JP7229559B2

JP7229559B2 - 広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置

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Publication number: JP7229559B2
Application number: JP2020218186A
Authority: JP
Inventors: 紅兵姚; 仁杰朱; 衛華朱; 愛梅張; 開驍張; 華 ▲ヂョウ▼; 林張
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: CN111069799A; JP2021108657A

Description

本発明は、レーザ穿孔装置に関し、具体的には、広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置に関し、巻きたばこデバイスの応用の技術分野に属するものである。

レーザは、明るさが高く、単色性が高く、干渉性が高く、方向性に優れた特性を有している。

レーザ穿孔の原理は、レーザが集光してから材料に照射し、材料の温度が急激に上昇して溶解又は気化し、レーザと被加工材料との相対的な運動に伴って被加工材料に円形孔又は線状孔が形成されて、穿孔の目的が達成されることである。

シガレットにレーザで孔を形成することで、タールが体に与える危害を低減することができる。シガレットのフィルターにレーザで孔を形成することが一般であり、シガレットがタバコ製造機の生産動作中の特定の作動位置で自分の軸線を中心に回転しながら、レーザ集光装置の射出したパルスレーザに打たれて孔が形成される。

研究や応用をなされているレーザ穿孔方式は、それぞれ以下のような欠陥がある。
（１）２本の長さの細い棒がローラ表面に支持され且つ表面に沿って動作し、２本のレーザが５つの特定位置にしか孔を形成できなく、その穿孔数量が調節不可能で、現場応用への適応性が制限されている。
（２）対称的に回転するダブル吸着ノズルにおいて、ローラにおける細い棒が回転している吸着ノズルに対して引渡しを行い、回転している吸着ノズルがローラとは独立したものであり、しかし、吸着ノズルの回転速度が高く、引渡し安定性に影響を及ぼす。
（３）シガレットが少なくとも３６０度の自転を完成可能な範囲に複数のレーザ穿孔装置が均一に分布されているが、穿孔装置の数量が一定したものであり且つ取付位置が固定されているので、シガレットフィルターに形成できる孔が所定の数量に限定され、現場の需要に応じて数量を調節できなく、未来の応用可能性が制限されている。
（４）シガレット回しホイールによりシガレットを転動させてシガレット自転を実現し、特定の位置で射出したレーザパルスによりシガレットが一回自転した時にその表面の穿孔を完成する、機械によるシガレット転動によるシガレット自転穿孔は、シガレットの表面に一定の傷を付けることがあり、そして、速度に限界があり、生産効率が制限されている。

従来技術の欠陥を解決するために、本発明は、シガレットが回転すると同時に、広範囲で走査して集光することができるレーザ穿孔装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、技術的解決手段として、
軸方向に転動する、回りに複数の自転する負圧吸着溝が設置された回転ディッシュを備える浮動回転搬送装置と、回転ディッシュの端部に回転ディッシュと同軸に設置された回転プリズム、回転ディッシュの周方向に沿って回転ディッシュの外輪に設けられた弧状シリンドリカルレンズ及び複数の反射鏡を備えるレーザ穿孔装置と、を含み、
回転プリズムの受け取ったパルスレーザが、複数の反射鏡によって弧状シリンドリカルレンズに伝達され、負圧吸着溝に吸着したシガレットのフィルターに集光し、負圧吸着溝の自転に伴って周方向穿孔を完成する広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置を採用する。

上記回転プリズムの側面には入射レーザを集光させるための第１のシリンドリカルレンズが設けられている。

上記複数の反射鏡は、回転プリズムの上端に設けられた第１の反射鏡と、弧状シリンドリカルレンズの上端に設けられた第２の反射鏡と、を含み、
第１の反射鏡が回転プリズムのレーザを受け取った後、第２の反射鏡を介して弧状シリンドリカルレンズに投射する。

