JP2021146277A - 紫外線照射装置 - Google Patents

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貴章 田中
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Abstract

【課題】汎用性の向上を図ることができる紫外線照射装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る紫外線照射装置は、第1の方向に延びる第1の基板と;前記第1の基板の面に、前記第1の方向に並べて設けられ、第1のピーク波長を有する紫外線を照射可能な複数の第1の発光素子と;前記第1の方向に延びる第2の基板と;前記第2の基板の面に、前記第1の方向に並べて設けられ、第1のピーク波長とは異なる第2のピーク波長を有する紫外線を、前記第1の発光素子と同時に照射可能な複数の第2の発光素子と;を具備している。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、紫外線照射装置に関する。
紫外線硬化樹脂の硬化、表面改質、殺菌などのために、紫外線を照射する紫外線照射装置がある。紫外線を発生させる光源としては、水銀アークランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどの放電ランプが用いられている。近年においては、省エネルギー化や長寿命化などの観点から、放電ランプに代えて、紫外線発光ダイオード(Ultraviolet Light Emitting Diode)が用いられるようになってきている。
ところが、紫外線発光ダイオードから照射される紫外線は、放電ランプから照射される紫外線に比べて、ナローバンド(狭波長域)となる。そのため、例えば、紫外線照射の対象物の材料が変わったり、成分が変動したりすると適切な処理が行えなくなる場合がある。
そこで、汎用性の向上を図ることができる紫外線照射装置の開発が望まれていた。
特開2011−25170号公報
本発明が解決しようとする課題は、汎用性の向上を図ることができる紫外線照射装置を提供することである。
実施形態に係る紫外線照射装置は、第1の方向に延びる第1の基板と;前記第1の基板の面に、前記第1の方向に並べて設けられ、第1のピーク波長を有する紫外線を照射可能な複数の第1の発光素子と;前記第1の方向に延びる第2の基板と;前記第2の基板の面に、前記第1の方向に並べて設けられ、第1のピーク波長とは異なる第2のピーク波長を有する紫外線を、前記第1の発光素子と同時に照射可能な複数の第2の発光素子と;を具備している。
本発明の実施形態によれば、汎用性の向上を図ることができる紫外線照射装置を提供することができる。
本実施形態に係る紫外線照射装置を例示するための模式側面図である。 第1の光源および第2の光源を例示するための模式斜視図である。 図1におけるA部の模式拡大図である。 図3における紫外線照射装置のB−B線方向の模式断面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
紫外線照射の対象物100は、例えば、紫外線硬化樹脂を含むものとすることができる。対象物100は、例えば、紫外線硬化樹脂を含むインキ、接着剤、塗料などとすることができる。ただし、対象物100の材料や、紫外線照射装置1の用途は例示をしたものに限定されるわけではない。対象物100は、例えば、紫外線により硬化が生じたり、紫外線により表面の改質が行われたり、紫外線により表面の殺菌が行われたりするものなどであってもよい。
図1は、本実施形態に係る紫外線照射装置1を例示するための模式側面図である。
図2は、第1の光源2および第2の光源3を例示するための模式斜視図である。
図3は、図1におけるA部の模式拡大図である。
図4は、図3における紫外線照射装置1のB−B線方向の模式断面図である。
図1および図2に示すように、紫外線照射装置1には、第1の光源2、第2の光源3、レンズユニット4、およびベース5を設けることができる。
