JP6644745B2 - 紫外線光素子、紫外線光素子用パッケージ及び紫外線光素子に用いられる光学部材並びにその光学部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、紫外線殺菌に用いられる深紫外線ＬＥＤ等の紫外線光素子、紫外線光素子用パッケージ及び紫外線光素子に用いられる光学部材並びにその光学部材の製造方法に関する。
紫外線殺菌に際しては、従来から広く水銀灯が使用されてきたが、「水銀に関する水俣条約」の発効により、２０２０年以降、水銀製品の製造や輸出入が制限される。そのため、現在使用されている水銀灯の寿命が尽きた後の代替光源として、紫外線ＬＥＤ(Light Emitting Diode)、特に波長２８０ｎｍ以下の深紫外線ＬＥＤが注目されている。
例えば、特許文献１には、波長２００ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外光を出力する発光モジュールが開示されている。この発光モジュールは、中央に発光素子が実装される有底凹部を有するセラミック製のパッケージ基板と、有底凹部の開口を覆うように取り付けられた窓部材を備えている。窓部材のうち発光素子と対向する部分にレンズ部が形成され、またレンズ部の周囲には、パッケージ基板に接合するためのフランジ部が、レンズ部と共に一体的に形成されている。紫外線ＬＥＤも発光面は平面であるため、所望する方向に光を配光させるためには、レンズが必要である。
上記特許文献１では、窓部材は、石英ガラスのペレット等を材料とする溶融石英を金型に流し込むことで形成される（段落００３４参照）。しかしながら、石英ガラスの軟化点が約１７００℃と非常に高温であり、１９００℃に加熱しても非常に固く、加工するのが困難である。また、石英ガラスは、気体の蒸気圧が大きいために固体から直接気体に移行するので融液状態にはならないこともあり、溶融石英から所望するレンズ形状を得ることは非常に困難である。そのため、一般的に、インゴット状で供給される石英ガラスを所定形状に切削、研削し、さらに表面を鏡面研磨する、伝統的なガラスレンズの製造方法が用いられており、非常に高価なレンズとなってしまう。
また、波長３００ｎｍ以下の深紫外線を高透過率で透過させる物質として、従来は石英ガラスが用いられていたが、近年、特許文献２に開示されているように、波長３００ｎｍ以下の深紫外線を高透過率で透過させるガラスも開発されている。この種のガラスの軟化点は、１０００℃以下であり、上記のような伝統的なガラスレンズの製造方法以外の製造方法によって所望するレンズ形状が得られる可能性がある。
また、特許文献１の発光モジュールでは、窓部材のうち、レンズ部やフランジ部のうち、光が通過する部分以外にマスキングが施され、マスキングされていない部分に対して、真空蒸着やスパッタリング等の方法によりチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を順に積層した多層膜で形成されたメタライズ処理が施されている。しかしながら、微細且つ立体形状のレンズ部やフランジ部をマスキングしてメタライズすることは容易でなく、マスキングが不十分となってメタライズ処理が適切に施されなければ、パッケージ基板と窓部材との接合及び封止が不完全となる虞がある。紫外線、特に波長の短い深紫外線は、樹脂材料等を著しく劣化させるので、深紫外線を取り扱う、発光素子及び受光素子を含む光モジュールのパッケージからの深紫外線の漏れを防止する必要があり、パッケージの接合及び封止は、製品の信頼性に大きく影響する。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、石英ガラスよりも軟化点が低く、波長２５０〜４００ｎｍ以下の光の平均透過率が高いガラスを用い、簡単な方法により所望する形状のレンズを有する光学部材を得ることができ、且つ、簡易な工程でセラミック製のパッケージ基板と光学部材とを接合させることができる紫外線光素子、紫外線光素子用パッケージ及び紫外線光素子に用いられる光学部材並びにその光学部材の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る紫外線光素子は、
紫外線を発光する光素子と、
前記光素子が実装されるセラミック製のパッケージ基板と、
前記基板に実装された前記光素子と対向する部分にレンズを有し、前記基板に接合される光学部材と、を備えた紫外線光素子であって、
前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されており、
前記基板のうち前記光学部材との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
前記枠体と前記メタライズ部とが無機材料により接合されることを特徴とする。
