JP2011253808A - 紫外線ｌｅｄ硬化組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】光源と基板とに大きな距離があるときでも、反射部とレンズとの組み合わせが放射線の強い光線の効果的な発生を可能とするコンパクトで効果的な光学システムを提供する。
【解決手段】インク等を硬化するための硬化組立体２は、少なくとも一つの紫外線ＬＥＤの列１８を備え、部分的に列１８を包囲し、基板上の被覆を硬化するために開口部から照射される放射線を受ける位置に支持された基板に向かって放射線を照射する長尺反射面１４を有する反射部４と、列と開口部との間のレンズ２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬化組立体に関するものであって、例えば、印刷及び被覆産業(printing and coating industry)で様々な基板材料上の高速硬化インクなどのために用いられる。硬化工程の間において、基板上の被覆が光源からの放射線によって照射されて連続工程で被覆を硬化するように、基板を長尺放射線光源の下の経路で移動する。基板は連続物、又は連続的に光源を通過して供給される複合シート(multiple sheets)からなる。

一以上の中圧水銀紫外線ランプからの紫外線放射線の使用によって、基板上のインクを硬化することが知られている。また、基板に放射線を反射するためのランプを部分的に包囲する反射面が設けられた反射部を、組立体の各ランプに設けることも知られている。反射面は、一般的に楕円形又は放物線形からなる凹部側面を有し、ランプは、側面の対照中心線上及び頂点付近に取り付けられる。

反射部は、硬化可能な被覆が受ける放射線の照度を増加する。被覆内への放射線の浸透は、硬化における重要な要素であって、浸透は異なる色及び材料で変化し、照度が高くなるほど、浸透が良くなる。

水銀ランプの一つの欠点として、これらは、例えばねじれ及び／又はゆがみによって、硬化される基板を損傷する多大な量の熱及びＩＲ放射線を生じる。別の欠点は、作用温度に達するまでに１〜２分を必要とする水銀ランプの遅い起動である。近年のなりゆきとして、水銀ランプの代替として成長するという点で、紫外線ＬＥＤの性能が高まるので、塗布物を硬化する紫外線放射線光源としての紫外線ＬＥＤの使用に多大な関心が存在する。

しかし、紫外線ＬＥＤ自身が問題を有しており、問題の一つは、硬化される基板への十分な放射線を焦点に集める能力である。多くの印刷機では、紫外線光源と基板との間の距離が３０〜５０ｍｍ（いくつかは１００ｍｍ）で使用される。これによって、少なくとも５０ｍｍの間隙を隔てて効果的に放射線を供給する必要がある。

水銀ランプで採用される形式と同様の紫外線ＬＥＤの反射部を用いることは知られている。しかし、これでは、大きな間隙（例えば５０ｍｍ）で十分な紫外線照度が供給されない。ＬＥＤが個々のレンズに設けられたり、ＬＥＤが列をなして一つのレンズが各列に設けられる場合に、所定距離を置いたところ（少し離れたところ）の光度が既知のシステムで問題となる。

本発明は、少なくとも１つの列の紫外線ＬＥＤを備えた硬化組立体であって、
列を部分的に包囲する長尺反射面を有し、開口部を備え、基板上の被覆を硬化するために開口部から照射される放射線を受ける位置に支持された基板に向かって放射線を照射する反射部と、列と開口部との間のレンズとを備える。

光源と基板とに大きな距離があるときでも、反射部とレンズとの組み合わせが放射線の強い光線の効果的な発生を可能とすることがわかる。この組み合わせによって、非常にコンパクトで効果的な光学システムが形成される。

好ましい一つの実施形態では、反射面は２つの焦点を備え、列は一方の焦点に配置され、他方の焦点で基板支持位置とする。これによって、列から基板支持位置への放射線を好適に焦点に合わせることができる。しかし、断続的に発散される直接光は、反射面の焦点に達しない。レンズは、これらの直接光に対して設けられ、好ましくは、これと反射面とが基板支持位置にある共通の焦点を有する。

反射面は、レンズを通じない放射線の反射を最大にし、レンズに逆に反射される放射線の量を最小にするように形成されて配置される。反射面は、これらの規準に合致するように楕円形又はアーチ状の形式で構成できる。

レンズは、円柱状のロッドからなる。または、レンズは、断面半円のロッドからなり、列の近くの湾曲面で配置される。どちらの場合でも、ロッドは、紫外線光の高屈折率及び十分な伝達(transmission)のために、好ましくは、石英で形成される。双方のレンズは、形状がシンプルで、安価に準備される。

または、レンズは、基板支持位置で放射線を焦点に集めるために配置された収束レンズからなる。レンズは接地(ground)されたり、１つのメガネ(a pair of spectacles)の機能として形成される。これは高価であるが、非常に優れた効果を生じさせる。