更に、上記レーザ穿孔装置が２組あり、それぞれ回転ディッシュ両端に設けられた負圧吸着溝に対応する２つの弧状シリンドリカルレンズを含み、
前記第２の反射鏡が２つあり、第１の反射鏡の投射したレーザをそれぞれ対応する弧状シリンドリカルレンズに反射する。

上記回転プリズムの周方向がそれぞれ反射面となる複数の平面で構成され、
平面の数と反射面の長さを調節することで、異なるレーザの走査範囲を調節できる。

上記負圧吸着溝が一回自転する時間は、負圧吸着溝が弧状シリンドリカルレンズの下で公転する時間と同じである。

一端が固定接続された動力軸により上記回転ディッシュが公転し、
前記回転ディッシュの両端に１対の回転輪がフレキシブルに配置され、回転輪の間の回転ディッシュ外輪において、回転ディッシュの両端にそれぞれシャフトプレートが固定接続され、
シャフトプレートと回転ディッシュのキャビティとの間には、一端がシャフトプレートに予め設置された複数の貫通孔と連通し、他端が回転ディッシュのキャビティの負圧吸引装置と連通する複数の負圧通路が設置され、
前記貫通孔内に負圧吸気軸管が設置され、前記負圧吸気軸管における他方のシャフトプレートに対応する端部には負圧吸着溝が設置され、回転輪に対応する一端が閉鎖され、更に回転輪の回転歯と噛み合うギアリングが外部に設置され、
外部動力で駆動される回転輪が負圧吸着溝を連動させて自転させる。

更に、上記貫通孔がシャフトプレートの本体周方向に沿って等間隔で設置されている。

本発明の有用な効果は以下のとおりである。

本発明に係る広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置は、シガレット動作中に自転を同時に実現させ、シガレットの回転と同時にシガレットの移動に伴ってレーザを走査させることで、シガレットフィルターの表面に同じ大きさの孔を等距離で一回形成する。

本発明は、弧状シリンドリカルレンズを設計することにより弧状表面への集光を実現し、従来のレーザ穿孔では平面にしか集光できないという欠陥を変え、レーザがシガレットを追跡し、シガレットの自転と同時に走査して孔を形成し、シガレットに傷を付けることがなく、更に穿孔精度が高く、常に焦平面に孔を形成するので、孔の成形効果が優れる。また、回転プリズムの平面の数と反射面の長さとを調節することで、異なるレーザの走査範囲を調節でき、それと同時に回転プリズムが転動してレーザを連動させて回転プリズムの上部の所定の範囲を走査させ、その構造が簡単で、操作が容易で、調節しやすくて、広範囲で走査して集光することができ、強い実用性と幅広い適用性を有する。

本発明に係る広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置の構造模式図である。本発明に係るレーザ穿孔装置の構造模式図の側面図である。本発明に係る負圧吸着溝の自転の動作模式図である。

以下、図面及び具体的な実施形態を参照しながら、本発明を具体的に説明する。

浮動回転搬送装置とレーザ穿孔装置とで構成された、広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置である。

浮動回転搬送装置の主体が回転ディッシュ９であり、回転ディッシュ９の一端に動力軸が設置され、回転ディッシュ９が動力軸により駆動されて転動する。回転ディッシュ９の両端に１対の回転輪１２がフレキシブルに配置され、回転輪１２の間において、回転ディッシュ９の両端の外輪にそれぞれ１対のシャフトプレート１３が固定接続され、回転ディッシュ９のキャビティに負圧吸引装置が設置され、シャフトプレート１３と回転ディッシュ９のキャビティとの間に設けられた複数の負圧通路が、シャフトプレート１３に予め設置された複数の貫通孔と連通し、好ましくは、貫通孔がシャフトプレート１３の本体周方向に沿って等間隔で設置される。貫通孔には回転ディッシュ９の軸方向に沿って設置される負圧吸気軸管が設けられ、この負圧吸気軸管の内側端（他方のシャフトプレート１３に対応する端部）に負圧吸着溝８が設置され、外側端（回転輪１２に対応する一端）が閉鎖され、更に回転輪１２の回転歯と噛み合うギアリングが設置され、回転歯がギアリングにより負圧吸着溝８及びそれに吸着したシガレット１１を連動させて転動させる。

