JP2006281308A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持する。
【解決手段】 レーザ発振器（２）と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系（１３）と、レーザ発振器からのレーザを集光光学系まで導く導光路（３０）と、空気を除湿する除湿手段（４０）と、除湿手段によって除湿された除湿空気を導光路まで供給する供給手段（３１、３２）とを具備するレーザ装置（１００）が提供される。除湿手段（４０）により除湿された除湿空気の大気圧露点は０℃以下である。レーザ発振器（２）と集光光学系（１３）との間の距離（Ｌ）が所定の値よりも大きい場合には、複数の除湿手段（４０ａ、４０ｂ）を含むようにするのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス媒体を励起してレーザ出力を得るレーザ発振器、あるいはこのようなレーザ発振器からのレーザ出力によってレーザ切断、レーザ溶接などのレーザ加工を行うレーザ加工機を含むレーザ装置に関する。

一般に使用されているレーザ装置は、レーザを出力するレーザ発振器と、出力されたレーザを集光する集光レンズとを備えている。出力されたレーザは集光レンズによってワーク上に集光され、それにより、ワークをレーザ切断またはレーザ溶接等するようになっている。このようなレーザ装置においては、導光路がレーザ発振器と集光レンズとを接続するよう配置されており、レーザ発振器から出力されたレーザは導光路内を伝播して集光レンズに到達する。

通常は空気が導光路に存在している。このような場合には、空気中の炭酸ガス、つまり炭酸ガス、水蒸気、および／または有機ガス等に基づいてレーザビームが吸収散乱し、レーザビームの伝播変化が生じる。従って、レーザのレーザビーム径は伝播距離に応じて拡大するようになる。これにより、導光路内におけるレーザビームの干渉が大きくなってレーザビームの品質が低下する。このような場合には、集光レンズによってワーク上に集光されるレーザのパワーも低下するので、ワークが加工不良となることが多い。

レーザのパワー低下によってワークが加工不良となるのを防止するために、導光路内に窒素ガスを供給することが行われている。また、特許文献１においては、分子フィルタを備えた炭酸ガス濃度低減装置を使用して空気中の炭酸ガス濃度を所定の濃度まで低減した空気を導光路内に供給している。

窒素ガスを導光路に供給する場合には、導光路内の空気が窒素ガスにより置換されるので、レーザビームの吸収散乱を引き起こす炭酸ガス、水蒸気および／または有機ガス等が導光路内に存在しなくなる。一方、特許文献１の場合においても、炭酸ガス濃度の低い空気でもって導光路内の空気を置換しているので、レーザビームの吸収散乱を引き起こす炭酸ガスが少なくなる。従って、これらの場合においては、レーザビームの伝播変化は生じないかまたはほとんど生じず、その結果、ワーク上に集光されるレーザのパワーも維持されるので、ワークを良好に加工することが可能となる。
特開平９−９９２８７号公報

しかしながら、窒素ガスを導光路に供給する場合には、レーザ装置の使用時に窒素を供給し続ける必要があるので、ランニングコストが極めて高価になるという問題がある。また、特許文献１の場合においては、窒素ガスを使用しない分だけランニングコストを抑えることが可能であるものの、分子フィルタを備えた炭酸ガス濃度低減装置の設置にかなりのコストを要する。しかも、この炭酸ガス濃度低減装置はレーザ装置を使用しない場合であっても常時通電する必要がある。このため、特許文献１の場合に必要とされる全体的なコストは、窒素ガスを導光路に供給する場合と比較して、それほど少なくなるわけではない。

特に近年においては、ワークの寸法の増大、導光路が複雑な構造である三次元加工機の需要の増大、およびレーザビームの品質向上などを目的として、導光路が長くなる傾向にあるので、レーザビームの吸収散乱が生じる可能性も増す傾向にある。それゆえ、このようなレーザビームの吸収散乱が生じないように、導光路内のビーム雰囲気を良好に維持することが望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することのできるレーザ装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系、例えば集光レンズと、前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、該導光路内の空気を除湿する除湿手段とを具備するレーザ装置が提供される。

