JP3203784U - 紫外光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から出射される光の強度分布や波長分布が不均一であっても、これを十分にミキシングして均一な光とし、且つ、ワークの形状に応じた任意のラインパターンで照射できる紫外光照射装置を提供する。【解決手段】紫外光照射装置１が、紫外光を出力する光源装置２と、紫外光を予め設定された所定のラインパターン形状で照射するライトガイド３とを備え、光源装置２は、光出射口４からピーク波長が異なる紫外光を照射する複数種類の紫外光ＬＥＤ１１〜１８を備え、ライトガイド３は、光入射端３ｉｎ側が液体ライトガイド２０で形成されると共に、光出射端３ｏｕｔ側が石英バンドルファイバ２１で形成され、その中間には、液体ライトガイド２０から出射される光を石英バンドルファイバ２１の円形受光面３２全体に照射させる接続部２２を形成した。【選択図】図１

Description

本考案は、光硬化樹脂や光硬化形接着剤などを硬化促進させる紫外光照射装置に関する。

近年、光硬化樹脂の利用範囲が広がり、歯科医療における補綴材料として用いられたり、工業製品や電子部品の組み立て作業における接着剤として用いられており、この光硬化樹脂を硬化させるために紫外光照射装置が開発されている。
一般的な紫外光照射装置は、紫外光源として高圧水銀ランプや水銀キセノンランプを内蔵し、多数の石英ファイバを束ねたバンドルファイバを介して照射位置まで紫外光を導き、例えば接着剤などの光硬化樹脂に紫外光を照射することができるようになっている。

また、処理効率を向上させるため、コンベアで搬送されてくるワークに対して紫外光を照射する場合は、バンドルファイバとして石英ラインライトガイドが用いられる。
この石英ラインライトガイドは、光源に接続される光入射端で石英ファイバが円形状に束ねられ、光出射端側で矩形ライン状に束ねられており、コンベア方向に対して直交するスリット状の光束を照射できるようになっている。

光源として高圧水銀ランプや水銀キセノンランプなどのランプを用いるものは、発熱量及び消費電力も大きく、冷却装置も必要となり、光源装置が大型化するだけでなく、ランプの寿命も短いという問題が生じたため、最近では、紫外光源となるランプに替えて紫外光ＬＥＤ（発光ダイオード）を用い、これを直接照射ヘッドに設けたものも提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、紫外光ＬＥＤを用いて紫外光を照射しても硬化不良を生じる場合があり、本考案者の実験によれば、光強度よりも、むしろ波長の問題であることが判明した。
すなわち、一般的な紫外光硬化接着剤は３６５ｎｍ付近で光硬化が始まる開始剤が用いられているが、３６５ｎｍ以外の波長で反応を開始する開始剤もある。
また、特定の開始波長で硬化開始するものの、紫外光硬化樹脂の硬化に伴い、硬化促進波長がシフトするように思われるものもあった。

このような場合に、高圧水銀ランプの発光スペクトルは、３６５ｎｍ付近に最大のピークを有するものの、それ以外の周波数域においても複数のピークを有するため、３６５ｎｍ以外の波長で反応を開始させる開始剤や、硬化促進波長がシフトする光硬化樹脂にも使用することができる。
ところが、紫外光ＬＥＤの発光スペクトルは、特定の波長に１個のピークを有するのみであるから、開始剤の反応を開始させる波長が紫外光ＬＥＤの発光波長が異なる場合は接着剤の硬化が開始されず、また、硬化促進波長がシフトする場合も硬化不十分となる場合がある。

また、紫外光で硬化するＵＶインクを用いてインクジェットプリンタでＤＯＤ方式（Drop On Demand）の印刷を行う場合、シートに吹き付けられた微小のインク液滴の滲みや広がりを抑えて印刷品質を一定に維持すると同時に、そのインク液滴をシートに乾燥定着させるためのピンニング処理が紫外光照射により施される。
このとき、紫外光ＬＥＤを光源として用いると、特定波長に１個のピークを有するのみであるから、前述と同様、ＵＶインクの硬化開始波長とピーク波長が必ずしも一致せず、紫外光照射しているにもかかわらずピンニング処理が十分に施されない場合が生ずる。

