JP2013187444A

JP2013187444A - Laser oscillator

Info

Publication number: JP2013187444A
Application number: JP2012052696A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Okada; 康弘岡田; Masafumi Yorozu; 雅史萬
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-19

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser oscillator which cools a discharge electrode and sufficiently secures the reliability in terms of insulation quality.SOLUTION: Ceramic electrodes are disposed so as to face each other across a discharge space. Conductive electrodes are respectively disposed on surfaces of the ceramic electrodes which are opposite to the surfaces facing each other. An insulative ceramic cooling member is thermally coupled to an outer surface of each conductive electrode. A passage for a cooling medium is formed in the cooling member. A housing houses the ceramic electrodes and a laser gas fills the housing.

Description

本発明は、放電電極を冷却するための冷却媒体用流路が設けられたレーザ発振器に関する。 The present invention relates to a laser oscillator provided with a cooling medium flow path for cooling a discharge electrode.

無声放電励起ガスレーザ発振器の放電電極は、金属電極の表面をセラミックス等の誘電体で覆った構造を有する。金属電極の表面を覆うセラミックスを「セラミックス電極」という。レーザ発振器を高出力化すると、放電電極での発熱、及び放電プラズマからの輻射熱により、金属電極及びセラミックス電極の温度が上昇する。金属とセラミックスとの熱膨張係数の差によって、金属電極とセラミックス電極との接着面に応力が発生する。この応力により、セラミックス電極が破損する場合がある。 The discharge electrode of the silent discharge excitation gas laser oscillator has a structure in which the surface of the metal electrode is covered with a dielectric such as ceramics. The ceramic covering the surface of the metal electrode is called “ceramic electrode”. When the output of the laser oscillator is increased, the temperature of the metal electrode and the ceramic electrode rises due to heat generation at the discharge electrode and radiation heat from the discharge plasma. Stress is generated on the bonding surface between the metal electrode and the ceramic electrode due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal and the ceramic. This stress may damage the ceramic electrode.

特許文献１に開示されたレーザ発振器では、金属電極内に冷却水路を形成することにより、金属電極の温度上昇を抑制している。特許文献２に開示されたレーザ発振器では、金属電極に冷却管をグリース等で接着することにより、金属電極の温度上昇を抑制している。 In the laser oscillator disclosed in Patent Document 1, a rise in the temperature of the metal electrode is suppressed by forming a cooling water channel in the metal electrode. In the laser oscillator disclosed in Patent Document 2, the temperature rise of the metal electrode is suppressed by adhering a cooling pipe to the metal electrode with grease or the like.

特開２００２−１８５０６２号公報JP 2002-185062 A 特開２００９−１５２３３６号公報JP 2009-152336 A

金属電極には、無声放電を生じさせるための高電圧が印加される。金属電極内に冷却水路を設ける構造では、金属電極と接地電位との絶縁を確保することが困難である。また、金属電極に冷却管をグリース等で接着する構造でも、冷却管と発振器筐体との十分な絶縁距離を確保しなければならない。このように、金属電極に冷却管を結合させる構造では、絶縁性の点で十分な信頼性を確保することが困難である。
本発明の目的は、放電電極を冷却することが可能で、絶縁性の点でも十分な信頼性を確保することが可能なレーザ発振器を提供することである。 A high voltage for generating silent discharge is applied to the metal electrode. In the structure in which the cooling water channel is provided in the metal electrode, it is difficult to ensure insulation between the metal electrode and the ground potential. Even in a structure where the cooling pipe is bonded to the metal electrode with grease or the like, a sufficient insulation distance between the cooling pipe and the oscillator housing must be secured. Thus, in the structure in which the cooling pipe is coupled to the metal electrode, it is difficult to ensure sufficient reliability in terms of insulation.
An object of the present invention is to provide a laser oscillator capable of cooling a discharge electrode and ensuring sufficient reliability in terms of insulation.

本発明の一観点によると、
放電空間を挟んで対向配置されたセラミックス電極と、
前記セラミックス電極の相互に対向する表面とは反対側の表面に配置された導電性電極と、
前記導電性電極の外側の表面に熱的に結合し、内部に冷却媒体用の流路が形成されている絶縁性のセラミックス製の冷却部材と、
前記セラミックス電極を収容し、内部にレーザガスが充填される筐体と
を有するレーザ発振器が提供される。 According to one aspect of the invention,
Ceramic electrodes arranged opposite to each other across the discharge space;
A conductive electrode disposed on the surface of the ceramic electrode opposite to the surface facing each other;
A cooling member made of an insulating ceramic that is thermally coupled to the outer surface of the conductive electrode and in which a flow path for a cooling medium is formed;
There is provided a laser oscillator having a housing that houses the ceramic electrode and is filled with a laser gas.

