JPH0716055B2

JPH0716055B2 - 高電圧パルス発生装置を備えるレーザ装置と高電圧パルス発生装置ならびにパルス発生方法

Info

Publication number: JPH0716055B2
Application number: JP23720787A
Authority: JP
Inventors: 常良大橋; 聖竹森; 利満吉川; 皓二桑原; 宏之菅原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: JPS63184380A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は高電圧パルス発生装置を備えるレーザ装置なら
びにレーザ装置あるいは放電性負荷に最適な高電圧パル
ス発生装置およびパルス発生方法に関する。

〔従来の技術〕

大気圧放電（TEAP）型レーザ装置では立上り時間の短か
い高電圧パルスを必要とする。従来、この種のパルス発
生回路としては、1983年９月30日に西ドイツに出願され
たシリアルNo.3335690.4を優先権主張として日本に1984
年９月28日に特許出願されたJP−Ａ−60−96182号公報
に開示されたものがある。このパルス発生回路では、並
列に充電された２つのコンデンサの一方をインダクタン
スを通して放電することにより、その一方のコンデンサ
の電圧を反転し、他のコンデンサの電圧と合成して充電
々圧の倍電圧を得るとともに、可飽和リアクトルの飽和
によつて両コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを出
力として取り出すようにされる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従つて、一方のコンデンサの放電時には出力すべき電気
エネルギーのほぼ半分を１度にスイツチングできる大容
量のスイツチング素子が求められる。また、出力パルス
の立上り時間に反比例してスイツチング素子又は可飽和
リアクトルの容量は増大する。また、パルス発生回路の
後段の段数や容量を増加して、スイツチング素子の容量
を低減できるが、この方法ではコンデンサ，可飽和リア
クトルの数が増加し、パルス発生回路が大形化すると共
に、コストアツプになる等の問題点があつた。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を克服し、小さ
な容量のスイツチング素子によつて高電圧パルスを発生
できるパルス発生装置とパルス発生方法及びそのような
装置を備えたレーザ装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため本発明のパルス発生装置は、ト
ランスの１次巻線に接続したスイツチと、トランスの２
次巻線に並列接続したコンデンサを有する振動回路（タ
ンク回路）と、振動回路で蓄積した電気エネルギーの出
力への伝達を制御する可飽和リアクトルとから構成し
た。

〔作用〕

このパルス発生装置では、トランスの１次巻線に設けた
スイツチを２次側の振動回路の電気振動に同期して複数
回開閉することにより、振動回路に蓄積される電気エネ
ルギーを増大させ、振動回路の電圧で可飽和リアクトル
が飽和すると振動回路に蓄積された電気エネルギーは出
力され、出力コンデンサには立上り時間の短かい、大エ
ネルギー，高電圧パルスを得ることができる。つまり、
１次巻線で制御する電気エネルギーは小さいが、その電
気エネルギーを複数回振動回路に蓄積することで最終的
に取出される電気エネルギーは１次巻線で制御するエネ
ルギーの数十倍のものを得ることができる。したがつ
て、１次側スイツチ素子の密量低減ができ、スイツチン
グ用半導体素子の適用が容易となり大エネルギーのスイ
ツチは可飽和リアクトルにより行うので、装置の小形
化，長寿命化ができる。

〔実施例〕

本発明のパルス発生回路の第１の実施例を第１図を参照
して説明する。

パルス発生装置100は、トランス101の２次側のLC共振回
路９から可飽和リアクトル103を介してレーザ装置102に
接続されている。可飽和リアクトル103の２次側にタイ
ミング回路104およびリセツト回路105を配置し、これら
の回路はまた制御回路106にも接続している。制御回路1
06の一方側はトランス101の１次巻線に接続されたトラ
ンジスタ3A,3BのベースＢに接続している。

