JP3302016B2 - 超音波を利用したコーティング装置と方法 - Google Patents

超音波を利用したコーティング装置と方法

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JP3302016B2
JP3302016B2 JP50644493A JP50644493A JP3302016B2 JP 3302016 B2 JP3302016 B2 JP 3302016B2 JP 50644493 A JP50644493 A JP 50644493A JP 50644493 A JP50644493 A JP 50644493A JP 3302016 B2 JP3302016 B2 JP 3302016B2
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ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチュアリング・カンパニー
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    • B05C11/023—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface

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  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
  • Encapsulation Of And Coatings For Semiconductor Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、移動するウェブに１層以上のコーティング
剤を塗布するための、音響を利用したコーティング装置
と方法とに関し、特に、超音波エネルギーを使用して、
移動するウェブに塗布するコーティング層の平滑性と均
一性とを高めることに関する。
従来の技術 超音波に生じる流体効果は1900年代初頭より文献に記
されている。1960年代より、超音波エネルギーを発生さ
せるトランスジューサーが次々に改良されたことによ
り、本分野における事業が活発化した。流体処理やコー
ティング技術に関する超音波現象には、キャビテーショ
ン、粘性加熱、強化剪断作用、微小乱流、及び音響流動
が含まれる。これらの現象によって生じる効果の例とし
て、湿潤、マイクロミキシング、分散、乳化、脱気、凝
集、成分間の分離、粘度降下、長鎖高分子の粉砕、高分
子の減成、の各特性が向上することや、化学反応が速ま
ることが挙げられる。
ラスト（Last）氏らによる米国特許第4,302,485号明
細書には、浸漬システム内で超音波エネルギーを使用
し、液体仕上剤の入った槽を通過する帯状の織物を励振
する技術が示されている。これにより槽内にキャビテー
ションが生じて微小乱流が増加し、ウィッキング（wick
ing）が増大する。織物は両面から含浸させ、液体は織
物上では計量されない。
ナガノ（Nagano）氏らによる米国特許第4,307,128号
明細書には、超音波エネルギーを溶融金属槽内で使用
し、溶融金属面の一部を、ウェブの移動面と接触するよ
うに局所的に持ち上げる技術が示されている。コーティ
ング剤は計量されない。この装置は、明らかに、超音波
エネルギーがなれば使用することができない。
アビトボール（Abitoboul）氏による米国特許第3,67
6,216号明細書には、既にコーティングされたウェブに
超音波エネルギーを供給し、コーティング剤をより均一
かつ一定にウェブに被覆しかつコーティングのむらを平
滑にする技術が示されている。しかし、超音波エネルギ
ーは、空気中を伝わり、ウェブが完全に塗布された後に
その塗布されたウェブすなわち被塗ウェブを励振する。
日本国特許出願昭和57年第187071号明細書には、被塗
ウェブの裏面に超音波エネルギーを供給する技術が示さ
れている。しかし、超音波源が塗布ポイントから離れ過
ぎているので、超音波エネルギーの作用を、コーティン
グ液に、コーティング液とウェブとの最初の接触位置あ
るいはコーティング液とコーティング装置との最終接触
位置において及ぼすことができない。
カナダ特許第869,959号発明明細書には、移動するウ
ェブ上にコーティング液をホッパーから塗布するノズル
を超音波によって励振する手段が示されている。ホーン
がノズルを超音波で振動させるので、コーティング剤が
ノズルに付着したりノズルを詰まらせることがない。し
かし、超音波振動がコーティング剤に作用するのはコー
ティング剤がウェブに塗布される前に限られ、コーティ
ング剤とウェブとが初期接触している間あるいはそれ以
後の工程では超音波振動は作用しない。従って、コーテ
ィング剤が塗布されているときには、超音波振動がコー
ティング剤の厚さの均一性に影響を与えることはない。
コーティング時に超音波エネルギーをノズルに加え、コ
ーティング剤をノズルに通してそこから流出させやすく
するという一連の技術の中で、このカナダ特許は代表的
存在となっている。しかし、これらの装置は、コーティ
ング剤を幅広に塗布する大規模生産の場では実際に使用
することができない。と言うのは、接触テープなどのよ
うにウェブがロール形状をなしているときには、通常、
ロールの幅は150cm（60インチ）にまで及ぶが、このサ
イズであると、ロールの形をなしたままでは必要な量と
長さのウェブを励振するのに困難を来し、ノズルを十分
な強度の均一な超音波で励振することができないからで
ある。
さらに、従来の装置や手段の中には、ウェブの片面の
みのコーティング剤を計量し、ウェブのコーティングが
完了する前に音響エネルギーを使用して塗布したコーテ
ィング剤の特性を高めるというものは見られない。
発明の開示 本発明により上記問題は解決される。本発明によれ
ば、音響エネルギーを使用することにより、ウェブ横断
方向における厚さが実質的に均一である、計量された量
