JP5270949B2 - レーザ光出射装置およびレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光出射装置およびこれを用いたレーザ装置に係り、特に、複数のレーザ光出射ユニットを備えているレーザ光出射装置およびこれを用いたレーザ装置に関する。

従来から、高出力のレーザ装置においては、複数のレーザ光出射ユニットを積層し、各ＬＤから出射されるレーザ光をレンズを用いて、複数の光ファイバを１つに束ねた、いわゆるバンドルファイバの端面に入射するものが提案されている（特許文献１）。この場合、各レーザ光出射ユニットにおいて、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）素子をアレイ状に配置したＬＤアレイを冷却シンクに搭載したスタックユニットを形成し、複数のスタックユニットを上下に積層して高出力を得るようにしている。

これらのスタックユニットの積層は、各スタックユニットをＬＤアレイの高さより高いスペーサを間に介層させるとともに、各冷却シンクに冷却水を循環供給する冷却水路を設け、当該冷却水路の各層間の接続部からの漏水を防止するためにＯリングを介層して密封していた（特許文献２、図８、図９参照）。

特開２００２−１４８４９１号公報 特開２００４−１３４７９７号公報

しかしながら、従来の複数のレーザ光出射ユニットを積層させた構成においては、Ｏリングの劣化等により水漏れが発生すると、一箇所の水漏れであっても積層されている全部のＬＤアレイが破壊されるリスクがあり、単体でも高価なＬＤアレイを全部交換する必要があり、交換費用が高く、コストが高いという不都合があった。また、アレイ状ではない単体のＬＤにおいても、これらのと同様な不都合があった。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、複数のレーザ光出射ユニットを積層しないでそれぞれを独立させて配置して、一箇所の冷媒の漏洩が他の箇所に及ぶことを確実に防止することができ、１個単位でレーザ光出射ユニットの交換を行うことができるレーザ光出射装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、１つのケース内にＬＤと光ファイバに至るまでの光学系素子を配置してレーザ光出射ユニットを構成することにより、取扱いの容易なレーザ光出射装置を提供することを他の目的とする。

更に、本発明は前記特性を備えたレーザ光出射ユニットを利用したレーザ装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明のレーザ光出射装置の第１の態様は、レーザ光を発するＬＤ（レーザダイオード）と、当該ＬＤから出謝されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされたレーザ光を光ファイバの入社端面に集光させる集光レンズとを１つのケース内に配設した複数のレーザ光出射ユニットを有し、複数の前記レーザ光出射ユニットは１つの配設板上に並べて配設され、複数の前記各レーザ光出射ユニットのケースにそれぞれ前記光ファイバの入射端面を前記集光レンズに対向させて接続し、各光ファイバの前記ケースから導出されている部分を束ねて光ファイバのバンド部を形成し、前記設置板を、前記各レーザ光出射ユニットのケースに前記各光ファイバの入射端面を接続したままの状態で設置位置と引出し位置との間で移動自在に設けたことを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、複数のレーザ光出射ユニットを積層しないでそれぞれを独立させて配置しているので、一箇所のレーザ光出射ユニットにおける冷媒の漏洩が他の箇所に及ぶことを確実に防止することができ、レーザ光出射ユニットを１個単位で交換することができる。また、本発明の第１の態様によれば、１つのケース内に各レーザ光出射ユニットを形成するＬＤアレイと光ファイバに至るまでの光学系素子を配置しているので、取扱いが非常に容易となる。また、設置板を設置位置と引出し位置との間で移動自在に設けているので、各レーザ光出射ユニットのメンテナンスや交換を容易に行うことができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第２の態様は、第１の態様において、複数の前記レーザ光出射ユニットは、前記設置板の一辺に沿って互いに隣接して配設され、前記光ファイバは、前記レーザ光出射ユニットのうちの前記設置板の一辺に対向する側から導出され、個々の前記光ファイバは、前記ケースから導出されている部分が前記設置板の一辺と平行となるように次第に湾曲し、相互に平行となった複数の前記光ファイバを束ねて光ファイバのバンドル部が形成されることを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、複数のレーザ光出射ユニットは互いに隣接して配置されているために、それぞれのケースから導出されている光ファイバを束ねて光ファイバのバンドル部を形成することができ、高出力のレーザ光を得ることができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第３の態様は、第２の態様において、複数の前記レーザ光出射ユニットは、前記バンドル部の延在方向に互いに同一角度だけ傾いて配設されていることを特徴とする。

