JP7199034B2

JP7199034B2 - レーザ装置

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Publication number: JP7199034B2
Application number: JP2018200722A
Authority: JP
Inventors: 真也堂本; 元希森岡; 諒石川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: JP2020068312A

Description

本発明は、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ装置に関する。

特許文献１には、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ装置が開示されている。

特許第５９８１８５５号公報

ところで、特許文献１のようなレーザ装置では、レーザダイオードバーに発振不能な破損しているエミッタである破損エミッタが１つ発生すると、その破損エミッタに供給される電力の殆どが熱に変換されるので、破損エミッタ周辺の温度が上昇する。そして、破損エミッタ周辺のエミッタが急速に劣化し、劣化したエミッタがその周辺の温度上昇を更に招くという悪循環が生じ、このような悪循環により、レーザダイオードバーの寿命が短くなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザダイオードバーの寿命を長くすることにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ装置であって、前記複数のレーザダイオードバーに電流を供給する電源と、前記各レーザダイオードバーに流れる電流を調整する電流調整部と、前記各レーザダイオードバーの破損度合いを検知する破損検知部と、前記破損検知部により検知された破損度合いが基準値よりも大きいレーザダイオードバーを不良レーザダイオードバーとして特定する特定処理、前記特定処理により特定された不良レーザダイオードバーに流れる電流を前記電流調整部の制御により低減させる低減処理、及び前記レーザ光学系により出射されるレーザ光のレーザ出力が所定の目標値となるように前記電源を制御する電源制御を実行する制御部とを備えていることを特徴とすることを特徴とする。

これにより、特定処理後、不良レーザダイオードバーに流れる電流を低減させるので、不良レーザダイオードバーに含まれるエミッタの温度上昇を抑制できる。したがって、不良レーザダイオードバーに含まれるエミッタの温度上昇による劣化を抑制し、不良レーザダイオードバーの寿命を長くできる。

本発明によれば、レーザダイオードバーの寿命を長くできる。

本発明の実施形態１に係るレーザ装置を備えたレーザ加工装置の構成を示す模式図である。本発明の実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。複数のレーザモジュールの構成を示す模式図である。レーザモジュールの側面図である。レーザモジュールの正面図である。レーザダイオードバー、可変抵抗、及び電源の接続関係を示す回路図である。レーザダイオードバーに含まれる破損エミッタ数とレーザダイオードバーの内部温度及びレーザ熱電対に検知される温度との関係を示すグラフである。制御部の動作を示すフローチャートである。エミッタの温度とエミッタに流す電流との関係を示すグラフである。レーザダイオードバーの温度とレーザダイオードバーに流す電流との関係を示すグラフである。実施形態２の図８相当図としての制御部の動作を示すフローチャートである。実施例２～４、及び比較例１におけるレーザダイオードバーに流す電流と経過時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
本実施形態１に係るレーザ加工装置１００は、図１に示すように、レーザ発振器１０とレーザ光出射ヘッド４０と伝送ファイバ５０と制御部６０と電源７０とコントローラ８０とを備えている。レーザ発振器１０と伝送ファイバ５０でのレーザ光の光路において、レーザ発振器１０よりレーザ光が出射される端部（以下、単に出射端という。）とレーザ発振器１０より伝送ファイバ５０にレーザ光が入射される端部（以下、単に入射端という。）とは筐体１１に収容されている。

レーザ発振器１０は、複数のレーザ装置２０とビーム結合器１２と集光ユニット１３とを有している。

レーザ装置２０は、図２に示すように、互いに異なる波長のレーザ光ＬＢ１を発する例えば１０個のレーザモジュール３０と、１０個のレーザモジュール３０からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢ１を結合させて出射するレーザ光学系としての回折格子２２と、回折格子２２により出射されたレーザ光の一部をレーザ光ＬＢ２として透過させる一方、残りを反射光ＬＢ３として反射させる部分透過ミラー２３と、部分透過ミラー２３からの反射光ＬＢ３を受光し、反射光ＬＢ３の光量に応じた出力信号を出力するフォトダイオード２４とを有している。

