JP2009516586A - ハニカム基体用の施栓マスクを製造するための装置、システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ハニカム基体のセルの施栓用のマスクを製造するための方法およびシステムは、カメラ（３２０）を用いて、端部の付着した透明または半透明フイルム（２００）を通して基体（４００）の端部の画像を捕捉し、レーザ（３２２）を用いて開口部を形成する各工程を含み、画像を捕捉する間のカメラの作動距離ＷＤ_Cが、開口部を形成する間のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じである。ハニカム基体上にマスクを製造するための装置であって、基体（４００）の端部に施されるフイルムに開口部を形成するためのレーザ（３２２）、および光学系（３２０）を有し、光学系（３２０）または基体（４００）のいずれかが、第１と第２の作動位置の間で可動性である装置も開示されている。第１の実施の形態において、カメラが移動するのに対して、第２の実施の形態では、基体が移動する。マスクを製造するためのシステムであって、多数のカメラとレーザを含み、ホルダ内の基体の位置を変えずに、基体の両端にマスクが形成されるシステムも開示されている。

Description

本発明は広く、ウォールフロー型微粒子フィルタおよび他の選択的に施栓された(plugged)ハニカム構造体を製造するための方法および装置に関する。本発明は、より詳しくは、ウォールフロー型微粒子フィルタを形成するためのハニカム基体のセルの施栓(plugging)に用いられるマスクを形成するための装置、システムおよび方法に関する。

排気ガスなどの流体中の固体微粒子は一般に、略ハニカム構造を有するウォールフロー型微粒子フィルタを用いて除去される。図１は、ハニカム構造を有する典型的なウォールフロー型微粒子フィルタ１００を示している。このハニカムフィルタ１００は入口端面１０２および出口端面１０４を有する。相互連結している多孔質壁１０６のアレイが、入口端面１０２から出口端面１０４まで長手方向に延在している。相互連結している多孔質壁１０６は、入口セル１０８および出口セル１１０の格子を画成する。出口セル１１０は、入口端面１０２に近接しているところでは栓１１２で閉じられており、出口端面１０４に近接しているところでは開いている。同様に、入口セル１０８は、出口端面１０４に近接しているところでは栓（図示せず）で閉じられており、入口端面１０２に近接しているところでは開いている。ハニカムフィルタ１００の入口端面１０２に向けられた排気ガスなどの流体は、入口セル１０８から進入し、相互連結している多孔質壁１０６を通って出口セル１１０に流入し、出口端面１０４でハニカムフィルタ１００から排出される。

典型的なセル構造において、各入口セル１０８は、出口セル１１０と１つ以上の側面で接しており、その逆も同様である。すなわち、それらは、市松模様状に配列されている。入口セルと出口セル１０８，１１０は、図１に示されるような正方形断面を有していても、他のセル形状、例えば、矩形、円形、三角形または六角形を有していてもよい。ディーゼル微粒子フィルタは一般に、コージエライト、チタン酸アルミニウムまたは炭化ケイ素などのセラミック材料から製造される。ディーゼル微粒子フィルタについて、コンパクトな構造において十分な壁表面積を提供するのに、約１０および３００セル／平方インチ（約１．５から４６．５セル／ｃｍ²）の間、より一般的に約１００および２００セル／平方インチ（約１５．５から３１セル／ｃｍ²）の間のセル密度を有するハニカムフィルタが有用であると考えられている。壁厚は、約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）の最小寸法から上に様々であって差し支えないが、一般には、フィルタ体積を最小にするために約０．０６０インチ（約１．５ｍｍ）未満である。好ましいセル密度でのコージエライト、チタン酸アルミニウムおよび炭化ケイ素などのセラミック材料について、約０．０１０および０．０３０インチ（約０．２５および０．７６ｍｍ）の間の範囲、例えば、０．０１９インチ（約０．４８ｍｍ）がもっともよく選択される。

ハニカム基体のセルに施栓するための従来技術の方法は、開口部を有するマスクを形成し、そのマスクをハニカム基体の端面に施し、その後、フィルタ材料を、マスクの開口部に通して、ハニカム基体の所望のセルに注入する各工程を含む。ハニカム基体のセルの施栓用のマスクを形成する様々な方法がある。例えば、特許文献１（ボンゾ(Bronzo)）には、マスクを形成するための自動化方法であって、ハニカム基体の端面に薄い透明なポリマーフイルムを付着させ、カメラを使用して、フイルムを走査し、フイルムの下にあるセルの位置を示す信号を生成する各工程を含む方法が記載されている。セル位置の信号は、フイルムを通して開口部を作製するための器具を位置決めするために用いられる。こ方法は、ハニカム基体の他の端面について繰り返される。高いセル密度を有する基体には、フイルムに開口部を作製するためにレーザが用いられる。このプロセスは、フイルムのどの領域を除去すべきであるかを計算し、レーザを用いて、これらの領域からフイルムを蒸発させる各工程を含む。

