(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期充電された充放電用コンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電圧を発生するパルス発生回路と、
可飽和リアクトルを含むコア部品と、コンデンサとを組合わせて構成され、前記パルス電圧をパルス圧縮する波形成形回路と、
前記波形成形回路でパルス圧縮されたパルス電圧の供給を受けてレーザを発生させるパルスレーザ発生部と
を備えたパルスレーザ電源において、
前記波形成形回路は、
絶縁油が充填されるとともに、熱交換器が取り付けられた上蓋で塞がれた油タンクに収納され、
前記コア部品は前記油タンクの中央部に積層した状態で配置され、
前記コンデンサはコンデンサ取付板に取り付けられ、該コンデンサ取付板が前記コンデンサと前記コア部品とを遮蔽するように前記コア部品と前記コンデンサ取付板とが対向して配置され、
前記コア部品によって温められ上昇した絶縁油を前記熱交換器で冷却し、冷却され下降する絶縁油を前記コンデンサ取付板に対し前記コンデンサ側に対流させ、前記油タンク底部に達した絶縁油を前記コア部品に循環させることを特徴とするパルスレーザ電源。
【請求項２】
前記コア部品は、磁気アシスト可飽和リアクトル、パルストランス、パルス圧縮用可飽和リアクトルからなることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス発生回路と波形成形回路を組み合わせたパルスレーザ電源に関するものであり、特に冷媒による冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年エキシマレーザに代表されるパルスレーザ装置は、半導体製造用の露光装置や物体の表面加工等の光源に用いられ、産業上の需要が高まっている。このパルスレーザの励起を行うにはマイクロ秒以下の極短パルスの電圧をレーザ装置に印加して放電を行わなければならないが、このような極短パルス電圧を発生させるには、初期充電されたコンデンサから半導体スイッチをオンすることによって初期パルスを発生させ次段のコンデンサを充電し、さらに可飽和リアクトルの飽和特性を利用してパルス幅の圧縮を行う波形成形回路が用いられる。この種のパルスレーザ電源の回路を図２に示す。
【０００３】
図２において、パルス発生回路２を高電圧直流電源１に接続し、初段の充放電用コンデンサＣｏを初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオン制御で充放電用コンデンサＣｏから波形成形回路３にパルス電圧を伝送する。伝送されたパルスは磁気アシスト可飽和リアクトルＬｏを経由してパルストランスＰＴで所定の電圧まで昇圧され、コンデンサＣ１に電荷を供給する。なお、磁気アシスト可飽和リアクトルＬｏは、磁気飽和を利用し半導体スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減するために設けたものである。
【０００４】
パルス圧縮にはコンデンサと可飽和リアクトルとを組み合わせて複数段で用いることが多いが、その代表的な例として図２に示す２段の波形成形回路について説明する。
図２において、コンデンサをＣ１、Ｃ２、可飽和リアクトルをＬ１、Ｌ２としたとき、コンデンサＣ１に電荷が供給されると電圧が上昇して可飽和リアクトルＬ１が励磁され、所定の磁気容量、すなわち、電圧×時間（Ｖ×ｓｅｃ）に達すると可飽和リアクトルＬ１が磁気飽和してインダクタンス値が激減する。これによって、磁気スイッチが動作し次段のコンデンサＣ２に電荷が移動しパルス充電されることになる。以下、段数が多い場合でも同じ動作が繰り返されて行くが、後段のリアクトルほど飽和後のインダクタンスを小さく設計してあるので充電時間が短くなりパルス圧縮される。
【０００５】
最終段のコンデンサＣ２は、可飽和リアクトルＬ２が飽和されることによって極めて狭幅なパルス電圧をパルスレーザ発生部４に印加するので、パルスレーザ発生部４のレーザ電極間ギャップの電圧が急上昇し絶縁が破壊され、コンデンサＣ２に蓄積された電荷がレーザ触媒中に注入されてレーザが励起される。
