JP2011119376A - 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】本発明はレーザガスの消費量を低減できるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機を提供するものである。
【解決手段】レーザガス２に放電を発生させる電極３、４、電源５からなる放電手段と、レーザガス２を放電手段による放電部分に送風する送風手段１０を備え、送風手段１０は、翼車２４、回転軸２５、モータロータ２６から構成された回転部と、モータステータ２７、ケーシング２８から構成された回転を行わない非回転部を有し、非回転部に送風手段１０の内部へ冷却ガスとして空気を導入する冷却ガス供給口１７を設け、冷却ガス供給口１７に流量調整弁１８、電磁弁１９、フィルタ２０、空気取入口２１からなる冷却ガス供給手段を接続し、非回転部にガス排出口２２を設けたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザガスを循環する送風手段を備えた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。

一般に、ガスレーザ発振装置は密閉された筐体内に一対の電極を有し、前記筐体内に封入されたレーザガスをブロワ等の送風手段によって強制的に循環している。そして、前記一対の電極によって生じる放電によって、前記レーザガスを励起し、部分反射鏡と全反射鏡によって共振して、外部にレーザ光を出力する構成にしている。また、レーザガスの劣化した分を交換するレーザガス供給源とレーザガス排出手段を設けていた。

また、このガスレーザ発振装置は、照射したレーザ光を複数のミラーを介して加工ヘッドに送り、加工テーブル上のワークに位置決めしたレーザ光を照射して加工を行うガスレーザ加工機に用いられている。

ところで、このようなガスレーザ発振装置では、送風手段で回転トルクを発生する過程で、鉄損・銅損などの損失を発生するために発熱する。

この場合、特に冷却手段を施さない場合は２５０〜３００℃の高温となってしまい、通常、材料強度は温度が高くなると低下することから、高速回転時の遠心力による応力のため回転部が破壊に至ることがある。

それを防止するため、送風手段の内部を冷却する方法として、送風手段内部にオイルを配置し、このオイルを送風手段の内部に振り掛けることで冷却していた（例えば特許文献１参照）。

但し、このようなオイルを用いる冷却構造の場合には、レーザガスの循環経路にオイルミストが混入する場合があり、このオイルミストによって部分反射鏡と全反射鏡が汚染されガスレーザ発振装置のメンテナンスが必要になるため、送風手段内部から排気して送風手段内部の圧力をレーザガスの循環経路よりも低くして、レーザガス経路からレーザガスを送風手段内部に引き入れ、送風手段内部からレーザガスの循環経路にオイルミストが出て行かないようにする必要があった（例えば特許文献２参照）。

特開２００１−１７３５９１号公報 特開２００６−１０８４７９号公報

しかし、このような従来のガスレーザ発振装置では、送風手段内部からレーザガスの循環経路にオイルミストが出て行かないように送風手段内部を排気しているので、劣化したレーザガスの交換量以上にレーザガスを消費する必要があり、ランニングコストの低減を妨げていた。

本発明は上記課題に鑑み、レーザガスの消費量を低減できるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明のガスレーザ発振装置は、レーザガスに放電を発生させる放電手段と、前記レーザガスを前記放電手段による放電部分に送風する送風手段を備え、前記送風手段は、回転部と、回転を行わない非回転部を有し、前記非回転部に前記送風手段の内部へ冷却ガスを導入する冷却ガス供給口を設け、前記冷却ガス供給口に冷却ガス供給手段を接続し、前記非回転部にガス排出口を設けたものである。

この構成により、冷却ガス供給口から送風手段の内部に冷却ガスが供給され、送風手段の内部を冷却した冷却ガスをガス排出口から排出できるので、従来のものに比べてレーザガスを消費せずに送風手段の内部を冷却できる。

また、本発明のガスレーザ発振装置は、前記ガス排出口にガス排出手段を接続したり、前記ガス排出口と前記ガス排出手段の間に流量調整弁を設けたり、前記冷却ガス供給口と前記冷却ガス供給手段の間に流量調整弁を設けたりするものである。

この構成により、送風手段の内部に導入される冷却ガスの量や送風手段の内部から排出される冷却ガスの量を調整することができるので、冷却ガスの消費量を制御できるとともに送風手段からレーザガスの循環する経路への冷却ガスの混入を防止することができる。

