JP2007122878A - アーク灯による放出される光パルスを整形する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の強さプロフィールを有する光パルスを発生させ得るようにパルス式アーク灯を駆動する、複雑でない回路を提供することである。
【解決手段】アーク灯を作動させる方法である。該方法は、一次電源パルスをアーク灯内に導入し、これによりアーク灯内にて一次電流の流れを誘導させるステップを含む。該方法は、電流が実質的に減衰する前に、少なくとも１つの二次電圧パルスをアーク灯内に導入し、これによりアーク灯内にてそれぞれの電流の流れを誘導させるステップも含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、アーク灯、より具体的には、アーク灯により放出される光パルスを整形する方法に関する。

パルス式アーク灯は、戦争、医薬品及び半導体デバイスの製造にて多くの用途を有している。

図１には、アーク灯１２を駆動する従来技術の回路１０が示されている。回路１０は、図示するように接続された直流電源１４と、コンデンサ１６と、ゲートスイッチ１８と、ダイオード２０と、コイル２２とを有している。図１に示した回路において、回路１０からの電流は、アーク灯１２のアノード２４に供給され、アーク灯１２のカソード２６は接地される。これと代替的に、回路１０からの電流は、カソード２６に供給され、アノード２４は接地される。

電源１４は、２００Ｖないし４００Ｖの電圧の電流を供給する。コンデンサ１６は、比較的に大きく、エネルギ貯蔵器として機能する。図示した実施例において、コンデンサ１６は、２ミリファラッドの容量を有する。ゲートスイッチ１８は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として示されている。ゲートスイッチ１８は、ドライバ２８により開閉され、電源１４からアーク灯１２へ電流のパルスを提供する。ダイオード２０は、ゲートスイッチ１８が開かれたとき、コイル２２を放電する働きをする。コイル２２は、フェライトコアを有し、ゲートスイッチ１８からの電圧パルスを整形するために使用される。コイル２２は、また、その一次コイル３２がトリガパルス源（イグナイタ）３４により励起される変圧器３０の二次コイルでもある。

アーク灯１２を点灯するためには、イグナイタ３４をオンさせて点弧パルスを発生させ、該点弧パルスは、アノード２４とカソード２６との間に高（〜２０ＫＶ）電圧、低電流のトリガパルスを提供し、アノード２４とカソード２６との間にて、アーク灯１２を満たす気体をイオン化することによりアノード２４からカソード２６への伝導路を形成する。次に、ゲートスイッチ１８を閉じ、それから開くことにより、２００Ｖないし４００Ｖの範囲の低電圧の作動電圧パルスをアーク灯１２に導入する。図２には、ゲートスイッチ１８により提供される電圧Ｖ_Ｓとアーク灯１２内にて発生する電流Ｉ_Ｌの形状が時間ｔの関数として表示されている。Ｖ_Ｓは、ゲートスイッチ１８が閉じたときの時間ｔ_１からゲートスイッチ１８が開いた時の時間ｔ_２まで続く方形電圧パルスである。ゲートスイッチ１８が閉じている間、Ｉ_Ｌは（Ｖ_Ｓ／Ｌ）（ｔ−ｔ_１）となり、ここでＬは、コイル２２のインダクタンスである。最初に、コイル２２のフェライトコアは、コイル２２に対し高インピーダンスＬを与え、このため、Ｉ_Ｌ（ｔ）の勾配は極めて小さい。コイル２２のフェライトコアが時間ｔ_Ｓにて飽和状態となったならば、コイル２２のインダクタンスＬは、エアコイルのインダクタンスまで減少し、Ｉ_Ｌ（ｔ）の勾配は増す。Ｉ_Ｌ（ｔ）は、時間ｔ_２にて最大値Ｉ_ＬＭＡＸまで上昇する。ゲートスイッチ１８を時間ｔ_２にて開いたとき、Ｉ_Ｌ（ｔ）は、時間定数Ｌ/Ｒにて指数関数的に低下し、ここで、Ｒは、ダイオード２０、アーク灯１２、コイル２２及びこれらを接続する線の有効抵抗である。実際にアーク灯１２を通って流れる電流パルスＩ_Ｌの形状は、ほぼ三角形である。アーク灯１２により放出される光の強さは、Ｉ_Ｌに比例する。

