JP4318663B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とする照明装置であって、製品検査用や植物育成用の照明器として好適に用いられるものに関する。

近時、パワーＬＥＤと称される高輝度ＬＥＤや青色ＬＥＤ等が開発されるに伴い、ＬＥＤの用途が大きく拡大しつつある。またそれに応じてＬＥＤの光を無駄なく前方に導く光照射装置も種々開発されてきている。例えば、特許文献１には、ＬＥＤから射出された光をできるだけ無駄なく透明ロッド等のライトガイドに導くための光学カプラーが開示されている。この光学カプラーは透明中実な椀状のボディを備えており、ＬＥＤから出た光が、ボディの湾曲側面で全反射し、あるいは直接、ボディの先端面から射出される。一方、ボディの先端面は平坦になっていて、その先端面をライトガイドの光導入面に密着接続し、ＬＥＤから出る略全ての光がライトガイドに導入されるように構成してある。

これらの光照射装置では、ＬＥＤと光学ユニットとは別個の部品として分離しており、ＬＥＤは光学ユニットのボディの基端面に設けられた凹部に配設されている。このため、ＬＥＤにはＬＥＤ素子を保護するために透明中実な樹脂カバーが設けられている。
特開２００３−２２７９７４号公報

ところが、ＬＥＤと光学ユニットとが分離していると、成形工程数や部品点数がそれだけ多くなり、それに伴い組立工程数も多く、コストがかさむものとなる。

また、従来一体モールドタイプのＬＥＤも知られているが、図８に示すように、これらは砲弾型のレンズを有するものであるので、できるだけ多くの光を前方に導くために、ＬＥＤの後方に金属リフレクタＲを使用する場合がある。しかし、リフレクタＲを使用して前方に導出された光は拡散してしまい、ＬＥＤが点光源にならずに面光源となってしまう。また、リフレクタＲを使用すると前方に導出された光の照度が不均一になり光ムラの原因となる。このため、従来の一体モールドタイプのＬＥＤは、スポット照明としては不適当であり、照射効率も充分ではない。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、光を効率的に前方に射出するとともに、成形工程数や部品点数が少なく、組立作業性が向上し、コストを低減することができる光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る光照射装置は、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子に電気的に接続された複数のリードと、光学ユニットとを備えているものであって、前記光学ユニットが、ボディと、前記ボディの基端に連続して形成されたリード保持部とからなり、前記ボディが、光軸を中心とし、基端から先端に向かって末広がりな形状をなす中実透明体であって、側面に形成された前記ＬＥＤ素子からの光をボディ内方へ反射する側周面と、先端に形成された前記ＬＥＤ素子からの光を外部に射出する先端面とを備えており、前記光学ユニットは、前記ＬＥＤ素子と前記リードとを内包した状態で一体として成形してあることを特徴とする。

このようなものであれば、ＬＥＤ素子と光学ユニットとが一体化しているので、成形工程数や部品点数が少なく、組立作業性が向上し、コストを低減することができる。そして、部品点数が少ないので照明装置のコンパクト化を図ることもできる。

また、光を効率的に前方に射出することができるので、従来公知の一体モールドタイプのＬＥＤとは異なり、後方にリフレクタを配置する必要がない。

植物育成やスポット照明等に適用して本発明の効果が特に顕著に奏される具体的な実施態様としては、前記ＬＥＤ素子が２００ｍＡ以上の電流を連続して流すことのできるパワーＬＥＤ素子であることが好ましく、このような場合には、前記ＬＥＤ素子から発生した熱を外部に放出するための放熱用リードを備えていることが好ましい。

