(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスレーザ発振管の表面にガスレーザ発振管内のガスレーザ媒質に励起エネルギーを印加するメタライズ電極を形成するための金属ペーストであって、全金属粒子に対する個数比で粒径が３μｍ以上の金属粒子を３０〜９０％、粒径が３μｍ未満の金属粒子を１０〜７０％含有していることを特徴とするガスレーザ発振管用の金属ペースト。
【請求項２】
ガスレーザ発振管の外表面の対向する部位に請求項１記載の金属ペーストを塗布し焼成して成る厚さ４０〜３００μｍのメタライズ電極が形成されていることを特徴とするガスレーザ発振管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスレーザ発振器に用いられるガスレーザ発振管のメタライズ電極を形成するための金属ペーストおよびそれを用いて形成したメタライズ電極を有するガスレーザ発振管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般にセラミック基板やガラス基板等の絶縁基材に低い抵抗率の電気回路を形成する場合には、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などの抵抗率の低い金属材料と鉛ホウケイ酸系ガラスなどのガラス粉末と有機バインダーとを混合し金属ペーストにしたものを、所望のパターンに印刷塗布し焼結することによりメタライズ導体を形成する方法が採用されている。
【０００３】
近年、携帯電話端末用に代表されるように電子回路用基板は複雑な配線が求められており、その配線に用いられる導体は導体自身の損失による発熱や寄生インピーダンス等が低くなるように形成されている。
【０００４】
例えば、損失の少ないＡｇのメタライズ導体を得るために、二酸化チタン（ＴｉＯ2）をＡｇペーストに添加しＡｇの粒成長を抑えることにより、Ａｇペーストの焼結時に発生する空隙を減少させたり、Ａｇペーストに混合するＡｇ粉末の粒径をより小さくし焼結後のＡｇの密度を上げ、Ａｇペースト焼成後に得られるＡｇ導体の損失を小さいもの（低抵抗化されたもの）としている（特開平８−６９７１０号公報参照）。
【０００５】
また、従来、ガスレーザ発振器用のガスレーザ発振管は、略円筒状の石英ガラス管等から成り、その外表面の対向する部位に電極が形成されている。そして、それらの対向する電極間に数ｋＶの高周波電圧を印加することにより、二酸化炭素ガス等のガスレーザ媒質を励起またはプラズマ化し、ガスレーザ媒質の励起された軌道電子が基底準位に戻る際、またはイオン化したガスレーザ媒質が空間の電子と再結合した際に特定波長の光を発生する。この光をガスレーザ発振管の両端に設けられた共振用ミラー等間で往復共振させて、所定以上のレベルのレーザ光として出力させるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡｇペーストにおいては、Ａｇペースト焼成後に得られるＡｇのメタライズ導体中に空隙が少ないため伸縮性が低いものとなっている。従って、ガスレーザ発振器に用いられるガスレーザ発振管の電極用として用いた場合、数ｋＶの高電圧の高周波電圧が印加されるため、電圧印加により発生したジュール熱による熱応力によって、Ａｇのメタライズ電極と絶縁体であるガスレーザ発振管との間に剥離が生じるという問題点があった。
