JP2019192756A - レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置、レーザ装置の点検方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で、レーザモジュールの状態をモニターする。【解決手段】レーザ装置２０は、複数のレーザモジュール３０及びコリメートレンズＳＡＣと、複数のレーザモジュール３０のそれぞれから出射され、コリメートレンズＳＡＣを透過したレーザ光を結合する回折格子ＤＦＰと、複数のレーザモジュール３０を収容する第１筐体２２と、複数のコリメートレンズＳＡＣ及び回折格子ＤＦＰを収容する第２筐体２３とを備えている。第１筐体２２と第２筐体２３との連通口２４がレーザモジュール３０毎に設けられ、連通口２４は、レーザ光の一部を反射する光学部材２５で封止されている。フォトダイオードＰＤは、光学部材２５で反射されたレーザ光を受光するようにレーザモジュール毎に配置され、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいてレーザモジュール３０の状態がモニターされる。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置、レーザ装置の点検方法に関する。

従来、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を光学的に結合して、高出力の加工用レーザ光を得るレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置において、個々のレーザモジュールで異常が発生すると加工用レーザ光の品質が低下してしまう。

そこで、個々のレーザモジュールの交換を容易にする構成がいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、複数のレーザモジュールが収容された筐体内に予備のレーザモジュールを予め配置して、点検時には複数のレーザモジュールを順次レーザ発振させてその光量を測定し、この測定結果に基づいて、交換が必要なレーザモジュールを予備のレーザモジュールと交換する構成が開示されている。

国際公開２０１５−１１５３０１号

しかし、特許文献１に開示された従来の構成では、複数のレーザモジュールを順次レーザ発振させてその光量を測定するため、点検作業に時間がかかっていた。また、筐体内に予備のレーザモジュールと交換用の搬送機構とを設けているため、レーザモジュールが大きくなってしまうとともに、複雑な機構となっていた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成で複数のレーザモジュールの状態をモニター可能なレーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置、レーザ装置の点検方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置は、複数のレーザモジュールと、該複数のレーザモジュールのそれぞれから出射されたレーザ光の光路に設けられ、前記レーザ光を整形する複数の第１光学部品と、前記複数の第１光学部品を透過したレーザ光を光軸が同じになるように結合する第２光学部品と、を備えたレーザ装置であって、前記複数のレーザモジュールを収容する第１筐体と、前記第１光学部品及び前記第２光学部品とを収容し、前記第１筐体に接して設けられた第２筐体とを備え、前記第１筐体と前記第２筐体とを互いに連通する連通口が前記複数のレーザモジュールのそれぞれに対応して設けられ、前記連通口は、レーザモジュールから出射されたレーザ光の一部を透過し、残部を反射するように構成された光学部材で封止されており、前記第１筐体には、前記光学部材で反射された前記レーザ光を受光するように受光部が前記複数のレーザモジュールのそれぞれに対して配置され、前記受光部の出力信号に基づいて前記レーザモジュールの状態をモニターするように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、簡便な構成で、複数のレーザモジュールのそれぞれの状態を、これらレーザモジュールに対応してそれぞれ設けられた受光部の出力信号に基づいてモニターすることができる。このことにより、それぞれのレーザモジュールの劣化度合い及びその交換時期を的確に見極めることができる。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ装置を複数有し、複数の前記レーザ装置から出射されたレーザ光を結合して出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を導光する伝送ファイバと、該伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

この構成によれば、高出力のレーザ光が得られるとともに、装置のダウンタイムを低減することができる。

本発明のレーザ装置によれば、簡便な構成で、複数のレーザモジュールのそれぞれの状態をモニターし、その劣化度合いを見極めることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ装置の内部構成を示す模式図である。 レーザモジュールの構成を示す模式図である。 レーザ装置の点検手順を示すフローチャートである。 変形例に係るレーザ装置の点検手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０とレーザ光出射ヘッド４０と伝送ファイバ５０と制御部６０と電源７０と表示部８０とを備えている。レーザ発振器１０と伝送ファイバ５０のレーザ光が入射される端部（以下、単に入射端という。また、伝送ファイバ５０のレーザ光が出射される端部を、以下、単に出射端という。）とは筐体１１内に収容されている。

レーザ発振器１０は、複数のレーザ装置２０とビーム結合器１２と集光ユニット１３と、を有している。

レーザ装置２０は、互いに異なる波長のレーザ光を発する複数のレーザモジュール３０と、複数のレーザモジュール３０からそれぞれ出射されたレーザ光を整形し、これらを波長合成するとともに光軸が同じになるように結合する光学系２１とを有している（図２参照）。レーザ装置２０の構成の詳細及び各部の詳細については後で述べる。後述する制御部６０がレーザ装置２０に含まれていてもよい。また、一つのレーザ装置２０が有するレーザモジュール３０の個数は、レーザ装置１０に関する要求仕様に応じて適宜変更されうる。

ビーム結合器１２は、複数のレーザ装置２０からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢ１〜ＬＢ４（図２参照）を一つのレーザ光（以下、レーザ光ＬＢという）に結合して集光ユニット１３に出射する。具体的には、各々のレーザ光の光軸を近接又は一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。

