JP4244158B2

JP4244158B2 - レーザ加工装置およびその冷却方法

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Publication number: JP4244158B2
Application number: JP2003136540A
Authority: JP
Inventors: 浩志梅本
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP2004342779A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光を加工対象物に照射して印字などの加工を行うレーザ加工装置の冷却に関し、例えば熱電冷却加熱素子を使用して空冷で冷却するレーザ加工装置およびレーザ加工装置の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品などの加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキングなどの加工を行う。このようなレーザ加工装置では、レーザ光を励起させるレーザ励起光源や、励起光を固体レーザ媒質に照射して共振させる共振器等で激しい発熱を伴うため、これを効果的に冷却する機構が必要となる。特に高精度な加工を行うためには、レーザ光の出力を一定に制御する必要があり、そのためには固体レーザ媒質を励起するためのレーザ励起光源の波長を均一に制御することが要求される。レーザ励起光源の励起光は温度依存性があるため、安定して固体レーザ媒質を励起させるにはレーザ励起光源の温度制御が重要となる。同様に固体レーザ媒質の温度管理もレーザ出力を安定化させるために必要となる。レーザを長期にわたって安定して使用するためにも、これらを一定温度に維持して波長を安定化させレーザの寿命を長寿命化させることが重要となり、正確な温度制御を行う冷却機構が要求される。このようなレーザ加工装置の発熱部分を冷却する手法には、水冷、空冷等の様々な方式がある。例えば特許文献１に示すレーザ装置では、ペルチェ素子を用いてレーザ励起部を冷却している。ペルチェ素子は半導体のｐｎ接合に電流を流すことで熱移動を生じさせる素子であり、通電量によって熱量を制御できるため温度制御に好適である。このペルチェ素子を放熱板に接触させ、放熱板を介してレーザ励起部を冷却する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１６６７３７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ励起部を冷却すると、同時に放熱板表面が近辺の空気も冷却し、空気中の水分が凝固して結露が発生する。結露が生じると、ペルチェ素子に水分が浸入して絶縁が破壊され、冷却力が損なわれるおそれがある。また水分が電子回路の端子部分などに付着して腐食を引き起こし、動作不良の原因ともなる。接触不良が生じると装置を停止させて部品を交換する必要があるため、このようなトラブルが頻発すると作業能率が著しく低下する。トラブルの原因となる結露を防止するため、レーザ励起部をケース等に収納して外気から遮断して水分の浸入を防ぐ方法もあるが、ケーブルやリード線等を外部に引き出す貫通孔に僅かでも隙間があると、そこから空気中に含まれる水分がケース内に浸入して結露の原因となる。特に、放熱板等が冷却されて温度が下がると、この部分に触れる空気が冷却されて凝固する。気相が液化すると、体積が減少するため負圧となり、ケースの隙間から外気を吸引する状態となり、さらに外気に含まれる水分がケース内で凝縮して結露するという悪循環となり、結露が次々に発生する。
【０００５】
さらにケースを完全に密閉したとしても、ケース内に存在する空気に含まれる水分が凝結してケース内に結露することがある。さらにまた、ケース内でレーザ励起部を冷却するに伴ってケース自体の温度も低下するため、ケースを取り巻く外気が冷却されたケース表面で結露する。これによって、励起モジュールを収納するケースの外部周辺で激しい結露が発生し、レーザ加工装置の内部に水分が溜まりレーザ励起部のみならず他の回路等にも悪影響を及ぼすおそれがあるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の目的は、発熱部分の周辺で結露の発生を有効に阻止し得るレーザ加工装置およびレーザ加工装置の冷却方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載されるレーザ加工装置は、レーザ媒質８を励起して誘導光を放出させるためのレーザ励起部６を備えるレーザ制御部１と、前記レーザ制御部１と光学的に結合され、ロッド状のレーザ媒質８と走査部９を備え、前記レーザ励起部６からの光をレーザ媒質８のロッド状の一端面から照射してレーザ媒質８を励起し、他端面からレーザ光を出射し、走査部９で走査してレーザ光を出力するレーザ出力部２と、を備えるレーザ加工装置であって、前記レーザ制御部１が、上面に前記レーザ励起部６が固定され、前記レーザ励起部６と熱伝導するように装着された放熱器１６と、前記放熱器１６から熱伝導された熱を外部に放熱するためのヒートシンク２０と、放熱面と吸熱面を備え、吸熱面を前記放熱器１６と熱伝導するように装着し、放熱面を前記ヒートシンク２０に装着した複数の熱電冷却加熱素子１７と、前記レーザ励起部６、放熱器１６および熱電冷却加熱素子１７を外気と気密に遮断するように密閉状態で収納するケース１９と、前記ケース１９内部で前記放熱器１６が前記熱電冷却加熱素子１７との接触面以外で表出しないように、前記放熱器１６の側面のすべてと、上面の内、レーザ励起部６との接触面以外の部分を被覆して熱的に遮断する断熱材１８とを備えており、前記熱電冷却加熱素子１７が前記放熱器１６と前記ヒートシンク２０とにより狭着された状態で、前記ヒートシンク２０の放熱面を前記ケース１９の外部に表出させる一方、前記放熱器１６と前記熱電冷却加熱素子１７とが前記ケース１９内部で表出しないように、これらの周囲を囲むように断熱材１８が固定されてなることを特徴とする。
