JP6608104B1 - レーザ装置およびレーザ加工機 - Google Patents

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Abstract

レーザ装置(100)は、互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオード(1)と、複数のレーザダイオード(1)により出射された複数のレーザビームを共振させるミラーである部分反射ミラー(12)と、レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で複数のレーザダイオード(1)の各々から入射する複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させてミラーへ進行させる波長分散素子(11)と、を備える。複数のレーザダイオード(1)の各々は、レーザダイオード(1)の出射端(4)を中心に回転可能な調整用部品(3)と一体に形成されている。

Description

本発明は、複数のレーザダイオードを有するレーザ装置およびレーザ加工機に関する。
複数のレーザダイオードを有するレーザ装置は、各レーザダイオードから出射されるレーザビームを結合させることによって、単独のレーザダイオードによりレーザビームを出力する場合に比べて高出力を実現可能とする。ダイレクトダイオードレーザ(Direct Diode Laser:DDL)と称されるレーザ装置では、共振器内に配置された光学素子によって複数のレーザビームを結合させる。光学素子には、光軸の向きが互いに異なる状態で進行する複数のレーザビームについて光軸を一致させることによって複数のレーザビームを結合させる波長分散素子が使用される。
特許文献1には、複数のレーザ光源の各々から出射されるレーザビームを、共振器内に配置された回折格子によって結合させるレーザ装置が開示されている。
特開2016−78050号公報
レーザ装置では、レーザ装置の筐体にレーザダイオードが配置されてから、レーザビームの進行方向を調整するためにレーザダイオードの位置あるいは向きが調整されることがある。上記特許文献1にかかるレーザ装置の場合、複数のレーザビームの光軸を精度良く一致させるために、各レーザダイオードについて位置あるいは向きの調整が行われる。複数のレーザダイオードを有するレーザ装置の場合、レーザダイオード同士が密集して配置されていることによって、各レーザダイオードの位置あるいは向きの調整に手間を要することがある。このため、上記特許文献1にかかるレーザ装置では、複数のレーザダイオードから出射される各レーザビームの進行方向を調整することが困難である場合があるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数のレーザダイオードから出射される各レーザビームの進行方向を容易に調整可能とするレーザ装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ装置は、互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオードと、複数のレーザダイオードにより出射された複数のレーザビームを共振させるミラーと、レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で複数のレーザダイオードの各々から入射する複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させてミラーへ進行させる波長分散素子と、を備える。複数のレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの出射端を中心に回転可能な調整用部品と一体に形成されている。
本発明にかかるレーザ装置は、複数のレーザダイオードから出射される各レーザビームの進行方向の容易な調整が可能となるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1にかかるレーザ装置の構成を示す図 図1に示すレーザ装置が有するLDパッケージの側面図 本発明の実施の形態2にかかるレーザ装置の要部を示す図 図3に示す構成を図3とは異なる方向から見た状態を示す図 実施の形態2の変形例にかかるレーザ装置の要部を示す図 本発明の実施の形態3にかかるレーザ装置の構成を示す図 本発明の実施の形態4にかかるレーザ加工機の構成を示す図
