JPH07221373A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ファンの騒音を少なくするとともに、冷却水の
水温を高い精度で制御して安定なレーザ出力を得る。 ［構成］冷却水は、ポンプ１６の駆動によって配管２
８，３０，５０および４８を介してレーザ発振器４６、
熱交換器２４およびタンク１８を循環し、熱交換器２４
においてファン２６により供給される外気との熱交換に
より外気の温度に温調される。ファン２６のファンモー
タ２６ａは交流の誘導電動機からなり、ファンモータ駆
動回路５６がインバータ回路からなり、ＣＰＵ５４がイ
ンバータ周波数を連続的に可変制御することによって、
ファン２６の回転数を連続的に可変制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振部に熱交換
器を介して冷却水を循環供給するレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＹＡＧレーザ等の固体レーザ装置では、
レーザ発振動作を安定化させる目的でレーザ発振器内の
レーザロッドおよび励起ランプを冷却水で強制冷却する
ようにしており、一般には、タンクから冷却水をポンプ
で汲み出してレーザ発振器に供給し、レーザ発振器から
出た冷却水を熱交換器で冷やしてからタンクに戻すよう
にしている。従来のこの種レーザ装置は、水冷式の熱交
換器（水−水熱交換器）を備え、その一次側に市水を用
いるため、市水の配管設備が不可能または困難な工場で
は使用不能または使用困難になるという不都合があっ
た。

【０００３】そこで、本出願人は、先に、装置背部に筐
体を取り付けて、この筐体の中に空冷式の熱交換器たと
えばラジエータを設け、筐体の所定位置に取り付けたフ
ァンで外気の風をラジエータに当てて冷却水を冷却する
ようにした一体型のレーザ装置を開発しており、これは
特願平５−３９１７２として既に出願済みである。この
先願のレーザ装置は、熱交換器に市水を用いないので、
市水配管設備のない工場でも使えるという特長を有して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような強制空冷
式のレーザ装置においては、ファンの騒音が課題であっ
た。この種のファンは、ファンプロペラを電動式ファン
モータの回転軸に取付してなるもので、回転数（回転速
度）にほぼ比例した騒音を発生する。従来は、ファンモ
ータの回転速度を定格速度で固定し、レーザ装置が作動
している間はファンを一定の回転数で常時回転させてい
たため、ファンの音が絶えず付近に及び、作業場の環境
を害していた。

【０００５】また、ファンの回転数が固定されているた
め、レーザ出力や周囲温度に応じて熱交換器の冷却特性
を最適に制御するのが難しく、レーザ装置の立上げ時に
冷却水の水温が設定温度に安定するまでに長い時間を要
したり、レーザ装置の作動中に冷却水の水温が定常温度
から外れたりすることがあった。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、騒音を少なくし、冷却水の水温を動的（立上が
り時）にも静的（定常時）にも高い精度で制御し、安定
なレーザ出力を得るようにしたレーザ装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の第１のレーザ装置は、レーザ発振部に空冷
式の熱交換器を介して冷却水を循環供給するようにした
レーザ装置において、前記熱交換器に風を供給するため
のファンと、前記レーザ発振部に供給される冷却水の温
度を検出するための温度センサと、前記温度センサの出
力信号に応じて前記ファンの回転数を可変制御する制御
手段とを具備する構成とした。

【０００８】また、本発明の第２のレーザ装置は、上記
第１のレーザ装置において、前記制御手段が、立ち上げ
時に前記レーザ発振部に供給される冷却水の温度が所定
の上昇率で設定温度まで上昇するように前記ファンの回
転数を可変制御する構成とした。

【０００９】また、本発明の第３のレーザ装置は、上記
第１のレーザ装置において、前記制御手段が、前記レー
ザ発振部に投入される電力の変化に応じて前記ファンの
回転数を可変制御する構成とした。

