(57)【要約】【課題】長時間運転で生じるレーザの出力低減を効率良く防止してエネルギ効率を向上すると共に、レーザエネルギの変動を抑制して性能を向上する。【解決手段】磁性体の飽和現象を利用して、キャパシタ間でエネルギを移行するための磁気スイッチＬ２、Ｌ３又は磁気アシストＬ１と、該磁気スイッチ又は磁気アシストをリセットするためのリセット回路５０とを含むパルス放電回路８０において、前記リセット回路５０に可変電源を用いる。【選択図】　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体の飽和現象を利用して、キャパシタ間でエネルギを移行するための磁気スイッチ又は磁気アシストと、
該磁気スイッチ又は磁気アシストをリセットするためのリセット回路とを含むパルス放電回路において、
前記リセット回路に可変電源を用いることを特徴とするパルス放電回路。
【請求項２】
前記可変電源が、パルス放電回路により励起されるレーザの出力に応じて、フィードバック制御されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス放電回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス放電回路に係り、特に、磁気スイッチ又は磁気アシストを用いた放電励起型レーザ装置に用いるのに好適な、長時間運転で生じるレーザの出力低減を効率良く防止してエネルギ効率を向上すると共に、レーザエネルギの変動を抑制して性能を向上することが可能な、パルス放電回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスレーザ、例えば炭酸ガスレーザを励起するためのレーザパルス放電回路は、例えば図１に示す如く、主にパルス発生回路部１０と、磁気パルス圧縮回路部２０と、電極部３０とから構成されている。
【０００３】
前記パルス発生回路部１０は、充電用の電源（充電電源と称する）１２と、該充電電源１２に対して直列に接続された、抵抗Ｒ、電力用半導体スイッチ（例えば静電誘導（ＳＩ）サイリスタ）ＳＷ及び逆流防止用ダイオードＤと、前記抵抗Ｒと半導体スイッチＳＷのアノードＡとの接続点に一点を接続した、磁性体のヒステリシス特性により流れる電流を遅らせることで、半導体スイッチＳＷの損失を低減するための磁気アシストＬ１と、該磁気アシストＬ１の他端に接続した、前記充電電源１２から供給されるエネルギを蓄えるためのチャージングキャパシタＣ１と、前記磁気アシストＬ１及びチャージングキャパシタＣ１を介して半導体スイッチＳＷの両端に一次側巻線を接続したパルストランスＰＴとで構成されている。
【０００４】
前記磁気パルス圧縮回路部２０は、前記パルストランスＰＴの二次側巻線から得られるパルスを、より急峻に圧縮するためのもので、前記パルストランスＰＴの二次側巻線から得られる昇圧パルスによって充電されるキャパシタＣ２と、該キャパシタＣ２と直列に接続された磁気スイッチＬ２と、前記キャパシタＣ２と並列に接続された２段目のキャパシタＣ３と、該キャパシタＣ３と直列に接続された２段目の磁気スイッチＬ３と、前記磁気スイッチＬ２、Ｌ３における磁性体の磁束密度の変化分をできるだけ多くするために、予め飽和電流が流れる方向と逆方向に定電流を流して、各磁気スイッチＬ２、Ｌ３のコアを予めリセットするためのリセット回路（定電流源）２２、２４とで構成されている。
【０００５】
前記磁気アシストＬ１と磁気スイッチＬ２、Ｌ３は、構造、動作は同じであり、用途によって名称が異なる。即ち、全く同じ構造でスイッチ動作をしていても、それがメインのスイッチ動作であれば磁気スイッチと呼ばれ、メインではなく、パルスの立ち上がり時間を遅らせる等、他の半導体スイッチ等を動作させるのを助けるために用いる場合には、磁気アシストと呼ばれる。
【０００６】