のコーティング液よりなる平滑な連続的あるいは非連続
的コーティング層を、移動するウェブの片面に塗布する
ことが容易となる。本装置は、ウェブの片面の少なくと
も一部にコーティング剤を塗布する器具を有する。この
器具は、例えば、押出コーター、フローコーター、スロ
ットの形成されたすなわちスロットフェッド式ナイフコ
ーター、ホッパーコーター、液体ベヤリングコーター、
ノッチバーコーター、ブレードコーター、及びロールコ
ーター等、ウェブの片面にコーティング剤を塗布できる
ものであればいかなるタイプのコーターであってもかま
わない。
コーターは、制御量のコーティング剤を計量し、ウェ
ブの片面に、その幅に渡って塗布する。超音波エネルギ
ー源により、コーティング剤とウェブとの初期接触ライ
ンが励振する。このとき、音響強度、振幅、及び周波数
は、超音波スペクトルの下限において均一であることが
好ましい。前方に配置された構造体をダイの一部として
もしくは別体として使用してコーティング剤を平滑にす
る場合には、超音波エネルギー源により、コーターある
いは前方に配置された構造体と塗布されたウェブすなわ
ち被塗ウェブとの最終接触ラインを励振することができ
る。さらに、超音波エネルギーにより、コーティング剤
とウェブの初期接触部分と、コーターあるいは前方に配
置された構造体とコーティング剤の最終接触部分とで挟
まれた範囲を励振することもできる。音響強度は、横断
方向において実質的に均一な厚さを有する被塗ウェブを
形成すべく、コーティング剤とウェブの特性に応じて選
択される。
コーティング剤をダイから塗布するときに、超音波エ
ネルギー発振器により、超音波エネルギーをコーティン
グ剤とウェブとの界面にダイを通じて加えることができ
る。あるいは、超音波エネルギーは、従来の支持体の代
わりとなるバックアップホーンからウェブの裏面を通じ
て加えることもできる。さらに、超音波エネルギーは、
空気や他のカップリング流体に通して伝えることもでき
る。
図面の簡単な説明 図１は接触型押出コーティングの概要図である。図1A
は音響励振のない接触型押出コーティングを示してお
り、図1B〜Ｇは、種々の方法で音響エネルギーを供給す
る接触型押出コーティングを示している。
図２はフローコーティングの概要図である。図2Aは音
響励振のないフローコーティングを示しており、図2B〜
Ｅは、種々の方法で音響エネルギーを供給するフローコ
ーティングを示している。
図３はスロットフェッド式ナイフコーティングの概要
図である。図3Aは音響励振のないスロットフェッド式ナ
イフコーティングを示しており、図3B〜Ｄは、種々の方
法で音響エネルギーを供給するスロットフェット式ナイ
フコーティングを示している。
図４はスライドコーティングの概要図である、図4Aは
音響励振のないスライドコーティングを示しており、図
4Bは音響励振させるスライドコーティングを示してい
る。
図５はロールコーティングの概要図である。図5Aは音
響励振のないロールコーティングを示しており、図5Bは
音響励振させるロールコーティングを示している。
図６は非接触型押出コーティングの概要図である。図
6Aは音響励振のない押出コーティングを示しており、図
6B,Cは音響励振させる押出コーティングを示している。
図7Aは、超音波を使用しないときの、ウェブ横断方向
における塗膜厚のプロフィールのグラフであり、図7B
は、超音波を用いて塗布したウェブの横断方向における
塗膜厚のプロフィールのグラフである。
図8Aは、超音波を使用したときと使用しないときの試
験運転における塗膜厚の平均範囲変動の割合の比較グラ
フであり、図8Bは、超音波を使用したときと使用しない
ときの試験運転における塗膜厚の標準偏差の変動の割合
の比較グラフである。
詳細な説明 本発明に係るコーティング装置とコーティング方法に
よれば、ウェブとウェブに塗布されたコーティング液と
の界面に音響エネルギーが供給される。音響エネルギー
は全コーターに種々の位置で供給できるが、ウェブの片
面をコーティングするコーターの場合にコーティングの
質は最も向上する。このコーターに音響エネルギーを使
用することにより、塗布されたウェブすなわち被塗ウェ
ブの塗膜厚をより均一にし、湿潤性（液体が、支持体と
接触している気体と入れ代わる性質）を高め、エッジビ
ートやたてすじ及び粘性掻き傷模様を減少させ、コータ
ーとウェブ間のコーティングギャップを増大させ、より
安定した機器操作をもたらしかつそれら機器の自浄性を
高め、空気連行の傾向を軽減し、より速い速度で塗布
し、可能最小塗膜厚を低減することができる。また、コ
ーティングの均一性を高めることにより、ロール状に巻
かれた被塗ウェブに、ゆがみ、ずれ、巻き巣、及び際立
った斑点が生じたり、ロールが入れ子状になるのを抑え
ることができる。
ここでは、本発明を、平滑な連続コーティングを塗布
する場合に関して記載しているが、そこから得られる結
果は、平滑な非連続コーティングを塗布する場合におい
ても達成される。例えば、空隙等のマクロ構造を有する
ウェブのコーティングに超音波エネルギーを使用するこ
ともできる。空隙はコーティング剤で満たされてはいる
ものの、隣接する空隙のコーティングは連続していな
い。この場合には、非連続の各コーティング部分内及び
そのコーティング部分からコーティング部分間におい
て、それらコーティング部分がウェブの縦横両方向にお
いて互いに離れた状態で、コーティングの均一性は維持
され向上した湿潤性が損なわれることもない。
ウェブは、ポリエステル、ポリプロピレン、紙もしく
は不織布等いかなる材料であってもよい。コーティング
の湿潤性を高めることは、特に、粗組織ウェブ又は多孔
性ウェブにおいて、その気孔のサイズが顕微鏡でしか見
えないものであれ肉眼で見えるものであれ効果的であ
る。
ウェブとコーティング剤は、被塗ウェブの幅に渡って
均一的な超音波強度で励振することが好ましい。この強
度は、ウェブ横断方向における塗膜厚を最大限均一にす
べく、コーティング剤の特性に応じて選択される。周波
数と振幅とは、均一な超音波強度を維持した状態で変え
ることができるか、均一な振幅と周波数を有する超音波
