JP6460469B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、着用することができる小型のＬＥＤ照明装置に関する。

従来から、高効率でかつ長寿命であるＬＥＤ素子を用いた照明装置が種々実用化されている。しかし、ＬＥＤ素子を用いた照明装置は、本体ケース内がＬＥＤ素子から発生する熱によって高温になると、ＬＥＤの発光効率が悪くなり照明装置の光出力が低下するという問題やＬＥＤ素子の寿命が短くなるといった問題がある。

そのため、従来からＬＥＤ照明装置はＬＥＤ素子を冷却するのに、ＬＥＤ素子を実装した基板の裏側に複数のフィンを設けて冷却を行っている（例えば、特許文献１を参照）。また、ファンを用いて能動的に冷却を行うＬＥＤ照明装置も知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００７−４２７５５号公報 特開２０１１−１６５３５１号公報

ＬＥＤ素子を用いた多様な照明装置の中でも、人が着用している眼鏡やヘッドバンド等の着用物や衣服に装着して使用する小型化されたＬＥＤ照明装置が知られている。このような照明装置は、例えば、人の頭部に装着したとき、顔を向ける方向とライトの照射方向とが一致するため人の視線方向に沿って照明可能なことから、作業する手元をスポット的に照明する用途に最適な照明装置となっている。

しかし、この種のＬＥＤ照明装置は、着用したときに負担とならないよう小型・軽量化されており、ＬＥＤ素子を収容するレンズケース内の体積容量も小さくなっている。したがって、レンズケース内の内側表面が小さく照光部分の表面積も小さく、ケース内に埃や水蒸気が侵入してケースの内側に汚れや水滴が付着し照光面が曇ると照度が極度に低下する。

これを防止するのに、小型化されたＬＥＤ照明装置では、埃や水蒸気の侵入を防ぐためレンズケース内にＬＥＤ素子を密閉して収容しているが、体積容量が少ないレンズケースを密閉するとケース内部の温度が短時間で上昇してしまい長時間の使用には不向きとなる問題がある。加えて、軽量性の面からＬＥＤ光を照射するレンズは樹脂製である場合が殆どであり、熱によりレンズが損傷する虞もある。

しかし、レンズケース内の温度上昇を抑えるのに、密閉された空間内にあっては、ＬＥＤ素子を実装している基板の裏面にフィンを設けても外部との熱交換を行うことができず、また、ファンを設けて外気による強制冷却を行うこともできない。

上記点より本発明は、ＬＥＤ素子をレンズケース内に密閉して収容するＬＥＤ照明装置において、レンズケース内の効果的な冷却を可能にすることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るＬＥＤ照明装置は、第１及び第２の端面を有して前記第１の端面に照光レンズが設けられる筒状のレンズケースと、ＬＥＤ素子が実装される基板と、前記レンズケースの前記第２の端面側に設けられる基台部と、前記基板を収納するよう前記基台部に形成される凹部と、前記レンズケースを前記第２の端面で前記凹部に嵌合させて前記基台部と結合させた状態を保持することで前記レンズケースの内部空間を密閉する接合部と、前記基台部から外部空間に突出するよう形成される放熱柱と、を備える。

上記構成によれば、凹部に収容されたＬＥＤ素子が発する熱は基台部に効果的に伝達されて、放熱柱が空気と熱交換することで外部空間に放熱される。その結果、密閉された内部空間で発生する熱の外部空間への高い放熱性が確保できる。

このとき、前記基板を前記凹部の底面にビスで固定することにより、このビスを介して前記ＬＥＤ素子からの発熱が前記基台部に伝達される。さらに、前記ビスの先端を、前記凹部の底面を貫通して前記基台部の背面から突出させると、ビスの突出した部分でも空気との熱交換を行なうことができる。

また、前記放熱柱を、前記外部空間に空気通路を形成するファンの支持に利用すると良い。これにより、放熱柱による空気との熱交換が促進されるばかりか、放熱柱をファンの支持柱としたことで装置の簡素化が図れる。

他の例として、ヒートパイプを基台部における前記ＬＥＤ素子の端子部から外部空間へ突出させてもよい。そして、このヒートパイプにフィンを装着するとよい。さらに、ファンを設けて空気通路によりさらに効率的に熱交換を行わせるとよい。