２番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系、例えば集光レンズと、前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、空気を除湿する除湿手段と、前記除湿手段によって除湿された除湿空気を前記導光路まで供給する供給手段とを具備するレーザ装置が提供される。

すなわち１番目および２番目の発明においては、導光路内の空気が除湿されるので、空気中の水蒸気濃度が低減する。このため、水蒸気の存在に基づくレーザビームの吸収散乱作用が少なくなるので、レーザビームの伝播変化も生じなくなる。従って、レーザビームの品質が低下することはなく、ワークが加工不良となることも防止できる。除湿手段自体は安価であり、常時通電する必要も無いので、１番目および２番目の発明においては、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間の距離が所定の値よりも大きい場合には、複数の除湿手段を含むようにした。
すなわち３番目の発明においては、レーザ発振器と集光光学系との間の距離に相当する導光路の長さが所定の長さ、例えば１０ｍよりも大きい場合には、複数の除湿手段および／または複数の供給手段によって、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路まで供給することができる。例えば導光路の長さが１０ｍよりも大きい場合には、全導光路容積の６０倍以上の除湿空気を導光路に供給するのが好ましい。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記除湿手段により除湿された除湿空気の大気圧露点が０℃以下であるようにした。
除湿空気の大気圧露点、つまり大気圧中で、空気に含まれる水蒸気が冷却されて水滴になるときの温度が０℃より大きい場合には、レーザビームの吸収散乱が大きくなり、良好なレーザビーム伝播を維持できないことが分かっている。従って、４番目の発明においては、除湿空気の大気圧露点を０℃以下とし、それにより、導光路内のビーム雰囲気を良好に維持するようにしている。それゆえ、高温多湿の地域において本発明のレーザ装置を使用することは特に有利である。

５番目の発明によれば、２番目から４番目のいずれかの発明において、さらに、前記供給手段に設けられた切換手段と、該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記空気源からの前記空気のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした。
炭酸ガス濃度の低い空気を導光路に供給した場合には、除湿空気を導光路に供給する場合よりもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができる。従って、５番目の発明においては、除湿空気だけでは導光路におけるレーザビームの伝播変化を解消するのに十分でない場合に、切換弁を用いて炭酸ガス濃度の低い空気を供給することにより、レーザビームの伝播変化の発生を抑え、ワークが加工不良となることを防止できる。それゆえ、炭酸ガス濃度の低い空気のみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることが可能となる。

６番目の発明によれば、２番目から４番目のいずれかの発明において、前記供給手段に設けられた切換手段と、該切換手段に接続された窒素源とを具備し、前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記窒素源からの窒素のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした。
窒素ガスを導光路に供給した場合には、除湿空気を導光路に供給する場合よりもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができる。従って、６番目の発明においては、除湿空気だけでは導光路におけるレーザビームの伝播変化を解消するのに十分でない場合に、切換弁を用いて窒素ガスを導光路を供給することにより、レーザビームの伝播変化の発生を抑え、ワークが加工不良となることを防止できる。それゆえ、窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることが可能となる。

７番目の発明によれば、２番目から４番目のいずれかの発明において、前記供給手段に設けられた切換手段と、該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、さらに、前記切換手段に接続された窒素源を具備し、前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気、前記空気源からの空気または前記窒素源からの窒素のいずれかを前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした。
炭酸ガス濃度の低い空気または窒素ガスを導光路に供給した場合には、除湿空気を導光路に供給する場合よりもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができる。従って、７番目の発明においては、除湿空気だけでは導光路におけるレーザビームの伝播変化を解消するのに十分でない場合に、切換弁を用いて炭酸ガス濃度の低い空気または窒素ガスを導光路を供給することにより、レーザビームの伝播変化の発生を抑え、ワークが加工不良となることを防止できる。それゆえ、炭酸ガス濃度の低い空気および／または窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることが可能となる。なお、除湿空気の供給によってレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができない場合には炭酸ガス濃度の低い空気を導光路に供給するようにし、このような空気の供給によってもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができない場合に窒素ガスを導光路に供給するのが好ましい。