しかしながら、レーザを使用してフイルムに開口部を形成することには課題がある。課題の１つは、ハニカム基体が多数のセルを有することがあり、その各々を、基体の一端で施栓しなければならないことである。したがって、レーザがマスクの開口部の全てを形成するには、著しい時間がかかり得る。そのシステムでは、レーザにより蒸発すべきフイルムの領域を計算するために基体の画像の測定を使用するので、カメラとレーザとの間で精密な位置合せを維持することが望ましい。さらに、基体の端面を画像化するのに用いられるカメラは、光学成分における歪みの影響を受ける。したがって、画像からセル位置の精密な決定を行うために、これらの歪みを補正することが望ましい。このことは、大径基板について特に当てはまる。それに加え、フイルムの開口部は、充填剤栓材料をセルに正確に注入できるように、ハニカム基体のセルと正確に位置合せされなければならない。これには、フイルムに開口部を製造するための適切なコマンドを生成できるように、レーザに対する基体の向きを非常に精密に知ることが必要である。さらに、レーザによりマスクを切断するプロセスにおいて、切断されているマスクフイルムの小片／部分が、ゆるく切断され、セルに落ち込んだり、またはそうでなく、部分的にしか切り取られないことが分かった。
米国特許第４５５７７７３号明細書

上記に鑑みて、ハニカム構造のセルの施栓用のマスクを形成するための改良方法およびシステムが引き続き望まれているのが明らかである。

ある態様において、本発明は、ハニカム基体のセルの施栓用のマスクを製造する方法に関する。この方法は、第１のカメラを用いて、ハニカム基体の第１の端部の第１の画像を、第１の端部に施された第１の透明または半透明のフイルムを通して捕捉し、次いで、第１のレーザを用いてそのフイルムに第１のパターンの開口部を形成する各工程を有してなる。特に、第１の画像を捕捉する間の第１のカメラの作動距離ＷＤ_Cが、第１のパターンの開口部を形成する間の第１のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じである。ＷＤ_C／ＷＤ_Lの比が０．８および１．２の間にあることが最も好ましい。したがって、基体のずれによる感受性が減少する。

別の態様において、本発明は、ハニカム基体の施栓用のマスクを製造するためのシステムに関する。このシステムは、その上に透明または半透明のフイルムが施されたハニカム基体の第１の端部に対して対向した関係に配置された第１のレーザ、およびフイルムを通して第１の端部を画像化させるための第１の端部に対して対向した関係に配置された第１のカメラアセンブリを備えている。第１のカメラアセンブリの作動距離ＷＤ_Cは、第１のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じである。

さらに別の態様において、本発明は、ハニカム基体にマスクを製造するための装置であって、ハニカム基体に施されたフイルムに開口部を形成するように適用されたレーザ、および光学系を備え、光学系またはハニカム基体のいずれかが、第１と第２の作動位置の間で動かされる装置である。フイルムを通るハニカム基体のセル構造の画像は第１の作動位置で得られ、第２の作動位置では、レーザの通路は光学系により妨げられていない。第１の実施の形態において、光学系（カメラおよびミラーまたは単にミラー）が、第１と第２の作動位置の間で移動する。第２の実施の形態において、カメラが静止している間、基体が、第１と第２の作動位置の間で動かされる。

さらに別の態様において、本発明は、ハニカム基体の施栓用のマスクを製造するためのシステムである。このシステムは、第１の端部に施された第１のフイルムおよび第２の端部に施された第２のフイルムを有するハニカム基体を支持する取付具を備えている。第１のカメラアセンブリは、第１のフイルムを通して第１の端部を画像化するために第１の端部に対して対向する関係に配置されており、第１のレーザは、第１セットのセルチャンネルに対応する第１のフイルムの開口部を形成するために第１の端部に対して対向する関係に位置している。第２のカメラアセンブリは、第２のフイルムを通して第２の端部を画像化するために第２の端部に対して対向する関係に配置されており、第２のレーザは、第２セットのセルチャンネルに対応する第２のフイルムの開口部を形成するために第２の端部に対して対向する関係に位置している。マスクは、ホルダ内の基体の位置を変える必要なく、第１と第２の端部で形成される。

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明および特許請求の範囲から明らかになろう。

ここで、本発明を、添付の図面に示すいくつかの好ましい実施の形態を参照して、詳しく説明する。以下の説明において、本発明を完全に理解するように、多数の特定の詳細が述べられている。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てがなくとも実施できることが当業者には明らかであろう。他の例において、本発明を不必要に分かりにくくしないように、よく知られた特徴および／またはプロセス工程は詳細に記載されていない。本発明の特徴および利点は、以下の図面および議論を参照してよりよく理解されるであろう。