パルス式アーク灯の用途のうちには、光パルスの強さプロフィールの形状が三角形以外、例えば、方形であることを必要とするものがある。米国、マサチューセッツ州、ウェールズレイのパーキン−エルマー（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ）は、方形の強さプロフィールを有する光パルスを提供するような仕方にてアーク灯を駆動するかなり複雑な回路を開発した。この回路は、ｈｔｔｐ：／／ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ｐｅｒｋｉｎｅｌｍｅｒ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ＲｅｌａｔｅｄＬｉｎｋｓ／Ｐｕｌｓｅｄ＿ｐｏｗｅｒ＿ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ｐｄｆのウェブサイトに掲載されている。この回路は、従来技術の回路１０よりも著しく複雑である。

本発明の目的は、任意の強さプロフィールを有する光パルスを発生させ得るようにパルス式アーク灯を駆動する、従来技術の回路１０よりも著しく複雑でない回路を提供することである。

本発明によれば、（ａ）一次電圧パルスをアーク灯内に導入し、これによりアーク灯内にて電流の一次流れを誘導させるステップと、（ｂ）電流の流れが実質的にすなわち相当に減衰する前に、少なくとも１つの二次電圧パルスをアーク灯内に導入し、これにより、アーク灯内にてそれぞれの二次電流の流れを誘導させるステップとを備える、アーク灯を作動させる方法が提供される。

本発明によれば、（ａ）電源と、（ｂ）電源をアーク灯に作用可能に接続するスイッチと、（ｃ）アーク灯内にて所望の形状を有する電流の流れを誘導させるように電源からアーク灯へ複数の電圧パルスを提供するような仕方にてスイッチを閉じ、そして開くタイミング機構とを有する、アーク灯を作動させる電流源が提供される。

本発明の方法によれば、上述した従来技術の方法におけるように一次作動電圧パルスをアーク灯内に導入することによりアーク灯は励起され、これによりアーク灯内にて一次電流の流れを誘導させる。次に、従来技術の方法と異なり、アーク灯内の電流の流れが実質的に減衰する前に、少なくとも１つの二次電圧パルスがアーク灯内に導入され、これにより各二次電圧パルスについて、アーク灯内にてそれぞれの二次電流の流れを誘導させる。好ましくは、アーク灯内の電流の流れがその最大値の半分まで減衰する前に始まって二次電圧パルスがアーク灯内に導入されるようにする。

好ましくは、一次電圧パルス及び二次電圧パルスは、方形パルスとする。

好ましくは、複数の二次電圧パルスがアーク灯内に導入されるものとする。第一の二次電圧パルスに引き続く各二次電圧パルスは、直前の二次電圧パルスまでの及びそれを含む電圧パルスによりアーク灯内に誘導された全電流の流れが相当に減衰する前に、アーク灯内に導入されるようにする。最も好ましくは、最初の二次電圧パルスに引き続く各二次電圧パルスは、アーク灯内にて誘導された全電流の流れがその直近の最大値の半分に減衰する前に始まってアーク灯内に導入されるようにする。

好ましくは、二次電圧パルスの持続時間及び直前の電圧パルスに対する二次電圧パルスの遅延（すなわち、一次電圧パルスに対する最初の二次電圧パルスの遅延、及び直前の二次電圧パルスに対するそれに引き続く各二次電圧パルス（存在するならば）の遅延）は、一次電流の流れ及び二次電流の流れの総和に対し所望の形状を与えるように選ばれる。最も好ましくは、所望の形状は、実質的に方形である。これと代替的に、所望の形状は、実質的にガウス状であり、又は実質的に正弦波状である。

好ましくは、一次電圧パルスは、約１０マイクロ秒ないし約４０マイクロ秒の範囲の持続時間を有するものとする。好ましくは、二次電圧パルスの各々は、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の持続時間を有するものとする。好ましくは、アーク灯内の全電流の流れは、各々の二次電圧パルスの間、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の上昇時間と、及び又は、引き続く二次電圧パルスとパルスとの間にて、約５０マイクロ秒ないし約１００マイクロ秒の範囲の降下時間とを有するものとする。好ましくは、アーク灯内の全電流の流れは、約２００マイクロ秒ないし約１０ミリ秒の範囲に亙る、一時電流の流れが開始するときから最後の二次電圧パルスが終了した後全電流の流れが実質的に減衰する迄の持続時間を有するものとする。

