JPS6120687A

JPS6120687A - レ−ザ開孔装置

Info

Publication number: JPS6120687A
Application number: JP59142822A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Koyama; 信之小山; Eikichi Hayashi; 林　栄吉; Shigenori Yagi; 重典八木; Masahiko Maruyama; 正彦丸山; Takeshi Kitsukawa; 橘川　彪; Yoshihide Kanehara; 好秀金原
Original assignee: Japan Tobacco Inc; Mitsubishi Electric Corp; Japan Tobacco and Salt Public Corp
Current assignee: Japan Tobacco Inc; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-07-10
Filing date: 1984-07-10
Publication date: 1986-01-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、長尺な帯状の被加工物に断続的な連続した
開孔を形成するためのレーザ開孔装置に関するものであ
り、ｔ￥＃に被〃ロエ物をタバコフィルター巻紙（以下
チツ７ベーバーと称する）としたときにＭ用件のあるレ
ーザ開孔装置に関するものである。

一般に、フィルターに微少な開孔をＭするタバコは、開
孔部より流入する空気による土煙の希釈効果により喫味
の改善、あるいはニコチン、タール量の軽減を計ること
ができるので、喫煙者の健康管理向上の面から、近年世
界的にその割合が増大しつつある。

ところで、従来からチツフベーバーに多数の微細な開孔
を行う手段としては、針状の歯型によりフレス開孔する
機械的な方法や、コロナ放電による電気的な方法、ある
いはチッ７ベーバーを連続走行濾せｆｒがらレーザ発振
器から出力されｆｃ遅遅出出力ビーム回転チョッパーを
使ってパルス状に分配して照射し開孔する方法が知られ
ている。

しかし、かかる従来の開孔方法を実施するには。

機械的な手段では開孔速度がきわめて遅く、官らに歯型
の摩耗が早いので頻繁に、高価な歯型を交゛換、又は再
研磨をする必要がある等の欠点があった。プた。電気的
な手段では、開孔の形状２寸法。

開孔ピッチなどが不揃いとなるばかりでなく、被加工物
の強度、伸度が十分でないため歩留まりが悪く、均一な
品質の製品を効率良く得るこ゛とが困難であった。さら
に１回転チョッパーを用いて連続出力レーザビームをパ
ルス状にして開孔する手段では一高速回転チョッパーに
よシレーサビームを遮断するとき、チョッパーによ逆反
射されたレーザビームを吸収するための吸収体（パワー
ダンバー）等が必要となるとともに、チョッパーによ・
る遮断時のレーザビームが全て無駄となるという問題が
あった。

又、この手段では、パルスレーザビームラ生ミだす構成
が機械的なものであるため、パルス波形の変更が容易で
なく又制御性が悪い等の欠点があった。

この発明は、かかる不具合点を改良するためになされた
もので、＊加工物への開孔に必要なａ良のよいパルス出
力レーザビームを得るために、レーザ媒質に炭酸ガスを
用い、高周波無声放電によリレーザ媒質ガスを断続的に
励起させることによリハルスレーザピーム？Ｑ生させ、
このパルスレーザビームにより品質の安永した開孔を効
率良く断続的に連続して形成することができるレーザ開
孔装置を提供することを目的とするものでめる。

以下、この発明の一実施例を図について胱明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す概念図であり１図におい
て、（ｌ）は三相交Ｎ、を源、（２Ｊは三相交流電源（
１）からの三相交流出刃を整流する整流器。

（３）は整流器（２）にて＠流に整流された信号を真空
管。

サイリスク、トランジスタ等の高速スイッチング素子を
用いて交流高周波信号に変換するインバータ、（４）は
インバータ（３）の出刃電圧を昇圧して一対の電極（７
）に印加するための高周波トランス、（５）はインバー
タ（３）の出力周波数を制御する制卸装置である。また
、（６）は密閉された筐体であり、真空容器となり、こ
の筐体（６）の中には炭酸ガス、窒素。

ヘリウム等を含むレーザ媒質ガス（Ａ）が約５０〜１５
０ＴＯｒｒ　　の圧力下に封入されている。さらに。

筐体（６）の内部には、一定の空隙をもって対向的に棒
状の一対の電極（７）が配設されており、１１極ｔ７）
は金属にガラス等の誘電体を被覆し友ものからなり。

高周波トランス（４）より印加される交流重圧高周波電
源によりこの電極（７）間に無声放ｉｔが生ぜしめられ
、炭酸ガス分子が放電励起される。また、筐体（６）内
に封じ込められたレーザ媒質ガス（Ａ）は、送風機（８
）により一対の電極（７）間の放電空隙に連続圧送され
、＃交侠器（９）ｔ−経由して再び送風哉（８）にょシ
放電空隙に循環して流される。さらに、　０１συは筐
体（６）の対向面に設けられた全反射鏡２部分反射鏡で
あり、光共振器を構成しており、放電励起された炭酸ガ
ス分子がその分子構造により定まった波長（ＩＱ、６μ
ｍ）の光子を放出する発振空間の、最も光子密度が高い
部分を直線近似した光軸延長上に配設されている。なお
、光共振器にて増幅された炭酸ガスパルスレーザビーム
（Ｌ）は２部分反射鏡α優側より出力される。

