JP5035272B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光照射装置に係わり、特に、ＬＥＤを多数備えた線状ないし面状の光源を形成する光照射装置に関する。

ＬＥＤを備えた光照射装置としては、例えば、特許文献１に、多数のＬＥＤを基板上に並べて配置した紫外線照射装置が記載されている。この装置は、液晶パネル基板の最大サイズに相当するような、大面積の基板の全面にＬＥＤ素子を敷き詰めて配置し、予定されたシール剤の硬化に必要なＬＥＤのみを点灯させて照射する装置である。また、特許文献２には、上記と同様に、同一基板上に発光ダイオードを配置し、その直下にある基板等のワークに対して光を照射する露光装置が記載されている。

図１５は、ＬＥＤが基板上に並べて配列されてなる光照射装置の概念図であり、図１５（ａ）は光源部分を正面から見た説明図、図１５（ｂ）は横方向から見た説明図である。
この光照射装置においては、光源１００は多数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）１０１によって構成されており、光源ステージ１０２上にＬＥＤ１０１が敷き詰められるように配置されている。同装置には、ＬＥＤ１０１の各々に対してＯＮ／ＯＦＦを切り替える電源装置（不図示）を備えており、ワーク１０３の形状に合わせて点灯領域が選択、指定されて、電源装置よりＬＥＤ１０１に電力が供給される。例えば、特許文献１に記載の技術では、ワーク１０３は液晶パネル基板である。この場合、２枚の基板の間にはシール剤が所定の画枠に沿って矩形形状に形成されており、その画枠内に液晶が充填されている。基板に挟まれたシール剤の硬化を行うために、矩形形状の点灯領域に対応したＬＥＤ１０１にのみ電力を供給して点灯する。

特開２００６−２３５６１７号公報 特開２００２−３０３９８８号公報

しかしながら、上記のような、基板上にＬＥＤ１０１を並べて配置した光照射装置では、個々のＬＥＤ１０１間の照度のばらつきや、ＬＥＤ１０１間の劣化特性のばらつきに起因して、照射領域において、均一な光照射を実現できないことがある。それは、ＬＥＤ１０１の製造工程における素子の膜質（膜厚、組成）や成膜条件（温度分布、昇温速度）といった作製上のパラメータに由来して、１枚のウエハーから複数のＬＥＤを作製する場合でもこのようなパラメータをウエハーの全体において均一化することは現実的には困難なためである。そのため、同一ウエハーから製作されたＬＥＤであっても、微小な作製上のパラメータの相違に由来して特性上ばらつきが発生する。このような条件のもとで、図１５に示した装置のように、多数のＬＥＤ１０１を面上に並べて配置した装置では、例えば、ＬＥＤ１０１ごとに光量や、わずかであるが放射光のスペクトル（波長）にばらつきが生じる。そのため、照射領域において均一な照度を得ることが難しく、所望の光照射を行うことができないことがある。

また、このような装置では、あるＬＥＤ１０１が不点灯になった場合、残りのＬＥＤ１０１のみで予定された照度を補完することは難しいという問題もある。具体的には、１つのＬＥＤ１０１が不点灯になった場合、その周囲のＬＥＤ１０１の入力を上げたとしても、その入力の影響は異常のないＬＥＤ領域にまで及び、不点灯になったＬＥＤ部分で所定の照度が得られたとしても、それに隣接する部分において、高い照度分布となり、結果として全体の照度均一度が損なわれることになる。

上記の問題に対して、発光面積が小さい、照射角度範囲が狭いというＬＥＤのデメリットを回避するため、ＬＥＤの前面に凹レンズを設ける等の対策を講じることが考えられる。しかしながら、このような技術によっても他のＬＥＤによって補完可能な光量は限られている。よって、元々ＬＥＤの照度にばらつきがあったり、早期に照度が低下したり、不点灯のＬＥＤが生じた場合、照射領域において照度を均一化したり、またこれを維持したりすることは困難である。とりわけ、予定された照射領域において、設定された照度分布を維持しなければならない用途においては、このような照度低下はワークやプロセスにおいて大きな影響を与えるため問題となる。

