JP2793612B2 - レーザ用ターボブロア及びレーザ発振装置 - Google Patents

レーザ用ターボブロア及びレーザ発振装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加工用ガスレーザ装置等のレーザガスを強制
的に循環させるレーザ用ターボブロア及びレーザ発振装
置に係り、特に軸受やシャフトの振動を減少させたレー
ザ用ターボブロア及びレーザ発振装置に関する。
〔従来の技術〕
最近の炭酸(CO2)ガスレーザ発振装置は高出力が得
られ、レーザビームの質もよく、金属又は非金属材料等
の切断及び金属材料等の溶接等といったレーザ加工に広
く利用されるようになってきている。特に、CNC(数値
制御装置)と結合したCNCレーザ加工機として、複雑な
形状を高速かつ高精度で切断する分野において急速に発
展しつつある。
周知のごとくガスレーザ発振装置は約0.1気圧のレー
ザガス中でグロー放電を発生させ、それを一対の光学部
品からなる光共振器によってレーザビームとして取り出
す。この時、注入電力の約80%は熱になるため、レーザ
ガスを冷却するためにルーツブロア又はターボブロア等
でレーザガスを強制的に循環させている。
以下図面を用いて従来の炭酸(CO2)ガスレーザ発振
装置について説明する。
第4図は従来技術による炭酸(CO2)ガスレーザ装置
の全体構成を示す図である。放電管1の両端には出力結
合鏡2と全反射鏡3とからなる光共振器が設置されてい
る。放電管1の外周上には金属電極4および5が取り付
けられている。金属電極4は接地され、金属電極5は高
周波電源6に接続されている。金属電極5及び6の間に
は高周波電源6から高周波電圧が印加される。これによ
って、放電管1内に高周波グロー放電が発生し、レーザ
励起が行われる。放電管1内のレーザビーム光軸を13
で、また出力結合鏡2から外部に取り出されるレーザビ
ーム光軸を14でそれぞれ示す。
このようなガスレーザ発振装置を起動する時には先ず
最初に真空ポンプ12によって装置内部全体の気体が排気
される。ついでバルブ11が開放になり所定流量のレーザ
ガスがガスボンベ10から導かれ装置内のガス圧は規定値
に達する。その後は真空ポンプ12による排気とバルブ11
による補給ガス導入が続き、装置内ガス圧は規定値に保
たれたまま、レーザガスの一部は継続して新鮮ガスに置
換される。これによって装置内のガス汚染は防止され
る。
さらに第4図では送風機9によってレーザガスを装置
内で循環している。この目的はレーザガスの冷却にあ
る。炭酸(CO2)ガスレーザでは注入電気エネルギーの
約20%がレーザ光に変換され、他はガス加熱に消費され
る。ところが理論によればレーザ発振利得は絶対温度T
の−(3/2)乗に比例するので発振効率を上昇させるた
めにはレーザガスを強制的に冷却してやる必要がある。
本装置ではレーザガスは約100m/secの流速で放電管1内
を通過し矢印で示す方向に流れ、冷却器8に導かれる。
冷却器8は主として放電による加熱エネルギーをレーザ
ガスから除去する。そして、送風機9は冷却されたレー
ザガスを圧縮する。圧縮されたレーザガスは冷却器7を
介して放電管1に導かれる。これは、送風機9で発生し
た圧縮熱を放電管1に再度導かれる前に冷却器7で除去
するためである。これらの冷却器7及び8は周知である
ので詳細な説明は省略する。
第5図に送風機9として採用されるターボブロアの構
造を示す。ターボ翼16とシャフト23とは機械的に結合さ
れている。シャフト23にはロータ17が取り付けられてお
り、ロータ17とステータ18とでモーターを構成してい
る。ターボ翼16はこのモータによって、回転数約10万RP
Mの高速で回転する。そのため低速回転のルーツブロワ
に比較して回転数に逆比例して体積が小さくなってい
る。さらに、シャフト23の支持にころがり軸受19及び20
が使用されている。このようにターボブロアは高速回転
であるため、ころがり軸受19及び20の潤滑にはオイルを
定期的に供給するオイルジェットやオイルエア潤滑又は
軸受部分にグリースを封入するグリース潤滑が使用され
る。
このようなターボブロアのころがり軸受の内輪、外輪
及びボールのそれぞれの間には通常すきまが生じるよう
に設けられている。また、高速で回転するとボール及び
外輪の遠心力による膨張によってそのすきまがさらに大
きくなってしまう。従って、このようなすきまを無くす
ために、軸受のスラスト方向に2Kgf以上の予圧を与えて
いる。予圧はころがり軸受20の左側に設けられたコイル
バネ21の付加する一定の荷重によって与えられる。ころ
がり軸受20の右側にはその予圧を受けるスラストメタル
22が設けられている。このような構成によって、レーザ
ガスは矢印81のように冷却器8からレーザ用ターボブロ
アへ吸入され、矢印71のようにレーザ用ターボブロアか
