(57)【要約】【課題】炭酸ガスレーザ発振装置は、放電により炭酸ガスが一酸化炭素と酸素への乖離と再結合を繰り返し、一定の混合比に落ちつくまで時間かかり、この間はレーザガス混合比が不安定になるため、レーザ発振が安定せず、レーザ出力が一時的に数％〜１０数％低下する。【解決手段】上記問題点を解決するために、本発明のガスレーザ発振装置は、炭酸ガスと窒素とヘリウムからなるレーザガスと、レーザガスを励起する励起用放電手段と、レーザガスに対して放電を行う励起用放電空間と、前記レーザガスの混合比率調整機構を備え、予め設定された時間に応じて、炭酸ガス流量比率を変更するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスと窒素とヘリウムからなるレーザガスと、レーザガスを励起する励起用放電手段と、レーザガスに対して放電を行う励起用放電空間と、前記レーザガスの混合比率調整機構を備え、予め設定された時間に応じて、炭酸ガス流量比率を変更することを特徴とするガスレーザ発振装置。
【請求項２】
起動後の予め設定された時間の間のみ、炭酸ガス流量比率を通常時の１０％以上２０％以下の範囲で増加させ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。
【請求項３】
前記予め設定された時間は、放電電流値に対応して変更されることを特徴とする請求項２記載のガスレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として板金等の加工用途に用いられるｋＷクラスのガスレーザ発振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７に従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。以下、図７を参照しながら従来の軸流型ガスレーザ発振装置を説明する。
【０００３】
この図に於いて、軸流型ガスレーザ発振装置はガラスなどの誘電体よりなる放電管１を有し、放電管１の周辺に電極２、３を設け、各電極に電源４が接続される。放電管１内の電極２、３間に挟まれた空間が放電空間５である。
【０００４】
全反射鏡６と部分反射鏡７を放電空間５の両端に固定配置し、光共振器を形成している。レーザビーム８は部分反射鏡７より出力される。
【０００５】
レーザガスの流れる方向９は図中の矢印で示しており、レーザガスは軸流型ガスレーザ発振装置の中のレーザガス流路１０を循環している。レーザガスを循環させるためにレーザガス流路１０内に送風手段１３を設けている。この送風手段１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【０００６】
また、放電空間５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の温度を下げるための熱交換器１１、１２を設ける。
【０００７】
以上が従来のガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機の構成である。次にその動作について説明する。
【０００８】
送風手段１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２、３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは全反射鏡６および部分反射鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【０００９】
レーザガス流路１０から、排気量制御バルブ１５を介して、真空ポンプ１６によって一定量のレーザガスが排出されている。排出されたレーザガス量に応じて、新たなレーザガスが供給されている。炭酸ガスレーザ発振装置の場合、一般的にレーザガスは炭酸ガス、窒素、ヘリウムの３種を一定の混合比で使用する。例えば、炭酸ガスは１．５〜２％程度、窒素は２３〜２５％程度、残りがヘリウムという混合比で使用される。
【００１０】
ガスボンベ１７と接続された、各ガス絞り弁を介して、レーザガスがレーザガス流路１０へ供給されている。各ガス絞り弁は、炭酸ガス固定絞り弁１８、窒素ガス固定絞り弁１９、およびヘリウムガス固定絞り弁２０から成る。各絞り弁は固定絞りのため、混合比率は常に一定である。各絞り弁の下流には供給量制御バルブ２１が設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−２４４４７８号公報
【特許文献２】特開平７−１９３３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この様な従来のガスレーザ発振装置は、下記課題を有している。
【００１３】
レーザガスは放電により乖離し、炭酸ガスは一酸化炭素と酸素への乖離と再結合を繰り返し、一定の混合比に落ちつく事になるが、この乖離と再結合が安定したプロセスに至るまでには一般的に１５分の程度の時間が必要である。この時間は放電入力にも依存するため、必ずしも安定するまでの時間は一定では無い。この起動後の１５分間はレーザガス混合比が不安定になるため、レーザ発振が安定せず、レーザ出力が一時的に数％〜１０数％低下する場合がある。
【００１４】
すなわち起動直後から安定したレーザ発振を行う事が大きな課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記問題点を解決するために、本発明のガスレーザ発振装置は、炭酸ガスと窒素とヘリウムからなるレーザガスと、レーザガスを励起する励起用放電手段と、レーザガスに対して放電を行う励起用放電空間と、前記レーザガスの混合比率調整機構を備え、予め設定された時間に応じて、炭酸ガス流量比率を変更するように構成したものである。
【００１６】
好ましくは、起動後の予め設定された時間の間のみ、炭酸ガス流量比率を通常時の１０％以上２０％以下の範囲で増加させるものである。
【００１７】
あるいは、前記予め設定された時間を、放電電流値に対応して変更するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に示す構成によれば、起動直後より安定したレーザ発振を行う事が出来るため、常に安定したレーザ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に関するガスレーザ発振装置の構成図
【図２】本発明の一実施例におけるガスレーザ発振装置の起動後の運転時間とレーザ出力との相関を示したグラフ