本発明の目的は、ＬＥＤの照度特性にばらつきがあっても、被照射面における照度を均一化することのできる光照射装置を提供することにある。
更に、本発明の他の目的は、あるＬＥＤに照度低下や不点灯が生じても、その照度低下を補完でき、照射領域の全体において所期の照度を維持することのできる光照射装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、同一面上に紫外域の光を放射するＬＥＤが複数配置されてなる光源部を備え、該光源部からの出射光を前記同一面と対向位置にある照射領域に対して照射する光照射装置であって、前記光源部は、同一基板上に配置された複数のＬＥＤと、該複数のＬＥＤからの光を混合して光出射面に導く１つの導光部によってセグメント光源を構成し、該セグメント光源を前記基板が伸びる面方向に複数並べて配置して構成され、前記導光部は、前記基板と垂直な方向に伸びる反射面をその内側に有する筒体よりなり、前記同一面から光出射面に至るまで、前記反射面により前記複数のＬＥＤからの光を繰り返し反射して混合できる長さを備えてなり、当該セグメント光源内にあるＬＥＤからの出射光を混合し、他のセグメント光源の光出射面に光を照射することのないように構成し、前記セグメント光源は、各セグメント光源ごとにＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能であると共に、前記セグメント光源は、光量検出手段と、該光量検出手段により検出された光量によって、当該セグメント光源が予め設定された光量となるように各セグメント光源ごとに電力を制御するフイードバック制御手段を備えていることを特徴とする光照射装置である。

請求項１に記載の発明によれば、ＬＥＤに特性上の差異があっても、複数のＬＥＤからの光を混ぜて放射するため、照射領域における照度のばらつきを抑えることができ、また、セグメント光源ごとにＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能なスイッチ機構を備えているので、ワーク面（照射領域）の必要部分のみを照射して使用することができ、また、セグメント光源に投入する電流を変え、セグメント光源単位で光量を変えることができるので、照射領域での照度を所期の通りに設定することができ、照射領域において均一な照度を得ることができ、また、一部のＬＥＤの劣化、不点灯が生じた場合でも、これを速やかに検知することができると共に、フイードバック制御手段によって、照射領域の照度を所定の状態に維持することができる。

本発明に係る光照射装置１の概略構成を示す図である。 図１に示したセグメント光源２の斜視図である。 図１に示したセグメント光源２の裏面側から見た図及び断面図である。 図２〜図３に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図である。 図２〜図４に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図である。 図２〜図５に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図である。 図２〜図６に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図である。 図２〜図７に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図である。 ＬＥＤ２３を７個備えたセグメント光源２を示す図である。 図９と配置の異なるＬＥＤ２３を７個備えたセグメント光源２を示す図である。 セグメント光源２を多数並べて配置した光源ユニット群３の構成を示す斜視図である。 図１３に示した光源ユニット群３を複数備えた光照射装置の構成を示す斜視図である。 シール剤の塗布パターンの異なるワーク（液晶パネル基板）の平面図及び断面図である。 基板サイズやマスクサイズの異なるワークの構成を示す平面図である。 ＬＥＤが基板上に並べて配列されてなる光照射装置の概念図である。

本発明の一実施形態を図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る光照射装置１の概略構成を示す図である。
同図に示すように、この光照射装置１は、セグメント光源２が複数並べて配置された光源ユニット群３（光源部）を備えており、光源ユニット群３の対向する面に、ステージ４に載置されたワーク５が配置された照射領域６が形成されている。

