JP3952057B2

JP3952057B2 - ガスレーザ発振装置

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Publication number: JP3952057B2
Application number: JP2004294801A
Authority: JP
Inventors: 洋之林川; 均本宮; 敦樹山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: US20070091969A1; EP1705760A4; EP1705760A1; US7580439B2; WO2006038451A1; EP1705760B1; JP2006108479A

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に関するものである。

図５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５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５に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３は前記放電管周辺に設けられた電極である。４は前記電極に接続された電源である。５は前記電極２、３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は前記放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。８は前記部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。矢印９はレーザガスの流れる方向を示しており、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５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機、１３はレーザガスを循環させるための送風手段であり、この送風手段１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。

以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。

送風手段１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２、３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５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６および部分反射鏡７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８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。

図６は従来のガスレーザ発振装置の送風手段周辺の構成図である。送風手段１３は軸２３を介して、駆動部２２と接続されている。送風手段１３と駆動部２２とは、隔壁部２４により分離され、軸２３の周辺には、軸の回転を妨げないように数１０μｍの隙間が形成されている。

この様な従来のガスレーザ発振装置では、レーザガスが放電により解離するため経時的に劣化してくるので、常時、主排出機構２５からレーザガスの一部をレーザガス流路１０より排出している。

また、オイルミストがレーザガス循環部のレーザガス中に侵入するとレーザガスの純度が低下し、レーザ発振に大きな不具合をもたらすことになるので、駆動部２２内には駆動部の潤滑用にオイル３３が入っており、オイルミストが隔壁部２４を通過して送風手段１３へ進入しないように、常時、送風手段１３よりも駆動部２２の方が、減圧された状態を保つ必要がある。

そして、レーザガス流路１０には、ガス供給機構２９が接続されており、排出された分のレーザガスを供給するようになっている。

このため、駆動部から副排出機構２６を介してレーザガスを排出している。すなわち主排出機構２５、および副排出機構２６の二つの排出機構を備えており、これらのガス排出経路は、真空ポンプ２７に接続されている。

このように、従来のガスレーザ発振装置では、駆動部から吸気し、送風手段に対して駆動部の圧力が低くなるようにし、これを確認するようにしていた（例えば特許文献１、２参照）。
特開２０００−２２２４３号公報特開２００３−１１０１７０号公報

しかし、副排出機構２６は、駆動部２２からオイルミストの混入したガスを通過させるため、配管中に液化したオイルが付着および固化し、経時的に配管が詰まってくる。

配管が詰まると副排出機構２６の排出量が減少するため、駆動部２２からのガス排出が不充分となり、駆動部２２と送風手段１３との圧力差が減少し、駆動部２２内のオイルミストが真空拡散により送風手段１３に侵入する恐れがあった。

したがって経時的な副排出機構の配管詰まりは、メンテナンスを行えば容易に回復するため、如何に配管詰まりを早期に検出できるかが大きな課題であった。

本発明は上記課題に鑑み、副排出機構の配管詰まりを適切に検出できるガスレーザ発振装置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は、レーザガスを励起する放電手段と、前記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でレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路と、前記レーザガス経路にレーザガスを供給する弁を備えた供給機構と、前記レーザガス経路からレーザガスを排出する主排出機構と、前記送風手段を駆動する駆動部と、前記送風手段と前記駆動部とをわずかな隙間を有して分離する隔壁部と、前記送風手段と前記隔壁部と前記駆動部を介して前記レーザガス経路からレーザガスを排出する副排出機構と、前記主排出機構と前記副排出機構に接続してレーザガスを排出する真空ポンプと、前記レーザガス経路中のガス圧を検出するガス圧センサーと、前記ガス圧センサーからの信号を入力して前記レーザガス経路中のガス圧を一定にするように前記供給機構の弁を制御する制御装置を備え、前記主排出機構に弁を設け、前記真空ポンプからのレーザガス排出量を検出する検出手段を設け、前記制御装置で主排出機構の弁を閉じた時の前記真空ポンプからのレーザガス排出量が所定の値よりも低いときにアラームを発生させる手段を設けたものである。

また、前記供給機構の弁の開閉周期を検出する開閉周期検出手段を設け、前記開閉周期検出手段からの信号を前記制御装置に入力し、前記主排出機構の弁を閉じた時の開閉周期が所定の値よりも長いときにアラームを発生させる手段を設けたものである。

本発明は、主排出機構の弁を閉じた時のレーザガス排出量や供給機構の弁の開閉周期の変化を検出し、所定の値と比較することにより、副排出機構の配管詰まりを検出することができ、長期に渡って安定して使用できる信頼性の高いガスレーザ発振装置を提供できる。

（実施の形態１）
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。

なお、本実施の形態において、レーザ発振装置の基本的な構成は図５で示す従来のレーザ発振装置と同じ構成であり、また。図７に示す従来のレーザ発振装置と同じ構成については同一の符号を用い、その説明を省略し、以下に本実施の形態における特徴部分を説明する。

