JP4049773B2 - 人工暴露装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料の人工暴露装置に関する。

暴露による試料の経時変化は、特に平面的材料の試料においては、このような装置を用いて人工的に試料を暴露させることにより評価する。そのためにこのような装置は通常、暴露される試料を保持する保持手段と試料に照射、特に紫外線照射を行う照射源とを備える暴露チャンバを有する。

このような人工暴露装置の用途は、使用中に自然の天候条件に常時曝され、したがって太陽光、太陽熱、湿度などの環境による影響を受けて劣化する試料の寿命を推定することである。自然の暴露状況を適切にシミュレートするためには、装置内で発生される光エネルギのスペクトル分布が、できる限り自然の太陽放射のスペクトル分布に近似している必要があり、このような装置の放射源にキセノン放射が使用されるのはそのためである。材料の経時変化加速試験は、基本的に、試料の経時変化を速める、自然条件に比較してはるかに強い光を試料に照射することで達成される。このようにして、試料の長期間にわたる経時変化の予測を比較的短時間で行うことが可能となる。

人工暴露装置で試験される大多数の試料は、重合体材料から成る。それらの暴露による劣化は、基本的には太陽放射の紫外線成分によって起こる。この間に起こる第１次光化学プロセス、すなわち光子の吸収と励起状態もしくはフリーラジカルの発生は、温度に依存しない。しかしながらこれに続くポリマーまたは添加物との反応ステップは温度に依存する可能性があり、そのために材料の観察される経時変化も温度に依存する場合がある。

従来の暴露試験機における照射源としてはキセノンランプが通常使用される。このランプは太陽スペクトルを非常によくシミュレートできることで知られているが、それにもかかわらず放射される光は赤外線スペクトル領域で比較的強いスペクトル成分を有しており、試料の加熱を避けるためにフィルタでこの成分を抑える必要がある。さらに、市場にあるキセノン照射源はおよそ１５００時間の寿命しかない。

ハロゲンランプもまた照射源として使用できるが、調整ができないか、もしくはわずかしか調整ができないという欠点がある。ハロゲンランプは蛍光照明に応用され、また同様に暴露試験機にも照射源として使用されて来たが比較的短寿命であるという同様の欠点を持っている。

さらに上述の照射源は全て、スペクトルの変更ができないという欠点がある。しかし、材料試料の経時変化はある限定された波長域の照射の関数であるとして研究を行うことがしばしば有用である。この目的で、試料へ照射する前にキセノンランプを、プリズムまたは回折格子を使ってそのスペクトル成分に分解することは周知である。それにより試料の個別の部分が異なった波長を持つ放射に曝されることになり、試料の異なった点における特性の変化を、入射する光の波長に明確に帰することができる。しかしながらこのやり方は、試料自身へのスペクトルの照射レベルが比較的低いので、比較的長時間の照射時間を必要とする。

暴露試験機に使われる前述した従来型照射源のもう一つの欠点は、照射源の構成と動作方法に起因してそれら照射源が比較的動かしにくいことであり、例えば、材料試料の照射される試料面に関する条件の変更には、対応できないことである。

従って本発明の一つの目的は、照射源および照射源から放射された光のスペクトル特性及び空間特性をより柔軟に調整することができ、特に照射される試料の状況変化により適切に対応できる、試料の人工暴露装置を提供することである。

上記の及び他の目的を達成するために、本発明の一の態様は、試料の人工暴露装置であって、暴露される試料を保持するための保持手段と前記試料に紫外線を照射するための紫外線照射源とを含む暴露チャンバを有し、前記紫外線照射源が紫外線発光ダイオードアレイを備える人工暴露装置である。

本発明の一の態様にかかる人工暴露装置は、暴露されるべき試料を保持するための保持手段と、試料に紫外線照射を行うための紫外線照射源とを備えた暴露チャンバを有し、前記紫外線照射源が紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを備えることを基本的な特徴とする。したがって、近年入手可能となった紫外線発光ダイオード、特にＧａＮに基づくもの、を暴露試験機に使用することができるようになった。ＧａＮ発光ダイオードは、現在、太陽スペクトルの紫外線域のほぼ全体に亘る発光が可能である。得られる放射密度はすでに十分高いので、従来のキセノンランプの放射パワーは紫外線ＬＥＤを複数配列することにより容易に達成できる。

目的の紫外線スペクトルは、ＬＥＤに使われる半導体材料のバンドギャップにのみ依存する。したがって、他の望まないスペクトル成分、例えば赤外線成分は、まったく生成されない。

