JP2008091444A - Gas laser oscillator and laser machining system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、3軸直交型と称されるガスレーザ発振器及び前記3軸直交型のガスレーザ発振器を用いて複数軸での同時加工を実施するレーザ加工システムに関するものである。 The present invention relates to a gas laser oscillator referred to as a three-axis orthogonal type and a laser processing system that performs simultaneous processing on a plurality of axes using the three-axis orthogonal type gas laser oscillator.
図8は、従来のレーザ加工システムの構成例を示すブロックである。レーザ加工システムでは、加工品質は言うまでもなく、高生産性が求められるので、例えば図8に示すように、レーザ光源が射出する1本のレーザビームを複数本(図8に示す例では2本)に振り分けて被加工物であるワーク(図8に示す例では2つのワーク)に照射し、複数軸(図8に示す例では2軸)での同時加工を可能にする構成が採用される場合がある。 FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of a conventional laser processing system. In the laser processing system, high productivity is required, not to mention processing quality. For example, as shown in FIG. 8, a plurality of laser beams emitted from the laser light source are emitted (two in the example shown in FIG. 8). Is applied to a workpiece (two workpieces in the example shown in FIG. 8) and enables simultaneous machining on multiple axes (two axes in the example shown in FIG. 8). There is.
図8に示すレーザ加工システムは、レーザ光源として1本のレーザビーム46を射出するレーザ発振器40と、ワーク42a,42bがそれぞれ載置される2つのワークテーブル41a,41bと、レーザ発振器40の射出レーザビーム46を2つのワークテーブル41a,41b上にそれぞれ載置されるワーク42a,42bに伝送する光学システム43a,43b,43cと、これらの各要素を制御する制御装置44とを備えている。
The laser processing system shown in FIG. 8 has a
動作について説明する。レーザ発振器40は、ここでは、ガスレーザ発振器であるが、制御装置44からレーザ発振の条件(タイミングや強度、時間幅)の制御を受けながらレーザ発振を行い、レーザビーム46を光学システム43aに出力する。
The operation will be described. The
光学システム43aは、制御装置44の制御下に、レーザ発振器40の射出レーザビーム46をエネルギー分割方式あるいは時分割方式によって光学システム43bへの経路と光学システム43cへの経路との2方向に振り分ける。なお、エネルギー分割方式とは、入射するレーザビームをそのエネルギーを分割して2つの経路に振り分ける方法である。また、時分割方式とは、入射するレーザビームを音響光学偏向素子などの光学的スイッチング素子を用いて時間的に2つの経路に振り分ける方法である。
Under the control of the
光学システム43bは、制御装置44の制御下に、光学システム43aから入射するレーザビーム46aを整形するとともに、2次元走査してワークテーブル41a上に載置されるワーク42aに集光照射するレーザビーム47aを生成する。同様に、光学システム43cは、制御装置44の制御下に、光学システム43aから入射するレーザビーム46bを整形するとともに、2次元走査してワークテーブル41b上に載置されるワーク42bに集光照射するレーザビーム47bを生成する。
The
ここで、レーザ加工システムの評価項目として重要な加工品質及び生産性は、図8に示す構成例で言えば次のように決定される。 Here, processing quality and productivity important as evaluation items of the laser processing system are determined as follows in the configuration example shown in FIG.
すなわち、加工品質は、レーザ発振器40や光学システム43(a,b,c)によって決定されるワーク42(a,b)に照射するレーザビームの空間的ビームモードや、単位時間当たりに照射するレーザパルスエネルギーやビーム照射休止時間などの時間的なビーム照射方法などによって決定される。
That is, the processing quality is determined by the spatial beam mode of the laser beam irradiated to the workpiece 42 (a, b) determined by the
また、生産性は、レーザ発振器40や光学システム43(a,b,c)での出力ロスにより決定されるワーク42(a,b)へのレーザ出力や、光学システム43(a,b,c)やそれを制御する制御装置44によって決定されるビーム照射位置の移動速度、ワーク42(a,b)を保持しているワークテーブル41(a,b)の移動速度、一度にビーム照射するビーム本数などによって決定される。
Further, the productivity is determined by the laser output to the workpiece 42 (a, b) determined by the output loss in the
このように、レーザ加工システムの性能上重要な加工品質及び生産性は、いずれもレーザ発振器40及び光学システム43(a,b,c)によって決定されているといっても過言ではない。レーザ発振器40について言えば、高出力化が求められているので、次に、高出力化を可能にするガスレーザ発振器として、3軸直交型と称されているガスレーザ発振器について説明する。
Thus, it is no exaggeration to say that both processing quality and productivity important for the performance of the laser processing system are determined by the
図9及び図10は、従来の3軸直交型ガスレーザ発振器の構成例を示す概念図である。なお、図9は、光軸方向に沿った断面図であり、図10は、光軸に垂直な方向に沿った断面図である。 9 and 10 are conceptual diagrams showing a configuration example of a conventional three-axis orthogonal gas laser oscillator. 9 is a cross-sectional view along the optical axis direction, and FIG. 10 is a cross-sectional view along the direction perpendicular to the optical axis.
