CN101879663A - 聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法，将连续激光器输出的连续激光束聚焦于一高速旋转的且各工作面法线方向与镜轴夹角不一致的多棱镜的某个工作面上，经多棱镜扫描分光形成沿垂直于所述多棱镜的旋转方向快速摆动的K路脉冲激光束，再分别经由K个聚焦头对所述K路脉冲激光束进行聚焦后输出，形成K个沿运动的水松纸横向快速摆动的聚焦光点，在水松纸表面形成K条非直线点阵排布的重复规律打孔分布，其中K≥1。本发明方法可以实现聚焦光点沿水松纸横向快速摆动，配合水松纸的连续运动，在水松纸表面打出沿水松纸长度方向呈曲线或重复图形排列分布的小孔。

Description

聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法及装置

技术领域

本发明涉及一种聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法及装置。

背景技术

吸烟有害健康是公认的事实，降低焦油含量对改善吸烟群体的身体健康具有重要意义。各国的卷烟制造商相继投入了大量的人力、物力和巨额资金，对降低卷烟焦油含量的理论方法、技术以及实践应用等方面进行了广泛而深入的研究，并发展了多种降焦技术。

卷烟接装纸作为卷烟过滤嘴专用外包装用纸，因其外观类似松木纹而曾得名水松纸。滤嘴通风稀释技术的原理是：通过在水松纸上打孔、使用高透气度滤棒成型纸或在滤棒上制成凹槽等方式，从而在抽吸卷烟时使外部空气进入滤嘴内并对主流烟气进行稀释，使吸入人体的焦油量相对减少。该项技术已成为国际上采用最广泛和最有效的降焦技术。目前美国卷烟市场上有90％左右的卷烟和西欧市场上80％左右的卷烟都采用了通风滤嘴，另外在亚洲的日本等国，通风滤嘴卷烟也占有相当大的比例。采用通风滤嘴这一简单、成熟且非常可靠的降焦技术，其降焦效果也十分明显，如美国Carlton牌卷烟采用通风滤嘴后可降低卷烟焦油量70％以上，降低CO高达80％以上，且通过强化加香、加料措施，也使该卷烟的吸味品质保持了较高水平。

目前我国过滤嘴香烟的比例已达95％。随着人类对于吸烟者健康保护要求的日益提高，能有效降低焦油含量、且减少尼古丁对人们健康伤害的水松纸打孔工艺得到迅速普及。

目前开发和利用的水松纸打孔技术主要包括机械打孔、电火花打孔、激光打孔等技术，其中激光打孔由于具有稳定性高和准确性高的特点，成为国际上广泛采用的方式。

激光打孔是利用激光辐射的高功率密度特点，将其聚焦加热水松纸，使水松纸局部达到汽化温度，汽化成孔。

目前已经推出的水松纸激光打孔机产品，以德国和中国华中科技大学开发的系列水松纸激光打孔机为主要代表。但其均为直线型打孔机，即每一路激光只能固定打一排孔，每排孔均为直线。玉溪金灿科技有限公司曾提出了多种由微孔构成图形的水松纸，例如：中国专利“带有由微孔构成图形的卷烟用水松纸”(专利号：ZL200410036764.2)与中国专利“一种带有由微孔构成圆弧形图形的水松纸”(专利号：ZL200420050165.1)，但上述专利中均未提供具体的水松纸表面微孔图形打孔的实现方法。

发明内容

本发明目的是：提供一种聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法，该方法可以实现聚焦光点沿水松纸横向快速摆动，配合水松纸的连续运动，在水松纸表面打出沿水松纸长度方向呈曲线或重复图形排列分布的小孔。本发明同时提供一种能够实现上述方法的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，该装置结构简单，且激光能量利用率高。

本发明的技术方案是：一种聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法，将连续激光器输出的连续激光束聚焦于一高速旋转的且各工作面法线方向与镜轴夹角不一致的多棱镜的某个工作面上，经多棱镜扫描分光形成沿垂直于所述多棱镜的旋转方向快速摆动的K路脉冲激光束，再分别经由K个聚焦头对所述K路脉冲激光束进行聚焦后输出，形成K个沿运动的水松纸横向快速摆动的聚焦光点，在水松纸表面形成K条非直线点阵排布的重复规律打孔分布，其中K≥1。

本发明方法的具体实施步骤如下：

1)由走纸机构的收卷辊和放卷辊装夹水松纸；

2)启动走纸机构，使收卷辊按设定的转速旋转，并带动水松纸连续运动；

3)使连续激光器输出的连续激光束经前端聚焦镜聚焦于高速旋转且各工作面法线方向与镜轴夹角不一致的多棱镜的某个工作面上；

4)多棱镜的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束依次扫过K个分光头，K≥1；每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的分光头分配一个激光脉冲；多棱镜重复扫描时便将连续激光束分成K路脉冲激光输出，并且由于所述多棱镜的各工作面法线方向与其镜轴的夹角不一致，所述每路脉冲激光同时沿垂直于多棱镜的旋转方向快速摆动；

