JP7159880B2 - 照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、照射装置に関する。

互いに波長が異なる紫外線を紫外線硬化性のインキに照射する技術として引用文献１、及び引用文献２がある。特許文献１には、インキに照射される紫外線の各々の光量分布を等しくする技術が示されている。特許文献２には、波長が異なるＬＥＤごとに調光制御を行うことで、波長ごとの照射強度及び照度強度分布を容易に調整可能にする技術が示されている。これら特許文献１、及び特許文献２の技術によれば、波長が異なる各紫外線を光量や照射強度、照射強度分布を揃えてインキに照射できる。

国際公開第２０１４／０８７７２３号 特開２０１１－１４６６４６号公報

しかしながら、インキの表面での光量や照射強度、照射強度分布を揃えても、インキの深さ方向では硬化が十分でない場合があった。この問題は、光硬化性材料に限らず、ワークの表面の処理対象層に光を照射して光処理する場合に、共通して生じるものである。

本発明は、ワークの表面の処理対象層の深さ方向についても、より十分に光処理できる照射装置を提供することを目的とする。

本発明は、波長が互いに異なる光をワークに照射し、当該ワークの表面の処理対象層を光処理する照射装置において、互いに波長が異なる光のそれぞれを、互いに異なる照射角で前記ワークに照射する照射ユニットを備え、前記照射ユニットは、前記処理対象層の透過率が低い波長の光ほど小さな前記照射角で前記ワークに照射することを特徴とする。

本発明は、上記照射装置において、互いに波長が異なる各光の前記照射角は、前記処理対象層の深さ方向における各光の照度を、当該処理対象層の厚みに相当する深さの地点で、その波長の光による前記光処理に要する照度閾値、又は当該照度閾値以上の所定照度とする角度に設定されていることを特徴とする。

本発明は、上記照射装置において、前記処理対象層は、異なる光硬化性材料の層を含むことを特徴する。

本発明は、上記照射装置において、前記照射ユニットは、前記光のそれぞれを前記ワークの表面にライン状に照射する、ことを特徴とする。

本発明は、波長が互いに異なる光をワークに照射し、当該ワークの表面の処理対象層を光処理する照射装置において、互いに波長が異なる光のそれぞれを、互いに異なる照射角で前記ワークに照射する照射ユニットを備え、前記照射ユニットは、照射効率が高い波長の光ほど大きな前記照射角で前記ワークに照射することを特徴とする。

本発明によれば、ワークの表面の処理対象層の深さ方向についても、より十分に光処理できる。

本発明の実施形態に係る照射装置を備える枚葉印刷機の模式図である。 照射装置の全体構成を示す斜視図である。 照射装置の分解斜視図である。 照射ユニットの構成を示す図であり、（Ａ）はライン光源本体に１個の照射ユニットが設けられた状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）において補助反射板を取り外した状態を示す。 照射ユニットの断面図である。 照射ユニットによる複数波長の光の照射を示す図である。 照射角αと、深さ方向Ｘにおける照度Ｉの成分と、の関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る照射装置を備えた枚葉印刷機を例示する。

図１は、本実施形態に係る枚葉印刷機１の模式図である。
枚葉印刷機１は、図１に示すように、給紙装置２と、給紙台３と、印刷ユニット５と、コーティングユニット６と、排紙装置７と、を備え、排紙装置７に照射装置１０が設けられる。
給紙装置２は、給紙台３に準備された枚葉紙４を印刷ユニット５に給紙し、印刷ユニット５は、光硬化性のインキを枚葉紙４の印刷面４Ａ（図６）に塗り所望の絵柄を印刷する。コーティングユニット６は、絵柄が印刷された印刷面４Ａにニス（光硬化性のニス）を塗り、枚葉紙４を排紙装置７に送る。

