JP2018106842A - Ｌｅｄ照明ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】基板表面に実装された複数のＬＥＤモジュールが位置ずれしていたとしても、所望の平行光が得られる構造をしたＬＥＤ照明ユニットを提供する。
【解決手段】基板の表面上に複数のＬＥＤモジュール２が実装されたＬＥＤ照明ユニット１において、ＬＥＤモジュールは各々、光を発する発光部３と、当該発光部の周りを囲むように当該発光部に対して一定の位置関係を保って形成されたソケット部４とを備える。ＬＥＤモジュールには各々、発光部から発する光を集光させて平行光にするコリメートレンズ５が対向配置されており、ソケット部とコリメートレンズとは、互いを嵌合させる嵌合部６を備える。嵌合部は、ソケット部とコリメートレンズとが嵌合されることで、当該発光部の光軸と当該コリメートレンズの光軸とを互いに一致させると共に、当該発光部と当該コリメートレンズとの光軸方向の間隔を一定に保つ形状をしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の表面上に複数のＬＥＤモジュールが実装されたＬＥＤ照明ユニット（いわゆる、表面実装型ＬＥＤ照明ユニット）に関するものである。

ＬＥＤ照明は、省電力ながら高効率で発光エネルギーを得られるため、種々の分野で用いられている。

そして、ＬＥＤ照明は発熱により寿命が短くなり、単一のＬＥＤモジュールで高出力（つまり、高輝度）が得られない場合には、複数のＬＥＤモジュールから発せられた光をコリメートレンズで平行光にし、平行光にされた複数の光をフレネルレンズ（集光レンズ）で１ヶ所に集光させ、光ファイバなどのライトガイドで外部へ導光する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

さらに特許文献１には具体的な構成として、所定の拡がり角で光を発するＬＥＤモジュールと、その光を平行光にするコリメートレンズとが所定の間隔を隔てて配置され、複数配列されたＬＥＤモジュールに対応する位置に、複数のコリメートレンズとが所定が配置されていることが示されている。そして、複数のＬＥＤモジュールは基板の表面に実装されており、複数のコリメートレンズは、レンズ保持体に嵌合されている。なお、複数のＬＥＤモジュールが表面実装された基板と、複数のコリメートレンズが嵌合されたレンズ保持体とは、取付板にネジ止めされている。

特開２００３−１６８３０９号公報

特許文献１に示された構成では、基板とレンズ保持体とを取付板にネジ止めしているだけなので、位置決め精度が確保しづらかった。

さらに、基板の表面上に複数のＬＥＤモジュールを実装する場合、基板に設けられた孔にＬＥＤモジュールから突出した配線（足ともいう）を貫通させてはんだ接合したり、基板表面の電極パッドぶにはんだペーストを塗布し、その上にＬＥＤモジュールを仮接合した後リフロー処理によりはんだ接合される。

そのため、複数のＬＥＤモジュールをはんだ接合するために基板表面上に設けられた孔や電極パッドの相対位置（間隔）が一定であっても、ＬＥＤモジュールが実際にはんだ接合される際に位置ずれすることがあり、対向配置されるレンズ保持体に嵌合された各コリメートレンズとの光軸がずれてしまう（つまり、所望の平行光を取り出せない）要因となっていた。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、基板表面に実装された複数のＬＥＤモジュールが位置ずれしていたとしても、所望の平行光が得られる構造をしたＬＥＤ照明ユニットを提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
基板の表面上に複数のＬＥＤモジュールが実装されたＬＥＤ照明ユニットにおいて、
ＬＥＤモジュールは各々、光を発する発光部と、当該発光部の周りを囲むように当該発光部に対して一定の位置関係を保って形成されたソケット部とを備え、
ＬＥＤモジュールには各々、発光部から発する光を集光させて平行光にするコリメートレンズが対向配置されており、
ソケット部とコリメートレンズとは、互いを嵌合させる嵌合部を備え、
嵌合部は、ソケット部とコリメートレンズとが嵌合されることで、当該発光部の光軸と当該コリメートレンズの光軸とを互いに一致させると共に、当該発光部と当該コリメートレンズとの光軸方向の間隔が一定に保たれる形状をしていることを特徴としている。

