JP3771272B2 - 気体放電レーザ用静電集塵器 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、一般に気体放電レーザの改良に関し、特に、レーザの通常作動時に生成される塵芥粒子の収集および／または濾過に関する。さらに詳細には、本発明は、気体放電レーザのハウジング内に直接取り付けて塵芥粒子の収集、捕捉を行う改良型静電集塵器に関する。
当技術分野で一般的に知られている気体放電レーザでは、レーザ放射ガスを電源によって励起し、比較的コヒーレントな光を放出する。典型的な構成では、ほぼ閉鎖された容器またはハウジング内にレーザ放射ガスが封入されており、この容器またはハウジング内には、一対の主レーザ電極の間にレーザ放射ゾーンが形成されている。比較的高い電圧を印加してレーザ放射ガスを励起させ、これにより発生した光を適当な光学要素を介して導き、一点に集中させて、細いコヒーレント光線を得ることができる。通常、レーザの作動、すなわち放射は、主電極回路を電源に接続し、選択した作動周波数でパルス的に行う。レーザ放射ガスがレーザ放射ゾーンを通って循環するように、レーザのハウジング内には、一般に循環ファンが設けられている。
特にエクサイタ・レーザでは、レーザの作動時、レーザが放射するごとにレーザのハウジング内で塵芥粒子が生成される。この塵芥粒子は、主電極および／またはレーザ放射ゾーンに近接した関連する予備イオン化ピンなどの金属構成要素の腐食と、レーザ放射ガスによる化学的変換とが組み合わさって発生する。発生した塵芥粒子は、時間が経過するとともに内部のレーザ構成要素の表面を覆い、正常なレーザ放射動作を妨げる可能性がある。さらに、塵芥粒子が光学要素に堆積し、レーザ・ハウジングから放射される光線の出力が大幅に低下する恐れがある。
塵芥粒子の生成がレーザの作動に与える影響を少なくするために、塵芥粒子の収集および／または濾過を行う様々なシステムが提案されている。レーザ放射ガスから塵芥粒子を除去し、続いてレーザ・ハウジングにガスを再循環させるために、このようなシステムは、例えば、機械的濾過および／または静電集塵を行う外部濾過装置および関連するガス循環システムを含んでいる。ただし、このようなシステムの場合、構造要素の構成、レーザ・ハウジングとの間でレーザ放射ガスの関連する循環が比較的複雑である。さらに、ガス濾過装置は、通常ガス流路が非常に低くなっていなければならず、したがって、一度にレーザ放射ガスのごく一部しか濾過できない。例えば、米国特許第４５３４０３４号および第４９５９８４０号を参照されたい。その他の提案では、レーザの作動時にガスが循環するように、レーザのハウジング内に静電濾過装置を直接取り付けている。しかし、これらの装置は、作動効率がそれほど高くなく、通常、ガス流が装置を通過するごとに、ガス流内の生成塵芥のごく一部しか収集できない。例えば、米国特許第５３１９６６３号を参照されたい。
したがって、特に、レーザ・ハウジング内に直接取り付けるようにしたコンパクトで作動効率の高い収集システムで、気体放電レーザの作動時に生成する塵芥粒子の収集能力および／または濾過能力をさらに改善する必要がある。本発明は、以上の目的を達成するとともに、その他関連する利点を提供するものである。
発明の概要
本発明によれば、エクサイタ・レーザなど、気体放電レーザは、塵芥粒子を収集、捕捉するためにレーザ・ハウジング内に直接取り付けた改良型静電集塵器を含む。静電集塵器は、複数のコレクタ・プレートを備え、このプレートは、一方の集塵極とするのに適切に帯電させてある。レーザ作動時に、主レーザ放射ゾーンと、このゾーンに関連したイオン化および蛍光放電によってもう一方の集塵極が形成される。コレクタ・プレートは、静電作用と機械的手段とを組み合わせて、生成粒子を収集、捕捉するように構成されている。
