JP7169085B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

産業用の加工ツールとして、レーザ加工機が広く普及している。一般に、レーザ加工機には、レーザを生成するレーザ装置が外付けされる。このようなレーザ装置について、例えば特許文献１には、キャビネット内の全体に送風して、レーザ装置を構成する各種ユニットを一括で空冷する構造を備えたレーザ装置が開示されている。

特開平１０－１２５９８１号公報

本発明者らは、レーザ装置について鋭意検討し、以下の認識を得た。すなわち、従来のレーザ装置では各ユニットの冷却効率を向上させるために、盤用クーラーをキャビネット内に設けてキャビネット内で冷風を循環させることがあった。しかしながら、キャビネット内全体を冷却するためには、大型で且つ高価なクーラーが必要であった。このようなクーラーの設置は、レーザ装置の大型化の要因となり得る。また、レーザ装置のコスト増にもつながり得る。

クーラーを用いずに各ユニットを冷却する方法としては、キャビネット内に熱交換器を設け、外部から供給される冷却水によって各ユニットを水冷することが考えられる。しかしながら、各種ユニットを共通の水冷機構で冷却する場合には、高価な熱交換器等が必要となり、レーザ装置のコスト増につながり得る。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ装置の小型化と低コスト化との両立を図るための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様はレーザ装置である。当該レーザ装置は、レーザを発振する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電源モジュールと、レーザモジュールを冷却するための水冷機構と、電源モジュールを冷却するための空冷機構とを備える。

本発明によれば、レーザ装置の小型化と低コスト化との両立を図ることができる。

実施の形態に係るレーザ装置を模式的に示す透視斜視図である。 レーザ装置のマニホールドを含む領域を模式的に示す透視斜視図である。 図３（Ａ）は、レーザ装置の正面図である。図３（Ｂ）は、レーザ装置の側面図である。図３（Ｃ）は、レーザ装置の背面図である。図３（Ｄ）は、レーザ装置の平面図である。 図４（Ａ）は、従来のレーザ装置をレーザ加工機に接続した状態を模式的に示す斜視図である。図４（Ｂ）は、実施の形態に係るレーザ装置をレーザ加工機に接続した状態を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。

図１は、実施の形態に係るレーザ装置を模式的に示す透視斜視図である。図２は、レーザ装置のマニホールドを含む領域を模式的に示す透視斜視図である。図３（Ａ）は、レーザ装置の正面図である。図３（Ｂ）は、レーザ装置の側面図である。図３（Ｃ）は、レーザ装置の背面図である。図３（Ｄ）は、レーザ装置の平面図である。

レーザ装置１は、レーザモジュール２と、電源モジュール４と、レーザ制御部６と、レーザ装置用キャビネット８（以下では適宜、キャビネット８という）とを、主な構成として備える。レーザモジュール２、電源モジュール４およびレーザ制御部６は、１つのパッケージに収容されておらず、それぞれ別体でキャビネット８に収容される。また、レーザ装置１は、安全回路部１０と、制御用コンピュータ１２と、マニホールド１４と、光ファイバ１６と、操作部１８と、モニタ２０と、本体側操作スイッチ２２と、本体側表示部２４と、コネクタ２６とを備える。

レーザモジュール２は、レーザを発振するユニットである。レーザモジュール２は、例えばファイバレーザ発振器で構成される。電源モジュール４は、レーザモジュール２に電力を供給するユニット（構成要素）である。レーザ制御部６は、レーザモジュール２の駆動を制御するユニットである。安全回路部１０は、レーザ装置１全体の電源制御やレーザ加工機との間でデータの入出力を行うユニットである。制御用コンピュータ１２は、レーザ制御部６の制御パラメータの書き換え等を実行するユニットである。例えば、制御用コンピュータ１２は、ＰＣ（Personal Computer）等の汎用のコンピュータで構成される。

マニホールド１４は、キャビネット８の外部からレーザモジュール２へ冷却水等の冷媒を供給する流路、およびレーザモジュール２からキャビネット８の外部へ冷媒を排出する流路を構成する流路ブロックである。マニホールド１４は、上流側供給口１４ａと、下流側供給口１４ｂとを有する。上流側供給口１４ａは、キャビネット８の外部に敷設される図示しない冷媒供給配管に接続される。上流側供給口１４ａと冷媒供給配管とは、キャビネット８の配管接続用開口８ａを介して接続される。下流側供給口１４ｂは、レーザモジュール２に接続される。また、マニホールド１４内には図示しない供給流路が設けられる。供給流路は、一端側が上流側供給口１４ａに接続され、他端側が下流側供給口１４ｂに接続される。

