JP2006060256A

JP2006060256A - セラミックス製電極部材

Info

Publication number: JP2006060256A
Application number: JP2005322061A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Izawa; 匡志井沢; Toru Matsuoka; 亨松岡; Hidetoshi Oguro; 秀敏大黒
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】強度が向上し長寿命なものとなり、高周波放電励起レーザ等のトリガ電極として使用した場合良好な放電特性が得られる。
【解決手段】セラミックスから成る略柱状の基体１に、基体１の長軸方向Ｓと平行に長穴７を形成するとともに長穴７の先端部をセラミックスで閉じ、かつ長穴７内に金属ロウ材を充填し、長穴の内面７に形成したメタライズ層６を介して、金属ロウ材から成る柱状の電極５を被着させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガスレーザ，高周波放電励起レーザのトリガ電極等として用いられるセラミックス製電極部材に関する。

従来の高周波放電励起レーザのトリガ電極の基本構成を図２に示す。同図において、１１は石英ガラス等の絶縁材料から成り、レーザ管内に設置される円柱状のトリガ電極の基体であり、Ｃｕ電極１２を保護しその劣化を防止する。１２は、レーザ管内に封入された炭酸ガス（ＣＯ_２），Ｈｅ−Ｎｅ，一酸化炭素（ＣＯ），エキシマ，Ａｒ等のガスレーザ媒質に対し、放電による誘導エネルギーを印加しレーザ発振を生起させるための電極であるＣｕ電極である。また、１３は基体１１の長軸方向に平行に形成された長穴の内面に塗布され、Ｃｕ電極１２を接着するための樹脂接着剤である。

そして、上記トリガ電極は高周波放電励起レーザ等に用いられるものであり、この高周波放電励起レーザは、レーザ管に印加した高周波電圧でレーザ管内に放電を発生させ、その放電によりレーザ管内のＣＯ_２分子を励起する。励起されたＣＯ_２分子はその一部の軌道電子が高準位の軌道に遷移した状態（励起状態）になり、次いで高準位から元の低準位の軌道に遷移する際に、前記高準位と低準位のエネルギー差に相当する波長の光を放出する。この放出された光を、レーザ管の両側に平行に設けられた２枚の反射鏡で反射させて共振させ、一部の光をレーザ光として取り出す（特許２７３９９３６号公報参照）。

このような高周波放電励起レーザでは、高周波電圧でレーザ管内に放電を発生させるだけではレーザ発振はできず、トリガ電極の放電エネルギーにより一時に多数のＣＯ_２分子を励起状態とし高出力の光を放出させる、所謂誘導放出を行う必要がある。この場合、トリガ電極の放電エネルギーは、光の波長に相当するエネルギー以上である。
特許第２７３９９３６号公報

しかしながら、上記従来のトリガ電極はレーザ発振を繰り返す度に高電圧（２ｋＶ程度）をＣｕ電極１２に入力するが、基体１１が石英ガラスから成るため絶縁耐力及び強度が不十分であり、レーザ発振を何度も行うと破壊され易いという問題があった。

そこで、本発明者等は基体１１を絶縁耐力及び強度に優れたセラミックス材料とし、図２の構成と同様にして、Ｃｕ電極１２をＡｇ−Ｃｕロウ材でロウ付けすることを着想し実験したところ、Ａｇ−Ｃｕロウ材と基体１１との接合部、特に底部に多数のボイドが発生することが判明した。前記ボイドの発生により、Ｃｕ電極１２の接合強度が低下するためＣｕ電極１２が剥離しトリガ電極の寿命が短縮され、また多数のボイドによる空隙のために放電エネルギー密度が低下し所望の放電特性が得難いという問題点が生じていた。

従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は絶縁耐力及び強度に優れたセラミックス材料から基体を構成し、ボイドが発生し難く基体内面及び電極との接合特性が良好なメタライズ層、及びメタライズ層との接合性に優れた電極とすることで、良好な放電特性が得られると共に長寿命化させることにある。

本発明のセラミックス製電極部材は、セラミックスから成る略柱状の基体に、該基体の長軸方向と平行に長穴を形成するとともに該長穴の先端部を前記セラミックスで閉じ、かつ前記長穴内に金属ロウ材を充填し、前記長穴の内面に形成したメタライズ層を介して、前記金属ロウ材から成る柱状の電極を被着させたことを特徴とする。

また本発明において、好ましくは、前記基体の熱膨張係数をαｃ、メタライズ層の熱膨張係数をαｍ、電極の熱膨張係数をαｒとすると、αｃ≦αｍ，αｃ≦αｒを満足することを特徴とする。