そこで、本考案者は、ピーク波長の異なる複数種類の紫外光ＬＥＤをマトリクス状に配列した光源に、前述した石英ラインライトガイドを接続して光照射する紫外光照射装置を試作した。
しかしながら、石英ラインライトガイドは、材料となる石英ファイバが高価なだけでなく、構造的に多数の石英ファイバを束ねたものであるから、個々の石英ファイバを入射端側と出射端側でランダムに配列させたとしても、強度分布や波長分布が不均一な光を入射させた場合に、出射光に強度ムラや波長ムラが残ってしまうため、やはり、光硬化樹脂が均一に硬化されないという問題があった。

このため、本出願人は石英ラインライトガイドに替えて液体ライトガイドを用いた紫外光照射装置を提案した（特許文献２参照）。
液体ライトガイドは、クラッドとなる樹脂チューブの内部にコアとなる導光液を充填してその両端を透光ロッドで封止したもので、強度分布や波長分布が不均一な光を入射させても、導光液内を光伝搬されるうちに光ミキシングされ、出射光が均一になるという特性を有している。
したがって、光源装置から液体ライトガイドに入射される紫外光の強度分布や波長分布が不均一であっても、出射光はこれらの分布が均一な紫外光となる。

しかしながら、液体ライトガイドは、光出射面を任意の形状に形成できす、出射光は円形スポット光となるので、そのスポットに入る比較的小さな形状のワークしか硬化処理することができない。

特開２００６−２５６３２２号公報 特許第５１８２７６１号公報

そこで、本考案は、光源から出射される光の強度分布や波長分布が不均一であっても、これを十分にミキシングして均一な光とし、且つ、ワークの形状に応じた任意のラインパターンで紫外光を照射できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本考案は、光源装置から出力された紫外光をライトガイドで案内し、予め設定された所定のラインパターン形状で照射する紫外光照射装置において、
前記光源装置は、光出射口からピーク波長が異なる紫外光を照射する複数種類の紫外光ＬＥＤを備え、
前記ライトガイドは、光入射端側が液体ライトガイドで形成されると共に、光出射端側が前記ラインパターン形状の発光面を有する石英バンドルファイバで形成され、その中間には、液体ライトガイドから出射される光を石英バンドルファイバの円形受光面全体に照射させる接続部が形成されたことを特徴とする。

本考案によれば、光源装置に配された複数種類の紫外光ＬＥＤからピーク波長が異なる複数波長の紫外光が照射されるので、単一波長の紫外光では硬化しにくい紫外光硬化樹脂でもこれを十分に硬化させることができる。
また、光源装置から光を案内するライトガイドは、光入射端側が液体ライトガイドで形成されているので、光源装置から照射された複数波長の紫外光に、強度分布や波長分布の不均一であったとしても、これを光ミキシングすることができる。

さらに、ライトガイドの光出射端側のみが石英バンドルファイバで形成されているので、使用する石英ファイバが少なくて済みコストを低減させることができる。
石英バンドルファイバとして、その発光面をワークの形状に応じた任意のラインパターン形状に形成されたものを用いることにより、ライトガイドから照射されるスポット形状を円形スポットではなく、ワークに応じた所望のラインパターンスポットで照射することができる。

さらに、ライトガイドの中間には、液体ライトガイドと石英バンドルファイバを接続する接続部が形成され、液体ライトガイドから出射された光が石英バンドルファイバの円形受光面全体に照射されるようになっているので、石英バンドルファイバを構成する全石英ファイバに光入射され、その結果、全石英ファイバにより石英バンドルファイバの発光面全体から光出射されることとなる。

本考案に係る紫外光照射装置の一例を示す全体構成図。

本例では、光源から出射される紫外光の強度分布や波長分布が不均一であっても、これを十分にミキシングして均一な光とし、且つ、ワークの形状に応じた任意のラインパターンで照射できるようにするという目的を達成するため、
紫外光照射装置が、紫外光を出力する光源装置と、当該光源装置から出力された紫外光を予め設定された所定のラインパターン形状で照射するライトガイドを備え、
前記光源装置は、光出射口からピーク波長が異なる紫外光を照射する複数種類の紫外光ＬＥＤを備え、
前記ライトガイドは、光入射端側が液体ライトガイドで形成されると共に、光出射端側が前記ラインパターン形状の発光面を有する石英バンドルファイバで形成され、その中間には、液体ライトガイドから出射される光を石英バンドルファイバの円形受光面全体に照射させる接続部を形成した。

