JP2017038008A - レーザ発振器の真空容器 - Google Patents

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Abstract

【課題】二つの封止部材の間の領域を容易に真空にして腐食性ガスを遮断する。【解決手段】レーザ発振器(30)の真空容器(10)は、配管(11)と被差込部材(12)との間に配置された第一封止部材(15)および第二封止部材(16)を含む。第一封止部材は第二封止部材よりも耐食性の高い材料から形成されており、第一封止部材は第二封止部材よりも真空側に配置されており、第二封止部材は第一封止部材よりも封止性の高い材料から形成されており、第一封止部材はその封止性能を高めるように変形する変形部(18a〜18e)を少なくとも部分的に含む。【選択図】図1

Description

本発明は、レーザ発振器の真空容器、特に配管と被差込部材との間に配置された第一封止部材および第二封止部材を含むレーザ発振器の真空容器に関する。
高速軸流型の炭酸ガスレーザ発振器の真空容器は、レーザガスを含む共振器、レーザガスを励起する放電部、レーザガスを循環させる送風機、および放電部で発生する熱と送風機の圧縮熱とを冷却する熱交換器を含んでいる。
図11は従来技術における真空容器の部分断面図である。図11に示されるように、真空容器は、アルミニウム製の配管110と、配管110が差込まれるフランジ130を備えたステンレス製の被差込部材120とを含んでいる。なお、これら配管110および被差込部材120が他の材料から形成されていてもよい。そして、被差込部材120のフランジ130の内周面には溝部140が形成されている。Oリング160が溝部140に配置され、それにより、配管110と被差込部材120との間を封止している。
放電部(図11には示さない)を通過したレーザガスの一部がイオン化して、図11に矢印で示されるように配管110とフランジ130との間の隙間を通ってOリング160に到達する場合がある。そのような場合には、Oリング160が酸化および/または侵蝕されるので、Oリング160のシール性が低下する。
Oリング160の酸化および/または侵蝕の進行度合いは、配管110とフランジ130との間の隙間の長手方向距離と、Oリング160のレーザガスに対する接触面積(開口度)とに応じて定まる。言い換えれば、前述した長手方向距離が短いほど、および接触面積が大きいほど、Oリング160は早く酸化および/または侵蝕される。図5に示されるように、配管110の周面に配置されるOリングは比較的接触面積が大きいので、Oリング160の交換周期は短いという問題がある。
このようにOリングはその耐食性が低いので、真空系にて腐食性ガスを扱う半導体製造装置やシール装置においては、Oリングの代わりに、金属製の封止部材や耐食性を有する樹脂製封止部材などが使用されている。しかしながら、金属製の封止部材や耐食性を有する樹脂製封止部材はその弾力性が小さく、また、一旦変形させると再利用できないという問題があった。
このため、特許文献1、特許文献2および特許文献3においては、真空側に配置された耐食性の高い封止部材と、大気圧側に配置された弾力性の高い封止部材とを併用している。特に、特許文献3では、例えば図12に示されるように、大気圧側に配置された弾力性の高い封止部材としてOリング160を配置し、真空側に配置された封止部材150として断面V字形状の弾性部材を配置することが開示されている。
特開2007−92892号公報 特開2000−106298号公報 再表2004/038781号公報
しかしながら、Oリング160と封止部材150とを配置した後で、Oリング160と封止部材150との間の領域を真空にするのは困難である。レーザ発振器の稼働中において、Oリング160と封止部材150との間の領域の大気ガスが、レーザガス循環系に徐々に混入する場合がある。その結果、予め最適化されていたレーザガスの混合比率が変化して、レーザ発振器の性能が不安定になる問題もある。
また、Oリング160および/または封止部材150を配管110およびフランジ130に接触させる必要があるので、配管110およびフランジ130を組付ける自由度が小さく、配管および被差込部材を組付けし難いという問題もあった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、二つの封止部材の間の領域を容易に真空にしてレーザガス内の腐食性ガスを遮断できるレーザ発振器の真空容器を提供することを目的とする。
前述した目的を達成するために1番目の発明によれば、レーザ発振器の真空容器において、円筒形状または角筒形状の配管と、該配管が差込まれる被差込部材と、前記配管と前記被差込部材との間に配置された第一封止部材および第二封止部材を具備し、前記第一封止部材は前記第二封止部材よりも耐食性の高い材料から形成されており、前記第一封止部材は前記第二封止部材よりも真空側に配置されており、前記第二封止部材は前記第一封止部材よりも封止性の高い材料から形成されており、前記第一封止部材はその封止性能を高めるように変形する変形部を少なくとも部分的に含むレーザ発振器の真空容器が提供される。
