(57)【要約】【課題】ガスレーザ発振装置の光学ベンチと周辺部材の間に生じる引張り力により、光学ベンチが微小に変形するのを防ぐため、光学ベンチのガス配管と反対側に、シリンダ等を用いて反対方向の力を生じさせ、光学ベンチへの作用力の均衡を保っていたが、シリンダを配置するスペースで装置が大型になるという課題があった。【解決手段】光学ベンチに接続されるガス循環配管を内筒としてその外側にシリンダを形成し、光学ベンチと周辺部材の間の力と反対方向の力を発生させて力の均衡を保つ。また、ガス配管に孔を設けることで当該シリンダ内の圧力をガス配管内の圧力と同じにできる。同様にして、光学ベンチに接続されるガス配管を内筒とした外側のシリンダ内にガスレーザ発振装置でその原動として通常用いられるレーザガス・冷却水・圧縮エア等を供給して圧力を付与することにより上記の課題を解決できる。【選択図】  図２
2004207347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電管，反射鏡および部分反射鏡を装架した光学ベンチと、前記光学ベンチと周辺部材との間に有したガス配管部材と、前記ガス配管部材の外側に形成したシリンダと、前記シリンダの作用力を前記光学ベンチに伝達する作用力伝達手段とを備え、前記作用力伝達手段によって前記光学ベンチと前記周辺部材との間の力を均衡させたガスレーザ発振装置。
【請求項２】
シリンダ内の圧力とガス配管内の圧力とを同じ圧力にする圧力均衡手段を有した請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
圧力均衡手段はガス配管部材に孔を設けることにより行なう請求項２記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
作用力伝達手段は弾性体である請求項１から３のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
【請求項５】
ガス配管部材に設けた孔の中心線とガス流方向との角度を調整する調整手段を有したガスレーザ発振装置。
【請求項６】
ガス配管部材の外側に設けた外筒と、前記ガス配管部材と前記外筒との間に設けた圧力室を有し、前記圧力室はレーザガスにより圧力を付与される請求項５記載のガスレーザ発振装置。
【請求項７】
圧力室に圧力を付与する圧力付与手段を有した請求項６記載のガスレーザ発振装置。
【請求項８】
圧力付与手段は、圧縮媒体により行なう請求項７記載のガスレーザ発振装置。
【請求項９】
圧力付与手段は、冷却媒体により行なう請求項７記載のガスレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスレーザ発振装置において、光学ベンチと周辺部材の間の力の均衡を保つことにより、安定したレーザ出力とビームモードを確保し、安定したレーザ加工を提供する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５および図６を参照しながら説明する。
【０００３】
図５および図６において、光学ベンチ１１９とその保持部の構成を示す。図５において、１０１は放電管、１１１はメインパイプ、１１２は筐体、１１３はミラー取り付け部、１１５はミラー支持ブロック、１１７はセンタブロックであり、メインパイプ１１１に流入したレーザガスはメインパイプ１１１の両端に固定されたミラー支持ブロック１１５の中を通って放電管１０１に入り、放電管１０１における放電によって励起されレーザ光を発する。
【０００４】
そして、放電管１０１内で励起されたレーザガスはセンターブロック１１７から図示しない熱交換器を経て送風機に戻られる。
【０００５】
また、メインパイプ１１１の両端は、メインパイプ１１１のガス流動部すなわち内部断面と同じ内部断面積を有するつなぎパイプ１１４を介して、筐体１１２に固定されたキャンセラブロック１１６と接続されている。
【０００６】
図６を用いて、光学ベンチ１１９のメインパイプ１１１が筐体１１２に固定されたキャンセラブロック１１６との間をつなぎパイプ１１４によって接続されている部分の構造を、さらに詳しく説明する。
