JP2010234729A

JP2010234729A - 紫外線照射装置

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Publication number: JP2010234729A
Application number: JP2009087243A
Authority: JP
Inventors: Yuko Morito; 戸祐幸森
Original assignee: U Vix Corp
Current assignee: U Vix Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5182761B2

Abstract

【課題】
紫外線硬化樹脂の硬化開始波長が３６５ｎｍからずれていたり、その硬化に伴って硬化促進波長がシフトする場合であっても、紫外線ＬＥＤ光源を用いて紫外線硬化樹脂を良好に硬化できるようにする。
【解決手段】
紫外光源装置（２）から照射された光をライトガイドケーブル（３）に導き、照射対象物に対してスポット照射する際に、紫外光源装置（１）が、ライトガイドケーブル（３）の光入射端（３in）に対して先端透光部（５out）が突合せ接続される発光プローブ（５）を備え、発光プローブ（５）内にはピーク波長が異なる紫外線を照射する複数種類の紫外線発光ダイオード（１１〜１７）を配列し、発光ダイオード（１１〜１７）の発光部から光出射端（３out）までの光路中に少なくとも二種類の光混合素子（Ｍ_１、Ｍ_２）を介装した。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線硬化樹脂や紫外線硬化形接着剤などを硬化促進させる紫外線照射装置に関する。

近年、紫外線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、この紫外線硬化樹脂を硬化させるために紫外線照射装置が開発されている。
一般的な紫外線照射装置は、紫外線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、石英ガラス等の光ファイバを介してその先端に取り付けられた照射ヘッドまで紫外線を導き、ヘッドから例えば接着剤としての紫外線硬化樹脂に紫外線を照射するようになっている。

しかしながら、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、紫外線源となるランプに替えて紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）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、発明者が行った実験によると、ランプを用いた従来の紫外線照射装置と、ＬＥＤを用いた紫外線照射装置では、ランプを用いた従来の紫外線照射装置の方が紫外線硬化樹脂の硬化状態が良好であり、ＬＥＤを用いた紫外線照射装置では、紫外線硬化型の接着剤が硬化できない場合があることが判明した。
当初、紫外線の光強度の問題であると考え、ＬＥＤを複数使用することにより光強度を高くして実験してみたが、ある程度強くしても硬化状態に変化はなく、さらに光強度を高くすると紫外線硬化樹脂が焦げるという現象がみられた。すなわち、光強度を変化させてみても、良好な硬化状態が得られる光強度が存在しないことから、光強度の問題ではないことが判った。

さらに実験を続けたところ、例えば、一般的な紫外線硬化接着剤は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、紫外線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紫外線硬化樹脂にも使用することができる。
ところが、紫外線発光ダイオード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線発光ダイオード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、紫外線で硬化する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線照射により施される。
このとき、紫外線発光ダイオード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一致せず、紫外線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。

特開２００６−２５６３２２号公報

そこで本発明は、紫外線硬化樹脂の硬化開始波長が３６５ｎｍからずれていたり、その硬化に伴って硬化促進波長がシフトする場合であっても、紫外線ＬＥＤ光源を用いて紫外線硬化樹脂を良好に硬化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、本発明は、紫外光源装置から照射された光をライトガイドケーブルで照射位置まで導き、その先端に設けられた照射ヘッドから照射対象物に対してスポット照射する紫外線照射装置において、前記紫外光源装置が、ライトガイドケーブルの光入射端に対して先端透光部が突合せ接続される発光プローブを備え、当該発光プローブ内には前記透光部を介してピーク波長が異なる紫外線を照射する複数種類の紫外線発光ダイオードが配列されて成り、前記発光ダイオードの発光部から前記照射ヘッドの光出射端までの光路中に、少なくとも二種類の光混合素子が介装されたことを特徴とする。

光混合素子としては、請求項２又は３のように、発光プローブとライトガイドケーブルの間に介装された光散乱板を用いたり、請求項４のように、回転楕円球の第一焦点及び第二焦点近傍を切断した中膨れ形状の楕円反射鏡を用いることができる。

