JP2015065410A - ガスレーザ発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスレーザ発振器において、放電室の圧力変化や放電室への大気等不純物の流入を抑制することにより、放電の品質低下を防ぐ。【解決手段】筒１の一端側には、放電室２だけの領域を封止するためのガスケット１３、及び放電室２と空洞１２を共に封止するためのガスケット１４を介してブラケット６が取付けられている。また筒１の他端側には、放電室２だけの領域を封止するためのガスケット１５、及び放電室２と空洞１２を共に封止するためのガスケット１６を介してガラス板８、さらにブラケット９が取付けられている。空洞１２の内部圧力を放電室２より低くするか、大気圧より高くして、大気等不純物の放電室２への流入を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、レーザを用いてプリント基板のような被加工物に穴明け等を行うレーザ加工装置用のレーザ発振器に適用するガスレーザ発振器に関する。
ガスレーザ発振器として、レーザ媒質ガスが封入され気密容器内に、互いに対向する一組の電極を配置し、電極間でプラズマ放電を発生させる構造のものが知られている。
図１５は、このようなガスレーザ発振器の組立分解斜視図である。図１５において、金属製で角形の筒１の内部には、筒１の一端側から他端側に向かって四角形の放電室２が形成されている。放電室２の内部には、対向する一組の電極３、４が配置されている。筒１の一端側には、封止用のガスケット５を介してブラケット６が取付けられ、他端側には、封止用のガスケット７を介してガラス板８、さらにブラケット９が取付けられている。ガスケット５、７が当接される筒１の端面位置には、この種の分野では良く知られているように、ガスケット５、７を若干食い込ませるための溝が形成されている。放電室２は、例えば通常用いられるような大気圧の1/10のレーザ媒質ガスが封入されて封止切りされている。放電室２で発生されたレーザは、ガラス板８を透過し、ブラケット９に設けられた窓１０から外部に放出される。１１は、ブラケット６、９を筒１に固定するためのネジである。
このようなガスレーザ発振器においては、製造後の時間が経過すると、ガスケット５、７部分の漏洩により、放電室２の内部圧力の変化が起きたり、放電室２に大気等不純物が流入したりして、プラズマ放電の品質を低下させる問題がある。
例えば特許文献１に開示されたガスレーザ発振器は、図１５の如き構造のものであるが、放電室の内部圧力の変化や放電室への大気等不純物の流入による問題について、何も考慮されていない。
ＵＳＰ５２３７５８０号公報（Ｆｉｇ．１）
そこで、本発明は、ガスレーザ発振器において、放電室の内部圧力の変化や放電室への大気等不純物の流入を抑制することにより、放電の品質低下を防ぐことを目的とするものである。
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、レーザを発生させるための放電室が内部に形成された筒部と、当該筒部と結合して前記放電室を封止するための封止部とを有するガスレーザ発振器において、前記筒部には前記封止部により封止される前記放電室とは別の空間室が内部に形成され、前記封止部は前記放電室のみを封止する第一封止部材及び前記放電室と前記別空間室とを共に封止する第二封止部材とを備え、前記放電室と前記別空間室はそれぞれ互いに内部圧力が異なるように封止切りされていることを特徴とする。
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、前記別空間室の内部圧力は前記放電室の内部圧力よりも低いことを特徴とする。
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、前記別空間室の内部圧力を真空、前記別空間室の容積を前記放電室の容積の1/50以上にしたことを特徴とするガスレーザ発振器。
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、前記別空間室は前記放電室の周囲となる前記筒部の短手方向断面で見て四隅に形成されていることを特徴とする。
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１に記載のガスレーザ発振器において、前記別空間室の内部圧力は大気よりも高いことを特徴とする。
