ПРИНТЕР НА ЛИНЕЙКЕ ЛАЗЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ ЭТИКЕТОК И УПАКОВКИ
LASER CRYSTAL-BASED-LINE PRINTER OF LABELS AND PACKAGES

Изобретение относится к оборудованию для упаковки, машиностроительным, приборостроительным технологиям, к принтерам прямого действия на материал. Принтер является автономным узлом и предназначен для применения в составе технологических линий. Функция устройства - наносить краткую информацию на выпускаемую продукцию. Это востребовано при производстве продуктов питания, напитков, фармацевтических препаратов для обозначения даты изготовления, в некоторых случаях - времени или смены и срока годности.
Принцип действия заключается в выжигании или испарении верхнего слоя этикетки или упаковки сфокусированными лучами линейки диодных лазерных чипов. Для хорошей читаемости наносимого текста верхний слой или краска материала упаковки или этикетки должен быть темного тона и/или из материала, поглощающего инфракрасный свет, основа - контрастного с ним тона или цвета. Многие производители уже применяют такие этикетки и упаковки, остальные могут при желании заказать их при разработке нового дизайна упаковки. Помимо улучшения внешнего вида, это защищает продукцию от подделки.
Применение параллельных методов позволяет умножить мощность установки на число параллельно работающих модулей, что в итоге позволяет увеличить скорость работы устройства в целом. Применительно к заявляемому принтеру этим решается еще одна важная задача - исключаются подвижные элементы развертки луча и минимизируются габариты.
Наиболее близким аналогом является устройство, описанное в [1]. Работа основана на способе, предложенном в статье [2] для распараллеливания потоков данных, записываемых на оптический носитель для повышения скорости записи и чтения данных. Были изготовлены: устройство для пайки и принтер для полимерной фольги, у которого печатающая головка состояла из двух полосок с шириной эмиттеров 100 мкм и шагом между эмиттерами 200 мкм.
В работах [1], [2] и [3] освещены серьезные проблемы электрического и теплового влияния соседних эмиттеров друг на друга, если они содержатся в одном кристалле.
Кроме того, получить равномерную однородную полосу света невозможно из-за разброса параметров эмиттеров. Сфокусированному изображению полоски присущ эффект «улыбки», заключающийся в прогибе средней части вниз.
Лазерные полоски рассчитаны на применение именно в виде полосок, а также в виде набранных в стек вертикальных массивов из полосок для накачки рабочего тела твердотельных лазеров (DPSS Laser). Выпускаются с числом эмиттеров 19…60 и др. при ширине полоски ~10 мм и длине 1 мм. Мощность одного эмиттера составляет всего ~1 Ватт. При сравнении разных технологий наибольшая прожигающая способность характерна для длины волны 808 нм.
В экспериментальной части работы были протестированы полоски, имеющие 60 эмиттеров и мощность в импульсном режиме (QCW) 100 Вт.
Подвести и припаять провод к электроду эмиттера шириной 0,16 мм практически невозможно. Для упрощения технологии монтажа линейка эмиттеров была геометрически разделена на группы по 5…8 штук для получения 7 строк растра, требуемых для целей маркировки. Сверху на каждый из 7 массивов из 5…8 эмиттерных электродов припаивался общий электрод с токоподводящим проводом.
Более простым способом оказалось расколоть полоску на кусочки по 5…8 эмиттеров, а затем спаять их на общую основу с интервалом ~1 мм для лучшей электрической и тепловой развязки и охлаждения.
Оба способа не дали положительных результатов при маркировании этикетки. Это обусловлено тем фактом, что сфокусировать лазерное излучение, исходящее из группы в несколько эмиттеров в одну точку примерно круглой формы невозможно, а мощности одного эмиттера 1,6 Ватта недостаточно для выжигания точки, видимой глазом без увеличительного стекла, на подвижном материале.
