(57)【要約】【課題】送風機、熱交換器、ガス配管は、ガスレーザ発振装置を構成する部品の多くを占めていて体積の小型化ならびに材料費の低コスト化の大きな障害になっていた。【解決手段】内部にレーザガスを配置した筐体１９と、前記筐体１９の内部に対向配置した放電電極２３、２４と、前記放電電極２３、２４よりも筐体１９の外側でレーザの光軸２０方向に対向配置した部分反射鏡２６と反射鏡２５を備え、前記筐体１９は、その内部に前記放電電極２３、２４によるレーザガスへの放電空間２１よりも大なる直径の空間を有し、前記放電空間２１の方向に延びる冷却フィン２７を前記レーザの光軸２０方向に間隔を開けて複数設け、かつ冷却媒体の通路を設けたことにより、放電によるガス温度上昇ならびに冷却による温度降下でガスの対流を発生させ、レーザガスの循環を可能にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にレーザガスを配置した筐体と、前記筐体の内部に対向配置した放電電極と、前記放電電極よりも筐体の外側でレーザの光軸方向に対向配置した部分反射鏡と反射鏡を備え、前記筐体は、その内部に前記放電電極によるレーザガスへの放電空間よりも大なる直径の空間を有し、前記放電空間の方向に延びる冷却フィンを前記レーザの光軸方向に間隔を開けて複数設け、かつ冷却媒体の通路を設けたガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記冷却フィンの材質にセラミックを使用した請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
前記筐体の冷却媒体の通路は、レーザの光軸に平行に設けた請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記筐体の冷却媒体の通路に、レーザの光軸方向に伸びる放熱フィンを設けた請求項１から３のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項５】
前記筐体の前記放電電極によるレーザガスへの放電空間よりも大なる直径の空間の形状として、ガスの対流線の形状と合致させた請求項１から４のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項６】
前記筐体のレーザの光軸と直角方向に対して形状を左右対称とした請求項１から５のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項７】
前記筐体の前記放電空間の方向に延びる冷却フィンの間で、かつ前記放電空間と対向した位置に仕切りを設けた請求項１から６のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項８】
前記放電電極をリング状とし、前記レーザの光軸と直角方向に配置した仕切りの間隔を、前記放電電極の内径寸法の１００％から１２０％とした請求項１から７のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項９】
前記冷却フィンの前記放電空間側を円形に切りかき、その内径寸法を、リング状とした前記放電電極の内径寸法の９０％から１１０％とした請求項１から８のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項１０】
前記放電空間から離してファンを設けた請求項１から９のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項１１】
前記ファンの送風方向を、レーザガスの対流方向と一致させた請求項１０記載のガスレーザ発振装置。
【請求項１２】
前記冷却フィン内径寸法を、レーザ光分布形状に合わせて、光軸方向に連続的に変化させた請求項１から１１のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項１３】
前記放電電極と、前記筐体を、レーザの光軸方向に直列に並べ、両端の前記筐体に部分反射鏡と全反射鏡を設けた請求項１から１２のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項１４】
レーザ光を発生する請求項１から１７のいずれかに記載のガスレーザ発振装置と、加工物を乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ光の集光手段のうち少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段とを備えたレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザガスを放電して励起させてレーザを出力するガスレーザ発振装置およびレーザ加工機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスレーザ発振装置、たとえば高速軸流タイプのガスレーザは一般的に図８に示すように構成されている（特許文献１参照）。
【０００３】
図において、放電管１の内部にレーザガス２を循環させている。この放電管１は端部に電極３、４を設けていて図示しない電源によって電極３、４に高電圧を印加し、内部のレーザガスにエネルギーを与えるようにしている。
【０００４】
この放電管１と電極３、４は光学的に直列に複数配置し、その両端には反射鏡５、部分反射鏡６を配置して、レーザ光７を出力している。放電管１には絶縁ブロック８に接続しており、この絶縁ブロック８を介してレーザガス２を放電管１に供給するようにしている。また、放電管１の絶縁ブロック８と接続したのと反対側には集合ブロック９を接続しており、放電管１からレーザガス２を排出するようにしている。
