JPH02174281A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野） 本発明は加工用炭酸（ＣＯＺ）ガスレーザ装置等の高出
力のガスレーザ発振装置に係り、特にレーザガスを強制
的に循環させるガスレーザ発振装置に関する。

〔従来の技術〕

最近の炭酸（Ｃｏｔ　）ガスレーザ発振装置は高出力が
得られ、レーザビーム特性の質もよく、金属又は非金属
材料等の切断及び金属材料等の溶接等といったレーザ加
工に広く利用されるようになってきている。特に、ＣＮ
Ｃ（数値制御装置）と結合したＣＮＣレーザ加工機とし
て、複雑な形状を高速かつ高精度で切断する分野におい
て急速に発展しつつある。

以下図面を用いて従来の炭酸（ＣＯ□）ガスレーザ発振
装置を説明する。

第４図は従来技術による炭酸（ＣＯ２）ガスレーザ発振
装置の構成を示す図である。放電管１の両端には出力結
合鏡２と全反射鏡３とからなる光共振器が設置されてい
る。放電管ｌの側枝には２個の高周波放電用電極、アノ
ード４１及びカソード５１が取り付けられている。アノ
ード、カソード間には直流電源部６１が接続されている
。直流電源部６１は直流電源とバラスト抵抗とから構成
される。直流電源部６１によってアノード、カソード間
に直流高電圧が印加される。その印加によって放電管１
内に直流グロー放電が発生してレーデ励起が行われる。

放電管１内のレーザビーム光軸を１３で、出力結合鏡２
から外部に取り出されるレーザビーム光軸を１４でそれ
ぞれ示す。

このようなガスレーザ発振装置を起動する時には先ず最
初に真空ポンプ１２によって装置内部全体の気体が排気
される。ついでバルブ１１が開放になり所定流量のレー
ザガスがガスボンベｌＯから導かれ装置内のガス圧は規
定値に達する。その後は真空ポンプ１２による排気とバ
ルブ１１による補給ガス導入が続き、装置内ガス圧は規
定値に保たれたまま、レーザガスの一部は継続して新鮮
ガスに置換される。これによって装置内のガス汚染は防
止される。

さらに第４図ではルーツブロワ９によってレーザガスを
装置内で循環し、冷却している。炭酸（ＣＯ２）ガスレ
ーザでは注入電気エネルギーの約２０％がレーザ光に変
換され、他はガス加熱に消費される。ところが理論によ
ればレーザ発振利得は絶対温度Ｔの＝（３／２）乗に比
例するので発振効率を上昇させるためにはレーザガスを
強制的に冷却してやる必要がある。本装置ではレーザガ
スは流速的１００ｍ／ｓで放電管１内を通過し矢印で示
す方向に流れ、冷却器８に導かれる。冷却器８は主とし
て放電による加熱エネルギーをレーザガスから除去する
。そして、ルーツブロワ９は冷却されたレーザガスを圧
縮する。圧縮されたレーザガスは冷却器７を介して放電
管Ｉに導かれる。これは、ルーツブロア９で発生した圧
縮熱を放電管１に再度導かれる前に冷却器７で除去する
ためである。これらの冷却器７及び８は周知であるので
詳細な説明は省略する。

直流放電においては電流密度が上昇していくとプラズマ
の一様性が失われてストリーマを構成しやすくなり発振
効率が低下する。それを防止するために乱流を形成して
やって放電の一様性を確保する。そのために直流放電で
は放電管１へのガス注入口に絞り１７を設置している。

