JP5921763B2 - リフレクタを備えた灯具 - Google Patents

Description

本発明は、灯具であって、それぞれモジュール面にわたって分配された多数のＬＥＤを備えた第１のモジュールと少なくとも１つの第２のモジュールとを備え、これらのモジュールは、損失熱を導出するために少なくとも１つの冷却体（ヒートシンク）に配置されており、さらにリフレクタを備え、該リフレクタにより、前記モジュールのうちの１つによって放射された光線が、当該灯具の出射開口へ変向されるようになっている灯具に関する。

欧州特許出願公開第２３７５１３３号明細書には、空気冷却される冷却体を備えた灯具が記載されている。この冷却体には、２つのＬＥＤモジュールが互いに向かい合って位置するように配置されている。両ＬＥＤモジュールの光線は、個々にＬＥＤに装着されたコリメータを介して照準合わせされて、２つの変向ミラーを介してそれぞれ９０°だけ変向されて、共通の所定の出射方向へ向けられる。灯具から出射した光線は完全に発散する。

本発明の課題は、高い照射密度と同時に、最適化された構造が得られるような灯具を提供することである。

この課題は、
灯具であって、
それぞれモジュール面にわたって分配された複数のＬＥＤを備えた第１のモジュールと少なくとも１つの第２のモジュールとを備え、
前記モジュールは、損失熱を導出するために少なくとも１つの冷却体（ヒートシンク）に配置されており、
さらにリフレクタを備え、該リフレクタにより、前記モジュールのうちの１つによって放射された光線が、当該灯具の出射開口へ変向されるようになっている、
灯具において、
前記ＬＥＤのうちの少なくとも幾つかのＬＥＤと、前記出射開口との間に、光学系が設けられており、該光学系によって、前記ＬＥＤの光線が、所定のターゲット面に設けられた規定の構造体へ集束されることを特徴とする灯具
により解決される。

光学系を用いた集束により、個々のＬＥＤの大きな開き角度が、ターゲット面の構造体へ集束され得る。さらに、リフレクタを用いた光線の変向により、灯具の形状およびサイズに関する高い自在性が達成される。

特に、１つまたは複数の冷却体の組込み位置およびサイズを、光線の出射方向における灯具の構成高さが減少されるように設定することができる。「出射方向」とはこの場合、変向後に出射開口から出る際の光線の幾何学的な主方向を意味する。

一般に、１つまたは複数のリフレクタによって、種々に配置されかつ／または種々の主方向へ光線を放射するモジュールからの光線が、灯具からの同一の出射方向へ変向され得るので有利である。特にこの変向は、互いに逆向きの放射方向を有する互いに向かい合って位置するモジュールからの光線の変向であってよい。この場合、前記１つまたは複数のリフレクタは両モジュールの間に配置されていて、光線をたとえばそれぞれ９０°だけ共通の出射方向へ変向させる。

本発明において「光学系」とは、光路もしくはビーム路に位置する対象物であって、幾何学的な光線ビームの伝搬方向の規定された変化が得られるようなあらゆる対象物を意味する。特に、このことは、ビーム路に対して透過性のレンズ、あるいはまた円柱レンズおよびフレネルレンズである。しかし、規定されて湾曲させられたリフレクタであってもよい。また、規定の構造体への集束を生ぜしめる、変向性のリフレクタの規定された湾曲も、本発明の枠内では「光学系」である。

本発明の好適な実施態様では、前記光学系が、放射された光線を集束させるための一次光学系を有しており、該一次光学系が、直接に前記ＬＥＤ上に配置されている。このような一次光学系により、ＬＥＤからたいてい大きな角度で放射される光線の特に大きな立体角度が輸送され得る。たとえば一次光学系は、それぞれ１つのＬＥＤの上方に配置された複数の集束レンズであってよい。

好適な改良形では、前記一次光学系が、前記モジュールに被着された透明なポリマ層として形成されており、該ポリマ層が、少なくとも複数の前記ＬＥＤに一体に被さっている。このようなポリマ層は、たとえば国際公開第２０１２／０３１７０３号に記載の光学系の形式で形成されていてよい。この場合、１つのＬＥＤモジュールが、開いた流し込み型によって、耐ＵＶ性のシリコーンで被覆される。

