KR920000078B1 - 압전 팬을 갖고 있는 개스 레이저 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

압전 팬을 갖고 있는 개스 레이저
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 이 목적들 및 그외의 다른 목적에 대해서는, 첨부도면을 참조하여 기술한 본 발명의 상세한 설명란에서 더욱 상세하게 설명하겠다.
제1도는 순환 개스 레이저의 플로우 덕트내에 배치된 압전 팬을 도시한 부분 블럭 형태의 단면도이고,
제2도는 본 발명의 원리를 실행하기 위해 동작할 수 있는 압전 팬의 부분개략도이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 개스 레이저에 관한 것으로, 특히 레이저내의 개스 매체를 순환시키고 보충시키기 위한 압전팬에 관한 것이다.
[발명의 배경]
높은 펄스 반복률로 적당하게 동작되는, 횡방향 여기식(transversely exccited)개스 레이저와 같은 개스 레이저는 방전 영역내의 개스 매체를 보충시키기 위해 레이저 하우징내의 개스매체를 재순환시키는 장치를 필요로 한다. 개스를 재순환시키는 종래의 방법은 전형적으로 다양한 형태의 팬(fan)에 좌우된다. 이 다양한 형태의 팬들은 접선 송풍기, 베인 축(vaneaxial)송풍기 및 원심 송풍기를 포함한다. 이 모든 팬 형태의 한가지 공통 특징은 고속으로 팬을 회전시키면서 적소에 팬을 보유 지지하는 베어링을 필요로 한다는 것이다. 이 팬들은 전형적으로 하우징을 통하고, 한쌍의 대향 레이저 전극들 사이의 방전 영역을 통하여 개스 매체를 재순환시키기 위해 레이저 하우징 자체내에 사용된다. 재순환 팬의 동작은 연속적인 전극 방전사이에 개스 매체를 보충하는 작용을 함으로써, 각각의 펄스에 대해 신선한 개스 매체를 공급하게 한다.
이 팬들 내에 결합된 상술한 베어링은 이러한 레이저, 특히 밀폐형 재순환 개스 레이저의 동작에 중대한 문제점을 발생시킨다. 이 문제점은 팬 베어링이 베어링 마찰을 감소시키기 위해 소정 형태의 윤활제를 포함하는 요구 조건에 관련된다. 팬이 밀폐된 레이저 하우징내에 있기 때문에, 개스 레이저가 베어링 윤활제와 접촉하게 되므로, 윤활제에 의해 레이저 개스 매체가 오염된다. 또한 베어링 입자 물질이 개스 매체를 오염 시킬 수도 있다. 작동 수명이 연장된 레이저의 경우에, 레이저 개스매체의 이러한 오염은 레이저의 바람직하지 않은 레이저 동작 특성 또는 레이저의 완전한 고장을 발생시킬 수 있다. 개스 매체의 이 오염은 사용하지 않는 기간동안 이러한 레이저의 저장중에 발생하는 것으로 공지되어 있다.
회전 팬은 또한 개스 레이저내에 사용될때 다른 문제점을 발생시킨다. 이러한 팬들은 본래 DC모터 또는 AC모터를 요구하는 자기적으로 구동되는 장치이기 때문에 이 팬들은 전체 크기 및 전력 소비가 커지게 된다. 이 팬들은 또한 상당한 전자기 간섭(EMI) 및 무선 주파수 간섭(RFI)잡음신호를 발생시킬 수도 있고, 전형적으로는 가청 잡음의 소오스이다.
[발명의 요약]
본 발명의 장치 및 방법에 따르면, 개스 레이저의 플로우 덕트(flow duct)내에 제공되어 레이저 개스 매체를 순환시키는 1개 이상의 고상(solid state)압전 팬에 의해, 상술한 문제점들이 극복되고 그외의 다른 장점들이 실현된다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 압전 팬은 2개의 압전 세라믹(piezoceramic) 만곡 요소로 구성된 바이모르프(bimorph)에 의해 공진시에 구동되는 2개의 역-진동(counter-oscillating) 가요성 블레이드(blade)로 구성된다. 팬은 순환 개스 레이저의 플로우 덕트 내에 제공된다. 압전 팬의 동작은 플로우 덕트를 통하여 바람직한 방향으로 레이저 개스 매체의 흐름을 발생시키는 역할을 함으로써, 한쌍의 레이저 전극들 사이에 개스 매체를 보충시키게 된다. 압전 팬이 베어링과 같은 마모 요소를 갖고 있지 않으므로 베어링 윤활제를 필요로 하지 않기 때문에, 레이저 개스 매체는 팬의 동작에 의해 오염되지 않는다.
