JP2016081993A - レーザ共振器、レーザ加工装置及びレーザ共振器の除湿方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザダイオードを収容する筐体内の結露を適切に防止することができるレーザ共振器を提供する。
【解決手段】レーザを発振するレーザダイオードを収容するレーザモジュールと、レーザモジュールを収容する筐体と、レーザモジュールに接続された冷却経路と、外部から供給されたパージ用の圧縮空気から低露点のドライエアを生成してレーザモジュールに供給するエアパージユニットと、エアパージユニットによるドライエアの供給と並行して、筐体内部の温度を制御することにより、ドライエアの温度を制御するエアコンとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ共振器、レーザ加工装置及びレーザ共振器の除湿方法に関する。

従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている。

ファイバレーザ発振器は、筐体と、その筐体内に概ね密閉状態で収容された光エンジン，発振動作を制御する制御装置，及び冷却装置と、を有して構成されている。光エンジンは、レーザ光源としての半導体レーザを有する複数のレーザモジュールと、各レーザモジュールで生成されたレーザ光を結合するコンバイナとを備えている。コンバイナで結合されたレーザ光は、プロセスファイバを介して外部へ出力される。

一般的に、半導体レーザのレーザ発振効率には温度依存性がある。そのため、レーザ光の発振に伴い発熱する光エンジンの温度を冷却により適温で維持し、常に高い発振効率が得られるようにしておく必要がある。冷却装置はその光エンジンの適温維持のために備えられている。この冷却は、通常、筐体内に配設された冷却水路（冷却パイプ）内に、例えば２４℃の冷却水を流入循環させることで行う。

ところで、筐体内の空気に含まれる水蒸気の量が、冷却水の温度における飽和水蒸気量を超えていると、冷却パイプの表面に結露が発生し、光エンジン内の電子部品等に不具合が生じる可能性が高くなる。そのため、冷却水の冷却パイプ内への注入は、筐体内の空気やレーザモジュール内の空気の湿度を、除湿装置により充分に低くしてから行う必要がある。

従来、外部からパージ用エアとして豊富に供給され得る圧縮空気を除湿時に利用し、この圧縮空気を気体分離膜モジュールにより低露点のドライエアとし、これを複数のレーザモジュールに供給するレーザ発振器が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１３−２３９６９６号公報

特許文献１では、レーザ発振開始前の除湿動作において、ドライエアの供給と、エアコンによる筐体内の除湿を並行して同時に行うことも提案されている。しかしながら、特許文献１では、レーザ発振開始後のエアコン動作の制御については十分検討されておらず、レーザ発振開始後に高い発振効率を得るためには検討の余地がある。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、レーザダイオードを収容する筐体内の結露を適切に防止することができるレーザ共振器、レーザ加工装置及びレーザ共振器の除湿方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、レーザを発振するレーザダイオードを収容するレーザモジュールと、レーザモジュールを収容する筐体と、レーザモジュールに接続された冷却経路と、外部から供給されたパージ用の圧縮空気から低露点のドライエアを生成してレーザモジュールに供給するエアパージユニットと、エアパージユニットによるドライエアの供給と並行して、筐体内部の温度を制御することにより、ドライエアの温度を制御するエアコンとを備えるレーザ共振器、レーザ加工装置及びレーザ共振器の除湿方法が提供される。

本発明によれば、レーザダイオードを収容する筐体内の結露を適切に防止することができるレーザ共振器、レーザ加工装置及びレーザ共振器の除湿方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を説明するための全体図である。 本発明の実施形態に係るレーザ発振器を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のエアパージユニットを説明するための図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のパージエア温度、筐体内温度、外気温度の時間推移を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のエアコンを使用した場合と不使用の場合の露点温度の時間的推移を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のエアコン側温度、反対側温度、外気温度の時間的推移を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザ発振器の除湿方法の一例を示すフローチャートである。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の一例として、ファイバレーザ加工装置を説明する。ファイバレーザ加工装置５１は、図１に示すように、ワークＷに対してレーザ加工を行うレーザ加工機１０と、レーザ加工機１０に対しレーザ光をプロセスファイバＦＢ１を介して供給するレーザ発振器１と、低露点のドライエアを、エア供給路ＡＲ１を介してレーザ発振器１に供給すると共にエア供給路ＡＲ２を介してレーザ加工機１０に供給するエアパージユニット２０とを備える。

レーザ加工機１０は、プロセスファイバＦＢ１の出口端面から拡がって出射したレーザ光Ｌを、コリメータレンズ１２で平行光にするコリメータユニット１３と、コリメータレンズ１２により平行光にされたレーザ光を反射するベンドミラー１４と、ベンドミラー１４で反射したレーザ光を集光レンズ１５で高エネルギー密度のレーザ光に集光するレーザヘッド１６と、集光したレーザ光により加工を施すワークＷが設置される加工テーブル１８とを備える。コリメータユニット１３は、エア供給路ＡＲ２から供給された低露点のドライエアを内部に導入可能として光路への塵埃の浸入を防止する。

次に、レーザ発振器１について図２を主に参照して説明する。図２に示すように、レーザ発振器１は、筐体ＫＴと、筐体ＫＴの内部に概ね密閉状態で収容された光エンジンＥＧと、レーザ発振器１の動作を制御する制御部ＳＧと、電源部ＰＷと、冷却部ＲＦと、筐体ＫＴに併設された空調機器（エアコン）Ｃとを有する。制御部ＳＧ及び電源部ＰＷについても、それぞれ筐体ＳＧ１及び筐体ＰＷ１を有し、その内部は概ね密閉状態とされている。

光エンジンＥＧは、複数（この例では４つ）のレーザモジュール２と、各レーザモジュール２で生成されたレーザ光をそれぞれ伝送する複数のユニットファイバＦＢ２と、複数のユニットファイバＦＢ２を１つに融接して纏めるコンバイナ３とを有する。コンバイナ３とプロセスファイバＦＢ１との間には、フィードファイバＦＢ３及びビームスイッチ４とが直列的に接続されて設けられており、コンバイナ３から一つに纏められて出力されたレーザ光は、フィードファイバＦＢ３及びビームスイッチ４を経てプロセスファイバＦＢ１内へ出力される。各レーザモジュール２には、レーザモジュール２内の温度を計測する温度センサ６と、露点温度を計測する露点温度センサ７が設けられており、計測結果は制御部ＳＧに送られる。また、筐体ＴＫ内には、筐体ＴＫ内の温度を計測する温度センサ８が設けられており、計測結果は制御部ＳＧに送られる。

冷却部ＲＦは、冷却水供給部ＲＦ１と、その冷却水供給部ＲＦ１から各レーザモジュール２及び電源部ＰＷの内部を巡るようにそれぞれに配管された水路系ＲＦ２とを有する。冷却水供給部ＲＦ１は、水路系ＲＦ２内に冷却水を流して各レーザモジュール２及び電源部ＰＷの冷却を行う。冷却水供給部ＲＦ１は、冷却水を例えば２４℃±１℃で維持管理する。

筐体ＫＴ内には、エアパージユニット２０からエア供給路ＡＲ１を介して供給された低露点のドライエアを所定の機器や部位へ分配するディストリビュータ５が設けられている。具体的には、ディストリビュータ５へ供給された低露点のドライエアは、複数のレーザモジュール２それぞれに対し、エア供給路ＡＲ１から分岐させた複数のエア支路ＡＲ１ａを介して供給される。

レーザモジュール２は、半導体レーザによる励起光源，駆動回路，ヒートシンク，及び共振器等（いずれも図示せず）を有して筐体ＫＴ内に収容されている。１つのレーザモジュール２の出力は約数百Ｗ（例えば３５０Ｗ）である。従って、図２に示された例では４つのレーザモジュール２を備えているので、各レーザモジュール２の出力が３５０Ｗの場合、それらから出力されたレーザ光は、コンバイナ３で纏められた後、プロセスファイバＦＢ１から１．４ｋＷの出力で出射される。

次に、エアパージユニット２０について図３を主に参照して説明する。エアパージユニット２０は、活性炭槽２１とオイルミストフィルタ２２と低露点化部２３と分岐部２４とを有する。エアパージユニット２０の入力側にはコンプレッサ３１が接続され、出力側に２つの送出ポートＰ２ａ，Ｐ２ｂを有する。

コンプレッサ３１はプレフィルタ３０を介してエアパージユニット２０の入力側に圧縮空気Ａを供給する。プレフィルタ３０では、圧縮空気に混合した比較的大きな、油分，異物，オイルミスト，及び水滴などの異物が除去される。エアパージユニット２０に供給された圧縮空気Ａは、活性炭槽２１及びオイルミストフィルタ２２を通過して、油分，粉塵，オイルミスト等が除去される。

オイルミストフィルタ２２を通過した圧縮空気Ａは、圧力スイッチ２５を介して、分岐部２６により２系統に分岐される。２系統に分岐された一方の圧縮空気Ａは、送出ポートＰ２ａに供給され、エア供給路ＡＲ２を介してレーザ加工機１０に向け送出される。２系統に分岐された他方の圧縮空気Ａは、低露点化部で２３を通過する。

低露点化部２３としては、例えば膜式エアドライヤ（除湿フィルタ）が使用可能である。膜式エアドライヤは、気体分離膜モジュールとして、透湿性を有する多孔質フッ素系等の中空糸膜を束ねて筒状とした透湿膜モジュール２３ａを用い、供給された圧縮空気を透湿膜モジュール２３ａにより除湿してドライエアを生成するものである。

図３を参照して具体的に説明すると、透湿膜モジュール２３ａの一端側から内部にオイルミストフィルタ２２を通過した圧縮空気Ａ１を供給すると、膜の内外での水蒸気分圧差によって圧縮空気Ａ１中の水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が膜に浸透して筒状壁から外部へ抜け出し（矢印Ａｂ参照）、水分のみが取り除かれたドライエアＡ２となって他端側から排出される。この排出されたドライエアＡ２は、レーザ発振器１のディストリビュータ５に向け送出される。膜式エアドライヤは、小型軽量であり取り付けが容易なので、エアパージユニット２０等の機器への組み込みに好適である。また、電源が不要なので、取り扱いが容易である。

上述した低露点化部２３において、上述した透湿膜モジュール（除湿フィルタ）２３ａを用いることにより、例えば露点温度が−２５℃〜−５℃程度の低露点のドライエアを生成する。露点温度は、透湿膜モジュール２３ａに供給されるパージエアの圧力で制御することができる。パージエアの露点温度は、結露を防止するために、冷却水の温度（例えば２４℃±１℃）未満に設定される。

低露点化部２３から排出された低露点のドライエアＡ２は、流量計２４を介して送出ポートＰ２ｂに送出される。送出ポートＰ２ｂに供給されたドライエアは、エア供給路ＡＲ１を介してレーザ発振器１のディストリビュータ５に向け送出される。

上述した構成によれば、レーザ発振器１のメンテナンスのために、筐体ＫＴの扉（図示せず）を開けた場合でも、低露点のドライエアはレーザモジュール２及び電源部ＰＷの内部に直接供給されるので、各内部の空気の露点温度が急激に上昇することはない。

ファイバレーザ加工装置５１は、従来、工場内に設備され加工機等に供給されているパージ用の圧縮空気を、フィルタによる異物除去をした後に気体分離膜モジュールとして透湿膜モジュールに通して除湿し、除湿して得られた低露点のドライエアを複数の供給路に分岐し、分岐した内の一供給路を介して低露点のドライエアをレーザ発振器１に供給し、分岐した内の他の供給路を介してレーザ加工機１０に供給し、レーザ発振器１に供給された低露点のドライエアをディストリビュータ５により複数のレーザモジュールそれぞれに供給することで、レーザモジュール２内を除湿してその内部の空気の低露点化を行う。

この除湿方法によれば、レーザモジュール２の内部に大流量の低露点のドライエアを供給でき、除湿動作開始からレーザ光の出力が可能となるまでの待ち時間が短くファイバレーザ加工装置の使い勝手を極めて良好にすることができる。

上述した除湿動作は制御部ＳＧによって制御される。例えば、制御部ＳＧが、低露点のドライエアの供給経路に設置した圧力スイッチ（バルブ等）２５を制御して、単位時間あたりの低露点のドライエアの供給量を、露点温度が上昇して結露を生じない範囲で省電力となるように調節してもよい。また、低露点のドライエアの供給経路にある流量計２４により流量を監視し、流量が所定値を下回ったときにアラーム等で異常を告知するようにしてもよい。

本発明の実施形態では、上述したレーザモジュール２及び電源部ＰＷに対する低露点のドライエアの供給による除湿動作と並行して、エアコンＣによる筐体ＫＴ内の空気の温度を制御することにより、レーザモジュール２内に供給されるパージエアの温度も間接的に制御する。エアコンＣの動作は制御部ＳＧにより制御される。なお、エアコンＣによる温度制御と併せて、エアコンＣの除湿動作も行ってもよい。

エアコンＣにより筐体ＫＴ内の温度を制御することで、パージエアの温度を低下させながら（又は温度上昇を抑制しながら）、パージエアをレーザモジュール２へ供給することができる。これにより、レーザモジュール２に供給された冷却水による冷却効果に加えて、レーザモジュール２内のパージエアによる冷却の相乗効果により、レーザモジュール２を効率的に冷却することができ、レーザ発振の効率を向上させることができる。

筐体ＫＴ内の温度は、エアコンＣの設定温度（例えば２８℃）±５℃に制御される。レーザモジュール２内のパージエアの温度は、筐体ＫＴ内の温度と略一致した温度（例えば２８℃±５℃）に制御されるのが好ましい。レーザモジュール２内のパージエアの温度は、レーザモジュール２内のレーザダイオードが動作するうえで許容する上限温度以下となるように制御される。

パージエアの出口温度（エア支路ＡＲ１ａの吐出口における温度）を筐体ＫＴ内温度に近づけるか、又は筐体ＫＴ内温度と略一致させるために、パージエアを伝播するエア供給路ＡＲ１及びエア支路ＡＲ１ａを筐体ＫＴ内で有る程度引き回すことが好ましい。また、エア供給路ＡＲ１及びエア支路ＡＲ１ａをエアコンＣの送風口近傍に引き回すことが好ましい。なお、パージエアは、筐体ＫＴ内においてはレーザモジュール２にのみ供給されているが、筐体ＫＴ内の冷却が必要箇所又は筐体ＫＴ内の他の部品にも配管を用いてパージエアを供給してもよい。

＜実施例＞
次に、本発明の実施形態に係るファイバレーザ加工装置５１を用いたレーザ発振器１の除湿方法の実施例を説明する。外気温４０℃、湿度９５％において、レーザ発振器１の出力を４．２ｋＷとする。透湿膜モジュール２３ａに０．５ＭＰａのパージエアを供給することで、パージエアの露点温度を−１５℃程度まで除湿する。エアコンＣは、設定温度３５℃で筐体ＫＴ内の温度を制御する。そのときのパージエア温度、筐体ＫＴ内温度、外気温度の時間推移を測定した。測定結果を図４に示す。

図４において、測定開始から４０分間程度はレーザ発振を行わない。このとき、露点温度が−１５℃のパージエアの供給も開始される。その後、レーザ発振を開始する。このときは露点温度が−１５℃のパージエアを継続して供給しているが、エアコンＣは動作させていない。レーザ発振の開始から１時間１０分程度経過後、露点温度が−１５℃のパージエアを継続して供給し、エアコンＣを設定温度３５℃で動作させる。図４に示すように、レーザ発振を開始するとレーザモジュール２内の温度は５０℃程度まで上昇し、筐体ＫＴ内の温度と外気温度は４０℃程度で略一致する。その後、エアコンＣの温度制御を開始することにより、筐体ＫＴ内温度は３５℃程度まで低下し、エアコンＣの温度制御及び冷却水による冷却によりレーザモジュール２の温度も３３℃程度まで低下し、筐体ＫＴ内温度に近くなっているのが分かる。

図５に、外気温４０℃、相対湿度８０％において、エアコンＣを使用した場合と不使用の場合のレーザモジュール２内のパージエアの露点温度の時間的推移を示す。冷却水の維持温度が２４℃±１℃の場合、露点温度が冷却水の下限温度である２３℃未満となれば、レーザモジュール２内の空気中の水蒸気量が飽和水蒸気量を上回ることはなく、結露が生じない。図５から、エアコンＣを使用した場合に、露点温度が２３℃未満まで下がる時間が２分程度であり、最も早く露点温度が下がることが分かる。更にその後、エアコンＣを使用した場合は、露点温度が１５℃程度で安定していることが分かる。

このときのエアコンＣに近い側（エアコン側温度）、エアコンＣに遠い側の温度（反対側温度）、外気温度の時間的推移を図６に示す。図６から、エアコン側温度、反対側温度のいずれも２分後程度から安定し、エアコン側温度が反対側温度よりも温度が低いことが分かる。

＜レーザ発振器の除湿方法＞
次に、本発明の実施形態に係るレーザ発振器１の除湿方法の一例を説明する。ステップＳ１において、パージエアを供給開始するのと同時に、ステップＳ２において、エアコンＣにより筐体ＫＴ内温度を設定温度で制御する。ステップＳ３において、制御部ＳＧが、レーザモジュール２内の露点温度が閾値以下となったか判定する。閾値は、冷却水の温度未満に設定され、制御部ＳＧのメモリ等に予め記憶しておけばよい。レーザモジュール２内の露点温度が閾値以下となったら、制御部ＳＧは、圧力スイッチ２５を制御し、パージエアの供給量を減少させるか、又は供給を停止する。なお、レーザモジュール２内の露点温度が閾値よりも高くなった場合、パージエアの供給量を増加するか、又は供給を再開させてもよい。このように、パージエアの流量を可変させることで、起動時は急速に効果を上げ、温度及び湿度が安定した後はパージエアの流量を抑えて省電力化を図ることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、レーザ発振器１の筐体ＫＴにエアコンＣを設置し、レーザモジュール２にパージエアを供給するのと並行して、エアコンＣにより筐体ＫＴ内の温度を制御することにより、レーザモジュール２に供給されるパージエアの温度も間接的に制御する（低下させる又は温度上昇を抑制する）ことができる。この結果、レーザモジュール２内及び筐体ＫＴ内の結露を防止することができるとともに、冷却水及びパージエアによる冷却により高い発振効率を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の実施形態では、ファイバレーザ加工装置を一例として説明したが、レーザ発振器及びレーザ加工装置の種類は特に限定されない。例えば、多波長のレーザ光を発振するＤＤＬ共振器を有するＤＤＬ加工装置にも適用可能である。特に、ＤＤＬ加工装置に対しては、ＬＤを比較的高出力させるので、ＬＤから発する熱量が大きく、本発明の実施形態に係るレーザ発振器を適用することは有効である。

また、レーザ加工機１０へは、エアパージユニット２０の下流側で分岐された低露点のドライエアを供給してもよい。

また、レーザ加工機は、ワークＷを切断するもの以外に溶接するもの或いはその他のものでもよく、加工の種類は限定されない。

また、レーザ発振器１の内部に、エアパージユニット２０を一体的に収容してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…レーザ発振器
２…レーザモジュール
３…コンバイナ
４…ビームスイッチ
５…ディストリビュータ
６，８…温度センサ
７…露点温度センサ
１０…レーザ加工機
１２…コリメータレンズ
１３…コリメータユニット
１４…ベンドミラー
１５…集光レンズ
１６…レーザヘッド
１８…加工テーブル
２０…エアパージユニット
２１…活性炭槽
２２…オイルミストフィルタ
２３…低露点化部
２３ａ…透湿膜モジュール
２４…流量計
２５…圧力スイッチ
２６…分岐部
５１…ファイバレーザ加工装置
Ａ，Ａ１…圧縮空気
Ａ２…ドライエア
ＡＲ１…エア供給路
ＡＲ１ａ、ＡＲ１ｂ…エア支路
Ｃ…エアコン
ＥＧ…光エンジン
ＦＢ１…プロセスファイバ
ＦＢ２…ユニットファイバ
ＦＢ３…フィードファイバ
ＫＴ…筐体
Ｌ…レーザ光
Ｐ１…供給ポート
Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ…送出ポート
ＰＷ…電源部
ＰＷ１…筐体
ＲＦ…冷却部
ＲＦ１…冷却水供給部
ＲＦ２…水路系
ＳＧ…制御部
ＳＧ１…筐体
ｔ…除湿時間
Ｗ…ワーク

Claims (7)

1. レーザを発振するレーザダイオードを収容するレーザモジュールと、
   前記レーザモジュールを収容する筐体と、
   前記レーザモジュールに接続された冷却経路と、
   外部から供給されたパージ用の圧縮空気から低露点のドライエアを生成して前記レーザモジュールに供給するエアパージユニットと、
   前記エアパージユニットによるドライエアの供給と並行して、前記筐体内部の温度を制御することにより、前記ドライエアの温度を制御するエアコン
   とを備えることを特徴とするレーザ発振器。
2. 前記エアコンが、前記レーザダイオードが許容する上限温度以下となるように、前記筐体内部の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記ドライエアの露点温度が前記冷却経路の設定温度よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振器。
4. 前記ドライエアの露点温度が−２５℃〜−５℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ発振器。
5. 前記レーザモジュール内のパージエアの露点温度を計測する露点温度センサを更に備え、
   前記レーザモジュール内のパージエアの露点温度が閾値以下となった場合に、前記パージエアの供給量を低下させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発振器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器により発振されたレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
   前記伝送ファイバにより伝送されたレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機
   とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ発振器の除湿方法であって、
   前記外部から供給されたパージ用の圧縮空気から低露点のドライエアを生成し、配管を介してエアパージユニットと、
   前記エアパージユニットにより低露点のドライエアを前記レーザモジュールに供給するステップと、
   前記低露点のドライエアを供給するステップと並行して、前記エアコンにより前記筐体内部の温度を制御することにより、前記ドライエアの温度を制御するステップ
   とを含むことを特徴とするレーザ発振器の除湿方法。
   

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