JP2010212556A - ガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】送風機によるガス循環冷却を行わずにガスレーザの大出力化を実現し、且つ高品質なレーザビームを得る。
【解決手段】励起用放電空間に対して重力方向の上部に配置されたレーザ媒体加熱部と、前記レーザ媒体加熱部に対して重力方向の上部に配置された熱交換器と、前記熱交換器と励起用放電空間とレーザ媒体加熱部とを環状に接続したレーザガス経路と、前記レーザガス経路中に配置され、前記熱交換器と励起用放電空間との間に設けられたレーザガス過冷却部とを備えた事を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は主として板金等の加工用途に用いられるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機に関するものである。

図２に従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。以下、図２を参照しながら従来の軸流型ガスレーザ発振装置を説明する。

この図に示す従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、ガラスなどの誘電体よりなる放電管１０１前記放電管１０１の周辺に設けたリング状の電極、１０２と１０３、前記電極１０２、１０３に接続した電源１０４、前記放電管１０１内の電極１０２、１０３間に挟まれた部分であり前記電源１０４から電極１０２、１０３に通電を行うことにより放電を行う放電空間１０５、全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７、前記部分反射鏡１０７より出力されるレーザビーム１０８、レーザガスの流れる方向の矢印１０９、レーザガス流路１１０、熱交換機１１１、熱交換機１１２、送風手段１１３、レーザガス導入部１１４を備えている。

この全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７は前記放電空間１０５の両端に位置するように前記放電管１０１を支持する構成部材に固定配置され、光共振器を形成している。

レーザガスは矢印１０９の方向にレーザガス流路１１０を流れ、レーザガス導入部１１４、放電管１０１内の放電空間１０５、熱交換機１１１、送風手段１１３、熱交換機１１２、レーザガス流路１１０の順に軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。

前記熱交換機１１１および１１２は放電空間１０５における放電と送風手段１１３の内部に配置した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。送風手段１１３は放電空間１０５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得るように送風している。レーザガス流路１１０と放電管１０１は、レーザガス導入部１１４で接続されている。

図３にレーザ加工機の概略構成の一例を示す。以下、図３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、上述した従来の軸流型ガスレーザ発振装置から出力したレーザビーム１０８をワーク１１６方向へ進行方向を反射鏡１１５で反射することにより変更し、トーチ１１７内部に備えられた集光レンズ１１８によって前記レーザビーム１０８を高密度のエネルギビームに集光して、ワーク１１６に照射する。

なお、ワーク１１６は加工テーブル１１９上に固定されており、トーチ１１７をＸ軸モータ１２０あるいはＹ軸モータ１２１によって、ワーク１１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工を行うように構成している。

このような従来の軸流型ガスレーザ発振装置では、送風手段１１３より送り出したレーザガスは、レーザガス流路１１０を通り、レーザガス導入部１１４より放電管１０１内へ導入される。この状態で電源１０４に接続された電極１０２、１０３から放電空間１０５に放電を発生させる。放電空間１０５内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム１０８が出力される。このレーザビーム１０８がレーザ加工等の用途に用いられる。

さて、一般にレーザ発振を行うためには放電管１０１内のレーザガス温度が一定温度以下である必要がある。例えばＣＯ_２ガスレーザの場合は、この温度が２００℃であり、ガス温度が２００℃を越えると、発振効率が急激に低下し、所定のレーザ出力が得られなくなる。

従来の軸流型レーザ発振装置では、送風手段１１０および熱交換器１１１、１１２がレーザガス温度を常時３０℃程度に保つために必要な構成要素である。レーザガスが放電管１０１内に送り込まれる時、レーザガス温度は約３０℃である。

そして放電が開始されると放電エネルギーによりレーザガス温度は上昇し、放電管を通過後、ガス温度は２００℃近くにまで上昇している。このレーザガスは熱交換器１１１を通過する事で約３０℃まで温度が下がる。送風手段１１３通過後、圧縮熱により再度１５０℃近くまでガス温度が上昇するが、再度、熱交換器１１２を通過し、約３０℃まで温度が下がる。

このレーザガスが再度、放電管１０１内へ導入される。レーザビームの出力が数ｋｗクラスのＣＯ_２レーザ発振装置の場合、放電管１０１を通過するガス流速は数１００ｍ／ｓｅｃであり、レーザガスが放電管１０１内に留まっている時間は、わずか数ｍｓｅｃである。レーザガスがこれ以上の時間、放電管１０１内に留まると、温度上昇により２００℃を超え、急激な発振効率の低下が発生する事になる。

