JP4524375B2 - パルス波生成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、雷撃電圧（電流）のような高電圧且つ短幅のパルス波（又は急峻波），特に、電子デバイスのスイッチング動作時に発生するパルス波に近似する、高電圧且つ短幅のパルス波を、簡易な構成にて出力することのできるパルス波生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility），即ち電磁環境の両立性又は環境電磁問題に関する分野が注目されている。特に、電子デバイスが存在するところでは、電力機器における開閉装置，電源（パワーエレクトロニクス等）のオン／オフ動作（スイッチング動作等）にともなって生じる過渡的過電圧や、商用電源制御用高速スイッチング素子の動作にともなって生じるサージ電流が、それらの原因と指摘されている。
【０００３】
特に、前記過渡的過電圧等で最も問題となるのが、前記サージ電流である。かかるサージ電流による誘導妨害は、通信機器，電子機器の破壊や誤動作をもたらし、通信線路の伝送品質を劣化させる。特に医療施設で運用されている医療機器に与える影響は甚大である。
【０００４】
前記過渡的過電圧パルス波（前記サージ電流）等の発生が電子機器に与える影響を解析するためには、開閉装置，パワーエレクトロニクス等のスイッチング動作時に生じる過渡的過電圧が絶縁材料に与える影響を調査する必要がある。そのため、特にスイッチング素子の動作によって生じるパルス波に近似するような、立ち上がりが急峻で，高電圧，且つナノ秒オーダーの短幅パルス波を擬似的に発生させることが要求される。
【０００５】
ここで、特開平９−１４８８９５号公報は、光短パルス程度のパルス幅の短電気パルスを得ることができる短電気パルス発生装置を開示する。この短電気パルス発生装置は、光パルスを電気パルスに変換することで１０ピコ秒オーダーの電気パルスを発生するが、その電圧は雷撃電流に到底及ばず、誘導妨害の解析には使用できない。また、電気パルス発生手段，半導体レーザー（例えばＶＣＳＥＬ等），光学素子等を備えることが必要であるため、部品点数が多く複雑な構成となり、装置自体のコストも高いと考えられる。
【０００６】
また、特開平１０−２５６８８１号公報は、小型で部品点数が少なく、消費電力の少ない電気機械変換素子を駆動するに適したパルス発生装置を開示する。このパルス発生装置による出力電圧（電流）も、雷撃電圧（電流）には到底及ばず、誘導妨害の解析には使用できない。また、部品点数を少なくするためにトランジスタによるスイッチング回路を備える構成としているので、応答遅延により短幅パルス（幅約３０ナノ秒以下のパルス）の生成にも不向きであると考えられる。
【０００７】
【解決しようとする課題】
したがって、従来のパルス発生装置等においては、半導体素子を利用したものは存在していたが、かかる半導体素子の耐圧能力等には限界があった。特に、スイッチング素子の動作等によって生じるパルス波（少なくとも２キロボルト程度の高電圧であって，且つ少なくとも３０ナノ秒程度）に近似するような、高電圧且つ短幅のパルス波を、半導体素子を用いずに生成することができなかった。とりわけ、パルス波の幅を短くすると出力電圧を高くできないという問題もあった。
【０００８】
そこで発明者は、鋭意研究を重ねた結果、その発明を、パルス波出力側に設けられる平板電極と，該平板電極に対向配置される第１球電極及び第２球電極とを備えた電極部と、前記第１球電極と前記平板電極との絶縁破壊によって電圧を生じる第１インピーダンス部と、前記第２球電極と前記平板電極との絶縁破壊で生じる交流分を接地し，且つ他の電流を放電する第２インピーダンス部とを備えたパルス波生成装置としたことで、簡易な構成にて、スイッチング素子等の動作によって生じるパルス波に近似するような、高電圧且つ短幅のパルス波を生成することができ、前記課題を解決したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明のパルス生成装置の実施の一形態について説明する。図１は本発明のパルス生成装置の構成の一形態を示し、主に、高電圧電源部１０、電極部２０、第１インピーダンス部３０、第２インピーダンス部４０から構成される。前記高電圧電源部１０は、低圧，高圧，特別高圧に分類されるあらゆる任意の電圧（特に高電圧）を発生させることができる高電圧電源であり、好ましくは、「ノンギャップＩ．Ｇ．」，即ち、出願人の登録実用新案（実公平７−４２２３５号）に係る無間隙衝撃電圧発生装置を適用する。但し、当該無間隙衝撃電圧発生装置の発生する電圧と同程度の電圧を発生させることのできる電源装置であればこれに限定されず、いかなる直流電圧電源，交流電圧電源でも適用することができる。
【００１０】
前記電極部２０は、例えば球電極と平板電極とから構成される複合電極であって、前記高電圧電源部１０から入力される高電圧によって、電極間で絶縁破壊が生じるように構成する。また、２つの電極間をガス（特に絶縁性気体）で満たすべく、箱，容器又は筐体等にて密閉する構成とすることがある。
【００１１】