또한, 회전 팬에 관련된 이러한 압전 팬의 감소된 에너지 소모 및 이러한 팬의 소형화로 인해, 개스 레이저의 전체 팩키지 크기가 감소될 수 있다.
이제 제1도를 참조하면, 이산화탄소와 같은 활성 레이저 개스 매체가 레이저(10) 내에서 순환하게 하는 개스 플로우 덕트(12)를 포함하는 대표적인 개스 레이저(10)이 도시되어 있다. 플로우 덕트내의 개스는 또한 충전 개스 매체 또는 불활성 개스 매체를 포함할 수 있다. 제1도의 레이저(10) 내에서, 개스는 화살표 A로 표시된 바와 같이 시계방향으로 흐른다는 것을 알 수 있다. 레이저(10) 내에는 방전 에너지 소오스(18)에 각각 결합되는 제1 및 제 2 전극(14 및 16)이 제공된다. 펄스화 동작 모드에서 동작할때, 소오스(18)은 전극(14 및 16)에 관련하여, 전극(14 및 16) 사이에 전계를 발생시키는, 예를들어, 고압의 펄스를 제공한다. 이 전계는 전극들 사이를 통과할 때 활성개스 매체의 레이징을 유도한다. 레이저 방사선의 최종적인 펄스는 레이저 에너지의 한 펄스를 제공하기 위해 적당한 장치(도시안됨)에 의해 레이저(10)의 외부에 결합된다. 방전 소오스(18)은 또한 RF소오스, 또는 개스 매체의 레이징을 유도할 수 있는 소정의 적당한 소오스로 될 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 레이저 방사선의 각각의 연속 펄스가 다른 펄스들과 유사한 특성을 갖게 하기 위해서는, 각각의 펄스 사이에 레이전트(lasant)개스 매체를 보충해야 한다. 플로우 덕트(12) 내의 개스흐름으로 인해, 전극(14 및 16) 사이의 영역내의 레이전트 개스 매체는 각각의 연속 펄스 사이에서 대체되거나 보충되고, 동시에 레이전트 개스의 분자가 적당한 촉매체(도시안됨)의 작용에 의한 것과 같이 완화 및 재결합 할 수 있게 되는 레이저의 다른 영역(도시 안됨)으로 개스 매체를 이전의 펄스로부터 이송한다. 레이전트 개스 매체의 성분 및 밀도는 각각의 레이저 펄스의 특성 및 재생가능성의 중요한 요인이다. 그러므로, 베어링 윤활제 또는 베어링 입자 물질로부터 발생되는 탄화수소 오염물과 같은 오염물이 레이저 개스 매체 내로 삽입되면, 레이저(10)의 동작에 악 영향을 미치게 된다는 것을 또한 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 개스 매체는 1개 이상의 가용성 팬 블레이드(22)를 갖고 있는 압전 바이모르프 팬(20)의 작용에 의해 플로우 덕트(12)를 통하여 흐르게 된다. 팬(20)용의 여자 에너지 소오스는 사인파 전력 특성을 가질 수 있는 전기 소오스(24)이다. 팬(20)은, 소오스(24)에 의해 적당하게 활성화될 때, 블레이드(22)가 화살표 B로 표시한 바와 같이 상하 방식으로 진동하게 하므로, 화살표 A로 표시한 방향으로 레이저 개스 매체가 흐르게 한다.
