JP2001274492A - パルスレーザ電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルスレーザ電源において極性反転回路を別
に設けることなく、キックバックエネルギーを消費す
る。 【解決手段】 初期充電された充放電用コンデンサＣｏ
からリアクトルＬｏを介して半導体スイッチＳＷのオン
制御でパルス電圧を発生するパルス発生回路１と、前記
パルス電圧を磁気圧縮してパルスレーザ発生部４に供給
する磁気圧縮回路３とを備え、パルスレーザ発生部４か
らのキックバックエネルギーにより上記充放電用コンデ
ンサＣｏが逆極性に充電されるパルスレーザ電源におい
て、上記充放電用コンデンサＣｏと高電圧直流電源２と
を抵抗Ｒｓで接続してなる閉回路によりキックバックエ
ネルギーを消費することを特徴とする。

Description

【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磁
気圧縮回路を組み合わせたパルスレーザ電源に関わり、
主にキックバックエネルギーの消費方法に関するもので
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て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、いわゆる磁気パル
ス圧縮回路が用いられる。この種のパルスレーザ電源の
従来例を図４に示す。

【０００３】図４において、パルス発生回路１は高電圧
直流電源２により高抵抗の充電抵抗Ｒｏを介して初段の
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からリ
アクトルＬｏを介してコンデンサＣ１に電荷を供給す
る。なお、リアクトルＬｏはスイッチＳＷのスイッチン
グ損失を軽減するために設けられた回路素子で磁気飽和
を利用する磁気アシスト手段として設けられることが多
い。

【０００４】磁気圧縮回路３はコンデンサＣ_１と可飽和
リアクトルＬ_１とを組み合わされて用いるもので、複数
段で用いることが多い。そのコンデンサをＣ_１〜Ｃ_ｎ、
可飽和リアクトルをＬ_１〜Ｌ_ｎ−１とする。また、より
高い電圧を必要とする場合にはコンデンサＣ_１〜Ｃ_ｎと
並列にパルス変圧器を接続し昇圧して使用することもあ
る。コンデンサＣ_１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Ｌ _１は励磁され、所定の電圧×時間
（Ｖ・Ｓｅｃ）に達すると可飽和リアクトルＬ _１が磁気
飽和してインダクタンス値が激減する。すなわち、磁気
スイッチ動作をすることにより次段のコンデンサＣ_２に
電荷が移動しパルス充電が行われる。以下同じ動作が繰
り返されて行き、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いるために充電時間が短くな
りパルス圧縮されることになる。このようにして最終段
のコンデンサＣ_ｎは極めて狭幅にパルス充電されること
により、パルスレーザ発生部４のレーザ極間ギャップの
電圧が上昇し絶縁が破壊されてコンデンサＣ_ｎ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。

【０００５】このようにして移動してきた電荷と実際に
レーザ光に注入されるエネルギーの変換効率は大変悪
く、コンデンサＣ_ｎとレーザ発生部４のレーザ極間ギャ
ップからなる閉回路の回路インピーダンスよりも、レー
ザ極間ギャップ固有の放電インピーダンスの方が小さく
て整合できないために、移動して来た電荷の多くは反射
エネルギーとしてコンデンサＣ_ｎを逆極性に充電する。
そしてこの反転した電荷の一部（これをキックバックエ
ネルギーと呼ぶ）はコンデンサＣ_ｎ、Ｃ_ｎ−１、可飽和
リアクトルＬ_ｎ−１の閉回路電流となりコンデンサＣ
_ｎ−１を充電する。同様な作用によりキックバックエネ
ルギーは前段へと移動して行き、最終的にはコンデンサ
Ｃ_１を逆極性に充電する。そして、その後コンデンサＣ
_１と並列に接続されたダイオードＤｒと放電抵抗Ｒｒの
直列回路で構成されるエネルギー消費回路５との閉回路
でエネルギーは放電抵抗Ｒｒに吸収され消費される。な
お、ダイオードＤｒは初期の電圧を保持する方向に接続
されている。

