JP2020123652A

JP2020123652A - 照明装置

Info

Publication number: JP2020123652A
Application number: JP2019014221A
Authority: JP
Inventors: 康介那須; Kosuke Nasu; 拓矢小林; Takuya Kobayashi
Original assignee: Kyoto Denkiki Co Ltd
Current assignee: Kyoto Denkiki Co Ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-13

Abstract

【課題】被照射面上において高い照度を得ることのできる照明装置を提供する。【解決手段】照明装置１は、Ｙ軸方向に配列された複数個の光源ユニット３を備え、各光源ユニット３は、Ｙ軸方向に垂直なＸ軸方向に延びるＬＥＤ列と、ＬＥＤ列と対向配置された集光レンズ６と、を備え、ＬＥＤ列はＸ軸方向に配列された複数個のＬＥＤ５１を有する。複数個の光源ユニット３は、第１の光源ユニットと、第２の光源ユニットと、を含み、図２に示す断面視において、第１の光源ユニットの光軸Ｃ２は被照射面Ｗａ上に位置する任意の点Ｐに向かって延び、第２の光源ユニットの光軸Ｃ２は第１の光源ユニットの光軸に対して傾斜し任意の点Ｐに向かって延びる。【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置に関する。

紫外線を照射してワークに塗布された紫外線硬化樹脂や紫外線硬化型インキを硬化させるための照明装置が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。従来、このような照明装置の光源には高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等が用いられていたが、紫外線ＬＥＤ（ＵＶ−ＬＥＤ）の性能向上に伴い、光源は紫外線ＬＥＤに置き換わりつつある。しかしながら、紫外線ＬＥＤの光束（放射束）はまだ１Ｗ程度と小さく、用途によっては紫外線硬化樹脂や紫外線硬化型インキを硬化させるだけの十分なエネルギーが得られないことがあった。そこで、図７に示す様に、Ｘ軸方向に延びるＬＥＤ列１０５をＹ軸方向に複数列配置させることにより、単一のＬＥＤ列１０５を用いたものよりも放射照度を上げたものが提案されている。

また、ＬＥＤは耐用年数が長いことで知られるが、やはり経年劣化は生じ、使用年数が長くなれば光の強度は減衰してしまう。しかし、この場合であってもＬＥＤへの供給電力を上げれば光の強度は増大する。そこで、ＬＥＤから発せられる光の強度を光センサで検出し、検出した光の強度が所定値に達しない場合にはＬＥＤへの供給電力を上げて光の強度を調整する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−２５５５６５号公報特開２００８−１０２１４１号公報

上述したように、並列配置するＬＥＤ列の本数を増やせば放射照度は上がる。しかしながら、ＬＥＤ列の本数が所定数を超えると、それ以上は放射照度は増えていかない。例えば、図７に示す構成において、Ｙ軸方向及びＸ軸方向における紫外線ＬＥＤ１５１間のピッチＰｙ，Ｐｘを４ｍｍ、各ＬＥＤ列１０５に含まれる紫外線ＬＥＤ１５１の個数を２５０個とした場合、紫外線ＬＥＤ１５１から１００ｍｍ離れた被照射面における最大照度（最大放射照度）とＬＥＤ列１０５の本数との関係を図８に示す。図８から理解されるとおり、ＬＥＤ列１０５が４５本のときに１０Ｗ／ｃｍ^２で放射照度が飽和している。このことは、紫外線ＬＥＤ１５１以外のＬＥＤ（例えば白色ＬＥＤ等）を用いた場合においても同様であり、ＬＥＤ列の本数が所定数に達すると照度は飽和する。
また、照明装置の構成によっては光センサの設置場所が問題になっていた。

そこで本発明は、高い照度を得ることのできる照明装置の提供を目的とする。
また、本発明は光の強度を検出可能な照明装置の提供を他の目的とする。

本発明にかかる照明装置は、Ｙ軸方向に配列された複数個の光源ユニットを備え、各光源ユニットは、前記Ｙ軸方向に垂直なＸ軸方向に延びるＬＥＤ列と、前記ＬＥＤ列と対向配置された集光レンズと、を備え、前記ＬＥＤ列は前記Ｘ軸方向に配列された複数個のＬＥＤを有し、前記集光レンズは前記ＬＥＤ列と平行に延び、前記複数個の光源ユニットは、第１の光源ユニットと、第２の光源ユニットと、を含み、前記Ｘ軸方向に垂直であって前記Ｙ軸方向に平行な断面視において、前記第１の光源ユニットの光軸は被照射面上に位置する任意の点に向かって延び、前記第２の光源ユニットの光軸は前記第１の光源ユニットの光軸に対して傾斜し前記任意の点に向かって延びる。