が好ましい。
音波は、それが通過する媒体の周期的な密と粗とによ
って生じる縦波である。これらの波は、さらに、表面弾
性横波等他の音波のも発生させ得る。音波は、圧縮体の
運動エネルギーと位置エネルギー双方を含んでいる。音
響エネルギー密度Ｅは、音の縦波における単位体積当た
りのエネルギー量であり、次式で表される。
Ｅ＝π２ρ0f2x0 上記式において、ρ０は音波が伝わっていないときの
媒体の密度であり、ｆは音波の周波数であり、x0は振幅
である。音響エネルギー密度の差が生じる部分に、コー
ティング液に作用を及ぼし得る力が存在する。
超音波エネルギーの強度Ｉは、波の振幅と周波数及び
媒体の特性の関数であり、次式で表される。
Ｉ＝ｃπ２ρ0f2x0 上記式において、ｃは媒体内の音波の速度である。
音波が２つの媒体の界面に衝突すると、その一部は界
面を通過して伝わり、残りは界面から反射する。この、
伝達と反射の比率は、２つの媒体の音響インピーダンス
の近似度合による。固有音響インピーダンスＲは次式で
表される。
Ｒ＝ρ0c. ２つの媒体のインピーダンスが近似していればほとん
どの音波は伝わる。逆に、２つの媒体のインピーダンス
が相当に異なればほとんどの音波は反射する。しかし、
互いに近似した音響インピーダンスを有する２つの材料
間に薄い層を挟むと、たとえ一方のインピーダンスが他
方の材料のインピーダンスと異なっていても、この薄い
層が音波を伝達する。
コーティング剤を測定すなわち計量してウェブの片面
に塗布するタイプのコーターに超音波エネルギーを供給
すると、望ましい結果が得られる。押出コーターと接触
型・非接触型コーターとを図1,6にそれぞれ示してい
る。図２にはフローコーター示している。ナイフコータ
ーには、スロットの入ったすなわちスロットフェッド式
ナイフコーター、ホッパーコーター、流体ベヤリングコ
ーター、ノッチバーコーター、及びブレードコーターが
含まれるが、ここでは、図３に示すスロットフェッド式
ナイフコーターに関して説明する。図４にはスライドコ
ーターを示している。ロールコーターには、グラビアコ
ーターとキスコーターが含まれが、図５には一般的なも
のを示している。他のタイプのコーターでも、音響エネ
ルギーを供給することによりその機能を高めることがで
きるが、以下に記すコーターが代表的なものである。本
発明は、これらすべてのコーティング法に関してほぼ同
様に用いることができる。
図１に接触型押出コーターを示している。図1Aでは超
音波励振を行っていない。コーター10は、バックアップ
ローラ14に隣接する押出ダイ12を有している。塗布すべ
きウェブ材16は、図では左から右へ移動する。図に示す
ように、コーティング剤18は、ウェブ16上に、その幅に
渡って押し出される。コーティング剤18は、ウェブ16の
幅全体にもその一部のみにも従来の方法で塗布すること
ができる。
図1B〜Ｇでは、超音波エネルギーをコーター10に供給
し、超音波エネルギーが、ウェブ16とコーティング剤18
とに、それらの初期接触部分で作用するようにしてい
る。この超音波励振の詳細については後に説明する。図
1Bのコーター10′では、バックアップローラ14の代わり
に共鳴ソノトロード（sonotrode）すなわち超音波ホー
ン20を使用している。超音波ホーン20は、所定の周波数
又は振幅で振動できるように特に構成されている。超音
波エネルギーは、ウェブ16に直接供給され、ウェブ16と
コーティング剤18とを、それらの初期接触位置で励振す
る。
図1Cでは、超音波ホーン20とバックアップローラ14の
双方をコーター10′に使用している。バックアップロー
ラ14は押出ダイ12の反対側に設けており、この位置の前
方に超音波ホーン20を設けている。超音波エネルギー
は、被塗ウェブ16に直接供給され、ウェブ16とコーティ
ング剤18とを通過してそれらの初期接触ラインを励振す
る。ホーン20は、ダイ12の前方に示しているが、ダイ12
の手前に設けることもできる。さらに、超音波エネルギ
ーは、コーティング剤18とウェブ16との初期接触ライン
に直接には供給されないが、そこに到達した時点でも十
分なエネルギーが備わっているように十分な強度で供給
される。
図1Dのコーター10′は、図1Aに示す従来のコーター10
と同様の部材を有している。ウェブ16はバックアップロ
ーラ14の周囲に沿って進行し、コーティング剤18は、ウ
ェブ16に、その所望幅に渡って押し出される。押出ダイ
22によってコーティング剤18はウェブ16に塗布される。
しかし、図1Dでは、ダイ22は超音波により励振し、ダイ
22内のコーティング剤18も励振するので、励振したコー
ティング剤18がウェブ16に押し出される。超音波ダイ22
は、特別に構成しており、図示するように単一のハウジ
ング内で、もしくは、取付ブラケット等で互いに外部か
ら固定することにより、超音波エネルギー発振器に接続
する。超音波エネルギーは、コーティング剤18を通過
し、コーティング剤とウェブ16との初期接触部分を励振
する。
図２にフローコーターを示している。図2Aのコーター
では超音波励振を行っていない。フローコーティングダ
イ28はバックアップローラ14から上方に離れている。図
ではウェブ16は左から右に移動する。コーティング剤18
は、ダイ28から押し出され、ウェブ16上に、その所望幅
に渡ってカーテン状に落下する。
図2Bでは、超音波エネルギーをコーター26′に供給
し、超音波エネルギーが、ウェブ16とコーティング剤18
とに、それらの初期接触部分で作用するようにしてい
る。バックアップローラ14の代わりに超音波ホーン20を
使用している。超音波エネルギーは、ウェブ16に直接供
給され、ウェブ16とコーティング剤18とを、それらの初
期接触位置で励振する。図2Cでは、超音波ホーン20とバ
ックアップローラ14の双方を使用している。超音波エネ
ルギーは、被塗ウェブ16に直接供給され、ウェブ16とコ
ーティング剤18とをウェブとは逆方向に伝播し、コーテ
ィング剤18とウェブ16との初期接触ラインを励振する。
さらに、カーテンの長さが短ければ、超音波ダイ（図示
