JPH021998A

JPH021998A - ガスレーザー装置

Info

Publication number: JPH021998A
Application number: JP63143944A
Authority: JP
Inventors: Kiyohisa Terai; 清寿寺井; Koichi Nishida; 西田　公一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-06-10
Filing date: 1988-06-10
Publication date: 1990-01-08
Also published as: EP0345603A1; KR920010602B1; DE68911595D1; EP0345603B1; US4956847A; KR900001074A; DE68911595T2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、放電電極をレーサー媒質ガス中に位置するよ
うに設けるタイプのガスレーザー装置に係り、特にその
放電電極の材質を改良したものに関する。

（従来の技術）この種のガスレーザー装置としては、例えば加工用ＣＯ
２ガスレーザー装置がある。その基本的構成は、レーザ
ー媒質ガスが充満する放電部に例えばすたれ状のアノー
ドと、これに向かうように折れ曲かるし字ビン状の多数
のカソードとを対向して設け、これらの放電電極間にバ
ラスト抵抗を介して高圧直流電源を接続することにより
画成電電極間でグロー族−はを起こさせてレーザー媒質
ガスを励起するものである。この場合、レーサー媒質ガ
スは、温度上昇を抑えるため熱交換器を通して循環され
、放電部内ではカソード側か上流となりアノード側に向
かうように流される。そして、画成電電極の１質として
は、高融点であることに石Ｈして一般にはモリブデンが
採用されていた。

（発明が解決しようとする課題）ところで、特に、研究用１ではなく加工用として生産ラ
インに導入されるレーザー装置では、そのメンテナンス
周期は生産性に大きな影響を与えるから、それが極力長
いことか望ましい。しかるに、従来のＣＯ，ガスレーザ
ー装置では、放電電極のメンテナンスを怠るとｂｋ電電
題が劣化し、放電部における放電がグロー放電からアー
クｈ（電に移行するという現−ｇが発生することから、
比較的短期間で放電電極のメンテナンスを繰り返さねば
ならないというのが実情であった。因みに、従来の例え
ばいわゆる横流形の５ＫＷ機では最大約２００時間程度
かメンテナンス周期の限界と４なっていた。

そこで、本発明賃らは放電電極の劣化メカニズムをシ！
ｊべるため多くの実験・分析を繰り返し、次のような“
ｊｆ実を究明した。ます、モリブデン製のカソードは、
グロー放電時の１１−イオンの衝突により物理的なスパ
ッタリング作用を受ける。また、モリブデンは昇華ｌＨ
度か約７００　℃以上と低いため、化学的なスパッタリ
ング作用も受は易く、双ノｊのスパッタリングにより次
第に消耗する。この場合、長時間使用した後のモリブデ
ン製カソードを検査すると、表面に結晶粒界に沿った網
［１状突起が観察され、スパッタリングが不均一に行わ
れていることが明らかにされた。更に、表面には薄い酸
化膜が形成されていた。この酸化膜の存在は、レーザー
媒質ガス（Ｈｅ　／　Ｎ２　／　Ｃ０２−５０：　４５
：５）中に酸素か極微量含まれるために生成したと考え
られる。

−Ｊｊ、長時間使用した後のモリブデン製アットには、
カソードに而する片側に約１〜２μｍ程度の堆積物と、
所々に外径約１００μＩ１１程度の黒い突起物か観察さ
れた。この堆積物は、非晶質のＭ　ｏ　Ｏ３であり、か
つカソード側に偏っていることから、上述のようなカソ
ードにおけるスパッタリングによって飛散した物質が、
放電部におけるレーザー媒質ガスの流れに乗してアノー
ド側に移行し、ここに堆積したものと行えられる。また
、堆積物上の突起物の分）１１結果は炭素であったこと
から、これかマイクロアークの発生点であることか推測
された。

さて、これらの分）Ｉｉ結宋に基つき推測される放電電
極の劣化からアーク発生に至るメカニズムは次の通りで
ある。放電部におけるグロー放電によりモリブデン製の
カソードがスパッタリング作用を受け、アノード上に不
均一に堆積する。この堆積物はモリブデンの酸化物であ
るため絶縁性があり、このためアノード表面の所々で電
界集中が生ずる。−ｈ゛、カソード上にも不均一なスパ
ッタリングにより網目状突起が発生するため、これも電
界集中の原因となる。このような電界集中の結果、マイ
クロアークが発生し、このマイクロアークの発生点が多
くなると、電界かその点に一層集中する傾向を呈し、放
電人力の不均一性が苫しくなる。