各レーザモジュール３０は、図３～５に示すように、レーザダイオードバー（ＬＤバー）３１を有しており、レーザダイオードバー３１は、並列に配置された複数のエミッタ３１ｂを有する半導体レーザアレイである。言い換えるとレーザダイオードバー３１は、エミッタ３１ｂを有する並列に配置された複数のレーザダイオードからなる半導体レーザアレイである。レーザダイオードバー３１は、平面視矩形状の平板形状をなし、その一方の面には板状の正電極３２が配置され、正電極３２の一方の面が取り付けられている。また、レーザダイオードバー３１の他方の面には、正電極３２よりも広い板状の負電極３３が配置され、負電極３３の一方の面の一部が取り付けられている。レーザダイオードバー３１の一側面が、レーザ光ＬＢ１を出射するレーザ光出射面３１ａを構成している。各電極（正電極３２，負電極３３）には、配線３５が接続され、当該配線３５を介して後述する電源７０から電流（電力）が供給される。なお、一つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数は、例えば５０個に設定される。各レーザダイオードバー３１には、図６にも示すように、電流調整部としての可変抵抗２１がそれぞれ並列に接続されている。１０個のレーザモジュール３０のレーザダイオードバー３１は、互いに直列に接続されている。

負電極３３のレーザダイオードバー３１の取付面におけるレーザダイオードバー３１の取り付けられていない領域には、レーザダイオードバー３１の破損度合いとしてレーザダイオードバー３１の近傍の温度を検知する破損検知部としての熱電対３６が取り付けられている。熱電対３６によって検知されるレーザモジュール３０のレーザダイオードバー（ＬＤバー）３１の温度は、図７に示すように、レーザダイオードバー３１に含まれる破損したエミッタである破損エミッタの数に応じた値となる。また、同図に示すように、破損エミッタの数に対する熱電対３６によって検知される温度の変化率は、破損エミッタの数に対するレーザダイオードバー（ＬＤバー）３１の内部温度の変化率に対して低いが、破損エミッタの数が１０個以上あれば、破損エミッタの数が０個の場合に比べ、熱電対３６によって検知される温度が約５℃以上高くなるので、誤差が生じる場合でも、破損エミッタの数が増加したことを認識できる。具体的には、破損エミッタの数が１０個のとき、破損エミッタの数が０個の場合に比べ、熱電対３６によって検知される温度が、図７中符号Ｄで示す温度分高くなる。なお、熱電対３６の取付位置は、レーザダイオードバー３１の内部温度を間接的に検知できる位置（レーザダイオードバー３１の近傍の位置）であればよく、負電極３３のレーザダイオードバー３１の取付面に限定されない。レーザダイオードバー３１の近傍の温度を検知する手段として、熱電対３６に代えて、ＲＴＤ（Resistance Temperature Detector,測温抵抗体）、サーミスタ、ＩＣ(Integrated Circuit)センサ等の他の手段を用いてもよい。また、サーミスタ、ＩＣセンサ等の半導体デバイスをレーザダイオードバーと一体的に形成しても良く、これにより、レーザダイオードバー３１の内部温度を間接的または直接的に検知することができ、検知される温度を、レーザダイオードバー３１の内部温度により近付けることができる。

ビーム結合器１２は、複数のレーザ装置２０からそれぞれ出射されたレーザ光ＬＢ２（図２参照）を一つのレーザ光ＬＢ４に結合して集光ユニット１３に出射する。

集光ユニット１３は、内部に配設された集光レンズ（図示せず）によって、入射されたレーザ光ＬＢ４を集光し、集光されたレーザ光ＬＢ４は、所定の倍率でビーム径が縮小されて伝送ファイバ５０に入射される。また、集光ユニット１３は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ５０の入射端が接続されている。

レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザ光出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ発振器１０は、後述する電源７０から電流が供給されてレーザ発振を行い、伝送ファイバ５０の入射端に入射されたレーザ光ＬＢ４が伝送ファイバ５０の出射端から出射される。なお、本実施形態では、複数のレーザ装置２０として、４つのレーザ装置２０でレーザ発振器１０を構成しているが、特にこれに限定されない。例えば、１つのレーザ装置２０でレーザ発振器１０を構成し、レーザ装置２０から出力されたレーザ光ＬＢ２をそのまま伝送ファイバ５０に入射させるようにしてもよい。レーザ装置２０の搭載個数は、レーザ加工装置１００に要求される出力仕様や、個々のレーザ装置２０の出力仕様によって適宜変更されうる。

伝送ファイバ５０は、集光ユニット１３の集光レンズに光学的に結合され、集光レンズを介してレーザ発振器１０から受け取ったレーザ光ＬＢ４をレーザ光出射ヘッド４０に導光する。