この時この絞り１７近傍で圧力損失が発生する。この圧
力損失に打ち勝つようなガス流を得るにはルーツブロワ
９のような圧縮比の高いものが適している。

（発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある
。

第１に、ルーツブロワは低速回転の容積型送風機である
ので大きさ、重量ともに過大なものであり、ガスレーザ
発振装置そのものを過大なものにしてしまう。

第２に、ルーツブロア９から相当量の振動が発生し、レ
ーザビームのボインテングスタビリテーに悪影響を及ぼ
す。

第３に、ルーツブロア９の場合は送風に脈流があるため
レーザ発振特性に影響を与える。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、小
型軽量で、かつボインティングスタビリテー及びビーム
特性の優れたガスレーザ発振装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕 本発明では上記課題を解決するために、気体放電によっ
てレーザ励起をする放電管と、レーザ発振を行わせる光
共振器と、送風機及び冷却器によってレーザガスを強制
冷却させるガス循環装置とから構成されるガスレーザ発
振装置において、前記レーザ励起が高周波気体放電によ
って行われ、前記送風機が毎分３〜３０万回転の電動機
駆動型のターボ翼からなるターボブロアで構成されるこ
とを特徴とするガスレーザ発振装置が、提供される。

〔作用〕

レーザガス循環用の送風機として高速回転のターボブロ
ワを用いることによって、送風機自身を小型化すること
ができ、さらに回転に伴う振動を軽減することができる
。即ち、前記第１及び第２の課題はルーツブロアの代わ
りに高速回転のターボブロワを採用することによって解
決できる。

しかしながら、ターボブロワは送風量を増大させると圧
縮比が極端に低下してしまうという問題を有している。

このことを図面を用いて説明する。

第５図は通常のルーツブロワとターボブロワの送風特性
を示す図である。横軸に圧縮比を、縦軸に排気量を示し
である。レーザ出力ＩＫＷのガスレーザ発振装置の場合
、圧縮比は１．７５、送風量は２２５リットル／秒が必
要である。従って、第５図から分るようにルーツブロワ
はこの送風特性を得るのに十分である。しかしながら、
クーボブロワの場合、排気量は所定値に達するが、圧縮
比カ大幅に不足している。

そこで、本発明では、乱流なしでも−様な放電が得られ
る高周波放電励起をレーザ励起に用いている。これによ
って、ターボブロアのように低い圧縮比の送風機であっ
てもレーザガスの循環を効率よく行うことができ、レー
ザ発振特性を大幅に向上することができる。

尚、ターボブロアを用いてレーザ発振を行うのに必要な
圧縮比及び送風量を得るためには、ターボ翼の直径を３
０〜３００ｍｍにし、回転数を毎分３〜３０万回転にす
ることが必要である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に本発明のレーザ発振装置の一実施例の構成図を
示す。第４図と同一の構成要素には同一の符合が付しで
あるので、ここでは異なった部分について説明する。

本実施例では直流放電の代りに高周波放電を採用してい
る。従って、直流放電の場合には必要であった絞り１７
が除去され、放電管１の外周上に金属電極４及び５が取
り付けられている。金属電極４は接地され、金属電極５
は高周波電源６に接続されている。金属電極４及び５の
間には高周波電源６から高周波電圧が印加される。これ
によって、放電管１内には脈流なしで高周波グロー放電
が発生し、レーザ励起が行われる。本実施例ではルーツ
ブロワの代りにクーボブロワ１５が結合されている。こ
の種のターボブロアはルーツブロワよりも効率が格段に
高いので圧縮熱は無視できるので、後段の冷却器７は省
略することができる。

図では省略しであるが勿論設置してあってもよい。

このような構成にすることによって、レーザ出力ＩＫＷ
程度の軸流型炭酸（ＣＯｔ）ガスレーザ発振装置が実現
できる。

ターボブロアの採用によって、ガスレーザ発振装置全体
の小型軽量化が図れると共に振動、脈流がなくなりボイ
ンティングスタビリテイや出力の高速安定性等に優れた
レーザビームの発振特性を得ることができる。また、タ
ーボブロワを２台直列に結合することによって圧縮比及
び送風量の十分大きいガスレーザ発振装置を得ることが
可能となる。

次にターボブロア１５の構成例を第２図に示す。

ここでは遠心翼１６が示されているが同質は自動車エン
ジンに用いられているターボ過給器用翼を用いる。これ
らのターボ翼は量産品であるので性能、価格ともに優れ
ている。

