JP2010272669A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスレーザ発振装置においてレーザガスを循環させる従来の送風手段では、運転による温度上昇により、軸受けに外力が掛かり、軸受けの磨耗、割れ、クラックの原因になり、寿命が短い課題があった。
【解決手段】送風手段は先端に翼車部を設けた回転部と、前記回転部を回転させる駆動部とを備え、当該送風手段の上部軸受けを自動調心軸受けとし、下部軸受けを軸方向に摺動可能なアンギュラ玉軸受けとすることにより、外力および偏心の影響を緩和した。
【選択図】図１

Description

本発明は主として板金切断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４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４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。

放電管１は、レーザガス流路１０とレーザガス導入部１４で接続されている。レーザガス流路１０には送風手段１３が設けてあり、レーザガス９を循環させ、放電空間５にて約１００ｍ／ｓ程度のガス流を得ている。熱交換機１２は、送風手段１３にて圧縮され温度上昇したレーザガス９を冷却する。放電空間５に流れ込んだレーザガス９は、電源４により印加された高電圧によって電極２、３間で放電励起される。励起されたレーザガス９は、全反射鏡６と部分反射鏡７の間で形成される光共振器の中で誘導放出を行い、部分反射鏡７からレーザビーム８を出力する。レーザビーム８を放出したレーザガス９は、熱交換器１１で冷却され、再び送風手段１３に戻される。

図５は従来の板金切断レーザ加工機の概略構成の一例を示す。以下、図５を参照しながら従来のレーザ加工機を説明する。

レーザビーム８は、反射鏡１５にて反射され、ワーク１６近傍へ導かれる。レーザビーム８は、トーチ１７内部に備えられた集光レンズ１８によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク１６に照射され、切断加工が行われる。ワーク１６は加工テーブル１９上に固定されており、Ｘ軸モータ２０あるいはＹ軸モータ２１によって、トーチ１７はワーク１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。

図６は、従来の送風手段の構成図である。以下、図６を参照しながら従来のレーザ加工機の送風機について説明する。

送風手段１３としては、一般的に遠心式の送風手段が用いられる。モータロータ２２は回転軸２３と結合され、回転軸２３の先端に翼車２６が備えられている。モータロータ２２と同軸にモータステータ２４が配置され、モータステータ２４はケーシング２５に固定されている。モータステータ２４へ外部より交流電力が供給されると、発生した回転磁界によりモータロータ２２が回転し、回転軸２３を介して翼車２６を回転させる。翼車２６の周囲にはスクロール２７が配置され、翼車２６の回転によりレーザガス流９が発生する。通常、レーザ発振装置の送風機としては、１３〜２６ｋＰａ程度の圧力で動作し、毎時２０００ｍ３以上の送風能力を有する。

回転軸２３は上下２箇所に配置された軸受け２８によって回転可能な状態で支持されている。軸受け２８の内輪は回転軸２３と結合されている。送風手段１３の構成は回転部と非回転部とに分けられ、回転部は前記モータロータ２２、回転軸２３、翼車２６および軸受け２８から構成されている。軸受け２８の外輪は非回転部であるケーシング２５と結合されている。

送風手段１３は、誘導モータの発熱やレーザガスの圧縮熱で高温になり、静止時と動作状態では数十℃の温度差が生じる。

ガスレーザ発振装置において、送風手段１３はユーザ先での定期交換部品の一つである。一般的にガスレーザ発振装置は運転時間５万時間以上使用されるが、例えば送風手段１３は１万６千時間程度で新品に交換する必要がある。送風手段１３の構成部品の内、長期的に消耗する部品は、殆どが回転部に含まれ、特に軸受け２８は最も消耗が早い部品であり、軸受け２８が寿命に達した時に送風手段１３を交換することになる。そこで、軸受け２８の長寿命化のために、従来の送風機ではアキシアル方向、ラジアル方向の負荷を軽減したり、共振振動を抑制する工夫がなされてきた。

