DE19651977A1

DE19651977A1 - UV-Bestrahlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19651977A1
Application number: DE19651977A
Authority: DE
Inventors: Michael Bisges
Original assignee: Individual
Current assignee: DR. HOENLE AG, 82166 GRAEFELFING, DE
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2016-12-14
Also published as: DE19651977C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Eine derartige UV-Bestrahlungsvorrichtung findet Verwendung bei der Härtung von UV- Lacken und Druckfarben. Sie wird beispielsweise in Fertigungslinien zur Produktion von optischen Informationsträgern (CD, CD-ROM, CD-R, DVD) eingesetzt. Diese Spei chermedien haben die Form einer flachen Scheibe und bestehen aus mehreren Schich ten. Um die empfindlichen Farb- und Datenschichten zu schützen wird als oberste Schicht ein Schutzlack aufgetragen. Zur Belackung dieser optischen Informationsträger verwendet man einen Schutzlack, der durch UV-Licht (Wellenlänge von 200 bis 400 nm) gehärtet werden kann und deshalb als "UV-Schutzlack" oder als "UV-Lack" bezeichnet wird.

Um die Schutzlackschicht in den kurzen Zykluszeiten der hochproduktiven Fertigungs linien aushärten zu können ist es erforderlich, eine hohe UV-Lichtintensität auf das Objekt zu strahlen. Neben dem zur Härtung erforderlichen UV-Licht strahlen alle gängi gen Lampen aber auch die langwellige Wärmestrahlung (Infarot-, IR-Strahlung) ab. Diese Wärmestrahlung ist bei der Härtung eigentlich unerwünscht. Die langwellige Wärme strahlung führt zu einer Verformung und Versprödung des Objekts.

Ein weiterer Aspekt ist, daß die Schutzlackschicht nicht nur die Oberfläche schützt, sondern auch noch über ihren Rand hinaus bis zum Substrat eine Schutzfunktion erfüllt.

Bei der UV-Härtung des Lacks muß neben der Oberfläche also auch der Randbereich des Informationsträgers ausreichend gehärtet werden, da ansonsten der Rand der Scheibe klebrig bleibt. Dadurch gibt es Probleme beim Aufeinanderstapeln der Scheiben durch Verkleben oder es kann zu Beschädigungen in den Abspielgeräten kommen. Außerdem können die niedermolekularen Bestandteile des ungehärteten Lacks aus diffundieren und Gesundheitsschäden verursachen. Um die Randbereiche härten zu können ist eine deutlich höhere Strahlungsintensität als auf der Oberfläche der Scheibe erforderlich.

Es ist bekannt, die Lichtquelle direkt über dem Bestrahlungsgut anzuordnen und hinter der Lichtquelle zwei zylinderförmige Reflektoren anzuordnen. DE 43 01 718 A1 zeigt ein Beispiel für diese Anordnung. Hierbei wird die Oberfläche des Bestrahlungsguts direkt von oben durch eine Lichtquelle angestrahlt, hinter der zwei zylinderförmige Aluminiumre flektoren angeordnet sind. Nachteilig ist, daß bei diesen Anordnungen immer zusammen mit dem UV-Licht ein hoher Anteil an Wärmestrahlung auf das Objekt abgegeben wird. Außerdem werden die Randbereiche des Objekts nicht ausreichend angestrahlt. Es wird keine höhere UV-Lichtintensität in die Randbereiche gestrahlt.

In DE 38 01 283 C1 wird eine Anordnung gezeigt, in der die Randschicht des Objekts direkt belichtet wird, um dort eine bessere Aushärtung zu erzielen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß mindestens zwei Lichtquellen benötigt werden. Außerdem ist die Um lenkung der Strahlung von der seitlich vom Objekt liegenden Lichtquelle auf die Ober fläche mit starken Verlusten von UV-Licht verbunden. Der Kostenaufwand für diese Anordnung ist hoch. Außerdem wird ein erheblich größerer Bauraum für diese Anord nung benötigt.

