JP2000357831A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウォータハンマ現象による光共振器における
振動を低減させ、レーザ光の出力、強度分布を安定化し
高品質の加工性能を得る。 【解決手段】 レーザ光を発生する光共振器と、二つ以
上の経路を並列に接続することで冷却媒質を循環させる
冷却媒質配管と、冷却媒質配管の各経路に設けた二以上
のバルブと、光共振器およびその周囲の雰囲気の温度を
検出する温度検出器とを備え、温度検出器からの信号を
もとにしてバルブを開閉し冷却媒質の流量を制御するこ
とにより温度を制御するとともに、二つ以上の各バルブ
を閉じるときのタイミングに、バルブ弁閉動作時間の２
〜５倍の時間差ΔＴを持たせた。これにより、各バルブ
が同時に閉じた時に光共振器の冷却媒質配管に生じるウ
ォータハンマ現象による振動を低減させることができる
ので、レーザ光の出力、強度分布を安定化し高品質の加
工性能を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ発振装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下に従来のレーザ発振装置について説
明する。図２は従来のレーザ発振装置の構造を示すもの
である。図２において、１はレーザ管、２はレーザ媒
質、３ａ，３ｂは平行に配置されたレーザ増幅用ミラ
ー、４はミラー３ａ，３ｂおよぴレーザ管１を保持する
ためのフランジ、５は筐体、６は熱交換器、７ａ，７ｂ
は温度検出器、８ａ，８ｂは温度制御器、９は冷却媒質
冷却器、１０ａ，１０ｂは冷却媒質配管、１１ａ，１１
ｂは冷却媒質配管途中に配置されたバルブである。

【０００３】以上のように構成されたレーザ発振装置に
ついて、その動作について説明する。レーザ管１内にレ
ーザ媒質２を充填させ、レーザ媒質２に電気的エネルギ
ーなどを加えることで励起させレーザ光を発生させる。
発生したレーザ光は平行に配置されたミラー３ａ，３ｂ
間を往復しながら増幅され共振状態となる。ミラー３
ａ，３ｂはフランジ４によって保持され、レーザ管１、
ミラー３ａ，３ｂ、フランジ４によって光共振器２０を
形成していた。この共振状態からレーザ光の一部がミラ
ー３ａから光共振器２０の外部へ取り出され、板金切断
などの加工に用いられていた。板金切断などの加工性能
はレーザ光の出力、強度分布に依存しており、レーザ光
の出力、強度分布などはミラー３ａ，３ｂの平行度に大
きな影響を受けるため、フランジ４によってミラー３
ａ，３ｂの平行度を維持していた。

【０００４】光共振器２０のなかで熱膨張によってミラ
ー３ａ，３ｂの平行度が不安定となることを防止するた
めに、ミラー３ａ，３ｂに取り付けられた温度検出器７
ｂからの信号をもとにして温度制御器８ｂによってバル
ブ１１ｂを開閉させ、ミラー３ａ，３ｂに循環されてい
る冷却媒質の流れを制御し、ミラー３ａ，３ｂを一定の
温度としていた。またフランジ４はレーザ媒質２に与え
られた電気的エネルギーのうち熱に変換したものからの
熱伝導により大きな熱量を与えられるため温度制御する
ためには多量の冷却媒質が必要になることから、全ての
冷却媒質が配管最上流部で、フランジ４を冷却するよう
に配管されていた。同様にフランジ４の温度は周囲の雰
囲気温度に強い影響を受けるので、熱交換器６、温度検
出器７ａ、温度制御器８ａ、バルブ１１ａによってフラ
ンジ４自身および雰囲気温度を一定の温度としていた。

【０００５】冷却媒質配管１０ａ，１０ｂによってミラ
ー３ａ，３ｂ、フランジ４、熱交換器６と冷却器９は接
続され、この配管内を冷却媒質が循環し、ミラー３ａ，
３ｂ、フランジ４、熱交換器６から吸熱して温度が上昇
した冷却媒質は冷却媒質冷却器９によって冷却されてい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の構
成では、フランジ４およびその周囲温度を一定の温度に
制御するために冷却媒質配管１０ａ，１０ｂの途中に配
置されたバルブ１１ａ，１１ｂを開閉させて冷却媒質を
流したり止めたりしていたので、冷却媒質の流れが止ま
った瞬間にウォータハンマ現象により冷却媒質配管１０
ａ，１０ｂの冷却媒質の流れがせき止められ、その上流
側に配置されているフランジ４内の圧力の上昇を生じて
いた。ウォータハンマ現象による圧力上昇は冷却媒質の
密度と圧力波の伝播速度と冷却媒質の流速変化量の積に
よって決まるため、流速が大きいほど発生する圧力も大
きくなる。

【０００７】図３は従来のレーザ発振装置における冷却
媒質配管バルブの開閉制御図である。図３に示すよう
に、特にバルブ１１ａ，１１ｂが同時に閉じた場合、両
者の流速変化量が足し合わされた状態でフランジ４の配
管に加わるため、フランジ４の配管内の圧力が急激に上
昇していた。この急激な圧力上昇は機械的エネルギーと
なりフランジ４の配管に振動が発生していた。

