JP2014146689A - 紫外線発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】平面状の被照射面での照度の均一化を図ることが可能な紫外線発光装置を提供する。
【解決手段】紫外線発光装置１は、実装基板２と、複数個の紫外ＬＥＤチップ３と、枠体４と、窓材５とを備える。紫外線発光装置１は、光軸に対する紫外線の放射角度をθ、放射角度θの方向の放射光強度をＩθとし、放射角度θの範囲を、−９０°〜９０°のうち０°を含む第１規定範囲、絶対値が前記第１規定範囲内の値よりも大きい第２規定範囲とに分けたときに、放射光強度Ｉθの放射角度依存性が、cosｎθ（ｎは１以上の実数）を同一出力の基準として、前記第１規定範囲ではcosｎθよりも小さくなり、前記第２規定範囲ではcosｎθよりも大きくなるように、前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３が、実装基板２の一表面のうち平面視で枠体４により囲まれた領域２ａにおいて、領域２ａの中心２ａａを避けて且つ中心２ａａを囲んで配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線発光装置に関するものである。
従来から、紫外線発光装置としては、例えば、発光ピーク波長が３８５ｎｍである紫外発光ＬＥＤが知られている（非特許文献１）。非特許文献１に記載された紫外発光ＬＥＤは、パッケージ材質がセラミックスであり、ガラス窓材質が硬質ガラス／コバールである。非特許文献１には、紫外発光ＬＥＤの光学特性として、図１７に示す指向特性が記載されている。
また、紫外線発光装置としては、例えば、深紫外の紫外線を発光可能な紫外線ＬＥＤが知られている（特許文献１）。
特許文献１には、紫外線ＬＥＤを細菌の消毒手段として用いることが記載されている。また、特許文献１には、紫外線ＬＥＤが照射する紫外線の発光波長を２５０ｎｍから２８０ｎｍの間にすることで、細菌等を効率よく消毒することができる旨が記載されている。
また、特許文献１には、紫外線ＬＥＤとして、金属製のキャンパッケージやセラミックパッケージ内に半導体発光素子を実装させたものを用いてもよい旨が記載されている。
紫外発光ＬＥＤ標準仕様書 NICHIASTS-DA1-1763C <Cat.No.120518>、日亜化学工業株式会社
特開２０１０−２８５７８５号公報
図１７に示した指向特性、つまり、放射光強度の放射角度（θ）依存性は、cosθのランバート（Lambert）型分布で近似可能と考えられる。
このため、非特許文献１に記載された紫外発光ＬＥＤでは、特許文献１に記載された紫外線ＬＥＤと同様、平面状の被照射面での照度の均一化を図ることが難しいと考えられる。
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、平面状の被照射面での照度の均一化を図ることが可能な紫外線発光装置を提供することにある。
本発明の紫外線発光装置は、実装基板と、前記実装基板の一表面側に実装された複数個の紫外ＬＥＤチップと、前記実装基板の前記一表面側で前記複数個の前記紫外ＬＥＤチップを囲んで配置された枠体と、前記実装基板の前記一表面側で前記枠体及び前記複数個の前記紫外ＬＥＤチップを覆うように配置され各前記紫外ＬＥＤチップからの紫外線を透過可能な窓材とを備え、光軸に対する紫外線の放射角度をθ、放射角度θの方向の放射光強度をＩθとし、放射角度θの範囲を、−９０°〜９０°のうち０°を含む第１規定範囲、絶対値が前記第１規定範囲内の値よりも大きい第２規定範囲とに分けたときに、放射光強度Ｉθの放射角度依存性が、cosｎθ（ｎは１以上の実数）を同一出力の基準として、前記第１規定範囲ではcosｎθよりも小さくなり、前記第２規定範囲ではcosｎθよりも大きくなるように、前記複数個の前記紫外ＬＥＤチップが、前記実装基板の前記一表面のうち平面視で前記枠体により囲まれた領域において、前記領域の中心を避けて且つ前記中心を囲んで配置されていることを特徴とする。
この紫外線発光装置において、前記枠体は、各前記紫外ＬＥＤチップから側方へ放射された紫外線を前記窓材側へ反射するリフレクタであるのが好ましい。
この紫外線発光装置において、前記窓材は、前記紫外ＬＥＤチップから放射された紫外線の配光を制御する平凸型の非球面レンズ部と、前記非球面レンズ部の外周部から全周に亘って外方に突出したフランジとを有し、前記フランジが前記枠体に接合されており、前記実装基板に近い側の第１レンズ面が凸曲面からなり、前記実装基板から遠い側の第２レンズ面が平面からなることが好ましい。
本発明の紫外線発光装置は、平面状の被照射面での照度の均一化を図ることが可能となる。