なお、本発明は上述した何れかに記載のガスレーザ発振装置と、前記ガスレーザ発振装置から照射したレーザ光とワークを相対移動させる駆動手段を備えたガスレーザ加工機に適用するものを含むものである。

以上のように本発明は、非回転部に冷却ガスを導入する冷却ガス供給口を設け、前記冷却ガス供給口に冷却ガス供給手段を接続し、非回転部にガス排出口を設けたことにより、従来のようなオイルを用いることなく送風手段の内部を冷却することができるのでオイルがレーザガスの経路中に混入しないように排気していたレーザガスを削減することができ、送風手段の安定した運転状態を安価なランニングコストにより実現することができる。

本発明の実施の形態１に関するガスレーザ発振装置の送風手段の構成図 本発明の実施の形態１に関するガスレーザ発振装置の構成図 本発明の実施の形態２に関するガスレーザ発振装置の送風手段の構成図 本発明の実施の形態３に関するガスレーザ加工機の構成図

以下に本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に関するガスレーザ発振装置の送風手段の構成図、図２は本発明の実施の形態１に関するガスレーザ発振装置の構成図である。

図２に示すように、ガラスなどの絶縁体からなる放電管１内には、レーザガスとして本実施の形態ではＣＯ２ガスを主成分として窒素ガスとヘリウムガスを混合した気体からなるレーザガス２を循環している。放電管１には電極３、４を設けていて、これら電極３、４には電源５を接続して、放電管１内に放電を発生させるように放電手段を構成している。

この放電で生じた高速の電子が、窒素分子を励起して高エネルギー準位に上げ、この励起された窒素分子が、ＣＯ２分子に衝突してＣＯ２分子にエネルギーを与えて励起させ、エネルギー準位を上げ、その際、窒素分子はエネルギー準位が下がる。

そして反転分布したＣＯ２分子は放電管１の両端にそれぞれ対向するように配置した全反射鏡６と部分反射鏡７による共振器内で増幅されレーザ光を誘導放出し、部分反射鏡７から外部にレーザ光８を出力するように構成している。

なお、ヘリウムガスは冷却効果があり、レーザガス２の温度上昇を抑止するとともに、レーザ発振に関係しない下位レベルのＣＯ２分子を衝突で基底状態に戻す作用を行う。

この放電管１にはレーザガス２を循環させる循環路となるガス循環経路９を接続し、そのガス循環経路９の途中にレーザガス２を送風する送風手段１０を配置して、送風手段１０により放電管１内で約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流となるようにガス循環経路９内のレーザガス２を循環させている。

このガス循環経路９には、放電や送風手段１０を通過後に放電エネルギーおよび圧縮熱により高温となっているレーザガス２の温度を下げるための熱交換器１１を複数配置している。

なお、この送風手段１０及び電源５には制御手段１２を接続して、夫々を制御するようにしている。

また、レーザガス供給源（図示せず）から電磁弁１３、流量調整弁１４を介してガス循環経路９に上述した組成のレーザガスを供給するようにし、真空ポンプ等のガス排出手段１５とガス循環経路９を電磁弁１６を介して接続してガス循環経路９から劣化したレーザガスを排出する構成にしている。

そして、これら電磁弁１３、１６、ガス排出手段１５は制御手段１２に接続して、通常１時間あたり５〜５０Ｌのレーザガスが排出されるとともに同量の新しいレーザガスが電磁弁１３の働きによりガス循環経路９内に導入されることにより、ガス循環経路９内のレーザガス圧を所定の値、例えば大気の５〜３０％程度の圧力に保になるように制御するとともに、ガスレーザ発振装置の起動、停止時にガス循環経路９中に大気や粉塵が混入しないように開閉を制御している。

また、送風手段１０には、冷却ガス供給口１７を設けていて、この冷却ガス供給口１７に冷却ガス供給手段として、流量調整弁１８、電磁弁１９、フィルタ２０、空気取入口２１を接続している。

また、送風手段１０には、ガス排出口２２を設けていて、このガス排出口２２に流量調整弁２３、電磁弁１６を介してガス排出手段１５を接続している。

この送風手段１０は図１に示すように、本実施の形態では遠心式の送風手段を用い、レーザガス２を吸い込み、回転により吐出する翼車２４を回転軸２５に取り付けている。この回転軸２５にはモータロータ２６を取り付けていて、このモータロータ２６と対向する位置にモータステータ２７を配置し、このモータステータ２７はケーシング２８に固定している。

