JP2007026517A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転する被処理物に対して紫外線を照射する紫外線照射装置において、光照射領域の光強度を部分的に変え、照射量の制御が容易に行なえる紫外線照射装置を実現すること。
【解決手段】 紫外線を照射する紫外線照射部と、該紫外線照射部に電力を供給する電源部と、該電源部に制御信号を供給する制御部とを備え、回転する被処理物に対して紫外線を照射する紫外線照射装置において、紫外線照射部には、線状に並べられた複数の紫外線発光ダイオードを設ける。紫外線発光ダイオードから出射した紫外線はレンズにより細長い線状の光照射領域に成形され、各発光ダイオードに供給される電力を制御することにより、光照射領域の紫外線強度は部分的に変えられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転する被処理物に紫外線を照射する紫外線照射装置に関する。

紫外線照射装置から出射される、３６５ｎｍを中心とした波長３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の紫外線を、該波長に感度を有する接着剤、塗料、インク、レジスト等に照射して、硬化または乾燥させる、また逆に、溶融または軟化させるなど、さまざまな処理が行なわれている。以下このような処理を総称して光処理と呼ぶ。

上記のような光処理において、例えば、シート状の長い被処理物の全面に塗布された光硬化型の保護膜を硬化させるような場合、図４に示すように、被処理物１００の幅に対応する長さの細長い線状の光照射領域２００を形成し、被処理物１００を図中矢印で示す方向に移動させながら、被処理物１００全体に紫外線を照射するということが行なわれている。

従来、上記のような細長い線状の光照射領域を形成する紫外線光源としては、被処理物の幅に相当する長さを持つ、棒状の紫外線ランプ、例えば高圧水銀ランプやメタルハライドランプが使用されていた。

特開２００５−１５７６４号公報 日経エレクトロニクスに２００２年１０月２１日号Ｐ２８「発光波長は水銀灯と同じ 光出力１００ｍＷの紫外ＬＥＤ」

近年、ＤＶＤやＣＤといったディスク基板上に塗布された保護膜等に対し、ディスクを回転させながら、ディスクの半径に対応する長さの線状の光照射領域により紫外線照射を行ないたいという要望が出てきた。
しかし、回転する被処理物に対して光処理を行う場合、従来と同様の棒状ランプを使用すると、次のような問題があり、図５を用いて説明する。

シート状の被処理物を一方向に搬送する場合と異なり、被処理物１００が回転軸Ｐを中心に一定の角速度Ｓで回転している場合、被処理物１００の内周側の線速度ＶＩは遅く、外周側の線速度ＶＯは速くなる。
したがって、被処理物１００に照射される線状の光照射領域２００の紫外線強度が全体に均一であると、紫外線の照射量が内周側では多くなり、外周側では少なくなる。

そのために、保護膜の硬化の程度が内周側と外周側とでは違ってしまい、内周側では十分に硬化しているが、外周側では未硬化の部分が残るといった不具合が生じることがある。
被処理物１００の内周側と外周側とで照射量を均一にするためには、内周側の光強度を弱く、外周側の強度を強くしなければならないが、棒状のランプから出射する光の強度を部分的に変えることは困難である。

このような場合、棒状ランプと被処理物との間に透過率が部分的に異なるようなフィルタを用いることが考えられるが、光処理条件の変更により照射量を変える必要が生じると、その都度透過率を変えた新しいフィルタを製作して対応しなければならないので、装置のコストが高くなる。

本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、回転する被処理物に対して紫外線を照射する紫外線照射装置において、光照射領域の光強度を部分的に変え、照射量の制御が容易に行なえる紫外線照射装置を実現することを目的とする。

本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
紫外線を照射する紫外線照射部と、該紫外線照射部に電力を供給する電源部と、該電源部に制御信号を供給する制御部とを備え、回転する被処理物に対して紫外線を照射する紫外線照射装置において、紫外線照射部には、プリント基板に線状に並べて実装された複数の紫外線発光ダイオードが設けられる。

