JP4060144B2 - リセット電流回路および磁気圧縮回路並びにこの磁気圧縮回路を備えたガスレーザ装置 - Google Patents
リセット電流回路および磁気圧縮回路並びにこの磁気圧縮回路を備えたガスレーザ装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気スイッチのリセット巻線および／またはパルストランスのリセット巻線にリセット電流を供給するリセット電流回路およびこのリセット電流回路を用いた磁気圧縮回路、並びに、この磁気圧縮回路を使用したガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプから波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
さらに、次世代の半導体露光用光源として、疲長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素（Ｆ2 ）レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、フッ素（Ｆ2 ）レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００３】
レーザチェンバ内部には、レーザガスを励起するための一対の主放電電極が、レーザ発振方向に垂直な方向に所定の距離だけ離間して対向配置されている。この一対の主放電電極には高電圧パルスが印加され、主放電電極間にかかる電圧がある値（ブレークダウン電圧）に到達すると、主放電電極間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起される。よって、このような露光用ガスレーザ装置は主放電の繰返しによるパルス発振を行い、放出するレーザ光はパルス光となる。
現状、露光に用いられているレーザ装置のレーザパルスの繰返し周波数は２ｋＨｚ程度であるが、近年、スループットの増大、露光量のバラツキの減少のため、繰返し周波数４ｋＨｚ以上が要請されている。
【０００４】
まず、露光用ガスレーザ装置の放電回路について説明する。
上記した露光用ガスレーザ装置において、上記したようにレーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるための放電回路（以下、高電圧パルス発生装置とも言う）の例を図３に示す。
図３の放電回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＲ１, ＳＲ２, ＳＲ３を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＲ１はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子である固体スイッチＳＷでのスイッチングロスの低減用のものであり、磁気アシストとも呼ばれる。
第１の磁気スイッチＳＲ２と第２の磁気スイッチＳＲ３により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【０００５】
図３に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値Ｖｉｎに調整され、主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはｏｆｆになっている。
主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがｏｎとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる。
磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＲ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷのループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。
【０００６】
なお、ここでは、回路ループのインダクタンスと主コンデンサＣ０の寄生インダクタンスを合成したものをインダクタンスＬL として表している。
また、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷがなすループをパルス発生回路、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループを昇圧回路と呼ぶことにする。
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
【０００７】
さらにこの後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＲ３の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ３が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
予備電離のためのコロナ放電は、第１電極１１が挿入されている誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チュープ１２の外周面に発生するが、ピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖｐが上昇し、Ｖｐが所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線６が発生し、主放電電極Ｅ，Ｅ間のレーザ媒質であるレーザガス２が予備電離される。