集光ユニット１３は、内部に配設された集光レンズ（図示せず）によって、入射されたレーザ光ＬＢを集光し、集光されたレーザ光ＬＢは、所定の倍率でビーム径が縮小されて伝送ファイバ５０に入射される。また、集光ユニット１３は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ５０の入射端が接続されている。

レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザ光出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ発振器１０は、後述する電源７０から電力が供給されてレーザ発振を行い、結合レーザ光ＬＢが伝送ファイバ５０の出射端から出射される。なお、本実施形態では、４つのレーザ装置２０でレーザ発振器１０を構成しているが、特にこれに限定されない。レーザ装置２０の搭載個数は、レーザ加工装置１００に要求される出力仕様や、個々のレーザ装置２０の出力仕様によって適宜変更されうる。

伝送ファイバ５０は、集光ユニット１３の集光レンズに光学的に結合され、集光レンズを介してレーザ発振器１０から受け取ったレーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド４０に導光する。また、図示しないが、伝送ファイバ５０は、軸心にレーザ光ＬＢを導光するためのコアと、コアの外周面に接して、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとで構成されており、クラッドはレーザ光ＬＢをコア内に閉じ込める機能を有している。また、クラッドの外周面は、外光の遮蔽と機械的なダメージ保護のために図示しない皮膜で覆われている。

レーザ光出射ヘッド４０は、伝送ファイバ５０で導光されたレーザ光ＬＢを外部に向けて照射する。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークＷに向けてレーザ光ＬＢを出射する。このようにすることで、ワークＷがレーザ加工される。

制御部６０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された電源７０に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザ装置２０のレーザ発振制御を行う。各々のレーザ装置２０に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザ装置２０にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。また、制御部６０は、レーザ装置２０内に配置されたフォトダイオードＰＤ（図２参照）からの出力信号を受け取って、この出力信号に基づいて、レーザモジュール３０の劣化度合いを判定する劣化判定部としても機能する。また、制御部６０は、レーザ光出射ヘッド４０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。

電源７０は、上述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器１０、具体的には、複数のレーザ装置２０のそれぞれに対して供給する。制御部６０からの指令により、各々のレーザ装置２０に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源７０は、レーザ加工装置１００の可動部、例えば、上記のマニピュレータに対して電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置１００の可動部向けには別の電源（図示せず）から電力を供給するようにしてもよい。

表示部８０は、制御部６０で判定されたレーザモジュール３０の劣化度合いを表示するように構成されている。また、劣化したと判定されたレーザモジュール３０の交換要否についても表示するように構成されている。なお、表示部８０には、上記以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ光ＬＢの出力を表示させるようにしてもよい。レーザ加工時の加工パラメータと実測値とを同時に表示させるようにしてもよい。表示部８０は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。

［レーザ装置の内部構成及びレーザモジュールの構成］
図２は、レーザ装置の内部構成の模式図を、図３は、レーザモジュールの構成の模式図をそれぞれ示す。なお、以降の説明において、図１におけるビーム結合器１２内でのレーザ光の進行方向をＸ方向、レーザ装置２０の配列方向をＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とそれぞれ呼ぶことがある。また、図３に示すレーザモジュール３０において、放熱ブロック３０が配設された側を「下」または「下側」と、レーザバー３１が配設された側を「上」または「上側」とそれぞれ呼ぶことがある。また、レーザモジュール３０またはレーザバー３１において、レーザ光出射面３０ａが設けられた側を「前」または「前側」と、レーザ光出射面３０ａと反対側を「後」または「後側」とそれぞれ呼ぶことがある。なお、図２において、説明の便宜上、レーザ装置２０の第２筐体２３とビーム結合器１２との間に間隔を設けているが、実際にはこれらは接して設けられている。

レーザ装置２０において、複数のレーザモジュール３０は第１筐体２２内に、光学系２１は第２筐体２３内にそれぞれ設けられている。第１筐体２２と第２筐体２３とは互いに接して設けられている。また、第１筐体２２と第２筐体２３とが接する部分には、これらを互いに連通する連通口２４が設けられている。連通口２４は、複数のレーザモジュール３０のそれぞれから出射されたレーザ光が透過するように、レーザモジュール３０毎に設けられている。また、連通口２４の各々は、ウインドウ（光学部材）２５で封止されている。ウインドウ２５は、石英ガラスからなる板材に入射されたレーザ光に対して所定の透過率を有するようにコーティングがなされた光学部材である。本願明細書において、この透過率は９９．９％、反射率は０．１％になるように調整されているが特にこれに限定されない。例えば、透過率を９９．５％とし、反射率が０．５％となるように調整してもよい。ウインドウ２５に入射したレーザ光の９９．９％は、ウインドウ２５を透過して第２筐体２３内に入射される一方、０．１％は反射されて第１筐体２２内に戻り、この戻り光の光路上に受光部であるフォトダイオードＰＤが配置されて、戻り光の光量に比例した出力信号を制御部６０に出力する。フォトダイオードＰＤは、レーザモジュール３０毎に設けられている。また、ウインドウ２５は、反射した戻り光がそれぞれのフォトダイオードＰＤで受光されるように、レーザモジュール３０からそれぞれ出射されたレーザ光の光路に対して所定の角度をなして設けられている。

