JP7313555B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本開示は、例えば、複数の発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）を発光素子として用いる光源部を備えた光照射装置に関する。

従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。

特開２０１８－２０６５９１号公報

本開示の光照射装置は、複数の発光素子を含む光源部と、
前記光源部に熱的に結合されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに向けて送風する送風部と、
前記光源部、前記送風部および前記ヒートシンクが収容され、前記ヒートシンクに隣接して排気口が設けられるとともに、前記送風部の近くに吸気口が設けられた筐体と、
前記筐体内に設けられた、前記筐体の内部空間を、前記送風部および前記ヒートシンクの間の送風空間と前記送風空間を除く残余空間とに仕切る仕切り部材と、を備え、
前記筐体は、
前記光源部による光の出射方向に面し、光出射窓が設けられた底面部と、
前記底面部に対向して位置し、前記吸気口を有し、前記送風部が近くに配置された上面部と、
前記排気口を有し、前記底面部および前記上面部に接合された第１側壁部と、
前記底面部の第１縁辺部と前記底面部の前記第１縁辺部に対向する前記上面部の第２縁辺部とにわたって延びている第２側壁部と、
前記底面部、前記上面部および前記第２側壁部に接合された第３側壁部と、
前記第３側壁部に対向して位置し、前記底面部、前記上面部および前記第２側壁部に接合された第４側壁部と、を含んでいる構成とする。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。

本開示に係る光照射装置１の実施形態の一例を示す斜視図である。 光照射装置１の上面部１３を省略した斜視図である。 光照射装置１の第３側壁部１５を省略した側面図である。 仕切り部材１１の斜視図である。 光照射装置１の第１側壁部１７を省略した斜視図である。 光照射装置１の第１側壁部１７を省略した側面図である。 光照射装置１の上面部１３を省略した平面図である。

近年、発光素子であるＬＥＤ素子の開発が進展するに従い、ＬＥＤモジュールにおいて省スペース化された小さな領域に多くのＬＥＤ素子を実装することが可能となり、それに加えてＬＥＤ素子自体の高輝度化も進展してきている。これに伴い、ＬＥＤ素子の実装領域における発熱量が増加する傾向にある。このような背景から、光照射装置においては、発熱によるＬＥＤ素子の温度上昇を抑えるために、より高い排熱性が要求される。このＬＥＤ素子に熱的に接続されるヒートシンクには、複数のフィンが設けられており、フィンの間に冷媒としての冷却風が流れることで、ヒートシンクにおけるＬＥＤ素子から冷却風への熱輸送は進む。ヒートシンクによる排熱性を高める方法の一つとして、ヒートシンクのフィンのサイズを大きくする方法がある。しかしながら、単にフィンのサイズを大きくしただけでは、十分な冷却効果が得られない。また、光照射装置においてヒートシンクを設置できるスペースにも制限があるので、フィンのサイズを際限なく大きくできるものではない。そのため従来から、ヒートシンクのサイズを大形化することなく、冷却能力の優れた光照射装置が求められている。

本開示の基礎となる構成の光照射装置は、筐体と、筐体を構成する面の１つである第１面の近傍に配置された光源部と、光源部に隣接して配置されたフィンを含むヒートシンクと、第１面に直交する第１方向に関して第１面から離隔した位置に設けられた吸気口とを備える。フィンは、第１領域と、第１方向の長さが第１領域よりも短い第２領域とを有してなる板面が、第１面に平行な方向に離隔して配置された複数の板状部材と、第１方向に関して第１面に対向する位置に設けられ、第１領域同士の離隔部によって形成された、流入部と、第１面に平行な方向に関して、流入部とは異なる位置に設けられた、板面同士の離隔部によって形成された、流出部とを備える。光照射装置は、第１領域同士の離隔部のうち、第１方向に平行な面で構成されている離隔部を覆うように設けられた導風部材を備える。このような構成によって、装置規模の拡大を招くことなく、冷却能力に優れた光照射装置を提供するものとして提案している。

このような光照射装置では、容積の大きいヒートシンクに対し、サイズの小さいファンを用いる場合、気流が安定せず冷却性能が十分に発揮できない。また、この光照射装置では、ヒートシンクを通過せず熱輸送に関与しない風量が多く、温度が低い場所にも風が流れるため、ヒートシンクによる熱の輸送効率が必ずしも高いとはいえない。したがって、ファンによる風を効率的に放熱部材に当てることができ、容積の大きいヒートシンクに対してサイズの小さいファンを用いる場合であっても、安定した気流が得られ、冷却性能を十分発揮することができる光照射装置が求められている。

