JP2007043760A - Vacuum equipment - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To limit the temperature rise, while reducing the capacity of a reverse-voltage power supply by suppressing power loss accompanying turning off of a semiconductor switch element for applying a reverse voltage to a vacuum load. <P>SOLUTION: In the vacuum equipment where an output voltage, having a polarity reverse to that of a DC power supply 1, is applied from a reverse voltage power supply 4 to a vacuum load 3, when a semiconductor switch element 5 is turned on, a diode 8 and a capacitor 7 connected in series are astride, in parallel with the semiconductor switch element 5; one end of the primary winding of a pulse transformer 10 is connected between the diode 8 and the capacitor 7, while the other end thereof is connected between the semiconductor switch element 5 and the reverse voltage power supply 4, the secondary winding of the pulse transformer 10 is connected between the output terminals of the DC power supply 1 via a diode 12; and the energy of the capacitor 7 stored, when the semiconductor switch element 5 is turned off is fed back to the DC power supply 1 via the pulse transformer 10, when the semiconductor switch element 5 is turned on. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、真空中で発生させたプラズマを利用するスパッタ装置、エッチング装置、PVD装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷における異常放電の発生を防止又は抑制する異常放電防止装置を備える真空装置に関する。   The present invention relates to a vacuum apparatus including an abnormal discharge prevention device that prevents or suppresses the occurrence of abnormal discharge in a vacuum load, such as a sputtering apparatus, an etching apparatus, a PVD apparatus, and an electron beam vapor deposition apparatus that use plasma generated in a vacuum. .

真空中でプラズマを発生させ、そのプラズマを利用して加工又は処理するスパッタ装置、エッチング装置、PVD装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷は以前から広い分野で使用されている。そして、このような真空負荷にあっては、何らかの原因で電極間のインピーダンスが低下したり、あるいは導電性の異物で電極間が短絡されることによって、異常放電が発生することが既に知られている。このような異常放電が発生すると、特にスパッタ装置ではスパッタリング中の液晶などの基板材料に欠陥を与え、製品の歩留まりの低下を招くという問題があり、また、電子ビーム蒸着装置では放電エネルギーによってフィラメントが断線してしまうなどの問題がある。このような問題を解決するため、異常放電を防止、又は抑制する異常放電防止回路がすでに種々提案されており、例えば比較的回路構成が簡単で、効果的な異常放電防止回路として、真空負荷に並列接続した半導体スイッチ素子を定期的に又は異常放電が発生したときに短時間オンさせることによって、逆極性のパルス状電圧を真空負荷に印加して異常放電を発生させない、あるいは発生した異常放電を速やかに消滅させる技術も提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。   Vacuum loads such as a sputtering apparatus, an etching apparatus, a PVD apparatus, and an electron beam evaporation apparatus that generate plasma in a vacuum and process or process using the plasma have been used in a wide range of fields. In such a vacuum load, it is already known that an abnormal discharge occurs when the impedance between the electrodes decreases for some reason or the electrodes are short-circuited by a conductive foreign matter. Yes. When such abnormal discharge occurs, there is a problem that a substrate material such as liquid crystal during sputtering is caused particularly in a sputtering apparatus, resulting in a decrease in product yield. In an electron beam evaporation apparatus, a filament is formed by discharge energy. There are problems such as disconnection. In order to solve such a problem, various abnormal discharge prevention circuits that prevent or suppress abnormal discharge have already been proposed. For example, a circuit configuration is relatively simple, and an effective abnormal discharge prevention circuit is applied to a vacuum load. By turning on the semiconductor switch elements connected in parallel periodically or when an abnormal discharge occurs, a pulse voltage of reverse polarity is applied to the vacuum load to prevent the abnormal discharge from occurring or Techniques for quickly extinguishing have also been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

このように定期的に又は異常放電が発生したときに半導体スイッチ素子を短時間オンさせる回路構成の場合には、特に半導体スイッチ素子をオフさせるときに、それまで半導体スイッチ素子に流れていた電流を急激に遮断すると、半導体スイッチ素子にかなり高い電圧が印加され、半導体スイッチ素子の電力損失が大幅に増大することが知られており、これを防止するための回路も既に提案されている(例えば、特許文献4参照)。特許文献4では、図5に示すように、直流電源1とインダクタ2、真空負荷3それぞれに並列接続され、かつ逆電圧電源4と直列接続されている半導体スイッチ素子5に、並列にコンデンサCとダイオードDとを接続すると共に、更に並列に放電用抵抗器Rを接続し、半導体スイッチ素子5のターンオフ時に発生する回路の配線インダクタンスなどによるサージエネルギーをコンデンサCにバイパスさせて、半導体スイッチ素子5の両端の電圧が急激に上昇するのを防いでいる。そして、半導体スイッチ素子5のターンオフ時にコンデンサCに充電された電荷は、次に半導体スイッチ素子5がオンするときに放電用抵抗器Rを通して放電され、コンデンサCに充電された電荷は放電用抵抗器Rですべて消費され、熱となる。なお、半導体スイッチ素子5は、制御回路6によってオン駆動され、真空負荷3に逆電圧電源4の逆電圧を印加する。   Thus, in the case of a circuit configuration in which the semiconductor switch element is turned on for a short time periodically or when an abnormal discharge occurs, particularly when the semiconductor switch element is turned off, the current that has been flowing through the semiconductor switch element until then is reduced. It is known that if the semiconductor switch element is suddenly interrupted, a considerably high voltage is applied to the semiconductor switch element, and the power loss of the semiconductor switch element is greatly increased, and a circuit for preventing this is already proposed (for example, (See Patent Document 4). In Patent Document 4, as shown in FIG. 5, a capacitor C is connected in parallel to a semiconductor switch element 5 that is connected in parallel to each of a DC power source 1, an inductor 2, and a vacuum load 3 and is connected in series to a reverse voltage power source 4. In addition to connecting to the diode D, a discharging resistor R is connected in parallel, and surge energy caused by wiring inductance of the circuit generated when the semiconductor switch element 5 is turned off is bypassed to the capacitor C. The voltage at both ends is prevented from rising rapidly. Then, the charge charged in the capacitor C when the semiconductor switch element 5 is turned off is discharged through the discharging resistor R when the semiconductor switch element 5 is turned on next time, and the charge charged in the capacitor C is discharged into the discharge resistor. All of it is consumed by R and becomes heat. The semiconductor switch element 5 is turned on by the control circuit 6 and applies the reverse voltage of the reverse voltage power supply 4 to the vacuum load 3.