本発明の択一的な別の実施態様または補足的な別の実施態様では、前記光学系が、二次光学系を有しており、該二次光学系が、１つのモジュールから空間的に分離されて光線のビーム路に配置されている。「一次光学系」とは区別するために、「二次光学系」とはこの場合、一般に、直接にＬＥＤ上には載着していない光学系を意味する。したがって、二次光学系を有するが、しかし一次光学系を有しないという実施態様も可能となる。特に好適な実施態様では、灯具のビーム路に一次光学系も二次光学系も配置されており、これにより、特に小さな構造が得られると同時に、高い照明強さが得られる。

一層具体的な好適な構成では、前記二次光学系が、透明なポリマ層として透明な基板上に形成されている。二次光学系は、国際公開第２０１２／０３１７０３号に記載の光学系の形式で製造されていてよく、この場合、ＬＥＤモジュールの代わりに、透明な基板、たとえばガラスが、開いた流し込み型によって、耐ＵＶ性のシリコーンで被覆される。

一般に好ましくは、前記光学系が、少なくとも１つの円柱レンズを有しており、該円柱レンズによって、一列に配置された多数の前記ＬＥＤの光線が集束される。このような円柱レンズは、特に、ＬＥＤに対して間隔を置いて配置された二次光学系に形成されていてよい。

本発明の一層具体的な好適な構成では、前記規定の構造体が、真っ直ぐな線として形成されている。当該灯具が、前記真っ直ぐな線に対して平行に長手方向に延在されていて、該方向に、長手方向に対して直角な高さ方向における灯具の構成高さの少なくとも２倍、好適には少なくとも３倍である長さを有していると有利であるが、ただし、このことは必ずしも必要であるとは限らない。

さらに、前記リフレクタが、ＬＥＤモジュールに対して３０〜６０°の角度を成して配置されていると有利である。特に、前記角度は約４５°であってよく、これにより全体的に約９０°の光線ビームの変向が行われる。このことは灯具の低い構成高さを促進する。リフレクタの角度付けされた配置は、本発明の枠内では、光線束の主ビームが、その２倍の角度だけ変向されることに関連する。このためには、平坦なリフレクタだけでなく、曲げられたリフレクタも、規定の角度を成して配置されている。

この灯具は好適には、前記構造体における照射強さが、少なくとも２Ｗ／ｃｍ^２であるように設計されている。このことは、特に、乾燥目的のための使用、たとえば印刷法の要素としてのＵＶ光線を用いたラッカ乾燥のための使用を可能にする。

前記ＬＥＤにより発せられた光線の少なくとも５０％が、４７０ｎｍよりも低い波長領域にあると有利である。このことは、灯具を少なくとも大部分、ＵＶ放射器として設計することを可能にする。本発明における特徴の別の組合せにより、ＵＶ放射器を自在に工業的な装置、たとえば印刷機に組み込むことができる。

これに対して択一的に、前記ＬＥＤにより発せられた光線の少なくとも５０％が、７８０ｎｍよりも高い波長領域にあることも考えられる。このことは、灯具を少なくとも大部分、ＩＲ放射器として設計することを可能にする。本発明における特徴の別の組合せにより、ＩＲ放射器を自在に工業的な装置、たとえば印刷機に組み込むことができる。

印刷機のラッカもしくはインキの乾燥は、設計に応じてＵＶ光線（この場合、たいてい、乾燥させたい物質の架橋が行われる）か、あるいはまた熱によっても行なわれ、この場合、好適にはＩＲ放射器が使用される。

一般に好適には、冷却体に引き渡された熱量が、液状の冷却媒体を介して吸収されるので、全体的には、灯具の不都合な組込み事情においても、特に大きな排熱が導出され得る。液状の冷却媒体は、ガス状の冷却媒体よりも高い熱容量を有していて、高い冷却出力を可能にする。導出は、たとえば循環される冷却循環路を用いて、冷却媒体を液相の形で移送することによって行なわれ得る。択一的または補足的には、ヒートパイプの使用も考えられる。ヒートパイプでは、熱吸収が、まず液状の冷却媒体の相変化を生ぜしめる。

さらに、本発明の課題は、本発明による灯具を有する、被覆体を乾燥させるための装置により解決される。本発明による灯具は、このために特に好適である。なぜならば、本発明による灯具は、高い照射強さと、自在性のある特にコンパクトである構造とを組み合わせるからである。

