专利名称：预制的逆向反射标志的制作方法
背景本发明一般涉及逆向反射标志。本发明可具体应用于使用根据全内反射(total internal reflection,TIR)原理起作用的立方角逆向反射片的标志。
本文所用的术语“标志”是指通常通过文字数字式字符、符号、图形或其它标记传递信息的独立制品，在使用时是将其安装在一个物体如柱子、支架、墙壁或类似物体上。具体例子包括用于控制交通(STOP、YIELD、速率限制、信息指示、路旁标志等)的标志，街道标志和汽车牌照板。本文所用的术语“逆向反射”是指这样一种特性，即能将倾斜入射光沿与其入射方向反平行的方向上反射回去，或以接近这样的方式反射，使其返回至光源或其附近区域。
两种已知类型的逆向反射片是微球基片和立方角片。微球基片(有时称为“珠状”片)是使用许多微球，这些微球一般至少部分嵌埋在粘合剂层中，并且它含有镜面反射或漫反射材料(如颜料颗粒、金属薄片、蒸汽沉积的涂层)能够对入射光进行逆向反射。其例子披露于美国专利3,190,178(McKenzie)、4,025,159(McGrath)和5,066,098(Kult)中。而立方角逆向反射片的主体部分一般包括有基本上是平面的前表面和含有许多立方角元件这种结构的后表面。各立方角元件具有三个大致上相互垂直的，共同对入射光进行逆向反射的光学面。其例子包括美国专利1,591,572(Stimson)、4,588,258(Hoopman)、4,775,219(Appledorn等)、5,138,488(Szczech)、5,213,872(Pricone等)、5,691,846(Benson,Jr等)和5,696,627(Benson等)。
某些类型的立方角逆向反射片要求结构化的(意指有结构的)后表面保持在纯净的空气(或其它折射率低的介质)环境中。这对于基于在立方角元件的几个面上进行TIR逆向反射的片来说尤其如此。目前，这种类型的片通常具有如
图1片段放大图所示的密封膜。该图所示的已有技术逆向反射片10包括具有前表面12a和结构化后表面12b的主体部分12、密封膜14、压敏粘合剂(PSA)层16和可剥离衬里18。片10上也还可以有顶膜即顶层20，该顶膜即顶层可以包含紫外(UV)吸收材料；有图案的油墨层或其它有图案的层如3MCompany销售的ElectrocutTM膜，该层上形成了标记如文字数字式字符、符号或图形；或UV吸收材料层和有图案或有颜色的层的组合。密封膜14粘合在结构化表面12b上，形成了由许多闭合多边形密封单元重复的图案，从而使结构化表面上的那些立方角免受污染物的影响。多边形单元的边界表示为14a。形成单元时所用的热量和压力会使沿位于边界14a的立方角元件变形。
为了使用已有技术的逆向反射片10制造逆向反射标志，要采用一块由金属、木材、塑料等制成的刚性标志板。本文所用的“标志板”是指适于在所需最终用途中进行安装的刚性基材。剥去逆向反射片上的剥离衬里18，露出PSA层16，获得可用的逆向反射片10。接着将该片施加到标志板的光滑而平整的前表面上，片上的粘合剂层接触标志板的这个前表面。在将片10施加到标志板之前或之后，可以在位于主体部分12上面的层中加上文字、符号或其它标记。一些标志如某些路肩标志上面根本没有标记，只是固定在路边的柱子上。
图2表示另一种施加到基材24例如标志板上的已有技术逆向反射片22的片段图。片22的主体层26具有结构化的后表面，该后表面上既有许多立方角元件28，又有一些凸出部分30，这些凸出部分的排列可分隔那些包围立方角元件的单元。用超声方法将密封膜粘合到这些凸出部分30上，就把那些单元密封起来，从而在立方角元件28的表面上保持一个空气界面。又用粘合剂层34将密封膜32，从而将逆向反射片22粘合到基材24上。图3表示图2结构化表面的片段平面图。结构化表面上具有立方角元件28和相互交叉的凸出部分30，有两个这种凸出部分表示于图3中。
