CN105896238B - 具备鼓风机的激光振荡器 - Google Patents

Abstract

提供一种具备鼓风机的激光振荡器，在以往技术中，问题在于，解除激光振荡器的暂时停止，在开始生成激光时，激光介质的压力由于热影响等上升至生成激光时的压力目标值以上。激光振荡器具备控制部、激光介质流路、谐振器部、鼓风机、压力检测部、激光介质供排部以及暂时停止指令部。当被指示暂时停止时，控制部控制谐振器部使激光的生成动作停止，控制鼓风机使该鼓风机的转速从第一转速减速至第二转速，控制激光介质供排部使得压力成为第二目标值。将第二目标值设定为比鼓风机的转速成为第二转速的时刻的压力低的值。

Description

具备鼓风机的激光振荡器

技术领域

本发明涉及一种具备鼓风机的激光振荡器。

背景技术

已知一种技术，即在使激光振荡器的动作暂时停止时，对激光振荡器的激光介质流路内的激光介质的压力进行控制(例如，日本特开2011-228624号公报)。

在上述现有技术中，问题在于，在解除激光振荡器的暂时停止并开始生成激光时，激光介质的压力由于热影响等上升至生成激光时的压力目标值以上。

发明内容

在本发明的一个方式中，激光振荡器具备：控制部；激光介质流路，其形成激光介质的流路；谐振器部，其使用流过激光介质流路的激光介质生成激光；以及鼓风机，其在激光介质流路中使激光介质流动。

另外，激光振荡器具备：压力检测部，其检测激光介质流路中的激光介质的压力；激光介质供排部，其向激光介质流路供给激光介质，从激光介质流路排出激光介质；以及暂时停止指令部，其向控制部指示谐振器部的激光生成的暂时停止。

控制部在暂时停止指令部指示暂时停止前，控制鼓风机使得该鼓风机以预定的第一转速进行旋转，并且控制激光介质供排部使得压力成为第一目标值。

另外，控制部在暂时停止指令部指示暂时停止时，控制谐振器部使激光的生成动作停止，控制鼓风机使该鼓风机的转速减速至小于第一转速的第二转速。

此时，控制部控制激光介质供排部使得压力成为第二目标值。在此，将该第二目标值设定为比鼓风机的转速成为第二转速的时刻的压力低的值。

也可以使用P₂＝P_n-P_n×ΔP_a/P₁的式子求出第二目标值P₂。在此，P₁为第一目标值，P₂为第二目标值，P_n为鼓风机的转速成为第二转速的时刻的压力，ΔP_a为使控制部已停止的谐振器部的动作恢复时的压力的上升幅度。第二转速也可以为零。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式所涉及的激光振荡器的图。

图2是图1示出的激光振荡器的框图。

图3是表示图1示出的激光振荡器的动作流程的一例的流程图。

图4是表示时间t与鼓风机的转速R之间的关系的图表。

图5是表示在将第二目标值P₂设定为在图3中的步骤S5判断为“是”的时刻的压力P_n的情况下的、时间t与激光介质的压力P之间的关系的图表。

图6是表示在将第二目标值P₂设定为比在图3中的步骤S5判断为“是”的时刻的压力P_n低的值的情况下的、时间t与激光介质的压力P之间的关系的图表。

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明的实施方式。首先，参照图1和图2说明本发明的一个实施方式所涉及的激光振荡器10。

激光振荡器10具备控制部12、谐振器部14、激光介质流路16、鼓风机18、压力检测部20、激光介质供排部22以及暂时停止指令部24。控制部12直接或者间接地控制激光振荡器10的各结构要素。

谐振器部14根据来自控制部12的指令生成激光。具体地说，谐振器部14具有输出镜26、后视镜27以及放电管28。输出镜26与后视镜27相互相对地配置。放电管28为中空的要素，配置在输出镜26与后视镜27之间。

输出镜26由具有99％以上反射率的部分反射镜(所谓半反射镜)构成。另一方面，后视镜27由全反射镜构成。放电管28内部与激光介质流路16连通。

放电管28具有相互相对配置的放电电极(未图示)，这些放电电极与激光电源29进行电连接。激光电源29根据来自控制部12的指令，对放电电极施加电压。

对放电管28内部供给二氧化碳、氮气、氩气等激光介质。当对放电电极施加电压时，通过在放电电极之间产生的放电激励激光介质，并生成激光。在放电管28内生成的激光在输出镜26与后视镜27之间通过光谐振而被放大，通过输出镜26作为输出激光30向外部射出。

