JP5851837B2 - 連続材料のための紫外線硬化装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、紫外線ランプシステムに関し、より詳しくは、紫外線放射で基板を照射するように構成された、マイクロ波励起式の紫外線ランプシステムに関する。

紫外線ランプシステムは、接着剤、シーラント、インク、コーティング、並びに光ケーブル及び管などの材料を、加熱及び硬化させるために一般に使用されている。ある種の紫外線ランプシステムは、無電極の光源を有し、マイクロ波エネルギーなどの高周波エネルギーを用いて、プロセスチャンバ内で無電極プラズマランプを励起することで動作する。高周波エネルギーを用いた励起に依存している無電極紫外線ランプシステムにおいては、プラズマランプは、円筒形長さに沿った外側へ向けて、等方性の特性スペクトルを照射する。照射された放射の一部は、プラズマランプから直接、プロセスチャンバ内に配置された基板へ向かって移動する。照射された放射の実質的部分は、基板に到達する前に、反射されなければならない。プラズマランプによって照射された紫外線放射を効率的に使用するために、様々な設計の反射鏡が、プラズマランプ及び基板を取り囲むために、プロセスチャンバに取り付けられてきた。

従来の反射鏡は、矩形の箱形反射鏡や放物面反射鏡を具備しているけれども、最も効率的な反射鏡システムは、楕円反射鏡である。楕円反射鏡の片方の焦点に沿ってプラズマランプを配置し、楕円反射鏡の他方の焦点に基板を配置することで、プラズマランプから照射されたすべての放射は、たった１回の反射の後に、基板へ到達する。楕円反射鏡を用いたこれらのシステムの例には、ウッドに付与された特許文献１、及びカーターらに付与された特許文献２とに記載された発明が含まれる。従来のシステムにおける１つの難点は、基板の直径が増加すると、基板が焦軸から離れてしまい、放射の効率が低下することである。従って、完全に楕円形である反射鏡の使用は、処理される基板の直径に制約を与える。従来のシステムにおける他の欠点は、基板又は基板に施されるコーティングを汚染から保護するために、基板がしばしば石英又は他の紫外線伝達導管の内部に取り囲まれることである。基板は、この紫外線伝達導管に接触すべきではないため、基板がプロセスチャンバを通り抜けることは困難になる。

米国特許第４，７１０，６３８号明細書 米国特許第６，６２６，５６１号明細書

広範囲の直径をもった細長い連続した基板に、一般に効率的な照射を行えるような反射鏡を備えた、効率的な硬化システムを提供することが望ましい。また、そのような基板をプロセスチャンバの中に装填する過程を容易にするような、硬化システムを提供することが望ましい。

長手軸線を有する基板を処理するための紫外線放射硬化システムが提供される。硬化システムは、基板を搬送するための入口ポート及び出口ポートを有してなるプロセスチャンバと、プロセスチャンバの内部に取り付けられたプラズマランプと、プラズマランプを励起して紫外線放射を照射するためにプロセスチャンバに結合されてなるマイクロ波発生器と、を具備している。また、硬化システムは、プロセス空間の内部に配置された、紫外線伝達導管を具備している。硬化システムはさらに、第１のａ距離と、第１のｂ距離と、プラズマランプと同軸の第１の焦線と、基板の長手軸線と同軸の第２の焦線とによって画定される第１の楕円反射面を有している。加えて、硬化システムは、第１のａ距離に比べて長い第２のａ距離と、第１のｂ距離に比べて長い第２のｂ距離と、基板の長手軸線に対して同軸的な第３の焦線と、プラズマランプに対して同軸的な第４の焦線と、によって画定される第２の楕円反射面を有している。硬化システムにおけるプラズマランプは、基板に直接照射される、紫外線放射の第１の部分と、基板に照射される前に第１の反射鏡によって反射される、紫外線放射の第２の部分と、基板に照射される前に第２の反射鏡によって反射される、紫外線放射の第３の部分と、を照射する。

変形例による実施形態においては、本発明の硬化システムは、上述のように、プロセスチャンバと、プラズマランプと、マイクロ波発生器とを具備している。この硬化システムはさらに、紫外線放射を反射して基板へ照射するために、第１及び第２の反射鏡を具備している。また、硬化システムは、基板を取り囲むための紫外線伝達導管を、プロセスチャンバの内部に配置されて具備していると共に、第１の部分と、開位置と閉位置との間において第１の部分に対して可動である第２の部分と、を備えている。紫外線伝達導管の開位置においては、基板を導管の中に装填することができる。