レーザ光出射ヘッド４０は、伝送ファイバ５０で導光されたレーザ光ＬＢ４を外部に向けて照射する。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークＷに向けて、レーザ光出射ヘッド４０によりレーザ光ＬＢ４を出射する。このようにすることで、ワークＷがレーザ加工される。

制御部６０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された電源７０に対して出力電流、出力電圧、レーザ出力やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザ装置２０のレーザ発振制御を行う。また、制御部６０は、複数の熱電対３６の検知結果に基づいて、電源７０に指令電流値を出力するとともに、可変抵抗２１の抵抗値を制御する。制御部６０による制御の詳細については、後述する。

電源７０は、制御部６０により出力された指令電流値に基づいて、レーザ発振を行うための電流（出力電流）を複数のレーザ装置２０のそれぞれに対して供給する。

操作装置としてのコントローラ８０は、レーザ出力の目標値を示す入力をユーザから受け付け、当該所望のレーザ出力を示す指令信号を制御部６０に出力する。

以下、制御部６０が、１つのレーザ装置２０に供給する電流と、当該レーザ装置２０に含まれる１０個の可変抵抗２１の可変抵抗値とを制御する動作について、図８を参照して説明する。

まず、Ｓ１０１において、コントローラ８０が、レーザ出力の目標値を示す入力をユーザから受け付け、当該目標値を示す指令信号を制御部６０に出力する。制御部６０は、レーザ装置２０の各レーザダイオードバー（各ＬＤバー）３１に流れる電流が、前記レーザ出力の目標値に応じた初期値となるように、電源７０の供給電流を制御する。言い換えると、電流の初期値は、すべてのレーザダイオードバー３１が正常に動作する状態で、レーザ光ＬＢ２のレーザ出力が目標値となるときの電流値である。これにより、レーザ発振が開始される。

次に、Ｓ１０２において、制御部６０は、フォトダイオード２４の出力信号に基づいて、制御対象のレーザ装置２０により出射されるレーザ光ＬＢ２のレーザ出力が所定の目標値となるように、電源７０に出力する指令電流値を生成するフィードバック制御を行い、電源７０が出力する電流値の制御を行う。

次に、Ｓ１０３において、制御部６０は、レーザ発振を終了する条件が満たされたか否かを判定し、満たされた場合には処理を終了し、満たされていない場合には、Ｓ１０４に進む。レーザ発振を終了する条件とは、例えば、コントローラ８０が終了指示をユーザから受け付けること、制御部６０が所定のレーザ加工が終了したと判定すること等である。

Ｓ１０４では、制御部６０は、制御対象のレーザ装置２０に含まれる１０個のレーザモジュール３０の熱電対３６の検知結果を受信し、１０個の熱電対３６より検知された温度の平均値を算出する。これにより複数のレーザモジュール３０の各熱電対３６に検出された温度の平均値を、レーザダイオードバー３１がそれぞれ含まれる複数のレーザモジュール３０の温度の平均値として算出する。言い換えると、各熱電対３６に検出された温度の平均値を複数のレーザダイオードバー３１の温度の平均値として算出する。

次に、Ｓ１０５において、制御部６０は、Ｓ１０４において算出された平均値よりも高い所定値として、例えば５℃分高い値を基準値とし、熱電対３６により検知される温度が当該基準値よりも高いレーザモジュール３０に含まれるレーザダイオードバー３１を、不良レーザダイオードバー（不良ＬＤバー）として特定する。言い替えると、エミッタ等が破損することにより、当該基準値よりも温度が高くなった不良状態のレーザダイオードバー３１を、不良レーザダイオードバーとして特定する特定処理を実行する。不良レーザダイオードバーが存在する場合にはＳ１０６に進み、不良レーザダイオードバーが存在しない場合には、Ｓ１０２に戻る。

Ｓ１０６では、制御部６０は、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度が、Ｓ１０４で算出した平均値を下回るまで、Ｓ１０５で特定された不良レーザダイオードバーに並列に接続された可変抵抗２１（図６参照）の抵抗値を下げることにより、並列に接続された可変抵抗２１の側に流れる電流を相対的に増加させ、不良レーザダイオードバーに流れる電流を低減する低減処理を実行する。そして、Ｓ１０７に進む。