図２Ａは、ハニカム基体（明瞭にするために図示していない）のセルを選択的に施栓するためのマスク２００を示している。マスク２００は、透明または半透明材料の薄いフイルム２００から製造され、外皮マスク領域２０６により囲まれたセルマスク領域２０４からなる。マスク２００がハニカム基体（図４）上に配置されたとき、セルマスク領域２０４がハニカム基体のセルとセル壁に被さり、外皮マスク領域２０６はハニカム基体４００の外皮に被さる（それを超えて延在していてもよい）。セルマスク領域２０４はその中に形成された複数の開口部２０８を含み、充填剤栓材料（図示せず）は、そこを通して、ハニカム基体のセル中に注入されて、栓を形成することができる。開口部２０８は、充填剤栓材料が注入されるハニカム基体のセルと一致する。開口部２０８の形状は、ハニカム基体のセルの形状と同じであってもなくてもよい。一般に、開口部２０８の形状は、セルに充填剤栓材料が均一に充填できるように選択すべきである。図２Ａにおいて、開口部２０８は、ハニカム基体のセルの形状と合致する正方形である。この正方形の開口部２０８は、必要に応じて、隅肉角部または面取り角部を有していてもよく、開口部のサイズは一般に、セルのサイズに近似している。フイルムは、セル構造がそれを通して画像化されるように透明または半透明である必要がある。透明または半透明フイルム２００は、様々な材料、例えば、ポリマー（例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＰＥＴなど）またはエラストマー（例えば、シリコーン）から作製されていてよい。フイルム２００は、アクリル接着剤などの接着基材を含むことが好ましい。それに加え、フイルム２００は、レーザにより気化／除去できるような厚さのものである。０．００１インチおよび０．００５インチ（０．０２５４から０．１２７ｍｍ）の間の総厚を有するフイルム２００が好ましい。

図３Ａは、マスク（図２Ａの２００）を製造するためのシステム３００を示している。このシステム３００はハニカム基体ホルダ３０２を備えている。図３Ａに示す実例において、ホルダ３０２は、その中に基体が収まるｖ字形の凹みがあるｖ字ブロックである。しかしながら、支持体はｖ字ブロックの使用に限られず、任意の他の適切な位置決め支持取付具を用いてもよい。例えば、ハニカム基体４００を固定するために、膨張式袋を用いても、または基体の形状に密接に適合する輪郭を持つ支持体を用いてもよい。ハニカム基体４００を固定するために、ホルダ３０２にクランプまたは他の適切な機構が含まれてもよい。つまり、基体は、マスク形成プロセス中に静止した状態に保持されている必要がある。ホルダは、基体が常に所定の距離だけ離れているように、レーザ３２２および光学系３２０に対して基体４００の位置を固定するために用いられる停止部３０３を備えることが好ましい。この停止部は、切断中にレーザ３２２を、または画像化中に光学系３２０の視野を妨げないように可動性／再配置可能であることが好ましい。図４は、施栓すべき典型的なハニカム基体４００の斜視図を示している。ハニカム基体４００は、円柱体であり、外皮４０２により画成された断面形状を有している。外皮４０２の外形は一般に、円形、矩形、または楕円形であるが、本発明は任意の特定の外皮外形には制限されない。ハニカム基体４００は、外皮４０２と交差する相互連結した多孔質壁４０４のアレイを有する。多孔質壁４０４は、チャンネルまたはセル４０６の格子を画成し、これらセルは、ハニカム基体４００の端面４０８，４１０間をハニカム基体４００の長手方向に沿って延在する。チャンネルまたはセル４０６の断面は、正方形、矩形、円形、八角形、六角形、三角形であってよく、または他の形状を有していてもよい。一般に、ハニカム基体４００は押出しにより製造される。さらに、押出材料は、一般に、コージエライト、チタン酸アルミニウム、または炭化ケイ素形成材料などのセラミック形成材料であるが、ガラス、ガラスセラミック、プラスチック、または金属であっても差し支えない。多孔質壁４０４の厚さと気孔率は、ハニカム基体４００の構造的健全性が損なわれないようなものである。ディーゼル排ガス濾過について、多孔質壁４０４は、焼成後に、１から６０μｍの範囲、より好ましくは１０から３０μｍの範囲の平均細孔直径を持つ細孔、および上述したような壁厚とセル形状を有する。

図３Ａに戻ると、ハニカム基体４００がホルダ３０２内に静止状態に保持され、一方で、ハニカム基体４００の端面４０８，４１０のためのマスク２００が、それら端面に付着されたフイルムから形成されている。以下の議論において、端面４０８のマスクを形成する方法、装置およびシステムを論じる。この同じ方法およびシステムを用いて、端面４１０のマスクを形成することができる。端面４０８，４１０のマスクを同時に形成すると、マスクの形成にかかる時間が減少し、それによって、ハニカム基体４００のセルに施栓するのにかかる時間が減少する。さらに、それにより、均一性も増加し、端部に識別子を形成する必要がなくなり、またはそうではなくとも、他端に充填すべきセルの位置付けを決定する必要がなくなる。特に、ホルダにおけるどのような位置変えも、マスクの品質に有害であることが分かった。

