JP2010165971A - レーザ発振装置およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】送風手段より発生するオイルミストの影響を排除し、安定なレーザ出力が可能なレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】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にレーザガスを冷却する熱交換器と、前記放電手段と前記送風手段と前記熱交換器とを接続してレーザガスの循環経路を形成するレーザガス循環経路と、前記熱交換器の吐出側ガス循環経路より分岐して前記送風手段の駆動部に冷却ガスを供給する冷却ガス経路を備え、駆動部のロータおよびステータ間を流れるガスとの接触によって冷却させる構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス配管経路内に送風機を備えた、レーザ発振装置およびレーザ加工機に関するものである。

従来のガスレーザ発振装置の構成を図５に沿って説明する。

誘電体よりなる放電管４内にはレーザガス２が循環している。放電管４の周辺に設けられた電極６、７に接続された高電圧電源８は、放電管４内に放電３を発生させる。放電３によりレーザガス２は励起され、全反射鏡１４および部分反射鏡１３を通って外にレーザ光１として出力される。放電管４と共にレーザガスの循環路を形成するガス循環経路１２の内部には送風手段１０によりレーザガス２が循環されていて、放電３および送風手段１０により上昇したレーザガスの温度を下げるため、熱交換器９、１１が配置されている。

次に送風手段１０の構造およびその動作について図６に沿って説明する。送風手段１０は前記ガス循環経路１２の中に設けられたガス送風用の翼車部１０ａと、これに隣接する駆動部１０ｄからなり、翼車部と駆動部は、互いに軸により接続された構造になっている。翼車部１０ａはガス循環経路１２に接続されていて、回転翼などのガス送風手段によりレーザガスを流すようになっている。

一方、駆動部１０ｄはモータなどの駆動手段が回転することにより、動力を翼車部１０ａに伝達するようになっている。駆動部のケーシング１０ｃ部分には、オイル１０ｅが収納され、ベアリングの潤滑およびモータロータの冷却を行っている。このオイルより発生したオイルミストが、翼車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経路への侵入を抑制するため、シール部１０ｂが設けられ、駆動部１０ｄと翼車部１０ａとを分離している。シール部とシャフトの間は数１０μｍの隙間が設けられており、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、シール部には数１０μｍ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、駆動部１０ｄから翼車部１０ａへ侵入してしまう。これを防ぐため、ガス排出量調整手段３５とガス排気手段３６によって、駆動部より常時一定量のガスを排気し、翼車部１０ａより駆動部１０ｄの方が低圧となるように構成している。そのため、レーザガスが常時排気されてガス消費量の増加要因となっていて不経済である。

また、送風手段の駆動部のモータロータやベアリングの冷却にオイルを使用せずに送風手段の翼車部で圧縮したレーザガスの一部を駆動部へ導入して、そのレーザガスによりモータのロータやステータを冷却するようにした発明が知られている（特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された発明では、送風手段の翼車部で圧縮されたレーザガスを直接冷却に使用する構造となっているため、レーザガスには圧縮熱が含まれていて、ガス温度が高く、モータロータやベアリングの冷却する場合、大量のガスが必要となる。
特開平２−５５８５号公報

従来のレーザ発振装置は、送風手段の駆動部のモータロータやベアリングの冷却にオイルを使用していたため、送風手段のシール部やガス排出量調整手段のオリフィスの詰まりなどにより、オイルミストがガス循環経路内に侵入して、光共振器を構成する全反射鏡や部分反射鏡の汚染によるレーザ光の出力低下や全反射鏡や部分反射鏡の劣化を招く場合があった。

また、オイルミストの影響で放電管の放電の乱れが発生し、レーザ光の出力低下や最悪の場合には異常放電に至り、高電圧電源や共振器構造部品の損傷を招くという課題を有していた。

また、送風手段の翼車部で圧縮されたレーザガスを直接冷却に使用する構造の場合、レーザガスには圧縮熱が含まれていて、ガス温度が高温になっていて、モータのロータやベアリングの冷却には大量のガスが必要であった。

本発明は、送風手段の駆動部の冷却を効率的に行い、オイルミストの発生や影響もなく、安定なレーザ出力が可能なレーザ発振装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ発振装置は、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にレーザガスを冷却する熱交換器と、前記放電手段と前記送風手段と前記熱交換器とを接続してレーザガスの循環経路を形成するレーザガス循環経路と、前記熱交換器の吐出側ガス循環経路より分岐して前記送風手段の駆動部に冷却ガスを供給する冷却ガス経路を備え、前記送風手段の駆動部のロータおよびステータ間を流れるガスとの接触によって冷却させる駆動部冷却手段を具備するものである。

