JP2022069129A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チェンバの熱変形が生じにくいレーザ装置を提供することである。【解決手段】循環室に流入口と流出口とが設けられている。流出口から、放電が生じる放電空間を通って流入口に至るガス流路が設けられている。ガス流路と循環室によって循環経路が構成される。循環室に熱交換器が配置されており、熱交換器は、循環経路を循環するガスを冷却する。熱交換器は、流入口から循環室の内部を通って流出口に至るガスの流れの中間位置よりも流入口に近い側に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスをレーザ媒質とするレーザ装置に関する。

三軸直交型のレーザ発振器では、放電電極での放電を安定させるために、チェンバ内のレーザ媒質ガスを高速で循環させる。一対の放電電極の間の放電空間にレーザ媒質ガスが流入し、放電によって高温になったレーザ媒質ガスが放電空間からチェンバ内の他の領域に排出される。放電空間から排出されたレーザ媒質ガスは、熱交換器によって冷却され、放電空間に再流入する。放電を経て高温になったレーザ媒質ガスにより、チェンバが熱膨張する。

下記の特許文献１に、光共振器のミラーをチェンバの外に配置したガスレーザ発振器が開示されている。チェンバと光共振器ミラーとは、別々の架台に固定されている。このため、チェンバやその架台が熱変形しても、光共振器はその熱変形の影響を受けにくい。

特開平２－１０５４７８号公報

チェンバの内部に光共振器のミラーが配置されている構成では、チェンバの熱変形によって、チェンバ内の光共振器のミラーの姿勢や位置も変化する。その結果、光共振器の光軸が初期の位置からずれてしまう。光共振器の光軸がずれると、レーザ発振器の後段に配置されているビーム整形光学系等へのレーザビームの入射位置にもずれが生じる。ビーム整形光学系への入射位置がずれると、加工面におけるビームプロファイルが崩れてしまい、加工品質が低下してしまう。

本発明の目的は、レーザ媒質ガスを収容する容器の壁面の熱変形が生じにくいレーザ装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
流入口と流出口とが設けられた循環室と、
前記流出口から、放電が生じる放電空間を経由して前記流入口に至るガス流路と、
前記循環室に配置され、前記ガス流路と前記循環室とで構成された循環経路を循環するガスを冷却する熱交換器と
を備え、
前記熱交換器は、前記流入口から前記循環室の内部を通って前記流出口に至るガスの流れの中間位置よりも前記流入口に近い側に配置されているレーザ装置が提供される。

熱交換器が、流入口から循環室の内部を通って流出口まで至るガスの流れの中間位置よりも流入口に近い側に配置されているため、高温のガスが流れる経路の容積が小さくなる。これにより、循環室の壁面が高温のガスの影響を受けにくくなり、熱変形が生じにくくなる。

図１は、実施例によるレーザ装置、及びレーザ装置から出力されたレーザビームで加工を行う加工装置の概略図である。 図２は、架台に支持された状態のレーザ装置の、光軸を含む断面図である。 図３は、実施例によるレーザ装置の、光軸に垂直な断面図である。 図４は、比較例によるレーザ装置の断面図である。 図５は、レーザ装置のチェンバ及び架台の平面図である。 図６は、他の実施例によるレーザ装置の断面図である。 図７は、さらに他の実施例によるレーザ装置の断面図である。 図８は、さらに他の実施例によるレーザ装置の断面図である。

図１～図３を参照して、一実施例によるレーザ装置について説明する。
図１は、実施例によるレーザ装置１０、及びレーザ装置１０から出力されたレーザビームで加工を行う加工装置８０の概略図である。共通ベース１００に架台１１を介してレーザ装置１０が支持されている。さらに、共通ベース１００に加工装置８０が支持されている。共通ベース１００は、例えば床である。

加工装置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。ビーム整形光学系８１及びステージ８２は、共通ベース１００に固定されている。レーザ装置１０から出力されたレーザビームが、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。