本発明に係る光照射装置から射出される光の角度を変化させたいときには、前記リード保持部は、その基端面の一部を傾斜させていることが好ましい。

本発明に係る光照射装置は、例えば、複数の型を使用して成形することができ、このような成形法としては、トランスファー成形法を例示することができる。

前記光学ユニットのボディを回転体形状とすることにより、光学ユニットの側周面においてより高い反射効率を得ることが可能となる。

しかして、本発明によれば、成形工程数や部品点数が少なくできるので、組立作業性が向上し、コストを低減することができる。また、照明装置のコンパクト化を図ることができる。更に、従来公知の一体モールドタイプのＬＥＤに必要であった後方の金属リフレクタを排除することができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光照射装置１は、図１に示すように、光源であるＬＥＤ素子２と、前記ＬＥＤ素子２に電気的に接続されたアノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂと、前記ＬＥＤ素子２から射出される光を受光して、先端部から射出する光学ユニット４を備えたものである。

各部を詳述する。ＬＥＤ素子２は砲弾型ＬＥＤ等に使用される通常型のＬＥＤ素子である。

アノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂは、導電性の材質からなるものであり、必要に応じて折り曲げられている。

光学ユニット４は、基端面４ａから先端面４ｂに向かうに連れ徐々に輪郭断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明なボディ４１を有するもので、その中心軸がＬＥＤ素子２の光軸Ｃと合致するように構成されている。

ボディ４１の基端面４ａ近傍には、前記ＬＥＤ素子２が内包されている。なお、ＬＥＤ素子２が直接光学ユニット４に内包され一体として成形してあることにより、光学ユニット４の基端に凹部を設けて、そこにＬＥＤをはめ込む場合とは異なり、光の損失がない。

ボディ４１の先端面４ｂには、中央に行くほど徐々に凹む湾曲面を設けて凹レンズ部４４を形成するとともに、この先端面４ｂの中央部には、概略円柱状をなす凹部４３（以後、先端凹部４３という）を設けている。そして、この先端凹部４３の底面４３ａの略全体を先端面４ｂ側に向かって膨らませ、凸レンズ部として機能させるとともに、この先端凹部４３の側面４３ｂを先端面４ｂ側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としている。

ボディ４１の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した側周面４５が設けてある。

しかして本実施形態では、前記ＬＥＤ素子２から射出された光のうち、先端凹部４３の底面（凸レンズ部）を屈折しつつ通過する光、すなわち光軸とのなす角度が所定角度以内の光である第１の光の略全てが、先端凹部４３内をその側面４３ｂに略干渉しないように進んで外側に拡がる光として射出されるように構成している。

一方、前記ＬＥＤ素子２から射出された光のうち、先端凹部４３の底面（凸レンズ部）を通過しない光、すなわち光軸Ｃとのなす角度が前記所定角度を超える光である第２の光の略全てが、前記ボディ側周面４５で内向きに全反射され、前記凹レンズ部４４を外向きに屈折しつつ通過して外側に拡がる光として射出されるように構成している。

そして、前記光学ユニット４から所定距離離れた光照射エリア（図示しない）において、前記第１の光と第２の光との境界近傍での照度が略均一になり、光照射エリア全体としての照度の均一度が所定範囲内に保たれるようにしている。

更に、光学ユニット４は、ボディ４１の基端から連続させて一体に円柱状をなすリード保持部４２を備えている。このリード保持部４２は、ＬＥＤ素子２に電気的に接続されたアノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂを内包した状態でこれらと一体として成形（モールド）してある。

リード保持部４２の基端面からは、各リード３ａ及び３ｂが更に外部に延長させてあり、その延長部分を例えば基板（図示しない）のスルーホールに嵌め入れ半田付けすることにより、この光照射装置１を当該基板上に起立させて取り付けることができる。

このように構成した本実施形態によれば、均一な照度で効率的に前方に光を照射することができるので、従来の一体モールドタイプのものやカンステムタイプのＬＥＤがその後方に金属リフレクタを配置することが必要であったのに対して、本発明ではそのような金属リフレクタは不要である。

更に、ＬＥＤ素子と光学ユニットとが一体化しているので、成形工程数や部品点数が少なく、組立作業性が向上し、コストを低減することができる。また、部品点数が少ないので照明装置のコンパクト化を図ることができる。そしてこのことにより、例えば多数の光照射装置１をプリント基板上に並べ設けるといったことも容易にできる。

