JP5666998B2

JP5666998B2 - 硬化状態測定装置および硬化状態測定方法

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Publication number: JP5666998B2
Application number: JP2011141126A
Authority: JP
Inventors: 福澤　隆; 隆福澤; 田中　裕之; 裕之田中
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: JP2013007680A

Description

本発明は、接着剤の硬化状態を測定するための装置および方法に関する。

従来より、光学機器や電子機器の組立工程において、エポキシ系接着剤などの接着剤が用いられている。このような接着剤を使用する生産工程においては、（１）接着剤が固まる温度と時間を把握し、固定の条件を決定すること、（２）接着剤のロットが変わったときに、規定の温度・時間条件で想定通り固まるかの確認をすること、（３）接着剤長期保管時に、規定の温度・時間で想定通り固まるかの確認をすること、等の目的で、接着剤の硬化度を測定する必要がある。

接着剤の硬化度を測定する方法としては、（１）ＦＴ−ＩＲ法（例えば特許文献１参照）、（２）ＤＳＣ法（例えば特許文献２参照）、（３）微小硬度計により硬化度を測定する方法（例えば特許文献３参照）などが知られている。

特開２００７−２４８４３１号公報特開平２−２２９７４１号公報特開平３−１０５２３３号公報

しかしながら、ＦＴ−ＩＲ法は温度と時間の条件を変えた多くのサンプルを作製し、それら全てを測定する必要があるため、時間と手間が多くかかる。また、測定装置も高価である。また、ＤＳＣ法は、試料調整・測定に時間がかかり、温度と硬化時間の関係を知ることはできない。また、微小硬度計による方法は、温度と時間を変えた多くのサンプルを作製し、それら全てを測定する必要があるため、時間と手間が多くかかる。また、測定結果を定量化し難いという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、好適に接着剤の硬化状態を測定することのできる装置および方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の硬化状態測定装置は、接着剤の硬化状態を測定するための硬化状態測定装置であって、先端面から光を出射する光ファイバと、接着剤を保持するプローブであって、光ファイバの先端面に接着剤が接触した状態で接着剤に光を照射するプローブと、光ファイバの先端面と接着剤との界面から光ファイバに戻った光を検出する検出器と、光ファイバの先端面からの出射光量に対する検出器での検出光量の割合から、接着剤の屈折率を算出する屈折率算出部とを備える。

光ファイバは、シングルモード光ファイバであってもよい。

プローブは、光ファイバの先端部に設けられたキャピラリと、キャピラリが挿入された筒状部材とをさらに備え、筒状部材の内壁面、キャピラリの先端面、および光ファイバの先端面により、接着剤を保持するための接着剤保持空間が形成されてもよい。

プローブは、接着剤保持空間内に接着剤を封入するための封入部材であって、光ファイバの先端面に対向する面が、該先端面に対して角度付けされた封入部材をさらに備えてもよい。

プローブは、光ファイバの先端部に設けられたキャピラリであって、先端部に接着剤を保持するための凹部が形成されたキャピラリをさらに備えてもよい。

屈折率算出部によって算出された屈折率の時間変化を記録する記録部をさらに備えてもよい。

本発明の別の態様は、硬化状態測定方法である。この方法は、接着剤の硬化状態を測定するための硬化状態測定方法であって、光ファイバの先端面から光を出射するステップと、光ファイバの先端面を接着剤に接触させるステップと、光ファイバの先端面と接着剤との界面から光ファイバに戻った光を検出するステップと、光ファイバの先端面からの出射光量に対する検出光量の割合から、接着剤の屈折率を算出するステップとを備える。算出された屈折率の時間変化を記録するステップをさらに備えてもよい。

本発明によれば、好適に接着剤の硬化状態を測定することのできる装置および方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る硬化状態測定装置を説明するための図である。プローブの構造を説明するための図である。コンピュータの機能ブロックを示す図である。屈折率の時間変化の一例を示す図である。屈折率の時間変化の別の一例を示す図である。プローブの変形例を示す図である。プローブの別の変形例を示す図である。図８（ａ）および（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る屈折率測定装置を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る接着剤の硬化状態測定装置について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る硬化状態測定装置１０を説明するための図である。図１に示すように、硬化状態測定装置１０は、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）１２と、レーザダイオード１２を駆動するためのＬＤ駆動回路１４と、光分波器１６と、プローブ１８と、検出器２０と、レーザダイオード１２と光分波器１６とを接続する第１光ファイバ２４と、光分波器１６とプローブ１８とを接続する第２光ファイバ２６と、光分波器１６と検出器２０とを接続する第３光ファイバ２８と、検出器２０に接続されたコンピュータ２２とを備える。硬化状態測定装置１０は、プローブ１８に保持された接着剤３６の硬化状態を測定するための装置である。

