JPH05327072A

JPH05327072A - 固体レーザ用冷却装置

Info

Publication number: JPH05327072A
Application number: JP12520992A
Authority: JP
Inventors: Taiji Narita; 太治成田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1993-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】一次冷却水の温度、流量および励起用ランプ、
レーザ媒質からの発熱容量の大小に関係なく、二次冷却
水の温度変化を少なくすることにより、レーザ媒質の温
度を一定に維持可能にし、レーザ光の出力安定性を向上
させる。【構成】演算回路Ａ17は、温度センサ８により検出され
た二次冷却水温度と励起用ランプ２への電源装置１から
の供給電力値より、インバータ回路16を介して誘導電動
機15の回転数を制御し、二次冷却水の循環流量を連続的
に変化させることによって二次冷却水の温度を精度よく
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業機器、医療機器と
して利用されるフラシュランプ、アークランプなどの励
起ランプの光によって励起される固体レーザ装置の冷却
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体レーザ装置は産業機器として
は半導体分野のトリミング、スクライビングをはじめと
してマーキング、半田付け、溶接および切断とその利用
分野が年々拡大し、医療分野においても内科、外科、歯
科治療器としての利用拡大が著しくなり、レーザ装置の
出力安定性の向上に対する要求が著しい。レーザ装置に
おいては、レーザ光の出力安定性はレーザ装置を駆動す
るための電源装置の出力安定性とともに固体レーザ装置
を構成する光学部品の安定性が重要である。特に、固体
レーザ装置においてはレーザ媒質の温度変化によってレ
ーザ媒質の形状が変化するため、安定したレーザ光の出
力安定性を向上させるにはレーザ媒質および励起用ラン
プの温度を一定に保つための冷却装置の温度管理精度の
向上、小型化が必要とされている。

【０００３】以下、従来の固体レーザ装置の冷却装置に
ついて説明する。図７に従来から用いられている固体レ
ーザ装置の冷却装置の構成を示す。図７において、１は
励起用ランプに電力を供給するための駆動用の電源装
置、２はレーザ媒質を励起するための励起用ランプ、３
はレーザ媒質、４は全反射鏡、５は部分反射鏡、６は二
次冷却水18内に励起用ランプ２およびレーザ媒質３を納
めるための水槽、18は励起用ランプ２およびレーザ媒質
３を冷却するための二次冷却水（純水）、19は二次冷却
水18を冷却するための一次冷却水、７は二次冷却水18の
熱を一次冷却水19に伝達するための熱交換器、12は二次
冷却水18を循環させるための電動機（水ポンプ）、８，
９は二次冷却水18の温度を検出するための温度センサ、
10は一次冷却水19の熱交換器７への流入を制御するため
の開閉器、13は温度センサ８あるいは９の出力値により
開閉器10を制御するための温度調節器、11は二次冷却水
18用の水タンクである。ただし、以下説明において、一
次冷却水温度は二次冷却水温度より低いこととする。

【０００４】このように構成された固体レーザ用冷却装
置について、その動作を説明する。図７に示すレーザ媒
質３を励起用ランプ２によって励起する固体レーザ用冷
却装置において、電源装置１から励起用ランプ２に電力
が供給され、励起用ランプ２から発せられた励起光はレ
ーザ媒質３に照射され全反射鏡４と部分反射鏡５からな
る光共振器によってレーザ光として放出される。

【０００５】このとき、励起用ランプ２より放出された
励起光はすべてレーザ媒質３により吸収されず熱に変換
させる。励起用ランプ２およびレーザ媒質３で発生した
熱は電動機12により一定手速度で循環される二次冷却水
18によって水槽６内で冷却される。二次冷却水18は温度
センサ８，９によって検出され、二次冷却水温度が設定
温度以上のときは、温度調節器13によって開閉器10を開
き、一次冷却水19を熱交換器７に導いて二次冷却水18の
温度を設定値以下に下げる。二次冷却水18が設定温度以
下のときは、温度調節器13によって開閉器10を閉じ、二
次冷却水温度を設定値に維持する（低下を防ぐ）。二次
冷却水18の循環系内の水タンク11は、開閉器10の開閉に
よって急激に冷却された二次冷却水18の温度変化を平滑
化するとともに、励起用ランプなどの発熱による二次冷
却水18の温度上昇を緩やかにする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、熱交換器７の熱変換能力（容量）は、熱
交換器７の一次冷却水19の流量、二次冷却水18の流量お
よび一次冷却水19と二次冷却水18の温度差によって決定
されるが、一次冷却水19の温度、流量によって熱交換器
７の冷却能力が変化するため、常に一定の冷却能力を維
持することができない。このため二次冷却水18の温度管
理精度を一定に維持することは難かしい。