【０００７】
図６において、キャンセラブロック１１６が筐体１１２に固定されており、そのキャンセラブロック１１６とメインパイプ１１１は、キャンセラブロック１１６とメインパイプ１１１の両方に嵌合したつなぎパイプ１１４で摺動可能に結合されている。なお、キャンセラブロック１１６およびメインパイプ１１１とつなぎパイプ１１４との摺動部分には真空室の気密を保つためのＯリング１１８が装着されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
また、ガスレーザ発振装置では一般的に図７に示すように構成される。
【０００９】
この場合、発振器チャンバー内は圧力が通常３０KＰａ以下の負圧のレーザ媒質２が封入され、ブロワー１３により系内を矢印の方向に循環される。ブロワー１３により断熱圧縮されたレーザ媒質２は熱交換器１４により冷却された後、左右両側より放電管１に供給され、放電管１の両端の陽極３と陰極４の間に印加される高電圧によりそれらの間で放電が発生する。放電により熱せられたレーザ媒質２は、熱交換器１５により冷却され再度ブロワ１３に戻る。
【００１０】
また、反射鏡５および部分反射鏡６は、４本の連結棒１１により連結された左右の保持板１０に装架され、放電管１は、板１０に取り付けられた絶縁ブロック８と、連結棒１１から支持された集合ブロック１２９の間に取り付けられ、これらにより光学ベンチ１２２が構成されている。放電管１内の陽極３と陰極４の間の放電により、レーザ媒質２が励起され再度安定状態に戻る際にレーザ光を誘導放出し、反射鏡５と部分反射鏡６の間で反射を繰り返した後、部分反射鏡６からその一部がレーザ光１２７として外部に取り出される。
【００１１】
取り出されたレーザ光１２７は、通常複数の反射鏡により集光レンズに導かれ、それにより１点に集光されることによりきわめて高いエネルギー密度を得て、金属その他の被加工材料に照射して切断あるいは溶接等の施工が行われる。このレーザ加工の加工品質は、主としてレーザ出力とビームモードにより決定される。
【００１２】
図８に、従来のガスレーザ発振装置の光学ベンチ１２２への作用力均衡機構について図示している。集合ブロック１２９には、放電管１を流れたレーザ媒質が孔３０を通って流れ込み、ガス配管部材２２の内部を通過して周辺部材２３の方向に流れて行く。集合ブロック１２９およびガス配管部材２２の内部におけるレーザ媒質の圧力は通常３０ＫＰａ以下の負圧であり、集合ブロック１２９の内部に挿入されたＯリング３６と、周辺部材２３の内部に挿入されたＯリング３９により大気と遮断されている。
【００１３】
このため、集合ブロック１２９には、内部の圧力とＯリング３６に内接する部分の直径寸法により決定される作用力４２が作用して、光学ベンチ１２２全体が変形してしまう。これにより、予め放電管１、反射鏡５、および部分反射鏡６の中心が一致するよう調整された光軸が変化し、レーザ出力およびビームモードに悪影響を及ぼし安定したレーザ加工ができなくなる。これを防止するため、従来のガスレーザ発振装置では真空力キャンセラ１６が集合ブロック１２９のガス配管部材２２と反対側に装備されている。
【００１４】
真空力キャンセラ１６内のＯリング２４、２５の外接する部分の直径寸法と前記Ｏリング３６に内接する部分の直径寸法とを同一にするとともに、真空力キャンセラ１６内部の圧力をガス配管部材２２の内部の圧力と同一に保つことにより、連結部材２１を通じて集合ブロック１２９に、前記作用力４２と方向が反対で大きさが等しい作用力２６を作用させて、光学ベンチに作用する作用力の総和をゼロとして、その変位を抑制することにより安定したレーザ出力とビームモードを得ていた。
【００１５】
【特許文献１】
特開平５−１２１７９６号公報（第２−３頁、第１図，第２図）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来技術を用いた場合、例えば図７，８に示した構成だと集合ブロック１２９のガス配管部材２２と反対側に真空力キャンセラ１６の配置スペースが必要となるため、ガスレーザ発振装置の外形サイズを大型化させてしまうという問題があった。
