JP2009199077A - ライトガイド露光デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】光強度の均一性および量が向上した、改善されたライトガイド露光デバイスを提供する。
【解決手段】アレイ幅を画定する単一のアレイに配置された発光ダイオード、および近位端および遠位端を有する可撓性のライトガイドを備えるライトガイド露光デバイスで、近位端は近位端直径を画定する。アレイ2は、実質的に全ての光をアレイ2から近位端に送るためにライトガイドの近位端と実質的に整列して配置される。発光ダイオードと近位端の間に光学要素が全くないため、発光ダイオードから近位端に送られる光の強度が低下することがない。アレイ幅は実質的に近位端直径に等しい。
【選択図】図1

Description

本発明は、光ファイバなどのライトガイドを含む露光デバイスを使用する感光性組成物を硬化させるデバイスおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、発光ダイオードによって生成された紫外(UV)/紫色光によって感光性組成物を硬化させるライトガイド露光デバイスに関し、ライトガイドによる感光性組成物を対象とするものである。
紫外線硬化性の感光性組成物は、電子部品、医療設備、およびその他の工業製品の製造に使用される。そのような環境で見られる光硬化性組成物は、一般にUV紫外線感受性材料をUV光によって投光する水銀灯ランプを使用して硬化される。
水銀灯技術は幅広く使用されているが、そのような技術はいくつかの欠点がある。1つの欠点は、水銀灯に使用される水銀球の耐用年数が比較的短いことである。さらに、水銀球はその寿命中に非線形的に劣化する。その結果、従来の水銀アーク光硬化システムは、しばしば電球が劣化すると出力を監視し、調整することが必要である。さらに、水銀灯は一般に、それらが煩雑なウォームアップサイクルおよびクールダウンサイクルを必要とするので、待機期間中でも電源が投入される。その結果、水銀球の寿命のほとんどがこうした待機期間中に失われる可能性がある。
別の欠点は水銀灯によって放射された光の広いスペクトラムである。水銀灯は、UV光、可視光、および赤外(IR)光を放射する。一般に、UV帯域通過フィルタは、特定の感光性材料を硬化させるのに必要なUVスペクトラムの部分を伝達する。ヒートリジェクティング(heat−rejecting)IRフィルタは、通常は硬化表面の加熱を防止するために用いられる。IR放射は、非常に高温のランプハウジングを形成するので、ランプハウジング付近の透過光学素子は、耐熱性のUV透過材料から作製されなければならない。
広範囲な手段が、露光装置の照明を制御することが知られている。たとえば、光源からの照明は光源の電流または電圧を変更することによって、または電流の有効な位相域を変更することによって制御できる。米国特許第6,515,430号には、光ファイバであることができる光伝達デバイスを通して光を照らすランプを含む一般的な露光装置が示される。ランプと光ファイバの間には、ランプから光ファイバに送られる光の継続時間および強度を制御するシャッタおよび絞りがある。
その他の照明制御技術では、ニュートラルまたはグレーウェッジ、フィルタ、あるいは同様の吸収性のデバイスが光源と光ファイバの間の光路に配置できる。しかし、グレーウェッジにより照明密度を変更することには限界があり、光を遮られずに送ることができず、常に最大の照明が低下する。当分野では、光学ランプによって放出された光の輝度が、組み込まれた虹彩絞りによって制御できることも知られている。
米国特許第2,735,929号および米国特許第3,222,510号には、標準的な虹彩絞りが示される。しかし、虹彩絞りは、光ファイバへの光の入射角(entrance angle)、および光ファイバから発する光の射出角(exit angle)を変える。米国特許第7,273,369号には、少なくとも1個のヒートシンク、およびLEDアレイなどの2個以上の光源を備える中空のハウジングを有する光ファイバ照明モジュールが示される。米国特許第4,948,214号には、LED投影用のライトガイドおよびマイクロレンズデバイスを含む光学走査デバイス用のレンズアレイが示される。