好ましくは、回転ディッシュ９の両側の負圧吸着溝８がそれぞれ一対一に対応し、直線に並べられている。

回転輪１２が外部動力で駆動され、ギアプレート、ベルト車などを含む。

レーザ穿孔装置は、第１のシリンドリカルレンズ１、回転プリズム２、第１の反射鏡３、第２の反射鏡４、第３の反射鏡５、第２の弧状シリンドリカルレンズ６及び第３の弧状シリンドリカルレンズ７で構成される。

回転プリズム２は、正多面柱体であり、周方向がそれぞれ反射面となる複数の平面で構成され、回転プリズム２が回転ディッシュ９と同軸に回転ディッシュ９の端部に設けられる。第１のシリンドリカルレンズ１は回転プリズム２の側面に横方向に設けられ、入射レーザ１０を集光するためのものである。

第２の弧状シリンドリカルレンズ６と第３の弧状シリンドリカルレンズ７とがそれぞれ回転ディッシュ９の周方向に沿って設置され、第１の反射鏡３が回転プリズム２の上端に設けられ、第２の反射鏡４が第２の弧状シリンドリカルレンズ６の上端に設けられ、第３の反射鏡５が第３の弧状シリンドリカルレンズ７の上端に設けられる。図１に示すように、２本の光路が形成され、具体的には、１本の入射レーザ１０が光源から出射されて第１のシリンドリカルレンズ１により収束し、順に回転プリズム２、第１の反射鏡３、第２の反射鏡４を通過した後、第２の弧状シリンドリカルレンズ６により集まり、負圧吸着溝８に吸着したシガレット１１のフィルターに集光し、もう１本の入射レーザ１０が光源から出射されて第１のシリンドリカルレンズ１により収束し、順に回転プリズム２、第１の反射鏡３、第３の反射鏡５を通過した後、第３の弧状シリンドリカルレンズ７により集まり、他側の負圧吸着溝８に吸着したシガレット１１のフィルターに集光する。

本発明において、シガレット１１のフィルターが回転ディッシュ９に伴って一回りする運動は公転と呼ばれ、シガレット１１のフィルターが負圧吸着溝８に伴って一回りし、即ち自分の中軸を中心に３６０度回転する運動は自転と呼ばれる。第２の弧状シリンドリカルレンズ６と第３の弧状シリンドリカルレンズ７とのアーク長の設置及び公転、自転の回転速度の設置については、図３に示すように、本発明の負圧吸着溝８が一回自転する時間は、負圧吸着溝８が弧状シリンドリカルレンズの下で公転する時間と同じである。

使用する時に、
好ましくは、第１のシリンドリカルレンズ１を回転ディッシュ９の切断面に取り付け、２本の入射レーザ１０（パルスレーザ）をそれぞれ２本の線形のレーザに集光する。レーザが回転プリズム２のある反射面に入射すると、回転プリズム２の上部に反射され、第１の反射鏡３が回転プリズム２の反射してきたレーザを反射して軸方向に沿って伝送し、第２の反射鏡４と第３の反射鏡５とが第１の反射鏡３の反射してきた２本の軸方向レーザを下へ反射する。弧状の第２の弧状シリンドリカルレンズ６と弧状の第３の弧状シリンドリカルレンズ７とがそれぞれ第３の反射鏡５と第２の反射鏡４との下に位置し、第３の反射鏡５と第２の反射鏡４とから反射してきた２本の線形のレーザが第２の弧状シリンドリカルレンズ６と第３の弧状シリンドリカルレンズ７により集光した後、シガレット１１のフィルターの表面に円形のスポットを形成し、その弧状構造が円弧面走査を実現することを目的とする。