図１（ａ）は実施形態の紫外線発光装置の概略平面図である。図１（ｂ）は実施形態の紫外線発光装置の一部破断した要部概略平面図である。 図２は、実施形態の紫外線発光装置の概略分解斜視図である。 図３は、実施形態の紫外線発光装置の要部概略断面図である。 図４は、実施形態の紫外線発光装置の照射範囲の模式的な説明図である。 図５（ａ）は、実施形態の紫外線発光装置の目標とする配光特性の極座標表示による説明図である。図５（ｂ）は、比較例の紫外線発光装置の配光特性の極座標表示による説明図である。 図６（ａ）は、点光源の配光特性の極座標表示による説明図である。図６（ｂ）は、点光源の配光特性の直角座標表示による説明図である。 図７は、点光源による被照射平面上の配光分布の説明図である。 図８（ａ）は、実施形態の紫外線発光装置の目標とする配光特性の極座標表示による説明図である。図８（ｂ）は、実施形態の紫外線発光装置の目標とする配光特性の直角座標表示による説明図である。 図９は、実施形態の紫外線発光装置による被照射面上の目標とする配光分布の説明図である。 図１０は、実施形態の紫外線発光装置の配光特性の実測例である。 図１１は、実施形態の紫外線発光装置の配光特性の実測例である。 図１２は、実施形態の紫外線発光装置の配光特性の説明図である。 図１３は、実施形態の紫外線発光装置の被照射面上の照度分布図である。 図１４は、実施形態の紫外線発光装置の第１変形例における要部説明図である。 図１５は、実施形態の紫外線発光装置の第１変形例における被照射面上の照度分布図である。 図１６は、実施形態の紫外線発光装置の第２変形例における要部説明図である。 図１７は、従来例の紫外発光ＬＥＤの指向特性図である。
以下では、本実施形態の紫外線発光装置１について、図１〜図５に基づいて説明する。
紫外線発光装置１は、実装基板２と、複数個（図示例では、６個）の紫外ＬＥＤチップ３と、枠体４と、窓材５とを備える。前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３は、１個の実装基板２に実装されている。枠体４は、実装基板２の前記一表面側で前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３を囲んで配置されている。窓材５は、実装基板２の前記一表面側で枠体４及び前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３を覆うように配置されている。窓材５は、各紫外ＬＥＤチップ３からの紫外線を透過可能な部材である。
前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３は、実装基板２の前記一表面のうち平面視で枠体４により囲まれた領域２ａに配置されている。ここで、前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３は、領域２ａの中心２ａａを避けて且つ中心２ａａを囲んで配置されている。要するに、紫外線発光装置１は、領域２ａの中央部に紫外ＬＥＤチップ３を１個も配置せずに、領域２ａの周部のみに前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３を配置してある。紫外線発光装置１は、光軸に対する紫外線の放射角度をθ、放射角度θの方向の放射光強度をＩθとし、放射角度θの範囲を、−９０°〜９０°のうち０°を含む第１規定範囲、絶対値が前記第１規定範囲内の値よりも大きい第２規定範囲とに分けたときに、放射光強度Ｉθの放射角度依存性が、cosｎθ（ｎは１以上の実数）を同一出力の基準として、前記第１規定範囲ではcosｎθよりも小さくなり、前記第２規定範囲ではcosｎθよりも大きくなるように、前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３が配置されている。これにより、紫外線発光装置１は、平面状の被照射面７（図４参照）での照度の均一化を図ることが可能となる。図４では、紫外線発光装置１から放射され被照射面７に入射する紫外線の進行経路を矢印付きの実線で模式的に記載してある。被照射面７は、紫外線発光装置１の光軸に略直交し、紫外線発光装置１からの紫外線が照射される平面である。同一出力とは、cosｎθの配光特性を有する場合と光出力が同一であることを意味する。
図５（ａ）は、紫外線発光装置１の目標とする配光特性の極座標表示による説明図である。図５（ｂ）は、比較例の紫外線発光装置の配光特性の極座標表示による説明図である。
更に説明すれば、図５（ａ）におけるＢ２は、cos２θの配光特性の極座標表示による説明図である。また、図５（ａ）におけるＡ２は、ｎ＝２、前記第１規定範囲を−１９°＜θ＜１９°、前記第２規定範囲を１９°＜｜θ｜＜４５°とした場合の同一出力での目標とする配光特性の説明図である。紫外線発光装置１は、図５（ａ）におけるＡ２のような配光特性を有することにより、Ｂ２のような配光特性を有する場合に比べて、平面状の被照射面７での照度の均一化を図ることが可能となる。前記第１規定範囲及び前記第２規定範囲の値は、一例であり、特に限定するものではない。
図５（ｂ）におけるＢ２２は、cos２θの配光特性の極座標表示による説明図である。また、図５（ｂ）におけるＡ２２は、cos２θの配光特性において放射角度が−１９°〜１９°の範囲をフラットにした配光特性の説明図である。比較例の紫外線発光装置では、Ａ２２の配光特性を有することにより、Ｂ２２の配光特性を有する参考例の紫外線発光装置と被照射面７の面積を同じとした場合、図５（ｂ）中における斜線を施した範囲に相当する余分な照射エネルギを削減することが可能となり、低消費電力化を図ることが可能となる。
以下、紫外線発光装置１の各構成要素について詳細に説明する。
