JP2022052177A - レーザ照射ヘッド及びレーザ照射装置 - Google Patents

レーザ照射ヘッド及びレーザ照射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】移動機構に取り付けて用いるような用途に好適なレーザ照射ヘッド、及びそのようなレーザ照射ヘッドを備えるレーザ照射装置を提供する。【解決手段】レーザ照射ヘッド１０は、半導体レーザ素子及びレンズを含む半導体レーザモジュール１４と、冷媒の流路を有するヒートシンク１１と、流路に冷媒を供給するための第１配管５の着脱が可能な第１配管コネクタ１５と、を備える。ヒートシンク１１は、第１エリアＡ１、及び第１エリアＡ１と交差する関係にある第２エリアＡ２を含む外表面１１ａを有する。半導体レーザモジュール１４は、第１エリアＡ１において、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。第１配管コネクタ１５は、第２エリアＡ２において、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ照射ヘッド及びレーザ照射装置に関する。
特許文献１には、半導体レーザと、冷却ジャケットと、を備えるレーザ装置において、伝熱性の接着剤を介して半導体レーザを冷却ジャケット上の所定位置に設置することが記載されている。
特開２００６－３３９５６９号公報
特許文献１に記載のレーザ装置をロボットアーム等の移動機構に取り付けてレーザ照射ヘッドとして用いると、接着剤が劣化した場合に、冷却ジャケット上の所定位置から半導体レーザが不意に脱落するおそれがある。つまり、特許文献１に記載のレーザ装置は、移動機構に取り付けて用いるような用途に不適当である。
本発明は、移動機構に取り付けて用いるような用途に好適なレーザ照射ヘッド、及びそのようなレーザ照射ヘッドを備えるレーザ照射装置を提供することを目的とする。
本発明のレーザ照射ヘッドは、半導体レーザ素子及びレンズを含む半導体レーザモジュールと、冷媒の流路を有するヒートシンクと、流路に冷媒を供給するための第１配管の着脱が可能な第１配管コネクタと、を備え、ヒートシンクは、第１エリア、及び第１エリアと交差する関係にある第２エリアを含む外表面を有し、半導体レーザモジュールは、第１エリアにおいて、ヒートシンクに対してねじ止めされており、第１配管コネクタは、第２エリアにおいて、ヒートシンクに対してねじ止めされている。
上記レーザ照射ヘッドでは、半導体レーザモジュール及び第１配管コネクタがヒートシンクに対してねじ止めされている。これにより、上記レーザ照射ヘッドをロボットアーム等の移動機構に取り付けて用いた場合に、ヒートシンクから半導体レーザモジュール及び第１配管コネクタが不意に脱落するのを防止することができる。更に、第１配管コネクタがヒートシンクに対してねじ止めされる第２エリアが、半導体レーザモジュールがヒートシンクに対してねじ止めされる第１エリアと交差する関係にある。これにより、ヒートシンクの小型化を図りつつも、ヒートシンクに対して半導体レーザモジュール及び第１配管コネクタを空間的に効率良く配置することができる。以上により、上記レーザ照射ヘッドは、移動機構に取り付けて用いるような用途に好適である。
本発明のレーザ照射ヘッドは、流路から冷媒を排出するための第２配管の着脱が可能な第２配管コネクタを更に備え、第２配管コネクタは、第２エリアにおいて、ヒートシンクに対してねじ止めされていてもよい。これによれば、上記レーザ照射ヘッドをロボットアーム等の移動機構に取り付けて用いた場合に、ヒートシンクから第２配管コネクタが不意に脱落するのを防止することができる。更に、ヒートシンクの小型化を図りつつも、ヒートシンクに対して半導体レーザモジュール、第１配管コネクタ及び第２配管コネクタを空間的に効率良く配置することができる。
本発明のレーザ照射ヘッドでは、ヒートシンクは、第１エリア及び第２エリアを有する本体部、並びに、蓋部を含み、本体部は、流路を含み且つ第１エリアとは反対側に開口する凹部を有し、蓋部は、凹部の開口部を塞ぐように本体部に取り付けられていてもよい。これによれば、ヒートシンクの本体部に半導体レーザモジュール及び第１配管コネクタがねじ止めされた状態で、流路のメンテナンスを実施することができる。
本発明のレーザ照射ヘッドでは、本体部は、凹部を画定する底壁部及び側壁部、並びに、底壁部から凹部内に突出する突出部を含み、底壁部、側壁部及び突出部は、一体的に形成されていてもよい。これによれば、底壁部、側壁部及び突出部の相互間で熱が伝わり易くなるため、本体部に対してねじ止めされた半導体レーザモジュールの冷却効果を向上させることができる。
本発明のレーザ照射ヘッドでは、半導体レーザモジュールは、第１エリアにおいて、側壁部に対してねじ止めされていてもよい。これによれば、本体部に対する半導体レーザモジュールのねじ止めの安定性を向上させることができる。
本発明のレーザ照射ヘッドでは、半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子を収容する筐体、及びレンズを支持する支持部材を更に含んでもよい。これによれば、半導体レーザ素子に対するレンズの設計の自由度を向上させることができる。
