JP7444369B2 - 放電装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電装置及びその制御方法に関する。

特許文献１には、マルクス回路を用いたプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置が開示されている。このプラズマ処理装置のパルス発生回路は、複数段に接続されたインパルス回路を有する。パルス発生回路は、各段のインパルス回路におけるコンデンサに、それぞれ電荷を蓄積する。その後、ギャップスイッチが短絡することで、複数のコンデンサが直列接続され、これらに蓄積された電荷が放出され、各インパルス回路がパルス電圧を出力する。そして、これら複数のパルス電圧が重畳された高電圧のパルス電圧が、パルス発生回路から出力される。

特開２００２－２６３４７１号公報

しかしながら、上記パルス発生回路においては、各段のインパルス回路に蓄積される電気エネルギーに限界がある。つまり、上記パルス発生回路は、ギャップスイッチを用いており、スイッチのオンオフタイミングを能動的に細かく制御することが困難である。それゆえ、各インパルス回路に蓄積される電気エネルギーを大きくし難い。その結果、高出力化を図るためには、パルス発生回路の大型化を招くこととなる。すなわち、装置の大型化を招くことなく、高出力化を図ることが困難である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を招くことなく、高出力化を図ることができる放電装置及びその制御方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、第１放電用電極（２１１）及び第２放電用電極（２１２）と、上記第１放電用電極及び上記第２放電用電極の少なくとも一方の内側面に配された誘電体層（２２）と、を備えたパルス放電負荷（２）と、
上記パルス放電負荷にパルス電圧を周期的に出力するパルスパワー電源回路部（３）と、を有する放電装置（１）であって、
上記パルスパワー電源回路部（３）は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部（３１）と、該エネルギー蓄積部に接続された複数の半導体素子（Ｄｉ、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４）とを有し、
上記エネルギー蓄積部は、コンデンサ（Ｃｍ）とインダクタ（Ｌｍ）とを有し、
上記複数の半導体素子のうちの少なくとも２つは、スイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２）であり、
上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの蓄積と、上記エネルギー蓄積部から上記パルス放電負荷への電気エネルギーの供給とを行うことができるよう構成されており、
上記パルスパワー電源回路部は、互いに接続された複数段の回路ユニット（４）と、１段目の上記回路ユニットに接続された直流電源（５）とを有し、
上記回路ユニットは、上記エネルギー蓄積部と、複数の上記半導体素子の素子直列体（３２）とを有し、
上記エネルギー蓄積部は、上記コンデンサと上記インダクタとを互いに直列接続してなり、
上記素子直列体は、ダイオード（Ｄｉ）と放電スイッチ（ＳＷ１）と充電スイッチ（ＳＷ２）とがこの順にて直列に接続されてなり、上記ダイオードのアノードに上記放電スイッチが接続されており、
上記各回路ユニットにおいて、上記エネルギー蓄積部の第１端子が、上記ダイオードのカソードに接続され、上記エネルギー蓄積部の第２端子が、上記放電スイッチと上記充電スイッチとの間の接続点に接続され、
（ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第１端子（３１１）は、ｋ段目の上記回路ユニットにおける上記ダイオードのアノードに接続され、
（ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第２端子（３１２）は、ｋ段目の上記回路ユニットの上記充電スイッチにおける上記放電スイッチ側と反対側に接続され、
ｋは２以上の自然数であり、
１段目の上記回路ユニットにおける上記ダイオードのアノードに、上記直流電源の正極が接続され、
最終段の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第１端子が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続されている、放電装置にある。
本発明の他の態様は、第１放電用電極（２１１）及び第２放電用電極（２１２）と、上記第１放電用電極及び上記第２放電用電極の少なくとも一方の内側面に配された誘電体層（２２）と、を備えたパルス放電負荷（２）と、
上記パルス放電負荷にパルス電圧を周期的に出力するパルスパワー電源回路部（３）と、を有する放電装置（１）であって、
上記パルスパワー電源回路部（３）は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部（３１）と、該エネルギー蓄積部に接続された複数の半導体素子（Ｄｉ、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４）とを有し、
上記エネルギー蓄積部は、コンデンサ（Ｃｍ）とインダクタ（Ｌｍ）とを有し、
上記複数の半導体素子のうちの少なくとも２つは、スイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２）であり、
上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの蓄積と、上記エネルギー蓄積部から上記パルス放電負荷への電気エネルギーの供給とを行うことができるよう構成されており、
上記パルスパワー電源回路部（３）は、上記半導体素子として、上記スイッチング素子を３個以上有し、
該エネルギー蓄積部は、コンデンサ（Ｃｍ）とインダクタ（Ｌｍ）とによって構成され、
上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部と上記パルス放電負荷との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている、放電装置にある。

