JP4562635B2

JP4562635B2 - レーザ加熱装置

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Publication number: JP4562635B2
Application number: JP2005294236A
Authority: JP
Inventors: 努櫻井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: JP2007098452A

Description

本発明は、レーザ光による非接触な半田付けや、樹脂接合、溶接などの加熱・加工処理を行うためのレーザ加熱装置に関する。

従来、レーザ光による非接触な加熱・加工処理を行うためのレーザ加熱装置として、例えば、複数のレーザダイオードを積み重ねてなるレーザダイオードモジュール（半導体レーザアレイ）と、レーザダイオードモジュールが備える複数のレーザダイオードが出射するレーザ光を視準化（平行光化）するコリメートレンズと、視準化されたレーザ光を集光する集光レンズと、により構成されるレーザ加熱設備が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この構成により、集光レンズの焦点位置に置かれている被加熱対象物に対して半田付けや溶接などの加熱・加工処理を行うことができる。

しかしながら、従来のレーザ加熱装置の構成では、レーザパワーがＷ級以上のハイパワーであり、手で持って作業するときにレーザ光を誤って目に向けたり、覗き込んだりすると失明してしまうため、安全の面でハンディにすることはできなかった。一方、例えば脱毛用レーザはハンディであるが、これは、対象が皮膚であり、人体の導電性や皮膚タッチスイッチを利用して目にレーザ光がはいらない構成とすることができるためであり、プリント基板や金属などの多種多様なものを被加熱対象物とするレーザ加熱装置の従来の構成では、導電性の有無や凹凸等の形状の違いもあり、ハンディにはできなかった。
特開２００２−９３８８号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、レーザ光が照射されるレーザ加工点を含む所定の範囲におけるレーザ光の波長の光を検出するレーザ光検出器を設置し、該レーザ光検出器による検出に基づいてレーザ出射ヘッドによるレーザ光の出射を制御することにより、レーザ出射ヘッドをハンディにして、失明の危険があるほどのハイパワーのレーザ光を用いた加熱・加工処理を、普通の環境で普通の半田ごてや抵抗溶接機のように人手で行うことができるレーザ加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のレーザ加熱装置は、所定波長のレーザ光を出射するハンディレーザ出射ヘッドと、ベースを有するステージと、前記ベースに載置された被加熱対象物の前記レーザ光が照射される加工点を含む所定の範囲における前記レーザ光の波長の光を検出する、前記ステージに取り付けられたレーザ光検出器と、前記レーザ光検出器による検出に基づいて前記レーザ光の出射を制御するレーザ制御器と、を具備し、前記レーザ制御器は、前記レーザ光の出射開始時は第１エネルギの前記レーザ光を前記ハンディレーザ出射ヘッドから出射させ、前記レーザ光検出器が前記レーザ光の波長の光を検出すると前記第１エネルギよりも高エネルギの第２エネルギの前記レーザ光を前記ハンディレーザ出射ヘッドから出射させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載のレーザ加熱装置は、請求項１記載のレーザ加熱装置において、前記レーザ制御器は、前記レーザ光の出射開始時は短パルス幅の前記レーザ光を前記ハンディレーザ出射ヘッドから出射させ、前記レーザ光検出器が前記レーザ光の波長の光を検出すると前記ハンディレーザ出射ヘッドによる前記レーザ光の出射を続行させることを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載のレーザ加熱装置は、請求項１または２のいずれかに記載のレーザ加熱装置であって、前記レーザ光が照射される加工点を含む所定の範囲から発生する赤外線を検出する赤外線検出器を具備し、前記レーザ制御器は、前記赤外線検出器の出力信号レベルが予め設定されたレベルとなるように前記レーザ光を制御する機能をさらに有する、ことを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載のレーザ加熱装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ加熱装置であって、前記ハンディレーザ出射ヘッドを収納するための収納部と、前記収納部を冷却するための冷却部を備えた収納体をさらに具備することを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載のレーザ加熱装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ加熱装置であって、前記ハンディレーザ出射ヘッドは、糸半田を前記レーザ光の出射側から送り出す半田送り機構をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、直接目にレーザ光が入ることを未然に防ぐことができ、Ｗ級のハンディレーザを実現することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置について、図面を参照しながら説明する。

