JP6064175B2

JP6064175B2 - ガスレーザ発振装置

Info

Publication number: JP6064175B2
Application number: JP2015105997A
Authority: JP
Inventors: 良太中島; 西村　哲二; 哲二西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: JP2016219717A

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ものである。

ガスレーザ発振装置は、炭酸ガス等の混合ガス（以下レーザガス）を圧縮し且つ循環させる循環回路を有しており、更にレーザガスを密封した循環回路内には、電極と全反射鏡、部分反射鏡が設けられている。電極から生じる放電によりレーザガスが励起され、励起されたレーザガスを全反射鏡と部分反射鏡との間で共振させ、レーザ出力として取り出している。

そのレーザガス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レーザガスを圧縮し、循環させるターボ型の送風装置がある。

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車が回転可能に配置され、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車を高速回転させるモータが配置されている。そして、このモータとロータとターボ翼ならびに回転軸等からなる回転体は軸受で支持される。

送風装置は高速回転での長期の使用による軸受の劣化等により、回転部の軸ずれが起こり、回転部の翼車が非回転部のスクロールに接触し破損に至り、さらにはその破片が循環回路内を循環し、ガスレーザ発振装置全体が破損する可能性がる。

すなわち、送風装置の回転軸が何らかの要因で軸ずれを引き起こし、回転部の翼車と、非回転部のスクロールが接触し破損し、さらにはその破片が循環回路内を循環し、ガスレーザ発振装置全体が破損するため、ガスレーザ発振装置の復旧には送風装置交換のほかレーザガス循環回路構成部品の交換も必要となり多大なる費用と時間を要する。そのため被害拡大前に送風装置を強制停止させることが課題となっていた。

このような軸ずれを起こす要因の軸受は、潤滑不良や異物侵入等で発熱するため、第１の従来技術として、発熱を早期に検出し警報を出すことで送風装置の破損を防止しようとしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また第２の従来技術として、同時に回転部の振動を検出することにより軸ずれを検知しようとするものもある。予め設定しておいた振動閾値を超えると、ターボ翼車に対する負荷を下げ軸ずれを低減させるために、レーザガスを密封した循環回路内のガス圧を下げる制御を設け送風装置の破損を防止ししていた（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−１１３９９３号公報特開２０１１−１８７５２６号公報

しかしながら、第１の従来技術に係るガスレーザ発振装置では、徐々に変化する軸受の劣化は検知することはできても、緊急に停止するべき軸ずれ発生を明確に判断するはできない。判断を厳しくし過ぎると不要に停止を繰り返すことになり、ゆるい基準を設けると軸ずれ発生の瞬間を見逃してしまう可能性がある。

また、第２の従来技術では、軸ずれの発生を振動という間接的減少を介して検知するため、軸ずれ発生を必ずしも間を置かずに検知できず、緊急停止に対応できない可能性がある。

さらに、従来技術の温度検出や振動検出による警報出す手法においては、回転軸の停止までに時間が掛り被害拡大防止という本来の目的を果たすには十分ではなかった。

そこで本発明は、以上の問題を解決し、送風装置の軸受の破損等によって引き起こされる回転部の軸ずれの発生の有無を明確に分離し、かつ、軸ずれ発生後は間を入れずに検知でき、さらに、軸ずれ発生と判断した場合には緊急に回転部を停止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、レーザ媒体を励起する放電手段と、レーザガスを送風する送風装置と、前記放電手段と送風装置との間にレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路とを備え、前記送風装置は軸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と、それらの間に設けた上部軸受と下部軸受からなり、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、前記翼車と前記上部軸受との間に配置された共回転リングを備え、前記非回転部は前記回転部を納めるハウジングと、前記翼車を覆うスクロールと、前記共回転リングと所定の隙間を有して前記共回転リングと対向する位置に配置された固定部スペーサと、前記固定部スペーサに接する温度検出部を備えた、ものである。

さらに、前記軸の延長上に、前記軸方向に可動する軸押圧ブレーキ部をさらに備え、前記軸受異常と判断した場合に前記軸押圧ブレーキ部により前記送風装置の回転部を停止させるようにしたものである。

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、固定部スペーサに接する温度検出部を備え、予め定めた温度閾値を設け、前記温度検出部により検出された温度が、前記上部軸受温度検出部より検出された温度より高くなった場合、軸受異常と判断する。すなわち、軸ずれが発生した場合、最初に回転部が接触する部材の摩擦熱を直接的に測定しているので、軸ずれの発生の有無を明確に分離し、かつ、軸ずれ発生後は間を入れずに検知できる。

更に前記軸の延長上に、前記軸方向に可動する軸押圧ブレーキ部をさらに備え、前記軸受異常と判断した場合に前記軸押圧ブレーキ部により前記送風手段の回転部を停止させるものである。

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軸押圧ブレーキ部の詳細図

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と動作＞
図１は本発明の実施形態に係るガスレーザ発振装置の構成図である。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１１５で接続されている。熱交換器１１１および１１２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働きを有する。送風装置２００はレーザガスを循環させ、放電空間１０５にて屋久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。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１１５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。

図２は本発明の実施形態に係る送風装置の構成断面図である。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を備えている。

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、上部軸受２０７および下部軸受２０８で構成されている。非回転部は、前記前記回転部を納めるハウジング２０５、翼車を覆うスクロール２０６と、共回転リング２０９で構成されている。

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、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ヶ所に配置された上部軸受２０７および下部軸受２０８により、回転可能な状態で保持されている。上部軸受２０７および下部軸受２０８は回転軸２０２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、部分詳細図の図３を用いながら説明する。

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、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に圧入および芯出しされ固定されている。