前記第１インピーダンス部３０は、具体的には抵抗素子であり、好ましくは無誘導抵抗素子を適用するが、リアクタンス素子（回路）としてもよく、これに限定されない。また、前記第２インピーダンス部４０は、好ましくは、抵抗素子とコンデンサ素子とからなるＲＣ並列回路とするが、これに限定されない。この場合の抵抗素子も、好ましくは無誘導抵抗素子を適用するが、これに限定されない。
【００１２】
また、本明細書では、説明上、前記電極部２０の入力電圧（印加電圧）をＶ1ボルト，出力電圧をＶ2ボルトと称することがある。
【００１３】
次に、本発明のパルス波生成装置の作用について説明する。まず、前記電極部２０にて絶縁破壊させ、その放電パルス電流を前記第１インピーダンス部３０に流入させる。この電流による電圧降下によって、前記電極部２０にて再度絶縁破壊させる。このときに生じる電流を、前記第２インピーダンス部４０のバイパスコンデンサＣに流入させることで、前記第２インピーダンス部４０の両端に生じる電位差を低電位にさせる。
【００１４】
図５は、前記電極部２０に対する印加電圧（入力電圧パルス）と、出力電圧パルスとの関係を示す。まず、前記高電圧電源部１０から印加された電圧が前記第１球電極Ｅ1に印加されると、ギャップ長ｄ1における電圧が急激に上昇する。そして、所定の絶縁破壊電圧以上になると、前記平板電極Ｅ3との間で絶縁破壊が起きる。
【００１５】
そのときに生じるパルス性放電電流は、前記第１インピーダンス部３０に流入する。その結果上昇した出力電圧が、ギャップ長ｄ2に対応する絶縁破壊電圧に達すると、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との間で絶縁破壊が生じる。このときの放電電流は、交流成分が高くなるので、前記第２インピーダンス部４０のバイパスコンデンサＣにて当該交流成分を接地する構成とする。残留電荷分は、前記バイパスコンデンサＣと並列に接続されることがある抵抗にて放電させる構成とすることがある。「ギャップ長ｄ2に対応する絶縁破壊電圧」としたのは、紫外線の照射如何によって絶縁破壊電圧が変化することを考慮したものであり、具体的には、絶縁破壊電圧がエレクトロンの存在確率に依存することを考慮したものである。
【００１６】
即ち、図５において、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との間の絶縁破壊によって生じる出力電圧は、ギャップ長ｄ1＞ｄ2という関係を満たす限りにおいて、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との間の絶縁破壊によって生成される破壊電圧の一部が、出力パルス波として利用されることになる。その結果、図５に示すような極めて短い幅のパルス波の出力を得ることができる。
【００１７】
これにより、ダイバータと同様の機能を生じさせることができるので、出力電圧のパルス幅を制御することが可能となる。したがって、前記第１インピーダンス部３０の両端に、パルス幅の短い出力電圧を発生させることができる。その出力電圧は、前記高電圧電源部１０の印加電圧と、前記電極部２０の各ギャップ長ｄ1及びｄ2（各電極間の間隔）とによって制御できる。本明細書では、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3を「電極系１」と、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3とを「電極系２」と称することがある。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明のパルス波生成装置の好適な一実施例について説明する。図２は、本実施例における構成を示す。前記高電圧電源部１０は、出願人の登録実用新案に係る前記無間隙衝撃電圧発生装置を適用する。このときの立ち上がり時間は約０．３５マイクロ秒、波尾長は約３５マイクロ秒である。また、電圧印加のインターバルを約７秒とし、その印加電圧は、２．５キロボルト，３．０キロボルト，３．５キロボルトとした（以下、電圧は全てピーク値を指す。）。
【００１９】
次に、前記電極部２０は、第１球電極Ｅ1と，第２球電極Ｅ2と，平板電極Ｅ3とを有し、アクリル製の密閉容器２０ａで覆われる構成とする。前記第１球電極Ｅ1と前記第２球電極Ｅ2とは、ともにステンレス製とし、その直径は約２５．４ミリメートルとする。また、前記平板電極Ｅ3の長手方向の長さは約６５ミリメートルとする。更に、前記平板電極Ｅ3から前記第１球電極Ｅ1までの間隔をギャップ長ｄ1と，前記平板電極Ｅ3から前記第２球電極Ｅ2までの間隔をギャップ長ｄ2とする。
【００２０】
ここで、本実施例では、前記密閉容器２０ａ内部に窒素その他の絶縁性気体からなるガスを容器体積以上流入させることがあり、ここでは窒素を流入させる。そのガスが前記密閉容器２０ａ内部に十分充満した後、当該ガスが漏出しないように強固に前記密閉容器２０ａを密閉する。前記密閉容器２０ａには石英ガラス等からなる窓部２０ｂを適宜に設ける。そして、該窓部２０ｂから紫外線を入射させるため、水銀灯Ｌにて前記密閉容器２０ａ内部に向けて紫外線を照射する（図３参照）。
【００２１】
