JPH02500314A - ピエゾ電気ファンを有するガスレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ピエゾ電気ファンを有するガスレーザ ［発明の技術分野］ この発明はガスレーザに関するものであり、特にレーザ内でガス媒体を循環させ 、補充するためのピエゾ電気ファンに関するものである。

［発明の背景］ 高いパルス繰返し率で適切に動作する横断的に励起されるガスレーザのようなガ スレーザは、放電領域内のガス媒体を補充するためレーザ容器内でガス媒体を循 環させる手段を必要とする。ガス媒体を循環させる従来の方法は典型的には各種 の形式のファンに依存している。これら各種形式のファンにはタンジエンシャル 、ベインアキシア、ル、およびセンチユリツユ−ガルブロアが含まれている。こ れらの形式のファンの全てに共通する特徴はファンの位置を保持し、同時に高速 度でファンの回転できるようにする軸受を必要とすることである。これらのファ ンは典型的には容器を通って、したがって１対の対向するレーザ電極間の放電領 域を通ってガス媒体を循環させるためにそれ自身がレーザ容器内で使用されてい る。循環ファンは連続的に電極放電間のガス媒体を補充するように作用し、それ によって各パルスに対してガス媒体を新しく供給する。

これらのファンに設けられる前述の軸受は、特に密閉型の循環ガスレーザにおい てはこのようなレーザの動作に大きな問題を提起する。この問題はファンの軸受 が軸受の摩擦を減少させるために何等かの形式の潤滑剤を含むことを必要とする ことに関係している。ファンが密閉されたレーザ容器内にあるために、レーザガ スは軸受の潤滑剤と接触し、そのため潤滑剤によるレーザガス媒体の汚染が生じ る。軸受がら発生する微粒子もまたガス媒体を汚染する。拡張された動作寿命の レーザでは、このようなレーザガス媒体の汚染はレーザの不所望な動作特性をも たらし、或いはレーザの完全な故障を生じる。このガス媒体の汚染はまた不使用 期間中のこのようなレーザの貯蔵中にも生じることも認められる。

回転ファンはまたガスレーザ中で使用されるとき別の問題も生じる。このような ファンは直流または交流モータを必要とする本質的に磁気的駆動装置であるから 、それらの全体の大きさは可成り大きく電力消費も多い。それらはまた大きな電 磁妨害（Ｅ　Ｍ　Ｉ　）雑音信号および無線周波数妨害（ＲＦＩ）雑音信号を発 生し、また可聴雑音源ともなる。

［発明の要約］ 前記の問題はこの発明の装置および方法によって克服され、またその他の利点も 得られる。この発明においては、１以上の固体ピエゾ電気ファンがガスレーザの 流体ダクト中に設けられて、そのファンがレーザガス媒体を循環させる。

この発明の好ましい実施態様によれば、ピエゾ電気ファンは２個の対向して振動 するブレードを具備し、それらは２個のピエゾセラミック屈曲素子から構成され たバイモルフによって共振点で駆動される。ファンはガスレーザを循環する流体 ダクト中に設けられる。ピエゾ電気ファンの動作は所望の方向に流体ダクトを流 れるレーザガス媒体の流れを生成し、それによって１対のレーザ電極間のガス媒 体を補充する。ピエゾ電気ファンは軸受のように摩耗素子を有していないから、 軸受潤滑剤は不要であり、レーザガス媒体はファンの動作によって汚染されるこ とはない。

さらに、回転式のファンに比較してそのようなピエゾ電気ファンのエネルギ消費 は少なく、またファンの大きさも小さいから、ガスレーザの全体の容器の大きさ も減少させることができる。

［図面の簡単な説明］ これらおよびその他のこの発明の特徴は添附図面を参照にした以下の詳細な説明 によって明らかであろう。図において、第１図は、循環ガスレーザの流体ダクト 内に配置されたピエゾ電気ファンの、一部ブロック形態の断面図である。

第２図は、この発明による実施例として動作するピエゾ電気ファンの部分的概略 図である。

［発明の詳細な説明］ 第１図を参照すると、２酸化カーボンのような活性レーザガス媒体がそれを通っ てレーザｌＯの内部を循環するガス流体ダクト１２を備えたガスレーザ１０が示 されている。流体ダクト１２内のガスはまた充填または不活性ガス媒体からなっ てもよい。第１図のレーザ１０中で、ガスは矢印Ａで示すように時計方向に流れ ていることが認められる。レーザ１０中には第１および第２の電極１４および１ ６が設けられ、それらは放電エネルギ電源１８に結合されている。パルスモード の動作が行われたとき、電源１８は例えば高電圧のパルスを出力し、それは電極 １４および１６と関連して電極１４．１６間に電界を発生する。この電界は電極 １４．１８間を通過する活性ガス媒体のレーザ作用を行わせる。その結果生じた レーザ放射パルスは適当な手段（図示せず）によってレーザから結合して取出さ れ、レーザエネルギのパルスを生じる。放電エネルギ電源１８はまたガス媒体の レーザ作用を行わせるように動作することのできる高周波電源または任意の電源 であってよい。