【０００８】
ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖｐが上昇し、この電圧Ｖｐがある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極Ｅ，Ｅ間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作、高電圧電源動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
ここで、磁気スイッチＳＲ２，ＳＲ３及びコンデンサＣ１，Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極Ｅ，Ｅ間に短パルスの強い放電が実現される。
【０００９】
ここで磁気スイッチの動作について、もう少し詳しく説明する。
（１）図４に磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルの構成、図５に磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの磁化曲線を示す。
（２）まず、コアに巻かれたリセット巻線ＳＲｒに流れるリセット電流により、コアの動作点が０点から(5) 点に移動する。
（３）可飽和リアクトルの前段のコンデンサ（ＳＲ２の場合Ｃ１，ＳＲ３の場合Ｃ２）からコアの主巻線に電流（励磁電流）が流れると、磁界強度Ｈが増加し、可飽和リアクトルのコアの動作点は図５の(5) 点から(4) 点を通り(1) 点に向かって移動する。
（４）励磁電流により動作点が(1) に達すると、可飽和リアクトルのコア内の磁束密度が飽和磁束密度以上となり、可飽和リアクトルは飽和する、このとき可飽和リアクトルのインダクタンスが急激に低下するため、前段のコンデンサ（ＳＲ２の場合Ｃ１、ＳＲ３の場合Ｃ２）から飽和状態にある可飽和リアクトルを介して、電流が後段のコンデンサ（ＳＲ２の場合Ｃ２，ＳＲ３の場合Ｃｐ）に流れこみ、これを充電する。
（５）可飽和リアクトルが飽和しているときのコアの動作点は、(1) よりもはるかに磁界の力Ｈが大きいところにあるが、電流の減少とともにＨが小さい方に移動して(2) に至る。
このとき可飽和リアクトルのインダクタンスが急激に増加するので、可飽和リアクトルに流れる電流は急激に減少する。電流が０となったときの動作点は(2) となり、ここで停止して磁束が残る（残留磁束）。
（６）ここで、(2) にコアの動作点がある状態で再び図３のスイッチＳＷを投入すると、コアの動作点は(2) から(1) の方向に移動するが、この場合の磁束密度変化量は小さいため非飽和時の可飽和リアクトルのインダクタンスが十分大きくならず、磁気パルス圧縮はほとんど行えなくなる。
（７）よって、磁気パルス圧縮を行った後はコアの動作点を図５の(3) を介して(5) に戻すように磁気リセットを行う。
（８）磁気リセットには様々な方法があるが、最も簡単なものの一つとして、図４に示すようにコアにリセット巻線ＳＲｒを設け、主巻線とは逆方向に直流電流を流すリセット回路ＲＣを設け、このリセット回路ＲＣにより電流（リセット電流）を流しておき、コアの動作点を(5) となるようにしておくものがある。
【００１０】
次に上記リセット回路について説明する。
（１）図６にリセット回路を設けた例を示す。
リセツト回路は直流電源Ｅ、抵抗Ｒからなる定電流回路からなり、リセット電流Ｉｒは、直流電源Ｅ, 抵抗Ｒにより調整される。
（２）ここでダイオードＤはリセット電流Ｉｒには阻止状態であるが、磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流には順方向状態である。このダイオードＤとリアクトルＬにより、上記誘導電流は直流電源Ｅに流れこむことがなく、磁気スイッチのリセット巻線ＳＲｒ、ダイオードＤ, リアクトルＬを循環する。すなわち、ダイオードＤ, リアクトルＬにより、直流電源Ｅは磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流から保護される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチに必要とされるリセット電流の値は、通常５〜１５Ａと比較的大きい。
このため、図６に示すように直流電源Ｅ、抵抗Ｒからなる定電流回路を用いた場合、直流電源Ｅ、抵抗Ｒもそれに対応して大型化し、また高価になってしまう。また、抵抗Ｒによる損失が大きく抵抗が発熱するため、場合によっては冷却機構等を設ける必要もあり、一層大型化する。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、リセット電流回路の小型化を図るとともに、リセット電流回路の損失を小さくすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）可飽和リアクトルからなる磁気スイッチのリセット巻線および／またはパルストランスのリセット巻線にリセット電流を供給するリセット電流回路において、リセット電流回路を、直流電源（Ｅ）と、該直流電源（Ｅ）の出力端に接続されたスイッチ（ＳＷ）と、このスイッチ（ＳＷ）に直列に接続されたインダクタンス（Ｌ１）と、上記リセット巻線に流れる電流を検出する電流検知手段と、上記インダクタンス（Ｌ１）、リセット巻線、電流検知手設からなる直列回路に並列に接続され、順方向が上記インダクタンスに流れる電流の方向であるダイオード（Ｄ１）と、オン／オフ制御部、上記スイッチ（ＳＷ）の最大ＯＮ時間を制限する最大ＯＮ時間制限部と、上記スイッチ（ＳＷ）の最大ＯＦＦ時間を制限する最大デューティ制限部を備え、オン／オフ制御部が、上記電流検知手段からの電流データに基づき、上記スイッチのオン／オフ比を制御することによりリセット電流の値を略一定に維持する制御回路から構成する。
