CN111834886A - 激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供激光装置，通过在恰当的时刻切换LD模块的冷却液的流动方向，即使驱动条件变化，也能够有效地减少LD模块间的寿命负荷的差异。激光装置具备LD模块/冷却板组件，LD模块/冷却板组件是在冷却板的表面排列有被以串联方式供给驱动电流的多个LD模块而形成的，激光装置还具备：激光电源；切换阀，其用于切换冷却液流路中流动的冷却液的流动方向；时机判定装置，其参照由于LD模块的发热部中的发热而温度变动的LD模块/冷却板组件中的至少任一个温度变动部位的温度的时间序列数据，来判定切换冷却液的流动方向的时机；以及控制电路，其向激光电源输出驱动电流输出指令，并且参照时机判定装置的判定结果来对切换阀输出阀切换指令。

Description

激光装置
技术领域
本发明涉及一种将被用作激光装置的激光光源或激励光源的多个激光二极管模块(以下称作LD模块。)排列在通过冷却液的流通而被冷却的冷却板的表面来进行冷却的激光装置。
背景技术
在近年来的激光加工用高输出激光装置中，为了实现能够加工的被加工物(工件)的范围(例如厚度、材质等)的扩大、加工速度的高速化等而不断推进高输出化。尤其在将具备至少一个激光二极管(以下称作LD。)的LD模块用作激光装置的激光光源或激励光源的激光装置中，高输出化的倾向显著。为了使将多个LD模块用作激光光源或激励光源的激光装置高输出化，需要使各LD模块的光输出高输出化，并且增加所使用的LD模块的个数。
当LD模块高输出化并且LD模块的个数增加时，发热量也增大，因此为了抑制LD模块的温度上升，在大多数情况下将多个LD模块排列于通过冷却液流动而被冷却的冷却板的表面。另外，为了通过使冷却液流动来对冷却板进行冷却，如图1所示，在冷却板2的内部、表面铺设有在内部流动冷却液的用虚线表示的冷却液流路3。最邻近各LD模块1的冷却液流路3一般采用冷却液以串联方式流动的冷却构造。
此外，在图1中，虚线的箭头表示冷却液的流动方向。另外，将LD模块1的一部分形成为凸状是为了示意性地示出如下的构造：由于从LD模块1的内部的多个LD射出的激光束大多通过透镜、反射镜会聚后入射到光纤端，并且作为在光纤中传播的激光束被取出到外部，因此光纤从LD模块1的凸状的顶端突出。另外，将LD模块1配置为相对于冷却液流路3的长边方向倾斜是为了避免从LD模块1的凸状的顶端突出的光纤与相邻的LD模块1发生干涉。冷却液从冷却液供给装置等经由冷却液配管4流入到冷却板2的冷却液流路3。
在本说明书中，将如图1所示在冷却板的表面配置有多个LD模块所形成的集合体称作LD模块/冷却板组件。在图1所示的LD模块/冷却板组件5中，通过吸收由多个LD模块1产生的发热，冷却液的温度逐渐上升。因此，产生如下问题：相比于排列于离流过冷却液时的上游侧的冷却液流路3近的位置的LD模块1而言，排列于离下游侧的冷却液流路3近的位置的LD模块1的温度更高。
如果从冷却液至各LD模块的发热部即LD的pn结的热阻相同，则LD模块的发热部的温度也上升与最近的冷却液流路中流过的冷却液的温度上升的量相应的温度。当LD模块的发热部的温度上升时，与此相应地，LD模块的针对寿命消耗的负荷增大，从而导致LD模块的寿命变短或者平均故障率上升。在多个LD模块的总发热量不那么大时不会成为太大的问题。但是，如上述的那样，当LD模块高输出化并且LD模块的个数增加时，发热量也增大，因此成为不能轻视的问题。此外，为了防止多个LD模块的驱动电流供给用的布线复杂化并且避免驱动电流的增大，通常向多个LD模块以串联方式供给驱动电流，因此针对每个LD模块改变驱动电流来使LD模块的温度均匀化是不现实的。
例如，将LD模块的电光转换效率假设为60％，当想要通过多个LD模块得到总共5kW的光输出时，多个LD模块的总发热量约为3.33kW。因此，如果假定冷却液为冷却水且流量为10L/min(＝1.67×10-4m3/s)时，冷却液的温度上升为总发热量/(流量×水的比热×水的密度)＝3.33×103(W)/(1.67×10-4(m3/s)×4.183×103(J/(kg·K))×9.982×102(kg/m3))＝4.8(K)。
不言而喻的是，在其它发热源、例如光纤激光器中的放大用光纤等的发热也利用同一冷却板进行散热的情况下，根据其它发热源的发热量，冷却液的温度上升会进一步变大。为了估计假设在4.8K的温度差时寿命、平均故障率发生何种程度变化，如果假定为排列于离流过冷却液时的上游侧的冷却液流路近的位置的LD模块的发热部的温度为50℃，并且如一般所说的那样当上升10℃时寿命减少至50％，则通过上升4.8K，排列于离下游侧的冷却液流路近的位置的LD模块的寿命减少至排列于离上游侧的冷却液流路近的位置的LD模块的71％左右。平均故障率为其倒数，为1.4倍左右。即，当将在一张冷却板的表面排列有多个LD模块的LD模块单元作为更换单位时，由寿命最短的LD模块的寿命决定LD模块单元整体的寿命。因而，存在如下问题：LD模块单元的寿命缩短与上述的冷却液的温度上升相应的量。
作为解决或减轻该问题的技术，例如已知图2所示的专利文献1所记载的冷却构造。在专利文献1中，将最邻近各LD模块1的冷却液流路3记载为冷却部流路。关于该冷却构造，不是以串联方式而是以并联方式使冷却水在冷却部流路中流动。为了实现必要的冷却性能，该冷却构造具有如下结构：满足冷却部流路的流路高度为流路长度和流路宽度的1/20以下的条件、以及流路高度为0.5mm以下的条件中的至少一个条件，并且在冷却部流路内流动的冷却介质的由于管摩擦产生的压力损失大于在共通供给流路和共通排出流路内流动的冷却介质的由于管摩擦产生的压力损失。
在图2中也与图1同样地用虚线表示冷却液流路3，用虚线的箭头表示冷却液的流动方向。各LD模块1的正下方的矩形的冷却液流路3是满足流路高度为流路长度和流路宽度的1/20以下的条件以及流路高度为0.5mm以下的条件中的至少一个条件的冷却部流路。如图2所示，当使冷却液以并联方式流过各LD模块1附近的冷却液流路3时，不存在上游、下游这一概念，能够从根本上消除LD模块1、1之间的温度差这一问题，并且能够实现最优异的冷却性能。但是，流路构造变得复杂，并且针对流路的形状精度的要求变得严格，因此在冷却板2的制造成本稍高这方面还具有改善的余地。针对流路的形状精度的要求变得严格的理由在于：当在冷却液以并联方式流动的流路之间压力损失具有差时，在各个流路中流过的流量不均匀；以及由于在各流路中流过的流量以不同数量级减少，因此如上述的那样如果不使流路大幅地窄小化来提高流速的话，则无法高效地冷却LD模块1。因此，要求高精度地制作非常狭小的流路。
另外，作为其它方法，考虑使用冷却液供给能力高的冷却液供给装置、例如循环式冷却液供给装置(冷却器)来增加流量。例如，如果使冷却液的流量增加至2倍，则能够使上述的冷却液的温度上升减少至一半。但是，最大流量大的冷却器的价格当然相应地提高，还是存在成本上升的问题。另外，当为了使冷却液的流量增加至2倍而增大流路截面积时，存在需要加厚冷却板的厚度等问题。另一方面，当使流路截面积相同时，使冷却液的流量增加至2倍的情况下的流路中的压力损失变为4倍。在该情况下，要求在冷却器中使用喷出压力高的冷却液送出泵。当使用喷出压力高的冷却液送出泵时，对于冷却液配管、配管接头、电磁阀等配管部件的耐压性要求变得严格，冷却液漏出的风险也变高。
并且，作为其它方法，还考虑上述两个方法的折中方案。即，如图3所示的那样为如下的冷却构造：将多个LD模块1例如分为两个组，冷却液配管4也以并联方式分支为两个，利用在分支出的各个冷却液配管4中流动的冷却液来对各个组的多个LD模块1以串联方式进行冷却。在图3中也是虚线表示冷却液流路3，虚线的箭头表示冷却液的流动方向。如果在分支出的各个冷却液配管4中流动与对全部的LD模块1以串联方式进行冷却的情况相同的流量的冷却液，则整体上需要2倍的流量这一问题点与上述的方法相同，但不再存在由于流速的增加导致压力损失增加这一问题。但是，为了在分支出的各个冷却液配管4中可靠地流动相同流量的冷却水，有意地设置使分支出的各个冷却液配管4中的压力损失增加的构造、或者需要反馈对各个冷却液配管4中流动的冷却液的流量进行测量所得到的结果来控制流量调节阀使得各个冷却液配管4中流动的冷却液的流量相同的机构等。即，该折中方案虽然解决上述的两个方法各自的问题点的一部分，但反之同时具有上述的两个方法各自的问题点的一部分。
作为相比于上述的现有技术而言在几乎不会提高制造成本的情况下减少LD模块间的针对寿命消耗的负荷的不均匀的方法，能够想到下面的方法。即，在与图1所示的冷却构造相同的、冷却液以串联方式流过最邻近各LD模块的冷却液流路的冷却板构造中，通过切换冷却液的流动方向，来减少配置于使冷却液从某一方向流动时的上游侧的LD模块与配置于下游侧的LD模块之间的寿命负荷之差。但是，在该情况下，当切换冷却液的流动方向的时刻(时机)不恰当时，减少LD模块间的寿命负荷之差的效果变小。
尚未发现在对多个LD模块的冷却时切换冷却液的流动方向的激光装置。专利文献2公开了一种冷却装置，具备：环状的冷却流路，用于对多个冷却对象进行冷却的冷却介质在该环状的冷却流路中循环；散热部，其配置于所述冷却流路，用于使所述冷却介质散热来进行冷却；泵，其配置于所述冷却流路，用于向多个所述冷却对象移送所述冷却介质；移送方向切换机构，其能够将向多个所述冷却对象移送的所述冷却介质的移送方向切换为正方向以及与正方向相反的反方向中的任一个方向；以及控制部，其控制所述移送方向切换机构。但是，针对切换冷却液的流动方向的时刻，是基于多个冷却对象各自的温度、表示负荷状态的值的大小关系来判断的。因此，如果应用于本申请这种多个LD模块的冷却中，为了避免多个LD模块的温度、负荷状态出现差异而在LD模块驱动的期间也频繁地进行冷却液的流动方向的切换。当频繁地切换冷却液的流动方向时，LD模块的温度变得不稳定，引起切换机构的急速的磨损故障，因此不是能够彻底应用于本申请这种多个LD模块的冷却那样的切换时刻。当为了避免在LD模块驱动期间也频繁地进行冷却液的流动方向的切换而设定用于允许多个LD模块的温度、负荷状态存在差的状态的判断条件时，该差恒定化，减少LD模块间的寿命负荷的差的效果变小或几乎消失。
另外，专利文献3公开了如下一种PVD处理方法、PVD处理装置，其特征在于，具备内部被设为真空的真空腔室、以及设置于该真空腔室内的阳极和阴极，在通过在阳极与阴极之间产生电弧放电使得被设为阴极的电极蒸发来进行PVD处理时，预先针对被设为所述阳极的电极和被设为阴极的电极中的至少一方设置用于使冷却介质流通来冷却电极的冷却流路，一边将针对所述电极设置的冷却流路中的冷却介质的流通方向交替地从一侧切换为另一侧或者从另一侧切换为一侧，一边冷却所述电极来进行PVD处理。但是，针对切换冷却介质的流通方向的时刻，仅仅提到了以下方法：针对PVD处理的每个批量处理交替地切换流通方向的方法；将被设为阴极的电极的使用寿命分割为多个期间，在进行分割所得到的每个期间交替地切换冷却流路中的冷却介质的流通方向的方法。如本申请那样，在被用作激光装置的激光光源或激励光源的多个LD模块中，如后述的那样，对寿命产生影响的LD模块的温度的瞬时变化大多不能忽略，另外，并不是始终以相同的驱动条件进行驱动，而大多情况下驱动电流、LD模块的温度不同或者以变化的条件进行驱动，因此，在如专利文献3公开的那样的每当经过规定的时间或规定的驱动时间就交替地切换冷却介质的流通方向的方法中，存在减少LD模块间的寿命负荷的差的效果小这一问题。
专利文献1：日本特开2019-16757号公报
专利文献2：日本特开2017-212851号公报