紫外線を発光する光素子と、
前記光素子が実装されるセラミック製のパッケージ基板と、
前記基板に実装された前記光素子と対向する部分にレンズを有し、前記基板に接合される光学部材と、を備えた紫外線光素子であって、
前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されており、
前記基板のうち前記光学部材との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
前記枠体と前記メタライズ部とが無機材料により接合されることを特徴とする。
上記紫外線光素子において、前記枠体は、その表面に形成された酸化膜によって前記ガラスと封止接合されることが好ましい。
上記紫外線光素子において、前記枠体と前記メタライズ部とは、金属プリフォームにより接合されることが好ましい。
上記紫外線光素子において、前記枠体は、前記メタライズ部と接合される面が前記光学部材の前記基板と対向する面から露出するように、前記光学部材に埋没されていてもよい。
上記紫外線光素子において、前記基板には、複数の前記光素子が所定の配列パターンで実装され、前記光学部材は、前記光素子の配列パターンに対応するように配列された複数のレンズを有するものであってもよい。
また、本発明に係る紫外線光素子用パッケージは、
紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製のパッケージ基板と、前記基板に接合される光学部材と、を備えた紫外線光素子用パッケージであって、
前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されており、
前記基板のうち前記光学部材との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
前記枠体と前記メタライズ部とが無機材料により接合されることを特徴とする。
紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製のパッケージ基板と、前記基板に接合される光学部材と、を備えた紫外線光素子用パッケージであって、
前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されており、
前記基板のうち前記光学部材との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
前記枠体と前記メタライズ部とが無機材料により接合されることを特徴とする。
また、本発明に係る光学部材は、
紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板に接合される光学部材であって、
軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されていることを特徴とする。
紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板に接合される光学部材であって、
軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光学部材の製造方法は、
紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板に接合される光学部材の製造方法であって、
軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスを所定サイズのガラスペレットに切断する工程と、
前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属を、前記基板のうち前記光学部材との接合部と略同形状の枠体に形成する工程と、
前記枠体の表面に酸化膜を形成し、該酸化膜によって前記枠体と前記ガラスと封止接合する工程と、
窒素ガス環境下において、所定形状に形成された治具に前記枠体及び前記ガラスペレットを載置し、前記軟化点よりも高い第１の温度に加熱して前記ガラスペレットを溶融させ、前記治具の形状を転写させた所定形状の光学部材を成形する工程と、
前記枠体のうち前記ガラスと接合していない面の酸化膜を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。
紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板に接合される光学部材の製造方法であって、
軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスを所定サイズのガラスペレットに切断する工程と、
前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属を、前記基板のうち前記光学部材との接合部と略同形状の枠体に形成する工程と、
