DE2942225A1

DE2942225A1 - Vorrichtung zum bilden von lochreihen in blattmaterial

Info

Publication number: DE2942225A1
Application number: DE19792942225
Authority: DE
Inventors: Gerald C Barker; Derek L Hine; Richard J Saunders
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1980-05-08
Also published as: GB2032325B; JPS5597891A; JPS6054834B2; US4672168A; FR2439643A1; FR2439643B3; GB2032325A

Description

"^₁" 29Λ2225

H-

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Perforieren von Blatt- oder Bahnmaterial. Insbesondere betrifft die Erfindung das Perforieren von Blattmaterial dadurch, daß ein Laserstrahl auf das Blattmaterial geschickt wird, um durch dieses Löcher zu bilden. Noch spezieller betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit der mehrere Reihen von solchen Perforationen über die Lange einer Bahn aus Blattmaterial in einem einzigen Durchlauf gebildet werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist besonders dazu geeignet, mehrere Reihen von solchen Löchern oder Öffnungen durch Blattmaterial zu bilden, wie Papier für Zigarettenmundstücke.

Es sind mehrere Techniken und Vorrichtungsarten bekannt, um Blattmaterial zu perforieren. Unter diesen befinden sich mechanische Stanzen, elektrische Funken und die Projektion eines Laserstrahls durch die Öffnungen einer perforierten Trommel, über die das Blattmaterial passiert. In der Tabakindustrie wurden die meisten bekannten Techniken jedoch aus verschiedenen Gründen als ungeeignet oder ineffizient zum Perforieren von Papier für Zigarettenmundstücke befunden. Die in Papier für Zigarettenmundstücke einzubringenden Perforationen sind dazu gedacht, die Abgabe von Zigarettenrauchbestandteilen an den Raucher dadurch zu kontrollieren, daß zugelassen wird, daß Luft von der Umgebungsatmosphäre eingesaugt und mit dem Rauch während dessen Durchlauf durch die Filterstruktur gemischt wird. Durch Kontrolle der Luftbeimischung und damit der Abgabe der Rauchbestandteile können verschiedene Eigenschaften wie Teer- und Nikotinpegel in der Zigarette reguliert werden. Da die Öffnungen dazu bestimmt sind, diese Rauchbestandteile zu kontrollieren, ist es wichtig, daß die Größe und Position der Löcher genau kontrolliert wird. Typischerweise haben diese Löcher einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,010 Zoll (0,254 mm) und haben einen gegenseitigen Abstand von etwa 0,040 Zoll (1,02 mm).

0300 19/0723

Beim Versuch, diese erwünschten Abmessungen zu erhalten, ergaben sich beim Stand der Technik mehrere Mangel. Die üblichste bekannte Vorrichtung, nämlich mechanische Stiftstanzen, ist in solch kleinen Größen außerordentlich empfindlich und es treten häufig Schäden an den Stanzen selbst auf, ebenso wie Reißen während des Perforiervorgangs. Eine Perforiervorrichtung mit elektrischen Funken brennt Löcher in das Papier, kann jedoch unregelmäßige öffnungen ergeben und eine verkohlte Kante um jede öffnung lassen, was beides unerwünscht ist.

Eine übliche Type einer bekannten Laservorrichtung ist in der US-PS 3 808 394 beschrieben, gemäß der ein gepulster Laserstrahl auf einen rotierenden Spiegel gerichtet wird,der den Strahl zu einer öffnung in einer unabhängig rotierenden Trommel reflektiert, um das Blattmaterial in der Nachbarschaft der öffnung zu verdampfen. Eine Laservorrichtung gemäß einer älteren US-Anmeldung Serial No. 670 113 weist eine rotierende Trommel mit öffnungen um ihren Umfang herum auf, und über diese Trommel wird ein schmaler Papierstreifen geführt. Ein Dauerstrich-Laser ist gegen das Innere des Trommelumfangs gerichtet und scheint durch die Trommel öffnungen, so daß das diesen benachbarte Blattmaterial verdampft wird. Diese ä'ltere Laservorrichtung hat den Nachteil eines geringen Durchsatzes und Wirkungsgrades, da ein einzelner Laser bei dieser Vorrichtung nur in der Lage ist, eine Reihe von öffnungen je Durchlauf des Blattmaterials hervorzurufen. Dementsprechend ist die ältere Vorrichtung nicht mit den 44 Zoll (1,12 m) breiten "Eltern"-Mundstückpapierrollen verwendet worden, sondern nur mit einer Einzelspule des Papiers mit einer Breite äquivalent einem oder bestenfalls zwei Zigarettenmundstücken. Bei der Vorrichtung mit rotierender Maske ergab sich der Nachteil auch aus dem wenig wirkungsvollen Gebrauch eines Dauerstrich-Lasers, da nur ein Teil der Ausgangsenergie durch die Trommel öffnungen hindurchtritt, um Löcher zu bilden, während der überwiegende Teil der Energie zum Laser zurück reflektiert oder abgeführt wurde, ohne daß nutzbare Arbeit geleistet wurde. Ersichtlich kann der Materialdurchsatz dramatisch erhöht werden, wenn eine ganze Elternrolle mit Papier ausreichender Breite für 32 Zigaretten in einem

.../4 030019/0723

einzigen Durchlauf durch die Perforiervorrichtung perforiert werden könnte, und der Wirkungsgrad würde deutlich verbessert, wenn die ganze Energie des Laserstrahls zum Perforieren ausgenutzt werden könnte.