冷却部材によって導電性電極を効率的に冷却することができる。また、冷却部材が絶縁性であるため、冷却媒体の供給路と、筐体との間の絶縁処理が不要である。 The conductive electrode can be efficiently cooled by the cooling member. In addition, since the cooling member is insulative, an insulation process between the cooling medium supply path and the housing is not required.

図１は、実施例によるレーザ発振器の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a laser oscillator according to an embodiment. 図２は、図１の一点鎖線２−２における断面図である。2 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 2-2 in FIG. 図３Ａ及び図３Ｂは、実施例によるレーザ発振器の放電電極の断面図である。3A and 3B are sectional views of discharge electrodes of a laser oscillator according to an embodiment. 図４Ａ〜図４Ｃは、導電性電極と電源配線との接続箇所の断面図である。4A to 4C are cross-sectional views of a connection portion between the conductive electrode and the power supply wiring.

図１に、実施例によるレーザ発振器の断面図を示す。レーザ発振器の筐体１０の内部に、ブロワー３０、放電電極２０、及び熱交換器３１が収容されている。筐体１０内には、レーザガス、例えば炭酸ガスレーザとヘリウムガスと窒素ガスとの混合ガスが充填されている。筐体１０内に、ブロワー３０から、放電電極２０の間の放電空間２５、熱交換器３１を経由してブロワーに戻る循環経路が形成されている。 FIG. 1 is a sectional view of a laser oscillator according to an embodiment. A blower 30, a discharge electrode 20, and a heat exchanger 31 are housed inside the housing 10 of the laser oscillator. The housing 10 is filled with a laser gas, for example, a mixed gas of a carbon dioxide laser, helium gas, and nitrogen gas. A circulation path that returns from the blower 30 to the blower via the discharge space 25 between the discharge electrodes 20 and the heat exchanger 31 is formed in the housing 10.

放電電極２０の各々は、セラミックス電極２１及び導電性電極２２を含む。セラミックス電極２１には、例えばアルミナ等のセラミックスが用いられる。導電性電極２２の構造については、後に図３を参照して説明する。セラミックス電極２１は、放電空間２５を挟んで相互に対向する。セラミックス電極２１の、相互に対向する表面（内側の表面）に、一方向（図１において紙面に垂直な方向）に長い凸部２３が形成されている。凸部２３同士が対向し、その間の放電空間２５で無声放電が発生する。 Each of the discharge electrodes 20 includes a ceramic electrode 21 and a conductive electrode 22. For the ceramic electrode 21, for example, ceramic such as alumina is used. The structure of the conductive electrode 22 will be described later with reference to FIG. The ceramic electrodes 21 face each other across the discharge space 25. On the surfaces (inner surfaces) of the ceramic electrode 21 facing each other, convex portions 23 that are long in one direction (a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1) are formed. The convex portions 23 face each other, and silent discharge occurs in the discharge space 25 therebetween.

セラミックス電極２１の外側の表面に、凸部２３に対応した溝２４が形成されている。溝２４内に、導電性電極２２が収納されている。筐体１０に取り付けられた電流導入端子３３と、導電性電極２２とを、電源配線３４が接続する。 A groove 24 corresponding to the convex portion 23 is formed on the outer surface of the ceramic electrode 21. A conductive electrode 22 is accommodated in the groove 24. A power supply wiring 34 connects the current introduction terminal 33 attached to the housing 10 and the conductive electrode 22.

図２に、図１の一点鎖線２−２における断面図を示す。筐体１０内にセラミックス電極２１が支持されている。セラミックス電極２１の、相互に対向する表面に凸部２３が形成されている。凸部２３は、図２の横方向に長い平面形状を有する。セラミックス電極２１の、凸部２３が形成された表面とは反対側の表面に、溝２４が形成されている。溝２４内に導電性電極２２が収納されている。導電性電極２２が、電源配線３４により電流導入端子３３に接続されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 2-2 in FIG. A ceramic electrode 21 is supported in the housing 10. Convex portions 23 are formed on the surfaces of the ceramic electrode 21 facing each other. The convex portion 23 has a planar shape that is long in the lateral direction of FIG. A groove 24 is formed on the surface of the ceramic electrode 21 opposite to the surface on which the convex portion 23 is formed. A conductive electrode 22 is accommodated in the groove 24. The conductive electrode 22 is connected to the current introduction terminal 33 by the power supply wiring 34.