アキシアル方向の負荷軽減に関しては、バネの反発力や磁気吸引力で翼車２６に加わる揚力を軽減する方法（例えば特許文献１参照）がある。この方法によれば、軸受けとケーシングの熱膨張に差があっても軸受けには外力が掛からない。

また、ラジアル方向の共振振動の抑制には、２重の回転軸構造にして回転軸間に弾性力を有するＯリングを複数装着し制振作用を持たせる方法（例えば特許文献２参照）がある。

また、目的は異なるが、軸受け外周部にＯリングを使用し、結果としてＯリングの弾性力によって制振作用を有する回転機械がある（例えば特許文献３参照）。この方法によれば、回転軸が振れても、軸受けもＯリングの弾性変形相当分は変位できるため、軸受けに掛かる外力を軽減できる。

特開２００５−２４０５９７号公報 特開平１１−１０７９８４号公報 特開平１１−１０１２５４号公報

従来のガスレーザ発振装置の送風手段は、下記課題を有している。

固定された軸受けでは、送風手段の運転時の発熱による熱膨張により軸受けに大きな外力が掛かる。これは、回転軸の材質とケーシングの材質が異なることによって熱膨張に差が生じ、軸受けの内輪と外輪に数百μｍのずれが発生するためである。この外力は、軸受けの磨耗を早めるだけでなく、割れ、クラックの原因にもなり、送風手段の寿命時間を短縮する。

上記課題を解決するための従来の方法にも別の課題がある。

アキシアル方向の負荷を抑えるためにバネで軸受け２８の両側から支持した場合、回転軸２３のアキシアル方向位置を規制することができず、翼車２６とスクロール２７のクリアランスが不安定となり、送風量の変動を起こし、レーザ発振出力の変動を来たす。

ラジアル方向の制振のために回転軸２３を２重構造にすると、翼車２３の保持力を維持するために回転軸２３を太くすることが必要となり、小型大出力を目指すガスレーザ発振装置の送風手段１３としては不都合である。

軸受け２８の外側をＯリングを介して押さえると、Ｏリングの弾性変形の分だけ翼車２６の回転軸が振れ、不要振動を誘発する。特に翼車２６の近傍の軸受け２８での偏心は送風量の周期的変動要因となり、結果的にレーザ発振装置のビーム位置安定性の劣化、レーザ発振出力の変動を来たす。

本発明は、上記課題を解決するために、片側の軸受けを自動調心軸受けとして軸ぶれの回転中心を一箇所に定め、他方の軸受けを摺動可能としたアンギュラ玉軸受けとして、軸受けに掛かる外力を緩和する。それにより、翼車の回転軸の振れを抑える送風手段を提供し、安定した出力を有するレーザ発振器を提供することが出来る。

本発明は、上記問題点を解決するために、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のレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路とを備え、前記送風手段は先端に翼車部を設けた回転部と、前記回転部を回転させる駆動部とを備え、前記回転部は翼車部に隣接した上部の軸受けを自動調心軸受けとし、下部の軸受けを上下に摺動可能としたアンギュラ玉軸受けとし、回転軸に加わる外力を緩和したガス送風手段を搭載した事を特徴とする、
さらに、上記摺動可能なアンギュラ玉軸受けの外輪をバネで支えて、軸受けを上部軸受け側にバネの反力で押し当て、回転軸とケーシングの熱膨張の差による外力を緩和した事を特徴とする、
また、上記アンギュラ玉軸受けの外輪を支える支持具が円錐状を成し、上部へのバネ反発力の分力をラジアル方向の抑止力とすることを特徴とするガスレーザ発振装置である。

本発明に示す構成により、以下の効果を図ることが可能となる。

翼車部近傍を自動調心軸受けで支えることで回転軸の軸ブレに起因する外力による玉軸受けの損傷を防止し、送風手段の長寿命化を達成できる。

自動調心玉軸受けとすることで、アキシアル方向の位置が固定されるので、翼車とスクロールのクリアランスの変動を最小に押さえることができ、送風手段の送風量を安定化させ、結果としてレーザ出力安定性を向上することが可能となる。