上記放電装置においては、半導体素子である上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの蓄積を行うことができる。これにより、エネルギー蓄積部におけるコンデンサのみならずインダクタにも、電気エネルギーを蓄積することができる。すなわち、所望のタイミングにて、複数のスイッチング素子をオンオフできるため、後述するように、コンデンサのみならず、インダクタにも電気エネルギーを蓄積することができる。それゆえ、エネルギー蓄積部からパルス放電負荷への出力電圧を大きくすることができる。その結果、装置の大型化を招くことなく、パルスパワー電源回路部からパルス放電負荷への高出力化を図ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、装置の大型化を招くことなく、高出力化を図ることができる放電装置及びその制御方法を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、放電装置の回路図。 実施形態１における、パルス放電負荷の説明図。 実施形態１における、放電スイッチ及び充電スイッチの駆動信号のタイミングチャートを示す線図。 実施形態１における、コンデンサに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態１における、インダクタに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態１における、パルス放電負荷へ出力する状態を示す回路説明図。 実施形態１における、パルス放電負荷への出力波形を示す線図。 実施形態２における、放電装置の回路図。 実施形態２における、コンデンサに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態２における、インダクタに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態２における、パルス放電負荷へ出力する状態を示す回路説明図。 実施形態３における、放電装置の回路図。 実施形態３における、コンデンサに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態３における、パルス放電負荷から電荷を引き抜く状態を示す回路説明図。 実施形態３における、インダクタに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態３における、パルス放電負荷へ出力する状態を示す回路説明図。 実施形態４における、放電装置の回路図。 実施形態４における、コンデンサに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態４における、インダクタに電気エネルギーを蓄積する状態を示す回路説明図。 実施形態４における、パルス放電負荷へ出力する状態を示す回路説明図。 実施形態４における、パルス放電負荷からエネルギー蓄積部へ電気エネルギーを回収する状態を示す回路説明図。 実施形態５における、放電装置の回路図。 実施形態５における、パルスパワー電源回路部の一部の回路図。 実施形態５における、駆動制御回路のブロック図。

（実施形態１）
放電装置及びその制御方法に係る実施形態について、図１～図７を参照して説明する。
本形態の放電装置１は、図１に示すごとく、パルス放電負荷２と、パルスパワー電源回路部３とを有する。

パルス放電負荷２は、図２に示すごとく、第１放電用電極２１１及び第２放電用電極２１２と、誘電体層２２とを備えている。誘電体層２２は、第１放電用電極２１１及び第２放電用電極２１２の少なくとも一方の内側面に配されている。本形態においては、誘電体層２２は、第１放電用電極２１１及び第２放電用電極２１２の双方の内側面に配されている。

パルスパワー電源回路部３は、パルス放電負荷２にパルス電圧を周期的に出力する。
図１に示すごとく、パルスパワー電源回路部３は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部３１と、エネルギー蓄積部３１に接続された複数の半導体素子（Ｄｉ、ＳＷ１、ＳＷ２）とを有する。

エネルギー蓄積部３１は、コンデンサＣｍとインダクタＬｍとを有する。
複数の半導体素子のうちの少なくとも２つは、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２である。
放電装置１は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオンオフ制御によって、エネルギー蓄積部３１への電気エネルギーの蓄積と、エネルギー蓄積部３１からパルス放電負荷２への電気エネルギーの供給とを行うことができるよう構成されている。

本形態において、パルスパワー電源回路部３は、半導体素子として、ダイオードＤｉと２つのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２とを直列接続した、素子直列体３２を有する。一方のスイッチング素子ＳＷ１は、ダイオードＤｉのアノードに接続されている。他方のスイッチング素子ＳＷ２は、スイッチング素子ＳＷ１におけるダイオードＤｉと反対側に接続されている。ダイオードＤｉのアノードに接続されているスイッチング素子ＳＷ１を、適宜、放電スイッチＳＷ１という。スイッチング素子ＳＷ１におけるダイオードＤｉと反対側に接続されているスイッチング素子ＳＷ２を、適宜、充電スイッチＳＷ２という。

エネルギー蓄積部３１は、コンデンサＣｍとインダクタＬｍとを互いに直列接続してなる。エネルギー蓄積部３１は、素子直列体３２におけるダイオードＤｉと放電スイッチＳＷ１との直列部分に対して、並列接続されている。すなわち、エネルギー蓄積部３１の第１端子３１１が、ダイオードＤｉのカソードに接続されている。また、エネルギー蓄積部３１の第２端子３１２が、放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２との間の接続点３２Ｍに接続されている。

素子直列体３２には、直流電源５が接続されている。直流電源５の正極は、ダイオードＤｉのアノードに接続されている。直流電源５の負極は、充電スイッチＳＷ２における接続点３２Ｍと反対側の端子に接続されていると共に、パルス放電負荷２の第２放電用電極２１２に接続されている。また、直流電源５の負極は、接地されている。エネルギー蓄積部３１の第１端子３１１は、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１に接続されている。

また、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２は、図示を省略する駆動制御回路からの信号によって、適宜オンオフさせることができる。放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタの略）等を用いることができる。図１においては、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２として、ＭＯＳＦＥＴを用いた例を示している。

また、半導体素子としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）にて形成したものや、シリコン（Ｓｉ）にて形成したものを用いることができる。また、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２には、還流ダイオードがそれぞれ並列接続されている。還流ダイオードは、半導体素子に内蔵されたボディダイオードにて構成することもできる。

放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２を適宜オンオフすることで、エネルギー蓄積部３１への電気エネルギーの蓄積と、エネルギー蓄積部３１からパルス放電負荷２への電気エネルギーの供給とが行われる。パルスパワー電源回路部３の動作につき、図３～図７を用いて説明する。なお、図４～図６においては、オンとオフとの区別がつきやすいように、各スイッチの記号を、図１に対して変更した。また、図４～図６に示す破線矢印は、電流経路を表す。後述する図９～図１１、図１３～図１６、図１８～図２１に示す破線矢印も同様である。

本形態においては、図３に示すような駆動信号ｓ１、ｓ２を、放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２とに送る。ここで、ｓ１は放電スイッチＳＷ１をオンする駆動信号を示し、ｓ２は充電スイッチＳＷ２をオンする駆動信号を示す。駆動信号は、駆動制御回路から、各スイッチのゲート端子等に入力される。また、駆動信号の制御は、例えば、ＥＣＵ（電子制御ユニットの略）からの指令によって行われる。

