ところで、上述の光照射装置で、LEDや光学系を筐体要素に入れるときには、熱伝導のためにケーシングとLEDの裏面との間に介在する熱伝導部材を入れ、その後、LED、光学系の順で積み上げるように挿入している。そして最後に他方の筐体要素を結合するわけであるが、熱伝導部材とLEDとは互いに面積の小さな部品であり、これらを光学ユニットに先立って中に入れてしまうために、位置合わせが難しいうえ、よしんば位置ずれが起こってもわかりにくく、それを検証できないまま、製品化されることもあり得る。
また、筐体要素同士を回転させて結合するようにしているため、電力供給用のコネクタが装着される筐体要素に、LEDを予め収容するようにしている。他方の筐体要素にLEDを収容すると、筐体要素同士の結合の過程で、コネクタとLEDと間のケーブルがねじれて断線が生じるなど、種々の不具合が考えられることからではあるが、同一の筐体要素にコネクタとLEDとが保持されるには、配線作業上、あまり好ましいものではない。
また筐体要素同士を螺合するため、極端に言えば、回しすぎによって筐体要素同士が近接しすぎ、また同時に回転によって剪断力も作用することから、Oリングに過負荷が作用して千切れたり、逆に回し足りないために、筐体要素同士の十分な結合が図れなかったりするなど、大量に生産する場合には、品質管理が難しいという問題点もある。
さらに、光学ユニットの大きさ、LEDの大きさ(特に、高さ)および加工精度などは誤差範囲内ではあるが、実際の製造過程に影響を及ぼす場合があるため、LEDや光学系などを積み上げるようにした構成の光照射装置では、各部材の累積誤差が生じ(大きくなり)、各光照射装置間相互で押圧力が相違してしまう。この各光照射装置間での押圧力のバラつきにより、品質の安定した光照射装置を提供することが困難な場合が生じるという問題点もある。
そこで本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたものであって、第1筐体要素及び第2筐体要素を結合しケーシングを形成する際に同時に、内部に収容したLED及び光学系の位置決めもしてしまう構造の光照射装置において、組み立て関連作業のさらなる円滑化と、製品としての品質の安定化を図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、前方に光を射出するLEDと、LEDに前側から接近することで当該LEDと互いの軸線を一致させて係合する光学ユニットと、光学ユニット、LED及びLEDの裏面に密着させる熱伝導部材をこの順で内部に挿入するための開口を、後端面に有する筒状の第1筐体要素と、第1筐体要素の開口近傍に係合し、当該第1筐体要素に挿入された光学ユニット、LED及び熱伝導部材の抜け落ちを防止する脱落防止部材と、第1筐体要素の所定位置に取り付けられて前記開口を閉塞し、当該第1筐体要素とともにケーシングを形成する第2筐体要素と、第2筐体要素に設けた前方に突出する突出部材とを備えてなり、前記所定位置において、前記開口を挿通した突出部材が、熱伝導部材を介してLEDの裏面を押圧し、光学ユニットとLEDとを係合させてそれらの軸線を一致させるように構成しているものである。
このようなものであれば、光学ユニットを挿入した後に、小さな部品であるLED及び熱伝導部材を入れることになるため、組み立てやすく、またLEDに対して熱伝導部材が正しく設置されているかどうかを、筐体要素同士の結合直前まで確認しながら作業することができる。
また脱落防止部材があるために、第1筐体要素と第2筐体要素との結合時などにおける光学系部品の不測の脱落がなく、この点でも組み立てを容易化できる。
さらに、第2筐体要素を、第1筐体要素の所定位置に取り付けるようにし、それらの結合時における相対位置関係が組み立て者によらず、画一的に定まるようにしているため、例えばOリング等を内蔵させた場合でも、装置ごとにOリングの変形度合いに違いのない、安定した品質の光照射装置を提供できる。