Ｓ１０７では、制御部６０は、フォトダイオード２４の出力信号に基づいて、制御対象のレーザ装置２０により出射されるレーザ光ＬＢ２のレーザ出力が所定の目標値となるように電源７０に出力する指令電流値を生成するフィードバック制御（電源制御）を実行し、電源７０が出力する電流値の制御を行う。そして、Ｓ１０８に進む。

Ｓ１０８では、制御部６０は、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度が、Ｓ１０４で算出した温度の平均値を下回っているか否かを判定し、平均値を下回っている場合にはＳ１０２に戻る一方、下回っていない場合にはＳ１０６に戻る。

このように、Ｓ１０６～Ｓ１０８において、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度を、Ｓ１０４で算出した平均値よりも低くするので、不良レーザダイオードバーの寿命を、不良レーザダイオードバーではない、言い換えると不良状態ではなく正常状態であるレーザダイオードバー３１の寿命に近付けることができる。

図９に示すように、レーザダイオードバー３１のエミッタ３１ｂに流れる電流が大きくなる程、エミッタ３１ｂの温度は高くなる。したがって、図１０に示すように、レーザダイオードバー（ＬＤバー）３１に流れる電流が大きくなる程、熱電対３６により検知される温度は高くなる。また、図１０に示すように、レーザダイオードバー３１に含まれる破損エミッタの数が多いほど、熱電対３６により検知されるレーザダイオードバー（ＬＤバー）３１の温度は高くなり、レーザダイオードバー３１の寿命は短くなる。

本実施形態１によれば、不良レーザダイオードバーを特定する特定処理後、不良レーザダイオードバーに流れる電流を低減させるので、不良レーザダイオードバーに含まれるエミッタ３１ｂの温度上昇を相対的に抑制できる。したがって、不良レーザダイオードバーに含まれるエミッタ３１ｂの温度上昇による劣化を抑制し、不良レーザダイオードバーの寿命を長くできる。

また、各レーザダイオードバー３１に並列接続された可変抵抗２１を制御することにより、各レーザダイオードバー３１に流れる電流を調整でき、レーザダイオードバー３１毎に個別に電源を設ける必要がないので、レーザ装置２０を小型化できる。

また、レーザダイオードバー３１近傍の温度をレーザダイオードバー３１の破損度合いとして検知するので、レーザダイオードバー３１により出射されるレーザ光ＬＢ１の一部を反射させてその反射光の光量に基づいて破損度合いを検知するようにした場合に比べ、レーザ光ＬＢ１の光路上にレーザ光ＬＢ１を反射させる手段を設けることによるレーザ光ＬＢ１への悪影響がない分、レーザ光ＬＢ１の品質を高めることができる。

また、１０個のレーザモジュール３０の各熱電対３６より検知された温度の平均値に基づいて算出した基準値を使用して不良レーザダイオードバーを特定するので、外気温の上昇や通常の経年劣化に起因して熱電対３６によって検知される温度が全体的に高くなった場合でも、不良レーザダイオードバーを適切に特定できる。また、予め基準値を設定しなくてよいので、ユーザの手間を削減できる。

（実施形態２）
図１１は、本発明の実施形態２に係る制御部６０の動作を示す。本実施形態２では、実施形態１における複数のレーザモジュール３０の温度の平均値を算出するＳ１０４の処理（図８参照）に代えて、Ｓ２０１の処理を実行する。

Ｓ２０１では、制御部６０は、熱電対３６により検知される温度が予め設定された基準値よりも高いレーザモジュール３０のレーザダイオードバー（ＬＤバー）３１を、不良レーザダイオードバーとして特定する特定処理を実行する。温度の基準値は、正常なレーザダイオードバー３１に、その時の指令電流値の電流を流したときに熱電対３６により検知される温度に予め設定される。不良レーザダイオードバーが存在する場合には、Ｓ２０２に進み、不良レーザダイオードバーが存在しない場合には、Ｓ１０２に戻る。

Ｓ２０２では、制御部６０は、レーザダイオードバー３１の温度として、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度と、その時の指令電流値に対応する温度である前記基準値との差に基づいて、不良レーザダイオードバーに含まれる破損エミッタの数を推定する。破損エミッタの数は、熱電対３６に検知される温度と、指令電流値に対応する温度である前記基準値との差と、破損エミッタの数との組合せを示すリストを制御部６０が予め記憶しておき、そのとき熱電対３６に検知された温度と、指令電流値に対応する温度である前記基準値との差に基づいて、当該リストを参照することにより推定できる。

