JPH05327087A - レーザ装置の放電安定化構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極から電極以外への不要な放電を防止する
と共に電極間の放電を均一化するレーザ装置の放電安定
化構造を提供する。 【構成】 電圧側電極５ａを接地側電極５ｂに対しガス
下流側が離れるように傾斜させた。或いは、放電部１の
レーザガス流路２０壁をその上流及び下流のガス流路３
壁から電気的に絶縁した。或いは、電極５の下流側レー
ザガス流路に、レーザガスの流れに交差する磁界を印加
するための磁極を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ媒質となるガス
を電極間に満たし、高周波放電によりレーザ励起を行う
ガスレーザ装置に係り、特に、電極から電極以外への不
要な放電を防止すると共に電極間の放電を均一化するレ
ーザ装置の放電安定化構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種レーザ加工に使用されるガ
スレーザ装置においては、圧力が１０Ｔｏｒｒ〜２００
Ｔｏｒｒ程度のレーザガスをレーザ媒質とし、このレー
ザ媒質が満たされた電極間に高周波放電を印加すること
により、レーザ励起を行うと共に、レーザガスを流動し
て放電に伴うガス温度上昇を抑制している。

【０００３】図６は、この目的に適う従来のガスレーザ
装置５０の例を示している。このガスレーザ装置５０
は、放電電界方向、レーザガス流方向及びレーザ光軸方
向が各々直交する三軸直交型レーザ装置である。

【０００４】図示するように、レーザガスを収容する金
属製真空容器５１は、角型の筒の始端と終端とが閉じ合
わされて形成され、筒内５２に送風機５３、放電部５
４、熱交換器５５が順に設けられている。送風機５３
は、レーザガス流を発生させるために設けられ、図中矢
印Ａで示す方向に流路が形成される。熱交換器５５は、
放電により上昇したガス温度を吸収するために設けら
れ、熱交換器５５で熱を奪われたレーザガスが再び送風
機５３で循環される。放電部５４は、高周波放電により
レーザ励起を行うために設けられ、その詳細が図７に示
されている。

【０００５】図７に示されるように、放電部５４には、
金属電極５６と誘電体板５７とが、組み合わされそれぞ
れ高周波電源５８の高電圧側、接地側に設けられてい
る。これら金属電極５６及び誘電体板５７は、平行に対
向させて設けられる。誘電体板５７は金属真空容器５１
に保持され、その外側に金属電極５６が取り付けられて
いる。金属電極５６の大きさよりも誘電体板５７の大き
さが大きいのは、金属電極５６と金属真空容器５１との
絶縁を図るためである。また、誘電体板５７は、大気圧
を保持するために必要な所定の厚さを有すると共にシー
ル性を有し、レーザガスを封入するための金属真空容器
５１の外殻の一部を形成している。

【０００６】発振周波数が１ＭＨz 〜１００ＭＨz 程度
の電圧が電圧側金属電極５６ａに印加されると共に接地
側電極５６ｂ並びに上記金属真空容器５１は接地され
る。金属電極５６より誘電体板５７を介して高周波電流
が流れ、放電部５４に満たされたレーザガス中で放電が
点弧され、この高周波放電によってレーザ励起が行われ
る。励起されたエネルギは、光共振器（図示せず）の作
用によって、紙面と垂直の方向にレーザ光として取り出
される。

【０００７】誘電体板５７は、電気的には、金属電極５
６と直列にコンデンサを接続した場合と同様の作用をす
る。即ち、高周波電流の局所的な集中を防ぎ、放電の均
一化を図る役割を果たしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
レーザ装置５０で、大きなレーザ光出力を得るには、放
電ギャップを大きくしたり、ガス圧力を高くすることが
考えられる。しかし、このようにして大出力化を図ると
放電電圧が高くなる。放電電圧が高くなると、高周波放
電が電極間だけでなく、電圧側電極５６ａと接地電位の
金属真空容器５１との間で起こることがある。特に、レ
ーザガス流に伴ってガスイオン５９が流れるので、レー
ザガス流の下流側では、誘電体板５７の内側表面から金
属真空容器５１への放電が起きやすい。このように電極
から電極以外への不要な放電が発生すると、エネルギが
損失すると共に放電が不安定になり、良好なレーザ光が
実現できないことがある。このような問題を防ぐために
は、誘電体板５７の大きさを大きくし、金属電極５６と
金属真空容器５１との絶縁距離を稼ぐことが考えられる
が、前述したように誘電体板５７は、金属真空容器５１
の外殻の一部を形成しており、金属部分に比べて強度上
の問題がある。従って、誘電体板５７の大きさを大きく
することはできないことになり、大出力化が図れない。