本発明の第３の態様によれば、複数のレーザ光出射ユニットを平行に並列させて配置できるとともに、複数の光ファイバを容易に平行とさせて束ねてバンドル部を形成することができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第４の態様は、第２または第３の態様において、個々の前記光ファイバの導出部分は前記設置板の移動に伴って変形可能であり、前記設置板の移動方向は、前記レーザ光出射ユニットの配列方向に対して直交方向であることを特徴とする。

本発明の第４の態様によれば、光ファイバがレーザ光出射ユニットから外れたり、光ファイバが破損することを防止することができ、装置の信頼性を高くすることができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第５の態様は、第１から第４の態様のいずれか１つににおいて、前記ＬＤを冷却するヒートシンクをさらに有し、前記設置板および前記ヒートシンクには冷媒流路が設けられ、前記設置板の冷媒流路は当該設置板の一辺方向に延在し、複数の前記ヒートシンクの冷媒流路は前記設置板の冷媒流路に対して並列に接続されていることを特徴とする。

本発明の第５の態様によれば、ＬＤをヒートシンクと熱交換することにより確実に冷却することができ、各ヒートシンクを設置板の冷媒流路に対して並列に接続して１個単位で交換することができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第６の態様は、前記ＬＤが複数の発光部をアレイ状に配列して形成されているＬＤアレイであることを特徴とする。

本発明の第６の態様によれば、ＬＤアレイによって高出力のレーザ光を出射させることができる。

また、本発明のレーザ装置は、前記第１から第６の態様のレーザ光出射装置を備えることを特徴とする。

本発明のレーザ装置によれば、前記の機能を備えたレーザ光出射装置から出射されるファイバレーザ光を用いて、種々の作業を進めることができる。

本発明のレーザ光出射装置によれば、複数のレーザ光出射ユニットを積層しないでそれぞれを独立させて配置して、一箇所の冷媒の漏洩が他の箇所に及ぶことを確実に防止することができ、１個単位でレーザ光出射ユニットの交換を行うことができる、また、各レーザ光出射ユニットを１つのケース内にＬＤと光ファイバに至るまでの光学系素子を配置して、取扱いが容易となる等の優れた効果を奏する。

また、本発明のレーザ装置によれば、前記特性を備えたレーザ光出射ユニットを利用したレーザ装置を得ることができる。

以下、本発明のレーザ光出射装置およびレーザ装置を図１から図５により説明する。

図１は本発明のレーザ光出射装置およびレーザ装置の１実施形態を示し、図２から図５はレーザ光出射装置の１実施形態の詳細を示している。

図１により装置全体を説明する。

本実施形態のレーザ光出射装置１は、複数のレーザ光出射ユニット３を冷却手段４の冷却プレート５の上に並列配置して形成されている。本実施形態においては、冷却プレート５が設置板としての機能を有する。各レーザ光出射ユニット３の出射側に接続した光ファイバ６ａは、その途中を束ねて（バンドルして）バンドル部６ｂを形成することにより、バンドルファイバ６が形成されている。バンドル部６ｂは、図１のＡ部拡大図に示す断面構造に形成されている。具体的には、コアとクラッドから成る光ファイバ６ａを束ねた状態でその外周が被覆されてバンドル部６ｂが形成されている。本実施形態においては、個々の光ファイバ６ａの外径ｄ１を、例えば約０．４ｍｍとし、バンドル部６ｂの外径ｄ２を、例えば約１．３ｍｍとすることができる。

これらのバンドルファイバ６はその出光端部をレーザ発振器２６に接続されている。レーザ発振器２６においては、各バンドルファイバ６の出光端面より発振部（図示せず）に入射されたレーザ光ＭＢが発振されるとともに増幅されて、出光ファイバ２６ａから所定強度のファイバレーザ光ＦＢとしてレーザ装置１の出射ユニット７に向けて出光される。レーザ発振器２６の発振部としては各種の構成のものを利用することができる。例えば、増幅用の光ファイバ（以下、「アンプファイバ」という）を有し、そのアンプファイバ内でレーザ光ＭＢが増幅されてファイバレーザ光ＦＢを出光するものを用いるとよい。出射ユニット７においては、出光ファイバ２６ａから入射されたファイバレーザ光ＦＢをテーブル８上のワークピースＷに照射させるように形成されている。

また、レーザ装置２としては、レーザ発振部２６を用いないで、レーザ光出射装置１のバンドル部６ｂの先端部に出射ユニット７を直接接続し、ファイバレーザ光ＦＢをテーブル８上のワークピースＷに照射させるように形成しても
次に、図１から図５によりレーザ光出射装置１を更に説明する。

