JP2022130815A - 光改質装置及び光改質方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストで単純な構造で、厚い表面改質層を形成できる光改質装置及び光改質方法を提供する。
【解決手段】本発明の光処理装置は、ワークの表面を改質する処理室と、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で前記処理室内のワークを照射する紫外光源と、前記処理室内のワークを、前記処理室の外側の室温より高い温度まで加熱する、少なくとも一つの加熱器と、を備える。本発明の光改質方法は、ワークを処理室内に搬入し、前記処理室の外側の室温より高い温度の前記ワークを、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で照射して、前記ワークの表面を改質する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の光処理装置は、ワークの表面を改質する処理室と、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で前記処理室内のワークを照射する紫外光源と、前記処理室内のワークを、前記処理室の外側の室温より高い温度まで加熱する、少なくとも一つの加熱器と、を備える。本発明の光改質方法は、ワークを処理室内に搬入し、前記処理室の外側の室温より高い温度の前記ワークを、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で照射して、前記ワークの表面を改質する。
【選択図】図１
Description
この発明は、ワークを表面改質するための光改質装置及び光改質方法に関する。
近年、自動車又は建設機械等の窓に使用するケイ酸ガラスの代替材料として、透明合成樹脂を用いる樹脂グレージングが注目されている。樹脂グレージングに用いられる透明合成樹脂は、ガラスと同程度の高い可視光透過性を有しつつ、ケイ酸ガラスに比べて半分程度の質量（比重）を呈する。さらに、樹脂グレージングに用いられる透明合成樹脂は、成形性、耐衝撃性又は断熱性が高いという特徴を有する。このような透明合成樹脂の具体材料として、ポリカーボネートが例示される。
しかしながら、ポリカ―ボネート等の透明合成樹脂の耐摩耗性又は耐候性は、ケイ酸ガラスよりも低い。そこで、透明合成樹脂の耐摩耗性及び耐候性を高めるために、透明合成樹脂上に、ポリシロキサン系のハードコート膜を成膜する技術が知られている。
さらに、このようなハードコート膜を改良する技術が知られている。例えば、特許文献１には、主たる発光波長が１７２ｎｍの真空紫外光でハードコート膜を照射し、その後に、２２２ｎｍ、２４８ｎｍ、３０８ｎｍなどの近紫外光でハードコート膜を照射して、ハードコート膜の表面に二酸化ケイ素を主成分とする硬化層を形成する表面改質方法が開示されている。
特許文献１に記載の表面改質方法では、真空紫外光を放射する光源の他に、近紫外光を放射する光源を準備する必要があり、装置が高コスト化又は複雑化する。そこで、本発明は、低コストで単純な構造で、厚い表面改質層を形成できる光改質装置及び光改質方法を提供することを目的とする。
本発明の光改質装置は、ワークの表面を改質する処理室と、
主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で前記処理室内のワークを照射する紫外光源と、
前記処理室内のワークを、前記処理室の外側の室温より高い温度まで加熱する、少なくとも一つの加熱器と、を備える。
主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で前記処理室内のワークを照射する紫外光源と、
前記処理室内のワークを、前記処理室の外側の室温より高い温度まで加熱する、少なくとも一つの加熱器と、を備える。
本発明は、「主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光」によりワークの表面の高分子材料を改質する。詳細は後述するが、この紫外光による表面改質は、次に示すメカニズムにより行われると推定される。まず、「主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光」が、ワーク表面の高分子材料の原子間結合を光開裂するとともに、当該高分子材料に含まれる酸素分子を光分解する。そして、光開裂した原子に、光分解によって生じた励起状態の酸素原子が結合し、前記高分子材料が硬化した硬化層を形成する。
