JP6412042B2

JP6412042B2 - レーザ発振器

Info

Publication number: JP6412042B2
Application number: JP2016066594A
Authority: JP
Inventors: 哲久 ▲高▼實
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2017183429A; US20170288368A1; CN107240855A; DE102017104699A1; CN107240855B; US10516249B2

Description

本発明は、ＬＤ光源を有するＬＤモジュールを備えるレーザ発振器に関する。

金属や樹脂材料などの切断や、溶接などに使用されるレーザ発振器には、光源もしくは励起用の光源として、ＬＤモジュールが搭載されている。ＬＤモジュールのＬＤ電源が絶縁仕様の場合には、ＬＤモジュールを他の部材に対して電気的に絶縁する必要はないが、ＬＤ電源が非絶縁仕様の場合には、ＬＤモジュールを他の部材に対して固定する構成に電気的絶縁（絶縁固定）が求められる。また、当該固定する構成には冷却性能が求められ、電気的絶縁性と冷却性能との両立が必要となる。

例えば、ヒートシンクとＬＤモジュールの間に、熱伝導のための充填剤と絶縁とを有する構成を備え、上方から押さえジグで押さえてＬＤモジュールを固定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、例えば、ＬＤモジュールの固定部材に熱伝導性をもたせると共に、更に上方にあるフタ部を、熱を逃がす構成として、効率よい冷却方法を実現する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、例えば、絶縁基板の上にＬＤが配置される構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。絶縁基板とＬＤとの接合法は、一般的にはダイボンディングによる接合が用いられると考えられる。

特開２０１０−２８３１９７号公報特開２００５−０９３５０７号公報特開２００３−１０１０８５号公報

上記特許文献１に記載のＬＤモジュールを固定する方法では、前述のように、上方から押さえジグで押さえてＬＤモジュールを固定するが、この場合には、各部品の公差による、ジグとＬＤモジュールの高さの違いを吸収する機構が必要である。しかし、同公報にはこの機構についての記載はなく、従って、同公報記載の方法で固定を行うと、押さえジグとＬＤモジュールとの間に隙間ができるか、又は、過大な押さえ力がＬＤモジュールに作用して、ＬＤモジュールを変形させてしまうおそれがある。また、同公報には、押さえジグとＬＤモジュールを電気的に絶縁する方法は、開示されていない。

また、上記特許文献２に記載の冷却方法では、効率よい冷却方法は実現されるが、電気的に絶縁することはできない。また、上記特許文献３に記載の冷却方法では、複数のＬＤを備えるＬＤモジュールを固定する場合には、ＬＤモジュールは、ＬＤより大型のためダイボンディングは適さない。同公報に記載の冷却方法をＬＤモジュールの固定に採用すると、作業性が悪くなる。

本発明は、耐久性、コスト、及び、絶縁固定作業の作業性に優れた絶縁固定によりＬＤモジュールが冷却板に対して固定されたレーザ発振器を提供することを目的とする。

本発明に係る、１個もしくは複数個のＬＤ光源を有するＬＤモジュール（例えば、後述のＬＤモジュール１０）を備えるレーザ発振器（例えば、後述のＬＤモジュールユニット１）では、前記ＬＤモジュールは、冷却板（例えば、後述の冷却板２１）の上に設置された伝熱性絶縁部材（例えば、後述の伝熱性絶縁部材２３）の上に設置され、前記ＬＤモジュールを覆うようにして取囲んで前記ＬＤモジュールの上方から当接して前記ＬＤモジュールを下方へ押し付けて前記冷却板に固定される弾性絶縁部材（例えば、後述の弾性絶縁部材２５）を介して、前記冷却板に対して固定され、前記弾性絶縁部材としてゴム材料が用いられる。

前記伝熱性絶縁部材は粘着性を有していても良い。また、前記弾性絶縁部材は、弾性変形可能な金属製の板（例えば、後述の金属製の板２６Ｂ）と、絶縁部材（例えば、後述の絶縁部材２５Ｂ）とを有していても良い。

本発明によれば、耐久性、コスト、及び、絶縁固定作業の作業性に優れた絶縁固定によりＬＤモジュールが冷却板に対して固定されたレーザ発振器を提供することができる。

第１実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１を示す概略断面図である。第２実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ａを示す概略断面図である。第３実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｃを示す概略断面図である。第４実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｃを示す概略断面図である。第５実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｄを示す概略断面図である。第６実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｅを示す概略断面図である。第７実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｆを示す概略断面図である。第８実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｇを示す概略断面図である。

