JP2015070065A - 紫外光発光装置、流体濃度測定装置、透析装置及びオゾン濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易且つ小型で、紫外光の発光出力を容易に安定化することができる紫外光発光装置、流体濃度測定装置、透析装置及びオゾン濃度測定装置を提供する。
【解決手段】第１主面１０と、該第１主面１０と対向する第２主面１１とを有する基板１と、基板１の第１主面１０上に配置されて、波長が１０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の紫外光を発光する発光部２と、基板１の第１主面１０上であって、発光部２とは異なる位置に配置された受光部３とを備え、発光部２が発光する紫外光の一部は、基板１の内部を透過し第２主面１１から外部へ出射し、発光部２が発光する紫外光の他の一部は、基板１の内部を透過し第２主面１１で反射して受光部３に入射し、受光部３は、受光した紫外光を光電変換して電気信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外光発光装置、流体濃度測定装置、透析装置及びオゾン濃度測定装置に関する。

発光ダイオード（以下、ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、低消費電力で長寿命の発光が可能なことから、照明用や表示用をはじめとして幅広い応用がなされている。可視光のＬＥＤに加えて、最近では、新たな材料系を用いることによって、波長が極めて短い、いわゆるＵＶ−Ｃ（２８０ｎｍより短波長の紫外光）帯や、波長が極めて長い、中赤外線（２μｍより長波長の赤外光）帯の領域でもＬＥＤの開発や実用化も進んでいる。

特に、非可視光のＬＥＤは、主として産業機器や医療機器の測定系や通信系などの特殊な用途に用いられるため、フォトダイオードなどのセンサで発光強度をモニターしながら使用することが多く、ＬＥＤとは別にそれぞれの発光波長に応じた特殊なセンサが必要であった。
また、短波長の紫外線は殺菌の用途に用いられることがあるが、紫外線照射の定量的効果を確認するためには、ＬＥＤの発光強度を測定することが重要となる。これは、光源の経時劣化や故障、駆動装置の不良などにより、発光強度が変化もしくは消灯する可能性があるためである。

さらに、発光素子（代表的なものとしては短波長の紫外線）を光学的な分析などに用いる場合には、定量値の正確さを確保するため、発光素子の発光強度が一定であることが望ましく、それを実現するためには発光強度を正確にモニタリングすることが非常に重要である。

特開２０１１−１２０８２１号公報 特開２０１１−１２０８２２号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．１７，（１９９９），ｐｐ．２４５６−２４５８ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１，（２００６）， ｐ．１４−１７

紫外光光源として水銀ランプは従来から広く用いられ、近年では発光ダイオード（ＬＥＤ）も広く用いられるようになってきたが、ともに出力の安定性に乏しいため、単独では測定用光源として用いることはできない。このため、特許文献１のように、光源５０１の出力変動を補正するためにビームスプリッター５０３を用いた構造が考えられる（図６参照）。この構造により、光源５０１からの光強度が変動することがあっても、参照光由来の第１センサ５０４の出力信号と透過光由来の第２センサ５０５の出力信号の比を検出することで、管５０２内を流れる流体の一定濃度に対して一定の信号を検出することが可能になる。しかし、図６に示す濃度測定装置５００は、ビームスプリッター５０３が必要であるため、装置全体で一定以上の大きさが必要になり、小型化が困難である。また、ビームスプリッター５０３と、第１センサ５０４及び第２センサ５０５の互いの位置関係も限定されるため、設計の自由度は低いものになる。

これを解決するために、特許文献２のように測定前に受光強度を所定値とすることで、光源を校正する方法も提案されている。
即ち、図７に示す濃度測定装置５５０では、管５５２を挟んで光源５５１とセンサ５５５とを対向して配置しておき、管５５２内を流れる流体の濃度を測定する前に予め、光源５５１の強度をセンサ５５５の出力信号で校正する方法である。しかし、この方法では、測定中の光強度の変動が、測定対象である流体の濃度変化によるものなのか、それとも光源の出力変動によるものなのかを区別することができない。

このように、測定用光源として、小型で安定した光源が望まれているものの、精密な分析測定の光源として用いることが可能な、発光出力が十分に安定した紫外光発光装置は未だ得られていないのが現状である。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、簡易且つ小型で、紫外光の発光出力を容易に安定化することができる紫外光発光装置、流体濃度測定装置、透析装置及びオゾン濃度測定装置の提供を目的とする。

