JP2013048159A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス性に優れ、耐久性及び信頼性の向上したレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のレーザ加工装置１は、所定波長の励起光を出力する複数の半導体レーザから射出される励起光を合波して増幅し、増幅されたレーザ光を出力する光学部２Ａと、複数の半導体レーザの出力を制御する制御部２Ｂと、光学部２Ａから発生する熱を冷却する冷却ファンを具備した冷却部２Ｃと、を収容した光学ユニット用筐体２と、光学部２Ａに対して電源供給する光学部用電源５Ａと、冷却部２Ｃの冷却ファンに対して電源供給する冷却部用電源５Ｃと、制御部２Ｂに対して電源供給する制御部用電源５Ｂと、を収容し、光学ユニット用筐体２に対して電気的に接続可能な電源ユニット用筐体５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工部物に対してレーザ加工をする際に用いられるレーザ加工装置に関する。

従来、例えば、特許文献１に開示されているように、金属板などの被加工物に対して各種のレーザ加工をする際に用いられるレーザ加工装置が知られている。通常、レーザ加工装置は、レーザを発振する光学部と、光学部からの発熱を冷却する冷却部と、レーザの発振を制御する制御部とを備えており、これらは１つの筐体内に収容されている。

また、前記筐体内には、上記した各部分に適した電源を供給するように、各部分毎に対応した電源が収容されている。すなわち、光学部に対しては、高出力のレーザパワーが得られるように高電圧の電源が接続され、冷却部に対しては、冷却用のファン（空冷方式）を駆動するようにファン駆動用の電源（レーザ用の電源よりも低電圧とされる）が接続され、制御部に対しては各種の制御信号が送受信できるように、上記した電源よりも更に低電圧の制御部用の電源が接続されている。このように、筐体内には、各部分に適した電源が収容されており、上記した冷却部（冷却用のファン）は、光学部からの発熱を冷却するだけでなく、各電源から発せられる熱を冷却する機能も兼ね備えている。

特開２００２−２５４１８６号

上記したように、従来のレーザ加工装置は、１つの筐体内に、光学部、冷却部、制御部及び各部を駆動する電源を収容しているため、メンテナンス性が悪いという問題がある。すなわち、レーザ加工装置は、主に半導体レーザが設けられている光学部の部分が故障等し易いことから、部品交換や光軸調整などのメンテナンスを行う際に、電源が邪魔となって作業性が悪くなってしまう。また、いずれかの電源が故障等した場合、メンテナンス時において光学部のセッティングに影響を与えることがあり、光学部の再調整など手間がかかり迅速な復旧作業に支障をきたす可能性もある。

また、１つの筐体内に光学部に加え、複数の電源が設置されているため、光学部が電源から発生する熱の影響を受け易くなって、冷却部による冷却能力では十分でなく、レーザ加工装置として耐久性及び信頼性に劣る、という問題がある。

本発明は、上記した問題に着目してなされたものであり、メンテナンス性に優れ、耐久性及び信頼性の向上したレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、所定波長の励起光を出力する複数の半導体レーザから射出される励起光を合波して増幅し、増幅されたレーザ光を出力する光学部と、前記複数の半導体レーザの出力を制御する制御部と、前記光学部から発生する熱を冷却する冷却ファンを具備した冷却部と、を収容した光学ユニット用筐体と、前記光学部に対して電源供給する光学部用電源と、前記冷却部の冷却ファンに対して電源供給する冷却部用電源と、前記制御部に対して電源供給する制御部用電源と、を収容しており、前記光学ユニット用筐体に対して電気的に接続可能な電源ユニット用筐体と、を有することを特徴とする。

上記した構成のレーザ加工装置では、光学部、冷却部、制御部を収容する光学ユニット用筐体と、各種電源を収容した電源ユニット用筐体を別体構造とし、両者を電気的に接続する構成としたため、例えば、電源部分で故障等が生じても、電源ユニット用筐体のみが点検（修理）対象となる。すなわち、光学ユニット用筐体は、点検（修理）対象とならないことから、光学部のセッティング等を動かす必要がなく、再調整等も不要となり、メンテナンス性の向上が図れる。

また、光学ユニット用筐体に設置される光学部は、電源が近接して配設されていないことから、電源で発生する熱の影響を受けることがなく、光学部に対する冷却能力が低下することがない。このため、信頼性、及び耐久性の向上が図れると共に、光学部に対する冷却能力が向上することで、半導体レーザの設置個数を増やしたり、半導体レーザに供給する電力を増やして、より高出力化することが可能となる。

