JP2022063596A - 放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑制し、かつガスを整流することが可能な放電装置を提供する。【解決手段】一対の放電電極部材が間隙を隔てて対向する。放電電極部材が隔てられる方向を上下方向と定義したとき、支持部材が、平面視において放電電極部材のそれぞれの周縁部を支持する。放電電極部材の間に画定される放電空間を、レーザ媒質ガスが平面視において一方向に流れる。支持部材は、放電電極部材のそれぞれの周縁部の、レーザ媒質ガスの流れの上流側に位置する領域を支持する上流側部分を含む。一対の放電電極部材をそれぞれ支持する上流側部分は上下方向に間隔を隔てて配置されている。２つの上流側部分の相互に対向する面の上下方向の間隔が、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなっている。【選択図】図４

Description

本発明は、ガスが流れる放電空間に放電を生じさせる放電装置に関する。

ガスレーザ発振器は、一対の放電電極と、光共振器と、レーザ媒質ガスを循環させる循環機構とを含む。一対の放電電極を相互に隔てる方向と、光共振器の光軸と、レーザ媒質ガスが流れる方向とが相互に直交する。一対の放電電極の間の放電空間で放電が生じ、放電空間内のレーザ媒質ガスの温度が上昇する。高温になったレーザ媒質ガスが放電空間から排除され、冷却された後に放電空間に再流入する。

放電空間を流れるレーザ媒質ガスを整流するために、放電空間の上流側に整流板が設けられる（例えば、下記の特許文献１参照。）。

特開平４－１８７８０号公報

放電空間の上流側に整流板を設けるため、部品点数が増加してしまう。本発明の目的は、部品点数の増加を抑制し、かつガスを整流することが可能な放電装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
間隙を隔てて対向する一対の放電電極部材と、
前記放電電極部材のそれぞれの周縁部を支持する支持部材と
を備え、
前記放電電極部材の間に画定される放電空間を、レーザ媒質ガスが一方向に流れ、
前記支持部材は、前記放電電極部材のそれぞれの周縁部の、レーザ媒質ガスの流れの上流側に位置する領域を支持する上流側部分を含み、
２つの前記上流側部分の相互に対向する面の間隔が、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなっている放電装置が提供される。

支持部材の上流側部分の相互に対向する面によりガス流路が形成される。上流側部分の相互に対向する面の間隔が、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなっていることにより、上流側部分の相互に対向する面が整流板として機能する。上流側部分が、放電電極部材を支持する機能と、整流板としての機能とを併せ持つため、部品点数を削減することが可能になる。

図１は、本実施例による放電装置を搭載したレーザ発振器の、光軸を含む断面図である。 図２は、実施例による放電装置を搭載したレーザ発振器の光軸に垂直な断面図である。 図３は、上側の放電電極部材及び支持部材の押さえ部材の底面図である。 図４は、図３の一点鎖線４－４における断面図である。 図５は、図３の一点鎖線５－５における断面図である。 図６は、比較例による放電装置の断面図である。 図７は、他の実施例による放電装置の断面図である。 図８は、さらに他の実施例による放電装置の断面図である。 図９は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

図１～図５を参照して、一実施例による放電装置について説明する。
図１は、本実施例による放電装置を搭載したレーザ発振器の断面図である。レーザ発振器１０が、レーザ媒質ガス及び光共振器２０等を収容するチェンバ１５を含む。チェンバ１５にレーザ媒質ガスが収容される。チェンバ１５の内部空間が、相対的に上側に位置する光学室１６と、相対的に下側に位置するブロワ室１７とに区分されている。光学室１６とブロワ室１７とは、上下仕切り板１８で仕切られている。なお、上下仕切り板１８には、レーザガスを光学室１６とブロワ室１７との間で流通させる開口が設けられている。ブロワ室１７の側壁から光学室１６の底板１９が光共振器２０の光軸２０Ａの方向に張り出しており、光学室１６の光軸方向の長さが、ブロワ室１７の光軸方向の長さより長くなっている。

