JPS6310232Y2

JPS6310232Y2 -

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Publication number: JPS6310232Y2
Application number: JP1982070986U
Authority: JP
Priority date: 1982-05-14
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1988-03-25
Also published as: JPS58175887U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、レーザ光学系が受ける熱的影響を軽
減させた気体レーザ加工装置に関するものであ
る。

気体レーザ加工装置は、例えば、第１図の原理
図に示すように、レーザ光L₀を発生さる光共振
器１０、発生したレーザ光を被加工物Ｗに導く光
学系を含む被加工具２０、光共振器１０に高電圧
を供給してグロー放電をさせるための高電圧供給
装置３０、グロー放電による励起・光放出・緩和
作用をするレーザ発振媒質としての気体を循環さ
せるためのガス循環装置４０および加工具２０と
被加工物Ｗとを相対的に移動させるための移動機
構５０等から構成されている。光共振器１０はレ
ーザ媒質である気体をはさんで対向する反射鏡１
１とレーザ光L₀と光共振器１０の外部に取り出
し得る半透過鏡１２、高電圧供給装置３０に接続
されてグロー放電を起させる電極１３乃至１６お
よび光共振器管１７から構成されている。被加工
具２０は光共振器１０から取り出されたレーザ光
L₁を被加工物Ｗに導くための反射鏡２１および
集束レンズ２２から構成されている。

ガス循環装置４０は、ダクト４６乃至４８、ダ
クトの途中に挿入された図示していない熱交換器
たとえばラジエータ、ガス循環用のブロワなどか
ら構成されている。また、ダクト４６乃至４８
は、図示していないガス供給源またはガス再生装
置から新鮮なガスを供給するガス供給口４１、図
示していない真空ポンプによりガス供給前の大気
の排気およびグロー放電作用により発生した不純
ガスを含む循環ガスの一部を排気するガス排気口
４２、光共振器管１７へのガス流入口４３，４４
および光共振器管からのガス流出口４５とを備え
ている。これらの上記構成部品は、第２図の構成
図に示すように、ガス循環装置などを収容する架
台６０の内部およびベンチ支持台６１，６２上の
光学ベンチ６３の上部に取り付けられている。

通常、光学ベンチ６３は長手方向に対して微細
であるが伸縮自在に支持されている。即ち、例え
ば光学ベンチ６３は支持台６１に長手方向に対し
て固定されている。一方、光学ベンチ６３は支持
台６２により、上下方向には固定的であるが、長
手方向に対しては移動自在に支持されている。

これらの上記構成において、第１図に示すよう
に、まず、ガス排気口４２から大気を排気した後
に、ガス供給口４１からレーザ媒質気体例えば
CO₂とHeとN₂との混合ガスを供給してダクト４
６乃至４８および光共振器１０の内部に充填し、
ブロワで循環させる。つぎに、電極１３と１４お
よび電極１５と１６間に高電圧を印加すると各電
極間でグロー放電D₁およびD₂が生じ、混合ガス
が励起され、続いてレーザ光を誘起した後、He
と衝突緩和して基底状態に復帰する。この誘起さ
れたレーザ光L₀は半透過鏡１２から取り出され、
加工具２０の反射鏡２１および集束レンズ２２を
透過して被加工物Ｗに照射される。この光共振器
１０から取り出されるレーザ光の出力値およびモ
ードは、光学部品の精度および特性、電極の材質
および形状等に大きく左右されるので、当然、設
計上および製作上、特別な注意が払われている。
特に光共振器１０内の反射鏡１１の中心軸と半透
過鏡１２の中心軸と光共振器１０の光学系中心軸
Ｃとの中心軸（以下、光学系中心軸という。）が
同時に一致するように取付けられ、かつ保持され
ることが必要である。これらの中心軸がずれる
と、レーザ光の発振効率が低下して出力が減少す
るだけでなく、エネルギー密度分布が径方向に分
散した集束性の劣るモード波になつてしまう。し
たがつて、従来の気体レーザ加工装置において
は、反射鏡１１、半透過鏡１２などの設計および
製作上、特別な考慮が払われ、気体レーザ加工装
置の動作前においては、上記の光学系中心軸Ｃが
互いに一致するように整合されていた。