８番目の発明によれば、５番目から７番目のいずれかの発明において、前記切換手段の切換作用は、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間の距離に応じて定まるようにした。
９番目の発明によれば、５番目から７番目のいずれかの発明において、前記集光光学系により集光されたレーザは被加工物を加工するようになっており、前記切換手段の切換作用は、前記被加工物の寸法に応じて定まるようにした。
すなわち８番目および９番目の発明においては、比較的簡単な構成によって、除湿空気および炭酸ガス濃度の少ない空気ならびに窒素ガスのいずれを使用するかを効率的に選択することができる。

各発明によれば、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となるという共通の効果を奏しうる。

さらに、３番目の発明によれば、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路まで供給することができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、除湿空気の大気圧露点を０℃以下とすることにより、導光路内のビーム雰囲気を良好に維持するという効果を奏しうる。
さらに、５番目の発明によれば、炭酸ガス濃度の低い空気のみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることができるという効果を奏しうる。
さらに、６番目の発明によれば、窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることができるという効果を奏しうる。
さらに、７番目の発明によれば、炭酸ガス濃度の低い空気および／または窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることができるという効果を奏しうる。
さらに、８番目または９番目の発明によれば、比較的簡単な構成によって、導光路雰囲気を効率的に選択することができるという効果を奏しうる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に基づくレーザ装置の略図である。本発明に基づくレーザ装置１００は主に金属加工用に用いられ、レーザ発振器２とレーザ加工機１１とを含んでいる。図１に示されるように、これらレーザ発振器２とレーザ加工機１１とは制御装置１を介して互いに電気的に接続されている。

レーザ発振器２は誘導放電励起型である比較的高出力のレーザガス発振器、例えば炭酸ガスレーザである。レーザ発振器２はレーザガス圧制御システム１８に接続された放電管９を含んでいる。レーザガス圧制御システム１８は、レーザ発振器２に形成されたレーザガス供給口１７およびレーザガス排出口１９を介して放電管９へのレーザガスの供給および放電管９からのレーザガスの排出を行うことができる。放電管９の一端には部分透過性を有しないリア鏡６（共振器内部ミラー）が設けられており、放電管９の他端には部分透過性を有する出力鏡８が設けられている。出力鏡８はＺｎＳｅから形成されており、出力鏡８の内面は部分反射コーティングされると共に出力鏡８の外面は全反射コーティングされている。リア鏡６の背面にはレーザパワーセンサ５が配置されている。図示されるように、リア鏡６および出力鏡８の間における放電管９の光共振空間内には二つの放電セクション２９ａ、２９ｂが設けられている。

各放電セクション２９ａ、２９ｂは放電管９を挟むように配置された一対の放電電極７ａ、７ｂをそれぞれ含んでいる。これら放電電極７ａ、７ｂは同一寸法であって、誘電体コーティングが施されているものとする。図１に示されるように放電電極７ａはマッチング回路３を介してレーザ電源４に接続されている。なお、放電電極７ｂも同様のマッチング回路を介してレーザ電源に接続されているが、理解を容易にするためにこれらは図示しない。これらレーザ電源はそれぞれ独立して制御され、対応する各放電セクション２９ａ、２９ｂに供給する電力を自由に調整することができる。

さらに、図示されるように放電管９には送風機１４が配置され、送風機の上流および下流には熱交換器１２、１２'がそれぞれ配置されている。さらに、レーザ発振器２は冷却水循環システム２２に接続されており、放電管９内のレーザガスなどが適宜冷却されるようになっている。

なお、図１においては高速軸流型のレーザ発振器２が示されているが、レーザ発振器２が他の形態のレーザ発振器、例えば３軸直交型発振器もしくは熱拡散冷却によるガススラブレーザであってもよい。

レーザ加工機１１は、レーザ発振器２の出力鏡８から出力されたレーザがこのレーザ加工機１１の内部に入射できるように配置されている。レーザ加工機１１は入射されたレーザを反射する反射鏡１０を含んでいる。図示されるように、反射鏡１０により反射されたレーザは集光レンズ１３および加工ヘッド１６を通って加工テーブル２１上の加工ワーク２０に照射されるようになっている。ここで、ＺｎＳｅから形成される集光レンズ１３の両面は全反射コーティングされている。なお、図面には示さないものの、集光レンズ１３の代わりにパラボラミラーを採用してもよい。

