JP2021068826A

JP2021068826A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2021068826A
Application number: JP2019193671A
Authority: JP
Inventors: 智浩持山; Tomohiro Mochiyama; 西村　哲二; Tetsuji Nishimura; 哲二西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-30

Abstract

【課題】レーザダイオードバーの寿命を長くする。【解決手段】レーザ加工装置に、複数のレーザダイオードバー３１に電流を供給する電源７０と、各レーザダイオードバー３１に並列に接続されたリレー素子３７と、各レーザダイオードバー３１を短絡状態と非短絡状態とに周期的に切り替えるようにリレー素子３７を制御するとともに、レーザ装置の集光レンズにより出射されるレーザ光のレーザ出力が所定の目標値となるように電源７０を制御する制御部６０とを設ける。【選択図】図６

Description

本発明は、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ加工装置に関する。

特許文献１には、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ加工装置が開示されている。

特許第５９８１８５５号公報

ところで、特許文献１のようなレーザ加工装置において、レーザダイオードバーの寿命を長くしたいという要望がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザダイオードバーの寿命を長くすることにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記複数のレーザダイオードバーに電流を供給する電源と、前記各レーザダイオードバーを短絡状態と非短絡状態とに切り替える切替スイッチと、前記各レーザダイオードバーを短絡状態と非短絡状態とに周期的に切り替えるように前記各切替スイッチを制御するとともに、前記レーザ光学系により出射されるレーザ光のレーザ出力が所定の目標値となるように前記電源を制御する制御部とをさらに備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザダイオードバーが所定時間毎に短絡状態となって発振を休止するので、レーザダイオードバーを常に発振させる場合に比べ、各レーザダイオードバーの最高温度を低く抑えるか、又は各レーザダイオードバーが最高温度を維持する時間を短縮できる。したがって、レーザダイオードバーの高い温度に起因する劣化を抑制し、レーザダイオードバーの寿命を長くできる。

本発明によれば、レーザダイオードバーの寿命を長くできる。

本発明の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。複数のレーザモジュールの構成を示す模式図である。レーザモジュールの側面図である。レーザモジュールの正面図である。レーザダイオードバー、リレー素子、電源、及び制御部の接続関係を示す回路図である。制御部の動作を示すフローチャートである。各リレー素子の状態を示すタイミングチャートである。

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。

本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、図１に示すように、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とコントローラ８０とを備えている。レーザ発振器１０と伝送ファイバ５０でのレーザ光の光路において、レーザ発振器１０よりレーザ光が出射される端部（以下、単に出射端という。）とレーザ発振器１０より伝送ファイバ５０にレーザ光が入射される端部（以下、単に入射端という。）とは筐体１１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、図２に示すように、互いに異なる波長のレーザ光ＬＢ１を発する例えば１０個のレーザモジュール３０と、１０個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ＬＢ１を集光するレーザ光学系としての集光レンズ２２と、集光レンズ２２により出射されたレーザ光を反射させる反射鏡２３と、反射鏡２３から出射されたレーザ光の一部をレーザ光ＬＢ２として反射させる一方、残りをレーザ光ＬＢ３として透過させるビームスプリッタ２４と、ビームスプリッタ２４を透過したレーザ光ＬＢ３を受光し、レーザ光ＬＢ３の光量に応じた出力信号を出力するフォトダイオード２５とを有している。

各レーザモジュール３０は、図３〜５に示すように、レーザダイオードバー（ＬＤバー）３１を有しており、レーザダイオードバー３１は、並列に配置された複数のエミッタ３１ｂを有する半導体レーザアレイである。言い換えるとレーザダイオードバー３１は、エミッタ３１ｂを有する並列に配置された複数のレーザダイオードからなる半導体レーザアレイである。レーザダイオードバー３１は、平面視矩形状の平板形状をなし、その一方の面には板状の正電極３２が配置され、正電極３２の一方の面が取り付けられている。また、レーザダイオードバー３１の他方の面には、正電極３２よりも広い板状の負電極３３が配置され、負電極３３の一方の面の一部が取り付けられている。レーザダイオードバー３１の一側面が、レーザ光ＬＢ１を出射するレーザ光出射面３１ａを構成している。各電極（正電極３２，負電極３３）には、配線３５が接続され、当該配線３５を介して後述する電源７０から電流（電力）が供給される。なお、一つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数は、例えば５０個に設定される。各レーザダイオードバー３１には、図６にも示すように、切替スイッチとしてのリレー素子３７がそれぞれ並列に接続されている。各リレー素子３７は、ＯＮ（オン）とＯＦＦ（オフ）とに切り替えられることにより、対応するレーザダイオードバー３１を短絡状態と非短絡状態とに切り替えることができる。１０個のレーザモジュール３０のレーザダイオードバー３１は、互いに直列に接続されている。

