特開 2024-23079 光照射ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024023079

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】光照射ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/64 20100101AFI20240214BHJP

   H01L 33/58 20100101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

H01L33/64

H01L33/58

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022126651

(22)【出願日】2022-08-08

(71)【出願人】

【識別番号】522128321

【氏名又は名称】株式会社カーネル・ハード・エンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】100076473

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100112900

【弁理士】

【氏名又は名称】江間 路子

(74)【代理人】

【識別番号】100163164

【弁理士】

【氏名又は名称】安藤 敏之

(74)【代理人】

【識別番号】100198247

【弁理士】

【氏名又は名称】並河 伊佐夫

(72)【発明者】

【氏名】加藤 京一

【テーマコード（参考）】

5F142

【Ｆターム（参考）】

5F142AA42

5F142BA02

5F142BA32

5F142CD13

5F142CF02

5F142CF13

5F142CF23

5F142CF42

5F142DB02

5F142DB12

5F142FA03

5F142GA31

(57)【要約】

【課題】簡便な組付構造で、発光素子が実装された基板をケースに密着固定させることができ、放熱性に優れた光照射ユニットを提供する。
【解決手段】光照射ユニット２は、発光素子８が実装されたメタルベース基板１５と、軸方向の一端側において該軸方向と直交する基板保持面５６を含む基板保持部５５を有する金属製の第１のケース１１と、基板保持面５６に保持されたメタルベース基板１５の実装面周縁部を押圧可能な基板押圧部７４を有する金属製の第２のケース１２と、を備えている。第１のケース１１および第２のケース１２には互い螺合可能なねじ部５３，７１が設けられており、これらねじ部５３，７１の螺合により第１のケース１１および第２のケース１２が軸方向に結合されるとともに、第１のケース１１と第２のケース１２との間に配置されたメタルベース基板１５がその非実装面３６に基板保持面５６が押し当てられる態様で挟圧固定されている。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光素子が実装されたメタルベース基板と、
軸方向の一端側において該軸方向と直交する基板保持面を含む基板保持部を有する金属製の第１のケースと、
前記基板保持面に保持された前記メタルベース基板の実装面周縁部を押圧可能な基板押圧部を有する金属製の第２のケースと、
を備えた光照射ユニットであって、
前記第１のケースおよび前記第２のケースには互い螺合可能なねじ部が設けられており、これらねじ部の螺合により前記第１のケースおよび前記第２のケースが軸方向に結合されるとともに、前記第１のケースと前記第２のケースとの間に配置された前記メタルベース基板がその非実装面に前記基板保持面が押し当てられる態様で挟圧固定されている、光照射ユニット。

【請求項2】

前記基板保持部は、前記基板保持面の外側に形成され、前記メタルベース基板の端面と接触して前記メタルベース基板の位置を規制する位置決め突部を含んで構成されている、請求項１に記載の光照射ユニット。

【請求項3】

前記基板保持部は、平面視において前記メタルベース基板の周縁と重複する位置に、前記基板保持面よりも前記メタルベース基板から離間する方向に段下がりさせた逃がし部が設けられている、請求項２に記載の光照射ユニット。

【請求項4】

前記メタルベース基板には、板厚方向に貫通した孔であって、その内壁に絶縁樹脂層が設けられた貫通孔が形成され、該貫通孔を挿通させた導線を介して前記発光素子に電力が供給されるように構成されている、請求項１に記載の光照射ユニット。

【請求項5】

前記メタルベース基板と前記基板保持面との間に熱伝導グリスもしくは熱伝導シートを介在させた、請求項１に記載の光照射ユニット。

【請求項6】

前記メタルベース基板は４つの主辺を有する４角形状もしくはその隅角部に更に副辺が形成された多角形状をなしており、
前記基板保持部は、前記メタルベース基板の前記主辺と対向する位置に前記位置決め突部が設けられ、また少なくとも前記メタルベース基板の隅角部と重複する位置に前記逃がし部が設けられている、請求項３に記載の光照射ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光照射ユニットに関し、特に発光素子が実装された基板の取付保持構造に特徴を有する光照射ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