ターボ翼１６はシャフト１７に機械的に結合されている
。シャフト１７にはロータ１９が取り付けられており、
ロータ１９とステータ２０とでモーターを構成している
。モータはレーザガス用のきょう体とは別のきょう体１
８中に設置されている。ターボ翼１６はこのモータによ
って、回転数約１０万ＰＰＭの高速で回転する。自動車
用のターボ翼としては直径５０〜１００ｍｍのものが一
般的に普及しているが、３０〜３００ｍｍのものまで使
用することは可能である。その時の駆動回転数は約３〜
３０万ＰＰＭの範囲になる。これらは十分に高速回転で
あり、そのため低速のルーツブロワに比較して、回転数
に逆比例して体積が小さくなっている。従って、回転数
が大きいほどターボ翼の直径は小さくてよく、逆に回転
数が小さいほどターボ翼の直径は大きくしなければなら
ない。本実施例では直径約９０ｍｍ、回転数約８万ＲＰ
Ｍのものを用いている。

本実施例のように回転数３〜３０万ＰＰＭのターボブロ
アは特にターボ翼の高速回転時に発生する共振振動を防
止する必要がある。それを実現するだめに第２図の実施
例では軸受に玉軸受を使用している。軸受の内輪２２及
び２３はシャフト１７に固定されている。本実施例では
シャフト１７の回転軸が地面に対して垂直であるが、こ
れは平行であってもよい。軸受の外輪２６及び２７はス
リーブ２８及び２９に固定されている。そして、内輪２
２及び２３と外輪２６及び２７と間にはホール２４及び
２５が配置される。図面上ではボールは４個だけ示しで
あるが、実際図には示されていないボールが存在する。

スリーブ２日及び２９は軸受ハウジング３４及び３５に
は固定されていない。何故なら、スリーブ２８及び２９
がハウジング３４及び３５に固定されていると次のよう
な危険が発生するからである。即ち、シャフト１７の回
転時に回転速度を徐々に上げていくと順次、１次、２次
及び３次の危険速度に遭遇する。回転体は回転釣り合い
が完全ではないと遠心力によって回転数が危険速度を通
過する時に破壊の可能性がある。−船釣に３次の危険速
度は常用の回転数に比較して十分に高回転側に設計する
ことができるが、１次及び２次の危険速度に関しては安
全に通過する必要がある。また、回転釣り合いとハウジ
ング加工を極端に高精度にて行なう必要性を無くすこと
は設計上の課題である。

従って、本実施例ではスリーブ２８及び２９と軸受ハウ
ジング３４及び３５とを相互に固定しないで両者間に１
０〜１００μｍのギャップを設け、そこにグリース３６
及び３７を充填している。グリース３７及び３８はその
非弾性効果によってスリーブ２８及び２９に発生する振
動に制動を与えている。図ではこのグリース３６及び３
７は斜線で示しである。本実施例では軸受はレーザガス
中に位置するがレーザガスの汚染は回避しなければなら
ないのでこのダンパー材料に蒸気圧の低いグリースを使
用している。さらにグリースの飛散を防止するためにグ
リースの存在領域を０−リング３０及び３１、並びに、
３２及び３３のそれぞれの対で外部から遮断している。

ここでは玉軸受を使用した例を示したがこれはすべり軸
受でもよい。

またこの種のダンパー構造の採用によっスリーブと軸受
ハウジング間には数十μのギャップがあることになるの
で同ハウジング加工時に、従来必要であった超精密仕上
げが不要になり経済的効果が生じる。また、回転数３〜
３０万ＰＰＭの高速回転体に不可避であった共振現象に
よる破壊を無（すことができる。

このような構成によって、レーザガスは矢印８１のよう
に冷却器８からレーザ用ターボブロア１５へ吸入され、
矢印７１のようにレーザ用ターボブロア１５から放電管
１へ吐出される。冷却水コイル２１は電動機発熱を冷却
するためのものである。

第２図のターボブロア１５は出力ＩＫＷ程度のレーザ発
振装置に適用されるが、さらに高出力化のためには大型
のターボ翼を使用してもよい。しかし、コスト的には同
−翼を使用することが望ましい。第３図にレーザ出力２
ＫＷ程度のターボブロワの構造を示す。図においてター
ボブロワ１５の軸受は第２図と同じであるので省略しで
ある。

