特許 6989557 レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6989557

(24)【登録日】2021年12月6日

(45)【発行日】2022年1月5日

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20211220BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20211220BHJP

   H01S 5/068 20060101ALI20211220BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20211220BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20211220BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/024

   H01S5/40

   H01S5/068

   H05K7/20 M

   H01L23/46 Z

【請求項の数】14

【全頁数】37

(21)【出願番号】特願2019-76954(P2019-76954)

(22)【出願日】2019年4月15日

(65)【公開番号】特開2020-177945(P2020-177945A)

(43)【公開日】2020年10月29日

【審査請求日】2020年9月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】瀧川 宏

(72)【発明者】

【氏名】吉田 宏之

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０５４２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１２８０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１９−０３１２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５９０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０９２７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２６０２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０８２６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５２８４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−００６７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／００６２３４７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

Ｈ０１Ｓ ３／００ − ３／３０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／３４ − ２３／４７３

Ｆ２８Ｆ １１／００ − １９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に形成された冷却液流路に冷却液供給装置から供給される冷却液を流すことによって冷却される冷却板の表面に、駆動電流が直列に供給される複数のレーザダイオードモジュールが、前記冷却板と熱的に接続して配列されたレーザダイオードモジュール／冷却板アセンブリを備えたレーザ装置であって、
前記複数のレーザダイオードモジュールに前記駆動電流を供給するレーザ電源と、
前記冷却液流路に接続する冷却液配管に設けられ、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換える切換弁と、
前記複数のレーザダイオードモジュールを構成するレーザダイオードモジュールの発熱部における発熱によって、温度が変動する前記レーザダイオードモジュール／冷却板アセンブリの中のいずれか少なくとも一つの温度変動部位の温度の時系列データを参照して、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する時機判定装置と、
前記レーザ電源に対して駆動電流出力指令を出力すると共に、前記時機判定装置の判定結果を参照して、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換えるために、前記切換弁に対して弁切換指令を出力する制御回路と、を備え、
前記時機判定装置は、
前記レーザダイオードモジュールが標準駆動条件で駆動された場合の寿命消費速度を基準として、前記レーザダイオードモジュールが標準駆動条件とは異なった駆動条件で駆動された場合の寿命消費速度の比率を表す寿命消費の加速係数において、前記レーザダイオードモジュールの光出力と前記温度変動部位の温度に依存する前記加速係数である第１加速係数のデータと、前記レーザダイオードモジュールの駆動電流と前記温度変動部位の温度に依存する加速係数である第２加速係数のデータとの少なくとも一方の加速係数のデータを記録した第１記録部と、
前記温度変動部位の温度の時系列データに加えて、前記レーザダイオードモジュールの光出力の時系列データと前記レーザダイオードモジュールの駆動電流の時系列データの少なくとも一方の時系列データを参照して、前記第１記録部から読み出した加速係数を、前記レーザダイオードモジュールの駆動を開始した最初の時点から最新の時点までの時間積分を行うことによって実効的累積駆動時間を算出する算出回路と、
前記複数のレーザダイオードモジュールのうちの少なくとも一つのレーザダイオードモジュールについて算出した前記実効的累積駆動時間を記録する第２記録部と、を備え、
前記時機判定装置が、前記第２記録部に記録された前記実効的累積駆動時間に基づいて、前記冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する、レーザ装置。

【請求項2】

前記温度変動部位の少なくとも一つが前記複数のレーザダイオードモジュールのうちの少なくとも一つのレーザダイオードモジュールの発熱部であるレーザダイオードのｐｎ接合部であり、前記温度の時系列データの少なくとも一つが前記レーザダイオードのｐｎ接合部の温度の時系列データであり、
前記第１記録部に記録されている前記第１加速係数のデータと前記第２加速係数のデータとのうち、少なくとも一方の加速係数のデータは、それぞれ、前記レーザダイオードモジュールの標準光出力に対する光出力による加速係数である光出力加速係数のデータと前記レーザダイオードモジュールの発熱部の温度による加速係数である温度加速係数のデータ、前記レーザダイオードモジュールの標準駆動電流に対する駆動電流による加速係数である電流加速係数のデータと前記レーザダイオードモジュールの発熱部の温度による加速係数である前記温度加速係数のデータ、として記録されており、
前記算出回路が、前記複数のレーザダイオードモジュールのうちの少なくとも１つのレーザダイオードモジュールについて、前記レーザダイオードモジュールの駆動を開始した最初の時点から最新の時点までの、前記光出力加速係数と前記温度加速係数との積、あるいは、前記電流加速係数と前記温度加速係数との積を時間積分することによって、前記実効的累積駆動時間を算出する、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記第１記録部に記録されている、前記温度加速係数のデータと、前記光出力加速係数のデータと、前記電流加速係数のデータとのうち、少なくとも一つの加速係数のデータは、加速係数を直接表す数値データではなく、加速係数を算出するための数式の形式で記録されている、請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記光出力加速係数のデータと前記電流加速係数のデータとの少なくとも一方の加速係数データが、前記実効的累積駆動時間に依存するデータとして、前記第１記録部に記録されている、請求項３に記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記実効的累積駆動時間に依存する前記光出力加速係数データあるいは前記電流加速係数データが、それぞれ、レーザダイオードモジュールの全寿命のうちの所定の一時期だけ、前記標準駆動条件に含まれる標準光出力とは異なる一定の光出力で駆動することによって、あるいは、レーザダイオードモジュールの全寿命のうちの所定の一時期だけ、前記標準駆動条件に含まれる標準駆動電流とは異なる一定の駆動電流で駆動することによって、前記実効的累積駆動時間に依存する前記光出力加速係数あるいは前記電流加速係数を導出する加速係数導出装置あるいは加速係数導出方法で求められた光出力加速係数データあるいは電流加速係数データである、請求項４に記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記時機判定装置が、前記複数のレーザダイオードモジュールのうちの第１レーザダイオードモジュールの前記実効的累積駆動時間である第１実効的累積駆動時間と、前記複数のレーザダイオードモジュールのうちの前記第１レーザダイオードモジュールとは異なる第２レーザダイオードモジュールの前記実効的累積駆動時間である第２実効的累積駆動時間との時間差である第１時間差が第１設定時間を超えた時点を、前記冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記第１設定時間が、前記第１実効的累積駆動時間、前記第２実効的累積駆動時間および前記第１実効的累積駆動時間と前記第２実効的累積駆動時間との和のいずれかを第１変数とする第１関数であり、前記第１関数は、前記第１変数が正の範囲で、広義単調減少関数であると共に、最小値を正の第１定数とする関数である、請求項６に記載のレーザ装置。

【請求項8】

前記時機判定装置が、前記複数のレーザダイオードモジュールのうち、前記冷却液の流れの方向が切替わっても、前記駆動電流が同じ場合、レーザダイオードモジュールの発熱部あるいは前記発熱部に熱的に接続したレーザダイオードモジュールの所定位置の温度の変化が最も小さいレーザダイオードモジュールを第３レーザダイオードモジュールとして、前記第３レーザダイオードモジュールの最新の前記実効的累積駆動時間である第３実効的累積駆動時間と、最後に前記冷却液の流れの方向を切換えた時点における前記第３レーザダイオードモジュールの前記実効的累積駆動時間との時間差である第２時間差が第２設定時間を超える時点を、前記冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項9】

前記第２設定時間が、前記第３実効的累積駆動時間を第２変数とする第２関数であり、前記第２関数は、前記第２変数が正の範囲で、広義単調減少関数であると共に、最小値を正の第２定数とする関数である、請求項８に記載のレーザ装置。

【請求項10】

前記制御回路からの指令により、前記複数のレーザダイオードモジュールを発光源又は励起光源とするレーザ発振器の光出力特性を所定の駆動条件で、所定のスケジュールに沿って測定し、前記光出力特性の測定結果の履歴を、前記第１記録部に記録されている前記実効的累積駆動時間に関連付けて記録する第３記録部を備え、
前記第３記録部に記録されている前記実効的累積駆動時間に関連付けた前記光出力特性の測定結果を使用して、前記制御回路が、前記光出力特性から導出される所定の駆動電流で出力される光出力である実光出力又は所定の光出力を得るために必要な駆動電流である実駆動電流について、前記実光出力又は前記実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性と、ある光出力特性測定時点とその前の光出力特性測定時点との両時点間における前記実光出力又は実駆動電流の劣化幅又は劣化率と、前記劣化幅を前記両時点間の前記実効的累積駆動時間の差で除した劣化速度との、少なくともいずれか一つを出力可能である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項11】

前記駆動電流が直列に供給される複数のレーザダイオードモジュールからなるレーザダイオードモジュールグループが複数存在し、各レーザダイオードモジュールグループに対して、独立に前記駆動電流を供給可能なレーザ装置であって、
前記制御回路が、所定の光出力指令を出力するために、前記レーザ電源に対して前記各レーザダイオードモジュールグループに対する駆動電流出力指令を出力するにあたって、前記複数のレーザダイオードモジュールグループのうち、相対的に前記実効的累積駆動時間の短いレーザダイオードモジュールグループあるいは相対的に前記劣化速度が小さいレーザダイオードモジュールグループに対して、優先的に前記駆動電流を割振るように、前記駆動電流出力指令を出力する、請求項１０に記載のレーザ装置。

【請求項12】

前記制御回路が、ネットワークを経由して、前記実効的累積駆動時間と、前記実光出力あるいは前記実駆動電流の前記実効的累積駆動時間依存性と、前記劣化速度との少なくともいずれか一つをクラウドサーバーあるいはフォグサーバーに出力する、請求項１０又は１１に記載のレーザ装置。

【請求項13】

前記切換弁が、前記冷却液供給装置から供給される冷却液を前記冷却液流路に流入させるための３本の冷却液配管が接続された流入側の１個の三方弁と、前記冷却液流路から流出した冷却液を流出させるための３本の冷却液配管が接続された流出側の１個の三方弁との２個で１組の三方弁で構成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項14】

前記切換弁が、４本の冷却液配管が接続された１つの四方弁であり、前記四方弁の少なくとも主要部分は弗化樹脂製であり、前記四方弁により、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ装置のレーザ光源、あるいは励起光源として使用される複数のレーザダイオードモジュール（以下、ＬＤモジュールという。）を、冷却液の流通により冷却される冷却板の表面に配列して冷却するレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年のレーザ加工用高出力レーザ装置においては、加工可能な被加工物（ワーク）の範囲（例えば厚さや材質等）の拡大や、加工速度の高速化等を目的として、益々高出力化が進められている。特に、少なくとも一つのレーザダイオード（以下、ＬＤという。）を備えるＬＤモジュールをレーザ装置のレーザ光源、あるいは励起光源として使用するレーザ装置においては、高出力化の傾向は顕著である。複数のＬＤモジュールをレーザ光源、あるいは励起光源として使用するレーザ装置の高出力化のためには、各ＬＤモジュールの光出力を高出力化すると共に、使用するＬＤモジュールの個数を増やすことが必要である。

【0003】

ＬＤモジュールが高出力化し、ＬＤモジュールの個数が増えると発熱量も増大するので、ＬＤモジュールの温度上昇を抑制するため、複数のＬＤモジュールは、殆どの場合、冷却液が流れることによって冷却される冷却板の表面に配列されている。また、冷却液を流すことによって冷却板を冷却するために、図１に示したように、内部を冷却液が流れる破線で表した冷却液流路３が、冷却板２の内部や表面に敷設されている。各ＬＤモジュール１の直近の冷却液流路３には、冷却液が直列に流れる冷却構造が採られているのが普通である。

【0004】

なお、図１において、破線の矢印は、冷却液の流れの方向を示している。また、ＬＤモジュール１の一部を凸状にしているのは、ＬＤモジュール１の内部の複数のＬＤから出射されたレーザ光は、レンズやミラーで集光されて光ファイバ端に入射され、光ファイバを伝播するレーザ光として外部に取り出されることが多いので、ＬＤモジュール１の凸状の先端から光ファイバが出ている構造を模式的に示したためである。また、ＬＤモジュール１が冷却液流路３の長さ方向から傾けて配置されているのは、ＬＤモジュール１の凸状の先端から出ている光ファイバが、隣接するＬＤモジュール１と干渉しないようにするためである。冷却液は冷却液供給装置等から冷却液配管４を経由して冷却板２の冷却液流路３に流れ込む。

【0005】

図１のように、冷却板の表面に複数のＬＤモジュールが配置された集合体を、本明細書では、ＬＤモジュール／冷却板アセンブリと称している。図１に示したようなＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５においては、複数のＬＤモジュール１による発熱を吸収することによって、冷却液の温度が次第に上昇するので、冷却液を流した時の上流側の冷却液流路３に近い位置に配列されたＬＤモジュール１に比べて、下流側の冷却液流路３に近い位置に配列されたＬＤモジュール１の温度が高くなるという問題が生じる。

【0006】

冷却液から各ＬＤモジュールの発熱部、すなわち、ＬＤのｐｎ接合までの熱抵抗が同じであれば、直近の冷却液流路を流れる冷却液の温度が上昇した分だけ、ＬＤモジュールの発熱部の温度も上昇する。ＬＤモジュールの発熱部の温度が上昇すると、それに応じて、ＬＤモジュールの寿命消費に対する負荷は増大して、ＬＤモジュールの寿命が短くなる、あるいは、平均故障率が上昇する。複数のＬＤモジュールの総発熱量がそれ程大きくない時は余り大きな問題にはならないが、上記のように、ＬＤモジュールが高出力化し、ＬＤモジュールの個数が増えると発熱量も増大するので、軽視できない問題となってきている。なお、複数のＬＤモジュールの駆動電流供給用の配線の複雑化を防ぎ、駆動電流の増大を避けるために、複数のＬＤモジュールには、通常、駆動電流が直列に供給されるので、ＬＤモジュール毎に駆動電流を変えてＬＤモジュールの温度を均一化することは現実的ではない。