（２）上記（１）において、上記インダクタンス（Ｌ）をリセット巻線に発生する誘導電圧以上の耐圧を有するように選定し、上記ダイオード（Ｄ１）を上記誘導電圧とインダクタンス（Ｌ１）とから決まる電流値以上の定格を有するよう選定する。
（３）磁気圧縮回路の磁気スイッチ、またはパルストランスに、上記（１）または（２）のリセット電流回路を設ける。
（４）ガスレーザ装置の磁気圧縮回路として、上記（３）の磁気圧縮回路を用いる。
本発明においては、上記のように、リセット電流回路を、直流電源（Ｅ）と、該直流電源（Ｅ）の出力端に接続されたスイッチ（ＳＷ）と、このスイッチ（ＳＷ）に直列に接続されたインダクタンス（Ｌ１）と、上記リセット巻線に流れる電流を検出する電流検知手段と、上記インダクタンス（Ｌ１）、リセット巻線、電流検知手設からなる直列回路に並列に接続され順方向が上記インダクタンスに流れる電流の方向であるダイオード（Ｄ１）と、制御回路から構成し、上記電流検知手段からの電流データに基づき上記スイッチのオン／オフを制御するようにしたので、リセット電流回路の小型化を図るとともに、リセット電流回路の損失を小さくすることができる。
【００１３】
【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。
以下では、リセット回路の構成および動作について説明するが、本実施例のリセット電流回路は、前記図３に示したガスレーザ装置の放電回路（高電圧パルス発生回路）に設けられた磁気スイッチのリセット巻線および／または昇圧トランス（パルストランス）のリセット巻線にリセット電流を供給するためのリセット電流回路に適用することができる。なお、前記図３では、昇圧トランスを有する放電回路について説明したが、上記昇圧トランスを有しない放電回路の磁気スイッチのリセットにも同様に適用することができる。
【００１４】
図１は本発明の実施例のリセット電流回路の構成を示す図であり、本実施例は磁気スイッチのリセットに適用した場合を示している。
本実施例においては、従来のように抵抗Ｒを有する定電流源を用いてリセツト回路を構成するのではなく、図１に示すようにチョッパ回路を用いてリセット電流回路を構成する。
図１において、Ｅは直流電源であり、直流電源Ｅの＋側、−側端子間には、制御回路１の出力によりＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチＳＷ、インダクタンスＬ１、磁気スイッチＳＲのリセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２が直列に接続され、上記インダクタンスＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２からなる直列回路に並列にダイオードＤ１が接続されている。
ダイオードＤ１は、その順方向が上記インダクタンスＬ１に流れる電流方向になるように、そのアノードが直流電源Ｅの−側に接続され、上記スイッチＳＷがＯＦＦのとき、インダクタンスＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２およびダイオードＤ１を介して循環電流が流れる。
上記のように、ダイオードＤ１はリセット電流ＩL1には阻止状態であるが、磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流には順方向状態である。このため、前記図６に示したものと同様、このダイオードＤ１とリアクトルＬ１により、上記誘導電流は直流電源Ｅに流れこむことがなく、直流電源Ｅは磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流から保護される。
【００１５】
上記インダクタンスＬ１は、磁気スイッチ動作時にリセット巻線ＳＲｒに発生する誘導電圧以上の耐圧を有するように選定され、また、上記ダイオードＤ１は、上記誘導電圧とインダクタンスＬ１とから決まる電流値以上の定格を有するよう選定されている。
チョッパ回路は上記直流電源Ｅ、スイッチＳＷ、インダクタンスＬ１、電流検知手段２から構成され、電流検知手段２の出力は制御回路１のＯＮ／ＯＦＦ制御部１ａに入力され、このＯＮ／ＯＦＦ制御回路１ａは上記電流検知手段２の出力に基づき、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ比（デューティ）を制御し、リセット巻線ＳＲｒに流れる電流が略一定の値になるように制御する。
また、上記制御回路１は、スイッチＳＷの最大ＯＮ時間を制限する最大ＯＮ時間制限部１ｂと、スイッチＳＷの最大ＯＦＦ時間を制限する最大デューティ制限部１ｃを備えている。
【００１６】
以下、図２を用いて本実施例の動作を説明する。
図２において、時点ＡにおいてスイッチＳＷがＯＮとなる。電流は、スイッチＳＷ、リアクトルＬ１、リセツト巻線ＳＲｒ、電流検知手段２の経路で流れる。
