JP6712855B2

JP6712855B2 - 紫外線発光装置及び紫外線照射装置

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Publication number: JP6712855B2
Application number: JP2015235560A
Authority: JP
Inventors: 加藤　裕幸; 裕幸加藤; 和与至谷口; 松田　純司; 純司松田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: JP2017103351A

Description

本発明は紫外線発光装置及び紫外線照射装置に関する。

紫外線発光装置において、特に、２１０〜３１０ｎｍの短波長領域の紫外線は、消毒、殺菌、浄化用等としての紫外線照射装置に用いられる。

図１３は従来の紫外線発光装置を示す断面図である（参照：特許文献１）。図１３において、紫外線発光装置は、凹部１０１ａが形成され、凹部１０１ａを囲む上部１０１ｂを有する基板１０１と、基板１０１の凹部１０１ａ内のサブマウント１０３上に搭載された紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）素子１０２と、基板１０１の凹部１０１ａを覆うように設けられた紫外線透過窓部材１０４と、基板１０１の上部１０１ｂと紫外線透過窓部材１０４との間に設けられた封止部材としての樹脂接着層１０５とによって構成される。また、サブマウント１０３と基板１０１の配線パッドとの間はワイヤ１０６ａ、１０６ｂによって電気的に接続される。図１３においては、紫外線ＬＥＤ素子１０２から発生した紫外線ＵＬは紫外線透過窓部材１０４を透過して外部へ出射される。紫外線発光装置においては、紫外線ＬＥＤ素子１０２を樹脂封止すると、樹脂が紫外線によって変質劣化して装置の信頼性が低下するので、その代りに、石英ガラス等よりなる紫外線透過窓部材１０４によって封止する。

尚、紫外線透過窓部材１０４が存在しない場合には、光損失が生じないが、手等がワイヤ１０６ａ、１０６ｂに触れて断線し、又は手等が紫外線ＬＥＤ素子１０２に触れて汚染することがあり、この結果、装置の信頼性が低下する。

特開２０１２−２２７５１１号公報

しかしながら、図１３に示す従来の紫外線発光装置においては、紫外線透過窓部材１０４たとえば石英の透過率Ｔは、１００％ではなく、表面反射層等の影響を受けて反射光Ｒ等となり、また、斜光Ｓもあり、この結果、透過率Ｔは９２％程度である。実際には、反射率の入射角度依存性等を考慮すれば、紫外線透過窓部材１０４の透過率Ｔは９０％以下であり、少なくとも１０％以上の光損失が生じて光出力が低下するという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る紫外線発光装置は、凹部が形成され、凹部を囲む上部を有する基板と、基板の凹部内に設けられた複数の紫外線発光素子と、基板の凹部を覆うように基板の上部に設けられた紫外線通過窓部材とを具備し、紫外線通過窓部材は紫外線透過材料によって形成された枠構成梁要素によって区分された複数の開口を有する枠構造を具備し、枠構成梁要素は複数の紫外線発光素子の隣接する素子間上に位置すると共に紫外線発光素子の上に存在せず、紫外線発光素子の上に開口が位置して紫外線発光素子の紫外線を通過するようにしたものである。

また、本発明に係る紫外線照射装置は、殺菌対象物を流すための流路を備えたケーシングと、ケーシングの外面に設けられた上述の紫外線発光装置の少なくとも１つとを具備し、ケーシングは、紫外線透過性を有し、紫外線発光装置は、ケーシングの外面から流路に向けて紫外線を照射するものである。

本発明によれば、紫外線発光素子上に開口部を有する枠構造の紫外線通過窓部材により紫外線発光素子の光損失を抑制し、光出力を向上することができる。また、紫外線通過窓部材の枠構造により紫外線発光素子の汚染を防止することができる。

本発明に係る紫外線発光装置の第１の実施の形態を示す上面図である。図１の紫外線発光装置のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１の紫外線通過窓部材の上面図である。図１の紫外線通過窓部材を取外した紫外線発光装置の上面図である。本発明に係る紫外線発光装置の第２の実施の形態を示す上面図である。図５の紫外線通過窓部材の上面図である。本発明に係る紫外線発光装置の第３の実施の形態を示す上面図である。図７の紫外線通過窓部材の上面図である。図１、図５の紫外線発光装置の光損失を説明するための順電流−光出力特性グラフである。図２の紫外線発光装置の第１の変更例を示す断面図である。図２の紫外線発光装置の第２の変更例を示す断面図である。図１、図５、図７の紫外線発光装置が設けられた紫外線照射装置を示す図である。従来の紫外線発光装置を示す断面図である。