せず）を図1Dのコーター10′と同様の方法で使用するこ
とができる。
また、図2Dに示す硬質のレベリングバー30や図2Eに示
す柔軟なレベリングパッド32等の前方に配置された構造
体を使用し、塗布後のコーティング剤18を平滑にしてす
なわちならしてその厚さをより均一にすることができ
る。レベリングバー30やレベリングパッド32等の前方に
配置された構造体すなわち下流側手段をコーター26′の
一部として使用する場合には、被塗ウェブ16と前方に配
置されたレベリング構造体との最終接触部分に超音波エ
ネルギーを効果的に供給することができる。従って、超
音波エネルギーは、被塗ウェブ16とレベリングバー30あ
るいはレベリングパッド32との最終接触部分に到達する
限りは、ウェブ16とコーティング剤18との初期接触部分
に到達しなくともよい。レベリングバー30やレベリング
パッド32の下側のウェブは、図示するように支持しても
よいし、支持しなくてもよい。これらの器具は、超音波
により直接励振することができる。超音波により励振し
た無支持構造体は、流体の計量のために使用することも
できる。
図３にスロッドフェッド式ナイフダイコーター36を示
している。図3Aでは超音波励振を行っていない。コータ
ー36は、バックアップローラ14に隣接するスロッドフェ
ッド式ナイフダイ38を有している。塗布すべきウェブ材
16は図では左から右へ移動し、コーティング剤18は、図
示するように、ウェブ16上に、その所望幅に渡って塗布
される。
図3B〜Ｄでは、コーター36′に超音波エネルギーを供
給し、超音波エネルギーが、ウェブ16とコーティング剤
18とに、それらの初期接触部分で作用するようにしてい
る。図3Bでは、バックアップローラ14の代わりに超音波
ホーン20を使用している。超音波エネルギーは、ウェブ
16に直接供給され、ウェブ16とコーティング剤18とをそ
れらの初期接触位置で励振し、かつ、コーティング剤18
をダイ38とホーン20間で励振する。図3Cでは、超音波ホ
ーン20とバックアップローラ14の双方を使用している。
超音波エネルギーは、被塗ウェブ16に直接供給され、ウ
ェブ16とコーティング剤18とを通過し、それらの初期接
触ラインを励振する。図3Dでは、ナイフダイは超音波に
より励振しており、「ナイフダイ40」として示されてい
る。ナイフダイ40内ではコーティング剤18は小さく励振
しており、超音波エネルギーはコーティング剤18を通過
してコーティング剤18とウェブ16との初期接触部分に至
る。
さらに、超音波エネルギーにより、コーティング剤と
ウェブの初期接触部分と、コーターあるいは前方に配置
された構造体とコーティング剤の最終接触部分とに挟ま
れた範囲を励振することができる。これは、前方に配置
された構造体を使用する上記すべてのコーティング法に
対してあてはまることである。
図４にスライドコーター44を示している。図4Aでは超
音波励振を行っていない。コーター44は、スライドダイ
46を備え、スライドダイ46はバックアップローラ14に隣
接している。塗布すべきウェブ材16は図では左から右へ
移動し、コーティング剤18は、図示するようにウェブ16
に、その所望幅に渡って塗布される。
図4Bでは、超音波エネルギーをコーター44′に供給
し、超音波エネルギーが、ウェブ16とコーティング剤18
とに、それらの初期接触部分で作用するようにしてい
る。バックアップローラ14の代わりに超音波ホーン20を
使用している。超音波エネルギーは、ウェブ16に直接供
給され、ウェブ16とコーティング剤18とを、それらの初
期接触位置で励振する。さらに、超音波スライドダイ
（図示せず）を使用することもできる。この場合には、
コーティング剤18はスライドダイ内で小さく励振し、超
音波エネルギーは、コーティング剤18を通過し、コーテ
ィング剤18とウェブ16との初期接触部分に至る。
図５にロールコーター50を示している。図5Aでは超音
波励振を行っていない。コーター50は、コーティング液
18を収容する槽52と、槽52内に回転自在に取り付けられ
たロール54とを有している。バックアップローラ14がこ
の54に隣接している。塗布すべきウェブ材16は図では左
から右へ移動する。コーティング剤18は、ウェブ16に、
その所望幅に渡って塗布される。余分のコーティング剤
18を拭い取り、ウェブ16のコーティング剤18をならすす
なわち平滑にするために、平滑化手段すなわちドクター
ブレード56を使用することができる。
図5Bでは、超音波エネルギーを供給し、超音波エネル
ギーが、ウェブ16とコーティング剤18とに、それらの初
期接触部分で作用するようにしている。これは、超音波
ホーン20をバックアップローラ14の代わりに使用するこ
とにより達成される。超音波エネルギーは、ウェブ16に
直接供給され、ウェブ16とコーティング剤18とを、それ
らの初期接触位置で励振する。また、ドクターブレード
56をコーター10の一部として使用してウェブ16のコーテ
ィング剤18をならすすなわち平滑にする場合には、超音
波エネルギーを、被塗ウェブ16と前方のドクターブレー
ドとの最終接触部分に効果的に供給することもできる。
従って、ドクターブレードを使用するときには、超音波
エネルギーは、被塗ウェブ16とドクターブレードとの最
終接触部分に到達する限り、ウェブ16とコーティング剤
18との初期接触部分に到達しなくてもよい。尚、超音波
エネルギーは、複数のロールを使用するものも含め、他
のコーターに対しても具合良く作用する。
図6A〜Ｃは、図1A〜Ｃにそれぞれ対応しており、非接
触型押出コーター60,60′を示している。
全コーティング形態の一例では、超音波源はコーティ
ング剤とウェブとの初期接触ラインに設けられている。
超音波エネルギーは、バックアップロールあるいは他の
支持体の代わりに用いられる超音波ホーンを通じてウェ
ブの裏面に供給することが好ましい。しかし、十分な超
音波エネルギーが初期接触ラインに到達する限りは、超
音波源を初期接触ラインから離し、塗布されたウェブも
しくは塗布されていないウェブに超音波エネルギーを供