LEDの径方向へのずれを防止する一実施態様としては、光学ユニットを、前記第1筐体要素に、径方向にはほぼがた無く嵌入するものにすればよい。このことにより、LEDが光学ユニットに係合して必然的にLEDの径方向の位置が確定する。またこのような構成の下では、熱伝導部材が、前記第1筐体要素に、径方向にはほぼがた無く嵌入する環状の支持部材に保持され、その支持部材とともに、当該第1筐体要素に挿入されるものであることが望ましい。このようにすれば、熱伝導部材も径方向にずれることはなく、確実にLEDの裏面に接触させることができる。
組み立て時やメンテナンス時の配線作業の容易化を図るには、第2筐体要素が、第1筐体要素に軸線方向に沿ってスライド嵌合するものであり、その第2筐体要素に、LEDへの電力供給用のコネクタを取り付けているものが望ましい。
より具体的には、第2筐体要素が、第1筐体要素にスライドして外嵌する筒状をなす側周壁と、その側周壁の後端面を閉塞する底壁とを備えたものであり、その底壁を貫通するケーブル連通路を設けるとともに、そのケーブル連通路の後端開口を塞ぐようにコネクタを取り付け、コネクタとLEDとを、ケーブル連通路を挿通するケーブルによって接続するようにしているものを挙げることができる。
簡単な構成で、確実に第2筐体要素の第1筐体要素に対する取り付け位置を前記所定位置に設定できるようにするには、第2筐体要素が、第1筐体要素をガタなくスライド挿入させる小径室と、その小径室に軸線方向に連続して設けた大径室とを備え、第1筐体要素が、前記スライド挿入方向とは逆側の端部に鍔部を有し、その鍔部が前記所定位置において、第2筐体要素の大径室と小径室との間の段部に干渉し、それ以上のスライド挿入を抑止するように構成しているものが好適である。
大光量スポット照明に好適な本発明の具体的実施態様としては、前記第2筐体要素が、第1筐体要素よりも前方に延伸してその前端部においてレンズを保持しているものが挙げられる。
本発明の効果が特に顕著となる具体的実施態様としては、前記LEDが連続して200mA以上の電流を流すことが可能なパワーLEDを挙げることができる。
なお、本明細書でのLEDとは、PN接合半導体であり、実際に発光する部材であるLED素子、そのLED素子が搭載されているベース、LED素子を覆うモールド部材、プリント基板等への接続のためのリード線等を備えたいわゆるLEDパッケージと言われるもののことである。
このような構成の本発明によれば、第1筐体要素及び第2筐体要素を結合する際に同時に、内部に収容したLED及び光学系の位置決めもしてしまう構造の光照射装置において、組み立て作業のさらなる容易化と、品質の安定化を図ることができる。
1・・・光照射装置、2・・・第1筐体要素、22・・・鍔部、3・・・第2筐体要素、31・・・側周壁、32・・・底壁、3a・・・小径室、3b・・・大径室、32a・・・ケーブル連通路、4・・・光学ユニット、5・・・LED、7・・・支持部材、8・・・レンズ、10・・・突出部材、S・・・熱伝導部材(スペーサ)、D・・・開口、R・・・脱落防止部材(スナップリング)、CS・・・ケーシング、CN・・・コネクタ、CA・・・ケーブル。
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。
本実施形態にかかる光照射装置1は、図1〜図4に示すように、前方に光を射出する単体のLED5と、そのLED5に前側からスライド接近させることで軸線を一致させて係合する光学ユニット4と、その光学ユニット4のさらに前方に配置される柱状ライトガイド9と、そのライトガイド9のさらに前方に配置されるレンズ8と、これらLED5、光学ユニット4、ライトガイド9及びレンズ8を保持するケーシングCSとを備えている。
なお、以下の説明では、便宜上、光の進行方向を前方向、逆を後方向としているが、この方向は、光照射装置1の設置姿勢によって変動するのは言うまでもない。
各部を説明すると、LED5は、図6に詳細に示すように、金属製(例えば銅製)の良好な熱伝導体であるベース51と、そのベース51上にダイボンディング等により固定されたLED素子52と、前記ベース51に外嵌してこれを支持する樹脂フレーム56と、LED素子52のカソード側電極及びアノード側電極に接続される2本のリード線53a、53bと、LED素子52等を密封保護するための透明性を有する材料(エポキシやシリコーン等のプラスチック、エラストマー、あるいはガラス等)でなる樹脂モールド部54とからなるパッケージ化されたもので、連続して200〜300mA以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーLEDと称されるものである。