図１に本実施の形態１におけるレーザ加熱装置の一構成例を示す。
図１において、ハンディレーザ出射ヘッド１は手作業可能な大きさ・形状をしており、ハンディである。また、ハンディレーザ出射ヘッド１からは１μｍ以下の所定波長のＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）レーザ光２が出射される。例えば、ハンディレーザ出射ヘッド１は、集光レンズ３と半導体レーザ素子（以下、ＬＤ素子と称す。）４を有し、ＬＤ素子４が１μｍ以下の所定波長のＬＤレーザ光を発振し、集光レンズ３が、ＬＤ素子４からのＬＤレーザ光を集光してレーザ照射するように構成する。

ステージ５には、カメラ７とモニタ８とレーザ光検出器９が取り付けられている。カメラ７は、ステージ５のベース６上の視野１０を撮像する。この視野１０内にレーザ加工点が位置するように、被加熱対象物をベース６上に配置する。モニタ８はカメラ７により撮像された画像を表示する。

レーザ光検出器９は、視野１０からの光のうち、ＬＤレーザ光２の波長の光を優先検出する。例えば、レーザ光検出器９は、集光レンズ１１、１３と、折り返しカットフィルタ１２ａと、ＬＤレーザ光２の波長に感度を有するＰＤ素子（ＰｉｎＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）１４ａと、増幅器（アンプ）１５を有し、集光レンズ１１が視野１０からの光をカメラ７へ集光し、折り返しカットフィルタ１２ａが集光レンズ１１からの光のうち、ＬＤレーザ光２の波長の光を折り返し、集光レンズ１３が折り返しカットフィルタ１２ａからの光をＰＤ素子１４ａへ集光し、増幅器１５がＰＤ素子１４ａの出力信号を１００倍以上にドリフト補償しながら増幅してＬＤ制御器１６へ出力する構成とする。

また、図１に示すように、半田付け等の加熱・加工処理を手作業で行うためのワークディスタンス（ＷＤ）は、人間の頭が入らず、かつ手作業が可能な範囲とする。また、ここでは、カメラ７は、レーザ光検出器９が有する集光レンズ１１を介して視野１０を拡大撮像する。

ＬＤ制御器（レーザ制御器）１６は、レーザ起動スイッチ１７の押下により、ハンディレーザ出射ヘッド１（ＬＤ素子４）へのＬＤ駆動電流（駆動信号）の供給を開始し、レーザ光検出器９による検出に応じて、ハンディレーザ出射ヘッド１によるＬＤレーザ光２の出射を制御する。

続いて、当該レーザ加熱装置の動作の一例について説明する。
レーザ起動スイッチ１７が押されると、ＬＤ制御器１６は、まず人間の目に安全な短パルス幅を有するＬＤレーザ光２が出射されるようにＬＤ駆動電流をハンディレーザ出射ヘッド１へ供給する。レーザ光検出器９がＬＤレーザ光２の波長の光を検出すると、ＬＤ制御器１６は、ＬＤ駆動電流を供給し続け、ハンディレーザ出射ヘッド１によるＬＤレーザ光２の出射を続行させる。一方、検出できなかった場合には、ＬＤ制御器１６は、ＬＤレーザ光２の出射を停止させる。

人間の目に安全な短パルス幅としては、例えばｎ（ナノ）秒レベルのパルス幅にする。例えば１００Ｗのパワーのレーザでもパルス幅が１ｎ（ナノ）秒ではエネルギは僅か０．１μＪしかなく、目に影響するｍＪレベルのエネルギと比較して遥かに小さくレーザ安全基準を遵守できる。一般に、ＬＤ素子はｎ（ナノ）秒レベルの高速応答性を有するので、ｎ（ナノ）秒レベルの短パルス幅は実施可能である。一方、ＰＤ素子は、一般にｎ（ナノ）秒レベルのパルス幅の光を受けるとμ秒レベルのパルスとして出力する。μ秒レベルのパルスは通常の制御回路が応答するのに十分な時間であるので、確実にＬＤ制御器１６を駆動させることができる。

このように、まずレーザ安全基準を遵守できる低エネルギのＬＤレーザ光を出射させ、ＬＤレーザ光の波長の光を検出することでレーザ安全を確認することにより、Ｗ級のＬＤレーザ光が直接目に入ることを未然に防ぐことができ、Ｗ級のハンディレーザを実現することができる。また、上記したワークディスタンスを人間の頭のサイズより狭く設定することにより、安全性をより高めることができる。

