(57)【要約】【課題】散乱光がミラーと放電手段の空間を絶縁かつ結合する接続部に照射されることによって、この接合部は温度上昇する。温度上昇することによって、絶縁接合部の絶縁抵抗が低下し、絶縁部に放電が移行するという問題点を有していた。【解決手段】本発明は、上記問題点を解決するために、ミラーと放電手段の空間を絶縁かつ結合する接続部の内部表面に、雑光を分散して吸収するための凸凹を設け、前記凹凸の形状は直角三角形とし、斜辺の長さをレーザ光の波長に対し、４倍以上６倍以下とし、前記凹凸の光軸方向との傾斜角は、１０〜２５ｄｅｇｒｅｅとし、部分反射鏡と放電部を接合する無放電管の直角三角形状の凸凹は直角部を部分反射鏡側に向け、全反射鏡と放電部を接合する無放電管の角三角形状の凸凹は直角部を全反射鏡側に向け、前記接合部材質をガラス、もしくはセラミックとした事を特徴とする。【選択図】図１
2015079783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を内部に配置した放電管と、前記放電管で励起されたレーザ媒質から放出されるレーザ光の光軸上に配置した少なくとも一対のミラーと、前記ミラーの間に配置されたアパーチャと、ミラーと放電手段の空間を絶縁かつ結合する接続部を具備したレーザ発振装置であって、前記接続部の内部表面に、雑光を分散して吸収するための凸凹を形成したガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記凹凸の形状を直角三角形とした、請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
前記直角三角形の斜辺の長さをレーザの光波長の４倍以上７倍以下とした、請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記直角三角形の斜辺の傾斜角を光軸方向に対して、１５〜２５ｄｅｇｒｅｅとした請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項５】
前記直角三角形状の直角部を、部分反射鏡と放電部を接合する無放電管の直角三角形状の凸凹は直角部を部分反射鏡側に向け、全反射鏡と放電部を接合する無放電管の角三角形状の凸凹は直角部を全反射鏡側に向けた請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項６】
前記凸凹を形成した接合部材質をガラスとした、請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項７】
前記凸凹を形成した接合部材質をセラミックとした、請求項１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切断用途に用いられるｋＷクラスの軸流型ガスレーザ発振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の軸流方ガスレーザ発振装置９００を図９に沿って説明する。
【０００３】
この図に於いて、９０１は誘電体よりなる放電管であり、９０２、９０３は前記放電管周辺に設けられた電極である。９０６は前記電極に接続された電源である。９０７は前記電極９０２、９０３間に挟まれた放電管９０１内の放電空間である。９０８は全反射鏡、９０９は部分反射鏡であり、この全反射鏡９０８、部分反射鏡９０９は前記放電空間９０７の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【０００４】
また通常電極部は数１０ｋＶの高電圧が印加され、全反射鏡９０８、部分反射鏡９０９は、電極との間に誘電体からなる無放電管９１６を設けて絶縁を行っている。９１０は前記部分反射鏡９０９より出力されるレーザビームである。９１７はアパーチャであり、レーザビームの品質を向上させるためのものである。
【０００５】
矢印９１１はレーザガス流を示しており、ガスレーザ発振装置の中を循環している。９１２はレーザガス流路であり、９１３および９１４は放電空間９０７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、９１５はレーザガスを循環させるための送風手段であり、この送風手段９１５により放電空間９０７にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路９１２と放電管９０１はガス導入部９０５で接続されている。
【０００６】
以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００７】