給することもできる。その最大距離は約15cmであるが、
8cm以内の場合に最良の結果が観察された。図２に変形
例として記載したように、超音波エネルギーを、前方に
配置されたレベリング構造体すなわち平滑化構造体から
15cm以内の位置に供給することもできる。さらに、コー
ティング剤とウェブの初期接触部分と、コーターもしく
は前方に配置された構造体とコーティング剤の最終接触
部分とに挟まれた範囲を超音波エネルギーにより励振す
ることもできる。超音波エネルギーは、これらの部分の
１カ所又は複数箇所に供給することができる。
超音波エネルギーは、その源の位置がどこにあろう
と、コーティング液にエネルギーを追加する。音響エネ
ルギー強度が増すにつれ、塗膜厚の均一性をも含むコー
ティングの品質と加工性は、その強度が最適レベルに到
達するまで向上する。音響エネルギーは、0.1W/cm2〜40
W/cm2であるこの最適レベルに近い値で、コーターの種
類と塗布する材料のタイプとに応じて供給することが好
ましい。しかし、超音波エネルギーを供給することによ
り、コーティング剤にエネルギーを加える表面弾性波等
の振動がウェブに生じることもある。このように発生し
たウェブの振動は、その規模次第でコーティングの品質
を高めもするが低下もさせる。従って、比較的低い周波
数の定常液によってコーティングが不均一になるといっ
た悪影響が生じないように注意しなければならない。
実質的にバックアップローラの代用を果たすバックア
ップホーンを通じて超音波エネルギーを供給するという
方法がすべてのコーティングにおいて好ましい。超音波
エネルギーは、直接的接触により、もしくは、十分な量
のエネルギーを伝達するカップリング流体等の媒体を通
じて、ウェブに供給することができる。ホーンそれ自体
の作用面、さらにホーンに接触しているウェブは、音響
定常液のプレッシャーノードにもしくはその近辺に位置
している。超音波エネルギーがウェッブとコーティング
剤とによって伝達及び反射する際に、複合波がコーティ
ング剤をホーンのプレッシャーノードとウェブの方へ引
っ張る。これにより、押出コーティングにおける引落率
が向上し、押出コーティングとフローコーティング双方
において液接触ラインがより安定する。コーティング剤
はウェブに押し付けられ、コーティング剤とウェブ間の
空気連行傾向が減少する。湿潤性を高める他の望ましい
効果として、超音波による粘度降下や接触ライン、及び
流体運動に伴う容積変化による流体動力の発生等の現象
が含まれる。さらに、ホーンは固定されているので、回
転しないという事態、摩擦面が低摩擦であるという事
態、バックアップロールの回転振れ、及び、それに伴っ
て前方が変動するという事態が回避される。所望であれ
ば、キャリヤウェブを使用し、移動する被塗ウェブを、
制止している超音波ホーンから遮蔽することもできる。
コーティング剤とウェブとの初期接触部分を、図3B,3
Dのスロッドフェッド式ナイフコーターの場合のように
他の構造体によって限定すると、さらなる効果が生じ得
る。コーティング剤が、音響的に適合した２つの材料間
に薄い層を形成するので、音響エネルギーの伝達作用は
かなり向上する。また、ダイとウェブ間におけるコーテ
ィング剤の音響エネルギー密度は、それ以外の部分より
も相当に大きくなる。さらに、コーティング部分の塗布
量が少なくなったりコーティング部分にすじ状の空隙が
生じたりした場合には、その部分における音響エネルギ
ー密度はより低くなり、より多くの流体が横方向に流れ
て空隙をふさぐ。コーティング部分における流体のエネ
ルギー密度が高くなると、ウェブ横断方向における流れ
が増し、空隙は減少し、空気連行傾向も軽減され、その
結果、ウェブ横断方向におけるコーティングの均一性が
向上し、その流れは外乱に対してより強い抵抗力を有す
るものとなる。また、ダイとウェブ間の間隙がより大き
くなってもこの装置は使用できる。これにより、ダイの
位置は、超音波エネルギーを使用しないときほどには重
要でなくなるので、より広い許容範囲で作業することが
できる。コーティングギャップを大きくすると、ウェブ
が裂けるという問題を軽減することができる。さらに、
ダイフェースに種々の形状で機械加工を施しても、それ
が全コーティングギャップに占める割合はより小さくな
り、コーティングの均一性に対する悪影響を軽減するこ
とができる。
音響エネルギーに対する振動の周波数は、超音波スペ
クトルの下限で20,000Hzであることが好ましい。しか
し、超音波を利用したコーティングの効果は周波数にそ
れほど依存しないので、広範囲の高低周波数を使うこと
ができる。比較的低い周波数は、可聴音を発するので騒
音対策という課題が生じるが、比較的粘度の大きな液体
を使用するときやより大きなシステムを使用してスケー
ルアップを図るときなど、より大きな振幅が必要となる
場合に使用できる。比較的高い周波数の超音波システム
であると、周波数に伴う波長が比較的短いためにそのサ
イズも比較的小さくなり、スケールアップ上の問題が生
じる。しかし、500cps未満の比較的粘度の小さな液体を
使用する場合には、低周波共鳴がそれほど発生しないと
いう点で高周波システムが好ましいと言える。
超音波を利用したコーティングにおいて、0.002mm〜
0.20mmの振幅の超音波振動を試験した。液体の粘度が大
きい又はコーティング層が薄いときには大きな振幅の方
が具合良く、一方、液体の粘度が比較的小さい又はコー
ティング層が厚いときには小さな振幅の方が必要とな
る。例えば、5,000cpsの溶液型ゴム製コーティング剤を
使用するスロットフェッド式ナイフコーターの場合に
は、20,000Hzで0.03mmの振幅であると、コーティングの
質を所望のままに十分に向上させることができる。振幅
があまりにも大きいと、コーティングは、波打つなどし
て局所的に不均一となり、その均一性が乱れることもあ
る。
超音波を供給する入力角は、図1B,1Cに示すようにウ
ェブの進行方向に対して垂直であることが好ましい。し
かし、この方向が好ましい一方で、超音波は、ウェブ16
