JP2008288457A - 発光ダイオードを用いた紫外線光源 - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇を抑制しながらも酸素阻害の発生を抑制することができる発光ダイオードを用いた紫外線光源を提供する。
【解決手段】良熱伝導性材料により短冊状に形成された支持基板１の厚み方向における一表面に紫外線発光用の複数個の発光ダイオードチップ２が配列される。発光ダイオードチップ２は、支持基板１の長手方向と短手方向とに沿ってマトリクス状に配置される。支持基板１の長手方向における発光ダイオードチップ２の配列ピッチｄ１は、支持基板１の短手方向における発光ダイオードチップ２の配列ピッチｄ２よりも大きく設定されている。また、支持基板１の長手方向では発光ダイオードチップ２が一定間隔で配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いて線状の発光領域を形成するのに適した発光ダイオードを用いた紫外線光源に関するものである。

一般に、光を利用して製造や加工を行う設備機器に組み込まれる光源では線光源や面光源を用いる場合があり、たとえば、紫外線硬化インキを用いる印刷機、建築板などの表面塗装に用いる紫外線硬化樹脂の乾燥機、印刷配線基板のエッチングパターンを形成する際に用いる露光機などの紫外線光源には、キセノンランプが多く使用されている。

しかしながら、キセノンランプは消費電力が大きく（印刷機に用いるものでは、たとえば５０ｋＷ）、しかも高価であって寿命が数千時間程度であることから、使用に伴う費用と交換に伴う費用とが大きくなるという問題を有している。

この種の問題を解決するために、発光ダイオードを利用することが考えられる。ただし、発光ダイオードの発光面は微小であって点光源であるから線状あるいは面状の発光領域を形成するには、複数個の発光ダイオードを支持基板上に配置する構成を採用することになる。

設備機器に組み込む光源ではないが、発光ダイオードを照明器具の光源として用いる構成例では、基板に複数個の発光ダイオードを配置することが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０００−３１５４６号公報

ところで、特許文献１に記載の構成のように照明器具などの光源に発光ダイオードを用いる場合には、発光ダイオードの配列ピッチを一定にして発光面全体に略均一に発光ダイオードを配列する構成が採用されている。

ただし、発光ダイオードは温度が上昇すると発光輝度が低下するから、隣接する発光ダイオード同士の熱の影響などを考慮すると、発光ダイオードの配列ピッチを極端に小さくすることはできない（現状では、最小値は１．５ｍｍ程度）。

一方、上述のような紫外線硬化インキや紫外線硬化樹脂などの硬化に用いる紫外線光源では、紫外線の照射によって生じる電子が酸素に捕捉される酸素阻害という現象を抑制して電子を重合に寄与させるために、電子の発生後に引き続いて紫外線を照射しつづけることが重要であって、印刷物や建築板などの物品が搬送される方向における配列ピッチを小さくすることが望ましい。

上述のように、酸素阻害を抑制するには、発光ダイオードの配列ピッチを小さくするのが望ましいが、配列ピッチを小さくすると発光ダイオードの温度が上昇しやすくなり発光輝度が低下するという問題を生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、温度上昇を抑制しながらも酸素阻害の発生を抑制することができる発光ダイオードを用いた紫外線光源を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の厚み方向の一表面に規定した二次元格子の格子点上にそれぞれ配置された紫外線発光用の複数個の発光ダイオードチップとを備え、支持基板の前記一表面に沿った互いに交差する方向における発光ダイオードチップの配列ピッチが異なっており、少なくとも配列ピッチの大きい方向では発光ダイオードチップが一定間隔で配置されていることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記支持基板は短冊状であって、前記二次元格子の単位格子の形状は前記支持基板の長手方向と短手方向とに軸を有する長方形であり、前記発光ダイオードチップの配列ピッチは短手方向のほうが長手方向よりも小さいことを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記支持基板は長手方向に並べて配置されることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記支持基板の長手方向の両端に位置する前記発光ダイオードチップと前記支持基板の長手方向の各端縁との距離は、前記支持基板の長手方向における発光ダイオードチップの間隔の半分の距離に設定されていることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記支持基板は、良熱伝導性材料により形成され、強制的に熱を廃棄する熱廃棄装置に結合されていることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、支持基板に紫外線を発光する複数個の発光ダイオードチップを配列した構成であって、支持基板の一表面に沿った互いに交差する方向において発光ダイオードチップの配列ピッチを異ならせているから、印刷物や建築板のような物品を搬送して紫外線硬化インクや紫外線硬化樹脂に紫外線を照射する場合に、配列ピッチの小さい方向に物品を搬送することによって、紫外線を物品に連続的に照射することによって酸素阻害が生じるのを抑制することができる。また、他の方向については配列ピッチを大きくとっているから、発光ダイオードチップからの熱を効率よく廃棄して発光ダイオードチップの温度上昇に伴う発光効率の低下を抑制することができる。しかも、少なくとも発光ダイオードチップの配列ピッチが大きい方向では発光ダイオードチップが等間隔に配列されているから、物品の搬送方向とは異なる方向において照射光量にむらが生じるのを防止することができる。

