(57)【要約】【課題】冷却液の漏洩を防ぐことができるガスレーザ発振装置を得る。【解決手段】内部にレーザガスが封入される風洞容器５０と、風洞容器５０内に対向して設けられ、一部に電極がそれぞれ形成された一対の誘電体電極１ａ，１ｂを有する放電電極１００と、誘電体電極１ａ，１ｂ内部に埋設された冷却路８とを備え、一対の誘電体電極１ａ，１ｂの電極に電圧を印加してそれぞれの電極形成部間の空間に放電を発生させると共に、冷却路８内に冷却液を通し誘電体電極１ａ，１ｂを冷却するように構成し、誘電体電極１ａ，１ｂの冷却路８は、電極形成部の誘電体部と、電極形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する誘電体電極の誘電体部とに、それぞれ埋設すると共に、冷却路８を樹脂又は金属で形成したものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にレーザガスが封入される風洞容器と、
前記風洞容器内に対向して設けられ、一部に電極がそれぞれ形成された一対の誘電体電極を有する放電電極と、
前記一対の誘電体電極のそれぞれの電極間に電圧を印加する給電手段と、
前記誘電体電極内部に埋設された冷却路とを備え、
前記一対の誘電体電極の電極に電圧を印加してそれぞれの電極形成部間の空間に放電を発生させると共に、前記冷却路内に冷却液を通し前記誘電体電極を冷却するように構成するガスレーザ発振装置において、
前記誘電体電極の冷却路は、電極形成部の誘電体部と、前記電極形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する前記誘電体電極の誘電体部とに、それぞれ埋設すると共に、前記冷却路を樹脂又は金属で形成したことを特徴とするガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記電極形成部の誘電体部に埋設された冷却路を導電性材料で形成し、前記冷却路に前記給電手段から電圧を印加す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。
【請求項３】
前記電極形成部の電極は、導電性材料の前記冷却路と平板状の電極とで構成されることを特徴とする請求項２記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記誘電体電極の冷却路は樹脂材料で構成し、前記電極形成部の電極は平板状の電極で構成され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
【請求項５】
前記冷却路の断面形状の角部を円弧形状にしたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項６】
前記電極形成部の放電空間よりレーザガスの上流側に対応する誘電体部には冷却路を設けないことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ加工機に用いられているガスレーザ発振装置に関するものであり、特にその放電電極の冷却構造に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスレーザ発振装置として、誘電体電極の内部に少なくとも一部を誘電体と金属電極とにより構成した冷却路を設け、冷却液を流して、誘電体電極を直接冷却することで、誘電体電極の熱応力（部分的熱膨張）を抑え、誘電体電極の変形や破壊を防止する技術が示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−３８９３１号公報（要約と図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、ガスレーザ発振装置で使用される誘電体は、ガラスやセラミックスである。これらは、脆性材であるため、温度分布による熱応力で破壊に至ることがある。特許文献１では、誘電体電極の誘電体に冷却路を形成している。このため、誘電体は良く冷やされて熱応力の発生は少ない。
しかし、誤操作や故障で冷却液の流量が減ったり、冷却液の圧力が高くなったりすると、誘電体が破壊し、冷却液が漏洩する。ガスレーザ発振装置では、風洞容器（ガス容器）の中に放電電極を設置するが、この漏洩した冷却液は一部気化して、風洞容器内を満たす。
【０００５】
これは著しい不具合となる。例えば、
（１）高電圧の放電電極の誘電体電極間がショートし、給電手段（レーザ電源）が故障する。
（２）風洞容器内の掃除・乾燥に多くの費用と時間を要する。