【図３】第１の比較例におけるガスレーザ発振装置の起動後の運転時間とレーザ出力との相関を示したグラフ
【図４】第２の比較例におけるガスレーザ発振装置の起動後の運転時間とレーザ出力との相関を示したグラフ
【図５】放電電流と流量切替最適時間との関係を示したグラフ
【図６】炭酸ガス混合比増加比率と出力低下率との相関を示したグラフ
【図７】従来技術に係るガスレーザ発振装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態に関するガスレーザ発振装置の構成図である。図７と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
本発明のガスレーザ発振装置も、放電空間５で炭酸ガスと窒素とヘリウムからなるレーザガスに対して放電を行い励起して全反射鏡６と部分反射鏡７の間でレーザ発振させるものである。
【００２３】
ただし、従来例における炭酸ガス固定絞り弁１８の替わりに、本発明の実施形態では、炭酸ガス流量調整弁２２および流量制御装置２３が備えられている。前記流量制御装置２３は、電源４および炭酸ガス流量調整弁２２と接続されている。
【００２４】
以下、具体的な数値を用いて本発明のガスレーザ発振装置の動作・作用・効果を説明する。
【００２５】
炭酸ガス混合比の標準値を例えばＡ％とする。ここでＡは通常１．５〜２％の間であるが、ガスレーザ発振装置の形態によっては５％以上の値を設定している場合もある。レーザ運転開始直後は、炭酸ガス混合比は、標準値Ａ％よりも高い値、一例を挙げれば１．２×Ａ％に設定されている。例えばＡ＝２％であれば、１．２×Ａ＝２．４％の設定となる。混合比設定は、前記流量制御装置２３の指令によって、前記炭酸ガス流量調整弁２２によって行われる。レーザ運転開始から、予め定めた所定の時間の一例として１５分が経過すると、前記流量制御装置２３の指令によって前記炭酸ガス流量調整弁２２の開口が変化し、炭酸ガス混合比は、標準値であるＡ％へ戻す。
【００２６】
図２は上述の本発明の特徴的な動作を行った場合の、ガスレーザ発振装置の起動後の運転時間とレーザ出力との相関を示した図である。上述のように、炭酸ガス混合比を最初の１５分間のみ１．２×Ａ％とし、１５分経過後はＡ％に戻している。この場合、レーザ出力はほぼ一定であり、安定している事が判る。
【００２７】
次に比較例として、炭酸ガス混合比が常にＡ％の場合のレーザ出力の変化を、その他の条件を同一として測定した。図３は、その場合のガスレーザ発振装置の起動後の運転時間とレーザ出力との相関を示した図である。かかる条件では起動後約１０分程度でレーザ出力が約１０％低下している事が判る。その後、レーザ出力は回復するが、一時的にレーザ出力が低下するという問題が発生している。
【００２８】
さらに異なる比較例として、炭酸ガス混合比が常に１．２×Ａ％の場合のレーザ出力の変化を、その他の条件を同一として測定した。図４は、その場合のガスレーザ発振装置の起動後の運転時間とレーザ出力との相関を示した図である。かかる条件では起動約２０分経過後に逆にレーザ出力が低下している。これは定常状態においては炭酸ガス混合比１．２×Ａ％は炭酸ガス濃度が高すぎて、安定放電を維持することが困難となるためである。
【００２９】
以上の実験でも分かるように、レーザガスの混合比率調整機構を備え、予め設定された時間に応じて、炭酸ガス流量比率を変更することによって、初期のレーザ出力の低下を防止して、かつ、定常の運転状態に移行後もレーザ出力を保持できている。
【００３０】
ここで起動後、最初の１５分間で混合比の変更を行っているが、この時間はガスレーザ発振装置の設計により異なるため、各発振装置の設計に応じた最適な時間設定が重要である。上述のような比較実験を行えばレーザ出力の安定に必要な切替の時間が分かり、予め定める炭酸ガス流量比率を変更する時間として設定することができる。
【００３１】
ところで、同じ設計のガスレーザ発振装置においても、放電電流の大きさによって、炭酸ガスの乖離状態が変わるため、時間設定の変更が必要である。本発明においては、予め放電電流値をパラメータとしてレーザ出力が安定に必要な切替時間を測定しておき、それに基づいて予め定めた炭酸ガス流量比率を変更する時間も放電電流値毎に流量制御装置２３に格納しており、電源４から得られた放電電流信号を流量制御装置２３にて判定し、適切な流量切替時間設定を行っている。
【００３２】
図５は放電電流と流量切替最適時間との関係を示した図である。放電電流１００ｍＡで運転する場合には流量切替時間は１５分が最適であるが、放電電流が小さくなるほど、ガス解離の進行が遅くなるため、流量切替時間は長くする方が良いことが判る。
【００３３】
図６は炭酸ガス混合比増加比率と出力低下率との相関を示した図である。横軸は、予め定めた所定時間のガス混合比増加比率を示している。ガス混合比増加比率ゼロとは従来のように比率を一定にした場合を指す。この場合、運転起動後の出力低下率は約１５％に達している。
【００３４】
炭酸ガス混合比増加比率は１０〜２０％、すなわち標準混合比をＡ％とした場合、１．１×Ａ％〜１．２×Ａ％の範囲が最適であり、出力低下率はほぼゼロとなっている。逆に炭酸ガス混合比増加比率が２０％を超えると、出力低下が発生しており、最適値の選定が重要である事が判る。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によるガスレーザ発振装置、レーザ運転開始から継続して、安定したレーザ出力を実現できるため、高い信頼性を有し、主として板金等の加工用途に用いられるｋＷクラスのガスレーザ発振装置として有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１    放電管
２、３    電極
４    電源
５    放電空間
６    全反射鏡
７    部分反射鏡
８    レーザビーム
９    レーザガスの流れる方向
１０    レーザガス流路
１１、１２    熱交換器
１３    送風手段
１４    レーザガス導入部
１５    排気量制御バルブ
１６    真空ポンプ
１７    ガスボンベ
１８    炭酸ガス固定絞り弁
１９    窒素ガス固定絞り弁
２０    ヘリウムガス固定絞り弁
２１    供給量制御バルブ
２２    炭酸ガス流量調整弁
２３    流量制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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