そして、推定した破損エミッタの数とその時の指令電流値とに基づいて、不良レーザダイオードバーに並列に接続された可変抵抗２１の変更後の抵抗値を決定し、決定した抵抗値に可変抵抗２１の抵抗値を変更する(可変抵抗２１の制御)。これにより、不良レーザダイオードバーに並列に接続された可変抵抗２１（図６参照）の抵抗値を下げることにより、可変抵抗２１の側に流れる電流を相対的に増加させ、不良レーザダイオードバーに流れる電流を低減させて、不良レーザダイオードバーに含まれるエミッタ３１ｂの温度上昇による劣化を抑制し、不良レーザダイオードバーの寿命を長くすることが出来る。

ここで、変更する不良レーザダイオードバーの可変抵抗２１の抵抗値は、破損エミッタの数及び指令電流値と抵抗値との組合せを示すリストを制御部６０が予め記憶しておき、推定した破損エミッタの数とその時の指令電流値とに基づいて、当該リストを参照することにより決定できる。その後、Ｓ１０２に戻る。

その他のレーザ加工装置１００の構成及び動作は、実施形態１と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

したがって、本実施形態２によれば、不良レーザダイオードバーを特定する際、複数の熱電対３６より検知された温度の平均値を算出する処理が実行されないので、不良レーザダイオードバーの特定処理の高速化が可能になる。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。

実施例及び比較例では、レーザ光ＬＢ２のレーザ出力の目標値を１０００Ｗ（＝ＷＧ）に設定し、１０個の各レーザダイオードバー３１にそれぞれ流れる電流の初期値を１５０Ａ（＝Ｉｂ）とした。また、ここで１０個のレーザダイオードバー３１を有するレーザ装置２０が出射するレーザ光ＬＢ２のレーザ出力が１０００Ｗであり、かつ１個当たり１００Ｗの出力を行う各レーザダイオードバー３１に流れる電流が１５０Ａであるときの１つのエミッタ３１ｂの温度を６０℃（＝Ｔ_１）とした（図９参照）。また、各レーザダイオードバー３１は、それぞれ５０個のエミッタ３１ｂを有するものとする。なお、例えばレーザダイオードバー３１内のすべてのエミッタ３１ｂが同じ温度の場合、エミッタ温度はレーザダイオードバー（ＬＤバー）３１の内部温度に相当する。また、寿命は、レーザダイオードバー３１を定格発振させる電流値が初期値（１５０Ａ）から経時変化等により２０％増加して１８０Ａとなるまでの時間と定義し、例えば不良レーザダイオードバーが発生しない場合の寿命時間Ｌは１０００００時間とする（図１２参照）。

レーザダイオードバー３１によってレーザ光が発振されることにより出射されるのは、２０Ａ（＝Ｉａ）以上の電流が流れるときで、レーザダイオードバー３１に２０Ａ（＝Ｉａ）の電流を流す際に必要な電圧は、１２．２Ｖ（＝Ｖａ）、レーザダイオードバー３１に１５０Ａ（＝Ｉｂ）の電流を流す際に必要な電圧は、１６．６７Ｖ（＝Ｖｂ）とする。また、レーザダイオードバー３１の非発振時における温度を２０℃（＝Ｔ_０）、エミッタ３１ｂの熱抵抗値αを２０℃／Ｗとする。そして、寿命は、熱電対３６に検知される温度が１０℃上昇すると半減するという、いわゆる１０℃半減則に従うと仮定して算出する。（言い換えると、検出される温度が１０℃下がると寿命が２倍に伸びるという、いわゆる１０℃２倍則として算出しても良い。）また、例えばレーザダイオードバー３１に１００Ｗのレーザ光を出射させるために必要な電流値の所定値が例えば初期値としての１５０Ａから１Ａ上昇して１５１Ａとなるまでの時間をＬ_１＝７５８４時間とする。言い換えると、１つのレーザダイオードバー３１は、１５０Ａの電流値で、１００Ｗのレーザ光を出射させることができるが、７５８４時間経過すると、経時変化等による劣化により、１００Ｗのレーザ光を出射させるために必要な電流値が１Ａ上昇して１５１Ａになる。

各レーザダイオードバー３１に１００Ｗのレーザ出力のレーザ光を出射させるために必要な電流値が所定値Ｉとする場合の寿命の時間Ｌ_Ｉ（式５参照）は以下のように算出できる。

