(57)【要約】【課題】高い放射線レベルの環境下で用いても十分に長い寿命を有する、ＬＥＤ等の発光素子を用いた照明装置を提供する。【解決手段】１つの側面に開口部を有する放射線遮蔽箱と、該放射線遮蔽箱内に配置された基板上に設けられた複数の発光素子と、該放射線遮蔽箱内に配置され、該複数の発光素子から前記基板に垂直な方向に発せられた光を反射し、前記開口部に集光する曲面鏡と、を含むことを特徴とする照明装置である。【選択図】図１
2014130736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの側面に開口部を有する放射線遮蔽箱と、
該放射線遮蔽箱内に配置された基板上に設けられた複数の発光素子と、
該放射線遮蔽箱内に配置され、該複数の発光素子から前記基板に垂直な方向に発せられた光を反射し、前記開口部に集光する曲面鏡と、
を含むことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記曲面鏡が、回転放物面鏡または回転楕円面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記発光素子が、前記曲面鏡と前記開口部を有する前記１つの側面との間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記開口部と前記複数の発光素子との間に放射線遮蔽板を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項５】
前記開口部の開口面積が、該開口部が設けられている前記１つの側面の面積の０．１％〜２０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高放射線環境下で用いる照明装置であって、優れた耐放射線特性を有する長寿命の照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所、加速器実験施設など高い放射線レベルの環境下の作業に用いる照明装置は、優れた耐放射線特性を有することが必須であり、従来から水銀灯等が用いられてきた。
しかし、水銀灯は、所謂、球切れ等の発生が比較的に短い期間で発生するなど、その寿命が短く、頻繁に交換する必要がある。交換作業では、作業者の被爆が不可避であることから、照明装置の長寿命化による交換頻度の低減による、作業時の被爆線量の低減が求められている。
【０００３】
これに対して、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子を用いた照明装置は、水銀灯等の高放射線レベルの環境下で使用可能な従来の照明装置と比べ、長寿命であり交換頻度を減らすことができることから、交換作業に伴う作業者の被爆線量を低減でき。例えば、特許文献１等に、高い放射線レベルの環境下で用いることができる、ＬＥＤを用いた照明装置が開示されている。
図３は、発光素子として発光ダイオードを用い、高い放射線レベルの環境下で使用可能な従来のＬＥＤ照明装置５００を示す図である。図３（ａ）は照明装置５００の概略断面図であり、図３（ｂ）は照明装置５００の外観を示す写真であり、図３（ｃ）は別の角度から見た発光中の照明装置５００の外観を示す写真である。
【０００４】
照明装置５００は、筐体５０３と、筐体５０３内に収納された駆動用電気回路５０２と、筐体５０３の下端部に配置された発光素子モジュール５０１とを有する。図４は発光素子モジュール５０１の断面図である。なお、図４では白色光を発光する場合を示している。
発光素子モジュール５０１は、比較的波長の短い光を発光が可能な化合物半導体材料(例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａ)を含んで成るＬＥＤチップと、ＬＥＤチップの発光の一部を吸収し、より波長の長い光を発光する蛍光体と、ＬＥＤチップに電流を流すための駆動用電気回路５０２の一部として機能するリードおよびワイヤーとを含む。