【００１０】

【作用】本発明の第１のレーザ装置では、レーザ発振部
に供給される冷却水の水温が温度センサで検出され、熱
交換器に風を供給するファンの回転数が温度センサの出
力信号に応じて可変制御されることにより、レーザ発振
部内の発熱量に応じてファンの回転数が変化する。した
がって、レーザ発振出力が低い時あるいは中断している
時は、ファンの回転数は低く、騒音が少なくなる。

【００１１】第２のレーザ装置では、冷却水の水温が、
所定の上昇率で立ち上げられることによって、ハンチン
グを起こさずに最短時間で予め設定された定常温度に到
達することができる。

【００１２】第３のレーザ装置では、レーザ発振部に供
給される電力の変化に合わせて、つまりレーザ発振部に
おける発熱量の変化を予め見込んで、ファンの回転数が
変化することで、フィードバック制御に遅れを来すこと
はなく、冷却水の水温が設定温度に安定に保持される。

【００１３】

【実施例】以下、添付図を参照して本発明の一実施例に
よるレーザ加工装置を説明する。

【００１４】先ず、図３〜図５につき本実施例における
レーザ加工装置の構造を説明する。図３は、このレーザ
加工装置の構造を示す一部断面側面図である。

【００１５】このレーザ加工装置は、上部ユニット１０
と下部ユニット１２とを一体結合してなる。上部ユニッ
ト１０の内側には固体型レーザ発振器たとえばＹＡＧレ
ーザ発振器（レーザ発振部）、光ファイバ用の入射ユニ
ット、電源部の制御基板等が収納されている。上部ユニ
ット１０の前面パネル１０ａには、各種設定値、測定
値、モニタ値等を表示するためのディスプレイおよび各
種キースイッチ類が設けられている。

【００１６】下部ユニット１２の内側には、電源部の電
力箱（トランス類）１４、冷却水供給部のポンプ１６、
タンク１８等が収納されている。タンク１８には、後述
するイオン交換樹脂体とフィルタが冷却水（純水）の中
に水没した状態で収容されている。下部ユニット１２の
前面パネル１２ａは扉になっており、この扉１２ａを開
けてタンク１８内のイオン交換樹脂体やフィルタを交換
したり、ブレーカ（図示せず）の点検や結線作業を行え
るようになっている。

【００１７】上部ユニット１０および下部ユニット１２
の後部または背面には、レーザ冷却ユニット２０が取付
されている。この冷却ユニット２０は、直方体状の薄型
の筐体２２を有し、この筐体２２の中に薄型のラジエー
タ（空冷式熱交換器）２４およびファン２６を配設して
なる。ラジエータ２４は、配管２８を介して上部ユニッ
ト１０内のレーザ発振器の冷却水出口に接続されるとと
もに、配管３０を介してタンク１８の冷却水入口に接続
されている。

【００１８】図４および図５に、レーザ冷却ユニット２
０の内部の構成を示す。ラジエータ２４は、冷却水を流
す蛇行状のウォータチューブ２５と波状の放熱フィン２
７とを一体に結合させてなり、その主面（放熱面）が装
置背面とほぼ平行になる向きで、筐体２２の外側面２２
ａに接近した位置に配置される。このようにラジエータ
２４が筐体２２の外側面２２ａに接近した位置に配置さ
れることで、その背後つまり内奥面２２ａ側で配管２
８，３０を無理なく曲げた状態でラジエータ２４に接続
するのに十分なクリアランス（空間）が確保される。な
お、筐体２２の外側面２２ａとラジエータ２４との間に
フィルタ（図示せず）を設けてよい。筐体２２の内奥面
２２ｂには配管２８，３０をそれぞれ通すための開口３
２，３４が設けられている。