また、請求項５又は６のように、光源装置から照射ヘッドに紫外線を導くライトガイドケーブルとして、光ファイバ素線をランダムミックス配列にして束ねたバンドルファイバや、中空コアが形成された固体クラッドよりも屈折率が高い液体で前記中空コアの内部を満たした液体ライトガイドを用いて、これを光混合素子として用いることもできる。

さらに、請求項７のように、各紫外線発光ダイオードから発光されるピーク波長の異なる光は、スペクトルが隣接するピーク波長との差が、夫々のスペクトル半値幅の１／２の和より小さく選定されていることが好ましい。

本発明によれば、ピーク波長が異なる複数種類の紫外線発光ダイオードが発光プローブの光出射端に配列されているので、各波長の光がライトガイドケーブルに入力され、照射ヘッドから照射される。
この場合において、発光プローブの光出射部から、前記照射ヘッドの光出射端に至るまでの間に、少なくとも二種類の光混合素子が介装されている。
例えば、発光プローブの光出射部とライトガイドケーブルの光入射端との間に光散乱板が介装されており、ライトガイドケーブルとして光ファイバ素線をランダムミックス配列にして束ねたバンドルファイバを用いていれば、発光プローブ内に配列されたＬＥＤから照射される各波長の光は、まず、光散乱板で散乱されるので、光のムラ、強度のムラが均一化される。
そして、さらにランダムミックス配列のバンドルファイバに導入されることでさらに混合され、照射ヘッドの光出射端からは、色むらや強度ムラのないより均一化された紫外光が出力される。
したがって、発光プローブの先端のＬＥＤの配列により、各波長の紫外線の混合状態にムラが生じる場合でも、照射ヘッドから照射された光は、そのスポットが形成される範囲内ではどこも複数のピークを有する同一プロフィールのスペクトル及び強度で照射されることとなり、したがって単一波長のピークしかない発光ダイオードを用いた場合における硬化不良の問題を生じにくくなる。
特に、スペクトルが隣接する光のピーク波長同士の差が、隣接するスペクトル半値幅Δλ_１１〜Δλ_１７の１／２の和より小さくなるように選定されていれば、全体として紫外域で連続するブロードなスペクトルが形成され、高圧水銀ランプや水銀キセノンランプなどのランプによるスペクトル特性と実質的に同等の光を照射することができる。

本発明に係る紫外線照射装置の一構成例を示す説明図。発光プローブ内の発光タイオード配列状態を示す説明図。各発光ダイオードのスペクトル分布を示すグラフ。発光プローブとライトガイドの接続部を示す拡大図。他の実施例を示す説明図。発光プローブと楕円反射鏡とライトガイドの関係を示す説明図。発光プローブとライトガイドの接続部を示す拡大図。

本例は、紫外線硬化樹脂の硬化開始波長が３６５ｎｍからずれていたり、その硬化に伴って硬化促進波長がシフトしたりする場合であっても、紫外線ＬＥＤ光源を用いて紫外線硬化樹脂を良好に硬化するという目的を達成するために、紫外光源装置から照射された光をライトガイドケーブルで照射位置まで導き、その先端に設けられた照射ヘッドから照射対象物に対してスポット照射させる場合に、紫外光源装置が、ライトガイドケーブルの光入射端に対して先端透光部が突合せ接続される発光プローブを備え、当該発光プローブ内には前記透光部を介してピーク波長が異なる紫外線を照射する複数種類の紫外線発光ダイオードが配列されて成り、前記発光ダイオードの発光部から前記照射ヘッドの光出射端までの光路中に、少なくとも二種類の光混合素子を介装した。

図１は本発明に係る紫外線照射装置１の一実施例を示し、紫外光源装置２から照射された光をライトガイドケーブル３で照射位置まで導き、その先端に設けられた照射ヘッド４から照射対象物に対してスポット照射するように構成されている。
紫外線光源装置２は、ライトガイドケーブル３の光入射端３inに対して先端透光部５outが突合せ接続される発光プローブ５と、そのプローブ５内に配された紫外線発光ダイオード１１〜１７をコントロールする電源装置６を備えている。