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す紫外光発光装置、流体濃度測定装置、透析装置及びオゾン濃度測定装置を想到するに至った。
即ち、本発明の一態様に係る紫外光発光装置は、第１主面と、該第１主面と対向する第２主面とを有する基板と、前記基板の第１主面上に配置されて、波長が１０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の紫外光を発光する発光部と、前記基板の第１主面上であって、前記発光部とは異なる位置に配置された受光部とを備え、前記発光部が発光する紫外光の一部は、前記基板の内部を透過し第２主面から外部へ出射し、前記発光部が発光する紫外光の他の一部は、前記基板の内部を透過し第２主面で反射して前記受光部に入射し、前記受光部は、受光した紫外光を光電変換して電気信号を出力することを特徴とする。

また、上記の紫外光発光装置において、前記発光部及び前記受光部がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴としてもよい。
また、上記の紫外光発光装置において、波長３６０ｎｍの紫外光に対する前記基板の屈折率が１．７以上、２．６以下であることを特徴としてもよい。
また、上記の紫外光発光装置において、波長３６０ｎｍの紫外光に対する前記基板の屈折率が２．０以上、２．６以下であることを特徴としてもよい。

また、上記の紫外光発光装置において、前記発光部が発光する紫外光のピーク波長における、前記基板の吸収係数が１２０ｃｍ^−１以下であることを特徴としてもよい。
また、上記の紫外光発光装置において、前記発光部の中心部と前記受光部の中心部との間の熱抵抗が、０．１Ｗ／Ｋ以上、１５Ｋ／Ｗ以下であることを特徴としてもよい。
また、上記の紫外光発光装置において、前記基板の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、６００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴としてもよい。

また、上記の紫外光発光装置において、前記受光部が出力する前記電気信号に基づいて前記発光部の発光出力を制御する制御部、をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記の紫外光発光装置において、前記制御部は、前記発光部による発光パターンをパルス状に制御して光パルスを発光させ、且つ、 前記受光部が前記光パルスを受光することにより出力したパルス状の前記電気信号について、該電気信号の強度を目標値に一致させるように前記発光部の発光出力を制御することを特徴としてもよい。

また、上記の紫外光発光装置において、前記制御部は、前記発光部に前記光パルスとは別に温度制御用光パルスを発光させ、且つ、前記温度制御用光パルスを発光しているときの前記発光部の電圧特性に基づいて、該発光部の温度を制御することを特徴としてもよい。
本発明の一態様に係る流体濃度測定装置は、上記の紫外光発光装置を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る透析装置は、上記の流体濃度測定装置を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係るオゾン濃度測定装置は、上記の流体濃度測定装置を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、簡易且つ小型で、紫外光の発光出力を容易に安定化することができる紫外光発光装置、流体濃度測定装置、透析装置又はオゾン濃度測定装置を提供することができる。

、本実施形態に係る紫外光発光装置１００の構成例と、発光部２が発する紫外光の透過、反射の方向を示す概念図である。 発光部２及び受光部３の積層構造の一例を示す断面図である。 発光部２の発光出力の制御方法の一例を示す概念図である。 本発明の第１実施例に係る血液透析装置２００の構成例を示す概念図である。 本発明の第２実施例に係るオゾン含有流体供給装置３００の構成例を示す概念図である。 第１の従来例を示す図である。 第２の従来例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。
＜実施形態＞
（全体構成）
本発明の実施形態（以下、本実施形態という）に係る紫外光発光装置は、第１主面と、該第１主面と対向する第２主面とを有する基板と、基板の第１主面上に配置されて、波長が１０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の紫外光を発する発光部と、基板の第１主面上であって、発光部とは異なる位置に配置された受光部とを備える。この紫外光発光装置では、発光部が発する紫外光の一部は、基板の内部を透過し第２主面から外部へ出射する。また、発光部が発する紫外光の他の一部は、基板の内部を透過し第２主面で反射して受光部に入射する。そして、受光部は、入射した紫外光を電気信号に変換して出力する。この受光部から出力された電気信号は、例えば、紫外光発光装置が備える制御部に入力される。制御部は、この入力された電気信号に基づいて、発光部の発光出力を制御することが可能である。

本実施形態に係る紫外光発光装置は、受光部と発光部の両方が基板の同じ面（第１主面）上に配置されており、発光部から放射された光の一部が、基板内部を透過し、基板の第２主面と基板外部の空間との界面で反射し、受光部に入光するように受光部と発光部が備わっている。これにより、小型で簡易な構成でありながら、光源である発光部の出力変動に対する補正が可能となる。次に、本実施形態に係る紫外光発光装置の各構成要素について説明する。