【００１７】
また、真空力キャンセラ１６にチューブ等の配管部材を用いて配管することにより圧力を光学ベンチ１２内のそれと同一に保つ必要がある。この際、光学ベンチ内への不純物の侵入を防止するため、その配管には脱ガス特性に優れた（脱ガス量が少ない）高価な材料を使用する必要がある。これにより、配管作業に時間を要するだけでなく、ガスレーザ発振装置の材料費を高めてしまうという問題があった。
【００１８】
本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、省スペースでかつ高価な配管部材を必要としない、光学ベンチに作用する作用力の均衡方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガスレーザ発振装置では、光学ベンチに接続されるガス配管部材を内筒としてその外側の空間にシリンダを形成している。これにより、光学ベンチと周辺部材の間の力と反対方向の力を発生させて力の均衡を図ることにより、光学ベンチの変位を防止している。
【００２０】
また、ガス配管部材に孔を設けることにより、当該シリンダ内の圧力をガス配管内部の圧力と同一に保つ構成としているため、高価な配管部材と配管作業を必要としない。
【００２１】
ただし、加工誤差や組み付け誤差により、光学ベンチと周辺部材の取り付けに角度誤差を持つと、集合ブロックに対して片当たりして作用力を作用させるため、光学ベンチにかかるモーメントの均衡が得られないことがある。本発明では、これを防止するため、光学ベンチへの作用力の伝達部材に弾性体を用いた。
【００２２】
また、上記ガス配管部材や上記シリンダ部において、真空部と大気を遮断するのに用いられるＯリングは、規格によりそのサイズが定められているため、ガス配管により引き合う力と外側に形成したシリンダの力を完全に同じにすることができない。本発明では、これを補うため、上記ガス配管部材に設ける孔の中心線とガス流方向との角度を直角から変えることにより、ベンチュリー効果を利用して上記外側のシリンダ内の圧力をガス配管内圧力から微小に変化させ、光学ベンチの力の均衡をより正確にしている。
【００２３】
さらにまた、上記ガス配管部材の外側の、集合ブロックと周辺部材の間に圧力室を設けて、ガスレーザ発振器で用いられるユーティリティである、レーザガス、圧縮エア、冷却水等一定の圧力で供給される流体を上記圧力室内に導くことにより、集合ブロックに作用力を作用させて光学ベンチの力の均衡を図る方法も用いることができる。
【００２４】
これらの構成によれば、集合ブロックのガス配管接続部と反対側に真空力キャンセラを配置するスペースが不要となるため、ガスレーザ発振装置の外形サイズを小型化することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。
【００２６】
発振器チャンバー内は圧力が通常３０KＰａ以下の負圧のレーザ媒質２が封入され、ブロワー１３により系内を矢印の方向に循環される。ブロワー１３により断熱圧縮されたレーザ媒質２は熱交換器１４により冷却された後、左右両側より放電管１に供給され、放電管１の両端の陽極３と陰極４の間に印加される高電圧によりそれらの間で放電が発生する。放電により熱せられたレーザ媒質２は、熱交換器１５により冷却され再度ブロワ１３に戻る。
【００２７】
また、反射鏡５および部分反射鏡６は、４本の連結棒１１により連結された左右の保持板１０に装架され、放電管１は、板１０に取り付けられた絶縁ブロック８と、連結棒１１から支持された集合ブロック９の間に取り付けられ、これらにより光学ベンチ１２が構成されている。放電管１内の陽極３と陰極４の間の放電により、レーザ媒質２が励起され再度安定状態に戻る際にレーザ光を誘導放出し、反射鏡５と部分反射鏡６の間で反射を繰り返した後、部分反射鏡６からその一部がレーザ光７として外部に取り出される。
【００２８】
取り出されたレーザ光７は、通常複数の反射鏡により集光レンズに導かれ、それにより１点に集光されることによりきわめて高いエネルギー密度を得て、金属その他の被加工材料に照射して切断あるいは溶接等の施工が行われる。このレーザ加工の加工品質は、主としてレーザ出力とビームモードにより決定される。