排紙装置７は、排紙台８と、搬送装置９と、上述の照射装置１０と、を備える。
搬送装置９は、枚葉紙４を排紙台８に搬送する装置である。搬送装置９は、回転駆動されるスプロケット９ａ、９ｂと、これらスプロケット９ａ，９ｂに巻き回された排紙チェーン９ｃと、当該排紙チェーン９ｃに適宜の間隔で設けられたグリッパ９ｄと、を備え、各グリッパ９ｄが枚葉紙４を咥えて排紙台８まで搬送する。
照射装置１０は、搬送装置９の搬送経路の所定箇所に設けられ、当該所定箇所を通過する枚葉紙４に、波長が異なる複数の光を照射することで、枚葉紙４に印刷されているインキ及びニスを光硬化させる。

なお、照射装置１０を、印刷ユニット５やコーティングユニット６を経由した直後の枚葉紙４に光を照射する位置に設けてもよい。

図２は照射装置１０の全体構成を示す斜視図、図３は照射装置１０の分解斜視図である。
照射装置１０は、直方形状の筐体１３を有し、この筐体１３には、図３に示すように、当該筐体１３の長手方向に延びるライン状に波長が異なる光を照射するライン光源本体１１が収められる。この筐体１３は、図３に示すように、筐体本体１４の底面側にカバー支持枠１５を有し、また上面カバー１６が取り外し自在に構成される。

筐体本体１４の底面には、ライン光源本体１１のライン状の光を通す照射開口１４Ｄが形成されている。カバー支持枠１５は、光透過性材料（例えば石英ガラス）から形成された平板状のカバー１７を筐体本体１４の底面に密着させて支持し、照射開口１４Ｄをカバー１７によって閉塞する。
筐体本体１４内では、光源を冷却する水冷媒が流通するパイプ６５、６６が筐体１３の長手方向に延在する。パイプ６５、６６の端部には冷却媒体入口ポート６３、及び冷却媒体出口ポート６４が設けられており、これら冷却媒体入口ポート６３、及び冷却媒体出口ポート６４が筐体本体１４の底面を貫通したチューブ等を通して外部のチラー装置に接続される。
上面カバー１６には複数の電源端子６２が設けられ、当該電源端子６２に接続される不図示の電線を介して、照射装置１０に電力が供給される。

上記ライン光源本体１１は、複数（本実施形態では１１個）の照射ユニット２０を照射装置１０の長手方向に一列に並べて成る連結照射ユニット１２と、上記一対のパイプ６５、６６と、を備える。一対のパイプ６５、６６は、その間に連結照射ユニット１２（複数の照射ユニット２０）を挟んで延在し、照射ユニット２０のそれぞれがパイプ６５、６６に支持される。

図４は照射ユニット２０の構成を示す図であり、図４（Ａ）はライン光源本体１１に１個の照射ユニット２０が設けられた状態を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）において補助反射板５５を取り外した状態を示す。
照射ユニット２０は、光源装置３０と、冷却部材２２と、支持フレーム２１と、補助反射板５５と、を備える。

支持フレーム２１は、光源装置３０、及び冷却部材２２を支持する支持板３４と、ネジ等の固定具でパイプ６５、６６に結合固定される固定梁３２、３３とを備える。
また支持板３４の上面側には、パイプ６５、６６と冷却部材２２との間で水冷媒を流通するための流通機構や端子台５０が設けられる。本実施形態では、かかる流通機構は、供給側管継手６７、受給側管継手２７、第一接続管８１、出口側管継手６８、排出側管継手２８、第二接続管８２、中間管継手２９Ａ、中間管継手２９Ｂ、第三接続管８３などを備えて構成される。

支持板３４は、照射面（枚葉紙４の印刷面４Ａ）に対して略平行に配置される平部２１Ａと、平部２１Ａの両側端から照射方向に向かって傾斜して延びる傾斜部２１Ｂ、２１Ｃと、を備える。これら平部２１Ａ、傾斜部２１Ｂ、２１Ｃは、長方形の金属板を照射面側に折り曲げて形成され、傾斜部２１Ｂ、２１Ｃのそれぞれの表面には、パイプ６５、６６の水冷媒が内部を流通する板状の冷却部材２２が密接固定される。

