JP2712937B2 - ガスレーザ発振装置 - Google Patents
ガスレーザ発振装置Info
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- JP2712937B2 JP2712937B2 JP3258926A JP25892691A JP2712937B2 JP 2712937 B2 JP2712937 B2 JP 2712937B2 JP 3258926 A JP3258926 A JP 3258926A JP 25892691 A JP25892691 A JP 25892691A JP 2712937 B2 JP2712937 B2 JP 2712937B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種材料の加工，溶接
および熱処理に用いる、被加工物の厚さに応じて集光レ
ンズを交換する必要がないガスレーザ発振装置に関す
る。
および熱処理に用いる、被加工物の厚さに応じて集光レ
ンズを交換する必要がないガスレーザ発振装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ガスレーザ発振装置は、放電管に設けた
金属電極間の放電によりレーザガスを励起し、放電管の
両端に設けたミラーによって形成された共振器によりレ
ーザ光を発生させ、出力ミラーから出射されたレーザ光
を集光レンズを用いて集光し、各種材料を加工，溶接お
よび熱処理を行う。
金属電極間の放電によりレーザガスを励起し、放電管の
両端に設けたミラーによって形成された共振器によりレ
ーザ光を発生させ、出力ミラーから出射されたレーザ光
を集光レンズを用いて集光し、各種材料を加工，溶接お
よび熱処理を行う。
【０００３】以下、図面を参照して従来のガスレーザ発
振装置を用いたレーザ加工装置の一例について説明す
る。図５に従来のレーザ加工装置を示す。図５におい
て、１はガスレーザ発振装置であり、主に以下の部分に
より構成されている。すなわち２はガラス等の誘電体か
らなる２本の放電管、３と４は放電管２の内部に設けら
れた対となった金属電極、５は金属電極３および４に接
続された高圧電源、６はレーザガスの入口、７はレーザ
ガスの出口、８は終段ミラー、９は出力ミラー、１０は
出力ミラー９を冷却する冷却水回路、１１はガスレーザ
発振装置１の出力ミラー９から出力されたレーザビー
ム、１２はレーザビーム１１を被加工物（以下ワークと
いう）１４に導く全反射ミラー、１３はレーザビーム１
１を集光する集光レンズである。
振装置を用いたレーザ加工装置の一例について説明す
る。図５に従来のレーザ加工装置を示す。図５におい
て、１はガスレーザ発振装置であり、主に以下の部分に
より構成されている。すなわち２はガラス等の誘電体か
らなる２本の放電管、３と４は放電管２の内部に設けら
れた対となった金属電極、５は金属電極３および４に接
続された高圧電源、６はレーザガスの入口、７はレーザ
ガスの出口、８は終段ミラー、９は出力ミラー、１０は
出力ミラー９を冷却する冷却水回路、１１はガスレーザ
発振装置１の出力ミラー９から出力されたレーザビー
ム、１２はレーザビーム１１を被加工物（以下ワークと
いう）１４に導く全反射ミラー、１３はレーザビーム１
１を集光する集光レンズである。
【０００４】以上のような構成のレーザ加工装置につい
て、その動作および加工原理について説明する。まず図
示されていない送風機により放電管内にレーザガスを流
し、対となった金属電極３および４間に高圧電源５から
高電圧を印加し、放電管２内で対となった金属電極３お
よび４間で放電を発生させる。放電により放電空間が励
起され、放電空間のエネルギーは出力ミラー９と終段ミ
ラー８によって形成された光共振器で共振状態となり、
増幅されて出力ミラー９からレーザビーム１１が出力さ
れる。出力ミラー９ではレーザビーム１１が通過すると
きレーザ光の一部が吸収される。出力ミラー９が過度に
レーザ光を吸収すると熱レンズ効果と呼ばれる現象、す
なわち出力ミラー９内に温度差が発生し、凸状に変形し
レンズ効果を持つ。このためレーザビーム１１の径が小
さくなることが知られており、レーザビーム１１の径が
変化しないように、可能な限り冷却水により冷却してい
る。レーザビーム１１は全反射ミラー１２により集光レ
ンズ１３に誘導され、図４に示すように集光レンズ１３
の焦点距離で集光される。この集光したレーザ光を綱板
等のワーク１４に照射して切断加工を行う。この集光さ
れたレーザ光はスポット径と焦点深度という２つの指標
で表され、通常、スポット径は約０．２mm、エネルギー
密度が１０6〜１０7Ｊ／cm2に達する範囲すなわち焦点
深度は数mm以上となり、厚さ数mmの鉄板等を溶融し切断
