(57)【要約】【課題】本発明は、ビーム偏向装置の放電回路において、高い放電速度と出力の安定化を目的とする。【解決手段】放電回路１０１は、定常動作と放電動作を繰り返してビーム偏向装置の出力電圧を制御する。放電回路１０１は、電源１と、電源１と直列に接続され、定常動作時に電源１の出力電圧に昇圧され電荷を溜める平滑コンデンサ２１と、平滑コンデンサ２１に並列接続され、定常動作時に平滑コンデンサ２１に溜まった電荷を放電動作時に放電する放電コンデンサ２２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定常動作と放電動作を繰り返してビーム偏向装置の出力電圧を制御する放電回路であって、
電源と、
前記電源と直列に接続され、前記定常動作時に前記電源の出力電圧に昇圧され電荷を溜める平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサに並列接続され、前記定常動作時に前記平滑コンデンサに溜まった電荷を前記放電動作時に放電する放電コンデンサと、を備える、
放電回路。
【請求項２】
前記放電コンデンサと直列かつ前記平滑コンデンサと並列に接続されるスイッチング素子を備え、
前記スイッチング素子の導通時に、前記平滑コンデンサに溜まった電荷が前記放電コンデンサに放電される、
請求項１に記載の放電回路。
【請求項３】
前記平滑コンデンサと前記放電コンデンサとの間に接続される電流制限抵抗をさらに備える、
請求項１又は２に記載の放電回路。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、前記放電コンデンサとグランドとの間に接続される、
請求項２または３に記載の放電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ビーム偏向装置における放電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム偏向装置は、電子ビーム加工機などに用いられる。ビーム偏向装置は、ビーム偏向距離すなわちビーム位置を電圧値により制御する。ビーム偏向は、ビーム位置を原点に設定する動作と、ビームを移動し照射する動作の繰り返しである。ビーム偏向装置は、電圧フィードバック制御により電圧値を制御しており、ビーム位置を原点へ高速に戻すために放電回路を備えている。
【０００３】
従来の放電回路は、出力電圧を生成する平滑コンデンサが、放電抵抗とスイッチング素子の直列接続体に対して並列接続された構成を有しており、このような放電回路は、例えば特許文献１の図１に開示されている。従来の放電回路では、放電時にスイッチング素子がオン状態となり、放電抵抗を介して平滑コンデンサの電荷が放電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２７６６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ビーム位置が原点にあるときの平滑コンデンサの電圧値を「規定電圧値」と称する。ビーム偏向速度を高める、すなわちビーム位置を照射位置から原点へ高速に戻すためには、放電時に平滑コンデンサの電圧値を規定電圧値まで素早く下げる必要がある。
【０００６】
平滑コンデンサの電荷を放電抵抗に放電する放電回路（以下、このような放電回路を「従来の放電回路」と称する）では、平滑コンデンサの容量値と放電抵抗の抵抗値によって放電速度が決まる。従って、放電抵抗の抵抗値を小さくすることにより、放電速度を高めることができる。
【０００７】
しかし、放電抵抗の抵抗値が小さくなると、規定電圧値付近で平滑コンデンサの電圧変化ｄｖ／ｄｔが大きくなる。そして、この電圧変化ｄＶ／ｄｔが電圧フィードバック制御速度より大きいと、制御系は平滑コンデンサの電圧値を規定電圧値へ制御する方向に働く一方、制御系の応答が電圧変化ｄＶ／ｄｔに追従できないため出力が不安定になるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ビーム偏向装置の出力電圧を制御する放電回路において、高い放電速度と出力の安定化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の放電回路は、定常動作と放電動作を繰り返してビーム偏向装置の出力電圧を制御する。本発明の放電回路は、電源と、電源と直列に接続され、定常動作時に電源の出力電圧に昇圧され電荷を溜める平滑コンデンサと、平滑コンデンサに並列接続され、定常動作時に平滑コンデンサに溜まった電荷を放電動作時に放電する放電コンデンサと、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の放電回路は、放電コンデンサによって平滑コンデンサの電荷を放電することにより、放電抵抗を用いて放電する場合と比べて、高い放電速度と安定した出力を両立することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の放電回路を示す図である。
