JP2004087813A

JP2004087813A - 放電用電極部材およびこれを用いたレーザ発振器

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Publication number: JP2004087813A
Application number: JP2002247077A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okawa; 大川　善裕; Yasushi Ikeda; 池田　泰志
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP4195261B2

Abstract

【課題】高電圧放電やアーク放電発生時においても破壊されない安定な放電用電極部材、および長時間安定してレーザ発振が可能なレーザ発振器を提供することである。
【解決手段】イルメナイト型構造からなる結晶相と、イルメナイト構造以外の金属酸化物の結晶相とを含むセラミックスであって、前記イルメナイト型構造からなる結晶相が前記両結晶相の総量に対して５重量％以上含有されており、さらに前記セラミックスは気孔率が５％以下である放電用電極部材、およびこの放電用電極部材を備えたガスレーザ発振器などのレーザ発振器である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に交流放電ガスレーザ発振器、高周波放電ガスレーザ発振器、直流電源方式のガスレーザ発振器、半導体レーザ発振器などのレーザ発振器に用いられる放電用電極部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は特開平６−２３２４８２号公報に示されているレーザ発振器である。図４において、Ｐｔ等からなる一対の金属電極４１はレーザガスが矢印Ａで示す方向に循環する放電空間６を挟んで対向するように配置されている。電極４１は、レーザガス流と直交した方向（紙面と直交した方向）に長尺な形状の誘電体セラミックス４２に固着された構造となっている。
【０００３】
このように構成された横流型ガスレーザ装置においては、誘電体セラミックス４２、４２間に高周波電源５から高周波電圧が印加されると、放電空間６を流れるレーザガスが励起され、紙面に対して垂直な方向に配置された共振器により紙面に対して垂直方向にレーザ光が発生する。また、図示しないが、電極４１をさらに誘電体セラミックス４２の外殻部にも形成することによって放電空間６での電力密度が均一化され、一様な放電が点弧でき、安定したレーザ出力が得られるとされている。
【０００４】
このようなレーザ発振器においては、レーザ容器４３と誘電体セラミックス４２との間等に、静電容量による電気的結合やグロー放電により電流密度の小さい漏れ電流が流れる。この漏れ電流が発生することによって、誘電体セラミックス４２の誘電損失による自己発熱が生じ、その結果、電極４１と誘電体セラミックス４２との熱膨張差によって電極４１と誘電体セラミックス４２とが剥離したり、電極が劣化するという問題があった。
【０００５】
また、特開２００１−２５１０００に記載のレーザ装置では、図５に示すように、保持容器型の誘電体セラミックス４２’内に電極４１’を設け、絶縁板４４と保持容器型の誘電体セラミックス４２’との間に冷却水４５を流して、前記自己発熱により生じた温度上昇を抑制するようにしている。しかしながら、図５に示した構造では、誘電体セラミックス４２’を絶縁板４４にボルト等で固定しているため、長時間の使用時に冷却水がもれるなどの問題があった。
【０００６】
一方、レーザ発振器に用いられる前記誘電体セラミックスのような電極部材としては、特開平１１−６８１９６号に比誘電率５以上の材料を用いることが開示され、特開２００１−２３７４７５号および特開２００１−２５１０００号に比誘電率２０以上の酸化チタン系セラミックスまたはチタン酸バリウム系セラミックスを用いることが開示されている。
【０００７】
しかしながら、このような従来の電極部材を用いたレーザ発振器においては、電極部材の比誘電率の高さから放電電流が大きくなるものの、アーク放電が発生すると絶縁破壊を起こしやすいため高出力のレーザを得ることができないという問題があった。従来の電極部材として用いられている酸化チタン系セラミックスやチタン酸バリウムといった単独の結晶相からなる電極部材は、電気的な絶縁破壊強度が強いことが知られているが、出力の大きな高周波電源により電圧を印可すると、結晶界面の応力を誘発して亀裂進展による絶縁破壊を招きやすいからである。