【０００８】
この構成によって、熱電冷却加熱素子１７で放熱器１６を介してレーザ発生源を冷却する一方、ケース１９を気密に閉塞して外部からの水分の供給を断つことで、ケース１９の内部で結露が発生することが防止される。さらに断熱材１８で放熱器１６を覆うことによって、ケース１９内部の空気の冷却によるケース１９自体が冷却されてケース１９表面に結露が発生することが防止される。このようにレーザ発生源周辺やレーザ加工装置内部での結露の発生を有効に阻止できるので、結露に起因するコネクタ部分の腐食による不具合発生が防止される。さらに熱電冷却加熱素子１７で移動された熱をヒートシンク２０で効果的に放熱でき、ケース１９の内部、外部での結露を効果的に防止できる。
【０００９】
また、本発明の請求項２のレーザ加工装置は、請求項１に記載のレーザ加工装置であって、前記断熱材１８は、前記熱電冷却加熱素子１７の配置面積よりも大きい第１の開口部を有し、当該第１の開口部により前記熱電冷却加熱素子１７の周囲を囲んだ状態で前記ヒートシンク２０に固定される第１の断熱材１８Ｂと、前記レーザ励起部６を挿通するための第２の開口部を有し、当該第２の開口部に前記レーザ励起部６を挿通して、前記放熱器１６の上面でレーザ励起部６との接触面以外の部分を被覆する第２の断熱材１８Ａとを接着して構成されてなることを特徴とする。
【００１０】
【００１１】
さらに、本発明の請求項３のレーザ加工装置は、請求項２に記載のレーザ加工装置であって、前記第１の断熱材１８Ｂの第１の開口部は、前記放熱器１６の大きさよりも小さく、前記熱電冷却加熱素子１７が前記放熱器１６と前記ヒートシンク２０により狭着された際に、前記第１の断熱材１８Ｂの一部が前記放熱器１６と前記ヒートシンク２０に狭着されることで、前記第１の断熱材１８Ｂの一部が前記放熱器１６と前記ヒートシンク２０との間の隙間を閉塞するよう構成されてなることを特徴とする。
【００１２】
さらにまた、本発明の請求項４のレーザ加工装置は、請求項１から３のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース１９が断熱効果のある材質で構成されてなることを特徴とする。
【００１３】
さらにまた、本発明の請求項５のレーザ加工装置は、請求項１から４のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ヒートシンク２０は両端を開口する中空状で、内部に複数のスリットを設けており、開口部に送風用のファン２１を備え、ファン２１を回転させてスリット表面に送風し空冷式でヒートシンク２０を冷却するよう構成してなることを特徴とする。
【００１４】
さらにまた、本発明の請求項６のレーザ加工装置は、請求項１から５のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース１９が前記ヒートシンク２０との接合部を弾性部材２５で気密に封止してなることを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、本発明の請求項７のレーザ加工装置は、請求項１から６のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ励起部６に接続される一以上のケーブルは、防水型コネクタ３０を介して前記ケース１９外部と接続されてなることを特徴とする。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項８のレーザ加工装置は、請求項１から７のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ励起部６には熱電対２７が接続され、前記熱電対２７は前記ケース１９に穿孔された貫通孔を通じて外部に引き出されると共に、貫通孔はシリコーンゴムによって気密に封止されてなることを特徴とする。
【００１７】
さらにまた、本発明の請求項９のレーザ加工装置は、請求項１から８のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース１９内に吸湿材２３を封入してなることを特徴とする。
【００１８】