前記密閉容器２０ａは、理想的には、初期状態を真空としておき、その後前記ガスを前記密閉容器２０ａ内部に容器体積以上流入させることが好ましい。これにより、更に前記密閉容器２０ａ内を高圧状態に保つことができるからである。また、本明細書における「絶縁性気体」とは、窒素，六フッ化硫黄，その他の絶縁性を有する気体の総称であり、特に空気（大気）も含む概念とする。
【００２２】
前記電極部２０（窓部２０ｂ）と前記水銀灯Ｌとの距離は、約３０センチメートルとする。また、各ギャップ長は、前記第１球電極Ｅ1及び第２球電極Ｅ2のそれぞれに直結されるマイクロメータ（０〜２５ミリ、最小メモリが１マイクロメートル）を使用することとし、ギャップ長ｄ1を２０ミクロン、ギャップ長ｄ2を１０ミクロンとする。なお、「ギャップ長」とは、本明細書では電極間距離をいうものとする。各ギャップ長の設定は、前記球電極Ｅ1又はＥ2のいずれかと、前記平板電極Ｅ3とが、電気的に導通したことを図示しない回路計で確認し、その時点をゼロとしてから設定することが好ましい。
【００２３】
図６は、前記電極部２０の一例に係る正面斜視図である。前記第１球電極Ｅ1は、第１電極軸２０ｃを介して前記高電圧電源部１０に接続される構成とすることがある。また、前記平板電極Ｅ3からは、高電圧に耐えるために、直接、出力端子２０ｅを前記密閉容器２０ａの外部に出す構成とすることがある。
【００２４】
次に、前記第１インピーダンス部３０及び前記第２インピーダンス部４０には無誘導抵抗素子を適用し、それぞれ、約６．２ｋΩ，約１００Ωとする。また、前記第２インピーダンス部４０に適用されることがあるバイパスコンデンサＣは、約１００μFのコンデンサを用いる。出力されるパルス波の波形を測定するため、ディジタイジングシグナルアナライザＭ（ＤＳＡ）を図１又は図２に示すような構成にて接続し、前記第１インピーダンス部３０の端子電圧を高電圧プローブＭ1及びＭ2（1000倍，静電容量３．０ｐF，抵抗値１００MΩ）で測定する。前記第１球電極Ｅ1，第２球電極Ｅ2及び平板電極Ｅ3の表面は、市販の研磨剤で測定前に研磨し、且つ印加試験を行うことが好ましい。本実施例における印加試験では、インターバル７秒で連続印加３０回とする。
【００２５】
次に、本実施例において得られた出力電圧波形を図４（Ａ）に示す。この波形は、前記第１インピーダンス部３０の高電位側に接続された高電圧プローブＭ1を介して、前記ディジタイジングシグナルアナライザＭによって得られるものである。即ち、前記高電圧電源部１０からピーク電圧で約３．５キロボルトの高電圧を前記電極部２０に印加し、且つギャップ長ｄ1及びｄ2を、それぞれ２０マイクロメートル，１０マイクロメートルとする。得られるパルス波の最大出力電圧は約２．２９キロボルトで、そのパルス幅（半値幅）は約２０ナノ秒である。
【００２６】
図４（Ｂ）は、前記高電圧電源部１０からの印加電圧と、出力されるパルス波の電圧との関係を示すグラフである。このグラフにおける値は平均値である。これより、印加電圧と出力電圧とが比例関係にあることがわかる。即ち、ギャップ長（電極間距離）が一定で、前記水銀灯Ｌによる紫外線の照射をしているにも関わらず、出力電圧が上昇しているので、印加電圧上昇速度（ｄｖ／ｄｔ）が印加電圧に比例していることを表す。また、放電電流も印加電圧に比例することがわかる。
【００２７】
図７乃至図１０は、本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す。例えば、図７では、印加電圧３．５キロボルト，ギャップ長ｄ1及びｄ2をそれぞれ５０マイクロメートル，４０マイクロメートルとした場合、得られるパルス波は、出力電圧４．４キロボルト，パルス幅１７ナノ秒となる。
【００２８】
図８乃至図１０に示すグラフでは、縦軸の電圧軸の値は１０００倍される。前記ディジタイジングシグナルアナライザＭ（ＤＳＡ）の高電圧プローブＭ1及びＭ2は倍率を1000倍としているからである。
【００２９】
図１１は、出力電圧（単位：キロボルト）と、ギャップ長ｄ1及びｄ2の組み合わせと、印加電圧とからなる特性を示すグラフである。印加電圧が低い場合は、出力電圧と、ギャップ長ｄ1及びｄ2の組み合わせとはほぼ比例関係となる。しかし、印加電圧が高い場合は、最適なギャップ長ｄ1及びｄ2の組み合わせが存在することがわかる（ｄ1＝９０マイクロメートル，ｄ2＝８０マイクロメートル前後）。
【００３０】
図１２は、出力電圧と、相対ギャップ長と、ギャップ長ｄ1＝９０マイクロメートル固定の場合の特性を示す。これより、ギャップ長ｄ1が固定されている場合は、出力電圧は略一定となる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明では、パルス波出力側に設けられる平板電極Ｅ3と，該平板電極Ｅ3に対向配置される第１球電極Ｅ1及び第２球電極Ｅ2とを備えた電極部２０と、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって電圧を生じる第１インピーダンス部３０と、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊で生じる交流分を接地し，且つ他の電流を放電する第２インピーダンス部４０とを備えたパルス波生成装置としたことで、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって高電圧を生じさせた直後に、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊で再度高電圧を生じさせることができる。その結果、高電圧であって、且つ極めて幅の短いパルス波を出力することができるという極めて優れた効果を生じる。
