JP7393444B2 - 人工曝露のための装置における放射線源としての蛍光材料 - Google Patents
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Description
本開示は人工曝露のための装置、耐光性試験のための装置、または太陽光シミュレータ装置に関し、そのような装置は、光源として、曝露チャンバ内に設けられたＵＶ光源と、ＵＶ光源によって放出されるＵＶ放射によって放射されるように構成された蛍光材料と、を備える。
人工曝露または太陽光シミュレータ装置は、その使用中、常に自然の気象条件に曝され、したがって、太陽光、太陽熱、水分などの気候的影響を受ける材料の寿命を推定することを目的としている。自然の曝露状況の良いシミュレーションを得るために、装置で発生する光のスペクトルエネルギー分布は、できるだけ自然の太陽放射のスペクトルエネルギー分布に対応するべきであり、その理由から、このような装置ではキセノン放射器が放射線源として使用される。材料の加速エージング試験は本質的に、サンプルのエージングを速める自然条件と比較して、サンプルのはるかに強い照射によって達成される。このようにして、材料サンプルの長期エージングの予測は、比較的短時間の後に行うことができる。
人工曝露装置において研究された多数のサンプルは、ポリマー材料からなる。それらの曝露による劣化は、本質的に太陽放射のＵＶ成分によって引き起こされる。この間に起こる主な光化学プロセス、すなわち光子の吸収および励起状態またはフリーラジカルの発生は、温度に依存しない。しかしながら、ポリマーまたは添加剤とのその後の反応工程は、材料の観察されるエージングも温度依存性であるように、温度依存性であってもよい。
従来技術の曝露テスタでは、通常、放射線源としてキセノンランプが使用される。このようなランプは太陽スペクトルを非常によくシミュレートできることが知られているが、それにもかかわらず、放射される放射線は赤外スペクトル範囲において比較的高いスペクトル成分を有し、それはサンプルの過剰な加熱を防止するために、フィルタによって抑制される必要がある。さらに、市販のキセノン放射線源は、約１５００時間の寿命しか有していない。
ハロゲンランプを放射線源として使用することもできるが、これは調節不能であるか、またはわずかな程度しか調節できないという欠点を有する。曝露テスタにおける放射線源としてすでに使用されており、比較的短い寿命という欠点も有する蛍光ランプにも、同様のことが当てはまる。
これらの理由および他の理由のために、本開示の必要性がある。
本開示の一態様は、サンプルの人工曝露または耐光性試験のための、または太陽放射をシミュレートするための装置であって、曝露チャンバと、曝露チャンバ内に設けられたＵＶ光源と、ＵＶ光源によって放出されるＵＶ放射によって放射されるように構成された蛍光材料とを備え、蛍光材料は、自然太陽放射と同様のスペクトル放出特性を備える蛍光放射を放出するように構成される、装置に関する。
添付の図面は、態様のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は態様を例示し、説明と共に、態様の原理を説明するのに役立つ。他の態様および態様の意図される利点の多くは、以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるように、容易に理解されるのであろう。図面の要素は、必ずしも互いに相対的な縮尺であるとは限らない。同様の参照符号は、対応する同様の部品を示すことができる。
本開示は、図面に関連した例示的な実施形態を参照して以下により詳細に説明される。
回転するサンプルを有する動的タイプであり、ＵＶ光源はＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）のチェーンを含む装置の一例の垂直断面図である。
回転するサンプルを有する動的タイプであり、ＵＶ光源はＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）のチェーンを含む装置の一例の、図１ＡのラインＢ－Ｂにおける水平断面下方図である。
回転するサンプルを有する動的タイプであり、ＵＶ光源は中央コラムと、該中央コラムの外側円筒面上に配置された複数のＵＶ ＬＥＤとを備える装置の一例の垂直断面図である。
回転するサンプルを有する動的タイプであり、ＵＶ光源は水銀ランプを含む装置の一例の垂直断面図である。
回転するサンプルを有する動的タイプであり、ＵＶ光源はＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）のチェーンを含む装置の一例の縦断面図である。