（基板）
本実施形態の紫外光発光装置における基板は、互いに対向する第１主面と第２主面を有し、該第１主面上に受光部と発光部を有する。発光部から放射された光の一部は基板内部を透過し、第２主面から取り出すことが可能であり、且つ、発光部から放射された他の一部は基板の第２主面と基板外部の空間との界面で反射し、受光部に入光する。

製造プロセス容易性の観点から、該基板は、受光部と発光部をエピタキシャル成長で形成することが可能な部材であることが好ましい。基板の具体的な材料としては、サファイア、スピネル、イットリウム安定化ジルコニア、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＳｃＡｌＭｇＯ_４が挙げられる。好適な材料は、発光部を構成する発光素子や受光部を構成する受光素子の構造によって好適なものが変わるが、例えば発光素子及び受光素子の活性層がＡｌＧａＮである場合、サファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３）やＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮが好ましく、ＡｌＮであることがより好ましい。深紫外光を発光する発光素子を形成する観点から、バンドギャップが広く、高融点で化学的にも安定で、屈折率が高く、熱伝導率が高いＡｌＮ単結晶が好ましい。特に、紫外光に対する吸収係数（即ち、吸光係数）が低い、高品位なＡｌＮ単結晶がより好ましい。

基板の上記界面での反射強度の観点から、波長３６０ｎｍの光に対する基板の屈折率が１．７以上２．６以下であることが好ましく、２．０以上２．６以下であることがより好ましい。基板の屈折率が１．７以上２．６以下となる具体的な材料としては、ＡｌＮやダイヤモンド、サファイア等が挙げられる。
発光部から受光部までの基板内部の光透過量の観点から、発光部が発する紫外光のピーク波長（即ち、発光強度が最大になる波長）における、基板の吸収係数が１２０ｃｍ^−１であることが好ましい。基板の吸収係数が１２０ｃｍ^−１となる具体的な材料としては、ＡｌＮやサファイアが挙げられる。

基板の屈折率は数ｍｍ角以上の大きさのある試料の場合には、市販の紫外可視分光器にて透過率を測定し、これと文献に述べられている屈折率から求めた反射率から吸収係数を求めることができる。また、分光エリプソメトリー法を用いて、屈折率と吸収係数を同時に求める、即ち屈折率の実部ｎと虚部ｋを同時に求めることもできる。これは、偏光した斜入射光を試料に当て、ブリュースター角付近のｓ偏光とｐ偏光の反射率ＲｐとＲｓの強度比及び位相差を測定し、この値と解析モデルを介してｎとｋ等を求める方法である。サンプルが１ｍｍ四方以下のように微小で有る場合には、集光系を備えた分光エリプソメトリーを用いることで、同様に屈折率の実部ｎと虚部ｋを求めることができる。

発光部からの発熱による受光部の特性の変化を安定させるという観点から、基板の熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、６００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。基板の熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、６００Ｗ／ｍ・Ｋ以下となる具体的な材料としてはＡｌＮやシリコンカーバイド、ダイヤモンドが挙げられる。
基板の熱伝導率は、数ｍｍ角以上の大きさのある試料であれば、温度差のある既知材料に挟みこんで、一定時間経過後の両端の温度差から熱伝導率を求める定常法を用いることができる。試料が定常法を用いるのに十分な大きさが無い場合には、レーザーフラッシュ法を用いて測定することができる。これは、レーザーを集光したスポットを試料表面に当て、このレーザーの出力を周期的に変調させたときの周囲への伝播の様子を、試料からの放射測温を顕微鏡で観察することで熱伝導率を計算する方法である。

（発光部）
本実施形態の紫外光発光装置における発光部は、基板の第１主面上に配置されて、波長が１０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の紫外光を発光するものであればよい。波長が１０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の紫外光を発光するには、発光部を構成する発光素子（例えば、ＬＥＤ）の発光層のバンドギャップが例えば３．４４ｅＶ以上であるものを採用すればよい。具体的にはＧａＮもしくはＡｌＧａＮを発光層としてもつｐｎ接合、ｐ−ｉ−ｎ接合、シングルヘテロ及びダブルヘテロ接合を用いた構造、もしくはそれらに多重量子井戸構造を導入した構造とすればよい。

（受光部）
本実施形態の紫外光発光装置における受光部は、発光部が発光した紫外光を受光し、光電変換して電気信号を出力するものであればよい。この電気信号は、例えば、発光部を制御する制御部に入力することが可能である。該受光部は、基板の第１主面上であって、第２主面での反射光が入射する位置（即ち、発光部から放射され、基板内部を透過し、第２主面の上記界面で反射した紫外光が入射する位置）に配置される。