なお、図２の波形成形回路３はパルストランスＰＴをコンデンサＣ１の入力側に並列に設けたが他のコンデンサＣ２と並列に設けても良い。より段数の多い波形成形回路３では任意のコンデンサと並列に設けても有効である。
【０００６】
この種の電源は、繰返し運転されると、主に波形成形回路３のコア部品１６、すなわち、磁気アシスト可飽和リアクトルＬｏ、パルストランスＰＴ、可飽和リアクトルＬ１、Ｌ２の温度が上昇するので、上記コア部品１６は絶縁油５を充填した油タンク６に収納されて冷却されている。
【０００７】
一方、コンデンサＣ１、Ｃ２の温度上昇は誘電体損失が小さいのでさほど高くなることはなく、波形成形回路３はパルス圧縮を目的とする回路構成であるため配線そのものも低インダクタンス化を図らねばならない。
従って、上記コンデンサＣ１、Ｃ２もコア部品１６と共に最短の配線ができるように同一の油タンク６に収納されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
さて、この種の電源は数百Ｈｚから数千Ｈｚの高繰返しでパルス運転し、しかもより高繰返し運転を行いたいとの顧客からの要求がある。しかしながら、この種の電源では、狭幅なパルス電圧を繰返し通過させるので波形成形回路のコア部品は渦流損（鉄損）が増大し、その巻線も表皮効果の影響で銅損が増大しコア部品の温度上昇が大きくなる。従って、冷却のために冷媒用の絶縁油で放熱したり、さらに油タンクの外表面に冷却フインを設けたり、熱交換器を用いる等して冷却していた。
【０００９】
一方、同じ油タンクに収容されているコンデンサは自身の誘電体損失による温度上昇は小さく、さほど問題にならないが、上記コア部品と近接して配置されているので、冷媒である絶縁油を介してコア部品に近い温度まで上昇する。従って、温度上昇によりコンデンサの容量が変化することになる。一般に、この種のコンデンサはパルス性能と小形化、および構造的に決まる低インダクタンス化を考慮してセラミックコンデンサが用いられているが、温度による容量変化が大きいという問題がある。
【００１０】
従って、上記容量変化はコンデンサＣ１、Ｃ２のパルス充電電圧を変化させたり、可飽和リアクトルＬ１、Ｌ２の飽和ポイントを狂わせ、パルスレーザ発生部に出力する波形や電圧、出力の時間的タイミングに変化をもたらし、不安定なレーザ発振を招くなどの問題があった。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、できる限りコンデンサがコア部品からの熱的な影響を受けにくい構造の波形成形回路を有するパルスレーザ電源を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、初期充電された充放電用コンデンサＣｏから半導体スイッチＳＷのオン制御でパルス電圧を発生するパルス発生回路２と、可飽和リアクトルを含むコア部品１６とコンデンサＣ１、Ｃ２とを組合わせて構成され、パルス電圧をパルス圧縮する波形成形回路３と、波形成形回路３でパルス圧縮されたパルス電圧の供給を受けてレーザを発生させるパルスレーザ発生部４とを備えたパルスレーザ電源において、波形成形回路３は、絶縁油５が充填されるとともに、熱交換器８が取り付けられた上蓋１１で塞がれた油タンク６に収納され、コア部品１６は油タンク６の中央部に積層した状態で配置され、コンデンサＣ１、Ｃ２はコンデンサ取付板１０に取り付けられ、該コンデンサ取付板１０がコンデンサＣ１、Ｃ２とコア部品１６とを遮蔽するようにコア部品１６とコンデンサ取付板１０とが対向して配置され、コア部品１６によって温められ上昇した絶縁油５を熱交換器８で冷却し、冷却され下降する絶縁油５をコンデンサ取付板１０に対しコンデンサ側に対流させ、油タンク６底部に達した絶縁油５をコア部品１６に循環させることを特徴とするパルスレーザ電源である。
【００１３】
また、コア部品１６は、磁気アシスト可飽和リアクトルＬｏ、パルストランスＰＴ、パルス圧縮用可飽和リアクトルＬ１、Ｌ２からなることを特徴とするパルスレーザ電源である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の比較例によるパルスレーザ電源の波形成形回路を示した組立断面図である。図３は実施例の組立断面図である。図２と同一回路素子については同一記号を付記したので、その説明は省略する。