そして中心孔6aの開いた円環状をなすプリント配線基板6に、このLED5を、ベース51の裏面が中心孔6aから露出するように取り付けている。
光学ユニット4は、図7に詳細を示すように、基端から先端に向かうに連れ、徐々に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のボディ41と、そのボディ41の先端部外周縁に設けた鍔部46とを一体成型した透明樹脂製のものである。
このボディ41の基端面には、凹部42を開口させている。この凹部42は、前記モールド部54の外周にがたなく外嵌して、この光学ユニット4とLED5との軸線を合致させる。また、この凹部42の底面42aは、基端側に向かって膨らませた凸レンズ形状にしてある。一方、前記ボディ41の先端面には、その中央部を膨出させることにより中央凸レンズ部43が形成してあり、この中央凸レンズ部43の周囲には、それとは異なる曲率のリング状凸レンズ部44が形成してある。さらに前記ボディ41の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した反射要素である湾曲膨出面45が設けてある。
そして同図(この図ではLEDは省略してある)に示すように、前記LED5から射出された光のうち、凹部42の側面42bを通過した略全ての光が、前記湾曲膨出面45に到達し、そこで全反射されて前記リング状凸レンズ部44を介し、軸線に向かって互いに相寄る向きの光として外部に放射されるようにしてある。また一方で、前記LED5から射出された光のうち、凹部42の底面42aを屈折して通過した略全ての光が、前記中央凸レンズ部43を介し、やはり軸線に向かって互いに相寄る向きの光として外部に放射されるように構成してある。なお、これら各凸レンズ部43、44から出る光の集光位置は、略同一位置となるようにしてある。
第2光学ユニットとも言うべき柱状ライトガイド9は、図5に示すように、先端側(前側)に設けた一定径の円柱部91とその円柱部91の基端から徐々に径を大きくして拡がる部分円錐状をなす拡開部92とを有するもので、拡開部92の端面9aは凹面形状に湾曲させてある。このライトガイド9は、その軸線を光学ユニット4の軸線と合致させ、なおかつその端面9aを光学ユニット4からでた光の集光位置にほぼ合致させるように配置される。そして光学ユニット4からでた光のほぼ全てを、基端面9aから内部に導入する。内部に導入された光は、直進したり側周面で内向きに全反射したりしながら混合して先端面9bの全面からムラのない光として前方に射出される。また、この端面9a(光導入面9a)の中央部には拡散処理が施してあるため、光学ユニット4の屈折要素42a、43を通過した結像性を有する光のみを効果的に拡散して光量ロスを最小限にしつつ光量ムラをさらに減じることができる。
第3光学ユニットとも言うべきレンズ8は、集光レンズであって凸レンズでもよいが、この実施形態では、図3等に示すように、軽量コンパクト化を図る意味で、フレネルレンズを用いている。このフレネルレンズ8も、その軸線を前記軸線Cに合致させて配置され、ライトガイド9から射出された光を内向き(軸線向き)に屈折させて外部にスポット光として射出する。
これらLED5及び光学系部材4、8、9は、ケーシングCSに支持されて一体構造をなす。
しかして、本実施形態におけるケーシングCSは、図3に示すように、概略円筒状をなす第1筐体要素2と、その第1筐体要素2にガタなく外嵌する第2筐体要素3を結合してなるものである。
第1筐体要素2は、図3、図4に示すように、中心を軸線方向に貫通する貫通孔を有するもので、その貫通孔は、基端部(後端部)に形成した大径部21aと、その大径部21aの先端から段差をもって形成した中間径部21bと、その中間孔部21bの先端から形成した小径部21cとからなる。
