JPWO2019198215A1 - レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ装置（１）は、レーザ光を発振可能なレーザモジュール（２０−１，２０−２，２０−３）と、レーザモジュール（２０−１，２０−２，２０−３）を内蔵する筐体（１０）と、筐体（１０）の内部に設けられ、レーザモジュール（２０−１，２０−２，２０−３）と並列に接続される増設用のレーザモジュール（２０−４）を格納することが可能な増設部と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、レーザ光の出力を増強する拡張を行うことが可能なレーザ装置およびレーザ加工装置に関する。

レーザ装置を導入した後に、レーザ装置のレーザ出力を増強する拡張が求められることがある。例えばレーザ装置が出力するレーザ光を使用して加工対象物を加工するレーザ加工装置では、加工対象物の素材、加工スピードなどに応じて、求められるレーザ出力の強度は異なる。このため、レーザ装置を導入した後に、加工対象物の素材を変更してレーザ出力を高める必要が生じたり、加工数が増えて加工スピードを上げる必要が生じたりした場合には、レーザ装置のレーザ出力を増強する拡張が求められる。

特許文献１には、光信号を増幅する光ファイバ増幅装置において、光増幅器を直列に増設することで、光の強度を増強する拡張を行う技術が開示されている。

特開２０１１−２４３８０３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術によれば、増設する光増幅器を直列に接続するため、光増幅器よりも後段に配置される光学部品には、拡張前後で異なる強度の光が入射する。このため、拡張後の光強度に合わせて、拡張前の状態で必要な耐光強度よりも耐光強度の高い光学部品を使用する必要があり、拡張前の状態では要求される性能に対して過剰性能な光学部品を使用することになるという問題があった。また、従来ではレーザ装置のレーザ出力を調整する方法として、レーザ装置に供給する電力量を増減させる方法が一般的であり、レーザ装置に搭載するレーザモジュールの個数を増減させることでレーザ出力を調整する方法は開示されていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光の強度を増強する拡張を行う前の状態においても、過剰性能な光学部品を使用する必要がなく、要求される性能に合わせた光学部品を使用することが可能な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、レーザ光を発振可能なレーザモジュールと、レーザモジュールを内蔵する筐体と、筐体の内部に設けられ、レーザモジュールと並列に接続される増設用のレーザモジュールを格納することが可能な増設部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるレーザ装置は、レーザ光の強度を増強する拡張を行う前の状態においても、過剰性能な光学部品を使用する必要がなく、要求される性能に合わせた光学部品を使用することが可能であ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構成要素の接続関係を示す図 図２に示すレーザユニットの詳細な構成の一例を示す図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す図

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装置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１の構成を示す図である。レーザ装置１は、筐体１０と、レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３と、駆動電源３０−１，３０−２，３０−３と、結合部４０と、伝送ファイバ４１と、制御ユニット５０と、水冷マニホールド６０と、第１固定部７０と、第２固定部７１とを有する。また、第１固定部７０には、レーザモジュール２０−４を増設することが可能であり、第２固定部７１には、駆動電源３０−４を増設することが可能である。

筐体１０は、レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３と、駆動電源３０−１，３０−２，３０−３と、結合部４０と、伝送ファイバ４１と、制御ユニット５０と、水冷マニホールド６０と、第１固定部７０と、第２固定部７１とを内蔵している。

レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３，２０−４は、電力を供給することでレーザ光を発振可能であり、発振したレーザ光を出力する機能を有する。レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３は、レーザ装置１の製品出荷段階で、筐体１０の内部に配置されている。レーザモジュール２０−４は、製品出荷後に増設される。レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３，２０−４は、並列接続される。以下、レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３，２０−４のそれぞれを区別する必要がない場合、単にレーザモジュール２０と称する。

駆動電源３０−１，３０−２，３０−３，３０−４は、レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３，２０−４のそれぞれに１対１で対応して設けられ、対応するレーザモジュール２０の駆動用電力を供給する。駆動電源３０−１，３０−２，３０−３は、レーザ装置１の製品出荷段階で、筐体１０の内部に配置されている。駆動電源３０−４は、製品出荷後に増設される。以下、駆動電源３０−１，３０−２，３０−３，３０−４のそれぞれを区別する必要がない場合、単に駆動電源３０と称する。