添付図面は、本明細書に組み込まれてその一部をなすものであり、本発明の実施形態を例示し、上述した概要及び以下の詳細な説明と併せて、本発明の様々な観点を説明するのに役立つものである。

本発明の１つの実施形態に従った紫外線放射硬化システムを示した斜視図であって、プロセスチャンバが開かれて、基板を挿入し又は整列させる。 図１の紫外線放射硬化システムを示した横断面図である。 図１の紫外線放射硬化システムにおける楕円反射鏡の幾何学形状を示している。

以下、本発明についてある種の実施形態に関連して説明するけれども、本発明は、何か１つの特定のタイプの紫外線硬化システムの実施に限定されるものではない。本発明の実施形態の説明は、すべての変形例、応用例、及び均等物の構成を包含することを意図しており、これらは、特許請求の範囲によって画定される、本発明の精神及び範囲の中に含まれる。特に、当業者が理解するように、本願で説明される本発明の実施形態における構成要素は、多数の異なる方法にて配置することができる。

次に、添付図面、特に図１及び図２を参照すると、１つの実施形態による紫外線放射硬化システム１０が提供されている。硬化システム１０は、プロセスチャンバ１２を具備し、前壁１４と、後壁１６と、長手側壁１８，２０とによって形成されている。前壁１４に配置された入口ポート２２は、紫外線硬化のために、基板を受け入れるように適合している。後壁１６に配置された出口ポート２４は、基板２６がプロセスチャンバ１２から排出されるように適合している。基板２６は長手軸線２８を有し、基板２６は、長手軸線２８に沿って連続的に硬化システム１０を通って移動する。

また、硬化システム１０は、プラズマランプ３４を具備し、これは、プロセスチャンバ１２の内部において、長手方向に配置されている。プラズマランプ３４の端部は、従来の方法にて、前壁１４と後壁１６とに取り付けられる。プラズマランプ３４は、錬金術的に密封された、長手方向に延在してなる外被ないし管から構成され、ガス混合物で充填されている。プラズマランプ３４は、電気接続も、電極も必要とすることなく動作する。プラズマランプ３４は、電気絶縁体である紫外線伝達材料、例えば、透明なシリカ又は石英から形成されており、プラズマランプ３４は、プロセスチャンバ１２内の他の構造物から電気的に絶縁されている。硬化システム１０は、少なくとも１つのマイクロ波発生器３６を具備し、プロセスチャンバ１２の上方に取り付けられている。活性化されたときのマイクロ波発生器３６は、当業者が理解するように、マイクロ波入口（不図示）を通して、プロセスチャンバ１２の中へマイクロ波エネルギーを送出する。マイクロ波エネルギーは、プラズマランプ３４を取り囲む網スクリーン箱３８の内部に実質的に捕捉され、網スクリーン箱３８によって、空気が自由に流れ、一方、プロセスチャンバ１２の中に届けられたほとんどのマイクロ波エネルギーは反射する。

マイクロ波発生器３６によって提供されたマイクロ波エネルギーは、プラズマランプ３４の内部にあるガス混合物中の原子を励起し、プラズマを開始させ、その後、これを持続させる。当業者に理解されるように、プラズマランプ３４の内部におけるプラズマの開始を補助するために、スターターバルブ（不図示）が設けられる。プロセスチャンバ１２の形状と、マイクロ波発生器３６の出力レベルとを調整することで、マイクロ波エネルギーの密度分布は、プラズマランプ３４の全長にわたってガス混合物中の原子を励起するように選択される。いったんプラズマが開始したならば、プラズマランプ３４による放射出力の強度は、マイクロ波発生器３６によってプロセスチャンバ１２に供給されるマイクロ波出力に依存する。

プラズマランプ３４の内部のガス混合物は、ガスの原子がプラズマ状態に励起されたとき、所定の分布の波長の放射を有する光子を生成するように、要素成分が選択されている。紫外線処理の用途のためには、ガス混合物は、水銀蒸気と、アルゴンなどの不活性ガスとからなり、極少量の１又は複数の要素、例えば、鉄、ガリウム、又はインジウムを含む。水銀蒸気は、室温下においては固体である、少量の水銀が蒸発することで提供される。そのようなガス混合物から励起されたプラズマによる放射出力のスペクトルは、高輝度の紫外線と、赤外線スペクトル成分とを含む。ここで使用されるように、放射とは、約２００ナノメータから約２０００ナノメータの間の範囲の波長を有する光子として定義され、紫外線放射とは、約２００ナノメータから約４００ナノメータの間の範囲の波長を有する光子として定義され、赤外線放射とは、約７５０ナノメータから約２０００ナノメータの間の範囲の波長を有する光子として画定される。

