(57)【要約】【課題】金属材料からなる保持体に、接着剤を介して光学要素が固定されてなる光学部材において、接着剤が保持体と光学要素の線膨張率の違いに基づいてせん断されることを防止するとともに、光学要素と保持体の相対位置関係を適正に保つことができる楮を提供することである。【解決手段】前記保持体における前記光学要素を取り付ける取付け平面に、凹部が形成されており、該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されていることを特徴とする。【選択図】  図１
2017044947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる保持体と、前記保持体に接着剤を介して固定された透光部材からなる光学要素とで構成された光学部材において、
前記保持体における前記光学要素を取り付ける取付け平面に、凹部が形成されており、該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されていることを特徴とする光学部材。
【請求項２】
前記光学要素が四辺形状であり、前記凹部は、前記保持体における、前記光学要素の４つの側縁のそれぞれに対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って点在して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学部材。
【請求項４】
前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って伸びる連続溝形状であることを特徴とする請求項２に記載の光学部材。
【請求項５】
装置の筐体内に、複数のＬＥＤが装着された基板と、前記ＬＥＤの光軸上に配置された光学部材とを備えてなる光照射装置において、
前記光学部材は、金属材料からなる保持体と、前記保持体に対して接着剤を介して固定された光学要素とで構成されており、
前記保持体における前記光学要素を取り付ける取付け平面に、凹部が形成されており、該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されていることを特徴とする光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光照射装置に関するものであり、特に、基板上に複数のＬＥＤを備えた光照射装置に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光を使ったアプリケーションの光源として、放電ランプからＬＥＤへの転換が進んでいる。
ＬＥＤは、１チップ当たりの放射光束が放電ランプと比較して少ない。そのため、複数個のＬＥＤからの出射光を集めて光照射することが求められており、そのための光学系が必要とされている。例えば、特開２０１４−３０８６号公報（特許文献１）には、複数のＬＥＤからなる光源からの出射光をインテグレータに効率よく取り込ませることのできる光学系の技術が記載されている。
【０００３】
この特許文献１に記載の技術によれば、複数のＬＥＤからの出射光を有効利用すべく、より精密な光学設計が求められており、光学部材（集光レンズ、コリメートレンズ、インテグレータ等の光学部材）の設置及び固定のバラツキを抑えることが、装置設計上求められており、光学部材の固定を精度よく行う必要がある。
【０００４】
ところで、このようなＬＥＤを備えた光照射装置においては、図８に示すように、金属製の保持体３１の上部に透光部材からなる光学要素３２を接着剤３３によって取り付けた光学部材３０が多用されている。
しかしながら、光学要素３２はガラス部材であり、金属製の保持体３１との間で熱膨張の差が大きいことから、温度変化時に接着剤３３に対して強いせん断歪みが負荷され、接合界面が剥離してしまうという問題がある。このような接合界面の剥離は、光学要素３２の位置ズレや離脱を招いてしまい、所望の光学設計を維持することが困難となる。
特に、特許文献１に記載されるような技術分野において、複数のＬＥＤからの出射光を取り込むための光学部材は、搭載するＬＥＤの数量に応じて大型化する必要があるが、光学部材の大型化に伴って熱膨張の差はより顕著となり、光学部材の位置ズレや脱離を一層招きやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、温度変化によって金属製の保持体から光学要素が剥離して位置ずれを起こし、離脱してしまうことがないようにした光学部材を提供せんとするものである。
