JP2010212557A

JP2010212557A - ガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機

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Publication number: JP2010212557A
Application number: JP2009059094A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hayashikawa; 洋之林川; Takayuki Yamashita; 隆之山下; Nobuo Shinno; 暢男新野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】外気温によらず運転開始直後よりミラー角度を一定に保つことで、常に高品質のレーザビームを生成し、安定したレーザ加工を実現する。
【解決手段】調整板の冷却部材取り付け部の厚みをそれ以外の部分の該２倍以上の寸法とし、支点および角度調整ネジ取り付け部の厚みおよび長さは同一とし、前記支点および角度調整ネジの材質は、調整板材質の熱膨張率よりも小さくする。また調整板に備えられた温度センサと、冷媒量制御手段とを備え、温度センサの検出信号に応じて、冷媒量を制御、または放電開始後一定時間の間は冷媒量を絞った状態で流し、一定時間後に通常流量の冷媒を流す制御を行なう事を特徴とするガスレーザ発振装置またはガスレーザ加工機である。
【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３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３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。

図３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、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を有し、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。

また、図３に示す従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、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を有しており、このレーザガスは矢印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４にレーザ加工機の概略構成の一例を示す。以下、図４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。

以上が従来のガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機の構成である。次にその動作について説明する。

送風手段１１３より送り出されたレーザガスは、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。

図５に従来の軸流型ガスレーザ発振装置におけるミラー調整部の詳細図を、図６に従来の軸流型ガスレーザ発振装置における光学ベンチ部分の概略構成を示す。

部分反射鏡１０７および全反射鏡１０６は調整板１２２に取り付けられ、調整板１２２はフランジ１２３に対して、角度調整可能な状態で取り付けられている。

調整板１２２には角度調整ネジ１２４が２箇所とピン状の支点１２５が１箇所取り付けられ、調整板１２２とフランジ１２３とはバネ１２６にて結合されている。バネ１２６によって角度調整ネジ１２４および支点１２５は受け１２１に押し当てられ、固定されている。

部分反射鏡側および全反射鏡側それぞれのフランジ１２３はパイプ１２８にて相互に結合され、互いに平行になるように配置されている。またパイプ１２８で結合されたフランジ１２３は光学ベンチ２９にて放電管１０１と共に保持されている。調整板１２２の角度調整によりミラー角度が平行に調整される。パイプ１２８は熱膨張率のきわめて小さいカーボンファイバなどの材料から成り、外気温の変化に関わらず、ミクロンオーダーでミラー平行度を一定に保てるように構成されている。

また調整板１２２には冷却部材１３０が備えられ、ミラーの発熱を奪い、ミラー自体の温度面での保護と同時に、調整板１２２の熱バランスをある一定範囲に押さえる役割を果たしている。

正常なレーザ出力を得るためには、部分反射鏡１０７および全反射鏡１０６とが平行な状態に調整され、且つ外気温変化などの外乱によらず、常に一定の平行度に保たれる必要がある（例えば特許文献１参照）。

また、このようなミラー調整部として、マイクロメータを用いるもの（例えば特許文献２参照）、温度を検出して結露を防止するためにミラー近傍の冷却を制御するもの（例えば特許文献３、４参照）、調整ネジおよびミラー近傍の冷却を行うもの（例えば特許文献５参照）があった。
特開平６−１４０６９２号公報特開昭６０−１９８８７８号公報特開昭５５−２４４７５号公報特開昭６３−１４０５８７号公報特開昭６２−１５６８９０号公報

この様な従来のガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機は、下記の課題を有している。

調整板１２２は以下の複数の機能を同時に満たす必要がある。第１にミクロンオーダーでの角度調整機能、第２に外気温が０〜５０℃程度変化した場合でも角度変化を数ミクロン以下に抑制する機能、第３に発熱体であるミラーの熱を除去する機能、第４にミラーの少なくとも片側を真空状態に保つ機能である。

これらの機能は単独で実現する事は、さほど困難では無いが、同時に実現しようとする事は容易では無い。

上述した従来構造では調整板１２２を構成する材料は熱膨張率差を避けるため出来るだけ同じ材料が選定されている。しかし特に外気温が０度近く、あるいは５０度近くの条件でレーザ発振装置を運転させた場合、調整板１２２は過渡的な温度変化にさらされ、高温部と低温部とでの熱膨張の違いがどうしても発生し、角度変化を生じてしまう。