なお、図１（ｂ）に示すように、レーザ光検出器に赤外線を検出する機能を追加したレーザ光／温度検出器１８を設けてもよい。レーザ光／温度検出器１８は、レーザ照射初期には上記したレーザ安全確認を行い、レーザ照射が続いている間は、視野１０内の赤外線を検出する。

例えば、レーザ光／温度検出器１８は、集光レンズ１１、１３と、折り返しカットフィルタ１２ｂと、光学的フィルタ１９と、ＰＤ素子（検出素子）１４ｂと、増幅器１５を有する。上述したレーザ光検出器９とは、折り返しカットフィルタの特性、ＰＤ素子の感度、および光学的フィルタ１９を有する点が異なる。すなわち、折り返しカットフィルタ１２ｂは、ＬＤレーザ光２の波長の光と２μｍ以上の波長の光（赤外線）を折り返し、ＰＤ素子１４ｂの入光部に設けられた光学的フィルタ１９は、ＬＤレーザ光２の波長の光を低減して僅かに透過するとともに、２μｍ以上の波長の光を透過し、ＰＤ素子１４ｂは、ＬＤレーザ光２の波長および２μｍ以上の波長に対して感度を有する。

レーザ光／温度検出器１８は、レーザ起動スイッチ１７が押され、人間の目に安全な短パルス幅を有するＬＤレーザ光が出射されたことを、ＰＤ素子１４ｂが微弱なＬＤレーザ光２の波長の光を受光することで検出し、ＰＤ素子１４ｂの出力信号を増幅器１５で高ゲイン増幅してＬＤ制御器１６へ出力する。

また、レーザ光／温度検出器１８は、レーザ安全確認後は、視野１０（加工点およびその周囲を含む所定の範囲）からの赤外線をＰＤ素子１４ｂで受光して検出し、ＰＤ素子１４ｂの出力信号を増幅器１５で高ゲイン増幅してＬＤ制御器１６へ出力する。

ＬＤ制御器１６は、レーザ安全確認後、ＬＤ駆動電流の供給を続けるとともに、視野１０からの光に２μｍ以上の波長の光が増えてくると、ＰＤ素子１４ｂの出力信号レベルが予め設定された温度に相当する信号レベルとなるようにＬＤ駆動電流（すなわちＬＤレーザ光）を制御する機能をさらに有することにより、設定温度で加工点が加熱・加工処理されるようにする。このように視野１０内の温度を検出し、設定温度で保たれるようにＬＤ駆動電流（ＬＤレーザ光）を制御する機能を備えることにより、半田付けなどの加熱・加工処理を設定温度で行うことができ、加熱処理時に発生するレーザ加工点周囲のこげ等を未然に防止することができる。なお、周囲のこげ等を未然に防止するには、視野１０をレーザ加工域（レーザ加工点）よりも大きな範囲とすることが望ましい。また、ここではレーザ光検出器に赤外線を検出する機能を追加したレーザ光／温度検出器を用いる場合について説明したが、レーザ光検出器と温度検出器（赤外線検出器）を別異に設けてもよい。

続いて、ハンディレーザ出射ヘッドの他の構成について説明する。上記説明ではハンディレーザ出射ヘッド内にＬＤ素子を設けた場合について説明したが、例えば図２に示すように、ＬＤ制御器１６内に、光ファイバ２０に光結合してＬＤレーザ光を発振するＬＤ素子４を搭載する一方、ハンディレーザ出射ヘッド（棒状の鏡筒）１が光ファイバ２０にカプリングし、光ファイバ２０から出力されるＬＤレーザ光を２枚の集光レンズ２１、２２を介して出射する構成としてもよい。

また、例えば図３に示すように、ハンディレーザ出射ヘッド１（鏡筒）に、ＬＤレーザ光の出射側から糸半田を送り出す半田送り機構を搭載してもよい。すなわち、図３において、第１の集光レンズ２１の外側に、糸半田２３が通過するチューブ２４を固定する孔ないし溝を設けるとともに、第２の集光レンズ２２の中央付近にチューブ２４を固定する孔を設ける一方、プッシュボタン２５を押す度に少しずつ糸半田２３をレーザ照射側の方向へ送る半田送り機構２６を搭載する。この半田送り機構２６は、例えばシャープペンシルの芯送り機構（サイドノック式）を適用することで実現する。

