JP2015213150A

JP2015213150A - ガスレーザ発振装置

Info

Publication number: JP2015213150A
Application number: JP2014228842A
Authority: JP
Inventors: 智浩持山; Tomohiro Mochiyama; 藤井　潤; Jun Fujii; 潤藤井; 西村　哲二; Tetsuji Nishimura; 哲二西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2015-11-26

Abstract

【課題】高圧縮の送風部の信頼性を向上させるガスレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】本発明のガスレーザ発振装置は、レーザガスを励起する放電部と、前記レーザガスを送風する送風部と、前記放電部と前記送風部との間の前記レーザガスの循環経路を形成するレーザガス流路とを備えたガスレーザ発振装置であって、前記送風部は、軸駆動手段によって回転を行なう回転部と、回転を行なわない非回転部から成り、前記回転部は、回転翼と回転軸と固定ナットを備え、前記回転翼と前記回転軸に少なくとも２箇所以上に嵌め合い構造を設けたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、主として板金切断用途に用いられるｋＷクラスの軸流型ガスレーザ発振装置に関するものである。

従来技術に係る軸流型ガスレーザ発振装置を図５に沿って説明する。

この図に於いて、９０１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、９０２、９０３は前記放電管周辺に設けられた電極である。９０４は前記電極に接続された電源である。

９０５は前記電極９０２、９０３間に挟まれた放電管９０１内の放電空間である。９０６は全反射鏡、９０７は部分反射鏡であり、この全反射鏡９０６、部分反射鏡９０７は前記放電空間９０５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。９０８は前記部分反射鏡９０７より出力されるレーザビームである。

矢印９０９はレーザガス流を示しており、ガスレーザ発振装置の中を循環している。９１０はレーザガス流路であり、９１１および９１２は前記放電空間９０５における放電と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ための熱交換器、９１３はレーザガスを循環させるための送風部であり、この送風部９１３により前記放電空間９０５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。前記レーザガス流路９１０と放電管９０１はレーザガス導入口９１４によって接続されている。

ＣＯ２ガスレーザ等に適用される送風部９１３としては、一般的に遠心式の送風部が用いられる。

図６は、従来のガスレーザ発振装置の送風部の構成図である。

ＣＯ２ガスレーザ等に適用される送風部は、レーザ発振部に常にガスを循環させておくようにするため、ガス循環経路とこのガス循環経路上に配設されるガス循環用のガス圧縮機とを備えてなる。モータロータ（図示せず）は回転軸９５１と結合され、回転軸９５１の先端に回転翼９５２が備えられている。モータロータと回転軸９５１と回転翼９５２を組み付けたものは回転体と呼ばれ、この回転体はケーシングに組み込まれる前にバランシングマシンによって、回転翼９５２部分の質量不釣り合い量が１０ｍｇ以下になるように調整されている。

回転軸９５１は、上下２箇所に配置された軸受９５３によって回転可能な状態に支持されている。モータロータと同軸にモータステータ９５４が配置され、モータステータ（図示せず）はケーシング９５５に固定されている。モータステータへ外部より電力が供給されると、発生した回転磁界により前記モータロータが回転し、回転軸９５１を介して回転翼９５２を回転させる。回転翼９５２の周囲にはスクロール９５６が配置され、回転翼９５２が数万ＲＰＭという高速回転をすることで、ガス循環流路９１０に約１００ｍ／ｓｅｃ程度のレーザガス流９０９が発生する。

ガスレーザ発振装置等に使用される高圧縮の流量性能を必要とする送風部の場合、高速回転で運用することとなるため、回転時に遠心力に伴い回転翼９５２の内部に発生する応力と回転翼９５２の剛性を高めるための軽量化ならびにガス圧縮及びモータ損失等に伴い回転翼９５２が高温になることから、回転翼９５２の材料としては、アルミ合金鍛造品等の素材が用いられているのが一般的である。

回転軸９５１と回転翼９５２との結合は、回転翼９５２の軸方向一端側の外周面が嵌挿できる環状部を有しかつ中央貫通孔を介して回転軸９５１に嵌挿固定されるカップリング９５７を備え、このカップリング９５７を回転軸９５１に嵌挿固定するとともに、回転翼９５２の一端側を前記カップリング９５７の環状部に締り嵌めで嵌挿させることによって連結している。