従来例として図5の真空装置について更に説明すると、異常放電を発生させないために、制御回路6は、半導体スイッチ素子5を例えば10kHzの繰り返し周波数で周期的に一定の時間幅でオンさせる。半導体スイッチ素子5が周期的にオンすることによって、逆電圧電源4から半導体スイッチ素子5を通して真空負荷3に正極性のパルス電圧が加わり、異常放電の原因となるターゲット上の負の帯電電荷を中和している。一般的に、逆電圧電源4の電圧は直流電源1の出力電圧の20%程度の大きさに設定され、例えば、直流電源1の出力電圧が−500Vの場合、逆電圧電源4の出力電圧Vrは100V程度である。したがって、半導体スイッチ素子5が駆動される繰り返し周波数fを10kHz、コンデンサCの静電容量cを0.1μFとし、半導体スイッチ素子5のターンオフ時に発生する電圧上昇分を100Vとすると、コンデンサの電圧Vは700V程度になる。つまり、半導体スイッチ素子5に印加される電圧を高々この程度の電圧に抑制することができるが、このように仮定した場合の損失電力PLは、PL=0.5×c×V×f=0.5×0.1×10−6×700×10×10から245Wとなる。この電力損失による発熱は、ファンなどによる空冷で処理することができるが、環境問題の面から好ましくなく、真空装置内の温度を上昇させる原因にもなるので、最小限に抑制することが望まれる。 The vacuum apparatus of FIG. 5 will be further described as a conventional example. In order to prevent abnormal discharge from occurring, the control circuit 6 periodically turns on the semiconductor switch element 5 at a repetition frequency of 10 kHz, for example, with a constant time width. When the semiconductor switch element 5 is periodically turned on, a positive pulse voltage is applied to the vacuum load 3 from the reverse voltage power source 4 through the semiconductor switch element 5, and the negatively charged electric charge on the target causing abnormal discharge is moderated. It is summed up. Generally, the voltage of the reverse voltage power supply 4 is set to a magnitude of about 20% of the output voltage of the DC power supply 1. For example, when the output voltage of the DC power supply 1 is −500 V, the output voltage Vr of the reverse voltage power supply 4. Is about 100V. Therefore, assuming that the repetition frequency f at which the semiconductor switch element 5 is driven is 10 kHz, the capacitance c of the capacitor C is 0.1 μF, and the voltage increase generated when the semiconductor switch element 5 is turned off is 100 V, the voltage V of the capacitor Becomes about 700V. That is, although the voltage applied to the semiconductor switch element 5 can be suppressed to this level at most, the loss power PL under this assumption is PL = 0.5 × c × V 2 × f = 0.5 × 0.1 × 10 −6 × 700 2 × 10 × 10 3 to 245W. The heat generated by this power loss can be processed by air cooling with a fan or the like, but it is not preferable from the viewpoint of environmental problems, and it also causes the temperature in the vacuum device to rise, so it is desirable to suppress it to the minimum. .

従来の真空装置についてもう少し詳しく述べると、定常の運転では、直流電源1からインダクタ2を通して真空負荷3にプラズマ電流Ipが継続的に流れている。半導体スイッチ素子5がオンすると、インダクタ2を流れていた電流は逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5との経路側に転流し、同時に真空負荷3に逆電圧を印加する。このとき、逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5との経路を流れる電流は、直前までインダクタ2を流れていた電流値を初期値として、ΔIだけ増加する。電流ΔIは、E・T/Lとなる。ここで、Eは直流電源1の出力電圧Vと逆電圧電源4の出力電圧Vrとの和の電圧であり、Tは半導体スイッチ素子5のオン時間である。ただし、インダクタ2のインダクタンスLが十分に大きければ、電流ΔIを無視できるから、半導体スイッチ素子5を流れる電流はプラズマ電流Ipに近似することができる。   The conventional vacuum apparatus will be described in more detail. In steady operation, a plasma current Ip continuously flows from the DC power source 1 through the inductor 2 to the vacuum load 3. When the semiconductor switch element 5 is turned on, the current flowing through the inductor 2 is commutated to the path side between the reverse voltage power supply 4 and the semiconductor switch element 5, and at the same time, a reverse voltage is applied to the vacuum load 3. At this time, the current flowing through the path between the reverse voltage power supply 4 and the semiconductor switch element 5 increases by ΔI, with the current value flowing through the inductor 2 until just before being the initial value. The current ΔI is E · T / L. Here, E is the sum of the output voltage V of the DC power supply 1 and the output voltage Vr of the reverse voltage power supply 4, and T is the ON time of the semiconductor switch element 5. However, since the current ΔI can be ignored if the inductance L of the inductor 2 is sufficiently large, the current flowing through the semiconductor switch element 5 can be approximated to the plasma current Ip.

継続的な繰り返しパルスの場合、その繰り返しパルスのパルスデューティをDuとすると、逆電圧電源4が供給する電流Irは、Ir×Duとなる。この電流Irは高いデューティパルスや大容量の真空装置では無視できない電流となり、逆電圧電源4の容量は大きくなる。例えば、直流電源1が50kW(−500V、100A)の出力容量を有し、繰り返し周波数10kHzで、20μmのパルス幅の逆電圧パルスを印加している状態でプラズマ電流を発生したとき、逆電圧電源4の出力電流Irは、Ip×Du=100×0.2から20Aとなり、逆電圧電源4の出力容量Prは、Vr×Ir=100×20から2000Wとなり、非常に大きな電力となる。したがって、真空負荷3が大容量になるほど、逆電圧電源4の容量は増大する。これに伴い、半導体スイッチ素子5のオフ時に発生する電力損失も増大することが分かる。
特開平07−197258号公報 特開平08−311647号公報 特開2005−151612公報 特開2004−007885公報
In the case of a continuous repetitive pulse, if the pulse duty of the repetitive pulse is Du, the current Ir supplied by the reverse voltage power supply 4 is Ir × Du. This current Ir becomes a current that cannot be ignored by a high duty pulse or a large-capacity vacuum apparatus, and the capacity of the reverse voltage power supply 4 increases. For example, when the DC power source 1 has an output capacity of 50 kW (−500 V, 100 A), a plasma current is generated in a state where a reverse voltage pulse having a pulse width of 20 μm is applied at a repetition frequency of 10 kHz, the reverse voltage power source The output current Ir of 4 is from Ip × Du = 100 × 0.2 to 20 A, and the output capacity Pr of the reverse voltage power supply 4 is from Vr × Ir = 100 × 20 to 2000 W, which is very large power. Therefore, the capacity of the reverse voltage power source 4 increases as the vacuum load 3 increases in capacity. Accordingly, it can be seen that the power loss generated when the semiconductor switch element 5 is turned off also increases.
Japanese Patent Laid-Open No. 07-197258 Japanese Patent Laid-Open No. 08-311647 JP 2005-151612 A JP 2004007885 A

以上述べたように、前記特許文献4に開示された異常放電発生防止機能を備える真空装置にあっては、異常放電の発生を防止するために、又は発生した異常放電を速やかに消滅させるために、半導体スイッチ素子5を定期的に又は異常放電の発生時に逆電圧電源4から真空負荷3に逆電圧を印加したり、あるいは異常放電の予知時にオンさせて、逆電圧電源4から真空負荷3に逆電圧を印加しているが、その場合には半導体スイッチ素子5のオフ時に大きな電圧が半導体スイッチ素子5に加わってしまうので、これを軽減するために半導体スイッチ素子5のオフ時に発生するサージエネルギーを一旦コンデンサCに吸収して蓄え、次に半導体スイッチ素子5がオンするときに放電用抵抗器Rに放電している。しかしこの場合には、コンデンサCに一旦蓄えられた逆電圧電源4からのエネルギーは、前述したように放電用抵抗器Rで消費され、すべて電力損失となる。   As described above, in the vacuum apparatus provided with the abnormal discharge occurrence prevention function disclosed in Patent Document 4, in order to prevent the occurrence of abnormal discharge or to quickly extinguish the generated abnormal discharge. The reverse voltage source 4 applies the reverse voltage to the vacuum load 3 from the reverse voltage power source 4 or when the abnormal voltage discharge occurs, or turns on the semiconductor switch element 5 from the reverse voltage power source 4 to the vacuum load 3 when the abnormal discharge is predicted. In this case, a large voltage is applied to the semiconductor switch element 5 when the semiconductor switch element 5 is turned off. In order to reduce this, surge energy generated when the semiconductor switch element 5 is turned off is applied. Is once absorbed and stored in the capacitor C, and then discharged to the discharging resistor R when the semiconductor switch element 5 is turned on. However, in this case, the energy from the reverse voltage power supply 4 once stored in the capacitor C is consumed by the discharging resistor R as described above, and all of it becomes a power loss.