仍然有必要降低逆向反射标志的制造成本和简化其制造方法。
概述这里要披露的是，本发明所提供的逆向反射标志包括刚性标志板和具有结构化表面的逆向反射片。结构化表面直接粘合到标志板上，分隔出许多个单元。这些单元保护结构化表面免受会对膜的逆向反射性能产生不利影响的水分和污垢的侵害。将结构化表面直接密封到标志板上，而不是先密封到一层中间密封膜上而后再密封到标志板上，就可以获得结构比较简单的一种预制标志产品。
较好是将结构化表面以产生重复图案的形式粘合到标志板上。可以在逆向反射片的结构化表面上，也可以在标志板的表面上具有这些形成重复图案的凸出部分。有了这些凸出部分，就有助于在结构化表面上的至少某些立方角形状的逆向反射元件和标志板表面之间保持一定空间。如果没有这些凸出部分，可以通过热压将结构化表面以产生重复图案的形式粘合到标志板上，但这就会破坏图案边界上的立方角元件。各种粘合技术都可以采用，包括超声波粘合、热封和用常规粘合剂进行粘合。
附图的简要说明图1是已有技术立方角逆向反射片的片段断面图。
图2是施加到基材如标志板上的已有技术立方角逆向反射片的片段断面图。
图3以片段平面图的形式表示图2逆向反射片的结构化表面的一部分。
图4是本申请所述的逆向反射标志的片段断面图。
图5是另一个逆向反射标志实例的片段断面图。
图6是再一个逆向反射标志实例的片段断面图。
图7是本文各实例中所用密封图案的平面图。
图8是按图5实例的逆向反射标志图，其中逆向反射片的一部分已从标志板上剥离除去。
图9是另一个按图5实例的逆向反射标志的分解图。
图10描述用于制造本文所述逆向反射标志的工艺过程。
图11是描述另一种也可用来制造本文所述逆向反射标志的过程。
图12是图10所示各种层的片段断面图。
在这些附图中，为方便起见，相同的数字表示各图中相同的或具有相同或类似功能的部分。
例举实例的详细描述现在看图4，图中的逆向反射标志40不需要专用的密封膜。标志40包括一块逆向反射片42和一块作为背衬的标志板48，所述逆向反射片由主体层44和顶层46构成。顶层46可以包含常规的UV吸收材料、有图案的油墨层或其它用于形成标记如文字数字式字符、符号或图形的有图案层，和它们的组合。顶层46也可以是3M Company销售的ElectrocutTM膜和能够形成标记的类似膜。主体层44也可以是常规的设计，只要它的(结构化)后表面上具有一些立方角元件44a和凸出部分44b。立方角元件44a具有按TIR原理起作用的一些反射面，这些反射面共同将入射光50a转变成逆向反射光50b。立方角的面是与空气接触的基本上没有蒸汽淀积金属膜或类似膜的主体层44的光滑部分。凸出部分44b则相互连接，从而形成包住那些立方角元件的单元。凸出部分44b可以是主体层44的一部分，如图4所示，也可以是先形成含众多凸出部分的单独层，而后将其与主体层44相连。特别值得一提的是，标志40并不象已有技术中那样采用密封膜。而是使用标志板本身来密封凸出部分44b所分隔的单元。已密封的单元能保持立方角元件的反射面不受水分和污垢的影响。标志板48光滑的前表面48a上很容易与凸出部分粘合。在凸出部分44b和表面48a之间可以采用各种类型的粘合，哪种类型的粘合更合适取决于标志板48和凸出部分44b的组成和其它性质。