他のパルスに類似する特性を有する各連続したレーザ放射パルスのために各パル ス間にレーザガス媒体を補充することが必要であることが認識できるであろう。

流体ダクト１２中のガスの流れによって、電極１４と１６の間の領域内のレーザ ガス媒体は各連続パルス間に置換または補充され、一方間時に前のパルスからの ガス媒体をレーザの他の領域（図示せず）に運び、そこでレーザガス分子は緩和 され、適当な触媒（図示せず）の作用等によって再結合されることができる。レ ーザガス媒体の組成および密度は各レーザパルスの品質および再現性の重要なフ ァクターである。それ故、レーザガス媒体中への汚染物、例えば軸受潤滑剤や軸 受材料の粒子から生じるハイドロカーボンのような汚染物の導入はレーザ１ｏの 動作に悪影響を及ぼすことが認められる。

この発明によれば、ガス媒体はピエゾバイモルフファン２゜の作用によって流体 ダクト１２を通って流される。このファンは１以上のフレキシブルなファンブレ ード２２を有している。

ファン２０の駆動エネルギ源は電源２４であり、それは正弦波電力特性ものでよ い。ファン２０は電源２４によって適切に付勢されるときファンのブレード２２ を矢印Ｂに示すように上下に振動させ、それによって矢印Ａに示す方向にレーザ ガス媒体の流れを生じさせる。

第２図を参照すると、ファン２０の構成がさらに詳細に示されている。図示のよ うにファン２０はそれぞれ第１と第２の素子２Ｂａおよび２８ｂを有するピエゾ 電気バイモルフ２Ｂから構成されている。ピエゾ電気バイモルフ２６の各素子は それぞれそれに取付けられたフレキシブルなファンブレード２８ａおよび２８ｂ を備えている。これらファンブレードは取付けねじ３０ａ。

３０ｂのような適当な取付は手段によってバイモルフ２６に取付けられる。ブレ ードはまた適当なカラ一手段によって、或いはエポキシのような接着手段によっ て取付けられることもできる。電源２４はバイモルフ素子２６ａ　、　２６ｂに 結合され、この電源は前述のように本質的に正弦波電源である。大抵の回転ファ ンが電流駆動の磁気的装置であるのに比較して、バイモルフ２６の電気機械的性 質によってピエゾ電気ファンは本質的に電圧駆動の、静電的装置である。

動作においてファンブレード２８はバイモルフ素子２Ｂによって共振状態に駆動 され、バイモルフ素子２６はカンチレバー型の構造を与えるために一端で共に固 定された１以上のピエゾセラミック屈曲素子から典型的に構成される。バイモル フ素子２６は電源２４によって付勢されたとき交互に物理的収縮および膨張を行 う。バイモルフ素子２６は電源と９０度位相で動作し、後縁は前縁から９０度の 位相角度だけ遅れている。その結果の取付けられた各ブレード２８ａおよび２８ ｂの運動は矢印３２ａ。

３２ｂによって示されている。この振動運動の結果、矢印Ａに示す方向にレーザ １０内でガス媒体の流れが生成される。この流れはブレード３２が振動するとき その往復運動によって発生される。そのような各往復運動によって各ブレードか らガス媒体の渦の流れが生じ、渦はブレードを流れるように充分に高い回転速度 を有している。

この発明を実現するために使用されるのに適したピエゾ電気ファンの一つはピエ ゾ電気プロタクト社（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　ＨＡ）によって製造されたモジュー ルＢ型ファンである。モジュールＢ型ファンは２個のピエゾセラミック屈曲素子 に取付けられた２個の対向して振動するマイラーファンブレードによって特徴付 けられる。ファンは６０Ｈｚ、　１１５ボルト商用電源または５’ＯＨｚ、　２ ２０ボルト商用電源より電力を供給される。

一般にファンブレードの振動の周波数は入力電圧の大きさに依存し、またファン ブレードの長さおよびスチフネスに依存する。したがって、振動の周波数および ガスの流れの特性はファンブレード２８の長さおよびスチフネスを変化すること によって同調されることができる。所定のファンブレードの特定の長さおよびス チフネスは、流体ダクト内のガス圧力、ダクトの幾何学的形状、レーザのパルス 繰返し率、使用されるファンの数、その他適用における特定のファクターのよう な種々のファクターに基づいて経験的に決定するのが最良である。ファンブレー ドの材料は、ファンブレードの材料と接触するガス媒体によって生じる物理的劣 化を実質上受けないような材料から選択される。