気体放電レーザは、近接配置した一対の長い主電極の間に形成された主レーザ放射ゾーンと、ハウジング内に取り付けた１組の関連の予備イオン化ピンとを有する、ほぼ閉じた容器またはハウジングを含む。循環ファンにより、レーザ放射ガスは、レーザ放射ゾーンを通って再循環する。レーザ放射ガスをレーザ放射ゾーンを通って循環させるために、レーザ・ハウジング内にコレクタ・プレートが取り付けてあるが、このコレクタ・プレートは、レーザ放射ゾーンの下流側で、レーザ放射ゾーンに比較的近接させて配置することが好ましい。アタックの角度が徐々に大きくなり、かつ断面サイズが徐々に大きくなってゆく複数の方向変化径路を連携して形成するように、コレクタ・プレートは、相互に間隔を置いて配置してあり、少なくともその上流側端部に湾曲部分を含む。したがって、コレクタ・プレートにより、ある曲がり角度だけガス流の方向が変化するとともに、ガス流速が減少し、流れにのった塵芥粒子が、プレート間経路の外縁部に向かって移動し、コレクタ・プレートの表面にぶつかって静電的に捕捉され保持される。さらにコレクタ・プレートは、コレクタ・プレートに引き寄せられるものの、このプレートには保持されない塵芥粒子を機械的に捕捉し、保持する捕捉トラフを含む。
本発明の一態様においては、複数組のコレクタ・プレートをレーザ・ハウジング内に設けて、レーザ放射ガスがレーザ放射ゾーンに再循環する際にレーザ放射ガスを直列に通過させてもよい。必要な場合は、直列に取り付けた複数組のコレクタ・プレートを逆の極性に帯電させてもよい。
本発明のその他の特徴および利点は、本発明の原理を例示的に図示した添付の図面を参照して行う以下の詳細な説明により明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
添付の図面は、本発明を図示するものである。
第１図は、本発明にしたがって構成した静電集塵器を含む気体放電レーザを示す略図である。
第２図は、第１図に示した気体放電レーザの内部構成要素を示す拡大部分見取図である。
第３図は、静電集塵器の一部を形成する１組のコレクタ・プレートを示す見取図である。
第４図は、第３図の線４−４全体についての拡大垂直断面図である。
第５図は、第４図の丸で囲んだ領域５全体に対応する、別の拡大部分断面図である。
第６図は、第４図の丸で囲んだ領域６全体に対応する、別の拡大部分断面図である。
第７図は、本発明の別の好ましい形態に従って構成した静電集塵器を含む気体放電レーザを示す略図である。
好ましい実施例の詳細な説明
例示図面に示したように、全体を参照番号１０で示した気体放電レーザは、レーザの通常作動時に生成する塵芥粒子を収集、補足する改良型静電集塵器を含んでいる。静電集塵器は、静電作用と機械的手段とを組み合わせて生成塵芥粒子を収集、捕捉する１組の帯電コレクタ・プレート１２の形態をしたコレクタ手段を備えている。
第１図および第２図は、特に従来の構造を備えたエクサイタ・レーザなど、気体放電レーザ１０のハウジング１４内に取り付けたコレクタ・プレート１２を示している。なお、図示したように、ハウジング１４は、ほぼ閉鎖され、長手方向に延びる容器を具備し、この容器の内部には、一対の近接配置した長尺の主レーザ電極１６、１８が取り付けられている。この主電極１６、１８は、それらの間にレーザ放射ゾーン２０を画定し、この領域２０は、選択したレーザ・ガスが循環するように、側部が開いた構成になっている。ハウジング１４内でレーザ放射ゾーン２０を通してレーザ・ガスを循環させるために、細長い循環ファン２２が設けてあり、このファンは、通常、適当なベアリング２４により、ハウジング１４に端部で支持されている。作動時、電極１６、１８の両端に比較的高い電圧を印加することにより、レーザ放射ガスを励起させる。レーザ放射を開始するために、通常、電極と関連させて、比較的小さい予備イオン化ピン２６および２８が設けてある。レーザ放射は、選択した周波数で脈動的に進行する。励起したガスにより、レーザ放射ゾーン２０で生成される光は、適当な光学要素により導かれ、細いコヒーレント光線３０となってハウジング１４から出る。第１図には、ハウジングの一端にある反射鏡３２とともに、別の端にある窓またはレンズ３４が示してある。