2番目の発明によれば、1番目の発明において、前記変形部は前記第一封止部材をそのシール性能を高めた状態で保持する。
3番目の発明によれば、1番目または2番目の発明において、前記変形部は、前記第一封止部材の周囲の圧力が低下することにより変形する。
4番目の発明によれば、1番目または2番目の発明において、前記変形部は、前記第一封止部材に含まれる形状記憶金属または形状記憶樹脂である。
5番目の発明によれば、1番目または2番目の発明において、前記変形部は揮発成分を含んでいて前記第一封止部材の切欠に配置されており、前記変形部は前記揮発成分が揮発することにより変形する。
6番目の発明によれば、1番目から5番目のいずれかの発明において、前記第一封止部材の一部分が前記第二封止部材と前記被差込部材との間に把持される。
7番目の発明によれば、1番目から6番目のいずれかの発明において、前記第一封止部材の少なくとも一部分がフッ素樹脂からなる。
1番目の発明においては、第一封止部材および第二封止部材を配置して真空引きを開始した後でまたは真空引きの開始と同時に第一封止部材の変形部を変形させることにより、第一封止部材と第二封止部材との間の領域を容易に真空にすることができる。このため、第一封止部材と第二封止部材との間の領域の大気ガスを排除することができる。また、耐食性の高い第一封止部材が真空側に配置されるので、レーザガス内の腐食性ガスが第二封止部材に到達するのを防止し、第二封止部材の劣化をさらに抑えることができる。その結果、第一封止部材および第二封止部材の交換周期を長くすることができる。
2番目の発明においては、第一封止部材をそのシール性能を高めた状態で保持できるので、周囲の状態に関わらず、第一封止部材が長期にわたってレーザガス内の腐食性ガスを遮断できる。
3番目の発明においては、第一封止部材および第二封止部材を配置した後で真空引きするときの気圧変化によって変形部が変形し、それにより、第一封止部材自体を変形させられる。
4番目の発明においては、第一封止部材および第二封止部材を配置した後で一定時間が経過することまたは温度が変化することにより、形状記憶金属または形状記憶樹脂形状記憶材料を含む変形部が変形し、それにより、第一封止部材自体を変形させられる。
5番目の発明においては、第一封止部材および第二封止部材を配置した後で真空引きすることによって、第一弾性部材の変形部に含まれる揮発成分が揮発し、それにより、第一封止部材自体を変形させられる。
6番目の発明においては、第一封止部材の一部分、例えばシート状部分を第二封止部材と被差込部材との間に把持することにより、第一封止部材を第二封止部材の近傍に固定することができる。
7番目の発明においては、第一封止部材のフッ素樹脂は、第二封止部材であるフッ素ゴム製Oリングに比べ耐食性が高く、加工も比較的容易で、一般的に流通しており材料で入手容易である。
添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。
本発明に基づく真空容器を含むレーザ発振器の略図である。 本発明に基づく真空容器の部分斜視図である。 本発明の第一の実施形態に基づく真空容器の部分断面図である。 本発明の第一の実施形態に基づく真空容器の他の部分断面図である。 一つの例における第一封止部材の正面図である。 図4Aに示される第一封止部材の断面図である。 第一封止部材の第一例を示す部分断面図である。 第一封止部材の第一例を示す他の部分断面図である。 第一封止部材の第二例を示す部分断面図である。 第一封止部材の第二例を示す他の部分断面図である。 第一封止部材の第三例を示す部分断面図である。 第一封止部材の第三例を示す他の部分断面図である。 第一封止部材の第四例を示す部分断面図である。 第一封止部材の第四例を示す他の部分断面図である。 第一封止部材の第五例を示す部分断面図である。 第一封止部材の第五例を示す他の部分断面図である。 第一封止部材の第六例を示す部分断面図である。 図10Aに示される第一封止部材が配置された真空容器の部分断面図である。 従来技術における真空容器の部分断面図である。 従来技術における真空容器の他の部分断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図1は本発明に基づく真空容器を含むレーザ発振器の略図である。図1に示されるレーザ発振器30は例えば炭酸ガスレーザ発振器である。図1においては、レーザ発振器30は、直列に配置された放電管31a、31bと、これら放電管31a、31bを互いに連結する中央ブロック32と、放電管31aの一端および放電管31bの他端にそれぞれ連結する端部ブロック33a、33bとを含んでいる。