の平面に対して垂直な角度から平行な角度までの範囲で
供給することができる。図1E,Fに示す装置は、図1B,1C
と似たものであり、超音波エネルギーは超音波ホーン20
と超音波ダイ22とをそれぞれ通じて伝達される。これら
の実施例では、ホーン20とダイ22は０゜〜90゜の角度で
超音波エネルギーを伝達する。図1Gでは、超音波ホーン
20はウェブ16の平面と平行に超音波エネルギーを伝達し
ており、超音波エネルギーの振動の振幅はウェブ16の進
行方向に存在する。
超音波エネルギーを図1D,3Dに示すようなコーティン
グダイを通じて供給すると、ダイ内を流れるコーティン
グ剤にも影響が生じる。ポンプ力を一定に保つと、ダイ
を通じる流量は、時として、超音波エネルギーを液体流
に平行に供給した場合の２倍になり、垂直に供給した場
合の５倍になった。さらに、ダイを超音波励振させる
と、コーティング剤の温度が上がり、コーティング剤は
自然にダイから流れやすくなる。また、超音波励振によ
り、ダイの隙間に付着した異物をダイから取り出すこと
ができるので、そのような異物のために被塗ウェブにす
じが形成されることもない。ダイは定常波として励振す
るのが好ましい。変形例では、超音波振動は、カップリ
ング剤を使用するしないに拘わらず、ダイを通じて伝播
する進行波として供給することもできる。
種々の流体を用いて一連の実験を数多く行った。ある
実験では、超音波バックアップホーンを有する幅30cm
（12インチ）のナイフダイを使用した、7.62m/分（25フ
ィート／分）の速度のウェブに、ゴム系接着剤を0.0635
mm（0.0025インチ）の厚さで塗布した。超音波振幅は約
0.0305mm（0.0012インチ）であった。ダイの一部に意図
的に約1mm（0.04インチ）の栓をして目詰まりしたダイ
をシミュレートし、コーティングニップにおける十分な
横方向の流れによりすじをマスクして補正するような超
音波作用の効果を実際に示した。ウェブ横断方向におけ
る塗膜厚を測定し、そのプロフィールを図７に示してい
る。ウェブの塗膜幅をｘ軸に沿って示し、塗膜厚をｙ軸
に沿って示している。図7Aは超音波を使用しないときの
コーティングを示している。Ａ部におけるすじはダイオ
リフィスのプラグによって生じたものであり、Ｂ部にお
ける一時的下落は、ウェブの塗膜が自然に薄くなってい
る部分を湿している。超音波を発生させると、図7Bに示
すように、Ａ部は全塗膜厚の92％まで埋まり、Ｂ部の一
時的下落はほぼ解消された。
パイロットプラントデータも収集した。超音波バック
アップホーンを有するスロットフェッド式ナイフダイを
使用して、縦24,689m（81,000フィート）横61cm（24イ
ンチ）のゴム系接着テープを、15.24〜30.48mm/分（50
〜100フィート／分）で形成した。超音波の振幅は0.015
〜0.025mm（0.0006〜0.001インチ）の範囲で変動した。
塗膜厚は0.030mm（0.0012インチ）であり、ウェブ横断
方向のプロフィールを測定した。それぞれ230データポ
イントからなるスキャンを連続的に10回実施し、最終ス
キャンの塗膜厚の範囲及び標準偏差と、全10スキャンの
平均範囲と平均標準偏差とを記録した。（ここで言う範
囲とは、ウェブ横断方向における塗膜厚の最小値と最大
値の差を意味する。）10スキャンよりなるグループを、
超音波を使用した場合に17回、超音波を使用しない場合
に９回実行した。
単一スキャンの範囲が、それより前の数スキャンの平
均範囲からどの程度変化しているかを考慮することによ
り、塗膜厚の一時的変動を決定することができる。従っ
て、経時的に生じるコーティング範囲の変動は、10スキ
ャンのグループの10番目のスキャンから10スキャンの平
均範囲を減算し、その絶対値を取り、平均範囲で割算す
ることにより示すことができる。これを、それぞれ10ス
キャンよりなる全グループに対して実施し、平均した。
このようにして出した平均範囲変動を、超音波を使用し
たときと使用しないときのスキャングループに関してパ
ーセンテージで比較したものを図8Aに示している。超音
波により、変動の割合は47％から15％まで、1/3に減っ
ている。図8Bは、超音波を使用したときと使用しないと
きの実験における標準偏差の変動を比較している。超音
波を使用すると、標準偏差の変動の割合は25％〜10％に
減少した。これらの結果は、ウェブ横断方向における全
体的な厚さプロフィールがより均一になっていること
を、実行時間の関数として示している。所望のコーティ
ングプロフィールを一旦達成すると、その経時的変動
は、超音波を使用しないときよりも使用するときの方が
少ない。
当該技術分野において通常の知識を有する者により、
本発明の範囲もしくは精神から逸脱することなく、種々
の変化と変形を加えることができる。例えば、超音波エ
ネルギー源としてソノトロードを使用する代わりに、偏
心カムや白色雑音発生器を使用してコーティングを向上
させることもできる。また、音響エネルギーはウェブの
両面に塗布してもよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポシャール、ドナルド・エル アメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ 州、セント・ポール、ポスト・オフィ ス・ボックス33427番 （番地の表示な し) (72)発明者 セコール、ロバート・ビー アメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ 州、セント・ポール、ポスト・オフィ ス・ボックス33427番 （番地の表示な し) (72)発明者 ワレン、カール・ジェイ アメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ 州、セント・ポール、ポスト・オフィ ス・ボックス33427番 （番地の表示な し) (56)参考文献 特開 