JP2010212550A - レーザ発振装置およびレーザ加工機 - Google Patents

レーザ発振装置およびレーザ加工機 Download PDF

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英文 尾松
Atsuki Yamamoto
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Abstract

【課題】送風手段より発生するオイルミストの影響を低減し、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】送風手段10を備えたレーザ発振装置において、運転開始時に第1ガス排気通路31の電磁弁32および第2ガス排気通路33の電磁弁34を閉めた状態でガス排気手段36により送風手段10の駆動部の大気を一定時間排出し、ガス排出量調整手段35の詰まりを差圧検出手段42の圧力変化で検出し、差圧検出手段42の圧力が所定圧力以下の場合に警報を発生させる警報手段43を設けた。
【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内に放電空間3を発生させる。放電空間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、放電空間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10aと駆動部10d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10d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10b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10dから常時一定量のガスを排気し、翼車部10aより駆動部10dの方が低圧になるように構成している。
そして、レーザ発振装置には、レーザガスを入れ替えるため、ガス供給源21をガス供給量調整手段22、電磁弁23を介してガス循環経路12と接続しており、また、第1ガス排気通路31、電磁弁32を介してガス循環経路12とガス排気手段36を接続している。
なお、長時間使用していると駆動部10dに発生するオイルミストの影響でシール部10bやガス排出量調整手段35に詰まりが発生する場合がある。このため、翼車部10aと駆動部10dとの圧力差を監視する差圧監視装置を設け、翼車部10aと駆動部10dとの差圧が低下、または、差圧が上昇した場合に警報を発生、もしくは運転を停止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10の翼車部10aと駆動部10dとの圧力差を監視する差圧監視装置は、送風手段10の運転中に差圧を監視するようになっていて、翼車部10aと駆動部10dとの差圧が低下、または、差圧が上昇した場合に送風手段10の運転を停止する仕様となっている。
特開2003−110170号公報
従来のレーザ発振装置は、送風手段の定格運転中に翼車部と駆動部の圧力差を監視していたため、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などに不具合があった場合でも、一旦、送風手段の運転を開始して、定格回転数になった後でないと異常の有無を判別できなかった。
そのため、上記不具合に気づかず再起動を繰返すと、駆動部で発生した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。
本発明は、送風手段の運転開始前に送風手段のシール部やガス排出量調整手段などの不具合を発見できる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、レーザ媒体であるレーザガスを励起する放電手段と、前記レーザガスを送風する翼車部とこの翼車部を駆動する駆動部を有する送風手段と、前記放電手段と前記送風手段との間のレーザガスの循環経路を形成するガス循環経路と、前記送風手段の駆動部および前記ガス循環経路にそれぞれ排気通路を介して接続されたガス排気手段と、前記ガス循環経路にレーザガスを供給するガス供給源とを備え、前記ガス循環経路の大気を排出する第1ガス排気通路と