他の利点は、生成される紫外線放射の光量はＬＥＤへ供給される電流によって非常に簡単に調整することができることである。放射スペクトルもまた電流を調整することによってある限定された程度まで変更することができる。

ＬＥＤは、そのコンパクトな性質により、ＬＥＤアレイの形式に配列が可能である。またそれらをフレキシブルプリント回路基板上に実装することにより、幾何学的に非平面形状の試料や暴露チャンバ内の複数の試料に、ほぼ均一に照射することも可能である。ＬＥＤアレイは比較的簡単にサイズを変えることができるので、事実上どのような放射面でも達成することが可能である。

ＬＥＤはまた１５００時間のオーダ以上の長寿命を有することが知られている。

このような紫外線照射源のスペクトルの変更は、特に自然の太陽放射の紫外線スペクトル成分をシミュレートするために異なったスペクトル放射特性を持つ複数の異なったタイプの発光ダイオードを備えることにより達成できる。これにより、太陽スペクトルのＵＶ−Ａ成分とＵＶ−Ｂ成分とを一貫した現実的な方法で確実に考慮することができる。また、異なるタイプの発光ダイオードは個別に動作させることができるので、材料試料を個々の波長域に曝したときの効果を研究することもできる。

さらにまた、スペクトル放射が可視スペクトル域にある少なくとも一つの他の発光ダイオードを追加することができる。これによって、特に自然太陽放射の可視スペクトル成分の一部をシミュレートすることも可能である。必要であれば、このようにして異なった放射特性を持つ異なったタイプのＬＥＤを備えることによって、自然太陽放射の全スペクトルを本質的にカバーすることができる。

ＬＥＤアレイは、ＬＥＤの規則的な配列、すなわち特に行と列を有するマトリックス状であることが好ましい。

非平面形状を有する材料試料に照射する必要がある場合がある。この場合には、材料試料が均一に照射されるようにＬＥＤが材料試料の試料面と等距離で対向するようにＬＥＤアレイを設計し、配列することができる。複数の材料試料に照射される場合には、同様に、複数の材料試料の試料面から等距離にＬＥＤを配置することが可能である。ＬＥＤアレイはしたがって、１つ又は複数の試料面の側面輪郭又はトポロジに適合させることができる。

特に、ＬＥＤをフレキシブルプリント回路基板、特にいわゆるフレックスボードに実装することで、ＬＥＤアレイを適合させることができる。実装は、複数のＬＥＤをプリント回路基板（ＰＣＢ）に装着する表面実装技術（ＳＭＴ）を用いて周知の方法で行ってよい。この時、たとえば定期刊行物「Siemens Components 29」１９９１年、第４巻、１４７ページに記載されているF. Mollmer（oはウムラウト）、G. Waitlの論文「表面実装技術のためのシーメンスＳＭＴ ＴＯＰＬＥＤ」とその図１に記述されているタイプのＬＥＤ設計を使用することができる。この形状のＬＥＤは非常に小型で、列またはマトリックス状にこのＬＥＤを多数、配列することが可能である。

ＬＥＤがフレキシブルプリント回路基板上に実装される場合、回路基板が保持体の表面形状や形態に倣うように回路基板をその保持体に適合させることで、回路基板を支えることができる。この保持体は、同時にヒートシンクとしても働くように厚い金属板で形成してよい。この金属板又は別の支持体は、試料形状が変更されても適合できるように、幾何学的に安定な方法で変形可能であってもよい。保持体は、暴露チャンバの内壁に固定する必要がある。

あるいは、フレキシブルプリント回路基板が変形可能で、かつ変形後安定して形を保つように、回路基板自身の厚さや材質を設計してもよい。

従来の暴露試験機において、試料保持手段が、リング状に閉じた保持フレームによって形成され、前記保持フレームは照射源の周りに同心円状に延設され、前記照射源の周りを回転させることができる。本発明が従来の暴露試験機内で使用される場合は、ＬＥＤアレイをリング状の保持フレーム内に、同じようにリング状に閉じた配列として配置することができる。特に、管状の保持体が保持フレーム内にそれと同心円状に配置され、ＬＥＤがこの管状保持体の外周上に所望の分布で配置され、電気的に適切に接続することが可能である。ＬＥＤはフレキシブルプリント回路基板に実装され、次にこの回路基板は前記管状保持体の外周上に配置され固定される。この管状保持体は、ＬＥＤからの熱を放散させるためのヒートシンクを構成するように金属製であってもよい。