本発明は、上記問題点を解決するために、レーザガスを励起する放電手段と、前記放電手段で励起されたレーザガスを挟むように対向配置した部分反射鏡と全反射鏡と、前記部分反射鏡または全反射鏡を保持する調整板と、前記調整板を保持するフランジと、前記調整板に設けて前記調整板と前記フランジの距離を保つ支点と、前記調整板と前記フランジの間に配置して互いに引き合う方向に付勢するバネと、前記調整板に係合して前記調整板と前記フランジの距離を調整可能な角度調整ネジと、前記調整板に設けた冷却部材を備え、前記調整板の形状として、前記角度調整ネジおよび支点を取り付ける部分のフランジ方向の厚みを同一とし、かつ、前記調整板の冷却部材取り付け部分のフランジ方向の厚みを、前記調整板の端面から前記角度調整ネジおよび支点を取り付ける部分までの厚みの約２倍以上の寸法とし、前記支点および角度調整ネジの長さを同一とし、前記支点および角度調整ネジの材質を調整板材質の熱膨張率よりも小さくしたものである。

また、前記調整板に温度センサを設け、前記温度センサからの信号を入力する制御装置と、前記制御装置に接続し、前記冷却部材への冷媒量を制御する冷媒量制御手段を設け、前記温度センサの検出信号に応じて前記冷却部材への冷媒量を制御するものである。

本発明により、外気温によらず運転開始直後よりミラー角度を一定に保つことが可能となり、常に高品質のレーザビームを生成し、安定したレーザ加工が可能となるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機を提供できる。

以下に本発明の実施の形態１を図面によって説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の例でありレーザ発振装置の部分反射鏡または全反射鏡の取り付け部分の構成図である。

なお、ガスレーザ発振装置の概略構成は図３、図６に示す従来のものと変わらず、部分反射鏡または全反射鏡の取り付け部分が異なるので、ガスレーザ発振装置の概略構成については、説明を省略する。

図に示す実施の形態１のレーザ発振装置は、調整板１を有し、部分反射鏡２が調整板１の溝にはめ込まれ、ミラー押さえ３で調整板１と挟み持つようにして保持している。

この調整板１は、フランジ４に対して対向するように配置しており、その対向配置するために、調整板１とフランジ４の距離を一定に保つ支点５を調整板１にネジ止めにて取り付けており、この支点５の先端に受け６を当てるように、受け６をフランジ４に設けている。

そして、調整板１の支点５とバランスを取る位置、例えば調整板１の中心から支点５を開始点として１２０度毎に２箇所、角度調整ネジ７を係合させている。

この角度調整ネジ７は先端をフランジ４に設けた受け６に当てており、角度調整ネジ７の調整板１からの突出量を調整して、部分反射鏡２の角度を調整するようにしている。

この調整板１とフランジ４の間には引き合う方向に付勢するバネ８を設けている。

そして、調整板１の支点５、角度調整ネジ７の内側部分に冷却部材１０を設けている。

なお、フランジ４と調整板１には、レーザビームを通過させる穴４ａ、１ａを設けていて、その穴４ａと１ａの間をつなぐシリンダ９を配置している。

また、フランジ４の穴４ａと調整板１の穴１ａのシリンダ９が当たる部分には溝を設けて、その溝にＯリングを配置して気密を保つようにしている。

さらに、調整板１の穴１ａの部分反射鏡２の入る部分にも溝を設けて、その溝にＯリングを配置して気密を保つようにしている。

そして、調整板１の形状として、角度調整ネジ７および支点５を取り付ける部分のフランジ４方向の厚みｔを同一とし、かつ、調整板１の冷却部材１０の取り付け部分のフランジ４方向の厚みを、調整板１の端面から角度調整ネジ７および支点５を取り付ける部分までの厚みＴの約２倍以上の寸法とし、支点５および角度調整ネジ７の長さを同一とし、支点５および角度調整ネジ７の材質を調整板１の材質の熱膨張率よりも小さくしたものである。

具体的には支点５および角度調整ネジ７の材質は鉄系材料を使用し、一方調整板１の材質はアルミ系材料を使用しているため、調整板１に比べて、支点５および角度調整ネジ７の熱膨張率の方が小さく設定されている。