また、加工ワーク２０は加工テーブル２１の位置を水平方向に変更することにより所定の場所に位置決めされる。さらに、図１に示されるようにレーザ加工機１１にはアシストガス供給システム１５が設けられている。レーザ加工機１１外部に設置されたアシストガス源（図示しない）からのアシストガスはアシストガス供給システム１５によって加工ヘッド１６の所望の位置まで供給される。

ところで、図１に示されるように、導光路３０がレーザ発振器２とレーザ加工機１１との間に配置されている。より正確には、導光路３０はレーザ発振器２の出力鏡８とレーザ加工機１１の集光レンズ１３とを接続する中空の管路である。図示されるように、導光路３０は出力鏡８から出力されるレーザの中心線Ｃに対して同軸に配置されており、レーザを反射する反射鏡１０を包含している。

また、本発明の第一の実施形態においては、レーザ装置１００は、導光路３０の側面に形成された開口部３２に供給通路３１によって接続された除湿器４０を含んでいる。図１に示される実施形態においては、供給通路３１およびこれに関連する開口部３２はレーザ発振器２とレーザ加工機１１との間のほぼ中心に位置決めされている。この除湿器４０は、外部から吸入した空気を内部冷却器に接触させることにより空気中の水蒸気を水滴状にし、次いで水蒸気が少なくされた除湿空気を排出するようになっている。当然のことながら、空気中の水蒸気を除去することのできる他の機構を備えた除湿器４０を採用するようにしてもよい。図１においては、制御装置１によって制御される除湿器４０は外部から吸入した空気を除湿して供給通路３１に排出するようになっている。

図２は制御装置の詳細図である。レーザ発振器２とレーザ加工機１１とを電気的に接続する制御装置１は、図２に示されるようにディジタルコンピュータからなり、双方向性バス１０６によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）を含む記憶部１０５と、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）などの処理部１０４と、入力ポートとしての入力部１０２および出力ポートとしての出力部１０３とを具備している。これら入力部１０２および出力部１０３はレーザ発振器２、レーザ加工機１１、除湿器４０および後述する空気源５０、窒素源６０の所定の構成要素に適切に接続されているものとする。

レーザ装置１００の動作時には、レーザガス圧制御システム１８によってレーザガスがレーザガス供給口１７を通って放電管９内に供給される。次いで、送風機１４によってレーザガスは放電管９からなる循環路を循環する。図１において矢印により示されるように、送風機１４から送り出されたレーザガスは圧縮熱を除去するための熱交換器１２'を通過して各放電セクション２９ａ、２９ｂに供給される。

放電セクション２９ａ、２９ｂにおいて放電電極７ａ、７ｂにより、所定の電圧、例えば数百ｋＨｚから数十ＭＨｚの交流電圧を印加すると、放電作用によりレーザガスが励起され、それにより、レーザが発生する。周知の原理により、レーザは光共振空間で増幅され、出力鏡８を通じて出力レーザが取り出される。放電作用により高温となったレーザガスは熱交換器１２によって冷却され、送風機１４に再び戻る。なお、このときには冷却水循環システム２２が作動して、放電管９内のレーザガスなどが適宜冷却されるものとする。

出力鏡８から取り出されたレーザは図示されるようにレーザ発振器２から導光路３０を通ってレーザ加工機１１に供給される。レーザ加工機１１においては、レーザは導光路３０内に配置された反射鏡１０により適切に反射される。反射されたレーザは集光レンズ１３により集光されて、加工ヘッド１６を通じて加工ワーク２０に照射される。これにより、加工テーブル２１上の加工ワーク２０を加工、例えば切断または溶接することが可能となる。

本発明においては、レーザ発振器２からのレーザ出力時には、制御装置１を通じて除湿器４０が起動される。これにより、除湿器４０によって形成された除湿空気が矢印で示されるように供給通路３１を通って開口部３２から導光路３０内に流入する。この除湿空気はレーザ発振器２の起動前から導光路３０内に存在していた空気を掃気する。従って、除湿器４０を起動してから所定の時間が経過すると、導光路３０内の空気は除湿空気に置換されるようになる。従って、レーザ発振器２から出力されたレーザは水蒸気が少なくされた除湿空気中を伝播するようになる。