また、マニホールド１４は、上流側排出口１４ｃと、下流側排出口１４ｄとを有する。上流側排出口１４ｃは、レーザモジュール２に接続される。下流側排出口１４ｄは、キャビネット８の外部に敷設される図示しない冷媒排出配管に接続される。下流側排出口１４ｄと冷媒排出配管とは、キャビネット８の配管接続用開口８ｂを介して接続される。また、マニホールド１４内には図示しない排出流路が設けられる。排出流路は、一端側が上流側排出口１４ｃに接続され、他端側が下流側排出口１４ｄに接続される。

冷媒は、上流側供給口１４ａ、供給流路および下流側供給口１４ｂを経由してレーザモジュール２に供給され、上流側排出口１４ｃ、排出流路および下流側排出口１４ｄを経由してキャビネット８の外部に排出される。これにより、レーザモジュール２が冷却される。したがって、マニホールド１４は、レーザモジュール２を冷却するための水冷機構を構成する。

光ファイバ１６は、レーザモジュール２で生成されるレーザ光をレーザ加工機に伝送するための部材である。光ファイバ１６は、一端側がレーザモジュール２に接続され、他端側がキャビネット８の外部に延在してレーザ加工機に接続される。操作部１８は、制御用コンピュータ１２への指示を入力するための部材である。モニタ２０は、制御用コンピュータ１２への指示内容等の各種情報を表示する部材である。操作部１８およびモニタ２０は、有線あるいは無線により制御用コンピュータ１２に接続される。ユーザは、操作部１８およびモニタ２０を用いて、レーザ装置１の駆動状態の変更などを指示することができる。

本体側操作スイッチ２２は、例えばレーザ装置１の駆動／停止を切り替える主電源スイッチ等を含む。本体側表示部２４は、例えばレーザ装置１の駆動／停止等の状態を光源の点消灯で表示する。コネクタ２６には、各種の外部機器が接続される。

キャビネット８は、上述した複数のユニットを収容するための筐体である。操作部１８およびモニタ２０は、キャビネット８外に配置される。キャビネット８は、レーザ装置１の外郭を構成する。キャビネット８は、互いに直交する第１方向Ａ、第２方向Ｂおよび第３方向Ｃにおける寸法について、第１方向Ａの寸法が、第２方向Ｂの寸法および第３方向Ｃの寸法のうち小さい方の寸法の１／３以下、好ましくは１／４以下、より好ましくは１／５以下である。本実施の形態では説明の便宜上、レーザ装置１の正面視で横方向（幅方向）を第１方向Ａとし、レーザ装置１の側面視で横方向（奥行き方向）を第２方向Ｂとし、レーザ装置１の正面視および側面視で縦方向（高さ方向）を第３方向Ｃとする。

また、本実施の形態のキャビネット８は、底部にキャスター８ｃを有する。キャスター８ｃを設けることで、レーザ装置１を簡単に移動させることができる。キャビネット８の第３方向Ｃの寸法は、キャスター８ｃを含む寸法である。なお、レーザ装置１の姿勢は特に限定されず、任意の姿勢で使用することができる。また、キャスター８ｃは省略することができる。

例えば、第１方向Ａの寸法は、１５０ｍｍ～２５０ｍｍであり、第２方向Ｂの寸法は、７５０ｍｍ～１２００ｍｍであり、第３方向Ｃの寸法は、１０００ｍｍ～１４００ｍｍである。

キャビネット８は、上記した第１方向Ａ～第３方向Ｃの寸法を有するため、外形が扁平形状であって対向する一組の主表面８ｄを有する。本実施の形態のキャビネット８は、第１方向Ａに扁平な直方体形状である。キャビネット８の内部は、４層構造となっている。最も下側の第１層Ｌ１には、マニホールド１４が収容される。キャビネット８の背面における第１層Ｌ１に対応する領域には、配管接続用開口８ａ，８ｂが配置される。