図1および図2に示すように、第1の光源2は、基板21が延びる方向(第1の方向)と交差する方向において、ベース5の中央領域に設けることができる。第1の光源2は、少なくとも1つ設けることができる。例えば、紫外線照射装置1の中心軸1a上に第1の光源2を1つ設けることができる。例えば、図1に示すように、中心軸1aの両側に第1の光源2を1つずつ設けることができる。例えば、中心軸1a上に第1の光源2を1つ設け、中心軸1aの両側に第1の光源2を1つずつ設けることができる。複数の第1の光源2が設けられる場合には、基板21が延びる方向と交差する方向に、複数の第1の光源2を並べて設けることができる。
図2に示すように、第1の光源2は、基板21(第1の基板)、および複数の発光素子22(第1の発光素子)を有することができる。
基板21は、板状を呈し、一方の方向に延びた形状を有している。基板21の平面形状は、長方形とすることができる。基板21は、例えば、ネジなどの締結部材を用いてベース5の面51に取り付けることができる。なお、ベース5の端面に凹部を設け、凹部の内部に基板21を設けることもできる。この様な場合には、凹部の底面が面51となる。
基板21の一方の面には、配線パターンを設けることができる。配線パターンには、複数の発光素子22を実装することができる。複数の発光素子22は、配線パターンにより直列接続することができる。配線パターンには、一対の接続端子21aを設けることができる。一対の接続端子21aは、配線を介して、紫外線照射装置1の外部に設けられた点灯回路などと電気的に接続される。
また、配線パターンを覆う保護膜を設けることができる。また、白色の保護膜(例えば、白レジスト)や、酸化チタンなど光散乱粒子が混合された保護膜などとすることで反射膜の機能を有する保護膜とすることもできる。
基板21の材料は、紫外線に対する耐性を有し、熱伝導率が高いものとすることが好ましい。基板21の材料は、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックスとすることができる。基板21は、金属板の表面を無機材料で覆ったもの(メタルコア基板)とすることもできる。基板21の材料がセラミックスなどであったり、基板21がメタルコア基板であったりすれば、紫外線に対する耐性と高い放熱性を得ることができる。
複数の発光素子22は、基板21の面に設けることができる。複数の発光素子22は、基板21が延びる方向に並べて設けることができる。なお、図2に例示をした第1の光源2においては、複数の発光素子22が一列に並べられているが、複数の発光素子22が複数列に並べられていてもよい。複数の発光素子22のピッチ寸法(発光素子22同士の間隔)は、一定であってもよいし、異なっていてもよい。
複数の発光素子22のピッチ寸法が一定であれば、照射ムラが生じるのを抑制することができる。
一方、紫外線照射装置1の用途などによっては、複数の発光素子22のピッチ寸法が異なる様にした方が好ましい場合もある。例えば、第1の光源2の中央領域から照射する紫外線の光束を周縁領域から照射する紫外線の光束よりも多くした方が好ましい場合がある。また、これとは逆に、第1の光源2の周縁領域から照射する紫外線の光束を中央領域から照射する紫外線の光束よりも多くした方が好ましい場合がある。この様な場合には、照射する紫外線の光束を多くする領域に設けられる発光素子22の数を多くし、発光素子22のピッチ寸法を短くすることができる。
発光素子22は、紫外線を照射可能な素子であれば特に限定はない。発光素子22は、例えば、紫外線を照射可能な発光ダイオードやレーザダイオードなどとすることができる。なお、本明細書における「紫外線」は、ピーク波長が450nm以下の光とすることができる。
この場合、発光素子22は、発光素子32よりも短い波長の紫外線を照射するものとすることができる。例えば、発光素子22は、ピーク波長(第1のピーク波長)が300nm以上、330nm以下の紫外線を照射することができる。
また、発光素子22は、例えば、PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)型などの表面実装型の発光素子とすることができる。なお、発光素子22は、例えば、砲弾型などのリード線を有する発光素子とすることもできる。図2に例示をした発光素子22は、表面実装型の発光素子である。