図9及び図10において、真空容器50には、レーザ媒質である混合ガスが充填されている。この真空容器50内に、図示例で言えば真空容器50内の高さ方向の上段側に、所定の長さ(長軸)と幅(短軸)と肉厚とを有する板状の放電電極51a,51bが所定の放電ギャップを置いて対向配置されている。
9 and 10, the
この対をなす放電電極51a,51bに対して、その長軸方向の一端側に半透境である部分反射鏡(PR)52が配置され、他端側に全反射鏡(TR)53が配置され、さらに放電電極51a,51bの長軸方向他端側と全反射鏡53との間にレーザ発振の発振モードを規定する横モード制限用アパーチャ54が介挿されている。つまり、放電電極51a,51bの長軸方向がレーザ光軸方向になっている。
For this pair of discharge electrodes 51a and 51b, a semi-transparent partial reflecting mirror (PR) 52 is disposed on one end side in the major axis direction, and a total reflecting mirror (TR) 53 is disposed on the other end side. Further, a transverse mode limiting aperture 54 that defines the oscillation mode of laser oscillation is interposed between the other end in the major axis direction of the discharge electrodes 51a and 51b and the
そして、真空容器50内の高さ方向の下段側に、送風機55と熱交換器56とが配置され、送風機55と放電電極51a,51bの放電ギャップとの間にガスダクト57が設けられている。このガスダクト57によって、送風機55が高速に吹き出すレーザ媒質である混合ガスのガス流58aを放電電極51a,51bの放電ギャップに短軸方向である真横方向から供給し、その放電ギャップを通過したガス流48bを送風機55に取り込む循環ガス供給路が形成されている。熱交換器56は、帰還するガス流58bの経路途中に設けられている。
And the
以上の構成において、放電電極51a,51bに高周波電力を印加することで、その電極間(放電ギャップ)に励起放電60が形成され、部分反射鏡52と横モード制限用アパーチャ54と全反射鏡53とで構成される光共振器によってレーザ発振が行われ、部分反射鏡52からレーザビーム61が真空容器50の外部に出力される。
In the above configuration, by applying high frequency power to the discharge electrodes 51a and 51b, an excitation discharge 60 is formed between the electrodes (discharge gap), and the
このとき、投入電力が大きいと、励起されるガス温度が高くなり、励起効率が低下するので、放電電極51a,51bの放電ギャップ内の高温ガスを送風機55、ガスダクト57及び熱交換器56によって常に冷却しながら真横方向に流しきるようにしている。これによって、光共振器内では、励起放電60が常に高い発振効率の得られる状態に保たれるので、安定して高いレーザ出力が得られる。
At this time, if the input power is large, the temperature of the excited gas increases and the excitation efficiency decreases, so that the high temperature gas in the discharge gap of the discharge electrodes 51a and 51b is always supplied by the
このように、図9及び図10に示す構成のガスレーザ発振器は、放電方向とガス流方向とレーザ光軸方向とがそれぞれ直交していることから「3軸直交型」なる呼称が付されているが、高出力に向いたガスレーザ発振器として知られている。 As described above, the gas laser oscillator configured as shown in FIGS. 9 and 10 is named “3-axis orthogonal type” because the discharge direction, the gas flow direction, and the laser optical axis direction are orthogonal to each other. However, it is known as a gas laser oscillator suitable for high output.
ところで、図9及び図10に示す構成において、更なる高出力化を実現するには、放電体積を大きくする方法、或いは、放電電力密度を大きくする方法の何れかの方法が必要である。放電体積を大きくするには、レーザ発振器全体を大きくすればよい。一方、放電電力密度を大きくするには、投入電力を大きくするための電源開発が必要となる。技術的な困難さなどの理由から、レーザ発振器全体を大きくする措置を採ることになる。 By the way, in the configuration shown in FIGS. 9 and 10, in order to realize further higher output, either a method of increasing the discharge volume or a method of increasing the discharge power density is required. To increase the discharge volume, the entire laser oscillator may be enlarged. On the other hand, in order to increase the discharge power density, it is necessary to develop a power source for increasing the input power. For reasons such as technical difficulties, measures will be taken to enlarge the entire laser oscillator.
しかし、この措置は、小型化の要請に逆行するので、従来では、レーザ発振器の巨大化を防ぎ、比較的コンパクトな構成で高出力化を狙うことのできる3軸直交型ガスレーザ発振器が提案されている(例えば、特許文献1,2等)。以下にその概要を示す。 However, since this measure goes against the demand for miniaturization, a three-axis orthogonal gas laser oscillator that can prevent the enlargement of the laser oscillator and aim for higher output with a relatively compact configuration has been proposed. (For example, Patent Documents 1 and 2). The outline is shown below.
例えば、特許文献1では、図11及び図12に示す構成の3軸直交型ガスレーザ発振器が開示されている(以降、「改良例1」という)。なお、図11は、光軸方向に沿った断面図であり、図12は、光軸に垂直な方向に沿った断面図である。 For example, Patent Document 1 discloses a three-axis orthogonal gas laser oscillator having the configuration shown in FIGS. 11 and 12 (hereinafter referred to as “improved example 1”). 11 is a cross-sectional view along the optical axis direction, and FIG. 12 is a cross-sectional view along the direction perpendicular to the optical axis.