このように送風手段１０は回転部と非回転部とに分けられ、回転部は翼車２４、回転軸２５、モータロータ２６から構成され、また、非回転部は、モータステータ２７、ケーシング２８から構成されている。

また、送風手段１０の回転部と非回転部の間、具体的には回転軸２５とケーシング２８との間には上部軸受固定部２９を介して上部軸受３０を、また、下部軸受固定部３１を介して下部軸受３２を配置し、回転可能に支持し、モータステータ２７に交流電力を供給すると、発生した回転磁界によりモータロータ２６が回転し、回転軸２５を介して翼車２４が回転することによりレーザガス２の送風を行うように構成している。

なお、上部軸受固定部２９の翼車２４側には軸シール３３を配置している。

そして、ケーシング２８の上部軸受３０側に冷却ガス供給口１７を配置し、モータロータ２６、モータステータ２７を冷却ガス供給口１７と挟むように下部軸受３２側にガス排出口２２を配置している。

そして、上述したように、空気取入口２１からフィルタ２０、電磁弁１９、流量調整弁１８を介して冷却ガス供給口１７からケーシング２８内部へ空気を取り入れるようにしている。

また、ガス排気手段１５から流量調整弁２３、電磁弁１６を介して、冷却ガス供給口１７からケーシング２８内部に供給した空気をガス排出口２２から排出するようにしている。

このように構成した送風手段１０の冷却について説明する。

先ず、空気取入口２１から導入された空気はフィルタ２０により清浄され、電磁弁１９、流量調整弁１８により流量を制御されて冷却ガス供給口１７から送風手段１０のケーシング２８内部に入る。

このケーシング２８内に入った空気はモータロータ２６とモータステータ２７の間を通って、これらモータロータ２６とモータステータ２７を冷却して、ガス排出口２２から流量調整弁２３により流量を制御されてガス排出手段１５により排出される。

この時、ガス排出手段１５の排出量はケーシング２８内の圧力がガス循環経路９内のレーザガス圧（大気の５〜３０％程度の圧力）よりも若干低く、０．１〜０．５ｋＰａ程度低い圧力になるように流量調整弁１８、２３を調整して、ガス循環経路９内に空気が混入しないようにしている。

したがって、僅かながらガス循環経路９からレーザガス３４がケーシング２８内に入るが、従来のものに比べて削減できる。

なお、レーザガスの平均分子量は通常１０〜２０と大気の２０〜５０％で、またケーシング２８内の圧力は大気圧の５〜３０％よりも若干低い圧力であるため、レーザガスによる冷却効果は低く、本実施の形態では空気を用いることにより、レーザガスを用いるのに比べて冷却効果を上げるとともにレーザガスの排出量を削減できるので、従来のものに比べてランニングコストを削減できる。

以上のように、本実施の形態では、レーザガス２に放電を発生させる電極３、４、電源５からなる放電手段と、レーザガス２を放電手段による放電部分に送風する送風手段１０を備え、送風手段１０は、翼車２４、回転軸２５、モータロータ２６から構成された回転部と、モータステータ２７、ケーシング２８から構成された回転を行わない非回転部を有し、非回転部に送風手段１０の内部へ冷却ガスとして空気を導入する冷却ガス供給口１７を設け、冷却ガス供給口１７に流量調整弁１８、電磁弁１９、フィルタ２０、空気取入口２１からなる冷却ガス供給手段を接続し、非回転部にガス排出口２２を設けたものである。

この構成により、冷却ガス供給口１７から送風手段１０の内部に冷却ガスとして空気が供給され、送風手段１０の内部を冷却した空気をガス排出手段１５から排出できるので、従来のものに比べてレーザガス２を消費せずに送風手段１０の内部を冷却できる。

また、ガス排出口２２とガス排出手段１５の間に流量調整弁２３を設けたり、冷却ガス供給口１７と冷却ガス供給手段の間に流量調整弁１８を設けたりするものである。

この構成により、送風手段１０の内部に導入される空気の量や送風手段１０の内部から排出される空気の量を調整することができるので、空気の消費量を制御できるとともに送風手段１０からレーザガス２の循環するガス循環経路９への空気の混入を防止することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２に関するガスレーザ発振装置の送風手段の構成図で、本実施の形態２において、実施の形態１と同じ構成の部分については同じ符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の特徴とするところは、実施の形態１で冷却ガスとして空気を用い、その供給手段として空気取入口２１を設けたのに替えて、液体窒素ボンベ３５および気化器３６を用いた点である。

