(57)【要約】【課題】  ガスレーザ発振器において、上下電極の熱膨張の影響を受けずに、電極間のガス共鳴を抑えることを目的とするものである。【解決手段】  一組の電極間のガスを電離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、前記電極部材の短手方向両側面部に電極ギャップを囲むカバーを設け、当該カバーは前記電極の一方にだけ固定し、他方の電極とは所定の間隔を持たせるようにした。ある例においては、この間隔は0.05ｍｍ≦ｄ≦0.4ｍｍの範囲とすることが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の電極間のガスを電離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、前記電極部材の短手方向両側面部に電極ギャップを囲むカバーを設け、当該カバーは前記電極の一方にだけ固定した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、前記電極の他方と前記カバーとの間隔を0.05ｍｍ≦ｄ≦0.4ｍｍにしたことを特徴とするガスレーザ発振器。
【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でレーザを発振するガスレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスレーザ発振器の中で、様々な加工に用いられる炭酸ガスレーザ発振器等では、発振パワーを大きくすることで加工速度が向上することから、大パワー化が進んでいる。
図１０は、従来のガスレーザ発振器の構造の一例を示す斜視図である。図１０において、１１は上電極、１２は下電極であり、それぞれ矩形状をしている。１３はセラミック等の絶縁物製の電極間隔支持部材である。電極間隔支持部材１３は、上電極１１と下電極１２を所定の間隔に保持するためのもので、上下電極の長手方向に複数個、ネジ１４により上下電極に固定されている。下電極１２の両端は、電極支持部１５と１６で支持されるが、電極支持部１６は電極の伸びを逃がすように、下電極１２の端部が水平方向に滑るようになっている。１７はＲＦ電源であり、ここからの高電圧は、整合回路１８とＲＦ給電部１９を経由して、上電極１１に供給されるようになっている。一方、下電極１２は電極支持部１５と１６を介して、アースにつながっているチャンバー２０と同電位になっている。チャンバー２０内に満たされたガスが電離して上下電極間のギャップ２１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２２によって光共振させ、レーザ光が窓２３よりチャンバー２０の外部へ取出されるようになっている。
【０００３】
このようなガスレーザ発振器の大パワー化には、ＲＦ電力のハイパワー化、電極の大型化の必要があるが、それに伴ってプラズマ生成領域も大型化されることになり、電極間で起こるガス共鳴によってレーザビームに位置ずれが生じ、加工精度が悪くなる問題が顕著になる。
図１１は、図１０のガスレーザ発振器で起こるガス共鳴を説明するための図で、図１０における電極１１、１２を短手方向に切断した断面図である。プラズマ１００に供給されたエネルギーは、短時間にガスの熱エネルギーに変換されてガスを膨張させ、このガスの膨張により上下電極間のギャップ２１にはガス振動１０１が発生する。このガス振動１０１の繰り返し周波数が電極間に満たされているガスの共鳴周波数と一致すると、ガス共鳴が起きることになる。
【０００４】
ところで、特許文献１に開示されるような構造のガスレーザ発振器においては、上下電極の両端部間にセラミックのスペーサが挿入されており、上記の如きガス共鳴の発生を防止する効果を有する。しかしながら、電極を水冷する場合、上電極と下電極で正確に同じ量の冷却水を流すことはできないこと、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温度とすることはできない。そのため、このようなスペーサを挟んだ構造では、上下電極の熱膨張の違いから、セラミックが破壊したり、セラミックと電極が擦れて異物が発生する等の問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】US2009/0034574A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、ガスレーザ発振器において、上下電極の熱膨張の影響を受けずに、電極間のガス共鳴を抑え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】
【０００７】
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、一組の電極間のガスを電離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、前記電極部材の短手方向両側面部に電極ギャップを囲むカバーを設け、当該カバーは前記電極の一方にだけ固定したことを特徴とする。
【０００８】
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、前記電極の他方と前記カバーとの間隔を0.05ｍｍ≦ｄ≦0.4ｍｍにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガスレーザ発振器において、上下電極の熱膨張の影響を受けずに、電極間のガス共鳴を抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の要部の断面図である。
【図２】本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の要部の別位置での断面図である。
【図３】本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の要部の平面図であり、図１はこれのＡ―Ａ断面図、図２はＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の要部の側面図である。
【図５】本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の要部の断面図である。
【図６】本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の要部の別位置での断面図である。
【図７】図１における上下電極とカバーの配置を示す断面図である。
【図８】ガス圧力の時間変化を示した概念図である。
【図９】ガス圧力の減衰定数を計算した図である。
【図１０】従来のガスレーザ発振器の構造の一例を示す斜視図である。
【図１１】図１０のガスレーザ発振器で起こるガス共鳴を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１１】
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。
実施例１
図１〜４を用いて、本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の要部の構造を説明するが、これらの図においては、図１０に示したネジ１４の如き固定用のネジは、図を簡単にするため省略してある。
【００１２】
図１〜４において、１は上電極、２は下電極で、それぞれ図１０における上電極１１、下電極１２に相当するものである。上下電極の短手方向両側面部には、電極間のギャップ５を塞ぐためのカバー４が設けられている。下電極２の幅は、上電極１のそれより若干小さくなっていて、カバー４は上電極１だけに固定されており、下電極２とカバー４の間には所望の隙間が得られるようになっている。
【００１３】
３は上下電極を所定の間隔に保持するための電極間隔支持部材で、図１０における電極間隔支持部材１３に相当するものである。電極間隔支持部材３は、上電極１、下電極２のそれぞれに固定されるセラミック等の絶縁物でできた取付台３１と、この取付台３１に固定された金属板３２とから構成される。金属板３２は、カバー４の外側に位置するように固定されている。金属板３２は、その厚み方向が上下電極の長手方向と一致するように取付台３１に固定されているので、電極間隔支持部材３は、高さ方向には強固であるが、金属板３２が上下電極の長手方向に撓むことによって上下電極の長手方向には可撓性を持つようになっている。このような構造により、上下電極において熱膨張による伸びの差が起きても、電極が曲がることがなく、電極間のギャップも変化しないようになっている。
【００１４】
カバー４はガス共鳴を低減する効果を果たすが、その条件を以下で説明する。
図７に示した電極断面を考える。上電極１の電極幅をＷ、上下電極間のギャップ長をｇ、カバー４と下電極２の間隔をｄ、カバー４が下電極２を覆う長さをＨとする。上下電極間のガスを一定と近似してその圧力をＰ、外部の圧力をＰ0、ＰとＰ0の差をｘ（＝P-P0）、ｘが非常に小さく、間隔がギャップｇと比べて小さいものとして近似すると、下記の方程式が成立する。
d2x/dt2＋2hω・dx/dt＋ω2x=0
ここで、ωは固有角振動数、hは減衰定数で、ガスの密度をρ、ガスの粘性係数をηとすると、固有角振動数ωと減衰定数hは以下となる。
ω =[2・d・Ｐ0/(W・g・ρ・H)]1/2
ｈ=4.24・[W・g・H・η2/(ρ・Ｐ0・d5)]1/2
【００１５】
上記の方程式を用いて、電極間のガス圧力がプラズマ着火したことによってＰ1に加圧された場合の時間変化を計算したものが図８である。ガス圧力はＰ1からＰ0へ時間と共に減衰するが、減衰定数ｈの大きさによって、その変化の様子は異なる。
ｈ<1のとき減衰振動と呼ばれる振動をしながらの減衰となる。ｈ=1のときは臨界振動、ｈ>1のとき過減衰と呼ばれ、振動することなく減衰する。0≦ｈ＜０．５では残留する振動が大きく、残留振動が大きい状態で次のプラズマを着火させると、ガス圧力の増加がさらに大きく起きる。これがガス共鳴の起きる原理である。これを回避するためにはｈ≧０．５となるようにすれば、強いガス共鳴が起きないことになる。
【００１６】
平均的な電極の寸法とガス条件として、上電極１の電極幅W=100mm、ギャップｇ=2mm、外部の圧力Ｐ0=20ｋPa、ガスはCO2ガスをHe等で希釈した混合ガスを平均分子量30と仮定して、密度ρ=0.27kg/m3、ガスの粘性係数η=20μPa・ｓとした場合に、ｄとＨを変化させた場合の減衰定数ｈを上記の式で計算したものを図９に示す。図９の横軸は間隔ｄ、縦軸は減衰定数ｈである。Ｈを10ｍｍ、20ｍｍ、30ｍｍの場合を図中に示している。減衰定数ｈは、上記の式からも判るように、ｄ-5/2に比例するためｄの寄与が大きいが、それ以外のパラメーターの寄与は小さい。このことからＨがある程度大きい10ｍｍ以上では、ｄ≦0.4ｍｍとなるようにカバーを取付けさえすればｈ≧０．５とすることができ、ガス共鳴の発生を抑えることができる。
【００１７】
ところで、間隔ｄには、さらにもう一つの条件があり、以下の通りである。
上下電極の振動はレーザ発振時や運搬時には数十ミクロン以上にもなる。カバー４は上電極１に機械的に接続されており、間隔ｄがその大きさよりも小さいと、カバーと下電極２が衝突することになるので、製作精度まで考えると、最低でもｄ≧0.05程度とする必要がある。
【００１８】
従って、以上の説明から、間隔ｄは0.05ｍｍ≦ｄ≦0.4ｍｍの範囲とすることが望ましい。
【００１９】
なお、以上では、カバー４を上電極１に取付け、カバー４と下電極２との間に間隔を設ける構造としているが、これとは反対に、下電極２の幅の方を若干大きくし、カバー４を下電極２に取付け、カバー４と上電極１との間に間隔を設ける構造としても良い。
【００２０】
実施例２
図５と６は、本発明の実施例２を説明するためのもので、それぞれ実施例１での図１と２に相当する図である。本実施例においては、幅の等しい上電極１と下電極２を短手方向にずらして配置し、片側のカバーは上電極１に、もう一方のカバーは下電極２に取付けてある。このような構造にしても、実施例１と同等な効果を得ることができる。
【００２１】
以上の実施例では、電極間隔支持部材３の内側にもカバー４が取付けられているようになっている。しかしながら、電極間隔支持部材３の数はさほど多くないので、この部分のカバー４がないことの影響が大きくなければ、電極間隔支持部材３のある場所は省略することで、組み立てが容易になるようにしても良い。
【符号の説明】
【００２２】
１：上電極  ２：下電極  ３：電極間隔支持部材  ４：カバー  ５：ギャップ
３１：取付台  ３２：金属板
【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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