(57)【要約】      （修正有）【課題】装置を小型化して設置面積を小さくすると共に、冷却のための吸気量を十分確保してメンテナンスも容易なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ制御部から結合部６３を介して送出される励起光をレーザ媒質の一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するレーザ発振部と、レーザ発振を走査させる走査部と、走査光を集光してレーザ出力を出射する集光部とを備えたレ−ザ加工装置において、一方向に延長された形状に構成されるレーザ加工装置ケース５５の内部にレーザ発振部および走査部を互いの光軸を一致させるように固定すると共に、結合部６３を一方の端部に、集光部を他方の端面に設けてなり、集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース５５の長手方向に沿うように構成されてなるレーザ加工装置ケースを有する。【選択図】  図１２
2004354780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を励起させる励起光を発生させるためのレーザ制御部（１）と光学的に結合するための結合部（６３）と、
ロッド状に延長された２つの端面を備えるレーザ媒質（８）を有するレーザ発振部（５０）であって、レーザ制御部（１）から前記結合部（６３）を介して送出される励起光をレーザ媒質（８）の一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するよう構成されてなるレーザ発振部（５０）と、
前記レーザ発振部（５０）から出射されるレーザ発振を走査させるための走査部（９）と、
前記走査部（９）からの走査光を集光してレーザ出力として外部に出射するための集光部と、
一方向に延長された形状に構成されるレーザ加工装置ケース（５５）であって、内部に前記レーザ発振部（５０）および走査部（９）を互いの光軸を一致させるように固定すると共に、前記結合部（６３）を一方の端部に、前記集光部を他方の端面に設けてなり、前記集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース（５５）の長手方向に沿うように構成されてなるレーザ加工装置ケース（５５）と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
レーザ媒質（８）を励起して励起光を放出させるためのレーザ励起部（６）を備えるレーザ制御部（１）と、
前記レーザ制御部（１）と光学的に結合され、レーザ制御部（１）から送出される励起光を、一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するレーザ媒質（８）を備えるレーザ発振部（５０）と、
前記レーザ発振部（５０）から出射されるレーザ発振を走査させるための走査部（９）と、
前記走査部（９）からの走査光を集光してレーザ出力として外部に出射するための集光部と、
一方向に延長された形状に構成されるレーザ加工装置ケース（５５）であって、内部に前記レーザ発振部（５０）および走査部（９）を互いの光軸を一致させるように固定すると共に、前記結合部（６３）を一方の端部に、前記集光部を他方の端面に設けてなり、前記集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース（５５）の長手方向に沿うように構成されてなるレーザ加工装置ケース（５５）と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース（５５）の一方の端部であって、前記集光部を設けた端面と対向する端面に前記結合部（６３）を設けてなり、前記結合部（６３）から送出される励起光と集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース（５５）の長手方向に沿うように構成されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ発振部（５０）の温度を調節するための放熱部（６４）を熱伝導状態で前記レーザ発振部（５０）と固定すると共に、前記放熱部（６４）は前記走査部（９）の上方に位置するようレーザ加工装置ケース（５５）内に固定されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ加工装置であって、前記放熱部（６４）は複数の放熱板を離間してスリット状に固定すると共に、空気を強制的に送風するためのファン（４１）を両端にそれぞれ設けていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、  前記走査部（９）は、一対のガルバノミラーと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ（５１）とを備え、
前記一対のガルバノミラーをそれぞれガルバノモータ（５１）のモータ軸を直交させて配し、前記レーザ発振部（５０）から出射されるレーザ発振を両ガルバノミラーの鏡面に順次反射させ、前記モータ軸の回動に伴う両ガルバノミラーの回動により、互いに直交する２方向に走査しつつ加工対象に照射するよう構成されてなり、
前記レーザ加工装置はさらに、前記ガルバノモータ（５１）を駆動し、レーザ発振を所望の方向に走査させるよう制御するためのスキャナ駆動部（５２）を備え、
前記スキャナ駆動部（５２）は、レーザ加工装置ケース（５５）の前方に配置されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース（５５）を構成する一面を折曲または湾曲させ、この部分に吸気口（６５）を構成していることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース（５５）が略直方体形状に形成されており、直方体を構成する面の内、隣接する３面に跨って吸気口（６５）を構成していることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース（５５）に設けられた吸気口（６５）にフィルタ（６９）を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ加工装置であって、前記フィルタ（６９）は、フィルタ保持部（６８）に脱着可能に保持され、前記フィルタ保持部（６８）は前記開口部を覆ってレーザ加工装置ケース（５５）の一部を構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記フィルタ保持部（６８）は、吸気口（６５）を設けた面から脱着可能に前記レーザ加工装置に装着されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項７から１１のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記吸気口（６５）の内面に前記スキャナ駆動部（５２）が配置されてなり、前記放熱部（６４）のファン（４１）を回転させることで、吸気口（６５）から吸気される空気の一部が前記スキャナ駆動部（５２）の放熱を促進すると共に、放熱部（６４）により前記レーザ発振部（５０）の放熱が促進されるよう構成されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１３】
レーザ媒質（８）を励起して励起光を放出させるためのレーザ励起部（６）を備えるレーザ制御部（１）と、
前記レーザ制御部（１）と光学的に結合するための結合部（６３）と、
ロッド状に延長された２つの端面を備えるレーザ媒質（８）を有するレーザ発振部（５０）であって、レーザ制御部（１）から前記結合部（６３）を介して送出される励起光をレーザ媒質（８）の一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するよう構成されてなるレーザ発振部（５０）と、
前記レーザ制御部（１）と光学的に結合され、レーザ制御部（１）から送出される励起光を、一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するレーザ媒質（８）を備えるレーザ発振部（５０）と、
一対のガルバノミラーと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ（５１）とを備え、前記一対のガルバノミラーをそれぞれガルバノモータ（５１）のモータ軸を直交させて配し、前記レーザ発振部（５０）から出射されるレーザ発振を両ガルバノミラーの鏡面に順次反射させ、前記モータ軸の回動に伴う両ガルバノミラーの回動により、互いに直交する２方向に走査しつつ加工対象に照射するよう構成されてなる走査部（９）と、