図２は、図１に示したセグメント光源２の斜視図、図３（ａ）は、図１に示したセグメント光源２を裏面側から見た図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ切断面から見たセグメント光源２の断面図である。
これらの図に示すように、セグメント光源２は、同一基板２１上に透光性樹脂２２にモールドされたＬＥＤ素子２３（以下ＬＥＤ２３という）を、例えば、５つ備えて構成されており、基板２１と垂直かつ光放射方向に向かって導光部２４が、一定長さに亘って伸びるように形成されている。ＬＥＤ２３は、いずれも紫外域の光を放射するものであり、ほぼ同一波長域の光を放射するものである。なお、ここでいう「紫外域の光」とは、遠紫外光（波長約２００〜３００ｎｍの光）、近紫外光（波長約３００〜４００ｎｍの光）を含んでいる。また、実用上は、水銀ランプの主波長（３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ）も含まれるため、適宜、必要な波長域の光を放射するＬＥＤが選択される（Ｒ，Ｇ，Ｂの光を予め混合して白色光とするものとは相違する。）。

このように、同一波長域のＬＥＤ２３を複数備えるのは、１つが仮に不点灯となった場合でも、他のＬＥＤ２３からの光出力でこれを補うためである。なお、同一波長域とはスペクトル分布が完全に一致することを意味するものではなく、１つのセグメント内においてＬＥＤ２３が互いに光を補うことができる程度であればばらつきがあっても構わない。導光部２４は、ＬＥＤ２３から放射された光を反射する反射面２４１をその内側面に有しており、導光部２４の外方向には光が漏れないように構成されている。なお基板２１の背面には、放熱用フィン２５が設けられ、ＬＥＤ２３から放射された熱を放熱可能に構成されている。導光部２４は、金属板の表面を鏡面加工し、角状の筒体に成形した中空の筒体のもの、ガラス、樹脂等の基板表面に蒸着膜を形成して鏡面を形成したもの、又は柱状の透明ロッド等からなり、境界反射により光を全反射するもの等、適宜のものを用いることができる。

セグメント光源２に内蔵される各ＬＥＤ２３からの放射光は、導光部２４において反射が繰り返されることにより混合され、導光部２４の光出射面２４２から出射されると、セグメント光源２が照射する予定の、照射領域６におけるセグメントを照射する。このとき、隣接するセグメント光源２における照射領域６を部分的に照射する構成とすることによって、セグメントの切れ目部分においても照度を落とさず、照射領域６を照射することができる。導光部２４の長さは、ＬＥＤ２３（基板２１）から光出射面２４２に至るまで一定の長さを備えて構成されており、この全長および、導光部２４から照射領域６までの長さを変化させることによって、照度の均一性を所望の通りに変化させることができる。セグメント光源２により、複数のＬＥＤ２３から出射した光を混合してから、対応した照射領域６（セグメント領域）を照射するので、ＬＥＤ２３の特性による照度のばらつきが抑えられ、ワーク５に対して所望の照度で光を照射することができる。

また、図１に示すように、この光照射装置１は、ＯＮ／ＯＦＦ制御部７１及び電力制御部７２を備える制御部７を有しており、セグメント光源２は、ＯＮ／ＯＦＦ制御部７１により個別に点灯、消灯の切り替えが可能であり、ワーク５の大きさや必要な照射領域６に応じた部分のみを点灯することができる。また、電力制御部７２により、ＬＥＤ２３の特性に由来して任意のセグメント光源２からの光量が不足する場合は、そのセグメント光源２の電流値を大きくすることにより、当該セグメント光源２の照度を上げることができ、所望の照度を得ることができる。具体的には、セグメント光源２内において５つのＬＥＤ２３を直列に接続し、セグメント光源２に投入する電力量を変える。ここで、セグメント光源２の電流値を任意に変えたとしても、主にそのセグメント領域が照射する照射領域６は予め決められたセグメント領域であって、他の照射領域６に対する影響が少ない。よって、照射領域６全体における照度を所期の状態に維持することができる。