この構成により熱交換器で冷却されたガスを駆動部冷却ガス入口より駆動部内に導入し、駆動部のロータやステータ間を通過させて、駆動部をガス冷却することにより、従来のような、駆動部冷却用のオイルを使用しないため、ガス経路循環内にオイルミストの侵入によるミラー汚染やレーザ出力の低下を防止することができる。

あるいは、本発明のレーザ発振装置は、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にレーザガスを冷却する熱交換器と、前記放電手段と前記送風手段と前記熱交換器とを接続し、レーザガスの循環経路を形成するレーザガス循環経路と、前記熱交換器の吐出側ガス循環経路より分岐して前記送風手段の駆動部に冷却ガスを供給する冷却ガス経路を備え、前記送風手段の翼車部と駆動部を接続している連結軸を中空にして、中空部に冷却ガスが流れる構造とした駆動部連結軸冷却手段を有したことを具備するものである。

この構成により、送風手段の翼車部と駆動部を接続している連結軸を中空にして、中空部に冷却ガスが流れる構造としたことにより、駆動部のロータには内側よりの冷却が加わり、ロータの温度上昇がさらに抑制される。また、連結軸の温度上昇が抑制されるため、軸の熱膨張が少なくなり、ベアリング部への荷重の影響が低減される。

また、本発明のレーザ発振装置において、前記送風手段の駆動部のケーシングには冷却水の配管を備え、前記送風手段の駆動部のステータを冷却水にて間接的に冷却するステータ冷却手段を具備することが好ましい。

この構成により、駆動部のステータをケーシングに冷却水配管により駆動部のステータを冷却水で間接的に冷却することにより、ガス冷却と相乗効果で駆動部のロータ温度を下げることができ、さらに信頼性が向上する。

また、本発明のレーザ発振装置において、前記送風手段の駆動部の軸受部温度を検出し、軸受部温度が所定値以上に上昇したときに異常を表示し、軸受部の交換時期に達したことを判定する警告手段を具備することが好ましい。

この構成により、駆動部の軸受部温度を検出し、軸受部温度が所定値以上に上昇したときに異常を表示し、軸受部の交換を警告することにより送風手段の破損による停止を未然に防止して、さらに信頼性を向上することが出来る。

また、加工物を乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ光の集光手段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手段と、レーザ光を発生する本発明のレーザ発振装置とを備えたレーザ加工機を構成することが好ましい。

この好ましい構成のレーザ加工機により、数値制御手段によりレーザ発振装置が統括的に制御され、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークの不良品の混入を防止することができる。

以上のように、本発明は、熱交換器で冷却されたガスを駆動部冷却ガス入口より駆動部内に導入し、モータのロータやステータ間を通過させて、駆動部をガス冷却することにより、従来のような、駆動部冷却用のオイルを使用しないため、ガス経路循環内にオイルミストの侵入によるミラー汚染やレーザ出力の低下を防止し、レーザ出力の安定化と信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図４を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明のレーザ発振装置の実施の形態におけるブロック図である。なお、従来例と同じ構成要素には同一番号を付与している。

図１において、１はレーザ光、２はレーザガス、３は放電、４は放電管、６はアノード電極、７はカソード電極、８は高電圧電源、９はレーザガス温度を下げる熱交換器、２０はレーザガスを循環する送風手段、１１はレーザガス温度を下げる熱交換器、１２はガス循環経路、１３はレーザ共振器を構成する部分反射鏡、１４はレーザ共振器を構成する全反射鏡、２１は送風手段の駆動部を冷却する冷却ガス経路、２２は送風手段の駆動部、２５は軸受温度検出手段、とで構成するレーザ発振装置を示す。

以上のように構成されたレーザ発振装置について、その動作を説明する。

このレーザ発振装置は、誘電体よりなる放電管４内にはレーザガスが循環している。放電管４の周辺に設けられたアノード電極６およびカソード電極７に接続された高電圧電源８は、放電管４内に放電を発生させる。放電によりレーザガスは励起され、全反射鏡１４および部分反射鏡１３を通って外部にレーザ光１として出力される。放電管４と共にレーザガスの循環路を形成するガス循環経路１２の内部には送風手段２０によりレーザガスが送られており、放電および送風手段２０により上昇したレーザガスの温度を下げるため、熱交換器９、１１が配置されている。