本発明はかかる従来の真空装置の課題を解決するために、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源からのエネルギーをコンデンサに一旦蓄え、その次に半導体スイッチ素子がオンするときに逆電圧電源と直流電源との双方又はいずれか一方に前記コンデンサに蓄えたエネルギーを帰還することによって、電力損失を抑制し、温度上昇を制限すると共に、逆電圧電源の小容量化などを実現することを主な課題としている。   In order to solve the problems of the conventional vacuum apparatus, the present invention temporarily stores energy from a reverse voltage power supply in a capacitor when the semiconductor switch element is turned off, and then turns on the reverse voltage power supply and the direct current when the semiconductor switch element is turned on. The main problem is to control the power loss, limit the temperature rise and reduce the capacity of the reverse voltage power supply by feeding back the energy stored in the capacitor to both or one of the power supplies. It is said.

前述のような問題を解決するため、発明1は、直流電源と、その直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、互いに直列接続されている第1のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、パルストランスの1次巻線の一端を、前記第1のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、前記直流電源の出力端子間に第2のダイオードを介して前記パルストランスの2次巻線を接続し、前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。   In order to solve the problems as described above, the invention 1 is directed to a DC power supply, an inductor connected in series between the output terminal of the DC power supply and a vacuum load, and a parallel connection across the vacuum load. A semiconductor switch element connected in series with each other and a reverse voltage power supply; and a control circuit for driving the semiconductor switch element to turn on and off; and when the semiconductor switch element is turned on, In a vacuum device that applies a voltage having a reverse polarity to the output voltage from the reverse voltage power supply to the vacuum load, a first diode and a capacitor connected in series with each other are connected in parallel across the semiconductor switch element, One end of the primary winding of the pulse transformer is connected between the first diode and the capacitor, and the other end is connected to the semiconductor switch element. Connected to a reverse voltage power supply, connected to the secondary winding of the pulse transformer via a second diode between the output terminals of the DC power supply, and charged to the capacitor when the semiconductor switch element was turned off A vacuum apparatus is provided in which the charged electric charge is fed back to the DC power source via the pulse transformer when the semiconductor switch element is turned on.

前述のような問題を解決するため、発明2は、直流電源と、その直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、互いに直列接続されている第1のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、パルストランスの1次巻線の一端を、前記第1のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、前記逆電圧電源の出力端子間に第3のダイオードを介して前記パルストランスの2次巻線を接続し、前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。   In order to solve the above-described problems, the second aspect of the present invention includes a DC power supply, an inductor connected in series between the output terminal of the DC power supply and the vacuum load, and a parallel connection across the vacuum load. A semiconductor switch element connected in series with each other and a reverse voltage power supply; and a control circuit that drives the semiconductor switch element to turn on and off; and when the semiconductor switch element is turned on, In a vacuum device that applies a voltage having a reverse polarity to the output voltage from the reverse voltage power supply to the vacuum load, a first diode and a capacitor connected in series with each other are connected in parallel across the semiconductor switch element, One end of the primary winding of the pulse transformer is connected between the first diode and the capacitor, and the other end is connected to the semiconductor switch element. A secondary winding of the pulse transformer is connected via a third diode between the output terminals of the reverse voltage power supply and connected to the capacitor when the semiconductor switch element is turned off. Provided is a vacuum device characterized in that the charged electric charge is fed back to the reverse voltage power source via the pulse transformer when the semiconductor switch element is turned on.

前述のような問題を解決するため、発明3は、直流電源と、その直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、互いに直列接続されている第1のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、パルストランスの1次巻線の一端を、前記第1のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、前記直流電源の出力端子間に第2のダイオードを介して前記パルストランスの第1の2次巻線を接続し、前記逆電圧電源の出力端子間に第3のダイオードを介して前記パルストランスの第2の2次巻線を接続し、前記第2の2次巻線と前記第1の2次巻線との巻数比を、前記逆電圧電源の出力電圧と前記直流電源の出力電圧との比率よりも大きくし、前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源及び前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。   In order to solve the above-described problems, the invention 3 is directed to a DC power supply, an inductor connected in series between the output terminal of the DC power supply and a vacuum load, and a parallel connection across the vacuum load. A semiconductor switch element connected in series with each other and a reverse voltage power supply; and a control circuit for driving the semiconductor switch element to turn on and off; and when the semiconductor switch element is turned on, In a vacuum device that applies a voltage having a reverse polarity to the output voltage from the reverse voltage power supply to the vacuum load, a first diode and a capacitor connected in series with each other are connected in parallel across the semiconductor switch element, One end of the primary winding of the pulse transformer is connected between the first diode and the capacitor, and the other end is connected to the semiconductor switch element. The first secondary winding of the pulse transformer is connected via a second diode between the output terminals of the DC power supply, and the first secondary winding of the pulse transformer is connected between the output terminals of the reverse voltage power supply. A second secondary winding of the pulse transformer is connected via a diode 3, and the turn ratio between the second secondary winding and the first secondary winding is determined by the output of the reverse voltage power source. And the charge charged in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off via the pulse transformer when the semiconductor switch element is turned on. Provided is a vacuum apparatus which is fed back to a reverse voltage power source and the DC power source.

発明4は、前記第1の発明ないし前記第3の発明のいずれかにおいて、前記パルストランスの前記1次巻線の前記他端と前記逆電圧電源の正極の出力端子との間には、一方の極性の第4のダイオードと他方の極性の第5のダイオードの双方、又はいずれかが接続されていることを特徴とする真空装置を提供する。   A fourth aspect of the present invention provides the method according to any one of the first to third aspects, wherein the one end between the other end of the primary winding of the pulse transformer and the positive output terminal of the reverse voltage power source is one side. And / or a fifth diode having the other polarity and a fifth diode having the other polarity are connected.

発明5は、前記第1の発明ないし前記第4の発明のいずれかにおいて、前記コンデンサのキャパシタンスは、前記パルストランスの1次巻線が呈するインダクタンスと共振を生じ、その共振の1周期の1/4が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅よりも短くなるように、前記キャパシタンスと前記インダクタンスとが選定されていることを特徴とする真空装置を提供する。   A fifth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the capacitance of the capacitor resonates with an inductance exhibited by a primary winding of the pulse transformer, and 1 / of one cycle of the resonance. The vacuum device is characterized in that the capacitance and the inductance are selected such that 4 is shorter than the on-time width of the semiconductor switch element.

発明6は、前記第1の発明ないし前記第5の発明のいずれかにおいて、前記パルストランスは、前記半導体スイッチ素子がオンするときに1次巻線を流れる電流により励磁されて磁気エネルギーを蓄積し、前記半導体スイッチ素子がターンオフするときに前記磁気エネルギーを放出するフライバック型のパルストランスであることを特徴とする真空装置を提供する。   A sixth aspect of the present invention provides the method according to any one of the first to fifth aspects, wherein the pulse transformer is excited by a current flowing through a primary winding when the semiconductor switch element is turned on to store magnetic energy. A vacuum apparatus is provided that is a flyback type pulse transformer that emits the magnetic energy when the semiconductor switch element is turned off.

前記第1の発明によれば、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源からのエネルギーをコンデンサに一旦蓄え、そのエネルギーを直流電源に帰還しているので、電力損失を低減することができ、電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制などを達成することができる。   According to the first aspect of the present invention, the energy from the reverse voltage power source is temporarily stored in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off, and the energy is fed back to the DC power source, so that the power loss can be reduced and the power efficiency can be reduced. Improvement of the environment, improvement of the environment, suppression of the temperature rise of the vacuum apparatus, etc. can be achieved.