例如，若凸出部分44b和标志板48都由熔点很相近并且具有本领域技术熟练者已知所需形态的热塑性聚合物制成，则通过振动源施加超声波能量并且施加足够的压力就会使凸出部分和标志板的表面熔化，待冷却后它们就相互粘合在一起。在一个这样的实例中，凸出部分44b由聚碳酸酯制成，而标志板48由聚碳酸酯或丙烯腈/丁二烯/苯乙烯聚合物制成。在另一个实例中，用加热来代替超声波能量形成粘合。例如，标志板表面48a上可以有一层薄的粘合剂层，其熔点比标志板48的其余部分和凸出部分要低，这种粘合剂有时称为热熔粘合剂。然后将标志板/粘合剂层的组合体加热到高于粘合剂层熔点但低于标志板熔点的温度。接着将片的凸出部分44b与熔融的粘合剂层接触，随后冷却到低于粘合剂熔点，这样就形成了粘合。作为一个例子，凸出部分44b可以是聚碳酸酯，而粘合剂层可以是聚氨酯，也可以是E.I.du Pont deNemours and Company(“DuPont”),Wilmington,Delaware销售的BynelTM牌的树脂。从对苯二甲酸和间苯二甲酸合成的共聚酯也可用作粘合剂层。
在材料的选择中另一个考虑因素，是要使标志板和立方角逆向反射片之间的热膨胀差异尽可能小，防止由于在操作过程中产生的温度变化而使粘合破裂。逆向反射标志在户外使用时，环境温度一年中的变化可能高达大约80℃。
除了无需专门的密封层外，图4标志结构的另一个优点是它就可以使用前表面光滑的现有标志板。
图4中各部分的较好尺寸如下立方角元件的高度或横向宽度小于1毫米，更好约为0.05-0.2毫米；凸出部分的高度为立方角元件高度的大约1.1-2倍；凸出部分的宽度为立方角元件宽度的大约1-5倍。
图5的逆向反射标志52在某些方面与图4的标志40类似。如上所述，标志52具有标志板54和含有逆向反射主体层58和顶层46的逆向反射片56。与标志40不同，标志52是在其标志板54的前表面54b上具有凸出部分54a，凸出部分不是在层58的结构化表面上。在标志板54上形成整体相连的凸出部分，其方法可以通过例如对标志板54进行压花加工，也可以机械加工掉或化学蚀刻掉标志板54上预定生成凸出部分之间的部分。也可以将许多凸出部分54a制成的单独层施加到标志板54的原本均匀平坦的前表面上。不管所使用的方法如何，这些凸出部分的排列应是相互连接的，能分隔出许多单元，从而在将逆向反射片粘合到标志板上后，这些单元就密封起来，与周围环境隔绝，使水分和污垢不致影响立方角的反射面。凸出部分的尺寸也要使立方角元件的顶端与标志板前表面隔开一段距离。若需要的话，可以让粘合剂覆盖在凸出部分54a的顶部，或者凸出部分本身由粘合剂组成，当粘合剂固化时，就将逆向反射片粘封到标志板上。可以使用环氧作为这种结构中的粘合剂。
除了不需要专用密封层外，图5标志结构的另一个优点是若不同类型的标志需要不同尺寸的密封单元，仍可以使用相同的逆向反射片，而不管所需单元的尺寸如何。例如，对于某些大的标志希望使用较大的单元来减小凸出部分和结构化表面之间的接触总面积，从而提高标志的逆向反射面的面积。这时可以使用与具有较小密封单元的标志所用的相同类型的逆向反射片，来制造这种标志。
图6表示另一种标志60，它具有标志板62和施加在其上面的逆向反射片64。片64包括如上所述的顶层46和逆向反射主体层66，该主体层66具有包含许多立方角元件的结构化后表面66a。通过热模加压于片64的上面，片64就粘合到标志板62的前表面上，就形成了闭合多边形的隔离密封单元的图案。多边形单元的边界表示为66b。形成单元时所用的热量和压力会使位于沿边界66b的立方角元件破坏或变形。
图7表示可以用在上述任何实例中一种可能的凸出部分即密封位置图案70。这许多密封位置72相互交叉形成许多闭合的多边形74。也可以使用其它的多边形形状如三角形、六边形或正方形。在需要保持高度的全逆向反射性，以及结构化表面上至少部分地有一些平行槽子的场合，较好的是使用沿这些槽子排列的凸出部分来最大程度地减少部分的立方角元件。