請求項２の発明の構成によれば、短冊状の支持基板の長手方向と短手方向とに沿って発光ダイオードチップを配列しているから、配列構造が単純であり製造が容易である。

請求項３の発明の構成によれば、支持基板を長手方向に並べて配置するから、支持基板を並べる枚数によって線状の発光領域を有する任意長さの紫外線光源を得ることができる。

請求項４の発明の構成によれば、支持基板を並べて配置する際に隣接する支持基板の連結部位において、支持基板の長手方向における発光ダイオードチップの間隔が変化するのを防止することができる。

請求項５の発明の構成によれば、支持基板が良熱伝導性材料により形成され、かつ熱廃棄装置に結合されているから、支持基板の温度上昇を抑制して発光ダイオードチップを高効率で発光させることができる。また、発光ダイオードチップで発生した熱を強制的に廃棄する構成を採用しているから、発光ダイオードチップに流す電流を増加させて発光輝度を高めることが可能になり、発光ダイオードにより高輝度の紫外線光源を実現することができる。

（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、短冊状の支持基板１に紫外線を発光する複数個の発光ダイオードチップ２を配列したものである。支持基板１は、銅あるいはアルミニウムのような良熱伝導性材料により形成される。

発光ダイオードチップ２は、たとえば、一方の電極（たとえば、アノード）が支持基板１にダイボンドにより接合され、他方の電極が支持基板１に絶縁層を介して形成された導電パターンに金のような金属同士の常温接合により接合される。発光ダイオードチップ２を支持基板１に実装する形態は、必ずしもこの形態でなくてもよく、フリップチップ実装を行う構成や、発光ダイオードチップ２の上記他方の電極をボンディングワイヤにより接続する構成などを採用することもできる。

発光ダイオードチップ２は、支持基板１の長手方向と短手方向とに沿った軸を有する長方形の単位格子からなる二次元格子の格子点に配置される。つまり、発光ダイオードチップ２はマトリクス状に配置される。図示例では、１枚の支持基板１に４×４個の発光ダイオードチップ２を配置した例を示しているが、１枚の支持基板１に配置する発光ダイオードチップ２の個数はとくに制限はない。ただし、１枚の支持基板１に配置する発光ダイオードチップ２の個数が多くなるほど１枚の支持基板１での消費電力が増加し発熱量が増加するとともに、歩留まりが低下したり故障率が増加したりする可能性があるから、１枚の支持基板１に搭載する発光ダイオードチップ２の個数は２００個程度までとするのが望ましい。

ところで、発光ダイオードチップ２の配列ピッチｄ１，ｄ２は、支持基板１の長手方向では短手方向よりも大きく設定してあり（ｄ１＞ｄ２）、たとえば支持基板１の短手方向における配列ピッチｄ２を熱設計などによって許容される最小ピッチ（たとえば、１．５ｍｍ）に設定しているとすれば、長手方向における配列ピッチｄ１はその２倍程度に設定される。また、１枚の支持基板１の長手方向の寸法は１〜１５ｃｍ程度の範囲で適宜に選択される。

もっとも、印刷機や乾燥機や露光機で扱う物品の幅寸法には、各種寸法があり、たとえば印刷物であれば、長手方向の寸法を１２７ｍｍとしておけば、長手方向に複数個連結することによって、各種の印刷物の寸法に対応することが可能になる。したがって、印刷機の光源として用いる用途では１２７ｍｍの支持基板１を用いるのが望ましい。

すなわち、図３に示すように、支持基板１を長手方向に並べて用いる。この場合、隣接する支持基板１の境界部分において発光ダイオードチップ２の間隔が変化しないように、支持基板１の長手方向において端部に配置した発光ダイオードチップ２と支持基板１の端縁との距離ｗ２は、他の発光ダイオードチップ２の間隔ｗ１の半分に設定してある（ｗ１＝２・ｗ２）。

ところで、支持基板１には複数個の発光ダイオードチップ２が搭載されているから支持基板１は温度が上昇しやすいものである。支持基板１の温度が上昇すれば発光ダイオードチップ２の発光効率が低下し、結果的に輝度が低下することになる。

そこで、本実施形態では、図４に示すように、支持基板１は熱を強制的に廃棄する熱廃棄装置３に結合されている。熱廃棄装置３は、１枚の支持基板１に１個ずつ設けられるのではなく、１台の熱廃棄装置３が複数枚の支持基板１で共用される。図示例では、熱廃棄装置３が一面に開口を有する断面コ字状の冷却樋４を備え、冷却樋４の開口に支持基板１を覆着することにより熱廃棄装置３を構成している。つまり、支持基板１が熱廃棄装置３の一部を構成している。１本の冷却樋４に対して複数枚の支持基板１が水密的に結合される。