【０００８】
また、従来の電極部材は放電時に電極のコーナー部に放電エネルギーが集中することによって、電極部材が破壊するという問題があった。また、レーザガスの解離等によりアーク放電が起こると、従来の誘電体セラミックスからなる電極部材は亀裂が発生したり、破壊したりするという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みて完成されたもので、その目的は従来の電極部材が有する問題点を解決し、高電圧放電やアーク放電発生時においても破壊されない安定な放電用電極部材、および長時間安定してレーザ発振が可能なレーザ発振器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電用電極部材は、イルメナイト型構造からなる結晶相と、イルメナイト構造以外の金属酸化物の結晶相とを含むセラミックスからなり、前記イルメナイト型構造からなる結晶相が前記両結晶相の総量に対して５重量％以上含有されており、さらに前記セラミックスは気孔率が５％以下であることを特徴とし、これにより、高出力でも破壊されず、レーザ発振器に適用した場合には、安定してレーザを発振することができるようになる。
【００１１】
前記イルメナイト型構造からなる結晶相としては、ＭｇＴｉＯ_３、ＭｎＴｉＯ_３、ＦｅＴｉＯ_３、ＣｏＴｉＯ_３、ＮｉＴｉＯ_３およびＺｎＴｉＯ_３から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
イルメナイト型構造以外の前記金属酸化物としては、ペロブスカイト型構造からなる酸化物、例えばＣａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３およびＢａＴｉＯ_３から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００１２】
また、本発明の放電用電極部材はＭｇをＭｇＯ換算で１〜１５重量％含有する。さらに、本発明の放電用電極部材は、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ａｌ、ＷおよびＣｒの少なくとも１種をそれぞれＭｎＯ_２、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３換算で、電極部材総量に対して、合計で５重量％以下含有する。
【００１３】
本発明の放電用電極部材は、厚さが１〜２０ｍｍの基板形であるのが好ましく、さらにこの基板形電極部材のコーナー部は曲率半径１〜５０ｍｍの円弧状または辺長（面取り加工によって形成された面の辺長）が１〜５０ｍｍの面取り形状を有するのが特に好ましい。
【００１４】
また、本発明のレーザ発振器は、電極が取付けられた一対の電極部材が互いに対向して配置されたものであって、前記電極部材が前記した本発明にかかる放電用電極部材であることを特徴とする。本発明のレーザ発振器は、特にガスレーザ発振器であるのがよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について以下に説明する。レーザ発振器の電極部材として使われるセラミックスには、高電圧下で高い耐絶縁破壊性およびガスに対する高気密性を長時間維持できること、高い機械的強度を有すること、また例えばエキシマレーザに使用されるハロゲンガス等に対する高温での耐腐食性が必要である。そのためには、本発明の電極部材のように、電極部材がイルメナイト型構造からなる結晶相を５重量％以上含有し、残部がイルメナイト型構造以外の酸化物からなり、気孔率が５％以下のセラミックスからなることが重要である。
【００１６】
前記イルメナイト構造からなる結晶相には、例えばＭｇＴｉＯ_３、ＭｎＴｉＯ_３、ＦｅＴｉＯ_３、ＣｏＴｉＯ_３、ＮｉＴｉＯ_３、ＺｎＴｉＯ_３が挙げられる。このうち、耐絶縁破壊性を向上させるためには、ＭｇＴｉＯ_３、ＭｎＴｉＯ_３およびＺｎＴｉＯ_３のうち少なくとも１種を使用するのが好ましく、特にＭｇＴｉＯ_３が好ましい。イルメナイト型構造からなる結晶相を５重量％以上含有するのは、耐絶縁破壊性を向上させるためである。好ましくはイルメナイト型構造からなる結晶相を８重量％以上含有する。
【００１７】
