-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND VERWANDTE
TECHNIK
-
Die
Erfindung betrifft ein Lichtbestrahlungsgerät und insbesondere ein Lichtbestrahlungsgerät, das vorzugsweise
zur Begutachtung der Erscheinung oder einer Fehlstelle eines Produktes
durch Lichtbestrahlung geeignet ist und in einer Fabrik und desgleichen
zum Einsatz kommt.
-
Gewöhnlich wird
eine Halogenlampe als Lichtquelle für diese Art von Lichtbestrahlungsgerät verwendet.
Im Hinblick auf die Effizienz oder die Genauigkeit der Produktbegutachtung
ist jedoch die Halogenlampe als Lichtquelle nicht geeignet, um eine ausreichende
Stabilität
der Beleuchtungsintensität, Lebensdauer
und schnelle Reaktionszeiten zu erreichen. Eine Mehrzahl von LEDs
werden als Lichtquelle verwendet, um dieses Problem zu lösen. Insbesondere
ist ein Lichtbestrahlungsgerät
bekannt, dass dieser Erfinder erfunden und in
JP 2002-21206 beschrieben hat,
wobei hierin eine Mehrzahl von LEDs auf einem Druckträger angeordnet
sind und Licht mittels einer Mehrzahl von LEDs über ein Bündel von optischen Fasern eingeführt wird
oder es sind eine Mehrzahl von LEDs auf einer konkaven Fläche mit Kegelform
positioniert und das von diesen LEDs abgestrahlte Licht wird direkt
fokussiert. Der Grund, weshalb eine Mehrzahl von LEDs verwendet
wird, basiert auf der Tatsache, dass es für eine LED in einer Grundsubstanz
schwierig ist, ausreichend Lichtvolumen zu erzielen.
-
Neuerdings
wurde ein Lichtemissionselement, das als Leistungs-LED bezeichnet
wird und ein großes
Lichtvolumen in einer Grundsubstanz erzielen kann, entwickelt. Diese
Leistungs-LED kann einen elektrischen Strom von einigen Hundert
mA verarbeiten und ein diesem elektrischen Strom entsprechendes
Lichtvolumen erzeugen, im Gegensatz zu einer gewöhnlichen LED, die einen elektrischen Strom
von höchstens
einigen Dutzend mA verarbeiten kann.
-
Die
oben erwähnten
Leistungs-LEDs ermöglichen
es, die Lichtquelle zu verkleinern, wodurch neue Anwendungsbereiche
und neue Möglichkeiten erzielt
werden können.
-
Bei
der Leistungs-LED ist jedoch die Wärmeverarbeitung aufgrund eines
Hitzeproblems durch den hohen elektrischen Strom unabdingbar. LEDs weisen
im Allgemeinen bei hoher Temperatur ein geringes Lichtvolumen und
eine kurze Lebensdauer auf. Werden eine Mehrzahl von LEDs gewöhnlich verwendet,
so ist jede LED auf einem Substrat angebracht, was ebenso der Vereinfachung
der Befestigung der LEDs dient, und es fließt kein großer elektrischer Strom durch
jede dieser LEDs in einer Grundsubstanz und jede LED ist getrennt
angeordnet. Dann lässt
sich das Wärmeproblem
lösen,
indem das Substrat auf ein Gehäuse
mit Hitze-dissipierenden Lamellen angebracht wird. Die Leistungs-LED dissipiert
Wärme über ein
Substrat aus Aluminium, jedoch besteht eine Begrenzung hinsichtlich
der Wärmedissipation,
die von einem nackten Chip der Leistungs-LED ausgeht, da das Aluminiumsubstrat die
Wärme über eine
Glasfaser-verstärkte
Kunststoffschicht (Wärmeleitfähigkeit
0.3∼0.4
W/mK) dissipiert, wobei die Kunststoffschicht zur Isolation angeordnet ist.
Falls somit lediglich die Leistungs-LED zum Einsatz kommt, wird der Wärme-dissipierende
Bereich größer gestaltet,
was einer Verkleinerung der Lichtquelle entgegensteht.
-
Da
zudem ebenso eine Begrenzung hinsichtlich der genauen Positionierung
der LED beim Befestigen der Leistungs-LED auf dem Substrat durch
Löten besteht,
ist ein örtlicher
Zusammenhang des Substrats der Leistungs-LED nicht gleichmäßig, obgleich das Substrat
mit dem Gehäuse
durch genaue Positionierung verbunden ist. Folglich kann es beispielsweise
fehlschlagen, Licht aus der Leistungs-LED in einen Licht-einlassenden
Endbereich einer optischen Faser genau einzuführen, wodurch ein Verlust im Lichtvolumen
am Licht-einlassenden Endbereich entsteht und der Vorteil des oben
erwähnten
großen Lichtvolumens
gemindert wird. Um dies mit einer einfachen Anordnung zu verhindern,
können
die Dauer und die Kosten bei der Bestückung der Lichtquelle in die
Höhe steigen.
-
US-A-6 070 997 (
5)
beschreibt eine Anordnung mit einer LED
16, die in einem
Plastikhalter
17, der in einem zylindrischen Plastikgehäuse
5 eingepasst
ist, mittels eines Dübels
40,
der in die untere Kammer
10 des Gehäuses
5 eingeschraubt
wird, befestigt ist, so dass Batterien
24,
25 gegen
den Widerstand einer Feder auf die Unterseite des LED-Halters
17 drücken und
das obere Ende des Halters
17 angrenzend zum inneren Eckbereich
der oberen Kammer
7 des Gehäuses
5 zwängen.