专利文献3：日本特开2014-77185号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上述的那样，在具备多个LD模块作为激光光源、激励光源的高输出激光装置中，在设置有使冷却液流通的配管的冷却板的表面排列多个LD模块，来抑制由于LD模块的发热引起的LD模块的温度上升。但是，冷却液吸收由LD模块产生的热，由此冷却液自身的温度上升，因此在冷却液流过冷却液流路时，相比于配置于上游侧的配管附近的LD模块而言，配置于下游侧的配管附近的LD模块的温度更高。因此，相比于配置于上游侧的配管附近的LD模块而言，配置于下游侧的配管附近的LD模块的寿命更短或平均故障率更高。由此，产生了多个LD模块整体的寿命、可靠性受到配置于下游侧的配管附近的LD模块的寿命、可靠性限制这一问题。
在上述的使冷却液以并联方式在各LD模块附近的冷却液流路中流动的技术中不存在上游侧、下游侧这一概念，在原理上为理想的解决方法。但是，当实际在各LD模块附近的冷却液流路中流动相同流量的冷却液并且想要以与使冷却液以串联方式在各LD模块附近的冷却液流路中流动的情况同等的冷却液流量来实现同等以上的冷却性能时，流路构造变得复杂，并且针对流路的形状精度的要求变得严格，因此，在冷却板的制造成本稍高这一点上还具有改善的余地。另外，其它增加冷却液流量的方法由于包括冷却液供给装置而使得成本变高，因此不能说是期望的解决方法。
作为在几乎不提高成本的情况下减少多个LD模块间的寿命、可靠性的差的方法，想到切换冷却液的流动方向的方法，但当切换冷却液的流动方向的时刻(时机)不恰当时，减少LD模块间的寿命负荷的差的效果变小。当将切换上述的冷却液的流动方向的现有技术应用于具备多个LD模块的激光装置时，具有在LD模块驱动的期间也频繁地进行冷却液的流动方向的切换、或者无法应对LD模块的驱动条件发生各种各样的变化而使得减少LD模块间的寿命负荷的差的效果变小这一问题。
因而，在具备多个LD模块的激光装置的领域中，存在如下课题：在几乎不提高成本的情况下，即使LD模块的驱动条件发生各种各样的变化，也能够有效地减少LD模块间的寿命负荷的差。更具体地说，在具备多个LD模块的激光装置的领域中，期望提供如下一种激光装置：通过在恰当的时刻对用于冷却多个LD模块的冷却液的流动方向进行切换，即使LD模块的驱动条件发生各种各样的变化，也能够有效地减少LD模块间的寿命负荷的差。
用于解决问题的方案
本公开的一个实施方式所涉及的激光装置是一种具备LD模块/冷却板组件(例如后述的LD模块/冷却板组件5)的激光装置(例如后述的激光装置6、6A～6F)，所述LD模块/冷却板组件是在冷却板(例如后述的冷却板2)的表面将被以串联方式供给驱动电流的多个LD模块(例如后述的LD模块1)以与所述冷却板热连接的方式进行排列而形成的，所述冷却板通过使从冷却液供给装置(例如后述的冷却液供给装置7)供给的冷却液流过形成于该冷却板的内部的冷却液流路(例如后述的冷却液流路3)而被冷却，所述激光装置具备：激光电源(例如后述的激光电源8)，其向所述多个LD模块供给所述驱动电流；切换阀(例如后述的切换阀9a～9d、23a、23b、27)，其设置于与所述冷却液流路连接的冷却液配管(例如后述的冷却液配管4)，用于对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换；时机判定装置(例如后述的时机判定装置10)，其参照所述LD模块/冷却板组件中的、由于构成所述多个LD模块的LD模块的发热部中的发热而温度变动的至少任一个温度变动部位的温度的时间序列数据，来判定对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换的时机；以及控制电路(例如后述的控制电路11)，其对所述激光电源输出驱动电流输出指令，并且参照所述时机判定装置的判定结果来对所述切换阀输出阀切换指令，以对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换。
不仅在改变了从冷却液供给装置供给的冷却液的温度的情况下，即使从冷却液供给装置供给的冷却液的温度恒定，由于达到热平衡状态为止要花费时间，因此LD模块的温度也会在LD模块驱动的期间发生变化，对LD模块的寿命产生影响。因此，根据上述的结构，参照温度与LD模块的温度变化连动地变化的温度变动部位的温度的时间序列数据，来判定对冷却液的流动方向进行切换的时机，由此能够在能够有效地减少LD模块间的寿命负荷的差的时刻对冷却液的流动方向进行切换，能够实现LD模块整体上的长寿命化。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述时机判定装置具备：第一记录部(例如后述的第一记录部20)，其在寿命消耗的加速系数中记录第一加速系数的数据和第二加速系数的数据中的至少一方的加速系数的数据，其中，寿命消耗的加速系数将以标准驱动条件驱动所述LD模块的情况下的寿命消耗速度作为基准来表示以与标准驱动条件不同的驱动条件驱动所述LD模块的情况下的寿命消耗速度的比率，所述第一加速系数是依赖于所述LD模块的光输出和所述温度变动部位的温度的所述加速系数，所述第二加速系数是依赖于所述LD模块的驱动电流和所述温度变动部位的温度的加速系数；计算电路(例如后述的计算电路21)，其除了参照所述温度变动部位的温度的时间序列数据以外，还参照所述LD模块的光输出的时间序列数据和所述LD模块的驱动电流的时间序列数据中的至少一方的时间序列数据，来对从所述第一记录部读出的加速系数进行从开始驱动所述LD模块的最初的时间点至最新的时间点为止的时间积分，由此计算出有效累积驱动时间；以及第二记录部(例如后述的第二记录部22)，其记录针对所述多个LD模块中的至少一个LD模块计算出的所述有效累积驱动时间，所述时机判定装置基于所述第二记录部中记录的所述有效累积驱动时间，来判定对所述冷却液的流动方向进行切换的时机。
根据上述的结构，即使在激光装置的驱动条件不是以额定光输出、额定驱动电流来仅对接通断开进行控制的驱动条件、而是需要在改变了LD模块的光输出、驱动电流的条件下进行驱动的情况下，也基于还考虑由于光输出、驱动电流的大小引起的寿命消耗速度的变化所计算出的LD模块的有效累积驱动时间，来由时机判定装置判定对冷却液的流动方向进行切换的时机。由此，能够减少多个LD模块间的有效累积驱动时间的差，换言之能够减少寿命消耗时间的差，从而能够减小多个LD模块间的寿命结束的时期的偏差。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述温度变动部位的至少之一为所述多个LD模块中的至少一个LD模块的发热部即LD的pn结部，所述温度的时间序列数据中的至少之一为所述LD的pn结部的温度的时间序列数据，关于所述第一记录部中记录的所述第一加速系数的数据和所述第二加速系数的数据中的至少一方的加速系数的数据，被分别作为以下数据进行记录：依赖于所述LD模块的相对于标准光输出而言的光输出的加速系数即光输出加速系数的数据、以及依赖于所述LD模块的发热部的温度的加速系数即温度加速系数的数据；依赖于所述LD模块的相对于标准驱动电流而言的驱动电流的加速系数即电流加速系数的数据、以及依赖于所述LD模块的发热部的温度的加速系数即所述温度加速系数的数据，所述计算电路针对所述多个LD模块中的至少一个LD模块，通过对所述光输出加速系数与所述温度加速系数之积或者所述电流加速系数与所述温度加速系数之积进行从开始驱动所述LD模块的最初的时间点至最新的时间点为止的时间积分，来计算出所述有效累积驱动时间。
根据上述的结构，通过将LD的寿命消耗速度对温度的依赖性定义为LD的寿命消耗速度对LD的pn结部的温度的依赖性，能够获取伴随光输出、驱动电流的变化产生的LD的pn结部的温度变化对寿命消耗速度的影响，能够分为依赖于光输出、驱动电流的加速系数和依赖于温度的加速系数。通过将加速系数分为依赖于温度的加速系数和依赖于光输出或驱动电流的加速系数，相比于将加速系数的数据作为以光输出和温度为变量的二维的数据表、以驱动电流和温度为变量的二维的数据表进行记录的情况而言，需要通过实验等获取并记录在第一记录部中的加速系数的数据的量能够大幅地减少，从而能够削减工时。
在激光装置的其它方式中，也可以是，关于所述第一记录部中记录的所述温度加速系数的数据、所述光输出加速系数的数据以及所述电流加速系数的数据中的至少一个加速系数的数据，不是以直接表示加速系数的数值数据的形式进行记录，而是以用于计算加速系数的数式的形式进行记录。
根据上述的结构，通过将加速系数的数据记录为式子形式的数据而不是记录为数值数据，能够以更少的数据计算有效累积驱动时间，从而能够进一步减少数据收集所需要的工时。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述光输出加速系数的数据和所述电流加速系数的数据中的至少一方的加速系数数据作为依赖于所述有效累积驱动时间的数据被记录在所述第一记录部中。
根据上述的结构，在光输出大于标准光输出的条件、即光输出加速系数>1的条件下，或者在驱动电流大于标准驱动电流的条件、即电流加速系数>1的条件下，即使在当到达寿命后期时具有光输出加速系数、电流加速系数逐渐变大的倾向的情况下，也能够更高精度地计算出有效驱动时间。
在激光装置的其它方式中，也可以是，依赖于所述有效累积驱动时间的所述光输出加速系数数据或所述电流加速系数数据分别是通过加速系数导出装置或加速系数导出方法求出的光输出加速系数数据或电流加速系数数据，所述加速系数导出装置或所述加速系数导出方法通过仅在LD模块的整个寿命中的规定的一个时期以与所述标准驱动条件中包含的标准光输出不同的恒定的光输出进行驱动，或者通过仅在LD模块的整个寿命中的规定的一个时期以与所述标准驱动条件中包含的标准驱动电流不同的恒定的驱动电流进行驱动，来导出依赖于所述有效累积驱动时间的所述光输出加速系数或所述电流加速系数。
根据上述的结构，能够合理且比较容易地导出光输出加速系数或电流加速系数对有效累积驱动时间的依赖性，能够更高精度地计算出有效累积驱动时间。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述时机判定装置将第一有效累积驱动时间与第二有效累积驱动时间的时间差即第一时间差超过第一设定时间的时间点判定为对所述冷却液的流动方向进行切换的时机，其中，所述第一有效累积驱动时间是所述多个LD模块中的第一LD模块(例如后述的第一LD模块24)的所述有效累积驱动时间，所述第二有效累积驱动时间是所述多个LD模块中的与所述第一LD模块不同的第二LD模块(例如后述的第二LD模块25)的所述有效累积驱动时间。
根据上述的结构，能够直接防止排列位置不同的LD模块间的有效累积驱动时间的差的扩大，能够更可靠地减小LD模块间的寿命结束的时机的偏差。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述第一设定时间为将所述第一有效累积驱动时间、所述第二有效累积驱动时间、以及所述第一有效累积驱动时间与所述第二有效累积驱动时间之和中的任一者作为第一变量的第一函数，所述第一函数在所述第一变量为正的范围内为广义单调递减函数，并且为将最小值作为正的第一常数的函数。
根据上述的结构，在无需频繁地对冷却液的流动方向进行切换的有效累积驱动时间少的期间，不频繁地切换冷却液的流动方向，由此能够减少切换阀的磨损等。另外，即使有效累积驱动时间变长并且LD模块达到寿命末期，也能够设定为避免比正的第一常数时间更频繁地切换冷却液的流动方向。
在激光装置的其它方式中，也可以是，将所述多个LD模块中的、即使切换所述冷却液的流动方向但是在所述驱动电流相同的情况下LD模块的发热部或者LD模块的与所述发热部热连接的规定位置的温度的变化也最小的LD模块设为第三LD模块(例如后述的第三LD模块26)，所述时机判定装置将所述第三LD模块的最新的所述有效累积驱动时间即第三有效累积驱动时间与最后对所述冷却液的流动方向进行切换的时间点的所述第三LD模块的所述有效累积驱动时间的时间差即第二时间差超过第二设定时间的时间点判定为对所述冷却液的流动方向进行切换的时机。