図11及び図12において、真空容器50内の高さ方向の上段側に、3つの放電電極70a,70b,70cを所定の放電ギャップを置いていわばサンドイッチ形式に重ねて配置されている。そして、一方の対をなす放電電極70b,70aに対しては、その長軸方向一端側に全反射鏡(TR)71が配置され、その長軸方向他端側に折り返しミラー72aを配置されている。また、他方の対をなす放電電極70b,70cに対しては、その長軸方向一端側に半透境である部分反射鏡(PR)73が配置され、その長軸方向他端側に折り返しミラー72bが折り返しミラー72aと傾いた状態で対面するように配置されている。
11 and 12, three discharge electrodes 70a, 70b, and 70c are arranged on the upper side in the height direction in the
そして、真空容器50内の高さ方向の下段側に、送風機55と熱交換器56とが配置され、送風機55と放電電極60b,60a及び放電電極60b,60cの各放電ギャップとの間にガスダクト75が設けられている。このガスダクト75によって、送風機55が高速に吹き出すレーザ媒質である混合ガスのガス流76をガス流76a,76bに2分岐して放電電極70b,70a及び放電電極70b,70cの各放電ギャップに同じ向きの真横方向から供給し、それぞれの放電ギャップを通過したガス流77a,77bを1つの帰還ガス流77として送風機55に取り込む循環ガス供給路が形成されている。熱交換器56は、帰還ガス流77の経路途中に設けられている。
And the
以上の構成において、真ん中の放電電極70bを共通電極(高電位)とし、両側の放電電極70a,70cを低電位とし、一方の対をなす放電電極70b,70a間と他方の対をなす放電電極70b,70c間とに高周波電力をそれぞれ印加することで、それらの電極間(放電ギャップ)に励起放電78a,78bがそれぞれ形成され、部分反射鏡73と折り返しミラー72a,72bと全反射鏡71とで構成される1つの光共振器によってレーザ発振が行われ、部分反射鏡73からレーザビーム79が真空容器50の外部に出力される。
In the above configuration, the middle discharge electrode 70b is a common electrode (high potential), the discharge electrodes 70a and 70c on both sides are low potential, and the discharge electrodes 70b and 70a forming one pair and the other discharge electrode are formed. By applying high-frequency power between the electrodes 70b and 70c,
この改良例1によれば、図9及び図10に示す構成に比して光軸方向に2倍の励起放電空間を形成して光共振を発生させ得るので、比較的コンパクトな構成で、図9及び図10に示す構成よりも更に高出力化が図れる。 According to the improved example 1, the excitation resonance space can be formed in the optical axis direction twice as compared with the configuration shown in FIGS. 9 and 10 to generate optical resonance. Further higher output than the configuration shown in FIGS. 9 and 10 can be achieved.
次に、例えば、特許文献2では、図13及び図14に示す構成の3軸直交型ガスレーザ発振器が開示されている(以降、「改良例2」という)。なお、図13は、光軸方向に沿った断面図であり、図14は、光軸に垂直な方向に沿った断面図である。
Next, for example,
図13及び図14において、真空容器50内の高さ方向の上段側に、一方の対をなす放電電極80a,80bと他方の対をなす放電電極81a,81bとが同一平面上に所定の間隔を置いてそれらの長軸方向を平行にして配置されているとともに、放電電極80a,80bと放電電極81a,81bとの間のガス流路に冷却器82が配置されている。
13 and 14, one pair of discharge electrodes 80 a and 80 b and the other pair of
この一方の対をなす放電電極80a,80bに対しては、その長軸方向一端側に半透境である部分反射鏡(PR)83が配置され、その長軸方向他端側に折り返しミラー84aが配置され、また、他方の対をなす放電電極81a,81bに対しては、その長軸方向一端側に全反射鏡(TR)85が配置され、その長軸方向他端側に折り返しミラー83aと傾いた状態で対面する折り返しミラー83bが配置されている。
For this pair of discharge electrodes 80a and 80b, a semi-transparent partial reflecting mirror (PR) 83 is disposed at one end in the long axis direction, and a folding mirror 84a is disposed at the other end in the long axis direction. In addition, for the other pair of
そして、真空容器50内の高さ方向の下段側に、送風機55と熱交換器56とが配置され、送風機55と放電電極81a,81b及び放電電極82a,82bの各放電ギャップとの間に図9及び図10と同様構成のガスダクト57が設けられている。なお、図示例では、送風機55の吐出ガス流58aは、ガスダクト57によって、放電電極80a,80baの放電ギャップ→冷却器82→放電電極81a,81bの放電ギャップと流れて、放電電極81a,81bの放電ギャップからガス流58bとなって送風機55に帰還する。
The
以上の構成において、一方の対をなす放電電極80a,80b間と他方の対をなす放電電極81a,81b間とに同じ極性の高周波電力をそれぞれ印加することで、それらの電極間(放電ギャップ)に励起放電86a,86bがそれぞれ形成され、部分反射鏡(PR)83と折り返しミラー84a,84bと全反射鏡(TR)85とで構成される1つの光共振器によってレーザ発振が行われ、部分反射鏡(PR)83からレーザビーム87が真空容器50の外部に出力される。
In the above configuration, high-frequency power having the same polarity is applied between the discharge electrodes 80a and 80b forming one pair and between the
この改良例2によれば、図9及び図10に示す構成に比してガス流方向(短軸方向)に2倍の励起放電空間を形成して光共振を発生させ得るので、比較的コンパクトな構成で、図9及び図10に示す構成よりも更に高出力化が図れる。 According to this modified example 2, optical resonance can be generated by forming twice the excitation discharge space in the gas flow direction (short axis direction) as compared with the configuration shown in FIG. 9 and FIG. With this configuration, higher output can be achieved than the configurations shown in FIGS.
しかしながら、上記した改良例1や改良例2では、3軸直交型ガスレーザ発振器の巨大化を防ぎ、比較的コンパクトな構成で高出力化を図ることができるが、1本のレーザビーム出力が大きくなるために、光共振器のミラーへの負荷が高くなることはもちろん、それをレーザ光源とするレーザ加工システムにおいてワークにレーザビームを伝達する光学システムでの光学部品への負荷も高くなり、全体的に安定性や寿命が悪くなるという問題がある。 However, in the above-described modified examples 1 and 2, it is possible to prevent the three-axis orthogonal gas laser oscillator from becoming enormous and to achieve a high output with a relatively compact configuration, but the output of one laser beam is increased. Therefore, not only the load on the mirror of the optical resonator increases, but also the load on the optical components in the optical system that transmits the laser beam to the workpiece in the laser processing system using it as a laser light source increases. However, there is a problem that stability and life are deteriorated.