また、回転軸９５１上端部の取付軸にネジ部９５１ａを備え、ナット９５９等で回転翼９５２の上面を抑え固定している。

特開２００６−２１４３４１号公報

しかしながら、従来技術に係るガスレーザ発振装置では、送風部において、カップリング部一箇所のみの嵌め合いと回転軸上端部の取付軸にネジを備えて、ナット等で回転翼の上面を抑え固定する方法では、長期間のガスレーザ発振装置及び送風部の運転及び停止の繰り返しで、カップリング部の変形や回転翼と回転軸との芯ずれ、また回転翼の回転軸に対する回転ずれが発生しやすく、回転体の質量不釣り合い量が大きくなり、過大な振動及び軸受けの故障を誘発する。さらには、振動過大によって回転体が過剰破損に至るという信頼性に関する課題を有している。

そこで本発明は、高圧縮の送風部の信頼性を向上させることができるガス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、本発明に係るガスレーザ発振装置は、レーザガスを励起する放電部と、前記レーザガスを送風する送風部と、前記放電部と前記送風部との間の前記レーザガスの循環経路を形成するレーザガス流路とを備えたガスレーザ発振装置であって、前記送風部は、軸駆動手段によって回転を行なう回転部と、回転を行なわない非回転部から成り、前記回転部は、回転翼と回転軸と固定ナットを備え、前記回転翼に２箇所以上の嵌め合い構造を設け、前記嵌め合い構造の少なくとも１箇所が、前記回転軸の中心軸に対して回転対称な四角形もしくは六角形としたものである。

上記の構成により、本発明に係るガスレーザ発振装置では、送風部において長期間の使用によっても回転翼の軸心が回転軸の軸心に対して偏位や回転ずれ生じることがなるので、高圧縮の送風部の信頼性を向上させることができる。

本発明に係るガスレーザ発振装置の構成図本発明に係る送風部の構成図本発明に掛かる回転翼と回転軸の嵌め合い部形状の概略図本発明に係る実施結果の一例の効果を示したグラフ従来技術に係るガスレーザ発振装置の構成図従来技術に係る送風部の構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
＜ガスレーザ発振装置の主要構成＞
図１に本発明の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。

軸流型ガスレーザ発振装置１００は、放電管１０１、電極１０２、１０３、電源１０４、全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７、レーザガス流路１１０、熱交換器１１１、１１２、送風部１１３、およびレーザガス導入部１１４を備えている。

放電部である放電管１０１は、ガラスなどの誘電体により形成されている。電極１０２と電極１０３とは放電管１０１周辺に設けられ、電極１０２、１０３には電源１０４が接続される。そして、電極１０２と電極１０３との間に挟まれた放電管１０１内に、放電空間１０５が形成される。全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７とは放電空間１０５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。レーザビーム１０８は、部分反射鏡１０７より出力される。

レーザガス流１０９は、軸流型ガスレーザ発振装置１００の中のレーザガス流路１１０の循環を示す。熱交換器１１１および熱交換器１１２は、放電空間１０５における放電と送風部の運転とにより温度上昇したレーザガスの温度を下げる。

送風部１１３は、レーザガスを循環させる。このようにレーザガス流路１１０は、放電管１０１と送風部１１３との間のレーザガスの循環流路を形成する。送風部１１３により放電空間１０５にて約１００ｍ／秒程度のガス流が得られる。レーザガス流路１１０と放電管１０１とは、レーザガス導入部１１４において接続されている。

送風部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。また、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内のレーザ媒体であるレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起される。

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において共振状態となり、部分反射鏡１０７からレーザビーム１０８が出力される。レーザビーム１０８が、レーザ加工等の用途に用いられる。

ＣＯ２ガスレーザ等に適用される送風部１１３としては、一般的に遠心式の送風部が用いられる。

＜送風部の詳細な構成＞
図２は本発明に係る送風部の構成図である。ＣＯ２ガスレーザ等に適用される送風部は、ガスレーザ発振部に常にガスを循環させておくようにするため、ガス循環経路とこのガス循環経路上に配設されるガス循環用のガス圧縮機とを備えてなる。

回転部として、モータロータ１５０は回転軸１５１と結合され、回転軸１５１の先端に回転翼１５２が備えられている。回転軸１５１は、上下２箇所に配置された軸受１５３によって回転可能な状態に支持されている。