【０００６】このようにエネルギーを消費しないと、キ
ックバックエネルギーはさらに前段の充放電用コンデン
サＣｏを逆充電して、その後再度、逆方向のレーザ発生
部へと向かい不安定なレーザ発振を繰り返す。また、レ
ーザ極間電極の消耗に著しい影響を与え、かつ、回路構
成素子の寿命の低下を招くことになる。エネルギーの吸
収は長寿命化の達成、長期的な信頼性の向上のために有
効な手段である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図４に示すように、従
来の回路構成はキックバックエネルギーを消費するため
にエネルギー消費回路５を別に設けていた。したがって
価格も高価となり、大型で重量も大きなものとなってい
た。これはパルス発生回路１のみで問題解決を図ろうと
したためである。高電圧直流電源２と併せてシステム的
に構成すればエネルギー消費回路５を別に設ける必要は
ない。本発明は上記の背景を鑑みて、パルスレーザ電源
を低コスト化、小型・軽量化するために発明されたもの
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、初期充電され
た充放電用コンデンサＣｏからリアクトルＬｏを介して
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１と、パルス電圧を磁気圧縮してパルス
レーザ発生部４に供給する磁気圧縮回路３とを備え、パ
ルスレーザ発生部４からのキックバックエネルギーによ
り上記充放電用コンデンサＣｏが逆極性に充電されるパ
ルスレーザ電源において、上記充放電用コンデンサＣｏ
と高電圧直流電源２とを抵抗Ｒｓで接続してなる閉回路
によりキックバックエネルギーを消費させることを特徴
とするパルスレーザ電源である。また、高電圧直流電源
２が全波整流回路６を備え、該全波整流回路６と高周波
吸収用コンデンサＣｓとを並列接続し、かつ、上記抵抗
ＲｓがリアクトルＬｓと抵抗Ｒｓの直列または並列接続
回路を構成し、キックバックエネルギーを抵抗Ｒｓに吸
収させることを特徴とするパルスレーザ電源である。さ
らに、上記抵抗Ｒｓと充放電用コンデンサＣｏとをダイ
オードＤｓｓで接続したことを特徴とするパルスレーザ
電源である。

【０００９】

【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は本発明の実施例である。図４と同一
回路を構成する素子については同一記号を付記したので
その説明を省略する。

【００１０】図１において、一次側より供給された交流
電圧を所定の電圧まで昇圧するための変圧器Ｔｒの二次
側に全波整流回路６を構成する整流回路用ダイオードＤ
ｓを設け、かつ、上記全波整流回路６の直流出力側と並
列に高周波吸収用コンデンサＣｓを接続し、その直流出
力端子の一端に放電抵抗ＲｓとダイオードＤｓｓを直列
接続して構成される高電圧直流電源２をパルス発生回路
１と並列に接続する。

【００１１】ダイオードＤｓｓは高周波吸収用コンデン
サＣｓと放電抵抗Ｒｓを介して充放電用コンデンサＣｏ
間でミスマッチング、すなわち共振により生じる逆電流
を阻止するためのものである。

【００１２】なお、マッチングができ、非共振条件を満
たすような場合には、ダイオードＤｓｓは必ずしも必要
でない。

【００１３】次に動作について説明する。図４において
説明したキックバックエネルギーは充放電用コンデンサ
Ｃｏを逆極性に充電する。その後充放電用コンデンサＣ
ｏに蓄えられた電荷は、高電圧直流電源２のダイオード
Ｄｓを介して放電抵抗Ｒｓ、ダイオードＤｓｓとで構成
される閉回路によって吸収され消費される。したがっ
て、整流回路用ダイオードＤｓは充放電用コンデンサＣ
ｏを充電するための直流整流機能とキックバックエネル
ギーを通過させるための機能との両方の役割を果たすこ
とになる。

【００１４】放電抵抗Ｒｓは高周波吸収用コンデンサＣ
ｓと充放電用コンデンサＣｏとの共振を抑制し、かつ、
充放電用コンデンサＣｏと整流回路用ダイオードＤｓと
を接続してなる閉回路に存在するインダクタンスで決ま
る非共振条件を満たす値に設定することが好ましい。

【００１５】一方、放電抵抗Ｒｓは充放電用コンデンサ
Ｃｏを充電する充電電流を流すことによって生じるエネ
ルギーとキックバックエネルギーの両者を吸収するもの
であり、比較的大きな熱容量の抵抗が必要である。図２
に示す他の実施例は上記の欠点を改善したものである。
図４と同一回路を構成する素子については同一記号を付
記したのでその説明を省略する。図１との相違点は放電
抵抗Ｒｓと並列にリアクトルＬｓを接続することであ
る。充放電用コンデンサＣｏを充電する場合には、リア
クトルＬｓを介して充電電流を流し、キックバックエネ
ルギーは放電抵抗Ｒｓで吸収させる。充電時は高電圧直
流電源２により直流でゆっくりとリアクトルＬｓを介し
て充放電用コンデンサＣｏを充電する。この場合の放電
抵抗ＲｓはリアクトルＬｓのインピーダンスより充分大
きく設定する。一方、キックバックエネルギーの消費時
は、充放電用コンデンサＣｏとリアクトルＬｓの共振周
波数により決まるリアクトルＬｓのインピーダンスに比
較して放電抵抗Ｒｓが充分小さくなる条件に設定するこ
とによりキックバックエネルギーの電流が抵抗Ｒｓを流
れ、吸収される。この方法によれば充電時のエネルギー
を抵抗Ｒｓが吸収することはないので、キックバックエ
ネルギーのみの熱容量を考えればよい。したがって小さ
な熱容量の抵抗で十分である。