【０００７】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高電圧の高周波電圧が印加されるガスレーザ発振管用の金属ペーストにおいて、電圧印加時に生じるジュール熱による熱応力を緩和するメタライズ電極を形成可能なものとすることにある。また、本発明の金属ペーストを用いて形成したメタライズ電極を有する信頼性の高いガスレーザ発振管を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガスレーザ発振管の表面にガスレーザ発振管内のガスレーザ媒質に励起エネルギーを印加するメタライズ電極を形成するための金属ペーストであって、全金属粒子に対する個数比で粒径が３μｍ以上の金属粒子を３０〜９０％、粒径が３μｍ未満の金属粒子を１０〜７０％含有していることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、上記構成により、高電圧の高周波電圧が印加される、ガスレーザ発振管のメタライズ電極形成用の金属ペーストにおいて、電圧印加時に生じるジュール熱による熱応力を緩和するとともに、絶縁体であるガスレーザ発振管から容易に剥離するのを防ぐメタライズ電極を形成することができる。
【００１０】
本発明のガスレーザ発振管は、ガスレーザ発振管の外表面の対向する部位に請求項１記載の金属ペーストを塗布し焼成して成る厚さ４０〜３００μｍのメタライズ電極が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上記の構成により、本発明の金属ペーストを用いて形成したメタライズ電極を有する信頼性の高いガスレーザ発振管とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のガスレーザ発振管用の金属ペーストについて以下に詳細に説明する。本発明の金属ペースト用の金属としては、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等がよく、これらは電気抵抗が低く高電圧の高周波電圧を印加するためのメタライズ電極用として好適である。また、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の少なくとも一種を含むか、またはＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ等のいずれかを主成分とする合金あってもよい。特にＡｇが、低電気抵抗であること、比較的低コストであること、メタライズ層を形成し易いこと等の理由で好ましい。従って、金属ペーストとしてＡｇペーストを用いた場合について以下に説明する。
【００１３】
Ａｇペースト印刷後のガスレーザ発振管のＡｇペースト部の部分断面図を図１に、Ａｇペーストを焼成して得られるＡｇメタライズ電極部の部分断面図を図２に示す。これらの図において、１ａはＡｇペースト中に含まれる粒径３μｍ以上のＡｇ粒子、１ｂは粒径３μｍ未満のＡｇ粒子、１はこれらＡｇ粒子１ａ，１ｂにより構成されるＡｇ粒子、２はＡｇペースト中に含まれる鉛ホウケイ酸系ガラス粉末、３はＡｇペースト中に含まれる有機バインダー、４はガスレーザ発振管としての絶縁基材である。ガスレーザ発振管用の絶縁基材４には、ガスレーザ発振管内部に高周波電磁界によるエネルギーを効率良く伝達するために、できる限り誘電率が低くかつ絶縁抵抗の高い石英（ＳｉＯ2）ガラスやアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックス等から成るのがよい。
【００１４】
なお、Ａｇペースト中のＡｇ粒子１ａ，１ｂの粒径の区別は、粒度分布を測定することで行なうことができる。被測定物であるＡｇ粒子１ａ，１ｂを溶媒中に分散させ、それにレーザ光を当てて反射光の強度から粒度分布を特定することができる。
【００１５】
また、Ａｇ粒子１の粒度分布は例えば図５のグラフに示したようなものになる。粒度分布はほぼガウス分布に対応したものとなっており、粒径の大きい方に裾を長く形成した分布となっている。なお、図５は粒径を示す横軸が対数表示であるため粒径の大きい方が圧縮されたようにみえる。図５では、平均粒径（略中心値）は約５μｍであり、平均粒径より小さい粒子は約５０％（個数比）、平均粒径より大きい粒子は約５０％（個数比）である。また、３μｍ未満の粒径のものは約３０％（個数比）、３μｍ以上の粒径のものは約７０％（個数比）である。このように粒度分布を測定することにより、３μｍ未満のものおよび３μｍ以上のもののそれぞれの含有量を特定することができる。