光学室１６内に、一対の放電電極部材３０及び一対の共振器ミラー２５が配置されている。一対の放電電極部材３０は、それぞれ支持部材３５によって支持されている。一対の放電電極部材３０は、上下方向に間隔を隔てて配置されており、両者の間に放電空間２４が画定される。放電電極部材３０は放電空間２４に放電を生じさせることにより、レーザ媒質ガスを励起させる。後に図２を参照して説明するように、放電空間２４を図１の紙面に垂直な方向にレーザ媒質ガスが流れる。一対の支持部材３５の端部の間に固定具２２が配置されて、両者の相対位置が固定されている。下側の支持部材３５の両端が、固定具２３を介して底板１９に固定されている。

一対の共振器ミラー２５は、光学室１６内に配置された１つの共振器ベース２６に固定されている。共振器ベース２６は、４個の光共振器支持部材２７を介して底板１９に支持されている。共振器ミラー２５は、放電空間２４を通る光軸２０Ａを持つ光共振器２０を構成する。光共振器２０の光軸２０Ａを一方向（図１において左方向）に延伸させた延長線と光学室１６の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓２８が取り付けられている。光共振器内で励振されたレーザビームが光透過窓２８を透過して外部に放射される。光共振器２０の光軸２０Ａに平行な方向をｘ方向、一対の放電電極部材３０を隔てる方向（上下方向）をｚ方向、放電空間２４をレーザ媒質ガスが流れる方向をｙ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

ブロワ室１７にブロワ２９が配置されている。ブロワ２９は、光学室１６とブロワ室１７との間でレーザ媒質ガスを循環させる。

図２は、実施例による放電装置を搭載したレーザ発振器１０の光軸２０Ａ（図２）に垂直な断面図である。図１を参照して説明したように、チェンバ１５の内部空間が上下仕切り板１８により、上方の光学室１６と下方のブロワ室１７とに区分されている。光学室１６内に、一対の放電電極部材３０、一対の支持部材３５、光共振器２０（図１）を支持する共振器ベース２６が配置されている。放電電極部材３０の間に放電空間２４が画定される。

一対の支持部材３５の両端の間に固定具２２が配置されている。固定具２２は、中央に開口が設けられた板材であり、中央の開口をレーザビームが通過する。下側の支持部材３５が門型の固定具２３を介して上下仕切り板１８に固定されている。門型の固定具２３は、共振器ベース２６を跨ぐように配置されている。

上下仕切り板１８に、第１開口１８Ａ及び第２開口１８Ｂが設けられている。光学室１６内に上流側のダクト４１及び下流側のダクト４２が配置されている。上流側のダクト４１が、第１開口１８Ａから放電空間２４に至る上流側のガス流路４３を形成する。下流側のダクト４２が、放電空間２４から第２開口１８Ｂに至る下流側のガス流路４４を形成する。ブロワ室１７、上流側のガス流路４３、放電空間２４、下流側のガス流路４４により、レーザ媒質ガスの循環経路が形成される。

ブロワ室１７に配置されたブロワ２９は、この循環経路をレーザ媒質ガスが循環するように、矢印で示したレーザ媒質ガスの流れを発生させる。

ブロワ室１７内の循環経路に、熱交換器４５が収容されている。放電空間２４で加熱されたレーザ媒質ガスが熱交換器４５を通過することによって冷却され、冷却されたレーザ媒質ガスが放電空間２４に再供給される。

図３は、上側の放電電極部材３０及び支持部材３５（図１、図２）の押さえ部材３６の位置関係を示す底面図である。絶縁材料からなる板状部材３１の下面に電極板３２が取り付けられ、電極板３２が絶縁材料からなる保護部材３３で覆われている。板状部材３１及び電極板３２の平面視における形状は、ｘ方向（光軸方向）に長い長方形である。平面視において保護部材３３は板状部材３１に包含され、電極板３２は保護部材３３に包含される。