Zusammenfassung der Erfindung

In Anbetracht der Mängel der früheren Vorrichtungen ist es Aufgabe der Erfindung, diese Mängel dadurch zu überwinden, daß eine neuartige und verbesserte Laser-Perforiervorrichtung verfügbar gemacht wird, mit der zuverlässig in einem einzigen Durchlauf der Bahn durch die Vorrichtung eine Vielzahl von Reihen von Löchern gebildet werden kann, die in Querrichtung zur laufenden Bahn im Abstand voneinander liegen. Ferner soll durch die Erfindung eine solche Vorrichtung verfügbar gemacht werden, bei der im wesentlichen die gesamte Energie eines Dauerstrichlaserstrahls für diese Perforation ausgenutzt wird.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung verfügbar gemacht, die einen Dauerstrich-Laser aufweist, der einen im wesentlichen kontinuierlichen Laserstrahl erzeugt, sowie Einrichtungen, mit denen im wesentlichen die gesamte Energie des Laserstrahls für vorgegebene Zeitperioden an diskrete Bahnteile geliefert wird, die quer über die Bahn voneinander entfernt sind. Die Strahlabgabeeinrichtung weist Einrichtungen auf, die periodisch in den Weg des Laserstrahls eingesetzt und aus diesem entfernt werden, um den Strahl periodisch zu den voneinander entfernten Bahnteilen abzulenken, wobei die Energie des an jeden solchen Bahnteil abgegebenen Laserstrahls ausreicht, um an dieser Stelle ein Loch durch die Bahn zu bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlablenkeinrichtung eine Vielzahl von den Strahl kurzzeitig faltenden Elementen auf, einschließlich einer Vielzahl von scheibenartigen, reflektierenden Zerhackungseinrichtungen, die so montiert sind, daß sie zueinander synchron rotieren, während die einzelnen reflektierenden Flächen jedes dieser Zerhacker in zueinander parallelen Ebenen liegen und winkel mäßig um ihre Achsen gegeneinander versetzt sind, wobei jeder

.../5 03001 9/0723

dieser Zerhacker einer Reihe von öffnungen entspricht, die in dem Blattmaterial gebildet werden sollen.

Die erwähnten Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 perspektivisch eine Vorrichtung nach der Erfindung, mit der 32 Reihen von Löchern in einer Bahn aus Blattmaterial in einem einzigen Durchlauf geformt werden können, wobei die Vorrichtung acht Strahlrichtungsmodule enthält;

Fig. 2 schemati sch einen der Strahlrichtungsmodule der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines der Strahlrichtmodule der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Fokussieroptik des Moduls nach Fig. 3; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3; .

Fig. 6 einen Teilschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 3 zur Veranschaulichung des Winkelpositions-Justiermechanismus;

Fig. 7 eine Ansicht der Einrichtung nach Fig. 6, wobei der Winkel positionier-Mechanismus in einer anderen Justierposition dargestellt ist;

einen Schnitt durch einen der Zerhacker der Vorrichtung nach Fig. 3;

eine Aufsicht auf die Zerhackerscheibe nach Fig. 8 entsprechend der Linie 9-9 in Fig. 8;

eine Teilansicht entsprechend der Linie 10-10 in Fig. 3; eine Teilansicht entsprechend der Linie 11-11 in Fig. 3;

030019/0723

Fig.12 schema ti sch die gegenseitige Beziehung von Strahl zerhacker, Bewegungsrichtung der Bahn aus Blattmaterial und Lochkonfiguration der Vorrichtung nach der Erfindung, wobei der Strahlablenkteil des Zerhackerscheibenumfangs sich in Gegenrichtung zur Bahn bewegt;

Fig.l3A

-13C Teildarstellungen der Vorrichtung nach Fig. 12 zur Illustration der Schritte bei der Herstellung eines Loches mit allgemein rechteckiger Form;

Fig.l4A

-14C schematisch die Teile des Strahls, die während der in Fig. 13A bis 13C dargestellten Schritte auf die Bahn auftreffen;

Fig.15 schematisch die gegenseitige Beziehung von Zerhackerscheibe und Bahn aus Blattmaterial, bei der sich der Strahlablenkteil des Scheibenumfangs im wesentlichen in der gleichen Richtung bewegt wie die Bahn;

Fig.IGA

-16C schematisch die Schritte bei der Bildung eines länglichen, ovalen Loches durch die Vorrichtung nach der Erfindung; und

Fig.l7A

-17C die Teile des Laserstrahls, die während der Schritte gemäß Fig. 16A bis 16C auf die Bahn auftreffen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 1 als eine Vorrichtung dargestellt, mit der 32 parallele Reihen von öffnungen längs einer Bahn aus Blattmaterial während eines einzigen Durchlaufs des Blattmaterials durch die Vorrichtung gebildet werden können. Bei dieser Vorrichtung sind zwei Dauerstrich-Laser 4 vorgesehen, zweckmäßigerweise solche vom Typ EVERLASE der Anmelderin. Diese Laser 4 enthalten bei dieser bevorzugten Ausführungsform jeweils vier Dauerstrich-COp-Laserköpfe 6. Der Ausgangsstrahl von jedem Laserkopf 6 wird durch eine teleskopierende, rohrförmige Umhüllung 8 für den optischen Weg des Laserstrahls

030019/0723

an den jeweiligen Strahlrichtmodul 10 gerichtet.