また、上記光学部材を用いた光照射装置の構造を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明の光学部材は、金属材料からなる保持体と、該保持体に接着剤を介して固定された透光部材からなる光学要素とで構成された光学部材において、前記保持体における前記光学要素を取り付ける取付け平面に、凹部が形成されており、該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されていることを特徴とする。
また前記光学要素が四辺形状であり、前記凹部は、前記保持体における、前記光学要素の４つの側縁のそれぞれに対応する位置に形成されていることを特徴としても構わない。
また前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って点在して形成されていることを特徴としても構わない。
また前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って伸びる連続溝形状であることを特徴としても構わない。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の光学部材によれば、光学要素を取り付ける取付け平面に凹部が形成されていて、該凹部内に接着剤が充填されているので、接着剤の厚さを大きく確保することができ、光学要素と保持体との間の熱膨張の差によって熱歪が生じても、せん断応力に対する強度が向上して、接着剤による接合界面の剥離を防止することができるものである。
これにより、光学素子が位置ずれを起こしたり、剥離したりしてしまうことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の光学部材の部分断面上面図（Ａ）とその側断面図（Ｂ）。
【図２】本発明の光照射装置の全体概要図。
【図３】本発明と従来例との対比による作用説明図。
【図４】せん断応力の説明図。
【図５】他の実施例の部分断面上面図。
【図６】更に他の実施例の部分断面上面図。
【図７】図６のＡ部の部分拡大図（Ａ）とそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）。
【図８】従来の光照射装置の斜視図（Ａ）と側断面図（Ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１（Ａ）（Ｂ）に本発明の光学部材１が示されていて、光学要素３が金属製の保持体２の取付け平面４上に載置固定されている。
この光学要素３は、例えば、集光レンズやコリメートレンズ、フライアイレンズ等が挙げられる。またここでいう光学要素３は、一部に光学的な作用を持たない部位があっても構わない。例えば、光学要素３の周縁に、保持体２と接合させる余白部分（いわゆる、のりしろ部分）を設けていてもよい。
【００１１】
前記保持体２の取付け平面４には複数の凹部５、５が形成されていて、この凹部５内に接着剤６が充填されている。そして、前記光学要素３はこの接着剤６によって接着固定されている。
図１の実施例では、保持体２および光学要素３が上面視で四辺形状をなし、前記凹部５は、取付け平面４の各側縁に形成されていて、光学要素３はその４つの側縁で接着固定されている。
なお、前記凹部５は、各側縁に１つずつ形成された例が示されているが、２つ以上ずつ形成されたものであってもよい。
また、凹部５に充填される接着剤６は、この凹部５の深さによって厚さが決定されるので、該凹部５の深さを調整することで接着剤６の厚さを大きく確保することができる。
【００１２】
本発明で用いられる接着剤６は、各種のものが使用されるが、例えば、エポキシ樹脂を主剤としたエポキシ系接着剤や、アクリル樹脂を主剤としたアクリル系接着剤などが用いられる。また、熱硬化性の接着剤であってもよく、例えば、シリコーン系接着剤を用いることもできる。
また、保持体２の取付け平面４に形成される凹部５は、光学要素３の寸法や接着剤６の種類に応じて、その個数や、凹部５自身の断面の寸法や深さが決定される。
【００１３】
本発明の光照射装置の凹部５の深さについて検討する。
１．熱硬化性のシリコーン系接着剤を使用した場合
アルミニウム製の保持体２に、シリカガラス製の光学要素３（１００×１００ｍｍ）を接着する例。