前記第2の発明によれば、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源からのエネルギーをコンデンサに一旦蓄え、そのエネルギーを逆電圧電源に帰還しているので、電力損失を低減することができ、電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制、及び逆電圧電源の小容量化、小型化などを達成することができる。   According to the second aspect of the present invention, the energy from the reverse voltage power supply is temporarily stored in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off, and the energy is fed back to the reverse voltage power supply. Improvement of efficiency, improvement of environment, suppression of temperature rise of the vacuum device, reduction in capacity and size of the reverse voltage power supply, and the like can be achieved.

前記第3の発明によれば、前記第1の発明と前記第2の発明で得られる効果の他に、前記エネルギーの帰還に伴う逆電圧電源の電圧の上昇を抑制することができる。   According to the third aspect, in addition to the effects obtained in the first aspect and the second aspect, an increase in the voltage of the reverse voltage power supply accompanying the feedback of energy can be suppressed.

前記第4の発明によれば、前記第1の発明ないし前記第3の発明のいずれかで得られる効果の他に、前記第4のダイオードを備えることにより、逆電圧電源からパルストランスの1次巻線を通して電流を流さないので、逆電圧電源からの放出電力を低減でき、逆電圧電源のより小容量化が可能である。また、前記第5のダイオードを備えることにより、パルストランスのリセット電圧を確保することができ、この真空装置を安定に動作させることができる。   According to the fourth aspect of the invention, in addition to the effects obtained in any one of the first to third aspects, the primary diode of the pulse transformer is provided from the reverse voltage power source by including the fourth diode. Since no current flows through the windings, the power discharged from the reverse voltage power supply can be reduced, and the capacity of the reverse voltage power supply can be further reduced. Further, by providing the fifth diode, a reset voltage of the pulse transformer can be ensured, and this vacuum apparatus can be operated stably.

前記第5の発明によれば、前記第1の発明ないし前記第4の発明で得られる効果の他に、より効率的に直流電源又は逆電圧電源に前記エネルギーを帰還できるので、より一層電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制などを達成することができる。   According to the fifth invention, in addition to the effects obtained in the first invention to the fourth invention, the energy can be more efficiently fed back to the DC power supply or the reverse voltage power supply. Improvement of the environment, improvement of the environment, suppression of the temperature rise of the vacuum apparatus, etc. can be achieved.

前記第6の発明によれば、前記第1の発明ないし前記第5の発明で得られる効果の他に、フライバック型のパルストランスを用いることにより、前記コンデンサに充電したエネルギーをパルストランスに磁気エネルギーとして蓄積し、効率的に直流電源にエネルギーを帰還させることができる。   According to the sixth aspect of the invention, in addition to the effects obtained in the first to fifth aspects of the invention, by using a flyback type pulse transformer, the energy charged in the capacitor is magnetically applied to the pulse transformer. It can be stored as energy and efficiently returned to the DC power source.

〔実施形態1〕
先ず図1及び図4によって本発明を実施するための実施形態1の真空装置100について説明する。図1は真空装置100の回路構成を示し、図4は真空装置100の各部の動作波形を示す図である。図1において、図5で示した記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。直流電源1は、図示しない商用三相交流電源又は単相交流電源の交流電力を整流する整流器及び平滑化するフィルタ回路などからなる真空負荷3に適した直流電源である。逆電圧電源4は、真空負荷3に適したパルス状の逆電圧を印加できる直流電源であり、この実施形態では半導体スイッチ素子5に直列に接続されているコンデンサ4A、コンデンサ4Aを所望電圧まで充電するための直流電源、つまり充電回路4B、及び充電回路4Bの極性と同方向で、コンデンサ4Aに並列に接続されたダイオード4Cからなる。半導体スイッチ素子5はIGBT又はMOSFETなどのような電圧駆動型の半導体素子であることが好ましい。また、半導体スイッチ素子5は寄生ダイオード5Aを有する。
Embodiment 1
First, the vacuum apparatus 100 of Embodiment 1 for implementing this invention with FIG.1 and FIG.4 is demonstrated. FIG. 1 shows a circuit configuration of the vacuum apparatus 100, and FIG. In FIG. 1, the same symbols as those shown in FIG. 5 indicate members having the same names. The DC power source 1 is a DC power source suitable for a vacuum load 3 including a rectifier that rectifies AC power of a commercial three-phase AC power source or a single-phase AC power source (not shown), a smoothing filter circuit, and the like. The reverse voltage power supply 4 is a DC power supply that can apply a pulsed reverse voltage suitable for the vacuum load 3. In this embodiment, the capacitor 4 </ b> A and the capacitor 4 </ b> A connected in series to the semiconductor switch element 5 are charged to a desired voltage. DC diode power supply, that is, a charging circuit 4B, and a diode 4C connected in parallel to the capacitor 4A in the same direction as the polarity of the charging circuit 4B. The semiconductor switch element 5 is preferably a voltage-driven semiconductor element such as IGBT or MOSFET. Further, the semiconductor switch element 5 has a parasitic diode 5A.

互いに直列接続され、半導体スイッチ素子5と並列に接続されているコンデンサ7、第1のダイオード8は図5に示したコンデンサC、ダイオードDにそれぞれ相当するものである。逆電圧電源4の正極の出力端子と半導体スイッチ素子5の正極端子との間には直列に第2のダイオード9が接続されている。パルストランス10の1次巻線N1の一端は、コンデンサ7とダイオード8との接続箇所に接続され、1次巻線N1の他端は、第3のダイオード11を通して半導体スイッチ素子5と第2のダイオード9との接続箇所に接続されている。パルストランス10の2次巻線N2は第4のダイオード12を通して直流電源1の両端に接続されている。パルストランス10の1次巻線N1、2次巻線N2に付された黒点は極性を示し、黒点から分かるように、パルストランス10はフライバック型のものである。また、必ずしも必要でないが、半導体スイッチ素子5と第2のダイオード9とに跨って第5のダイオード13、コンデンサ7と並列に第6のダイオード14が接続されている。   The capacitor 7 and the first diode 8 connected in series with each other and connected in parallel with the semiconductor switch element 5 correspond to the capacitor C and the diode D shown in FIG. A second diode 9 is connected in series between the positive output terminal of the reverse voltage power supply 4 and the positive terminal of the semiconductor switch element 5. One end of the primary winding N1 of the pulse transformer 10 is connected to a connection portion between the capacitor 7 and the diode 8, and the other end of the primary winding N1 is connected to the semiconductor switch element 5 and the second through the third diode 11. It is connected to the connection point with the diode 9. The secondary winding N2 of the pulse transformer 10 is connected to both ends of the DC power source 1 through the fourth diode 12. The black dots attached to the primary winding N1 and the secondary winding N2 of the pulse transformer 10 indicate polarity. As can be seen from the black dots, the pulse transformer 10 is of a flyback type. Although not necessarily required, a fifth diode 13 and a sixth diode 14 are connected in parallel with the capacitor 7 across the semiconductor switch element 5 and the second diode 9.