先ず、液体窒素ボンベ３５から氷点下１９６度の液体窒素が気化器３６に供給され、気化器３６で低温の窒素ガスとなり、フィルタ２０により清浄され、電磁弁１９、流量調整弁１８により流量を制御されて冷却ガス供給口１７から送風手段１０のケーシング２８内部に入る。

このケーシング２８内に入った低温の窒素はモータロータ２６とモータステータ２７の間を通って、これらモータロータ２６とモータステータ２７を冷却して、ガス排出口３７から流量調整弁２３により流量を制御されてガス排出手段１５により排出される。

この時、ガス排出手段１５の排出量はケーシング２８内の圧力がガス循環経路９内のレーザガス圧（大気の５〜３０％程度の圧力）よりも若干低くなるように流量調整弁１８、２３を調整して、ガス循環経路９内に窒素ガスが混入しないようにしている。

したがって、僅かながらガス循環経路９からレーザガス３４がケーシング２８内に入るが、従来のものに比べて削減できる。

以上のように本実施の形態では低温の窒素ガスを用いることにより、冷却効果を実施の形態１よりも上げるとともにレーザガスの排出量を削減できるので、液体窒素のランニングコストは空気に比べて高くなるが従来のものに比べてランニングコストを削減できる。

また、窒素ガスを用いることにより、ガス循環経路９内への窒素ガスの混入の際の影響が実施の形態１の空気のときよりも少なくできるので、ケーシング２８内の圧力を上げることができレーザガス３４の量をより減少できる。

なお、本実施の形態では液体窒素ボンベ３５を用いたが、実施の形態１の構成のフィルタ２０と空気取入口２１の間に冷却器を配置することで代用することができる。

（実施の形態３）
以上の構成の本発明の実施の形態１、２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、その概略構成について図４を参照しながら説明する。

この図に於いて、上述した本発明の実施の形態にかかるガスレーザ発振装置から出力したレーザ光８をワーク３７方向へ進行方向を反射鏡３８で反射することにより変更し、トーチ３９内部に備えた集光レンズ４０によって前記レーザ光８を高密度のエネルギビームに集光して、ワーク３７に照射する。

なお、ワーク３７は加工テーブル４１上に固定されており、トーチ３９をＸ軸モータ４２あるいはＹ軸モータ４３の駆動手段によって、ワーク３７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、レーザガスを削減することができ、送風手段の安定した運転状態を安価なランニングコストにより実現すること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。

２ レーザガス
３、４ 電極
５ 電源
８ レーザ光
１０ 送風手段
１５ ガス排出手段
１７ 冷却ガス供給口
１８ 流量調整弁
１９ 電磁弁
２０ フィルタ
２１ 空気取入口
２２ ガス排出口
２３ 流量調整弁
２４ 翼車
２５ 回転軸
２６ モータロータ
２７ モータステータ
２８ ケーシング
３７ ワーク
４２ Ｘ軸モータ
４３ Ｙ軸モータ

Claims (5)

1. レーザガスに放電を発生させる放電手段と、前記レーザガスを前記放電手段による放電部分に送風する送風手段を備え、前記送風手段は、回転部と、回転を行わない非回転部を有し、前記非回転部に前記送風手段の内部へ冷却ガスを導入する冷却ガス供給口を設け、前記冷却ガス供給口に冷却ガス供給手段を接続し、前記非回転部にガス排出口を設けたガスレーザ発振装置。
2. 前記ガス排出口にガス排出手段を接続した請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記ガス排出口と前記ガス排出手段の間に流量調整弁を設けた請求項２記載のガスレーザ発振装置。
4. 前記冷却ガス供給口と前記冷却ガス供給手段の間に流量調整弁を設けた請求項１から３の何れかに記載のガスレーザ発振装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載のガスレーザ発振装置と、前記ガスレーザ発振装置から照射したレーザ光とワークを相対移動させる駆動手段を備えたガスレーザ加工機。

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