また、従来の3軸直交型ガスレーザ発振器は、1本のレーザビームを出力する構成であるので、それの1台をレーザ光源とする多軸のレーザ加工システムを構成するには、ビーム本数をエネルギー分割方式や時分割方式で2以上に増やすことになる。図8では、1本の射出レーザビームを2本に分割し、それぞれに対して1つのワークを対応させた場合を示したが、ビーム本数に対し同時に加工するワーク数が少ない場合には、生産性の向上が図れない場合が起こる。 Further, since the conventional three-axis orthogonal gas laser oscillator is configured to output one laser beam, in order to configure a multi-axis laser processing system using one of the laser beams as a laser light source, the number of beams is used as energy. It increases to 2 or more by the division method or the time division method. FIG. 8 shows a case where one emitted laser beam is divided into two, and one workpiece is associated with each of them. However, if the number of workpieces to be processed simultaneously is small relative to the number of beams, production is performed. There are cases where the improvement of sex cannot be achieved.
すなわち、エネルギー分割方式を用いた多軸のレーザ加工システムにおいて、1つのワークにそれぞれの加工パターンが異なる複数のレーザビームを照射する場合、例えば、加工パターンが異なる2本のレーザビームを1つのワークに照射する場合、2本中1本のレーザビームは光路中のダンパーで受ける必要が生ずるが、この捨てているレーザビーム数が多くなると、生産性向上の妨げになる。 That is, in a multi-axis laser processing system using an energy division method, when a plurality of laser beams having different processing patterns are irradiated on one workpiece, for example, two laser beams having different processing patterns are applied to one workpiece. However, if one of the two laser beams is received by a damper in the optical path, an increase in the number of discarded laser beams will hinder productivity.
一方、時分割方式を用いた多軸のレーザ加工システムにおいては、レーザ発振器のパルス繰り返し応答速度が光学システムの位置決め最大速度に対して2倍程度の応答速度がないと、ビーム照射において待ち時間が発生するので、生産性向上の妨げになる。 On the other hand, in a multi-axis laser processing system using a time division method, if the pulse repetition response speed of the laser oscillator does not have a response speed that is about twice the maximum positioning speed of the optical system, there is a waiting time in beam irradiation. This will hinder productivity.
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、比較的コンパクトな構成で独立した2本以上のレーザビームを個別に所望の出力で発生することができ、また各レーザビームをその品質を個別に調整して発生することができる3軸直交型のガスレーザ発振器を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and can independently generate two or more independent laser beams at a desired output with a relatively compact configuration, and each laser beam has its quality individually. An object of the present invention is to obtain a three-axis orthogonal type gas laser oscillator that can be adjusted to the above.
また、この発明は、レーザ光源に上記発明による3軸直交型のガスレーザ発振器を用いて加工品質が良好で、かつ生産性の高い多軸のレーザ加工システムを得ることを目的とする。 Another object of the present invention is to obtain a multi-axis laser processing system with good processing quality and high productivity by using the three-axis orthogonal gas laser oscillator according to the present invention as a laser light source.
上述した目的を達成するために、この発明にかかるガスレーザ発振器は、レーザ媒質である混合ガスを充填した1つの容器内に、長軸と短軸とを有する2つの板状電極の対向配置間隙である放電ギャップに投入電力に応じた励起放電を形成する放電電極対と、前記放電電極対の長軸方向を挟んで対向配置される全反射鏡及び部分反射鏡によって前記励起放電に基づくレーザ発振を行い前記部分反射鏡から外部にレーザビームを射出する光共振器とからなる独立したレーザ発振系の少なくとも2つが収容され、かつ全てのレーザ発振系が前記放電電極対の対向配置方向に並んで配置され、前記独立したレーザ発振系の各々における前記放電ギャップに供給する前記混合ガスを短軸方向の一端側から他端側に向かって通過するガス流として冷却しながら循環させるガス循環供給手段が配置されていることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a gas laser oscillator according to the present invention has a gap between two plate electrodes having a major axis and a minor axis in a single container filled with a mixed gas as a laser medium. Laser oscillation based on the excitation discharge is performed by a discharge electrode pair that forms an excitation discharge corresponding to input power in a certain discharge gap, and a total reflection mirror and a partial reflection mirror that are arranged opposite to each other across the major axis direction of the discharge electrode pair. And at least two independent laser oscillation systems each including an optical resonator that emits a laser beam to the outside from the partial reflection mirror, and all the laser oscillation systems are arranged side by side in the opposing arrangement direction of the discharge electrode pair And cooling the mixed gas supplied to the discharge gap in each of the independent laser oscillation systems as a gas flow passing from one end side to the other end side in the minor axis direction. Gas circulation supply means for reluctant circulated, characterized in that is arranged.
この発明によれば、1つの容器内に独立したレーザ発振系を少なくとも2つ備えるが、各レーザ発振系は、サイズを大きくしなくてよいので、比較的コンパクトな構成でマルチビームを出力できる3軸直交型のガスレーザ発振器が得られる。 According to the present invention, at least two independent laser oscillation systems are provided in one container, but each laser oscillation system does not need to be increased in size, so that a multi-beam can be output with a relatively compact configuration. An axially orthogonal gas laser oscillator can be obtained.
この発明によれば、比較的コンパクトな構成で独立した2本以上のレーザビームを出力することができる3軸直交型のガスレーザ発振器が得られるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to obtain a three-axis orthogonal gas laser oscillator capable of outputting two or more independent laser beams with a relatively compact configuration.
以下に図面を参照して、この発明にかかる3軸直交型のガスレーザ発振器及び多軸のレーザ加工システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a three-axis orthogonal gas laser oscillator and a multi-axis laser processing system according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1及び図2は、この発明の実施の形態1による3軸直交型のガスレーザ発振器の構成を示す概念図である。なお、図1は、光軸方向に沿った断面図であり、図2は、光軸に垂直な方向に沿った断面図である。
Embodiment 1 FIG.
1 and 2 are conceptual diagrams showing a configuration of a three-axis orthogonal gas laser oscillator according to Embodiment 1 of the present invention. 1 is a cross-sectional view along the optical axis direction, and FIG. 2 is a cross-sectional view along the direction perpendicular to the optical axis.