線状に並べられた紫外線発光ダイオードの光出射側には、各紫外線発光ダイオードに対応して設けられた複数の凸レンズと、シリンドリカルレンズとが設けられる。
また、紫外線発光ダイオードが実装されたプリント基板の、紫外線発光ダイオードとは反対側には、一個のヒートシンクが取り付けられる。

紫外線発光ダイオードから出射した紫外線は、各紫外線発光ダイオードに対応して設けられた凸レンズによりある程度集光され、さらにシリンドリカルレンズにより一軸方向（並べられた紫外線発光ダイオードが伸びる方向に対して直交する方向）にのみ集光され、細長い線状の光照射領域を形成して、紫外線照射部から出射する

複数の紫外線発光ダイオードには、各紫外線発光ダイオードに対応して設けられた電源部の電源から、それぞれ独立して電力が供給され、制御部は、電源部の電源を個別に制御することにより、各紫外線発光ダイオードからの紫外線強度を変化させ、光照射部から出射する光照射領域の光強度を部分的に変える。
また、紫外線発光ダイオードは点灯時発熱するが、この熱は紫外線発光ダイオードが実装されたプリント基板の、紫外線発光ダイオードとは反対側に取り付けられた一個のヒートシンクに伝えられ放熱冷却される。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
紫外線照射部から出射する細長い線状の光照射領域を形成する紫外線光源として、紫外線発光ダイオードを線状に並べたものを使用し、各紫外線発光ダイオードに独立して電力を供給し、この各発光ダイオードに供給される電力を制御するようにしたので、光照射部から出射する光照射領域の光強度を、部分的に変えることができる。

したがって、回転する被処理物に対しても、内周側の光強度を弱く、外周側の光強度を強くすることにより、被処理物の内周側と外周側とで照射される紫外線の照射量が均一になるようにして光処理を行うことができる。
また、紫外線発光ダイオードは温度が変化すると、一定の電力が供給されていても、出射する紫外線の強度が変化することがあるが、線状に並べられた複数の紫外線発光ダイオードは、実装されている基板の反対側に取り付けられた一つのヒートシンクにより放熱冷却されるので、互いの冷却条件がほぼ等しくなり全体がほぼ同じ温度に保持される。

したがって、線状に並べた複数の紫外線発光ダイオードのうち、一部の紫外線発光ダイオードが他に比べて高温になったり、あるいは低温になったりすることがなく、光照射部から照射される光照射領域全体において、安定した紫外線強度が維持される。

図１に、本発明の実施例である紫外線照射装置の概略構成を示す。
紫外線照射装置は、紫外線を照射する紫外線照射部１０と、電源部２１と制御部２２とを一つの箱体内に納めた電源制御部２０とからなり、紫外線照射部１０と電源制御部２０とは、ケーブル３０により接続されている。

紫外線照射部１０は、紫外線を出射する複数の発光ダイオードと、これら複数の紫外線発光ダイオードから出射する紫外線を集光するレンズ等を備えているが、詳細な構造については後述する。
電源制御部２０は商用電源に接続され、紫外線照射部１０内のＵＶ−ＬＥＤに電力を供給する電源部２１と、電源部２１を制御する制御部２２とを備えている。

また、電源制御部２０の前面は操作パネルになっており、操作パネルには電源の入り切りや光処理にかかわる紫外線強度や照射時間といった各種のパラメータを制御部２２に入力する入力部２３と、制御部２２に接続され、入力した各種パラメータの数値等を表示する表示部２４が設けられている。

図２に、紫外線照射部１０の構成を示す分解図を示す。なお、同図においては、配線や細かい部品については省略している。
紫外線照射部１０は、外装カバーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４等により囲まれた箱体内に、紫外線を出射する光源として、複数の発光ダイオード１１（ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）を備える。