例えば、放電装置１の起動時においては、まず、図４に示すごとく、放電スイッチＳＷ１をオフ、充電スイッチＳＷ２をオンの状態とする。これにより、図４に示す電流経路が形成されて、直流電源５の電圧がエネルギー蓄積部３１に印加される。そして、エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍに、電荷が蓄積され、印加電圧分の電気エネルギーが蓄積される。

次いで、図５に示すごとく、充電スイッチＳＷ２をオンにしたまま、放電スイッチＳＷ１をオンにする。これにより、コンデンサＣｍに蓄積されていた電荷が放電され、インダクタＬｍに電流が急激に流れる。このときの電流の時間変化によって、インダクタＬｍに電気エネルギーが蓄積される。ただし、この放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２との同時オンの状態は、図３のΔｔに示すように、極めて短時間とする。同時オンの状態は、例えば、１００ｎｓ程度とすることができる。この同時オンの時間Δｔとしては、コンデンサＣｍの容量、インダクタＬｍのインダクタンス等によって変わる適切な値を設定することとなる。

次いで、図６に示すごとく、放電スイッチＳＷ１をオンにしたまま、充電スイッチＳＷ２をオフにする。この瞬間に、エネルギー蓄積部３１に蓄積されていた電気エネルギーが、パルス放電負荷２へ放出される。すなわち、エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍ及びインダクタＬｍに蓄積されていた電気エネルギーが、パルス放電負荷２へ出力される。また、この電気エネルギーに応じた電圧が、直流電源５の電圧に重畳して、パルス放電負荷２に印加される。

ここで、インダクタＬｍに蓄積されていた電気エネルギーは、交流電圧となって出力される。一方、直流電源５の電気エネルギーとコンデンサＣｍに蓄積されていた電気エネルギーは、直流電圧として、出力される。それゆえ、直流電源５による出力電圧と、エネルギー蓄積部３１による出力電圧とが重畳して、パルス放電負荷２に印加される電圧は、例えば、図７に示すように、振幅の中心がオフセットされた交流電圧となる。このオフセット量は、直流電源５の出力電圧分に相当する。そして、その交流電圧のピーク値は、極めて高い値とすることができる。これにより、パルス放電負荷２には、高出力のパルス電圧が印加されることになる。

パルス放電負荷２は、誘電体バリア放電を生じさせる構造を有する。図２に示すごとく、パルス放電負荷２は、互いに対向配置された第１放電用電極２１１と第２放電用電極２１２とを有する。そして、第１放電用電極２１１の内側面と第２放電用電極２１２の内側面とに、それぞれ誘電体層２２を設けている。一対の誘電体層２２の間に、放電ギャップ２３が形成されている。この放電ギャップ２３に放電を生じさせることで、例えば、プラズマを発生させることができる。また、例えば、放電ギャップ２３に酸素を含む気体を供給しつつ、放電ギャップ２３にプラズマを生じさせることによって、オゾンを発生させることができる。

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記放電装置１においては、半導体素子である放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２のオンオフ制御によって、エネルギー蓄積部３１への電気エネルギーの蓄積を行うことができる。これにより、エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍのみならずインダクタＬｍにも、電気エネルギーを蓄積することができる。

すなわち、所望のタイミングにて、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２をオンオフできるため、上述のように、コンデンサＣｍのみならず、インダクタＬｍにも電気エネルギーを蓄積することができる。具体的には、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２が共にオンの状態（図５参照）を、放電の前に極めて短時間にて実現する。これにより、インダクタＬｍにも電気エネルギーを充分に蓄積することができる。

それゆえ、エネルギー蓄積部３１からパルス放電負荷２への出力電圧を大きくすることができる。その結果、装置の大型化を招くことなく、パルスパワー電源回路部３からパルス放電負荷２への高出力化を図ることができる。すなわち、コンデンサＣｍを大型化する等の手段を用いなくても、パルスパワー電源回路部３の出力電圧を高めることができる。

なお、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２が共にオンの状態（図５参照）の時間Δｔは、上述のように適切な値が存在する。そして、当該適切な値に対して上記時間Δｔが長すぎると、パルスパワー電源回路部３に大電流が流れて、回路の損傷を招くおそれがある。一方、放電スイッチＳＷ１をオンに切り替える前に充電スイッチＳＷ２をオフに切り替えてしまうと、同時オンの状態が形成されなくなり、インダクタＬｍへの電気エネルギーの蓄積が実質的に行われなくなる。

したがって、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２のオンオフ切り替えタイミングは、極めて重要である。しかも、上述のように、適切な同時オンの時間Δｔは、極めて短時間であるため、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２のオンオフ切り替えの精度が重要となる。その点において、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２が半導体素子からなるため、所望のタイミングでの能動的かつ高精度のオンオフ切り替えが可能となる。それゆえ、エネルギー蓄積部３１に蓄積できる電気エネルギーを大きくすることができる。その結果、装置の大型化を招くことなく、パルスパワー電源回路部３からパルス放電負荷２への高出力化を図ることができる。