第１層Ｌ１の直上の第２層Ｌ２には、レーザモジュール２および電源モジュール４が収容される。レーザモジュール２および電源モジュール４は、第１方向Ａに配列されている。レーザモジュール２は、扁平形状であって対向する一組の主表面２ａを有する。レーザモジュール２は、自身の主表面２ａがキャビネット８の主表面８ｄに対して平行に延在するように配置される。言い換えれば、レーザモジュール２は、主表面２ａが第２方向Ｂおよび第３方向Ｃに拡がるように配置される。

つまり、キャビネット８およびレーザモジュール２は、最も短い辺を含む面が同じ方向を向くように配置される。本実施の形態では、最も短い辺を含む面が下方を向くように配置されている。同様に、電源モジュール４も扁平な形状であり、最も短い辺を含む面が下方を向くように配置されている。

第２層Ｌ２の直上の第３層Ｌ３には、レーザ制御部６および制御用コンピュータ１２が収容される。レーザモジュール２とレーザ制御部６とは、第２方向Ｂおよび／または第３方向Ｃにずれて配置される。言い換えれば、レーザ制御部６は、レーザモジュール２の主表面２ａの面外方向（面直方向）から見て、主表面２ａの面内方向に配列される。つまり、レーザ制御部６は、キャビネット８の主表面８ｄに沿って、レーザモジュール２と並ぶように配置される。

また、レーザモジュール２とレーザ制御部６とは、第２方向Ｂおよび／または第３方向Ｃから見て、少なくとも一部が重なるように配置される。本実施の形態では、レーザ制御部６とレーザモジュール２とは、第３方向Ｃにずれて配置され、第３方向Ｃから見て重なっている。なお、電源モジュール４が第３層Ｌ３に収容されて、レーザモジュール２と上記の位置関係をとってもよい。

キャビネット８の背面における第３層Ｌ３に対応する領域には、一部のコネクタ２６が配置される。また、当該領域において、光ファイバ１６がキャビネット８の外部に延伸する。光ファイバ１６が挿通される貫通孔の周縁部には、防塵防水のためのブッシュが設けられる。

第３層Ｌ３の直上の第４層Ｌ４には、安全回路部１０が収容される。キャビネット８の正面における第４層Ｌ４に対応する領域には、本体側操作スイッチ２２および本体側表示部２４が配置される。キャビネット８の背面における第４層Ｌ４に対応する領域には、残りのコネクタ２６が配置される。キャビネット８内で、各ユニットは電気的に接続される。レーザ制御部６は、制御用コンピュータ１２からの信号またはコネクタ２６に接続される外部機器からの信号に基づいて、レーザモジュール２の駆動を制御する。

キャビネット８の正面におけるレーザモジュール２に対応する領域には、開閉可能な第１扉部Ｄ１が設けられる。第１扉部Ｄ１が開いた状態で、レーザモジュール２をキャビネット８に対して挿抜することができる。また、キャビネット８の正面における電源モジュール４に対応する領域には、開閉可能な第２扉部Ｄ２が設けられる。第２扉部Ｄ２が開いた状態で、電源モジュール４をキャビネット８に対して挿抜することができる。また、キャビネット８の正面におけるレーザ制御部６に対応する領域には、開閉可能な第３扉部Ｄ３が設けられる。第３扉部Ｄ３が開いた状態で、レーザ制御部６をキャビネット８に対して挿抜することができる。

また、キャビネット８の正面における制御用コンピュータ１２に対応する領域には、開閉可能な第４扉部Ｄ４が設けられる。第４扉部Ｄ４が開いた状態で、制御用コンピュータ１２をキャビネット８に対して挿抜することができる。また、キャビネット８の正面における安全回路部１０に対応する領域には、開閉可能な第５扉部Ｄ５が設けられる。第５扉部Ｄ５が開いた状態で、安全回路部１０をキャビネット８に対して挿抜することができる。第１扉部Ｄ１～第５扉部Ｄ５の周縁部には、防塵防水のためのシール部材が設けられる。

キャビネット８の正面には、第１扉部Ｄ１～第５扉部Ｄ５を覆う正面カバー３６が設けられる。正面カバー３６は、後述する吸気口２８に対応する領域に、スリット３８を有する。キャビネット８の背面には、背面カバー４０が設けられる。背面カバー４０は、後述する排気口３０に対応する領域に、スリット４２を有する。

