JP2009147169A

JP2009147169A - 発光ダイオードを用いた紫外線照射装置

Info

Publication number: JP2009147169A
Application number: JP2007323856A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Fujiwara; 祥雅藤原
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】紫外線発光ダイオードを用いて紫外線硬化材料に紫外線を照射するにあたり、発熱量を抑制しながらも紫外線硬化材料の硬化に要する時間を短縮する。
【解決手段】紫外領域の発光波長を有する紫外線発光ダイオード１を光源に用いて紫外線硬化材料に紫外線を照射する。紫外線発光ダイオード１への通電電流および通電時間を点灯制御回路２が制御する。点灯制御回路２は、紫外線発光ダイオード１が規定温度以下に保たれる範囲で、紫外線発光ダイオード１の定格電流よりも大きい電流を流す強発光期間を所定時間ずつ間欠的に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線領域の発光波長を有する発光ダイオードを用いて紫外線硬化材料を硬化させる目的で用いる発光ダイオードを用いた紫外線照射装置に関するものである。

一般に、紫外線硬化樹脂や紫外線硬化インクのような紫外線硬化材料を硬化させるための紫外線照射装置の光源には、キセノンランプのような放電ランプが用いられている。一方、従来から、発光波長が紫外線領域である発光ダイオード（以下、「紫外線発光ダイオード」という）が知られており、この種の紫外線発光ダイオードを紫外線照射装置の光源に用いることが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００４−１６０９２５号公報

ところで、発光ダイオードは、通電電流が増加すると発光輝度が増加するが、温度が上昇すると発光効率が低下する。このことから、通常、発光ダイオードを駆動する際の通電電流の上限は定格電流に制限されている。

一方、複数個の発光ダイオードを配置することにより、単位面積当たりの発光輝度を高めることが考えられているが、発光ダイオードの配置密度を高めると隣接する発光ダイオードの発熱による温度上昇を生じるから、配置密度には発熱量による制限がある。

したがって、発光ダイオードを光源に用いる場合に、単位面積当たりの発光輝度は定格電流と発熱量とにより制限される。

紫外線硬化樹脂や紫外線硬化インクのように紫外線を照射することにより硬化する紫外線硬化材料に対しては、キセノンランプのような放電ランプを光源に用いた紫外線照射装置と、紫外線発光ダイオードを光源に用いた紫外線照射装置とが知られているが、研究の結果、紫外線発光ダイオードを用いた紫外線照射装置では、放電ランプを用いた紫外線照射装置に比較して、紫外線硬化材料の硬化に要する時間が長くなるという知見を得た。

また、この原因について考察したところ、紫外線硬化材料に含まれる重合開始剤が紫外線照射により分解されることにより発生するラジカルのうち重合に寄与するラジカルの量は、紫外線の照射光量に関係してはいるが、照射光量が等しい場合には、照射時間を長くするよりも照射強度を高めるほうが増加することがわかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、紫外領域の発光波長を有する発光ダイオードを用いて紫外線硬化材料に紫外線を照射するにあたり、発熱量を抑制しながらも紫外線硬化材料の硬化に要する時間を短縮することができる発光ダイオードを用いた紫外線照射装置を提供することにある。

請求項１の発明は、紫外領域の発光波長を有する発光ダイオードを光源に用いて紫外線硬化材料に紫外線を照射する照射装置であって、発光ダイオードへの通電電流および通電時間を制御する点灯制御回路を有し、点灯制御回路は、発光ダイオードが規定温度以下に保たれる範囲で、発光ダイオードの定格電流よりも大きい電流を流す強発光期間を所定時間ずつ間欠的に設けることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記点灯制御回路は、前記発光ダイオードの強発光期間において、前記紫外線硬化材料に含まれる重合開始剤が分解することにより発生するラジカルのうち重合に寄与するラジカルの密度が規定量以上に維持されるように、発光ダイオードの強発光期間の間のインターバル期間が決められていることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、発光ダイオードに定格電流以上の電流を流す強発光期間を間欠的に設け、かつ発光ダイオードが規定温度以下に保たれるように調節しているので、発光ダイオードの配置密度を高めずに、定格電流で点灯させる場合よりも単位面積当たりの発光輝度の高い期間を設けることができる。その結果、強発光期間には、紫外線硬化材料に含まれる重合開始剤の分解が促進され、重合開始剤の分解により生じるラジカルの発生密度を定格電流で発光ダイオードを点灯させる場合よりも高めることができる。

また、強発光期間は間欠的に設けているから、発光ダイオードの発熱量が抑制され、定格電流で発光ダイオードを点灯させる場合よりも照射強度の高い期間を設けながらも、発光ダイオードの発熱による発光輝度の低下を防止することができる。