ハニカム基体の端面４０８用のマスクを形成するために、マスク（図２Ａ）を形成するためのフイルム２００（所望の外寸に切断された）を端面４０８に付着させる。ある実例において、フイルム２００は、端面に付着され、ハニカムの周囲を超えて延在する（図示するように）。フイルム２００の付着性は、フイルム上の接着基材（前述した）を含むことにより、または透明フイルム２００とハニカム基体４００の端面４０８との間に接着剤の層を塗布することにより、提供される。マスクを端面４１０に形成すべき場合、フイルム２００が端面４１０にも施される。好ましいシステムにおいて、両端面は、そこに付着されたフイルム２００を含み、それらは、実質的に同時に、または少なくともホルダ３０２内の基体４００の位置を変える必要なく、形成される。

システム３００はさらに、透明または半透明フイルム２００を通してハニカム基体４００の端面４０８を画像化するための光学系３２０を備えている。このシステム３００は、フイルム２００に開口部を形成する（燃やす）ためのレーザシステム３２２も備えている。適切なレーザは、約１００ワットの最大出力を持つＣＯ₂レーザである。レーザ出力は、その出力をフイルム２００に開口部を切断するのに必要な出力に一致するように調節できるように調節可能であることが最も好ましく、０および１００ワットの間での調節が好ましい。開口部は、そこを通して充填剤栓材料がハニカム基体４００のセル中に注入される孔である。光学系３２０は、フイルム２００を通して走査し、ハニカム基体４００の端面４０８，４１０のセルおよび／または多孔質壁の位置を示す画像を生成するカメラ３２４を備えている。適切なカメラは、セルの位置の特定を可能にするのに十分な解像度を持つエリアカメラである。４００８×２６７２ピクセルを持つＲｅｄｌａｋｅ ＥＳ１１０００カメラが適していることが分かった。カメラ３２４により生成された画像は、アナライザ３２６、好ましくはコンピュータに送信され、これが、その画像をレーザ制御コマンドに変換して、レーザシステム３２２から発せられるレーザビームの経路を制御する。光学系３２０は、ミラー３３０およびカメラ３２４の両方を備えている。ミラー３３０により、カメラ３２４を基体４００から外すことができ、それでもまだ、レーザと実質的に同じ作動距離を有する。

図７に最もよく示されているレーザシステム３２２は、レーザ源３２８、光学素子３２３、および可動性ミラー３２７，３２９を備えている。精密アクチュエータ（図示せず）が、ミラー３２７，３２９に連結されており、Ｘ−Ｙ座標系（ハニカム基体４００の端面４０８に平行な面）においてレーザビーム３３１を動かすように動作できる。特に、ミラー３２７に取り付けられたアクチュエータは、このミラーを回転させて、Ｘ方向（図示する矢印に沿って）のレーザビーム３３１の動きを制御する。同様に、ミラー３２９に取り付けられたアクチュエータがこのミラーを回転させて、Ｙ方向（紙面に垂直）のレーザビーム３３１の動きを制御する。適切なアクチュエータは、ＧＳＩ Ｌｕｍｏｎｉｃｓガルバノメータであり、これは、２つの回転ミラーを使用してレーザビーム３３１の位置を制御する。アナライザ３２６により生成されるレーザ制御コマンドは、ミラー３２７，３２９を位置決めするための精密アクチュエータを制御し、それゆえ、Ｘ−Ｙ座標系においてレーザ源３２８から発せられるレーザビーム３３１を制御して、所定のセル位置で透明フイルム２００を通る開口部を作製するために用いられる。端面４０８，４１０にマスクを形成するために、光学系３２０およびレーザシステム３２２は、第１の端部と実質的に同様の様式で、端面４０８，４１０に対して対向する関係に配置されるであろう。

再度図３Ａに戻ると、この実施の形態において、光学系３２０（カメラ３２４およびミラー３３０を含む）が、端面４０８，４１０でセル位置の画像を捕捉するときに、レーザ源３２８および端面４０８，４１０の間の第１の作動位置（図示するような）に位置していることが好ましい。光学系３２０は、その系３２０が、開口形成動作中にレーザが妨げられないようにレーザ３２８の軌跡から外れて動かせるという点で、第１の作動位置（図示したような）から第２の引っ込められた作動位置（図３Ｂを参照のこと）まで可動であることが好ましい。言い換えれば、ミラー、好ましくはミラーとカメラは、開口形成動作中にレーザの軌道を外れて動かされる。作動位置間の動きは、カメラ３２４およびミラー３３０がその上に搭載されたフレーム３２５に連結されたアクチュエータ３２９により行われることが好ましい。必要に応じて、アクチュエータ３２９はミラー３３０のみに連結されていてよく、よって、カメラ３２４が静止状態にある間に、ミラー３３０が随時端面４０８に対して動かされるという点で、移動するミラーが、可動性光学系を構成する。第１の作動位置（図３Ａに示すような）において、端面４０８，４１０の画像を捕捉した後、カメラ３２４およびミラー３３０は、図３Ｂに示すような、第２の作動位置に外れて動かされて、レーザ源３２８が端面４０８で透明フイルム２００に開口部を形成できる。このようにして、ハニカム基体４００のマスクの切断は、ホルダ内のハニカム基体４００の位置を変える必要なく、行うことができる。