下部の軸受けを上下に摺動可能とすることで回転軸とケーシングの熱膨張の差によって発生する変位による外力の発生を無くすことができ、送風手段の長寿命化が可能となる。

下部の軸受けをアンギュラ玉軸受けとすることで、アキシアル荷重を支えつつ、ラジアル方向の安定性を図ることができ、軸受けの損傷、劣化が押さえられ、送風手段の長寿命化が可能となる。

下部のアンギュラ玉軸受けの外輪をバネで支えて、軸受けを上部軸受け側にバネの反力で押し当てることにより、上下の軸受けに与圧をかけることができ、フレッチング現象を抑制することが可能となり、送風手段の長寿命化が可能となる。

アンギュラ玉軸受けの外輪を支える支持具を円錐状にし、上部へのバネ反発力の分力をラジアル方向の抑止力とすることで、軸ブレを押さえることが可能となり、レーザ発振装置の振動を抑制し、レーザ出力およびレーザビーム位置安定性を向上することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に関するガスレーザ発振装置の送風手段の構成図 本発明の第２の実施の形態に関する下部アンギュラ玉軸受けの部の詳細図 本発明の第３の実施の形態に関する下部アンギュラ玉軸受けの部の詳細図 従来のガスレーザ発振装置の構成図 従来のガスレーザ加工機の構成図 従来の送風手段の構成図

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態に関するガスレーザ発振装置の送風手段の構成図である。

上部の軸受け（自動調心玉軸受け）２８１の内輪は回転軸２３に、外輪はケーシング２５へ固定されている。

下部の軸受け（アンギュラ玉軸受け）２８２の内輪は、回転軸２３に圧入され固定されている。一方外輪はケーシング２５との間に摺動機構２５１が設けられる。本実施例における摺動機構２５１は、１００μｍ以下の隙間が設けられた状態の隙間バメとなっており、回転軸２３の長手方向へ摺動可能な状態で径方向の動きは規制されている。摺動機構２５１として、外輪を直動ベアリングにはめ込み摺動性を良くすることも可能である。

上部軸受け２８１は、自動調心玉軸受けであり、調心の支点が回転軸上にあるため、回転軸２３は自由に傾きを持つことができる。そのため、軸ブレによる偏心が発生しても上部の軸受け２８１には外力が加わらず、損傷が防止される。

軸の傾きは、上下の軸受けのスパンＬと摺動機構２５１の間隙ｇによって決まる。回転軸２３が傾くと、回転軸２３に取付けられた翼車２６も傾き、スクロール２７とのクリアランスｃが変化する。実施例において、スパンＬと翼車２６の半径ｒの比は５：２であり、クリアランスｃの変化は、摺動機構２５１の間隙ｇの４０％に押さえられる。このため、偏心による流量の変化は無視できるレベルとなり、レーザ発振装置のレーザ出力は安定する。

回転軸２３にはモータロータ２２が結合され、ケーシング２５に固定されたモータステータ２４に外部より交流電力が供給されると、発生した回転磁界により回転する。

モータロータ２２は渦電流損により発熱し、モータステータ２４はコイルの直流抵抗分で発熱する。発生した熱により、回転軸２３、ケーシング２５はそれぞれ温度上昇し、熱膨張する。このとき、発生熱量と材質がそれぞれ異なるため、回転軸２３の伸びによる軸受けのスパンＬの増加分ΔＬ１とケーシング２５の伸びによる軸受けのスパンＬの増加分ΔＬ２には差異が生じる。本実施例では、概２４０μｍの差異となるが、摺動機構２５１により軸受け２８２が移動するため、軸受け２８２には外力が加わらず、損傷が防止される。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態に関する下部アンギュラ玉軸受けの部の詳細図である。

下部の軸受け２８２の外輪は下側より支持具３３を介してバネ３４によって予圧を掛けられている。バネ３４は下部フタ３５によってケーシング２５に取付られ、与圧の圧力を調整可能にしている。