【００３２】
具体的には、高い電圧を印加すると、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって第１インピーダンス部３０に高電圧を生じさせることができる。その後直ちに、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって第２インピーダンス部４０にも高電圧が生じる。これにより、第１インピーダンス部３０に生じた高電圧の一部を出力電圧に転用（流用）することができる。その結果、極めて短い立ち上がり時間からなる高電圧且つ短幅のパルス波，特に図８に示すような約５．４ナノ秒という極めて短幅のパルス波を出力することができるという優れた効果を生じる。
【００３３】
更に、前記第２インピーダンス部４０は、交流分を接地し，且つ他の電流を放電する構成としたことで、より安定した高電圧短幅パルスを出力することができるという優れた利点を有する。
【００３４】
請求項２の発明では、請求項１記載において、前記第１インピーダンス部３０と前記第２インピーダンス部４０とは、抵抗，コンデンサ，コイルその他の受動素子からなるパルス波生成装置としたことで、請求項１の発明による優れた効果及び利点に加えて、比較的入手し易い受動素子にて前記第１インピーダンス部３０等を構成することとしたので、安価で、且つ簡易な構成にて、スイッチング素子の動作によって生じる高電圧且つ短幅の高電圧パルス波に近似するパルス波を生成することができるという極めて優れた利点を有する。
【００３５】
請求項３の発明では、請求項１又は２記載において、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との距離（ギャップ長）ｄ1は、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との距離（ギャップ長）ｄ3よりも長いパルス波生成装置としたことによって、請求項１又は２の発明による優れた効果及び利点に加えて、出力パルス波の電圧を、より高くすることができるという極めて優れた利点を有する。
【００３６】
請求項４の発明では、請求項１，２又は３記載において、前記電極部２０には紫外線を照射するための窓部２０ｂを設け、内部を窒素その他の絶縁性気体にて充填してなるパルス波生成装置としたことによって、請求項１，２又は３の発明による極めて優れた効果および利点に加えて、電極部２０の内圧をガスにて高圧にすることができるので、絶縁破壊電圧を上昇させることができる。その結果、更に高電圧でも利用ができるという極めて優れた利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルス波生成装置の一実施形態に係るブロック図
【図２】本発明のパルス波生成装置の一実施形態に係る回路構成図
【図３】本発明のパルス波生成装置の電極部２０における絶縁破壊の状態を示す概念図
【図４】（Ａ）は本実施例において得られた出力電圧波形を示す電圧−時間特性グラフ（Ｂ）は高電圧電源部からの印加電圧と、出力されるパルス波の電圧との関係を示す入出力電圧特性グラフ
【図５】電極部に対する印加電圧（入力電圧パルス）と、出力電圧パルスとの関係を示す概念図
【図６】電極部の一例に係る正面斜視図
【図７】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図８】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図９】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図１０】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図１１】ギャップ長と、出力電圧の組み合わせと、印加電圧との関係を示すギャップ長−電圧特性グラフ
【図１２】ギャップ長が９０マイクロメートル固定の場合における、相対ギャップ長と出力電圧との関係を示す相対ギャップ長−電圧特性グラフ
【符号の説明】
２０…電極部
２０ｂ…窓部
３０…第１インピーダンス部
４０…第２インピーダンス部
Ｅ1…第１球電極
Ｅ2…第２球電極
Ｅ3…平板電極
【産業上の利用分野】
本発明は、雷撃電圧（電流）のような高電圧且つ短幅のパルス波（又は急峻波），特に、電子デバイスのスイッチング動作時に発生するパルス波に近似する、高電圧且つ短幅のパルス波を、簡易な構成にて出力することのできるパルス波生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility），即ち電磁環境の両立性又は環境電磁問題に関する分野が注目されている。特に、電子デバイスが存在するところでは、電力機器における開閉装置，電源（パワーエレクトロニクス等）のオン／オフ動作（スイッチング動作等）にともなって生じる過渡的過電圧や、商用電源制御用高速スイッチング素子の動作にともなって生じるサージ電流が、それらの原因と指摘されている。