米国特許第6,260,994号には、円筒形に成形されたハウジングの端部にマトリクスに配列されたLED、LEDから前に光を案内するライトガイド、集束レンズを備える内視鏡構造が示される。米国特許第6,645,230号は、ハウジング上またはその中に装着されたLEDのアレイを備える構造を示す。米国特許第7,218,830号には、いくつかのライトガイド部材、およびLEDまたはLEDのアレイなどの少なくとも1つの点の光源を含むフラットパネルのライトガイドが示される。米国特許第5,204,224号は、ウェハ上のフォトレジストを光ファイバのライトガイドからの光に露光するステップと、フォトレジストを第2の露光に曝すステップと、非露光領域を除去するためにフォトレジストを現像するステップを含む方法に関する。LEDまたはLEDアレイが、この引例では全く示されない。米国特許第7,134,768号は、車両用ランプ、交通信号用ランプ、ビデオゲーム、およびその他の照明用途に使用するためのライトガイドを備えるLEDランプに関する。構造は複数のLEDを備え、その光はライトガイドを介して視準され、ハウジング内の複数の反射面を介して内側に反射される。米国特許第7,194,185号は、カバーを貫通して突出する着色されたライトガイドを有する電子デバイスに関する。ライトガイドはカバーの下の2個のLEDによって照明される。2個のLEDは、カバーの下の第2のライトガイドと接触し、そのライトガイドは2個のLEDからの光の色を混合することができる。米国特許第6,880,954号には、LEDおよび高い光出力の強度を生成するための光学集光器を使用して、感光性材料を硬化させる方法および装置が示される。この引例は、視準された光のLEDおよびLEDと光ファイバの間の光学要素の両方を使用する。これらの孔の配置に伴う問題は光強度の不均一性であることが確認されている。
UV/紫色発光ダイオード(LED)の導入により、いくつかのUV/紫色感受性材料を硬化させる新しい代替物が生み出された。LED技術は、従来的な水銀アーク技術に勝るいくつかの利点をもたらす。一般的なLEDは、50,000から100,000時間の間、持ちこたえ、水銀アーク技術に勝るかなりの耐用期間をもたらす。UV/紫色LEDも大量のIR放射を放出せず、したがってヒートリジェクティングIRろ過(heat−rejecting IR Filtration)が必要でない。付加的な利点として、熱発生の低下により、光学素子用に経済的なUV/紫色伝達ポリマーの使用が可能になる。
LEDは水銀灯システムに一般的なウォームアップおよびクールダウン期間が必要ないので、LED供給源は必要に応じて投入および遮断することもできる。いくつかのLED硬化システムは、LEDに供給される電流を制御する駆動回路を実装できる。これらの回路は、安定し、かつ信頼性の高いUV/紫色供給源を提供するために駆動電流を制御することによって、LEDの出力を監視し、制御する閉ループシステムを一般に使用する。これらの回路は、特定の長さの時間の間、特定の出力を放出するなど、異なる感光性材料に関して異なる硬化サイクルを定義することもできる。
残念なことに、従来のLED供給源およびLEDシステムは、従来の水銀灯と比べて、比較的低い出力を有する。より低い出力のLED光硬化システムは、いくつかの歯科用途には十分であることが証明されたが、多くの商業的および工業的なUV/紫色感受性材料は、高速の生産環境で材料を急速に硬化させるためにより高い出力を必要とする。
米国特許第6,515,430号明細書 米国特許第2,735,929号明細書 米国特許第3,222,510号明細書 米国特許第7,273,369号明細書 米国特許第4,948,214号明細書 米国特許第6,260,994号明細書 米国特許第6,645,230号明細書 米国特許第7,218,830号明細書 米国特許第5,204,224号明細書 米国特許第7,134,768号明細書 米国特許第7,194,185号明細書 米国特許第6,880,954号明細書
本発明は、光強度の均一性および量が向上した、改善されたライトガイド露光デバイスを提供する。単一の発光ダイオードアレイが、実質的に全ての光をアレイから近位端に送るためにライトガイドの近位端と実質的に整列する、可撓性のライトガイドの近位端に直接的に隣接して配置される。本発明は、発光ダイオードと近位端の間に光学要素が全くなく、それによって発光ダイオードから近位端に送られる光の強度が低下することがない技術を提案する。