発光プローブ５内には、透光部５outを介してピーク波長が異なる紫外線を照射する複数種類（本例では８種類）の紫外線発光ダイオード１１〜１７が基板１０に固定されて成る７チャンネルのＬＥＤアレイ１８が配されている。
図２はＬＥＤアレイ１８の発光ダイオード１１〜１７の配列状態を示し、ピーク波長３６５ｎｍのＬＥＤチップをマトリクス状に配して成る発光ダイオード１１が中央の光軸上に取り付けられ、その周囲に、ピーク波長３７０ｎｍ、３７５ｎｍ、３８５ｎｍ、４００ｎｍ、４２０ｎｍ、４３５ｎｍのチップ状の発光ダイオード１２〜１７が所要数ずつ所定のエリアＡ_１２〜Ａ_１７内に配列されている。

なお、各発光ダイオード１１〜１７のピーク波長Ｐ_１１〜Ｐ_１７は、図３に示すように、スペクトルが隣接する光のピーク波長との差が、隣接するスペクトル半値幅Δλ_１１〜Δλ_１７の１／２の和より小さくなるように選定されていることが好ましい。
このような間隔で波長が選定されていれば、全体として紫外域で連続するブロードなスペクトルを形成することができる。

電源装置６は、発光プローブ５のチャンネル数に応じて各発光ダイオード１１〜１７ごとに光強度を調整する光量設定器Ｂ_１１〜Ｂ_１７と、全発光ダイオード１１〜１７を同期させて点灯／消灯させることにより発光時間を調節する発光時間設定器Ｔを備えており、各発光ダイオード１１〜１７に対して制御信号を伝送する７チャンネルの信号線７…を介して接続されている。

なお、各発光ダイオード１１〜１７を構成する各波長のＬＥＤチップは、波長ごとに区分した各エリアＡ_１２〜Ａ_１７ごとに配列すると光スポット内における波長ムラが生じ易いため、ランダムに配置した方が好ましい。
しかし、発光プローブ５の透光部５outはその直径が１〜２ｃｍ程度しかないため、ＬＥＤアレイ１８もその程度の大きさに形成せざるを得ない。そして、電源装置６で各チャンネルごとに光の照射強度をコントロールしようとすると、各波長のＬＥＤチップをランダムに配した場合に給電回路を組むことができないため、波長ごとに区分した各エリアＡ_１２〜Ａ_１７ごとに配列することとしている。
したがって、このままでは発光ダイオード１１〜１７から照射される光は、ムラのある光となってしまう。

そこで、発光ダイオード１１〜１７の発光部から照射ヘッド４に形成されるライトガイドケーブル３の光出射端３outまでの光路中に、少なくとも二種類の光混合素子Ｍ_１、Ｍ_２を介装している。

本例では、第一の光混合素子Ｍ_１が、発光プローブ５の透光部５outとライトガイドケーブル３の光入射端３inとの間に介装された光散乱板２１で構成されている。
具体的には、図４に示すように、ライトガイドケーブル３の光入射端側には、発光プローブ５の先端透光部５inに対して接続される光コネクタ２２が取り付けられており、光散乱板２１はライトガイドケーブル３の光入射端３inを覆うように光コネクタ２２に取り付けられている。
これにより、光コネクタ２２の接続ナット２３を発光プローブ５の先端透光部５outの外周面に形成された雄ネジ部２４と螺合させたときに、発光プローブ５との透光部５outとライトガイドケーブル３の光入射端３inとの間に光散乱板２１が介装される。

また、光散乱板２１の背面側には、光散乱板２１により散乱された光をさらに混合させる光混合空間３ａを介してバンドルファイバ２６の光入射端が対向配設されている。
このバンドルファイバ２６は、多数の光ファイバ素線２５…が光入射端３in側から光出射端側に至る間でランダムミックス配列にして束ねられており、第二の光混合素子Ｍ_２として機能する。
なお、ライトガイドケーブル３は、光入射端３inにおける有効入射口径が、発光プローブ５の透光部５outの有効照射口径に等しくなるように選定されている。

以上が本発明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、各波長の光強度を均一にして照射対象物となる紫外線硬化樹脂に照射しようとする場合、まず、電源装置６の各光量設定器Ｂ_１１〜Ｂ_１７により各波長の光量が一定になるように光量調整を行い、発光時間設定器１７で発光時間を設定し、点灯スイッチ（図示せず）をオンすると、ＬＥＤアレイ１８に配列された発光ダイオード１１〜１７が点灯する。