【０００５】
なお、反射鏡５と部分反射鏡６は、それぞれ板１０で保持しており、これら板１０は４本の連結棒１１と絶縁ブロック８で互いに対向するようにして、連結棒１１を集合ブロック９で保持している。
【０００６】
放電管１から排出したレーザガス２は熱交換器１４、送風機１３、熱交換器１４、絶縁ブロック８を介して再度、放電管１に供給するように循環させている。このとき、送風機１３により断熱圧縮されたレーザガス２は熱交換器１４により冷却され、放電管１に供給され、放電管１の両端の陽極３と陰極４の間に印加される高電圧によりそれらの間で放電が発生する。放電により熱せられたレーザガス２は、熱交換器１５により冷却され再度送風機１３に戻る。なお、放電管１の内部は圧力が通常３０ＫＰａ以下の負圧となるようにしている。
【０００７】
放電管１内の放電により、レーザガス２が励起され再度安定状態に戻る際にレーザ光を誘導放出し、反射鏡５と部分反射鏡６の間で反射を繰り返した後、部分反射鏡６からその一部がレーザ光７として外部に取り出される。取り出されたレーザ光７は、通常複数の反射鏡により集光レンズに導かれそれにより１点に集光されることによりきわめて高いエネルギー密度となり、金属その他の被加工材料に照射して切断あるいは溶接等の施工が行われる。このレーザ加工の加工品質は、主としてレーザ出力とビームモードにより決定される。
【特許文献１】国際公開第０１／０９３３８０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来のレーザ発振装置の場合、大型でかつ高価な送風機１３、熱交換器１４、およびそれらの間をつなぐガス循環配管経路が必要であり、これらによりガスレーザ発振装置のサイズを大型化させるとともに、コストを押し上げる要因となっていた。
【０００９】
また、送風機１３は高速回転機器であり磨耗を伴い、また熱交換器１４は通常銅管を用いた構成であるため長期使用により腐食を生じるため、長期に安定したレーザ出力を得ることが困難で、また定期的な部品交換などの保守作業が必要であり、レーザ加工機の保守費用低減と稼働率向上の障害となっていた。
【００１０】
本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、省スペースでかつガス循環のための高価な機器を必要とせず、長期にわたって安定したレーザ出力および安定したレーザ加工を実現し、保守周期を大幅に延長させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のガスレーザ発振装置は、内部にレーザガスを配置した筐体と、前記筐体の内部に対向配置した放電電極と、前記放電電極よりも筐体の外側でレーザの光軸方向に対向配置した部分反射鏡と反射鏡を備え、前記筐体は、その内部に前記放電電極によるレーザガスへの放電空間よりも大なる直径の空間を有し、前記放電空間の方向に延びる冷却フィンを前記レーザの光軸方向に間隔を開けて複数設け、かつ冷却媒体の通路を設けたものである。
【００１２】
これにより、放電によるガス温度上昇ならびに冷却による温度降下でガスの対流を発生させ、動力なしにレーザガスの循環を可能にした。
【００１３】
また一体成型された冷却フィンの材質には、電気的絶縁物でありながら熱伝導率が高いセラミックを用いて、水などの冷却媒体により放熱フィン、冷却フィンを介してレーザガスの冷却を行っている。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明により、ガスレーザ発振装置を大幅に小型化するとともに低コストでの製作を可能とし、長期に安定したレーザ出力を得ることができ、また定期的な部品交換などの保守作業が不要となり、レーザ加工機の保守費用低減と稼働率向上を実現するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図７を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に直角な断面図、図２は本実施の形態１におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図である。
【００１７】
図１および図２に示すレーザ発振装置は、内部にレーザガスを配置した筐体１９、レーザ光軸２０、放電空間２１、レーザ光２２、前記筐体１９の内部に対向配置した放電電極２３、２４、前記放電電極２３よりも筐体１９の外側でレーザの光軸２０方向に対向配置した反射鏡２５と部分反射鏡２６、放電により熱せられたレーザガスを冷却する冷却フィン２７、水などの冷却媒体にその熱を伝えるための放熱フィン２８、レーザガスの対流効率を高めるための仕切り２９、レーザガス対流方向３０、水などの冷却媒体の入口３１、その出口３２、外筒３４を備えている。
【００１８】
そして、筐体１９の内部にはレーザガスを封入しており、筐体１９の内部でかつ端の方に互いに対向するように電極２３と２４を配置して、電極２３、２４間に高電圧を印加して放電空間２１を形成するようにしている。そして、この筐体１９の放電空間２１を挟む端部でレーザ光軸に垂直で互いに平行になるように反射鏡２５と部分反射鏡２６を配置している。
【００１９】
また、筐体１９には、その内部に放電空間２１よりも大なる直径の空間を有し、放電空間２１の方向に延びる冷却フィン２７をレーザ光軸２０の方向に間隔を開けて複数設けていて、この冷却フィン２７の放電空間２１側は円形に切り欠いている。
【００２０】
また、筐体１９の外側と外筒３４の間には冷却媒体の入口３１とその出口３２を配置して冷却媒体を流す通路を形成しており、その通路にはレーザ光軸２０の方向に伸びる放熱フィン２８を複数個、筐体１９に設けている。