比較のために、上述の特許文献１に開示されたパルス発生回路について言及する。当該パルス発生装置は、ギャップスイッチを用いるため、スイッチのオンオフタイミングを能動的に細かく制御することが困難である。すなわち、ギャップスイッチは、ギャップ間の電圧が火花発生電圧を超えたときに短絡して、コンデンサが直列に接続されて、放電負荷にパルス電圧が印加される。それゆえ、ギャップスイッチにおけるギャップ間の電圧の上昇は、コンデンサへの電荷の蓄積によって生じる。そのため、このギャップ間の電圧上昇のタイミングを制御することは困難である。つまり、ギャップスイッチのオンオフタイミングを制御することは、極めて困難である。

これに対して、本形態の放電装置１においては、上述のように、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２を所望のタイミングにて高精度に行うことができる。そのため、エネルギー蓄積部３１に蓄積できる電気エネルギーを大きくすることができ、パルスパワー電源回路部３からパルス放電負荷２への出力の高出力化を図ることができる。

以上のごとく、本形態によれば、装置の大型化を招くことなく、高出力化を図ることができる放電装置及びその制御方法を提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図８～図１２に示すごとく、パルスパワー電源回路部３がエネルギー蓄積部３１を複数有する形態である。
スイッチング素子のオンオフの切り替えによって、直列状態と並列状態とを切り替えることができるよう構成されている。直列状態は、図１１に示すごとく、複数のエネルギー蓄積部３１を互いに直列接続した状態である。並列状態は、図９に示すごとく、複数のエネルギー蓄積部３１を互いに並列接続した状態である。

直列状態にて、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力を行う。並列状態にて、エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍへの電気エネルギーの蓄積を行う。すなわち、パルスパワー電源回路部３はマルクス回路を構成している。

図８に示すごとく、パルスパワー電源回路部３は、互いに接続された複数段の回路ユニット４と、１段目の回路ユニット４Ａに接続された直流電源５とを有する。各回路ユニット４は、エネルギー蓄積部３１と素子直列体３２とを有する。素子直列体３２は、複数の半導体素子が直列接続されてなる。

エネルギー蓄積部３１は、コンデンサＣｍとインダクタＬｍとを互いに直列接続してなる。素子直列体３２は、ダイオードＤｉと放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２とがこの順にて直列に接続されてなる。ダイオードＤｉのアノードに放電スイッチＳＷ１が接続されている。

各回路ユニット４において、エネルギー蓄積部３１の第１端子３１１が、ダイオードＤｉのカソードに接続されている。また、エネルギー蓄積部３１の第２端子３１２が、放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２との間の接続点３２Ｍに接続されている。
すなわち、実施形態１に示したパルスパワー電源回路部３のうち直流電源５を除いた部分が、本形態における１段分の回路ユニット４に相当する。

（ｋ－１）段目の回路ユニット４におけるエネルギー蓄積部３１の第１端子３１１は、ｋ段目の回路ユニット４におけるダイオードＤｉのアノードに接続されている。（ｋ－１）段目の回路ユニット４におけるエネルギー蓄積部３１の第２端子３１２は、ｋ段目の回路ユニット４における充電スイッチＳＷ２における接続点３２Ｍと反対側に接続されている。ｋは２以上の自然数である。

１段目の回路ユニット４ＡにおけるダイオードＤｉのアノードに、直流電源５の正極が接続されている。最終段の回路ユニット４Ｚにおけるエネルギー蓄積部３１の第１端子３１１が、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１に接続されている。図８においては、パルスパワー電源回路部３が３段以上の回路ユニット４を接続してなる構成を示したが、２段の回路ユニット４にてパルスパワー電源回路部３を構成することもできる。

次に、本形態の放電装置１の制御方法につき説明する。
上述の構成において、図９に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１をオフの状態としつつ複数の充電スイッチＳＷ２をオンの状態とする。すなわち、並列状態を形成する。これにより、エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍに電気エネルギーを蓄積する。

次いで、図１０に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１と複数の充電スイッチＳＷ２とが共にオンの状態とする。これにより、エネルギー蓄積部３１におけるインダクタＬｍに電気エネルギーを蓄積する。

次いで、図１１に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１をオンの状態としつつ複数の充電スイッチＳＷ２をオフの状態とする。すなわち、直列状態を形成する。これにより、エネルギー蓄積部３１の電気エネルギーをパルス放電負荷２に出力する。

本形態において、パルスパワー電源回路部３が備える複数段の回路ユニット４のすべての放電スイッチＳＷ１が、互いに同期してオンオフされる。また、パルスパワー電源回路部３が備える複数段の回路ユニット４のすべての充電スイッチＳＷ２も、互いに同期してオンオフされる。

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、パルスパワー電源回路部３が、エネルギー蓄積部３１を複数有し、直列状態と並列状態とを切り替えることができる。そして直列状態にて、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力を行う。それゆえ、より高い出力電圧を、パルス放電負荷２へ供給することができる。

すなわち、マルクス回路を構成するパルスパワー電源回路部３は、パルス放電負荷２に対して、複数段のエネルギー蓄積部３１に蓄積された電気エネルギーを、重畳して供給することができる。また、個々のエネルギー蓄積部３１に蓄積できる電気エネルギーも、実施形態１と同様に大きくできる。それゆえ、パルス放電負荷２に、より高い出力電圧を供給することができる。

また、パルスパワー電源回路部３は、互いに接続された複数段の回路ユニット４を有し、図８に示すようなマルクス回路を形成している。これにより、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２を適宜オンオフ制御することで、容易かつ効率的に、並列状態（図９参照）、同時オンの状態（図１０参照）、直列状態（図１１参照）を切り替えることができる。その結果、パルス放電負荷２に、より高い出力電圧を供給することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本形態は、図１２～図１６に示すごとく、最終段の回路ユニット４に、付属スイッチ直列体４３を接続した形態である。
本形態の放電装置１におけるパルスパワー電源回路部３は、図１２に示すごとく、付属スイッチ直列体４３を有する。付属スイッチ直列体４３は、互いに直列接続された第１付属スイッチＳＷ３と第２付属スイッチＳＷ４との直列体である。