-
Um
alle obigen Probleme zu lösen,
beabsichtigt diese Erfindung, ein Lichtbestrahlungsgerät anzugeben,
bei dem eine Leistungs-LED als Lichtquelle verwendet wird, um Eigenschaften
wie Wärmedissipation,
Verkleine rung, Vereinfachung eines Bestückungsprozesses, Genauigkeit
des Bestrahlungsgeräts
zu verbessern.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Das
Lichtbestrahlungsgerät
gemäß der Erfindung
wird in den beigefügten
Patentansprüchen
1 bis 9 definiert.
-
Gemäß der Anordnung
erfolgen ein Befestigen der LED durch Druck mittels einer Druckanordnung
und ein Positionieren der LED über
eine Positionieranordnung gleichzeitig beim Verbinden des ersten
Gehäuseelements
mit dem zweiten Gehäuseelement.
Folglich ist es möglich,
den Zusammenbau des Lichtbestrahlungsgeräts zu vereinfachen und das von
der LED abgestrahlte Licht genau einzustellen. Da die LED zudem
in engem Kontakt zum Gehäuse steht,
das den Wärme-dissipierenden
Bereich direkt oder indirekt mittels eines zwischengeschalteten
Elements aufweist, ist es möglich,
die Wärme äußerst effektiv
zu dissipieren, ohne die Größe des Gehäuses unnötig voluminös zu gestalten.
Beispielsweise kann eine Silikonschmierung als zwischen geschaltetes Element
verwendet werden, das eine thermisch leitfähige Komponente darstellt,
und die Haftfähigkeit und
Wärmeleitfähigkeit
werden durch Aufnahme der Rauigkeit der Flächen zwischen den Pressflächen und
der LED verbessert.
-
Als
konkrete Form, bei der sich die Wirkung dieser Erfindung sehr deutlich
zeigt, ist die LED in einer Grundsubstanz und kann einen elektrischen Strom
von nicht weniger als 200 mA bis 300 mA im stationären Zustand
verarbeiten.
-
Um
den Druckzustand zu erhalten, ist es günstig, falls eine elastische
Komponente zwischen wenigstens einer der ersten und zweiten Druckflächen und
der LED vorhanden ist.
-
Als
konkrete die zweite Druckfläche
darstellende Form, weist das zweite Gehäuseelement eine Wand und einen
Projektionskörper
auf, der aus der Wandung herausragt, und die zweite Druckfläche ist an
einer Oberfläche,
welche dem ersten Gehäuseelement
gegenüberliegt,
auf dem Projektionskörper eingerichtet.
In diesem Fall kann der Projektionskörper auch nicht in die Wandung
integriert sein. Für
einige LEDs ist eine Isolation zwischen der LED und einer Wandung
des Gehäuses
erforderlich, wobei in diesem Fall der Projektionskörper selbst
aus einem Material mit Isoliereigenschaften bestehen kann.
-
Falls
es vorteilhaft ist, ein Substrat mit einer LED zusammen mit einer
Verdrahtung oder einem anzubringenden Widerstand zu befestigen, kann
das Substrat ringförmig
sein und der Projektionskörper kann
fest mit einer Unterseite der LED mit einem Durchgriff durch ein
Durchgangsloch des Substrats befestigt sein.
-
Eine
konkrete Form der Positionierungsanordnung nutzt einen Ringbereich,
der an dem Gehäuse
befestigt ist, und positioniert die LED durch schlupf-freies Einführen eines
Durchgangslochs des Ringbereichs über den Umfang der LED, begleitet von
einem Zusammenbringen des ersten Gehäuseelements und des zweiten
Gehäuseelements.
-
Falls
in diesem Fall eine Innenseite des Ringbereichs eine spiegelbearbeitete
konisch-konkave Seite ist, und der Ringbereich der nach vorne gerichteten
Führung
des Lichtes dient, dient die Positionierungsanordnung auch zur Lichtreflexion,
um die Anzahl von Komponenten zu reduzieren und den Aufbau zu vereinfachen.
-
Falls
zudem das Lichtbestrahlungsgerät
eine Linseneinrichtung aufweist, die in dem Gehäuse untergebracht ist und derart
angeordnet ist, dass das von der LED ausgestrahlte Licht durch die
Linseneinrichtung auf einen Lichtfokussierbereich in einem vorgegebenen
Bereich einer Größe mit vorgegebenem
Radius fokussiert wird, kann ein Lichteinlassendbereich eines Lichtführungselements
wie eine optische Faser (ein Bündel)
oder ein Glasstab am Lichtfokussierbereich angebracht werden, und
es lässt
sich Licht auf effektive Weise von einem Licht-ausstrahlenden Ende
des Lichtführungselements
abstrahlen.
-
Im
Hinblick auf ein Lichtbestrahlungsgerät, das zudem eine in das Gehäuse integrierte
Linseneinrichtung aufweist, ist es zur Ausbildung der Positioniereinrichtung
unter Verwertung der Linseneinrichtung und zur einfachen Reduzierung
der Anzahl an Komponenten zur Vereinfachung der Einrichtung vorteilhaft,
falls die Positioniereinrichtung derart aufgebaut ist, dass die
LED durch schlupf-freies Einführen derselben
in einen konkaven Bereich, der auf einer die Linseneinrichtung darstellenden
Linse vorliegt, positioniert wird.