本発明によれば、メンテナンス性に優れ、耐久性及び信頼性の向上したレーザ加工装置が得られる。

本発明に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図。 図１に示す光学ユニット用筐体に収容される光学部の一例を示す概略図。 図１に示す光学ユニット用筐体、及びそこに収容されるヒートシンクの概略構成を示す図。

以下、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。
最初に図１を参照して、レーザ加工装置の全体的な概略構成について説明する。
本実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ光を出力する光学部２Ａと、レーザ光の出力を制御する制御部２Ｂと、光学部２Ａから発生する熱を冷却する冷却ファンを具備した冷却部２Ｃと、を収容した光学ユニット用筐体２を備えている。また、レーザ加工装置１は、光学ユニット用筐体２に対して電気的に接続可能な電源ユニット用筐体５を備えており、この電源ユニット用筐体５には、前記光学部２Ａに対して電源供給する光学部用電源５Ａと、前記制御部２Ｂに対して電源供給する制御部用電源５Ｂと、前記冷却部２Ｃの冷却ファンに対して電源供給する冷却部用電源５Ｃが収容されている。

電源ユニット用筐体５に収容される各電源５Ａ〜５Ｃは、外部電源からコンセント７を介して供給される交流電源を直流電源に変換する変換機能を備えており、光学部２Ａ、制御部２Ｂ、及び冷却部２Ｃのそれぞれに所定の直流電流が供給されるように、光学ユニット用筐体２には、光学部２Ａ、制御部２Ｂ、及び冷却部２Ｃのそれぞれに対応する接続端子（コネクタ）が外部に露出するように設けられている。

前記光学部２Ａに対応する接続端子には、電源ケーブル６Ａを介して光学部用電源５Ａが接続される。光学部用電源５Ａは、光学部２Ａを構成する半導体レーザを駆動するために、比較的高電圧のもの（例えば４０Ｖ）が用いられる。前記制御部２Ｂに対応するコネクタには、電源ケーブル６Ｂを介して制御部用電源５Ｂが接続される。制御部用電源５Ｂは、制御部において各種制御信号の生成、及び送受信が成されるように、低電圧のもの（例えば５Ｖ）が用いられる。また、前記冷却部２Ｃに対応する接続端子には、電源ケーブル６Ｃを介して冷却部用電源５Ｃが接続される。冷却部用電源５Ｃは、冷却部を構成する冷却用ファン（駆動モータ）を駆動するように、前記光学部電源よりも低電圧のもの（例えば１２Ｖ）が用いられる。
なお、前記光学部用電源５Ａは、光学部２Ａから発振されるレーザの出力パワーが調整可能となるように、可変電圧源として構成されていても良い。

前記光学部２Ａは、所定波長の励起光を出力する複数の半導体レーザから射出される励起光を合波して増幅し、増幅されたレーザ光を出力する機能を備えており、光学部から出力されたレーザ光は、光学ユニット用筐体に接続される光ファイバ８を介して、光出力ヘッド１０に伝播させ、被加工物に対してレーザ光を照射できるように構成されている。

前記制御部２Ｂは、後述する光学部２Ａに設置される複数の半導体レーザの駆動を制御すると共に、各半導体レーザから出力されるレーザ光の出力パワーを検出する機能を備えている。このため、制御部２Ｂは、半導体レーザの駆動制御以外にも、半導体レーザの出力パワーが異常なとき、異常信号（駆動停止信号）を生成し、半導体レーザの駆動を停止制御することが可能となっている。また、制御部２Ｂは、光学ユニット用筐体の温度が図示されていない温度センサで設定された上限温度を超えたとき、異常信号（駆動停止信号）を生成して半導体レーザの駆動を停止制御する機能を備えていても良く、更には、検出されたレーザ光の出力パワーが変動したとき、その出力が安定するように、半導体レーザに供給される駆動電流を制御するフィードバック機能を備えていても良い。

また、本実施形態の電源ユニット用筐体５には、各電源をＯＮ／ＯＦＦするメインスイッチの他に、各電源の駆動をシャットダウン（ＯＦＦ）する電源制御部５Ｄが設置されている。この電源制御部５Ｄは、前記制御部２Ｂから異常信号を受信した際、各電源の駆動回路に対して停止信号を送信し、各電源の駆動を停止する機能を有する。さらに、電源制御部５Ｄは、図示されていない温度センサが、各電源の温度、或いは電源ユニット用筐体５内の温度が予め定めた上限温度を超えたことを検出した際、各電源の駆動を停止する機能を備えていても良い。

