(57)【要約】【課題】地球環境に対する悪影響を抑えつつ冷却効率を向上することができるレーザダイオード冷却機構及びそれを備えたレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置１０は、支持台２０に支持された複数のレーザダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、複数のレーザダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃを冷却するレーザダイオード冷却機構４０とを備えている。レーザダイオード冷却機構４０には、支持台２０に設けられたヒートシンクである設置部材４２と、設置部材４２と各レーザダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃとの間に設けられたペルチェ素子４４と、設置部材４２に設けられて該設置部材４２を冷却する吸熱部５６を有するスターリングクーラ４６とが設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードが設けられる設置部材と、
前記設置部材に設けられ、且つ前記レーザダイオードを冷却する吸熱部を有するスターリングクーラと、を備えることを特徴とするレーザダイオード冷却機構。
【請求項２】
請求項１記載のレーザダイオード冷却機構において、
前記スターリングクーラの前記吸熱部は、前記レーザダイオードが駆動しているときに、前記設置部材の温度が最も高くなる位置に設けられていることを特徴とするレーザダイオード冷却機構。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザダイオード冷却機構において、
前記設置部材は、ヒートシンクであることを特徴とするレーザダイオード冷却機構。
【請求項４】
請求項２又は３記載のレーザダイオード冷却機構において、
前記レーザダイオードは、複数設けられており、
前記設置部材と前記レーザダイオードとの間には、ペルチェ素子が設けられていることを特徴とするレーザダイオード冷却機構。
【請求項５】
レーザダイオードと、
前記レーザダイオードが設けられる設置部材と、
前記設置部材に設けられ、且つ、前記レーザダイオードを冷却する吸熱部を有するスターリングクーラと、を備えることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードを冷却するレーザダイオード冷却機構及びそれを備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱加工等の分野において、レーザダイオード（ＬＤ）が広汎に利用されている。前記ＬＤは、レーザ発振中に相当の熱を発生し、所定温度よりも高い温度になると熱ストレスで劣化することが知られている。そのため、通常、前記ＬＤの過度な温度上昇を抑えるために該ＬＤの冷却が行われる。
【０００３】
前記ＬＤの冷却機構としては、例えば、水冷式冷却機構、チラークーラ、及び空冷式冷却機構等が知られている。
【０００４】
水冷式冷却機構は、例えば、リチウムイオン電池の製造工場等のような水の利用が好ましくない環境においては利用することができないことがある。
【０００５】
チラークーラは、冷媒としてフロンやＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）等が用いられるため、地球環境に悪影響を及ぼすことがある。
【０００６】
空冷式冷却機構としては、ヒートシンクやペルチェ素子等が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−５２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、高出力のレーザを発振することができるＬＤの開発が望まれており、そのために、前記ＬＤを冷却する冷却機構の冷却効率を高めることが必須である。
【０００９】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、地球環境に対する悪影響を抑えつつ冷却効率を向上することができるレーザダイオード冷却機構及びそれを備えたレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るレーザダイオード冷却機構は、レーザダイオードが設けられる設置部材と、前記設置部材に設けられ、且つ前記レーザダイオードを冷却する吸熱部を有するスターリングクーラとを備えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、スターリングクーラを利用しているので、ヒートシンクやペルチェ素子のみを用いた場合と比較して、冷却効率を高めることができる。また、フロンやＨＦＣ等を利用していないので、地球環境に対する悪影響を抑えることができる。さらに、水を利用していないので、水の利用が好ましくない環境においても好適に用いることができる。