ワークに塗布された樹脂やインクなどの硬化や乾燥、ワークの表面の改質などのために、ワークに紫外線を照射する紫外線照射装置がある。紫外線照射装置では例えば照射ヘッドとしての光照射ユニット内に紫外線ＬＥＤが収容されており、この紫外線ＬＥＤに電力供給することで紫外線が照射される。このとき紫外線ＬＥＤは発熱するため光照射ユニットには優れた放熱性能が求められる。放熱が不十分である場合には、定格温度オーバによるチップの破損、温度上昇により放射束低下、高温下での連続使用による寿命低下等の問題が生じる。

【0003】

紫外線ＬＥＤを内部に備えた光照射ユニットにおいて、放熱性能を高めるには、紫外線ＬＥＤで生じた熱を、紫外線ＬＥＤが収容される金属製のケースに効率よく伝えることが重要である。従来にあっては例えば下記特許文献１に記載されているように、紫外線ＬＥＤが実装されている基板は、複数の小さな基板固定用ネジを用いてケースに取り付けられていたが、紫外線ＬＥＤが実装される基板自体が非常に小さい場合には、作業性やスペースの確保等の観点から、専用の基板固定用ネジを用いて基板をケースに固定する従来の固定構造を実現できない場合もあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－２３９５０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は以上のような事情を背景とし、簡便な組付構造で、発光素子が実装された基板をケースに密着固定させることができ、放熱性に優れた光照射ユニットを提供することを目的としてなされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明に想到した。
而して本発明の光照射ユニットは次のように規定される。即ち、
発光素子が実装されたメタルベース基板と、
軸方向の一端側において該軸方向と直交する基板保持面を含む基板保持部を有する金属製の第１のケースと、
前記基板保持面に保持された前記メタルベース基板の実装面周縁部を押圧可能な基板押圧部を有する金属製の第２のケースと、
を備えた光照射ユニットであって、
前記第１のケースおよび前記第２のケースには互い螺合可能なねじ部が設けられており、これらねじ部の螺合により前記第１のケースおよび前記第２のケースが軸方向に結合されるとともに、前記第１のケースと前記第２のケースとの間に配置された前記メタルベース基板がその非実装面に前記基板保持面が押し当てられる態様で挟圧固定されている。

【0007】

このように規定された本発明の光照射ユニットによれば、第１のケースと第２のケースとをねじ締結させる簡便な組付構造の下、その締結力に基づいてメタルベース基板の非実装面に基板保持面が押し当てられる態様で、メタルベース基板と第１のケースとを密着固定させることができ、発光素子の熱をメタルベース基板から第１のケースへと良好に逃がすことができる。

【0008】

ここで本発明では、前記基板保持部は、前記基板保持面の外側に形成され、前記メタルベース基板の端面と接触して前記メタルベース基板の位置を規制する位置決め突部を含んで構成することができる。
このようにすることで、基板保持部にて保持されたメタルベース基板の軸直交方向における位置決めを容易に行うことができる。またメタルベース基板が位置決めされることで、発光素子から発せられる光の位置が規制されて光照射特性のばらつきを抑えることができる。

【0009】

また本発明では、前記基板保持部の、平面視において前記メタルベース基板の周縁と重複する位置に、前記基板保持面よりも前記メタルベース基板から離間する方向に段下がりさせた逃がし部を設けておくことができる。
このようにすれば、メタルベース基板の周縁部に基板保持面との密着性を阻害するようなバリが生じたとしても、バリと基板保持面との干渉を回避して、メタルベース基板と基板保持面とを密着させることができる。

【0010】

また本発明では、前記メタルベース基板に、板厚方向に貫通した孔であって、その内壁に絶縁樹脂層が設けられた貫通孔を形成し、該貫通孔を挿通させた導線を介して前記発光素子に電力が供給されるように構成することができる。
このようにすれば、メタルベース基板を採用したことによる放熱性能を確保しつつ、メタルベース基板におけるメタル層と電力供給用の導線との絶縁性を確保することができる。

