JPWO2013136644A1 - ガスレーザ発振装置およびレーザガス置換方法 - Google Patents

Abstract

本発明のガスレーザ発信装置は、大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されたレーザガスと、レーザガスを励起する放電手段と、レーザガスを送風する送風手段と、放電手段と送風手段との間のレーザガスの循環経路を形成するレーザガス経路と、レーザガス経路からレーザガスを一定量排出するガス減圧手段を備える。ガス減圧手段はベルヌーイの原理を応用し、ガス減圧手段はレーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるシーケンスを備える。

Description

本発明は、主として板金切断用途に用いられるガスレーザ発振装置およびレーザガス置換方法に関する。

従来技術に係るレーザ発振装置を、図３を用いて説明する。図３は、従来技術のガスレーザ発振装置の構成図である。

レーザガスを循環させるためにガス配管経路９０３を設け、送風機９０８により高速にガス循環が行われる。ガス配管経路９０３には、レーザガスを供給するレーザガス供給手段である供給側電磁弁９１０および装置外部に配置されるレーザガスボンベ９３０と、通常排出側電磁弁９１２と急速排出側電磁弁９１３および排気ポンプ９１４とを設置する。ここで、通常排出側電磁弁９１２は、ガス配管経路９０３のレーザガスを排出するレーザガス排出手段である流量制限器９１１に直列接続されている。この排気ポンプ９１４には、通常、比較的安価かつ構造が簡単なロータリーポンプが用いられる。

ガス配管経路９０３内に新しいレーザガスを所定の割合で供給し、かつガス配管経路９０３内の圧力を所定の圧力に一定に保つため、ガス配管経路９０３のレーザガスを排出するレーザガス排出手段内の排気ポンプ９１４が一定運転されている状態で次のようにレーザガスが供給されている。すなわち、流量制限器９１１に直列接続された通常排出側電磁弁９１２を開となし、および急速排出側電磁弁９１３を閉となす。そして、ガス配管経路９０３内の圧力が所定の圧力になるようにレーザガスを供給するレーザガス供給手段内の供給側電磁弁９１０を開閉して装置外部に配置されるレーザガスボンベ９３０から新しいレーザガスを供給している（例えば特許文献１を参照）。

上述の従来技術のガスレーザ発振装置は、下記課題を有している。

レーザガスを排出するために、運転中は常時真空ポンプの運転を継続する必要がある。真空ポンプとして通常用いられるロータリーポンプではオイルを使用しているため、排気ポンプからのレーザガス流路へのオイルミストの逆流が生じてしまう。オイルミストの逆流は、ガスレーザ発振装置内の放電乱れやミラー劣化を生じさせてレーザ出力低下が発生する原因となる。

結果的にレーザ切断が不安定になり、切断ワークの加工面が悪化し、切断不良発生の原因となっていた。このように排気に用いる真空ポンプのオイルミストの逆流によるレーザ出力低下に伴う切断不良防止が課題となっていた。

また、ロータリーポンプは電気によるモータ駆動を行うため、定常的に一定の電力消費が必要であり、省エネルギーの点からも課題があった。

上述の従来技術には、送風手段のオイル混入をレーザガス流路の圧力を制御することで低減する旨が開示されているが、かかる構成ではロータリーポンプのオイルミストの混入防止にはならない。

特開２００３−１１０１７０号公報

本発明は、使用される真空ポンプによる真空系へのオイルミストの逆流を防止し、さらに省エネルギーが可能とし、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いガスレーザ発振装置およびレーザガス置換方法を提供する。

本発明のガスレーザ発振装置は、レーザガスと、上記レーザガスを励起する放電部と、上記レーザガスを送風する送風部と、レーザガス流路と、ガス減圧部と、を備えている。ここで、レーザガスは、大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されている。レーザガス流路は、上記放電部と上記送風部との間のレーザガスの循環経路を形成する。ガス減圧部は、上記レーザガス流路から上記レーザガスを一定量排出する。そして、本発明のガスレーザ発振装置において、上記ガス減圧部は、ベルヌーイの原理を応用して上記レーザガス流路中の上記レーザガスを吸引排気し、上記ガス減圧部は、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、上記レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させる構成からなる。

この構成により、従来の真空ポンプの問題点であった真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置が提供できる。

また、本発明のレーザガス置換方法は、レーザガスと、レーザガスを励起する放電部と、レーザガスを送風する送風部と、レーザガス流路と、ガス減圧部と、を備えたガスレーザ発振装置におけるレーザガス置換方法である。ここで、レーザガスは、大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されている。レーザガス流路は、放電部と送風部との間のレーザガスの循環経路を形成する。ガス減圧部は、レーザガス流路からレーザガスを一定量排出する。そして、本発明のレーザガス置換方法は、ガス減圧部が、ベルヌーイの原理を応用してレーザガス流路中の前記レーザガスを吸引排気するステップと、ガス減圧部が、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるステップと、を備えた方法からなる。

