JP2005209832A - レーザ発振装置とその製造方法およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 遠心送風機を用いたレーザ発振装置およびレーザ加工機において、特にガス消費量抑制によるランニングコスト低減、および長期に渡って安定して使用できる信頼性の高い装置を提供する。
【解決手段】 遠心送風機のシャフト部と、シャフト部を回転させる駆動部と、翼車部と駆動部とを分離する隔壁部とを備え、隔壁部の表面部は、樹脂および金属を含むコーティングで構成され、樹脂材料としてテフロン（登録商標)を用い、コーティングとして、ニッケルを主成分とする無電解メッキを用い、テフロン（登録商標)の体積含有率は１５％以上、６０％以下とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は遠心送風機を用いたレーザ発振装置とその製造方法およびレーザ加工機に関する。

図６に従来におけるレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。以下、図６を参照しながら従来のレーザ発振装置を説明する。

この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２,３はそれぞれ放電管１周辺に設けられた電極である。４は電極２，３にそれぞれ接続された電源である。５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡である。５８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。矢印９はレーザガスの流れる方向を示している。

１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と遠心送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、４３はレーザガスを循環させるための送風手段で、例えば、後述の遠心送風機などが用いられる。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。

図７は従来におけるレーザ加工機の概略構成の一例を示す。以下、図７を参照しながら従来のレーザ加工機を説明する。

この図に於いて、図６で示した上述のレーザ発振装置から出力されたレーザビーム５８は、反射鏡１５にて反射され、ワーク１６近傍へ導かれる。レーザビーム５８は、トーチ１７内部に備えられた集光レンズ１８によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク１６に照射され、加工が行われる。ワーク１６は加工テーブル１９上に固定されており、Ｘ軸モータ２０あるいはＹ軸モータ２１によって、トーチ１７はワーク１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。

図８にレーザ発振装置における遠心送風機周辺の構造を示す。

重力方向に対して、遠心送風機４３におけるモータ２２は、下側にモータステータ２２ｂが配置され、モータロータ２２ａは重力方向に対して鉛直方向に配置されている。モータロータ２２ａと結合したシャフト２９の先端に、翼車２３およびディヒューザ２４が備えられている。レーザガスは、重力方向の上方向より吸入口２５から吸入され、翼車２３の回転による遠心力によって運動エネルギを与えられ、その後、ディヒューザ２４によって、運動エネルギは圧力へと変換され、吸入口２５よりも約１．５倍程度の圧力となったガスは、吐出口２６より吐き出される。

遠心送風機４３下部のモータ２２が収納されたケーシング３１部分には、オイル２７が収納され、ベアリング２８の潤滑およびモータロータ２２ａの冷却を行っている。このオイル２７より発生したオイルミストが、翼車２３が循環させているレーザガス中に侵入するとレーザガスの純度が低下し、レーザ発振に大きな不具合をもたらすことになる。よってオイルミストのレーザガス循環部（レーザガス流路１０）への侵入を抑制するため、隔壁部５０が設けられ、モータ室５４とガス循環室３５とを分離している。隔壁部５０とシャフト２９の間は数１００μｍの隙間（図９に示すような隙間５７）が設けられており、シャフトの回転を阻害しないような構成となっている。

上述のように、隔壁部５０には数１００μｍの隙間があるため、真空拡散によりオイルミストが隙間を通って、モータ室５４からガス循環室３５へ侵入してしまう。これを防ぐため、真空ポンプ３２によって、モータ室５４より常時一定量のガスを排気し、ガス循環室３５よりモータ室５４の方が低圧になるように構成している。モータ室５４〜真空ポンプ３２間には電磁弁３３が備えられており、必要に応じて開閉を行っている。

隔壁部５０の詳細構造を図９に示す。シャフト２９と金属シール３６との間には、数１００μｍの隙間５７が設けられており、その隙間５７を常時一定量のレーザガスが流れている。この常時流れているレーザガスによって、モータ室５４からガス循環室３５へのオイルミストの侵入が防止出来る。