また、本発明にかかる照明装置は、所定方向に延びるＬＥＤ列と、前記ＬＥＤ列と対向配置された集光レンズと、光センサと、を備え、前記ＬＥＤ列は前記所定方向に配列された複数個のＬＥＤを有し、前記集光レンズは前記ＬＥＤ列と平行に前記所定方向に沿って延び、前記光センサは、前記複数個のＬＥＤから発せられて前記集光レンズの外周面から前記集光レンズに入射した光のうち、前記集光レンズの端面から漏れ出た光を受光する。

本発明にかかる照明装置によれば、断面視において、前記第１の光源ユニットの光軸は被照射面上に位置する任意の点に向かって延び、前記第２の光源ユニットの光軸は前記第１の光源ユニットの光軸に対して傾斜し前記任意の点に向かって延びるので、第１の光源ユニットからの光と前記第２光源ユニットからの光は被照射面上で重なりあうことになり、被照射面を高い照度で照明することができる。

また、本発明にかかる照明装置によれば、集光レンズの端面から漏れ出た光を光センサで受光するので、集光レンズの外周面から被照射面に向けて出射される光を邪魔することなく光源ユニットからの光の強度を検知することができる。

本発明の実施形態に係る照明装置を、ワークを搭載するベルトコンベアに対向させて設置した状態を示す概略斜視図。図１のＩＩーＩＩ線概略断面図。図１に示す照明装置が備える光源ユニットを示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部拡大斜視図。（ａ）は図３（ａ）のＩＶａーＩＶａ断面図、（ｂ）は（ａ）の分解図。本発明の実施例における光路のシミュレーション結果を示す図。本発明の実施例におけるＬＥＤ列の本数と放射照度との関係を示すグラフ。従来の照明装置におけるＬＥＤ配置を示す概略図。従来の照明装置におけるＬＥＤ列の本数と放射照度との関係を示すグラフ。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態に係る照明装置について説明する。図１及び図２を参照して、本実施形態の照明装置１はライン光照射装置であって、下側に開口部２ａを有する筐体２と、筐体２に収容保持された複数個（図２に示す例では５個）の光源ユニット３と、図示しない制御部と、を備え、例えばベルトコンベアＢに搭載されて所定の搬送方向（Ｙ軸方向）に搬送されるワークＷに上方から光Ｌをライン状に照射する。

図３をも参照して、各光源ユニット３は、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向に延びる長尺状のプリント基板４と、プリント基板４に配設されたＬＥＤ列５と、ＬＥＤ列５と間隔を空けて対向配置された集光レンズ６と、保持部材７と、光センサ８と、を備える。ＬＥＤ列５は、Ｘ軸方向に沿って直線状に等間隔で配列された複数個のＬＥＤ５１を有する。集光レンズ６はＸ軸方向に延びる長尺状のレンズ部材であって、本実施形態では集光レンズ６として中実の透明円柱形状を有するロッドレンズを用い、その中心軸（レンズ中心軸）Ｃ１がＬＥＤ５１の光軸上に位置するように位置決めされている。

保持部材７は、プリント基板４を支持する基板支持部７１と、基板支持部７１のＸ軸方向両側に位置する一対のレンズホルダ７２，７３と、を有する。基板支持部７１は平坦面７１ａを有し、この平坦面７１ａにプリント基板４が装着されている。レンズホルダ７２，７３のＸ軸方向内面７２ａ，７３ａには円形状の収容凹部７２ｂ，７３ｂが設けられており、集光レンズ６は、そのＸ軸方向両端部が収容凹部７２ｂ，７３ｂに挿入された状態でレンズホルダ７２，７３に保持される。本実施形態においては、各レンズホルダ７２，７３は第１ホルダ部７２Ａ，７３Ａと第２ホルダ部７２Ｂ，７３Ｂとを有し、第２ホルダ部７２Ｂ，７３Ｂは第１ホルダ部７２Ａ，７３Ａに対して着脱自在とされ、これにより照明装置１の組立て容易性を確保しているが、レンズホルダ７２，７３はそれぞれ一体形成されたものであっても良い。

