JP2010103267A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスレーザ加工機に用いられるガスレーザ発振装置の高出力化に伴う誘電体に印加される熱応力を緩和した発振用電極構造を提供する。
【解決手段】放電空間５５に対向して設けられた放電電極１ａ、１ｂを収納する容器２ａ、２ｂのフランジ面２１に段付部３０を有する誘電体３ａ、３ｂが固定具４ａ、４ｂを介し、締付ボルト５によって真空タイトに取り付けられており、固定具４ａ、４ｂには、所定の隙間Ｓ、Ｓ２を有して誘電体３ａ、３ｂの段付部３０に当接する第１の突起部４１，フランジ面２１に当接する第２の突起部４２が設けられている。
【選択図】図２

Description

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、特に放電電極の誘電体を金属性容器に固定する構造に係るものである。

従来のガスレーザ装置として、複数の電極対を構成する各電極に、放電面に密着してこれを覆う誘電体を設けるとともに、第１の電極を放電部の外部隔壁に、第２の電極を放電部の内部隔壁に配置し、放電部の外部隔壁にパッキンを介して第１の絶縁板を気密に固定するとともに、この第１の絶縁板にパッキンを介して第１の電極を気密に固定し、前記内部隔壁に第２の絶縁板を固定し、この第２の絶縁板に第２の電極を固定する技術が示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０３−０１８０７０号公報

近年、ガスレーザ加工機は試作用途から量産用途に使用形態が移行するに伴い、加工能力向上のため、ガスレーザ発振装置が高出力化してきている。そのためレーザビーム径が大きくなるとともに、レーザ共振器のミラー間隔も長くなり、ガスを励起する放電電極もこれに対応して幅広で長尺化してきている。さらに高出力のレーザを得るために、放電電力密度を上げる必要があり、その結果装置の温度が上昇し、誘電体には熱応力が従来以上に作用して誘電体破損の原因となる。誘電体の破壊確率Ｐはよく知られているように、
Ｐ＝1-exp(-(ｆ/343)^ｍ）
のワイブル分布で表される。ここでｆは作用する応力、３４３（ＭＰａ）は誘電体であるセラミックの破壊応力３００〜４００から代表値として採用した値。ｍはワイブル係数で測定によって求められるものであり、この場合１０〜１５とした。
レーザ加工機の高出力化に伴う温度上昇が従来に比較して２倍となるとすると、熱応力も２倍となり、誘電体の破壊確率Ｐは１０００倍にもなる。このように高出力化による熱応力は前記特許文献１に示された構造では対処可能なものではない。

すなわち、特許文献１において、上部絶縁板とセラミック誘電体との固定部分に熱応力が発生する。この熱応力による誘電体の破壊を防止するには誘電体を厚くすればよいが、誘電体の厚さにほぼ比例して電源の周波数を上げる必要がある。周波数を上げると回路の浮遊容量に電力を消費され効率が低下する。またセラミックス等の誘電体は高価であり、さらに組立作業性からも軽量化の要請がある。従って、誘電体の厚さは可能な限り薄くする必要があり、またコスト低減上からも望まれるものである。このように熱応力低減という機械的要求から誘電体の厚さの増加と、効率低下防止という電気的要求及びコスト面からの誘電体を薄くするという相反した要求には、前記特許文献１に示された技術で対応するには問題点がある。さらに前記特許文献１の構造では、上部絶縁板で真空壁の一部を構成しているので、経年変化に伴い上部絶縁板を透過する真空漏れが発生し易い。これを防止するには高価な耐真空性絶縁板を用いる必要があり、これは高価格化要因となるという問題点もある。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたものであって、ガスレーザ発振装置の高出力化による温度上昇に伴う誘電体に印加される熱応力を低減するとともに、より確実な真空容器構造とし、かつ低価格のガスレーザ発振装置を提供することを目的とする。

この発明に係るガスレーザ発振装置は、風洞容器内に発振用電極を備え、発振用電極は、第１の放電電極を収納する第１の容器と、第２の放電電極を収納する第２の容器とをレーザ発振用ガスの放電空間を介し互いに対向配置して備え、第１、第２の容器のフランジ面に、端部に段付部を有する第１、第２の誘電体が放電空間に面して、それぞれに第１、第２の固定具を介し真空タイトとなるように締付ボルトによって取り付けられており、第１、第２の各固定具は、誘電体の段付部に当接するよう第１の突起部が設けられているとともに、フランジ面に当接するよう第２の突起部が設けられており、第１、第２の誘電体の端面および段付部端面と第１、第２の固定具との間には、所定の隙間が設けられているものである。

