JP6483605B2 - 光照射装置 - Google Patents

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Description

この発明は、光源としてLED(Light Emitting Diode)等の発光素子を備えた光照射装置に関し、特に、発光素子から発せられる熱を放熱する冷却機構を筐体内に備えた光照射装置に関する。
従来、オフセット枚葉印刷用のインキとして、紫外光の照射により硬化する紫外線硬化型インキが用いられている。また、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等、FPD(Flat Panel Display)回りの接着剤として、紫外線硬化樹脂が用いられている。このような紫外線硬化型インキや紫外線硬化樹脂の硬化には、一般に、紫外光を照射する紫外光照射装置が用いられる。
紫外光照射装置としては、従来から高圧水銀ランプや水銀キセノンランプ等を光源とするランプ型照射装置が知られているが、近年、消費電力の削減、長寿命化、装置サイズのコンパクト化の要請から、従来の放電ランプに替えて、LEDを光源として利用した紫外光照射装置が開発されている(例えば、特許文献1)。
特許文献1に記載の紫外光照射装置は、複数の発光素子が2次元的に配置されたベースプレートと、ベースプレートを囲むように設けられ、発光素子から発光される紫外光を導光する反射筒部(ミラー部)と、ベースプレートを冷却する冷却部とを備えている。そして、反射筒部によって紫外光をミキシングすることによって、照射エリア内で均一な照射分布が得られるように構成している。また、光源としてLEDを用いる場合、投入した電力の大半が熱となり、LED自身が発熱する熱によって発光効率と寿命が低下するといった問題が発生することから、ヒートシンク等の冷却部によってLEDの発熱を抑える構成を採っている。
特開2013−215661号公報
特許文献1に記載の構成によれば、LEDの発熱が抑えられると共に、各LEDからの光が反射筒部によってミキシングされるため、照射エリア内で均一な照射分布が得られる。
しかしながら、反射筒部が紫外光によって照射されると、反射筒部自身が高温になってしまい、変形するといった問題がある。そして、反射筒部が変形すると、紫外光が設計通りにミキシングされなくなり、照射エリア内での照射分布が不均一になるといった問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、反射筒部等、LEDの光が通過する光通過領域内に配置される部材を効率的に冷却可能な構成を有する光照射装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の光照射装置は、照射対象物の上方に配置され、該照射対象物に対して下向きに光を照射する光照射装置であって、基板と、基板の下面に配置された複数の発光素子と、一端面が基板の上面と当接するように基板の上方に配置され、基板及び複数の発光素子を冷却する冷却機構と、複数の発光素子の光が通過する光通過領域を包囲するように、基板の下方に配置された内壁と、基板、複数の発光素子、冷却機構及び内壁を収容すると共に、内壁との間に空間を生成する筐体と、光通過領域の空気を冷却機構の他端面側に導入する空気流入口と、空気流入口に導入された空気が冷却機構の他端面に沿って流れるように、冷却機構の他端面と筐体との間に形成され、空気流入口と空間とを結ぶ流路と、空間の空気が光通過領域に流出可能に設けられた循環口と、を備え、冷却機構は、該冷却機構の他端面において空気流入口に導入された空気を冷却し、光通過領域と空間との間で空気が自然対流することを特徴とする。
このような構成によって、光照射装置の内部空間の空気が循環するため、光照射装置の内部温度の上昇を抑制することができ、その結果、内壁が効率よく冷却される。
また、内壁は、光通過領域に面する第1面と、空間に面する第2面と、を有し、自然対流する空気が、第1面と第2面に沿って流れるように構成することができる。また、この場合、内壁の第1面が、複数の発光素子からの光を導光する反射ミラーを備える構成とすることができる。このように、内壁を反射ミラーとすることにより、反射ミラーが効率よく冷却される。
また、筐体は、光を透過すると共に、光通過領域を気密に閉じる光出射窓を備えることができる。この場合、光出射窓と内壁との間に循環口が形成されていることが望ましい。
また、内壁が開口を備え、該開口が循環口を構成することが望ましい。
また、空間内に、複数の発光素子を駆動するドライバ回路を備えることができる。
以上のように、本発明によれば、LEDの光が通過する光通過領域内に配置される部材を効率的に冷却可能な構成を有する光照射装置が実現される。