モータロータ１５０と同軸に非回転部に属するモータステータ１５４が配置され、モータステータ１５４はケーシング１５５に固定されている。

当該モータステータ１５４へ外部より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１５０が回転し、回転軸１５１を介して回転翼１５２を回転させる。回転翼１５２の周囲にはスクロール１５６が配置され、回転翼１５２が数万ＲＰＭという高速回転をすることで、レーザガス流路１１０に約１００ｍ／ｓｅｃ程度のレーザガス流１０９が発生する。

また、回転翼１５２と回転軸１５１との結合は、回転翼１５２の中央に回転軸１５１が貫通する穴を長手方向に備え、回転軸１５１側には、組立時に回転翼１５２の端面に対応するよう回転軸１５１に異径部を備え、また回転軸１５１上端部の取付軸１５１ａにネジを備え、ナット１６０等で回転翼１５２の上面を抑え固定する方法を採用している。

本発明が提供する送風部は、回転翼１５２の軸方向一端側の外周面が嵌挿できる環状部を有し、かつ、中央貫通孔を介して回転軸１５１に嵌挿固定されるカップリング１５７を備えている。

このカップリング１５７を回転軸１５１に嵌挿固定１５８し、前記回転翼１５２の一端側を前記カップリング１５７の環状部に縛り嵌めで嵌挿させると共に、回転翼１５２のもう一端側にも、回転軸１５１と嵌挿する構造１５９を設けて、回転翼１５２の両端部を回転軸１５１と嵌め合い連結させる。

この２箇所の嵌め合い部以外は、回転翼１５２の内径よりも回転軸１５１が細くされている。また、回転軸１５１上端部の取付軸にネジ部１５１ａを備え、ナット１６０等で回転翼１５２の上面を抑える構造をしている。

上記の２箇所の嵌め合い公差は２０μｍ以下とすることで十分な効果が得られる。

また、前述した２箇所の嵌め合い部の形状は加工しやすさや、組み立てやすさから、一般には円形が用いられる。

しかしながら、円形では回転方向に対して滑りやすく、ガスレーザ発振装置のように数万ＲＰＭという高速回転する送風部では、ひとたび滑りが発生してしまうと、嵌め合い部の変形及び摩耗が急速に進行してしまう。

そのため、すべり止め構造での嵌め合いが必要となるが、従来技術で記載したように回転体の質量不釣合いは非常に小さい１０ｍｇ以下でなければならず、回転軸に対して軸対象の形状でなければ質量不釣合いが崩れやすい。

そこで本願発明では、すべり止めの嵌め合い部の形状として、嵌め合い構造の少なくともどちらか一方を前記回転軸１５１の中心軸に対して対称な形状、例えば図３に示すような正六角形の嵌め合い形状とし、当該正六角形の嵌め合い形状１７０を回転軸１５１と回転翼１５２に設けた。

正六角形以上の回転軸１５１の中心軸に対して対称な正多角形でも同じ効果が得られるが、加工のしやすさやコストの面で正六角形が適した形状である。

さらに、一方の嵌め合い形状を正六角形としても、回転軸に組み付けに困難が生じないように、本発明は以下のように特徴的な形状を有している。

まず、正六角形の嵌め合い部は、図３の拡大図（ａ）に示すように面取り加工１６１を行っている。

また、もう一方の嵌め合い部は、図３の拡大図（ｂ）に示すように、カップリング１５７の内径部分に段差を設けている。回転軸への嵌挿部の入り口部分を回転軸１５１の径よりも少し径を大きくしてガイド部１６２を設ける。かつ、段差の内径を小さく形成した箇所をカップリング１５７と回転軸１５１の嵌挿固定部１５８として嵌め合い構造にする。

さらに、２箇所の嵌め合い構造において、接触する長手方向の長さを回転軸１５１の径の約１／５程度（例えば、１５％〜２５％）にすることで、嵌め合い形状が正多角形でも、組み付け易くすることが出来る。

なお、図３では六角形の例を示したが、加工のしやすさから四角形としてもよい。

以下の条件で、送風部の回転部の各運転時間後の質量不釣り合い量を測定し、本実施の形態の効果について実験した。実験条件を以下に示す。

（実験条件）
嵌め合い箇所は１箇所、もしくは２箇所、もしくは３箇所の３通りの部材を準備した。

嵌め合い箇所が１箇所の場合は、回転翼の一端に設定する。嵌め合い箇所が２箇所の場合は、回転翼両端に設定する。嵌め合い箇所が３箇所の場合は、回転翼両端と両端の中央付近に嵌め合いを設けた。