レーザダイオード１２は、接着剤３６に照射するための測定光を出射するものであり、例えば発光中心波長が１５５０ｎｍのレーザダイオードを用いることができる。レーザダイオード１２が出射する測定光のパワーは、ＬＤ駆動回路１４により制御される。

レーザダイオード１２から出射された測定光は、第１光ファイバ２４を通って光分波器１６に入力される。第１光ファイバ２４としては、シングルモード光ファイバが好適に用いられる。

光分波器１６は、第１光ファイバ２４から入力した光を第２光ファイバ２６に出力し、第２光ファイバ２６から入力した光を第３光ファイバ２８に出力する機能を有する。従って、レーザダイオード１２から第１光ファイバ２４を介して光分波器１６に入力した測定光は、第２光ファイバ２６を伝搬し、第２光ファイバ２６の先端に設けられたプローブ１８から出射される。第２光ファイバ２６としては、第１光ファイバ２４と同様に、シングルモード光ファイバが好適に用いられる。

図２は、プローブ１８の構造を説明するための図である。図２に示すように、プローブ１８は、第２光ファイバ２６の先端部に設けられたキャピラリ３０と、キャピラリ３０が挿入された筒状のガラスパイプ３２と、ガラスパイプ３２の先端部に設けられたガラス板３４とを備える。

キャピラリ３０は、中心に微小な貫通孔が設けられた円柱状部材であり、該貫通孔には第２光ファイバ２６が挿通される。キャピラリ３０の先端面と第２光ファイバ２６の先端面２６ａは、第２光ファイバ２６の軸と垂直状に面一にされる。キャピラリ３０は、ガラスパイプ３２の全長の半分程度まで挿入されている。そして、ガラスパイプ３２の内壁面、キャピラリ３０の先端面、および第２光ファイバ２６の先端面２６ａにより、接着剤３６を保持するための空間（「接着剤保持空間」と呼ぶ）３３が形成されている。ガラス板３４は、接着剤保持空間３３の開口面を塞ぐように設けられ、接着剤保持空間３３内に接着剤３６を封入する。

本実施形態においては、接着剤保持空間３３内に接着剤３６が充填される。従って、第２光ファイバ２６の先端面２６ａと接着剤３６とが接触する。この状態で第２光ファイバ２６の先端面２６ａから接着剤３６に測定光が照射される。この測定光は、接着剤３６と第２光ファイバ２６の先端面２６ａとの界面で反射した後、再び先端面２６ａから第２光ファイバ２６のコアに入射する。接着剤３６と先端面２６ａとの界面から第２光ファイバ２６に戻った反射光は、光分波器１６に入力される。

ここで、本実施形態においては、ガラス板３４における第２光ファイバ２６の先端面２６ａに対向する面は、第２光ファイバ２６の先端面２６ａに対して角度付けされている。これは、接着剤３６を透過した後にガラス板３４で反射した光が、第２光ファイバ２６のコアに戻るのを防ぐためである。

図１に戻り、光分波器１６は、第２光ファイバ２６から入力した反射光を第３光ファイバ２８に出力する。第３光ファイバ２８としては、第１光ファイバ２４および第２光ファイバ２６と同様に、シングルモード光ファイバが好適に用いられる。

検出器２０は、第３光ファイバ２８から入力した反射光の光量を検出し、コンピュータ２２に出力する。検出器２０としては、フォトダイオードなどが好適に用いられる。

図３は、コンピュータ２２の機能ブロックを示す。図３に示すように、コンピュータ２２は、反射率算出部４０と、屈折率算出部４５と、屈折率記録部４６とを備える。なお、本明細書において示される各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

反射率算出部４０には、検出器２０で検出された反射光の光量が入力される。また、反射率算出部４０には、第２光ファイバ２６の先端面２６ａからの出射光量（測定光の光量）が入力される。この出射光量は、レーザダイオード１２の駆動電流から求めてもよい。また、接着剤３６を注入する前に予め先端面２６ａからの出射光量を測定して求めてもよい。