本発明は、アレイ幅を定義する単一のアレイに配置された複数の発光ダイオード、ならびに近位端および遠位端を有する可撓性のライトガイドを備えるライトガイド露光デバイスを提供し、前記近位端が近位端直径を定義し、前記アレイが、発光ダイオードと近位端の間に、発光ダイオードから近位端に送られる光の強度を低下させるいかなる光学要素もない場合に、実質的に全ての光をアレイから近位端に送るためにライトガイドの近位端と実質的に整列して配置され、そのアレイ幅は実質的に近位端直径に等しい。
本発明は、
i)アレイ幅を定義する単一のアレイに配置された複数の発光ダイオード、ならびに近位端および遠位端を有し前記近位端が近位端直径を定義する可撓性のライトガイドを備えるライトガイド露光デバイスを提供するステップであって、前記アレイが、発光ダイオードと近位端の間に、発光ダイオードから近位端に送られる光の強度を低下させるいかなる光学要素もない場合に、実質的に全ての光をアレイから近位端に送るために近位端と実質的に整列して配置され、そのアレイ幅は実質的に近位端直径に等しいステップと、
ii)発光ダイオードによって光を生成するステップと、
iii)発光ダイオードから近位端に光を送るステップと、
iv)光を遠位端から感光組成物に送るステップとを含む感光組成物を露光する方法も提供する。
本発明によれば、単一の発光ダイオードアレイが、実質的に全ての光をアレイから近位端に送るためにライトガイドの近位端と実質的に整列する、可撓性のライトガイドの近位端に直接的に隣接して配置され、発光ダイオードと近位端の間に光学要素が全くないため、発光ダイオードから近位端に送られる光の強度が低下することがなく、光強度の均一性および量を向上することができる。
本発明によるライトガイド露光デバイスの一部分の分解図である。 本発明の一部分を形成する可撓性のライトガイドの1つの実施形態を示す。 ねじ山を付けられた端部を有する可撓性のライトガイドの1つの実施形態を示す。 4個のライトガイド露光デバイスを有するハウジングを示す。
図1および2は本発明の1つの実施形態を示す。図1は、金属被覆基板支持部4に装着されたLEDアレイ2を示す。支持部4は、ねじなどの任意の都合のよい留め具によってフレーム8のウインドウ領域6内に配置されることが好ましい。LEDは、電源10によって電源ケーブル11を介してアレイ2の電源コネクタ44に電力供給できる。1つの実施形態では、LEDへの電源は調整可能であり、連続的に、段階的に、またはパルス式にされ、よりよい表面の制御に関して光出力をよりよく制御するために出力のランプアップまたはランプダウンを設けられる。これは、100から240ボルトAC、または約5から約24ボルトでほぼ10〜100ワットの出力を提供するバッテリー電源であることができる。バッテリーで電源供給されたユニットにより、デバイスを可搬式にすることができる。
電源は、タイマ、またはフットスイッチなどのオン/オフ式スイッチを有することができる。1つの実施形態では、ダイオードアレイ2が、その背面に配置されたヒートシンク12を設けられ、それはLEDによって生成されたいかなる熱も放散するのを助ける。ダイオードアレイ2は、図示されないエアフィルタを備える冷却ファンまたは液体冷却循環装置を任意で設けられる。
発光ダイオードは、360nmから460nm、好ましくは約390nmから約420nmの範囲の最大ピーク波長で実質的に非視準の光を放出する。LEDは、この範囲内で異なる最大波長を有することができる。発光ダイオードは、1ワット/cmから20ワット/cm、好ましくは約2ワット/cmから約10ワット/cmの出力表面においての光強度で光を放出する。LEDは、集合して共に駆動でき、または個別にも駆動できる。通常の場合には、アレイは平面状の配置で4から625の発光ダイオードのマトリクスを備える。このアレイは、2×2アレイから25×25アレイまたはその間の任意の数などの正方形配置で約2から約25の発光ダイオードを有することができる。アレイは、正方形、長方形、円形、またはその他の幾何学的配置とすることができる。アレイは、平面状、凹形、または凸形とすることができる。