【０００９】また、レーザガスの放電による温度上昇に
起因する放電不安定の問題もある。これは、放電によ下
流に向かうに従ってガス温度上昇が大きくなるため、ガ
スの膨張によりガスの濃度も下流に向かうに従って稀薄
になり、これに伴って放電抵抗が小さくなる。従って、
このような状態のレーザガスに高周波電圧をかければ、
下流に向かうに従って高周波電流が多く流れ、高周波電
流の集中を生じ、レーザ出力が低下してしまう。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、電極から電極以外への不要な放電を防止すると共に
電極間の放電を均一化するレーザ装置の放電安定化構造
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、電圧側電極を接地側電極に対しガス下流側
が離れるように傾斜させたものである。

【００１２】或いは、放電部のレーザガス流路壁をその
上流及び下流のガス流路壁から電気的に絶縁してもよ
い。

【００１３】或いは、放電部の下流側レーザガス流路
に、レーザガスの流れに交差する磁界を印加するための
磁極を設けてもよい。

【００１４】

【作用】上記電圧側電極を接地側電極に対しガス下流側
が離れるように傾斜させた構成により、電極間の静電容
量が下流にいくほど小さくなる。従って、ガス濃度の影
響で下流の放電抵抗が小さくなっても、相殺されて上流
と下流とで放電抵抗が均一になり、電極間の放電が均一
化される。また、レーザガス流の下流側に顕著であった
誘電体板の内側表面から金属容器への放電が防止され
る。

【００１５】或いは、放電部のレーザガス流路壁をその
上流及び下流のガス流路壁から電気的に絶縁する構成に
より、誘電体板の内側表面から金属容器への放電が、防
止される。

【００１６】或いは、放電部の下流側レーザガス流路に
設けた磁極に、レーザガスの流れに交差する磁界を印加
すると、レーザガス流に伴って流れるガスイオンは、レ
ーザガス流の方向に交差し、磁界の方向に交差する方向
に加速され、放電部の下流側の誘電体板に衝突する。従
って、放電部から放電部以外へのイオン流による放電経
路が形成されないので、誘電体板の内側表面から金属容
器への放電が、防止される。

【００１７】

【実施例】本発明の第１の実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００１８】図１には、本発明に係るレーザ装置の放電
部１が示されている。金属真空容器５１及び、これに連
なる図示されない部分は、従来例で説明した図６のレー
ザ装置と同様のものであり、送風機５３、熱交換器５
５、高周波電源５８等を備えている。図１に示されるよ
うに、放電部１には誘電体板２が対抗させて設けられて
いる。誘電体板２は、金属真空容器５１の外殻の一部を
構成し、金属真空容器５１に連続させて一体的に固定さ
れている。金属真空容器５１及び誘電体板２で囲まれる
空間内には、矢印Ａ方向のレーザガス流路３が形成され
ている。一方の誘電体板２ｂは、例えばアルミナ板で作
られ、この誘電体板２ｂには、外側に均一な深さの凹部
４が設けられている。凹部４は、誘電体板２においては
レーザガス流の上流寄りに位置されており、凹部４から
金属真空容器５１までの距離は上流側で短く下流側で長
くなるよう形成されている。この凹部４には、接地側電
極５ｂとなる金属電極５が嵌装されている。

【００１９】また、金属真空容器５１も接地されてい
る。

【００２０】他方の誘電体板２ａは、例えば石英ガラス
板或いは、アルミナ板で作られ、この誘電体板２ａに
は、外側に、上記凹部４に相対する位置に、傾斜凹部６
が設けられている。傾斜凹部６は、レーザガス流の上流
側では深く、下流側では浅くなっている。この傾斜凹部
６には、電圧側電極５ａとなる金属電極５が嵌装されて
いる。この電圧側電極５ａは、高周波電源５８に接続さ
れている。傾斜凹部６の傾斜があるために、電圧側電極
５ａは、接地側電極５ｂに対しガス下流側が離れるよう
に傾斜している。

【００２１】次に実施例の作用を述べる。

【００２２】電圧側電極５ａがレーザガス流下流にいく
ほど、接地側電極５ｂから離れているので、電極間の静
電容量が下流にいくほど小さくなる。従って、ガス濃度
の影響で下流の放電抵抗が小さくなっても、相殺されて
上流と下流とで放電抵抗が均一になり、電極間の放電が
均一化される。また、レーザガス流の下流側に顕著であ
った誘電体板２ａの内側表面から金属真空容器５１への
放電が防止される。従って、誘電体板２の大きさを従来
より大きくしなくても、高周波電源５８の印加電圧を高
くした場合の金属真空容器５１への放電が防止される。
印加電圧を高くできるので、レーザ光出力を大きくする
ことができる。