この発明は、上記のような構成を備えているので、誘電体に印加される熱応力を低減するとともに、経年変化による構成部材からの真空漏れのないより確実な真空容器構造となり、かつ低価格の装置となるという効果がある。

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、ガスレーザ発振装置２００を示す概略断面図である。図１において、風洞容器５０内には発振用電極１００が設置されている。この発振用電極１００は放電空間５５を介して互いに対向して設けられた後述する図２に示す第１、第２の金属性容器２ａ、２ｂ内に、それぞれ第１、第２の放電電極１ａ、１ｂが収納されている。放電空間５５の前後である図１の紙面の垂直方向つまり発振用電極１００の長手方向に図示省略したレーザ共振用ミラーが設けられている。また図示省略した電源から高周波の高電圧が放電電極１ａ、１ｂに印加されることで、ガスが放電空間５５で加熱励起されることによって、レーザ光はレーザ共振用ミラーで共振された後に出力される。高温ガス流５４は熱交換器５２で冷却され、冷却されたガス流５４ａはブロア５３で再び放電空間５５に送られる。これはガス温度が高いと発振効率が低下するので、このようなガス循環冷却が必要とされるからである。

図２にこの実施の形態１による発振用電極１００の断面図を示す。図１にて示したように発振用電極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の金属性容器２ａ、２ｂ内に、それぞれ第１、第２の放電電極１ａ、１ｂを収納している。放電電極１ａ、１ｂには図示省略の電源から高周波高電圧が印加される。第１、第２の金属性容器２ａ、２ｂのフランジ面２１に、端部に段付部３０を有して放電空間５５に面した第１、第２の誘電体３ａ、３ｂが設けられている。放電空間５５は１００Ｔｏｒｒ程度のレーザ発振用ガスが満たされており、電源からの電力エネルギを放電エネルギに有効に変換する。前記それぞれの第１、第２の金属性容器２ａ、２ｂと第１、第２の誘電体３ａ、３ｂによって形成される空間は、電気的絶縁のため空気やその他のガスを大気圧程度の圧力で満たしている。従って放電電極１ａ、１ｂから金属性容器２ａ、２ｂには放電することはない。そして第１、第２の金属性容器２ａ、２ｂと第１、第２の誘電体３ａ、３ｂとはそれぞれ、例えばＯリング６などのシール材で気密保持を行っている。前記第１、第２の金属性容器２ａ、２ｂと第１、第２の誘電体３ａ、３ｂは、それぞれ第１、第２の固定具４ａ、４ｂを締付ボルト５でフランジ面２１に締結することによって固定されている。また、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂの端部には段付部３０が設けられている。

第１、第２の固定具４ａ、４ｂの形状、動作を説明する。図２に示すように、第１、第２の固定具４ａ、４ｂには、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂの段付部３０に当接する第１の突起部４１が設けられているとともに、フランジ面２１に当接する第２の突起部４２が設けられている。段付部３０の段付部端面３０ａと第１の突起部４１との間には所定の隙間Ｓ１が、第１、第２の誘電体３ａ、３ａの端面３１には所定の隙間Ｓ２を有し、前記第１の突起部４１と第２の突起部４２の間に設けられためねじ５ａに挿入されるボルト５によってフランジ面２１に締結されている。
ここで前記第１、第２の突起部４１、４２は１個の半円状突起部の例を図示したが、２個以上の複数の半円状突起部であっても、また平面状の突起部であってもよい。なおこの第１、第２の固定具４ａ、４ｂは鉄、黄銅、アルミ材等を使用し、引き抜き加工によって製作されるので、寸法精度良く安価なものとなる。このような形状を備えた第１、第２の固定具４ａ、４ｂは、図３に示すように、フランジ面２１のボルト穴または、第１、第２の固定具４ａ、４ｂのめねじ５ａが工作誤差等により、傾きをもって設けられた場合であっても、ねじの焼き付きを生じることなく、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂに所定の押圧力を印加しＯリング６を押し潰して真空気密性を確保できる。また図４にも示すように、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂの段付部３０が所定の寸法ｔより厚く仕上った場合にも、同様の作用を奏する。