さらにまた、本発明の請求項１０のレーザ加工装置は、請求項１から９のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記熱電冷却加熱素子１７がペルチェ素子であることを特徴とする。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項１１のレーザ加工装置は、請求項１から１０のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース１９が透光性を有するポリカーボネート樹脂であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項１２のレーザ加工装置の冷却方法は、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面とを備える放熱器１６の、第１の面に複数の熱電冷却加熱素子１７を固定し、第２の面にレーザ発生源を固定し、前記熱電冷却加熱素子１７との接触面を除く、前記放熱器１６の側面のすべてと、第２の面の内、レーザ発生源との接触面以外の部分を断熱材１８で被覆して、前記放熱器１６及び熱電冷却加熱素子１７の周囲を囲み、前記熱電冷却加熱素子１７が前記放熱器１６と、外部に放熱するためのヒートシンク２０とにより狭着された状態で、前記ヒートシンク２０の放熱面を前記ケース１９の外部に表出させる一方、前記放熱器１６と前記熱電冷却加熱素子１７とが前記ケース１９内部で表出しないよう前記断熱材１８を固定するステップと、前記レーザ発生源、放熱器１６および熱電冷却加熱素子１７をケース１９内に収納し、ケース１９を気密に封止するステップとを備えてなり、前記レーザ発生源を動作させたとき、前記熱電冷却加熱素子１７で前記放熱器１６を介して前記レーザ発生源の温度を所定温度に維持すると共に、ケース１９内の空気をケース１９外部と遮断することでケース１９内への水分の浸入を阻止して結露を抑制し、なおかつ前記断熱材１８によって前記熱電冷却加熱素子１７の吸熱・放熱効果を前記レーザ発生源の温度制御に集中させ、他の部材への温度伝搬を抑制してケース１９外部への結露を防止してなることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザ加工装置およびレーザ加工装置の冷却方法を例示するものであって、本発明はレーザ加工装置およびレーザ加工装置の冷却方法を以下のものに特定しない。
【００２２】
さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２３】
本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工装置の冷却方法は、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理などのレーザ加工に利用される。ただ、本発明はその名称に拘わらず、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えばＤＶＤ等の光ディスクの高密度記録再生用光源や通信用の光源、印刷機器、照明用光源、ディスプレイなどの表示装置用の光源、医療機器等において、好適に利用できる。以下の例では、レーザ加工装置の一例としてレーザマーカに適用する例について説明する。
【００２４】
図１に、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。
【００２５】
［入力部３］
入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置の動作条件や具体的な印字内容等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３は入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部を別途設けることもできる。表示部はＬＣＤやブラウン管等のモニタであり、タッチパネル方式として入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータなどを外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。
【００２６】
［レーザ制御部１］
レーザ制御部１は、制御部４とメモリ部５とレーザ励起部６と電源７とを備える。入力部３から入力された設定内容をメモリ部５に記録する。制御部４は必要時にメモリから設定内容を読み込み、印字内容に応じた印字信号に基づいてレーザ励起部６を動作させてレーザ出力部２のレーザ媒質８を励起する。メモリ部５はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード等の半導体メモリカード、カード型ハードディスクなどのメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。
【００２７】
さらに制御部４は、設定された印字を行うようレーザ媒質８で発振されたレーザ光をワークＷ上で走査させるため、レーザ出力部２の走査部９を動作させる走査信号を走査部９に出力する。電源７は、定電圧電源として、レーザ励起部６へ所定電圧を印加する。印字動作を制御する印字信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光の１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
【００２８】
（レーザ励起部６）
レーザ励起部６は、光学的に接合されたレーザ励起光源１０と集光部１１を備える。レーザ励起部６の内部の一例を図２の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部６は、レーザ励起光源１０と集光部１１をレーザ励起部ケーシング１２内に固定している。レーザ励起部ケーシングは、熱伝導性の良い真鍮などの金属で構成され、レーザ励起光源１０を効率よく外部に放熱する。レーザ励起光源１０は半導体レーザ等で構成される。図２の例では、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振は集光部１１の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。集光部１１はフォーカシングレンズ等で構成される。集光部１１からのレーザ励起光は光ファイバケーブル１３等によりレーザ出力部２のレーザ媒質８に入射される。レーザ励起光源１０と集光部１１、光ファイバケーブル１３は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。