本発明のレーザ照射ヘッドは、ヒートシンクと半導体レーザモジュールとの間に配置された設置部材を更に備え、筐体及び支持部材は、第１エリアにおいて、設置部材を介して、ヒートシンクに対してねじ止めされていてもよい。これによれば、例えば、筐体及び支持部材が別々の部材に配置された構成に比べ、半導体レーザ素子の光軸とレンズの光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。
本発明のレーザ照射ヘッドは、設置部材は、第１エリアに平行な第１面及び第２面を有し、第２面は、第１面よりも低い位置に位置しており、筐体は、第１面に配置されており、支持部材は、第２面に配置されていてもよい。これによれば、例えば、レンズのサイズが大きい場合に、半導体レーザ素子の光軸とレンズの光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。
本発明のレーザ照射ヘッドは、ヒートシンクと設置部材との間に配置されたペルチェ素子を更に備えてもよい。これによれば、ペルチェ素子からヒートシンクに排熱させて、半導体レーザ素子の温度が一定となるように半導体レーザモジュールを冷却することができる。
本発明のレーザ照射ヘッドでは、筐体及び支持部材は、第１エリアにおいて、直接的に、ヒートシンクに対してねじ止めされていてもよい。これによれば、例えば、筐体及び支持部材が別々の部材に配置された構成に比べ、構造の単純化を図りつつ、半導体レーザ素子の光軸とレンズの光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。
本発明のレーザ照射ヘッドは、ヒートシンクは、第１エリアである第３面及び第４面を有し、第４面は、第３面よりも低い位置に位置しており、筐体は、第３面に配置されており、支持部材は、第４面に配置されていてもよい。これによれば、例えば、レンズのサイズが大きい場合に、半導体レーザ素子の光軸とレンズの光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。
本発明のレーザ照射装置は、上記レーザ照射ヘッドと、可撓性を有し、第１配管コネクタに接続された第１配管と、第１配管を介して流路に冷媒を供給する冷媒供給源と、レーザ照射ヘッドを移動させる移動機構と、を備える。
上記レーザ照射装置によれば、好適なレーザ照射を実現することができる。
本発明によれば、移動機構に取り付けて用いるような用途に好適なレーザ照射ヘッド、及びそのようなレーザ照射ヘッドを備えるレーザ照射装置を提供することが可能となる。
一実施形態のレーザ照射装置の構成図である。 図１に示されるレーザ照射装置の平面図である。 図２に示されるレーザ照射装置の側面図である。 図２に示されるレーザ照射装置の正面図である。 図２に示されるV－V線に沿ってのレーザ照射装置の断面図である。 図３に示されるVI－VI線に沿ってのレーザ照射装置の断面図である。 図３に示される半導体レーザモジュールの一部の構成図である。 変形例のレーザ照射装置の側面図である。 変形例のレーザ照射装置の平面図である。 図９に示されるレーザ照射装置の側面図である。 変形例のヒートシンクの平面図である。 変形例の半導体レーザモジュールの構成図である。 変形例の半導体レーザモジュールの構成図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１に示されるように、レーザ照射装置１は、筐体２と、支持部３と、冷媒供給源４と、第１配管５と、第２配管６と、移動機構７と、レーザ照射ヘッド１０と、を備えている。支持部３は、筐体２内において複数のワークＷを支持する。冷媒供給源４は、第１配管５を介してレーザ照射ヘッド１０（後述するヒートシンク１１の流路２４）に冷媒を供給し、レーザ照射ヘッド１０から第２配管６を介して冷媒を排出する。冷媒供給源４は、例えば、冷媒である空気を圧送するポンプである。移動機構７は、筐体２内においてレーザ照射ヘッド１０を移動させる。移動機構７は、例えば、ロボットアーム又は三次元ステージである。本実施形態では、レーザ照射装置１は、レーザ加工装置であって、レーザ照射ヘッド１０から出射されたレーザ光Ｌを各ワークＷに照射することで、各ワークＷに加熱加工（例えば、半田付け、樹脂溶着、予備加熱等）を施す。
図２、図３及び図４に示されるように、レーザ照射ヘッド１０は、ヒートシンク１１と、ペルチェ素子１２と、設置部材１３と、半導体レーザモジュール１４と、第１配管コネクタ１５と、第２配管コネクタ１６と、を備えている。ヒートシンク１１、ペルチェ素子１２、設置部材１３及び半導体レーザモジュール１４は、例えば直方体箱状に形成されたカバー（図示省略）によって覆われている。以下、レーザ光Ｌの出射方向に平行な方向をＺ軸方向といい、Ｚ軸方向に垂直な一方向をＸ軸方向といい、Ｚ軸方向及びＸ軸方向の両方向に垂直な方向をＹ軸方向という。また、レーザ光Ｌが出射される側を前側といい、その反対側を後側という。
ヒートシンク１１は、本体部２１及び蓋部２２を含んでいる。本体部２１は、Ｙ軸方向に垂直な表面２１ａ及び裏面２１ｂ、並びに、Ｚ軸方向に垂直な後面２１ｃを有している。後面２１ｃは、本体部２１における凹部２３とは反対側の表面である。本体部２１は、例えば、アルミニウムによって直方体状に形成されている。蓋部２２は、Ｙ軸方向に垂直な表面２２ａ及び裏面２２ｂを有している。蓋部２２の表面２２ａは、本体部２１の裏面２１ｂに接触している。蓋部２２は、例えば、アルミニウムによって長方形板状に形成されていている。一例として、Ｙ軸方向から見た場合に、蓋部２２の外縁は、本体部２１の外縁と一致している。