シャフト２９と金属シール３６との間の隙間５７を流れるレーザガスは、そのまま真空ポンプ３２より外部へ排気されるものであり、排気された分のレーザガスは別途別系統にてガス循環室３５に供給する必要がある。これがレーザ発振装置およびレーザ加工機におけるレーザガスの単位時間当たりの消費量となり、ランニングコストの大きなウエイトを占めるものである。

よって如何にレーザガスの単位時間当たりの消費量を低減するかが、ランニングコスト低減の上で、大きな課題となっていた。レーザガス消費量を低減させるためには、隙間５７を狭くする事が必要である。しかし一般的に、隙間５７を通過するレーザガス中には、レーザガス放電によるスパッタリング粒子や、部品組み立て工程でやむを得ず侵入する微細粒子が含まれ、隙間５７を狭く（数１０μｍ）した場合、粒子の詰りなどによる信頼性の低下が起きる恐れがあった。

また隙間５７に関する従来例としては、単に金属シール３６の形状寸法を規定したものであり、異物の詰まりなどを防ぐ手立てはなされていない（例えば、特許文献１参照）。

また、金属シール３６にテフロン（登録商標)母材自体を使用し、軸とあえて接触させる事で、経時的なテフロン（登録商標)の磨耗により最小限の隙間を形成させるという別の従来例（例えば、特許文献２参照）もあるが、本実施の形態とは異なるものである。

その他の従来例として、金属シール３６表面に樹脂材料のみでコーティングする案が考えられたが、隙間５７を精度良く確保する事が出来ず、実現性に乏しかった。
特開平８―３５７３１号公報 特願２００２−３７４４０６

本発明は、上記問題点を解決するために、
レーザ媒体を励起する放電手段と、レーザガスを送風する送風手段と、前記放電手段と送風手段との間のレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路とを備え、前記送風手段は先端に翼車部を設けたシャフト部と、前記シャフト部を回転させる駆動部と、翼車部と駆動部とを分離する隔壁部とを有し、前記隔壁部の表面部は、樹脂および金属でコーティングされたり、樹脂としてテフロン（登録商標)を用いたり、ニッケルを主成分とする無電解メッキを用いてコーティングしたり、テフロン（登録商標)の体積含有率は１５％以上、６０％以下であるレーザ発振装置、およびレーザ発振装置を有したレーザ加工機であ
る。

この構成により、ランニングコストの低減や、長期に渡って安定して使用できる信頼性の高いレーザ発振装置やレーザ加工機を実現することが出来る。

以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ発振装置およびレーザ加工機によれば、特にガス消費量抑制によるランニングコスト低減、および長期に渡って安定して使用できる信頼性の高いレーザ発振装置やレーザ加工機を提供できる。

以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。
（実施の形態）
図１に本実施の形態におけるレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。

以下、図１を参照しながら詳細に説明する。

この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２，３はそれぞれ放電管１周辺に設けられた電極である。４は電極２，３にそれぞれ接続された電源である。５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡である。８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。矢印９はレーザガスの流れる方向を示している。

１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と遠心送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風手段で、例えば、後述の遠心送風機などが用いられる。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。

次に、図２にレーザ発振装置における遠心送風機周辺の構造を示す。
重力方向に対して、遠心送風機１３におけるモータ２２は、下側にモータステータ２２ｂが配置され、モータロータ２２ａは重力方向に対して鉛直方向に配置されている。モータロータ２２ａと結合したシャフト２９の先端に、翼車２３およびディヒューザ２４が備えられている。レーザガスは、重力方向の上方向より吸入口２５から吸入され、翼車２３の回転による遠心力によって運動エネルギを与えられ、その後、ディヒューザ２４によって、運動エネルギは圧力へと変換され、吸入口２５よりも約１．５倍程度の圧力となったガスは、吐出口２６より吐き出される。