さらに、他の例として、内部に前記ＬＥＤ素子へのリード線が通される電線パイプを基台部から外部空間へ突出させてもよい。

本発明によれば、レンズケース内を密閉する基台部に凹部を形成し、この凹部にＬＥＤ素子が実装される基板を収容するために、ＬＥＤ素子による発熱が基台部に効率良く伝達される。そして、基台部の背面から外方に突出するよう設けた放熱柱やヒートパイプ又は電線パイプが空気との熱交換を行うために、レンズケース内の効果的な冷却が可能となり、耐久性の高いＬＥＤ照明装置が実現される。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の側断面図を示す。 本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を部品毎に分解した説明図を示す。 本発明の第１の実施形態において、ファン装置を追加した変形例の側面図を示す。 ファン装置を追加したときの空気の流れを模式的に説明する図を示す。 身体に装着するためのアームを取り付けた図１のＬＥＤ照明装置の側面図を示す。 本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の側面図を示す。 本発明の第２の実施形態における変形例での側面図を示す。 本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の側面図を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
[実施形態１]
図１は、操作者の身体に装着されて照光対象に光を照射する着用型のＬＥＤ照明装置１を側断面図で示している。このＬＥＤ照明装置１は、図２で示す各部品が組み立てられて構成されている。

レンズケース２は、略円錐台形状の筒であり対象物に光をスポット的に照射するための複数の凸レンズから成るレンズ系５を内蔵している。そして、レンズケース２の基端部には基台部４と接続するための結合部６が設けられており、結合部６の外周表面には螺旋状に連続した突起６ａが形成されている。

ＬＥＤ保持部３は複数のＬＥＤ素子を含むＬＥＤパッケージ７が接着剤によって実装される円形状の基板であり、熱伝導性の高い樹脂又は金属（合金を含む）で構成されている。このときの接着剤も熱伝導性に優れたシリコーン系の接着剤を使用するとよい。そして、ＬＥＤ保持部３は、円周の一部に略四角形状の切欠１０が形成されており、この切欠１０にＬＥＤパッケージ７のリード１５が引き出されている。

四角体の基台部４は、熱伝導性の高い樹脂で成形されており、ＬＥＤ保持部３を収容するための円筒の凹部１１が設けられている。そして、側面には外部から挿入されるハーネス２４を受け入れるための受入口１３を備えている。ハーネス２４は、受入口１３と凹部１１の間を連通している経路２６を通して凹部１１の中へ導入される。したがって、ＬＥＤ保持部３は、切欠１０が経路２６の出口側と対向するよう配置されて、ハーネス２４の線とＬＥＤパッケージ７のリード１５とは半田付けにて接続される。これにより、ＬＥＤパッケージ７にはハーネス２４を通して外部から給電されて、ＬＥＤ素子が発光する。尚、基台部４は、アルミニウムなどの金属材料で形成されてもよい。

このように、ハーネス２４を基台部４に組み込むとき、ハーネス２４はグロメット２５とＯリング１７、１８のそれぞれの中空部に通された状態で受入口１３に差し込まれる。そして、グロメット２５を受入口１３に被せて固定することにより、Ｏリング１７は、受入口１３の内周壁に形成されている環状の受部１９で係止され、Ｏリング１８は、受入口１３の外側表面に形成されている溝部２９に装着されて、受入口１３はハーネス２４を通した状態で密閉される。

ＬＥＤ保持部３は、凹部１１の底面に一対のビス１２によって固定されるが、このときＬＥＤ保持部３を凹部１１の底面に接触させても或いは隙間を空けて配置してもよい。本例では、組み立て時にハーネス２４の線とＬＥＤパッケージ７のリード１５とを接続するときの容易さを考慮して、ＬＥＤ保持部３と凹部１１の底面との間には隙間を空けてビス１２により固定している。

そして、ビス１２は、ＬＥＤ保持部３を基台部４の凹部１１に固定する目的以外に、ＬＥＤパッケージ７の発熱を外部へ放熱する。特に、ＬＥＤ保持部３と凹部１１の底面との間には隙間を空けて固定する場合には、ビス１２がＬＥＤ保持部３の熱を基台部４に直接伝達するため、ビス１２は、銅やタングステンを素材にしたビスが最適である。銅を素材にする場合は、腐食を考慮して表面に銀メッキ等を施すとよい。

凹部１１の内周壁には、結合部６の突起６ａと係合する溝１１ａが螺旋状に形成されている。したがって、凹部１１にレンズケース２の結合部６を嵌め込み回転させることで、レンズケース２と基台部４とは締め付けられてネジ結合される。これにより、レンズケース２は、上記したように受入口１３がハーネス２４を通した状態でＯリング１７、１８により密封されているために、レンズケース２内は密閉状態となって埃や湿気の侵入が防止される。

基台部４の背面の四隅には面から突出する放熱柱１６が設けられている。照明時にＬＥＤパッケージ７に発生する熱はＬＥＤ保持部３から基台部４へと伝達されていく。本例ではＬＥＤ保持部３と基台部４との間には間隔が設けられているために、ＬＥＤ保持部３から基台部４へ熱伝達は、両方と直接接しているビス１２によって主に行われる。放熱柱１６は樹脂で構成されて、基台部４と一体成形されるが、基台部４とは別部材で取り付けられる銅等による金属の棒やパイプによる柱であってもよい。