在图8中，标志76就包括上述图5所述的标志板54和逆向反射片56。为便于说明，图中逆向反射片56有一部分从标志板上剥离除去。标志76上有一个或多个孔78，通过该孔可以插入机械紧固件80如螺钉、铆钉、螺杆、钉子或其它可插入将标志固定到安装部件如柱子82上的常规紧固件。在片56的顶层46上具有文字“STOP”形式的标记。
图9表示与标志76相类似的标志84的分解图。该标志84是制成一个汽车牌照板的。与逆向反射片56相似，逆向反射片86具有结构化后表面(图9中未示出)，该后表面与标志板88的前表面88a接触。在片86的顶层上具有标记。相互交叉的许多凸出部分88b分隔出许多闭合的多边形单元88c。凸出部分的间隔和单元88c的尺寸是有意夸大的。通常希望是许多尺寸较小的单元，这样在一般的观察条件下就难以察觉会导致一个或若干个单元污染(同时伴随着这些单元逆向反射性能的下降)的破裂或其它损坏。有些凸出部分88b构成着围绕标志板88的边界即边缘。在孔88e的周围是附加的凸出部分88d，该凸出部分是绕着片86中相应的孔排列的，这些孔是为安装而设置的。这样，这些凸出部分就对标志84的边缘、中心部分和孔都进行了密封。对边缘和孔的密封不仅能防止水分和其它污垢进入到逆向反射片后面，而且也能减少在逆向反射片暴露边缘上可能发生的分离，增强了标志产品的结构。
也可以有与图9类似的标志，不同的是标志板88的前表面88a是平的，而且在逆向反射片86的结构化表面上具有凸出部分。
图10表示一种可用于制造具有本文所披露结构的标志的过程。将诸如来自一个或多个挤压机的制造标志板的熔融物料送入模头90，再通过辊92a、92b进行压延，形成有一定刚性的基材94。若需要的话，可以将多组分物料进行共挤压，例如形成刚性的聚合物厚基材层和粘合剂聚合物覆盖薄层。若要在标志板的前表面上形成凸出结构，则辊92a可以具有形成图案的表面，使基材94的上表面具有所需的凸出结构图案。可以设置红外加热器93或其它合适的加热器来准备基材94的上表面，以便进行粘合。将一卷具有结构化后表面96a的逆向反射片96通过辊98a、98b粘合到刚性基材94上，制成复合基材100。逆向反射片96通常可以具有上述任何美国专利所披露的结构。片96的结构化表面96a可以通过例如相互交叉的凸出结构选择性地粘合到基材94的前表面上。若凸出结构不是位于标志板的前表面上，则可以是位于结构化表面96a中。如果要使用的是例如图6所示的结构，则辊98a上可以具有加热的图案表面，在辊98a、98b之间足够的辊隙压力作用下，将结构化表面以形成闭合多边形单元的重复图案的形式粘合到基材94上。可以设置红外加热器95或其它合适的加热器来为结构化表面96a进行准备，以便进行粘合。一般使用加热器93、95来软化待粘合一个表面上的粘合剂层。在冲压或切割装置104上将覆有逆向反射片的基材100切成一个标志102，也可以将其卷成大直径的卷材，备以后切割之用。若标志102上要具有其它图形和标记，并且如果逆向反射片96本身没有这种标记或图形，则可以将附加的一层或多层通过层压或其它方式施加到逆向反射片96或制成的单个标志102上。
图11表示的是与图10相似的过程，所不同的是用超声粘合装置105将片96粘合到基材94上。在装置105上，按已有技术已知的常规方法，激发器105a发生足够强度的振动，将两个部件(其组成已适当选择)粘合在一起。