前記枠体の表面に酸化膜を形成し、該酸化膜によって前記枠体と前記ガラスと封止接合する工程と、
窒素ガス環境下において、所定形状に形成された治具に前記枠体及び前記ガラスペレットを載置し、前記軟化点よりも高い第１の温度に加熱して前記ガラスペレットを溶融させ、前記治具の形状を転写させた所定形状の光学部材を成形する工程と、
前記枠体のうち前記ガラスと接合していない面の酸化膜を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。
上記光学部材の製造方法において、
前記ガラスの軟化点よりも高く前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱し、前記光学部材の表面を熱研磨する工程を更に備えることが好ましい。
前記ガラスの軟化点よりも高く前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱し、前記光学部材の表面を熱研磨する工程を更に備えることが好ましい。
上記光学部材の製造方法において、
前記治具は、カーボンパウダーを固めて成形したものであることが好ましい。
前記治具は、カーボンパウダーを固めて成形したものであることが好ましい。
本発明によれば、溶融又は軟化したガラスペレットに治具の形状を転写させて光学部材を加圧成形しているので、石英ガラスのインゴットを切削、研削する伝統的なガラスレンズの製造方法に比べて、製造工程を簡易化することができる。また、光学部材の成形と同時に、金属の枠体を光学部材に一体的に封止接合させるので、メタライズ処理のためのマスキングや蒸着工程が不要になる。更に、光学部材と一体化された枠体と、メタライズ処理されたパッケージ基板のメタライズ部とを、金属プリフォームで接合することで、パッケージ基板と光学部材とを簡易に接合させることができる。結果的に、低コストで、信頼性の高い紫外線光素子及び紫外線光素子用パッケージを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る紫外線光素子、紫外線光素子用パッケージ及び紫外線光素子に用いられる光学部材並びにその光学部材の製造方法について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る紫外線光素子の構成を示す。なお、紫外線光素子から発光素子を除いたものが紫外線光素子用パッケージである。
紫外線光素子１は、深紫外線を出力する光素子２と、セラミック製のパッケージ基板３と、パッケージ基板３に接合される光学部材４を備えている。ここで、光素子２は、一例として、波長３００ｎｍ以下、より好ましくは波長２８０ｎｍ以下、さらに好ましくは波長２６５ｎｍの深紫外線を発光する深紫外線発光素子である。また、光素子２は、例えば、サファイア基板上に単一のＬＥＤ構造が形成された単一のチップであってもよいし（図例）、サファイア基板上に複数のＬＥＤ構造が形成された集積型のチップであってもよい。
パッケージ基板３は、例えば、平面視で略正方形であり、光素子２が実装される有底凹部３１と、有底凹部３１の周囲を隙間無く取り囲む周壁３２を有している。光学部材４は、図例の構成では、単一の球面又は単一の非球面レンズであって、有底凹部３１の開口に対向する部分にレンズ４１が形成され、パッケージ基板３の有底凹部３１に実装された光素子２の発光面が、ちょうど光学部材４のレンズの焦点となるように、レンズ４１及びパッケージ基板３の有底凹部３１の深さや周壁３２の高さ等が設計されている。
光学部材４は、平面視で略正方形であり、その外形寸法はパッケージ基板３の外形寸法と略同じであり、パッケージ基板３の周壁３２の上端部３３に接合される。パッケージ基板３の周壁３２の上端部３３は、例えば、金メッキや金蒸着等によってメタライズ処理が施されている。すなわち、本実施例では、上端部３３が光学部材４との接合部であり、これがメタライズ部とされている。一方、光学部材４のパッケージ基板３に対向する側の面のうち、周壁３２の上端部との接合部には、周壁３２の上端部３３と略同形状であって、ガラスの熱膨張係数と略同じ熱膨張係数を有する金属で形成された枠体５が一体的に封止接合されている。すなわち、枠体５も、平面視で略正方形であり、その外形寸法はパッケージ基板３の外形寸法と略同じである。
ここで、光学部材４は、一例として、軟化点が１０００℃以下で、図２に示すように、波長２５０〜４００ｎｍの光に対して、厚み２．０ｍｍの資料における平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されている。このガラスの成分としては、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３を主体とし、更に、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ、を含有する（詳細な組成は上記特許文献２参照）。
