(57)【要約】      （修正有）【課題】電極の熱変形に基づくレーザビームの位置ズレを抑えることができるガスレーザ発振器及びそれを使用するレーザ加工装置を提供する。【解決手段】流量調節装置２５は、熱電対２１からの測定信号２３に基づいてマスフローコントローラ２９に流量制御信号２７を送り、ここを流れる流量を調節することによって、上電極１の温度が所定の値Ｔａとなるように制御する。また同様に、流量調節装置２６は、熱電対２２からの測定信号２４に基づいてマスフローコントローラ３０に流量制御信号２８を送り、ここを流れる流量を調節することによって、下電極２の温度が所定の値Ｔｂとなるように制御する。上電極１と下電極２の温度がＴａ＝Ｔｂとなるように、流量調節装置２５、２６を設定しておき、暖気運転後の上電極１と下電極２の温度ＴａとＴｂをそれぞれ一定に制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極間に高電圧を印加してプラズマを生成することによりレーザを発振させるガスレーザ発振器において、前記電極を冷却するための冷媒を流すための配管であって各電極に対応して設けられているものと、前記電極を冷却した後の前記配管に流れる冷媒の温度に基づいて各電極の温度の差が一定になるように制御する手段とを有することを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記制御手段は、前記電極を冷却した後の前記配管に流れる冷媒の温度を各電極毎に測定する温度測定手段と、当該温度測定手段による測定結果に基づき前記配管に流れる冷媒の流量を調節する流量調節手段から成ることを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスレーザ発振器において、前記流量調節手段はマスフローコントローラを含むことを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項４】
請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記制御手段は、前記電極を冷却した後の前記配管に流れる冷媒の温度を各電極毎に測定する温度測定手段と、当該温度測定手段による測定結果に基づき前記配管に流れる冷媒の温度を調節する温度調節手段から成ることを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項５】
請求項４に記載のガスレーザ発振器において、前記温度調節手段は冷媒を温める手段を含むことを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項６】
請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記制御手段は、前記配管を通過する冷媒の温度によって当該配管の通過量を調整する調整弁であって前記電極を冷却した後の冷媒の通過位置に設けられるものを含むことを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項７】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載のガスレーザ発振器により発振させたレーザ光で加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に高電圧を印加してプラズマを生成することによりレーザを発振させるガスレーザ発振器及びそれを使用するレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な加工に用いられる炭酸ガスレーザ発振器等のガスレーザ発振器では、発振パワーを大きくすることで、それを使用するレーザ加工装置の加工速度が向上することから、発振器の大パワー化が進んでいる。
【０００３】
この大パワー化には、プラズマを生成するためのＲＦのハイパワー化、プラズマを生成するための電極の大型化の必要があるが、これに伴って発熱の増大による電極の熱変形が問題となる。
【０００４】
電極の熱変形が大きくなると、それに伴い発振するレーザビームの位置ズレが起きる。その位置ズレがレーザを用いた加工装置では加工誤差となり大きな問題となる。加工装置にもよるが、近年の加工装置では加工精度を10μｍ以下となるようなものも多数存在する。
【０００５】
図１１に炭酸ガスレーザ発振器における電極構造の一例を示す。金属製の電極は上電極１と下電極２で構成され、各電極は複数のセラミック等の絶縁物製の電極接続板３により機械的に結合され、電極接続板３はネジ４により電極に固定されている。
【０００６】
