JP2011233522A

JP2011233522A - 発光ダイオードの配列を有する露光装置

Info

Publication number: JP2011233522A
Application number: JP2011098386A
Authority: JP
Inventors: Kirk A Middlemass; エー．ミドルマスカーク; Todd J Hallock; ジェイ．ハロックトッド; James E Swope; イー．スオープジェームス; Gary A Zubricky; エー．ズブリッキーガリー
Original assignee: Dymax Corp
Current assignee: Dymax Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-11-17
Also published as: KR20110120210A; CN102236266A; US8134132B2; EP2400324A1; US20110268888A1

Abstract

【課題】感光性基材を集中光源に曝す装置及び方法を提供すること。
【解決手段】本装置は、感光性のインク、接着剤及び写真画素等の物質を硬化させるのに適している。紫外光又は可視光がＬＥＤの配列から発せられ、次いで導光部の配列により、集光部の長さに沿った入光領域を有する集光部に導かれる。次いで、光は集光され、集光部の長さに沿った光出力領域から、露光されるべき感光性の標的に発せられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材を集中光源に曝すための装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、感光性のインク、接着剤及び写真画素等の物質を硬化させるための発光ダイオード（ＬＥＤ）装置に関する。紫外光又は可視光がＬＥＤの配列から発せられ、次いで導光部の配列により、集光部の長さに沿った入光領域を有する集光部に導かれる。次いで、光は集光され、集光部の長さに沿った光出力領域から、露光されるべき感光性の標的に発せられる。

電磁エネルギー、特に紫外光（ＵＶ光）の周波数範囲内のエネルギーは、インク、塗料及び接着剤等の流体を含むいくつかの物質の硬化を促進させることが知られている。これらの流体の多くは、流体がＵＶ光に曝されたときに、流体中のモノマーをポリマーに変換してモノマー材料を固化させる光開始剤を含む。ＵＶ光源を用いて物質を硬化させるための従来の器具には、硬化時間が最適化されるように選択されるＵＶの周波数範囲内の光を生成するランプ及び／又はＬＥＤが挙げられる。ＬＥＤは、これを電流が通過するときに光を発する電子半導体デバイスの一種である。尚、光硬化性の感光性組成物は、電子部品、医療機器及び他の工業製品の製造において用いられている。

従来、このような環境において見出された組成物は、ＵＶ感光性材料をＵＶ光でみなぎらせるために高圧アークランプを用いて硬化されてきた。アークランプの技術は広く用いられているが、このような技術はいくつかの不利益を有する。１つの不利益は、従来のアークランプで構成された硬化光源において用いられる電球の寿命が比較的短いことである。そのうえ、アーク電球は、この寿命の間において非線形的に劣化する。結果として、従来のアークランプの光硬化系は、しばしば、電球が劣化するにつれて出力の監視及び調節を必要とする。さらに、アークランプは、煩雑な暖気及び冷却のサイクルを要するので、それらは一般に、待機時間中でさえ通電されている。結果として、従来の電球の寿命の多くは、これらの待機時間中に失われることがある。別の不利益は、アークランプにより放射される光のスペクトルが幅広いことである。アークランプは、ＵＶ光、可視光及び赤外（ＩＲ）光を放射する。一般に、ＵＶ帯透過フィルターは、特定の感光性材料を硬化させるために必要なＵＶスペクトルの一部を透過する。熱遮断ＩＲフィルターが、通常、硬化面の加熱を防ぐために用いられる。ＩＲの放射は、ランプのハウジングを非常に熱くするので、ランプのハウジング近傍の透過の光学部材は、耐熱性のＵＶ透過材料で作製されなければならない。ＬＥＤは、しばしば、このようなアークランプの代わりに用いられる。