In G 90 14 652.2 wird eine Anordnung gezeigt, die die Wärmebelastung des Objekts durch einen Wärmefilter im Strahlengang senkt. Nachteilig ist dabei, daß der Wärmefilter nur eine Reduktion der IR-Strahlung um ca. 1/3 bewirkt. Bei wärmeempfindlichen Ober flächen führt diese Anordnung zu Wärmeproblemen. Durch die elliptische Auslegung des Reflektors hinter der Lichtquellen soll die Strahlung optimal auf das Bestrahlungsgut verteilt werden. Allerdings ist die Anordnung der Spiegelelemente aufwendig und von den Kosten her recht hoch. Die Randschichthärtung ist bei dieser Anordnung nicht ausrei chend.

Bekannt sind des weiteren UV-Strahler, deren Lichtquelle seitlich über dem Objekt angeordnet ist (z. B. UVAPRINT CM CoId Mirror, Fa. Dr. Hönle). Durch einen plattenför migen Kaltlichtspiegel, der im 45° Winkel über dem Objekt steht soll eine indirekte Bestrahlung realisiert werden. Nachteilig ist, daß nur eine geringe UV-Intensität erreicht wird. Die Wärmestrahlung wird auch nur unzureichend vom Objekt ferngehalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine UV-Bestrahlungsvorrichtung zu schaffen, die eine Trennung der UV- von der IR-Strahlung ermöglicht um die Wärmebelastung des Be strahlungsgutes zu vermeiden. Gleichzeitig soll eine kontrollierbare Ausleuchtung der Be strahlungsfläche erreicht werden. Es soll möglich sein, die Randbereiche mit einer höheren Lichtintensität als die Oberfläche zu bestrahlen. Gleichzeitig soll aber auch eine gleichmäßige Ausleuchtung der Oberfläche erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Man geht nach Anspruch 2 vor, um den direkten Strahlengang auf das Bestrahlungsgut zu vermeiden, da dieser einen besonders großen Anteil an der, auf das Objekt gestrahlt en, Wärmemenge hat. Bevorzugt geht man nach Anspruch 3 in Kombination mit An spruch 5 vor, da der Einsatz von Kaltlichtspiegeln eine effektive Trennung von UV- und IR-Strahlung bewirkt und man durch das weitere Vorgehen nach Anspruch 4 somit nur das zur Härtung erforderliche Licht auf das Bestrahlungsgut aufbringt. Hierzu wird ferner gemäß Anspruch 6 die Barriere mit einem wärmeabsorbierenden Körper ausgestattet, der gemäß Anspruch 7 gekühlt ausgebildet ist, so daß er selbst keine Wärmestrahlung abgibt, wobei eine luft- oder wassergekühlte Barriere gemäß Anspruch 8 und 9 sich als sehr vorteilhaft erwiesen hat.

Bei gegen Feuchtigkeit empfindlichen Anlagen empfiehlt sich ein Vorgehen nach An spruch 8, da man somit keine Leckagen im Kühlsystem befürchten muß. Wenn man dagegen sehr wärmeempfindliche Produkte härten will, sollte man nach Anspruch 9 vorgehen, da nur so eine optimale Kühlung der Barriere erreicht wird und die Eigen strahlung der Barriere verhindert wird.