また、図４に示すように、一方のレンズホルダ７２のＸ軸方向外面７２ｃには収容凹部７２ｄが設けられ、収容凹部７２ｂの底面（収容凹部７２ｂと収容凹部７２ｄとを仕切る壁部）７２ｅにはＸ軸方向に延びる導光孔７２ｆが貫通して設けられ、収容凹部７２ｂと収容凹部７２ｄとは導光孔７２ｆを介して連通している。

光センサ８は、センサ基板８１と、センサ基板８１に搭載された受光部８２と、を有し、受光部８２が導光部７２ｆを介して集光レンズ６の端面６ａと対向するようにレンズホルダ７２に装着されている。そして、受光部８２に届いた光は電気信号に変換されて制御部（図示せず）へ入力される。

かかる構成において、複数個のＬＥＤ５１から発せられた光は集光レンズ６の外周面から集光レンズ６に入射し、その大部分は集光レンズ６により集光されてワークＷ上の被照射面ＷａをＸ軸方向に延びるライン状に照明する。また、集光レンズ６に入射した光の一部は集光レンズ６の端面６ａから漏れ、このように漏れた光の一部は導光孔７２ｆを介して光センサ８（光センサ８の受光部８２）に届く。光センサ８に届いた光は電気信号に変換され、センサ値として制御部に入力される。制御部は、光センサ８からのセンサ値に基づいて光源ユニット３からの光量が十分か否かを検出し、光量が十分でない場合には光源ユニット３（ＬＥＤ５１）への供給電力を上げる。なお、光量に基づいてＬＥＤ５１への供給電力を調整する構成は公知であるので詳細な説明は省略する。

このように、本実施形態の照明装置１によれば、集光レンズ６の端面６ａから漏れ出す光を光センサ８で受光するように構成したので、光センサ８が集光レンズ６の外周面から被照射面Ｗａに向けて出射された光を邪魔することがない。また、制御部は光センサ８が受光した光量に基づいて光源ユニット３（ＬＥＤ５１）への供給電力を調整するので、例えばＬＥＤ５１が経年劣化等して光源ユニット３からの光量が低下した場合には、光源ユニット３への供給電力を調整して光源ユニット３からの光量を所定値に維持することができる。

次に、光源ユニット３の配置について図２を参照して説明する。図２に示すように、光源ユニット３は、集光レンズ６が被照射面ＷａとＬＥＤ５１の間に位置すると共に、複数個の集光レンズ６がＹ軸方向に沿って直線状に並ぶように配置される。また、光源ユニット３は、図２に示す断面視（Ｘ軸方向に垂直でＹ軸方向に平行な断面視）において、これらの光軸Ｃ２が被照射面Ｗａ上に位置する任意の点Ｐに向かって相互に傾斜して延びるように配置される。

そして、ｉ番目（例えば、図２の紙面右側から数えてｉ番目）の光源ユニット３の傾き角度θ_ｉは、次のようにして求めることができる（図２には紙面右側から数えて１番目（ｉ＝１）の場合を例示している）。ここで、「光源ユニット３の傾き角度」とは、仮想中心線Ｃ３に対するｉ番目の光源ユニット３の光軸Ｃ２の傾き角度を意味する。また、仮想中心線３Ｃは、点Ｐを通り被照射面Ｗａに対して垂直に延びる線をいう。そして、ｉ番目の光源ユニット３のレンズ中心軸Ｃ１から仮想中心軸Ｃ３までの距離（Ｙ軸方向における距離）をＤ_ｉ、当該レンズ中心軸Ｃ１から被照射面Ｗａまでの距離をＤＲとすると、ｉ番目の光源ユニット３の傾き角度θ_ｉは
θ_ｉ＝ｔａｎ^−１（Ｄ_ｉ／ＤＲ）・・・式１
となる。なお、本実施形態では全てのレンズ中心軸Ｃ１はＹ軸方向（ワークＷの搬送方向）に沿って直線状に配列されていることから、レンズ中心軸Ｃ１から被照射面Ｗａまでの距離ＤＲは全ての光源ユニット３において同一となる。