図４は、図２〜図３に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図であり、図４（ａ）は、セグメント光源２の断面図、図４（ｂ）は、セグセグメント光源２を裏面側から見た図である。
これらの図に示すように、このセグメント光源２は、セグメント光源２内に光量検出手段としてのフォトダイオード（ＰＤ）２６を備えている。ここでは、フォトダイオード２６が、各ＬＥＤ２３に隣接して基板２１に実装されている。フォトダイオード２６は各々のＬＥＤ２３からの出射光を検出すると、光量を電気信号に変換して図１に示した制御部（フィードバック制御部）７に送信し、初期の値と比較して差異に応じて、電流量を変化させるよう電力制御部７２に指示を出力する。仮に１つのＬＥＤ２３が不点灯になった場合でも、セグメント光源２の電流を大きくすると、不点灯になったもの以外のＬＥＤ２３はそれぞれ光量が増大し、導光部２４内において混合した状態で、光出射面２４２から光が放射されるため、照射領域６の照度を初期の状態に維持することができる。一方で、タクト時間の制約が無く、ＬＥＤの交換が容易な装置、又は低コストの制約が強い装置においては、大掛かりなフィードバック制御や電力制御を必要としないことがある。この場合、フォトダイオードのみを実装しておけば、ＬＥＤが不点灯になったり、光量低下が起こった場合でもその検知は可能であるため、装置を停止してＬＥＤの交換が可能となる。したがって、ＬＥＤの不点灯や光量低下に起因する不良を極力低減することが可能となる。

図５は、図２〜図４に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図であり、図５（ａ）は、セグメント光源２の断面図、図５（ｂ）は、セグメント光源２を裏面側から見た図である。
これらの図に示すように、このセグメント光源２は、導光部２４の光出射面２４２側に、光量検出手段としての１つのフォトダイオード２６を備えている。このフォトダイオード２６は各ＬＥＤ２３から放射された光の混合光を検出する。混合光を検出するためには、フォトダイオード２６は光出射面２４２近傍に配置されるのが好ましい。

図６は、図２〜図５に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図であり、図６（ａ）は、セグメント光源２を裏面側から見た図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ切断面から見たセグメント光源２の断面図である。
これらの図に示すように、このセグメント光源２は、導光部２４の中間位置に、光量検出手段としてのフォトダイオード２６を備えている。これらのフォトダイオード２６は各ＬＥＤ２３から放射された光の混合光を検出する。

図７は、図２〜図６に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図であり、図７（ａ）は、セグメント光源２を裏面側から見た図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ切断面から見たセグメント光源２の断面図である。
これらの図に示すように、このセグメント光源２も、導光部２４の中間位置に、光量検出手段としてのフォトダイオード２６を備えている。これらのフォトダイオード２６は各ＬＥＤ２３から放射された光の混合光を検出する。

図８は、図２〜図７に示したセグメント光源２と異なる構成を有するセグメント光源２の構成を示す図であり、図８（ａ）は、セグメント光源２の断面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ切断面から見たセグメント光源２の断面図である。
これらの図に示すように、このセグメント光源２は、各ＬＥＤ２３が、透光性レンズ体２７にモールドされており、透光性レンズ体２７は、ＬＥＤ２３から放射された光を、例えば、平行光として放射する機能を有し、透光性レンズ体２７から放射された光は、例えば、インテグレータレンズ２８（２８１，２８２）により混合されて導光部２４の光出射面２８２１より出射される。すなわち、このセグメント光源２においては、透光性レンズ体２７と、インテグレータレンズ２８が、ＬＥＤ２３からの光を混合して光出射面２８２１に導光するための機能を備えている。この例においては、フォトダイオード２３は、例えば、基板２１上に配置されており、透光性レンズ体２７の出射面２７１において境界反射した反射光を検出するように配置されている。なお、透光性レンズ体２７を設けた場合でも、フォトダイオード２６の配置パターンは、図４〜図７で示したものを採用することができる。