【０００８】バルブ１１ａ，１１ｂが別々に閉じた場合
は通常動作時に頻繁に起こる振動であるため、これらの
振動を十分考慮した上でフランジ４の強度設計がなされ
ていたが、同時に閉じる場合は頻度が比較的少なく、ま
たフランジ４の強度をさらに上げることはコストの増大
に繋がることから各バルブ１１ａ，１１ｂが同時に閉じ
ることについては考慮されていなかった。

【０００９】このようにしてバルブ１１ａ，１１ｂが同
時に閉じた場合に配管最上流部にあるフランジ４におい
て発生し振動は、ミラー３ａ，３ｂに伝わり、これらの
平行度が変化し、レーザ光の出力、強度分布が不安定と
なっていた。

【００１０】このようにレーザ光の出力が不安定となる
ことから、板金切断の場合ではその切断面粗さが悪化
し、またレーザ光の強度分布が不安定になることから切
断面粗さに方向性が生じるといった問題点が存在してい
た。

【００１１】したがって、この発明の目的は、上記従来
の問題点を解決するもので、冷却媒質配管に生じたウォ
ータハンマ現象による光共振器における振動を低減させ
ることにより、レーザ光の出力、強度分布を安定化し高
品質の加工性能を得ることができる安価なレーザ発振装
置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明の請求項１記載のレーザ発振装置は、レーザ
媒質を励起しレーザ光を発生する光共振器と、この光共
振器およびその周囲の雰囲気を冷却する冷却媒質と、全
ての冷却媒質が配管の最上流部で光共振器を冷却するよ
うに配管され、かつ少なくとも二つ以上の経路を並列に
接続することで冷却媒質を循環させる冷却媒質配管と、
この冷却媒質配管の各経路にそれぞれ設けた少なくとも
二つ以上のバルブと、光共振器およびその周囲の雰囲気
の温度をそれぞれ検出する少なくとも二つ以上の温度検
出器とを備え、温度検出器からの信号をもとにしてバル
ブを開閉し冷却媒質の流量を制御することにより光共振
器およびその周囲の雰囲気の温度を制御するとともに、
少なくとも二つ以上の各バルブを閉じるときのタイミン
グに、バルブ弁閉動作時間の２〜５倍の時間差を持たせ
たことを特徴とする。

【００１３】このように、温度検出器からの信号をもと
にしてバルブを開閉し冷却媒質の流量を制御することに
より光共振器およびその周囲の雰囲気の温度を制御する
とともに、少なくとも二つ以上の各バルブを閉じるとき
のタイミングに、バルブ弁閉動作時間の２〜５倍の時間
差を持たせたので、各バルブが同時に閉じた時に光共振
器の冷却媒質配管に生じるウォータハンマ現象による振
動を低減させることができる。このため、レーザ光の出
力、強度分布を安定化し高品質の加工性能を得ることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１に基
づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態における
レーザ発振装置の冷却媒質配管バルブ制御図である。こ
のレーザ発振装置は、図２の従来例の構成と同様に、レ
ーザ媒質２を励起しレーザ光を発生する光共振器２０
と、この光共振器２０およびその周囲の雰囲気を冷却す
る冷却媒質と、全ての冷却媒質が配管の最上流部で光共
振器２０を冷却するように配管され、かつ少なくとも二
つ以上の経路を並列に接続することで冷却媒質を循環さ
せる冷却媒質配管１０ａ，１０ｂと、この冷却媒質配管
１０ａ，１０ｂの各経路にそれぞれ設けた少なくとも二
つ以上のバルブ１１ａ，１１ｂと、光共振器２０および
その周囲の雰囲気の温度をそれぞれ検出する少なくとも
二つ以上の温度検出器７ａ，７ｂとを備えている。

【００１５】光共振器２０はレーザ管１、ミラー３ａ，
３ｂおよびフランジ４によって形成されている。ミラー
３ａ，３ｂには温度検出器７ａ，７ｂが取付けられ、温
度制御器８ｂによってバルブ１１ｂを開閉させる。ま
た、光共振器２０の周囲に熱交換器６、温度検出器７
ａ、温度制御器８ａ、バルブ１１ａが配置されている。
そして、冷却媒質配管１０ａ，１０ｂによってミラー３
ａ，３ｂ、フランジ４、熱交換器６と筐体５の外側にあ
る冷却媒質冷却器９とが接続され、この配管内を冷却媒
質が循環し、ミラー３ａ，３ｂ、フランジ４、熱交換器
６から吸熱して温度が上昇した冷却媒質は冷却媒質冷却
器９によって冷却される。使用状態では、温度検出器７
ａ，７ｂからの信号をもとにしてバルブ１１ａ，１１ｂ
を開閉し冷却媒質の流量を制御することにより光共振器
２０およびその周囲の雰囲気の温度を制御する。この制
御を図１に示す。