また、硬化システム１０は、長手方向に延在してなる紫外線伝達導管５４を具備し、プロセスチャンバ１２の前壁１４と後壁１６とに取り付けられている。紫外線伝達導管５４は、入口ポート２２及び出口ポート２４に対して整列されている。導管５４は、プロセス空間１２を通しての基板２６の長手方向への搬送中に、基板２６を取り囲む。導管５４は、石英又は透明シリカなど、紫外線放射に対して高度な伝達度をもつ、絶縁材料から形成される。導管５４は、基板２６に外力が作用するのを防ぎ、例えば、冷却気流が基板２６を不都合に導管５４に接触させたり、又はプロセスチャンバ１２中の埃若しくはその他の粒子によって基板２６が汚染されたりするのを防ぐ。この隔離能力は、基板２６が脆弱であるか、その他、損傷しやすい場合には、特に重要である。

硬化システム１０はさらに、従来の方法によってプロセスチャンバ１２に取り付けられた、複数の支持リブ４４を介して結合されてなる長手方向に延在した第１の反射鏡４２を備えている。第１の反射鏡４２は、プラズマランプ３４に向けて配置されている。また、硬化システム１０は、従来の方法によってプロセスチャンバ１２に取り付けられた、複数の支持リブ４８を介して結合されてなる長手方向に延在した第２の反射鏡４６を備えている。第２の反射鏡４６は、第１の反射鏡４２及び基板２６へ向くように配置される。第１の反射鏡４２は、第１の楕円反射面５０を有し、第２の反射鏡４６は、第２の楕円反射面５２を有する。第１の反射鏡４２と第２の反射鏡４６とは、互いに間隔を隔てており、プロセスチャンバ１２に沿って長手方向に隙間が設けられる。

加圧空気供給源（不図示）は、第１の反射鏡４２に配置された隙間５１を通して、プロセスチャンバ１２の中へ空気を届け、プラズマランプ３４に直接吹き付け、プラズマランプ３４の温度を調整する。押し込まれた気流は、網スクリーン箱３８を通って、第２の反射鏡４６のまわりで長手方向の隙間５６を通り、システム１０の底部に配置された排気出口４０から排出される。光遮蔽材料３９は、排気出口４０をカバーして、気流の流れを許容しつつ、紫外線及びその他の光放射の実質的部分がシステム１０から出るのを阻止する。

図３に最良に示されるように、１つの実施形態における第１の反射鏡４２と第２の反射鏡４６との幾何学的構成が与えられる。第１の反射鏡４２と第２の反射鏡４６とは、図３において実線にて示される。第１の反射面５０は、当業者に理解されるように、第１のａ距離Ａ1と、第１のb距離Ｂ1とによって画定される楕円の一部である。第１の反射面５０はさらに、第１の焦線５８と、第２の焦線６０とによって定義され、それぞれ、第１の反射面５０に沿って長手方向に延びている。これらの第１及び第２の焦線５８，６０は、距離Ｄだけ間隔を隔てており、これは以下の数式によって画定される。

［数１］
Ｄ ＝ （２）（Ｃ）、ただし、Ｃ^２ ＝ Ａ^２ − Ｂ^２

同様に、第２の反射面５２は、第１のａ距離Ａ1に比べて長い第２のａ距離Ａ2と、第１のb距離Ｂ1に比べて長い第２のb距離Ｂ2とによって、画定される楕円の一部である。また、第２の反射面５２は、第２の焦線６０と実質的に同軸的である第３の焦線６２と、第１の焦線５８と実質的に同軸的である第４の焦線６４とによって画定される。第２の反射面５２は、この結果、第１の反射面５０と、焦線６２，６４の間の距離Ｄを共有し、これにより、第２の反射面５２は、第１の反射面５０に比べて大きな楕円になる。距離Ｄの半分を表す中心線に対するそれぞれのａ距離と、焦線５８，６４及び６０，６２に対するそれぞれのｂ距離とを明瞭に示すために、図３において、第１の反射面５０と第２の反射面５２とによって形成される楕円の一部は、想像線によって半分の楕円にまで延長して阿割らしている。