一般に、コレクタ・プレート１２は、ファン２２に対して、レーザ放射ゾーンから循環させるレーザ放射ガスと相互に作用しあう下流側位置と、上流側位置とにレーザ放射ゾーン２０に比較的近接させて設けられている。本発明によれば、コレクタ・プレート１２は、レーザ放射ゾーン２０と連携して、レーザの通常作動時に生成される塵芥粒子を収集、捕捉する効果的かつ効率的な静電集塵器を形成している。
より具体的に述べれば、コレクタ・プレート１２は、端部を絶縁したマウント３６（第１図）などにより、ハウジング１４内に支持され、相互に間隔を置いてハウジング１４内を長手方向に延びるように配列され、レーザ放射ガスが流通する比較的狭い複数の流路３８を形成している。第２図から第４図は、１組になった４枚のコレクタ・プレート１２を示す図である。このコレクタ・プレートは、アルミニウムなど、導電性材料で形成され、所望の間隔を置いて保持するために、スペーサ・スリーブ４１（第４図）が付いた複数の頭付支持ピン４０により、一定の間隔を置いて組み付けられ、保持されている。この支持ピン４０は、適切な導体４２により適当な電源に接続される。したがって、約１〜１０キロボルト（ｋＶ）程度の正の直流電圧に接続するなどして、コレクタ・プレート１２に帯電させることができる。
コレクタ・プレート１２は、少なくともその上流側端部に湾曲部分４４を備えている。この湾曲プレート部分４４は、相互に連携して、プレート間流路３８の上流側端部で、複数の比較的狭い入口喉部４６を形成している。この狭小な入口喉部４６から、湾曲プレート部分４４は角度的に約９０度曲がり、その部分４４をガス流とプレート部分との間の衝突角が曲部に沿って増大するように形成して、アタックの角度を順次に増大させている。この構成の場合、流路３８の断面サイズが徐々に大きくなるとともに、流路は約９０°だけ湾曲している。このように方向変化と流路の幅の広がりとを組み合わせているため、流路３８を流れるガス流にのる塵芥粒子は、慣性により流路３８の外縁部に向かって外側に移動し、コレクタ・プレートの表面に物理的に接触する。このように塵芥粒子がプレート表面に向かって移動し、これに伴って流路幅の増大により流速が減少するために、静電気力が高まり、塵芥粒子は、コレクタ・プレート１２に引き寄せられ、プレートの保持される。
レーザ放射ゾーン２０でレーザが放射されるために静電作用が起こる。このレーザ放射によりガスがイオン化され、ガス分子がより高いエネルギー・レベルに励起され、励起した分子が崩壊し、ホトンを放射するときに蛍光が発生する。この位置にあるイオン化した分子は、レーザ放射ゾーン２０から流れる循環ガス流によって運ばれた塵芥粒子に引き寄せられ、これに付着しやすい。これらのレーザ放射ゾーン２０と蛍光とイオン化の組み合わせ状態が静電集塵器の一方の極となり、１組の帯電したコレクタ・プレート１２が、静電集塵器の第２の極となる。
したがって、コレクタ・プレート１２は、レーザ放射ガスがハウジング１４内を循環する際に、レーザ放射ゾーン２０にある帯電した塵芥粒子を静電気的に引き寄せ、捕捉する。上に述べたように、塵芥粒子は、慣性によりコレクタ・プレートと再接触する。プレート間流路３８により、ガス流速を減少させることにより、プレートが静電気手的に捕捉できる塵芥粒子の割合が増大する。
ある好ましいコレクタ・プレートの構成では、湾曲プレート部分４４はその狭小な入口喉部４６をそれぞれ０．２５インチ程度のプレート間幅とする。各コレクタ・プレート１２は、約９０°の曲部の外側に向かって曲率半径が徐々に増大するように形成してあり、流路幅は、曲部の終端で約０．５０インチまで徐々に増大している。湾曲部分４４が形成している流路３８の中間値長さは、約３インチである。好ましい形態に示したように、湾曲プレート部分４４の下流側端部は、平坦部分すなわち直線部分４８にそれぞれ接続され、この直線部分は、支持ピン４０により一般に平行に取り付けられており、連携して流路３８の一様な幅の延長部分となる。この延長部分により流路の長さがさらに約３インチ延びる。