そして、駆動用電気回路５０２から供給された電流がＬＥＤチップに流れることにより、ＬＥＤチップが発光し、さらに蛍光体がＬＥＤチップの発光の一部を吸収し、より波長の長い光を発光することで、照明装置５００は、白色等の所望の光５０４を発光する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−３８５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような構成を有する照明装置５００の各要素のうち、駆動用電気回路５０２を構成する各種電子部品は、シリコン材料および有機物材料を用いたコンデンサーおよび樹脂材料などのような 耐放射線特性が低い材料を用いており, 高エネルギーガンマ線、Ｘ線および中性子線等が存在する原子力発電所または加速器など、放射線レベルが高い環境下では放射線損傷による電子部品の劣化およびこれに伴う電気回路の故障が生じている。
【０００７】
また、発光素子モジュール５０１についても、ＬＥＤチップを構成する化合物半導体は耐放射線特性が比較的良好であることが知られているが、大気中の酸素等による蛍光体の劣化を防止するために、ＬＥＤチップと蛍光体とを封じ込めるために用いるシリコーン樹脂等の樹脂は、高放射線レベルの環境下で劣化が問題となることが多い。
また波長変換に用いられる蛍光体材料は、通常、可視光に対する感度が高い材料が使われるが、可視光と比較して高いエネルギーを持つ放射線に対してもある程度の感度を持っており、このため高い放射線レベルの環境下で使用した場合、蛍光体が劣化してしまい, 発光効率の低下等の問題が生じる。
【０００８】
従って、喩えＬＥＤのような発光素子を用いる従来の照明装置を用いても、駆動用電気回路５０２の劣化もしくは故障または発光素子モジュール５０１（発光素子および基板等）の故障または発光効率低下のような不具合が生じて、所望の寿命を得られない場合があった。
【０００９】
そこで、本願発明は、高い放射線レベルの環境下で用いても十分に長い寿命を有する、ＬＥＤ等の発光素子を用いた照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る照明装置は、１つの側面に開口部を有する放射線遮蔽箱と、該放射線遮蔽箱内に配置された基板上に設けられた複数の発光素子と、該放射線遮蔽箱内に配置され、該複数の発光素子から前記基板に垂直な方向に発せられた光を反射し、前記開口部に集光する曲面鏡と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の照明装置は、大がかりな放射線遮蔽構造を有することなく、簡便な構成により、放射線環境下において長期間に亘り使用することができる照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係る照明装置１００の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態２に係る照明装置１００Ａの断面図である。
【図３】図３は、発光素子として発光ダイオードを用い、高い放射線レベルの環境下で使用可能な従来のＬＥＤ照明装置５００を示す図であり、図３（ａ）は照明装置５００の概略断面図であり、図３（ｂ）は照明装置５００の外観を示す写真であり、図３（ｃ）は別の角度から見た発光中の照明装置５００の外観を示す写真である。
【図４】図４は発光素子モジュール５０１の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。
以下に示す形態は一例であって、本発明を限定するものではなく、記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等についても本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張している場合があることに留意されたい。
【００１４】
１．実施形態１
図１は、本発明の実施形態１に係る照明装置１００の断面図である。
本願発明者らは、鋭意検討した結果、詳細を以下に示すように、例えば、高エネルギーガンマ線のような所定の放射線を遮蔽（透過するのを制限する）する能力を備え、かつその側面の１つに開口部を有する、放射線遮蔽箱の内部に、基板上に配置された複数の発光素子と、当該複数の発光素子から基板に垂直な方向に発せられた光を反射し、この反射光を放射線遮蔽箱の開口部に集光する曲面鏡とを用いることで、十分な光量を得ることができ、かつ高放射線レベル下で用いても長期間使用可能な照明装置を提供できることを見出した。
すなわち、複数の発光素子から発せられる光のうち、通常、最も強度が強い、基板に垂直な方向に発せられる光を放射線遮蔽箱の１つの側面に設けた狭い開口部に集光し、放射線遮蔽箱の外側に十分な量の光を供給するとともに、放射線遮蔽箱により、発光素子、基板上等（場合によっては駆動用電機回路も）に到達する放射線量を抑制することにより、十分な光量と長寿命とを両立できることを見出したものである。
