(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある面上に二次元配列された発光素子群と、
該発光素子群の各々の素子への給電線を含む、該発光素子群が表面に配置された回路基板と、
該発光素子群の各々の素子を収容する多数のドーム状凹部の形成された、前記回路基板の表面に当てられる透明な表耐圧板と、
前記回路基板の裏面に当てられる裏耐圧板と、
両耐圧板間をシールするシール手段と、
を備え、
前記シール手段が、前記発光素子群の存在しない前記両耐圧板の外周部に配設されており、
前記回路基板、前記表耐圧板、及び、前記裏耐圧板が、層状にぴったりと重ねられ、
前記表耐圧板の外面にかかる圧力が前記各ドーム状凹部の周囲の支持部から前記回路基板を介して前記裏耐圧板に伝えられることを特徴とする耐圧性発光装置。
【請求項２】
前記シール手段が、前記両耐圧板の外周部に配設されたＯリングであることを特徴とする請求項１記載の耐圧性発光装置。
【請求項３】
前記裏耐圧板にも、多数のドーム状凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の耐圧性発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深海の観察・撮影用の照明装置や、深海ロボットに搭載される照明装置として好適な耐圧性発光装置に関する。特には、深度６０００ｍ程度の圧力に耐えることができる小型の面光源を有する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中で使用される照明装置（発光装置）には、水圧に耐え得る耐圧性と、発光素子や電気回路などの通電部を水と接触しないように保持する液密性が要求される。また、装置の小型化や省電力化を考慮すると、光源として発光ダイオードを使用することが有効である。
【０００３】
このような発光ダイオードを使用した水中照明装置としては、先端のドーム状のレンズ部と根元のフランジ部の全体が透明な一体成型樹脂で覆われた発光ダイオードランプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発光ダイオードランプにおいては、非発光側の面から突出するリードフレームも一体成型樹脂に包み込まれており、この一体成型樹脂体の蓋体で、電源等が収容されている耐圧性容器の開口が塞がれている。水中の深い部分においては、蓋体に大きな圧力がかかるため、蓋体と容器との間が密着し、両者間からの水漏れは起こらない。
【０００４】
この特許文献１には、この発光ダイオードランプを４数個設けることにより、６６０ｋｇｆ／ｃｍ２の水圧下で、光源から３０ｃｍ程度の距離で７００〜８００Ｌｕｘ程度の照度を得ることができると報告されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１００２０３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、深海の生物の生態観察や撮影には、広い光源面積を有する小型の照明装置が必要とされる。そのためには、上記の例において、さらに多数の発光ダイオードランプを配列することも考えられるが、前記文献にはそのような発想は含まれておらず、ただ上記の構成の発光ダイオードランプを多数並べるだけでは装置全体も大型化してしまうと予想される。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、深度６０００ｍ程度の水圧にも耐えることのできる、薄型で光源面積の広い耐圧性発光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】
【０００８】