しかし、このような気体レーザ加工装置におい
ては、発熱部分が多く、その熱影響によつて前述
した第２図の光学ベンチ６３が局部的に膨張する
ために、光学ベンチ６３に熱歪みが発生する。こ
の熱歪みの原因としては、第２図に示すような配
置の気体レーザ加工装置においては、光学ベンチ
６３の中央上表面が、グロー放電によつて高温に
なつた混合ガスの影響をうけて温度上昇し、中央
下表面との間で温度差を生じ、光学ベンチの長手
方向の中央付近が両端部よりも上方にわん曲する
ように変形するために、光学系の各中心軸がずれ
てレーザ光の発振効率が低下するだけでなく、モ
ードも径方向のエネルギー密度が分散した集束性
が劣る形状になる。また、熱歪みの他の原因とし
ては、ガス循環装置特にブロワ、真空ポンプ、各
部の電源装置などの光学ベンチの下方からの発熱
があり、光学ベンチの下表面がこれらの影響を受
けて温度上昇する。この温度上昇は、レーザ光を
発生させないで、加工装置を空運転しているとき
にも発生する。しかし、加工装置の定常運転状態
では、レーザ光を発生させるためめグロー放電に
よつて、光学ベンチの上表面の温度上昇が下表面
よりも大になり、上表面と下表面との熱膨張の差
により、第２図に示すような配置の気体レーザ加
工装置においては、光学ベンチの長手方向の中央
付近が両端よりも上方にわん曲するように変形す
る。これらの変形は、レーザ加工装置の構成部品
の配置、構成部品の冷却状態などによつて相違す
るだけでなく、同じ加工装置であつても、使用条
件、使用開始後の時間経過による熱伝導状態によ
つて一定しない。なお、光学ベンチは、通常、架
台の上方の略中央に配置されている。

したがつて、従来の気体レーザ加工装置におい
ては、加工開始後に熱変形が生じないような短時
間に加工作業を完了してしまうか、逆に、長時間
の加工作業を必要とするときは、加工開始前に光
学ベンチの熱歪みによる光学中心軸のずれを予測
して光学系中心軸をずらしておいて、加工装置の
運転を開始して熱伝導により光学ベンチの熱変形
が略一定になつて光学系の各中心軸が一致した状
態になつてから、実際の加工作業を開始すること
が行われていた。そのために、前者においては、
長時間の加工作業が出来ず、また後者において
は、加工装置が大形化するほど熱変形が略一定に
なるまでの時間が長くなり30分から１時間に及ぶ
場合があり、加工作業までの待期時間が大になる
だけでなく、加工作業開始までの装置の運転経費
の損失も大であつた。

本考案は、反射鏡、半透過鏡、放電電極を含む
光共振器を光学ベンチ上に支持した気体レーザ加
工装置において、グロー放電の放射熱またはガス
循環装置等を含む架台からの発熱による光学ベン
チの熱歪みを減少させることができる面に、熱を
強制的に供給する加熱ユニツトを光学ベンチの任
意の位置に密着または離して配設して、光学ベン
チの上表面と下表面との温度差をオープンループ
制御により積極的に短時間のうちに小さくするこ
とによつて、長時間連続または短時間の繰り返し
の加工作業を能率的に行うことができる気体レー
ザ加工装置を提供したものである。

以下、本考案の実施例を図面を参照して説明す
る。本考案の加工装置においては、原理的な構成
は第１図の原理図と同様であるので説明を省略す
る。第３図は本考案の気体レーザ加工装置の架台
よりも上方の内部構造を示す図、第４図は第３図
のＡ−Ａ断面矢視図である。先ず第１に、従来の
加工装置の構成部品が第２図の正面図に示すよう
に配置され、かつ光共振器の軸中心Ｃが第４図に
示すようなＨ形光学ベンチ６３の長手方向と直交
する断面における垂直中心線Ｌ上に配置された装
置について説明する。このような装置において、
レーザ光を発生させていない空運転では、光学ベ
ンチの上表面を加熱するグロー放電のような熱発
生がなく、前述したように光学ベンチの下表面
が、ガス循環装置特にブロワ、真空ポンプ、各部
の電源装置などの光学ベンチの下方からの発熱の
みの影響を受けて温度上昇すると、光学ベンチの
長手方向の中央付近が両端よりも下方にわん曲す
る。したがつて、光学ベンチの上表面または上方
に複数個の加熱ユニツトH₁乃至H₆を光共振器の
軸方向に沿つて任意の間隔で配設して、これによ
り光学ベンチの上表面を加熱し、これら上表面の
各位置とこの上表面の各位置の反対側の下表面の
各位置との温度差をそれぞれ小さくすれば、光学
ベンチの上表面と下表面との熱膨張の差が修正さ
れて、この熱歪みが極めて小さくなる。