大径部21aは、光学ユニット4、LED5等を収容する空間であり、その内径を、前記光学ユニット4の鍔部46の外周径と略同一径に設定して、光学ユニット4を径方向にほぼがたなく嵌入させ得るように構成している。また、この大径部21aの内側周面における基端部には、周回する溝Mが設けてあって、基端(後端)開口Dから光学ユニット4、LED5等を順に挿入した後、この溝Mに脱落防止部材であるスナップリングR(CリングやEリング等)を嵌め込むことにより、光学ユニット4、LED5等を、若干軸線方向に移動可能ではあるものの、抜脱不能にこの大径部21aに保持させるようにしている。
なお、このとき同時に大径部21aに収容されてスナップリングRにより保持されるものとしては、光学ユニット鍔部41aの前面と大径部21aの先端後向き面との間に介在するOリングOや、LED5の裏面に密接させる窒化アルミニウム等の高熱伝導性部材を用いた絶縁スペーサS、中央に前記絶縁スペーサSをがたなく嵌め込むための凹陥部7aを有した円環状の支持部材7がある。この支持部材7は、大径部21aに径方向にガタなく嵌り込む。また、この大径部21aを形成する側周壁には、LED5に接続すべきケーブルCAを挿通させるための切り欠き23が設けてある。
小径部21cは、前記ライトガイド9の円柱部91と同一径であり、この円柱部91を、わずかな空気層を介在させて径方向にガタ無く収容する。なお固定は径方向から挿入した止めねじBにより行っている。テーパ部92は、小径部21cから後方に突出して中間径部21b内に位置する。
第2筐体要素3は、図3等に示すように、放熱用のフィンFを複数形成した側周壁31と、その側周壁31の後端面を閉塞する底壁32とからなるものであり、側周壁31及び底壁32に囲まれた内部空間は、基端側(後側)に設定した小径室3aと、その前方に軸線を一致させて連続形成した大径室3bとからなる。
小径室3aは、その内径が、前記第1筐体要素2の外径とほぼ同一であり、この小径室3aに、第1筐体要素2が前方から軸線方向にスライド嵌入されてがたなく保持される。第1筐体要素2の先端部には鍔部22が設けてあって、この第1筐体要素2を小径室3aに挿入していくと、所定位置で、鍔部22が小径室3aと大径室3bと間の段部に接触してそれ以上の挿入を抑止し、第1筐体要素2の挿入深さを常に均一に維持する。この第1筐体要素2は、鍔部22を前記段部にねじ止めされることで抜脱不能に固定される。
大径室3bは、前記レンズ8の外径とほぼ同一径をなすもので、その先端部(前端部に)は、当該レンズ8がリングねじ81によって固定される。
一方、この第2筐体要素3の底壁32には、前記小径室3aに連通するケーブル連通孔32aが設けてあり、この連通孔32aの後端面を閉塞するように、LED5への電力供給用のコネクタCNが取り付けられる。そして、コネクタCNの裏面から延びる配線ケーブルCAを、LED5を搭載する配線基板6に接続できるようにしている。
さらにこの第2筐体要素3の底壁32中央からは、小径室3aに向かって軸線方向に円柱状の突出部材10を一体に突出させている。
この突出部材10は、第1筐体要素2を小径室3aに所定位置までスライド嵌入することによって、その先端面が、前記絶縁スペーサSを介してLED5の裏面に密着してこれを押圧し、OリングOをある程度弾性変形させる長さに設定してある。このことによりLED5と光学ユニット4とがしっかり嵌合し、軸心を合致させた状態で、狭圧固定される。
次に、かかる光照射装置1の組み立て方法について説明する。
まず、第1筐体要素2に、LED5や光学系部品等を組み込む。すなわち、図4に示すように、第1筐体要素2の後端開口Dから、ライトガイド9、OリングO、光学ユニット4、基板6に搭載したLED5、スペーサS、支持部材7の順で、大径部21aに挿入する。なお、このとき基板6には配線ケーブルCA(同図では省略)を予め接続しておき、その配線ケーブルCAの先端は、前記切り欠き23を通して外に出しておく。また、ライトガイド9は、止めねじBにより固定しておく。
そしてスナップリングRを大径部21aの基端に嵌め込み、挿入した各部材が抜け落ちないように仮保持させる。