図１に示す紫外光照射装置１は、紫外光を出力する光源装置２と、当該光源装置２から出力された紫外光を予め設定された所定のラインパターン形状で照射するライトガイド３を備えている。

光源装置２は、ライトガイド３が接続される光出射口４の内部にＬＥＤアレイ５が配され、ＬＥＤアレイ５上には、ピーク波長が異なる紫外光を照射する複数種類（本例では８種類）の紫外光ＬＥＤ１１〜１８及びラインパターン確認用の可視光ＬＥＤ１９がマトリクス状に配列されており、各ＬＥＤ１１〜１９から照射された光が前記光出射口４から出力されるようになっている。
なお、紫外光ＬＥＤ１１〜１８のピーク波長は、例えば、２６５ｎｍ、２８０ｎｍ、３１０ｎｍ、３２５ｎｍ、３４０ｎｍ、３６５ｎｍ、３７５ｎｍ、３８５ｎｍに選定され、可視光ＬＥＤ１７は５９０ｎｍ（黄色）に選定されている。

ライトガイド３は、光入射端３in側が液体ライトガイド２０で形成されると共に、光出射端３out側が石英バンドルファイバ２１で形成され、その中間には、液体ライトガイド２０と石英バンドルファイバ２１を接続する接続部２２が形成されている。

光入射端３in側の液体ライトガイド２０は、クラッドとなる透明樹脂チューブ２３の中空部に、前記クラッドより屈折率の高い導光液２４がコアとして充填され、その両端に石英ロッド２５が挿入された状態で封止されている。
液体ライトガイド２０は、ライトガイド３の光入射端３inとなる一端側が、光源装置２の光出射口４に接続される光コネクタ２６に形成されており、その円形受光面２７が、光源装置２の光出射口４から照射される円形スポットＳ１よりも大きく形成されている。

これにより、光源装置２から出力された全光束を液体ライトガイド３に入射させることができ、光の利用効率が高く、損失が少ない。
また、光源装置２の光出射口４から照射される円形スポットＳ１の強度分布や波長分布が不均一であっても、液体ライトガイド２０の導光液２４内を伝搬するうちに光ミキシングされ、その発光面２８からは強度分布や波長分布が均一な円形スポットS２が出射される。
さらに、液体ライトガイド２０の両端に装着される石英ロッド２５は光ミキシング用のロッドレンズとして機能するため、これによって光がさらに均一にミキシングされることになる。

光出射端３out側の石英バンドルファイバ２１は、多数の石英ファイバ３１が束ねられて形成され、接続部２２を介して液体ライトガイド２０に接続される一方の端部が円形受光面３２に形成され、ライトガイド３の光出射端３outとなる他方の端部が、予め設定された所定のラインパターン形状の発光面３３に形成されている。
発光面３３は、照射すべき光の光束形状に応じて、直線状、アングル状、チャンネル状、サークル状など、予め設定された任意のラインパターン形状に前記石英ファイバ３１の光出射端を束ねて形成されている。

円形受光面３２は、接続部２２内で液体ライトガイド２０の円形発光面２８に対向配設されると共に、液体ライトガイド２０から出力される光スポットＳ２より小さく形成され、液体ライトガイド２０から出射される光が円形受光面３２全体に照射されるようになっている。
これにより、石英バンドルファイバ２１を構成する全石英ファイバ３１に対して光が入射され、その結果、石英バンドルファイバ２１の発光面３３全体から均一に光出射され、その発光面３３の形状に応じて、直線状、アングル状、チャンネル状、サークル状などのラインパターン形状の光スポットＳ３が照射される。

以上が本考案の一構成例であって、次にその作用について説明する。
例えば、コンベアＣを横切る直線状ラインパターンの光スポットＳ３を照射させる場合、ライトガイド３の光出射端３out側の石英バンドルファイバ２１の発光面３３がそのような形状に形成されたライトガイド３を用いて、その光入射端３inを光源装置２の光出射口４に接続し、その光出射端３outを所定の照射位置に調整するセッティング作業を行う。

