JP2013238591A - 感光性樹脂膜の重合監視のための低コストの測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】感光性樹脂膜の重合監視のための低コストの測定システムを提供する。
【解決手段】赤外線光源１０２は膜１１０および／または基板１０８などの光活性化材料に向けて発光する。光学フィルタ１０４は光が基板および／膜から反射した後で光学フィルタ１０４を透過するように位置決めされる。光検出器１０６は光学フィルタ１０４を透過する光を検出するように位置決めされる。
【選択図】図１

Description

光硬化プロセスは、印刷、塗膜、接着等を含むさまざまなアプリケーションにおいて非常に好評であり有用になってきた。アーク灯および紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）硬化プロセスなどの数多くの種類の硬化プロセスが提供されている。これらの硬化プロセスは、材料が硬化プロセスを介して基材へ「硬化される」ように光活性化材料の化学的および物理的な特徴および構造を変化させる。

光硬化プロセスの一つの重要な態様は、光活性化材料が硬化プロセスを終了する時期または終了間近である時期を判断することである。硬化プロセスの終了判断の示度は光活性化材料の重合の度合を測定することである。この判断は一般に製造や保守費用の掛かる高価な設備が必要とされるフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光法によって実行されている。或いは、硬化プロセスの終了判断は摩擦またはテープテストを用いて行われるが、これは原始的で主観により判断されるテストであることから、テストを精度良く実行し正確なテスト結果を得るために試験者は相当な量の試験訓練を受ける必要がある。ＦＴＩＲ分光法と摩擦またはテープテストの両方は硬化プロセスが終了したと推定された後に実行され、リアルタイムでは行われないという問題があった。また、これらのテストを実行するために硬化プロセスが停止されるので、プロセス全体が終了するまでにより多くの時間を掛ける必要があることから、生産効率が低下するという問題があった。また、摩擦やテープテストは主観により判断される効率の低いきわめて原始的なテストであるため、間違いや生産性の低下を招く余地を残している。

従って、精度が良く費用効率の高い方法で光活性化材料の硬化のレベルを検出することができる改良された監視装置の必要性が残されている。

測定装置は、光源、光学フィルタ、および光検出器を有している。光源は発光し、光学フィルタは光が基板およびこの基板上で硬化される膜の少なくとも一つから反射した後に光の波長がこの光学フィルタを透過するように位置決めされる。光検出器は光学フィルタを透過する光を検出するように位置決めされる。

方法は、光源から基板上で硬化された膜へ発光するステップと、膜および基板の少なくとも一つから反射する光の強度を測定するステップと、この光の強度の少なくとも一部に基づいて膜の硬化のレベルを判断するステップと、を含む。光は、膜および基板に垂直な軸線に対して０°〜２０°傾斜して膜および基板へ向けて発光される。

測定システムは、赤外線を放つ赤外線光源と、光活性化樹脂膜を含む基板と、基板および／または膜から反射される赤外線を受光するように位置決めされた光学フィルタと、この光学フィルタによって受光される赤外線を検出するように位置決めされている光検出器と、を含む。赤外線は基板に垂直な軸線に対してある程度傾斜して基板へ発光される。膜および基板は赤外線光源によって発光される赤外線の少なくとも一部を反射する。

図１は、本発明のいくつかの態様による監視装置を示す図である。 図２は、本発明の態様による監視装置の他の実施形態を示す図である。 図３は、基板に付着された膜の硬化レベルを監視する方法を示す図である。 図４は、センサにおいて具現化され光硬化装置に取り付けられた監視装置の一実施例を示す図である。

硬化プロセス、とりわけ、インク硬化プロセスに関連する光硬化装置の上昇する人気に伴って、硬化プロセスを中断せずに、硬化が終了したかどうかまたは光活性化樹脂がどの硬化レベルにあるかを監視する能力はその有用性が高まるとともに非常に重要な手段となっている。硬化プロセスを監視するために用いられている既存の技術は、ＦＴＩＲ分光光度計のように非常に高価なものか、または、テープや摩擦テストなどの原始的で主観的な判断されるもののいずれかである。既存の入手可能な監視技術の選択肢では、硬化プロセスを中断せずに、低コストで精度が良好でリアルタイムでの監視特性を提供する能力を備えたものは一つもない。

図１は、硬化プロセスの低コストで精度が良くリアルタイムの監視を提供する、光源１０２と光学フィルタ１０４と光検出器１０６とを含む監視装置１００の一例を示している。光源は、膜１１０が付着または硬化される基板１０８へ向けて発光する。基板１０８およびインク膜１００から反射される光は、光学フィルタ１０４を介して受光され、光検出器１０６によって検出される。光学フィルタ１０４は光検出器１０６と同軸上に配置されてシステムにおける過剰な反射を回避することができる。

