JP5810270B2 - レーザ発振装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ媒質ガスを用いたレーザ発振装置に関する。
レーザ発振装置は、加工物を非接触でかつ熱影響が少なく加工できるという特徴から、多様な材質や形状の切断、および溶接、加工等に多用されている。
特に、レーザ媒質ガスとして、COを主体とする混合ガスを使用したCOガスレーザ等のガスレーザ発振装置は、レーザビーム特性が優れ、かつ大出力が比較的容易であることから広く使用されている。
このようなガスレーザ発振装置は、光共振器と、この光共振器に接続したガス循環路を有する。光共振器内において放電による励起で高温となったレーザ媒質ガスは、ガス循環路を循環させる時に冷却する構成となっている。
ガス循環路には、レーザ媒質ガスを循環させるための送風機を介在させている。
レーザ媒質ガス供給器は一般的に混合ガスを予め封入したガスボンベが使用され、ガスボンベとレーザ発振装置のガス供給用バルブとの配管には、樹脂や金属の配管構造部材が使用される。しかし、この配管構造部材に小さなピンホールがあって、例えばCOガスレーザ発振装置ではこのピンホールの大きさによっては、混合ガス中のHeのみが選択的に漏れる。これにより、ガスボンベとレーザ発振装置のガス供給用バルブとの配管に滞留するレーザ媒質ガスの混合比が変化し、安定したレーザ出力が得られないおそれがある。
まず、従来のレーザ発振装置について説明する。従来のレーザ発振装置を図7に示す。
図7は、ガスレーザ発振装置のレーザガス循環系の送気管910にガスを供給するレーザガス供給系の配管系統図である。レーザガスは、レーザガスボンベ914から、一次圧力調整器915、配管916、フィルタ917、圧力調整器918、バルブ919、バルブ920、急速供給用流量計921、一定流量計922を経て、送気管910に供給される。送気管910内の圧力は圧力センサ923により測定される。また、送気管910のガスは、急速排気用バルブ925または一定排気用バルブ926を介して真空ポンプ924により排出される。図7に示すように、排出用バルブ927とタイマ928により、ガスボンベ914からガスレーザ発振装置の送気管910までの区間の配管916に滞留するレーザ媒質ガスをガスレーザ発振装置の起動時に外部に排出するようにしていた。
図8は従来のガスレーザ発振装置における各バルブの開閉シーケンス図である。図7における従来のレーザ発振装置において、ガスボンベ914からガスを供給する前のレーザ発振装置の内部ガスを排気する間(バルブ925、926が共に開となっている間)に排出用バルブ927を開く。これにより、配管916に滞留するレーザ媒質ガスをレーザ発振装置の起動時に外部に排出し、レーザ出力の安定化を図っている(例えば特許文献1参照)。
特開平04−080979号公報
しかしながら、従来技術にかかるレーザ発振装置においては、専用の排出用バルブ927が必要になる。さらに、この排出用バルブ927の開時間はガスボンベ914からレーザ発振装置までを接続する配管916の容積分を排出せしめる最大の時間を設定していた。このため、レーザ発振装置の停止時間が短い場合には必要以上のレーザ媒質ガスを外部に排出していた。
そこで、本発明は、使用バルブ数を低減しコストを削減すると共に、レーザ媒質ガスの消費を抑制したレーザ発振装置を提供する。
本発明のレーザ発振装置は、レーザ媒質ガスを外部より連続的または間欠的に供給するレーザ発振装置である。本発明のレーザ発振装置は、光共振器と、ガス循環路と、レーザ媒質ガス供給器と、ガス排出用ポンプと、ガス圧力検出器と、ガス圧力制御器と、送風機と、電流検出器と、停止時間計数器と、記憶器と、開時間演算器とを有する。ガス循環路は、光共振器に接続されている。レーザ媒質ガス供給器は、ガス循環路または光共振器にガス供給用バルブを介してレーザ媒質ガスを供給する。ガス排出用ポンプは、ガス循環路または光共振器からガス排出用バルブを介してレーザ媒質ガスを排出する。