Лазерные диоды в корпусах - хорошее решение для упрощения монтажа и последующего ремонта, кроме того, в них бывает встроен фотодиод обратной связи, что позволяет выравнивать мощность массива диодов и компенсировать уменьшение светового потока к концу срока службы. Однако применить корпусные диоды не представилось возможным, так как эмиттеры имеют линейные размеры порядка 100 мкм, а расстояние между ними из-за корпусов не может быть менее 5 мм. Растр символа не получится.
Использовать массив лазерных диодов и соответствующих им микролинз как в [3] технологически и экономически неэффективно.
Можно констатировать, что если нужен растр с малой мощностью и числом строк разложения изображения 19 и более, надо применять лазерные полоски в неразрезанном виде с индивидуальным управлением каждым эмиттером. Но в нашем случае при числе строк 5...8 целесообразно применить одноэмиттерные бескорпусные лазерные диодные кристаллы большой мощности (Unmounted Laser Die), Рис.2.
Маркираторы на СО2 лазерах имеют мощность 10…20 Вт. Эффективность энергетического воздействия на вещество в случае применения твердотельных лазеров в 2-3 раза выше в сравнении с газовыми, это связано с тем, что частота колебаний с длиной волны 808 нм в 13 раз больше, чем 10.6 мкм и несет больше энергии. Поэтому мощности твердотельного лазера величиной в 10 Вт будет достаточно.
Из требований хорошей читаемости текста было определено, что растр из не менее, чем 5 линий подходит для отображения цифровых данных, 7 линий вполне достаточно для отображения алфавитно-цифровой информации (Рис.3).
В заявляемом принтере для вертикальной развертки изображения выводимого символа было предложено использовать линейку из 7 активных элементов, а горизонтальную - осуществлять перемещением предмета мимо печатающей головки при движении по транспортеру или карусели этикетировочного станка.
В качестве лазерных кристаллов выбраны чипы, аналогичные по параметрам JDL-BAE-200-808-TM-8-4.0 производства фирмы JENOPTIK Lasers & Material Processing. Их параметры такие:
Наименование:
High Power Single Emitter Diode Lasers (высокомощные одноэмиттерные диодные лазеры)
Количество эмиттеров:
1
Ширина эмиттера
200 нм
Ширина кристалла
0.6 мм
Длина кристалла
4 мм
Толщина кристалла
0.12 мм
Длина волны излучения
808 нм
Оптическая выходная мощность
8 Вт
Режимы работы
непрерывный, коммутируемый (CW, Switched)
Модуляция мощности
100%
Дивергенция луча по короткой оси
30 град
Дивергенция луча по длинной оси
10 град
Эффективность
1.1 Вт/А
Пороговый ток
1.2 А
Рабочий ток и напряжение
8.5 А 1.8 В
Можно также использовать промышленные лазерные модули C-mount, B-mount 3…5 Вт в качестве доноров лазерных кристаллов. На кристалл мощностью 3 Вт в непрерывном режиме можно подавать до 10 Ватт в импульсном. Общая мощность 7 кристаллов составит 70 Вт в импульсе, и при высоте шрифта 2…5 мм этого достаточно для получения четко прорисованного столбца из 7 точек.
На рис.1 изображена полоска лазерных эмиттеров (Laser Bar).
На рис.2 изображен лазерный кристалл (Unmounted Die).
На рис.3 изображен пример выполняемого заявленным принтером шрифта.
На рис.4 изображен основной узел - подложка с кристаллами.
На рис.5 изображена линейка смонтированных лазерных кристаллов.
Схематическое расположение элементов печатающей головки показано на рис.4, 5 (размеры указаны в миллиметрах).
Подложка (1) по требованиям технологии изготавливается из окиси бериллия (ВеО) или сплава меди с вольфрамом (CuW). Это обеспечивает одинаковый температурный коэффициент расширения подложки и кристаллов. Подложка покрыта золотом, кристаллы тоже имеют золотые электроды.
На подложку специальным припоем (например, AuSn) припаяны семь основных кристаллов (2) так, чтобы срез излучающей поверхности был на срезе подложки. Основные семь лучей имеют длину волны 808 нм и практически незаметны для глаз, поэтому по краям основных смонтированы еще два маломощных лазерных кристалла (3), излучающих красный свет для фокусировки всех лучей и обозначения размера и границ печатаемой строки на этикетке.