本発明の耐圧性発光装置は、  ある面上に二次元配列された発光素子群と、  該発光素子群の各々の素子への給電線を含む、該発光素子群が表面に配置された回路基板と、  該発光素子群の各々の素子を収容する多数のドーム状凹部の形成された、前記回路基板の表面に当てられる透明な表耐圧板と、  前記回路基板の裏面に当てられる裏耐圧板と、  両耐圧板間をシールするシール手段と、を備え、  前記シール手段が、前記発光素子群の存在しない前記両耐圧板の外周部に配設されており、 前記回路基板、前記表耐圧板、及び、前記裏耐圧板が、層状にぴったりと重ねられ、  前記表耐圧板の外面にかかる圧力が前記各ドーム状凹部の周囲の支持部から前記回路基板を介して前記裏耐圧板に伝えられることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、深海等の高圧下において、表耐圧板の外面にかかる圧力が各ドーム状凹部の周囲の支持部から回路基板を介して裏耐圧板に伝えられるので、広い発光面積を備えるにもかかわらず、高い耐圧性を発揮する。また、上述のような構成により、装置は３枚の板を重ねた板状の形状となり、薄い面光源を構成することができる。
【００１０】
本発明においては、  前記発光素子は高輝度白色発光ダイオードであることが好ましい。
【００１１】
高輝度白色発光ダイオードを使用することにより、発光装置を小型化及び省電力化できる。発光ダイオードとしては、chip-mount型や砲弾型を使用できる。
【００１２】
本発明においては、  前記裏耐圧板にも、多数のドーム状凹部が形成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、回路基板の裏面から突出する素子などを裏耐圧基板のドーム状凹部に収容できる。例えば、chip-mount型の発光ダイオードを使用した場合に、回路基板の裏面に取り付けられた抵抗素子を収容できる。また、砲弾型の発光ダイオードを使用した場合には、回路基板の裏面から突出するダイオードのリードフレームを収容できる。これにより、表裏の耐圧板と回路基板を層状に重ねることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、耐圧性が高く、薄型で光源面積の広い発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る耐圧性発光装置の構造を模式的に示す図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）はＩ−Ｉ断面図、図１（Ｃ）は側面図である。
この例の耐圧性発光装置１は、全体として薄い直方体状で、寸法は、平面形状において縦１００ｍｍ、横１５５ｍｍで、厚さは２２ｍｍである。この直方体の上面（図１（Ｂ）の上側）の長方形平面が発光面となる。耐圧性発光装置１は、発光素子群が二次元配列された回路基板１０と、回路基板１０の表面に当てられる表耐圧板２０と、回路基板１０の裏面に当てられる裏耐圧板３０とが、積層された板状の構造である。
【００１６】
回路基板１０の寸法は、この例では、縦７８．８ｍｍ、横１３４．８ｍｍであり、高強度のガラスエポキシ系の材料で作製されることが好ましい。
回路基板１０の表面には、複数の発光素子１１が二次元に配列されている。発光素子１１としては、chip-mount型や砲弾型の高輝度白色発光ダイオードを使用できる。この例では、発光素子１１としてchip-mount型の発光ダイオード（例えば、豊田合成社製Ｅ１Ｓ１３−６Ｗ０Ｃ６−０３）を用いた例について説明する。この発光ダイオードの特性は、指向角（全角）（°）：１１０、立体角（Ｓｒ）：２．６８０、輝度（Ｃｄ）：６１０、総光束（ｌｍ）：１６３４、である。
【００１７】
発光素子１１の数は、この例では２４０個で、図１（Ａ）に示すように、回路基板１０の表面に行列状に配列されている。この例では、縦方向に６．５ｍｍ間隔で１２列、横方向に６．５ｍｍ間隔で２０行に配列されている。chip-mount型の発光ダイオードを用いた場合、発光ダイオードは回路基板１０の表面に半田付けされる。つまり、回路基板１０上に発光ダイオード毎に導電性の取付部が形成されており、発光ダイオードの導電部を取付部上に置いて半田付けすることにより両者を導通させることができる。回路基板１０裏面の縦方向中央の端部には電源端子１３が下方に突設されている。また、回路基板１０の裏面は、発光ダイオードの６個につき１個の抵抗素子（図示されず）が取り付けられているのみで、他の面はほぼ平らとなっている。
【００１８】
図２は、表耐圧板の構造を示す図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は正面図、図２（Ｃ）は側面図である。