本発明者らは、鋭意研究の結果、以下の知見を得た。光分解により高分子材料で構成される膜内の酸素分子が減少すると、処理室内の雰囲気ガスに含まれる酸素分子が当該高分子材料に浸入し、高分子材料内部へ拡散する。このとき、高分子材料中での酸素分子の拡散速度を大きくすると、酸素分子が高分子材料のより奥まで到達するため、硬化層の厚みが増すことがわかった。よって、ワーク中での酸素分子の拡散速度を高めるために、ワークを、処理室の外側の室温（例えば、２５℃）より高い温度まで加熱する。
ワークを加熱する加熱器には種々の態様が考えられる。また、加熱器の態様は一種類でも構わないし、複数種類を組合せても構わない。加熱器の例として、発熱体をワークの下方に配置し、ワークを加熱しても構わない。発熱体は、例えば、電熱線や、加熱流体を通流させる配管である。
前記処理室にガスを供給するガス供給口を備え、
前記加熱器の少なくとも一つは、前記ガスを加熱するガス加熱器であっても構わない。
処理室に供給するガスとは、空気等の酸素を含むガスでも構わないし、窒素ガス等の不活性ガスでも構わない。
前記加熱器の少なくとも一つは、前記ガスを加熱するガス加熱器であっても構わない。
処理室に供給するガスとは、空気等の酸素を含むガスでも構わないし、窒素ガス等の不活性ガスでも構わない。
前記加熱器の少なくとも一つは、赤外光で前記ワークを照射する赤外光源であっても構わない。
前記ワークの温度を測定するセンサと、
前記センサで測定した前記ワークの温度に基づいて、前記加熱器の少なくとも一つから出力される加熱エネルギーを制御する制御部と、を備えても構わない。
前記センサで測定した前記ワークの温度に基づいて、前記加熱器の少なくとも一つから出力される加熱エネルギーを制御する制御部と、を備えても構わない。
前記制御部は、前記紫外光源の点灯中に前記加熱エネルギーを減少させても構わない。紫外光源のエネルギーを受けてワークが昇温することがあるので、加熱エネルギーを減少させても、ワークが処理室の外側の室温より高い状態を維持できる。
本発明の光改質方法は、ワークを処理室内に搬入し、
前記処理室の外側の室温より高い温度を示す前記ワークを、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で照射して、前記ワークの表面を改質する。
前記処理室の外側の室温より高い温度を示す前記ワークを、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で照射して、前記ワークの表面を改質する。
前記ワークは、前記ワークの下方に配置された発熱体、ガス加熱器によって加熱された、前記処理室内に供給される加熱ガス、赤外光で前記ワークを照射する赤外光源、の少なくとも一つによって加熱されても構わない。
前記紫外光源の点灯中に、前記加熱器の加熱エネルギーを減少させても構わない。
前記ワークを前記処理室に搬入する前に、前記ワークを加熱しても構わない。
前記ワークは、可視光透過性の合成樹脂からなる基材と、ポリシロキサン系の膜とを含む積層体であっても構わない。
これにより、低コストで単純な構造で、厚い表面改質層を形成できる光改質装置及び光改質方法を提供できる。
図面を参照しながら各実施形態を説明する。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。
以下において、各図面は、適宜、ＸＹＺ座標系を参照しながら説明される。なお、本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。＋Ｚ方向は、重力の作用する方向である。
＜第一実施形態＞
［光改質装置の概要］
図１は、光改質装置の第一実施形態を模式的に示す断面図である。光改質装置１００は、ワーク３の表面を改質する処理室２と、紫外光源１０と、制御部５と、ワーク３を加熱する加熱器６と、搬送部４と、を備える。ワーク３は、処理室２内で表面の改質が行われる対象物であり、詳細は後述される。
［光改質装置の概要］
図１は、光改質装置の第一実施形態を模式的に示す断面図である。光改質装置１００は、ワーク３の表面を改質する処理室２と、紫外光源１０と、制御部５と、ワーク３を加熱する加熱器６と、搬送部４と、を備える。ワーク３は、処理室２内で表面の改質が行われる対象物であり、詳細は後述される。