Da die Vorrichtung nach Fig. 1 mit befriedigendem Erfolg mit einem, oder acht, oder irgendeiner anderen Anzahl dieser Strahlrichtmodule verwendet werden kann, und da jeder dieser Module zweckmäßigerweise im wesentlichen mit allen anderen identisch ist, wird die Konfiguration und der Betrieb im Detail hier nur mit Bezug auf einen einzigen solchen Modul 10 beschrieben. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Beschreibung in gleicher Weise für alle anderen Module gültig ist.

Die Hauptkomponenten eines der Strahlabgabemodule 10 sind deutlicher in Fig. 3 dargestellt. Der Modul weist ein Gehäuse 12 auf, das mit geeigneten Einrichtungen, beispielsweise Kugellagerbüchsen 14, auf ein Tragelement 16 montiert ist, das seinerseits am Hauptgestell 17 abgestützt ist. Angrenzend an das rechte Ende (Fig. 3) des Gehäuses tritt die Laserstrahl umhüllung 8 in dieses Gehäuse ein, um den Laserstrahl in dieses hineinzubringen. Direkt unterhalb der Strahlumhüllung 8 befindet sich ein fester Umlenkspiegel 18, der den Laserstrahl von seinem vertikalen Eintritt in das Gehäuse 12 in eine horizontale Richtung umlenkt, die allgemein parallel zur Ebene der zu perforierenden Bahn 2 verläuft.

Auf das entgegengesetzte Ende des Gehäuses 12 ist ein Zerhackerantriebsmotor 20 montiert, bei dem es sich vorzugsweise um einen Elektromotor handelt, der mit der Antriebseinrichtung 21 synchronisiert ist, die in üblicher Weise konstruiert ist und die Bahn 2 längs ihres in eine Richtung verlaufenden Laufweges fördert. Eine Riemenscheibe auf der Ausgangswelle des Motors 20 ist über geeignete Einrichtungen beispielsweise einen Zahnriemen 24, mit einer Riemenscheibe 25 verbunden, die an einer Haupt-Treibwelle 26 befestigt ist, die im Gehäuse 12 gelagert ist.

030019/0723

Zwischen dem Motor 20 und der Strahl umhüllung 8 innerhalb des Gehäuses 12 befinden sich eine oder mehrere, im vorliegenden Fall drei, Zerhackereinheiten 28A, 28B und 28C, die zweckmäßigerweise im wesentlichen miteinander identisch sind und gemäß Figur 8 aufgebaut sind, bei der es sich ¹Jm einen Schnitt durch den ersten Zerhacker 28A handelt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Komponenten der anderen Zerhackereinheiten im wesentlichen die gleichen sind, wobei Bauteile entsprechend den Teilennummern der Einheit 28A in Figur 8 numeriert sind. Diese erste Zerhackereinheit 28A weist ein Zerhackerrad aus einer Scheibe 3OA auf, die fest an einer Welle 32A befestigt ist, die in geeigneten Lagern gelagert ist, die an den Zerhackergehäuseelementen 34A und 36A befestigt sind, die auf konventionelle Weise aneinander befestigt sind und die im wesentlichen das scheibenartige Zerhackerrad 3OA einschließen. Die Gehäuseelemente 34A und 36A sind miteinander verbunden und sind zusätzlich fest am Gehäuse 12 der Strahlrichteinheit befestigt, so daß das Zerhackerrad 3OA mit Bezug auf dieses Gehäuses lokalisiert und an diesem befestigt wird. An einem Ende der Welle 32A ist eine Riemenscheibe 38A befestigt, die in geeigneter Weise zur Verwendung mit einem Synchron-Zahnriemen 4OA ausgebildet ist. Dieser Riemen 4OA greift auch in der in Figuren 3 und 5 dargestellten Weise in eine geeignete Riemenscheibe 25 ein, die an der Hauptwelle 26 befestigt ist, so daß sie mit dem Motor 20 angetrieben werden kann. Die Zerhackereinheiten 28B und 28C sind in ähnlicher Weise montiert und werden mit Riemen 4OB bzw. 4OC angetrieben.

Alle Zerhackereinheiten 28A, 28B und 28C sind mit ihren Wellen und den Ebenen der Zerhackerräder 3OA, 3OB und 3OC unter einem Winkel, zweckmäßigerweise 45° zur Richtung des Laserstrahls montiert, der von dem Umlenkspiegel 18 kommt. Angrenzend an das unterste Ende jedes der Zerhackereinheitengehäuse 34A-34C und 36A-36C sind öffnungen 42A, 42B und 42C vorgesehen, die mit dem Laserstrahl ausgefluchtet sind, der vom Umlenkspiegel 18 kommt, und mit dem äußeren Teil der Zerhackerräder 30A-30C. Zusätzliche öffnungen 44A-44C durchsetzen diese

.../9 030019/0723

- r-

öffnungen 42A-42C unter 90 und stehen nach unten vom Außenteil der Zerhackerräder 3OA-3OC vor.