図２は、架台１１に支持された状態のレーザ装置１０の、光軸を含む断面図である。レーザ装置１０は、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が、４箇所で架台１１に支持されている。図２では、チェンバ１５が架台１１に支持されている箇所３０を三角形で示している。図２は、チェンバ１５が架台１１に支持されている箇所３０を模式的に表しているのみであり、三角形は架台１１がチェンバ１５を支持する支持構造の形状を表しているわけではない。

架台１１は、４個の架台脚１３によって共通ベース１００の上に支持される。図２は、架台脚１３を模式的に三角形で表しており、架台脚１３の形状を表しているわけではない。なお、後に説明する放電電極支持部材２３及び光共振器支持部材２７も、図２では模式的に三角形で表されている。

次に、レーザ装置１０の構成について説明する。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循環室１７とに区分されている。光学室１６と循環室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、後に図３を参照して説明するように、レーザガスを光学室１６と循環室１７との間で流通させる流入口及び流出口が設けられている。循環室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、循環室１７の光軸方向の長さより長くなっている。チェンバ１５の底板１９が架台１１に支持される。

光学室１６内に、一対の放電電極２１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２１は、それぞれ放電電極支持部材２２、２３を介して底板１９に支持されている。一対の放電電極２１は、上下方向に間隔を隔てて配置され、両者の間に放電空間２４が画定される。放電電極２１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３を参照して説明するように、放電空間２４を図２の紙面に垂直な方向にレーザ媒質ガスが流れる。

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２０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。

循環室１７に送風機２９が配置されている。送風機２９は、光学室１６と循環室１７との間でレーザ媒質ガスを循環させる。

図３は、実施例によるレーザ装置の、光軸２０Ａ（図２）に垂直な断面図である。図２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と下方の循環室１７とに区分されている。光学室１６内に、一対の放電電極２１、光共振器２０（図２）を支持する共振器ベース２６が配置されている。放電電極２１の間に放電空間２４が画定される。

上下仕切り板１８に２つの開口が設けられている。循環室１７から一方の開口（以下、流出口１８Ａという。）を通ってレーザ媒質ガスが流出し、他方の開口（以下、流入口１８Ｂという。）を通って循環室１７にレーザ媒質ガスが流入する。

光学室１６内に、仕切り板４０によってガス流路４１が形成されている。ガス流路４１は、循環室１７の流出口１８Ａから放電空間２４を経由して流入口１８Ｂに至る。ガス流路４１のうち、流出口１８Ａから放電空間２４までの部分を上流側流路４１Ａと呼び、放電空間２４から流入口１８Ｂまでの部分を下流側流路４１Ｂと呼ぶこととする。レーザ媒質ガスは、放電空間２４を、光軸２０Ａ（図２）に対して直交する方向に流れる。放電方向は、レーザ媒質ガスが流れる方向、及び光軸２０Ａの両方に対して直交する。放電空間２４で放電が生じることによりレーザ媒質ガスが加熱され、高温のレーザ媒質ガスが下流側流路４１Ｂを流れる。レーザ媒質ガスは放電空間２４を第１の向き（例えば水平方向）に流れる。上流側流路４１Ａは、第２の向き（例えば上向き）に向かうレーザ媒質ガスの流れの向きを第１の向きに変えて、放電空間２４にレーザ媒質ガスを流入させる。下流側流路４１Ｂは、第１の向きに流れるレーザ媒質ガスの流れの向きを第３の向き（例えば下向き）に変えて、レーザ媒質ガスを循環室１７に流入させる。第２の向きと第３の向きとは、例えば反平行の関係を有する。

ガス流路４１及び循環室１７により、レーザ媒質ガスが循環する循環経路４５が形成される。循環経路４５のうち循環室１７内の部分の流路断面は、ガス流路４１内の部分の流路断面より大きい。例えば、循環室１７の容積が、上流側流路４１Ａ、放電空間２４、及び下流側流路４１Ｂの合計の容積より大きい。循環室１７に、熱交換器５０及び送風機２９が収容されている。送風機２９は、循環経路４５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。送風機２９は、熱交換器５０から循環室１７の流出口１８Ａに至るレーザ媒質ガスの経路に配置されている。放電空間２４で加熱されたレーザ媒質ガスが熱交換器５０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。