本実施形態において、処理室２は、搬送方向（図面上Ｘ方向）に沿って実質的に等間隔に配置された複数の紫外光源１０を取り付けるためのランプハウスによって構成される。ワーク３が処理室２内に搬入された状態において、ワーク３と紫外光源１０との間には、図面上のＺ方向に離間距離が確保されている。そして、ランプハウスである処理室２に取り付けられた複数の紫外光源１０から、ワーク３に向けて紫外光Ｌ１が出射される。紫外光Ｌ１がワーク３を照射することで、ワーク３の表面が改質される。
紫外光源１０は、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光Ｌ１を放射する光源である。「主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光」は、真空紫外光又は深紫外光と言われる波長帯域に属する。
本明細書において「主たる発光波長」とは、ある波長λに対して±１０ｎｍの波長域Ｚ（λ）を発光スペクトル上で規定した場合において、発光スペクトル内における全積分強度に対して４０％以上の積分強度を示す波長域Ｚ（λｉ）における、波長λｉを指す。例えばＸｅなどの発光ガスが封入されているエキシマランプのように、半値幅が極めて狭く、且つ、特定の波長においてのみ光強度を示す光源においては、通常は、相対強度が最も高い波長（主ピーク波長）をもって、主たる発光波長として構わない。
本実施形態では、紫外光源１０として、Ｘｅを含む発光ガスが封入されたＸｅエキシマランプを使用している。Ｘｅエキシマランプは、主たる発光波長が１７２ｎｍのエキシマ光を放射する。発光ガスの材料を替えることで、主たる発光波長を異ならせることができる。例えば、Ｋｒガスの場合には１４６ｎｍであり、ＡｒＢｒガスの場合には１６５ｎｍであり、ＡｒＦガスの場合には１９３ｎｍである。なお、Ｓｉ－Ｃ結合及びＯ－Ｏ結合の結合エネルギーよりも高い光エネルギーを示す波長の紫外線を発する構成であれば、紫外光源１０はエキシマランプには限定されず、例えばＬＥＤ等の固体光源であっても構わない。また、紫外光源１０は、上記で例示した発光ガスが封入された発光管の管壁等に蛍光体を塗布してなる誘電体バリア放電ランプであっても構わない。
本実施形態において、搬送部４は、ワーク３を保持した状態で、処理室２内に搬入したり、処理室２からワーク３を搬出したりするのみならず、表面改質中のワーク３を保持する。本実施形態の搬送部４は、それぞれモータＭに接続された複数のローラ４１で構成されている。モータＭは、制御部５によって制御される。ローラ４１の回転により、ワーク３の搬入搬出を行う。なお、搬送部４は、ローラ以外の公知の手段で構成しても構わない。そのような公知の手段として、例えば、ベルトコンベアやロボットアームが挙げられる。
加熱器６はワーク３を加熱し、ワーク３の温度を、処理室２の外側の室温より高くする。ワーク３を加熱する目的は、表面改質を促進し、表面改質層の厚みを増加させることにある。ワーク３を加熱する目的の詳細及び加熱器６の具体例は、後述する。
［ワーク］
図２は、ワーク３の一例を模式的に示す断面図である。ワーク３は、可視光透過性の合成樹脂からなる基材３１と、基材３１の保護膜として使用されるハードコート膜３３と、基材３１とハードコート膜３３との接合を強化するプライマー層３２とを含む積層体である。ワーク３の形状や寸法は、様々な態様が考えられる。ワーク３は、例えば、長辺が１５００ｍｍを呈する矩形の板状体である。
図２は、ワーク３の一例を模式的に示す断面図である。ワーク３は、可視光透過性の合成樹脂からなる基材３１と、基材３１の保護膜として使用されるハードコート膜３３と、基材３１とハードコート膜３３との接合を強化するプライマー層３２とを含む積層体である。ワーク３の形状や寸法は、様々な態様が考えられる。ワーク３は、例えば、長辺が１５００ｍｍを呈する矩形の板状体である。
基材３１の材料は特に限定されないが、本実施形態では、基材３１の材料は、ポリカーボネートである。基材３１とハードコート膜３３の間のプライマー層３２は、アクリル樹脂を主成分とする材料である。本実施形態では、プライマー層３２として、トプロン社のＡＳプライマーを使用している。なお、プライマー層は設けなくても構わない。
ハードコート膜３３は、シロキサン結合で構成された主鎖に、側鎖として有機基が結合した、ポリシロキサン系の高分子材料である。このような高分子材料として、例えば、ジメチルポリシロキサンを主とする材料が挙げられる。本実施形態では、トプロン社のＡＳ１００を使用している。