根据上述的结构，计算有效累积驱动时间的LD模块仅为第三LD模块这一个LD模块，能够减少计算电路中的计算负荷。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述第二设定时间为将所述第三有效累积驱动时间作为第二变量的第二函数，所述第二函数在所述第二变量为正的范围内为广义单调递减函数，并且为将最小值作为正的第二常数的函数。
根据上述的结构，在无需频繁地对冷却液的流动方向进行切换的有效累积驱动时间少的期间，不频繁地切换冷却液的流动方向，由此能够减少切换阀的磨损等。另外，即使有效累积驱动时间变长并且LD模块到达寿命末期，也能够设定为避免比正的第二常数时间更频繁地切换冷却液的流动方向。
在激光装置的其它方式中，也可以是，还具备第三记录部(例如后述的第三记录部29)，根据来自所述控制电路的指令，以规定的驱动条件按照规定的时间表测定以所述多个LD模块为发光源或激励光源的激光振荡器的光输出特性，所述第三记录部将所述光输出特性的测定结果的历史记录与所述第一记录部中记录的所述有效累积驱动时间相关联地进行记录，所述控制电路通过使用所述第三记录部中记录的与所述有效累积驱动时间相关联的所述光输出特性的测定结果，能够针对以根据所述光输出特性导出的规定的驱动电流输出的光输出即实际光输出、或者为了得到规定的光输出所需要的驱动电流即实际驱动电流，来输出以下三者中的任一者：所述实际光输出或所述实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性；所述实际光输出或实际驱动电流在某个光输出特性测定时间点与其之前的光输出特性测定时间点这两个时间点之间的劣化幅度或劣化率；以及通过将所述劣化幅度除以所述两个时间点之间的所述有效累积驱动时间的差所得到的劣化速度。
根据上述的结构，能够掌握多个LD模块整体(LD模块单元)的劣化状况、剩余寿命，能够有计划地实施更换用LD模块单元的准备、保养作业，因此能够将无法使用激光装置的期间抑制为最小限度。
在激光装置的其它方式中，也可以是如下激光装置(例如后述的激光装置6F)：存在多个由所述被以串联方式供给驱动电流的多个LD模块构成的LD模块组(例如后述的LD模块组100)，能够对各LD模块组独立地供给所述驱动电流，其中，所述控制电路为了输出规定的光输出指令，在对所述激光电源输出针对所述各LD模块组的驱动电流输出指令时，以针对所述多个LD模块组中的、所述有效累积驱动时间相对短的LD模块组或所述劣化速度相对小的LD模块组优先地分配所述驱动电流的方式，来输出所述驱动电流输出指令。
根据上述的结构，针对规定的光输出指令，对在LD模块组之间有效累积驱动时间相对短的LD模块组、特性劣化相对小的LD模块组优先地分配驱动电流，由此能够抑制有效累积驱动时间相对长的LD模块组、特性劣化相对大的LD模块组的寿命消耗。由此，能够使各LD模块组的更换时期一致，因此能够减少激光装置的维护次数、维护成本。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述控制电路经由网络(例如后述的网络200)向云服务器(例如后述的云服务器201)或雾服务器(例如后述的雾服务器202)输出所述有效累积驱动时间、所述实际光输出或所述实际驱动电流对所述有效累积驱动时间的依赖性以及所述劣化速度中的至少任一者。
根据上述的结构，能够利用云服务器或雾服务器，针对能够独立地控制驱动电流的供给的每个LD模块组统括地管理驱动状况、劣化状况、剩余寿命，因此能够进行计划性的保养，能够极力减少为了进行LD模块的更换保养作业而导致激光装置不能运转的时间。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述切换阀由一组的三通阀构成，该一组的三通阀由流入侧的一个三通阀(例如后述的切换阀23a)和流出侧的一个三通阀(例如后述的切换阀23b)这两个三通阀组成，其中，所述流入侧的一个三通阀连接用于使从所述冷却液供给装置供给的冷却液流入所述冷却液流路的3根冷却液配管(例如后述的冷却液配管42a、42b、42f)，所述流出侧的一个三通阀连接用于使从所述冷却液流路流出的冷却液流出的3根冷却液配管(例如后述的冷却液配管42c、42d、42e)。
根据上述的结构，相比于使用只有开闭功能的二通阀的情况而言，能够减少配管部件个数，并且能够抑制由于因经由切换阀进行的热传导所引起的流入侧冷却液与流出侧冷却液的热交换导致的流入侧冷却液的温度上升。
在激光装置的其它方式中，也可以是，所述切换阀为连接4根冷却液配管的一个四通阀(例如后述的切换阀27)，所述四通阀的至少主要部分为氟化树脂制，所述激光装置利用所述四通阀来对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换。
根据上述的结构，能够减少配管部件个数，有利于小型化、低成本化、高可靠化。另外，流入侧冷却液和流出侧冷却液在同一四通阀内流动，但通过将四通阀的主要部分的材质设为热传导率低且机械强度高的聚三氟氯乙烯等氟化树脂制，能够抑制由于流入侧冷却液与流出侧冷却液的热交换导致的流入侧冷却液的温度上升。
发明的效果
根据一个方式的激光装置，通过在恰当的时刻对用于冷却多个LD模块的冷却液的流动方向进行切换，即使LD模块的驱动条件发生各种各样的变化，也能够有效地减少LD模块间的寿命负荷的差。
附图说明
图1是示意性地示出多个LD模块和用于对多个LD模块进行冷却的以往的冷却构造的俯视图。
图2是示意性地示出多个LD模块和用于对多个LD模块进行冷却的以往的其它冷却构造的俯视图。
图3是示意性地示出多个LD模块和用于对多个LD模块进行冷却的以往的另一其它冷却构造的俯视图。
图4是示出第一实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分。
图5是示出向LD模块供给的驱动电流的时间变化、以及伴随驱动电流的时间变化由设置于两个LD模块的规定位置的温度传感器测定出的温度的时间序列数据的一例的曲线图。
图6是示出由设置于LD模块的规定位置的温度传感器测定出的温度与针对LD模块的计时器计数速度之间的关系的一例的曲线图。
图7是针对图5所示的温度的时间序列数据示出根据图6所示的由设置于LD模块的规定位置的温度传感器测定出的温度与针对LD模块的计时器计数速度之间的关系所求出的用于测量LD模块的寿命消耗时间的计时器的计时器计数速度的时间变化的曲线图。
图8是示出第一实施方式所涉及的激光装置中的对冷却液的流动方向进行切换的动作的流程的流程图。
图9是示出第二实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分。
图10是示出当两个LD模块的有效累积驱动时间的差超过第一设定时间时判定为对冷却液的流动方向进行切换的时机的判定基准中的、第一设定时间对有效累积驱动时间的依赖性的设定例的曲线图。
图11是示出第二实施方式所涉及的激光装置中的对冷却液的流动方向进行切换的动作的流程的流程图。
图12是示出第三实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分。
图13是示出第四实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分。
图14是示出通过实验求出电流加速系数对有效累积驱动时间的依赖性的方法的图。
图15是示出第五实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分。
图16是例示出为了得到规定的光输出所需要的驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性的曲线图、以及为了得到规定的光输出所需要的驱动电流时的劣化幅度、劣化率、劣化速度的图。
图17是示出第六实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分。
图18是示出第七实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。
附图标记说明
1：LD模块；2：冷却板；3：冷却液流路；4：冷却液配管；5：LD模块/冷却板组件；6、6A～6F：激光装置；7：冷却液供给装置；8：激光电源；9a～9d、23a、23b、27：切换阀；10：时机判定装置；11：控制电路；16：时机判定电路；20：第一记录部；21：计算电路；22：第二记录部；24：第一LD模块；25：第二LD模块；26：第三LD模块；28：温度转换电路；29：第三记录部；30：显示装置；100：LD模块组；200：网络；201：云服务器；202：雾服务器。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本公开的具备用于对多个LD模块进行冷却的冷却构造的激光装置的实施方式。在各附图中，对相同的构件标注相同的参照标记。另外，在不同的附图中被标注了相同的参照标记的构成要素是指具有相同功能的构成要素。此外，这些附图适当地变更了比例尺，以易于观察。另外，附图中示出的方式是用于实施本发明的一个例子，本发明不限定于图示出的方式。
<第一实施方式>
图4是示出第一实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块的冷却有关的部分即LD模块/冷却板组件。
激光装置6A在LD模块/冷却板组件5的冷却板2的表面具备多个激光二极管模块(LD模块)1。多个LD模块1以与冷却板2热连接的方式排列。向多个LD模块1以串联方式供给驱动电流。
在冷却板2的内部形成有在图4中用虚线表示的冷却液流路3。从冷却液供给装置7向冷却液流路3供给冷却液。冷却液从冷却液供给装置7经由冷却液配管4流入形成于冷却板2的冷却液流路3。构成为从冷却液流路3流出的冷却液也经由冷却液配管4返回到冷却液供给装置7。在本实施方式中，冷却液供给装置7一般使用被称作冷却器的循环式冷却液供给装置。多个LD模块1沿着冷却液流路3排列，通过在冷却液流路3中流过冷却液来对多个LD模块1进行冷却。
激光装置6A具备：向多个LD模块1供给驱动电流的激光电源8；设置于与冷却液流路3连接的冷却液配管4中的4个切换阀9a～9d；时机判定装置10，其判定利用切换阀9a～9d对冷却液的流动方向进行切换的时机；以及控制电路11，其向激光电源8输出驱动电流输出指令，并且参照时机判定装置10的判定结果来向切换阀9a～9d输出阀切换指令。切换阀9a～9d由用于对冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向进行切换的二通阀构成。
在本实施方式中，以涉及到冷却液供给装置7和冷却板2的方式设置的冷却液配管4由第一冷却液配管41a、第二冷却液配管41b、第三冷却液配管41c以及第四冷却液配管41d构成。第一冷却液配管41a将冷却液供给装置7的冷却液的流出口7a与形成于冷却板2的冷却液流路3的第一连接部3a之间连接。切换阀9a设置于第一冷却液配管41a的中途。第二冷却液配管41b将冷却液供给装置7的冷却液的流入口7b与形成于冷却板2的冷却液流路3的第二连接部3b之间连接。切换阀9b设置于第二冷却液配管41b的中途。
第三冷却液配管41c和第四冷却液配管41d将第一冷却液配管41a与第二冷却液配管41b之间以能够流通冷却液的方式连接。详细地说，第三冷却液配管41c的一端连接于第一冷却液配管41a中的、切换阀9a与冷却液流路3的第一连接部3a之间的位置。第三冷却液配管41c的另一端连接于第二冷却液配管41b中的、切换阀9b与冷却液供给装置7的流入口7b之间的位置。切换阀9c设置于第三冷却液配管41c的中途。第四冷却液配管41d的一端连接于第一冷却液配管41a中的、切换阀9a与冷却液供给装置7的流出口7a之间的位置。第四冷却液配管41d的另一端连接于第二冷却液配管41b中的、切换阀9b与冷却液流路3的第二连接部3b之间的位置。切换阀9d设置于第四冷却液配管41d的中途。