前記ガルバノモータ（５１）を駆動し、レーザ発振を所望の方向に走査させるよう制御するためのスキャナ駆動部（５２）と、
前記走査部（９）からの走査光を集光してレーザ出力として外部に出射するための集光部と、
略直方体状のレーザ加工装置ケース（５５）であって、内部に前記レーザ発振部（５０）および走査部（９）を互いの光軸を一致させるように固定しており、レーザ加工装置ケース（５５）を構成する面の内ケースの長手方向と直交する第１の面に前記集光部が設け、前記第１の面と対向する第２の面に前記結合部（６３）を設けてなり、前記結合部（６３）から送出される励起光と集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース（５５）の長手方向に沿うように構成されてなると共に、前記第１の面と第２の面の間でこれらの面の周囲に沿って連続する第３の面、第４の面、第５の面の少なくとも一部に、これらに跨って吸気口（６５）を構成したレーザ加工装置ケース（５５）と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光を加工対象物に照射して印字などの加工を行うレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品などの加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキングなどの加工を行う。このようなレーザ加工装置では、レーザ光を励起させる励起光をレーザ発振器を構成する固体レーザ媒質の側面から照射するサイドポンピング方式が一般に使用される（例えば特許文献１）。また、固体レーザ媒質の長手方向、すなわち光軸方向の端面から励起光を照射するエンドポンピング方式の励起方式も開発されている（例えば特許文献２）。いずれの方式においても、レーザ加工装置は図１に示すように装置本体の長手方向が水平に保持された状態で、装置本体の一方の端部から垂直下方にレーザ光を出射するよう構成されていた。この構成のレーザ加工装置４８を製造工場の生産ライン等に配置する場合、図１に示すように生産ラインの搬送方向に対してレーザ加工装置４８本体の長手方向が直交する姿勢で固定されることが多い。これは、生産ライン上の搬送方向における空間の専有面積を可能な限り小さくするためである。逆に言うと、図２に示すように長手方向をラインの搬送方向と一致させるようなレーザ加工装置４８の配置は通常採用されない。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１１８７７８号公報
【特許文献２】
特表平９−５０８７５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１のような配置においても、生産ライン上の横方向にはみ出す形でレーザ加工装置本体の長手方向に相当する面積を占有している。生産ライン上に設置する加工装置は、設置面積を可能な限り小さくすることが望まれる。特に生産ラインにおける単位面積あたりの生産能力を向上させるには、装置の設置面積は小さいほど好ましい。
【０００５】
本発明はこのような要求に応えるべくなされたものであり、その第１の目的は装置を小型化して設置面積を小さくしたレーザ加工装置を提供することにある。
【０００６】
さらに、上記の目的を達成するためレーザ加工装置を小型化しようとすれば、その冷却方式を水冷でなく空冷にすることが望まれる。特にレーザ加工装置は、発熱源が多いため十分な冷却能力を確保する必要がある。例えばレーザ光を励起させるレーザ励起光源や、励起光を固体レーザ媒質に照射して共振させるレーザ発振器、レーザ光をワーク上で走査させるための走査部を構成するＸ・Ｙ軸ガルバノミラーの駆動モータ等で激しい発熱を伴う。レーザ加工装置で高精度な加工を行うためには、レーザ光の出力を一定に制御する必要があり、そのためには固体レーザ媒質を励起するためのレーザ励起光源の波長を均一に制御することが要求される。レーザ励起光源の励起光は温度依存性があるため、安定して固体レーザ媒質を励起させるにはレーザ励起光源の温度制御が重要となる。同様に固体レーザ媒質の温度管理もレーザ出力を安定化させるために必要となる。レーザを長期にわたって安定して使用するためにも、これらを一定温度に維持して波長を安定化させレーザの寿命を長寿命化させることが重要となり、正確な温度制御を行う冷却機構が要求される。このようなレーザ加工装置の発熱部分を冷却する手法には、水冷、空冷等の様々な方式がある。一般にレーザ加工装置では、発熱量が大きいため水冷式の冷却装置を備えるものが多いが、この場合水冷用の外部チラー等の冷却ユニットが必要となるため装置が大型化する。
【０００７】
これに対して空冷方式では、冷却ユニットなどが不要となるので一般に構成を簡素化でき、小型化に有利である。反面、空冷方式で十分な冷却能力を確保するためにはヒートシンク等の放熱板を大型化する、空気の流量を大きくするため吸気口面積を十分確保する必要があるなどの問題がある。さらに、多量の空気を吸引すると、同時にゴミやオイルミスト、埃、粉塵なども装置内部に取り込まれるため、これらの異物から装置を保護する機構も必要となる。一般には吸気口にフィルタを設ける構成が利用されるが、吸気量が多いとフィルタの交換の頻度が多くなるため、その作業を簡素化する必要がある。さらにまた、レーザ発振器や走査部の駆動モータ等、複数の発熱源毎にこのような冷却及び防塵機構を設けると、装置の小型化の妨げとなるばかりでなく、装置構成も複雑になり、またメンテナンスすべき箇所が増えて作業の手間もかかるといった問題もある。
【０００８】
本発明は、さらに装置の小型化に伴うこれらの問題点をも解決することを目的に開発されたものである。本発明の他の目的は、冷却のための吸気量を十分確保し、安定して使用できるレーザ加工装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載されるレーザ加工装置は、レーザ媒質を励起させる励起光を発生させるためのレーザ制御部１と光学的に結合するための結合部６３と、ロッド状に延長された２つの端面を備えるレーザ媒質８を有するレーザ発振部５０であって、レーザ制御部１から前記結合部６３を介して送出される励起光をレーザ媒質８の一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するよう構成されてなるレーザ発振部５０と、前記レーザ発振部５０から出射されるレーザ発振を走査させるための走査部９と、前記走査部９からの走査光を集光してレーザ出力として外部に出射するための集光部と、一方向に延長された形状に構成されるレーザ加工装置ケース５５であって、内部に前記レーザ発振部５０および走査部９を互いの光軸を一致させるように固定すると共に、前記結合部６３を一方の端部に、前記集光部を他方の端面に設けてなり、前記集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース５５の長手方向に沿うように構成されてなるレーザ加工装置ケース５５とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成によって、ケースの長手方向とレーザ出力の出射方向を揃え、レーザ加工装置を縦置きに設置して使用することが容易となり、例えば生産ライン上に縦置きで設置して装置の専有面積を最小限に抑えることができる。特に、レーザの励起方式にサイドポンピングでなくエンドポンピングを採用することで、レーザ媒質の側面にレーザ励起光源等を配置する必要がなくなり、側面をスリム化して断面積を小さくすることができる。
【００１１】
また、請求項２のレーザ加工装置は、レーザ媒質８を励起して励起光を放出させるためのレーザ励起部６を備えるレーザ制御部１と、前記レーザ制御部１と光学的に結合され、レーザ制御部１から送出される励起光を、一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するレーザ媒質８を備えるレーザ発振部５０と、前記レーザ発振部５０から出射されるレーザ発振を走査させるための走査部９と、前記走査部９からの走査光を集光してレーザ出力として外部に出射するための集光部と、一方向に延長された形状に構成されるレーザ加工装置ケース５５であって、内部に前記レーザ発振部５０および走査部９を互いの光軸を一致させるように固定すると共に、前記結合部６３を一方の端部に、前記集光部を他方の端面に設けてなり、前記集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース５５の長手方向に沿うように構成されてなるレーザ加工装置ケース５５とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この構成によって、ケースの長手方向とレーザ出力の出射方向を揃え、レーザ加工装置を縦置きに設置して使用することが容易となり、例えば生産ライン上に縦置きで設置して装置の専有面積を最小限に抑えることができる。特に、レーザの励起方式にサイドポンピングでなくエンドポンピングを採用することで、レーザ媒質の側面にレーザ励起光源等を配置する必要がなくなり、側面をスリム化して断面積を小さくすることができる。