ワーク３は、例えば、以下のようにして製造される。まず、基材３１を洗浄して表面に付着しているゴミを取り除く。基材３１をプライマー液に浸漬するか、又は、スプレーガンを使用してプライマーの溶液を基材３１に吹きつけて塗装し、所定の温度で一定時間乾燥させて、プライマー層３２を形成する。
その後、ポリシロキサン系の高分子材料の溶液に浸漬するか、又は、スプレーガンで吹きつけて塗装し、所定の温度で一定時間乾燥させて、ハードコート膜３３を形成する。プライマー液又はハードコート膜の液の塗装は、上述の方法の他に、流し塗り（フローコート）しても構わない。
［表面改質メカニズム］
ワーク３の表面改質メカニズムについて説明する。上述したように、ワーク３の表面は、ジメチルポリシロキサンを主とするハードコート膜３３で覆われている。主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光(ｈν)でワーク３の表面を照射すると、以下の（１）式に示す化学反応が生じる。
ワーク３の表面改質メカニズムについて説明する。上述したように、ワーク３の表面は、ジメチルポリシロキサンを主とするハードコート膜３３で覆われている。主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光(ｈν)でワーク３の表面を照射すると、以下の（１）式に示す化学反応が生じる。
この化学反応は、以下のメカニズムによって起こることが知られている。まず、紫外光(ｈν)が、ジメチルポリシロキサンの側鎖におけるＳｉ－ＣＨ３結合を光開裂させる。なお、紫外光(ｈν)が、ジメチルポリシロキサンの主鎖に作用する場合には、主鎖を開裂させて低分子量化を誘起する。
紫外光(ｈν)は、ジメチルポリシロキサンの光開裂と同時に、ハードコート膜３３中に含まれるＯ２を光分解し、励起状態の酸素（以降、「酸素ラジカル」という。）を生成する。この光分解を以下の（２）式に示す。（２）式において、酸素ラジカルは、Ｏ（１Ｄ）及びＯ（３Ｐ）と示されている。
そして、生成された酸素ラジカルが、Ｓｉ－Ｃ結合の光開裂した部分に結合する。これにより、（１）式の右辺に示される化学構造が得られる。なお、（１）式における「Ｏ１／２」は、（１）式に示されるＳｉとともに、隣接するＳｉとも結合していることを表す。この化学反応は、ガラス化（ＳｉＯ２化）とも呼ばれる。このようにして、ハードコート膜３３中の表面では、ハードコート膜３３中に含まれるＯ２を消費してガラス化が進行する。ワーク３の表面のガラス化が進行すると硬化して、ワーク３の耐摩耗性及び耐候性が向上する。
紫外光(ｈν)は、Ｓｉ－Ｃ結合及びＯ－Ｏ結合の結合エネルギーよりも高い光エネルギーを示す波長成分を含む必要がある。Ｓｉ－Ｃ結合の結合エネルギーは約３．２ｅＶであり、波長換算で３８８ｎｍである。また、Ｏ－Ｏ結合の結合エネルギーは約５．１ｅＶであり、波長換算で約２４３ｎｍである。主鎖を形成するＳｉ－Ｏ結合の結合エネルギーは約４．７ｅＶであり、波長換算で２６４ｎｍである。よって、これらの結合を全て切断するには、２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光(ｈν)を要する。
図３は、ハードコート膜３３のガラス化が進行する様子を示す模式図である。この模式図では、酸素分子とＳｉＯ２のみを模式的に図示しており、他の分子や酸素ラジカルを図示していない。ガラス化に伴い、ハードコート膜３３中に含まれているＯ２が減少する。ハードコート膜３３中には、Ｏ２が潤沢に存在しないため、紫外光でワークが照射されるに伴い、ハードコート膜３３中に含まれているＯ２が枯渇する。
しかしながら、本発明者らは、ハードコート膜３３に接する雰囲気中にＯ２があれば、ハードコート膜３３中に含まれるＯ２が減少しても、当該雰囲気中のＯ２がハードコート膜３３中に浸入して拡散し、ガラス化が進行することを発見した。
ガラス化する前の領域に比べ、ガラス化したＳｉＯ２の領域では、Ｏ２の拡散速度が小さい。Ｏ２が十分に拡散する前にガラス化が進行しすぎると、Ｏ２がハードコート膜３３の内部まで拡散できず、その結果、ガラス化はハードコート膜３３の表面近傍に留まってしまう。
そこで、ガラス化の進行に遅滞することなく、ハードコート膜３３に接する雰囲気中のＯ２を内部に拡散させる必要がある。そこで、ワーク３を昇温させて、ハードコート膜３３中のガラス化したＳｉＯ２の領域でのＯ２の拡散速度を向上させる。これにより、ガラス化の進行に追従しながら、ハードコート膜３３の内部までＯ２を拡散させることができる。その結果、ガラス化した表面改質層の厚みを増加させることができる。