本発明によれば、ガスレーザ発振器において、放電室の内部圧力の変化や放電室への大気等不純物の流入を抑制することにより、放電の品質低下を防ぐことができる。従って、例えば、レーザを用いて加工を行うレーザ加工装置用のレーザ発振器に適用することにより、レーザ加工の品質を高くできる、レーザ媒質ガスの品質低下を検出するあるいは予測する手段が不要になる、レーザ媒質ガスの品質を回復するためのレーザ媒質ガス交換作業が不要となる等の効果を得ることも可能となる。
本発明の実施例１となるガスレーザ発振器の組立分解斜視図である。 図１における筒の短手方向に切断した場合の断面図である。 図１における筒の右端側封止部をガラス板側から内部方向に見た断面図である。 図３におけるＡ−Ａ’断面図である。 図３におけるＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の、図２と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の、図３と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の、図４と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例２となるガスレーザ発振器の、図５と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例３となるガスレーザ発振器の、図２と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例３となるガスレーザ発振器の、図３と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例４となるガスレーザ発振器の、図３と同様にとらえた断面図である。 本発明の実施例５となるガスレーザ発振器のフィードスルー端子取付け部を、図２と同様にとらえた断面図である。 実施例１における諸数値の経年変化を説明するための図である。 従来のガスレーザ発振器の組立分解斜視図である。
実施例１
実施例１について説明する。図１は実施例１となるガスレーザ発振器の組立分解斜視図、図２は図１における筒の短手方向に切断した場合の断面図、図３は図１における筒の右端側封止部をガラス板側から内部方向に見た断面図、図４と５はそれぞれ図３におけるＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’断面図である。
図１〜５において、従来技術である図１５と同じものには同じ番号を付してあり、図１５との違いは以下の通りである。なお、図４と５においては、ブラケット６、９を筒１に固定するためのネジ１１は省略してあり、以下の図においても同様とする。
金属製で角形の筒１の内部には、放電室２の下側に、筒１の一端側から他端側に向かって、放電室２と同様の四角形の空洞１２が、放電室２と平行に設けられている。筒１の一方の端部にある端面には、放電室２だけの領域を封止するためのガスケット１３、及び放電室２と空洞１２の領域を共に封止するためのガスケット１４を介してブラケット６が取付けられている。また筒１の他方の端部にある端面には、放電室２だけの領域を封止するためのガスケット１５、及び放電室２と空洞１２の領域を共に封止するためのガスケット１６を介してガラス板８、さらにブラケット９が取付けられている。ガスケット１３〜１６が当接される筒１の端面位置には、図１５の場合と同様、ガスケット１３〜１６を若干食い込ませるための溝が形成されている。
空洞１２は、図４で示されるような断面領域において、ガスケット１３と１４に挟まれた空間及びガスケット１５と１６で挟まれた空間とつながっており、さらに図５で示されるような断面領域において、ガスケット１４、１６自身で囲まれた空間とつながっている。言い換えると、ガスケット１３、１５は空洞１２及びそれにつながった空間により囲まれた構造になっていて、放電室２よりも低い内部圧力、具体的には真空になるよう、封止切りされている。
以上の構造によれば、特に図４及び５から理解されるように、放電室２と空洞１２を大気との関係でみてみると、放電室２は二つのガスケット１３と１４及び二つのガスケット１５と１６により封止される一方、空洞１２は一つのガスケット１４及び一つのガスケット１６により封止されるだけである。