本発明は、上記構成により、基体部分が絶縁耐力及び強度に優れたセラミックス材料から成ると共に、ボイドが発生し難い接合層用のメタライズ層及び電極を用いることで、強度が向上し長寿命化され、またトリガ電極として使用した場合良好な放電特性が得られるという作用効果を有する。

本発明のセラミックス製電極部材について以下に説明する。図１（ａ）は本発明のセラミックス製電極部材の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に於ける断面図である。同図において、１は円柱形状等の略柱状であるセラミックス製電極部材の基体、２はＣｕ等の金属から成る高電圧入力用の入力端子、３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ（コバール）等から成る入力端子２の側壁部、４はメタライズ層６の露出端部を被覆するシリコーン樹脂、５はメタライズ層６を介して金属ロウ材を長穴７の内面に被着させて成り、その断面の幅Ｌが奥行き（深さ）Ｈよりも短い柱状の電極、６は基体１内面に形成されたメタライズ層、７は基体１の長軸方向Ｓと平行に形成された長穴である。

本発明の基体１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックス（以下、セラミックスの呼称を省く），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料から成るのが好ましく、これらは絶縁耐力及び強度に優れる。

また、基体１は長軸方向Ｓに延びる長穴７を形成した略柱状又は略棒状の形状が良く、円柱形状，三角柱形状，四角柱以上の多角柱形状，その他断面の大きさが異なる円錐状，多角錐状であっても良い。そして、基体１には、放熱性を向上させるためのフィン，他の器具と接合するためのフランジ，絶縁碍子様の凹凸等を設けても構わない。また、基体１の形状を上述した如く略柱状又は略棒状とすることにより、トリガ電極として用いた場合にレーザ媒質であるガス中に延びるように設置でき、ガスレーザ媒質中で放電を効率良く発生させることができる。本発明の長穴７の形状は断面の幅Ｌが奥行きＨよりも短い、即ち深さＨが長軸方向Ｓに垂直な断面での幅Ｌよりも長い柱状であり、断面が円形，三角形，四角形以上の多角形等である。また、長穴７の長軸方向Ｓに平行な中心軸は、基体１の長軸方向Ｓの中心軸に合致する必要はなく、ずれていても良い。

本発明において、好ましくは、メタライズ層６がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ，Ｃｕ−Ｔｉ，Ｍｏ−Ｍｎ又はＷ−Ｍｎから成り、電極５がＡｇ−Ｃｕ，Ａｕ−Ｎｉ，Ａｕ−Ｃｕ，Ｃｕ，Ａｇ又はＡｌから成る。このうち、メタライズ層６とそれに対し濡れ性が良好で焼成により形成可能な金属ロウ材（合金ロウ材を含む）から成る電極５との好ましい組み合わせは、メタライズ層６がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉの場合、電極５はＡｇ−Ｃｕであり、メタライズ層６がＣｕ−Ｔｉの場合、電極５はＡｇ−Ｃｕ又はＡｕ−Ｎｉであり、メタライズ層６がＭｏ−Ｍｎ又はＷ−Ｍｎの場合、電極５はＡｇ−Ｃｕ，Ａｕ−Ｎｉ，Ａｕ−Ｃｕ，Ｃｕ，Ａｇ又はＡｌである。尚、メタライズ層６がＭｏ−Ｍｎ又はＷ−Ｍｎの場合、金属ロウ材との濡れ性を良好にするためにメタライズ層６表面にＮｉ等のメッキ層を施すことが好ましい。

更に、メタライズ層６の組成比は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉの場合６８Ａｇ−２７Ｃｕ−５Ｔｉ｛Ａｇ＝６８ａｔ（原子）％，Ｃｕ＝２７ａｔ％，Ｔｉ＝５ａｔ％｝とするのが良く、この場合接合強度と気密性が良好となる。Ｃｕ−Ｔｉの場合９０Ｃｕ−１０Ｔｉとするのが良く、同様に接合強度と気密性が良好となる。Ｍｏ−Ｍｎの場合９０Ｍｏ−５Ｍｎ−５ＳｉＯ₂とするのが良く、接合強度と気密性が良好となる。Ｗ−Ｍｎの場合９０Ｗ−５Ｍｎ−５ＳｉＯ₂とするのが良く、接合強度と気密性が良好となる。これらの組成比は、上記各元素の組成比の値を中心に±２％程度ずれていても同様の効果を奏することが可能である。