この状態で、第1筐体要素2に収容されているライドガイド9を除く前記各部材は、軸線方向には若干動く余地を残してはいるものの、径方向には各々の軸線を第1筐体要素2の軸線に合致させた状態で移動不能である。
すなわち光学ユニット4は、第1筐体要素2に径方向にがたなく嵌合しており、LED5も、光学ユニット4の凹部42に嵌り込んでいることから、径方向にはほとんど移動できない。また、支持部材7が、第1筐体要素2に径方向にがたなく嵌合していることから、その凹陥部7aに嵌め込まれているスペーサ7も径方向には移動できない。
次に、このようにして、各部材が組み込まれた第1筐体要素2を、第2筐体要素3の小径室3aに、前方からスライド嵌合させる。そして第1筐体要素2の鍔部22が、第2筐体要素3の段部に接触する所定位置となるように、ねじ止めする。
その過程で、前記突出部材10が、第1筐体要素2の後端開口Dから内部に進入し、支持部材7の中心孔を通って、スペーサSに密接し、これを介してLED5の裏面を押圧する。
このことにより、LED5は光学ユニット4にガタなく嵌合し、これを押圧すると共に、光学ユニット鍔部46の前面と、小径部21c及び中間径部21b間の段部後向き面との間でOリングOが挟み込まれ、所定量軸線方向に変形する。そして、このOリングOの弾性反発力と突出部材10からの押圧力とで光学ユニット4及びLED5は前後から狭圧され、その狭圧過程での嵌合により、それらが第1筐体要素2と軸線を一致させて固定される。
一方、コネクタCNは、底壁22から外してあって、前述したように筐体要素2、3同士を結合させ、内部のLED5等を固定した後、前記ケーブル連通孔32aから外側に延ばしたケーブルCAに、外したコネクタCNを接続する。そして、余剰ケーブルをケーシングCS内部に挿入しつつ、このコネクタCNを底壁22に取り付ける。
そして最後に第2筐体要素3の前端部に、フレネルレンズ8をリングねじ81で固定する。
したがって、このようなものであれば、第1筐体要素2に、光学ユニット4を挿入した後に、小さな部品で位置精度の必要なLED5及びスペーサSを入れることになるため、組み立てやすく、またLED5に対してスペーサSが正しく設置されているかどうかを、筐体要素2、3同士の結合直前まで確認しながら作業することができる。また、LED5及びスペーサSは、軸線方向には若干動けるものの、径方向の位置は確定しており、筐体要素2、3同士の結合時にLED5とスペーサSとが不測にずれることもない。
このように、組み立て作業において、容易かつ確実にLED5の裏面にスペーサSをずれることなく位置づけられ、当該LED5を突出部材10を介してケーシングCSに熱接続することができる。
また脱落防止部材であるスナップリングRがあるために、第1筐体要素2と第2筐体要素3との結合時などにおける部品の不測の脱落がなく、この点でも組み立てを容易化できる。
さらに、鍔部22により、第2筐体要素3と第1筐体要素2との位置関係が、組み立て者によらず、常に一定になるため、装置1ごとにOリングOの変形度合いに違いのない、安定した品質の光照射装置1を提供できる。
また、第1筐体要素2と第2筐体要素3とを螺合結合ではなく、スライド結合させているため、ケーブルCAのねじれ等を考慮せずともよく、配線関連作業の容易化をも図れる。
さらに、光学ユニット4の大きさ、基板6に搭載したLED5の大きさ(特に、樹脂モールド部54の高さ)および各部の加工精度などは誤差範囲内ではあるが、実際の製造過程に影響を及ぼす場合がある。LED5や光学ユニット4などを積み上げるようにした本発明の光照射装置1では、各部材の累積誤差が生じにくく(大きくなりにくく)、各光照射装置間相互で押圧力が相違するおそれがない。そのため、各光照射装置1間での押圧力のバラつきがなく、品質の安定した光照射装置1を提供することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。ケーシングの形状や、LED、光学ユニットの形状、機能等はその他に種々変形が可能であり、ライトガイドやフレネルレンズ等の光学系に関しても、前記実施形態に限られないのは言うまでもない。