JP5973954B2 - 感光性樹脂膜の重合監視のための低コストの測定システム - Google Patents

感光性樹脂膜の重合監視のための低コストの測定システム Download PDF

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Description

光硬化プロセスは、印刷、塗膜、接着等を含むさまざまなアプリケーションにおいて非常に好評であり有用になってきた。アーク灯および紫外線発光ダイオード(LED)硬化プロセスなどの数多くの種類の硬化プロセスが提供されている。これらの硬化プロセスは、材料が硬化プロセスを介して基材へ「硬化される」ように光活性化材料の化学的および物理的な特徴および構造を変化させる。
光硬化プロセスの一つの重要な態様は、光活性化材料が硬化プロセスを終了する時期または終了間近である時期を判断することである。硬化プロセスの終了判断の示度は光活性化材料の重合の度合を測定することである。この判断は一般に製造や保守費用の掛かる高価な設備が必要とされるフーリエ変換赤外(FTIR)分光法によって実行されている。或いは、硬化プロセスの終了判断は摩擦またはテープテストを用いて行われるが、これは原始的で主観により判断されるテストであることから、テストを精度良く実行し正確なテスト結果を得るために試験者は相当な量の試験訓練を受ける必要がある。FTIR分光法と摩擦またはテープテストの両方は硬化プロセスが終了したと推定された後に実行され、リアルタイムでは行われないという問題があった。また、これらのテストを実行するために硬化プロセスが停止されるので、プロセス全体が終了するまでにより多くの時間を掛ける必要があることから、生産効率が低下するという問題があった。また、摩擦やテープテストは主観により判断される効率の低いきわめて原始的なテストであるため、間違いや生産性の低下を招く余地を残している。
従って、精度が良く費用効率の高い方法で光活性化材料の硬化のレベルを検出することができる改良された監視装置の必要性が残されている。
測定装置は、光源、光学フィルタ、および光検出器を有している。光源は発光し、光学フィルタは光が基板およびこの基板上で硬化される膜の少なくとも一つから反射した後に光の波長がこの光学フィルタを透過するように位置決めされる。光検出器は光学フィルタを透過する光を検出するように位置決めされる。
方法は、光源から基板上で硬化された膜へ発光するステップと、膜および基板の少なくとも一つから反射する光の強度を測定するステップと、この光の強度の少なくとも一部に基づいて膜の硬化のレベルを判断するステップと、を含む。光は、膜および基板に垂直な軸線に対して0°〜20°傾斜して膜および基板へ向けて発光される。
測定システムは、赤外線を放つ赤外線光源と、光活性化樹脂膜を含む基板と、基板および/または膜から反射される赤外線を受光するように位置決めされた光学フィルタと、この光学フィルタによって受光される赤外線を検出するように位置決めされている光検出器と、を含む。赤外線は基板に垂直な軸線に対してある程度傾斜して基板へ発光される。膜および基板は赤外線光源によって発光される赤外線の少なくとも一部を反射する。
図1は、本発明のいくつかの態様による監視装置を示す図である。 図2は、本発明の態様による監視装置の他の実施形態を示す図である。 図3は、基板に付着された膜の硬化レベルを監視する方法を示す図である。 図4は、センサにおいて具現化され光硬化装置に取り付けられた監視装置の一実施例を示す図である。
硬化プロセス、とりわけ、インク硬化プロセスに関連する光硬化装置の上昇する人気に伴って、硬化プロセスを中断せずに、硬化が終了したかどうかまたは光活性化樹脂がどの硬化レベルにあるかを監視する能力はその有用性が高まるとともに非常に重要な手段となっている。硬化プロセスを監視するために用いられている既存の技術は、FTIR分光光度計のように非常に高価なものか、または、テープや摩擦テストなどの原始的で主観的な判断されるもののいずれかである。既存の入手可能な監視技術の選択肢では、硬化プロセスを中断せずに、低コストで精度が良好でリアルタイムでの監視特性を提供する能力を備えたものは一つもない。