【００１６】
絶縁基材４上にスクリ−ン印刷法等で印刷塗布された図１のＡｇペーストは、以下の［１］、［２］の工程により製作される。
【００１７】
［１］Ａｇ粒子１と鉛ホウケイ酸系ガラス粉末２を、９５：５の重量比でアセトン中に分散させ１時間混合処理を行う。
【００１８】
［２］減圧下、４０〜５０℃の温度でアセトンを蒸発除去して得られた粉末と、エチルセルロース系の樹脂をターピネオールに溶解した有機バインダー３とを、９５：５の重量比で混合することによってＡｇペーストを得る。このとき、エチルセルロース系の樹脂とターピネオールとの組成比は、５：９５〜１０：９０（重量比）である。また、Ａｇ粒子１および鉛ホウケイ酸系ガラス粉末２から成る粉末と、エチルセルロース系の樹脂およびターピネオールから成る有機バインダー３成分との組成比は、９５：５〜９０：１０（重量比）である。
【００１９】
ここで、鉛ホウケイ酸系ガラス２は、Ａｇペーストの焼成時に絶縁基材４に含まれるガラス成分と相互拡散を起こし、Ａｇ粒子１と絶縁基材４を接着する機能を有する。一方、有機バインダー３はＡｇペーストの印刷性を良好にする機能を有する。即ち、Ａｇペーストが印刷塗布時に適度な延びと粘度を有するようにする。
【００２０】
図１に示すような、スクリーン印刷法等により形成されたＡｇペーストの塗布パターンを、乾燥炉中で大気雰囲気中２００℃にて１０分間保持することにより乾燥し、その後、焼成炉中で焼成温度４８０〜５３０℃にて２０〜４０分間保持し焼成することにより、Ａｇメタライズ電極６が形成される。この焼成温度はＡｇ粒子１の焼結開始温度以上であり、かつＡｇペーストに混合された鉛ホウケイ酸系ガラス２の軟化温度以上である必要がある。また、Ａｇ粒子１の焼結が進み過ぎないように温度上限及び焼成時間を決定する。
【００２１】
この乾燥工程および焼成工程によって、有機バインダー３は大気中の酸素と反応し水蒸気や二酸化炭素となり大気中に放散される。また、鉛ホウケイ酸系ガラス２は、含有する鉛（Ｐｂ）の一部がＡｇ粒子１に固溶することで焼結の仲立ちをするとともに絶縁基材４に拡散してＡｇ粒子１と絶縁基材４を接着する役割を果たす。このようにして図２のＡｇメタライズ電極６を得ることができる。
【００２２】
こうして得られたＡｇメタライズ電極６は、焼結体であるため、内部に空隙５が生じる。この空隙５は、Ａｇメタライズ電極６の密度を下げ、その結果高抵抗化して印加電圧の損失を上昇させるため、従来は空隙５を減少させる努力が為されていた。しかしながら、本発明者は、Ａｇメタライズ電極６の厚さを厚くすることにより空隙５による損失上昇を防ぐことができ、逆に空隙５がＡｇメタライズ電極６に大電圧を印加した際に発生するジュール熱による応力を緩和する働きを有することを見出した。
【００２３】
次に、図３および図４を用いて上記本発明の効果を説明する。例えば、上記のようにしてＡｇペーストを製作し、外径φ３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円筒状の絶縁基材４を用い、絶縁基材４の外表面の対向する２つの部位に、Ａｇペーストを焼成後の厚さが４０〜３００μｍになるようにスクリーン印刷し、それを焼成することにより図３に示すようなＡｇメタライズ電極６が形成されたガスレーザ発振管８を得る。
【００２４】