Links (in Figur 3) von allen Zerhackereinheiten und mit dem Umlenkspiegel 18 ausgefluchtet ist ein weiterer, fester Umlenkspiegel 46 am Gehäuse 12 befestigt; sein Zweck wird später erläutert. In Figur 9 ist ein Zerhackerrad 3OA dargestellt, das im wesentlichen identisch den Zerhackerrädern 3OB und 3OC aufgebaut ist. Diese Struktur ist ein allgemein scheibenartiges Element mit Teilen 48A, die sich radial nach außen vom Scheibenumfang an voneinander entfernten Stellen erstrecken. Die Teile 48A liegen zweckmäßigerweise alle in einer gemeinsamen Ebene, bei der es sich vorzugsweise um eine parallel zur breiten Fläche des scheibenartigen Elementes 3OA handelt. Jeder dieser Teile 48A ist in geeigneter Weise poliert und so beschichtet, daß er gut die Strahlen von den Lasern 4 reflektiert. Jeder der Strahlreflexionsteile 48A erstreckt sich vorzugsweise über im wesentlichen gleiche Winkel um die Achse des scheibenartigen Elementes 3OA und hat von dem in Umfangsrichtung nächsten ähnlichen Teil 48A einen Abstand gleich dem Produkt der Umfangsbreite W irgendeines dieser Teile 48A mit der Anzahl der Umlenkspiegel und Zerhackereinheiten, abgesehen von der ersten Zerhackereinheit 28A, die mit dem Umlenkspiegel 18 ausgefluchtet sind. Auf diese Weise bewegt eine Drehung des Zerhackerrades 3OA mit konstanter Drehzahl periodisch jeden einzelnen Reflektorteil 48A in den Weg des Laserstrahls vom Umlenkspiegel 18 für Zeitspannen hinein, die im wesentlichen gleich für jeden der anderen Reflektorteile 48A ist. Bei dieser Ausführungsform sind zwei weitere Zerhackereinheiten 28B und 28C und ein Umlenkspiegel 46 so ausgefluchtet. Dementsprechend ist der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Reflektorteilen 48A des Zerhackerrades gleich dem Dreifachen der Breite jedes dieser reflektierenden Teile 48A, die jeder im wesentlichen gleiche Größe haben. Bei dieser bevorzugten AusfUhrungsform sind die Zerhackerräder 38A, 38B und 38C identisch aufgebaut und haben 10 im wesentlichen identische, individuelle Reflektorteile 48A, 48B und 48C im Abstand um den Umfang jedes Rades.

.../10 030019/0723

- VO -

Während die Reflektorteile jedes der Zerhackerräde 3OA, 3OB und 3OC in Ebenen liegen, die zueinander parallel sind, ist jeder dieser Zerhacker 30A, 30B und 30C winkelmäßig um seine Achse gegen die Orientierung der anderen in der in Figur 10 dargestellten Weise versetzt, bei der es sich um einen Schnitt entsprechend den Linien 10-10 in Figur 3 handelt. Bei dieser schematischen Darstellung ist erkennbar, daß das Zerhackerrad 3OB winkelmäßig um die Breite eines reflektierenden Teiles 48B gegen die Rotationsorientierung des Zerhackerrades 3OA versetzt ist. Das Zerhackerrad 3OC ist in Drehrichtung um einen weiteren Betrag gleich dem von einem weiteren Reflektorteil 48C eingeschlossenen Winkel gegen die Ausfluchtung von 48B versetzt. Wie bereits erwähnt, erstrecken sich die Reflektorteile 48A, 48B und 48C jeweils über gleiche Winkel um die entsprechenden scheibenartigen Elemente 3OA, 30B und 30C. Durch diese Rotationsanordnung wird, wie noch gezeigt wird, der Laserstrahl jederzeit von einem oder mehreren der momentan den Strahl ablenkenden Elemente, nämlich dem Umlenkspiegel 46, bzw. den einzelnen Reflektorteilen 48A, 48B und 48C der Zerhackerräder abgefangen und abgelenkt. Es ist zu erwähnen, daß zwar rotierende Zerhackerräder bei der bevorzugten Ausführungsform dargestellt sind, andere bekannte Formen von Strahl Zerhackerstrukturen jedoch ebenfalls dazu verwendet werden könnten, die erwünschten Strahlablenke!emente periodisch in den Strahlweg einzusetzen und aus diesem herauszunehmen.

Während die drei Zerhackerräder 38A, 38B und 38C eng mit der gewünschten Positionierung gemäß Fig. 10 ausgefluchtet sind, wenn die Räder 30A, 30B und 30C und die jeweiligen Antriebsriemettscheiben auf die Wellen 32A, 32B und 32C montiert sind, sind bei dieser Ausführungsform Einrichtungen, wie in Fig. 6 und 7 dargestellt, ebenfalls vorgesehen, um die Rotationsausfluchtung des einen Zerhackerrades mit Bezug auf das andere fein zu justieren. Diese FeinJustierstruktur,

.../11

0300 1 9/0723

/73·

die für jede der Zerhackereinheiten vorgesehen ist, weist zwei freilaufende Rollen 50 auf, die an einem Element 52 befestigt sind, um den Antriebsriemen 4OA (oder 4OB oder 40C) leicht nach innen abzulenken. Dieses Element 52 ist an das Zerhackergehäuse 34A mit geeigneten Justiereinrichtungen montiert, beispielsweise einer Schraubenspindel, um für eine Bewegung in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung hin und her zu sorgen. Wie in Fig. 6 und 7 dargestellt ist, kann eine leichte Drehung der Zerhackerriemenscheibe 38A im Uhrzeigersinn erreicht werden, indem das Element 52 nach links bewegt wird, selbst wenn die Hauptantriebswelle 26 genau fixiert gehalten wird. In ähnlicher Weise kann eine Justierung gegen den Uhrzeigersinn dadurch erreicht werden, daß das Element 52 nach rechts bewegt wird, so daß eine Feinjustierung der Rotationspositionen jedes der Zerhackerräder 3OA, 3OB und 3OC möglich ist.