【００１３】
さらに、請求項３のレーザ加工装置は、請求項１または２に記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース５５の一方の端部であって、前記集光部を設けた端面と対向する端面に前記結合部６３を設けてなり、前記結合部６３から送出される励起光と集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース５５の長手方向に沿うように構成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この構成によって、レーザを励起させる励起光の入力と集光部からの出力されるレーザ出力の出射方向を、レーザ加工装置ケース５５の長手方向に沿うように構成され、レーザ加工装置を縦置きにして上方からレーザ加工を行う態様に好適に利用できる。
【００１５】
さらにまた、請求項４のレーザ加工装置は、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ発振部５０の温度を調節するための放熱部６４を熱伝導状態で前記レーザ発振部５０と固定すると共に、前記放熱部６４は前記走査部９の上方に位置するようレーザ加工装置ケース５５内に固定されてなることを特徴とする。
【００１６】
さらにまた、請求項５のレーザ加工装置は、請求項４に記載のレーザ加工装置であって、前記放熱部６４は複数の放熱板を離間してスリット状に固定すると共に、空気を強制的に送風するためのファン４１を両端にそれぞれ設けていることを特徴とする。
【００１７】
さらにまた、請求項６のレーザ加工装置は、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記走査部９は、一対のガルバノミラーと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ５１とを備え、前記一対のガルバノミラーをそれぞれガルバノモータ５１のモータ軸を直交させて配し、前記レーザ発振部５０から出射されるレーザ発振を両ガルバノミラーの鏡面に順次反射させ、前記モータ軸の回動に伴う両ガルバノミラーの回動により、互いに直交する２方向に走査しつつ加工対象に照射するよう構成されてなり、前記レーザ加工装置はさらに、前記ガルバノモータ５１を駆動し、レーザ発振を所望の方向に走査させるよう制御するためのスキャナ駆動部５２を備え、前記スキャナ駆動部５２は、レーザ加工装置ケース５５の前方に配置されてなることを特徴とする。
【００１８】
スキャナ駆動部５２をガルバノモータ５１等から離し、冷却に好適な配置とすることで必要な箇所を効率的に冷却できる。
【００１９】
さらにまた、請求項７のレーザ加工装置は、請求項１から６のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース５５を構成する一面を折曲または湾曲させ、この部分に吸気口６５を構成していることを特徴とする。
【００２０】
例えば一面をレーザ加工装置ケース５５から突出させるように構成することで、表面積を大きくして吸気口６５を広くし、吸気量が多くなるので冷却効果が高められる。
【００２１】
さらにまた、請求項８のレーザ加工装置は、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース５５が略直方体形状に形成されており、直方体を構成する面の内、隣接する３面に跨って吸気口６５を構成していることを特徴とする。
【００２２】
例えば一面を突出させて吸気口６５を設けた部分の断面を台形状に形成することで、吸気口６５を３面で構成し、より多くの吸気量を確保して冷却能力を向上させる。
【００２３】
さらにまた、請求項９のレーザ加工装置は、請求項１から８のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記レーザ加工装置ケース５５に設けられた吸気口６５にフィルタ６９を備えることを特徴とする。
【００２４】
この構成によって、吸気口６５から吸気される外気に含まれる異物を取り除き、レーザ加工装置内部の光学系や精密機械系に不具合を生じさせる事態を回避できる。
【００２５】
さらにまた、請求項１０のレーザ加工装置は、請求項９に記載のレーザ加工装置であって、前記フィルタ６９は、フィルタ保持部６８に脱着可能に保持され、前記フィルタ保持部６８は前記開口部を覆ってレーザ加工装置ケース５５の一部を構成してなることを特徴とする。
【００２６】
この構成によって、ファン４１の回転により開口部から吸気される空気を、フィルタ６９を通じて取り入れることができる。
【００２７】
さらにまた、請求項１１のレーザ加工装置は、請求項７から１０のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記フィルタ保持部６８は、吸気口６５を設けた面から脱着可能に前記レーザ加工装置に装着されてなることを特徴とする。
【００２８】
この構成によって、フィルタ保持部６８はケースの一面から容易にアクセスでき、他の面に隣接して機器を配置した状態でもメンテナンス作業などを行うことができる。
【００２９】
さらにまた、請求項１２のレーザ加工装置は、請求項７から１１のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記吸気口６５の内面に前記スキャナ駆動部５２が配置されてなり、前記放熱部６４のファン４１を回転させることで、吸気口６５から吸気される空気の一部が前記スキャナ駆動部５２の放熱を促進すると共に、放熱部６４により前記レーザ発振部５０の放熱が促進されるよう構成されてなることを特徴とする。
【００３０】
この構成によって、吸気口６５から吸気された空気が放熱部６４に送出される間に空気の一部がスキャナ駆動部５２を冷却し、放熱部６４を通過した空気がレーザ加工装置上面に設けられた排気口６６から空気を排出され、放熱部６４とスキャナ駆動部５２の冷却が同時に実現できる。
【００３１】
さらにまた、請求項１３のレーザ加工装置は、レーザ媒質８を励起して励起光を放出させるためのレーザ励起部６を備えるレーザ制御部１と、前記レーザ制御部１と光学的に結合するための結合部６３と、ロッド状に延長された２つの端面を備えるレーザ媒質８を有するレーザ発振部５０であって、レーザ制御部１から前記結合部６３を介して送出される励起光をレーザ媒質８の一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するよう構成されてなるレーザ発振部５０と、前記レーザ制御部１と光学的に結合され、レーザ制御部１から送出される励起光を、一端面から照射させて励起され、他端面からレーザ発振を出射するレーザ媒質８を備えるレーザ発振部５０と、一対のガルバノミラーと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ５１とを備え、前記一対のガルバノミラーをそれぞれガルバノモータ５１のモータ軸を直交させて配し、前記レーザ発振部５０から出射されるレーザ発振を両ガルバノミラーの鏡面に順次反射させ、前記モータ軸の回動に伴う両ガルバノミラーの回動により、互いに直交する２方向に走査しつつ加工対象に照射するよう構成されてなる走査部９と、前記ガルバノモータ５１を駆動し、レーザ発振を所望の方向に走査させるよう制御するためのスキャナ駆動部５２と、前記走査部９からの走査光を集光してレーザ出力として外部に出射するための集光部と、略直方体状のレーザ加工装置ケース５５であって、内部に前記レーザ発振部５０および走査部９を互いの光軸を一致させるように固定しており、レーザ加工装置ケース５５を構成する面の内ケースの長手方向と直交する第１の面に前記集光部が設け、前記第１の面と対向する第２の面に前記結合部６３を設けてなり、前記結合部６３から送出される励起光と集光部から出力するレーザ出力の出射方向がレーザ加工装置ケース５５の長手方向に沿うように構成されてなると共に、前記第１の面と第２の面の間でこれらの面の周囲に沿って連続する第３の面、第４の面、第５の面の少なくとも一部に、これらに跨って吸気口６５を構成したレーザ加工装置ケース５５とを備えることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザ加工装置を例示するものであって、本発明はレーザ加工装置を以下のものに特定しない。