なお、図１の磁気パルス圧縮回路部２０は、キャパシタＣ２、Ｃ３とリセット回路２２、２４を２段含んでいるが、これらの段数は２段に限定されず、１段又は、３段以上のこともある。
【０００７】
前記電極部３０は、前記最終段の磁気スイッチＬ３が飽和状態となったときに導通するスパークギャップ予備電離ピン３２と、該スパークギャップ予備電離ピン３２が導通したときに主放電用のエネルギが移行するピーキングキャパシタＣｐと、レーザを励起するための主放電電極３４とを含んで構成されている。
【０００８】
このパルス放電回路の動作は、次のとおりである。まず、充電電源１２によりチャージングキャパシタＣ１にエネルギを蓄える。このチャージングキャパシタＣ１に蓄えられたエネルギから、半導体スイッチＳＷのゲートＧに外部からトリガ信号を与えてオンとすることによって、パルスを発生させる。発生したパルスを、パルストランスＰＴの巻数比（通常は１：８〜１２程度）によって昇圧し、キャパシタＣ２へ移行させる。キャパシタＣ２にパルスが十分に移行すると磁気スイッチＬ２が飽和状態となり、キャパシタＣ２からＣ３へパルスが移行する。そして同様に、キャパシタＣ３へパルスが十分に移行すると、磁気スイッチＬ３が飽和状態となり、スパークギャップ予備電離ピン３２に急激な電圧がかかる。これにより、予備電離ピン３２が導通し、ピーキングキャパシタＣｐへのエネルギの移行が始まる。そして、ピーキングキャパシタＣｐへのエネルギの移行によって、その電圧が上昇すると、主放電電極３４間で主放電が起こり、レーザの発振に至る。
【０００９】
なお、磁気スイッチＬ２、Ｌ３は、磁性体の飽和現象を利用するため、印加される電圧と磁束密度の変化量等から設計される。ここで、リセット回路２２、２４を用いているのは、磁気スイッチＬ２、Ｌ３の磁性体を安定且つ有効に用いるためである。
【００１０】
即ち、充電電源１２の電圧Ｖｏは、パルストランスＰＴにより昇圧され、キャパシタＣに充電される電圧Ｖｃは、次式で表わされる。
【００１１】
Ｖｃ＝αＶｏ（１−ｃｏｓωｔ）　　　　…（１）
ω＝√（ＬＬ０＋Ｌｌｅａｋ＋Ｌｃ）Ｃ　　　…（２）
ここで、αは電圧昇圧比、ＬＬ０は磁気アシストの飽和インダクタンス、ＬｌｅａｋはパルストランスＰＴの漏れインダクタンス、Ｌｃは回路構成インダクタンスである。
【００１２】
又、パルストランスＰＴにより発生するパルスの幅Ｔｐは、次式で表わされる。
【００１３】
Ｔｐ＝π√（ＬＬ０＋Ｌｌｅａｋ＋Ｌｃ）Ｃ　　…（３）
【００１４】
すると、磁気スイッチは、次式により設計される。
【００１５】
ＶｃＴｐ＝ΔＢＬＮＬＳＬ　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）
ここで、ΔＢＬは磁気スイッチの有効磁化スイング、ＮＬは磁気スイッチの巻数、ＳＬは磁気スイッチのコアの断面積である。
【００１６】
以上の式から、（４）式においてＮＬＳＬを決定すると定数となるので、ＶｃとΔＢＬの関係式となる。しかしながら、有効磁化スイングとは、飽和に至るまでの磁束密度の変化を示すため、通常、それぞれの磁性材により、図２に示すようなＢ（磁束密度）−Ｈ（磁界）曲線が決まってしまい、リセット回路に流す電流により有効磁化スイングΔＢＬの値が決定する。図２において、パルス電源回路に流れた場合の磁束密度Ｂの変化を正とすると、リセット回路に電流を流した場合、負の方向にＢ−Ｈ曲線上での点（つまり磁気スイッチの状態を示す点）が移動する。
【００１７】
電流Ｉと磁界Ｈの関係は、巻数をＮとすると、単位長さ当たり、次式で示すことができる。
【００１８】
Ｈ＝ＮＩ　　　　　…（５）
【００１９】
又、Ｂ−Ｈ曲線における磁束密度Ｂが、正の飽和から負の飽和に至るまでの範囲については、その関係を、ほぼ比例関係とみることができる。よって、係数をβとおくと、次式で表わされる。
【００２０】
Ｈ＝βＢ　　　　　…（６）
【００２１】
