產生平行輻射線以固化光敏樹脂的裝置的製作方法
2023-07-20 14:27:51 3
專利名稱：產生平行輻射線以固化光敏樹脂的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造包括結合到樹脂型框架上的加強結構的造紙帶的工藝，特別是，本發明涉及一種固化光敏樹脂而生產造紙帶樹脂型框架的裝置，該裝置能產生大致平行的反射輻射線。
紙製品有著各種不同的用途。紙巾、面巾紙、衛生紙等在現代工業社會中被頻繁地使用。對於這些紙製品的大量需求引發了對於改進形式的紙製品的需求。
造紙工藝通常包括幾個步驟。造紙纖維的含水分散體在有孔件(如改良造紙長網)或雙網造紙機上形成初期紙幅，最初的脫水和纖維重整都發生在其上。
在最初脫水後的穿透式空氣乾燥過程中，初期紙幅傳送到包括透氣偏轉件的穿透式空氣乾燥帶。偏轉件包括具有多個偏轉導管的壓花樹脂型框架，在一定的壓差下空氣通過導管。樹脂型框架結合到紡織加強結構上並由此向外延伸。初期紙幅中的造紙纖維變形進入偏轉導管，水從偏轉導管中除去而形成中間紙幅。生成的中間紙幅隨後在最終階段被乾燥，紙幅與樹脂型框架對準的部分受到壓印而形成多區域的結構。
包括加強結構和樹脂型框架的穿透式空氣乾燥造紙帶在下列專利中進行了描述1985年4月30日授予Johnson等人的與本發明共同轉讓的美國專利4,514,345；1985年7月9日授予Trokhan的美國專利4,528,239；1985年7月16日授予Trokhan的美國專利4,529,480；1987年1月20日授予Trokhan的美國專利4,637,859；1994年8月2日授予Trokhan等人的美國專利5,334,289。前述專利在此處引用以說明穿透式空氣乾燥造紙帶的優選結構。這種造紙帶已經用於生產一些在商業上取得成功的產品，諸如Bounty牌紙巾、Charmin Ultra牌衛生紙，上述兩種製品都是由直接受讓人生產和出售的。
穿透式乾燥造紙帶的樹脂型結構由包括按照所需的圖案用紫外線輻射固化光敏樹脂的工藝製造。在此處引用作為參考的共同轉讓的1996年5月7日授予Trokhan等人的美國專利5,514,523公開了一種採用差動光傳輸技術(differential light transmission techniques)製造造紙帶的方法。為生產這種造紙帶，液態光敏樹脂的塗層施加到加強結構上。隨後，其中不透明區域和透明區域形成預定圖案的掩模(mask)位於塗層和輻射源(諸如紫外線光)之間。通過將液態光敏樹脂塗層暴露在來自輻射源透過掩模的紫外線輻射之下而完成固化。穿透掩模透明區域的固化紫外線輻射使暴露區域的樹脂凝固(即硬化)而形成從加強結構伸出的關節(knuckles)。未暴露區域(即對應掩模不透明區域的部分)保持液態，即未固化，並隨後被除去。
輻射線的入射角度對於造紙帶導管壁上的錐角的存在與否有非常重要的影響。具有較大的平行度的輻射線產生較小錐度(或近似垂直的)導管壁。由於導管更垂直，相對於具有錐度較大的壁的造紙帶來說，這種造紙帶在給定的關節區具有更高的空氣滲透率。
目前用來固化樹脂以生產包括加強結構和樹脂型框架的造紙帶的裝置包括輻射源(即燈泡)和橢圓形反射器。目前使用的裝置的燈泡需要微波能量來工作。選擇橢圓形反射器的原因在於橢圓形狀和其附帶的體積有助於使燈泡所需的微波能量的耦合最大化而更有效地工作。儘管現有技術中的反射器的橢圓形狀相對於微波耦合來說很有效，但反射器的橢圓形狀產生了非平行、高度偏軸的或散射的輻射線。因此，橢圓形狀對於固化包括框架的光敏樹脂來說不是非常有效的。迄今為止，設備製造商還沒有設計出一種能夠使微波能量最大化並且同時產生平行輻射線而用於最有效地固化樹脂的反射器。在某些情況下，空間的限制也會影響反射器的形狀。因此，需要一種獨立於反射器幾何形狀而控制固化輻射線的入射角的裝置。