ここで各ダイオードの働きについて簡単に説明しておくと、第1のダイオード8はコンデンサ7に充電された電荷が直接半導体スイッチ素子5に流れるのを防ぎ、コンデンサ7に充電された電荷がパルストランス10の1次巻線N1を通して放電されるようにするものである。第2のダイオード9は、パルストランス10の1次巻線N1から逆電圧電源4の正極に電流が流れるのを防いで、1次巻線N1のリセット電圧を確保するためのものである。第3のダイオード11は、逆電圧電源4の正極からパルストランス10の1次巻線N1に電流が流れるのを防止するためのものである。第4のダイオード12は、パルストランス10に蓄積されたエネルギーを直流電源1に放出するダイオードである。第5のダイオード13は、インダクタ2と真空負荷3と半導体スイッチ素子5との接続点aの電圧が逆電圧電源4の正極端子の電圧よりも高くなったときにオンして、半導体スイッチ素子5及び第2のダイオード9の保護を行うものである。第6のダイオード14は、共振によってコンデンサ7が逆極性に充電されるのを防止するものである。また、逆電圧電源4のダイオード4Cは、事故などによってコンデンサ4Aが完全に放電した場合に逆方向に充電されるのを防止する働きを行う。   Here, the operation of each diode will be briefly described. The first diode 8 prevents the electric charge charged in the capacitor 7 from flowing directly to the semiconductor switch element 5, and the electric charge charged in the capacitor 7 is changed to a pulse transformer. It is intended to be discharged through 10 primary windings N1. The second diode 9 is for preventing a current from flowing from the primary winding N1 of the pulse transformer 10 to the positive electrode of the reverse voltage power supply 4 and securing a reset voltage of the primary winding N1. The third diode 11 is for preventing current from flowing from the positive electrode of the reverse voltage power supply 4 to the primary winding N1 of the pulse transformer 10. The fourth diode 12 is a diode that discharges the energy accumulated in the pulse transformer 10 to the DC power supply 1. The fifth diode 13 is turned on when the voltage at the connection point a between the inductor 2, the vacuum load 3, and the semiconductor switch element 5 becomes higher than the voltage at the positive terminal of the reverse voltage power supply 4. The second diode 9 is protected. The sixth diode 14 prevents the capacitor 7 from being charged with a reverse polarity due to resonance. The diode 4C of the reverse voltage power supply 4 functions to prevent the capacitor 4A from being charged in the reverse direction when the capacitor 4A is completely discharged due to an accident or the like.

次に図4を用いて、半導体スイッチ素子5のスイッチングに伴うコンデンサ7の充電、あるいは放電に関連する動作について説明を行う。半導体スイッチ素子5がオンすることにより、逆電圧電源4から逆電圧を真空負荷3に印加する動作、及び半導体スイッチ素子5がオフするときのコンデンサ7とダイオード8の動作については図5で示した従来例と同じである。説明を理解し易くするために、直流電源1、逆電圧電源4の出力電圧、出力電流、サージ電圧などの諸条件は前述従来例の値と同じであるとする。図4において、時刻t0では半導体スイッチ素子5がオフしているものとすると、直流電源1は500V、100Aを供給しており、真空負荷3の電圧は、インダクタ2の電圧をゼロとすると、図4(A)に示すように、ほぼ−500Vにある。コンデンサ7は、図4(B)に示すように、直流電源1の出力電圧500Vと逆電圧電源4の出力電圧100Vとサージ電圧100Vとの和の電圧である略700Vに充電されている。   Next, an operation related to charging or discharging of the capacitor 7 accompanying switching of the semiconductor switch element 5 will be described with reference to FIG. The operation of applying the reverse voltage from the reverse voltage power supply 4 to the vacuum load 3 when the semiconductor switch element 5 is turned on, and the operation of the capacitor 7 and the diode 8 when the semiconductor switch element 5 is turned off are shown in FIG. This is the same as the conventional example. For easy understanding of the description, it is assumed that various conditions such as the output voltage, output current, surge voltage, etc. of the DC power supply 1 and the reverse voltage power supply 4 are the same as those in the conventional example. In FIG. 4, when the semiconductor switch element 5 is turned off at time t0, the DC power source 1 supplies 500V and 100A, and the voltage of the vacuum load 3 is zero when the voltage of the inductor 2 is zero. As shown in FIG. 4 (A), it is at about −500V. As shown in FIG. 4B, the capacitor 7 is charged to approximately 700 V, which is the sum of the output voltage 500 V of the DC power supply 1, the output voltage 100 V of the reverse voltage power supply 4, and the surge voltage 100 V.

時刻t1で半導体スイッチ素子5がオンすると、それまで真空負荷3を通してインダクタ2を流れていた電流Ipは逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5との経路に転流、つまり逆電圧電源4が電流Ipを担持して供給する。同時に、コンデンサ7の充電エネルギーはパルストランス10の1次巻線N1、ダイオード11、半導体スイッチ素子5を通して放電され、実質的にコンデンサ7の充電電圧はパルストランス10の1次巻線N1にすべて印加され、コンデンサ7の充電エネルギーは1次巻線N1に磁気エネルギーとして蓄えられる。この動作はパルストランス10の1次巻線N1が有するインダクタンスL1とコンデンサ7のキャパシタンスC1との共振現象を伴う。図4(C)に示すように、1次巻線N1のインダクタンスとコンデンサ7のキャパシタンスとの共振電流のピークが半導体スイッチ素子5のオン期間中にあれば、コンデンサ7の充電エネルギーを効果的にパルストランス10の2次巻線N2側に伝達することができるので好ましい。したがって、1次巻線N1のインダクタンスL1とコンデンサ7のキャパシタンスC1との共振周波数の1周期Trの1/4が半導体スイッチ素子5のオン時間(例えば20μm)以下になるように、1次巻線N1のインダクタンスL1とコンデンサ7のキャパシタンスC1とを選定すれば、半導体スイッチ素子5のオン時間中にコンデンサ7の放電電流はピーク値に達し、同時にコンデンサ7の電圧がゼロとなる(時刻t2)。コンデンサ7の電圧がゼロになると、時刻t2で共振電流はダイオード14を通して流れる。   When the semiconductor switch element 5 is turned on at time t1, the current Ip that has been flowing through the inductor 2 through the vacuum load 3 is commutated to the path between the reverse voltage power supply 4 and the semiconductor switch element 5, that is, the reverse voltage power supply 4 is the current Ip. Is supplied. At the same time, the charging energy of the capacitor 7 is discharged through the primary winding N1 of the pulse transformer 10, the diode 11, and the semiconductor switch element 5, and substantially all the charging voltage of the capacitor 7 is applied to the primary winding N1 of the pulse transformer 10. The charging energy of the capacitor 7 is stored as magnetic energy in the primary winding N1. This operation is accompanied by a resonance phenomenon between the inductance L1 of the primary winding N1 of the pulse transformer 10 and the capacitance C1 of the capacitor 7. As shown in FIG. 4C, if the peak of the resonance current between the inductance of the primary winding N1 and the capacitance of the capacitor 7 is during the ON period of the semiconductor switch element 5, the charging energy of the capacitor 7 is effectively reduced. This is preferable because it can be transmitted to the secondary winding N2 side of the pulse transformer 10. Therefore, the primary winding is set so that ¼ of one period Tr of the resonance frequency between the inductance L1 of the primary winding N1 and the capacitance C1 of the capacitor 7 is equal to or shorter than the ON time (for example, 20 μm) of the semiconductor switch element 5. If the inductance L1 of N1 and the capacitance C1 of the capacitor 7 are selected, the discharge current of the capacitor 7 reaches the peak value during the ON time of the semiconductor switch element 5, and at the same time, the voltage of the capacitor 7 becomes zero (time t2). When the voltage of the capacitor 7 becomes zero, the resonance current flows through the diode 14 at time t2.

