JP2010513081A - 製造ラインでオブジェクトを加熱するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

製造ラインにおける熱処理工程でオブジェクトを加熱するシステム及び方法（１０）について開示している。そのシステムは、搬送システム（１１）と、前記製造ラインの少なくとも一部に沿って、対向して備えられた第１ミラー面（２１、２１´、２１´´）及び第２ミラー面（２２、２２´、２２´´）を有するミラー構成（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６）であって、それ故、前記オブジェクトが前記製造ラインに沿ってミラー面（２１、２２，２１´、２２´、２１´´、２２´´）間で搬送されることが可能である、ミラー構成と、光を生成する複数のレーザを有する放射装置と、を有する。放射装置（３０）及びミラー構成（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６）は、ミラー構成（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６）に入射する光（Ｌ）の主方向（Ｒ）が製造ライン（Ｐ）に対してある角度で第１ミラー面（２１、２１´、２１´´）の方に方向付けられるように構成され、光（Ｌ）は続いて、一連の光の多重反射がミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向（ＯＴ）に進み、又は、前記ミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向に逆らって進み、ミラー面（２１、２２，２１´、２２´、２１´´、２２´´）間で多重反射してオブジェクト（Ｏ）を加熱するように、ミラー面（２１、２２，２１´、２２´、２１´´、２２´´）間で多重反射する。

Description

本発明は、一般に、製造ラインにおける熱処理工程中に、特に、熱変形工程中に、オブジェクトを加熱するシステム及びオブジェクトを加熱する方法に関する。

ボトルのブローイング、乾燥、硬化、急速熱処理等の熱変形工程のような工業における加熱の適用のために、今日まで白熱ランプ又はキセノンランプが使用されてきている。一方、ＩＲレーザダイオードは最も効率的な放射線源である。放射線の高いコリメーションに加えて、良好に規定された狭い波長帯域は、それらの光源を工業における加熱の適用についての次世代光源にする一方、白熱ランプ又はキセノンランプはそれらの限界に達している。ボトルブローイングのためのレーザ加熱方法及び実際的な構成については、国際公開第２００６／０５６６７３Ａ１号パンフレットに記載されている。この特許文献においては、吸収がかなり低いことにより、ＰＥＴ加熱のために良好であるレーザの高電力密度及び波長領域８００乃至１０６４ｎｍについて開示されている。その有利点は、放射線が、その場合、最外部分のみにおいてではなく、全体的なボリュームにおいて吸収されることである。他方、これは、ＰＥＴフォームを透過するレーザ光の多くのパスを必要とする。従って、この特許文献においては、レーザ構成のマルチパスのために適切なあるリフレクタ構成について記載されていて、それらのリフレクタ構成は２つの対向する半円形リフレクタ面を有する。このリフレクタ構成において方向付けられるレーザビームは、それらの半円形のリフレクタ面の共通の焦点の周囲に星状にそれらのリフレクタ面間で放射状多重反射する。それらの面間で反射される光を完全利用するように、ＰＥＴフォームは、リフレクタ構成の中央に位置付けられる必要がある。これは、ＰＥＴフォームの段階的な処理を必要とし、中断のない製品の流れは可能でない。更なる不利点は、加熱処理についてのそれらの実施形態において必要なレーザ源が高パワーのレーザダイオードバーであることである。本明細書で述べている単独の１ｃｍの長さのレーザバーの発せられる赤外線パワーは１００Ｗである。高パワーのダイオードレーザバーは、しかしながら、かなり高価である。更に、極度のエネルギー集中においては、オリジナルのレーザダイオードのコストに比べて１０倍程度高価である付加コストをもたらすように、高度の取り付け技術及び冷却技術を必要とする。

国際公開第２００６／０５６６７３Ａ１号パンフレット

従って、本発明の目的は、熱処理工程において、特に、中断することのできない連続的な製品の流れを可能にする製造ラインにおける熱変形工程において、よりコストパフォーマンスの高い、オブジェクトを加熱するシステム及びオブジェクトを加熱する方法を提供することである。

このために、本発明は、製造ラインにおける熱処理工程においてオブジェクトを加熱するシステムであって：
− 製造ラインに沿った搬送方向にオブジェクトを搬送する搬送システムと；
− 製造ラインの少なくとも一部に沿って、対向する側に備えられた第１ミラー面及び第２ミラー面を有するミラー構成であって、それ故、オブジェクトが製造ラインに沿ってそれらのミラー面間を搬送されることが可能である、ミラー構成と；
− 光を生成する複数のレーザを有する放射装置と；
を有する、システムであり、
それにより、放射装置及びミラー構成は、ミラー構成に入射する光の主方向が製造ラインに対してある角度で第１ミラー面の方に方向付けられるように構成され、光は続いて、光の入射点の多重反射が搬送方向に、即ち、ミラー面の少なくとも一部に沿ってオブジェクトと共に移動するように、または、ミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向に逆らって移動するように、ミラー面間で多重反射して、ミラー間で搬送されるオブジェクトを加熱する、システムを提供する。

従って、光の‘主方向’は、光の大部分が放射される方向として理解できるものである。発散する光ビームの場合、その主方向は、例えば、光ビームの中央軸の方向である。

更に、用語‘一連の光の多重反射’は、搬送方向において又は搬送方向に逆らって、ミラー面の少なくとも一部に沿って進む光に照らして、光ビームの３つ又は４つ以上の連続的な反射がミラー面の一部に沿った同じ方向において連続し、国際公開第２００６／０５６６７３号パンフレットに記載されている実施形態にあるように、中央焦点の周りを行ったり来たりしては反射されない。本発明に関連する‘ミラー面’は、その面に入射する光を実質的に完全に反射する何れかの面である。それ故、以下において、用語‘リフレクタ’及び‘ミラー’は、交換可能であるように用いられ、そして同じ意味を有する。