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置およびレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態1にかかるレーザ装置100は、DDLである。図1には、レーザ装置100の筐体内に配置されている構成要素を示している。レーザ装置100は、互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオード(Laser Diode:LD)1と、複数のLD1により出射された複数のレーザビームを共振させるミラーである部分反射ミラー12とを有する。LD1は、出射端4からレーザビームを出射する。部分反射ミラー12は、複数のレーザビームの各々について、入射したレーザビームのうちの一部を反射するとともに入射したレーザビームの一部を透過する。
波長分散素子11は、複数のレーザビームの各々を回折させる回折格子である。波長分散素子11は、レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で複数のLD1から入射する複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させて部分反射ミラー12へ進行させる。また、波長分散素子11は、光軸が互いに一致する状態で部分反射ミラー12から入射する複数のレーザビームを、光軸の向きを互いに異ならせて複数のLD1の各々へ進行させる。なお、光軸は、レーザビームの光束の中心を表す軸とする。レーザビームは、光軸の向きに進行する。
波長分散素子11は、複数のLD1の各々から出射された複数のレーザビームを回折させ、レーザビームを次数ごとに分離する。波長分散素子11は透過型の回折格子である。波長分散素子11は、各レーザビームの1次回折光を互いに結合させるとともに、0次回折光を部分反射ミラー12の方向とは異なる方向に向けて出射する。なお、波長分散素子11は、反射型の回折格子であっても良い。
波長分散素子11は、1次回折光である各レーザビームの光軸を一致させることによって、複数のレーザビームを互いに結合させる。波長分散素子11は、部分反射ミラー12へ向けて結合ビームを出射する。
部分反射ミラー12で反射した結合ビームは、再び波長分散素子11へ入射する。波長分散素子11は、結合ビームを波長ごとのレーザビームに分離する。波長分散素子11は、分離させた各レーザビームを複数のLD1の各々へ向けて出射する。各LD1には、波長分散素子11からLD1へ戻されたレーザビームを反射するミラーが設けられている。LD1内のミラーと部分反射ミラー12とは、複数のレーザビームを共振させる共振器を構成する。波長分散素子11は、共振器内に配置されている。
伝送光学系13は、各LD1から波長分散素子11へ入射するレーザビームについて、ビーム径と発散角とを調整する光学系である。伝送光学系14は、波長分散素子11から部分反射ミラー12へ入射するレーザビームについて、ビーム径と発散角とを調整する光学系である。伝送光学系15は、レーザ装置100の外部にあるプロセスファイバなどの伝送路へ進行させる結合ビームについて、ビーム径と発散角とを調整する光学系である。各伝送光学系13,14,15は、レンズ、ミラーあるいはプリズムといった光学素子を有する。
LD1は、LD1を冷却するヒートシンク2と、LD1の向きを調整するための部品である調整用部品3と一体とされている。調整用部品3は、出射端4から出射されるレーザビームの光軸の向きが調整される際に出射端4を中心に回転可能とされた部品である。複数のLDパッケージ5−1,5−2,・・・,5−nの各々は、LD1とヒートシンク2と調整用部品3とが一体とされた構造物である。すなわち、複数のLD1の各々は、出射端4を中心に回転可能な調整用部品3と一体に形成されている。nは3以上の整数である。なお、以下の説明において、LDパッケージ5とは、LDパッケージ5−1,5−2,・・・,5−nの各々を区別せずに称したものとする。レーザ装置100が有するLDパッケージ5の数は複数であれば良く、任意の数であるものとする。