上記のＬＥＤ照明ユニットによれば、どのＬＥＤモジュールも発光部の光軸中心とコリメートレンズの光軸中心一致させることができる。また、コリメートレンズを通過した光は、光軸ぶれや照度分布の偏りが無くなり、基板表面から垂直方向に発せられる。

基板表面に実装された複数のＬＥＤモジュールが位置ずれしていたとしても、所望の平行光が得られる。

本発明を具現化する形態の一例の内部構成を示す概略図である。 本発明を具現化する形態の一例の要部を示す概略図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。

図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。図１には、本発明に係るＬＥＤ照明ユニット１の概略図が示されている。

ＬＥＤ照明ユニット１は、基板Ｓの表面上に複数のＬＥＤモジュール２が実装された構造をしており、発光部３、ソケット部４、コリメートレンズ５、嵌合部６、集光レンズ７、ライトガイド８、筐体１０等を備えている。

なお、以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、ＸＹ平面を水平面、Ｚ方向を鉛直方向とする。また、発光部３から発せられた光の光軸方向をＺ方向とし、矢印の方向を上、その逆方向を下と表現する。一方、Ｚ方向と直交するＸＹ方向は、水平方向と呼ぶ。つまり、図１には、発光部３から発せられた光は、上向きに照射される様子が示されている。

基板Ｓは、その表面に複数のＬＥＤモジュール２を実装するものである。具体的には、基板Ｓは、ガラエポと呼ばれる硬質の絶縁材料からなる基材の上に配線用回路パターンが形成されている。より具体的には、複数のＬＥＤモジュール２が実装される部位には、電極パッドと呼ばれるランド部がＸ方向およびＹ方向に所定のピッチで複数形成されている。

ＬＥＤモジュール２は、外部に光を発するものであり、発光部３、ソケット部４、電極部（不図示）等を備えている。なお、基板Ｓの表面には、同様の構成をした複数のＬＥＤモジュール２がＸ方向およびＹ方向に配列されて実装（例えば、はんだ接合）されている。

発光部３は、光Ｌ１を発するものである。具体的には、発光部３は、電極部と接続されたＬＥＤ素子で構成されている。そのため、電極部に電流・電圧が印加されることで、発光部３から可視光や紫外光ないし赤外光などの光Ｌ１が発せられる。

ソケット部４は、発光部３の周りを囲むように発光部３に対して一定の位置関係を保って形成されたものであり、コリメートレンズ５の位置決め基準となるものである。具体的には、ソケット部４は、発光部３に対してＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に所定の間隔を隔てた所に壁面や基準面、凸部などが設けられている。

コリメートレンズ５は、発光部３から発する光Ｌ１を集光させて平行光Ｌ２にするものである。具体的には、コリメートレンズ５は、各ＬＥＤモジュール２の発光部３に対向する位置に１つずつ、所定の間隔を隔てて配置されている。より具体的には、コリメートレンズ５は、円周側面部に段状の突起部５２を備えた非球面の凸レンズで構成されている。

嵌合部６は、ソケット部４とコリメートレンズ５とを互いに嵌合させるものである。

図２は、本発明を具現化する形態の一例の要部を示す概略図である。図２には、本発明に係るＬＥＤ照明ユニット１を構成するソケット部４、コリメートレンズ５、嵌合部６等および、これらの位置関係が示されている。

具体的には、嵌合部６は、ソケット部４とコリメートレンズ５とが嵌合されることで、発光部３の光軸中心３１とコリメートレンズ５の光軸中心５１とを互いに一致させると共に、発光部３とコリメートレンズ５との光軸方向の間隔Ｄが一定に保たれる形状をしている。より具体的には、嵌合部６は、ソケット部４側に設けられたソケット側嵌合部６Ａと、コリメートレンズ５側に設けられたレンズ側嵌合部６Ｂとがあり、これらが互いに摩擦力、接着剤、かしめ等により嵌合する形状をしている。