反射率算出部４０は、第２光ファイバ２６の先端面２６ａからの出射光量Ｉ１に対する検出器２０で検出された検出光量Ｉ２の割合、すなわち、接着剤３６と第２光ファイバ２６の先端面２６ａとの界面での反射率ＢＲを算出する。反射率ＢＲの算出式を下記の（１）式に示す。

屈折率算出部４５は、反射率算出部４０にて算出された反射率ＢＲに基づいて、接着剤３６の屈折率ｎを算出する。接着剤３６の屈折率ｎの算出式を下記の（２）式に示す。（２）式は、フレネルの反射公式を変形することにより導出できる。

（２）式において、ｎ’は、第２光ファイバ２６のコアの屈折率である。

屈折率記録部４６は、屈折率算出部４５によって算出された屈折率の時間変化を記録する。屈折率記録部４６は、記録した屈折率の時間変化を紙媒体に出力してもよいし、ディスプレイに表示してもよい。この屈折率の時間変化を得ることにより、接着剤３６の硬化状態を知ることができる。

図４は、屈折率の時間変化の一例を示す。図４は、接着剤として、Epoxy Technology社の接着剤エポテック３５３ＮＤ（以下、接着剤１）を用いた場合に得られる屈折率の時間変化を示している。図４において、縦軸は屈折率、横軸は硬化開始からの時間（分）である。接着剤１の標準硬化条件は、８０℃−３０分、１００℃−１０分、１２０℃−５分、１５０℃−１分である。

図２に示すようにプローブ１８の接着剤保持空間３３に接着剤１を封入した後、プローブ１８を所定温度に昇温した炉に入れ、経時的な屈折率の変化を測定した。図４において、曲線４１は、炉温度＝８０℃のときの屈折率の時間変化を表す。また、曲線４２は、炉温度＝９０℃のときの屈折率の時間変化を表す。また、曲線４３は、炉温度＝１００℃のときの屈折率の時間変化を表す。また、曲線４４は、炉温度＝１２０℃のときの屈折率の時間変化を表す。なお、第１〜第３光ファイバは、シングルモード光ファイバであり、コアの屈折率ｎ’は１．４６としている。

図４において、各曲線４１〜４４は、一旦屈折率が低下した後、時間の経過とともに屈折率が上昇し、ある時間を過ぎると屈折率が一定となっている。硬化開始から屈折率が一定となるまでの時間は、各曲線ごとに異なっている。屈折率が一定となった時点で接着剤１の硬化度を測定したところ、所定の硬化度に達していた。従って、硬化開始から屈折率が一定となるまでの時間を、接着剤１の硬化完了時間と判断することができる。図４から求められる硬化完了時間は、上述した標準硬化条件とほぼ一致している。

図５は、屈折率の時間変化の別の一例を示す。図５は、接着剤として、Epoxy Technology社の接着剤エポテック３０１−２（以下、接着剤２）を用いた場合に得られる屈折率の時間変化を示している。接着剤２の標準硬化条件は、８０℃−３時間である。

接着剤１の場合と同様に、プローブ１８の接着剤保持空間３３に接着剤２を封入した後、プローブ１８を所定温度に昇温した炉に入れ、経時的な屈折率の変化を測定した。図５において、曲線５１は、炉温度＝８０℃のときの屈折率の時間変化を表す。

図５に示すように、曲線５１は、一旦屈折率が低下した後、時間の経過とともに屈折率が上昇し、硬化開始から約６５分を過ぎると屈折率が一定となっている。屈折率が一定となった時点で接着剤２の硬化度を測定したところ、所定の硬化度に達していた。従って、硬化開始から屈折率が一定となるまでの時間を接着剤２の硬化完了時間と判断することができる。

以上のように、本実施形態に係る硬化状態測定装置１０によれば、接着剤の屈折率の時間変化を測定することにより、接着剤の硬化完了時間を精度よく測定することができる。また、硬化状態測定装置１０によれば、接着剤の硬化状態の時間変化を測定することができるので、例えば接着剤が約５０％硬化するのにどれぐらい時間の要するかといった情報を得ることができる。