このような構造において、電極には、主に電極間に発生するプラズマからの熱と、電極を流れるRF電流によるジュール発熱が発生するが、上電極１と下電極２に発生する発熱量は必ずしも完全には等しくない。発熱量の差や、電極支持部からの熱逃げ等によって発生する上電極１と下電極２の平均温度の差をΔＴ、それによる曲がり量をＸ、電極長さをＬ、電極の平均距離をｄ、電極材料の線膨張係数をγとすると、曲がり量Ｘは下記の数式によって近似される。
【０００７】
（数１）
Ｘ≒Ｌ２γΔＴ／２ｄ
【０００８】
図１２は、図１１における電極を横から見た場合の概念図である。下電極２の温度はそのままで上電極１だけがΔＴだけ温度が高い状態となっている。上電極１が熱膨張によりＬγΔＴだけ長くなり両電極は上に凸となるように曲がることになり、その時の曲がり量Ｘを電極が円弧状に曲がったとして求めたものが数式１となる。
【０００９】
例えば、電極材料としてアルミニウムを仮定し、Ｌ＝1000mm、ｄ＝20mm、γ＝2×10-5、ΔＴ＝0.1℃とすると、Ｘ＝50μｍとなる。逆を言えば、曲がり量をＸを50μｍ程度以下とするためには、電極の温度差を0.1℃以下程度まで小さく制御する必要があることが判る。
【００１０】
複数の電極温度を同じにする改善策として、１本の冷却水をＴ字型の分岐回路で２分岐して上下電極に流すようにしたものがある（特許文献１）。このＴ字型の２分岐回路では、例えば配管の微妙な径の違いや表面粗さの違いにより厳密には同じ流量の分岐はできないこと、上電極と下電極で発熱が必ずしも等しくないこと、電極支持部からの熱放出、等の理由により、上電極と下電極の温度は必ずしも同じとすることはできない。
【００１１】
冷却水を分岐しないものとして、下電極を冷やした後に上電極に冷却水を流して冷やすようにしたものがある（特許文献２）。この場合、上電極は下電極よりも温度が高い冷却水で冷やされることになり、上電極の温度が下電極よりも高い温度となる。
【００１２】
冷却水を分岐しないものとして、更には、２枚の電極間に冷却水路を設けて両方の電極を同時に冷やすようにしたものがある（特許文献３）。この発振器では、上電極と下電極で発熱が必ずしも等しくないこと等により、上電極と下電極の温度は必ずしも同じとすることはできない。また電極間に形成する冷却水路は、電極間を絶縁しなければならないので、大部分を絶縁物で作る必要があるが、金属と絶縁物の接合は信頼性が悪く、長期の使用で漏れる心配がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−９４１４７号公報
【特許文献２】特開平１−２８６３７６号公報
【特許文献３】特開昭６１−４４４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで本発明は、電極の熱変形に基づくレーザビームの位置ズレを抑えることができるガスレーザ発振器及びそれを使用するレーザ加工装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に記載のガスレーザ発振器においては、複数の電極間に高電圧を印加してプラズマを生成することによりレーザを発振させるガスレーザ発振器において、前記電極を冷却するための冷媒を流すための配管であって各電極に対応して設けられているものと、前記電極を冷却した後の前記配管に流れる冷媒の温度に基づいて各電極の温度の差が一定になるように制御する手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
また請求項２に記載のガスレーザ発振器においては、請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記制御手段は、前記電極を冷却した後の前記配管に流れる冷媒の温度を各電極毎に測定する温度測定手段と、当該温度測定手段による測定結果に基づき前記配管に流れる冷媒の流量を調節する流量調節手段から成ることを特徴とする。
【００１７】
また請求項３に記載のガスレーザ発振器においては、請求項２に記載のガスレーザ発振器において、前記流量調節手段はマスフローコントローラを含むことを特徴とする。
【００１８】
また請求項４に記載のガスレーザ発振器においては、請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記制御手段は、前記電極を冷却した後の前記配管に流れる冷媒の温度を各電極毎に測定する温度測定手段と、当該温度測定手段による測定結果に基づき前記配管に流れる冷媒の温度を調節する温度調節手段から成ることを特徴とする。
【００１９】
また請求項５に記載のガスレーザ発振器においては、請求項４に記載のガスレーザ発振器において、前記温度調節手段は冷媒を温める手段を含むことを特徴とする。
【００２０】
また請求項６に記載のガスレーザ発振器においては、請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記制御手段は、前記配管を通過する冷媒の温度によって当該配管の通過量を調整する調整弁であって前記電極を冷却した後の冷媒の通過位置に設けられるものを含むことを特徴とする。