これにより、ガスケット１４、１６にかかる圧力は、真空である空洞１２と大気との圧力差となるので、これは大気圧になる一方、ガスケット１３、１５にかかる圧力は、大気圧の1/10の放電室２と真空である空洞１２との圧力差となり、これは大気圧の1/10となり非常に小さくなる。従って、放電室２だけの領域を封止するガスケット１３、１５を通した漏洩が非常に小さくなり、放電室２の内部圧力の変化は非常に小さくなる。
また、放電室２への大気等不純物の流入は、空洞１２を経由することになるが、放電室２と空洞１２との圧力差は小さくできるので、空洞１２から放電室２への流入が抑制される。
以下、本発明に従った場合の大気等不純物の流入の経年変化を数量的にみてみることにする。
ここで、ある経過時間での放電室２の圧力変化は、放電室２へのリーク速度に経過時間を掛け、これを放電室２の容積で除したものとする。リーク速度は封止切りの性能を示すもので、圧力差に比例するものとする。また、空洞１２についても同様に考える。
さらに、放電室２の容積を１m3、空洞１２の容積を1/50m3、放電室２のレーザ媒質ガス圧の初期値は0.1気圧、空洞１２の圧力初期値をゼロ（真空）、放電室２及び空洞１２へのリーク速度を圧力差１気圧において0.001m3気圧/年とする。また、放電室２に封入されたレーザ媒質ガスの1%、すなわち0.001気圧の変化を生じさせる分量の大気等不純物が放電室２に流入すると、放電室２は機能を失い、寿命に達するものとする。
従来技術においては、放電室２と大気との圧力差は0.9気圧なので、0.0009m3気圧/年のリーク速度となり、1.11年経過すると0.001気圧の変化を生じさせる分量の大気等不純物が放電室２に流入し、放電室２は機能を失って寿命に達する。すなわち、従来技術における放電室２の寿命は1.11年である。
本発明に従った場合、近似的には以下のようになる。なお、放電室２の容積は、空洞１２の容積と較べて非常に大きいので、放電室２のガス圧の変化は空洞１２のそれより小さくなる。従って、ここでは説明を簡単にするため、放電室２のガス圧は変化しないで0.1気圧のままとする。
図１４は、実施例１における諸数値の経年変化を説明するための図で、諸数値の経年変化をグラフにしたものである。図１４において、各期間での空洞１２の内部圧力及び放電室２へ流入した大気等不純物の量は、簡略化のために、直線的に変化するものとして示してある。
空洞１２は初期において圧力はゼロ（真空）、空洞１２と大気との間の圧力差は１気圧で、0.001m3気圧/年のリーク速度となる、空洞１２の容積は1/50m3なので、空洞１２の圧力は0.05気圧/年の割合で上昇し、2年後に圧力は0.1気圧に達する。この期間は、放電室２の圧力0.1気圧より空洞１２の圧力の方が低いから、空洞１２に流入した大気等不純物が放電室２に流入することはない。
2年後以降は、空洞１２と大気の圧力差は0.9気圧で、0.0009m3気圧/年のリーク速度となり、空洞１２の容積は1/50m3なので、空洞１２の圧力は0.045気圧/年の割合で上昇し、2.2年後に圧力は0.2気圧に達する。この期間は、放電室２の圧力0.1気圧より空洞１２の圧力は0〜0.1気圧高いので、大気等不純物が放電室２に流入する。放電室２と空洞１２の圧力差は0〜0.1気圧なので、放電室２へのリーク速度は0.0001m3気圧/年以下であり、2.2年間に0.00022気圧以下の変化を生じさせる分量の大気等不純物が空洞１２から放電室２に流入する。この時点では、放電室２のレーザ媒質ガス圧の初期値は0.1気圧であるので、大気等不純物の流入はレーザ媒質ガスの0.022%以下となる。ここまで合計4.2年である。
4.2年後以降は、空洞１２と大気の圧力差は0.8気圧で、0.0008m3気圧/年のリーク速度となり、空洞１２の容積は1/50m3なので、空洞１２の圧力は0.04気圧/年の割合で上昇し、2.5年後に圧力は0.3気圧に達する。この期間は、放電室２と空洞１２の圧力差は0.1〜0.2気圧なので、放電室２へのリーク速度は0.0002m3気圧/年以下であり、2.5年間に0.0005気圧以下の変化を生じさせる分量の大気等不純物が空洞１２から放電室２に流入する。この時点では、計0.00072気圧以下の変化を生じる大気等不純物が空洞１２から放電室２に流入しているが、放電室２のレーザ媒質ガス圧の初期値は0.1気圧であるので、大気等不純物の流入はレーザ媒質ガスの0.072%以下となる。ここまで合計6.7年である。
