JP6267164B2 - 保守作業用の温度管理機能を有するレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

レーザ装置において使用される構成部品には、高温で使用されると寿命が短くなるものがある。逆に温度が低くなりすぎると、レーザの特性が変化する虞がある。そのため、一般的に、構成部品が１５℃〜３０℃の範囲の所定温度に維持されるよう温度管理がなされる。

高温多湿の環境下でレーザ装置が使用される場合、外気と低温に維持された構成部品との間の温度差に起因して結露が発生することがある。特に光学部品に結露が発生すると、レーザ光が吸収されたり、又は散乱したりする原因になり、所期の性能を実現できなくなる。さらに、塵埃又は揮発性物質などの異物が結露した箇所に付着すると、乾燥後に異物が光学部品の表面に析出し、光学部品の交換ないし修理が必要になる。結露は、漏電、短絡などのリスクを増大させるので、電気部品にとっても望ましくない。

光学部品における結露の発生を防止する種々の技術が公知である。光学部品などを収容した筐体内に乾燥空気を供給する除湿装置を備えたレーザ発振器が公知である（特許文献１〜３参照）。光学部品を冷却する冷却水を必要に応じて加熱することによって、光学部品の温度を調整するようにしたレーザ発振器が公知である（特許文献４〜６参照）。

放電停止時に、光学部品を冷却する冷媒の供給を停止することによって、結露の発生を防止するようにしたレーザ発振器が公知である（特許文献７参照）。

特開平０４−３５６９８１号公報 特開２０１２−０２４７７８号公報 特開２０１３−２３９６９６号公報 特開平０１−２３２７７９号公報 特開昭５７−０４５９８８号公報 特開平０４−３３５５８５号公報 特開２００３−１１０１７４号公報

従来、保守作業を行う際に光学部品などを収容した筐体の扉を開放すると、結露が発生する虞があるので、筐体内の温度が十分に上昇するまで長時間にわたって待機する必要があった。そこで、必要に応じて保守作業を速やかに実行できるようにしたレーザ装置が求められている。

本願の１番目の発明によれば、開放可能な密閉構造を有する筐体であって、レーザ発振器を含む前記筐体と、前記筐体の内部空間における湿度が上昇するのを防止する手段と、前記筐体内に設置された光学系と、前記光学系を所定温度に維持する温度調節機構と、前記筐体を開放する前に実行される準備工程を制御する準備工程制御部と、を備えるレーザ装置であって、前記温度調節機構は、レーザ装置の稼働中においては、前記光学系を１５℃以上３０℃以下の所定温度である第１の温度に維持するとともに、前記準備工程が開始されたときに、前記光学系を、前記第１の温度以上の温度であって、露点温度に所定の付加温度を加算した温度と前記筐体の外部の外気温度のうちのいずれかである第２の温度に維持するように構成される、レーザ装置が提供される。
本願の２番目の発明によれば、１番目の発明に係るレーザ装置において、前記光学系が前記レーザ発振器に含まれる。
本願の３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明に係るレーザ装置において、前記レーザ発振器に電力を供給する電源ユニットをさらに備え、前記筐体は、隔壁および弁を有し、前記隔壁および閉じた状態の前記弁によって互いに隔離された第１の空間及び第２の空間を形成しており、前記光学系は前記第１の空間に配置され、前記電源ユニットは前記第２の空間に配置され、前記レーザ装置は、熱交換器をさらに備え、前記熱交換器は、前記第２の空間と外気との間の熱交換を行い、前記電源ユニットを外気温度に維持するように構成され、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを互いに隔離するように構成され、前記準備工程において、前記準備工程制御部は、前記弁を開放し前記第１の空間及び前記第２の空間を互いに連通させ、前記第２の空間の湿度は結露することがない程度に低い。
本願の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係るレーザ装置が、外気温度を取得する外気温度取得部と、前記外気温度に基づいて前記第２の温度を算出する温度算出部と、をさらに備える。
本願の５番目の発明によれば、４番目の発明に係るレーザ装置において、前記温度算出部は、前記第２の温度が前記外気温度以上になるように前記第２の温度を算出するように構成される。
本願の６番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係るレーザ装置が、外気の露点温度を取得する露点温度取得部と、前記露点温度に基づいて前記第２の温度を算出する温度算出部と、をさらに備える。
本願の７番目の発明によれば、１番目から６番目のいずれかの発明に係るレーザ装置が、前記光学系の温度が前記第２の温度に到達したときに、信号を出力する信号出力部をさらに備える。