【００１６】図１において、横軸は時間ｔ（ｓｅｃ）
で、縦軸は上から温度検出器７ａの温度（℃）、温度検
出器７ｂの温度（℃）、バルブ１１ａの開閉、バルブ１
１ｂの開閉、フランジ４内圧力（Ｐａ）、レーザ出力
（Ｗ）である。図１に示すように、温度検出器７ａ，７
ｂからの信号が温度制御器８に入りバルブ１１ａ，１１
ｂを閉じる際に、どちらかのバルブが閉じてから時間Δ
Ｔ（ｓｅｃ）が経過する間はもう一方のバルブは閉じる
動作を行うことができず、ΔＴ（ｓｅｃ）後にはじめて
閉じることが可能となるように温度制御器８で制御する
構成としている。ウォータハンマ現象により圧力上昇が
発生する時間は通常バルブの弁閉動作時間に対してその
１．５倍程度の時間であるので、温度制御器８でどちら
かのバルブが閉じてからもう一方のバルブが閉じる動作
を行うことが可能になるまでの時間差ΔＴをバルブ弁閉
動作時間の２倍以上であれば充分に、両バルブのウオー
タハンマ現象の足し合わせによる急激な圧力上昇を防止
することができる。しかし、このとき時間差ΔＴが大き
すぎバルプを閉じるまでに時間がかかりすぎる場合に
は、フランジ４などの光共振器２０が必要以上に冷却さ
れ温度が低下し、熱膨張によりミラー３ａ，３ｂの平行
度が悪化する。これを防止するために、時間差ΔＴは最
大でバルブ弁閉動作時間の５倍としている。通常、バル
ブ弁閉動作時間は数百ｍｓであるので、時間差ΔＴがこ
の５倍の時間としても２〜３秒以下とすることができ、
これは光共振器２０の通常の温度コントロール周期約６
０秒に対して充分小さい数値であり熱膨張によるミラー
３ａ，３ｂの平行度の悪化は発生しない。

【００１７】以上のようにこの実施の形態によれば、各
バルブ１１ａ，１１ｂを閉じるときのタイミングに、バ
ルブ弁閉動作時間の２〜５倍の時間差を持たせたので、
各バルブ１１ａ，１１ｂが同時に閉じた時に光共振器２
０の冷却媒質配管１１ａ，１１ｂに生じるウォータハン
マ現象による振動を低減させることができる。このた
め、レーザ光の出力、強度分布を安定化し高品質の加工
性能を得ることができる。

【００１８】なお、冷却媒質配管は、少なくとも二つ以
上の経路を並列に接続することで冷却媒質を循環させる
構成であればよい。

【００１９】

【発明の効果】この発明のレーザ発振装置によれば、温
度検出器からの信号をもとにしてバルブを開閉し冷却媒
質の流量を制御することにより光共振器およびその周囲
の雰囲気の温度を制御するとともに、少なくとも二つ以
上の各バルブを閉じるときのタイミングに、バルブ弁閉
動作時間の２〜５倍の時間差を持たせたので、各バルブ
が同時に閉じた時に光共振器の冷却媒質配管に生じるウ
ォータハンマ現象による振動を低減させることができ
る。このため、レーザ光の出力、強度分布を安定化し高
品質の加工性能を得ることができる優れた効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態におけるレーザ発振装置
の冷却媒質配管バルブの開閉制御図である。

【図２】従来のレーザ発振装置の概念図である。

【図３】従来のレーザ発振装置におけるレーザ発振装置
の冷却媒質配管バルブの開閉制御図である。

【符号の説明】

１ レーザ管 ２ レーザ媒質 ３ａ レーザ増幅用ミラー ３ｂ レーザ増幅用ミラー ４ フランジ ５ 筐体 ６ 熱交換器 ７ａ 温度検出器 ７ｂ 温度検出器 ８ａ 温度制御器 ８ｂ 温度制御器 ９ 冷却媒質冷却器 １０ａ 冷却媒質配管 １０ｂ 冷却媒質配管 １１ａ バルブ １１ｂ バルブ ２０ 光共振器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質を励起しレーザ光を発生する
   光共振器と、この光共振器およびその周囲の雰囲気を冷
   却する冷却媒質と、全ての冷却媒質が配管の最上流部で
   前記光共振器を冷却するように配管され、かつ少なくと
   も二つ以上の経路を並列に接続することで前記冷却媒質
   を循環させる冷却媒質配管と、この冷却媒質配管の各経
   路にそれぞれ設けた少なくとも二つ以上のバルブと、前
   記光共振器およびその周囲の雰囲気の温度をそれぞれ検
   出する少なくとも二つ以上の温度検出器とを備え、前記
   温度検出器からの信号をもとにして前記バルブを開閉し
   前記冷却媒質の流量を制御することにより前記光共振器
   およびその周囲の雰囲気の温度を制御するとともに、少
   なくとも二つ以上の前記各バルブを閉じるときのタイミ
   ングに、バルブ弁閉動作時間の２〜５倍の時間差を持た
   せたことを特徴とするレーザ発振装置。