ところで、図３は導光路内雰囲気とレーザビーム径との関係を示す図である。図３においては、縦軸は導光路３０の集光レンズ１３近傍で計測されたレーザのレーザビーム径Ｄを示している。図３の横軸は導光路３０内の雰囲気を示しており、図３の左方から順番に、窒素（乾燥窒素）雰囲気、炭酸ガス（二酸化炭素）濃度が低くされた炭酸ガス濃度低減空気雰囲気、除湿器４０により形成される除湿空気雰囲気、通常の空気雰囲気を示している。

空気中には炭酸ガス、水蒸気、および／または有機ガス等が存在しているので、レーザが通常の空気中を伝播する場合には、レーザはこれら炭酸ガス等によって吸収散乱され、レーザビーム径Ｄが拡大するようになる。従って、図３に示されるように、レーザが空気中を伝播する際のレーザビーム径Ｄは最も大きい。

一方、レーザが窒素雰囲気を伝播する場合には、窒素が不活性ガスであると共に炭酸ガス、水蒸気、および／または有機ガス等を含んでいないので、レーザの吸収散乱は最も少なく、従って、窒素雰囲気でのレーザビーム径Ｄも最も小さくなっている。

レーザビーム径Ｄが小さいということは、導光路３０におけるレーザビームの吸収散乱が少ないことを意味する。従って、レーザビーム径Ｄが小さい場合には、レーザビームの品質は低下せず、加工ワーク２０におけるレーザのパワーも低下していない。すなわち、レーザビーム径Ｄが小さい場合には加工ワーク２０の加工不良は発生しない。つまり、レーザビーム径Ｄが比較的小さい場合には導光路３０内のビーム雰囲気が良好であるといえる。

また、レーザが炭酸ガス濃度低減空気雰囲気を伝播する場合には、空気中の炭酸ガスが少なくなっているので、炭酸ガスに基づくレーザの吸収散乱も炭酸ガスの低減に応じて少なくなる。この場合、空気中の水蒸気まで除去されるわけではないので、図３に示されるように炭酸ガス濃度低減空気雰囲気の場合にはレーザビーム径Ｄは窒素雰囲気の場合よりも大きい。

さらに、本発明の第一の実施形態のように除湿器４０により形成される除湿空気雰囲気をレーザが伝播する場合には、空気中の水蒸気が少なくなっているので、水蒸気に基づくレーザの吸収散乱も水蒸気の低減に応じて少なくなる。また、この場合、空気中の炭酸ガスまで除去されるわけではないので、除湿空気雰囲気の場合にはレーザビーム径Ｄは炭酸ガス濃度低減空気雰囲気の場合よりも大きい。なお、この場合における除湿空気の大気圧露点、つまり大気圧中で空気に含まれる水蒸気が冷却されて水滴になるときの温度は０℃以下である。

しかしながら、図３から分かるように、空気雰囲気の場合と比較すると、窒素雰囲気、炭酸ガス濃度低減空気雰囲気および除湿空気雰囲気の三つの場合のレーザビーム径Ｄは空気雰囲気の場合のレーザビーム径Ｄよりも大幅に小さく、またこれら三つの場合の間のレーザビーム径Ｄの差は極めて小さい。従って、窒素雰囲気、炭酸ガス濃度低減空気雰囲気および除湿空気雰囲気の三つの場合については、集光レンズ１３近傍で得られるレーザビーム径Ｄは概ね同等であり、加工ワーク２０における加工不良の発生も同程度に少ないと判断できる。

言い換えれば、本発明のように除湿器４０からの除湿空気雰囲気でレーザを伝播させる場合であっても、ランニングコストの比較的高い窒素雰囲気および炭酸ガス濃度低減空気雰囲気の場合と同等のレーザビーム径Ｄおよび加工ワーク２０の加工結果が得られる。そして、除湿器４０は比較的安価に入手可能であって、レーザ発振器２のレーザ出力時にのみ駆動すれば足りるので常時通電する必要もない。従って、除湿器４０を使用して導光路３０内に除湿空気雰囲気を形成するのに要するコストは、窒素雰囲気および炭酸ガス濃度低減空気雰囲気を形成するのに要するコストと比較して大幅に少なくなる。つまり、本発明においては、除湿器４０により形成された除湿空気を導光路３０に供給することによって、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となる。

