱筐体１１０の側面および上面は、例えば、ポリプロピレン等の断熱性が高く、難燃性の樹脂を用いて構成することができる。また、断熱筐体１１０の下面１１０ａは、半導体発光素子１０１の発光波長での透過率が高い部材で構成するものとする。例えば、半導体光源ユニット１００を赤外線水分センサに適用する場合には、近赤外〜赤外領域での透過率が高く、熱伝導率が低い樹脂であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等を用いて構成することができる。

放熱器１０２近傍の断熱筐体１１０の側面には、冷却空気を導入する導入口１１１と、空気を排出する排出口１１２とが設けられている。運用時において、導入口１１１、排出口１１２には、図示しない配管を接続し、導入口１１１から乾燥空気を導入し、排出口１１２から排出するようにする。断熱筐体１１０および配管は外気の流入がないように、密閉構造とする。

半導体発光素子１０１は、ＬＥＤ、ＬＤ等を用いて構成することができ、図示しない駆動回路から電流を供給することで発光する。半導体発光素子１０１が出力する光は、測定対象に応じて可視光、不可視光のいずれであってもよく、本実施形態では、赤外線を放射するものとする。半導体発光素子１０１からの放射は、内面反射鏡１０４内部で反射を繰り返して、複数の放射が混合されると共に、放射方向が整えられて断熱筐体１１０の下面１１０ａから外部に放射される。

本実施形態の半導体光源ユニット１００は、断熱筐体１１０が、半導体発光素子１０１のみならず放熱器１０２を覆っているため、放熱器１０２が半導体光源ユニット１００の外部の温度影響を受けにくくなっている。このため、放熱器１０２からの放熱が外部温度によって妨げられない。さらに、断熱筐体１１０に空気の導入口１１１と排出口１１２とを設けているため、外部の温度が高い場合であっても、放熱器１０２から効率的に放熱することができる。この結果、高輝度で動作する半導体発光素子１０１を十分冷却することができる。

このような半導体光源ユニット１００は、例えば、図２に示すようなシート状対象物測定装置２００に搭載されて赤外線水分センサの光源として使用される。シート状対象物測定装置２００は、フレーム２１０を備えており、フレーム２１０の内側を、測定対象物であるシート状の紙４００が、図示しないローラー等により矢印Ａ方向に移動する。フレーム２１０の上側ビームには、紙４００を表面側から測定する上部ヘッド２２０が移動可能に取り付けられており、フレーム２１０の下側ビームには、紙４００を裏面側から測定する下部ヘッド２３０が移動可能に取り付けられている。

上部ヘッド２２０と下部ヘッド２３０とは、同期して紙移動方向に直交する方向を往復移動し、同じ領域を表面と裏面から測定するようになっており、測定領域は図中のラインに示すようにジグザグの軌跡を描くことになる。

半導体光源ユニット１００は、例えば、上部ヘッド２２０に搭載され、紙４００に対して上面から複数の波長の赤外光を照射する。この場合、下部ヘッド２３０の対応する位置に受光素子を備えた検出器が搭載され、各波長の赤外光を受光する。もちろん、半導体光源ユニット１００は、色センサ、厚さセンサ、坪量センサ等の光源としてシート状対象物測定装置２００に搭載して使用することもできる。

シート状対象物測定装置２００は、一般に、高温下で使用されるが、本実施形態の半導体光源ユニット１００は、半導体発光素子１０１と放熱器１０２とが断熱筐体１１０に覆われ、空気導入口１１１および排出口１１２が設けられているため、半導体発光素子１０１の熱を、放熱器１０２を介して効率的に放熱することができる。

なお、上記の例では、断熱筐体１１０は、内面反射鏡１０４もすべて含めて覆うようにしていたが、図３に示すように、少なくとも半導体発光素子１０１を搭載した光源パッケージ１０３と放熱器１０２の全体を、外気にさらさないように密閉を保つ状態で覆うようにしてもよい。内面反射鏡１０４の出射口を断熱筐体１１０で覆わない場合は、断熱筐体１１０の下面を半導体発光素子１０１の発光波長での透過率が高い部材で構成する必要はなく、上面、側面と同じ部材で構成することができる。

また、半導体発光素子１０１と放熱器１０２との間にペルチェ素子等の電子冷却素子を配置するようにしてもよい。この場合、半導体発光素子１０１の近傍に温度センサを設置し、温度に応じて電子冷却素子の動作を制御することで、導入口１１１から導入する空気の温度変化等によらず、半導体発光素子１０１の温度を一定に保つことが可能となる。

また、半導体光源ユニット１００を図２に示したシート状対象物測定装置２００に用いた場合、下部ヘッド２３０に搭載される検出器に本発明を適用することができる。

例えば、図４に示すように、受光素子３０２を搭載した検出器３０１に放熱器３０３を取り付け、略直方体形状の断熱筐体３１０で検出器３０１と放熱器３０３とを覆うようにする。このとき、検出器３０１と放熱器３０３とが外気にさらされないように密閉を保つ状態とする。そして、断熱筐体３１０には、冷却空気を導入する導入口３１１と、空気を排出する排出口３１２とを設けるようにする。受光素子３０２の場合、発熱量は小さいが、温度による熱雑音の影響が大きいため、このような冷却構造とすることでＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。なお、断熱筐体３１０は、円筒状等、他の形状であってもよい。

また、図５に示すように排出口１１２を導入口１１１よりも大きな口径とし、導入口１１１から、圧縮させた少量の空気を高速に流入させるようにしてもよい。これにより、導入口１１１から流入する空気が断熱筐体１１０に入ったところで断熱膨張することになるため、一層の冷却効果を期待することができる。

１００…半導体光源ユニット、１０１…半導体発光素子、１０２…放熱器、１０３…光源パッケージ、１０４…内面反射鏡、１１０…断熱筐体、１１１…導入口、１１２…排出口、２００…シート状対象物測定装置、２１０…フレーム、２２０…上部ヘッド、２３０…下部ヘッド、３０１…検出器、３０２…受光素子、３０３…放熱器、３１０…断熱筐体、３１１…導入口、３１２…排出口、４００…紙、５００…半導体光源ユニット、５１０…内面反射鏡、５２０…発光素子、５３０…基盤、５４０…検出器、５４２…受光素子、６１０…半導体光源、６２０…放熱器、６３０…空気層、６４０…通気口

Claims (6)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子の熱が伝わる放熱器と、
   空気の導入口と排出口とが設けられ、前記半導体発光素子と前記放熱器とを外気にさらさない状態で覆うための断熱筐体と、
   を備えたことを特徴とする半導体光源ユニット。
2. 前記半導体発光素子の出射光を入射し、光線角度を整えて出射する内面反射鏡をさらに備え、
   前記断熱筐体は、前記半導体発光素子と前記放熱器とに加え、前記内面反射鏡を外気にさらさない状態で覆うためのものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光源ユニット。
3. 前記断熱筐体の前記内面反射鏡の出射側の面は、前記半導体発光素子の出射光を透過させる部材で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体光源ユニット。
4. 前記排出口は前記導入口よりも大きな口径であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光源ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光源ユニットを搭載したシート状対象物測定装置。
6. 前記半導体発光素子の出射光を受光する受光素子と、
   前記受光素子の熱が伝わる第２の放熱器と、
   空気の導入口と排出口とが設けられ、前記受光素子と前記第２の放熱器とを外気にさらさない状態で覆うための第２の断熱筐体と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載のシート状対象物測定装置。