【００１５】
以下に照明装置１００の詳細を説明する。
照明装置１００は、放射線を遮蔽する（放射線の透過を抑制できる）材料により形成された放射線遮蔽箱８を有する。
放射線を遮蔽する材料としては、高エネルギーガンマ線が照射されるような条件では、例えば、鉛等の重金属を用いてよい。また中性子線が照射されるような環境では放射線遮蔽箱８の外周側にはディスポーザルな高分子材料を用い、その内部に中性子線を吸収しやすいボロン含有材料を用いてよい。中性子線による二次放射線防御のため, さらにその内側に重金属材料（重元素材料）を配置してよい。
【００１６】
放射線遮蔽箱８は、その側面の１つに開口部１０を有している。放射線遮蔽箱の大きさ等にもよるが、好ましくは、開口部１０の側面上での面積（開口面積）は、それが設けられている側面の面積の２０％以下、より好ましくは１０％以下である。開口部１０が大きいほど、開口部１０を通って、より多くの放射線が、放射線遮蔽箱８の内部に入るからである。
また、放射線遮蔽箱８の大きさ等にもよるが、好ましくは、開口部１０の開口面積は、それが設けられている側面の面積の０．１％以上、より好ましくは１％以上、である。開口部１０が小さ過ぎると、十分な量の光が放射線遮蔽箱８の外側に出てこない場合があるからである。
なお、ここで言う放射線遮蔽箱８の「側面」とは、上面および底面を含む概念であり、例えば、放射線遮蔽箱８の形状が直方体の場合、放射線遮蔽箱８は、６つの側面を有し、この６つの側面のうちの１つに開口部１０を有している。
【００１７】
照明装置１００は、放射線遮蔽箱８の内部に、基板４と、基板４の上に配置された複数の発光素子２と、曲面鏡６とを有する。基板４の表面には、発光素子２に電流を供給するための配線（リードおよびワイヤー等を用いる場合がある）が形成されている。駆動用の電気回路および制御装置等を必要に応じて放射線遮蔽箱８の内部に配置してよい。
【００１８】
発光素子６は、例えば青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードまたは赤色発光ダイオードのような発光ダイオード（ＬＥＤチップ）を含んでよい。
発光素子６が青色発光ダイオードまたは緑色発光ダイオードを有する場合、発光素子６は、これら発光ダイオードの発光の一部を吸収し、発光ダイオードの発光波長よりも長い波長の光を発する蛍光体を１種類以上含むことが好ましい。これにより発光素子６は、より広い波長域に亘る発光が可能となるからである。発光素子６に蛍光体を配置する場合、その配置は既知の形態であってよい。例えば、蛍光体を含有する樹脂層を、ＬＥＤチップを覆うように（封止するように）配置する形態であってよい。
また、発光素子６はレーザーダイオードを有してよい。
【００１９】
発光ダイオードを用いた発光素子等のような発光素子の発する光は、多かれ少なかれ指向性を有することがほとんどであり、通常、出射面（例えば発光ダイオードであればＬＥＤチップの出射面）に垂直な方向の発光量が最も多い。そして、通常、発光素子２を基板４に配置する際は、その出射面と基板４とが平行になるように配置することから、結局、基板４に配置された複数の発光素子２のそれぞれの発する光のうち、基板４の表面に垂直な方向に進む光の量が最も多くなっている。
【００２０】
そして、複数の発光素子６のそれぞれから基板４の表面（または出射面）に垂直な方向に進む光を反射し、開口部１０にこれらの光を集光するように曲面鏡６が配置されている。曲面鏡６は、ガンマ線、Ｘ線または中性子線のような、照明装置１００が曝される高エネルギーの放射線のほとんどを反射することなく透過する限りは、例えば、ガラス等の基板にアルミニウムまたは銀のような金属を蒸着して形成した鏡等の任意の材料から構成されてよい。
【００２１】
また、曲面鏡６は、少なくとも２つ以上の発光素子６のそれぞれから、基板４の表面に垂直な方向に進む光を開口部１０に向けて反射（集光）させるような曲面を有している。
この条件を満足する限りは、曲面鏡６の曲面は、例えば球面（または球面の一部）のような任意の形状を有してよい。
【００２２】
しかし、曲面鏡６は、好ましくは、回転放物面鏡である。回転放物面鏡（回転放物面ミラー）とは、表面（曲面）が回転放物面の一部である鏡であり、通常、反射面が回転放物面の一部となっている。図１に示す、曲面鏡６は回転放物面鏡（以下、「回転放物面鏡６」という場合がある）である。すなわち、曲面鏡６の反射面は、図１中に点線で示した放物線６Ａ（放物線６Ａも実際はＸ軸方向に無限の長さを有するが、便宜上図１では底部（Ｙ＝０の部分）を含むＸ軸方向の長さの一部の範囲のみを示している）を図中のＸ軸を回転軸として３６０°回転させて形成される回転放物面の一部と一致するように形成されている。