激光介质流路16与放电管28内部连通，形成在放电管28内部流动的激光介质的流路。具体地说，激光介质流路16由与放电管28的一端和另一端相连接的闭环的流路管构成。在激光介质流路16封装激光介质。

鼓风机18设置在激光介质流路16内的预定位置。具体地说，鼓风机18例如由风扇或者风机构成，具有包含多个叶片的旋转体以及使该旋转体进行旋转驱动的电动机(均未图示)。

在鼓风机18上连接有鼓风机逆变器32。鼓风机逆变器32根据来自控制部12的指令，向鼓风机18供给电力。鼓风机18通过从鼓风机逆变器32供给的电力，使上述旋转体进行旋转。

由此，鼓风机18使激光介质流路16内的激光介质产生压力变动，使激光介质向图1中的箭头34示出的方向流动。其结果，激光介质经由激光介质流路16被导入到放电管28内部，通过放电管28内，从放电管28排出。

为了抑制鼓风机18的发热，在激光介质流路16设置有冷却装置36。冷却装置36具有在冷却通路38内使制冷剂循环的制冷剂循环装置40以及使制冷剂35冷却的制冷剂冷却装置42。

使用流过冷却通路38内的制冷剂对鼓风机18进行冷却。作为该制冷剂，例如能够使用冷却水。制冷剂循环装置40由加压制冷剂的泵等构成。另一方面，制冷剂冷却装置42由例如通过与大气之间的热交换使制冷剂冷却的换热器等构成。

在鼓风机18的上游侧和下游侧的激光介质流路16上分别配置有第一换热器44和第二换热器46。对第一换热器44和第二换热器46分别供给制冷剂(例如冷却水)。通过与该制冷剂之间的热交换在第一换热器44和第二换热器46通过时对激光介质进行冷却，使之保持为规定温度。

将压力检测部20设置在激光介质流路16内的预定位置。在本实施方式中，将压力检测部20配置在鼓风机18的上游侧且放电管28的下游侧的位置。

压力检测部20例如包含能够对气体等流体的压力进行测量的压力传感器。压力检测部20根据来自控制部12的指令，对激光介质流路16内的激光介质的压力进行测量，将与压力有关的数据发送到控制部12。

激光介质供排部22根据来自控制部12的指令，对激光介质流路16供给激光介质，并使激光介质从激光介质流路16排出。具体地说，激光介质供排部22具有供气流路48、供气装置50、排气流路52、排气阀54以及排气装置56。

供气流路48的一端与储存激光介质的存储罐(未图示)连接，其另一端在放电管28的上游侧与激光介质流路16连接。上述存储罐的内部维持在比激光介质流路16内部高的压力。

供气装置50设置在供气流路48中。供气装置50由对供气流路48的开口面积进行变更的可变阀那样的、能够使供气流路48打开和关闭的阀构成。供气装置50根据来自控制部12的指令，使供气流路48打开和关闭。当通过供气装置50打开供气流路48时，如箭头58所示，将储存在存储罐内的激光介质经由供气流路48提供给激光介质流路16。

排气流路52的一端例如配置在大气中，其另一端在放电管28的上游侧与激光介质流路16连接。排气阀54和排气装置56设置在排气流路52中。

排气阀54例如由对排气流路52的开口面积进行变更的可变阀那样的、能够使排气流路52打开和关闭的阀构成。排气装置56例如由风扇构成，从激光介质流路16吸入激光介质，如箭头60所示，经由排气流路52从激光介质流路16排出激光介质。

排气装置56与排气逆变器62电连接，由经由排气逆变器62供给的电力进行驱动。根据排气装置56的驱动电力(转速)和排气阀54的开度，能够从激光介质流路16排出激光介质。

暂时停止指令部24从用户接收使谐振器部14的激光生成暂时停止的意思的指令，将暂时停止指令发送到控制部12。作为一例，暂时停止指令部24包括按压式开关。在该情况下，暂时停止指令部24在用户按下开关的情况下，将暂时停止指令发送到控制部12。