各LD1を冷却するための冷媒である冷却水は、レーザ装置100の外部の冷却装置によって冷却される。レーザ装置100内のマニホールド6には、マニホールド6への冷却水の流入およびマニホールド6からの冷却水の流出のための配管8が設けられている。マニホールド6は、冷却装置によって供給された冷却水を各LDパッケージ5のヒートシンク2へ分岐させるとともに、各LDパッケージ5のヒートシンク2から回収された冷却水を互いに合流させる。なお、図1において冷却装置の図示を省略している。
各ヒートシンク2には、ヒートシンク2への冷却水の流入およびヒートシンク2からの冷却水の流出のための配管7が接続されている。配管7は、柔軟性を有する樹脂製のホースである。マニホールド6から送り出された冷却水は、ヒートシンク2ごとの配管7を通ってヒートシンク2へ供給される。ヒートシンク2を通った冷却水は、配管7を通ってマニホールド6へ戻される。
図2は、図1に示すレーザ装置が有するLDパッケージの側面図である。LD1は、ヒートシンク2上に置かれている。ヒートシンク2は、調整用部品3上に置かれている。調整用部品3は、設置面21の上に置かれている。設置面21は、レーザ装置100の筐体内に設けられている基材10の面である。調整用部品3は、基材10に設置されている。配管7は、ヒートシンク2に形成された接続部9に接続されている。
調整用軸16は、棒状の部品である。調整用軸16は、出射端4から出射されるレーザビームの光軸の向きが調整される際における調整用部品3の回転中心である。調整用軸16は、出射端4の直下に位置しており、調整用部品3と基材10とに埋め込まれている。調整用軸16は、設置面21に垂直な軸である。設置面21上における調整用部品3の回転によって、設置面21に平行な面内における光軸の向きが調整される。
LDパッケージ5が基材10に設置される際に、図2に示すように、調整用軸16のうちの一端側の部分が基材10に差し込まれるとともに、調整用軸16のうちの他端側の部分が調整用部品3に差し込まれる。これにより、LDパッケージ5は、基材10へ固定されるよりも前に、出射端4が調整用軸16の延長上に位置決めされ、かつ調整用軸16を中心に回転可能な状態とされる。基材10において調整用軸16を中心にLDパッケージ5を回転させることによって、LDパッケージ5は、出射端4から出射されるレーザビームについて、光軸の向きが調整される。光軸の向きが調整された後、調整用部品3が基材10に固定されることによって、LDパッケージ5の設置が完了する。
このように、LD1は、調整用軸16が調整用部品3に差し込まれることによって、出射端4が位置決めされるとともに出射端4の向きが調整可能な状態とされる。調整用部品3への調整用軸16の差し込みによって出射端4の位置決めが可能であるため、レーザ装置100では、LD1の高精度かつ容易な位置決めが可能となる。また、レーザ装置100では、調整用軸16を中心とするLDパッケージ5の回転によって、光軸の向き、すなわちLD1の向きの高精度かつ容易な調整が可能となる。
レーザ装置100は、LDパッケージ5が基材10に載せられた後は光軸の向きが調整されることによって、LD1の位置とLD1の向きとが調整された状態とされる。レーザ装置100は、LDパッケージ5が基材10に載せられてからLD1の位置とLD1の向きとの双方についての調整を要する場合に比べて、LD1の位置とLD1の向きとの容易な調整が可能となる。これにより、レーザ装置100は、LDパッケージ5同士が密集して配置される場合であっても、各LD1の位置および向きの容易な調整が可能となる。
レーザ装置100は、各LD1の向きの高精度な調整が可能となることによって、高いビーム品質のレーザビームを出射することが可能となる。レーザ装置100は、調整用軸16による出射端4の位置決めを可能としたことによって、LD1から出射したレーザビームの進行方向について、各LD1の向きの調整に伴う変化量を少なくさせることができる。レーザ装置100は、LD1から出射したレーザビームが入射する各光学素子について、LD1の向きの調整に伴う光学素子の移動を少なくすることが可能となる。これにより、レーザ装置100は、各LD1の調整に伴う光学素子の移動のためのスペースを縮小させることが可能となる。また、各光学素子は、レーザビームを受けるために必要な光学素子の寸法を小さくすることが可能となる。これにより、レーザ装置100の小型化とレーザ装置100のコスト低減とが可能となる。
柔軟性を有する樹脂製のホースが配管7として使用されていることで、接続部9に配管7が接続されている状態において、LD1の向きの調整に合わせて配管7の自在な変形が可能となる。これにより、レーザ装置100は、マニホールド6と接続部9とへの配管7の接続が完了した後におけるLD1の向きの調整が可能となる。また、樹脂製のホースは、柔軟性を有する他のホースの1つである金属製の蛇腹ホースに比べて、安価であり、かつ外径を小さくすることができる利点がある。