長方形状の板状部材３１の４つの縁に沿うように、押さえ部材３６が配置されている。図３において、押さえ部材３６に右下がりの淡いハッチングを付している。板状部材３１の周縁部３１Ｐが、押さえ部材３６によって支持されている。図３において、板状部材３１の周縁部３１Ｐに右上がりの濃いハッチングを付している。押さえ部材３６は、ｘ方向に長い２つの部分と、ｙ方向に長い２つの部分とで構成される。図３において、一方向、より具体的にはｙ軸の正の方向にレーザ媒質ガスが流れる。ｘ方向に長い２つの部分のうちレーザ媒質ガスの流れの上流側に位置する部分を上流側部分３６Ａといい、下流側に位置する部分を下流側部分３６Ｂということする。上流側部分３６Ａ及び下流側部分３６Ｂは、それぞれ板状部材３１の上流側の縁に対応する周縁部３１Ｐ及び下流側の縁に対応する周縁部３１Ｐを支持する。

図４及び図５は、それぞれ図３の一点鎖線４－４及び一点鎖線５－５における断面図である。上下に間隔を隔てて配置された２枚の放電電極部材３０の間に放電空間２４が画定されている。下側の放電電極部材３０及び支持部材３５と、上側の放電電極部材３０及び支持部材３５とは、ｘｙ面に平行な平面に関して面対称である。以下、上側の放電電極部材３０及び支持部材３５の構成について説明し、下側の放電電極部材３０及び支持部材３５については説明を省略する。

放電電極部材３０は、板状部材３１、電極板３２、保護部材３３、複数の引出電極５１を含む。板状部材３１及び保護部材３３として、例えばセラミック板が用いられる。板状部材３１の一方の表面に電極板３２が取り付けられ、保護部材３３が電極板３２を覆っている。保護部材３３は、例えば接着剤で板状部材３１に固定される。放電電極部材３０は、板状部材３１、電極板３２、及び保護部材３３の下方を向く面（下側の放電電極部材３０を向く面）が、ｚ方向に対して垂直になる姿勢で配置されている。すなわち、保護部材３３の相互に対向する面は平行である。

複数の引出電極５１が、電極板３２から板状部材３１を厚さ方向に貫通し、反対側の表面に露出している。複数の引出電極５１に、電力供給ケーブル５２が接続されている。電力供給ケーブル５２及び引出電極５１を介して電極板３２に放電電力が供給される。

支持部材３５は、押さえ部材３６、側壁３７、及び天板３８を含む。押さえ部材３６、側壁３７、及び天板３８には、金属、例えばＡｌ等が用いられる。側壁３７は、下方及び上方が開放された枠形状の部材であり、側壁３７の下方の開放部が放電電極部材３０で塞がれ、上方の開放部が天板３８で塞がれている。枠状の押さえ部材３６と側壁３７との間に板状部材３１の周縁部３１Ｐが挟まれている。

側壁３７の下方を向く端面と板状部材３１との間にＯリング５５が配置されており、側壁３７の上方を向く端面と天板３８との間にもＯリング５６が配置されている。押さえ部材３６、側壁３７、及び天板３８が、ボルト等によって相互に固定されている。支持部材３５と放電電極部材３０とによって、ほぼ直方体の気密な箱が構成されており、箱の内部の空間に、ほぼ１気圧の大気が満たされている。

支持部材３５に、上流側のダクト４１及び下流側のダクト４２が接続されている。図４に矢印で示すように、上流側のガス流路４３から放電空間２４を通って下流側のガス流路４４に向かってレーザ媒質ガスが流れる。

上側の押さえ部材３６と下側の押さえ部材３６とは、上下（ｚ方向）に間隔を隔てて配置され、ｘ方向及びｙ方向に関しては同じ位置に配置されている。すなわち、両者は平面視において重なっている。２つの押さえ部材３６の上流側部分３６Ａの相互に対向する面の間隔Ｇｚ（より具体的には、上下方向の間隔）が、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなっている。また、上流側部分３６Ａの相互に対向する面は、ｘ方向に平行な母線、すなわち、レーザ媒質ガスの流れの方向（ｙ方向）に対して垂直で、かつ放電電極部材３０の相互に対向する面に対して平行な母線を持つ滑らかな柱面で構成されている。

