JP6090277B2 - 発光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光源部と光照射対象物との位置関係を一方向に相対的に変化させながら、当該光源部からの光を光照射対象物に照射する光照射装置において、光源部の光源として用いられる発光モジュールに関する。
例えば光処理装置、検査用装置、医療用装置などにおいては、光照射対象物に対して線状または面状の光源を有する光源部を一方向に相対的に移動させながら、当該光源部からの光を光照射対象物に照射する光照射装置が使用されている。このような光照射装置の光源としては、基板の表面上にLEDよりなる発光素子を有する発光部が配置された発光モジュールが用いられている。
このような発光モジュールとしては、より高い出力の光を出射するものが求められている。高出力の発光モジュールを得る手段としては、発光部を高い実装密度で配置する手段や、各発光部からの光の取出し効率を向上させる手段などが知られている。
従来、発光部からの光の取出し効率を向上させる手段としては、発光部の各々に、発光素子を覆うよう封止レンズを設ける手段が知られている(特許文献1および特許文献2参照。)。
しかしながら、上記の構成の発光モジュールにおいては、複数の発光部が配置されてなるものであるため、光照射対象物の被照射面において周期的に照度が低下して照度のばらつきが生じる。特に、被照射面において、光源部が相対的に移動する一方向に直交する他方向における照度のばらつきが大きい場合には、当該他方向における被照射面の積算光量のばらつきが相当に大きくなる。従って、光照射対象物の被照射面全体にわたって均一な光量の光を照射することが困難となる。
特開2008−108861号公報 特許5359732号公報
そこで、本発明の目的は、光照射対象物の被照射面全体にわたって均一な光量の光を照射することができる発光モジュールを提供することにある。
本発明の発光モジュールは、光源部と光照射対象物との位置関係を一方向に相対的に変化させながら、当該光源部からの光を光照射対象物に照射する光照射装置において、前記光源部の光源として用いられる発光モジュールであって、
基板上に、1つ以上の第一の発光部および1つ以上の第二の発光部が前記一方向に並ぶよう配置された発光部列が、前記一方向と直交する他方向に複数並んで配置されてなり、 前記第一の発光部および前記第二の発光部の各々は、LEDよりなる発光素子と封止レンズとを備えてなり、
前記第一の発光部は、その発光素子の光軸上にピークが位置する配光分布を形成するものであり、
前記第二の発光部は、その発光素子の光軸と、当該第二の発光部に隣接する、他の発光部列の第二の発光部における発光素子の光軸との間の軸上にピークが位置する配光分布を形成することによって、前記第一の発光部による配光分布を、前記光照射対象物の被照射面に対する積算光量が前記他方向において均一化されるよう補償するものであり、
前記第二の発光部は,その封止レンズの曲率半径(R2)が、前記第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)より大きく、かつ、その封止レンズの高さ(H2)が、前記第一の発光部における封止レンズの高さ(H1)より小さく、
前記第二の発光部における封止レンズの曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値が、前記第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値よりも大きく、かつ、比(R1/H1)の1.48倍以下であることを特徴とする。
本発明の発光モジュールにおいては、前記発光部列の各々において、前記第一の発光部と前記第二の発光部とが交互に配置されていることが好ましい。
また、前記発光部列の各々における前記第一の発光部の数と前記第二の発光部の数とが同一であることが好ましい。
また、一の前記発光部列における前記第一の発光部と、当該第一の発光部に隣接する、他の前記発光部列における前記第一の発光部とが、前記他方向に並ぶよう配置されていることが好ましい。
また、前記発光部列の各々において、前記第一の発光部の封止レンズが、当該第一の発光部に隣接する前記第二の発光部の封止レンズに連結されていてもよい。
本発明の発光モジュールにおいては、他方向に並ぶ複数の発光部列の各々に、発光素子の光軸上にピークが位置する配光分布を形成する第一の発光部と、第一の発光部による配光分布を補償する第二の発光部とが、一方向に並ぶよう配置されている。そして、発光モジュールによって、当該発光モジュールと光照射対象物との位置関係を一方向に相対的に変化させがら、当該光照射対象物に光が照射される。これにより、光照射対象物の被照射面においては、第一の発光部による配光分布を有する光と、第二の発光部による配光分布を有する光とが照射される。そのため、第一の発光部からの光による積算光量に第二の発光部からの光による積算光量が加算される。その結果、光照射対象物の被照射面に対する積算光量が他方向において均一化される。
従って、上記の発光モジュールによれば、光照射対象物の被照射面全体にわたって均一な光量の光を照射することができる。