以上のように、従来技術では、1.11年で大気等不純物の流入が放電室２のレーザ媒質ガスの1%に達するのに対し、本発明に従った場合、6.7年経過した時点においても、大気等不純物の流入はレーザ媒質ガスの0.72%以下となり、寿命は顕著に改善できることが理解される。
上記において、空洞１２の容積を放電室２の1/50より大きくすれば、寿命が更に延びることは、上記における数値の関係から容易に理解される。従って、実用上必要な６年間程度、放電室２への大気等不純物の流入をレーザ媒質ガスの１%以下に抑えるには、余裕をもたせた場合、空洞１２の内部圧力を真空にし、空洞１２の容積を放電室２の容積の1/50以上にしておけば良い。
なお、空洞１２の容積を放電室２の1/50より小さくても本発明の効果は得られることは、上記と同様に理解される。空洞１２の容積をどのくらいの大きさにするかは、目標とする寿命や他の諸条件を考慮し決定すればよい。
実施例２
次に、実施例２について説明する。図６、図７、図８及び図９は、それぞれ実施例２となるガスレーザ発振器の、図２と同様にとらえた断面図、図３と同様にとらえた断面図、図４と同様にとらえた断面図、図５と同様にとらえた断面図である。
図６〜９において、図１〜５と同じものには同じ番号を付してある。実施例１との違いは以下の通りである。放電室２は、実施例１では四角形であったが、ここでは丸形になっている。空洞１２は、放電室２の周囲となる筒１の短手方向断面で見て四隅に形成され、各々丸形になっている。放電室２は二つのガスケット１３と１４及び二つのガスケット１５と１６により封止される一方、四つの空洞１２は一つのガスケット１３及び１５により封止される。この結果、四つの空洞１２は筒１の両端で互いにつながっていて、全体で一つの空洞が形成され、実施例１と同じ働きをする。
実施例３
次に、実施例３について説明する。図１０及び図１１は、それぞれ実施例３となるガスレーザ発振器の、図２と同様にとらえた断面図、図３と同様にとらえた断面図である。
図１０及び図１１において、図１〜５と同じものには同じ番号を付してある。実施例２との違いは、放電室２が八角形になっていて、空洞１２が各々三角形になっている点である。
実施例４
次に、実施例４について説明する。図１２は、実施例４となるガスレーザ発振器の、図３と同様にとらえた断面図である。
図１２において、図１〜５と同じものには同じ番号を付してある。実施例３との違いは、空洞１２が各々四角形になっている点である。
以上の実施例２〜４によれば、放電室２を丸形あるいは八角形に、空洞１２を放電室２の周囲となる筒１の四隅に配置したので、実施例１と較べて、筒１の断面積を有効利用でき筒１の外形寸法を小さくできる。また、全体が対称になって機械的バランスが良く、熱変形による反りなどが小さくなって、ガスレーザ発振器としての安定性が良くなる。
実施例５
次に、実施例５について説明する。実施例５は、本発明を実施例１となるガスレーザ発振器のフィードスルー端子の取付け部に適用したものである。
図１３は、実施例１となるガスレーザ発振器のフィードスルー端子取付け部を、図２と同様にとらえた断面図であり、図１〜５と同じものには同じ番号を付してある。
図１３において、筒１の側面部には二つの貫通部２１と２２が形成されている。貫通部２１は放電室２と結合され、貫通部２２は空洞１２に結合されている。貫通部２１には、絶縁材のセラミック部材２４が挿入されており、セラミック部材２４は気密封止の状態になるようにフランジ２３に挿入されている。セラミック部材２４には、電極３、４と外部とを電気的接続するための導体２５、２６が気密封止の状態になるように挿入されている。フランジ２３は、放電室２だけの領域を封止するためのガスケット２７、及び放電室２と空洞１２の領域を共に封止するためのガスケット２８を介して、図示していないネジで筒１の側面部に取付けられている。ガスケット２７、２８が当接される筒１の側面位置には、図１の場合と同様、ガスケット２７、２８を若干食い込ませるための溝が形成されている。ガスケット２７と２８はそれぞれ、図１と同じく矩形状あるいは円形状のものであり、図１におけるガスケット１３と１４、あるいはガスケット１５と１６の関係と同様な関係にある。
以上の構造によれば、特に図１３から理解されるように、放電室２と空洞１２を大気との関係でみてみると、放電室２は二つのガスケット２７と２８により封止される一方、空洞１２は一つのガスケット２８より封止される。