【００２９】
［レーザ出力部２］
レーザ出力部２は、レーザ媒質８と走査部９を備える。レーザ媒質８は、光ファイバケーブル１３を介してレーザ励起部６から入射されるレーザ励起光で励起されてレーザ発振される。レーザ媒質８はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光を出射する。あるいは、ロッドの側面から励起する方式としても良い。
【００３０】
（レーザ媒質８）
上記の例では、レーザ媒質８としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ_４の固体レーザ媒質を用いた。また固体レーザ媒質の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ_４の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光の波長を任意の波長に変換できる。
【００３１】
さらに、固体レーザ媒質を使用せず、言い換えるとレーザ光を発振させる共振器を構成せず、波長変換のみを行う波長変換素子を使用することもできる。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行う。波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ_４）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ_３）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ_４）、ＢＢＯ、ＬＢＯや、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ_３（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ_３等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバーを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザーを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。
【００３２】
（走査部９）
走査部９は、レーザ媒質８の出射端面から出射されたレーザ光を反射させて所望の方向に出力し、ワークＷの表面でレーザ光を走査して印字する。走査部９はレーザ媒質８の出射側端面に隣接して設けられ、Ｘ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂ、ｆθレンズ１５等から構成される。走査部９は、制御部４から与えられる走査信号に基づいて、Ｘ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂに備えられたガルバノモータを動作させることにより、ガルバノモータの出力軸に設けられた全反射ミラーを回動させて、レーザ媒質８から発振されたレーザ光を偏向・走査する。偏向・走査されたレーザ光は、略偏向方向に設けられたｆθレンズ１５を介してワークＷの表面に照射されてマーキングする。ｆθレンズ１５は、スキャナがニュートラル位置にある状態において偏向されたレーザ光がその中央を平行光として入射されるように設けられている。
【００３３】
次に、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置のレーザ制御部１の分解斜視図を図３に、平面図を図４（ａ）に、図４（ａ）のＩＶ−ＩＶ’線における縦断面図を図４（ｂ）にそれぞれ示す。この図に示すレーザ制御部１は、レーザ励起部６と、レーザ励起部６の底面に固定された放熱器１６と、放熱器１６を介してレーザ励起部６を冷却する熱電冷却加熱素子１７と、放熱器１６の不要な熱伝導を抑制するように断熱する断熱材１８と、これらの部材を収納して外部と気密に遮断するケース１９と、熱電冷却加熱素子１７の放熱面を面接触して固定したヒートシンク２０と、ヒートシンク２０の開口部に固定された送風用のファン２１を備える。
【００３４】
［放熱器１６］
レーザ励起部６を放熱する放熱器１６は、熱伝導性の良い金属製で、アルミニウムや真鍮製の放熱板が好適に利用できる。放熱器１６の上面にはレーザ励起部６が固定され、下面は熱電冷却加熱素子１７と面接触して、放熱器１６を介してレーザ励起部６を放熱、冷却する。
【００３５】
［熱電冷却加熱素子１７］
熱電冷却加熱素子１７は、ペルチェ素子等が利用できる。ペルチェ素子は異種金属の接触面を通電したとき熱が発生または吸収される現象を利用した板状の素子で、吸熱面と放熱面を備える。ペルチェ素子は可動部が無いので振動を生じず小型軽量であるなどの利点を備える反面、自己発熱が大きい。そのため、放熱面をヒートシンク２０と接触させて放熱している。ペルチェ素子は、直流電流を流す方向を逆にすることにより、熱の移動方向も逆になるので、放熱面と吸熱面を逆転することが可能である。このためペルチェ素子は、加熱にも冷却にも利用することが出来、高精度の温度制御に適している。本明細書においては、レーザ励起部を所定の温度に維持するために熱電冷却加熱素子を制御するので、熱電冷却加熱素子は冷却する場合、加熱する場合のいずれも含み、また「冷却」は必要に応じて適宜「加熱」と読み替えることができる。