なお、上記した電源制御部５Ｄは、必ずしも設ける必要はなく、電源ユニット用筐体５は、ＯＮ／ＯＦＦ操作されるメインスイッチのみによって各電源の駆動がＯＮ／ＯＦＦされる構成であっても良い。また、電源制御部５Ｄによって各電源の駆動をＯＦＦにする構成とした場合、電源ユニット用筐体５側で設定される上限温度については、前記光学ユニット用筐体側の上限温度よりも高く設定されている。

また、上記した各電源５Ａ〜５Ｃはそれぞれが図示しない各電源の冷却用のフィンを具備していても良く、各電源のＯＮ／ＯＦＦに連動してＯＮ／ＯＦＦするように構成しても良い。さらに、各電源の冷却用のファンは、ＯＮかＯＦＦかをはじめ、その動作状態が制御部２Ｂによって監視されるようにしても良い。このようにすることで、光学ユニット用筐体２側から各電源の冷却用のファンの故障の有無や、交換時期の確認などを容易に行うことができる。

次に、図２の概略図を参照して、光学ユニット用筐体に設置される光学部２Ａの一例について説明する。
本実施形態の光学部２Ａは、ファイバ型レーザ発振装置２０として構成されており、複数個の半導体レーザ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…と、各半導体レーザに接続され、半導体レーザが出力する励起光を導波するマルチモード光ファイバ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…と、各マルチモード光ファイバが導波する励起光をダブルクラッド光ファイバ２５に結合する光合波器２４と、ダブルクラッド光ファイバ２５に接続され、光増幅媒体となる増幅用ダブルクラッド光ファイバ２７とを備えている。

前記各半導体レーザ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…には、光学部用電源５Ａによって電源供給される半導体レーザ駆動回路２８から、制御部２Ｂによって制御された駆動電流が供給され、各半導体レーザ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…は、所定の出力パワーでレーザ光を発振する。

前記増幅用ダブルクラッド光ファイバ２７は、希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンを添加したコア部と、コア部の外周側に形成され、屈折率がそれよりも低い内側クラッド層と、屈折率が内側クラッド層よりも低い外側クラッド層の２層構造を備えている。また、増幅用ダブルクラッド光ファイバ２７の両側には、所定波長を中心として高反射率の入力側ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）３０と、所定波長を中心として低反射率の出力側ＦＢＧ３１が設けられており、これらは光共振器を構成している。そして、前記ダブルクラッド光ファイバ２５を伝播する励起光は、入力側ＦＢＧ３０を通過して増幅用ダブルクラッド光ファイバ２７の内側クラッド層に入射され、コア部を横切りながらコア部に添加されたＹｂイオンを光励起する。この結果、励起光とは異なる波長の光が放出されるようになり、この内、コア部を伝播するものが前記光共振器で光増幅されてレーザ発振が起こり、出力側ＦＢＧ３１に接続した標準のシングルモード光ファイバ３５からレーザ光が出力される。

そして、シングルモード光ファイバ３５から出力されたレーザ光は、光カプラ３７を介して図示されていないフォトダイオード等によって出力パワーが検知されて制御部２Ｂに入力されると共に、光出力端子３８を介して上述した光ファイバ８に結合される。

上記した光学部２Ａを構成するファイバ型レーザ発振装置２０からの発熱は、図１に示したように、冷却部２Ｃを構成する冷却ファンによって冷却される。この場合、光学部２Ａは、上述したように、電源ユニット用筐体５とは別体の光学ユニット用筐体２に設置されるが、その際、より放熱効果が高められるように、図３に示すような構成で光学ユニット用筐体２に設置されている。
以下、図３を参照して、本実施形態の光学ユニット用筐体２、及びそこに収容される光学部２Ａ（ファイバ型レーザ発振装置２０）の設置態様について説明する。

光学ユニット用筐体２は、底板５１と、底板５１の両側に一体形成される左右側壁５２ａ，５２ｂとを備えたベース５０を有しており、ベース５０に前記光学部２Ａを設置したヒートシンク６０を収容して、カバー部材５３を取着することで構成される。

前記ヒートシンク６０は、熱伝導率が高く放熱性の良い素材、例えばアルミニウムや銅などの金属材料で形成されており、フィン６５を具備している。前記ヒートシンク６０の両端には、フィン６５に空気を流すように、冷却ファン６２，６３が設置されている（冷却ファンの一方は吸引側、他方は排出側となり、フィン６５に沿って空気が流れるように設置されている）。また、これらの冷却ファン６２，６３が設けられたフレーム６２ａ，６３ａは、ヒートシンク６０の開口部分にネジ等によって装着され、ヒートシンク６０を光学ユニット用筐体２に設置した際、筐体外部に露出するようなっている。