【0007】

例えば、ＬＤモジュールの電気光変換効率を仮に６０％として、複数のＬＤモジュールで合計５ｋＷの光出力を得ようとすると、複数のＬＤモジュールの総発熱量は約３．３３ｋＷになる。そのため、仮に冷却液が冷却水で、流量が１０Ｌ／ｍｉｎ（＝１．６７×１０^−４ｍ^３／ｓ）と仮定すると、冷却液の温度上昇は、総発熱量／（流量×水の比熱×水の密度）＝３．３３×１０^３（Ｗ）／（１．６７×１０^−４（ｍ^３／ｓ）×４．１８３×１０^３（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））×９．９８２×１０^２（ｋｇ／ｍ^３））＝４．８（Ｋ）になる。

【0008】

言うまでもないことだが、同じ冷却板によって他の発熱源、例えば、ファイバレーザにおける増幅用光ファイバ等の発熱も放熱する場合は、その他の発熱源の発熱量に応じて、冷却液の温度上昇は更に大きくなる。仮に４．８Ｋの温度差で寿命や平均故障率がどの程度変化するかを見積るために、冷却液を流した時の上流側の冷却液流路に近い位置に配列されたＬＤモジュールの発熱部の温度が５０℃であり、一般的に言われているように、１０℃上昇すると寿命が５０％に減少すると仮定すると、４．８Ｋ上昇することによって、下流側の冷却液流路に近い位置に配列されたＬＤモジュールの寿命は、上流側の冷却液流路に近い位置に配列されたＬＤモジュールの７１％程度に減少する。平均故障率は、その逆数で、１．４倍程度になる。すなわち、複数のＬＤモジュールが１枚の冷却板の表面に配列されているＬＤモジュールユニットを交換単位とすると、寿命が最も短いＬＤモジュールの寿命でＬＤモジュールユニット全体の寿命が決まることになる。従って、上記の冷却液の温度上昇の分だけ、ＬＤモジュールユニットの寿命が短くなるということが問題である。

【0009】

この問題を解決あるいは軽減する技術として、例えば、図２に示す特許文献１に記載の冷却構造が知られている。特許文献１において、各ＬＤモジュール１の直近の冷却液流路３は、冷却部流路と記載されている。この冷却構造は、冷却部流路に冷却水を直列ではなく、並列に流しており、必要な冷却性能を実現するために、冷却部流路の流路高さが流路長及び流路幅に対して１／２０以下の条件と、流路高さが０．５ｍｍ以下の条件とのうちの少なくとも一方の条件を満たすと共に、冷却部流路内を流れる冷却媒体の管摩擦による圧力損失が、共通供給流路と共通排出流路内を流れる冷却媒体の管摩擦による圧力損失より大きい、という構成を有する。

【0010】

図２においても、図１と同様に、冷却液流路３を破線で表し、冷却液の流れの方向を破線の矢印で示している。各ＬＤモジュール１の真下の矩形の冷却液流路３が、流路高さが流路長及び流路幅に対して１／２０以下の条件と、流路高さが０．５ｍｍ以下の条件とのうちの少なくとも一方の条件を満たす冷却部流路である。図２のように、各ＬＤモジュール１近傍の冷却液流路３に冷却液を並列に流すと、上流や下流という概念がなくなり、ＬＤモジュール１，１間の温度差という問題を根本的に解消し、最も優れた冷却性能が実現可能である。しかし、流路構造が複雑になると共に流路の形状精度に対する要求が厳しくなるために冷却板２の製造コストがやや高くなるという点でさらに改善の余地があった。流路の形状精度に対する要求が厳しくなる理由は、冷却液が並列に流れる流路間で、圧力損失に差があると、それぞれの流路に流れる流量が不均一になるという点と、各流路に流れる流量が桁違いに減少するので、上記のように、流路を大幅に狭小化して流速を上げないとＬＤモジュール１が効率良く冷却されないという点にある。そのため、非常に狭小な流路を精度良く製作することが要求される。

【0011】

また、他の方法として、冷却液供給能力が高い冷却液供給装置、例えば循環式冷却液供給装置（チラー）を使用して流量を増やすことが考えられる。例えば、冷却液の流量を２倍に増やせば、上記の冷却液の温度上昇は半分に低減できる。しかし、最大流量が大きいチラーは当然、それだけ高価であり、やはりコストアップが問題になる。また、冷却液の流量を２倍に増やすために流路断面積を大きくすると、冷却板の厚さを厚くする必要が出てくる等の問題がある。一方、流路断面積を同じにすると、冷却液の流量を２倍に増やした場合の流路における圧力損失は４倍になる。この場合、チラーには、吐出圧力の高い冷却液送出ポンプの使用が要求され、冷却液配管や配管継手、電磁弁等の配管部品への耐圧性要求が厳しくなり、冷却液漏出のリスクも高くなる。

【0012】

更に、他の方法として、上記の２つ方法の折衷案も考えられる。すなわち、図３に示したように、複数のＬＤモジュール１を、例えば２つのグループに分け、冷却液配管４も２つに並列に分岐し、分岐したぞれぞれの冷却液配管４を流れる冷却液で、それぞれのグループの複数のＬＤモジュール１を直列的に冷却するという冷却構造である。図３においても、破線が冷却液流路３を表し、破線の矢印は冷却液の流れの方向を示している。分岐したそれぞれの冷却液配管４に、全てのＬＤモジュール１を直列的に冷却する場合の流量の冷却液を流すようにすれば、全体として２倍の流量は必要という問題点は前記の方法と同じだか、流速の増加によって圧力損失が増加するという問題は無くなる。しかし、分岐したそれぞれの冷却液配管４に確実に同じ流量の冷却水が流れるようにするには、分岐したそれぞれの冷却液配管４における圧力損失を増やす構造を意図的に設けるか、それぞれの冷却液配管４を流れる冷却液の流量を計測した結果をフィードバックして、それぞれの冷却液配管４を流れる冷却液の流量が同じになるように流量調節弁を制御する等の機構が必要になってくる。すなわち、この折衷案は上記の２つの方法のそれぞれの問題点の一部を解決するが、逆に上記の２つの方法のそれぞれの問題点の一部を併せ持つということになる。

【0013】

上記のような従来技術と比べて、製造コストを殆ど上げることなく、ＬＤモジュール間の寿命消費に対する負荷の不均一を軽減する方法として、図１に示した冷却構造と同様の各ＬＤモジュールの直近の冷却液流路に冷却液が直列に流れる冷却板構造において、冷却液の流れの方向を切り換えることによって、冷却液をある一方向から流した時の上流側に配置されたＬＤモジュールと下流側に配置されたＬＤモジュールとの寿命負荷の差を軽減することが考えられる。しかし、この場合は、冷却液の流れの方向を切り換えるタイミング（時機）が適切でないと、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を軽減する効果が小さくなる。

【0014】

複数のＬＤモジュールの冷却において、冷却液の流れの方向を切換えているレーザ装置は見当たらないが、特許文献２は、複数の冷却対象を冷却するための冷却媒体が循環する環状の冷却流路と、前記冷却流路に配置され、前記冷却媒体を放熱させて冷却する放熱部と、前記冷却流路に配置され、複数の前記冷却対象に前記冷却媒体を移送するポンプと、複数の前記冷却対象に移送される前記冷却媒体の移送方向を、正方向、及び正方向とは逆の逆方向のいずれかに切り替えることの可能な移送方向切替機構と、前記移送方向切替機構を制御する制御部と、を備える冷却装置を開示している。しかし、冷却液の流れの方向を切り換えるタイミングについては、複数の冷却対象のそれぞれの温度や、負荷状態を示す値の大小関係に基づいて判断しているので、本願のような複数のＬＤモジュールの冷却に適用すると、複数のＬＤモジュールの温度や負荷状態に差が出ないように、ＬＤモジュールの駆動中にも冷却液の流れの方向の切換えが頻繁に行われることになる。冷却液の流れの方向を頻繁に切り換えると、ＬＤモジュールの温度が不安定になり、切替機構の急速な摩耗故障を引き起こすので、本願のような複数のＬＤモジュールの冷却に到底適用できるような切換タイミングではない。ＬＤモジュールの駆動中にも冷却液の流れの方向の切換えが頻繁に行われないように、複数のＬＤモジュールの温度や負荷状態に差がある状態を認める判断条件に設定にすると、その差が固定化して、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を軽減する効果が小さくなったり、殆ど無くなったりする。

【0015】

また、特許文献３は、内部が真空とされた真空チャンバと、この真空チャンバ内に設けられた陽極及び陰極と、を備え、陽極と陰極との間にアーク放電を生起して陰極とされた電極を蒸発させることでＰＶＤ処理を行うに際しては、前記陽極とされた電極及び陰極とされた電極のうち少なくとも一方に、冷却媒体を流通させて電極を冷却する冷却流路を設けておき、前記電極に設けられた冷却流路における冷却媒体の流通方向を、一方側から他方側又は他方側から一方側へ交互に切り替えつつ、前記電極を冷却して、ＰＶＤ処理を行うことを特徴とするＰＶＤ処理方法やＰＶＤ処理装置を開示している。しかし、冷却媒体の流通方向の切替えのタイミングついては、ＰＶＤ処理のバッチ処理毎に流通方向を交互に切り替える方法や、陰極とされた電極の使用寿命を複数の期間に分割し、分割された期間ごとに、冷却流路における冷却媒体の流通方向を交互に切り替える方法しか言及していない。本願のように、レーザ装置のレーザ光源、あるいは励起光源として使用される複数のＬＤモジュールについては、後述のように、寿命に影響を与えるＬＤモジュールの温度の過渡的な変化が無視できないことが多く、また、常に同じ駆動条件で駆動される訳でなく、駆動電流やＬＤモジュールの温度が異なる、あるいは変化する条件で駆動されることも多いので、特許文献３が開示しているような、所定の時間、あるいは所定の駆動時間が経過するごとに冷却媒体の流通方向を交互に切り替える方法では、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を軽減する効果が小さいという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特開２０１９−１６７５７号公報

【特許文献2】特開２０１７−２１２８５１号公報

【特許文献3】特開２０１４−７７１８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

上記のように、複数のＬＤモジュールをレーザ光源や励起光源として備えた高出力レーザ装置においては、冷却液を流通させる配管を設けた冷却板の表面に複数のＬＤモジュールを配列して、ＬＤモジュールの発熱によるＬＤモジュールの温度上昇を抑えているが、冷却液は、ＬＤモジュールで発生した熱を吸収することによって、冷却液自身の温度が上昇するので、冷却液流路に冷却液を流した時に、上流側の配管近傍に配置されたＬＤモジュールに比べて、下流側の配管近傍に配置されたＬＤモジュールは、温度が高くなる。そのため、上流側の配管近傍に配置されたＬＤモジュールに比べて、下流側の配管近傍に配置されたＬＤモジュールの寿命が短くなったり、平均故障率が高くなったりするので、複数のＬＤモジュール全体の寿命や信頼性が、下流側の配管近傍に配置されたＬＤモジュールの寿命や信頼性によって制限されるという問題が生じている。

【0018】

上記の各ＬＤモジュール近傍の冷却液流路に冷却液を並列に流す技術は、上流側や下流側という概念が無くなり、原理的には理想的な解決方法ではあるが、実際に各ＬＤモジュール近傍の冷却液流路に同じ流量の冷却液が流れ、各ＬＤモジュール近傍の冷却液流路に冷却液を直列に流した場合と同等の冷却液流量で同等以上の冷却性能を実現しようとすると、流路構造が複雑になると共に流路の形状精度に対する要求が厳しくなるために冷却板の製造コストがやや高くなるという点でさらに改善の余地がある。また、その他の冷却液流量を増やす方法は、冷却液供給装置を含めたコストが高くなるので望ましい解決方法とは言えない。

【0019】

コストを殆ど上げることなく、複数のＬＤモジュール間で、寿命や信頼性の差を低減する方法として、冷却液の流れの方向を切り換える方法が考えられるが、冷却液の流れの方向を切り換えるタイミング（時機）が適切でないと、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を軽減する効果が小さくなる。上記の冷却液の流れの方向を切り換える従来技術を、複数のＬＤモジュールを備えたレーザ装置に適用すると、ＬＤモジュールの駆動中にも冷却液の流れの方向の切換えが頻繁に行われたり、ＬＤモジュールの駆動条件が様々に変化するのに対応できず、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を軽減する効果が小さかったりするという問題がある。

【0020】

従って、複数のＬＤモジュールを備えたレーザ装置の分野においては、コストを殆ど上げることなく、ＬＤモジュールの駆動条件が様々に変化しても、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を効果的に軽減できるようにするという課題がある。より具体的には、複数のＬＤモジュールを備えたレーザ装置の分野においては、複数のＬＤモジュールを冷却する冷却液の流れの方向を適切なタイミングで切り換えることによって、ＬＤモジュールの駆動条件が様々に変化しても、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を効果的に軽減することができるレーザ装置を提供することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本開示の一実施形態に係るレーザ装置は、内部に形成された冷却液流路（例えば、後述の冷却液流路３）に冷却液供給装置（例えば、後述の冷却液供給装置７）から供給される冷却液を流すことによって冷却される冷却板（例えば、後述の冷却板２）の表面に、駆動電流が直列に供給される複数のＬＤモジュール（例えば、後述のＬＤモジュール１）が、前記冷却板と熱的に接続して配列されたＬＤモジュール／冷却板アセンブリ（例えば、後述のＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５）を備えたレーザ装置（例えば、後述のレーザ装置６、６Ａ〜６Ｆ）であって、前記複数のＬＤモジュールに前記駆動電流を供給するレーザ電源（例えば、後述のレーザ電源８）と、前記冷却液流路に接続する冷却液配管（例えば、後述の冷却液配管４）に設けられ、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換える切換弁（例えば、後述の切換弁９ａ〜９ｄ、２３ａ，２３ｂ、２７）と、前記複数のＬＤモジュールを構成するＬＤモジュールの発熱部における発熱によって、温度が変動する前記ＬＤモジュール／冷却板アセンブリの中のいずれか少なくとも一つの温度変動部位の温度の時系列データを参照して、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する時機判定装置（例えば、後述の時機判定装置１０）と、前記レーザ電源に対して駆動電流出力指令を出力すると共に、前記時機判定装置の判定結果を参照して、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換えるために、前記切換弁に対して弁切換指令を出力する制御回路（例えば、後述の制御回路１１）と、を備える。