紫外ＬＥＤチップ３は、紫外線（紫外光）を放射するＬＥＤチップである。紫外ＬＥＤチップ３は、例えば、発光層の材料としてＡｌＧａＮ系材料を採用しており、発光波長が２１０ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外波長領域で発光可能なＬＥＤチップである。
紫外ＬＥＤチップ３は、例えば、サファイア基板の一表面側に、ＡｌＮ層、ｎ形窒化物半導体層、発光層、電子ブロック層、ｐ形窒化物半導体層、ｐ形コンタクト層が積層され、ｎ形窒化物半導体層に電気的に接続された第１電極と、ｐ形コンタクト層を介してｐ形窒化物半導体層に電気的に接続された第２電極とを備えたＬＥＤチップを採用できる。ｎ形窒化物半導体層は、例えば、ｎ形ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層からなる。発光層は、ＡｌＧａＮ系材料からなる量子井戸構造を有している。量子井戸構造は、障壁層と井戸層とからなる。量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。紫外ＬＥＤチップ３は、発光層を単層構造として、発光層と発光層の厚み方向の両側の層（例えば、ｎ形窒化物半導体層およびｐ形窒化物半導体層）とでダブルヘテロ構造が形成されるようにしてもよい。紫外ＬＥＤチップ３の構造は、特に限定するものではない。
発光層は、所望の発光波長の紫外線を発光するように井戸層のＡｌの組成を設定してある。ＡｌＧａＮ系材料からなる発光層では、Ａｌの組成を変化させることにより、発光波長（発光ピーク波長）を２１０〜３６０ｎｍの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。紫外線発光装置１は、例えば、細菌等の消毒のために用いる場合、紫外ＬＥＤチップ３の発光波長を例えば２５０ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。例えば、紫外ＬＥＤチップ３は、発光波長を２６５ｎｍとする場合、Ａｌの組成を０．５０程度に設定すればよい。
紫外ＬＥＤチップ３は、チップサイズを、０．３９ｍｍ□（０．３９ｍｍ×０．３９ｍｍ）としてある。ＬＥＤチップのチップサイズは、特に限定するものではなく、例えば、０．３ｍｍ□や０．４５ｍｍ□や１ｍｍ□のもの等を用いることができる。
また、紫外ＬＥＤチップは、厚みを０．１６ｍｍ程度としてあるが、特に限定するものではない。
紫外ＬＥＤチップ３は、第１電極及び第２電極の各々が同一面側に配置されており、バンプ（図示せず）を介して実装基板２の第１導体層１３ｂと電気的に接続されている。第１導体層１３ｂは、１個の紫外ＬＥＤチップ３ごとにみれば、第１電極が接続される第１部分と、第２電極が接続される第２部分とが、電気的に絶縁されるようにパターン形成されている。紫外線ＬＥＤチップ３は、厚み方向の一面側に第１電極及び第２電極が配置されている構成で当該一面側から光を取り出す場合、第１電極、第２電極を、第１ワイヤ、第２ワイヤを介して、第１部分、第２部分それぞれと電気的に接続するようにしてもよい。第１ワイヤ及び第２ワイヤとしては、例えば、Ａｕ線、Ａｌ線、Ａｌ−Ｓｉ線、Ｃｕ線等を採用することができる。
紫外ＬＥＤチップ３は、厚み方向の一面側に第１電極及び第２電極が設けられたＬＥＤチップに限らず、例えば、厚み方向の一面側に第１電極が設けられ、他面側に第２電極が設けられたＬＥＤチップでもよい。この場合、第１電極と第２電極との一方を導電性の接合材を介して第１導電層１３ｂにダイボンドし、他方をワイヤを介して第１導体層１３ｂと電気的に接続するようにすればよい。ワイヤとしては、例えば、Ａｕ線、Ａｌ線、Ａｌ−Ｓｉ線、Ｃｕ線等を採用することができる。
紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３の個数を６個としてあり、これら６個の紫外ＬＥＤチップ３を、実装基板２の前記一表面において前記中心を囲む１つ仮想円の円周上に略等間隔で配置してある。紫外ＬＥＤチップ３の個数は、６個に限らない。紫外ＬＥＤチップ３の個数は、複数個であればよいが、３個以上が、好ましく、４個以上が、より好ましい。
実装基板２は、紫外ＬＥＤチップ３を実装する基板である。「実装する」とは、紫外ＬＥＤチップ３を配置して機械的に接続すること及び電気的に接続することを含む概念である。このため、実装基板２は、紫外ＬＥＤチップ３を機械的に保持する機能と、紫外ＬＥＤチップ３へ給電するための配線を形成する機能とを備えている。実装基板２は、複数個（例えば、６個）の紫外ＬＥＤチップ３を実装できるように構成されている。
実装基板２は、上述の第１配線層１３ｂを有するサブマウント部材１３と、サブマウント部材１３よりも平面サイズが大きくサブマウント部材１３を支持する支持基板２０とを備えている。
支持基板２０は、金属板２１と、金属板２１の一表面側に形成された電気絶縁層２２と、電気絶縁層２２に形成され金属板２１の前記一表面の一部を露出させる孔２４と、電気絶縁層２２上に形成された給電用の２つの第２導体層２３とを備えている。サブマウント部材１３は、電気絶縁層２２に形成された孔２４の内側に配置され、且つ、金属板２１の前記一表面側に接合されている。第２導体層２３は、第１端子部２３ａと、第２端子部２３ｂとを有している。実装基板２は、２つの第２端子部２３ｂのうちの一方が高電位側の外部接続端子を構成し、他方が低電位側の外部接続端子を構成する。