【図２】電子ビーム加工機におけるビーム偏向時間と電圧値の一例を示す図である。
【図３】制御系のブロック図である。
【図４】放電時の電圧変化を示す図である。
【図５】実施の形態２の放電回路を示す図である。
【図６】実施の形態３の放電回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は実施の形態１の放電回路１０１を示している。放電回路１０１は、電源１、平滑コンデンサ２１、スイッチング素子３１、放電コンデンサ２２、放電抵抗１１、ゲート抵抗１３、コレクタ抵抗１２、制御スイッチング素子４１および制御部２を備えている。
【００１３】
電源１は、平滑コンデンサ２１の一方端とゲート抵抗１３の一方端とスイッチング素子３１の一方主端子に接続される。平滑コンデンサ２１の他方端はグランドに接続される。ゲート抵抗１３の他方端は、コレクタ抵抗１２の一方端とスイッチング素子３１のゲート端子に接続される。コレクタ抵抗１２の他方端は制御スイッチング素子４１の一方主端子に接続される。制御スイッチング素子４１の制御端子は制御部２に接続され、他方主端子はグランドに接続される。制御部２は、制御スイッチング素子４１に制御信号を入力して制御スイッチング素子４１のオンオフを通じてスイッチング素子３１のオンオフを制御する。スイッチング素子３１の他方主端子は、放電コンデンサ２２の一方端と放電抵抗１１の一方端に接続される。放電コンデンサ２２の他方端と放電抵抗１１の他方端はグランドに接続される。放電抵抗１１は、放電動作時に放電コンデンサ２２に溜まった電荷を定常動作時に放電する。
【００１４】
＜Ａ−２．動作＞
以下、図１を用いて放電回路１０１の動作を具体的に説明する。放電回路１０１は、定常動作と放電動作を繰り返す。
（１）１回目の定常動作
電源１が電圧Ｖｏｕｔを出力し、平滑コンデンサ２１両端の電圧が電圧Ｖｏｕｔまで昇圧する。このとき平滑コンデンサ２１に溜まる電荷Ｑは、平滑コンデンサ２１の容量値をＣ２１とするとＱ＝Ｃ２１×Ｖｏｕｔで表される。
（２）放電動作
電源１の出力は０となる。制御部２が放電オン信号を出力して制御スイッチング素子４１がオンになる。制御スイッチング素子４１がオンになると、ゲート抵抗１３、コレクタ抵抗１２および制御スイッチング素子４１に電流が流れ、ゲート抵抗１３の両端電圧が上昇する。ゲート抵抗１３の両端電圧がスイッチング素子３１のゲートオン電圧以上となると、スイッチング素子３１がオンになる。
【００１５】
スイッチング素子３１がオンになると、平滑コンデンサ２１の電荷がスイッチング素子３１を介して放電コンデンサ２２へ移動、すなわち放電し、平滑コンデンサ２１の電圧が放電後下限電圧値ＶＬまで低下する。平滑コンデンサ２１から放電コンデンサ２２への電荷移動は、平滑コンデンサ２１と放電コンデンサ２２の両端電圧が同じになるまで続く。平滑コンデンサ２１の放電後下限電圧値ＶＬは、平滑コンデンサ２１と放電コンデンサ２２の容量値比により決まる。放電コンデンサ２２の容量値をＣ２２とすると、放電後下限電圧値ＶＬは、ＶＬ＝（Ｃ２１×Ｖｏｕｔ）／（Ｃ２１＋Ｃ２２）で表される。よって、放電コンデンサ２２の容量値は、平滑コンデンサ２１の容量値よりも十分大きいものとする。例えば、放電コンデンサ２２の容量値Ｃ２２が平滑コンデンサ２１の容量値Ｃ２１の１０倍であれば、平滑コンデンサ２１の放電後下限電圧値ＶＬは、電源１の出力電圧Ｖｏｕｔの１／１０となる。
【００１６】
平滑コンデンサ２１の電圧値が放電後下限電圧値ＶＬに達する速度、すなわち放電速度は、平滑コンデンサ２１および放電コンデンサ２２のＥＳＲ（Equivalent Series Resistance）値によって決まり、ＥＳＲ値が低いほどに速くなる。
（３）２回目以降の定常動作
放電動作が終わると、再び定常動作となる。電源１が電圧Ｖｏｕｔを出力し、平滑コンデンサ２１両端の電圧値が電圧Ｖｏｕｔまで上昇する。
【００１７】