アレイ2は、実質的に全てのLED光を図2に符号20として示されるような可撓性のライトガイド20に供給するように配置される。可撓性のライトガイド20は、図2および図3に部分切断図で示される近位端14および遠位端16を有する。近位端14の内側は、近位端直径18を定義する。この近位端の内側が近位端直径を定義することとは、可撓性のライトガイド20が中空管状となっているため、近位端の端面には、その端面の内側に中空部分が存在し、その中空部分が近位端の直径を決定することを意味する。アレイ2はアレイ幅21を有する。アレイ幅21は実質的に近位端直径18に等しい。本発明の文脈の中で、実質的に等しい幅とは、近位端直径18のアレイ幅21に対する比率が約0.4から約1.6の比率を有することを意味する。アレイ2は、実質的に全ての光をアレイ2から近位端14に送るためにライトガイドの近位端14と実質的に整列して配置される。好ましくは、アレイ幅21およびライトガイドの近位端直径18は、0.4mmから12mmである。本発明の最も好ましい実施形態では、発光ダイオードのアレイ2と近位端14の間に光学要素が全くなく、それであって発光ダイオードから可撓性のライトガイド20の近位端14に送られる光の強度が低下する。発光ダイオードと近位端の間にない光学要素の例には、排除的でなくレンズ、集光器、シャッタ、光吸収フィルタ、孔、アテニュエーションホイール(attenuation wheels)、またはその他の光学素子が含まれる。
可撓性のライトガイド20とアレイ2は、ホルダ24によって連結される。ホルダ24は、可撓性のライトガイド20の近位バレル26を受けるためにその中心を完全に通るボア(穴)22を有する。次いで、アレイ2がボア22と整列するように支持部4に連結され、それによってアレイ2のLEDからの光がボア22を通過し、可撓性のライトガイド20の近位端14に入るように、ホルダ24はフレーム8に固定的に連結される。あるいは、ホルダ24は支持部4に直接的に連結できる。ホルダ24は、LEDによって生成された放射熱からホルダ24をさらにクールダウンし、ライトガイド20の近位端がボア内にある場合に、望ましくない熱がライトガイド20の近位端に入るのを防止するために、冷却フィン25を任意で設けられてもよい。ヒートシンク12および冷却フィン25はアレイ2においての温度を、好ましくは50℃から100℃の動作範囲で維持する。温度センサは、コネクタ40において基板支持部4に電気的に取り付けることができる。ホルダ24は、ライトガイド露光デバイスの構成部品を収容する全体のハウジング80と適合する任意の都合のよい構成を有することができる。この構成はライトガイドの容易な清掃または交換を可能にする。
さらに、ライトガイド露光デバイスは、フレーム8のウインドウ領域6内の迷光を捕らえるために配置された光センサ46を有することができる。センサは、LEDアレイからの光出力を最小限にしか干渉しない。このセンサからの電気信号は、LEDアレイによって放出される光の相対強度を示すのに使用される。この信号は、望ましい光出力を維持するためにLEDアレイへの出力を調節するために使用できる。
ライトガイド露光デバイスはさらに、アレイ2とライトガイドの近位端14の間の距離を調整可能に固定することによって、ライトガイドの遠位端においての光強度を調整可能に制御する構成を有する。LEDアレイ2および可撓性のライトガイド20の近位端14から伝達される光の強度は、LEDアレイ2とボア22内の可撓性のライトガイド20の近位端14との間の距離を調整することによって制御される。図2で分かるように、可撓性のライトガイド20は近位端14で終端する長さを有する端部材(近位バレル)26を有する。端部材26は円滑であり、可撓性のライトガイド20の近位端14がホルダ24内の抑止部に対して突き当たり、LEDアレイ2に接触または損傷しないように形成される。近位支持部38は、近位端14とアレイ2の間の距離がボア22内に調整可能に固定されるようにボア22内に部分的に摺動し、またその中に保持されることなどによって配置される。近位支持部38は、可撓性のライトガイド20の可撓性の管36の長手方向につながる。1つの実施形態では、近位支持部38はセットねじ28によってボア22内に保持される。図3に示されるような別の実施形態では、近位支持部38はボア22の内側のかみ合いねじとかみ合うために、その外径上にねじ山32を備えることができる。