【００２１】
そして、放電空間２１、およびレーザ光軸２０に直交して配置された複数の冷却フィン２７の間隙で構成されるレーザガスの充填空間にはレーザガスが封入されており、放電電極２３と２４の間に高電圧を印加して放電を発生させることによりレーザガスは励起され、反射鏡２５および部分反射鏡２６の間で増幅された後、外部にレーザ光２２として出力される。
【００２２】
このとき放電空間２１で熱せられたレーザガスは重力方向の上方（図面の上方向）に上昇するが、冷却フィン２７により温度を低下させて順次下方に下降させ、その後、再度放電空間２１に達する。
【００２３】
すなわちレーザガス対流方向３０に沿って対流することになり、レーザガスが放電部２１で加熱され、冷却フィン２７で冷却されることで対流が連続的に発生するため、放電空間２１にレーザガスが順次供給され、レーザ光の出力が連続して可能となる。
【００２４】
なお、筐体１９は、冷却フィン２７と放熱フィン２８により、冷却フィン２７、放熱フィン２８を介して、入口３１より出口３２に流れる水などの冷却媒体に伝熱することによりレーザガスの冷却を行なう。
【００２５】
ここで、筐体１９の材質には、電気的に絶縁物でありかつ熱伝導率が高い、例えば窒化アルミのようなセラミックを用いる。その結果、放電電極２３と２４を電気的に絶縁するとともに、レーザガスの冷却を効率良く行うことができる。
【００２６】
また、筐体１９の内部形状は、その内部でのレーザガスの対流経路３０の形状に近い左右対称の形状、例えば二つの楕円または円の一部を重ね合わせた形状や、ハート形状、または果物のりんごを立てに割断した形状としており、これにより対流に対しての流路抵抗を極力低減するように作られている。
【００２７】
また放電空間２１と周辺の冷却フィン２７の間隙で構成される冷却部の間には仕切り２９を設けている。この仕切り２９は重力方向の上下方向に伸びた形状で、放電空間２１の直径よりも長く形成しているが、筐体１９の内径よりも短くしており、かつ放電空間２１を挟むように対向配置していて、重力方向の上下方向にレーザガスが通過する空間を形成し、かつ、重力方向の直角方向のレーザガスの移動を遮るように配置している。
【００２８】
これにより、放電空間２１での上昇流と冷却フィン２７での下降流の相互の衝突による抵抗をなくして、より対流循環の効率を高めている。
【００２９】
なお、この仕切り２９の間隔は、放電やレーザ光をさえぎることが無いよう、放電空間２１の直径すなわち放電電極２３、２４より広い必要がある。しかしながら、放電空間２１の直径の１２０％の寸法を超えると急激にレーザ発振の効率を激減させてしまう。これは仕切り２９の間隔が放電空間２１の直径より広すぎる場合、放電空間２１周辺にて上昇するレーザガスのうち、放電によりエネルギーを得てレーザ発振に寄与するレーザガスの割合が低下するのと同時に、放電空間２１を通過する速度も低下してしまうからである。そのため、仕切り２９の間隔は、放電空間２１の直径寸法の１００％から１２０％の間で構成するのが望ましい。
【００３０】
また、冷却フィン２７の円形の切り欠きによる内径寸法が放電電極２３、２４の内径より極端に大きい場合、その大きい部分で放電の外周が拘束されないため放電が不安定となるとともに、それらの部分で発したレーザ光は放電電極２３、２４により遮られてレーザ出力として取り出されることがないため、レーザ発振効率を低下させてしまう。
【００３１】
逆に、冷却フィン２７の円形の切り欠きによる内径寸法が放電電極より極端に小さい場合は、放電の直進性を阻害することにより放電効率を低下させ、ひいてはレーザ発振効率を低下させてしまう。
【００３２】
これらにより、冷却フィン２７の円形の切り欠きによる内径寸法は、放電電極２３、２４の内径寸法の９０％から１１０％の範囲とすることが望ましい。
【００３３】
次に、筐体１９の製作方法について述べる。
【００３４】
前記のように筐体１９の材質は、電気的絶縁物でありかつ熱伝導率が高いセラミックで構成されている。セラミックは、セラミック粉をバインダーで練って成型した後に、高温の炉で焼結される。焼結後はその硬度ゆえ機械加工が非常に困難であり、本実施の形態例では、焼結する前に放電電極２３、２４を予め筐体１９に勘合して組み込むようにしている。
【００３５】
また、セラミックによる筐体１９も成型作業は非常に困難であるため、複数に分割して成型、焼結した後に、接着・ボルト結合などの方法により組み立てるようにしている。
【００３６】
その際、接合部には接着機能の他に大気とのシール効果を狙って接着材を塗布するが、その接着には耐熱性が高くかつアウトガスが少ないセラミック系接着材を使用している。
【００３７】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態２におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に直角な断面図、図４は本実施の形態２におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図である。
【００３８】
本実施の形態において図１、図２に示す実施の形態１と同じ構成は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
実施の形態１と異なる本実施の形態の特徴は、実施の形態１が対流によりレーザ媒質を循環させ冷却フィン２７によりそれを冷却するものであったが、本実施の形態ではファン３５の動力を用いてレーザガスを筐体１９内を循環させることである。
【００４０】