時刻t3で半導体スイッチ素子5がオフすると、パルストランス10の2次巻線N2の電圧は黒点側が負、非黒点側が正となり、1次巻線N1のインダクタンスに蓄えられた前記磁気エネルギーは、図4(D)に示すように、2次巻線N2からダイオード12を通して電流として直流電源1に放出される。ダイオード12が導通することによってパルストランス10の2次巻線N2の電圧は直流電源1の電圧にクランプされる。したがって、パルストランス10の1次巻線N1と2次巻線N2との比率を適当に設定することによって、1次巻線N1の電圧も所望の電圧にクランプすることができる。このように、半導体スイッチ素子5のターンオフ時にコンデンサ7に充電されたエネルギーは直流電源1に帰還され、熱損失にならならず、また、エネルギーが直流電源1側に帰還されるので、その帰還時に半導体スイッチ素子5を流れる電流を小さくできる。特に、前述したようにパルストランス10の1次巻線N1のインダクタンスL1とコンデンサ7のキャパシタンスC1とを選定することによって、コンデンサ7に充電されたエネルギーを効率的に直流電源1に帰還することができる。   When the semiconductor switch element 5 is turned off at time t3, the voltage of the secondary winding N2 of the pulse transformer 10 becomes negative on the black dot side and positive on the non-black dot side, and the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding N1 is 4 (D), the current is discharged from the secondary winding N2 to the DC power source 1 through the diode 12 as a current. When the diode 12 is turned on, the voltage of the secondary winding N2 of the pulse transformer 10 is clamped to the voltage of the DC power supply 1. Therefore, by appropriately setting the ratio of the primary winding N1 and the secondary winding N2 of the pulse transformer 10, the voltage of the primary winding N1 can also be clamped to a desired voltage. As described above, the energy charged in the capacitor 7 when the semiconductor switch element 5 is turned off is fed back to the DC power source 1 and does not cause heat loss. Further, the energy is fed back to the DC power source 1 side. The current flowing through the semiconductor switch element 5 can be reduced. In particular, the energy charged in the capacitor 7 can be efficiently fed back to the DC power supply 1 by selecting the inductance L1 of the primary winding N1 of the pulse transformer 10 and the capacitance C1 of the capacitor 7 as described above. it can.

〔実施形態2〕
次に図2を用いて本発明の実施形態2について説明する。実施形態2の真空装置200では、前述のようにパルストランス10の1次巻線N1のインダクタンスに蓄えた磁気エネルギーを逆電圧電源4に帰還するところが実施形態1の真空装置100と異なる。真空装置100と異なる点について主に説明する。図2において、図1で用いた記号と同じ記号は同じ名称の部材を示すものとする。真空装置200では、パルストランス10の2次巻線N2をダイオード15を介して逆電圧電源4に跨って接続している。したがって、半導体スイッチ素子5のオフの際にダイオード8を介してコンデンサ7に充電された電荷は、次に半導体スイッチ素子5がオンするときにパルストランス10の1次巻線N1、ダイオード11を介して放電され、パルストランス10の1次巻線N1のインダクタンスに磁気エネルギーとして蓄積される。ここまでの動作は真空装置100と同じである。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. The vacuum apparatus 200 according to the second embodiment is different from the vacuum apparatus 100 according to the first embodiment in that the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding N1 of the pulse transformer 10 is fed back to the reverse voltage power source 4 as described above. Differences from the vacuum device 100 will be mainly described. In FIG. 2, the same symbols as those used in FIG. 1 indicate members having the same names. In the vacuum device 200, the secondary winding N <b> 2 of the pulse transformer 10 is connected across the reverse voltage power supply 4 via the diode 15. Therefore, the charge charged in the capacitor 7 through the diode 8 when the semiconductor switch element 5 is turned off passes through the primary winding N1 of the pulse transformer 10 and the diode 11 when the semiconductor switch element 5 is turned on next time. And is stored as magnetic energy in the inductance of the primary winding N1 of the pulse transformer 10. The operation so far is the same as that of the vacuum device 100.

そして、半導体スイッチ素子5がオフすると、パルストランス10の2次巻線N2の電圧は黒点側が負、非黒点側が正となり、1次巻線N1のインダクタンスに蓄えられた前記磁気エネルギーは、2次巻線N2からダイオード15を通して電流として逆電圧電源4のコンデンサ4Aに放出され、コンデンサ4Aを充電する。つまり、半導体スイッチ素子5のターンオフ時にコンデンサ7に充電されたエネルギーは逆電圧電源4のコンデンサ4Aに帰還され、熱損失にならない。実施形態1と同様であるので再度述べないが、パルストランス10の1次巻線N1のインダクタンスL1とコンデンサ7のキャパシタンスC1とを選定、特にコンデンサ7を選定して、半導体スイッチ素子5のオン時間中にコンデンサ7の放電電流がピーク値に達するようにすることにより、逆電圧電源4を小容量化することができる。例えば、実施形態1の真空装置100における逆電圧電源4の出力容量を2000Wとし、前述からコンデンサ7の充電エネルギーを245Wとすると、この真空装置200では245Wが逆電圧電源4に帰還されるので、逆電圧電源4は1755Wの出力容量をもてばよいことになる。   When the semiconductor switch element 5 is turned off, the voltage of the secondary winding N2 of the pulse transformer 10 is negative on the black dot side and positive on the non-black dot side, and the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding N1 is secondary. The current is discharged from the winding N2 through the diode 15 as a current to the capacitor 4A of the reverse voltage power supply 4 to charge the capacitor 4A. That is, the energy charged in the capacitor 7 when the semiconductor switch element 5 is turned off is fed back to the capacitor 4A of the reverse voltage power source 4 and does not cause heat loss. Since it is the same as that of the first embodiment, it will not be described again. However, the inductance L1 of the primary winding N1 of the pulse transformer 10 and the capacitance C1 of the capacitor 7 are selected. In particular, the capacitor 7 is selected and the on-time of the semiconductor switch element 5 is selected. By making the discharge current of the capacitor 7 reach the peak value, the capacity of the reverse voltage power source 4 can be reduced. For example, if the output capacity of the reverse voltage power supply 4 in the vacuum apparatus 100 of Embodiment 1 is 2000 W and the charging energy of the capacitor 7 is 245 W from the above, 245 W is fed back to the reverse voltage power supply 4 in this vacuum apparatus 200. The reverse voltage power supply 4 may have an output capacity of 1755 W.

〔実施形態3〕
次に図3を用いて本発明の実施形態3について説明する。実施形態3の真空装置300では、前述のようにパルストランス10の1次巻線N1のインダクタンスに蓄えた磁気エネルギーを逆電圧電源4と直流電源1とに帰還するところが真空装置100、真空装置200と異なる。真空装置100、200と異なる点について主に説明する。図3において、図1、図2で用いた記号と同じ記号は同じ名称の部材を示すものとする。真空装置300では、パルストランス10は第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bとを備える。パルストランス10の第1の2次巻線N2aを実施形態1と同様にダイオード12を介して直流電源1に跨って接続すると共に、パルストランス10の第2の2次巻線N2bを実施形態2と同様にダイオード15を介して逆電圧電源4に跨って接続している。この真空装置300では、コンデンサ7に充電された電荷を逆電圧電源4に優先的にエネルギーとして帰還し、帰還エネルギーが過剰の場合には直流電源1にもその過剰分を帰還して逆電圧が必要以上に上昇するのを防ぐところに特徴がある。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In the vacuum device 300 according to the third embodiment, as described above, the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding N1 of the pulse transformer 10 is returned to the reverse voltage power source 4 and the DC power source 1 in the vacuum device 100 and the vacuum device 200. And different. Differences from the vacuum devices 100 and 200 will be mainly described. In FIG. 3, the same symbols as those used in FIGS. 1 and 2 indicate members having the same names. In the vacuum apparatus 300, the pulse transformer 10 includes a first secondary winding N2a and a second secondary winding N2b. Similarly to the first embodiment, the first secondary winding N2a of the pulse transformer 10 is connected across the DC power supply 1 via the diode 12, and the second secondary winding N2b of the pulse transformer 10 is connected to the second embodiment. In the same manner as above, the connection is made across the reverse voltage power supply 4 via the diode 15. In this vacuum apparatus 300, the electric charge charged in the capacitor 7 is preferentially fed back to the reverse voltage power supply 4 as energy, and when the feedback energy is excessive, the excessive amount is fed back to the DC power supply 1 to generate a reverse voltage. It is characterized by preventing it from rising more than necessary.