サブマウント部材１３は、電気絶縁層２２よりも熱伝導率が高く且つ電気絶縁性を有する基材１３ａと、基材１３ａにおける金属板２１側とは反対の表面側に形成された第１導体層１３ｂとを備える。第１導体層１３ｂは、基材１３ａの一表面において枠体４で囲まれた領域の周部と枠体４の外側の領域とに跨って形成されている２つの配線部１３ｂｂを有している。
実装基板２は、平面視において隣り合って配置されている配線部１３ｂｂと第１端子部２３ａとが、ワイヤ１７を介して電気的に接続されている。よって、実装基板２は、２個のワイヤ１７を備えている。なお、本実施形態では、第１導電層１３ｂ、各第２導電層２３及び各ワイヤ１７により、配線を形成している。
金属板２１の外周形状は、矩形状としてある。金属板２１の外周形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状や矩形以外の多角形状等でもよい。
金属板２１の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましい。このため、金属板２１の材料としては、銅を採用している。金属板２１の材料は、銅に限らず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、リン青銅、銅合金（例えば、４２アロイ等）、ニッケル合金等を採用することができる。金属板２１は、上述の材料からなる母材の表面に、表面処理層（図示せず）を設けたものでもよい。表面処理層としては、例えば、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ａｇ膜、Ｎｉ膜とＰｄ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ａｇ膜とＰｄ膜とＡｕＡｇ合金膜との積層膜等を採用することができる。表面処理層は、めっき層等により構成することが好ましい。要するに、表面処理層は、めっき法により形成することが好ましい。
電気絶縁層２２は、金属板２１の前記一表面上に形成されており、金属板２１の前記一表面の中央部を露出させる孔２４が形成されている。孔２４の開口形状は、矩形状としてある。孔２４の開口形状は、特に限定するものではない。
第２導体層２３の材料としては、例えば、銅、リン青銅、銅合金（例えば、４２アロイ等）、ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を採用することができる。第２導体層２３は、例えば、金属箔、金属膜等を利用して形成することができる。第２導体層２３は、Ｃｕ層とＮｉ層とＡｕ層との積層構造を有し、最表面側がＡｕ層となっているのが好ましい。
電気絶縁層２２及び各第２導体層２３は、例えば、プリント配線板を利用して形成することができる。電気絶縁層２２は、プリント配線板の絶縁性基材と、この絶縁性基材と金属板２１とを固着する固着シートとで、構成することができる。絶縁性基材としては、例えば、ポリイミドフィルム、紙フェノール基板、ガラスエポキシ基板等を採用することができる。固着シートとしては、例えば、ポリオレフィン系の固着シートを採用することができる。
支持基板２０は、金属板２１と電気絶縁層２２と各第２導体層２３とを、金属ベースプリント配線板を利用して形成してもよい。この場合には、金属ベースプリント配線板の金属板、絶縁層及び銅箔それぞれにより、支持基板２０の金属板２１、電気絶縁層２２及び各第２導体層２３を形成することができる。
支持基板２０は、各第２導体層２３及び電気絶縁層２２において各第２導体層２３が形成されていない部位を覆う保護層２６（図１（ａ）参照）が積層されている。保護層２６としては、例えば、白色系のレジスト層を採用することができる。このレジスト層の材料としては、例えば、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）等の白色顔料を含有した樹脂（例えば、シリコーン樹脂等）からなる白色レジストを採用することができる。
保護層２６は、電気絶縁層２２の孔２４の近傍に、第２導体層２３の第１端子部２３ａ及び第２端子部２３ｂを露出させるようにパターニングされている。
紫外線発光装置１は、全ての紫外ＬＥＤチップ３が、１個のサブマウント部材１３を介して金属板２１に搭載される。これにより、紫外線発光装置１では、各紫外ＬＥＤチップ３で発生した熱の伝熱経路として、電気絶縁層２２を介さずにサブマウント部材１３及び金属板２１に伝熱させる伝熱経路が形成される。よって、紫外線発光装置１は、放熱性を向上させることが可能となる。これにより、紫外線発光装置１は、出力（光出力）の高出力化を図ることが可能となる。