以上のように構成されたレーザ発振器（０）よシ出力さ
れたパルスレーザビームに）は１反射鏡αのによって進
路を変更され、集光レンズα謙へ導かれる。

この集光レンズαＪにより集束された集束ビームの焦点
位置近傍で長尺な帯状の被加工物ａ４）（以下原紙と称
する）はレーザ開孔されるが、集光レーザビームと直角
方向に集光レンズ０３とほぼ一定の間隔を保ちながら原
紙Ｉは、矢印（Ｂ）の方向へ巻取機等の駆動装置（へ）
により走行させられてお９．これにより原紙ａ４は断続
的に連続した開孔動作が行なわれる。なお２元共振器を
構成する光学素子の透過型素子、即ち部分反射鏡ａｌｌ
ｔｉＺｕｓθ、　Ｇａ、Ａｓ等の材料を研磨したものに
レーザ波長１０．６μｍに対して有効なコーティングを
施したものが用いられ２反射型素子、即ち全反射鏡α〔
はＳｉ、Ｏｕ等の材料を研磨したものに金や銀のコーテ
ィングを施したものが用いられる。

一般に、レーザ開孔は、そのコヒーレントな光の性質を
利用したもので、レーザ波長をλ、集光レンズの焦点距
離をｆ、集光レンズに入射するレーザビーム径をＤとす
れば焦点位置でのスポット径ｄは。

λ ｄｏｏ　　−ｆで表わされ、ａｏ２レーザ（λ＝１０６μｍ）の場合、
最少スポット径は集光レンズの球面収差１回折限界より
０．１〜８．２ｍ程度になると言われている。

次に、第１図に示された実施例装置の動作について説明
する。先ず、原紙１１４を駆動装置０！９により矢印ω
ン方向へ走行駆動させる。次に、制御装置（５）により
制御された周波数で一対の電極（７）に交流高圧高周波
を印７１０し、無声放電を生ぜしめ２元共振器舖ａＲか
らレーザビーム色）を取出す。このレーザビーム（Ｌ）
は反射鏡収りにより進路を変更され、集光レンズａ騰に
より集光されて原紙−に照射される。

このようにして、原紙（１４に断続的に連続した開孔が
形成はれることになる。

なお、第２図には高周波トランスから出力される高周波
電源の波形が、第３図には一対の電極（７）間の放電々
刀波形が、第４図には元共振器から出刃されるパルスレ
ーザ出力波形が、第５図には原紙（１４１にレーザ開孔
を行なった状態を示す開孔平面図（レーザ照射側）が示
され、夫々同一時間軸にて示しである。第２図〜第５図
を用いて開孔動作を説明する。

先ず、第２図において電源（１）は、基本周波数ｆ。

が１００ＫＨ２以上で印加電圧Ｖが１０ＫＶ程度の高周
波電源が用いられ、これを第２図の如く、整流器（２）
、インバータ（３）、高周波トランス（４）及び制御装
置（５）によ−リＡＭ変詞して一対の電極（７）に印加
する。第２図において、τ、はパルス周波数ｆｐの関数
であり、パルス周期τＤは放電継続時間（又はハルス巾
）である。

この第２図に示される波形の電圧を一対の電極（７）間
に印加することにより、第３図の如き放電電力が侍られ
る。

放電が始まってパルスレーザ出力が発振するまでには、
第４図に示すように、τｔなる発振遅れ時間かある。こ
れはＣＯ２カス分子が放電励起され発振にいたるまでの
時間であり２通常約５０μＢθＣである。第２図〜第４
図かられかるように。

１００ＫＨｚ以−ヒの放電々原波形に対してパルスレー
ザ出力が同様に応答しないで、変調波にほぼ相似した形
で得られるのは、Ｃ０２ガス分子のレーザ励起レベルに
おける滞在時間〈（約５０μＢｅｃ）が。

放電基本周波数における励起時間（１００ＫＨ２にて５
μＳθＣ）　　Ｋ比較して十分長いため生ずる現象であ
り、炭酸ガスパルスレーザで得られる最小パルス中は１
００μＳｅｃ　程度となる。