まず、電流値がＩのときの注入電力ＷＩを（式１）により算出する。

ＷＩ＝Ｉ×｛（Ｉ－Ｉａ）×（Ｖｂ－Ｖａ）／（Ｉｂ－Ｉａ）＋Ｖａ｝・・・（式１）
ここで、各レーザダイオードバー３１において、Ｉは、所定（１００Ｗ）のレーザ出力のレーザ光を出射させるために必要な電流値の所定値であり、Ｉａは、レーザ光の発振が開始される電流値（２０Ａ）であり、Ｉｂは、所定（１００Ｗ）のレーザ出力で定格発振させる電流値の初期値（１５０Ａ）であり、Ｖａは、Ｉａ（２０Ａ）の電流を流す際に必要な電圧値（１２．２Ｖ）であり、Ｖｂは、Ｉｂ（１５０Ａ）の電流を流す際に必要な電圧値（１６．６７Ｖ）である。

次に、電流値がＩのときのレーザ光ＬＢ２のレーザ出力ＷＬを（式２）により算出する。

ＷＬ＝（Ｉ－Ｉａ）×ＷＧ／（Ｉｂ－Ｉａ）・・・（式２）
ここで、ＷＧは、レーザ光ＬＢ２のレーザ出力の目標値（１０００Ｗ）である。

したがって、１つのエミッタ３１ｂに注入される電力（注入電力ＷＩ）から当該エミッタ３１ｂによって出力されるレーザ光のレーザ出力（電流値がＩのときのレーザ光ＬＢ２のレーザ出力ＷＬ）を引いた熱量Ｑ（レーザダイオードバー３１の１つのエミッタ３１ｂ自体にて実際に熱に変換される熱量（Ｗ））は、（式３）により算出できる。

Ｑ＝（ＷＩ－ＷＬ×η／ＷＰＥ）／（５０×１０）・・・（式３）
ここで、ＷＩは、電流値がＩのときの注入電力（Ｗ）であり、ＷＬは、レーザ光ＬＢ２のレーザ出力（Ｗ）であり、ηは、レーザダイオードバー（半導体レーザ）３１の変換効率（％）であり、純粋にレーザダイオードバー３１に加えた電力とレーザダイオードバー３１から取り出せる光出力の比である。ＷＰＥは、ウォールプラグ効率（％）である。なお、ここでのウォールプラグ効率ＷＰＥは、入力する注入電力に対するレーザ加工装置１００又はレーザ発振器１０のレーザ出力（光出力）の割合（比）であり、光学経路でのロス（経路ロス、結合（接続）ロス等）の影響を受けるものであり、言い換えると、光エネルギーに変換できる注入電力の割合である。なおここで、レーザダイオードバー３１の個数は例えば１０個としており、それぞれのレーザダイオードバー３１には５０個のエミッタを有している。

そして、エミッタ３１ｂの温度Ｔを（式４）により算出する。

Ｔ＝Ｔ_０＋Ｑ×α・・・（式４）
ここで、Ｔ_０は、レーザダイオードバー３１の非発振時における温度で２０℃とし、αは、エミッタ３１ｂの熱抵抗値で２０℃／Ｗである。

これにより、寿命の時間Ｌ_Ｉは（式５）により算出できる。

Ｌ_Ｉ＝Ｌ_Ｉ－１×２^{｛（Ｔ１－Ｔ）／１０℃｝}・・・（式５）
ここで、Ｌ_Ｉは、各レーザダイオードバー３１に所定（１００Ｗ）のレーザ出力のレーザ光を出射させるために必要な電流値が所定値Ｉとする場合の寿命の時間であり、Ｔは、エミッタ３１ｂの温度であり、Ｔ_１は、１個当たり１００Ｗの出力を行うレーザダイオードバー３１に流れる電流が１５０Ａであるときの１つのエミッタ３１ｂの温度で６０℃である。

また、ＬＩ－１は、各レーザダイオードバー３１に所定（１００Ｗ）のレーザ出力のレーザ光を出射させるために必要な電流値が所定値Ｉ－１（１つ前の電流値であり、例えばＩが１５３ＡならＩ－１は１５２Ａとなる）となる場合の寿命の時間である。例えば、初期値（１５０Ａ）から１Ａ毎に寿命の時間を算出して、寿命上限の上限として設定されている１８０Ａまで順に算出して累積し、不良レーザダイオードバーの寿命変化を求めても良い。