ＬＥＤは、外側領域のＬＥＤがそれ以外のＬＥＤよりも接近するように配置される。中心領域があり、そこでは、ＬＥＤがその他のＬＥＤに対して回転するように配置されており、好ましくは４５度、及び／又は中心領域にあるＬＥＤは、それ以外のＬＥＤよりも間隔を置いて配置されている。

一実施形態では、外側領域は、２列以上のＬＥＤからなり、各外側領域と中心領域との間の中間領域があり、そこでは、ＬＥＤはずれた列で配置される。

紫外線ＬＥＤの使用における問題の一つは、高電流で駆動すると、ＬＥＤが過熱することである。一般的に、ＬＥＤは単に２５％の熱的な効果があってそれ以外が７５％を占める。その他には、外側領域で生じる当然の紫外線降下があり、「エンドエフェクト(end effect)」と呼ばれる。

好ましい配列(pattern)ではこれらの問題を克服する。外側領域におけるＬＥＤまたはダイス(dies)の近接配置は、「エンドエフェクト」を派生する。それ以外のＬＥＤの間隙を高く形成するほど、良い熱伝達率、及びダイスから近接するダイスへ与える熱効果が減少される。中心におけるＬＥＤの配置の回転及び間隙は、軌道回路を設置できるようにし、中心の熱伝達効率を最大にするために設けられる。

列配列(array pattern)は、１５〜５０％（好ましくは２０〜３８％）の充填密度(packing density)を有し、充填密度は、次のように定義される。

充填密度(Packing density)＝ダイス面積(Area of dies)／ダイス間のピッチ面積(Pitch area between dies)×１００％

「ピッチ(pitch）」とは、近接ＬＥＤの中心間の距離である。「ピッチ面積(pitch area)」とは、板の長さ方向のピッチと幅方向のピッチとの積によって計算される。「ダイス面積(area of dies)」とは、ダイス幅とダイス長さ（立方体ダイスでは同じ）との積によって計算される。

ＬＥＤは、水冷の回路基板に取り付けられる。水冷は、水を連続的に循環する多岐管(manifold)に連結された一以上の高熱伝達特性のブロック（例えば銅）を使うことで達成される。

本発明について、添付図面に基づいて符号のある実施形態でさらに説明する。

本発明に係る硬化組立体を示す斜視図。 図１の硬化組立体を示す端部図。 図１の組立体を使用するのに好適なＬＥＤ列を示す平面図。 図１の組立体を使用するのに好適な別のＬＥＤ列を示す平面図。 図１の組立体の作用を示す光線図。 図１の組立体の作用を示す光線図。 図１の組立体の作用を示す光線図。

硬化組立体２は、反射部４を備え、反射部４は、好ましくは、押し出しアルミニウムで構成され、フランジ８と支持部１０との間に、ボルト１２によってそれぞれが固定された２つの反射要素６で形成される。反射部４は、図２に示すように楕円形からなる反射面１４を有する。全楕円を符号１６の点線で示す。楕円１６は、ＬＥＤ列１８が配置される上焦点と下焦点２０との２つの焦点を有する。

組立体２は、下焦点２０を通じる線２２によって示される位置で、基板を位置決めする基板支持部を備える。また、基板支持部は、組立体から離れて配置されたり、例えば、印刷機の湾曲圧胴からなる。

レンズ２４は、端部プレート２６によって、ＬＥＤ列１８と基板支持位置２２との間に支持される。レンズ２４は、図に示すように、円柱状のロッドからなるが、特に、ＬＥＤ列１８に向けて又は離れた湾曲面を有する断面半円形のロッドなどの他の形状も含む。さらにまた、レンズは接地したり、収束するように形成される。

レンズ２４がどのような形式であっても、焦点が楕円１６の下焦点２０に一致するように配置される。

ＬＥＤ列１８の一つの好ましい形式を図３に示す。これは、回路基板３０に取り付けられた正方形のＬＥＤ２８を有する。図３の実施形態では、ＬＥＤ２８は、１．０７ｍｍの幅３２及び奥行３４を有する。板３０の各端部にある２つの列３６において、長さ間隔３８が２．１０ｍｍ、横間隔が１．７０ｍｍである。２つの領域４２があって、一つが一方側にあり、中心領域４４によって分割される。領域４２のＬＥＤ２８は、ずれた列で配置される。横間隔は１．７ｍｍのままであるが、長さ間隔４６は２．６ｍｍに増加する。中心領域４４のＬＥＤ２８は、それ以外のＬＥＤ２８に対して４５度に再配列され、軌道回路(circuit tracks)を設置できるように互いの空間が若干広い。

外側列３６のＬＥＤ２８の充填密度(packing density)は３１％であって、領域４２の充填密度は２６％である。

列３６のＬＥＤ２８の緊密充填(close packing)は、ＬＥＤ列の端部領域における放射線の照度で生じると認められる減少を補う。中間及び中心領域４２，４４におけるＬＥＤ２８の増加空間は、熱伝達を向上し、近接するダイス(dies)に対する一つのダイス(die)からの熱作用を減少する。中心領域４４におけるＬＥＤ２８の回転及び空間は、この領域における熱伝達を向上し、上記の通り、軌道回路(circuit tracks)を設置できるようにする。