図１に示される実施形態においては除湿器４０は供給通路３１を介して導光路３０に接続されているが、供給通路３１を備えることなしに、除湿器４０の一部分が導光路３０の開口部３２に直接的に設けられるようにしてもよい。この場合には、導光路３０内の空気を除湿器４０の当該一部分から除湿器４０内部に吸入し、除湿器４０で除湿した後で、除湿空気を開口部３２に通して導光路３０に送り返すようにする。つまり、導光路３０内の空気を直接的に除湿することにより、導光路３０内に除湿空気雰囲気を形成する。このような場合であっても、前述したのと同様な効果が得られるのは明らかである。

なお、供給通路３１およびこれに関連する開口部３２はレーザ発振器２の出力鏡８とレーザ加工機１１の集光レンズ１３との間のほぼ中心に位置決めされるのが好ましい。このような場合には、供給通路３１を通じて開口部３２から供給された除湿空気が導光路３０内に概ね均等に分布し、レーザビームの吸収散乱を導光路３０全体に亙って均等に少なくすることができる。

ところで、前述したように本発明においては除湿器４０により形成される除湿空気の大気圧露点は０℃以下である。反対に、除湿空気の大気圧露点が０℃より大きい場合には、除湿空気内に水蒸気が生じるのでレーザビームの吸収散乱が発生し、レーザビーム径Ｄが増大するので、良好なビーム雰囲気を形成することができない。特に高温多湿地域においては、導光路３０内に存在する空気中の水蒸気も当然に多いので、レーザビームも吸収散乱されやすくなる。これに対し、本発明においては、除湿空気によって導光路３０内を置換するので、導光路３０内の水蒸気は外部空気中の水蒸気と比較して極めて少なくなる。従って、高温多湿地域において本発明のレーザ装置１００を使用するのは特に有利である。

図４は本発明の第二の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。図４および後述する図５において図１と同じ符号が付されている部材については、図１を参照して説明したのと同様であるので説明を省略する。第二の実施形態においては、出力鏡８と集光レンズ１３とを接続する導光路３０は比較的長くなっている。図４においては、導光路３０は１０ｍより長いものとする。

第二の実施形態においては、導光路３０の側面において、二つの開口部３２ａ、３２ｂが形成されている。除湿空気を導光路３０内に均等に分布させるために、二つの開口部３２ａ、３２ｂは出力鏡８と集光レンズ１３との間の導光路３０全体を概ね三等分する位置に形成されるのが好ましい。そして、それぞれの開口部３２ａ、３２ｂから延びる供給通路３１ａ、３１ｂに、除湿器４０ａ、４０ｂがそれぞれ接続されている。これら除湿器４０ａ、４０ｂは第一の実施形態で示した除湿器４０と同様である。

導光路３０が比較的長い場合には導光路３０の容積も当然に大きくなるので、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路に供給するのが困難になると共に、単一の除湿器４０のみによって導光路３０内を除湿空気で置換するのにかなりの時間を要する。図４に示される実施形態においては、複数、例えば二つの除湿器４０ａ、４０ｂの両方から除湿空気を供給しているので、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路に供給でき、また導光路３０内の空気を短時間で除湿空気により置換できるようになる。本実施形態においては、導光路３０全体の容積の６０倍以上の除湿空気（単位時間当たり）を導光路３０内に供給するのが好ましく、これにより、窒素雰囲気等の場合と同程度のレーザビーム径Ｄを確保することが可能となる。従って、本実施形態においても、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となる。なお、当然のことながら、さらに多数の除湿器４０を備える構成にしてもよい。

ところで、レーザビームの吸収散乱の発生が予想される場合には、除湿空気雰囲気から、炭酸ガス濃度低減空気雰囲気または窒素雰囲気に切換えるようにしてもよい。図５は本発明の第三の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。図５においては、除湿器４０から延びる通路４９が切換弁７０を介して供給通路３１に接続されている。さらに、空気源５０および窒素源６０からそれぞれ延びる通路５９、６９も切換弁７０を介して供給通路３１に接続されている。