【００１９】筐体２２の外側面２２ａには、筐体２２の
外の空気を側方から筐体２２内に引き込んでラジエータ
２４の放熱面に供給するための網状の通気口３６が設け
られている。一方、筐体２２の上面は開口され、この上
面開口部２２ｃに１つまたは複数（図示の例では２つ）
のファンモータ内蔵型のファン２６がそれぞれの回転面
をほぼ水平にして配置されている。これらのファン２６
は、筐体２２内の空気を筐体２２の外へ（上方）へ排出
するように所定の回転方向に回転する。これらのファン
２６が回転すると、外の空気が筐体２２の外側面２２ａ
の通気口３６を通って筐体２２内に入り込み、ラジエー
タ２４を通り抜ける。

【００２０】このように外気の風がラジエータ２４を通
り抜けることによって、外気とラジエータ２４のウォー
タチューブ２５内を流れる冷却水との間で熱交換が行わ
れ、冷却水が外気の温度（たとえば室温）に温調される
ようになっている。ウォータチューブ２５の入口および
出口はそれぞれ配管２８，３０に接続されており、レー
ザ発振器より配管２８を通ってラジエータ２４に送られ
てきた冷却水は外気の風により強制空冷式で冷却されて
からタンク１８に回収されることになる。ラジエータ２
４を通り抜けて背後に回った空気は、ファン２６によっ
て上方へ吸引され、筐体２２の外へ排出される。

【００２１】このレーザ冷却ユニットは、筐体２２の外
側面２２ａに外気導入用の網状の通気口３６を設け、こ
の通気口３６に対向接近させて薄型のラジエータ２４を
配置し、筐体２２の上面開口部２２ｃに外気導入および
排出用のファン２６を配置する構成としたので、筐体２
２の奥行寸法が必要最小限にまとめられている。

【００２２】次に、図１および図２につき本実施例のレ
ーザ加工装置におけるレーザ冷却機構について説明す
る。図１は、このレーザ冷却機構の構成を示すブロック
図である。

【００２３】タンク１８内には冷却水４０が満たされ、
この冷却水の中にイオン交換樹脂体４２およびフィルタ
４４が水沈した状態で配置されている。レーザ発振器４
６は上部ユニット１０内に配置されている。

【００２４】ポンプ１６より出た冷却水は、定常時では
たとえば３５゜Ｃの水温を有しており、配管４８を通っ
てレーザ発振器４６に供給される。レーザ発振器４６内
ではレーザロッドと励起ランプとを一対の焦点位置に配
置してなる楕円反射鏡筒の中を冷却水が流れるようにな
っている。

【００２５】レーザ発振器４６から出た冷却水は、温度
がたとえば数゜Ｃ上昇して４０゜Ｃ付近になっており、
配管２８を通ってレーザ冷却ユニット内のラジエータ
（熱交換器）２４に送られ、そこで上記のようにして強
制空冷式で冷却され、たとえば３５゜Ｃ付近まで冷やさ
れる。

【００２６】ラジエータ２４から出た冷却水は、配管３
０を通ってタンク１８内のイオン交換樹脂体４２へ送ら
れる。イオン交換樹脂体４２に入った冷却水は、そこで
イオン交換樹脂によって不要なイオンを除かれ、純水度
を回復する。イオン交換樹脂体４２から出た冷却水はタ
ンク１８内でフィルタ４４を通って有機物等を除去（濾
過）されてから配管５０を介してポンプ１６側に汲み出
され、再びレーザ発振器４６へ供給されるようになって
いる。

【００２７】タンク１８の中には、冷却水の温度を検出
するための温度センサ５２が設けられている。この温度
センサ５２の出力信号（温度検出信号）Ｓt は、増幅器
（図示せず）で増幅ののちＡ／Ｄ変換器（図示せず）で
ディジタル信号に変換されたうえでＣＰＵ（マイクロプ
ロセッサ）５４に与えられる。