また、発光素子22は、COB(Chip On Board)により実装されるものとすることもできる。COBにより実装される発光素子22とする場合には、チップ状の発光素子22と、発光素子22と配線パターンとを電気的に接続する配線と、発光素子22と配線を囲む枠状の部材と、枠状の部材の内部に設けられた封止部などを基板21の上に設けることができる。この場合、枠状の部材は、封止部の形成範囲を規定する機能と、リフレクタの機能とを有することができる。なお、枠状の部材を設けずに封止部のみを設けることもできる。封止部のみを設ける場合には、ドーム状の封止部が基板21の上に設けられる。封止部は、例えば、シリコーン樹脂などから形成することができる。
図1および図2に示すように、第2の光源3は、基板21が延びる方向と交差する方向において、ベース5の中央領域よりも外側の領域に設けることができる。第2の光源3は、基板21が延びる方向と交差する方向において、第1の光源2と並べて設けることができる。第2の光源3は、少なくとも1つ設けることができる。例えば、第2の光源3は、第1の光源2の片側に1つ設けることもできるし、複数設けることもできる。例えば、第2の光源3は、第1の光源2の両側に1つずつ設けることもできるし、複数設けることもできる。
第2の光源3は、基板31(第2の基板)、および複数の発光素子32(第2の発光素子)を有することができる。
本実施の形態に係る紫外線照射装置1においては、第2の光源3(発光素子32)は、第1の光源2(発光素子22)が照射する紫外線のピーク波長とは異なるピーク波長を有する紫外線を、第1の光源2(発光素子22)と同時に照射する。
基板31は、板状を呈し、一方の方向に延びた形状を有している。基板31の平面形状は、長方形とすることができる。基板31は、例えば、ネジなどの締結部材を用いてベース5の面51に取り付けることができる。なお、ベース5の端面に凹部を設け、凹部の内部に基板31を設けることもできる。この様な場合には、凹部の底面が面51となる。例えば、基板31は、基板21と平行に設けることができる。
基板31の一方の面には、配線パターンを設けることができる。配線パターンには、複数の発光素子32を実装することができる。複数の発光素子32は、配線パターンにより直列接続することができる。配線パターンには、一対の接続端子31aを設けることができる。一対の接続端子31aは、配線を介して、紫外線照射装置1の外部に設けられた点灯回路などと電気的に接続される。
また、配線パターンを覆う保護膜を設けることができる。また、白色の保護膜(例えば、白レジスト)や、酸化チタンなど光散乱粒子が混合された保護膜などとすることで反射膜の機能を有する保護膜とすることもできる。
基板31の材料は、紫外線に対する耐性を有し、熱伝導率が高いものとすることが好ましい。基板31の材料は、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックスとすることができる。基板31は、金属板の表面を無機材料で覆ったもの(メタルコア基板)とすることもできる。基板31の材料がセラミックスなどであったり、基板31がメタルコア基板であったりすれば、紫外線に対する耐性と高い放熱性を得ることができる。
複数の発光素子32は、基板31の面に設けることができる。複数の発光素子32は、基板31が延びる方向に並べて設けることができる。なお、図2に例示をした第2の光源3においては、複数の発光素子32が一列に並べられているが、複数の発光素子32が複数列に並べられていてもよい。複数の発光素子32のピッチ寸法(発光素子32同士の間隔)は、一定であってもよいし、異なっていてもよい。
複数の発光素子32のピッチ寸法が一定であれば、照射ムラが生じるのを抑制することができる。
一方、紫外線照射装置1の用途などによっては、複数の発光素子32のピッチ寸法が異なる様にした方が好ましい場合もある。例えば、第2の光源3の中央領域から照射する紫外線の光束を周縁領域から照射する紫外線の光束よりも多くした方が好ましい場合がある。また、これとは逆に、第2の光源3の周縁領域から照射する紫外線の光束を中央領域から照射する紫外線の光束よりも多くした方が好ましい場合がある。この様な場合には、照射する紫外線の光束を多くする領域に設けられる発光素子32の数を多くし、発光素子32のピッチ寸法を短くすることができる。
発光素子32は、紫外線を照射可能な素子であれば特に限定はない。発光素子32は、例えば、紫外線を照射可能な発光ダイオードやレーザダイオードなどとすることができる。例えば、発光素子32は、ピーク波長(第2のピーク波長)が350nm以上、410nm以下の紫外線を照射するものとすることができる。