第５図は紙送り速度Ｖにて走行する原紙α４に。

第４図に示すようなパルスレーザ出力ビームを集光照射
したとき得られる開孔寸法、形状を照射側より見た平面
図である。

レーザモードをＴＥＭＯ，モード（ビーム断面の光強度
分布がガウス分布となる）としたとき、開孔形状線はぼ
長円で開孔断面は照射側に広いテーバ状となる。このテ
ーバ部分は熱影響層で、開孔速度Ｖに対し、開孔しきい
値出力ＷＯを十分に上まわるレーザビーク出力Ｗｐがあ
れば、厚さ４０〜５０μｍの原紙α荀ではこの熱影響層
部分りは２０〜５０μｍ程度となり、鮮明な開孔が実現
できる。

紙送り方向の開孔寸法、即ち開孔長径をす２紙送り方向
に直角な方向の開孔寸法をａ、開孔ピッチをｐとすると
、前述した諸条件と、これらの開孔寸法の間には次の関
係が成立する。

（ここに−＝αＤ：バルスデューテイー）τｐ延いては高周波放電々圧Ｖに比例して変化させることが
でき、パルス周波数ｆｐ及びパルスデューティ−αＤは
高周波放電々圧波形を制御装置（５）により自在に変調
させることにより変化させることができるので、開孔条
件が電気的に制御可能となり、非常に自由度の高いレー
ザ開孔装置とすることができる。また、この実施例装置
は、従来のチョッパ一方式と異な）、非開孔時には放電
入力が０となるので、消費電力が軽減でき効率の良い装
置とすることができる。

さらに、この実施例装置により得られるパルスレーザ出
力波形は、無声放電というきわめて安定な均質な放電励
起手段を用いているため、安定性。

再現性が良く、その結果良好な開孔品質の製品が得られ
る。さらには、開孔速度が一定でなく変化する場合など
、電気的諸条件を手動又は自動で容易に設定可能となる
ので、運、転操作が簡単な装置とすることができる。

標準的な国産タバコフィルター巻紙を原紙０として用い
、この実施例装置によシ種々な開孔実験全行った結果１
表１に示す如く、広い開孔条件において実用に十分供す
る鮮明な開孔が形成できた。

表　　１以上のように、この発明装置によれば、レーザ媒質ガス
を高周波無声放電によプ断続的に励起させることにより
パルスレーザビームを発生させ。

駆動装置により走行させている長尺な帯状の被加工物に
照射するようにしたので２品質の安定した開孔を効率よ
く断続的に連続して形成することが４ｔ。

でき、且つ開孔の寸法、形成及びピッチの制御が簡単に
行なえる効果がある０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概念図、第２図は高周
波トランスから出力される高周波電源の波形を示す波形
図、第３図は一対の電極間の放電々刀波形を示す波形図
、第４図は元共振器から出力されるパルスレーザ出力波
形を示す波形図、第５図は被加工物に開孔を行なった状
態を示す平面図である。（１）・・・三相交流電源、（２）・・・整流器、（３
）・・・インバータ、（４）・・・高周波トランス、（
５）・・・制ｎ装置、（６）・・・筐体、（７）・・・
一対の電極、（８）・・・送風機、（９）・・・熱交換
器。 αＱ・・・全反射鏡、ａυ・・・部分反射鏡、　Ｃ１２
・・・反射鏡、　（１３・・・集光レンズ、ａり・・・
被〃ロエ物、　ｔｌＳ・・・駆動装置、仏）・・・レー
ザ媒質ガス、０３）・・・原紙走行方向、（Ｃ）・・・
レーｆＱ振！、　（Ｌ）・・・パルスレーザビーム。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）誘電体を介して対向する一対の電極、上記一対の
電極の対向間隙を介して対向する部分反射鏡と全反射鏡
からなる光共振器、上記一対の電極と光共振器が収納さ
れ密閉された筐体、上記筐体内に収納され上記一対の電
極間にレーザ媒質ガスを循環させる送風機、三相交流電
源からの三相交流出力を整流する整流器、上記整流器か
らの直流出力を交流高周波信号に変換するインバータ、
上記インバータの出力周波数を制御する制御装置、上記
インバータからの交流高周波信号を昇圧して上記一対の
電極へ出力する高周波トランス、上記光共振器から出力
されたパルスレーザビームを集束集光する集光レンズ、
上記集光レンズにより集光されたレーザビームと直角方
向に長尺な帯状の被加工物を走行駆動させる駆動装置を
備え、上記被加工物に断続的に連続した開孔を形成する
ことを特徴とするレーザ開孔装置。
（２）被加工物をタバコフィルター巻紙としたことを特
徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のレーザ開孔装
置。
（３）レーザ媒質ガスは炭酸ガスを含むことを特徴とす
る特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載のレ
ーザ開孔装置。