負電極３３のレーザダイオードバー３１の取付面におけるレーザダイオードバー３１の取り付けられていない領域には、レーザダイオードバー３１近傍の温度を検知する熱電対３６が取り付けられている。各レーザモジュール３０は、レーザモジュール３０を冷却するための冷却板２６（図３参照）に配設されている。

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ＬＢ２（図２参照）を一つのレーザ光ＬＢ４に結合して集光ユニット１３に出射する。

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ＬＢ４を集光し、集光されたレーザ光ＬＢ４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。なお、本実施形態では、複数のレーザ装置２０として、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。例えば、１つのレーザ装置２０でレーザ発振器１０を構成し、レーザ装置２０から出力されたレーザ光ＬＢ２をそのまま伝送ファイバ５０に入射させるようにしてもよい。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、当該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ＬＢ４をレーザ光出射ヘッド４０に導光する。

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ＬＢ４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、レーザ光出射ヘッド４０によりレーザ光ＬＢ４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に対して複数種類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。具体的には、制御部６０は、フォトダイオード２５の出力信号に基づいて、制御対象のレーザ装置２０により出射されるレーザ光ＬＢ２のレーザ出力が所定の目標値となるように、電源７０に出力する指令電圧値を生成するフィードバック制御を行う。電源７０によってレーザ装置２０によって供給される供給電流の値は、当該指令電圧値に応じた値となる。また、制御部６０は、リレー素子３７のＯＮ、ＯＦＦを制御する。制御部６０による制御の詳細については、後述する。

電源７０は、制御部６０により出力された指令電圧値に基づいて、レーザ発振を行うための電流を複数のレーザ装置２０のそれぞれに対して供給する。

コントローラ８０は、レーザ出力の目標値を示す入力をユーザから受け付け、当該目標値を示す指令信号を制御部６０に出力する。

以下、制御部６０が、１つのレーザ装置２０に供給する電流を制御する動作について、図７を参照して説明する。

まず、Ｓ１０１において、コントローラ８０が、レーザ出力の目標値を示す入力をユーザから受け付け、当該目標値を示す指令信号を制御部６０に出力する。制御部６０は、レーザ装置２０の各レーザダイオードバー（各ＬＤバー）３１に流れる電流が、前記指令信号に示される目標値に応じた初期値となるように指令電圧値を出力することにより、電源７０の供給電流を制御する。したがって、供給電流の初期値は、すべてのレーザダイオードバー３１が正常に動作する状態で、レーザ光ＬＢ２のレーザ出力が目標値となるときの電流値となる。これにより、レーザ発振が開始される。また、初期状態において、制御部６０は、レーザ装置２０のすべてのリレー素子３７をＯＦＦしている。

次に、Ｓ１０２において、制御部６０は、フォトダイオード２５の出力信号に基づいて、制御対象のレーザ装置２０により出射されるレーザ光ＬＢ２のレーザ出力が所定の目標値となるように、電源７０に出力する指令電圧値を生成するフィードバック制御を行う。ここでの目標値は、Ｓ１０１でコントローラ８０によって出力された指令信号によって示される目標値である。

次に、Ｓ１０３において、制御部６０は、レーザ発振を終了する条件が満たされたか否かを判定し、満たされた場合には処理を終了し、満たされていない場合には、Ｓ１０２に戻る。レーザ発振を終了する条件とは、例えば、コントローラ８０が終了指示をユーザから受け付けること、制御部６０が所定のレーザ加工が終了したと判定すること等である。