上述したように、プローブ１８に用いる第２光ファイバ２６としては、シングルモード光ファイバを用いることが好ましい。シングルモード光ファイバは、コア径が１０μｍ以下と小さいため、第２光ファイバ２６の先端面２６ａと接着剤３６との界面で反射した光以外の光（一旦接着剤３６内部に入って乱反射した光など）がコアに入りにくい。従って、安定して接着剤３６の屈折率を測定できる。

上述の実施形態では、ガラス板３４を用いて接着剤３６を接着剤保持空間３３内に封入したが、接着剤保持空間３３の開口面を鉛直上方に向けた状態でプローブ１８を固定できるのであれば、ガラス板３４を設けずとも第２光ファイバ２６の先端面２６ａと接着剤とが接触した状態を維持することができる。

図６は、プローブ１８の変形例を示す。本変形例においても第２光ファイバ２６の先端部にキャピラリ３０が設けられている。そして、キャピラリ３０の先端部には、接着剤３６を保持するための凹部３７が形成されている。第２光ファイバ２６の先端面２６ａは、凹部３７の内部空間に露出している。例えば、凹部３７の最下面と第２光ファイバ２６の先端面２６ａとは、面一にされていてもよい。

上記のように形成されたプローブ１８において、凹部３７内に接着剤３６が注入されると、第２光ファイバ２６の先端面２６ａと接着剤３６とが接触する。従って、図２で説明したプローブと同様に、第２光ファイバ２６の先端面２６ａと接着剤３６との界面で反射した光を検出することができる。

図７は、プローブ１８の別の変形例を示す。本変形例に係るプローブ１８は、第２光ファイバ２６の先端部にキャピラリ３０が設けられた構成となっている。キャピラリ３０の先端面と第２光ファイバ２６の先端面２６ａとは面一にされている。

本変形例に係るプローブ１８は、例えばガラス板３９上に置かれた接着剤３６の硬化状態を測定するために用いることができる。本変形例においても、第２光ファイバ２６の先端面２６ａが接着剤３６に接触するようプローブ１８を配置することにより、第２光ファイバ２６の先端面２６ａと接着剤３６との界面で反射した光を検出することができる。

本変形例において、ガラス板３９は、第２光ファイバ２６の先端面２６ａに対して角度付けされることが好ましい。これは、ガラス板３９で反射した光が、第２光ファイバ２６のコアに戻るのを防ぐためである。

図８（ａ）および（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る屈折率測定装置を説明するための図である。この本実施形態に係る屈折率測定装置は、物質の絶対屈折率を測定するための装置である。

本実施形態に係る屈折率測定装置は、図１に示す硬化状態測定装置１０と類似の構成を有する。本実施形態において、プローブ１８は、第２光ファイバ２６の先端部にキャピラリ３０が設けられた構成となっている。キャピラリ３０の先端面と第２光ファイバ２６の先端面２６ａとは面一にされている。以下、本実施形態に係る屈折率測定装置を用いた絶対屈折率の測定方法について説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、絶対屈折率が既知の物質Ｍ１に第２光ファイバ２６の先端面２６ａを接触させ、測定光を照射する。物質Ｍ１は、例えば空気（絶対屈折率＝１）や水（絶対屈折率＝１．３３）であってよい。そして、物質Ｍ１と先端面２６ａとの界面から第２光ファイバ２６に戻った反射光を検出器（図示せず）にて検出する。

第２光ファイバ２６のコアの絶対屈折率をｎｃ、物質Ｍ１の絶対屈折率をｎ１、測定光の光量をＩ０としたとき、反射光の光量Ｉ１はフレネルの反射公式から下記の（３）式のように表される。

従って、反射光の光量Ｉ１を測定すれば、下記の（４）式から測定光の光量Ｉ０を求めることができる。

次に、図８（ｂ）に示すように、物質Ｍ１に照射したのと同じ光量Ｉ０の測定光を絶対屈折率が未知な物質Ｍ２に照射する。物質Ｍ２の絶対屈折率をｎ２、反射光の光量をＩ２としたとき、フレネルの反射公式から下記の（５）式が成り立つ。

従って、物質Ｍ２と先端面２６ａとの界面から第２光ファイバ２６に戻った反射光の光量Ｉ２を測定すれば、（５）式から物質Ｍ２の絶対屈折率ｎ２を求めることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、レーザダイオードを１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度の周波数で点滅させ、その周波数の成分の反射光のみを検出するようにしてもよい。例えば、検出器にロックイン回路を設け、レーザダイオード１２の点滅と同期を取って反射光を検出する。外乱光に影響されずに、より高感度な測定が可能となる。