図１は本発明による試料の人工暴露装置の長手方向の断面を示している。

リング状に閉じた保持フレーム２は、回転可能なように暴露チャンバ１内に取り付けられ、試料３または製造物はその内壁に保持することができる。保持フレーム２は、特に、円形の断面を有する。管状保持体４は、保持フレーム２の内部にそれと同心円状に配置され、暴露チャンバ１の上部壁に固定される。フレキシブルプリント回路基板５は管状保持体４の外周面の周りに配置され、適切な方法で固定される。紫外線発光ダイオード６はフレキシブルプリント回路基板５上に規則的な配列で表面実装技術を用いて実装される。これらは、異なったスペクトル放射特性を持つ異なったタイプの発光ダイオードを含んでもよい。また、それらは、個別に電気的に動作し、かつ個別の発光ダイオードそれぞれの動作が時間とともに変化するようにしてもよい。また、一つのスペクトルタイプの発光ダイオード群が同時に電気的に動作し、かつ他のスペクトルタイプの発光ダイオード群が、同様にして同時に電気的に動作するようにしてもよい。発光ダイオードのフィールド全体は、複数のサブフィールドに分け、各サブフィールドは使用される各スペクトルタイプの少なくとも一つの発光ダイオードを含むようにしてもよい。

保持フレーム２は、回転軸が管状保持体４の軸と一致するように回転可能に取り付けられるのが好ましい。その結果、試料３は発光ダイオード６の周りの円形軌道上を発光ダイオードから等距離で動く。

暴露チャンバ１はまた、それ自身周知の方法で、たとえば加湿器などの他の人工暴露用機器を有していてもよいが、これらは本発明で重要な役割を果たすものではないので詳細な説明は行わない。また、例えば、空気流を暴露チャンバ１内に導入して、試料３のそばを通って垂直方向に抜けるようにしてもよい。

図２は、図１の管状保持体の断面を示している。フレキシブルプリント回路基板５は、管状保持体４の外周の周りにぴったりと装着されている。紫外線発光ダイオード６は、それ自身周知のＳＭＴ実装技術を使用して回路基板に取り付けられる。これは従来技術において周知なので詳細には説明しない。管状保持体４は、発光ダイオード６で発生した熱が効率よく放散され得るように金属または熱伝導のよい他の材料で製作することも可能である。任意であるが、熱を放散させるために、暴露チャンバ１の内部に作られた空気流が管状保持体４の内部も通るようにしてもよい。

図示されているように、ＬＥＤ６はマトリックス状に配列される。こうする代わりに、上下にあるＬＥＤ間にずれを設けて互い違いに配列し、各ＬＥＤは、上の列に配列された２つのＬＥＤの間の隙間と並ぶように配列してもよい。

個々の発光ダイオードの電気的動作を動的に行うことにより、例えば紫外線照射源の省エネルギ運転のために利用することができる。具体的には、たとえば仮に人工的に暴露される試料の数が比較的少なければ、保持フレーム２の特定の制限された角度の円弧上に試料を並べて固定してもよい。保持フレーム２が回転する時、これと対応する円弧上の発光ダイオードだけが常に電流を供給され、これにより材料試料は保持フレーム２の角速度と同じ角速度で回転する紫外線放射の光円錐に曝される。必要なことは、発光ダイオード６の適切な電気的動作とプログラミングを提供することだけである。

上述のように、発光ダイオード６の全体ダイオードフィールドを、特定のスペクトルタイプの少なくとも一つの発光ダイオードを含むサブフィールドに分けてもよい。太陽スペクトルにおよそ匹敵する放射がされるように、これらのサブフィールドのそれぞれにはスペクトルの異なった各発光ダイオードが配置されてよい。

しかしながら、太陽スペクトルの紫外線成分のみを近似的にシミュレートする場合、例えば、紫外線スペクトルの３つの異なる放射曲線を持つ３つの異なった発光ダイオードが使用されてよい。この場合が図４に示されており、例として３つのスペクトルが異なる発光ダイオードの放出曲線と合計された全体の放出曲線が波長３００ｎｍから４００ｎｍの間について表示されている。３つの発光ダイオードは互いに独立して動作することができるので、放出されるＵＶスペクトルは柔軟に調整ができる。