【００１６】
【実施例】
〔比較例〕
図１において、磁気アシスト可飽和リアクトルＬｏ、パルストランスＰＴ、可飽和リアクトルＬ１、可飽和リアクトルＬ２からなるコア部品１６をそれぞれの部品間の耐圧を考慮した絶縁性のコア固定台７およびコア保持台９を用いて固定する。但し、コア部品１６はそれぞれに大きさや形状が異なるためにコア固定台７およびコア保持台９の形状もそれに合わせた形のものとなる。一方コンデンサＣ１、Ｃ２はコンデンサ取付板１０に両者間の耐電圧を考慮した絶縁距離を保持して取りつける。なお、固定方法さえ適切であれば両コンデンサはそれぞれ別個のコンデンサ取付板１０に分離しても差し支えない。
【００１７】
次に上記の部品を油タンク６に組み付けるが、その方法は油タンク６の中央部にコア部品１６を、その周辺にコンデンサＣ１、Ｃ２を取付けたコンデンサ取付板１０を固定する。なお、コンデンサＣ１、Ｃ２はコア部品１６側に向けて４面に分割して配置されている。各部品は図２に示す回路に従って電線を用いて配線され、上蓋１１がパッキン（図示せず）を用いて密閉するように締め付けられている。なお、上蓋１１の裏面には熱交換器８が取付けられている。
【００１８】
冷却方法は、上記熱交換器８の中に外部より水を注入し、上蓋１１に取り付けられている注入口（図示せず）より冷媒用の絶縁油５を油タンク６に注入している。なお、入力端子と出力端子がこの油タンクに設けられているがその説明は省略する。
【００１９】
次に動作について説明する。電気的な動作については図２に係る記載〔０００３〕〜〔０００５〕で説明したので省略し、ここでは熱の流れについて説明する。
油タンク６の中央部に配置されたコア部品１６が発熱すると、冷媒用の絶縁油５に放熱し、温められた絶縁油５は油タンク６の上部へ上昇し、やがて熱交換器８に到達し冷却される。冷却された絶縁油５は油タンク６の側面へ移動しコンデンサＣ１、Ｃ２を冷却しながら降下し、再びコア部品１６から熱を吸収して上昇して行く。すなわち、対流１２が生じる。従来、配線や形状的な面を重視して発熱体と他の部品を混在させた構造に比べて、このように発熱体を中央部に置き、対流１２の流れに沿った部品配置をすることは、コンデンサＣ１、Ｃ２の温度上昇を最小限に押さえることができる有効な手段である。図１では油タンク６の周辺にコンデンサを配置したが、下部にその一部を配置しても有効である。
【００２０】
〔実施例〕
図３は本発明のパルスレーザ電源における波形成形回路の実施例を示す組立断面図である。図１、図２と同一回路素子については同一記号を付記したのでその説明は省略する。図３の実施例は冷媒である絶縁油５の対流をより有効に活用しようとしたもので、実施例１との相違点はコンデンサＣ１をコンデンサ取付板１０に取付け、該取付板１０がコア部品側に位置し、油タンク６の側面に配置し（図４、図５の平面図参照。）、コンデンサＣ２は油タンク６の底面のコア部品１６の下側にコンデンサ固定台１５を用いて配置している。
【００２１】
その構造について説明する。コア部品支持台１３を油タンク６の中央部に固定し、その上に図１で示したコア部品１６を固定する。コンデンサ取付板１０は１つの例としてコア部品支持台１３に固定する。その取付方向はコンデンサＣ１を油タンク６の側面側に、コア部品１６側にコンデンサ取付板１０が来るようにする。一方、コンデンサ固定台１５に取付けられたコンデンサＣ２は油タンク６の底部にコア部品支持台１３の下部にもぐり込むように配置したコンデンサ保持台１４により固定される。コア部品支持台１３の側面及びコア固定台７は部分的に切り抜かれており、絶縁油５が自由に通過できるようになっている。一方、コンデンサ取付板１０は配線上の必要性などから部分的に電線を通過させるための孔を必要とするが孔の面積は小さく、コンデンサＣ１、Ｃ２側からコア部品１６側への絶縁油５の通過は容易でない。
【００２２】