図1及び図2において、レーザ媒質である混合ガスが充填されている真空容器1内に、図示例で言えば真空容器1内の高さ方向の上段側に、第1の電極対2である放電電極2a,2b及び第2の電極対3である放電電極3a,3bが、その長軸方向を同じ向きに揃えて各電極対における放電電極の対向配置方向に適宜間隔を置いて並べて配置されている。
1 and 2, the
なお、放電電極2bと放電電極3aとの間は、最大電位差を考慮した絶縁距離を実験などによって求め、安全率を考慮し、それ以上の間隔となるように配置している。具体的には、例えば、放電電極2bと放電電極3aとの間隔は、放電電極2a,2b間の放電ギャップ、及び、放電電極3a,3b間の放電ギャップの1.5〜2倍以上を確保した配置としている。但し、放電電極2bと放電電極3aとの間隔は、放電電極2bと放電電極3aとの間に絶縁材を挿入したり、高圧ガスを封入したりして絶縁性を高めることで、縮めることが可能である。
In addition, between the discharge electrode 2b and the discharge electrode 3a, the insulation distance which considered the maximum potential difference was calculated | required by experiment etc., the safety factor was considered, and it has arrange | positioned so that it may become the space | interval beyond it. Specifically, for example, the distance between the discharge electrode 2b and the discharge electrode 3a is 1.5 to 2 times or more of the discharge gap between the
この放電電極2a,2b及び放電電極3a,3bに対して、その長軸方向の一端側に半透境である部分反射鏡(PR)4,5がそれぞれ配置され、その他端側に全反射鏡(TR)6,7がそれぞれ配置されている。また、放電電極2a,2bの長軸方向他端側と全反射鏡(TR)6との間に横モード制限用アパーチャ8が配置され、放電電極3a,3bの長軸方向他端側と全反射鏡(TR)7との間に横モード制限用アパーチャ9が配置されている。
For the
要するに、第1の電極対2(放電電極2a,2b)と、第1の光共振器25a(部分反射鏡(PR)4、全反射鏡(TR)6及び横モード制限用アパーチャ8)とは独立した1つのレーザ発振系を構成している。同様に、第2の電極対3(放電電極3a,3b)と、第1の光共振器25b(部分反射鏡(PR)5、全反射鏡(TR)7及び横モード制限用アパーチャ9)とは独立した1つのレーザ発振系を構成している。
In short, the first electrode pair 2 (discharge
そして、真空容器1内の高さ方向の下段側に送風機10と熱交換器11とが配置され、送風機10と放電電極2a,2b及び放電電極3a、3bの各放電ギャップとの間にガスダクト12が設けられている。このガスダクト12によって、送風機10が高速に吹き出すレーザ媒質である混合ガスのガス流15をガス流15a,15bに2分岐して放電電極2a,2b及び放電電極3a、3bの各放電ギャップに同じ向きの真横方向から供給し、それぞれの放電ギャップを通過したガス流16a,16bを1つの帰還ガス流16として送風機10に取り込む循環ガス供給路が形成されている。熱交換器11は、帰還ガス流16の経路途中に設けられている。
And the air blower 10 and the heat exchanger 11 are arrange | positioned in the lower stage side of the height direction in the vacuum vessel 1, and the gas duct 12 is provided between the air blower 10 and each discharge gap of the
次に、図1に示す3軸直交型ガスレーザ発振器の動作を説明する。まず、図3は、図1に示すガスレーザ発振器における2対の放電電極と、高周波電源と、制御装置との関係を説明する図である。また、図4は、レーザ出力態様の一例を説明するタイムチャートである。 Next, the operation of the three-axis orthogonal gas laser oscillator shown in FIG. 1 will be described. First, FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the two pairs of discharge electrodes, the high-frequency power source, and the control device in the gas laser oscillator shown in FIG. FIG. 4 is a time chart for explaining an example of a laser output mode.
図3に示すように、放電電極2a,2b及び放電電極3a,3bは、それぞれ独立した高周波電源20a,20bに接続されている。高周波電源20a,20bは、それぞれ制御装置21の制御下に独立して動作する。すなわち、高周波電源20aは、制御装置21からの制御信号22aに従って放電電極2a,2bに高周波電力を投入する。また、高周波電源20bは、制御装置21からの制御信号22bに従って放電電極3a,3bに高周波電力を投入する。
As shown in FIG. 3, the
具体的には、例えば図4に示すように、高周波電源20a,20bは、制御信号22a,22bから、電力投入のタイミングだけでなく、投入電力の時間幅や電力密度の指令を受けて電力投入を行う。
Specifically, for example, as shown in FIG. 4, the high
これによって、第1の電極対2(放電電極2a,2b)及び第2の電極対3(放電電極3a,3b)では、それぞれ独立した高周波電力による励起放電24a,24bが形成されるので、第1の光共振器25a(部分反射鏡(PR)4,横モード制限用アパーチャ8及び全反射鏡(TR)6)と、第2の光共振器25b(部分反射鏡(PR)5,横モード制限用アパーチャ9及び全反射鏡(TR)7)とにおいて、それぞれ独立した内容のレーザ発振が行われ、部分反射鏡(PR)4,5から真空容器1の外部にそれぞれ独立した内容のレーザビーム26a,26bが出力される。
Thereby, the first electrode pair 2 (discharge
この場合、ガス循環供給系では、励起放電24a,24bの各放電分布が、極力同一となるように、つまりガス流分布に差が出ないように、ガスダクト12の形状を最適化している。具体的には、第1の電極対2(放電電極2a,2b)間及び第2の電極対3(放電電極3a,3b)間をそれぞれ流れるガス流の圧力損失が同等となるように、特に、各電極間へのガス供給口は、供給するガス流15a,15bの圧力が均等になるように大きな開口形状とし、また各電極間の通過ガス16a,16bを取り込み帰還ガス流16とするガス流路では、損失が大きくならないように、かつ層流となるように滑らかな形状としている。
In this case, in the gas circulation supply system, the shape of the gas duct 12 is optimized so that the discharge distributions of the excitation discharges 24a and 24b are the same as much as possible, that is, the gas flow distribution is not different. Specifically, in particular, the pressure loss of the gas flow flowing between the first electrode pair 2 (discharge