【００２１】
また請求項７に記載のレーザ加工装置においては、請求項１から６のうちのいずれか１項に記載のガスレーザ発振器により発振させたレーザ光で加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電極の熱変形に基づくレーザビームの位置ズレを抑えることができるガスレーザ発振器及びそれを使用するレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の斜視図である。
【図２】図１におけるガスレーザ発振器における電極構造を示す図である。
【図３】本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の斜視図である。
【図４】図３におけるヒータ部の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例３となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示す図である。
【図６】図５における温度調節弁の断面を示す図である、
【図７】本発明の実施例４となるガスレーザ発振器おける冷却水の制御部分を示す図である。
【図８】本発明の実施例５となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示す図である。
【図９】本発明の実施例６となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示す図である。
【図１０】本発明の実施例７となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示す図である。
【図１１】炭酸ガスレーザ発振器における電極構造の一例を示す図である。
【図１２】図１１における電極を横から見た場合の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。  
【００２５】
実施例１
図1は本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の斜視図である。
【００２６】
図１において、１〜４は図１１と同じものである。下電極２の両端は、電極支持部５と６で支持されるが、電極支持部６では電極の伸びを逃がすように、下電極２の端部が水平方向に滑るようになっている。
【００２７】
７はＲＦ電源であり、ここからの高電圧は、整合回路８とＲＦ給電部９を経由して、上電極１に供給されるようになっている。一方、下電極２は電極支持部５と６を介して、アースにつながっているチャンバー１０と同電位になっている。
【００２８】
上電極１と下電極２は電極横コイル１１により電気的に接続され、電極横コイル１１のインダクタンスを調整することで電極間に高電圧を発生させ、チャンバー１０内に満たされたガスを電離して電極間にプラズマが生成される。このプラズマにより、ガス中の原子の電子状態を励起して電極の両端に設置されたミラー１２によって光を共振させ、レーザ光が窓１３よりチャンバー１０の外部へ取出されるようになっている。
【００２９】
１４は上電極１と下電極２を冷却する冷却水を通すための冷却水配管であり、ステンレス、銅、アルミニウムなどの金属製である。冷却水配管１４は、電極の外側に設けられる外側配管部分１５と、図２に示すように電極の内部に設けられる内側配管部分１６から成る。１７は冷却水配管１４を流れる冷却水の流れる方向を示す矢印を示し、冷却水はチャンバー１０の外側から供給され、電極を冷却させた後、チャンバー１０の外側へ放出されるようになっている。
【００３０】
１８は絶縁材料より成る絶縁配管部で、上電極１系の外側配管部分１５の途中に設けられている。絶縁配管部１８は、その左側に位置する冷却水配管１４がアースにつながっているチャンバー１０の側壁１９に固定されていてゼロ電位、その右側に位置する冷却水配管１４が上電極１に固定されていて高電位にあるため、その左右の絶縁のために設けられている。
【００３１】
冷却水は、内側配管部分１６により各電極内を循環し、冷却水のチャンバー１０からの出口温度は各電極の平均温度に近い値となる。
【００３２】
上電極１と下電極２からの上記出口温度を測定するために、冷却水配管１４のチャンバー１０からの出口付近には、それぞれ熱電対２１、２２が取付けられている。
【００３３】
ガスレーザ発振器では、停止状態から運転を開始すると、最初の数分間は電極の温度が急激に上昇し、それによる熱変形によりビーム位置が安定しない。そのため運転開始時には数分程度の暖気運転を必要とするのが一般的である。
【００３４】