嵌め合い箇所が２箇所、もしくは３箇所の時は、回転翼上端部の嵌め合い形状を正六角形とした。

回転軸の径は１５ｍｍ、嵌め合い部の回転翼と回転軸の接触部の長手方向の長さは、回転軸の径の１／５となる３ｍｍとした。

その結果は以下の通りであった。

表１は本発明の実施例における、回転翼と回転軸の嵌め合い箇所を１箇所、もしくは２箇所、もしくは３箇所を設けたそれぞれの場合に、送風部各運転時間後の回転体質量不釣り合い量を示したものである。図４は実施の効果を更にわかりやすくグラフにしたものである。

３０００時間運転後の質量不釣り合い量を比べると、回転翼と回転軸の嵌め合い箇所を２箇所以上にすることで嵌め合い箇所が１箇所の時に比べほぼ１０分の１に抑えることができていることが分かる。これは、嵌め合い箇所が１箇所だけでは、長期間のガスレーザ発振装置及び送風部の運転及び停止の繰り返しで、カップリング部の変形や回転翼と回転軸との芯ずれ、また回転翼の回転軸に対する回転ずれが発生しやすいが、嵌め合い箇所を２箇所以上にすることで、嵌め合い部の変形や芯ずれが抑制され、また正六角形の嵌め合いにすることでターボ翼の回転軸に対する回転ずれが発生しないためと考えられる。

また、嵌め合い箇所が３箇所の場合は、嵌め合い箇所２箇所の場合とほぼ同等の効果となっている。

本発明においては、たとえガスレーザ発振装置の長期運転後に於いても、回転翼を固定する嵌め合い部の変形や、回転翼の回転軸に対する回転ずれなどが発生はなく、回転体の質量不釣り合い量の増加を抑制することが可能であり、振動過大などによって軸受けを傷つけることは無く、レーザガス発振装置の長期間の使用が可能となるため、軸流型ガスレーザ発振装置に用いて、非常に優れた構成といえる。

以上に述べたように、本発明のガスレーザ発振装置によれば、送風部において、回転翼と回転軸に少なくとも２箇所以上に嵌め合い構造を設けたことで、長期間の使用によっても回転翼の軸心が回転軸の軸心に対して偏位や回転ずれ生じることがなるので、高圧縮の送風部の信頼性を向上させることができる。

本発明にかかるガスレーザ発振装置は、高圧縮の送風部の信頼性を向上させることができるものであり、主として板金切断用途に用いられるｋＷクラスの軸流型ガスレーザ発振装置等において有用である。

１００ガスレーザ発振装置
１００ガスレーザ発振装置
１０１放電管
１０２、１０３電極
１０４電源
１０５放電空間
１０６全反射鏡
１０７部分反射鏡
１０８レーザビーム
１０９レーザガス流
１１０レーザガス流路
１１１、１１２熱交換器
１１３送風部
１１４レーザガス導入部
１５０モータロータ
１５１回転軸
１５２回転翼
１５３軸受
１５４モータステータ
１５５ケーシング
１５６スクロール
１５７カップリング
１５８カップリングと回転軸の嵌挿固定部
１５９回転翼と回転軸の嵌挿固定部
１６０ナット
１６１面取り加工部
１６２ガイド部
１７０正六角形の嵌め合い形状

Claims

レーザガスを励起する放電部と、前記レーザガスを送風する送風部と、前記放電部と前記送風部との間の前記レーザガスの循環経路を形成するレーザガス流路とを備えたガスレーザ発振装置であって、
前記送風部は、軸駆動手段によって回転を行なう回転部と、回転を行なわない非回転部から成り、
前記回転部は、回転翼と回転軸と固定ナットを備え、
前記回転翼と前記回転軸に２箇所以上の嵌め合い構造を設け、
前記嵌め合い構造の少なくとも１箇所が、前記回転軸の中心軸に対して回転対称な四角形もしくは六角形であるガスレーザ発振装置。
前記回転翼に嵌挿されたカップリングを設け、前記カップリングと前記回転軸に嵌め合い構造を設けた請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
前記カップリングの内径部分に段差を設け、前記回転軸への嵌挿部の入り口部分の内径を大きくし、段差の内径の小さい部分を前記回転軸との嵌め合い構造とした請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
前記嵌め合いの公差を２０μｍ以下とした請求項１から３のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。