そして、放電人力が局部的にアーク限界以上となり、つ
いには放電部全体がアークｈ′ｉ電に移行してしまうの
である。

以上述べたように、従来のガスレーザー装置では、カソ
ードのスパッタリングによりアノード上に酸化物か堆積
し、このような放電電極の劣化によりアーク限界か低く
なって短期間でのメンテナンスを強いられるという問題
があったのである。

従って、本発明のｒｌ的は、放電電極の劣化を極力防１
１−できてメンテナンス周期を長くすることができるガ
スレーザー装置を提供するにある。

［発明の構成］（課題を解決するためのＬ段）本発明のガスレーザー装置は、放電電極間における／＋
に電によりレーザー媒質ガスを励起するようにしたもの
において、少なくとも一方の放電電極のうち少なくとも
放電点灯領域表面を酸化チタンとしたことを特徴とする
ものである。

（作用）酸化チタンは極めて安定な物質であるから、スペッタリ
ング率が小さく物理的スパッタリングを受けにくい。ま
た、高温でも蒸気圧が低いから、化学的スパッタリング
も受けにくい。因みに、蒸気圧がＩＯＴｏｒｒとなる〆
温度は、Ｍ　ｏ　Ｏ＋では約４９０℃で、Ｔｉ　０２で
は約１５３０℃である。このため、他ノｊの電極にスパ
ッタリングに起因する絶縁性堆積物を生じさせにくく、
これによる電界集中を抑制できる。一方、酸化チタン自
体の表面状態も安定であるから、これにても電界集中か
牛しにくい。そして、このようにして放電電極の劣化を
防市できるから、長期間にわたり安定な放電を維持させ
ることかできるようになる。

（実施例）以下、本発明を加１ユ川のＣＯ２ガスレーサー装置に適
用した一実施例について第１図ないし第４図を参照して
説明する。

全体的構成は第３図に示しである。１はｈ’を主部で、
その内部をレーザー媒質ガスが図中ノ、：、から右に向
かって流れるようになっており、そのガスは図示しない
熱交換器で冷却されて再び放電部１に戻るように循環す
る。この実施例ではレーザー媒質ガスは、Ｈｅ　／　Ｎ
２　／　Ｃ０２−ｓｏ：　４５：　５の成分比であって
、その他、不可避的に混入した極微量の酸素等が存在し
ているものと煮えられる。

２は放電電極の一方を（ｈ成するアノードで、これは例
えば上ド方向に延びる直線状の細棒電極からなり、すだ
れ状をなすように多数本が近接して並べられている。こ
のアノードは、ここではステンレス製である。

一方、３はｂｋ電電極の他方を構成するカソードで、こ
れはＬ字形に屈曲させた細棒電極からなり、先端をアノ
ード２に向けた状態で多数本が近接して並べられている
。このカソード３と上記アノード２との間にはバラスト
抵抗４を介して直流電源５が接続され、これにてカソー
ド３及びアノード２間にグロー放電（放電領域を第３図
中に交差斜線を付して示す）が生ずるようになっている
。このようなグロー放電の結果、レーザー媒質ガス中の
Ｃ０２か励起され、図示しない周知の共振器間でレーサ
ー発振か行われる。この場合の、光軸は第′３図中に符
号「６」で示しである。

そして、上記カソード′３は、母材はチタン製であるか
、その先端の放電点灯鎖酸表面はレーザー媒質ガス中に
含まれる微量の酸素により酸化され、第１図に模式的に
示すように、酸化チタン薄膜７がｊ］工成されている。