スイッチＳＷを流れる電流ＩSW、リアクトルＬ１を流れる電流ＩL1の値が徐々に大きくなる。
電流検知手段２は、スイッチＳＷ、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２の経路に流れる電流ＩL1の値を検知する。
制御回路１は、電流ＩL1の値と所定値を比較し、電流検知手段２が検知したリアクトルＬ1 を流れる電流ＩL1の値が所定値ＩLUとなったとき（時点Ｂ）、電流検知手段２からの信号を受信する制御回路１のＯＮ／ＯＦＦ制御部１ａは、スイッチＳＷがＯＦＦとなるように制御する。
スイッチＳＷがＯＦＦになると、電流は、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２、ダイオードＤ１の経路で流れる。すなわち、スイッチＳＷを流れる電流ＩSWは０となり、ダイオードＤ１に電流ＩD1が流れる。
【００１７】
リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２、ダイオードＤ１の経路においては、直流電源Ｅからの電力供給がないので、回路の内部インピーダンス等による電力消費により、この経路を流れる電流の値は徐々に小さくなる。すなわち、リアクトルＬ１を流れる電流ＩL1、ダイオードＤ１に電流ＩD1の値が徐々に小さくなる。
電流検知手段２は、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２、ダイオードＤ１の経路に流れる電流ＩD1の値を検知する。
電流検知手段２が検知したリアクトルＬ１を流れる電流ＩLD、の値が所定値ＩLDとなったとき（時点Ｃ）、電流検知手段２からの信号を受信する制御回路１のＯＮ／ＯＦＦ制御部１ａはスイッチＳＷがＯＮとなるように制御する。
電流は再度、スイッチＳＷ、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２の経路で流れる。
リアクトルＬ１を流れる電流ＩL1の値が徐々に大きくなり、電流検知手段が検知したリアクトルＬ１を流れる電流ＩL1の値が所定値ＩLuとなる時点Ｄにおいて、再度スイッチＳＷがＯＦＦとなるように制御される。以下、上記の動作が繰り返される。
また、上記繰り返し動作において、制御回路１の最大ＯＮ時間制限部１ｂと最大デューティ制限部１ｃは、上記スイッチＳＷのＯＮ時間が所定値を越えないように制限する。
【００１８】
以上説明したように、本実施例によればリアクトルＬ１を流れる電流ＩL1、すなわち、磁気スイッチのリセット巻線ＳＲｒに流れる電流は、所定範囲内ＩLU〜ＩLDに維持される。
このため、磁気スイッチに必要とされるリセット電流の許容範囲内にこの所定範囲内が含まれるよう調整される。
一方、スイッチＳＷを流れる電流Ｉswは、最大値はほぼ所定値ＩLu、すなわちほぼリセット電流値に等しいが、期間Ａ〜Ｂ、Ｃ〜Ｄ、Ｄ〜Ｆの間だけ電流が流れるので、スイッチＳＷを流れる平均電流は、リセット電流値より小さくなる。
また、前記図６に示した従来の定電流源のように、抵抗Ｒを用いていないので、抵抗Ｒによる損失がなく、直流電源Ｅの容量は、従来の定電流に用いるものよりも小さくてよく、電源の小型化が可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、チョッパ回路を用いてリセット電流回路を構成したので、リセット電流回路の小型化を図るとともに、リセット電流回路の損失を小さくすることができ、さらにリセット電流を供給する電源の電源容量を小さくすることが可能となる。
このため、磁気圧縮回路およびこれを使用した高電圧パルス発生回路の小型化を図ることができ、これにより、この高電圧パルス発生回路を用いたレーザ装置の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のリセット電流回路の構成を示す図である。
【図２】本実施例のリセット電流回路の動作を説明する図である。
【図３】露光用ガスレーザ装置における放電回路（高電圧パルス発生装置）の構成例を示す図である。
【図４】磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルの構成を示す図である。
【図５】磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの磁化曲線を示す図である。
【図６】磁気スイッチにリセット回路を設けた例を示す図である。
【符号の説明】
１ 制御回路
１ａ ＯＮ／ＯＦＦ制御部
１ｂ 最大ＯＮ時間制限部
１ｃ 最大デューティ制限部
２ 電流検知手段
Ｅ 直流電源
ＳＷ スイッチ
ＳＲｒ リセット巻線
Ｌ１ インダクタンス
Ｄ１ ダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気スイッチのリセット巻線および／またはパルストランスのリセット巻線にリセット電流を供給するリセット電流回路およびこのリセット電流回路を用いた磁気圧縮回路、並びに、この磁気圧縮回路を使用したガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプから波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