この実施形態において許容可能な、第１の反射面５０と第２の反射面５２とのサイズの例は、距離Ａ1が３．７４インチ、距離Ｂ1が２．９７インチとして、焦線間の距離Ｄは、上の数１を用いて、４．５６インチと計算される。次に、任意の距離Ａ2を与えると、適当な距離Ｂ2が距離Ｄを用いて計算できる。例について説明を続けると、距離Ａ2を４．５７インチに設定すると、距離Ｂ2は３．９７インチになる。この観点の硬化システム１０は、上の例の反射鏡のサイズに限定されるものではなく、これは１つの特定の公知の反射鏡のサイズの組合せであり、例示目的のためだけのものである。

第１の反射鏡４２と第２の反射鏡４６とは、好ましくは、放射伝達材料であって、紫外線放射を反射し、赤外線やマイクロ波放射などの他の種類の放射を伝達するものから形成される。そのような材料の例は、例えば、ニューヨークのコーニング社によって製造されるパイレックス（登録商標）などの珪硼酸ガラスである。変形例としては、第１の反射鏡４２と第２の反射鏡４６とは、紫外線硬化のための適当な反射及び伝達の特性を有してなる任意の材料から形成できる。当業者が理解するように、第１の反射鏡４２及び第２の反射鏡４６にダイクロイックコーティングを施すことで、高周波エネルギーの好ましい伝達及び反射が提供される。

第１の反射鏡４２と第２の反射鏡４６とは、プラズマランプ３４が実質的に第１の焦線５８及び第４の焦線６４の位置に配置され、一方、基板２６の長手軸線２８が実質的に第２の焦線６０及び第３の焦線６２と同軸的になるように配置される。図２に最良に示されるように、紫外線放射は、第１の焦線５８に配置されたプラズマランプ３４から、第２の焦線６０にある基板２６へと、直接的に、又は第１の反射鏡４２若しくは第２の反射鏡４６の少なくとも１つで反射した後に、届けられる。有利には、第２の反射鏡４６が第１の反射鏡４２に比べて大きいために、より大きな紫外線伝達導管５４が許容され、従って、より大きい直径の基板２６を硬化システム１０によって処理できることになる。例えば、この実施形態によって例示される硬化システム１０は、光ファイバーケーブルの如く小さいもの、又はシリコン管の如く大きなものなどの基板２６を処理できる。処理プロセスは、基板２６の材料自体を硬化するために、又は基板２６に塗布されたコーティングであって紫外線放射に対して敏感なものを硬化するために、使用される。図２において矢印６６にて示されるように、紫外線放射は、基板２６の上に実質的に効率的に集まるが、これは、長手軸線２８がそれぞれの反射鏡４２，４６の１つの焦線６０，６２に配置されていることによる。

プラズマランプ３４は、紫外線放射の第１の部分、第２の部分、及び第３の部分を照射する。図２に最良に示されるように、紫外線放射の第１の部分は、反射をせずに、直接、基板２６を照射する。第１の反射鏡４２は、プラズマランプ３４によって照射された第２の部分の紫外線放射を反射し、一方、第２の反射鏡４６は、プラズマランプ３４によって照射された第３の部分の紫外線放射を反射する。この結果、紫外線放射は、プラズマランプ３４からの放射に際して、基板２６のすべての側を、効率的な方法にて処理するために基板２６に届けられる。

硬化システム１０の他の観点は、図１及び図２に示し、及び後述されるように提供される。この観点においては、紫外線伝達導管５４は、第１の部分８４と第２の部分８６とに分割され、第２の部分は、図１に示した開位置と図２に示した閉位置との間にて、第１の部分８４に対して可動になっている。開位置においては、基板２６を、紫外線伝達導管５４の内部に適切に装填しないし整列させることができる。