かかる光照射装置１は、例えば、２個の型を使用して成形することができ、このような成形法としてはトランスファー成形法等を例示することができる。トランスファー成形法は、配合した樹脂組成物を注入式金型のシリンダー中に置き、これを圧入孔を通じて密閉した型のキャビテイ中に圧入し、成形加硫する方法であり、形状の複雑なものの成形や金属部材との加硫接着に適している。

本発明に係る光照射装置をトランスファー成形法により成形することにより、バリが少なく、内包するＬＥＤ素子やリード等のインサートを損なうことがなく、寸法精度の高いものを得ることができる。また、多数個取りが可能であるので生産性に優れ、コスト低減を図ることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図２、図３及び図４に示すように、放熱用リード５を使用するとともに、ＬＥＤ素子２として、２００ｍＡ以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーＬＥＤ素子と称される面実装タイプのものを使用してもよい。なお、図２以降、前記実施形態に対応するものには同一の符号を図中に付すこととする。

パワーＬＥＤ素子２は、例えば表面実装型の非常に小さい矩形ブロック状をなすもので、ＰＮ接合構造をなし、一方の半導体層（例えばＰ層）２１１の底面に、極めて薄い（数十μｍ）他方の半導体層（例えばＮ層）２１２を設けてなり、例えば、窒化アルミニウムなどの熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料で形成された図示しないスペーサに搭載されている。一般的にＬＥＤは、Ｐ層とＮ層との境界部分が発光し、かつその部分で発熱も生じるが、このＬＥＤ素子２は、通常のＬＥＤ素子に比べ消費電力や発生熱量が多いことから、放熱を効率よく行うため、通常のＬＥＤ素子とは逆に、前記境界部分に近い面、すなわちこの実施形態では底面を、スペーサ側に密着させる接合面にしている。

当該実施形態では、光学ユニット４のリード保持部４２はアノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂとともに放熱用リード５を保持し内包している。

放熱用リード５は、その先端がボディ４１の基端面４ａ近傍に内包されたＬＥＤ素子２と接するように配置してある。そして、放熱用リード５の基端はリード保持部４２の基端面から突出し、基板２２に接している。なお、放熱用リード５は、例えば、銅などの熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料で形成されている。

アノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂは、それぞれワイヤＷを介して前記ＬＥＤ素子２のＰ層２１１及びＮ層２２２に接続しており、リード保持部４２の基端面から更に外部に延長させてある。

そして、放熱用リード５の基端をクリーム半田により基板２２の所定箇所２２２に固定してから、アノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂの延長部分を基板２２のスルーホール２２１に嵌め入れ半田付けすることにより、この光照射装置１を当該基板上に起立させて取り付けることができる。

また、図５に示す光学ユニット４では、リード保持部４２はその基端面に平行になるようにアノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂを保持し内包している。各リード３ａ及び３ｂは、その一端はリード保持部４２の側面から外部に突出しており、他端はそれぞれワイヤＷを介して前記ＬＥＤ素子２のＰ層２１１及びＮ層２２２に接続している。そして、各リード３ａ及び３ｂを基板上（図示しない）に形成された正負が対となる配線パターンに対して半田等により電気的に接続することにより、この光照射装置１を当該基板上に起立させて取り付けることができる。

また、例えば、図６に示すように、リード保持部４２の基端面は複数の異なる傾きを有する面からなっていてもよい。具体的には、リード保持部４２の基端面は、アノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂが並ぶ方向と略一致する境界線を境にして、その一方の面を、光軸Ｃに垂直な軸垂直面４２１とし、他方の面を、軸垂直面４２１に対して傾斜した傾斜面４２２としている。

このようなものであれば、光照射装置１を基板上に取り付けるに際して軸垂直面４２１が基板に接するようにしてもよいが、必要に応じて傾斜面４２２が基板に接するように傾けた状態で光照射装置１を基板上に取り付けることもでき、これにより、適宜射出光の角度を変えることができる。更に、リード保持部４２の長さと傾斜面４２２の角度を適宜変えることにより、射出光の角度を自在に変化させることができる。