【００２３】ここで、電圧側電極５ａのみを傾斜させ、
接地側電極５ｂは真っ直ぐにしたのは、接地側電極５ｂ
を傾斜させると、金属電極間のインピーダンスが大きく
なり、金属電極間で放電しにくくなるからである。金属
電極間で放電しにくくなると、印加電圧を必要以上に高
くしなければならず、また、金属真空容器５１との絶縁
間隔を大きくする必要が生じ、逆効果である。

【００２４】なお、本実施例にあっては、電圧側電極５
ａを傾斜させるために、誘電体板２に傾斜凹部６を設け
たが、図２に示したように、凹部６ａの深さを均一に形
成すると共に電圧側電極５ａのみを傾斜させ、誘電体板
２と電圧側電極５ａとの間に傾斜した間隙７を設けても
良い。そして、誘電体板２と電圧側電極５ａとの間に、
別の誘電体、例えばシリコンゴムを三角柱状に形成して
挟み込んでも良い。上記間隙７は、誘電体として空気を
用いた場合と考えて良い。

【００２５】また、誘電体板２に、誘電率がレーザガス
流に沿って変化するような材料を用いれば、電圧側電極
５ａを傾斜させなくても、同じような効果が得られる。

【００２６】次に、第２の実施例について説明する。

【００２７】図３には、第２の実施例による放電部１が
示されている。金属真空容器５１及び、これに連なる図
示されない部分は、従来例で説明した図６のレーザ装置
と同様のものであり、送風機５３、熱交換器５５、高周
波電源５８等を備えている。図３に示されるように、放
電部１の金属真空容器１０は、レーザガス流の上流側及
び下流側で分離され、金属真空容器の他の部分５１とは
別体となっている。放電部金属真空容器１０と本体金属
真空容器５１との接合部１１は、絶縁構造となってい
る。その詳細は、図４に示されるように、放電部金属真
空容器１０と本体金属真空容器５１との当接部分１２に
は、金属真空容器１０、５１の外方に延出されたフラン
ジ１３が各々設けられている。フランジ１３間には、絶
縁スペーサ１４が介設されている。それぞれのフランジ
１３には、ボルト穴１５が設けられ、これらボルト穴１
５には、管状の絶縁ブッシング１６が挿通されていると
共に絶縁ブッシング１６内を通してボルト１７が挿通さ
れている。さらに、ボルト１７の頭部及びナット１８に
は、それぞれ絶縁ワッシャ１９が挟み込まれている。上
記ボルト１７、ナット１８を締め付けることにより放電
部金属真空容器１０が本体金属真空容器５１に固定され
ると共に電気的には互いに絶縁される。このような絶縁
構造により、放電部１のレーザガス流路２０壁は、その
上流及び下流のガス流路３壁から電気的に絶縁されてい
る。上記絶縁スペーサ１４、絶縁ブッシング１６或いは
絶縁ワッシャ１９は、アクリル、セラミックス等を用い
る。

【００２８】放電部金属真空容器１０には誘電体板２が
対抗させて設けられている。誘電体板２は、放電部金属
真空容器１０の外殻の一部を構成し、放電部金属真空容
器１０に連続させて一体的に固定されている。この実施
例では、放電部１は誘電体板２において肉厚を増して形
成されており、その分レーザガス流路２０はやや狭隘に
なっているが、平坦に形成しても良い。また、電圧側、
接地側金属電極５ａ、５ｂは、共に誘電体板２の外側
に、誘電体板２の中央に位置させて設けられている。

【００２９】ここで、金属真空容器５１に対して放電部
金属真空容器１０の占める大きさについて説明する。絶
縁が必要な距離は、上流側と下流側で異なる。上流側の
絶縁距離Ｘ及び下流側の絶縁距離Ｙは、誘電体板２から
放電部金属真空容器１０の上下流端までの長さであっ
て、 Ｘ＝α×ｄ Ｙ＝α×ｄ＋β×ｖ×Δｔ ただし、α、β：安全係数（＞２） ｄ：電極間距離 ｖ：レーザガス流速 Δｔ：放電により生成されたイオンの再結合までの寿命 となる。

【００３０】このような構成により、放電部金属真空容
器１０が本体金属真空容器５１から電気的に絶縁されて
いるので、電極から本体金属真空容器５１に放電するこ
とがなくなる。したがって、印加電圧を高くしても、放
電が安定になるので、レーザ光出力を大きくすることが
できる。