図１は本発明の実施の形態１に関するレーザ発振装置の要部の構成図である。

レーザガス流路中のガス圧はガス圧センサ２８によって常時監視されており、前記ガス圧センサ２８、およびガス供給機構２９は、制御装置３０に接続されている。前記ガス供給機構２９を前記制御装置３０によって制御する事により、二つの排出機構から排出された分を補う形でガス供給機構２９によって新鮮なレーザガスを外部より供給し、レーザガス流路中のガス圧は、常時一定に保たれている。

通常、ガス供給機構２９には供給弁３１が設けられており、レーザガス流路中のガス圧が一定の値以下となると、ガス圧制御装置３０によって弁が開かれ、レーザガス流路中にガスが供給される。ガスの供給によりレーザガス流路中のガス圧が一定値以上になると、弁が閉じられる。

主排出機構２５のレーザガス排出経路には、排出弁３２が設けられている。排出弁３２は、常時開いており、一定量のレーザガスが通過している。

真空ポンプ２７からは、例えば約１０Ｌ／ｈのガスが常時排出されている。この内訳は、主排出機構２５から９Ｌ／ｈ、副排出機構２６から１Ｌ／ｈ程度の割合である。主排出経路に対して、副排出経路は、経路の径を小さく設定しており、経路の抵抗の差により、排出量の差が発生するように設計的に設定されている。真空ポンプ２７からのガス排出により、レーザガス流路１０の圧力が減少する。この圧力はガス圧センサ２８で常時監視されており、供給弁３１が開閉する事で、減少分のガスを補給している。供給弁３１の動作は、以下のようになる。ガス圧が一定値、例えば２０．０ｋＰａ以下になると、制御装置３０から供給弁３１へ開信号が発せられ、ガスの供給が開始される。ガスの供給により、０．５秒程度でレーザガス流路中の圧力は一定値、例えば２１．０ｋＰａに達し、供給弁３１は閉じられる。供給弁の開閉とは関係無く、常時真空ポンプ２７からガス排出が継続されている。供給弁３１が閉じると、レーザガス流路中の圧力は、２１．０ｋＰａから徐々に減少し、約１９〜２０秒で２０．０ｋＰａまで減少する。圧力が２０．０ｋＰａになると、再度供給弁３１が開く。よって、この繰り返しサイクル、すなわち供給弁の開閉周期は約２０秒となる。もし何らかの理由により真空ポンプ２７からのガス排出量が減少すると、レーザガス流路中の圧力減少の単位時間当たりの割合も低下するため、供給弁３１の開閉周期も長くなる。例えば、真空ポンプ２７からのガス排出量が通常時の約１０Ｌ／ｈから約５Ｌ／ｈになると、供給弁３１の開閉周期も、通常の約２０秒から約４０秒程度へ伸びる事になる。すなわち供給弁３１の開閉周期を監視すれば、間接的に真空ポンプ２７からのガス排出量を求める事が出来るといえる。

ここで、副排出経路２６が経時的にオイルにより詰まってきた場合を考えてみる。副排出経路２６からの排出量は、主排出経路２５に比べて非常に小さいため、仮に副排出経路２６が詰まって、排出量が減少したとしても、その分、主排出経路からの排出量が増えるだけであり、真空ポンプ２７からのガス排出量は１０Ｌ／ｈのまま、ほとんど変わらない。よって、真空ポンプ２７からのガス排出量を直接監視、あるいは上述した通り、供給弁３１の開閉周期を利用して間接的に監視したとしても、副排出経路２６詰まりによりガス排出量の変化を検出することは非常に難しい。仮にある値をスレッシュホールドとして設定したとしても、誤動作の可能性が高く、実用的とは言えない。

本発明のポイントは、主排出機構２５に設けた排出弁３２にある。通常は送風機の運転が開始され、レーザ発振した状態では排出弁３２は開いたままの状態であるが、運転中に一定時間、排出弁３２閉じる。すると真空ポンプ２７からの排出は、副排出経路２６のみとなる。副排出経路２６のオイルミストなどによる詰まりがほとんど無い状態では、真空ポンプ２７からの排出量は１０Ｌ／ｈのまま、ほとんど変化しない。これは元々主排出経路２５から排出していた分のガスまで、副排出経路から排出するように圧力バランスが自然と変化するためである。一方、副排出経路２６がオイルミストなどによりほとんど完全に目詰まりを起している場合、排出弁３２を閉じると、真空ポンプ２７からのガス排出量は、大きく減少し、初期状態１０Ｌ／ｈから例えば１〜２Ｌ／ｈまで減少する。