さらに、図２に示した嵌合部６（ソケット側嵌合部６Ａとレンズ側嵌合部６Ｂとが嵌合し合う）では、ソケット側嵌合部６Ａは、ソケット部４を構成する壁面の上面および内面に設定されている。具体的には、ソケット部４の壁面の上面（Ｚ方向の基準面）は、発光部３の上面から上方の長さＤｚの位置にあり、ソケット部４の壁面の内面（Ｘ方向の基準面）は、発光部３の光軸中心３１から長さＤｘの位置にあり、ソケット部４の壁面の内面（Ｙ方向の基準面）は、発光部３の光軸中心３１から長さＤｙ（不図示）の位置に形成されている。

一方、レンズ側嵌合部６Ｂは、コリメートレンズ５の本体部５０の下面側外周部と、側面外周部に設けられた突起部５２の下面に設定されている。具体的には、本体部５０の下面側外周部（Ｘ方向の基準面）は、コリメートレンズ５の光軸中心５１から長さｄｘの位置にあり、本体部５０の下面側外周部（Ｙ方向の基準面）は、コリメートレンズ５の光軸中心５１から長さｄｙ（不図示）の位置にあり、突起部５２の下面（Ｚ方向の基準面）は、本体部５０の下面側から長さｄｚ１の位置、本体部５０の上面側から長さｄｚ２の位置に形成されている。

そして、ソケット部４の壁面の側面に沿うように、コリメートレンズ５の本体部５０の下面側外周部を沿わせながら下方に押し下げ、ソケット部４の壁面の上面にコリメートレンズ５の突起部５２の下面が接触する位置（つまり、二点鎖線５’で示す位置）まで押し込む。

集光レンズ７は、複数のＬＥＤモジュール２から発せられた平行光Ｌ２を１ヶ所に集光させるものである。具体的には、複数のＬＥＤモジュール２のソケット部４と嵌合されたコリメートレンズ５と光軸方向（つまり、Ｚ方向）に所定の間隔を隔てて対向配置されている。より具体的には、集光レンズ７は、フレネルレンズや非球面の凸レンズで構成されており、筐体１０の内側に形成された段付凹み部に嵌め込んだり、レンズホルダ（不図示）で挟み込んだりして固定されている。

ライトガイド８は、集光レンズ７で１ヶ所に集光させた光Ｌ３を導光させるものである。具体的には、ライトガイド８の一端が、集光レンズ７で集光させた光Ｌ３が集まる所に配置されている。より具体的には、ライトガイド８は、光ファイバ８０が多本数束ねられた構成をしており、集光させた光Ｌ３を筐体１０の外部へ導光させる構成をしている。

本発明に係るＬＥＤ照明ユニット１は、この様な構成をしているため、どのＬＥＤモジュール２も発光部３の光軸中心３１とコリメートレンズ５の光軸中心５１を一致させることができる。また、コリメートレンズ５を通過した光Ｌ２は、光軸ぶれや照度分布の偏りが無くなり、基板Ｓの表面から垂直方向（つまり、Ｚ方向）に発せられる。そのため、基板Ｓの表面に実装された複数のＬＥＤモジュール２がＸＹ方向に位置ずれしていたとしても、所望の平行光Ｌ２が得られる。

そして、集光レンズ７にて平行光Ｌ２を１ヶ所に集光させ、集光させた光Ｌ３をライトガイド８を通じて外部に導光するため、１つのＬＥＤモジュールではなし得なかった高輝度の光を得ることができる。

［別の形態］
なお上述では、ライトガイド８を備えたＬＥＤ照明ユニット１を例示したが、本発明を具現化する上でライトガイド８は必須の構成ではなく、これらを備えていない構成のＬＥＤ照明ユニットであっても良い。