［ワークの温度と表面改質層の厚み］
ＳｉＯ２層の温度とＳｉＯ２層中のＯ２の拡散係数との関係を、シミュレーションにより求めた。図４Ａは、ＳｉＯ２層の温度（単位：℃）を横軸に、ＳｉＯ２層中のＯ２の拡散係数（単位：ｃｍ２ｓ－１）を縦軸にプロットしたグラフである。図４Ａから、温度が上昇するにつれてＯ２の拡散係数が大きくなっていることが分かる。このグラフより、例えば、ワーク３の温度が７５℃であるときのＳｉＯ２層中でのＯ２の拡散係数は、ワーク３の温度が２５℃であるときのＳｉＯ２層中でのＯ２の拡散係数の、１５００倍に到達することがわかる。
ＳｉＯ２層の温度とＳｉＯ２層中のＯ２の拡散係数との関係を、シミュレーションにより求めた。図４Ａは、ＳｉＯ２層の温度（単位：℃）を横軸に、ＳｉＯ２層中のＯ２の拡散係数（単位：ｃｍ２ｓ－１）を縦軸にプロットしたグラフである。図４Ａから、温度が上昇するにつれてＯ２の拡散係数が大きくなっていることが分かる。このグラフより、例えば、ワーク３の温度が７５℃であるときのＳｉＯ２層中でのＯ２の拡散係数は、ワーク３の温度が２５℃であるときのＳｉＯ２層中でのＯ２の拡散係数の、１５００倍に到達することがわかる。
図４Ｂは、温度を異ならせた３つのワーク３に対し、上記紫外光による表面改質を施し、ＳｉＯ２を主成分とする表面改質層の厚み（単位：ｎｍ）をＸＰＳにより求めた実験結果である。なお、全てのサンプルにおいて、ワーク３の温度以外の実験条件は全て統一している。例えば、処理室２内のＯ２濃度は０．１％、照射距離は５０ｍｍ、積算光量は３０００ｍＪ／ｃｍ２に統一している。図４Ｂから、ＳｉＯ２を主成分とする表面改質層の厚みが、ワーク３の温度に対してほぼ線形に増加していることがわかる。よって、図４Ａ及び図４Ｂにより、ワーク３の温度を高めると、ワーク３に含まれるＳｉＯ２層中のＯ２の拡散速度が向上し、表面改質層の厚みが増加することがわかる。
以上より、ハードコート膜３３は、処理室２の外側の室温（例えば、２５℃）より高い温度になるまで加熱する。ワーク３の温度は、高くなるほど表面改質層の厚みが増加して、好ましい。ただし、加熱の上限温度は、ハードコート膜３３に亀裂が入らず焼損しない温度、例えば１００℃にするとよい。
［加熱器］
図１に戻り、加熱器６の詳細を説明する。本実施形態の加熱器６は、ワーク３を下方に配置された複数の発熱体６１から構成される。それぞれの発熱体６１は、搬送部４のローラ４１の間に配置され、ワーク３を均等に加熱する。それぞれの発熱体６１には、電熱線が内蔵されている。さらに、処理室２内には、ワーク３の温度を測る温度センサ（不図示）が配置されている。制御部５は、温度センサで測定したワーク３の温度に基づいて、ワーク３の温度が所望の範囲を保つように、発熱体６１から出力される加熱エネルギーを制御する。
図１に戻り、加熱器６の詳細を説明する。本実施形態の加熱器６は、ワーク３を下方に配置された複数の発熱体６１から構成される。それぞれの発熱体６１は、搬送部４のローラ４１の間に配置され、ワーク３を均等に加熱する。それぞれの発熱体６１には、電熱線が内蔵されている。さらに、処理室２内には、ワーク３の温度を測る温度センサ（不図示）が配置されている。制御部５は、温度センサで測定したワーク３の温度に基づいて、ワーク３の温度が所望の範囲を保つように、発熱体６１から出力される加熱エネルギーを制御する。
変形例として、発熱体６１は電熱線を内蔵せず、加熱流体を流すための配管を内蔵してもよい。また、光改質装置１００の処理室２内にワーク３を搬入する前に、処理室２の外で、別の加熱器を使用してワーク３を加熱し、加熱したワーク３が室温まで下がらないうちに処理室２の内部に搬入しても構わない。このような場合には、光改質装置１００にとって、加熱器６は必須ではない。光改質装置１００においてワーク３の加熱時間が不要となったり、ワーク３の加熱時間が短くなったりすると、光改質装置１００のタクトタイムの短縮化を図ることができる。
［処理室］
処理室２の詳細を説明する。処理室２を構成するランプハウスは、Ｘ方向に並べられた複数のランプユニット２０を備え、各ランプユニット２０内に、Ｘ方向に離間して配置された複数の紫外光源１０が取り付けられるように構成されている。ただし、処理室２に搭載されている全ての紫外光源１０が、一つのランプユニット２０として取り付けられるように構成されても構わない。各紫外光源１０は、Ｘ方向とは異なる方向（ここではＹ方向とする。）に延伸する形状を呈している。また、以下では、＋Ｚ方向が鉛直下向きであるものとして説明するが、本発明は、光改質装置１００が設置される向きを問わない。