【００２８】ファン２６はファンモータ２６ａの回転軸
にファンプロペラ２６ｂを取付したものであり、ファン
モータ２６ａがファンモータ駆動回路５６によって駆動
されるようになっている。本実施例では、ファンモータ
２６ａが交流の誘導電動機からなり、ファンモータ駆動
回路５６がインバータ回路からなり、ＣＰＵ５４がイン
バータ周波数を連続的に可変制御することによって、フ
ァン２６の回転数を連続的に可変制御できるようになっ
ている。電源５８は、商用交流電圧を整流回路に通して
得られる直流電圧をファンモータ駆動回路５６に供給す
る。

【００２９】メモリ６０には、ＣＰＵ５４の動作を規定
するプログラムやＣＰＵ５４の演算途中または演算結果
のデータおよび設定値のデータ等が格納される。入力部
６２は、たとえば上部ユニット１０の前面パネル１０ａ
に設けられたキースイッチからなり、各種設定値等を入
力するのに使われる。前面パネル１０ａ上のディスプレ
イ（図示せず）もＣＰＵ５４に接続されている。ＣＰＵ
５４は、ファンモータ駆動回路５６を介してファン２６
の回転数を可変制御して冷却水の温度を制御するととも
に、レーザ発振器４６におけるレーザ使用率またはラン
プ投入電力を制御する。また、ＣＰＵ５４は、入出力イ
ンタフェース回路６４を介して外部の装置（図示せず）
と信号またはデータのやりとりを行う。

【００３０】図２は、本実施例のレーザ加工装置におけ
るレーザ冷却機構の作用を説明するための波形図であ
る。この図示の例において、ファン回転数の最大値（１
００％）はたとえば３０００ｒｐｍであり、ランプ投入
電力の最大値（１００％）はたとえば３ＫＷである。こ
こで、ランプ投入電力とは、レーザ発振器４６内の励起
ランプに供給される電力であるが、瞬時値ではなく、平
均値たとえば１分間当たりの平均値であり、レーザ使用
率に相当するものである。また、ランプ投入電力が変化
する（切り換わる）のは、たとえばレーザ溶接において
被溶接材の板厚が変化する場合に対応している。

【００３１】ＣＰＵ５４は、レーザ発振器４６における
レーザ発振動作の開始時刻ｔ0 よりも所定時間Ｔa たと
えば１０分前からファン２６を所定の回転数たとえば７
５％（２２５０ｒｐｍ）で回転させる。一方、電源スイ
ッチの投入時からポンプ１６が作動していて、冷却水
（純水）がタンク１８、レーザ発振器４６およびラジエ
ータ（熱交換器）２４を循環している。ファン２６が回
転すると、室温の外気の風がラジエータ２４に供給され
るので、冷却水の初期の水温が室温よりも低いとき、た
とえば１０゜Ｃ付近のときは、ラジエータ２４における
熱交換で冷却水が外気によって温められ、冷却水の水温
が室温に近ずくように次第に上昇する。

【００３２】ＣＰＵ５４は、時刻ｔ0 で、予め設定され
たランプ投入電力たとえば５０％（１．５ＫＷ）でレー
ザ発振器４６にレーザ発振動作を開始させると同時に、
ファン２６の回転をいったん停止させる。そして、温度
センサ５２の出力信号Ｓｔを監視し、タンク１８内の冷
却水の水温（つまりレーザ発振器４６に供給される前の
冷却水の水温）が時刻ｔ0 の時の水温より所定の温度た
とえば２゜Ｃだけ上昇した時点ｔ1 で、ファン２６を再
び回転させる。

【００３３】これにより、ラジエータ２４に再び室温の
外気の風が供給される。ただし、今度は、レーザ発振器
４６内のレーザ発振に伴う発熱によって冷却水が熱くな
っているので、ラジエータ２４における熱交換では冷却
水が室温の外気によって冷却される。このラジエータ２
４の冷却能力はファン２６の回転数に依存する。