図５は、照射ユニット２０の断面図である。なお、同図では、照射ユニット２０が備える構成のうち、光源装置３０、冷却部材２２、及び支持フレーム２１を示している。
光源装置３０は、光を放射する複数の光源ユニット３５と、光源ユニット３５の光を反射する反射部材２３と、を備える。

光源ユニット３５は、ライン状光源の長手方向（図５において紙面に垂直な方向）に延びる略角柱状の取付部材３６と、この取付部材３６に取り付けられ、同じく長手方向に直線状に配列された複数のＬＥＤ２５とを備え、各ＬＥＤ２５が発光することでライン状に光を放射する。取付部材３６は、熱伝導性が高い例えば金属部材で形成されており、冷却部材２２の取付面２２Ａに取り付けられ、各ＬＥＤ２５の発熱が取付部材３６を通じて冷却部材２２に伝わって回収される。
光源ユニット３５は、支持フレーム２１の傾斜部２１Ｂ、２１Ｃのそれぞれに同数ずつ、中心線Ｏの側にＬＥＤ２５を向け、なおかつ、当該中心線Ｏに対して線対称に配置される。

反射部材２３は、光源ユニット３５ごとに支持フレーム２１に設けられ、対応する光源ユニット３５のＬＥＤ２５に対面配置される反射面２４を備える。反射面２４は、ＬＥＤ２５の光を所定の焦点に集める曲率を有し、長手方向に沿って延びる集光反射面であり、各反射面２４の焦点が中心線Ｏの上の所定箇所Ｇに設定される。

本実施形態の照射ユニット２０では、中心線Ｏに対して線対称の位置する一対の光源ユニット３５のＬＥＤ２５が同一波長の光を放射し、また光源ユニット３５の対ごとにＬＥＤ２５が放射する光の波長が異なる。これにより、図６の図に示すように、所定箇所Ｇには、複数の波長（図示例では、３つの波長λ１、λ２、λ３）の光が照射ユニット２０によって照射される。この所定箇所Ｇを枚葉紙４の印刷面４Ａが通過することで、複数の波長λ１、λ２、λ３の光が印刷面４Ａに照射され、これらの光によってインキ及びニスが硬化される。複数の波長λ１、λ２、λ３の光でインキ及びニスを硬化させることで、単一波長の光で硬化させる場合に比べ、インキの性質バラツキの影響を受け難くできるという効果や、インキのタックを小さくできるという効果などが期待できる。
光の各波長は、インキ及びニスの硬化に寄与する波長であれば任意であり、この枚葉印刷機１では２５０ｎｍ－４５０ｎｍの範囲の波長が用いられる。

また照射ユニット２０は、印刷面４Ａに塗膜されたインキ及びニスを、その厚みの全体に亘ってムラなく硬化できるようになっている。以下では、図６に示すように、枚葉紙４の印刷面４Ａに塗布されたインキの塗布層、及びニスの塗布層が積層してなる光硬化処理対象層を、光硬化性材料塗布層９０と称する。なお、図６では、枚葉紙４、及び光硬化性材料塗布層９０の厚みＬが実際よりも大きく描かれている。

光硬化性材料塗布層９０の深さ方向Ｘの硬化について詳述すると、光硬化性材料塗布層９０の硬化に必要な光エネルギーが深さ方向Ｘのどこまで到達するかは、光の波長によって異なる。光硬化性材料塗布層９０における光透過性は、次式（１）に示すランバート・ベールの法則が成り立つことから、この式（１）に基づいて、光硬化性材料塗布層９０の深さ方向Ｘにおける照度Ｉが見積もられる。