ここで、調整用部品3について、設置面21に垂直な軸を第1軸、設置面21に平行かつ光軸に垂直な軸を第2軸と定義する。実施の形態1では、レーザ装置100は、第1軸である調整用軸16が設けられることによって、設置面21に平行な面内における光軸の向きが調整可能とされている。レーザ装置100は、第2軸回りの回転によって、設置面21に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きが調整可能とされていても良い。レーザ装置100は、第2軸回りの回転によって光軸の向きが調整される場合も、出射端4を中心にLD1が回転可能とされる。これにより、レーザ装置100は、設置面21に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きの調整が可能となる。
実施の形態1によると、レーザ装置100は、出射端4を中心に回転可能とされた調整用部品3にLD1が一体とされていることによって、各LD1の向きの容易な調整が可能となる。これにより、レーザ装置100は、複数のLD1から出射される各レーザビームの進行方向の容易な調整が可能となるという効果を奏する。
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2にかかるレーザ装置の要部を示す図である。図4は、図3に示す構成を図3とは異なる方向から見た状態を示す図である。実施の形態2では、基材10のうち調整用部品3が設置されている設置面21から配管7までの高さH2が、設置面21からレーザビームの光軸22までの高さH1よりも低い。実施の形態2では、上記の実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1とは異なる構成について主に説明する。図3には、レーザ装置101の筐体内に配置されている構成要素を側方から見た様子を示している。また、図3では基材10を破線により表している。
レーザ装置101は、配管7の上部を覆う被覆材20を備える。被覆材20は、金属製の板材である。被覆材20は、設置面21から配管7までの高さH2よりも高い位置であってかつ設置面21から光軸22までの高さH1よりも低い位置に設けられている。被覆材20は、各LDパッケージ5とマニホールド6とに接続されている複数の配管7の上部を覆う。なお、図4には、図3に示す構成のうち被覆材20が除かれた状態を上方から見た様子を示している。また、図4には、マニホールド6に接続されている複数のLDパッケージ5のうちの1つを示している。
レーザ装置101は、光軸22の高さH1よりも低い高さH2に配管7が設けられていることによって、配管7へのレーザビームの照射と、配管7への散乱光の照射とを抑制することができる。散乱光は、レーザビームの光路に設けられている各光学素子へのレーザビームの入射によって生じる散乱光、あるいは各光学素子から筐体等の構造物へのレーザビームの入射によって生じる散乱光である。レーザ装置101は、配管7へのレーザビームの照射と配管7への散乱光の照射とを抑制可能とすることによって、配管7の劣化を抑制することができる。レーザ装置101は、耐光性に劣る樹脂材料が配管7に使用されている場合であっても、配管7の劣化を抑制することができる。
さらに、レーザ装置101は、被覆材20が設けられることによって、レーザビームおよび散乱光を被覆材20によって遮蔽することができる。これにより、レーザ装置101は、配管7の劣化をさらに抑制することができる。
図5は、実施の形態2の変形例にかかるレーザ装置の要部を示す図である。本変形例にかかるレーザ装置101では、配管7は、設置面21よりも調整用部品3の側とは逆側の位置に設けられている。図5において、配管7は、基材10に埋め込まれている。マニホールド6のうち配管7が接続されている部分を含む部分は、配管7とともに基材10に埋め込まれている。接続部9は、調整用部品3に埋め込まれている。接続部9は、ヒートシンク2から設置面21の側へ向けられている。
配管7は、調整用部品3と基材10とを通されている。ヒートシンク2とマニホールド6との間に設けられている配管7の全体は、調整用部品3と基材10とによって覆われている。これにより、配管7は、レーザビームが通る空間とは隔離されている。さらに、複数の配管7の各々が、図5に示す配管7と同様に、レーザビームが通る空間とは隔離されている。