さらに、強発光期間を設けてラジカルの発生密度を高めているから、酸素の存在による重合阻害（以下、「酸素阻害」という）の影響が相対的に低減されることになる。

請求項２の発明の構成によれば、発光ダイオードに定格電流より大きい電流を流す強発光期間の間のインターバル期間を、各強発光期間に生成されたラジカルのうち重合に寄与するラジカルの密度が規定量以上に維持されるように設定しているから、重合に寄与するラジカルの密度を維持して重合を促進することができる。したがって、重合処理に要する時間が短くなり、しかも、ラジカルの密度を規定量以上に維持しているから重合に要する時間を短縮できる。

本発明は、印刷装置において印刷媒体に印刷する紫外線硬化インクを硬化させたり、合成樹脂板を貼り合わせて形成されるＤＶＤやＣＤの記録媒体を製造する際に接着剤として用いる紫外線硬化接着剤を硬化させたりする際に用いる紫外線照射装置を例示する。紫外線照射装置の光源には、図１に示すように、発光波長が紫外領域である紫外線発光ダイオード１を用いる。

紫外線発光ダイオード１は、図２に示すように、金属製のパッケージ１１に複数個の発光ダイオードチップ１２が収納され、パッケージ１１において発光ダイオードチップ１２から放射される紫外線を取り出す投光窓１１ａに投光レンズ１３が装着されている。この種の目的で用いる紫外線発光ダイオード１は高出力型（たとえば、１素子当たり０．５〜１Ａ）であって、発熱量が大きいからパッケージ１１内に通水して水冷することが可能になっている（水冷の構成は図示せず）。

紫外線発光ダイオード１の点灯状態は、点灯制御回路２により制御される。点灯制御回路２は、紫外線発光ダイオード１への通電電流および通電時間を制御する。本実施形態では、点灯制御回路２から紫外線発光ダイオード１への通電を、図３（ａ）に示すように、間欠的に行っている。すなわち、紫外線発光ダイオード１に通電する電流を相対的に大きくする強発光期間Ｔ１と、相対的に小さくするインターバル期間Ｔ２とを交互に設け、紫外線発光ダイオード１に間欠的に強発光期間Ｔ１を設けている。

強発光期間Ｔ１には紫外線発光ダイオード１の定格電流よりも大きい電流を流すことにょり、紫外線発光ダイオード１からの光出力を定格出力よりも大きくしている。一方、インターバル期間Ｔ２には紫外線発光ダイオード１への給電を停止して紫外線発光ダイオード１を消灯させる。

紫外線発光ダイオード１への通電電流を図３（ａ）のように制御することにより、紫外線発光ダイオード１の温度は、図３（ｂ）に示すように、強発光期間Ｔ１には上昇するがインターバル期間Ｔ２には低下する。ここで、強発光期間Ｔ１における電流のピーク値Ｉｐは紫外線発光ダイオード１の定格電流を超えているが、強発光期間Ｔ１は短時間であり（たとえば、１０^−４ｓのオーダ）、インターバル期間Ｔ２には給電を停止しているから、強発光期間Ｔ１およびインターバル期間Ｔ２の長さと強発光期間Ｔ１に通電する電流の大きさとの関係を適宜に設定することにより、紫外線発光ダイオード１の温度を規定温度以下に保つことが可能になる。つまり、強発光期間Ｔ１を間欠的に設けていることにより、紫外線発光ダイオード１の発熱量が抑制される。

紫外線発光ダイオード１への通電電流を図３（ａ）のように制御するために、点灯制御回路２には、紫外線発光ダイオード１に間欠的に通電するパルス発生部２１が設けられ、パルス発生部２１の出力における強発光期間Ｔ１とインターバル期間Ｔ２とを設定するために、強発光期間設定部２２とインターバル期間設定部２３とがそれぞれ設けられる。強発光期間設定部２２とインターバル期間設定部２３とは、使用環境や使用目的に応じて利用者が操作して設定する。

また、紫外線発光ダイオード１の温度を規定温度以下に保つために、紫外線発光ダイオード１の温度を検出する温度センサ３を設け、温度センサ３により検出される温度が規定温度を超えるとインターバル期間Ｔ２を延長するか強発光期間Ｔ１に通電する電流のピーク値Ｉｐを引き下げるように制御する。この場合、紫外線硬化材料の硬化時間は長くなるが紫外線発光ダイオード１の熱破壊を防止することになる。

紫外線発光ダイオード１の温度は、通電電流の増加に伴って発光輝度が強くなる関係が維持される範囲を保つようにする。したがって、紫外線発光ダイオード１の温度上昇により発光効率が低下することはなく、定格電流を超える電流を通電することにより、定格電流を投入するときよりも高い輝度で紫外線発光ダイオード１を発光させることができる。結果的に、紫外線発光ダイオード１の配置密度を高めることなく、定格電流で点灯させる場合よりも単位面積当たりの発光輝度の高い期間を設けることができる。