作为其它例，暂时停止指令部24也可以内置在与控制部12连接的PC等外部设备。在该情况下，用户操作外部设备，输入暂时停止指令。暂时停止指令部24将由用户输入的暂时停止指令发送到控制部12。

进一步作为其它例，暂时停止指令部24也可以内置在与控制部12连接的上位控制器中。在该情况下，暂时停止指令部24从上位控制器接收暂时停止指令，将该暂时停止指令发送到控制部12。

接着，参照图1～图3说明激光振荡器10的动作。图3是表示激光振荡器10的动作流程的一例的流程图。在控制部12从用户或者上位控制器接收激光振荡器10的运转指令且激光振荡器10处于通常动作状态时，开始图3示出的流程。

在该通常动作状态下，控制部12对内置在鼓风机18的电动机进行控制使得鼓风机18的旋转体以预定的第一转速R₁进行旋转。另外，控制部12控制激光介质供排部22使得激光介质流路16内的压力P成为预定的第一目标值P₁。

具体地说，控制部12根据从压力检测部20取得到的压力值，对供气装置50、排气阀54以及排气装置56进行反馈控制，将激光介质流路16内的压力P控制为第一目标值P₁。

即，在本实施方式中，进行控制使得激光介质流路16内的设置压力检测部20的位置(即，鼓风机18的上游侧位置)上的压力P成为第一目标值P₁。

而且，控制部12对激光电源29发送指令，对设置在放电管28中的放电电极施加电压。由此，谐振器部14生成激光，从输出镜26射出输出激光30。这样，激光振荡器10成为通常动作状态。

在图3示出的流程开始之后，在步骤S1中，控制部12判断是否从暂时停止指令部24接收到暂时停止指令。在判断为接收到暂时停止指令(即“是”)的情况下，控制部12进入到步骤S2。另一方面，在判断为没有接收到暂时停止指令(即“否”)的情况下，控制部12进入到步骤S14。

在步骤S2中，控制部12控制谐振器部14，使生成激光的动作停止。具体地说，控制部12控制激光电源29，停止向设置在放电管28的放电电极施加电压。其结果，使谐振器部14中的激光生成动作停止。

在步骤S3中，控制部12控制鼓风机18使得将鼓风机18的转速R减速至小于第一转速R₁的第二转速R₂。作为一例，第二转速R₂被设定为零(即，R₂＝0)。

在该情况下，控制部12对鼓风机逆变器32发送指令，停止从鼓风机逆变器32向鼓风机18的电动机供给的电力停止。其结果，鼓风机18的转速逐渐减速到成为零。

在步骤S4中，控制部12使激光介质供排部22进行的激光介质的供排动作停止。具体地说，对供气装置50和排气阀54发送指令，关闭供气装置50的阀和排气阀54，由此，关闭供气流路48和排气流路52。另外，控制部12对排气逆变器62发送指令，停止排气装置56的动作。

考虑以下点而执行该步骤S4。即，鼓风机18在步骤S3开始之后，并非立即减速至第二转速R₂，而是如上所述花费一定时间逐渐进行减速直到成为第二转速R₂(例如直到旋转停止)为止。

这样在鼓风机18的转速R减速期间，激光介质流路16内的压力P不稳定。因此，通过该步骤S4，控制部12使激光介质的供排动作停止直到鼓风机18的转速R稳定为止。

在步骤S5中，控制部12判断鼓风机18的转速R是否成为第二转速R₂。作为一例，控制部12监视来自鼓风机逆变器32的反馈(例如反馈电流或者负荷转矩)，在反馈成为预定阈值范围内时，控制部12判断为鼓风机18的转速R成为第二转速R₂。

在该情况下，预先存储鼓风机18的转速R与来自鼓风机逆变器32的反馈之间的相关关系。而且，控制部12对照来自鼓风机逆变器32的反馈与预先存储的上述相关关系，判断鼓风机18的转速R是否成为第二转速R₂。