また、受光部について、発光部が発光する紫外光に応じた信号を出力することが可能なものとするには、受光部を構成する受光素子（例えば、フォトダイオード）の受光層を、発光素子の発光層のバンドギャップと同じかそれより小さい半導体とすればよい。具体的には、受光部を、発光層と同様の構造を持つフォトダイオードや、ｐもしくはｎの片方のみの電導性の層を利用したショットキー型フォトダイオード、ＭＳＭ型フォトダイオード、フォトトランジスター、フォトコンダクターとした構造とすればよい。製造プロセスの容易性及び受光効率の観点から、発光素子及び受光素子がそれぞれ、同一の材料（例えば、同一の半導体材料）で、同一の積層構造からなることが好ましい。

また、発光部からの発熱による受光部の特性の変化を安定させるという観点から、発光部の中心部（例えば、ＬＥＤ等の発光素子中心部）と、受光部の中心部（例えば、フォトダイオード等の受光素子中心部）の間の熱抵抗が、０．１Ｋ／Ｗ以上、１５Ｋ／Ｗ以下であることが好ましい。該熱抵抗はレーザーフラッシュ法により求めることができる。

（制御部）
本実施形態の紫外光発光装置は、受光部が出力する電気信号に基づいて発光部の発光出力を制御する制御部を備えることが好ましい。例えば、制御部は、発光部による紫外光の発光パターンをパルス状に制御して光パルスを発光させ、且つ、受光部が光パルスを受光して出力するパルス状の電気信号について、該電気信号の強度を目標値に一致させるように、発光部の発光出力をフィードバック制御することが好ましい。目標値は、受光部が繰り返し出力するパルス状の電気信号のピーク強度の平均値でもよいし、予め設定した設定値でもよい。これにより、制御部は発光部の発光出力を一定に制御することができ、発光部の定光出力動作が可能となる。

また、発光波長は発光部の温度により変動し得る（非特許文献１参照）。そこで、制御部は、発光部に上記の光パルスとは別に温度制御用光パルスを発光させ、且つ、温度制御用光パルスを発光しているときの発光部の電圧特性（例えば、ＬＥＤの順電圧）に基づいて、該発光部の温度を制御することが好ましい。例えば、発光部が発光する光パルスのうち、一の光パルスを発し、次に一の光パルスを発する間に、温度制御用光パルスを挿入し、温度制御用光パルスにより、受光部の温度を一定に制御することも好ましい。このような制御部を備えることにより、一定の発光波長での連続使用が可能となる。

＜実施形態の具体例＞
以下、図面を参照して本実施形態の具体例を説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成及び機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本実施形態に係る紫外光発光装置１００の構成例と、発光部２が発する紫外光の透過、反射の方向を示す概念図である。図１に示す紫外光発光装置１００において、発光部２は、基板１の第１主面１０上に形成されている。また、受光部３は、同一の基板１の第１主面１０上であって、発光部２とは異なる位置に形成されている。

この紫外光発光装置１００において、発光部２から放射された紫外光は、基板１の内部を透過して該基板１の第２主面１１を透過する。第２主面１１を透過した紫外光は、取り出し光４１として、基板１から取り出される。また、発光部２から放射された紫外光は、基板１の第１主面に対して垂直方向だけでなく、第１主面に対して斜めに交差する方向にも放射される。このため、発光部２から放射された紫外光は、基板１の内部を透過して該基板１の第２主面１１に至ることになるが、基板１の第２主面１１と基板外部の空間との屈折率の差から、第２主面１１と基板外部の空間との界面で、紫外光の一部が反射する。

基板１と上記空間との間に十分な屈折率の差があり、且つ、発光部２から放射される紫外光のピーク波長における、基板の吸収係数が十分に低い場合には、発光部２から放射された紫外光のうち、受光部３で強度を検出するのに十分な強さの光が受光部３に到達する。その結果、到達した紫外光の光量（＝到達した紫外光の強度×受光時間）を定量的に測定することができる。また、基板１と基板外部の空間との間に十分な屈折率の差がある場合には、基板外部の空間からの光も第２主面１１でよく反射するため、外部からの迷光が受光部３に到達しづらくなり、よりノイズの少ない状況で、発光部２から放射された紫外光の光量を測定することができるという利点も備える。

発光部２と受光部３は同一構成の半導体積層膜から作製することもできる。この際には、発光部２と受光部３は同じ波長特性を有することになるため、この半導体積層膜の組成や構造が製造時にばらつくことがあっても、発光強度モニタリング性能に影響しない素子を作製することができる。

次に、紫外光発光装置１００の各構成要素について説明する。まず、基板１は、発光部２及び受光部３を作製するために必要な半導体薄膜層が形成でき、且つ所望の波長帯の光が効率的に透過できるものであれば良い。前述のとおり、紫外光を発光する発光部（例えば、ＬＥＤ）２を作製する場合には、サファイア、スピネル、イットリウム安定化ジルコニア、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＳｃＡｌＭｇＯ_４などが好適であるが、特に深紫外光ＬＥＤを作製する場合には、バンドギャップが広く、高融点で化学的にも安定で、屈折率が高く、熱伝導率が高く、ＡｌＮ単結晶が好ましい。特に、発光部２からの発光波長に対する吸収係数が低い、高品位なＡｌＮ単結晶がより好ましい。

図２は、発光部２及び受光部３の積層構造の一例を示す断面図である。始めに、発光部２について説明する。図２に示すように、発光部２は、ｐ型半導体層２１と、発光層２２と、ｎ型半導体層２３と、ｐ電極２４及びｎ電極２５とを有するＬＥＤからなる。発光部２は、目的とする波長帯の光が発光できる構成であれば良く、特に膜の材料、構成は限定されない。発光部２には、必要に応じてバンドギャップの異なる半導体を用いるか、キャリアのバリア層や、電極のコンタクト抵抗を低減するための半導体層などを加えてもよく、その膜構造、組成等は数多くの組み合わせが可能である。

なお、紫外光発光装置１００では、基板１の第２主面１１側から光放射を行うため、発光層２２で発光した光の吸収を少なくすることが好ましい。例えば、ｎ型半導体層２３と、基板１を発光波長で吸収の起こらない構成、具体的には発光波長相当の光子エネルギーより大きなバンドギャップをもつ半導体で構成するなどが考えられる。

次に、受光部３について説明する。受光部３は、例えば発光部２に隣接する形で基板１の第１主面１０上に設けられている。受光部３の薄膜構造は、発光部２のために形成した薄膜構造と可能な限り共通の構造で、共通の材料であることが好ましい。具体的には、受光部３は、ｐ型半導体層３１と、発光層３２と、ｎ型半導体層３３と、ｐ電極３４及びｎ電極３５とを有するフォトダイオードからなる。そして、受光部３のｐ型半導体層３１、受光層３２、ｎ型半導体層３３はそれぞれ、発光部２のｐ型半導体層２１、発光層２２、ｎ型半導体層２３と同じ組成であることが好ましい。これは、発光層２２からの紫外光が、
紫外光を発光する発光層２２が製造時の条件変動などによって組成が変動し、発光波長が変化しても、同様の組成となるように形成した受光層３２も同じように組成が変動することで、受光特性の変化を抑制することができるからである。ただし、受光層３２については、ｐ型半導体層、あるいはｎ型半導体層のみで光電動型の受光部とすることも可能である。

次に、制御部４について説明する。制御部４は、基板１に設けられていてもよいし、基板１以外の他の基板（図示せず）に設けられていてもよい。制御部４は、受光部３が出力する電気信号を受信することができ、且つ、発光部２に発光出力制御用の電気信号（例えば、電流パルス）を出力することができるように、発光部２及び受光部３と接続されれば、その設置位置は特に制限されない。

図３（ａ）及び（ｂ）は、発光部２の発光出力の制御方法の一例を示す概念図である。図３（ａ）の横軸は時間を示し、縦軸は発光部２への印加電流値を示す。また、図３（ｂ）の横軸は時間を示し、縦軸は受光部３が出力する電流値を示す。
図３（ａ）に示すように、制御部４は、発光部２による紫外光の発光パターンをパルス状に制御して光パルス５１を発光させる。すると、受光部３は、この光パルス５１のうちの第２主面１１と基板外部の空間との界面で反射した光を受光し、光電変換して、パルス状の電気信号を出力する。このパルス状の電気信号が、図３（ｂ）に示す電流パルス６１である。制御部４は、この電流パルス６１について、その強度を目標値に一致させるように、発光部２の発光出力をフィードバック制御する。

ここで、目標値は、受光部３が繰り返し出力する電流パルスの各々のピーク強度の平均値でもよいし、予め設定した設定値でもよい。ここでは、電流パルス６１のピーク強度が目標値よりも低かった場合を想定する。この場合は、図３（ａ）に示すように、制御部４は、発光部２に次の光パルス５２を発光させる際に、発光部２に対する印加電流を高める。これにより、発光部２の発光出力は高められ、図３（ｂ）に示すように、受光部３が出力する電流パルス６２のピーク強度（つまり、パルス高）は目標値に近づくこととなる。

また、一般的にダイオードは温度が高くなるにつれて、一定電流での順電圧（即ち、順方向に電流を流したときの電圧降下）Ｖｆの値が小さくなる。このような温度に対する順電圧Ｖｆの特性を利用することで、ＬＥＤの温度の変化量を求めることができるし、順電圧Ｖｆが一定となるように温度制御をかけることで、ＬＥＤの温度を一定に保つことができる。

そこで、発光部２がＬＥＤからなる場合は、図３（ａ）に示すように、制御部４は、発光部２に上記の光パルス５１、５２とは別に、発光部２に微小一定電流を印加して温度制御用光パルス（微小一定パルス）５３を発光させると共に、温度制御用光パルス５３を発光しているときの発光部２の順電圧Ｖｆを測定する。そして、この測定された順電圧Ｖｆに基づいて、発光部２の温度を制御してもよい。例えば、発光部が光パルス５１を発光し、次に光パルス５２を発光する間に、温度制御用光パルス５３を挿入する。そして、制御部４は、順電圧Ｖｆが一定となるように（つまり、温度が一定となるように）、発光部２をフィードバック制御する。

ここで、発光部２の温度を一定にするための方法としては、光パルスのデューティー比を制御する方法が挙げられる。例えば、発光部２が光パルス５１を発光し、続いて、温度制御用光パルス５３を発光した後、発光部２で測定された一定電流での順電圧Ｖｆが一定になるように、次に発光する光パルス５２のデューティー比（＝パルス幅／パルス周期）を制御する。例えば、発光部２が温度制御用光パルス５３を発光したときに測定された、一定電流での順電圧Ｖｆが目標値よりも大きかった場合を想定する。この場合、発光部２の温度が低いことを意味するため、次に発光する光パルス５２のデューティー比を大きくする。これにより、発光部２に対する電流印加の時間が増えるため、発光部２の温度を高めることができる。これにより、発光部２の温度を目標値に近づける（つまり、一定に保つ）ことが可能となる。

図３（ａ）において、光パルス５１、５２はデューティー比と印加電流を任意に定めることができるが、制御範囲を大きくできることからデューティー比を３０％以上、５０％以下とし、印加電流を４０ｍＡ／ｍｍ^２以上、０ｍＡ／ｍｍ^２以下程度とするのがよい。
また、本実施形態では、制御部４が発光部２の制御を開始する際に、発光部２に事前に一定電流を流しておくことで、発光部２全体を予め温めておくようにしてもよい。これにより、発光部２の発光強度を素早く安定化させることが可能となる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態は、以下の効果（１）〜（３）を奏する。
（１）受光部が出力する電気信号に基づいて、発光部による紫外光の発光出力（即ち、発光強度）を制御することができ、発光出力を容易に安定化することができる。例えば、制御部４は、発光部２による発光パターンを制御して光パルス５１、５２を発光させ、且つ、受光部３が光パルス５１、５２を受光することにより出力した電流パルス６１、６２について、そのピーク強度を目標値に一致させるように発光部２の発光出力をフィードバック制御する。

ここで、発光部２から受光部３に至る光路は基板１内にあり、該光路中に流体等が流れる空間は存在しない。これにより、該光路中に上記のような空間が存在する場合と比べて、その使用環境によらず、該光路での光パルス５１、５２の減衰を抑えることができる。従って、発光部２による紫外光の発光出力を容易に安定化することができる。精密な分析測定の光源として供することのできる、高度に安定した紫外光光源となる発光部２を備えた、紫外光発光装置を提供することができる。

（２）また、例えば図６、図７に示したようなビームスプリッターを備えなくても、発光部２の発光出力の変動を補正することができるため、紫外光発光装置の構成を簡易化、小型化することができる。
（３）また、発光部２が発光ダイオードの場合、制御部４は、発光ダイオードに光パルス５１、５２とは別に温度制御用光パルス５３を発光させ、且つ、温度制御用光パルス５３を発光しているときの発光ダイオードの順電圧Ｖｆに基づいて、該発光ダイオードの温度を制御してもよい。これにより、発光ダイオードの温度を安定化することができるので、発光出力のさらなる安定化に寄与することができる。

次に、上述した紫外光発光装置１００を応用した各種装置について、実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、幅広い応用が可能である。
（第１実施例）
本発明の第１実施例として、上述した紫外光発光装置１００を、血液透析廃液中の老廃物濃度測定に応用した場合について説明する。
図４は、本発明の第１実施例に係る血液透析装置２００の構成例を示す概念図である。図４に示すように、この血液透析装置２００は、透析廃液の紫外光吸収を利用した老廃物濃度測定機能を有する装置であり、高分子多孔質膜からなる中空糸を備えた血液浄化器であるダイアライザ８０と、ダイアライザ８０に接続された血液回路のうち動脈側血液回路が８１と、ダイアライザ８０に接続された血液回路のうち静脈側血液回路８２と、ダイアライザ８０に接続された透析液ラインのうち透析液導入ライン８３と、ダイアライザ８０に接続された透析液ラインのうち透析液排出ライン８４と、透析液排出ライン８４に接続された老廃物濃度測定装置１５０と、を備える。

また、老廃物濃度測定装置１５０は、排出ラインに分光用光学窓が備えられた測定用石英ガラス管７０と、測定用石英ガラス管７０の外側に配置された紫外光発光装置１００と、測定用石英ガラス管７０の外側であって紫外光発光装置１００と対向する位置に配置された測定用フォトダイオード７２とを備える。
ダイアライザ８０内には複数の中空糸が備えられ、中空糸内部と中空糸外部は別の流路となっていて、互いの液体は中空糸高分子膜を隔てて分離されている。一般的には中空糸内部が血液回路に接続され、外部が透析液ラインに接続されている。血液中の老廃物は中空糸膜を経て、透析液側に拡散し、透析液排出ライン８４中に排出される。排出液中の老廃物が測定用石英ガラス管７０を通る際に、紫外光発光装置１００からの出射光を吸収する。

透析治療の際には、その週の初めの透析開始前に行われる血液検査を行い、血清中の尿素窒素濃度を測ることが一般的に行われている。この濃度をＣ（０）とおくと、非特許文献２などの報告から、３００ｎｍ付近の吸光度がＣ（０）に比例することから、測定される血液流通前に透析液のみを透析液ラインに満たす状態での測定用フォトダイオード７２の出力をＩｂｌ、血液流通開始直後の出力をＩ（０）、ｔ時間後の出力をＩ（ｔ）とすると、ｔ時間後の血液中の尿素窒素濃度Ｃ（ｔ）は、以下の（１）式で算出される。

Ｃ（ｔ）＝Ｃ（０）×ｌｏｇ１０（Ｉｂｌ−Ｉ（ｔ））／ｌｏｇ１０（Ｉｂｌ−Ｉ（０））…（１）
このＣ（ｔ）を常時記録することで、透析量Ｋｔ／Ｖをリアルタイムで計算できるようになり、医師の判断によって決められた透析終了点、一般的にＫｔ／Ｖが１．２〜１．８となる点まで透析を続けて、その時点で正確に透析終了することができるようになる。このため、必要以上の透析を行うことでかかる透析患者の負担を減ずることができるようになる。

（第２実施例）
本発明の第２実施例として、上述した紫外光発光装置１００を、オゾンの紫外光吸収を利用した、オゾン濃度測定装置に応用した場合について説明する。
図５は、本発明の第２実施例に係るオゾン含有流体供給装置３００の構成例を示す概念図である。
図５に示すように、オゾン含有流体供給装置３００は、オゾン濃度測定装置２５０と、オゾン濃度測定装置２５０の上流側に配置された上流側流体配管９４と、オゾン濃度測定装置２５０の下流側に配置された下流側流体配管９５と、オゾン発生装置９３と、オゾン発生装置９３と上流側流体配管９４とを接続するオゾン導入配管９６と、を備える。

また、オゾン濃度測定装置２５０は、オゾン濃度測定用セル９０と、オゾン濃度測定用セル９０の外側に配置された紫外光発光装置１００と、オゾン濃度測定用セル９０の外側であって紫外光発光装置１００と対向する位置に配置された測定用フォトダイオード９２と、を有する。上流側流体配管９４と下流側流体配管９５の間にオゾン濃度測定用セル９０が設置されており、上流側流体配管９４内を流れる流体はオゾン濃度測定用セル９０内に導入され、その後、下流側流体配管９５へ流れるようになっている。