したがって、上述のような計算を、レーザダイオードバー３１より所定（１００Ｗ）のレーザ出力で出射するために必要な電流値の所定値Ｉを１５２Ａから１８０Ａのそれぞれに順に設定して同様に行うことで、前記寿命、すなわちＬ_１８０を算出できる。

＜実施例１＞
１０個のレーザダイオードバー３１に、１個の不良レーザダイオードバーが存在し、当該不良レーザダイオードバーに５個の破損エミッタが含まれる場合に、不良レーザダイオードバーに流す電流を１３７Ａに抑制することで、不良レーザダイオードバーに対応する熱電対３６に検知される温度を、レーザダイオードバー３１が正常に動作する状態で当該レーザダイオードバー３１に初期値（１５０Ａ）の電流を流したときの温度にした（図１０参照）。これにより、不良レーザダイオードバーの劣化の促進を抑制し、不良レーザダイオードバーの寿命を長くできる。このとき、不良レーザダイオードバーにより出射されるレーザ光のレーザ出力は、８１Ｗとなる。したがって、不良レーザダイオードバーが存在しない場合に比べ、残りの９個のレーザダイオードバー３１に出射させるレーザ光のレーザ出力は増大する。レーザモジュール３０全体の寿命は、８７８７０時間となる。

＜実施例２＞
１０個のレーザダイオードバー３１に、１個の不良レーザダイオードバーが存在し、当該不良レーザダイオードバーに１０個の破損エミッタが含まれる場合に、不良レーザダイオードバーに流す電流を１２４Ａに抑制することで、不良レーザダイオードバーに対応する熱電対３６に検知される温度を、レーザダイオードバー３１が正常に動作する状態で当該レーザダイオードバー３１に初期値（１５０Ａ）の電流を流したときの温度にした（図１０参照）。また、不良レーザダイオードバーにより出射されるレーザ光のレーザ出力が６４Ｗとなるようにした。このとき、レーザモジュール３０全体の寿命は、８０１３９時間となる。

＜実施例３＞
１０個のレーザダイオードバー３１に、１個の不良レーザダイオードバーが存在し、当該不良レーザダイオードバーに２０個の破損エミッタが含まれる場合に、不良レーザダイオードバーに流す電流を１０５Ａに抑制することで、不良レーザダイオードバーに対応する熱電対３６に検知される温度を、レーザダイオードバー３１が正常に動作する状態で当該レーザダイオードバー３１に初期値（１５０Ａ）の電流を流したときの温度にした（図１０参照）。また、不良レーザダイオードバーにより出射されるレーザ光のレーザ出力が３９Ｗとなるようにした。このとき、レーザモジュール３０全体の寿命は、６９０３６時間となる。

＜実施例４＞
１０個のレーザダイオードバー３１に、１個の不良レーザダイオードバーが存在し、当該不良レーザダイオードバーに３０個の破損エミッタが含まれる場合に、不良レーザダイオードバーに流す電流を９１Ａに抑制することで、不良レーザダイオードバーに対応する熱電対３６に検知される温度を、レーザダイオードバー３１が正常に動作する状態で当該レーザダイオードバー３１に初期値（１５０Ａ）の電流を流したときの温度にした。また、不良レーザダイオードバーにより出射されるレーザ光のレーザ出力が２２Ｗとなるようにした。このとき、レーザモジュール３０全体の寿命は、６１９３７時間となる。

＜比較例１＞
１０個のレーザダイオードバー３１のうちの１つを、完全に発光させないようにし、残りの９個の各レーザダイオードバー３１により出射されるレーザ光のレーザ出力が１１１Ｗとなるように、残りの９個の各レーザダイオードバー３１に流す電流を１６４Ａにした。このとき、レーザモジュール３０全体の寿命は、４９０００時間となる。

＜比較例２＞
１０個のレーザダイオードバー３１に、１個の不良レーザダイオードバーが存在し、当該不良レーザダイオードバーに２０個の破損エミッタが含まれる場合に、不良レーザダイオードバーに流す電流を残りの９個の各レーザダイオードバー３１に流す電流と等しくした。不良レーザダイオードバーの寿命が１３０００時間になると仮定すると、１３０００時間の経過後は、残りの９個の各レーザダイオードバー３１だけが発振を続けるので、レーザモジュール３０全体の寿命は、５７０００時間（１３０００時間＋４４０００時間）よりも短くなる。