図４は、ＬＥＤ列１８の他の好ましい形式を示す。図３の通り、ＬＥＤ２８は、１．０７×１．０７ｍｍの立方体である。長さ間隔３８は、３つの外側列３６において２．１０ｍｍであり、横間隔４０は、これらの列３６において１．４５ｍｍである。外側列３６の間のＬＥＤ２８は、２．６ｍｍの長さ間隔４８に徐々に広がる。外側列３６における充填密度は３８％であって、これらの間の充填密度は３２％である。図３よりも緊密充填された図４の実施形態は、優れた熱伝達の回路基板を可能とする。

図３の実施形態において、６０．００ｍｍの長さＬと１９．７０ｍｍの幅Ｗとを有する板３０に１９２個のＬＥＤ２８があり、図４の実施形態において、６０．００ｍｍの長さＬと１９．７０ｍｍの幅Ｗとを有する板３０に２００個のＬＥＤ２８がある。

図１に示す通り、多数列１８があり、図示の実施形態では４つであって、１列は図から隠されている。列１８は、制御ドライバ５０を介して、電力を供給され、制御される。ＬＥＤ１８は大量の熱を生じるので、冷却が必要となる。これは、図示の実施形態では、冷却水を循環する通路を有する多岐管(manifold)５４に対して熱接触された水冷銅ブロック５２によって達成される。

図５〜図７は、反射面１４とレンズ２４との相互作用を示す。図２のように、これらの図は、反射面１４の全体側面を示す。反射面１４は、図５〜図７に示す通り、互いに角度をつけた平面領域の連続となっているが、これは単なる説明のためである。

図５は、単に反射面１４からの紫外線光の軌道を示し、図６は、単にレンズ２４を通った紫外線光の軌道、即ち反射面１４からの反射をなくして示している。図５が示すように、基板支持位置２２で光線が結合するように、反射面１４が配置される。図６は、レンズの作用によって高照度の放射線からなる柱を生じることを示す。

図７は、組立体２の反射面１４及びレンズ２４を結合した紫外線光の軌道を示す。基板支持位置２２がＬＥＤ列１８から非常に離れているときでさえ、結合によって高い照度及び効率をもたらす。

反射面１４は、光線の反射を最大にし、レンズ２４と列１８との間を通じる反射放射線の量を最小にするように配置される。

図２に示す通り、楕円形の反射面１４によって最適の結果が得られ、アーチ状の面で所望の反射における高い割合（９５％まで）を達成できることがわかる。

上記の通り、レンズ２４は、円柱状のロッドの形式である。これによって非常に十分な結果が得られるが、費用によっては、成形レンズ２４でより良い焦点を得ることができる。

組立体２は、放射線を十分な距離（例えば３０〜５０ｍｍ）を越えて伝達する必要のあるところで、紫外線ＬＥＤを使用できるようにする。コンパクトな組立体でこれを達成できる。この構成で均一及び高い紫外線照度の出力を可能とする。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの列の紫外線ＬＥＤを備えた硬化組立体であって、
   前記列を部分的に包囲する長尺反射面を有し、開口部を備え、基板上の被覆を硬化するために前記開口部から照射される放射線を受ける位置に支持された基板に向かって放射線を照射する反射部と、
   前記列と前記開口部との間のレンズと
   を備えることを特徴とする紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
2. 前記反射面は２つの焦点を備え、前記列は一方の焦点に配置され、他方の焦点で前記基板を支持する位置となることを特徴とする請求項１に記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
3. 前記反射面とレンズとは、前記基板を支持する位置にある共通の焦点を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
4. 前記反射面は、前記レンズを通じない放射線の反射を最大にし、前記レンズに逆に反射される放射線の量を最小にするように形成されて配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
5. 前記レンズは、円柱状のロッドからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
6. 前記レンズは、断面半円のロッドからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
7. 前記ロッドは、石英で形成されることを特徴とする請求項５又は６に記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
8. 前記レンズは、前記基板を支持する位置で放射線を焦点に集めるために配置された収束レンズからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
9. 前記ＬＥＤは、外側領域の前記ＬＥＤがそれ以外のＬＥＤよりも接近するように配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
10. 前記ＬＥＤは、前記ＬＥＤがその他のＬＥＤに対して回転する中心領域を有するように配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
11. 前記中心領域にある前記ＬＥＤは、それ以外のＬＥＤに対して４５度回転することを特徴とする請求項１０に記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
12. 前記中心領域にある前記ＬＥＤは、それ以外のＬＥＤよりも間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
13. 前記ＬＥＤは、１５〜５０％、好ましくは２０〜３８％の充填密度を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
14. 前記ＬＥＤは、水冷回路基板に取り付けられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。
15. さらに、前記開口部を通じて照射される放射線を受ける位置で基板を支持するための基板支持部を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の紫外線ＬＥＤ硬化組立体。

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