最終段の回路ユニット４は、エネルギー蓄積部３１に付属スイッチ直列体４３を並列接続してある。付属スイッチ直列体４３における第１付属スイッチＳＷ３と第２付属スイッチＳＷ４との接続点４３Ｍが、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１に接続されている。

本形態において、第１付属スイッチＳＷ３及び第２付属スイッチＳＷ４はいずれも半導体素子である。すなわち、第１付属スイッチＳＷ３及び第２付属スイッチＳＷ４は、放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２と同様に、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等にて構成することができる。

本形態の放電装置１は、例えば、放電スイッチＳＷ１、充電スイッチＳＷ２、第１付属スイッチＳＷ３、第２付属スイッチＳＷ４を次のように制御することができる。
まず、図１３に示すごとく、パルスパワー電源回路部３を並列状態とすることにより、各回路ユニット４のエネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍに、電気エネルギーを蓄積する。

次に、図１４に示すごとく、充電スイッチＳＷ２をオンにしたまま第２付属スイッチＳＷ４をオンに切り替える。そうすると、第２付属スイッチＳＷ４及び各段の回路ユニット４における充電スイッチＳＷ２を含む短絡回路が形成される。これにより、パルス放電負荷２の誘電体層２２に残っていた電荷が引き抜かれ、短絡回路における抵抗成分において、熱となって放出される。そして、パルス放電負荷２の電極間電圧は、略ゼロとなる。
なお、図１４の状態は、図１３に示す並列状態とする前に行うこともできる。つまり、エネルギー蓄積部３１のコンデンサＣｍへの充電前に、パルス放電負荷２における電荷の引き抜きを行うこともできる。

次いで、図１５に示すごとく、充電スイッチＳＷ２をオンにしたまま、放電スイッチＳＷ１をオンに切り替える。すなわち、複数の放電スイッチＳＷ１と複数の充電スイッチＳＷ２とが共にオンの状態とする。これにより、エネルギー蓄積部３１におけるインダクタＬｍに電気エネルギーを蓄積する。

次いで、図１６に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１をオンの状態としつつ複数の充電スイッチＳＷ２をオフの状態とする。すなわち、直列状態を形成する。このとき、第１付属スイッチＳＷ３はオンの状態とする。これにより、エネルギー蓄積部３１の電気エネルギーをパルス放電負荷２に出力する。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、例えば前回の放電後にパルス放電負荷２の容量成分に残っていた電荷を引き抜くことができ、パルス放電負荷２の電極間電圧を略ゼロに低下させることができる。すなわち、次の放電の前に、パルス放電負荷２の電極間電圧を充分に低下させ、パルスパワー電源回路部３の出力電圧との電圧差を大きくすることができる。その結果、パルス放電負荷２における放電をより生じさせやすくなる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本形態は、図１７～図２１に示すごとく、スイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２のオンオフ制御によって、エネルギー蓄積部３１とパルス放電負荷２との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている、放電装置１の形態である。

図１７に示すごとく、パルスパワー電源回路部３は、半導体素子として、スイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２を３個以上有する。エネルギー蓄積部３１は、コンデンサＣｍとインダクタＬｍとによって構成されている。そして、スイッチング素子のオンオフ制御によって、エネルギー蓄積部３１とパルス放電負荷２との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている。

本形態の放電装置１は、実施形態２の放電装置（図８参照）に対して、素子直列体３２０の構成を一部変更したものでもある。すなわち、本形態の放電装置１は、実施形態２の放電装置における素子直列体３２の一部を構成するダイオードＤｉを、スイッチング素子ＳＷ０に置き換えたものに相当する。

パルスパワー電源回路部３は、エネルギー蓄積部３１を複数有する。そして、図１８～図２１に示すごとく、スイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２のオンオフの切り替えによって、直列状態と並列状態とを切り替えることができるよう構成されている。図２０に示すごとく、直列状態にて、パルス放電負荷２へのパルス電圧の出力を行うよう構成されている。

パルスパワー電源回路部３は、互いに接続された複数段の回路ユニット４と、１段目の回路ユニット４に接続された直流電源５とを有する。回路ユニット４は、エネルギー蓄積部３１と、素子直列体３２０とを有する。エネルギー蓄積部３１は、コンデンサＣｍとインダクタＬｍとを互いに直列接続してなる。

素子直列体３２０は、回生スイッチＳＷ０と放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２とがこの順にて直列に接続されてなる。回生スイッチＳＷ０と充電スイッチＳＷ２との間に放電スイッチＳＷ１が接続されている。
各回路ユニット４において、エネルギー蓄積部３１の第１端子３１１が、回生スイッチＳＷ０に接続されている。エネルギー蓄積部３１の第２端子３１２が、放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２との間の接続点３２Ｍに接続されている。

（ｋ－１）段目の回路ユニット４におけるエネルギー蓄積部３１の第１端子３１１は、ｋ段目の回路ユニット４における回生スイッチＳＷ０と放電スイッチＳＷ１との間の接続点３２Ｐに接続されている。（ｋ－１）段目の回路ユニット４におけるエネルギー蓄積部３１の第２端子３１２は、ｋ段目の回路ユニット４の充電スイッチＳＷ２における放電スイッチＳＷ１側と反対側に接続されている。ｋは２以上の自然数である。