控制輻射線入射角的一種裝置是相減準直儀。相減準直儀實際上是一種在所需方向之外阻擋紫外線的角度分布過濾器。通用的相減準直儀包括黑色的金屬裝置，其形狀為多個槽，通過這些槽光線在所需方向從中穿過。上面引用並作為參考的美國專利5,514,523公開了一種採用相減準直儀製造造紙帶的方法。
儘管上述相減準直儀有助於在所需方向上調整入射光線，但由於在相減準直儀中的輻射能量損耗，到達光敏樹脂的總輻射能量減少。
因此，本發明的目的在於提供一種用於固化製造具有樹脂型框架的造紙帶的光敏樹脂的改進裝置，該裝置明顯地降低了固化能量的損耗。
本發明的另一目的在於提供一種固化光敏樹脂的裝置，該裝置產生大致平行的固化輻射線。
本發明的又一目的在於消除反射器形狀和產生平行反射輻射線的光學條件之間的相互影響或相互依賴，即使反射器的形狀與其光學效果脫離關係。
本發明的用於產生平行輻射線的裝置可以用於固化樹脂，以生產穿透式空氣乾燥造紙帶的樹脂型框架。該裝置包括輻射源和細長的反射器，反射器具有外表面和內表面。反射器還具有縱軸和兩個在平行於縱軸的縱向上間隔開的端部。反射器的截面為內凹形狀，截面的軸垂直與縱軸。
反射器的內表面包括多個在縱向取向的反射小面(facets)。在反射器的截面上，反射小面具有共同的焦點，該焦點最好位於截面軸上。在一優選實施例中，包括多個反射小面的內表面在截面中具有大致呈拋物線形的大尺寸形狀。在另一優選實施例中，包括多個反射小面的內表面在截面的近軸區具有大致圓形的宏觀尺度(macro-scale)形狀。反射小面可以是一體的。或者，反射小面可以是附加的。
輻射源，最好是細長燈泡，在縱向取向並與截面上共同的焦點並置並最好位於其上。在截面內，多個小面在大致平行於截面軸線的方向反射大多數輻射光線。
可通過輻射線固化並具有朝向輻射表面的液態光敏樹脂設置在輻射線的方向上。加強結構設置在輻射線的方向上並靠近液態樹脂，當樹脂固化時，加強結構被結合到樹脂型框架上。樹脂朝向輻射的表面最好大致與反射器的軸垂直。具有不透明區域和透明區域能形成預定圖案的掩模位於輻射源和樹脂的朝向輻射表面之間。準直儀，最好是相減準直儀，設置在輻射源和樹脂的朝向輻射表面中間。
圖1為本發明裝置的透視圖；圖2為圖1所示裝置的剖視示意圖，示出了具有多個一體的反射小面的反射器和包含液態光敏樹脂的儲槽和包在樹脂中的加強結構；圖3為包括現有技術的橢圓形反射器的裝置的剖視示意圖；圖4為示出圓形鏡面和拋物線形鏡面的剖面示意圖；圖5為與圖2類似的剖視示意圖，示出了多個安裝在與反射器結合的框架上的附加反射小面；
圖6為包括反射器的本發明裝置的剖視示意圖，反射器具有基本上平坦的幾何鏡面和包括多個有共同焦點的反射小面的內表面。
圖1簡要示出了本發明用於產生平行輻射線的裝置10。裝置10可以用來固化用於製造穿透式空氣乾燥造紙帶的樹脂型框架的光敏樹脂。本發明的裝置10包括兩個主要部件細長反射器30和輻射源20。
如圖1所示，細長反射器或簡稱反射器30具有縱軸37和一對端部即第一端部34和第二端部36。縱軸37將在下面進行限定。端部34和36在縱向上相對並相互間隔開。此處所用的「縱向」一詞是指平行於反射器30的縱軸37的任一方向。
圖2示出了具有內凹截面的反射器30。反射器30的內凹截面具有截面軸33。此處所指的截面軸33是指一條假想的直線，內凹的反射器30的截面關於這條直線兩側對稱。截面軸33垂直於縱軸37。本領域技術人員會認識到假想的截面也垂直於縱軸37。