このように半田送り機構を搭載することで、被加熱対象物２７のレーザ半田付け位置（加工点）２８に糸半田２３を供給しながらレーザ半田付けを行うことができる。この構成において、ＬＤレーザ光の遮光ロスは、図３（ｃ）に示すように、集光レンズ２１、２２を通過する円形断面状のレーザビーム２９の内、チューブ２４がレーザビーム２９を遮る範囲３０の割合であり、実用上約１０％である。なお、半田送り機構とプッシュボタンの位置は図３に示す位置に限るものではない。

また、例えば図４に示すように集光レンズ２１、２２の外側にチューブ２４を固定する孔ないし溝を設け、図４（ｂ）に示すように、チューブ２４をレーザビーム２９の外に固定することにより、集光レンズ２１、２２を通過する円形断面状のレーザビーム２９をチューブ２４が遮らないようにしてもよい。なお、図４では、半田送り機構を省略している。また、図２ないし図４では集光レンズを２枚用いる場合について説明したが、レンズの枚数は２枚に限定されるものではなく、また集光レンズのみに限定されるものでもない。

続いて、ＬＤ素子を備えるハンディレーザ出射ヘッドに半田送り機構を搭載した場合の一例について、図５を用いて説明する。図５に示すように、ハンディレーザ出射ヘッド（鏡筒）１内の銅製ヒートシンク３１にＬＤ素子４を搭載する一方、ヒートシンク３１に糸半田２３が通過するチューブ２４を固定する孔を設けるとともに、集光レンズ３に糸半田２３が通過する孔を設ける。この集光レンズ３の孔は、ＬＤ素子４のＳＬＯＷ方向の光の大半を遮らないように、集光レンズ３のセンターを外して設けることにより、ＦＡＳＴ方向のＬＤレーザ光が広く広がるので、糸半田２３による遮光部分を小さくできロスを減らすことができる。

また、ＬＤ素子４は銅製のヒートシンク３１に半田づけにて固定されており、ＬＤ素子４へのＬＤ駆動電流（駆動信号）の供給は、ケーブル３２の導電性外皮３３とヒートシンク３１との直接接触と、導電性外皮３３と絶縁体３４とで絶縁された電力線３５のＬＤ素子４への金属接合によりなされている。

なお、ここでは集光レンズを１枚使用する場合について説明したが、レンズは１枚以上用いてもよく、また集光レンズのみの組み合わせに限定されるものでもない。また、図５では半田送り機構を省略しているが、上記のサイドノック式の機構であってもよいし、例えばフットスイッチで自動送りする構成としてもよい。フットスイッチで自動送りする構成とすることにより、従来不可能であった片手作業でのレーザ半田づけを実現できる。例えば図５に示すように、プリント基板３６のランド３７に突き刺したリード棒３８にＬＤレーザ光２を照射しながら、フットスイッチで糸半田２３を供給することができ、糸半田を他方の手により供給する必要がなくなる。図３ないし図４に示したハンディレーザ出射ヘッドにおいても、フットスイッチを使用した自動半田送りを適用できる。

図６にハンディレーザ出射ヘッド１を収納して冷却する制御ユニット（収納体）３９の一例を説明するための概略内部図と概略外観図を示す。ここでは、ＬＤ素子と半田送り機構を内蔵した金属製のハンディレーザ出射ヘッド（鏡筒）を例に説明する。

図６（ａ）の内部図に示すように、ハンディレーザ出射ヘッド１は、放熱に適したはめあいで、絶えずファン（冷却部）４０により、下方穴４１から吸引して空冷されている金属製の放熱用シリンダ（収納部）４２に収納され、放熱される。なお、絶えずファン４０により放熱用シリンダ４２を空冷するのではなく、ハンディレーザ出射ヘッド１の収納時に自動的に空冷を開始するようにしてもよいし、手動で空冷を開始できるようにしてもよい。また、ここではハンディレーザ出射ヘッドの収納部を空冷する場合について説明するが、空冷に限るものではない。このように、レーザ加熱装置を一般の温度制御型半田ごてと同様の構成にできる。