紫外線を放射する発光ダイオード（以下、ＵＶ−ＬＥＤと呼ぶ）としては、非特許文献１に示されるような、最近開発された、紫外線を高い出力で放射する、窒化ガリウム（ガリウムナイトライド ＧａＮ）などを発光材料に用いた発光ダイオードを用いることができ、このようなＵＶ−ＬＥＤを使用した紫外線照射装置としては、例えば特許文献１がある。

ＵＶ−ＬＥＤ１１は、１枚のプリント基板１２上に線状に８個並べて実装され、その光出射側には、各ＵＶ−ＬＥＤ１１に対応して１個ずつ、したがって８個の凸レンズ１３がレンズホルダ１４により保持されて配置される。
この凸レンズ１３は、各ＵＶ−ＬＥＤ１１から広がって出射する紫外線をある程度集光する。

一般にＵＶ−ＬＥＤからは出射する紫外線は発散角が大きく、広い範囲に光が照射される。
そのため、線状に並べたＵＶ−ＬＥＤ１１から光が出射されると、そのままでは、並べて配置した複数のＵＶ−ＬＥＤ１１のそれぞれから出射した光が、光照射領域に全体に広がって、即ち、複数のＵＶ−ＬＥＤからの光が全てオーバーラップして光照射領域が形成される。

そのため、複数設けたＵＶ−ＬＥＤのうち、いずれのＵＶ−ＬＥＤの紫外線強度を変化させても、光照射領域全体の照度が変化してしまい、光照射領域の紫外線強度を部分的に変えることが難しい。
この問題を解決するために、凸レンズ１３によりＵＶ−ＬＥＤから出射する光を、隣のＵＶ−ＬＥＤの光とはオーバーラップするが、さらにその隣のＵＶ−ＬＥＤの光とはオーバーラップしない程度にまで集光する。

これにより、ある１個のＵＶ−ＬＥＤの紫外線強度を変化させると、その直下とその近傍の紫外線強度のみが変化し、紫外線照射部から出射する光照射領域の紫外線強度を部分的に変えることができるようになる。
さらに、凸レンズ１３の光出射側には、線状に並べられたＵＶ−ＬＥＤ１１の長さに応じたシリンドリカルレンズ１５が設けられている。

シリンドリカルレンズは、光が照射される方向に対し、一方向には集光作用があるが、それに直交する方向については集光拡散作用のないレンズのことであり、例えば、円柱形状をしたものや、図２に示されるように円柱を高さ方向に沿って二分割したような形状をしたものがあげられる。
シリンドリカルレンズ１５は、凸レンズ１３によりある程度集光されたＵＶ−ＬＥＤ１１からの紫外線を、ＵＶ−ＬＥＤ１１の並ぶ方向に対して直交する方向にのみ集光し、幅が狭くピーク照度の高い線状の光照射領域を形成する。

また、紫外線照射部１０の光出射側には、石英窓１７が設けられている。例えば被処理物が紫外線硬化性の樹脂の場合、紫外線を照射すると、樹脂から揮発する成分が、紫外線照射部１０内のシリンドリカルレンズ１０等を汚す場合があるので、これを防ぐために設けられる。
揮発成分により汚れた石英窓１７は、適宜クリーニングや交換を行なう。

一方、プリント基板１２の、ＵＶ−ＬＥＤ１１を並べた側の反対側には、１個の放熱フィン１６１つきのヒートシンク１６が密着して取り付けられている。
ヒートシンク１６の放熱フィン１６１は、外装カバーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４により形成された通風路１８内に配置される。

外装カバーＣ３、Ｃ４にはダクト４０が設けられている。ダクト４０には、不図示の外部の送風ファンまたは排気ファンが接続され、通風路１８には冷却風が流れる。
この冷却風によりヒートシンク１６が冷却され、ヒートシンク１６に密着したプリント基板１２に実装されているＵＶ−ＬＥＤ１１が冷却される。