この方法により、真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置のレーザガス置換方法が提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置の構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置を用いた板金切断用のレーザ加工機の構成図である。 図３は、従来技術のガスレーザ発振装置の構成図である。

以下、本発明の一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）
図１は、本発明の実施の形態に係る軸流型のガスレーザ発振装置の構成の一例を示す構成図である。以下、図１を参照しながら本実施の形態のガスレーザ発振装置１００を説明する。

本実施の形態のガスレーザ発振装置１００の主要構成として、放電管１０１と、電極１０２、１０３と、電源１０４と、放電空間１０５と、全反射鏡１０６と、部分反射鏡１０７と、を備える。ここで、放電管１０１は、ガラスなどの誘電体よりなる。電極１０２、１０３は、放電管１０１周辺に設けられている。電源１０４は、電極１０２、１０３に接続されている。放電空間１０５は、電極１０２、１０３間に挟まれた放電管１０１内にある。この全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７は、放電空間１０５の両端に固定配置され、レーザ発振のための光共振器を形成している。レーザビーム１０８は、部分反射鏡１０７より出力される。

次にレーザガス循環のための主要構成を説明する。レーザガス１５０は、図１に示すように光共振器を含むガスレーザ発振装置１００に充填されており、軸流型のガスレーザ発振装置１００の中を循環しており、レーザガス循環のためにレーザガス流路１１０を設ける。レーザガス１５０の流れる方向１０９は、図１中の矢印で示している。

レーザガス流路１１０内には、レーザガス１５０を循環させるための送風部１１３と、放電空間１０５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガス１５０の温度を下げるための熱交換器１１１および１１２を設置する。この送風部１１３によりレーザガス１５０を加速することで、放電空間１０５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のレーザガス１５０のガス流が得られている。レーザガス流路１１０と放電管１０１は、レーザガス導入部１１４で接続されている。

レーザガス１５０で満たされる空間は、ガスレーザ発振装置１００の運転中は大気圧より低い状態で保たれており、かつ、レーザガス１５０以外の不純物を極力混入しないように密封された状態になる。いわば、レーザガス１５０で満たされる空間は、真空チャンバーを形成し、その中にレーザガス１５０が封入された状態となる。

しかしながら、レーザガス１５０は、放電により解離するため経時的に劣化してくるので、劣化したレーザガス１５０を排出し、新鮮なレーザガス１５０を供給する必要がある。そのため本実施の形態のガスレーザ発振装置１００は、レーザガス１５０を常時特定量だけ排出し、同時に特定量だけ供給するための構成を有している。

レーザガス１５０の排出には、ガス減圧部１３０を設け、レーザガス流路１１０の一部から配管を通じ排出弁１２２を介しガス吸引部１３２よりレーザガス１５０の一部を排出する。レーザガス１５０の供給には、レーザガスボンベ１２４を設置し、供給弁１２５を制御することでレーザガス流路１１０に新鮮なレーザガス１５０を供給するようにしている。そして、ガス圧センサ１２６でレーザガス流路１１０内のガス圧を検知できるようにし、これらの制御のため制御装置１２７を備えている。

ガスレーザ発振装置１００全体は、筐体１２８に収納され、周辺雰囲気と隔離されている。筐体１２８にはレーザビーム出口１０８ａ以外の開口部は、基本的には設けない。筐体１２８内にはドライエア供給装置１２９から常時一定量のドライエアが供給されている。特に、本発明の特徴的な構成として、ガス減圧部１３０内のガス流路１３１をドライエアが流れるように配管を設置している。

以上のように構成した本実施の形態のガスレーザ発振装置１００の動作について、より詳細に説明する。

ガスレーザ発振装置１００の起動後、レーザガス流路１１０全体に所定の圧力で満たされたレーザガス１５０は、送風部１１３により送り出され、レーザガス流路１１０を通り、レーザガス導入部１１４より放電管１０１内へ導入される。この状態でレーザガス１５０を励起する放電部１６０は、電源１０４に接続された電極１０２、１０３から放電空間１０５に放電を発生させる。すなわち、放電部１６０は、電源１０４、電極１０２、１０３、放電管１０１および放電空間１０５を含んで構成されている。放電空間１０５内のレーザガス１５０は、この放電エネルギーを得て励起される。その励起されたレーザガス１５０から出射された光は、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を往復することにより共振状態となり、レーザビーム１０８が部分反射鏡１０７から出力される。このレーザビーム１０８がレーザ加工等の用途に用いられる。