【００１２】
また、前記スターリングクーラの前記吸熱部は、前記レーザダイオードが駆動しているときに、前記設置部材の温度が最も高くなる位置に設けられていてもよい。
【００１３】
そうすると、レーザダイオードが駆動しているときに、設置部材の温度が最も高い部位を優先的に冷却することができる。これにより、前記設置部材の一部への熱エネルギの集中を回避することができる。つまり、レーザダイオードから設置部材への熱の伝達を円滑にすることができる。よって、レーザダイオードの冷却効率を一層高めることができる。
【００１４】
前記設置部材は、ヒートシンクであってもよい。これにより、レーザダイオードにて発生した熱をヒートシンクに効率的に逃がすことができる。
【００１５】
前記レーザダイオードは、複数設けられており、各レーザダイオードと前記設置部材との間には、ペルチェ素子が設けられていてもよい。
【００１６】
ペルチェ素子を電気的に制御することにより、レーザダイオードの熱を設置部材に伝達させて各レーザダイオードの温度を任意に調整することができる。つまり、ペルチェ素子を電気的に制御することにより、例えば、複数のレーザダイオードの温度を一定にしたり、各レーザダイオードの温度を異なるようにしたりすることが可能となる。
【００１７】
本発明に係るレーザ装置は、レーザダイオードと、前記レーザダイオードが設けられる設置部材と、前記設置部材に設けられ、且つ、前記レーザダイオードを冷却する吸熱部を有するスターリングクーラと、を備えることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、スターリングクーラを利用してレーザダイオードが冷却されるので、地球環境に対する悪影響を抑えつつ冷却効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、スターリングクーラを利用しているので、ヒートシンクやペルチェ素子を用いた場合と比較して、冷却効率を高めることができる。また、フロンやＨＦＣ等を利用していないので、地球環境に対する悪影響を抑えることができる。さらに、水を利用していないので、水の利用が好ましくない環境においても好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るレーザダイオード冷却機構が組み込まれたレーザ装置のブロック図である。
【図２】第２ユニットの光軸に沿った一部省略拡大縦断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】本実施形態に係るレーザ装置のレーザ加工手順を示したフローチャートである。
【図５】レーザダイオードが駆動された状態の設置部材の温度分布を示すグラフである。
【図６】図５の横軸を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係るレーザダイオード冷却機構と、それが組み込まれたレーザ装置について好適な実施形態を例示し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
本実施形態に係るレーザ装置は、複数のレーザ光を合成することで高出力（例えば、１００Ｗ〜３００Ｗ程度）のレーザ光を出射する装置であり、ワークの加工、溶接、又は、切断等に用いられる。
【００２３】
先ず、本実施形態に係るレーザ装置の基本的構成について説明する。図１に示すように、レーザ装置１０は、複数のレーザ光を出力する一対のレーザ出力部１２ａ、１２ｂと、前記複数のレーザ光を合成する合成部１４と、レーザ出力部１２ａ、１２ｂと合成部１４との間を結ぶ光ファイバ１６と、合成されたレーザ光（合成レーザ光）をテーブル１７上に配置されたワークＷに集光する出射ユニット１８とを備えている。
【００２４】
図１〜図３に示すように、レーザ出力部１２ａ、１２ｂは、支持台２０に支持された第１〜第３ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃを有し、各ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃには、前記レーザ光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられると共に、ＬＤ２４ａ、２４ｂ、２４ｃから出力したレーザ光を伝送する光ファイバ１６が接続コネクタ２６ａ、２６ｂ、２６ｃにより接続されている。つまり、図１に示すように、各レーザ出力部１２ａ、１２ｂには、３本の光ファイバ１６が接続されている。第１〜第３ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、一方向に並列しており、レーザ出力部１２ａ、１２ｂは、各ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃの接続コネクタ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ同士が対向するように配置されている。