この（６）式に（１）式、（４）式、（５）式を代入することで、次式が得られる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
この式より、充電電圧Ｖｏと電流Ｉの関係が分かるので、リセット回路に流す電流を決定することができる。
【００２４】
又、磁気スイッチＬ２、Ｌ３がオンするまでの時間は、レーザの繰り返し周波数を高めるために、できるだけ短くすることが望まれ、エネルギが移行するまでの保持時間により設計される。
【００２５】
従来、図１に示すような放電回路を用いてレーザの発振を行なっていたが、レーザの長時間発振時には、ガス成分の構成が放電により変化し、レーザの出力が低減するという問題があった。
【００２６】
そのため、従来は、放電空間のガスを入れ替え、常に同じガス成分とすることで、レーザ出力を一定に保つようにしていた。
【００２７】
図３に放電空間の一例を模式的に示す。レーザチャンバ４０内に予備電離ピン３２、主放電電極３４、熱交換器４２、循環用ファン４４等が入っており、常にチャンバ４０内のガスを循環させている。但し、図３は模式的な構成であり、実際には、ファン４４による風の吹き出す所を電極３４の近くに持ってくる等して、電極間の放電が起こる部分でのガス交換が十分に行なえるようにしている。又、放電によるエネルギが熱となってガスの温度を上昇させるため、熱交換器４２によりガス温度の上昇を抑えている。
【００２８】
しかしながら、レーザの繰り返し周波数の増加に伴い、ガスの入れ替えよりもレーザの発振速度が速くなってしまい、対応し切れなくなる場合がある。そこで、この場合には、ガスの入れ替えを行なうと同時に、充電電源１２の電圧Ｖｏを増加させ、放電を起こす電力を増加することで、レーザ出力の低減を補なっていた。
【００２９】
しかしながら、ガスの入れ替えのみであれば、エネルギ効率は一定であるが、充電電源１２の電圧を増加することは、エネルギの効率を非常に悪くする。
【００３０】
具体的には、充電電源１２の電圧を増加することで、放電のエネルギを増加させることになるので、パルス放電回路に流れる電流が大きくなる。従来の回路では、構成上、磁気スイッチによりキャパシタからキャパシタへのエネルギの移行を行なっている。そのため、磁気スイッチはリセット回路を用いることで、スイッチとしての動作をさせる磁界と磁束密度の関係（Ｂ−Ｈ曲線）を、作用させる（電流を流したい）側とは逆側にセットしておき、その差異を有効利用していた。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この効果は、磁気スイッチの磁性材及びコイルの巻数、それにリセット回路に流す電流が一定であるため、スイッチとしての作用、つまり磁気スイッチにおいて飽和せずに止めておけるエネルギが一定である。そのため、この場合のように充電電源の電圧を増加した場合には、キャパシタに十分にエネルギが蓄えられる前に磁気スイッチが飽和する現象が起き、早く移行してしまうため、エネルギ低減を補い切れない。あるいは、補えたとしても、元のエネルギ投入量が大きくなり、エネルギ効率が非常に悪くなるといった問題を生じていた。
【００３２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、長時間運転で生じるレーザの出力低減を効率良く防止してエネルギ効率を向上すると共に、レーザエネルギの変動を抑制して性能を向上することを課題とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性体の飽和現象を利用して、キャパシタ間でエネルギを移行するための磁気スイッチ又は磁気アシストと、該磁気スイッチ又は磁気アシストをリセットするためのリセット回路とを含むパルス放電回路において、前記リセット回路に可変電源を用いることにより、前記課題を解決したものである。
【００３４】