上記の動作と平行して、制御部２は放電オフ信号を出力して制御スイッチング素子４１がオフになる。制御スイッチング素子４１がオフになると、ゲート抵抗１３、コレクタ抵抗１２および制御スイッチング素子４１に流れていた電流が止まり、ゲート抵抗１３の両端電圧は低下する。ゲート抵抗１３の両端電圧がスイッチング素子３１のゲートオン電圧以下になると、スイッチング素子３１はオフになる。
【００１８】
放電コンデンサ２２には放電時に平滑コンデンサ２１から移動した電荷Ｑが残っており、この電荷Ｑは定常動作中に放電抵抗１１から放電する。その放電速度は放電抵抗１１の抵抗値によって決まるため、放電抵抗１１の抵抗値は定常動作中に放電が完了するように決定する必要がある。但し、電子ビーム加工機において定常動作時間は放電動作時間より十分長いため、定常動作時の放電を無視できるくらい放電抵抗１１の抵抗値を大きくすることが可能である。
【００１９】
＜Ａ−３．効果＞
電子ビーム加工機のビーム偏向装置において、ビーム偏向速度は電圧スルーレートにより制御され、ビーム位置は電圧値により制御される。よって、ビーム偏向の高速化には、放電速度を高め、規定電圧値付近での電圧変化ｄＶ／ｄｔを小さくすることが求められる。ビーム偏向は、（１）ビーム位置を原点に設定する工程と、（２）ビームを移動し照射する工程の繰り返しである。
【００２０】
図２は、電子ビーム加工機におけるビーム偏向時間と電圧値の一例を示している。図２において、ビーム位置を原点に設定する際の電圧値を規定電圧値Ｖ１、ビーム位置を照射位置に設定する際の電圧値をＶ２とする。ビーム位置は電圧値で決まり、電圧値は電圧フィードバック制御で制御される。電圧フィードバック制御は、フィードバックした電圧値を目標値と比較し、その差を０とするように制御する。
【００２１】
図３は、制御系のブロック図である。制御系は、抵抗７０の電圧値を電源７２の供給電圧である目標値と比較するコンパレータ７１と、コンパレータ７１の出力と電圧指令値を比較するコンパレータ６１と、入力側回路と、出力側回路とを備えている。入力側回路は、コンパレータ６１の出力がゲートに入力されるＦＥＴ６２、ＦＥＴ６２のドレイン−ソース間に接続される整流部６３、交流電源６５、および１次コイル６４を備えている。出力側回路は、２次コイル６６、２次コイル６６に並列接続された整流部６７、コンデンサ６８、抵抗６９，７０を備えている。抵抗６９と抵抗７０の接続点の電圧値がコンパレータ６１に入力される。
【００２２】
ビーム偏向の高速化のため、電圧値はＶ２から規定電圧値Ｖ１に高速かつ正確に戻ることが求められる。そのため、規定の電圧値Ｖ１付近での電圧変化ｄＶ／ｄｔは電圧フィードバック制御速度より小さいことが望ましい。仮に、電圧フィードバック制御速度より電圧変化ｄＶ／ｄｔが高速である場合、ビーム位置を原点へ正確に戻すことは困難である。一般的に、電子ビーム加工機の電圧フィードバック制御速度はμｓオーダーであるのに対し、放電によりｎｓオーダーの電圧変化があった場合、制御系は、目標値（規定電圧値）へ制御する方向へ働く一方、電圧変化が制御系より高速なため追従できずにアンダーシュートとオーバーシュートが繰り返し現れることになり、出力が安定しない。
【００２３】
次に、放電コンデンサの方が従来技術の放電抵抗より電圧変化ｄＶ／ｄｔが小さい理由について述べる。その理由は、放電素子がコンデンサであり抵抗と異なるためである。図４に、放電コンデンサで放電した場合と、従来技術の放電抵抗で放電した場合の電圧変化を、それぞれ曲線８１，８２として示す。図４の横軸は放電時間、縦軸は平滑コンデンサの電圧値を表している。
【００２４】
まず、放電コンデンサで放電する場合について検討する。放電抵抗１１の抵抗値が放電時の電荷の移動を無視できる程度に十分大きい場合、平滑コンデンサの電圧値が放電後電圧下限値ＶＬに達すれば、その後の電圧変化ｄＶ／ｄｔは、図４の点線領域で示すようにｄＶ／ｄｔ≒０となる。従って、放電後電圧下限値ＶＬが規定電圧値Ｖ１となるように、放電コンデンサの容量を調整する。
【００２５】
一方、従来技術の放電抵抗で放電する場合、電荷の移動すなわち放電は、平滑コンデンサに電荷が残っている限り続き、規定電圧値Ｖ１での電圧変化ｄＶ／ｄｔ≠０となる。電圧変化ｄＶ／ｄｔは放電抵抗の抵抗値により決まり、放電抵抗を大きくすることで電圧変化ｄＶ／ｄｔ≒０にすることは可能だが、ビーム偏向の高速化とはトレードオフの関係となる。
【００２６】