（１）光学要素３は４辺形状で、各側縁において凹部５に充填された接着剤６によって接着。（対向する側縁での接着剤間の距離１００ｍｍとする）
（２）アルミニウムの線膨張係数：２３×１０−６／Ｋ
（３）シリカガラスの線膨張係数：０．５×１０−６／Ｋ
（４）接着剤塗布後に、温度を２０℃（２９３Ｋ）から１５０℃（４２３Ｋ）まで上昇させる（温度差１３０Ｋ）。
（５）１５０℃（４２３Ｋ）で接着剤が硬化する。このとき接着剤にはせん断応力はかかっていない状態である。
（６）冷却して温度を下げると、保持体２（アルミニウム）と光学要素３（シリカガラス）は、共に線膨張係数に従って収縮する。
（７）保持体２の収縮量は、１００ｍｍ×２３×１０−６／Ｋ×１３０Ｋ＝０．３ｍｍである。
（８）光学要素３の収縮量は、１００ｍｍ×０．５×１０−６／Ｋ×１３０Ｋ＝０．００７ｍｍである。
（９）片側の接着剤に掛かる歪は（０．３−０．００７）／２＝０．１５ｍｍとなる。
【００１４】
図２を参照して、接着剤に掛かるせん断歪を考察する。
（１）接着剤の厚さをｔとする。
（２）厚さ方向に対して直角方向に力を加えたときの歪量をΔｔとする。
（３）この時、せん断歪γ＝Δｔ／ｔと定義される。
（４）接着剤がせん断される歪は概ねγ＝１程度である。なお、接着剤がせん断される歪量は、接着剤の材質によって決定される物性値であって、Ｓｉ系樹脂の場合は、歪が１程度でせん断に至る。
（５）接着剤がせん断される臨界厚さは、ｔ０＝Δｔ／γ＝０．１５／１＝０．１５ｍｍである。
【００１５】
もし凹部５がない場合、
（１）接着剤の厚さｔ＝０．０１ｍｍとする。
（２）γ＝Δｔ／ｔ＝０．１５／０．０１＝１５となる。
（３）このγ＝１５は、接着剤がせん断されるときのせん断歪の１５倍の歪であって、必ずせん断が起こる。
そこで、凹部の深さは、上記組み合わせ（保持体２がアルミニウム、光学要素３がシリカガラスで、対向する側縁の接着剤６の間隔が１００ｍｍ）の場合、０．１５ｍｍ以上の深さが必要となる。
言い方を変えると、接着剤の間隙の０．１５％以上の深さが必要である。
【００１６】
２．次いで、接着剤６としてエポキシ系接着剤やアクリル系接着剤を用いる場合を考察する。以下の条件以外は上記段落００１３以下のものと同様である。
（１）光学要素３の温度が室温２０℃（２９３Ｋ）から動作温度５０℃（３２３Ｋ）まで上昇（温度差は３０Ｋ）したとする。
（２）接着剤は２０℃（２９３Ｋ）で硬化する。このとき接着剤にはせん断応力はかかっていない状態である。
（３）ＬＥＤの点灯によって温度が上昇して５０℃（３２３Ｋ）に至るとき、保持体２（アルミニウム）と光学要素３（シリカガラス）は、共に線膨張係数に従がって膨張する。
（４）保持体２の膨張量は、１００ｍｍ×２３×１０−６／Ｋ×３０Ｋ＝０．０８ｍｍである。
（５）光学要素３の膨張量は、１００ｍｍ×０．５×１０−６／Ｋ×３０Ｋ＝０．００２ｍｍである。
（６）片側の接着剤に掛かる歪は（０．０８−０．００２）／２＝０．０４ｍｍとなる。
【００１７】
エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤の場合、接着剤がせん断される歪は概ね０．０５程度である。
この接着剤がせん断される臨界厚さは、ｔｃ＝Δｔ／γ＝０．０４／０．０５＝０．８ｍｍとなる。
【００１８】
もし凹部５がない場合、
（１）接着剤の厚さｔ＝０．０１ｍｍとする。
（２）γ＝Δｔ／ｔ＝０．０４／０．０１＝４となる。
（３）このγ＝４は、接着剤がせん断されるときのせん断歪の８０倍の歪であって、必ずせん断が起こる。
そこで、凹部の深さは、上記組み合わせ（保持体２がアルミニウム、光学要素３がシリカガラスで、対向する側縁の接着剤６の間隔が１００ｍｍ）の場合、０．８ｍｍ以上の深さが必要となる。
言い方を変えると、接着剤６の間隙の０．８％以上の深さが必要である。
【００１９】
このような接着剤の厚さとせん断歪の関係が模式的に図４に示されていて、凹部を持たない従来構造（Ａ）では、接着剤の厚さが大きく取れないために、保持体２と光学要素３との熱膨張や熱収縮に伴う変形量の差に基づくせん断歪が、接着剤に大きく影響して、耐せん断性が確保されない。
これに対して、凹部を有する本発明（Ｂ）では、せん断歪が接着剤の厚さによって緩衝されて厚さ方向に分散されるので、耐せん断性が極めて向上する。