一方、制御部６０は、Ｓ１０２及びＳ１０３の処理と並行して、制御対象のレーザ装置２０に含まれる１０個のリレー素子３７を制御する。具体的には、リレー素子３７を周期的にＯＮ、ＯＦＦすることにより、各レーザダイオードバー３１を短絡状態と非短絡状態とに切り替える。詳しくは、図８に示すように、１０個のリレー素子３７を１つずつ順番に、所定の継続時間ＴだけＯＮにする。図８中、ＲＥ１〜１０は、１０個のリレー素子３７を示す。なお、順番が来ていない９個のリレー素子３７は、ＯＦＦにする。これにより、１０個のレーザダイオードバー３１が、短絡状態を継続時間Ｔだけ継続する短絡継続動作を順番に実行し、短絡継続動作時以外には非短絡状態となる。継続時間Ｔは、前回の短絡継続動作終了時から今回の短絡継続動作開始時までの自己発熱量の８０％の熱を放散するのに必要な時間以上に設定され、具体的には３秒以上に設定される。また、継続時間Ｔが２０秒を超えると、各レーザダイオードバー３１が短絡継続動作の順番を待つ時間、すなわち非短絡状態を継続する時間が長くなり、各レーザダイオードバー３１の最高温度が高くなったり、最高温度を維持する時間が長くなったりするので、継続時間Ｔは２０秒以下に設定される。具体的には、図８において、タイミングｔ１では、ＲＥ１がＯＦＦしてＲＥ２がＯＮになる。これにより、ＲＥ１に並列に接続されたレーザダイオードバー３１が短絡継続動作を終えてＲＥ２に並列に接続されたレーザダイオードバー３１が短絡継続動作を開始する。タイミングｔ２では、ＲＥ２がＯＦＦしてＲＥ３がＯＮになる。これにより、ＲＥ２に並列に接続されたレーザダイオードバー３１が短絡継続動作を終えてＲＥ３に並列に接続されたレーザダイオードバー３１が短絡継続動作を開始する。タイミングｔ３では、ＲＥ１０がＯＦＦしてＲＥ１がＯＮになる。これにより、ＲＥ１０に並列に接続されたレーザダイオードバー３１が短絡継続動作を終えてＲＥ１に並列に接続されたレーザダイオードバー３１が短絡継続動作を開始する。

したがって、本実施形態によると、レーザダイオードバー３１が所定時間毎に短絡状態となって発振を休止するので、レーザダイオードバー３１を常に非短絡状態として発振させる場合に比べ、各レーザダイオードバー３１の最高温度を低く抑えることができる。したがって、レーザダイオードバー３１の温度上昇による劣化を抑制し、レーザダイオードバー３１の寿命を長くできる。

なお、上記実施形態では、１つのレーザ装置２０に含まれるレーザモジュール３０及びレーザダイオードバー３１の数を１０個に設定したが、レーザ装置２０に要求される最大出力やレーザ装置２０の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。

また、上記実施形態では、１つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数を５０個に設定したが、レーザモジュール３０に要求される最大出力やレーザダイオードバー３１の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。

本発明のレーザ加工装置は、レーザダイオードバーの寿命を長くでき、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ加工装置として有用である。

１００レーザ加工装置
２２集光レンズ（レーザ光学系）
３１レーザダイオードバー
３１ｂエミッタ
３７リレー素子（切替スイッチ）
６０制御部
７０電源
Ｔ継続時間

Claims

複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、
前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ加工装置であって、
前記複数のレーザダイオードバーに電流を供給する電源と、
前記各レーザダイオードバーを短絡状態と非短絡状態とに切り替える切替スイッチと、
前記各レーザダイオードバーを短絡状態と非短絡状態とに周期的に切り替えるように前記各切替スイッチを制御するとともに、前記レーザ光学系により出射されるレーザ光のレーザ出力が所定の目標値となるように前記電源を制御する制御部とをさらに備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部による切替スイッチの制御は、前記複数のレーザダイオードバーが短絡状態を所定の継続時間継続する短絡継続動作を順番に実行し、当該短絡継続動作時以外には非短絡状態となるように行われることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２に記載のレーザ加工装置において、
前記所定の継続時間は、各レーザダイオードバーが前回の短絡継続動作終了時から今回の短絡継続動作開始時までの自己発熱量の８０％の熱を放散するのに必要な時間以上に設定されることを特徴とするレーザ加工装置。