JP5970655B2 - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ媒質ガスを循環させて高出力を得る軸流型ガスレーザ発振装置に関するものである。

軸流式ガスレーザ発振装置では、レーザ媒質となる炭酸ガス等の混合ガス（以下レーザガス）を流しながら圧縮し、レーザ発振装置に供給して共振させるようになっており、装置内にガス循環回路が構成されている。その循環回路の構成における一要素としてターボ翼を高速で回転させてガスを圧縮し、レーザ発振装置に供給するターボ型の送風装置が使用されている。

この種のターボ型送風装置は、ハウジング内の上方にターボ翼が回転可能に配設され、レーザガスを圧縮して排出する機構を設けるとともに、下方にはこのターボ翼を高速回転駆動させるモータが配設されている。そして、このモータのロータとターボ翼ならびに回転軸等からなる回転体は機械的な軸受で支持される（特許文献１参照）。

このターボ型送風装置の基本構成を図８に示す（特許文献１・第６図）。ハウジング９０１内方でその上方にターボ翼９０３が回転可能に配設されるとともに、下方にはこのターボ翼９０３ を高速回転駆動させるモータ９０６が配設され、両者が回転軸９０２にて連結されている。また、回転軸９０２は上方軸受９０４と下方軸受９０５を介してハウジング９０１に対し、回転可能に保持されており、モータ９０６によって高速回転駆動されることで送風装置として機能する。

特開２００７−４０１１５号公報

ところが、このような送風装置は高速回転での長期間の使用による軸受の劣化などにより、回転部の軸芯の振れが生じ始め、さらに回転部の振れ回りが大きくなると、回転部、特に大質量である翼車部分がハウジングなどの非回転部へ接触、破損に至る。

この際、翼車部分と接触部が互いに削られながら回転部が回転を続けるため、ガスレーザ発振装置へ使用していた場合、その破片や切粉が光共振器へ侵入、光共振を阻害し発振装置の大幅な性能低下を招く。この様な事態に陥った場合、発振装置の復旧には送風装置の交換のほか共振器構成部品の交換も必要になり多大な費用と時間を要する。

すなわち、送風装置の回転部が何らかの要因で振れ回った場合に、被害が拡大する前に送風装置を強制的に停止させることが課題となっていた。

このような課題を解決するため、上述の従来技術のように、回転軸周りに環状体を設け、回転軸の回転エネルギーを吸収させる構造も用いられてきたが、回転軸の停止までに時間がかかり、被害拡大防止という本来の目的を果たすには十分でなかった。

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、レーザ媒体を励起する放電手段と、前記レーザ媒体であるレーザガスを送風する送風手段と、前記放電手段と前記送風手段を接続するレーザガス循環経路を備え、前記送風手段は駆動手段によって回転を行う回転部と、回転を行わない非回転部から成り、前記回転部は先端に翼車部を設けた軸と、前記軸を回転させる駆動部と、前記軸に結合された上部軸受および下部軸受と、前記翼車部に圧入され前記上部軸受との間に配置された共回転リングとを備え、前記非回転部は前記共回転リングと対向する位置に固定部スペーサを備え、前記共回転リングおよび前記固定部スペーサの少なくとも一方の前記共回転リングと前記固定部スペーサの対向面に凹凸を設け、前記凹凸の形状は、前記共回転リングおよび前記固定部スペーサの他方の前記対抗面と点接触するように、先端の尖った突起を配置した形状である。

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、送風装置回転部の万一の振れ回り時に回転部を強制的に停止させることができ、翼車部の接触により発生する破片や切粉のガスレーザ発振器光共振部への侵入を防止できる。また、そのことで送風装置の交換のみで送風装置が搭載されたガスレーザ発振器の復旧を図ることができる。

本発明の実施形態に係るガスレーザ発振装置の構成図 本発明の実施形態に係る送風装置の構成断面図 本発明の実施形態に係る送風装置の部分詳細図 本発明の実施形態に係る送風装置の異なる構成例の部分詳細図 本発明の実施形態に係る共回転リングの詳細図 本発明の実施形態に係る共回転リングの凹凸部形状の作用を示す詳細図 本発明の実施形態に係る共回転リングの凹凸部形状の異なる構成例の詳細図 従来技術に係る送風装置の構成断面図