К верхним электродам кристаллов припаиваются золотые или позолоченные токоподводящие провода. Они крепятся к планке (4). Провода основных излучателей показаны на рисунках синим цветом, вспомогательных - красным, общий заземляющий провод - черным. Он припаян к подложке.
Подложка монтируется на медной пластине (не показана), имеющей тепловой контакт с термоэлектрическим элементом Пельтье (ТЕС). Элемент Пельтье питается от регулятора температуры. На «горячую» сторону элемента прикреплен радиатор с вентилятором, например, для процессора компьютера с рассеиваемой тепловой мощностью 90…100 Вт. Элемент Пельтье можно исключить, если принтер не предполагается использовать в цехах с высокой (порядка 40°С) температурой окружающей среды. Рабочая температура полупроводниковых лазеров в пределах 20…25°С и величина тока менее номинального увеличивает срок службы лазеров, составляющий 10000…50000 часов.
Лучи, исходящие из лазерных кристаллов, имеют эллиптическое сечение. Вдоль короткой стороны угол рассеивания больше, длинная ось эллипса расположена перпендикулярно подложке. Для исправления формы может потребоваться применение цилиндрической линзы (5).
Лучи должны быть эллиптического сечения, но с вертикально расположенной длинной осью, как показано на рисунке после цилиндрической линзы. Тогда при движении объекта мимо печатающей головки за время, равное длительности импульса, эллипс растянется в горизонтальном направлении и окончательная точка на объекте примет круглую форму. Ход лучей показан схематически для краев и середины.
Далее лучи обрабатываются несложным коллимирующим устройством. Требования к коллиматору невысокие, так как не обязательно фокусировать лучи в очень маленькие точки, иначе текст будет трудночитаем. Желательно, чтобы линзы, особенно цилиндрическая (при наличии), были покрыты антирефлекторным покрытием. Отраженные лучи не должны попасть обратно в лазерные кристаллы, это может их повредить.
Система управления
Аналогична описанной в [4]. В статье описано применение линейки светодиодов для вывода текста и указано на возможность применения лазерных модулей с соответствующими усилителями.
На основании введенной с пульта оператором линии информации в виде алфавитно-цифровой строки текста, однокристальный контроллер ATtiny или ATmega фирмы Atmel выбирает из знакогенератора, хранящегося в энергонезависимой памяти байт, отдельные биты которого соответствуют точкам столбца символа. Выходы контроллера управляют мощными быстродействующими ключами, подающими ток на лазеры. Контроллер же формирует импульсы с регулируемой длительностью до 300 мкс, в зависимости от скорости объектов и других параметров.
Работа в импульсном режиме необходима для преодоления порога, при котором происходит прожиг материала. Уровни мощности излучения, находящиеся ниже порога, не производят полезную работу, а лишь приводят к побочному нагреву материала и лазерных диодов. Мощность свыше верхнего порога и длительность импульса дольше нормы приводят к обугливанию этикетки или прожиганию ее насквозь.
Упрощенный алгоритм работы системы следующий.
При движении продукта по транспортеру или карусели и достижении им датчика продукта, последний срабатывает и посылает сигнал на вход контроллера.
На другой вход контроллера подается сигнал с энкодера, характеризующего местоположение продукта, подлежащего печати.
При применении энкодера с 1024-мя импульсами на один оборот вала и диаметром ролика 50 мм, который имеет механический контакт с транспортером или каруселью, 1 импульс соответствует перемещению объекта на 0,15 мм. При ширине буквы или цифры 1,5 мм она будет напечатана за 10 импульсов, поступающих с энкодера.
Контроллер отсчитывает заранее заданное число N импульсов энкодера и начинает печать, на каждый импульс выдавая по одной колонке из знакогенератора символа. Число N соответствует смещению от места установки датчика продукта до места на продукте, в котором должен начинаться текст. Оно задается с пульта оператором в миллиметрах и пересчитывается контроллером в число импульсов энкодера.