１段目の回路ユニット４における回生スイッチＳＷ０と放電スイッチＳＷ１との間の接続点３２Ｐに、直流電源５の正極が接続されている。最終段の回路ユニット４Ｚにおけるエネルギー蓄積部３１の第１端子３１１が、パルス放電負荷２の第１放電用電極２１１に接続されている。

次に、本形態の放電装置１の制御方法につき説明する。
まず、エネルギー蓄積部３１への充電と、パルス放電負荷２への出力について、簡潔に説明する。
上述の構成の放電装置１において、図１８に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１をオフの状態としつつ複数の充電スイッチＳＷ２をオンの状態とする。また、複数の回生スイッチＳＷ０をオンの状態とする。これにより、エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍに電気エネルギーを蓄積する。

その後、図１９に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１と複数の充電スイッチＳＷ２とが共にオンの状態とする。これにより、エネルギー蓄積部３１におけるインダクタＬｍに電気エネルギーを蓄積する。
次いで、図２０に示すごとく、複数の放電スイッチＳＷ１をオンの状態としつつ複数の充電スイッチＳＷ２をオフの状態とする。また、複数の回生スイッチＳＷ０をオフの状態とする。これにより、エネルギー蓄積部３１の電気エネルギーをパルス放電負荷２に出力する。

上述した、図１８～図２０に示す、エネルギー蓄積部３１への充電と、パルス放電負荷２への出力については、実質的に、実施形態２における制御方法と同様である。また、本形態において、図１８に示すコンデンサＣｍへの充電は、パルス放電負荷２の誘電体層２２に一定程度以上の電荷が蓄積されていない状態から行う場合においては、直流電源５から各コンデンサＣｍへの充電が行われる。

しかし、例えば、前回の放電の後にパルス放電負荷２に一定程度の電荷が残っている場合には、この電荷をエネルギー蓄積部３１のコンデンサＣｍに回収することが、本形態においては可能となる。

すなわち、図２１に示すように、各回路ユニット４において、回生スイッチＳＷ０をオン、放電スイッチＳＷ１をオフ、充電スイッチＳＷ２をオンとする。ただし、１段目の回路ユニット４における回生スイッチＳＷ０については、オフとしておく。これにより、パルス放電負荷２と、複数のエネルギー蓄積部３１とが、並列接続された状態となる。そして、パルス放電負荷２から各エネルギー蓄積部３１のコンデンサＣｍに電流が流れる。すなわち、パルス放電負荷２の誘電体層２２の容量成分から電荷が引き抜かれ、マルクス回路の各エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍに、電荷が回収される。つまり、電気エネルギーが各エネルギー蓄積部３１におけるコンデンサＣｍに回収される。

その後、１段目の回路ユニット４Ａにおける回生スイッチＳＷ０をオンとして、図１８の状態とする。これにより、各コンデンサＣｍには、パルス放電負荷２から回収した電荷に加えて、直流電源５からの電荷も充電される。なお、回生時において、１段目も含めてすべての回路ユニット４における回生スイッチＳＷ０をオンの状態として、上述の回生と充電とを同時に行うこともできる。
その後、図１９に示すごとく、回生スイッチＳＷ０と放電スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２とを同時オンの状態とすることで、上述と同様に、各エネルギー蓄積部３１において、インダクタＬｍへも電気エネルギーが蓄積される。このとき、回生スイッチＳＷ０は、オンの状態とする。

次いで、図２０に示すごとく、パルスパワー電源回路部３を直列状態とすることにより、エネルギー蓄積部３１の電気エネルギーをパルス放電負荷２に出力する。このとき、回生スイッチＳＷ０は、オフの状態とする。
その他は、実施形態２と同様である。

本形態においては、パルスパワー電源回路部３は、エネルギー蓄積部３１とパルス放電負荷２との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている。これにより、パルス放電負荷２が放電を実行した後において、誘電体層２２に電荷が残った場合にも、この電荷による電気エネルギーをパルスパワー電源回路部３のエネルギー蓄積部３１に回収して、蓄積することができる。

これにより、パルス放電負荷２における当該放電の次の放電時に、エネルギー蓄積部３１に蓄積された電気エネルギーを、パルス放電負荷２に供給することができる。それゆえ、パルス放電負荷２に繰り返し供給する電気エネルギーを節約することができる。その結果、エネルギー効率に優れた放電装置１を得ることができる。
その他、実施形態２と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本形態は、図２２に示すごとく、実施形態４に示したパルスパワー電源回路部３における最終段の回路ユニット４に、付属スイッチ直列体４３を接続した形態である。
付属スイッチ直列体４３に関する事項については、実施形態３と同様である。
その他は、実施形態４と同様である。

本形態においては、実施形態４に示した作用効果と、実施形態３に示した作用効果との双方を得ることができる。

（実施形態６）
本形態は、図２３、図２４に示すごとく、２段目以降の回路ユニット４における放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２が、下記の駆動制御回路１１からの駆動信号によって駆動するよう構成された形態である。

すなわち、図２３に示すごとく、ｋ段目の回路ユニット４における放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２は、（ｋ－１）段目の回路ユニット４におけるインダクタＬｍを一次コイルとするトランス１２を介して供給される電力によって動作する駆動制御回路１１に接続されている。そして、当該駆動制御回路１１からの駆動信号に基づいて、ｋ段目の回路ユニット４が動作するよう構成されている。