このように従来の軸流型ガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機、特にレーザビームの出力が数ｋｗ以上の出力が得られるＣＯ_２レーザ発振装置においては、送風手段１３を備える事は必須である。送風手段１３としては、一般的にルーツブロアやターボブロアが用いられる。例えばターボブロア関して説明すると、レーザ用ターボブロアには、レーザガスに直接作用する翼車回転部は清浄に保つために、駆動用の機器、例えば電動機などを潤滑するオイルから発生するオイルミストが存在する翼車駆動部とを空気力学的に分離するシール構造を用いている。

なお、上述した軸流型レーザ発振装置とは構成が異なるレーザ発振装置としては、送風機によるガス循環冷却を行わずにガスレーザの大出力化を行う構成として、対向させた平行平板状の２枚の電極間に放電空間を設け、放電によるガス温度上昇を平行平板との接触による拡散冷却によって抑制するいわゆるスラブレーザと呼ばれるものもあった（例えば特許文献１，２参考）。

図４に従来のスラブレーザの概略構成の一例を示す。以下、図４を参照しながら従来のスラブレーザ発振装置を説明する。

図に示す従来のスラブレーザは、平行平板からなる電極１０２、１０３を有し、図示しないが内部に絶縁処理を施したパイプ状の冷却水流路を設けていて、図示しない冷却水循環装置と接続している。

また電極１０２、１０３には電源１０４を接続しており、電極１０２、１０３に通電することにより、電極１０２、１０３の向かい合った空間を放電空間としている。

この放電空間に位置するレーザガスが放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡１０７からレーザビーム１０８が出力される構成になっている。

なお、このスラブレーザでは拡散冷却の方法をとるため、冷却効率を上げるために平行平板からなる電極１０２、１０３間の距離を数ｍｍオーダーに設定する必要がある。

この場合、光共振器の空間も数ｍｍオーダーの平行平板間により制限されるので、光共振器は平行平板表面での反射を用いた導波路型になり、導波路での散乱による不純光発生により、おのずと光の質は低下する。レーザビーム１０８は質の悪い矩形でしか取り出せない。
特開昭６３−１９２２８５号公報 特開平８−９７４８９号公報

さて、上述した軸流型レーザ発振装置に用いるシール構造は、翼車の高速高精度回転による送風能力との両立が求められ、そのためレーザ用ターボブロアはおのずと高価な部品となり、装置の全材料費の数１０％を占める事から、イニシャルコスト低減の大きな阻害要因となっていた。

またブロアは翼車の回転のためモータを用いており、その消費電力はガスレーザ発振装置の全消費電力の数１０％を占めているため、消費電力を低減させランニングコストを抑制する上での大きな阻害要因となっていた。

一方、シール構造を用いない、すなわち、送風手段によるガス冷却方式を用いずにレーザガスを冷却する手段としては、いわゆるスラブレーザが存在するが、このスラブレーザはレーザの光の質が悪いという致命的な欠点がある。

レーザ光共振器の理想形は、折返し鏡での反射を一部介するものの、基本的に向かい合った１対のミラー表面での反射で光の定在波を形成する方式であり、いわゆる安定型共振器と呼ばれるものであり、最も良質な光を取り出す事が出来る。

図５は軸流型ガスレーザ発振装置の光共振器部分を示した図であり、図５にしめしたように円錐対象形の質の良いレーザビーム１０８を取り出す事が可能である。

すなわち送風手段を用いずにレーザガスを冷却する事、および良質なレーザビームを取り出せる安定型共振器とを両立させる事が大きな課題となっていた。

本発明は、上記問題点を解決するために、レーザガスを循環するレーザガス流路と、前記レーザガス流路に配置した放電手段と、前記レーザガス流路に配置した熱交換器とを備え、前記放電手段で放電される放電空間に対して重力方向の上部にレーザガスを加熱するレーザガス加熱部を前記レーザガス流路に設け、前記レーザガス加熱部に対して重力方向の上部に前記熱交換器を配置し、前記熱交換器に対して重力方向の下部の前記レーザガス流路にレーザガスを冷却するレーザガス過冷却部を設け、前記レーザガス流路の前記放電空間から前記レーザガス加熱部に至る部分と、前記レーザガス流路の前記熱交換器から前記レーザガス過冷却部に至る部分がなす角度を９０度未満とするものである。

このように本発明では、放電空間で放電されるとガス温度が上昇し、レーザガスの比重が低減してレーザガスは重力方向の上部に移動する。これに加えて、レーザガス加熱部でさらにレーザガス温度は上昇し、比重はさらに低減する。この事によってレーザガスはさらに速度を上げて、上部へ移動する。

上部へ移動したレーザガスはレーザガス流路の熱交換器へ導入されて冷却される。レーザガスは温度が低下する事で比重が上昇し、重力方向の下部へ移動する。そして熱交換器の下部へ移動したレーザガスは、レーザガス過冷却部において、さらに冷却され比重の上昇に伴い、速度を上げて下部へ移動する。下部へ移動したガスはレーザガス流路を放電空間へ移動する。