上記のごとく、セグメント光源２は、図１〜図８に示したように、複数のＬＥＤ２３からの光を混合して照射領域６に導く導光部２４の構成は適宜のものとすることができる。また、１つのセグメント光源２におけるＬＥＤ２３の個数も５つである場合に限定されず、それ以上でもよく、例えば、図９又は図１０に示すように、ＬＥＤ２３を７個備えたセグメント光源２としてもよく、又それ以外でも可能である。

図１１はセグメント光源２を多数並べて配置した光源ユニット群３の構成を示す斜視図である。
同図に示すように、セグメント光源２は、個別に給電が可能となるリード線（不図示）が形成された支持板８上に並べて配置して固定され、多数並べて配置されたセグメント光源２は一体にユニット化され光源ユニット群３を構成している。支持板８には背面に水冷孔９１が形成された水冷板９が設けられ、更にその背面部分には、前記リード線に接続される電源ユニット１０が配置されている。この光源ユニット群３の大きさ（ｄ×ｅ）は、例えば、約１１３０ｍｍ×５１０ｍｍである。

図１２は、図１１に示した光源ユニット群３を複数備えた光照射装置１の構成を示す斜視図である。
同図に示すように、この光照射装置１の被照射領域の大きさ（ｆ×ｇ）は、例えば、液晶パネル基板のＧ８基板では、約２２００ｍｍ×２５００ｍｍという、大面積を形成することができる。この光照射装置１においては、光源ユニット群３ごとに着脱取替えが可能であり、ＬＥＤ２３の劣化状況によって光源ユニット群３を交換することにより、光照射装置１において常に均一照度を有する面状光源を構成することができる。この実施例では、光源ユニット群３を５×２ユニット、つまり全１０ユニット配置して構成されている。

次に、本発明に係る光照射装置を液晶パネル基板の貼り合せに適用した場合について説明する。
図１３（ａ）、（ｂ）は、各々シール剤の塗布パターンの異なるワーク（液晶パネル基板）の平面図、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ切断面から見たワーク（液晶パネル基板）の断面図である。
これらの図に示すように、液晶パネル基板の貼り合せの用途においては、ワーク（液晶パネル基板）５は、液晶パネルの大きさ（画枠）に合わせて未硬化のシール剤１１が塗付された２枚のガラス基板１２である。ワーク５の中で光照射が必要な箇所はシール剤１１部分のみである。上記用途では効率よく液晶画面を生産するため、同じ規格のガラス基板１２でも中に形成される液晶画面のインチ数やそれらの配置パターンは様々であり、同じライン（搬送系）でも、ワーク毎にシール剤１１の塗布領域、すなわち光照射領域が変わることは一般的である。セグメント光源毎にＯＮ／ＯＦＦ制御部を切り替えるスイッチがない場合は、シール剤１１部分のみ光を照射するため、全面積の光源を点灯してマスクで遮光する必要があり、シール剤１１以外の領域にもセグメント光源に電力が投入されるため電力損が大きい。それに対して、本発明のように、セグメント毎に、図１に示すようなＯＮ／ＯＦＦ制御部７を備え、切り替えスイッチで点灯、消灯を選択可能とすることにより、ワーク５毎に照射領域を選択して点灯し、光照射が不要な領域においては消灯にして使用することにより電力損失を軽減することができる。また、全領域が点灯される場合はマスクが必須であったが、本発明によれば、シール剤１１部分のみの点灯により光照射が可能となるため、マスク自体も不要とすることができ、生産コストを低減化することができる。このような硬化（キュア）にかかる用途では、完全にシール剤１１を硬化させるために一定以上の光照射が必要であり、照度不足が発生してはならない。そのため、フォトダイオード２６による光検出により、光量をモニタし、必要に応じてＬＥＤやセグメント光源を交換したり、フィードバック制御したりすることにより、硬化不良を低減することが可能となり、信頼性を高めることができる。