【0022】

冷却液供給装置から供給される冷却液の温度を変えた場合だけでなく、冷却液供給装置から供給される冷却液の温度が一定であっても、ＬＤモジュールの温度は、熱平衡状態に達するまで時間が掛かるので、ＬＤモジュールの駆動中に変化して、ＬＤモジュールの寿命に影響を及ぼす。そのため、上記の構成により、ＬＤモジュールの温度変化と連動して温度が変化する温度変動部位の温度の時系列データを参照して、冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定することによって、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を効果的に軽減できるタイミングで冷却液の流れの方向を切り換えることが可能になり、ＬＤモジュール全体として長寿命化できる。

【0023】

レーザ装置の他の態様では、前記時機判定装置が、前記ＬＤモジュールが標準駆動条件で駆動された場合の寿命消費速度を基準として、前記ＬＤモジュールが標準駆動条件とは異なった駆動条件で駆動された場合の寿命消費速度の比率を表す寿命消費の加速係数において、前記ＬＤモジュールの光出力と前記温度変動部位の温度に依存する前記加速係数である第１加速係数のデータと、前記ＬＤモジュールの駆動電流と前記温度変動部位の温度に依存する加速係数である第２加速係数のデータとの少なくとも一方の加速係数のデータを記録した第１記録部（例えば、後述の第１記録部２０）と、前記温度変動部位の温度の時系列データに加えて、前記ＬＤモジュールの光出力の時系列データと前記ＬＤモジュールの駆動電流の時系列データの少なくとも一方の時系列データを参照して、前記第１記録部から読み出した加速係数を、前記ＬＤモジュールの駆動を開始した最初の時点から最新の時点までの時間積分を行うことによって実効的累積駆動時間を算出する算出回路（例えば、後述の算出回路２１）と、前記複数のＬＤモジュールのうちの少なくとも一つのＬＤモジュールについて算出した前記実効的累積駆動時間を記録する第２記録部（例えば、後述の第２記録部２２）と、を備え、前記時機判定装置が、前記第２記録部に記録された前記実効的累積駆動時間に基づいて、前記冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定するようにしてもよい。

【0024】

上記の構成により、レーザ装置の駆動条件が、定格光出力や定格駆動電流でオンオフだけを制御するのではなく、ＬＤモジュールの光出力や駆動電流を変えた条件で駆動する必要がある場合でも、光出力や駆動電流の大きさによる寿命消費速度の変化も考慮して算出したＬＤモジュールの実効的累積駆動時間に基づいて、時機判定装置が、冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定することによって、複数のＬＤモジュール間で、実効的累積駆動時間の差、言い換えれば、寿命消費時間の差を減少させることが可能になり、複数のＬＤモジュール間における寿命が終わる時期のばらつきが低減できる。

【0025】

レーザ装置の他の態様では、前記温度変動部位の少なくとも一つが前記複数のＬＤモジュールのうちの少なくとも一つのＬＤモジュールの発熱部であるＬＤのｐｎ接合部であり、前記温度の時系列データの少なくとも一つが前記ＬＤのｐｎ接合部の温度の時系列データであり、前記第１記録部に記録されている前記第１加速係数のデータと前記第２加速係数のデータとのうち、少なくとも一方の加速係数のデータは、それぞれ、前記ＬＤモジュールの標準光出力に対する光出力による加速係数である光出力加速係数のデータと前記ＬＤモジュールの発熱部の温度による加速係数である温度加速係数のデータ、前記ＬＤモジュールの標準駆動電流に対する駆動電流による加速係数である電流加速係数のデータと前記ＬＤモジュールの発熱部の温度による加速係数である前記温度加速係数のデータ、として記録されており、前記算出回路が、前記複数のＬＤモジュールのうちの少なくとも１つのＬＤモジュールについて、前記ＬＤモジュールの駆動を開始した最初の時点から最新の時点までの、前記光出力加速係数と前記温度加速係数との積、あるいは、前記電流加速係数と前記温度加速係数との積を時間積分することによって、前記実効的累積駆動時間を算出するものであってもよい。

【0026】

上記の構成により、ＬＤの寿命消費速度の温度依存性をＬＤのｐｎ接合部の温度依存性とすることで、光出力や駆動電流の変化に伴うＬＤのｐｎ接合部の温度変化の寿命消費速度への影響を取り込むことができ、光出力や駆動電流による加速係数と、温度による加速係数とを分けることが可能になる。加速係数を温度による加速係数と、光出力あるいは駆動電流による加速係数とに分けることによって、実験等によって取得して、第１記録部に記録することが必要な加速係数のデータの量が、加速係数のデータを光出力と温度とを変数とする二次元のデータテーブルや、駆動電流と温度とを変数とする二次元のデータテーブルとして記録する場合に比べて、大幅に低減でき、工数が削減できる。

【0027】

レーザ装置の他の態様では、前記第１記録部に記録されている、前記温度加速係数のデータと、前記光出力加速係数のデータと、前記電流加速係数のデータとのうち、少なくとも一つの加速係数のデータは、加速係数を直接表す数値データではなく、加速係数を算出するための数式の形式で記録されていてもよい。

【0028】

上記の構成により、加速係数のデータを、数値データでなく、式の形のデータとして記録することによって、より少ないデータで実効的累積駆動時間が計算できるようになり、データ収集に要する工数を更に低減できる。

【0029】

レーザ装置の他の態様では、前記光出力加速係数のデータと前記電流加速係数のデータとの少なくとも一方の加速係数データが、前記実効的累積駆動時間に依存するデータとして、前記第１記録部に記録されていてもよい。

【0030】

上記の構成により、光出力が標準光出力より大きい条件、即ち光出力加速係数＞１の条件、あるいは、駆動電流が標準駆動電流より大きい条件、即ち、電流加速係数＞１の条件では、寿命後期になると光出力加速係数や電流加速係数が次第に大きくなる傾向があった場合にも、より精度良く実効的駆動時間を算出することができるようになる。

【0031】

レーザ装置の他の態様では、前記実効的累積駆動時間に依存する前記光出力加速係数データあるいは前記電流加速係数データが、それぞれ、ＬＤモジュールの全寿命のうちの所定の一時期だけ、前記標準駆動条件に含まれる標準光出力とは異なる一定の光出力で駆動することによって、あるいは、ＬＤモジュールの全寿命のうちの所定の一時期だけ、前記標準駆動条件に含まれる標準駆動電流とは異なる一定の駆動電流で駆動することによって、前記実効的累積駆動時間に依存する前記光出力加速係数あるいは前記電流加速係数を導出する加速係数導出装置あるいは加速係数導出方法で求められた光出力加速係数データあるいは電流加速係数データであってもよい。

【0032】

上記の構成により、光出力加速係数あるいは電流加速係数の実効的累積駆動時間依存性を合理的かつ比較的容易に導出することができ、より精度良く実効的累積駆動時間を算出することができるようになる。

【0033】

レーザ装置の他の態様では、前記時機判定装置が、前記複数のＬＤモジュールのうちの第１ＬＤモジュール（例えば、後述の第１ＬＤモジュール２４）の前記実効的累積駆動時間である第１実効的累積駆動時間と、前記複数のＬＤモジュールのうちの前記第１ＬＤモジュールとは異なる第２ＬＤモジュール（例えば、後述の第２ＬＤモジュール２５）の前記実効的累積駆動時間である第２実効的累積駆動時間との時間差である第１時間差が第１設定時間を超えた時点を、前記冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定するようにしてもよい。

【0034】

上記の構成により、配列位置の異なるＬＤモジュール間の実効的累積駆動時間の差の拡大を直接的に防止でき、ＬＤモジュール間で寿命が終わる時機のばらつきをより確実に低減できる。

【0035】

レーザ装置の他の態様では、前記第１設定時間が、前記第１実効的累積駆動時間、前記第２実効的累積駆動時間および前記第１実効的累積駆動時間と前記第２実効的累積駆動時間との和のいずれかを第１変数とする第１関数であり、前記第１関数は、前記第１変数が正の範囲で、広義単調減少関数であると共に、最小値を正の第１定数とする関数であってもよい。

【0036】

上記の構成により、冷却液の流れの方向を頻繁に切り換える必要がない実効的累積駆動時間が少ないうちは、冷却液の流れの方向を頻繁に切り換えないことによって、切換弁の摩耗等を低減することができる。また、実効的累積駆動時間が長くなり、ＬＤモジュールが寿命末期になっても、正の第１定数時間よりも頻繁には冷却液の流れの方向を切り換えないように設定することもできる。

【0037】

レーザ装置の他の態様では、前記時機判定装置が、前記複数のＬＤモジュールのうち、前記冷却液の流れの方向が切替わっても、前記駆動電流が同じ場合、ＬＤモジュールの発熱部あるいは前記発熱部に熱的に接続したＬＤモジュールの所定位置の温度の変化が最も小さいＬＤモジュールを第３ＬＤモジュール（例えば、後述の第３ＬＤモジュール２６）として、前記第３ＬＤモジュールの最新の前記実効的累積駆動時間である第３実効的累積駆動時間と、最後に前記冷却液の流れの方向を切換えた時点における前記第３ＬＤモジュールの前記実効的累積駆動時間との時間差である第２時間差が第２設定時間を超える時点を、前記冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定するようにしてもよい。

【0038】

上記の構成により、実効的累積駆動時間を算出するＬＤモジュールが、第３ＬＤモジュールの１つだけになり、算出回路における計算負荷を低減できる。

【0039】

レーザ装置の他の態様では、前記第２設定時間が、前記第３実効的累積駆動時間を第２変数とする第２関数であり、前記第２関数は、前記第２変数が正の範囲で、広義単調減少関数であると共に、最小値を正の第２定数とする関数であってもよい。

【0040】

上記の構成により、冷却液の流れの方向を頻繁に切り換える必要がない実効的累積駆動時間が少ないうちは、冷却液の流れの方向を頻繁に切換えないことによって、切換弁の摩耗等を低減することができる。また、実効的累積駆動時間が長くなり、ＬＤモジュールが寿命末期になっても、正の第２定数時間よりも頻繁には冷却液の流れの方向を切り換えないように設定することもできる。

【0041】

レーザ装置の他の態様では、前記制御回路からの指令により、前記複数のＬＤモジュールを発光源又は励起光源とするレーザ発振器の光出力特性を所定の駆動条件で、所定のスケジュールに沿って測定し、前記光出力特性の測定結果の履歴を、前記第１記録部に記録されている前記実効的累積駆動時間に関連付けて記録する第３記録部（例えば、後述の第３記録部２９）を備え、前記第３記録部に記録されている前記実効的累積駆動時間に関連付けた前記光出力特性の測定結果を使用して、前記制御回路が、前記光出力特性から導出される所定の駆動電流で出力される光出力である実光出力又は所定の光出力を得るために必要な駆動電流である実駆動電流について、前記実光出力又は前記実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性と、ある光出力特性測定時点とその前の光出力特性測定時点との両時点間における前記実光出力又は実駆動電流の劣化幅又は劣化率と、前記劣化幅を前記両時点間の前記実効的累積駆動時間の差で除した劣化速度との、少なくともいずれか一つを出力可能であってもよい。

【0042】

上記の構成により、複数のＬＤモジュール全体（ＬＤモジュールユニット）としての劣化状況や残存寿命が把握でき、交換用ＬＤモジュールユニットの準備や保守作業を計画的に実施できるので、レーザ装置が使用できない期間を最小限に抑えることができる。

【0043】

レーザ装置の他の態様では、前記駆動電流が直列に供給される複数のＬＤモジュールからなるＬＤモジュールグループ（例えば、後述のＬＤモジュールグループ１００）が複数存在し、各ＬＤモジュールグループに対して、独立に前記駆動電流を供給可能なレーザ装置（例えば、後述のレーザ装置６Ｆ）であって、前記制御回路が、所定の光出力指令を出力するために、前記レーザ電源に対して前記各ＬＤモジュールグループに対する駆動電流出力指令を出力するにあたって、前記複数のＬＤモジュールグループのうち、相対的に前記実効的累積駆動時間の短いＬＤモジュールグループあるいは相対的に前記劣化速度が小さいＬＤモジュールグループに対して、優先的に前記駆動電流を割振るように、前記駆動電流出力指令を出力するようにしてもよい。

【0044】

上記の構成により、所定の光出力指令に対して、ＬＤモジュールグループ間で、相対的に実効的累積駆動時間の短いＬＤモジュールグループや相対的に特性劣化の小さいＬＤモジュールグループに優先的に駆動電流を割り振ることで、相対的に実効的累積駆動時間の長いＬＤモジュールグループや相対的に特性劣化の大きいＬＤモジュールグループの寿命消費を抑えることできる。これにより、各ＬＤモジュールグループの交換時期を揃えることができるので、レーザ装置のメンテナンス回数やメンテナンスコストを低減できる。

【0045】

レーザ装置の他の態様では、前記制御回路が、ネットワーク（例えば、後述のネットワーク２００）を経由して、前記実効的累積駆動時間と、前記実光出力あるいは前記実駆動電流の前記実効的累積駆動時間依存性と、前記劣化速度との少なくともいずれか一つをクラウドサーバー（例えば、後述のクラウドサーバー２０１）あるいはフォグサーバー（例えば、後述のフォグサーバー２０２）に出力するようにしてもよい。