【０００７】また、レーザ出力を変化させた場合（固体
レーザにおいてレーザ光出力の可変は電源装置１から励
起用ランプ２への投入電力量を変化させる）、励起用ラ
ンプ２への投入電力量によって励起用ランプ２およびレ
ーザ媒質３の発生熱容量が変化する。このとき、従来の
方式では熱交換器７の熱容量は開閉器10の開状態、閉状
態の二状態でしか実現できないため、熱交換器７の熱交
換容量が大きい場合で、励起用ランプ２およびレーザ媒
質３からの発生熱量が少ない場合は、開閉器10が開かれ
たときに二次冷却水18の温度が急激に低下する。逆に熱
交換器７の熱容量が小さい場合で、励起用ランプ２およ
びレーザ媒質３からの発生熱量が大きい場合は、熱交換
器７の容量が不足するため十分な冷却能力が得られな
い。

【０００８】また、発生熱量が少ない場合の二次冷却水
18の急激な温度変化を水タンク11の設置によって緩和し
ても、水タンク11の出口側の温度センサ８によって温度
調節器13をコントロールするときは、水タンク11が不感
帯となるため二次冷却水18の温度管理精度（範囲）が大
きくなる。また、水タンク11の入口側の温度センサ９に
よって温度調節器13をコントロールするときは、開閉器
10の開閉頻度が多くなるため二次冷却水18の温度の平滑
度（ハウジングが発生する）悪くなる。

【０００９】このように、固体レーザのレーザ光出力
（発振条件）の種々の変化に対して二次冷却水18を一定
に精度よく管理することは困難であるため（二次冷却水
温度の変化は、レーザ媒質などの温度変化となる）、レ
ーザ光の出力を安定に維持することは難しいなどの問題
を有していた。

【００１０】本発明は上記従来の問題を解決するもの
で、電源装置からの励起用ランプへの投入電力量と二次
冷却水の温度より二次冷却水の循環流量を連続的に変化
させ、一次冷却水の温度、流量および励起用ランプ、レ
ーザ媒質からの発熱容量の大小に関係なく二次冷却水18
の温度変化少なくすることにより、レーザ媒質の温度を
一定に維持可能な固体レーザ用冷却装置を提供すること
を目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の固体レーザ用冷却装置は、二次冷却水の流量
を連続的に可変、制御するために、従来の二次冷却水の
温度を制御するための温度調節器と開閉器の代わりに、
第１の手段としては、二次冷却水を循環させるための交
流電動機と、交流電動機の回転数を制御するために前記
交流電動機の駆動周波数を変化させるためのインバータ
回路と、二次冷却水の温度を検出するための温度センサ
と、励起用ランプへの入力電力を制御する電源装置と、
前記電源装置から励起用ランプへの入力電力値信号と前
記温度センサからの出力信号により前記インバータ回路
の交流電動機駆動用出力周波数を制御するための演算回
路Ａを付加した構成としたものである。

【００１２】第２の手段としては、二次冷却水を循環さ
せるための直流電動機と、直流電動機の回転数を制御す
るために前記直電動機の駆動電圧を変化させるための位
相制御回路と、二次冷却水の温度を検出するための温度
センサと、励起用ランプへの入力電力を制御する電源装
置と、前記電源装置から励起用ランプへの入力電力値信
号と前記温度センサからの出力信号より前記位相制御回
路の直流電動機駆動用出力電圧を制御するための演算回
路Ｂを付加した構成としたものである。