このとき、発光ダイオード１１は中心に配され、発光ダイオード１２〜１７はその周囲に形成されたエリアＡ_１２〜Ａ_１７ごとに配されているので、発光プローブ５の透光部５outから発光ダイオード１１〜１７の配列プロフィールに応じた波長ムラのある光束となって出力される。
そして、光散乱板２１に達すると、光散乱板２１内で光が散乱するため、各波長の光が混合され、波長ムラがある程度改善されてライトガイドケーブル３に入射される。
ライトガイドケーブル３は、多数の光ファイバ素線２５…を光入射端３inから光出射端３outに至る間でランダムミックス配列にして束ねたバンドルファイバ２６で構成されているので、光入射端３inに入射される光束のプロフィールにムラがあっても、光出射端３outから照射されるときは、そのプロフィールがランダムに混合されてムラのない均一な光束となって出射される。

したがって、これを紫外線硬化樹脂に照射した場合は、その照射スポットＳが形成される範囲内であれば、どこでも７種類の波長が均一に混合された光が照射されるので、紫外線硬化樹脂の硬化開始波長が３６５ｎｍからずれていたり、その硬化に伴って硬化促進波長がシフトする場合であっても、紫外線ＬＥＤ光源を用いて紫外線硬化樹脂を良好に硬化させることができる。
特に、図３に示すように、スペクトルが隣接する光のピーク波長との差が、隣接するスペクトル半値幅Δλ_１１〜Δλ_１７の１／２の和より小さくなるように選定されていれば、全体として紫外域で連続するブロードなスペクトルが形成されるため、高圧水銀ランプや水銀キセノンランプなどのランプによるスペクトル特性と同等の光を照射することができる。

本例では、実施例１の光混合素子Ｍ_１及びＭ_２に替えて、三つの光混合素子Ｍ_３〜Ｍ_５を備えている以外は、実施例１と共通するため、共通部分については同一符号を付して詳細説明を省略する。

図５〜図７に示す本例の紫外線照射装置３０は、発光プローブ５の透光部５outが第一の光混合素子Ｍ_３と成る光散乱板３１（図７参照）で形成されている。
また、前記発光プローブ５の透光部５outとライトガイドケーブル３３の光入射端３３inとの間に第二の光混合素子Ｍ_４となる回転楕円反射鏡３２が介装されている。
この楕円反射鏡３２は、長軸を回転軸とする回転楕円球をその第一焦点ｆ_１近傍及び第二焦点ｆ_２近傍で長軸と直交する方向に切断した中膨れ形状に形成されている。
そして、第一焦点ｆ_１に発光プローブ５の透光部５outが位置するように配され、第二焦点ｆ_２にライトガイドケーブル３３の光入射端３３inが位置するように夫々が接続されている。
なお本例では、発光プローブ側に光散乱板３１が設けられているため、ライトガイドケーブル３３の光入射端３３inには光散乱板は設けられていない。光散乱板は光を混合する性質があるものの透過率が低く光強度を低下させる傾向があるため、２枚以上使用することは好ましくないからである。

さらに、ライトガイドケーブル３３としては、中空コア３４の内部にその周囲に形成された固体クラッド３５よりも屈折率の高い液体が満たされた液体ライトガイド３６が用いられており、このライトガイドケーブル３３が第三の光混合素子Ｍ_５として用いられている。
ライトガイドケーブル３３は、そのコア径が発光プローブ５の透光部５outの有効照射口径に略等しくなるように選定され、中空コアに導入された光がその液体内を伝わる間にランダムミックスされるので、ライトガイドケーブル３３の光入射端３３inに入射される光束のプロフィールにムラがあっても、光出射端３３outから照射されるときは、そのプロフィールがランダムに混合されてムラのない均一な光束となって出射される。