ピエゾ電気バイモルフ２６は軸受も、軸受潤滑剤も必要としない固体装置である から、密閉されたレーザ１０内でのファンの使用はハイドロカーボンをベースと する軸受潤滑剤によるレーザガス媒体への汚染物の導入は何等生じない。軸受の 除去はさらに回転ファン装置よりもずっと長い有用な寿命を有する簡単な機械的 構造を与える。さらに、このようなピエゾ電気ファンのエネルギ消費は匹敵する 回転ファンのエネルギ消費よりもずっと少なく、エネルギ消費の減少率は９０％ 以上である。また、このようなファンの使用に関連する磁気的および音響的雑音 は比較的低い。このようなピエゾ電気ファンのさらに別の利点は、ファンが本質 的に瞬時スタートの装置することがないことである。

ガス媒体の循環のために１以上のピエゾ電気ファンを備えた密閉ガスレーザは、 軸受潤滑剤の蒸発によるガス媒体の汚染を生じることなく使用前長期間貯蔵する ことができることが認められる。さらに、ファンに必要な電力の減少はレーザシ ステムに必要な全体的電力の減少をもたらし、さらに小形のファンはレーザシス テム全体のパッケージの大きさを減少させることを可能にする。またファンは磁 気的電力装置と異なって静電的電力装置であるから、使用中にファンによって発 生されるＥＭｌまたはＲＦＩは少なく、或いは全くない。

これらの妨害雑音信号の除去は、もしもレーザがそのような妨害によって擾乱を 受けるような敏感な電子部品と共に、或いはそれに近接して動作される場合重要 な考慮すべき事項である。

この発明の上述の実施例は単なる説明のためのものであって、この発明の技術的 範囲をここに示した実施例に限定することを意味するものではないことを認識す べきである。この発明の技術的範囲は添附する請求の範囲の記載によってのみ限 定されるべきものである。

ＦＩＧ、　１ 国際調査報告 １ｍｗｖｎ＋ｔｍｓｌａ＊５ｏｃａ＋ｍＩＩ＆ＰＣＴ／ＬＩＳ８８１０２０６１

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに間隔を隔てて配置され、その間に放電領域を定める第１および第２ の電極と、 前記放電領域内に電界を発生するために前記電極に結合されて動作する電極放電 エネルギ源と、 レーザ放射を発生するために電界と相互作用動作を行うレーザガス媒体と、 前記放電領域内の前記ガス媒体を補充する手段とを具備し、この補充する手段は 、 バイモルフを有するピエゾ電気駆動ファンを具備し、このバイモルフはバイモル フ中の振動運動を生じさせる電力電源に結合して動作し、前記フアンはさらに前 記バイモルフに結合されて前記放電領域を通って前記ガス媒体を流すように運動 するファンブレード手段を備え、それによつて前記ガス媒体が前記放電領域内に 補充されるガスレーザ。
2. （２）前記バイモルフはさらに、その一端で前記電源に結合された１以上のバイ モルフ素子を具備し、この素子はさらにその反対端に結合されたフレキシブルな フアンブレードを有している請求の範囲第１項記載のレーザ。
3. （３）前記バイモルフ素子はピエゾセラミック材料から構成されている請求の範 囲第２項記載のレーザ。
4. （４）前記フレキシブルなファンブレードはレーザガス媒体にさらされることに よる材料の劣化に耐える特性を有する材料から構成されている請求の範囲第３項 記載のレーザ。
5. （５）材料がマイラーである請求の範囲第４項記載のレーザ。
6. （６）前記補充する手段は複数の前記ピエゾ電気駆動フアンを具備している請求 の範囲第１項記載のレーザ。
7. （７）ガス媒体をそこに含むように動作する流体ダクトを設け、この流体ダクト は放電領域にガス媒体を向けるように動作され、 この流体ダクト内に１以上のピエゾ電気駆動フアンを設け、ガス媒体を流体ダク トを通って流し、それによつてガス媒体が放電領域内のガス媒体を補充するため に放電領域に向けられるように前記ファンを付勢するステップを有するガスレー ザの放電領域内のレーザガス媒体を補充する方法。
8. （８）各ファンはフレキシブルなブレード手段を具備し、付勢するステップは予 め定められた周波数を有する振動運動によりブレード手段を運動させる請求の範 囲第７項記載の方法。
9. （９）１以上のピエゾ電気駆動フアンを設けるステップは、予め定められた周波 数が所望のガス媒体補充速度を与えるために動作するようにフレキシブルなブレ ード手段の長さおよびスチフネスを決定するステップを含む請求の範囲第８項記 載の方法。