米国特許第７２７３３６９号には、少なくとも１つのヒートシンクと、ＬＥＤ配列等の２つ以上の光源とを含む中空のハウジングを含む光ファイバーモジュールが示されている。米国特許第４９４８２１４号には、導光部を含む光走査装置、及びＬＥＤの画像処理のための微小レンズ装置のためのレンズ配列が示されている。米国特許第６６４５２３０号には、ハウジングの上又は中に搭載されたＬＥＤの配列を含む構造が示されている。米国特許第７２１８８３０号には、いくつかの導光部品と、ＬＥＤ又はＬＥＤ配列等の少なくとも１つの点光源を含有する平板導光部が示されている。米国特許第７１３４７６８号は、車両ランプ、交通信号ランプ、テレビゲーム、及び他の照明用途において用いるための導光部をもつＬＥＤランプに関する。その構造は複数のＬＥＤを含み、ＬＥＤの光は導光部により平行にされ、ハウジング内の多重反射面により内側に反射される。米国特許第７１９４１８５号は、カバーを通り突出し着色された導光部を有する電子装置に関する。導光部は、カバーの下の２個のＬＥＤにより照らされている。この２個のＬＥＤは、この２個のＬＥＤからの光の色を混合することが可能である、カバーの下の第２の導光部に接触している。米国特許第６８８０９５４号には、ＬＥＤと、強い光強度を生み出すための集光部とを用いて感光性材料を硬化させるための方法及び器具が示されている。この参照文献では、平行光ＬＥＤと、ＬＥＤ及び光ファイバーの間の光学要素との両方を用いられる。これらの開口配列の問題は、光強度の不均一性であることが明らかになっている。

発光ダイオードの導入により、いくつかの感光性材料を硬化させるための新たな選択肢が生み出された。ＬＥＤ技術により、従来のアークランプ技術を上回るいくつかの利益がもたらされる。一般的なＬＥＤは、２００００から５００００時間の間持続し、アークランプ技術を上回る著しい寿命の改善をもたらす。ＬＥＤは、著しい量のＩＲ放射も発しない。追加の利益として、熱生成が低減されることにより、光学用の経済的な光透過ポリマーの使用が可能になる。

ＬＥＤは、アークランプ系において一般的な暖気及び冷却の時間を要しないので、ＬＥＤ光源を、必要に応じて点けたり消したりすることもできる。いくつかのＬＥＤ硬化系は、駆動回路を実行させて、ＬＥＤに供給される電流を制御することができる。これらの回路は、一般に、駆動電流を制御することによりＬＥＤの出力を監視及び制御する閉回路系を用いて、安定で信頼性のあるＵＶ／青紫光源を提供する。これらの回路は、特定の長さの時間の間において特定の出力を発する等、いろいろな感光性材料に対していろいろな硬化サイクルを定義することもできる。

米国特許第７２７３３６９号明細書米国特許第４９４８２１４号明細書米国特許第６６４５２３０号明細書米国特許第７２１８８３０号明細書米国特許第７１３４７６８号明細書米国特許第７１９４１８５号明細書米国特許第６８８０９５４号明細書

従来のＬＥＤ光源及びＬＥＤ系は、従来のアークランプに比べて、比較的低い出力を有するという欠点があった。小さい出力のＬＥＤ光硬化系は、一部の歯科用用途に対しては十分であることが分かっているが、多くの商業及び工業の感光性材料は、高速の製造環境において材料を迅速に硬化させるために、より大きい出力を必要とする。

本発明は、光強度の改善された均一性及び量を有する、改善された導光露光装置を提供する。この照明装置は、紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である光学式の集光部を含む。集光部は、その長さに沿った入光領域及び光出力領域を有する。いくつかの発光ダイオードが設けられ、一連の導光部のそれぞれの入光端に１つ設けられている。それぞれの導光部の光出力端は、入光領域において集光部にその長さに沿って接しているので、集光された光が基材上に配置された感光性組成物に向かって導かれるように、集光された光は、集光部の光出力領域の長さに沿って発せられる。

本発明は、感光性組成物を硬化させるための照明装置であって、電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である光学式の集光部を含み、前記集光部は、長さ及び幅を有すると共に、集光部の長さに沿った入光領域、及び、集光部の長さに沿って入光領域から間隔を空けた位置にある光出力領域を有し、それぞれ入光端及び光出力端を有する複数の導光部を含み、前記導光部の光出力端は、集光部の長さに沿って入光領域に接しており、前記導光部の入光端に並置され、導光部の入光端に光を発することが可能である、複数の発光ダイオードを含む照明装置を提供する。