実施の形態2の変形例においても、レーザ装置101は、配管7へのレーザビームの照射と配管7への散乱光の照射とを抑制可能とする。これにより、レーザ装置101は、配管7の劣化を抑制することができる。
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3にかかるレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態3にかかるレーザ装置102では、調整用部品3によるLD1の向きの調整のほかに、レーザビームの光路に配置されている各光学素子のうちの少なくとも1つについて向きの調整が可能とされている。実施の形態3では、上記の実施の形態1および2と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1および2とは異なる構成について主に説明する。
ここで、調整用部品3および各光学素子31,32について、設置面21に垂直な軸を第1軸、設置面21に平行かつ光軸に垂直な軸を第2軸と定義する。伝送光学系13は、n個の光学素子31とn個の光学素子32とを有する。光学素子31は、レーザビームが透過するプリズムである。光学素子32は、レーザビームが反射するミラーである。
調整用部品3は、第1軸である調整用軸16回りにおける回転が可能とされている。各光学素子31は、光軸の方向が調整される際に、第2軸回りに回転可能に支持されている。各光学素子32は、光軸の方向が調整される際に、第1軸回りに回転可能かつ第2軸回りに回転可能に支持されている。ここでは、各光学素子31,32の支持のための構成については、図示および説明を省略する。
各LD1と波長分散素子11との間を進行する各レーザビームについて、設置面21に平行な面内における光軸の向きは、調整用軸16回りにおける調整用部品3の回転と、第1軸回りにおける光学素子32の回転によって調整される。また、各LD1と波長分散素子11との間を進行する各レーザビームについて、設置面21に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きは、第2軸回りにおける光学素子31の回転と、第2軸回りにおける光学素子32の回転とによって調整される。これにより、レーザ装置102では、各LD1と波長分散素子11との間を進行する各レーザビームについて、設置面21に平行な面内における光軸の向きと、設置面21に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きとが調整される。各光学素子31,32は、光軸の向きが調整された状態で固定される。
レーザ装置102は、調整用部品3の回転と、光学素子31,32の回転とが組み合わせられることによって、設置面21に平行な面内における光軸の向きと、設置面21に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きとを調整できる。なお、伝送光学系13のうち、光軸の向きが調整される際に回転可能とされる光学素子は、実施の形態3にて説明する光学素子31,32に限られない。レーザ装置102では、伝送光学系13に含まれる各光学素子のうちのいずれの光学素子が回転可能とされていても良い。
レーザ装置102は、各LD1と波長分散素子11との間を進行する各レーザビームについて、光軸の向きの高精度な調整が可能となる。レーザ装置102は、光軸の向きの高精度な調整によって、高いビーム品質のレーザビームを出射することが可能となる。レーザ装置100は、調整用軸16による出射端4の位置決めを可能としたことによって、LD1から出射したレーザビームの進行方向について、各LD1の向きの調整に伴う変化量を少なくさせることができる。各光学素子31,32は、レーザビームを受けるために必要な光学素子31,32の寸法を小さくすることが可能となる。これにより、レーザ装置102の小型化とレーザ装置102のコスト低減とが可能となる。
実施の形態3によると、レーザ装置102は、調整用部品3の回転と、光学素子31,32の回転とによって、光軸の向きの容易かつ高精度な調整が可能となる。これにより、レーザ装置102は、複数のLD1から出射される各レーザビームの進行方向の容易な調整が可能となるという効果を奏する。
実施の形態4.