【0011】

また本発明では、前記メタルベース基板と前記基板保持面との間に熱伝導グリスもしくは熱伝導シートを介在させることで、メタルベース基板と基板保持面との間の細かな凹凸の隙間を埋めて、効率よく熱を第１のケースに伝えることができる。

【0012】

また本発明では、前記メタルベース基板を４つの主辺を有する４角形状もしくはその隅角部に更に副辺が形成された多角形状とすることができる。
この場合、前記基板保持部は、前記メタルベース基板の前記主辺と対向する位置に前記位置決め突部を設け、少なくとも前記メタルベース基板の隅角部と重複する位置に前記逃がし部を設けることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態の光照射ユニットを含む光照射装置の概略構成を示した図である。

【図2】同光照射ユニットの縦断面図である。

【図3】同光照射ユニットの分解斜視図である。

【図4】紫外線ＬＥＤが実装されたメタルベース基板を示した図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

【図5】（Ａ）は図２のＶ－Ｖ断面視における第１のケースを示した図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図である。

【図6】（Ａ）第１のケースの基板保持部を示した斜視図である。（Ｂ）第１のケースの基板保持部にメタルベース基板が収容された状態を示した斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は本発明の一実施形態の光照射ユニットを含む紫外線照射装置の概略構成を示している。同図において紫外線照射装置１は、照射ヘッドとしての光照射ユニット２と、コントローラユニット４を有し、光照射ユニット２とコントローラユニット４とは接続ケーブル６によって接続されている。紫外線照射装置１では、光照射ユニット２内に配設された発光素子としての紫外線ＬＥＤ８に、接続ケーブル６を介して（詳しくは、接続ケーブル６および後述するメタルベース基板１５の導体層３３を介して）コントローラユニット４側から電力供給されることで紫外線照射が行なわれる。

【0015】

図２は光照射ユニットの縦断面、図３は光照射ユニットの分解斜視図である。
光照射ユニット２は、略円筒状のケース１０を有し、ケース１０の内部には、紫外線ＬＥＤ８が実装されたメタルベース基板１５と、紫外線の光線束を調整する第１のレンズ１８および第２のレンズ２１がケースの軸方向に沿って配設されており、紫外線ＬＥＤ８から発せられた紫外線は第１のレンズ１８および第２のレンズ２１にて集光されてケース先端に設けられた開口２５から照射される。

【0016】

本例における紫外線ＬＥＤ８は、発光波長が紫外線領域である紫外線照射用発光ダイオードで、メタルベース基板１５の一方の主面３５に半田接合されている。本例における紫外線ＬＥＤ８のチップサイズはおよそ３．５ｍｍ×３．５ｍｍである。
この紫外線ＬＥＤ８が実装されるメタルベース基板１５は、図４（Ｂ）で示すように、銅からなるメタル層３１上に絶縁層３２を介して銅箔等の導体層３３が積層されており、紫外線ＬＥＤ８が実装される導体層３３側の実装面３５と、メタル層３１側の非実装面３６と、を一対の主面とした板状とされている。このように構成されたメタルベース基板１５を用いることで、紫外線ＬＥＤ８で生じた熱を、メタル層３１を介して接触するケース１０側に伝えることができる。

【0017】

本例におけるメタルベース基板１５は、図４（Ａ）で示すように、平面視で４つの主辺３８を有する略４角形状で、この基板のサイズはおよそ９ｍｍ×９ｍｍである。
通常、製品サイズの小さな基板は、大きなサイズの基板内に多面付けされた状態で製造され、その最終段階でルータ加工等により所定寸法で切り離し加工されるが、本例のように著しく小さなサイズの基板にあっては、製品単位での支持が難しく製品切り離し加工時の反動で製品基板が飛ぶなどの問題が生じてしまうため、切り離し加工が別途に手作業（ニッパ加工等）で行なわれる。このため略４角形状とされた上記メタルベース基板１５の形状は、詳しくは手作業により隅角部３９に主辺３８よりも短い副辺４０が形成された多角形状をなしている。この場合、手作業により形成された隅角部３９の副辺４０において特にバリが生じやすいことが想定される。このため本例ではかかるバリとの干渉を回避するため第１のケース１１の側に後述する逃がし部が設けられている。