また、イルメナイト型構造からなる結晶相は、５０重量％以下、より好ましくは３０重量％以下であるのがよい。これよりもイルメナイト型構造からなる結晶相の含有量が多くなると、イルメナイト型構造以外の酸化物が相対的に少なくなるため、耐絶縁破壊性の向上が著しくなかったり、ハロゲンガス等に対する高温での耐食性の向上が著しくなかったりするなどの問題が生じる。
【００１８】
前記残部の金属酸化物は、イルメナイト型構造からなる結晶相と混合物を形成する結晶相からなることが望ましい。すなわち、前記セラミックスを焼結させる過程において、イルメナイト型構造からなる結晶相と、前記残部を形成する結晶相とが固溶しにくく、その結果、焼結後の前記セラミックスの結晶粒子がイルメナイト型構造からなる結晶粒子と前記残部を形成する結晶粒子とからなることが望ましい。これによって、イルメナイト型構造を有する結晶粒子が残部を構成する結晶粒子に対して、いわゆるピン止め効果として作用し、耐絶縁破壊性を向上させることができると考えられる。
【００１９】
前記残部の金属酸化物としては、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物であるのが望ましく、特にＣａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３およびＢａＴｉＯ_３のうち少なくとも１種が望ましく、ＣａＴｉＯ_３が最も望ましい。
【００２０】
前記ピン止め効果は次のようなメカニズムによって起こると考えられる。一般に絶縁破壊はセラミックスの誘電現象の機構に起因する。すなわち、絶縁性を有するセラミックスに電圧を印加してセラミックス内部に電界を生じさせると、結晶内部で電界の向きに沿った分極が起こり電位差を持つ。これが誘電性を発現する仕組みであり、金属酸化物は通常、電界強度に対する分極の度合いが大きいため、一般に比誘電率の大きな材料となり得る。その一方で、結晶内部の分極は結晶の歪みを伴い、結晶界面に応力を誘発する。結晶界面に発生する応力は、分極の度合いが大きい程（すなわち比誘電率が大きい程）高い。結晶内部の分極によって生じた結晶歪み応力によって結晶粒界に亀裂が生じ、それが徐々に進展し、ついには絶縁破壊する。前記亀裂を抑制するためには、結晶界面で発生する応力に伴って生じる転位をピン止めできる作用を有する結晶を前記結晶界面に存在させることが望ましい。この作用を有する結晶相がイルメナイト型構造からなる結晶相である。
【００２１】
本発明の電極部材は、イルメナイト型構造を有する結晶相を含有することにより、分極により生じた結晶粒界の亀裂はその進展を抑制され、絶縁破壊を起こしにくくなって機械強度が向上する。
【００２２】
本発明において、電極部材の気孔率を５％以下とするのは、高い耐絶縁破壊性、ガスに対する耐腐食性および高気密性を有し、さらにレーザ容器内に不純物ガスを発生させないためである。気孔率を５％以内にすることにより、高出力で長時間にわたって安定したレーザを発振することができると共に、レーザ装置の故障を抑制することができる。前記気孔率は２％以下が望ましく、１％以下が特に望ましく、最も望ましくは０．３％以下である。
【００２３】
また、本発明の電極部材は、ＭｇをＭｇＯ換算で１〜１５重量％含有することが望ましい。ＭｇがＭｇＯ換算で１重量％未満である場合には前記したピン止め効果が小さくなり、耐絶縁破壊性の向上が著しくなく、逆に１５重量％を越えるとＭｇを含む粒子のクラスター化によって亀裂が進展しやすい経路が増加して耐絶縁破壊性の向上が著しくなくなる。Ｍｇの含有量の下限値はＭｇＯ換算で３重量％が望ましく、Ｍｇの含有量の上限値はＭｇＯ換算で１２重量％が望ましい。
【００２４】
前記イルメナイト型構造およびペロブスカイト型構造の各結晶相の存在はＸ線回折法により確認することができる。
【００２５】
イルメナイト型構造の結晶相の存在量は、イルメナイト型構造に含有される元素の量をＩＣＰ発光分光分析法により定量分析する。イルメナイト型構造を構成する元素と、イルメナイト型構造以外の結晶相を構成する元素とに同一の元素が存在する場合は、同一の元素を除く元素をＩＣＰ発光分光分析法により測定する。例えば、本発明の電極部材をＸ線回折法にて分析した結果、ＭｇＴｉＯ_３（イルメナイト型構造）およびＣａＴｉＯ_３（ペロブスカイト型構造）が検出された場合は、Ｍｇ量およびＣａ量をＩＣＰ発光分光分析法で測定し、Ｍｇ量をＭｇＴｉＯ_３量に換算、ＣａをＣａＴｉＯ_３量に換算し、得られたＭｇＴｉＯ_３量とＣａＴｉＯ_３量を合計で１００重量％となるように重量％に換算する。