各レーザ光出射ユニット３は、冷却プレート５の上に固着されている１つの開閉自在な矩形箱状のケース９内に、発光部や光学系等の構成各部を装着して形成されている。即ち、レーザ光ＭＢを発する発光部となるＬＤ（レーザダイオード）１０、当該ＬＤ１０から出射されたレーザ光ＭＢをコリメートするコリメートレンズ１２、コリメートされたレーザ光ＭＢを光ファイバ６の入射端面に集光させる２種類の集光レンズ１３、１４等からなる光学系並びにＬＤ１０を冷却するヒートシンク１１等をケース９の底面９ａ等に装着して形成されている。

更に説明すると、ＬＤ１０としては、マルチエミッタアレイからなる高出力用のＬＤアレイや単体のＬＤから選択するとよく、本実施形態においては発光部としての複数のＬＤ素子を水平に並列されたＬＤアレイとされており、出光側にビーム変換レンズ１０ａを備えている。このＬＤアレイ１０は、ケース９の後端部側（図２および図３の右側）において底面９ａ上に固着されているヒートシンク１１の前側（図の左側）の上面に取付られており、ヒートシンク１１内に形成されている冷媒流路１５を流れる冷媒（例えば、純水）によって冷却されるようになっている。

コリメートレンズ１２はレンズマウント１２ａによって底面９ａに固着されており、ＬＤアレイ１０から上下方向に広がるように出射されるレーザ光ＭＢに対するコリメートレンズであり、図２の上下方向に平行にコリメートされたレーザ光ＭＢを出光させるように形成されている。

コリメートレンズ１２に近い集光レンズ１３はレンズマウント１３ａによって底面９ａに固着されており、上下方向および左右方向に平行な状態で入射されるレーザ光ＭＢを光ファイバ６の入射端面に向けて左右方向に集光させるように形成されている。

次段の集光レンズ１４はレンズマウント１４ａによって底面９ａに固着されており、上下方向に平行に入射されるレーザ光ＭＢを光ファイバ６の入射端面に向けて上下方向に集光させるように形成されている。

なお、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３および集光レンズ１４は、それぞれレンズマウントを介して底面９ａに固着されているが、それらのレンズ１２、１３、１４は底面９ａに直接に設置することもできる。

ケース９内には、更にケース９内の温度および湿度を測定する温湿度センサ１６と、ＬＤアレイ１０からのレーザ光ＭＢの出力を検出する光センサ１７とが設けられている。

このように形成されている複数のレーザ光出射ユニット３は、図１に示すように、平面形状が長方形状の冷却プレート５上に、その一辺（長辺）５ａに沿って（図１の左右方向）互いに隣接して配列されている。そして、複数のレーザ光出射ユニット３は、バンドルファイバ６のバンドル部６ｂの延在方向（図１の左方向）に互いに同一角度だけ傾いて配設されている。すなわち、冷却プレート５の長辺５ａに対して各レーザ光出射ユニット３の光学系の光軸を同一傾斜角度（θ）で傾斜させてケース９を並列させて設置している。本実施形態においては、レーザ光出射装置１の全体形状を小型に形成するために、複数のレーザ光出射ユニット３の配列方向と７本の光ファイバ６ａの集束後のバンドル部６ｂのレーザ光出射装置１からの導出方向とを平行となるようにしている。この小型化を図るためには、前記傾斜角度（θ）を９０度として複数のレーザ光出射ユニット３を並列配置して装置全体の配列方向の長さを最少にすることが考えられるが、光ファイバ６のレーザ光出射ユニット３からの導出端部とバンドル部６ｂとの距離Ｘ（図１参照）を短く設定された狭い領域内において、当該光ファイバ６ａを急激に９０度湾曲させることは、光ファイバ６ａの折損を誘発する原因となる。そこで、本実施形態においては、前記傾斜角度（θ）を、光ファイバ６ａが保有している自己の特性によって決定されている許容湾曲角度をもって前記距離Ｘの狭い領域内において湾曲可能な最大角度以内の値に設定して、装置全体の小型化を図っている。

本実施形態においては、並列配置されている複数のレーザ光出射ユニット３のケース９にそれぞれ接続コネクタ２３をもって光ファイバ６ａの入射端面を集光レンズ１４に対向させて接続し、各光ファイバ６ａのケース９から導出されている部分を各レーザ光出射ユニット３の配列方向と平行となるように前記傾斜角度（θ）に相当する角度分だけ次第に湾曲させ、その後相互に平行となった部分を束ねてバンドルファイバ６としている。