以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１を示す概略断面図である。
ＬＤモジュールユニット１は、１個もしくは複数個のＬＤ光源を有するＬＤモジュール１０を備えている。ＬＤモジュール１０は、ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）１１を有しており、ＬＤ電源（図示せず）から電力が供給されることにより、レーザを放射する。ＬＤモジュールユニット１がＤＤＬ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｏｄｅＬａｓｅｒ）により構成される場合には、レーザは直接加工等に用いられ、ＬＤモジュールユニット１がファイバレーザにより構成される場合には、レーザは励起光として用いられる。安定したビーム品質を長期間維持するために、ＬＤモジュール１０は、冷却されることが重要であり、冷却板２１上に設置される。

具体的には、ＬＤモジュール１０は、伝熱性絶縁部材２３の上に設置されている。伝熱性絶縁部材２３は、冷却板２１の上に設置されている。伝熱性絶縁部材２３としては、フィラーが添加されて熱伝導性が強化されたバイトンやパーフロロエラストマー等のゴム材料や、セラミック等が用いられる。

ＬＤモジュール１０は、冷却板２１に固定される弾性絶縁部材２５を介して、冷却板２１に対して固定されている。弾性絶縁部材２５は、ＬＤモジュール１０を覆うようにしてＬＤモジュール１０のモジュール本体１３の上部にＬＤモジュール１０の上方から当接している。モジュール本体１３の上部に当接している弾性絶縁部材２５の部分２５１は、適切な押圧力でＬＤモジュール１０を伝熱性絶縁部材２３及び冷却板２１に対して押し付けることができるように、弾性絶縁部材２５の他の部分と比較して、肉厚に構成されている。

また、ＬＤモジュール１０は、弾性絶縁部材２５で下方へ押さえ付けられている。弾性絶縁部材２５の冷却板２１への固定は、弾性絶縁部材２５と冷却板２１との間を絶縁する必要がないため、弾性絶縁部材２５の下部の冷却板２１への固定には、絶縁性を有する樹脂ネジ等は不要であり使用されない。弾性絶縁部材２５の下部は、鉄ネジ３１により冷却板２１に固定されている。弾性絶縁部材２５の冷却板２１への固定は、鉄ネジ３１に限定されず、例えば、冷却板２１に予め設けられたフック状の突起物に、弾性絶縁部材２５に予め設けられた穴が掛けられることにより係止されてもよい。

弾性絶縁部材２５としては、例えば、バイトンやパーフロロエラストマー等のゴム材料が用いられる。弾性絶縁部材２５は、弾性を有することにより、ＬＤモジュール１０や冷却板２１の寸法公差を吸収し、弾性絶縁部材２５の弾性によって適切な力でＬＤモジュール１０を固定する。ＬＤモジュール１０、伝熱性絶縁部材２３、弾性絶縁部材２５、及び、鉄ネジ３１は、格納筐体２７によって覆われて格納されている。

以上のように、本実施形態によれば、１個もしくは複数個のＬＤ光源を有するＬＤモジュール１０を備えるＬＤモジュールユニット１では、ＬＤモジュール１０は、冷却板２１の上に設置された伝熱性絶縁部材２３の上に設置され、冷却板２１に固定される弾性絶縁部材２５を介して、冷却板２１に対して固定される。

これにより、ＬＤモジュール１０の固定には、絶縁を確保するために、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのエンプラ製の絶縁性ネジの使用は不要となり、鉄ネジ３１等の金属製ネジを使用して弾性絶縁部材２５を冷却板２１に固定して絶縁を確保するとともに、ＬＤモジュール１０を、冷却板２１に対して絶縁を確保した状態で固定することが可能となる。また、弾性絶縁部材２５が弾性を有しているため、ＬＤモジュール１０の正確な位置決めが不要となる。これらにより、耐久性、コスト、及び、絶縁固定作業の作業性に優れた絶縁固定により、ＬＤモジュール１０が冷却板２１に対して固定されたＬＤモジュールユニット１を提供することができる。

次に、本発明の第２実施形態によるレーザ発振器について図２を参照しながら説明する。図２は、第２実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ａを示す概略断面図である。