本例によれば、電源装置６の各光量設定器Ｂ_１１〜Ｂ_１７により各波長の光量が一定になるように光量調整を行い、発光時間設定器１７で発光時間を設定し、点灯スイッチ（図示せず）をオンすると、ＬＥＤアレイ１８に配列された発光ダイオード１１〜１７が点灯する。
その光は、発光ダイオード１１〜１７の配列プロフィールに応じた波長ムラのある光束となって発光プローブ５内を進行し、透光部５outに配された光混合素子Ｍ_３である光散乱板３１に至る。
光散乱板３１に達すると、光散乱板３１内で光が散乱し、その反対面から各波長の光が混合された光が光混合素子Ｍ_４である楕円反射鏡３２の内に導入される。
光散乱板３１は第一焦点ｆ_１近傍に位置しているので、光散乱板３１から楕円反射鏡３２内に出射された光は、楕円反射鏡３２内で反射されて混合され、その第二焦点ｆ_２に集光される。
なお、楕円反射鏡３２は、光散乱板３２から照射されて反射鏡内面に至る光をすべて反射させて第二焦点ｆ_２に導くので光損失がほとんどなく、したがって、楕円反射鏡３２を介装することにより、光量が低下することもない。

そして、楕円反射鏡３２の第二焦点ｆ_２に集光された光は、光混合素子Ｍ_５であるライトガイドケーブル３３に入射される。
ライトガイドケーブル３３は、液体ライトガイド３６で形成されているので、光入射端３inに入射される光束のプロフィールにムラがあっても、光出射端３３outから照射されるときは、そのプロフィールがランダムに混合されてムラのない均一な光束となって出射される。

したがって、本例においても、これを紫外線硬化樹脂に照射した場合は、その照射スポットＳが形成される範囲内であれば、どこでも７種類の波長が均一に混合された光が照射され、紫外線硬化樹脂の硬化開始波長が３６５ｎｍからずれていたり、その硬化に伴って硬化促進波長がシフトする場合であっても、紫外線ＬＥＤ光源を用いて紫外線硬化樹脂を良好に硬化させることができる。

以上述べたように、本発明は、紫外線硬化樹脂や紫外線硬化型接着剤を硬化促進する紫外線照射装置の用途に適用できる。

１紫外線照射装置
２紫外光源装置
３ライトガイドケーブル
４照射ヘッド
３out 光出射端
３in 光入射端
５out 先端透光部
５発光プローブ
６電源装置
１０基板
１１〜１７紫外線発光ダイオード
１８ＬＥＤアレイ
２１光散乱板
Ｍ_１、Ｍ_２光混合素子

Claims

紫外光源装置から照射された光をライトガイドケーブルで照射位置まで導き、その先端に設けられた照射ヘッドから照射対象物に対してスポット照射する紫外線照射装置において、
前記紫外光源装置が、ライトガイドケーブルの光入射端に対して先端透光部が突合せ接続される発光プローブを備え、当該発光プローブ内には前記透光部を介してピーク波長が異なる紫外線を照射する複数種類の紫外線発光ダイオードが配列されて成り、
前記発光ダイオードの発光部から前記照射ヘッドの光出射端までの光路中に、少なくとも二種類の光混合素子が介装されたことを特徴とする紫外線照射装置。
前記光混合素子の一が、前記発光プローブとライトガイドケーブルとの間に介装された光散乱板である請求項１記載の紫外線照射装置。
前記発光プローブの透光部が光混合素子となる光散乱板で形成された請求項１記載の紫外線照射装置。
前記光混合素子の一が、前記発光プローブの透光部とライトガイドケーブルの光入射面との間に介装された回転楕円反射鏡であって、当該楕円反射鏡は長軸を回転軸とする回転楕円球の第一焦点及び第二焦点近傍を切断した中膨れ形状に形成され、前記第一焦点に発光プローブの透光部が位置するように配され、第二焦点にライトガイドケーブルの光入射面が位置するように配されてなる請求項１記載の紫外線照射装置。
前記光混合素子の一が前記ライトガイドケーブルであって、当該ライトガイドは、光ファイバ素線をランダムミックス配列にして束ねたバンドルファイバが用いられた請求項１記載の紫外線照射装置。
前記光混合素子の一が前記ライトガイドケーブルであって、当該ライトガイドは、中空コアの内部にその周囲に形成された固体クラッドよりも屈折率の高い液体が満たされた液体ライトガイドが用いられた請求項１記載の紫外線照射装置。
前記各紫外線発光ダイオードから発光されるピーク波長の異なる光は、スペクトルが隣接するピーク波長との差が、夫々のスペクトル半値幅の１／２の和より小さく選定されて成る請求項１記載の紫外線照射装置。