【００２３】
回転放物面の一部である限り、回転放物面鏡６の曲面は各種の形態を取ってよい。例えば、断面において、放物線６Ａの一部であることはもちろん、Ｘ軸の周囲について、一部分にのみ形成されていてよい（すなわち、Ｘ軸の周囲３６０°に亘り形成されているのでなく、特定の角度範囲のみ形成されている）。
【００２４】
回転放物面鏡６を用いることで、より多くの数の発光素子２からの光を開口部１０に集光することができる。
回転放物面鏡は、その回転軸に平行に入射する光であれば、その反射面の任意の場所で反射した反射光を１つの焦点に収束させることができる。この利点について、図１を用いてより詳細に説明する。
図１に示す照明装置１００では、基板４がＸ軸に垂直に配置されている。従って、複数の発光素子２（図１では、６つの発光素子２）のそれぞれから基板４に垂直に（出射面に垂直に）発せられる光２２は、回転放物面鏡６の回転軸（Ｘ軸）に平行となっている。そして、それぞれの発光素子２からの入射光２２は、回転放物面鏡６の表面で反射され反射光２４として焦点１２に収束（集光）される。焦点１２を放射線遮蔽箱８の開口部１０の内部とすることにより、反射光２４は、放射線遮蔽箱８の外側に出て行くことができる。
【００２５】
すなわち、回転放物面鏡を用いることで、より多くの発光素子２からの光（とりわけ基板４に垂直な方向に発せられた光）を、開口部１０を介して放射線遮蔽箱８の外側に導くことができる。従って、照明装置１００は外部に向けて十分な量の光を発することができる。
【００２６】
なお、図１に示すように、照明装置１００では、基板４に配置された発光素子２（発光素子モジュール）を曲面鏡（回転放物面鏡）６と放射線遮蔽箱８の開口部１０を有する側面との間に配置している。ただし、これは本発明に必須の形態ではなく、例えば、後述する照明装置１００Ａでは、基板４に配置された発光素子２を曲面鏡（回転放物面鏡）６と放射線遮蔽箱８の開口部１０を有する側面との間に配置にする必要はない。
また、図１では、見かけ上、反射光２４が基板４に当たっているようにも見える。しかし、例えば、基板４に適当な開口部を設ける、または図１の紙面に垂直な方向（図１の断面の奥行き方向）において、反射光２４の経路から外れた位置に基板４を配置する等の適切な方策を講ずることにより、反射光２４は基板４に当たることなく（反射光２４と基板４とが干渉することなく）焦点１２に達することができる。
【００２７】
図１に示す実施形態では、１つの基板４に複数の発光素子２が配置されているが、これに限定されるものではなく、複数の基板４のそれぞれに、１つまたは複数の発光素子２が配置されている形態も本発明の技術的範囲に含まれる。複数の基板４を用いることで、より容易に反射光２４と基板４との干渉を回避することができる。
【００２８】
次に、照明装置１００は、高レベルの放射線環境下で用いても長期間使用可能である理由を説明する。
放射線遮蔽箱８は、開口部１０を除いた部分は、放射性を遮蔽できる材料により形成されており、従って、放射線遮蔽箱８の開口部１０以外の部分に達した放射線は、放射線遮蔽箱８の内部にほとんど到達できない。一方、開口部１０に達した放射線３０は、図１に示すように、開口部１０と通って、放射線遮蔽箱８の内部に達する。しかし、開口部１０はその開口面積が狭いため、かなり広い入射角範囲に亘って、入射した放射線３０のほとんどは、基板４上の配線および発光素子２等（あるいは駆動用電気回路）を照射することなく、放射線遮蔽箱８の側面のうち、開口部１０が設けられている側面と異なる側面を照射し吸収される。また、このような放射線３０の一部は、曲面鏡６を照射するが、曲面鏡６は、放射線を実質的に反射することなく透過させるため、このような放射線も基板４および発光素子２等（あるいは駆動用電気回路）を照射することなく、開口部１０が設けられている側面と異なる側面を照射し吸収される。
【００２９】
従って、開口部１０を通り、放射線遮蔽箱８の内部に達した放射線３０は、照明装置１００の基板４（配線を含む）および発光素子２（あるいは駆動用電気回路等）を照射することがほとんどないことから、照明装置１００は、放射線環境下であっても長期間使用することができる。
【００３０】