処理室２の詳細を説明する。処理室２を構成するランプハウスは、Ｘ方向に並べられた複数のランプユニット２０を備え、各ランプユニット２０内に、Ｘ方向に離間して配置された複数の紫外光源１０が取り付けられるように構成されている。ただし、処理室２に搭載されている全ての紫外光源１０が、一つのランプユニット２０として取り付けられるように構成されても構わない。各紫外光源１０は、Ｘ方向とは異なる方向（ここではＹ方向とする。）に延伸する形状を呈している。また、以下では、＋Ｚ方向が鉛直下向きであるものとして説明するが、本発明は、光改質装置１００が設置される向きを問わない。
処理室２は、Ｘ方向に係る一方の端部に開口端２１を備える。本実施形態では、処理室２が開口端２１を閉塞可能なシャッター２２を備える。シャッター２２の位置を移動させることで、開口端２１が開放され、ワーク３を処理室２内に搬入可能な状態が実現される。
本実施形態では、処理室２は、Ｘ方向に係る他方の端部に閉塞端２３を有する。すなわち、処理室２では、開口端２１とは反対側の端部が閉塞されている。このため、ワーク３は、閉塞端２３よりも＋Ｘ側の位置に搬送されることがなく、言い換えれば、ワーク３は、＋Ｘ側の方向に向かって処理室２の外側に搬出されることがない。
［ガス供給口］
本実施形態において、処理室２は、ランプユニット２０に対応して配置された、ガス供給口７１を有する。ガス供給口７１は、処理ガス供給源７０Ａと不活性ガス供給源７０Ｂとに接続される。そして、ガス供給口７１から、処理室２内に、処理に使用する処理ガスと不活性ガスとを所望の割合で混合して供給できる。なお、処理ガスと不活性ガスを混合する混合部（不図示）を、ガス供給口７１と、処理ガス供給源７０Ａ及び不活性ガス供給源７０Ｂとの間に配置してもよい。
本実施形態において、処理室２は、ランプユニット２０に対応して配置された、ガス供給口７１を有する。ガス供給口７１は、処理ガス供給源７０Ａと不活性ガス供給源７０Ｂとに接続される。そして、ガス供給口７１から、処理室２内に、処理に使用する処理ガスと不活性ガスとを所望の割合で混合して供給できる。なお、処理ガスと不活性ガスを混合する混合部（不図示）を、ガス供給口７１と、処理ガス供給源７０Ａ及び不活性ガス供給源７０Ｂとの間に配置してもよい。
処理ガスは、空気等の、酸素を含むガスである。本実施形態では、処理ガスはＣＤＡ（クリーンドライエア）である。これにより、保護膜中に拡散させるためのＯ２を供給できる。なお、処理室２内には、通常、大気で満たされており、保護膜中に拡散させるＯ２はワーク３の周囲に存在するため、処理室内のＯ２で十分である場合には、処理ガスを供給しなくてもよい。
不活性ガスは、例えば、窒素ガスである。紫外光源１０が放射する光が、酸素を含むガスに吸収されやすく、不活性ガスに吸収されにくい場合には、不活性ガスを処理室２内に供給する。これにより、処理室２内の酸素濃度を全体的に低下させ、紫外光源１０が放射する光の減衰を抑えて、ワーク３に所定強度の光を到達させることができる。
処理室２は、ランプユニット２０に対応して配置された、排気口７２を備えている。図１では、排気口７２が開放状態である場合が図示されているが、排気口７２は、開閉制御を可能とするものとしても構わない。
処理室２は、排気口７２の近くに、酸素濃度測定ポート７４を有している。酸素濃度測定ポート７４に酸素濃度計７３を接続し、処理室２内の酸素濃度を測定できる。酸素濃度計７３の測定結果を制御部５に送り、制御部５は、測定結果に基づいて、処理ガスの供給量と不活性ガスの供給量を制御できる。
具体的には、例えば、酸素濃度計７３の測定結果が規定範囲よりも高い場合には、処理ガスの供給量を下げるか、不活性ガスの供給量を上げる。酸素濃度計７３の測定結果が規定範囲よりも低い場合には、処理ガスの供給量を上げるか、不活性ガスの供給量を下げる。酸素濃度を規定範囲に保つことにより、紫外光源１０が放射する紫外光の減衰を抑えて、ワーク３に所定強度の光を到達させつつ、ワーク３内に進入する酸素量を確保できる。
［光改質装置の変形例］