【００１３】

【作用】上記の構成によって、電源装置からの励起用ラ
ンプへの入力電力値（励起用ランプの発熱量は入力電力
に比例する）と二次冷却水の温度により、演算回路Ａあ
るいは演算回路Ｂで電動機の回転数を連続的に制御し、
冷却装置である熱交換器の熱交換容量を連続的に変化さ
せることによって、励起用ランプおよびレーザ媒質の発
熱源からの発熱容量の大小にかかわらず、二次冷却水の
温度変化を一定に保つことができ、レーザ媒質へ流入す
る二次冷却水の温度変化量を少なくすることが可能とな
る。また、一次冷却水の温度、流量変化による熱交換器
の熱交換率の変化に対しても二次冷却水温度を検出して
電動機の回転数を補正することにより、一次冷却水の温
度、流量変化に関係なく二次冷却水温度の温度管理精度
を向上させかつ平滑度の高い温度管理が可能な固体レー
ザ用冷却装置を実現できる。また、二次冷却水の平滑度
を向上させるための水タンクを必要としないため従来の
技術に比べ小型化が図れる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の第１の実施例について、図１
を用いて説明する。図１は固体レーザ装置に用いられる
本発明の固体レーザ用冷却装置の第１の実施例を示す構
成図である。図１において、１はフラシュランプ、アー
クランプなどの励起用ランプへの入力電力を制御するた
めの電源装置、２はレーザ媒質３を励起するための励起
用ランプ、３はレーザ媒質、４は全反射鏡、５は部分反
射鏡、６は二次冷却水18内に励起用ランプ２およびレー
ザ媒質３を納めるための水槽、18は励起用ランプ２およ
びレーザ媒質３を冷却するための二次冷却水（純水）、
19は二次冷却水18を冷却するための一次冷却水、７は二
次冷却水18の熱を一次冷却水19に伝達するための冷却装
置としての熱交換器、15は二次冷却水18を循環させるた
めの交流電動機としての誘導電動機、８は二次冷却水の
温度を検出するための温度センサ、16は誘導電動機15の
回転数を変化させるために誘導電動機15への供給電力の
周波数を可変するためのインバータ回路、17はインバー
タ回路16の誘導電動機15への供給電力の周波数を制御す
るための演算回路Ａである。

【００１５】このように構成された固体レーザ用冷却装
置について、図１、図５を用いてその動作を説明する。
図５はインバータ回路の基本構成の一例を示す回路であ
る。まず、電源装置１から励起用ランプ２への入力電力
がなく励起用ランプ２が点灯していない場合は、温度セ
ンサ８からの出力信号を演算回路Ａ17が受取り、二次冷
却水18の温度が設定温度に対して低いか高いかを判断す
る。低い場合はインバータ回路16に対して誘導電動機15
への出力電力を温度センサ８からの検出温度が設定温度
になるまで低周波数とするように、図５に示すインバー
タ回路16内のスイッチング素子16ａの駆動周波数を下げ
る。逆に高い場合は温度センサ８の検出温度が二次冷却
水18の設定温度になるようインバータ回路16内のスイッ
チング素子16ａの駆動周波数を上げる。インバータ回路
16内のスイッチング素子16ａの駆動周波数はインバータ
回路16の出力電力の周波数と比例し、スイッチング素子
16ａの駆動周波数の増減により誘導電動機15の回転数が
変化するため二次冷却水18の循環流量が変化する。

【００１６】電源装置１から励起用ランプ２へ電力を供
給しレーザ媒質３を励起することによりレーザ光を発振
させている場合は、励起用ランプ２への供給電力量を表
す信号と温度センサ８によって検出された二次冷却水温
度を表す信号を演算回路17で取り込み、インバータ回路
16から誘導電動機15への入力電力の周波数を制御するこ
とにより、励起用ランプおよびレーザ媒質の発熱による
二次冷却水温度上昇を一定に保ち、励起用ランプ２およ
びレーザ媒質３からの発熱による二次冷却水の温度上昇
と熱交換器７の冷却熱量が等しくなるように誘導電動機
15の回転数を制御して、二次冷却水温度が設定温度にな
るようにする。

【００１７】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて図２を参照しながら説明する。図２は、固体レー
ザ装置に用いられる本発明の固体レーザ用冷却装置の第
２の実施例を示す構成図である。図２において、１は電
源装置、２は励起用ランプ、３はレーザ媒質、４は全反
射鏡、５は部分反射鏡、６は水槽、７は熱交換器、８は
温度センサ、15は誘導電動機、16はインバータ回路、17
は演算回路Ａ、18は二次冷却水、19は一次冷却水で、こ
れらは図１の構成と同様なものである。