サブマウント部材１３の基材１３ａは、板状に形成されている。基材１３ａは、平面視形状を矩形状としてあるが、これに限らず、例えば、円形状、矩形以外の多角形状等でもよい。サブマウント部材１３の平面サイズは、複数個の紫外ＬＥＤチップ３を配置することができ且つこれら複数個の紫外ＬＥＤチップ３を合わせたサイズよりも大きく設定してある。サブマウント部材１３の平面サイズは、４．３ｍｍ×３ｍｍとしてあるが、一例であり、特に限定するものではない。基材１３ａの材料としては、熱伝導率が高く、且つ、その線膨張係数が金属板２１の線膨張係数と紫外ＬＥＤチップ３の線膨張係数との間の値にある材料が好ましい。これにより、紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３とサブマウント部材１３との接合部（例えば、バンプ）に熱応力に起因して割れが発生するのを抑制することが可能となる。基材１３ａの材料としては、ＡｌＮを採用している。
サブマウント部材１３の第１導体層１３ｂは、複数個の紫外ＬＥＤチップ３の直並列接続が可能となるように、パターン形成されている。第１導体層１３ｂは、複数個の紫外ＬＥＤチップ３を１つの仮想円の円周上に略等間隔で配置できるようにパターン形成されている。第１導体層１３ｂのパターンは、特に限定するものではない。
第１導体層１３ｂは、複数個の紫外ＬＥＤチップ３を直列接続が可能となるように構成してもよいし、並列接続が可能となるように構成してもよい。
サブマウント部材１３は、第１接合部（図示せず）を介して金属板２１と接合されている。第１接合部の材料としては、例えば、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリー半田が好ましい。第１接合部の材料としてＡｕＳｎを採用する場合には、金属板２１の前記一表面における接合表面に予めＡｕ又はＡｇからなる金属層を形成する前処理が必要である。第１接合部は、導電ペーストから形成してもよい。導電ペーストとしては、例えば、銀ペースト、金ペースト、銅ペースト等を採用することができる。
サブマウント部材１３の厚み寸法は、第１導体層１３ｂの表面が保護層２６の表面よりも金属板２１から離れるように設定してある。しかして、紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３から側方に放射された光が、電気絶縁層２２の孔２４の内周面を通して電気絶縁層２２に吸収されるのを抑制することが可能となる。
サブマウント部材１３の厚み寸法は、０．３ｍｍ程度に設定してあるが、特に限定するものではない。ただし、紫外線発光装置１は、サブマウント部材１３の厚み寸法が大きくなるにつれて厚み方向の熱抵抗が大きくなるので、あまり大きくしすぎないように設定するのが好ましい。
第１導体層１３ｂの材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ等を採用することができる。紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３がバンプを介して電気的に接続される場合、第１導体層１３ｂの材料がバンプの材料と同じであるのが好ましい。バンプの材料がＡｕの場合、第１導体層１３ｂの材料もＡｕであるのが好ましい。ただし、第１導体層１３ｂは、単層膜に限らず、多層膜でもよく、この場合、最表層がバンプの材料と同じ材料により形成されているのが好ましい。
紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３が厚み方向の一面側に第１電極、他面側に第２電極を有する場合、紫外ＬＥＤチップ３とサブマウント部材１３とを、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等の半田や、銀ペースト等の導電ペーストを用いて接合することができる。紫外ＬＥＤチップ３とサブマウント部材１３の第１導体層１３ｂとの接合は、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。この場合、第１導体層１３ｂは、Ａｕ層、Ａｇ層などの金属層により構成されているのが好ましい。第１導体層１３ｂは、例えば、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を利用して形成すればよい。
紫外線発光装置１は、例えば、紫外ＬＥＤチップ３が厚み方向の一面側に第１電極、他面側に第２電極を有する場合、サブマウント部材１３が、紫外ＬＥＤチップ３と金属板２１との線膨張率差に起因して紫外ＬＥＤチップ３に働く応力を緩和する機能を有する。サブマウント部材１３は、前記応力を緩和する機能だけでなく、紫外ＬＥＤチップ３で発生した熱を金属板２１において紫外ＬＥＤチップ３のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有する。したがって、紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３で発生した熱をサブマウント部材１３及び金属板２１を介して効率良く放熱させることが可能となる。
基材１３ａの材料は、ＡｌＮに限らず、例えば、Ｓｉ、ＣｕＷ、複合ＳｉＣ、等を採用してもよい。基材１３ａの材料として絶縁体でないＳｉやＣｕＷ等を採用する場合には、基材１３ａの材料からなる母材の表面に絶縁膜を設け、その絶縁膜上に第１導体層１３ｂをパターン形成すればよい。
サブマウント部材１３は、基材１３ａの表面において第１導体層１３ｂが形成されていない領域に、紫外ＬＥＤチップ３から放射された紫外線を反射する反射膜を形成してもよい。これにより、サブマウント部材１３は、紫外ＬＥＤチップ３の側面から放射された紫外線がサブマウント部材１３に吸収されるのを、より抑制することが可能となり、外部への光取り出し効率を向上させることが可能となる。ここで、サブマウント部材１３における反射膜は、例えば、Ｎｉ膜とＡｌ膜との積層膜により構成することができる。