また、キャビネット８の内部は、第１空間Ｒ１と、第２空間Ｒ２とに区画されている。キャビネット８は隔壁８ｅを内部に有し、隔壁８ｅによって第１空間Ｒ１と第２空間Ｒ２とが区切られている。第１空間Ｒ１には、レーザモジュール２、レーザ制御部６、安全回路部１０および制御用コンピュータ１２が収容される。第２空間Ｒ２には、電源モジュール４が収容される。第１空間Ｒ１は、ＩＰ５４保護等級に準ずる防塵防水性能を有する。第１空間Ｒ１と第２空間Ｒ２との間の空気の流通は、隔壁８ｅによって防止されている。

キャビネット８は、第２空間Ｒ２に外気を取り込むための吸気口２８と、第２空間Ｒ２から外部に排気するための排気口３０とを有する。吸気口２８には、空気中の微粒子を捕集するフィルタ３２が嵌め込まれている。排気口３０には、排気ファン３４が嵌め込まれている。排気ファン３４の駆動により、キャビネット８外の空気がスリット３８およびフィルタ３２を経由して第２空間Ｒ２に引き込まれる。第２空間Ｒ２に引き込まれた空気は、電源モジュール４との間で熱交換した後、排気ファン３４およびスリット４２を経由してキャビネット８外に排出される。これにより、電源モジュール４が冷却される。したがって、吸気口２８、排気口３０、フィルタ３２、排気ファン３４およびスリット３８，４２は、電源モジュール４を冷却するための空冷機構を構成する。なお、電源モジュール４は、ＩＰ５４保護等級に準ずる防塵防水性能を有することが好ましい。

図４（Ａ）は、従来のレーザ装置をレーザ加工機に接続した状態を模式的に示す斜視図である。図４（Ｂ）は、実施の形態に係るレーザ装置をレーザ加工機に接続した状態を模式的に示す斜視図である。図４（Ａ）に示すように、従来のレーザ装置１００では、各種ユニットは１９インチ規格のキャビネットに収容されていた。このため、レーザ装置１００の設置面積は比較的大きかった。また、設置面積の大きいレーザ装置１００をレーザ加工機２００に併設すると、レーザ加工機２００周囲における作業者の動線の障害となり得る。このため、レーザ装置１００は、作業者がレーザ装置１００とレーザ加工機２００との間を通り抜けられるように、レーザ加工機２００から所定の距離を隔てて設置されていた。

一方、図４（Ｂ）に示すように、実施の形態に係るレーザ装置１は、従来のレーザ装置１００よりも薄い形状を有する。このため、従来のレーザ装置１００よりも設置面積を小さくすることができる。また、キャビネット８の主表面８ｄがレーザ加工機２００に当接あるいは近接するようにレーザ装置１を縦置きすることで、レーザ装置１をレーザ加工機２００に併設した場合であっても、レーザ加工機２００周囲における作業者の動線を確保することができる。つまり、実施の形態に係るレーザ装置１は、自身の設置面積の小ささと、レーザ加工機２００に当接または近接するように設置できることとから、レーザ装置１およびレーザ加工機２００を敷設する際のスペース効率を向上させることができる。なお、例えばレーザ加工機２００にデッドスペースがある場合には、このスペースにレーザ装置１を収納することもできる。この際、レーザ装置１は、キャビネット８の主表面８ｄが上下方向を向くように横置きすることもできる。

以上説明したように、本実施の形態に係るレーザ装置１は、レーザモジュール２を冷却するための水冷機構と、電源モジュール４を冷却するための空冷機構とを備える。このように、レーザ装置１における主な発熱体であるレーザモジュール２と電源モジュール４とについて、一方を水冷し他方を空冷することで、クーラーを省略あるいは小型化することができ、また高価な熱交換器の使用を回避することができる。よって、レーザ装置１の小型化と低コスト化との両立を図ることができる。また、キャビネット８内の全体を空冷する場合とは異なり、空気の流れを考慮した各ユニットの配置が不要なため、キャビネット８内の各ユニットの配置自由度を高めることができる。

また、本実施の形態では、電源モジュール４に比べて高い温度安定性が求められるレーザモジュール２に対して、空冷機構に比べて冷却効率の高い水冷機構が適用されている。これにより、レーザ装置１におけるレーザ出力の安定性を高めることができる。