Ａ＝－ｌｏｇＴ＝ｌｏｇ（Ｉ_０／Ｉ）＝ＫＣＬ （１）
ただし、Ａは吸光度、Ｔは透過率、Ｉ_０は表面照度、Ｋは分子吸光係数、Ｃは光硬化性材料濃度（ｍｏｌ／ｄｍ^３）である。また、光硬化性材料塗布層９０のように、光硬化性材料が複数の層を含む場合でも、これらの層を１つの層と見做して式（１）の各パラメータ値が求められる。

光硬化性材料塗布層９０の透過率Ｔは光の波長に依存し、透過率Ｔが低く、吸光度Ａが大きいほど、光硬化性材料塗布層９０での吸収が大きいため、光の利用効率は高い。しかしながら、吸収が大きい分、深部での照度Ｉは低くなる。このため、光硬化性材料塗布層９０の深部では硬化に必要な光エネルギーが得られず、硬化が不十分になることがある。また波長が異なる複数の光を照射する構成においては、各光の表面照度Ｉ_０が同じであっても、透過率Ｔの違いに起因して深部での照度Ｉにバラツキが生じ、表層と同様な硬化作用が深部でも生じるとは限らない。

そこで、照射ユニット２０は、表層から厚みＬに相当する深さＤａにおいて、各波長の照度Ｉが、その波長の光での硬化に必要な所定の照度閾値Ｉｔｈ以上となるように、各光を照射可能に構成されている。
具体的には、照射ユニット２０は、透過率Ｔが低い（吸光度Ａが高い）波長の光ほど照射角αを小さくして光硬化性材料塗布層９０に照射するように構成される。照射角αは、図７に示すように、光硬化性材料塗布層９０の表面９０Ａの法線方向（本実施形態では、上記中心線Ｏの方向）からの角度である。この照射角αが小さいほど屈折角βも小さくなるため、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘは、照射角α＝０（垂直照射）の照度Ｉに近くなる。一方、透過率Ｔが高い（吸光度Ａが低い）波長の光については、照射角αが大きくなることで屈折角βも大きくなり、その分、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘは照度Ｉよりも小さくなる。
すなわち、透過率Ｔ（吸光度Ａ）に応じて各波長の光の照射角αを異ならせることで、各波長の光の強度、すなわち各ＬＥＤ２５の出力光量を個別に調整せずとも、深さＤａでの各波長の照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘを調整できる。

そして透過率Ｔが低い（吸光度Ａが高い）波長の光ほど照射角αを小さくして光硬化性材料塗布層９０に照射されることで、透過率Ｔが低い波長の光については、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘが照度Ｉに近い値に維持される一方で、透過率Ｔが高い波長の光については、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘが照度Ｉよりも減じられる。これにより、光の透過率Ｔが波長ごとに異なる場合でも、深さ方向Ｘにおいて、各波長の光の照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘのバラツキが抑えられ、より十分な硬化を実現できる。なお、図６には、波長λ３、λ２、λ１の順で光の透過率Ｔが低くなる場合を示している。

ここで、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘは、「Ｉ×ｃｏｓβ」によって求められるので、この照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘを照度閾値Ｉｔｈ以上とするための表面照度閾値Ｉ_０ｔｈは、上記式（１）によって求められる。ただし、この式（１）において、光硬化性材料塗布層９０の反射率、吸光度Ａ、及び透過率Ｔには、光の波長に応じた値が用いられる。

一方、照射ユニット２０において、各波長の光の垂直照射時の表面照度をＩａとすると、斜め照射時（照射角α＞０）には、表面照度Ｉａは表面照度Ｉｂ（＜Ｉａ）に低下する。これは、斜め照射時には、照射面積Ｓが照射角αに応じて（より正確には、ｃｏｓαに反比例して）、垂直照射時の照射面積Ｓ_０よりも拡がることで照度が低下し、また光硬化性材料塗布層９０の表面での反射によって光硬化性材料塗布層９０内部に浸透する光量も減るためである。