-
Als
bevorzugte Form der Linseneinrichtung zur Fokussierung des Lichtes
weist die Linseneinrichtung eine erste Linse auf, die das von der
LED abgestrahlte Licht hauptsächlich
parallel macht, sowie eine zweite Linse, die das Licht von der ersten
Linse in den Linsenfokussierbereich fokussiert.
-
Als
vorteilhafte Form des Wärmedissipationsbereichs
(Wärmeableitungsbereichs)
kommt eine Form einer Flosse in Frage, die in einem Umgebungsbereich
des Gehäuses
angeordnet ist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
-
1 zeigt
eine longitudinale Querschnittsansicht einer inneren Anordnung eines
Lichtbestrahlungsgeräts
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung.
-
2 zeigt
eine longitudinale Querschnittsansicht einer LED und eines Substrats
gemäß der Ausführungsform.
-
3 zeigt
eine beispielhafte Tabelle mit Eigenschaften des Lichtbestrahlungsgeräts gemäß der Ausführungsform.
-
4 zeigt
eine longitudinale Querschnittsansicht einer inneren Anordnung eines
Lichtbestrahlungsgeräts
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
-
5 zeigt
eine longitudinale Querschnittsansicht einer LED und eines Substrats
gemäß der Ausführungsform.
-
6 zeigt
eine beispielhafte Tabelle mit Eigenschaften des Lichtbestrahlungsgeräts gemäß der Ausführungsform.
-
7 zeigt
eine beispielhafte Tabelle mit Eigenschaften des Lichtbestrahlungsgeräts gemäß der Ausführungsform.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Eine
erste Ausführungsform
der Erfindung wird mit Bezug auf die Abbildungen erläutert.
-
Ein
Lichtbestrahlungsgerät 1 gemäß der Erfindung
weist, wie in 1 gezeigt, eine LED 5 in
einer Grundsubstanz auf sowie ein Gehäuse 2, in das die
LED 5 eingebaut ist, und das eine Wärme-dissipierende Flosse 25 als
Wärme-dissipierenden
Bereich enthält.
Das Lichtbestrahlungsgerät 1 strahlt Licht
von einer LED 5 durch einen Lichtbestrahlungsausgang 2a ab,
der an einer Stirnseite des Gehäuses 2 angebracht
ist.
-
Die
LED 5 weist, wie in 2 gezeigt
ist, einen elektrischen Leiter 51 auf, der ebenso als Wärmeleiter
dient und aus Metall (z. B. Kupfer) besteht, einen einzelnen LED-Chip 52,
der an dem elektrischen Leiter 51 durch Die Bonden oder Ähnliches
fixiert ist, einen Harzträger 56,
der den elektrischen Leiter 51 stützt, indem dieser über den
elektrischen Leiter 51 geführt wird, zwei Verbindungsleitungen 53a, 53b (ebenso
als Bonddrähte
bezeichnet), wobei eines deren Enden mit einer Elektrode einer Kathodenseite
(nicht in den Abbildungen gezeigt) oder einer Elektrode einer Anodenseite
(nicht in den Abbildungen gezeigt) des LED-Chips 52 direkt
oder indirekt über
den elektrischen Leiter 51 verbunden ist, ein Paar von
Elektroden 54a, 54b, an die das andere Ende der
Verbindungsleitungen 53a, 53b angeschlossen ist,
sowie einen Harzgussbereich 55 aus einem transparenten
Material (Plastik wie ein Epoxid oder Silikon, Elastomer oder Glas),
um einen Teil des LED-Chips 52,
die Verbindungsleitungen 53a, 53b und die Elektroden 54a, 54b dicht
abzuschließen, wobei
alle der obigen Elemente vereint sind, um ein Produkt einer so genannten „Leistungs-LED 5" ausbilden. Die LED 5 kann
einen elektrischen Strom von nicht weniger als 300 mA für eine vorgegebene
Zeitspanne kontinuierlich verarbeiten und eine große Lichtmenge,
verglichen mit einer herkömmlichen LED,
abstrahlen. In dieser Ausführungsform
ist ein Glasepoxidsubstrat 6 mit wulstiger Form auf einer Unterseite
des Harzträgers 56 montiert
und die Elektroden 54a, 54b sind mit einem Leistungskabel
CA über
das Glasepoxidsubstrat 6 angeschlossen.
-
Das
Gehäuse 2 ist,
wie in 1 gezeigt, von flacher Form mit einem ersten Gehäuseelement 21 und
einem zweiten Gehäuseelement 22,
die jeweils entlang einer Axiallinie L als vorgegebene Axiallinie mit
einem an einem Befestigungsbereich der ersten und zweiten Gehäuseelemente 21 und 22 ausgebildeten
Schraubbereich B zusammengebracht sind.
-
Das
erste Gehäuseelement 21 weist
eine Zylinderform mit einem Durchgangsloch 21a auf, das sich
entlang der Axiallinie L erstreckt und ein Ende der Öffnung des
Durchgangslochs 21a stellt den Lichtbestrahlungsausgang 2a dar.