好適な改良形では、乾燥させたい被覆体を備えた面状の基板と、前記灯具とが、搬送方向で互いに対して運動可能であり、この場合、前記灯具は、横方向で少なくとも部分的に前記基板の幅にわたって延びていて、かつ規定の間隔を置いて前記基板の上方に配置されている。このことは、基板面を複数の軌道に沿って走査式になぞる（トレースする）ことをも意味する。たとえば、基板は、印刷機において、プリントされたラッカまたは別の物質で被覆される印刷製品であってよい。

本発明の課題はさらに、有利には印刷法における、被覆体を乾燥させるための本発明による灯具の使用により解決される。

本発明のさらに別の利点および特徴は、以下に説明する実施形態ならびに従属項形式の各請求項から明らからである。

以下に、本発明の２つの好適な実施形態を図面につき詳しく説明する。

本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第２実施形態を示す概略図である。

図１に示した本発明による灯具は、２つのＬＥＤモジュール１を有する。この場合、ＬＥＤモジュール１はそれぞれ冷却体（ヒートシンク）２に、面状の熱伝導性の結合部の形で被着されている。ＬＥＤモジュール１はそれぞれ複数のＬＥＤ３を有しており、これらのＬＥＤ３は、図平面に対して直角に延びるモジュール面にわたって所定の格子状パターンを成して分配されている。ＬＥＤ３は別の電子コンポーネント（図示しない）と一緒に、平坦な支持体４に被着されており、これにより全体的にはそれぞれ１つのチップオンボードモジュール（ＣＯＢ）が形成されている。ＬＥＤモジュール１は、図平面に対して直角に延びる長手方向と、図１の図面で見て上方から下方に向かって延びる高さ方向とに延びており、この高さ方向は灯具からの出射方向に相当する。したがって、ＬＥＤ３の主放射方向は、図１で見て左側から右側に向かって延びる横方向に相当している。

ＬＥＤモジュール１の、ＬＥＤ３を装備された側は、互いに向かい合って位置している。この場合、両ＬＥＤモジュール１の間にはリフレクタ５が配置されている。このリフレクタ５は２つのリフレクタ面５ａ，５ｂを有しており、この場合、リフレクタ面５ａ，５ｂはそれぞれ平坦に形成されていて、それぞれ向かい合って位置するＬＥＤモジュール１の平面に対して４５°の角度で傾けられている。したがって、１つのＬＥＤから各モジュール平面に対して９０°の角度を成して出射した光線ビーム（主放射方向）は、各リフレクタ面５ａ，５ｂによって９０°の角度で変向されて、出射開口６を通じて高さ方向に対して平行な出射方向で灯具から出る。リフレクタの構成は任意に行われ得るが、たとえばプリズム、ガラスミラーまたはミラー金属薄板として形成されている。損失を最小限に抑えるために、それぞれ相応する表面コーティングが存在していてよい。

ＬＥＤモジュール１には、一次光学系８が配置されている。この一次光学系８はこの場合、ＬＥＤモジュール１の全面被覆体として形成されている。一次光学系８は直接に個々のＬＥＤ３上にそれぞれレンズ９を有しており、これらのレンズ９によって、放射された光線の大きな開き角度が集束されて、リフレクタ５による変向により所定のターゲット面１０（図２に示した、同様に延びる複数のビーム路参照）に向けられる。このときに、これらのビームは、ターゲット面１０において長手方向に延びる１本の真っ直ぐな直線の形の構造体にほぼ完全に集束される。この構造体では、灯具による照射強さは２Ｗ/ｃｍ^２よりも著しく高くなる。

出射開口６は透明な保護パネル７により覆われている。この保護パネル７はこの場合、ビーム路に対する変向作用を有していない。しかし原則的には、保護パネルも光学系の構成要素として形成されていてもよい。

冷却体２はそれぞれ、熱の搬出のためにこの冷却体２を流通する液状の冷却媒体の流入および流出のための接続部２ａを有している。冷却媒体は、閉じられた循環路内に存在していてよく、別の個所で熱交換器を介して熱を再び放出する。この灯具の場合、導出されるべき熱出力は１ｋＷよりも著しく高い範囲で発生する。

図２に示した第２実施形態は、一次光学系８に対して付加的にさらにＬＥＤモジュール１の手前にそれぞれ二次光学系１１が設けられている点で、第１実施形態とは相違している。これにより、ＬＥＤからのできるだけ大きな出射角度の、ターゲット面における構造体への集束が一層改善される。もちろん、一次光学系８は、二次光学系１１と組み合われた作用に相応して、たとえばレンズ９のサイズや焦点距離に関して、第１実施形態とは異なる設計を有することができるが、その他の点では、第１実施形態の場合と同一の原理に基づいて構成されている。