図示されるように、放電管31aおよび放電管31bの間から気体であるレーザ媒質を吸込む吸込管路38が中央ブロック32から延びている。また、端部ブロック33a、33bにレーザ媒質を吐出する戻り管路39a、39bが延びている。
図1に示されるように、放電管31aの一端および放電管31bの他端には出力鏡34およびリア鏡35がそれぞれ配設されている。そして、出力鏡34とリア鏡35との間には光共振空間が形成されている。また、図示しないものの、放電管31a、31bをそれぞれ挟むように電極対が配置されているものとする。
さらに、図1に示されるように、中央ブロック32から延びる吸込管路38はターボブロワ36で終端している。ターボブロワ36は、ターボブロワ36の左右端から端部ブロック33a、33bまでそれぞれ延びる二つの戻り管路39a、39bにレーザガスを戻してレーザガスを循環させる。
また、吸込管路38には第一熱交換器37aが配置され、戻り管路39a、39bには、第二熱交換器37bおよび第三熱交換器37cがそれぞれ配置されている。これら第一熱交換器37a〜第三熱交換器37cは、放電管で発生した熱とターボブロワ36の圧縮熱とを冷却する役目を果たす。
放電管31a、31b、中央ブロック32、端部ブロック33a、33b、吸込管路38および戻り管路39a、39bは互いに連結されて、密閉された真空容器10を形成している。真空容器10には、所定のレーザガスが大気から遮断された状態で封入されている。レーザガスとしては、炭酸ガス、窒素ガス、ヘリウムガス等のレーザ媒体を所定の割合で含んだレーザ発振用の媒質ガスが用いられ、腐食性ガスを含みうる。
図2は本発明に基づく真空容器の部分斜視図である。図2には真空容器10の一部分が示されていて、真空容器10は管材11と管材11が差込まれる被差込部材12とを含んでいる。ここで、管材11は例えば放電管31a、31b、吸込管路38および戻り管路39a、39bである。また、被差込部材12は例えば中央ブロック32、および端部ブロック33a、33bである。なお、管材11は円筒形状または角筒形状であってよく、被差込部材12の差込断面はこれに対応した形状であってよい。以下においては、真空容器10は少なくとも一つの管材11と少なくとも一つの被差込部材12とから形成されるものとする。
図3Aおよび図3Bは本発明の第一の実施形態に基づく真空容器の部分断面図である。図2から図3Bに示されるように、管材11の周面にはリング状の第一封止部材15および第二封止部材16が順次配置されている。第一封止部材15は第二封止部材16よりも管材11の先端側に配置されている。管材11および被差込部材12の内部空間は真空引きされ得るので、第一封止部材15は第二封止部材16よりも真空側に配置されているといえる。
第一封止部材15および第二封止部材16はいずれも弾性部材でありうる。第一封止部材15は第二封止部材16よりも耐食性の高い材料、例えばテフロン(登録商標)などのフッ素系樹脂から少なくとも部分的に形成される。第二封止部材16は第一封止部材15よりも封止性の高い材料、例えばフッ素ゴムから形成されるのが好ましい。或る実施形態においては、第二封止部材16はフッ素ゴム製Oリングである。
第一封止部材15および第二封止部材16が配置された状態で管材11を被差込部材12のフランジ13に挿入する。これにより、第二封止部材16はフランジ13の内周面に形成された溝部14に配置される。次いで、フランジ13の端面に蓋部13aを配置してボルト締めし、それにより、第二封止部材16を圧縮して封止する。なお、第一封止部材15および第二封止部材16のうちの少なくとも一方が予め配置された被差込部材12に管材11を挿入する構成であってもよい。
ここで、図4Aは一つの例における第一封止部材の正面図であり、図4Bは第一封止部材の断面図である。これら図面に示されるように第一封止部材15はリング状の部材であり、変形部18aと変形部18aを取囲む外皮部17とを備えている。外皮部17は前述したフッ素系樹脂から形成される。図4Aに示されるように、変形部18aは第一封止部材15の内周面近傍の一部分においてのみ含まれている。さらに、図4Bに示されるように、変形部18aは第一封止部材15の軸方向のほぼ全体に亙って延びている。なお、変形部18aが第一封止部材15の内周面近傍において周方向全体にわたって配置されていてもよい。
また、図5Aは第一封止部材の第一例を示す部分断面図であり、大気圧下における状態を示している。外皮部17は変形部18aに隣接する凹部17aをその外周面に部分的に備えている。これら図面に示される変形部18aは中空部であり、大気圧よりわずかながら大きい所定の圧力のガスが封入されている。