することが可能となる。一般に、レーザ加工において
は、薄板切断にはスポット径の小さいもの、厚板切断で
は焦点深度の大きいものが良いとされている。
て、その動作および加工原理について説明する。まず図
示されていない送風機により放電管内にレーザガスを流
し、対となった金属電極３および４間に高圧電源５から
高電圧を印加し、放電管２内で対となった金属電極３お
よび４間で放電を発生させる。放電により放電空間が励
起され、放電空間のエネルギーは出力ミラー９と終段ミ
ラー８によって形成された光共振器で共振状態となり、
増幅されて出力ミラー９からレーザビーム１１が出力さ
れる。出力ミラー９ではレーザビーム１１が通過すると
きレーザ光の一部が吸収される。出力ミラー９が過度に
レーザ光を吸収すると熱レンズ効果と呼ばれる現象、す
なわち出力ミラー９内に温度差が発生し、凸状に変形し
レンズ効果を持つ。このためレーザビーム１１の径が小
さくなることが知られており、レーザビーム１１の径が
変化しないように、可能な限り冷却水により冷却してい
る。レーザビーム１１は全反射ミラー１２により集光レ
ンズ１３に誘導され、図４に示すように集光レンズ１３
の焦点距離で集光される。この集光したレーザ光を綱板
等のワーク１４に照射して切断加工を行う。この集光さ
れたレーザ光はスポット径と焦点深度という２つの指標
で表され、通常、スポット径は約０．２mm、エネルギー
密度が１０6〜１０7Ｊ／cm2に達する範囲すなわち焦点
深度は数mm以上となり、厚さ数mmの鉄板等を溶融し切断
することが可能となる。一般に、レーザ加工において
は、薄板切断にはスポット径の小さいもの、厚板切断で
は焦点深度の大きいものが良いとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
加工においてはワークの厚みが１mm以下の薄板から１９
mmの厚板までの加工を要求される。一方、光学理論で
は、図４に示すように、 （１）スポット径は集光レンズに入るレーザビームの径
により定まり、焦点深度はスポット径に反比例する。す
なわち、レーザビーム径が大きいとスポット径は小さ
く、焦点深度は浅くなる。
加工においてはワークの厚みが１mm以下の薄板から１９
mmの厚板までの加工を要求される。一方、光学理論で
は、図４に示すように、 （１）スポット径は集光レンズに入るレーザビームの径
により定まり、焦点深度はスポット径に反比例する。す
なわち、レーザビーム径が大きいとスポット径は小さ
く、焦点深度は浅くなる。
【０００６】（２）スポット径は集光レンズの焦点距離
に比例する。の２点が明確に証明され、公知である。
に比例する。の２点が明確に証明され、公知である。
【０００７】したがって、最適に加工するためにはワー
クに合わせて、薄板切断の場合には集光レンズの焦点深
度の小さいもの、厚板切断の場合には焦点深度の大きい
ものに交換して使用しなければならないという問題があ
った。
クに合わせて、薄板切断の場合には集光レンズの焦点深
度の小さいもの、厚板切断の場合には焦点深度の大きい
ものに交換して使用しなければならないという問題があ
った。
【０００８】本発明はこのような従来の問題を解決する
もので、集光レンズを交換することなくワークの板厚に
応じて、常に良好な切断ができるレーザビームを発生す
るガスレーザ発振装置を提供することを目的とする。
もので、集光レンズを交換することなくワークの板厚に
応じて、常に良好な切断ができるレーザビームを発生す
るガスレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のガスレーザ発振
装置は、内部に励起するレーザガスを配した絶縁体から
なる少なくとも１本の放電管と、前記放電管の両端に配
置し共振器を形成する終段ミラー及び出力ミラーと、前
記出力ミラーの冷却量を制御する冷却制御部を備え、前
記冷却制御部で、レーザ加工されるワークの厚さが薄い
ときの出力ミラーの冷却量に比べてワークの厚さが厚い
ときの出力ミラーの冷却量を小さくするものである。
装置は、内部に励起するレーザガスを配した絶縁体から
なる少なくとも１本の放電管と、前記放電管の両端に配
置し共振器を形成する終段ミラー及び出力ミラーと、前
記出力ミラーの冷却量を制御する冷却制御部を備え、前
記冷却制御部で、レーザ加工されるワークの厚さが薄い
ときの出力ミラーの冷却量に比べてワークの厚さが厚い
ときの出力ミラーの冷却量を小さくするものである。
【００１０】
【作用】本発明は、出力ミラーに温度分布が発生すれば
熱レンズ効果と呼ばれるレーザビームの径が小さくなる
現象が発生することを利用したものであり、熱レンズ効
果により変化したレーザビーム径とスポット径および焦