本発明の第1の実施形態に係る光照射装置の概略構成を説明する正面図である。 本発明の第1の実施形態に係る光照射装置の内部構成を説明するY−Z平面の断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る光照射装置に備わるLEDモジュールの構成を説明する図である。 本発明の第1の実施形態に係る光照射装置に備わる放熱部材の構成を説明する図である。 本発明の第1の実施形態に係る光照射装置に備わる反射ミラーの構成と、反射ミラーが冷却されるプロセスを説明する図である。 本発明の効果確認実験において、温度を測定した位置を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る光照射装置の構成を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光照射装置1の概略構成を説明する正面図である。また、図2は、光照射装置1の内部構成を説明するY−Z平面の断面図である。本実施形態の光照射装置1は、印刷装置等に搭載されて、紫外線硬化型インキや紫外線硬化樹脂を硬化させる光源装置であり、例えば、正面(窓部105が配置されている面)が照射対象物と対向するように、照射対象物の上方に配置され、照射対象物に対して下向きにライン状の紫外光を出射する。なお、本明細書においては、図1及び図2の座標に示すように、後述するLED(Light Emitting Diode)素子210が紫外光を出射する方向をZ軸方向、光照射装置1の長手方向をX軸方向、ならびにZ軸方向及びX軸方向に直交する方向(光照射装置1の短手方向)をY軸方向と定義して説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態の光照射装置1は、内部にLEDモジュール200、反射ミラー300、放熱部材400を収容する箱形のケース100(筐体)を備えている。ケース100は、正面に紫外光が出射されるガラス製の窓部105を備えている。また、ケース100の背面(正面と相対する面)には、光照射装置1に電源を供給するためのコネクタ(不図示)や放熱部材400に冷却水を供給する冷却水カプラ(不図示)等が設けられている。コネクタ(不図示)は不図示の電源装置と不図示のケーブルで接続され、光照射装置1に電源が供給されるようになっている。また、冷却水カプラ(不図示)には不図示の冷却水供給装置が接続され、放熱部材400に冷却水が供給されるようになっている。
図3は、本実施形態のLEDモジュール200の構成を説明する図である。また、図4は、本実施形態の放熱部材400の構成を説明する図であり、図4(a)は、放熱部材400を正面側(窓部105側)から見たときの正面斜視図であり、図4(b)は、放熱部材400を背面側から見たときの背面斜視図である。
図3及び図4(a)に示すように、LEDモジュール200は、X軸方向及びY軸方向に平行な矩形状の基板205と、基板205上に複数のLED素子210とを備えており、ケース100内をX軸方向に延びる水冷ヒートシンク402の一端面(ケース100の正面側に向いた面)上に、2列×16個のLEDモジュール200が配置、固定されている。
図3に示すように、本実施形態のLEDモジュール200は、基板205上に20列(Y軸方向)×10個(X軸方向)の態様で配置された200個のLED素子210を備えている。200個のLED素子210は、Z軸方向に光軸が揃えられた状態で、基板205の表面に配置されている。基板205上には、各LED素子210に電力を供給するためのアノードパターン207及びカソードパターン209が形成されており、各LED素子210は、アノードパターン207及びカソードパターン209にそれぞれハンダ付けされ、電気的に接続されている。また、基板205は、不図示の配線ケーブルによって不図示のドライバ回路と電気的に接続されており、各LED素子210には、アノードパターン207及びカソードパターン209を介して、ドライバ回路から駆動電流が供給されるようになっている。各LED素子210に駆動電流が供給されると、各LED素子210からは駆動電流に応じた光量の紫外光(例えば、波長385nm)が出射される。図4に示すように、本実施形態においては、2列×16個のLEDモジュール200が水冷ヒートシンク402の一端面上に並べられており、本実施形態の光照射装置1からはX軸方向に延びるライン状の紫外光が出射される。なお、本実施形態の各LED素子210は、略一様な光量の紫外光を出射するように各LED素子210に供給される駆動電流が調整されており、光照射装置1から出射されるライン状の紫外光は、X軸方向及びY軸方向において略均一な光強度分布を有している。
なお、図1及び図2に示すように、本実施形態の光照射装置1においては、2列×16個のLEDモジュール200を包囲する(つまり、LED素子210の光が通過する光通過領域を包囲する)ように配置された4つの反射ミラー300が設けられている。各LED素子210から出射された紫外光は4つの反射ミラー300によってミキシングされ、照射対象物上においてより均一な光強度分布となるようになっている。