このように、発光輝度の高い強発光期間Ｔ１を設けていることにより、紫外線発光ダイオード１から出力される紫外線を紫外線硬化材料に照射することによって、強発光期間Ｔ１には、紫外線硬化材料に含まれる重合開始剤の分解が促進される。一般に、紫外線硬化材料では、紫外線照射によって重合開始剤の分解によるラジカルが生成されると、このラジカルにより紫外線硬化材料の重合が連鎖的に生じるが、１個のラジカルにより開始された重合は時間が経過すると停止反応により停止する。

本実施形態では、強発光期間Ｔ１において短時間に多くの光子を発生させて、定格電流で紫外線発光ダイオード１を点灯させる場合よりも、重合開始剤の分解によるラジカルの発生密度を高めることができるから、紫外線硬化材料の重合反応が促進され、短時間で硬化させることが可能になる。しかも、強発光期間Ｔ１では、ラジカルの発生密度を高めているから、酸素阻害の影響が相対的に低減され、重合度を高めることができる。

ところで、インターバル期間Ｔ２が長いほど放熱量が増加し、紫外線発光ダイオード１の温度上昇は抑制されるが、インターバル期間Ｔ２が長くなると停止反応により重合が停止するから、ラジカルの密度が低下することにより酸素阻害の影響を受けやすくなる。

そこで、インターバル期間Ｔ２については、重合開始剤が分解することにより発生するラジカルのうち重合に寄与するラジカルの密度が規定量以上に維持されるように設定している。つまり、紫外線発光ダイオード１の温度が上述した規定温度以下に保たれるという条件が満たされる限度内において、インターバル期間Ｔ２は可及的に短く設定するのが望ましい。インターバル期間Ｔ２は、強発光期間Ｔ１において生成されたラジカルによる重合反応が停止反応により停止するよりも短い時間とすることにより、重合に寄与するラジカルの密度を維持して重合を促進することができる。

上述したように、定格電流よりも大きい電流を紫外線発光ダイオード１に流す強発光期間Ｔ１を設けてラジカルの発生密度を高め、かつ重合反応が維持されるようにインターバル期間Ｔ２を設定しているから、紫外線硬化材料の硬化に要する時間を短縮できる。しかも、強発光期間Ｔ１における電流値および強発光期間Ｔ１の長さとインターバル期間Ｔ２の長さとを適宜に設定することにより紫外線発光ダイオード１の温度上昇を抑制することができるから、紫外線発光ダイオード１に連続通電して紫外線硬化樹脂を硬化させる場合に比較して、同程度の重合度を得るのに要する消費電力を低減でき、しかも紫外線硬化樹脂の硬化後に照射される紫外線量を低減することができるから、硬化後の紫外線劣化を抑制することができる。

なお、上述した例では、インターバル期間には紫外線発光ダイオード１への通電を停止しているが、インターバル期間において低電流を通電する構成を採用してもよい。インターバル期間に低電流を通電する構成では、通電開始から紫外線発光ダイオード１の光出力が立ち上がるまでの時間を短縮することができ、強発光期間において照射する紫外線量を増加させることができる。ただし、インターバル期間に低電流を通電する構成を採用すると、通電を停止する場合に比較するとインターバル期間における放熱量が低減するから、インターバル期間を長くする必要がある。

本発明の実施形態を示すブロック図である。同上に用いる紫外線発光ダイオードの構成例を示す断面図である。同上の動作説明図である。

符号の説明

１紫外線発光ダイオード
２点灯制御回路
１１パッケージ
１１ａ出射窓
１２発光ダイオードチップ
Ｔ１強発光期間
Ｔ２インターバル期間

Claims

紫外領域の発光波長を有する発光ダイオードを光源に用いて紫外線硬化材料に紫外線を照射する照射装置であって、発光ダイオードへの通電電流および通電時間を制御する点灯制御回路を有し、点灯制御回路は、発光ダイオードが規定温度以下に保たれる範囲で、発光ダイオードの定格電流よりも大きい電流を流す強発光期間を所定時間ずつ間欠的に設けることを特徴とする発光ダイオードを用いた紫外線照射装置。
前記点灯制御回路は、前記発光ダイオードの強発光期間において、前記紫外線硬化材料に含まれる重合開始剤が分解することにより発生するラジカルのうち重合に寄与するラジカルの密度が規定量以上に維持されるように、発光ダイオードの強発光期間の間のインターバル期間が決められていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いた紫外線照射装置。