Bei Anlagen, auf denen Produkte von unterschiedlichen Abmessungen gehärtet werden sollen, geht man bevorzugt nach Anspruch 10 vor, wodurch man eine leichte Einstell barkeit des Strahlungsmaximums erreicht. Um die Strahlung, die von der Lichtquelle und der Barriere nach hinten abgestrahlt wird, von der Wärmestrahlung zu trennen und wieder auf das Objekt zu richten geht man nach Anspruch 3 und 11 vor. Dadurch wird nur die UV-Strahlung auf das Objekt gelenkt. Zur Erzielung einer optimalen Ausleuchtung der Fläche mit Intensitätsmaxima an festgelegten Stellen, oder einer gleichmäßigen Aus leuchtung, geht man bei der Auslegung des hinter der Lichtquellen gelegenen Reflektors nach Anspruch 13, 14 oder 15 vor. Um eine Focussierung der Strahlung in den Randbe reichen des Produktes zu erzielen, geht man bevorzugt nach Anspruch 13 in Kom bination mit Anspruch 16 vor. Um dagegen eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche zu erzielen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nach Anspruch 12 zusammen mit An spruch 17 vorzugehen. Beim Vorgehen nach Anspruch 18 erreicht man, daß die Strah lungsverteilung auf dem Objekt symmetrisch zur Vertikalen durch die Lichtquelle ist. Dieses bietet Vorteile, wenn man nicht mit einem rotierenden Objekt, wie es in Anspruch 22 beschrieben wird arbeitet. Wenn man aber eine Vorrichtung gemäß Anspruch 21 und 22 einsetzt kann man die Vorrichtung gemäß Anspruch 19 ausbilden. Dadurch kann eine Seite der Vorrichtung zur Randschichtaushärtung genau auf den Randbereich focussiert werden, wogegen die andere Seite der Vorrichtung nur zur gleichmäßigen Ausleuchtung der Fläche ausgebildet ist. Durch die Fokussierung der Strahlung gemäß Anspruch 16 läßt sich eine vielfach höhere Intensität als bei der Ausleuchtung der größeren Ober fläche realisieren.

Es zeigt sich, daß in UV-Bestrahlungsvorrichtungen, die nach dem bisher beschriebenen Aufbau ausgebildet sind, UV-Strahler mit einer bis zu 7 × höheren Leistung eingesetzt werden können als in Anordnungen wie bspw. in DE 43 01 718 A1 beschrieben, ohne eine höhere Wärmemenge auf das Objekt zu strahlen. Der Anwender kann also die Strahlerleistung in einem weiten Rahmen variieren, ohne dabei das Bestrahlungsgut einer zu hohen Wärmestrahlung auszusetzen. Um besonders in der CD-Herstellung die Randbereiche des Objekts ausreichend zu härten, ist eine auf die Bestrahlungsfläche und die geforderte Intensität abgestimmte Neigung der Spiegel auf der Barriere einstell bar. Wenn die Anforderungen bekannt sind, kann durch die geeignete Auswahl der Reflektoren hinter der Lichtquelle eine optimale Auslegung des Strahlengangs erfolgen.

Falls eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche gefordert wird, kann diese ebenfalls durch einen geeigneten Neigungswinkel der Barrierespiegel in Verbindung mit den passenden Reflektoren eingestellt werden. Dadurch ist diese UV-Bestrahlungsvorrichtung für den Einsatz in allen Bereichen der UV-Lack- und Druckfarbenhärtung einsetzbar.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä ßen Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung (Schnitt A-A),

Fig. 2 eine Vorderansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 4 eine Einzelheit aus Fig. 1-3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungs gemäßen Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung.