そして、基台部４に伝達された熱は、放熱柱１６による空気との熱交換により空気中に排熱される。これにより、放熱柱１６によって、レンズケース２内が冷却されることになる。このように基台部４に形成した凹部１１に、ＬＥＤパッケージ７が実装されているＬＥＤ保持部３を収容することで、基台部４にはＬＥＤパッケージ７での発熱が効果的に伝達されて放熱柱１６から放熱される。

以上のように、レンズケース２と接合してケース内を密閉する基台部４は、ＬＥＤパッケージ７が実装されているＬＥＤ保持部３を収容する凹部１１と放熱柱１６とを備えることで、密閉されたＬＥＤパッケージ７からの発熱を外部に効率良く放熱することができるため、ＬＥＤ照明装置１は長時間の光の照射が可能となる。基台部４から外側空間に向けて突出するような放熱柱１６による空気との熱交換は、基台部４の背面にフィンを形成して背面の表面積を大きくするのと比べて排熱効果が高くなるが、放熱柱１６と共に基台部４の背面にフィンを形成すればより効果的である。

さらに、冷却効果をいっそう高めるには、基台部４の中央部、すなわちＬＥＤパッケージ７と正対している箇所にも放熱柱１６を設けるとよい。また、ＬＥＤ保持部３を基台部４の凹部１１の底面に固定するビス１２は、ＬＥＤ保持部３の熱を直接、基台部４に伝達する作用も行うため、そのネジ部が図１で破線によって示すように凹部１１の底面を貫通して外方に突出するようなネジを用いると更によい。ネジ部を外方に突出させた長尺のネジは、放熱柱１６と同様に空気と熱交換を行うことができ放熱効果がより高まる。

ＬＥＤパッケージ７の消費電力が大きく放熱柱１６による自然冷却だけでは冷却能力が不足する場合には、図３で示されているように、ファン装置２０を用いて強制冷却することも可能である。この場合、ファン装置２０を放熱柱１６によって支持することができ、同じ照明装置でファンを備えるタイプと備えないタイプとを製造する場合の共通化が図れる。

本発明に係る小型のＬＥＤ照明装置１に用いるファン装置２０としては、広く実用に供されている、１０数ミリ角で厚さも数ミリ程度の超小型で、且つ容量も３Ｖ乃至５Ｖ程度と小さいブラシレスＤＣファンモータを用いたファンが最適である。このファン装置２０は軸流型のファンであり、図４に示すように、インペラ２０ｂの回転によって、フレーム２０ａ内に外から空気を取り込み軸方向に吹き出す。そして、吹き出された空気は基台部４の端面に当たって、隣り合う支持柱１６が側枠でフレーム２０ａ及び基台部４にあって互いに対向しているそれぞれの辺が上下枠となっている４方向の窓部４２から外部に排出される。この空気の流れによって、基台部４の背面及び放熱柱１６は、効果的に冷却される。尚、ファン装置２０は、図示しないが電源線がハーネス２４から分岐されて接続される。したがって、ファン装置２０を備えるＬＥＤ照明装置１では、ハーネス２４には、ＬＥＤパッケージ７の給電線とアース線と共に、ファン装置２０への給電線が追加される。尚、このとき形成される空気流は、インペラ２０ｂの回転によって、４通りの窓部４２から空気を取り込み、フレーム２０ａ内を通って外に排気される上記とは逆向きの流れであってもよい。

ＬＥＤ照明装置１は、図５で示すようにハーネス２４に固定で取り付けられるアーム２１を備えている。アーム２１は、ＬＥＤ照明装置１を操作者の身体に装着される眼鏡やヘッドベルト等の着用物や衣服に取り付けるときに使用され、リンク機構部２２と把持部２３とを備える。

３個のリンク２２Ａを回動自在に接続して構成されるリンク機構部２２は、一端で把持部２３と回動自在に接続されて、他端でハーネス２４に固定されている。そして、各リンク２２Ａが自由度を持って回動することで、レンズケース２は、把持部４から離反又は接近する前後方向や、上下方向に動くことができる。

把持部２３は、それぞれの一端部が同軸で回転自在に支持される一対の把持片２３Ａ及び２３Ｂと、ネジ２６と、バネ２７と、ナット２８とを含む。ネジ２６は、把持片２３Ｂに固定で取り付けられており、ネジ軸の先端は把持片２３Ａを貫通してナット２８と嵌合している。そして、このネジ軸の把持片４Ａと把持片４Ｂとの間の部分にはバネ２７が嵌装されている。