以下、添付図面を参照して、本開示の光照射装置の実施形態について説明する。

図１は本開示に係る光照射装置１の実施形態の一例を示す斜視図である。図２は光照射装置１の筐体７の上面部１３を省略した斜視図である。図３は光照射装置１の第３側壁部１５を省略した側面図である。本実施形態の光照射装置１は、複数の発光素子を含む光源部２と、光源部２に熱的に結合されたヒートシンク４と、ヒートシンク４に向けて送風する送風部３と、光源部２、送風部３およびヒートシンク４が収容され、ヒートシンク４に隣接して排気口５が設けられるとともに、送風部３の近くに吸気口６が設けられた筐体７と、筐体７内に設けられた、筐体７の内部空間８を、送風部３およびヒートシンク４の間の送風空間９と送風空間９を除く残余空間１０とに仕切る仕切り部材１１と、を備える。なお、送風部３の近くに吸気口６が設けられるとは、ヒートシンク４に対する排気口５のように隣接していると認められる程に近接している必要は必ずしもないが、送風部３と吸気口６との距離が、送風部３とヒートシンク４との距離よりも短い程度に近いことが望ましいということである。

筐体７は、光源部２による光の出射方向に面し、光出射窓（図示せず）が設けられた底面部１２と、底面部１２に対向して位置し、吸気口６を有し、送風部３が近くに配置された、傾斜面および水平面を有する上面部１３と、ヒートシンク４に隣接した排気口５を有し、底面部１２および上面部１３の傾斜面に接合された第１側壁部１７と、底面部１２の第１縁辺部１２ａと底面部１２の第１縁辺部１２ａに対向する上面部１３の水平面上の第２縁辺部１３ａとにわたって延びている第２側壁部１４と、底面部１２、上面部１３および第２側壁部１４に接合された第３側壁部１５と、第３側壁部１５に対向して位置し、底面部１２、上面部１３および第２側壁部１４に接合される第４側壁部１６と、を含む。

筐体７は、光照射装置１の外形を構成するものであり、金属またはプラスチックなどを用いて形成することができる。本実施形態の筐体７は概ね直方体状であり、上面部１３が傾斜面と水平面とで構成されていることから、側面視すると長方形の１つの角が切り取られた五角形状に見える。光照射装置１の光照射面に相当する底面部１２には、光源部２からの光の出射方向に面して光出射窓が設けられている。そして、底面部１２の上には、光出射窓に面した光源部２と、光源部２に熱的に接続されたヒートシンク４とが配置されている。ヒートシンク４は、アルミニウムまたは銅などの熱伝導性の良好な金属で形成された複数のフィン４ａを有する。ヒートシンク４は、例えばアルミニウムまたは銅などの直方体状の金属ブロックを切削して多数の溝（残された部分がフィン４ａになる。）を設けて表面積を増やしたもの、あるいはアルミニウムまたは銅などの金属平板に多数のアルミニウムまたは銅などの薄板を取り付けて、各薄板をフィン４ａとしてその間を空気が流れるようにしたものなどを用いることができる。ヒートシンク４は、底面部１２に取り付けられて、あるいは第３側壁部１５および第４側壁部１６に取り付けられて、筐体７内の所定の位置に収容されている。

光源部２は複数の発光素子を含んでおり、これら複数の発光素子は、例えばセラミック配線基板などからなる光源配設用基板（図示せず）に搭載されて光源部２を構成している。また、ヒートシンク４と光源部２の光源配設用基板とは、間にサーマルグリースなどを介在させてヒートシンク４と光源配設用基板とを密着させ、互いの密着度を高めて熱的な接続状態を向上させるようにしてもよい。このようにすれば、光源部２に対するヒートシンク４による放熱効率を高めることができる。光源部２に用いる発光素子としては、例えば紫外線を照射するＬＥＤが用いられる。このようなＬＥＤとしては例えばＧａＮ系のものを用いることができる。また、赤外線を照射するＬＥＤが用いられる場合もある。このようなＬＥＤとしては例えばＧａＡｓ系のものを用いることができる。このように、光源部２の発光素子の種類は使用する波長に応じて適宜選択できる。