【００３４】ＣＰＵ５４は、温度センサ５２の出力信号
Ｓｔを監視しながら、タンク１８内の冷却水の水温がレ
ーザ発振器４６における加熱とラジエータ２４における
冷却とのバランスの中で一定の温度勾配または上昇率た
とえば０．４゜Ｃ／分で上昇するように、ファンモータ
駆動回路５６を介してファン２６の回転数を連続的に可
変制御する。

【００３５】このようにして冷却水の水温が所定の上昇
率で立ち上がることによって、冷却水の水温がハンチン
グを起こさずに最短時間で予め設定された定常温度（た
とえば３５゜Ｃ）に到達することが可能となる。

【００３６】ＣＰＵ５４は、時刻ｔ2 で冷却水の水温が
定常値に到達した後もその定常値から外れないよう、温
度センサ５２の出力信号Ｓt に応じてファン２６の回転
数を連続的に可変制御する。そして、たとえば時刻ｔ3
でレーザ発振器４６のランプ投入電力を１００％（３Ｋ
Ｗ）に切り換えるときは、その切り換えのタイミングに
合わせてファン２６の回転数を適当なアップ率で増大さ
せる。

【００３７】このように、ランプ投入電力の変化に応じ
てファン２６の回転数を可変制御することで、冷却水の
水温をより安定に定常温度に保持することが可能とな
る。つまり、ランプ投入電力の変化に伴って冷却水の水
温が変化してから、その温度変化をキャンセルするよう
に図の波線Ｑで示すようにファン回転数を可変制御する
ことも可能ではあるが、その場合は冷却水の水温が図の
波線Ｐで示すように定常温度から一時的に外れてしま
う。この点、本実施例のように、ランプ投入電力が変化
するときは、レーザ発振器４６における発熱量の変化を
予め見込んで、その投入電力の変化率に応じた上昇率ま
たは減少率でファン２６の回転数を変化させると、フィ
ードバック制御にも遅れを来さないので、冷却水の水温
を定常温度に安定に保持することができる。

【００３８】本実施例では、時刻ｔ4 でレーザ発振動作
を一時的に停止するとき、および時刻ｔ5 でレーザ発振
動作を再開するときにも、ランプ投入電力の変化に合わ
せてファン２６の回転数を変えている。そして、図示の
例のように、何らかの原因たとえば室温が異常に上昇し
て冷却水の温度が定常値よりも高くなったときは、ファ
ン２６の回転数を最大値（１００％）まで上げて対処す
るようにしている。

【００３９】上記したように、本実施例のレーザ加工装
置では、レーザ発振器４６内の発熱で温度上昇した冷却
水を冷却するために強制空冷式の熱交換器（ラジエー
タ）２４を設け、レーザ発振器４６に供給される前の冷
却水の水温を温度センサ５２で監視しながら、熱交換器
２４に風を供給するファン２４の回転数を可変制御する
ようにしている。これにより、レーザ発振器４６の発熱
量つまりレーザ発振出力に応じてファン２４の回転数が
変化するため、レーザ発振出力が低い時あるいは中断し
ている時はファン２４の回転数は低く、騒音が少なくな
る。

【００４０】また、本実施例のレーザ加工装置では、フ
ァン２４の回転数をＣＰＵ５４およびファンモータ駆動
回路５６によりインバータ方式で連続的に可変制御でき
るようにしているため、立ち上げ時に冷却水の水温を所
定の上昇率でハンチングを起こさずに最短時間で予め設
定された定常温度まで上昇させることができ、レーザ発
振動作開始直後から安定なレーザ発振出力を得ることが
できる。

【００４１】また、ランプ投入電力またはレーザ発振出
力が変化するときは、レーザ発振器４６における発熱量
の変化を予め見込んで、その投入電力の変化率に応じて
ファン２６の回転数を変化させるようにしたので、より
安定に冷却水の水温を定常温度に保持することができ
る。

【００４２】上記した実施例では、レーザ発振器４６に
供給される冷却水の水温を検出するために温度センサ５
２をタンク１８内に配置したが、それ以外の場所でも可
能であり、たとえば配管５０または４８あるいはレーザ
発振器４６の冷却水導入口付近に配置してもよい。