In Fig. 1-3 ist mit 1 ein ebenes scheibenförmiges Objekt bezeichnet, dessen oberste Schicht die zu härtende Schutzlackschicht ist. Dieses Objekt entspricht beispielsweise einer Compact Disc (CD). Das Objekt 1 wird über ein Transportsystem 8 unter den UV- Strahler transportiert. Dort kann das Objekt zum Rotieren gebracht werden. Direkt über dem Objekt 1 befindet sich eine Barriere (Fig. 4). Diese hat genau die Breite, die notwen dig ist um den direkten Strahlungang von der Lichtquelle 7 auf das Objekt 1 auszublen den. Über der Barriere ist die Lichtquelle 7 angeordnet. Hinter der Lichtquelle 7 sind zwei zylinderförmige Reflektoren 2, 3 mit einem kreisförmigen Querschnitt angebracht. Die Barriere besteht wie in Fig. 4 gezeigt aus einem wärmeabsorbierenden Körper 4 und zwei Kaltlichtspiegeln 5, 6. Dieser Grundkörper kann wie in Fig. 1 gezeigt symmetrisch oder wie in Fig. 2 gezeigt asymmetrisch zur Lampenachse aufgebaut sein. Der wärme absorbierende Körper 4 ist wie in Fig. 4 gezeigt mit Kühlrippen versehen, die in der Zeichnung mit 15 bezeichnet sind. Zwischen dem Grundkörper 4 und den Spiegeln 5, 6 wird eine Luftströmung angelegt. Um eine effektivere Kühlung des Körpers auch bei sehr hohen Strahlerleistungen zu gewährleisten sind Kühlbohrungen in dem Körper ange bracht. Diese sind in der Zeichnung mit 14 bezeichnet. Durch diese Kühlbohrungen wird eine Kühlflüssigkeit geleitet, die die aus der Strahlung absorbierte Wärme aufnimmt und somit verhindert, daß die Barriere selbst Wärme auf das Objekt 1 abstrahlt. Die Spiegel elemente 5, 6 an der Barriere sind in ihrem Neigungswinkel verstellbar. Dadurch kann die Strahlung gezielt in bestimmte Bereiche umgelenkt werden. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung focussieren die Reflektoren 2, 3 die von der Barriere umgelenkte Strahlung auf den Randbereich des Objekts. Es ist auch möglich die Barriere nur aus einem Grundkörper 4 aufzubauen. Allerdings geht somit ein Teil des von der Lichtquelle nach unten abgestrahlten Lichts verloren. Außerdem bewirken die Kaltlichtspiegel 5, 6 eine Trennung von UV- und IR-Strahlung, da sie den größten Teil der IR-Strahlung durch lassen und im wesentlichen nur UV-Licht reflektieren. Aus diesem Grund sind in dieser Anordnung zweckmäßigerweise auch die Reflektoren 2, 3 Kaltlichtspiegel. Hinter den Reflektoren 2, 3 werden Wärmefänger angebracht, die die von den Kaltlichtspiegeln durchgelassenen IR-Strahlung absorbieren und an den Kühlluftstrom abgeben. Dieser wird durch die Öffnung 11 nach oben abgesaugt. Um die UV-Bestrahlungsvorrichtung vor Verschmutzungen und Beschädigungen zu schützen kann zwischen das Objekt 1 und der Barriere eine Quarzglasscheibe 16 angebracht werden.

In Fig. 2 wird eine asymmetrische Anordnung, bezogen auf die Lampenachse gezeigt. Die rechte Seite dieser Anordnung ist identisch mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Allerdings ist hier der Neigungswinkel des Spiegels 5b verändert. Dadurch erreicht man eine Focussierung der Strahlung im Randbereich des Objekts 1. Auf der linken Seite ist der hinter dem Strahler angeordnete Reflektor 3 durch eine schräge Spiegelplatte 12 und ein kleineres zylinderförmiges Reflektorstück 3 ersetzt. Durch die Spiegelplatte 12 wird die von der Barriere umgelenkte Strahlung nicht mehr in einem Punkt gebündelt, sondern wird gleichmäßig über das Objekt 1 verteilt. Der Reflektor 3 ist so eingestellt, daß möglichst wenig Strahlung auf die Barriere auftrifft. Dadurch wird eine optimale Härtung der Oberfläche erreicht. In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird also die rechte Hälfte zur Härtung des Randbereiches genutzt, während die linke Hälfte zur Oberflächenhärtung benutzt wird. Diese Anordnung ist nur sinnvoll mit der Rotiereinrichtung 8, die das Objekt während der Bestrahlungszeit unter der Anordnung dreht.