図7は、本発明の実施の形態4にかかるレーザ加工機の構成を示す図である。実施の形態4にかかるレーザ加工機200は、上記の実施の形態1にかかるレーザ装置100を有する。レーザ加工機200は、レーザ装置100から出射されたレーザビームを被加工物45へ照射することによって被加工物45を加工する。実施の形態4では、上記の実施の形態1から3と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から3とは異なる構成について主に説明する。
レーザ加工機200は、被加工物45の加工が行われる部分である加工機駆動部41と、レーザ加工機200全体を制御する加工機制御装置42と、レーザ装置100へ供給される冷却水を冷却する冷却装置43とを有する。加工機駆動部41は、レーザビームを出射する加工ヘッド44と、被加工物45が載せられるテーブル46とを有する。また、加工機駆動部41は、鉛直方向であるZ軸方向へ加工ヘッド44を移動させる軸駆動部と、水平面内のX軸方向とY軸方向とへテーブル46を移動させる軸駆動部とを有する。これにより、加工機駆動部41は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向において加工ヘッド44と被加工物45とを相対移動させる。図7では、軸駆動部の図示を省略している。
プロセスファイバ47は、レーザ装置100から出射されたレーザビームを加工ヘッド44へ送るための伝送路である。加工機制御装置42は、レーザ装置100と加工機駆動部41と冷却装置43とを制御する。
レーザ加工機200には、レーザ装置100から出射されるレーザビームのビーム品質を許容可能なプロセスファイバ47が使用される。レーザ加工機200は、レーザ装置100を有することによって、高いビーム品質のレーザビームをプロセスファイバ47へ入射可能とする。レーザ加工機200は、レーザ装置100から加工ヘッド44へ効率良くレーザビームを伝播することができる。
レーザ加工機200は、レーザ装置100に代えて、実施の形態2にかかるレーザ装置101または実施の形態3にかかるレーザ装置102を有しても良い。レーザ加工機200は、レーザ装置101,102を有する場合も、加工ヘッド44へ効率良くレーザビームを伝播することができる。実施の形態4によると、レーザ加工機200は、レーザ装置100,101,102のいずれか1つを有することによって、高いビーム品質のレーザビームの照射による効率良い加工を行うことができるという効果を奏する。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 レーザダイオード(LD)、2 ヒートシンク、3 調整用部品、4 出射端、5,5−1,5−2,5−n LDパッケージ、6 マニホールド、7,8 配管、9 接続部、10 基材、11 波長分散素子、12 部分反射ミラー、13,14,15 伝送光学系、16 調整用軸、20 被覆材、21 設置面、22 光軸、31,32 光学素子、41 加工機駆動部、42 加工機制御装置、43 冷却装置、44 加工ヘッド、45 被加工物、46 テーブル、47 プロセスファイバ、100,101,102 レーザ装置、200 レーザ加工機。

Claims (7)

  1. 互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオードと、
    前記複数のレーザダイオードにより出射された複数のレーザビームを共振させるミラーと、
    レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で前記複数のレーザダイオードの各々から入射する前記複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させて前記ミラーへ進行させる波長分散素子と、
    を備え、
    前記複数のレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの出射端を中心に回転可能な調整用部品と一体に形成されていることを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記出射端の直下には、前記調整用部品の回転中心となる調整用軸を備え、
    前記調整用軸は、前記調整用部品が設置される基材と前記調整用部品とに埋め込まれていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
  3. 前記複数のレーザダイオードの各々は、前記レーザダイオードを冷却するヒートシンクと一体とされており、
    前記ヒートシンクには、前記ヒートシンクへの冷媒の流入および前記ヒートシンクからの前記冷媒の流出のための配管が接続されており、
    前記配管は、柔軟性を有する樹脂製のホースであることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ装置。
  4. 前記調整用部品が設置されている設置面から前記配管までの高さが、前記設置面から前記レーザビームの光軸までの高さよりも低いことを特徴とする請求項3に記載のレーザ装置。
  5. 前記配管を覆う被覆材を備え、
    前記被覆材は、前記設置面から前記配管までの高さよりも高い位置であってかつ前記設置面から前記レーザビームの光軸までの高さよりも低い位置に設けられていることを特徴とする請求項4に記載のレーザ装置。
  6. 前記配管は、前記調整用部品が設置されている設置面よりも前記調整用部品の側とは逆側の位置に設けられていることを特徴とする請求項3に記載のレーザ装置。
  7. 請求項1から6のいずれか1つに記載のレーザ装置を備え、
    前記レーザ装置から出射されたレーザビームを被加工物へ照射することによって前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工機。
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