図3Aに示されるように、第一封止部材15および第二封止部材16を前述したように真空容器10に配置した後で、真空容器10を真空引きする。真空引きを開始すると、10の内部空間および第一封止部材15と第二封止部材16との間の領域が次第に減圧される。そして、第一封止部材15の周囲の圧力が変形部18aの圧力よりも低下すると、図5Bに示されるように第一封止部材15の外皮部17が膨張し始める。特に外皮部17の凹部17aが外側に向かって凸上に膨張する。これに伴って、第一封止部材15の外皮部17が膨張して第一封止部材15自体が変形する。
最終的に、図3Bに示されるように、第一封止部材15は管材11と被差込部材12のフランジ13との間の隙間を充填するようになる。その結果、第一封止部材15はその封止性能を発揮できるようになる。言い換えれば、変形部18aは第一封止部材15の封止性能を高めるように変形する。
さらに、外皮部17は変形部18aが膨張した後で、その変形状態を維持するのに十分な強度および弾性を有している。従って、レーザ発振器30が停止して、レーザガスをパージした後であっても、第一封止部材15の変形状態が維持される。なお、第一封止部材15の周囲圧力が高くなると、第一封止部材15は元の形状に戻る。
このように、本発明においては、真空引きの開始の後で第一封止部材15の変形部18aが変形するので、第一封止部材15と第二封止部材16との間の領域を容易に真空にすることができる。なお、変形部18a内の圧力を調整することにより、真空引きの開始と同時に変形部18aを変形させることも可能である。本発明では、第一封止部材15と第二封止部材16との間の領域の大気ガスを排除できるので、第一封止部材15と第二封止部材16の領域の大気ガスが、レーザガス循環系に徐々に混入することなく、予め最適化されていたレーザガスの混合比率が変化して、レーザ発振器の性能が不安定になることはない。
さらに、本発明では耐食性の高い第一封止部材15が真空側に配置されるので、レーザガス内の腐食性ガスが第二封止部材16に到達するのを防止し、第二封止部材16の劣化をさらに抑えることができる。その結果、第一封止部材15および第二封止部材16の交換周期を長くすることができる。
さらに、本発明では、第一封止部材15のための溝部を被差込部材12のフランジ13に形成する必要がない。このため、被差込部材12を低コストで作成でき、また第一封止部材15を容易に組付けることも可能である。従って、既存のレーザ発振器30の真空容器10に第一封止部材15を容易に後付けすることもできる。
さらに、本発明では、第二封止部材16の耐食性は必ずしも高い必要がないので、第二封止部材16に対して安価な材料、例えばフッ素ゴムを採用できる。さらに、本発明では腐食性ガスと第二封止部材16との間の接触面積(開口率)が下がるので、第二封止部材16のさらに劣化を抑制できる。
さらに、図6Aは第一封止部材の第二例を示す部分断面図であり、図6Bは第一封止部材の第二例を示す他の部分断面図である。図6Aおよび図6Bに示される第一封止部材15は変形部18bと変形部18bを取囲む外皮部17とを備えている。そして、変形部18bは形状記憶金属または形状記憶樹脂から形成されている。
さらに、図7Aは第一封止部材の第三例を示す部分断面図であり、図7Bは第一封止部材の第三例を示す他の部分断面図である。図7Aおよび図7Bに示される第一封止部材15は略U字形状の変形部18cと変形部18cを取囲む外皮部17とを備えている。図面から分かるように、外皮部17は変形部18cを部分的に取囲んでおり、開口部17bを有している。そして、変形部18cは形状記憶金属または形状記憶樹脂から形成されている。
さらに、図8Aは第一封止部材の第四例を示す部分断面図であり、図8Bは第一封止部材の第四例を示す他の部分断面図である。図8Aおよび図8Bに示される第一封止部材15は変形部18dと変形部18dを取囲む外皮部17とを備えている。図面から分かるように、変形部18dは波形の断面を有しており、外皮部17もこれに対応した形状である。そして、変形部18dは形状記憶金属または形状記憶樹脂から形成されている。
また、図6A、図7Aおよび図8Aは大気圧下における状態を示しており、図6B、図7Bおよび図8Bは第一封止部材15の周囲圧力が低下したときの状態を示している。これら図面に示される第一封止部材15の外観および変形部18a〜18dの位置などは図4Aに示した第一封止部材15と概ね同様である。
第一封止部材15および第二封止部材16を前述したように真空容器10に配置して、一定時間が経過するかまたは周囲温度を変化させると、例えば変形部18bは図6Bに示されるように部分的に上方に折曲がるようになる。同様に、変形部18cは図7Bに示されるように略U字形状から菱形状に変形する。さらに、変形部18dは図8Bに示されるように波形の振幅が大きくなるように変形する。
このように変形部18b〜18dが変形すると、第一封止部材15自体がそれに伴って変形し、それにより、第一封止部材15は管材11と被差込部材12のフランジ13との間の隙間を充填するようになる。従って、前述したのと同様な効果を得ることができる。