本発明の主要な側面によれば、コレクタ・プレート１２は、流路３８を流れ、静電気的に捕捉、保持されることがない帯電塵芥粒子を機械的に捕捉する捕捉トラフを含んでいる。好ましい形態では、各コレク・プレート１２が、その対向側部に、プレート間流路３８の長さに沿って異なる位置に配設した一対の捕捉トラフ５０、５２を含む。第２図から第４図では、第１のトラフ５０が、上流側の湾曲プレート部分４４と、下流側の平坦部分４８との接合部に示してあり、プレート１２の外向部すなわち凸側に位置している。プレートを適当に形成することにより、第２の捕捉トラフ５２は、狭小な上向きリップ５４を含むように、平坦なコレクタ・プレート部分４８の下流側端部であって、前記プレートの内側面に配設されている。
作動時、プレート間流路３８を流れる塵芥粒子の大部分は、引き寄せられ、かつ／または慣性により収集プレート１２の表面に接触ないし少なくとも前記表面に接近する傾向があることがわかっている。しかし、この塵芥粒子の大半は、静電気的保持に抵抗し、有効に捕捉されることなくプレート面に沿って転動しやすい。ガスおよび粒子が経路を流れる結果、捕捉粒子が移動し、ガス流に再びのる場合もある。捕捉トラフ５０および５２は、塵芥粒子を保持する効果的かつ効率的な濾過構造となる。
さらに具体的に述べれば、第４図から第６図に明瞭に示したように、平坦なプレート部分４８の上流側端部は、湾曲したプレート部分４４の下流側端部をわずかに超えて被さるように突出し、捕捉トラフ５０となっている。この捕捉トラフ５０は、それぞれ上流側に開いた、幅約０．１０〜０．１５インチの狭小な入口を備えている。流路３８の曲部の内側縁部を収集プレート１２に沿って、あるいはこのプレートに接近して転動する塵芥粒子を有効に捕捉する。同様に、平坦なプレート部分４８の下流側端部は、流路３８の外側縁部すなわち外向縁部で捕捉トラフ５２となる上向きリップ５４を含む。この１組の捕捉トラフ５２も、幅が約０．１０〜０．１５インチで、上流側に開いた狭小な入口を有し、流路の外側縁部を収集プレート１２に沿って、あるいはこのプレートに接近して転動する塵芥粒子を有効に捕捉する。
第７図は、本発明の別の好ましい形態を示す図であり、一対の主電極１６、１８の間に配設したレーザ放射ゾーン２０に、ファン２２によりレーザ放射ガスを循環させる際のレーザ放射ガスの連続流に対して、レーザ・ハウジング１４内に２組の帯電したコレクタ・プレート１２を取り付けてある。第７図に示すように、２組の帯電電極プレートを極性が逆の直流電圧に接続して、電荷の符号が逆の帯電粒子を静電気的に補足することができる。図に示すように、帯電コレクタ・プレートは２組とも、６枚のプレート１２から成るグループを含む。第１図から第６図を参照して先に述べたように、これらのプレートは、捕捉トラフ５０および５２と一体となって、方向が変化するとともに断面サイズが大きくなってゆく複数のプレート間流路３８を区画している。
本発明に対して、その他様々な改良が実施できることは、当業者にとって明らかである。したがって、付属の請求項の記載とは異なり、上記の説明および添付の図面は、本発明を限定しようとするものではない。

Claims (17)

1. ほぼ閉じたハウジング（１４）内に存在するレーザ放射ガスと、
   前記ハウジング（１４）内に取り付けられた一対の主電極（１６，１８）であって、その間がレーザ放射ゾーンとなり、そのレーザ放射ゾーンにおいてレーザ放射ガスに点火し、イオン化およびこれに関連した蛍光放射を行う一対の主電極（１６，１８）と、
   レーザ放射ガスを循環させてレーザ放射ゾーンに通す手段（２２）と、
   レーザの動作中に生成される塵芥粒子を収集し、捕捉する前記ハウジング内の静電集塵器とを有する気体放電レーザにおいて、前記静電集塵器はレーザ放射ゾーン（２０）を通って循環するレーザ放射ガスを流通させるために前記ハウジング（１４）内に取り付けた帯電コレクタ手段（１２）を備え、前記帯電コレクタ手段（１２）が、レーザ放射ガスが流通する複数のプレート間流路を連携して形成するように、前記ハウジング（１４）内に間隔を置いて取り付けた少なくとも１組の帯電コネクタ・プレートを備えることを特徴とするガス放電レーザ。