浮動回転搬送装置に負圧があり、シガレット１１が浮動回転搬送装置に伝送された後、負圧によりシガレット１１を吸着させ、シガレット１１が回転ディッシュ９に伴って公転しながら、自分が自転する。シガレット１１のフィルターが弧状シリンドリカルレンズの下まで公転すると、パルスレーザが穿孔し、シガレットを追跡して走査し、一回の自転で走査を完成し、シガレット１１のフィルターの表面に一回りの孔を形成する目的を達成する。この時に、次のシガレット１１が走査範囲に入って前の工程を繰り返す。

回転プリズム２の平面の数と反射面の長さを調節することで、異なるレーザの走査範囲を調節できる。それと同時に回転プリズム２が転動してレーザを連動させて回転プリズム２の上部の所定の範囲を走査させる。

以上、本発明の基本的な原理、主な特徴及びメリットを示して説明した。上記実施形態は本発明をいかなる形態に限定することもなく、同等な取替や同等効果の変更によって得られた技術的解決手段は全て本発明の保護範囲に含まれるものとすることが当業者に自明である。

（付記）
（付記１）
軸方向に転動する、回りに複数の自転する負圧吸着溝が設置された回転ディッシュを備える浮動回転搬送装置と、
回転ディッシュの端部に回転ディッシュと同軸に設置された回転プリズム、回転ディッシュの周方向に沿って回転ディッシュの外輪に設けられた弧状シリンドリカルレンズ及び複数の反射鏡を備えるレーザ穿孔装置と、を含み、
回転プリズムの受け取ったパルスレーザが、複数の反射鏡によって弧状シリンドリカルレンズに伝達され、負圧吸着溝に吸着したシガレットのフィルターに集光し、負圧吸着溝の自転に伴って周方向穿孔を完成する、
ことを特徴とする広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記２）
前記回転プリズムの側面には入射レーザを集光させるための第１のシリンドリカルレンズが設けられている、
ことを特徴とする付記１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記３）
前記複数の反射鏡は、回転プリズムの上端に設けられた第１の反射鏡と、弧状シリンドリカルレンズの上端に設けられた第２の反射鏡と、を含み、
第１の反射鏡が回転プリズムのレーザを受け取った後、第２の反射鏡を介して弧状シリンドリカルレンズに投射する、
ことを特徴とする付記１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記４）
前記レーザ穿孔装置が２組あり、それぞれ回転ディッシュ両端に設けられた負圧吸着溝に対応する２つの弧状シリンドリカルレンズを含み、
前記第２の反射鏡が２つあり、第１の反射鏡の投射したレーザをそれぞれ対応する弧状シリンドリカルレンズに反射する、
ことを特徴とする付記３に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記５）
前記回転プリズムの周方向がそれぞれ反射面となる複数の平面で構成され、
平面の数と反射面の長さとを調節することで、異なるレーザの走査範囲を調節できる、
ことを特徴とする付記１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記６）
前記負圧吸着溝が一回自転する時間は、負圧吸着溝が弧状シリンドリカルレンズの下で公転する時間と同じである、
ことを特徴とする付記１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記７）
一端が固定接続された動力軸により前記回転ディッシュが公転し、
前記回転ディッシュの両端に１対の回転輪がフレキシブルに配置され、回転輪の間の回転ディッシュ外輪において、回転ディッシュの両端にそれぞれシャフトプレートが固定接続され、
シャフトプレートと回転ディッシュのキャビティとの間には、一端がシャフトプレートに予め設置された複数の貫通孔と連通し、他端が回転ディッシュのキャビティの負圧吸引装置と連通する複数の負圧通路が設置され、
前記貫通孔内に負圧吸気軸管が設置され、前記負圧吸気軸管における他方のシャフトプレートに対応する端部には負圧吸着溝が設置され、回転輪に対応する一端が閉鎖され、更に回転輪の回転歯と噛み合うギアリングが外部に設置され、
外部動力で駆動される回転輪が負圧吸着溝を連動させて自転させる、
ことを特徴とする付記１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