それに加え、光学系３２０は、カメラ３２４が、レーザ源３２８と同じ作動距離から、したがって、同じ視野配置から、端面４０８を見るようなものである。このことは、例えば、以下のように行われる：光学系３２０は、端面４０８に対してある角度に、一般に約４５度に配置され、カメラ３２４と共に可動性のミラー３３０を備えており、ミラーとカメラの両方とも剛性フレーム３２５に搭載されている。カメラ３２４は、ミラー３３０に焦点を合わせ、ミラー３３０からの端面の反射を捕捉することにより端面４０８を画像化する。ミラー３３０を通じて端面４０８を画像化している間のカメラ３２４の作動距離ＷＤ_Cは、端面４０８で透明フイルム２００に開口部を形成している間のレーザ源３２８（図３Ｂ参照）の作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じである。ここで、カメラの「作動距離」ＷＤ_Cという用語は、フイルム２００の面と、カメラ３２４のレンズ系の主面３２１との間の距離である。レーザの作動距離ＷＤ_Lは、フイルム２００の面とレーザの制御システムの中心との間の距離として定義される。特に、図７を参照すると、作動距離ＷＤ_Lは、以下の関係式により与えられる：
ＷＤ_L＝Ｌ₁＋Ｌ₂＝Ｌ₁＋（Ｄ／２）
ここで、
Ｌ₁は、レーザビームに沿って測定されるフイルム２００の面とミラー３２９との間の距離であり、
Ｌ₂は、レーザビームに沿って測定されるミラー３２９と３２７の間の距離の半分であり、
Ｄは、レーザビームに沿って測定されるミラー３２９と３２７の間の距離である。

作動距離を実質的に等しくすることにより、カメラの光学配置をレーザの光学配置に一致させる利点が得られる。これにより、部分画像における測定セル位置のレーザ座標への変換がよりロバストになる。特に、そのために、ホルダ内の任意のわずかな基体のずれによる誤差が最小になる。ＷＤ_C／ＷＤ_Lの比が０．８と１．２の間にあることがより好ましく、０．９と１．１の間にあることが最も好ましい。

アナライザ３２６は、カメラ３２４により捕捉された画像を使用して、レーザ源３２８の制御コマンドを生成し、次いで、このコマンドがレーザビーム３３１（図７）をＸ−Ｙ座標において動かす。アナライザ３２６は、校正マップを用いて、カメラ３２４からの画像上のピクセル位置をレーザ源３２８のレーザビーム３３１の物理的位置に関連付ける（標的位置で）。校正マップを作成する方法の１つは、例えば、適切なＣＡＤプログラムを用いて、校正グリッドを生成する工程を含む。この校正グリッドは、所定の位置での一連の物体、例えば、小さな正方形からなる。次に、この校正グリッドは、レーザ制御コマンドまたは座標に変換される。標的は、ハニカム基体４００がレーザ源３２８に対して配置されるであろう同じ位置に位置する。一般に、これは、ハニカム基体４００が、例えば、製造運転の始めに、ホルダ３０２内に配置される前に行われる。レーザ源３２８を制御して標的上の校正グリッドを切断するために、校正グリッドを用いて生成される制御コマンドが用いられる。この標的は、典型的に、レーザ源３２８からのレーザビーム３３１によって見えるように印付けられる平らなプレートである。ある実例において、標的は、黒色コーティングにより被覆された白色フォームボードである。レーザ源の出力は、選択位置でフォームボード上の黒色コーティングを焼き払って、白色の下にあるフォームを露出させるように調節される。これにより、マップを作成するために容易に画像化でき分析できる、フォームボード上のハイコントラストのマークが形成される。画像のピクセル間隔とレーザのＸ−Ｙ方位との間の校正は、校正マップとして記録され、それにより、視野において歪みなどについて補正が行われる。

作動において、標的上の幾何学校正グリッドパターンを燃やした後、カメラ３２４およびミラー３３０が、ハニカム基体の視野位置（第１の作動位置）に割り出しされ、標的上の校正グリッドの画像が捕捉される。校正グリッドの画像が分析され、画像中のグリッド特徴の各々のピクセル位置が計算される（例えば、グリッド特徴は、小さな正方形の２８×２８のグリッドを校正するものであってよい）。各特徴（正方形）のピクセル位置は、校正グリッド中の関連する特徴のレーザコマンド座標と共に記録される。これらの記録された物理的位置およびピクセル位置が校正マップを構成する。作動において、セルの測定されたピクセル位置を関連するレーザコマンド座標に変換して戻すために、補間ルーチンが用いられる。校正法は、捕捉された画像における測定されたピクセル位置を実際のレーザ制御コマンドに関連付けるので、それにより、光学系３２０とレーザシステム３２２との間の光学歪み、位置合せ、および座標変換が自動的に補正される。校正マップを作成した後、標的上に形成された校正グリッドを画像化し、それぞれのグリッド特徴を位置付け、これらのグリッド特徴位置の各々で二次特徴を切断するのに必要なコマンドを計算することによって、校正マップの精度を目で見て確認することができる。このセットのコマンドをレーザ源に送信して、二次切断を行うことができ、二次切断特徴による元の校正特徴のアライメントで、直接の目測および校正精度の指標が得られる。