ガスレーザ発振装置１００全体を収納し、周辺雰囲気と隔離している筐体１２８には、ドライエア供給装置１２９から運転中に常時一定量のドライエアが供給されている。

ドライエアの役割は大きく２つある。一つは、筐体１２８内の気圧を上昇させ外部から粉塵等が侵入する事を防ぐことである。もう一つは、筐体１２８内の湿度を下げることにある。これらは筐体１２８内に収納している放電部１６０の絶縁性能を維持するために、粉塵や湿度を低減する必要があるためである。供給されたドライエアは、レーザビーム１０８の出口から外部に排出され、一定周期で入れ替わる。

ガスレーザ発振装置１００の運転中は、排出弁１２２を介して、ガス減圧部１３０によって、レーザガス流路１１０中のガスが一定量排出される。この時の排出量は、１時間あたり２０〜３０リットル程度である。排出されたガス量に応じて、レーザガスボンベ１２４のガスが、供給弁１２５の開閉によってレーザガス流路１１０へ供給される。

レーザガス流路１１０中の圧力は、常時、ガス圧センサ１２６によって監視され、制御装置１２７によって、平均的な圧力が一定値に保たれるように供給弁１２５を間欠的に開閉している。

ガス減圧部１３０はベルヌーイの原理を応用して、ガス吸引部１３２よりレーザガス流路１１０中のレーザガス１５０を吸引排気する。ベルヌーイの原理を応用してガスを排出するには圧力差を発生させる手段が必要であり、本実施の形態では、その一例としてドライエア供給装置１２９から導入された加圧状態の空気を用いている。

ガス減圧部１３０の内部にはガス流路１３１が配置されている。加圧されたドライエアは、配管１２９ａに通じてガス流路１３１に導かれる。ガス流路１３１は、一部が細くなり、その部分でのドライエアの流速が上がるようになっている。そのため、ベルヌーイの原理に基づき、ガス流路１３１の部分は減圧される。レーザガス１５０は、ガス吸引部１３２より減圧されたガス流路１３１に吸引され、ドライエアと共に外部に排気される。

本実施の形態のガスレーザ発振装置１００の構成では、上述の説明のようにオイルを使用しないため、当然、レーザガス流路１１０中へのオイルミストの逆流は発生せず、放電の安定およびミラー汚染の恐れがなく、常に良好なレーザ切断を行う事が可能である。

すなわち、本実施の形態のガスレーザ発振装置１００は、レーザガス１５０と、放電部１６０と、送風部１１３と、レーザガス流路１１０と、ガス減圧部１３０と、を備えている。ここで、レーザガス１５０は、大気圧以下の圧力に減圧された状態で放電管１０１などの真空チャンバーに封入されている。放電部１６０は、レーザガス１５０を励起する。送風部１１３は、レーザガス１５０を送風する。レーザガス流路１１０は、放電部１６０と送風部１１３との間のレーザガス１５０の循環経路を形成する。ガス減圧部１３０は、レーザガス流路１１０からレーザガス１５０を一定量排出する。そして、ガス減圧部１３０は、ベルヌーイの原理を応用してレーザガス流路１１０中のレーザガス１５０を吸引排気する。そして、ガス減圧部１３０は、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置１００で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス１５０中に混入した大気の比率を一定以下に低減させる構成からなる。

この構成により、従来の真空ポンプの問題点であった真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置が提供できる。

また、ドライエアは、元々はガスレーザ発振装置１００の筐体１２８内にパージガスとして導入され、外部から筐体１２８内への粉塵侵入防止および筐体１２８内をドライ雰囲気に保つために用いられる。したがって、このドライエアをガス減圧部１３０に用いた後に、そのままガスレーザ発振装置１００の筐体１２８内のパージガスとして使用する。

すなわち、加圧状態の気体は、筐体１２８内へ導入されるドライエアである構成としてもよい。この構成により、新たに加圧状態のガスを準備する必要がなくなるという効果も奏する。通常、レーザ加工機またはガスレーザ発振装置１００に用いられているドライエアを流用することで、大幅な省エネを実現することが出来る。

ガス減圧部１３０に用いられる加圧状態の気体の別の例として、レーザ加工に用いられるアシストガス（図示せず）も有効である。アシストガスの一部を本構成のドライエアに代わりガス減圧部１３０に導いて用いることで、排気のための新たに動力源を準備する必要がなくなる。アシストガスとしては窒素ガス発生装置によって発生させた窒素ガスなどが有用である。

また、加圧状態の気体は、レーザ加工アシストガス用に用いられる窒素、酸素および空気の少なくともいずれかを含む構成としてもよい。この構成により、排気のために新たに動力源を準備する必要がなくなるので、さらに省エネを実現することが出来る。

また、本発明適用時には、レーザガス中の大気比率を低減させるシーケンスを備えることが好ましい。一般的なロータリーポンプに比べると、ベルヌーイの原理を応用したガス減圧部１３０は、到達真空度で劣る。よってメンテナンス等により、レーザガス流路１１０の中が大気で満たされてしまった後に、レーザガス１５０との置換が簡単に行えないということが想定される。そのため、レーザガス流路１１０からのレーザガス１５０の排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返すシーケンスを適用することが有効な動作となる。