【００３３】
さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００３４】
本発明のレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ発振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理などのレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えばＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ等の光ディスクの高密度記録再生用光源や通信用の光源、印刷機器、照明用光源、ディスプレイなどの表示装置用の光源、医療機器等において、好適に利用できる。以下の例では、レーザ加工装置の一例としてレーザマーカに適用する例について説明する。
【００３５】
図３に、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。
【００３６】
［入力部３］
入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置の動作条件や具体的な印字内容等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３は入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部を別途設けることもできる。表示部はＬＣＤやブラウン管等のモニタであり、タッチパネル方式として入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータなどを外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。
【００３７】
［レーザ制御部１］
レーザ制御部１は、制御部４とメモリ部５とレーザ励起部６と電源７とを備える。入力部３から入力された設定内容をメモリ部５に記録する。制御部４は必要時にメモリから設定内容を読み込み、印字内容に応じた印字信号に基づいてレーザ励起部６を動作させてレーザ出力部２のレーザ媒質８を励起する。メモリ部５はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード等の半導体メモリカード、カード型ハードディスクなどのメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。
【００３８】
さらに制御部４は、設定された印字を行うようレーザ媒質８で発振されたレーザ光をワークＷ上で走査させるため、レーザ出力部２の走査部９を動作させる走査信号を走査部９に出力する。電源７は、定電圧電源として、レーザ励起部６へ所定電圧を印加する。印字動作を制御する印字信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光の１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
【００３９】
（レーザ励起部６）
レーザ励起部６は、光学的に接合されたレーザ励起光源１０と集光部１１を備える。レーザ励起部６の内部の一例を図４の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部６は、レーザ励起光源１０と集光部１１をレーザ励起部ケーシング１２内に固定している。レーザ励起部ケーシングは、熱伝導性の良い真鍮などの金属で構成され、レーザ励起光源１０を効率よく外部に放熱する。レーザ励起光源１０は半導体レーザ等で構成される。図４の例では、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振は集光部１１の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。集光部１１はフォーカシングレンズ等で構成される。集光部１１からのレーザ励起光は光ファイバケーブル１３等によりレーザ出力部２のレーザ媒質８に入射される。レーザ励起光源１０と集光部１１、光ファイバケーブル１３は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。
【００４０】
［レーザ出力部２］
レーザ出力部２は、レーザ発振部５０を備える。レーザ光を発生させるレーザ発振部５０は、レーザ媒質８と、レーザ媒質８が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された出力ミラー及び全反射ミラーと、これらの間に配されたアパーチャ、Ｑスイッチ等を備える。レーザ媒質８が放出する誘導放出光を、出力ミラーと全反射ミラーとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチの動作により短周期にて通断しつつアパーチャによりモード選別して、出力ミラーを経てレーザ光を出力する。図３に示すレーザ出力部２は、レーザ媒質８と走査部９を備える。レーザ媒質８は光ファイバケーブル１３を介してレーザ励起部６から入射されるレーザ励起光で励起されて、レーザ発振される。レーザ媒質８はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光を出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用している。
【００４１】
（レーザ媒質８）
上記の例では、レーザ媒質８としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ４の固体レーザ媒質を用いた。また固体レーザ媒質の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ４の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光の波長を任意の波長に変換できる。
【００４２】
さらに、固体レーザ媒質を使用せず、言い換えるとレーザ光を発振させる共振器を構成せず、波長変換のみを行う波長変換素子を使用することもできる。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行う。波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ４）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ３）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ４）、ＢＢＯ、ＬＢＯや、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ  ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ３等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。
【００４３】
（走査部９）
走査部９は、レーザ媒質８の出射端面から出射されたレーザ光を反射させて所望の方向に出力し、ワークＷの表面でレーザ光を走査して印字する。走査部９は、一対のガルバノミラーと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ５１ａ、５１ｂとを備えている。図３に示す走査部９はレーザ媒質８の出射側端面に隣接して設けられ、Ｘ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂでガルバノミラーを構成する。Ｘ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂは、図５に示すように直交する姿勢で配置されており、レーザ光をＸ方向、Ｙ方向に反射させて走査させることができる。また、走査部９の下方には、集光部が備えられる。集光部は集光レンズで構成され、ｆθレンズ１５が使用される。
【００４４】
Ｘ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂをそれぞれ固定するガルバノモータ５１ａ、５１ｂは、スキャナ駆動部５２で駆動される。スキャナ駆動部５２は、制御部４から与えられる走査信号に基づいて、ガルバノモータ５１ａ、５１ｂを駆動させることにより、ガルバノモータ５１ａ、５１ｂの出力軸に設けられたＸ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂの全反射ミラーを回動させて、レーザ媒質８から発振されたレーザ光を偏向・走査する。偏向・走査されたレーザ光は、略偏向方向に設けられたｆθレンズ１５を介してワークＷの表面に照射されてマーキングする。ｆθレンズ１５は、スキャナがニュートラル位置にある状態において偏向されたレーザ光がその中央を平行光として入射されるように設けられている。