2. レーザ放射ゾーン（２０）から循環させるレーザ放射ガスが流動するように、前記帯電コレクタ手段（１２）を、レーザ放射ゾーン（２０）の下流側で、レーザ放射ゾーン（２０）に近接させて配置したことを特徴とする請求項１に記載のガス放電レーザ。
3. 前記循環手段（２２）が、前記ハウジング内に取り付けたファン（２２）を備え、前記帯電コレクタ手段（１２）が、前記ファン（２２）に対して上流に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のガス放電レーザ。
4. それぞれ狭小な入口喉部（４６）を有し、断面の幅が少なくとも長さの一部で徐々に増大する前記流路（３８）を形成するように前記コレクタ・プレート（１２）を取り付けたことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のガス放電レーザ。
5. 前記コレクタ・プレート（１２）が、レーザ放射ガスの流動方向を変化させるための曲部を有する前記流路を形成する湾曲部分（４４）を含むことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のガス放電レーザ。
6. 前記流路の幅が、前記曲部で増大することを特徴とする請求項５に記載のガス放電レーザ。
7. 前記湾曲部分（４４）が、アタックの角度が増大する前記流路を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載のガス放電レーザ。
8. 前記コレクタ・プレート（１２）が、前記各流路内に配設した上流方向へ開いている少なくとも１つの捕捉トラフ（５０，５２）を備え、レーザ放射ガスにより前記流路内を運ばれる塵芥粒子を捕捉、保持することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のガス放電レーザ。
9. 前記各コレクタ・プレート（１２）が、その両側に配設した一対の前記捕捉トラフ（５０，５２）を備えていることを特徴とする請求項８に記載のガス放電レーザ。
10. 前記コレクタ・プレート（１２）が、前記各流路内に配設した一対の前記捕捉トラフ（５０，５２）を前記流路の両側に形成することを特徴とする請求項８又は９に記載のガス放電レーザ。
11. 前記コレクタ・プレート（１２）がさらに前記湾曲部分の下流端部に平坦部分（４８）を含み、その平坦部分（４８）は断面の幅がほぼ一様な流路を形成することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のガス放電レーザ。
12. 前記流路内に配設した上流方向に開いている捕捉トラフを（５２）形成するために、前記コレクタ・プレート（１２）の前記平坦部分（４８）がその下流側端部に上向きリップ（５４）を含むことを特徴とする請求項１１に記載のガス放電レーザ。
13. 前記曲部の流路の外向縁部に沿って前記捕捉トラフ（５０）を配置したことを特徴とする請求項１２に記載のガス放電レーザ。
14. 前記コレクタ・プレート（１２）の前記平坦部分（４８）が、前記湾曲部分（４４）の下流側端部と連携して、前記曲部に対して前記流路の内向縁部に沿って配置した別の捕捉トラフ（５０）を形成することを特徴とする請求項１３に記載のガス放電レーザ。
15. 前記帯電コレクタ手段（１２）は、レーザ放射ガスの連続した流動に対して、前記ハウジング（１４）内に取り付けた帯電コレクタ・プレートの少なくとも２組を備えていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の静電気集塵器。
16. 前記２組のコレクタ・プレートが、逆符号の電荷で帯電していることを特徴とする請求項１６に記載のガス放電レーザ。
17. 前記１組のコレクタ・プレート（１２）とイオン化および蛍光放電とが、静電集塵器の相異なる極となることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載のガス放電レーザ。

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