また、放電コンデンサ２２の方が、放電速度が速い理由は、放電コンデンサ２２のＥＳＲと放電抵抗の抵抗値との差にある。放電コンデンサ２２のＥＳＲは数Ωである一方、放電抵抗の抵抗値は発熱の側面から同等の抵抗値にすることは現実的ではなく、一般的に数十〜数百ｋΩである。また、放電コンデンサ２２の容量は０．０１μＦ以上０．１μＦ以下である。
【００２７】
以上より、放電回路１０１によれば、放電後の電圧変化ｄＶ／ｄｔを小さくすることが可能であり、電子ビーム加工機の電圧フィードバック制御が容易となり、ビーム偏向の高速化を実現できる。
【００２８】
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図５は実施の形態２の放電回路１０２を示している。放電回路１０２は、放電回路１０１に電流制限抵抗１４を追加した構成である。電流制限抵抗１４は、スイッチング素子３１を介して平滑コンデンサ２１と放電コンデンサ２２の間に接続される。
【００２９】
＜Ｂ−２．動作、効果＞
放電回路１０２の平常動作は、実施の形態１の放電回路１０１と同様である。放電回路１０２の放電動作では、平滑コンデンサ２１の電荷が電流制限抵抗１４とスイッチング素子３１を介して放電コンデンサに放電する。そのため、電流制限抵抗１４により放電時の電流ピーク値を抑制することが可能である。放電コンデンサ２２のＥＳＲが小さく、放電時の電流ピーク値が許容できない場合、電流制限抵抗１４の抵抗値を調整して、電流ピーク値を下げることができる。また、電流制限抵抗１４の抵抗値、スイッチング素子５１のインピーダンス、および放電コンデンサ２２のＥＳＲの比率により、それぞれに印加される電圧値が決まるため、電流制限抵抗１４の抵抗値を、スイッチング素子５１のインピーダンスまたは放電コンデンサ２２のＥＳＲよりも十分に大きくすることにより、スイッチング素子３１のドレイン−ソース間耐圧および放電コンデンサ２２の耐圧を下げることが可能である。
【００３０】
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図６は、実施の形態３の放電回路１０３を示している。放電回路１０３は、実施の形態２の放電回路１０２からゲート抵抗１３、コレクタ抵抗１２、スイッチング素子３１、制御スイッチング素子４１を削除し、放電コンデンサ２２と放電抵抗１１の並列接続からなる放電ユニットとグランドとの間にスイッチング素子５１を設けた構成である。制御部２はスイッチング素子５１の制御端子に接続され、スイッチング素子５１のオンオフを制御する。
【００３１】
＜Ｃ−２．動作＞
以下、放電回路１０３の動作を説明するが、主に実施の形態２の放電回路１０２との相違点について説明し、一致点については説明を省略する。
【００３２】
放電回路１０３は、平常動作と放電動作を繰り返す。放電回路１０３の平常動作は、実施の形態２の放電回路１０２と同様である。
【００３３】
放電回路１０３の放電動作では、電源１の出力が０となる。制御部２は放電オン信号を出力してスイッチング素子５１がオンになる。スイッチング素子５１がオンになると、平滑コンデンサ２１の電荷が電流制限抵抗１４を介して放電コンデンサに移動し、平滑コンデンサ２１の電圧が放電後下限電圧値ＶＬまで低下する。
【００３４】
＜Ｃ−３．効果＞
実施の形態３の放電回路１０３によれば、スイッチング素子５１が実施の形態２の放電回路１０２における制御スイッチング素子４１に比べて低圧側に配置される。従って、実施の形態３の放電回路１０３によれば、実施の形態２の放電回路１０２の効果に加えて、ゲート抵抗１３とコレクタ抵抗１２等、スイッチング素子５１周りの部材を削減することができる。
【００３５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電源、２  制御部、１１  放電抵抗、１２  コレクタ抵抗、１３  ゲート抵抗、１４  電流制限抵抗、２１  平滑コンデンサ、２２  放電コンデンサ、３１，５１  スイッチング素子、４１  制御スイッチング素子、６１，７１  コンパレータ、６２  ＦＥＴ、６３，６７  整流部、６４  １次コイル、６５  交流電源、６６  ２次コイル、６８  コンデンサ、６９，７０  抵抗、７２  電源、１０１，１０２，１０３  放電回路。
【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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【図６】
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