本発明は、
ｉ）感光性組成物を硬化させるための照明装置であって、電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である光学式の集光部を含み、前記集光部は、長さ及び幅を有すると共に、集光部の長さに沿った入光領域、及び、集光部の長さに沿って入光領域から間隔を空けた位置にある光出力領域を有し、それぞれ入光端及び光出力端を有する複数の導光部を含み、前記導光部の光出力端は、集光部の長さに沿って入光領域に接しており、前記導光部の入光端に並置され、導光部の入光端に光を発することが可能である、複数の発光ダイオードを含む照明装置を用意すること、
ｉｉ）基材上に配置された感光性組成物を用意すること、次いで
ｉｉｉ）電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光を、集光部の光出力領域から感光性組成物に導くことにより、感光性組成物を露光させること
を含む、感光性組成物の露光方法をさらに提供する。

集光部において最高となる様々な長さの導光部により接続された、上部又は下部の発光ダイオード配列を有する、本発明による照明装置を示す図。集光部が実質的に円形の断面を有し、導光部が湾曲している、本発明の別の実施形態を示す図。集光部が実質的に長円形の断面を有し、導光部が直線形で互いに等間隔である、本発明の別の実施形態を示す図。集光部が実質的に半円形の断面を有し、導光部が直線形で互いに等間隔である、本発明の別の実施形態を示す図。導光部が六角形である、本発明の別の実施形態を示す図。導光部及び集光部が円形の断面を有し、導光部が互いに等間隔である、本発明の別の実施形態を示す図。２つの集光部を有する、本発明の別の実施形態を示す図。導光部が円錐形で先細になっている、本発明の別の実施形態を示す図。光出力端が集光部の中心部より集光部の末端部において近い間隔であるように、導光部の光出力端が集光部の入光領域に沿って設置されている、本発明の別の実施形態を示す図。導光部の光出力端が、集光部の入光領域に沿って様々な角度で設置されている、本発明の別の実施形態を示す図。導光部が様々な高さを有する、本発明の別の実施形態を示す図。導光部が、放熱器に隣接して設置されている、本発明の実施形態を示す図。

図１に、本発明による、感光性組成物を硬化させるための照明装置１０の一実施形態を示す。それは、発光ダイオード１２の配列と、対応する導光部１６の配列とを有する。それぞれの導光部１６は、入光端１４及び光出力端１８を有する。それぞれの発光ダイオード１２が、それが並置された導光部１６の入光端１４に光を発するために設置されるように、それぞれの発光ダイオード１２は、１つの導光部１６の入光端１４において単一の導光部１６と並置されている。その照明装置は、電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である光学式の集光部２０も有する。集光部２０は、長さ及び幅、集光部の長さに沿った入光領域２２、及び入光領域から間隔を空けた位置に集光部の長さに沿った光出力領域２４を有する。それぞれの導光部１６の光出力端１８は、入光領域２２において集光部２０にその長さに沿って接する。本発明の目的のために、「接する」の用語は、導光部１６の光出力端１８が集光部２０の入光領域２２に接触している、又は導光部１６の光出力端１８と集光部２０の入光領域２２とが互いの約０．０１０インチ以内であることを意味する。

次いで、すべての発光ダイオードから集光された光は、光出力領域２４に沿って集光部２０から出る。本発明の一実施形態において、その照明装置は、発光ダイオード及び導光部の組合せの単一の配列２６を有することができる。本発明の別の実施形態において、その照明装置は、配列２６に配置された発光ダイオードが、集光部からの第１の距離にあり、配列２８の発光ダイオードが、集光部からの第２の距離にあり、第２の距離が第１の距離と異なるように配置された、発光ダイオード及び導光部の組合せの１つより多い配列２８を有することができる。好ましい実施形態において、その照明装置は、発光ダイオード近傍に位置する１つ又は複数の放熱装置３０をさらに含み、発光ダイオードからの熱を集光部２０から熱伝導で取り去ることが可能である。

発光ダイオードは、紫外光、可視光又は両方の１つ又は複数の波長を発することが可能である。一実施形態において、発光ダイオードは、約２００ｎｍから約８００ｎｍの範囲内の光を発することが可能である。別の実施形態において、発光ダイオードは、約２５０ｎｍから約４５０ｎｍの範囲内の光を発することが可能である。

図２に、集光部２０が実質的に円形の断面を有する、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態において、導光部１６は湾曲している。図３に、集光部が実質的に長円形の断面を有し、導光部が直線形で互いに等間隔である、本発明の別の実施形態を示す。図４に、集光部が実質的に半円形の断面を有し、導光部が直線形で互いに等間隔である、本発明の別の実施形態を示す。