より具体的に説明すると、図２の例では、紙面右側から数えて３番目（ｉ＝３）の光源ユニット３のレンズ中心軸Ｃ１は仮想中心線Ｃ３上に位置している。そして、レンズ中心軸Ｃ１から被照射面Ｗａまでの距離ＤＲが１２３．５ｍｍであり、全ての集光レンズ６が２１ｍｍ間隔の等ピッチで配置されている場合、紙面右側から数えて２番目〜４番目（ｉ＝２〜４）の光源ユニット３の傾き角度θ_ｉはそれぞれ次のようになる。

まず、２番目の光源ユニット３については、レンズ中心軸Ｃ１から仮想中心線Ｃ３までの距離Ｄ_ｉ＝２は＋２１ｍｍであるから、２番目の光源ユニット３の傾き角度θ_ｉ＝２は式１より９．６５°となる。また、３番目の光源ユニット３については、レンズ中心軸Ｃ１から仮想中心線Ｃ３までの距離Ｄ_ｉ＝３は０ｍｍであるから、３番目の光源ユニット６の傾き角度θ_ｉ＝３は式１より０°となる。更に、４番目の光源ユニット４については、レンズ中心軸Ｃ１から仮想中心線Ｃ３までの距離Ｄ_ｉ＝４はー２１ｍｍであるから、４番目の光源ユニット３の傾き角度θ_ｉ＝４は式１より−９．６５°となる。

なお、レンズ中心軸Ｃ１から被照射面Ｗａまでの距離ＤＲは、筐体２の開口部２ａから被照射面Ｗａまでの距離（ワークディスタンス）ＷＤや集光レンズ６の直径等に応じて予め決められている。また、ＬＥＤ５１からレンズ中心軸Ｃ１までの距離ＤＬは全ての光源ユニット３において共通であり、仮想中心線Ｃ３上に配置された光源ユニット３から発せられた光の照度が被照射面Ｗａ上において高くなるように（好ましくは最大となるように）、予め設定しておく。

かかる構成において、各々の光源ユニット３から発せられた光は被照射面Ｗａ上で重なり合い、被照射面Ｗａを高い照度で照明することができる。

［実施例］
本実施形態の照明装置１において、ＬＥＤ列５（光源ユニット３）を１１本並べた場合における光路のシミュレーション結果を図５に示す。また、本実施形態の照明装置１において、ＬＥＤ列５の本数と被照射面Ｗａ上に位置する点Ｐにおける照度（放射照度）との関係を図６のグラフに示す。なお、集光レンズ（ロッドレンズ）６の直径は２０ｍｍであり、Ｘ軸方向におけるＬＥＤ５１間のピッチは４ｍｍである。また、全ての集光レンズ６がＹ軸方向に２１ｍｍ間隔の等ピッチで並ぶように配置し、ワークディスタンスＷＤは１００ｍｍとした。ＬＥＤ５１には紫外線ＬＥＤを用いた。図８に示す従来のものと比較して高い放射照度を達成できていることが確認できた。

以上、本発明の実施形態に係る照明装置について添付の図面を参照して説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形、修正が可能である。

例えば、上記実施形態においては、集光レンズ６がＹ軸方向に直線状に並ぶように複数個の光源ユニット３を配置したが、本発明はこれに限定されず、例えば、集光レンズ６が点Ｐを中心とする円弧上に位置するように配置することもできる。この場合、レンズ中心軸Ｃ１から被照射面Ｗａまでの距離ＤＲは光源ユニット３毎に異なる。

また、Ｙ軸方向における集光レンズ６間のピッチは必ずしも一定である必要はない。更に、必ずしも仮想中心軸Ｃ３上に光源ユニット３を配置する必要はなく、仮想中心軸Ｃ３上に光源ユニット３を配置しなくても良い。また、図２に示す例では複数個の光源ユニット３が仮想中心軸Ｃ３を中心に線対称となる様に配置されているが、光源ユニット３の配置は必ずしも線対称である必要はない。
更に、集光レンズ６はロッドレンズに限定されず、シリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズなど、他の集光レンズを用いることもできる。

上記実施形態においては、各光源ユニット３に光センサ８を設けたが、必ずしも全ての光源ユニット３に光センサ８を設ける必要はなく、例えば任意の１個又は複数個の光源ユニット３に光センサ８を設けても良く、少なくとも１個の光源ユニット３に設ければ良い。