従来、ガスレーザ発振装置の運転中に熱応力により誘電体の破損がしばしば発生していた。この原因は、誘電体の端部の欠陥を起点としている。この実施の形態１のように半円状の第１の突起部４１及び第１、第２の固定具４ａ、４ｂと、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂの段付部端面３０ａと誘電体端面３１との間には所定の隙間Ｓ１、Ｓ２を設けているので、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂに繰り返し印加される熱変形や、圧力に対し第１、第２の固定具４ａ、４ｂと第１、第２の誘電体３ａ、３ｂとの間に滑りを生じ、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂに印加される繰り返し応力が低減され、かつ応力集中することが低減され、第１、第２の誘電体３ａ、３ｂの破損確率を格段に低下させることが可能となる。
さらにまた、第２の突起部４２も備えているので、図３、図４のような場合に装置の組立作業時や熱変形時に滑り易く、第１、第２の固定具４ａ、４ｂがフランジ面２１に食い込むことがなく、その結果第１、第２の誘電体３ａ、３ｂに無理な応力の発生を防止できるとともに、組立作業性が向上する。なおこの効果は突起部形状が前記した複数の半円状や平面状であっても得られる。

このようにこの実施の形態１では、ねじの焼き付き防止を防ぐとともに、誘電体を固定時の応力集中を回避し、生産工程が向上する。さらに繰り返しの熱応力による疲労破壊や長期間にわたる応力作用による遅れ破壊を防止でき、耐久性の向上、長期の使用が可能となり、また誘電体への応力を緩和しているので、薄い誘電体の採用が可能となり、電源回路の効率低下を防ぎ、さらには重量の低減、低コスト化が達成できる。

実施の形態２．
実施の形態２を図５に示す。
高出力化に伴う装置の大型化で長尺物の誘電体を採用する場合、固定具を長手方向に分割して複数個設けてもよい。図５は分割した固定具４による誘電体３の固定状態を示す斜視図である。分割した端部分Ｄは不連続面となるため、応力が集中するが誘電体長が１ｍ程度のとき、１〜２ｍｍ程度の隙間を有するよう各固定具４を接近させて設置すれば問題はない。この実施の形態２のガスレーザ発振器も前記実施の形態１と同様の効果を奏する。

この発明は、金属加工等に使用されるレーザ加工機のガスレーザ発振装置や、オゾン発生装置等に利用可能である。

実施の形態１のガスレーザ発振装置を示す概略断面図である。 実施の形態１の発振用電極を示す断面図である。 実施の形態１の発振用電極を示す断面図である。 実施の形態１の発振用電極を示す断面図である。 実施の形態２の固定具を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 放電電極、２ａ，２ｂ 容器、３ａ，３ｂ 誘電体、
４ａ，４ｂ 固定具、５ 締付ボルト、２１ フランジ面、３０ 段付部、
３０ａ 段付部端面、４１，４２突起部、５５ 放電空間、１００ 発振用電極、
２００ ガスレーザ発振装置、Ｓ１，Ｓ２ 隙間。

Claims (6)

1. 風洞容器内に発振用電極を備えるガスレーザ発振装置において、前記発振用電極は第１の放電電極を収納する第１の容器と、第２の放電電極を収納する第２の容器とをレーザ発振用ガスの放電空間を介し互いに対向配置して備え、前記第１、第２の容器のフランジ面に、端部に段付部を有する第１、第２の誘電体が前記放電空間に面して、それぞれに第１、第２の固定具を介し真空タイトとなるように締付ボルトによって取り付けられており、前記第１、第２の各固定具は、前記誘電体の段付部に当接するよう第１の突起部が設けられているとともに、前記フランジ面に当接するよう第２の突起部が設けられており、前記第１、第２の誘電体の端面および段付部端面と前記第１、第２の固定具との間には、所定の隙間が設けられていることを特徴とするガスレーザ発振装置。
2. 前記第１の突起部は平面または１個の半円状突起、あるいは２個以上の半円状突起のいずれかの形状を有するとともに、第２の突起部は平面または１個の半円状突起、あるいは２個以上の半円状突起のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記第１、第２の突起部は、引き抜き加工によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
4. 前記第１、第２の固定具は、それぞれ前記第１、第２の放電電極の長手方向に、複数個に分割して設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
5. 前記締付ボルトは、前記第１の突起部と第２の突起部との間に設けられためねじに挿入、締結されていることを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
6. 前記誘電体は、アルミナ、ジルコニア、チタニアのいずれか１つの焼結体であることを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振装置。

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