前記ヒートシンク６０の表面には、前記複数の半導体レーザ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…、及びこれらを制御する制御部２Ｂが設置される。本実施形態における複数の半導体レーザは、ヒートシンク６０の平面側に２つのアレイとして設置されており、各アレイは、６つの半導体レーザ群（半導体レーザ２１ａ〜２１ｆ，半導体レーザ２１ｇ〜２１ｌ）によって構成されている。また、前記制御部２Ｂは、それぞれのアレイを制御するように、ヒートシンク６０上に設置されている。

複数の半導体レーザ、及び制御部が表面に装着されるヒートシンク６０は、上記のように熱伝導率が高く放熱性の良い素材で形成されており、かつ、そのフィン６５は、冷却ファン６２，６３によって空気が流れることから、光学部で発生する熱を効果的に冷却することが可能となる。この場合、ヒートシンク６０の内面から前記フィン６５を多数突出形成することにより、より冷却効果を高めることが可能となる。

以上のように構成されるレーザ加工装置によれば、光学ユニット用筐体２と、電源ユニット用筐体５が別体で構成されているため、例えば、電源部分で故障等が生じても、電源部だけを交換するだけで良く、光学ユニット用筐体側に影響を及ぼすことはない。これにより、光学部２Ａの各光学部品のセッティング等を動かす必要がなく、再調整等も不要となり、メンテナンス性の向上が図れると共に、迅速な復旧作業が可能となる。

また、光学ユニット用筐体２に設置される光学部２Ａは、電源５Ａ〜５Ｃが近接して配設されていないことから、電源で発生する熱の影響を受けることがなく、光学部に対する冷却能力が低下することがない。このため、より高温の周囲温度でも動作することが可能となり、信頼性、及び耐久性の向上が図れると共に、光学部２Ａに対する冷却能力が向上することで、半導体レーザの設置個数を増やしたり、半導体レーザに供給する電力を増やして、より高出力化することが可能となる。さらに、電源ユニット用筐体に収容されている電源５Ａ〜５Ｃは、光学部２Ａ側からの熱の影響を受けないため、電源ユニットとしての耐久性の向上も図れる。

また、上記した実施形態では、電源ユニット側にも電源制御部５Ｄを設置しているため、光学部側からの情報に基づいて電源をＯＦＦ制御することが可能となり、安全性の向上が図れるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されることはなく、種々変形することが可能である。例えば、図２に示す概略図において、半導体レーザは、光ファイバ３５側においても光合波器を介して入力される構成であっても良いし、光ファイバ３５の下流側に同様な構成の光増幅部を設置しても良い。また、上記した実施形態では、光学部２Ａを構成するレーザ発振装置として、ファイバ型レーザ発振装置を例示したが、レーザ発振装置については、特定の構成に限定されることはない。さらに、光学ユニット用筐体２内における冷却部の構造（ダクト構造）についても、適宜変形することが可能である。

１ レーザ加工装置
２ 光学ユニット用筐体
５ 電源ユニット用筐体
２０ ファイバ型レーザ発振装置（光学部）

Claims (4)

1. 所定波長の励起光を出力する複数の半導体レーザから射出される励起光を合波して増幅し、増幅されたレーザ光を出力する光学部と、前記複数の半導体レーザの出力を制御する制御部と、前記光学部から発生する熱を冷却する冷却ファンを具備した冷却部と、を収容した光学ユニット用筐体と、
   前記光学部に対して電源供給する光学部用電源と、前記冷却部の冷却ファンに対して電源供給する冷却部用電源と、前記制御部に対して電源供給する制御部用電源と、を収容しており、前記光学ユニット用筐体に対して電気的に接続可能な電源ユニット用筐体と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記電源ユニット用筐体には、前記光学ユニット用筐体に設置された制御部から送信される駆動停止信号により、前記各電源の駆動をＯＦＦする電源制御部が設置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記電源制御部は、電源ユニット用筐体内の温度が所定の設定温度を超えたとき、各電源の駆動をＯＦＦする機能を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記光学ユニット用筐体には、放熱性を有し両端が開口したダクトが設置されており、
   前記ダクトの両端の開口部分に、ダクト内に空気を流すように前記冷却ファンが設置されると共に、ダクトの表面に前記複数の半導体レーザと制御部が設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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