可撓性の管36の長手方向は、可撓性の管36がねじれを生じるのを防止するために任意でばね支持部35を設けられてもよい。ライトガイド露光デバイスには、ホルダ24内にセンサ30などの機械的または電気的な手段を備えることができ、それはアレイ2とライトガイドの近位端14の間の分離距離を測定する。図3の実施形態で分かるように、ねじ山に隣接して、ライトガイドの周りにライン34がある。ライン34は、近位端14とアレイ2の間の離隔距離を表示する。ライトガイドのねじを外側にまわすにつれて、より多くのラインがホルダ24の外側に現れる。ライトガイド20は、近位端14をボア22内に固定するのを助けるために、ばねを装備したプランジャ42と協働するノッチ37を任意で備えることができる。
スケールは、距離(mm)、または相当する光出力の計算された損失率(percentage loss)であることができる。1つの実施形態では、アレイ2およびライトガイドの近位端14は、0.1mmから60mm離れている。別の実施形態では、アレイ2およびライトガイドの近位端14は、0.5mmから5mm離れている。ライトガイド20は、好ましくは0.4mmから12mmのコア径、および0.1メートル(m)から10メートル(m)の長さを有する。遠位端16においての光出力は通常、0.1ワット/cmから10ワット/cm、好ましくは約1ワット/cmから約5ワット/cmの範囲にある。遠位端においての温度は、ほぼ室温である。遠位端は2つに分かれている。遠位端は、集束レンズ、中性フィルタなどのフィルタ、ディフューザ、プロテクタ、偏光子、使い捨て可能なウインドウなどを任意で備えることができる。ライトガイドは、液体、単一の光ファイバ、または光ファイバの束を含むことができる。束当たり50しかファイバを有しない市販の光ファイバ、または束当たり62,000ものファイバを有する市販の光ファイバが適切である。
一般に、ライトガイド露光デバイスは、ハウジングの外側に遠位端を有するライトガイド露光デバイスの構成部品を備える露光装置を形成するために、図4で分かるような全体のハウジング80に、またはその中に装着できる。ライトガイド露光デバイスは、入/出力連絡部、安全機能、表示機能、またはライトガイドシミュレータなどのオプションの構成要素を任意で備えることができる。連絡は、たとえば標準RS232シリアルバイナリデータ信号コネクタを介するものであることができる。安全機能は、たとえばライトガイド連動器(light guide engaged indicator)、ハウジング閉鎖表示器(housing closed indicator)、または最大許容温度表示器などの表示器を含むことができる。表示機能には、出力オン/オフ表示器、LED寿命表示器、近位光出力表示器、離隔距離表示器、露出プログラム表示器、または温度表示器が含まれる。
ハウジングは、複数のライトガイド露光デバイス、すなわちいくつかのLEDアレイおよびライトガイドを備えることができる。たとえば、図4は4個のライトガイド露光デバイスを有するハウジング80を示す。図1のホルダ24に対応するホルダ61、62、63、および64の遠位端が、ハウジングの外側に確認できる。図2のライトガイド20に対応するライトガイド71、72、73、および74がそれぞれ、ホルダ61、62、63、および64に連結される。ライトガイド71、72、73、および74の遠位端は、1つの対象物または異なる対象物に向けることができる。ハウジング80の内側の4個のLEDアレイ(図示されない)はそれぞれ、発光ダイオードと近位端の間の任意の光学要素がない場合に、ライトガイドの近位端と実質的に整列して配置される。アレイは、同じ最大ピーク波長または異なる最大ピーク波長を有することができる。アレイは、同時にまたは別個に投入および遮断できる。ライトガイド71、72、73、および74の遠位端における光強度は、同じまたは異なることができる。