また、レーザダイオードの出射する測定光の一部をモニタし、測定光の光量変動の影響で検出光量が変動する分を相殺してもよい。この場合、より高精度な屈折率測定が可能となる。

フィラーが多く混じった接着剤の場合、光ファイバから出た光がフィラーで乱反射し、その一部が光ファイバに戻る場合がある。この場合、未硬化状態では検出光量がばらつくが、硬化が進むとばらつきが減少する。従って、検出光量のばらつきが無くなったことを持って接着剤の硬化状態を判定すればよい。

また、上述の実施形態では、光源としてレーザダイオード（ＬＤ）を用いたが、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が用いられてもよい。

また、上述の実施形態では、屈折率の時間変化を得ることにより、接着剤の硬化状態を測定したが、光ファイバの先端面と接着剤との界面から光ファイバに戻った光の時間変化を得ることにより、接着剤の硬化状態を測定することも可能である。

また、上述の実施形態では、本発明を接着剤の硬化状態測定装置に利用したが、本発明は、体積収縮を伴う反応の経過測定にも利用可能である。

１０硬化状態測定装置、１２レーザダイオード、１４ＬＤ駆動回路、１６光分波器、１８プローブ、２０検出器、２２コンピュータ、２４第１光ファイバ、２６第２光ファイバ、２８第３光ファイバ、３０キャピラリ、３２ガラスパイプ、３３接着剤保持空間、３４、３９ガラス板、３６接着剤、３７凹部、４０反射率算出部、４５屈折率算出部、４６屈折率記録部。

Claims

接着剤の硬化状態を測定するための硬化状態測定装置であって、
先端面から光を出射する光ファイバと、
前記接着剤を保持するプローブであって、前記光ファイバの先端面に前記接着剤が接触した状態で前記接着剤に光を照射するプローブと、
前記光ファイバの先端面と前記接着剤との界面から前記光ファイバに戻った光を検出する検出器と、
を備え、
前記プローブは、前記光ファイバの先端部に設けられたキャピラリと、前記キャピラリが挿入された筒状部材とをさらに備え、
前記筒状部材の内壁面、前記キャピラリの先端面、および前記光ファイバの先端面により、前記接着剤を保持するための接着剤保持空間が形成され、
前記プローブは、前記接着剤保持空間内に前記接着剤を封入するための封入部材であって、前記光ファイバの先端面に対向する面が、該先端面に対して角度付けされた封入部材をさらに備えることを特徴とする硬化状態測定装置。
前記光ファイバの先端面からの出射光量に対する前記検出器での検出光量の割合から、前記接着剤の屈折率を算出する屈折率算出部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の硬化状態測定装置。
前記屈折率算出部によって算出された屈折率の時間変化を記録する記録部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の硬化状態測定装置。
前記光ファイバは、シングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の硬化状態測定装置。
接着剤の硬化状態を測定するための硬化状態測定方法であって、
光ファイバの先端面から光を出射するステップと、
光ファイバの先端面を、前記光ファイバの先端面に対向する面上の接着剤に接触させるステップと、
前記光ファイバの先端面と前記接着剤との界面から前記光ファイバに戻った光を検出するステップと、
を備え、
前記接触させるステップにおいて、前記光ファイバの先端面に対向する面が、該先端面に対して角度付けされることを特徴とする硬化状態測定方法。
前記光ファイバの先端部にキャピラリが設けられており、
前記キャピラリは筒状部材に挿入されており、
前記筒状部材の内壁面、前記キャピラリの先端面、および前記光ファイバの先端面により、前記接着剤を保持するための接着剤保持空間が形成されており、
前記接着剤保持空間内に前記接着剤を封入するための封入部材が設けられており、
前記接触させるステップにおいて、前記封入部材における前記光ファイバの先端面に対向する面が、該先端面に対して角度付けされることを特徴とする請求項５に記載の硬化状態測定方法。
前記光ファイバの先端面からの出射光量に対する検出光量の割合から、前記接着剤の屈折率を算出するステップをさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の硬化状態測定方法。
算出された屈折率の時間変化を記録するステップをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の硬化状態測定方法。