JP5955223B2 - 小型硬化用ランプ組立体用ｕｖｌｅｄを基礎としたランプ - Google Patents

Description

本願は、２００９年１２月２３日に出願した米国仮特許出願第６１／２８９５１８号の優先権を主張しており、その開示は全部が引用により本書に取り込まれている。

本発明は、大略、紫外線（ＵＶ）硬化用ランプ組立体に関するものであって、更に詳細には、ＵＶ硬化用ランプ組立体用の発光ダイオード（ＬＥＤ）を基礎としたランプに関するものである。

放射エネルギは、広範な物質に適用されるコーティング、膜、表面を処理するための多様な製造プロセスにおいて使用される。特定のプロセスは、硬化（即ち、固着、重合）、酸化、浄化、及び殺菌を包含するが、これらに制限されるものではない。重合させるか又は所望の化学的変化を起こさせるために放射エネルギを使用するプロセスは、迅速であり、且つ、熱処理と比較して一層廉価であることが多い。放射は、又、表面処理を制御し且つ放射が適用される箇所のみの優先的硬化を可能とさせるために局所化させることが可能である。硬化は、又、コーティング又は薄膜内において該コーティング又は薄膜の界面領域又はバルク内に局所化させることが可能である。硬化プロセスの制御は、放射供給源のタイプ、該放射の物理的特性（例えば、スペクトル特性）、空間的及び時間的変動、及び硬化化学（例えば、コーティング組成）等の選択を介して達成される。

硬化、固着、重合、酸化、浄化、又は殺菌適用例に対して多様な放射供給源が使用される。この様な供給源の例は、ホトン、電子、又はイオンビーム供給源を包含するが、これらに制限されるものではない。典型的なホトン供給源は、アークランプ、白熱灯、無電極ランプ、及び多様な電子及びソリッドステート供給源（例えば、レーザ）を包含するが、これらに制限されるものではない。従来のアーク型ＵＶランプシステム及びマイクロ波駆動型ＵＶランプシステムは、溶融石英ガラス又は溶融シリカから構成される筒状ランプ包囲体を使用する。

図１は、従来技術における照射器及び遮光組立体を示すマイクロ波駆動型ＵＶ硬化ランプ組立体の斜視図である。図２は、図１のランプ組立体の部分的断面図であり、半楕円の主要反射器及び円形断面の光源を示している。図３は、図１の遮光組立体の部分的内部断面図であって、半楕円主要反射器及び二次反射器と端部反射器とに係合されている円形断面の光源を示している。

図１乃至３を参照すると、装置１０は、照射器１２及び遮光組立体１４を包含している。照射器１２は、光源２０（後述する）を励起させるためのマイクロ波放射を受け取るための開口１８を具備している概略滑らかな半楕円形状を具備している主要反射器１６と、光源２０を冷却するための空気の流れを受け取るための複数個の開口２２とを包含している。光源２０は、ランプ（例えば、電極又はガラス対金属シールが無いマイクロ波駆動型バルブ（例えば、大略円形断面を具備する筒状バルブ）を具備しているマイクロ波駆動型ランプ等）を包含している。光源２０が、一次反射器１６によって形成されている半楕円の内部焦点に位置されている。光源２０及び一次反射器１６は、紙面から出る方向における軸（不図示）に沿って直線的に延在している。一対の端部反射器２４（一つのみ図示）が一次反射器１６の両側部を終端しており、実質的に半楕円形状の反射性円筒を形成している。図１乃至３の遮光組立体１４は、実質的に滑らかな楕円形状を具備している二次反射器２５を包含している。第二対の端部反射器２６（一つのみ図示）が二次反射器２５の両側部を終端しており、実質的に半楕円形状の反射性円筒を形成している。

円形断面の加工部材管３０が端部反射器２６における円形開口２８内に受納されている。開口２８の中心及び加工部材管３０の軸は、典型的に、主要反射器１６によって形成されている半楕円の外部焦点（二次反射器２５によって形成されている半楕円の焦点）に位置されている。加工部材管２８及び二次反射器２５は、紙面から出る方向における軸に沿って直線的に延在している（不図示）。

動作について説明すると、光源２０内のガスが、照射器１２内に位置されているマグネトロン（不図示）等の無線周波数（ＲＦ）放射の供給源によってプラズマ状態へ励起される。光源２０内の励起されたガスの原子はより低いエネルギ状態へ戻り、それにより紫外光（ＵＶ）を射出する。紫外光の光線３８が光源２０から全ての方向に放射され、主要反射器１６、二次反射器２５、及び端部反射器２４，２６の内部表面に入射される。紫外光光線３８の殆どは、加工部材管３０の中心軸へ向かって反射される。光源２０及び反射器のデザインは、加工部材管３０内に位置される加工部材製品（これも紙面から出て直線的に伝搬する）の表面において最大ピーク光強度（ランプの放射照度）が発生すべく最適化されている。