点深度の関係を図４に示している。すなわち、図４にお
いて１３は集光レンズであり、φＡは熱レンズ効果が生
じていないときのレーザビーム径、φＢは熱レンズ効果
が生じているときのレーザビーム径であり、レーザビー
ム径が小さい場合にスポット径が大きくなり焦点深度が
大きくなることを示している。
熱レンズ効果と呼ばれるレーザビームの径が小さくなる
現象が発生することを利用したものであり、熱レンズ効
果により変化したレーザビーム径とスポット径および焦
点深度の関係を図４に示している。すなわち、図４にお
いて１３は集光レンズであり、φＡは熱レンズ効果が生
じていないときのレーザビーム径、φＢは熱レンズ効果
が生じているときのレーザビーム径であり、レーザビー
ム径が小さい場合にスポット径が大きくなり焦点深度が
大きくなることを示している。
【００１１】上記した構成により、レーザ出力により出
力ミラーの冷却能力を変化させ、この熱レンズ効果を故
意に発生させて利用することにより、ワークの板厚に応
じて薄板には小さなスポット径、厚板に対しては大きな
焦点深度が得られるレーザビーム径とすることにより切
断性能の向上がはかれる。
力ミラーの冷却能力を変化させ、この熱レンズ効果を故
意に発生させて利用することにより、ワークの板厚に応
じて薄板には小さなスポット径、厚板に対しては大きな
焦点深度が得られるレーザビーム径とすることにより切
断性能の向上がはかれる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明のガスレーザ発振装置の一実施
例について説明する。図１は本発明のガスレーザ発振装
置を用いたレーザ加工装置の一実施例の要部構成を示し
ている。
例について説明する。図１は本発明のガスレーザ発振装
置を用いたレーザ加工装置の一実施例の要部構成を示し
ている。
【００１３】図１において従来例を示す図５と同じ部分
については同じ符号を付して説明は省略し、異なる点に
ついて説明する。図１において、１５はレーザ出力設定
信号発生器、１６は出力ミラー部を冷却する冷却量（こ
こでは冷却水の流量）をレーザ出力設定器１５の信号に
より制御する冷却制御部となる冷却水制御部であり、そ
の他の構成は図５と同じである。
については同じ符号を付して説明は省略し、異なる点に
ついて説明する。図１において、１５はレーザ出力設定
信号発生器、１６は出力ミラー部を冷却する冷却量（こ
こでは冷却水の流量）をレーザ出力設定器１５の信号に
より制御する冷却制御部となる冷却水制御部であり、そ
の他の構成は図５と同じである。
【００１４】このような構成のレーザ加工装置において
は、出力ミラー９は Ｐ＝レーザ出力×吸収率 で表される熱量Ｐを吸収するため、十分な冷却を行わな
いとレーザ出力により出力ミラー９の温度分布が変化す
る。冷却方法により一律には定まらないが、図２に出力
３kWで試験した、出力ミラー９から４ｍの地点での冷却
水量とレーザビーム径の関係および冷却水量と出力ミラ
ー９の温度の関係を実測した一例を示す。出力３kWで行
った試験においては、出力ミラー９の冷却水量を低下さ
せることにより熱レンズ効果が観察された。また出力ミ
ラー９の寿命は表面温度で推定できるが、冷却水を停止
しても温度上昇の限界は７０℃程度であり、出力ミラー
９の使用限界の１００℃までには、余裕があることが確
認された。
は、出力ミラー９は Ｐ＝レーザ出力×吸収率 で表される熱量Ｐを吸収するため、十分な冷却を行わな
いとレーザ出力により出力ミラー９の温度分布が変化す
る。冷却方法により一律には定まらないが、図２に出力
３kWで試験した、出力ミラー９から４ｍの地点での冷却
水量とレーザビーム径の関係および冷却水量と出力ミラ
ー９の温度の関係を実測した一例を示す。出力３kWで行
った試験においては、出力ミラー９の冷却水量を低下さ
せることにより熱レンズ効果が観察された。また出力ミ
ラー９の寿命は表面温度で推定できるが、冷却水を停止
しても温度上昇の限界は７０℃程度であり、出力ミラー
９の使用限界の１００℃までには、余裕があることが確
認された。
【００１５】図３には本発明のガスレーザ発振装置にお
ける、出力ミラー９から４ｍの地点でのレーザ出力とレ
ーザビーム径の関係の実測結果を示している。図３によ
れば、冷却能力が低い場合にはレーザ出力が１．５kW以
下ではレーザビーム径は大きく、かつ一定であり、出力
が大きくなるにしたがいレーザビーム径は次第に小さく
なる。光学理論では前述したように、レーザビーム径が
小さくなればスポット径は大きくなり焦点深度は大きく
なることが判明している。したがって、図３は冷却能力
によってレーザ出力が一定となるレーザ出力の範囲が異
なることを示しており、レーザ出力が大きい範囲では、
同じレーザ出力でも出力ミラー９の冷却状態によって焦