Данное устройство является относительно высокотехнологичным и бесконтактным. Поэтому автор применил энкодер собственной разработки, также бесконтактного принципа действия, с функцией датчика продукта.
Бесконтактный лазерный датчик продукта/линейный энкодер
Действие устройства основано на использовании специализированной микросхемы, из семейства применяемых в компьютерных оптических и лазерных мышах.
Рассмотрим, для примера, ОМ02 (Optical Mouse Sensor).
Микросхема содержит на кристалле видеоматрицу с невысоким разрешением (обычно 16×16), 256 уровнями серого цвета и числом кадров в секунду до 2000. Линейное разрешение по каждой из осей<0,07 мм, максимальная скорость >400 мм/с (>24 м/мин). Блок анализа перемещения захваченного изображения по координатам Х и Y просчитывает и выдает квадратурные сигналы (со сдвигом по фазе 90°) по обеим осям. Одна из осей (Y) в данном случае не используется, а по двум сигналам оси Х всегда можно определить характеристики:
- наличие продукта по его перемещениям, появился продукт в поле зрения - вырабатываются сигналы о перемещении, принтер приступает к печати, отсчитав N (см. выше), это заменяет датчик продукта;
- величину перемещения в единицах по 0,1…0,15 мм, зависит от оптики, как только объект переместится на этот шаг, энкодер генерирует фронт (спад) импульса, это заменяет классический энкодер;
- направление перемещения, если сначала появляется фронт фазы А, а потом - фазы В, то это означает, что объект движется слева-направо, и наоборот. В зависимости от этого текст печатается в прямом или инверсном направлении.
Алгоритм работы устройства включает режим обучения.
При обучении принтера оператор проводит продукт мимо принтера на малой скорости (включает малую скорость привода или вручную). Как только красные точки прицельных лазеров оказываются в рамках границ допуска зоны текста на объекте, нажимает кнопку на пульте. При этом контроллер сам определяет число N, запоминает его в ячейке памяти. В дальнейшем принтер работает автоматически и автономно.
В качестве дополнительных функций предусмотрены:
- подсчет количества продуктов за время с начала смены;
- чтение даты из сигнала GPS или Глонасс;
- отправка SMS с текущей выработкой и привязкой к координатам каждой производственной линии.
Принтер можно изготовить как в стационарном исполнении, так и ручном.
Дополнительно принтер можно оборудовать цифровым и аналоговым входами для подключения весов, измерителей и т.д. и печатать измеренную информацию «на лету».
Лазерный матричный принтер непосредственного воздействия на материал, использующий линейку из более чем пяти лазерных эмиттеров для развертки растра по высоте печатаемого символа, согласно изобретению используются дискретные одноэмиттерные кристаллы диодных лазеров и единая оптическая система, а печать строки информации осуществляется выжиганием соответствующих начертанию символа точек поверхностного слоя этикетки или упаковки, контрастного по тону или цвету к нижележащему слою или основе. Число активных элементов в линейке удваивается, и оно становится способным печатать 2 строки текста параллельно. Вместо традиционной связки «Датчик продукта - Энкодер», использовано комбинированное устройство на основе микросхемы, аналогичной применяемой в качестве сенсора перемещения в компьютерных мышах (с применением LED или лазерного диода), заменяющее как энкодер, так и датчик продукта.
Список ссылок
1. High-power diode-laser-bars with 19 up to 48 individually addressable emitters M. Roehner, N. Boenig, K. Boucke and R. Poprawe Fraunhofer Institute of Laser Technology, Steinbachstraβe 15, 52074 Aachen, Germany.
2. D.B.Carlin, "Individually addressed arrays of diode lasers, "in Diode laser arrays, B.D. and S.D.R., eds., Cambridge studies in modern optics(l4), ch. 3, Cambridge University Press, 1994. ISBN 0-521-41975-1.
3. Emitter Array with individually addressable laser diodes John Gary Sousa, Josh P.Foster, Thomas C.Dearman US Patent No: US 6348358 B1.
4. «Бегущая строка с механической разверткой» А.П.Бесплеменнов, Журнал «Радио», №2, 2009 г., стр.51, 52.