放熱部材400は、各LEDモジュール200を固定するとともに、各LEDモジュール200で発生した熱を放熱するための部材であり、熱伝導率の高い銅等の金属によって形成された2つの水冷ヒートシンク402と、2つの水冷ヒートシンク402の他端面側に固定されて熱的に結合すると共に、2つの水冷ヒートシンク402を支持する放熱フレーム404とによって構成されている。また、図4に示すように、放熱フレーム404のY軸方向中央部(つまり、2つの水冷ヒートシンク402の間)には、光通過領域(反射ミラー300によって包囲された領域)で温められた空気を取り込む空気流入口404bが形成されている。
水冷ヒートシンク402は、一端面側にLEDモジュール200が取付けられる板状の部材であり、水冷ヒートシンク402の内部には、冷却水が通る複数の水路402a(図2)が形成されている。
放熱フレーム404は、空気流入口404bから取り込まれた空気を冷却するための金属の矩形板状の部材である。放熱フレーム404の他端面側(水冷ヒートシンク402が固定されている側とは反対側の面)には、Z軸方向に相反する方向に起立し、Y軸方向に延びる複数の放熱フィン404aが形成されている。複数の放熱フィン404aは、空気流入口404bを中心にY軸方向に2つに分かれて配置されており、空気流入口404bから取り込まれた空気が2つに分かれた各放熱フィン404aの間を流れることで、冷却されるようになっている。つまり、各放熱フィン404aの間は、空気流入口404bから取り込まれた空気が流れる流路になっている。そして、各放熱フィン404aの外側端部(空気流入口404bと相反する側の端部)は、隣接する放熱フィン404aの外側端部との間で、空気流入口404bから取り込まれた空気が流出する空気流出口404cを形成している。このように、本実施形態の放熱部材400は、水冷ヒートシンク402によって各LEDモジュール200で発生した熱を放熱すると共に、水冷ヒートシンク402の裏面側を利用して、空気流入口404bから取り込まれた空気も冷却するように構成されている。そして、空気流出口404cから流出する冷却された空気が、ケース100と反射ミラー300の間の空間に流れ込み、反射ミラー300を冷却し、反射ミラー300の先端部300aと窓部105との間に形成された循環口301(図2)を通って、光通過領域に流出するように構成されている(詳細は後述)。
図5は、本実施形態の反射ミラー300の構成と、反射ミラー300が冷却されるプロセスを説明する光照射装置1のY−Z平面の断面図である。
上述したように、本実施形態の4つの反射ミラー300は、各LED素子210から出射された紫外光をミキシングするための部材であり、放熱フレーム404の各辺から窓部105に向って徐々に広がるように傾斜して設けられている。各LED素子210からの紫外光が反射ミラー300によってミキシングされると、照射対象物上において、均一な光強度分布が得られる。
しかしながら、各LED素子210からの紫外光が反射ミラー300にあたると、反射ミラー300に吸収された光の一部が熱となって、反射ミラー300自身が高温になってしまい、変形してしまうといった問題がある。また、本実施形態においては、反射ミラー300が窓部105によって覆われているため、反射ミラー300が高温になることによって光通過領域(反射ミラー300によって包囲された領域)の空気が温められ、光照射装置1内部の温度が上昇し、LED素子210や他の電気部品に悪影響をおよぼすといった問題も懸念される。そこで、かかる問題を解決するため、本実施形態においては、放熱フレーム404に空気流入口404bを設け、各LEDモジュール200のみならず、空気流入口404bから取り込まれた空気も冷却することで、光通過領域(反射ミラー300によって包囲された領域)の空気及び反射ミラー300も冷却している。
図5の矢印は、空気の流れる方向を示している。図5に示すように、各LED素子210が発光し、各LED素子210からの紫外光が反射ミラー300にあたると、反射ミラー300が高温になるため、光通過領域(反射ミラー300によって包囲された領域)の空気が温められる。そして、温められた空気は、比重が軽くなって上昇し、空気流入口404bから放熱フレーム404の他端面側に流れ込む(矢印A)。そして、放熱フレーム404の他端面側に流れ込んだ空気は、ケース100と放熱フレーム404との間の空間で放熱フィン404aに接することで冷却されるため、比重が重くなり、放熱フィン404aの間を通り(矢印B)、空気流出口404cから流出する。そして、空気流出口404cから流出した空気は、さらにケース100と反射ミラー300の間の空間に流れ込む(矢印C)。従って、冷却された空気が反射ミラー300の裏面に接することにより、反射ミラー300が冷却される。
また、上述したように、本実施形態においては、反射ミラー300の先端部300aと窓部105との間に僅かな隙間が形成されており、循環口301が形成されている。そして、ケース100と反射ミラー300の間の冷却された空気は、循環口301を通って、光通過領域に流れ込むようになっている(矢印D)。従って、本実施形態の構成によれば、光通過領域の空気も冷却される。