本発明は、製造ラインにおける熱処理工程においてオブジェクトを加熱する方法であって：
− オブジェクトは、ミラー構成の第１ミラー面と第２ミラー面との間の製造ラインに沿った搬送方向に搬送され、第１ミラー面及び第２ミラー面は製造ラインの少なくとも一部に沿って対向する側に備えられ、
− 光は、放射装置の複数のレーザにより生成され、
− 生成された光は、ミラー構成に入る光の主方向が製造ラインに対してある角度にある第１ミラー面の方に方向付けられ、ミラー構成は、光が続いて第１ミラー面及び第２ミラー面間で多重反射するように構成され、それ故、光の一連の多重反射はミラー面の少なくとも一部に沿った搬送方向に進む、又はミラー面の少なくとも一部に沿った搬送方向に逆らって進み、それらのミラー間を搬送されるオブジェクトを加熱する、
方法を提供する。

この構成の有利点は、ミラー構成に入る光が連続的なプロダクトの流れにおいて完全に用いられることが可能であることである。このような入来する光の高度な利用のために、放射源の光出力における低減が、あまり高くないパワーのレーザダイオードバーを用いることにより、又は、下で説明するように、コストパフォーマンスの高い、低パワーのレーザダイオードを有利に用いることにより、可能である。

従属請求項及び以下の詳細説明においては、特に本発明の有利な実施形態及び特徴について開示している。

好適には、本発明に従ったシステムは、オブジェクトがミラー構成を通って搬送されている間に、ミラー面間で複数のオブジェクトにより光が一部、吸収されるように、生成された光について少なくとも一部が透過するオブジェクトを加熱するように用いられる。そのようなアプリケーションにおいては、本発明に従ったミラー構成は、加熱されるべきオブジェクトを光が各々透過する間に、光は僅かに一部が‘用いられる’、即ち、吸収されるために、そして、弱められた光ビームは、その場合、他のオブジェクトに即座に反射されるために、残りの光のエネルギーは再び、用いられることが可能である。本発明に従ったシステムは、勿論、また、特にそれらのオブジェクトが比較的大きい距離、離れているプロセスチェーンを経て搬送されるプロダクトであるとき、他の種類のプロダクトを熱処理するために用いられることもまた、可能であり、それ故、ミラー構成において最初に多重反射された後にのみ、光ビームは、恐らく、オブジェクトに入射する。そのシステムは、冒頭で述べたＰＥＴボトルブローイング等の熱変形工程のために特に好適に用いられる。

実際のアプリケーションに依存して、異なる強度のプロファイルが、オブジェクトの搬送方向に沿って必要である。例えば、一アプリケーションにおいては、光が一様に分散した放射が必要である一方、他のアプリケーションにおいては、初期的な僅かな加熱が必要であり、それに後続して、最終的に特定のホットスポットに達するまで、光強度が徐々に増加する。同様に、他のアプリケーションにおけるより、より徐々である冷却がホットスポットに後続する必要がある。従って、好適な実施形態においては、光の多重反射が、ミラー構成に対する光の入射点から下流への光の進行方向に、特定のアプリケーションについて好ましい光の所定の強度プロファイルをもたらすように、ミラー構成が構成される。従って、空のミラー構成について、即ち、オブジェクトが搬送されていない構成において、強度プロファイルが規定されることが可能である。‘進行方向’は、光が進む‘実質的な方向’であって、その方向に沿って、ミラー面間で光が行ったり来たりしながら進む方向であるとして理解されるべきである。以下、この方向はまた、‘全体的な光の進行方向’といわれる。用語‘入射点から下流に’は、初期の全体の光の進行方向に関して規定される。それは、光が初期に搬送方向に進むとき、搬送方向における光の入射点から好ましい強度プロファイルが構築される一方、光が初期に搬送方向に逆らって進む場合には、その強度プロファイルは、それに相応して、搬送方向に対して光の入射方向から上流に構築される。

そのような実施形態の特定の好適な変形においては、ミラー構成が空である場合には、光の多重反射が、光の入射点から下流への光の進行方向において光の強度の増加をもたらすように、ミラー構成は構成される。そのシステムは、オブジェクトによる光の吸収のための強度における損失を、強度における増加が補償するように、構成されることが可能である。同様に、他の好適な実施形態においては、光の強度は光の入射点からの距離が増加するにつれて増加することが可能であり、それ故、例えば、オブジェクトは、ミラー構成における最も高温の位置に達するまで、オブジェクトは次第に加熱される。他方、ミラー構成における最も高温の位置は、光の入射点に近接している又は入射点の近傍にあることが可能である。

例えば、入射点から下流への光の進行方向で光の強度の増加を得るように、好適には、ミラー構成は、ミラー構成の単独のミラー面における光線の入射点間の距離が、ミラー構成への光の入射点から下流への光の進行方向において減少するように、構成される。これは、光の進行方向に沿った入射点からの距離が増加するにつれて、光ビームは、反射間の定常的に減少する距離を伴ってミラー面間で反射する。従って、光線が進む、行ったり来たりしながらのパスは、ミラー面間の中央軸に沿って、即ち、オブジェクトの搬送方向に沿って、互いにより接近するようになり、最終的には、光の強度における増加に繋がる。