空気源５０は分子フィルタ５１を内部に備えている。空気源５０内の空気は分子フィルタ５１を通って通路５９まで供給される。分子フィルタ５１は炭酸ガス分子を濾過する役目を果たすので、空気は分子フィルタ５１を通過することによって、その炭酸ガス濃度が低減される。なお、分子フィルタ５１は、所定の使用期間の後または所定の空気量の処理の後で、空気を逆方向に供給することにより再生される。一方、窒素源６０には乾燥窒素が充填されている。

これら空気源５０と窒素源６０とは制御装置１に電気的に接続されており、制御装置１からの指令によって、炭酸ガスの少ない空気および窒素を対応する通路５９、６９にそれぞれ供給するようになっている。同様に、切換弁７０も制御装置１からの指令によって、通路４９、５９、６９のうちのいずれか一つが供給通路３１に連通するように作動する。

図５に示される第三の実施形態においては、切換弁７０を適宜切換えることによって、除湿空気、炭酸ガスの少ない空気、窒素のうちのいずれかを導光路３０に供給することができる。これにより、第三の実施形態においても、前述したのと同様な効果を得ることができる。

なお、除湿空気、炭酸ガスの少ない空気、窒素のうちのどれを選択するかについては、例えば光路長Ｌ、つまり出力鏡８と集光レンズ１３との間の距離に基づいて定めるようにしてもよい。図６はいずれの雰囲気を採用するかを決定する際のフローチャートである。図６に示されるステップ１０１においてレーザ装置１００の光路長Ｌが所定の長さＬ０よりも大きいか否かが判定される。所定長さの光路長Ｌ０は例えば１０ｍである。光路長Ｌが所定の長さＬ０以下である場合にはステップ１０６に進んで、除湿器４０からの除湿空気を使用するように切換弁７０が切換えられる。

光路長Ｌが所定の長さＬ０より大きいと判定された場合にはステップ１０２に進んで、レーザ発振器２の出力Ｐが所定の値Ｐ０よりも大きいか否かが判定される。所定の値Ｐ０は例えば２ｋＷであるものとする。そして、出力Ｐが所定の値Ｐ０以下であると判定された場合にはステップ１０６に進む。このような場合には、加工ワーク２０を加工不良とするほど大きなレーザビームの伝播変化は生じないと判定されるので、除湿器４０からの除湿空気を使用するように切換弁７０が切換えられる。

一方、レーザ発振器２の出力Ｐが所定の値Ｐ０より大きいと判定された場合にはステップ１０３に進み、光路長Ｌが所定の値Ｌ１よりも大きいか否かがさらに判定される。所定の値Ｌ１は所定の値Ｌ０よりも大きい値である。そして、光路長Ｌが所定の値Ｌ１以下であると判定された場合にはステップ１０５に進んで、空気源５０からの炭酸ガス濃度低減空気を使用するように切換弁７０が切換えられる。一方、光路長Ｌが所定の値Ｌ１より大きいと判定された場合にはステップ１０４に進んで、窒素源６０からの窒素ガスを使用するよう切換弁７０が切換えられる。

つまり、光路長Ｌが長くなるほどレーザビームの吸収散乱が起こりうるので、光路長Ｌが長くなるにつれて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気、窒素ガスの順番で導光路内雰囲気が選択されるようにしている。このような場合には、ランニングコストが比較的高い炭酸ガス濃度低減空気および窒素ガスの使用を可能な限り少なくすることができる。なお、図６におけるステップ１０３を設けることなしに窒素ガスまたは炭酸ガス濃度低減空気のいずれかを適宜使用するようにしてもよい。このような場合には、空気源５０または窒素源６０のうちのいずれか一方が排除されていてもよい。

さらに、除湿空気、炭酸ガスの少ない空気、窒素のうちのどれを選択するかについては、加工ワーク２０の寸法に基づいて定めるようにしてもよい。図７はいずれの雰囲気を採用するかを決定する際の他のフローチャートである。図７におけるステップ２０１においては加工ワーク２０の寸法、より正確には表面積Ａが所定の値Ａ１よりも大きいか否かが判定される。そして、加工ワーク２０の表面積Ａが所定の値Ａ１以下である場合にはステップ２０５に進んで、除湿空気を使用するよう切換弁７０が切換えられる。