また、ガラス及び枠体５の熱膨張係数は、例えば、常温で４．５×１０−６Ｋ−１程度であり、枠体５の材料としては、例えば厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度のコバール(Kovar)を使用することができる。コバールは、鉄とニッケル及びコバルト等の合金であり、硬質ガラスの接着に使用される一般的な材料である。コバールの融点は１４５０℃程度であり、ガラスの融点よりも高い。パッケージ基板３と光学部材４とは、金属の枠体５と、パッケージ基板３の周壁３２の上端部３３のメタライズ処理層とを、金属プリフォーム６で溶接することで接合される。金属プリフォーム６は、金・スズといった貴金属を含む薄い金属（合金）を接合部分の形状に成形したものである。
次に、紫外線光素子１の製造方法について、図３及び図４を参照しつつ説明する。図３は、紫外線光素子１の製造方法における第１段階として、紫外線光素子１に用いられる光学部材４の製造方法であり、枠体５と一体的に接合された光学部材４の製造工程を示す。また、図４は、紫外線光素子１の製造方法における第２段階として、パッケージ基板３と光学部材４との接合工程を示す。
この紫外線光素子１の製造方法において、光学部材４は、ガラスを加熱し、溶融又は軟化させた後、所定の型（治具）で圧縮成形している（いわゆるコンプレッション成形）。図３（ａ）に示すように、固定された治具２０の上面には、枠体５と略同形状の窪み２１が形成されており、図３（ｂ）に示すように、枠体５はこの窪み２１に嵌装される。ここで、枠体５には酸化処理が施されており、その表面には酸化膜が形成されている。治具２０は、例えば、カーボンパウダーを図示のような所定形状に圧縮成形したものである。なお、便宜上、枠体５は平面視で環状に描かれているが、正方形又は長方形丸型であってもよい。また、枠体５の厚みは実際のものよりも誇張して描かれている。
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば、棒状で供給されるガラスを所定サイズ（所定体積又は所定重量）のガラスペレット１０に切断し、図３（ｃ）に示すように、枠体５の中心とガラスペレット１０の中心が一致するように、治具２０上に載置する。次に、図３（ｄ）に示すように、枠体５及びガラスペレット１０が載置された治具２０と、成形すべきレンズ形状と同形状の曲面を有する窪み２６が形成された可動式の治具２５とを、第１加熱炉４０内に収納し、窒素ガス環境下においてガラスの軟化点よりも高い第１の温度（例えば１０００℃）に加熱する。図３（ｄ）では、ガラスペレット１０が溶融又は軟化した状態を描いている。治具２０も、例えば、カーボンパウダーを図示のような所定形状に圧縮成形したものであり、治具２０の窪み２１の中心と治具２５の窪み２６の中心が一致するように、治具２０及び治具２５が配置されている。
ガラスペレット１０が、コンプレッション成形可能な程度に溶融又は軟化されると、図３（ｅ）に示すように、可動式の治具２５を治具２０に向かって徐々に下降させ、窪み２６の表面によってガラスペレット１０を加圧変形させる。それによって、溶融したガラスペレット１０の表面に窪み２６の曲面が転写される。また、ガラスペレット１０が溶融した時、枠体５の表面に形成された酸化膜により、枠体５とガラスとの濡れ性が良くなり、ガラス・金属界面の密着性が向上し、それらが封止（ハーメチック）接合される。このようにして治具２５を所定時間所定圧力で治具２０に押しつけて光学部材４を圧縮成形した後、第１加熱炉４０内の温度を低下させ、治具２０、治具２５、成形された光学部材４及び枠体５を冷却する。
また、前述のように、枠体５の材料と光学部材４の熱膨張係数が略同じであるので、冷却の際、光学部材４と枠体５とは略同じ割合で収縮するため、光学部材４と枠体５とが分離することはなく、冷却後であっても光学部材４と枠体５は一体的に封止接合されている。そして、常温に冷却した後、第１加熱炉４０から治具２０、治具２５及び光学部材４及び枠体５を取り出し、治具２５を治具２０から分離する。それによって、図３（ｆ）に示すように、封止接合された光学部材４及び枠体５が得られる。
また、枠体５及び光学部材４は、別途の加熱炉（不図示）に収納し、酸素を含む空気環境下においてガラスの軟化点よりも高く、第１の温度（例えば、１０００℃）よりも低い第２の温度（例えば、８００℃）に再加熱されることが好ましい。この加熱処理により、カーボンパウダーの転写によるシボ加工状の光学部材４の表面が、再溶融又は再軟化されると、表面張力によって溶融又は軟化したガラスが凸部から凹部に異動し、光学部材４の表面の凹凸が徐々に均され、平滑化される。すなわち、簡易な熱処理により、レンズの表面を熱研磨することで、レンズの表面を鏡面仕上げとすることができる。