（３）風洞容器内部が腐食し、交換が必要になる。
（４）ガス交換用の真空ポンプに冷却液が侵入し、故障する。
などである。この誘電体の破壊は、その物性値（脆性、熱膨張係数、ヤング率、破壊強度、曲げ強度など）から回避できない。したがって、従来の電極では、この不具合（破壊）の発生を回避できない。
また、冷却路の断面形状において、コーナ部が鋭角になるため、脆性材である誘電体の亀裂進展基点となり、繰り返し疲労破壊又は遅れ破壊が発生することがある。さらに、レーザガス上流側に対応する誘電体部は、冷却液で冷却され、かつ冷えたレーザガスによって冷却されている。したがって、放電中は温度分布が大きくなるため、破壊確率を高くしている。
【０００６】
この発明は前記のような課題を解消するためになされたもので、ガスレーザ発振装置の正常ではない運転状態などによって、たとえ誘電体電極が破壊に至る場合でも、冷却液の漏洩を防ぐことができるガスレーザ発振装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るガスレーザ発振装置は、内部にレーザガスが封入される風洞容器と、前記風洞容器内に対向して設けられ、一部に電極がそれぞれ形成された一対の誘電体電極を
有する放電電極と、前記一対の誘電体電極のそれぞれの電極間に電圧を印加する給電手段と、前記誘電体電極内部に埋設された冷却路とを備え、前記一対の誘電体電極の電極に電圧を印加してそれぞれの電極形成部間の空間に放電を発生させると共に、前記冷却路内に冷却液を通し前記誘電体電極を冷却するように構成するガスレーザ発振装置において、前記誘電体電極の冷却路は、電極形成部の誘電体部と、前記電極形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する前記誘電体電極の誘電体部とに、それぞれ埋設すると共に、前記冷却路を樹脂又は金属で形成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のガスレーザ発振装置によれば、ガスレーザ発振装置の正常ではない運転状態などによって、たとえ誘電体電極が破壊に至る場合でも、冷却液の漏洩を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一般的なガスレーザ発振装置の概略断面構成図である。
【図２】図１のガスレーザ発振装置の概略正面構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１における放電電極を示し、図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】実施の形態１における誘電体電極を示し、図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】実施の形態１における誘電体電極を示し、図３の上面図である。
【図６】実施の形態１における冷却路の３面図である。
【図７】実施の形態２における誘電体電極を示す断面図である。
【図８】実施の形態３における誘電体電極を示す断面図である。
【図９】実施の形態４における誘電体電極を示す断面図である。
【図１０】実施の形態５における誘電体電極を示す断面図である。
【図１１】実施の形態６における誘電体電極を示す断面図である。
【図１２】実施の形態７における誘電体電極を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は一般的なガスレーザ発振装置２００を示す概略断面構成図である。図２は図１のガスレーザ発振装置２００の概略正面構成図である。図１，図２と共に示すＸ，Ｙ，Ｚ軸により、図１に対する図２の位置関係が分かる。図１において、風洞容器５０内には放電電極１００が設置されている。この放電電極１００は、放電空間５５を介して互いに対向して設けられた第１，第２の誘電体電極１ａ、１ｂから構成される。放電空間５５の前後には、レーザ共振用ミラー（図２の全反射鏡５，部分透過鏡６）が設けられている。また、給電手段である電源１０から高周波高電圧が放電電極１００に印加される。この高周波高電圧によって、レーザガスは放電空間５５で放電励起される。この放電による発光を、レーザ共振用ミラー５，６で共振させて、部分透過鏡６よりレーザ光Ｌとして出力する。放電空間５５で放電加熱された高温ガス流５４はガスダクト５１に導かれ熱交換器５２で冷却され、冷却されたガス流５６はブロア５３で再び放電空間５５に送られる。このガス循環冷却は、「レーザガス温度が高いと発振効率が低下する」ことを防いでいる。
【００１１】