이제 제2도를 참조하면, 팬(20)의 구성이 매우 상세하게 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 팬(20)은 제1 및 제 2 요소(26a 및 26b)를 각각 갖고 있는 압전 바이모르프(26)으로 구성되어 있다. 각각의 바이모르프 요소에는 가용성 팬 블레이드(28a 및 28b)가 각각 부착된다. 블레이드는 고정 나사(30 및 30b)에 의한 것과 같은 소정의 적당한 부착 수단에 의해 바이모르프 요소에 부착될 수 있다. 브레이드는 또한 적당한 칼라(collar)수단이나. 에폭시(epoxy)와 같은 접착 수단에 의해 부착될 수도 있다. 바이모르프(26a 및 26b)에는 상술한 바와 같이, 필수적으로 사인파 소오스로 되는 소오스(24)가 결합된다. 바이모르프(26)의 전기 기계적 특성 때문에, 팬은 전형적인 대부분의 회전 팬과 같은 전류 구동식 자기 구동장치와 반대로, 전압 구동식 정전기적 구동장치이다.
동작시에, 팬 블레이드(28)은 캔틸레버형(cantilevered type) 구조를 제공하도록 한쪽 단부에 함께 클램프(clamp)된 1개 이상의 압전 세라믹 만곡 요소를 전형적으로 포함하는 바이로므프 요소(26)에 의해 공진시에 구동된다. 바이모르프 요소(26)은, 소오스(24)에 의해 활성화될때, 선택적으로 물리적 수축 및 팽창된다. 요소(26)은 여자 소으스와 직각(quadrature)으로 이동하므로, 종연부는 선연부보다 90°위상 각만큼 지연된다. 부착된 가요성 블레이드(28a 및 28b) 각각의 최종적인 동작은 화살표(32a 및 32b)로 도시되어 있다. 이 진동 동작의 결과, 화살표 A로 도시한 방향으로 레이저(10)내의 기체 매체가 흐르게 된다. 이 흐름은 블레이드(32)가 진동할때 이 블레이드(32)의 역동작에 의해 발생된다. 이러한 각각의 역동작은 각각의 블레이드로부터 개스 매체의 소용돌이(vortex)를 발산시키는데, 이 소용돌이는 소용돌이가 블레이드를 종동시키기에 너무 고속인 회전속도를 갖고 있다.
본 발명을 실현하는데 사용하기에 적합한 한 압전 팬은 매사추세츠주 캠브리지에 소재한 피에조 일렉트릭 프로덕츠, 인크. (Piezo Electric Products, Inc.)에 의해 제조된 모듈 B형(Module Btype)팬이다. 모듈 B형 팬은 2개의 압전 세라믹 만곡 요소에 부착된 2개의 역-진동 마일라 팬 블레이드(counter-oscillating mylar fan blade)를 특징으로 한다. 팬은 60Hz, 115V선각 전압, 또는 50Hz, 220V 선간전압에 의해 구동된다.
일반적으로, 팬 블레이드의 진동 주파수는 입력 전압의 크기 및 팬 블레이드(28)의 길이와 강도에 따라 변한다. 그러므로, 진동 주파수 및 개스 흐름 특성은 팬 블레이드(28)의 길이와 강도를 변경시킴으로써 동조될 수 있다. 소정의 팬 블레이드의 특정한 길이와 강도는, 플로우 덕트내의 개스 압력, 덕트의 기하학적 형태, 레이저의 펄스 반복률, 사용될 수 있는 팬의 수와 같은 요인 및 그외의 다른 응용시에 필요한 요인을 기초로한 경험적인 방법으로 가장 양호하게 결정될 수 있다. 팬 블레이드 물질은 물리적인 성능 저하에 영향을 거의 받지 않아서 블레이드 물질과 접촉하는 레이저 개스 매체를 발생시키도록 선택된다.
압전 바이모르프(26)은 베어링이나 베어링 윤활제를 필요로하지 않는 고상 장치이기 때문에, 밀폐된 레이저(10) 내에 팬을 사용하면, 탄화수소-기재(based) 베어링 윤활제에 의한 레이전트 개스 매체내로의 오염이 발생하지 않게 된다. 베어링 제거는 또한 회전 팬장치의 수명을 크게 초과하는 사용가능 수명을 갖는 간단한 기계 구조를 제공한다. 또한, 이러한 압전 팬의 에너지 소모는 비교할만한 회전 팬의 에너지 소모에 비해 매우 적게 되어, 에너지 소모는 90퍼센트 정도로 많이 감소된다. 또한, 이러한 팬을 사용하는데 관련된 자기 및 음향 잡음이 비교적 낮게 된다. 이러한 압전 팬의 또다른 장점은 이 팬이 필수적으로 팬의 시동으로 인해 팬 전력 소오스내의 서어지(surge)을 발생시키지 않는 순간 시동 장치라는 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 개스 매체를 재순환시키기 위해 1개 이상의 압전 팬과 결합된 밀폐된 개스 레이저는 베어링 윤활제의 증발로 인한 개스 매체 오염을 발생시키지 않고서 사용하기 전에 영구히 저장될 수 있다.