本発明の電流源は、電源と、電源をアーク灯に作用可能に接続するスイッチと、アーク灯内にて所望の形状を有する電流の流れを誘導させるように電源からアーク灯へ複数の電圧パルスを提供するような仕方にてスイッチを開き、そして閉じるタイミング機構とを有している。

好ましくは、スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有するものとする。

好ましくは、スイッチ及びタイミング機構は、一次電圧パルスに対し、約１０マイクロ秒ないし約４０マイクロ秒の範囲の持続時間を与えるよう作用可能であるものとする。好ましくは、スイッチ及びタイミング機構は、二次電圧パルスに対し、それぞれ約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の持続時間を与えるよう作用可能であるものとする。好ましくは、電流源は、アーク灯内の全電流の流れに対し各二次電圧パルスの間に、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の上昇時間と、及び又は、引き続く二次電圧パルスとパルスとの間に、約５０マイクロ秒ないし約１００マイクロ秒の範囲の降下時間と、及び（又は）約２００マイクロ秒ないし約１０ミリ秒の範囲の持続時間とを与えるよう作用可能であるものとする。

本発明は、その範囲に、本発明の電流源と、該電流源に作用可能に接続されたアーク灯との双方を有する光パルス源をも含む。

本発明は、添付図面を参照して単に一例としてのみ以下に説明する。

本発明は、アーク灯をパルス式に作動させる方法及び該方法を実施する回路である。具体的には、本発明は、その強さプロフィールが任意の所望の形状を有する光パルスを発生させるために使用することができる。

本発明による、アーク灯の駆動回路の原理及び作動は、図面及び以下の説明を参照することにより、一層良く理解することができる。

先ず、図面を参照すると、図３は、アーク灯１２を駆動する本発明の回路４０の回路図である。回路４０は、ドライバ２８に代えてプログラマブルなドライバ４２を使用する点を除いて、図１、図３にて同一の参照番号を使用して表示するように、回路１０と同一である。ドライバ４２は、複数の作動電圧パルスをアーク灯１２内に導入するようプログラム化可能である。

図４には、実質的に方形のパルス形状を有する電流Ｉ_Ｌの流れをアーク灯１２内に誘導するよう、ドライバ４２を使用してゲートスイッチ１８を開きそして閉じることにより提供される作動電圧Ｖ_Ｓの複数のパルスの一例が示されている。電源３４が短時間作動されてトリガパルスを提供した後、ドライバ４２は、ゲートスイッチ１８を閉じそして開いて図２に示した電圧パルスと実質的に同一の一次作動電圧パルス４４を提供する。次に、アーク灯１２内の電流の流れＩ_ＬがＩ_Ｌｍａｘから予め選んだ中間値Ｉ_Ｌｉｎｔまで減衰した後、ドライバ４２は再度、ゲートスイッチ１８を閉じ、Ｉ_Ｌは勾配Ｖ_Ｓ／Ｌにて上昇する。Ｉ_Ｌが再度、Ｉ_Ｌｍａｘに達すると、ドライバ４２はゲートスイッチ１８を開く。換言すれば、Ｉ_ＬがＩ_ＬｍａｘからＩ_Ｌｉｎｔに減衰した後、ドライバ４２はゲートスイッチ１８を閉じ、そして開いて、Ｉ_ＬをＩ_Ｌｍａｘに戻す二次作動電圧パルス４６Ａを提供する。