また、この制御ユニット３９は、上記したＬＤ制御器１６を内蔵し、外部にはレーザパワーをコントロールするパワーコントロールつまみ４３と、加工点の温度を設定する温度設定つまみ４４と、レーザ起動スイッチ１７が付いている。

なお、図６では、放熱用シリンダ４２にプッシュボタン２５が収まっていないが、収まる構成としてもよい。また、ＬＤ素子に電力を供給するためのケーブル３２の接続先をレーザ起動スイッチ１７の下側に設けたが、この位置に限るものではない。

続いて、ハンディレーザ出射ヘッド１内に、レーザ加工点およびその周囲を含む所定の範囲の温度を検出するための温度検出器（赤外線検出器）を設ける場合の一例について、図７を用いて説明する。なお、図７では半田送り機構を省略しているが、上記したように設けることができる。

図７において、ＰＤ型赤外線センサ（赤外線検出素子）４５は、２μｍ以上の波長を高感度に検出する。また、光学的フィルタ４６は、ＬＤ素子４が発振するＬＤレーザ光の波長の光をカットするが２μｍ近傍の赤外線を通過するようにコートされている。また、増幅器（アンプ）４７は、ＰＤ型赤外線センサ４５の出力信号を１００倍以上にドリフト補償しながら増幅して出力する。

ＬＤ素子４から発振されるＬＤレーザ光２は偏向しており、ＰＢＳ（偏向ビームスプリッタ）４８で９０度折り曲げられ集光レンズ３にて集光され、プリント基板３６のランド３７を照射する。ランド３７は発熱するので、レーザスポットおよびその周囲を含む所定の範囲（集光レンズ３の視野）からの放射熱すなわち赤外線４９を集光レンズ３でＰＤ型赤外線センサ４５に集光する。赤外線４９は、偏光性が小さいのでＰＢＳ４８を通過し、さらに光学的フィルタ４６を通過して、ＰＤ型赤外線センサ４５にて検出される。

また、増幅器４７には、ＰＤ型赤外線センサ４５の近傍にサーミスタ５０が取り付けられており、ＬＤ素子４やＰＤ型赤外線センサ４５の温度特性補償をすることにより、使用時のハンディレーザ出射ヘッド１の温度上昇に対して、レーザパワーないし加工温度の補償をすることができる。

図８は、図７に示すハンディレーザ出射ヘッドを用いたレーザ加熱装置の主要回路を説明するための図である。図８において、レーザ安全回路５１は、レーザ起動スイッチ１７が押されると、起動スイッチ５２をオンにする。レーザ照射初期には、パワー補正回路５３が、ＬＤ素子４を駆動するためのＬＤ駆動電流（駆動信号）を生成するＬＤ駆動回路（レーザ駆動回路）５４を制御して、人間の目に安全な短パルス幅を有するＬＤレーザ光を発振させるためのＬＤ駆動電流を出力させる。

レーザ安全回路５１は、図示しないレーザ光検出器９によりレーザ安全が確認されると、起動スイッチ５２をオンし続ける。一方、レーザ安全が確認されない場合には、起動スイッチ５２をオフする。

レーザ安全確認後、パワー補正回路５３はＬＤ駆動回路５４を制御して、レーザパワー設定器５５にて予め設定されたレーザパワーのＬＤレーザ光を発振させるためのＬＤ駆動電流を出力させる。

ＬＤ素子４は、ＬＤ駆動電流に従ってＬＤレーザ光を発振する。ハンディレーザ出射ヘッド１から出射されたＬＤレーザ光２は、ベース６上の被加熱対象物５６の加工点へ照射される。被加熱対象物５６はＬＤレーザ光２により加熱されると、例えば半田付けや樹脂接合では２μｍ付近の波長の近赤外線４９を発し始める。この近赤外線４９は、光学的フィルタ４６を介してＰＤ型赤外線センサ（赤外線検出素子）４５にて受光される。光学的フィルタ４６は、ＬＤレーザ光２の波長の光や外乱光をカットして、２μｍ付近の波長の光を透過する。

増幅器４７は、ＰＤ型赤外線センサ４５の出力信号を１００倍以上にドリフト補償しながら増幅して温度変換回路５７へ出力する。温度変換回路５７は、増幅器４７の出力信号から加工温度相当信号を生成する。また温度変換回路５７は、サーミスタ５０からの信号を基に、増幅器４７の出力信号ないし加工温度相当信号を温度補償する。