また、図６に示す実施形態において、傾斜面４２２はアノード用リード３ａ及びカソード用リード３ｂが並ぶ方向と略一致する境界線の片側にのみ設けてあるが、当該境界線を挟んだ両側に傾斜面４２２を設けてもよい。その場合、両側の傾斜面４２２は境界線を挟んで対称なものであってもよく、異なる角度で傾斜したものであってもよい。また、軸垂直面４２１を設けず、リード保持部４２の基端面全面を光軸Ｃに垂直でない連続した傾斜面４２２としてもよい。

また、図７に示すように、ボディ先端面４ｂは、その中央部を膨出させてなる中央凸レンズ部４６が形成してあり、この中央凸レンズ部４６の周囲に、それとは異なる曲率のリング状凸レンズ部４７が形成してある形状であってもよい。

本発明においては、光学ユニットの各凸レンズ部にフレネルレンズ構造を採用してもよいし、各凹部の側面を湾曲させてレンズ面としてもよい。

更に前記実施形態におけるボディ側周面４５では、光学ユニットと外気との屈折率差を利用して光を全反射させていたが、例えばボディ側周面４５に金属薄膜等を蒸着する等してミラー面を形成し、光を反射するようにしてもよい。

また、ボディ４１の形状は、基端から先端に向かう末広がりの形状であれば特に限定されないが、回転体形状とすることにより、その側周面４５において高い反射効率を得ることができる。更に、側周面４５の形状は、例えば、断面輪郭が直線状や、円弧状であってもよい。

その他、本発明は前記実施形態等に限られないし、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

このように本発明によれば、コンパクトな構成で、組立作業性が向上し、コストを低減することができる。また、光を効率的に前方に射出することができる。したがって製品検査用や植物育成用の照明器に極めて好適なものとなる。

本発明の一実施形態における光照射装置の模式的全体断面図。 本発明の他の実施形態における光照射装置の模式的全体断面図。 同実施形態における光照射装置の分解斜視図。 同実施形態におけるパワーＬＥＤ素子を示す拡大部分縦断面図。 本発明の更に他の実施形態における光照射装置の模式的全体断面図。 本発明の更に他の実施形態における光照射装置のＡ−Ａ’線における模式的全体断面図。 本発明の更に他の実施形態における光照射装置の模式的全体断面図。 従来の一体モールドタイプのＬＥＤを示す模式的全体断面図。

符号の説明

１…光照射装置
２…ＬＥＤ素子
３ａ、３ｂ…リード
４…光学ユニット
４１…ボディ
４２…リード保持部
４５…側周面
４ｂ…先端面

Claims (3)

1. ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子に電気的に接続されており、基板に形成されたスルーホールに嵌入される複数のリードと、前記ＬＥＤ素子に電気的に接続されておらず、前記リードより径が大きい円柱状をなし、その先端面が前記ＬＥＤ素子と接し、その基端面が基板に接するように構成してあり、前記ＬＥＤ素子から発生した熱を外部に放出する放熱用リードと、光学ユニットとを備えている光照射装置であって、
   前記ＬＥＤ素子が、２００ｍＡ以上の電流を連続して流すことのできるパワーＬＥＤ素子であり、
   前記光学ユニットが、ボディと、前記ボディの基端に連続して形成されたリード保持部とからなり、
   前記ボディが、光軸を中心とし、基端から先端に向かって末広がりな形状をなす中実透明体であって、側面に形成された前記ＬＥＤ素子からの光をボディ内方へ反射する側周面と、先端に形成された前記ＬＥＤ素子からの光を外部に射出する先端面とを備えており、
   前記光学ユニットは、前記ＬＥＤ素子と前記リードとを内包した状態で一体として成形してあることを特徴とする光照射装置。
2. 複数の型を使用して成形されたものである請求項１記載の光照射装置。
3. 前記ボディは、回転体形状をなすものである請求項１又は２記載の光照射装置。