JPH022694A - ガスレーザー装置 - Google Patents

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、放電電極をレーザ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
アノード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ｆＭ成の一例は、レー
ザー媒質ガスが充満するｈ＆電部に例えばすだれ状のア
ノードと、これに向かうように折れ曲がるＬ字ビン状の
多数のカソードとをχ・ｊ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
とにより再放電電極間でグロー放電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、レーザー
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が上流となりアノード
側に向かうように流される。そしてカソードの材質とし
てはモリブデンが採用され、アノードの祠質としては銅
が一般に採用されていた。

（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２τるから、それが極力長
いことが望ましい。しかるに、従来のＣＯ２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放電電極
が劣化し、放電部における放電がグロー放電からアーク
放電に移行するという現象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・
わゆる満流形の５ＫＷ機では最大約２００時間程度がメ
ンテナンス周期の限界となっていた。

そこで、本発明者らは放電電極の劣化メカニズムを、’
ｌ！ｌべるため多くの実験・分析を繰り返し、次のよう
な事実を究明した。ます、モリブデン製のカソードは、
グロー放電時の正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、モリブデンは昇華温度が約
７００℃以下と低いため、化学的なスパッタリング作用
も受は易く、双方のスパッタリングにより次第に消耗す
る。

一方、長時間使用した後の銅製アノードの表面には、全
体的に薄い酸化膜が形成されていた。これは、レーザー
媒質ガス中に極微置きまれている酸素によりアノード表
面が酸化されたものと考えられる。また、アノード表面
のうち、カソードに面する片側には約１〜２μｍ程度の
堆積物と、所々に外径約１００μｌ程度の黒い突起物が
観察された。この堆積物は、非晶質のＭＯｏｌであり、
かつカソード側に偏っていることから、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じてアノード側に移行
し、ここに堆積して酸化したものと考えられる。また、
堆積物上の突起物の分析結果は炭素であったことから、
これがマイクロアークの発生点であることが推測された
。

さて、これらの分析結果に基づき推測される放電１ｕ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。放電によりアノード表面が高温になると、アノード
が銅製であって酸化を受は易いことから、その表面が不
均一に酸化され始める。

これと同時に、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、アノード上に付着し、これが
アノード表面の不均一な酸化膜の影響もあって酸化モリ
ブデンとして堆積する。この堆積物は酸化物であるため
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。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、
電界がその点に一層集中する傾向を呈し、放電人力の不
均一性が著しくなる。そして、放電人力が局部的にア″
−り限界以上となり、ついには放電郡全体がアーク放電
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、アノ
ード表面の不均一酸化に起因してアノード上に酸化物が
不均一に堆積し、このような放電電極の劣化によりアー
ク限界が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、本発明の目的は、アノード表面の不均一酸化に
起因する放？ｌＳ電極の劣化を極力防止できてメンテナ
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手段） 本発明のガスレーザー装置は、レーザー媒質ガス中に位
置するように設けたカソードおよびアノード間における
放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、アノードをステンレス鋼により形成したとこ
ろに特徴を有する。

また、アノードは他の金属材料を母材とし、その表面に
クロムメツキを施すようにしてもよい。

（作用） ステンレス鋼は鉄・ニッケル・クロムを主成分とした合
金であり、そのクロム成分により酸化に灯して大きな抵
抗を有し、酸化速度は著しく遅い。また、表゛面には極
めて安定な酸化クロムの薄膜が形成されるので、スパッ
タリングによりカソード材料が飛散してアノードに付着
したとしても、これが不均一に酸化しながら絶縁性堆積
物として１戊長しに＜＜、アノード自体が酸化しにくい
こととあいまち、絶縁性堆積物の存在による電界集中を
抑制できる。

また、クロムメツキを施したアノードの場合にも、ステ
ンレス製の場合と同様に、表面に安定な酸化クロムの薄
膜が生成されるので、アノード表面での絶縁性堆積物の
成長が抑制される。

（実施例） 以下、本発明を加工用のＣＯ２ガスレーザー装置に適用
した一実施例について第１図及び第２図を参照して説明
する。

全体的構成は第１図に示しである。１は放電部で、その
内部をレーザー媒質ガスが図中左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／　Ｎ２　／　ＣＯ
ｚ　−５ＱＨ４５：　５の成分比であって、その池、不
可避的に混入した極微二の酸素等が存在しているものと
考えられる。

２は放電電極の一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、先端を一方向に向け
た状態で多数本が近接して並べられている。尚、このカ
ソード２は、母祠はチタン製であるが、その先端の放電
点灯領域表面はレーザー媒質ガス中に含まれる微瓜の酸
素により酸化されて酸化チタン薄膜が形成されている。