温度変換回路５７から出力される加工温度相当信号５８は、温度設定器５９により予め設定された加工点の温度設定値との差分をとる差分器６０に入力される。パワー補正回路５３は、差分器６０の出力を基にＬＤ駆動回路５４を制御して、ＰＤ型赤外線センサ４５の出力信号レベルが設定温度に相当するレベルとなるようにレーザパワーを補正（例えば、比例制御）し、加工点の温度が設定温度になるようにする。このようにＬＤレーザ光を制御することにより、あたかも普通の半田ごてのようにハンディに、しかも非接触で、希望の温度で安全にこげなく加熱処理をすることができる。

続いて、加工点の温度を設定温度にするためのＬＤレーザ光の制御方法の他の一例について、図９を用いて説明する。図９は、レーザ安全を確保しながら、加工点の温度を設定温度で一定にするためのＬＤレーザ光の制御方法の一例を説明するための図である。

まず、図９（ａ）に示すように、レーザ照射初期には、ピークパワーＷｐ、短パルス幅Ｔｓからなりレーザ安全基準を遵守できる低エネルギの探査レーザパルス６１をハンディレーザ出射ヘッド１から出射させ、レーザ安全を確認後、図９（ｂ）に示すようにＰＤ型赤外線センサが生成するイネーブル信号が所定レベル６２になると、レーザパワーＷ１にて照射し続ける。レーザ加工点およびその周囲は、レーザ照射により温度が上昇し、樹脂接合や半田付け等に必要な温度２００〜２５０°Ｃ程度になると、常温で１０μｍ近くにピークを持つ遠赤外光が短波長シフトしてきて２μｍ程度の波長の光が増えてくる。そして、図９（ｃ）に示すように、ＰＤ型赤外線センサの出力信号（ＰＤ出力信号）が、予めＬＤ制御器１６にて設定されていた温度に相当する信号レベルＰｓになると、ＬＤ駆動電流を高速にＯＮ・ＯＦＦ制御してＬＤレーザ光をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、ＰＤ出力信号がレベルＰｓにて保たれるようにする。このようにＬＤレーザ光を制御することにより、あたかも普通の半田ごてのようにハンディに、しかも非接触で、希望の温度で安全にこげなく加熱処理をすることができる。

なお上記説明では、ＰＤ出力信号が設定温度に相当する信号レベルＰｓに達すると、ピークパワーＷ１でＯＮ・ＯＦＦ制御したが、ダメージを発生しにくくするために、Ｗ１より低いピークパワーＷ２に落としてＯＮ・ＯＦＦ制御してもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２におけるレーザ加熱装置について、図１０を用いて説明する。本実施の形態２は、レーザ安全を確保する手段としてレーザ安全ＢＯＸ（箱体）を用いる点に特徴がある。なお、前述した実施の形態１で説明した部材と同一の部材については説明を省略し、実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

図１０（ａ）は、レーザ安全ＢＯＸを上面から見た概略図である。図１０（ａ）に示すように、金属製のレーザ安全ＢＯＸ６３の左右には、手は入るが頭が入らない所定のサイズの穴部６４ａ、ｂが設けてあり、上面にはレーザ加工域（加工点）を観察するためのモニタ８が備え付けてある。また、図示しないが、レーザ安全ＢＯＸ６３の内側には、ステージ５やカメラ７が備え付けてある。なお、モニタを配置する位置は、レーザ安全ＢＯＸの上面に限定されるものではない。

図１０（ｂ）はレーザ安全ＢＯＸを正面から見た概略図である。図１０（ｂ）において、ハンディレーザ出射ヘッド１には、その存在を検出可能な検出対象物（検出物体）６６が搭載されており、レーザ安全ＢＯＸ６３の内側の上面に設けられた検出センサ６５は、検出対象物６６がレーザ安全ＢＯＸ６３の内側に存在することを検出する。また、図示しないＬＤ制御器１６は、検出センサ６５による検出に応じて、ハンディレーザ出射ヘッド１によるＬＤレーザ光２の出射を制御する。例えば、ＬＤ制御器１６は、検出センサ６５により検出対象物６６が検出されているときにのみハンディレーザ出射ヘッド１によるＬＤレーザ光の出射を許可する。なお、検出センサを配置する位置は、レーザ安全ＢＯＸの内側上面に限定されるものではない。また、ＬＤ制御器を内蔵する制御ユニット（収納体）を配置する位置は任意である。