、前記第1ガス排気通路に設けた電磁弁と、前記送風手段の駆動部から大気を排出する第2ガス排気通路と、前記第2ガス排気通路に設けたガス排出量調整手段と、前記ガス排出量調整手段に並列に前記第2ガス排気通路に設けた電磁弁と、前記送風手段の翼車部の出口側と前記送風手段の駆動部との差圧を検出する差圧検出手段を設け、運転開始時に前記第1排気通路の電磁弁および前記第2排気通路の電磁弁を閉めた状態で前記ガス排気手段により前記送風手段の駆動部の大気を一定時間排出し、前記差圧検出手段の圧力が所定圧力以下の場合に前記ガス排出量調整手段の詰まりが発生したとして警報を発生させる警報手段を設けたものである。
この構成により駆動部で発生したオイルミストやガス排気経路のゴミなどによるガス排出量調整手段のオリフィス詰まりが特別な検出器を装備することなく、送風手段の翼車部と駆動部との差圧検出手段で、送風手段の運転前に発見でき、送風手段の翼車部と駆動部との差圧低下によるガス経路循環内にオイルミストの侵入するのを防止できる。
また、本発明のレーザ加工機は、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、本発明のレーザ発振装置を備えたものである。
この構成により、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、オイルミストやガス排気通路内のゴミなどによるガス排出量調整手段のオリフィス詰まりや送風手段の翼車部と駆動部との差圧低下によるオイルミストのガス経路循環内の侵入を未然に防止し、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1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、特に送風手段10の構成についてはその説明を省略する。
図1において本実施の形態のレーザ発振装置は、レーザ光1、レーザ媒体であるレーザガス2、放電空間3、放電管4、アノード電極6、カソード電極7、高電圧電源8、レーザガス温度を下げる熱交換器9、レーザガス2を送風する翼車部(図示はしないが図6における翼車部10aと同じ構成部分)とこの翼車部を駆動する駆動部(図示はしないが図6における駆動部10dと同じ構成部分)を有する送風手段10、レーザガス温度を下げる熱交換器11、ガス循環経路12、レーザ共振器を構成する部分反射鏡13、レーザ共振器を構成する全反射鏡14、レーザガスを供給するガス供給源21、ガス供給量調整手段22、ガス供給電磁弁23、第1ガス排気通路31、第1ガス排気電磁弁32、第2ガス排気通路33、第2ガス排気電磁弁34、ガス排出量調整手段35、真空ポンプなどのガス排気手段36、ガス排気停止用電磁弁37、ガス圧力検出手段41、差圧検出手段42、警報手段43を備えている。
なお、電磁弁や各部の制御は警報装置43を兼ねた制御装置(図示せず)で行う構成としている。
その構成は、放電管4の両端にアノード電極6とカソード電極7を配置し、これらアノード電極6とカソード電極7は高電圧電源8と接続してレーザガス2を励起する放電手段を構成し、放電管4内部のレーザガス2に放電して放電空間3を形成するようにしている。この放電管4にはガス循環経路12を接続していて、このガス循環経路12の途中に熱交換器9、送風機10、熱交換器11を配置して、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し、レーザガス2が循環するように構成しており、本実施の形態ではアノード電極6からカソード電極7へレーザガス2を流すようにしている。また、本実施の形態では放電管2を2本向かい合わせに接続しているが並列に並べて反射鏡で折り返して光学的に連結してもよいし、1本でもまた3本以上連結してもよい。
この各放電管4を連結していないそれぞれの端部には部分反射鏡13と全反射鏡14を配置してレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器からは部分反射鏡13から高出力のレーザ光1が出力される。
そして、このガス循環経路12はガス供給量調整手段22、ガス供給電磁弁23を介してガス供給源21と接続しており、また、ガス循環経路12は第1ガス排気通路31も接続している。この第1ガス排気通路31は、第1ガス排気電磁弁32、ガス排気停止用電磁弁37を介してガス排気手段36に接続しており、ガス供給源21とガス排気手段36によってレーザガスの供給と圧力調整を行っている。