【0018】

図４（Ａ）で示すメタルベース基板１５の実装面３５をみると、その略中央に紫外線ＬＥＤ８が実装されている。またメタルベース基板１５の対向する一対の隅角部３９，３９を結ぶ対角線上であって紫外線ＬＥＤ８の両側には、一対の貫通孔４２，４２が形成されている。この貫通孔４２は、内壁に環状の絶縁樹脂層４３が設けられている。この貫通孔４２には接続ケーブル６を構成する導線６ａ，６ｂが挿通され、導線６ａ，６ｂの先端は導体層３３に形成されたランド３４と半田接合されている。このようにすることでメタルベース基板１５のメタル層３１と電力供給用の導線６ａ，６ｂとの絶縁性を確保しつつ、導線６ａ，６ｂおよび導体層３３を介して紫外線ＬＥＤ８に電力を供給することができる。
なお、メタルベース基板１５の導体層３３の上面には、必要に応じて絶縁性の保護膜（図示省略）が形成されている。

【0019】

図２で示すように、ケース１０は、軸方向に分離可能な第１のケース１１、第２のケース１２、および、第３のケース１３で構成されている。これらケースは金属製とされ、本例では熱伝導率が高く放熱性に優れた銅材で作製されている。

【0020】

第１のケース１１は、ケース１０の基端側を構成する部材で、主にメタルベース基板１５を保持し、紫外線ＬＥＤ８から発せられた熱を逃がす役割を果たす。図２で示すように、第１のケース１１の外周面には、複数の環状溝５１が形成されて軸方向に沿って凹凸形状とされた放熱促進部５２および雄ねじ部５３が形成されている。そして第２のケース１２と接続される側の端部には、メタルベース基板１５が保持される基板保持部５５が形成されている（図３、図６参照）。基板保持部５５は、雄ねじ部５３のねじ軸方向と直交する基板保持面５６と、基板保持面５６の外側に形成された位置決め突部５８とを有し、軸方向外向き（図３における図中上向き）に開放された凹状に形成されており、基板保持部５５にはメタルベース基板１５が収容可能とされている。

【0021】

位置決め突部５８は、図５（Ｂ）で示すように、基板保持面５６に保持されたメタルベース基板１５の実装面３５に到らない高さで基板保持面５６よりも突出し、メタルベース基板１５の端面と接触してメタルベース基板１５における軸直交方向の位置を規制する。
本例によれば、メタルベース基板１５は、第１のケース１１の雄ねじ部５３のねじ径よりも小とされており、基板保持部５５内に収容された状態で雄ねじ部５３のねじ径よりも内側領域に、ねじ軸と略同心状に配置されることとなる。
なお本例では、図５（Ａ）で示すように、メタルベース基板１５のそれぞれ主辺３８と対向する位置に、主辺３８よりも短い長さで４つの位置決め突部５８が設けられている。

【0022】

図５（Ａ）および（Ｂ）で示すように、平面視において、メタルベース基板１５の周縁と重複する位置には、基板保持面５６よりもメタルベース基板１５から離間する方向に段下がりさせた逃がし部６１および６２が形成されている。
第１の逃がし部６１は、位置決め突部５８と基板保持面５６との連結部に形成された細溝状の逃がし部で、メタルベース基板１５の主辺３８と重複する位置に設けられている。
第２の逃がし部６２は、隣接する位置決め突部５８を周方向に沿って繋ぐ位置に形成された逃がし部であって、メタルベース基板１５の隅角部３９と重複する位置に設けられている。
このような逃がし部６１および６２を基板保持面５６の外側に設けておくことで、メタルベース基板１５の端面にバリが生じた際、そのバリとの干渉を回避することができる。