上流側流体配管９４からオゾン濃度測定用セル９０に導入される流体は、紫外光発光装置１００の発光波長において吸収が極めて少ない流体であれば、気体でも液体でも良い。２８０ｎｍの発光波長を利用してオゾンの測定を行おうとする場合には、水、大気、酸素、窒素、アルゴンなどが好適である。オゾン導入前の測定用フォトダイオード９２の出力をＩｂｌとし、オゾン導入時の出力Ｉｏｚとすると、オゾン濃度Ｃｏｚは、以下の（２）式で算出される。
Ｃｏｚ＝α×（−ｌｏｇ１０（Ｉｏｚ／Ｉｂｌ））…（２）

ここでαは事前に検量して求めた、装置によってきまる定数である。下流側流体配管９５のさらに下流側に接続された設備によるオゾン消費量に応じて、フィードバックをかけＣｏｚを調整することによって、例えば、水を浄化する設備が接続されている場合には、一定の殺菌強度をもつ水を供給することができる。また、Ｃｏｚの積算値を記録することによって、例えば、室内と室内に置かれた医療器具などを殺菌する用途においては、必要量のオゾン量を的確に供給することができるようになる。

本発明は、安定性が必要とされる光源、特に紫外光光源に好適に用いられる。

１ 基板
２ 発光部
３ 受光部
４ 制御部
１０ 第１主面
１１ 第２主面
２１、３１ ｐ型半導体層
２２、３２ 発光層
２３、３３ ｎ型半導体層
４１ 紫外光（基板の第２主面を透過した出射光）
４２ 紫外光（基板の第２主面で反射した反射光）
５１、５２ 光パルス
５３ 温度制御用光パルス
６１、６２ 電流パルス（光電変換により得られた電気信号）
７０ 石英ガラス管
７１ 紫外光発光装置
７２ 測定用フォトダイオード
８１ 動脈側血液回路
８２ 静脈側血液回路
８３ 透析液導入ライン
８４ 透析液排出ライン
９０ オゾン濃度測定用セル
９２ 測定用フォトダイオード
９３ オゾン発生装置
９４ 上流側流体配管
９５ 下流側流体配管
９６ オゾン導入経路
１００ 紫外光発光装置
１５０ 老廃物濃度測定装置（流体濃度測定装置の一例）
２００ 血液透析装置（透析装置の一例）
２５０ オゾン濃度測定装置
３００ オゾン含有流体供給装置

Claims (13)

1. 第１主面と、該第１主面と対向する第２主面とを有する基板と、
   前記基板の第１主面上に配置されて、波長が１０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の紫外光を発光する発光部と、
   前記基板の第１主面上であって、前記発光部とは異なる位置に配置された受光部とを備え、
   前記発光部が発光する紫外光の一部は、前記基板の内部を透過し第２主面から外部へ出射し、
   前記発光部が発光する紫外光の他の一部は、前記基板の内部を透過し第２主面で反射して前記受光部に入射し、
   前記受光部は、受光した紫外光を光電変換して電気信号を出力することを特徴とする紫外光発光装置。
2. 前記発光部及び前記受光部がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴とする請求項１に記載の紫外光発光装置。
3. 波長３６０ｎｍの紫外光に対する前記基板の屈折率が１．７以上、２．６以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか一項に記載の紫外光発光装置。
4. 波長３６０ｎｍの紫外光に対する前記基板の屈折率が２．０以上、２．６以下であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の紫外光発光装置。
5. 前記発光部が発光する紫外光のピーク波長における、前記基板の吸収係数が１２０ｃｍ^−１以下であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の紫外光発光装置。
6. 前記発光部の中心部と前記受光部の中心部との間の熱抵抗が、０．１Ｗ／Ｋ以上、１５Ｋ／Ｗ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の紫外光発光装置。
7. 前記基板の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、６００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の紫外光発光装置。
8. 前記受光部が出力する前記電気信号に基づいて前記発光部の発光出力を制御する制御部、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の紫外光発光装置。
9. 前記制御部は、
   前記発光部による発光パターンをパルス状に制御して光パルスを発光させ、且つ、
   前記受光部が前記光パルスを受光することにより出力したパルス状の前記電気信号について、該電気信号の強度を目標値に一致させるように前記発光部の発光出力を制御することを特徴とする請求項８に記載の紫外光発光装置。
10. 前記制御部は、
    前記発光部に温度制御用光パルスを発光させ、且つ、
    前記温度制御用光パルスを発光しているときの前記発光部の電圧特性に基づいて、該発光部の温度を制御することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の紫外光発光装置。
11. 請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の紫外光発光装置を備えることを特徴とする流体濃度測定装置。
12. 請求項１１に記載の流体濃度測定装置を備えることを特徴とする透析装置。
13. 請求項１１に記載の流体濃度測定装置を備えることを特徴とするオゾン濃度測定装置。

Images