二次光学系１１は、それぞれ１つのＬＥＤモジュール１の手前に間隔を置いて配置されているが、しかしＬＥＤモジュール１と各リフレクタ平面５ａ，５ｂとの間に配置されており、これによりビーム路に対してできるだけ早期に集束作用が与えられる。

二次光学系１１は、それぞれ複数の平行な円柱レンズ１２を有しており、これらの円柱レンズ１２は長手方向に延在されている。したがって、少なくともそれぞれ１列のＬＥＤからの光線が、それぞれ１つの円柱レンズ１２によって捕捉されて、ターゲット面１０（印刷製品）の線もしくは構造体に集束される。図２には、例示的に３つのＬＥＤからの３種の光線ビームが、それぞれ互いに異なる放射角度で書き込まれており、これらの光線ビームはすべてターゲット面における構造体へ集束される。

この場合、一次光学系は、国際公開第２０１２／０３１７０３号に原理的に記載されている方法に基づき製造され、この場合、ＣＯＢモジュールが、シリコーンによって開いた流し込み型内で被覆される。前記二次光学系は、同様の方法により製造され、この方法では、ＣＯＢモジュールの代わりに、透明なフラットな基板１３が、耐ＵＶ性のシリコーンで被覆され、これにより光学的に有効となる構造体１２（円柱レンズ１２）が形成される。

前で説明した実施形態による灯具は、印刷機、本実施形態ではオフセット枚葉印刷機におけるラッカもしくはインキのＵＶ乾燥の目的のために使用される。長手方向における灯具の延在長さは、典型的には１メートルよりも大きく、本実施形態では１．６メートルであり、このことは印刷製品の枚葉紙幅に相当している。このような長さを実現するためには、典型的にそれぞれ複数のＬＥＤモジュール１と一次光学系８とが長手方向で相前後して配置される。

灯具の、前で説明したコンポーネントは、構成スペースに関して最適化されたハウジング１４内に収容されている。

長手方向に関するターゲット平面上での照射強さは、本実施形態では約１０ワット／ｃｍである。この場合、光線の大部分は４７０ｎｍよりも小さい波長の領域にある。

極めて高い光学的な出力を有するＬＥＤ灯具を製造するためには、０．１〜２００ｍｍ^２、典型的には１〜２ｍｍ^２の大きさのＬＥＤがチップオンボード法（ＣＯＢ）で形成される。この場合、複数のＬＥＤ、典型的には４〜２００個のチップが、５〜５０ｃｍ^２のオーダの面を有する１つの共通の基板上でアッセンブリ化されて、１つのモジュールを形成する。ＬＥＤを装備したモジュールを並設することにより、所望のランプサイズが形成される。

ＬＥＤの１００％ではない効率（供給された電気的な出力に対する光学的な出力の比；ＵＶ−Ａおよび青色のＬＥＤチップに関して＜１００％、典型的には５−６０％）に起因した、作動時に発生する損失熱は、冷却システムである冷却体によって導出されなければならない。

液体を用いて冷却される冷却体２は、３次元の物体であり、この物体は平坦な側を有しており、この側に基板が被着される。冷却体２の内部は完全に中空であってよいか、またはチャンネルシステムもしくはマイクロチャンネルシステムを有していてよい。冷却体２内部の構造体が微細になればなるほど、冷却体と冷却液との間の表面はますます大きくなり、この表面を介して、システムから冷却液に熱が引き渡され得る。

ＣＯＢモジュール１を冷却システムに至るまで包含し、かつ作動時に過熱に対して灯具を保護するために必要となる前記構造により、モジュールのエミッション（放射）平面から冷却体２の閉鎖平面にまでのランプの、技術的な条件に起因した構成高さが生ぜしめられる。このことは、灯具の光線出力に課せられた所定の要求においては、典型的に最大２０ｃｍまでのモジュール１の放射方向における最小構成高さをもたらす。たとえばＵＶ硬化性のインキを用いた枚葉印刷におけるような多くの用途において、このような構成高さを有する灯具は使用不可能である。なぜならば、機械において提供されている構成スペースが不十分であるからである。それというのも、たとえば枚葉紙を搬送するグリッパシステムが構成スペースを制限しているからである。