これら及び他の本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態に係る詳細な説明を参照することによって、より明らかになるであろう。

本発明に係るレーザ装置によれば、筐体を開放する前の準備工程として、光学系の温度を、稼働中の温度以上の温度に調節する。或いは、筐体の扉を開放する前の準備工程として、乾燥空気を筐体内に供給する。それにより、結露の発生を防止し、保守作業を速やかに開始できるようになる。

第１の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 図１Ａのレーザ装置において、サービスモードに移行したときの状態を示す図である。 図１Ａのレーザ装置において、保守作業実行時の状態を示す図である。 第２の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 図２Ａのレーザ装置において、サービスモードに移行したときの状態を示す図である。 第２の実施形態の変形例に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 第３の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 第４の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 第５の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す図である。 第６の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が適宜変更されている。また、同一又は対応する構成要素には、同一の参照符号が使用される。

図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、第１の実施形態に係るレーザ装置１０の構成例を示している。レーザ装置１０は、レーザ発振器から放出されるレーザ光を利用して、ワークの加工、例えば溶接、穿孔又は切断を行うために使用される。レーザ装置１０は、光学系１１と、電源ユニット１２と、温度調節機構２と、温度調節機構２を制御する制御装置３と、を備えている。

光学系１１は、レーザ装置１０において使用される種々の光学部品から構成される。光学部品は、光共振器を構成する反射鏡などを含んでいる。

電源ユニット１２は、レーザ媒体を励起する電力をレーザ発振器に供給する。レーザ媒体は、炭酸ガスなどの気体でもよいし、或いはガラス、結晶又は半導体などの固体であってもよい。

光学系１１及び電源ユニット１２は、概ね密閉された構造を有する筐体４に収容されている。筐体４は、開放可能な扉４１を備えており、必要に応じて筐体４の内部の構成部品にアクセスできるようになっている。レーザ装置１０は、発振されたレーザ光を屈折させたり、又は反射する追加の光学部品を筐体４の外部に備えていてもよい。

筐体４は、隔壁４２及び弁４３によって互いに隔離された第１の空間４ａ及び第２の空間４ｂを形成している（図１Ａ参照）。光学系１１は第１の空間４ａに収容され、電源ユニット１２は、第２の空間４ｂに収容される。弁４３は、制御装置３によって開閉可能に制御される電磁弁である。弁４３が開放されたとき（図１Ｂ参照）、第１の空間４ａ及び第２の空間４ｂは互いに連通する。

一実施形態において、筐体４の内部空間における湿度が上昇するのを防止するために、除湿剤が使用されてもよい。或いは、周囲の環境が特に高温多湿であるような場合（例えば、気温約４０℃、露点温度３０℃）、除湿器又は乾燥空気の供給装置が使用されてもよい。

温度調節機構２は、筐体４の内部空間の温度を調節する。温度調節機構２は、冷却水循環装置２１と、熱交換器２２と、を備えている。

冷却水循環装置２１は、光学系１１を冷却する冷却水を配管に通して供給する。光学系１１と熱交換をして温められた冷却水は、冷却水循環装置２１に還流され、冷却装置によって再度冷却される。図１Ａに示される矢印２３は、冷却水の流れを示している。

熱交換器２２は、筐体４の第２の空間４ｂと外気との間の熱交換を通じて、電源ユニット１２を外気温度に維持するように構成されている。図１Ａの矢印２４は、熱の伝達方向を示している。一実施形態において、熱交換器２２は、内外気分離式の熱交換器であってもよい。熱交換器２２は、薄肉の金属板によって、筐体４の内部空間と外部空間とを互いに隔離している。それにより、外気が筐体４の内部に進入するのを防止する。

制御装置３は、レーザ装置１０を起動又は停止させたり、レーザ出力を制御したり、又はレーザ装置１０の構成部品の温度を制御するために使用される。制御装置３は、ＣＰＵ、メモリ及び外部装置に接続されるインタフェイスを備えたデジタルコンピュータである。ＣＰＵは、レーザ装置１０の動作に関連する種々の演算を実行する。メモリは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなどから構成される。

ＲＯＭには、制御装置３の動作全般を制御するシステムプログラムが格納されている。ＲＡＭには，ＣＰＵの演算結果、入力値及び検出値などが格納される。不揮発性メモリには、レーザ装置１０の制御プログラム及び関連するパラメータなどが格納されている。インタフェイスは、外部装置、例えば入力装置及び表示装置をレーザ装置１０に接続するために使用される。