【0046】

上記の構成により、駆動電流の供給を独立に制御可能なＬＤモジュールグループ毎に、駆動状況や劣化状況、残存寿命が、クラウドサーバーあるいはフォグサーバーによって一括して管理できるため、計画的な保守が可能になり、ＬＤモジュールの交換保守作業のためにレーザ装置が稼働できない時間を極力低減することができる。

【0047】

レーザ装置の他の態様では、前記切換弁が、前記冷却液供給装置から供給される冷却液を前記冷却液流路に流入させるための３本の冷却液配管（例えば、後述の冷却液配管４２ａ，４２ｂ，４２ｆ）が接続された流入側の１個の三方弁（例えば、後述の切換弁２３ａ）と、前記冷却液流路から流出した冷却液を流出させるための３本の冷却液配管（例えば、後述の冷却液配管４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ）が接続された流出側の１個の三方弁（例えば、後述の切換弁２３ｂ）との２個で１組の三方弁で構成されていてもよい。

【0048】

上記の構成により、開閉機能だけの二方弁を使用した場合より、配管部品点数を減らしながら、切換弁を経由した熱伝導に起因する流入側冷却液と流出側冷却液との熱交換による流入側冷却液の温度上昇を抑制することができる。

【0049】

レーザ装置の他の態様では、前記切換弁が、４本の冷却液配管が接続された１つの四方弁（例えば、後述の切換弁２７）であり、前記四方弁の少なくとも主要部分は弗化樹脂製であり、前記四方弁により、前記冷却液流路を流れる前記冷却液の流れの方向を切り換えるようにしてもよい。

【0050】

上記の構成により、配管部品点数が低減でき、小型化、低コスト化、高信頼化に有利になる。また、流入側冷却液と流出側冷却液が同じ四方弁内を流れることになるが、四方弁の主要部分の材質を熱伝導率が低く機械的強度の高いポリクロロトリフルオロエチレン等の弗化樹脂製とすることで、流入側冷却液と流出側冷却液との熱交換による流入側冷却液の温度上昇を抑制することができる。

【発明の効果】

【0051】

一態様のレーザ装置によれば、複数のＬＤモジュールを冷却する冷却液の流れの方向を適切なタイミングで切り換えることによって、ＬＤモジュールの駆動条件が様々に変化しても、ＬＤモジュール間の寿命負荷の差を効果的に軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1】複数のＬＤモジュールと複数のＬＤモジュールを冷却する従来の冷却構造を模式的に示した平面図である。

【図2】複数のＬＤモジュールと複数のＬＤモジュールを冷却する従来の他の冷却構造を模式的に示した平面図である。

【図3】複数のＬＤモジュールと複数のＬＤモジュールを冷却する従来の更に他の冷却構造を模式的に示した平面図である。

【図4】第１実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分については、模式的な構造を示した平面図で表している。

【図5】ＬＤモジュールに供給する駆動電流の時間変化と、駆動電流の時間変化に伴う２つのＬＤモジュールの所定位置に設置された温度センサによって測定された温度の時系列データの一例を示すグラフである。

【図6】ＬＤモジュールの所定位置に設置した温度センサによって測定された温度とＬＤモジュールに対するタイマカウント速度の関係の一例を示すグラフである。

【図7】図５に示した温度の時系列データに対して、図６に示したＬＤモジュールの所定位置に設置した温度センサによって測定された温度とＬＤモジュールに対するタイマカウント速度の関係から求めた、ＬＤモジュールの寿命消費時間を計測するタイマのタイマカウント速度の時間変化を示すグラフである。

【図8】第１実施形態に係るレーザ装置における、冷却液の流れの方向を切り換える動作の流れを示したフローチャートである。

【図9】第２実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分については、模式的な構造を示した平面図で表している。

【図10】２つのＬＤモジュールの実効的累積駆動時間の差が第１設定時間を超えると冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定する判定基準において、第１設定時間の実効的累積駆動時間依存性の設定例を示すグラフである。

【図11】第２実施形態に係るレーザ装置における、冷却液の流れの方向を切り換える動作の流れを示したフローチャートである。

【図12】第３実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分については、模式的な構造を示した平面図で表している。

【図13】第４実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分については、模式的な構造を示した平面図で表している。

【図14】電流加速係数の実効的累積駆動時間依存性を実験的に求める方法を示した図である。

【図15】第５実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分については、模式的な構造を示した平面図で表している。

【図16】所定の光出力を得るために必要な駆動電流の実効的累積駆動時間依存性を示すグラフと、所定の光出力を得るために必要な駆動電流における劣化幅、劣化率、劣化速度を例示している図である。

【図17】第６実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分については、模式的な構造を示した平面図で表している。

【図18】第７実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0053】

以下、本開示の複数のＬＤモジュールを冷却する冷却構造を備えたレーザ装置の実施形態を、図面を参照して説明する。各図面において、同じ部材には同じ参照符号を付している。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。なお、これらの図面は見易くするために、縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

【0054】

＜第１実施形態＞
図４は、第１実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図であり、ＬＤモジュールの冷却に関連する部分であるＬＤモジュール／冷却板アセンブリについては、模式的な構造を示した平面図で表している。
レーザ装置６Ａは、ＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５の冷却板２の表面に、複数のレーザダイオードモジュール（ＬＤモジュール）１を備えている。複数のＬＤモジュール１は、冷却板２と熱的に接続して配列されている。駆動電流は、複数のＬＤモジュール１に直列に供給される。

【0055】

冷却板２の内部には、図４において破線で示している冷却液流路３が形成されている。冷却液流路３には、冷却液供給装置７から冷却液が供給される。冷却液は、冷却液供給装置７から冷却液配管４を経由して冷却板２に形成されている冷却液流路３に流入する。冷却液流路３から流出した冷却液も冷却液配管４を経由して、冷却液供給装置７に戻るようになっている。冷却液供給装置７には、本実施形態では、一般にチラーと呼ばれている循環式冷却液供給装置を使用している。複数のＬＤモジュール１は、冷却液流路３に沿って配列されており、冷却液流路３に冷却液が流れることによって冷却される。

【0056】

レーザ装置６Ａは、複数のＬＤモジュール１に駆動電流を供給するレーザ電源８と、冷却液流路３に接続する冷却液配管４に設けられ、冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向を切り換えるための二方弁からなる４つの切換弁９ａ〜９ｄと、切換弁９ａ〜９ｄによって冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する時機判定装置１０と、レーザ電源８に駆動電流出力指令を出力すると共に、時機判定装置１０の判定結果を参照して、切換弁９ａ〜９ｄに弁切換指令を出力する制御回路１１と、を備えている。

【0057】

本実施形態において、冷却液供給装置７と冷却板２とに亘って設けられる冷却液配管４は、第１冷却液配管４１ａと、第２冷却液配管４１ｂと、第３冷却液配管４１ｃと、第４冷却液配管４１ｄと、から構成される。第１冷却液配管４１ａは、冷却液供給装置７の冷却液の流出口７ａと冷却板２に形成された冷却液流路３の第１接続部３ａとの間を接続している。切換弁９ａは、第１冷却液配管４１ａの途中に設けられている。第２冷却液配管４１ｂは、冷却液供給装置７の冷却液の流入口７ｂと冷却板２に形成された冷却液流路３の第２接続部３ｂとの間を接続している。切換弁９ｂは、第２冷却液配管４１ｂの途中に設けられている。

【0058】

第３冷却液配管４１ｃ及び第４冷却液配管４１ｄは、第１冷却液配管４１ａと第２冷却液配管４１ｂとの間を、冷却液が流通可能となるように接続している。詳しくは、第３冷却液配管４１ｃの一端は、第１冷却液配管４１ａにおける切換弁９ａと冷却液流路３の第１接続部３ａとの間に接続されている。第３冷却液配管４１ｃの他端は、第２冷却液配管４１ｂにおける切換弁９ｂと冷却液供給装置７の流入口７ｂとの間に接続されている。切換弁９ｃは、第３冷却液配管４１ｃの途中に設けられている。また、第４冷却液配管４１ｄの一端は、第１冷却液配管４１ａにおける切換弁９ａと冷却液供給装置７の流出口７ａとの間に接続されている。第４冷却液配管４１ｄの他端は、第２冷却液配管４１ｂにおける切換弁９ｂと冷却液流路３の第２接続部３ｂとの間に接続されている。切換弁９ｄは、第４冷却液配管４１ｄの途中に設けられている。

【0059】

切換弁９ａ〜９ｄは二方弁からなるため、図４に示すように、切換弁９ａ，９ｂが開の状態であり、切換弁９ｃ，９ｄが閉の状態である場合は、冷却液供給装置７の流出口７ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４１ａ、冷却液流路３の第１接続部３ａ、冷却液流路３、冷却液流路３の第２接続部３ｂ、第２冷却液配管４１ｂの順に流れて冷却液供給装置７の流入口７ｂに流入する。また、切換弁９ａ，９ｂを閉の状態に切り換え、切換弁９ｃ，９ｄを開の状態に切り換えると、冷却液供給装置７の流出口７ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４１ａの途中から第４冷却液配管４１ｄに流入し、第２冷却液配管４１ｂを通って冷却液流路３の第２接続部３ｂに流入する。冷却液流路３を流れて第１接続部３ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４１ａの途中から第３冷却液配管４ｃに流入し、第２冷却液配管４１ｂを通って冷却液供給装置７の流入口７ｂに流入する。従って、切換弁９ａ，９ｂと切換弁９ｃ，９ｂとの開閉を切り換え制御することにより、冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向を逆方向に切り換えることができる。

【0060】

なお、本実施形態の冷却液流路３は、冷却板２を横断する複数本の平行な直線状流路３０１によって構成されている。隣接する直線状流路３０１，３０１同士は、冷却板２の外側で複数のＵ字管４０によって、冷却液が流通可能となるように接続されている。これにより、冷却液流路３は、第１接続部３ａと第２接続部３ｂとに亘って複数のＬＤモジュール１の直下を直列に流れる１本の流路を構成している。

【0061】

制御回路１１は、レーザ装置６Ａの各種制御に係る演算処理を実行するＣＰＵ等の演算回路、レーザ装置６Ａの各種制御に必要なプログラムやデータ等を記録しているメモリ回路、レーザ電源８を駆動する駆動回路、時機判定装置１０や切換弁９ａ〜９ｄ等のレーザ装置６Ａの各部と通信するための通信回路等（いずれも図示せず）から構成されている。

【0062】

なお、図４において、各機能ブロック等間を接続している太い実線の矢印は、通信における信号の出力方向や駆動電流の供給方向等を示している。しかし、図が煩雑になることを避けるために、レーザ電源８から複数のＬＤモジュール１への駆動電流の供給を表す矢印は、レーザ電源８から一番端の一つのＬＤモジュール１までの矢印だけを示し、ＬＤモジュール１間の配線を示す線等は省略している。また、本実施形態では、切換弁９ａ〜９ｄが二方弁であり、４つの切換弁９ａ〜９ｄを備えているが、制御回路１１から切換弁９ａ〜９ｄへの矢印についても、制御回路１１から一つの切換弁９ｂへの矢印だけを示し、他の切換弁９ａ，９ｃ，９ｄへの矢印は省略している。

【0063】

また、複数のＬＤモジュール１から出射されたレーザ光は、光結合器等で結合されてそのまま光源として加工ヘッドからワークに向かって照射されたり、ファイバレーザの励起光源として使用され、ファイバレーザからデリバリファイバを経由して加工ヘッドからワークに照射されたりして、レーザ加工が行われる。しかし、図４では、これらのＬＤモジュール１以降のレーザ光学部品は、各ＬＤモジュール１からレーザ光を取り出すための各ＬＤモジュール１の光ファイバも含めて図示を省略している。

【0064】

時機判定装置１０も、切換弁９ａ〜９ｄによって冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定するために必要な演算処理を実行する演算回路と、演算処理を実行するために必要なプログラムやデータ等を記録しているメモリ回路とを備えるが、いずれの図示も省略している。本実施形態においては、時機判定装置１０は、内部に第１タイマ１２と第２タイマ１３との２つのタイマを備え、それぞれのタイマの進み方を制御する第１タイマ制御回路１４と第２タイマ制御回路１５とを更に備えている。また、時機判定装置１０は、第１タイマ１２及び第２タイマ１３からの時間の計測結果を受け取り、切換弁９ａ〜９ｄによって冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する演算回路として、時機判定回路１６を備えている。

【0065】

ここで、本実施形態では、冷却液流路３に第１接続部３ａから第２接続部３ｂに向けて冷却液を流した場合に、冷却板２上の複数のＬＤモジュール１のうちで最も上流側に配置されるＬＤモジュール１７と最も下流側に配置されるＬＤモジュール１８の２つのＬＤモジュール１に、２つの温度センサ１９ａ，１９ｂが設置されている。これらの温度センサ１９ａ，１９ｂは、ＬＤモジュール１の発熱部の発熱に追随して温度が上昇する温度変動部位として、各ＬＤモジュール１７、１８のパッケージにおいて、基板上にＬＤチップがマウントされたＣＯＳ（chip on substrate）が配置されている場所に近いベースプレート部分の温度を測定する。

【0066】

時機判定装置１０は、温度センサ１９ａ，１９ｂから出力される温度の時系列データに基づいて、ＬＤモジュール１７とＬＤモジュール１８との間の寿命消費の差が減少するように、切換弁９ａ〜９ｄによって冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する。

【0067】

本実施形態では、最も簡単な実施形態として、複数のＬＤモジュール１全体からの光出力が定格光出力として、あるいは、各ＬＤモジュール１に供給される駆動電流が定格駆動電流として決められており、レーザ電源８に対しては、制御回路１１によって、駆動電流のオンオフだけの制御が行わるものとしている。このように簡単な制御であっても、一定の定格駆動電流が供給された後のＬＤモジュール１の温度は、冷却板２等の熱容量のために、直ぐに一定の温度に達して平衡状態になる訳ではないので、簡単に実際の駆動時間を積算するだけで寿命消費の量を正確に見積ることができない。