また、送風手段10の駆動部(図示はしないが図6における駆動部10dと同じ構成部分)には第2ガス排気通路33を接続し、ガス排出量調整手段35、ガス排気停止用電磁弁37を介してガス排気手段36に接続している。なお、ガス排出量調整手段35には並列に第2ガス排気電磁弁34を接続し、第2ガス排気通路33から第2ガス排気電磁弁34、ガス排気停止用電磁弁37を介してガス排気手段36に接続するようにしている。
そして、ガス循環経路12には内部のレーザガス2の圧力を検出するガス圧力検出手段41を設けていて、また、ガス循環経路12の送風手段10の翼車部(図示はしないが図6における翼車部10aと同じ構成部分)の出口側と第2ガス排気通路33には差圧検出手段42を設けており、これらガス圧力検出手段41、差圧検出手段42の出力信号を警報手段43に入力するようにしている。
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。
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2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が送られており、放電および送風手段10により上昇したレーザガス2の温度を下げるため、熱交換器9、11が配置されている。
そして、運転停止状態ではガス循環経路12、送風手段10、および放電管4の内部が大気圧近くの圧力約90kPaに保たれていて、運転開始時に第1ガス排気電磁弁32、第2ガス排気電磁弁34およびガス排気停止用電磁弁37を開放して、ガス排気手段36の真空ポンプなどで大気を排気して、圧力約1kPa前後まで真空引きをする。
この圧力が約1kPa前後になったとき、送風手段10の運転を開始すると同時に、第2ガス排気電磁弁34とガス排気停止用電磁弁37を閉鎖後、ガス供給電磁弁23を開放してガス供給源21より運転ガス圧力になるまで新鮮なレーザガスを供給する。
運転ガス圧力になるとガス排気停止用電磁弁37を開放してレーザガスを排気すると同時にガス圧力検出手段41で一定の圧力になるようにガス供給電磁弁23の開閉制御をする。
図2は運転開始時におけるガス圧力および差圧の時間的変化の関係を示すもので、図2を参照しながら警報手段の詳細な動作ついて説明する。
レーザ発振器の停止中のガス圧力は、約90kPa前後になっている。運転を開始するとガス排気停止用電磁弁37は開放、第1ガス排気電磁弁32と第2ガス排気電磁弁34は閉鎖の状態でガス排気手段36からガスが排気されると、ガス排出量調整手段35と第2ガス排気経路33の圧力が低下して、送風手段10の駆動部と翼車部との差圧が徐々に上昇すると同時に、差圧検出手段42の差圧も徐々に大きくなる。
起動して一定時間(数10秒間)経過後の図中A点の差圧が所定の基準値以上の場合、ガス排出量調整手段35の流量は確保されていて正常と判断される。
しかし、ガス排出量調整手段35に詰まりが発生した場合、排気流量が低下して、それと同時に差圧が所定の基準値以下になることにより異常検出が可能となる。
すなわち、この構成により駆動部で発生したオイルミストやガス排気経路のゴミなどによるガス排出量調整手段35のオリフィス詰まりが特別な検出器を装備することなく、送風手段10の翼車部と駆動部との差圧検出手段42で、送風手段10の運転前に発見でき、送風手段10の翼車部と駆動部との差圧低下によるガス経路循環内にオイルミストの侵入するのを防止できる。
また、送風手段10のシール部(図示はしないが図6におけるシール部10bと同じ構成部分)の隙間が広くなった場合も同様に差圧が所定の基準値以下になることにより異常検出が可能となる。
また、運転開始時のガス圧力が停止ガス圧力の約90kPaより低い場合、ガス供給電磁弁23を一旦開放してレーザガスを供給して約90kPaになった後に、ガス排気停止用電磁弁37は開放、第1ガス排気電磁弁32と第2ガス排気電磁弁34は閉鎖の状態でガス排気手段36からガスが排気することにより正確に差圧の検出が可能となっている。
そして、上記ガス排出量調整手段35の詰まり検出のチェック後、第1ガス排気電磁弁32と第2ガス排気電磁弁34は開放の状態にして真空引きを継続する。