制御装置３は、準備工程制御部３１と、温度調節部３２と、を備えている。準備工程制御部３１は、保守作業（保守又は点検等に伴う作業）を実行する前の準備工程を制御する。準備工程制御部３１は、オペレータの操作に応じて準備工程を開始する。保守作業が定期的に実行される場合、準備工程制御部３１は、予め定められた時刻に準備工程を開始するようにプログラムされてもよい。

温度調節部３２は、冷却水循環装置２１を制御して、光学系１１の温度を所定温度に維持する。

次に、レーザ装置１０の動作について説明する。レーザ装置１０は、レーザ光を放出するための通常モードと、保守作業を行うためのサービスモードと、の間で切替えられるようになっている。

（１）通常モード選択時
通常モードが選択されているとき、筐体４の扉４１及び弁４３はそれぞれ閉塞位置にある。すなわち、筐体４の内部空間は、第１の空間４ａ及び第２の空間４ｂに分離されている（図１Ａ参照）。温度調節部３２は、冷却水循環装置２１を制御して冷却水を配管に通して供給し、光学系１１を概ね一定の温度に維持する。例えば、光学系１１は、１５℃〜３０℃の範囲内の所定温度、例えば約２０℃に維持される。光学系１１は、予め定められた温度から、例えば±１℃程度の範囲に維持される。他方、電源ユニット１２は、熱交換器２２によって、外気温度と同程度に維持される。

（２）サービスモード選択時
オペレータが、制御装置３に接続されるスイッチを操作してサービスモードを選択すると、それに応答して、制御装置３が、予め定められるシーケンスプログラムに従って、保守作業を実行するための準備工程を実行する。シーケンスプログラムは、制御装置３の不揮発性メモリから読出される。

サービスモードは、筐体４の扉４１を開放して内部にアクセスする必要があるときに選択される。通常モードからサービスモードに切替えられた直後に扉４１を開放すると、比較的高温多湿の外気が筐体４の内部空間に進入し、結露が起こることがある。特に、光学系１１を構成するレンズなどの光学部品の表面に結露が起こると、光学系１１としての所期の機能が損なわれる虞がある。

本実施形態によれば、サービスモードが選択されたときに、扉４１を開放する前に実行されるべき準備工程が実行される。まず、準備工程制御部３１が、サービスモードの選択を示す信号を受信すると、準備工程制御部３１は、温度調節部３２及び弁４３を制御して、準備工程を実行する。

準備工程において、温度調節部３２は、準備工程制御部３１から送出される信号に応答して、冷却水循環装置２１による冷却水の供給を停止する。また、準備工程制御部３１は、弁４３を開放し、第１の空間４ａ及び第２の空間４ｂを互いに連通させる（図１Ｂ参照）。弁４３を開放するとき、第２の空間４ｂの湿度は低くなっている。熱交換器２２は、サービモード移行後も稼働し続けるので、光学系１１は、熱交換器２２によって、外気温度に概ね到達するまで結露することなく温められる。

本実施形態に係るレーザ装置１０によれば、サービスモードが選択されると、前述した準備工程が自動的に開始される。準備工程においては、熱交換器２２によって、光学系１１の温度が外気と同程度の温度まで上昇する。したがって、サービスモード選択後、所定時間経過後に扉４１を開放すれば（図１Ｃ参照）、光学系１１において結露を発生させることなく、保守作業を実行できる。

第１の実施形態の変形例において、レーザ装置１０は、隔壁４２及び弁４３を備えていなくてもよい。この場合、通常モードにおいても、第１の空間４ａ及び第２の空間４ｂは互いに連通している。サービスモードが選択されたときの動作は、第１の実施形態と同様である。

図２Ａ及び図２Ｂは、第２の実施形態に係るレーザ装置１０の構成例を示している。本実施形態によれば、筐体４には、弁４３が設けられておらず、第１の空間４ａ及び第２の空間４ｂが隔壁４２によって互いに仕切られている。冷却水循環装置２１は、還流される水を冷却する冷却装置２５と、冷却水を循環させるポンプ２６と、を備えている（図２Ａ参照）。レーザ装置１０の他の構成は、第１の実施形態と同様である。