另外，作为其它例，控制部12也可以通过判断在执行步骤S3之后是否经过了预定的时间τ₁，判断鼓风机18的转速R是否成为第二转速R₂。

在该情况下，预先存储鼓风机18的转速R与经过时间τ₁之间的相关关系。而且，控制部12也可以对照经过时间τ₁与该相关关系，判断鼓风机18的转速R是否成为第二转速R₂。

在此，鼓风机逆变器32也可以按照预定动作程序进行动作。在该情况下，能够根据动作程序求出鼓风机18的转速R与经过时间τ之间的相关关系。

在判断为鼓风机18的转速R成为第二转速R₂(即“是”)的情况下，控制部12进入到步骤S6。另一方面，在判断为转速R没有成为第二转速R₂(即“否”)的情况下，控制部12返回到步骤S3。

在步骤S6中，控制部12将激光介质流路16内的压力P控制为第二目标值P₂。具体地说，控制部12根据从压力检测部20取得到的压力值，对供气装置50、排气阀54以及排气装置56进行反馈控制，将激光介质流路16内的压力P控制为第二目标值P₂。

在此，在本实施方式中，将第二目标值P₂设定为比鼓风机18的转速R成为第二转速R₂的时刻(即，在步骤S5中判断为“是”的时刻)的激光介质的压力P_n低的值。作为一例，如下式1所示那样决定第二目标值P₂。

P₂＝P_n-P_n×ΔP_a/P₁···(式1)

在此，P₁为第一目标值，P_n为在步骤S5中判断为“是”的时刻的激光介质的压力，ΔP_a为压力上升幅度。此外，在后文中说明压力上升幅度ΔP_a。

在步骤S7中，控制部12在步骤S1中判断是否接收到解除从暂时停止指令部24接收到的暂时停止指令的意思的指令。例如在暂时停止指令部24包含按压式开关的情况下，用户操作该开关使得解除开关的按压。

当检测出开关的按压解除时，暂时停止指令部24将按压解除信号发送到控制部12。控制部12在接收到按压解除信号的情况下，判断为从用户接收到解除暂时停止指令的意思的指令(即“是”)。

当判断为接收到解除暂时停止指令的意思的指令时，控制部12进入到步骤S8。另一方面，当判断为没有接收到解除暂时停止指令的意思的指令(即“否”)时，控制部12返回到步骤S6。

在步骤S8中，控制部12控制鼓风机18使得鼓风机18的转速R从第二转速R₂加速至第一转速R₁。例如在设定为R₂＝0的情况下，控制部12向鼓风机逆变器32发送指令，恢复从鼓风机逆变器32向鼓风机18的电力供给。其结果，鼓风机18的转速R逐渐被加速至第一转速R₁。

在步骤S9中，控制部12与上述步骤S4同样，使激光介质供排部22对激光介质的供排动作停止。具体地说，控制部12对供气装置50、排气阀54以及排气逆变器62进行控制，停止激光介质的供排动作。

在步骤S10中，控制部12判断鼓风机18的转速R是否成为第一转速R₁。作为一例，控制部12监视来自鼓风机逆变器32的反馈(例如反馈电流、负荷转矩)，在反馈成为预定阈值范围内时，控制部12判断为鼓风机18的转速R成为第一转速R₁。

另外，作为其它例，控制部12通过判断在执行步骤S8之后是否经过了预定时间τ₂，判断鼓风机18的转速R是否成为第一转速R₁。

在该情况下，预先存储鼓风机18的转速R与经过时间τ₂之间的相关关系，控制部12对照经过时间τ₂与该相关关系，也可以判断鼓风机18的转速R是否成为第一转速R₁。

在判断为鼓风机18的转速R成为第一转速R₁(即“是”)的情况下，控制部12进入到步骤S11。另一方面，在判断为转速R没有成为第一转速R₁(即“否”)的情况下，控制部12返回到步骤S8。

在步骤S11中，控制部12将激光介质流路16内的压力P控制为第一目标值P₁。具体地说，控制部12根据从压力检测部20取得到的压力值，对供气装置50、排气阀54以及排气装置56进行反馈控制，将激光介质流路16内的压力P控制为第一目标值P₁。