サブマウント部材１３は、枠体４が接触する可能性のある領域に電気絶縁材料からなる絶縁層を備えていてもよい。これにより、枠体３が金属等により形成されている場合に、第１導体層１３ｂと枠体４とを電気的に絶縁することが可能となる。絶縁層の電気絶縁材料としては、例えば、シリコン酸化物等を採用することができる。
紫外線発光装置１は、回路基板等の別部材に取り付けることができるように、実装基板２に、実装基板２の厚み方向に貫通する孔２９を設けてある。孔２９の開口形状は、円形状としてある。紫外線発光装置１は、実装基板２の平面視形状が矩形状であり、実装基板２の４つの角部のうち対向する２つの角部の各々の近傍に第２端子部２３ｂを設けてあり、残りの２つの角部の各々の近傍に孔２９を設けてある。これにより、紫外線発光装置１は、螺子等により回路基板等の別部材に取り付けることも可能である。螺子としては、頭部の外径が孔２９の内径よりも大きく、軸部の外径が孔２９の内径よりも小さいものを用いればよい。螺子としては、金属製の螺子や樹脂製の螺子等を用いることができる。
紫外線発光装置１は、２つの第２端子部２３ｂ及び２つの孔１９を上述のようにレイアウトしてあるので、第２端子部２３ｂと電線等との第２接合部にかかる応力や螺子に起因してかかる応力等に起因して実装基板２に反り等が発生するのを抑制することが可能となる。
枠体４は、実装基板２の一表面側に配置されている。枠体４は、実装基板２に第３接合部（図示せず）を介して接合されている。第３接合部の材料としては、例えば、エポキシ樹脂等を採用することができる。
枠体４は、実装基板２から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる枠状に形成されている。枠体４は、紫外ＬＥＤチップ３から側方へ放射された紫外線を窓材５側へ反射するリフレクタを構成している。
枠体４の材料としては、アルミニウムを採用している。枠体４の内側面４ａからなる反射面の反射率は、例えば２６５ｎｍの紫外線に対して９７％程度である。枠体４における実装基板２側の表面と内側面４ａとのなす角度は、５５°に設定してあるが、一例であり、特に限定するものではない。枠体４の材料は、アルミニウムに限らず、樹脂（例えば、ＰＢＴ等）等でもよく、この場合、枠状の樹脂成形品の内側面にアルミニウム等の金属からなる反射膜を設けるのが好ましい。枠体４は、実装基板２に一体に形成された構成としてもよい。なお、枠体４は、必ずしもリフレクタを構成するものに限らない。
窓材５の外周形状は、矩形状としてあるが、特に限定するものではない。窓材５は、枠体４及び複数個の紫外ＬＥＤチップ３を覆うように配置されている。ここで、窓材５は、枠体４における実装基板２側とは反対の表面に接合されている。
窓材５は、紫外ＬＥＤチップ３から放射される紫外線に対する透過率が７０％以上であるのが好ましく、８０％以上であるのがより好ましい。窓材５の材料としては、例えば、紫外ＬＥＤチップ３から放射される紫外線に対する透過率が８０％以上の石英ガラスや、硼珪酸ガラス（例えば、ＳＣＨＯＴＴ社製の８３３７Ｂ等）を採用することが好ましい。
これにより、紫外線発光装置１は、紫外ＬＥＤチップ３から放射される紫外線に対する窓材５の透過率を８０％以上とすることが可能となる。
窓材５は、平板状の形状としてあるが、これに限らず、例えば、レンズ状の形状としてもよい。
以下では、点光源の配光特性について説明した後、紫外線発光装置１の配光特性について説明する。
図６（ａ）は、点光源と見なせる光源１０の配光特性の極座標表示による説明図である。図６（ｂ）は、光源１０の配光特性の直角座標表示による説明図である。
光源１０の放射光強度の配光分布は、光源１０の光取り出し面の中心点の法線方向の放射光強度をＩ０、前記法線方向に対する角度である放射角度をθ、放射角度θの方向の放射光強度をＩθとすれば、Ｉθ＝Ｉ０cosｎθ（ｎは１以上の実数）となる。よって、放射光強度Ｉ０により規格化した放射光強度Ｉθ／Ｉ０の配光分布は、cosｎθとなる。
図６（ａ）及び図６（ｂ）の各々において、Ａ０１、Ａ０２、Ａ０３及びＡ０４は、規格化した放射光強度Ｉθ／Ｉ０が、cosθ、cos２θ、cos３θ及びcos４θそれぞれの場合の配光特性である。図７は、点光源１０による平面状の被照射面７上の配光分布の説明図である。図７において、Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３及びＡ１４は、配光特性がＡ０１、Ａ０２、Ａ０３及びＡ０４それぞれの場合の被照射面７上での放射照度分布である。
ところで、細菌の消毒等の目的で被照射物に紫外線を照射する場合、細菌の消毒に必要な紫外線照射量は、細菌の種類や生息条件等によって異なるが、照射強度〔Ｗ／ｃｍ２〕×照射時間（ｓｅｃ）により表わすことができる。ここで、本願発明者らは、照射時間が同じなら、被照射領域内の紫外線の照射強度を略一定とすればよく、被照射領域の中央付近のみの照射強度を強くする必要性がないと考えた。そして、本願発明者らは、平面状の被照射面に紫外線を照射する場合、放射角度θの絶対値が小さな範囲（配光分布の中央部）では余分なエネルギが消費されてしまうと考えた。