光学部材４は、各面稜線が加圧成形時にＲ状の曲面となるように形成されており、図１で示したように、熱研磨により上記曲面のＲが更に大きくなる。なお、上記曲面を鋭角にする必要がある場合には、光学部材の表面を機械加工で切削すればよい。上記処理を経て、光学部材４及び枠体５を接合させた後、枠体５のうちガラスと接合していない面の酸化膜が、洗浄、除去される。枠体５と接合された光学部材４は、それ自体が独立して製造及び商取引され得るものであり、以下に説明するパッケージ基板３との接合工程は、光学部材４の製造者と異なる製造者によって実施されてもよい。
次に、図４（ａ）に示すように、別途、セラミックを用いて、有底凹部３１と、有底凹部３１の周囲を隙間無く取り囲む周壁３２を有するパッケージ基板３を製造する工程と、パッケージ基板３の周壁３２の上端部３３に金メッキや金蒸着によりメタライズ処理を施す工程と、パッケージ基板３の有底凹部３１に深紫外線ＬＥＤ等の光素子２を実装する工程とを経て、光素子２が実装されたパッケージ基板３を用意しておく。この段階では、枠体５のうちガラスと接合していない面の酸化膜は除去されている。また、パッケージ基板３の周壁３２の上端部３３は、メタライズ処理として金メッキや金蒸着（不図示）が施されている。そして、用意されたパッケージ基板３と、上記のようにして形成された枠体５と一体的に接合された光学部材４との間に、金・錫又は金・ゲルマニウムといった貴金属を含む合金等で形成された金属プリフォーム６を配置し、パッケージ基板３側の上端部３３及び枠体５の下面５１とが略密着するように、位置合わせを行う。そして、図４（ｂ）に示すように、パッケージ基板３、金属プリフォーム６、及び光学部材４を、第２の加熱炉５０内で、少なくとも金属プリフォーム６の溶融温度（２００〜４００℃）以上の温度まで加熱し、それらを溶接する。そして、金属プリフォーム６の溶融温度以下の温度まで冷却することで、金属プリフォーム６が硬化して、光学部材４と一体化された枠体５と、及びパッケージ基板３の周壁３２の上端部３３とが無機材料（フィレット）により接合される。
このようにして得られた紫外線光素子１又はその紫外線光素子用パッケージでは、パッケージ基板３と光学部材４が、共に平面視で略同じ大きさ及び形状であり、また、枠体５とパッケージ基板３の周壁３２の上端部３３も、共に平面視で略同じ大きさ及び形状である。
枠体５は、光学部材４のパッケージ基板３に対向する側の下面４３のうち、周壁３２の上端部３３に接合される部分に一体的に封止接合されている。そのため、枠体５の下面５１とパッケージ基板３の周壁３２のメタライズ化された上端部３３とが、金属プリフォーム６により密着接合されると、パッケージ基板３の有底凹部３１と光学部材４のパッケージ基板３に対向する側の下面４３とで形成される空間は密閉され、紫外線光素子１又はその紫外線光素子用パッケージの外部とは遮断される。光素子２が発光素子の場合、発光素子から出力される深紫外線はパッケージ基板３と光学部材４の接合部の隙間から漏れることはなく、紫外線光素子１の周囲に存在する樹脂製品等に悪影響を与えることはほとんどなくなる。
ところで、図３に示す枠体５と一体的に接合された光学部材４の製造工程において、治具２０及び治具２５は、それぞれカーボンパウダーを圧縮して形成されたものを用いている。そのため、図３（ｆ）において成形された光学部材４の表面には、微小なカーボンパウダーの形状が転写されてシボ加工状になっており、いわゆるつや消し処理がなされたような状態になっている。また、光学部材４の表面に、剥離したカーボンパウダーが付着している場合もあり得る。そこで、図３（ｆ）に示す工程の後、成形された光学部材４の表面を洗浄し付着したカーボンパウダーを除去する洗浄工程を設けてもよい。具体的には、塩酸、フッ化水素水、脱イオン水等を用いて光学部材４の表面を洗浄する。
なお、光素子２から出射された深紫外線を拡散して照射したい場合、光学部材４の表面に凹凸が残っていた方がよい場合もある。その場合は、図４（ｂ）で示したパッケージ基板３と光学部材４の接合工程における加熱温度をやや低く設定するか、加熱時間をやや短く設定することによって、光学部材４の表面の再溶融又は再軟化の程度を小さくしてもよい。
また、上記実施形態では、有底凹部３１、周壁３２及び上端部３３を有するパッケージ基板３を用い、有底凹部３１に光素子２が実装される構成例を示したが、枠体５に所定の厚みがあれば、図５に示すように、有底凹部３１等が無い平坦な基板３Ｆが用いられてもよい。この場合、光学部材４が枠体５の厚みで基板３Ｆに対して下駄を履かせた状態で保持され、光学部材４（下面４３）と基板３Ｆとの間に形成された隙間に、光素子２が収容される。また、上記実施形態では、光学部材４として平凸単レンズを例示したが、これに限定されるものではなく、両凸単レンズ、凸メニスカス単レンズ、あるいは、用途によっては凹単レンズ等であってもよい。それらの場合、治具２０の表面にもレンズ形状に応じた窪み又は突起が形成されている。また、パッケージ基板３及び光学部材４は、平面視で略正方形の他に、略円形であってもよい。