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２０３および共回転リング２０９は回転軸２０２の上部に取り付けられたナット２１０の締め付けによって、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。

固定部スペーサ２１１は温度検出手段２１５を備えており、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。また、固定部スペーサ２１１と共回転リング２０９には隙間が設けられており、その隙間は翼車２０３とスクロール２０６との隙間より十分小さいものである。

そのため、通常は接触することはないが、軸受異常によって軸ずれが発生すると、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が最初に接触する。

この時、固定部スペーサ２１１と共回転リング２０９には隙間は、翼車２０３とスクロール２０６との隙間より十分小さいものであるため、スクロール２０６と翼車２０３が接触することを防ぐことができる。

また回転軸２０２が回転中に振れ回り、点２１２を中心に傾き、共回転リング２０９と固定部スペーサ２１１が接触した際、固定部スペーサに摩擦熱が生じる。この摩擦熱を固定部スペーサ２１１に設けた温度検出手段２１５により検出する。

温度検出手段２１５からの信号は制御手段１１３に入力され、制御手段１１３において予め設定した温度に対する値と入力された値とを比較し、入力された値が予め設定した値以上と判断した場合、電源１０４とモータステータ２０４に送られる外部電力を停止させるとともに、警報手段１１４を動作させ、作業者に異常を伝えるようにしている。

更に、送風装置２００は図４のように、軸押圧ブレーキ装置２１３が設けられている。スクロール２０６にブレーキホルダ２１４が取り付けられており、軸押圧ブレーキ装置２１３は回転軸２０２の軸方向真上にブレーキホルダ２１４により保持されている。

また軸押圧ブレーキ装置２１３は回転軸２０２方向に可動式となっており、制御手段１１３において予め設定した温度に対する値と入力された値とを比較し、入力された値が予め設定した値以上と判断した場合、軸押圧ブレーキ装置２１３が回転軸２０２方向に可動し、回転軸２０２と接触させ、軸押圧ブレーキ装置２１３と回転軸２０２に摩擦力を生じさせることで回転軸２０２を強制的に停止させる。

更に、軸押圧ブレーキ装置２１３が回転軸２０２方向に可動し、回転軸２０２と接触した際、回転軸２０２をさらに下方向に押さえつけることで、スクロール２０６と翼車２０３との隙間がさらに広がり、スクロール２０６と翼車２０３との接触を避けることが可能となる。

また軸押圧ブレーキ装置２１３が取り付けられている箇所は、レーザガス流１０９の流路の一部であるため、軸押圧ブレーキ装置２１３はレーザガス流１０９への影響が少ない形状を有する。

以上に述べたように、本実施の形態のガスレーザ発振装置によれば、送風装置の軸受の破損等によって引き起こされる回転部の軸ずれの発生の有無を明確に分離し、かつ、軸ずれ発生後は間を入れずに検知でき、さらに、軸ずれ発生と判断した場合には緊急に回転部を停止させることができる。

つまり、本発明によるガスレーザ発振装置は、送風装置の回転軸が軸ずれを起こした際、一早く軸ずれ発生を検出し送風装置を緊急停止させることができる。更に回転軸も強制的に停止させることができるため、送風装置停止時間をさらに短くでき、回転部の翼車と、非回転部のスクロールが接触による破損を防止し、さらには破損拡大をも防止できるため、ガスレーザ発振装置の復旧にかかる費用と時間を大幅に低減できる。

本発明にかかるガスレーザ発振装置は、送風装置の軸受の破損等によって引き起こされる回転部の軸ずれの発生の有無を明確に分離し、かつ、軸ずれ発生後は間を入れずに検知でき、さらに、軸ずれ発生と判断した場合には緊急に回転部を停止させることができるものであり、レーザ媒質ガスを用いた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
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制御手段
１１４警報手段
１１５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
２１０ナット
２１１固定部スペーサ
２１２回転軸が傾く際の中心点
２１３軸押圧ブレーキ装置
２１４ブレーキホルダ
２１５温度検出手段

Claims

レーザ媒体を励起する放電手段と、レーザガスを送風する送風装置と、前記放電手段と送風装置との間にレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路とを備え、
前記送風装置は軸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と、それらの間に設けた上部軸受と下部軸受からなり、
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、前記翼車と前記上部軸受との間に配置された共回転リングを備え、
前記非回転部は前記回転部を納めるハウジングと、前記翼車を覆うスクロールと、前記共回転リングと所定の隙間を有して前記共回転リングと対向する位置に配置された固定部スペーサと、前記固定部スペーサに接する温度検出部を備えた、ガスレーザ発振装置。
前記固定部スペーサの材質は、前記軸に対して硬度を低くした請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
前記固定部スペーサと前記共回転リングとの隙間は、前記翼車と前記スクロールとの隙間に対し小さくした請求項１または２に記載のガスレーザ発振装置。
予め定めた温度閾値を設け、前記温度検出部により検出された温度が、前記温度閾値以上になった場合、軸受異常と判断する請求項１から３のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
前記軸の延長上に、前記軸方向に可動する軸押圧ブレーキ部をさらに備え、前記軸受異常と判断した場合に前記軸押圧ブレーキ部により前記送風装置の回転部を停止させる請求項４に記載のガスレーザ発振装置。
前記軸押圧ブレーキ部は、前記軸の延長上で、かつ、レーザガス流路を塞がないように前記スクロールに設置された請求項５に記載のガスレーザ発振装置。
前記押圧ブレーキ部は、前記軸の軸方向に対し可動し、前記軸受異常と判断した場合前記軸と接触し前記送風装置の回転部を停止させる請求項５または６に記載のガスレーザ発
振装置。