この観点において、プロセスチャンバ１２はさらに、第１の部分８８と第２の部分９０とを備え、第２の部分は、蝶番９２又はその他の従来の方法によって、第１の部分８８に結合されている。プロセスチャンバ１２における第１の部分８８は、第１の反射鏡４２と、紫外線伝達導管５４における第１の部分８４とを具備している。プロセスチャンバ１２における第２の部分９０は、第２の反射鏡４６と、紫外線伝達導管５４における第２の部分８６とを具備している。プロセスチャンバ１２における第１の部分８８と第２の部分９０とは、図１に示した開位置から図２に示した閉位置へと移動する。開位置によれば、プロセスチャンバ１２の中へ基板２６を装填及び整列させることができ、一方、閉位置によれば、基板２６を処理するために、硬化システム１０を動作させることができる。この観点の特徴は、上述した実施形態の特徴と組み合わされるか、又はこれらの特徴は、硬化システム１０において別々に存在しても良い。

本発明について、様々な実施形態の説明によって例証され、それらの実施形態は詳細であると考えられるように説明されたけれども、出願人は、特許請求の範囲の広さをそのような詳細に制限したり又は何らかの限定をする意図ではない。追加的な利点及び変形例は、当業者には容易に明らかになろう。本発明は、その広義の観点においては、特定の詳細、代表的な装置、又は図示して説明した例示に限定されるものではない。従って、出願人による一般的な発明的概念の精神又は範囲から逸脱しなくても、そのような詳細から逸脱することができる。

Claims (4)

1. 長手軸線を有する基板を処理するための紫外線放射硬化システムであって、
   プロセスチャンバであって、前記基板を該プロセスチャンバの中に配置できるように受容することが可能な入口ポートと、前記基板が前記プロセスチャンバから排出されることを許容する出口ポートと、を有している前記プロセスチャンバと、
   長手方向に延在し、前記プロセスチャンバの内部に取り付けられて紫外線放射を照射できるプラズマランプと、
   前記プロセスチャンバに結合され、前記紫外線放射を照射するように前記プラズマランプを励起するマイクロ波発生器と、
   長手方向に延在し、前記プロセスチャンバの内部に配置され、前記プロセスチャンバの内部に基板が配置されたときにその基板を取り囲む紫外線伝達導管と、
   長手方向に延在し、前記プロセスチャンバの内部に取り付けられる第１の反射鏡であって、前記第１の反射鏡は、第１の長軸距離と、第１の短軸距離と、前記プラズマランプとほぼ同軸の第１の焦線と、前記基板の該長手軸線とほぼ同軸の第２の焦線と、によって画定され、前記プラズマランプに対向している第１の楕円反射面を有する第１の反射鏡と、
   長手方向に延在し、前記プロセスチャンバの内部に取り付けられる第２の反射鏡であって、前記第２の反射鏡は、前記第１の長軸距離より長い第２の長軸距離と、前記第１の短軸距離より長い第２の短軸距離と、前記基板の前記長手軸線とほぼ同軸の第３の焦線と、前記プラズマランプとほぼ同軸の第４の焦線と、によって画定され、前記プラズマランプに対向している第２の楕円反射面を有する第２の反射鏡とを備え、
   前記基板に照射される紫外線放射は、前記プラズマランプから直接照射されるものと、前記プラズマランプから前記第１の反射鏡で反射されて照射されるものと、前記プラズマランプから前記第２の反射鏡で反射されて照射されるものとを有する紫外線放射硬化システム。
2. 請求項１に記載の紫外線放射硬化システムであって、
   前記第１の反射鏡は、前記第２の反射鏡から間隔を隔てられて、長手方向に延在してなる隙間を形成し、前記プラズマランプの温度を調整するために、プロセスチャンバを通る空気の流れを許容する紫外線放射硬化システム。
3. 請求項１に記載の紫外線放射硬化システムであって、
   該紫外線伝達導管は、第１の部分と、前記第１の部分に対して開位置と閉位置との間にて可動である第２の部分とから構成され、前記開位置によって、前記紫外線伝達導管の中に基板を装填できる紫外線放射硬化システム。
4. 請求項３に記載の紫外線放射硬化システムであって、
   前記プロセスチャンバは、
   前記第１の反射鏡と、前記紫外線伝達導管の前記第１の部分と、前記プラズマランプと、を具備する一の部品と、
   前記第２の反射鏡と、前記紫外線伝達導管における前記第２の部分と、を具備する他の部品とを有し、
   前記他の部品は、前記一の部品に対して開いている状態と閉じている状態との間を移動可能であって、
   前記他の部品が前記開いている状態において、前記プロセスチャンバと前記紫外線伝達導管とが開かれて、前記基板を挿入して整列させることが可能である紫外線放射硬化システム。

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