切换阀9a～9d由二通阀构成，因此如图4所示，在切换阀9a、9b为打开状态并且切换阀9c、9d为关闭状态的情况下，从冷却液供给装置7的流出口7a流出的冷却液依次流过第一冷却液配管41a、冷却液流路3的第一连接部3a、冷却液流路3、冷却液流路3的第二连接部3b、第二冷却液配管41b之后流入冷却液供给装置7的流入口7b。当切换阀9a、9b切换为关闭状态并且切换阀9c、9d切换为打开状态时，从冷却液供给装置7的流出口7a流出的冷却液从第一冷却液配管41a的中途流入第四冷却液配管41d，并经过第二冷却液配管41b流入冷却液流路3的第二连接部3b。流过冷却液流路3之后从第一连接部3a流出的冷却液从第一冷却液配管41a的中途流入第三冷却液配管4c，并经过第二冷却液配管41b流入冷却液供给装置7的流入口7b。因而，通过对切换阀9a、9b和切换阀9c、9b的开闭进行切换控制，能够将在冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向切换为反方向。
此外，本实施方式的冷却液流路3由横穿冷却板2的多条平行的直线状流路301构成。相邻的直线状流路301、301彼此通过冷却板2的外侧的多个U字管40连接为能够流通冷却液。由此，冷却液流路3构成以涉及到第一连接部3a和第二连接部3b的方式在多个LD模块1的正下方以串联方式流动的一条流路。
控制电路11由运算电路、存储器电路、驱动电路以及通信电路等(均未图示)构成，其中，运算电路是执行与激光装置6A的各种控制有关的运算处理的CPU等，存储器电路记录有激光装置6A的各种控制所需要的程序、数据等；驱动电路用于驱动激光电源8，通信电路用于与时机判定装置10、切换阀9a～9d等激光装置6A的各部进行通信。
在图4中，将各功能块等之间进行连接的粗实线的箭头表示通信中的信号的输出方向、驱动电流的供给方向等。但是，为了避免图变得复杂，关于表示从激光电源8向多个LD模块1供给驱动电流的箭头，仅示出从激光电源8至配置于最端处的一个LD模块1的箭头，省略了表示LD模块1之间的布线的线等。另外，在本实施方式中，具备由二通阀构成的4个切换阀9a～9d，但关于从控制电路11至切换阀9a～9d的箭头，也仅示出从控制电路11至一个切换阀9b的箭头，省略了从控制电路11至其它切换阀9a、9c、9d的箭头。
从多个LD模块1射出的激光束在光耦合器等中被进行耦合后直接作为光源从加工头向工件照射，或者被用作光纤激光器的激励光源而从光纤激光器经由传送光纤从加工头向工件照射，来进行激光加工。但是，在图4中，省略了还包括各LD模块1的用于从各LD模块1取出激光束的光纤在内的、这些LD模块1之后的激光光学部件的图示。
时机判定装置10也具备执行判定利用切换阀9a～9d对冷却液的流动方向进行切换的时机所需要的运算处理的运算电路、以及记录有执行运算处理所需要的程序、数据等的存储器电路，但均省略图示。在本实施方式中，时机判定装置10在内部具备第一计时器12和第二计时器13这两个计时器，还具备用于控制各个计时器的进度的第一计时器控制电路14和第二计时器控制电路15。另外，时机判定装置10具备时机判定电路16来作为接受来自第一计时器12和第二计时器13的针对时间的测量结果并且判定利用切换阀9a～9d对冷却液的流动方向进行切换的时机的运算电路。
在本实施方式中，在使冷却液在冷却液流路3中从第一连接部3a朝向第二连接部3b流动的情况下，在冷却板2上的多个LD模块1中的配置于最上游侧的LD模块17和配置于最下游侧的LD模块18这两个LD模块1设置有两个温度传感器19a、19b。这些温度传感器19a、19b测定在各LD模块17、18的封装中离配置有COS(chip on substrate：基板上芯片)的部位近的基底板部分的温度，所述COS在是基板上固定LD芯片所形成的。LD模块17、18的封装中的基底板部分为温度追随LD模块1的发热部的发热而上升的温度变动部位。
时机判定装置10基于从温度传感器19a、19b输出的温度的时间序列数据来判定利用切换阀9a～9d对冷却液的流动方向进行切换的时机，使得LD模块17与LD模块18之间的寿命消耗的差减少。
在本实施方式的激光装置6A中，作为最简单的实施方式，将来自多个LD模块1整体的光输出决定为额定光输出，或者将向各LD模块1供给的驱动电流决定为额定驱动电流。由控制电路11针对激光电源8仅进行驱动电流的接通断开的控制。即使是这种简单的控制，由于冷却板2等的热容量，使得被供给恒定的额定驱动电流后的LD模块1的温度也不是立即达到恒定的温度而成为平衡状态。因此，仅通过简单地累计实际的驱动时间的话，无法准确地估计出寿命消耗的量。
图5示出向各LD模块1供给的驱动电流的接通断开、以及与该驱动电流相对应地由设置于LD模块17的温度传感器19a测定的温度TA及由设置于LD模块18的温度传感器19b测定的温度TB的时间序列数据的例子。图5的时间序列数据示出如下情况的例子：向各LD模块1供给30秒额定驱动电流来进行激光加工，在该30秒后供给60秒额定驱动电流来进行下一个激光加工，在该30秒后，供给120秒额定驱动电流来进一步进行下一个激光加工。时间序列数据示出图5那样的瞬时温度变化的主要理由是冷却板2、LD模块1具有相当大的热容量。还能够通过非稳定热流体模拟来得到图5的曲线图。
另外，温度TB高于温度TA的理由是：在获取到图5所示的温度的时间序列数据时，LD模块18相比于LD模块17而言配置在下游侧的冷却液流路3附近，LD模块18的冷却液的温度相比于LD模块17的冷却液的温度而言上升。各LD模块1的寿命消耗依赖于各LD模块1中包括的LD的发热部即LD的pn结部的温度。但是，相比于冷却板2、LD模块1的封装而言，包括固定有LD芯片的基板在内LD芯片的热容量小，因此在向LD模块1供给驱动电流时，LD的pn结部的温度追随设置有温度传感器19a、19b的LD模块17、18的温度变动部位的温度而变化。在驱动电流恒定的情况下，LD的pn结部的温度与由温度传感器19a、19b测定的温度之差大致恒定，因此能够通过由温度传感器19a、19b测定的温度来评价寿命消耗的速度。
已知LD等半导体器件的寿命消耗的速度与绝对温度成反比地呈指数函数加快。因此，可知：例如在将长时间保持驱动电流从而上游侧的LD模块17的设置有温度传感器19a的部位的温度达到平衡时的平衡温度设为TEQ(＝45.7℃)、并且具有当由温度传感器19a测定出的温度比TEQ高10K时寿命消耗的速度变为2倍这一实验结果的情况下，由温度传感器19a测定出的温度与寿命消耗的速度、即由第一计时器控制电路14、第二计时器控制电路15分别对第一计时器12、第二计时器13的前进速度进行控制时的计时器计数速度之间具有图6所示的关系。
因而，当将图5所示那样的温度的时间序列数据输入到第一计时器控制电路14和第二计时器控制电路15时，第一计时器控制电路14和第二计时器控制电路15分别针对第一计时器12和第二计时器13利用图6所示的关系输出控制信号，使得计时器以图7所示的计时器计数速度前进。此外，即使LD模块1的温度上升，没有被供给驱动电流时的LD模块1的劣化也几乎能够忽略。因此，没有向LD模块1供给驱动电流时的计时器计数速度为0，使计时器的计数停止。能够通过从控制电路11输出的信号来判断是否正在向LD模块1供给驱动电流。
如上述的那样，当对第一计时器12及第二计时器13的前进方式、即与第一计时器12对应的计时器计数速度1以及与第二计时器13对应的计时器计数速度2进行控制时，在图7所示的例子中，在最初的进行了激光加工的30秒、下一个60秒以及最后的120秒共计210秒的期间进行了激光加工，对此，第一计时器12分别前进19.2秒、47.6秒、106.3秒，共计前进173.1秒。另一方面，第二计时器13同样地分别前进22.1秒、60.9秒、143.7秒，共计前进226.7秒。此外，关于由第一计时器12和第二计时器13使计时器计数速度前进的秒数，能够通过对图7的表示计时器计数速度与时间的关系的曲线图中的计时器计数速度1和计时器计数速度2分别进行时间积分来得到。
像这样，如图7中用单点划线所示，在对LD模块1供给额定驱动电流时，利用对寿命消耗时间进行计数的计时器进行计数所得到的时间相对于通过始终设为计时器计数速度＝1而求出的实际的LD模块1的驱动时间而言有很大差异。尤其在激光加工时间短时，比率的差变大。如根据图5和图7显而易见的那样，在驱动电流的接通时间、断开时间足够长的情况下，还能够忽略图中所示的瞬时温度变化。但是，在实际的激光加工中，大多以数秒至数十秒的时间间隔反复地进行驱动电流的接通断开。因此，如果忽略这样的瞬时温度变化，则在没有充分地考虑包括LD的半导体器件的温度越高则寿命越短或者平均故障率越高这一现象的情况下判定对冷却液的流动方向进行切换的时机。因此，难以达成在能够有效地减少各LD模块1间的寿命负荷的差的时刻对冷却液的流动方向进行切换这一目标。
此外，寿命缩短这一表述方式与平均故障率增加这一表述方式在物理上不是相同的含义。但是，为了使说明简化，此后，寿命例如缩短至1/2这一表述方式还包括平均故障率增加至2倍这一含义来使用。
当将由第一计时器12和第二计时器13进行计数所得到的时间分别设为时间1和时间2时，时机判定电路16根据时间1和时间2来判定对冷却液的流动方向进行切换的时机。例如，当时间1与时间2之差超过规定时间时，时机判定电路16判定为是对冷却液的流动方向进行切换的时机，将该判定结果输出至控制电路11。
控制电路11接受判定结果，在没有向LD模块1供给驱动电流时，或者在激光装置6A为无法立即进行激光振荡的状态时，对切换阀9a～9d输出切换冷却液的流动方向的指令。由此，切换阀9a～9d切换冷却液的流动方向。像这样判定对冷却液的流动方向进行切换的时机，并且对冷却液的流动方向进行切换，由此能够避免在不切换冷却液的流动方向的情况下寿命消耗时间差异最大的LD模块17与LD模块18的寿命消耗的差扩大至规定时间以上。
图8是示出激光装置6A中的对冷却液的流动方向进行切换的动作的流程的流程图。当接入激光装置6A的电源时，时机判定电路16从控制电路11确认激光装置6A的状态(步骤S101)，判断激光装置6A是否处于能够进行激光振荡的启动状态(步骤S102)。在判断为激光装置6A为能够进行激光振荡的启动状态的情况下，时机判定电路16例如以10ms间隔确认LD模块1的驱动状态(步骤S103)，判定是否正在向LD模块1供给驱动电流(步骤S104)。
当判定为正在向LD模块1供给驱动电流时，时机判定电路16指示第一计时器控制电路14和第二计时器控制电路15读取各自连接的温度传感器19a、19b的输出(步骤S105)。第一计时器控制电路14和第二计时器控制电路15根据读取到的温度传感器19a、19b的输出即温度，利用图6所示那样的示出由温度传感器19a、19b测定出的温度与计时器计数速度之间的关系的数据，来计算计时器计数速度(步骤S106)。接着，第一计时器控制电路14和第二计时器控制电路15指示对第一计时器12和第二计时器13分别加上将计时器计数速度乘以10ms所得到的时间。由此更新时间1和时间2(步骤S107)。
接着，时机判定电路16判定更新后的时间1与时间2之差是否大于规定时间(步骤S108)。在判定为更新后的时间1与时间2之差大于规定时间的情况下，时机判定电路16向控制电路11输出到了对冷却液的流动方向进行切换的时机这一判定结果(步骤S109)。
接受该判定结果，控制电路11根据是否正在向LD模块1供给驱动电流来判定LD模块1是否为驱动中(步骤S110)。在判定为LD模块1不为驱动中的情况下，对切换阀9a～9d输出用于切换冷却液的流动方向的驱动指令(步骤S111)。由此，冷却板2的冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向被切换(步骤S112)。