【0068】

図５は、各ＬＤモジュール１に供給される駆動電流のオンオフと、その駆動電流に対して、ＬＤモジュール１７に設置された温度センサ１９ａによって測定される温度Ｔ_Ａと、ＬＤモジュール１８に設置された温度センサ１９ｂによって測定される温度Ｔ_Ｂとの時系列データの例を示している。図５の時系列データは、各ＬＤモジュール１に定格駆動電流を３０秒間供給してレーザ加工を行い、その３０後に、定格駆動電流を６０秒間供給して次のレーザ加工を行い、その３０秒後に、定格駆動電流を１２０秒間供給して更に次のレーザ加工を行った場合の例を示している。時系列データが図５のような過渡的な温度変化を示す主な理由は、冷却板２やＬＤモジュール１がかなり熱容量を有しているためである。図５のグラフは、非定常熱流体シミュレーションによって得ることも可能である。

【0069】

また、温度Ｔ_Ｂが温度Ｔ_Ａよりも高いのは、図５に示した温度の時系列データを取得した時には、ＬＤモジュール１８がＬＤモジュール１７より下流側の冷却液流路３近傍に配置されて、冷却液の温度が上昇するためである。各ＬＤモジュール１の寿命消費は各ＬＤモジュール１に含まれているＬＤの発熱部であるＬＤのｐｎ接合部の温度に左右される。しかし、冷却板２やＬＤモジュール１のパッケージに比べて、ＬＤチップの熱容量は、ＬＤチップがマウントされている基板を含めて小さいため、ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されている時は、ＬＤのｐｎ接合部の温度は、温度センサ１９ａ，１９ｂを設置しているＬＤモジュール１７，１８の温度変動部位の温度に追随して変化する。駆動電流が一定の場合、ＬＤのｐｎ接合部の温度と温度センサ１９ａ，１９ｂによって測定される温度との差は、略一定なので、温度センサ１９ａ，１９ｂで測定される温度で、寿命消費の速さを評価することが可能である。

【0070】

例えば、駆動電流が長時間オンに保たれ、上流側のＬＤモジュール１７の温度センサ１９ａを設置した場所の温度が平衡に達した時の平衡温度をＴ_ＥＱ（＝４５．７℃）として、温度センサ１９ａによって測定された温度がＴ_ＥＱより１０Ｋ高いと寿命消費の速さが２倍になるという実験結果があると、ＬＤ等の半導体デバイスの寿命消費の速さは、絶対温度の逆数に指数関数的に速まることが知られている。そのため、温度センサ１９ａによって測定された温度と寿命消費の速さ、すなわち、第１タイマ制御回路１４や第２タイマ制御回路１５がそれぞれ第１タイマ１２や第２タイマ１３の進む速さを制御する時のタイマカウント速度は、図６に示した関係があることが分かる。

【0071】

従って、図５に示したような温度の時系列データが、第１タイマ制御回路１４と第２タイマ制御回路１５に入力されると、第１タイマ制御回路１４と第２タイマ制御回路１５とは、それぞれ第１タイマ１２と第２タイマ１３とに対して、図６に示した関係を利用して、図７に示したようなタイマカウント速度でタイマを進めるように制御信号を出力する。なお、ＬＤモジュール１の温度が上昇していても、駆動電流が供給されていない時のＬＤモジュール１の劣化はほぼ無視できるので、ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されていない時のタイマカウント速度は０であり、タイマのカウントは停止させている。ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されているか否かは、制御回路１１から出力される信号で判断することができる。

【0072】

上記のように、第１タイマ１２と第２タイマ１３の進み方、すなわち、第１タイマ１２に対応するタイマカウント速度１と第２タイマ１３に対応するタイマカウント速度２とを制御すると、図７に示した例では、最初のレーザ加工が行われた３０秒間、次の６０秒間、そして最後の１２０秒間で、計２１０秒の間レーザ加工を行っているのに対して、第１タイマ１２は、それぞれ、１９．２秒、４７．６秒、１０６．３秒進み、計１７３．１秒進む。一方、第２タイマ１３は、同様に、それぞれ、２２．１秒、６０．９秒、１４３．７秒進み、計２２６．７秒進む。なお、第１タイマ１２と第２タイマ１３によるタイマカウント速度の進む秒数は、図７のタイマカウント速度と時間との関係を示すグラフにおけるタイマカウント速度１とタイマカウント速度２とをそれぞれ時間積分することによって得られる。

【0073】

このように、図７に一点鎖線で示したように、定格駆動電流がＬＤモジュール１に供給されている時は、常にタイマカウント速度＝１とすることによって求まる実際のＬＤモジュール１の駆動時間に対して、寿命消費時間をカウントするタイマでカウントした時間はかなり異なっており、特にレーザ加工時間が短い時に比率の差が大きくなる。図５や図７から明らかなように、駆動電流のオン時間やオフ時間が充分長い場合には、図に示したような過渡的温度変化を無視することも可能である。しかし、実際のレーザ加工においては、数秒から数十秒の時間間隔で駆動電流のオンオフが繰り返されることが多いため、このような過渡的温度変化を無視すると、ＬＤを含む半導体デバイスは温度が上昇する程、寿命が短くなる、あるいは平均故障率が増加するという現象を十分考慮せずに、冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定することになる。そのため、目標としているＬＤモジュール１間の寿命負荷の差を効果的に低減できるタイミングで冷却液の流れの方向を切り換えることが難しくなる。

【0074】

なお、寿命が短くなるという表現と、平均故障率が増加するという表現は、物理的には同じ意味ではないが、説明を簡素化するために、これ以降は、寿命が例えば１／２に短くなるという表現は、平均故障率が２倍に増加するという意味も含めて、使用している。

【0075】

第１タイマ１２と第２タイマ１３とでカウントされた時間をそれぞれタイム１とタイム２とすると、時機判定回路１６は、タイム１とタイム２とから冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する。例えば、時機判定回路１６は、タイム１とタイム２の差が所定時間を越えると冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定し、その判定結果を制御回路１１に出力する。

【0076】

制御回路１１は、判定結果を受けて、ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されていない時、あるいは、レーザ装置６Ａが直ぐにレーザ発振を行えないような状態である時に、切換弁９ａ〜９ｄに対して冷却液の流れの方向を切り換える指令を出力する。これにより、切換弁９ａ〜９ｄは、冷却液の流れの方向を切り換える。冷却液の流れの方向を切り換える時機をこのように判定し、冷却液の流れの方向を切り換えることによって、冷却液の流れの方向を切換えない場合に最も寿命消費時間が異なってくるＬＤモジュール１７とＬＤモジュール１８との寿命消費の差が所定時間以上に拡大しないようにすることができる。

【0077】

図８は、レーザ装置６Ａにおける、冷却液の流れの方向を切り換える動作の流れを示したフローチャートである。レーザ装置６Ａの電源が入ると、時機判定回路１６は、制御回路１１からレーザ装置６Ａの状態を確認し（ステップＳ１０１）、レーザ装置６Ａがレーザ発振の可能な起動状態にあるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。レーザ装置６Ａがレーザ発振の可能な起動状態であると判断された場合には、時機判定回路１６は、例えば、１０ｍｓ間隔で、ＬＤモジュール１の駆動状態を確認し（ステップＳ１０３）、ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

【0078】

ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されていると判定されると、時機判定回路１６は、第１タイマ制御回路１４と第２タイマ制御回路１５とにそれぞれ接続されている温度センサ１９ａ，１９ｂの出力を読み取るように指令する（ステップＳ１０５）。第１タイマ制御回路１４及び第２タイマ制御回路１５は、読み取った温度センサ１９ａ，１９ｂの出力、すなわち温度から、図６に示したような、温度センサ１９ａ，１９ｂによって測定された温度とタイマカウント速度との関係を示すデータを利用して、タイマカウント速度を算出する（ステップＳ１０６）。次いで、第１タイマ制御回路１４及び第２タイマ制御回路１５は、１０ｍｓにタイマカウント速度を掛けたタイムを、それぞれ第１タイマ１２と第２タイマ１３に加算するように指令する。これにより、タイム１とタイム２が更新される（ステップＳ１０７）。

【0079】

続いて、時機判定回路１６は、更新されたタイム１とタイム２の差が所定時間より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０８）。更新されたタイム１とタイム２の差が所定時間より大きいと判定された場合は、時機判定回路１６は、制御回路１１に、冷却液の流れの方向を切り換える時機が来たという判定結果を出力する（ステップＳ１０９）。

【0080】

その判定結果を受けて、制御回路１１は、ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されて、ＬＤモジュール１が駆動中であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ＬＤモジュール１が駆動中でないと判定された場合は、切換弁９ａ〜９ｄに対して、冷却液の流れの方向を切り換えるための駆動指令を出力する（ステップＳ１１１）。これにより、冷却板２の冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向が切り換えられる（ステップＳ１１２）。

【0081】

本実施形態では、図４において、例えば、切換弁９ａ，９ｂを開の状態から閉の状態に切り換え、同時に、切換弁９ｃ，９ｄを閉の状態から開の状態に切り換えることによって、冷却板２の冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向を逆方向に切り換えることができる。

【0082】

その後、ステップＳ１１３で、ＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５の交換等のために、時機判定装置１０に対して、動作停止指令が出ていないと判定された場合は、ステップＳ１０１に戻って、レーザ装置６Ａの状態を確認する。ステップＳ１１３で、時機判定装置１０に対して、動作停止指令が出ていると判定された場合は、時機判定装置１０は動作を終了する。また、ステップＳ１０２で、レーザ装置６Ａがレーザ発振の可能な起動状態でないと判断された場合にも、ステップＳ１０１に戻って、レーザ装置６Ａの状態を繰り返し確認する。また、ステップＳ１０４で、ＬＤモジュール１に駆動電流が供給されていないと判定された場合や、ステップＳ１０８で、更新されたタイム１とタイム２の差が所定時間より大きくないと判定された場合や、ステップＳ１１０で、ＬＤモジュール１が駆動中と判定された場合は、ステップＳ１０３に戻って、時機判定回路１６は、引き続き、１０ｍｓ間隔で、ＬＤモジュール１の駆動状態を確認する。

【0083】

本実施形態では、このように、上記のステップＳ１０１からステップＳ１１３の動作を繰り返すことによって、ＬＤモジュール１間の寿命消費時間の差を低減するのに適したタイミングで冷却液の流れの方向を切り換えることができる。そのため、複数のＬＤモジュール１のうちの一部のＬＤモジュール１の寿命の終了が他のＬＤモジュール１より早く来てしまい、ＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５の交換時期が早まる、という問題が解決できる。

【0084】

上記のように、本実施形態のレーザ装置６Ａによれば、定格光出力条件、あるいは、定格駆動電流条件で駆動される場合、ＬＤモジュール１の温度が、過渡的な変化も含めて変化しても、任意のＬＤモジュール１間の寿命消費時間の差を所定時間あるいは所定時間を僅かに超えた時間以内に抑えることができる。上記の所定時間の詳細な決定方法は後述する。

【0085】

なお、本実施形態では、ＬＤモジュール１７とＬＤモジュール１８との両方のＬＤモジュール１のパッケージのベースプレート部分に温度センサ１９ａ，１９ｂを設置しているが、これに限定されない。ＬＤのｐｎ接合部の温度と温度センサ１９ａ，１９ｂによって測定される温度の差を精度良く一定にするには、ＬＤモジュール１の発熱部の熱（発熱部から冷却板２に流れる熱）が最も多く流れる熱経路の近傍の温度が測定できるような位置であることが望ましい。しかし、温度センサ１９ａ，１９ｂの設置位置は、原則として、温度センサ１９ａ，１９ｂを設置した位置の温度からＬＤモジュール１の発熱部の温度が推定できる位置であればよい。従って、温度センサ１９ａ，１９ｂの設置位置は、例えば、冷却板２の一方向から冷却液を流した時に、上流に近い冷却板２上の位置と下流に近い冷却板２上の位置に設けてもよい。

【0086】

また、冷却液の流量が分かると、ＬＤモジュール１の発熱による冷却液の温度上昇は計算で見積ることができるので、ＬＤモジュール１７，１８のうちの一方や冷却板２の一箇所にだけ温度センサを設けた構成としてもよい。また、冷却液供給装置７の設定条件等から冷却液の流量と温度が分かり、冷却板２やＬＤモジュール１の熱容量が分かっていると、レーザ装置６Ａに温度センサが設置されていなくても、図５のようなＬＤモジュール１の温度変化も計算で見積ることができるので、レーザ装置６Ａ側に温度センサを設置することは上記の機能を果たす上で必要不可欠な条件ではない。

【0087】

更に、冷却板２に流入する冷却液の温度や流量が一定で、駆動電流のオン時間やオフ時間が充分長く、ＬＤモジュール１の温度の過渡的な変化が無視できる場合には、温度センサは不要で、タイマとタイマ制御回路も１つずつでもよい。タイマ制御回路はＬＤモジュールに定格電流が供給されている時にだけタイマが進むように制御するだけでよく、時機判定回路１６は、タイマで計測された時間が所定時間経過するごとに、冷却液の流れの方向を切り換える時機になったか否かを判定するだけでよい。

【0088】

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。第１実施形態の図４と同様に、ＬＤモジュール１の冷却に関連する部分であるＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５については、模式的な構造を示した平面図で表している。図４と同様に、冷却板２内の冷却液流路３は破線で表している。また、各機能ブロック等間を接続している太い実線の矢印は、通信における信号の出力方向や駆動電流の供給方向等を示しているが、図が煩雑になることを避けるために、レーザ電源８から複数のＬＤモジュール１への駆動電流の供給を表す矢印は、レーザ電源８から一番端のＬＤモジュール１までの矢印だけを示し、ＬＤモジュール１間の配線を示す線等の図示を省略している。また、ＬＤモジュール１以降のレーザ光学部品は、各ＬＤモジュール１からレーザ光を取り出すための各ＬＤモジュール１の光ファイバも含めて図示を省略している。