すなわち、レーザガス流路１１０からのレーザガス排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返す構成としてもよい。この構成により、レーザガス流路１１０の中が大気で満たされてしまった後に、レーザガス１５０との置換を簡単に行うことができる。レーザガス流路１１０からのレーザガス排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返すシーケンスの例としては、レーザ起動後、一定の時間の間のみ、レーザガス排出量を増やし、レーザガス１５０の置換を促進させる方法も有効である。

また、本実施の形態のレーザガス置換方法は、上述の構成のガスレーザ発振装置１００におけるレーザガス置換方法であって、吸引排気するステップと、大気の比率を一定以下に低減させるステップと、を備えた方法からなる。ここで、吸引排気するステップは、ガス減圧部１３０が、ベルヌーイの原理を応用してレーザガス流路１１０中のレーザガス１５０を吸引排気するステップである。大気の比率を一定以下に低減させるステップは、ガス減圧部１３０が、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置１００で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス１５０中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるステップである。

この方法により、真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置のレーザガス置換方法が提供できる。

また、加圧状態の気体は、筐体１２８内へ導入されるドライエアである方法としてもよい。この方法により、新たに加圧状態のガスを準備する必要がなくなるという効果も奏する。

また、加圧状態の気体は、レーザ加工アシストガス用に用いられる窒素、酸素および空気の少なくともいずれかを含む方法としてもよい。この方法により、排気のために新たに動力源を準備する必要がなくなるので、さらに省エネを実現できる。

また、レーザガス流路１１０からのレーザガス排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返す方法としてもよい。この方法により、レーザガス流路１１０の中が大気で満たされてしまった後に、レーザガス１５０との置換を簡単に行うことができる。

次に、本実施の形態のガスレーザ発振装置１００を用いた板金切断用のレーザ加工機の概略構成について説明する。図２は、本実施の形態のガスレーザ発振装置１００を用いた板金切断用のレーザ加工機の一例を示す構成図である。

図２のレーザ加工機の構成に示すように、ガスレーザ発振装置１００から出射されたレーザビーム１０８は、反射鏡１１５にて反射され、ワーク１１６の近傍へ導かれる。レーザビーム１０８は、トーチ１１７内部に備えられた集光レンズ１１８によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク１１６に照射され、ワーク１１６の切断加工が行われる。ワーク１１６は、加工テーブル１１９上に固定されており、Ｘ軸モータ１２０およびＹ軸モータ１２１の少なくともいずれかによって、トーチ１１７はワーク１１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。

本発明により、ロータリーポンプを用いた際の課題であったオイルミストの逆流を防止し、これによりレーザ切断安定化を図ることができ、且つ電力消費を抑制する事ができる。したがって、環境性能の高いレーザ発振装置およびレーザガス置換方法を実現できるので、レーザ加工機などに適用すると有用である。

１００ ガスレーザ発振装置
１０１ 放電管
１０２，１０３ 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
１０８ａ レーザビーム出口
１０９ 方向
１１０ レーザガス流路
１１１，１１２ 熱交換器
１１３ 送風部
１１４ レーザガス導入部
１１５ 反射鏡
１１６ ワーク
１１７ トーチ
１１８ 集光レンズ
１１９ 加工テーブル
１２０ Ｘ軸モータ
１２１ Ｙ軸モータ
１２２ 排出弁
１２４ レーザガスボンベ
１２５ 供給弁
１２６ ガス圧センサ
１２７ 制御装置
１２８ 筐体
１２９ ドライエア供給装置
１２９ａ 配管
１３０ ガス減圧部
１３１ ガス流路
１３２ ガス吸引部
１５０ レーザガス
１６０ 放電部

本発明は、主として板金切断用途に用いられるガスレーザ発振装置およびレーザガス置換方法に関する。

従来技術に係るレーザ発振装置を、図３を用いて説明する。図３は、従来技術のガスレーザ発振装置の構成図である。

レーザガスを循環させるためにガス配管経路９０３を設け、送風機９０８により高速にガス循環が行われる。ガス配管経路９０３には、レーザガスを供給するレーザガス供給手段である供給側電磁弁９１０および装置外部に配置されるレーザガスボンベ９３０と、通常排出側電磁弁９１２と急速排出側電磁弁９１３および排気ポンプ９１４とを設置する。ここで、通常排出側電磁弁９１２は、ガス配管経路９０３のレーザガスを排出するレーザガス排出手段である流量制限器９１１に直列接続されている。この排気ポンプ９１４には、通常、比較的安価かつ構造が簡単なロータリーポンプが用いられる。