在本实施方式中，在图4中，例如将切换阀9a、9b从打开状态切换为关闭状态，与此同时将切换阀9c、9d从关闭状态切换为打开状态，由此能够将冷却板2的冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向切换为反方向。
之后，在步骤S113中判定为没有由于更换LD模块/冷却板组件5等而对时机判定装置10输出动作停止指令的情况下，返回到步骤S101，确认激光装置6A的状态。在步骤S113中判定为对时机判定装置10发出了动作停止指令的情况下，时机判定装置10结束动作。在步骤S102中判断为激光装置6A不为能够进行激光振荡的启动状态的情况下，也返回到步骤S101，反复地确认激光装置6A的状态。在步骤S104中判定为没有向LD模块1供给驱动电流的情况下，在步骤S108中判定为更新后的时间1与时间2之差不大于规定时间的情况下，以及在步骤S110中判定为LD模块1为驱动中的情况下，返回到步骤S103，时机判定电路16继续以10ms间隔确认LD模块1的驱动状态。
在本实施方式中，通过这样反复地进行上述的步骤S101至步骤S113的动作，能够在适于减小各LD模块1间的寿命消耗时间的差的时刻对冷却液的流动方向进行切换。因此，能够解决多个LD模块1中的一部分的LD模块1的寿命的结束比其它LD模块1提前到来而导致LD模块/冷却板组件5的更换时期提前这一问题。
如上述的那样，根据本实施方式的激光装置6A，在以额定光输出条件或额定驱动电流条件进行驱动的情况下，LD模块1的温度即使以还包括瞬时变化的方式进行变化，也能够将任意的LD模块1间的寿命消耗时间的差抑制在规定时间或稍微超过规定时间的时间以内。在后文叙述决定上述的规定时间的详细的决定方法。
在本实施方式中，在LD模块17和LD模块18这两方的LD模块1的封装的基底板部分设置有温度传感器19a、19b，但不限定于此。为了使LD的pn结部的温度与由温度传感器19a、19b测定的温度之差高精度地恒定，期望温度传感器19a、19b的设置位置为能够对LD模块1的发热部的热(从发热部流向冷却板2的热)最多地流经的热路径的附近的温度进行测定的位置。但是，温度传感器19a、19b的设置位置原则上为能够根据设置有温度传感器19a、19b的位置的温度来估计出LD模块1的发热部的温度的位置即可。因而，温度传感器19a、19b的设置位置例如可以设置于在使冷却液从冷却板2的一个方向流动时靠近上游的冷却板2上的位置和靠近下游的冷却板2上的位置。
另外，当冷却液的流量已知时，能够通过计算来估计由于LD模块1的发热引起的冷却液的温度上升。因此，温度传感器可以仅设置于LD模块17、18中的一方或冷却板2的一个部位。另外，当根据冷却液供给装置7的设定条件等获知冷却液的流量和温度并且冷却板2、LD模块1的热容量可知时，即使在激光装置6A中没有设置温度传感器，也能够通过计算来估计出如图5那样的LD模块1的温度变化。因而，在激光装置6A侧设置温度传感器并不是对于实现上述的功能而言必要不可欠缺的条件。
在流入冷却板2的冷却液的温度、流量恒定且驱动电流的接通时间、断开时间足够长且能够忽略LD模块1的温度的瞬时变化的情况下，不需要温度传感器，计时器和计时器控制电路也可以各为一个。计时器控制电路仅进行控制使得仅在对LD模块供给额定电流时使计时器前进即可。时机判定电路16仅仅是每当由计时器测量出的时间经过规定时间时判定是否为对冷却液的流动方向进行切换的时机即可。
<第二实施方式>
图9是示出第二实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。与第一实施方式的图4同样，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块1的冷却有关的部分即LD模块/冷却板组件5。与图4同样，用虚线表示冷却板2内的冷却液流路3。另外，将各功能块等之间进行连接的粗实线的箭头表示通信中的信号的输出方向、驱动电流的供给方向等，但为了避免图变得复杂，关于表示从激光电源8向多个LD模块1供给驱动电流的箭头，仅示出从激光电源8至配置于最端处的LD模块1的箭头，省略了表示LD模块1间的布线的线等的图示。另外，省略了还包括各LD模块1的用于从各LD模块1取出激光束的光纤在内的、LD模块1之后的激光光学部件的图示。
图9所示的第二实施方式的激光装置6B不同于第一实施方式的图4的第一点在于：时机判定装置10具备第一记录部20、第二记录部22以及计算电路21来替代图4的第一计时器控制电路14、第二计时器控制电路15、第一计时器12以及第二计时器13。
第一记录部20记录有第一加速系数(k1(Po，Tv))和第二加速系数(k2(Id，Tv))中的至少一方的加速系数的数据。第一加速系数(k1(Po，Tv))表示对LD模块1的光输出(Po)及温度变动部位的温度(Tv)的依赖性。第二加速系数(k2(Id，Tv))表示对向LD模块1供给的驱动电流(Id)及温度变动部位的温度(Tv)的依赖性。第一加速系数(k1(Po，Tv))和第二加速系数(k2(Id，Tv))为将以标准驱动条件驱动LD模块1的情况下的寿命消耗速度作为基准来表示以与标准驱动条件不同的驱动条件驱动LD模块1的情况下的寿命消耗速度的比率(倍率)的寿命消耗的加速系数。
计算电路21如后述的那样，除了参照温度变动部位的温度的时间序列数据以外，还参照LD模块1的光输出的时间序列数据和LD模块1的驱动电流的时间序列数据中的至少一方的时间序列数据，来对从第一记录部20读出的加速系数进行从开始驱动LD模块1的最初的时间点起至最新的时间点为止的时间积分，由此计算出有效累积驱动时间。
第二记录部22针对多个LD模块1中的至少一个LD模块1记录由计算电路21计算出的有效累积驱动时间。此外，在本实施方式中也与第一实施方式同样地，温度变动部位为在各LD模块1的封装中离配置有在基板上固定LD芯片所形成的COS的部位近的基底板部分，在该位置设置温度传感器19a、19b。
在本实施方式中，温度传感器19a、19b设置于多个LD模块1中的、在使冷却液在冷却液流路3中从第一连接部3a朝向第二连接部3b流动的情况下配置于离最上游侧的冷却液流路3近的位置的LD模块(以下称作第一LD模块24。)以及配置于离最下游侧的冷却液流路3近的位置的LD模块(以下称作第二LD模块25。)。只要设置温度传感器19a、19b的两个LD模块1为不同的LD模块即可，无需一定为图9所示的第一LD模块24和第二LD模块25。但是，当沿着冷却液流路3的方向上的距离近时，如后述的那样进行恰当的时机判定时的判定精度下降，因此期望第一LD模块24与第二LD模块25之间的沿着冷却液流路3的方向上的距离比较远。
不同于第一实施方式的图4的第二点在于：在第一实施方式中使用了4个由二通阀构成的切换阀9a～9d，与此相对地，在本实施方式中，使用由流入侧的切换阀23a和流出侧的切换阀23b这两个切换阀组成的一组的三通阀。详细地说，以涉及到冷却液供给装置7和冷却板2的方式设置的冷却液配管4如图9所示包括第一冷却液配管42a、第二冷却液配管42b、第三冷却液配管42c、第四冷却液配管42d、第五冷却液配管42e以及第六冷却液配管42f。第一冷却液配管42a将冷却液供给装置7的冷却液的流出口7a与切换阀23a之间连接。第二冷却液配管42b将切换阀23a与形成于冷却板2的冷却液流路3的第一连接部3a之间连接。第三冷却液配管42c将形成于冷却板2的冷却液流路3的第二连接部3b与切换阀23b之间连接。第四冷却液配管42d将切换阀23b与冷却液供给装置7的冷却液的流入口7b之间连接。第五冷却液配管42e将第二冷却液配管42b的中途与切换阀23b之间连接。第六冷却液配管42f将第三冷却液配管42c的中途与切换阀23a之间连接。
各切换阀23a、23b由三通阀构成，因此在切换阀23a、23b为图9所示的状态的情况下，从冷却液供给装置7的流出口7a流出的冷却液依次流过第一冷却液配管42a、切换阀23a、第二冷却液配管42b、冷却液流路3的第一连接部3a、冷却液流路3、冷却液流路3的第二连接部3b、第三冷却液配管42c、切换阀23b、第四冷却液配管42d之后流入冷却液供给装置7的流入口7b。另外，当使切换阀23a的芯向逆时针方向旋转90°且使切换阀23b的芯向顺时针方向旋转90°时，从冷却液供给装置7的流出口7a流出的冷却液经过第一冷却液配管42a、切换阀23a、第六冷却液配管42f之后流入第三冷却液配管42c的中途，在经过第三冷却液配管42c之后流入冷却液流路3的第二连接部3b。在冷却液流路3中流动并从冷却液流路3的第一连接部3a流出的冷却液经过第二冷却液配管42b之后从第二冷却液配管42b的中途流入第五冷却液配管42e，在经过切换阀23b、第四冷却液配管42d之后流入冷却液供给装置7的流入口7b。因而，通过对各切换阀23a、23b的流路进行切换控制，能够将在冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向切换为反方向。
在本实施方式中，相比于如第一实施方式那样使用只有开闭功能的二通阀(切换阀9a～9d)的情况而言，能够减少配管部件个数，并且抑制由于因经由切换阀23a、23b进行的热传导所引起的流入侧冷却液与流出侧冷却液的热交换导致的流入侧冷却液的温度上升。
向本实施方式的激光装置6B中的时机判定装置10的计算电路21输入如上述那样由设置于第一LD模块24的温度传感器19a测量出的温度变动部位的温度(Tv1(t))、由设置于第二LD模块25的温度传感器19b测量出的温度变动部位的温度(Tv2(t))、控制电路11所指示的LD模块1的光输出(Po(t))或驱动电流(Id(t))来作为变量。计算电路21从第一记录部20中读出与各变量对应的第一加速系数(k1)或第二加速系数(k2)，并进行时间积分。由此，计算电路21如下面的式子那样计算出第一LD模块24的有效累积驱动时间和第二LD模块25的有效累积驱动时间，将最新的有效累积驱动时间记录到第二记录部22。
[数式1]
第一LD模块24的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000281
第二LD模块25的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000282
或者，第一LD模块24的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000283
第二LD模块25的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000291
ts为开始驱动LD模块1的最初的时间点。ts例如设定为出厂试验结束时间点、出厂后首次驱动LD模块1的时间点等即可。tp为最新的时间点。tp可以设为至今为止驱动LD模块1的最后的时间点。
在本实施方式中，在将第一LD模块24的有效累积驱动时间即第一有效累积驱动时间与第二LD模块25的有效累积驱动时间即第二有效累积驱动时间的时间差设为第一时间差时，时机判定电路16将该第一时间差超过第一设定时间的时间点判定为对冷却液的流动方向进行切换的时机，将该判定结果输出至控制电路11。
通过像这样判定对冷却液的流动方向进行切换的时机，能够直接防止排列位置不同的LD模块1间的有效累积驱动时间的差扩大，能够更可靠地减小LD模块1间的寿命结束的时机的偏差。此外，当第一LD模块24和第二LD模块25的配置位置在沿着冷却液流路3的方向上的距离近时，第一LD模块24的温度变动部位的温度与第二LD模块25的温度变动部位的温度之差变小，即使有效累积驱动时间增加，第一时间差也不怎么增加，因此进行恰当的时机判定时的判定精度下降。因而，期望第一LD模块24与第二LD模块25之间的沿着冷却液流路的方向上的距离比较远。