ブロワー３０で生成されたレーザガスの気流が、一対のセラミックス電極２１の凸部２３に挟まれた放電空間２５に流入する。放電空間２５で無声放電が発生する。放電空間２５を、その長手方向の両方向に延長した仮想直線と筐体１０とが交差する位置に、それぞれウィンドウ３５が取り付けられている。一方のウィンドウ３５の外側に全反射鏡４１が配置され、他方のウィンドウ３５の外側に部分反射鏡４３が配置されている。全反射鏡４１と部分反射鏡４３とが光共振器を構成する。光共振器内で増幅されたレーザビームが部分反射鏡４３を通って外部に放射される。 The laser gas stream generated by the blower 30 flows into the discharge space 25 sandwiched between the convex portions 23 of the pair of ceramic electrodes 21. Silent discharge occurs in the discharge space 25. Windows 35 are respectively attached at positions where a virtual straight line extending the discharge space 25 in both longitudinal directions intersects the housing 10. A total reflection mirror 41 is disposed outside one window 35, and a partial reflection mirror 43 is disposed outside the other window 35. The total reflection mirror 41 and the partial reflection mirror 43 constitute an optical resonator. The laser beam amplified in the optical resonator is emitted to the outside through the partial reflection mirror 43.

図３Ａ及び図３Ｂに、１つの放電電極２０の断面図を示す。他方の放電電極２０の構造も、図３Ａ及び図３Ｂに示した構造と同一である。図３Ａは、放電空間２５（図１）の長手方向と直交する断面図であり、図３Ｂは、放電空間２５に平行な断面図である。図３Ｂは、図３Ａの一点鎖線３Ｂ−３Ｂにおける断面図に相当し、図３Ａは、図３Ｂの一点鎖線３Ａ−３Ａにおける断面図に相当する。 3A and 3B are sectional views of one discharge electrode 20. The structure of the other discharge electrode 20 is also the same as the structure shown in FIGS. 3A and 3B. 3A is a cross-sectional view orthogonal to the longitudinal direction of the discharge space 25 (FIG. 1), and FIG. 3B is a cross-sectional view parallel to the discharge space 25. 3B corresponds to a cross-sectional view taken along one-dot chain line 3B-3B in FIG. 3A, and FIG. 3A corresponds to a cross-sectional view taken along one-dot chain line 3A-3A in FIG. 3B.

セラミックス電極２１の、相互に対向する表面（内側の表面）に凸部２３が形成されている。セラミックス電極２１の外側の表面に溝２４が形成されている。図２に示したように、内側の表面を正面から見て、溝２４は凸部２３に内包される。 Convex portions 23 are formed on the surfaces (inner surfaces) of the ceramic electrode 21 facing each other. A groove 24 is formed on the outer surface of the ceramic electrode 21. As shown in FIG. 2, the groove 24 is included in the convex portion 23 when the inner surface is viewed from the front.

四角柱の外形を有する絶縁性の冷却部材２６の１つの側面に導電性電極２２が密着して
いる。冷却部材２６には、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられる。導電性電極２２には、アルミニウム、銅等の金属が用いられる。導電性電極２２の外側の表面に冷却部材２６が熱的に結合する。導電性電極２２が溝２４の底面に密着するように、冷却部材２６が溝２４内に挿入されている。電源配線３４が、溝２４の側面と冷却部材２６の側面との間を経由して、導電性電極２２に接続されている。 The conductive electrode 22 is in close contact with one side surface of the insulating cooling member 26 having a quadrangular prism shape. Ceramics such as alumina and aluminum nitride are used for the cooling member 26. A metal such as aluminum or copper is used for the conductive electrode 22. The cooling member 26 is thermally coupled to the outer surface of the conductive electrode 22. A cooling member 26 is inserted into the groove 24 so that the conductive electrode 22 is in close contact with the bottom surface of the groove 24. The power supply wiring 34 is connected to the conductive electrode 22 via the side surface of the groove 24 and the side surface of the cooling member 26.