図１は本発明に係る紫外線発光装置の第１の実施の形態を示す上面図、図２は図１の紫外線発光装置のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は図１の紫外線通過窓部材の上面図、図４は図１の紫外線通過窓部材を取外した紫外線発光装置の上面図である。

図１、図２、図３、図４において、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板１は４層の基板１−１、１−２、１−３、１−４の積層よりなり、基板１−３、１−４によって凹部１ａが形成される。

ＬＴＣＣ基板１の凹部１ａの基板１−１、１−２の上下には放熱パッド２−１、２−２、２−３が設けられ、放熱パッド２−１、２−２、２−３は金属ビア３−１、３−２によって結合される。この場合、下側の金属ビア３−１は直径０．３ｍｍと大きく、上側の金属ビア３−２は直径０．２５ｍｍと小さくしてあり、これにより、放熱効率を高くする。金属ビア３−１、３−２はＡｇ又はＡｇ合金よりなり、焼結を阻害しない範囲でＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ等を添加してもよい。

ＬＴＣＣ基板１の凹部１ａを囲み上部をＬＴＣＣ基板１の上部を構成する基板１−３、１−４の下の基板１−１、１−２の上下には、電極パッド４−１、配線パッド４−２、４−３が設けられ、金属ビア（図示せず）によって電気的に接続される。尚、この金属ビアは金属ビア３−１、３−２と同一層よりなる。

たとえば、深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６は波長２１０〜３１０ｎｍの領域の深紫外線を発生するものであり、その発光層はたとえばＡｌＧａＮ系で構成される。これらの深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６はＡｕＳｎ共晶接合層又はバンプ（図示せず）を用いてサブマウント６に搭載される。また、サブマウント６はＡｌＮ又は酸化シリコンを有するシリコンより構成され、放熱性能がよいＡｕＳｎ共晶接合層（図示せず）によって放熱パッド２−３に接合される。従って、深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６から発生した熱はサブマウント６、放熱パッド２−３、金属ビア３−２、放熱パッド２−２、金属ビア３−１及び放熱パッド２−１を介して外部へ放熱される。

深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６はサブマウント６上の配線層６ａ、６ｂ間に電気的に接続され、配線層６ａ、６ｂはワイヤ７ａ、７ｂによって基板１−２上のワイヤボンディングパッド８ａ、８ｂに電気的に接続される。尚、ワイヤボンディングパッド８ａ、８ｂは配線パッド４−３の一部であり、配線パッド４−３、４−２を介して２つの電極パッド４−１に電気的に接続される。従って、深紫外線ＬＥＤ素子５は２つの電極パッド４−１間に電気的に接続されることになる。

ツェナダイオード素子９は深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６を逆電圧から保護するためのものであり、深紫外線ＬＥＤ素子５に電気的に逆並列に接続される。つまり、ツェナダイオード素子９の一方の電極はＬＴＣＣ基板１の凹部１ａのサブマウント６が搭載されていない領域上の配線パッド４−３’上に搭載され、ツェナダイオード素子９の他方の電極はワイヤ７ｃによってワイヤボンディングパッド８ｂに電気的に接続される。

尚、放熱パッド２−１、電極パッド４−１は同一層であり、放熱パッド２−２、配線パッド４−２は同一層であり、放熱パッド２−３、配線パッド４−３、４−３’、ワイヤボンディングパッド８ａ、８ｂは同一層である。

ＬＴＣＣ基板１の凹部１ａを覆うようにＬＴＣＣ基板１の上部つまり基板１−４上に紫外線通過窓部材１０Ａを設けてある。紫外線通過窓部材１０Ａの材料は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミナを含むガラス（ＳｉＯ_２）等のセラミック、アルミニウム、銅等の金属、石英ガラス、サファイヤ、ＭｇＯ、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、合成フューズドシリカ等の紫外線透過材料である。

基板１−４と深紫外線透過窓部材１０Ａとの間の封止部材として樹脂接着層１１を設ける。樹脂接着層１１の材料は、たとえば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、有機／無機（たとえばシリコーン／シリカ）ハイブリッド樹脂、フッ素系樹脂等である。