【0089】

図９に示した第２実施形態のレーザ装置６Ｂが第１実施形態の図４と異なる第１の点は、時機判定装置１０が、図４の第１タイマ制御回路１４、第２タイマ制御回路１５、第１タイマ１２、第２タイマ１３の代りに、第１記録部２０、第２記録部２２、算出回路２１を備えている点である。

【0090】

第１記録部２０は、ＬＤモジュール１の光出力（Ｐ_ｏ）と温度変動部位の温度（Ｔ_ｖ）とに対する依存性を示す第１加速係数（ｋ_１(Ｐ_ｏ, Ｔ_ｖ)）と、ＬＤモジュール１に供給される駆動電流（Ｉ_ｄ）と温度変動部位の温度（Ｔ_ｖ）とに対する依存性を示す第２加速係数（ｋ_２(Ｉ_ｄ, Ｔ_ｖ)）と、のうちの少なくとも一方の加速係数のデータを記録している。第１加速係数（ｋ_１(Ｐ_ｏ, Ｔ_ｖ)）及び第２加速係数（ｋ_２(Ｉ_ｄ, Ｔ_ｖ)）は、ＬＤモジュール１が標準駆動条件で駆動された場合の寿命消費速度を基準として、ＬＤモジュール１が標準駆動条件とは異なった駆動条件で駆動された場合の寿命消費速度の比率（倍率）を表す寿命消費の加速係数である。

【0091】

算出回路２１は、後述のように、温度変動部位の温度の時系列データに加えて、ＬＤモジュール１の光出力の時系列データとＬＤモジュール１の駆動電流の時系列データとの少なくとも一方の時系列データを参照して、第１記録部２０から読み出した加速係数に対して、ＬＤモジュール１の駆動を開始した最初の時点から最新の時点までの時間積分を行うことによって、実効的累積駆動時間を算出する。

【0092】

第２記録部２２は、複数のＬＤモジュール１のうちの少なくとも一つのＬＤモジュール１について算出回路２１が算出した実効的累積駆動時間を記録する。なお、本実施形態においても、温度変動部位は、第１実施形態と同様に、各ＬＤモジュール１のパッケージにおいて、基板上にＬＤチップがマウントされたＣＯＳが配置されている場所に近いベースプレート部分とし、その位置に温度センサ１９ａ，１９ｂを設置している。

【0093】

本実施形態において、温度センサ１９ａ，１９ｂは、複数のＬＤモジュール１のうちで、冷却液流路３に第１接続部３ａから第２接続部３ｂに向けて冷却液を流した場合に、最も上流側の冷却液流路３に近い位置に配置されたＬＤモジュール（以下、第１ＬＤモジュール２４という。）と、最も下流側の冷却液流路３に近い位置に配置されたＬＤモジュール（以下、第２ＬＤモジュール２５という。）とに設置している。温度センサ１９ａ，１９ｂが設置される２つのＬＤモジュール１は異なるＬＤモジュールであればよく、必ずしも図９に示した第１ＬＤモジュール２４及び第２ＬＤモジュール２５である必要はない。しかし、冷却液流路３に沿った距離が近いと、後述のように適切な時機判定を行う上での判定精度が低下するので、冷却液流路３に沿った第１ＬＤモジュール２４と第２ＬＤモジュール２５との間の距離は、比較的離れていることが望ましい。

【0094】

第１実施形態の図４と異なる第２の点は、第１実施形態では二方弁からなる４個の切換弁９ａ〜９ｄを使用していたのに対して、本実施形態では、流入側の切換弁２３ａと流出側の切換弁２３ｂとの２個で１組の三方弁を使用している点である。詳しくは、冷却液供給装置７と冷却板２とに亘って設けられる冷却液配管４は、図９に示すように、第１冷却液配管４２ａと、第２冷却液配管４２ｂと、第３冷却液配管４２ｃと、第４冷却液配管４２ｄと、第５冷却液配管４２ｅと、第６冷却液配管４２ｆと、から構成される。第１冷却液配管４２ａは、冷却液供給装置７の冷却液の流出口７ａと切換弁２３ａとの間を接続している。第２冷却液配管４２ｂは、切換弁２３ａと冷却板２に形成された冷却液流路３の第１接続部３ａとの間を接続している。第３冷却液配管４２ｃは、冷却板２に形成された冷却液流路３の第２接続部３ｂと切換弁２３ｂとの間を接続している。第４冷却液配管４２ｄは、切換弁２３ｂと冷却液供給装置７の冷却液の流入口７ｂとの間を接続している。第５冷却液配管４２ｅは、第２冷却液配管４２ｂの途中と切換弁２３ｂとの間を接続している。第６冷却液配管４２ｆは、第３冷却液配管４２ｃの途中と切換弁２３ａとの間を接続している。

【0095】

各切換弁２３ａ，２３ｂは三方弁からなるため、切換弁２３ａ，２３ｂが図９に示す状態である場合は、冷却液供給装置７の流出口７ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４２ａ、切換弁２３ａ、第２冷却液配管４２ｂ、冷却液流路３の第１接続部３ａ、冷却液流路３、冷却液流路３の第２接続部３ｂ、第３冷却液配管４２ｃ、切換弁２３ｂ、第４冷却液配管４２ｄの順に流れて冷却液供給装置７の流入口７ｂに流入する。また、切換弁２３ａの中子を反時計方向に９０°回転させ、切換弁２３ｂの中子を時計方向に９０°回転させると、冷却液供給装置７の流出口７ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４２ａ、切換弁２３ａ、第６冷却液配管４２ｆを通って、第３冷却液配管４２ｃの途中に流入し、第３冷却液配管４２ｃを通って冷却液流路３の第２接続部３ｂに流入する。冷却液流路３を流れて冷却液流路３の第１接続部３ａから流出した冷却液は、第２冷却液配管４２ｂを通って、第２冷却液配管４２ｂの途中から第５冷却液配管４２ｅに流入し、切換弁２３ｂ、第４冷却液配管４２ｄを通って冷却液供給装置７の流入口７ｂに流入する。従って、各切換弁２３ａ，２３ｂの流路を切り換え制御することにより、冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向を逆方向に切り換えることができる。

【0096】

本実施形態では、第１実施形態のように、開閉機能だけの二方弁（切換弁９ａ〜９ｄ）を使用した場合より、配管部品点数を減らしながら、切換弁２３ａ，２３ｂを経由した熱伝導に起因する流入側冷却液と流出側冷却液との熱交換による流入側冷却液の温度上昇を抑制することができる。

【0097】

本実施形態のレーザ装置６Ｂにおける時機判定装置１０の算出回路２１には、前述のように、第１ＬＤモジュール２４に設置された温度センサ１９ａによって計測された温度変動部位の温度（Ｔ_ｖ１(t)）と、第２ＬＤモジュール２５に設置された温度センサ１９ｂによって計測された温度変動部位の温度（Ｔ_ｖ２(t)）と、制御回路１１が指令したＬＤモジュール１の光出力（Ｐ_ｏ(t)）あるいは駆動電流（Ｉ_ｄ(t)）と、が変数として入力される。算出回路２１は、第１記録部２０から各変数に対応した第１加速係数（ｋ_１）あるいは第２加速係数（ｋ_２）を読み出して、時間積分を行うことによって、次の式のように、第１ＬＤモジュール２４と第２ＬＤモジュール２５との実効的累積駆動時間を算出して、第２記録部２２に最新の実効的累積駆動時間を記録する。

【0098】

【数1】

【0099】

ここで、ｔ_ｓは、ＬＤモジュール１の駆動を開始した最初の時点である。ｔ_ｓは、例えば、出荷試験終了時点や出荷後最初にＬＤモジュール１を駆動した時点等を設定すればよい。また、ｔ_ｐは、最新の時点である。ｔ_ｐは、現在までＬＤモジュール１を駆動した最後の時点としてもよい。

【0100】

本実施形態では、第１ＬＤモジュール２４の実効的累積駆動時間である第１実効的累積駆動時間と第２ＬＤモジュール２５の実効的累積駆動時間である第２実効的累積駆動時間との時間差を第１時間差としたとき、時機判定回路１６は、この第１時間差が第１設定時間を超えた時点を、冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定し、その判定結果を制御回路１１に出力する。

【0101】

このように、冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定することによって、配列位置の異なるＬＤモジュール１間の実効的累積駆動時間の差の拡大を直接的に防止でき、ＬＤモジュール１間で寿命が終わる時機のばらつきをより確実に低減できる。なお、第１ＬＤモジュール２４と第２ＬＤモジュール２５の配置位置が、冷却液流路３に沿った距離で近いと、第１ＬＤモジュール２４の温度変動部位の温度と第２ＬＤモジュール２５の前記温度変動部位の温度との差が小さくなり、実効的累積駆動時間が増加しても第１時間差は余り増加しないため、適切な時機判定を行う上での判定精度が低下する。従って、第１ＬＤモジュール２４と第２ＬＤモジュール２５間の冷却液流路に沿った距離は比較的離れていることが望ましい。

【0102】

第１設定時間は一定時間に設定してもよいが、第１設定時間を、第１実効的累積駆動時間、第２実効的累積駆動時間および第１実効的累積駆動時間と第２実効的累積駆動時間との和のいずれかを第１変数とする第１関数として、第１関数を、図１０に示したように、第１変数が正の範囲で、広義単調減少関数であると共に、最小値を正の第１定数とする関数に設定してもよい。

【0103】

第１設定時間を図１０のように設定することで、冷却液の流れの方向を頻繁に切り換る必要がない実効的累積駆動時間が少ないうちは、冷却液の流れの方向を頻繁に切り換えないようにすることができる。冷却液の流れの方向を頻繁に切り換えないことによって、切換弁２３ａ，２３ｂの摩耗等を低減することができる。また、実効的累積駆動時間が長くなり、ＬＤモジュール１が寿命末期になると、第１ＬＤモジュール２４と第２ＬＤモジュール２５の実効的累積駆動時間の差が余り大きくならないうちに切り換えることが望ましくなるが、ＬＤモジュール１が寿命末期になっても、正の第１定数時間よりも頻繁には冷却液の流れの方向を切り換えないように設定することができる。

【0104】

図１１は、本実施形態のレーザ装置６Ｂにおける、冷却液の流れの方向を切り換える動作の流れを示したフローチャートである。図１１のフローチャートにおいて、図８のフローチャートと異なるステップは、ステップＳ２０５〜ステップＳ２０８だけである。従って、ここでは、異なるステップについてのみ説明する。
ステップＳ２０５では、算出回路２１が、２つの温度センサ１９ａ，１９ｂの出力データである温度の時系列データを読み取り、それと同期して、第１加速係数で実効的累積駆動時間を算出する場合は、光出力の時系列データを読み取る（ステップＳ２０６）。光出力の時系列データは、制御回路１１からの光出力指令を直接読み込んでもよいし、実際のレーザ出力を出力光検出器（図示せず）で計測した結果を用いてもよい。

【0105】

なお、実効的累積駆動時間を第２加速係数で算出する場合は、光出力の時系列データの代りに駆動電流の時系列データを読み込む。続いて、算出回路２１は、読み取った温度の時系列データと光出力の時系列データとに対して、第１記録部２０に記録されている第１加速係数の温度と光出力に対する依存性のデータを利用して、第１ＬＤモジュール２４の実効的累積駆動時間（ｔ_ｅｃ１）と第２ＬＤモジュール２５の実効的累積駆動時間（ｔ_ｅｃ２）とを算出し、第２記録部２２に記録する（ステップＳ２０７）。具体的には、第２記録部２２に記録されている実効的累積駆動時間に新たに算出した実効的駆動時間を加算し、新たな実効的累積駆動時間として、記録されている実効的累積駆動時間を更新する。続いて、時機判定回路１６は、第１ＬＤモジュール２４の実効的累積駆動時間（ｔ_ｅｃ１）と第２ＬＤモジュール２４の実効的累積駆動時間（ｔ_ｅｃ２）との差が第１設定時間より大きいか否かを判定する（ステップＳ２０８）。その結果、第１ＬＤモジュール２４の実効的累積駆動時間（ｔ_ｅｃ１）と第２ＬＤモジュール２５の実効的累積駆動時間（ｔ_ｅｃ２）との差が第１設定時間より大きいと判定された場合は、時機判定回路１６は、制御回路１１に、冷却液の流れの方向を切り換える時機が来たという判定結果を出力する。

【0106】

上記のように、レーザ装置６Ｂの駆動条件が、定格光出力や定格駆動電流でオンオフだけを制御するのではなく、ＬＤモジュール１の光出力や駆動電流を変えた条件で駆動する必要がある場合でも、光出力や駆動電流の大きさによる寿命消費速度の変化も考慮して算出したＬＤモジュール１の実効的累積駆動時間、すなわち、ＬＤモジュール１の実際の駆動時間を、ＬＤモジュール１を標準駆動条件で駆動した場合の駆動時間に換算した実効的累積駆動時間に基づいて、時機判定装置１０が冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定している。そのため、本実施形態のレーザ装置６Ｂによれば、複数のＬＤモジュール１間で、実効的累積駆動時間の差、言い換えれば、寿命消費時間の差を減少させることが可能になり、複数のＬＤモジュール１間における寿命が終わる時期のばらつきが低減できる。