加工ワーク２０の表面積Ａが所定の値Ａ１よりも大きい場合には、ステップ２０２に進んでこの表面積Ａが所定の値Ａ２（Ａ２＞Ａ１）よりも大きいか否かがさらに判定される。そして、表面積Ａが所定の値Ａ２以下である場合には空気源５０からの炭酸ガス濃度低減空気を使用するよう切換弁７０が切換えられ（ステップ２０４）、表面積Ａが所定の値Ａ２より大きい場合には窒素源６０からの窒素が使用されるよう切換弁７０が切換えられる（ステップ２０３）。

加工ワーク２０の寸法が大きくなると、これに伴って導光路３０の長さも増大し、従って、レーザビームの吸収散乱も起こりうるので、加工ワーク２０の寸法、例えば表面積が大きくなるにつれて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気、窒素ガスの順番で選択すれば、ランニングコストが比較的高い炭酸ガス濃度低減空気および窒素ガスの使用を可能な限り少なくすることが可能となる。

当然のことながら、他のパラメータ、例えばレーザビームのエネルギ密度に応じて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気および窒素ガスのうちのいずれかを選択するようにしてもよい。この場合には、レーザビームのエネルギ密度が小さくなるにつれて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気、窒素ガスの順番で選択すればよい。また、前述した実施形態のいくつかを適宜組み合わせることは本発明の範囲に含まれる。

本発明の第一の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。 制御装置の詳細図である。 レーザ出力が５ｋＷであると共に光路長が１０ｍであるときにおける、導光路内雰囲気とレーザビーム径との関係を示す図である。 本発明の第二の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。 本発明の第三の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。 本発明に基づくレーザ装置においていずれの雰囲気を採用するかを決定する際のフローチャートである。 本発明に基づくレーザ装置においていずれの雰囲気を採用するかを決定する際の他のフローチャートである。

符号の説明

１ 制御装置
８ 出力鏡
９ 放電管
１０ 反射鏡
１１ レーザ加工機
１３ 集光レンズ
１６ 加工ヘッド
２０ 加工ワーク
２１ 加工テーブル
３０ 導光路
３１ 供給通路
３１ａ、３１ｂ 供給通路
３２ 開口部
３２ａ、３２ｂ 開口部
４０ 除湿器
４０ａ、４０ｂ 除湿器
４９ 通路
４９、５９、６９ 通路
５０ 空気源
５１ 分子フィルタ
６０ 窒素源
７０ 切換弁
１００ レーザ装置

Claims (9)

1. レーザ発振器と、
   該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系と、
   前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、
   該導光路内の空気を除湿する除湿手段とを具備するレーザ装置。
2. レーザ発振器と、
   該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系と、
   前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、
   空気を除湿する除湿手段と、
   前記除湿手段によって除湿された除湿空気を前記導光路まで供給する供給手段とを具備するレーザ装置。
3. 前記レーザ発振器と前記集光光学系との間の距離が所定の値よりも大きい場合には、複数の除湿手段を含むようにした請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記除湿手段により除湿された除湿空気の大気圧露点が０℃以下であるようにした請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
5. さらに、前記供給手段に設けられた切換手段と、
   該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、
   前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記空気源からの前記空気のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした請求項２から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記供給手段に設けられた切換手段と、
   該切換手段に接続された窒素源とを具備し、
   前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記窒素源からの窒素のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした請求項２から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記供給手段に設けられた切換手段と、
   該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、
   さらに、前記切換手段に接続された窒素源を具備し、
   前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気、前記空気源からの空気または前記窒素源からの窒素のいずれかを前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした請求項２から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
8. 前記切換手段の切換作用は、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間の距離に応じて定まるようにした請求項５から７のいずれか一項に記載のレーザ装置。
9. 前記集光光学系により集光されたレーザは被加工物を加工するようになっており、
   前記切換手段の切換作用は、前記被加工物の寸法に応じて定まるようにした請求項５から７のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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