なお、前記レーザガス流路の前記放電空間から前記レーザガス加熱部に至る部分と、前記レーザガス流路の前記熱交換器から前記レーザガス過冷却部に至る部分がなす角度を９０度未満としているため、熱交換器で冷却されたレーザガスがレーザガス加熱部へ逆流することを防ぐ。

本発明によれば、送風機を用いずにレーザガスを循環し、冷却を行う事が出来き、ガスレーザ発振装置の大出力化を容易に実現しながら、良質なレーザビームを取り出す事の出来る安定型共振器を実現できる。

以下に本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は本発明のガスレーザ発振装置の実施の形態例に関する構成図である。

図１（ａ）はガスレーザ発振装置の要部の説明図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ方向から見た要部の破断図である。

図１に示す実施の形態のガスレーザ発振装置は、レーザガス流路１を有し、このレーザガス流路中には、電極２、３とこれら電極２、３に接続した電源４からなる放電手段を配置して、電極２、３間で放電することにより、レーザガスを励起させる放電空間５を形成している。

この放電空間５に対して、重力方向の上部（図中、レーザガス流れ６ａの方向）にレーザガス加熱用電極７、８を配置している。これらレーザガス加熱用電極７、８にはレーザガス加熱用電源９を接続して、レーザガス加熱用電極７、８、レーザガス加熱用電源９でレーザガス加熱部を構成して、レーザガス加熱用電極７、８間に放電を行ってレーザガス加熱用放電空間１０を形成している。

レーザガス加熱用放電空間１０のさらに重力方向の斜め上部のレーザガス流路１の位置に熱交換器１１を配置して、前記放電空間５、レーザガス加熱用放電空間１０、および熱交換器１１は、レーザガス経路１によって環状に配置されており、密閉したレーザガス循環経路が形成されている。

そして、レーザガス流路１の熱交換器１１に対して重力方向の下方向（図中、レーザガス流れ６ｂの方向）にレーザガスを冷却するレーザガス過冷却部１２を配置している。

このレーザガス過冷却部１２はレーザガス流路１中に配置した冷却用のフィン１２ａとこのフィン１２ａへ熱的に接続した冷却部１２ｂから構成している。

なお、放電空間５を挟んで対向した位置関係で、部分反射鏡１３および全反射鏡１４を平行に配置して光共振器を形成している。

そして、放電空間５に対して放電が成されるとレーザガス温度が上昇する。レーザガスの温度上昇に伴う比重の低減によって、レーザガスは重力方向の上部に移動する。いわゆる対流現象である。これに加えて、レーザガス加熱用放電空間１０に対して放電される事でさらにレーザガス温度は上昇し、比重はさらに低減する。この事によってレーザガスはさらに速度を上げて、上部へ移動する。

上部へ移動したレーザガスはレーザガス流路１の上端に達し、熱交換器１１へ導入され、冷却される。レーザガスは温度が低下する事で比重が上昇し、重力方向の下部へ移動する。熱交換器１１の下部へ移動したレーザガスは、レーザガス過冷却部１２において、さらに冷却され比重の上昇に伴い、速度を上げて下部へ移動する。下部へ移動したレーザガスはレーザガス流路１の下端に達し、再び放電空間５へ導入される。

前述した一連のプロセスにより、レーザガスはレーザガス流路１の中を循環する事になる。本発明はこの対流を利用したレーザガス循環により、常に励起用の放電空間５のレーザガス温度を熱飽和が発生する２００℃以下に保つ事を狙ったものである。ただ単に励起用の放電による温度上昇のみでは充分なレーザガスの移動速度が得られないが、レーザガス移動速度を上昇させるために、レーザガス加熱用放電空間１０およびレーザガス過冷却部１２を適切に配置する事で、レーザガス移動速度を上昇させる事が可能となり、熱飽和を防ぐことでレーザ発振を継続的に行う事が可能となる。

なお、本実施の形態ではレーザガス加熱部としてレーザガス加熱用放電空間１０を用いたが、例えばマイクロ波加熱やヒータなどの他のレーザガス過熱手段に置き換える事も可能である。

また、熱交換器１１は通常１０〜３０℃程度の冷却水を用いるが、レーザガス過冷却部１２の冷却部１２ｂには、ペルチェ素子や液化ガスなどを用いて、氷点下以下の温度へレーザガス温度を下げる事が構成上望ましい。

前述の通り、レーザ光共振器の理想形は、折返し鏡での反射を一部介するものの、基本的に向かい合った１対のミラー表面での反射で光の定在波を形成する方式であり、いわゆる安定型共振器と呼ばれるものであり、最も良質な光を取り出す事が出来る。本発明によれば、安定型共振器を構成できるため、円錐対象形の質の良いレーザビームを取り出す事が可能である。