本実施形態では、本体部２１の表面２１ａが、ヒートシンク１１の外表面１１ａのうちの第１エリアＡ１であり、本体部２１の後面２１ｃが、ヒートシンク１１の外表面１１ａのうちの第２エリアＡ２である。つまり、本体部２１は、第１エリアＡ１及び第２エリアＡ２を有している。本実施形態では、第２エリアＡ２は、第１エリアＡ１と直交している（すなわち、垂直に交差している）。ただし、第２エリアＡ２は、第１エリアＡ１と交差する関係にあればよい。なお、第２エリアＡ２が第１エリアＡ１と交差する関係にあるとは、「第２エリアＡ２を含む面」が「第１エリアＡ１を含む面」と交差していること（直交していることに限定されない）を意味する。
図５及び図６に示されるように、本体部２１は、凹部２３を有している。凹部２３は、裏面２１ｂに形成されており、第１エリアＡ１とは反対側に開口している。凹部２３は、ヒートシンク１１が有する冷媒Ｒの流路２４を含んでいる。本実施形態では、冷媒Ｒは、冷媒供給源４（図１参照）から圧送される空気である。
本体部２１は、底壁部２５及び側壁部２６、並びに、複数の突出部２７を含んでいる。底壁部２５及び側壁部２６、並びに、複数の突出部２７は、一体的に形成されている。底壁部２５及び側壁部２６は、凹部２３を画定している。つまり、底壁部２５は、Ｙ軸方向において凹部２３の開口部２３ａに対向しており、側壁部２６は、Ｙ軸方向から見た場合に凹部２３を包囲している。複数の突出部２７は、底壁部２５から凹部２３内に突出している。本実施形態では、複数の突出部２７は、各突出部２７がＸ軸方向に延在した状態で、Ｚ軸方向において並設されている。一例として、各突出部２７における底壁部２５とは反対側の端面の位置（Ｙ軸方向おける位置）は、Ｙ軸方向における裏面２１ｂの位置と同じである。
本体部２１は、冷媒Ｒの供給口２８及び排出口２９を有している。供給口２８は、第２エリアＡ２及び凹部２３の内面に開口するように、側壁部２６のうち第２エリアＡ２側の部分に形成されている。同様に、排出口２９は、第２エリアＡ２及び凹部２３の内面に開口するように、側壁部２６のうち第２エリアＡ２側の部分に形成されている。供給口２８及び排出口２９は、それぞれがＺ軸方向に延在した状態で、Ｘ軸方向において並設されている。
蓋部２２は、凹部３１を有している。凹部３１は、表面２２ａに形成されている。Ｙ軸方向から見た場合に、凹部３１の外縁は、凹部２３の開口部２３ａの外縁の外側に位置している。凹部３１には、ゴムシート３２が配置されている。Ｙ軸方向から見た場合に、ゴムシート３２の外縁は、凹部３１の外縁と一致している。ゴムシート３２が単体で存在する場合、ゴムシート３２の厚さは、凹部３１の深さよりも大きい。蓋部２２は、凹部３１にゴムシート３２が配置された状態で、凹部２３の開口部２３ａを塞ぐように本体部２１に取り付けられている。蓋部２２は、裏面２１ｂにおいて、本体部２１に対してねじ止めされている。本実施形態では、少なくとも裏面２１ｂに開口するように本体部２１に複数のねじ穴２１ｄが形成されており、複数のねじ穴２１ｄに対応するように蓋部２２に複数のばか穴２２ｃが形成されている。蓋部２２は、裏面２２ｂ側から各ばか穴２２ｃを介して各ねじ穴２１ｄにボルト３３が螺合されることで、本体部２１に取り付けられている。
ヒートシンク１１では、本体部２１の裏面２１ｂのうちの開口部２３ａの周囲部分が、ゴムシート３２に密着している。これにより、流路２４からの冷媒Ｒの漏れが防止されている。本実施形態では、各突出部２７における底壁部２５とは反対側の端面も、ゴムシート３２に密着している。なお、Ｙ軸方向から見た場合に開口部２３ａを包囲するように延在する溝が蓋部２２の表面２２ａに形成されており、当該溝にＯリングが配置されていてもよい。その場合にも、流路２４からの冷媒Ｒの漏れを防止することができる。
第１配管コネクタ１５は、第２エリアＡ２において、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。本実施形態では、本体部２１の供給口２８の内周面に雌ねじが形成されており、第１配管コネクタ１５の一端部１５ａの外周面に雄ねじが形成されている。第１配管コネクタ１５は、後側から供給口２８に一端部１５ａが螺合されることで、本体部２１に取り付けられている。第１配管コネクタ１５には、流路２４に冷媒Ｒを供給するための第１配管５が接続されている。第１配管コネクタ１５は、第１配管５の着脱が可能なコネクタである。第１配管５は、可撓性を有している。第１配管５の材料は、例えば、ナイロン、ポリウレタン又はフッ素樹脂等である。本実施形態では、第１配管コネクタ１５は、第１配管５における第１配管コネクタ１５側の端部（可撓性を有する端部）の着脱が可能なコネクタである。なお、第１配管５における第１配管コネクタ１５側の端部に、第１配管コネクタ１５に対する着脱が可能な接続部が設けられていてもよい。