反射器30具有內表面31和外表面32。外表面32包括框架和反射器30的安裝裝置。內表面31是反射器30的反射表面。內表面31包括多個在縱向取向的反射小面35。各反射小面35具有自己的反射表面35a。在截面中觀察，反射小面或簡稱小面35按下述方式設置，即使小面35具有共同的焦點「F」，如圖2所示。此處所用的「共同焦點」F一詞限定的是截面上的一點，如果反射光線是由平行於截面軸33的光線反射產生的，從小面35反射的大多數光線會聚或相交在這一點上。這種情況在圖中未示出，但通過將圖2中示意性表示光線的方向箭頭D(入射光線)和R(反射光線)反過來就可以很容易地看出。優選的是焦點F與截面軸33並置(juxtaposed)。更優選的是焦點F位於截面軸33上。
根據反射定律，如果反射光線的方向相反，反射的光線在幾何上與初始的入射光線重合，但方向相反。此處引用1976年由Worth Publishers，inc.出版的Paul A.Tipler所著《物理》一書作為參考，來說明反射定律。因此，換句話說，共同焦點F就是輻射源所必須設置在的一點，以便使輻射源20產生的初始入射光線D從小面33反射，且反射光線R大致平行於截面軸33。這種情況在圖2中示出。縱軸37可限定為通過公共焦點F並垂直於假想橫截面的假想直線。縱軸37最好基本上平行於反射器30的內表面31。
多個小面35最好形成具有大致拋物線或大致圓形宏觀尺度形狀的截面構型的內表面31。為了達到本發明的目的，拋物線形宏觀尺度形狀和圓形宏觀尺度形狀之間的差別一般是不易區分的，這將在下面進行描述。應該指出的是在本發明中，在截面中看到的「截面軸」、「共同焦點」、內表面31的形狀、入射光線D、反射光線R等各部分一般都認為是在圖2、3和4所示的截面範圍內，另有說明的除外。
此處所用的「大致圓形宏觀尺度形狀」或「大致拋物線形宏觀尺度形狀」指的是當反射器30的截面相對於其光學效果總體來看或考慮時，反射器30的內表面31的總體截面形狀。換句話說，即使內表面31的總體幾何截面形狀並不是「大致拋物線形/圓形」，內表面31仍然具有大致拋物線形/圓形宏觀尺度形狀(即內表面31仍起到當其幾何形狀為拋物線形/圓形時所起的作用。)當然也不排除內表面具有大致拋物線形/圓形的截面形狀。應該認識到，由絕對球形或拋物線形整體形狀產生的誤差雖然不是希望的，但是是在容許範圍之內的，只要這種誤差不足以對反射器30的性能產生負面的影響就可以。類似的，應該認識到，在兩個或多個小面之間存在可能的過渡區域也是容許的，只要這種過渡區域不對反射器30的性能產生負面的影響就可以。
與內表面31的截面「宏觀尺度形狀」相對照，各個小面35的截面形狀，特別是其反射表面35a的形狀限定了內表面31的「宏觀尺度形狀」。如上所述，在截面中，多個小面35反射來自輻射源20的輻射線(入射光線D)，從而使大多數反射光線R大致平行於截面軸33。如圖1所示，小面35在縱向取向並大致平行於縱向(即小面35平行於縱軸37。)本領域的普通技術人員會明白小面35的數量和形狀主要是由所需的方案或多個小面35相對於橫截的拋物線形或圓形宏觀尺度形狀的逼近率確定的。在圖2中，各單獨小面35簡要地示作平面形的(即具有平面的反射表面35a)。然而，小面35可以是其它的形狀，例如曲線形。
可以採用任何能將小面35連接到反射器30上的合適裝置來安裝小面35以形成內表面31。例如，小面35可以直接在反射器30上成形而成為與反射器30一體的部分，如圖2所示。這種反射小面35是「一體的」小面，可以在模製過程中，機械加工過程中形成，或採用本領域其它公知的方法形成。或者，如圖5所示，小面35可以安裝在框架或殼體39上，框架或殼體39的截面可為總體的拋物線形或圓形，也可以不是，並且框架自身結合到反射器30上。反射器30可以在其中具有多個單獨的殼體，每個殼體安裝有一個單獨的小面35。這種安裝在框架39上或單獨結合到反射器30上的小面35為「附加型」小面。應該明白可以有下面兩種類型的小面35一體型和附加型。上述成形和/或將小面結合到反射器30上的手段的結合及其它本領域公知手段對於本發明來說都是適用的。