そこで、本願発明者らは、図８（ａ）に示すように配光分布の中央部を平坦（フラット）にした配光特性を考えた。図８（ａ）及び図８（ｂ）の配光分布は、図６（ａ）及び図６（ｂ）の配光分布において１／２ビーム角の範囲で照射される被照射面を均一な放射光強度で照射できるようにした場合の配光分布である。ここにおいて、１／２ビーム角とは、放射光強度が最大値の１／２になる方向と光軸とのなす角度の２倍の角度を意味する。
図８（ａ）は、紫外線発光装置１の目標とする配光特性の極座標表示による説明図である。図８（ｂ）は、紫外線発光装置１の目標とする配光特性の直角座標表示による説明図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）の各々において、Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３及びＡ２４は、cosθ、cos２θ、cos３θ及びcos４θそれぞれの場合の配光特性において１／２ビーム角で照射される被照射面を均一な放射光強度で照射できるようにした場合の配光特性である。図９は、紫外線発光装置１による被照射面７上の目標とする配光分布の説明図である。図９において、Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３及びＡ３４は、配光特性がＡ２１、Ａ２２、Ａ２３及びＡ２４それぞれの場合の被照射面７上での放射照度分布である。図９の配光分布は、被照射面７上で平坦部を有する配光分布である。
そして、紫外線発光装置１は、放射光強度Ｉθの放射角度依存性が、cosｎθ（ｎは１以上の実数）を同一出力の基準として、前記第１規定範囲ではcosｎθよりも小さくなり、前記第２規定範囲ではcosｎθよりも大きくなるように、前記複数個の紫外ＬＥＤチップ３が配置されている。これにより、紫外線発光装置１は、平面状の被照射面７（図４参照）での必要な照度を確保しつつ照度の均一化を図ることが可能となる。図５（ａ）では、前記第１規定範囲は、−１９°＜θ＜１９°としてあるが、この角度範囲は１／２ビーム角と同程度の角度範囲である。
図１０は、紫外線発光装置１の実施例についての極座標表示での配光特性の実測例である。図１０において、Ａｘは、光軸に対してそれぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸を規定した場合に、光軸とＸ軸とを含む平面での配光特性を示し、Ａｙは、光軸とＹ軸とを含む平面での配光特性を示している。
図１１は、紫外線発光装置１の前記実施例についての直角座標表示での配光特性の実測例である。図１１では、光軸とＸ軸とを含む平面での実測の配光特性を実線で示し、光軸とＸ軸とを含む平面での仮想のcos２θの配向特性を一点鎖線で示してある。
図１２は、図１１の配光特性に関して、仮想のcos２θの配向特性の出力を実測例と同一出力となるように規格化した図である。図１２では、紫外線発光装置１の前記実施例についての配光特性の説明図である。図１２では、実線が、実測の配光特性を示し、一点鎖線が、規格化したcos２θの配向特性を示している。図１２から、紫外線発光装置１では、図５（ａ）のＡ２と同様の配光特性が得られていることが分かる。よって、紫外線発光装置１では、平面状の被照射面７での必要な照度を確保しつつ照度の均一化を図ることが可能となる。
図１３は、紫外線発光装置１の被照射面７上の照度分布図である。この照度分布図は、被照射面７上での放射照度のシミュレーション結果である。図１３（ａ）は直角平面上での放射照度の分布を示している。図１３（ｂ）は、Ｘ軸上での放射照度の分布を示している。図１３（ｃ）は、Ｙ軸上での放射照度の分布を示している。
図１３からも、紫外線発光装置１では、平面状の被照射面７での必要な照度を確保しつつ照度の均一化を図ることが可能となるものと推考される。
紫外線発光装置１は、小型化及び低背化の要求によって、枠体４の形状等が制限されることも考えられる。このため、紫外線発光装置１では、図３に示すように、枠体４の高さ寸法をＨ２、紫外ＬＥＤチップ３の高さ寸法をＨ１、複数個の紫外ＬＥＤチップ３の実装エリアの幅をＷ１、枠体４の最大内径をＷ２としたときに、Ｈ１＜Ｈ２≦Ｗ１／２であり、且つ、Ｗ２≦２×Ｗ１の条件を満たす場合も考えられる。このような場合、紫外線発光装置１は、複数個の紫外ＬＥＤチップ３の群を点光源とみなすことができず、リフレクタを構成する枠体４の形状設計のみで所望の配光分布を得ることが難しく、枠体４が、配光分布を微調整する程度の役割しか果たさないことがある。しかしながら、本実施形態の紫外線発光装置１では、複数個の紫外ＬＥＤチップ３が、実装基板２の前記一表面のうち平面視で枠体４により囲まれた領域２ａにおいて、領域２ａの中心２ａａを避けて且つ中心２ａａを囲んで配置されているので、複数個の紫外ＬＥＤチップ３の群の配置により、平面状の被照射面７での必要な照度を確保しつつ照度の均一化を図ることが可能となる。紫外線発光装置１は、小型化及び低背化を図ることによって、材料費の削減による低コスト化や、衛生器具（例えば、消毒器、浄水器、浄化器等）における比較的狭いスペースへの組み込みが可能となる。