第２実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ａにおいては、伝熱性絶縁部材２３Ａが、第１実施形態による伝熱性絶縁部材２３とは異なる。これ以外の構成については、第１実施形態によるＬＤモジュールユニット１の構成と同様であるため、第１実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

ＬＤモジュールユニット１Ａの伝熱性絶縁部材２３Ａは、粘着性を有する材料により構成されている。粘着性を有する材料としては、ゴム系粘着材、アクリル系粘着材、シリコン系粘着材等が用いられ、本実施形態では、耐熱性や耐候性に優れるシリコーン系粘着材が用いられる。これにより、ＬＤモジュール１０は、伝熱性絶縁部材２３Ａの上に設置されて、伝熱性絶縁部材２３Ａに粘着し固定されている。伝熱性絶縁部材２３Ａは、冷却板２１の上に設置されて、冷却板２１に粘着し固定されている。

以上のように、本実施形態によれば、伝熱性絶縁部材２３Ａは粘着性を有する。これにより、ＬＤモジュール１０を伝熱性絶縁部材２３Ａに配置したときの、伝熱性絶縁部材２３Ａに対するＬＤモジュール１０の位置ずれ、及び、冷却板２１に対する伝熱性絶縁部材２３Ａの位置ずれを防止することができ、伝熱性絶縁部材２３Ａに対するＬＤモジュール１０の位置決め、及び、冷却板２１に対する伝熱性絶縁部材２３Ａの位置決めを容易とすることができ、ＬＤモジュールユニット１Ａの組立を容易とすることが可能となる。

次に、本発明の第３実施形態によるレーザ発振器について図３を参照しながら説明する。図３は、第３実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｂを示す概略断面図である。

第３実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｂにおいては、弾性絶縁部材が、絶縁部材２５Ｂと、バネ性のある金属製の板２６Ｂと、から構成される点で、第２実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第２実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ａの構成と同様であるため、第２実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

絶縁部材２５Ｂは、ＬＤモジュール１０のモジュール本体１３の上部に載置されており、ＬＤモジュール１０の上方からモジュール本体１３の上板１３１に当接している。金属製の板２６Ｂは、図３に示すように、ＬＤモジュール１０、及び、モジュール本体１３の上板１３１に載置された絶縁部材２５Ｂを覆うようにして、絶縁部材２５Ｂの上方から絶縁部材２５Ｂに当接している。金属製の板２６Ｂの下部は、鉄ネジ３１により冷却板２１に固定されている。即ち、金属製の板２６Ｂの弾性により、絶縁部材２５Ｂを介してＬＤモジュール１０を下方へ押さえ付けることにより、ＬＤモジュール１０は、伝熱性絶縁部材２３Ａを介して、冷却板２１に固定されている。金属製の板２６Ｂは、例えばバネ鋼などが用いられる。また、金属製の板は、多段の折りを有する構成としてもよい。これにより、金属製の板のバネ性を強化することができる。

以上のように、本実施形態によれば、弾性絶縁部材は、弾性変形可能な金属製の板２６Ｂと、絶縁部材２５Ｂとを有する。これにより、弾性変形によるバネ性を有する金属製の板２６Ｂで、ＬＤモジュール１０を押さえ付けて固定することにより、当該押さえ付けによりＬＤモジュール１０へ加わる力を分散させながら、確実にＬＤモジュール１０を冷却板２１に対して固定することができる。

次に、本発明の第４実施形態によるレーザ発振器について図４を参照しながら説明する。図４は、第４実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｃを示す概略断面図である。

第４実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｃにおいては、金属製の板は、ＬＤモジュール１０を格納する格納筐体２７Ｃの一部により構成される点で、第３実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第３実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｂの構成と同様であるため、第３実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

ＬＤモジュールユニット１Ｃにおいて、金属製の板は、バネ性のある格納筐体２７Ｃの一部により構成されている。また、上下方向における格納筐体２７Ｃの高さは、第１実施形態〜第３実施形態における格納筐体２７の上下方向における高さよりも低く構成されている。絶縁部材２５Ｂの上面は、格納筐体２７Ｃの天板２７３Ｃの下面に当接している。従って、ＬＤモジュール１０は、格納筐体２７Ｃを介して、冷却板２１に固定されている。