當共同焦點F位於截面軸33上時，截面軸33與由多個反射小面35形成的內表面31的拋物線形或圓形宏觀尺度形狀的光軸重合。本領域的普通技術人員會認識到近軸平行光線通常是經過焦點從內凹的球形(即截面為圓形)鏡面反射，該焦點位於鏡面光軸上與鏡面的距離等於鏡面半徑的一半的位置上。參見上述參考書的645-646頁。這裡所用的近軸光線指的是這樣一些由輻射源20產生的入射光線D，這些光線相對於反射器30的光軸或軸線33以較小的角度入射。
圖4示出了「近軸光線」的意義。在圖4中，標記「S」表示中心在點C或原點在點A的圓(圓形鏡面)。標記「P」表示焦點在點F或頂點在點A的拋物線(拋物線鏡面)。如圖4所示，拋物線P和圓S在點P1和P2之間具有非常近似(實際上幾乎是無法區分的)的形狀。超過點P1和P2之後，拋物線形鏡面P和圓形鏡面S開始有了明顯的差別。由聯接點P1-C-P2的直線形成的區域為近軸區，即圓S和拋物線P的共同光軸附近的區域，在該區域中，圓S的構型和拋物線P的構型對於實際的目的來說基本上是無法區分的。那些在近軸區內的入射光線D為近軸光線。參見Addision-Wesley出版公司1974年出版的Eugene hecht所著《光學》(1987)年第二版的159頁，該書在此處引用作為參考，以說明拋物線形鏡面和圓形鏡面在幾何和數學上的比較。應該注意，Tiplerh和hecht都使用了「球形鏡面」的定義，申請人相信，在本申請中，特別是在截面的範圍內，定義「圓形鏡面」更準確並且與「拋物線鏡面」的定義更一致，「拋物線」和「圓」都是平面的幾何形狀。這裡所用的「圓形鏡面」包括截面由180°的圓弧形成的鏡面。應該明白，三維的球形鏡面和三維的拋物體鏡面也包括在本發明的範圍內。根據本發明，在截面的近軸區，由多個反射小面35形成的內表面31具有圓形宏觀尺度形狀或拋物線形宏觀尺度形狀。在近軸區之外，內表面31為拋物線形宏觀尺度形狀。
根據本發明，輻射源20在縱向上是細長的(圖1)並且在截面上最好與共同焦點F並置(圖2)。更優選的是，在截面中，輻射源20設置在位於截面軸33的共同焦點F上。如上所述，當輻射源20設置在截面中的共同焦點F上時，內凹的反射器30導引從輻射源20發出的輻射線並由多個小面35在平行於截面軸33的方向上反射。
優選的輻射源20是在反射器30的第一端34和第二端36之間延伸並平行於縱軸37的細長的曝光燈或燈泡。從截面中看去，輻射源20在圖2中的方向箭頭D(入射光線)和R(反射光線)所示的方向上發射紫外線。輻射源20經選擇可以提供主要在下述波長內的輻射線，即能夠固化液態光敏樹脂43以製造樹脂型框架48。這種波長是液態光敏樹脂43的特徵。如上所述，當液態光敏樹脂43暴露在適當波長的輻射線下，在樹脂43的暴露部分發生固化。固化通常是由位於暴露區域的樹脂硬化而顯示的。相反的，未暴露區域仍保持液態並隨後被除去(例如被洗去)。
可以使用任何一種合適的固化輻射源20，諸如汞弧燈、脈衝式氙燈、無電極燈和螢光燈。輻射的強度和持續時間取決於暴露區域所需固化的程度。曝光強度和時間的絕對值取決於樹脂的化學性質、光敏特性、樹脂塗層的厚度和所選擇的圖案。對於優選的樹脂-Merigraph樹脂EPD1616來說，該值為大約100至1000毫焦耳/平方釐米2。