前記送風手段２０で圧縮されたレーザガスは、ガス排出の出口部に設けられた熱交換器１１により圧縮熱が取られてレーザガス温度は常温近くの温度に低下する。そして、その一部のレーザガスは、冷却ガス経路２１より送風手段の駆動部２２に供給されて、駆動部２２のロータやステータの冷却に使用される。前記駆動部の冷却に使用されたレーザガスは、冷却ガス経路２１を経由してガス循環経路１２に戻り、前期送風手段２０により再度圧縮加圧されてガス循環される。

また、前記送風手段２０の駆動部の軸受温度は、運転中常時監視されていて、軸受部温度が所定値以上に上昇したときに軸受部が交換時期に達したことを示す内容を表示する構造となっている。そのため、送風手段２０の破損によるレーザ発振器の突然の停止を未然に防止して、信頼性が向上するようになっている。

図２はレーザ発振装置の実施の形態における送風手段の構造の一例を示す。図２を参照しながら送風手段の詳細な構造について説明する。

図２において、２０ａは送風手段の翼車部、２０ｃはケーシング、２０ｄは駆動部のステータ、２０ｅは駆動部のロータ、２０ｆは冷却水配管、２０ｇは軸受部、２０ｈはガス吸入口、２０ｋはガス排出口、２０ｍは駆動部冷却ガス入口、２０ｎは駆動部冷却ガス出口、で構成する送風手段を示す。

前記送風手段２０は、レーザガスをガス吸入口２０ｈより吸入し、翼車部２０ａの回転力で加圧してガス排出口２０ｋより排出する構造となっている。一方、駆動部はステータ２０ｄとロータ２０ｅで構成され、連結軸により翼車部２０ａと接続されている。前記駆動部の冷却は、駆動部冷却ガス入口２０ｍより導入されたガスにより軸受部２０ｇやロータ２０ｅ、ステータ２０ｄを流れるガスにより冷却されるため、従来のようなオイルミストによるレーザガスの汚染や光共振器の全反射鏡や部分反射鏡の汚れによる出力低下の防止が図れる。

また、前記送風手段２０のケーシング２０ｃには、冷却水の配管が組みつけられていて駆動部のステータ２０ｄを間接的に冷却する構造となっている。そのため、冷却水で間接的な冷却と、ガス冷却と相乗効果で駆動部のロータ温度を一段と下げることができ、信頼性が向上する。

図３はレーザ発振装置の実施の形態における送風手段の上記と異なる構造の一例を示す。

図３において、２０ａは送風手段の翼車部、２０ｃはケーシング、２０ｄは駆動部のステータ、２０ｅは駆動部のロータ、２０ｆは冷却水配管、２０ｇは軸受部、２０ｈはガス吸入口、２０ｋはガス排出口、２０ｍは駆動部冷却ガス入口、２０ｐは連結軸、で構成する送風手段を示す。

前記送風手段２０は、レーザガスをガス吸入口２０ｈより吸入し、翼車部２０ａの回転力で加圧してガス排出口２０ｋより排出する構造となっている。一方、駆動部はモータのステータ２０ｄとロータ２０ｅで構成され、連結軸により翼車部２０ａと接続されている。前記駆動部の冷却は、駆動部冷却ガス入口２０ｍより導入されたガスにより軸受部２０ｇやモータのロータ２０ｅ、ステータ２０ｄおよび連結軸２０ｐを流れるガスにより冷却される構造となっている。そのため、駆動部のロータには内側よりの冷却が加わり、ロータの温度上昇が抑制される。また、連結軸の温度上昇が抑制されるため、軸の熱膨張が少なくなり、ベアリング部への荷重の影響が低減される。

また、前記送風手段２０のケーシング２０ｃには、冷却水の配管が組みつけられていて駆動部のステータ２０ｄを間接的に冷却する構造となっている。そのため、冷却水で間接的な冷却と、ガス冷却と相乗効果で駆動部のロータ温度を一段と下げることができ、さらに信頼性が向上する。