遠心送風機１３下部のモータ２２が収納されたケーシング３１部分には、オイル２７が収納され、ベアリング２８の潤滑およびモータロータ２２ａの冷却を行っている。このオイル２７より発生したオイルミストが、翼車２３が循環させているレーザガス中に侵入するとレーザガスの純度が低下し、レーザ発振に大きな不具合をもたらすことになる。よってオイルミストのレーザガス循環部（レーザガス流路１０）への侵入を抑制するため、隔壁部３０が設けられ、モータ室３４とガス循環室３５とを分離している。隔壁部３０とシャフト２９の間は、図３に示すような隙間３７が設けられており、シャフトの回転を阻害しないような構成となっている。

上述のように、隔壁部３０には隙間３７があるため、通常では真空拡散によりオイルミストが隙間を通って、モータ室３４からガス循環室３５へ侵入してしまうため、真空ポンプ３２によって、モータ室３４より常時一定量のガスを排気し、ガス循環室３５よりモータ室３４の方が低圧になるように構成し、モータ室３４〜真空ポンプ３２間に設けられた
電磁弁３３を必要に応じて開閉している。

隔壁部３０の詳細構造を図３に示す。シャフト２９と金属シール３６との間には、隙間３７が設けられており、その隙間を常時一定量のレーザガスが流れている。この常時流れているレーザガスによって、モータ室３４からガス循環室３５へのオイルミストの侵入が防止出来る。

通常、シャフト２９はステンレスなど、金属シール３６は銅系の材料などで構成されており、図３において、シャフト２９と金属シール３６の表面には、例えばＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）粒子を含むニッケルメッキのコーティング３８がなされている。

したがって、万一、隙間３７に異物が侵入した場合であっても、表面がＰＴＦＥ粒子を含むニッケルメッキでコーティングされているため、通常の金属表面に比べて、非常にすべり性に優れ、異物の進入時に隙間が詰まるなどの不具合が発生する可能性を低減出来る。また撥水性にも優れるため、隙間３７におけるコーティング３８表面への特にウエットな異物の付着を低減する効果もある。

本実施の形態によって、隙間３７を従来における数１００μｍよりも機械精度が許す範囲で限りなく小さくする事が出来るため、隙間３７を通過するレーザガス量を低減でき、単位時間当たりのレーザガス消費量抑制による大幅なランニングコスト低減を図ることが出来る。

以上のように、本実施の形態においては、金属材料中に１５％以上、６０％以下の樹脂を含む構成としているため、金属材料によって寸法精度を確保し、また樹脂材料によってすべり性を確保できる。

すなわち寸法精度とすべり性を両立できる。特にニッケルを主成分とする無電解メッキ中に、樹脂材料の中でも高いすべり性を有するテフロン（登録商標)を用いたものが、寸法精度をすべり性とを両立させる事で優れている。またレーザガス中で使用する材料として、樹脂や金属よりガスが発生しレーザガス中に混入すると、レーザ特性の低下を招くため、その点からも、ニッケルおよびテフロン（登録商標)の使用は好ましい。

図４はニッケルメッキ中に含まれるテフロン（登録商標)の体積含有率と動摩擦係数および剥離性を示したものである。テフロン（登録商標)の体積含有率が１５％未満では動摩擦係数が上昇し、充分なすべり性を確保できない事が判る。一方、テフロン（登録商標)の体積含有率が６０％より大きい場合、メッキ中からのテフロン（登録商標)粒子の離脱が発生し、コーティング自体を確保出来なくなる。よってテフロン（登録商標)の体積含有率は１５％以上、６０％以下が好適である。

図５は本実施の形態におけるレーザ加工機の概略構成の一例を示す。以下、図５を参照しながらレーザ加工機を説明する。

この図に於いて、図１で示した上述のレーザ発振装置から出力されたレーザビーム８は、反射鏡１５にて反射され、ワーク１６近傍へ導かれる。レーザビーム８は、トーチ１７内部に備えられた集光レンズ１８によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク１６に照射され、加工が行われる。ワーク１６は加工テーブル１９上に固定されており、数値制御装置（図示せず）によりＸ軸モータ２０あるいはＹ軸モータ２１が制御されたトーチ１７は、ワーク１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。

