JP2016007832A - 紫外線硬化樹脂の硬化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線硬化樹脂を硬化する紫外線を低消費電力で効率的に照射可能な紫外線硬化樹脂の硬化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置１０は、紫外線硬化樹脂１２と対向して紫外線を照射可能な照射窓１６を備えたケーシング１４と、前記ケーシング１４内に取付可能とし、石英管内に不活性ガスとアマルガム合金を封入したアマルガムランプ２０と、前記ケーシング１４内で前記アマルガムランプ２０の紫外線を受けて前記紫外線硬化樹脂１２を硬化可能な紫外線に置換する波長置換部３０と、を備えたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させる紫外線硬化樹脂の硬化装置に関する。

紫外線硬化樹脂は、紫外線照射により短時間で硬化する性質を備え、取扱いが容易であることから、印刷用インキ、コーティング材などに幅広く利用されている。

紫外線硬化樹脂に照射する紫外線の具体的な波長は、２５４ｎｍと３６５ｎｍがある。一般に光電効果により波長２５４ｎｍの紫外線は、３６５ｎｍの波長と比べ波長が短く、エネルギーが大きく紫外線硬化樹脂の表層を硬化させることができる。一方、波長３６５ｎｍの紫外線は、２５４ｎｍの波長と比べて波長が長く、エネルギーが小さく紫外線硬化樹脂の内部に浸透して硬化させることができる。

従来、紫外線硬化樹脂の硬化には、特許文献１に開示のような高圧水銀ランプが用いられている。高圧水銀ランプは、３６５ｎｍを主波長とする紫外線を照射可能である。高圧水銀ランプは、一例として、波長３６５ｎｍの照射強度が１４％、波長２５４ｎｍの照射強度が０．２５６％であり、僅かに２５４ｎｍの紫外線を照射している。しかし、高圧水銀ランプを用いた場合、樹脂内部の硬化は促進するものの、表層の乾燥が不十分となり、乾燥不良、表面剥離等の問題があった。また、紫外線照射時に高温となるため、冷却設備が必要であり、消費電力も大きいという問題があった。

一方、高圧水銀ランプよりも消費電力の小さい低圧水銀ランプがある。低圧水銀ランプは、波長２５４ｎｍを主波長とし、高圧水銀ランプよりも照射強度が小さい波長３６５ｎｍの紫外線を照射している。また、照射時間が長期化すると昇温によって紫外線の照射出力が低下するなど安定しないという問題があった。

特開２００１−１２１０６４号公報

前述の紫外線硬化樹脂を硬化させる紫外線の波長２５４ｎｍと３６５ｎｍの発光強度は、波長３６５ｎｍが２５４ｎｍよりも大きい方が望ましく、一例として３：７の割合であれば樹脂の内部及び表層を十分に硬化させることができ、剥離等の問題が生じ難い。
また、高圧水銀ランプ、及び低圧水銀ランプは、合金を形成しない水銀を用いているため毒性が強い。近年、水銀条約により有害化学物質となる水銀の使用量が制限されつつある。

そこで上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、紫外線硬化樹脂を硬化する紫外線を低消費電力で効率的に照射可能な紫外線硬化樹脂の硬化装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明は、紫外線硬化樹脂と対向して紫外線を照射可能な照射窓を備えたケーシングと、前記ケーシング内に取付可能とし、石英管内に不活性ガスとアマルガム合金を封入したアマルガムランプと、前記ケーシング内で前記アマルガムランプの紫外線を受けて前記紫外線硬化樹脂を硬化可能な紫外線に置換する波長置換部と、を備えたことを特徴としている。

また、前記波長置換部は、前記アマルガムランプの紫外線を受けて紫外線硬化樹脂を硬化可能な紫外線に置換する蛍光体を内壁に形成した筒状のジャケットであって、筒内に前記アマルガムランプを配置したことを特徴としている。

また、前記波長置換部は、前記アマルガムランプの紫外線を受けて紫外線硬化樹脂を硬化可能な紫外線に置換する蛍光体を反射面に形成したミラーであって、前記アマルガムランプの紫外線を前記照射窓に反射可能に前記ケーシングに配置したことを特徴としている。

上記のような本発明によれば、アマルガムランプから照射される波長２５４ｎｍの紫外線を波長置換部によって波長３６５ｎｍを主波長とする紫外線に置換して紫外線硬化樹脂に照射して効率的に硬化させることができる。

また、従来の高圧水銀ランプと比べて低消費電力で、波長３６５ｎｍを主波長とする紫外線を照射させることができる。

また、従来の低圧水銀ランプと比べて温度上昇による出力低下の影響がなく、長時間に亘って安定した波長３６５ｎｍの紫外線を照射させることができる。

本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置の構成概略を示す図である。 アマルガムランプの平面図である。 ジャケット及びアマルガムランプの断面図である。 本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置の紫外線の波長分布を示すグラフである。 変形例の紫外線硬化樹脂の硬化装置の説明図である。

