JP6549397B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、人が着用して対象物を照明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、ファン装置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。そのため、レンズケース内の照光部分の表面積も小さくなり、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て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、ファン装置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、レンズケース内を効果的に冷却できるよう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、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ＬＥＤ保持部と、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ＬＥＤ保持部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支持柱と、前記支持柱によってフレームが支持されるファン装置と、前記ＬＥＤ保持部を前記凹部の底面に固定すると共にその先端が前記凹部の底面を貫通して前記ファン装置に向けて突出するよう設けられるビスと、を備えて、前記ファン装置は、取り込む空気を前記基台部における前記凹部と反対側の端面及び前記ビスに当てて、隣り合う前記支持柱が側枠で、前記フレームと前記基台部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る窓部から排出する空気流を形成するＬＥＤ照明装置を提供する。

また、上記課題を解決するために、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ＬＥＤ保持部と、前記レンズケースの前記第２の端面側に設けられ、外側面には前記レンズケースに向かう複数の通風路を有する基台部と、前記ＬＥＤ保持部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、前記基台部に対向して配置されるファン装置と、前記ＬＥＤ保持部を前記凹部の底面に固定すると共にその先端が前記凹部の底面を貫通して前記ファン装置に向けて突出するよう設けられるビスと、両端に開口部を有して内部に前記基台部と前記ファン装置とを収容する筐体と、を備えて、前記基台部は、前記通風路を一方の前記開口に臨ませて前記筐体内に配置されて、前記ファン装置は、前記通風路を通して取り込む空気を前記基台部における前記凹部と反対側の端面及び前記ビスに当てて、他方の前記開口から排気する空気流を前記筐体内に形成するよう前記筐体内に配置されるＬＥＤ照明装置を提供する。

そして、前記基台部における前記ファン装置と対向する端部の面を凹凸面とするとよい。これにより、ファン装置から送られてくる空気と当たる面積が増大するため、基台部の端面からの放熱効果を高めることができる。

また、前記基台部において、前記凹部が形成されている端部とは反対側の端部の面を前記ファン装置に向けて突出させて、そのときの突出部の側面の形状が階段状又は略テーパ状となるように構成するとよい。これにより、ファン装置によって取り込まれる空気は、突出部の側面に沿って流れて窓部から排出されるため、基台部の効果的な熱交換が行われる。

さらに、前記基台部の側面には、複数の溝を形成することで溝がフィンとなり、側面からも有効に放熱することができる。そして、この溝を、前記ファン装置から前記レンズケースに向かう方向に形成することで、窓部から抜け出た一部の空気は溝に沿って流れるため側面での空気の流れが促進されて、溝による熱交換効率が一層高まる。

また、前記基台部における外側表面と前記凹部の内側表面とには、黒アルマイト処理を含む放熱塗装又は熱吸収塗装を施すことで、ＬＥＤ保持部からの熱は基台部に効率良く吸収されて、放熱効率が一層高まる。黒アルマイト処理は、環境負荷物質を含有しない処理液を使用する。

また、前記フレームにおいて、前記支持柱と略連通している側面には、切欠き部を形成するとよい。そうすることで、インペラ２０ａに取り込まれずにフレームの側面に沿っての空気の流れが促進されて、同時にインペラ２０ａに取り込まれて、窓部から排出される空気の流れも促進されるために、ファン装置による放熱効果がより効果的となる。

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ＬＥＤ保持部を収容するために、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支持柱によって支持されるファン装置によって、取り込んだ空気を窓部から排出する空気流との熱交換により基台部から効果的に放熱することができ、耐久性の高いＬＥＤ照明装置が実現される。

本発明の実施形態１に係るＬＥＤ照明装置の側断面図を示す。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を部品毎に分解した説明図を示す。 ＬＥＤ照明装置のファン装置の部分を説明する斜視図を示す。 ＬＥＤ照明装置の基台部の一方の端面を平面図で示す。 基台部の側面に形成する各種の溝の断面形状を説明するために、基台部の端面を平面図で概略的に示す。 基台部のファン装置側の端面から効果的に放熱可能にした各変形例を側断面図で示す。 窓部部分の他の例を説明する斜視図を示す。 窓部部分のさらに別の例を説明する斜視図を示す。 把持部を取り付けた状態のＬＥＤ照明装置を側面図で示す。 本発明の実施形態１に係るＬＥＤ照明装置の側断面図を示す。 図１０のＬＥＤ照明装置における左からの平面図を示す。 図１０のＬＥＤ照明装置における右からの斜視図を示す。

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チップを含むＬＥＤパッケージ７が接着剤によって実装される円形状のＬＥＤ保持部であり、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、アルミニウムなどの金属材料などにより成形されており、ＬＥＤ保持部３を収容するための円筒状の凹部１１が設けられている。ＬＥＤ保持部３を凹部１１に収容することで、ＬＥＤパッケージ７からの発熱は基台部４に効率良く吸収される。放熱効率をさらに向上させるためには、基台部４における外側表面と凹部１１の内側表面とには、放熱塗装又は熱吸収塗装を施すとよい。例えば、放熱塗装では、環境負荷物質を含有しない処理液を使用した黒アルマイト処理がある。