送風機９１５より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路９１２を通り、レーザガス導入部９０５より放電管９０１内へ導入される。この状態で電源９０６に接続された電極９０２、９０３から放電空間９０７に放電を発生させる。放電空間９０７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終段鏡９０８および出力鏡９０９により形成された光共振器で共振状態となり、出力鏡９０９からレーザビーム９１０が出力される。このレーザビーム９１０が切断・溶接に代表されるレーザ加工等の用途に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−４８８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この様な従来のレーザ発振装置の持つ課題について、図１０を用いて説明する。
【００１０】
図１０に従来のレーザ発振装置における光共振器部分の概略構成を示す。
【００１１】
この図で符号９０１から９１７は前述した技術背景と同一なため、ここでは説明は省く。レーザビーム９１０を得ようとしてレーザ発振させると、光軸９１８に必要な平行度持って配置された全反射鏡９０８および部分反射鏡９０９の間に光共振空間９１９が形成されるが、この光共振空間９１９とアパーチャ９１７の内径との差により、レーザビームのうちでアパーチャ９１７に照射される部分が存在する。
【００１２】
また、全反射鏡９０８と部分反射鏡９０９はレーザ発振に必要な平行度を持って存在しているが、この平行度が著しく失われている場合には平行度が保たれているときと比較してより強くアパーチャ９１７にレーザビームが照射される。レーザビームはアパーチャ９１７に照射されるが、アパーチャ９１７は銅やアルミなどのような金属で形成されており照射されたレーザビームの大部分はアパーチャに吸収されずに反射され、光共振には不要な雑光９２０となる。
【００１３】
雑光９２０はその周辺に設けられている無放電管９１６に照射される。無放電管に照射された雑光９２０の一部は吸収され、一部は反射し、一部は透過する。ここで反射した雑光９２０は再び無放電管内の別の場所で吸収と反射と透過がおこり、最終的に全ての雑光９２０が吸収される。雑光９２０を吸収した無放電管９１６は、吸収した光の量に依存して温度が上昇する。
【００１４】
また、１回の反射で吸収される光の量は、無放電管９１６に対して雑光９２０が照射される入射角に依存する。それを示したものが図４である。この図によると入射角が７５ｄｅｇｒｅｅ以上になると急激に吸収率が上昇し、入射角９０ｄｅｇｒｅｅ、すなわち、無放電管に垂直入射する場合に最大となる。
【００１５】
また、７５ｄｅｇｒｅｅ以下ではほぼ一定の吸収率となることが分かる。そのため、無放電管９１６のうち、雑光９２０の入射角が大きくなるアパーチャ近傍で局所的に温度上昇しやすい。
【００１６】
このようにして無放電管９１６の温度が上昇すると、無放電管９１６内部空間において絶縁抵抗が低下し、放電しやすい状態となる。本来であれば、放電空間９０７で放電することで適切な共振状態を得ることができるが、上記のような理由により、無放電管９１６内部が高温になり放電開始電圧が低下すると、こちらに放電が移行するという問題が発生していた。
【００１７】
放電が移行すると無放電管９１６内部の温度が急激に上昇し、全反射鏡９０８、部分反射鏡９０９などの周辺部材の耐熱温度を超え、損傷を発生させることとなっていた。またこれらの損傷を防止するため、無放電管９１６内部に放電が移行すると、この状態を検知して、自動的に電源９０６からの高電圧の供給を停止するという制御を行っていた。
【００１８】
ガスレーザ発振装置において、板金切断、溶接などの用途を拡大するため、顧客から大出力化を求められている。そのためには、放電空間９０７に供給する電源９０６からの電圧を高くすることによって、より大きなエネルギーを注入することが有力な手段の一つである。
【００１９】
しかしその場合、電圧が高くなり、また出力増大により、アパーチャ９１７で反射して発生する雑光９２０の量も増えるため、前記のような無放電管９１６内部への放電移行が発生しやすくなるという課題が存在していた。
【００２０】