第２配管コネクタ１６は、第２エリアＡ２において、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。本実施形態では、本体部２１の排出口２９の内周面に雌ねじが形成されており、第２配管コネクタ１６の一端部１６ａの外周面に雄ねじが形成されている。第２配管コネクタ１６は、後側から排出口２９に一端部１６ａが螺合されることで、本体部２１に取り付けられている。第２配管コネクタ１６には、流路２４から冷媒Ｒを排出するための第２配管６が接続されている。第２配管コネクタ１６は、第２配管６の着脱が可能なコネクタである。第２配管６は、可撓性を有している。第２配管６の材料は、例えば、ナイロン、ポリウレタン又はフッ素樹脂等である。本実施形態では、第２配管コネクタ１６は、第２配管６における第２配管コネクタ１６側の端部（可撓性を有する端部）の着脱が可能なコネクタである。なお、第２配管６における第２配管コネクタ１６側の端部に、第２配管コネクタ１６に対する着脱が可能な接続部が設けられていてもよい。
図２、図３及び図４に示されるように、ペルチェ素子１２は、素子部４１及び一対の配線４２を含んでいる。素子部４１は、吸熱エリア４１ａ及び発熱エリア４１ｂを有している。素子部４１は、発熱エリア４１ｂが凹部２１ｅの底面に接触し且つ一対の配線４２が素子部４１から後側に延在するように、凹部２１ｅに配置されている。凹部２１ｅは、本体部２１の表面２１ａに形成された座ぐり部である。素子部４１が凹部２１ｅに配置されることで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれの方向において、素子部４１が本体部２１に対して位置決めされる。一対の配線４２は、電源（図示省略）と接続されている。
設置部材１３は、ペルチェ素子１２がヒートシンク１１と設置部材１３との間に配置されるように、ヒートシンク１１に取り付けられている。設置部材１３は、中間部５１、前側部５２及び後側部５３を含んでいる。中間部５１、前側部５２及び後側部５３は、例えばアルミニウムによって、一体的に形成されている。
中間部５１は、Ｙ軸方向に垂直な表面（第１面）５１ａ及び裏面５１ｂを有している。前側部５２は、Ｙ軸方向に垂直な表面（第２面）５２ａ及び裏面５２ｂを有している。後側部５３は、Ｙ軸方向に垂直な表面５３ａ及び裏面５３ｂを有している。中間部５１の裏面５１ｂは、ペルチェ素子１２の吸熱エリア４１ａに接触している。前側部５２の裏面５２ｂは、ヒートシンク１１の第１エリアＡ１に近接している。後側部５３の裏面５３ｂは、ヒートシンク１１の第１エリアＡ１に近接している。中間部５１の表面５１ａ及び後側部５３の表面５３ａは、同一平面上に位置している。前側部５２の表面５２ａは、表面５１ａ，５３ａに対してヒートシンク１１側に位置している。つまり、設置部材１３は、第１エリアＡ１に平行な表面５１ａ及び表面５２ａを有しており、表面５２ａは、表面５１ａよりも低い位置に位置している。
設置部材１３は、第１エリアＡ１において、本体部２１に対してねじ止めされている。本実施形態では、少なくとも表面２１ａに開口するように本体部２１に複数のねじ穴２１ｆが形成されており、複数のねじ穴２１ｆに対応するように前側部５２及び後側部５３に複数のばか穴５２ｃ，５３ｃが形成されている。設置部材１３は、本体部２１とは反対側から各ばか穴５２ｃ，５３ｃを介して各ねじ穴２１ｆにボルト５４が螺合されることで、本体部２１に取り付けられている。なお、第１エリアＡ１と前側部５２の裏面５２ｂとの間、及び第１エリアＡ１と後側部５３の裏面５３ｂとの間には、複数の断熱ワッシャ（図示省略）が配置されており、各ボルト５４は、各断熱ワッシャを通っている。各断熱ワッシャの材料は、例えば、樹脂である。これにより、設置部材１３は、ヒートシンク１１から熱的に切断された状態で、ペルチェ素子１２の吸熱エリア４１ａと熱的に接続されている。
半導体レーザモジュール１４は、設置部材１３がヒートシンク１１と半導体レーザモジュール１４との間に配置されるように、設置部材１３に取り付けられている。本実施形態では、Ｚ軸方向における半導体レーザモジュール１４の中心が、Ｚ軸方向におけるヒートシンク１１の中心に対して前側に位置している。図７に示されるように、半導体レーザモジュール１４は、筐体６１、支持部材６２、絶縁部材６３、配線基板６４、半導体レーザ素子６５、一対の電極ピン６６及び一対のワイヤ６７を含んでいる。筐体６１は、支持部材６２、絶縁部材６３、配線基板６４及び半導体レーザ素子６５を気密に収容している。筐体６１における前側の側壁部には、半導体レーザ素子６５から出射されたレーザ光Ｌを透過させる窓部材６１ａが設けられている。筐体６１のうち窓部材６１ａを除く部分は、例えば、銅によって直方体箱状に形成されている。窓部材６１ａは、例えば、サファイヤによって円形板状に形成されている。
支持部材６２は、筐体６１における設置部材１３側（図３参照）の壁部上に固定されている。絶縁部材６３は、支持部材６２上に固定されている。配線基板６４は、絶縁部材６３上に固定されている。半導体レーザ素子６５は、Ｚ軸方向において窓部材６１ａに対向するように、配線基板６４上に実装されている。一対の電極ピン６６は、後側に延在するように絶縁部材６３上に固定されており、筐体６１における後側の壁部を貫通している。一対の電極ピン６６は、当該壁部から電気的に絶縁された状態で、当該壁部を気密に貫通している。一対のワイヤ６７は、配線基板６４と一対の電極ピン６６との間に掛け渡されている。これにより、一対の電極ピン６６は、半導体レーザ素子６５に電気的に接続されている。一対の電極ピン６６は、一対の配線（図示省略）を介して電源（図示省略）と接続されている。