ガス配管経路９０３内に新しいレーザガスを所定の割合で供給し、かつガス配管経路９０３内の圧力を所定の圧力に一定に保つため、ガス配管経路９０３のレーザガスを排出するレーザガス排出手段内の排気ポンプ９１４が一定運転されている状態で次のようにレーザガスが供給されている。すなわち、流量制限器９１１に直列接続された通常排出側電磁弁９１２を開となし、および急速排出側電磁弁９１３を閉となす。そして、ガス配管経路９０３内の圧力が所定の圧力になるようにレーザガスを供給するレーザガス供給手段内の供給側電磁弁９１０を開閉して装置外部に配置されるレーザガスボンベ９３０から新しいレーザガスを供給している（例えば特許文献１を参照）。

上述の従来技術のガスレーザ発振装置は、下記課題を有している。

レーザガスを排出するために、運転中は常時真空ポンプの運転を継続する必要がある。真空ポンプとして通常用いられるロータリーポンプではオイルを使用しているため、排気ポンプからのレーザガス流路へのオイルミストの逆流が生じてしまう。オイルミストの逆流は、ガスレーザ発振装置内の放電乱れやミラー劣化を生じさせてレーザ出力低下が発生する原因となる。

結果的にレーザ切断が不安定になり、切断ワークの加工面が悪化し、切断不良発生の原因となっていた。このように排気に用いる真空ポンプのオイルミストの逆流によるレーザ出力低下に伴う切断不良防止が課題となっていた。

また、ロータリーポンプは電気によるモータ駆動を行うため、定常的に一定の電力消費が必要であり、省エネルギーの点からも課題があった。

上述の従来技術には、送風手段のオイル混入をレーザガス流路の圧力を制御することで低減する旨が開示されているが、かかる構成ではロータリーポンプのオイルミストの混入防止にはならない。

特開２００３−１１０１７０号公報

本発明は、使用される真空ポンプによる真空系へのオイルミストの逆流を防止し、さらに省エネルギーが可能とし、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いガスレーザ発振装置およびレーザガス置換方法を提供する。

本発明のガスレーザ発振装置は、レーザガスと、上記レーザガスを励起する放電部と、上記レーザガスを送風する送風部と、レーザガス流路と、ガス減圧部と、を備えている。ここで、レーザガスは、大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されている。レーザガス流路は、上記放電部と上記送風部との間のレーザガスの循環経路を形成する。ガス減圧部は、上記レーザガス流路から上記レーザガスを一定量排出する。そして、本発明のガスレーザ発振装置において、上記ガス減圧部は、ベルヌーイの原理を応用して上記レーザガス流路中の上記レーザガスを吸引排気し、上記ガス減圧部は、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、上記レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させる構成からなる。

この構成により、従来の真空ポンプの問題点であった真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置が提供できる。

また、本発明のレーザガス置換方法は、レーザガスと、レーザガスを励起する放電部と、レーザガスを送風する送風部と、レーザガス流路と、ガス減圧部と、を備えたガスレーザ発振装置におけるレーザガス置換方法である。ここで、レーザガスは、大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されている。レーザガス流路は、放電部と送風部との間のレーザガスの循環経路を形成する。ガス減圧部は、レーザガス流路からレーザガスを一定量排出する。そして、本発明のレーザガス置換方法は、ガス減圧部が、ベルヌーイの原理を応用してレーザガス流路中の前記レーザガスを吸引排気するステップと、ガス減圧部が、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるステップと、を備えた方法からなる。

この方法により、真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置のレーザガス置換方法が提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置の構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置を用いた板金切断用のレーザ加工機の構成図である。 図３は、従来技術のガスレーザ発振装置の構成図である。

以下、本発明の一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）
図１は、本発明の実施の形態に係る軸流型のガスレーザ発振装置の構成の一例を示す構成図である。以下、図１を参照しながら本実施の形態のガスレーザ発振装置１００を説明する。

本実施の形態のガスレーザ発振装置１００の主要構成として、放電管１０１と、電極１０２、１０３と、電源１０４と、放電空間１０５と、全反射鏡１０６と、部分反射鏡１０７と、を備える。ここで、放電管１０１は、ガラスなどの誘電体よりなる。電極１０２、１０３は、放電管１０１周辺に設けられている。電源１０４は、電極１０２、１０３に接続されている。放電空間１０５は、電極１０２、１０３間に挟まれた放電管１０１内にある。この全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７は、放電空間１０５の両端に固定配置され、レーザ発振のための光共振器を形成している。レーザビーム１０８は、部分反射鏡１０７より出力される。

次にレーザガス循環のための主要構成を説明する。レーザガス１５０は、図１に示すように光共振器を含むガスレーザ発振装置１００に充填されており、軸流型のガスレーザ発振装置１００の中を循環しており、レーザガス循環のためにレーザガス流路１１０を設ける。レーザガス１５０の流れる方向１０９は、図１中の矢印で示している。