このように、ハンディレーザ出射ヘッドに検出対象物を搭載し、レーザ安全ＢＯＸの内側に検出対象物が存在することを検出することでレーザ安全を確認することにより、Ｗ級のＬＤレーザ光が直接目に入ることを未然に防ぐことができ、Ｗ級のハンディレーザを実現することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３におけるレーザ加熱装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態３におけるレーザ加熱装置は、レーザ加工点およびその周囲を含む所定の範囲の温度を検出するための温度検出器（赤外線検出器）をＬＤ制御器内に設ける点が他の実施の形態と異なる。

具体的には、コア部とクラッド部からなるＤＣＦ（ダブルクラッドファイバ）等の光ファイバを用い、レーザ加工点とその周囲を含む所定の範囲から発生する赤外線を該クラッド部を介してＬＤ制御器へ戻し、ＬＤ制御器において温度を検出する。なお、前述した実施の形態１で説明した部材と同一の部材については説明を省略し、実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

図１１に本実施の形態３におけるハンディレーザ出射ヘッドの概要の一例を示す。図１１に示すように、本実施の形態３で用いる光ファイバ２０は、コア部６７とクラッド部６８からなり、ハンディレーザ出射ヘッド１が、光ファイバ２０にカップリングし、コア部６７から出力されるＬＤレーザ光を２枚の集光レンズ２１、２２を介して出射する一方、被加熱対象物５６とその周囲を含む所定の範囲から発生する赤外線を該２枚の集光レンズ２１、２２を介してクラッド部６８へ導く。

続いて、ＬＤ制御器側の構成について、図１２を用いて説明する。図１２に示すように、ＬＤ制御器１６はＬＤ素子４を搭載する。ＬＤ素子４は、集光レンズ６９を介して光ファイバ２０のコア部６７へ光結合し、１μｍ以下の所定波長のＬＤレーザ光２を発振する。また、ＬＤレーザ光２が光結合する近傍のクラッド部６８の表面はすり面処理されており、すり面７０近傍には２μｍ以上の波長に感度を有するＰＤ型赤外線センサ（赤外線検出素子）４５が配置されている。この構成により、光ファイバ２０のクラッド部６８より戻ってくる赤外線をＰＤ型温赤外線センサ４５にて検出することができる。なお、すり面７０とＰＤ型赤外線センサ４５の間に、ＬＤレーザ光の波長の光をカットするが２μｍ近傍の赤外線を通過するようにコートされている光学的フィルタ４６を配置してもよい。

また、図１３に示すように、ＬＤ素子４と集光レンズ６９の間に、２μｍ以上の波長の赤外線４９とＬＤレーザ光２の波長の光を分離する分離ミラー７１を配置して、ＬＤ素子４が発振するＬＤレーザ光２を分離ミラー７１により集光レンズ６９へ反射させて光ファイバ２０のコア部６７に光結合させ、クラッド部６８から出力され集光レンズ６９で集光される赤外線４９を分離ミラー７１を透過させてＰＤ型赤外線センサ４５の受光面へ導くようにしてもよい。

また、図１４に示すように、光ファイバ２０の端面を、例えばサンドペーパ等で研磨して斜めにカットした後研磨剤等でポリッシング処理するなどして斜め鏡面カットし、クラッド部６８を介して戻ってくる赤外線４９を斜め鏡面カット端面から出射させ、集光レンズ７２で集光してＰＤ型赤外線センサ４５の受光面へ導く一方、ＬＤレーザ光２は集光レンズ６９で集光後、斜め鏡面カット端面で全反射させてコア部６７に導くようにしてもよい。

本発明のレーザ加熱装置は、直接目にレーザ光が入ることを未然に防ぐことができ、従来不可能とされたＷ級のハンディレーザを実現することができ、レーザ光による非接触な半田付けや、樹脂接合、溶接などの加熱・加工処理に有用である。