第一设定时间可以被设定为固定时间，但也可以将第一设定时间设定为以第一有效累积驱动时间、第二有效累积驱动时间、以及第一有效累积驱动时间与第二有效累积驱动时间之和中的任一者为第一变量的第一函数。第一函数如图10所示在第一变量为正的范围内为广义单调递减函数，并且为将最小值作为正的第一常数的函数。
通过如图10那样设定第一设定时间，在无需频繁地切换冷却液的流动方向的有效累积驱动时间少的期间，能够避免频繁地切换冷却液的流动方向。通过不频繁地切换冷却液的流动方向，能够减少切换阀23a、23b的磨损等。另外，当有效累积驱动时间变长并且LD模块1达到寿命末期时，期望趁着第一LD模块24与第二LD模块25的有效累积驱动时间的差还不那么时切换冷却液的流动方向，但即使LD模块1达到寿命末期，也能够进行设定，使得避免比正的第一常数时间更频繁地切换冷却液的流动方向。
图11是示出本实施方式的激光装置6B中的对冷却液的流动方向进行切换的动作的流程的流程图。在图11的流程图中，与图8的流程图不同的步骤只有步骤S205～步骤S208。因而，在此仅说明不同的步骤。
在步骤S205中，计算电路21读取两个温度传感器19a、19b的输出数据即温度的时间序列数据，并且与此同步地，在通过第一加速系数计算有效累积驱动时间的情况下，读取光输出的时间序列数据(步骤S206)。关于光输出的时间序列数据，既可以直接读入来自控制电路11的光输出指令，也可以使用由输出光检测器(未图示)测量实际的激光输出所得到的结果。
此外，在通过第二加速系数计算有效累积驱动时间的情况下，可以读入驱动电流的时间序列数据来代替光输出的时间序列数据。接着，计算电路21针对所读取出的温度的时间序列数据和光输出的时间序列数据，利用第一记录部20中记录的第一加速系数的对温度和光输出的依赖性的数据，来计算第一LD模块24的有效累积驱动时间(tec1)和第二LD模块25的有效累积驱动时间(tec2)，并且将它们记录到第二记录部22中(步骤S207)。具体地说，计算电路21对第二记录部22中记录的有效累积驱动时间加上新计算出的有效驱动时间，将进行该相加所得到的结果设定为新的有效累积驱动时间。计算电路21将所记录的有效累积驱动时间更新为新的有效累积驱动时间。接着，时机判定电路16判定第一LD模块24的有效累积驱动时间(tec1)与第二LD模块24的有效累积驱动时间(tec2)之差是否大于第一设定时间(步骤S208)。在其结果是判定为第一LD模块24的有效累积驱动时间(tec1)与第二LD模块25的有效累积驱动时间(tec2)之差大于第一设定时间的情况下，时机判定电路16向控制电路11输出到了对冷却液的流动方向进行切换的时机这一判定结果。
如上述的那样，即使激光装置6B的驱动条件不是以额定光输出、额定驱动电流仅对接通断开进行控制的驱动条件、而是改变LD模块1的光输出、驱动电流的驱动条件，激光装置6B也基于将还考虑根据光输出、驱动电流的大小引起的寿命消耗速度的变化而计算出的LD模块1的有效累积驱动时间、即LD模块1的实际的驱动时间换算为以标准驱动条件驱动LD模块1的情况下的驱动时间所得到的有效累积驱动时间，来由时机判定装置10判定对冷却液的流动方向进行切换的时机。因此，根据本实施方式的激光装置6B，能够减少多个LD模块1间的有效累积驱动时间的差，换言之能够减少多个LD模块1间的寿命消耗时间的差，能够减小多个LD模块1间的寿命结束的时期的偏差。
<第三实施方式>
图12是示出第三实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。与第一实施方式的图4、第二实施方式的图9同样，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块1的冷却有关的部分即LD模块/冷却板组件5。另外，与图4、图9同样，用虚线表示冷却板2内的冷却液流路3。将各功能块等之间进行连接的粗实线的箭头表示通信中的信号的输出方向、驱动电流的供给方向等。但是，为了避免图变得复杂，关于表示从激光电源8向多个LD模块1供给驱动电流的箭头，仅示出从激光电源8至配置于最端处的LD模块1的箭头，省略了表示LD模块1间的布线的线等。省略了还包括各LD模块1的用于从各LD模块1取出激光束的光纤在内的、LD模块1之后的激光光学部件。
图12所示的第三实施方式的激光装置6C不同于第二实施方式的图9的第一点在于：仅在多个LD模块1中的一个第三LD模块26设置温度传感器19。第三LD模块26为如下的LD模块：即使切换冷却液的流动方向，在驱动电流相同的情况下，LD模块1的发热部或者LD模块的与发热部热连接的规定位置的温度变化也最小。具体地说，如图12所示，第三LD模块26为在将在使冷却液向一个方向流动时配置于靠近冷却液流路3的最上游侧的位置的LD模块1和配置于靠近最下游的位置的LD模块1作为两端的LD模块的LD模块1的列中、在沿着冷却液流路3配置的LD模块1的列之中位于中央的LD模块。在本实施方式中，与第一实施方式、第二实施方式同样，在第三LD模块26的封装中的作为温度变动部位的、离配置有在基板上固定LD芯片所形成的COS的部位近的基底板部分设置温度传感器19。
在将第三LD模块26的最新的有效累积驱动时间即第三有效累积驱动时间与最后切换冷却液的流动方向的时间点的第三LD模块26的有效累积驱动时间的时间差设为第二时间差的情况下，在本实施方式中，将第二时间差超过第二设定时间的时间点判定为切换冷却液的流动方向的时机。由此，计算有效累积驱动时间的LD模块1仅为一个第三LD模块26。因此，能够减少计算电路21中的计算负荷。而且，即使在以改变了LD模块1的光输出、驱动电流的条件进行驱动的情况下，也能够为与第二实施方式几乎同样的判定精度，并且减少多个LD模块1间的寿命结束的时期的偏差。
另外，针对第二设定时间，也可以与图10的第一设定时间同样地设定为以第三有效累积驱动时间为第二变量的第二函数。第二函数在第二变量为正的范围内为广义单调递减函数，并且为将最小值作为正的第二常数的函数。由此，能够得到与如图10那样设定第一设定时间的情况相同的效果。
在本实施方式的激光装置6C中，切换冷却液的流动方向的动作的流程与图11的流程图几乎相同。不同的步骤仅为在步骤S205中读取输出的温度传感器为一个、在步骤S207中计算电路21仅针对一个LD模块1(第三LD模块26)计算有效累积驱动时间、以及在步骤S208中判定式变为第二时间差>第二设定时间。
图12所示的第三实施方式的激光装置6C不同于第二实施方式的图9的第二点在于：在第二实施方式中使用2个由三通阀构成的切换阀23a、23b，与此相对地，在本实施方式中，使用1个由至少主要部分为氟化树脂制的四通阀构成的切换阀27，从而减少了配管部件个数。详细地说，如图12所示，以涉及到冷却液供给装置7和冷却板2的方式设置的冷却液配管4由第一冷却液配管43a、第二冷却液配管43b、第三冷却液配管43c以及第四冷却液配管43d构成。第一冷却液配管43a将冷却液供给装置7的冷却液的流出口7a与切换阀27之间以能够流通冷却液的方式进行连结。第二冷却液配管43b将切换阀27与形成于冷却板2的冷却液流路3的第一连接部3a之间以能够流通冷却液的方式进行连结。第三冷却液配管43c将冷却液流路3的第二连接部3b与切换阀27之间以能够流通冷却液的方式进行连结。第四冷却液配管43d将切换阀27与冷却液供给装置7的冷却液的流入口7b之间以能够流通冷却液的方式进行连结。
切换阀27由四通阀构成，因此在切换阀27为图12所示的状态的情况下，从冷却液供给装置7的流出口7a流出的冷却液依次流过第一冷却液配管43a、切换阀27、第二冷却液配管43b、冷却液流路3的第一连接部3a、冷却液流路3、冷却液流路3的第二连接部3b、第三冷却液配管43c、切换阀27以及第四冷却液配管43d之后流入冷却液供给装置7的流入口7b。另外，当在图12中使切换阀27的芯向逆时针方向旋转90°时，从冷却液供给装置7的流出口7a流出的冷却液依次流过第一冷却液配管43a、切换阀27、第三冷却液配管43c、冷却液流路3的第二连接部3b、冷却液流路3、冷却液流路3的第一连接部3a、第二冷却液配管43b、切换阀27以及第四冷却液配管43d之后流入冷却液供给装置7的流入口7b。因而，通过对切换阀27的流路进行切换控制，能够对冷却板2的冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向进行切换。
此外，在由四通阀构成的切换阀27中，流入侧冷却液和流出侧冷却液在同一切换阀27内流动。但是，通过将四通阀的至少主要部分的材质设为热传导率低且机械强度高的聚三氟氯乙烯等氟化树脂制，能够抑制由于流入侧冷却液与流出侧冷却液的热交换引起的流入侧冷却液的温度上升。四通阀的主要部分是指直接与冷却液接触的部分，例如芯。收纳芯的壳体部分也可以为氟化树脂制。
<第四实施方式>
图13是示出第四实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。与第二实施方式的图9同样，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块1的冷却有关的部分即LD模块/冷却板组件5。与图9同样，用虚线表示冷却板2内的冷却液流路3。将各功能块等之间进行连接的粗实线的箭头表示通信中的信号的输出方向、驱动电流的供给方向等。但是，为了回避图变得复杂，关于表示从激光电源8向多个LD模块1供给驱动电流的箭头，仅示出从激光电源8至配置于最端处的LD模块1的箭头，省略了表示LD模块1间的布线的线等。另外，省略了还包括各LD模块1的用于从各LD模块1取出激光束的光纤在内的、LD模块1之后的激光光学部件。
图13所示的第四实施方式所涉及的激光装置6D不同于第二实施方式的图9的点在于：来自温度传感器19a、19b的输出经由温度转换电路28输入至计算电路21。在本实施方式中，温度变动部位设定为LD模块1的发热部即LD的pn结部。即，用于判定对冷却液的流动方向进行切换的时机的温度的时间序列数据为两个LD模块(第一LD模块24和第二LD模块25)内的LD的pn结部的温度的时间序列数据。但是，在利用激光装置6D进行激光加工的期间，难以始终测定LD的pn结部的温度。因此，激光装置6D例如在将由LD产生的热在冷却板2中流动的情形进行模式化所得到的热回路网中，利用温度传感器19a、19b测定由LD产生的热在冷却板2中流动的路径的节点的温度，由温度转换电路28根据(pn结部的温度)＝(由温度传感器19a、19b测量出的温度)+(LD的pn结部的发热量)×(从LD的pn结部至由温度传感器19a、19b测量温度的节点的热阻)等式子，将由温度传感器19a、19b测定出的温度的时间序列数据转换为pn结部的温度的时间序列数据。
在上述的式子中，LD的pn结部的发热量能够通过从向LD模块1供给的驱动电流与通过流过驱动电流而对每个LD 1施加的电压之积即驱动功率减去每个LD 1的光输出来求出。关于从LD的pn结部至由温度传感器19a、19b测量温度的节点的热阻，由于是恒定值，因此能够预先根据激光波长对pn结部温度的依赖性等进行测定来求出，还能够通过热流体模拟来容易地估计出。
通过将寿命消耗速度对温度的依赖性定义为寿命消耗速度对LD的pn结部的温度的依赖性，能够获取伴随光输出、驱动电流的变化而引起的LD的pn结部的温度变化对寿命消耗速度的影响。因此，针对第一记录部20中记录的第一加速系数的数据，能够事先分为依赖于LD模块1的相对于标准光输出而言的光输出的加速系数即光输出加速系数(kP(Po))的数据和依赖于LD模块1的发热部即LD模块1内的LD的pn结部的温度的加速系数即温度加速系数的数据(kT(Tj))来进行记录。针对第二加速系数的数据，也同样能够事先分为依赖于LD模块1的相对于标准驱动电流而言的驱动电流的加速系数即电流加速系数(kI(Id))的数据和依赖于LD的pn结部的温度的加速系数即温度加速系数的数据kT(Tj))来进行记录。此外，关于依赖于LD的pn结部的温度的加速系数即温度加速系数的数据，第一加速系数与第二加速系数能够共通地使用相同的数据。