電極５の組成比は、Ａｇ−Ｃｕの場合ＢＡｇ−８（ＪＩＳＺ３２６１；Ａｇ＝７１〜７３ａｔ％，Ｃｕ＝２７〜２９ａｔ％）とするのが良く、この場合Ａｇ−Ｃｕの共晶点付近の組成比であり、固相線温度と液相線温度とがほぼ等しく溶融させた際にＡｇとＣｕの溶け分かれが殆どなく、ロウ付け温度も８００℃前後と比較的低くできるうえ、濡れ性も良好である。Ａｕ−Ｎｉの場合ＢＡｕ−４（ＪＩＳＺ３２６６；Ａｕ＝８１．５〜８２．５ａｔ％，Ｎｉ＝１７．５〜１８．５ａｔ％）とするのが良く、耐熱性と耐食性が良好である。Ａｕ−Ｃｕの場合ＢＡｕ−１（ＪＩＳＺ３２６６；Ａｕ＝３７〜３８ａｔ％，Ｃｕ＝６２〜６３ａｔ％）とするのが良く、耐熱性と導電性が良好である。これらの組成比は、上記各元素の組成比の値を中心に±５％程度ずれていても同様の効果を奏することが可能である。

本発明において、基体１を成すセラミックスの熱膨張係数をαｃ、メタライズ層６の熱膨張係数をαｍ、電極５用の金属ロウ材の熱膨張係数をαｒとすると、αｃ≦αｍ，αｃ≦αｒとするのが良い。これは、セラミックスは引っ張り応力がかかった状態よりも圧縮応力がかかった状態の方が強度的にはるかに強いからであり、αｃ≦αｍ，αｃ≦αｒとすることで冷却後に圧縮応力がかかった状態となる。また、αｃ≦αｍ≦αｃ＋２０×１０^-6（／℃），αｃ≦αｒ≦αｃ＋２０×１０^-6（／℃）とするのが良く、αｍ，αｒが前記範囲を超えてαｃよりも大きくなると冷却後にメタライズ層６にクラックが入り易くなったり、残留歪みが大きくなりレーザ発振の繰り返し等の動作時に熱によりメタライズ層６の剥離および基体１の損傷等の問題が生じ易くなる。より好ましくは、αｃ≦αｍ≦αｃ＋１５×１０^-6（／℃），αｃ≦αｒ≦αｃ＋１５×１０^-6（／℃）である。

さらに好ましくは、αｃ≦αｍ，αｃ≦αｒ，αｍ≒αｒであり、特にαｃ≦αｍ，αｃ≦αｒ，αｃ≒αｍ≒αｒであることが良い。即ち、各熱膨張係数αｃ，αｍ，αｒが近似している（１０％程度以内の差である）のが良い。

具体的には、基体１，メタライズ層６，電極５用の各材料の熱膨張係数は、アルミナ（７．０×１０^-6／℃），窒化アルミニウム（４．５×１０^-6／℃），窒化珪素（２．６×１０^-6／℃），Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ（１９．０×１０^-6／℃），Ｃｕ−Ｔｉ（１８．０×１０^-6／℃），Ｍｏ−Ｍｎ（５．７×１０^-6／℃），Ｗ−Ｍｎ（５．０×１０^-6／℃），Ａｇ−Ｃｕ（１９．０×１０^-6／℃），Ａｕ−Ｎｉ（１４．０×１０^-6／℃），Ａｕ−Ｃｕ（１７．０×１０^-6／℃），Ｃｕ（１８．０×１０^-6／℃），Ａｇ（２０．０×１０^-6／℃），Ａｌ（２３．０×１０^-6／℃）である。

本発明のセラミックス製電極部材は、以下の工程〔１〕〜〔６〕のようにして製造することができる。

〔１〕アルミナ粉末等のセラミックス材料粉末に、水とポリビニルアルコール，アクリル樹脂等のバインダーを加え、ボールミル中で混合して均一分散させた懸濁液を作製し、この懸濁液をスプレー乾燥してプレス用の原料粉末を得る。そして、この原料粉末をプレス金型に充填して約１（ｔｏｎ／ｃｍ²）の圧力で加圧し、基体１用の成形体を作成し、セラミックスの焼結温度（アルミナの場合約１５５０℃）で３０分〜３時間程度焼結して基体１を作製する。

〔２〕メタライズ層６用の材料の金属単体，混合物，合金等の粉末を、テルピネオール（Ｃ₁₀Ｈ₁₈Ｏ）等の溶剤と、ニトロセルローズ，エチルセルローズ等の有機バインダと混合してペースト状にし、これを長穴７の内面に５〜３０μｍ程度の塗布厚となるように流し込む。

〔３〕メタライズ層６用の塗布膜を常温〜７５℃程度の空気中で乾燥させ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉの場合８００〜８４０℃程度、Ｃｕ−Ｔｉの場合１０００〜１１００℃程度、Ａｕ−Ｎｉの場合９６０℃程度、Ａｕ−Ｃｕの場合１０５０℃程度、Ｍｏ−ＭｎおよびＷ−Ｍｎの場合１４００〜１６００℃程度とし、３０〜４０分程度焼成する。