さらに、図9Aは第一封止部材の第五例を示す部分断面図であり、図9Bは第一封止部材の第五例を示す他の部分断面図である。図9Aは大気圧下における状態を示しており、図9Bは第一封止部材15の周囲圧力が低下したときの状態を示している。これら図面に示される第一封止部材15の外観および変形部18eの位置などは図4Aに示した第一封止部材15と概ね同じである。
図9Aに示される第一封止部材15の上面(外周面)には切欠19が形成されている。そして、切欠19には変形部18eが配置されている。変形部18の上面は第一封止部材15の上面と同一平面になっている。変形部18eには揮発成分が含まれている。
第一封止部材15および第二封止部材16を前述したように真空容器10に配置した後で、真空容器10を真空引きする。これにより、揮発成分が次第に揮発して、図9Bに示されるように変形部18eが上方に折曲がるよう変形する。これにより、第一封止部材15自体が変形し、その結果、第一封止部材15は管材11と被差込部材12のフランジ13との間の隙間を充填するようになる。従って、前述したのと同様な効果を得ることができる。
さらに、図10Aは第一封止部材の第六例を示す部分断面図である。図10Aに示されるように、第一封止部材15はその一端から上方(半径方向外側)に延びる延長部15aを含んでいる。延長部15aはその先端に向かって先細になるのが好ましい。従って、図10Aに示される第一封止部材15は略L字形状である。また、図10Aに示される第一封止部材15は前述した変形部18bを含んでいるが、他の変形部18a、18c〜18eのいずれかを含んでいてもよい。
図10Bは図10Aに示される第一封止部材が配置された真空容器の部分断面図である。図10Bに示されるように、第一封止部材15は、延長部15aが第二封止部材16とフランジ13の溝部14との間に把持されるように配置される。この場合には、第一封止部材15を第二封止部材16の近傍に確実に固定することができる。従って、真空引きするときであっても、第一封止部材15はその位置を変えることはない。また、第一封止部材15と第二封止部材16との間の領域が小さくなるので、この領域にレーザガスが混入する可能性も小さくできる。従って、前述した効果をさらに高められるのが分かるであろう。
典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。
10 真空容器
11 管材
12 被差込部材
13 フランジ
13a 蓋部
14 溝部
15 第一封止部材
15a 延長部
16 第二封止部材
17 外皮部
17a 凹部
17b 開口部
18a〜18e 変形部
19 切欠
30 レーザ発振器
31a、31b 放電管
32 中央ブロック
33a、33b 端部ブロック
34 出力鏡
35 リア鏡
36 ターボブロワ
37a〜37c 熱交換器
38 吸込管路
39a、39b 戻り管路

Claims (7)

  1. レーザ発振器(30)の真空容器(10)において、
    円筒形状または角筒形状の配管(11)と、
    該配管が差込まれる被差込部材(12)と、
    前記配管と前記被差込部材との間に配置された第一封止部材(15)および第二封止部材(16)を具備し、
    前記第一封止部材は前記第二封止部材よりも耐食性の高い材料から形成されており、
    前記第一封止部材は前記第二封止部材よりも真空側に配置されており、
    前記第二封止部材は前記第一封止部材よりも封止性の高い材料から形成されており、
    前記第一封止部材はその封止性能を高めるように変形する変形部(18a〜18e)を少なくとも部分的に含むレーザ発振器の真空容器。
  2. 前記変形部(18a〜18e)は前記第一封止部材をそのシール性能を高めた状態で保持する請求項1に記載のレーザ発振器の真空容器。
  3. 前記変形部(18a)は、前記第一封止部材の周囲の圧力が低下することにより変形する請求項1または2に記載のレーザ発振器の真空容器。
  4. 前記変形部(18b〜18d)は、前記第一封止部材に含まれる形状記憶金属または形状記憶樹脂である請求項1または2に記載のレーザ発振器の真空容器。
  5. 前記変形部(18e)は揮発成分を含んでいて前記第一封止部材の切欠(19)に配置されており、前記変形部は前記揮発成分が揮発することにより変形する請求項1または2に記載のレーザ発振器の真空容器。
  6. 前記第一封止部材の一部分(15a)が前記第二封止部材と前記被差込部材との間に把持される請求項1から5のいずれか一項に記載のレーザ発振器の真空容器。
  7. 前記第一封止部材の少なくとも一部分がフッ素樹脂からなる請求項1から6のいずれか一項に記載のレーザ発振器の真空容器。
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