図２、図３及び図４に示されるように、筐体６１には、一対の取付部６８が一体的に形成されている。一対の取付部６８は、筐体６１の裏面６１ｂ及び各取付部６８の裏面６８ａが同一平面上に位置するように、Ｘ軸方向における筐体６１の両側に設けられている。筐体６１の裏面６１ｂ及び各取付部６８の裏面６８ａは、設置部材１３の中間部５１の表面５１ａに接触している。筐体６１は、中間部５１の表面５１ａにおいて、中間部５１に対してねじ止めされている。本実施形態では、少なくとも表面５１ａに開口するように中間部５１に複数のねじ穴５１ｃが形成されており、複数のねじ穴５１ｃに対応するように一対の取付部６８に複数のばか穴６８ｂが形成されている。筐体６１は、設置部材１３とは反対側から各ばか穴６８ｂを介して各ねじ穴５１ｃにボルト６９が螺合されることで、中間部５１に取り付けられている。
半導体レーザモジュール１４は、支持部材７１、ホルダ７２及びレンズ７３を更に含んでいる。レンズ７３は、円筒状のホルダ７２内に取り付けられており、ホルダ７２は、支持部材７１に取り付けられている。つまり、支持部材７１は、レンズ７３を支持している。
支持部材７１は、取付部７４及び支持部７５を含んでいる。取付部７４は、Ｙ軸方向を厚さ方向とする板状の部分である。支持部７５は、Ｚ軸方向を厚さ方向とする板状の部分である。支持部７５は、取付部７４における後側の端部に沿って立設されている。取付部７４及び支持部７５は、例えばアルミニウムによって、一体的に形成されている。
取付部７４は、Ｙ軸方向に垂直な裏面７４ａを有している。裏面７４ａは、取付部７４におけるヒートシンク１１側の表面である。裏面７４ａは、設置部材１３の前側部５２の表面５２ａに接触している。支持部７５は、Ｚ軸方向に垂直な後面７５ａを有している。後面７５ａは、支持部７５における筐体６１側の表面である。後面７５ａは、設置部材１３の中間部５１の前面５１ｄに接触している。前面５１ｄは、中間部５１の表面５１ａと前側部５２の表面５２ａとの段差によって形成された表面であり、Ｚ軸方向に垂直な表面である。支持部材７１は、前側部５２の表面５２ａにおいて、前側部５２に対してねじ止めされている。本実施形態では、前側部５２に形成された複数のばか穴５２ｃに対応するように取付部７４に複数のばか穴７４ｂが形成されている。支持部材７１は、ヒートシンク１１の本体部２１とは反対側から各ばか穴７４ｂ及び各ばか穴５２ｃを介して各ねじ穴２１ｆにボルト５４が螺合されることで、前側部５２に取り付けられている。
ホルダ７２は、レンズ７３を保持した状態で、支持部７５に形成された開口７５ｂに配置されている。支持部７５には、ねじ穴７５ｃが形成されている。ねじ穴７５ｃは、支持部７５における取付部７４とは反対側の端面から開口７５ｂの内面に至っている。ホルダ７２は、ねじ穴７５ｃに螺合された止めねじ７６によって、支持部７５に固定されている。レンズ７３の光軸は、半導体レーザ素子６５（図７参照）の光軸と一致している。レンズ７３は、数度～数十度の出射角で半導体レーザ素子６５から出射されたレーザ光ＬをワークＷ（図１参照）に対して集光する集光レンズである。
上述したように、設置部材１３は、第１エリアＡ１において、ヒートシンク１１の本体部２１に対してねじ止めされており、筐体６１は、中間部５１の表面５１ａにおいて、設置部材１３の中間部５１に対してねじ止めされている。つまり、筐体６１は、第１エリアＡ１において、設置部材１３を介して、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。また、上述したように、設置部材１３は、第１エリアＡ１において、ヒートシンク１１の本体部２１に対してねじ止めされており、支持部材７１は、前側部５２の表面５２ａにおいて、設置部材１３の前側部５２に対してねじ止めされている。つまり、支持部材７１は、第１エリアＡ１において、設置部材１３を介して、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。以上のように、筐体６１及び支持部材７１を含む半導体レーザモジュール１４は、第１エリアＡ１において、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。レーザ照射ヘッド１０では、ヒートシンク１１の本体部２１のうちの側壁部２６に複数のねじ穴２１ｆが形成されているから、半導体レーザモジュール１４は、第１エリアＡ１において、側壁部２６に対してねじ止めされている。
なお、本明細書において、「第１構成（部、部材、モジュール、コネクタ等）が、エリア（面等を含む）において、第２構成（部、部材等）に対してねじ止めされている」とは、第１構成がエリア内又はエリア上に位置した状態で（第１構成がエリアに接触していてもよいし、第１構成がエリアから離間していてもよい）、ねじを用いた手段によって第１構成が第２構成に直接的に（他の部材を介さずに）又は間接的に（他の部材を介して）取り付けられていることを意味する。ここで、ねじを用いた手段としては、ボルト、ナット、第１構成に形成された雌ねじ、第１構成に形成された雄ねじ、第２構成に形成された雌ねじ、第２構成に形成された雄ねじ等から選択される任意の組合せを選択することができる。