透明フイルム２００に開口部を形成するときに、レーザ源３２８は一般に、光学素子を通して、透明フイルム２００に切断されている開口部よりも実質的に小さいサイズのスポットサイズを有するビームとなるように焦点が合わせられる。レーザ源３２８が、端面４０８のセルの周囲辺り、すなわち壁に隣接する辺りを単純に切断するように命令されると、セルの中心上の透明フイルム２００の一部が、時々セル中に落ちるか、またはそうでなければマスクから垂れ下がったままとなるであろう。もちろん、その目的は、周囲の内側に材料の一部たりとも残らないように、材料を完全に除去することである。完全には除去しない可能性は、より大きな開口部を切断するようにレーザ源３２８の焦点をぼかすことにより避けられる。しかしながら、この手法では、レーザの標的精度が減少し、レーザの設定を異なるセル密度で変更することが必要になるであろう。図２Ａおよび２Ｂは、フイルム２００に開口部２０８（図２Ａ）を形成する代わりの手法を示してている。この手法は、セル４０６（点線により示された周囲）の中心で小さな寸法の多角形２０８ａ（好ましくは正方形）を最初に切断し、それによって、セルの中心のまたはその近く（図２Ｂ）のフイルム２００を蒸発させる（除去する）工程を含む。この後で、セルから残りのフイルムを切り取り、除去するために、小さな多角形の周りの大きな寸法の多角形２０８ｂを切断することが行われる。より大きな寸法の多角形に移行している間は、レーザが停止されていることが好ましい。それゆえ、セル４０６の断面積に近似する開口部が形成され、このとき、その内側の材料の全てが除去されている。

別の手法は、セル４０６の周囲をたどらないが、セルを充填材料で均一に充填できる開口部をフイルム２００に形成することである。例えば、図２Ｄに示したように、開口部２０８は、セルの角の間で対角に延在する線であって差し支えない。正方形または矩形のセルについて、開口部は、Ｘ字形またはバツ形状を有するであろう。この場合、フイルムがセル中に落下する虞はない。さらに、上述した正方形または入れ子の多角形を切断するのにかかるレーザ行程よりも、Ｘ字形を切断するのにかかるレーザ行程のほうが少ない。また、Ｘ字形はセルの角に延在するので、セルの角に充填剤栓材料を導くのを補助し、それによって、セルに形成された栓の健全性が改善される。

図４に示したように、ハニカム基体４００のセル４０６は、一般に、行と列の直交アレイに配列されており、各チャンネルは特定の形状を有している。典型的にこの形状は正方形であるが、前述したように他の形状、例えば、矩形、三角形、六角形などであって差し支えない。下にあるセルの形状と一致する開口部を有する施栓マスクを作製することが望ましい場合、セルと同じ方位を有する開口部を形成するために適切な切断コマンドを計算できるように、レーザＸ−Ｙ軸座標系に関するセルの方位を知る必要がある。レーザのＸ−Ｙ座標に対する基体４００の回転方向を知ると、セルの所定のパターンへの割当ても簡単になり、また交互のセルが基体の各側で施栓されるように基体の２つの端面でマスクの位置決めすることが簡単になる。

こうするために、カメラ（図３Ａにおける３２４）により捕捉された画像のある領域が分析されて、ハニカム基体４００の２つの隣接するセルの位置が決定される。これら２つの位置の間のユークリッド距離はセル間隔の尺度を提供し、これにより、アナライザ（図３Ａにおける３２６）が、セル間隔を事前に知らずに、異なるセル密度を持つ基体の画像を処理することが可能になる。２つの隣接するセルの間の相対角度は、カメラおよびレーザに対するハニカム基体４００の回転方向についての情報を与える。フイルム２００に開口部を形成するためのレーザの適切な切断コマンドが、切断実体の形状を回転部分と位置合わせするために、この測定角度だけ各セルの中心位置の周りで回転される。

図５は、貯留部５０３から、マスク２００のレーザ切断された開口部を通してハニカム基体４００の端面４０８にある選択されたセル４０６中に充填剤栓材料５０２を注入して栓を形成する様子を示している。充填材料５０２は、例えば、セラミック原料と結合剤および可塑剤との混合物などの任意の流動性施栓材料であることが好ましい。２００５年７月２０日に出願された「Ceramic Wall Flow Filter Manufacture」と題する米国特許出願第１１／１８６４６６号明細書には、いくつかの有用なセラミック形成施栓材料が記載されている。マスク２００のフットプリントは、ハニカム基体４００の端面４０８のフットプリントと同じであってよい。あるいは、マスク２００は、例えば、２００４年１１月１５日に出願された「Mask For Plugging Particulate Filter Cells」と題する米国特許出願第１０／９９０１０９号明細書に教示されているように、ハニカム基体４００の周囲を超えて延在するように、ハニカム基体４００の端面４０８より大きくてもよい。フレームまたはクランプ部材５０４が、貯留槽５０３の周りで表面５０６に対してマスク２００を押し付けて、マスクを貯留槽５０３に封止することが好ましい。材料が注入され、その流れは流動制御装置５０５により制御される。施栓装置は、例えば、本出願と同時に出願された「Plugging Methods and Apparatus For Particulate Filters」と題する米国特許出願および特許文献１（ボンゾ(Bronzo)）に教示されているようなものであってよい。ハニカム基体４００に栓を形成する時間を節約するために、充填材料５０２は、ハニカム基体４００の端面４０８，４１０中に同時に注入しても差し支えない。