使用に際しては、上述のライトガイド露光デバイスおよび感光組成物が提供される。UV/紫色光は、十分な時間の間、感光組成物の状態の変化を生じるのに十分な光強度で、LEDアレイ2からライトガイド20を通って感光組成物の上に向けられる。1つの実施形態では、感光組成物は基板上に配置できる。感光組成物は当分野で知られているように、光硬化性接着剤組成物、被覆組成物、封入剤組成物、マスキング組成物、またはシーラント組成物であることが適切である。感光組成物には、排除的でなくアクリレート、メタクリレート、シアノアクリレート、エポキシ、またはその組合せを含む重合性または架橋性材料が含まれる。これらは、紫外光または紫色光あるいは両方に反応性であることができる。オペレータは、選択された位置または基材(図示されない)に硬化されない形で感光組成物(図示されない)を配置することによってライトガイド露光デバイスを使用する。可撓性のライトガイド20の遠位端16が感光組成物に向けられ、LEDが作動される。LEDは、所定の量の時間の間動作を維持し、その時間の間、感光性材料がUV/紫色光に露光され、感光性材料が所望の物理的な変化を受ける。
本発明を詳細に示し、好ましい実施形態を参照して述べてきたが、当分野の技術者は本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更および修正を加えることができることを容易に理解できる。特許請求の範囲は、開示された実施形態、上記に論じられたそれらの変形、およびそれらに対する全ての等価物を包含するものと解釈されることを意図する。
本発明は、光強度の均一性および量を向上することができるライトガイド露光デバイスを提供することができるので、発光ダイオードによって生成された紫外(UV)/紫色光によって感光性組成物を効率的に硬化させることができる。
2 LEDアレイ
4 金属被覆基板支持部
6 ウインドウ領域
8 フレーム
10 電源
11 電源ケーブル
12 ヒートシンク
14 近位端
16 遠位端
18 近位端直径
20 可撓性のライトガイド
21 アレイ幅
22 ボア
24 ホルダ
25 冷却フィン
26 端部材
28 セットねじ
30 センサ
32 ねじ山
34 ライン
35 ばね支持部
36 管
37 ノッチ
38 近位支持部
40 コネクタ
42 プランジャ
44 電源コネクタ
46 光センサ
61〜64 ホルダ
71〜74 ライトガイド
80 ハウジング

Claims (5)

  1. アレイ幅を定義する単一のアレイに配置された複数の発光ダイオードと、近位端および遠位端を有する可撓性のライトガイドとを備えるライトガイド露光デバイスであって、
    前記近位端が近位端直径を定義し、
    前記アレイが、前記発光ダイオードと前記近位端の間に、前記発光ダイオードから前記近位端に送られる光の強度を低下させる光学要素がなく、実質的に全ての光を前記アレイから前記近位端に送るためにライトガイドの近位端と実質的に整列して配置され、前記アレイ幅は実質的に前記近位端直径に等しいライトガイド露光デバイス。
  2. 前記発光ダイオードが、360nm〜460nmの範囲の最大ピーク波長で、前記ライトガイドの近位端においての光強度で1ワット/cm〜20ワット/cmの実質的に非視準の光を放出する、請求項1に記載のライトガイド露光デバイス。
  3. ライトガイド露光デバイスはさらに、前記アレイと前記ライトガイドの近位端の間の距離を調整可能に固定することによって前記ライトガイドの遠位端においての前記光強度を調整可能に制御する構成を有する、請求項1に記載のライトガイド露光デバイス。
  4. 前記発光ダイオードが、複数の最大ピーク波長で実質的に非視準の光を放出する、請求項1に記載のライトガイド露光デバイス。
  5. 感光組成物を露光する方法であって、
    i)アレイ幅を定義する単一のアレイに配置された複数の発光ダイオード、ならびに近位端および遠位端を有し可撓性のライトガイドを備えるライトガイド露光デバイスを提供するステップであり、
    前記近位端が近位端直径を定義して、前記アレイが、前記発光ダイオードと前記近位端の間に、前記発光ダイオードから前記近位端に送られる光の強度を低下させるいかなる光学要素を存在させず、実質的に全ての光を前記アレイから前記近位端に送るために前記近位端と実質的に整列して配置し、前記アレイ幅を実質的に前記近位端直径に等しくするステップと、
    ii)前記発光ダイオードによって光を生成するステップと、
    iii)前記発光ダイオードから前記近位端に光を送るステップと、
    iv)光を前記遠位端から前記感光組成物に送るステップとを含む方法。
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