【００３６】
図３の例では、２枚×３枚の６枚のペルチェ素子を同一平面に並べて配置している。ペルチェ素子は、吸熱面を上面にして放熱器１６と面接触させ、放熱面を下面にしてヒートシンク２０と面接触させて、放熱器１６とヒートシンク２０で狭着されるように面接触状態で保持される。ペルチェ素子に接触面で過度の押圧力が印加されないように、放熱器１６とヒートシンク２０との間にはスペーサ２２が４箇所に配置される。
【００３７】
ヒートシンク２０は、両端を開口する中空状で、内部に複数のスリットを設けることで表面積を大きくして放熱性を上げると共に、空気を通りやすくして熱交換による放熱を促進する。ヒートシンク２０も熱伝導性の良いアルミニウムや真鍮等の金属で構成され、好ましくは放熱器１６と同じ材質で構成する。ヒートシンク２０の開口部には送風用のファン２１を備える。ファン２１は、いずれかの開口部に一設けることも可能であるが、好ましくはヒートシンク２０の空気の吸入側と排出側の開口部にそれぞれ設けられる。吸入用と排出用にそれぞれファンを設け、２つのファンによってスリット表面での空気の流れをよくし効率良く放熱する。このように空冷式で熱電冷却加熱素子１７、レーザ励起部６を冷却することで、水冷式のレーザ加工装置に比べて水冷用の外部チラーなどの冷却ユニットを省略できる。これによって冷却水の供給設備や水そのものが不要で、省資源化、省スペース化と装置構成の簡素化が実現される。ただ、放熱量が多く空冷式では冷却が不十分な場合等、必要に応じて空冷式に代わって、あるいはこれに加えて水冷式を本発明に適用できることは言うまでもない。
【００３８】
［ケース１９］
ヒートシンク２０の上面には熱電冷却加熱素子１７、放熱器１６、レーザ励起部６を気密に閉塞するケース１９が固定される。ケース１９は、熱電冷却加熱素子１７で冷却される放熱器１６が結露しないよう、放熱器１６周辺を外気と完全に遮蔽する。外部から水分を含む空気がケース１９に浸入することを防止することで、ケース１９内の結露が防止される。ケース１９内部にはさらに吸湿材２３が封入される。これによって、装置の組み立て時にケース１９に取り込まれて存在する空気に含有される水分で結露することが防止される。吸湿材２３にはゼオライトなどが利用できる。
【００３９】
ケース１９は略直方体形状で上方を開口した本体カバー１９Ａと、開口部を閉塞する上カバー１９Ｂで構成される。ケース１９の上方を開口させることによって、メンテナンス作業時にこの部分のみを開放して作業できる。本体カバー１９Ａと上カバー１９Ｂの接合部分は、パッキン等の弾性部材２４を狭着してネジ止めされる。本体カバー１９Ａと上カバー１９Ｂの接合時に弾性部材２４が弾性変形して接合部分の隙間を塞ぎ、気密に閉塞される。弾性部材２４は、ニトリルブチルラバー（ＮＢＲ）製やシリコーンゴム製のパッキン等が好適に利用できる。同様に、本体カバー１９Ａとヒートシンク２０との接合面においても、弾性部材２５を狭着してネジ止めしており、これによって気密に閉塞される。なおケース１９は複数部材で構成することなく、一体のケース１９で放熱器１６などを収納するよう構成しても良い。またケース１９は熱電冷却加熱素子１７、放熱器１６、レーザ励起部を外部と気密に閉塞できる構造であれば良く、図３のような下方を開口する箱形に限定されない。例えば半円形のドーム状としてヒートシンク上に固定する構造や、一端面を開口する角柱状、円筒状として開口部を封止する構造等を利用することもできる。
【００４０】
ケース１９は熱伝達を抑制し断熱効果のあるプラスチックやポリカーボネートで構成される。特にポリカーボネートは透湿度が低く、湿度の浸入を抑制でき好ましい。さらにケース１９は透光性部材とすることで、内部の状態が確認でき、組み立てやメンテナンス時の作業を容易にできる。例えば配線がケース１９内部で絡まったりケース１９の接合面で配線を挟み込むといったトラブルの発生を外部から容易に確認できる。
【００４１】
［コネクタ３０］
レーザ励起部６に電源７から電力を供給するための電源線や、その他の信号線などのケーブル２６は、防水型コネクタ３０を介してケース１９外部と電気的に接続される。これによってケース１９からケーブル２６を引き出す穴から空気がケース１９内に浸入し水分がケース１９内部に供給されるのを防止できる。コネクタ３０は通気性がなく防水仕様のものを使用する。コネクタ３０は図４の断面図に示すように、ケース１９との締結部分をゴム等の弾性体で構成されたＯリング３１で封止し、かつコネクタ３０に接続される光ファイバケーブル１３との間をシーリングテープ３２で密閉している。コネクタ３０にケーブル２６を接続することで、信号や電力などがレーザ励起部６とケース１９外部とでやりとりされる。なお、防水型のコネクタを使用することなく、例えばケースにケーブルを通すための貫通孔を設け、貫通孔にケーブルを通した後孔を気密にシールする構成としてもよい。
【００４２】
［熱電対２７］
レーザ励起部６には、レーザ励起光源の温度を測定するための熱電対２７が接続される。熱電対２７はレーザ励起部６の表面に接触するように固定される。図１に示すように熱電対２７で測定された温度は制御部４で検出され、レーザ励起部６を一定温度に保つように制御部４は熱電冷却加熱素子１７の通電量を制御して放熱器１６を冷却する。放熱器１６とレーザ励起部６の温度関係が判明している場合は、熱電対２７を放熱器１６に接触するように設けても良い。例えば、レーザ励起部６の温度を３０℃に維持するために、熱電冷却加熱素子１７は放熱器１６の温度を２０℃に冷却する。このように制御部４は、レーザ励起部６の駆動時にペルチェ素子に通電して、放熱器１６を冷却または加熱し、放熱器１６によってレーザ励起部６の温度を一定に維持する。