このように、本実施形態においては、放熱フレーム404に空気流入口404bを設け、水冷ヒートシンク402の裏面側を利用して、光通過領域と、ケース100と反射ミラー300の間の空間との間で空気を自然対流させ、これによって反射ミラー300及び光通過領域の空気を冷却している。
従って、各LED素子210からの紫外光が反射ミラー300にあたったとしても、反射ミラー300自身が高温になることはなく、変形してしまうこともない。また、光照射装置1内部の温度上昇が抑えられるため、LED素子210や他の電気部品に悪影響がおよぶこともない。
(効果確認実験)
表1は、本発明の効果確認実験の結果を説明する表であり、空気流入口404bがない状態(つまり、開閉板によって空気流入口404bを閉じた状態)と、空気流入口404bが開いている状態(つまり、本実施形態の構成)において、図6で示す各測定位置の温度を熱電対によって測定し、その結果を示したものである。なお、図6に示す開閉板は、本効果確認実験において、空気流入口404bを閉じるために便宜上使用した部材であり、本実施形態の光照射装置1を構成するものではない。
Figure 0006483605
なお、図6に示すように、測定位置aは、2つの水冷ヒートシンク402の温度であり、測定位置bは、反射ミラー300の裏面側の温度であり、測定位置cは、ケース100と反射ミラー300の間の空間の空気温度である。なお、表1の測定値は、各LED素子210をフルパワーで60分間点灯し、その間の最高温度(℃)である。また、表1の測定においては、水冷ヒートシンク402に供給する冷却水の温度を23℃とし、流量は15L/minとした。なお、表1の「温度差」は、空気流入口404bが閉じている状態の温度と、空気流入口404bが開いている状態の温度との差である。
(考察)
表1に示すように、測定位置aのデータによれば、空気流入口404bの有無に拘わらず水冷ヒートシンク402内を冷却水が通るため、温度差が殆ど生じないことが分かる。また、測定位置bのデータによれば、空気流入口404bを設けることによって、反射ミラー300の温度を約14.3℃低下させることができることが分かる。また、測定位置cのデータによれば、ケース100と反射ミラー300の間の空間の空気温度も約4.8℃低下させることができることが分かる。
以上が本実施形態の説明であるが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。
例えば、本実施形態の光照射装置1は、照射対象物の上方に配置され、照射対象物に対して下向きの紫外光を照射するものとして説明したが、光通過領域の空気が空気流入口404bに流入すればよく、例えば、光照射装置1は横向きに配置され、照射対象物に対して横向きの紫外光を照射するものであってもよい。
また、本実施形態においては、光通過領域の空気を自然対流させる構成としたが、このような構成に限定されるものではなく、例えば、空気の対流経路内(つまり、光通過領域以外の領域)にファンを設け、光通過領域の空気を強制的に対流させる構成としてもよい。
また、本実施形態においては、放熱フレーム404のY軸方向中央部(つまり、2列に並ぶ16個のLEDモジュール200の間)に、空気流入口404bを設ける構成としたが、このような構成に限定されるものではなく、光通過領域の空気が空気流入口404bに流入すれば、空気流入口404bは如何なる位置に設けられてもよい。
また、本実施形態においては、LEDモジュール200を包囲する反射ミラー300を設け、光通過領域の空気を自然対流させることによって反射ミラー300を冷却する構成としたが、必ずしも反射ミラー300を設ける必要はなく、例えば、反射ミラー300に代えて、LEDモジュール200を包囲する内壁を設けてもよい。この場合、光通過領域の空気を自然対流させることによって内壁の温度を低下させることができる。
また、本実施形態においては、ケース100と反射ミラー300の間の空間の空気温度を低下させることができるため、例えば、ケース100と反射ミラー300の間に、各LED素子210に駆動電流を供給するドライバ回路を配置することもできる。
また、本実施形態においては、反射ミラー300の先端部300aに窓部105が配置されるものとしたが、窓部105は必ずしも必要ではない。窓部105を取り外すと、光通過領域に外部の空気が流入し、光通過領域の空気が対流するため、光通過領域は低い温度に維持される。
また、本実施形態のLEDモジュール200においては、基板205上に20列(Y軸方向)×10個(X軸方向)の態様でマトリックス状に配置された200個のLED素子210を備えているものとしたが、このような構成に限定されるものではなく、LED素子210は一列に配置されてもよく、また、いわゆる千鳥状に配置されてもよい。また、全てのLED素子210の光軸がZ軸方向に揃えられているものとしたが、例えば、一部のLED素子210の光軸がZ軸方向以外に向けられてもよい。
