JP6110419B2 - 共振器部を冷却するファンを備えたレーザ発振器 - Google Patents
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Description
レーザ発振器は、レーザ媒体(例えばCO2、YAGなど)を励起し、励起したレーザ媒体が発する光を2枚の反射鏡の間で往復させることにより、その光を増幅させる共振器部を備える。具体的には、共振器部は、レーザ媒体を励起してレーザ光を発振させる軸形の発振部(例えば放電管、YAGロッド)と、発振部の光軸方向の両端にそれぞれ配置された全反射鏡および半反射鏡と、を備える。このため、レーザ発振器は、共振器部を収容および保護する筐体を備えている。
従来、水冷式のレーザ発振器の筐体内には、上記の共振器部とファンとの間に熱交換器が配置されている。
共振器部の発熱に起因して熱くなった筐体内の温度を下げるときは、冷却装置、例えばチラーにより冷却水を一定の温度に制御して熱交換器に供給する。そして、共振器部の周辺の熱い空気を吸引するようにファンを動作させ、これによって、その熱い空気を熱交換器に接触させて冷却し、冷却された空気を共振器部の周辺に送風している。
特許文献2には、半導体レーザアレイに接触させて配設された冷却気体流路と、冷却気体流路に冷却気体流を流す冷却気体流生成手段と、半導体レーザアレイの温度検出手段と、を設け、温度検出手段の検出信号に基づいて冷却気体流生成手段を駆動制御する方法が記載されている。
さらに、ファン制御部は、測定された共振器部の温度が所定の温度よりも低いときは、ファンの送風方向を熱交換器から共振器部に向かう方向に制御し、さらに、測定された共振器部の温度が上記所定の温度と同じか、それよりも高いときは、ファンの送風方向を共振器部から熱交換器に向かう方向に制御する、レーザ発振器が提供される。
しかし、本発明は、上述した態様に限られず、以下のような他の態様のレーザ発振器を提供することもできる。
つまり、上記の他の各態様によれば、あらかじめ実験により共振器部の温度分布を取得し、あるいは、共振器部に全体的に配置された複数の温度測定部により共振器部の温度分布を取得する。そして、そのような温度分布に基づき、相対的に温度の低い共振器部の部分に温かい空気をより多く供給することが可能となる。その結果、共振器部を均一に温めることができるので、レーザ発振器の動作を安定させることができる。
本実施形態のレーザ発振器1は、出力すべきレーザ光を共振させるための共振器部2と、共振器部2の一端に隣接して設置された熱交換器3と、共振器部2および熱交換器3の両方を挟んだ2つの位置にそれぞれ設置された第1のファン4および第2のファン5と、を備える。
さらに、レーザ発振器1は、共振器部2と、熱交換器3と、ファン4、5を収容し保護する筐体6とを備えている。筐体6の外側には、冷却水を一定の温度、例えば20℃に制御しながら熱交換器3に供給する設備であるチラー7が設けられている。なお、本実施形態では熱交換器3に供給する冷却用液を水とするが、本発明はこれに限定されない。
また、ファン制御部9は第1のファン4と第2のファン5の両方を用いて一方向の風を発生させる(図4A、図4Bの矢印参照)。しかし、ファンは、当該一方向の風を発生させることができるならば、共振器部および熱交換器の両方を挟んだ2つの位置のうち少なくとも一方に配置されていればよい。さらに、このような一方向の風を共振器部2および熱交換器3に効率よく流すため、図1に示すように、共振器部2が2つのファン4、5と2つの板状部材11によって囲まれていることが好ましい。
共振器部2は、レーザ媒体となるガス(例えばCO2)を収容し、放電によってガスを励起してレーザ光を放出する軸形の放電部を有する。この軸形放電部は、例えば、4本の放電管12を直列に接続し、4本の放電管12を2本単位に折り返して筐体6内に配置されている。このような放電部の光軸方向の両端となる位置にそれぞれ全反射鏡13と半反射鏡14(出力鏡)とが配置されている。放電部の中間位置には折返し鏡15が配置されている。
なお、放電管12の総本数、および、折り返される放電管の単位数は前述の本数に限定されない。
つまり、筐体6内において、共振器部2の一端に隣接して配置された熱交換器3は、共振器部2と第2のファン5との間に配置されている。さらに、共振器部2の他端に隣接して第1のファン4が配置されている(図1参照)。
なお、熱交換器3およびファン4、5の個数は前述の個数に限定されない。
図3を参照すると、まず、共振器温度測定部8によって共振器部2の温度Taを測定し、冷却水温度測定部10によって、チラー7から熱交換器3に流す冷却水の温度Tbを測定する(ステップS1)。
このようなステップS1〜S3は、共振器部2の温度Taが冷却水の温度Tb以上になるまで継続される。
例えば、図3のステップS1、S2に代えて、共振器部2の測定温度と予め設定された温度(例えば20℃)とを比較してファン4、5の動作を制御する方法であってもよい。この設定温度については、共振器の光軸調整など製造時の調整作業を行った温度とすることにより、共振器を構成する部材が調整時の状態を再現することができ、最も効率良くレーザ出力を得ることができる。
図5A、図5B、および図5Cはレーザ発振器1の運転状態と共振器部2の温度に対応したファン4、5の動作とを示している。特に、図5Aはレーザ発振器1を周囲が低温でない状態から起動する場合、図5Bはレーザ発振器1を低温状態から起動する場合、図5Cはレーザ発振器1を待機状態から復帰させる場合、を示している。
また、レーザ加工を中断するときは、放電管12内への放電とファン4、5の回転とを停止し、レーザ発振器1を待機状態に移行することが好ましい。これにより、レーザ発振器1の消費電力を減らすことができる。また、レーザ加工を再開する場合は放電管2内への放電やファン4、5の動作を開始することで、発振準備が完了する。