更に、前記可変電源を、パルス放電回路により励起されるレーザの出力に応じて、フィードバック制御するようにしたものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３６】
本実施形態で用いるリセット回路５０は、図４に示す如く、従来整流ダイオードを用いていたところに、可変整流ダイオード、ＩＧＢＴ、サイリスタ等の整流素子５６を用いて、磁気スイッチＬ２、Ｌ３等への出力電流を可変としたものである。図において、５２は電源、５４はトランス、５８はキャパシタ、６０はコイルである。
【００３７】
なお、トランス５４の前にインバータを用いて周波数制御を行なってもよい。
【００３８】
制御を行なう際のブロックを図５に示す。従来は、
（１）ＰＣ等のコントローラ７０より電圧指令が出力され、充電電源１２より指令値に合った電圧がレーザパルス放電回路８０に投入される。
【００３９】
（２）投入されたエネルギは、レーザパルス放電回路８０によりパルスに成形され、電極部３０に供給される。
【００４０】
（３）パルスエネルギが電極部３０に加わると、電極３４間で放電が発生し、レーザが発振される。
【００４１】
（４）発振されたレーザの一部は出力検出器９０に取込まれ、エネルギが割り出されてコントローラ７０に伝わる。
【００４２】
（５）コントローラ７０では、出力されたエネルギから充電電圧を修正し、充電電源１２に修正した指令値を送る。
【００４３】
これに対して、本発明によりリセット回路５０を可変として制御する場合は、（１）〜（４）までは同じで、（５）の部分で、コントローラ７０で修正した電圧指令値を充電電源１２に送るだけでなく、該修正した充電電圧値に応じた制御信号（電圧−電流変換した信号）を電流指令としてリセット回路５０に送り、リセット電流をフィードバック制御する。
【００４４】
なお、本発明は、特に炭酸ガスレーザ等の、パルス幅があまり短くなくてもよいガスレーザ用のレーザパルス放電回路に適しているが、本発明の適用対象はこれに限定されず、炭酸ガスレーザ以外のガスレーザや、レーザ以外の高電圧パルスを必要とする加速器、プラズマ電源、電気集塵機等にも同様に適用可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、リセット回路に用いる電源に可変電源を用いることで、リセット回路の作用に幅を持たせることができ、充電電圧の変動を、効率良く放電に用いるエネルギの変動とすることができ、エネルギ効率を向上することができる。
【００４６】
又、上記効果により、充電電源の電圧と放電に用いられるエネルギの関係を、ある程度一定に保つことができるので、レーザエネルギの変動を抑えて、性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザパルス放電回路の構成例を示す回路図
【図２】リセット回路の動作を説明するための磁界Ｈ−磁束密度Ｂ曲線の例を示す線図
【図３】従来の放電空間の構成例を模式的に示す断面図
【図４】本発明の実施形態で用いられているリセット回路の構成を示す回路図
【図５】前記リセット回路を制御するための全体構成を示すブロック図
【符号の説明】
１０…パルス発生回路部
１２…充電電源
ＳＷ…電力用半導体スイッチ
Ｌ１…磁気アシスト
Ｃ１…チャージングキャパシタ
ＰＴ…パルストランス
２０…磁気パルス圧縮回路部
Ｃ２、Ｃ３…キャパシタ
Ｌ２、Ｌ３…磁気スイッチ
２２、２４、５０…リセット回路
３０…電極部
Ｃｐ…ピーキングキャパシタ
３２…スパークギャップ予備電離ピン
３４…主放電電極
４０…レーザチャンバ
５２…電源
５４…トランス
５６…整流素子
８０…レーザパルス放電回路
９０…出力検出器
【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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