紫外線通過窓部材１０Ａは、図３に示すごとく、開口１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３、１０Ａ−４、１０Ａ−５、１０Ａ−６を有する。図１に示すごとく、開口１０Ａ−１は深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２上に位置し、ＬＥＤ素子５−１、５−２のサイズより大きく、開口１０Ａ−２は深紫外線ＬＥＤ素子５−３上に位置し、ＬＥＤ素子５−３のサイズより大きく、開口１０Ａ−３は深紫外線ＬＥＤ素子５−４、５−５上に位置し、ＬＥＤ素子５−４、５−５のサイズより大きく、開口１０Ａ−４は深紫外線ＬＥＤ素子５−６上に位置し、ＬＥＤ素子５−６のサイズより大きい。従って、図２に示すごとく、深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６からの紫外線ＵＬは開口１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３、１０Ａ−４を介して光損失がなく出射される。尚、紫外線通過窓部材１０Ａが反射率の高い材料の場合には、図２に示すごとく、紫外線ＵＬは紫外線通過窓部材１０Ａの開口１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３、１０Ａ−４側の壁面においても反射して出射される。従って、光損失はほとんどない。また、紫外線通過窓部材１０Ａの枠構造により深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６の汚染を防止する。

他方、図１に示すように、開口１０Ａ−５、１０Ａ−６はワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃの一部の上に位置し、従って、紫外線通過窓部材１０Ａの枠構造がワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃの一部を覆っており、これにより、ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃを手等からの接触から保護する。

図５は本発明に係る紫外線発光装置の第２の実施の形態を示す上面図、図６は図５の紫外線通過窓部材の上面図である。

図５、図６においては、図１、図３の紫外線通過窓部材１０Ａの代りに、紫外線通過窓部材１０Ｂを設けてある。つまり、紫外線通過窓部材１０Ｂにおいて、紫外線通過窓部材１０Ａの開口１０Ａ−５、１０Ａ−６を設けていない。従って、紫外線通過窓部材１０Ｂの枠構造がワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃのほぼ全部を覆っており、この結果、ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃの保護がより完全となる。尚、光損失は図１、図３の紫外線通過窓部材１０Ａの場合と変わらない。

図７は本発明に係る紫外線発光装置の第３の実施の形態を示す上面図、図８は図７の紫外線通過窓部材の上面図である。

図７、図８においては、図５、図６の紫外線通過窓部材１０Ｂの代りに、紫外線通過窓部材１０Ｃを設けてある。つまり、紫外線通過窓部材１０Ｃにおいて、開口１０Ｃ−１、１０Ｃ−２は図５、図６の開口１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３、１０Ａ−４に相当し、開口１０Ａ−１、１０Ａ−２との間の枠構造及び開口１０Ａ−３、１０Ａ−４との間の枠構造が存在しない。この分だけ開口１０Ｃ−１、１０Ｃ−２を介して出射される紫外線ＵＬの光量は増加する。従って、光損失は図５、図６の紫外線通過窓部材１０Ｂの場合に比較して減少する。尚、紫外線通過窓部材１０Ｃの枠構造は図５、図６の紫外線通過窓部材１０Ｂと同様に、ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃのほぼ全部を覆っており、この結果、ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃの保護は変わらない。

図９は図１、図５の紫外線発光装置の光損失を説明するための順電流−光出力特性グラフである。

図９は、発光波長２８０ｎｍの深紫外線ＬＥＤ素子５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６に順電流２４０ｍＡを流した場合の光出力特性を示す。窓部材が存在しない場合（比較例）の光出力２９．３ｍＷを基準とすると、従来の図１３の紫外線発光装置において、光出力２５．７ｍＷで光損失は約１２％であったのに対し、本発明の図１、図５の紫外線発光装置においては、光出力２８．４ｍＷで光損失は約３％であった。本発明の図７の紫外線発光装置の光損失も同等の約３％もしくはこれ以下である。このように、本発明によれば、光損失を少なくできた。

図１０は図２の紫外線発光装置の第１の変更例を示す。すなわち、紫外線通過窓部材１０Ａの枠の下側（ＬＥＤ素子側）の幅を上側（ＬＥＤ素子の反対側）の幅より小さくすることにより、光取り出し効率を向上させることができる。図５、図７の紫外線発光装置の場合も同様である。

図１１は図２の紫外線発光装置の第２の変更例を示す。すなわち、紫外線通過窓部材１０Ａの枠の深紫外線ＬＥＤ素子の発光波長での反射率が小さい場合、枠の側面にアルミニウム等の反射層１２を設けることにより、光吸収を減少させて光取り出し効率を向上させることができる。図５、図７、図１０の紫外線発光装置の場合も同様である。尚、反射層１２は下から又は上からのスパッタリング法によって形成できる。