さらに、次世代の半導体露光用光源として、疲長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素（Ｆ2 ）レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、フッ素（Ｆ2 ）レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００３】
レーザチェンバ内部には、レーザガスを励起するための一対の主放電電極が、レーザ発振方向に垂直な方向に所定の距離だけ離間して対向配置されている。この一対の主放電電極には高電圧パルスが印加され、主放電電極間にかかる電圧がある値（ブレークダウン電圧）に到達すると、主放電電極間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起される。よって、このような露光用ガスレーザ装置は主放電の繰返しによるパルス発振を行い、放出するレーザ光はパルス光となる。
現状、露光に用いられているレーザ装置のレーザパルスの繰返し周波数は２ｋＨｚ程度であるが、近年、スループットの増大、露光量のバラツキの減少のため、繰返し周波数４ｋＨｚ以上が要請されている。
【０００４】
まず、露光用ガスレーザ装置の放電回路について説明する。
上記した露光用ガスレーザ装置において、上記したようにレーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるための放電回路（以下、高電圧パルス発生装置とも言う）の例を図３に示す。
図３の放電回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＲ１, ＳＲ２, ＳＲ３を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＲ１はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子である固体スイッチＳＷでのスイッチングロスの低減用のものであり、磁気アシストとも呼ばれる。
第１の磁気スイッチＳＲ２と第２の磁気スイッチＳＲ３により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【０００５】
図３に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値Ｖｉｎに調整され、主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはｏｆｆになっている。
主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがｏｎとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる。
磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＲ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷのループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。
【０００６】
なお、ここでは、回路ループのインダクタンスと主コンデンサＣ０の寄生インダクタンスを合成したものをインダクタンスＬL として表している。
また、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷがなすループをパルス発生回路、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループを昇圧回路と呼ぶことにする。
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
【０００７】
さらにこの後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＲ３の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ３が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
予備電離のためのコロナ放電は、第１電極１１が挿入されている誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チュープ１２の外周面に発生するが、ピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖｐが上昇し、Ｖｐが所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線６が発生し、主放電電極Ｅ，Ｅ間のレーザ媒質であるレーザガス２が予備電離される。
【０００８】
ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖｐが上昇し、この電圧Ｖｐがある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極Ｅ，Ｅ間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作、高電圧電源動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
ここで、磁気スイッチＳＲ２，ＳＲ３及びコンデンサＣ１，Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極Ｅ，Ｅ間に短パルスの強い放電が実現される。