好ましくは、集光部２０は、円形、四角形、六角形又は長円形の断面を有する棒を含む。好ましくは、導光部１６は、円形、四角形、六角形又は長円形の断面を有する棒を含む。図５に、導光部１６の断面が六角形である、本発明の別の実施形態を示す。図６に、導光部１６及び集光部２０が円形の断面を有し、導光部１６が互いに等間隔である、本発明の別の実施形態を示す。図７に示す本発明の別の実施形態において、照明装置１は、電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である第２の集光部３２をさらに含む。第２の集光部３２も、長さ及び幅を有する。第２の集光部３２は、この長さに沿った入光領域３４と、集光部の長さに沿って入光領域から間隔を空けた位置にある光出力領域３６とを有する。第２の集光部３２の入光領域３４が、集光部２０の光出力領域２２の長さに沿って位置するように、第２の集光部３２は設置される。図８に、導光部１６が、広い円錐部及び狭い円錐部を有する先細の円錐形の断面を有し、導光部１６の光出力端１８が、集光部においてそれらの広い円錐部に沿って接している、本発明の別の実施形態を示す。図９に、導光部の光出力端１８が、集光部２０の中心の位置より集光部２０の末端の位置において近い間隔であるように、導光部１６の光出力端１８が、集光部の入光領域に沿って設置されている、本発明の別の実施形態を示す。好ましくは、集光部の光出力領域に沿った光強度の出力の変化が、光出力領域に沿って約２５％未満、より好ましくは５％未満であるように、発光ダイオードが選択され、導光部が集光部の入光領域に沿って設置される。図１０に、導光部１６の光出力端１８が、集光部の入光領域に沿って様々な角度で設置されている、本発明の別の実施形態を示す。図１１に、導光部１６が様々な高さを有する、本発明の別の実施形態を示す。図１２に、導光部１６が、放熱器３０に隣接して設置されている、本発明の実施形態を示す。

使用時において、上述の照射装置を用意する。この装置は、基材３８上に配置された感光性組成物に隣接して設置される。集光部の光出力領域からの、電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光４０を、感光性組成物上に導くことにより、感光性組成物は硬化される。使用時において、上述の導光露光装置１０及び感光性組成物は、基材３８上に配置される。ＵＶ光及び／又は可視光は、導光部１６及び集光部２０を通して、感光性組成物の状態に変化を引き起こすのに十分な時間、及び十分な光強度で、ＬＥＤ１２の配列から感光性組成物上に導かれる。感光性組成物は、適切に、当技術分野において周知である光硬化性接着剤組成物、塗料組成物、カプセル封入剤組成物、マスキング組成物又は密封剤組成物である。感光性組成物には、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、又はこれらの組合せを含む、重合性又は架橋性の材料が含まれる。これらは、紫外光もしくは可視光、又は両方に反応性であることができる。選択された基材３８上に未硬化の形態の感光性組成物を配置することにより、その導光露光装置はオペレータにより使用される。感光性材料がＵＶ／可視光に露光して、感光性組成物に所望の物理的変化が生じる所定の時間の間、ＬＥＤを作動したままにする。

感光性組成物は、有機ラジカル重合性成分及び重合開始剤の混合物を含む、実質的に均一な流体を一般に含む。有機ラジカル重合性成分は、少なくとも１つ、好ましくは２つのオレフィン性不飽和二重結合を有するモノマー、オリゴマー又はポリマーであることができる。このようなものは、当技術分野において周知である。有用なラジカル重合性成分には、アクリレート及びメタクリレートが挙げられる。有機ラジカル重合性成分は、十分な化学線放射に曝された際に重合するのに十分な量で存在する。好ましい実施形態において、有機ラジカル重合性成分は、感光性組成物全体の非溶媒部に基づいて約１重量％から約９９重量％、好ましくは約５０％から約９９％の量で感光性組成物全体の中に存在する。ラジカル生成成分は、好ましくは、十分な化学線放射に曝された際に重合性化合物の重合を生じさせるのに十分な量で存在する。重合開始剤は、感光性組成物の非溶媒部の約０．１％から約５０％、より好ましくは約０．１％から約１０％を構成することができる。

場合による様々な添加剤を、放射硬化性組成物の具体的な最終用途、及び他の様々な条件に応じて組成物に添加することができる。これらの例には、熱重合禁止剤、可塑剤、増量剤、導電性粒子、熱伝導性粒子、スペーサー、着色剤、接着促進剤、界面活性剤、増感剤及び露光指示薬等が挙げられる。感光性組成物は、接着剤又は塗料の組成物としての用途が見出される。