点深度を変えることができることを示している。
ける、出力ミラー９から４ｍの地点でのレーザ出力とレ
ーザビーム径の関係の実測結果を示している。図３によ
れば、冷却能力が低い場合にはレーザ出力が１．５kW以
下ではレーザビーム径は大きく、かつ一定であり、出力
が大きくなるにしたがいレーザビーム径は次第に小さく
なる。光学理論では前述したように、レーザビーム径が
小さくなればスポット径は大きくなり焦点深度は大きく
なることが判明している。したがって、図３は冷却能力
によってレーザ出力が一定となるレーザ出力の範囲が異
なることを示しており、レーザ出力が大きい範囲では、
同じレーザ出力でも出力ミラー９の冷却状態によって焦
点深度を変えることができることを示している。
【００１６】以上の結果によれば、出力レーザ値の設定
信号により出力ミラー９部の冷却能力を変化させる冷却
水制御部１６を設けたガスレーザ発振装置１を製作すれ
ば、冷却水量により出力ミラー９の温度を変化させて集
光されたレーザ光のスポット径および焦点深度を変える
ことが可能となり、レーザ加工装置の切断性能を向上さ
せることができる。すなわち、 （１）小さなレーザ出力を使用する薄板の領域では出力
ミラー９での熱の吸収は少なく熱レンズ効果は生じない
ので、レーザビーム径は大きく小さなスポット径を得る
ことができ、薄板の切断に適している。
信号により出力ミラー９部の冷却能力を変化させる冷却
水制御部１６を設けたガスレーザ発振装置１を製作すれ
ば、冷却水量により出力ミラー９の温度を変化させて集
光されたレーザ光のスポット径および焦点深度を変える
ことが可能となり、レーザ加工装置の切断性能を向上さ
せることができる。すなわち、 （１）小さなレーザ出力を使用する薄板の領域では出力
ミラー９での熱の吸収は少なく熱レンズ効果は生じない
ので、レーザビーム径は大きく小さなスポット径を得る
ことができ、薄板の切断に適している。
【００１７】（２）大きなレーザ出力を使用する厚板の
領域では、出力ミラー９での熱吸収が大きく、熱レンズ
効果が生じてレーザビーム径が小さくなり、大きな焦点
深度が得られ、冷却水量をレーザ出力に応じて制御する
ことにより各板厚の厚板の切断に適した焦点深度とする
ことができる。
領域では、出力ミラー９での熱吸収が大きく、熱レンズ
効果が生じてレーザビーム径が小さくなり、大きな焦点
深度が得られ、冷却水量をレーザ出力に応じて制御する
ことにより各板厚の厚板の切断に適した焦点深度とする
ことができる。
【００１８】以上、説明したガスレーザ発振装置は出力
ミラー９が水冷式であったが、出力ミラー９の冷却は強
制空冷によるものであっても上記と同等の結果が得られ
る。ただし、この場合は上記実施例における出力ミラー
９を冷却する冷却水量を制御する冷却水制御部１６が、
出力ミラー９を冷却する冷却風量を制御する冷却風制御
部となる。
ミラー９が水冷式であったが、出力ミラー９の冷却は強
制空冷によるものであっても上記と同等の結果が得られ
る。ただし、この場合は上記実施例における出力ミラー
９を冷却する冷却水量を制御する冷却水制御部１６が、
出力ミラー９を冷却する冷却風量を制御する冷却風制御
部となる。
【００１９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、ワーク
が薄板の領域ではレーザ出力が小さく熱レンズ効果は生
じないためレーザビームは大きく、薄板の切断に適した
小さなスポット径が得られる。ワークが厚板の領域では
レーザ出力が大きく熱レンズ効果が生じるためレーザビ
ームは小さくなり、大きな焦点深度が得られるが、本発
明により、出力ミラーを冷却し、レーザ出力に応じて冷
却の程度を制御することによりレーザビーム径を調整
し、各板厚の厚板の切断に適した大きさの焦点深度が得
られる。このように、ワークの板厚に応じてレーザ出力
とともに出力ミラーの冷却の程度を変化させることによ
り、各板厚に適したスポット径と焦点深度が得られ、切
断性能の向上が果たせる。
が薄板の領域ではレーザ出力が小さく熱レンズ効果は生
じないためレーザビームは大きく、薄板の切断に適した
小さなスポット径が得られる。ワークが厚板の領域では
レーザ出力が大きく熱レンズ効果が生じるためレーザビ
ームは小さくなり、大きな焦点深度が得られるが、本発
明により、出力ミラーを冷却し、レーザ出力に応じて冷
却の程度を制御することによりレーザビーム径を調整
し、各板厚の厚板の切断に適した大きさの焦点深度が得
られる。このように、ワークの板厚に応じてレーザ出力
とともに出力ミラーの冷却の程度を変化させることによ
り、各板厚に適したスポット径と焦点深度が得られ、切
断性能の向上が果たせる。
【図１】本発明のガスレーザ発振装置を用いたレーザ加