【００２９】
図２において、集合ブロック９には、放電管１を流れたレーザ媒質が孔３０を通って流れ込み、ガス配管部材３１の内部を通過して周辺部材３３の方向に流れて行く。集合ブロック９およびガス配管部材３１の内部におけるレーザ媒質の圧力は通常３０ＫＰａ以下の負圧であり、またその速度は音速の２０〜５０％と速い。これらは、集合ブロック９の内部に挿入されたＯリング３６と、周辺部材３３の内部に挿入されたＯリング３９により大気と遮断されている。このため、集合ブロック９と周辺部材３３には、内部の圧力とＯリング３６，３９に内接する部分の直径寸法により決定される反対向きの作用力４２、４３が作用する。
【００３０】
ガス配管部材３１の外側には、ガス配管部材３１に挿入されたＯリング３７と、外部部材３２に挿入されたＯリング３８により大気と遮断された負圧室３５が形成されている。負圧室３５はガス配管部材３１に設けられた孔３４によりガス配管部材３１内部と連通しており、それらの圧力が同一に保たれる構成となっている。このため、ガス配管部材３１と外部部材３２には、内部の圧力とＯリング３７に外接する部分の直径寸法、およびＯリング３８に内接する部分の直径寸法により決定される各々反対向きの作用力４４、４５が作用する。
【００３１】
したがって、ガス配管部材３１は作用力４４によりその方向に摺動して周辺部材３３と当接する。また、外部部材３２は作用力４５によりその方向に摺動して、外部部材３２に取り付けられた弾性部材４１が集合ブロック９に当接する。この際、集合ブロック９は弾性部材４１から作用力４５を受ける。即ち、集合ブロック９には、互いに反対方向の作用力４２と４５が働くことになる。
【００３２】
ここで、作用力４２と４５が近似するように、Ｏリング３６に内接する部分の直径寸法、Ｏリング３７に外接する部分の直径寸法，およびＯリング３８と内接する部分の直径寸法の寸法を決定すれば、集合ブロック９、すなわち光学ベンチに作用する力の総和は極小となる。この力の均衡により、光学ベンチの変位を微小な範囲、即ち通常ではガスレーザ発振装置の特性上問題にならない程度に抑制することができる。
【００３３】
ここで、集合ブロック９に作用力４５を作用させる部材が弾性体でない場合の弊害について、図３を用いて説明する。集合ブロック９、ガス配管部材３１、および外部部材３２の間には部品加工上または組立上の誤差が存在するため、通常各々の中心線の間には微小な角度誤差が生じる。この場合、集合ブロック９に当接する部材４９が剛体であると、作用力４５は集合ブロック９の中心から離れた１点４８に集中して作用してしまう。一方、作用力４２は集合ブロック９の中心に作用するため、結果として集合ブロック９、すなわち光学ベンチには、中心から点４８までの距離と作用力４２、４５により決定されるモーメントが作用する。
【００３４】
このモーメントにより、光学ベンチに変形が発生する。これにより、予め放電管１、反射鏡５、および部分反射鏡６の中心が一致するよう調整された光軸が変化し、レーザ出力およびビームモードに悪影響を及ぼし安定したレーザ加工ができなくなる。
【００３５】
集合ブロック９に作用力４５が作用する部材が弾性体であることにより、その変形によって集合ブロック９により均一な力を作用させ、作用力４５の中心を作用力４２の中心に限りなく一致させることにより、上記モーメントの発生を抑制して光学ベンチの変形を防止することができる。
【００３６】
しかしながら、前記Ｏリングに外接または内接する直径は規格により定められているため、集合ブロック９に作用する力の総和は厳密にはゼロにはならないため、集合ブロック９すなわち光学ベンチにはごく微小な変形が発生する。通常のレーザ加工において問題とならないこの微小変形も、特殊な用途のレーザ加工（例えばセラミックプリント基板のスクライブ加工等）において、ビームモードのわずかな歪みにより加工不良となる場合がある。
【００３７】
このわずかな光学ベンチへの力の総和の不均衡を補うため、本発明ではガス配管部材３１に設けられた孔３４の中心線と、ガス流方向との角度を直角からわずかに変えている。すなわちガス配管部材３１の中をレーザ媒質が高速で流れているため、孔３４の中心線角度によって、ベンチュリー効果により負圧室３５内部の圧力が変化するからである。これにより、集合ブロック９すなわち光学ベンチへの作用力の総和を完全にゼロとして、光学ベンチの変形と光軸の変化を無くし、レーザ出力およびビームモード、ひいてはレーザ加工を安定させることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４を用いて説明する。
【００３９】
前記、実施の形態１と同様に、集合ブロック９と周辺部材３３には、内部の圧力とＯリング３６・３９に内接する部分の直径寸法により決定される反対向きの作用力４２、４３が作用する。
【００４０】
ガス配管部材５１の外側には、集合ブロック９に挿入されたＯリング５４と、周辺部材３３に挿入されたＯリング５５により外筒５２が支持され、大気およびガス配管内と遮断された圧力室５３が形成されている。圧力室５３には一定圧力に調整されてガスレーザ発振装置に供給されるレーザ媒質（混合ガス）が配管ホース５９を通して圧力室５３に供給されている。
【００４１】
このため、集合ブロック９と周辺部部材３３には、圧力室５３内部の圧力とＯリング５４および５５に外接する部分の直径寸法により決定される各々反対向きの作用力５７、５８が作用する。ここで、作用力４２と５７が等しくなるように、圧力室５３に供給されるレーザ媒質の圧力と、Ｏリング５４と外接する部分の直径寸法、およびＯリング３６と内接する部分の直径寸法の寸法を決定すれば、集合ブロック９すなわち光学ベンチへの作用力の総和はゼロとなる。この作用力の均衡により、光学ベンチの変形を防止することができる。
【００４２】
また、上記実施の形態では、圧力室５３に供給する流体としてレーザ媒質を用いたが、ガスレーザ発振装置には、その他にも、冷却水や圧縮エアーが供給されている。したがって、圧力室５３に、冷却水または圧縮エアー等を供給しても、集合ブロック９に作用する力の総和をゼロとして、光学ベンチの変形を防止することができる。
【００４３】
ここで、圧力室５３に流体を供給する配管材料は、いずれも正の圧力であるとともに脱ガスの影響を考慮する必要がないため、通常の廉価な配管材料を用いても問題はない。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、集合ブロックのガス配管接続部と反対側に真空力キャンセラの配置する必要がなく、ガス配管部材周辺のわずかなスペースで、光学ベンチの力の均衡を保って真空力による変形を防止することができる。そのため、ガスレーザ発振装置の外形サイズを小型化することが可能になる。
【００４５】
また、真空力キャンセラへの高価な配管材料を使用する必要がなくなり、ガスレーザ発振装置の材料費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるガスレーザ発振装置の説明図
【図２】同実施の形態１における光学ベンチの作用力説明図
【図３】同実施の形態１における光学ベンチの作用力説明図
【図４】同実施の形態１における光学ベンチの作用力説明図
【図５】従来におけるガスレーザ発振装置の説明図
【図６】従来におけるガスレーザ発振装置の詳細説明図
【図７】従来における別のガスレーザ発振装置の説明図
【図８】従来における光学ベンチの作用力説明図
【符号の説明】
１  放電管
５  反射鏡
６  部分反射鏡
９  集合ブロック
１２  光学ベンチ
３１，５１  ガス配管部材
４１  弾性部材
５２  外筒
５３  圧力室
【図１】
2004207347.tif 000003
【図２】
2004207347.tif 000004
【図３】
2004207347.tif 000005
【図４】
2004207347.tif 000006
【図５】
2004207347.tif 000007
【図６】
2004207347.tif 000008
【図７】
2004207347.tif 000009
【図８】
2004207347.tif 000010