【００３１】また、この実施例にあっては、誘電体板２
が金属電極５に対して大きくなくても、金属電極５から
放電部金属真空容器５１への放電がないので、誘電体板
２の大きさを小さくできる利点がある。

【００３２】なお、放電部金属真空容器１０全体をセラ
ミックス等で構成することもできる。

【００３３】次に、第３の実施例について説明する。

【００３４】図５には、第３の実施例による放電部が示
されている。金属真空容器５１及び、これに連なる図示
されない部分は、従来例で説明した図６のレーザ装置と
同様のものであり、送風機５３、熱交換器５５、高周波
電源５８等を備えている。図５に示されるように、放電
部１には誘電体板２が対抗させて設けられている。誘電
体板２は、金属真空容器５１の外殻の一部を構成し、金
属真空容器５１に連続させて一体的に固定されている。
金属真空容器５１及び誘電体板２の間には、レーザガス
流路３が形成されている。２つの誘電体板には、それぞ
れ外側に均一な深さの凹部４が設けられている。凹部４
は、誘電体板２のレーザガス流の上流寄りに位置されて
おり、凹部４から金属真空容器５１までの距離は上流側
で短く下流側で長くなるよう形成されている。それぞれ
の凹部４には、電圧側或いは接地側電極となる金属電極
５が嵌装されている。

【００３５】放電部１の下流側には、金属電極５に直交
させて一対の磁極（図示せず）が設けられている。これ
らの磁極により、下流側レーザガス流路（図中３０の閉
曲線内）には、レーザガスの流れに交差する磁界（紙面
に垂直の方向）が印加される。レーザガス流に伴って流
れるガスイオン５９は、レーザガス流の方向に交差し、
磁界の方向に交差する方向に加速され、放電部１の下流
側レーザガス流路の誘電体板２に衝突する。従って、放
電部から放電部以外へのイオン流による放電経路が形成
されないので、誘電体板２の内側表面から金属真空容器
５１への放電が、防止される。

【００３６】なお、磁界の方向は、電界の方向と同じに
しても良い。即ち、図５に示されるように、金属電極５
に隣接させて磁極３１を設けると、磁界の方向は誘電体
板２の向き合う方向となり、イオン流は紙面に垂直な方
向に曲げられる。したがって、放電部１のイオンが衝突
する側面側を金属真空容器５１から絶縁しておけば、不
要な放電が防止できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３８】（１）電極から電極以外への不要な放電を
防止することができるので、エネルギ損失が減少すると
共に放電が安定に得られレーザ光の品質が向上する。

【００３９】（２）印加電圧を高くしても、電極から電
極以外への不要な放電がないので、レーザ光出力を大き
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すレーザ装置の電極
部の構造図である。

【図２】本発明の第１の実施例の変形実施例を示すレー
ザ装置の電極部の構造図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示すレーザ装置の電極
部の構造図である。

【図４】本発明の第２の実施例の部分拡大図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示すレーザ装置の電極
部の構造図である。

【図６】レーザ装置の説明図である。

【図７】従来例を示すレーザ装置の電極部の構造図であ
る。

【符号の説明】

１ 放電部 ２ 誘電体板 ３ レーザガス流路 ５ 金属電極 ５ａ 電圧側電極 ５ｂ 接地側電極 ５８ 高周波電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザガス流を流すためのレーザガス流
   路に、レーザガス流を挟んで電圧側と接地側の電極を対
   向させた放電部を設け、電極間に高周波を印加してレー
   ザガスを励起させるレーザ装置において、上記電圧側電
   極を接地側電極に対しガス下流側が離れるように傾斜さ
   せたことを特徴とするレーザ装置の放電安定化構造。
2. 【請求項２】 レーザガス流を流すためのレーザガス流
   路に、レーザガス流を挟んで電圧側と接地側の電極を対
   向させた放電部を設け、電極間に高周波を印加してレー
   ザガスを励起させるレーザ装置において、上記放電部の
   レーザガス流路壁をその上流及び下流のガス流路壁から
   電気的に絶縁したことを特徴とするレーザ装置の放電安
   定化構造。
3. 【請求項３】 レーザガス流を流すためのレーザガス流
   路に、レーザガス流を挟んで電圧側と接地側の電極を対
   向させた放電部を設け、電極間に高周波を印加してレー
   ザガスを励起させるレーザ装置において、上記放電部の
   下流側レーザガス流路に、レーザガスの流れに交差する
   磁界を印加するための磁極を設けたことを特徴とするレ
   ーザ装置の放電安定化構造。