冷却手段４の冷却プレート５内には、冷媒を給排するための冷媒流路として冷媒供給管１８と冷媒排出管１９とが複数のレーザ光出射ユニット３の配列方向、すなわち、冷却プレート５の長辺５ａの延在方向と平行に配設されている（図１）。そして、各レーザ光出射ユニット３のヒートシンク１１に形成されている冷媒流路１５の入口１５ａおよび出口１５ｂを、ケース９の底部９ｂを貫通させて設けた連通路２０ａ、２０ｂを介して冷却手段４の冷媒供給管１８および冷媒排出管１９に相互に並列に接続している（図３、図４）。これらの冷媒流路（１５、１８、１９、２０ａ、２０ｂ）のそれぞれの接続箇所には必要に応じて冷媒漏洩防止用のＯリング２１を配置している（図４）。更に、図５に示すように、冷却手段４の冷却プレート５は、レーザ光出射装置１の本体１ａに対して、本体１ａ内の設置位置（同図実線位置）と本体１ａ外の引出し位置（同図破線位置）との間でレーザ光出射ユニット３の配列方向と直交方向に適宜な構成のスライド手段２２を用いて移動自在に装着されている。

なお、既述のように、図１の光ファイバ６ａは距離Ｘの狭い領域内において湾曲して配設されている。冷却プレート５を図５に示すようにスライドするとき、各レーザ光出射ユニット３に接続された光ファイバ６ａもそれに従って動くのであるが、光ファイバ６ａが湾曲可能な最大角度以内において湾曲部の長さを余裕をもって設定することにより、接続コネクタ２３からファイバ６ａが外れたり、光ファイバ６ａ自体が破損することを防止できる。

また、本実施形態においては、図示していないが冷媒を循環させるシステムや、構成各部を関連動作させる制御系のシステムが付設されている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

まず、レーザ光出射装置１において、電源（図示せず）より各レーザ光出射ユニット３のＬＤアレイ１０に所定電流を通電すると、ＬＤアレイ１０が起動されてレーザ光ＭＢを出射する。このレーザ光ＭＢはビーム変換レンズ１０ａを経ることにより左右に平行で上下に次第に広がりながらコリメートレンズ１２に向けて進行する。その後、レーザ光ＭＢはコリメートレンズ１２を経ることにより左右および上下に平行とされて集光レンズ１３に向けて進行する。その後、レーザ光ＭＢは集光レンズ１３を経ることにより左右に次第に絞られ、集光レンズ１４を経ることにより上下に次第に絞られて、最終的に光ファイバ６ａの入射端面に向けて集光させられる。光ファイバ６ａに入射したレーザ光ＭＢは、光ファイバ６ａの湾曲部を進行し、続いてバンドル部６ｂを進行してバンドルファイバ６の出光端面より出射する。

バンドルファイバ６の出光端面より出射したレーザ光ＭＢは、レーザ発振器２６に入射する。レーザ発振器２６は増幅用のアンプファイバを有していて、そのアンプファイバ内でレーザ光ＭＢは増幅されてファイバレーザ光ＦＢとして出光ファイバ２６ａからレーザ装置１の出射ユニット７に向けて出光される。

この出射ユニット７においては、レーザ発振器２６の出光ファイバ２６ａ（レーザ発振器２６を用いない場合にはバンドルファイバ６）の出光端面より出たファイバレーザ光ＦＢをコリメートレンズ２２によって平行光にコリメートし、続いて平行光のファイバレーザ光ＦＢを集光レンズ２３によってテーブル８に載置されているワークピースＷの所定の焦点位置に集光させて、所望の加工、溶接等のレーザ処理を行う。

従って、本実施形態のレーザ光出光装置１によれば、複数のレーザ光出射ユニット３を積層しないでそれぞれを独立させて配置しているので、一箇所のレーザ光出射ユニット３における冷媒の漏洩が他の箇所に及ぶことを確実に防止することができる。また、レーザ光出射ユニット３を１個単位で交換することができるので、スタック型のレーザ光出射ユニットに比べて、ＬＤ交換のコストを下げることができる。また、１つのケース９内に各レーザ光出射ユニット３を形成するＬＤアレイ１０と光ファイバ６に至るまでの光学系素子を配置しているので、取扱いが非常に容易となる。また、冷却プレート５を設置位置と引出し位置との間で移動自在に設けているので、各レーザ光出射ユニット３のメンテナンスや交換を容易に行うことができる。

