JP7312956B2

JP7312956B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP7312956B2
Application number: JP2019136278A
Authority: JP
Inventors: 智浩持山; 哲二西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2023-07-24
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: JP2021022593A

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加工装置に関する。

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加工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のようなレーザ加工装置において、レーザダイオードバーの寿命を長くしたいという要望がある。

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加工装置であって、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を短絡状態と非短絡状態とに切り替える切替スイッチと、前記各レーザダイオードバー近傍の温度を検知する温度検知部と、前記温度検知部により検知された温度が基準値よりも高いレーザダイオードバーを短絡状態とし、かつ前記温度検知部により検知された温度が基準値以下のレーザダイオードバーを非短絡状態とするように前記切替スイッチを制御することで、前記温度検知部により検知された温度が基準値よりも高いレーザダイオードバーの発振を休止させるとともに、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動作を所定時間経過するごとに繰り返す制御部とをさらに備えていることを特徴とする。

本発明によれば、近傍の温度が基準値よりも高いレーザダイオードバーが発振を休止するので、各レーザダイオードバーの最高温度を低く抑えることができる。したがって、レーザダイオードバーの温度上昇による劣化を抑制し、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。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工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、電源、及び制御部の接続関係を示す回路図である。制御部の動作を示すフローチャートである。レーザダイオードバー近傍の温度と時間との関係を例示するグラフである。

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。

本実施形態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を集光するレーザ光学系としての集光レンズ２２と、集光レンズ２２により出射されたレーザ光を反射させる反射鏡２３と、反射鏡２３から出射されたレーザ光の一部をレーザ光ＬＢ２として反射させる一方、残りをレーザ光ＬＢ３として透過させるビームスプリッタ２４と、ビームスプリッタ２４を透過したレーザ光ＬＢ３を受光し、レーザ光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２５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、切替スイッチとしてのリレー素子３７がそれぞれ並列に接続されている。各リレー素子３７は、ＯＮ（オン）とＯＦＦ（オフ）とに切り替えられることにより、対応するレーザダイオードバー３１を短絡状態と非短絡状態とに切り替えることができる。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近傍の温度を検知する温度検知部としての熱電対３６が取り付けられている。なお、熱電対３６の取付位置は、レーザダイオードバー３１近傍であればよく、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３１と一体的に形成しても良い。各レーザモジュール３０は、レーザモジュール３０を冷却するための冷却板２６（図３参照）に配設されている。

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。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、当該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。具体的には、制御部６０は、フォトダイオード２５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、リレー素子３７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を複数のレーザ装置２０のそれぞれに対して供給する。

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、当該目標値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個のリレー素子３７とを制御する動作について、図７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。また、このとき、制御部６０は、レーザ装置２０のすべてのリレー素子３７をＯＦＦしている。

次に、Ｓ１０２において、制御部６０は、フォトダイオード２５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。

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の１．１倍の値を基準値ＳＶ（図８参照）に設定する。そして、熱電対３６により検知される温度が当該基準値ＳＶ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、高温レーザダイオードバーとして特定する。ここで、基準値ＳＶを、Ｓ１０４において算出された平均値よりも平均値の０．１倍分高い値としたが、平均値よりも他の所定値分高い値としてもよい。基準値ＳＶと平均値との差が、熱電対３６により検知される温度に通常現れるばらつきの最大値と近い値になることが好ましい。高温レーザダイオードバーが存在する場合にはＳ１０６に進み、高温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、Ｓ１０５で特定された高温レーザダイオードバーに並列に接続されたリレー素子３７をＯＮすることにより、高温レーザダイオードバーを短絡状態とする。また、制御部６０は、高温レーザダイオードバー以外のレーザダイオードバー３１、すなわち熱電対３６により検知される温度が基準値ＳＶ以下のレーザモジュール３０に含まれるレーザダイオードバー３１に並列に接続されたリレー素子３７をＯＦＦすることにより、高温レーザダイオードバー以外のレーザダイオードバー３１を非短絡状態とする。そして、所定時間経過するのを待ち、Ｓ１０２に戻る。

図８は、レーザダイオードバー３１近傍の温度と時間との関係を実線で例示する。同図中、レーザダイオードバー３１を常に非短絡状態とする場合のレーザダイオードバー３１近傍の温度と時間との関係を仮想線で例示する。このように、近傍の温度が基準値ＳＶよりも高いレーザダイオードバー３１が短絡状態とされ、発振を休止するので、レーザダイオードバー３１を常に非短絡状態とする場合に比べ、各レーザダイオードバー３１の最高温度を、ΔＴで示す温度分低く抑えることができる。したがって、レーザダイオードバー３１の温度上昇による劣化を抑制し、レーザダイオードバー３１の寿命を長くできる。

また、基準値ＳＶを、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、高温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ＳＶを設定しなくてよいので、ユーザの手間を削減できる。

なお、上記実施形態では、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、上記実施形態では、基準値ＳＶを、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が、予め設定するようにしてもよい。

本発明のレーザ加工装置は、レーザダイオードバーの寿命を長くでき、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加工装置として有用である。

１００レーザ加工装置
３７リレー素子（切替スイッチ）
２２集光レンズ（レーザ光学系）
３１レーザダイオードバー
３１ｂエミッタ
３６熱電対（温度検知部）
６０制御部
７０電源
ＳＶ基準値

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加工装置であって、
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を短絡状態と非短絡状態とに切り替える切替スイッチと、
前記各レーザダイオードバー近傍の温度を検知する温度検知部と、
前記温度検知部により検知された温度が基準値よりも高いレーザダイオードバーを短絡状態とし、かつ前記温度検知部により検知された温度が基準値以下のレーザダイオードバーを非短絡状態とするように前記切替スイッチを制御することで、前記温度検知部により検知された温度が基準値よりも高いレーザダイオードバーの発振を休止させるとともに、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動作を所定時間経過するごとに繰り返す制御部とをさらに備えてい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において、
前記基準値は、前記複数のレーザダイオードバーの温度の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加工装置。