以上の構成の本発明の実施の形態にかかるガスレーザ発振装置は、図３に示すガスレーザ加工機に使用可能であり、その概略構成を図３を参照しながら説明する。

この図に於いて、上述した本発明のガスレーザ発振装置から出力したレーザビーム１０８をワーク１１６方向へ進行方向を反射鏡１１５で反射することにより変更し、トーチ１１７内部に備えられた集光レンズ１１８によって前記レーザビーム１０８を高密度のエネルギビームに集光して、ワーク１１６に照射する。

なお、ワーク１１６は加工テーブル１１９上に固定されており、トーチ１１７をＸ軸モータ１２０あるいはＹ軸モータ１２１によって、ワーク１１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工を行うように構成している。

本発明によるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機は、送風機によるガス循環冷却を行わずにガスレーザの大出力化を容易に実現しながら、良質なレーザビームを取り出す事ができるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機として有用である。

本発明の一実施の形態例のガスレーザ発振装置の構成図 従来のガスレーザ発振装置の構成図 ガスレーザ加工機の構成図 従来のスラブ型ガスレーザ発振装置の共振器部の構成図 従来のガスレーザ発振装置の共振器部の構成図

１ レーザガス流路
２、３ 電極
４ 電源
５ 放電空間
６ａ 重力方向の上向きのレーザガス流れ
６ｂ 重力方向の下向きのレーザガス流れ
７、８ レーザガス加熱用電極
９ レーザガス加熱用電源
１０ レーザガス加熱用放電空間
１１ 熱交換器
１２ レーザガス過冷却部
１１５ 反射鏡
１１６ ワーク
１１７ トーチ
１１８ 集光レンズ
１１９ 加工テーブル
１２０ Ｘ軸モータ
１２１ Ｙ軸モータ

Claims (8)

1. レーザガスを循環するレーザガス流路と、前記レーザガス流路に配置した放電手段と、前記レーザガス流路に配置した熱交換器とを備え、前記放電手段で放電される放電空間に対して重力方向の上部にレーザガスを加熱するレーザガス加熱部を前記レーザガス流路に設け、前記レーザガス加熱部に対して重力方向の上部に前記熱交換器を配置し、前記熱交換器に対して重力方向の下部の前記レーザガス流路にレーザガスを冷却するレーザガス過冷却部を設け、前記レーザガス流路の前記放電空間から前記レーザガス加熱部に至る部分と、前記レーザガス流路の前記熱交換器から前記レーザガス過冷却部に至る部分がなす角度を９０度未満とするガスレーザ発振装置。
2. 前記レーザガス加熱部として、放電によりレーザガスを加熱する加熱用放電手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記レーザガス過冷却部として、吸熱フィンを前記レーザガス流路中に位置させたペルチェ素子を用いた事を特徴とする請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
4. 前記レーザガス過冷却部として、吸熱フィンを前記レーザガス流路中に位置させた液化ガスによる冷却装置を用いた事を特徴とする請求項１または２記載のガスレーザ発振装置
5. レーザガスを循環するレーザガス流路と、前記レーザガス流路に配置した放電手段と、前記レーザガス流路に配置した熱交換器とを備え、前記放電手段で放電される放電空間に対して重力方向の上部にレーザガスを加熱するレーザガス加熱部を前記レーザガス流路に設け、前記レーザガス加熱部に対して重力方向の上部に前記熱交換器を配置し、
   前記熱交換器に対して重力方向の下部の前記レーザガス流路にレーザガスを冷却するレーザガス過冷却部を設け、前記レーザガス流路の前記放電空間から前記レーザガス加熱部に至る部分と、前記レーザガス流路の前記熱交換器から前記レーザガス過冷却部に至る部分がなす角度を９０度未満とするガスレーザ発振装置を用い、ワークを載置するテーブルと、前記ガスレーザ発振装置から出力したレーザビームを前記ワークの方向に進行方向を変更する光学手段と、前記レーザビームを高密度のエネルギビームに集光する集光手段を内部に配置したトーチと、前記ワークとトーチを相対移動させる駆動手段を備えたガスレーザ加工機。
6. 前記レーザガス加熱部として、放電によりレーザガスを加熱する加熱用放電手段を設けたことを特徴とする請求項５記載のガスレーザ加工機。
7. 前記レーザガス過冷却部として、吸熱フィンを前記レーザガス流路中に位置させたペルチェ素子を用いた事を特徴とする請求項５または６記載のガスレーザ加工機。
8. 前記レーザガス過冷却部として、吸熱フィンを前記レーザガス流路中に位置させた液化ガスによる冷却装置を用いた事を特徴とする請求項５または６記載のガスレーザ加工機。

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