光源用に使用されるマイクロ波駆動型ＵＶ射出用無電極ランプは幾つかの欠点を有している。マイクロ波駆動型ＵＶ射出用無電極ランプは、大型であり、雑音を発生し、且つ、無電極ランプの寿命は比較的短いので、多数の消耗部品に起因して、大型の製造及び流通インフラストラクチャを必要とする。現在の光学系の場合には、無電極ランプのフォーカスさせたビーム幅は、せいぜい、約１センチメートル（バルブの寸法と同等）であり、そのことは、加工部材製品に入射することの無い大量の光エネルギが浪費されることとなる。更に、大量のエネルギが、プラズマを基礎としたランプシステム（有電極ランプであるか無電極ランプであるかに拘わらず）における熱としても浪費される。ランプは、しばしば、少量の水銀を包含しているので、環境上の危険物廃棄の問題を提起する。現状では、この様なランプを組み立て且つ取扱う場合の工員にたいする危険な操業条件は、個人的な保護装置及び長時間の操業手順で緩和されていた。

従って、高いピークＵＶ硬化用放射照度を提供する環境にやさしく、効率的なソリッドステート光源が望ましいものであるが、未だに提供されていない。

ＵＶ硬化用ランプ組立体用の紫外線（ＵＶ）ＬＥＤを基礎としたランプを提供することによって、上述した問題が対処され且つ技術的な解決が達成される。複数のＵＶ発光ＬＥＤからなるアレイが一体的にパッケージ化され且つＵＶ放射をフォーカスさせる形態とされている少なくとも１個の光学部品（例えば、屈折光学、反射光学、適応光学、又はメタマテリアル）の長さに沿って配列されて、ＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体を形成する。該ＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体はモジュール型とすることが可能である。標準長パッケージの端部同士をつき合わせて敷設してＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体の全放射照度を増加させることが可能である。

ＵＶＬＥＤランプ組立体は、加工部材管周りに配設した複数個のＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体を有することが可能であり、加工部材を該加工部材管から取り出し自在に挿入する。加工部材管は不活性ガスで充填させることが可能であり、且つ石英又はＵＶ透明物質から構成することが可能である。１個又はそれ以上の湾曲した背面反射器を、ＬＥＤ組立体に対向して、加工部材管の反対側に配置させることが可能である。湾曲した背面反射器は、加工部材管を逸れるＵＶ光を集め且つ該光を加工部材の反対側にフォーカスさせる形態とされている。該湾曲した背面反射器の曲率は、該反射器と該加工部材管との間の作動距離を決定する。

ＵＶＬＥＤは、単一表面上に直線的に構成するか又は種々のレベルにおける複数の表面上に配設させて、プリパッケージ又はベアのダイの形態で設けることが可能である。マルチレベルの段付き形態のプラットフォームの場合には、下側のプラットフォームと少なくとも一つ上側のプラットフォームとの間の側壁は、該少なくとも一つ上側のプラットフォームが少なくとも部分的に該下側のプラットフォームの上方に位置するように、該少なくとも一つ上側のプラットフォームから該下側のプラットフォームへ内側に角が付けられているか又は湾曲している。この様に、上側のプラットフォームが下側のプラットフォームに対して実質的に垂直である場合よりも、該複数のダイは互いに一層近くに配設されている。ＬＥＤダイが互いに一層近いことの結果として、該複数個のＬＥＤダイからの結合した放射照度（irradiance）は、従来の直線的配列と比較して、単位面積当り約１．５倍のパワー増加が得られることが示された。

動作について説明すると、ＵＶＬＥＤダイは特定の波長のＵＶ放射（radiation）を射出し、それは所定の速度で例えばオプチカルファイバー等の静止しているか又は移動している加工部材上にフォーカスされる。光学部材（例えば、円柱レンズ）が光を所望の放射照度パターンでフォーカスさせ、そのパターンは加工部材の幾何学的形状に実質的に一致している。