【0107】

＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。第１実施形態の図４や第２実施形態の図９と同様に、ＬＤモジュール１の冷却に関連する部分であるＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５については、模式的な構造を示した平面図で表している。また、図４や図９と同様に、冷却板２内の冷却液流路３は破線で表しており、各機能ブロック等間を接続している太い実線の矢印は、通信における信号の出力方向や駆動電流の供給方向等を示しているが、図が煩雑なることを避けるために、レーザ電源８から複数のＬＤモジュール１への駆動電流の供給を表す矢印は、レーザ電源８から一番端のＬＤモジュール１までの矢印だけを示し、ＬＤモジュール１間の配線を示す線等は省略している。また、ＬＤモジュール１以降のレーザ光学部品は、各ＬＤモジュール１からレーザ光を取り出すための各ＬＤモジュール１の光ファイバも含めて省略している。

【0108】

図１２に示した第３実施形態のレーザ装置６Ｃが第２実施形態の図９と異なる第１の点は、複数のＬＤモジュール１のうちの１つの第３ＬＤモジュール２６にのみ温度センサ１９を設置している点である。第３ＬＤモジュール２６は、冷却液の流れの方向が切替わっても、駆動電流が同じ場合に、ＬＤモジュール１の発熱部あるいは発熱部に熱的に接続したＬＤモジュールの所定位置の温度の変化が最も小さいＬＤモジュールである。具体的には、第３ＬＤモジュール２６は、図１２に示したように、冷却液を一方向に流した時に冷却液流路３の最も上流側に近い位置に配置されたＬＤモジュール１と最も下流に近い位置に配置されたＬＤモジュール１を両端のＬＤモジュールとして、冷却液流路３に沿って配置されたＬＤモジュール１の列の中で中央に位置するＬＤモジュールのことである。本実施形態では、第１実施形態や第２実施形態と同様に、温度変動部位として、第３ＬＤモジュール２６のパッケージにおいて、基板上にＬＤチップがマウントされたＣＯＳが配置されている場所に近いベースプレート部分に温度センサ１９を設置している。

【0109】

第３ＬＤモジュール２６の最新の実効的累積駆動時間である第３実効的累積駆動時間と、最後に冷却液の流れの方向を切り換えた時点における第３ＬＤモジュール２６の実効的累積駆動時間との時間差を第２時間差とした場合、本実施形態では、第２時間差が第２設定時間を超える時点を、冷却液の流れの方向を切り換える時機と判定する。これによって、実効的累積駆動時間を算出するＬＤモジュール１が、第３ＬＤモジュール２６の１つだけになり、算出回路２１における計算負荷を低減しながら、第２実施形態とほぼ同様の判定精度で、ＬＤモジュール１の光出力や駆動電流を変えた条件で駆動した場合であっても、複数のＬＤモジュール１間における寿命が終わる時期のばらつきが低減できる。

【0110】

また、第２設定時間についても、図１０の第１設定時間と同様に、第３実効的累積駆動時間を第２変数とする第２関数であり、第２関数は、第２変数が正の範囲で、広義単調減少関数であると共に、最小値を正の第２定数とする関数に設定してもよい。第１設定時間を図１０のように設定した場合と同様の効果が得られる。

【0111】

本実施形態のレーザ装置６Ｃにおける、冷却液の流れの方向を切り換える動作の流れは、図１１のフローチャートと殆ど同じであり、異なるステップは、ステップＳ２０５で出力を読み取る温度センサが１個であることと、ステップＳ２０７が、算出回路２１が１つだけのＬＤモジュール１（第３ＬＤモジュール２６）について実効的累積駆動時間を算出することと、ステップＳ２０８の判定式が、第２時間差＞第２設定時間に変わることだけである。

【0112】

図１２に示した第３実施形態のレーザ装置６Ｃが第２実施形態の図９と異なる第２の点は、切換弁が、第２実施形態では三方弁からなる２個の切換弁２３ａ，２３ｂを使用していたのに対して、本実施形態では、少なくとも主要部分が弗化樹脂製の四方弁からなる１個の切換弁２７を使用して、配管部品点数を低減している点である。詳しくは、冷却液供給装置７と冷却板２とに亘って設けられる冷却液配管４は、図１２に示すように、第１冷却液配管４３ａと、第２冷却液配管４３ｂと、第３冷却液配管４３ｃと、第４冷却液配管４３ｄと、から構成される。第１冷却液配管４３ａは、冷却液供給装置７の冷却液の流出口７ａと切換弁２７との間を、冷却液が流通可能となるように連結している。第２冷却液配管４３ｂは、切換弁２７から冷却板２に形成された冷却液流路３の第１接続部３ａとの間を、冷却液を流通可能となるように連結している。第３冷却液配管４３ｃは、冷却液流路３の第２接続部３ｂと切換弁２７との間を、冷却液が流通可能となるように連結している。第４冷却液配管４３ｄは、切換弁２７と冷却液供給装置７の冷却液の流入口７ｂとの間を、冷却液を流通可能となるように連結している。

【0113】

切換弁２７は四方弁からなるため、切換弁２７が図１２に示す状態である場合は、冷却液供給装置７の流出口７ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４３ａ、切換弁２７、第２冷却液配管４３ｂ、冷却液流路３の第１接続部３ａ、冷却液流路３、冷却液流路３の第２接続部３ｂ、第３冷却液配管４３ｃ、切換弁２７、第４冷却液配管４３ｄの順に流れて冷却液供給装置７の流入口７ｂに流入する。また、図１２で切換弁２７の中子を反時計方向に９０°回転させると、冷却液供給装置７の流出口７ａから流出した冷却液は、第１冷却液配管４３ａ、切換弁２７、第３冷却液配管４３ｃ、冷却液流路３の第２接続部３ｂ、冷却液流路３、冷却液流路３の第１接続部３ａ、第２冷却液配管４３ｂ、切換弁２７、第４冷却液配管４３ｄの順に流れて冷却液供給装置７の流入口７ｂに流入する。従って、切換弁２７の流路を切り換え制御することにより、冷却板２の冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向を切り換えることができる。

【0114】

なお、四方弁からなる切換弁２７では、流入側冷却液と流出側冷却液が同じ切換弁２７内を流れることになるが、四方弁の少なくとも主要部分の材質を熱伝導率が低く機械的強度の高いポリクロロトリフルオロエチレン等の弗化樹脂製とすることで、流入側冷却液と流出側冷却液との熱交換による流入側冷却液の温度上昇を抑制することができる。四方弁の主要部分とは、冷却液と直に接触する部分のことであり、例えば中子である。中子を収納しているケース部分も弗化樹脂製としてもよい。

【0115】

＜第４実施形態＞
図１３は、第４実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。第２実施形態の図９と同様に、ＬＤモジュール１の冷却に関連する部分であるＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５については、模式的な構造を示した平面図で表している。図９と同様に、冷却板２内の冷却液流路３は破線で表しており、各機能ブロック等間を接続している太い実線の矢印は、通信における信号の出力方向や駆動電流の供給方向等を示しているが、図が煩雑なることを避けるために、レーザ電源８から複数のＬＤモジュール１への駆動電流の供給を表す矢印は、レーザ電源８から一番端のＬＤモジュール１までの矢印だけを示し、ＬＤモジュール１間の配線を示す線等は省略している。また、ＬＤモジュール１以降のレーザ光学部品は、各ＬＤモジュール１からレーザ光を取出すための各ＬＤモジュール１の光ファイバも含めて省略している。

【0116】

図１３に示した第４実施形態に係るレーザ装置６Ｄが第２実施形態の図９と異なる点は、温度センサ１９ａ，１９ｂからの出力が、温度変換回路２８を経由して、算出回路２１に入力されるようになっている点である。本実施形態では、温度変動部位をＬＤモジュール１の発熱部であるＬＤのｐｎ接合部に設定している。すなわち、冷却液の流れの方向を切り換える時機の判定に使用する温度の時系列データを２つのＬＤモジュール（第１ＬＤモジュール２４及び第２ＬＤモジュール２５）内のＬＤのｐｎ接合部の温度の時系列データとしている。しかし、レーザ装置６Ｄでレーザ加工中に、ＬＤのｐｎ接合部の温度を常時測定することは困難であるので、例えば、ＬＤで発生した熱が冷却板２に流れる様子を模式化した熱回路網において、ＬＤで発生した熱が冷却板２に流れる経路の節点の温度を温度センサ１９ａ，１９ｂで測定し、温度変換回路２８によって、（ｐｎ接合部の温度）＝（温度センサ１９ａ，１９ｂで計測した温度）＋（ＬＤのｐｎ接合部での発熱量）×（ＬＤのｐｎ接合部から温度センサ１９ａ，１９ｂで温度を計測している節点までの熱抵抗）等の式によって、温度センサ１９ａ，１９ｂによって測定された温度の時系列データをｐｎ接合部の温度の時系列データに変換している。

【0117】

なお、上記の式で、ＬＤのｐｎ接合部での発熱量は、ＬＤモジュール１に供給される駆動電流と駆動電流が流れることによってＬＤ１個当たりに印加される電圧との積である駆動電力からＬＤ１個当たりの光出力を差し引くことによって求めることができる。ＬＤのｐｎ接合部から温度センサ１９ａ，１９ｂで温度を計測している節点までの熱抵抗については、固定値なので、レーザ波長のｐｎ接合部温度依存性等から予め測定して求めておくことができ、熱流体シミュレーションでも容易に見積ることができる。

【0118】

寿命消費速度の温度依存性をＬＤのｐｎ接合部の温度依存性とすることで、光出力や駆動電流の変化に伴うＬＤのｐｎ接合部の温度変化の寿命消費速度への影響を取り込むことができるようになるので、第１記録部２０に記録している第１加速係数のデータについては、ＬＤモジュール１の標準光出力に対する光出力による加速係数である光出力加速係数（ｋ_Ｐ（Ｐ_ｏ)）のデータとＬＤモジュール１の発熱部、すなわち、ＬＤモジュール１内のＬＤのｐｎ接合部の温度による加速係数である温度加速係数のデータ（ｋ_Ｔ（Ｔ_ｊ））に分けて記録しておくことが可能になる。第２加速係数のデータについても、同様に、ＬＤモジュール１の標準駆動電流に対する駆動電流による加速係数である電流加速係数（ｋ_Ｉ（Ｉ_ｄ））のデータとＬＤのｐｎ接合部の温度による加速係数である温度加速係数のデータｋ_Ｔ（Ｔ_ｊ））に分けて記録しておくことが可能になる。なお、ＬＤのｐｎ接合部の温度による加速係数である温度加速係数のデータは、第１加速係数と第２加速係数で、同じデータを共通して使用することができる。

【0119】

算出回路２１は、温度変換回路２８から出力されるＬＤのｐｎ接合部の温度の時系列データと、制御回路１１から取得したＬＤモジュール１の光出力の時系列データ、あるいは、ＬＤモジュール１の駆動電流の時系列データに対して、第１記録部２０に記録している上記の加速係数のデータを利用して、次の式のように時間積分を行って、第１ＬＤモジュール２４と第２ＬＤモジュール２５との実効的累積駆動時間を算出して、第２記録部２２に最新の実効的累積駆動時間を記録する。

【0120】

【数2】

【0121】

ここで、Ｔ_ｊ１は、第１ＬＤモジュール２４のＬＤのｐｎ接合部の温度、Ｔ_ｊ２は、第２ＬＤモジュール２５のＬＤのｐｎ接合部の温度である。

【0122】

この第４実施形態に係るレーザ装置６Ｄによれば、光出力や駆動電流による加速係数と温度による加速係数とを分けることが可能になり、実験等によって取得して、第１記録部２０に記録することが必要な加速係数のデータの量が、加速係数のデータを光出力と温度を変数とする二次元のデータテーブルや、駆動電流と温度を変数とする二次元のデータテーブルとして記録する場合に比べて、大幅に低減でき、工数が削減できる。

【0123】

また、第１記録部２０に記録されている温度加速係数のデータと光出力加速係数のデータと電流加速係数のデータとのうち、少なくとも一つの加速係数のデータは、加速係数を直接表す数値データではなく、加速係数を算出するための数式の形式で記録されていてもよい。例えば、温度加速係数については、よく知られた下記のアレニウス反応式で表すことができるので、活性化エネルギー（Ｅ_ａ）とボルツマン定数（ｋ_Ｂ＝８．６３×１０^−５（ｅＶ／Ｋ））を含む数式だけ第１記録部２０に記録しておけばよい。活性化エネルギーは、実験で求めるか、それぞれの半導体デバイスについて報告されている値を使用すればよい。

【0124】

反応速度＝定数・ｅｘｐ（−Ｅ_ａ／ｋ_ＢＴ）・・・・（アレニウス反応式）
従って、
温度加速係数＝ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋ_ＢＴ_ｊ）／ｅｘｐ（−Ｅ_ａ／ｋ_ＢＴ_ｊｓ）
＝ｅｘｐ｛（１／Ｔ_ｊｓ−１／Ｔ_ｊ）・Ｅａ／ｋ_Ｂ｝
ここで、Ｔ_ｊはｐｎ接合部の温度であり、Ｔ_ｊｓは標準駆動条件で熱的平衡に達するまで長時間駆動した時のｐｎ接合部の温度である。

【0125】

光出力加速係数や電流加速係数も、例えば、下記のような数式で表してもよい。
光出力加速係数＝（Ｐ_ｏ／Ｐ_ｏｓ）^ｍ
電流加速係数＝｛（Ｉ_ｄ−Ｉ_ｔｈ）／（Ｉ_ｄｓ−Ｉ_ｔｈ）｝^ｎ
ここで、Ｐ_ｏｓはＬＤモジュール１を標準駆動条件で駆動した時の光出力、すなわち標準光出力であり、Ｉ_ｄｓはＬＤモジュール１を標準駆動条件で駆動した時の駆動電流、すなわち標準駆動電流であり、Ｉ_ｔｈはＬＤの閾値電流である。ｍとｎは定数である。