以上のように構成されたレーザ照射ヘッド１０では、半導体レーザ素子６５からレーザ光Ｌが出射されると、半導体レーザ素子６５から熱が発せられる。半導体レーザ素子６５から発せられた熱は、筐体６１を介して設置部材１３に伝わり、ペルチェ素子１２の吸熱エリア４１ａにおいて回収される。ペルチェ素子１２の発熱エリア４１ｂから排出された熱は、ヒートシンク１１に伝わり、隣り合う突出部２７の間等を含む流路２４を流れる冷媒Ｒによって回収される。
以上説明したように、レーザ照射ヘッド１０では、半導体レーザモジュール１４、第１配管コネクタ１５及び第２配管コネクタ１６がヒートシンク１１に対してねじ止めされている。これにより、レーザ照射ヘッド１０をロボットアーム等の移動機構７に取り付けて用いた場合に、ヒートシンク１１から半導体レーザモジュール１４、第１配管コネクタ１５及び第２配管コネクタ１６が不意に脱落するのを防止することができる。更に、第１配管コネクタ１５及び第２配管コネクタ１６がヒートシンク１１に対してねじ止めされる第２エリアＡ２が、半導体レーザモジュール１４がヒートシンク１１に対してねじ止めされる第１エリアＡ１と交差する関係にある。これにより、ヒートシンク１１の小型化を図りつつも、ヒートシンク１１に対して半導体レーザモジュール１４、第１配管コネクタ１５及び第２配管コネクタ１６を空間的に効率良く配置することができる。以上により、レーザ照射ヘッド１０は、移動機構７に取り付けて用いるような用途に好適である。
半導体レーザモジュール１４、第１配管コネクタ１５及び第２配管コネクタ１６（「半導体レーザモジュール１４等」という）がヒートシンク１１に対してねじ止めされていることで、次のような効果も奏される。すなわち、ヒートシンク１１に対する半導体レーザモジュール１４等のねじ止めに緩みが生じたとしても、当該緩みは徐々に進行するため、レーザ光Ｌの出力が徐々に低下する等、異常が段階的に現れる。したがって、ヒートシンク１１から半導体レーザモジュール１４等が脱落する前に、当該緩みを発見し得る確率が高まる。よって、ヒートシンク１１から半導体レーザモジュール１４等が不意に脱落する場合に比べ、レーザ照射装置１の被害を小さく抑えることができる。また、ヒートシンク１１に対する半導体レーザモジュール１４等のねじ止めによって、メンテナンスの容易化も実現される。
レーザ照射ヘッド１０では、ヒートシンク１１が、第１エリアＡ１及び第２エリアＡ２を有する本体部２１、並びに、蓋部２２を含んでおり、本体部２１が、流路２４を含み且つ第１エリアＡ１とは反対側に開口する凹部２３を有しており、蓋部２２が、凹部２３の開口部２３ａを塞ぐように本体部２１に取り付けられている。これにより、ヒートシンク１１の本体部２１に半導体レーザモジュール１４、第１配管コネクタ１５及び第２配管コネクタ１６がねじ止めされた状態で、流路２４のメンテナンスを実施することができる。
レーザ照射ヘッド１０では、本体部２１が、凹部２３を画定する底壁部２５及び側壁部２６、並びに、底壁部２５から凹部２３内に突出する突出部２７を含んでおり、底壁部２５、側壁部２６及び突出部２７が、一体的に形成されていている。これにより、底壁部２５、側壁部２６及び突出部２７の相互間で熱が伝わり易くなるため、本体部２１に対してねじ止めされた半導体レーザモジュール１４の冷却効果を向上させることができる。
レーザ照射ヘッド１０では、半導体レーザモジュール１４が、第１エリアＡ１において、本体部２１の側壁部２６に対してねじ止めされている。これにより、本体部２１に対する半導体レーザモジュール１４のねじ止めの安定性を向上させることができる。
レーザ照射ヘッド１０では、半導体レーザモジュール１４が、半導体レーザ素子６５を収容する筐体６１、及びレンズ７３を支持する支持部材７１を含んでいる。これにより、半導体レーザ素子６５に対するレンズ７３の設計の自由度を向上させることができる。
レーザ照射ヘッド１０では、筐体６１及び支持部材７１が、第１エリアＡ１において、設置部材１３を介して、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。これにより、例えば、筐体６１及び支持部材７１が別々の部材に配置された構成に比べ、半導体レーザ素子６５の光軸とレンズ７３の光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。つまり、設置部材１３の加工精度のみで、半導体レーザ素子６５及びレンズ７３の高さの調整が可能である。
レーザ照射ヘッド１０では、設置部材１３が、第１エリアＡ１に平行な表面５１ａ及び表面５２ａを有しており、表面５２ａが、表面５１ａよりも低い位置に位置している。そして、そして、筐体６１が、表面５１ａに配置されており、支持部材７１が、表面５２ａに配置されている。これにより、例えば、レンズ７３のサイズが大きい場合に、半導体レーザ素子６５の光軸とレンズ７３の光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。
レーザ照射ヘッド１０では、ヒートシンク１１と設置部材１３との間にペルチェ素子１２が配置されている。これにより、ペルチェ素子１２からヒートシンク１１に排熱させて、半導体レーザ素子６５の温度が一定となるように半導体レーザモジュール１４を冷却することができる。