なお、凹部を持たない従来構造において、接着剤の厚さを本発明の凹部の深さと同様なものにしようとすると、軟化状態にある接着剤が形状的に不安定であり、その不安定さは厚さが増すほど顕著であって、光学要素と保持体との相対位置関係、ひいては光学要素と光源部との相対位置関係の維持が著しく困難であって現実的ではない。
これに対して本発明では、保持体の取付け平面に凹部を形成するので、この取付け平面によって保持体と光学要素との相対位置関係を十分に確保しつつ、同時に接着剤の厚さを確保することができるものである。
【００２０】
図４は他の実施例である。図１の実施例では、保持体２の取付け平面４に形成される凹部５が、光学要素３の側縁に沿うように点在したものが示されているが、図４の実施例では、この凹部５は光学要素３の側縁に沿うような連続溝として形成されている。
【００２１】
図５、図６には更に他の実施例が示されていて、保持体２に、凹部５に連通する充填孔７が形成されている。この実施例によれば、光学要素３の取付けに当たって、光学要素３を保持体２の取付け平面４上に載置し、充填孔７を介して接着剤６を凹部５内に充填することができる。光学要素３を所定の圧力で取付け平面４に押下しておくことで、接着剤６注入による光学要素３の不安定な浮き上がりを抑制して、光学要素３と保持体２との適正な相対位置関係がより担保される。
【００２２】
図７には、この光学部材１を搭載した光照射装置１５の例が示されている。
光照射装置１５の筐体１６内には、基板１１上にＬＥＤ１２が並設され、当該基板１１が支持体１３上に載置されてなる光源部１０と、該光源部１０の光軸上に設けられた光学部材１とが配置されている。そして、前記光学部材１０上には投影光学系１７が設けられていて、光源部１０からの光は、光学部材１→投影光学系１７を経て光投影面１８に投射されるものである。
尚、一例としては、前記光学部材１における光学要素３としてコリメートレンズが設けられ、当該光学要素３が前記保持体２の取付け平面４上に載置固定されているものが示されている。
【００２３】
以上説明したように、本発明の、金属材料からなる保持体と、前記保持体に接着剤を介して固定された透光部材からなる光学要素とで構成された光学部材では、前記保持体における光学要素を取り付ける取付け平面に凹部が形成されており、該凹部内に接着剤が充填されていて、該接着剤により光学要素が保持体に固定されていることによって、接着剤の厚さを十分に確保して、保持体と光学要素の線膨張係数の相違に基づいて接着剤に働くせん断応力を緩和して、接着剤のせん断を防止することができる。
そして、保持体の取付け平面によって光学要素と保持体との相対位置関係を適正に保つことができるという効果を奏するものである。
【符号の説明】
【００２４】
１    光学部材
２    保持体
３    光学要素
４    取付け平面
５    凹部
６    接着剤
７    充填孔
１０    光源部
１１  基板
１２  ＬＥＤ
１３  支持台
１５  光照射装置
１６  筐体
１７  投影光学系
１８  光投影面
【図１】
2017044947.tif 000003
【図２】
2017044947.tif 000004
【図３】
2017044947.tif 000005
【図４】
2017044947.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2017044947.tif 000009
【図８】
2017044947.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月28日(2015.8.28)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
この発明は光学部材および光照射装置に関するものであり、特に、光学要素と保持枠が接着された光学部材および当該光学部材を用いた光照射装置に係わるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明の光学部材は、金属材料からなる保持体と、該保持体に接着剤を介して固定された透光部材からなる光学要素とで構成された光学部材において、前記保持体における前記光学要素を取り付ける取付け平面に、凹部が形成されており、該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されていることを特徴とする。
また前記光学要素が四辺形状であり、前記凹部は、前記保持体における、前記光学要素の４つの側縁のそれぞれに対応する位置に形成されていることを特徴とする。