回転するサンプルを有する動的タイプであり、ＵＶ光源はＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）のチェーンを含む装置の一例の、図４ＡのラインＢ－Ｂにおける横断面下方図である。
３つの蛍光発光曲線の重ね合わせによる太陽スペクトルのシミュレーションの一例を示す。
添付の図面は、態様のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は態様を例示し、説明と共に、態様の原理を説明するのに役立つ。他の態様および態様の意図される利点の多くは、以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるように、容易に理解されるのであろう。図面の要素は、必ずしも互いに相対的な縮尺であるとは限らない。同様の参照符号は、対応する同様の部品を示すことができる。
以下の詳細な説明では、本開示を実施することができる特定の態様を例示として示す添付の図面を参照する。この点に関して、「上面（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「正面（ｆｒｏｎｔ）」、「後部（ｂａｃｋ）」などの方向用語は、説明されている図面の向きを参照して使用されてもよい。記載された装置の構成要素は多くの異なる向きに配置されてもよいので、方向用語は例示の目的で使用されてもよく、決して限定するものではない。本開示の概念から逸脱することなく、他の態様を利用することができ、構造的または論理的な変さらを行うことができる。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではなく、本開示の概念は添付の特許請求の範囲によって定義される。
さらに、例示の特定の特徴または態様はいくつかの実装形態のうちの１つのみに関して開示されてもよいが、そのような特徴または態様は任意の所与のまたは特定の適用のために所望され、有利であり得るように、他の実装形態の１つまたは複数の他の特徴または態様と組み合わせてもよい。さらに、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｗｉｔｈ）」またはそれらの他の変形が詳細な記載または特許請求の範囲のいずれかにおいて使用される範囲において、そのような用語は用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と同様の様式で包括的であることが意図される。用語「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」および「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」が派生語と共に使用されてもよい。これらの用語は、２つの素子または層が直接物理的または電気的に接触しているかどうかにかかわらず、互いに協働または相互作用すること、またはそれらが互いに直接接触していないことを示すために使用されてもよく、それらは、間に配置される１つまたは複数の中間素子が存在し得ることを意味する。また、用語「例示的」は最良または最適ではなく、単に例として意味される。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではなく、本開示の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
図１は図１Ａおよび１Ｂを含み、本開示による、サンプルの人工曝露のための装置を示す。
図１の装置１０は、曝露チャンバ１と、曝露チャンバ１内で回転できるように取り付けられた保持フレーム２とを備えている。保持フレーム２は、閉じたリング形状を有し、サンプル３またはワークピースは、保持フレーム２に設けられた適切な保持プラットフォームまたはソケット上に保持することができる。保持フレーム２は、特に、図１Ｂに見られるように、円筒形の形態および円形の横断面を有することができる。
図１の装置１０は、曝露チャンバ１内に設けられた複数のＵＶ発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）４．１の形態のＵＶ光源４と、ＵＶ－ＬＥＤ４．１によって放出されるＵＶ放射によって放射されるように配置された蛍光材料５と、をさらに含む。蛍光材料５は、自然太陽放射と同様のスペクトル放出特性を含む蛍光放射７を放出するように構成される。