レーザ照射ヘッド１０では、Ｚ軸方向（レーザ光Ｌの出射方向に平行な方向）における半導体レーザモジュール１４の中心が、Ｚ軸方向におけるヒートシンク１１の中心に対して前側（レーザ光Ｌが出射される側）に位置している。これにより、ヒートシンク１１上において半導体レーザモジュール１４の後側にスペースを設け、例えば、当該スペースに半導体レーザ素子６５用の電源を配置することができる。また、ヒートシンク１１に対するねじ穴の加工もし易くなる。
以上のようなレーザ照射ヘッド１０を備えるレーザ照射装置１によれば、好適なレーザ照射を実現することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されない。レーザ照射ヘッド１０は、ペルチェ素子１２を備えていなくてもよい。その場合にも、半導体レーザ素子６５から発せられた熱は、筐体６１及び設置部材１３を介してヒートシンク１１に伝わり、流路２４を流れる冷媒Ｒによって回収される。
レーザ照射ヘッド１０は、ペルチェ素子１２及び設置部材１３を備えていなくてもよい。図８に示されるレーザ照射ヘッド１０では、筐体６１及び支持部材７１が、第１エリアＡ１において、直接的に、ヒートシンク１１に対してねじ止めされている。これにより、例えば、筐体６１及び支持部材７１が別々の部材に配置された構成に比べ、構造の単純化を図りつつ、半導体レーザ素子６５の光軸とレンズ７３の光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。つまり、ヒートシンク１１の加工精度のみで、半導体レーザ素子６５及びレンズ７３の高さの調整が可能である。
ここで、図８に示されるレーザ照射ヘッド１０の構成について説明する。図８に示されるように、筐体６１の裏面６１ｂ及び各取付部６８の裏面６８ａは、本体部２１の表面（第３面）２１ａに接触している。本体部２１には、少なくとも表面２１ａに開口するように複数のねじ穴２１ｇが形成されている。筐体６１は、本体部２１とは反対側から各ばか穴６８ｂを介して各ねじ穴２１ｇにボルト６９が螺合されることで、本体部２１に取り付けられている。このように、筐体６１は、第１エリアＡ１である表面２１ａにおいて、本体部２１に対してねじ止めされている。
支持部材７１の取付部７４の裏面７４ａは、本体部２１の表面（第４面）２１ｈに接触している。表面２１ｈは、Ｙ軸方向に垂直な表面であり、表面２１ａに対して蓋部２２側に位置している。支持部材７１の支持部７５の後面７５ａは、本体部２１の前面２１ｉに接触している。前面２１ｉは、表面２１ａと表面２１ｈとの段差によって形成された表面であり、Ｚ軸方向に垂直な表面である。支持部材７１は、本体部２１とは反対側から各ばか穴７４ｂを介して各ねじ穴２１ｆにボルト５４が螺合されることで、本体部２１に取り付けられている。このように、支持部材７１は、第１エリアＡ１である表面２１ｈにおいて、本体部２１に対してねじ止めされている。図８に示されるレーザ照射ヘッド１０では、ヒートシンク１１が、第１エリアＡ１である表面２１ａ及び表面２１ｈを有しており、表面２１ｈが、表面２１ａよりも低い位置に位置している。そして、筐体６１が、表面２１ａに配置されており、支持部材７１が、表面２１ｈに配置されている。これにより、例えば、レンズ７３のサイズが大きい場合に、半導体レーザ素子６５の光軸とレンズ７３の光軸とを容易に且つ精度良く位置合せすることができる。
図９及び図１０に示されるように、筐体６１が設置部材１３を介してヒートシンク１１に取り付けられ、支持部材７１が設置部材１３を介さずにヒートシンク１１に取り付けらることで、半導体レーザモジュール１４が、第１エリアＡ１において、ヒートシンク１１に対してねじ止めされていてもよい。これによれば、設置部材１３とヒートシンク１１とでペルチェ素子１２を挟持することができる。また、半導体レーザ素子６５の光軸とレンズ７３の光軸とを容易に位置合せすることができる。
ヒートシンク１１において、底壁部２５から凹部２３内に突出する突出部２７は、放熱フィンとしての機能を有するものであってもよいし、流路２４を画定する機能を有するものであってもよい。また、図１１に示されるように、例えばヒートパイプ等がヒートシンク１１に埋設されることで、ヒートシンク１１に冷媒Ｒの流路２４が形成されていてもよい。また、冷媒Ｒは、空気に限定されず、不活性ガス等の他の気体であってもよいし、水等の液体であってもよい。ただし、冷媒Ｒが空気であれば、ヒートシンク１１から冷媒Ｒが漏れたとしても、ワークＷ等が冷媒Ｒによって汚染されるのを防止することができる。また、冷媒Ｒが空気であれば、第２配管コネクタ１６及び第２配管６を介して流路２４から冷媒供給源４に冷媒Ｒを戻さなくてもよい。また、上記レーザ照射装置１において、冷媒Ｒを冷却しながら循環供給してもよい。
図１２の（ａ）に示されるように、半導体レーザモジュール１４では、半導体レーザ素子６５を収容する筐体６１と集光レンズであるレンズ７３との間に、コリメートレンズであるレンズ７７が配置されていてもよい。また、図１２の（ｂ）に示されるように、半導体レーザモジュール１４では、集光レンズであるレンズ７３に代えて、コリメートレンズであるレンズ７７が配置されていてもよい。図１２の（ａ）及び（ｂ）では、レンズ７３，７７の少なくとも１つを支持する支持部材７１の図示が省略されているが、筐体６１とは別の支持部材７１にレンズ７３，７７の少なくとも１つを支持させることで、半導体レーザ素子６５に対するレンズ７３の設計の自由度を向上させることができる。