そして、基台部４は、その側面に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、ＬＥＤパッケージ７への給電線、後に明らかとなるファン装置２０への給電線及びアース線を含んでいる。そして、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ＬＥＤパッケージ７の給電線とアース線は、ＬＥＤパッケージ７のリード１５と半田付けで接続される。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、本例においては７．２Ｖが給電されて、ＬＥＤチップが発光する。

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環状溝部８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。ビス１２は、ＬＥＤ保持部３を基台部４の凹部１１に固定すると共に、ＬＥＤパッケージ７の発熱を外部へ放熱する作用も行う。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と係合する係合溝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の凹部１１が設けられる端面と反対側の端面の四隅には、ファン装置２０を支持するための支持柱１６をそれぞれ設けている。この支持柱１６は、基台部４の端面から突出形成されているために、基台部４がＬＥＤ保持部３から吸収した熱を外気に放出する放熱部でもある。そして、基台部４自体もＬＥＤ保持部３から吸収した熱を外気に放出する放熱部であり、図４で示すように、基台部４の側面に冷却フィンとして機能する断面が「Ｕ」字状の複数の溝２９を形成することで放熱効果を高めている。

ファン装置２０としては、１０数ミリ角で厚さも数ミリ程度で、容量も３Ｖ乃至５Ｖ程度の小さいブラシレスＤＣファンモータを備えた超小型形状のものが使用される。そして、ファン装置２０は、風洞となるフレーム２０ａの内側に配置して構成されており、フレーム２０ａで支持柱１６の先端に支持されている。インペラ２０ｂが回転すると、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。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３０から外部に排出される。また、図示していないが、ハーネス２４から分岐されているファン装置２０への給電線とアース線とがＤＣファンモータに接続されて、本例では３Ｖを給電する。

ファン装置２０のフレーム２０ａの４つの側面には、空気の取込側の辺から排気側の辺までにかけて切欠き部２１をそれぞれ形成するとよい。何故ならば、ファン装置２０が駆動して空気の流れが生じたとき、インペラ２０ａに取り込まれずにフレーム２０ａの側面に沿って流れる空気に対して、フレーム２０ａの側面に切欠き部２１を設けてこの流れを促進させれば、インペラ２０ａに取り込まれて、窓部３０から排出される空気の流れも促進されることになるからである。

上記構成によるＬＥＤ照明装置１の放熱作用について説明する。照明時にＬＥＤパッケージ７に発生する熱は、基台部４に形成した凹部１１にＬＥＤパッケージ７が実装されるＬＥＤ保持部３を収容しているために、基台部４に効率良く伝達される。この場合、上述したように、基台部４とＬＥＤ保持部３とを直接接続しているビス１２も熱伝導に効果的に寄与している。

そして、ファン装置２０の駆動によって形成されて窓部２０から排出される空気流により、支持柱１６及び基台部４の端面が空気と熱交換することで、ＬＥＤ保持部３から基台部４に伝達される熱は放出されることになる。一方、基台部４は、溝２９がフィンとして作用するために側面からの放熱も有効に行われている。また、インペラ２０ａに取り込まれずにフレーム２０ａの側面に沿って流れる空気により生じる負圧によって、窓部２０から排出される空気の流れが促進されるため、支持柱１６及び基台部４と空気との熱交換効率は高められる。

さらに、このとき、窓部３０から排出される空気の一部は、基台部４の側面からレンズケース２の方向に流れるが、溝２９をこの方向に沿って形成することにより、側面での空気の流れが促進されるため、基台部４の側面からの熱交換効率を効果的なものにしている。このような溝２９の断面形状は、図５の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部にそれぞれ概略的に示すように、三角形状、四角形状、半円形状の何れであってもよい。また、基台部４の形状も図４の（ｃ）部に示すように、その断面形状が丸型の円柱体であってもよく、この場合は側面には半円状の溝２９を形成している。

また、基台部４の端面での熱交換を高めるには、図６（ａ）に示すように、この端面の表面を凹凸面に構成するとよい。また、平面に限らず、この端面からファン装置２０に向けて突出する突出部４Ａを形成するとよい。この場合の突出部４Ａは、その側面の形状が図６（ｂ）部に示す階段状又は図６（ｃ）に示す略テーパ状となるように形成する。これにより、ファン装置２０によって取り込まれる空気は、この側面に沿って熱交換を行いながら流れて窓部３０から排出される。

基台部４の端面の４隅に支持柱１６に加えて、図７に示すように、端面の辺の中央にも支持柱１６ａを配置して窓部３０の数を増やすことで、多様な空気流が形成されて冷却効果を高めることができる。また、他の変形例としては、図８に示すように、隣り合う支持柱１６のそれぞれの中央部に基台部４の端面の辺に沿って桟２６を架け渡して、ファン装置２０からの空気の流れに沿った２段の窓部３０ａ及び３０ｂを形成することでも冷却効果が高まる。