図1は、硬化プロセスの低コストで精度が良くリアルタイムの監視を提供する、光源102と光学フィルタ104と光検出器106とを含む監視装置100の一例を示している。光源は、膜110が付着または硬化される基板108へ向けて発光する。基板108およびインク膜100から反射される光は、光学フィルタ104を介して受光され、光検出器106によって検出される。光学フィルタ104は光検出器106と同軸上に配置されてシステムにおける過剰な反射を回避することができる。
図1に示した監視装置100は、膜の硬化を発生させる光を放つ光硬化装置に取り付けられまたは電気的に結合されたセンサで具現化されることを含む任意の好適な環境に含まれる。監視装置100は、光活性化樹脂を含む任意の光活性化材料の硬化レベルの監視を補助し、硬化されている材料に対して任意の場所に位置決めされることで、光活性化材料の硬化のレベルを効率的に監視することができる。例えば、光活性化材料は、紫外線(UV)活性化による光重合可能かつ架橋可能な材料を含むことができる。監視装置100自体では光活性化材料を硬化させないが、いくつかの実施例において、監視装置は、光活性化材料の硬化をコントロールするもっと大きなシステムや装置に含まれてよい。他の実施例において、監視装置は、光硬化装置やシステムとは別体で設けられるエレメントであってもよい。
図1に示した監視装置100の光源102は、膜110および基板108から反射した光が膜110または基板108上の他の光活性化材料の硬化のレベルを示すように膜110と基板108の組み合わせへ向けて連続光または変調光を放つ任意の好適な光源である。膜110の硬化のレベルを判断するために、膜110に含まれるモノマーやオリゴマーの相対的な濃度のレベルが測定される。硬化のレベルは膜110に含まれるモノマーやオリゴマーの重合の濃度に直接的に関係している。この重合が発生すると、膜110の振動吸収モード数が減少してこれが赤外線領域における光透過の上昇につながる。いくつかの実施例において、吸収の低下が最も顕著に見られるのは波長が6μm〜12μmの光である。
膜および/または基板から反射した光の強度を測定することによって膜に残留している自在モノマーやオリゴマーの相対的な濃度を測定することができる。基板のタイプによっては、硬化プロセスが進むにつれて、膜および基板から反射した光またはこれらを透過した光の量が増加する。図1は監視装置100を示しており、この装置100において、基板108が光吸収型であることから、膜110および基板108へ向けて放たれた光が膜110および基板108の一方または両方から反射されるかまたは基板108によって吸収される。図2は、他の実施形態による監視装置200を示しており、この監視装置200において、基板202は光照射型であることから、光は膜204および/または基板202によって吸収されるかまたは基板202を介して透過される。
基板は水晶、紙、プラスチックなどを含む任意の好適な基板である。基板は一般に、光照射型、反射型、または透過型のいずれかであると考えられる。光照射型の基板は光を吸収する。上記に説明したように、図1に示した監視装置100は反射型の基板108へ向けて発光し、図2に示した監視装置200は半透明の基板202へ向けて発光する。
硬化プロセスが施される光活性化材料は印刷プロセスにおいてインクを硬化し、木製、金属製、またはプラスチック製のさまざまな材料へのコーティングを硬化し、二つのエレメントを共に接着するために用いられる接着剤を硬化するためなどに使用される任意の好適な光活性化材料である。光活性化材料は紫外線などのある一定の波長の光に露光されたときに硬化または急速に硬くなる性質の光活性化樹脂であってもよい。他の実施例において、光活性化材料は紙やプラスチックなどの基板に塗布されるインクや膜である。紫外線などの光がこのような光活性化インクや膜によって基板へ向けて発光されたとき、インクや膜は「硬化」されるか、そうでなければ、硬くなったり乾燥したりする。
上記に説明したように、監視装置は光学フィルタおよび光検出器を含む。光学フィルタは、光が基板および/または膜から反射するかまたはこれらを透過した後で、ある波長の光が光学フィルタを透過するように位置決めされる。いくつかの実施例において、光学フィルタは、基板および/または膜から反射するかまたはこれらを透過したある特定の波長またはある特定の範囲の波長の光を受光する。例えば、光学フィルタは光学フィルタを透過し光検出器へ向けて伝送される光を所定の波長範囲のものに限定するような帯域フィルタを含む。いくつかの実施例において、波長の範囲は6μm〜12μmである。他の実施例において、光学フィルタは、基板および/または膜から反射される全ての波長の光を受光する。