冷却機構６０が、下流側流路４１Ｂの壁面となる仕切り板４０を冷却する。冷却機構６０は、下流側流路４１Ｂの壁面となる仕切り板４０に熱結合する冷却管路を含む。この冷却管路に冷却媒体、例えば冷却水を流すことにより、下流側流路４１Ｂの壁面が冷却される。言い換えると、放電空間２４の出口から循環室１７の流入口１８Ｂまでの流路の壁面が冷却される。

熱交換器５０は、循環室１７の流入口１８Ｂを塞ぐ位置に配置されている。熱交換器５０は、上下仕切り板１８から循環室１７の底面まで達する。熱交換器５０は、筐体５１、筐体５１に収容された伝熱管５２及び複数のフィン５３を含む。複数のフィン５３は伝熱管５２に熱的に結合している。筐体５１に、入側開口５１Ａ及び出側開口５１Ｂが設けられている。入側開口５１Ａは、循環室１７の流入口１８Ｂにほぼ重なる位置に配置されている。言い換えると、循環室１７に流入したレーザ媒質ガスが熱交換器５０を通過することなく循環室１７に拡散することがない構成が採用されている。出側開口５１Ｂは、送風機２９の方を向く側面のうち、下端の近傍に設けられている。

ガス流路４１を流れたレーザ媒質ガスは、流入口１８Ｂ及び入側開口５１Ａを通って筐体５１内に流入する。筐体５１に流入したレーザ媒質ガスは、複数のフィン５３の隙間を通り、出側開口５１Ｂを通って筐体５１の外側の空間（循環室１７の内部）に流出する。このため、入側開口５１Ａを通って熱交換器５０に流入したレーザ媒質ガスは、その流れの向きを変えられて熱交換器５０から出側開口５１Ｂを通って流出する。より具体的には、熱交換器５０に入側開口５１Ａを通って流入するレーザ媒質ガスの流れの向きは第３の向き（例えば下向き）であり、熱交換器５０から出側開口５１Ｂを通って流出するレーザ媒質ガスの流れの向きは第４の向き（例えば横向き）である。第３の向きと第４の向きとのなす角度は、例えば９０°である。放電空間２４内のレーザ媒質ガスの流れの向き（第１の向き）と第４の向きとは、例えば反平行の関係を有する。熱交換器５０に流入するレーザ媒質ガスの流れの方向（図３において上下方向）の熱交換器５０の寸法は、熱交換器５０から流出するレーザ媒質ガスの流れの方向（図３において左右方向）の寸法より大きい。

次に、図４に示した比較例によるレーザ装置と比較しながら上記実施例の優れた効果について説明する。

図４は、比較例によるレーザ装置の断面図である。比較例によるレーザ装置と実施例によるレーザ装置とを比較すると、循環室１７に配置されている熱交換器５０の位置が異なっている。比較例では、流入口１８Ｂから循環室１７内を通って流出口１８Ａに至るガスの流れのほぼ中間位置に熱交換器５０が配置されている。

熱交換器５０が配置された位置と流入口１８Ｂとの間の循環室１７内を高温のレーザ媒質ガスが通過するため、チェンバ１５の壁面が加熱されて膨張する。レーザ媒質ガスは、熱交換器５０を通過することによって冷却されるため、熱交換器５０より下流側の循環室１７の壁面は加熱されない。このため、熱交換器５０より上流側の循環室１７の壁面と、下流側の循環室１７の壁面との間で温度差が生じる。

図５は、チェンバ１５及び架台１１の平面図である。チェンバ１５が４個の支持箇所３０で架台１１に支持されている。例えば、支持箇所３０において、チェンバ１５と架台１１とがボルトで相互に固定される。循環室１７の上流側及び下流側の壁面が、それぞれ図５において上側及び下側の壁面に相当する。図４に示した比較例においては、循環室１７の上流側及び下流側の壁面の間で温度差が生じる。このため、図５において破線で示すように、チェンバが熱変形する。

チェンバ１５の熱変形の影響を受けて架台１１も変形する。その結果、ビーム整形光学系８１（図１）に対するレーザ装置１０（図１）の姿勢が変化する。これにより、ビーム整形光学系８１へのレーザビームの入射位置がずれてしまう。