図１に示した監視装置１００は、膜の硬化を発生させる光を放つ光硬化装置に取り付けられまたは電気的に結合されたセンサで具現化されることを含む任意の好適な環境に含まれる。監視装置１００は、光活性化樹脂を含む任意の光活性化材料の硬化レベルの監視を補助し、硬化されている材料に対して任意の場所に位置決めされることで、光活性化材料の硬化のレベルを効率的に監視することができる。例えば、光活性化材料は、紫外線（ＵＶ）活性化による光重合可能かつ架橋可能な材料を含むことができる。監視装置１００自体では光活性化材料を硬化させないが、いくつかの実施例において、監視装置は、光活性化材料の硬化をコントロールするもっと大きなシステムや装置に含まれてよい。他の実施例において、監視装置は、光硬化装置やシステムとは別体で設けられるエレメントであってもよい。

図１に示した監視装置１００の光源１０２は、膜１１０および基板１０８から反射した光が膜１１０または基板１０８上の他の光活性化材料の硬化のレベルを示すように膜１１０と基板１０８の組み合わせへ向けて連続光または変調光を放つ任意の好適な光源である。膜１１０の硬化のレベルを判断するために、膜１１０に含まれるモノマーやオリゴマーの相対的な濃度のレベルが測定される。硬化のレベルは膜１１０に含まれるモノマーやオリゴマーの重合の濃度に直接的に関係している。この重合が発生すると、膜１１０の振動吸収モード数が減少してこれが赤外線領域における光透過の上昇につながる。いくつかの実施例において、吸収の低下が最も顕著に見られるのは波長が６μｍ〜１２μｍの光である。

膜および／または基板から反射した光の強度を測定することによって膜に残留している自在モノマーやオリゴマーの相対的な濃度を測定することができる。基板のタイプによっては、硬化プロセスが進むにつれて、膜および基板から反射した光またはこれらを透過した光の量が増加する。図１は監視装置１００を示しており、この装置１００において、基板１０８が光吸収型であることから、膜１１０および基板１０８へ向けて放たれた光が膜１１０および基板１０８の一方または両方から反射されるかまたは基板１０８によって吸収される。図２は、他の実施形態による監視装置２００を示しており、この監視装置２００において、基板２０２は光照射型であることから、光は膜２０４および／または基板２０２によって吸収されるかまたは基板２０２を介して透過される。

基板は水晶、紙、プラスチックなどを含む任意の好適な基板である。基板は一般に、光照射型、反射型、または透過型のいずれかであると考えられる。光照射型の基板は光を吸収する。上記に説明したように、図１に示した監視装置１００は反射型の基板１０８へ向けて発光し、図２に示した監視装置２００は半透明の基板２０２へ向けて発光する。

硬化プロセスが施される光活性化材料は印刷プロセスにおいてインクを硬化し、木製、金属製、またはプラスチック製のさまざまな材料へのコーティングを硬化し、二つのエレメントを共に接着するために用いられる接着剤を硬化するためなどに使用される任意の好適な光活性化材料である。光活性化材料は紫外線などのある一定の波長の光に露光されたときに硬化または急速に硬くなる性質の光活性化樹脂であってもよい。他の実施例において、光活性化材料は紙やプラスチックなどの基板に塗布されるインクや膜である。紫外線などの光がこのような光活性化インクや膜によって基板へ向けて発光されたとき、インクや膜は「硬化」されるか、そうでなければ、硬くなったり乾燥したりする。

上記に説明したように、監視装置は光学フィルタおよび光検出器を含む。光学フィルタは、光が基板および／または膜から反射するかまたはこれらを透過した後で、ある波長の光が光学フィルタを透過するように位置決めされる。いくつかの実施例において、光学フィルタは、基板および／または膜から反射するかまたはこれらを透過したある特定の波長またはある特定の範囲の波長の光を受光する。例えば、光学フィルタは光学フィルタを透過し光検出器へ向けて伝送される光を所定の波長範囲のものに限定するような帯域フィルタを含む。いくつかの実施例において、波長の範囲は６μｍ〜１２μｍである。他の実施例において、光学フィルタは、基板および／または膜から反射される全ての波長の光を受光する。