冷却樋４と支持基板１とにより囲まれた空間には冷却用の液体が通される。ここに、支持基板１は良熱伝導材料である金属材料により形成され、しかも発光ダイオードチップ２の一方の電極に電気的に接続されているから、冷却用の液体は絶縁性を有している必要がある。この種の液体は種々のものが知られているが、環境負荷を考慮して不純物を含まない純水を用いるのが望ましい。

上述のように、支持基板１からの熱を強制的に廃棄する熱廃棄装置３を設けていることにより、支持基板１の温度上昇を抑制し、発光ダイオードチップ２の発光効率の低下を抑制することができるから、発光ダイオードチップ２に流す電流を増加させて発光輝度を高めることが可能であり、発光ダイオードチップ２を用いた輝度の高い紫外線光源を実現することができる。

ところで、上述した紫外線光源を、印刷機などの設備機器に組み込む場合には、物品の搬送方向に対して直交する方向を支持基板１の長手方向に一致させる。つまり、発光ダイオードチップ２の配列ピッチの小さい方向を物品の搬送方向に一致させる。このような配置を採用すると、物品の搬送方向において紫外線が連続的に照射されるから、物品に紫外線が照射され紫外線硬化インクや紫外線硬化樹脂に含まれる材料が分解されることによって発生した電子が酸素と結合することによる酸素阻害という現象の発生を抑制することができる。つまり、発生した電子を、酸素に結合する前に、紫外線硬化インキや紫外線硬化樹脂の重合に寄与させることができ、印刷物の乾燥や建築板のコーティングの硬化を効率よく行うことができる。

上述の構成例では、望ましい実施形態として支持基板１が短冊状に形成された例を示したが、支持基板１の形状についてはとくに制限はない。

（実施形態２）
実施形態１では、短冊状の支持基板１に長手方向と短手方向に沿った軸を有する単位格子からなる二次元格子を規定し、この二次元格子の格子点上に発光ダイオードチップ２を配列する例を示したが、本実施形態では、図５に示すように、単位格子を矩形ではない平行四辺形とした二次元格子の格子点上に発光ダイオードチップ２を配置した例を示している。

この構成でも実施形態１と同様に、支持基板１の長手方向における配列ピッチｄ１を短手方向における配列ピッチｄ２よりも大きくしてある。ただし、この関係は必須ではなく、物品の搬送方向に対して支持基板１を配置する方向に応じて配列ピッチｄ１，ｄ２の関係は適宜に変更することができる。たとえば、支持基板１の長手方向を物品の搬送方向に一致させる場合には、支持基板１の長手方向における発光ダイオードチップ２の配列ピッチｄ１を短手方向の配列ピッチｄ２よりも小さくすることになる。

また、物品の搬送方向と支持基板１の一辺の方向とは一致していなくてもよく、物品の搬送方向に対して支持基板１の長手方向が斜めに交差していてもよい。この場合でも、物品の搬送方向における発光ダイオードチップ２の配列ピッチを、当該方向に交差する方向における発光ダイオードチップ２の配列ピッチよりも小さくするという関係が満たされていればよい。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

実施形態１を示す正面図である。 同上の斜視図である。 同上の使用例を示す正面図である。 同上の使用例を示す斜視図である。 実施形態２を示す正面図である。

符号の説明

１ 支持基板
２ 発光ダイオードチップ
３ 熱廃棄装置
４ 冷却樋
ｄ１ 配列ピッチ（支持基板の長手方向）
ｄ２ 配列ピッチ（支持基板の短手方向）
ｗ１ 発光ダイオードチップの間隔
ｗ２ 発光ダイオードチップと支持基板の端縁との距離

Claims (5)

1. 支持基板と、支持基板の厚み方向の一表面に規定した二次元格子の格子点上にそれぞれ配置された紫外線発光用の複数個の発光ダイオードチップとを備え、支持基板の前記一表面に沿った互いに交差する方向における発光ダイオードチップの配列ピッチが異なっており、少なくとも配列ピッチの大きい方向では発光ダイオードチップが一定間隔で配置されていることを特徴とする発光ダイオードを用いた紫外線光源。
2. 前記支持基板は短冊状であって、前記二次元格子の単位格子の形状は前記支持基板の長手方向と短手方向とに軸を有する長方形であり、前記発光ダイオードチップの配列ピッチは短手方向のほうが長手方向よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いた紫外線光源。
3. 前記支持基板は長手方向に並べて配置されることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオードを用いた紫外線光源。
4. 前記支持基板の長手方向の両端に位置する前記発光ダイオードチップと前記支持基板の長手方向の各端縁との距離は、前記支持基板の長手方向における発光ダイオードチップの間隔の半分の距離に設定されていることを特徴とする請求項３記載の発光ダイオードを用いた紫外線光源。
5. 前記支持基板は、良熱伝導性材料により形成され、強制的に熱を廃棄する熱廃棄装置に結合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光ダイオードを用いた紫外線光源。

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