実施例１～４では、比較例１，２に比べ、レーザモジュール３０全体の寿命が長くなった。

なお、上記実施形態１，２では、１つのレーザ装置２０に含まれるレーザモジュール３０及びレーザダイオードバー３１の数を１０個に設定したが、レーザ装置２０に要求される最大出力やレーザ装置２０の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。

また、上記実施形態１，２では、１つのレーザダイオードバー３１に含まれるエミッタ３１ｂの個数を５０個に設定したが、レーザモジュール３０に要求される最大出力やレーザダイオードバー３１の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。

また、上記実施形態１，２では、可変抵抗２１を電流調整部とし、可変抵抗２１の抵抗値を制御部６０により制御したが、レーザダイオードバー３１毎に電源を設け、これら電源を電流調整部とし、これら電源の供給電流が制御部６０により制御されるようにしてもよい。

また、上記実施形態１，２では、レーザモジュール３０のレーザダイオードバー３１の近傍の温度を検知する熱電対３６を破損検知部としたが、レーザダイオードバー３１により出射されるレーザ光ＬＢ１の一部を反射させる反射板と、その反射光の光量を検知するフォトダイオードとを設け、フォトダイオードを破損検知部とし、反射光の光量の小ささを破損度合いとしてもよい。

また、上記実施形態１のＳ１０８では、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度が、Ｓ１０４で算出した平均値を下回っているか否かを判定したが、予め設定された設定温度を下回っているか否かを判定するようにしてもよい。そして、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度が、設定温度を下回っている場合にはＳ１０２に戻る一方、下回っていない場合にはＳ１０６に進むようにしてもよい。設定温度は、例えば、レーザダイオードバー３１の内部温度（ＬＤバーの内部温度）が６０℃になるときに熱電対３６により検知される温度（レーザダイオードバー３１の温度としてのレーザダイオードバー３１の近傍の温度、例えば、３５℃）以下に設定される（図７参照）。

また、上記実施形態１（図８参照）のＳ１０８では、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度が、Ｓ１０４で算出した平均値を下回っているか否かを判定したが、Ｓ１０４で算出した平均値を所定値以上下回っているか否かを判定するようにしてもよい。

また、上記実施形態１において、Ｓ１０５の特定処理に代えて、実施形態２（図１１参照）のＳ２０１の特定処理を実行してもよい。かかる場合でも、Ｓ１０８において、不良レーザダイオードバーを含むレーザモジュール３０の熱電対３６に検知される温度が、予め設定された設定温度を下回っているか否かを判定するようにしてもよい。

本発明は、複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ装置として有用である。

２０レーザ装置
２２回折格子（レーザ光学系）
２１可変抵抗（電流調整部）
３１レーザダイオードバー
３１ｂエミッタ
３６熱電対（破損検知部）
６０制御部
７０電源

Claims

複数のエミッタを有する複数のレーザダイオードバーと、
前記複数のレーザダイオードバーにより出射されたレーザ光を結合させて出射するレーザ光学系とを備えたレーザ装置であって、
前記複数のレーザダイオードバーに電流を供給する電源と、
前記各レーザダイオードバーに流れる電流を調整する電流調整部と、
前記各レーザダイオードバー近傍の温度を検知する破損検知部と、
前記破損検知部によって検知された前記複数のレーザダイオードバー近傍の前記温度の平均値に基づいて、基準値を算出する基準値算出処理、前記破損検知部により検知された温度が前記基準値よりも大きいレーザダイオードバーを不良レーザダイオードバーとして特定する特定処理、前記特定処理により特定された不良レーザダイオードバーに流れる電流を前記電流調整部の制御により低減させる低減処理、及び前記レーザ光学系により出射されるレーザ光のレーザ出力が所定の目標値となるように前記電源を制御する電源制御を実行する制御部とを備えていることを特徴とするレーザ装置。
請求項１に記載のレーザ装置において、
前記電流調整部は、前記各レーザダイオードバーに並列に接続された可変抵抗であることを特徴とするレーザ装置。
請求項１又は２に記載のレーザ装置において、
前記基準値は、前記平均値よりも所定値分高い値であることを特徴とするレーザ装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
前記低減処理は、前記特定処理により特定された不良レーザダイオードバー近傍の温度が、前記平均値を下回るまで、前記不良レーザダイオードバーに流れる電流を低減させるものであることを特徴とするレーザ装置。