Wie in Fig. 3 und 11 erkennbar ist, sind unter jeder der nach unten weisenden Einheiten-Öffnungen 44A, 44B und 44C und unter dem festen Umlenkspiegel 46 Longitudinal-Umlenkspiegel 54A, 54B, 54C und 54D angeordnet, die jeder irgendeinen auftreffenden Laserstrahl in eine Richtung allgemein parallel zur Längsrichtung der Bahn 2 ablenken. Mit diesen Longitudinal-Umlenkspiegeln 54A, 54B, 54C und 54D sind zugehörige Quer-Umlenkspiegel 56A, 56B, 56C und 56D ausgefluchtet, die so positioniert sind, daß sie einen Laserstrahl, der von den Longitudinal-Umlenkspiegelη kommt, in einer Richtung quer zur Bahn 2 ablenken.

Mit den Quer-Ablenkspiegeln 56A, 56B, 56C und 56D sind Abwärts-Umlenkspiegel 58A, 58B, 58C und 58D ausgefluchtet, wobei diese Abwärts-Umlenkspiegel jeweils in eine Strahl-Positionier- und Fokussier-Einheit 6OA, 6OB, 6OC oder 6OD montiert sind. Die Einheit 6OC ist im einzelnen in Figur 3 dargestellt. Diese Einheit 6OC weist ein Gehäuse 62C auf, das an einer Tragwelle 64C befestigt ist, die vom Gehäuse 12 getragen wird und in einer Richtung entsprechend den Pfeilen auf Welle 64C in Figur 3 relativ zu diesem bewegbar ist. Diese Tragwelle 64C wird in einem Supportgehäuse 66C aufgenommen,

.../12 030019/0723

- κΤ-

das an dem Modul gehäuse 12 befestigt ist und in dem die Welle 64C sich in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung bewegen kann. Eine Nonius- und Schraubenspindel-Anordnung 68C verbindet die Tragwelle 64C mit einem Haltearm 70 am Gehäuse 12 und sorgt für genau kontrollierbare und vorbestimmbare Bewegungsbeträge der Welle 64C mit Bezug auf das Gehäuse 12 und damit quer zur Bahn 2. Eine Strahlumhüllung 71C, die sich von dem Quer-Umlenkspiegel 56C erstreckt, wird teleskopierend im Gehäuse 62C aufgenommen.

Vom Gehäuse 62C nach unten erstreckt sich die Endfokussier-Optikeinheit 72C, die ein geeignetes Gehäuse 74C aufweist, das eine geeignete Fokussierlinse oder mehrere Linsen 76C trägt. Die Position der Fokussierlinse 76C ist einstellbar, um den Brennpunkt des Laserstrahls zu justieren, der durch sie hindurch austritt, und zwar mittels einer geeigneten Gewindeanordnung, wie in Figur 4 dargestellt. Der Brennpunkt dieser Einheit kann fern, vom anderen Ende des Moduls 10 durch den Eingriff eines Kegel ritze's 8OC in einen Zahnkranz 78C eingestellt werden, wobei das Ritzel 8OC seinerseits an einer Welle 82C befestigt ist. Die Welle 82C ist teleskopierend in einer Außenwelle 84C aufgenommen, die mit einem Nonius 86C kontrolliert werden kann, der an einem Haltearm 70 unterhalb des Kopfpositioniernonius 68C befestigt ist. Die Position des Fokussierkopfes 72C quer zur Bahn 2 und der Brennpunkt des aus der Einheit 72C auftretenden Laserstrahls können also beide präzise in vorgegebenen Beträgen zu vorgegebenen Positionen durch geeignete Manipulation der Noniusse 68C und 86C justiert werden, die so positioniert sind, daß diese Justierung während des Betriebs der Einrichtung erleichtert ist, während die Bahn 2 an der Strahl richtvorrichtung vorbei gefördert wird. Die präzise Feinjustierung ist zusätzlich zur groben Querpositionierung des Moduls 10, die dadurch bewirkt werden kann, daß der ganze Modul auf seinen Kugelbüchsen 14 in Längsrichtung des Tragelementes 16 bewegt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß eine der Strahlrichteinheiten 6OC und Fokussiereinheiten 72C so vorgesehen ist, daß sie mit jeweils einem der Quer-Umlenkspiegel 56A, 56B, 56C und 56D zusammenwirken kann.

.../13

03001 9/0723

In Figuren 12 bis 17C sind schematisch die Schritte bei der Herstellung von Öffnungen unterschiedlicher Formen sowie Größen in der Bahn 2 durch Manipulation und Kontrolle der verschiedenen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In diesen Figuren ist die Vorrichtung schematisch dargestellt, wobei die verschiedenen Umlenkspiegel der Einfachheit halber weggelassen worden sind und als einzige optische Elemente das Zerhackerrad 3OA mit seinen einzelnen Reflektorteilen 48A und die Fokussierlinsenanordnung dargestellt sind, die schematisch durch die Linse 76A angedeutet ist.