Das Durchgangsloch 21a weist einen Bereich mit kleinem
Durchmesser auf, der an der Seite des Lichtbestrahlungsausgangs 2a ausgebildet
ist, als auch einen Bereich mit großem Durchmesser, der an der
anderen Seite ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist ein Glasstab
GL als Lichtführungselement
passend in den Bereich mit kleinem Durchmesser eingebracht. Ein O-Ring
OR weist ein elastisches Element auf, eine Linseneinrichtung 8 und
ein Ringbereich 7 sind passend nacheinander von hinten
mit Zentrierung entlang der Axiallinie L schlupf-frei eingeführt. Die
Linseneinrichtung 8 weist eine erste Linse 81 und
eine zweite Linse 82 auf, die jeweils hintereinander entlang
der Axiallinie L angeordnet sind. Die erste Linse 81 macht
das von der LED 5 abgestrahlte Licht hauptsächlich parallel
und die zweite Linse 82 fokussiert das Licht von der ersten
Linse 81 auf einen Lichtfokussierbereich 9, der
in einem Bereich vorliegt, an dem eine nahe gelegene Stirnseite
des Glasstabs GL vorliegt, um das fokussierte Licht im Wesentlichen
mit demselben Radius wie dem effektiven Radius des Glasstabs GL
auszubilden. Der Ringbereich 7 besteht aus einem Metall
oder einem Harz mit einer Form, bei welcher eine Innenseite des
Ringbereichs 7 nach außen
in Richtung einer Ausbreitungsrichtung des Lichts divergiert und
die Innenseite ist spiegel-bearbeitet.
-
Das
zweite Gehäuseelement 22 ist
kreisförmig
in Bezug auf eine Querschnittsansicht mit einem Loch mit einer unteren Öffnung 22a an
einer Stirnseite, die zur Seite des ersten Gehäuseelements 21 liegt und
dieses weist eine Wandung 23 auf mit einer Seitenwand und
einer unteren Wand sowie einem zylindrischen Projektionskörper 24,
der sich von einer Mitte der unteren Wand entlang der Axiallinie
L zur Seite des ersten Gehäuseelements 21 erstreckt.
Eine Mehrzahl von Gräben
mit einer Unterseite sind zur Ausbildung einer Wärme-dissipierenden Flosse 25 entlang
des Umfangs des zweiten Gehäuseelements 22 angeordnet.
Selbstverständlich
kann die Wärme-dissipierende
Flosse 25 auf dem ersten Gehäuseelement 21 untergebracht
sein.
-
In
dieser Ausführungsform
ist zudem eine Druckanordnung 3 vorgesehen, welche die
LED 5 mit Druck zwischen einer ersten Druckfläche 3b,
die an der Seite des ersten Gehäuseelements 21 angeordnet
ist, und einer zweiten Druckfläche 3a,
die an der Seite des zweiten Gehäuseelements 22 angeordnet ist,
fixiert, begleitet von einem Zusammenbringen des ersten Gehäuseelements 21 und
des zweiten Gehäuseelements 22 sowie
einer Positionieranordnung 4, welche die LED 5 derart
positioniert, dass eine optische Achse der LED 5 zur Axiallinie
L ausgerichtet ist, begleitet von einem Zusammenbringen des ersten
Gehäuseelements 21 und
des zweiten Gehäuseelements 22.
-
Die
erste Druckfläche 3b der
Druckanordnung 3 ist an einem Teil einer Oberfläche eines
abgestuften Bereichs eingerichtet, der an einer Grenze zwischen
dem Bereich mit kleinem Durchmesser und dem Bereich mit großem Durchmesser
des ersten Gehäuseelements 21 angeordnet
ist und dem zweiten Gehäuseelement 22 gegenüberliegt.
Die erste Druckfläche 3b ist
derart angeordnet, dass ein abgestufter Bereich 5a (in 2 gezeigt),
der auf einem Pressmassebereich (Harzgussbereich) der LED 5 angeordnet
ist, durch den O-Ring OR, die Linsenanordnung 8 und den
Bereich 7 gedrückt
wird. Die zweite Druckfläche 3a ist
an einer distalen Stirnfläche
des herausragenden Körpers 24 des
zweiten Gehäuseelements 22 eingerichtet
und derart positioniert, dass diese gegen eine Unterseite 5b des
elektrischen Leiters 51 der LED 5 drückt. Die
Linsenanordnung (Linseneinrichtung) wird über die erste Druckfläche 3b einer
Druckkraft ausgesetzt, wobei jedoch der O-Ring OR zwischen der ersten
Druckfläche 3b und
der Linsenanordnung 8 vorliegt und als elastisches Element dient,
das ein Brechen der Linsen 81, 82 beim Zusammenbringen
der ersten und zweiten Gehäuseelemente 21, 22 verhindert
und ebenso eine Schwankung der Druckkraft durch Bereitstellen eines
konstanten Druckes mindert, wodurch eine Druckbedingung stabil gehalten
wird.
-
Die
Positionieranordnung 4 ist derart angeordnet, dass ein
mittleres Durchgangsloch 7a des Ringbereichs 7 über den
Umfang der LED 5 passt, ohne eine Lücke beim Zusammenbringen des
ersten Gehäuseelements 21 und
des zweiten Gehäuseelements 22 zu
hinterlassen, um eine optische Achse des von der LED 5 abgestrahlten
Lichtes zur Axiallinie L auszurichten. Genauer gesagt passt ein Öffnungsbereich
der Unterseite des Ringbereichs 7 schlupf-frei über eine
Umfangsfläche
des Pressmassebereichs 55 der LED 5, um dadurch
die Positionierung des Ringbereichs 7 herzustellen.