【０００９】
ここで磁気スイッチの動作について、もう少し詳しく説明する。
（１）図４に磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルの構成、図５に磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの磁化曲線を示す。
（２）まず、コアに巻かれたリセット巻線ＳＲｒに流れるリセット電流により、コアの動作点が０点から(5) 点に移動する。
（３）可飽和リアクトルの前段のコンデンサ（ＳＲ２の場合Ｃ１，ＳＲ３の場合Ｃ２）からコアの主巻線に電流（励磁電流）が流れると、磁界強度Ｈが増加し、可飽和リアクトルのコアの動作点は図５の(5) 点から(4) 点を通り(1) 点に向かって移動する。
（４）励磁電流により動作点が(1) に達すると、可飽和リアクトルのコア内の磁束密度が飽和磁束密度以上となり、可飽和リアクトルは飽和する、このとき可飽和リアクトルのインダクタンスが急激に低下するため、前段のコンデンサ（ＳＲ２の場合Ｃ１、ＳＲ３の場合Ｃ２）から飽和状態にある可飽和リアクトルを介して、電流が後段のコンデンサ（ＳＲ２の場合Ｃ２，ＳＲ３の場合Ｃｐ）に流れこみ、これを充電する。
（５）可飽和リアクトルが飽和しているときのコアの動作点は、(1) よりもはるかに磁界の力Ｈが大きいところにあるが、電流の減少とともにＨが小さい方に移動して(2) に至る。
このとき可飽和リアクトルのインダクタンスが急激に増加するので、可飽和リアクトルに流れる電流は急激に減少する。電流が０となったときの動作点は(2) となり、ここで停止して磁束が残る（残留磁束）。
（６）ここで、(2) にコアの動作点がある状態で再び図３のスイッチＳＷを投入すると、コアの動作点は(2) から(1) の方向に移動するが、この場合の磁束密度変化量は小さいため非飽和時の可飽和リアクトルのインダクタンスが十分大きくならず、磁気パルス圧縮はほとんど行えなくなる。
（７）よって、磁気パルス圧縮を行った後はコアの動作点を図５の(3) を介して(5) に戻すように磁気リセットを行う。
（８）磁気リセットには様々な方法があるが、最も簡単なものの一つとして、図４に示すようにコアにリセット巻線ＳＲｒを設け、主巻線とは逆方向に直流電流を流すリセット回路ＲＣを設け、このリセット回路ＲＣにより電流（リセット電流）を流しておき、コアの動作点を(5) となるようにしておくものがある。
【００１０】
次に上記リセット回路について説明する。
（１）図６にリセット回路を設けた例を示す。
リセツト回路は直流電源Ｅ、抵抗Ｒからなる定電流回路からなり、リセット電流Ｉｒは、直流電源Ｅ, 抵抗Ｒにより調整される。
（２）ここでダイオードＤはリセット電流Ｉｒには阻止状態であるが、磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流には順方向状態である。このダイオードＤとリアクトルＬにより、上記誘導電流は直流電源Ｅに流れこむことがなく、磁気スイッチのリセット巻線ＳＲｒ、ダイオードＤ, リアクトルＬを循環する。すなわち、ダイオードＤ, リアクトルＬにより、直流電源Ｅは磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流から保護される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチに必要とされるリセット電流の値は、通常５〜１５Ａと比較的大きい。
このため、図６に示すように直流電源Ｅ、抵抗Ｒからなる定電流回路を用いた場合、直流電源Ｅ、抵抗Ｒもそれに対応して大型化し、また高価になってしまう。また、抵抗Ｒによる損失が大きく抵抗が発熱するため、場合によっては冷却機構等を設ける必要もあり、一層大型化する。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、リセット電流回路の小型化を図るとともに、リセット電流回路の損失を小さくすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）可飽和リアクトルからなる磁気スイッチのリセット巻線および／またはパルストランスのリセット巻線にリセット電流を供給するリセット電流回路において、リセット電流回路を、直流電源（Ｅ）と、該直流電源（Ｅ）の出力端に接続されたスイッチ（ＳＷ）と、このスイッチ（ＳＷ）に直列に接続されたインダクタンス（Ｌ１）と、上記リセット巻線に流れる電流を検出する電流検知手段と、上記インダクタンス（Ｌ１）、リセット巻線、電流検知手設からなる直列回路に並列に接続され、順方向が上記インダクタンスに流れる電流の方向であるダイオード（Ｄ１）と、オン／オフ制御部、上記スイッチ（ＳＷ）の最大ＯＮ時間を制限する最大ＯＮ時間制限部と、上記スイッチ（ＳＷ）の最大ＯＦＦ時間を制限する最大デューティ制限部を備え、オン／オフ制御部が、上記電流検知手段からの電流データに基づき、上記スイッチのオン／オフ比を制御することによりリセット電流の値を略一定に維持する制御回路から構成する。
（２）上記（１）において、上記インダクタンス（Ｌ）をリセット巻線に発生する誘導電圧以上の耐圧を有するように選定し、上記ダイオード（Ｄ１）を上記誘導電圧とインダクタンス（Ｌ１）とから決まる電流値以上の定格を有するよう選定する。
（３）磁気圧縮回路の磁気スイッチ、またはパルストランスに、上記（１）または（２）のリセット電流回路を設ける。