本発明の発光モジュールの一例における構成を示す平面図である。 図1に示す発光モジュールを発光部列の長手方向に切断して示す説明用断面図である。 第一の発光部の位置と第一の発光部によるy方向の配光曲線との関係を示す説明図である。 第二の発光部の位置と第二の発光部によるy方向の配光曲線との関係を示す説明図である。 本発明の発光モジュールが搭載された光照射装置を示す説明図である。 図5に示す光照射装置における光源部の構成を示す斜視図である。 図6に示す構成の光源部を有する光照射装置を備えた光硬化材料処理装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 第一の発光部および第二の発光部の位置と、第一の発光部および第二の発光部の各々によるy方向の配光曲線と、光照射対象物に対するy方向の積算光量分布曲線との関係を示す説明図である。 本発明の発光モジュールの他の例における構成を示す平面図である。 図9に示す発光モジュールを発光部列の長手方向に切断して示す説明用断面図である。 実施例1に係る発光モジュールによる被照射面のy方向における積算光量分布を示す曲線図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の発光モジュールの一例における構成を示す平面図であり、図2は、図1に示す発光モジュールを発光部列の長手方向に切断して示す説明用断面図である。この発光モジュール10は、光源部と光照射対象物との位置関係をx方向に相対的に変化させながら、当該光源部からの光を光照射対象物に照射する光照射装置において、光源部の光源として用いられるものである。
発光モジュール10は、平面が矩形の基板11を有する。この基板11は、x方向およびx方向に直交するy方向に伸びる平面に沿って配置されている。
基板11を構成する材料としては、窒化アルミニウム、アルミナセラミックス等のセラミックス材料、ガラス繊維補強型エポキシ樹脂等の複合樹脂材料などを用いることができる。
基板11上には、複数の第一の発光部21および複数の第二の発光部25よりなる発光部列20の複数が配置されている。具体的に説明すると、発光部列20の各々においては、複数の第一の発光部21および複数の第二の発光部25が、基板11上においてx方向に沿って所定のピッチで交互に並ぶよう配置されている。この例では、第一の発光部21の数は、各発光部列20において同一であり、第二の発光部25の数は各発光部列20において同一である。また、発光部例20の各々においては、第一の発光部21の数と第二の発光部25の数とが同一である。
そして、これらの発光部列20は、y方向に沿って等間隔で離間して並ぶよう配置されている。また、発光部列20の各々は、一の発光部列20における第一の発光部21と、当該第一の発光部21に隣接する、他の発光部列20における第一の発光部21とが、y方向に一列に並ぶよう配置されている。
第一の発光部21および第二の発光部25の各々は、矩形の板状のLEDよりなる発光素子22,26と、発光素子22,26を覆うよう設けられた、球欠体状の封止レンズ23,27とにより構成されている。封止レンズ23,27を構成する材料としては、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス等のガラス材料、あるいは、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの透光性樹脂材料などを用いることができる。
図3は、第一の発光部の位置と第一の発光部によるy方向の配光曲線との関係を示す説明図である。この図において、曲線D1は、第一の発光部によるy方向の配光曲線である。この図3に示すように、第一の発光部21は、発光素子22の光軸L1上にピークが位置する配光分布を形成するものである。
以上において、発光素子の光軸とは、発光素子の発光面の中心を通過する当該発光面に垂直な軸を意味する。
また、封止レンズの曲率半径は、実際の封止レンズのレンズ曲面に対して最小二乗法でフィッティングされた曲線から求められるものである。
第二の発光部25は、第一の発光部21による配光分布を補償するものである。
図4は、第二の発光部の位置と第二の発光部によるy方向の配光曲線との関係を示す説明図である。この図において、曲線D2は、第二の発光部によるy方向の配光曲線である。この図4に示すように、第二の発光部25は、発光素子26の光軸L2と、当該第二の発光部25に隣接する、他の発光部列20の第二の発光部25における発光素子26の光軸L2との間の軸上にピークが位置する配光分布を形成するものである。
この第二の発光部25の封止レンズ27は、その曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値が、第一の発光部21における封止レンズ23の曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値よりも大きいものとされている。