上述した例では、ワーク３は、搬送部４であるローラ４１の上で改質処理されるが、変形例として、光改質装置１００は、処理室２内にワーク３を載置するテーブルを、搬送部とは別に有していてもよい。そして、何らかの搬送部が、処理室２の外から当該テーブルへワーク３を搬入したり、当該テーブルから処理室２の外へワーク３を搬出したりする機構であっても構わない。
上述した例では、ワーク３は、搬送部４であるローラ４１の上で改質処理されるが、変形例として、光改質装置１００は、処理室２内にワーク３を載置するテーブルを、搬送部とは別に有していてもよい。そして、何らかの搬送部が、処理室２の外から当該テーブルへワーク３を搬入したり、当該テーブルから処理室２の外へワーク３を搬出したりする機構であっても構わない。
なお、ワーク３は、図示しないワーク保持体によって保持されており、搬送部４によってワーク保持体ごと搬送されることで、ワーク３が処理室２内に搬入されるものとしても構わない。
処理室２は、閉塞端２３である端部にも、もう一つの開口端を設けても構わない。すなわち、処理室２はＸ方向に係る両方の端部に一つずつ開口端を備えても構わない。両方の端部に一つずつ開口端を使用するとき、例えば、異なる開口端からワーク３を交互に搬入及び搬出させてもよいし、一方の開口端をワーク３の搬入にのみ使用し、他方の開口端をワーク３の搬出にのみ使用してもよい。
［光改質方法］
光改質方法を説明する。処理室２のシャッター２２を開け、搬送部４を使用してワーク３を処理室２内に搬入して、シャッター２２を閉じる。処理室２に搬入されたワーク３は、加熱器６（発熱体６１）を使用して直ちに加熱される。ワーク３が所定の温度まで昇温すると、紫外光源１０が紫外光を放射して、ワーク３の表面改質を行う。
光改質方法を説明する。処理室２のシャッター２２を開け、搬送部４を使用してワーク３を処理室２内に搬入して、シャッター２２を閉じる。処理室２に搬入されたワーク３は、加熱器６（発熱体６１）を使用して直ちに加熱される。ワーク３が所定の温度まで昇温すると、紫外光源１０が紫外光を放射して、ワーク３の表面改質を行う。
紫外光Ｌ１でワーク３を照射すると、紫外光Ｌ１のエネルギーを受けてワーク３が昇温することがある。そのため、紫外光でワーク３を照射する間、加熱器６によるワーク３の加熱を停止したり、加熱器６から出力される加熱エネルギーを紫外光の照射前に比べて減少させたりしても構わない。加熱エネルギーを減少させても、ワーク３が室温より高い状態を維持できる。
表面改質が終了すると、紫外光源１０を消灯し、処理室２のシャッター２２を開けて、搬送部４を使用してワーク３を処理室２内に搬出する。次に処理するワークがある場合は、当該ワークを処理室２内に搬入し、シャッター２２を閉じる。
＜第二実施形態＞
図５は、光改質装置の第二実施形態を模式的に示す断面図である。以下に説明する以外の事項は、第一実施形態と同様に実施できる。
図５は、光改質装置の第二実施形態を模式的に示す断面図である。以下に説明する以外の事項は、第一実施形態と同様に実施できる。
本実施形態の光改質装置２００は、発熱体６１の他に、二種類の態様の加熱器を追加している。一つは、ガス供給口７１からワーク３の表面に向けて、加熱したガスを吹き付ける態様である。本実施形態では、ガス供給口７１は、ガス加熱器６７Ａを介して処理ガス供給源７０Ａに接続されるとともに、ガス加熱器６７Ｂを介して不活性ガス供給源７０Ｂに接続される。ガス加熱器（６７Ａ，６７Ｂ）は制御部５に接続され、それぞれのガスが所望の温度になるように制御される。加熱されたガスをワーク３に吹き付けることで、ワーク３を昇温させる。
本実施形態の光改質装置２００は処理ガスと不活性ガスの両方を加熱制御するが、処理ガスと不活性ガスのいずれか一方を加熱制御しても構わない。ガスの加熱方法について、何らかのガス加熱室においてガスが加熱されても構わないし、ガス供給口７１に接続されるガス供給配管の加熱により、ガスが加熱されても構わない。
もう一つの加熱器の態様は、二つの赤外光源６８である。赤外光源６８は、電源部を介して制御部５に接続され（不図示）、赤外光源６８がワーク３に向けて所定の光量の赤外光Ｌ２を放射し、ワーク３を昇温させる。なお、一般に、赤外光源６８は近紫外光源に比べて単純構造であり低コストである。なお、赤外光源６８からの赤外光が、処理室２３を透過する場合には、赤外光源６８は処理室の外側に配置していても構わない。
光改質装置２００に開示された加熱器は、発熱体６１、ガス加熱器（６７Ａ，６７Ｂ）及び赤外光源６８の三種類の加熱器を有しているが、光改質装置が三種類の加熱器を全て備えていなくても構わない。３種類の加熱器を選択的に備えているとよい。また、上述したように、既に昇温状態にあるワーク３を搬入する場合には、光改質装置が加熱器を備えていなくてもよい。