【００１８】図１の構成と異なるのは、一次冷却水19の
熱交換器７への流入温度を検出するための温度センサ23
と、一次冷却水19の熱交換器７への流量を検出するため
の流量センサ14を付加することにより、温度センサ23と
流量センサ14からの信号を演算回路Ａ17のインバータ回
路16の制御因子として処理する点であり、図１において
は、二次冷却水19の流量、温度変化による熱交換器７の
熱交換容量の変化を温度センサ８によって間接的に補正
していたが、図２においては、直接一次冷却水19の流
量、温度を検出し、一次冷却水19の流量、温度変化に対
する熱交換器７の熱交換容量の変化に対しても誘導電動
機15の回転数を補正することにより、二次冷却水18の温
度管理精度を向上させるようにしている。

【００１９】（実施例３）以下本発明の第３の実施例に
ついて図３を参照しながら説明する。図３は固体レーザ
装置に用いられる本発明の固体レーザ用冷却装置の第３
の実施例を示す構成図、図６は位相制御回路の基本的な
構成の一例を示す回路図である。図３において、１は電
源装置、２は励起用ランプ、３はレーザ媒質、４は全反
射鏡、５は部分反射鏡、６は水槽、７は熱交換器、８は
温度センサ、18は二次冷却水、19は一次冷却水で、これ
らは図１の構成と同様なものである。

【００２０】図１の構成と異なるのは、二次冷却水18を
循環させるための電動機として交流電動機15（誘導電動
機）の代わりに直流電動機20を用いた点で、直流電動機
20への入力電圧を制御するために位相制御回路21と、電
源装置１からの励起用ランプ２への入力電力値を表す信
号と温度センサ８からの信号によって、図７に示す位相
制御回路21内の複数のサイリスタ素子21ａのゲート信号
を制御するための演算回路Ｂ22を用いることにより、図
１と同様の働きをするようにしている。固体レーザ用冷
却装置としての冷却能力が低容量（二次冷却水18の最大
流量値が低い場合）の場合、二次冷却水18を循環させる
ための電動機として、直流電動機20を用いることにより
冷却装置を小型化できる。

【００２１】（実施例４）以下本発明の第４の実施例に
ついて図４を参照しながら説明する。図４は固体レーザ
装置に用いられる本発明の固体レーザ用冷却装置の第４
の実施例を示す構成図である。図４において、１は電源
装置、２は励起用ランプ、３はレーザ媒質、４は全反射
鏡、５は部分反射鏡、６は水槽、７は熱交換器、８は温
度センサ、20は直流電動機、21は位相制御回路、22は演
算回路Ｂ、18は二次冷却水、19は一次冷却水で、これら
は図３の構成と同様なものである。

【００２２】図３の構成と異なるのは、一次冷却水19の
熱交換器７への流入温度を検出するための温度センサ23
と、一次冷却水19の熱交換器７への流量を検出するため
の流量センサ14を付加することにより、温度センサ23と
流量センサ14からの信号を演算回路Ｂ22の位相制御回路
21の制御因子として処理する点にあり、図３において
は、二次冷却水19の流量、温度変化による熱交換器７の
熱交換容量の変化を温度センサ８によって間接的に補正
していたが、図４においては、直接一次冷却水19の流
量、温度を検出し、一次冷却水19の流量、温度変化に対
する熱交換器７の熱交換容量の変化に対しても直流電動
機20の回転数を補正することにより、二次冷却水18の温
度管理精度を向上させるようにしている。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、二次冷却
水を循環させるための交流電動機あるいは直流電動機の
回転数を連続的に変化させることによって、二次冷却水
の流量を連続的に変化させ、電源装置からの励起用ラン
プへの入力電力値（励起用ランプの発熱量は入力電力に
比例する）と二次冷却水の温度より、演算回路Ａあるい
は演算回路Ｂによって電動機の回転数を制御して、励起
用ランプおよびレーザ媒質などの発熱源による二次冷却
水の温度変化を一定に保つことにより、二次冷却水温度
の温度管理精度を向上させかつ平滑度の高い温度管理が
可能となり、かつ、二次冷却水の平滑度を向上さるため
の水タンクを必要としないため従来の技術に比べ小型で
二次冷却温度管理精度の優れた固体レーザ用冷却装置を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における固体レーザ用冷
却装置の構成図である。