【００２６】
イルメナイト型構造からなる結晶相の含有量が５重量％以上とは、上記のようなＩＣＰ発光分光分析法にて測定したイルメナイト型構造の存在量を示している。
【００２７】
本発明の電極部材は、放電時における亀裂進展が進行して絶縁破壊に至ることを抑制するために、さらにＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ａｌ、ＷおよびＣｒの少なくとも１種をそれぞれＭｎＯ_２、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３換算で合計５重量％以下含有することが望ましい。本発明の電極部材中にＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ａｌ、ＷおよびＣｒのいずれかを含有する場合、その存在量はＩＣＰ発光分光分析法により測定し、それぞれＭｎＯ_２、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３の重量％に換算する。
【００２８】
本発明の電極部材は、小型でかつ耐絶縁破壊性を向上できるという観点から比誘電率が８０〜１９０であることが望ましい。特に望ましくは比誘電率が１１０〜１６０である。
【００２９】
本発明の電極部材が基板形状を有する場合、前記基板形の電極部材の厚さは１〜２０ｍｍであることが望ましい。基板形電極部材の厚さが１ｍｍ未満であると耐絶縁破壊性の向上が著しくなく、２０ｍｍを越えると放電時の亀裂の進展を抑制する効果が著しくないからである。
【００３０】
前記基板の辺長さまたは径に対する基板厚みの比率は、下限値としては０．００３が望ましく、上限値としては０．１５が望ましい。この比率が０．００３未満であると絶縁破壊性の向上が著しくなく、またガスに対する気密性の向上が著しくなく、逆に比率が０．１５よりも大きいと放電時の亀裂の進展を抑制する効果が充分ではないおそれがある。なお、前記辺長さとは正方形の場合は一辺の長さ、長方形の場合は短辺の長さ、円形の場合は直径、その他の形状の場合は基板の面積を円の面積に換算した時の直径を用いる。
【００３１】
また、前記基板形電極部材は、コーナー部が曲率半径１〜５０ｍｍの円弧状（Ｒ）または辺長１〜５０ｍｍの面取り形状（Ｃ面）を有するのが望ましい。その理由は、放電時に放電エネルギーが集中しやすい前記基板コーナー部を曲率半径１〜５０ｍｍのＲまたは１〜５０ｍｍのＣ面とすることにより、著しく耐絶縁性を向上させることができるからである。望ましくは前記曲率半径および前記Ｃ面の下限値は３ｍｍが望ましく、上限値は２５ｍｍが望ましい。なお、前記曲率半径とはＲの平均曲率半径を意味する。
【００３２】
本発明の電極部材は、例えばガスレーザ発振器用として好適に用いられ、特に炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、ヘリウム・ネオンレーザ、カドミウム・ネオンレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、フッ素レーザ、フッ化水素レーザ、炭酸ガス・窒素・ヘリウムガスレーザに好適であり、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザに好適であり、炭酸ガスレーザに最も好適である。また、前記ガスレーザ発振器の放電電力値が１ｋＷ以上であり、かつ、前記電極部材の放電側の厚みが１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３３】
次に、本発明にかかる電極部材の製造方法、電極部材への金属電極形成方法およびレーザ発振試験方法について説明する。
本発明にかかる電極部材の製造方法は、具体的には例えば以下の工程（１ａ）〜（６ａ）から成る。
【００３４】
（１ａ）出発原料として、高純度の炭酸マグネシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料の平均粒径が２．０μｍ以下、望ましくは０．６〜１．４μｍとなるまで１〜１００時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得る。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼し、仮焼物Ａを得る。