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に本発明の実施の形態の一例に係るガスレーザ発振装置の構成を示す。ガスレーザ発振装置１００は放電管１０１、電極１０２および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および１１２、送風装置２００を備えている。

放電管１０１はガラスなどの誘電体からなり、電極１０２および１０３は前記放電管周辺に設けられ、電源１０４は前記電極に接続される。前記電極１０２および１０３の間に挟まれた放電管１０１内で放電空間１０５が形成される。全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７は前記放電空間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は前記部分反射鏡１０７より出力される。

レーザガス流１０９はガスレーザ発振装置１００の中を循環している。レーザガス流路１１０は放電管１０１とレーザガス導入部１１３で接続されている。熱交換器１１１および１１２は放電空間１０５における放電と送風装置２００の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるはたらきを有する。送風装置２００はレーザガスを循環させ、放電空間１０５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。

以上が本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置の構成である。

＜ガスレーザ発振装置の動作＞
以上のように構成された本発明のガスレーザ発振装置の動作について説明する。

送風装置２００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１１３より放電管１０１内へ導入される。この状態で電源１０４に接続された電極１０２および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１０６および部分反射鏡１０７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１０７からレーザビーム１０８が出力される。このレーザビーム１０８がレーザ加工等の用途に用いられる。

＜送風装置の構成と動作の詳細＞
次に本発明の実施の形態に係る送風装置２００の構成と動作を図２を用いながら説明する。送風装置２００はモータロータ２０１、回転軸２０２、翼車２０３、モータステータ２０４、ハウジング２０５、スクロール２０６、上部軸受２０７、下部軸受２０８、共回転リング２０９、ナット２１０、固定部スペーサ２１１を具備している。

モータロータ２０１は回転軸２０２と結合され、回転軸２０２の先端に翼車２０３が備えられている。モータロータ２０１と同軸にモータステータ２０４が配置され、モータステータ２０４はハウジング２０５に固定されている。モータステータ２０４へ外部より交流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２０１が回転し、回転軸２０２を介して翼車２０３を回転させる。

翼車２０３の周囲にはスクロール２０６が配置され、翼車２０３の回転によりレーザガス流１０９が発生する。回転軸２０２は上下２箇所に配置された軸受２０７、２０８によって回転可能な状態で支持されている。軸受２０７および２０８は回転軸２０２と結合されている。

送風装置２００の構成は回転部と非回転部とに分けられ、回転部は前記モータロータ２０１、回転軸２０２、翼車２０３および軸受２０７、２０８から構成されている。軸受２０７および２０８の外周は非回転部であるハウジング２０５と結合されている。

さらに、本発明の実施の形態に係る送風装置２００の特徴部分に関して説明する。

送風装置２００の翼車２０３には共回転リング２０９が取り付けられており、その外周面２０９ａには凹凸を設けてある。翼車２０３と共回転リング２０９の位置関係が回転時にずれると回転部のバランスが崩れ、振れ回りの原因となるため、共回転リング２０９は翼車２０３に圧入によって芯出しおよび固定される。

回転軸２０２には上部軸受２０７の内輪が圧入により固定されており、翼車部２０３および共回転リング２０９は回転軸２０２の上部に設けられたネジ部とナット２１０の締付によって、上部軸受２０７の内輪に押し付けられる形で回転軸２０２に固定されている。

また、固定部スペーサ２１１は共回転リング２０９と対向する形でハウジング２０５に固定されている。そのため、回転軸２０２が回転中に振れ回り、点２１２を中心に傾いた際、共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１が接触する。この接触時に共回転リング外周面２０９ａに設けられた凹凸（後述）によって回転方向に対する大きな反力が生じ回転部を停止させることができる。

固定部スペーサ２１１は共回転リング２０９との接触の衝撃で径方向にずれることを防止するためにハウジング２０５に圧入により芯出しおよび固定し、且つ、固定部スペーサ２１１が回転軸２０２の回転方向にずれることを防止するため、図３に示すようにボルト２１３で軸方向に固定する。