图12表示如何将逆向反射片106和刚性基材108结合在一起形成一个标志的实例。逆向反射片106具有一个前表面106a和一个结构化后表面106b，该后表面上具有由作为分隔单元的边界的许多凸出部分106c构成的网络。基材108的前表面108a是光滑平坦的，该基材由厚的刚性基材层110和薄的粘合剂层112组成。粘合剂可以是任何具有合适密封性能的常规物质。较好的粘合剂应是可以挤压的，事实上它是与基材层110共同挤出的。其例子包括商标为BynelTM的树脂。在片106与粘合剂接触后，将该粘合剂固化，这种固化可以通过紫外光、加热、长时间的放置或其它已知的作用来进行。尽管图示的是粘合剂层施加在基材层110上，但也可以在将逆向反射片与刚性基材接触之前将粘合剂选择性地施加在凸出部分106c的底部。另一种办法是如图所示将一种粘合剂材料或其组分施加到基材108上，又将另一种粘合剂材料或其组分施加到凸出部分106c的底部，当逆向反射片与刚性基材接触时，这些粘合剂材料就汇合在一起。也可以不使用粘合剂层，如果改为使用超声波粘合时。
在制造逆向反射片的过程中，一般是先制造一个具有所需结构化表面的母模，然后采用电铸技术或其它常规的复制工艺制成复制件。结构化表面上可以是基本上相同的许多立方角元件，也可以是尺寸、几何形状或取向不同的立方角元件。复制件的结构化表面在本技术中称为“印模”，它包含立方角元件的反象。这种复制件就可用作制造逆向反射片的模具。然而，更一般的做法是，将大量的复制阳模或复制阴模装配成大得可用于制造逆向反射片的模具。这样，例如通过对预制片进行压花或液体材料的模型浇铸，可以制得具有如上所述立方角单元的整体逆向反射片。或者，通过如PCT申请WO95/11464和美国专利3,648,348中所述将立方角元件浇铸到预成形膜上，或者将预成形膜层压到预成形的立方角元件上，可以制得层状产品状的逆向反射片。例如，可以使用将镍电解沉积到母模上制成的镍模具来制造这种片。这种电铸模具可以用作印模，将模具图案压花到厚度约为500微米、折射率约为1.59的聚碳酸酯膜上。该模具可用于在约175-200℃的温度下进行压制的压机中。
用于制造这种反射片的有用材料是那些尺寸稳定、耐用、耐天候并且易于形成所需结构的材料。合适材料的例子，包括折射率通常约为1.5的丙烯酸类，如购自Rohm and Haas的Plexiglas树脂；热固性丙烯酸酯和环氧丙烯酸酯，较好是辐射固化的折射率约为1.6的聚碳酸酯；聚乙烯基的离子交联聚合物(以商品名“SURLYN”销售)；聚酯；乙酸丁酸纤维素等。通常可以使用一般在加热和加压下可以成形的任何透光材料。用于制造逆向反射片的其它合适材料披露于美国专利5,450,235(Smith等)中。逆向反射片也可以包含着色剂、染料、紫外吸收剂或其它需要的添加剂。
本发明标志制品所用的标志板可以是任何材料，用它制成的规定厚度的标志板当其受到风、雨、日光和相似环境如冰雹的作用，以及即使在低于0℃的温度下受到物体的冲击时，仍能保持标志结构的完整性。这种材料包括，但不局限于聚碳酸酯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；高密度聚乙烯；二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-G)和聚酰胺。
尽管业已结合一些较好的实例对本发明作了描述，但本领域的技术熟练人员应明白的是，在不偏离本发明精神和范围的情况下可以对其在形式和细节上作出改变。
权利要求
1．一种逆向反射标志，它包括标志板；具有一个结构化表面的逆向反射片，该逆向反射片的结构化表面直接粘合到标志板上，形成为结构化表面提供许多保护单元的重复图案。
2．如权利要求1所述的标志，其中结构化表面上有许多立方角元件。
3．如权利要求2所述的标志，其中标志板具有一个前表面，该标志中还有通常位于结构化表面和该前表面之间的许多凸出部分的重复图案，凸出部分的重复图案形成保护单元的边界。