【００４５】
［集光部］
集光部は、ｆθレンズ１５等の集光レンズが使用される。レーザビームは、ガルバノミラーにより反射された後、集光レンズにより集光して照射面に照射されるが、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図３に示すようにガルバノミラーにビームエキスパンダ５３を前置し、レーザ発振部５０から出力されるレーザビームのビーム径を拡げるようにしている。ビームエキスパンダ５３からの出射ビームは、ミラーなどの光学部材５４により反射してガルバノミラーに導かれる。
【００４６】
［レーザ加工装置ケース５５］
次に図６に、レーザ出力部２の詳細な構成を示す断面図を示す。なおレーザ出力部は、図２のようにレーザ制御部と分離して構成する他、図６のレーザ出力部内部にレーザ励起光源を設けるなど、レーザ制御部の機能を統合することもできる。したがって、以下の説明においてはレーザ出力部をレーザ加工装置と同等に扱うこととする。
【００４７】
この図に示すレーザ出力部２は、全体が略直方体状のレーザ加工装置ケース５５に、レーザ発振部５０および走査部９を内蔵している。レーザ加工装置ケース５５内部で、レーザ発振部５０はレーザ発振部ケース５６に、ガルバノモータ５１等の走査部９は走査部ケース５７にそれぞれ収納されている。これによって防塵性を高め、吸気される空気に含まれるゴミなどから精密部材を保護する。また各ケースは熱伝導性の高い金属などの材質で構成し、放熱性を高める。図６において、レーザ発振部ケース５６はレーザ加工装置ケース５５内の右側に配置され、走査部ケース５７はレーザ発振部ケース５６と接続状態で下方に配置される。レーザ発振部５０と走査部９とは光軸が一致するように位置決めされた状態で光学的に結合されている。図６の例では、レーザ発振部５０で発振されたレーザ光がビームエキスパンダ５３で光径を拡大され、光学部材５４で直角に反射されて走査部９に入射される。このとき、レーザ発振部ケース５６と走査部ケース５７との間で光軸のずれが生じないよう、図７に示すように互いの接合面５８で強固に固定される。
【００４８】
［フレーム］
レーザ加工装置は、高速でＸ・Ｙスキャナ１４ａ、１４ｂが駆動されても振動で光軸がずれることのないように、剛性を高めたフレームを採用している。レーザ加工装置ケース５５の内側ではフレームが略直方体状の枠体を構成しており、この枠体の前面には、スキャナ駆動部５２と走査部ケース５７がそれぞれ突出するように固定される。図７に示すレーザ加工装置は、対向面を構成する上フレーム５９とベースフレーム６０、およびこれらの間を支持するように離間して固定されるフロントフレーム６１とリアフレーム６２とで構成されるフレームに、レーザ発振部ケース５６と走査部ケース５７を固定している。剛性を増すため上フレーム５９とベースフレーム６０は切削によって形成され、フロントフレーム６１とリアフレーム６２は板金により構成される。また各フレームは断面コ字状に形成することで堅牢性を増す。またレーザ発振部５０を収納するレーザ発振部ケース５６と、走査部９を収納する走査部ケース５７とを別個のユニットとすることで、各部材の剛性を高めている。また、激しい振動が生じる走査部ケース５７は高剛性のベースフレーム６０に固定することで、歪みなどが生じないように安定させる。スキャナ駆動部５２と走査部ケース５７は離間して固定されており、これらの間で後述する通気路６７が構成される。
【００４９】
さらにレーザ発振部ケース５６は、ベースフレーム６０に直接固定せず、走査部ケース５７と接合面５８にて固定している。これによって、万一ベースフレーム６０に歪みが生じても、レーザ発振部ケース５６と走査部ケース５７との間で光軸のずれが発生しない。レーザ発振部ケース５６と走査部ケース５７とがベースフレーム６０上に固定されている場合は、ベースフレーム６０の歪みによって光軸のずれが生じるおそれがあるが、いずれか一方のみがベースフレーム６０に固定される構成であれば、ベースフレーム６０に狂いが生じたとしても接合面５８におけるレーザ発振部ケース５６と走査部ケース５７との位置関係は保たれるため、光軸の狂いが生じないからである。同様に、ベースフレーム６０と直交して固定されるリアフレーム６２にはレーザ発振部ケース５６のみが固定される。さらに、フレームの歪みを吸収するアブソーバを設けても良い。このように、レーザ加工装置を長期的に使用した際の温度変化や外的ストレス等に起因する歪みや狂いで光学系のアライメントに影響を与えないような構成とすることで、信頼性が向上される。
【００５０】
［結合部６３］
固体レーザ媒質を励起させるための励起光は、レーザ制御部１から光ファイバなどで送出される。図６に示すレーザ加工装置ケース５５の上面には、レーザ制御部１から励起光を得るための結合部６３が備えられる。結合部６３は、光ファイバのコネクタである。また結合部６３には、光ファイバコネクタの他、レーザ発振部５０や走査部９を制御、駆動するための信号線や電源線など各種のケーブルを纏めたハーネス用のコネクタを追加しても良い。ハーネスは光ファイバと別のコネクタで接続する他、同一のコネクタに統合しても良い。
【００５１】
上記のレーザ加工装置は、固体レーザ媒質の側面から励起光を照射し、いずれかの端面からレーザ発振を出力するいわゆるサイドポンピングでなく、固体レーザ媒質の一方の端面から励起光を照射し、他方の端面からレーザ発振を出力するいわゆるエンドポンピングを採用している。これによって、固体レーザ媒質の長さ方向に装置を延長し、かつ固体レーザ媒質の側面側に励起光源などを配置しないで済む分、幅を小さくして装置本体の長手方向における断面積をスリム化できる。またエンドポンピング方式により、シングルモードレーザ光が出力されるので、微細なマーキングが可能となる。エンドポンピングのための励起光は、レーザ加工装置ケース５５の上面に設けられた結合部６３から送出される。
【００５２】
一方、レーザ出力は、レーザ加工装置ケース５５の下面に設けられた集光部から出力される。このように、レーザ加工装置ケース５５の上端面に結合部６３を設け、下端面にレーザ出力光を出射する集光部を設けるレーザ加工装置は、略光軸方向に沿って装置本体を縦長に構成され、かつレーザ出力の出射方向も図１に示すように長手方向と直角な方向に出力するのでなく、図８に示すように長手方向に沿って出力できるので、レーザ加工装置４９を縦向き姿勢で固定して使用できる。しかもエンドポンピングを採用した構成と相俟って、断面積を小さくできるため、縦置き姿勢で生産ライン上に固定しても設置面積を大きく占有することなく、好適に利用できるという優れた特長を有する。特に図８の設置により、ライン上の上方向の空間を有効利用できるので、生産ライン周辺での作業空間を広く確保でき、スペース効率よく設置、利用できる。
【００５３】
［放熱部６４］
さらにレーザ加工装置は、レーザ発振部５０を冷却するために放熱部６４を設けている。放熱部６４は、レーザ発振部ケース５６と熱伝導するように接触状態で固定される。放熱部６４はレーザ発振部５０の温度を一定範囲となるように制御する。レーザ発振部ケース５６に収納されるレーザ発振部５０は、図９の断面図及び図１０の分解斜視図に示すような構成をしている。これらの図に示すレーザ発振器３３は、発熱源である発振器ユニット３４と、これを放熱する放熱部６４としてヒートシンク４０と、発振器ユニット３４側で発生した熱量をヒートシンク４０側に熱移動させるペルチェ素子３７とを備える。ペルチェ素子３７は熱伝導材３５を介して、発振器ユニット３４とヒートシンク４０との間で狭持される。
【００５４】
発振器ユニット３４は、固体レーザ媒質３８であるＮｄ：ＹＶＯ４結晶と、Ｑスイッチ３９を内蔵する。固体レーザ媒質３８にＹＶＯ４結晶を使用することにより、レーザ励起光源のレーザダイオードからの光を効率よく吸収でき、発熱量が低下するので空冷式冷却で対処できる。固体レーザ媒質３８等のレーザ発振器における発熱を効率よく放熱するために、発振器ユニット３４は熱伝導製の良いアルミニウムや銅などの金属でブロック状に形成される。さらに発振器ユニット３４は、これを固定するための発振器ベース３６とネジ止めして固定される。発振器ユニット３４はペルチェ素子３７と直接接触させて冷却するために、発振器ベース３６に設けられた開口部３６ａを通じてペルチェ素子３７と接触させる冷却面を表出させるように、発振器ユニット３４の下面を突出させた形状としている。発振器ユニット３４を発振器ベース３６に固定した状態で、発振器ベース３６の下面から発振器ユニット３４の下面が表出する。また発振器ユニット３４の突出面にはＯリング状の密封材４４Ａが挿入され、発振器ユニット３４の下面と発振器ベース３６の上面との間を密封する。