【００３５】
（２ａ）出発原料として、高純度の炭酸カルシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料の平均粒径が２．０μｍ以下、望ましくは０．６〜１．４μｍとなるまで１〜１００時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得る。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼し、仮焼物Ｂを得る。
【００３６】
（３ａ）得られた仮焼物Ａ、ＢおよびＭｎＯ_２、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３のうち少なくとも１種を混合し、純水を加え、平均粒径が２．０μｍ以下、望ましくは０．６〜１．４μｍとなるまで１〜１００時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行う。
【００３７】
（４ａ）更に、３〜１０重量％のバインダーを加えてから脱水し、その後公知の例えばスプレードライ法等により造粒または整粒し、得られた造粒体又は整粒粉体等を公知の成型法、例えば金型プレス法、冷間静水圧プレス法、押し出し成形法等により電極部材を得るための形状に成形する。尚、造粒体又は整粒粉体等の形態は粉体等の固体のみならず、スラリー等の固体、液体混合物でも良い。この場合、液体は水以外の液体、例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、メタノ−ル、エタノ−ル、トルエン、アセトン等でも良い。
【００３８】
（５ａ）得られた成形体を大気中１２５０〜１３５０℃で５〜１０時間保持して焼成する。
【００３９】
（６ａ）得られた焼成体をさらに大気中１１００〜１２００℃に加熱後、平均降温速度１５〜４０℃／時間で降温して熱処理する。
【００４０】
上述の製造方法により、ＭｇＴｉＯ_３（イルメナイト構造）およびＣａＴｉＯ_３（ペロブスカイト型構造）の結晶相を有する電極部材を得ることができる。
【００４１】
上述の製造方法において、得られるセラミックスの気孔率を５％以下にするには、例えば前記成形体の密度を前記焼成体の密度に対して５５％以上、望ましくは６５％以上とすればよい。
【００４２】
本発明の電極部材に電極を形成する場合は、電極部材の表面に例えばＡｇ−Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属を焼き付けたり、スパッタリングする。このようにして金属電極を取付けた電極部材を一対形成し、電極間に電圧を印加してレーザを発振する。
【００４３】
次に、本発明の電極部材がレーザ発振器用として好適な理由を例を挙げて説明する。
図１は本発明のガスレーザ発振器用電極部材を用いたレーザ発振器を示している。図１において、１は送風機、３は円筒形状の電極部材、４は円筒形状の電極部材３近辺に設置した電極である。５は電極４に接続した高周波電源、６は放電空間である。７は全反射鏡、８は部分透過鏡、９は熱交換器、１０は部分透過鏡８から取り出されるレーザビーム、１１はレーザガス配管、１２はレーザガス、１３は真空ポンプ、１４はレーザガスボンベ、１５ａは供給流量調整器、１５ｂは排出流量調整器、１６はレーザ出力検出器、１７は放電電流検出器、１８は放電電流制御部、２０は信号線、２１は圧力検出器、２２はレーザガス供給量制御部である。なお、図１において、電極部材３はレーザガス管１１の機能を兼ね備えている。
【００４４】
以上のように構成されたガスレーザ発振装置の動作を説明する。送風機１によりレーザガス配管１１を通し、レーザガス管１１にレーザガス１２を強制的に循環させる。電極４は電極部材３直近に設置されており、このとき高周波電源５に接続された電極４から、セラミックスからなる電極部材３を介して放電空間６に高電圧が印加され、電極部材３内部にグロー放電を発生させる。
【００４５】
全反射鏡７からはごく微量のレーザビームが取り出されており、それをレーザ出力検出器１６に照射してレーザ出力をモニタし、放電電流制御部１８で設定されているレーザ出力設定値と同じになるように放電電流検出器１７によって印加電圧を制御している。レーザ出力検出器１６は熱電対を用い照射されたレーザビーム出力に応じた電圧を出力する方式などがとられており、熱電対以外にもフォトダイオード、ｃｄｓセルといった光検出素子を使用することも可能である。