また、第１筐体２２内には、レーザモジュール３０から出射されたレーザ光のファースト軸方向成分（レーザバー３１のｐｎ接合（図示せず）に垂直な方向の成分）をコリメートするコリメートレンズＦＡＣと、コリメートレンズＦＡＣを透過したレーザ光の偏光を９０°回転させる偏光板ＤＰＰとが、レーザモジュール３０のレーザ光出射面３０ａの前方に配置されている。また、第１筐体２２内には、隣り合うレーザモジュール３０の間に仕切り板２２ａが設けられており、異なるレーザモジュール３０における戻り光が他のフォトダイオードＰＤのいずれかに入射されるのを防止している。また、第１筐体２２には開口２６が設けられており、開口２６は封止板２７で封止されている。後述するように、レーザモジュール３０が劣化して交換が必要と判定された場合、封止板２７が取り払われて、劣化したレーザモジュール３０が開口２６から取り出されるとともに、新しいレーザモジュール３０が第１筐体２２の所定の位置に設置される。また、複数の連通口２４のそれぞれがウインドウ（光学部材）２５で封止され、かつ開口２６が封止板２７で封止されていることで、第１筐体２２の内部は気密が保たれている。

第２筐体２３内には、ウインドウ２５を透過したレーザ光のスロー軸方向成分（レーザバー３１のｐｎ接合と平行な方向の成分）をコリメートする複数のコリメートレンズＳＡＣと、コリメートレンズＳＡＣを透過したそれぞれのレーザ光が入射されるとともに、入射されたレーザ光をそれぞれ所定の方向に回折することで、複数のレーザモジュール３０からそれぞれ出射されたレーザ光の光軸が同じになるように結合する回折格子ＤＦＰと、外部共振ミラーＥＣＭとが所定の位置関係を保って配置されている。複数のレーザモジュール３０のそれぞれから出射されたレーザ光は、互いに波長が異なるため、回折格子ＤＦＰでの回折角が異なる。このため、回折格子ＤＦＰに入射されるレーザ光の入射角度をそれぞれ異ならせることで、複数のレーザ光の光軸が同じになるように結合させることができる。外部共振ミラーＥＣＭは、レーザモジュール３０のレーザ光出射面３０ａ（図３参照）とそれぞれレーザ共振構造を構成しており、また、複数のレーザ光出射面３０ａよりも反射率が低くなるように構成されている。回折格子ＤＦＰで結合されたレーザ光は、所定の出力を越えると、外部共振ミラーＥＣＭを透過して第２筐体２３に設けられたレーザ光出射口２３ａからビーム結合器１２に出射される。図示しないが、ビーム結合器１２には４つの異なるレーザ光出射口２３ａが接続されており、ビーム結合器１２内で空間結合又は偏波結合あるいはその両方がなされて一つのレーザ光ＬＢとして集光ユニット１３に出射される。

レーザモジュール３０は、レーザバー３１と、ヒートシンク３２と、放熱ブロック３３とを有しており、レーザバー３１は、並列に配置された複数のエミッターを有する半導体レーザアレイである。また、レーザ光出射面３０ａはレーザバー３１のレーザ光出射端面である。また、レーザバー３１の上面及び下面にそれぞれ接して電極３４が設けられており、それぞれの電極３４に接続された配線３５を介して電源７０から電力が供給される。なお、一つのレーザバー３１に含まれるエミッターの個数は、レーザモジュール３０に要求される最大出力やレーザバー３１の価格等に応じて適宜決められる。

放熱ブロック３３は、銅等の高熱伝導性の金属材料からなり、所定の温度に調整された冷却水が流れる図示しない冷却管に直接又は間接的に接している。あるいは、放熱ブロック３３の内部を冷却管が通るようにしてもよい。レーザバー３１で発生した熱は、ヒートシンク３２を介して放熱ブロック３１に排出され、また、放熱ブロック３１に排出された熱は、冷却管を介して外部に運ばれる。このことにより、レーザバー３１が動作中に所定の温度を超えないように冷却される。

ヒートシンク３２は、断面視でＣ字形状の銅等の金属材料からなり、上面に、レーザバー３１の下面に設けられた電極３４が接着されている。つまり、ヒートシンク３２の上面にレーザバー３１が位置決め固定されている。また、レーザバー３１の載置面を除くヒートシンク３２の上面に測温体３６が設けられている。測温体３６で測定された温度は、レーザモジュール３０の温度として制御部６０に入力される。これについては後述する。

また、ヒートシンク３２には、ヨー角調整機構３７とピッチ角調整機構３８とが設けられている。ヨー角調整機構３７及びピッチ角調整機構３８はそれぞれ、レーザモジュール３０から出射されるレーザ光の光軸を調整するための機構であり、また、ヨー角調整機構３７は、ヒートシンク３２を放熱ブロック３３に固定するための機構でもある。