冷却部材２６の内部に、その長手方向に沿って流路２７が形成されている。流路２７は、その両端において、冷却部材２６の外側の表面に開口している。 A flow path 27 is formed in the cooling member 26 along the longitudinal direction thereof. The flow path 27 is open to the outer surface of the cooling member 26 at both ends thereof.

冷却部材２６は、例えば流路２７に対応する所定形状にパターニングした複数のグリーンシートを重ねて焼成することにより作製することができる。導電性電極２２は、例えば焼成された冷却部材２６の１つの面に、金属をめっきすることにより作製することができる。なお、接着剤を用いて金属箔を冷却部材２６に貼りつけてもよい。導電性電極２２の厚さは、５０μｍ〜２００μｍの範囲内とすることが好ましい。 The cooling member 26 can be produced, for example, by stacking and firing a plurality of green sheets patterned into a predetermined shape corresponding to the flow path 27. The conductive electrode 22 can be produced by, for example, plating a metal on one surface of the fired cooling member 26. The metal foil may be attached to the cooling member 26 using an adhesive. The thickness of the conductive electrode 22 is preferably in the range of 50 μm to 200 μm.

図４Ａに、電源配線３４と導電性電極２２との接続部分の断面図を示す。導電性電極２２の端部と溝２４の底面との間に、電源配線３４の端部が挟まれている。電源配線３４には、例えばリボン状のケーブルが用いられる。導電性電極２２と溝２４の底面との間に、電源配線３４の厚さに相当する隙間が形成される。この隙間に、導電性の接着剤４０が充填される。 FIG. 4A shows a cross-sectional view of a connection portion between the power supply wiring 34 and the conductive electrode 22. The end portion of the power supply wiring 34 is sandwiched between the end portion of the conductive electrode 22 and the bottom surface of the groove 24. For the power supply wiring 34, for example, a ribbon-shaped cable is used. A gap corresponding to the thickness of the power supply wiring 34 is formed between the conductive electrode 22 and the bottom surface of the groove 24. This gap is filled with a conductive adhesive 40.

図４Ｂに、電源配線３４と導電性電極２２との接続部分の変形例の断面図を示す。導電性電極２２の端部に、他の領域よりも薄い部分２８が形成されている。薄い部分２８と他の部分との厚さの差は、電源配線３４の厚さにほぼ等しい。薄い部分２８と溝２４の底面との間に電源配線３４の端部が挿入されている。電源配線３４の端部及び導電性電極２２は、導電性の接着剤４０により、溝２４の底面に接着される。 FIG. 4B shows a cross-sectional view of a modified example of a connection portion between the power supply wiring 34 and the conductive electrode 22. A portion 28 thinner than other regions is formed at the end of the conductive electrode 22. The difference in thickness between the thin portion 28 and other portions is substantially equal to the thickness of the power supply wiring 34. An end portion of the power supply wiring 34 is inserted between the thin portion 28 and the bottom surface of the groove 24. The end of the power supply wiring 34 and the conductive electrode 22 are bonded to the bottom surface of the groove 24 with a conductive adhesive 40.

図４Ｃに、電源配線３４と導電性電極２２との接続部分の他の変形例の断面図を示す。冷却部材２６の端面と内側の表面とが交差する稜の部分に、中継導電部材２９が埋め込まれている。中継導電部材２９は、導電性電極２２に電気的に接続されている。冷却部材２６を作製するときに、グリーンシートの段階で中継導電部材２９が埋め込まれる。グリーンシートを焼成した後に、導電性電極２２の形成と同時に中継導電部材２９を形成してもよい。電源配線３４が、中継導電部材２９の表面に接続される。電源配線３４は、中継導電部材２９を経由して導電性電極２２に電気的に接続される。 FIG. 4C shows a cross-sectional view of another modification of the connection portion between the power supply wiring 34 and the conductive electrode 22. A relay conductive member 29 is embedded in the ridge where the end surface of the cooling member 26 and the inner surface intersect. The relay conductive member 29 is electrically connected to the conductive electrode 22. When the cooling member 26 is manufactured, the relay conductive member 29 is embedded at the green sheet stage. After firing the green sheet, the relay conductive member 29 may be formed simultaneously with the formation of the conductive electrode 22. A power supply wiring 34 is connected to the surface of the relay conductive member 29. The power supply wiring 34 is electrically connected to the conductive electrode 22 via the relay conductive member 29.

