JP2002289951A - パルスレーザ電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 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、パルス電圧をパルス圧縮して
パルスレーザ発生部４に供給する波形成形回路３とを備
え、該波形成形回路３を油タンク６に収納して熱交換器
８で冷却する構造を有し、上記油タンク６の中央部に、
波形成形回路の可飽和リアクトルＬ_１、Ｌ_２を配置し、
その周囲に波形成形回路３のコンデンサＣ_１、Ｃ_２を、
油タンク６上部に熱交換器８を配置し、絶縁油５を充填
したことを特徴としている。

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Ｃ_１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Ｃ_１、
Ｃ_２、可飽和リアクトルをＬ_１、Ｌ_２としたとき、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Ｌ_１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
Ｃ_２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Ｃ_２は、可飽和リアク
トルＬ_２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Ｃ_２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
Ｃ_１の入力側に並列に設けたが他のコンデンサＣ_２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Ｌ_１、Ｌ_２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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ_１、Ｃ_２もコア部品１
６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Ｃ_１、
Ｃ_２のパルス充電電圧を変化させたり、可飽和リアクト
ルＬ_１、Ｌ_２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、パ
ルス電圧をパルス圧縮してパルスレーザ発生部４に供給
する波形成形回路３とを備え、該波形成形回路３を油タ
ンク６に収納し熱交換器８で冷却する構造を有し、上記
油タンク６の中央部に波形成形回路３の可飽和リアクト
ルＬ_１、Ｌ_２を配置し、その周囲に波形成形回路３のコ
ンデンサＣ_１、Ｃ_２を、油タンク６上部に熱交換器８を
配置し、絶縁油５を充填したことを特徴とするパルスレ
ーザ電源である。

【００１３】また、上記油タンク６の中央部に、波形成
形回路３の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Ｌ_１、Ｌ_２を配置した
ことを特徴とするパルスレーザ電源である。

【００１４】そして、上記コンデンサＣ_１、Ｃ_２を取付
けた複数のコンデンサ取付板１０が可飽和リアクトルＬ
_１、Ｌ_２側に位置す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は本発明の実施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
他の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】〔実施例１〕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Ｌ_１、可飽和リアクトルＬ_２からなるコア部品１
６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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ_１、Ｃ
_２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２〕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他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Ｃ_１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Ｃ_２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Ｃ_１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Ｃ_２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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ _１を通過し油タンク６の底
面に達し、さらにコンデンサＣ_２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Ｃ_１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Ｃ_１、Ｃ_２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Ｃ_１を油タンク６の側
面に、コンデンサＣ_２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Ｃ_１の取付面にコンデンサＣ_２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ｋ
Ｖ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、本発明の実施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、本発明の他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、本発明の他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 Ｃ_１ コンデンサ Ｃ_２ コンデンサ Ｌ_１ 可飽和リアクトル Ｌ_２ 可飽和リアクトル

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
   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、パルス電圧をパルス圧縮してパルスレー
   ザ発生部に供給する波形成形回路とを備え、該波形成形
   回路を油タンクに収納し熱交換器で冷却する構造を有
   し、上記油タンクの中央部に、波形成形回路の可飽和リ
   アクトルを配置し、その周囲に波形成形回路のコンデン
   サを、油タンク上部に熱交換器を配置し、絶縁油を充填
   したことを特徴とするパルスレーザ電源。
2. 【請求項２】 上記油タンクの中央部に波形成形回路の
   磁気アシスト可飽和リアクトル、パルストランス、可飽
   和リアクトルを配置したことを特徴とする請求項１記載
   のパルスレーザ電源。
3. 【請求項３】 上記コンデンサを取付けた複数のコンデ
   ンサ取付板が可飽和リアクトル側に位置することを特徴
   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。