（付記８）
前記貫通孔がシャフトプレートの本体周方向に沿って等間隔で設置されている、
ことを特徴とする付記７に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。

１第１のシリンドリカルレンズ、２回転プリズム、３第１の反射鏡、４第２の反射鏡、５第３の反射鏡、６第２の弧状シリンドリカルレンズ、７第３の弧状シリンドリカルレンズ、８負圧吸着溝、９回転ディッシュ、１０入射レーザ、１１シガレット、１２回転輪、１３シャフトプレート

Claims

回転可能に配置された円形の回転ディッシュを備える浮動回転搬送装置と、
前記回転ディッシュの端部に前記回転ディッシュと同軸に設置された回転プリズム、前記回転ディッシュの周方向に沿って前記回転ディッシュの外輪に設けられた弧状シリンドリカルレンズ及び複数の弧面反射鏡を備えるレーザ穿孔装置と、を含み、
前記回転ディッシュの両端に１対の回転輪がフレキシブルに配置され、
前記回転ディッシュの外周部に、複数の負圧吸着溝が前記回転ディッシュの回転に伴って公転可能且つそれぞれの回転軸の回りに自転可能に設置され、
外部動力で駆動される前記回転輪が、前記負圧吸着溝と連動して前記負圧吸着溝及び前記負圧吸着溝に吸着したシガレットを前記自転させ、
前記回転プリズムの受け取ったパルスレーザが、前記複数の弧面反射鏡によって前記弧状シリンドリカルレンズに伝達され、前記負圧吸着溝に吸着した前記シガレットのフィルターに集光し、前記負圧吸着溝の前記自転に伴って周方向穿孔を完成し、
前記複数の弧面反射鏡は、第１の弧面反射鏡と第２の弧面反射鏡とを備え、
前記第１の弧面反射鏡が前記回転プリズムからの前記パルスレーザを受け取った後、前記第２の弧面反射鏡を介して前記弧状シリンドリカルレンズに投射する、
ことを特徴とする広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。
前記回転プリズムの側面には入射した前記パルスレーザを集光させるための第１のシリンドリカルレンズが設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。
前記レーザ穿孔装置が２組あり、それぞれ前記回転ディッシュの両端に設けられた前記負圧吸着溝に対応する２つの前記弧状シリンドリカルレンズを含み、
前記第２の弧面反射鏡が２つあり、前記第１の弧面反射鏡の投射した前記パルスレーザをそれぞれ対応する前記弧状シリンドリカルレンズに反射する、
ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。
前記回転プリズムの周方向がそれぞれ反射面となる複数の平面で構成され、
前記平面の数と前記反射面の長さとを調節することで、異なる前記パルスレーザの走査範囲を調節できる、
ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。
前記負圧吸着溝が一回前記自転する時間は、前記負圧吸着溝が前記弧状シリンドリカルレンズの下で前記公転する時間と同じである、
ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。
前記回転ディッシュの一端に固定接続された動力軸により前記回転ディッシュが回転し、
前記１対の回転輪の間の前記回転ディッシュの前記外輪において、前記回転ディッシュの両端にそれぞれシャフトプレートが固定接続され、
前記シャフトプレートと前記回転ディッシュのキャビティとの間には、一端が前記シャフトプレートに予め設置された複数の貫通孔と連通し、他端が前記回転ディッシュの前記キャビティの負圧吸引装置と連通する複数の負圧通路が設置され、
前記貫通孔内に負圧吸気軸管が設置され、前記負圧吸気軸管における他方の前記シャフトプレートに対応する端部には前記負圧吸着溝が設置され、前記回転輪に対応する一端が閉鎖され、更に前記回転輪の回転歯と噛み合うギアリングが外部に設置され、
前記回転歯の回転が、前記ギアリングにより前記負圧吸着溝の回転と連動する、
ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。
前記貫通孔が前記シャフトプレートの本体周方向に沿って等間隔で設置されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の広範囲で走査して集光するレーザ穿孔装置。