表耐圧板２０は、平面形状が回路基板１０より一回り大きい長方形で、この例では、縦１００ｍｍ、横１５５ｍｍ、厚さ６．５ｍｍである。表耐圧板２０は透明な樹脂（例えばアクリル樹脂）で作製される。表耐圧板２０の上面は平らであるが、裏面は、中央凸部２１と、同部の周囲の平らな外周部２５を有する。中央凸部２１は回路基板１０とほぼ同じ寸法で、各々の発光素子１１が収容される多数のドーム状凹部２３が形成されている。各凹部２３の高さは３．５ｍｍ、直径は１０ｍｍ、曲率は２．５ｍｍである。また、中央凸部２１の左端には、表耐圧板２０の向きを指示するマーク（くぼみ）２９が形成されている。外周部２５には、外縁に沿って所定の間隔で貫通孔２７が形成されている。
【００１９】
図３は、裏耐圧板の構造を示す図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）はII−II断面図、図３（Ｃ）は側面図である。
裏耐圧板３０は、表耐圧板２０と同じ平面形状で、この例では、厚さが８ｍｍである。裏耐圧板３０は透明である必要はないが、表耐圧板２０と同じ特性を有することが好ましいため、表耐圧板２０と同じ材料（例えばアクリル樹脂）で作製することもできる。裏耐圧板３０の上面は、中央凹部３１と、同部の周囲の平らな外周部３５を有する。中央凹部３１は回路基板１０とほぼ同じ寸法で、多数のドーム状凹部３３が形成されている。ドーム状凹部３３は、回路基板１０の各々の発光素子１１の位置に対応する位置に行列状に形成されており、各凹部３３の曲率は２．５ｍｍである。これらの凹部３３には、回路基板１０の裏面に発光素子６個につき１個設けられる抵抗素子が収容される。
【００２０】
外周部３５のほぼ中央には、中央凹部３１を取り囲む環状のＯリング溝３７が形成されている。外周部３５の外縁に沿って、ビス止め用のタップ孔３９が所定の間隔で形成されている。
【００２１】
裏耐圧板３０の裏面の縦方向中央には、横方向に延びる凸部４１が設けられている。この凸部４１には、図の左側の端面から中央凹部３１に連通するＬ字型の孔４３が開けられている。この孔４３には、電源からのコネクタがねじ込まれ、回路基板１０の電源端子１３に接続される。
【００２２】
図１を参照して発光装置１の全体構造を説明する。
上述のように各発光素子１１が半田付けされた回路基板１０は、裏耐圧板３０の中央凹部３１に載置される。このとき、回路基板１０の電源端子１３は孔４３に挿入され、抵抗素子（図示されず）はドーム状凹部３３内に収容されるので、回路基板１０は中央凹部３１に水平に載置される。裏耐圧板３０のＯリング溝３７には、Ｏリング５０がはめ込まれる。表耐圧板は２０、マーク（くぼみ）２９が裏耐圧板３０の孔４３側（図の左側）となるように裏耐圧基板３０に重ね合わされる。このとき、表耐圧板２０の中央凸部２１が裏耐圧板３０の中央凹部３１にはめ込まれる。そして、回路基板１０に取り付けられた各発光素子１１は、表耐圧板２０の凹部２３内に収容され、両板の外周部２５、３７は当接する。
【００２３】
つまり、表耐圧板２０の中央凸部２１と裏耐圧板３０の中央凹部３１は、ドーム状凹部２３、３３以外の部分で回路基板１０を介して重なり、表耐圧板２０の外周部２５は裏耐圧板３０の外周部３７に当接する。このように、回路基板１０と表耐圧板２０及び裏耐圧板３０は層状にほぼぴったりと重ねられる。
【００２４】
そして、ビスを表耐圧板２０の貫通孔２７から裏耐圧板３０のタップ孔３９に通して、両板２０、３０を結合する。この際、後述するように高水圧下では両板は互いの方向に押し付けられるため、それほどきつくビス止めする必要はない。ただし、板の反りを防止するためにはビス止めが必要である。
【００２５】
なお、電源プラグは、裏体耐圧板３０の孔４３に差し込まれて、回路基板１０の電源端子１３に導通される。
【００２６】
図４は、図１の発光装置に圧力がかかる様子を模式的に説明するための図である。
この発光装置１を深海の高水圧下に置いた場合、表又は裏耐圧板２０、３０の外面にかかる圧力は、図４の矢印で示すように、各ドーム状凹部２３、３３の周囲の部分（支持部、図４の白抜き矢印で示す）から回路基板１０を介して、また、両板の外周部２５、３５から裏又は表耐圧板３０、２０に相互に伝えられる。ここで、表及び裏耐圧板２０、３０の接触部では、力がいわば打ち消し合って過大な曲げ応力が生じない。また、両耐圧板の支持部や外周部は十分な強度を備えており、さらに、内部の空間の体積をできるだけ少なくして発光素子１１が収容されている空間を外圧に強いドーム状としたため、装置全体も高水圧に耐えることができる。そして、Ｏリング５０がセルフシーリング機能を果たすため、発光ダイオードを含めた回路基板は液密に維持される。