平３−106470（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−78668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−187071（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−10902（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−35133（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−5880（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−186378（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−148381（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B05C 1/02 B05C 1/08 - 1/12 B05C 5/00 - 5/02 B05C 11/02,11/14

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】移動するウェブ（16）の片面のみに、ウェ
    ブ横断方向における厚さが実質的に均一である少なくと
    も１層の流体コーティング剤（18）を塗布する装置（1
    0',26',36',44',50',60'）であって、 制御量のコーティング剤18を計量する計量手段（12,28,
    38,46,52,54）と、 上記計量された量のコーティング剤を上記ウェブの片面
    の少なくとも一部に塗布する塗布手段（12,28,38,46,5
    2,54）とを有し、 上記コーティング剤塗布手段は上記計量手段から独立し
    て作用し、 さらに、 上記コーティング剤が流体である間にかつ該コーティン
    グ剤が実質的に乾燥する前に、上記コーティング剤（1
    8）と上記ウェブ（16）との初期接触ラインを、上記コ
    ーティング剤（18）の塗布面の反対側の面から、実質的
    に均一な音響強度で音響的に励振する励振手段（20）を
    有し、 上記音響強度は、上記ウェブ（16）の移動方向に対して
    垂直なウェブ横断方向における厚さが実質的に均一であ
    る被塗ウェブ（16）を形成すべく、上記コーティング剤
    （18）の特性に応じて選択される装置。
  2. 【請求項２】移動するウェブ（16）の片面のみに、ウェ
    ブ横断方向における厚さが実質的に均一である少なくと
    も１層の流体コーティング剤（18）を塗布する装置（1
    0',26',36',44',50',60'）であって、 制御量のコーティング剤を計量する計量手段（12,28,3
    8,46,52,54）と、 上記計量された量のコーティング剤を上記ウェブの片面
    の少なくとも一部に塗布する塗布手段（12,28,38,46,5
    2,54）とを有し、 上記コーティング剤塗布手段は、上記計量手段から独立
    して作用し、 さらに、 前方に配置されたレベリング構造体（30,32,56）と、 上記コーティング剤が流体である間にかつ該コーティン
    グ剤が実質的に乾燥する前に、上記コーティング剤（1
    8）と上記ウェブ（16）との初期接触ライン、上記前方
    に配置されたレベリング構造体（30,32,56）と上記コー
    ティング剤（18）との最終接触ライン、及び上記初期接
    触ラインと上記最終接触ライン間のポイント、の少なく
    とも一つを、上記コーティング剤（18）の塗布面の反対
    側の面から、実質的に均一な音響強度で音響的に励振す
    る励振手段（20）とを有し、 上記音響強度は、上記ウェブ（16）の移動方向に対して
    垂直なウェブ横断方向における厚さが実質的に均一であ
    る被塗ウェブ（16）を形成すべく、上記コーティング剤
    （18）の特性に応じて選択される装置。
  3. 【請求項３】上記励振手段（20）は、上記コーティング
    剤（18）と上記ウェブ（16）との初期接触ラインより手
    前15cmの位置から、上記前方に配置されたレベリング構
    造体（30,32,56）より前方15cmの位置に及ぶ、上記ウェ
    ブ（16）の範囲の少なくとも一部において、上記ウェブ
    （16）の裏面に音響エネルギーを供給する、請求項２記
    載の装置（10',26',36',44',50',60'）。
  4. 【請求項４】上記励振手段は、上記移動するウェブ（1
    6）の裏面を支持しかつ上記ウェブ（16）との実質的な
    接触状態を維持して音響エネルギーを該励振手段（20）
    から上記ウェブ（16）の裏面へ伝え該ウェブ（16）を通
    じて上記コーティング剤（18）に供給するバックアップ
    ホーン（20）からなる支持部材を備え、 上記バックアップホーン（20）は、上記塗布手段（12,2
    8,38,46,54）の実質反対側に設けられ、実質的に上記コ
    ーティング剤（18）と上記ウェブ（16）との初期接触ポ
    イントで、上記ウェブ（16）の裏面に音響エネルギーを
    供給する、請求項１または２記載の装置（10',26',36',
    44',60'）。
  5. 【請求項５】上記励振手段（20,22,40）は、上記コーテ
    ィング剤（18）を上記ウェブ（16）に引き寄せ、上記ウ
    ェブ（16）のマイクロ構造体とマクロ構造体内への流動
    を増大させ、さらに、上記コーティング剤（18）と上記
    ウェブ（16）間への空気連行を抑制する、請求項１また
    は２記載の装置（10',26',36',44',50',60'）。
  6. 【請求項６】上記励振手段は、音響エネルギーを上記塗
    布手段（22,40）に供給し、該塗布手段（22,40）内に音
    波を発生させる、請求項１または２記載の装置（10',3
    6'）。