また、発光素子32は、例えば、PLCC型などの表面実装型の発光素子とすることができる。なお、発光素子32は、例えば、砲弾型などのリード線を有する発光素子とすることもできる。図2に例示をした発光素子32は、表面実装型の発光素子である。
また、発光素子32は、COBにより実装されるものとすることもできる。COBにより実装される発光素子32とする場合には、チップ状の発光素子32と、発光素子32と配線パターンとを電気的に接続する配線と、発光素子32と配線を囲む枠状の部材と、枠状の部材の内部に設けられた封止部などを基板31の上に設けることができる。この場合、枠状の部材は、封止部の形成範囲を規定する機能と、リフレクタの機能とを有することができる。なお、枠状の部材を設けずに封止部のみを設けることもできる。封止部のみを設ける場合には、ドーム状の封止部が基板31の上に設けられる。封止部は、例えば、シリコーン樹脂などから形成することができる。
ここで、照射する紫外線のピーク波長によっては、発光素子の発光効率が低くなる場合がある。一般的に、照射する紫外線のピーク波長が短くなるほど発光素子の発光効率が低くなる。そのため、照射する紫外線のピーク波長が短い発光素子22の数を、発光素子32の数よりも多くする場合がある。
一方、一般的に、照射する紫外線のピーク波長が短くなるほど発光素子の価格が高くなる。そのため、紫外線照射装置1の用途などによっては、照射する紫外線のピーク波長が短い発光素子22の数を、発光素子32の数よりも少なくする場合がある。
また、照射する紫外線のピーク波長が異なると、発光素子の発熱量が異なるものとなる場合がある。
そのため、基板31の形状、寸法、材料、および配線パターンは、基板21の形状、寸法、材料、および配線パターンと異なるものとしてもよい。
なお、基板31の形状、寸法、材料、および配線パターンが、基板21の形状、寸法、材料、および配線パターンと同じであれば、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができる。そのため、生産性の向上や製造コストの低減などの観点からは、発光素子22、32の数や、配置(例えば、ピッチ寸法など)などと、基板21、31の形状、寸法、材料、および配線パターンとが、同じであることが好ましい。
ここで、紫外線照射装置1の用途や対象物100の材料などによっては、紫外線のスペクトルを変更した方が好ましい場合がある。例えば、紫外線硬化樹脂の硬化を行う場合、硬化時間を短くするためには、発光素子から照射される紫外線のスペクトルと、紫外線硬化樹脂の吸収スペクトル域とが一致するか、重なっていることが好ましい。例えば、表面の改質を行う場合、発光素子から照射される紫外線のスペクトルと、改質を行う材料の吸収スペクトル域とが一致するか、重なっていることが好ましい。
本実施の形態に係る紫外線照射装置1には、照射される紫外線のスペクトルが異なる第1の光源2(発光素子22)と第2の光源3(発光素子32)が設けられているので、対象物100の材料が変わったり、成分比が変動したりしても適切な処理を行うことができる。
すなわち、本実施の形態に係る紫外線照射装置1とすれば、汎用性の向上を図ることができる。
なお、第1の光源2と第2の光源3が設けられる場合を例示したが、これらとは照射される紫外線のスペクトルが異なる光源をさらに設けることもできる。この様にすれば、汎用性のさらなる向上を図ることができる。
レンズユニット4は、ベース5の、第1の光源2および第2の光源3が設けられる側に設けることができる。
レンズユニット4は、保持部41、およびレンズ42を有することができる。
保持部41は、板状を呈し、一対設けることができる。一対の保持部41は、基板21が延びる方向において、ベース5の面51の外側に設けることができる。一対の保持部41は、基板21が延びる方向において対峙している。一対の保持部41は、例えば、ネジなどの締結部材を用いてベース5に取り付けることができる。一対の保持部41は、例えば、アルミニウムなどの金属から形成することができる。
レンズ42は、一対の保持部41同士の間に設けることができる。基板21が延びる方向におけるレンズ42の端部は、保持部41に固定することができる。レンズ42は、第1の光源2および第2の光源3に対して1つずつ設けることができる。レンズ42は、第1の光源2および第2の光源3から照射された紫外線を照射位置に集光させる。