レーザガス流路１１０内には、レーザガス１５０を循環させるための送風部１１３と、放電空間１０５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガス１５０の温度を下げるための熱交換器１１１および１１２を設置する。この送風部１１３によりレーザガス１５０を加速することで、放電空間１０５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のレーザガス１５０のガス流が得られている。レーザガス流路１１０と放電管１０１は、レーザガス導入部１１４で接続されている。

レーザガス１５０で満たされる空間は、ガスレーザ発振装置１００の運転中は大気圧より低い状態で保たれており、かつ、レーザガス１５０以外の不純物を極力混入しないように密封された状態になる。いわば、レーザガス１５０で満たされる空間は、真空チャンバーを形成し、その中にレーザガス１５０が封入された状態となる。

しかしながら、レーザガス１５０は、放電により解離するため経時的に劣化してくるので、劣化したレーザガス１５０を排出し、新鮮なレーザガス１５０を供給する必要がある。そのため本実施の形態のガスレーザ発振装置１００は、レーザガス１５０を常時特定量だけ排出し、同時に特定量だけ供給するための構成を有している。

レーザガス１５０の排出には、ガス減圧部１３０を設け、レーザガス流路１１０の一部から配管を通じ排出弁１２２を介しガス吸引部１３２よりレーザガス１５０の一部を排出する。レーザガス１５０の供給には、レーザガスボンベ１２４を設置し、供給弁１２５を制御することでレーザガス流路１１０に新鮮なレーザガス１５０を供給するようにしている。そして、ガス圧センサ１２６でレーザガス流路１１０内のガス圧を検知できるようにし、これらの制御のため制御装置１２７を備えている。

ガスレーザ発振装置１００全体は、筐体１２８に収納され、周辺雰囲気と隔離されている。筐体１２８にはレーザビーム出口１０８ａ以外の開口部は、基本的には設けない。筐体１２８内にはドライエア供給装置１２９から常時一定量のドライエアが供給されている。特に、本発明の特徴的な構成として、ガス減圧部１３０内のガス流路１３１をドライエアが流れるように配管を設置している。

以上のように構成した本実施の形態のガスレーザ発振装置１００の動作について、より詳細に説明する。

ガスレーザ発振装置１００の起動後、レーザガス流路１１０全体に所定の圧力で満たされたレーザガス１５０は、送風部１１３により送り出され、レーザガス流路１１０を通り、レーザガス導入部１１４より放電管１０１内へ導入される。この状態でレーザガス１５０を励起する放電部１６０は、電源１０４に接続された電極１０２、１０３から放電空間１０５に放電を発生させる。すなわち、放電部１６０は、電源１０４、電極１０２、１０３、放電管１０１および放電空間１０５を含んで構成されている。放電空間１０５内のレーザガス１５０は、この放電エネルギーを得て励起される。その励起されたレーザガス１５０から出射された光は、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を往復することにより共振状態となり、レーザビーム１０８が部分反射鏡１０７から出力される。このレーザビーム１０８がレーザ加工等の用途に用いられる。

ガスレーザ発振装置１００全体を収納し、周辺雰囲気と隔離している筐体１２８には、ドライエア供給装置１２９から運転中に常時一定量のドライエアが供給されている。

ドライエアの役割は大きく２つある。一つは、筐体１２８内の気圧を上昇させ外部から粉塵等が侵入する事を防ぐことである。もう一つは、筐体１２８内の湿度を下げることにある。これらは筐体１２８内に収納している放電部１６０の絶縁性能を維持するために、粉塵や湿度を低減する必要があるためである。供給されたドライエアは、レーザビーム１０８の出口から外部に排出され、一定周期で入れ替わる。

ガスレーザ発振装置１００の運転中は、排出弁１２２を介して、ガス減圧部１３０によって、レーザガス流路１１０中のガスが一定量排出される。この時の排出量は、１時間あたり２０〜３０リットル程度である。排出されたガス量に応じて、レーザガスボンベ１２４のガスが、供給弁１２５の開閉によってレーザガス流路１１０へ供給される。

レーザガス流路１１０中の圧力は、常時、ガス圧センサ１２６によって監視され、制御装置１２７によって、平均的な圧力が一定値に保たれるように供給弁１２５を間欠的に開閉している。

ガス減圧部１３０はベルヌーイの原理を応用して、ガス吸引部１３２よりレーザガス流路１１０中のレーザガス１５０を吸引排気する。ベルヌーイの原理を応用してガスを排出するには圧力差を発生させる手段が必要であり、本実施の形態では、その一例としてドライエア供給装置１２９から導入された加圧状態の空気を用いている。