【００４３】
熱電対２７と制御部４とを接続するリード線２８は、図３の破線に示すようにケース１９に穿孔された貫通孔２９を通じてケース１９外部に引き出される。貫通孔２９はテフロン（登録商標）やシリコーンゴム等によって気密に封止される。熱電対２７に防水型のコネクタを使用すると、コネクタ部分の接触抵抗などにより電圧値が変化することがあるため、コネクタを使用せず直接接続としたものである。
【００４４】
以上のようにケース１９で、レーザ励起部６と放熱器１６、熱電冷却加熱素子１７を外部と遮断し気密に閉塞することで、ケース１９内部に水分を含んだ空気が入り込むのが阻止され、ケース１９内部での結露を効果的に防止することができる。これによってペルチェ素子等の熱電冷却加熱素子１７の冷却能力が水分で損なわれることが防止され、長期にわたって安定した冷却能力が維持されて信頼性の向上と長寿命化が図られる。
【００４５】
［断熱材１８］
さらに上記のレーザ制御部１は、断熱材１８で放熱器１６及び熱電冷却加熱素子１７を覆っている。ケース１９内で放熱器１６や熱電冷却加熱素子１７と接する空気が冷却されると、ケース１９内部の空気の温度が低下し、これによってケース１９自体が冷却されて、ケース１９の外部との温度差によってケース１９表面で結露が発生する。ケース１９表面で結露が発生すると、ケース１９の外側でレーザ加工装置の内部に水分が溜まるため、これによって接点部分の腐食などが発生し、仮にケース１９内部での結露が抑制されたとしても、レーザ加工装置全体の不具合を回避することができない。そこで本発明の実施の形態においては、ケース１９による閉塞に断熱材１８による断熱を組み合わせることで、ケース１９内外の結露を効果的に防止している。具体的には、断熱材１８で放熱器１６及び熱電冷却加熱素子１７を覆い断熱することにより冷気を封じ込め、外部に漏れる冷気が結露を引き起こすのを阻止し、かつ冷気をレーザ励起部６の冷却に集中させて効率的に冷却する。
【００４６】
断熱材１８は断熱性に優れたあらゆる素材が利用できるが、好ましくはスポンジ状の弾性変形する部材を使用する。断熱材１８の材質としては、例えば発泡ポリエチレン、発泡ポリオレフィン、発泡ポリスチレン等が利用できる。断熱材１８は、図４（ｂ）に示すように放熱器１６がケース１９内部で表出しないように表面を被覆して、これを熱的に遮断する。具体的には、放熱器１６の上面ではレーザ励起部６との接触面以外の部分を覆うように、断熱材１８Ａの中央付近にレーザ励起部６の外周とほぼ同じ大きさか、若干これよりも小さい開口部を形成した断熱材１８Ａで、開口部にレーザ励起部６を挿通して放熱器１６の上面を断熱材１８で被覆する。弾性変形する断熱材１８を使用すれば、開口部をレーザ励起部６の外周よりも若干小さく成型することで開口部にてレーザ励起部６に対し押圧力が印加され隙間なく閉塞できる。
【００４７】
また放熱器１６の側面部分は、放熱器１６とヒートシンク２０が熱電冷却加熱素子１７を狭着する状態で、この隙間を含めた側面部分を被覆するように断熱材１８で周囲を覆っている。側面部分は、上面を被覆する断熱材１８と別部材で構成しても良いし、一体形成で成型しても良い。図３の例では、断熱材１８Ａを下方を開口して放熱器１６を挿入できる大きさに成型した一体型としている。ただ、上面と側面四方をそれぞれ覆う大きさに断裁したシート状の５枚の断熱材で構成したり、側面を一枚のシートで折曲して一巡させて覆うように構成しても良い。側面を被覆する断熱材１８は、ヒートシンク２０の上面に接着されて放熱器１６とヒートシンク２０の隙間を閉塞する。一方、図３の例では、放熱器１６とヒートシンク２０の隙間を閉塞するための断熱材として、別部材の断熱材１８Ｂを設けている。断熱材１８Ｂは、大きさを放熱器１６よりも大きくし、断熱材１８Ａとほぼ同じ大きさとしている。また厚さは、熱電冷却加熱素子１７が狭着される放熱器１６とヒートシンク２０との隙間、すなわちスペーサ２２の厚さよりも厚くする。さらに断熱材１８Ｂは中央を開口し、複数並べられた熱電冷却加熱素子１７を囲むように配される。開口部の大きさは、熱電冷却加熱素子１７の配置面積よりも大きく、かつ放熱器１６の大きさよりも小さくする。断熱材１８Ｂは６枚のペルチェ素子を囲む状態で接着剤などでヒートシンク２０の上面に固定される。
【００４８】
この状態でスペーサ２２を介して熱電冷却加熱素子１７を放熱器１６で狭着する。この際、断熱材１８Ｂの開口部を放熱器１６が閉塞するように配置することで、放熱器１６よりも開口部が小さいため断熱材１８Ｂの一部が放熱器１６とヒートシンク２０で狭着される。断熱材１８Ｂは弾性変形して放熱器１６とヒートシンク２０との間の隙間を閉塞するので、この隙間から熱電冷却加熱素子１７がケース１９内に表出しないように閉塞することができる。ヒートシンク２０上に固定された断熱材１８Ｂは、さらに断熱材１８Ａと接着剤などで固定される。このように断熱材１８を別部材に分割することで、放熱器１６の固定時にヒートシンク２０との隙間を簡単かつ確実に閉塞できるというメリットが得られる。
【００４９】