本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、上記問題点を解決するために、ミラーと放電手段の空間を絶縁かつ結合する接続部の内部表面に、雑光を分散して吸収するための凸凹を設け、前記凹凸の形状は直角三角形とし、斜辺の長さをレーザ光の波長に対し、４倍以上７倍以下とし、前記凹凸の光軸方向との傾斜角は、１５〜２５ｄｅｇｒｅｅとし、部分反射鏡と放電部を接合する無放電管の直角三角形状の凸凹は直角部を部分反射鏡側に向け、全反射鏡と放電部を接合する無放電管の角三角形状の凸凹は直角部を全反射鏡側に向け、前記接合部材質をガラス、もしくはセラミックとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に示す構成により、前記絶縁接合部の温度上昇を緩和させ、放電移行を防止することが可能となる。そのため放電空間により高い高電圧を印加し、注入エネルギーを上げることができ、効率よく大出力のレーザビームを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に関するガスレーザ発振装置の光共振部分の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態における凹凸形状の特徴を示す拡大図
【図３】本発明の実施の形態における凹凸部での反射方向を示す模式図
【図４】光の吸収率と入射角の関係を示した図
【図５】本発明の実施の形態における凹凸部での反射方向を示す模式図
【図６】反射効果と直角三角形状の斜辺の傾斜角の関係を示した図
【図７】散乱効果・反射効果と直角三角形状の凸凹の斜面の長さとの関係を示した図
【図８】本発明のガスレーザ発振装置を用いたガスレーザ加工機の構成図
【図９】従来技術に係るガスレーザ発振装置の構成図
【図１０】従来技術に係るガスレーザ発振装置の光共振器部分の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態に関するレーザ発振装置の光共振器部分の概略構成図である。
【００２６】
この図に於いて、１０１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、１０２、１０３は前記放電管周辺に設けられた電極である。１０６は前記電極に接続された電源である。１０７は前記電極１０２、１０３間に挟まれた放電管１０１内の放電空間である。
【００２７】
１０８は全反射鏡、１０９は部分反射鏡であり、この全反射鏡１０８、部分反射鏡１０９は前記放電空間１０７の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【００２８】
また通常電極部は数１０ｋＶの高電圧が印加され、全反射鏡１０８、部分反射鏡１０９は、電極との間に誘電体からなる無放電管１１６を設けて絶縁を行っている。１１０は前記部分反射鏡１０９より出力されるレーザビームである。１１７はアパーチャであり、レーザビームの品質を向上させるためのものである。
【００２９】
絶縁接合部の無放電管１１６の内部表面には直角三角形状の凹凸１２１が設けられている。図２は図１の１１６ａ及び１１６ｂの拡大図を示したものである。
【００３０】
この図に示すように、前記凹凸の形状は直角三角形とし、斜辺の長さをレーザ光の波長に対し、４倍以上７倍以下とし、前記凹凸の光軸方向との傾斜角は、１５〜２５ｄｅｇｒｅｅとし、部分反射鏡１０９と電極１０３を接合する無放電管１１６の内部表面の直角三角形状の凸凹は直角部を部分反射鏡側に向け、全反射鏡１０８と電極１０２を接合する無放電管１１６の内部表面の直角三角形状の凸凹は直角部を全反射鏡側に向けられている。また、無放電管１１６材料は耐熱性の高く、安価なガラスを使用している。
【００３１】
前述したように、光共振空間１１９内でのレーザビームとアパーチャ１１７の内径との差により、レーザビームのうちでアパーチャ１１７に照射される部分が存在する。また、全反射鏡１０８と部分反射鏡１０９はレーザ発振に必要な平行度を持って存在しているが、この平行度が著しく失われている場合には平行度が保たれているときと比較してより強くアパーチャ１１７にレーザビームが照射される。
【００３２】
レーザビームはアパーチャ１１７に照射されるが、アパーチャ１１７は銅やアルミなどのような金属で形成されており照射されたレーザビームの大部分はアパーチャに吸収されずに反射され、光共振には不要な雑光１２０成分が発生する。
【００３３】
この雑光１２０は、図３に示すような、入射角βで無放電管１１６に照射され
る。このとき、直角三角形と斜辺の光軸に対する傾斜角γを１５ｄｅｇｒｅｅ以上に設定しておけば、この入射角βは幾何学的にβ＝α‐γとなる。
【００３４】
ここで、αは無放電管１１６表面に凸凹がなくストレート形状の場合の雑光の入射角を表しており、０〜９０ｄｅｇｒｅｅの範囲の値のみをとることができる。そのためαが最大値の９０ｄｅｇｒｅｅであっても、βは７５ｄｅｇｒｅｅより大きくなることは無い。
【００３５】