これに対して本実施例では、循環室１７（図３）に流入した高温のレーザ媒質ガスは、流入直後に熱交換器５０によって冷却される。このため、循環室１７の壁面が加熱されなくなり、チェンバ１５に熱変形が生じにくくなる。その結果、ビーム整形光学系８１に対するレーザビームの入射位置のずれも生じにくくなる。

さらに、本実施例では、下流側流路４１Ｂの壁面となる仕切り板４０が冷却機構６０によって冷却されている。このため、下流側流路４１Ｂを高温のレーザ媒質ガスが流れても、仕切り板４０の温度上昇が抑制される。このため、下流側流路４１Ｂの壁面となる仕切り板４０から上下仕切り板１８を経由してチェンバ１５に伝導される熱によるチェンバ１５の温度上昇が抑制される。このように、仕切り板４０を介したチェンバ１５の温度上昇も抑制される。

次に、上記実施例の変形例について説明する。上記実施例では、図３に示した断面において、熱交換器５０と循環室１７の右側の側面との間に間隙が確保されているが、循環室１７の右側の側面と熱交換器５０とを接触させて、両者の間に間隙が生じないようにしてもよい。また、上記実施例では、循環室１７（図２）の上部から光軸方向に延びる底板１９でチェンバ１５を支持しているが、その他の箇所でチェンバ１５を支持してもよい。

上記実施例では、熱交換器５０の筐体５１に設けられた出側開口５１Ｂ（図３）を、筐体５１の下端の近傍に配置している。出側開口５１Ｂを上側にずらすと、熱交換器５０を通過するレーザ媒質ガスの経路長が短くなり、レーザ媒質ガスの冷却効率が低下してしまう。十分な冷却効率を確保するために、出側開口５１Ｂは、筐体５１の高さ方向の中央よりも下側に配置することが好ましい。

次に、図６を参照して他の実施例について説明する。以下、図１～図３に示した実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例によるレーザ装置の断面図である。図３に示した実施例では、熱交換器５０が上下仕切り板１８から循環室１７の底面まで達している。これに対して図６に示した実施例では、熱交換器５０が上下仕切り板１８から循環室１７の底面に向かって延びているが、循環室１７の底面までは達していない。図３に示した実施例では、出側開口５１Ｂが筐体５１の側面に設けられているが、図６に示した実施例では、筐体５１の底面に出側開口５１Ｂが設けられている。

このように、熱交換器５０は循環室１７の下端まで達する必要はない。熱交換器５０の高さ方向の寸法は、加熱されたレーザ媒質ガスの温度と、熱交換器５０の冷却効率とに基づいて決定すればよい。

次に、図７を参照してさらに他の実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図３に示した実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

図７は、本実施例によるレーザ装置の断面図である。図３に示した実施例では、熱交換器５０が循環室１７の流入口１８Ｂを塞ぐ位置に配置されている。これに対して図７に示した実施例では、熱交換器５０が流入口１８Ｂからレーザ媒質ガスの流れの下流側にずれた位置に配置されている。ただし、流入口１８Ｂから流出口１８Ａまでのレーザ媒質ガスの流れの中間地点よりも流入口１８Ｂに近い位置に配置されている。

熱交換器５０は、上下仕切り板１８から循環室１７の底面まで達する。熱交換器５０の筐体に設けられた入側開口５１Ａ及び出側開口５１Ｂは、循環室１７内の循環経路の流路断面とほぼ同じ大きさとされている。なお、入側開口５１Ａ及び出側開口５１Ｂは、循環室１７の流入口１８Ｂよりも大きい。

流入口１８Ｂを通って循環室１７に流入した高温のレーザ媒質ガスは、循環室１７内の空間のうち熱交換器５０よりも上流側の空間を流れた後、熱交換器５０に流入する。熱交換器５０で冷却されたレーザ媒質ガスは、循環室１７内の空間のうち熱交換器５０より下流側の空間を通って流出口１８Ａまで達する。