【0023】

この第１のケース１１の内部には、図２、図５（Ｂ）で示すように、導線６ａ,６ｂを挿通させる挿通孔６４が形成されている。挿通孔６４は第１のケース１１内を軸方向に貫通する。挿通孔６４の形状は、基端側（ケース１１の図中下側）において円形状とされ、先端側の基板保持面５６において長円形状の開口６５が形成されている。かかる開口６５は、平面視において、基板保持部５５に収容されたメタルベース基板１５の貫通孔４２と重複する。

【0024】

図２、図３で示すように、第２のケース１２は、第１のケース１１および第３のケース１３との間に介在しこれらケースとねじ結合する略円筒形状の部材で、基端側の内周面には、第１のケース１１の雄ねじ部５３と螺合する雌ねじ部７１が形成されている。また先端側の外周面には第３のケース１３の雌ねじ部８５と螺合する雄ねじ部７２が形成されている。
この第２のケース１２の内周面の軸方向略中央部には内側に突出した環状突部７３が形成されており、環状突部７３の、基端側（第１のケース１１と対向する側）には、メタルベース基板１５の実装面３５を押圧可能な基板押圧部７４が形成されており、図４（Ａ）で示す１点鎖線７４ａよりも径方向外側の実装面周縁領域が、基板押圧部７４により押圧可能とされている。

【0025】

第２のケース１２の雌ねじ部７１と第１のケース１１の雄ねじ部５３とが螺合すると、これら第１のケース１１と第２のケース１２との間に配置されたメタルベース基板１５は、図２で示すように、ねじ締結力により非実装面３６に基板保持面５６が押し当てられる態様で挟圧固定される。これにより紫外線ＬＥＤ８で生じた熱は、メタルベース基板１５を介して主に第１のケース１１へと流れて、第１のケース１１の表面（例えば放熱促進部５２）から大気中へ放出される。なお、上記ねじ締結のため、第１のケース１１の外周面には一対の工具係合面５４が、また第２のケース１２の先端側の端面には工具係合溝７７が形成されている（図３参照）。

【0026】

次に第１のレンズ１８は、一方の屈折面が凸曲面、他方の屈折面が平面とされた略半球形状の集光レンズで、紫外線ＬＥＤ８の直上に配設されて、紫外線ＬＥＤ８から発せられた紫外線を集光する。
第２のケース１２の環状突部７３の先端側には、図２の部分拡大図で示すように、第１のレンズ１８の周縁部と係合するレンズ保持部７５が形成され、また第２のケース１２のレンズ保持部７５よりも先端側（図中上側）の内周面には雌ねじ部７６が形成されている。この雌ねじ部７６には、外周面に雄ねじ部８１が形成された環状の第１のレンズ固定用部材８０が螺合可能とされている。第１のレンズ１８は、その周縁部がレンズ保持部７５と第１のレンズ固定用部材８０とで挟圧固定されている。

【0027】

次に第２のレンズ２１は、対向する一対の屈折面がいずれも凸曲面とされた両凸形状のレンズで、ケースの先端開口２５近傍に、第１のレンズ１８と光軸が略一致するように配設されている。第２のレンズ２１は、照射対象のワークにおいて所定の径で紫外線が照射されるように光線束を調整する。なお第２のレンズ２１は、本例のような両凸形状に限定されるものではなく、例えば平凸レンズ等、目的とする照射スポット径が得られる形状に適宜変更可能である。
この第２のレンズ２１が保持される第３のケース１３は、図２、図３で示すように、先端側の開口２５近傍に、径方向内側に突出させた環状突部８６が形成されており、環状突部８６よりも基端側（図中下側）には雌ねじ部８５が形成されている。この雌ねじ部８５には、外周面に雄ねじ部９１が形成された環状の第２のレンズ固定用部材９０が螺合可能とされている。第２のレンズ２１は、その周縁部が環状突部８６と第２のレンズ固定用部材９０とで挟圧固定されている。