上流側部分３６Ａの最も下流側の縁と板状部材３１の表面との間に、段差３６Ｓが形成される。また、保護部材３３の上流側の縁と板状部材３１の表面との間にも、段差３３Ｓが形成される。段差３６Ｓと段差３３Ｓとの高さは同一である。また、上流側部分３６Ａの相互に対向する面の最も下流側の縁における接平面６０が、レーザ媒質ガスの流れの方向（ｙ方向）に対して平行であり、さらにｚ方向に対して垂直である。このため、保護部材３３の相互に対向する面は、この接平面６０上に含まれる。言い換えると、上流側部分３６Ａの相互に対向する面の最も下流側の間隔が、保護部材３３の間隔と等しい。

次に、図１～図５に示した実施例の優れた効果について、図６に示した比較例と比較して説明する。

図６は、比較例による放電装置の断面図である。比較例においては、押さえ部材３６の上流側部分３６Ａの相互に対向する面がｚ方向に対して垂直な平面で構成される。すなわち、上流側部分３６Ａの相互に対向する面の上下方向の間隔Ｇｚは、上流側から下流側に向かって一定である。

ガス流路４３内に整流板６３が配置されている。整流板６３は、上流側から下流側に向かって流路断面の上下方向の寸法Ｈが徐々に縮小するガス流路を形成する。整流板６３によって形成されるガス流の上下の壁面は、押さえ部材３６の上流側部分３６Ａの相互に対向する面に滑らかに接続される。

図６に示した比較例では、上流側のガス流路４３内に整流板６３を配置しなければならない。これに対して本実施例では、押さえ部材３６の上流側部分３６Ａの相互に対向する面が、比較例の整流板６３と同じ機能を持つ。このため、図６に示した比較例と比べて部品点数を削減し、コスト低減を図ることが可能になる。

さらに、上記実施例では、上流側部分３６Ａの相互に対向する面の最も下流側の縁における接平面６０に、保護部材３３の相互に対向する面が含まれる。このため、放電空間２４の上流側の流路断面の上下方向の寸法と、放電空間２４内の流路断面の上下方向の寸法の最小値とが等しくなる。その結果、放電空間２４内での圧力損失の増大を抑制することができる。

次に、図７を参照して他の実施例による放電装置について説明する。以下、図１～図５を参照して説明した実施例による放電装置と共通の構成については説明を省略する。

図７は、他の実施例による放電装置の断面図である。図４に示した実施例では、押さえ部材３６の上流側部分３６Ａと保護部材３３とが、ｙ方向に離れて配置されている。これに対して図７に示した実施例では、保護部材３３が押さえ部材３６の上流側部分３６Ａ及び下流側部分３６Ｂに接するまで広がっている。上流側部分３６Ａの相互に対向する面と、保護部材３３の相互に対向する面とが滑らかに接続されている。同様に、下流側部分３６Ｂの相互に対向する面と保護部材３３の相互に対向する面とが、面一になるように接続されている。

次に、図７に示した実施例の優れた効果について説明する。
図７に示した実施例では、図４に示した実施例による放電装置の放電空間２４の上下の壁面に形成されている段差３６Ｓ、３３Ｓが形成されない。このため、放電空間２４を流れるレーザ媒質ガスの流れの乱れを抑制することができる。

次に、図８を参照してさらに他の実施例による放電装置について説明する。以下、図１～図５を参照して説明した実施例による放電装置と共通の構成については説明を省略する。

図８は、本実施例による放電装置の断面図である。図４に示した実施例では、２つの押さえ部材３６の上流側部分３６Ａの相互に対向する面の両方が湾曲した柱面で構成されている。これに対して図８に示した実施例では、一方の上流側部分３６Ａの面は、ｚ軸に対して垂直な平面であり、上流側のガス流路４３の壁面と面一になるように接続されている。他方の上流側部分３６Ａの面は、図４に示した実施例と同様に、湾曲された柱面で構成されている。