結合部４０は、並列接続された複数のレーザモジュール２０のそれぞれが出力するレーザ光を結合させて１本の光線にする。結合部４０は、結合したレーザ光を伝送ファイバ４１に出力する。結合部４０が複数のレーザ光を結合する方法については、制限されない。例えば、結合部４０は、複数の光の光路を接近させて１つの光線にする空間結合、互いに偏光方向が９０度異なる２つの光を重畳する偏光結合、互いに波長が異なる複数の光を重畳する波長結合、複数の光ファイバを１つの光学部品に結合させるファイバ結合などの方法を用いて複数のレーザ光を結合させる。なお、結合部４０は、上記の結合方法のうちの１つまたは複数を用いて、複数のレーザ光を結合させることができる。例えば、４つのレーザ光を結合する場合、結合部４０は、偏光結合を用いて２つの光を結合し、２つの結合光を得た後、他の結合方法、例えばファイバ結合を用いて２つの結合光をさらに結合して１つの光線を得ることができる。なお、結合部４０は、レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３と接続される３つの接続インタフェースと、増設されるレーザモジュール２０−４と接続するための増設用の空きインタフェースとを有している。

結合部４０の使用する結合方法は、特に制限されず、求められる性能に応じて、様々な結合方法を選択して使用することが可能である。例えば使用する波長帯域を拡張したい場合には、波長結合を使用して複数の波長のレーザ光を結合することが考えられる。一方、波長結合には高価な部品が必要である場合が多いため、波長帯域を拡張する必要がない場合には、コスト低減のために空間結合が用いられてもよい。

制御ユニット５０は、複数の駆動電源３０のそれぞれと接続されており、複数の駆動電源３０のそれぞれを制御することで、レーザモジュール２０に供給する電力を制御することができる。制御ユニット５０は、各種のインターロック制御を行うこともできる。制御ユニット５０は、駆動電源３０との接続インタフェースを複数有している。制御ユニット５０は、駆動電源３０−１，３０−２，３０−３と接続される３つの接続インタフェースと、駆動電源３０−４と接続するための増設用の空きインタフェースとを有している。

水冷マニホールド６０は、レーザ装置１内の発熱部分を冷却するための冷却配管の継ぎ手部分である。水冷マニホールド６０に接続される冷却配管は、例えば、レーザモジュール２０、駆動電源３０などが配置される周囲に設けられる。水冷マニホールド６０は、冷却水がレーザ装置１内に設けられた冷却配管を流れる経路を切り替えることが可能である。

冷却配管は、レーザ装置１に予め配置されるレーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３の周囲だけでなく、増設されるレーザモジュール２０−４の周囲にも設けられている。水冷マニホールド６０は、レーザモジュール２０毎に冷却配管の開閉を個別に切り替えることが可能な開閉部を有する。このため、レーザモジュール２０−４を増設する前は、レーザモジュール２０−４の周囲に設けられた冷却配管へ冷却水が流れないように開閉部を閉じた状態とし、レーザモジュール２０−４を増設する際には、レーザモジュール２０−４の周囲に設けられた冷却配管へ冷却水が流れるように開閉部を開放すればよい。

冷却配管の配置は、駆動電源３０の周囲についてもレーザモジュール２０と同様である。冷却配管は、レーザ装置１に予め配置される駆動電源３０−１，３０−２，３０−３の周囲だけでなく、増設される駆動電源３０−４の周囲にも設けられている。水冷マニホールド６０は、駆動電源３０毎に冷却配管の開閉を個別に切り替えることが可能な開閉部を有する。このため、駆動電源３０−４を増設する前には、駆動電源３０−４の周囲に設けられた冷却配管へ冷却水が流れないように開閉部を閉じた状態とし、駆動電源３０−４を増設する際には、駆動電源３０−４の周囲に設けられた冷却配管へ冷却水が流れるように開閉部を開放すればよい。

第１固定部７０は、複数のレーザモジュール２０を筐体１０内に固定する。第１固定部７０には、増設されるレーザモジュール２０−４を筐体１０の内部に格納する空間が設けられている。第１固定部７０の形状は、増設されるレーザモジュール２０−４を固定することができればよく、例えば、フレーム、留め具、棚などである。第２固定部７１は、複数の駆動電源３０を筐体１０内に固定する。第２固定部７１には、増設される駆動電源３０−４を筐体１０の内部に格納する空間が設けられている。第２固定部７１の形状は、増設される駆動電源３０−４を固定することができればよく、例えば、フレーム、留め具、棚などである。

図２は、図１に示すレーザ装置１が有する構成要素の接続関係を示す図である。駆動電源３０およびレーザモジュール２０は、レーザユニット８０を構成している。レーザ装置１は、駆動電源３０−１およびレーザモジュール２０−１から構成されるレーザユニット８０−１と、駆動電源３０−２およびレーザモジュール２０−２から構成されるレーザユニット８０−２と、駆動電源３０−３およびレーザモジュール２０−３から構成されるレーザユニット８０−３とを有する。