（４）ガスレーザ装置の磁気圧縮回路として、上記（３）の磁気圧縮回路を用いる。
本発明においては、上記のように、リセット電流回路を、直流電源（Ｅ）と、該直流電源（Ｅ）の出力端に接続されたスイッチ（ＳＷ）と、このスイッチ（ＳＷ）に直列に接続されたインダクタンス（Ｌ１）と、上記リセット巻線に流れる電流を検出する電流検知手段と、上記インダクタンス（Ｌ１）、リセット巻線、電流検知手設からなる直列回路に並列に接続され順方向が上記インダクタンスに流れる電流の方向であるダイオード（Ｄ１）と、制御回路から構成し、上記電流検知手段からの電流データに基づき上記スイッチのオン／オフを制御するようにしたので、リセット電流回路の小型化を図るとともに、リセット電流回路の損失を小さくすることができる。
【００１３】
【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。
以下では、リセット回路の構成および動作について説明するが、本実施例のリセット電流回路は、前記図３に示したガスレーザ装置の放電回路（高電圧パルス発生回路）に設けられた磁気スイッチのリセット巻線および／または昇圧トランス（パルストランス）のリセット巻線にリセット電流を供給するためのリセット電流回路に適用することができる。なお、前記図３では、昇圧トランスを有する放電回路について説明したが、上記昇圧トランスを有しない放電回路の磁気スイッチのリセットにも同様に適用することができる。
【００１４】
図１は本発明の実施例のリセット電流回路の構成を示す図であり、本実施例は磁気スイッチのリセットに適用した場合を示している。
本実施例においては、従来のように抵抗Ｒを有する定電流源を用いてリセツト回路を構成するのではなく、図１に示すようにチョッパ回路を用いてリセット電流回路を構成する。
図１において、Ｅは直流電源であり、直流電源Ｅの＋側、−側端子間には、制御回路１の出力によりＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチＳＷ、インダクタンスＬ１、磁気スイッチＳＲのリセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２が直列に接続され、上記インダクタンスＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２からなる直列回路に並列にダイオードＤ１が接続されている。
ダイオードＤ１は、その順方向が上記インダクタンスＬ１に流れる電流方向になるように、そのアノードが直流電源Ｅの−側に接続され、上記スイッチＳＷがＯＦＦのとき、インダクタンスＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２およびダイオードＤ１を介して循環電流が流れる。
上記のように、ダイオードＤ１はリセット電流ＩL1には阻止状態であるが、磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流には順方向状態である。このため、前記図６に示したものと同様、このダイオードＤ１とリアクトルＬ１により、上記誘導電流は直流電源Ｅに流れこむことがなく、直流電源Ｅは磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流から保護される。
【００１５】
上記インダクタンスＬ１は、磁気スイッチ動作時にリセット巻線ＳＲｒに発生する誘導電圧以上の耐圧を有するように選定され、また、上記ダイオードＤ１は、上記誘導電圧とインダクタンスＬ１とから決まる電流値以上の定格を有するよう選定されている。
チョッパ回路は上記直流電源Ｅ、スイッチＳＷ、インダクタンスＬ１、電流検知手段２から構成され、電流検知手段２の出力は制御回路１のＯＮ／ＯＦＦ制御部１ａに入力され、このＯＮ／ＯＦＦ制御回路１ａは上記電流検知手段２の出力に基づき、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ比（デューティ）を制御し、リセット巻線ＳＲｒに流れる電流が略一定の値になるように制御する。
また、上記制御回路１は、スイッチＳＷの最大ＯＮ時間を制限する最大ＯＮ時間制限部１ｂと、スイッチＳＷの最大ＯＦＦ時間を制限する最大デューティ制限部１ｃを備えている。
【００１６】
以下、図２を用いて本実施例の動作を説明する。
図２において、時点ＡにおいてスイッチＳＷがＯＮとなる。電流は、スイッチＳＷ、リアクトルＬ１、リセツト巻線ＳＲｒ、電流検知手段２の経路で流れる。
スイッチＳＷを流れる電流ＩSW、リアクトルＬ１を流れる電流ＩL1の値が徐々に大きくなる。
電流検知手段２は、スイッチＳＷ、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２の経路に流れる電流ＩL1の値を検知する。
制御回路１は、電流ＩL1の値と所定値を比較し、電流検知手段２が検知したリアクトルＬ1 を流れる電流ＩL1の値が所定値ＩLUとなったとき（時点Ｂ）、電流検知手段２からの信号を受信する制御回路１のＯＮ／ＯＦＦ制御部１ａは、スイッチＳＷがＯＦＦとなるように制御する。
スイッチＳＷがＯＦＦになると、電流は、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２、ダイオードＤ１の経路で流れる。すなわち、スイッチＳＷを流れる電流ＩSWは０となり、ダイオードＤ１に電流ＩD1が流れる。
【００１７】
リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２、ダイオードＤ１の経路においては、直流電源Ｅからの電力供給がないので、回路の内部インピーダンス等による電力消費により、この経路を流れる電流の値は徐々に小さくなる。すなわち、リアクトルＬ１を流れる電流ＩL1、ダイオードＤ１に電流ＩD1の値が徐々に小さくなる。
電流検知手段２は、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２、ダイオードＤ１の経路に流れる電流ＩD1の値を検知する。
電流検知手段２が検知したリアクトルＬ１を流れる電流ＩLD、の値が所定値ＩLDとなったとき（時点Ｃ）、電流検知手段２からの信号を受信する制御回路１のＯＮ／ＯＦＦ制御部１ａはスイッチＳＷがＯＮとなるように制御する。
電流は再度、スイッチＳＷ、リアクトルＬ１、リセット巻線ＳＲｒ、電流検知手段２の経路で流れる。
リアクトルＬ１を流れる電流ＩL1の値が徐々に大きくなり、電流検知手段が検知したリアクトルＬ１を流れる電流ＩL1の値が所定値ＩLuとなる時点Ｄにおいて、再度スイッチＳＷがＯＦＦとなるように制御される。以下、上記の動作が繰り返される。
また、上記繰り返し動作において、制御回路１の最大ＯＮ時間制限部１ｂと最大デューティ制限部１ｃは、上記スイッチＳＷのＯＮ時間が所定値を越えないように制限する。
【００１８】
以上説明したように、本実施例によればリアクトルＬ１を流れる電流ＩL1、すなわち、磁気スイッチのリセット巻線ＳＲｒに流れる電流は、所定範囲内ＩLU〜ＩLDに維持される。
このため、磁気スイッチに必要とされるリセット電流の許容範囲内にこの所定範囲内が含まれるよう調整される。
一方、スイッチＳＷを流れる電流Ｉswは、最大値はほぼ所定値ＩLu、すなわちほぼリセット電流値に等しいが、期間Ａ〜Ｂ、Ｃ〜Ｄ、Ｄ〜Ｆの間だけ電流が流れるので、スイッチＳＷを流れる平均電流は、リセット電流値より小さくなる。
また、前記図６に示した従来の定電流源のように、抵抗Ｒを用いていないので、抵抗Ｒによる損失がなく、直流電源Ｅの容量は、従来の定電流に用いるものよりも小さくてよく、電源の小型化が可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、チョッパ回路を用いてリセット電流回路を構成したので、リセット電流回路の小型化を図るとともに、リセット電流回路の損失を小さくすることができ、さらにリセット電流を供給する電源の電源容量を小さくすることが可能となる。
このため、磁気圧縮回路およびこれを使用した高電圧パルス発生回路の小型化を図ることができ、これにより、この高電圧パルス発生回路を用いたレーザ装置の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のリセット電流回路の構成を示す図である。
【図２】本実施例のリセット電流回路の動作を説明する図である。
【図３】露光用ガスレーザ装置における放電回路（高電圧パルス発生装置）の構成例を示す図である。
【図４】磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルの構成を示す図である。
【図５】磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの磁化曲線を示す図である。
【図６】磁気スイッチにリセット回路を設けた例を示す図である。
【符号の説明】
１ 制御回路
１ａ ＯＮ／ＯＦＦ制御部
１ｂ 最大ＯＮ時間制限部
１ｃ 最大デューティ制限部
２ 電流検知手段
Ｅ 直流電源
ＳＷ スイッチ
ＳＲｒ リセット巻線
Ｌ１ インダクタンス
Ｄ１ ダイオード
Claims (4)
- 可飽和リアクトルからなる磁気スイッチのリセット巻線および／またはパルストランスのリセット巻線にリセット電流を供給するリセット電流回路であって、
このリセット電流回路は、直流電源（Ｅ）と、
上記の直流電源（Ｅ）の出力端に接続されたスイッチ（ＳＷ）と、このスイッチ（ＳＷ）に直列に接続されたインダクタンス（Ｌ１）と、
上記リセット巻線に流れる電流を検出する電流検知手段と、
上記インダクタンス（Ｌ１）と上記電流検知手段と上記リセット巻線は、直列に接続され、このインダクタンス（Ｌ１）、リセット巻線、電流検知手設からなる直列回路に並列に接続され、順方向が上記インダクタンスに流れる電流の方向であるダイオード（Ｄ１）と、
制御回路を有し、
上記制御回路はオン／オフ制御部、上記スイッチ（ＳＷ）の最大ＯＮ時間を制限する最大ＯＮ時間制限部と、上記スイッチ（ＳＷ）の最大ＯＦＦ時間を制限する最大デューティ制限部を備え、制御回路のオン／オフ制御部は、上記電流検知手段からの電流データに基づき、上記スイッチのオン／オフ比を制御することによりリセット電流の値を略一定に維持することを特徴とするリセット電流回路。 - 上記インダクタンス（Ｌ１）がリセット巻線に発生する誘導電圧以上の耐圧を有するように選定され、
上記ダイオード（Ｄ１）が上記誘導電圧とインダクタンス（Ｌ１）とから決まる電流値以上の定格を有するよう選定された
ことを特徴とする請求項１に記載のリセット電流回路。 - 請求項１，２のいずれか一項に記載されたリセット電流回路を有する磁気スイッチ、または、パルストランスが用いられている
ことを特徴とする磁気パルス圧縮回路。 - 請求項３の磁気パルス圧縮回路を有するガスレーザ装置。
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