【0028】

以上のように構成された本実施形態の光照射ユニット２では、第１のケース１１と第２のケース１２とをねじ締結させる簡便な組付構造の下、そのねじ締結力に基づいてメタルベース基板１５の非実装面３６に基板保持面５６が押し当てられる態様でメタルベース基板１５と第１のケース１１を密着固定させることができ、紫外線ＬＥＤ８からの発熱をメタルベース基板１５から第１のケース１１へと良好に逃がすことができる。

【0029】

本実施形態の光照射ユニット２では、基板保持面５６の外側に形成され、メタルベース基板１５の端面と接触してメタルベース基板１５の位置を規制する位置決め突部５８を含んで基板保持部５５を構成しているため、メタルベース基板１５組み付け時の軸直交方向における位置決めを容易に行うことができる。またメタルベース基板１５が位置決めされることで、紫外線ＬＥＤ８から発せられる光と、レンズ１８，２１との軸直交方向の位置合わせが図られ、光照射特性のばらつきを抑えることができる。

【0030】

本実施形態の光照射ユニット２では、基板保持部５５の、平面視においてメタルベース基板１５の周縁と重複する位置に、基板保持面５６よりもメタルベース基板１５から離間する方向に段下がりさせた逃がし部６１，６２が設けられているため、メタルベース基板１５の周縁部に密着性を阻害するようなバリが生じたとしても、バリと基板保持面５６との干渉を回避して、メタルベース基板１５と基板保持面５６とを密着させることができる。

【0031】

本実施形態の光照射ユニット２では、メタルベース基板１５が４つの主辺３８を有する略４角形状とされ、詳しくはその隅角部３９に更に副辺４０が形成された多角形状とされている。この場合、基板保持部５５には、メタルベース基板１５の主辺３８と対向する位置に位置決め突部５８を設けるとともに、少なくともメタルベース基板１５の隅角部３９と重複する位置に逃がし部６２を設けることで、バリと基板保持面５６との干渉を回避して、メタルベース基板１５と基板保持面５６とを密着させることができる。

【0032】

また本実施形態の光照射ユニット２では、メタルベース基板１５と基板保持面５６との間に熱伝導グリスもしくは熱伝導シートを介在させることも可能である。
熱伝導グリスは、高い熱伝導性を有するフィラー（例えば、銅、銀、アルミなどの粒子）が混ぜられた、シリコーン等のグリスである。
熱伝導シートは、熱伝導率の良好な材料を含んだシート材で、カーボンシート、グラファイトシート、グラフェンシート、アルミニウムシート、銅シート等が挙げられる。
このような熱伝導グリスもしくは熱伝導シートを介在させることで、メタルベース基板１５と基板保持面５６との間の細かな凹凸の隙間を埋めて、効率よく熱を第１のケース１１に伝えることができる。

【0033】

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまでも一例示である。例えば上記実施形態では、銅製のケースを用いているがアルミ等他の金属でケースを構成することも可能である。ベースメタル基板のメタル相についても同様に銅以外の他の金属で構成することも可能である。また、上記実施形態では基板保持面の全周に亘って逃がし部が設けられているが、密着性を阻害するバリが生じ易い部分が特定できる場合には、かかる部分に限定して逃がし部を設けることも可能である。また上記実施形態では、紫外線ＬＥＤを発光素子として用いているが、発光素子の種類はこれに限定されるものではなく、例えば紫外線以外の光を発光するＬＥＤを発光素子として用いることも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0034】

２ 光照射ユニット
６ａ,６ｂ 導線
８ 紫外線ＬＥＤ（発光素子）
１１ 第１のケース
１２ 第２のケース
１５ メタルベース基板
３５ 実装面
３６ 非実装面
３８ 主辺
３９ 隅角部
４０ 副辺
４２ 貫通孔
４３ 絶縁樹脂層
５３ 雄ねじ部
５８ 位置決め突部
６１ 第１の逃がし部
６２ 第２の逃がし部
７１ 雌ねじ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】