さて、上記構成によれば、放電によってカソード３がス
パッタリング作用を受けても、カソード３のｈ（電点灯
領域表面はスパッタリング率がとしく低い酸化チタン薄
膜７により覆われているから、スパッタリング量自体が
極めて少ない。また、酸化チタンは安定な物質で高温ド
でも蒸気圧か極めて低く、化学的スパッタリングも生じ
にくい。このため、アノード２上への堆積物の量は従来
のモリブデン製カソードを使用する場合に比べて激減し
、その分、アノード２表面における電界集中ひいてはマ
イクロアークの発生を回避できる。また、酸化チタン薄
膜７は安定であるから、従来のモリブデン製カソードの
場合のように不均一スパッタリングに起因するカソード
３表面の電界集中が生じ難く、この面からもマイクロア
ークの発生を抑制することができる。これらの結果、本
実施例によれば、アノード２やカソード３の劣化を防市
して安定的な放電を長時間にわたり維持することができ
、メンテナンス周期を長くできて生産ラインの生産性を
大幅に高めることかできる。因みに、（黄流形の５ＫＷ
機における実用放電人力と放電時間との関係を実験によ
り求めると、第４図に示す通りとなり、従来のモリブデ
ン製カソードでは徐々に実用放電人力が低下し、約１０
０時間が寿命とかえられるところ、本実施例のチタン製
カソードによれば、２００時間を経過しても実用Ｊｌｋ
ｌ入電は極めて大きく維持できた。また、チタン製カソ
ードの２００時間後における直径減少は約９μｍであっ
たから、これからｐ出されるチタン製カソードの寿命は
、実に約１万時間である。また、ステンレス＞２アノー
ド２に堆積する堆積物の除去周期は、従来は最大約２０
０時間程度であったか、スパッタリング量の少ないチタ
ン製カソード３を使用した本実施例では、７．５倍の約
１５００時間に延ばすことができた。尚、チタン製カソ
ード３では、第４図から理解されるように放電開始初期
には実用放電人力が低く、放電を重ねるにつれてそれが
上ｙＩ′する傾向を呈する。これは製品用１°：ｊ時の
いわゆるベーキングを長めに実行することにより、１．
１向背品の実用放電人力を十分に薗く１役定できること
を意味する。

尚、上記実施例では直流放電をＩＩＩ　ＩＩＩ　した２
輔直交形ＣＯ２ガスレーザー装置に適用した例を示した
が、本を明はこれに限定される・ものではなく、／ｊｋ
電電極電極−ザー媒質ガス中に位置する（１“ＩＳ造の
ものに広く適用でき、交流放電タイプのものでも、或い
はいわゆる軸流形や３軸直交形の！ｇ造のものでも良く
、またレーザー媒質ガスの種類も間わない。また、放電
電極の形状をｌｊ目）す、例えば第５図に示したような
Σ形のカソード３にも適用することができる。

第６図は、本発明をパルスレーザ−装、置に適用した第
２実施例を示す。ここでは、放電部８の上ドにチタンを
母材としたカソード９とアノード１０とをり・１向する
ように配置し、これらにパルス電源１１を接続している
。このカソード９及びアノード１０の双方の放電電極の
放７ｕ点灯領域表曲には、やはりｌ’−Ｊ祠チタンの酸
化により酸化チタン膜か形成されている。尚、この構造
の場合、レーサー媒質ガスの流ｈ゛向は左右いずれのノ
ｊ向を向いていても良い。このように（１η成しても、
前記第１実１直例と同様な効果を青ることかできる。

〔発明の効！！］本発明は以上述べたように、少なくとも−ｈ゛の放電電
極のｂｋ電電点領領域表面酸化チタンとしたから、スパ
ッタリングを受けにくく、また表面状態も安定であるか
ら、長期間にイ〕たり安定な放電を維持でき、もってメ
ンテナンス周期を長くすることかできるという優れた効
果を奏するものである。

４　図面のｆＲｆ　’ｌ’−な説明第１図ないし第４図は本発明の第１大晦例を示し、第１
図はカソードの断面図、第２図は同斜視図、第゛３図は
放電部の断面図、第４図は天川放電人力とｈｋ電電量間
の関係を示すグラフ、第５図は放’ｉｂ　’−ｈ　ｗの
変形例を示す第２図）ｔｌ当図、第６図は本発明の第２
実施例を示す第３図相当図である。

図面中、１．８は放電部、２．ＴＯはアノード（放電電
極）、３．９はカソード（放電部ｌ！１ｌｉ）である。

出願人　　株式会社　　東　　芝第　３　図第　２　図第　４　図

Claims

【特許請求の範囲】

１．レーザー媒質ガス中に位置するように放電電極を設
け、この放電電極間における放電により前記レーザー媒
質ガスを励起するようにしたものにおいて、少なくとも
一方の前記放電電極のうち少なくとも放電点灯領域表面
は酸化チタンであることを特徴とするガスレーザー装置
。