또한, 팬 전력 요구조건의 감소는 레이저 시스템용을 요구 전력을 전체적으로 감소시키고, 팬의 소형화는 레이저 시스템의 전체 팩키지 크기를 감소시키게 된다. 또한, 팬이 자기적 구동장치와는 반대로 정전기적 구동장치이기 때문에, 사용중에 팬에 의해 발생된 EMI 또는 RFI가 아주 적거나 또는 없게된다. 이 간섭 잡음 신호들의 제거는 레이저가 이러한 간섭에 의해 방해받을 수 있는 민감한 전자 구성 부품에 관련해서 동작하거나 인접하여 작동하는 경우에 중요한 고려사항으로 될 수 있다.
본 발명의 상술한 실시예는 단지 예시적인 것으로, 본 명세서에 기술한 실시예에 본 발명의 범위를 제한시키려는 것이 아니다. 그 대신에, 본 발명의 범위는 첨부한 특허청구범위에 의해 정해진 것에만 제한된다.

Claims (9)

  1. 방전 영역을 사이에 정하기 위해 서로 소정거리를 두고 떨어져 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극, 방전 영역내에 전계를 발생시키기 위해 전극에 동작적으로 결합된 전극 방전 에너지 소오스, 레이저 방사선을 발생시키기 위해 전계와 상호 작용하도록 동작할 수 있는 레이전트 개스 매체, 및 방전 영역내에 개스 매체를 보충시키기 위한 장치로 구성되고, 이 보충장치가, 바이모르프내에 진동 동작을 유도하기 위해 전력 소오스에 동작적으로 결합된 바이모르프를 포함하고, 또한 개스 매체가 방전 영역내에 보충되도록 개스 매체가 방전 영역을 통하여 흐르게 하기 위해 바이모르프에 결합되어 이에 의해 이동되는 팬 블레이드 장치를 포함하는 압전구동 팬으로 구성된 것을 특징으로 하는 개스 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 바이모르프가, 한 단부가 소오스에 결합되고, 대향 단부에 가변 팬 블레이드가 결합된 적어도 1개의 바이모르프 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
  3. 제2항에 있어서, 바이모르프 요소가 압전 세라믹 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저.
  4. 제3항에 있어서, 가요성 팬 블레이드가 레이전트 개스 매체의 노출로 인한 물질의 성능저하를 방지하는 특성을 갖고 있는 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저.
  5. 제4항에 있어서, 물질이 마일라로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저.
  6. 제1항에 있어서, 보충장치가 다수의 압전구동 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
  7. 개스 레이저의 방전 영역내의 레이전트 개스 매체를 보충시키는 방법에 있어서, 개스 매체를 내부에 함유하도록 동작할 수 있고, 또한 개스 매채를 방전 영역으로 보내도록 동작할 수 있는 플로우 덕트를 제공하는 수단, 플로우 덕트내에 1개 이상의 압전구동 팬을 제공하는 수단, 및 방전 영역내에 개스 매체를 보충시키기 위해 개스 매체가 방전 영역으로 보내지도록 개스 매체가 덕트를 통하여 흐르게 하기 위해 팬을 활성화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 팬이 가요성 블레이드 장치로 구성되고, 활성화 수단이 선정된 주파수를 갖고 있는 진동 동작으로 블레이드 장치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 1개 이상의 압전 구동 팬을 제공하는 수단이, 선정된 주파수가 바람직한 개스 매체 보충률을 제공하도록 동작할 수 있게 하기 위해 가요성 블레이드 장치의 길이와 강도를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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