【００４６】
レーザガスは矢印１２で示すように、送風機１から圧縮されて排出され高温となるため送風機１下流側に配置された熱交換器９により冷却されている。また放電空間６を通過した後のレーザガスも放電エネルギーが印加され高温になるため同様に冷却されている。
【００４７】
グロー放電により励起されたレーザガスはレーザ発振し、全反射鏡７および部分透過鏡８の間をレーザビームが往復しながら増幅され共振状態となる。この共振状態から全反射鏡７、部分透過鏡８間のレーザビームの一部が部分透過鏡８よりレーザビームとして共振器外部へ取り出され（レーザビームを矢印１０で示す）、このレーザビームが金属切断、溶接などの加工に用いられる。
【００４８】
レーザガスはその一部が排出流量調整器１５ｂを通じ真空ポンプ１３によってレーザ発振装置外部へ取り出され廃棄される。廃棄されたレーザガスと同量の新しいレーザガスをボンベ１４から供給流量調整器１５ａを通してレーザ発振装置内部へ供給することにより内部圧力が一定になるよう維持している。内部圧力は圧力検出器２１によって検出され、信号がレーザガス供給量制御部２２に送られる。レーザガス供給量制御部２２内においてあらかじめ設定されている圧力となるよう信号をドライバ１９に送って供給流量調整器１５ａおよび排出流量調整器１５ｂの両者または一方を制御し、圧力を一定としている。通常は排出流量調整器１５ａのみを制御して圧力を調節している。このとき供給流量調整器１５ａおよび排出流量調整器１５ｂによって制御される真空ポンプ１３からのレーザガス排出量は一定の値に固定されている。
【００４９】
レーザガスは放電空間６を通過する際に放電エネルギーを与えられる。レーザガスの組成は各種のガスからなりたっているが、放電エネルギーによってその組成の一部が解離する。解離したガスはその後、逆過程を経て再度もとの組成にもどる。この解離とその逆過程は時間の経過とともに平衡状態となり、ガス配管経路内には一定量の解離したガスが存在することとなる。解離したガスは本来のレーザガスの組成とは異なるため、グロー放電が不安定となり局所的にアーク放電を発生させる。このアーク放電が発生しても本発明の電極部材を用いることにより、電極部材に微細な亀裂が入ったり、破壊したりせず使用することができる。
【００５０】
しかしながら、前記アーク放電が発生すると放電電流の振動率が増大するといった悪影響が発生する。このような現象を緩和するにはガス配管経路内に存在する解離したガスの量を減少させればよい。解離したガスの量とその逆過程で元に戻ったガスの量が平衡となった状態でレーザガス中に存在する解離したガスの量が決定されている。
【００５１】
そこで前記のように解離したガスを含んでいるレーザガスの一部を真空ポンプ１３によってレーザ発振装置の外部へ取り出して廃棄している。廃棄されたレーザガスと同量の新しいレーザガスをレーザ発振装置内部へ供給することによりガス配管経路内に存在する解離したガスの量を減少させる。このようにしてガスレーザ発振装置を長期間使用した場合、本発明の電極部材を用いることにより、放電による電極４の摩耗、電極部材３内面における不純物の付着などを抑制することができ安定したグロー放電を得ることができる。
【００５２】
また、本発明の電極部材は、小型で高出力のレーザ発振器を得るために、放電空間６に接する面に凹凸を設け、放電面積を大きくすることが望ましい。前記凹凸を設ける場合の面積は、凹凸がない場合の面積の１．５倍以上であることが望ましい。従来の電極部材では、凹凸を設けた場合、アーク放電等により破壊されやすいが、本発明の電極部材を用いた場合には、このような破壊は発生しない。
【００５３】
さらに、小型で高出力のレーザ発振器を得るために、本発明の電極部材を金属電極の上に蒸着法により形成させることができる。この場合、金属電極は、放電面積を大きくするために凹凸を設けることが望ましい。前記蒸着法により作製した電極部材は、上述の本発明の電極部材の製造方法により得られたものと比較して、高電圧グロー放電に対して安定であり、アーク放電が起こっても破壊されにくい高強度な電極部材である。
【００５４】