ガス圧力検出器は、ガス循環路または光共振器内のレーザ媒質ガスのガス圧力を検出する。ガス圧力制御器は、ガス圧力検出器で検出したガス圧力により、ガス供給用バルブとガス排出用バルブとを制御する。送風機は、ガス循環路に設けられている。電流検出器は、送風機の送風機駆動電流を検出する。停止時間計数器は、レーザ発振装置が停止している停止時間を計数する。記憶器は、停止時間と送風機駆動電流との相関情報を記憶する。開時間演算器は、記憶器の情報によりレーザ発振装置起動時のガス供給用バルブの開時間を演算する。レーザ発振装置を停止状態から起動する時に、ガス循環路および光共振器の内部の滞留ガスは、ガス圧力制御器によって開とされたガス排出用バルブから排出される。直前のレーザ発振装置の停止時間より開時間演算器が算出した時間の間は、レーザ媒質ガス供給器とガス供給用バルブとの間の配管内のレーザ媒質ガスを、ガス圧力制御器によって開とされたガス供給バルブを介して、滞留ガスと一緒に排出する。
これにより、レーザ発振装置が停止している間にガスボンベとレーザ発振装置のガス供給用バルブとの配管に滞留するレーザ媒質ガスの混合比が変化しても、滞留ガスを必要量のみレーザ発振装置の外部に排出できる。これにより、使用バルブ数を低減しコストを削減し、さらに、レーザ媒質ガスの消費を抑制することができる。
図1は、本発明の実施の形態のレーザ発振装置を示す構成図である。 図2Aは、本発明の実施の形態のレーザ媒質ガス密度と送風機駆動電流との相関を示すグラフである。 図2Bは、本発明の実施の形態のレーザ発振装置の停止時間とレーザ媒質ガス密度との相関を示すグラフである。 図2Cは、本発明の実施の形態のレーザ発振装置の停止時間と送風機駆動電流との相関を示すグラフである。 図3は、本発明の実施の形態のレーザ発振装置の各バルブの開閉シーケンス図である。 図4は、主に初期設定手順を説明する本発明の実施の形態のレーザ発振器の動作を示すフローチャートである。 図5は、本発明の実施の形態のガス供給用バルブ開時間を算出する原理を説明するグラフである。 図6は、本発明の実施の形態の最適なガス供給用バルブ開時間を算出するグラフである。 図7は、従来技術のガスレーザ発振装置のレーザガス供給系の配管系統図である。 図8は、従来技術のレーザ発振装置の各バルブの開閉シーケンス図である。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態の一例について、図を用いて説明する。
図1において、光共振器1は、部分反射鏡2と、この部分反射鏡2に対向するように設置された全反射鏡3とにより、構成されている。
光共振器1にはガス循環路6が接続されている。レーザ媒質ガスは、インバータ8により一定回転数に回転制御された送風機4により、光共振器1とガス循環路6により構成されるレーザ媒質ガス経路内を循環する。
また、インバータ8の内部に設置された電流検出器9により、送風機4の駆動電流が検出される。
ガス循環路6には熱交換器5が介在されており、レーザ媒質ガス経路内を循環するレーザ媒質ガスは、熱交換器5によって冷却される。
光共振器1では、高電圧電源(図示せず)により放電励起が行われ、送風機4ではレーザ媒質ガスが圧縮圧送されるため、これらによりレーザ媒質ガスは高温となる。
したがって、レーザ媒質ガス経路内を循環するレーザ媒質ガスを、熱交換器5部分で冷却することにより、光共振器1部分が、異常に高温化しないようにしている。
なお、1つの熱交換器5は、光共振器1よりもレーザ媒質ガスの流れの下流側(以下、下流側とする)であり、送風機4よりもレーザ媒質ガスの流れの上流側(以下、上流側とする)に位置している。さらにもう1つの熱交換器5は、送風機4の下流側に位置している。これにより、高温化されたレーザ媒質ガスをすぐに冷却している。
光共振器1とガス循環路6により構成されるレーザ媒質ガス経路には、ガスボンベ30からレーザ媒質ガスが、ガス供給用バルブ10を通じて供給される。ガスボンベ30は、レーザ媒質ガス供給器であり、レーザ発振装置20の外部に設置されている。本実施の形態では、ガス供給用バルブ10は、光共振器1に接続されている。