また、ＬＤ１０としてＬＤアレイを採用することにより高出力のレーザ光ＭＢを出射させることができる。

また、ケース９内に、ケース９内の温度および湿度を測定する温湿度センサ１６と、ＬＤアレイ１０からのレーザ光ＭＢの出力を検出する光センサ１７とを設けているので、各レーザ光出射ユニット３において、ケース９内の温度および湿度を測定すると同時に、ＬＤアレイ１０からのレーザ光ＭＢの出力を検出することにより、各レーザ光出射ユニット３の動作状態を常に正確に検出しながらレーザ光ＭＢを出射することができる。これにより、例えば冷媒の漏洩等のケース９内における不測の条件変化をも適正に検出して、迅速に対処することができる。

また、本実施形態のレーザ装置２によれば、前記の優れた機能を備えたレーザ光出射装置２から出射されるファイバレーザ光ＦＢを用いて、種々の作業を進めることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、図４に示すように、ヒートシンク１１を水冷構造とし、冷却プレート５内に設けられた冷媒流路１８、１９から冷却水を供給してＬＤ１０を冷却する構成としているが、これに代えて、空冷構造のヒートシンクを用いることもできる。この場合、ヒートシンクにペルチェ素子を設け、冷却プレートに冷却フィン等を設けて冷却手段を構成することができる。

また、上記の実施形態においては、図１に示すように、レーザ発振器２６としてファイバレーザ発振器を用いた構成を例示しているが、これに変えて、前述したように、ＬＤ１０からのレーザ光を直接に加工に利用する構成のレーザ加工装置に本発明を適用することもできる。

また、上記の実施形態においては、図１に示すように、光ファイバ６ａを７本束ねることによりバンドルファイバ６を形成しているが、光ファイバ６ａの本数はこれに限られるものではなく、適宜変更できる。

本発明のレーザ光出射装置およびレーザ装置の１実施形態を示す概略平面図 本発明のレーザ光出射装置の光軸に沿った拡大縦断面図 図２の光軸に沿った横断面図 図２のＬＤ部および冷却手段部分の拡大断面図 装置本体部の概略を示す図１の左側面図

符号の説明

１ レーザ光出射装置
２ レーザ装置
３ レーザ光出射ユニット
４ 冷却手段
５ 設置板（冷却プレート）
６ バンドルファイバ
６ａ 光ファイバ
６ｂ バンドル部
９ ケース
１０ ＬＤ
１２ コリメートレンズ
１３、１４ 集光レンズ

Claims (7)

1. レーザ光を発するＬＤ（レーザダイオード）と、当該ＬＤから出謝されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされたレーザ光を光ファイバの入社端面に集光させる集光レンズとを１つのケース内に配設した複数のレーザ光出射ユニットを有し、複数の前記レーザ光出射ユニットは１つの配設板上に並べて配設され、複数の前記各レーザ光出射ユニットのケースにそれぞれ前記光ファイバの入射端面を前記集光レンズに対向させて接続し、各光ファイバの前記ケースから導出されている部分を束ねて光ファイバのバンド部を形成し、前記設置板を、前記各レーザ光出射ユニットのケースに前記各光ファイバの入射端面を接続したままの状態で設置位置と引出し位置との間で移動自在に設けたことを特徴とするレーザ光出射装置。
2. 請求項１に記載のレーザ光出射装置において、複数の前記レーザ光出射ユニットは、前記設置板の一辺に沿って互いに隣接して配設され、前記光ファイバは、前記レーザ光出射ユニットのうちの前記設置板の一辺に対向する側から導出され、個々の前記光ファイバは、前記ケースから導出されている部分が前記設置板の一辺と平行となるように次第に湾曲し、相互に平行となった複数の前記光ファイバを束ねて光ファイバのバンドル部が形成されることを特徴とするレーザ光出射装置。
3. 請求項２に記載のレーザ光出射装置において、複数の前記レーザ光出射ユニットは、前記バンドル部の延在方向に互いに同一角度だけ傾いて配設されていることを特徴とするレーザ光出射装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のレーザ光出射装置において、個々の前記光ファイバの導出部分は前記設置板の移動に伴って変形可能であり、前記設置板の移動方向は、前記レーザ光出射ユニットの配列方向に対して直交方向であることを特徴とするレーザ光出射装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のレーザ光出射装置において、前記ＬＤを冷却するヒートシンクをさらに有し、前記設置板および前記ヒートシンクには冷媒流路が設けられ、前記設置板の冷媒流路は当該設置板の一辺方向に延在し、複数の前記ヒートシンクの冷媒流路は前記設置板の冷媒流路に対して並列に接続されていることを特徴とするレーザ光出射装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載のレーザ光出射装置において、前記ＬＤは、複数の発光部をアレイ状に配列して形成されているＬＤアレイであることを特徴とするレーザ光出射装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザ光出射装置を備えることを特徴とするレーザ装置。

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