図２は本発明の電極部材を用いたレーザ発振器を示している。図２に示すように、一対の基板形電極部材３’，３’がレーザ容器２４内に放電空間６を挟んで対向して配置されており、各基板形電極部材３’の裏面には金属電極４’が固着されている。高周波電源５から高周波電圧が印加されると、放電空間６を流れるレーザガスが励起され、紙面に対して垂直な方向に配置された共振器により紙面に対して垂直方向にレーザ光が発生する。図２に示す基板形電極部材３’は前記したように厚さが１〜２０ｍｍであり、コーナー部が曲率半径１〜５０ｍｍの円弧状となっている。
【００５５】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更は何等差し支えない。
【００５６】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明の電極部材をより詳細に説明する。
実施例１
まず、以下の（１ｂ）〜（６ｂ）に示す手順にて本発明の電極部材を作製した。
【００５７】
（１ｂ）出発原料として、高純度の炭酸マグネシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料の平均粒径が２．０μｍ以下となるまで２０時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得た。この混合物を乾燥後、１０００℃で４時間仮焼し、仮焼物Ａを得た。
【００５８】
（２ｂ）出発原料として、高純度の炭酸カルシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料の平均粒径が２．０μｍ以下となるまで２０時間、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得た。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼し、仮焼物Ｂを得た。
【００５９】
（３ｂ）得られた仮焼物ＡとＢの合計１００重量部に対して、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を２重量％混合し、純水を加え、平均粒径が１．０〜１．５μｍとなるまで、ジルコニアボール等を使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行った。なお、仮焼粉ＡとＢの混合比率は、ＭｇＴｉＯ_３およびＣａＴｉＯ_３換算で合計１００重量部とした場合、ＭｇＴｉＯ_３が１８重量％となるようにした。
【００６０】
（４ｂ）更に、３〜１０重量％のバインダーを加えてから脱水し、スプレードライ法により造粒し、得られた造粒体をラバープレス法により図３のような円筒管形状に成形した。
【００６１】
（５ｂ）得られた成形体を大気中１２５０℃〜１３５０℃で５〜１０時間保持して焼成した。
（６ｂ）得られた焼成体をさらに大気中１１５０℃に加熱後、平均降温速度２５℃／時間で降温して熱処理し、焼結セラミック管（電極部材）を得た。
【００６２】
この焼結セラミック管をＸ線回折法により測定したところ、結晶相としてイルメナイト型構造のＭｇＴｉＯ_３とペロブスカイト型構造のＣａＴｉＯ_３が検出された。さらに、Ｍｇ量およびＣａ量をＩＣＰ発光分光分析法で測定し、Ｍｇ量をＭｇＴｉＯ_３量に換算、ＣａをＣａＴｉＯ_３量に換算し、得られたＭｇＴｉＯ_３量とＣａＴｉＯ_３量を合計で１００重量％となるように重量％に換算したところ、ＭｇＴｉＯ_３量が１８重量％であることが確認された。
【００６３】
また、上記焼結セラミック管の気孔率を測定したところ全て０．０１〜３体積％であった。また、上記焼結セラミック管の比誘電率を１ＭＨｚで測定したところ８０〜１８０であった。
【００６４】
上記焼結セラミック管である電極部材を用いて、図３に示す軸流型ガスレーザ発振器を作成した。すなわち、この軸流型ガスレーザ発振器では、電源周波数１００ＫＨｚの交流電源５が印加されて放電する金属電極４の間に、レーザガスを通す放電管である焼結セラミック管として、実施例で得た電極部材３が設けられている。この電極部材３に矢印１２で示すようにレーザガス（炭酸ガス）を供給し、金属電極４により放電励起して発生したレーザビーム１０を１００時間連続して取り出した。
その結果、実施例１の電極部材を用いた場合、１００時間の放電終了後、電極部材３に亀裂、破壊は全く観察されなかった。
【００６５】
実施例２