従来技術における照射器と遮光組立体とを示すＵＶ硬化用ランプ組立体の斜視図。 半楕円主要反射器と円形断面の光源とを示す図１のランプ組立体の部分断面図。 半楕円主要反射器と二次反射器及び端部反射器に係合された円形断面の光源とを示す図１の遮光組立体と連結されたランプ組立体の部分内部断面図。 本発明の１実施例に基いて、加工部材製品を硬化するためのＵＶＬＥＤアレイ組立体の幾何学的構成の側面図。 本発明の１実施例に基いて、単一のＵＶＬＥＤアレイパッケージと単一の背面反射器とを具備するＵＶＬＥＤランプ組立体の平面図。 本発明の１実施例に基いて、複数個のＵＶＬＥＤアレイパッケージを具備するＵＶＬＥＤランプ組立体の平面図。 （ａ）は、本発明の１実施例に基いて、ＵＶＬＥＤダイの直線的パッケージング配列を示しており、（ｂ）は、本発明の１実施例に基いて、ＵＶＬＥＤダイのプラットフォーム上の段付きパッケージング配列を示している。

図４は、本発明の１実施例に基いて、例えばオプチカルファイバー等の加工部材製品をキャアリング（curing）即ち硬化させるためのＵＶＬＥＤアレイ組立体の幾何学的構成の側面図を示している。複数個のＵＶ射出ＬＥＤダイ４０が直線的アレイ４２、ＬＥＤ１乃至ＬＥＤ”Ｎ”、に一体的にパッケージ化されている。ＵＶＬＥＤダイ４０は、４５０ｎｍ未満の単一又は複数の波長の光を射出することが可能である。

ＵＶＬＥＤダイ４０は、１個又はそれ以上の光学部品４４でパッケージ化させることが可能である。光学部品４４は、例えば、屈折光学系（例えば、レンズ、プリズム等）、反射光学系（例えば、ミラー）、適応光学系、メタマテリアル等とすることが可能であるが、これらに制限されるべきものではない。好適実施例においては、該１個又はそれ以上の光学部品４４は円柱レンズ４４であり、それは、着脱自在にＵＶＬＥＤアレイ４２へ取り付けるか又はＵＶＬＥＤダイ４０へ固定して、ＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体４６を形成することが可能である。ＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体４６はモジュール型、即ち、特定長及び単位長さ当り特定数のＵＶＬＥＤダイ４０を有するもの、であるように構成することが可能である。標準長パッケージを端部同士を合わせて敷設してＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体４６の全放射照度を増加させることが可能である。ＵＶＬＥＤを基礎とした光学部品組立体４６の長さに沿っての放射照度の一様性は、図６に関して後述する個々のＵＶＬＥＤダイ４０の間の離隔によって支配される場合がある。

動作について説明すると、ＵＶＬＥＤダイ４０は特定波長のＵＶ放射を射出し、それは所定の速度にある例えばオプチカルファイバー等の移動している加工部材４８上にフォーカスされる。円柱レンズ４４が光を所望の放射照度パターン内にフォーカスし、そのパターンは実質的に加工部材４８の断面（例えば、幅）と一致している。好適実施例においては、加工部材４８の位置においてフォーカスされるビームの幅５０は約０．５乃至１．０ｍｍの範囲内である。

約４０ｍ／秒で移動している放射された加工部材４８へ送給される典型的なエネルギ密度は約０．４ジュール／ｃｍ^２である。約０．５ｍｍの放射照度パターンの場合、８０＝Ｐ_ＬＥＤ（Ｗ）×Ｎ_ＬＥＤの関係が成立し、その場合に、Ｐ_ＬＥＤ（Ｗ）は各ＬＥＤダイの「有用な」出力パワーであり、且つＮ_ＬＥＤは全ＬＥＤダイの数である。円柱レンズ４４の中心から加工部材４８への加工部材距離Ｄは、レンズ４４の焦点距離に依存して異なる場合があるが、好適には、１ｃｍと１０ｃｍとの間である。半円柱レンズ４４の中心から加工部材４８への距離は距離Ｄであり、一方、ＵＶＬＥＤダイ４０の表面から半円柱レンズ４４の中心への距離は距離ｄである。好適実施例においては、ｄ＜＜Ｄである。