また、レーザ装置１は、筐体１０の内部に設けられ、増設用の駆動電源３０−４および増設用のレーザモジュール２０−４を格納することが可能な増設部９０を有している。増設部９０に駆動電源３０−４およびレーザモジュール２０−４が増設されると、図示しないレーザユニット８０−４を構成する。以下、レーザユニット８０−１，８０−２，８０−３，８０−４のそれぞれを区別する必要がない場合、単にレーザユニット８０と称する。図２に示す例では、１つのレーザユニット８０は、１つのレーザモジュール２０と、レーザモジュール２０を駆動するための１つの駆動電源３０とから構成されている。レーザユニット８０は、単独でレーザ光を発振させることが可能である。

増設部９０は、レーザモジュール２０−４および駆動電源３０−４を筐体１０の内部に格納するための空間と、第１固定部７０のうちレーザモジュール２０−４を固定する部分と、第２固定部７１のうち駆動電源３０−４を固定する部分とを含む。増設部９０は、レーザユニット８０単位でレーザモジュール２０および駆動電源３０を増設可能である。増設部９０は、予め配置されたレーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３と並列に接続される増設用のレーザモジュール２０−４を内部に格納することが可能である。また増設部９０は、増設用のレーザモジュール２０−４に電力を供給する駆動電源３０−４を内部に格納することが可能である。

レーザユニット８０−１，８０−２，８０−３が出力するレーザ光は、結合部４０において結合されて、伝送ファイバ４１に出力される。また、増設部９０にレーザモジュール２０−４および駆動電源３０−４を増設して構成されるレーザユニット８０−４が出力するレーザ光も、結合部４０において結合されて、伝送ファイバ４１に出力される。

図３は、図２に示すレーザユニット８０の詳細な構成の一例を示す図である。レーザユニット８０は、レーザモジュール２０と、レーザモジュール２０に駆動電力を供給する駆動電源３０とを有する。レーザモジュール２０は、光を往復させる少なくとも２枚の反射ミラーである全反射ミラー２１および部分反射ミラー２２と、全反射ミラー２１および部分反射ミラー２２の間にレーザ光を誘導放出させるためのレーザ媒質を励起する励起部２３とを有する。

全反射ミラー２１および部分反射ミラー２２は、共振器を構成する複数の反射面の一例であり、本実施の形態はかかる例に限定されない。３つ以上の反射面を用いて共振器を構成してもよい。例えば、共振器を構成する２つの反射面の間の光路上に、光の進む向きを変化させる反射面を含んでもよいし、反射面はミラーに限らず、コーティングすることで形成された反射機能を有する面であってもよい。励起部２３は、例えば、ガスレーザの場合にはレーザガスに電力を印加した放電部であり、ＹＡＧレーザの場合にはレーザ媒質をドープし、光励起したＹＡＧロッド部であり、半導体レーザの場合にはレーザ媒質をドープし、電力を印加した活性層である。

以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置１は、レーザモジュール２０−１，２０−２，２０−３と並列に接続される増設用のレーザモジュール２０−４を筐体１０の内部に格納することが可能な増設部９０を備えている。このため、レーザモジュール２０−４を増設することで、レーザ光の出力強度を増強する拡張を行うことが可能になる。このとき、複数のレーザモジュール２０は並列に接続されるため、レーザモジュール２０を構成する光学部品に求められる耐光強度は、レーザ光の強度を増強する拡張を行う前後で変わらない。したがって、レーザ光の強度を増強する拡張を行う前の状態においても、過剰性能な光学部品を使用する必要がなく、要求される性能に合わせた光学部品を使用することが可能になる。

またレーザ装置１によれば、レーザモジュール２０および駆動電源３０から構成されるレーザユニット８０単位で、レーザモジュール２０および駆動電源３０を増設することができる。このレーザユニット８０は、単独でレーザ光を発振させることが可能である。このため、レーザ光の出力を増強する拡張を行う際に、既にレーザ装置１に組み込まれている他の部品が劣化している場合であっても、レーザ光の出力を増強することができる。

なお、上記の実施の形態では、予め出荷段階でレーザ装置１に内蔵されているレーザモジュール２０の数を３つとし、出荷後に増設可能なレーザモジュール２０の数を１つとしたが、本実施の形態はかかる例に限定されない。予めレーザ装置１に内蔵されるレーザモジュール２０の数は、１以上の任意の数であってよい。また増設可能なレーザモジュール２０の数は複数であってもよい。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置１００の構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ装置１と、加工ヘッド２と、テーブル３と、制御装置４とを有する。

レーザ装置１は、実施の形態１で説明したものと同様であるため、ここでは詳しい説明は省略する。レーザ装置１が出力するレーザ光は、伝送ファイバ４１を介して加工ヘッド２に入力される。レーザ加工装置１００は、加工ヘッド２とテーブル３の上に載置させる加工対象物Ｗとの相対位置を変化させながら、加工ヘッド２から加工対象物Ｗにレーザ光を照射して、加工対象物Ｗをレーザ加工する装置である。