また、上述のように開口部１０の開口面積が小さいことから、開口部１０にあらゆる角度で入射する放射線３０を想定して、容易に、これらの想定した放射線３０に照射されることがないように基板４、発光素子２および駆動用電気回路等を配置することができる。
【００３１】
照明装置１００では、放射線遮蔽箱８内の発光素子２および基板４（または駆動用電気回路等）を取り替え可能な構成とすることで、これらが故障した場合でもこれらのみを取り替えればよく、メンテナンス性の向上および低コスト化が可能となる。
さらに本発明では照明装置１００の外部に対しての実質的な発光点が開口部１０のみとなるため、例えば、放射線遮蔽箱８の開口部１０が設けられている以外の側面を放熱に利用できるなど照明装置を設計する際の自由度が増大するというメリットもある。
【００３２】
なお、以上の説明では、焦点１２が開口部１０内に位置する形態について説明したが、開口部１０の開口面積を若干大きくして、焦点１２を開口部１０の外側（例えば、図１のＸ軸方向に平行な方向にずらす（すなわち、焦点１２は、開口部１０の近傍で且つ放射線遮蔽箱８の内側または外側に位置する））に位置させてもよい。この場合であっても反射光２４は、焦点１２の近傍の開口部１０をかなり集束した状態（焦点１２ほどは収束していないにしても）で通過することから、曲面鏡６は「複数の発光素子２から基板４に垂直な方向に発せられた光を反射し、開口部１０に集光する」という条件を満足する。
このような形態を有する場合、放射線遮蔽箱８の内部に到達する放射線３０の量を減少させるために、必要に応じて、焦点１２と開口部１０との間に、例えば、焦点１２から開口部１０に向けて広がるコーン形状の放射線遮蔽筒等の放射線遮蔽手段を設けてよい。
【００３３】
また、好ましい曲面鏡の形態として回転放物面鏡を示し、その詳細を説明したが、回転放物面鏡に代えて回転楕円面鏡を用いてもよい。回転楕円面鏡は、回転放物面鏡にかなり近い特性（すなわち、回転楕円面鏡は。その回転軸に平行に入射し、その反射面に到達した光について、かなり高い割合で反射光として１つの焦点に収束させることができる。）を有するからである。回転楕円面鏡は、表面（曲面）が回転楕円面の一部である鏡であり、通常、反射面が回転楕円面の一部となっている。すなわち、回転楕円面鏡の反射面は、楕円の一部を回転軸の周りに回転させて形成される回転楕円面の一部と一致するように形成されている。
【００３４】
２．実施形態２
図２は、本発明の実施形態２に係る照明装置１００Ａの断面図である。
照明装置１００Ａでは、複数の発光素子２と開口部１０との間に、放射線３０を遮蔽する放射線遮蔽板（放射線遮蔽仕切り板）１４を有する点が照明装置１００と異なる。
照明装置１００Ａのこれ以外の構成は、特に断らない限り照明装置１００と同じであってよい。
【００３５】
開口部１０から放射線遮蔽箱８の内部に侵入し、発光素子２および基板４（または駆動用電気回路等）に向かう放射線３０のほとんどは、この放射線遮蔽板１４を照射し吸収されることから、放射線３０による発光素子２および基板４（または駆動用電気回路）の照射をより確実に防止できる。このため、照明装置１００Ａは、放射線環境下でより長期間使用することができる。
【００３６】
一方、複数の発光素子２のそれぞれから基板４の表面に垂直（出射面に垂直）な方向に発光された入射光２２は、曲面鏡（放物面鏡）６により反射され、この反射光２４は、開口部１０内に位置する焦点１２に集光される。図１から判るように、放射線遮蔽板１４は、入射光２２および反射光２４に当たることがないように（入射光２２および反射光２４と干渉しないように）配置されている。このため、照明装置１００Ａは、開口部１０を介して十分な光量を外部に供給できる。
【００３７】
放射線遮蔽板１４は、放射線３０を遮蔽できる限り、任意の材料により構成してよい。放射線遮蔽箱８と同じ材料により構成してもよく、また異なる材料により構成してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
２  発光素子
４  基板
６  曲面鏡
８  放射線遮蔽箱
１０  開口部
１２  反射光の焦点
１４  放射線遮蔽板
２２  入射光
２４  反射光
３０  放射線
１００，１００Ａ  照明装置
【図１】
2014130736.tif 000003
【図２】
2014130736.tif 000004
【図３】
2014130736.tif 000005
【図４】
2014130736.tif 000006