そのガスレーザ発振管８の内部に炭酸ガスなどのガスレーザ媒質９を流しながらＡｇメタライズ電極６に図４のように高電圧の高周波電圧を印加すると、Ａｇメタライズ電極６の電気抵抗によりジュール熱が発生しＡｇメタライズ電極６が熱せられる。そのジュール熱は絶縁基材４の熱膨張係数、例えば絶縁基材４に石英（ＳｉＯ2）ガラスを用いた場合０．４×１０-6／Ｋと、Ａｇの熱膨張係数１９×１０-6／Ｋとの差による熱応力を引き起こす。このとき、Ａｇメタライズ電極６と絶縁基材４との密着強度より熱応力が大きくなると、Ａｇメタライズ電極６と絶縁基材４は剥離を起こしてしまう。従来のように、焼成後に空隙５が少なくなるようなＡｇペーストを用いて図３のガスレーザ発振管８を製作した場合、電圧印加時のジュール熱による熱応力が発生すると熱応力が緩和されずＡｇメタライズ電極６は絶縁基材４から剥離し易いものであった。
【００２５】
本発明では、Ａｇ粒子１を１００重量部としたとき、粒径が３μｍ以上であるものが３０〜９０％、残りのＡｇ粒子の粒径が３μｍ未満であるものが１０〜７０％とされたＡｇ粒子１を用いる。このＡｇ粒子１を用いて製作したＡｇペーストを、焼成後の厚さが４０〜３００μｍになるように印刷し焼成して得られたＡｇメタライズ電極６は、適当量の空隙５がＡｇメタライズ電極６中に導入される。その空隙５により、図４のようにして高電圧を連続的に印加しても２４時間以内に剥離を生じることはなくなる。また、印加電圧の損失も小さいＡｇメタライズ電極６を得ることができる。その結果、本発明のＡｇペーストをガスレーザ発振管８の高電圧印加用の電極に用いると、信頼性の高いＡｇメタライズ電極６およびガスレーザ発振管８を提供することができる。
【００２６】
しかし、Ａｇ粒子１のうち、粒径が３μｍ以上であるものが３０％未満であり、粒径が３μｍ未満であるものが７０％以上であるＡｇ粒子１を用いて製作したＡｇメタライズ電極６は、４０μｍ以上の厚さを得ることがきわめて困難である。これは、Ａｇメタライズ電極６が厚くなると絶縁基材４との界面に生じる接合時の応力は大きくなるが、Ａｇ粒子１が微細なＡｇペーストの場合Ａｇメタライズ電極６中に形成される空隙が少なくなり、Ａｇメタライズ電極６が厚くなることによる応力上昇を緩和することができないため剥離するからであると考えられる。また、上記組成のＡｇ粒子１を用いて製作したＡｇメタライズ電極６の厚みが４０μｍ未満の場合、図４のようにして高電圧を連続的に印加すると２４時間以内に剥離を生じてしまう。これは、Ａｇペーストに含まれるＡｇ粒子１が微細なためＡｇメタライズ電極６中の空隙５の量が少なくなり、その結果ジュール熱による熱応力を緩和する効果が小さいためと考えられる。
【００２７】
また、Ａｇ粒子１のうち、粒径が３μｍ以上であるものが９０％を超え、粒径が３μｍ未満であるものが１０％以下であるＡｇ粒子１を用いて製作したＡｇメタライズ電極６は、厚さは４０μｍ以上を確保できるが、図４のようにして高電圧を連続的に印加すると２４時間以内に剥離を生じる。これは、Ａｇメタライズ電極６中の空隙５の量が多いためＡｇメタライズ電極６での損失が大きくなり、その結果高電圧印加時のジュール熱の発生量が大きくなり熱応力が大きくなり過ぎ、過大な熱応力を空隙５が緩和し切れなくなるためであると考えられる。
【００２８】
本発明において、Ａｇ粒子１のうち、粒径が３μｍ以上であるものは６０μｍ程度を上限とするのがよい。６０μｍ程度以上の粒子が相当量存在すると、Ａｇメタライズ電極６内に大きな空隙が形成され、電気的な損失が大きくなり、その結果発生するジュール熱も大きくなり剥離を生じ易くなる。粒径が３μｍ未満であるものの下限は特に限定されないが、０．１μｍ程度がよい。０．１μｍ程度未満の粒子が相当量存在すると、Ａｇメタライズ電極６内に空隙が形成されにくくなり、またそのような微細な粒子を作製するとコスト高になるという問題が生じる。
【００２９】
【実施例】
本発明の実施例について以下に説明する。
【００３０】
（実施例１）