なお、数値制御装置で加工テーブル１９を駆動制御することにより、所定の形状の加工
を行ってもよい。

また、数値制御装置で、トーチ１７と加工テーブル１９の両方を駆動制御することにより、所定の形状の加工を行ってもよい。

本発明のレーザ発振装置およびレーザ加工機は、特にガス消費量抑制によるランニングコスト低減、および長期に渡って安定して使用できる信頼性の高いレーザ発振装置やレーザ加工機を提供することができ、産業上有用である。

本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の概略構成図 同実施の形態におけるレーザ発振装置の遠心送風機部の構造図 同実施の形態におけるレーザ発振装置の隔壁部の構造図 同実施の形態におけるニッケルメッキ中に含まれるテフロン（登録商標)の体積含有率と動摩擦係数および剥離性を示した図 同実施の形態におけるレーザ加工機の概略構成図 従来におけるレーザ発振装置の概略構成図 従来におけるレーザ加工機の概略構成図 従来におけるレーザ発振装置の遠心送風機部の構造図 従来におけるレーザ発振装置およびレーザ加工機の隔壁部の構造図

符号の説明

１ 放電管
２，３ 電極
４ 電源
５ 放電空間
６ 全反射鏡
７ 部分反射鏡
８ レーザビーム
９ レーザガスの流れる方向
１０ レーザガス流路
１１，１２ 熱交換器
１３ 遠心送風機
１４ レーザガス導入部
１５ 反射鏡
１６ ワーク
１７ トーチ
１８ 集光レンズ
１９ 加工テーブル
２０ Ｘ軸モータ
２１ Ｙ軸モータ
２２ モータ
２２ａ モータロータ部
２２ｂ モータステータ部
２３ 翼車
２４ ディヒューザ
２５ 吸入口
２６ 吐出口
２７ オイル
２８ ベアリング
２９ シャフト
３０ 隔壁部
３１ ケーシング
３２ 真空ポンプ
３３ 電磁弁
３４ モータ室
３５ ガス循環室
３６ 金属シール
３７ 隙間
３８ コーティング

Claims (8)

1. レーザ媒体を励起する放電手段と、レーザガスを送風する送風手段と、前記放電手段と送風手段との間の前記レーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路とを備え、前記送風手段は先端に翼車部を設けたシャフト部と、前記シャフト部を回転させる駆動部と、前記翼車部と前記駆動部とを分離する隔壁部とを有し、前記隔壁部の表面部は、樹脂および金属でコーティングされたレーザ発振装置。
2. 樹脂はテフロン（登録商標)である請求項１記載のレーザ発振装置。
3. 金属はニッケルを主成分とする無電解メッキを用いたコーティングである請求項２記載のレーザ発振装置。
4. テフロン（登録商標)の体積含有率は１５％以上、６０％以下である請求項２または３記載のレーザ発振装置。
5. レーザガスを送風手段によってレーザガス経路を循環させるレーザ発振装置の製造方法において、前記送風手段は先端に翼車部を設けたシャフト部と、そのシャフト部を回転させる駆動部と、前記翼車部と前記放駆動部とを分離する隔壁部とを有し、前記隔壁部の表面は樹脂および金属でコーティングし、前記シャフト部と前記隔壁部の隙間を機械精度が許す限り範囲で限りなく小さくするレーザ発振装置の製造方法。
6. ニッケルを主成分とする無電解メッキを用いてコーティングする請求項５記載のレーザ発振装置の製造方法。
7. テフロン（登録商標)の体積含有率は１５％以上、６０％以下である請求項６記載のレーザ発振装置の製造方法。
8. 加工用ワークを載せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工用トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御装置と、レーザ光を発生する請求項１から４のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたレーザ加工機。

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