4．如权利要求3所述的标志，其中凸出部分的高度足以让至少某些立方角元件与前表面隔开一段距离。
5．如权利要求3所述的标志，其中在标志板的前表面上形成凸出部分的重复图案。
6．如权利要求3所述的标志，其中在逆向反射片的结构化表面上形成凸出部分的重复图案。
7．如权利要求1所述的标志，其中是用粘合剂将结构化表面直接粘合到标志板上。
8．如权利要求1所述的标志，其中标志板具有一个周边，而结构化表面沿着该周边粘合。
9．如权利要求1所述的标志，其中标志板上具有一个穿透的孔，结构化表面沿该孔的周边粘合。
10．如权利要求1所述的标志，其中在结构化表面和标志板之间的粘合是不用粘合剂的。
11．如权利要求1所述的标志，它还包括覆盖逆向反射膜的顶膜。
12．如权利要求11所述的标志，其中顶膜中包含紫外吸收材料。
13．如权利要求11所述的标志，其中顶膜包括一标记层。
14．一种逆向反射标志，它包括具有一前表面的标志板；具有一界定着立方角元件的结构化表面的逆向反射片；其中逆向反射片粘合到标志板上，从而获得重复图案形式的许多单元，各单元是由结构化表面和前表面界定的空腔。
15．如权利要求14所述的标志，其中标志板上包括一粘合剂层，标志板的前表面就是粘合剂层的一个表面。
16．如权利要求14所述的标志，它还包含许多分隔那许多单元的相互连接的凸出部分。
17．如权利要求16所述的标志，其中许多相互连接的凸出部分是结构化表面的一部分。
18．如权利要求16所述的标志，其中许多相互连接的凸出部分是前表面的一部分。
19．一种制造标志的方法，它包括提供适用作为标志板的刚性基材，该刚性基材具有一个前表面；提供具有一个含许多外露立方角元件的结构化后表面的逆向反射片；将结构化后表面直接粘合到刚性基材的前表面上，形成为结构化表面提供许多保护单元的重复图案。
20．如权利要求19所述的方法，它还包括将粘合剂层施涂到刚性基材前表面和结构化后表面中的至少一个表面上。
21．如权利要求20所述的方法，其中是将粘合剂层施涂到刚性基材的前表面上。
22．如权利要求21所述的方法，其中制备刚性基材的步骤和施涂粘合剂层的步骤是通过共挤出刚性基材和粘合剂层来完成的。
23．如权利要求20所述的方法，其中是将粘合剂层施涂到逆向反射片的结构化后表面上。
24．如权利要求20所述的方法，其中粘合步骤包括对粘合剂层进行固化。
25．如权利要求19所述的方法，其中粘合步骤是超声波粘合。
26．如权利要求19所述的方法，其中第一步提供步骤包括提供具有重复图案的前表面。
27．如权利要求19所述的方法，其中第二步提供步骤包括提供具有重复图案的结构化后表面。
28．如权利要求19所述的方法，其中粘合步骤包括使结构化后表面的部分沿重复图案变形。
全文摘要
一种逆向反射标志(40),它包括刚性标志板(48)和具有结构化表面的逆向反射片(42)。结构化表面具有在其上形成的立方角元件(44a),该结构化表面粘合到标志板的表面(48a)上,分隔出许多单元。这些单元能保护立方角元件免受对膜的逆向反射性能会有不利影响的水分和污垢的侵害。是将结构化表面直接密封到标志板上,而不是先密封到一层中间密封膜上而后再密封到标志板上,就可以获得较简单的预制标志结构。在某些实例中,相互连接的凸出部分(44b)起着分隔密封单元的作用。凸出部分可以是在逆向反射片的结构化表面上,也可以是在标志板的表面上。也披露了制造所述标志板的方法。本发明的标志可以用作控制交通的标志,街道标志和汽车牌照板。
文档编号E01F9/015GK1316059SQ99806706
公开日2001年10月3日 申请日期1999年1月6日 优先权日1998年5月29日
发明者P·J·诺西 申请人:美国3M公司