ヨー角調整機構３７は、ヒートシンク３２を上下方向に貫通する図示しないねじ孔と、このねじ孔に連通され、放熱ブロック３１に形成された別のねじ孔と、これらに螺合されるヨー角調整ねじ３７ａとで構成されている。ヨー角調整ねじ３７ａは偏心ねじであり、所定の角度締め込むことで、レーザバー３１の上面と交差する軸、この場合は、ヨー角調整ねじ３７ａの偏心軸の周りにヒートシンク３２が回転する角度を調整する。また、前述したように、レーザバー３１はヒートシンク３２の上面に固定され、レーザバー３１の前端面からレーザ光が出射される。従って、ヨー角調整機構３７は、ヒートシンク３２の上面に平行な面内をレーザ光の光軸が回転する角度を調整している。なお、放熱ブロック３３にヒートシンク３２を固定するために図示しない別の固定機構（ねじ孔とねじの組合わせ）を設けるようにしてもよい。この場合、別の固定機構で放熱ブロック３３に対してヒートシンク３２の位置決めを大まかに行い、ヨー角調整機構３７でヨー角調整を含めた細かな位置決めを行うこともできる。

ピッチ角調整機構３８は、ヒートシンク３２の開口３２ａの前端部近傍に設けられた２つのねじ孔と、これらのねじ孔に螺合されるピッチ角調整ねじ３８ａとで構成されている。ねじ孔は、開口３２ａの前端部の角部にそれぞれ設けられている。ねじ孔は、開口３２ａの上側に位置するヒートシンク３２を貫通する一方、開口３２ａの上側に位置するヒートシンク３２の厚み方向の途中まで形成されている。このようにすることで、ピッチ角調整ねじ３８ａを締め込むと、ヒートシンク３２における開口３２ａの上側の前端部が下方に変位する。つまり、ヒートシンク３２の後端近傍を中心として、ヒートシンク３２の上面は、前端部が下方に向かうように回転する。言いかえると、ピッチ角調整機構３８は、ヒートシンク３２の側面と交差する軸の周りにレーザ光の光軸が回転する角度を調整している。

なお、図示しないが、放熱ブロック３３の下面には高熱伝導性の材料からなるシートと絶縁性材料からなるシートとが積層されて貼り付けられている。これにより、放熱ブロック３３が載置された第１筐体２２又は第１筐体２２に取付けられた冷却機構に対して放熱ブロック３３から熱が排出されるとともに、放熱ブロック３３との電気的絶縁が図れる。同様に、図示しないが、放熱ブロック３３とヒートシンク３２との間にも、これらに接して、高熱伝導性の材料からなるシートと絶縁性材料からなるシートとの積層体が設けられている。これにより、放熱ブロック３３に対してヒートシンク３２から熱が排出されるとともに、ヒートシンク３２と放熱ブロック３３との電気的絶縁が図れる。なお、上記の積層体の代わりに、高熱伝導性かつ絶縁性の材料からなる単層のシートを用いてもよい。また、シートの代わりに同様の性質を有する塗膜を用いるようにしてもよい。

［レーザ装置２０の点検手順］
図４は、レーザ装置の点検手順のフローチャートを示す。

レーザ加工装置１００を作動して、制御部６０からの制御信号によって電源７０を立ち上げる。電源７０からレーザ装置２０のレーザモジュール３０にそれぞれ電力を供給して、レーザ発振器１０からレーザ光ＬＢを出射させる（ステップＳ１）。また、レーザモジュール３０のそれぞれに応じて設けられたフォトダイオードＰＤによって、ウインドウ２５で反射された戻り光が受光され、戻り光の光量に応じた信号が制御部６０に出力される。この信号の時間変化を表示部８０に表示させるようにしてもよい。また、測温体３６で測定されたレーザモジュール３０の温度も制御部６０に出力される。

また、個々のレーザモジュール３０が正常な場合に受光されるフォトダイオードＰＤの信号を基準として、しきい値が設けられている。例えば、基準となる信号の大きさに対して２０％低下した値をしきい値とする。ただし、しきい値の設定については特にこれに限定されず、他の値を採用してもよい。フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて各々のレーザモジュール３０の状態がモニターされる。また、測温体３６で測定された温度によってもレーザモジュール３０の状態がモニターされる。

次に、測温体３６で測定された温度が所定値を越えているレーザモジュール３０の有無を判定する（ステップＳ２）。この判定は制御部６０で行われる。測温体３６で測定された温度が所定値を越えている場合、対応するレーザモジュール３０に何らかの異常が発生していると推定される。例えば、レーザバー３１が劣化して、発熱量が大きくなっていることが考えられる。また、すべてのレーザモジュール３０の温度が所定値を超えている場合には、レーザ発振器１０の冷却機構に何らかの異常が発生していると推定される。このように、測温体３６で測定された温度が所定値を越えているレーザモジュール３０がある場合は、制御部６０からの制御信号によって、電源７０から全てのレーザ装置２０への電力供給を停止し、レーザ発振を停止する（ステップＳ４）。同時に、レーザ加工装置１００も停止させるかスタンバイ状態にする。さらに、異常原因を調べるためにレーザ発振器１０の各部の点検を行う。すべてのレーザモジュール３０の温度が所定値よりも低い場合は、ステップＳ３に進む。なお、ステップＳ２において、測温体３６で測定された温度が所定値を越えているレーザモジュール３０があると判定された場合にも、そのままステップＳ３に進むようにしてもよい。