上記のアーム２１を備えるＬＥＤ照明装置１は、例えば、眼鏡フレームに装着することで人が着用することができる。この場合、アーム２１の把持部２３は、把持片２３Ａ及び２３Ｂの間に眼鏡フレームで両眼を繋いでいるブリッジ部を挟みナット２６を締め付ける方向に回転させることでブリッジ部を把持して、ＬＥＤ照明装置１は眼鏡フレームに保持される。そして、把持している状態からナット２８を緩めれば、把持片４Ａ及び４Ｂの間隔が開いて、把持部４は装着部３８の把持を解除する。また、眼鏡フレーム以外にも、人によって着用されるヘッドバンドや帽子等にも把持部４で把持して装着することができる。

[実施形態２]
上記した実施形態１では、基台部４の背面に設けた放熱柱１６により熱交換を行っているが、ヒートパイプを用いてもよい。図６に示すように、ヒートパイプ３０は、基台部４の中央部、すなわち、ＬＥＤパッケージ７におけるＬＥＤ素子の端子部と正対している箇所から突出するよう配置される。ヒートパイプ３０は、内部に熱媒体が封入された棒状部材であり、基台部４と接している一端が吸熱側でＬＥＤパッケージ７から基台部４に伝達される熱を吸熱し、他端の放熱側から外部に放熱する。このようなヒートパイプ３０は、放熱柱１６に代替して設けてもよいが、図６は、ヒートパイプ３０と共に４本の放熱柱１６を備えて、さらにファン装置２０を備える実施例を示している。この場合も、ファン装置２０がインペラ２０ｂの回転によって、フレーム２０ａ内に外から空気を取り込み軸方向に吹き出して、４方向の窓部４２から外部に排出される空気流を形成したとき、ヒートパイプ３０及び放熱柱１６が空気流と熱交換することで、より効果的な冷却となる。

図７は、ヒートパイプ３０を利用した実施態様の変形例を示すもので、ヒートパイプ３０には、薄板のフィン３１を装着することで放熱効果を高めている。さらに、フィン３１の平面が面している方向と直交する方向に空気通路を形成するファン３２を設けることで、フィン３１からの熱交換を効率的なものにしている。

[実施形態３]
図８は、本発明の実施形態３によるＬＥＤ照明装置１を側断面図で示しており、同様に実施形態１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施形態３での基台部４は、実施形態１における外部から挿入されるハーネス２４を受け入れるための受入口１３と内部に形成される経路２６は備えておらず、背面から凹部１１に向けて貫通させた電線パイプ３５内にハーネス２４を通してＬＥＤパッケージ７と結線している。パイプ３５は金属又は樹脂によって構成されるが、熱伝導性の高い銅パイプが最適である。そして、パイプ３５のハーネス２４の差込端及び基台部４のパイプ３５の挿入部はグロメット３６、３７によってそれぞれ閉塞することでレンズケース２内を密閉している。

このようなパイプ３５は、実施形態１での放熱柱１６と同様に、ＬＥＤパッケージ７から基台部４に伝達された熱は、パイプ３５にさらに伝達されて、空気との熱交換により空気中に排熱される。そして、実施形態３の場合も、適宜、パイプ３５にフィン３９に装着し、さらにファン３８を設けることで、より放熱効果が高まる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

１ ＬＥＤ照明装置
２ レンズケース
３ 基板
４ 基台部
５ 照光レンズ
６ 結合部
７ 凹部
１２ ビス
１６ 放熱柱
２０ ファン装置
３０ヒートパイプ
３１ フィン
３２ ファン
３５ 電線パイプ
３９ フィン

Claims (8)

1. 第１の端面及び第２の端面を有して前記第１の端面に照光レンズが設けられる筒状のレンズケースと、
   ＬＥＤ素子が実装される基板と、
   前記レンズケースの前記第２の端面側に設けられる基台部と、
   前記基板を収納するよう前記基台部に形成される凹部と、
   前記レンズケースを前記第２の端面で前記凹部に嵌合させて前記基台部と結合させた状態を保持することで前記レンズケースの内部空間を密閉する結合部と、
   前記基台部から外部空間に突出するよう形成される放熱柱と、
   を備え、
   前記基板を前記凹部の底面にビスで固定し、当該ビスの先端を、前記凹部の底面を貫通して前記外部空間へ突出させたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記放熱柱によって支持されて前記外部空間に空気通路を形成するファンを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記放熱柱と共に若しくは前記放熱柱に替えて、前記基台部における前記ＬＥＤ素子の端子部から外部空間に突出するよう形成されたヒートパイプを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記ヒートパイプにフィンを装着したことを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記外部空間に空気通路を形成するファンを備えたことを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ照明装置。
6. 前記放熱柱を、前記基台部から外部空間に突出するよう形成されて、内部に前記ＬＥＤ素子へのリード線が通される電線パイプとする、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
7. 前記電線パイプにフィンを装着したことを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ照明装置。
8. 前記外部空間に空気通路を形成するファンを備えたことを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤ照明装置。

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