サービスモードが選択されたとき、温度調節部３２は、準備工程制御部３１から送出される信号に応答して、冷却装置２５を停止させる。他方、ポンプ２６は、冷却水の循環を継続する（図２Ｂ参照）。ポンプ２６は、冷却水を循環させる際に発熱する。そのため、冷却装置２５が停止された後は、ポンプ２６の発熱に起因して冷却水の温度、ひいては光学系１１の温度が徐々に増大する。作業者は、光学系１１の温度が十分に高くなった時点で筐体４の扉４１を開放し、保守作業を実行する。それにより、本実施形態においても、光学系１１における結露の発生を防止できる。

図２Ｃは、第２の実施形態の変形例に係るレーザ装置１０の構成例を示している。本変形例において、ポンプ２６は、準備工程において、熱交換器２２とは異なる追加の熱交換器２７に接続されるように構成されてもよい。熱交換器２７は、矢印２８で示されるように、外気と熱交換をするように構成されている。したがって、ポンプ２６によって循環される冷却水は、概ね外気温度に到達するまで温められる。

第１の実施形態及び第２の実施形態の別の変形例において、冷却水循環装置２１が、準備工程において使用されるヒータを内蔵していてもよい。ヒータは、光学系１１を冷却するために供給される冷却水を加熱するのに使用される。したがって、本変形例によれば、光学系１１の温度を速やかに上昇させられる。準備工程を短時間で完了することができ、レーザ装置１０の保守作業を速やかに実行できる。或いは、光学系１１を外気よりも高い温度まで上昇させられる。したがって、極度に高温多湿の環境下においても結露の発生を防止することも可能である。

また別の変形例において、冷却水循環装置２１に代えて、別の公知の冷却手段、例えばペルチェ素子を利用した冷却装置が使用されてもよい。第１の実施形態及び第２の実施形態並びにそれらの変形例によれば、外気温度を測定する温度センサを使用しなくても、光学系１１の周囲の温度を外気温度に近づけることができるので、簡素な構成を有するレーザ装置１０を提供できる。

図３は、第３の実施形態に係るレーザ装置１０の構成図を示している。本実施形態によれば、準備工程において、光学系１１の目標温度が外気温度に従って算出される。

本実施形態に係る制御装置３は、第１の温度取得部３３と、目標温度算出部３４と、をさらに備えている。第１の温度取得部３３は、図示されない温度センサから外気温度を取得する。一実施形態において、温度センサは、筐体４に取付けられてもよいし、又は筐体４の近傍に設けられてもよい。或いは、温度センサは、冷却水循環装置２１に取付けられてもよい。

目標温度算出部３４は、第１の温度取得部３３によって取得される外気温度に従って、光学系１１の目標温度を算出する。一実施形態において、目標温度算出部３４は、外気温度に所定の付加温度を加算することによって目標温度を算出する。温度調節部３２は、算出された目標温度に従って冷却水循環装置２１を制御する。なお、付加温度は、局所的に温度が低い箇所が発生しないように適宜設定される。一実施形態において、付加温度はゼロであってもよい。また、外気温度が稼働中の第１の空間４ａの温度よりも低い場合は、稼働中の温度をそのまま目標温度としてもよい。

本実施形態によれば、外気温度に応じて定まる目標温度に従って、光学系１１の温度が調節されるので、光学系１１を必要以上に高い温度まで温める必要がなくなり、保守作業を速やかに実行できるようになる。

図４は、第４の実施形態に係るレーザ装置１０の構成例を示している。本実施形態によれば、準備工程において、光学系１１の目標温度が、外気の露点温度に従って算出される。

本実施形態によれば、図３を参照して説明した第１の温度取得部３３に代えて、制御装置３が露点温度取得部３７を備えている。露点温度取得部３７は、温度センサによって測定される外気温度と、湿度センサによって測定される外気湿度と、に従って外気の露点温度を算出する。或いは、露点温度取得部３７は、露点計を用いて外気の露点温度を直接取得してもよい。

目標温度算出部３４は、目標温度が外気の露点温度以上になるように目標温度を算出する。目標温度算出部３４は、露点温度取得部３７によって取得された露点温度に所定の付加温度（例えば約５℃）を加算して目標温度を算出する。

本実施形態によれば、露点温度よりも高い温度になるように、光学系１１の温度が調節される。したがって、局所的に温度が上昇しにくい箇所があったとしても、結露の発生を確実に防止できる。また、光学系１１を必要以上に高い温度まで温める必要がなくなり、保守作業を速やかに実行できるようになる。