為了對比，圖3簡要示出了固化樹脂的現有裝置100的截面。現有裝置100包括反射器130，反射器130具有橢圓內表面131和設置在反射器130的軸133上的輻射源120。從輻射源120發出的光線從橢圓表面131反射並會聚在點F1。反射光線隨後發散，大多數反射光線入射到阻擋大量反射光線的相減準直儀47上。據估算，在現有的裝置100中，由待固化的樹脂接收到的總能量的50％以上是反射能量。因此，由於反射能量在準直儀中的大量損耗，現有技術的反射器130的橢圓形狀引起固化總能量的大量損耗。與現有技術裝置100相反，在本發明的裝置10中，大多數的反射光線R基本上平行於截面軸33，故在達到樹脂43的朝向輻射表面之前不會會聚或發散。因此，大多數反射光線R通過準直儀47而不會被其阻擋並且不會損失過多的能量。準直儀47是選擇性的，可以仍用來阻擋發散的光線，特別是從輻射源20發散的入射光線，這些光線的方向不是所希望的。
如同在本發明的背景技術中所描述的那樣，現有技術反射器130的橢圓形狀對於使現有裝置100中採用的燈泡有效起作用所需之能量最大化是必要的。但同時，現有反射鏡130的橢圓形狀不能產生所需的平行反射光線。本發明結合了反射器30的橢圓形狀和選擇的反射器30內表面31的拋物線形或圓形宏觀尺度形狀。因此，本發明有效地消除了輻射源20有效性所必需的微波能量和固化工藝有效性所必需的平行輻射線之間的相互依賴關係。換句話說，本發明的裝置有效地解除了反射器30的截面幾何形狀和反射器光學效果之間的關係。
此外，空間的限制會阻礙設備製造商生產具有拋物線或圓形幾何形狀截面的反射器。通過消除反射器30的幾何形狀和反射器的光學效果之間的相互聯繫，本發明的裝置10無論具體的反射器30的總體截面形狀如何都可以產生平行輻射線。作為一個例子，圖6示出了具有大致平直(與內凹相對)幾何截面的反射器30。雖然如此，如上所述，根據本發明，包括多個具有共同焦點F的反射小面35的內表面31為拋物線形或圓形宏觀尺度形狀。
圖2簡要示出了一種結構，其中，可由裝置10輻射固化的光敏樹脂4設置在儲槽40中。光敏樹脂43的朝向輻射表面45基本上垂直於反射光線R的方向。該結構可以生產具有帶兩側對稱錐度壁的導管的框架48。加強結構50位於充滿液態光敏樹脂43的儲槽40內。在樹脂43的固化(即硬化)過程中，加強結構50結合到或被包圍在包括固化的樹脂43的樹脂型框架48中。在圖2中，虛線44表示包括固化的樹脂43的即將製成的樹脂型框架之即將形成的導管壁。
具有預定圖案的不透明區域46a和透明區域46b的掩模46位於輻射源20和光敏樹脂43的朝向輻射表面45之間。掩模46最好與光敏樹脂的朝向輻射表面45接觸。或者，掩模46可以距離樹脂43的朝向輻射表面有極小的距離。掩模可以由任何能提供不透明區域46a和透明區域46b的合適材料製成。
儘管圖2示出的是優選的位於掩模46和輻射源20之間的相減準直儀47，也可以另採用控制固化輻射線的方向和密度的其它裝置或附加地採用這些裝置。控制固化輻射線的方向和密度的其它裝置包括折射裝置(即透鏡)和反射裝置(如平面鏡)。
儘管圖2所示的結構包括裝有液態光敏樹脂43和加強結構50的儲槽40，採用本發明的裝置10的其它結構也是可行的並且是更優選的。一個優選的示例是在上述參考的共同轉讓的美國專利5,514,523中描述的連續工藝。在連續工藝中，液體光敏樹脂的塗層最好塗在加強結構50上，該加強結構50最好包括循環的環。另外，在連續工藝中，掩模46最好是包括在與加強結構50的環運行方向相同的方向上運行的循環的環。合適的光敏樹脂和抗氧化劑在上述引用作為參考的專利5,514,523中進行了描述。