前で説明した、ＬＥＤモジュール１とリフレクタ５との本発明における配置により、要求された出力密度のランプのために構成高さを著しく減少させることができる。本発明による灯具は、高い比光学出力（＞１０Ｗ／ｃｍ長さの放射された全出力）を有するＬＥＤドライヤ（ＬＥＤ灯具）を実現するための規定を満たしている。このＬＥＤドライヤは、所要の有効な冷却と、高いピーク照射強さ（＞２Ｗ／ｃｍ^２、＞４０ｍｍの間隔において、灯具とターゲット平面との間の４０〜１００ｍｍの間隔における４〜１０Ｗ／ｃｍ^２の目標値を有する）を達成するための所要の有効な光学系とを兼ね備え、この場合に、＜８０ｍｍの出射方向におけるできるだけ小さな構成高さを有している。

Claims (12)

1. 灯具であって、
   それぞれモジュール面にわたって分配された多数のＬＥＤ（３）を備えた第１のモジュール（１）と少なくとも１つの第２のモジュール（１）とを備え、
   前記モジュール（１）は、損失熱を導出するために少なくとも１つの冷却体（２）に配置されており、
   さらに１つのリフレクタ（５）を備え、該リフレクタ（５，５ａ，５ｂ）により、前記モジュール（１）のうちの１つによって放射された光線が、当該灯具の出射開口（６）へ変向されるようになっている、
   灯具において、
   前記ＬＥＤ（３）のうちの少なくとも幾つかのＬＥＤ（３）と、前記出射開口（６）との間に、光学系（８，９，１１，１２）が設けられており、該光学系（８，９，１１，１２）によって、前記ＬＥＤ（３）の光線が、所定のターゲット面（１０）に設けられた規定の構造体へ集束されるようになっており、前記第１及び第２のモジュール（１）は、互いに逆向きの放射方向を有して互いに向かい合っていて、前記リフレクタ（５，５ａ，５ｂ）は、前記第１と第２のモジュール（１）の間に配置されていて、該第１と第２のモジュール（１）からの光線を前記出射開口（６）へ変向させており、前記規定の構造体が、真っ直ぐな線として形成されており、当該灯具が、前記真っ直ぐな線に対して平行に長手方向に延在されていて、該方向に、長手方向に対して直角な高さ方向における灯具の構成高さの少なくとも２倍である長さを有しており、前記リフレクタ（５ａ，５ｂ）が、前記モジュール（１）に対して３０〜６０°の角度を成して配置されており、前記構造体における照射強さが、少なくとも２Ｗ／ｃｍ ^２ であることを特徴とする灯具。
2. 前記光学系が、放射された光線を集束させるための一次光学系（８，９）を有しており、該一次光学系（８，９）が、直接に前記ＬＥＤ（３）上に配置されている、請求項１記載の灯具。
3. 前記一次光学系（８，９）が、前記モジュール（１）に被着された透明なポリマ層として形成されており、該ポリマ層が、少なくとも複数の前記ＬＥＤ（３）に一体に被さっている、請求項２記載の灯具。
4. 前記光学系が、二次光学系（１１）を有しており、該二次光学系（１１）が、１つのモジュール（１）から空間的に分離されて光線のビーム路に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の灯具。
5. 前記二次光学系（１１，１２）が、透明なポリマ層として透明な基板（１３）上に形成されている、請求項４記載の灯具。
6. 前記光学系が、少なくとも１つの円柱レンズ（１２）を有しており、該円柱レンズ（１２）によって、一列に配置された多数の前記ＬＥＤ（３）の光線が集束される、請求項１から５までのいずれか１項記載の灯具。
7. 前記ＬＥＤ（３）により発せられた光線の少なくとも５０％が、４７０ｎｍよりも低い波長領域にある、請求項１から６までのいずれか１項記載の灯具。
8. 前記ＬＥＤ（３）により発せられた光線の少なくとも５０％が、７８０ｎｍよりも高い波長領域にある、請求項１から６までのいずれか１項記載の灯具。
9. 前記冷却体（２）へ引き渡された熱量が、液状の冷却媒体を介して吸収される、請求項１から８までのいずれか１項記載の灯具。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の灯具を有する、被覆体を乾燥させるための装置。
11. 乾燥させたい被覆体を備えた面状の基板と、前記灯具とが、搬送方向で互いに対して運動可能であり、前記灯具が、横方向で前記基板の幅にわたって延びていて、かつ規定の間隔を置いて前記基板の上方に配置されている、請求項１０記載の装置。
12. 特に印刷法で、被覆体を乾燥させるための、請求項１から９までのいずれか１項記載の灯具の使用。

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