また、本実施形態の放熱部材400は、水冷ヒートシンク402を有するものとしたが、例えば、水以外の液冷とすることもでき、また水冷ヒートシンク402に代えて、ヒートパイプ、ペルチェクーラー(ペルチェ素子)、冷却ファンを適用することもできる。
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態に係る光照射装置2の内部構成を説明するY−Z平面の断面図である。第1の実施形態の光照射装置1は、反射ミラー300の先端部300aと窓部105との間に形成された循環口301を備えているが、この循環口301に代えて、本実施形態の光照射装置2においては、Y軸方向に配置された2枚の反射ミラー300Mに循環口301Mが形成されている点で、第1の実施形態に係る光照射装置1とは異なっている。
図7に示すように、本実施形態の反射ミラー300Mは、X軸方向に延びるスリット状の開口を備え、該開口が循環口301Mを構成している。また、ケース100の内部には、循環口301Mの下方縁部(Z軸方向の縁部)に沿って、ケース100と反射ミラー300Mの間の空間を仕切る仕切板110が形成されている。従って、空気流出口404cから流出した空気は、ケース100と反射ミラー300の間の空間に流れ込み(矢印C)、反射ミラー300Mを冷却すると共に、仕切板110に沿って循環口301Mを通り、光通過領域に流れ込む(矢印D)。よって、本実施形態の構成によっても、第1の実施形態と同様、反射ミラー300Mのみならず、光通過領域の空気も冷却される。
なお、循環口301Mは、スリット状の開口に限定されるものではなく、X軸方向に沿って形成された複数の開口であってもよい。また、第1の実施形態と同様、本実施形態においても、窓部105を取り外すことができ、窓部105を取り外すことによって、光通過領域に外部の空気が流入し、光通過領域の空気が対流するため、光通過領域は低い温度に維持される。
なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1、2 光照射装置
100 ケース
103 冷却水カプラ
104 コネクタ
105 窓部
110 仕切板
200 LEDモジュール
205 基板
207 アノードパターン
209 カソードパターン
210 LED素子
300、300M 反射ミラー
300a 先端部
301、301M 循環口
400 放熱部材
402 水冷ヒートシンク
402a 水路
404 放熱フレーム
404a 放熱フィン
404b 空気流入口
404c 空気流出口

Claims (7)

  1. 照射対象物の上方に配置され、該照射対象物に対して下向きに光を照射する光照射装置であって、
    基板と、
    前記基板の下面に配置された複数の発光素子と、
    一端面が前記基板の上面と当接するように前記基板の上方に配置され、前記基板及び前記複数の発光素子を冷却する冷却機構と、
    前記複数の発光素子の光が通過する光通過領域を包囲するように、前記基板の下方に配置された内壁と、
    前記基板、前記複数の発光素子、前記冷却機構及び前記内壁を収容すると共に、前記内壁との間に空間を生成する筐体と、
    前記光通過領域の空気を前記冷却機構の他端面側に導入する空気流入口と、
    前記空気流入口に導入された空気が前記冷却機構の他端面に沿って流れるように、前記冷却機構の他端面と前記筐体との間に形成され、前記空気流入口と前記空間とを結ぶ流路と、
    前記空間の空気が前記光通過領域に流出可能に設けられた循環口と、
    を備え、
    前記冷却機構は、該冷却機構の他端面において前記空気流入口に導入された空気を冷却し、
    前記光通過領域と前記空間との間で空気が自然対流する
    ことを特徴とする光照射装置。
  2. 前記内壁は、前記光通過領域に面する第1面と、前記空間に面する第2面と、を有し、
    前記自然対流する空気が、前記第1面と前記第2面に沿って流れる
    ことを特徴とする請求項1に記載の光照射装置。
  3. 前記内壁の前記第1面が、前記複数の発光素子からの光を導光する反射ミラーを備えることを特徴とする請求項に記載の光照射装置。
  4. 前記筐体は、前記光を透過すると共に、前記光通過領域を気密に閉じる光出射窓を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の光照射装置。
  5. 前記光出射窓と前記内壁との間に前記循環口が形成されていることを特徴とする請求項に記載の光照射装置。
  6. 前記内壁が開口を備え、該開口が前記循環口を構成することを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の光照射装置。
  7. 前記空間内に、前記複数の発光素子を駆動するドライバ回路を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の光照射装置。
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