４種類の粒径を有するＡｇ粒子１を用いて４種のＡｇペーストを製作し、それら４種のＡｇペーストの印刷厚さを６種類とすることにより、サンプルを２４種類製作し評価した。以下にその詳細を説明する。
【００３１】
粒径が３μｍ以上であるものを１０％、粒径が３μｍ未満であるものを９０％含むＡｇ粒子１と、粒径が３μｍ以上であるものを３０％、粒径が３μｍ未満であるものを７０％含むＡｇ粒子１と、粒径が３μｍ以上であるものを９０％、粒径が３μｍ未満であるものを１０％含むＡｇ粒子１と、粒径が３μｍ以上であるものを９５％、粒径が３μｍ未満であるものを５％含むＡｇ粒子１との４種類のＡｇ粒子１を用意した。
【００３２】
これらのＡｇ粒子１を用い、上述の［１］、［２］の工程を経て４種類のＡｇペーストを得た。４種類のＡｇペーストを、焼成後のＡｇメタライズ電極６の厚さがそれぞれ３０μｍ，４０μｍ，１００μｍ，２００μｍ，３００μｍ，３３０μｍになるように、図３に示すパターンで円筒状の絶縁基材４の外表面にスクリーン印刷した。これにより、表１に示すようなサンプル（Ｎｏ．１〜２４）を作製した。なお、絶縁基材４としては石英（Ｓｉ2Ｏ3）ガラスから成るものを用いた。
【００３３】
得られたサンプルを乾燥炉で大気雰囲気中２００℃にて１０分間保持することにより乾燥し、その後、焼成炉で最高温度４８０〜５３０℃にて２０〜４０分間保持し焼成した。得られた図３の形状のガスレーザ発振管８について、Ａｇメタライズ電極６が剥離せずに絶縁基材４に密着しているかどうか観察した。Ａｇメタライズ電極６の剥離の如何については、絶縁基材４が透明であるので、印刷面の裏面側から透かして観察することで容易に判断できた。
【００３４】
観察の結果、サンプルＮｏ．５，９，１３，１７，２１〜２４のＡｇメタライズ電極６は焼成後に絶縁基材４との間に剥離を生じた。サンプルＮｏ．５，９，１３，１７，２１のような、粒径が３μｍ以上であるものを５％、粒径が３μｍ未満であるものを９５％含むＡｇ粒子１を用いたＡｇペーストによるＡｇメタライズ電極６は、導入される空隙５が少なく、その結果Ａｇメタライズ電極６の伸縮性が低下し、焼成時に生じる応力に耐えられなくなり剥離を生じたものと考えられる。
【００３５】
また、サンプルＮｏ．２２〜２４については、Ａｇペーストの焼成後に得られるＡｇメタライズ電極６の厚さが３００μｍを超えるため、Ａｇメタライズ電極６と絶縁基材４との熱膨張係数差によるＡｇメタライズ電極６と絶縁基材４の界面に生じる接合時の応力が、Ａｇメタライズ電極６の厚さが３００μｍ以下の場合に比べて大きくなる。その結果、Ａｇメタライズ電極６中に空隙５が導入されても、その応力を緩和することができないため剥離を生じたと思われる。
【００３６】
次に、焼成後剥離を生じなかったサンプルＮｏ．１〜４，６〜８，１０〜１２，１４〜１６および１８〜２０を用い、図４の構成でサンプル中に二酸化炭素（ＣＯ2）から成るガスレーザ媒質９を流しながら、周波数２ＭＨｚ，３ｋＶの高周波電圧を２４時間印加した。その後、Ａｇメタライズ電極６の密着状態を確認した。その結果を表１に示す。
【００３７】
表１より、サンプルＮｏ．１〜４，８，１２，１６，２０は剥離を生じた。これは、サンプルＮｏ．１〜４のように、Ａｇペースト中に含まれるＡｇ粒子１が他サンプルに比較して微細なものは、焼成後得られたＡｇメタライズ電極６中の空隙５が少ないため、電気的な損失は低く発生するジュール熱は小さいが、電圧印加時に生じるジュール熱による熱応力を緩和する効果が小さくなり、剥離を起こすものと考えられる。また、サンプルＮｏ．８，１２，１６，２０においては、Ａｇペースト中に含まれるＡｇ粒子１が他のサンプルに比較して粗いため、Ａｇメタライズ電極６中に多く空隙５が生成され、熱応力緩和の効果は有するもののＡｇメタライズ電極６の損失が大きくなり、その結果電圧印加時に発生するジュール熱による熱応力も大きくなり、剥離を生じたものと思われる。