図４に示すように、アーク灯１２内の電流の流れＩ_Ｌが再度Ｉ_ＬｍａｘからＩ_Ｌｉｎｔまで減衰した後、更に４回、ドライバ４２は再度、ゲートスイッチ１８を閉じ、そして開いて、Ｉ_ＬをＩ_Ｌｍａｘに戻す更に４つの二次作動電圧パルス４６Ｂないし４６Ｅを提供する。最後のパルスの後、ゲートスイッチ１８を開いたままにし、Ｉ_Ｌは、時間定数Ｌ／Ｒで指数関数的に減衰する。アーク灯１２内に生じた電流の流れＩ_Ｌは、従来技術におけるような実質的に三角形ではなく、実質的に方形、又は従来技術のパルス形状よりも少なくとも方形に近いパルス形状を有する。これに相応して、アーク灯１２により放出される光の強さプロフィールは、時間の関数として実質的に方形である。

当該技術分野の当業者には、引き続く作動電圧パルスの間の遅れを正確に選ぶことにより、また、作動電圧パルスの持続時間を正確に選ぶことにより、原理上、任意の所望のパルスの形状を実現することが可能であることが明らかであろう。好ましくは、引き続く作動電圧パルスの間の遅れは、Ｉ_Ｌが引き続く作動電圧パルスとパルスとの間にその直前の最大値の２分の１以下には減衰しないようなものとする。このことは、作動電圧パルスと次のパルスとの間にアノード２４とカソード２６との間の伝導路が維持され、追加的なトリガパルスが不要であることを保証する。

好ましくは、一次作動電圧パルスの持続時間は、約１０マイクロ秒ないし約４０マイクロ秒の範囲にあるものとする。好ましくは、二次作動電圧パルスの各々の持続時間は、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲にあるものとする。好ましくは、回路４０の色々な構成要素は、各Ｉ_Ｌが各二次作動電圧パルスの間にて約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の上昇時間と、引き続く二次作動電圧パルスとパルスとの間に約５０マイクロ秒ないし約１００マイクロ秒の範囲の降下時間とを有するようになっている。回路４０の構成要素について対応するパラメータは、コイル２２のインダクタンスについてはそのコアが飽和状態にあるとき、５ないし１０マイクロヘンリー、接続線のインダクタンスについては５ないし１０マイクロヘンリー、図３に示したコンデンサ１６の右側にある全構成要素の全抵抗値については１００ないし２００ミリオームである。

好ましくは、ｔ_１からＩ_Ｌが実質的に減衰する図４の右側の時間までのＩ_Ｌの持続続時間は約２００マイクロ秒ないし約１０ミリ秒の範囲にあるものとする。

本発明について限られた数の実施の形態に関して説明したが、本発明の多くの変更例、形態変更及びその他の応用例が具体化可能であることが理解されよう。

アーク灯を駆動する従来技術の回路の回路図である。 図１の回路によりアーク灯に提供される電圧パルスのプロット図及びその結果のアーク灯内の電流の流れのプロット図である。 アーク灯を駆動する本発明の回路の回路図である。 図３の回路によりアーク灯に提供される電圧パルスのプロット図及びそれによるアーク灯内の電流の流れのプロット図である。

符号の説明

１０ 従来技術の回路
１２ アーク灯
１４ 直流電源
１６ コンデンサ
１８ ゲートスイッチ
２０ ダイオード
２２ コイル
２４ アーク灯１２のアノード
２６ アーク灯１２のカソード
２８ ドライバ
３０ 変圧器
３２ 一次コイル
３４ トリガパルス（点弧子）
４０ 回路
４２ ドライバ
４４ 一次作動電圧パルス
４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ 二次作動電圧パルス

Claims (23)