5)上述K路脉冲激光束分别经K个聚焦头聚焦后输出，形成K个沿水松纸横向快速摆动的聚焦光点；通过水松纸在线速度检测装置对水松纸的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制***；根据水松纸的运动速度信息，在控制***对驱动所述多棱镜旋转的高速电机转速、激光器的出光时序的集中控制下，配合水松纸的连续运动，在水松纸上打出非直线点阵排布的重复规律打孔分布小孔。

本发明同时提供一种用于实现所述加工方法的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，包括激光器、多棱镜分光机构、聚焦机构和驱动水松纸连续运动的走纸机构，其中：所述激光器为高功率连续激光器，多棱镜分光机构包括多棱镜、驱动多棱镜旋转的高速电机、用于将激光器发出的连续激光束聚焦于多棱镜某个工作面的前端聚焦镜及对应多棱镜所述工作面的反射区域呈扇形分布的K个分光头，所述聚焦机构包括置于走纸机构上方的K个聚焦头，各聚焦头的输入端与前述K个分光头的输出端一一对应，K≥1，其特征在于所述多棱镜的各工作面法线方向与镜轴夹角不一致。

本发明装置还包括控制***、水松纸在线速度检测装置和激光器冷却***，所述激光器、驱动多棱镜旋转的高速电机及激光器冷却***均与控制***电连接；所述水松纸在线速度检测装置安装在走纸机构上并也与控制***电连接。所述水松纸在线速度检测装置用于对打孔过程中水松纸的运动速度进行实时检测，并将其反馈到控制***；控制***根据水松纸的运动速度信息，向激光器和驱动多棱镜旋转的高速电机发送控制信号，控制脉冲激光的脉冲频率以及脉冲间隔和多棱镜的转速，配合水松纸的连续运动，完成打孔。

进一步的，本发明装置中的走纸机构同常规技术一样包括收卷辊与放卷辊，而所述水松纸在线速度检测装置则是一个高精度编码器，其安装在收卷辊的转轴上，或者任何与收卷辊等转速旋转的转轴上。

本发明装置中所述每个聚焦头内进一步设有一个用于将连续激光束进行90°导向的45°反射镜和一个用于将经前述导向后的反射光线会聚输出的聚焦头聚焦透镜。或者本发明装置中所述每个聚焦头内也可进一步设有两个对称布置并用于将连续激光束实施两次90°导向的45°反射镜和一个用于将经前述导向后的反射光线会聚输出的聚焦头反射聚焦镜。

本发明装置中所述聚焦机构还包括底端聚焦透镜，所述底端聚焦透镜置于所述K个聚焦头的输出端与走纸机构之间。

本发明装置中所述多棱镜的面数M≥5，且每个工作面均为全反射面。

本发明装置中所述前端聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

本发明的优点是：

(1)本发明方法及装置由于采用特殊设计的多棱镜，可以实现聚焦光点沿水松纸横向快速摆动，配合水松纸的连续运动，从而能够在水松纸表面打出沿水松纸长度方向呈曲线或重复图形排列分布的小孔；并且通过控制***与水松纸在线速度检测装置的相互协调，本发明装置的打孔速度可以达到与直线型打孔一样的速度。

(2)通过本发明方法及装置在水松纸上打出的透气微孔构成的曲线或重复图形排列分布的小孔，区别于现有的直线形排列，具有外型美观多变及防伪等功能，且可通过调整变化的透气微孔分布来提供滤嘴通风的不同气流分布形式，从而产生更加可控的降焦效果。

(3)本发明装置采用的多棱镜分光机构及聚焦机构结构简单，无需采用振镜等光学元件，且为固定光路，不仅设备造价及维护使用成本低，技术容易实现，且工作稳定。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所提供的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置一种具体实施例的结构示意图；

图2为采用各工作面法线方向与镜轴夹角不一致多棱镜实现多聚焦光点摆动的原理图；

图3为图1实施例中的多棱镜实现锯齿形打孔的原理图；

图4为图1中聚焦头采用透射方式聚焦的示意图；

图5为图1中聚焦头采用反射方式聚焦的示意图；

图6为最终由图1实施例完成的锯齿形打孔点阵分布效果图。

其中：1、连续激光器；2、多棱镜；a、镜轴；3、聚焦头；4、收卷辊；5、放卷辊；6、前端聚焦镜；7、分光头；8、水松纸在线速度检测装置；9、底端聚焦镜；10、水松纸；11、45°反射镜；12、聚焦头聚焦透镜；13、聚焦头反射聚焦镜。