なお、図中の矢印８２及び８３は冷却器８からし−ザ用
ターボブロア１５へのレーザガスの流れる方向を示す。

本実施例ではシャフトの回転軸が地面に対して平行とな
るように配置しである。即ち、第１図のターボブロアを
横方向に配置し、シャフトの左右両側にターボ翼１６ａ
及び１６ｂを２個取り付けたものである。この構成で軸
受けと駆動モータが１セツトでターボ翼２個を回転数３
〜３０万ＩＲＰＭで回転できるのでコスト上有利である
。ロータ１９とステータ２０とでモーターを構成する。

ここでは、ターボ翼を同一シャフトに取り付けることに
より、スラスト方向の荷重変動を打ち消しあい、スラス
ト荷重が非常に小さくなり、安定性が向上し、寿命も非
常に長くなる。

以上の実施例では玉軸受について説明したが、ころがり
軸受又はコロ軸受でもよい。さらに、軸受の材料として
セラミックを用いたセラミック軸受を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、ガスレーザ発振装置の
小型軽量化が図れると共に振動、脈流がなくなりポイン
テングスタビリテーや出力の高速安定性などのビーム特
性が改良できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるレーザ出力ＩＫＷ程度
の気体レーザ発振装置の構造を示す図、第２図は第１図
のレーザ用ターボブロアの構造を示す図、 第３図はレーザ用ターボブロアの他の実施例の構造を示
す図、 第４図は従来の炭酸（ＣＯＺ）ガスレーザ発振装置の全
体構成を示す図、 第５図は通常のルーツブロワとターボブロワの送風特性
を示す図である。 １−−−・ ２〜−一−・ 放電管 出力結合鏡 全反射鏡 ４、５・ ６−・ ７、８ １３−・− １５、１５０ １６、１６ａ。 ２０・・ ２　ｌ−・−・ ２３−・ ２５−・ ２７−・−・・ ２９−・ ２２． ２４． ２６． ２８、 高周波放電用電極 高周波電源 冷却器 ルーツブロア ガスボンベ バルブ ・−真空ポンプ 共振器内レーザビーム光軸 ・−共振器外レーザビーム光軸 一ターボブロア １６　ｔ）−−−−−−−・〜−−−−ターボ翼・絞り 駆動系きょう体 ・電動機ロータ ・・−・−電動機ステータ ・−・−冷却水コイル 軸受内輪 ・−・−ボール 軸受外輪 スリーブ ３０． ３４． ３６． ３９． ４１． ３１゜ ３２、３３−−−−−−〜−０ 軸受ハウジング グリース スリーブ ・−直流放電用電極 直流電源部 リング 特許出願人　ファナック株式会社 代理人　　　弁理士　　服部毅巖

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体放電によってレーザ励起をする放電管と、レ
   ーザ発振を行わせる光共振器と、送風機及び冷却器によ
   ってレーザガスを強制冷却させるガス循環装置とから構
   成されるガスレーザ発振装置において、 前記レーザ励起が高周波放電によって行われ、前記送風
   機が毎分３〜３０万回転の電動機駆動型のターボ翼から
   なるターボブロアで構成されることを特徴とするガスレ
   ーザ発振装置。
2. （２）前記ターボ翼の直径は３０〜３００ｍｍであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスレーザ
   発振装置。
3. （３）前記ターボ翼は自動車エンジンに用いられている
   ターボ過給器用翼で構成されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のガスレーザ発振装置。
4. （４）前記ターボブロアは先端にターボ翼を有するシャ
   フトと、前記シャフトを支持する一対の軸受と、前記シ
   ャフトを回転させるためのモータとから構成され、前記
   軸受にオイルフィルムダンパーを有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のガスレーザ発振装置。
5. （５）前記シャフトに逆方向のスラスト荷重がかかるよ
   うに２個のターボ翼を設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載のガスレーザ発振装置。