本発明の実施の形態による代わりの装置３００が、図６に示されており、この図を参照して説明する。この実施の形態において、装置３００は、光学系、すなわち、カメラ３２４が静止していることを除いて、先の実施の形態のようにカメラ３２４およびレーザ３２９を含む光学系を備えている。マスクすべき基体４００（その上にフイルム２００を有する）が、カメラ３２４の正面に端面４０８，４１０を配置する第１の位置３１２から、レーザ３２８の正面の第２の位置３１４に移動する可動性ホルダ３１０内に取り付けられている。このホルダ３１０は、トラック３１１に搭載され、第１の作動位置３１２から第２の作動位置３１４に直線経路に沿って動く。トラック３１１は、位置３１２，３１４での正確な配置が行われるように、両端に確実に機能する停止部を備えることが好ましい。作動において、基体４００は、第１の位置３１２でホルダ３１０内に配置され、両端面の画像がカメラ３２４により得られ、アナライザ３２６に提供される。次いで、基体４００はレーザシステム３２８に隣接する第２の位置３１４に動かされ、フイルムに開口部が焼き払われて、マスク２００を生成する。アナライザ３２６が各端面４０８，４１０に撮られた画像を相関付けて、第１の端面４０８に形成された開口部が、第２の端面４１０に形成された開口部と異なるセルと整合されていることを確実にする。この実施の形態において、カメラの作動距離ＷＤ_Cは、レーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に等しく設定されている。作動距離の定義は、先の実施の形態におけるものと同じである。この装置により、第２の作動位置で開口部の切断が可能になり、ここで、レーザビームの経路は前記光学系により妨げられていないことが認識されよう。

本発明を、限られた数の実施の形態を参照して記載してきたが、この開示の恩恵を受けた当業者は、ここに開示された本発明の範囲から逸脱しない他の実施の形態を考え出せることが認識されよう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみにより制限されるべきである。

従来技術のウォールフロー型微粒子フィルタの斜視図 ハニカム基体のセルの施栓用のマスクの平面図 フイルムの開口部の部分正面図 フイルムの別の開口部の部分正面図 フイルムのさらに別の開口部の部分正面図 ハニカム基体のセルを基体の両端で施栓するためのマスクを製造するためのシステムの概略図 ハニカム基体のセルの施栓用のマスクを製造するためのシステムの概略図 ハニカム基体の斜視図 マスクを通してハニカム基体のセル中に充填剤栓材料を注入する様子を示す部分断面図 ハニカム基体のセルの施専用のマスクを製造するための本発明の別のシステムの実施の形態の概略図 図３Ａ、３Ｂおよび６のシステムに利用されるレーザの作動距離を示す概略図

符号の説明

１００ ウォールフロー型微粒子フィルタ
１０８ 入口セル
１１０ 出口セル
１１２ 栓
２００ マスク
３００ システムまたは装置
３２０ 光学系
３２７，３２９，３３０ ミラー
３２４ カメラ
３２６ アナライザ
４００ ハニカム基体

Claims (26)