【００２７】
この発光装置の耐圧試験結果を示す。
試験装置として、東京大学生産技術研究所藤井研究室所有の圧力試験装置（容積；２１リットル、最大圧力；６０ＭＰａ、材質ＳＵＳ３１６）を使用して、加減圧による発光装置表面の歪みを計測した。歪み計測装置として、防水型歪みゲージＫＦＷ−５−１２０−Ｃ１−１１Ｌ１Ｍ２Ｒ（共和電業社製）、動歪計ＤＰＭ−６０１Ａ（共和電業社製）を使用した。
【００２８】
図５は、歪み測定結果を示すグラフである。グラフの縦軸は歪み（με）、横軸は圧力（ＭＰａ）を示す。
圧力を６０ＭＰａまで加圧したところ、発光装置の外観に変化は見られなかった。また、図５に示すように、歪みも問題なく使用可能な範囲内であった。なお、加圧直後の正方向の歪みは内部構造に起因したものと考えられる。この結果より、この発光装置１は、少なくとも水深６０００ｍ程度まで使用可能であることがわかる。
【００２９】
この実施例では、chip-mount型の発光ダイオードを使用したが、砲弾型の発光ダイオード（例えば日亜化学工業社製ＮＳＰＷ５１０ＢＳ）を使用してもよい。この発光ダイオードの特性は、指向角（全角）（°）：５０、立体角（Ｓｒ）：０．５８９、輝度（Ｃｄ）：２５００、総光束（ｌｍ）：１４７２、である。砲弾型の発光ダイオードはchip-mount型の発光ダイオードよりも高さが高いので、表耐圧板２０のドーム状凹部２３の深さを深くする必要がある。また、砲弾型発光ダイオードを回路基板に取り付けた場合、リードフレームが回路基板の裏面から突設するので、突設したリードフレームが収容されるドーム状凹部を、裏耐圧板に必ず設ける必要がある。
【００３０】
また、発光ダイオードをＲＧＢマトリックス化することにより、カラー化も可能となる。さらに、発光面を曲面とするなど、様々な変更も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態に係る耐圧性発光装置の構造を模式的に示す図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）はＩ−Ｉ断面図、図１（Ｃ）は側面図である。
【図２】表耐圧板の構造を示す図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は正面図、図２（Ｃ）は側面図である。
【図３】裏耐圧板の構造を示す図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）はII−II断面図、図３（Ｃ）は側面図である。
【図４】図１の発光装置に圧力がかかる様子を模式的に説明するための図である。
【図５】歪み測定結果を示すグラフである。グラフの縦軸は歪み（με）、横軸は圧力（ＭＰａ）を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１  耐圧性発光装置                    １０  回路基板
１１  発光素子                          １３  電源端子
２０  表耐圧板                          ２１  中央凸部
２３  ドーム状凹部                      ２５  外周部
２７  貫通孔                            ２９  マーク
３０  裏耐圧板                          ３１  中央凹部
３３  ドーム状凹部                      ３５  外周部
３７  Ｏリング溝                        ３９  タップ孔
４１  凸部                              ４３  孔
５０  Ｏリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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