In Figuren 12 und Figuren 13A, 13B und 13C und 14A, 14B und 14C sind die Resultate dargestellt, die sich ergeben, wenn diese Vorrichtung in der Weise betrieben wird, daß sich die Bahn 2 in einer Richtung allgemein entgegengesetzt in der Richtung des Strahlreflektorteils des Umfangs des Zerhackerrades 3OA bewegt, wobei sich die Bahn unterhalb des Brennpunktes f des fokussierten Laserstrahls 88 befindet. Bei der in Figur 13A dargestellten Konfiguration ist der Teil des Strahls, dem das Papier zunächst ausgesetzt ist, ein flachsei tiger Teil, der durch die voreilende Kante des Reflektorteils 48A des Zerhackerrades definiert ist. Während die Bahn 2 weiter sich am festen, auf sie gerichteten Laserfleck vorbeibewegt, rotiert das Zerhackerrad 3OA weiter in durch den Pfeil angedeuteter Richtung. Diese weitergehende Drehung bringt gemäß Figur 13B die volle Breite des Reflektorteils 48A des Zerhackerrades über den ankommenden Laserstrahl 88, so daß der ganze, allgemein kreisförmige, Strahl auf die Bahn abgelenkt wird, wie in Figur 13B dargestellt. Die Bahn läuft weiter und ebenso dreht sich das Zerhackerrad 3OA weiter, und Figur 13C zeigt, daß der Endteil des von Zerhackerrad 3OA an diesen speziellen Fleck abgelenkten Laserstrahl eine nacheilende Kante hat, die allgemein stumpf abgeschnitten ist, wie durch die nacheilende Flanke des Reflektorteils 48A des Zerhackerrades definiert. Es wird also durch die Bahn 2 eine allgemein rechteckige Öffnung 90 gebildet. Die Schritte

.../14 030019/0723

bei der Bildung dieser öffnung 90 sind auch in Figuren 14A, 14B und 14C entsprechend den Ereignissen gemäß Figuren 13A, 13B bzw. 13C dargestellt. Wie oben erwähnt, ist die voreilende Flanke jedes der Strahlreflektorteile 48B des zweiten Zerhackerrades 3OB drehungsmäßig unmittelbar angrenzend an die nacheilende Flanke des Reflektorteils 48A des ersten Zerhackerrades positioniert. Wenn also die nacheilende Flanke des ersten Reflektorteils 48A eines Zerhackerrades aus dem Eingriff mit dem Strahl herausdreht, wie in Figur 13C, dreht einer der Reflektorteile 48B des zweiten Zerhackers 3OB in die den Strahl 88 abfangende Position, so daß eine öffnung in einer anderen Position der Bahn in der gleichen Weise wie die öffnung 90 gebildet wird. Eine fortgesetzte Drehung sorgt dafür, daß entsprechende Ereignisse am dritten Zerhackerrad 3OC und am festen Umlenkspiegel 46 eintreten, von denen jeder also eine solche allgemein rechteckige öffnung formt.

Das Resultat einer Drehung des Zerhackerrades in der Weise, daß der Laserstrahl vom Teil 48A reflektiert wird, wenn dieser sich in der gleichen allgemeinen Richtung bewegt wie die Bahn 2, sind in Figuren 15 und in Figuren 16A, 16B, 16C sowie Figuren 17A, 17B und 17C dargestellt, wieder in einer Konfiguration, bei der die Bahn 2 unterhalb des Brennpunktes f des Laserstrahls 88 positioniert ist. Gemäß Figur 16A ist die voreilende Flanke der öffnung 92, die bei dieser Konfiguration gebildet wird, diejenige, die durch den gerundeten Umfang des Laserstrahls 88 mit allgemein kreisförmigen Querschnitt gebildet wird, und nicht diejenige, die durch die gerade Flanke des Strahl reflektorteils des Zerhackerrades geformt ist. Die voreilende Flanke der öffnung 92 ist also ebenfalls allgemein abgerundet. Gemäß Figur 16B bringt die weitere Drehung des Zerhackerrades 30 sowie Bewegung der Bahn 2 die volle, allgemein kreisförmige Beleuchtung des Laserstrahls auf die Bahn 2. Dann wird gemäß Figur 16C die nacheilende Flanke der öffnung 92 durch die entgegengesetzt abgerundete Seite des allgemein kreisförmigen Laserstrahls 88 definiert, so daß die nacheilende Kante der öffnung 92 ebenfalls abgerundet ist. Wie also in

.../15 0300 1 9/0723

Figuren 17A, 17B und 17C dargestellt, liefert diese Konfiguration eine längliche oder allgemein ovale Form einer öffnung 92.