第１ミラー面及び第２ミラー面は、ミラー構成への光の入射点から下流への光の進行方向に沿ったミラー構成の少なくとも一部において互いに接近する。換言すれば、ミラー構成のミラー面は、例えば、ファンネル状に備えられている。

第１の好適な実施形態においては、第１ミラー面及び第２ミラー面は平坦であり、即ち、搬送方向に沿って水平であり、互いに対してある角度で位置付けられている。この単純な構成は、簡単な方法で、ミラー構成の個別のミラー面における光線の入射点間の距離が入射点から下流への光の進行方向に減少するようにする。このことは、下で図を参照して詳述する。

更なる好適な実施形態においては、少なくとも１つのミラー面は、光の入射点から下流の方にミラー面の少なくとも一部が製造ラインに沿って進むオブジェクトの方に向って内側に曲面化するように、局面化している。特定の好適な変形においては、ミラー面の少なくとも１つは凹状である。更なる変形においては、少なくとも１つの凸面ミラー面が用いられる。

ミラー構成は、ミラー構成に入射する光が光の入射点から下流方向の第１の全体的な方向に進み、光の進行方向は、光の入射点から下流方向にミラー構成における特定の距離進んだ後、保たれる。この構成においては、強度を損失しないように、光は既に多重反射され、光のパスにおけるオブジェクトにより吸収され、光の残りのエネルギーが最適に利用されるように、光の入射点の方向に逆転して戻される。

このことは、多くの方法で達成されることが可能である。例えば、第１ミラー面及び第２ミラー面が適切な方法で形状化されて、互いに対して配置されることが可能である。この効果については、２つの平面状ミラー面がファンネルのように互いに対してある角度で配置されるときに得られることが、下げ示されている。

他の実施形態においては、ミラー構成は、実質的に反対方向に戻るように光を反射するように備えられるミラー表面領域を有する。この場合、光は、実質的に製造ラインに沿って戻るように同じパス、即ち、特定のミラー面領域に達するように進むパスをとる。このために用いられる特定のミラー面領域は別個のミラーであることが可能であり、又は、適切な方法で、曲がっている、又は形状化されたミラー面のうちの１つの一部であることが可能である。

更なる実施形態においては、ミラー面は広がっていく、即ち、入射点から下流方向への光の進行方向に減少する強度プロファイルを得るように、光の入射点から下流方向に、互いから外側に向って広がっている。ミラー構成において光を結合するように、少なくとも放射装置のレーザの群の光は、光線がミラー構成の光入射の開始において又は略開始においてフォーカシングされるように、ミラー構成において光を方向付けるように好適にフォーカシングされる。それは、本発明に従った方法においては、従来技術と異なり、個別のレーザの光が、その光が加熱するオブジェクトフォーカシングされないが、ミラー構成における入射点にフォーカシングされることを意味する。光は、その場合、上記の手段を用いて、有利に反射されることにより利用され、それ故、殆どの光強度が、オブジェクト自体における熱エネルギーに変換される。

多くの場合、搬送方向に対して横方向に曲面化していないミラー面を用いることは意味をなし、それ故、ミラー構成への光の入射はフォーカシングされず、搬送方向以外の方向にデフォーカシングされる。

これは、オブジェクトが全体の長手方向に亘って照射されるために、ブローされるべきＰＥＴボトル等の細長いオブジェクトの場合に、特に都合がよい。

従って、ミラー構成の光入射の開始は、スリットのような細長い開口の形を有することが可能であり、光ビームは、オブジェクトの長さ及び幅に亘って、全体的なスリットに沿ってフォーカシングされることが可能である。勿論、焦点を得、円形のアパーチャのような光入射の開口を得ることも可能である。基本的には、光入射開口は何れの形状でも得ることが可能である。しかしながら、迷光が光入射開口を通ってもう一度励起されないように、比較的狭い開口を有することは都合がよい。

他の有効な実施形態においては、第１ミラー面及び／第２ミラー面は、オブジェクトの搬送方向に対して横方向に曲面化している。それ故、製造ラインが水平方向の面内にあるようにみえる場合、ミラー面は、この面の上及び／下の内側に曲面化しているようにみえる。その曲率はかなり小さいが、ミラー面間の光線のパスに亘って光線の僅かなずれを補償するには十分である。また、ミラー面は、適切なレーザの設定により達成することが可能である異なる加熱座（場所）に対応する２つ又はそれ以上の異なる高さのゾーンを有することが可能である。それらの高さのゾーンは、異なる高さのゾーンの光ビームがかなり結合しないように、僅かな焦点効果を有することが可能である。

更に、ミラー面は、ミラー面の曲率がミラーの異なるセグメント又は部分について異なるように構成されることが可能である。

製造ラインに沿ったより長い部分に亘ってプロダクトを加熱するように、ミラー構成は、好適には、製造ラインに沿った複数のステージを有することが可能であり、それにより、各々のステージは、製造ラインの副部分に沿って第１ミラー面及びそれに対向する第２ミラー面を有する。光は、それらのステージの各々に対して方向付けられることが可能である。明らかに、より高い光の強度を得るように、ミラー構成のあるステージにおける異なる入射開口を通して、レーザの群から幾つかの光ビームを又は幾つかの光ビームの束を方向付けることも可能である。