本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置の一構成例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドとＬＤ制御器の一構成例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドの一構成例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドの一構成例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドの一構成例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドを収納する収納体の一例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドの一構成例を説明するための図本発明の実施の形態１におけるレーザ加熱装置の主要回路を説明するための図本発明の実施の形態１におけるＬＤレーザ光の制御方法の一例を説明するための図本発明の実施の形態２におけるレーザ加熱装置の一構成例を説明するための図本発明の実施の形態３におけるレーザ加熱装置のハンディレーザ出射ヘッドの一構成例を説明するための図本発明の実施の形態３におけるレーザ加熱装置のＬＤ制御器の一構成例を説明するための図本発明の実施の形態３におけるレーザ加熱装置のＬＤ制御器の一構成例を説明するための図本発明の実施の形態３におけるレーザ加熱装置のＬＤ制御器の一構成例を説明するための図

符号の説明

１ハンディレーザ出射ヘッド
２ＬＤレーザ光
３、１１、１３、２１、２２、６９、７２集光レンズ
４ＬＤ素子（半導体レーザ素子）
５ステージ
６ベース
７カメラ
８モニタ
９レーザ光検出器
１０視野
１２ａ、ｂ折り返しカットフィルタ
１４ａ、ｂＰＤ素子
１５、４７増幅器
１６ＬＤ制御器
１７レーザ起動スイッチ
１８レーザ光／温度検出器
１９光学的フィルタ
２０光ファイバ
２３糸半田
２４チューブ
２５プッシュボタン
２６半田送り機構
２７被加熱対象物
２８レーザ半田付け位置
２９レーザビーム
３０チューブがレーザビームを遮る範囲
３１ヒートシンク
３２ケーブル
３３導電性外皮
３４絶縁体
３５電力線
３６プリント基板
３７ランド
３８リード棒
３９制御ユニット
４０ファン
４１下方穴
４２放熱用シリンダ
４３パワーコントロールつまみ
４４温度設定つまみ
４５ＰＤ型赤外線センサ
４６光学的フィルタ
４８ＰＢＳ
４９赤外線
５０サーミスタ
５１レーザ安定回路
５２起動スイッチ
５３パワー補正回路
５４ＬＤ駆動回路
５５レーザパワー設定器
５６被加熱対象物
５７温度変換回路
５８加工温度相当信号
５９温度設定器
６０差分器
６１探査レーザパルス
６２所定レベル
６３レーザ安全ＢＯＸ
６４ａ、ｂ穴部
６５検出センサ
６６検出対象物
６７コア部
６８クラッド部
７０すり面
７１分離ミラー

Claims

所定波長のレーザ光を出射するハンディレーザ出射ヘッドと、
ベースを有するステージと、
前記ベースに載置された被加熱対象物の前記レーザ光が照射される加工点を含む所定の範囲における前記レーザ光の波長の光を検出する、前記ステージに取り付けられたレーザ光検出器と、
前記レーザ光検出器による検出に基づいて前記レーザ光の出射を制御するレーザ制御器と、
を具備し、
前記レーザ制御器は、前記レーザ光の出射開始時は第１エネルギの前記レーザ光を前記ハンディレーザ出射ヘッドから出射させ、前記レーザ光検出器が前記レーザ光の波長の光を検出すると前記第１エネルギよりも高エネルギの第２エネルギの前記レーザ光を前記ハンディレーザ出射ヘッドから出射させる
ことを特徴とするレーザ加熱装置。
請求項１記載のレーザ加熱装置において、前記レーザ制御器は、前記レーザ光の出射開始時は短パルス幅の前記レーザ光を前記ハンディレーザ出射ヘッドから出射させ、前記レーザ光検出器が前記レーザ光の波長の光を検出すると前記ハンディレーザ出射ヘッドによる前記レーザ光の出射を続行させることを特徴とするレーザ加熱装置。
請求項１または２のいずれかに記載のレーザ加熱装置であって、前記レーザ光が照射される加工点を含む所定の範囲から発生する赤外線を検出する赤外線検出器を具備し、前記レーザ制御器は、前記赤外線検出器の出力信号レベルが予め設定されたレベルとなるように前記レーザ光を制御する機能をさらに有する、ことを特徴とするレーザ加熱装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ加熱装置であって、前記ハンディレーザ出射ヘッドを収納するための収納部と、前記収納部を冷却するための冷却部を備えた収納体をさらに具備することを特徴とするレーザ加熱装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ加熱装置であって、前記ハンディレーザ出射ヘッドは、糸半田を前記レーザ光の出射側から送り出す半田送り機構をさらに備えることを特徴とするレーザ加熱装置。