光学フィルタは反射した光を光検出器に向かって配向する。光検出器は、光学フィルタを透過した光の強度を検出することが可能である任意の適切な検出器である。いくつかの実施例において、光検出器は、基板および/または膜から反射した光が赤外線領域の波長を有している光を含む場合、低コストの赤外線検出器を含む。例えば、光検出器は、光の強度を検出してその強度をそれぞれの電圧出力に変換することによって熱的エネルギを電気的エネルギへ変換する熱電堆である。
ここでまた、図1を参照すると、監視装置100は、赤外線(IR)光源102、光学フィルタ104、光検出器106を有している。図1に示したように、IR光源102は、基板108に塗布または硬化された膜110へ発光する。この実施例において、膜110はインクであり、基板108は紙である。ここでは、インク、一般的にいえば、膜が、紙、一般的にいえば、基板へ、「付着されている」ことに言及しているが、用語「付着されている」とは硬化プロセスに先立っておよびそのプロセス全体を通してインクを紙に置くことをいっている。硬化が進行すると、インクが硬くなり乾燥し、これによって、紙へ「硬化」される。しかしながら、この「付着されている」という用語は、硬化プロセス全体を通して、インクと紙が共に任意に位置決めされることを意味している。
図1に示すように、IR光源102はインク110および基板108へ向けて傾斜して発光する。IR光源102が発光する角度は変化し得る。例えば、IR光源102は、基板108およびインク110に垂直な軸線112に対して約10°傾斜して基板108およびインク110へ向けて発光する。この角度は10°を上回っても下回ってもよいが、基板108および膜110に垂直な軸線112に対して丁度90°または約90°を成すことは考えにくい。IR光源102(または任意の他の光源)が基板108および膜110に向けて90°で発光する場合、光は90度の補角でIR光源102へ戻って直接反射するため、光を容易に測定できなくなる。例えば、光が膜110および基板108へ放たれる角度は膜110および基板108に垂直な軸線112に対して、いくつかの実施例では、0°〜45°であり、他の実施例では、0°〜20°である。
図1において矢印で示したように、IR光源102から放たれた光はインク膜110および基板108へ向けて発光される。この光の一部はインク膜110を透過して基板108と接触する。基板108に接触する光の一部は基板108に吸収される。しかしながら、矢印で示したように、図1で基板108に接触した光の大部分は基板から反射して再びインク膜110を透過する。光は一部がインク膜110から反射し別の一部が基板108から反射するので、光が反射する位置にインク膜基板境界114とエアインク膜境界116とが形成される。反射光の強度が上昇したのは硬化プロセスが進行するにつれてインク膜110の透明度が高くなったことによる結果であり、これによって、より多くの光がインク膜110を透過して基板108へ伝送されてインク膜基板境界114で基板108から反射することが可能にある。硬化プロセスが進行するにつれて、インク膜110から反射した照射光の一部が減少し、基板108から反射した照射光の一部が増加する。
光がインク膜110および基板108から反射する角度はインク膜110および基板108に向けて光が照射された角度に依存する。例えば、図1のIR光源102は、約10°傾斜してインク膜110および基板108へ向けて発光し、エアインク膜境界116においてインク膜110から反射した光およびインク膜基板境界114において基板108から反射した光もまた、10°傾斜してそれぞれの境界から反射する。反射角は光がインク膜110および基板108へ発光される角度に一致している。
図1に示した監視装置100の光学フィルタ104は、インク膜110および基板108から反射した光がこの光学フィルタ104を介して受光されるように位置決めされている。この実施例の構成において、光源102、光学フィルタ104、および光検出器106は、インク膜110や基板108と同じ側に配置されている(一方、図2では、以下に説明するように、光源は、光学フィルタや光検出器から見て、インク膜および基板の反対側にある)。光学フィルタはインク膜および基板から反射した光を受光し、光検出器はこの光検出器を透過した光を検出することが可能である。この実施例において、光検出器は、検出した光の強度を相当する電圧へ変換する熱電堆を含む。