【０００３】
特に、前記過渡的過電圧等で最も問題となるのが、前記サージ電流である。かかるサージ電流による誘導妨害は、通信機器，電子機器の破壊や誤動作をもたらし、通信線路の伝送品質を劣化させる。特に医療施設で運用されている医療機器に与える影響は甚大である。
【０００４】
前記過渡的過電圧パルス波（前記サージ電流）等の発生が電子機器に与える影響を解析するためには、開閉装置，パワーエレクトロニクス等のスイッチング動作時に生じる過渡的過電圧が絶縁材料に与える影響を調査する必要がある。そのため、特にスイッチング素子の動作によって生じるパルス波に近似するような、立ち上がりが急峻で，高電圧，且つナノ秒オーダーの短幅パルス波を擬似的に発生させることが要求される。
【０００５】
ここで、特開平９−１４８８９５号公報は、光短パルス程度のパルス幅の短電気パルスを得ることができる短電気パルス発生装置を開示する。この短電気パルス発生装置は、光パルスを電気パルスに変換することで１０ピコ秒オーダーの電気パルスを発生するが、その電圧は雷撃電流に到底及ばず、誘導妨害の解析には使用できない。また、電気パルス発生手段，半導体レーザー（例えばＶＣＳＥＬ等），光学素子等を備えることが必要であるため、部品点数が多く複雑な構成となり、装置自体のコストも高いと考えられる。
【０００６】
また、特開平１０−２５６８８１号公報は、小型で部品点数が少なく、消費電力の少ない電気機械変換素子を駆動するに適したパルス発生装置を開示する。このパルス発生装置による出力電圧（電流）も、雷撃電圧（電流）には到底及ばず、誘導妨害の解析には使用できない。また、部品点数を少なくするためにトランジスタによるスイッチング回路を備える構成としているので、応答遅延により短幅パルス（幅約３０ナノ秒以下のパルス）の生成にも不向きであると考えられる。
【０００７】
【解決しようとする課題】
したがって、従来のパルス発生装置等においては、半導体素子を利用したものは存在していたが、かかる半導体素子の耐圧能力等には限界があった。特に、スイッチング素子の動作等によって生じるパルス波（少なくとも２キロボルト程度の高電圧であって，且つ少なくとも３０ナノ秒程度）に近似するような、高電圧且つ短幅のパルス波を、半導体素子を用いずに生成することができなかった。とりわけ、パルス波の幅を短くすると出力電圧を高くできないという問題もあった。
【０００８】
そこで発明者は、鋭意研究を重ねた結果、その発明を、パルス波出力側に設けられる平板電極と，該平板電極に対向配置される第１球電極及び第２球電極とを備えた電極部と、前記第１球電極と前記平板電極との絶縁破壊によって電圧を生じる第１インピーダンス部と、前記第２球電極と前記平板電極との絶縁破壊で生じる交流分を接地し，且つ他の電流を放電する第２インピーダンス部とを備えたパルス波生成装置としたことで、簡易な構成にて、スイッチング素子等の動作によって生じるパルス波に近似するような、高電圧且つ短幅のパルス波を生成することができ、前記課題を解決したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明のパルス生成装置の実施の一形態について説明する。図１は本発明のパルス生成装置の構成の一形態を示し、主に、高電圧電源部１０、電極部２０、第１インピーダンス部３０、第２インピーダンス部４０から構成される。前記高電圧電源部１０は、低圧，高圧，特別高圧に分類されるあらゆる任意の電圧（特に高電圧）を発生させることができる高電圧電源であり、好ましくは、「ノンギャップＩ．Ｇ．」，即ち、出願人の登録実用新案（実公平７−４２２３５号）に係る無間隙衝撃電圧発生装置を適用する。但し、当該無間隙衝撃電圧発生装置の発生する電圧と同程度の電圧を発生させることのできる電源装置であればこれに限定されず、いかなる直流電圧電源，交流電圧電源でも適用することができる。
【００１０】
前記電極部２０は、例えば球電極と平板電極とから構成される複合電極であって、前記高電圧電源部１０から入力される高電圧によって、電極間で絶縁破壊が生じるように構成する。また、２つの電極間をガス（特に絶縁性気体）で満たすべく、箱，容器又は筐体等にて密閉する構成とすることがある。
【００１１】
前記第１インピーダンス部３０は、具体的には抵抗素子であり、好ましくは無誘導抵抗素子を適用するが、リアクタンス素子（回路）としてもよく、これに限定されない。また、前記第２インピーダンス部４０は、好ましくは、抵抗素子とコンデンサ素子とからなるＲＣ並列回路とするが、これに限定されない。この場合の抵抗素子も、好ましくは無誘導抵抗素子を適用するが、これに限定されない。
【００１２】
また、本明細書では、説明上、前記電極部２０の入力電圧（印加電圧）をＶ1ボルト，出力電圧をＶ2ボルトと称することがある。
【００１３】