図３は実施の形態１における放電電極を示す断面図である。図４は図３の誘電体電極のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図３は、図４のＡ―Ａ線断面図である。また、図５は図３の誘電体電極の上面図である。図６は誘電体電極１ａの冷却路８の３面図（平面図，右側面図，表側面図）である。なお、符号の添え字のａ，ｂは、ａが放電電極の上側の誘電体電極の部分を表し、ｂが放電電極の下側の誘電体電極の部分を表す。図３について放電電極１００の説明をする。放電電極１００は、放電空間５５を介して互いに対向して設けら
れた第１，第２の誘電体電極１ａ、１ｂから構成される。金属電極２ａ，２ｂには、電源（給電手段）１０から高周波高電圧が印加される。放電空間５５は、１００Ｔｏｒｒ程度のレーザ（発振用）ガスで満たされていて、電源からの電力エネルギは放電エネルギに有効に変換される。
【００１２】
次に誘電体電極１ａの構成を、図３から図６について説明する。誘電体電極１ａの誘電体の内部には冷却路８aが埋設されている。この冷却路８ａの放電空間５５に対応する位
置の冷却路８（又は冷却路の内壁）は導電性材料である円形の金属管で成り、誘電体電極１ａの放電空間５５に対応する誘電体部に密着している。この金属管が金属電極２ａ（金属冷却路）となる。それ以外の冷却路８ａ（又は冷却路の内壁）は、円管状の樹脂（樹脂冷却路９ａ）で成り、誘電体電極１ａの誘電体部に密着している。つまり、樹脂冷却路９ａ，９ｂは誘電体電極１ａ，１ｂの電極２ａ，２ｂ形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する誘電体部に密着している。図５，図６に示すように、冷却液７は冷却路８の注入穴１３へ流入し，冷却路８ａを通過し、排出穴１４から流出する。また、金属電極２aに電圧を印可するための給電部１５があり、高周波高電圧を印可する電源１０が接
続されている。
【００１３】
次に、実施の形態１の作用について説明する。放電空間５５にレーザガス５６が流された状態で、電源１０により金属電極２a，２ｂ間に高周波高電圧が印加されると、誘電体
電極１a、１ｂを介して放電空間５５に無声放電が生じる。無声放電が生じると、無声放
電の電界方向（Ｚ方向）と直交する方向（Ｘ方向）について、図２に示す全反射鏡５と部分透過鏡６とで構成される共振用ミラー内でレーザ発振が起こり、部分透過鏡６よりレーザ光Ｌが出力される。また、無声放電が生じると、金属電極２ａと２ｂとに接触している部分の誘電体電極１ａ，１bの誘電体部は無声放電および誘電損失により温度上昇する。
【００１４】
このとき、冷却路８の注入穴１３に冷却液ポンプ（図示せず）より供給される冷却液７が冷却路８ａ，８ｂの内部へ供給されている。金属電極２ａ，２ｂは冷却液７により直接冷却される。また、無声放電空間に接する誘電体部は放電により高温になるが、冷却路である金属電極２ａ，２ｂによって間接冷却されることになる。さらに、無声放電空間よりレーザガス下流側の誘電体部は高温のレーザガス流５４により高温になるが、樹脂冷却路９ａ，９ｂによって間接冷却されることになる。したがって、誘電体電極１ａ，１bのそ
の部分の誘電体は高温になることはなく、熱膨脹差で変形、破壊することはない。
【００１５】
ここで、冷却液７の供給圧力が異常に上昇したり、又は、冷却液ポンプの故障で冷却液７の流れが止まった場合、温度分布による熱応力が発生して、誘電体電極１ａ，１bの誘
電体が、変形、破壊することがある。しかし、実施の形態１では、冷却路８又は冷却路内壁は、金属又は樹脂より構成されているので、脆性材である誘電体に比較して、金属材料や樹脂材料はその熱膨張係数とヤング率の関係から同一温度差において発生する応力は遥かに小さいので、破壊に至らない。例えば、誘電体としてアルミナセラミックス（熱膨張係数0.000008、ヤング率400ＧＰａ）、金属としてアルミニウム（熱膨張係数0.000023、
ヤング率70ＧＰａ）、樹脂としてポリカ（熱膨張係数0.000065、ヤング率2.3ＧＰａ）を
用いたとして、同一温度差で発生する応力は、熱膨張係数とヤング率の積で比較できる。よって、応力の概算比として「アルミナセラミックス」対「アルミニウム」対「ポリカ」は、「320」対「161」対「15」となる。
【００１６】
また、金属材には疲労限があり、決して破壊されない設計が可能であるので対し、脆性材である誘電体は破壊基点が確率的に分布しているため、いつか破壊する可能性がある。よって、誘電体の破壊は避けられないとして、同位置における温度分布でも破壊に至らない金属材や樹脂材を使用すれば、誘電体が破壊しても冷却液が漏れることはない。また、高周波高電圧が印可される金属電極２ａの断面形状を円形とした。これによって、金属電