レーザ装置２０内のすべてのフォトダイオードＰＤの中で出力信号が低下して、所定のしきい値以下となっているフォトダイオードの有無を判定する（ステップＳ３）。この判定は制御部６０で行われる。フォトダイオードＰＤの出力信号が低下して、しきい値以下の場合、対応するレーザモジュール３０に何らかの異常が発生していることが推定される。例えば、レーザバー３１が劣化して、エミッターの全部又は一部が破壊された場合には、レーザ光の光量が低下するため、その戻り光の光量に基づくフォトダイオードＰＤの出力信号も低下する。また、レーザ装置２０内でレーザモジュール３０の配置が所定の位置からずれている場合にも、ウインドウ２５で反射された戻り光の光軸がずれるため、フォトダイオードＰＤの出力信号が低下する。

出力信号がしきい値以下となっているフォトダイオードＰＤがある場合は、ステップＳ４に進んで、レーザ発振を停止する。同時に、レーザ加工装置１００も停止させるかスタンバイ状態にする。すべてのフォトダイオードＰＤの出力信号がしきい値よりも大きい場合は、各々のレーザモジュール３０及びレーザ装置２０は正常であると推定されるため、点検作業を終了する。具体的には、レーザ発振器１０をスタンバイ状態にするか、あるいはレーザモジュール３０への電力供給を停止する。

ステップＳ４でレーザ発振を停止した後、第１筐体２２の封止板２７を取り外し、異常が発生していると推定されるレーザモジュール３０を取り外して第１筐体２２の外に取り出し、別途準備したレーザモジュール３０を第１筐体２２内の所定の位置に設置する（ステップＳ５）。場合によっては、第１筐体２２と第２筐体２３とを切り離して、レーザモジュール３０の交換を行うようにしてもよい。また、交換されたレーザモジュール３０には調整用配線（図示せず）を接続する。通常、レーザ装置２０内のレーザモジュール３０は、電源７０に対して並列接続されている。このため、電源７０からレーザ装置２０の電力が供給されると、レーザ装置２０内のレーザモジュール３０のすべてに電力が供給されてレーザ発振してしまう。これを回避し、交換したレーザモジュール３０のみに電力を供給するために調整用配線が接続される。

次に、調整用配線を介して電源７０から交換したレーザモジュール３０に所定の電力を供給し、当該レーザモジュール３０からレーザ光が出射される。なお、第１筐体２２と第２筐体２３とを切り離した場合は、これらを元の状態に戻してから電力の供給を行う。また、電源７０から電力を供給する前に、集光ユニット１３の光出射部以降、例えば、伝送ファイバ５０の出射端に出力モニター（図示せず）を配置し、交換されたレーザモジュール３０から出射されたレーザ光の出力を測定する（ステップＳ６）。

ヨー角調整ねじ３７ａとピッチ角調整ねじ３８ａとをそれぞれ回して、出力モニターの値が最大になるようにレーザ光の光軸を調整する（ステップＳ７）。光軸調整が完了したら、電力の供給を停止し、調整用配線を電極３４から取り外し、もとの配線３５を接続する。また、出力モニターも撤去する。封止板２７を開口２６に取付けて第１筐体２２を封止する。再びステップＳ１からステップＳ３までを行い、ステップＳ３での判定が否定的になるまで一連の作業を繰り返す。なお、ステップＳ７の終了後に、そのまま点検作業を終了するようにしてもよい。

なお、ステップＳ２における所定値及びステップＳ３におけるしきい値は、各々のレーザモジュール３０の最大出力や使用保証温度等によって適宜変更されうる。

［効果等］
本実施形態に係るレーザ装置２０は、複数のレーザモジュール３０と、複数のレーザモジュール３０のそれぞれから出射されたレーザ光の光路に設けられ、これらのレーザ光を整形する複数のコリメートレンズ（第１光学部品）ＳＡＣと、複数のコリメートレンズＳＡＣを透過したレーザ光を光軸が同じになるように結合する回折格子（第２光学部品）ＤＦＰと、を備えている。

また、レーザ装置２０は、複数のレーザモジュール３０を収容する第１筐体２２と、複数のコリメートレンズＳＡＣを及び回折格子ＤＦＰとを収容し、前記第１筐体２２に接して設けられた第２筐体２３とを備えている。

第１筐体２２と第２筐体２３とを互いに連通する連通口２４が複数のレーザモジュール３０のそれぞれに対応して設けられている。また、連通口２４は、レーザモジュール３０から出射されたレーザ光の一部を透過し、残部を反射するように構成されたウインドウ（光学部材）２５で封止されている。第１筐体２２には、ウインドウ２５で反射されたレーザ光を受光するようにフォトダイオード（受光部）ＰＤが複数のレーザモジュール３０のそれぞれに対して配置されている。