【図２】本発明の第２の実施例における固体レーザ用冷
却装置の構成図である。

【図３】本発明の第３の実施例における固体レーザ用冷
却装置の構成図である。

【図４】本発明の第４の実施例における固体レーザ用冷
却装置の構成図である。

【図５】インバータ回路の基本構成図である。

【図６】位相制御回路の基本構成図である。

【図７】従来例の固体レーザ用冷却装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１電源装置２励起用ランプ３レーザ媒質４光共振器を構成する全反射鏡５光共振器を構成する部分反射鏡６水槽７熱交換器（冷却装置）８二次冷却水用温度センサ１４流量センサ１５誘導電動機（交流電動機）１６インバータ回路１７演算回路Ａ１８二次冷却水１９一次冷却水２０直流電動機２１位相制御回路２２演算回路Ｂ２３一次冷却水用温度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フラシュランプ、アークランプなどの励
起用ランプの光を固体レーザ媒質に照射することによっ
て、励起する固体レーザ装置に用いられて、励起用ラン
プおよびレーザ媒質の温度を一定に保つための冷却装置
であって、前記励起用ランプおよびレーザ媒質を冷却す
る冷却水の循環速度を一定に保つ手段を設け、励起用ラ
ンプおよびレーザ媒質の温度を一定に保つように構成し
た固体レーザ用冷却装置。
【請求項２】フラシュランプ、アークランプなどの励
起用ランプの光を固体レーザ媒質に照射することによっ
て、励起する固体レーザ装置に用いられて、励起用ラン
プおよびレーザ媒質の温度を一定に保つ冷却装置であっ
て、前記励起用ランプへの入力電力を制御するための電
源装置と、レーザ媒質および励起用ランプを冷却する二
次冷却水を循環させるための交流電動機と、二次冷却水
の温度を検出するための温度センサＡと、前記励起用ラ
ンプからの熱源により温められた二次冷却水より熱を奪
うための冷却装置と、前記交流電動機の駆動周波数を制
御するためのインバータ回路と、前記電源装置からの励
起用ランプへの入力電力と温度センサＡからの信号によ
り前記インバータ回路の交流電動機駆動用出力周波数を
制御するための演算回路Ａとを備えた固体レーザ用冷却
装置。
【請求項３】熱交換器の一次冷却水の温度を検出する
ための温度センサＢと、一次冷却水の流量を検出するた
めの流量センサとを備え、演算回路Ａは、励起用ランプ
への入力電力と温度センサＡの信号処理に加えて、前記
温度センサＢおよび前記流量センサからの信号処理を行
い、インバータ回路の交流電動機駆動用出力周波数を制
御するように構成した請求項２記載の固体レーザ用冷却
装置。
【請求項４】フラシュランプ、アークランプなどの励
起用ランプの光を固体レーザ媒質に照射することによっ
て、励起する固体レーザの冷却装置に用いられて、励起
用ランプおよびレーザ媒質の温度を一定に保つ冷却装置
であって、前記励起用ランプへの入力電力を制御するた
めの電源装置と、レーザ媒質および励起用ランプを冷却
する二次冷却水を循環させるための直流電動機と、二次
冷却水の温度を検出するための温度センサＡと、前記励
起用ランプからの熱源により温められた二次冷却水より
熱を奪うための冷却装置と、前記直流電動機の駆動電圧
を制御するための位相制御回路と、前記電源装置からの
励起用ランプへの入力電圧と温度センサＡからの信号に
より前記位相制御回路の直流電動機駆動用出力電圧を制
御するための演算回路Ｂとを備えた固体レーザ用冷却装
置。
【請求項５】熱交換器の一次冷却水の温度を検出する
ための温度センサＢと、一次冷却水の流量を検出するた
めの流量センサとを備え、演算回路Ｂは、励起用ランプ
への入力電力と温度センサーＡの信号処理に加えて、前
記温度センサＢおよび前記流量センサからの信号処理を
行い、位相制御回路の直流電動機駆動用出力電圧を制御
するように構成した請求項４記載の固体レーザ用冷却装
置。