本発明の好ましい実施形態において、感光性組成物は、アクリレートモノマー及び／又はメタクリレートモノマーと組み合わせた、ウレタンのアクリレート及び／もしくはメタクリレートのオリゴマー、ならびに／又はエポキシオリゴマーである重合性成分を有し、重合開始剤は、ケトン及び／又はホスフィンオキシドを含む。感光性組成物は、実質的に均一な流体が形成されるまで、組成物の成分を混合することにより調製され得る。次いで、感光性組成物は、基材上に塗料として塗布され、重合性成分の重合を開始するのに十分な紫外光又は可視光の放射に曝される。露光時間の長さは、当業者により容易に決定でき、放射硬化性組成物に特有の成分の選択に依存する。一般に、露光は、約１秒から約６０秒、好ましくは約２秒から約３０秒、より好ましくは約２秒から約１５秒の範囲である。一般に、露光の強度は、約１０ｍＷ／ｃｍ^２から約２０ｍＷ／ｃｍ^２、好ましくは約５０ｍＷ／ｃｍ^２から約１５ｍＷ／ｃｍ^２、より好ましくは約１００ｍＷ／ｃｍ^２から約１０ｍＷ／ｃｍ^２の範囲である。

本発明によれば、基材に対して十分な強度の光を均一に照射することができる。本発明は、多種の感光性材料を迅速に硬化させることができ、その応用範囲は広いものとなっている。

１０照明装置
１２発光ダイオード
１４入光端
１６導光部
１８光出力端
２０集光部
２２入光領域
２４光出力領域
２６単一の配列
２８１つより多い配列
３０放熱装置（放熱器）
３２第２の集光部
３４入光領域
３６光出力領域
３８基材
４０光

Claims

感光性組成物を硬化させるための照明装置であって、
電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である光学式の集光部を含み、前記集光部は、長さ及び幅を有すると共に、集光部の長さに沿った入光領域、及び、集光部の長さに沿って入光領域から間隔を空けた位置にある光出力領域を有し、
それぞれ入光端及び光出力端を有する複数の導光部を含み、前記導光部の光出力端は、集光部の長さに沿って入光領域に接しており、
前記導光部の入光端に並置され、導光部の入光端に光を発することが可能である、複数の発光ダイオードを含む照明装置。
発光ダイオードの近傍に設置され、発光ダイオードからの熱を集光部から熱伝導で取り去ることが可能である１つ又は複数の放熱装置をさらに含む、請求項１に記載の照明装置。
導光部が、円形、四角形、六角形又は長円形の断面を有する棒を含む、請求項１又は請求項２に記載の照明装置。
集光部が、半円形の断面を有する棒を含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の照明装置。
電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である第２の集光部をさらに含み、前記第２の集光部が、長さ及び幅を有し、前記第２の集光部は、集光部の長さに沿った入光領域、及び集光部の長さに沿って入光領域から間隔を空けた位置にある光出力領域を有し、第２の集光部の入光領域が集光部の光出力領域の長さに沿って位置するように、前記第２の集光部が設置された、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の照明装置。
導光部が、広い円錐部及び狭い円錐部を有する先細の円錐状の断面を有し、広い円錐部が、集光部の入光領域に接する導光部の光出力端にある、請求項１〜請求項５のいずれかにに記載の照明装置。
ｉ）感光性組成物を硬化させるための照明装置であって、
電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光に対して実質的に透明である光学式の集光部を含み、
前記集光部は、長さ及び幅を有すると共に、集光部の長さに沿った入光領域、及び、集光部の長さに沿って入光領域から間隔を空けた位置にある光出力領域を有し、
それぞれ入光端及び光出力端を有する複数の導光部を含み、
前記導光部の光出力端は、集光部の長さに沿って入光領域に接しており、
前記導光部の入光端に並置され、導光部の入光端に光を発することが可能である、複数の発光ダイオードを含む照明装置を用意すること、
ｉｉ）基材上に配置された感光性組成物を用意すること、次いで、
ｉｉｉ）電磁スペクトルの紫外光及び／又は可視光の領域内の光を、集光部の光出力領域から感光性組成物に導くことにより、感光性組成物を露光させること、
を含む、感光性組成物の露光方法。