本發明的裝置10可以用來固化光敏樹脂43以生產不同類型的樹脂型框架48。例如，上述參考的美國專利4,528,239和美國專利4,529,480公開了具有大致連續網絡的框架。同時，共同轉讓的1993年9月14日授予Trokhan等人的美國專利5,245,025和1996年6月18日授予Trokhan等人的美國專利5,527,428公開了包括組成圖案的凸起陣列的框架。上述專利在此處引用作為參考，以便說明可用本發明的裝置10來生產的框架48的不同類型。
權利要求
1.一種用於固化光敏樹脂的裝置，所述裝置包括輻射源；和細長的反射器，反射器具有縱軸、兩個在平行於縱軸的縱向上間隔開的端部、及具有垂直於所述縱軸的截面軸的內凹形狀的截面，所述反射器還具有外表面和內表面，所述內表面包括多個在縱向取向並平行於所述縱向的反射小面，反射小面在所述截面上具有共同的焦點，用於引導所述輻射線基本上平行於所述截面軸，所述輻射源在縱向上取向並與所述截面上的所述共同焦點並置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述反射小面的共同焦點位於所述反射器的截面軸上，所述輻射源位於所述截面中的所述焦點上。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述輻射源包括設置在所述反射器的第一端部和第二端部之間並平行於所述反射器縱軸的細長燈泡。
4.如權利要求1、2或3所述的裝置，其特徵在於，所述內凹反射器的內表面在所述截面上呈拋物線形宏觀尺度形狀。
5.如權利要求1、2或3所述的裝置，其特徵在於，所述內凹反射器的內表面在所述截面上呈近軸區中的圓形宏觀尺度形狀。
6.如權利要求4或5所述的裝置，其特徵在於，所述多個反射小面包括平面型反射小面。
7.如權利要求4或5所述的裝置，其特徵在於，所述多個反射小面包括曲線型反射小面。
8.如權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述反射小面是附加小面或一體型小面。
9.一種用於固化光敏樹脂的裝置，所述裝置包括輻射源；和細長的反射器，反射器具有縱軸、兩個在平行於縱軸的縱向上間隔開的端部、及具有垂直於所述縱軸的截面軸的呈內凹形狀的截面，所述反射器還具有外表面和內表面，所述內表面由多個在縱向取向的反射小面形成，所述內表面在所述截面上具有大致拋物線形宏觀尺度形狀，用於引導所述輻射線基本上平行於所述截面軸，所述輻射源沿所述縱軸取向。
10.一種用於固化光敏樹脂的裝置，所述裝置包括輻射源；和細長的反射器，反射器具有縱軸、兩個在平行於縱軸的縱向上間隔開的端部、及具有垂直於所述縱軸的截面軸的內凹形狀的截面，所述反射器還具有外表面和內表面，所述內表面由多個在縱向取向的反射小面形成，反射小面在所述截面上具有共同的焦點，用於引導所述輻射線基本上平行於所述截面軸，至少所述內表面的一部分在截面上具有大致圓形的宏觀尺度形狀，所述輻射源沿所述縱軸取向。
全文摘要
本發明提供一種產生用於固化樹脂的平行輻射線的裝置,用來製造造紙帶的樹脂型框架。該裝置包括輻射源(20)和細長的反射器(30),反射器具有外表面(32)、內表面(31)、縱軸(37)和兩個沿縱軸(37)間隔開的端部。反射器的內表面包括多個平行於縱軸(37)取向的反射小面。反射器(30)的截面為內凹形狀,截面的軸垂直於縱軸。在反射器的截面上,反射小面(35)具有共同的焦點F。反射小面引導輻射線大致平行於截面軸(33)。優選的是,多個反射小面(35)形成了在截面上具有拋物線形或圓形宏觀尺度形狀的內表面(31)。
文檔編號B29C35/08GK1250406SQ98803365
公開日2000年4月12日 申請日期1998年2月13日 優先權日1997年2月13日
發明者保羅·D·特羅克漢 申請人:普羅克特和甘保爾公司