従来、送風手段の駆動部には、誘導式モータが多く使用されてきたが、誘導式モータの場合、ロータには渦電流による損失が多く発生し、発熱量が大きいため、ガス冷却を行うには大量の冷却ガスが必要であった。しかし、モータのロータに永久磁石を使用した同期式モータの採用によりロータの発熱量が大幅に低減したため、多量のガス冷却を使用しなくても冷却性能が保てる構造となっている。

以上のように、本実施の形態によれば、熱交換器で冷却されたガスを駆動部冷却ガス入口より駆動部内に導入し、駆動部のロータやステータ間を通過させて、駆動部をガス冷却することにより、従来のような、駆動部冷却用のオイルを使用しないため、ガス経路循環内にオイルミストの侵入によるミラー汚染やレーザ出力の低下を防止し、レーザ出力の安定化と信頼性の向上を図ることができる。

なお、以上の構成からなるレーザ発振装置では、各構成に制御素子を設けて、各信号処理または各構成において制御するようにしたが、レーザ発振装置に、各構成に接続されるＣＰＵを設け、各処理を統括的に制御するようにしても良い。

図４は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図を示している。

レーザ加工機は、加工ワーク６４を乗せる加工テーブル６３と、加工テーブル６３の移動またはレーザ光を集光する集光手段６７の少なくとも一方を移動する駆動手段６２と、前記駆動手段６２を制御する数値制御手段６１と、レーザ発振装置６５と、レーザ光路６６とにより構成されている。

レーザ発振装置６５より出射されたレーザ光は、折返し鏡などで構成されたレーザ光路６６で伝送され集光手段６７により集光されて、加工ワーク６４に照射され、加工が開始される。それと同時に数値制御手段６１により駆動手段６２に指令が出力され、加工テーブル６３または集光手段６７の少なくとも一方を動作させて加工ワーク６４を加工される。

上記レーザ加工機によれば、オイルミストによるレーザガスの混合比不良によるレーザ光の出力変動がなくなり、レーザ光の出力パワーの正確な照射が可能となる。さらに数値制御手段によりレーザ発振装置が統括的に制御されことにより、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークへの不良品の混入を防止することができる。

本発明のレーザ発振装置は、送風手段よりのオイルミストの影響を排除し、レーザ出力の安定および長期信頼性の向上に有用である。

本発明のレーザ発振装置の実施の形態における構成図 本発明のレーザ発振装置の実施の形態における送風手段の構造の一例を示す構成図 本発明のレーザ発振装置の実施の形態における送風手段の他の構造の一例を示す構成図 本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図 従来技術に係るガスレーザ発振装置の構成図 従来技術に係るレーザ発振装置における送風手段の構造図

１ レーザ光
２ レーザガス
３ 放電
４ 放電管
６ アノード電極
７ カソード電極
８ 高電圧電源
９ 熱交換器
１０ 送風手段
１１ 熱交換器
１２ ガス循環経路
１３ 出力鏡
１４ 反射鏡
２０ 送風手段
２１ 冷却ガス経路
２２ 駆動部
２５ 軸受部温度検出手段

Claims (5)

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にレーザガスを冷却する熱交換器と、前記放電手段と前記送風手段と前記熱交換器とを接続してレーザガスの循環経路を形成するレーザガス循環経路と、前記熱交換器の吐出側ガス循環経路より分岐して前記送風手段の駆動部に冷却ガスを供給する冷却ガス経路を備え、
   前記送風手段の駆動部のロータおよびステータ間を流れるガスとの接触によって冷却させる駆動部冷却手段を有することを特徴とするレーザ発振装置。
2. 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にレーザガスを冷却する熱交換器と、前記放電手段と前記送風手段と前記熱交換器とを接続し、レーザガスの循環経路を形成するレーザガス循環経路と、前記熱交換器の吐出側ガス循環経路より分岐して前記送風手段の駆動部に冷却ガスを供給する冷却ガス経路を備え、
   前記送風手段の翼車部と駆動部を接続している連結軸を中空にして、中空部に冷却ガスが流れる構造とした駆動部連結軸冷却手段を有したことを特徴とするレーザ発振装置。
3. 前記送風手段の駆動部のケーシングには冷却水の配管を備え、前記送風手段の駆動部のステータを冷却水にて間接的に冷却するステータ冷却手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記送風手段の駆動部の軸受部温度を検出し、軸受部温度が所定値以上に上昇したときに異常を表示し、軸受部の交換時期に達したことを判定する警告手段を有したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ発振装置。
5. 加工物を乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ光の集光手段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手段と、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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