【0126】

このように、加速係数のデータを、数値データでなく、式の形のデータとして記録することで、より少ないデータで実効的累積駆動時間が計算できるようになり、データ収集に要する工数を更に低減できる。

【0127】

また、出力加速係数データ、あるいは、電流加速係数データが、実効的累積駆動時間に依存するデータとして、第１記録部２０に記録されていてもよい。例えば、電流加速係数の実効的累積駆動時間依存性データを取得するには、図１４に示したように、実験で、ＬＤモジュール１の全寿命のうちの所定の一時期だけ、標準駆動電流とは異なる一定の駆動電流で駆動して寿命の変化を調べればよい。図１４のような結果が得られた場合は、実効的累積駆動時間ｔ_１＋ｔ_２／２における加速駆動電流による加速係数は、ｔ_２／ｔ_３から駆動電流を増やしたことによるｐｎ接合の温度上昇による増加分だけ補正することによって求めることができる。加速係数の実効的累積駆動時間依存性データの取得に要する時間を短縮するために、標準駆動電流で駆動中を含め、ＬＤのｐｎ接合部の温度は、標準駆動条件で駆動した時のＬＤのｐｎ接合部の温度より高くして実験することが望ましい。光出力加速係数の実効的累積駆動時間依存性データを取得する場合も上記と同様の方法が適用できる。

【0128】

実効的累積駆動時間依存性を考慮した出力加速係数や電流加速係数は、下記のような式で与えてもよい。
光出力加速係数＝（Ｐ_ｏ／Ｐ_ｏｓ）＾（ｍ＋ａｔ_ｅｃ）
電流加速係数＝｛（Ｉ_ｄ−Ｉ_ｔｈ）／（Ｉ_ｄｓ−Ｉ_ｔｈ）｝＾（ｎ＋ｂｔ_ｅｃ）
ここで、ｔ_ｅｃは実効的累積駆動時間であり、ａとｂは係数（定数）である。

【0129】

このように、出力加速係数データ、あるいは、電流加速係数データの実効的累積駆動時間依存性を考慮することによって、光出力が標準光出力より大きい条件、すなわち光出力加速係数＞１の条件、あるいは、駆動電流が標準駆動電流より大きい条件、すなわち、電流加速係数＞１の条件では、寿命後期になると光出力加速係数や電流加速係数が次第に大きくなる傾向があった場合にも、より精度良く実効的駆動時間を算出することができるようになる。

【0130】

＜第５実施形態＞
図１５は、第５実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。第３実施形態の図１２と類似しており、図１２と同様に、ＬＤモジュール１の冷却に関連する部分であるＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５については、模式的な構造を示した平面図で表している。また、図１２と同様に、冷却板２内の冷却液流路３は破線で表しており、各機能ブロック等間を接続している太い実線の矢印は、通信における信号の出力方向や駆動電流の供給方向等を示しているが、図が煩雑なることを避けるために、レーザ電源８から複数のＬＤモジュール１への駆動電流の供給を表す矢印は、レーザ電源８から一番端のＬＤモジュール１までの矢印だけを示し、ＬＤモジュール１間の配線を示す線等は省略している。また、ＬＤモジュール１以降のレーザ光学部品は、各ＬＤモジュール１からレーザ光を取出すための各ＬＤモジュール１の光ファイバも含めて省略している。

【0131】

図１５に示した第５実施形態に係るレーザ装置６Ｅが第３実施形態の図１２と異なる点は、第４実施形態と同様に温度変換回路２８を備えていることと、新たに、第３記録部２９と表示装置３０とを備えている点である。温度変換回路２８については、第４実施形態と同様に温度センサ１９で測定した温度を第３ＬＤモジュール２６のＬＤのｐｎ接合部の温度に換算するためのものであり、説明を省略するが、冷却液の流れの方向を切り換える時機を判定する温度の時系列データを、ＬＤのｐｎ接合部の温度の時系列データとすることによって、実効的累積駆動時間を算出するに当たって必要となる加速係数データを大幅に削減できることは前述の通りである。

【0132】

本実施形態のレーザ装置６Ｅは、制御回路１１からの指令により、複数のＬＤモジュール１を発光源あるいは励起光源とするレーザ発振器の光出力特性を、所定の駆動条件で、所定のスケジュールに沿って測定し、光出力特性の測定結果の履歴を、第１記録部２０に記録されている実効的累積駆動時間に関連付けて、第３記録部２９に記録する。

【0133】

また、制御回路１１は、第３記録部２９に記録されている実効的累積駆動時間に関連付けた光出力特性の測定結果を使用して、光出力特性から導出される所定の駆動電流で出力される光出力である実光出力又は所定の光出力を得るために必要な駆動電流である実駆動電流について、実光出力又は実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性と、光出力特性測定時点とその前の光出力特性測定時点との両時点間における実光出力又は実駆動電流の劣化幅又は劣化率と、劣化幅を両時点間の実効的累積駆動時間の差で除した劣化速度との、少なくともいずれか一つを表示装置３０に出力する。これにより、表示装置３０は、実光出力又は実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性や、実光出力又は実駆動電流の劣化幅や劣化率や劣化速度を表示する。

【0134】

図１６は、実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性を示すグラフを例示している。図中に、劣化幅を図示すると共に、劣化率と劣化速度を示す式を記載している。実光出力あるいは実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性や、実光出力あるいは実駆動電流の劣化幅や劣化率や劣化速度を表示装置３０に表示することによって、レーザ装置６Ｅの使用者や管理者は、複数のＬＤモジュール１全体（ＬＤモジュールユニット）としての劣化状況や残存寿命が把握でき、交換用ＬＤモジュールユニットの準備や保守作業を計画的に実施できるので、レーザ装置６Ｅが使用できない期間を最小限に抑えることができる。表示装置３０には実効的累積駆動時間を表示するようにしてもよい。

【0135】

＜第６実施形態＞
図１７は、第６実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。他の実施形態のレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図と同様に、ＬＤモジュール１の冷却に関連する部分であるＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５については、模式的な構造を示した平面図で表している。また、冷却板２内の冷却液流路３は破線で表しており、各機能ブロック等間を接続している太い実線の矢印は、通信における信号の出力方向や駆動電流の供給方向等を示しているが、図が煩雑なることを避けるために、レーザ電源８から複数のＬＤモジュール１への駆動電流の供給を表す矢印は、レーザ電源８から一番端のＬＤモジュール１，１までの矢印だけを示し、ＬＤモジュール１間の配線を示す線等は省略している。また、ＬＤモジュール１以降のレーザ光学部品は、各ＬＤモジュール１からレーザ光を取出すための各ＬＤモジュール１の光ファイバも含めて省略している。

【0136】

本実施形態のレーザ装置６Ｆは、駆動電流が直列に供給される複数のＬＤモジュール１からなるＬＤモジュールグループ１００が２グループ存在し、各ＬＤモジュールグループ１００，１００に対して、独立に駆動電流を供給可能なレーザ装置である。本実施形態の制御回路１１は、所定の光出力指令を出力するために、レーザ電源８に対して各ＬＤモジュールグループ１００，１００に対する駆動電流出力指令を出力するにあたって、複数のＬＤモジュールグループ１００，１００のうち、実効的累積駆動時間が相対的に短いＬＤモジュールグループ１００あるいは劣化速度が相対的に小さいＬＤモジュールグループ１００に対して、優先的に駆動電流を割振るように、駆動電流出力指令を出力する。

【0137】

なお、本実施形態において、１つの冷却液供給装置７と２つのＬＤモジュールグループ１００，１００の冷却板２，２とに亘って設けられる冷却液配管４は、図１２に示したレーザ装置６Ｃにおける冷却液配管４の構成を、２つの冷却板２，２毎に備えている。冷却液供給装置７の冷却液の流出口７ａに連結される冷却液配管４３ａは、途中から各切換弁２７，２７に向けて２本に分岐している。また、各切換弁２７，２７に連結される冷却液配管４３ｄ，４３ｄは、途中から１本にまとめられて冷却液供給装置７の冷却液の流入口７ｂに連結されている。

【0138】

本実施形態の時機判定装置１０において、冷却板２の冷却液流路３を流れる冷却液の流れの方向を切り換える時機の判定は、ＬＤモジュールグループ１００，１００毎に、すなわち、ＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５，５毎に独立して判定し、実際に冷却液の流れを切り換える時刻も、ＬＤモジュール／冷却板アセンブリ５，５毎に異なるようにしてもよい。また、分岐した各冷却液配管４の途中に、図示していないが、流量計と流量調節弁を設置して、各冷却板２，２の冷却液流路３，３に流れる冷却液の流量が同じになるようにしてもよい。

【0139】

本実施形態のレーザ装置６Ｆにおいては、所定の光出力指令に対して、ＬＤモジュールグループ１００，１００間で、実効的累積駆動時間が相対的に短いＬＤモジュールグループ１００や特性劣化が相対的に小さいＬＤモジュールグループ１００に優先的に駆動電流を割振ることで、実効的累積駆動時間が相対的に長いＬＤモジュールグループ１００や特性劣化が相対的に大きいＬＤモジュールグループ１００の寿命消費を抑えることできるので、各ＬＤモジュールグループ１００，１００の交換時期を揃えることができる。このため、レーザ装置６Ｆのメンテナンス回数やメンテナンスコストを低減できる。なお、駆動電流が直列に供給される複数のＬＤモジュール１からなるＬＤモジュールグループ１００は、図１７のように２グループに限定されず、３グループ以上であってもよい。

【0140】

＜第７実施形態＞
図１８は、第７実施形態に係るレーザ装置の概念的な構成を示すブロック図である。レーザ装置６については、以上説明したレーザ装置６のうち、第３記録部２９を備えたレーザ装置６Ｅ又は６Ｆのどちらかを使用することができる。各レーザ装置６において、制御回路１１以外の機能ブロック等の図示は省略している。冷却液供給装置の図示も省略している。本実施形態のレーザ装置６は、制御回路１１が、ネットワーク２００を経由して、実効的累積駆動時間と、実光出力あるいは実駆動電流の実効的累積駆動時間依存性と、劣化速度の少なくともいずれか一つをクラウドサーバー２０１あるいはフォグサーバー２０２に出力する。

【0141】

本実施形態のレーザ装置６においては、駆動電流の供給を独立に制御可能なＬＤモジュールグループ毎に、駆動状況や劣化状況、残存寿命がクラウドサーバー２０１あるいはフォグサーバー２０２によって、一括して管理できるため、計画的な保守が可能になり、ＬＤモジュール１の交換保守作業のためにレーザ装置６が稼働できない時間を極力低減することができる。

【0142】

なお、以上の各実施形態または変形例において、制御回路１１、第１タイマ制御回路１４、第２タイマ制御回路１５、時機判定回路１６、算出回路２１、温度変換回路２８は、いずれも、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを中心に構成されている。ＣＰＵは、各回路に要求される機能に係る演算処理を実行する。これらの回路は、機能別に分離されているように記載しているが、一つのＣＰＵが複数の回路に要求される演算を行うようにしてもよいし、上記の全ての回路に要求される機能に係る演算処理を一つのＣＰＵで実行するようにしてもよい。また、これらの回路は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成されてもよい。

【0143】

また、以上の各実施形態または変形例において、第１記録部２０、第２記録部２２、第３記録部２９についても機能別に分離したブロックとして記載しているが、一つのＲＯＭ等のメモリが複数の記録部２０、２２、２９の機能を果たしてもよいし、一つのメモリで上記の全ての記録部２０、２２、２９の機能を果たしてもよい。

【0144】

更に、以上の各実施形態または変形例において、冷却液供給装置7は、循環式冷却液供給装置に限定されず、工場配管から冷却液をレーザ装置６（６Ａ〜６Ｆ）に供給するようにしてもよい。また、冷却液は、少なくとも、水を主成分とする冷却水であってもよく、クーラント液等であってもよい。

【0145】

また、以上の各実施形態または変形例において、冷却板の冷却液流路３と冷却液配管４という用語を区別して使用しているが、互いに分離している構造に限定していない。例えば、銅パイプを溝が形成された２枚のアルミ合金板で挟み込んだ構造等も含めており、この場合、２枚のアルミ合金が冷却板２で、２枚のアルミ合金で挟まれた銅パイプの内側を冷却液流路３と称しており、２枚のアルミ合金で挟まれていない銅パイプの部分を冷却液配管４と称している。

【0146】

レーザ装置６Ａの二方弁からなる切換弁９ａ〜９ｄを有する冷却液配管４の構成は、レーザ装置６Ｂ〜６Ｆの冷却液配管４の構成に適用してもよい。また、レーザ装置６Ｂ、６Ｄの三方弁からなる切換弁２３ａ，２３ｂを有する冷却液配管４の構成は、レーザ装置６Ａ、６Ｃ、６Ｅ、６Ｆの冷却液配管４の構成に適用してもよい。レーザ装置６Ｃ、６Ｅ、６Ｆの四方弁からなる切換弁２７を有する冷却液配管４の構成は、レーザ装置６Ａ、６Ｂ、６Ｄの冷却液配管４の構成に適用してもよい。

【0147】

なお、ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

【符号の説明】

【0148】

１ ＬＤモジュール
２ 冷却板
３ 冷却液流路
４ 冷却液配管
５ ＬＤモジュール／冷却板アセンブリ
６、６Ａ〜６Ｆ レーザ装置
７ 冷却液供給装置
８ レーザ電源
９ａ〜９ｄ、２３ａ，２３ｂ、２７ 切換弁
１０ 時機判定装置
１１ 制御回路
１６ 時機判定回路
２０ 第１記録部
２１ 算出回路
２２ 第２記録部
２４ 第１ＬＤモジュール
２５ 第２ＬＤモジュール
２６ 第３ＬＤモジュール
２８ 温度変換回路
２９ 第３記録部
３０ 表示装置
１００ ＬＤモジュールグループ
２００ ネットワーク
２０１ クラウドサーバー
２０２ フォグサーバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】