-
Ein
Verfahren zum Zusammenbauen des Lichtbestrahlungsgeräts 1 mit
obigem Aufbau wird nun kurz erläutert.
-
Zunächst wird
der Glasstab GL, der O-Ring OR, die Linsenanordnung 8 und
der Ringbereich 7 in das erste Gehäuseelement 21 eingefügt. Dann
wird die LED 5, die mit dem Substrat 6 und dem
Leistungskabel CA bestückt
ist, an dem zweiten Gehäuseelement 22 angebracht,
wobei die Unterseite der LED 5 eng an der distalen Stirnfläche 3a des
herausragenden Körpers 24 befestigt
ist.
-
Dann
wird das erste Gehäuseelement 21 mit dem
zweiten Gehäuseelement 22 verbunden.
Bei diesem Prozess nähert
sich das erste Gehäuseelement 21 dem
zweiten Gehäuseelement 22,
gefolgt von einem Positionieren des Öffnungsbereichs der Unterseite
des Ringbereichs 7 entlang einer Radialrichtung zur Axiallinie
L durch passendes Einfügen des Öffnungsbereichs über dem
distalen Endbereich der LED 5. Als weiterer Vorgang beim
Zusammenfügen
des ersten Gehäuseelements 21 und
des zweiten Gehäuseelements 22 drückt jede
der Druckflächen 3a, 3b die
LED 5 entlang der Axiallinie L aus Richtungen, die sich
gegenüberliegen
und die LED 5 mit Druck fixieren. Das Substrat 6 weist
ein mittleres Loch 6a auf, dessen Durchmesser größer ist
als derjenige des herausragenden Körpers 24 und ein äußerer Durchmesser
des Substrats 6 ist kleiner als ein innerer Durchmesser
des zweiten Gehäuseelements 22,
so dass die LED 5 entlang der Radialrichtung positioniert
wird, in dem die Einrichtung 4 für sich allein angeordnet wird
und eine weitere Einrichtung die Positionierung der LED 5 nicht
stört.
-
Insbesondere
kann die LED 5 gemäß dieser Ausführungsform
automatisch und gleichzeitig sowohl fixiert als auch genau positioniert werden,
was auf eine Wirkung der Druckanordnung 3 und der Positionieranordnung 4 beim
Zusammenbringen des Gehäuseelements 21 und
des zweiten Gehäuseelements 22 zurückzuführen ist,
wobei die Anordnungen innerhalb der ersten und zweiten Gehäuseelemente 21, 22 angeordnet
sind. Da infolgedessen der Zusammenbau äußerst einfach ist und die LED 5 das Gehäuse 2 mit
dem Wärmeableitungsbereich
unmittelbar berührt,
wird eine Geschwindigkeit der Wärmeableitung
erhöht
und die Wärme
wird schnell abgeleitet/disspiert. Eine Verschlechterung der Leuchtkraft aufgrund
einer Erniedrigung der Temperatur des pn-Übergangs der LED 5 lässt sich
so verhindern, und die LED 5 kann somit eine lange Lebensdauer einnehmen.
Da die LED 5 zudem genau positioniert werden kann und das
Licht fehlerfrei auf den Lichtfokussierbereich 9 gerichtet
werden kann, können Durchlässigkeitsverluste
in dem Glasstab GL als Lichtführungselement
soweit wie möglich
reduziert werden.
-
Eine
Auswirkung der Wärmeableitung
durch die Druckanordnung 3 ist, wie in 3 gezeigt,
dem experimentellen Ergebnis sehr deutlich zu entnehmen. Falls man
insbesondere die Verschlechterung der Beleuchtungsintensität vergleicht,
z. B. bezüglich eines
Ausgangszustandes sowie 60 Minuten später, zwischen einem Zustand
(B), in dem die Druckflächen 3a, 3b gerade
in Kontakt mit der LED 5 gebracht werden, und einem Zustand
(C), in dem die LED 5 mit Druck über die Druckflächen 3a, 3b fixiert ist,
zeigt der Zustand (C) eine geringere Verschlechterung der Leuchtintensität im Vergleich
zum Zustand (B) und somit zeigt der Zustand (C) Wirkung. Um die Haftfähigkeit
und die Wärmeleitfähigkeit
durch eine absorbierende Aufrauung der Flächen zwischen den jeweiligen
Druckflächen 3a, 3b und
der LED 5 zu verbessern, wird eine Silikonschmierung auf
die Druckflächen 3a, 3b und
die LED 5 aufgetragen. Jedoch sind die Druckflächen 3a, 3b im
Allgemeinen direkt an der LED 5 befestigt. Falls man in
diesem Fall die Verschlechterung der Beleuchtungsintensität zwischen
den Zuständen
(B), (C) und einem Zustand (A) vergleicht, wobei eine Wärme-ableitende
Lage zwischen den Druckflächen 3a, 3b und
der LED angeordnet ist, zeigen die Zustände (B) und (C) eine geringere
Verschlechterung der Beleuchtungsintensität im Vergleich zum Zustand
(A).