暖気運転終了後、ある程度の温度が安定した状態において、流量調節装置２５は、熱電対２１からの測定信号２３に基づいてマスフローコントローラ２９に流量制御信号２７を送り、ここを流れる流量を調節することによって、上電極１の温度が所定の値Ｔａとなるように制御する。
【００３５】
また同様に、流量調節装置２６は、熱電対２２からの測定信号２４に基づいてマスフローコントローラ３０に流量制御信号２８を送り、ここを流れる流量を調節することによって、下電極２の温度が所定の値Ｔｂとなるように制御する。
【００３６】
ここで、流量調節装置２５、２６において、マスフローコントローラ２９、３０への流量制御信号２７、２８を、上電極１と下電極２の温度がＴａ＝Ｔｂとなるように設定させておけば、上下電極の温度差をゼロに調整することができ、曲がり量Ｘをゼロにすることができる。
【００３７】
ところで、電極の熱変形に伴うレーザビームの位置ズレは、曲がり量Ｘが変化することで発生するので、暖気運転後のＴａとＴｂをそれぞれ一定に制御することで位置ずれを抑制できることになる。
【００３８】
ＴａとＴｂの選び方としては、運転時に最大流量の冷却水を流した場合の温度よりも高い温度とする必要があり、そうすれば流量調節により調整可能となる。
【００３９】
このことにより、電極の熱変形に基づくレーザビームの位置ズレを抑えることができる効果がある。これは、以下で説明する他の実施例でも同様である。
【００４０】
実施例２
図３は、本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の斜視図である。
【００４１】
図３において、図１の実施例１との違いは、以下の点である。
【００４２】
温度調節装置３３は、熱電対２１からの測定信号２３に基づいて、ヒータ部３７に温度制御信号３５を送り、上電極１の温度が所定の値Ｔａとなるように制御する。
【００４３】
また同様に、温度調節装置３４は、熱電対２２からの測定信号２４に基づいて、ヒータ部３８に温度制御信号３６を送り、下電極２の温度が所定の値Ｔｂとなるように制御する。
【００４４】
図４にヒータ部３７の構造図を示す。ヒータ部３８も同じ構造である。ヒータ部３７は冷却水配管１４の外側に巻かれた線状のシーズヒータ４１によって形成される。シーズヒータ４１は冷却水配管１４の外側にスポット溶接等で固定される。
【００４５】
実施例３
図５は、本発明の実施例３となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示  す図である。
【００４６】
図５において、図１の実施例１との違いは、以下の点である。
【００４７】
熱電対２１と２２、流量調節装置２５と２６、 マスフローコントローラ２９と３０を無くし、上電極の冷却水の出口側に温度調節弁５１を、下電極の冷却水の出口側に温度調節弁５２を設置した。
【００４８】
温度調節弁５１、５２は、流量を調節することで流体の温度をコントロールする弁であり、温度がある所定の設定温度より高い場合は流量を大きく、温度が設定温度より低い場合は流量を小さく制御する。この温度調整弁によって、上電極及び下電極の冷却水出口温度を制御することができる。
【００４９】
図６は温度調節弁５１の断面を示したものであり、温度調節弁５２も同じ構造である。温度調節弁５１は、上下する弁５４によって矢印１７の方向に流れる冷却水を制御する。弁５４は、冷却水の温度の変化によって長さが変わるバネ５５によって上下に駆動される。ここでバネ５５は、温度が高くなるにつれて短くなるようなバイメタル、形状記憶合金等により製作され、その形状により設定温度が決まるようになっている。
【００５０】
実施例４
図７は、本発明の実施例４となるガスレーザ発振器おける冷却水の制御部分を示す図である。
【００５１】
図７において、図１の実施例１との違いは、以下の点である。
【００５２】
熱電対２１からの測定信号２３と熱電対２２からの測定信号２４を共通の流量調節装置７１に送り、この流量調節装置７１がマスフローコントローラ２９と３０の両方を制御するようにした。
【００５３】
ここで、流量調節装置７１において、マスフローコントローラ２９、３０への流量制御信号７２、７３を、上電極１の温度Ｔａと下電極２の温度Ｔｂが等しくなるように設定させておけば、上下電極の温度差をゼロに調整することができる。
【００５４】
ガスレーザ発振器では、停止状態から運転を開始すると最初の数分間は電極の温度が急激に上昇し、それによる熱変形によりビーム位置が安定しない。そのため運転開始時には数分程度の暖気運転を必要とするのが一般的であるが、速い段階からＴａ＝Ｔｂとなるように制御することで、暖気運転を無くす又は暖気時間を短縮することができる。
【００５５】