ここで、これらの加熱ユニツトがどのように制
御されるかについて説明すると、加熱ユニツトの
個々の発熱量をオープンループ制御するために、
従来のレーザ加工装置を実際に運転した場合の光
学ベンチの各部の温度変化の測定を行つている。
したがつて、この測定結果に基づいて、運転開始
時から光学ベンチの上表面と下表面との温度差を
小さくするように、各々の加熱ユニツトの発熱量
に対応する設定値がプリセツトされており、これ
らの加熱ユニツトは予め定めたプログラムにした
がつて連続またはオン・オフ制御される。なお、
これらの加熱ユニツトの発熱量をオープンループ
制御するための制御装置６４が架台６０の外部に
設置されている。

前述したような空運転の場合、光学ベンチの下
方からの発熱が比較的均一であるので、加熱ユニ
ツトH₁乃至H₆の発熱量をそれぞれQ₁乃至Q₆とし
て、Q₁＝Q₆，Q₂＝Q₄およびQ₃＝Q₄なる関係を保
つ。さらに、加熱ユニツトの配置が光学ベンチの
長手方向に対して略等間隔であるとすれば、Q₁
≒Q₂≒Q₃≒Q₄≒Q₅≒Q₆なる関係を保すようにす
る。このように加熱ユニツトは、光学ベンチの長
手方向についての上下のそれぞれ対応する各位置
の温度差を小さくして、常に光学ベンチの熱歪み
が小さくなるように予め定めたプログラムにした
がつて制御されている。

つぎに、加工装置の定常運転状態では、レーザ
光を発生させるためのグロー放電によつて、光学
ベンチの上方からの発熱が下方よりも大になり、
しかも光学ベンチの上表面の中央部が局部的に熱
せられるので、前述した状態とは逆に光学ベンチ
の長手方向の中央付近が両端部よりも上方に、か
つ中央部が極端にわん曲する。したがつて、光学
ベンチの下表面または下方に複数個の加熱ユニツ
トH₇乃至H₁₂を光共振器の軸方向に沿つて任意の
間隔で配設して、これにより光学ベンチの下表面
を加熱しこの温度を均一化すれば、光学ベンチの
上表面と下表面との熱膨張の差が修正されて、こ
の熱歪みが極めて小さくなる。この場合、前述し
たように光学ベンチの上方からの発熱が比較的光
学ベンチの中央部に集中しているので、加熱ユニ
ツトH₇乃至H₁₂発熱量をそれぞれQ₇乃至Q₁₂とし
て、光学ベンチの下表面の中央に近づくほど発熱
量が大になるようにQ₇＜Q₈＜Q₉およびQ₁₀＞Q₁₁
＞Q₁₂になる関係を保つ。さらに、加熱ユニツト
の配置が光学ベンチの長手方向の中央に対して略
対称であるとすれば、Q₇＝Q₁₂，Q₈＝Q₁₁および
Q₉＝Q₁₀なる関係を保つようにする。このように
加熱ユニツトは、光学ベンチの長手方向について
の上下の各位置の温度差をそれぞれ小さくして、
常に光学ベンチの熱歪みが小さくなるように予め
定めたプログラムにしたがつて制御されている。