断熱材１８は、熱電冷却加熱素子１７が放熱器１６を介してレーザ励起部６のみを冷却し、ケース１９内の空気など他の部分を冷却しないようにすることが好ましい。言い換えると、ケース１９内部で放熱器１６が露出しないように断熱材１８で覆い他の部分から断熱することで、熱電冷却加熱素子１７による熱交換がレーザ励起部６の冷却以外に用いられることを抑制して、熱交換のエネルギーがレーザ励起部６の冷却に集中され、効率的な冷却が行われる。ただ、放熱器１６の表面の全面を完全に被覆する必要は必ずしもなく、断熱材１８による放熱器１６表面部分の断熱効果が十分に得られる程度であれば、放熱器１６の表面の一部が露出することを妨げない。例えば製造時における微細な隙間から放熱器１６が僅かに表出することは、断熱効果に鑑みて許容され得る。
【００５０】
［レーザ出力部２における結露防止］
さらに図示しないが、レーザ制御部１のみならず、レーザ出力部２においても断熱材を使用することもできる。ただ、レーザ出力部２においては制御温度がレーザ励起部６よりも高いため、一般に室温との差により結露するおそれが少なく、レーザ制御部１と同様の密閉構造は必要でない。ただ使用時の環境温度などの使条件に応じて適宜断熱、あるいは密閉構造を採用することも可能であることはいうまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明のレーザ加工装置およびその冷却方法は、簡単な構成で発熱するレーザ励起光源やレーザ媒質等のレーザ発生源を効率的に冷却する一方で結露の発生を抑止し、回路に損傷を生じることなく安定してレーザ光を得ることができる。それは、本発明のレーザ加工装置およびその冷却方法が、ケースでレーザ発生源を外部から気密に閉塞して水分の供給を断つことでケース内部での結露を防止し、かつ断熱材で冷却エネルギーが不要な部分に漏れるのを抑止してケース外部表面での結露発生を抑止しているからである。このようにケースによる封止と断熱材による断熱を組み合わせるという簡単な構成によって、ケース内外の結露が効果的に実現され、結露に起因する不具合を回避して装置の信頼性が向上する。かつ冷却のためのエネルギーも効率よくレーザ発生源で消費されるので、消費電力の低減にも寄与し得るという優れた特長が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のレーザ励起部の内部構造の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置のレーザ制御部を示す分解斜視図である。
【図４】図３のレーザ制御部の平面図及びＩＶ−ＩＶ’線における縦断面図である。
【符号の説明】
１・・・レーザ制御部
２・・・レーザ出力部
３・・・入力部
４・・・制御部
５・・・メモリ部
６・・・レーザ励起部
７・・・電源
８・・・レーザ媒質
９・・・走査部
１０・・・レーザ励起光源
１１・・・集光部
１２・・・レーザ励起部ケーシング
１３・・・光ファイバケーブル
１４ａ、１４ｂ・・・Ｘ・Ｙスキャナ
１５・・・ｆθレンズ
１６・・・放熱器
１７・・・熱電冷却加熱素子
１８、１８Ａ、１８Ｂ・・・断熱材
１９・・・ケース
１９Ａ・・・本体カバー
１９Ｂ・・・上カバー
２０・・・ヒートシンク
２１・・・ファン
２２・・・スペーサ
２３・・・吸湿材
２４・・・弾性部材
２５・・・弾性部材
２６・・・ケーブル
２７・・・熱電対
２８・・・リード線
２９・・・貫通孔
３０・・・コネクタ
３１・・・Ｏリング
３２・・・シーリングテープ

Claims

レーザ媒質(8)を励起して誘導光を放出させるためのレーザ励起部(6)を備えるレーザ制御部(1)と、
前記レーザ制御部(1)と光学的に結合され、ロッド状のレーザ媒質(8)と走査部(9)を備え、前記レーザ励起部(6)からの光をレーザ媒質(8)のロッド状の一端面から照射してレーザ媒質(8)を励起し、他端面からレーザ光を出射し、走査部(9)で走査してレーザ光を出力するレーザ出力部(2)と、
を備えるレーザ加工装置であって、前記レーザ制御部(1)が
上面に前記レーザ励起部 (6) が固定され、前記レーザ励起部(6)と熱伝導するように装着された放熱器(16)と、
前記放熱器 (16) から熱伝導された熱を外部に放熱するためのヒートシンク(20)と、
放熱面と吸熱面を備え、吸熱面を前記放熱器(16)と熱伝導するように装着し、放熱面を前記ヒートシンク(20)に装着した複数の熱電冷却加熱素子(17)と、
前記レーザ励起部(6)、放熱器(16)および熱電冷却加熱素子(17)を外気と気密に遮断するように密閉状態で収納するケース(19)と、
前記ケース(19)内部で前記放熱器(16)が前記熱電冷却加熱素子(17)との接触面以外で表出しないように、前記放熱器(16)の側面のすべてと、上面の内、レーザ励起部 (6) との接触面以外の部分を被覆して熱的に遮断する断熱材(18)と、
を備えており、
前記熱電冷却加熱素子 (17) が前記放熱器 (16) と前記ヒートシンク (20) とにより狭着された状態で、前記ヒートシンク (20) の放熱面を前記ケース (19) の外部に表出させる一方、前記放熱器 (16) と前記熱電冷却加熱素子 (17) とが前記ケース (19) 内部で表出しないように、これらの周囲を囲むように断熱材 (18) が固定されてな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であって、
前記断熱材 (18) は、
前記熱電冷却加熱素子 (17) の配置面積よりも大きい第１の開口部を有し、当該第１の開口部により前記熱電冷却加熱素子 (17) の周囲を囲んだ状態で前記ヒートシンク (20) に固定される第１の断熱材 (18B) と、