固定箇所はその機能上１箇所でよいが、複数箇所固定する際は接触時の衝撃を均等に分散するために図３のように均等配置としたほうがよい。また、固定方法は回転方向への衝撃を受けることができればよいのでボルト以外にピンやキーを打ち込んで固定してもよい。

なお、図２において共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１の対向面を回転軸２０２と平行に設けているが、対向面の設置角度はそれに限らない。

図４に共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１対向面の他の設置例を示す。図４中共回転リング２０９ｂ、固定部スペーサ２１１ａのようにテーパ面を設け、両者のテーパ面を対向面とする。

この際、図４に示すように回転軸２０２の傾きの中心２１２を通る直線と平行になるように共回転リング２０９ｂ、固定部スペーサ２１１ａのテーパ面を設けることにより、両者の接触面積を増大させることが可能である。つまり、接触時の回転方向に対する反力を増大させることにつながり、万一の回転部の振れ回りの際の回転停止へ効果的である。

さらに、対向面を回転軸２０２から径方向にできる限り離れた箇所に配置することで回転モーメントが大きくなり、回転方向に対する反力を増大させることにつながり、さらに効果的である。

また、共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１のクリアランスは回転部が振れ回り時に共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１以外の構成部品との接触を避けられるよう適切に設定する必要があり、本発明の実施の形態ではさらに組立性を考慮し１７０〜１９７．５μｍとした。

次に、本発明の根幹である共回転リング２０９の外周面２０９ａに設けた凹凸の形状について述べる。凹凸の形状に関してはスリットやローレットなどが考えられるが大きな回転方向に対する反力を得るために図５に示すように円筒形外周面に先端の尖った突起を配置した形状とした。ここで、矢印２１４は回転方向を表す。

本実施の形態において図５のような凹凸の形をとった理由を図６を用いて説明する。図６（ａ）は本実施の形態の凹凸、図６（ｂ）はスリット３０３により設けた凹凸を表す。

回転軸２０２が振れ回り共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１が接触した場合、その対向面に径方向に平行な衝撃力３０１が発生する。この際、図６（ｂ）において、共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１が面３０２ｂで接触するため、回転方向に対する反力は面３０２ｂに生ずる摩擦力である。

大きな反力を得るには長時間接触し続ける必要がある一方で、接触の衝撃により共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１の接触が断続的になることからスリット３０３による凹凸の形状は回転を停止させるには効果的でない。

一方、図６（ａ）に示す本実施の形態における凹凸の形状では、共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１が接触した際、接触の初期では突起先端における点接触となり、衝撃力３０１によって突起が固定部スペーサ２１１へ食い込む形となる。よって、回転方向に対する反力は面３０２ａに生じる衝撃力であり、短時間の接触でも大きな反力を得ることができ、回転停止に効果的である。

続いて、本実施の形態における共回転リング２０９の凹凸の形状の詳細を図７を用いて説明する。

共回転リング２０９上の突起を効果的に固定部スペーサ２１１へ食い込ますために、図７（ａ）に示すように、突起を形成する２辺の成す角の二等分線と突起先端における径方向との成す角が径方向を基準とし軸回転方向２１４へ鋭角を成す形状とした。

さらに、突起を成す２辺の内、回転方向２１４側に位置する辺の突起根元における径方向に対する傾き方向で図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の３種類に分類できる。

図７（ｂ）において前記１辺と前記径方向は一致しており、突起に生じる回転方向に対する反力は前記１辺に垂直にはたらき、多方向への成分を生まず、回転停止に効果的である。

図７（ｃ）において前記１辺は前記径方向に対して回転方向２１４へ傾いており、突起に生じる回転方向に対する反力に前記１辺に沿った成分が生じ、共回転リング２０９には固定部スペーサ２１１方向へ、固定部スペーサ２１１には共回転リング２０９方向へ力がはたらく。そのため固定部スペーサ２１１と共回転リング２０９がより食い込むことになり、回転停止により効果的である。

図７（ｄ）において前記１辺は前記径方向に対して回転方向２１４と逆方向へ傾いており、突起に生じる回転方向に対する反力の前記１辺に沿った成分が、共回転リング２０９には固定部スペーサ２１１と逆方向へ、固定部スペーサ２１１には共回転リング２０９と逆方向へはたらく。