一般に、このような真空装置にあっては、負荷電流が少ないときには直流電源1の出力電流が少なくなるばかりでなく、逆電圧電源4の出力電流も少なくなる。しかし、コンデンサ7に充電されるエネルギーは従来例で数式を用いて述べたように周波数に依存し、軽負荷のときにも減少しない。したがって、軽負荷時にはコンデンサ7に充電されるエネルギーを逆電圧電源4にすべて帰還すると、逆電圧が必要以上に上昇する危険性がある。この問題を解決するために、この真空装置300ではパルストランス10に第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bとを設け、第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bとの巻数比を、直流電源1の出力電圧(例えば500V)に対する逆電圧電源4の出力電圧(例えば100V)の比率5対1(20%)よりも大きな割合、例えば4対1(25%)に設定することによって、逆電圧電源4の逆電圧の上昇を直流電源1の出力電圧の1/4に制限することができる。   In general, in such a vacuum apparatus, when the load current is small, not only the output current of the DC power supply 1 is reduced, but also the output current of the reverse voltage power supply 4 is reduced. However, the energy charged in the capacitor 7 depends on the frequency as described in the conventional example using mathematical expressions, and does not decrease even at light loads. Therefore, when all the energy charged in the capacitor 7 is fed back to the reverse voltage power source 4 at light load, there is a risk that the reverse voltage will rise more than necessary. In order to solve this problem, in the vacuum apparatus 300, the pulse transformer 10 is provided with the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b, and the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b are provided. The turn ratio with the secondary winding N2b is set to a ratio larger than 5: 1 (20%) of the output voltage (eg, 100V) of the reverse voltage power supply 4 to the output voltage (eg, 500V) of the DC power supply 1, for example, 4 pairs By setting 1 (25%), the increase in the reverse voltage of the reverse voltage power supply 4 can be limited to ¼ of the output voltage of the DC power supply 1.

パルストランス10の第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bの黒点側が負、非黒点側が正となって、1次巻線N1のインダクタンスに蓄えられた前記磁気エネルギーが第1の2次巻線N2a、第2の2次巻線N2bを介して放出される段階において、第1の2次巻線N2a、第2の2次巻線N2bそれぞれの電圧が上昇し、先ず第1の2次巻線N2aの電圧が逆電圧電源4の出力電圧(例えば100V)を越えると、ダイオード15が導通して逆電圧電源4のコンデンサ4Aを充電する。そして、第1の2次巻線N2a、第2の2次巻線N2bそれぞれの電圧が更に上昇し、第2の2次巻線N2bの電圧が直流電源1の出力電圧(例えば500V)を越えると、ダイオード12が導通することにより第2の2次巻線N2bからも磁気エネルギーは帰還され、第2の2次巻線N2bの電圧はほぼ直流電源1の出力電圧にクランプされる。   The black spot side of the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b of the pulse transformer 10 is negative and the non-spot side is positive, and the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding N1 is At the stage of being discharged through the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b, the voltages of the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b rise, When the voltage of the first secondary winding N2a exceeds the output voltage (for example, 100V) of the reverse voltage power supply 4, the diode 15 is turned on to charge the capacitor 4A of the reverse voltage power supply 4. Then, the voltages of the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b further rise, and the voltage of the second secondary winding N2b exceeds the output voltage (for example, 500V) of the DC power supply 1. When the diode 12 becomes conductive, the magnetic energy is also fed back from the second secondary winding N2b, and the voltage of the second secondary winding N2b is clamped to the output voltage of the DC power supply 1.

したがって、前述のように、第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bの巻数比が4対1であることから、第2の2次巻線N2bの電圧はほぼ125(500/4)V程度に制限されるので、逆電圧電源4のコンデンサ4Aの電圧もほぼ125(500/4)V程度以下に制限され、過剰になることはない。第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bとの好ましい巻数比の範囲は、直流電源1の出力電圧と逆電圧電源4の出力電圧との比率Pと同程度ないし比率Pの150%程度迄である。
このことから、パルストランス10の第1の2次巻線N2aと第2の2次巻線N2bとの巻数比を4対1に限らず、適切に設定することによって、逆電圧電源4の電圧を所望の値以下に制限できる。この実施形態3でも、逆電圧電源4のコンデンサ4Aの充電電力の一部分をコンデンサ7から供給することができるので、逆電圧電源4を小容量化できる。
Therefore, as described above, since the turn ratio of the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b is 4 to 1, the voltage of the second secondary winding N2b is approximately 125 ( Since the voltage is limited to about 500/4) V, the voltage of the capacitor 4A of the reverse voltage power supply 4 is also limited to about 125 (500/4) V or less, and does not become excessive. The preferable turn ratio range between the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b is approximately the same as the ratio P between the output voltage of the DC power supply 1 and the output voltage of the reverse voltage power supply 4, or the ratio P Up to about 150%.
Accordingly, the voltage of the reverse voltage power supply 4 can be determined by appropriately setting the turns ratio of the first secondary winding N2a and the second secondary winding N2b of the pulse transformer 10 to not only 4 to 1. Can be limited to below the desired value. Also in the third embodiment, since a part of the charging power of the capacitor 4A of the reverse voltage power supply 4 can be supplied from the capacitor 7, the capacity of the reverse voltage power supply 4 can be reduced.

以上の実施形態では、いずれも制御回路6は半導体スイッチ素子5を予め決めた周波数で、予め決めたパルス幅だけオン、オフ動作させたが、このような異常放電の予防法は電力損失が大きいために、異常放電の発生を検出し、異常放電が検出されたときだけ、半導体スイッチ素子5を予め決めたパルス幅だけオンさせる異常放電抑制方法が既に提案されており、このような異常放電抑制方法にも本発明をそのまま適用できることは明らかである。更に、異常放電の発生を予知して、異常放電が発生する直前に半導体スイッチ素子5を予め決めたパルス幅だけオンさせることにより、異常放電を発生させない異常放電発生防止方法も提案されており、このような異常放電発生防止方法にも本発明をそのまま適用することができる。   In each of the above embodiments, the control circuit 6 turns on and off the semiconductor switch element 5 at a predetermined frequency and a predetermined pulse width. Such an abnormal discharge prevention method has a large power loss. Therefore, an abnormal discharge suppression method for detecting the occurrence of abnormal discharge and turning on the semiconductor switch element 5 by a predetermined pulse width only when the abnormal discharge is detected has already been proposed. It is clear that the present invention can be applied to a method as it is. Furthermore, a method for preventing the occurrence of abnormal discharge that does not cause abnormal discharge has been proposed by predicting the occurrence of abnormal discharge and turning on the semiconductor switch element 5 by a predetermined pulse width immediately before the occurrence of abnormal discharge. The present invention can also be applied to such an abnormal discharge generation prevention method.