计算电路21针对从温度转换电路28输出的LD的pn结部的温度的时间序列数据以及从控制电路11获取到的LD模块1的光输出的时间序列数据或LD模块1的驱动电流的时间序列数据，利用第一记录部20中记录的上述的加速系数的数据，如下面的式子那样进行时间积分。由此，计算电路21计算出第一LD模块24的有效累积驱动时间和第二LD模块25的有效累积驱动时间，将最新的有效累积驱动时间记录在第二记录部22中。
[数式2]
第一LD模块的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000351
第二LD模块的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000352
或者，第一LD模块的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000353
第二LD模块的有效累积驱动时间
Figure BDA0002448192320000361
Tj1为第一LD模块24的LD的pn结部的温度，Tj2为第二LD模块25的LD的pn结部的温度。
根据该第四实施方式所涉及的激光装置6D，能够分为依赖于光输出、驱动电流的加速系数和依赖于温度的加速系数。因而，相比于将加速系数的数据作为以光输出和温度为变量的二维的数据表、以驱动电流和温度为变量的二维的数据表进行记录的情况而言，能够大幅地减少需要通过实验等获取并且记录在第一记录部20中的加速系数的数据的量，能够削减工时。
第一记录部20中记录的温度加速系数的数据、光输出加速系数的数据以及电流加速系数的数据中的至少一个加速系数的数据不是以直接表示加速系数的数值数据的形式进行记录，而是以用于计算加速系数的数式的形式进行记录。例如，针对温度加速系数，能够用已知的下述的阿伦尼乌斯反应式来表示，因此只将包括活化能(Ea)和玻尔兹曼常数(kB＝8.63×10-5(eV/K))的数式记录事先在第一记录部20中即可。关于活化能，通过实验求出或使用针对各个半导体器件报告的值即可。
反应速度＝常数·exp(-Ea/kBT)····(阿伦尼乌斯反应式)
因而，温度加速系数＝exp(-Ea/kBTj)/exp(-Ea/kBTjs)
＝exp{(1/Tjs-1/Tj)·Ea/kB}
Tj为pn结部的温度。Tjs为以标准驱动条件长时间进行驱动直至达到热平衡时的pn结部的温度。
光输出加速系数、电流加速系数例如也可以由下述那样的数式表示。
光输出加速系数＝(Po/Pos)m
电流加速系数＝{(Id-Ith)/(Ids-Ith)}n
Pos为以标准驱动条件驱动LD模块1时的光输出、即标准光输出。Ids为以标准驱动条件驱动LD模块1时的驱动电流、即标准驱动电流。Ith为LD的阈值电流。m和n为常数。
像这样，通过将加速系数的数据记录为式子形式的数据而不是记录为数值数据，能够以更少的数据计算有效累积驱动时间，能够进一步减少数据收集所需要的工时。
输出加速系数数据或电流加速系数数据可以作为依赖于有效累积驱动时间的数据被记录在第一记录部20中。例如，为了获取电流加速系数对有效累积驱动时间的依赖性的数据，如图14所示那样，通过实验，仅在LD模块1的整个寿命中的规定的一个时期以与标准驱动电流不同的恒定的驱动电流进行驱动并且调查寿命的变化即可。在得到图14那样的结果的情况下，关于基于有效累积驱动时间t1+t2/2时的加速驱动电流的加速系数，能够通过校正由于相对于t2/t3增加了驱动电流引起的pn结的温度上升所产生的增加量来求出。为了缩短获取加速系数对有效累积驱动时间的依赖性的数据所需要的时间，期望包括以标准驱动电流进行驱动的期间在内使LD的pn结部的温度高于以标准驱动条件进行驱动时的LD的pn结部的温度的方式进行实验。在获取光输出加速系数对有效累积驱动时间的依赖性的数据的情况下也能够应用与上述同样的方法。
考虑到有效累积驱动时间依赖性的输出加速系数、电流加速系数可以通过下述那样的式子给出。
光输出加速系数＝(Po/Pos)＾(m+atec)
电流加速系数＝{(Id-Ith)/(Ids-Ith)}＾(n+btec)
tec为有效累积驱动时间。a和b为系数(常数)。
通过像这样考虑输出加速系数数据或电流加速系数数据对有效累积驱动时间的依赖性，在光输出大于标准光输出的条件(即光输出加速系数>1的条件)或者驱动电流大于标准驱动电流的条件(即电流加速系数>1的条件)下，即使在当到了寿命后期时具有光输出加速系数、电流加速系数逐渐变大的倾向的情况下，也能够更高精度地计算出有效驱动时间。
<第五实施方式>
图15是示出第五实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。与第三实施方式的图12类似，与图12同样地用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块1的冷却有关的部分即LD模块/冷却板组件5。与图12同样地用虚线表示冷却板2内的冷却液流路3。将各功能块等之间进行连接的粗实线的箭头表示通信中的信号的输出方向、驱动电流的供给方向等。但是，为了避免图变得复杂，关于表示从激光电源8向多个LD模块1供给驱动电流的箭头，仅示出从激光电源8至配置于最端处的LD模块1的箭头，省略了表示LD模块1间的布线的线等。另外，省略了还包括各LD模块1的用于从各LD模块1取出激光束的光纤在内的、LD模块1之后的激光光学部件。
图15所示的第五实施方式所涉及的激光装置6E不同于第三实施方式的图12的点在于：与第四实施方式同样地具备温度转换电路28；以及新具备第三记录部29和显示装置30。温度转换电路28与第四实施方式同样地用于将由温度传感器19测定出的温度换算为第三LD模块26的LD的pn结部的温度。虽然省略说明，但通过将用于判定对冷却液的流动方向进行切换的时机的温度的时间序列数据设为LD的pn结部的温度的时间序列数据，能够大幅地削减计算有效累积驱动时间时所需要的加速系数数据这一点如上所述。
本实施方式的激光装置6E通过来自控制电路11的指令，以规定的驱动条件按照规定的时间表测定以多个LD模块1为发光源或激励光源的激光振荡器的光输出特性。激光装置6E将光输出特性的测定结果的历史记录与第一记录部20中记录的有效累积驱动时间相关联地记录于第三记录部29中。
控制电路11使用第三记录部29中记录的与有效累积驱动时间相关联的光输出特性的测定结果，针对以根据光输出特性导出的规定的驱动电流输出的光输出即实际光输出、或者为了得到规定的光输出所需要的驱动电流即实际驱动电流，将以下三项中的至少任一项输出到显示装置30，该三项为：实际光输出或实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性；实际光输出或实际驱动电流在光输出特性测定时间点与其之前的光输出特性测定时间点这两个时间点之间的劣化幅度或劣化率；以及将劣化幅度除以两个时间点之间的有效累积驱动时间的差所得到的劣化速度。由此，显示装置30显示实际光输出或实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性、实际光输出或实际驱动电流的劣化幅度或劣化率、劣化速度。
图16例示出表示实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性的曲线图。在图中图示劣化幅度，并且记载了表示劣化率和劣化速度的式子。通过在显示装置30中显示实际光输出或实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性、实际光输出或实际驱动电流的劣化幅度或劣化率、劣化速度，激光装置6E的使用者、管理者能够掌握多个LD模块1整体(LD模块单元)的劣化状况、剩余寿命，能够有计划地实施更换用LD模块单元的准备、保养作业。因此，能够将无法使用激光装置6E的期间抑制为最小限度。在显示装置30中也可以显示有效累积驱动时间。
<第六实施方式>
图17是示出第六实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。与示出其它实施方式的激光装置的概念性结构的框图同样，用示出示意性构造的俯视图来表示与对LD模块1的冷却有关的部分即LD模块/冷却板组件5。用虚线表示冷却板2内的冷却液流路3。将各功能块等之间进行连接的粗实线的箭头表示通信中的信号的输出方向、驱动电流的供给方向等。但是，为了避免图变得复杂，关于表示从激光电源8向多个LD模块1供给驱动电流的箭头，仅示出从激光电源8至配置于最端处的LD模块1、1的箭头，省略了表示LD模块1间的布线的线等。省略了还包括各LD模块1的用于从各LD模块1取出激光束的光纤在内的、LD模块1之后的激光光学部件。
本实施方式的激光装置6F为如下的激光装置：存在两组由被以串联方式供给驱动电流的多个LD模块1构成的LD模块组100，能够对各LD模块组100、100独立地供给驱动电流。本实施方式的控制电路11为了输出规定的光输出指令，在对激光电源8输出针对各LD模块组100、100的驱动电流输出指令时，以针对多个LD模块组100、100中的、有效累积驱动时间相对短的LD模块组100或劣化速度相对小的LD模块组100优先地分配驱动电流的方式，来输出驱动电流输出指令。
在本实施方式中，关于以涉及到一个冷却液供给装置7和两个LD模块组100、100的冷却板2、2的方式设置的冷却液配管4，两个冷却板2、2中的各冷却板2具备与图12所示的激光装置6C中的冷却液配管4相同的结构。与冷却液供给装置7的冷却液的流出口7a连结的冷却液配管43a从中途朝向各切换阀27、27分支为2根。与各切换阀27、27连结的冷却液配管43d、43d从中途汇合成1根后连结于冷却液供给装置7的冷却液的流入口7b。
在本实施方式的时机判定装置10中，关于对在冷却板2的冷却液流路3中流动的冷却液的流动方向进行切换的时机的判定，可以针对每个LD模块组100、100、即每个LD模块/冷却板组件5、5独立地进行判定。实际切换冷却液的流动的时刻也可以按每个LD模块/冷却板组件5、5而不同。在分支出的各冷却液配管4的中途，虽然没有图示，但可以设置流量计和流量调节阀，使流过各冷却板2、2的冷却液流路3、3的冷却液的流量相同。
在本实施方式的激光装置6F中，针对规定的光输出指令，对在LD模块组100、100之间有效累积驱动时间相对短的LD模块组100、特性劣化相对小的LD模块组100优先地分配驱动电流，由此能够抑制有效累积驱动时间相对长的LD模块组100、特性劣化相对大的LD模块组100的寿命消耗。因此，能够使各LD模块组100、100的更换时期一致。由此，能够减少激光装置6F的维护次数、维护成本。由被以串联方式供给驱动电路的多个LD模块1构成的LD模块组100也可以不是如图17所示的那样限定为2组，可以为3组以上。
<第七实施方式>
图18是示出第七实施方式所涉及的激光装置的概念性结构的框图。关于激光装置6，能够使用以上所说明的激光装置6中的、具备第三记录部29的激光装置6E或6F中的任一者。在各激光装置6中省略了除控制电路11以外的功能块等的图示。还省略了冷却液供给装置的图示。关于本实施方式的激光装置6，控制电路11经由网络200将有效累积驱动时间、实际光输出或实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性、以及劣化速度中的至少任一者输出到云服务器201或雾服务器202。