以上のように、本実施形態によれば、金属製の板がＬＤモジュール１０を格納する格納筐体２７Ｃの一部により構成される。これにより、金属製の板を格納筐体２７Ｃが兼ねており、格納筐体２７Ｃとは別個に金属製の板を設ける必要がなくなり、ＬＤモジュールユニット１Ｃにおいて、ＬＤモジュール１０を冷却板２１に対して固定するための構成にかかる部品点数を削減できる。

次に、本発明の第５実施形態によるレーザ発振器について図５を参照しながら説明する。図５は、第５実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｄを示す概略断面図である。

第５実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｄにおいては、弾性絶縁部材を構成する絶縁部材２５Ｄが熱伝導性を備える点で、第４実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第４実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｃの構成と同様であるため、第４実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

絶縁部材２５Ｄは、熱伝導性を備えており、絶縁部材２５Ｄを通してＬＤモジュール１０から放熱することができるように構成されている。これにより、絶縁部材２５Ｄを通してＬＤモジュール１０の熱を格納筐体２７Ｃに伝達する構造とすることができ、ＬＤモジュール１０の冷却を強化することができる。

次に、本発明の第６実施形態によるレーザ発振器について図６を参照しながら説明する。図６は、第６実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｅを示す概略断面図である。

第６実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｅにおいては、ＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅの上部は開放された構造を有する点で、第５実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第５実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｄの構成と同様であるため、第５実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、ＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅの上部は、開口１３１Ｅが形成されており、解放された構成を有している。弾性絶縁部材を構成する絶縁部材２５Ｅは、第５実施形態における絶縁部材２５Ｂよりも肉厚に構成されており、熱伝導性を備えている。絶縁部材２５Ｅの下面は、モジュール本体１３Ｅの上部の開口１３１Ｅを塞いでおり、絶縁部材２５Ｅの上面は、格納筐体２７Ｃの天板２７３Ｃの下面に当接している。従って、モジュール本体１３Ｅは、格納筐体２７Ｃを介して、冷却板２１に固定されている。

以上のように、本実施形態によれば、ＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅの上部は開放された構造を有するため、ＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅに上板１３１（図３参照）は必要なくなり、ＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅに、上板１３１を設ける工程を削減することができる。また、モジュール本体１３Ｅを構成する部品点数を減らし、また、上板１３１と側壁１３４との間のシールを行うシール工程を省くことができる。また、開口１３１Ｅを絶縁部材２５Ｅで塞ぐため、ＬＤモジュール１０Ｅにおいて開口１３１Ｅを有するモジュール本体１３Ｅを、絶縁部材２５Ｅにより密閉した構成とすることができる。

次に、本発明の第７実施形態によるレーザ発振器について図７を参照しながら説明する。図７は、第７実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｆを示す概略断面図である。

第７実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｆにおいては、ＬＤモジュール１０Ｅを格納する格納筐体２７Ｃが上方向に重ねられている点で、第６実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第６実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｅの構成と同様であるため、第６実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、ＬＤモジュールユニット１Ｆは、冷却板２１に固定され格納筐体２７Ｃに覆われた複数のＬＤモジュール１０Ｅを有するＬＤモジュールユニット１Ｅが、上下方向に計３つ積層されて構成されている。中段のＬＤモジュールユニット１Ｅの冷却板２１の下面は、最下段のＬＤモジュールユニット１Ｅの格納筐体２７Ｃの天板２７３Ｃの上面に載置されている。最上段のＬＤモジュールユニット１Ｅの冷却板２１の下面は、中段のＬＤモジュールユニット１Ｅの格納筐体２７Ｃの天板２７３Ｃの上面に載置されている。

以上のように、本実施形態によれば、ＬＤモジュール１０Ｅを格納する格納筐体２７Ｃが上方向に重ねられている。このため、格納筐体２７Ｃの天板２７３Ｃの上面に載置された冷却板２１から、格納筐体２７Ｃの天板２７３Ｃの冷却の効果を得ることができ、より冷却効率を高めて、ＬＤモジュール１０Ｅの冷却を強化することができる。

次に、本発明の第８実施形態によるレーザ発振器について図８を参照しながら説明する。図８は、第８実施形態に係るレーザ発振器を構成するＬＤモジュールユニット１Ｇを示す概略断面図である。