-
Da
in dieser Ausführungsform
zudem der elektrische Leiter 51 der LED 5 ausgehend
von der Unterseite der LED 5 nach außen freigelegt ist, ist eine
Isolation zwischen der LED 5 und der Wand 23 des
Gehäuses 2 vorzusehen,
um Wärme
durch Kontaktierung der Unterseite der LED 5 mit dem Gehäuse 2 abzuführen. Da
jedoch der Projektionskörper 24 zwischen
der LED 5 und der Wand 23 angeordnet ist, kann
eine Isolation durch Verarbeiten des Projektionskörpers 24 alleine
vorgesehen werden, oder durch Auswahl des Materials des Projektionskörpers 24.
Insbesondere besteht nicht die Notwendigkeit, ein Verfahren zur
Isolation des gesamten zweiten Gehäuseelements 22 vorzusehen,
und es ist ebenso möglich,
die benötigte
Materialmenge an z. B. Aluminiumnitrid zu reduzieren, das teuer
ist und hohe thermische Leitfähigkeits-
und Isolationseigenschaften aufweist.
-
Zudem
dient der Ringbereich 7 ebenso als reflektierendes Element
für das
Licht, das von der LED 5 abgestrahlt wird, und dieser dient
ebenso für die
Positionieranordnung 4 und die Pressanordnung 3,
die es ermöglichen,
die Anzahl von Komponenten zu reduzieren und zur Vereinfachung der
Anordnung beizutragen.
-
Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung wird mit Bezug auf 4 und 5 erläutert.
-
Ein
Lichtbestrahlungsgerät 1A gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist, wie in 4 gezeigt, derart aufgebaut,
dass eine LED 5A in einem Gehäuse 2A untergebracht
ist und dieses weist wie die oben erwähnte erste Ausführungsform
eine Druckanordnung 3A auf, die die LED 5A mit
Druck zwischen einer ersten Druckfläche 3bA, die an der
Seite des ersten Gehäuseelements 21A positioniert
ist, und der zweiten Druckfläche 3aA,
die an der Seite des zweiten Gehäuseelements 22A angeordnet
ist, fixiert, begleitet von einem Zusammenbringen des ersten Gehäuseelements 21A und
des zweiten Gehäuseelements 22A und
es weist zudem eine Positionieranordnung 4A auf, die die
LED 5A derart positioniert, dass eine optische Achse des
von der LED 5A abgestrahlten Lichtes zu einer mittleren
Axiallinie AL als vorgegebene Axiallinie ausgerichtet ist, begleitet
von dem Zusammenbringen des ersten und des zweiten Gehäuseelements 21A, 22A.
-
Jede
Komponente wird nun im Hinblick auf die Unterschiede zwischen dem
Lichtbestrahlungsgerät 1 der
ersten Ausführungsform
und demjenigen dieser Ausführungsform
erläutert.
-
Das
Gehäuse 2A ist,
wie oben beschrieben, in einer Hohlzylinderform mit dem ersten Gehäuseelement 21A und
dem zweiten Gehäuseelement 22A untergebracht
und innerhalb desselben sind die LED 5A und eine Linsenanordnung 8A angeordnet.
-
Da
das erste Gehäuseelement 21A im
Allgemeinen denselben Aufbau wie dasjenige der ersten Ausführungsform
aufweist, wird auf eine weitere Erläuterung verzichtet. Das zweite
Gehäuseelement 22A weist
denselben Aufbau auf wie dasjenige der ersten Ausführungsform
und enthält
eine Seitenwand 22aA, eine untere Wand 22bA und
einen zylindrischen Projektionskörper 24A,
abgesehen von dem mit der unteren Wand 22bA integriert
ausgebildeten Projektionskörper 24A.
-
Die
LED 5A unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform
geringfügig
hinsichtlich der äußeren Form,
da die Pressmasse 55A zum Schutz der LED-Chips hemisphär ist. Die
Kennzeichnung 5bA in 5 stellt
eine Unterseite des elektrischen Leiters dar, der zu einer Außenseite
ausgehend von einer Mitte der Unterseite der Pressmasse 55A hin
freigelegt ist, wie bei der LED 5 der ersten Ausführungsform,
und ein ringförmiges
Substrat 6a ist derart angeordnet, dass es die Unterseite 5bA der
Pressmasse 55A umgibt.
-
Die
Linsenanordnung 8A weist eine erste Linse 81A,
eine zweite Linse 82A und einen Abstandshalter 9A auf,
der zwischen der ersten Linse 81A und der zweiten Linse 82A angeordnet
ist.
-
Die
erste Linse 81A ist ein transparenter Körper, z. B. aus einem Harz,
der im Allgemeinen die Form eines Kegelstumpfs einnimmt und derart
angeordnet ist, dass eine Umfangsseite der ersten Linse 81A fest
in eine Innenseite des zweiten Gehäuseelements 22A über den
Abstandshalter 9A schlupf-frei entlang einer Radialrichtung
passt, indem dessen mittlere Achse zu einer Axiallinie LA des zweiten
Gehäuseelement 22A justiert
wird.
-
Die
zweite Linse 82A entspricht derjenigen der ersten Ausführungsform
und diese ist derart angeordnet, dass eine Hälfte der zweiten Linse 82A in einen
Bereich mit großem
Durchmesser 21aA des ersten Gehäuseelement 21A entlang
einer Radialrichtung schlupf-frei eingeführt ist, und dessen andere
Hälfte
ist passsend in eine Innenseite eines zweiten Gehäuseelements 22A über den
Abstandshalter 9A eingeführt, so dass dessen mittlere
Achse zur Axiallinie LA ausgerichtet ist, und das Gehäuseelement 21A auch
zum zweiten Gehäuseelement 22A ausgerichtet
ist. Ein O-Ring ORA ist zwischen einer Unterseite des Bereichs mit
großem
Durchmesser 21aA und der zweiten Linse 82A angeordnet.
-
Der
Abstandshalter 9A weist einen zylindrischen Abstandshalterkörper 91A auf
als auch einen ringförmigen
Projektionsbereich 92A, der, ausgehend von einem gewöhnlichen
Zentrum der Innenseite des Abstandshalterkörpers 91A, integriert
nach innen ragt. Der Abstandshalter 9A ist derart angeordnet,
dass Flächen,
die einander von Rückseite
zu Rückseite
des Projektionskörpers 92A gegenüberliegen,
in Kontakt mit einer Kantenseite des Umfangsbereichs der ersten
und der zweiten Linse 81A, 82A treten, um so einen
Abstand zwischen der ersten Linse 81A und der zweiten Linse 82A bereitzustellen und
die Reibung zwischen der ersten Linse 81A und der zweiten
Linse 82A zu reduzieren, und so eine laufende Drehkraft
ausgehend von der ersten Linse 81A zur LED 5A zu
verhindern, falls die beiden Gehäuseelemente 21A, 22A zusammengebracht
werden. Ein Material des Abstandshalters 9A ist ein Metall
oder ein Harz und dieses weist vorzugsweise kleine Reibungseigenschaften
auf.
-
Die
erste Druckfläche 3bA der
Druckanordnung 3A ist wie in der ersten Ausführungsform
an einer Oberfläche
eines Stufenbereichs eingerichtet, der an einer Innenseite des Bereichs
mit großem Durchmesser 21aA des
ersten Gehäuseelements 21A positioniert
ist und dem zweiten Gehäuseelement 22A gegenüberliegt,
insbesondere an einer Seite eingerichtet, mit welcher das erste
Gehäuseelement 21A Kontakt
zum O-Ring ORA hat. Die zweite Druckfläche 3aA ist wie bei
der obigen ersten Ausführungsform
an einer Oberfläche
des Projektionskörpers 24A des
zweiten Gehäuseelements 22A, welche
dem ersten Gehäuseelement 21A gegenüberliegt,
positioniert, und insbesondere an einer distalen Stirnfläche des
Projektionskörpers 24A eingerichtet.
-
Die
erste Druckfläche 3bA und
die zweite Druckfläche 3aA nähern sich
entlang der Axiallinie LA einander, begleitet von einem Zusammenbringen des
ersten Gehäuseelements 21A und
des zweiten Gehäuseelements 22A,
um die LED 5A mit der ersten Druckfläche 3bA durch den
O-Ring ORA und die Linsenanordnung 8a und mit der zweiten
Druckfläche 3aA durch
den Wärmeleiter 26A zu
drücken.
Der Wärmeleiter 26A ist
zwischen der Unterseite 5bA der LED 5A und der
zweiten Druckfläche 3aA des
zweiten Gehäuseelements 22A angeordnet
und besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine hohe thermische
Leitfähigkeit
aufweist und elektrisch isolierend ist wie Aluminiumnitrid, ein
Wärme-dissipierendes
geschmolzenes Harz und flüssige
Keramiken.
-
Die
Positionieranordnung 4A gemäß dieser Ausführungsform
weist einen konkaven Bereich 81aA auf, dessen Querschnittsansicht
einer Kreisform entspricht, die zu einer Stirnseite der ersten Linse 81A eines
Bereichs mit kleinem Durchmesser geöffnet ist und diese weist zudem
eine Pressmasse 55A der LED 5A auf, die in den
konkaven Bereich 81aA eingebracht ist. Die LED 5A ist
entlang einer radialen Richtung positioniert durch Ausrichten der
optischen Achse der LED 5A zur Axiallinie LA, indem die
Pressmasse 55A in den konkaven Bereich 81aA eingefügt wird,
begleitet von einem Zusammenbringen des ersten Gehäuseelements 21A und
des zweiten Gehäuseelements 22A.
-
Der
konkave Bereich 81aA ist derart angeordnet, dass seine
Unterseite eine nach innen umgedrehte gekrümmte Fläche als beugbaren Bereich 81bA aufweist.
Licht innerhalb eines bestimmten Winkels zur optischen Achse des
von der LED 5A abgestrahlten Lichtes wird von dem Beugungsbereich 81bA parallel
gebeugt, während
anderes Licht außerhalb
des bestimmten Winkels gegen eine Grenzfläche eines Umfangs der ersten
Linse 81A reflektiert wird. Somit wird der überwiegende
Teil des von der LED 5A abgestrahlten Lichtes auf effektive
Weise parallel gehalten, um in Richtung der optischen Achse voranzuschreiten.
-
Ein
Verfahren zum Zusammenbauen des Bestrahlungsgeräts 1A mit obigem Aufbau
wird kurz anhand eines Beispiels erläutert.
-
Zunächst werden
der Glasstab GLA, der O-Ring ORA, die zweite Linse 82A und
der Abstandshalter 9A in das erste Gehäuseelement 21A integriert.