紫外線発光装置１は、cos２θ、cos３θ、cos４θのいずれかを同一出力の基準とする場合、枠体４がリフレクタを構成しているのが好ましい。紫外線発光装置１は、cosθを同一出力の基準とする場合、枠体４がリフレクタを構成していてもよいが、リフレクタを構成していなくてもよい。また、紫外線発光装置１は、cos３θ、cos４θのいずれかを同一出力の基準とする場合、窓材５が平凸型のレンズ形状を有しているのが好ましい。紫外線発光装置１は、cosθ、cos２θのいずれかを同一出力の基準とする場合、窓材５が平凸型のレンズ形状を有していてもよいが、レンズ形状を有していない板状でもよい。
図１４は、実施形態の紫外線発光装置の変形例１における要部説明図である。
紫外線発光装置１は、図１４に示す第１変形例のように、窓材５が、平凸型の非球面レンズ部５ａと、非球面レンズ部５ａの外周部から全周に亘って外方に突出したフランジ５ｂと有した構成としてもよい。
非球面レンズ部５ａは、紫外ＬＥＤチップ３から放射された紫外線の配光を制御するように光学設計されている。図１４中の矢印付きの実線は、紫外ＬＥＤチップ３から放射された紫外線の進行方向の一例を模式的に示している。
フランジ５ｂは、窓材５を枠体４へ接合するための部位である。フランジ５ｂは、厚み方向の両面が平面状であるのが好ましい。紫外線発光装置１は、窓材５の材料として上述の硼珪酸ガラスを採用することにより、窓材５を成形により形成することが可能となる。窓材５は、フランジ５ｂが枠体４に接合されている。窓材５は、非球面レンズ部５ａのうち実装基板２に近い側の第１レンズ面５ａａが凸曲面からなり、実装基板２から遠い側の第２レンズ面５ａｂが平面からなる。第１レンズ面５ａを構成する凸曲面は、曲率が連続的に変化している。窓材５は、非球面レンズ部５ａが、平面視において枠体４の内側に配置されているのが好ましい。
窓材５は、平凸型の非球面レンズ部５ａを有していることにより、半球状の球面レンズにより構成されている場合に比べて、吸収損失を低減することが可能となる。
図１５は、紫外線発光装置１の第１変形例における被照射面上の照度分布図である。この照度分布図は、被照射面７上での放射照度のシミュレーション結果である。図１５（ａ）は、ＸＹ平面上での放射照度の分布を示している。図１５（ｂ）は、Ｘ軸上での放射照度の分布を示している。図１５（ｃ）は、Ｙ軸上での放射照度の分布を示している。
図１５からも、紫外線発光装置１では、平面状の被照射面７での必要な照度を確保しつつ照度の均一化を図ることが可能となるものと推考される。
また、紫外線発光装置１は、図１６に示す第２変形例のように、窓材５の非球面レンズ部５ａのうち実装基板２に近い側の第１レンズ面５ａａが平面からなり、実装基板２から遠い側の第２レンズ面５ａｂが凸曲面からなる構成としてもよい。第２レンズ面５ａｂを構成する凸曲面は、曲率が連続的に変化している。図１６中の矢印付きの実線は、紫外ＬＥＤチップ３から放射された紫外線の進行方向の一例を模式的に示している。
第１変形例の紫外線発光装置１と第２変形例の紫外線発光装置１とでは、第１変形例の紫外線発光装置１のほうが、フランジ５ｂを通る紫外線を低減でき、効率の低下を抑制でき、また、配光制御が容易になる。
１ 紫外線発光装置
２ 実装基板
２ａ 領域
２ａａ 中心
３ 紫外ＬＥＤチップ
４ 枠体（リフレクタ）
５ 窓材
５ａ 非球面レンズ部
５ｂ フランジ
５ａａ 第１レンズ面
５ａｂ 第２レンズ面

Claims (3)

  1. 実装基板と、前記実装基板の一表面側に実装された複数個の紫外ＬＥＤチップと、前記実装基板の前記一表面側で前記複数個の前記紫外ＬＥＤチップを囲んで配置された枠体と、前記実装基板の前記一表面側で前記枠体及び前記複数個の前記紫外ＬＥＤチップを覆うように配置され各前記紫外ＬＥＤチップからの紫外線を透過可能な窓材とを備え、光軸に対する紫外線の放射角度をθ、放射角度θの方向の放射光強度をＩθとし、放射角度θの範囲を、−９０°〜９０°のうち０°を含む第１規定範囲、絶対値が前記第１規定範囲内の値よりも大きい第２規定範囲とに分けたときに、放射光強度Ｉθの放射角度依存性が、cosｎθ（ｎは１以上の実数）を同一出力の基準として、前記第１規定範囲ではcosｎθよりも小さくなり、前記第２規定範囲ではcosｎθよりも大きくなるように、前記複数個の前記紫外ＬＥＤチップが、前記実装基板の前記一表面のうち平面視で前記枠体により囲まれた領域において、前記領域の中心を避けて且つ前記中心を囲んで配置されていることを特徴とする紫外線発光装置。
  2. 前記枠体は、各前記紫外ＬＥＤチップから側方へ放射された紫外線を前記窓材側へ反射するリフレクタであることを特徴とする請求項１記載の紫外線発光装置。
  3. 前記窓材は、前記紫外ＬＥＤチップから放射された紫外線の配光を制御する平凸型の非球面レンズ部と、前記非球面レンズ部の外周部から全周に亘って外方に突出したフランジとを有し、前記フランジが前記枠体に接合されており、前記実装基板に近い側の第１レンズ面が凸曲面からなり、前記実装基板から遠い側の第２レンズ面が平面からなることを特徴とする請求項１又は２記載の紫外線発光装置。
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