また、光共振器1とガス循環路6により構成されるレーザ媒質ガス経路内を循環するレーザ媒質ガスは、真空ポンプ12によりガス排出用バルブ11を通じて、このレーザ媒質ガス経路外に排出される。このガス排出用バルブ11は、送風機4の上流側のガス循環路6に接続されている。しかし、これに限らず、ガス循環路6のその他の場所に接続されていても構わない。
なお、これらのガス供給用バルブ10およびガス排出用バルブ11は電磁弁で構成されており、後述するガス圧力制御器14によって開閉制御が行われるようになっている。
つまり、光共振器1内のレーザ媒質ガスのガス圧力は、レーザ光7の強度を安定して得るに適した所定運転ガス圧力に一定制御する必要がある。
そこで、本実施の形態では、光共振器1とガス循環路6により構成されるレーザ媒質ガス経路内を循環するレーザ媒質ガスのガス圧を、ガス圧力検出器13により検出する。ガス圧力検出器13によって検出されたガス圧力に比例した電気信号をガス圧信号として、ガス圧力制御器14に出力する。本実施の形態では、ガス圧力検出器13は、ガス循環路6とガス排出用バルブ11との間に接続されている。しかし、これに限らず、ガス循環路6や光共振器1に接続されていても構わない。
ガス圧力制御器14は、光共振器1内のレーザ媒質ガスのガス圧力が、所定運転ガス圧力となるように、ガス供給用バルブ10およびガス排出用バルブ11の開閉制御を行う。
次に、レーザ発振装置の停止時間と送風機駆動電流の相関について、図2A〜図2Cを用いて説明する。
レーザ媒質ガスの密度に比例して送風機4の仕事量は増加する。送風機4の仕事量増加に伴い、インバータ8からの駆動電流が増加する。この送風機駆動電流はインバータ8に内蔵されている電流検出器9により検出される。
従って、図2Aのグラフに示すように、レーザ媒質ガスの密度ρxに比例して送風機駆動電流Ixは増加する。この送風機駆動電流Ixを数式で示すと式(1)となり、その傾きαは式(2)で示される。
Ix=α・ρx (1)
傾きα=(Ia−Ib)/(ρa−ρb) (2)
レーザ媒質ガス供給器であるガスボンベ30からガス供給用バルブ10までの配管に、もし小さなピンホール等があったとすると、例えばCOガスレーザ発振装置ではピンホールの大きさによっては、混合ガス中のHeのみが選択的に漏れる。これにより、ガスボンベ30とレーザ発振装置のガス供給用バルブ10との間の配管に滞留するレーザ媒質ガスの混合比が変化する。
そして、レーザ発振装置が停止している場合には、滞留しているレーザ媒質ガスの混合比は変化をし続ける。この場合、図2Bのグラフに示すように、滞留しているレーザ媒質ガスの密度ρxはレーザ発振装置の停止時間経過と共に増加する。
上記の2つのグラフに示す変数の関係を総合し、レーザ発振装置の停止時間に対する送風機4の駆動電流Ix’の関係に置換すると、図2Cのグラフとなる。図2Cのグラフに示すように、レーザ発振装置の停止時間に比例して、送風機4の駆動電流Ix’も増加することとなる。数式で示すと式(3)、式(4)で示される。
Ix’=β・Tx’+Id (3)
傾きβ=(Ic−Id)/Tc (4)
続いて、図3に示すバルブの開閉シーケンスによって、ガス供給用バルブ10およびガス排出用バルブ11を動作させた場合の動作について説明する。
レーザ発振装置を起動させた時のガス圧力はAである。レーザ発振装置の起動により、まず真空ポンプ12がオンする。続いてガス排出用バルブ11およびガス供給用バルブ10が開となる。これによりガス循環路6および光共振器1からレーザ媒質ガスが、ガス排出用バルブ11を経由して真空ポンプ12により排出される。同時に、ガスボンベ30とレーザ発振装置のガス供給用バルブ10との間の配管に滞留するレーザ媒質ガスは、ガスボンベ30からの新たなレーザ媒質ガスと一緒になって、ガス供給用バルブ10を経由して、ガス循環路6および光共振器1へ供給される。
従って、配管に滞留するレーザ媒質ガスは、結果的にレーザ発振装置20に供給されてすぐに真空ポンプ12により外部に排出されることとなる。