1. アーク灯を作動させる方法において、
   （ａ）一次電圧パルスをアーク灯内に導入し、これによりアーク灯内で電流の一次流れを誘導するステップと、
   （ｂ）前記電流の流れが相当に減衰する前に、少なくとも１つの二次電圧パルスをアーク灯内に導入し、これによりアーク灯内で電流のそれぞれ二次流れを誘導するステップとを備える、アーク灯を作動させる方法。
2. 請求項１の方法において、前記一次電圧パルスは実質的に方形パルスである、方法。
3. 請求項１の方法において、前記少なくとも１つの二次電圧パルスの各々は実質的に方形パルスである、方法。
4. 請求項１の方法において、複数の前記二次電圧パルスがアーク灯内に導入され、第一の前記二次電圧パルスに引き続く前記二次電圧パルスの各々は、その直前の前記二次電圧パルスのそれぞれの二次流れまでそしてそれを含む前記流れの総和が相当に減衰する前に、アーク灯内に導入される、方法。
5. 請求項４の方法において、前記第一の二次電圧パルスに引き続く前記二次電圧パルスの各々は、その直前の前記二次電圧パルスのそれぞれの二次流れまでそしてそれを含む前記流れの総和が該総和の直前の最大値の実質的に２分の１まで減衰する前に、アーク灯に導入される、方法。
6. 請求項１の方法において、前記少なくとも１つの二次電圧パルスの各々は、前記一次流れ及び前記少なくとも１つの二次流れの総和に対し所望の形状を与え得るように選ばれた、それぞれの持続時間、及び直前の前記電圧パルスに対するそれぞれの遅延を有する、方法。
7. 請求項６の方法において、前記所望の形状は実質的に方形である、方法。
8. 請求項６の方法において、前記所望の形状は実質的にガウス形状である、方法。
9. 請求項６の方法において、前記所望の形状は実質的に正弦波状である、方法。
10. 請求項１の方法において、前記電流の流れがその最大値の実質的に２分の１まで減衰する前に、前記少なくとも１つの二次電圧パルスが導入される、方法。
11. 請求項１の方法において、前記一次パルスは、約１０マイクロ秒ないし約４０マイクロ秒の範囲の持続時間を有する、方法。
12. 請求項１の方法において、前記二次電圧パルスの各々は、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の持続時間を有する、方法。
13. 請求項１の方法において、各々の前記二次電圧パルスの間、前記各々の二次電圧パルスの前記それぞれの二次流れまでそしてそれを含む前記流れの総和は、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の上昇時間を有する、方法。
14. 請求項１の方法において、引き続く前記二次電圧パルスの間にて、前記各々の二次電圧パルスの前記それぞれの二次流れまでそしてそれを含む前記流れの総和は、約５０マイクロ秒ないし１００マイクロ秒の範囲の降下時間を有する、方法。
15. 請求項１の方法において、前記一次流れ及び前記少なくとも1つの二次流れの総和は、約２００マイクロ秒ないし約１０ミリ秒の範囲の持続時間を有する、方法。
16. アーク灯を作動させる電流源において、
    （ａ）電源と、
    （ｂ）前記電源をアーク灯に作用可能に接続するスイッチと、
    （ｃ）アーク灯内にて所望の形状を有する電流の流れを誘導させるように複数の電圧パルスを電源からアーク灯に提供する仕方にて前記スイッチを閉じそして開くタイミング機構とを備える、電流源。
17. 請求項１６の電流源において、前記スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する、電流源。
18. 請求項１６の電流源において、前記タイミング機構及び前記スイッチは、第一の前記電圧パルスに対し、約１０ミリ秒ないし約４０ミリ秒の範囲の持続時間を提供するよう作用可能である、電流源。
19. 請求項１６の電流源において、前記タイミング機構及び前記スイッチは、第一の前記電圧パルスに引き続く前記電圧パルスの各々に対し、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の持続時間を提供するよう作用可能である、電流源。
20. 請求項１６の電流源において、前記タイミング機構及び前記スイッチは、第一の前記電圧パルスに引き続く各前記電圧パルスの間、前記電流の流れに対し、約１０マイクロ秒ないし約２０マイクロ秒の範囲の上昇時間を与えるよう作用可能である、電流源。
21. 請求項１６の電流源において、前記タイミング機構及び前記スイッチは、引き続く前記二次電圧パルスとパルスとの間、前記電流の流れに対し、約５０マイクロ秒ないし約１００マイクロ秒の範囲の降下時間を与えるよう作用可能である、電流源。
22. 請求項１６の電流源において、前記タイミング機構及び前記スイッチは、前記電流の流れに対し、約２００マイクロ秒ないし約１０ミリ秒の範囲の持続時間を与えるよう作用可能である、電流源。
23. 光パルス源において、
    （ａ）請求項１６の電流源と、
    （ｂ）前記スイッチと作用可能に接続されたアーク灯とを備える、光パルス源。

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