このように、第1の電極対2及び第1の光共振器25aと、第2の電極対3及び第2の光共振器25bとを、それぞれ独立したレーザ発振系として構成したので、(1)レーザビーム26a,26bの各ビームモードを同一にすること、或いは、異ならせることが可能となり、また、(2)レーザビーム26a,26bの各強度をほぼ同じにすること、或いは、異ならせることが可能となる。
As described above, the
(1)レーザビーム26a,26bの各ビームモードを同一にするには、第1の光共振器25aと第2の光共振器25bとを同じ仕様スペックで構成すればよい。この場合に、励起放電24a,24bの放電分布間に、第1の電極対2や第2の電極対3の形状等に起因したばらつき、或いは、ガス流に起因したばらつきがあるために、レーザ加工システムのレーザ光源として用いた場合にレーザビーム26a,26bの各ビームモードが加工品質に影響を与える程度に異なる場合には、横モード制限用アパーチャ8,9を微調整することで、レーザビーム26a,26bの各ビームモードを同一にすることが可能である。
(1) To make the beam modes of the
したがって、レーザビーム26a,26bの各ビームモードを異ならせる場合には、第1の光共振器25aと第2の光共振器25bとを異なる仕様スペックで構成すればよい。これによって、レーザ加工システムのレーザ光源として用いた場合に異なる加工に対して好適なビームモードを選択することが可能となる。ビームモードは、アパーチャ径を変化させたり、部分反射鏡や全反射鏡の曲率を変化させたりすることで変えることができる。一般的に、アパーチャを小さくするほど、反射鏡の曲率を大きくする(つまりフラットにする)するほど、ビームモードの次数が小さくなる。
Accordingly, when the beam modes of the
具体的には、第1の光共振器25a及び第2の光共振器25bの各設定を異ならせて、第1の光共振器25aでのビームモードの次数を第2の光共振器25bでの次数よりも高くした状態でレーザ加工システムのレーザ光源として用いた場合に、モード次数の高いほうが良い加工品質を得ることができるワークにはレーザビーム26aを照射し、モード次数が低く集光性の良いほうが良い加工品質を得ることができるワークにはレーザビーム26bを照射する、といった使い分けが可能となる。
Specifically, the settings of the first
(2)また、レーザビーム26a,26bの各強度をほぼ同じにするには、励起放電24a,24bがほぼ同じ強度を維持するように、高周波電源20a,20bの各投入電力量を互いに関係付けて設定すればよい。この場合に、第1の電極対2や第2の電極対3の各電極間に掛かる負荷のばらつきなどによって励起効率が異なる場合や、第1の光共振器25aや第2の光共振器25bのばらつきによって光励起効率が異なる場合には、高周波電源20a,20bを微調整することで、最終的に出力されるレーザ出力をほぼ同じにすることができる。
(2) Further, in order to make the intensities of the
したがって、レーザビーム26a,26bの各強度を異ならせるには、励起放電24a,24bが異なる強度を維持するように、高周波電源20a,20bの各投入電力量を互いに独立に設定すればよい。これによって、レーザ加工システムのレーザ光源として用いた場合に、異なる加工に対して好適なレーザ出力を選択することが可能となる。
Therefore, in order to make each intensity | strength of
具体的には、例えば、高周波電源20aの投入電力量を高周波電源20bの投入電力量よりも大きくすることで、大きなレーザ出力が必要な加工にはレーザビーム26aを照射し、レーザ出力を小さくしたほうが良い加工にはレーザビーム26bを照射する、といった使い分けが可能となる。
Specifically, for example, by making the input power amount of the high-
以上のように、この実施の形態1によれば、2つの独立した光共振器における各光共振領域内では、それぞれ励起放電が常に高い発振効率の得られる状態に保たれ、かつそれぞれ独立して出力される2本のレーザビームは、ほぼ同一のビーム品質、或いは、任意のビーム品質で発生することができるので、2本の安定して高いレーザ出力を得ることや、発生する2本のレーザビームの品質を所望の品質に調整することができるマルチ出力の3軸直交型ガスレーザ発振器が提供できる。 As described above, according to the first embodiment, in each optical resonance region in two independent optical resonators, the excitation discharge is always kept in a state where high oscillation efficiency can be obtained, and each is independent. The two laser beams to be output can be generated with substantially the same beam quality or arbitrary beam quality, so that two stable and high laser outputs can be obtained and the two lasers generated A multi-output three-axis orthogonal gas laser oscillator capable of adjusting the beam quality to a desired quality can be provided.
また、1本のレーザビーム出力で高出力化を図った従来の3軸直交型ガスレーザ発振器と比較して、光学部品への熱負荷を少なくすることができるので、安定性ないしは信頼性を向上させることができ、長命化が図れる。 In addition, the thermal load on the optical component can be reduced as compared with a conventional three-axis orthogonal gas laser oscillator that achieves high output with a single laser beam output, thereby improving stability or reliability. Can increase the life expectancy.
また、2本の安定した高いレーザ出力は、各々のレーザ発振系のサイズを従来の改良例1,2のように特に大きくすることなく得ることができるので、比較的コンパクトに構成することができ、かつコストパフォーマンスの優れたマルチ出力の3軸直交型ガスレーザ発振器を得ることが可能となる。 In addition, since two stable high laser outputs can be obtained without particularly increasing the size of each laser oscillation system as in the conventional improvement examples 1 and 2, a relatively compact configuration can be achieved. In addition, it is possible to obtain a multi-output three-axis orthogonal gas laser oscillator with excellent cost performance.