また、この面で反射した光は、再び無放電管内の別の場所で、入射角７５ｄｅｇｒｅｅ以下で入射し、吸収と反射と透過が起こる。雑光１２０の入射角は常に７５ｄｅｇｒｅｅ以下であるため、各場所で吸収される光の量は、図４に示すように角度にほぼ依存しない、吸収率の低い領域で、一定であることが分かる。
【００３６】
そのため、無放電管１１６の温度上昇は全体的に均一に起こる。
【００３７】
また、傾斜角が２５ｄｅｇｒｅｅ以上になると効果が減少する。これを示したものが図５である。傾斜角を２５ｄｅｇｒｅｅ以上にすると、図６に示すように、斜面で反射した光が隣の直角三角形の壁に衝突して吸収される成分が増加して、斜面で反射して別の離れた場所で吸収させる効果（反射効果）が薄れてしまうからだと推定される。
【００３８】
また、直角三角形の斜面の長さはレーザの光は波長の４倍以上、７倍以下がもっとも効果がある。これを示したものが図６である。斜面がレーザの光波長の４倍以下では、光波長と斜面の長さが近づくため、十分な反射効果は得られず、また、斜面の長さが７倍以上になると、同一面で雑光が反射される成分が増えることになり、凸凹による散乱効果が薄れることになるため、効果が低減していくと推定される。
【００３９】
また、無放電管の材質は、絶縁性、耐熱性が高く、光の吸収と反射効果が十分得られるガラス、もしくはセラミックがもっとも効果的である。
【００４０】
次に、図８は本発明の実施の形態におけるガスレーザ加工機の構成図である。本発明のガスレーザ発振装置１００より出力されたレーザビーム１１０を反射ミラー１３０によりトーチ１３１内部に具備された集光レンズ１３２まで誘導し、集光レンズ１３１により集光されたレーザビーム１１０を加工ワーク１３３に照射し、切断、溶接などの用途に用いている。
【００４１】
加工ワーク１３３はテーブル１３４に搭載されており、Ｘ軸モータ１３５、Ｙ軸モータ１３６により集光レンズ１３２を移動させることにより、加工ワーク１３３を任意の形状に加工している。なお、図８では集光レンズ１３２を動力１３５、１３６より移動させているが、テーブル１３４側にＸ軸モータ１３５、Ｙ軸モータ１３６を接続して移動させても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機は、レーザビームの品質を向上させるためのアパーチャを備えながら、絶縁接合部の温度上昇を緩和し、絶縁部への放電移行を抑制することが可能となり、レーザ出力を増大することが出来るガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機として有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１    放電管
１０２    電極
１０３    電極
１０４    オリフィス
１０５    ガス導入部
１０６    電源
１０７    放電空間
１０８    全反射鏡
１０９    部分反射鏡
１１０    レーザビーム
１１１    レーザガスが流れる方向
１１２    レーザガス流路
１１３    熱交換器
１１４    熱交換器
１１５    送風機
１１６    無放電管
１１７    アパーチャ
１１８    光軸
１１９    光共振空間
１２０    雑光
１２１    凸凹
１３０    反射ミラー
１３１    トーチ
１３２    集光レンズ
１３３    ワーク
１３４    加工テーブル
１３５    Ｘ軸モータ
１３５    Ｙ軸モータ
９０１    放電管
９０２    電極
９０３    電極
９０４    オリフィス
９０５    ガス導入部
９０６    電源
９０７    放電空間
９０８    全反射鏡
９０９    部分反射鏡
９１０    レーザビーム
９１１    レーザガスの流れる方向
９１２    レーザガス流路
９１３    熱交換器
９１４    熱交換器
９１５    送風機
９１６    無放電管
９１７    アパーチャ
９１８    光軸
９１９    光共振空間
９２０    雑光
【図１】
2015079783.tif 000003
【図２】
2015079783.tif 000004
【図３】
2015079783.tif 000005
【図４】
2015079783.tif 000006
【図５】
2015079783.tif 000007
【図６】
2015079783.tif 000008
【図７】
2015079783.tif 000009
【図８】
2015079783.tif 000010
【図９】
2015079783.tif 000011
【図１０】
2015079783.tif 000012