【００３８】
サンプルＮｏ．６，７，１０，１１，１４，１５，１８，１９のように、粒径が３μｍ以上であるものを３０〜９０％、粒径が３μｍ未満であるものを１０〜７０％含むＡｇ粒子１を用いて製作されたＡｇペーストによるＡｇメタライズ電極６は、空隙５が適宜導入され、応力緩和効果を有するとともに、空隙５によるＡｇメタライズ電極６の電気的損失の上昇はＡｇメタライズ電極６の厚さで補償され、Ａｇメタライズ電極６全体として損失上昇が防止されるため、高電圧を２４時間印加しても剥離を生じることがなかったものと思われる。
【００３９】
【表１】
0003766607.tif 000002
【００４０】
以上説明したように、粒径が３μｍ以上であるものを３０〜９０％、粒径が３μｍ未満であるものを１０〜７０％含むＡｇ粒子１を用いて製作されたＡｇペーストを焼成し、その後得られたＡｇメタライズ電極６の厚さが４０〜３００μｍとなるように構成すれば、ガスレーザ発振管８に高電圧を印加した際に剥離を起こしにくいＡｇメタライズ電極６が得られるという優れた効果があることが判った。
【００４１】
なお、本発明は上記実施例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各種の変更および改良を施すことは何ら差し支えない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、全金属粒子に対する個数比で粒径が３μｍ以上の金属粒子を３０〜９０％、粒径が３μｍ未満の金属粒子を１０〜７０％含有していることにより、高電圧の高周波電圧が印加される、ガスレーザ発振管のメタライズ電極形成用の金属ペーストにおいて、金属ペースト焼成後に得られるメタライズ電極中に適当な大きさの空隙が導入されるため、電圧印加時に生じるジュール熱による熱応力を緩和するとともに、絶縁体であるガスレーザ発振管から容易に剥離しないメタライズ電極を形成することができる。
【００４３】
また、例えばメタライズ電極の厚さを従来より厚くすることにより、空隙発生による電気的損失の上昇を補償することができる。その結果、電気的損失の上昇を避けながらメタライズ電極の伸縮性を向上させることができ、電圧印加によって発生したジュール熱によって熱応力が発生しても、メタライズ電極の伸縮性で熱応力を緩和できる。従って、石英ガラス等から成る絶縁基材と剥離を生じにくいメタライズ電極が得られる。
【００４４】
本発明のガスレーザ発振管は、ガスレーザ発振管の外表面の対向する部位に本発明の金属ペーストを塗布し焼成して成る厚さ４０〜３００μｍのメタライズ電極が形成されていることにより、上記本発明の効果を有する金属ペーストを用いて形成したメタライズ電極を有する信頼性の高いガスレーザ発振管とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｇペースト印刷後のガスレーザ発振管のＡｇペースト部の部分断面図である。
【図２】Ａｇペーストを焼成して得られるＡｇメタライズ電極部の部分断面図である。
【図３】Ａｇメタライズ電極が形成されたガスレーザ発振管の側面図および正面図である。
【図４】図３のガスレーザ発振管に高周波電圧を印加する方法を説明するガスレーザ発振管の側面図である。
【図５】Ａｇ粒子の粒度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１：Ａｇ粒子
１ａ：粒径３μｍ以上のＡｇ粒子
１ｂ：粒径３μｍ未満のＡｇ粒子
４：絶縁基材（ガスレーザ発振管）
５：空隙
６：Ａｇメタライズ電極
８：ガスレーザ発振管
９：ガスレーザ媒質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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