図１２は図１、図５、図７、図１０、図１１の紫外線発光装置（２０とする）が適用された紫外線照射装置を示す図である。

図１２の（Ａ）に示すごとく、紫外線発光装置２０を紫外線照射装置の処理ガス、処理水等の殺菌対象物を矢印のごとく流す紫外線透過ケーシング２１の外側に配置すると共に、紫外線発光装置２０に対向して反射板２２を配置すると、紫外線発光装置２０から発生した紫外線ＵＬは反射板２２にて反射されて紫外線が再び紫外線発光装置２０に入射する。また、図１２の（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、２つの紫外線発光装置２０を紫外線透過ケーシング２１に対向して配置すると、紫外線ＵＬは一方の紫外線発光装置２０から発生し、他方の紫外線発光装置２０からも入射する。

このように、本発明に係る紫外線発光装置特に深紫外線発光装置は、深紫外線によって処理ガス、処理水の殺菌を行うことができる。

尚、上述の実施の形態においては、２１０〜３１０ｎｍの短波長領域の深紫外線発光装置に係るが、本発明は３１０ｎｍ以上の長波長領域の紫外線ＬＥＤ素子にも適用できる。

上述の実施の形態においては、基板材料としてＬＴＣＣ基板１を用いているが、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）基板やＡｌＮ基板を用いることもできる。また、ＨＴＣＣ基板やＡｌＮ基板の場合には、金属ビア材料としてＷ、Ｍｏ、Ｃｕ及びそれらの合金を用いることができる。さらに、ＡｌＮの場合には、熱伝導率が大きいので、金属ビアを用いなくてもよい。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用できる。

本発明の紫外線発光装置、特に、深紫外線発光装置は、殺菌効果が大きいので、浄水器、ウォータクーラ、ウォータサーバ、医療用純水製造装置、加湿器、食器洗浄機、デンタルチェア等における水の殺菌浄化装置に利用できる。

１：ＬＴＣＣ基板
１−１、１−２、１−３、１−４：基板
１ａ：凹部
２−１、２−２、２−３：放熱パッド
３−１、３−２：金属ビア
４−１：電極パッド
４−２、４−３：配線パッド
５：深紫外線ＬＥＤ素子
６：サブマウント
６ａ、６ｂ：配線層
７ａ、７ｂ：ワイヤ
８ａ、８ｂ：ワイヤボンディングパッド
９：ツェナダイオード
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：紫外線通過窓部材
１１：樹脂接着層
１２：反射層
２０：紫外線発光装置
２１：ケーシング
２２：反射板

Claims

凹部が形成され、該凹部を囲む上部を有する基板と、
前記基板の凹部内に設けられた複数の紫外線発光素子と、
前記基板の凹部を覆うように前記基板の上部に設けられた紫外線通過窓部材と
を具備し、
前記紫外線通過窓部材は紫外線透過材料によって形成された枠構成梁要素によって区分された複数の開口を有する枠構造を具備し、
前記枠構成梁要素は前記複数の紫外線発光素子の隣接する素子間上に位置すると共に前記紫外線発光素子の上に存在せず、
前記紫外線発光素子の上に前記開口が位置して前記紫外線発光素子の紫外線を通過するようにした紫外線発光装置。
前記開口の面積は前記紫外線発光素子の面積より大きい請求項１に記載の紫外線発光装置。
さらに、前記基板と前記紫外線発光素子とを電気的に接続するワイヤを具備し、
前記紫外線通過窓部材の前記枠構造の前記枠構成梁要素は前記ワイヤの少なくとも一部上に存在する請求項１に記載の紫外線発光装置。
前記紫外線通過窓部材の前記枠構造の前記枠構成梁要素の下側の幅は前記紫外線通過窓部材の前記枠構造の枠構成梁要素の上側の幅より小さい請求項１に記載の紫外線発光装置。
前記紫外線通過窓部材の前記枠構造の前記枠構成梁要素の側面に設けられた反射部材を具備する請求項１に記載の紫外線発光装置。
殺菌対象物を流すための流路を備えたケーシングと、
前記ケーシングの外面に設けられた請求項１〜５のいずれかに記載の紫外線発光装置の少なくとも１つとを具備し、
前記ケーシングは、紫外線透過性を有し、
前記紫外線発光装置は、前記ケーシングの外面から前記流路に向けて紫外線を照射する紫外線照射装置。