第８実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｇにおいては、一のＬＤモジュール１０Ｅ（図８における下側のＬＤモジュール１０Ｅ）の弾性絶縁部材は、他のＬＤモジュール１０Ｅ（図８における上側のＬＤモジュール１０Ｅ）と、絶縁部材２５Ｅとを有する点で、第７実施形態とは異なる。そして、第８実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｇにおいては、一のＬＤモジュール１０Ｅに対して他のＬＤモジュール１０Ｅは、天地逆転されて、絶縁部材２５Ｅを介して一のＬＤモジュール１０Ｅに重ねられている点で、第７実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第７実施形態によるＬＤモジュールユニット１の構成と同様であるため、第７実施形態における各構成と同様の構成については、同様の符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、ＬＤモジュールユニット１Ｇの格納筐体２７Ｇは、天板２７３Ｃ（図７参照）を有していない。一の格納筐体２７Ｇ（図８における下側の格納筐体２７Ｇ）の上端は、開口２７１Ｇを有しており、解放されている。一の格納筐体２７Ｇの上端の開口２７１Ｇに、他の格納筐体２７Ｇ（図８における上側の格納筐体２７Ｇ）の上端（図８においては、天地逆転されているため、下端）の開口２７１Ｇが当接させられて接続されている。また、一のＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅの開口１３１Ｅを塞いでいる絶縁部材２５Ｅの上面が、他のＬＤモジュール１０Ｅのモジュール本体１３Ｅの開口１３１Ｅを塞ぐように、他のＬＤモジュール１０Ｅは、天地逆転されて絶縁部材２５Ｅの上面に接続されている。即ち、一のＬＤモジュール１０Ｅの弾性絶縁部材は、他のＬＤモジュール１０Ｅと、絶縁部材２５Ｅとにより構成されている。そして、一のＬＤモジュール１０Ｅは、絶縁部材２５Ｅと、他のＬＤモジュール１０Ｅと、図８の上側の伝熱性絶縁部材２３Ａ及び冷却板２１と、図８の上側及び下側の格納筐体２７Ｇとにより、図８の下側の伝熱性絶縁部材２３Ａ及び下側の冷却板２１に押し付けられて固定されている。

以上のように、本実施形態によれば、一のＬＤモジュール１０Ｅの弾性絶縁部材は、他のＬＤモジュール１０Ｅと、絶縁部材２５Ｅとを有する。このため、格納筐体２７Ｇにおいて天板２７３Ｃ（図７参照）が不要となり、ＬＤモジュール１０Ｅ同士で押さえつけ合う構造となるため、ＬＤモジュール１０Ｅを冷却板２１に固定する構成を、部品点数が少ない構成とすることが可能になる。また、冷却板２１がＬＤモジュール１０Ｅの上下に配置されるため、ＬＤモジュール１０Ｅが上下から冷却され、ＬＤモジュール１０Ｅ付近の気体も循環しやすくなるため、冷却が強化される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、レーザ発振器の構成、より具体的には、ＬＤモジュールを冷却板に対して固定する構成は、上述した実施形態における各部の構成に限定されない。

例えば、第８実施形態によるＬＤモジュールユニット１Ｇにおいては、弾性絶縁部材としての絶縁部材２５Ｅは熱伝導性を備えていたが、この構成に限定されない。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１ＧＬＤモジュールユニット（レーザ発振器）
１０、１０ＥＬＤモジュール
２１冷却板
２３、２３Ａ伝熱性絶縁部材
２５弾性絶縁部材
２５Ｂ、２５Ｄ、２５Ｅ絶縁部材
２６Ｂ金属製の板
２７Ｃ、２７Ｇ格納筐体

Claims

１個もしくは複数個のＬＤ光源を有するＬＤモジュールを備えるレーザ発振器であって、
前記ＬＤモジュールは、冷却板の上に設置された伝熱性絶縁部材の上に設置され、前記ＬＤモジュールを覆うようにして取囲んで前記ＬＤモジュールの上方から当接して前記ＬＤモジュールを下方へ押し付けて前記冷却板に固定される弾性絶縁部材を介して、前記冷却板に対して固定され、
前記弾性絶縁部材としてゴム材料が用いられるレーザ発振器。
前記伝熱性絶縁部材は粘着性を有する請求項１記載のレーザ発振器。
前記弾性絶縁部材は、弾性変形可能な金属製の板と、絶縁部材とを有する請求項２記載のレーザ発振器。