図５は、第５の実施形態に係るレーザ装置１０の構成例を示している。本実施形態において、制御装置３は、第２の温度取得部３５と、信号出力部３６と、を備えている。

第２の温度取得部３５は、筐体４内に設けられた温度センサ（図示せず）によって、光学系１１の温度を取得する。

信号出力部３６は、光学系１１の温度が目標温度に到達していた場合、準備工程が完了したことを表す信号を出力する。レーザ装置１０は、信号出力部３６から出力される信号に応答して、保守作業を実行可能であることを作業者に通知するように構成される。例えば、レーザ装置１０は、信号出力部３６から送出される信号に応答して、図示されない表示装置を介して作業者に通知してもよいし、又は効果音を発生するように構成されてもよい。

図６は、第６の実施形態に係るレーザ装置１０の構成例を示している。本実施形態によれば、レーザ装置１０は、乾燥空気を筐体４内に供給する空気供給装置１３を備えている。制御装置３は、空気供給部３８をさらに備えている。

本実施形態によれば、サービスモードが選択されたとき、空気供給部３８は、準備工程制御部３１から送出される信号に応答して、空気供給装置１３によって乾燥空気を筐体４内に供給する。それにより、筐体４の扉４１が開放されたとしても、乾燥空気の供給が継続されるので、外気が第１の空間４ａに流入しない。したがって、結露の発生を防止できる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、当業者であれば、他の実施形態によっても本発明の意図する作用効果を実現できることを認識するであろう。特に、本発明の範囲を逸脱することなく、前述した実施形態の構成要素を削除又は置換することができるし、或いは公知の手段をさらに付加することができる。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

２ 温度調節機構
３ 制御装置
４ 筐体
１０ レーザ装置
１１ 光学系
１２ 電源ユニット
１３ 空気供給装置
２１ 冷却水循環装置
２２ 熱交換器
２５ 冷却装置
２６ ポンプ
２７ 熱交換器
３１ 準備工程制御部
３２ 温度調節部
３３ 第１の温度取得部
３４ 目標温度算出部
３５ 第２の温度取得部
３６ 信号出力部
３７ 露点温度取得部
３８ 空気供給部
４１ 扉
４２ 隔壁
４３ 弁

Claims (7)

1. 開放可能な密閉構造を有する筐体であって、レーザ発振器を含む前記筐体と、
   前記筐体の内部空間における湿度が上昇するのを防止する手段と、
   前記筐体内に設置された光学系と、
   前記光学系を所定温度に維持する温度調節機構と、
   前記筐体を開放する前に実行される準備工程を制御する準備工程制御部と、
   を備えるレーザ装置であって、
   前記温度調節機構は、レーザ装置の稼働中においては、前記光学系を１５℃以上３０℃以下の所定温度である第１の温度に維持するとともに、前記準備工程が開始されたときに、前記光学系を、前記第１の温度以上の温度であって、露点温度に所定の付加温度を加算した温度と前記筐体の外部の外気温度のうちのいずれかである第２の温度に維持するように構成される、レーザ装置。
2. 前記光学系は前記レーザ発振器に含まれる、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記レーザ発振器に電力を供給する電源ユニットをさらに備え、
   前記筐体は、隔壁および弁を有し、前記隔壁および閉じた状態の前記弁によって互いに隔離された第１の空間及び第２の空間を形成しており、前記光学系は前記第１の空間に配置され、前記電源ユニットは前記第２の空間に配置され、
   前記レーザ装置は、熱交換器をさらに備え、
   前記熱交換器は、前記第２の空間と外気との間の熱交換を行い、前記電源ユニットを外気温度に維持するように構成され、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを互いに隔離するように構成され、
   前記準備工程において、前記準備工程制御部は、前記弁を開放し前記第１の空間及び前記第２の空間を互いに連通させ、前記第２の空間の湿度は結露することがない程度に低い、請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 外気温度を取得する外気温度取得部と、
   前記外気温度に基づいて前記第２の温度を算出する温度算出部と、
   をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
5. 前記温度算出部は、前記第２の温度が前記外気温度以上になるように前記第２の温度を算出するように構成される、請求項４に記載のレーザ装置。
6. 外気の露点温度を取得する露点温度取得部と、
   前記露点温度に基づいて前記第２の温度を算出する温度算出部と、
   をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記光学系の温度が前記第２の温度に到達したときに、信号を出力する信号出力部をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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