なお、ガス供給用バルブ10はガス圧力がBになるまでの期間で開となるタイミングが一定ならば、ガス排出用バルブ11の開タイミングと同期させる必要はない。
その後、ガス供給用バルブ10が閉になると、ガス圧力はBにまで減圧される。ガス圧力がBになると、ガス排出用バルブ11が閉、ガス供給用バルブ10が開となりレーザ媒質ガスがガス循環路6および光共振器1に供給され、インバータ8がオンし送風機4が回転を始める。
ガス圧力がCになると、ガス排出用バルブ11は開となり、ガス供給用バルブ10は閉となる。ガス圧力がDになるとガス供給用バルブ10は開となり、再びガス圧力がCになるとガス供給用バルブ10は閉となる。その後はレーザ発振装置が停止されるまで、ガス圧力検出器13の検出値により、ガス圧力制御器14によって、ガス圧力がCおよびDの間となるようにガス供給用バルブ10とガス排出用バルブ11は、開閉を制御される。
送風機4はガス圧力がCとなるタイミングの前後で、任意の回転速度に到達し、その後は一定速度に制御される。
次に、レーザ発振装置起動時のガス供給用バルブ10の開時間の演算について図4〜図6を用いて説明する。図4は主に初期設定手順を説明する本実施の形態のレーザ発振器の動作を示すフローチャートである。また、図5、図6は初期設定における演算の根拠を示すグラフである。
レーザ発振装置20が使用環境に設置され、ガスボンベ30からレーザ発振装置20までの配管が敷設された後には、ガス供給用バルブ10の開時間の演算のための初期設定を実施する。
のステップS01で初期設定の要否が判断される。
初期設定が選択されると、ステップS02を実行する。ステップS02では、ガスボンベ30からレーザ発振装置20までの配管内および、ガス循環路6および光共振器1内に滞留したレーザ媒質ガスを十分排気する。レーザ媒質ガスを入れ替えた後にガス混合比が正常な状態にして、送風機駆動電流を電流検出器9で検出し、これをIdとして開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。この駆動電流Idは図2Cのグラフに記載のものと同一である。
ステップS03では、レーザ発振装置を停止し、所定時間Tcの間放置する。この停止時間Tcは停止時間計数器16で計数され、開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。なお、Tcは図2Cのグラフに記載のものと同一である。なお、所定時間Tcは後述の送風機の駆動電流差が検知できる程度の時間以上であればよく、任意に決めればよい。
ステップS04では、レーザ発振装置を所定時間Tc停止後に起動し、送風機4が一定速度に制御されている時の駆動電流を電流検出器9で検出しこれをIcとして開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。この駆動電流Icは図2Cのグラフに記載のものと同一である。ただし、ステップS0ではレーザ発振器を起動しガス圧力がAからBまで減圧する間は、ガス供給用バルブ10は開はせず、閉を保持させておく。
ステップS05では、レーザ発振装置停止時間と送風機駆動電流の相関を表す、傾きβを開時間演算器15において、式(4)により算出し、開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。
ステップS06では、レーザ発振装置を停止し、任意に定めた時間Teの間放置する。この停止時間Teは停止時間計数器16で計数され、開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。
ステップS07では、レーザ発振装置を時間Te停止後に起動し、図3に示すシーケンスでレーザ発振装置を動作させる。この時のガス供給用バルブの開時間tfは任意に定めておき、開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶される。