次に、本発明のパルス波生成装置の作用について説明する。まず、前記電極部２０にて絶縁破壊させ、その放電パルス電流を前記第１インピーダンス部３０に流入させる。この電流による電圧降下によって、前記電極部２０にて再度絶縁破壊させる。このときに生じる電流を、前記第２インピーダンス部４０のバイパスコンデンサＣに流入させることで、前記第２インピーダンス部４０の両端に生じる電位差を低電位にさせる。
【００１４】
図５は、前記電極部２０に対する印加電圧（入力電圧パルス）と、出力電圧パルスとの関係を示す。まず、前記高電圧電源部１０から印加された電圧が前記第１球電極Ｅ1に印加されると、ギャップ長ｄ1における電圧が急激に上昇する。そして、所定の絶縁破壊電圧以上になると、前記平板電極Ｅ3との間で絶縁破壊が起きる。
【００１５】
そのときに生じるパルス性放電電流は、前記第１インピーダンス部３０に流入する。その結果上昇した出力電圧が、ギャップ長ｄ2に対応する絶縁破壊電圧に達すると、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との間で絶縁破壊が生じる。このときの放電電流は、交流成分が高くなるので、前記第２インピーダンス部４０のバイパスコンデンサＣにて当該交流成分を接地する構成とする。残留電荷分は、前記バイパスコンデンサＣと並列に接続されることがある抵抗にて放電させる構成とすることがある。「ギャップ長ｄ2に対応する絶縁破壊電圧」としたのは、紫外線の照射如何によって絶縁破壊電圧が変化することを考慮したものであり、具体的には、絶縁破壊電圧がエレクトロンの存在確率に依存することを考慮したものである。
【００１６】
即ち、図５において、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との間の絶縁破壊によって生じる出力電圧は、ギャップ長ｄ1＞ｄ2という関係を満たす限りにおいて、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との間の絶縁破壊によって生成される破壊電圧の一部が、出力パルス波として利用されることになる。その結果、図５に示すような極めて短い幅のパルス波の出力を得ることができる。
【００１７】
これにより、ダイバータと同様の機能を生じさせることができるので、出力電圧のパルス幅を制御することが可能となる。したがって、前記第１インピーダンス部３０の両端に、パルス幅の短い出力電圧を発生させることができる。その出力電圧は、前記高電圧電源部１０の印加電圧と、前記電極部２０の各ギャップ長ｄ1及びｄ2（各電極間の間隔）とによって制御できる。本明細書では、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3を「電極系１」と、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3とを「電極系２」と称することがある。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明のパルス波生成装置の好適な一実施例について説明する。図２は、本実施例における構成を示す。前記高電圧電源部１０は、出願人の登録実用新案に係る前記無間隙衝撃電圧発生装置を適用する。このときの立ち上がり時間は約０．３５マイクロ秒、波尾長は約３５マイクロ秒である。また、電圧印加のインターバルを約７秒とし、その印加電圧は、２．５キロボルト，３．０キロボルト，３．５キロボルトとした（以下、電圧は全てピーク値を指す。）。
【００１９】
次に、前記電極部２０は、第１球電極Ｅ1と，第２球電極Ｅ2と，平板電極Ｅ3とを有し、アクリル製の密閉容器２０ａで覆われる構成とする。前記第１球電極Ｅ1と前記第２球電極Ｅ2とは、ともにステンレス製とし、その直径は約２５．４ミリメートルとする。また、前記平板電極Ｅ3の長手方向の長さは約６５ミリメートルとする。更に、前記平板電極Ｅ3から前記第１球電極Ｅ1までの間隔をギャップ長ｄ1と，前記平板電極Ｅ3から前記第２球電極Ｅ2までの間隔をギャップ長ｄ2とする。
【００２０】
ここで、本実施例では、前記密閉容器２０ａ内部に窒素その他の絶縁性気体からなるガスを容器体積以上流入させることがあり、ここでは窒素を流入させる。そのガスが前記密閉容器２０ａ内部に十分充満した後、当該ガスが漏出しないように強固に前記密閉容器２０ａを密閉する。前記密閉容器２０ａには石英ガラス等からなる窓部２０ｂを適宜に設ける。そして、該窓部２０ｂから紫外線を入射させるため、水銀灯Ｌにて前記密閉容器２０ａ内部に向けて紫外線を照射する（図３参照）。
【００２１】
前記密閉容器２０ａは、理想的には、初期状態を真空としておき、その後前記ガスを前記密閉容器２０ａ内部に容器体積以上流入させることが好ましい。これにより、更に前記密閉容器２０ａ内を高圧状態に保つことができるからである。また、本明細書における「絶縁性気体」とは、窒素，六フッ化硫黄，その他の絶縁性を有する気体の総称であり、特に空気（大気）も含む概念とする。
【００２２】