ＵＶ−ＬＥＤから出射する紫外線強度は、ＵＶ−ＬＥＤの温度に大きく依存し、温度が高くなると、同じ電力を供給していても紫外線強度が低下することを、最近われわれは見出している。

ＵＶ−ＬＥＤのそれぞれに別々のヒートシンクを取り付けると、各ＵＶ−ＬＥＤの冷却条件が異なりやすく、長時間点灯すると、各ＵＶ−ＬＥＤの温度に違いが出やすくなり、これにより、紫外線照射部から出射する光照射領域において、部分的な紫外線強度の変化が生じる。
しかし、本実施例の構成においては、複数のＵＶ−ＬＥＤが一つのヒートシンクにより放熱されるので、各ＵＶ−ＬＥＤの冷却条件がほぼ等しくなり、互いにほとんど同じ温度に保持され、一部のＵＶ−ＬＥＤが他のＵＶ−ＬＥＤに比べて高温になったり、あるいは低温になったりすることがない。

したがって、紫外線照射部から出射する光照射領域において、個々のＵＶ−ＬＥＤの温度の違いによる紫外線強度のばらつきが発生することがなく、安定した紫外線強度での光処理を行うことができる。
また、紫外線照射部１０の光出射側とは反対側には、電源制御部２０からのケーブルを接続するコネクタ５０が設けられている。

図３に、紫外線照射装置の電源制御部２０の構成を示す。
電源制御部２０は、紫外線照射部１０のＵＶ−ＬＥＤ１１に電力を供給する電源部２１と、電源部２１を制御する制御部２２、制御部２２に光処理のための紫外線強度や照射時間といった各種パラメータを入力する入力部２３、制御部２２に接続され入力した各種パラメータや装置の動作状況を表示する表示部２４とから構成されている。

電源部２１は、光照射部１０の複数のＵＶ−ＬＥＤ１１に対して一つずつ設けられた複数の電源２１２から構成され、各ＵＶ−ＬＥＤ１１に独立して電力を供給する。
制御部２２は、入力部２３から入力されたパラメータに基づいて、各電源２１２を個別に制御することにより、各ＵＶ−ＬＥＤ１１に供給される電力を独立して変化させ、各紫外線照射部１０から照射される光照射領域２００の紫外線の強度を部分的に調整する。

ＵＶ−ＬＥＤの紫外線強度を変化させ調整する方法としては、ＵＶ−ＬＥＤに供給する電流の大きさを変化させることにより行なわれることが多いが、ＰＷＭ制御と呼ばれる、ＵＶ−ＬＥＤに供給される電力のＯＮ／ＯＦＦの時間比率を変えて行なう方法もあり、いずれの方法も採用することができる。

続いて、紫外線照射装置の動作例について、図１、図２を用いて説明する。
なお、本実施例においては、被処理物としてディスクに塗布された保護膜を硬化させる場合を例にして説明する。

電源制御部２０の入力部２３の電源スイッチを入れることにより、紫外線照射部１０の全てのＵＶ-ＬＥＤ１１が点灯する。
不図示の排気ファンが回転し、外装カバーＣ３に取り付けられたダクト４０から通風路１８に冷却風Ｌが流れ、通風路１８内のヒートシンク１６が冷却され、外装カバーＣ４に取り付けられたダクト４０から排気される。
これにより、点灯したＵＶ-ＬＥＤ１１は熱を発生するが、ヒートシンク１６により放熱され冷却される。

被処理物であるディスクＤが回転したとき、ディスクＤ全体に紫外線が照射されるよう、ＵＶ-ＬＥＤ１１の並ぶ方向が、ディスクＤの半径方向に沿うように、紫外線照射部１０を配置する。
ディスクＤは回転することにより、外側の線速度は速く、内側の線速度は遅くなるので、入力部２３から、ディスクＤの外側に位置するＵＶ-ＬＥＤの紫外線強度が高く、内側に位置するＵＶ-ＬＥＤの紫外線強度が低くなるようにパラメータを入力する。