制御装置４は、レーザ装置１、加工ヘッド２およびテーブル３の動作を制御して、加工対象物Ｗをレーザ加工する。例えば制御装置４は、加工ヘッド２の位置およびテーブル３の位置を制御して、加工ヘッド２とテーブル３上の加工対象物Ｗとの相対位置を変化させることができる。なお、ここでは加工ヘッド２の位置およびテーブル３の位置の両方を制御することとしたが、テーブル３の位置を固定して、加工ヘッド２の位置のみを変化させてもよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置１００は、実施の形態１で説明したレーザ装置１を備える。このため、レーザ装置１にレーザモジュール２０−４を増設することによって、レーザ加工を行う際に使用するレーザ光の出力を増強することが可能になる。このとき、複数のレーザモジュール２０は並列に接続されるため、レーザモジュール２０を構成する光学部品に求められる耐光強度は、レーザ光の強度を増強する拡張を行う前後で変わらない。したがって、レーザ光の強度を増強する拡張を行う前の状態においても、過剰性能な光学部品を使用する必要がなく、要求される性能に合わせた光学部品を使用することが可能になる。

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 レーザ装置、２ 加工ヘッド、３ テーブル、４ 制御装置、１０ 筐体、２０，２０−１，２０−２，２０−３，２０−４ レーザモジュール、２１ 全反射ミラー、２２ 部分反射ミラー、２３ 励起部、３０，３０−１，３０−２，３０−３，３０−４ 駆動電源、４０ 結合部、４１ 伝送ファイバ、５０ 制御ユニット、６０ 水冷マニホールド、７０ 第１固定部、７１ 第２固定部、８０，８０−１，８０−２，８０−３，８０−４ レーザユニット、９０ 増設部、１００ レーザ加工装置、Ｗ 加工対象物。

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、レーザ光を発振可能なレーザモジュールと、レーザモジュールを内蔵する筐体と、筐体の内部に設けられ、レーザモジュールと並列に接続される増設用のレーザモジュールを格納することが可能な増設部と、増設用のレーザモジュールを含む複数のレーザモジュールのそれぞれを冷却するための冷却水が流れる冷却配管と、冷却配管の継ぎ手部分であり、レーザモジュール毎に冷却配管の開閉を切り替えることが可能な開閉部を有する水冷マニホールドと、を備えることを特徴とする。

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、レーザ光を発振可能なレーザモジュールと、レーザモジュールに電力を供給する駆動電源と、レーザモジュールおよび駆動電源を内蔵する筐体と、筐体の内部に設けられ、レーザモジュールと並列に接続される増設用のレーザモジュールと増設用の駆動電源とを内部に格納することが可能な増設部と、増設用のレーザモジュールを含む複数のレーザモジュールのそれぞれを冷却するための冷却水が流れる冷却配管と、冷却配管の継ぎ手部分であり、レーザモジュール毎に冷却配管の開閉を切り替えることが可能な開閉部を有する水冷マニホールドと、を備え、レーザモジュールおよび駆動電源から構成されるレーザユニット単位で、レーザモジュールおよび駆動電源を増設部に増設可能であることを特徴とする。

Claims (10)

1. レーザ光を発振可能なレーザモジュールと、
   前記レーザモジュールを内蔵する筐体と、
   該筐体の内部に設けられ、前記レーザモジュールと並列に接続される増設用のレーザモジュールを格納することが可能な増設部と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. 複数の前記レーザモジュールのそれぞれが発振させた複数のレーザ光を結合させる結合部、
   をさらに備え、
   前記結合部は、前記増設部に増設される前記レーザモジュールと接続可能な増設用のインタフェースを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記レーザモジュールは、２枚以上の反射ミラーと、前記反射ミラーの間にレーザ光を誘導放出するためのレーザ媒質を励起する励起部とを含む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. 前記増設部は、増設用のレーザモジュールを前記筐体内に固定する第１固定部を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザモジュールに電力を供給する駆動電源、
   をさらに備え、
   前記増設部は、増設用の駆動電源を内部に格納することが可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザモジュールおよび前記駆動電源から構成されるレーザユニット単位で、前記レーザモジュールおよび前記駆動電源を前記増設部に増設可能であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
7. 前記レーザユニットは、単独でレーザ光を発振させることが可能であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記増設部は、前記増設用の駆動電源を前記筐体内に固定する第２固定部を有することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
9. 前記増設用のレーザモジュールを含む複数の前記レーザモジュールのそれぞれを冷却するための冷却水が流れる冷却配管と、
   前記冷却配管の継ぎ手部分であり、レーザモジュール毎に冷却配管の開閉を切り替えることが可能な開閉部を有する水冷マニホールドと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
10. 請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置が出力するレーザ光を加工対象物に向けて出射する加工ヘッドと、
    前記加工ヘッドと前記加工対象物との相対位置を変化させる制御装置と、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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