その後、ガス圧力が10kPa以下の状態で差圧検出手段42の差圧信号が所定の基準値以下の図中B点に到達したとき、第1ガス排気通路31の第1ガス排気電磁弁32および第2ガス排気通路33の第2ガス排気電磁弁34を閉めた状態でガス供給源21より一定ガス圧力(約0.5kPa程度)になるまでレーザガスを供給後、ガス排気手段36により送風手段10の駆動部の大気を一定時間(約10秒間程度)排出し、図中C点になったとき前記送風手段10の駆動部の真空リーク発生の有無を前記差圧検出手段42の差圧変化で検出する。送風手段10の駆動部のケーシング(図示はしないが図6におけるケーシング10cと同じ構成部分)より真空リークが発生している場合、駆動部の内部圧力が微少に上昇して、前記差圧検出手段42の差圧変化が所定圧力以下になる。この場合に警報手段43より警報を発生させレーザ発振器の運転を停止させる。
前記ガス供給源36からの一定ガス圧力の供給は、第1ガス排気通路31の第1ガス排気電磁弁32と第2ガス排気通路33の第2ガス排気電磁弁34を閉めた状態より一定時間経過後のガス圧力を記憶し、ガス供給時のガス圧力との差を演算手段(警報装置43を兼ねた制御装置に含める)で演算することにより、各電磁弁の動作遅れやガス圧の変動がなくなり安定した状態で計測が出来るため誤差の少ない制御が可能となる。
図3は真空引き中のガス圧力および差圧の時間的変化の関係を示すもので、図3を参照しながら警報手段の別の動作ついて説明する。
真空引き中に運転ガス圧力付近(約20〜30kPa)の所定ガス圧力に到達(図中D点)したとき、第1ガス排気通路31の第1ガス排気電磁弁32を閉めた状態でガス排気手段36により送風手段10の駆動部の大気を一定時間(約数10秒間)排出し、前記送風手段10の駆動部と前記送風手段10の翼車部とのシール部の隙間が広くなった異常を前記圧力検出手段41の圧力変化で検出する。
前記送風手段10の駆動部と前記送風手段10の翼車部とのシール部の隙間、第2ガス排気通路33および第2ガス排気電磁弁34の経路でシール部の隙間が広くなった場合にガス排気流量が上昇してガス圧力の低下現象が早まるためシール部の異常の有無が検出できる。
よって、送風手段10の駆動部と翼車部のシール部の隙間異常を速やかに検出することができオイルミストのガス循環経路内の侵入を未然に防止できレーザ出力が低下するということもなくなる。
また、前記圧力検出手段41の圧力変化計測は、第1ガス排気通路31の第1ガス排気電磁弁32を閉めた状態から一定時間経過後のガス圧力を記憶し、ガス排気手段36により送風手段10の駆動部の大気を一定時間排出後のガス圧力との差を演算手段(警報装置43を兼ねた制御装置に含める)で演算することにより各電磁弁の動作遅れやガス圧の変動がなくなり安定した状態で計測が出来るため誤差の少ない制御が可能となる。
以上のように、本実施の形態によれば、オイルミストやガス排気通路内のゴミなどによるガス排出量調整手段のオリフィス詰まりや送風手段の翼車部と駆動部との差圧低下によるオイルミストのガス経路循環内の進入を未然に防止し、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。
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2におけるレーザ加工機の構成図を示すもので、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、上述した実施の形態1におけるレーザ発振装置65と、レーザ光路66により構成されている。
レーザ発振装置65から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およびレーザ加工機は、送風手段からのオイルミストの影響を低減し、レーザ出力の安定および長期信頼性の向上を図れるレーザ発振装置およびレーザ加工機として有用である。
本発明の実施の形態1におけるレーザ発振装置のブロック図 本発明の実施の形態1における運転開始時のガス圧力および差圧の時間的変化を示す関係図 本発明の実施の形態1における真空引き中のガス圧力および差圧の時間的変化を示す関係図 本発明の実施の形態2におけるレーザ加工機の構成図 従来のガスレーザ発振装置の構成図 一般的な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 放電空間