また以上の実施形態では、半導体スイッチ素子5を1個の半導体素子として説明したが、スパッタ装置は負荷電圧が数100Vであるために、半導体スイッチ素子5としてIGBT又はMOSFETなどを使用する場合は、例えば1200Vの耐圧を有する素子1個で実現できるが、電子ビーム装置の場合には負荷電圧が10kV程度であるため、1200Vの耐圧を有するIGBT又はMOSFETなどを複数個直列接続することにより実現できる。この場合にはそれぞれのIGBT又はMOSFETなどにコンデンサが並列接続され、これらコンデンサに充電されたエネルギーがパルストランス10の1次巻線を通して放電されるように構成しておけばよい。   In the above embodiment, the semiconductor switch element 5 is described as a single semiconductor element. However, since the sputtering apparatus has a load voltage of several hundred volts, when the IGBT or MOSFET is used as the semiconductor switch element 5, For example, it can be realized by one element having a withstand voltage of 1200 V, but in the case of an electron beam apparatus, since the load voltage is about 10 kV, it can be realized by connecting a plurality of IGBTs or MOSFETs having a withstand voltage of 1200 V in series. In this case, capacitors may be connected in parallel to the respective IGBTs or MOSFETs, and the energy charged in these capacitors may be discharged through the primary winding of the pulse transformer 10.

本発明の実施形態1に係る第1の真空装置100の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the 1st vacuum apparatus 100 which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係る第2の真空装置200の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the 2nd vacuum apparatus 200 which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係る第3の真空装置300の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the 3rd vacuum apparatus 300 which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明に係る第1の真空装置100を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the 1st vacuum apparatus 100 which concerns on this invention. 従来の真空装置の回路構成を説明するための図であるIt is a figure for demonstrating the circuit structure of the conventional vacuum apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・直流電源
2・・・インダクタ
3・・・真空負荷
4・・・逆電圧電源
5・・・半導体スイッチ素子
6・・・制御回路
7・・・コンデンサ
8・・・ダイオード
9・・・ダイオード
10・・・パルストランス
11〜15・・・ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... DC power supply 2 ... Inductor 3 ... Vacuum load 4 ... Reverse voltage power supply 5 ... Semiconductor switch element 6 ... Control circuit 7 ... Capacitor 8 ... Diode 9 ...・ Diode 10 ・ ・ ・ Pulse transformer 11 ~ 15 ・ ・ ・ Diode

Claims (6)

直流電源と、該直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、
互いに直列接続されている第1のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、
パルストランスの1次巻線の一端を、前記第1のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、
前記直流電源の出力端子間に第2のダイオードを介して前記パルストランスの2次巻線を接続し、
前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置。
DC power source, inductor connected in series between the output terminal of the DC power source and the vacuum load, and semiconductor switch connected in parallel across the vacuum load and connected in series to each other An element, a reverse voltage power supply, and a control circuit for driving the semiconductor switch element on and off, and when the semiconductor switch element is turned on, a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power supply is supplied from the reverse voltage power supply. In a vacuum apparatus for applying to the vacuum load,
A first diode and a capacitor connected in series with each other are connected in parallel across the semiconductor switch element,
One end of the primary winding of the pulse transformer is connected between the first diode and the capacitor, and the other end is connected between the semiconductor switch element and the reverse voltage power source,
A secondary winding of the pulse transformer is connected between the output terminals of the DC power source via a second diode;
A vacuum apparatus, wherein the charge charged in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off is fed back to the DC power source via the pulse transformer when the semiconductor switch element is turned on.
直流電源と、該直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、
互いに直列接続されている第1のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、
パルストランスの1次巻線の一端を、前記第1のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、
前記逆電圧電源の出力端子間に第3のダイオードを介して前記パルストランスの2次巻線を接続し、
前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源に帰還することを特徴とする真空装置。
DC power source, inductor connected in series between the output terminal of the DC power source and the vacuum load, and semiconductor switch connected in parallel across the vacuum load and connected in series to each other An element, a reverse voltage power supply, and a control circuit for driving the semiconductor switch element on and off, and when the semiconductor switch element is turned on, a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power supply is supplied from the reverse voltage power supply. In a vacuum apparatus for applying to the vacuum load,
A first diode and a capacitor connected in series with each other are connected in parallel across the semiconductor switch element,
One end of the primary winding of the pulse transformer is connected between the first diode and the capacitor, and the other end is connected between the semiconductor switch element and the reverse voltage power source,
Connecting the secondary winding of the pulse transformer between the output terminals of the reverse voltage power source via a third diode;
A vacuum apparatus, wherein the charge charged in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off is fed back to the reverse voltage power source via the pulse transformer when the semiconductor switch element is turned on.
直流電源と、該直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、
互いに直列接続されている第1のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、
パルストランスの1次巻線の一端を、前記第1のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、
前記直流電源の出力端子間に第2のダイオードを介して前記パルストランスの第1の2次巻線を接続し、
前記逆電圧電源の出力端子間に第3のダイオードを介して前記パルストランスの第2の2次巻線を接続し、
前記第2の2次巻線と前記第1の2次巻線との巻数比を、前記逆電圧電源の出力電圧と前記直流電源の出力電圧との比率よりも大きくし、
前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源及び前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置。
DC power source, inductor connected in series between the output terminal of the DC power source and the vacuum load, and semiconductor switch connected in parallel across the vacuum load and connected in series to each other An element, a reverse voltage power supply, and a control circuit for driving the semiconductor switch element on and off, and when the semiconductor switch element is turned on, a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power supply is supplied from the reverse voltage power supply. In a vacuum apparatus for applying to the vacuum load,
A first diode and a capacitor connected in series with each other are connected in parallel across the semiconductor switch element,
One end of the primary winding of the pulse transformer is connected between the first diode and the capacitor, and the other end is connected between the semiconductor switch element and the reverse voltage power source,
Connecting the first secondary winding of the pulse transformer between the output terminals of the DC power source via a second diode;
Connecting a second secondary winding of the pulse transformer between the output terminals of the reverse voltage power source via a third diode;
A turns ratio between the second secondary winding and the first secondary winding is made larger than a ratio of an output voltage of the reverse voltage power supply and an output voltage of the DC power supply;
The vacuum charged in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off is fed back to the reverse voltage power source and the DC power source via the pulse transformer when the semiconductor switch element is turned on. apparatus.
請求項1ないし請求項3のいずれかにおいて、
前記パルストランスの前記1次巻線の前記他端と前記逆電圧電源の正極の出力端子との間には、一方の極性の第4のダイオードと他方の極性の第5のダイオードの双方、又はいずれかが接続されていることを特徴とする真空装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
Between the other end of the primary winding of the pulse transformer and the positive output terminal of the reverse voltage power supply, both a fourth diode having one polarity and a fifth diode having the other polarity, or A vacuum apparatus characterized in that any one of them is connected.
請求項1ないし請求項4のいずれかにおいて、
前記コンデンサのキャパシタンスは、前記パルストランスの1次巻線が呈するインダクタンスと共振を生じ、その共振の1周期の1/4が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅よりも短くなるように、前記キャパシタンスと前記インダクタンスとが選定されていることを特徴とする真空装置。
In any one of Claim 1 thru | or 4,
The capacitance of the capacitor causes resonance with the inductance exhibited by the primary winding of the pulse transformer, and the capacitance is set so that 1/4 of one period of the resonance is shorter than the on-time width of the semiconductor switch element. A vacuum apparatus, wherein the inductance is selected.
請求項1ないし請求項5のいずれかにおいて、
前記パルストランスは、前記半導体スイッチ素子がオンするときに1次巻線を流れる電流により励磁されて磁気エネルギーを蓄積し、前記半導体スイッチ素子がターンオフするときに前記磁気エネルギーを放出するフライバック型のパルストランスであることを特徴とする真空装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The pulse transformer is a flyback type that is excited by a current flowing through a primary winding when the semiconductor switch element is turned on to accumulate magnetic energy, and that releases the magnetic energy when the semiconductor switch element is turned off. A vacuum device characterized by being a pulse transformer.
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