上記のように、驚いたことに、光の反射が有効に用いられるとき、高パワーのレーザダイオードバーを用いる必要がないことを理解することができる。従って、本発明に従ったシステムにおいては、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）がレーザ光の光源として用いられる。それらのレーザはかなりコストパフォーマンスが高いように製造されることが可能であり、各々が個別により小さい光出力を生成するために、それらのパワー損失はより小さく、それ故、必要な冷却はまた、高パワーのレーザバーに比べて高コストパフォーマンスを有する。実際には、ＶＣＳＥＬは、従来のＬＥＤの代替として多くのアプリケーションで用いるように提案されている。例えば、国際公開第２００４／００９３１８Ａ１パンフレットにおいては、光硬化処理で放射源として用いるアドレス可能ＬＥＤアレイについて記載されていて、ＶＣＳＥＬがＬＥＤに代えて用いられることが可能であることについて記載している。しかしながら、光硬化は、かなり高い放射エネルギーが加熱されるべきオブジェクトにある又はそれに近接してある必要がない放射処理工程であるが、本発明に従った、高度な光の束状化及びミラー構成の利用により、ＶＣＳＥＬは、高エネルギーが供給される必要がある熱変形のような熱処理行程のためにも使用可能である。

好適には、垂直延出共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｅｔｅｎｄｅｄ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）が用いられ、その垂直延出共振器型面発光レーザは、実際の半導体基板からある距離、付加アウトカップリングリフレクタにより延出されている垂直共振器型面発光レーザである。この実現においては、半円錐角当たり１°より小さい改善コリメーションを有するレーザ光ビームが生成され、それ故、パワー密度は、通常のＶＣＳＥＬの場合に比べてかなり大きい。

そのようなＶＥＣＳＥＬは、現在まで、光ファイバに光信号を正確に注入する通信アプリケーションにおいて用いられている。意外にも、レーザアレイにおいて特定の方式で配置されたそのようなレーザ光源は、例えば、熱硬化、乾燥、高速熱処理について及び特に熱変形において、１Ｗ／ｍｍ^２以上の、好適には、２Ｗ／ｍｍ^２以上の高エネルギーが必要である熱処理工程においてオブジェクトを加熱するために特に適切であることが判明している。従って、上記の課題に対する解決方法を提供する更なる方法は、製造ラインに沿って複数のステージ、即ち１つ又はそれ以上のステージにおける複数のＶＥＣＳＥＬを用いて赤外線を方向付け、加熱されるオブジェクトにおいて好適な方式でこの赤外線を方向付けることを有する。

本発明の方法に従った製造ラインにおいて、熱処理工程で、特に熱変形行程で、オブジェクトを加熱する適切なシステムは、赤外線が製造ラインに沿って搬送されるオブジェクトを加熱するように、放射装置が構成され、製造ラインに対して配置される赤外線を生成する複数の垂直延出共振器型面発光レーザを有する。放射装置は、それにより、複数のＶＥＣＳＥＬアレイを好適に有する。

特に、ミラー構成の光入射アパーチャ内に又はそれに近接して光線がフォーカシングされるように、加熱されるべきオブジェクトが搬送されるミラー構成に対して光を方向付けるように、少なくとも放射装置のレーザの群の光がフォーカシングされるように放射装置が構成されるとき、そのような複数のＶＥＣＳＥＬを有する放射装置の構成は都合がよい。これは、例えば、個別のＶＥＣＳＥＬアレイ又は複数のＶＥＣＳＥＬアレイの好都合の配置により及び／又はミラー、レンズ、光キャリア等の放射装置の適切な光学系を用いて、達成されることが可能である。

本発明の他のオブジェクト及び特徴については、添付図に関連付けて考慮される以下の詳細説明から明らかになる。しかしながら、それらの図は、単に例示目的であり、本発明を限定するものではない。図においては一貫して、同様の参照番号は同様の要素を表している。

図におけるオブジェクトの寸法は、明確化のために選択されたものであり、実際の相対的な寸法を必ずしも反映していない。

以下、ＰＥＴボトルは、本発明の好適なアプリケーションであるために、加熱されるべきオブジェクトＯがＰＥＴボトルをブローするためのＰＥＴプリフォームＯである実施例を用いて本発明について説明するが、本発明はこのアプリケーションに限定されるものではない。

本発明の実施形態に従ったシステムの模式的な平面図である。図１の実施形態の模式的な断面図である。本発明に従った実施形態で用いるＶＣＳＥＬの模式的な断面図である。本発明に従った実施形態で用いるＶＥＣＳＥＬの模式的な断面図である。ミラー面間の光線の反射を示す図１のミラー構成の模式的な断面図である。ミラー面間の光線の反射を示す更なる図１のミラー構成の模式的な断面図である。本発明に従った第２実施形態についてのミラー構成の模式的な平面図である。本発明に従った第３実施形態についてのミラー構成の模式的な平面図である。本発明に従った第４実施形態についてのミラー構成の模式的な平面図である。本発明に従った第５実施形態についてのミラー構成の模式的な平面図である。本発明に従った第６実施形態についてのミラー構成の模式的な平面図である。本発明に従った第７実施形態についてのミラー構成の模式的な平面図である。

図１及び２はかなり簡単な実施形態であって、図１は、２つの連続的なステージ２１０ａ、２１０ｂを有するミラー構成２０１についての平面図である。放射線装置３０からもたらされる光Ｌのビームは、ミラー構成２０１におけるそれらのステージ２０１ａ、２０１ｂ間で方向付けられる。その光は、同様な方式で第１ステージ２０１の最初の部分に入射するが、それについては図示していない。明らかに、全体的な具現化のためには、光が入射する多くの場所を有する更なるステージを有する。