次に絶縁油５の流れを説明する。コア部品１６によって温められた絶縁油５は上昇を続けて熱交換器８に達して冷却される。その後も温められた絶縁油５が上昇して来るので、冷却された絶縁油５は油タンク６の側面を降下しコンデンサＣ１を通過し油タンク６の底面に達し、さらにコンデンサＣ２を通過しコア部品１６の底部に達する。そして再びコア部品１６の熱を取りながら上昇を続ける。この流れを対流１２で示す。すなわち、この流れが有効に働くのはコンデンサ取付板１０が、コンデンサＣ１側とコア部品１６側とを遮蔽しているためであり、これにより、コア部品１６が冷却され、コア部品からの過熱された絶縁油５がそのままコンデンサＣ１、Ｃ２側に侵入するのを防ぐことができる。
【００２３】
図３ではコンデンサＣ１を油タンク６の側面に、コンデンサＣ２を底面に配置したが、特に区別して配置する必要はない。コンデンサ容量の関係からコンデンサＣ１の取付面にコンデンサＣ２が一緒に取付けられてもよいし、その逆でも差し支えない。また、この波形成形回路３は２段の例を示したが段数が多くなっても同様に有効である。上記実施例に示したとおりコア部品１６は油タンク６の中央部に、コンデンサをその周辺（底部含む）に配置すれば同様の効果が得られる。
【００２４】
次に、コア部品の周囲に配置されるコンデンサ取付板の取付け構造であるが、これはコア部品の外観形状により決めるのが有効である。コア部品が角状であれば２面体又は４面体とし、その４面体の例を図４に示す。また、コア部品が円筒状であれば円に近づけるのがよいが、構造上巧くいかないので一般的には４〜８面体配置とするのがよい。その８面体の例を図５に示す。
図４、図５は上蓋１１をはずして上面から見た平面図である。記号は図１と同一記号を付してあるのでその説明は省略する。
【００２５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明は絶縁油がスムーズに対流するように、コア部品を油タンクの中央部に配置しコンデンサをその周辺（底部含む）に配置することにより、コア部品の発熱の影響を他の部品に及ぼすことなく、その影響を最小限に留めることができる。
また、コンデンサ取付板をコア部品側に配置し、コンデンサを油タンク側に配置する構造にすることにより、冷却された冷媒、すなわち、絶縁油を対流によって底面まで誘導できることからコア部品の冷却に一層、効果がある。
そして、過熱された絶縁油が直接コンデンサに触れない構造であるので、コンデンサの温度上昇を最小限に留めることができるなどの利点をもつ。
この結果、コンデンサ容量の熱的変化が少なくなり、波形成形回路よりパルスレーザ発生部に出力する波形や電圧、出力の時間的なタイミングも狂うことがなく、安定したレーザ発振を行うことができる。
さらに、この種の電源は数ｋＶ〜数十ｋＶと電圧が高く、かつ、１秒間に数百回から数千回の放電をさせることから大容量のエネルギーを扱うことになる。従って高繰返し運転へと移行するに従って、コア部品の発熱が大きくなり周辺部品の温度対策が必要になるが、本発明によれば、冷媒の対流を利用して周辺部品の温度上昇を抑えることができ、パルスレーザ装置としての信頼性向上に大きく寄与するものであって、工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の比較例によるパルスレーザ電源の断面図である。
【図２】図２は、一般的なパルスレーザ電源の回路図である。
【図３】図３は、本発明の実施例によるパルスレーザ電源の断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施例によるパルスレーザ電源の平面図である。
【図５】図５は、本発明のパルスレーザ電源の平面図である。
【符号の説明】
１  高電圧直流電源
２  パルス発生回路
３  波形成形回路
４  パルスレーザ発生部
５  絶縁油
６  油タンク
７  コア固定台
８  熱交換器
９  コア保持台
１０  コンデンサ取付板
１１  上蓋
１２  対流
１３  コア部品支持台
１４  コンデンサ保持台
１５  コンデンサ固定台
１６  コア部品
Ｃｏ  充放電用コンデンサ
ＳＷ  半導体スイッチ
Ｌｏ  磁気アシスト可飽和リアクトル
ＰＴ  パルストランス
Ｃ１  コンデンサ
Ｃ２  コンデンサ
Ｌ１  可飽和リアクトル
Ｌ２  可飽和リアクトル
【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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