このように調整板１の冷却部材１０の取り付け部分は、ミラー発熱部にもっとも近い部位でもあるが、他の部分よりも厚みを大きくする事で熱容量を増やし、温度変化がゆるやかになるように設定されている。

また支点５および角度調整ネジ７の取り付け部分については、構造上、当該部分の調整板１の厚さよりも支点５および角度調整ネジ７の長さの方が長く設定される事になる。調整板１の温度が変化するに伴い支点５および角度調整ネジ７にも温度勾配が発生するが、調整板１に比べて熱膨張率の低い材料を用いる事で、支点５および角度調整ネジ７の膨張もしくは収縮により長さのアンバランスを最小限に抑える事が可能となる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の例であり、ガスレーザ発振装置の構成図である。

基本的には図１に示す実施の形態１と同じ構成をとるので、同一符号を付し、同一構成部分の説明を省略する。

本実施の形態２では、調整板１に温度センサ１１を設け、冷却部材１０へ冷媒を導入する冷媒経路１２の途中に冷媒量制御手段１３を設けている。

温度センサ１１および冷媒量制御手段１３は、共に制御装置１４に接続され、温度センサ１１の信号に応じて冷媒量制御手段１３を駆動し、冷媒量を可変させることが出来るようになっている点が実施の形態１と異なる。

なお、機械運転開始後の調整板１の過渡的な温度変化について、最も大きな要因はミラーの発熱と冷却部材１０による冷却のアンバランスである。

ミラー発熱量は運転時の設定条件によって都度異なり、ミラー発熱が少ない場合でも冷却は過剰に行なわれ、調整板温度が低下し過ぎる事が起こり得る。しかし本実施の形態では調整板１に温度センサ１１を備えており、温度センサ１１の検出信号に応じて、制御装置１４が冷却部材１０への冷媒量の制御を行う冷媒量制御手段１３を駆動して冷媒量を変え、過冷却や冷却不足を防止して、調整板１の温度を適正値に制御する事が可能となる。

また、調整板１の熱勾配を最小に抑えるためには、温度変化を最小にする必要がある。特に問題になるのは前述したとおり、冷却部材１０による調整板１の過冷却である。これを防止する有効な方法として、調整板１の温度変化を最小に抑える事が出来るように冷却部材１０への冷媒量を制御する必要がある。特に冷媒の流し始めがもっとも温度勾配は発生しやすいため、流し始めの流量は絞り、徐々に定常流量に戻していく制御が望ましい。

以上の実施の形態において、角度調整ネジ７としては、マイクロメータなどの汎用部品を使用することも可能である。すなわちマイクロメータは一般的に鉄系材料で作られるため、本発明における角度調整ネジの材料要件を満たし、且つ長さ調整の機能も保有するためである。

（実施の形態３）
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４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４を参照しながら説明する。

この図に於いて、上述した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。

本発明は、極めて簡単な構造により、外気温によらず運転開始直後より安定したレーザ加工が可能となるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機を提供できるため、産業上有用である。

本発明の実施の形態１のガスレーザ発振装置の要部構成図本発明の実施の形態２のガスレーザ発振装置の要部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ガスレーザ発振装置におけるミラー角度調整部分の構成図ガスレーザ発振装置における光共振器の構成図

１調整板
２部分反射鏡
４フランジ
５支点
７角度調整ネジ
８バネ
１０冷却部材
１１温度センサ
１３冷媒量制御手段
１４制御装置
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
１２０Ｘ軸モータ
１２１Ｙ軸モータ