【００５５】
さらに発振器ユニット３４の突出面には第２の熱伝導材３５Ｂを介してペルチェ素子３７の吸熱面が固定され、ペルチェ素子３７の放熱面は第１の熱伝導材３５Ａを介してヒートシンク４０が固定される。ヒートシンク４０は、複数の放熱フィンを平行に直立姿勢で設けて表面積を大きくし、放熱性を向上させている。図１０のヒートシンク４０は、放熱フィンを固定したヒートシンクベース４０Ａを断面コ字状に開口したヒートシンクカバー４０Ｂで覆うようにネジで固定する。ヒートシンクカバー４０Ｂの開口部には、送風用のファン４１が固定される。ファン４１は、いずれかの開口部に一設けることも可能であるが、好ましくはヒートシンク４０の開口部にそれぞれ設け、２つのファン４１で空気の吸入側と排出側を強制的に送風することによって空気の流れをよくし効率良く放熱する。ヒートシンク４０も熱伝導性の良いアルミニウムや真鍮等の金属で構成され、好ましくは発振器ベース３６と同じ材質で構成する。ヒートシンク４０はネジ止めにより発振器ベース３６に固定される。このとき、ヒートシンク４０の熱がネジを伝わって発振器ベース３６側に伝達され吸熱エネルギーが漏れないように、ネジ頭とヒートシンク４０の間には断熱用の樹脂ワッシャ４５が挿入される。また発振器ベース３６とヒートシンク４０の間には、同じくＯリング状の密封材４４Ｂが３枚のペルチェ素子３７を囲むように配置され、さらに密封材４４Ｂの外側には４つのスペーサ４２が配置される。これによってヒートシンク４０と発振器ユニット３４でペルチェ素子３７が熱伝導材３５を介して狭着される。
【００５６】
［熱伝導材３５］
熱伝導材３５は、ペルチェ素子３７と発熱源、放熱体との実質的な接触面積を大きくし、熱抵抗を低くする状態で熱的に結合される。熱伝導材３５は熱伝導性のあるグリースで構成され、シリコーングリースのような熱抵抗の小さい材質が好ましい。これによってペルチェ素子３７と発熱源、放熱体との接触熱抵抗を小さく抑えることができる。また熱伝導材３５をペルチェ素子３７に塗布することによって、接触面での隙間を無くし厚さ方向の熱伝導を促進して、面全体を均一な温度に維持できる。さらに熱伝導材３５は、所定の粘性を備えるゲル状のものが使用できる。これによってペルチェ素子３７に発熱源、放熱体の押圧面から押圧力を伝達すると共に、過度の押圧力が印加されるのが緩和される。高い圧力がペルチェ素子３７に加わらないようにするためには、熱伝導材３５の粘度を低くする。粘度は、使用されるペルチェ素子３７の破壊閾値や、発熱源と放熱体との隙間すなわちスペーサ４２の高さ等に応じて選択される。
【００５７】
熱伝導材３５は、図９に示すようにヒートシンク４０上に塗布されてペルチェ素子３７の放熱面との間に介在する第１の熱伝導材３５Ａと、ペルチェ素子３７の吸熱面に塗布されて発振器ユニット３４との間に介在する第２の熱伝導材３５Ｂがある。このように放熱側と吸熱側とで熱伝導材３５を分離することにより、放熱エネルギーと吸熱エネルギーの混在による損失を回避して効率よくペルチェ素子３７で熱移動を行わせることができる。ただ、熱伝導材を塗布する工程上で一部放熱側と吸熱側の熱伝導材が混在することを妨げない。
【００５８】
［ペルチェ素子３７］
ペルチェ素子３７は、異種金属の接触面を通電したとき熱が発生または吸収される現象を利用した板状の素子で、吸熱面と放熱面を備える。ペルチェ素子３７は可動部が無いので振動を生じず小型軽量であるなどの利点を備える反面、自己発熱が大きい。そのため、吸熱面を発熱源と接触させる一方、放熱面を放熱体と接触させて放熱している。ペルチェ素子３７は、直流電流を流す方向を逆にすることにより、熱の移動方向も逆になるので、放熱面と吸熱面を逆転することが可能である。このためペルチェ素子３７は、加熱にも冷却にも利用することが出来、高精度の温度制御に適している。なおペルチェ素子等の熱電冷却加熱素子を使用すれば、冷却・加熱のいずれも可能な温度制御を行えるため、本明細書においては冷却のみならず加熱する場合も包含し、「冷却」は必要に応じて適宜「加熱」と読み替えることができる。
【００５９】
ペルチェ素子には、マスクやスキージ等を使って、所定の厚みの熱伝導材３５を塗布する。この状態で、熱伝導材３５上にペルチェ素子３７を複数配置する。図１０の例では、３枚のペルチェ素子３７を一直線上に隣接させている。ペルチェ素子３７は、吸熱面を上面にして発振器ユニット３４側と対向させ、放熱面を下面にしてヒートシンク４０に対向させる。ペルチェ素子３７同士の間は、熱伝導材３５が浸入しないように密着状態に近接させる。さらにペルチェ素子３７群の上面、すなわち発振器ユニット３４の下面にも、同様にして熱伝導材３５が塗布される。好ましくは、図１０に示すように発振器ユニット３４を上下逆にした状態で、発振器ユニット３４の下面に所定厚さの熱伝導材３５を塗布する。そして所定厚さの熱伝導材３５がそれぞれ塗布されたヒートシンク４０および発振器ユニット３４でペルチェ素子３７を挟み込む。さらに発振器ユニット３４、ヒートシンク４０との間でペルチェ素子３７群の周囲にはスペーサ４２を配置し、スペーサ４２を挟む状態でネジにて締結する。この方法であればスペーサ４２の高さ以上にペルチェ素子３７および熱伝導材３５が押圧されることがないため、ペルチェ素子３７の破壊閾値以上の圧力がかかることがないようにスペーサ４２の高さ、熱伝導材３５の厚さ及び粘度を調整することで、ペルチェ素子３７の破損が防止される。また、この方法ではネジを締結するだけであるので、トルク管理のような微調整が不要で極めて簡単な作業とできる。なおこの例ではネジの締結により発振器ユニット３４とヒートシンク４０を固定しているが、固定のための締結具はこれに限られず、クランプやリベット、溶接なども利用できる。
【００６０】
また、ペルチェ素子３７には通電のためのリード線などのハーネスが接続されており、密封材４４Ｂに形成された切り欠きを介して外部に引き出され、定電流源の電源端子などと接続される。ハーネスを通した密封材４４Ｂの切り欠き部分は、この部分で隙間が生じないように接着剤などで気密にシールされる。なおペルチェ素子の形状は、図示した矩形状の他、冷却・加熱対象に応じて円形やリング状等の形状のものが適宜利用できる。
【００６１】
［スペーサ４２］
スペーサ４２は、ペルチェ素子３７の破壊閾値を超える押圧力がかからないように、かつ発振器ユニット３４とヒートシンク４０との隙間を一定値とするように設けられる。したがってスペーサ４２の高さは、使用するペルチェ素子３７の破壊閾値、厚み、ペルチェ素子３７の熱抵抗曲線に応じた熱伝導材３５の厚み、粘度に基づいて決定される。さらに図９および図１０の例では、発振器ユニット３４の下面が突出して発振器ベース３６の開口を貫通しているため、発振器ベース３６の下面から突出する発振器ユニット３４の突出分の高さも考慮して決められる。突出分の高さはゲージ等で測定される。これらのパラメータに応じて隙間が決定されると、この隙間に応じたスペーサ４２が選択される。このように、使用するペルチェ素子３７等に応じてスペーサ４２を選別することによって、装置毎に最適なペルチェ素子３７の固定が実現される。
【００６２】
この例ではスペーサ４２はステンレススチール（ＳＵＳ）製としている。スペーサ４２の数は多いほど好ましいが、スペーサ４２で熱伝導してペルチェ素子３７の熱移動の漏れを防止するために、好ましくはペルチェ素子３７群の四隅近傍に４つ配置される。また、スペーサ４２を断熱性の材質で構成することが好ましい。例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＳＳ）等の断熱性に優れた樹脂やセラミック等が利用できる。
【００６３】
［密封材４４］
さらに、図９に示すように発振器ユニット３４と発振器ベース３６の間、および発振器ベース３６とヒートシンク４０との間の空間をそれぞれ密閉するために、密封材４４を使用する。密封材４４は略矩形状のＯリング型に形成され、押圧されると弾性変形して圧縮され、隙間を気密に閉塞する。密封材４４Ａは発振器ユニット３４の突出面の周囲、密封材４４Ｂはペルチェ素子３７群とスペーサ４２の間に配置されて狭持される。これらの密封材４４は、ペルチェ素子３７群を外部と遮断する。これによって、ペルチェ素子３７近辺の空気の冷却によって空気中の水分が凝縮して結露し、ペルチェ素子３７やその他の回路に損傷を及ぼすおそれを回避し、長期にわたって安定した冷却能力が維持されて信頼性の向上と回路の長寿命化が図られる。密封材４４にはブチルゴムなどの弾性部材が利用される。図１０に示すように密封材４４Ａは密封材４４Ｂよりも小さく、発振器ユニット３４の下面と発振器ベース３６の上面に狭持されてこれらをネジ止めする際の隙間を閉塞する。密封材４４Ａに代わって、発振器ユニット３４と発振器ベース３６をネジ止めした後に隙間をシール材で封止しても良い。また密封材４４Ｂはペルチェ素子３７のハーネスを引き出すための切り欠きを下面に形成すると共に、側面にはヒートシンク４０と発振器ベース３６を固定するネジの側面が当接するような切り欠きを形成している。