例えば、集光レンズ７で１ヶ所に集光させた光Ｌ３を直接、観察対象部位や加工対象部位に照射する構成が例示できる。

この様な構成であっても、本発明に係るＬＥＤ照明ユニットは、本発明に係る発光部３、ソケット部４、コリメートレンズ５、嵌合部６、集光レンズ７を備えているため、各ＬＥＤモジュール２に対向配置されたコリメートレンズ５を通過した光Ｌ２が、いずれも平行光となる。そして、これら平行光Ｌ２を集光レンズ７で集光させて１ヶ所に集光させるため、照度分布の偏りが無い高品質のスポット照明として用いることができる。

［別の形態］
また上述では、集光レンズ７およびライトガイド８を備えたＬＥＤ照明ユニット１を例示したが、本発明を具現化する上で集光レンズ７およびライトガイド８は必須の構成ではなく、これらを備えていない構成のＬＥＤ照明ユニットであっても良い。

例えば、コリメートレンズ５を通過した平行光Ｌ２を光の束として、観察対象部位や加工対象部位に照射する構成が例示できる。

この様な構成であっても、本発明に係るＬＥＤ照明ユニットは、本発明に係る発光部３、ソケット部４、コリメートレンズ５、嵌合部６を備えているため、各ＬＥＤモジュール２に対向配置されたコリメートレンズ５を通過した光Ｌ２が、いずれも平行光となる。そのため、光軸ぶれや照度分布の偏りが無く、基板Ｓの表面から垂直方向（つまり、Ｚ方向）に平行光が発せらた高品質の面照明として用いることができる。

［変形例］
なお上述では、嵌合部６として、ソケット部４の壁面の内面およびコリメートレンズ５の本体部５０の下面側外周部がＺ方向と平行な形状をした構成を示した。しかし、本発明を具現化する上では、嵌合部６は平行な形状に限らず、テーパ状の壁面、Ｓ字状の壁面、突出部などが噛み合う噛み合わせ形状をした構造であっても良い。

１ ＬＥＤ照明ユニット
２ ＬＥＤモジュール
３ 発光部
４ ソケット部
５ コリメートレンズ
６ 嵌合部
６Ａ ソケット側嵌合部
６Ｂ レンズ側嵌合部
７ 集光レンズ
８ ライトガイド
８０ 光ファイバ（束）
１０ 筐体
３１ 光軸中心（発光部）
５１ 光軸中心（コリメートレンズ）
Ｓ 基板
Ｄ 間隔（発光部３とコリメートレンズ５との光軸方向）
Ｌ１ 発光部から発する光
Ｌ２ 平行光（コリメートレンズ通過後の光）
Ｌ３ １ヶ所に集光させた光（集光レンズ通過後の光）

Claims (3)

1. 基板の表面上に複数のＬＥＤモジュールが実装されたＬＥＤ照明ユニットにおいて、
   前記ＬＥＤモジュールは各々、光を発する発光部と、当該発光部の周りを囲むように当該発光部に対して一定の位置関係を保って形成されたソケット部とを備え、
   前記ＬＥＤモジュールには各々、前記発光部から発する光を集光させて平行光にするコリメートレンズが対向配置されており、
   前記ソケット部と前記コリメートレンズとは、互いを嵌合させる嵌合部を備え、
   前記嵌合部は、前記ソケット部と前記コリメートレンズとが嵌合されることで、当該発光部の光軸と当該コリメートレンズの光軸とを互いに一致させると共に、当該発光部と当該コリメートレンズとの前記光軸方向の間隔が一定に保たれる形状をしている
   ことを特徴とする、ＬＥＤ照明ユニット。
2. 前記複数のＬＥＤモジュールから発せられた平行光を１ヶ所に集光させる集光レンズを備えたことを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ照明ユニット。
3. 前記集光レンズで１ヶ所に集光させた光を導光させるライトガイドを備えたことを特徴とする、請求項２に記載のＬＥＤ照明ユニット。

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