ワークＷは図１に示す様なベルトコンベアＢに搭載されて搬送されるものに限定されず、例えば連続的に搬送されるシート状物であってもよく、照明装置１も紫外線硬化用の紫外線を照射させるものに限定されず、例えば品質検査用の検査光を照射するものであっても良い。ＬＥＤ５１は、紫外線ＬＥＤに限定されず、白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤外ＬＥＤ等、その種類を問わない。センサ８についても、白色光、赤色光、青色光、緑色光、赤外光等、使用するＬＥＤ５１の種類に応じた光を検出するものを選択して使用すれば良い。

上記実施形態では、照明装置１はライン光照射装置としたが、集光レンズ６の端面６ａから漏れ出す光を光センサ８で受光してＬＥＤ５１への供給電力を調整する構成については、ライン光照射装置以外の照明装置にも応用できる。

１照明装置
３光源ユニット
４プリント基板
５ＬＥＤ列
６集光レンズ
８光センサ
５１ＬＥＤ
７２，７３レンズホルダ
７２ｆ導光孔
８２受光部
Ｗワーク
Ｗａ被照射面
Ｐ点
Ｃ１中心軸（レンズ中心軸）
Ｃ２光軸
Ｃ３仮想中心線

Claims

Ｙ軸方向に配列された複数個の光源ユニットを備え、
各光源ユニットは、前記Ｙ軸方向に垂直なＸ軸方向に延びるＬＥＤ列と、前記ＬＥＤ列と対向配置された集光レンズと、を備え、前記ＬＥＤ列は前記Ｘ軸方向に配列された複数個のＬＥＤを有し、前記集光レンズは前記ＬＥＤ列と平行に延び、
前記複数個の光源ユニットは、第１の光源ユニットと、第２の光源ユニットと、を含み、
前記Ｘ軸方向に垂直であって前記Ｙ軸方向に平行な断面視において、前記第１の光源ユニットの光軸は被照射面上に位置する任意の点に向かって延び、前記第２の光源ユニットの光軸は前記第１の光源ユニットの光軸に対して傾斜し前記任意の点に向かって延びることを特徴とする照明装置。
前記第１及び第２の光源ユニットにおいて、前記任意の点を通り前記被照射面に対して垂直に延びる仮想中心線から前記集光レンズの中心軸までの距離をＤ、前記中心軸から前記被照射面までの距離をＤＲ、前記仮想中心線に対する前記光軸の傾き角度をθとした場合、以下の数式が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ／ＤＲ）
前記複数個の光源ユニットが備える複数個の前記集光レンズは前記Ｙ軸方向に沿って一列に並び、前記被照射面から各集光レンズまでの距離は等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
各光源ユニットは、前記集光レンズを保持するレンズホルダを備え、
前記複数個の光源ユニットのうち少なくとも１個の光源ユニットは光センサを更に備え、
前記少なくとも１個の光源ユニットにおいて、前記複数個のＬＥＤから発せられた光は前記集光レンズの外周面から前記集光レンズに入射して前記被照射面へ向けて出射され、前記集光レンズの外周面から前記集光レンズに入射した光の一部は前記集光レンズの端面から出射されて前記光センサにより受光されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の照明装置。
前記レンズホルダは、前記集光レンズの端部を収容保持する収容凹部を有し、前記収容凹部の底面には導光孔が設けられ
前記光センサは受光部を有し、
前記受光部は前記導光孔を介して前記集光レンズの端面と対向していることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
所定方向に延びるＬＥＤ列と、
前記ＬＥＤ列と対向配置された集光レンズと、
光センサと、を備え、
前記ＬＥＤ列は前記所定方向に配列された複数個のＬＥＤを有し、
前記集光レンズは前記ＬＥＤ列と平行に前記所定方向に沿って延び、
前記光センサは、前記複数個のＬＥＤから発せられて前記集光レンズの外周面から前記集光レンズに入射した光のうち、前記集光レンズの端面から漏れ出た光を受光することを特徴とする照明装置。
前記集光レンズを保持するレンズホルダと、制御部と、を更に備え、
前記光センサは受光部を有し、
前記レンズホルダは、前記集光レンズの端部が挿入保持される収容凹部を有し、
前記収容凹部の底面には導光孔が設けられ、
前記受光部は前記導光孔を介して前記集光レンズの端面と対向し、
前記光センサは、前記受光部で受光した光を電気信号に変換し、センサ値として前記制御部へ出力し、
前記制御部は前記センサ値に基づいて前記複数個のＬＥＤへの供給電力を調整することを特徴とする請求項６に記載の照明装置。