【００６４】
［吸湿材４３］
さらにまた、密封材４４により密封された空間内には、図９に示すように吸湿材４３が配置される。吸湿材４３は、密閉空間の形成時に既に存在する空気中に含まれる水分を除去して、密閉空間内での結露を確実に防止することができる。吸湿材４３にはゼオライトなどが使用できる。
【００６５】
以上のようにして、熱伝導材３５の厚さを薄くして熱抵抗を抑え、ペルチェ素子３７の冷却能力を効率よく伝達すると共に、スペーサ４２によってペルチェ素子３７に破壊閾値以上の圧力がかからないように保護し、熱効率と素子保護を両立させている。また複数のペルチェ素子３７に厚みのばらつきがあっても、押圧面とペルチェ素子３７の間に介在する熱伝導材３５が粘性を備えるため、圧縮、変形して各素子を均一な押圧力で保持することができる。しかも、この方法であればスペーサ４２を挟んだ状態でネジを締結するのみでペルチェ素子３７を固定できるため、作業も簡単となる。従来のように、ネジの締め具合でトルク管理する方法のような極めて面倒な調整作業がなく、単にネジを締結するのみでペルチェ素子３７を破壊することなく確実にかつ熱抵抗の少ない最適な状態でペルチェ素子３７を固定できる。
【００６６】
上記のようにペルチェ素子を使用する冷却機構は、レーザ出力部２のみならず、レーザ制御部１においても利用できる。特にレーザ制御部１においては発熱量が多いため、より多くのペルチェ素子を利用して冷却する。以上の例では、ペルチェ素子で熱移動された熱量をヒートシンクやファンで放熱する空冷式の冷却を説明した。空冷式とすることで、水冷式に比べて水冷用の外部チラーなどの冷却ユニットを省略でき、また水そのものが不要で省資源化、省スペース化と装置構成の簡素化が実現される。ただ、放熱量等必要に応じて空冷式に代わって水冷式を本発明に適用できることは言うまでもない。
【００６７】
［吸気口および排気口］
以上のように構成された放熱部６４は、レーザ加工装置ケース５５に設けられた吸気口６５からケース外部の空気をファン４１の回転によって強制的に取り込み、排気口６６から排出して放熱する。図１１に、レーザ加工装置からレーザ加工装置ケース５５を外した状態を、図１２にフィルタ保持部６８を装着する状態を、図１３にフィルタ保持部６８およびレーザ加工装置ケース５５をすべて装着した状態を、それぞれ示す。さらに図１４は、図１３のレーザ加工装置を上面から見た平面図である。吸気口６５は、図１１および図１２、図１４に示すように、レーザ加工装置ケース５５の前面および左右に隣接する３面に跨って形成される。吸気口６５からレーザ加工装置の内部に連なって通気路６７が形成されている。また排気口６６は、レーザ加工装置ケース５５の上面に形成される。図６の放熱部６４は、ヒートシンク４０にファン４１を２つ備えている。ファン４１を吸気用、排気用に２個備えることで、十分な送風量を確保すると共に、目詰まり等で一方が動作しない場合に備えて信頼性を向上させることができる。
【００６８】
図６に示すように、放熱部６４はレーザ加工装置内部の上方で、排気用のファン４１Ｂが排気口６６に近接し、かつ吸気用のファン４１Ａが通気路６７に面するように固定される。これによって、吸気用のファン４１Ａを回転させると、吸気口６５から吸気された空気がケース内部で通気路６７を通って放熱部６４のスリット状のヒートシンク４０に案内されて熱交換を生じさせ、排熱空気を排気口６６から排出でき、レーザ発振部５０のレーザ媒質やＱスイッチなどの発熱源を効率よく冷却する。また放熱部６４を図６に示すように走査部９の上方に配置することで、走査部ケース５７の冷却効果も得られ、ガルバノモータ５１も効果的に冷却される。
【００６９】
［フィルタ保持部６８］
吸気口６５は、レーザ加工装置ケース５５の前面の近傍に形成される。図１２の例では、吸気口６５の部分をフィルタ保持部６８で閉塞し、図１３に示すようにフィルタ保持部６８がレーザ加工装置ケース５５の一部を構成する。すなわち、フィルタ保持部６８を設けた部分が吸気口６５を構成している。この図に示すように、吸気口６５は、正面のみならず左右の面の一部をも含み、３面に跨って構成している。これによって、吸気口６５の面積を増やし、吸気量を多くすることができる。
【００７０】
フィルタ保持部６８は、交換可能なフィルタ６９を備えており、外部からレーザ加工装置内部に取り込まれる空気をフィルタ６９に通すことで、空気に含まれるオイルミストや粉塵などを取り除き、これらが装置内部に付着して動作不良を引き起こす事態を回避する。さらにレーザ加工装置内部では、防塵のため各部材がケースに収納されている。
【００７１】
［吸気口６５］
吸気口６５は、２面以上にわたって設けることで、開口面積を広く採ることができる。またレーザ加工装置ケース５５の一面を突出させるように折曲または湾曲させて構成することでも、面状よりも表面積を大きくできるので好ましい。図の例では、フィルタ保持部６８の断面が台形状となるように、前面を突出あるいは左右の面に延長させて厚みを持たせている。この例に限られず、例えば断面をコ字状、３角・５角その他の多角形状としたり、あるいはドーム状に湾曲させたり、波形、三角波形としたり、さらには断面形状を一定とせず、中央部で盛り上がるように形成するなど、長手方向にわたって突出させるように構成しても良い。このようにして吸気面積を稼ぎ、吸気量を大きくすることができる。
【００７２】
図１４の例では、一面を突出させて断面を台形状に形成し、３面で吸気口６５を構成する。この図に示すようにケース前方の３面が吸気口６５となる。ケースの前面から取り入れられた外気は、ケース内部を通って上方の排気口６６から排気される。吸気口６５をレーザ加工装置の周方向にわたって３面に連なるように拡大することで、図１４の平面図に破線矢印で示すようにより多くの範囲から吸気が行われ、送風量を増して冷却能力を高めることができる。さらには、周方向のみならず、レーザ加工装置ケース５５の上面にわたって開口部を形成し、さらに多くの空気を吸引させることもできる。
【００７３】
また吸気口６５は、フィルタ保持部６８のような別部材で構成することなく、直接レーザ加工装置ケース５５に開口する形で形成することも可能であることはいうまでもない。この場合においても、開口部分を２面以上にわたって構成して面積を大きくし、多量の吸気量として冷却能力を向上できる。
【００７４】
さらに、吸気口６５に面するようにスキャナ駆動部５２を配置して、スキャナ駆動部５２も同時に冷却することができる。フィルタ保持部６８は、スキャナ駆動部５２を覆うようにしてレーザ加工装置の前面にセットされる。図７の例では、スキャナ駆動部５２はフィルタ保持部６８を外した状態で、前面に突出するようにフロントフレーム６１に固定される。さらにスキャナ駆動部５２を上方に固定することで、下方に突出して固定された走査部ケース５７との間に空間が形成され、通気路６７を構成する。この状態で吸気される空気の経路は、図６の点線で示すようになる。この図に示すように、吸気用ファン４１Ａの回転によって吸気口６５から吸気される空気は、スキャナ駆動部５２と走査部ケース５７の間の吸気エリアＡから取り込まれる以外に、スキャナ駆動部５２の周囲の吸気エリアＢからも取り込まれる。吸気エリアＢから取り込まれた空気は、吸気用ファン４１Ａによってフィルタ保持部６８とスキャナ駆動部５２の間の隙間を通って下方の吸気エリアＡに移動される。この移動によって、フィルタ保持部６８の前面及び両側面から取り込まれた新鮮な空気がスキャナ駆動部５２の周囲表面をなめるように移動する際に熱の交換が生じ、スキャナ駆動部５２は放熱が促進される。吸気エリアＢから取り込まれて下方に移動した空気は、フィルタ保持部６８とスキャナ駆動部５２の間で吸気エリアＡから取り込まれた空気と合流して、通気路６７を通って吸気用ファン４１Ａ、ヒートシンク４０、排気用ファン４１Ｂを通じて外部に排気される。この構成により、レーザ発振器の放熱部６４を構成するファン４１によって、レーザ発振部５０のみならずスキャナ駆動部５２の冷却も併せて行うことができる。
【００７５】
スキャナ駆動部５２は、走査部９のガルバノモータ５１を駆動するためにトランジスタなどで構成される駆動回路に大電流を通電するので、相当な発熱量となる。このため、フレームの前面に配置することで外気と接触して熱交換を生じやすくさせ、放熱性を高めている。さらにレーザ発振部５０の冷却を行うファン４１の吸気によって、スキャナ駆動部５２の周囲にも空気の移動を生じさせることで効率よく冷却を促進し、レーザ加工装置を安定して使用することができる。例えば発熱によって８０℃程度あるスキャナ駆動部５２の温度を、ファン４１を駆動させて１０℃またはそれ以上下げることができる。この構成によって、スキャナ駆動部５２をガルバノモータ５１等から離し、冷却に有利な配置とすることができ、さらに相当の発熱を伴うスキャナ駆動部に別途ファンなどの冷却機構を設ける必要がなく、部品点数を減らして低コスト化すると共に装置構成を簡素化することができる。