本実施形態では、この表面照度Ｉｂが表面照度閾値Ｉ_０ｔｈ以上の所定照度（ただし、その波長の表面照度Ｉａ以下）になる照射角α、換言すれば、深さＤａでの照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘを照度閾値Ｉｔｈ以上とする照射角αが光の波長ごとに予め求められており、それらの照射角αで各波長の光が照射されるように、照射ユニット２０の光源ユニット３５、及び反射面２４が構成される。

そして、照射ユニット２０がライン状に各波長の光を照射するため、光硬化性材料塗布層９０を、ライン状の長手方向の全域において、その厚みＬの全体に亘って、互いに異なる波長の光によってムラなく十分に硬化させることができ、高品位な印刷物を得ることができる。

本実施形態によれば、次の効果を奏する。

本実施形態において、照射装置１０は、互いに波長が異なる光のそれぞれを、互いに異なる照射角αで枚葉紙４の印刷面４Ａに照射する照射ユニット２０を備え、照射ユニット２０は、印刷面４Ａの光硬化性材料塗布層９０の透過率が低い波長の光ほど小さな照射角αでワークに照射する。
これにより、光硬化性材料塗布層９０の深さ方向Ｘにおいて、透過率Ｔが低い光については、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘを照度Ｉに近い照度に維持でき、硬化に必要な光エネルギーで内部を照射できる。その一方で、透過率Ｔが低い光については、照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘが照度Ｉよりも減じられるので、内部で照射される光エネルギーが垂直照射時に比べて抑えられ、過度な照射を防止でき、また枚葉紙４の側への影響も抑えられる。
このように、透過率Ｔが波長ごとに異なる場合でも、深さ方向Ｘにおいて、各波長の光の照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘのバラツキが抑えられるので、より十分に光硬化性材料塗布層９０を硬化させることができる。

本実施形態において、各照射角αは、光硬化性材料塗布層９０の深さ方向Ｘにおける各波長の照度Ｉを、深さＤａの地点で、その波長の光による硬化に要する照度閾値Ｉｔｈとする角度に設定されている。
これにより、光硬化性材料塗布層９０の厚みＬの全体に亘って、互いに異なる波長の光によって十分に、かつムラなく硬化させることができ、高品位な印刷物が得られる。

本実施形態において、光硬化性材料塗布層９０は、光硬化性のインキから成る塗布層と、光硬化性のニスから成る異なる塗布層を含む。このように、光硬化性材料塗布層９０が、光硬化性材料が異なる（すなわち、透過特性が異なる）複数の層を含む場合であっても、それぞれの塗布層の透過特性にかかわらず、その厚みＬの全体を、互いに異なる波長の光で十分に硬化できる。

本実施形態において、照射ユニット２０（及び、ライン光源本体１１）は、波長が異なる光のそれぞれを印刷面４Ａにライン状に照射するので、そのライン状の長手方向の全域において、光硬化性材料塗布層９０を、その厚みＬの全体に亘って、互いに異なる波長の光によってムラなく十分に硬化させることができ、高品位な印刷物を得ることができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、任意に変形及び応用が可能である。

上述した実施形態において、照射ユニット２０は、互いに異なる波長の光を同時に照射する場合を例示したが、これに限らず、互いに独立した適宜のタイミングで各光を照射してもよい。

上述した実施形態において、透過率Ｔが最も低い波長の光を垂直照射（照射角α＝０）してもよい。

上述した実施形態において、照射ユニット２０には、ＬＥＤ２５に代えて適宜の発光素子、或いは発光素子以外の光源を用いることができる。

上述した実施形態において、光硬化性材料を光の照射によって硬化させる照射装置１０を例示した。本発明は、これに限らず、ワークの表面の処理対象層に光を照射して光処理する照射装置であれば、任意の処理対象層を光処理する照射装置に適用できる。

また上述した実施形態において、水平、及び垂直等の方向、各種の数値、及び形状は、特段の断りがなされていない限り、これらの方向、及び数値の周辺の範囲、並びに近似の形状を意識的に除外するものではなく、同一の作用効果を奏し、また数値にあっては臨界的意義を逸脱しない限りにおいて、その周辺の範囲、並びに近似の形状（いわゆる、均等の範囲）を含む。