本実施例のように、２つの上流側部分３６Ａの相互に対向する面の一方のみを湾曲した柱面で構成してもよい。この場合でも、２つの上流側部分３６Ａの間の流路断面の上下方向の寸法は、上流側から下流側に向かって徐々に縮小されているため、２つの上流側部分３６Ａの相互に対向する面が整流板として機能する。

次に、図９を参照してさらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図９は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。共通ベース１００に、架台８５を介してレーザ発振器１０が支持されている。さらに、共通ベース１００に、レーザ加工部８０が固定されている。共通ベース１００は、例えば床である。レーザ発振器１０は上記実施例による放電装置を搭載しており、パルスレーザビームを出力する。

レーザ加工部８０は、ビーム整形光学系８１及びステージ８２を含む。ステージ８２の上に加工対象物９０が保持される。レーザ発振器１０から出力されたパルスレーザビームが、ビーム整形光学系８１によってビームプロファイルを整形され、加工対象物９０に入射する。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。本実施例によるレーザ加工装置のレーザ発振器１０は上記実施例による放電装置を搭載しているため、部品点数を削減することができ、装置のコスト低減を図ることが可能になる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ レーザ発振器
１５ チェンバ
１６ 光学室
１７ ブロワ室
１８ 上下仕切り板
１８Ａ 第１開口
１８Ｂ 第２開口
１９ 底板
２０ 光共振器
２０Ａ 光軸
２２、２３ 固定具
２４ 放電空間
２５ 共振器ミラー
２６ 共振器ベース
２７ 光共振器支持部材
２８ 光透過窓
２９ ブロワ
３０ 放電電極部材
３１ 板状部材
３１Ｐ 板状部材の周縁部
３２ 電極板
３３ 保護部材
３３Ｓ 段差
３５ 支持部材
３６ 押さえ部材
３６Ａ 上流側部分
３６Ｂ 下流側部分
３６Ｓ 段差
３７ 側壁
３８ 天板
４１ 上流側のダクト
４２ 下流側のダクト
４３ 上流側のガス流路
４４ 下流側のガス流路
５１ 引出電極
５２ 電力供給ケーブル
５５、５６ Ｏリング
６０ 接平面
６３ 整流板
８０ レーザ加工部
８１ ビーム整形光学系
８２ ステージ
８５ 架台
９０ 加工対象物
１００ 共通ベース

Claims (4)

1. 間隙を隔てて対向する一対の放電電極部材と、
   前記放電電極部材のそれぞれの周縁部を支持する支持部材と
   を備え、
   前記放電電極部材の間に画定される放電空間を、レーザ媒質ガスが一方向に流れ、
   前記支持部材は、前記放電電極部材のそれぞれの周縁部の、レーザ媒質ガスの流れの上流側に位置する領域を支持する上流側部分を含み、
   ２つの前記上流側部分の相互に対向する面の間隔が、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなっている放電装置。
2. 前記上流側部分の相互に対向する面は柱面であり、前記柱面の母線は、レーザ媒質ガスの流れの方向に対して垂直で、かつ前記放電電極部材の相互に対向する面に対して平行である請求項１に記載の放電装置。
3. 前記上流側部分の相互に対向する面の最も下流側の縁における接平面が、レーザ媒質ガスの流れの方向に対して平行である請求項２に記載の放電装置。
4. 前記放電電極部材のそれぞれは、
   絶縁材料からなる板状部材と、
   前記板状部材の一方の面に取り付けられた電極板と、
   前記電極板の表面を覆う絶縁材料からなる保護部材と
   を含み、
   前記保護部材同士が向かい合い、前記保護部材の相互に対向する面が平行になる姿勢で、前記板状部材のそれぞれの周縁部が前記支持部材によって支持されており、
   前記上流側部分の相互に対向する面の最も下流側の間隔が、前記保護部材の間隔と等しい請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放電装置。
   

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