ミラー構成２０１は、各々のステージ２０１ａ、２０１ｂにおける２つのミラー面２１、２２を特徴とする。ここでは、ミラー面２１、２２は平面であり、互いに漏斗状であり、ある角度で近接している。プリフォームＯは、搬送方向ＯＴにおける製造ラインＰに沿ってそれらのミラー面２１、２２間を移動する。図２は、そのミラー構成の断面図である。ここではブロックとして簡単に示されている搬送システム１１は、フックを有するコンベアベルト１１であり、プリフォームＯはそのフックに掛けられ、図２の紙面に対して垂直方向に平坦であるミラー面２１、２２間の空間を通って移動する。それらのミラー面２１、２２は、光を最適に反射するように、内側の面において高い反射性を有する何れかの適切な材料から成る。

この実施例においては、光は、ヒートシンク３３と共に備えられている複数のＶＥＣＳＥＬアレイ３４を有する放射源を有する放射装置３０からもたらされる。ＶＥＣＳＥＬアレイ３４は、ミラー構成２０１への光の入射点ＰＥと一致する共通焦点においてレーザ光Ｌのビームが水平面（図１が描かれている面）に集めるように配置されている。ここでは、この入射点ＰＥは、ミラー構成２０１の開口スリット内に位置付けられている。

ＰＥＴプリフォームＯの位置ではなく、ミラー構成２０１における入射点ＰＥにおいてアセンブリ全体の焦点を位置付けることは２つの有利点を有する。第１の有利点は、ミラー構成２０１における開口スリット２９は、開口スリット２９を通る何れの光の漏れも最小化するように、できるだけ小さくされることである。第２の有利点は、ＰＥＴプリフォームＯの位置におけるパワー分布は均一性が高いことである。更に、プリフォームＯは、対称軸（図１が描かれている面に対して垂直方向）の周囲に適切に構成された搬送システムにより回転されることが可能であり、それ故、プリフォームＯへの入熱をより均一にすることが可能である。

図２から理解できるように、個別のＶＥＣＳＥＬアレイ３２はまた、焦点において鉛直面内に方向付けられている。しかしながら、光ビームは、その場合、開口スリット２９の長さに一致する光のストリップを生成するように放射装置３０のレンズ３１により平行にされ、この長さは、好適には、プリフォームＯの高さに正確に一致している。

これは、個別のレーザアレイ３４がより大きい距離、離れることが可能であり、ミラー面２１、２２間の領域において平行なビームを有することが可能である。ミラー面２１、２２は、図１の紙面に対して垂直な方向において平坦であることと共に、他の有利点は、プリフォームＯに対するレーザビームの高さが維持され、異なるパワーレベルを有するプリフォームＯの異なる部分を加熱することが可能である点で、達成される。従って、レーザアレイ３２は電気的にグループ化され、その高さに関して制御され、異なる高さのゾーンについてのレーザパワーの個別の設定を可能にする。レンズ３１に代えて、改善された均一性を有するより高機能な光学系、例えば、オプティカルインテグレータが用いられることが可能である。

図示していない他の有効な実施形態においては、ミラー面は、オブジェクトの搬送方向に対して側面に沿って曲面化されている。この実施形態は、図２の助けにより視覚化されているが、その図においては、ミラー表面が、平坦であることに代えて、画像面において曲面化されているのみである。その曲率量はかなり小さいが、ミラー面間の経路における光線の僅かな発散を補償するには十分である。これは、ミラー構成内の異なる加熱ゾーンを伴うアプリケーションにおいて有利に用いられることが可能であり、レーザは、異なる強度プロファイルを有する光ビームを生成するように構成されている。ここでは、ミラー面は、異なる高さのゾーンにおける光ビームはあまり結合しないように、光を僅かにフォーカシングするように作用する２つ又はそれ以上の異なる高さのゾーンを有することが可能である。

システム１は、製造ラインＰに沿って搬送されるプリフォームＯが存在するとき、レーザパワーをオフに切り換えるようにシステム制御にフィードバックする検出ユニットを有することが可能である。

光源としてＶＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬを使用することは上記の熱印加について好適である。それらの装置の最大パワーは、高パワーレーザダイオードバーの最大パワーに比べてかなり低いため、単独レーザの約１００倍程度のパワーが必要である。たとえそうであったとしても、これは、高いパワーのバーを用いる標準的な方法に比べて、かなりコストパフォーマンスが高い。

上記のように、ＶＣＳＥＬは、ウェーハにおいて製造される表面発光レーザダイオードである。発光ビームは、ウェーハに対して垂直であり、エミッタ毎に約１００μｍ直径であり、単独のエミッタは、サイズが、例えば、２５０μｍｘ２５０μｍである。これは、１つのウェーハにおいて数万個のＶＣＳＥＬが製造され、その結果、エミッタ当たりのコストはかなり低い。更に、典型的な０．５Ｗ ＩＲ出力ＶＣＳＥＬは約１．５Ｗの熱を損失し、それは、ＬＥＤの分野においてはある程度標準的である。このことは、ＬＥＤのパッケージング方法及び冷却方法を用いることが可能であり、それらの方法は、高パワーレーザダイオードバーの方法に比べてかなり低いコストで利用可能であることを意味する。

図３は、ＶＣＳＥＬ自体の一部ではない付加フォーカシングレンズ５１を有するＶＣＳＥＬ５１の構造を示している。

基板５２は中間層により覆われ、ｎ−ＤＢＲ構造５３、定在波の腹に位置する利得領域５４及びｐ−ＤＢＲ構造５５がそれらの中間層の上部に成長されている。エッチング後、その構造の一部は、ｎ型コンタクト５６及びｐ型コンタクト５７を可能にするように金属化されている。図示しているＶＣＳＥＬ構造は、電気的接触及び熱的接触が底側分のみにおいて行われるという付加的有利点を有する。