実施の形態2.
図5及び図6は、この発明の実施の形態2による3軸直交型のガスレーザ発振器の構成を示す概念図である。なお、図5は、光軸方向に沿った断面図であり、図6は、光軸に垂直な方向に沿った断面図である。
5 and 6 are conceptual diagrams showing a configuration of a three-axis orthogonal type gas laser oscillator according to
図5及び図6に示すように、この実施の形態2による3軸直交型のガスレーザ発振器では、真空容器1内の高さ方向の上段側に、第1の電極対2である放電電極2a,2b及び第1の光共振器25aが配置され、下段側に、第2の電極対3である放電電極3a,3b及び第2の光共振器25bが配置され、それらの間に、送風機10及び熱交換器11が配置され、送風機10と放電電極2a,2b及び放電電極3a、3bの各放電ギャップとの間にガスダクト27が設けられている。
As shown in FIGS. 5 and 6, in the three-axis orthogonal type gas laser oscillator according to the second embodiment, the
ガスダクト27によるガス流路は、送風機10から第1の電極対2を経由して送風機10に戻るガス流28a,29aの流路と、送風機10から第2の電極対2を経由して送風機10に戻るガス流28b,29bの流路とからなる。
The gas flow path by the gas duct 27 includes the flow path of the gas flows 28a and 29a returning from the blower 10 to the blower 10 via the
このような実施の形態2による配置構成によっても実施の形態1と同様の作用効果が得られる。加えて、2つの電極対は、電気的にも、機械的にも完全に独立したものとすることができる。但し、放電電極2b及び放電電極3aと送風機10及び熱交換器11との間の絶縁距離を確保するために、実施の形態1に示した配置と比較して、全体的に高さ方向に巨大化する可能性がある。 The same operational effects as those of the first embodiment can also be obtained by such an arrangement according to the second embodiment. In addition, the two electrode pairs can be completely independent both electrically and mechanically. However, in order to ensure the insulation distance between the discharge electrode 2b and the discharge electrode 3a and the blower 10 and the heat exchanger 11, compared with the arrangement shown in the first embodiment, the overall height is larger. There is a possibility of becoming.
なお、実施の形態1,2では、2本のレーザビームの出力方向は、同一方向としたが、互いに逆向きであってもよい。これは、2つの光共振器での部分反射鏡及び全反射鏡の配置関係を互いに逆にすることで、簡単に実現することができる。 In the first and second embodiments, the output directions of the two laser beams are the same, but they may be opposite to each other. This can be easily realized by reversing the positional relationship between the partial reflection mirror and the total reflection mirror in the two optical resonators.
また、実施の形態1,2では、2本のレーザビームを出力する構成を示したが、さらに3本以上のレーザ出力を得る構成も同様の考えで実現することができる。 In the first and second embodiments, the configuration in which two laser beams are output has been described. However, a configuration in which three or more laser outputs are obtained can also be realized based on the same idea.
実施の形態3.
図7は、この発明の実施の形態3による多軸のレーザ加工システムの構成を示すブロックである。図7に示すレーザ加工システムは、実施の形態1または2に示した3軸直交型ガスレーザ発振器30をレーザ光源とし、この3軸直交型ガスレーザ発振器30の射出レーザビーム36a,36bを1つのワークテーブル31上に載置されるワーク32に伝送する光学システム33a,33bと、これらの各要素を制御する制御装置34とを備えている。
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a multi-axis laser processing system according to
動作について説明する。3軸直交型ガスレーザ発振器30が備える独立した2つのレーザ発振系は、制御装置34から独立したレーザ発振の条件(タイミングや強度、時間幅)の制御を受けながら独立したレーザ発振を行い、2本のレーザビーム36a,36bを発生する。レーザビーム36aは光学システム33aに出力され、レーザビーム36bは光学システム33bに出力される。
The operation will be described. The two independent laser oscillation systems included in the three-axis orthogonal
光学システム33aは、制御装置34の制御下に、入射するレーザビーム36aを整形するとともに、2次元走査してワークテーブル31上に載置されるワーク32に集光照射するレーザビーム37aを生成する。
The
同様に、光学システム33bは、制御装置34の制御下に、入射するレーザビーム46bを整形するとともに、2次元走査してワークテーブル31上に載置されるワーク32に集光照射するレーザビーム37bを生成する。
Similarly, the
この実施の形態3によれば、2軸での同時加工を行うレーザ加工システムのレーザ光源に、実施の形態1,2に示した2本のレーザビームを出力できる1台のガスレーザ発振器(3軸直交型ガスレーザ発振器)を用いるので、ガスレーザ発振器とワークとの間に設ける光学システムの構成が簡素化される。つまり、システムを比較的コンパクトに構成することができ、メンテナンスの容易化などコストパフォーマンスの優れたレーザ加工システムを得ることが可能となる。 According to the third embodiment, one gas laser oscillator (three axes) capable of outputting the two laser beams shown in the first and second embodiments to a laser light source of a laser processing system that performs simultaneous processing in two axes. Since an orthogonal gas laser oscillator) is used, the configuration of the optical system provided between the gas laser oscillator and the workpiece is simplified. That is, the system can be configured relatively compactly, and a laser processing system with excellent cost performance such as easy maintenance can be obtained.
加えて、光学部品における熱負荷は、従来例のように1本の高強度のレーザビームを伝送させる光学システムと比較して少なくすることができるので、光学システムの信頼性が向上し、長命化が図れる。 In addition, the heat load on the optical component can be reduced compared to the optical system that transmits a single high-intensity laser beam as in the conventional example, so that the reliability of the optical system is improved and the life is increased. Can be planned.