また前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って点在して形成されていることを特徴とする。
また前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って伸びる連続溝形状であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【図１】本発明の光学部材の部分断面上面図（Ａ）とその側断面図（Ｂ）。
【図２】せん断応力の説明図。
【図３】本発明と従来例との対比による作用説明図。
【図４】他の実施例の部分断面上面図。
【図５】更に他の実施例の部分断面上面図。
【図６】図５のＡ部の部分拡大図（Ａ）とそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）。
【図７】本発明の光照射装置の全体概要図。
【図８】従来の光学部材の斜視図（Ａ）と側断面図（Ｂ）。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図５、図６には更に他の実施例が示されていて、保持体２に、凹部５に連通し外部に開口する充填孔７が形成されている。この実施例によれば、光学要素３の取付けに当たって、光学要素３を保持体２の取付け平面４上に載置し、充填孔７を介して接着剤６を凹部５内に充填することができる。光学要素３を所定の圧力で取付け平面４に押下しておくことで、接着剤６注入による光学要素３の不安定な浮き上がりを抑制して、光学要素３と保持体２との適正な相対位置関係がより担保される。

【手続補正書】
【提出日】平成28年12月21日(2016.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる保持体と、前記保持体に接着剤を介して固定された透光部材からなる光学要素とで構成された光学部材において、
前記保持体における前記光学要素を取り付ける、四辺形状の取付け平面の各側縁に凹部が形成されており、
該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されており、
前記接着剤は、熱硬化性のシリコーン系樹脂材であり、該接着剤がせん断される臨界厚さ（ｔ０）は、
ｔ０＝Δｔ／γ  として決定され、
ただし、
Δｔは、保持体と光学要素との温度変化に伴う変形量の差であり、
対向する側縁での接着剤間の距離と、
保持体および光学要素のそれぞれの線膨張係数と、
室温（２０℃）から、前記接着剤が硬化する温度（１５０℃）までの温度
差（１３０℃）とで決定されるものであり、
γは、接着剤のせん断歪であり、シリコーン系樹脂材の場合、γ＝１
前記凹部の深さは、前記接着剤の臨界厚さ（ｔ０）以上である、
ことを特徴とする光学部材。
【請求項２】
前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って点在して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
前記凹部は、前記光学要素の側縁に沿って伸びる連続溝形状であることを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項４】
装置の筐体内に、複数のＬＥＤが装着された基板と、前記ＬＥＤの光軸上に配置された光学部材と、を備えてなる光照射装置において、
前記光学部材は、金属材料からなる保持体と、前記保持体に対して接着剤を介して固定された光学要素とで構成されており、
前記保持体における前記光学要素を取り付ける、四辺形状の取付け平面の各側縁に凹部が形成されており、
該凹部内に前記接着剤が充填されていて、該接着剤により前記光学要素が前記保持体に固定されており、
前記接着剤は、熱硬化性のシリコーン系樹脂材であり、該接着剤がせん断される臨界厚さ（ｔ０）は、
ｔ０＝Δｔ／γ  として決定され、
ただし、
Δｔは、保持体と光学要素との温度変化に伴う変形量の差であり、
対向する側縁での接着剤間の距離と、
保持体および光学要素のそれぞれの線膨張係数と、
室温（２０℃）から、前記接着剤が硬化する温度（１５０℃）までの温度
差（１３０℃）とで決定されるものであり、
γは、接着剤のせん断歪であり、シリコーン系樹脂材の場合、γ＝１
前記凹部の深さは、前記接着剤の臨界厚さ（ｔ０）以上である、
ことを特徴とする光照射装置。