図３に示しているように、満足のいくコリメートレンズを有するように、ＶＣＳＥＬ５０の前でマイクロレンズ５１を用いることが可能である。ＶＣＳＥＬ要素の範囲外への典型的なビームの発散は１０°の半錘状であり、コリメーションのためのＦ２．８レンズを可能にする。ＶＣＳＥＬ構造から、例えば、４００μｍの距離にあるマイクロレンズは、４°以内のビームにコリメートすることが可能である。好適には、マイクロレンズは、容易な設置のためにＶＣＳＥＬ構造に対して位置付けられる平坦な側を有する平凸型である。

更にコストを低減するように、小さいＶＣＳＥＬのアレイが、単一のエミッタに代えて用いられる。そのようなアレイは、ウェーハの範囲外に直接製造されることが可能である。例えば、構造化ヒートシンク上に４ｘ４アレイ（即ち、上記の数を有する１ｍｍｘ１ｍｍアレイ）を備えることがまた、可能である。ヒートシンクの構造化においては、個別のＶＣＳＥＬとの適切な接触が考慮される必要がある。ＶＣＳＥＬの前のマイクロレンズアレイは、コリメートされたビームを得るように用いられることが可能である。マイクロレンズアレイは、好適には、かなり容易な設置のためにＶＣＳＥＬ構造に対して位置付けられる平坦な側を有する平凸型である。マイクロレンズは単体として製造されることが可能である。

ＶＥＣＳＥＬアレイ（延長されたキャビティ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｃａｖｉｔｙ）についてのＥを伴っている）が、図に示している実施例の特定の好適な実施形態において用いられている。ＶＥＣＳＥＬ４０の構造が図４に示されている。ＶＣＳＥＬ５０の場合のように、基板４２は複数の中間層で覆われ、それらの中間層の上部に、ｎ―ＤＢＲ構造４３、定在波の腹に位置付けられたゲイン領域４４及びｐ−ＤＢＲ構造４５が形成される。また、その構造の一部は、ｎ型コンタクト４６及びｐ型コンタクト４７を形成するようにエッチングされた後に金属化される。ここで、レーザのキャビティは、基板の上部に直接位置付けられたガラスブロック４８にコーティングされることが可能である、単純平面のアウトカップリングされたミラー４１を用いることにより延長される。単一のコーティングされたガラスブロックは、ＶＥＣＳＥＬアレイ全部のために用いられることが可能である。

そのようなＶＥＣＳＥＬ４０のビームのコリメーションは、ＶＣＳＥＬ５０に比べてより良好である（例えば、１°の半錘角）。改善されたコリメーションは、光Ｌのより良好なフォーカシングを可能にし、ワーキングディスタンスを長くし、それ故、光源３２と製造ラインＰとの間の間隔を大きくする。レーザビームの良好なコリメーションは、広い領域に亘ってレーザアレイ３２を‘広げる’ことを可能にする一方、放射線は、最適な加熱のための小さい領域にフォーカシングされる。従って、その構成の冷却は更に簡単化されることが可能である。このことは、ボトル移動の線に沿って及びこの線に対して垂直な方向において可能である。

図１及び２に示している実施形態においては、１°のＶＥＣＳＥＬビーム発散及びレーザアレイ３４からプリフォームＯまで３０ｃｍの距離を有し、入射点ＰＥにおいて１ｃｍ以下の焦点サイズが可能である。これは、殆どのアプリケーションについて十分である精度が得られることを表している。

図１から理解できるように、各々の光線がミラー構成２０１内で所定の角度でアパーチャ２９と対向するミラー面２１に入射し、搬送方向ＯＴにおいてミラー面２１、２２間で千鳥状に前後に反射されるように、それ故、光ＬＴの全体的な進行方向はプリフォームＯと同じ方向であるように、レーザ光Ｌの束の主方向Ｒは方向付けられる。その結果、各々の光ビームは複数のオブジェクトに入射し、そして、各々の光線の光強度は、レーザ光の吸収がＰＥＴプリフォームＯを透過する一回の進行においてはかなり低いために、最適に利用される。

ミラー面２１、２２の特定の構成は、搬送方向ＯＴにおける光線のベクトル成分は反射回数が増加するにつれて小さくなるため、搬送方向ＯＴにおいて光線が反射を繰り返すにつれてより密になることを確実にする。換言すれば、製造ラインの軸に沿った反射間の距離はより短くなり、それ故、光線の密度はより高くなる。後者は、材料を透過する多重反射及び多重パスのためにビームの減衰を補償することができるために、特に有利である。

ミラー面２１、２２の角度の臨機応変の構成及び選択により、光の進行方向全体が反転されるようにすることと、搬送方向に逆らって戻ることとが更に可能である。この戻る経路に関する光ビームの光強度も、更に利用可能である。

この効果については、図５及び６を参照して、下で説明する。明確化のために、単独の光ビームＬが、ミラー面２１、２２間を行ったり来たりしながら反射されるように示されている。その光ビームＬは線で示されている。それらの図においては、簡単化のために、下方のミラー面２２はその光ビームに関する基準面とみなされ、その光ビームに関して角度が演算される。製造ラインＰに沿った基準面に関して、演算が同様に適切に実行されることが可能である。その場合、２つのミラー面２１、２２は、基準面に対してある角度にあり、その角度はその演算を複雑にする。

図５に示している角度については、
δ＝γ＋α （１ａ）
が適用され、
ε＝γ−α （１ｂ）
が適用され、ここで、αは２つのミラー面間の角度であり、δは光ビームの入射角であり、γ及びεは続く２つの反射についての反射角である。