In der Zwischenzeit wird die erste Linse 81A auf die mit
dem Substrat 6A und einem Leistungskabel CAA bestückte LED 5A montiert
und dann wird die LED 5A auf das zweite Gehäuseelement 22A platziert,
so dass die Unterseite 5bA der LED 5A eng mit
dem zweiten Gehäuseelement 22A über den
thermischen Leiter 26A verknüpft ist, wenn die ersten und
zweiten Gehäuseelemente 21A und 22A zusammengebracht
werden.
-
Dann
wird das erste Gehäuseelement 21A mit
dem zweiten Gehäuseelement 22A zusammengebracht.
Hierbei nähert
sich die erste Druckfläche 3bA der
zweiten Druckfläche 3aA,
gefolgt von einem Fixieren der jeweiligen Komponenten, nämlich dem O-Ring
ORA, der Linsenanordnung 8A, der LED 5A und dem
thermischen Leiter 26A innerhalb des Gehäuses 2A mit
Druck.
-
Die
LED 5A ist derart positioniert, dass ihre optische Achse
zur Axiallinie LA entlang einer Radialrichtung ausgerichtet ist,
indem die Pressmasse 55A der LED 5A schlupf-frei
in den konkaven Bereich 8aA eingebracht wird, während die
ersten und zweiten Gehäuseelemente 21A, 22A zusammengebracht werden.
Da in diesem Fall eine kleine Lücke
zwischen einem mittleren Loch 6aA des Substrats 6A und
dem Projektionskörper 24A entsteht,
blockieren das Substrat 6A und der Projektionskörper 24A die Positionierung
der LED 5A über
die Positioniereinrichtung 4A nicht.
-
Gemäß dieser
Ausführungsform
wird dieselbe Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erzielt und da insbesondere
in dieser Ausführungsform die
LED 5A durch Verwenden des konkaven Bereichs 81aA,
der auf der ersten Linse 81A angeordnet ist, positioniert
wird, kann die Anzahl von Komponenten auf einfache Weise reduziert
werden, wodurch die Anordnung vereinfacht wird.
-
Numerische
Werte konkreter Auswirkungen im Hinblick auf die Wärmedissipation
seien nun genannt. 6 und 7 zeigen
Ergebnisse im Falle einer roten LED und einer blauen LED. Im Falle
der roten LED wird ein Vergleich zwischen einer Anordnung angegeben,
bei der die Wärme über ein
Aluminiumsubstrat mit einer Glasepoxidschicht auf der Oberfläche (herkömmliche
Anordnung) abgeleitet wird und einer Anordnung, bei der die rote
LED mit genügend
Druck zusammengefügt
ist (die rote LED ist erfindungsgemäß fest verbunden). Die erfindungsgemäße Anordnung
zeigt deutlich einen geringen Anstieg in der Temperatur von sowohl
der gelöteten
Seite und dem Gehäuse
als auch eine geringe Verschlechterung der Beleuchtungsintensität. Im Falle
der blauen LED wird ein Vergleich zwischen einer Anordnung angegeben,
in der die blaue LED mit Druck verbunden ist (die blaue LED ist
erfindungsgemäß mit Druck
verbunden), und einer Anordnung, in der die blaue LED mit einem
geringen Druck verbunden ist (einer erfindungsgemäß schwach
verbundenen blauen LED). Die mit hohem Druck verbundene blaue LED
zeigt einen geringfügigen
Anstieg der Temperatur.
-
Die
beanspruchte Erfindung ist nicht auf obige Ausführungsformen beschränkt und
kann verschiedenartig variiert werden.
-
Beispielsweise
ist es selbstverständlich, dass
die Druckanordnung mit einer Form der LED oder einer Form des Gehäuses variieren
kann.
-
Das
Substrat 6 kann in einigen Fällen weggelassen werden. Die
LED in einer Grundsubstanz kann eine Mehrzahl von LED-Chips aufweisen.
Der Glasstab wird als Lichtführungselement
verwendet, jedoch kann anstatt des Glasstabs ein Bündel optischer
Fasern verwendet werden, so dass dieser weggelassen werden kann.
-
Zudem
kann beispielsweise ein flexibler Lückenfüller mit hoher thermischer
Leitfähigkeit
und elektrischen Isolationseigenschaften zwischen dem Gehäuse und
der LED positioniert werden, so dass das Gehäuse nicht direkt mit der LED
in Kontakt ist. Selbstverständlich
kann das Lichtbestrahlungsgerät zur
Beleuchtung verwendet werden, jedoch kann dieses auch für einen
anderen Zweck wie das Unterstützen
chemischer Reaktionen eingesetzt werden.
-
Wie
oben erwähnt
ist, können
gleichzeitig ein Verfahren zum Fixieren der LED mit Druck mittels
einer Druckanordnung und ein Verfahren zum Positionieren der LED
mit der Positionieranordnung ausgeführt werden, falls das erste
Gehäuseelement
und das zweite Gehäuseelement
zusammengebracht werden. Folglich ist es möglich, den Zusammenbau des
Lichtbestrahlungsgeräts
zu vereinfachen, das von der LED abgestrahlte Licht genau einzustellen, um
eine Verschlechterung der Leuchtkraft zu verhindern, was mit Hilfe
einer erniedrigten Temperatur eines pn-Übergangs erfolgt, da das Gehäuse mit
dem Wärme-ableitenden
Bereich die LED direkt kontaktiert und die Lebensdauer verlängert wird.