図１に示すような装置１０の例では、ＵＶ光源４は、直列に電気的に接続されてもよいＵＶ発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）４．１のチェーンを備える。ＵＶ－ＬＥＤ４．１はそれぞれ、３００ｎｍ未満の最大発光波長を含んでもよい。
蛍光材料５は、固体凝集体状態を含むことができ、特に、透明層６、特にガラスまたは石英層６に適用される薄層の形成であることができる。図１に示す例では、透明層６はシリンダーの形成を有し、蛍光材料の層はシリンダーの内壁に適用される。蛍光材料の層はまた、シリンダーの外壁に適用され得るが、この場合、蛍光材料の層は曝露チャンバ内に広がる雰囲気に曝される。
一実施形態によれば、ＵＶ－ＬＥＤ４．１は、蛍光材料層５の各位置がＵＶ ＬＥＤ４．１から等間隔に配置されるように、円筒形の透明層６の中心対称軸上に配置される。また、円筒形の透明層６と蛍光材料層５の中心対称軸は保持フレーム２の回転軸と同時に収まり、サンプル３と蛍光材料層５とが等間隔になるようにしてもよい。
蛍光材料の組成に関して、それは、異なるスペクトル放出特性の重ね合わせが可能な最良の方法で太陽光スペクトルに近づくように、異なるスペクトル放出特性を有する蛍光放射を放出するように構成された２つ以上の蛍光成分を含んでもよい。
図５は、太陽スペクトルのシミュレーションを説明するための波長強度図である。
図５の波長強度図は、ここでは単純化された太陽スペクトルを暗い実線として示している。曝露試験または耐光性試験の間、このプロファイルは、例えば、ここでは明るい実線として示される、異なる発光スペクトルを有する３つの異なる蛍光材料の手段によってシミュレートされる。蛍光材料は、矢印によって表される３００ｎｍ未満の波長のＵＶ放射を放出するＵＶ源によって励起される。ＵＶ放射は、ＵＶ－ＬＥＤのような準単色であり得る。三つの蛍光材料のスペクトルは明るい実線として図示され、一方、重ね合わされた発光スペクトルは破線点線として図示される。太陽スペクトルの良い近似を達成するために、蛍光発光スペクトルは異なる放射強度を含む。これは、異なる蛍光成分の異なる量の蛍光材料を提供することによって達成することができる。
異なる蛍光成分を一緒に混合し、固体均質層として透明層上に堆積させることができる。別の可能性によれば、個々の層の層スタックを透明層上に堆積させることができ、層スタックの各層は、蛍光成分のうちの１つから作製される。
少なくとも原理的には、蛍光材料は液体または気体の凝集状態で提供することもでき、蛍光液体または気体は、透明なガラス壁または石英壁の間の中間空間に閉じ込めることができる。
蛍光材料の成分は、任意の種類の市販の染料、特に、アロフィコシアニン、ベルバー、ブリリアントスルファフラビン、キニン、クマリン、例えば、４－メチルウンベリフェロン、ＤＡＰＩ、１，３，２－ジオキサボリン（１，３－ジカルボニル化合物とのホウ酸誘導体の錯体）、エピコクーン、フルオレセイン（例えば、５－オクタデカノイルアミノフルオレセイン、６－カルボキシ－４’、５’－ジクロロ－２’、７’－ジメトキシフルオレセイン－Ｎ－スクシンイミジルエステル）、蛍光タンパク質（ＧＦＰ、ＹＦＰ、ＲＦＰ）、ＩＡＥＤＡＮＳ、インドシアニングリーン、二ウラン酸ナトリウム、ナイルブルー／ナイルレッド、ポルフィリン（ヘム、クロロフィル等）、Ｎ，Ｎ－ジアルキルアニリンの基づくＱｕａｄｒａｉｎｅｓ（スクエア酸染料）、ローダミン、スタイルアベニュー、合成蛍光標識またはマーカー、Ａｌｅｘａ－Ｆｌｕｏｒ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｂｅｓ， Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｒｐ．）およびシアニン（Ｃｙ３，Ｃｙ５等）、ＴＭＲＭ＋のうちの1つまたは複数を備える。
さらに、スペクトルをさらに最適化するため、またはスペクトルをさらに太陽スペクトルに近似するために、透明層６は、フィルタ機能を有することもできる。透明層６は、例えば、その主表面の１つに、蛍光材料によって放出される過剰な赤外光をフィルタリングするように構成された層を有することができる。
それ自体知られている方法で、曝露チャンバ１は他の人工曝露器具、例えば湿気発生器などを有することもできるが、これらは、本開示において本質的な役割を果たさず、したがって詳細には説明しない。例えば、空気流を曝露チャンバ１内に吹き込み、サンプル３を垂直方向に掃引することもできる。
図２に人工曝露装置の一例の垂直断面図を示す。
図２の装置２０は図１の装置と同様の構造からなり、曝露チャンバ２１と、曝露チャンバ２１内で回転できるように取り付けられた保持フレーム２２とを備える。保持フレーム２２は、閉じたリング形状を有し、サンプル２３またはワークピースは、保持フレーム２２上に設けられた適切な保持プラットフォームまたはソケット上に保持することができる。保持フレーム２２は、特に、図１Ｂにすでに描かれているように、円筒形の形態および円形の横断面を有することができる。