ら冷却器7へ吐出される。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述のようなレーザ用ターボブロアでは、ターボ翼1
枚の羽根はレーザガスを移動させるたびにレーザガスの
圧力変動や流量変動等の流体振動を生ずる。この振動の
基本周波数fは、 f=ZN(Z:羽根の数、N:回転数) となる。回転数は約10万rpmの高速であり、羽根数は10
枚程度であるから、その周波数fは数十KHz以上とな
る。
このような周波数の流体振動はターボ翼やシャフトに
対してスラスト方向の振動を与えることになる。この振
動によって、従来のレーザ発振装置では以下のような課
題が生じる。
第1にスラストメタル22と軸受19との当接部で高周波
の衝撃が発生するので、この部分でいわゆるフレッティ
ングという摩耗現象が発生する。この摩耗現象によっ
て、摩耗粉が発生し、これがレーザガスと共にレーザ装
置内部を汚染し、レーザ共振器等の光学部品を破損させ
るとか、さらにはこの摩耗粉が軸受内部に侵入し、軸受
を破損させるといった問題が生じる。
第2に軸受が内輪又は外輪とボールとの転道面での振
動が大きくなり、転道面の疲労寿命が短くなる。
第3に振動による高周波騒音が発生する。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
流体振動によって生じるスラスト方向の振動を軽減する
ことのできるレーザ用ターボブロア及びレーザ発振装置
を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では上記課題を解決するために、 先端にターボ翼を有するシャフトと、前記シャフトを
支持する一対の軸受と、前記軸受のすきまをなくすため
に前記軸受の一方側から予圧を与える弾性体と、前記予
圧を前記軸受の他方側で受けるスラストメタルと、前記
シャフトを回転させるためのモータとから構成されるレ
ーザ用ターボブロアにおいて、前記軸受の他方と前記ス
ラストメタルとの間に除振部材を設けたことを特徴とす
るレーザ用ターボブロアが、提供される。。
さらに、本発明では上記レーザ用ターボブロアを用い
たレーザ発振装置が、提供される。
〔作用〕
レーザ用ターボブロアの軸受とスラストメタルとの間
に設けられた除振部材はその内部減衰効果によって流体
振動を大幅に減少させる。また、この除振部材によって
軸受とスラストメタルとの間は振動的に絶縁されるの
で、フレッティングや騒音を減少できる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図に本発明のレーザ用ターボブロアの一実施例の
構成図を示す。第5図と同一の構成要素には同一の符合
が付してあるので、その説明は省略する。ここで、ター
ボ翼16は遠心翼を示しているが斜流翼であっても軸流翼
であってもよい。
本実施例が従来のものと本質的に異なる部分は、ころ
がり軸受19の外輪とスラストメタル22との間に除振材料
のふっ素ゴム15が設けられている点である。このふっ素
ゴム15は1〜2mmの厚さである。ころがり軸受とスラス
トメタルとの間に除振部材を設けたのでころがり軸受と
スラストメタルとの間フレッティングがなくなり、光学
部品や軸受の破損の心配がなくなる。また、軸受の振動
が小さくなるので軸受自身の寿命が長くなる。また、騒
音も抑制されるので、ターボ翼の回転数を上げ、高効率
で小型のターボブロアを実現できる。
除振材料としてはふっ素ゴムの他にニトリルゴム、天
然ゴム、ネオプレンゴム、ブチルゴム、ブタジエンスチ
ルゴム、シリコンゴム等を用いることができる。但し、
これらの除振材料の中でも本実施例のターボブロアに最
も敵したものはふっ素ゴムである。何故なら、天然ゴム
やニトリルゴム等から発生した気化物質(硫黄等)によ
って循環中のレーザガスが汚染されるからである。ふっ
素ゴムにはこのような汚染物質を発生させることはな
い。さらに、本実施例ではシャフト23の回転軸方向が地
面に対して平行になるように設置してある。
本発明の他の実施例を第2図を用いて説明する。本実
施例はレーザ用ターボブロアの軸受の周囲にオイルフィ
ルムダンパーを取り付け、軸受の振動を吸収したもので
ある。オイルフィルムダンパーはスリーブ28と、Oリン
グ24及び25と、ハウジング30とスリーブ28との間に充填
されたオイルとによって構成される。ころがり軸受19及
び20の内輪はシャフト23に固定され、外輪はスリーブ28
及び29に固定されている。ハウジング30とスリーブ28及
び29との間には10〜100μmのすきまが設けられ、そこ
にグリース又はオイルが充填される。そして、Oリング
24、25、26及び27はすきまに充填されたグリース又はオ
イルとレーザガスとを遮断するためのものである。この