トランス101は、１次巻線１と２次巻線２とから構成さ
れている。１次巻線１の両側はスイツチ素子である第１
トランジスタ3Aおよび第２トランジスタ3Bを接続してい
る。トランジスタ3Aは3Bとの間の１次巻線１の中間より
引出された引出線4Aは、直流電源４に接続される。直流
電源４の一端は両トランジスタ3A,3BのエミツタＥと接
地５とに接続している。トランジスタ3A,3BのベースＢ
は制御回路106に接続している。制御回路106に設けた検
出巻線７、たとえば変流器は、２次巻線２に流れる電流
の向きを検出する。２次巻線２の両端は、コンデンサ８
を並列接続して、LC共振回路９（タンク回路）を構成し
ている。LC共振回路９は出力コンデンサ11およびレーザ
装置102と接続している。

レーザ装置102はレーザガスを有する放電部12内の電極1
2A,12Bたとえば陰極および陽極を配置している。電極12
A,12Bの両端は、出力コンデンサ11を並列接続してい
る。これらの電極およびコンデンサ11の一方端は接地11
Fされている。電極12A,12Bおよび出力コンデンサ11とLC
共振回路９との一方側に可飽和リアクトル103を直列接
続している。

可飽和リアクトル103は鉄心13たとえば環状鉄心に主巻
線14を巻回し、主巻線14の両端はLC共振回路９と出力コ
ンデンサ11等に接続している。可飽和リアクトル103の
２次側（制御巻線）はタイミング回路104とリセツト回
路105とを配置している。

タイミング回路104は、鉄心13に巻回された制御巻線1
5、トランジスタ16および直流電源17とから構成されて
いる。

リセツト回路105は、鉄心13に一方側巻線20Aと他方側巻
線20Bとを巻回している。両巻線20A,20B間より引出され
た分岐線21は、直流電源22の一端と接続される。直流電
源22の負側と両巻線20A,20Bの一方側とは、それぞれト
ランジスタ23A,23BのエミツタＥとコレクタＣとに接続
している。エミツタＥは接地24されている。

トランジスタ16およびリセツトトランジスタ23A,23Bの
ベースＢは、制御回路106に接続している。

次に、パルス発生装置100の作用を第２図も参照して説
明する。

制御回路106からの駆動信号により、第１トランジスタ3
AがONすると、直流電源４により、１次巻線１に第２図
（ａ）のような電流I_S1が流れる。尚、第２図（ａ）〜
（ｈ）の横軸は時間ｔである。１次巻線１と電磁的に結
合した２次巻線２には電流I_S1により電圧が誘起され、
第２図（ｄ）のような電流I_C1が流れる。２次巻線２に
は並列にコンデンサ８が接続されてLC共振回路９を形成
している。２次側電流I_C1により第２図（ｅ）に示すよ
うな２次側電圧V_C1を生じる。検出巻線７によりLC共振
回路９の電流I_C1の反転を検出し、制御回路106により、
第１トランジスタ3AをOFF、第２トランジスタ3BをONす
る。このことにより、第２図（ｂ）に示すような電流I
_S2が流れる。この電流I_S2による２次巻線２への誘起電
圧は、電流I_S1によるものとは逆極性となる。従つて、
第２図（ｄ）から判るように、電流I_C1が反転する毎に
その大きさが増大する。このように、LC共振回路９の振
動周期に合せて第１および第２トランジスタ3A,3BをON,
OFFすることにより、LC共振回路９に電気エネルギを注
入でき、振動電圧，電流を増大することができる。すな
わち、LC共振回路９に蓄えられる電気エネルギを増大で
きる。

一方、可飽和リアクトル103は、鉄心13が飽和しない間
は、主巻線14は大きなインダクタンスを持ち、LC共振回
路９の振動電圧に対して大きなインピーダンスとなる。
このため、コンデンサ11にはほとんど電圧は現われな
い。又鉄心内の磁束は、巻線14に加わつた電圧を時間積
分した値に比例し、第２図（ｅ）破線で示すように変化
する。可飽和リアクトル103を形成する鉄心13の断面
積、巻線14の巻数は、LC共振回路９の電圧V_C1が目的値
を超えるまで飽和しないような値に設定する。このこと
により、LC共振回路９の電圧が鉄心飽和レベルになるま
で、時間に関係なく可飽可リアクトル103は飽和しな
い。