  7. 【請求項７】上記励振手段（20,22,40）は、実質的に均
    一な振幅と周波数とを有する超音波を発生させ、該周波
    数は上記超音波スペクトルの下限にあり、上記超音波は
    上記ウェブ（16）の平面に対して垂直である、請求項１
    または２記載の装置（10',26',36',44',50',60'）。
  8. 【請求項８】上記励振手段（20,22,40）は、音響エネル
    ギーを、エネルギー伝達カップリング媒体を通じて上記
    コーティング剤に供給する、請求項１または２記載の装
    置（10',26',36',44',50',60'）。
  9. 【請求項９】上記塗布装置（12,28,38,46,52,54）は、
    上記計量された量のコーティング剤（18）を上記ウェブ
    （16）の片面の複数部分に塗布し、 上記複数の被塗部分は上記ウェブの縦横両方向において
    互いに離れており、 上記励振手段（20,22,40）は、上記ウェブ（16）の移動
    方向に対して垂直なウェブ横断方向における厚さが実質
    的に均一で等しい複数の被塗部分を有する被塗ウェブを
    形成する、請求項１または２記載の装置（10',26',36',
    44',50',60'）。
  10. 【請求項１０】移動するウェブ（16）の片面のみに、ウ
    ェブ横断方向における厚さが実質的に均一である少なく
    とも１層の流体コーティング剤（18）を塗布する方法で
    あって、 制御量のコーティング剤（18）を計量する計量ステップ
    と、 上記計量された量のコーティング剤（18）を上記ウェブ
    （16）の片面の少なくとも一部に塗布する、上記計量ス
    テップから独立した塗布ステップと、 上記コーティング剤が流体である間にかつ該コーティン
    グ剤が実質的に乾燥する前に、上記コーティング剤（1
    8）と上記ウェブ（16）との初期接触ラインを、該コー
    ティング剤の塗布面の反対側の面から実質的に均一な音
    響強度で音響的に励振する励振ステップと、 上記ウェブ（16）の移動方向に対して垂直なウェブ横断
    方向における厚さが実質的に均一である被塗ウェブ（1
    6）を形成すべく、上記コーティング剤（18）の特性に
    応じて上記音響強度を選択する選択ステップとを有する
    方法。
  11. 【請求項１１】移動するウェブ（16）の片面のみに、ウ
    ェブ横断方向における厚さが実質的に均一である少なく
    とも１層の流体コーティング剤（18）を塗布する方法で
    あって、 制御量のコーティング剤（18）を計量する計量ステップ
    と、 上記計量された量のコーティング剤を上記ウェブ（16）
    の片面の少なくとも一部に塗布する、上記計量ステップ
    から独立した塗布ステップと、 前方に配置されたレベリング構造体によって上記コーテ
    ィング剤を平滑にする平滑化ステップと、 上記コーティング剤が流体である間にかつ該コーティン
    グ剤が実質的に乾燥する前に、上記コーティング剤（1
    8）と上記ウェブ（16）との初期接触ライン、上記前方
    に配置されたレベリング構造体と上記コーティング剤
    （18）との最終接触ライン、及び上記初期接触ラインと
    上記最終接触ライン間のポイント、の少なくとも一つ
    を、上記コーティング剤（18）の塗布面の反対側の面か
    ら実質的に均一な音響強度で音響的に励振する励振ステ
    ップと、 上記ウェブ（16）の移動方向に対して垂直なウェブ横断
    方向における厚さが実質的に均一である被塗ウェブ（1
    6）を形成すべく、上記コーティング剤（18）の特性に
    応じて上記音響強度を選択する選択ステップとを有する
    方法。
  12. 【請求項１２】上記励振ステップは、上記コーティング
    剤（18）と上記ウェブ（16）との初期接触ラインより手
    前15cmの位置から、上記前方に配置されたレベリング構
    造体（30,32,56）より前方15cmの位置に及ぶ、上記ウェ
    ブ（16）の範囲の少なくとも一部に音響エネルギーを供
    給するステップを有する。請求項11記載の方法。
  13. 【請求項１３】上記励振ステップは、上記移動するウェ
    ブ（16）の裏面を支持しかつ該裏面と実質的に接触した
    状態で該ウェブ（16）の裏面に音響エネルギーを供給す
    るステップと、上記ウェブ（16）を通じて上記コーティ
    ング剤（18）に音響エネルギーを供給するステップを有
    する、請求項10または11記載の方法。
  14. 【請求項１４】上記塗布ステップは塗布器具（12,28,3
    8,46,52,54）を使用するステップを有し、上記励振ステ
    ップは、上記塗布器具に音響エネルギーを供給して該塗
    布器具内に音波を発生させるステップを有する、請求項
    10または11記載の方法。
  15. 【請求項１５】上記励振ステップは、超音波レベルで励
    振するステップと、上記ウェブ（16）の平面に対して垂
    直な角度から上記ウェブ（16）の平面に対して平行な角
    度に及ぶ範囲内の角度で、実質的に均一な振幅と周波数
    とを有する超音波を発生させるステップとを有する請求
    項10または11記載の方法。
  16. 【請求項１６】上記塗布ステップは、上記計量された量
    のコーティング剤（18）を上記ウェブ（16）の片面の複
    数部分に塗布するステップを有し、 上記複数の被塗部分は上記ウェブの縦横両方向において
    互いに離れており、 上記励振ステップは、上記ウェブ（16）の移動方向に対
    して垂直なウェブ横断方向における厚さが実質的に均一
    で等しい複数の被塗部分を有する被塗ウェブを形成す
    る、請求項10または11記載の方法。
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