つぎに、第５図ａおよび第５図ｂは、本考案の
第２および第３の実施例を示し、それぞれ第４図
と同じく第３図のＡ−Ａ断面矢視図であつて、光
共振器の軸中心が垂直中心線Ｌ上からはずれて配
置されている装置について説明する。このような
装置においては、光学ベンチの幅方向の熱対称が
失われるので、光学ベンチの長手方向についての
上下方向のわん曲に加えて幅方向のわん曲がさら
に生じる。したがつて、前述したのと同様に、先
ず加熱ユニツトH₁乃至H₆またはH₇乃至H₁₂によ
り光学ベンチを加熱して、この上表面と下表面と
の温度差を小さくすることによつて、光学ベンチ
の上下方向のわん曲が小さくなる。つぎに、光学
ベンチの長手方向と直交する断面における垂直中
心線Ｌをはさんで光共振器の軸の中心Ｃが存在す
る領域Ａと反対側の領域Ｂとに別の加熱ユニツト
を配設する。例えば第２の実施例として、前述し
た反対側の領域Ｂ内のＨ形光学ベンチの側面また
は側面方向、例えばフランジ面Ｆを加熱するため
に、このフランジ面Ｆの中央かつ長手方向の中央
に対して略対称となる位置に加熱ユニツト群Hx
を密着または離して配設する。一方、第３の実施
例として、前述した反対側の領域Ｂ内の光学ベン
チのリブＲを加熱するために、このリブの長手方
向の中央に対して略対称となる位置の上表面また
は上方に加熱ユニツト群H_Yを、さらに下表面ま
たは下方に加熱ユニツト群H_Zを密着または離し
て配設している。この加熱ユニツト群H_X・H_Yお
よびH_Zの発熱量は、前述したのと同様に光学ベ
ンチの長手方向の温度差が上下各位置でそれぞれ
小さくなるように制御され、かつ幅方向の温度差
についても幅方向の各位置でそれぞれ小さくなる
ように制御される。このように光学ベンチの長手
方向いおよび幅方向の温度差を小さくすることに
よつて、光学ベンチの長手方向についての上下方
向のわん曲と幅方向のわん曲が小さくなる。

以上の説明は、光学ベンチの上方と下方とから
の発熱があつた場合についてであつたが、どちら
か一方から来る熱を何らかの手段によつて完全に
遮断すれば、光学ベンチがこれらの熱により加熱
される側とは反対側にのみに加熱ユニツトを配設
すればよい。また、光学ベンチの断面形状がＨ形
であつたが、他の１形、みぞ形の光学ベンチであ
つても加熱ユニツトの配置は、前述した配置と略
同様であり、特に第５図ａおよび第５図ｂに示す
配置は平形の場合に有効である。このように加熱
ユニツトの数量、配置および制御は、加工装置の
構成および使用状態によつて任意に選択すること
ができる。

以上のように、本考案によれば、光学ベンチが
加工装置から発生する熱の影響を受ける面に対し
て、常にこの熱とバランスさせるを加熱する加熱
ユニツトを配設し、この加熱ユニツトが予じめ定
めたプログラムにしたがつて制御されて光学ベン
チの上下表面部を適時に加熱することにより、光
学ベンチの上表面部と下表面部との温度差が運転
状態に対応して短時間のうちに小さくなる。この
ため長時間に亘る加工作業や短時間の繰返し加工
作業を確実に行うことができ、実用価値が大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な気体レーザ加工装置の原理
図、第２図は一般的な気体レーザ加工装置の構成
図、第３図は本考案の気体レーザ加工装置の架台
よりも上方の内部構造を示す図、第４図は第３図
のＡ−Ａ断面矢視図、第５図ａおよび第５図ｂは
本考案の第２および第３の実施例を示し、それぞ
れ第４図と同じく第３図のＡ−Ａ断面矢視図であ
る。１０……光共振器、１１……反射鏡、１２……
半透過鏡、６０……架台、６３……光学ベンチ、
６４……制御装置、H₁〜H₁₂……加熱ユニツト。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

ガス循環装置などを収容した架台上に光学ベン
チを支持し、かつ反射鏡および半透過鏡を含む光
共振器を前記光学ベンチ上に支持した気体レーザ
加工装置において、前記光学ベンチの熱歪みを減
少させる面に熱を供給する加熱ユニツトと、前記
加熱ユニツトを制御して、気体レーザ加工装置の
運転状態に対応した加熱ユニツトの発熱量をプロ
グラム制御する加熱ユニツトの制御装置とを配設
した気体レーザ加工装置。