レンズ42は、例えば、基板21が延びる方向に延びるシリンドリカルレンズとすることができる。なお、レンズ42が、第1の光源2および第2の光源3に対して1つずつ設けられる場合を例示したが、複数のレンズ42が一体化されていてもよい。また、レンズ42の形状は、紫外線照射装置1の用途などに応じて適宜変更することができる。例えば、図1に例示をしたレンズ42は、凹凸レンズ(メニスカスレンズ)であるが、平凸レンズや両凸レンズなどであってもよい。
すなわち、基板21が延びる方向に延び、複数の発光素子22から照射された紫外線が入射可能な第1のレンズと、基板21が延びる方向に延び、複数の発光素子32から照射された紫外線が入射可能な第2のレンズと、を設けることができる。
また、レンズ42は、フライアレイレンズとすることもできる。レンズ42がフライアレイレンズの場合には、第1の光源2に設けられた複数の発光素子22ごと、および第2の光源3に設けられた複数の発光素子32ごとにレンズを設けることができる。
レンズ42の材料は、紫外線を透過させることができ、且つ、紫外線に対する耐性を有するものであればよい。レンズ42の材料は、例えば、石英ガラス、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などとすることができる。
ベース5は、第1の光源2および第2の光源3を保持する機能と、第1の光源2(発光素子22)および第2の光源3(発光素子32)を冷却する機能を有することができる。 ベース5は、ブロック状を呈し、熱伝導率の高い金属から形成することができる。ベース5は、例えば、アルミニウムなどの金属から形成することができる。
図3および図4に示すように、ベース5の内部には、水などの冷媒を流す流路52を設けることができる。流路52は、例えば、第1の光源2ごと、および第2の光源3ごとに設けることができる。この場合、第1の光源2の光軸の延長線上に、対応する流路52の中心を設けることができる。第2の光源3の光軸の延長線上に、対応する流路52の中心を設けることができる。この様にすれば、発光素子22、32と流路52との間の距離を短くすることができるので、発光素子22、32を冷却するのが容易となる。
また、流路52は、複数の発光素子22、32の列と同じ方向に延びる形状を有することができる。この様にすれば、複数の発光素子22、32に冷却むらが生じるのを抑制することができる。
流路52と隣接する流路52とは、ベース5の内部において接続することもできるし、図1、図3、および図4に示すように、配管継ぎ手53aと配管を介して接続することもできる。また、流路52には、冷媒を供給するための配管継ぎ手53bと、供給された冷媒を排出するための配管継ぎ手53cを接続することができる。
また、ベース5には放熱フィンなどを設けることもできる。
ベース5は、基板21、31が設けられる面51を複数有している。図1に示すように、基板21が延びる方向からベース5を見た場合に、複数の面51の中心は、設置円6の円周上に設けることができる。設置円6は、第1の光源2(発光素子22)の光軸と、第2の光源3(発光素子32)の光軸とが交わる点を中心とした仮想円とすることができる。より具体的には、設置円6は、発光素子22の照射面の中心と紫外線の照射位置100aとを結ぶ線分と、発光素子32の照射面の中心と紫外線の照射位置100aとを結ぶ線分と、が交わる点を中心とした仮想円とすることができる。
例えば、設置円6の半径は、100mm程度とすることができる。なお、設置円6の半径は、紫外線照射装置1の用途、大きさ、発光素子22、32から照射される紫外線の光束などに応じて適宜変更することができる。
また、前述した光軸同士の間の角度(前述した線分同士の間の角度)を設置角度θpとした場合、設置角度θpが同じとなるようにすることもできるし、異なる様にすることもできる。図1に例示をした紫外線照射装置1の場合には、設置角度θpを同じにしている。
対象物100の面100bに対して垂直な方向から、紫外線が入射すれば、対象物100の面100bにおいて反射される紫外線を少なくすることができる。この場合、設置角度θpをなるべく小さくすれば、紫外線照射装置1の中心軸1aと、最も外側に設けられた第2の光源3の光軸との間の角度θ1を小さくすることができる。そのため、最も外側に設けられた第2の光源3から照射された紫外線が対象物100の面100bにおいて反射されるのを抑制することができる。