在步骤S12中，控制部12判断为激光介质流路16内的压力P是否成为第一目标值P₁。具体地说，控制部12判断从压力检测部20取得到的压力值是否成为第一目标值P₁。

在判断为激光介质流路16内的压力P成为第一目标值P₁(即“是”)的情况下，控制部12进入到步骤S13。另一方面，在判断为激光介质流路16内的压力P没有成为第一目标值P₁(即“否”)的情况下，控制部12返回到步骤S11。

在步骤S13中，控制部12使谐振器部14进行动作而开始放电。具体地说，控制部12对激光电源29发送指令，对设置在放电管28中的放电电极施加电压。由此，在放电管28内产生放电，生成激光。

在步骤S14中，控制部12判断是否接收到使激光振荡器10的动作结束的意思的指令。作为一例，在从用户或者上位控制器接收到激光振荡器10的操作(例如，工件的激光加工)全部结束的意思的指令时，控制部12判断为接收到激光振荡器10的动作结束指令(即“是”)。

当判断为接收到激光振荡器10的动作结束指令时，控制部12结束图3示出的流程。另一方面，当判断为没有接收到激光振荡器10的动作结束指令(即“否”)时，控制部12返回至步骤S1。

如上所述，在本实施方式中，将第二目标值P₂设定为比在步骤S5中判断为“是”的时刻的激光介质的压力P_n低的值。参照图4～图6说明该技术的意义。

图4是表示执行上述步骤S1～S13期间的时间t与鼓风机18的转速R之间的关系的图表。此外，图4示出设定为转速R₂＝0的情况。

另外，图5是表示在将第二目标值P₂设定为在步骤S5中判断为“是”的时刻的压力P_n的情况下的、执行步骤S1～S13期间的时间t与激光介质的压力P之间的关系的图表。

另外，图6是表示在将第二目标值P₂设定为比在步骤S5中判断为“是”的时刻的压力P_n低的值的情况下的、执行步骤S1～S13期间的时间t与激光介质的压力P之间的关系的图表。

图4～图6中的时刻t₁、t₂、t₃以及t₄分别相当于上述步骤S3的开始时刻、在步骤S5中判断为“是”的时刻、步骤S8的开始时刻以及步骤S13的开始时刻。如图4所示，在开始步骤S3之后，鼓风机18的转速R从时刻t₁逐渐减速，在时刻t₂中成为第二转速R₂＝0。

随着这样鼓风机18的转速R减少，如图5和图6所示，激光介质流路16内的、鼓风机18上游侧位置的压力P从压力P₁逐渐上升。而且，压力P在时刻t₂中成为压力P＝P_n(P_n>P₁)。

在此，如图5所示，考虑在从时刻t₂至时刻t₃为止期间(即，暂时停止期间)将压力P控制为压力P_n的情况。在该情况下，在时刻t₃中开始步骤S8，当鼓风机18的转速R从第二转速R₂(＝0)逐渐加速时，压力P与转速R成反比地减少。

而且，在时刻t₄中开始步骤S13，当在谐振器部14中开始进行放电时，通过放电而使激光介质的温度上升，其结果，激光介质的压力P如图5中的ΔP_b所示那样上升。

这样当产生压力上升幅度ΔP_b时，需要进一步将压力P控制为第一目标值P₁的操作，并且，直到使压力P稳定在第一目标值P₁为止需要更进一步的期间T₁。另外，为了抵消压力上升幅度ΔP_b，为了降低压力P，需要从激光介质流路16排出激光介质，因此会导致浪费激光介质。

为了消除这种由压力上升幅度ΔP_b引起的各种缺陷，在本实施方式中，在从时刻t₂至时刻t₃为止的暂时停止期间，将激光介质流路16的压力P控制为低于压力P_n的第二目标值P₂。

以下，参照图6说明本实施方式中的压力P的变化。此外，在图6中，为了进行比较，用实线70表示本实施方式所涉及的压力P的图表，另一方面，用虚线72表示图5示出的特性。

控制部12在从时刻t₂至时刻t₃为止的暂时停止期间，在步骤S6中，控制激光介质供排部22，使压力P从压力P_n降低至第二目标值P₂。

而且，在时刻t₃开始步骤S8，随着鼓风机18的转速R进行加速，压力P与转速R成反比地减少，在时刻t₄成为比第一目标值P₁低ΔP_a的压力P₃。

该值ΔP_a在时刻t₄开始步骤S13时，相当于由放电导致的激光介质的温度上升引起的压力上升幅度。能够通过试验的方法、理论或者模拟等推定该压力上升幅度ΔP_a。而且，例如上述式1所示，使用压力P_n、第一目标值P₁以及压力上升幅度ΔP_a决定第二目标值P₂。