駆動制御回路１１は、図２４に示すごとく、整流回路１１１と定電圧回路１１２と、ゲートドライブユニット１１３とを有する。トランス１２の二次コイルから供給された電流は、整流回路１１１において整流され、定電圧回路１１２によって一定の電圧にてゲートドライブユニット１１３に供給される。そして、ゲートドライブユニット１１３は、ＥＣＵからの指令に基づいて、所定のタイミングにて放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２のゲート端子へ、駆動信号を出力する。

なお、１段目の回路ユニット４における放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２は、パルスパワー電源回路部３から独立した他の駆動制御回路を用いて駆動制御することができる（図示略）。
その他は、実施形態２と同様である。

本形態においては、２段目以降の回路ユニット４における放電スイッチＳＷ１及び充電スイッチＳＷ２を駆動するための電力を、前段の回路ユニット４におけるインダクタＬｍに流れるパルス電流を利用して得ることができる。それゆえ、パルスパワー電源回路部３の電力効率を向上させることができる。
その他、実施形態２と同様の作用効果を有する。

なお、本形態を、例えば、実施形態３、実施形態４、実施形態５等に適用した場合、駆動制御回路１１からの駆動信号は、例えば、第１付属スイッチＳＷ３及び第２付属スイッチＳＷ４、或いは回生スイッチＳＷ０に出力するよう構成することもできる。

上述した実施形態４（図１７参照）の放電装置は、回路ユニット４を１段のみとした構成に変形することもできる。この場合の形態は、実施形態１（図１参照）に示したパルスパワー電源回路部３において、ダイオードＤｉを回生スイッチＳＷ０に置き換えた構成とすることができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 放電装置
２ パルス放電負荷
２１１ 第１放電用電極
２１２ 第２放電用電極
２２ 誘電体層
３ パルスパワー電源回路部
３１ エネルギー蓄積部
Ｃｍ コンデンサ
Ｌｍ インダクタ

Claims (10)