図２の装置２０は、さらに、曝露チャンバ２１内に設けられた複数のＵＶ－ＬＥＤ２４．１の形態のＵＶ光源２４と、ＵＶ－ＬＥＤ２４．１によって放出されるＵＶ放射によって放射されるように構成された蛍光材料２５とを備える。蛍光材料２５は、自然太陽放射と同様のスペクトル放出特性を含む蛍光放射２７を放出するように構成される。
図２に示す装置２０の例では、装置２０は中央コラム２８をさらに備え、ＵＶ－ＬＥＤ２４．１は、中央コラム２８に取り付けられ、蛍光材料２５上に半径方向にＵＶ放射を放出する。ＵＶ－ＬＥＤ２４．１は、例えば、中央コラム２８の外壁に取り付けることができる可撓性プリント回路基板上に取り付けることができる。ＵＶ－ＬＥＤ２４．１は、それぞれ、３００ｎｍ未満の最大発光波長を含んでもよい。
装置２０は、図１の装置１０に関連してすでに説明したものと同様のさらなる特徴を備えてもよい。例えば、図２の装置２０はガラスまたは石英の円筒形の透明層２６をさらに備え、透明層２６は中央コラム２８に取り付けられ、これを囲み、蛍光材料２５は透明層２６の内壁に適用され、したがって、中央コラム２８およびＵＶ－ＬＥＤ２４．１の外壁と直接接触する。さもなければ、ＵＶ－ＬＥＤ２４．１と蛍光材料層２５との間に空間があってもよい。
中央コラム２８は円形断面を有し、中央コラム２８の中心対称軸は、円筒形の層２６および蛍光材料層２５の中心対称軸と一緒に収まり、その結果、ＵＶ－ＬＥＤ２４．１と蛍光材料層２５との間の空間の場合に、蛍光材料層２５の各位置は、ＵＶ ＬＥＤ２４．１から等しく離間される。また、蛍光材料層２５および円筒形の透明層２６の中心対称軸は、保持フレーム２２の回転軸と共に収まり、サンプル２３の各々が蛍光材料層２５から等間隔になるようにしてもよい。
図３に人工曝露装置の一例の垂直断面図を示す。
図３の装置３０は図１の装置と同様の構造からなり、曝露チャンバ３１と、曝露チャンバ３１内で回転できるように取り付けられた保持フレーム３２とを備えている。保持フレーム３２は閉じたリング形状を有し、サンプル３３またはワークピースは、保持フレーム３２上に設けられた適切な保持プラットフォームまたはソケット上に保持することができる。保持フレーム３２は、特に、図１Ｂにすでに描かれているように、円筒形の形態および円形の横断面を有することができる。
図３の装置３０はさらに、水銀ランプ３４の形態のＵＶ光源３４、特に、曝露チャンバ３１内に設けられた低圧水銀ランプ３４と、水銀ランプ３４によって放出されるＵＶ放射によって放射されるように配置された蛍光材料３５と、を備える。蛍光材料３５は、自然太陽放射と同様のスペクトル放出特性を含む蛍光放射３７を放出するように構成される。
装置３０は、図１の装置１０に関連してすでに説明したものと同様のさらなる特徴を備えてもよい。例えば、図３の装置３０は、ガラスまたは石英の円筒形の透明層３６をさらに含む。装置３０は、水銀ランプ３４を取り囲む透明な壁３８をさらに備えてもよい。透明層３６は、透明壁３８に取り付けてもよい。図３に示す例では、透明層３６の外壁に蛍光材料３５が塗布されている。
円筒形の壁３８は円形断面を含み、壁３８の中心対称軸は、円筒形の層３６および蛍光材料層３５の中心対称軸と共に収まり、その結果、蛍光材料層３５の各位置が水銀ランプ３４から等間隔になるようにしてもよい。また、蛍光材料層３５および円筒形の透明層２６の中心対称軸は、保持フレーム３２の回転軸と同時に収まり、その結果、サンプル３３の各々が蛍光材料層３５から等間隔になるようにしてもよい。
別の例によれば、透明壁３８および透明層３６を省略することもでき、蛍光材料３５を水銀ランプ３４のガラスバルブの外壁に直接塗布することができる。
図４は図４Ａおよび図４Ｂを備え、サンプルを固定したスタティック型の人工曝露装置の一例を示す。
図４に示す人工曝露のための装置４０は、曝露チャンバ４１の底面に複数のサンプル４３またはワークピースを配置できるように構成された曝露チャンバ４１を備えている。図４の装置４０はさらに、曝露チャンバ４１内に設けられた直列に接続されたＵＶ－ＬＥＤ４４．１の３つのチェーン４４と、ＵＶ－ＬＥＤ４４１によって放出されるＵＶ放射によって放射されるように配置された蛍光材料４５と、を備える。蛍光材料４５は、透明層４６、特にその上層に塗布され、その結果、曝露チャンバ４１の内部空間から離れて配置される。蛍光材料４５は、自然太陽放射と同様のスペクトル放出特性を含む蛍光放射４７を放出するように構成される。