温度が低下した空気は第2のファン5から吐出され、筐体6の内側面に沿って第1のファン4側に回込み、第1のファン4によって共振器部2に吹付けられる。このような送風によって共振器部2の温度が定常状態となり、レーザ出力やビームモードが安定する。
以上の場合、共振器部2の温度は冷却水の温度よりも低くなっている。このため、図5Bの左端欄に示す各工程に対しては、ファン4、5は、図4Aにおいて図面の右から左へ流れる風を発生させる。つまり、ファン4、5によって発生する風は熱交換器3から共振器部2に向かって送られる。このため、熱交換器3を通過する空気が熱交換器3から熱を受取り、空気の温度が上がる。温度が上昇した空気が共振器部2に吹付けられるため、共振器部2を温めることができる。
したがって、低温環境下において待機状態から再開するとき、レーザ発振器1が安定して使用できるまでの時間を短縮することができる。
なお、図6Aの制御例において、共振器温度測定部8は、共振器部2全体の温度状況を把握するために、熱交換器3や放電管12などの高温部から離れた場所に設置されていることが好ましい。したがって、共振器部2全体の温度状況を把握できるならば、共振器温度測定部8の場所は図示された位置に限定されない。
勿論、風量を増やすべきファンは、共振器部2の両端部の各近傍に配置されている2つの第1のファン4のみに限られない。例えば、共振器部2の温度が他よりも低い箇所に近いファン4、5の風量を増大させてもよい。この場合、共振器部2の温度分布をあらかじめ動作実験して記憶装置(不図示)に記憶しておき、その温度分布データに基づいて複数のファン4、5の少なくとも一つの風量を変更することが考えられる。あるいは、共振器部温度測定部8の他にも複数の温度測定部(不図示)をそれぞれ共振器部2の全体にわたって配置し、それらの温度測定部の測定値に基づいて共振器部2の温度分布を把握して複数のファン4、5の少なくとも一つの風量を変更してもよい。このような制御により、相対的に温度の低い部分に温かい空気をより多く供給できるので、共振器部2を均一に温めることができる。
前述した図6の制御例では、共振器部2の測定温度が冷却水の測定温度あるいは共振器部2の設定温度よりも低いとき、全てのファン4と全てのファン5とを動作させて、熱交換器3から共振器部2に向かって風を供給している。しかし、図7に示す例のように、複数のファン4、5のうちの一部(ファン4a、5a)の動作を停止してもよい。つまり、前述したように取得可能な共振器部2の温度分布に応じて、複数のファン4、5の全部または一部を動作させることが好ましい。これにより、共振器部2の発熱部分によって温められた空気を、発熱しない部分に流すことができるので、共振器部2を均一に温めることができる。
また、以上では典型的な実施形態を示したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で上述の実施形態を様々な形、構造や材料などに変更可能である。
2 共振器部
3 熱交換器
4 第1のファン
5 第2のファン
6 筐体
7 チラー
8 共振器温度測定部
9 ファン制御部
10 冷却水温度測定部
11 板状部材
12 放電管
13 全反射鏡
14 半反射鏡
15 折返し鏡
Claims (5)
- 出力すべきレーザ光を共振させるための共振器部(2)と、
前記共振器部に隣接して配置され、冷却液が供給されるべき熱交換器(3)と、
前記共振器部および前記熱交換器の両方を挟んだ2つの位置のうち少なくとも一方に配置され、前記共振器部および前記熱交換器の両方を通過する一方向の風を発生させるファン(4、5)と、
前記共振器部の温度を測定する共振器温度測定部(8)と、
前記ファンを制御するファン制御部(9)と、を備え、
前記ファン制御部(9)は、前記共振器温度測定部(8)により測定された前記共振器部(2)の温度に基づいて前記ファンの送風方向を切り換えるようになされており、
前記ファン制御部(9)は、
前記測定された前記共振器部(2)の温度が所定の温度よりも低いときは、前記ファンの送風方向を前記熱交換器(3)から前記共振器部(2)に向かう方向に制御し、
前記測定された前記共振器部(2)の温度が前記所定の温度と同じか、それよりも高いときは、前記ファンの送風方向を前記共振器部(2)から前記熱交換器(3)に向かう方向に制御する、レーザ発振器。 - 複数の前記ファン(4、5)が前記共振器部(2)の長手方向に沿って配置されており、
前記ファン制御部(9)は、さらに、前記測定された前記共振器部(2)の温度に基づいて前記複数の前記ファン(4、5)の少なくとも一つの風量を変更する、請求項1に記載のレーザ発振器。 - 複数の前記ファン(4、5)が前記共振器部(2)の長手方向に沿って配置されており、
前記ファン制御部(9)は、さらに、前記測定された前記共振器部(2)の温度に基づいて前記複数の前記ファン(4、5)の少なくとも一つを停止させる、請求項1または2に記載のレーザ発振器。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ発振器において、
前記冷却液の温度を測定する冷却液温度測定部(10)をさらに備え、
前記所定の温度が、前記冷却液温度測定部(10)により測定された前記冷却液の温度である、レーザ発振器。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ発振器において、
前記冷却液を一定の温度に制御するためのチラー(7)をさらに備えた、レーザ発振器。
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