このセッティング作業において、ＬＥＤアレイ５の可視光ＬＥＤ１７を点灯させれば、その可視光がライトガイド３を伝搬し、発光面３３から出射されるので、この光で照射されるスポットＳ３のラインパターン形状を目視することができ、調整が容易になる。

ＬＥＤアレイ５の各紫外光ＬＥＤ１１〜１６を同時点灯させれば、光源装置２の光出射口４から出射される光が、ライドガイド３の光入射端３in側の液体ライトガイド２０に入射される。
このとき、液体ライトガイド２０の円形受光面２７が、光出射口４から照射される円形スポットＳ１よりも、大きく形成されているので、光源装置２から出力された全光束を液体ライトガイド３に入射させることができ、光の利用効率が高く、損失が少ない。

また、ＬＥＤアレイ５から照射された各波長の紫外光は、光出射口４において、強度分布や波長分布の不均一な円形スポットＳ１として出射されるが、液体ライトガイド２０に入射されてこれを伝搬するうちに、光ミキシングされ、その発光面２８からは強度分布や波長分布が均一な光スポットＳ２として出射される。

そして、接続部２２では、液体ライトガイド２０から出射された紫外光が、石英バンドルファイバ２１を通ってライトガイド３の光出射端３outから出射される。
このとき、液体ライトガイド２０の発光面２８から出射された強度分布や波長分布が均一な円形スポットＳ２が、石英バンドルファイバ２１の円形受光面３２の全面に照射されるので、石英バンドルファイバ２１を構成する全ての石英ファイバ３１に対して、強度分布や波長分布が均一な光が入射されることになる。
したがって、石英バンドルファイバ２１を構成する石英ファイバ３１の配列のランダム性とは関係なく、石英バンドルファイバ２１の発光面３３から強度分布や波長分布が均一な紫外光が、直線状のラインパターン形状のスポットＳ３としてコンベアC上に出射されることになる。

この状態で、コンベアＣによりワークを搬送させれば、スポットＳ３を通過する際に、強度分布や波長分布が均一な多波長の紫外光が照射され、ワーク上の光硬化樹脂を確実に硬化させることができる。
また、ライトガイド３の光入射端３in側が液体ライトガイド２０で形成されていても、光出射端３in側が石英バンドルファイバ２１で形成されているので、その発光面３３で形成される所定のラインパターン形状で紫外光を照射することができる。
さらに、光を円形断面のまま伝搬できない光出射端３out側のわずかな部分のみを石英バンドルファイバ２１で形成することにより、ライトガイド３の全長のほとんどの部分を液体ライトガイド２０で形成することができるので、ライトガイド３全体のコストを低減することができる。

本考案は、光硬化樹脂や光硬化形接着剤などを硬化促進させる紫外光照射装置の用途に適用し得る。

１…………紫外光照射装置
２…………光源装置
３…………ライトガイド
３in………光入射端側
３out……光出射端側
４…………光出射口
５…………ＬＥＤアレイ
１１〜１８…紫外光ＬＥＤ
１９…………可視光ＬＥＤ
２０…………液体ライトガイド
２１…………石英バンドルファイバ
２２…………接続部
３２…………円形受光面
３３…………発光面

Claims (4)

1. 光源装置から出力された紫外光をライトガイドで案内し、予め設定された所定のラインパターン形状で照射する紫外光照射装置において、
   前記光源装置は、光出射口からピーク波長が異なる紫外光を照射する複数種類の紫外光ＬＥＤを備え、
   前記ライトガイドは、光入射端側が液体ライトガイドで形成されると共に、光出射端側が前記ラインパターン形状の発光面を有する石英バンドルファイバで形成され、その中間には、液体ライトガイドから出射される光を石英バンドルファイバの円形受光面全体に照射させる接続部が形成されたことを特徴とする紫外光照射装置。
2. 前記光源装置が、前記複数種類の紫外光ＬＥＤをマトリクス状に配列してなるＬＥＤアレイを備えた請求項１記載の紫外光照射装置。
3. 前記光源装置の光出射口から照射される光スポット形状よりも、液体ライトガイドの光入射端の受光面が大きく形成された請求項１又は２記載の紫外光照射装置。
4. 前記光源装置が、ラインパターン確認用の可視光を照射する可視光ＬＥＤを備えた請求項１〜３いずれか記載の紫外光照射装置。
   
   

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