在本实施方式的激光装置6中，能够针对每个能够独立地控制驱动电流的供给的LD模块组通过云服务器201或雾服务器202统括地管理驱动状况、劣化状况、剩余寿命。因此，能够进行计划性的保养，能够极力减少由于LD模块1的更换保养作业而使得激光装置6无法工作的时间。
在以上的各实施方式或变形例中，控制电路11、第一计时器控制电路14、第二计时器控制电路15、时机判定电路16、计算电路21、温度转换电路28均以具有CPU、ROM、RAM等的微型计算机为中心构成。CPU执行与各电路要求的功能有关的运算处理。关于这些电路，虽然记载为按功能分离，但也可以由一个CPU进行多个电路要求的运算，还可以由一个CPU执行与上述的全部电路要求的功能有关的运算处理。另外，这些电路可以由FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)构成。
在以上的各实施方式或变形例中，第一记录部20、第二记录部22、第三记录部29也同样记载为按功能分离的块，但也可以由一个ROM等存储器实现多个记录部20、22、29的功能，还可以由一个存储器实现上述的全部记录部20、22、29的功能。
在以上的各实施方式或变形例中，冷却液供给装置7不限定于循环式冷却液供给装置，也可以形成为从工厂配管向激光装置6(6A～6F)供给冷却液。冷却液可以为至少以水为主成分的冷却水，也可以为冷却剂等。
在以上的各实施方式或变形例中，将冷却板的冷却液流路3这一术语与冷却液配管4这一术语区别开来使用，但不限定于彼此分离的构造。例如，也可以为用形成有槽的两张铝合金板将铜管夹在中间的构造等。在该情况下，两张铝合金为冷却板2，将被两张铝合金夹在中间的铜管的内侧称作冷却液流路3，将铜管的没有被两张铝合金夹在中间的部分称作冷却液配管4。
激光装置6A的具有由二通阀构成的切换阀9a～9d的冷却液配管4的结构也可以应用于激光装置6B～6F的冷却液配管4的结构。另外，激光装置6B、6D的具有由三通阀构成的切换阀23a、23b的冷却液配管4的结构也可以应用于激光装置6A、6C、6E、6F的冷却液配管4的结构。激光装置6C、6E、6F的具有由四通阀构成的切换阀27的冷却液配管4的结构也可以应用于激光装置6A、6B、6D的冷却液配管4的结构。
在此举出的所有例子和特定的术语应被解释为旨在帮助读者理解本发明人针对本发明和该技术的促进所给出的概念的示教性的目的，而不限定于与表示本发明的优缺点有关的本说明书中的任何例子的结构、这种特定的举出的例子和条件。详细地说明了本发明的实施方式，但应当理解的是，在不超出本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明的实施方式施加各种各样的变更、置换和修正。

Claims (15)

1.一种激光装置，具备激光二极管模块及冷却板组件，所述激光二极管模块及冷却板组件是在冷却板的表面将被以串联方式供给驱动电流的多个激光二极管模块以与所述冷却板热连接的方式进行排列而形成的，所述冷却板通过使从冷却液供给装置供给的冷却液流过形成于该冷却板的内部的冷却液流路而被冷却，所述激光装置具备：
激光电源，其向所述多个激光二极管模块供给所述驱动电流；
切换阀，其设置于与所述冷却液流路连接的冷却液配管，用于对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换；
时机判定装置，其参照所述激光二极管模块及冷却板组件中的、由于构成所述多个激光二极管模块的激光二极管模块的发热部中的发热而温度变动的至少任一个温度变动部位的温度的时间序列数据，来判定对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换的时机；以及
控制电路，其对所述激光电源输出驱动电流输出指令，并且参照所述时机判定装置的判定结果来对所述切换阀输出阀切换指令，以对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，
所述时机判定装置具备：
第一记录部，其在寿命消耗的加速系数中记录第一加速系数的数据和第二加速系数的数据中的至少一方的加速系数的数据，其中，寿命消耗的加速系数将以标准驱动条件驱动所述激光二极管模块的情况下的寿命消耗速度作为基准来表示以与标准驱动条件不同的驱动条件驱动所述激光二极管模块的情况下的寿命消耗速度的比率，所述第一加速系数是依赖于所述激光二极管模块的光输出和所述温度变动部位的温度的所述加速系数，所述第二加速系数是依赖于所述激光二极管模块的驱动电流和所述温度变动部位的温度的加速系数；
计算电路，其除了参照所述温度变动部位的温度的时间序列数据以外，还参照所述激光二极管模块的光输出的时间序列数据和所述激光二极管模块的驱动电流的时间序列数据中的至少一方的时间序列数据，来对从所述第一记录部读出的加速系数进行从开始驱动所述激光二极管模块的最初的时间点至最新的时间点为止的时间积分，由此计算出有效累积驱动时间；以及
第二记录部，其记录针对所述多个激光二极管模块中的至少一个激光二极管模块计算出的所述有效累积驱动时间，
所述时机判定装置基于所述第二记录部中记录的所述有效累积驱动时间，来判定对所述冷却液的流动方向进行切换的时机。
3.根据权利要求2所述的激光装置，其中，
所述温度变动部位的至少之一为所述多个激光二极管模块中的至少一个激光二极管模块的发热部即激光二极管的pn结部，所述温度的时间序列数据中的至少之一为所述激光二极管的pn结部的温度的时间序列数据，
关于所述第一记录部中记录的所述第一加速系数的数据和所述第二加速系数的数据中的至少一方的加速系数的数据，被分别作为以下数据进行记录：依赖于所述激光二极管模块的相对于标准光输出而言的光输出的加速系数即光输出加速系数的数据、以及依赖于所述激光二极管模块的发热部的温度的加速系数即温度加速系数的数据；依赖于所述激光二极管模块的相对于标准驱动电流而言的驱动电流的加速系数即电流加速系数的数据、以及依赖于所述激光二极管模块的发热部的温度的加速系数即所述温度加速系数的数据，
所述计算电路针对所述多个激光二极管模块中的至少一个激光二极管模块，通过对所述光输出加速系数与所述温度加速系数之积或者所述电流加速系数与所述温度加速系数之积进行从开始驱动所述激光二极管模块的最初的时间点至最新的时间点为止的时间积分，来计算所述有效累积驱动时间。
4.根据权利要求3所述的激光装置，其中，
关于所述第一记录部中记录的所述温度加速系数的数据、所述光输出加速系数的数据以及所述电流加速系数的数据中的至少一个加速系数的数据，不是以直接表示加速系数的数值数据的形式进行记录，而是以用于计算加速系数的数式的形式进行记录。
5.根据权利要求4所述的激光装置，其中，
所述光输出加速系数的数据和所述电流加速系数的数据中的至少一方的加速系数数据作为依赖于所述有效累积驱动时间的数据被记录在所述第一记录部中。
6.根据权利要求5所述的激光装置，其中，
依赖于所述有效累积驱动时间的所述光输出加速系数数据或所述电流加速系数数据分别是通过加速系数导出装置或加速系数导出方法求出的光输出加速系数数据或电流加速系数数据，其中，所述加速系数导出装置或所述加速系数导出方法通过仅在激光二极管模块的整个寿命中的规定的一个时期以与所述标准驱动条件中包含的标准光输出不同的恒定的光输出进行驱动，或者通过仅在激光二极管模块的整个寿命中的规定的一个时期以与所述标准驱动条件中包含的标准驱动电流不同的恒定的驱动电流进行驱动，来导出依赖于所述有效累积驱动时间的所述光输出加速系数或所述电流加速系数。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的激光装置，其中，
所述时机判定装置将第一有效累积驱动时间与第二有效累积驱动时间的时间差即第一时间差超过第一设定时间的时间点判定为对所述冷却液的流动方向进行切换的时机，其中，所述第一有效累积驱动时间是所述多个激光二极管模块中的第一激光二极管模块的所述有效累积驱动时间，所述第二有效累积驱动时间是所述多个激光二极管模块中的与所述第一激光二极管模块不同的第二激光二极管模块的所述有效累积驱动时间。
8.根据权利要求7所述的激光装置，其中，
所述第一设定时间为将所述第一有效累积驱动时间、所述第二有效累积驱动时间、以及所述第一有效累积驱动时间与所述第二有效累积驱动时间之和中的任一者作为第一变量的第一函数，所述第一函数在所述第一变量为正的范围内为广义单调递减函数，并且为将最小值作为正的第一常数的函数。
9.根据权利要求2至6中的任一项所述的激光装置，其中，
将所述多个激光二极管模块中的、即使切换所述冷却液的流动方向但是在所述驱动电流相同的情况下激光二极管模块的发热部或者激光二极管模块的与所述发热部热连接的规定位置的温度的变化也最小的激光二极管模块设为第三激光二极管模块，所述时机判定装置将所述第三激光二极管模块的最新的所述有效累积驱动时间即第三有效累积驱动时间与最后对所述冷却液的流动方向进行了切换的时间点的所述第三激光二极管模块的所述有效累积驱动时间的时间差即第二时间差超过第二设定时间的时间点判定为对所述冷却液的流动方向进行切换的时机。
10.根据权利要求9所述的激光装置，其中，
所述第二设定时间为将所述第三有效累积驱动时间作为第二变量的第二函数，所述第二函数在所述第二变量为正的范围内为广义单调递减函数，并且为将最小值作为正的第二常数的函数。
11.根据权利要求2至10中的任一项所述的激光装置，其中，
还具备第三记录部，根据来自所述控制电路的指令，以规定的驱动条件按照规定的时间表测定以所述多个激光二极管模块为发光源或激励光源的激光振荡器的光输出特性，所述第三记录部将所述光输出特性的测定结果的历史记录与所述第一记录部中记录的所述有效累积驱动时间相关联地进行记录，
所述控制电路通过使用所述第三记录部中记录的与所述有效累积驱动时间相关联的所述光输出特性的测定结果，能够针对以根据所述光输出特性导出的规定的驱动电流输出的光输出即实际光输出、或者为了得到规定的光输出所需要的驱动电流即实际驱动电流，来输出以下三者中的任一者：所述实际光输出或所述实际驱动电流对有效累积驱动时间的依赖性；所述实际光输出或实际驱动电流在某个光输出特性测定时间点与其之前的光输出特性测定时间点这两个时间点之间的劣化幅度或劣化率；以及通过将所述劣化幅度除以所述两个时间点之间的所述有效累积驱动时间的差所得到的劣化速度。
12.根据权利要求11所述的激光装置，其中，
存在多个由所述被以串联方式供给驱动电流的多个激光二极管模块构成的激光二极管模块组，能够针对各激光二极管模块组独立地供给所述驱动电流，
其中，所述控制电路为了输出规定的光输出指令，在对所述激光电源输出针对所述各激光二极管模块组的驱动电流输出指令时，以针对所述多个激光二极管模块组中的、所述有效累积驱动时间相对短的激光二极管模块组或所述劣化速度相对小的激光二极管模块组优先地分配所述驱动电流的方式，来输出所述驱动电流输出指令。
13.根据权利要求11或12所述的激光装置，其中，
所述控制电路经由网络向云服务器或雾服务器输出所述有效累积驱动时间、所述实际光输出或所述实际驱动电流对所述有效累积驱动时间的依赖性以及所述劣化速度中的至少任一者。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的激光装置，其中，
所述切换阀由一组的三通阀构成，该一组的三通阀由流入侧的一个三通阀和流出侧的一个三通阀这两个三通阀组成，其中，所述流入侧的一个三通阀连接用于使从所述冷却液供给装置供给的冷却液流入所述冷却液流路的3根冷却液配管，所述流出侧的一个三通阀连接用于使从所述冷却液流路流出的冷却液流出的3根冷却液配管。
15.根据权利要求1至13中的任一项所述的激光装置，其中，
所述切换阀为连接4根冷却液配管的一个四通阀，所述四通阀的至少主要部分为氟化树脂制，所述激光装置利用所述四通阀来对所述冷却液流路中流动的所述冷却液的流动方向进行切换。
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