本実施例において、下部の軸受け２８２は、バネ３４により与圧を掛けられているため、一定のアキシアル荷重を受け持ち、上部の軸受け２８１のアキシアル荷重を分担する。下部の軸受け２８２は、アンギュラ玉軸受けであるため、大きなアキシアル荷重を負荷することができる。バネ３４の圧縮率を調整することにより、上部の軸受け２８１のアキシアル荷重を小さくすることが可能である。この結果、上部の軸受け２８１の磨耗を軽減し、長寿命化が図られる。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態に関する下部アンギュラ玉軸受けの部の詳細図である。

下部の軸受け２８２の外輪は下側より円錐状の受け面を持つ支持具３３１、３３２を介してバネ３４によって予圧を掛けられている。バネ３４は下部フタ３５によってケーシング２５に取付られ、与圧の圧力を調整可能にしている。

本実施例において、下部の軸受け２８２を支える支持具３３１、３３２は、円錐状であり、互いに勘合している。バネ３４により与圧を掛けられているため、勘合部には、アキシアル方向とラジアル方向への力に分力されて負荷が掛かる。

回転軸２３の動バランスに狂いがあって軸ブレが発生した場合、下部の軸受け２８２にラジアル方向の負荷が掛かる。ラジアル負荷は、動バランスの狂いによって発生するため、１回転に１度、特定方向にベクトルが向いている。送風手段１３の回転数により共振振動周波数と一致した場合、特に大きなラジアル負荷となる。

本実施形態では、支持具３３１、３３２の勘合部のすべりによってラジアル負荷を軽減することができる。回転軸２３にラジアル負荷が掛かった時に、バネ３４によるラジアル方向分力を超える負荷になると、勘合部がすべりを発生し、回転軸２３が傾く。勘合部のすべりは、バネ３４によって定まる共振周波数を持つため、動バランスによる共振周波数振動を緩和する。このため、下部の軸受け２８２に過度のラジアル負荷が掛かることを防止できる。一方、上部の軸受け２８１は、自動調心玉軸受けであるため、下部の軸受け２８２での振れに対しての負荷は受けない。この結果、上下部の軸受け２８１、２８２の磨耗を軽減し、長寿命化が図られる。

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、送風手段の回転軸の支持方法を工夫したことで、軸受けに掛かる負荷を軽減し、長寿命化を図るとともに、翼車の回転を安定化させ、レーザ出力およびビーム位置安定性を向上させることが出来、定期交換寿命の長い、安定性の良い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。

１ 放電管
２ 電極
３ 電極
４ 電源
５ 放電空間
６ 全反射鏡
７ 部分反射鏡
８ レーザビーム
９ レーザガスの流れる方向
１０ レーザガス流路
１１ 熱交換器
１２ 熱交換器
１３ 送風機
１４ レーザガス導入部
１５ 反射鏡
１６ ワーク
１７ トーチ
１８ 集光レンズ
１９ 加工テーブル
２０ Ｘ軸モータ
２１ Ｙ軸モータ
２２ モータロータ
２３ 軸
２４ モータステータ
２５ ケーシング
２６ 翼車
２７ スクロール
２８ 軸受
３３ 支持具
３４ バネ
３５ 下部フタ
２５１ 摺動機構
２８１ 上部の軸受け（自動調心玉軸受け）
２８２ 下部の軸受け（アンギュラ玉軸受け）
３３１ 支持具
３３２ 支持具

Claims (3)

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のレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路とを備え、前記送風手段は先端に翼車部を設けた回転部と、前記回転部を回転させる駆動部とを備え、
   前記回転部は翼車部に隣接した上部の軸受けを自動調心軸受けとし、下部の軸受けを上下に摺動可能としたアンギュラ玉軸受けとし、回転軸に加わる外力を緩和したガス送風手段を搭載した事を特徴とするガスレーザ発振装置。
2. アンギュラ玉軸受けの外輪をバネで支えて、軸受けを上部軸受け側にバネの反力で押し当て、回転軸とケーシングの熱膨張の差による外力を緩和し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. アンギュラ玉軸受けの外輪を支える支持具が円錐状を成し、上部へのバネ反発力の分力をラジアル方向の抑止力とすることを特徴とする請求項２記載のガスレーザ発振装置。

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