仕切り部材１１は、例えば、第１壁部１１ａ、第１壁部１１ａに垂直に連なる第２壁部１１ｂ、および第２壁部１１ｂに垂直に連なる一対の取付け片１１ｃを有する。本開示においては、一対の取付け片１１ｃに跨がるようにして送風部３が取り付けられる。第１壁部１１ａは、例えば一対の取付けフランジ１１ｄを有し、各取付け片１１ｃのそれぞれは、例えば取付けフランジ１１ｅを有する。各取付けフランジ１１ｄおよび各取付けフランジ１１ｅは、例えばねじまたはボルト、あるいはリベットなどのねじ部材１１ｆによって、第３側壁部１５および第４側壁部１６の所定の位置に接合されている。仕切り部材１１は、送風部３からヒートシンク４にわたって延び、かつ第３側壁部１５から第４側壁部１６にわたって延びている。ここで、送風部３は、第３側壁部１５および第４側壁部１６の間の大部分を占める大きさで、第２側壁部１４に近接するようにして、第１側壁部１７からは離して配置されている。本開示においては、筐体７の下部に配置されたヒートシンク４と、その上方に位置する送風部３との間の空間が、内部空間８のうちの送風空間９である。そして、送風空間９と第１側壁部１７との間が、内部空間８のうちの残余空間１０である。本開示における仕切り部材１１は、送風部３およびヒートシンク４の配置に合わせて、内部空間８をこれら送風空間９と残余空間１０とを仕切るように、送風部３およびヒートシンク４の間と、第３側壁部１５および第４側壁部１６との間に位置するように配置されている。

光照射装置１は、筐体７の内側の送風空間９に位置する第２側壁部１４に設けられた、送風部３から送風空間９に送風される気流をヒートシンク４へ導く案内部材１８を、さらに含んでいる。この案内部材１８は、例えば図３に示すように、ヒートシンク４の側方に、底面部１２と第２側壁部１４とが突き合わされる角部の上方に位置するように設けるとよい。これにより、その角部に滞留しがちな気流を効率よくヒートシンク４へ導くことができ、ヒートシンク４による放熱効率の向上に寄与するものとなる。案内部材１８の幅、長さ、角度、位置、個数などは、例えば送風部３、ヒートシンク４および駆動基板１９との位置関係などを考慮して、筐体７内における気流の設定に効果的に寄与するように、適宜設計すればよい。また、図３に示す案内部材１８は、第２側壁部１４への取付部から屈曲してヒートシンク４に向けて斜めに延びる板状の部材として示しているが、これに限られない。案内部材１８は、例えば第２側壁部１４からヒートシンク４に向けて斜めに延びる傾斜面を有する、側面視で三角柱状や台形状の形状を有するブロック状の部材であってもよい。

光照射装置１は、第２側壁部１４に沿って設けられ、光源部２および送風部３を動作させる駆動基板１９を、さらに含んでいる。駆動基板１９には、光源部２の発光素子に電力を供給し、発光を制御するための駆動回路が配設されている。また、駆動基板１９は、送風部３を駆動したり、光源部２の発熱状況に応じて送風部３の送風量を制御したりしてもよい。さらに、駆動基板１９には、特に高温になりやすいパワートランジスタなどの電子部品である複数の発熱部品２０が搭載されており、その放熱のために、これらの発熱部品２０は送風空間９内に配置されている。これにより、発熱部品２０が搭載された駆動基板１９も、ヒートシンク４とともに効率よく放熱させることができる。また、駆動基板１９の高温になりやすい部分に空気の流れが効果的に当たるように、筐体７の内面に溝、フィンまたは導風板などの構造を設けてもよい。

