JP2009123924A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一の照度を持ち、且つ広い面積を持つ紫外線照射領域を形成することが可能な紫外線照射装置を提供する。
【解決手段】紫外線ＬＥＤ光源２０と、該紫外線ＬＥＤ光源２０からの紫外線を集光して外部に紫外線ビームを放出するための光学系レンズ３０、３２とを備えるＬＥＤユニット１２が複数設けられる。複数のＬＥＤユニット１２から出射される紫外線ビームで１つの紫外線照射領域４２を形成しており、紫外線照射領域４２は、複数のＬＥＤユニットから出射される紫外線ビーム４４が互いに重なり合う位置に形成され、該紫外線照射領域が形成される位置は、各ＬＥＤユニットの光学系レンズによる紫外線ＬＥＤ光源の像点とは異なる位置となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線を出射する紫外線発光ダイオード（以下、紫外線ＬＥＤ）を光源として、均一な紫外線照射領域を形成する紫外線照射装置に関する。

従来、紫外線ＬＥＤを光源とした紫外線照射装置は、紫外線硬化型樹脂の硬化などに使用されており、紫外線照射装置が形成する紫外線照射領域に被処理部分を位置づけることで、部品接着処理を行っている。

従って、紫外線照射領域が大きければ一度に処理できる被処理部分が大きくなるため好ましいが、照度の低下を招くことになる。そのため、従来の紫外線照射装置において、複数の紫外線ＬＥＤを使用したものが特許文献１、特許文献２において提案されている。

例えば、特許文献１では、複数のＬＥＤの光の拡散を制御して狭い範囲に正確に光を集中して強力な照度を得ることを目的として、金属塊などの固体塊に、作動距離の一点で交わるような角度にシリンダー状の穴を掘削してそこに指向性を制御する光学系を設けている。

特開２００６−２２８６９４号公報 特開２００５−１８１８７８号公報（段落０１１１）

しかしながら、従来の紫外線照射装置では、形成される紫外線照射領域内の照度にバラツキがあり、バラツキの少ない均一な照度で、且つ広い面積の紫外線照射領域を形成することが困難であるという問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、均一の照度を持ち、且つ広い面積を持つ紫外線照射領域を形成することが可能な紫外線照射装置を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、紫外線ＬＥＤ光源と、該紫外線ＬＥＤ光源からの紫外線を集光して外部に紫外線ビームを放出するための光学系レンズとを備えるＬＥＤユニットが複数設けられて、該複数のＬＥＤユニットから出射される紫外線ビームで１つの紫外線照射領域を形成する紫外線照射装置において、
前記紫外線照射領域は、複数のＬＥＤユニットから出射される紫外線ビームが互いに重なり合う位置に形成され、該紫外線照射領域が形成される位置は、各ＬＥＤユニットの光学系レンズによる紫外線ＬＥＤ光源の像点とは異なる位置であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記紫外線照射領域が形成される位置が、前記像点よりもＬＥＤユニット側にあることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の前記各ＬＥＤユニットの紫外線ＬＥＤ光源が、複数のＬＥＤ素子が電極を介して並設されたアレイからなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の前記各ＬＥＤユニットの紫外線ビームが、前記紫外線照射領域において、互いに異なる向きの紫外線ＬＥＤ光源の像を生成することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、複数のＬＥＤユニットからの紫外線ビームが互いに重なり合うことで、高い照度の紫外線照射領域を得ることができると共に、全ての紫外線ビームが重なり合う紫外線照射領域の位置を、各ＬＥＤユニットの光学系レンズによる紫外線ＬＥＤ光源の像点とは異なる位置とすることで、紫外線ＬＥＤ光源の像をぼやかし、紫外線照射領域を広くし、紫外線ＬＥＤ光源を起因とする照度の不均一を防ぎ、紫外線照射領域の照度を均一にすることができる。

請求項２記載の発明によれば、紫外線照射領域を像点よりも手前とすることで、高い照度の紫外線照射領域とすることができる。

請求項３記載の発明によれば、各紫外線ＬＥＤ光源が複数のＬＥＤ素子が電極を介して並設されたアレイからなるために、各ＬＥＤ素子が発光することにより高い照度を得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、各ＬＥＤユニットの紫外線ビームが前記紫外線照射領域において、互いに異なる向きの紫外線ＬＥＤ光源の像を生成することで、紫外線ＬＥＤ光源自体の発光の不均一性を空間的に平均化することができ、紫外線照射領域全体で均一な照度とすることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る紫外線照射装置の概念斜視図であり、図２は、その要部の部分断面図である。