故に、次式のようになる。
ε＝γ−α （２）
ミラー面２１、２２に対する光ビームの入射角（それ故、また、光線の製造ラインＰとの交差の横断角である）は、全ての連続する反射により減少する。オブジェクトの搬送方向に対する全体的なビームの進行方向は、それ故、次式
δ／２・α
により与えられる反射数の後に、逆にされる。

この逆にされる点を演算するように、ミラー面における２つの入射点ＰＩ_１、ＰＩ_２間の距離が決定され、それについては、図６を参照する。製造ラインＰに沿ってプリフォームＯの搬送方向及び全体的な光の進行方向ＬＴが、図６にまた、模式的に示されている。次の依存関係が、図６に示している角度及び距離に適用される。
ｔａｎ（δ）＝ｘ／ｈ → ｈ＝ｘ／ｔａｎ（δ） （４）
及び
ｓｉｎ（α）＝ｈ／（ｄ−ｘ） → ｈ＝ｓｉｎ（α）・（ｄ−ｘ） （５）
である。故に、
ｘ＝ｓｉｎ（α）・ｔａｎ（δ）・ｄ／（１＋ｓｉｎ（α）・ｔａｎ（δ）） （６）
また、
ｔａｎ（ε）＝ｙ／ｈ （７）
である。故に、
ｙ＝ｈ・ｔａｎ（ε）＝ｘ・ｔａｎ（ε）／ｔａｎ（δ）
＝ｘ・ｔａｎ（δ−２・α）／ｔａｎ（δ） （８）
従って、距離Ｄは次式により決定される。
Ｄ＝ｘ＋ｙ＝ｓｉｎ（α）・ｄ・（ｓｉｎ（δ）・ｃｏｓ（δ−２α）＋ｃｏｓ（δ）・ｓｉｎ（δ−２α））／（（ｃｏｓ（δ）＋ｓｉｎ（α）・ｓｉｎ（δ））・ｃｏｓ（δ−２α）） （９）
１つのミラー面２１の他のミラー面に関する傾斜角α＝１°の下でして２つのミラー面２１、２２が接する（仮想）交差点と第１入射点ＰＩ_１との間の全距離ｄが約２ｍで与えられる場合、そしてまた、光ビームの第１入射角が４５°で与えられる場合、反復演算で式（９）を用いて、光線は、約２２回の反射の後、その反射方向が全体で逆になることが理解できる。仮想焦点については、第１入射点ＰＩ_１から約１．３０ｍの距離のところに推定される。

図７は、もう一度、ミラー構成２０１の２つのミラー面２１、２２間の製造ラインＰに沿った搬送方向ＯＴにおける光線Ｌの経路を模式的に示している。光線がミラー構成２０１の上端部にもう一度達して、光シンク又は吸収要素２４により吸収されるまで、逆転点の方に、光ビームの密度は高くなり、光線は、その光線が進行してきた方向にある時点で逆転する。代替として、反射要素は、ここで、光を更に利用することができるように、もう一度、光線を反射するように用いられることが可能である。例えば、図１に示す２つの連続するステージ２０１ａ、２０１ｂ間の、そしてミラー面２０１ａ、２０１ｂを接続する遷移面は、その遷移面がこの機能を実現するように、高反射性材料が内側面にコーティングされることが可能である。

図８は、光線が下流端でアウトカップリングされ、吸収要素２３により吸収されるミラー構成２０２の代替の変形を示している。これは、例えば、加熱されるオブジェクトを複数回透過することにより吸収された後に、レーザ光のビームが僅かに弱くなる場合に有用である。

図９は、ミラー面２１、２２が互いに対して平行に備えられている、ミラー構成の変形について模式的に示している。この実施例においては、平面ミラーの形である外部ミラー要素２５は、搬送方向ＯＴのミラー構成２０３の下流端に位置付けられ、この平面状のミラー要素２５は、ミラー構成２０３への同じパスに沿って戻るように光を反射する。代替として、その反射は、製造ラインに沿って中心領域の良好なカバレージを与えるように、僅かな角度だけ傾いていることが可能である。

そのようなミラー構成２０４の類似する変形について、図１０に示している。図９のミラー構成２０３と異なり、外部ミラー要素２６は、ミラー構成２０４において多重反射された後に、レーザ光ビームの実際には不可避の発散を補償するように、この場合、曲面化されている。

平面状のミラー面２１、２２の代わりに、曲面化されたミラー面２１′、２２′、２１′′、２２′′を用いることが可能である。これについては、図１１及び１２に模式的に示されている。図１１においては、特定の強度分布を与えるように、下流端において内側に凹状に曲面化したミラー面２１′、２２′を有する構成が示されている。図１２においては、それに代えて、ミラー面２１′′、２２′′が上流端において外側に曲面化したミラー構成２０５の他の変形を示している。最も有利である構成は、アプリケーションと、製造ラインＰに沿った、対応する好適な強度プロファイルと、に依存する。

本発明については、上で、好適な実施形態及びその変形について開示しているが、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正及び変形を行うことが可能であることが理解できるであろう。例えば、個別のレーザ又はレーザアレイの光が光ファイバにおいて結合され、加熱印加のためのソースとして用いられることが可能である。このような構成は、遠隔において広い領域のレーザのモニタリングを可能にし、従来技術による熱拡散及び冷却を簡単化することが可能である。

上では、ボトルブローイング機械におけるアプリケーションについて主に説明しているが、例えば、乾燥、硬化、急速熱処理等のような他の多くのアプリケーションが、本明細書の本発明により恩恵を受けることができる。明確化のために、本明細書及び特許請求の範囲全体に亘って、単数表現は複数を排除するものではなく、用語“を有する”は他のステップ又は要素を排除するものではない。