次に、本発明に係る光照射装置を露光装置に適用した場合について説明する。
図１４（ａ）〜（ｃ）は、基板サイズやマスクサイズの異なるワーク５の構成を示す平面図である。
同図に示すように、例えば、スクリーン印刷用の製版露光の分野では、用途によって使用するワーク５の基板サイズ（版サイズ）が異なる。基板サイズは、汎用されている３２０ｍｍ×３２０ｍｍのものから、大物では３３００ｍｍ×３７００ｍｍのものまで幅広い。また基板の中には実際の製品に使用される配線等のパターンが描写されたスクリーンマスク１３が配置されるが、スクリーンマスク１３も１個取りから、複数のスクリーンマスク１３を１枚の基板上に並べた多面取りと呼ばれるものまで広く実用化されている。昨今の少量多品種の流れの中に、このような多面取りによる製造方法は広く普及している。多面取りの方式では、同図に示すように、実際に使用する基板上に複数のスクリーンマスク１３が隣り合うスクリーンマスク１３同士一定の間隔をおいて並べられる。このような場合、露光が必要な領域はスクリーンマスク１３部分のみであり、スクリーンマスク１３が配置されていない間隙部分においては光を照射する必要はない。本発明の光照射装置において、セグメント毎に、図１に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ制御部７１において切り替えスイッチを制御することにより、照射領域よりも小さいサイズの基板を露光する場合、又は多面取り用の最大サイズの基板を露光する場合のいずれの場合でも、処理する基板の露光部分（マスク部分）に対応したセグメント光源２のみを点灯し、その他については消灯して使用することにより、無駄に光を放射することなく様々なワーク５に対応して発光処理することができる。このように、基板の露光用途においても、基板サイズや使用するスクリーンマスク１３のサイズによって点灯するセグメントを指定することにより、大幅に電力量消費を軽減することができる。なお、露光用途においても複数の製品間でのバラツキを低減させる観点から光量の均一性は非常に重要である。そのため、更に光量をモニタし、必要に応じてＬＥＤやセグメント光源を交換したり、フィードバック制御したりすることにより不良を低減することが可能となり、信頼性を高めることができる。

１ 光照射装置
２ セグメント光源
２１ 基板
２２ 透光性樹脂
２３ ＬＥＤ
２４ 導光部
２４１ 反射面
２４２ 光出射面
２５ 放熱用フィン
２６ フォトダイオード
２７ 透光性レンズ体
２７１ 出射面
２８，２８１，２８２ インテグレータレンズ
２８２１ 光出射面
３ 光源ユニット群（光源部）
４ ステージ
５ ワーク
６ 照射領域
７ 制御部
７１ ＯＮ／ＯＦＦ制御部
７２ 電力制御部
８ 支持板
９ 水冷板
９１ 水冷孔
１０ 電源ユニット
１１ シール剤
１２ ガラス基板
１３ スクリーンマスク

Claims (1)

1. 同一面上に紫外域の光を放射するＬＥＤが複数配置されてなる光源部を備え、該光源部からの出射光を前記同一面と対向位置にある照射領域に対して照射する光照射装置であって、
   前記光源部は、同一基板上に配置された複数のＬＥＤと、該複数のＬＥＤからの光を混合して光出射面に導く１つの導光部によってセグメント光源を構成し、該セグメント光源を前記基板が伸びる面方向に複数並べて配置して構成され、
   前記導光部は、前記基板と垂直な方向に伸びる反射面をその内側に有する筒体よりなり、前記同一面から光出射面に至るまで、前記反射面により前記複数のＬＥＤからの光を繰り返し反射して混合できる長さを備えてなり、当該セグメント光源内にあるＬＥＤからの出射光を混合し、他のセグメント光源の光出射面に光を照射することのないように構成し、
   前記セグメント光源は、各セグメント光源ごとにＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能であると共に、前記セグメント光源は、光量検出手段と、該光量検出手段により検出された光量によって、当該セグメント光源が予め設定された光量となるように各セグメント光源ごとに電力を制御するフイードバック制御手段を備えていることを特徴とする光照射装置。