光学フィルタは反射した光を光検出器に向かって配向する。光検出器は、光学フィルタを透過した光の強度を検出することが可能である任意の適切な検出器である。いくつかの実施例において、光検出器は、基板および／または膜から反射した光が赤外線領域の波長を有している光を含む場合、低コストの赤外線検出器を含む。例えば、光検出器は、光の強度を検出してその強度をそれぞれの電圧出力に変換することによって熱的エネルギを電気的エネルギへ変換する熱電堆である。

ここでまた、図１を参照すると、監視装置１００は、赤外線（ＩＲ）光源１０２、光学フィルタ１０４、光検出器１０６を有している。図１に示したように、ＩＲ光源１０２は、基板１０８に塗布または硬化された膜１１０へ発光する。この実施例において、膜１１０はインクであり、基板１０８は紙である。ここでは、インク、一般的にいえば、膜が、紙、一般的にいえば、基板へ、「付着されている」ことに言及しているが、用語「付着されている」とは硬化プロセスに先立っておよびそのプロセス全体を通してインクを紙に置くことをいっている。硬化が進行すると、インクが硬くなり乾燥し、これによって、紙へ「硬化」される。しかしながら、この「付着されている」という用語は、硬化プロセス全体を通して、インクと紙が共に任意に位置決めされることを意味している。

図１に示すように、ＩＲ光源１０２はインク１１０および基板１０８へ向けて傾斜して発光する。ＩＲ光源１０２が発光する角度は変化し得る。例えば、ＩＲ光源１０２は、基板１０８およびインク１１０に垂直な軸線１１２に対して約１０°傾斜して基板１０８およびインク１１０へ向けて発光する。この角度は１０°を上回っても下回ってもよいが、基板１０８および膜１１０に垂直な軸線１１２に対して丁度９０°または約９０°を成すことは考えにくい。ＩＲ光源１０２（または任意の他の光源）が基板１０８および膜１１０に向けて９０°で発光する場合、光は９０度の補角でＩＲ光源１０２へ戻って直接反射するため、光を容易に測定できなくなる。例えば、光が膜１１０および基板１０８へ放たれる角度は膜１１０および基板１０８に垂直な軸線１１２に対して、いくつかの実施例では、０°〜４５°であり、他の実施例では、０°〜２０°である。

図１において矢印で示したように、ＩＲ光源１０２から放たれた光はインク膜１１０および基板１０８へ向けて発光される。この光の一部はインク膜１１０を透過して基板１０８と接触する。基板１０８に接触する光の一部は基板１０８に吸収される。しかしながら、矢印で示したように、図１で基板１０８に接触した光の大部分は基板から反射して再びインク膜１１０を透過する。光は一部がインク膜１１０から反射し別の一部が基板１０８から反射するので、光が反射する位置にインク膜基板境界１１４とエアインク膜境界１１６とが形成される。反射光の強度が上昇したのは硬化プロセスが進行するにつれてインク膜１１０の透明度が高くなったことによる結果であり、これによって、より多くの光がインク膜１１０を透過して基板１０８へ伝送されてインク膜基板境界１１４で基板１０８から反射することが可能にある。硬化プロセスが進行するにつれて、インク膜１１０から反射した照射光の一部が減少し、基板１０８から反射した照射光の一部が増加する。

光がインク膜１１０および基板１０８から反射する角度はインク膜１１０および基板１０８に向けて光が照射された角度に依存する。例えば、図１のＩＲ光源１０２は、約１０°傾斜してインク膜１１０および基板１０８へ向けて発光し、エアインク膜境界１１６においてインク膜１１０から反射した光およびインク膜基板境界１１４において基板１０８から反射した光もまた、１０°傾斜してそれぞれの境界から反射する。反射角は光がインク膜１１０および基板１０８へ発光される角度に一致している。

図１に示した監視装置１００の光学フィルタ１０４は、インク膜１１０および基板１０８から反射した光がこの光学フィルタ１０４を介して受光されるように位置決めされている。この実施例の構成において、光源１０２、光学フィルタ１０４、および光検出器１０６は、インク膜１１０や基板１０８と同じ側に配置されている（一方、図２では、以下に説明するように、光源は、光学フィルタや光検出器から見て、インク膜および基板の反対側にある）。光学フィルタはインク膜および基板から反射した光を受光し、光検出器はこの光検出器を透過した光を検出することが可能である。この実施例において、光検出器は、検出した光の強度を相当する電圧へ変換する熱電堆を含む。