【００２５】
なお、以下の説明において、第１〜第３ユニット及びその構成要素を区別する場合には参照符号に添え字「ａ」、「ｂ」、又は「ｃ」を付し、区別しない場合には添え字を省略する。
【００２６】
図１〜図３に示すように、ユニット２２は、ＬＤ２４を収容するケーシング２８を有しており、ケーシング２８内には、ＬＤ２４から出力されたレーザ光を平行化するコリメートレンズ３０と、コリメートレンズ３０にて平行化されたレーザ光を集光する集光レンズ３２、３４が設けられている。また、各ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、ケーシング２８同士が接触するように配置されている。なお、集光レンズ３２は、レーザ光を左右方向に集光し、集光レンズ３４は、レーザ光を上下方向に集光する。
【００２７】
図１に示すように、各レーザ出力部１２ａ、１２ｂに接続された前記３本の光ファイバ１６は、１本に束ねられた（バンドルされた）状態で合成部１４に接続される。なお、以下の説明において、前記３本の光ファイバ１６がバンドルされた部位をバンドル部１６ａと呼ぶことがある。図１から諒解されるように、バンドル部１６ａは、第１〜第３ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃの並び方向に沿って延在している。
【００２８】
また、各ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、レーザ光の出力方向が、第１〜第３ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃの並び方向と直交する方向に対してバンドル部１６ａ側に所定角度だけ傾斜するように設定されている。これにより、光ファイバ１６は、バンドル部１６ａと接続コネクタ２６の間において、緩やかに湾曲する。従って、光ファイバ１６の折損を防止することができる。
【００２９】
合成部１４は、レーザ出力部１２ａ、１２ｂから光ファイバ１６を介して導かれた６本のレーザ光を１本に合成する。
【００３０】
出射ユニット１８は、合成部１４から出射された合成レーザ光を平行化するコリメートレンズ３６と、コリメートレンズ３６にて平行化された合成レーザ光をワークＷに集光する集光レンズ３８とを有する。
【００３１】
次に、本実施形態に係るレーザダイオード冷却機構（ＬＤ冷却機構）４０について説明する。図１〜図３に示すように、ＬＤ冷却機構４０は、ＬＤ２４を冷却するためのものであり、ＬＤ２４が設置される設置部材４２と、ＬＤ２４と設置部材４２との間に配置されたペルチェ素子４４と、設置部材４２に設けられたスターリングクーラ４６とを有する。
【００３２】
図２及び図３に示すように、設置部材４２は、支持台２０に設けられた状態で板状に形成されている。また、設置部材４２は、例えば、ヒートシンクとして形成されており、アルミニウム材料や銅材料で構成されている。これにより、設置部材４２に伝達された熱を効率的に放熱することができる。設置部材４２には、設置部材４２の温度を取得する温度検出手段としての温度検出部４８が設けられている（図３参照）。
【００３３】
ペルチェ素子４４は、その上面にＬＤ２４が接触すると共に、その下面に設置部材４２が接触している。また、ペルチェ素子４４は、電流が供給されることで、前記上面が吸熱されて前記下面が放熱されるように構成されている。
【００３４】
スターリングクーラ４６は、具体的な図示を省略するが、例えば、シリンダ内のピストンを往復運動させてヘリウムガスを圧縮・膨張させることにより、冷却対象物を冷却するものであり、支持台２０に固定された本体部５０と、本体部５０から設置部材４２まで延在する円柱部５２と、本体部５０を挟んで円柱部５２とは反対側に位置する放熱部５４とを有する。また、スターリングクーラ４６は、円柱部５２の中心線が第２ユニット２２ｂのＬＤ２４ｂの略中心に位置するように配置されている。
【００３５】
図３に示すように、円柱部５２の先端近傍には、ヘリウムガスの膨張作用によって冷却される吸熱部５６が設けられている。吸熱部５６は、その外面が設置部材４２と面接触した状態で且つ設置部材４２の内部に位置している。これにより、吸熱部５６の外面と設置部材４２との間に幾らかの隙間が形成された状態で、吸熱部５６を設置部材４２内に位置した場合と比べて、設置部材４２を効率的に冷却することが可能になる。
【００３６】