そして、実施の形態1にて説明したように、ガスレーザ発振器が出力する2本のレーザビームは、各々独立に制御できるので、1つのワークに2本のレーザビームを照射する場合に、各々のレーザビーム照射パターンが異なるような場合においても、エネルギー分割方式や時分割方式を用いることなく、所望の2軸加工を同時に実施することができる。したがって、良好な加工品質を得ることが可能で、また最大限に生産性を向上させることが可能となる。 As described in the first embodiment, the two laser beams output from the gas laser oscillator can be controlled independently. Therefore, when two laser beams are irradiated to one workpiece, each laser beam is emitted. Even when the beam irradiation patterns are different, desired biaxial machining can be performed simultaneously without using the energy division method or the time division method. Therefore, good processing quality can be obtained, and productivity can be improved to the maximum.
なお、実施の形態3では、2本のレーザビームを1つのワークに照射する場合を示したが、レーザビームの本数並びにワークの数が異なっていても、例えば、1本のレーザビームを2本に分光し、合計4ビームで2ワークを加工するような場合においても、エネルギー分割方式や時分割方式を用いることなく、それぞれのワークにおいて所望の2軸加工を同時に実施することができるので、同様に、良好な加工品質を得ることが可能で、また最大限に生産性を向上させることができる。 In the third embodiment, the case where two laser beams are irradiated onto one workpiece has been described. However, even if the number of laser beams and the number of workpieces are different, for example, two laser beams are irradiated with two laser beams. Even in the case where two workpieces are processed with a total of four beams, the desired biaxial machining can be performed simultaneously on each workpiece without using the energy division method or the time division method. In addition, good processing quality can be obtained, and productivity can be improved to the maximum.
以上のように、この発明にかかる3軸直交型のガスレーザ発振器は、比較的コンパクトな構成で独立した2本以上のレーザビームを個別に所望の出力で発生し、また各レーザビームをその品質を個別に調整して発生するのに有用であり、特に、多軸での同時加工を行うレーザ加工システムのレーザ光源に好適である。 As described above, the three-axis orthogonal gas laser oscillator according to the present invention generates two or more independent laser beams with desired outputs in a relatively compact configuration, and the quality of each laser beam is improved. It is useful for generating by individually adjusting, and is particularly suitable for a laser light source of a laser processing system that performs multi-axis simultaneous processing.
また、この発明にかかるレーザ加工システムは、多軸での同時加工を良好な加工品質と高い生産性の下で実施するのに有用である。 Moreover, the laser processing system according to the present invention is useful for performing multi-axis simultaneous processing with good processing quality and high productivity.
1 真空容器
2 第1の電極対2
2a,2b 放電電極
3 第2の電極対
3a,3b 放電電極
4,5 部分反射鏡(PR)
6,7 全反射鏡(TR)
8,9 横モード制限用アパーチャ
10 送風機
11 熱交換器
12 ガスダクト
15,15a,15b,16a,16b,16 ガス流
20a,20b 高周波電源
21 制御装置
21a,21b 制御信号
24a,24b 励起放電
25a 第1の光共振器
25b 第2の光共振器
26a,26b レーザビーム
30 3軸直交型ガスレーザ発振器
31 ワークテーブル
32 ワーク(被加工物)
33a,33b 光学システム
34 制御装置
36a,36b,37a,37b レーザビーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
2a,
6,7 Total reflector (TR)
8, 9 Aperture for restricting transverse mode 10 Blower 11 Heat exchanger 12
33a,
Claims (7)
長軸と短軸とを有する2つの板状電極の対向配置間隙である放電ギャップに投入電力に応じた励起放電を形成する放電電極対と、前記放電電極対の長軸方向を挟んで対向配置される全反射鏡及び部分反射鏡によって前記励起放電に基づくレーザ発振を行い前記部分反射鏡から外部にレーザビームを射出する光共振器とからなる独立したレーザ発振系の少なくとも2つが収容され、かつ全てのレーザ発振系が前記放電電極対の対向配置方向に並んで配置され、
前記独立したレーザ発振系の各々における前記放電ギャップに供給する前記混合ガスを短軸方向の一端側から他端側に向かって通過するガス流として冷却しながら循環させるガス循環供給手段が配置されている
ことを特徴とするガスレーザ発振器。 In one container filled with a mixed gas that is a laser medium,
A discharge electrode pair that forms an excitation discharge according to input power in a discharge gap, which is a gap between two plate electrodes having a major axis and a minor axis, and an opposing arrangement across the major axis direction of the discharge electrode pair And at least two independent laser oscillation systems each including an optical resonator that performs laser oscillation based on the excitation discharge by the total reflection mirror and the partial reflection mirror and emits a laser beam to the outside from the partial reflection mirror, and All the laser oscillation systems are arranged side by side in the opposing arrangement direction of the discharge electrode pair,
Gas circulation supply means for circulating the mixed gas supplied to the discharge gap in each of the independent laser oscillation systems while cooling as a gas flow passing from one end side to the other end side in the minor axis direction is disposed. A gas laser oscillator characterized by comprising:
前記ガスレーザ発振器が射出する複数本のレーザビームを各々2次元走査して1つまたは2つ以上の被加工物に集光・照射する光学システムと、
前記ガスレーザ発振器が内蔵する複数の独立したレーザ発振系の各発振動作態様及び前記光学システムでのレーザビーム毎の2次元走査態様を制御する制御手段と
を備えていることを特徴とするレーザ加工システム。 The gas laser oscillator according to claim 1, which is a laser light source that emits a plurality of laser beams;
An optical system for two-dimensionally scanning each of a plurality of laser beams emitted from the gas laser oscillator to focus and irradiate one or more workpieces;
A laser processing system comprising: control means for controlling each oscillation operation mode of a plurality of independent laser oscillation systems incorporated in the gas laser oscillator and a two-dimensional scanning mode for each laser beam in the optical system. .
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- 2006-09-29 JP JP2006268214A patent/JP2008091444A/en active Pending
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