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
21 ガス供給源
22 ガス供給量調整手段
23 ガス供給電磁弁
31 第1ガス排気通路
32 第1ガス排気電磁弁
33 第2ガス排気通路
34 第2ガス排気電磁弁
35 ガス排出量調整手段
36 ガス排気手段
41 ガス圧力検出手段
42 差圧検出手段
43 警報手段

Claims (10)

  1. レーザ媒体であるレーザガスを励起する放電手段と、前記レーザガスを送風する翼車部とこの翼車部を駆動する駆動部を有する送風手段と、前記放電手段と前記送風手段との間のレーザガスの循環経路を形成するガス循環経路と、前記送風手段の駆動部および前記ガス循環経路にそれぞれ排気通路を介して接続されたガス排気手段と、前記ガス循環経路にレーザガスを供給するガス供給源とを備え、前記ガス循環経路の大気を排出する第1ガス排気通路と、前記第1ガス排気通路に設けた電磁弁と、前記送風手段の駆動部から大気を排出する第2ガス排気通路と、前記第2ガス排気通路に設けたガス排出量調整手段と、前記ガス排出量調整手段に並列に前記第2ガス排気通路に設けた電磁弁と、前記送風手段の翼車部の出口側と前記送風手段の駆動部との差圧を検出する差圧検出手段を設け、運転開始時に前記第1排気通路の電磁弁および前記第2排気通路の電磁弁を閉めた状態で前記ガス排気手段により前記送風手段の駆動部の大気を一定時間排出し、前記差圧検出手段の圧力が所定圧力以下の場合に前記ガス排出量調整手段の詰まりが発生したとして警報を発生させる警報手段を設けたレーザ発振装置。
  2. 運転開始直前の前記送風手段の圧力が大気圧近くの所定圧力以下の場合、前記ガス供給源から前記所定圧力までレーザガスを供給後に前記差圧検出手段で差圧を検出するガス供給手段を設けた請求項1記載のレーザ発振装置。
  3. 前記送風手段の駆動部と前記送風手段の翼車部とのシール部の隙間異常を前記差圧検出手段で検出する請求項1または2記載のレーザ発振装置。
  4. 真空引き中に運転ガス圧力付近の所定ガス圧力に到達したとき、前記第1排気通路の電磁弁を閉めた状態で前記ガス排気手段により前記送風手段の駆動部の大気を一定時間排出し、前記送風手段の駆動部と前記送風手段の翼車部とのシール部の隙間異常を前記圧力検出手段の圧力変化で検出し、前記圧力検出手段の圧力変化が所定圧力以上の場合に警報を発生させる警報手段を設けた請求項1から3のいずれかに記載のレーザ発振装置。
  5. 前記圧力検出手段の圧力変化計測は、前記第1排気通路の電磁弁を閉めた状態から一定時間経過後のガス圧力を記憶し、前記ガス排気手段により前記送風手段の駆動部の大気を一定時間排出後のガス圧力との差を演算する演算手段を設けた請求項4記載のレーザ発振装置。
  6. 前記ガス排気手段で真空引き中の10kPa以下の状態で前記差圧検出手段の差圧が所定値以下になったとき、前記第1排気通路の電磁弁および前記第2排気通路の電磁弁を閉めた状態で前記ガス供給源より一定ガス圧力なるまでガスを供給後、前記ガス排気手段により前記送風手段の駆動部の大気を一定時間排出し、前記送風手段の駆動部の真空リーク異常を前記差圧検出手段の差圧変化で検出し、前記差圧検出手段の差圧変化が所定圧力以下の場合に警報を発生させる警報手段を設けた請求項1から5のいずれかに記載のレーザ発振装置。
  7. 前記ガス供給源からの一定圧力のガス供給は、前記第1排気通路の電磁弁と前記第2排気通路の電磁弁を閉めた状態から一定時間経過後のガス圧力を記憶し、ガス供給時のガス圧力との差を演算する演算手段を設けた請求項6記載のレーザ発振装置。
  8. 前記検出手段で異常を検出した場合、レーザ発振装置の運転を強制的に停止して、以後の再起動運転の禁止する請求項1から7の何れかに記載のレーザ発振装置。
  9. 定期点検時などの場合に強制的に前記警報手段を無効にする請求項1から7の何れかに記載のレーザ発振装置。
  10. 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9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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