あるいは、光学部材４として、球面又は非球面の単レンズの他に、図６に示すように、光学部材４は、光学部材４は所定のパターンに配列された複数の球面レンズ又は複数の非球面レンズ４１で構成されていてもよい（いわゆるレンズアレイ）。この場合も、パッケージ基板３及び光学部材４は、平面視で略正方形の他に、略円形であったり、長方形であってもよい。特に、光学部材４がレンズアレイの場合、従来の石英ガラスの研削及び研磨処理では製造不可能であり、本発明による効果は顕著である。さらに、光学部材４が単一の球面又は非球面レンズの場合であっても、レンズの厚みを薄くするためにフレネルレンズとしてもよい（図示せず）。フレネルレンズの場合も、従来の石英ガラスの研削及び研磨処理では製造不可能であり、本発明による効果は顕著である。
図７及び図８は、上記紫外線光素子及びそれに用いる光学部材の製造方法の変形例を示す。図３では、枠体５と略同形状の窪み２１を有する治具２０を用いているが、この変形例では、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、上面２２に凸部２３を有する治具２０を用い、図３等で示したものよりも厚みの薄い枠体５を、凸部２３の外周部であって、治具２０の上面２２に直接的に載置している。そして、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、溶融又は軟化したガラスペレット１０は、凸部２３の形状が転写されて、図７（ｅ）（ｆ）に示すように、成形された光学部材４の下面４３は、凹部４４が形成される。この場合、図８に示すように、枠体５の厚みが薄くても、光学部材４の凹部４４があるので、図５で示した構成と同様に、有底凹部３１等が無い平坦な基板３Ｆを用い、光学部材４の凹部４４と基板３Ｆとの間に形成された空間に、光素子２を収容することができる。なお、図７の工程で作成された枠体５付きの光学部材４と、基板３Ｆとを接合する工程は、上記図４と同様であり、図８では、金属プリフォーム６の記載を省略している。
図９及び図１０は、上記紫外線光素子及びそれに用いる光学部材の製造方法の別の変形例を示す。図３では、枠体５と略同形状の窪み２１を有する治具２０を用いているが、この変形例では、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、上面２２がフラットな治具２０を用い、枠体５を直接治具２０の上面２２に載置している。そして、図９（ｃ）（ｄ）に示すように、溶融又は軟化したガラスペレット１０は枠体５の内側の空洞部に流れ込み、図９（ｅ）（ｆ）に示すように、成形された光学部材４の下面４３は枠体５の下面と面一（つらいち）となる。また、図１０に示すように、枠体５は、パッケージ基板３の周壁３２の上端部３３に接合される下面５１が光学部材４のパッケージ基板３に対向する側の下面４３から露出されるように、光学部材４に埋没されている。ここで、枠体５の環状を成す部分の内周面５２に適度な大きさの凹凸部を形成しておけば、溶融又は軟化したガラスがその凹凸部に流れ込み、アンカー効果を発揮するので、光学部材４と枠体５が強固に固定される。なお、図９の工程で作成された枠体５付きの光学部材４と、パッケージ基板３とを接合する工程は、上記図４と同様であり、図１０では、金属プリフォーム６の記載を省略している。
以上説明したように、本発明によれば、軟化点が１０００℃以下で、波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスを用い、溶融又は軟化したガラスペレット１０に治具２５を押しつけて光学部材４を加圧成形しているので、製造工程数が少なく、且つ、工程自体が簡単である。また、光学部材４の成形と同時に、枠体５が光学部材４に一体的に接合されているため、メタライズ処理のためのマスキングや蒸着工程が不要になる。さらに、光学部材４と一体化された枠体５と、メタライズ処理されたパッケージ基板３の周壁３２の上端部３３とは、互いの接合面が金属となるので、金属プリフォーム６を用いることで、容易に無機材料（フィレット）で接合でき、製造工程をさらに簡単にすることができる。結果的に、低コストで、信頼性の高い紫外線光素子１や紫外線光素子用パッケージを提供することができる。また、ガラスの材料は、上記で例示したものに限定されず、さらに波長の短い深紫外線（例えば２６５ｎｍ）等に対する透過率が８０％よりも低くても、実用上十分な透過率（例えば７０％以上）を有するものであってもよい。
１ 紫外線光素子
２ 光素子
３ パッケージ基板（基板）
３Ｆ 基板
４ 光学部材
５ 枠体
１０ ガラスペレット