〔４〕メタライズ層６表面に、金属ロウ材との濡れ性を良好にする為にＮｉメッキを施す。

〔５〕次いで、長穴７内に電極５用の線状の金属ロウ材原料を収納し、炉にいれて７００〜９００℃で、できるだけ短時間で被着させる。このとき、メタライズ層６材料がＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ，Ｃｕ−Ｔｉの場合、炉内の雰囲気はＡｒ等の不活性ガス又は真空雰囲気であり、Ｍｏ−Ｍｎ，Ｗ−Ｍｎの場合、還元雰囲気（Ｈ₂，Ｈ₂及びＮ₂等）とするのが良く、メタライズ層６の酸化を防止し、その結果焼成時のロウ付け性（濡れ性）が良好になる。また、電極５は長穴７の内面に被着されていれば良く、長穴７内に充填されていなくても良いが、電気抵抗を小さくでき製造が容易なことから長穴７内に充填することが好ましい。

〔６〕入力端子２を基体１の入力側端部にセットし、メタライズ層６と金属ロウ材で接着し、その後メタライズ層６の露出端部をシリコーン樹脂４で被覆する。

かくして、本発明は、基体が絶縁耐力及び強度に優れたセラミックス材料から成ると共に、ボイドが発生し難い接合層用のメタライズ層及び電極を用いることで、強度が向上し長寿命化され、またトリガ電極として使用した場合には良好な放電特性が得られる。

尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更は何等差し支えない。

本発明の実施例を以下に説明する。図１のセラミックス製電極部材を、以下の工程〔１〕〜〔６〕により作製した。

〔１〕アルミナ粉末に、水とポリビニルアルコール，アクリル樹脂等のバインダーを加え、ボールミル中で混合して均一分散させた懸濁液を作製し、この懸濁液をスプレー乾燥してプレス用の原料粉末を得る。そして、この原料粉末をプレス金型に充填して約１（ｔｏｎ／ｃｍ²）の圧力で加圧し、基体１用の成形体を作成し、アルミナの焼結温度（約１５５０℃）で２時間程度焼結して基体１を作製した。

〔２〕メタライズ層６用の材料として、Ａｇを６８重量％，Ｃｕを２７重量％，Ｔｉを５重量％含むＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金粉末を、テルピネオールの溶剤と、エチルセルローズの有機バインダと混合してペースト状にし、これを長穴７の内面に所定量流し込んだ。

〔３〕メタライズ層６用の塗布膜を常温〜７５℃程度の空気中で乾燥させ、８００〜８４０℃程度で、３０分程度焼成した。

〔４〕メタライズ層６表面に、金属ロウ材との濡れ性を良好にする為にＮｉメッキを施した。

〔５〕次いで、長穴７内にＡｇを７２重量％，Ｃｕを２８重量％含む電極５用の線状の原料（Ａｇ−Ｃｕロウ材）を収納し、炉にいれて８２０℃，３０分程度加熱した。このとき、炉内は真空雰囲気とした。

〔６〕入力端子２を基体１の入力側端部にセットし、メタライズ層６とＡｕ−Ｃｕロウ材（ＢＡｕ−１）で接着し、その後メタライズ層６の露出端部をシリコーン樹脂４で被覆して、セラミックス製電極部材を作製した。

このようにして得られた本発明のセラミックス製電極部材は、寿命が図２の従来のものと比較して１．５倍程度と向上した。また、アルミナから成る基体１の長穴７内部にＣｕ電極をＡｇ−Ｃｕロウ材でロウ付けしたものに比較して放電特性も改善された。

本発明のセラミックス製電極部材を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における側断面図である。従来の高周波放電励起レーザ用のトリガ電極の基本構成の斜視図である。

符号の説明

１：基体
５：電極
６：メタライズ層
７：長穴

Claims

セラミックスから成る略柱状の基体に、該基体の長軸方向と平行に長穴を形成するとともに該長穴の先端部を前記セラミックスで閉じ、かつ前記長穴内に金属ロウ材を充填し、前記長穴の内面に形成したメタライズ層を介して、前記金属ロウ材から成る柱状の電極を被着させたことを特徴とするセラミックス製電極部材。
前記基体の熱膨張係数をαｃ、メタライズ層の熱膨張係数をαｍ、電極の熱膨張係数をαｒとすると、αｃ≦αｍ，αｃ≦αｒを満足することを特徴とする請求項１記載のセラミックス製電極部材。