図2は、他の実施形態による監視装置200を示しており、この監視装置200において、基板202は水晶などの透過性基板である。図2に示した監視装置200の機能は、光学フィルタ206および光検出器208が、赤外線(IR)光源210から見て、インク膜204および基板202の反対側に配置されていることを除けば、図1に示した監視装置100と本質的に同じである。しかしながら、図2に示した監視装置200は図1に示した監視装置100と同様に光の強度を測定する。例えば、図2のIR光源210はインク膜204および基板202へ向けて発光する。光は一部がインク膜204によって吸収され、別の一部がインク膜204および基板202を介して透過される。この実施例において、基板202は光照射型と見なされ、即ち、光は基板202を通過して、図2に矢印で示すように、IR光源210から基板202の反対側に入射するまでその光路が連続することを意味する。光学フィルタ206および光検出器208は、図2に示した監視装置200内のIR光源210から見て基板202の反対側に位置決めされる。硬化プロセスの進行に伴い、インク膜204の透明度がますます高くなり、基板202へそしてIR光源210から見て基板の反対側へと透過される光の強度が上昇することが可能とされることで、光が光学フィルタ206によって受光され、光検出器208によって検出されることができる。
図3は、光活性化材料の硬化レベルを監視する方法のさまざまなステップを示している。例えば、光は、光源から、基板300に付着されたインクや他のタイプの膜などの光活性化材料へ向けて、照射される。その後、膜および基板の一方または両方から反射される光の強度が測定される(ステップ302)。膜の硬化のレベルが測定された光の強度に少なくとも部分的に基づいて判断される(ステップ304)。必要に応じて他のステップをこのプロセスに組み込むことができる。
図4は、センサ402が取り付けられた光硬化装置400を含むシステムを示している。光硬化装置400は、光、いくつかの実施例では、UV光を、膜404および基板406へ向けて発光する。この実施例において、センサ402は硬化プロセスが進行するにつれて膜の硬化のレベルを監視する監視装置を含む。監視装置は、上記に説明した実施例のいずれかであり、これもまた膜および基板へ向けて発光するIR光源を含み、膜404および基板406から反射する光の強度に基づいて硬化のレベルを判断する。いくつかの実施例において、センサ402は、そのサイズや形状は特に制限されないが、約2mm×4mmであってよい。

Claims (5)

  1. 基板に連続膜を形成する紫外線活性化膜を前記基板に硬化する硬化プロセスの間に前記紫外線活性化膜に赤外線を放射するように構成された光源と、
    前記硬化プロセスの間、所定の波長の赤外線が、紫外線活性化膜基板境界で前記基板から及び空気紫外線活性化膜境界で前記紫外線活性化膜から反射した後に、自身を透過するように位置決めされている光学フィルタと、
    前記紫外線活性化膜基板境界及び前記空気紫外線活性化膜境界から反射し且つ前記光学フィルタを透過した前記赤外線を検出するように位置決めされた光検出器と、
    を含む、センサであって、
    前記センサは、前記紫外線活性化膜基板境界及び前記空気紫外線活性化膜境界から反射しかつ検出された前記赤外線に基づいて、前記硬化プロセスの間に、前記紫外線活性化膜を前記基板に硬化するレベルを、リアルタイムで決定するように構成されている、
    センサ。
  2. 前記光学フィルタは、バンドバス光学フィルタである、請求項1に記載のセンサ
  3. 前記紫外線活性化膜基板境界及び前記空気紫外線活性化膜境界から反射した前記赤外線の波長は、6μm〜12μmである、請求項1に記載のセンサ
  4. 前記基板は、紙及びプラスティックの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のセンサ
  5. 前記紫外線活性化膜は、紫外線活性化樹脂を含む、請求項1に記載のセンサ
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