よって排出弁３２を開いている時と閉じた時とでの、真空ポンプ２７からのガス排出量を監視し、相互に比較する、あるいは所定の値と比較する事で、副排出機構２６の目詰まりを検出出来る。この時にアラームを発し、使用者に副配管機構２６内の清掃を促す事で、駆動部２２内のオイル３２から発したオイルミストがレーザガス流路１０中に侵入する事を未然に防止する事が出来る。

例えば、主排出機構２５自体を廃止し、最初から副排出機構２６のみで、レーザガスの排出を行う案も検討した。この場合、送風手段１３部と駆動部２２との圧力差は常に一定以上確保する事が出来ると考えられ、オイルミストのレーザガス流路への侵入に対しては効果がある。但し、本来の主排出機構の機能である乖離したレーザガスを約１０Ｌ／ｈ排出し続けるという役割を果たす事が困難となる。なぜなら副排出機構は、わずか数１０μｍの隙間しか無い隔壁部２４を介して、レーザガスの流れを形成しているため、１０Ｌ／ｈのオーダーのガス排出を実現する事は非常に難しいからである。

本発明において、副排出機構の目詰まり検出のために排出弁３２を閉じる期間は、数分程度で充分であり、その時間で判定を行う事が出来る。通常運転時に、本判定シーケンスを数時間に１回行う事で、副配管機構２６の詰まりを検出出来る。排出弁３２を長時間（数１０分以上）閉じた場合、乖離したレーザガスの排出不充分によりレーザ出力の低下などの２次災害が考えられるが、数分程度であれば問題ない。

本発明の実施シーケンスとしては、上述した通り送風機が運転している状態以外で行う事も可能である。ガスレーザ発振装置は、通常、運転開始時に、ガス流路中のレーザガスを一旦真空ポンプで排気して外部へ出してしまった後、改めて新鮮なレーザガスをガスボンベより充填することが行われる。その理由は、前回運転終了後〜次回運転開始までの間に、ガス流路中から析出した不純物や外部から侵入した水分などがレーザガスに混入してしまうため、一旦不純なレーザガスを排出する事にある。これを真空引きと呼んでいる。通常真空引きの際には主排出機構と副排出機構の両方から排気を行うが、この時にある瞬間のみ排出弁３２を閉じ、排気速度の低下を定量化する、すなわち一定量の圧力が減少するのに要する時間を測定し、予め設定された値と比較する事で同様の検出が可能である。

本発明において、真空ポンプ２７よりのガス排出量変化を検出する手段としては、図１に示す通り、供給弁の開閉周期により間接的に求める方法が可能である。他にも、図２のように主排出機構と副排出機構の合流位置の下流、あるいは図３のように副排出機構の途中に、流量センサ３４を設ける事も可能である。あるいは、図４のように副排出機構の２箇所に圧力検出ポートを設け、圧力差により流量を検出する事も可能である。

本発明は、送風機を用いたガスレーザ発振装置に関して、特に長期に渡って安定して使用できる高い信頼性を提供でき、産業上有用である。

本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置の要部構成図本発明の他の実施の形態におけるレーザ発振装置の要部構成図本発明の他の実施の形態におけるレーザ発振装置の要部構成図本発明の他の実施の形態における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従来のガスレーザ発振装置の要部構成図

符号の説明

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
２２駆動部
２３軸
２４隔壁部
２５主排出機構
２６副排出機構
２７真空ポンプ
２８ガス圧センサ
２９ガス供給機構
３０制御装置
３１供給弁
３２排出弁
３３オイル
３４流量センサ
３５圧力ポート

Claims

レーザガスを励起する放電手段と、前記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でレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路と、前記レーザガス経路にレーザガスを供給する弁を備えた供給機構と、前記レーザガス経路からレーザガスを排出する主排出機構と、前記送風手段を駆動する駆動部と、前記送風手段と前記駆動部とをわずかな隙間を有して分離する隔壁部と、前記送風手段と前記隔壁部と前記駆動部を介して前記レーザガス経路からレーザガスを排出する副排出機構と、前記主排出機構と前記副排出機構に接続してレーザガスを排出する真空ポンプと、前記レーザガス経路中のガス圧を検出するガス圧センサーと、前記ガス圧センサーからの信号を入力して前記レーザガス経路中のガス圧を一定にするように前記供給機構の弁を制御する制御装置を備え、前記主排出機構に弁を設け、前記真空ポンプからのレーザガス排出量を検出する検出手段を設け、前記制御装置で主排出機構の弁を閉じた時の前記真空ポンプからのレーザガス排出量が所定の値よりも低いときにアラームを発生させる手段を設けたガスレーザ発振装置。
前記供給機構の弁の開閉周期を検出する開閉周期検出手段を設け、前記開閉周期検出手段からの信号を前記制御装置に入力し、前記主排出機構の弁を閉じた時の開閉周期が所定の値よりも長いときにアラームを発生させる手段を設けた請求項１記載のガスレーザ発振装置。