本発明の１実施例に従って、図５Ａは、単一のＵＶＬＥＤアレイパッケージ及び単一の背面反射器を具備するＵＶＬＥＤランプ組立体の平面図を示しており、一方、図５Ｂは、複数個のＵＶＬＥＤアレイパッケージ（３個が示されている）を具備するＵＶＬＥＤランプ組立体を示している。原理的に、１個又はそれ以上のＬＥＤアレイパッケージ６０を加工部材管６２の周りに配設させることが可能であり、該加工部材は着脱自在に加工部材管６２に挿入可能である（加工部材は加工部材管６２の軸に沿って下方へ紙面内に移動する）。加工部材管は不活性ガスで充填させることが可能である（即ち、実質的に酸素不存在状態）。好適実施例においては、加工部材管６２は石英から構成することが可能である。当業者が理解するように、加工部材管６２は、十分なる光学的透明度を与える一層廉価なガラスで置換させることが可能である。１個又はそれ以上の湾曲した背面反射器６４をＬＥＤアレイパッケージ６０に対向して配置させることが可能である。この例においては、湾曲した背面反射器６４の焦点距離は円柱レンズ４４の焦点距離と同じであり、その結果、加工部材管６２は反射器６４とレンズ４４との間に直接的に配置される。湾曲した背面反射器６４は、加工部材管６２を逸れるＵＶ光を集め且つその光を加工部材の反対側にフォーカスさせる構成とされている。ＬＥＤランプ光学系（即ち、ＬＥＤアレイパッケージ６０及び／又は湾曲した背面反射器６４）は、加工部材管６２に起因する光の屈折を補償する光学系を有することが可能である。

加工部材管６２は、周期的に取り外してクリーニングすることが必要であり、従って、ＬＥＤランプ組立体内に固定した態様で組み込むべきではない。

本発明の実施例に従って、図６Ａはパッケージ化したＵＶＬＥＤダイの典型的な直線的パッケージング配列を示しており、一方、図６ＢはＵＶＬＥＤダイの段付きパッケージング配列を示している。ＬＥＤダイ７０は実質的に透明のパッケージ７２（例えば、日亜ＮＣ４Ｕ１３ｘＥ等の市場で入手可能な装置）で市場において入手可能である。パッケージ７２内には１個を超えるダイオードを包含させることが可能である。代替的に、ベアのダイを購入し且つ直線的に（図６Ａ）又はマルチレベルプラットフォーム７４上に段付き形態で（図６Ｂ）構成することが可能である。

図６Ｂを参照すると、矩形状パッケージ７２内又はそれを含まない個々のＬＥＤダイ７０によって射出される放射照度パターンはランバート型（即ち、余弦分布）である場合がある。ダイ／ダイオードパッケージ７２が複数のレベル上に配設されている場合には、下側プラットフォーム７８と少なくとも一つ上側のプラットフォーム８０との間の側壁７６は、該少なくとも一つの上側プラットフォーム８０が該下側プラットフォーム７８を少なくとも部分的に上側に位置するように、該少なくとも一つの上側プラットフォーム８０から該下側プラットフォーム７８へ内側へ角度が付けられるか又は湾曲されている。（側壁の正確な形状も個々のダイオード出力放射照度パターンに依存する。）この様に、該ダイは、上側プラットフォームが下側プラットフォームに対して実質的に垂直である場合よりも互いに一層近くに配設されている。ＬＥＤダイ７０が互いに一層近いことの結果として、該複数個のＬＥＤダイ７０からの結合された放射照度パターンは、図６Ａの従来の直線的な配列と比較して単位面積あたり約１．５倍のパワー増加を有するものであることが判明している。更に、段付き形態に対する放射照度の空間的一様性は、直線的で単一レベルの形態のものよりも一層大きいものである。

段付きマルチレベルプラットフォーム７４は、図６Ａに示した標準の平坦状プラットフォームにおける如く、ダイオード動作のための適宜の電気的接続部及び熱管理部を設けることが可能である。

本発明は、従来のマイクロ波駆動型ランプと比較して幾つかの利点を有している。ＬＥＤを基礎としたＵＶ硬化ランプは、環境上汚染物が一層少なく、且つ寿命に亘っての動作コストが一層低い。ＬＥＤを基礎としたランプは、ソリッドステート装置（ダイオード）のみを使用するものであって、それは数千時間のサービスライフ時間を有している。ＬＥＤを基礎としたランプは、基本的に、従来のマイクロ波駆動型ランプと比較して、何らの消耗部品を有するものではない。従来の光学系を使用して、ＬＥＤから射出した光の全てをファイバーの小さな区域（５００ミクロン未満）へフォーカスさせることが可能であり、一方、現在の硬化プラットフォームは出力光を約１ｃｍ（１０，０００ミクロン）へフォーカスさせることが可能であるに過ぎない。従って、ＵＶＬＥＤを基礎としたランプは、マイクロ波ランプ又はアークランプよりもかなり一層小さな占有面積を与えることが可能であり、且つ硬化すべきオプチカルファイバーの円筒状の幾何学的形状の周りに適合させるのにより良好な形態とさせることが可能である。更に、ＬＥＤランプはカスタム設計を可能とさせるべくより小さなセクションにモジュール化させることが可能である。これら２つの点の両方共が、散乱光を著しく減少させることが可能であり、従って、産業環境における作業者の安全性に寄与する。