極２ａに電界が集中する鋭角部がない。一方、電界集中部分では誘電損失による発熱・温度上昇の発生が多い。したがって、実施の形態１では、特許文献1の平板状金属電極に比
較して、電界集中に起因する熱応力による誘電体電極の破壊確率は低い。
【００１７】
また、冷却路の断面形状を円形とした。これによって、応力が集中する鋭角部がない。一方、冷却路は温度分布が最も急激に変化する部分である。つまり、熱応力も大きい。しかし、実施の形態１では、破壊の基点となる応力集中部がないため、繰り返し疲労破壊や遅れ破壊の発生する可能性は低い。さらに、冷却路を誘電体の電極形成部間の放電空間よりレーザガスの上流側に対応する誘電体部には設けなかった。これにより、この部分の冷却はレーザガス流（冷却されたガス流）５６のみにする。そのため、冷却液の冷却効果が作用する場合よりも温度は高い。一方、放電空間５５よりレーザガス下流側に対応する誘電体部は加熱されたレーザガスに接触しているので高温になる。したがって、実施の形態１では、誘電体の温度分布が緩和できるため、熱応力による誘電体電極の破壊確率は低い。
【００１８】
例えば、通常の２ｋｗのＣＯ２レーザ発振器では、冷却液の温度が１０°Ｃ、冷却されたガス流５６の温度が２０°Ｃ、高温ガス流５４の温度は１００°Ｃ、よって、レーザガス下流側の誘電体部の温度も１００°Ｃが一般的な条件となる。ここで、レーザガス上流側の誘電体部を冷やさないと、レーザガス上流側の誘電体部は、ガス温度と同じ２０°Ｃとなる。ところが、レーザガス上流側の誘電体部を冷却液で冷やすと、冷却されたガス流５６の温度が低いため、吸熱量が少なく、ほぼ１０°Ｃとなる。よって、誘電体の温度分布差は、前者が８０°Ｃ、後者が９０°Ｃなる。つまり、後者（レーザガス上流側の誘電体部を冷却液で冷やす場合）の破壊確率が高くなる。
【００１９】
このようにレーザ加工機の運用にあたって、誘電体電極が破壊しても、被害が少なく、かつ、その破壊の確率も低いガスレーザ発振装置、つまり、品質の高いガスレーザ発振装置を実現することができる。また、例え誘電体に著しい応力が作用し脆性材である誘電体が破損しても、冷却液が風洞容器内に漏洩しない。つまり、ガスレーザ発振装置の故障を電極のみに限定できる。よって、電極を交換するのみでガスレーザ発振装置を復旧できるので、より早期の復旧が可能なガスレーザ発振装置を得ることができる。
また、電極形成部の誘電体部に埋設された冷却路を導電性材料で形成し、前記冷却路に前記給電手段から電圧を印加するようにすれば、平板状の電極のみの場合のような電界集中がないため、誘電損失による発熱を低く抑えられ、熱歪み破壊の確率を低減できる。
さらに、誘電体電極の放電空間よりレーザガス上流側に対応する誘電体部には冷却路を形成しないものである。そのため、誘電体を破壊に至らしめる応力を緩和でき、電極破壊の確率を低減できる。
【００２０】
実施の形態２．
図７は実施の形態２における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極２ａとして、平板状の電極を誘電体内に設け、円形の金属管と接触させることで、円形の金属管と平板状の電極に給電するものである。このように平板状の電極を用いれば放電空間５５の電界分布は、より均一になる。例えば、レーザ光の空間的、時間的変動を少なくするには、実施の形態２と同時に、レーザガス流速分布の均一化も合わせて実施すればよい。実施の形態２でも、冷却路８の円形の金属管にも給電をしているため、誘電体内部での電界の集中の緩和効果は有効に作用する。
【００２１】
実施の形態３．
図８は実施の形態３における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極２ａとして、平板状の電極を誘電体内に設け、円形の金属管と非接触とし、金属管および平板状の電極に給電するものである。このように平板状の電極を用いれば放電空間５５の電界分布は、
より均一になる。例えば、レーザ光の空間的、時間的変動を少なくするには、実施の形態３と同時に、レーザガス流速分布の均一化も合わせて実施すればよい。実施の形態３でも、冷却路８の円形の金属管に給電をしているため、誘電体内部での電界の集中の緩和効果は有効に作用する。
【００２２】
実施の形態４．