1. 第１放電用電極（２１１）及び第２放電用電極（２１２）と、上記第１放電用電極及び上記第２放電用電極の少なくとも一方の内側面に配された誘電体層（２２）と、を備えたパルス放電負荷（２）と、
   上記パルス放電負荷にパルス電圧を周期的に出力するパルスパワー電源回路部（３）と、を有する放電装置（１）であって、
   上記パルスパワー電源回路部（３）は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部（３１）と、該エネルギー蓄積部に接続された複数の半導体素子（Ｄｉ、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４）とを有し、
   上記エネルギー蓄積部は、コンデンサ（Ｃｍ）とインダクタ（Ｌｍ）とを有し、
   上記複数の半導体素子のうちの少なくとも２つは、スイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２）であり、
   上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの蓄積と、上記エネルギー蓄積部から上記パルス放電負荷への電気エネルギーの供給とを行うことができるよう構成されており、
   上記パルスパワー電源回路部は、互いに接続された複数段の回路ユニット（４）と、１段目の上記回路ユニットに接続された直流電源（５）とを有し、
   上記回路ユニットは、上記エネルギー蓄積部と、複数の上記半導体素子の素子直列体（３２）とを有し、
   上記エネルギー蓄積部は、上記コンデンサと上記インダクタとを互いに直列接続してなり、
   上記素子直列体は、ダイオード（Ｄｉ）と放電スイッチ（ＳＷ１）と充電スイッチ（ＳＷ２）とがこの順にて直列に接続されてなり、上記ダイオードのアノードに上記放電スイッチが接続されており、
   上記各回路ユニットにおいて、上記エネルギー蓄積部の第１端子が、上記ダイオードのカソードに接続され、上記エネルギー蓄積部の第２端子が、上記放電スイッチと上記充電スイッチとの間の接続点に接続され、
   （ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第１端子（３１１）は、ｋ段目の上記回路ユニットにおける上記ダイオードのアノードに接続され、
   （ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第２端子（３１２）は、ｋ段目の上記回路ユニットの上記充電スイッチにおける上記放電スイッチ側と反対側に接続され、
   ｋは２以上の自然数であり、
   １段目の上記回路ユニットにおける上記ダイオードのアノードに、上記直流電源の正極が接続され、
   最終段の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第１端子が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続されている、放電装置。
2. 上記パルスパワー電源回路部は、上記エネルギー蓄積部を複数有し、上記スイッチング素子のオンオフの切り替えによって、上記複数のエネルギー蓄積部を互いに直列接続した直列状態と、上記複数のエネルギー蓄積部を互いに並列接続した並列状態とを切り替えることができるよう構成されており、上記直列状態にて、上記パルス放電負荷へのパルス電圧の出力を行うよう構成されている、請求項１に記載の放電装置。
3. 上記パルスパワー電源回路部は、互いに直列接続された第１付属スイッチ（ＳＷ３）と第２付属スイッチ（ＳＷ４）との直列体である付属スイッチ直列体（４３）を有し、最終段の上記回路ユニットは、上記エネルギー蓄積部に上記付属スイッチ直列体を並列接続してあり、上記付属スイッチ直列体における上記第１付属スイッチと上記第２付属スイッチとの接続点（４３Ｍ）が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続されている、請求項１又は２に記載の放電装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の放電装置を制御する方法であって、
   複数の上記放電スイッチをオフの状態としつつ上記複数の充電スイッチをオンの状態とすることにより、上記エネルギー蓄積部における上記コンデンサに電気エネルギーを蓄積し、
   上記複数の上記放電スイッチと上記複数の充電スイッチとが共にオンの状態とすることにより、上記エネルギー蓄積部における上記インダクタに電気エネルギーを蓄積し、
   複数の上記放電スイッチをオンの状態としつつ上記複数の充電スイッチをオフの状態とすることにより、上記エネルギー蓄積部の電気エネルギーを上記パルス放電負荷に出力する、放電装置の制御方法。
5. 第１放電用電極（２１１）及び第２放電用電極（２１２）と、上記第１放電用電極及び上記第２放電用電極の少なくとも一方の内側面に配された誘電体層（２２）と、を備えたパルス放電負荷（２）と、
   上記パルス放電負荷にパルス電圧を周期的に出力するパルスパワー電源回路部（３）と、を有する放電装置（１）であって、
   上記パルスパワー電源回路部（３）は、電気エネルギーを蓄積することができるエネルギー蓄積部（３１）と、該エネルギー蓄積部に接続された複数の半導体素子（Ｄｉ、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４）とを有し、
   上記エネルギー蓄積部は、コンデンサ（Ｃｍ）とインダクタ（Ｌｍ）とを有し、
   上記複数の半導体素子のうちの少なくとも２つは、スイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２）であり、
   上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部への電気エネルギーの蓄積と、上記エネルギー蓄積部から上記パルス放電負荷への電気エネルギーの供給とを行うことができるよう構成されており、
   上記パルスパワー電源回路部（３）は、上記半導体素子として、上記スイッチング素子を３個以上有し、
   該エネルギー蓄積部は、コンデンサ（Ｃｍ）とインダクタ（Ｌｍ）とによって構成され、
   上記スイッチング素子のオンオフ制御によって、上記エネルギー蓄積部と上記パルス放電負荷との間において電気エネルギーを可逆的に移動させることができるよう構成されている、放電装置。
6. 上記パルスパワー電源回路部は、上記エネルギー蓄積部を複数有し、上記スイッチング素子のオンオフの切り替えによって、上記複数のエネルギー蓄積部を互いに直列接続した直列状態と、上記複数のエネルギー蓄積部を互いに並列接続した並列状態とを切り替えることができるよう構成されており、上記直列状態にて、上記パルス放電負荷へのパルス電圧の出力を行うよう構成されている、請求項５に記載の放電装置。
7. 上記パルスパワー電源回路部は、互いに接続された複数段の回路ユニット（４）と、１段目の上記回路ユニットに接続された直流電源（５）とを有し、
   上記回路ユニットは、上記エネルギー蓄積部と、複数の上記半導体素子の素子直列体（３２）とを有し、
   上記エネルギー蓄積部は、上記コンデンサと上記インダクタとを互いに直列接続してなり、
   上記素子直列体は、回生スイッチ（ＳＷ０）と放電スイッチ（ＳＷ１）と充電スイッチ（ＳＷ２）とがこの順にて直列に接続されてなり、上記回生スイッチと上記充電スイッチとの間に上記放電スイッチが接続されており、
   上記各回路ユニットにおいて、上記エネルギー蓄積部の第１端子が、上記回生スイッチに接続され、上記エネルギー蓄積部の第２端子が、上記放電スイッチと上記充電スイッチとの間の接続点に接続され、
   （ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第１端子（３１１）は、ｋ段目の上記回路ユニットにおける上記回生スイッチと上記放電スイッチとの間の接続点（３２Ｐ）に接続され、
   （ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第２端子（３１２）は、ｋ段目の上記回路ユニットの上記充電スイッチにおける上記放電スイッチ側と反対側に接続され、
   ｋは２以上の自然数であり、
   １段目の上記回路ユニットにおける上記回生スイッチと上記放電スイッチとの間の接続点に、上記直流電源の正極が接続され、
   最終段の上記回路ユニットにおける上記エネルギー蓄積部の第１端子が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続されている、請求項５又は６に記載の放電装置。
8. 上記パルスパワー電源回路部は、互いに直列接続された第１付属スイッチ（ＳＷ３）と第２付属スイッチ（ＳＷ４）との直列体である付属スイッチ直列体（４３）を有し、最終段の上記回路ユニットは、上記エネルギー蓄積部に上記付属スイッチ直列体を並列接続してあり、上記付属スイッチ直列体における上記第１付属スイッチと上記第２付属スイッチとの接続点（４３Ｍ）が、上記パルス放電負荷の上記第１放電用電極に接続されている、請求項７に記載の放電装置。
9. 請求項７又は８に記載の放電装置を制御する方法であって、
   複数の上記放電スイッチをオフの状態としつつ上記複数の充電スイッチをオンの状態とすることにより、上記エネルギー蓄積部における上記コンデンサに電気エネルギーを蓄積し、
   上記複数の上記放電スイッチと上記複数の充電スイッチとが共にオンの状態とすることにより、上記エネルギー蓄積部における上記インダクタに電気エネルギーを蓄積し、
   複数の上記放電スイッチをオンの状態としつつ上記複数の充電スイッチをオフの状態とすることにより、上記エネルギー蓄積部の電気エネルギーを上記パルス放電負荷に出力する、放電装置の制御方法。
10. ｋ段目の上記回路ユニットにおける上記放電スイッチ及び上記充電スイッチは、
    （ｋ－１）段目の上記回路ユニットにおける上記インダクタを一次コイルとするトランス（１２）を介して供給される電力によって動作する駆動制御回路（１１）に接続され、該駆動制御回路からの駆動信号に基づいて動作するよう構成されている、請求項１～３、７及び８のいずれか一項に記載の放電装置。

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