Claims (16)

1. 製造ラインにおける熱処理工程でオブジェクトを加熱するシステムであって：
   前記製造ラインに沿った搬送方向に前記オブジェクトを搬送する搬送システム；
   前記製造ラインの少なくとも一部に沿って、対向して備えられた第１ミラー面及び第２ミラー面を有するミラー構成であって、それ故、前記オブジェクトが前記製造ラインに沿って前記第１ミラー面と第２ミラー面との間で搬送されることが可能である、ミラー構成；並びに
   − 光を生成する複数のレーザを有する放射装置；
   を有するシステムであり、
   前記放射装置及び前記ミラー構成は、前記ミラー構成に入射する光の主方向が前記製造ラインに対してある角度で前記第１ミラー面の方に方向付けられるように構成され、前記光は続いて、一連の前記光の多重反射が前記ミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向に進み、又は、前記ミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向に逆らって進み、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との間で多重反射して前記オブジェクトを加熱するように、前記第１ミラー面及び第２ミラー面間で多重反射する；
   システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、加熱される前記オブジェクトは前記生成された光について少なくとも一部が透明であり、前記光は、前記オブジェクトが前記ミラー構成を通して搬送される間に、前記前記第１ミラー面及び第２ミラー面間で複数の前記オブジェクトにより一部が吸収される、システム。
3. 請求項１又は２に記載のシステムであって、前記ミラー構成に対する前記光の入射点から下流方向への前記光の進行方向で前記光の前記多重反射が前記光の所定の強度プロファイルを得るように、前記ミラー構成が構成されている、システム。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のシステムであって、前記ミラー構成に対する前記光の入射点から下流方向への前記光の進行方向で前記ミラー構成の個別のミラー面における光線の入射点間の距離が減少するように、前記ミラー構成が構成されている、システム。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステムであって、前記ミラー構成に対する前記光の入射点から下流方向への前記光の進行方向に沿って前記ミラー構成の少なくとも一部において互いに対して前記前記第１ミラー面及び第２ミラー面が接近するように、前記ミラー構成が構成されている、システム。
6. 請求項５に記載のシステムであって、前記前記第１ミラー面及び第２ミラー面は前記搬送方向に沿って平面的であり、互いに対してある角度で位置付けられている、システム。
7. 請求項５に記載のシステムであって、前記前記第１ミラー面及び第２ミラー面の少なくとも１つは、前記光の前記入射点から下流方向へのミラー面の少なくとも一部が前記製造ラインにおいて進むオブジェクトの方の内側に曲面化している、システム。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のシステムであって、前記ミラー構成に入射する前記光が先ず、前記光の前記入射点から下流方向への前記光の第１進行方向に進み、前記光の前記入射点から下流方向への前記ミラー構成における特定の距離の後に、前記光の進行方向が反対になる、システム。
9. 請求項８に記載のシステムであって、前記ミラー構成は、前記反対の方向に前記光を実質的に反射するように備えられているミラー面領域を有する、システム。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のシステムであって、前記第１ミラー面及び／前記だ２ミラー面は前記搬送方向に対して横方向に曲面化している、システム。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のシステムであって、前記ミラー構成は、前記製造ラインに沿って複数のステージを有し、それにより、各々のステージは、前記製造ラインに沿って第１ミラー面及び該第１ミラー面に対向する第２ミラー面を有する、システム。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のシステムであって、前記放射装置の少なくともレーザの群の前記光は、前記光線が前記ミラー構成の光入射開口内に又は該光入射開口に近接して前記光線がフォーカシングされるように、前記ミラー構成に対して前記光を方向付けるようにフォーカシングされる、システム。
13. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載のシステムであって、前記放射装置は、複数の垂直共振器型面発光レーザ、好適には、複数の垂直延出共振器型面発光レーザを有する、システム。
14. 製造ラインで熱処理行程、好適には、熱変形行程においてオブジェクトを加熱するシステムであって、赤外線を生成する複数の垂直延出共振器型面発光レーザを有する放射装置であって、該放射装置は、前記赤外線が前記製造ラインに沿って搬送される前記オブジェクトを加熱するように、前記製造ラインに対して備えられている、システム。
15. 製造ラインで熱処理工程においてオブジェクトを加熱する方法であって：
    ミラー構成の第１ミラー面と第２ミラー面との間の製造ラインに沿った搬送方向に前記オブジェクトが搬送され、前記前記第１ミラー面及び前記第２ミラー面は前記製造ラインの少なくとも一部に沿って対向する側に備えられ；
    光は、放射装置の複数のレーザにより生成され；
    前記生成された光は、前記ミラー構成に入射する光の主方向が前記製造ラインに対してある角度で前記第１ミラー面の方に方向付けられるように、前記ミラー構成に対して方向付けられ、
    前記光は続いて、一連の前記光の多重反射が前記ミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向に進み、又は、前記ミラー面の少なくとも一部に沿って搬送方向に逆らって進み、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との間で搬送される前記オブジェクトを加熱するように、前記第１ミラー面及び第２ミラー面間で多重反射するように、前記ミラー構成が構成されている；
    方法。
16. 製造ラインにおいて熱処理行程で、好適には、熱変形行程でオブジェクトを加熱する方法であって、前記製造ラインにおいて複数のステージで複数の垂直延出共振器型面発光レーザを用いて赤外線を生成するステップと、加熱されるべき前記オブジェクトの方に所定の方式で前記赤外線を方向付けるステップと、を有する方法。

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