すなわち、LC共振回路９に目的とする電圧エネルギーを
蓄えるための時間に制限はない。第１および第２トラン
ジスタ3A,3Bの１回のスイツチングでLC共振回路９に供
給すべき電気エネルギーは、LC共振回路９の１回の振動
での損失（可飽和リアクトルでの鉄損を含む）を超える
ものであれば良く、それらはLC共振回路９に最終的に蓄
えるべき電気エネルギーに比べ十分小さい。短時間で大
きなエネルギーを共振回路に蓄えるためには１度のスイ
ツチングにおけるエネルギーを大きくするため容量の大
きな素子を必要とする。長時間かけて蓄える場合には逆
に素子の容量はより小さいものにできる。

したがつて第１および第２トランジスタ3A,3Bの容量
は、従来の、出力すべき電気エネルギーの約1/2を１度
のスイツチングで供給する方法に比べ十分小さくでき
る。

LC共振回路９の電圧が目的値となつたところで、トラン
ジスタ16をONし、直流電源17により、制御巻線15に第２
図（Ｃ）に示すような電流I_ONを流す。この電流I_ONに対
応する電流が主巻線14に流れ（IC₂）、コンデンサ11が
充電され、第２図（ｆ）に示す電圧V_C2′を生じる。こ
の電圧V_C2′により鉄心13が飽和し、巻線14のインダク
タンスが小さくなり、インピーダンスが下る。このこと
によりコンデンサ８に蓄えられた電荷が放電し、電流I
_C2が第２図（ｇ）のように流れる。コンデンサ11にかか
る電圧V_C2が上昇して、レーザ装置102の放電開始電圧に
達すると放電部12のインピーダンスが急激に低下し、コ
ンデンサ8,11から放電部12へ電荷が放電される。レーザ
発生器102への電流I_Dは、コンデンサ８からの電流とコ
ンデンサ11からの電流が加え合さつたものとなり、第２
図（ｈ）のような高ち上りの急激なパルスとなる。

なお、可飽和リアクトル103の飽和タイミングを決定す
るために、LC共振回路９の電圧が目的値となつたことを
検出するのは制御回路106が行う。あらかじめ、目標電
圧値に達するまでのトランス101の２次巻線２の電流の
目標極性反転回数を調べておき、検出回路７が極性反転
を検出して制御回路106がその回数をカウントし、カウ
ント値が目標極性反転回数に達した所でタイミング回路
104のトランジスタ16をturn onする。あるいは、別の方
法では、電圧V_C1を分圧器で直接測定して、V_C1が目標値
になつた時にトランジスタ16をturn onしてもよい。

このように、１次巻線１に流れる電流はトランジスタ3
A,3B開閉し、LC共振回路９でLC共振を行ない大きな電気
エネルギーを蓄積し、このエネルギーを可飽和リアクト
ル103で制御して、高電圧を出力するようにした。した
がつて、１次巻線は小さな電流を複数回流せばよいか
ら、トランジスタは小容量のものを使用できるので、パ
ルス発生回路を小形化できる。

レーザ装置102にパルス電圧を出力するには、LC共振回
路９とに目的とする電気エネルギーが充電された後、鉄
心13を飽和させ、電気エネルギーをコンデンサ11に移す
必要がある。コンデンサ11に最大の電気エネルギーを移
すには、コンデンサ８の電圧最大値近傍で鉄心13を飽和
させなければならない。そのため、制御巻線15に接続さ
れたトランジスタ16をONして、直流電源17により、電流
I_ONを流す。主巻線14と制御巻線15とはトランスを形成
しているので、電流I_ONにより主巻線14に電流I_C2を生
じ、コンデンサ11を充電する。この電圧はレーザ装置16
の放電開始電圧よりも小さく設定することによりレーザ
装置16が放電することはない。

電流I_ONによりコンデンサ11に充電する電圧V_C2は、最終
的に出力すべき電圧と逆極性の電圧を充電する。このこ
とにより、レーザ装置に出力される電圧の極性と逆極性
の半波（第２図（ｅ）の部）では、主巻線14に加わる
電圧が減少するため、徹心内の磁束の変化量（この場合
減少量）も小さくなる。また、出力電圧と同極性となつ
た範囲（第２図（ｅ）の部）では巻線14に加わる電圧
が大きくなるため、鉄心内の磁束の変化量が大きくな
り、飽和する。すなわち、コンデンサ11を充電すること
により、その電圧による磁束を生じ、それを利用して鉄
心13を飽和させることができる。したがつて、鉄心13が
飽和するタイミングはコンデンサ11の電圧の大きさ、す
なわち、制御巻線15に流す電流I_OMの大きさにより調整
できる。