【００１６】しかし、繰返し頻度との関係からこの方式
はすべての場合について条件を満たすことは難しく、他
の方式が必要となる。この場合の実施例を図３に示す。
図３（ａ）はリアクトルＬｓに抵抗Ｒｓを直列に接続
し、かつ、該抵抗Ｒｓと並列に半導体スイッチＳＷｓを
接続する。充放電用コンデンサＣｏの充電時は半導体ス
イッチＳＷｓをオンし、キックバックエネルギー消費時
はオフするように制御することによって上記の図２と同
様の効果を得ることができる。

【００１７】また、図３（ｂ）はリアクトルＬｓと抵抗
Ｒｓの並列回路に片方しか導通しないような半導体スイ
ッチＳＷｓを設けたものである。充放電用コンデンサＣ
ｏの充電時は半導体スイッチＳＷｓをリアクトルＬｓ側
にオンし、キックバックエネルギー消費時は放電抵抗Ｒ
ｓ側にオンするように制御することによって上記図２と
同様の効果を得ることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上の通り本発明は、別にエネルギー消
費回路５を設けることなく、高電圧直流電源２の一機能
である整流回路用ダイオードＤｓを利用することによっ
て充放電用コンデンサＣｏに充電された逆極性のキック
バックエネルギーを消費させることができる。この電源
は数ｋＶ〜数十ｋＶと電圧が高く、かつ、１秒間に数千
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。従ってキックバックエネルギーも必然的に高
電圧、大エネルギーとなることから、別にエネルギー消
費回路５を設けるとすれば、大容量で電圧が高いために
単品で耐えるダイオードＤｒの素子がなく、通常は多く
の高圧素子を直並列に使用するためにコスト高なものと
なる。本発明は従来の欠点をなくしたものであって、そ
の工業的価値は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパルスレーザ電源の一実施例を示
す回路図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す回路図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す回路の部分回路図で
ある。

【図４】従来のパルスレーザ電源の回路図である。

【符号の説明】

１ パルス発生回路 ２ 高電圧直流電源 ３ 磁気圧縮回路 ４ パルスレーザ発生部 ５ エネルギー消費回路 ６ 全波整流回路 Ｔｒ 変圧器 Ｄｓ 整流回路用ダイオード Ｃｓ 高周波吸収用コンデンサ Ｄｓｓ ダイオード ＳＷ 半導体スイッチ ＳＷｓ 半導体スイッチ Ｒｓ 抵抗 Ｒｒ 抵抗 Ｌｒ リアクトル Ｄｒ ダイオード Ｃｏ 充放電用コンデンサ Ｃ_１〜Ｃ_ｎ コンデンサ Ｌｏ リアクトル Ｌ_１〜Ｌ_ｎ−１ 可飽和リアクトル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F071 AA06 GG05 JJ03 5H006 CA07 CB01 CC08 5H790 BA02 BB03 CC04 EA01 EA03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 初期充電された充放電用コンデンサから
   リアクトルを介して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、パルス電圧を磁気圧
   縮してパルスレーザ発生部に供給する磁気圧縮回路とを
   備え、パルスレーザ発生部からのキックバックエネルギ
   ーにより上記充放電用コンデンサが逆極性に充電される
   パルスレーザ電源において、 上記充放電用コンデンサと高電圧直流電源とを抵抗で接
   続してなる閉回路によりキックバックエネルギーを消費
   させることを特徴とするパルスレーザ電源。
2. 【請求項２】 請求項１記載の高電圧直流電源が全波整
   流回路を備え、該全波整流回路と高周波吸収用コンデン
   サとを並列接続し、かつ、上記抵抗がリアクトルと抵抗
   の直列または並列接続回路を構成し、キックバックエネ
   ルギーを抵抗に吸収させることを特徴とするパルスレー
   ザ電源。
3. 【請求項３】 上記抵抗と充放電用コンデンサとをダイ
   オードで接続したことを特徴とする請求項１または請求
   項２記載のパルスレーザ電源。