図において、冷却フィン２７の放電空間２１側に矩形状の切り欠き３５ａを設けて、この切り欠き３５ａの空間にファン３５を配置している。また、切り欠き３５ａの位置は仕切り２９とずらしており、重力方向の下側としている。
【００４１】
本実施の形態ではレーザ光軸２０方向に３個のファンを配置している。
【００４２】
このように本実施の形態によれば、ファン３５の動力は必要とするが、このファン３５をレーザガスの対流の補助として用いることにより、放電空間２１により高速にレーザガスを供給することが可能となり、レーザ発振効率ならびにレーザ出力を増大することができる。
【００４３】
（実施の形態３）
図５は本実施の形態３におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図である。
【００４４】
本実施の形態において図１、図２、図３、図４に示す実施の形態１、２と同じ構成は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
レーザ発振装置の反射鏡２５および部分反射鏡２６には内面に曲率を有する凹面鏡を用いることが多い。その場合、レーザ発振装置内におけるレーザ光分布４１は図示の通りレーザ光軸２０方向に沿って鼓状の分布となる。このレーザ光分布４１の形状に合わせて冷却フィン２７の内径寸法を連続的に変化させて光学アパーチャの作用をさせることにより、より高いビーム品質のレーザ光２２を出力することが可能となる。
【００４６】
（実施の形態４）
図６は本実施の形態４におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図である。
【００４７】
本実施の形態において図１、図２、図３、図４、図５に示す実施の形態１、２、３と同じ構成は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４８】
図６は実施の形態１、２、３などで説明した前記筐体１９をレーザ光軸２０方向に直列に３ケ並べたものである。
【００４９】
これにより筐体１ケ当たり出力可能なレーザ出力の３倍のレーザ光５１を得ることができる。この場合、反射鏡２４は最左端の筐体の左端に、部分反射鏡２５は最右端の筐体の右端に配置されることになる。
【００５０】
（実施の形態５）
図７は、本実施の形態のレーザ加工機の構成図を示している。
【００５１】
レーザ加工機は、加工ワーク６１を乗せる加工テーブル６２と、加工テーブル６２の移動またはレーザ光を集光する集光手段６７の少なくとも一方を移動する駆動手段６３と、前記駆動手段６３を制御する数値制御手段６４と、上述した実施の形態１、２、３、４の何れかのレーザ発振装置６５と、レーザ光路６６とにより構成されている。
【００５２】
レーザ発振装置６５より出射されたレーザ光は、折返し鏡などで構成されたレーザ光路６６で伝送され集光手段６７により集光されて、加工ワーク６１に照射され、加工が開始される。それと同時に数値制御手段６４により駆動手段６３に指令が出力され、加工テーブル６２または集光手段６７の少なくとも一方を動作させて加工ワーク６１を加工される。
【００５３】
上記レーザ加工機によれば、常に安定レーザ出力を得ることができるため、レーザ加工の信頼性が大幅に向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のレーザ発振装置およびレーザ加工機は、レーザガスの対流によるレーザガス循環構造を用いるため小型化、低コストでの製作を可能とし、レーザ発振装置およびレーザ加工機として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に直角な断面図
【図２】本発明の本実施の形態１におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図
【図３】本発明の実施の形態２におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に直角な断面図
【図４】本発明の本実施の形態２におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図
【図５】本発明の本実施の形態３におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図
【図６】本発明の本実施の形態４におけるレーザ発振装置の要部のレーザの光軸方向に平行な断面図
【図７】本発明の本実施の形態５におけるレーザ加工機の構成図
【図８】従来のガスレーザ発振装置の構成図
【符号の説明】
【００５６】
１９    筐体
２０    レーザ光軸
２１    放電空間
２２    レーザ光
２３、２４    放電電極
２５    反射鏡
２６    部分反射鏡
２７    冷却フィン
２８    放熱フィン
２９    仕切り
３０    レーザガス対流方向
３１    冷却媒質の入口
３２    冷却媒質の出口
３４    外筒
３５    ファン
４１    レーザ光分布
５１    レーザ光
６１    加工ワーク
６２    加工テーブル
６３    駆動手段
６４    数値制御手段
６５    レーザ発振装置
６６    レーザ光路
６７    レーザ光集光手段
【図１】
2010212546.tif 000003
【図２】
2010212546.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010212546.tif 000007
【図６】
2010212546.tif 000008
【図７】
2010212546.tif 000009
【図８】
2010212546.tif 000010