具体实施方式

实施例1：结合图1所示为本发明聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置的一种具体实施方式，它包括激光器1、多棱镜分光机构、聚焦机构、驱动水松纸连续运动的走纸机构、底端聚焦透镜9以及控制***(图中未画出)、水松纸在线速度检测装置(8)和激光器冷却***(图中未画出)共同组成。其中：所述激光器1为高功率连续CO₂激光器，其输出功率从50～2000瓦连续可调，激光输出波长为10.6μm。多棱镜分光机构由多棱镜2、驱动多棱镜2旋转的高速电机(图中未画出)、用于将激光器1发出的连续激光束聚焦于多棱镜1某个工作面的前端聚焦镜6及对应多棱镜2所述工作面的反射区域呈扇形分布的2个分光头7共同组成，本实施例中所述前端聚焦镜6为反射式聚焦镜；所述聚焦机构包括置于走纸机构上方的2个聚焦头3，各聚焦头3的输入端与前述2个分光头7的输出端一一对应。所述底端聚焦透镜9置于所述2个聚焦头3的输出端与走纸机构之间。所述激光器1、驱动多棱镜2旋转的高速电机及激光器冷却***均与控制***电连接；所述水松纸在线速度检测装置8安装在走纸机构上并也与控制***电连接。

本实施例中所述走纸机构包括收卷辊4与放卷辊5，所述水松纸10装夹在收卷辊4和放卷辊5上，并由收卷辊4旋转驱动而连续运动；所述水松纸在线速度检测装置8是一个高精度编码器，其安装在收卷辊4的转轴上，工作时随转轴同步运动，对水松纸10的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制***。

本发明装置的核心技术在于对多棱镜分光机构中多棱镜2的结构设计，以实现聚焦光点摆动式打孔。本实施例中所述多棱镜2的面数M＝7，且各工作面均为全反射面，但同时所述各工作面法线方向与镜轴a夹角不一致，多棱镜2一侧与高速电机相连，在高速电机带动下高速旋转，其转速由控制***控制。参见图2所示，由于所述多棱镜2的各工作面法线方向与其镜轴a的夹角均不一致，故当多棱镜2高速旋转时，经其工作面反射的脉冲激光束的传输方向将沿垂直于多棱镜2的旋转方向快速摆动。

本发明中所述聚焦头3可以采用透射和反射两种方式完成聚焦，如图4所示：本实施例中的聚焦头3通过透射方式完成聚焦，具体是其内设有一个用于连续激光束进行90°导向的45°反射镜11和一个用于将经前述导向后的反射光线会聚输出的聚焦头聚焦透镜12。从多棱镜2工作面上反射出来的且快速摆动的脉冲激光束经过45°反射镜11后，光路改变90°，然后经聚焦透镜12聚焦后再经过底端聚焦镜9的聚焦，最后焦点落在待加工的水松纸10表面。

下面结合图1、图2、图3、图4和图6所示，对采用上述实施例装置进行卷烟接装纸摆动式激光打孔的方法实施步骤及其原理说明如下：

1)由走纸机构的收卷辊4和放卷辊5装夹水松纸10，如图1所示；

2)启动走纸机构，使收卷辊4按设定的转速旋转，并带动水松纸10连续运动；

3)使连续激光器1输出的连续激光束经前端聚焦镜6聚焦于高速旋转且各工作面法线方向与镜轴a夹角不一致的多棱镜2的某个工作面上，如图1所示；

4)多棱镜2的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束依次扫过2个分光头7，每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的分光头分配一个激光脉冲，如图1所示；多棱镜2重复扫描时便将连续激光束分成2路脉冲激光输出，并且由于所述多棱镜2的各工作面法线方向与其镜轴a的夹角不一致，所述每路脉冲激光同时沿垂直于多棱镜2的旋转方向快速摆动，参见图2；

5)上述2路脉冲激光束分别经2个聚焦头3聚焦，最后再经底端聚焦镜9聚焦后输出，形成2个沿水松纸10横向快速摆动的聚焦光点；具体参见图3所示，本实施例中多棱镜2的俯视图中，其七个工作面中的第二、第四和第六工作面倾斜，并且具体是第二、第六工作面向上倾斜，第四工作面向下倾斜，而第一、第三和第七工作面则不倾斜，由此可知，经由第一、第三和第七工作面反射的激光束形成的聚焦光点排布为直线(如图3中虚线所示)，则由第二、第六工作面反射的激光束形成的聚焦光点偏于直线上方，而由第四工作面反射的激光束形成的聚焦光点偏于直线下方；通过水松纸在线速度检测装置8对水松纸10的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制***；根据水松纸10的运动速度信息，在控制***对驱动所述多棱镜2旋转的高速电机转速、激光器1的出光时序的集中控制下，配合水松纸10的连续运动，在水松纸10上打出两行无限长的重复锯齿形打孔分布，具体参见图6所示。