図２は、他の実施形態による監視装置２００を示しており、この監視装置２００において、基板２０２は水晶などの透過性基板である。図２に示した監視装置２００の機能は、光学フィルタ２０６および光検出器２０８が、赤外線（ＩＲ）光源２１０から見て、インク膜２０４および基板２０２の反対側に配置されていることを除けば、図１に示した監視装置１００と本質的に同じである。しかしながら、図２に示した監視装置２００は図１に示した監視装置１００と同様に光の強度を測定する。例えば、図２のＩＲ光源２１０はインク膜２０４および基板２０２へ向けて発光する。光は一部がインク膜２０４によって吸収され、別の一部がインク膜２０４および基板２０２を介して透過される。この実施例において、基板２０２は光照射型と見なされ、即ち、光は基板２０２を通過して、図２に矢印で示すように、ＩＲ光源２１０から基板２０２の反対側に入射するまでその光路が連続することを意味する。光学フィルタ２０６および光検出器２０８は、図２に示した監視装置２００内のＩＲ光源２１０から見て基板２０２の反対側に位置決めされる。硬化プロセスの進行に伴い、インク膜２０４の透明度がますます高くなり、基板２０２へそしてＩＲ光源２１０から見て基板の反対側へと透過される光の強度が上昇することが可能とされることで、光が光学フィルタ２０６によって受光され、光検出器２０８によって検出されることができる。

図３は、光活性化材料の硬化レベルを監視する方法のさまざまなステップを示している。例えば、光は、光源から、基板３００に付着されたインクや他のタイプの膜などの光活性化材料へ向けて、照射される。その後、膜および基板の一方または両方から反射される光の強度が測定される（ステップ３０２）。膜の硬化のレベルが測定された光の強度に少なくとも部分的に基づいて判断される（ステップ３０４）。必要に応じて他のステップをこのプロセスに組み込むことができる。

図４は、センサ４０２が取り付けられた光硬化装置４００を含むシステムを示している。光硬化装置４００は、光、いくつかの実施例では、ＵＶ光を、膜４０４および基板４０６へ向けて発光する。この実施例において、センサ４０２は硬化プロセスが進行するにつれて膜の硬化のレベルを監視する監視装置を含む。監視装置は、上記に説明した実施例のいずれかであり、これもまた膜および基板へ向けて発光するＩＲ光源を含み、膜４０４および基板４０６から反射する光の強度に基づいて硬化のレベルを判断する。いくつかの実施例において、センサ４０２は、そのサイズや形状は特に制限されないが、約２ｍｍ×４ｍｍであってよい。

Claims (10)

1. 光を放つ光源と、
   光学フィルタであって、ある波長の光が基板および前記基板に硬化された膜の少なくとも一つから反射した後で前記光学フィルタを透過するように位置決めされている光学フィルタと、
   前記光学フィルタを透過する光を検出するように位置決めされた光検出器と、
   を含む、監視装置。
2. 前記光の波長が、６μｍ〜１２μｍである、請求項１に記載の監視装置。
3. 光活性化樹脂が、紫外（ＵＶ）光活性化された光重合可能かつ架橋可能な材料を含む、請求項２に記載の監視装置。
4. インク膜が、紫外光によって光活性化される、請求項３に記載の監視装置。
5. 前記基板および前記膜の前記少なくとも一つが、第１の表面とこれに対向する第２の表面とを含み、前記光源と前記光学フィルタと前記光検出器が前記第１の表面から間隔をとって位置決めされている、請求項１に記載の監視装置。
6. 前記基板および前記膜の前記少なくとも一つが、第１の表面とこれに対向する第２の表面とを含み、前記光源が前記第１の表面から間隔をとって位置決めされており、前記光学フィルタと前記光検出器が前記第２の表面から間隔をとって位置決めされている、請求項１に記載の監視装置。
7. 前記光源が、前記基板および前記膜に垂直な軸線に対して１０°傾斜して発光する、請求項１に記載の監視装置。
8. 前記光学フィルタおよび前記光検出器が、前記基板および前記膜に垂直な前記軸線に対して１０°傾斜して位置決めされている、請求項７に記載の監視装置。
9. 光源から膜および基板に垂直な軸線に対して０°〜２０°傾斜して前記基板に付着された前記膜に向けて発光するステップと、
   前記膜および前記基板の少なくとも一つから反射する光の強度を測定するステップと、
   少なくとも部分的に前記光の強度に基づいて前記膜の硬化のレベルを判断するステップと、
   を含む方法。
10. 前記光源が、前記基板の第１の側に位置決めされており、前記反射光が、前記基板の前記第１の側から測定される、請求項９に記載の方法。

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