図９は実施の形態４における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極２ａとして、平板状の電極を誘電体内に設け、直接給電するもので、かつ、冷却路をすべて円管状の樹脂で形成したものである。このように平板状の電極を用いれば放電空間５５の電界分布は、より均一になる。例えば、レーザ光の空間的、時間的変動を少なくするには、実施の形態４と同時に、レーザガス流速分布の均一化も合わせて実施すればよい。実施の形態４でも、冷却路の断面を円形にしているため、冷却路の熱応力集中の緩和効果は有効に作用する。
【００２３】
実施の形態５．
図１０は実施の形態５における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極２ａとして、誘電体板２１の表面に平板状の電極を設け、誘電体電極１ａの誘電体の表面との間に接着層２２により接着し、平板状の電極に直接給電するもので、かつ、冷却路８をすべて円管状の樹脂で形成したものである。このように平板状の電極を用いれば、放電空間５５の電界分布は、より均一になる。また、誘電体の内に電極を形成する工程が簡略化されるので、コストは低く抑えられる。実施の形態５でも、冷却路の断面を円形にしているため、冷却路の熱応力集中の緩和効果は有効に作用する。
【００２４】
実施の形態６．
図１１は実施の形態６における誘電体電極を示す断面図である。冷却路８（導電性冷却路２及び樹脂冷却路９）の断面形状は角部が円弧状であることで、円形に限定しなくてもよい。図１１に示すように、例えば、外形状は四角形様で内形状が円、外形状および内形状共に四角形様、又は、楕円形など、製作しやすい形状で、所望の冷却性能が得られればよい。なお、外形状又は内形状が四角形様の場合は、角部をできるだけ滑らかな円弧状に形成する。冷却路の断面形状のコーナ部を円弧形状にすることにより、加熱された誘電体と冷却路壁面の温度差に起因する熱応力において、角部の応力集中が緩和できる。したがって、熱歪み破壊の確率を低減することができる。
【００２５】
実施の形態７．
図１２は実施の形態７における誘電体電極を示す断面図である。実施の形態１では、冷却路８は１本であったが、実施の形態７のように、両端で多分岐構造としてもよい。この場合、各冷却路８の断面形状を変えて冷却液の流量を所望の冷却性能が得られるように設計可能である。よって、誘電体電極１ａの温度分布をより緩和できる。
【００２６】
なお、実施の形態において、冷却路の配列間隔は、一定に規定するものではなく、誘電体電極１ａ，１ｂの温度分布を緩和するように設定すればよい。つまり、温度上昇が激しい誘電体電極１ａ，１ｂの部分の冷却路を密にし、それ以外の部分を疎にして冷却能力を変え、誘電体の温度上昇が均一になるようにすればよい。したがって、誘電体の熱変形が均一になり、発生熱応力が小さくなり、誘電体が熱膨脹差で変形、破壊することがないため、放電電極（ガスレーザ発振装置）の信頼性を向上できる。
なお、実施の形態においては、レーザガス流５６の流れる方向と直交するように冷却路８を設けたが、平行してもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  誘電体電極、                        ２  導電性（金属）電極、
５  全反射鏡                            ６  部分透過鏡
７  冷却液                              ８  冷却路
９  樹脂冷却路                          １０  電源
１３  注入穴                            １４  排出穴
１５  給電部                            ２１  誘電体板
２２  接着層                            ５０  風洞容器
５１  ガスダクト                        ５２  熱交換器
５３  ブロア                            ５４  高温ガス流
５５  放電空間                          ５６  冷却されたガス流
１００  放電電極                        ２００  ガスレーザ発振装置
【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】
2011119458.tif 000011
【図１０】
2011119458.tif 000012
【図１１】
2011119458.tif 000013
【図１２】
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