送風機4が一定速度に制御されている時の駆動電流を電流検出器9で検出しこれをIfとして開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。
上述の停止時間Te、ガス供給用バルブ10の開時間tfおよび駆動電流Ifなどのパラメータの関係を図5のグラフに示す。数式で示すと式(5)〜式(7)が対応する。
Ix”=Ie−γ・tx” (5)
傾きγ=(Ie−If)/tf (6)
ここで、Ie=β・Te+Id (7)
ただし、Teはレーザ発振装置の任意の停止時間
なお、ガス供給用バルブ10の開時間tfは任意に定めればよい。ただし、ガス供給用バルブ10の開時間tfを長くしすぎると、ガスボンベ30とレーザ発振装置のガス供給用バルブ10との間の配管に滞留するレーザ媒質ガスは、送風機4の回転開始前にすべてレーザ発振装置20から外部へ排出される。この場合、開時間演算器15の演算が不可能となるので、tfは数秒とすることが望ましい。
ステップS08では、レーザ発振装置がTe時間停止した状態で、ガス圧力AからBまで減圧する間に、ガス供給用バルブ10を開としなかった場合の送風機駆動電流Ieを、開時間演算器15において、式(7)より算出する。算出した送風機駆動電流Ieを開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する。
なお、式(7)は式(3)のTx’をTeに、Ix’をIeに置換したものに相当する。
ステップS09では、レーザ発振装置がTe時間停止した状態で、ガス圧力AからBまで減圧する間に、ガス供給用バルブ10が開としなかった場合の送風機駆動電流Ieと、ガス供給用バルブ10をtf時間開とした場合の送風機駆動電流Ifとの相関を表す傾きγを、開時間演算器15において式(6)により算出する。算出した傾きγを、開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する(図5のグラフの傾きに相当する)。
ステップS10では、レーザ発振装置の停止時間Tより、ガス供給用バルブ10の最適開時間tを演算するための、比例定数δを以下に示す演算で求められる式(11)より算出する。算出した比例定数δを、開時間演算器15に搭載した記憶器に記憶する(図6のグラフの傾きがδに相当する)。
(5)式より
tx”=(Ie−Ix”)/γ (8)
ここで、tx”=td、Ix”=Idとし、さらに(8)式に(7)式を代入すると、
td=(β・Te+Id−Id)/γ=(β/γ)・Te (9)
(9)式を一般化すると、
t=δ・T (10)
δ=β/γ (11)
これにより初期設定は完了である(ステップS11)。
図4の初期設定フローで得られた、各算出値γ、δの意味を詳しく図5を用いて説明する。
算出値γは、図5のグラフに示す、レーザ発振装置の停止時間Tに対し、ガス供給用バルブ10の開時間が送風機4の駆動電流に与える影響の度合いを示している。算出値γによりレーザ発振装置20に供給されるレーザ媒質ガスの混合比が正常である場合の、送風機駆動電流Idを求めることが可能になる。求められた送風機駆動電流Idを得ることができるガス供給用バルブ10の開時間が、最適なガス供給用バルブ10の開時間tとなる。
しかし、図6のグラフに示すように、レーザ発振装置の任意の停止時間Tに対する、ガス供給用バルブ10の開時間tは一定ではなく停止時間の関数となるため、その係数として算出値δとして求める。
これにより、レーザ発振装置の停止時間Tに対する、最適なガス供給用バルブ10の開時間tを算出する一般式が得られる。
初期設定が完了した後の、レーザ発振装置の起動は、図4のフローチャートでの通常運転の動作となる。
ステップS12において、停止時間計数器16で計数された停止時間Tを読み取る。ステップS13において、式(10)により開時間演算器15で、起動時のガス供給用バルブ10開時間tを算出する。ステップS14において、ガス圧力AからBまで減圧する間に、ガス供給用バルブ10をt時間開とする。
その後は、レーザ発振装置の通常のシーケンスに従い運転される(ステップS15)。