ＵＶ－ＬＥＤ４４．１は、蛍光材料４５を間に挟んで透明層４６に直接取り付けることができるＰＣＢ上に取り付けてもよい。
装置４０のＵＶ光源は、図３に示す例のように水銀ランプから構成することもでき、水銀ランプは、サンプル３から離れた透明層４６および蛍光材料層４５の上に配置することができる。
装置４０は、図１の装置１０に関連してすでに説明したものと同様のさらなる特徴を備えてもよい。
本開示は１つまたは複数の実装に関して示され、説明されてきたが、本明細書および添付の図面を読み、理解することに少なくとも部分的に基づいて、同等の変更および修正が当業者に想起される。本開示はすべてのそのような修正および変更を含み、以下の特許請求の範囲の概念によってのみ限定される。特に、上述の構成要素（例えば、要素、リソースなど）によって実行される様々な機能に関して、そのような構成要素を説明するために使用される用語は、別段の指示がない限り、本明細書に示された本開示の例示的な実装形態で機能を実行する開示された構造と構造的に同等ではないにもかかわらず、説明された構成要素の指定された機能（例えば、機能的に同等）を実行する任意の構成要素に対応することが意図される。加えて、本開示の特定の特徴はいくつかの実装形態のうちの１つのみに関して開示されているが、そのような特徴は任意の所与のまたは特定のアプリケーションに対して所望され、有利であり得るように、他の実装形態の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせることができる。
Claims (9)
- サンプル（３；２３；３３；４３）の人工曝露または耐光性試験のための、または太陽放射をシミュレートするための装置（１０；２０；３０；４０）であって、
曝露チャンバ（１）と、
前記曝露チャンバ（１）内に設けられたＵＶ光源（４；２４；３４；４４）と、
前記ＵＶ光源（４）によって放射されるＵＶ放射によって放射されるように配置された蛍光材料（５；２５；３５；４５）と、
透明基板（６）と、
を備え、
前記蛍光材料（５）は、異なるスペクトル放出特性を有する蛍光放射を放出するように構成された２つ以上の蛍光成分を含み、自然太陽放射と同様のスペクトル放出特性を含む蛍光放射（７；２７；３７；４７）を放出するように構成されており、
前記蛍光材料が前記透明基板（６）上に塗布され、
前記透明基板（６）は、フィルタ機能を有する、装置（１０；２０；３０；４０）。 - 前記ＵＶ光源（４）は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）、複数のＵＶ ＬＥＤ（４．１）、水銀ランプ（３４）、水銀低圧ランプ、またはメタルハライドランプのうちの１つまたは複数である、請求項１に記載の装置（１０）。
- プリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに備え、前記ＵＶ光源（４）は、前記プリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装される複数のＵＶ ＬＥＤ（４．１）を備える、請求項２に記載の装置（１０）。
- 前記ＵＶ放射は、３００ｎｍ未満の波長を含むスペクトル成分を少なくとも含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置（１０）。
- 前記透明基板（６）は、シリカガラスまたは石英ガラスからなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１０）。
- 前記装置（１０）は、前記蛍光材料（５）の周りで前記サンプル（３）を回転させるように構成される、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置（１０）。
- 前記透明基板（６）は円筒の形状を有し、前記ＵＶ光源（４）は、前記円筒の内部空間に配置されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置（１０）。
- 前記装置（４０）は、前記サンプル（４３）を静止して配置するように構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置（４０）。
- 前記透明基板（６）は、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを含む平坦な形状を有し、前記ＵＶ光源（４）は、前記透明基板の前記第１の主面または第２の主面の一方の上方に配置される、請求項１から５および８のいずれか一項に記載の装置（４０）。
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