上記実施例では、流路２７に、冷却媒体、例えば冷却水を流すことにより、導電性電極２２を効率的に冷却することができる。導電性電極２２の冷却効率を高めるために、冷却部材２６の材料として、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。例えば、アルミナの熱伝導率は２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋであり、窒化アルミニウムの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋである。これらのセラミックス材料は、ステンレス鋼やアルミニウムと同等の熱伝導率を有する。冷却部材２６にこれらのセラミックス材料を用いると、金属性の導電性電極内に冷却水の流路を形成した構造と同等の冷却性能が得られる。 In the above embodiment, the conductive electrode 22 can be efficiently cooled by flowing a cooling medium such as cooling water through the flow path 27. In order to increase the cooling efficiency of the conductive electrode 22, it is preferable to use a material having high thermal conductivity as the material of the cooling member 26. For example, the thermal conductivity of alumina is 20 to 30 W / m · K, and the thermal conductivity of aluminum nitride is 200 W / m · K. These ceramic materials have a thermal conductivity equivalent to that of stainless steel or aluminum. When these ceramic materials are used for the cooling member 26, the cooling performance equivalent to the structure in which the flow path of the cooling water is formed in the metallic conductive electrode can be obtained.

さらに、アルミナや窒化アルミニウムは高い絶縁性を持つため、冷却媒体の供給路と筐体１０との間の絶縁処理を行う必要がない。さらに、導電性電極２２が、セラミックス電極２１とセラミックス製の冷却部材２６とで挟まれることになるため、セラミックス電極２１と導電性電極２２との２層構造の放電電極に比べて、導電性電極２２の熱膨張に起因したセラミックス電極２１の破損が生じにくい。 Furthermore, since alumina and aluminum nitride have high insulation, it is not necessary to perform insulation treatment between the cooling medium supply path and the housing 10. Furthermore, since the conductive electrode 22 is sandwiched between the ceramic electrode 21 and the ceramic cooling member 26, the conductive electrode is more conductive than the two-layered discharge electrode of the ceramic electrode 21 and the conductive electrode 22. The ceramic electrode 21 is hardly damaged due to the thermal expansion of 22.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

１０筐体
２０放電電極
２１セラミックス電極
２２導電性電極
２３凸部
２４溝
２５放電空間
２６冷却部材
２７流路
２８薄い部分
２９中継導電部材
３０ブロワー
３１熱交換器
３３電流導入端子
３４電源配線
４０導電性の接着剤 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Case 20 Discharge electrode 21 Ceramic electrode 22 Conductive electrode 23 Convex part 24 Groove 25 Discharge space 26 Cooling member 27 Flow path 28 Thin part 29 Relay conductive member 30 Blower 31 Heat exchanger 33 Current introduction terminal 34 Power supply wiring 40 Conductivity Adhesive

Claims

放電空間を挟んで対向配置されたセラミックス電極と、
前記セラミックス電極の相互に対向する表面とは反対側の表面に配置された導電性電極と、
前記導電性電極の外側の表面に熱的に結合し、内部に冷却媒体用の流路が形成されている絶縁性のセラミックス製の冷却部材と、
前記セラミックス電極を収容し、内部にレーザガスが充填される筐体と
を有するレーザ発振器。 Ceramic electrodes arranged opposite to each other across the discharge space;
A conductive electrode disposed on the surface of the ceramic electrode opposite to the surface facing each other;
A cooling member made of an insulating ceramic that is thermally coupled to the outer surface of the conductive electrode and in which a flow path for a cooling medium is formed;
A laser oscillator comprising a housing that houses the ceramic electrode and is filled with a laser gas.

前記導電性電極は、前記冷却部材に密着する金属膜で形成されている請求項１に記載のレーザ発振器。 The laser oscillator according to claim 1, wherein the conductive electrode is formed of a metal film that is in close contact with the cooling member.

前記導電性電極は、前記冷却部材にめっきされた金属膜で形成されている請求項１または２に記載のレーザ発振器。 The laser oscillator according to claim 1, wherein the conductive electrode is formed of a metal film plated on the cooling member.

前記冷却部材は、アルミナまたは窒化アルミニウムで形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ発振器。 The laser oscillator according to claim 1, wherein the cooling member is made of alumina or aluminum nitride.