ガス減圧部１３０の内部にはガス流路１３１が配置されている。加圧されたドライエアは、配管１２９ａに通じてガス流路１３１に導かれる。ガス流路１３１は、一部が細くなり、その部分でのドライエアの流速が上がるようになっている。そのため、ベルヌーイの原理に基づき、ガス流路１３１の部分は減圧される。レーザガス１５０は、ガス吸引部１３２より減圧されたガス流路１３１に吸引され、ドライエアと共に外部に排気される。

本実施の形態のガスレーザ発振装置１００の構成では、上述の説明のようにオイルを使用しないため、当然、レーザガス流路１１０中へのオイルミストの逆流は発生せず、放電の安定およびミラー汚染の恐れがなく、常に良好なレーザ切断を行う事が可能である。

すなわち、本実施の形態のガスレーザ発振装置１００は、レーザガス１５０と、放電部１６０と、送風部１１３と、レーザガス流路１１０と、ガス減圧部１３０と、を備えている。ここで、レーザガス１５０は、大気圧以下の圧力に減圧された状態で放電管１０１などの真空チャンバーに封入されている。放電部１６０は、レーザガス１５０を励起する。送風部１１３は、レーザガス１５０を送風する。レーザガス流路１１０は、放電部１６０と送風部１１３との間のレーザガス１５０の循環経路を形成する。ガス減圧部１３０は、レーザガス流路１１０からレーザガス１５０を一定量排出する。そして、ガス減圧部１３０は、ベルヌーイの原理を応用してレーザガス流路１１０中のレーザガス１５０を吸引排気する。そして、ガス減圧部１３０は、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置１００で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス１５０中に混入した大気の比率を一定以下に低減させる構成からなる。

この構成により、従来の真空ポンプの問題点であった真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置が提供できる。

また、ドライエアは、元々はガスレーザ発振装置１００の筐体１２８内にパージガスとして導入され、外部から筐体１２８内への粉塵侵入防止および筐体１２８内をドライ雰囲気に保つために用いられる。したがって、このドライエアをガス減圧部１３０に用いた後に、そのままガスレーザ発振装置１００の筐体１２８内のパージガスとして使用する。

すなわち、加圧状態の気体は、筐体１２８内へ導入されるドライエアである構成としてもよい。この構成により、新たに加圧状態のガスを準備する必要がなくなるという効果も奏する。通常、レーザ加工機またはガスレーザ発振装置１００に用いられているドライエアを流用することで、大幅な省エネを実現することが出来る。

ガス減圧部１３０に用いられる加圧状態の気体の別の例として、レーザ加工に用いられるアシストガス（図示せず）も有効である。アシストガスの一部を本構成のドライエアに代わりガス減圧部１３０に導いて用いることで、排気のための新たに動力源を準備する必要がなくなる。アシストガスとしては窒素ガス発生装置によって発生させた窒素ガスなどが有用である。

また、加圧状態の気体は、レーザ加工アシストガス用に用いられる窒素、酸素および空気の少なくともいずれかを含む構成としてもよい。この構成により、排気のために新たに動力源を準備する必要がなくなるので、さらに省エネを実現することが出来る。

また、本発明適用時には、レーザガス中の大気比率を低減させるシーケンスを備えることが好ましい。一般的なロータリーポンプに比べると、ベルヌーイの原理を応用したガス減圧部１３０は、到達真空度で劣る。よってメンテナンス等により、レーザガス流路１１０の中が大気で満たされてしまった後に、レーザガス１５０との置換が簡単に行えないということが想定される。そのため、レーザガス流路１１０からのレーザガス１５０の排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返すシーケンスを適用することが有効な動作となる。

すなわち、レーザガス流路１１０からのレーザガス排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返す構成としてもよい。この構成により、レーザガス流路１１０の中が大気で満たされてしまった後に、レーザガス１５０との置換を簡単に行うことができる。レーザガス流路１１０からのレーザガス排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返すシーケンスの例としては、レーザ起動後、一定の時間の間のみ、レーザガス排出量を増やし、レーザガス１５０の置換を促進させる方法も有効である。

また、本実施の形態のレーザガス置換方法は、上述の構成のガスレーザ発振装置１００におけるレーザガス置換方法であって、吸引排気するステップと、大気の比率を一定以下に低減させるステップと、を備えた方法からなる。ここで、吸引排気するステップは、ガス減圧部１３０が、ベルヌーイの原理を応用してレーザガス流路１１０中のレーザガス１５０を吸引排気するステップである。大気の比率を一定以下に低減させるステップは、ガス減圧部１３０が、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置１００で使用する加圧状態の気体の一部を用い、レーザガス１５０中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるステップである。

この方法により、真空系へのオイルミストの逆流を防止し、および、これにより省エネルギーが可能となり、長期に渡って信頼性の高い、環境性能の高いレーザ発振装置のレーザガス置換方法が提供できる。