Claims

レーザガスを励起する放電手段と、前記放電手段で励起されたレーザガスを挟むように対向配置した部分反射鏡と全反射鏡と、前記部分反射鏡または全反射鏡を保持する調整板と、前記調整板を保持するフランジと、前記調整板に設けて前記調整板と前記フランジの距離を保つ支点と、前記調整板と前記フランジの間に配置して互いに引き合う方向に付勢するバネと、前記調整板に係合して前記調整板と前記フランジの距離を調整可能な角度調整ネジと、前記調整板に設けた冷却部材を備え、前記調整板の形状として、前記角度調整ネジおよび支点を取り付ける部分のフランジ方向の厚みを同一とし、かつ、前記調整板の冷却部材取り付け部分のフランジ方向の厚みを、前記調整板の端面から前記角度調整ネジおよび支点を取り付ける部分までの厚みの約２倍以上の寸法とし、前記支点および角度調整ネジの長さを同一とし、前記支点および角度調整ネジの材質を調整板材質の熱膨張率よりも小さくしたガスレーザ発振装置。
レーザガスを励起する放電手段と、前記放電手段で励起されたレーザガスを挟むように対向配置した部分反射鏡と全反射鏡と、前記部分反射鏡または全反射鏡を保持する調整板と、前記調整板を保持するフランジと、前記調整板に設けて前記調整板と前記フランジの距離を保つ支点と、前記調整板と前記フランジの間に配置して互いに引き合う方向に付勢するバネと、前記調整板に係合して前記調整板と前記フランジの距離を調整可能な角度調整ネジと、前記調整板に設けた冷却部材を備え、前記調整板に温度センサを設け、前記温度センサからの信号を入力する制御装置と、前記制御装置に接続し、前記冷却部材への冷媒量を制御する冷媒量制御手段を設け、前記温度センサの検出信号に応じて前記冷却部材への冷媒量を制御するガスレーザ発振装置。
前記制御装置は、前記冷媒量制御手段を制御して放電開始前は前記冷却部材へ冷媒を流さず、放電開始後一定時間の間は冷媒量を絞った状態で前記冷却部材へ流し、一定時間後に通常流量の冷媒を前記冷却部材へ流す制御を行なう事と特徴とした請求項２記載のガスレーザ発振装置。
前記角度調整ネジは、差動構造をしたネジまたはマイクロメータであり、前記支点は前記マイクロメータと同等の熱膨張率を持つ材料から成る事を特徴とする請求項１から３の何れかに記載のガスレーザ発振装置。
レーザガスを励起する放電手段と、前記放電手段で励起されたレーザガスを挟むように対向配置した部分反射鏡と全反射鏡と、前記部分反射鏡または全反射鏡を保持する調整板と、前記調整板を保持するフランジと、前記調整板に設けて前記調整板と前記フランジの距離を保つ支点と、前記調整板と前記フランジの間に配置して互いに引き合う方向に付勢するバネと、前記調整板に係合して前記調整板と前記フランジの距離を調整可能な角度調整ネジと、前記調整板に設けた冷却部材を備え、前記調整板の形状として、前記角度調整ネジおよび支点を取り付ける部分のフランジ方向の厚みを同一とし、かつ、前記調整板の冷却部材取り付け部分のフランジ方向の厚みを、前記調整板の端面から前記角度調整ネジおよび支点を取り付ける部分までの厚みの約２倍以上の寸法とし、前記支点および角度調整ネジの長さを同一とし、前記支点および角度調整ネジの材質を調整板材質の熱膨張率よりも小さくした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。
レーザガスを励起する放電手段と、前記放電手段で励起されたレーザガスを挟むように対向配置した部分反射鏡と全反射鏡と、前記部分反射鏡または全反射鏡を保持する調整板と、前記調整板を保持するフランジと、前記調整板に設けて前記調整板と前記フランジの距離を保つ支点と、前記調整板と前記フランジの間に配置して互いに引き合う方向に付勢するバネと、前記調整板に係合して前記調整板と前記フランジの距離を調整可能な角度調整ネジと、前記調整板に設けた冷却部材を備え、前記調整板に温度センサを設け、前記温度センサからの信号を入力する制御装置と、前記制御装置に接続し、前記冷却部材への冷媒量を制御する冷媒量制御手段を設け、前記温度センサの検出信号に応じて前記冷却部材への冷媒量を制御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。
前記制御装置は、前記冷媒量制御手段を制御して放電開始前は前記冷却部材へ冷媒を流さず、放電開始後一定時間の間は冷媒量を絞った状態で前記冷却部材へ流し、一定時間後に通常流量の冷媒を前記冷却部材へ流す制御を行なう事と特徴とした請求項６記載のガスレーザ加工機。
前記角度調整ネジは、差動構造をしたネジまたはマイクロメータであり、前記支点は前記マイクロメータと同等の熱膨張率を持つ材料から成る事を特徴とする請求項５から７の何れかに記載のガスレーザ加工機。