ような構成にすることによって、ターボ翼16及びシャフ
ト23が回転したときの振動はオイルフィルムダンパーの
流体力学的な減衰効果によって減衰する。このように、
オイルフィルムダンパーと除振部材(ふっ素ゴム)との
相乗効果によって、ターボブロアの回転による振動は大
幅に減少することができる。
第1図のターボブロアは出力1KW程度のレーザ発振装
置に適用されるが、さらに高出力化のためには大型のタ
ーボ翼を使用してもよい。しかし、コスト的には同一翼
を使用することが望ましい。第3図にレーザ出力2KW程
度のターボブロワの構造を示す。図においてターボブロ
ワの軸受は第1図と同じであるので省略してある。な
お、図中の矢印82及び83は冷却器8からレーザ用ターボ
ブロアへのレーザガスの流れる方向を示す。シャフトの
左右にターボ翼16a及び16bが2個取り付けられている。
この構成で軸受けと駆動モータが1セットでターボ翼2
個を回転できるのでコスト上有利である。ロータ17とス
テータ18とでモーターを構成する。ここでは、ターボ翼
を同一シャフトに取り付けることにより、スラスト方向
の荷重変動を打ち消しあい、スラスト荷重が非常に小さ
くなり、安定性が向上し、寿命も非常に長くなる。
以上の実施例ではころがり軸受について説明したが、
軸受の材料としてセラミックを用いたセラミック軸受を
用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、流体振動によっ
て生じるスラスト方向の振動を軽減し、ころがり軸受と
スラストメタルとの間のフレッティングや騒音を減少す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるレーザ用ターボブロア
の構造を示す図、 第2図及び第3図は本発明の他の実施例であるレーザ用
ターボブロアの構造を示す図、 第4図は従来の炭酸(CO2)ガスレーザ発振装置の全体
構成を示す図、 第5図は従来のレーザ用ターボブロアの構成を示す図で
ある。 1……放電管 2……出力結合鏡 3……全反射鏡 4、5……電極 6……高周波電源 7、8……冷却器 9……送風機 10……ガスボンベ 12……真空ポンプ 13……共振器内レーザビーム光軸 14……共振器外レーザビーム光軸 15……除振部材 16、16a、16b……ターボ翼 17……ロータ 18……ステータ 19、20……軸受 21……コイルバネ 22……スラストメタル 23……シャフト 24、25、26、27……Oリング 28、29……スリーブ 30……ハウジング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/036 F04D 29/04

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】先端にターボ翼を有するシャフトと、前記
    シャフトを支持する一対の軸受と、前記軸受のすきまを
    なくすために前記軸受の一方側から予圧を与える弾性体
    と、前記予圧を前記軸受の他方側で受けるスラストメタ
    ルと、前記シャフトを回転させるためのモータとから構
    成されるレーザ用ターボブロアにおいて、 前記軸受の他方と前記スラストメタルとの間に除振部材
    を設けたことを特徴とするレーザ用ターボブロア。
  2. 【請求項2】前記除振部材がふっ素ゴムで構成されるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザ用タ
    ーボブロア。
  3. 【請求項3】前記軸受にオイルフィルムダンパーを設け
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザ
    用ターボブロア。
  4. 【請求項4】前記シャフトに逆方向のスラスト荷重がか
    かるように2個のターボ翼を設けたことを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載のレーザ用ターボブロア。
  5. 【請求項5】前記軸受がセラミックで構成されるころが
    り軸受であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載のレーザ用ターボブロア。
  6. 【請求項6】気体放電によってレーザ励起をする放電管
    と、レーザ発振を行わせる光共振器と、送風機及び冷却
    器によってレーザガスを強制冷却させるガス循環装置と
    から構成されるレーザ発振装置において、 前記送風機が特許請求の範囲第1項から第5項までのい
    ずれかに記載のレーザ用ターボブロアで構成されること
    を特徴とするレーザ発振装置。
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