【００４３】また、上記した実施例では、ファン２６の
回転数をインバータ方式で連続的に可変制御するように
構成したが、他の方式でも同様の可変制御が可能であ
る。たとえば、ファンモータ２６ａが交流モータの場合
は、モータ駆動電流をスイッチングトランジスタで１サ
イクルまたは半サイクル毎にＯＮ／ＯＦＦ制御できるよ
うに構成し、ＯＮサイクルの割合（たとえば１０サイク
ル中のＯＮサイクルの個数）を可変制御することによっ
て、ファン回転数を連続的に可変制御することができ
る。また、ファンモータ駆動回路５６をサイリスタ回路
で構成し、位相を可変制御することによって、ファン回
転数を可変制御してもよい。あるいは、ファンモータ２
６ａが直流モータの場合には、モータ駆動電流または電
圧を可変制御することによって、ファン回転数を連続的
に可変制御することが可能である。

【００４４】また、熱交換器とファンとの位置関係は、
上記実施例のものに限らず、任意に選択可能であり、た
とえば熱交換器の手前にファンを配置する構成であって
もよい。また、本発明は、上記したようなレーザ加工装
置以外にも、種々のレーザ装置に適用可能なものであ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１のレ
ーザ装置によれば、レーザ発振部に供給される冷却水の
水温を温度センサで検出し、熱交換器に風を供給するフ
ァンの回転数を温度センサの出力信号に応じて可変制御
することにより、レーザ発振部内の発熱量に応じてファ
ンの回転数を変化させるようにしたので、レーザ発振動
作中であってもレーザ発振出力が低い時あるいは中断し
ている時はファンの回転数が自動的に低くなり、騒音を
少なくすることができる。

【００４６】本発明の第２のレーザ装置では、冷却水の
水温を所定の上昇率で立ち上げるようにしたので、ハン
チングを起こさずに最短時間で予め設定された定常温度
に到達させることが可能であり、レーザ発振動作の開始
直後から安定なレーザ出力を得ることができる。

【００４７】本発明の第３のレーザ装置では、レーザ発
振部に供給される電力の変化に合わせてファンの回転数
を変化させるようにしたので、より安定に冷却水の水温
を設定温度に保持し、ひいてはより安定なレーザ出力を
保証することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレーザ加工装置におけ
るレーザ冷却機構の構成を示すブロック図である。

【図２】実施例のレーザ加工装置におけるレーザ冷却機
構の作用を説明するための波形図である。

【図３】実施例のレーザ加工装置の構造を示す一部断面
側面図である。

【図４】実施例のレーザ加工装置におけるレーザ冷却ユ
ニットの内部の構成を示す斜視図である。

【図５】実施例のレーザ加工装置におけるレーザ冷却ユ
ニットの内部構成を示す一部分解正面図である。

【符号の説明】

１６ ポンプ １８ タンク ２４ ラジエータ（熱交換器） ２６ ファン ２８，３０，４８，５０ 配管 ４６ レーザ発振器 ５２ 温度センサ ５４ ＣＰＵ ５６ ファンモータ駆動回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振部に空冷式の熱交換器を介し
   て冷却水を循環供給するようにしたレーザ装置におい
   て、 前記熱交換器に風を供給するためのファンと、 前記レーザ発振部に供給される冷却水の水温を検出する
   ための温度センサと、 前記温度センサの出力信号に応じて前記ファンの回転数
   を可変制御する制御手段と、を具備することを特徴とす
   るレーザ装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、立ち上げ時に前記レー
   ザ発振部に供給される冷却水の水温が所定の上昇率で設
   定温度まで上昇するように前記ファンの回転数を可変制
   御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記レーザ発振部に供
   給される電力の変化に応じて前記ファンの回転数を可変
   制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装
   置。