また、レーザ装置２０は、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいてレーザモジュール３０の状態をモニターするように構成されている。

レーザ装置２０をこのように構成することで、複数のレーザモジュール３０のそれぞれの状態を、これらレーザモジュール３０に対応してそれぞれ設けられたフォトダイオードＰＤの出力信号に基づいてモニターすることができる。例えば、フォトダイオードＰＤの出力信号が低下して、所定のしきい値以下である場合、対応するレーザモジュール３０に何らかの異常が発生していると考えられるため、レーザ発振を停止して点検を行うことができる。また、点検の結果、交換が必要であれば、対応するレーザモジュール３０を交換して、レーザ装置２０を正常な状態に復することができる。また、レーザモジュール３０から出射されたレーザ光を透過させるウインドウ２５によって、一部のレーザ光をレーザモジュール３０側に戻し、その戻り光をフォトダイオードＰＤで受光しているため、新たな光学部材を設ける必要が無い。このように簡便な構成で、各々のレーザモジュール３０の状態をモニターでき、レーザ装置２０のコストを低減できる。

また、第１筐体２２が、レーザモジュール３０を取り出し可能に設けられた開口２６と開口２７を封止する封止板とを有するようにしてもよい。このようにすることで、レーザモジュール３０の交換を容易に行うことができる。

また、レーザ装置２０に制御部６０の一機能が含まれるようにしてもよい。その場合、レーザ装置２０に含まれる制御部６０の機能は、レーザモジュール３０の劣化度合いを判定する劣化判定機能であり、レーザモジュール３０の交換要否を判定するように構成されている。このようにすることで、レーザモジュール３０の交換要否の判断を容易に行うことができる。

また、レーザ装置２０において、複数のレーザモジュール３０のそれぞれに対して、レーザモジュール３０の温度を測定する測温体３６が設けられ、測温体３６で測定されたレーザモジュール３０の温度とフォトダイオードＰＤの出力信号とに基づいてレーザモジュール３０の状態をモニターするように構成されていてもよい。このようにすることで、レーザモジュール３０の異常とレーザ発振器１０の冷却機構の異常とを切り分けて把握することができる。例えば、冷却機構に異常が生じているのみと判断できれば、第１筐体２２を開封することなく、レーザ装置２０を正常な状態に復することができるため、点検作業や修理作業を短縮し、レーザ加工装置１００のダウンタイムを低減できる。

また、レーザモジュール３０は、放熱ブロック３３と、放熱ブロック３３の上面に載置されたヒートシンク３２と、上面及び下面にそれぞれ電極３４が接して設けられる一方、ヒートシンク３２の上面に載置されたレーザバー３１と、を少なくとも有している。ヒートシンク３２には、レーザモジュール３０から出射されたレーザ光の光軸を調整する光軸調整機構が設けられている。この光軸調整機構は、ヒートシンク３２の上面に平行な面内をレーザ光の光軸が回転する角度を調整するヨー角調整機構３７と、ヒートシンク３２の側面と交差する軸の周りにレーザ光の光軸が回転する角度を調整するピッチ角調整機構３８とで構成されている。

ヒートシンク３２にこのような光軸調整機構を設けることにより、交換されたレーザモジュール３０において、出射されるレーザ光の光軸を容易に調整することができる。このため、レーザ装置２０の点検作業や交換作業を短縮でき、ひいてはレーザ加工装置１００のダウンタイムを低減できる。

ヒートシンク３２を、断面視でＣ字形状の金属部材とし、ピッチ角調整機構３８は、ヒートシンク３２に設けられた開口３２ａの開度を調整してピッチ角を設定するように構成されていてもよい。このようにすることで、ヒートシンク３２とレーザバー３１あるいは放熱ブロック３３との相対位置を変えることなく、ピッチ角の調整を行うことができ、レーザ光の光軸調整が容易になる。

また、本実施形態に係るレーザ装置の点検方法は、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて、レーザモジュール３０の交換が必要と判定された場合は、劣化したレーザモジュール３０を別のレーザモジュール３０に交換し、交換された別のレーザモジュール３０からレーザ光を出射させるとともに、ヒートシンク３２に設けられた上記の光軸調整機構を用いてレーザ光の光軸が所定の位置、この場合は、第２筐体２３に設けられた回折光子ＤＦＰ上の所定の位置に来るように調整する。このようにすることで、レーザモジュール３０の交換時期を的確に把握するとともに、交換が必要なレーザモジュール３０を速やかに交換して、レーザ装置２０を正常な状態に復することができる。また、光軸調整機構を用いてレーザ光の光軸を正確に調整することができる。このことにより、レーザ装置２０で結合されたレーザ光の品質、ひいてはレーザ発振器１２０から出射されるレーザ光ＬＢの品質を維持することができる。