第二の発光部25における封止レンズ27の曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値は、第一の発光部21における封止レンズ23の曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値より大きく、かつ、比(R1/H1)の1.48倍以下であることが好ましい。この倍率が1に近づくにつれて、光照射対象物の被照射面に対する積算光量が不均一となる傾向にある。一方、この倍率が過大である場合には、光量が低下する傾向にある。
このような発光モジュール10は、光源部と光照射対象物との位置関係をx方向に相対的に変化させながら、当該光源部からの光を光照射対象物に照射する光照射装置に、光源部の光源として搭載される。
図5は、本発明の発光モジュールが搭載された光照射装置を示す説明図であり、図6は、図5に示す光照射装置における光源部の構成を示す斜視図である。この光照射装置においては、光源部30の下方に、光照射対象物Wをx方向に搬送する搬送機構35が設けられている。光源部30においては、それぞれ図1に示す構成の発光モジュール10と、この発光モジュール10の裏面に配置されたヒートシンク41とよりなる複数の光源ユニット40が設けられている。これらの光源ユニット40は、y方向(図5において紙面に垂直な方向)に並ぶよう配置されている。
そして、光照射装置においては、光照射対象物Wが搬送機構35によってx方向に搬送される。これにより、光源部30と光照射対象物Wとの位置関係をx方向に相対的に変化させながら、光源部30からの光が光照射対象物Wに照射される。
図7は、図6に示す構成の光源部を有する光照射装置を備えた光硬化材料処理装置の一例における構成の概略を示す説明図である。この光硬化材料処理装置は、インクジェットプリンタとして構成されたものであって、光硬化材料である紫外線硬化性のインクを記録媒体Mに吐出する複数の吐出部(図示省略)を備えた直方体状のヘッド部50を有する。このヘッド部50のx方向の両側の各々には、筐体2内に図6に示す構成の光源部(図示省略)を有する光照射装置1が、当該ヘッド部50に隣接して配置されている。また、ヘッド部50および光照射装置1の各々は、x方向に伸びるガイドレール55にx方向に移動自在に支持されている。
この光硬化材料処理装置においては、記録媒体Mが、適宜の搬送手段(図示省略)によってy方向に間欠的に搬送される。そして、ヘッド部50および光照射装置1をガイドレール55に沿ってx方向に移動させながら、搬送された記録媒体Mに向かって、当該ヘッド部50の吐出部からインクを吐出させる。これにより、記録媒体Mにはインクが付着する。更に、ヘッド部50および光照射装置1をx方向に移動させることにより、光照射装置1の光源部と光照射対象物であるインクとの位置関係をx方向に相対的に変化させながら、光源部からの光が光照射対象物であるインクに照射される。その結果、インクが硬化して記録媒体Mに定着する。
上記の発光モジュール10においては、y方向に並ぶ複数の発光部列20の各々に、発光素子22の光軸L1上にピークが位置する配光分布を形成する第一の発光部21と、第一の発光部21による配光分布を補償する第二の発光部25とが、x方向に並ぶよう配置されている。そして、発光モジュール10によって、当該発光モジュール10と光照射対象物との位置関係をx方向に相対的に変化させがら、当該光照射対象物に光が照射される。
図8は、第一の発光部および第二の発光部の位置と、第一の発光部および第二の発光部の各々によるy方向の配光曲線と、光照射対象物に対するy方向の積算光量分布曲線との関係を示す説明図である。この図8において、曲線D1は、第一の発光部によるy方向の配光曲線、曲線D2は、第二の発光部によるy方向の配光曲線、D3は、光照射対象物に対するy方向の積算光量分布曲線である。
光照射対象物の被照射面においては、発光モジュール10と光照射対象物との位置関係をx方向に相対的に変化させることにより、第一の発光部21による配光分布を有する光と、第二の発光部25による配光分布を有する光とが例えば交互に照射される。そのため、第一の発光部21からの光による積算光量に第二の発光部25からの光による積算光量が加算される。その結果、図8に示すように、光照射対象物の被照射面に対する積算光量がy方向において均一化される。
従って、上記の発光モジュール10によれば、光照射対象物の被照射面全体にわたって均一な光量の光を照射することができる。
以上、本発明の発光モジュールの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
(1)図9および図10に示すように、第一の発光部21の封止レンズ22の各々が、当該第一の発光部21に隣接する第二の発光部25の封止レンズ26に連結されていてもよい。
(2)発光部列の各々における第一の発光部21および第二の発光部25は、いずれか一方が1つであってもよく、両方が1つであってもよい。
(3)発光部列の各々における第一の発光部21および第二の発光部25の数は異なっていてもよい。
(4)発光部列の各々には、第一の発光部21による配光分布を補償するため、第二の発光部25とは封止レンズ26の形状が異なる第三の発光部が付加的に設けられていてもよい。
〈実施例1〉
図1および図2に示す構成に従い、下記の仕様の発光モジュールを作製した。
[基板]
基板の材質が窒化アルミニウム、寸法が20mm×40mm×2mmである。