また、加圧状態の気体は、筐体１２８内へ導入されるドライエアである方法としてもよい。この方法により、新たに加圧状態のガスを準備する必要がなくなるという効果も奏する。

また、加圧状態の気体は、レーザ加工アシストガス用に用いられる窒素、酸素および空気の少なくともいずれかを含む方法としてもよい。この方法により、排気のために新たに動力源を準備する必要がなくなるので、さらに省エネを実現できる。

また、レーザガス流路１１０からのレーザガス排出とレーザガス１５０の再充填を、予め設定された回数繰り返す方法としてもよい。この方法により、レーザガス流路１１０の中が大気で満たされてしまった後に、レーザガス１５０との置換を簡単に行うことができる。

次に、本実施の形態のガスレーザ発振装置１００を用いた板金切断用のレーザ加工機の概略構成について説明する。図２は、本実施の形態のガスレーザ発振装置１００を用いた板金切断用のレーザ加工機の一例を示す構成図である。

図２のレーザ加工機の構成に示すように、ガスレーザ発振装置１００から出射されたレーザビーム１０８は、反射鏡１１５にて反射され、ワーク１１６の近傍へ導かれる。レーザビーム１０８は、トーチ１１７内部に備えられた集光レンズ１１８によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク１１６に照射され、ワーク１１６の切断加工が行われる。ワーク１１６は、加工テーブル１１９上に固定されており、Ｘ軸モータ１２０およびＹ軸モータ１２１の少なくともいずれかによって、トーチ１１７はワーク１１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。

本発明により、ロータリーポンプを用いた際の課題であったオイルミストの逆流を防止し、これによりレーザ切断安定化を図ることができ、且つ電力消費を抑制する事ができる。したがって、環境性能の高いレーザ発振装置およびレーザガス置換方法を実現できるので、レーザ加工機などに適用すると有用である。

１００ ガスレーザ発振装置
１０１ 放電管
１０２，１０３ 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
１０８ａ レーザビーム出口
１０９ 方向
１１０ レーザガス流路
１１１，１１２ 熱交換器
１１３ 送風部
１１４ レーザガス導入部
１１５ 反射鏡
１１６ ワーク
１１７ トーチ
１１８ 集光レンズ
１１９ 加工テーブル
１２０ Ｘ軸モータ
１２１ Ｙ軸モータ
１２２ 排出弁
１２４ レーザガスボンベ
１２５ 供給弁
１２６ ガス圧センサ
１２７ 制御装置
１２８ 筐体
１２９ ドライエア供給装置
１２９ａ 配管
１３０ ガス減圧部
１３１ ガス流路
１３２ ガス吸引部
１５０ レーザガス
１６０ 放電部

Claims (8)

1. 大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されたレーザガスと、前記レーザガスを励起する放電部と、
   前記レーザガスを送風する送風部と、
   前記放電部と前記送風部との間の前記レーザガスの循環経路を形成するレーザガス流路と、
   前記レーザガス流路から前記レーザガスを一定量排出するガス減圧部と、
   を備え、
   前記ガス減圧部は、ベルヌーイの原理を応用して前記レーザガス流路中の前記レーザガスを吸引排気し、
   前記ガス減圧部は、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、前記レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるガスレーザ発振装置。
2. 前記加圧状態の気体は、筐体内へ導入されるドライエアであることを特徴とする請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記加圧状態の気体は、レーザ加工アシストガス用に用いられる窒素、酸素および空気の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ発振装置。
4. 前記レーザガス流路からのレーザガス排出とレーザガスの再充填を、予め設定された回数繰り返すことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
5. 大気圧以下の圧力に減圧された状態で真空チャンバーに封入されたレーザガスと、前記レーザガスを励起する放電部と、
   前記レーザガスを送風する送風部と、
   前記放電部と前記送風部との間の前記レーザガスの循環経路を形成するレーザガス流路と、
   前記レーザガス流路から前記レーザガスを一定量排出するガス減圧部と、
   を備えたガスレーザ発振装置におけるレーザガス置換方法であって、
   前記ガス減圧部が、ベルヌーイの原理を応用して前記レーザガス流路中の前記レーザガスを吸引排気するステップと、
   前記ガス減圧部が、レーザ加工機もしくはガスレーザ発振装置で使用する加圧状態の気体の一部を用い、前記レーザガス中に混入した大気の比率を一定以下に低減させるステップと、を備えたレーザガス置換方法。
6. 前記加圧状態の気体は、筐体内へ導入されるドライエアであることを特徴とする請求項５記載のレーザガス置換方法。
7. 前記加圧状態の気体は、レーザ加工アシストガス用に用いられる窒素、酸素および空気の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項５記載のレーザガス置換方法。
8. 前記レーザガス流路からのレーザガス排出とレーザガスの再充填を、予め設定された回数繰り返すことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のレーザガス置換方法。

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