ＬＥＤ照明装置１は、図９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３１を備えている。アーム３１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る把持部２３と回動自在に連結されている。把持部２３は、それぞれの一端部が同軸でアーム３１に回転自在に支持される一対の把持片２３ａ及び２３ｂと、ネジ２７と、バネ２８と、ナット３２とで構成される。ネジ２７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３２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３１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、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、そして、ナット２６を締め付ける方向に回転させてブリッジ部を把持することで、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＞
図１０は、実施形態２に係わるＬＥＤ照明装置５０の側断面図を示し、実施形態１に係るＬＥＤ照明装置１と共通する構成については、同じ符号を付すことで詳しい説明を省略する。

ＬＥＤ照明装置５０は、レンズ系５が収納される筒状のレンズケース２と、ＬＥＤ保持部３と、基台部４と、基台部４に形成される凹部７と、結合部６と、ファン装置５１と、基台部４とファン装置５１とを収容する筐体５２等を備える。但し、本実施形態では、放熱部（ヒートシンク）としても作用している実施形態１での支持柱１６を具備していない。

ファン装置５１は、実施態様１でのファン装置２０と同様の軸流型のファンである。筐体５２は、両端に開口部５２ａ、５２ｂを有しており、この開口部５２ａには、図１１で示すように、インペラ５３が回転軸に装着された小型のＤＣファンモータの取付板５４は、その周端が筐体５２の内壁と接するよう嵌め込まれた状態で固定されている。そして、取付板５４には、インペラ５３が回転する周方向に沿って、複数の排気口５６が一定間隔で設けられている。

四角体の基台部４の４つの側面のうち、ハーネス２４を基台部４に組み込むときの受入口１３が形成されている面以外の側面には、それぞれレンズケース２に向けて通風路５５となる溝が形成されている。そして、基台部４は、通風路５５が筐体５２の軸方向と平行に開口部５２ｂに嵌め込まれて固定される。

上記構成で、ファン装置５１が駆動すると、開口部５２ｂから取り込まれる空気は通風路５５を通りファン装置５１に吸い込まれて、排気口５６から排気される。これにより、基台部４は、側面を通過する空気流との熱交換によって効果的に冷却されるために、基台部４のヒートシンクとしての機能が高まる。

そして、実施形態２の構成においても実施形態１の場合と同様に、基台部４におけるファン装置５１と対向する端部の面を凹凸面としたり、或いはこの対向する端部の面をファン装置５１に向けて突出させて、そのときの突出部の側面の形状が階段状又は略テーパ状となるように構成したりすることで、冷却効率を一層高めることが可能となる。

本発明は上述の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 ＬＥＤ保持部
４ 基台部
４Ａ 突出部
５ 照光レンズ
６ 結合部
１１ 凹部
１６ 支持柱
２０ ファン装置
２０ａ フレーム
２１ 切欠き部
２９ 溝
３０ 窓部
５０ ＬＥＤ照明装置
５１ ファン装置
５２ 筐体
５５ 通風路

Claims (9)

1. 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ＬＥＤ保持部と、
   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ＬＥＤ保持部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支持柱と、
   前記支持柱によってフレームが支持されるファン装置と、
   前記ＬＥＤ保持部を前記凹部の底面に固定すると共にその先端が前記凹部の底面を貫通して前記ファン装置に向けて突出するよう設けられるビスと、
   を備えて、
   前記ファン装置は、取り込む空気を前記基台部における前記凹部と反対側の端面及び前記ビスに当てて、隣り合う前記支持柱が側枠で、前記フレームと前記基台部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る窓部から排出する空気流を形成することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 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ＬＥＤ保持部と、
   前記レンズケースの前記第２の端面側に設けられ、外側面には前記レンズケースに向かう複数の通風路を有する基台部と、
   前記ＬＥＤ保持部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、
   前記基台部に対向して配置されるファン装置と、
   前記ＬＥＤ保持部を前記凹部の底面に固定すると共にその先端が前記凹部の底面を貫通して前記ファン装置に向けて突出するよう設けられるビスと、
   両端に開口部を有して内部に前記基台部と前記ファン装置とを収容する筐体と、を備えて、
   前記基台部は、前記通風路を一方の前記開口に臨ませて前記筐体内に配置されて、前記ファン装置は、前記通風路を通して取り込む空気を前記基台部における前記凹部と反対側の端面及び前記ビスに当てて、他方の前記開口から排気する空気流を前記筐体内に形成するよう前記筐体内に配置されることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
3. 前記基台部における前記ファン装置と対向する端部の面を凹凸面とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記基台部における前記ファン装置と対向する端部の面を前記ファン装置に向けて突出させて、そのときの突出部の側面の形状が階段状又は略テーパ状となるように構成することを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記基台部の側面には、複数の溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
6. 前記溝は、前記ファン装置から前記レンズケースに向かう方向に形成することを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ照明装置。
7. 前記基台部における外側表面と前記凹部の内側表面とには、黒アルマイト処理を含む放熱塗装又は熱吸収塗装を施したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
8. 前記放熱塗装は、環境負荷物質を含有しない処理液を使用した黒アルマイト処理であることを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤ照明装置。
9. 前記フレームにおいて、前記支持柱と略連通している側面には、切欠き部を形成したことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。

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