本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置の実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。

本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置の適用対象となる紫外線硬化樹脂は、特に、波長２５４ｎｍ及び波長３６５ｎｍの紫外線により硬化するものであり、例えば、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート、アクリレートなどである。

［紫外線硬化樹脂の硬化装置１０］
図１は本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置の構成概略を示す図である。図示のように本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置１０は、ケーシング１４と、アマルガムランプ２０と波長置換部３０を主な基本構成としている。

［ケーシング１４］
ケーシング１４は、後述するアマルガムランプ２０と、波長置換部３０を収容可能な箱状の容器である。ケーシング１４は、紫外線硬化樹脂１２と対向する面に、アマルガムランプ２０から照射される紫外線を照射可能な照射窓１６を備えている。ケーシング１４は、紫外線照射対象物の形状に応じて、紫外線照射対象物を跨るような大きさなど任意に設計変更でき、また、照射窓１６以外から紫外線が外部へ漏れないような遮断構造にしている。

［アマルガムランプ２０］
図２はアマルガムランプの平面図である。アマルガムランプ２０は、円筒形状の石英管２２の内部に、不活性ガスとアマルガム合金２６を封入した低圧ランプである。

石英管２２は、軸方向の両端に一対の電極２４を備え、内部に後述するアマルガム合金２６及び不活性ガスの混合ガスを低圧力で封入している。

アマルガム合金２６は、水銀と金属の合金であり、本実施形態では一例として、インジウムと水銀の合金を用いている。このようなアマルガム合金は、石英管２２の端部から中心に向けて所定長さの内壁に２カ所溶着している。なお、アマルガム合金２６を構成する水銀に組み合わせる金属は、インジウムのほかにも波長２５４ｎｍの紫外線を照射可能であれば、種々の金属を用いることができる。
不活性ガスは、複数の不活性ガスを混合したものであり、本実施形態では一例としてアルゴンとネオンの混合ガスを用いている。なお、アルゴンガスとネオンガスの混合比は、種々の割合に設計変更できる。

このような構成のアマルガムランプ２０は、一対の電極２４間に電圧を印加すると、不活性ガスを放電加熱して、アマルガム合金２６を溶融し、放電電子がアマルガム合金２６を励起して、低圧水銀ランプと同様に、波長２５４ｎｍを主波長とする紫外線を発光し、波長３６５ｎｍの紫外線をわずかながら発光する。アマルガムランプ２０は、低圧水銀ランプと比べて、長時間照射により加熱されても、紫外線の発光強度が低下して不安定になるなどの影響がなく、安定した紫外線照射を行うことができる。なおかつ雰囲気（環境）温度が高温多湿（温度８０℃以上、湿度８０％以上）の条件下でも、波長２５４ｎｍの紫外線の減衰がなく、安定した紫外線の照射を行うことができる。なお、アマルガムランプ２０は、紫外線照射対象物の形状に応じて、長さ寸法（長手方向の長さ）を任意に設計変更できる。

［波長置換部３０］
図３はジャケット及びアマルガムランプの断面図である。波長置換部３０は、アマルガムランプ２０の紫外線を受けて紫外線硬化樹脂１２を硬化可能な紫外線に置換するものである。本実施形態の波長置換部３０は、具体的に波長２５４ｎｍの紫外線を波長３６５ｎｍの紫外線に置換する蛍光体である。このような波長置換部３０は、アマルガムランプ２０とほぼ同じ長さ寸法（長手方向の長さ寸法）の筒状のジャケット４０（保護管）の内壁全面に形成している。ジャケット４０は、筒状の石英管であり、筒内にアマルガムランプ２０を挿入できるように、アマルガムランプ２０よりも管径を大きく設定している。

また、ジャケット４０の筒内には反射板４２を取り付けている。反射板４２は、アマルガムランプ２０から全方位へ照射される紫外線を、紫外線硬化樹脂１２へ向けて照射できるように反射させる板である。

蛍光体は、主成分にセリウム（Ｃｅ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、あるいはその混合体などを用いることができる。このような蛍光体は、波長２５４ｎｍの紫外線により励起させたときに、波長３６５ｎｍを主波長とする紫外線に置換して、２５４ｎｍ：３６５ｎｍ＝３：７で発光する。このように、本実施形態の蛍光体は波長２５４ｎｍの紫外線を全て波長３６５ｎｍの紫外線に置換するものではなく、波長２５４ｎｍの紫外線を一部置換することなく透過させている。

このような波長置換部３０の形成方法は、蛍光体の溶液に、外表面をマスクした筒状のジャケット４０を漬けて、筒内に蛍光体を付着させる。その後、ジャケット４０を所定温度で加熱乾燥させて筒内に蛍光体の被膜を形成したジャケット４０が得られる。そして、反射板４２を筒内に挿入して取り付け、さらにアマルガムランプ２０を反射板４２の中心に取り付けている。