In Fig. 3 wird eine symmetrische Anordnung, bezogen auf die Lampenachse gezeigt. Die Elemente in dieser Anordnung entsprechen den in Fig. 2 (linke Seite) gezeigten Elemen ten. Diese Anordnung erreicht eine gleichmäßige Verteilung des Lichts auf der Objekt oberfläche. Es werden keine Bereiche speziell verstärkt ausgeleuchtet. Bei dieser Anord nung ist der Neigungswinkel der Spiegelelemente 5c, 6c auf die Geometrie der Reflekto ren 12, 13 eingestellt. Der Einsatz der Rotiervorrichtung 8 ist sinnvoll.

Die Reflektoren 2 und 3 die in Fig. 1-3 gezeigt werden, sind Zylinderstücke, die sowohl mit kreisförmigem, parabelförmigem oder elliptischem Querschnitt in der Anordnung eingesetzt werden können. Ebenso ist es möglich, die Reflektoren 2, 3 und 12,13 nicht aus einem Stück, sondern aus mehreren einzelnen Elementen aufzubauen. In Fig 5. wird eine Seitenansicht gezeigt, die der in Fig. 1 (Schnitt A-A) gezeigten Anordnung ent spricht.

Claims

1. Vorrichtung zum Härten einer UV-Lackschicht auf einem flachen Objekt, insbesondere auf einem optischen Informationsträger, mit mindestens einer Lichtquelle, deren Licht der Lackschicht über ein Reflektorsystem zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lichtquelle über dem flachen Objekt angeordnet ist und mindestens eine Barriere den direkten Strahlengang auf das Bestrah lungsgut zumindest teilweise ausblendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle eine Barriere zugeordnet ist, die den direkten Wärmestrahlengang auf das Bestrahlungsgut verhindert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens teilweise sogenannte Kaltlicht spiegel aufweist, welche vorwiegend kurzwelliges Licht reflektieren und für Infrarot strahlung im wesentlichen durchlässig sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Spiegelanordnung zur Umlenkung des Lichts auf das Bestrahlungsgut, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere das Licht von der über dem Bestrahlungsgut angeordneten Lichtquelle auf eine Spiegelanordnung hinter der Lichtquelle um lenkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere mit Spiegeln bestückt ist, die den direkten Strahlengang auf das Bestrahlungsgut ausblenden und auf die hinter dem Strahler angeordneten Reflektoren umlenken.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Barriere ein wärmeabsorbierender Körper angeord net ist, der die auftretende Wärmestrahlung absorbiert.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere gekühlt ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper in der Barriere mit Kühlrippen ausgestattet ist, die die Wärme an einen Kühlluftstrom abgeben.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper in der Barriere mit Bohrungen versehen ist, durch die eine Kühlflüssigkeit geleitet wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel an der Barriere in ihrem Neigungswinkel verstellbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung hinter der Lichtquelle die Strahlung zumindest teilweise an der Barriere vorbei auf das Bestrahlungsgut um lenkt.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein plattenförmiger Spiegel angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein zylindrischer Spiegel mit kreisförmigen Querschnitt angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein zylindrischer Spiegel mit parabolischem Querschnitt angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein zylindrischer Spiegel mit elliptischem Querschnitt angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Focussierung der Strahlung in bestimmten Bereichen des Bestrahlungsgutes durch die Barriere erreicht wird.

17. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontrollierte Verteilung der Strahlung auf dem Bestrahlungsgut durch die Barriere erreicht wird.

18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere und die Spiegelanordnung hinter der Licht quelle symmetrisch zur Vertikalen durch die Lichtquellenmitte aufgebaut sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere und die Spiegelanordnung hinter der Licht quelle asymmetrisch zur Vertikalen durch die Lichtquellenmitte aufgebaut sind.

20. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseigenschaften der Spiegelelemente an den jeweiligen Einfallswinkel des Lichts angepaßt sind.

21. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, das Objekt in Richtung zu einer zu seiner Belichtung dienenden Lichtquelle zu verschieben.

22. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung auch zur Drehung des Objekts ausgebil det ist.