暴露試験機の本発明の一態様に従う構成方法を、図１を参照して説明した。しかしながら、本発明の重要な点はこれにとどまらず、１つ以上の照射すべき材料試料に対し、ＵＶ照射アレイを空間的に適合させることが可能である。このことは、特別の表面形状をしている材料試料３に関連した例として図４に示されている。本発明は、発光ダイオード６と試料表面との距離を空間的に一定にして、この材料試料３に照射することを可能にする。こうするために、発光ダイオード６はすでに説明した方法でフレキシブルプリント回路基板５上に固定される。一般的にフレキシブルプリント回路基板５自身は幾何学的には安定ではないので、変形可能で、変形後その形を保つ、すなわち幾何学的に安定な支持板７に取り付けられる。支持板７は、発光ダイオード６から熱が放散するためのヒートシンクとしても機能する、軽量で柔軟性のある金属板でよい。支持板７は次に、暴露チャンバの内壁上に適切な方法で固定すればよいだけである。構造上、幾何学的に安定に変形可能なフレキシブル回路基板を使用することも考えられる。この場合、支持板７を使用する必要がない。

図３において材料試料３を回転させる場合、材料試料３とＬＥＤアレイの互いの空間的関係が常に一定になるように、ＬＥＤアレイも同様に同じ角速度で回転するようにしてもよい。

試料の人工的暴露のための本発明による装置の、例示的な実施形態の長手方向の断面図である。 図１に示した管状保持体の断面図で、発光ダイオードを搭載したフレキシブルプリント回路基板が固定されている状態を示している。 変形可能な支持体に固定され、発光ダイオードを搭載したフレキシブルプリント回路基板を示す図である。 ３つの異なった紫外線ＬＥＤを使用した例における、それらのＬＥＤのスペクトル放射特性（実線）及び合計のスペクトル放射曲線（破線）を示す図である。

符号の説明

１ 暴露チャンバ
２ 保持フレーム
３ 試料
４ 管状保持体
５ フレキシブルプリント回路基板
６ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
７ 支持板

Claims (12)

1. 暴露チャンバと、
   前記暴露チャンバ内に取り付けられ、試料に紫外線を照射するための紫外線照射源であって、規則的に配列された複数の発光ダイオードによって構成された紫外線照射源と、
   暴露される試料を保持するための、リング状に閉じた保持フレームであって、前記紫外線照射源と同心円状になるように配置され、前記紫外線照射源の周りを回転させることができるように、前記暴露チャンバ内に取り付けられた保持フレームとを備え、
   前記保持フレームが回転する時、制限された角度範囲に固定された試料の回転に対応させて、一部の前記発光ダイオードに対して動的に電流が供給される、人工暴露装置。
2. 異なったスペクトル放射特性を有する複数の異なったタイプの発光ダイオードを、特に自然太陽放射の紫外線スペクトル成分をシミュレートするために備える請求項１に記載の装置。
3. 特に自然太陽放射の可視スペクトル成分の一部をシミュレートするために、放射スペクトルが可視スペクトル域にある、少なくとも一つの異なるタイプの発光ダイオードを更に備える請求項１または２に記載の装置。
4. 前記種々のタイプの発光ダイオードの発光が、本質的に、自然太陽放射の全スペクトルに亘る請求項３に記載の装置。
5. 前記複数の発光ダイオードが一つの試料の試料面または複数の試料の試料面と等距離で対向するように、前記複数の発光ダイオードの規則的な配列である発光ダイオードアレイが設計され配列されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
6. 前記発光ダイオードアレイが、前記一つまたは複数の試料面の側面輪郭に適合するように設計されている請求項５に記載の装置。
7. 前記複数の発光ダイオードが、フレキシブルプリント回路基板、特にフレックスボード（flexboard）に装着されている請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
8. 前記フレキシブルプリント回路基板が、特にヒートシンクとして設計された保持体に固定されている請求項７に記載の装置。
9. 前記複数の発光ダイオードの規則的な配列である発光ダイオードアレイが前記保持フレーム内のリング状に閉じた配列とされている請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置。
10. 前記複数の発光ダイオードの規則的な配列である発光ダイオードアレイ又は前記発光ダイオードが固定されたフレキシブルプリント回路基板が、特にヒートシンクとして設計された管状保持体に固定されている請求項９に記載の装置。
11. 前記複数の発光ダイオードを時間の関数として個別に動作させることができる請求項１から請求項１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記発光ダイオードがＧａＮを基礎として作られている請求項１から請求項１１のいずれかに記載の装置。

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