1. ハニカム基体のセルの施栓用のマスクを製造する方法であって、
   第１のカメラを用いて、前記ハニカム基体の第１の端部に施された第１の透明または半透明フイルムを通して該ハニカム基体の第１の端部の第１の画像を捕捉する工程、および
   第１のレーザのレーザビームを用いて、前記第１の透明または半透明フイルムに第１のパターンの開口部を形成する工程、
   を有してなり、
   前記第１の画像を捉えている間の前記第１のカメラの作動距離ＷＤ_Cが、前記第１のパターンの開口部を形成している間の前記第１のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じであることを特徴とする方法。
2. 前記捕捉する工程が、第１のミラーを前記第１の端部に対してある角度で位置決めし、該第１の端部の反射画像を捕捉する各工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記角度が約４５度であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記第１のパターンの開口部における開口部が前記第１の端部のセルの縁と実質的に一致するような方向の経路に沿って前記レーザビームを移動させる制御コマンドを生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記制御コマンドを生成する工程が、前記第１のカメラまたは第１のレーザの軸に対して前記第１の端部でのセルの相対回転方向を決定する工程を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記セルの回転方向を決定する工程が、前記第１の画像における２つのセルの間の相対角度を決定し、該相対角度からセルの方向を決定する各工程を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記制御コマンドを生成する工程が、前記第１の端部でセルの間の間隔を決定する工程を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 前記第１の画像におけるピクセル位置を前記第１のレーザの物理的位置に関連付けるための校正マップを作成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記校正マップを作成する工程が、第１のレーザを用いてグリッドを生成し、次いで、該グリッドの画像を捕捉する各工程を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 所定の位置に標的を配置し、該標的に前記グリッドを形成する制御コマンドを実行する各工程をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記第１のカメラを用いて前記標的に形成された前記グリッドの画像を捕捉し、該グリッドの画像を分析して、前記標的上の前記グリッドの形成中に、該画像におけるピクセル位置と前記レーザビームの物理的位置との間の関係を決定する各工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記第１のパターンの開口部の切断が、孔の位置で小さな開口部を最初に切断し、次いで、該小さな開口部の周りに大きな開口部を切断する各工程を含むような制御コマンドを生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記第１のパターンの開口部の切断が、対角線を切断する工程を含み、該対角線が前記第１の端部でセルの角に延在するような制御コマンドを生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 第２のカメラを用いて、前記ハニカム基体の第２の端部に施された第２の透明または半透明フイルムを通して該ハニカム基体の第２の端部の第２の画像を捕捉する工程、および
    第２のレーザのレーザビームを用いて、前記第２の透明または半透明フイルムに第２のパターンの開口部を形成する工程、
    を有してなり、
    前記第２の画像を捉えている間の前記第２のカメラの作動距離ＷＤ_Cが、前記第２のパターンの開口部を形成している間の前記第２のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じであり、前記第２の画像を捕捉し、前記第２のパターンを形成する各工程が、ホルダ内の前記基体の位置を変えずに行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 前記捕捉し形成する各工程が、前記第１と第２の端部について実質的に同時に行われることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. ハニカム基体の施栓用のマスクを製造するためのシステムであって、
    透明または半透明フイルムが施された前記ハニカム基体の第１の端部に対して対向する関係に位置する第１のレーザ、および
    前記第１の端部に対して対向する関係に位置する第１のカメラアセンブリ、
    を備え、前記第１のカメラアセンブリの作動距離ＷＤ_Cが、前記第１のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じであるシステム。
17. 前記ハニカム基体の第２の端部に対して対向する関係に配置された第１のレーザおよび第２のカメラアセンブリをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載のシステム。
18. ＷＤ_C／ＷＤ_Lの比が０．８と１．２の間であることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
19. 前記第１のカメラアセンブリにより捕捉された画像のピクセル位置を前記第１のレーザの物理的位置に変換するアナライザをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載のシステム。
20. ハニカム基体上にマスクを製造するための装置であって、
    前記ハニカム基体に施されたフイルムに開口部を形成するように適用されたレーザ、および
    カメラを含む光学系、
    を有してなり、
    前記光学系または前記ハニカム基体のいずれかが第１の作動位置と第２の作動位置との間で動かされ、前記フイルムを通した前記ハニカム基体のセル構造の画像が前記第１の作動位置で得られ、前記第２の作動位置で、第１のパターンの前記開口部を形成する間に、前記レーザの経路が前記光学系により妨げられないことを特徴とする装置。
21. 前記光学系がカメラおよびミラーを含み、該カメラと該ミラーの両方が、前記第１と第２の作動位置の間で可動性であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記光学系が静止カメラを含み、前記基体が、ホルダ内に搭載され、軌跡に沿って前記第１と第２の作動位置の間で可動性であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
23. 前記画像を捉えている間の前記カメラの作動距離ＷＤ_Cが、前記開口部を形成している間の前記レーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じであることを特徴とする請求項２０記載の装置。
24. ハニカム基体の施栓用のマスクを製造するためのシステムであって、
    第１の端部に施された第１のフイルムおよび前記第１の端部の反対の第２の端部に施された第２のフイルムを有するハニカム基体を支持するためのマウント、
    前記第１のフイルムを通して前記第１の端部を画像化するための、該第１の端部に対して対向する関係に配置する第１のカメラアセンブリ、
    第１のセットのセルチャンネルに対応する前記第１のフイルムの開口部を形成するための、前記第１の端部に対して対向する関係に位置する第１のレーザ、
    前記第２のフイルムを通して前記第２の端部を画像化するための、該第２の端部に対して対向する関係に配置する第２のカメラアセンブリ、および
    前記第１のセットと異なる第２のセットのセルチャンネルに対応する前記第２のフイルムの開口部を形成するための、前記第２の端部に対して対向する関係に位置する第２のレーザ、
    を備え、前記マスクが、前記基体の位置を変える必要なく、前記第１と第２の端部に形成されることを特徴とするシステム。
25. 前記第１のカメラアセンブリの作動距離ＷＤ_Cが、前記第１のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じであることを特徴とする請求項２４記載のシステム。
26. 前記第２のカメラアセンブリの作動距離ＷＤ_Cが、前記第２のレーザの作動距離ＷＤ_Lと実質的に同じであることを特徴とする請求項２４記載のシステム。

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