放熱部５４は、支持台２０から離間した位置に配置されており、ヘリウムガスの圧縮作用によって発生する熱を放熱する。
【００３７】
次に、上述したＬＤ冷却機構４０及びそれを備えたレーザ装置１０を制御する制御部５８について図３を参照しながら説明する。
【００３８】
制御部５８は、ＬＤ２４に対して電圧を印加、又は、ＬＤ２４への電圧印加を停止することによりレーザ光の出力を制御する。
【００３９】
制御部５８は、記憶部６０と、判定部６２と、ペルチェ素子制御部６４と、スターリングクーラ制御部６６とを備えている。
【００４０】
記憶部６０には、スターリングクーラ駆動開始温度（以下、駆動開始温度と称する。）Ｔ0が予め設定されて記憶されている。駆動開始温度Ｔ0は、任意に設定してよいが、例えば、ＬＤ２４が熱ストレスによって劣化する時に温度検出部４８が取得する温度以下に設定されている。
【００４１】
判定部６２は、温度検出部４８にて取得される温度が駆動開始温度Ｔ0よりも大きいか否かを判定する。
【００４２】
ペルチェ素子制御部６４は、ペルチェ素子４４に供給する電流を調整する。
【００４３】
スターリングクーラ制御部６６は、スターリングクーラ４６のピストンを駆動してヘリウムガスの圧縮・膨張の頻度を制御する。すなわち、スターリングクーラ制御部６６は、吸熱部５６の冷却度合いを制御する。
【００４４】
次に、本実施形態に係るレーザ装置１０のレーザ加工手順について図４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００４５】
先ず、制御部５８は、ＬＤ２４ａ、２４ｂ、２４ｃに所定電圧を印加してレーザ光を出力する（ステップＳ１）。このとき、ＬＤ２４は、発熱する。なお、前記所定電圧は、ワークＷの加工条件に基づいて決定される。ワークＷの加工条件は、レーザ装置１０に設けられる不図示の入力手段によって制御部５８に入力される。
【００４６】
また、ペルチェ素子制御部６４は、各ＬＤ２４の温度が略一定になるようにペルチェ素子４４に電流を供給する（ステップＳ２）。これにより、ＬＤ２４で生じた熱がペルチェ素子４４の上面から下面に移動する。つまり、ペルチェ素子４４によってＬＤ２４が冷却される。そして、ペルチェ素子４４の下面に移動した熱は、設置部材４２にて外部に放熱される。なお、このとき、温度検出部４８は、設置部材４２の温度に対応する信号を出力する。
【００４７】
続いて、判定部６２は、温度検出部４８の出力信号を参照して取得される設置部材４２の温度（取得温度）Ｔaが記憶部６０に記憶されている駆動開始温度Ｔ0よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００４８】
取得温度Ｔaが駆動開始温度Ｔ0以下である場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ５に進み、判定部６２はレーザ加工が終了したか否かを判定する。終了していなければ（ステップＳ５：ＮＯ）ステップＳ３の処理に戻る。すなわち、ＬＤ２４は、設置部材４２及びペルチェ素子４４だけで十分に冷却可能な状態である。
【００４９】
一方、取得温度Ｔaが駆動開始温度Ｔ0よりも大きい場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、スターリングクーラ制御部６６は、スターリングクーラ４６を駆動する（ステップＳ４）。これにより、スターリングクーラ４６の吸熱部５６によって設置部材４２が冷却される。
【００５０】
そして、レーザ加工が終了すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御部５８は、ＬＤ２４の駆動を停止する（ステップＳ６）。
【００５１】
その後、ペルチェ素子制御部６４は、ペルチェ素子４４への電流供給を停止する（ステップＳ７）と共に、スターリングクーラ制御部６６は、スターリングクーラ４６の駆動を停止する（ステップＳ８）。なお、ステップＳ７及びＳ８は、ステップＳ６の動作が終了した後、ある程度の時間経過後に行うとよい。これにより、ＬＤ２４の駆動が停止した後においても、ＬＤ２４がＬＤ冷却機構４０によって冷却される。よって、ＬＤ２４の駆動が停止した後に、ＬＤ２４が熱ストレスによって劣化することを防止することができる。
【００５２】
次に、本実施形態に係るＬＤ冷却機構４０とそれを備えたレーザ装置１０の作用効果について図５及び図６を参照しながら説明する。
【００５３】
図５は、ＬＤ２４が駆動された状態の設置部材４２の温度分布を示すグラフであり、横軸は第２ＬＤ２４ｂの中心を通る線分Ｘ０を基準とした第１〜第３ユニット２２ａ、２２ｂ、２２ｃの並び方向の距離を示し（図６参照）、縦軸は温度を示している。なお、図６に示すように、前記線分Ｘ０は、スターリングクーラ４６の円柱部５２の中心軸上に位置しており、第２ＬＤ２４ｂの中心から第１ＬＤ２４ａの中心までの距離と、第２ＬＤ２４ｂの中心から第３ＬＤ２４ｃの中心までの距離をそれぞれＸ１としている。