図示したように、本発明の紫外線照射装置１０は、複数のＬＥＤユニット１２、１２、１２と、該各ＬＥＤユニット１２が電気的に接続される制御部１３とから構成される。ＬＥＤユニット１２の個数は、図示の例では３個であるが、これに限るものではなく、任意の個数のＬＥＤユニット１２を使用することが可能である。

図２に示したように、各ＬＥＤユニット１２は筒状のレンズホルダ１４を有する。レンズホルダ１４の内面は、反射率の高い面になるようにメッキ処理などがなされているとよい。

レンズホルダ１４には、その後方から高熱伝導性基板１６がネジ止めされており、基板１６の前面には、ＬＥＤパッケージ１８が接合されている。ＬＥＤパッケージ１８は、パッケージ本体１９に形成された凹部１９ａ内に配置された紫外線ＬＥＤ光源２０を有しており、凹部１９ａ内周面はメッキ処理されており、凹部１９ａはガラス２８によって封止される。

レンズホルダ１４内には、ＬＥＤパッケージ１８よりも前面に、紫外線ＬＥＤ光源２０からの紫外線を集光して外部に紫外線ビームを放出するための光学系レンズである第１レンズ３０と第２レンズ３２とが保持される。第１レンズ３０は、レンズホルダ１４の内周面の前後方向途中位置に形成された段部１４ａとＬＥＤパッケージ１８との間に配設され、第２レンズ３２は、レンズホルダ１４の内周面の段部１４ａよりも前方になる第２段部１４ｂと、レンズホルダ１４内にねじ込まれるホルダ受け３４との間に配設される。但し、光学系レンズの数及び構成としてはこの構成に限るものではなく任意の数及び構成とすることが可能である。

また、基板１６の後面には、図１に示すように、ヒートシンク３６が取り付けられており、ヒートシンク３６には多数の放熱フィンが形成されている。また、図示を省略するが、ヒートシンク３６には小型ファンを一体的に設けることも可能である。

紫外線ＬＥＤ光源２０は、高出力光源であり、より詳細には、図３に示した概略図のように、多数のＬＥＤ素子２２が電極２４を介して並設されたアレイで構成される。各ＬＥＤ素子２２のアノード電極とカソード電極はそれぞれワイヤボンディング２６によって該当する電極２４に接続されている。各ＬＥＤ素子２０からは３００〜４００ｎｍ、好ましくは、３６０ｎｍ〜３７０ｎｍの波長の紫外線が出射されるとよい。そして、多数のＬＥＤ素子２２が同時に発光することにより高出力を得ている。

以上のように構成される各ＬＥＤユニット１２においては、紫外線ＬＥＤ光源２０から出射される紫外線光が、第１レンズ３０と第２レンズ３２からなる光学系レンズによって集束されて所定の像点に紫外線ＬＥＤ光源２０の像を結ぶ。

複数のＬＥＤユニット１２は、図１に示すように、それぞれ互いに角度（１２０度間隔）をなすようにして、ユニットホルダ４０に取り付けられ、各ＬＥＤユニット１２によって構成される紫外線ビーム４４があるところで重なり合うように角度が設定される。この重なり合ったビームが紫外線照射領域４２となる。この紫外線照射領域４２は、図４に示したように、各ＬＥＤユニット１２の光学系レンズ３０、３２による紫外線ＬＥＤ光源の前記像点とは異なる位置、好ましくは手前のＬＥＤユニット１２側の位置で重なり合うように設定される。そして、ＬＥＤユニット１２から紫外線照射領域４２までの距離が作動距離となる。この作動距離と像点までの距離（結像距離という）との間には、作動距離≠結像距離の関係が成り立っている。

従来は、ＬＥＤユニットの光学系レンズによる紫外線ＬＥＤ光源の像点、即ちピントの合った位置において最も照度が高くなるからその像点を紫外線照射領域とすることが一般的である。しかしながら、そのようにすると、紫外線ＬＥＤ光源の発光の不均一性が紫外線照射領域にも反映されて、紫外線照射領域４２の照度にバラツキが発生する。つまり、紫外線ＬＥＤ光源２０には、電極２４といった非発光部分があるので、紫外線照射領域を大きくするために光学系レンズによって決まる倍率で像を拡大すると、非発光部分も拡大されて、照度のバラツキを招くことになる。

これに対して、本発明のように、紫外線照射領域４２を像点と異なる位置とすることにより、紫外線照射領域４２では、紫外線ＬＥＤ光源２０の像はピントの合わないぼやけたものになるが、これによって、紫外線ＬＥＤ光源２０の内部の電極２４といった非発光部分の像がぼやけて、均一な照度が得られ、また、広い面積の紫外線照射領域を得られる。また、３つの紫外線ビームが重なり合っているので、高い照度となる。

より好ましくは、各ＬＥＤユニット１２の紫外線ＬＥＤ光源２０の向きが互いに異なる角度となるように配置することによって、紫外線照射領域における紫外線ＬＥＤ光源２０の像の向きが、図５に示すように、互いに異なる向きになるようにするとよい。これにより、各紫外線ＬＥＤ光源２０の非発光部分の像がずれることによって、紫外線ＬＥＤ光源２０自体の発光の不均一性を空間的に平均化することができより一層の照度の均一効果を図ることができる。また、紫外線照射領域の外形も、紫外線ＬＥＤ光源２０の外形とは異なる多角形状とすることができ、ＬＥＤユニット１２の数を増加させれば、円形に近い形状とすることができる。

以上のように構成される本発明の紫外線照射装置１０において、２５０ｍＷの紫外線ＬＥＤ光源２０を用いて、３つのＬＥＤユニット１２を構成し、作動距離を６０ｍｍ（結像距離は１２０ｍｍ〜１３０ｍｍ）としたときの、照度プロファイルを図６に示す。この例では、平均照度が６００ｍＷ／ｃｍ^２以上であり、且つその紫外線照射領域の直径が１２ｍｍとすることができており、従来と比較して、広範囲に高照度の領域を形成することができる。そして、照度プロファイルは、ほとんどトップハット形状に近く、そのトップ部分の凹凸が従来と比較して小さい。従来の照度プロファイルはガウス分布かハット形状をなすとしてもそのトップ部分の凹凸が大きいものとなるが、本発明による紫外線照射装置１０では、紫外線照射領域全域においてほぼ均一な照度が得られる。よって、この紫外線照射領域を紫外線硬化作業領域として使用する場合には、短時間で広い範囲に亘り均一な硬化を行わせることができる。

以上の実施形態では、３個のＬＥＤユニット１２を用いた例について説明したが、これに限るものではなく、任意の個数のＬＥＤユニットを使用することができ、これによって、照度がより高く且つ均一な紫外線照射領域を形成することができる。

本発明に係る紫外線照射装置の概念斜視図である。 本発明に係る紫外線照射装置の１つのＬＥＤユニットの要部の部分断面図である。 図１の紫外線照射装置で使用する紫外線ＬＥＤ光源の概略平面図である。 本発明に係る紫外線照射装置の要部説明図である。 本発明によって形成される紫外線照射領域の概念図である。 本発明によって形成される紫外線照射領域の照度との関係を表すグラフである。

符号の説明

１０ 紫外線照射装置
１２ ＬＥＤユニット
２０ 紫外線ＬＥＤ光源
２２ ＬＥＤ素子
２４ 電極
３０ 第１レンズ（光学系レンズ）
３２ 第２レンズ（光学系レンズ）
４２ 紫外線照射領域
４４ 紫外線ビーム

Claims (4)

1. 紫外線ＬＥＤ光源と、該紫外線ＬＥＤ光源からの紫外線を集光して外部に紫外線ビームを放出するための光学系レンズとを備えるＬＥＤユニットが複数設けられて、該複数のＬＥＤユニットから出射される紫外線ビームで１つの紫外線照射領域を形成する紫外線照射装置において、
   前記紫外線照射領域は、複数のＬＥＤユニットから出射される紫外線ビームが互いに重なり合う位置に形成され、該紫外線照射領域が形成される位置は、各ＬＥＤユニットの光学系レンズによる紫外線ＬＥＤ光源の像点とは異なる位置であることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記紫外線照射領域が形成される位置は、前記像点よりもＬＥＤユニット側にあることを特徴とする請求項1記載の紫外線照射装置。
3. 前記各ＬＥＤユニットの紫外線ＬＥＤ光源は、複数のＬＥＤ素子が電極を介して並設されたアレイからなることを特徴とする請求項１または２記載の紫外線照射装置。
4. 前記各ＬＥＤユニットの紫外線ビームは、前記紫外線照射領域において、互いに異なる向きの紫外線ＬＥＤ光源の像を生成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の紫外線照射装置。

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