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に示した実施例と図４に示した比較例とを対比すると、熱交換器５０より上流側の循環室１７内の空間の容積は、図７に示した実施例の方が小さい。このため、図７に示した実施例において、循環室１７内の高温のレーザ媒質ガスの熱容量は、図４に示した比較例の場合の高温のレーザ媒質ガスの熱容量より小さい。その結果、チェンバが高温のガスの影響を受けにくくなり、図４に示した比較例と比べてチェンバ１５の壁面の温度上昇が抑制される。

また、図７に示した実施例では、熱交換器５０の筐体５１に設けられた入側開口５１Ａが、図３に示した実施例の入側開口５１Ａより大きいため、レーザ媒質ガスの圧力損失を低減することができる。

次に、図８を参照してさらに他の実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図３に示した実施例によるレーザ装置と共通の構成については説明を省略する。

図８は、本実施例によるレーザ装置の断面図である。図３に示した実施例では、流出口１８Ａから流入口１８Ｂに至るガス流路４１のほぼ中間地点に放電空間２４を配置している。これに対して図８に示した実施例では、ガス流路４１の下流側の端部に放電空間２４が配置されている。すなわち、循環室１７の流入口１８Ｂの直前に放電空間２４が配置されている。

流入口１８Ｂを通過するレーザ媒質ガスは上方から下方に向かう。一対の放電電極２１は、レーザ媒質ガスの流れの方向に対して直交する水平方向に対向する。放電空間２４で高温になったレーザ媒質ガスは、直ちに熱交換器５０に流入する。本実施例では、図３に示した下流側流路４１Ｂの壁面となる仕切り板４０は設けられていない。このため、図３に示した冷却機構６０も設けられていない。

次に、図８に示した実施例の優れた効果について説明する。
図８に示した実施例においても、流入口１８Ｂを塞ぐ位置に熱交換器５０を配置している。このため、図１～図３に示した実施例と同様に、チェンバ１５の熱変形を抑制することができる。さらに、図８に示した実施例では、冷却機構６０（図３）を省略することができるため、レーザ装置のコスト低減を図ることができる。

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 レーザ装置
１１ 架台
１３ 架台脚
１５ チェンバ
１６ 光学室
１７ 循環室
１８ 上下仕切り板
１８Ａ 流出口
１８Ｂ 流入口
１９ 底板
２０ 光共振器
２０Ａ 光共振器の光軸
２１ 放電電極
２２、２３ 放電電極支持部材
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 送風機
３０ チェンバを支持する箇所
４０ 仕切り板
４１ ガス流路
４１Ａ 上流側流路
４１Ｂ 下流側流路
４５ 循環経路
５０ 熱交換器
５１ 筐体
５１Ａ 入側開口
５１Ｂ 出側開口
５２ 伝熱管
５３ フィン
６０ 冷却機構
８０ 加工装置
８１ ビーム整形光学系
８２ ステージ
９０ 加工対象物
１００ 共通ベース

Claims (5)

1. 流入口と流出口とが設けられた循環室と、
   前記流出口から、放電が生じる放電空間を通って前記流入口に至るガス流路と、
   前記循環室に配置され、前記ガス流路と前記循環室とで構成された循環経路を循環するガスを冷却する熱交換器と
   を備え、
   前記熱交換器は、前記流入口から前記循環室の内部を通って前記流出口に至るガスの流れの中間位置よりも前記流入口に近い側に配置されているレーザ装置。
2. 前記熱交換器は、前記流入口を塞ぐ位置に配置されている請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記熱交換器は、
   冷却媒体が流れる伝熱管と、
   前記伝熱管に熱結合する複数のフィンと、
   前記伝熱管及び前記複数のフィンを収容する筐体と
   を含み、
   前記筐体に流入するガスが通過する入側開口と、前記筐体から前記循環室に向かうガスが通過する出側開口とが、前記筐体に設けられている請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記ガス流路は、前記流出口から前記放電空間までの上流側流路と、前記放電空間から前記流入口までの下流側流路とを含み、
   前記下流側流路の壁面を冷却する冷却機構をさらに備えた請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
5. 前記放電空間が、前記ガス流路の下流側の端部に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
   

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