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ装置２０を複数有し、複数のレーザ装置２０から出射されたレーザ光を結合して出射するレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０に接続され、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢを導光する伝送ファイバ５０と、伝送ファイバ５０の出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッド４０と、を少なくとも備えている。

レーザ加工装置１００をこのように構成することで、高出力のレーザ光ＬＢが得られ、また、ダウンタイムを低減することができる。さらに、レーザモジュール３０の劣化を的確に把握できるため、加工用のレーザ光ＬＢの品質が低下するのを抑制できる。

＜変形例＞
図５は、本変形例に係るレーザ装置の点検手順のフローチャートを示す。

図４に示すステップＳ１，Ｓ２及びＳ４〜Ｓ７と、図５に示すステップＳ１１，Ｓ１２及びＳ１６〜Ｓ１９とは、それぞれ同様であるため、これらのステップについては詳細な説明を省略する。

本変形例に示す点検手順と、実施形態に示す点検手順とでは、フォトダイオードＰＤの出力信号に対して複数のしきい値を設け、それぞれのしきい値以下の信号を出力している、出力信号が低下したフォトダイオードＰＤがあるかどうかを判定している点で大きく異なる。

具体的には、ステップＳ１２の終了後、ステップＳ１３において、レーザ装置２０内のすべてのフォトダイオードＰＤの中で出力信号が第１しきい値以下となっているフォトダイオードの有無を判定する。この判定は制御部６０で行われる。また、第１しきい値は、レーザモジュール３０の劣化が始まっているが、まだ、最大出力が要求仕様の範囲内にあるような場合に、フォトダイオードＰＤで受光される戻り光の光量に基づいている。

出力信号が第１しきい値以下となっているフォトダイオードＰＤがある場合は、ステップＳ１４に進んで、交換用のレーザモジュール３０を準備する。ただし、この時点では、対応するレーザモジュール３０の点検や交換を行わなくてもよい。出力信号が第１しきい値以下となっているフォトダイオードＰＤが無い場合は点検作業を終了する。

ステップＳ１４の後に、レーザ装置２０内のすべてのフォトダイオードＰＤの中で出力信号が第２しきい値以下となっているフォトダイオードの有無を判定する（ステップＳ１５）。この判定は制御部６０で行われる。また、第２しきい値は、図４を用いて説明したしきい値に相当し、第１しきい値よりも低い値である。従って、出力信号が第２しきい値以下となっているフォトダイオードＰＤがある場合は、ステップＳ１６に進んで、レーザ発振を停止し、ステップＳ１７〜Ｓ１８に示す一連の作業を行う。すべてのフォトダイオードＰＤの出力信号が第２しきい値よりも大きい場合は、点検作業を終了する。

このように、劣化判定部である制御部６０は、フォトダイオードＰＤの出力信号に対して設定された複数のしきい値に応じて、レーザモジュール３０の劣化度合いを判定するように構成されている。

また、本変形例のレーザ装置２０の点検方法では、制御部６０によってレーザモジュール３０が劣化しているが交換不要と判定された場合、つまり、フォトダイオードＰＤの出力信号が第１しきい値以下であるが第２しきい値を超えている場合は、交換用のレーザモジュール３０を準備する。制御部６０によってレーザモジュール３０の交換が必要と判定された場合は、劣化したレーザモジュール３０を準備された交換用のレーザモジュール３０に交換する。

このようにすることで、レーザモジュール３０の劣化度合いをきめ細かく把握するとともに、その交換時期を精度良く見極めることができる。このことにより、レーザモジュール３０の交換頻度を減らして、レーザ装置２０、ひいてはレーザ加工装置１００のダウンタイムを低減できる。

なお、本変形例において、フォトダイオードＰＤの出力信号に対して２つのしきい値を設けたが、特にこれに限定されず、３つ以上のしきい値を設けるようにしてもよい。その場合、フォトダイオードＰＤの出力信号とレーザモジュール３０の劣化度合いとの関係を予め取得し、制御部６０に設けられた記憶部（図示せず）、あるいは別に設けられた記憶部に格納しておくと、この関係と、点検時に取得されたフォトダイオードＰＤの出力信号とに基づいて、交換用のレーザモジュール３０を手配する時期を見極めることができる。例えば、フォトダイオードＰＤの出力信号が第１しきい値以下で、かつ第２しきい値を超えている場合、１ヶ月以内に交換用のレーザモジュール３０を準備し、当該出力信号が第２しきい値以下で、かつ第３しきい値を超えている場合、１０日以内に交換用のレーザモジュール３０を準備する。このようにすることで、不要な在庫を抱えることがなく、レーザ装置２０、ひいてはレーザ加工装置１００の保守費用を低減することができる。

本発明の

１０ レーザ発振器
１２ ビーム結合器
１３ 集光ユニット
２０ レーザ装置
２２ 第１筐体
２３ 第２筐体
２４ 連通口
２５ ウインドウ（光学部材）
２６ 第１筐体２２の開口
２７ 封止板
３０ レーザモジュール
３１ レーザバー
３２ ヒートシンク
３２ａ ヒートシンク３２の開口
３３ 放熱ブロック
３６ 測温体
３７ ヨー角調整機構（光軸調整機構）
３７ａ ヨー角調整ねじ
３８ ピッチ角調整機構（光軸調整機構）
３８ａ ピッチ角調整ねじ
４０ レーザ光出射ヘッド
５０ 伝送ファイバ
６０ 制御部（劣化判定部）
７０ 電源
８０ 表示部
１００ レーザ加工装置
ＤＦＰ 回折格子（第２光学部品）
ＥＣＭ 外部共振ミラー
ＦＡＣ ファースト軸方向のコリメータレンズ
ＰＤ フォトダイオード（受光部）
ＳＡＣ スロー軸方向のコリメートレンズ（第２光学部品）

Claims (12)

1. 複数のレーザモジュールと、該複数のレーザモジュールのそれぞれから出射されたレーザ光の光路に設けられ、前記レーザ光を整形する複数の第１光学部品と、前記複数の第１光学部品を透過したレーザ光を光軸が同じになるように結合する第２光学部品と、を備えたレーザ装置であって、
   前記複数のレーザモジュールを収容する第１筐体と、前記第１光学部品及び前記第２光学部品とを収容し、前記第１筐体に接して設けられた第２筐体とを備え、
   前記第１筐体と前記第２筐体とを互いに連通する連通口が前記複数のレーザモジュールのそれぞれに対して設けられ、
   前記連通口は、レーザモジュールから出射されたレーザ光の一部を透過し、残部を反射するように構成された光学部材で封止されており、
   前記第１筐体には、前記光学部材で反射された前記レーザ光を受光するように受光部が前記複数のレーザモジュールのそれぞれに対応して配置され、
   前記受光部の出力信号に基づいて前記レーザモジュールの状態をモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
2. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記第１筐体は、前記レーザモジュールを取り出し可能に設けられた開口と該開口を封止する封止板とを有していることを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ装置において、
   前記複数のレーザモジュールのそれぞれに対して、前記レーザモジュールの温度を測定する測温体が設けられており、
   前記測温体で測定された前記レーザモジュールの温度と前記受光部の出力信号とに基づいて前記レーザモジュールの状態をモニターするように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
4. 請求項１または２に記載のレーザ装置において、
   前記レーザモジュールの劣化度合いを判定する劣化判定部をさらに備え、
   前記劣化判定部は、前記受光部の出力信号に基づいて前記レーザモジュールの交換要否を判定するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
5. 請求項３に記載のレーザ装置において、
   前記レーザモジュールの劣化度合いを判定する劣化判定部をさらに備え、
   前記劣化判定部は、前記受光部の出力信号及び前記測温体で測定された温度に基づいて前記レーザモジュールの交換要否を判定するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
6. 請求項４または５に記載のレーザ装置において、
   前記劣化判定部は、前記受光部の出力信号に対して設定された複数のしきい値に応じて、前記レーザモジュールの劣化度合いを判定するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
   前記レーザモジュールは、放熱ブロックと、該放熱ブロックの上面に載置されたヒートシンクと、上面及び下面にそれぞれ接した一対の電極を有し、該ヒートシンクの上面に載置されたレーザバーと、を少なくとも有し、
   前記ヒートシンクには、前記レーザモジュールから出射されたレーザ光の光軸を調整する光軸調整機構が設けられていることを特徴とするレーザ装置。
8. 請求項７に記載のレーザ装置において、
   前記光軸調整機構は、前記ヒートシンクの上面に平行な面内をレーザ光の光軸が回転する角度を調整するヨー角調整機構と、前記ヒートシンクの側面と交差する軸の周りにレーザ光の光軸が回転する角度を調整するピッチ角調整機構と、を有していることを特徴とするレーザ装置。
9. 請求項８に記載のレーザ装置において、
   前記ヒートシンクは、断面視でＣ字形状の金属部材からなり、
   前記ピッチ角調整機構は、前記ヒートシンクに設けられた開口の開度を調整してピッチ角を設定するように構成されていることを特徴とするレーザ装置。
10. 請求項６に記載のレーザ装置の点検方法であって、
    前記劣化判定部によって前記レーザモジュールが劣化しているが交換不要と判定された場合は、別のレーザモジュールを準備し、
    前記劣化判定部によって前記レーザモジュールの交換が必要と判定された場合は、劣化したレーザモジュールを前記別のレーザモジュールに交換することを特徴とするレーザ装置の点検方法。
11. 請求項７ないし９のいずれか１項に記載のレーザ装置の点検方法であって、
    前記受光部の出力信号に基づいて、前記レーザモジュールの交換が必要と判定された場合は、劣化したレーザモジュールを別のレーザモジュールに交換し、
    交換された前記別のレーザモジュールからレーザ光を出射させるとともに、前記光軸調整機構を用いてレーザ光の光軸が所定の位置に来るように調整することを特徴とするレーザ装置の点検方法。
12. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレーザ装置を複数有し、複数の前記レーザ装置から出射されたレーザ光を結合して出射するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を導光する伝送ファイバと、
    該伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
    

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