工装置の一実施例の要部構成図
工装置の一実施例の要部構成図
【図２】冷却水量と出力ミラー温度との関係および冷却
水量とレーザビーム径との関係を示す特性図
水量とレーザビーム径との関係を示す特性図
【図３】レーザ出力とレーザビーム径との関係を示す特
性図
性図
【図４】レーザビーム径とスポット径および焦点深度の
関係を示す集光レンズ部の断面図
関係を示す集光レンズ部の断面図
【図５】従来のガスレーザ発振装置を用いたレーザ加工
装置の要部構成図
装置の要部構成図
１ ガスレーザ発振装置 ２ 放電管 ３，４ 金属電極 ５ 高圧電源 ８ 終段ミラー ９ 出力ミラー １５ レーザ出力信号発生器 １６ 冷却水制御部
Claims (2)
- 【請求項１】 内部に励起するレーザガスを配した絶縁
体からなる少なくとも１本の放電管と、前記放電管の両
端に配置し共振器を形成する終段ミラー及び出力ミラー
と、前記出力ミラーの冷却量を制御する冷却制御部を備
え、前記冷却制御部で、レーザ加工されるワークの厚さ
が薄いときの出力ミラーの冷却量に比べてワークの厚さ
が厚いときの出力ミラーの冷却量を小さくすることを特
徴とするガスレーザ発振装置。 - 【請求項２】 レーザ出力信号発生器の信号を冷却制御
部へ入力し、レーザ出力をレーザ加工されるワークの板
厚に応じて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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3258926A JP2712937B2 (ja) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | ガスレーザ発振装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3258926A JP2712937B2 (ja) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | ガスレーザ発振装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05102554A JPH05102554A (ja) | 1993-04-23 |
| JP2712937B2 true JP2712937B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=17326962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3258926A Expired - Fee Related JP2712937B2 (ja) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | ガスレーザ発振装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2712937B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5146373B2 (ja) * | 2009-03-12 | 2013-02-20 | パナソニック株式会社 | レーザ発振装置とレーザ加工機 |
| JP5401374B2 (ja) * | 2009-03-25 | 2014-01-29 | ユニバーサル製缶株式会社 | レーザー加工装置 |
| JP5396357B2 (ja) * | 2010-09-14 | 2014-01-22 | 株式会社アマダ | レーザ加工装置及びその制御方法 |
| CN206878305U (zh) * | 2017-05-11 | 2018-01-12 | 南通卓锐激光科技有限公司 | 一种集成镜片绝缘冷却结构的多管二氧化碳激光器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6017973A (ja) * | 1983-07-11 | 1985-01-29 | Mitsubishi Electric Corp | レ−ザ−発振器 |
| JPS62243382A (ja) * | 1986-04-15 | 1987-10-23 | Komatsu Ltd | レ−ザ発振器 |
-
1991
- 1991-10-07 JP JP3258926A patent/JP2712937B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05102554A (ja) | 1993-04-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |