JP2014086681A

JP2014086681A - 紫外線発光装置

Info

Publication number: JP2014086681A
Application number: JP2012236993A
Authority: JP
Inventors: Hideo Aoki; 秀雄青木
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】発光スペクトルを可変にする手段を備えた小型の紫外線発光装置の提供にある。
【解決手段】紫外線発光装置が備える発光部１０は、発光ピーク波長がそれぞれ異なる紫外線を発光する複数の発光素子２０ａ、２０ｂと、複数の発光素子２０ａ、２０ｂが発光する紫外線を合成する光結合手段と、を備える。前記光結合手段として、発光素子が発光する紫外線を反射する凹面鏡を備えてもよい。凹面鏡として、複数の発光素子２０ａ、２０ｂと対向する位置に設けられる第１凹面鏡１２と、前記第１凹面鏡１２に対向する位置に設けられる第２凹面鏡１４とを備え、第１凹面鏡１２または第２凹面鏡１４のいずれか一方に、出射口３６と連通する連通口６４をさらに備えてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、紫外線を発光する装置に関し、特に発光スペクトルを可変にする紫外線発光装置に関する。

紫外線は、紫外線による樹脂硬化の分野や、医療や食品分野における滅菌もしくは殺菌処理などで広く用いられている。また昨今において、食の安全性に対する人々の関心の高まっており、残留農薬や食品添加物などを検査する方法として、紫外線を利用した蛍光分析法等が用いられる。

例えば、樹脂硬化のための紫外線光源として、紫外線ＬＥＤ（Light Emitted Diode）を用いたものがある。このような装置では、硬化波長の異なる複数の樹脂に対応させるため、ピーク波長の異なる複数の紫外線ＬＥＤを組み合わせた構成が示されている（特許文献１参照）。

また、蛍光分析等では、特定の波長帯域の光を取り出すために分光光度計が一般に用いられる。分光光度計として、ピーク波長の異なる複数のＬＥＤを組み合わせた光源を使用し、回折格子を用いて分光する構成が示されている（特許文献２参照）。

特開２０１２−５４４９２号公報特開平８−２０１１７２号公報

紫外線は、利用分野や照射対象となる物質によって必要とされる波長帯域やその帯域幅などが異なるため、目的にあわせて波長スペクトルを可変にできる紫外線光源があれば便利である。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、発光波長スペクトルを可変にできる紫外線発光装置の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の紫外線発光装置は、発光ピーク波長がそれぞれ異なる紫外線を発光する複数の発光素子と、前記複数の発光素子が発光する紫外線を合成する光結合手段と、を備える

上記態様の紫外線発光装置によれば、発光ピーク波長の異なる複数の発光素子が発光する紫外線の強度をそれぞれ変化させ、各発光素子が発光する紫外線を光結合手段により合成させることにより、当該紫外線発光装置が発光する紫外線の合成スペクトルを可変にすることができる。

上記態様の紫外線発光装置において、前記光結合手段として、前記発光素子が発光する紫外線を反射する凹面鏡を備え、前記発光素子と前記凹面鏡とを収容し、前記紫外線を出射する出射口を有する筐体をさらに備えてもよい。

上記態様の紫外線発光装置において、前記複数の発光素子と対向する位置に設けられる第１凹面鏡と、前記第１凹面鏡に対向する位置に設けられる第２凹面鏡とを備え、前記第１凹面鏡または前記第２凹面鏡のいずれか一方に、前記出射口と連通する連通口をさらに備えてもよい。

上記態様の紫外線発光装置において、前記複数の発光素子が発光する紫外線の強度を検出する光センサをさらに備え、前記光センサが検知した紫外線の強度をもとに前記複数の発光素子のそれぞれの発光強度を制御してもよい。

上記態様の紫外線発光装置において、前記複数の発光素子のうち、第１の発光素子における発光スペクトルの半値全幅値は、前記第１の発光素子とは異なる第２の発光素子における発光スペクトルの半値全幅値の０．８倍以上１．２倍以下であり、前記発光素子は、発光ピーク波長が隣接する発光素子との発光ピーク波長の差が、当該発光素子における発光スペクトルの半値全幅値以下であってもよい。

本発明の紫外線発光装置によれば、発光スペクトルを可変にできる。

実施形態１における紫外線発光装置を示す図である。図１の発光部を示す図である。図２の発光部におけるＡ−Ａ線断面を示す図である。複数の紫外線ＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。発光パターンＡの合成スペクトルを示す図である。発光パターンＢの合成スペクトルを示す図である。発光パターンＣの合成スペクトルを示す図である。変形例１における発光部を示す図である。変形例２における発光部を示す図である。実施形態２における紫外線発光装置を示す図である。ピーク波長を変化させた合成スペクトルを示す図である。合成スペクトルと紫外線ＬＥＤの発光スペクトルの関係を示す図である。合成スペクトルと紫外線ＬＥＤの発光スペクトルの関係を示す図である。合成スペクトルと紫外線ＬＥＤの発光スペクトルの関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１における紫外線発光装置１００を示す。紫外線発光装置１００は、紫外線を発光する発光部１０と、発光部１０を制御する制御部８０を備える。紫外線発光装置１００は、吸光光度分析や蛍光光度分析の分光計の光源として用いたり、医療器具を代表とした清浄性を維持する必要のある機器に紫外線を照射して殺菌もしくは滅菌したり、紫外線硬化樹脂に照射して樹脂を硬化させたりする多目的の紫外線光源として利用できる。

図２は、発光部１０を示し、図３は発光部１０のＡ−Ａ線断面を示す。発光部１０は、筐体１６と、第１凹面鏡１２と、第２凹面鏡１４と、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅとを備える。

筐体１６は、円筒形状であり、金属板や樹脂材料などで構成される。筐体１６は、側面３０と、上面３２と、下面３４とを備える。上面３２は、紫外線が出射される出射口３６が設けられる。

筐体１６の内部には、第１凹面鏡１２と、第２凹面鏡１４が設けられる。第１凹面鏡１２及び第２凹面鏡１４は、紫外線の反射率を高めるためその反射面がアルミニウムを含む材料で構成される。第１凹面鏡１２と第２凹面鏡１４は、それぞれの反射面が対向して設けられ、第１凹面鏡１２の焦点が第２凹面鏡１４の底部１４ｂに位置し、第２凹面鏡１４の焦点が第１凹面鏡１２の底部１２ｂに位置する。第１凹面鏡１２は、筐体１６の下面３４側に設けられ、第２凹面鏡１４は、筐体１６の上面３２側に設けられる。第１凹面鏡１２の周部１２ａ及び第２凹面鏡１４の周部１４ａは、側面３０に固定される。第２凹面鏡１４の底部１４ｂには上面３２の出射口３６と連通する連通口６４が設けられる。

第１凹面鏡１２には、複数の取付孔１８ａ〜１８ｅが設けられ、取付孔１８ａ〜１８ｅのそれぞれに紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅが嵌め込まれる。複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅは、第１凹面鏡１２の底部１２ｂの近傍であって、底部１２ｂを中心とした円周上に均等に配置され、第２凹面鏡１４と対向する。

第１ＬＥＤ２０ａから出射する紫外線の一部は、Ｘ１として出射口３６に向けて出射され、その他の紫外線Ｘ２は、第２凹面鏡１４の反射面に到達して反射される。第１ＬＥＤ２０ａは、底部１２ｂ、つまり第２凹面鏡１４の焦点の近傍に位置するため、第２凹面鏡１４で反射された紫外線Ｘ２は第１凹面鏡１２の焦点と第２凹面鏡１４の焦点とを結ぶ光軸Ａに略平行に第１凹面鏡１２に向かう。光軸Ａに略平行に第１凹面鏡１２に入射した紫外線Ｘ２は、第１凹面鏡１２で反射されて第１凹面鏡１２の焦点、つまり第２凹面鏡１４の底部１４ｂに向かい、出射口３６から出射される。したがって、第１凹面鏡１２と第２凹面鏡１４を対向される構成とすることで、第１ＬＥＤ２０ａが発光する紫外線を出射口３６に集光させることができる。同様に、その他のＬＥＤ２０ｂ〜２０ｅが発光する紫外線も出射口３６に集光されるため、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅが発光する紫外線を出射口３６にて合成することができる。

紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅは、その中心波長又はピーク波長が約２００ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外領域に含まれる紫外線を発光するＬＥＤである。このような紫外線ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。

図４は、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅの発光スペクトル２２ａ〜２２ｅを示す。複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅは、それぞれ発光ピーク波長が異なり、そのピーク波長は、波長の短い方から順に、２４０ｎｍ、２６０ｎｍ、２８０ｎｍ、３００ｎｍ、３２０ｎｍである。

複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅは、発光スペクトルの半値全幅値が３０ｎｍであり、ピーク波長の隣接する紫外線ＬＥＤとのピーク波長の差が半値全幅値以下となるように特性が選択されている。このような特性を選択することで、発光部１０は、紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅがカバーする波長帯域２４０ｎｍ〜３２０ｎｍにおいて、所定以上の光強度の紫外線を発光することができる。

また、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅは、発光スペクトルの半値全幅値のばらつきが２０％以内である特性が選択されており、最小の半値全幅値ｗ_ｍｉｎに対して最大の半値全幅値ｗ_ｍａｘが１．２倍以下となるように特性を選択する。このように特性を選択することで、紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅがカバーする波長帯域２４０ｎｍ〜３２０ｎｍにおいて、半値全幅値が所定以下となる合成スペクトルを生成することができる。

図１に示す制御部８０は、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅを駆動する。制御部８０は、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅが発光した紫外線が合成された合成スペクトルが所定の発光パターンとなるよう、それぞれの紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅに流す電流値などを調整し、これらの光強度を制御する。

図５〜図７は、発光パターンＡ〜Ｃのスペクトルを示す。発光パターンＡは、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅの出力を１００％とした場合であり、このとき、出射口３６から出射される紫外線のスペクトルは、図５に示す合成スペクトル２４Ａとなる。

発光パターンＢは、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅの出力を順に、１００％、１０％、５０％、１０％、１００％とした場合であり、このときの合成スペクトルは、図６の合成スペクトル２４Ｂとなる。発光パターンＣは、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅの出力を順に、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％とした場合であり、このときの合成スペクトルは、図７の合成スペクトル２４Ｃとなる。

上述の構成により、紫外線発光装置１００は、ピーク波長のそれぞれ異なる紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅが発光する紫外線を合成することにより、波長２４０ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲で任意のスペクトル分布を有する紫外線を発光することができる。また、紫外線発光装置１００は、紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅの光強度を電気的に制御してスペクトルを変化させるため、回折格子や光学フィルタなどの光学素子を用いてスペクトルを変化させる場合と比較して装置を安価にするとともに、小型化することができる。また、紫外線発光装置１００が小型化されることで、紫外線光源を必要とする様々な機器に組み込んだ場合に、機器全体のサイズをコンパクトにすることができる。

なお、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅは、紫外線発光装置１００の使用目的に応じて中心波長又はピーク波長を適宜選択することが望ましい。例えば、殺菌もしくは滅菌用途に用いる場合には、波長２６０ｎｍ付近の殺菌線と呼ばれる紫外線を発光する光源を用いることが好ましい。樹脂硬化に用いる場合には、樹脂の材料などに応じて樹脂硬化に最適な波長を選択することが望ましい。

（実施形態１の変形例１）
図８は、変形例１における発光部１０を示す。上述した実施形態１における発光部１０と異なり、第２凹面鏡１４の替わりにレンズ６２を備える。レンズ６２は、紫外線に対して正の屈折力を有する光学素子であり、例えば、石英（ＳｉＯ_２）や蛍石（ＣａＦ_２）などを材料とする凸レンズである。

第１ＬＥＤ２０ａが発光する紫外線の一部は、Ｘ１としてレンズ６２に向けて出射され、その他の紫外線Ｘ２は、第１凹面鏡１２の反射面に到達して反射されて光軸Ａに略平行にレンズ６２に向かう。レンズ６２により屈折された紫外線Ｘ１、Ｘ２は、集光されて出射口３６から出射される。同様に、その他のＬＥＤ２０ｂ〜２０ｅから出射される光もレンズ６２に集光されて出射口３６から出射される。これにより、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅが発光した紫外線を合成することができる。

（実施形態１の変形例２）
図９は、変形例２における発光部１０を示す。上述した実施形態１における発光部１０と異なり、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ、２０ｂを支持するための支持部材６０を備え、上面３２側の第２凹面鏡１４が設けられていない。

支持部材６０は、紫外線ＬＥＤ２０が発光する紫外線を透過する材料で構成される板状部材であり、例えば、フッ素系樹脂などにより構成される。支持部材６０は、上面３２及び下面３４に平行に筐体１６の内部に設けられ、側面３０に固定される。支持部材６０の下面３４側の面には、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ、２０ｂが設けられる。

複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ、２０ｂは、下面３４に向けて紫外線を発光し、支持部材６０と下面３４との間に設けられる第１凹面鏡１２により反射される。第１凹面鏡１２により反射された紫外線は、出射口３６から出射される。同様に、その他のＬＥＤ２０ｂ〜２０ｅから出射される光も出射口３６から出射される。これにより、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅが発光した紫外線を合成することができる。

（実施形態２）
図１０は、実施形態２における紫外線発光装置２００を示す。紫外線発光装置２００は、発光部１０と検出部４０の間に置かれる試料セル５０に入れられた物質を分析するための吸光光度計や蛍光光度計として用いる。紫外線発光装置２００は、実施形態１またはその変形例における発光部１０と、制御部８０を備え、さらに検出部４０を備える。

検出部４０は、発光部１０が発光する紫外線の強度を検出し、検出した値を制御部８０に通知する。検出部４０は、強度を検出するための光電子増倍管４２を備える。光電子増倍管４２は、発光部１０の出射口３６から出射される紫外線Ｘ３が入射する位置に設けられる。検出部４０は、発光部１０が発光する紫外線のスペクトルに合わせて、検出する波長帯域の異なる複数の光電子増倍管４２を備える。例えば、第１ＬＥＤ２０ａが発光する波長２４０ｎｍを中心とする紫外線の光強度を検知するため、波長２４０ｎｍを中心にした所定の波長帯域の紫外線を透過する光学フィルタが光電面に設けられる光電子増倍管４２を用いる。同様に、その他の紫外線ＬＥＤ２０ｂ〜２０ｅが発光する紫外線の波長に合わせて、透過する波長帯域の異なる光学フィルタが設けられた光電子増倍管４２を用いる。

制御部８０は、検出部４０から通知された光強度をもとに、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅの光強度を調整する。例えば、第１ＬＥＤ２０ａが発光する波長２４０ｎｍの紫外線の強度として、発光すべき強度と検知した強度が異なる場合、それらの値が一致するようにフィードバック制御をかける。その他の紫外線ＬＥＤ２０ｂ〜２０ｅが発光する紫外線についても同様のフィードバック制御をかける。このように制御することで、発光部１０が発光する紫外線の合成スペクトルのスペクトル分布を所望の値に近づけることができ、吸光光度計または蛍光光度計として紫外線発光装置２００を用いる場合に、計測の精度を上げることができる。

図１１は、ピーク波長を変化させた合成スペクトル２４Ａ〜２４Ｅを示す図であり、図１２〜図１４は、合成スペクトル２４Ｂ〜２４Ｄと紫外線ＬＥＤの発光スペクトル２２ａ、２２ｂの関係を示す図である。図１２〜図１４に示すように、ピーク波長が２４０ｎｍである第１ＬＥＤの発光スペクトル２２ａと、ピーク波長が２６０ｎｍである第２ＬＥＤの発光スペクトル２２ｂの光強度をそれぞれ調整することにより、合成スペクトル２４Ｂ〜Ｄのピーク波長を変化させることができる。

例えば、図１２の場合、第１ＬＥＤの光強度を９０％程度、第２ＬＥＤの光強度を７０％程度とすることにより、ピーク波長が２４５ｎｍ付近の合成スペクトルを生成することができる。同様に図１３の場合、第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤの光強度を８０％程度とすることにより、ピーク波長が２５０ｎｍ付近の合成スペクトルを生成することができる。このように、第１ＬＥＤと第２ＬＥＤの光強度を調整することで、波長２４０ｎｍ〜２６０ｎｍの範囲で、ピーク波長を任意とした合成スペクトルを生成することができる。

同様に、複数の紫外線ＬＥＤ２０ａ〜２０ｅのうち、ピーク波長の隣接する２つの紫外線ＬＥＤの光強度を上述のように調整することで、波長２４０ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲において任意のピーク波長を有する合成スペクトルを生成することができる。このように、紫外線発光装置２００は、紫外線ＬＥＤの光強度を電気的に制御することで発光する紫外線のピーク波長を変化させることができるため、波長を選択するために回折格子や光学フィルタなどの光学素子を用いた場合と比較して装置を安価にするとともに、小型化することができる。

なお、合成スペクトルのピーク波長を変化させて用いる場合、検出部４０が備える光電子増倍管４２を１個だけとし、検出できる波長帯域を２４０ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲を含む広帯域の光電子増倍管４２としてもよい。例えば、図１１の合成スペクトル２４Ｂの紫外線を発光するように制御部８０が発光部１０を制御することで、発光部１０が発光する紫外線のピーク波長は２４５ｎｍであることから、検出する光の強度がわかれば２４５ｎｍの光強度を検出していると特定できる。このように光電子増倍管４２を１個備えた構成とした場合においても検出している波長帯域を特定することができ、波長帯域ごとに光電子増倍管４２を複数設ける場合と比較して装置を安価にするとともに、小型化することができる。

以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

本実施形態においては、紫外線ＬＥＤを複数備える構成としたが、可視光線や赤外線を発するＬＥＤを用いたり、これらを紫外線ＬＥＤと組み合わせて用いたりしてもよい。この場合、紫外領域から赤外領域に亘ってスペクトルを可変にできる光源として利用でき、可視光や赤外光を用いた吸光光度計の光源などとして利用することができる。

１０…発光部、１２…第２凹面鏡、１４…第１凹面鏡、１６…筐体、２０…紫外線ＬＥＤ、３０…側面、３２…上面、３４…下面、３６…出射口、６０…支持部材、６２…レンズ、６４…連通口、８０…制御部、１００、２００…紫外線発光装置。

Claims

発光ピーク波長がそれぞれ異なる紫外線を発光する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子が発光する紫外線を合成する光結合手段と、
を備えることを特徴とする紫外線発光装置。
前記光結合手段として、前記発光素子が発光する紫外線を反射する凹面鏡を備え、
前記発光素子と前記凹面鏡とを収容し、前記紫外線を出射する出射口を有する筐体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光装置。
前記凹面鏡として、前記複数の発光素子と対向する位置に設けられる第１凹面鏡と、前記第１凹面鏡に対向する位置に設けられる第２凹面鏡とを備え、
前記第１凹面鏡または前記第２凹面鏡のいずれか一方に、前記出射口と連通する連通口をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の紫外線発光装置。
前記凹面鏡は、反射面がアルミニウムを含む材料で構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の紫外線発光装置。
前記複数の発光素子が発光する紫外線の強度を検出する光センサと、
前記光センサが検知した紫外線の強度をもとに前記複数の発光素子のそれぞれの発光強度を制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の紫外線発光装置。
前記光センサとして、前記複数の発光素子が発光する発光ピーク波長に対応して、検出する光の波長がそれぞれ異なる複数の光センサを備えることを特徴とする請求項５に記載の紫外線発光装置。
前記複数の発光素子のうち、第１の発光素子における発光スペクトルの半値全幅値は、前記第１の発光素子とは異なる第２の発光素子における発光スペクトルの半値全幅値の０．８倍以上１．２倍以下であり、
前記発光素子は、発光ピーク波長が隣接する発光素子との発光ピーク波長の差が、当該発光素子における発光スペクトルの半値全幅値以下であることを特徴する請求項１から６のいずれかに記載の紫外線発光装置。