そのため共回転リング２０９が固定部スペーサ２１１へ一旦食い込んだ後、固定部スペーサ２１１から共回転リング２０９が離れることになり、前記２種類の形状に比べて回転停止への効果は低くなる。

本実施の形態では加工の容易さから図７（ｂ）に示す形状をとった。

また、共回転リング２０９において、その突起には大きな圧縮応力、せん断応力がはたらくため、例えばクロム鋼のように高圧縮・せん断強度を持つ材料を用いることが良い。

また、固定部スペーサ２１１においては共回転リング２０９の食い込みをよくし、回転エネルギーを吸収するために銅系材料やアルミ系材料のような軟材料を用いると良い。

加えて、本実施の形態では共回転リング２０９にのみ凹凸を設けたが、同形状の凹凸を固定部スペーサ２１１側にのみ設けてもよい。ただし、その際は固定部スペーサ内面に凹凸を設けることとなるため加工難度があがる。

また、図示はしないが同形状の凹凸を共回転リング２０９、固定部スペーサ２１１の両方に設け互いに噛み合う構造としてもよい。

本発明によるガスレーザ発振装置は、送風装置回転部の万一の振れまわり時に回転部を強制停止させることができ、送風装置破損時の被害を光共振器部まで拡大させることを防止し、機器復旧にかかる時間と費用の低減を図ることができるため、コストパフォーマンスの高いガスレーザ発振装置として有用である。

１００ ガスレーザ発振装置
１０１ 放電管
１０２ 電極
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 熱交換器
１１２ 熱交換器
１１３ レーザガス導入部
２００ 送風装置
２０１ モータロータ
２０２ 回転軸
２０３ 翼車
２０４ モータステータ
２０５ ハウジング
２０６ スクロール
２０７ 上部軸受
２０８ 下部軸受
２０９ 共回転リング
２０９ａ 共回転リング外周面
２０９ｂ 共回転リング
２１０ ナット
２１１ 固定部スペーサ
２１１ａ 固定部スペーサ
２１２ 回転軸が傾く際の中心点
２１３ ボルト
２１４ 回転方向
３０１ 接触時の衝撃力
３０２ａ 接触面
３０２ｂ 接触面
３０３ スリット

Claims (7)

1. レーザ媒体を励起する放電手段と、前記レーザ媒体であるレーザガスを送風する送風手段と、前記放電手段と前記送風手段を接続するレーザガス循環経路を備え、
   前記送風手段は駆動手段によって回転を行う回転部と、回転を行わない非回転部から成り、
   前記回転部は先端に翼車部を設けた軸と、前記軸を回転させる駆動部と、前記軸に結合された上部軸受および下部軸受と、前記翼車部に圧入され前記上部軸受との間に配置された共回転リングとを備え、
   前記非回転部は前記共回転リングと対向する位置に固定部スペーサを備え、
   前記共回転リングおよび前記固定部スペーサの少なくとも一方の前記共回転リングと前記固定部スペーサの対向面に凹凸を設け、
   前記凹凸の形状は、前記共回転リングおよび前記固定部スペーサの他方の前記対抗面と点接触するように、先端の尖った突起を配置した形状であるガスレーザ発振装置。
2. 前記凹凸は、前記共回転リングに設けられ、前記突起を形成する２辺の成す角の二等分線と前記突起の先端における前記共回転リングの径方向との成す角が前記径方向を基準とし軸回転方向へ鋭角を成す形状としたことを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記突起を成す２辺の内、前記軸回転方向側に位置する辺が前記突起の根元における前記共回転リングの径方向と一致したことを特徴とする請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
4. 前記突起を成す２辺の内、前記軸回転方向側に位置する辺が前記突起の根元における前記共回転リングの径方向に対して前記軸回転方向へ傾いていることを特徴とする請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
5. 前記対向面が前記軸と平行に設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
6. 前記対向面が前記軸に対し傾斜して設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
7. 前記凹凸によって、前記共回転リングおよび前記固定部スペーサが接触した時に、前記回転軸は回転方向に対する反力を得る請求項１〜６のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。

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