前記電極部２０（窓部２０ｂ）と前記水銀灯Ｌとの距離は、約３０センチメートルとする。また、各ギャップ長は、前記第１球電極Ｅ1及び第２球電極Ｅ2のそれぞれに直結されるマイクロメータ（０〜２５ミリ、最小メモリが１マイクロメートル）を使用することとし、ギャップ長ｄ1を２０ミクロン、ギャップ長ｄ2を１０ミクロンとする。なお、「ギャップ長」とは、本明細書では電極間距離をいうものとする。各ギャップ長の設定は、前記球電極Ｅ1又はＥ2のいずれかと、前記平板電極Ｅ3とが、電気的に導通したことを図示しない回路計で確認し、その時点をゼロとしてから設定することが好ましい。
【００２３】
図６は、前記電極部２０の一例に係る正面斜視図である。前記第１球電極Ｅ1は、第１電極軸２０ｃを介して前記高電圧電源部１０に接続される構成とすることがある。また、前記平板電極Ｅ3からは、高電圧に耐えるために、直接、出力端子２０ｅを前記密閉容器２０ａの外部に出す構成とすることがある。
【００２４】
次に、前記第１インピーダンス部３０及び前記第２インピーダンス部４０には無誘導抵抗素子を適用し、それぞれ、約６．２ｋΩ，約１００Ωとする。また、前記第２インピーダンス部４０に適用されることがあるバイパスコンデンサＣは、約１００μFのコンデンサを用いる。出力されるパルス波の波形を測定するため、ディジタイジングシグナルアナライザＭ（ＤＳＡ）を図１又は図２に示すような構成にて接続し、前記第１インピーダンス部３０の端子電圧を高電圧プローブＭ1及びＭ2（1000倍，静電容量３．０ｐF，抵抗値１００MΩ）で測定する。前記第１球電極Ｅ1，第２球電極Ｅ2及び平板電極Ｅ3の表面は、市販の研磨剤で測定前に研磨し、且つ印加試験を行うことが好ましい。本実施例における印加試験では、インターバル７秒で連続印加３０回とする。
【００２５】
次に、本実施例において得られた出力電圧波形を図４（Ａ）に示す。この波形は、前記第１インピーダンス部３０の高電位側に接続された高電圧プローブＭ1を介して、前記ディジタイジングシグナルアナライザＭによって得られるものである。即ち、前記高電圧電源部１０からピーク電圧で約３．５キロボルトの高電圧を前記電極部２０に印加し、且つギャップ長ｄ1及びｄ2を、それぞれ２０マイクロメートル，１０マイクロメートルとする。得られるパルス波の最大出力電圧は約２．２９キロボルトで、そのパルス幅（半値幅）は約２０ナノ秒である。
【００２６】
図４（Ｂ）は、前記高電圧電源部１０からの印加電圧と、出力されるパルス波の電圧との関係を示すグラフである。このグラフにおける値は平均値である。これより、印加電圧と出力電圧とが比例関係にあることがわかる。即ち、ギャップ長（電極間距離）が一定で、前記水銀灯Ｌによる紫外線の照射をしているにも関わらず、出力電圧が上昇しているので、印加電圧上昇速度（ｄｖ／ｄｔ）が印加電圧に比例していることを表す。また、放電電流も印加電圧に比例することがわかる。
【００２７】
図７乃至図１０は、本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す。例えば、図７では、印加電圧３．５キロボルト，ギャップ長ｄ1及びｄ2をそれぞれ５０マイクロメートル，４０マイクロメートルとした場合、得られるパルス波は、出力電圧４．４キロボルト，パルス幅１７ナノ秒となる。
【００２８】
図８乃至図１０に示すグラフでは、縦軸の電圧軸の値は１０００倍される。前記ディジタイジングシグナルアナライザＭ（ＤＳＡ）の高電圧プローブＭ1及びＭ2は倍率を1000倍としているからである。
【００２９】
図１１は、出力電圧（単位：キロボルト）と、ギャップ長ｄ1及びｄ2の組み合わせと、印加電圧とからなる特性を示すグラフである。印加電圧が低い場合は、出力電圧と、ギャップ長ｄ1及びｄ2の組み合わせとはほぼ比例関係となる。しかし、印加電圧が高い場合は、最適なギャップ長ｄ1及びｄ2の組み合わせが存在することがわかる（ｄ1＝９０マイクロメートル，ｄ2＝８０マイクロメートル前後）。
【００３０】
図１２は、出力電圧と、相対ギャップ長と、ギャップ長ｄ1＝９０マイクロメートル固定の場合の特性を示す。これより、ギャップ長ｄ1が固定されている場合は、出力電圧は略一定となる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明では、パルス波出力側に設けられる平板電極Ｅ3と，該平板電極Ｅ3に対向配置される第１球電極Ｅ1及び第２球電極Ｅ2とを備えた電極部２０と、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって電圧を生じる第１インピーダンス部３０と、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊で生じる交流分を接地し，且つ他の電流を放電する第２インピーダンス部４０とを備えたパルス波生成装置としたことで、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって高電圧を生じさせた直後に、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊で再度高電圧を生じさせることができる。その結果、高電圧であって、且つ極めて幅の短いパルス波を出力することができるという極めて優れた効果を生じる。
【００３２】