図１３の（ａ）に示されるように、半導体レーザモジュール１４では、半導体レーザ素子６５を収容する筐体６１に、窓部材６１ａ（図７参照）に代えて、コリメートレンズであるレンズ７７が配置されていてもよい。また、図１３の（ｂ）に示されるように、半導体レーザモジュール１４では、半導体レーザ素子６５を収容する筐体６１に、窓部材６１ａ（図７参照）に代えて、集光レンズであるレンズ７３が配置されていてもよい。これによれば、レンズ７３，７７の少なくとも１つを支持する支持部材７１の構成を単純化したり、支持部材７１を省略したりすることができる。
半導体レーザモジュール１４は、複数の半導体レーザ素子６５（例えば、半導体レーザ素子アレイ等）を含んでいてもよい。また、熱的に接続される部材間には、カーボングラファイトシート等のヒートスプレッダが配置されていてもよい。また、レーザ照射ヘッド１０は、半導体レーザ素子６５用の電源を搭載していてもよい。
１…レーザ照射装置、４…冷媒供給源、５…第１配管、６…第２配管、７…移動機構、１０…レーザ照射ヘッド、１１…ヒートシンク、１１ａ…外表面、１２…ペルチェ素子、１３…設置部材、１４…半導体レーザモジュール、１５…第１配管コネクタ、１６…第２配管コネクタ、２１…本体部、２１ａ…表面（第３面）、２１ｈ…表面（第４面）、２２…蓋部、２３…凹部、２３ａ…開口部、２４…流路、２５…底壁部、２６…側壁部、２７…突出部、５１ａ…表面（第１面）、５２ａ…表面（第２面）、６１…筐体、６５…半導体レーザ素子、７１…支持部材、７３，７７…レンズ、Ａ１…第１エリア、Ａ２…第２エリア、Ｒ…冷媒。

Claims (12)

  1. 半導体レーザ素子及びレンズを含む半導体レーザモジュールと、
    冷媒の流路を有するヒートシンクと、
    前記流路に前記冷媒を供給するための第１配管の着脱が可能な第１配管コネクタと、を備え、
    前記ヒートシンクは、第１エリア、及び前記第１エリアと交差する関係にある第２エリアを含む外表面を有し、
    前記半導体レーザモジュールは、前記第１エリアにおいて、前記ヒートシンクに対してねじ止めされており、
    前記第１配管コネクタは、前記第２エリアにおいて、前記ヒートシンクに対してねじ止めされている、レーザ照射ヘッド。
  2. 前記流路から前記冷媒を排出するための第２配管の着脱が可能な第２配管コネクタを更に備え、
    前記第２配管コネクタは、前記第２エリアにおいて、前記ヒートシンクに対してねじ止めされている、請求項１に記載のレーザ照射ヘッド。
  3. 前記ヒートシンクは、前記第１エリア及び前記第２エリアを有する本体部、並びに、蓋部を含み、
    前記本体部は、前記流路を含み且つ前記第１エリアとは反対側に開口する凹部を有し、
    前記蓋部は、前記凹部の開口部を塞ぐように前記本体部に取り付けられている、請求項１又は２に記載のレーザ照射ヘッド。
  4. 前記本体部は、前記凹部を画定する底壁部及び側壁部、並びに、前記底壁部から凹部内に突出する突出部を含み、
    前記底壁部、前記側壁部及び前記突出部は、一体的に形成されている、請求項３に記載のレーザ照射ヘッド。
  5. 前記半導体レーザモジュールは、前記第１エリアにおいて、前記側壁部に対してねじ止めされている、請求項４に記載のレーザ照射ヘッド。
  6. 前記半導体レーザモジュールは、前記半導体レーザ素子を収容する筐体、及び前記レンズを支持する支持部材を更に含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のレーザ照射ヘッド。
  7. 前記ヒートシンクと前記半導体レーザモジュールとの間に配置された設置部材を更に備え、
    前記筐体及び前記支持部材は、前記第１エリアにおいて、前記設置部材を介して、前記ヒートシンクに対してねじ止めされている、請求項６に記載のレーザ照射ヘッド。
  8. 前記設置部材は、前記第１エリアに平行な第１面及び第２面を有し、
    前記第２面は、前記第１面よりも低い位置に位置しており、
    前記筐体は、前記第１面に配置されており、
    前記支持部材は、前記第２面に配置されている、請求項７に記載のレーザ照射ヘッド。
  9. 前記ヒートシンクと前記設置部材との間に配置されたペルチェ素子を更に備える、請求項７又は８に記載のレーザ照射ヘッド。
  10. 前記筐体及び前記支持部材は、前記第１エリアにおいて、直接的に、前記ヒートシンクに対してねじ止めされている、請求項６に記載のレーザ照射ヘッド。
  11. 前記ヒートシンクは、前記第１エリアである第３面及び第４面を有し、
    前記第４面は、前記第３面よりも低い位置に位置しており、
    前記筐体は、前記第３面に配置されており、
    前記支持部材は、前記第４面に配置されている、請求項１０に記載のレーザ照射ヘッド。
  12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載のレーザ照射ヘッドと、
    可撓性を有し、前記第１配管コネクタに接続された第１配管と、
    前記第１配管を介して前記流路に前記冷媒を供給する冷媒供給源と、
    前記レーザ照射ヘッドを移動させる移動機構と、を備える、レーザ照射装置。
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