現在のところ制限されている単色スペクトル及び低パワーのために、従来のＵＶＬＥＤを基礎としたランプは、典型的に、酸素禁止及び最大処理速度に対する願望のために、不十分な硬化結果を蒙っている。しかしながら、本発明においては、オプチカルファイバーのコーティングは、（ｉ）中程度の酸素不存在環境において硬化され、（ｉｉ）小さな基板を有しており、且つ（ｉｉｉ）硬化のために主にＵＶＡ（３２０〜３９０ｎｍ）帯域に依存している。従って、本発明のＵＶＬＥＤの全光学的出力は、オプチカルファイバーを硬化させるために使用される高い処理速度に対して必要とされる大きなエネルギ密度を発生させるために小さなファイバー面積上にフォーカスさせることが可能である。コーティング化学組成をＵＶＡ帯域（そこでは、一層高いパワーＬＥＤが入手可能）に対して更に最適化させることが可能である。

不活性（低酸素含有）環境が使用される適用例においては、短い作業距離を使用することが可能である。ここで概説するＵＶＬＥＤを基礎としたランプは、パイプの内部（又は外部）上のコーティングを硬化させるために使用することが可能であり、その場合には、空間が高度に制限されており且つ環境は硬化性能を改善するために酸素をパージさせることが可能である。現在のダイオードの入手可能性に起因して、ＵＶＡ帯域に対して高感度の化学組成が好適であるが、技術が改善するに従い（ＬＥＤ波長が一層短くなり且つ出力パワーが増加する）、ＵＶＬＥＤを基礎としたランプは、広範囲の化学組成、従ってより多くの適用例に対して適用することが可能である。例えば、インクジェット印刷は密接した作業距離を必要とするが、化学組成はＵＶＡ及びＵＶＣ（２４０〜２５０ｎｍ）帯域を必要とし、且つ酸素禁止問題を減少させるために大型の基板をパージすることは魅力的なことではない。しかしながら、ＵＶＡ帯域とＵＶＣ帯域の両方を具備するＬＥＤを基礎としたランプは、ＵＶＬＥＤ物質及び装置における顕著な進展が行われた後には、これらの障害を著しく減少させることが可能である。

理解すべきことであるが、例示的実施例は単に本発明の例示であり、且つ上述した実施例の多数の変形例を本発明の範囲を逸脱すること無しに当業者が考案することが可能である。従って、この様な変形例の全ては特許請求の範囲及びそれらの均等物内に包含されるものであることが意図されている。

Claims (7)

1. 加工物製品を硬化する組立体において、
   該加工物製品を受け取る形態とされている加工部材管、
   該加工部材管に対して実質的に平行に配置されている少なくとも１個の光学部品、及び
   少なくとも２個のレベルを具備する段付きプラットフォーム上に配設されている複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）からなるアレイであって、第１ＬＥＤが該段付きプラットフォームの第１レベル上に位置されており且つ第２ＬＥＤが該段付きプラットフォームの第２レベル上に位置されているアレイ、
   を有しており、該ＬＥＤのアレイから射出される光が該加工物製品を硬化させるために該少なくとも１個の光学部品によって該加工物製品上にフォーカスされ、該段付きプラットフォームの該第２レベルが該段付きプラットフォームの該第１レベルよりも該光学部品に一層近くに位置しており、該段付きプラットフォームの該第２レベルが該段付きプラットフォームの該第１レベルと少なくとも部分的にオーバーラップしている組立体。
2. 請求項１において、該段付きプラットフォームの該第１レベルと該段付きプラットフォームの該第２レベルとを接続している該段付きプラットフォームの側壁が平坦である組立体。
3. 請求項１において、該段付きプラットフォームの該第１レベルと該段付きプラットフォームの該第２レベルとを接続している該段付きプラットフォームの側壁が湾曲している組立体。
4. 請求項１において、更に、該段付きプラットフォームに対して遠位であり且つ該加工部材管に対して実質的に平行に位置されている湾曲した反射器を包含しており、該湾曲した反射器は該加工部材管を逸れる該ＬＥＤアレイから射出された光を実質的に該加工物製品の反対側へフォーカスさせる形態とされている組立体。
5. 請求項４において、長尺状の湾曲した反射器の曲率が該長尺の湾曲した反射器と該加工部材管との間の作業距離を決定する組立体。
6. 請求項１において、該ＬＥＤアレイの各々がランバート型パターンで光を射出する組立体。
7. 請求項１において、該光学部品が該加工部材管に近位の実質的に平坦な表面を具備している湾曲した半円柱を形成している組立体。

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