ところで、電極の熱変形に伴うレーザビームの位置ズレは、曲がり量Ｘが変化することで発生するので、その変化を所望の精度よりも小さくなるように、Ｔａ−Ｔｂを制御すれば良いのであるから、必ずしもＴａ＝Ｔｂとする必要は無い。しかも、動作状態においては、電極の温度が必ずしも一定ではなく、時間とともに変化する、これにより、電極が曲がりはじめたら、そのまま同じように曲がっていた方が、レーザビームの位置ズレを抑制するためには望ましい。
【００５６】
すなわち、運転開始前にはＴａ＝Ｔｂとなっているが、暖気運転によってＴａとＴｂが異なる温度となり、曲り量Ｘが発生する。暖気運転終了時の曲り量Ｘを予め把握したうえで、その時のレーザビームを正規位置と定める補正作業を行い、この時のＴａとＴｂの差をその後も維持できれば、暖気運転以降の位置ずれを抑制できることになる。
【００５７】
なお、暖気運転終了時の補正作業であるが、構造物の剛性の劣化や構造物の破壊等に起因してレーザビームの正規位置の変化が起きるので、必要な精度に応じて、適時行なえば良いものである。
【００５８】
この実施例４においては、共通の流量調節装置７１が、両電極の温度を調節できるから、Ｔａ（あるいはＴｂ）の変化に合わせてＴｂ（あるいはＴａ）を随時変更可能となり、Ｔａ−Ｔｂを一定に制御することができる。これによって、前述のようなＴａとＴｂの差の維持にも応用でき、レーザビームの位置ズレを抑制することができるようになる。
【００５９】
実施例５
図８は、本発明の実施例５となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示  す図である。
【００６０】
図８において、図７の実施例４との違いは、以下の点である。
【００６１】
下電極側の冷却水の流量を調節するマスフローコントローラを無くし、上電極側の冷却水の流量を調節するマスフローコントローラ８２だけ設け、熱電対２１からの測定信号２３と熱電対２２からの測定信号２４を受信する流量調節装置８１が、マスフローコントローラ８２を制御するようにした。
【００６２】
ここで、流量調節装置８１は、流量制御信号８３によりマスフローコントローラ８２を制御し、前述のように、上電極の温度Ｔａが下電極の温度Ｔｂと等しくなるように、あるいは、Ｔａ−Ｔｂが一定になるように、上電極の温度Ｔａを調整する。
【００６３】
この実施例５においては、マスフローコントローラ８２は、その流量を増やしていった場合、最大値を超えたらもはや増やすことはできない。従って、マスフローコントローラ８２で制御できる範囲を大きくするためには、マスフローコントローラ８２が設置される上電極側の冷却水があらかじめ多く流せられるように、配管太さ等を調整しておく必要がある。
【００６４】
実施例６
図９は、本発明の実施例６となるガスレーザ発振器おける冷却水の制御部分を示す図である。
【００６５】
図９において、図３の実施例２との違いは、以下の点である。
【００６６】
熱電対２１からの測定信号２３と熱電対２２からの測定信号２４を共通の温度調節装置９１に送り、この温度調節装置９１がヒータ部３７、３８の両方を制御するようにした。
【００６７】
ここで、温度調節装置９１は、温度制御信号９３によりヒータ部３７、３８を制御し、前述のように、上電極の温度Ｔａと下電極の温度Ｔｂが等しくなるように、あるいは、Ｔａ−Ｔｂが一定になるように、上電極と下電極の温度を調整する。
【００６８】
実施例７
図１０は、本発明の実施例７となるガスレーザ発振器における冷却水の制御部分を示す図である。
【００６９】
図１０において、図９の実施例６との違いは、以下の点である。
【００７０】
下電極側の冷却水の温度を調節するヒータ部を無くし、上電極側のヒータ部１０２だけ設け、熱電対２１からの測定信号２３と熱電対２２からの測定信号２４を受信する温度調節装置１０１が、ヒータ部１０２を制御するようにした。
【００７１】
ここで、温度調節装置１０１は、温度制御信号１０３によりヒータ部１０２を制御し、前述のように、上電極の温度Ｔａが下電極の温度Ｔｂと等しくなるように、あるいは、Ｔａ−Ｔｂが一定になるように、上電極の温度Ｔａを調整する。
【００７２】
この実施例７においては、ヒータ部１０２の温度を低めていった場合、最低値を超えたらもはや下げることはできない。従って、ヒータ部１０２で制御できる範囲を大きくするためには、ヒータ部１０２が設置される上電極側に流れる冷却水が下電極に流れる冷却水よりも若干多くなるように、配管太さ等を調整しておく必要がある。
【符号の説明】
【００７３】
１：上電極
２：下電極
１４：冷却水配管
２１、２２：熱電対
２５、２６、７１、８１：流量調節装置
２９、３０、８２：マスフローコントローラ
３３、３４、９１、１０１：温度調節装置    
３７、３８、１０２：ヒータ部
５１、５２：温度調節弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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