在本实施方式中，通过将暂时停止期间的压力P控制为第二目标值P₂，在放电开始之后即使压力P仅上升压力上升幅度ΔP_a，也能够使上升后的压力P接近第一目标值P₁。由此，能够将压力P讯速地控制为第一目标值P₁。

另外，根据本实施方式，通过使放电开始后的压力P接近第一目标值P₁，在射出激光的情况下，能够将激光的激光功率和光束模式设为更正确且经时变化小的稳定的激光功率和光束模式。

另外，根据本实施方式，通过暂时停止谐振器部14的动作而使激光生成停止，并且使鼓风机18的旋转停止，因此能够抑制激光振荡器10的电力消耗量。

此外，在上述实施方式中，说明了第二目标值P₂按照式子1决定且设定为大于第一目标值P₁的值的情况。然而，并不限定于此，第二目标值P₂为低于上述压力P_n的值即可。例如，也可以将第二目标值P₂设定为与第一目标值P₁大致相同的值。

另外，在上述实施方式中，说明了控制部12在步骤S5和步骤S10中根据来自鼓风机逆变器32的反馈或者经过时间τ判断鼓风机18的转速R的情况。

然而，并不限定于此，例如也可以对鼓风机18设置例如编码器那样能够对鼓风机18的转速进行测量的旋转检测器。在该情况下，控制部12能够根据来自旋转检测器的输出信号判断鼓风机18的转速。

以上，通过发明的实施方式说明了本发明，但是上述实施方式并不限定于权利要求范围所涉及的发明。另外，将在本发明的实施方式中说明的特征进行组合的方式也可包含在本发明的技术范围，发明的解决方法不一定必须具备这些全部特征的组合。并且，能够对上述实施方式进行各种变更或者改良对于本领域技术人员来说也是显而易见的。

另外，在权利要求的范围、说明书以及附图中示出的装置、系统、程序以及方法中的动作、过程、步骤、工序以及阶段等各处理的执行顺序并没有明确指示为“更前”、“之前”等，并且只要不将前一个处理的输出使用于后一个处理，要注意可通过任意的顺序实现。关于权利要求的范围、说明书以及附图中的动作流程，方便起见即使使用“首先，”、“接着，”等进行了说明，也并不意味着必须以该顺序实施。

Claims (2)

1.一种激光振荡器，其特征在于，

具备：

控制部；

激光介质流路，其形成激光介质的流路；

谐振器部，其使用流过上述激光介质流路的上述激光介质生成激光；

鼓风机，其使上述激光介质在上述激光介质流路中流动；

压力检测部，其检测上述激光介质流路中的上述激光介质的压力；

激光介质供排部，其向上述激光介质流路供给上述激光介质，从上述激光介质流路排出上述激光介质；以及

暂时停止指令部，其向上述控制部指示上述谐振器部的激光生成的暂时停止，

在上述暂时停止指令部指示暂时停止前，上述控制部控制上述鼓风机使得上述鼓风机以预定的第一转速进行旋转，并且控制上述激光介质供排部使得上述压力成为第一目标值，

如果通过上述暂时停止指令部指示暂时停止，则上述控制部控制上述谐振器部来停止激光的生成动作，控制上述鼓风机而使该鼓风机的转速减速至小于上述第一转速的第二转速，控制上述激光介质供排部，使得上述压力成为比上述鼓风机的转速成为上述第二转速的时刻的上述压力更低的第二目标值，

当将上述第一目标值设为P₁、将上述第二目标值设为P₂、将上述鼓风机的转速成为上述第二转速的时刻的上述压力设为P_n、将在上述控制部使停止了的上述谐振器部的动作重新开始时的上述压力的上升幅度设为ΔP_a时，

使用P₂＝P_n-P_n×ΔP_a/P₁的式子求出上述第二目标值P₂。

2.根据权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，

上述第二转速为零。