なお、ガスボンベ30からガス供給用バルブ10までの距離および、その間の配管部材固有の漏れ量が事前に判明している場合は、β、γ、δを事前に算出してテーブル化しておく。これにより、図3の初期設定の処理フローは不要となり、レーザ発振装置の設置所要時間が大幅に短縮される。
本発明のレーザ発振装置は、ガスボンベとレーザ発振装置のガス供給用バルブとの配管に小さなピンホールがあって、レーザ媒質ガスがリークし、配管に滞留するレーザ媒質ガスの混合比が変化しても、安定したレーザ出力が得られる。さらに、使用バルブ数を低減しコストを削減すると共に、レーザ媒質ガスの消費を抑制したレーザ発振装置を提供することができる。これにより、レーザ媒質ガスを用いたレーザ発振装置として産業上有用である。
1 光共振器
2 部分反射鏡
3 全反射鏡
4 送風機
5 熱交換器
6 ガス循環路
7 レーザ光
8 インバータ
9 電流検出器
10 ガス供給用バルブ
11 ガス排出用バルブ
12 真空ポンプ
13 ガス圧力検出器
14 ガス圧力制御器
15 開時間演算器
16 停止時間計数器
20 レーザ発振装置
30 ガスボンベ

Claims (5)

  1. レーザ媒質ガスを外部より連続的または間欠的に供給するレーザ発振装置であって、
    光共振器と、
    前記光共振器に接続されたガス循環路と、
    前記ガス循環路または前記光共振器にガス供給用バルブを介してレーザ媒質ガスを供給するレーザ媒質ガス供給器と、
    前記ガス循環路または前記光共振器からガス排出用バルブを介してレーザ媒質ガスを排出するガス排出用ポンプと、
    前記ガス循環路または前記光共振器内のレーザ媒質ガスのガス圧力を検出するガス圧力検出器と、
    前記ガス圧力検出器で検出したガス圧力により、前記ガス供給用バルブと前記ガス排出用バルブとを制御するガス圧力制御器と、
    前記ガス循環路に設けられた送風機と、
    前記送風機の送風機駆動電流を検出する電流検出器と、
    レーザ発振装置が停止している停止時間を計数する停止時間計数器と、
    前記停止時間と前記送風機駆動電流との相関情報を記憶する記憶器と、
    前記記憶器の情報によりレーザ発振装置起動時の前記ガス供給用バルブの開時間を演算する開時間演算器とを備え、
    レーザ発振装置を停止状態から起動する時に、前記ガス循環路および前記光共振器の内部の滞留ガスは、前記ガス圧力制御器によって開とされた前記ガス排出用バルブから排出され、
    直前のレーザ発振装置の停止時間より前記開時間演算器が算出した時間の間は、前記レーザ媒質ガス供給器と前記ガス供給用バルブとの間の配管内のレーザ媒質ガスを、前記ガス圧力制御器によって開とされた前記ガス供給バルブを介して、前記滞留ガスと一緒に排出するレーザ発振装置。
  2. 少なくとも、通常運転とは異なるシーケンスの初期設定動作により、第1の装置停止時間と第2の装置停止時間を設定し、
    前記第1の装置停止時間および前記第2の停止時間のそれぞれにおいて、
    前記ガス供給用バルブを開かずにレーザ発振装置を動作させた場合の前記送風機の駆動電流、及び、所定時間だけ前記ガス供給用バルブを開としたのちレーザ発振装置を動作させた場合の前記送風機の駆動電流から前記相関情報を算出する請求項1に記載のレーザ発振装置。
  3. 前記ガス供給バルブは、前記光共振器に接続されている請求項1または2に記載のレーザ発振装置。
  4. 前記ガス排出バルブは、前記ガス循環路に接続されている請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ発振装置。
  5. 前記ガス圧力検出器は、前記ガス循環路と前記ガス排出用バルブとの間に接続されている請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ発振装置。
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