JPH077854B2 - ピエゾ電気ファンを有するガスレーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［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ェンシャル、ベインアキ
シアル、およびセンチュリフュー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、したがつて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、それによつ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。軸受か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（EMI）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つて克服さ
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
モルフによつ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、それによつて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
うに摩擦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つて汚染され
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つて明らかであろう。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10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
からなつてもよい。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16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1
4,16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）によつ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つてよい。

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つて、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、一方同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）の作用等によつて再
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10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
20の作用によつて流体ダクト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
よつ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、それによつて矢印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26aおよび26bを有するピエゾ電気バイモルフ26
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け手段によつて
バイモルフ26に取付けられる。ブレードはまた適当なカ
ラー手段によつて、或いはエポキシのような接着手段に
よつ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
械的性質によつ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26によ
つ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によつて付勢されたとき
交互に物理的収縮および膨脹を行う。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28bの運動は矢印32a,32bによつて示されて
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つて発生される。
そのような各往復運動によつ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（Cambridg
e MA）によつ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つて特徴付けられる。ファンは60H
z、115ボルト商用電源または50Hz、220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。したがつて、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つ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
体によつ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つと
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つと少なく、
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であり、
ファンのスタートによりファン電源にサージを誘発する
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つて発生されるEMIまたはR
FI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つて擾乱を
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
つて、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
載によつてのみ限定されるべきものである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、前記ファ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. 【請求項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
   ファ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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項６】前記補充する手段は複数の前記ピエゾ電気
   駆動ファンを具備している請求の範囲第１項記載のレー
   ザ。
7. 【請求項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ァンを設
   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. 【請求項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. 【請求項９】１以上のピエゾ電気駆動ファンを設けるス
   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。