また、キャビネット８の内部は、レーザモジュール２等が収容される第１空間Ｒ１と、電源モジュール４が収容される第２空間Ｒ２とに区画されている。第１空間Ｒ１に収容された各ユニットのうち、主な発熱体であるレーザモジュール２が水冷機構によって冷却される。これにより、第１空間Ｒ１内の他のユニットの温度上昇が抑制される。なお、第１空間Ｒ１に収容される全てのユニットが水冷されてもよい。また、キャビネット８には、第２空間Ｒ２に外気を取り込むための吸気口２８と、第２空間Ｒ２から外部に排気するための排気口３０とが設けられる。これにより、第２空間Ｒ２に収容された電源モジュール４が空冷される。また、排気口３０には排気ファン３４が設けられる。これにより、電源モジュール４の冷却効率を高めることができる。

また、キャビネット８は、互いに直交する第１方向Ａ～第３方向Ｃにおける寸法について、第１方向Ａの寸法が、第２方向Ｂの寸法および第３方向Ｃの寸法のうち小さい方の寸法の１／３以下である。したがって、キャビネット８は、外形が扁平形状であって対向する一組の主表面８ｄを有する。このように、キャビネット８を第１方向Ａに薄い形状とすることで、レーザ装置１の設置スペースを小さくすることができる。また、レーザ装置１の設置スペースの縮小により、レーザ装置１の設置自由度も高めることができる。この結果、レーザ装置１およびレーザ加工機２００を敷設する際のスペース効率を向上させることができる。特に、レーザ装置１の実際の使用状況においては、最も小さい第１方向Ａの寸法を２番目に小さい第２方向Ｂまたは第３方向Ｃの寸法の１／３以下とすることで、スペース効率をより確実に向上させることができる。

また、レーザモジュール２は、扁平形状であって対向する一組の主表面２ａを有する。そして、レーザモジュール２は、自身の主表面２ａがキャビネット８の主表面８ｄに対して平行に延在するように配置される。また、レーザモジュール２と、電源モジュール４およびレーザ制御部６の少なくとも一方とは、第２方向Ｂおよび／または第３方向Ｃにずれて配置される。これらにより、キャビネット８ひいてはレーザ装置１を薄型化しやすくすることができる。また、レーザモジュール２、電源モジュール４およびレーザ制御部６は、それぞれ別体で、つまり１つのパッケージに収容されていない状態で、キャビネット８に収容される。これによっても、キャビネット８ひいてはレーザ装置１を薄型化しやすくすることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることが可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれる。上述の実施の形態に変形が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態及び変形それぞれの効果をあわせもつ。

上述した実施の形態において、レーザモジュール２の水冷と電源モジュール４の空冷とを実現し得る範囲で、各ユニットの配置は適宜変更することができる。また、キャビネット８を防塵防水構造とする必要がない場合は、ブッシュやシール部材を省略することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

１ レーザ装置、 ２ レーザモジュール、 ２ａ 主表面、 ４ 電源モジュール、 ６ レーザ制御部、 ８ レーザ装置用キャビネット、 ８ｄ 主表面、 ２８ 吸気口、 ３０ 排気口、 Ｒ１ 第１空間、 Ｒ２ 第２空間。

Claims (3)

1. レーザを発振するレーザモジュールと、
   前記レーザモジュールに電力を供給する電源モジュールと、
   前記レーザモジュールを冷却するための水冷機構と、
   前記電源モジュールを冷却するための空冷機構と、を備えるレーザ装置であって、
   前記レーザモジュールおよび前記電源モジュールを収容するレーザ装置用キャビネットをさらに備え、
   前記レーザ装置用キャビネットの内部は、前記レーザモジュールが収容される第１空間と、前記電源モジュールが収容される第２空間とに、隔壁により区画され、
   前記第１空間は、外気を流通させるための外気口を有しない密閉空間であり、
   前記第２空間は、外気を流通させるための外気口を有することを特徴とするレーザ装置。
2. 前記外気口は、前記第２空間に外気を取り込むための吸気口と、前記第２空間から外部に排気するための排気口と、を含む請求項１に記載のレーザ装置。
3. レーザを発振するレーザモジュールと、
   前記レーザモジュールに電力を供給する電源モジュールと、
   前記レーザモジュールを冷却するための水冷機構と、
   前記電源モジュールを冷却するための空冷機構と、を備えるレーザ装置であって、
   前記レーザモジュールおよび前記電源モジュールを収容するレーザ装置用キャビネットをさらに備え、
   前記レーザ装置用キャビネットの内部は、前記レーザモジュールおよび前記水冷機構が収容される第１空間と、前記電源モジュールが収容される第２空間とに、隔壁により区画されることを特徴とするレーザ装置。

Images