【００７６】
図１３に示すフィルタ保持部６８は、走査部ケース５７よりも上方で吸気口６５を覆う。図に示すように、走査部ケース５７はフィルタ保持部６８をセットした状態で略同一平面とするか、あるいは走査部ケース５７を若干突出するように設計している。走査部ケース５７の上方で空気が吸気用ファン４１Ａの回転によって吸引され、発熱源であるスキャナ駆動部５２とレーザ発振器の冷却器を冷却する。なお図６に示すように、縦方向に配置されるガルバノモータ５１は傾斜面を備えるモータカバー７０で被覆してもよい。これによって、吸気口６５から吸引された空気はモータカバー７０の傾斜面に沿ってスムーズに上方に流れる。さらにモータカバー７０を熱伝導性の良い金属製等の材質とすることで、ガルバノモータ５１の放熱も図られる。
【００７７】
なお、フィルタ保持部６８は、この構成に限られず、レーザ加工装置の前面で長さ方向にわたって延長して形成し、走査部ケース５７も覆うように構成してもよい。この場合、フィルタ保持部と走査部ケースとの間の隙間を流れる空気によって、走査部ケースの冷却も図られる。特に走査部ケースを上記と同様に熱伝導性の良い金属等の材質として、ガルバノモータの放熱を促進し、レーザ加工装置を安定して使用できる。
【００７８】
図６に示すように、レーザ発振部５０や走査部９等の光学系の精密部材はそれぞれケースに収納されており、冷却のための部材と機構的に分離されている。これによって、光学系、精密機構系は完全に防塵されるので、外気に含まれるオイルミストや粉塵などで光学系を汚して効率を低下させたり、電子回路基板のショートや、シャッタなどの駆動部分に付着して動作不良を引き起こす等の問題を回避できる。さらにフィルタ保持部６８の内面に備えられるフィルタ６９によって外気に含まれる粉塵などを除去している。
【００７９】
［フィルタ６９］
フィルタ保持部６８はほぼ全面に複数のスリットを設けており、高い通気性を備える。さらにフィルタ保持部６８の内面には、フィルタ６９が脱着可能に取り付けられる。フィルタ６９は、フィルタ保持部６８の裏面に保持される通気性シートやスポンジなどが利用できる。フィルタ保持部６８を通過する外気は、フィルタ６９によって粉塵などを取り除かれてレーザ加工装置の内部に導入される。フィルタ６９は金属を折曲したスプリングや板バネでフィルタ保持部６８に押圧して固定される。フィルタ保持部６８は、図１２に示すようにネジの締結によりレーザ加工装置本体の正面に脱着可能に装着されており、フィルタ保持部６８を外してフィルタ６９を交換する。
【００８０】
［フィルタ保持部６８の脱着］
フィルタ保持部６８は、図１１に示す状態で、前方から図１２に示すように装着されて図１３のようになる。フィルタ保持部６８は断面をコ字状に開口しており、開口側をレーザ加工装置ケース５５の前面に向けて装着される。フィルタ保持部６８を固定するネジ７１はレーザ加工装置本体の正面に設けられている。このため、レーザ加工装置の正面からドライバなどによってフィルタ保持部６８の脱着が可能となる。この構成によって、レーザ加工装置の横方向からのアクセスは不要となり、正面側からのみでフィルタ保持部６８の脱着とフィルタ６９の交換が可能となる。生産ラインでの使用状況によっては、レーザ加工装置の側面に隣接して他の加工装置や制御装置などが配置されることがあり、側面に十分なスペースが確保されないことがある。このような場合でも、上記構成によれば正面からフィルタ６９の交換が容易に行えるため、メンテナンス作業を容易にできる。特に設置面積を小さくしたレーザ加工装置では、メンテナンス作業のためのアクセスを確保することで隣接するスペースを制約なく有効利用することができ、各機器のレイアウトの自由度が高められる。
【００８１】
図１２の例ではネジ７１がレーザ加工装置本体から突出し、ネジ７１をフィルタ保持部６８のネジ孔７２に挿通してナットで固定する。ただ、フィルタ保持部６８側からネジを通して本体側のネジ孔に固定したり、ネジの締結に限らずフックによる係止、弾性部材の嵌着など、フィルタ保持部６８とレーザ加工装置本体との連結には様々な連結機構が適宜利用できることはいうまでもない。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のレーザ加工装置は、設置面積を省スペースにした小型でコンパクトな構成とすることができる。それは、レーザの励起方式にエンドポンピング励起方式を採用しており、さらにレーザ加工装置の外形を一方向に長く形成し、一方の端面にレーザ出力を出力する集光部を設け、外形の長手方向とレーザ出力の出射方向を同じ方向としているからである。これによってレーザ加工装置を縦置きとすることが可能となり、生産ラインの上方に配置して、設置のための専有面積を最小とできる。
【００８３】
また、小型化に伴い空冷のための送風量を多くすべく、吸気口に広い開口面積を確保し、また空気と共に取り込まれるおそれのある異物をフィルタにより確実に除去して光学系や精密機械系を保護して、小型化されても信頼性の高いレーザ加工装置を実現できる。さらにまた、フィルタ交換などのメンテナンス作業も容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ加工装置を生産ラインに配置する状態を示す概略斜視図である。
【図２】レーザ加工装置を生産ラインに配置する他の例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３のレーザ励起部の内部構造の一例を示す斜視図である。
【図５】Ｘ・Ｙスキャナの配置状態を示す透明斜視図である。
【図６】図３のレーザ出力部の詳細な構成を示す断面図である。
【図７】図６のレーザ出力部においてレーザ発振部ケースと走査部ケースの固定状態を示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を生産ラインに配置する一例を示す概略斜視図である。
【図９】図３のレーザ発振器を示す縦断面図である。
【図１０】図３のレーザ発振部を示す分解斜視図である。
【図１１】レーザ加工装置からレーザ加工装置ケースを外した状態を示す斜視図である。
【図１２】図１１のレーザ加工装置にフィルタ保持部を装着する状態を示す斜視図である。
【図１３】図１１のレーザ加工装置にフィルタ保持部およびレーザ加工装置ケースを装着した状態を示す斜視図である。
【図１４】図１３のレーザ加工装置の平面図である。
【符号の説明】
１・・・レーザ制御部
２・・・レーザ出力部
３・・・入力部
４・・・制御部
５・・・メモリ部
６・・・レーザ励起部
７・・・電源
８・・・レーザ媒質
９・・・走査部
１０・・・レーザ励起光源
１１・・・集光部
１２・・・レーザ励起部ケーシング
１３・・・光ファイバケーブル
１４ａ、１４ｂ・・・Ｘ・Ｙスキャナ
１５・・・ｆθレンズ
３３・・・レーザ発振器
３４・・・発振器ユニット
３５・・・熱伝導材
３５Ａ・・・第１の熱伝導材
３５Ｂ・・・第２の熱伝導材
３６・・・発振器ベース
３６ａ・・・開口部
３７・・・ペルチェ素子
３８・・・固体レーザ媒質
３９・・・Ｑスイッチ
４０・・・ヒートシンク
４０Ａ・・・ヒートシンクベース
４０Ｂ・・・ヒートシンクカバー
４１・・・ファン
４１Ａ・・・吸気用ファン
４１Ｂ・・・排気用ファン
４２・・・スペーサ
４３・・・吸湿材
４４、４４Ａ、４４Ｂ・・・密封材
４５・・・樹脂ワッシャ
４８・・・レーザ加工装置
４９・・・レーザ加工装置
５０・・・レーザ発振部
５１、５１ａ、５１ｂ・・・ガルバノモータ
５２・・・スキャナ駆動部
５３・・・ビームエキスパンダ
５４・・・光学部材
５５・・・レーザ加工装置ケース
５６・・・レーザ発振部ケース
５７・・・走査部ケース
５８・・・接合面
５９・・・上フレーム
６０・・・ベースフレーム
６１・・・フロントフレーム
６２・・・リアフレーム
６３・・・結合部
６４・・・放熱部
６５・・・吸気口
６６・・・排気口
６７・・・通気路
６８・・・フィルタ保持部
６９・・・フィルタ
７０・・・モータカバー
７１・・・ネジ
７２・・・ネジ孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004354780.tif 000010
【図９】
2004354780.tif 000011
【図１０】
2004354780.tif 000012
【図１１】
2004354780.tif 000013
【図１２】
2004354780.tif 000014
【図１３】
2004354780.tif 000015
【図１４】
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