【００５４】
また、図５において、実線Ｌ１は、スターリングクーラ４６を駆動していない状態の設置部材４２の温度分布を示し、破線Ｌ２は、スターリングクーラ４６を駆動した状態の設置部材４２の温度分布を示している。
【００５５】
図５から諒解されるように、ＬＤ２４を駆動してレーザ光を出力すると、第２ＬＤ２４ｂが第１ＬＤ２４ａ及び第３ＬＤ２４ｃに挟まれているので、設置部材４２は線分Ｘ０の位置で温度Ｔ１となり最も温度が高くなる。
【００５６】
本実施形態では、設置部材４２の最も温度が高くなる位置にスターリングクーラ４６の吸熱部５６を配置しているので、設置部材４２において、線分Ｘ０の位置の温度上昇が抑えられる。これにより、設置部材４２は温度Ｔ２に保持されることとなる。
【００５７】
本実施形態によれば、ＬＤ２４の冷却にスターリングクーラ４６を利用しているので、ヒートシンクやペルチェ素子のみを利用した場合と比較して冷却効率を高めることができる。また、スターリングクーラ４６は、その冷媒としてヘリウムを利用しており、フロンやＨＦＣ等を利用していないので、地球環境に対する悪影響を抑えることができる。さらに、水を利用していないので、水の利用が好ましくない環境においても好適に用いることができる。
【００５８】
本実施形態では、上述したように、ＬＤ２４が駆動しているときに、設置部材４２の温度が最も高い部位にスターリングクーラ４６の吸熱部５６を配置しているので、設置部材４２の温度が最も高い部位を優先的に冷却することができる。これにより、設置部材４２の一部への熱エネルギの集中を回避することができる。つまり、ＬＤ２４から設置部材４２への熱の伝達を円滑にすることができる。よって、ＬＤ２４の冷却効率を一層高めることができる。
【００５９】
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。
【００６０】
本発明に係るペルチェ素子制御部は、各ＬＤが別々の温度になるように各ユニットのペルチェ素子に電流を供給してもよい。
【００６１】
本発明に係るＬＤ冷却機構は、ペルチェ素子を省略して、設置部材の上面に直接的にＬＤを設置してもよい。また、設置部材は、ヒートシンクでなくてもよく、例えば、光学ベースとして構成されていてもよい。光学ベースは、金属材料、複合材料、又はセラミック等で構成される。金属材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はステンレス鋼（ＳＵＳ）等を用いることができる。なお、光学ベースを銅で構成した場合、比較的熱伝導率が高いため、放熱効果を高めることができる。また、複合材料としては、銅とダイヤモンドの複合材料（銅ダイヤ）や、銀とダイヤモンドの複合材料（銀ダイヤ）等を用いることができる。
【００６２】
本発明に係るレーザ出力部は、３つのＬＤを有する例に限らない。例えば、レーザ出力部は、４つ以上のＬＤを有していてもよいし、１つ又は２つのＬＤを有していてもよい。いずれの構成においても、設置部材の温度が最も高くなる位置に対応してスターリングクーラを配設することが望ましい。
【００６３】
また、本発明に係るレーザ装置は、希土類元素がドープされたコアを有する光ファイバに励起光を照射するＬＤを備えるレーザ装置（ファイバレーザ装置）であってもよい。
【００６４】
本発明は、スターリングクーラの吸熱部が設置部材の内部に位置する例に限らず、スターリングクーラの設置場所は任意に選択してよい。例えば、前記吸熱部の一部又は全部が第２ユニットのケーシング内に位置するようにスターリングクーラを配置してもよい。この場合、スターリングクーラは、ケーシング内の空気を媒体としてＬＤを冷却することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０…レーザ装置                        １２ａ、１２ｂ…レーザ出力部
２０…支持台                            ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…レーザダイオード
４０…レーザダイオード冷却機構          ４２…設置部材
４４…ペルチェ素子                      ４６…スターリングクーラ
５６…吸熱部
【図１】
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【図２】
2011119342.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011119342.tif 000006
【図５】
2011119342.tif 000007
【図６】
2011119342.tif 000008