実施例１の（１ｂ）の炭酸マグネシウムを炭酸マンガン（ＭｎＣＯ_３）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に各々に代え、ＭｎＴｉＯ_３、ＦｅＴｉＯ_３、ＣｏＴｉＯ_３、ＮｉＴｉＯ_３およびＺｎＴｉＯ_３換算で各々２重量％となるようにした他は、実施例１と同様に焼結セラミック管（電極部材）を得た。
これらの焼結セラミック管をＸ線回折法により測定したところ、結晶相として各々にイルメナイト型構造のＭｎＴｉＯ_３、ＦｅＴｉＯ_３、ＣｏＴｉＯ_３、ＮｉＴｉＯ_３およびＺｎＴｉＯ_３が観察された。
実施例１と同様に図３に示す軸流型ガスレーザ発振器を用いて放電を行った結果、実施例２の電極部材を用いた場合、１００時間の放電終了後、電極部材３に亀裂、破壊は全く観察されなかった。
【００６６】
比較例として、アルミナ、チタン酸バリウム、酸化チタン、ジルコニアまたはフォルステライトの焼結セラミック試料を用い、上記実施例と同様に１００時間放電させると、放電終了後に全ての試料にクラックが発生していた。このことから、従来の電極部材ではレーザ発振器用電極部材として好適に使用することが困難であることが明らかとなった。また、比較例として作製した試料をＸ線回折法により測定したところ、イルメナイト構造を有する結晶相は観察されなかった。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の放電用電極部材は、イルメナイト型構造からなる結晶相と、イルメナイト構造以外の金属酸化物の結晶相とを含むセラミックスであって、前記イルメナイト型構造からなる結晶相が前記両結晶相の総量に対して５重量％以上含有されており、さらに前記セラミックスは気孔率が５％以下であることにより、高電圧放電やアーク放電発生時においても破壊されず、安定であるという効果がある。
また、本発明のレーザ発振器は、上記放電用電極部材を用いることにより、長時間にわたって安定した出力を出すことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電用電極部材を用いたレーザ発振装置の構成図である。
【図２】本発明の放電用電極部材を用いた他のレーザ発振器の概略図である。
【図３】本発明の放電用電極部材を用いた軸流ガスレーザ発振器を示す構成図である。
【図４】従来のレーザ発振器を示す概略図である。
【図５】従来の他のレーザ発振器を示す概略図である。
【符号の説明】
３：電極部材
４、４１：電極
５：高周波電源
６：放電空間
２４、４３：レーザ容器

Claims

イルメナイト型構造からなる結晶相と、イルメナイト構造以外の金属酸化物の結晶相とを含むセラミックスからなり、前記イルメナイト型構造からなる結晶相が前記両結晶相の総量に対して５重量％以上含有されており、さらに前記セラミックスは気孔率が５％以下であることを特徴とする放電用電極部材。
前記イルメナイト型構造からなる結晶相がＭｇＴｉＯ_３、ＭｎＴｉＯ_３、ＦｅＴｉＯ_３、ＣｏＴｉＯ_３、ＮｉＴｉＯ_３およびＺｎＴｉＯ_３から選ばれる少なくとも１種である請求項１記載の放電用電極部材。
残部の前記金属酸化物がペロブスカイト型構造からなる金属酸化物である請求項１または２記載の放電用電極部材。
前記ペロブスカイト型構造がＣａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３およびＢａＴｉＯ_３から選ばれる少なくとも１種である請求項３記載の放電用電極部材。
ＭｇをＭｇＯ換算で１〜１５重量％含有する請求項１〜４のいずれかに記載の放電用電極部材。
Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ａｌ、ＷおよびＣｒの少なくとも１種をそれぞれＭｎＯ_２、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３換算で、電極部材総量に対して、合計で５重量％以下含有する請求項１〜５のいずれかに記載の放電用電極部材。
厚さが１〜２０ｍｍの基板形である請求項１〜６のいずれかに記載の放電用電極部材。
前記基板形電極部材のコーナー部が曲率半径１〜５０ｍｍの円弧状または辺長１〜５０ｍｍの面取り形状を有することを特徴とする請求項７記載の放電用電極部材。
電極が取付けられた一対の電極部材が互いに対向して配置されたレーザ発振器において、前記電極部材が請求項１〜８のいずれかに記載の放電用電極部材であることを特徴とするレーザ発振器。
ガスレーザ発振器である請求項９記載のレーザ発振器。