以上で二つの実施形態及び変形例を説明した。しかしながら、本発明は、上記した各実施形態及び変形例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記の各実施形態に種々の変更又は改良を加えたりすることができる。また、各実施形態を組み合わせても構わない。
例えば、上述した処理室２はランプハウスであり、処理室２の内部に紫外光源１０を備えていたが、処理室２の外部に紫外光源を配置し、当該紫外光源から処理室２の内部に配置されたワーク３を改質処理しても構わない。
２ ：処理室
３ ：ワーク
４ ：搬送部
５ ：制御部
６ ：加熱器
１０ ：紫外光源
２０ ：ランプユニット
２１ ：開口端
２２ ：シャッター
２３ ：閉塞端
３１ ：基材
３２ ：プライマー層
３３ ：ハードコート膜
４１ ：ローラ
６１ ：発熱体
６７Ａ，６７Ｂ：ガス加熱器
６８ ：赤外光源
７０Ａ ：処理ガス供給源
７０Ｂ ：不活性ガス供給源
７１ ：ガス供給口
７２ ：排気口
７３ ：酸素濃度計
７４ ：酸素濃度測定ポート
１００，２００：光改質装置
Ｌ１ ：紫外光
Ｌ２ ：赤外光
Ｍ ：モータ
３ ：ワーク
４ ：搬送部
５ ：制御部
６ ：加熱器
１０ ：紫外光源
２０ ：ランプユニット
２１ ：開口端
２２ ：シャッター
２３ ：閉塞端
３１ ：基材
３２ ：プライマー層
３３ ：ハードコート膜
４１ ：ローラ
６１ ：発熱体
６７Ａ，６７Ｂ：ガス加熱器
６８ ：赤外光源
７０Ａ ：処理ガス供給源
７０Ｂ ：不活性ガス供給源
７１ ：ガス供給口
７２ ：排気口
７３ ：酸素濃度計
７４ ：酸素濃度測定ポート
１００，２００：光改質装置
Ｌ１ ：紫外光
Ｌ２ ：赤外光
Ｍ ：モータ
Claims (11)
- ワークの表面を改質する処理室と、
主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で前記処理室内のワークを照射する紫外光源と、
前記処理室内のワークを、前記処理室の外側の室温より高い温度まで加熱する、少なくとも一つの加熱器と、を備えることを特徴とする光改質装置。 - 前記加熱器の少なくとも一つは、前記ワークの下方に配置された発熱体を有することを特徴とする、請求項１に記載の光改質装置。
- 前記処理室にガスを供給するガス供給口を備え、
前記加熱器の少なくとも一つは、前記ガスを加熱するガス加熱器であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光改質装置。 - 前記加熱器の少なくとも一つは、赤外光で前記ワークを照射する赤外光源であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光改質装置。
- 前記ワークの温度を測定するセンサと、
前記センサで測定した前記ワークの温度に基づいて、前記加熱器の少なくとも一つから出力される加熱エネルギーを制御する制御部と、を備えることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の光改質装置。 - 前記制御部は、前記紫外光源の点灯中に前記加熱エネルギーを減少させることを特徴とする、請求項５に記載の光改質装置。
- ワークを処理室内に搬入し、
前記処理室の外側の室温より高い温度を示す前記ワークを、主たる発光波長が２４３ｎｍ以下の波長域にある紫外光で照射して、前記ワークの表面を改質することを特徴とする光改質方法。 - 前記ワークは、前記ワークの下方に配置された発熱体、ガス加熱器によって加熱された、前記処理室内に供給される加熱ガス、赤外光で前記ワークを照射する赤外光源、の少なくとも一つによって加熱されることを特徴とする、請求項７に記載の光改質方法。
- 前記紫外光源の点灯中に、前記加熱器の加熱エネルギーを減少させることを特徴とする、請求項８に記載の光改質方法。
- 前記ワークを前記処理室に搬入する前に、前記ワークを加熱することを特徴とする、請求項７～９のいずれか一項に記載の光改質方法。
- 前記ワークは、可視光透過性の合成樹脂からなる基材と、ポリシロキサン系の膜とを含む積層体であることを特徴とする、請求項７～１０のいずれか一項に記載の光改質方法。
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