[発光部列]
発光部列の数は5であり、発光部列の配置ピッチは4mmである。
各発光部列における第一の発光部の数は4個、第二の発光部の数は4個である。
第一の発光部および第二の発光部の配置ピッチ(第一の発光部と隣接する第二の発光部との中心間距離)は2mmである。
[第一の発光部]
第一の発光部の発光素子は、ピーク波長が395nmの発光ダイオードであり、出力が700mW、寸法が1mm×1mm×0.1mmである。
第一の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R1)が1888.1μm、高さ(H1)が1062.5μm、第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値は1.8である。
[第二の発光部]
第二の発光部の発光素子は、ピーク波長が395nmの発光ダイオードであり、出力が700mW、寸法が1mm×1mm×0.1mmである。
第二の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R2)が2143.8μm、高さ(H2)が1021.3μm、第二の発光部における封止レンズの曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値が2.1(比(R1/H1)の値の1.18倍)である。
〈実施例2〉
第一の発光部の封止レンズおよび第二の発光部の封止レンズの各々を、それぞれ以下に示す仕様のものに変更したこと以外は、実施例1と同様の仕様の発光モジュールを作製した。
第一の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R1)が945μm、高さ(H1)が945μm、第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値は1である。
第二の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R2)が990μm、高さ(H2)が945μm、第二の発光部における封止レンズの曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値は1.05(比(R1/H1)の値の1.05倍)である。
〈実施例3〉
第一の発光部の封止レンズおよび第二の発光部の封止レンズの各々を、以下に示す仕様のものに変更したこと以外は、実施例1と同様の仕様の発光モジュールを作製した。
第一の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R1)が944μm、高さ(H1)が1062μm、第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値は0.89である。
第二の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R2)が1073μm、高さ(H2)が1021μm、第二の発光部における封止レンズの曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値は1.05(比(R1/H1)の値の1.18倍)である。
〈実施例4〉
第一の発光部の封止レンズおよび第二の発光部の封止レンズの各々を、以下に示す仕様のものに変更したこと以外は、実施例1と同様の仕様の発光モジュールを作製した。
第一の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R1)が1050μm、高さ(H1)が876μm、第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値は1.2である。
第二の発光部の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径(R2)が1425μm、高さ(H2)が799μm、第二の発光部における封止レンズの曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値は1.78(比(R1/H1)の値の1.48倍)である。
〈比較例1〉
第一の発光部の封止レンズおよび第二の発光部の封止レンズの各々を、以下に示す同一の仕様のものに変更したこと以外は、実施例1と同様の仕様の発光モジュールを作製した。
第一の発光部および第二の発光部の各々の封止レンズは、材質がシリコーン樹脂、曲率半径が945μm、高さが945μm、曲率半径と高さとの比の値は1である。
[試験1]
実施例1に係る発光モジュールからの光を、当該発光モジュールから5mm離間した、x方向およびy方向に伸びる被照射面に対して、発光モジュールと被照射面との位置関係を、83mm/secの速度でx方向に相対的に変化させながら照射した。そして、被照射面のy方向における積算光量分布を測定した。結果を図11に示す。
図11において、縦軸は積算光量(相対値)、横軸は、被照射面の中心位置からのy方向の距離(mm)である。また、実線で示す曲線aは、発光モジュールからの光による積算光量分布曲線、破線で示す曲線bは、第一の発光部からの光の照度を2倍にしたときの当該第一の発光部からの光による積算光量分布曲線、一点鎖線で示す曲線cは、第二の発光部からの光の照度を2倍にしたときの当該第二の発光部からの光による積算光量分布曲線である。