送風部３は、ヒートシンク４に向かってその方向が延びている、回転する羽根の中心軸Ｃ１を有する軸流ファンによって実現されてもよい。筐体７内に収納された送風部３は、複数の吸気口６から排気口５への外気（空気）の流れを生成するために設置する。送風部３としては、小型でも大風量を得るために、軸流ファンが好ましい。もちろん、その他のタイプ、例えば遠心ファン等の送風機を用いても構わない。これによって例えば６０ｍｍ×６０ｍｍ×高さ３８ｍｍのようにサイズが小さくても、風量が例えば２．２５ｍ^３／ｍｉｎ程度の大流量の冷却風を発生させ、仕切り部材１１によって第３側壁部１５、第４側壁部１６および第２側壁部１４とともにダクト構造を形成し、このダクト内の送風空間９の外部へ気流を逃がすことなく、ヒートシンク４に供給し、複数のフィン４ａの間の隙間に安定した流量で送風し、光源部２に対する十分な冷却性能を得ることができる。このように板状の仕切り部材１１の追加という簡素な構成によって、筐体７内に効率的な送風空間９を形成することができる。このような送風空間９に送風部３から送風することによって、送風空間９内は大気圧よりも高い陽圧（または正圧）となり、気流の乱れの少ない層流を形成し、複数のフィン４ａの間の隙間に均一に効率よく気流を通過させ、各フィン４ａの間を通過する風量を多くすることで各フィン４ａと気流との熱交換による抜熱量をできるだけ多く、しかも一定として、安定した冷却性能を発揮させることができる。これによって、光源部２に用いられる複数の発光素子の駆動時の温度を一定とし、各発光素子から出射される光の輝度分布を安定させることができ、一定とすることができる。

このような送風部３を用いる本実施形態の光照射装置１のヒートシンク４のサイズを一例として述べると、図１における奥行き寸法Ｗ１＝７７ｍｍ、長さ寸法Ｌ１＝１１９ｍｍ、高さ寸法Ｈ１＝４７ｍｍである。

各通気口６には、フィルタ２１が設けられる。このようなフィルタ２１としては、例えばスポンジまたは不織布などを用いることができる。フィルタ２１は、外気の塵およびほこりといった異物が筐体７内へ侵入するのを防ぎ、ヒートシンク４または駆動基板１９に塵およびほこりが堆積することによって光源部２または駆動基板１９の放熱効率が低下するのを、またそれらの配線がショートすることによる誤動作を防ぐことができる。これにより、光照射装置１の信頼性を向上させることができる。また、フィルタ２１を取り付けることによる気流の調整作用によって、吸気口６の周辺の外気の流れを緩やかにすることができる。また、筐体７内に収納した送風部３の軸流ファンの動作音を吸収して、光照射装置１から発生する軸流ファンによる騒音を緩和することができる。

図４は、仕切り部材１１の斜視図である。図５は、光照射装置１の第１側壁部１７を省略した斜視図である。図６は、光照射装置１の第１側壁部１７を省略した側面図である。図７は、光照射装置１の上面部１３を省略した正面図である。筐体７のサイズは、外寸の一例を述べると、光照射装置１と同型で仕切り部材１１を設けない本開示の基礎となる構成の光照射装置では、奥行き寸法８０ｍｍ、長さ寸法１６２ｍｍ、高さ寸法１８２ｍｍであった。これに対して、光照射装置１では、仕切り部材１１を設けることによってヒートシンク４による放熱効率が向上したことから、筐体７の外寸を、長さ寸法で１４０ｍｍに、高さ寸法で１７０ｍｍに小型化することができた。このとき、排気口５の内寸を参考までに一例として述べると、奥行方向６８ｍｍ×高さ方向４０ｍｍであり、ヒートシンク４と送風部３との間の隙間Ｇ１＝５１ｍｍ、送風部３と第１側壁部１７との隙間Ｇ２＝６１ｍｍである。

上記の光照射装置１の冷却性能を確認するため、本件発明者は、光源部２におけるＬＥＤモジュール取付け面に対応する、モジュール直近位置でサーミスタをヒートシンク４にねじ止めし、光源部２の非駆動時および駆動時の常温からの上昇温度を測定した。まず、筐体７内の各部材の配置が光照射装置１と同様で仕切り部材１１を設けなかった光照射装置では、駆動時の温度が駆動時間５分後に約８０℃で飽和した。これに対して、仕切り部材１１を設けた上記の光照射装置１では、駆動時の温度が駆動時間５分後に約７２℃で飽和した。なお、これらの測定点における駆動時の温度に対して、発光素子の温度は＋１５℃程度である。この結果から、本開示の光照射装置１によれば、筐体７内に仕切り部材１１を設けたことによって、本開示の基礎となる構成よりも筐体７の小型化を図りつつ、駆動時における光源部２の発光素子の温度を下げることができ、冷却性能を十分発揮することができることを確認した。