例えば、設置角度θpを24°程度、角度θ1を60°程度とすることができる。なお、設置角度θpおよび角度θ1は、第1の光源2および第2の光源3の大きさ、数などに応じて適宜変更することができる。
また、紫外線照射装置1の中心軸1aと、光源の光軸との間の角度が小さくなるほど、照射された紫外線が対象物100の面100bにおいて反射されにくくなる。前述したように、紫外線照射装置1の用途や対象物100の材料などによっては、好ましい紫外線のスペクトルがある。そのため、好ましいスペクトルを有する紫外線を照射する光源を中心軸1a上、または、中心軸1aの近傍に設けることが好ましい。
例えば、紫外線硬化樹脂には、モノマー、オリゴマー(プレポリマー)、光重合開始剤、および添加剤が含まれている。紫外線が、紫外線硬化樹脂に照射されると、光重合開始剤がイオンを発生し、そのイオンがモノマーやオリゴマーと重合する(結合して鎖状や網状になる)。この様な反応は光重合反応と呼ばれ、光重合反応により紫外線硬化樹脂が硬化する。
一般的に、光重合開始剤の反応感度は、照射される紫外線の波長が短くなるほど高くなる。そのため、例えば、紫外線硬化樹脂の硬化を行う場合には、図1および図2に例示をした様に、発光素子32よりも短い波長の紫外線を照射する発光素子22が設けられた第1の光源2を、中心軸1a上、または、中心軸1aの近傍に設けることが好ましい。
例えば、図1に示すように、基板21が延びる方向から見た場合に、発光素子22から照射された紫外線と、発光素子32から照射された紫外線と、が対象物100の面100bで重なるようにすることができる。対象物100の面100bに垂直であって、紫外線が重なる位置(照射位置100a)を通る線分と、発光素子22の光軸と、の間の角度は、紫外線が重なる位置を通る線分と、発光素子32の光軸と、の間の角度よりも小さくすることができる。
この様にすれば、紫外線硬化樹脂の硬化時間の短縮を図ることができ、ひいては生産性の向上、製造コストの低減などを図ることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
1 紫外線照射装置、1a 中心軸、2 第1の光源、3 第2の光源、4 レンズユニット、5 ベース、21 基板、22 発光素子、31 基板、32 発光素子、100 対象物、100a 照射位置、100b 面

Claims (4)

  1. 第1の方向に延びる第1の基板と;
    前記第1の基板の面に、前記第1の方向に並べて設けられ、第1のピーク波長を有する紫外線を照射可能な複数の第1の発光素子と;
    前記第1の方向に延びる第2の基板と;
    前記第2の基板の面に、前記第1の方向に並べて設けられ、第1のピーク波長とは異なる第2のピーク波長を有する紫外線を、前記第1の発光素子と同時に照射可能な複数の第2の発光素子と;
    を具備した紫外線照射装置。
  2. 前記第1のピーク波長は、300nm以上、330nm以下であり、
    前記第2のピーク波長は、350nm以上、410nm以下であり、
    前記第1の方向から見た場合に、前記第1の発光素子から照射された紫外線と、前記第2の発光素子から照射された紫外線と、が対象物の面で重なり、
    前記対象物の面に垂直であって、前記紫外線が重なる位置を通る線分と、前記第1の発光素子の光軸と、の間の角度は、前記紫外線が重なる位置を通る線分と、前記第2の発光素子の光軸と、の間の角度よりも小さい請求項1記載の紫外線照射装置。
  3. 前記第1の方向に延び、前記複数の第1の発光素子から照射された紫外線が入射可能な第1のレンズと;
    前記第1の方向に延び、前記複数の第2の発光素子から照射された紫外線が入射可能な第2のレンズと;
    をさらに具備した請求項1または2に記載の紫外線照射装置。
  4. 前記第1の基板と、前記第2の基板と、が設けられ、冷媒が流通可能な流路を有するベースをさらに具備した請求項1〜3のいずれか1つに記載の紫外線照射装置。
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