Da die Konfiguration nach Figuren 13A, 13B und 13C und Figuren 16A, 16B und 16C beide die Positionierung der Blattmaterialbahn 2 unter dem Brennpunkt f des Laserstrahls einschließen, dürfte es für den Fachmann ersichtlich sein, daß die Strahlumkehr, die durch die Fokussierelemente 76A bewirkt wird, für die Bildung der öffnungen 90 nach Figur 14C mit allgemein geradlinigen Enden sorgen, wenn die Richtung der Zerhackerraddrehung und der Bahnbewegung die von Figuren 15 und 16A, 16B und 16C wären und sich die Bahn oberhalb des Brennpunktes f des Laserstrahls befinden würden. In ähnlicher Weise könnten die öffnungen mit abgerundeten Enden gemäß Figur 17C durch die Konfiguration von Rotation und Bahnbewegung gemäß Figuren 12 und Figuren 13A, 13B und 13C gebildet werden, wenn die Bahn 2 oberhalb des Brennpunktes f positioniert wäre. Ersichtlich kann die Länge der öffnung 90 oder 92 dadurch geändert werden, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Bahn 2 relativ zur Drehzahl der Zerhackerräder 30A-30C geändert wird. Durch all diese Einstellungen können also sowohl die Größe als auch die Form des durch die Bahn gebildeten Loches leicht kontrolliert und geändert werden.

Aus dem vorangegangenen ist die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlicher erkennbar. Jeder Laserkopf 6 liefert einen Dauerstrich-Laserstrahl 88, der durch die zugehörige Strahl umhüllung 8 an einen der Module 10 geführt wird. Innerhalb dieses Moduls 10 wird der Laserstrahl 88 allgemein parallel zur s^ch in Längsrichtung bewegenden Bahn 2 auf die Umlenkspiegel- und Zerhacker-Einheiten zu gerichtet, die die den Strahl momentan ablenkenden Elemente bilden. Jedes dieser den Strahl momentan ablenkenden Elemente entspricht einem der Teile der Bahn 2, wo eine longitudinal Lochreihe geformt werden soll. Der Laserstrahl geht dann durch eine erste Strahl zerhackereinheit 28A mit einem scheibenartigen Zerhackerrad 8OA, das strahlreflektierende Teile aufweist, die, durch Rotation des Zerhackerrades, periodisch in

.../16 030019/0723

- w-

den Weg des Laserstrahls eingeschaltet und aus diesem herausgenommen werden. Wenn ein solcher Reflektorteil 48A in den Weg des Laserstrahls 88 kommt, lenkt er den Laserstrahl nach unten zum Längs-Umlenkspiegel 54A herüber zum Quer-Umlenkspiegel 56A und dann zum Abwärts-Umlenkspiegel 58A. Vom Umlenkspiegel 58A wird der Strahl durch die Fokussieroptik 76C gerichtet, die den Strahl im gewünschten Sinne auf die Bahn fokussiert. Wenn das Zerhackerrad 3OA weiter rotiert, wobei sein Strahlreflexionsteil von einer den Strahl abfangenden Position weg bewegt wird, erlauben die Lücken oder strahl durchlass!gen Teile dieses Zerhackerrades dem Strahl, zum nächsten, momentan den Strahl ablenkenden Element weiter zu laufen, bei dem es sich in der bevorzugten Ausführungsform um die zweite Zerhackereinheit 28B handelt. An dieser zweiten Zerhackereinheit tritt der gleiche Vorgang von Strahlablenken, Fokussieren und Richten ein, so daß eine zweite Reihe von öffnungen in Längsrichtung der Bahn 2 geschaffen wird. Wenn der einzelne strahl reflektierende Teil dieses zweiten Zerhackerrades 30B seine Rotation aus dem Weg des Laserstrahls fortsetzt, tritt dieser Strahl zum dritten Zerhackerrad 3OC durch, das in ähnlicher Weise für eine dritte Löcherreihe in Längsrichtung der sich an der Vorrichtung vorbei bewegenden Bahn sorgt. Wenn der einzelne Strahlreflektorteil dieses dritten Zerhackerrades aus dem Abfangen des Laserstrahls 88 heraus bewegt wird, läuft der Strahl weiter zum festen Umlenkspiegel 46, der in analoger Weise dazu dient, die vierte Löcherreihe 1n Längsrichtung der Bahn 2 zu schaffen. Eine fortgesetzte Drehung der Zerhackerräder 3OA, 3OB und 30C bringt dann den nächsten einzelnen Strahl reflektorteil des ersten Zerhackerrades 3OA zum Abfangen des Laserstrahls, so daß die Folge erneut beginnt, so daß eine zweite öffnung gebildet wird, die in Längsrichtung mit der unmittelbar vorangegangenen öffnung ausgerichtet ist, die von der mit dem Zerhackerrad 3OA assoziierten Einrichtung gebildet ist.