具体的には、高い電圧を印加すると、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって第１インピーダンス部３０に高電圧を生じさせることができる。その後直ちに、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との絶縁破壊によって第２インピーダンス部４０にも高電圧が生じる。これにより、第１インピーダンス部３０に生じた高電圧の一部を出力電圧に転用（流用）することができる。その結果、極めて短い立ち上がり時間からなる高電圧且つ短幅のパルス波，特に図８に示すような約５．４ナノ秒という極めて短幅のパルス波を出力することができるという優れた効果を生じる。
【００３３】
更に、前記第２インピーダンス部４０は、交流分を接地し，且つ他の電流を放電する構成としたことで、より安定した高電圧短幅パルスを出力することができるという優れた利点を有する。
【００３４】
請求項２の発明では、請求項１記載において、前記第１インピーダンス部３０と前記第２インピーダンス部４０とは、抵抗，コンデンサ，コイルその他の受動素子からなるパルス波生成装置としたことで、請求項１の発明による優れた効果及び利点に加えて、比較的入手し易い受動素子にて前記第１インピーダンス部３０等を構成することとしたので、安価で、且つ簡易な構成にて、スイッチング素子の動作によって生じる高電圧且つ短幅の高電圧パルス波に近似するパルス波を生成することができるという極めて優れた利点を有する。
【００３５】
請求項３の発明では、請求項１又は２記載において、前記第１球電極Ｅ1と前記平板電極Ｅ3との距離（ギャップ長）ｄ1は、前記第２球電極Ｅ2と前記平板電極Ｅ3との距離（ギャップ長）ｄ3よりも長いパルス波生成装置としたことによって、請求項１又は２の発明による優れた効果及び利点に加えて、出力パルス波の電圧を、より高くすることができるという極めて優れた利点を有する。
【００３６】
請求項４の発明では、請求項１，２又は３記載において、前記電極部２０には紫外線を照射するための窓部２０ｂを設け、内部を窒素その他の絶縁性気体にて充填してなるパルス波生成装置としたことによって、請求項１，２又は３の発明による極めて優れた効果および利点に加えて、電極部２０の内圧をガスにて高圧にすることができるので、絶縁破壊電圧を上昇させることができる。その結果、更に高電圧でも利用ができるという極めて優れた利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルス波生成装置の一実施形態に係るブロック図
【図２】本発明のパルス波生成装置の一実施形態に係る回路構成図
【図３】本発明のパルス波生成装置の電極部２０における絶縁破壊の状態を示す概念図
【図４】（Ａ）は本実施例において得られた出力電圧波形を示す電圧−時間特性グラフ（Ｂ）は高電圧電源部からの印加電圧と、出力されるパルス波の電圧との関係を示す入出力電圧特性グラフ
【図５】電極部に対する印加電圧（入力電圧パルス）と、出力電圧パルスとの関係を示す概念図
【図６】電極部の一例に係る正面斜視図
【図７】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図８】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図９】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図１０】本発明のパルス波生成装置における種々のパラメータを適宜に調節して得られるパルス波の測定結果の一例を示す電圧−時間特性グラフ
【図１１】ギャップ長と、出力電圧の組み合わせと、印加電圧との関係を示すギャップ長−電圧特性グラフ
【図１２】ギャップ長が９０マイクロメートル固定の場合における、相対ギャップ長と出力電圧との関係を示す相対ギャップ長−電圧特性グラフ
【符号の説明】
２０…電極部
２０ｂ…窓部
３０…第１インピーダンス部
４０…第２インピーダンス部
Ｅ1…第１球電極
Ｅ2…第２球電極
Ｅ3…平板電極
Claims (4)
- パルス波出力側に設けられる平板電極と，該平板電極に対向配置される第１球電極及び第２球電極とを備えた電極部と、前記第１球電極と前記平板電極との絶縁破壊によって電圧を生じる第１インピーダンス部と、前記第２球電極と前記平板電極との絶縁破壊で生じる交流分を接地し，且つ他の電流を放電する第２インピーダンス部とを備えたことを特徴とするパルス波生成装置。
- 請求項１記載において、前記第１インピーダンス部と前記第２インピーダンス部とは、抵抗，コンデンサ，コイルその他の受動素子からなることを特徴とするパルス波生成装置。
- 請求項１又は２記載において、前記第１球電極と前記平板電極との距離は、前記第２球電極と前記平板との距離よりも長いことを特徴とするパルス波生成装置。
- 請求項１，２又は３記載において、前記電極部には紫外線を照射するための窓部を設け、内部を窒素その他の絶縁性気体にて充填してなることを特徴とするパルス波生成装置。
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