制御部２２は、入力されたパラメータに基づき、外側のＵＶ-ＬＥＤに供給する電力が大きく、内側のＵＶ-ＬＥＤに供給する電力が小さくなるように、電源部２１の電源２１２を制御する。
これにより、外側のＵＶ-ＬＥＤからは紫外線強度の強い光が、また、内側のＵＶ-ＬＥＤからは紫外線強度の強い光が、それぞれ出射する。

各ＵＶ-ＬＥＤ１１から出射した光は、その出射側に設けられた凸レンズ１３により、隣のＵＶ-ＬＥＤの光とはオーバーラップするが、さらにその隣のＵＶ-ＬＥＤの光とはオーバーラップしない程度にまで集光され、さらにシリンドリカルレンズによりＵＶ−ＬＥＤ１１の並ぶ方向に対して直交する方向にのみ集光されて紫外線照射部１０から出射し、ディスクＤ上に、外側の紫外線強度が高く、内側の紫外線強度の低い、線状の細長い光照射領域２００を形成して照射される。

ディスクＤを回転させながら、紫外線硬化性保護膜の溶液を、ディスクＤの内周側に滴下し、遠心力で外周側に延ばしながら紫外線照射を行い、保護膜を硬化させる。
保護膜の硬化の程度や膜厚といった結果に基づいて、均一な硬化と膜厚で保護膜が形成されるように、紫外線照射部１０から照射される光照射領域２００の部分的な紫外線強度を調整する。

ディスクＤの外側に位置するＵＶ−ＬＥＤから出射する紫外線強度の強い光と、内側の紫外線強度の弱い光とはオーバーラップしないので、光照射領域２００の紫外線強度の調整時に、例えば、外側のＵＶ-ＬＥＤの紫外線強度を強くしても、内側の紫外線強度がそれにつれて強くなるということはなく、また、内側のＵＶ−ＬＥＤの紫外線強度を弱くしても、外側の紫外線強度が弱くなることはなく、照射量の制御が容易に行なえる。

本発明の実施例である紫外線照射装置の概略構成を示す図である。 紫外線照射部の構成を示す分解図である。 紫外線照射装置の電源制御部の構成を示す図である。 被処理物を一方向に移動させながら細長い光照射領域により光を照射している図である。 被処理物を回転させながら細長い光照射領域により光を照射している図である。

符号の説明

１０ 紫外線照射部
１１ ＵＶ−ＬＥＤ（紫外線発光ダイオード）
１２ プリント基板
１３ 凸レンズ
１４ レンズホルダ
１５ シリンドリカルレンズ
１６ ヒートシンク
１７ 石英窓
１８ 通風路
２０ 電源制御部
２１ 電源部
２２ 制御部
２３ 入力部
２４ 表示部
３０ ケーブル
４０ ダクト
５０ コネクタ
１００ 被処理物
２００ 光照射領域
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 外装カバー
Ｄ ディスク
Ｌ 冷却風
Ｐ 回転軸
Ｓ 被処理物の角速度
ＶＩ 内周側の線速度
ＶＯ 外周側の線速度

Claims (2)

1. 紫外線を照射する紫外線照射部と、該紫外線照射部に電力を供給する電源部と、該電源部に制御信号を供給する制御部とを備え、回転する被処理物に対して紫外線を照射する紫外線照射装置において、
   上記紫外線照射部は、プリント基板に線状に並べて実装された複数の紫外線発光ダイオードと、上記基板の上記紫外線発光ダイオードが実装された面とは反対側に取り付けられた一個のヒートシンクと、上記複数の紫外線発光ダイオードの光出射側であって、各紫外線発光ダイオードに対応して設けられた複数の凸レンズとを備え、
   上記複数の紫外線発光ダイオードは、それぞれ独立して上記電源部から電力が供給され、上記制御部により該電力が制御されることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 上記凸レンズの光出射側には、該凸レンズにより集光された光を一方向に集光するシリンドリカルレンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
   

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