上記構成による紫外線硬化樹脂の硬化装置１０は、アマルガムランプ２０を電力約１００Ｗで点灯させると、アマルガムランプ２０から２５４ｎｍを主波長とする紫外線が照射される。波長２５４ｎｍの紫外線は、ジャケット４０の内壁に蛍光体を形成した波長置換部３０によって、２５４ｎｍ：３６５ｎｍ＝３：７の割合で波長３６５ｎｍの紫外線に置換される。そして硬化装置１０の照射窓１６と対向する紫外線硬化樹脂１２は、波長２５４ｎｍ及び３６５ｎｍの紫外線によって硬化させることができる。

図４は、本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置の紫外線の波長分布を示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は発光強度を示し、破線はアマルガムランプの波長分布であり、実線１，２は波長置換部により置換された波長分布を示している。同図の破線に示すように、波長置換前のアマルガムランプから発光される紫外線は、２５４ｎｍを主波長とし、３６５ｎｍの紫外線も僅かながら発光している。同図の実線１に示すように、ユウロピウムを主成分とする発光体を用いた波長置換部により、２５４ｎｍの紫外線が３６５ｎｍの紫外線に置換され、約１７．６ｍＷ／ｃｍの発光強度が得られている。また同図の実線２に示すように、ユウロピウムとセリウムの混合物を主成分とする発光体を用いた波長置換部により、２５４ｎｍの紫外線が３６５ｎｍの紫外線に置換され、約１０．６ｍＷ／ｃｍの発光強度が得られている。

このような本発明の紫外線硬化樹脂の硬化装置によれば、高圧水銀ランプと比べて消費電力が少なく、長時間の照射による照射雰囲気の昇温に係わらず、紫外線を安定して照射することができるアマルガムランプから照射される波長２５４ｎｍの紫外線を、波長３６５ｎｍを主波長とする紫外線に置換して２５４ｎｍ：３６５ｎｍ＝３：７の割合で、紫外線硬化樹脂を効率的に硬化することができる。

［変形例］
図５は変形例の紫外線硬化樹脂の硬化装置の説明図である。図示のように変形例の紫外線硬化樹脂の硬化装置１０Ａの波長置換部３０Ａは、図１に示すジャケット４０に替えてミラー５０を用いている。

ミラー５０は、アマルガムランプ２０から全方位に照射される紫外線を紫外線硬化樹脂１２へ向けて反射させる断面形状が放物線状の反射板である。ミラー５０の焦点となる位置にアマルガムランプ２０を配置している。ミラー５０は、紫外線を反射できるように鏡面加工が施されている。そして、ミラー５０の表面には、前述の蛍光体が形成されている。

このような構成の変形例の硬化装置１０Ａは、放物線断面形状の開口側から照射窓１６を介して紫外線硬化樹脂１２へアマルガムランプ２０の紫外線を３６５ｎｍを主波長とする紫外線に置換して２５４ｎｍ：３６５ｎｍ＝３：７の割合で照射することができる。

この他、ミラーから反射された紫外線を、さらにコールドミラーで反射させて紫外線硬化樹脂に照射する装置構成とすることもできる。このような構成により、アマルガムランプから発生する熱により、紫外線硬化樹脂への影響を低減することができる。

１０，１０Ａ………紫外線硬化樹脂の硬化装置、１２………紫外線硬化樹脂、１４………ケーシング、１６………照射窓、２０………アマルガムランプ、２２………石英管、２４………電極、２６………アマルガム合金、３０，３０Ａ………波長置換部、４０………ジャケット、４２………反射板、５０………ミラー。

Claims (3)

1. 紫外線硬化樹脂と対向して紫外線を照射可能な照射窓を備えたケーシングと、
   前記ケーシング内に取付可能とし、石英管内に不活性ガスとアマルガム合金を封入したアマルガムランプと、
   前記ケーシング内で前記アマルガムランプの紫外線を受けて前記紫外線硬化樹脂を硬化可能な紫外線に置換する波長置換部と、
   を備えたことを特徴とする紫外線硬化樹脂の硬化装置。
2. 前記波長置換部は、前記アマルガムランプの紫外線を受けて紫外線硬化樹脂を硬化可能な紫外線に置換する蛍光体を内壁に形成した筒状のジャケットであって、筒内に前記アマルガムランプを配置したことを特徴とする請求項１に記載の紫外線硬化樹脂の硬化装置。
3. 前記波長置換部は、前記アマルガムランプの紫外線を受けて紫外線硬化樹脂を硬化可能な紫外線に置換する蛍光体を反射面に形成したミラーであって、前記アマルガムランプの紫外線を前記照射窓に反射可能に前記ケーシングに配置したことを特徴とする請求項１に記載の紫外線硬化樹脂の硬化装置。

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