本開示は次の実施の形態が可能である。

本開示の光照射装置は、複数の発光素子を含む光源部と、
前記光源部に熱的に結合されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに向けて送風する送風部と、
前記光源部、前記送風部および前記ヒートシンクが収容され、前記ヒートシンクに隣接して排気口が設けられるとともに、前記送風部の近くに吸気口が設けられた筐体と、
前記筐体内に設けられた、前記筐体の内部空間を、前記送風部および前記ヒートシンクの間の送風空間と前記送風空間を除く残余空間とに仕切る仕切り部材と、を備える構成とする。

本開示の光照射装置によれば、仕切り部材によって送風部とヒートシンクとの間の送風空間が筐体の内部空間において残余空間から仕切られるので、前記従来技術のように容積の大きいヒートシンクをサイズの小さい送風部の送風によって冷却する場合であっても、ヒートシンクを通過して熱輸送に関与する風量を効率よく増やすことができ、熱の輸送効率を向上させることができる。そのため、ヒートシンクに接触して温度上昇する直前の低温の風をヒートシンクに安定して送風することができ、これによって熱の輸送効率が向上するので、光源部に対して良好な冷却性能を得ることができる。

以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。また、上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。

被処理対象物である保護膜、接着剤、塗料、インキ、フォトレジスト、樹脂、配向膜等に対して、硬化、乾燥、溶融、あるいは軟化、改質処理などを行なう光源として、紫外線を放射する光源が多用されている。近年においては、この光源に、紫外線領域の光を発光するＬＥＤ素子が利用されてきている。本開示の光照射装置は、このような紫外線領域の光を放射する発光素子（ＬＥＤ素子）を用いた紫外線光源ユニットを備えた光源装置として実施することが可能である。また、上記ＬＥＤ素子を用いた光照射装置を、紫外線硬化インキを用いたインクジェットプリンタなどの印刷装置におけるインキ硬化用途にも適用することができる。

１ 光照射装置
２ 光源部
３ 送風部
４ ヒートシンク
５ 排気口
６ 吸気口
７ 筐体
８ 内部空間
９ 送風空間
１０ 残余空間
１１ 仕切り部材
１２ 底面部
１３ 上面部
１２ａ 第１縁辺部
１３ａ 第２縁辺部
１４ 第２側壁部
１５ 第３側壁部
１６ 第４側壁部
１７ 第１側壁部
１８ 案内部材
１９ 駆動基板

Claims (5)

1. 複数の発光素子を含む光源部と、
   前記光源部に熱的に結合されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに向けて送風する送風部と、
   前記光源部、前記送風部および前記ヒートシンクが収容され、前記ヒートシンクに隣接して排気口が設けられるとともに、前記送風部の近くに吸気口が設けられた筐体と、
   前記筐体内に設けられた、前記筐体の内部空間を、前記送風部および前記ヒートシンクの間の送風空間と前記送風空間を除く残余空間とに仕切る仕切り部材と、を備え、
   前記筐体は、
   前記光源部による光の出射方向に面し、光出射窓が設けられた底面部と、
   前記底面部に対向して位置し、前記吸気口を有し、前記送風部が近くに配置された上面部と、
   前記排気口を有し、前記底面部および前記上面部に接合された第１側壁部と、
   前記底面部の第１縁辺部と前記底面部の前記第１縁辺部に対向する前記上面部の第２縁辺部とにわたって延びている第２側壁部と、
   前記底面部、前記上面部および前記第２側壁部に接合された第３側壁部と、
   前記第３側壁部に対向して位置し、前記底面部、前記上面部および前記第２側壁部に接合された第４側壁部と、を含んでいる、光照射装置。
2. 前記仕切り部材は、前記送風部から前記ヒートシンクにわたって延び、かつ前記第３側壁部から前記第４側壁部にわたって延びている、請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記第２側壁部に設けられた、前記送風部から前記送風空間に送風される気流を前記ヒートシンクへ導く案内部材を、さらに含んでいる、請求項１または２に記載の光照射装置。
4. 前記第２側壁部に沿って設けられた、前記光源部および前記送風部を動作させる駆動基板を、さらに含んでいる、請求項１～３のいずれか１項に記載の光照射装置。
5. 前記送風部は、回転する羽根の中心軸の方向が前記ヒートシンクに向かって延びている軸流ファンを含んでいる、請求項１～４のいずれか１項に記載の光照射装置。