図11に示す結果から明らかなように、実施例1に係る発光モジュールによれば、被照射面全体にわたって均一な光量の光を照射することができることが確認された。
[試験2]
実施例2〜4および比較例1に係る発光モジュールの各々からの光を、当該発光モジュールから5mm離間した、x方向およびy方向に伸びる被照射面に対して、発光モジュールと被照射面との位置関係を、83mm/secの速度でx方向に相対的に変化させながら照射した。そして、被照射面のy方向における積算光量のばらつきσを、以下のようにして求めた。結果を表1に示す。
積算光量のばらつきσ:
被照射面において、x方向に伸びる中心線からy方向に±10mmとなる位置までの領域の積算光量の標準偏差を求め、この標準偏差の値を積算光量のばらつきσとする。
[試験3]
実施例2〜4および比較例1に係る発光モジュールの各々からの光を、当該発光モジュールから5mm離間した、x方向およびy方向に伸びる被照射面に対して、発光モジュールと被照射面との位置関係を、83mm/secの速度でx方向に相対的に変化させながら照射した。そして、被照射面のy方向における最大積算光量を求め、比較例1の最大積算光量の値を100としたときの相対値を算出した。結果を表1に示す。
Figure 0006090277
表1の結果から明らかなように、実施例2〜4に係る発光モジュールによれば、比(R2/H2)の値が、比(R1/H1)の値より大きく、かつ、比(R1/H1)の値の1.48倍以下であるため、比較例1に係る発光モジュールに比較して、積算光量のばらつきが小さく、しかも、比較例1に係る発光モジュールと同等の積算光量が得られることが確認された。
1 光照射装置
2 筐体
10 発光モジュール
11 基板
20 発光部列
21 第一の発光部
22 発光素子
23 封止レンズ
25 第二の発光部
26 発光素子
27 封止レンズ
30 光源部
35 搬送機構
40 光源ユニット
41 ヒートシンク
50 ヘッド部
55 ガイドレール
L1,L2 光軸
M 記録媒体
W 光照射対象物

Claims (5)

  1. 光源部と光照射対象物との位置関係を一方向に相対的に変化させながら、当該光源部からの光を光照射対象物に照射する光照射装置において、前記光源部の光源として用いられる発光モジュールであって、
    基板上に、1つ以上の第一の発光部および1つ以上の第二の発光部が前記一方向に並ぶよう配置された発光部列が、前記一方向と直交する他方向に複数並んで配置されてなり、 前記第一の発光部および前記第二の発光部の各々は、LEDよりなる発光素子と封止レンズとを備えてなり、
    前記第一の発光部は、その発光素子の光軸上にピークが位置する配光分布を形成するものであり、
    前記第二の発光部は、その発光素子の光軸と、当該第二の発光部に隣接する、他の発光部列の第二の発光部における発光素子の光軸との間の軸上にピークが位置する配光分布を形成することによって、前記第一の発光部による配光分布を、前記光照射対象物の被照射面に対する積算光量が前記他方向において均一化されるよう補償するものであり、
    前記第二の発光部は,その封止レンズの曲率半径(R2)が、前記第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)より大きく、かつ、その封止レンズの高さ(H2)が、前記第一の発光部における封止レンズの高さ(H1)より小さく、
    前記第二の発光部における封止レンズの曲率半径(R2)と高さ(H2)との比(R2/H2)の値が、前記第一の発光部における封止レンズの曲率半径(R1)と高さ(H1)との比(R1/H1)の値よりも大きく、かつ、比(R1/H1)の1.48倍以下であることを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記発光部列の各々において、前記第一の発光部と前記第二の発光部とが交互に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の発光モジュール。
  3. 前記発光部列の各々における前記第一の発光部の数と前記第二の発光部の数とが同一であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光モジュール。
  4. 一の前記発光部列における前記第一の発光部と、当該第一の発光部に隣接する、他の前記発光部列における前記第一の発光部とが、前記他方向に並ぶよう配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の発光モジュール。
  5. 前記発光部列の各々において、前記第一の発光部の封止レンズが、当該第一の発光部に隣接する前記第二の発光部の封止レンズに連結されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の発光モジュール。
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