３は放電電極の他方を構成するアノードで、これは例え
ば上下方向に延びる直線状の細棒電極がらなり、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鋼により形成している
。

これらのカソード２とアノード３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
２及びアノード３間にグロー放電（放電領域を第１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Ｃ
Ｏ２が励起され、図示しない周知の共振器間でレーザー
発振が行われる。この場合の、光軸は第１図中に符号「
６」で示しである。

さて、上記（１■成によれば、放電による高温とレーザ
ー媒質ガス中の酸素の存在とによりアノード３は酸化作
用を受けるが、これはステンレス鋼製であって、クロム
成分の存在により酸化に対して大きな抵抗を有するから
、アノード３自体の酸化速度は極めて遅く、且つその表
面は安定な酸化クロムの薄膜によって覆われた状態とな
る。従って、カソード２におけるスパッタリングにより
カソード材料が飛散してアノード３表面に付むし始めて
も、アノード３表面は安定な酸化クロムの薄膜により覆
われているから、付むしたカソード材料が不均一な酸化
作用を受けながら局部的な絶縁性堆積物を生成すること
がなくなり、これに起因する電界集中も生じにくい。し
かも、特に本実施例では、カソード２の母材をチタン製
とし、その表面にスパッタリング作用を受けにくい酸化
チタンの薄膜が生成されるようにしているから、スパッ
タリングによりアノード３側に生ずる堆積物の瓜も減少
する。これらの結果、本実施例では、マイクロアークが
所々で発生してついには全面的なアーク放電に移行して
しまうまでの時間を十分に長くすることができ、安定的
な放電を長時間にわたり維持することができるので、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
に高めることができる。

因みに、第２図にカソード２の母材をチタン製（直径２
ｍｍ）とし、アノード３の母材を銅製及びステンレス鋼
製（共に直径２ｍｍ）として火器試験を行った結果を示
す。同図に示すように、銅製アノードは、それ自体の酸
化とスパッタリングによるカソード材料の付若により２
０時間で０．８μｍ、１００時間で４μｌ、２００時間
で７，５μ慣の直径増大が観察されたが、ステンレス鋼
製アノードは２０時間で銅製の１／８にｔ目当する０゜
１μｍの直径増大しか生じなかった。そこで、ステンレ
ス鋼製のアノードが、２００時間運転後の銅製アノード
と同等な直径（７，５１ｚｍ）に達するまでの時間を計
算により求めると、実に７，５倍の１５００時間となる
。従って、従来の銅製のアノードでは、約２００時間が
メンテナンス周期の限界であったところ、本実施例によ
れば１５００時間のメンテナンス周期を期待することが
できる。

尚、上記実施例ではアノード３自体をステンレス鋼製と
したが、本発明の効果はクロムの安定な酸化膜がアノー
ド表面に生成されることに起因するものであるから、必
ずしもステンレス鋼製とせずとも、母材を他の金属製と
して表面にクロムメツキを施すようにしてもよい。この
場合にも、クロムのメツキ膜の表面に安定な酸化クロム
の薄膜が形成されるからである。また、上記した２軸直
交形ＣＯ２ガスレーザー装置に適用するに限らず、放電
電極がレーザー媒質ガス中に位置する構造のものに広く
適用でき、いわゆる軸流形や３軸直交形の構造のもので
も良く、またレーザー媒質ガスの種類もｉｊ１目）ない
。また、カソードは形状を問わず、例えばフィン状、板
状であってもよい。

て遅くなり、またスパッタリングにより飛散したカソー
ド材料がアノードに付着したとしても、これが不均一に
酸化しながら絶縁性堆積物として成長しにくくいので、
不均一酸化に起因する電界集中を抑制でき、もってアノ
ードの劣化を長期間にわたり抑制できてメンテナンス周
期を大きく延ばすことができるという優れた効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は放電部の断面
図、第２図はアノードの直径増大と放電時間との関係を
示すグラフである。 図面中、１は放電部、２はカソード、３はアノード、５
は電源である。 ス中に位置されるアノードをクロム成分を含むステンレ
ス鋼又は池の金属材料を母材として表面にクロムメツキ
を施して゛形成したところに特徴をＨし、この結果、ア
ノード自体の酸化の進行が極め出願人　　株式会社　　
東　　芝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザー媒質ガス中に位置するように設けたカソー
   ド及びアノード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、前記アノード
   をステンレス鋼により形成したことを特徴とするガスレ
   ーザー装置。
2. ２．レーザー媒質ガス中に位置するように設けたカソー
   ド及びアノード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、前記アノード
   表面にクロムメッキを施したことを特徴とするガスレー
   ザー装置。