实施例2：结合图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，每个聚焦头3也可以通过反射方式完成聚焦，具体是其内设有两个对称布置并用于将连续激光束实施两次90°导向的45°反射镜11和一个用于将经前述导向后的反射光线会聚输出的聚焦头反射聚焦镜13，从脉冲激光器101出射的脉冲激光束经过第一45°反射镜11后，光路改变90°，然后入射到第二45°反射镜13，光路再改变90°，最后经反射聚焦镜14聚焦后，焦点落在待加工的水松纸10表面。本实施例其他同实施例1，不再多述。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法，其特征在于：将连续激光器(1)输出的连续激光束聚焦于一高速旋转的且各工作面法线方向与镜轴(a)夹角不一致的多棱镜(2)的某个工作面上，经多棱镜(2)扫描分光形成沿垂直于所述多棱镜(2)的旋转方向快速摆动的K路脉冲激光束，再分别经由K个聚焦头(3)对所述K路脉冲激光束进行聚焦后输出，形成K个沿运动的水松纸(10)横向快速摆动的聚焦光点，在水松纸(10)表面形成K条非直线点阵排布的重复规律打孔分布，其中K≥1。

2.根据权利要求1所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔方法，其特征在于该方法的具体实施步骤如下：

1)由走纸机构的收卷辊(4)和放卷辊(5)装夹水松纸(10)；

2)启动走纸机构，使收卷辊(4)按设定的转速旋转，并带动水松纸(10)连续运动；

3)使连续激光器(1)输出的连续激光束经前端聚焦镜(6)聚焦于高速旋转且各工作面法线方向与镜轴(a)夹角不一致的多棱镜(2)的某个工作面上；

4)多棱镜(2)的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束依次扫过K个分光头(7)，K≥1；每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的分光头分配一个激光脉冲；多棱镜

(2)重复扫描时便将连续激光束分成K路脉冲激光输出，并且由于所述多棱镜(2)的各工作面法线方向与其镜轴(a)的夹角不一致，所述每路脉冲激光同时沿垂直于多棱镜(2)的旋转方向快速摆动；

5)上述K路脉冲激光束分别经K个聚焦头(3)聚焦后输出，形成K个沿水松纸(10)横向快速摆动的聚焦光点；通过水松纸在线速度检测装置

(8)对水松纸(10)的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制***；根据水松纸(10)的运动速度信息，在控制***对驱动所述多棱镜

(2)旋转的高速电机转速、激光器(1)的出光时序的集中控制下，配合水松纸(10)的连续运动，在水松纸(10)上打出非直线点阵排布的重复规律打孔分布小孔。

3.一种用于实现如权利要求1所述加工方法的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，包括激光器(1)、多棱镜分光机构、聚焦机构和驱动水松纸连续运动的走纸机构，其中：所述激光器(1)为高功率连续激光器，多棱镜分光机构包括多棱镜(2)、驱动多棱镜(2)旋转的高速电机、用于将激光器(1)发出的连续激光束聚焦于多棱镜(1)某个工作面的前端聚焦镜(6)及对应多棱镜(2)所述工作面的反射区域呈扇形分布的K个分光头(7)，所述聚焦机构包括置于走纸机构上方的K个聚焦头(3)，各聚焦头(3)的输入端与前述K个分光头(7)的输出端一一对应，K≥1，其特征在于所述多棱镜(2)的各工作面法线方向与镜轴(a)夹角不一致。

4.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于还包括控制***、水松纸在线速度检测装置(8)和激光器冷却***，所述激光器(1)、驱动多棱镜(2)旋转的高速电机及激光器冷却***均与控制***电连接；所述水松纸在线速度检测装置(8)安装在走纸机构上并也与控制***电连接。

5.根据权利要求4所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于所述走纸机构包括收卷辊(4)与放卷辊(5)，所述水松纸在线速度检测装置(8)是一个高精度编码器，其安装在收卷辊(4)的转轴上，或者任何与收卷辊(4)等转速旋转的转轴上。

6.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于所述每个聚焦头(3)内设有一个用于将连续激光束进行90°导向的45°反射镜(11)和一个用于将经前述导向后的反射光线会聚输出的聚焦头聚焦透镜(12)。

7.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于所述每个聚焦头(3)内设有两个对称布置并用于将连续激光束实施两次90°导向的45°反射镜(11)和一个用于将经前述导向后的反射光线会聚输出的聚焦头反射聚焦镜(13)。

8.根据权利要求3或6或7所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于所述聚焦机构还包括底端聚焦透镜(9)，所述底端聚焦透镜(9)置于所述K个聚焦头(3)的输出端与走纸机构之间。

9.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于所述多棱镜(401)的面数M≥5，且每个工作面均为全反射面。

10.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式卷烟接装纸激光打孔装置，其特征在于所述前端聚焦镜(6)为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

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