２０ 治具
２５ 治具
３３ 上端部（接合部、メタライズ部）
４１、４２ レンズ
２ 光素子
３ パッケージ基板（基板）
３Ｆ 基板
４ 光学部材
５ 枠体
１０ ガラスペレット
２０ 治具
２５ 治具
３３ 上端部（接合部、メタライズ部）
４１、４２ レンズ
Claims (10)
- 紫外線を発光する光素子と、
前記光素子が実装されるセラミック製の基板と、
前記基板に実装された前記光素子と対向する部分にレンズを有し、前記基板に接合される光学部材と、を備えた紫外線光素子であって、
前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されており、
前記基板のうち前記光学部材との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
前記枠体と前記メタライズ部とが無機材料により接合されることを特徴とする紫外線光素子。 - 前記枠体は、その表面に形成された酸化膜によって前記ガラスと封止接合されることを特徴とする請求項１に記載の紫外線光素子。
- 前記枠体と前記メタライズ部とは、金属プリフォームにより接合されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の紫外線光素子。
- 前記枠体は、前記メタライズ部と接合される面が前記光学部材の前記基板と対向する面から露出するように、前記光学部材に埋没されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の紫外線光素子。
- 前記基板には、複数の前記光素子が所定の配列パターンで実装され、
前記光学部材は、前記光素子の配列パターンに対応するように配列された複数のレンズを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の紫外線光素子。 - 紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板と、前記基板に接合される光学部材と、を備えた紫外線光素子用パッケージであって、
前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されており、
前記基板のうち前記光学部材との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
前記枠体と前記メタライズ部とが無機材料により接合されることを特徴とする紫外線光素子用パッケージ。 - 紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板に接合される光学部材であって、
軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、
前記光学部材のうち前記基板との接合部には、該接合部と略同形状であって、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成された枠体が一体的に接合されていることを特徴とする光学部材。 - 紫外線を発光する光素子が実装されるセラミック製の基板に接合される光学部材の製造方法であって、
軟化点が１０００℃以下であり、且つ波長２５０〜４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスを所定サイズのガラスペレットに切断する工程と、
前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属を、前記基板のうち前記光学部材との接合部と略同形状の枠体に形成する工程と、
前記枠体の表面に酸化膜を形成し、該酸化膜によって前記枠体と前記ガラスと封止接合する工程と、
窒素ガス環境下において、所定形状に形成された治具に前記枠体及び前記ガラスペレットを載置し、前記軟化点よりも高い第１の温度に加熱して前記ガラスペレットを溶融させ、前記治具の形状を転写させた所定形状の光学部材を成形する工程と、
前記枠体のうち前記ガラスと接合していない面の酸化膜を除去する工程と、を備えたことを特徴とする光学部材の製造方法。
- 前記ガラスの軟化点よりも高く前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱し、前記光学部材の表面を熱研磨する工程を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の光学部材の製造方法。
- 前記治具は、カーボンパウダーを固めて成形したものであることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の光学部材の製造方法。
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