そこで、実施例１の場合と同様、ガスケット２８にかかる圧力は、空洞１２と大気との圧力差となり大気圧になる一方、ガスケット２７にかかる圧力は、放電室２と空洞１２との圧力差となり大気圧の1/10となり、非常に小さくなる。従って、放電室２に与える圧力変動を非常に小さくできる。
また、放電室２への大気等不純物は、空洞１２を経由することになるが、放電室２と空洞１２との圧力差は小さくできるので、空洞１２から放電室２への流入が抑制される。
なお、以上の実施例１〜５において、空洞１２は真空にする等で、その内部圧力は放電室２より低く設定したが、その内部圧力を大気よりも高くしても良い。こうすれば、空洞１２には大気等不純物が流入せず、結果として大気等不純物の放電室２への流入が抑制される。この場合、放電室２に必要なガスやその成分を空洞１２に封入しておいても良い。こうすれば、放電室２への必要なガスやその成分の補充も可能となる。
１：筒 ２：放電室 ３、４：電極 ６、９：ブラケット ８：ガラス板
１２：空洞 １３〜１６、２７、２８：ガスケット ２１、２２：貫通部
２３：フランジ ２４：セラミック部材 ２５、２６：導体
2年後以降は、空洞１２と大気の圧力差は0.9気圧で、0.0009m3気圧/年のリーク速度となり、空洞１２の容積は1/50m3なので、空洞１２の圧力は0.045気圧/年の割合で上昇し、2.2年後に圧力は0.2気圧に達する。この期間は、放電室２の圧力0.1気圧より空洞１２の圧力は0〜0.1気圧高いので、大気等不純物が放電室２に流入する。放電室２と空洞１２の圧力差は0〜0.1気圧なので、放電室２へのリーク速度は0.0001m3気圧/年以下であり、2.2年間に0.00022気圧以下の変化を生じさせる分量の大気等不純物が空洞１２から放電室２に流入する。この時点では、放電室２のレーザ媒質ガス圧の初期値は0.1気圧であるので、大気等不純物の流入はレーザ媒質ガスの0.22%以下となる。ここまで合計4.2年である。
4.2年後以降は、空洞１２と大気の圧力差は0.8気圧で、0.0008m3気圧/年のリーク速度となり、空洞１２の容積は1/50m3なので、空洞１２の圧力は0.04気圧/年の割合で上昇し、2.5年後に圧力は0.3気圧に達する。この期間は、放電室２と空洞１２の圧力差は0.1〜0.2気圧なので、放電室２へのリーク速度は0.0002m3気圧/年以下であり、2.5年間に0.0005気圧以下の変化を生じさせる分量の大気等不純物が空洞１２から放電室２に流入する。この時点では、計0.00072気圧以下の変化を生じる大気等不純物が空洞１２から放電室２に流入しているが、放電室２のレーザ媒質ガス圧の初期値は0.1気圧であるので、大気等不純物の流入はレーザ媒質ガスの0.72%以下となる。ここまで合計6.7年である。

Claims (5)

  1. レーザを発生させるための放電室が内部に形成された筒部と、当該筒部と結合して前記放電室を封止するための封止部とを有するガスレーザ発振器において、前記筒部には前記封止部により封止される前記放電室とは別の空間室が内部に形成され、前記封止部は前記放電室のみを封止する第一封止部材及び前記放電室と前記別空間室とを共に封止する第二封止部材とを備え、前記放電室と前記別空間室はそれぞれ互いに内部圧力が異なるように封止切りされていることを特徴とするガスレーザ発振器。
  2. 請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記別空間室の内部圧力は前記放電室の内部圧力よりも低いことを特徴とするガスレーザ発振器。
  3. 請求項２に記載のガスレーザ発振器において、前記別空間室の内部圧力を真空、前記別空間室の容積を前記放電室の容積の1/50以上にしたことを特徴とするガスレーザ発振器。
  4. 請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記別空間室は前記放電室の周囲となる
    前記筒部の短手方向断面で見て四隅に形成されていることを特徴とするガスレーザ発振器。
  5. 請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記別空間室の内部圧力は大気よりも高いことを特徴とするガスレーザ発振器。
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