前記レーザ励起部 (6) を挿通するための第２の開口部を有し、当該第２の開口部に前記レーザ励起部 (6) を挿通して、前記放熱器 (16) の上面でレーザ励起部 (6) との接触面以外の部分を被覆する第２の断熱材 (18A) と、
を接着して構成されてな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であって、
前記第１の断熱材 (18B) の第１の開口部は、前記放熱器 (16) の大きさよりも小さく、
前記熱電冷却加熱素子 (17) が前記放熱器 (16) と前記ヒートシンク (20) により狭着された際に、前記第１の断熱材 (18B) の一部が前記放熱器 (16) と前記ヒートシンク (20) に狭着されることで、前記第１の断熱材 (18B) の一部が前記放熱器 (16) と前記ヒートシンク (20) との間の隙間を閉塞するよう構成されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から３のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース (19) が断熱効果のある材質で構成されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から４のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ヒートシンク(20)は両端を開口する中空状で、内部に複数のスリットを設けており、開口部に送風用のファン(21)を備え、ファン(21)を回転させてスリット表面に送風し空冷式でヒートシンク(20)を冷却するよう構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から５のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース(19)が前記ヒートシンク(20)との接合部を弾性部材(25)で気密に封止してなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から６のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ励起部(6)に接続される一以上のケーブルは、防水型コネクタ(30)を介して前記ケース(19)外部と接続されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から７のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ励起部(6)には熱電対(27)が接続され、前記熱電対(27)は前記ケース(19)に穿孔された貫通孔を通じて外部に引き出されると共に、貫通孔はシリコーンゴムによって気密に封止されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から８のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース(19)内に吸湿材(23)を封入してなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から９のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記熱電冷却加熱素子(17)がペルチェ素子であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から１０のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、前記ケース(19)が透光性を有するポリカーボネート樹脂であることを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ加工装置の冷却方法であって、
第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面とを備える放熱器(16)の、第１の面に複数の熱電冷却加熱素子(17)を固定し、第２の面にレーザ発生源を固定し、前記熱電冷却加熱素子(17)との接触面を除く、前記放熱器 (16) の側面のすべてと、第２の面の内、レーザ発生源との接触面以外の部分を断熱材(18)で被覆して、前記放熱器 (16) 及び熱電冷却加熱素子 (17) の周囲を囲み、前記熱電冷却加熱素子 (17) が前記放熱器 (16) と、外部に放熱するためのヒートシンク (20) とにより狭着された状態で、前記ヒートシンク (20) の放熱面を前記ケース (19) の外部に表出させる一方、前記放熱器 (16) と前記熱電冷却加熱素子 (17) とが前記ケース (19) 内部で表出しないよう前記断熱材 (18) を固定するステップと、
前記レーザ発生源、放熱器(16)および熱電冷却加熱素子(17)をケース(19)内に収納し、ケース(19)を気密に封止するステップと、
を備えてなり、前記レーザ発生源を動作させたとき、前記熱電冷却加熱素子(17)で前記放熱器(16)を介して前記レーザ発生源の温度を所定温度に維持すると共に、ケース(19)内の空気をケース(19)外部と遮断することでケース(19)内への水分の浸入を阻止して結露を抑制し、
なおかつ前記断熱材(18)によって前記熱電冷却加熱素子(17)の吸熱・放熱効果を前記レーザ発生源の温度制御に集中させ、他の部材への温度伝搬を抑制してケース(19)外部への結露を防止してなることを特徴とするレーザ加工装置の冷却方法。