.../17

0300 1 9/0723

- vr-

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die im einzelnen oben beschrieben ist, sind drei rotierende Zerhackerräder und ein fester Umlenkspiegel vorgesehen. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß jede beliebige Anzahl von parallelen Zerhackerrä'dern bei dieser Vorrichtung verwendet werden könnte, um eine größere oder kleinere Anzahl von Öffnungsreihen längs der Bahn von jedem Modul 10 zu bilden. In Figur 1 ist eine speziell bevorzugte Ausführungsform dieser Vorrichtung dargestellt, die 8 solche Module enthält, die jeder vier Ausgangsstrahlen haben und damit dafür sorgen, daß 32 Öffnungsreihen längs der Bahn während eines einzelnen Durchlaufs der Bahn unter der Perforiervorrichtung gebildet werden. Bei dieser speziell gewünschten Vorrichtung ist jeder Laserstrahl mit etwa 150 Watt Dauerstrichleistung ausgestattet, wobei sich die Zerhackerräder mit einer Drehzahl von etwa 10.000 U/min drehen, so daß von jedem Modul 100.000 öffnungen pro Minute gebildet werden. Diese öffnungen haben normalerweise Nennabmessungen von etwa 0,010 Zoll χ etwa 0,010 Zoll (0,254 χ 0,254 mm) und einen Mittenabstand von 0,040 Zoll (1,02 mm) durch eine Papierdicke von 0,002 Zoll (0,051 mm), wobei sich das Papier mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Fuß pro Minute (91 m pro Minute) bewegt. Der relative Abstand der Öffnungsreihen quer zur Bahn 2 kann jederzeit dadurch eingestellt werden, daß die Module 10 längs ihrer Träger 16 bewegt werden und die Noniusse 68 justiert werden, um die einzelnen Strahl richtköpfe 62 quer zur Bahn und zueinander zu bewegen. Eine solche Anordnung wurde als befriedigend befunden, um dem Laser zu ermöglichen, die erwünschten öffnungen durch die Bahn 2 zu bilden.

030019/0723

Claims

C8 P15 D

Patentansprüche

orrichtung zum Bilden einer Anzahl Lochreihen in einer Bahn aus lattmaterial, das in Längsrichtung längs eines in einer Richtung verlaufenden Laufweges vorgeschoben wird, bestehend aus einem Laser, der einen im wesentlichen kontinuierlichen Strahl mit ausreichender Energie liefert, um Löcher in der Bahn zu bilden, wenn er auf diese gerichtet wird, und Strahlabgabeeinrichtungen, mit denen der Laserstrahl an diskrete Teile der laufenden Bahn abgegeben wird, die quer über die Bahn voneinander entfernt sind, und zwar für vorgegebene Zeitspannen, so daß ein Loch in jedem dieser Bahnteile gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlabgabeeinrichtung aus einer Anzahl Zerhacker besteht, die jeder auf eine getrennte drehbare Welle montiert sind und jede dieser Wellen parallel und im Abstand von jeder anderen dieser Wellen angeordnet ist, daß jeder Zerhacker aus einem scheibenartigen Element besteht, das eine Vielzahl von individuellen Strahl reflektorteil en trägt, die sich radial von seinem Umfang an in Umfangsrichtung voneinander entfernten Stellen erstrecken, abwechselnd mit strahldurchlässigen Teilen, die periodisch in den Weg des Laserstrahls eingeschaltet und aus diesem herausgenommen werden, indem die Wellen rotieren, um den Laserstrahl periodisch zu den voneinander entfernten Bahnteilen abzulenken, so daß mehrere Lochreihen in Längsrichtung längs der Bahn in einem einzigen Durchlauf der laufenden Bahn vorbei an der Vorrichtung gebildet werden, die in Querrichtung zur Bahn voneinander entfernt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle scheibenartigen Elemente der Zerhacker im wesentlichen gleiche Durchmesser haben.

.../A2

Ö3ÖÖ19/O723 ORIGINAL INSPECTED
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zerhackerreflektorteile im wesentlichen gleiche Winkel um ihre jeweiligen scheibenartigen Elemente umfassen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen festen Umlenkspiegel, der so positioniert ist, daß er den Laserstrahl empfängt und zur Bahn ablenkt, wenn kein Reflektorteil eines Zerhackers den Strahl ablenkt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlreflektierenden Teile jedes Zerhackers voneinander in Umfangsrichtung um eine Distanz entfernt sind, die gleich ist dem Produkt der Umfangsbreite eines der Reflektorteile mit der Anzahl von scheibenartigen Zerhackerelementen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhacker für zueinander synchrone Drehung montiert sind, wobei die einzelnen Reflektorflächen jedes Zerhackers in zueinander parallelen Ebenen liegen und um ihre Achsen zueinander versetzt sind in der Weise, daß der Laserstrahl mit zyklischer Wiederholung von einzelnen Reflektorteilen von aufeinanderfolgend Positionierten der Zerhacker und von dem festen Umlenkspiegel abgelenkt wird, so daß der Laserstrahl periodisch von jedem der Zerhacker sowie dem Umlenkspiegel an die Bahn abgegeben wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur wahlweisen Änderung der Form der Flecke.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Änderung der Fleckform aus Einrichtungen besteht, mit denen selektiv bestimmt wird, welcher Teil des Laserstrahls als erster an dem Fleck auf die Bahn auftrifft.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung der Fleckform aus einer Einrichtung besteht, mit der die Richtung der Zerhackerbewegung geändert wi rd.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung der Fleckform aus Einrichtungen besteht, mit denen die Geschwindigkeit der Zerhackerbewegung geändert wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fleckformänderungseinrichtung aus einer Einrichtung besteht, mit der der Punkt geändert wird, an dem der Laserstrahl relativ zur Ebene der Bahn fokussiert wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl richteinrichtung Einrichtungen aufweist, mit denen selektiv die Lage der Bahnteile quer zur Bahn zu vorgegebenen anderen Stellen geändert werden kann, so daß die Position der Löcherreihen quer zur Bahn geändert werden kann.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl richteinrichtung Einrichtungen aufweist, mit denen selektiv die Stellen geändert werden können, während die Bahn an den Strahlrichteinrichtungen vorbei bewegt wird.

0300