＜応用例＞
本発明は、次のような応用も可能である。
すなわち、上述した実施形態では、光硬化性材料塗布層９０の透過率Ｔが低い波長の光ほど小さな照射角αで光硬化性材料塗布層９０に照射するように照射ユニット２０を、構成し、透過率Ｔが波長ごとに異なる場合でも、各光の照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘのバラツキが抑えられるようにした。
これに対し、光硬化性材料塗布層９０の表面における垂直照射時の表面照度Ｉａが高い光ほど、大きな照射角αで光硬化性材料塗布層９０に照射するように照射ユニット２０を構成し、所定箇所Ｇでの斜め照射時の表面照度Ｉｂのバラツキを抑えるようにしてもよい。
詳述すると、放射する光の波長が異なる各ＬＥＤ２５を並列、又は直列に電気的に接続し、各ＬＥＤ２５を同じ駆動電圧、又は同じ駆動電流で点灯駆動する駆動回路８５（図４参照）を照射装置１０が備える構成においては、各ＬＥＤ２５の発光効率の違いや、波長依存性を有した光学フィルタ等の光学部材がＬＥＤ２５とワークの間に介在する等して、同じ電力で各ＬＥＤ２５を点灯させたときの所定箇所Ｇでの垂直照射時の表面照度Ｉａ（すなわち、照射効率）がＬＥＤ２５（すなわち光の波長）ごとに異なる場合がある。このような場合でも、照射装置１０は、照射効率が高く垂直照射時の表面照度Ｉａが高い光ほど大きな照射角αで照射するので、所定箇所Ｇでの斜め照射時の各波長の表面照度Ｉｂのバラツキを簡単に抑えることができる。
特に、波長ごとの透過率Ｔのバラツキが小さい場合は、かかる構成とすることで、各波長の光の照射効率が異なる場合でも、光硬化性材料塗布層９０の内部において、各光の照度Ｉの深さ方向成分Ｉｘのバラツキを抑え、より十分に硬化させることができる。

４ 枚葉紙（ワーク）
４Ａ 印刷面（ワークの表面）
１０ 照射装置
１１ ライン光源本体
１２ 連結照射ユニット
２０ 照射ユニット
２４ 反射面
２５ ＬＥＤ（発光素子）
３０ 光源装置
３５ 光源ユニット
８５ 駆動回路
９０ 光硬化性材料塗布層（処理対象層）
Ａ 吸光度
Ｔ 透過率
Ｘ 深さ方向
α、α１、α２、α３ 照射角
β 屈折角
λ１、λ２、λ３ 波長

Claims (5)

1. 波長が互いに異なる光をワークに照射し、当該ワークの表面の処理対象層を光処理する照射装置において、
   互いに波長が異なる光のそれぞれを、互いに異なる照射角で前記ワークに照射する照射ユニットを備え、
   前記照射ユニットは、前記処理対象層の透過率が低い波長の光ほど小さな前記照射角で前記ワークに照射する
   ことを特徴とする照射装置。
2. 互いに波長が異なる各光の前記照射角は、
   前記処理対象層の深さ方向における各光の照度を、当該処理対象層の厚みに相当する深さの地点で、その波長の光による前記光処理に要する照度閾値、又は当該照度閾値以上の所定照度とする角度に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
3. 前記処理対象層は、異なる光硬化性材料の層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の照射装置。
4. 前記照射ユニットは、前記光のそれぞれを前記ワークの表面にライン状に照射する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の照射装置。
5. 波長が互いに異なる光をワークに照射し、当該ワークの表面の処理対象層を光処理する照射装置において、
   互いに波長が異なる光のそれぞれを、互いに異なる照射角で前記ワークに照射する照射ユニットを備え、
   前記照射ユニットは、照射効率が高い波長の光ほど大きな前記照射角で前記ワークに照射する
   ことを特徴とする照射装置。

Images