鉄心13の飽和のタイミングを調整することにより、LC共
振回路９に蓄えられた電気エネルギーの大部分を出力側
に移すことができる。

したがつて、タイミング回路104を設けることにより、L
C共振回路に蓄えた電気エネルギーを最適時期に確実に
出力することができる。

次に、リセツト回路105について説明する。

すなわち、LC共振回路９の電圧V_C1は、正負の間を振動
する電圧である。この振動電圧にしたがつて、鉄心13内
の磁束も正方向，負方向の飽和点の間で振動する。鉄心
13の磁束の初期値がほぼ零であれば、正常な動作をす
る。しかし、鉄心13の磁束の初期値は、その前のレーザ
装置102の放電により左右され、かならずしも零近傍と
はならない。すなわち、放電電圧のバラツキ，放電時間
のバラツキにより、放電動作後、コンデンサ11に残る電
圧がバラツく。したがつて、コンデンサ11に残つた電圧
により変動する鉄心13内の磁束もバラツくことになる。

鉄心13内の磁束の初期値が零近傍からずれていると、LC
共振回路９の電気エネルギーが目的値に達する前に、鉄
心13が飽和することがあり、正常な動作とならない。従
つて鉄心の残留磁束を零にリセツトする必要が生ずる。

このため、本発明のリセツト回路105では、一方のトラ
ンジスタ23AをONし、鉄心13を飽和させる。トランジス
タ23Aは鉄心13内の磁束がどんな値であつても一方向へ
飽和するのに十分な時間と電流を与えるよう制御する。
次に、一方のトランジスタ23AをOFF、他方のトランジス
タ23BをONして鉄心13を逆方向へ励磁し、磁束が零とな
つたところで、他方のトランジスタ23BをOFFする。

飽和磁束を零にするための電流値はあらかじめ磁気特性
から知られている。この制御巻線20Bのリセツト電流に
よりコンデンサ11に誘起電圧が充電される。このコンデ
ンサ11の充電々圧はさらに鉄心13の磁束を変化させる。
従つて、鉄心13の磁束を零にリセツトするトランジスタ
23BのON時間は、このコンデンサ11による磁束分も含め
て零にするような値に選ばれる。このようにすることに
より、鉄心内磁束の初期値はいつも零近傍となり、可飽
和リアクトル103は常に一定な電圧時間積で飽和するの
で、パルス発生回路のパルス動作は、常に安定してい
る。

第８〜第11図（Ａ）・（Ｂ）は、本発明のパルス発生装
置におけるリセツト回路の別の実施例を示す。前に述べ
た実施例のリセツト回路ではリセツトを、制御巻線への
リセツト電流の供給時間を制御して行つていた。この実
施例の特徴は可飽和リアクトルの鉄心を複数に分割し、
かつスイツチング素子を１つにしたことである。この実
施例により、分割鉄心の断面積を選択したり、分割鉄心
への主巻線の巻数を変えることにより、残留磁束を零は
もちろん任意の値に制御できる。又、それぞれ異る方向
に飽和する２つの分割鉄心を用いれば、リセツト電流に
よる出力コンデンサの充電々圧による磁束の変動を防止
できる。

第8A図には、リセツト回路の別の実施例が示される。可
飽和リアクトルの鉄心は鉄心60aと60bに二分割されてお
り、主巻線14が両分割鉄心にまたがつて巻かれ、制御巻
線61a,61bがそれぞれ分割鉄心60a,60bに巻かれている。
制御巻線61a,61bには直流電源62、電流制御用抵抗63、
スイツチ64が直列に接続される。第8B図にこのリセツト
装置の回路図を示す。スイツチ64を閉じると、制御巻線
61aと61bの電流の方向はそれぞれ逆となる。

スイツチ64を閉じると、制御巻線61a,61bに直流電源62
の電圧と抵抗63とによつて決まる電流ｉが流れる。電流
ｉは分割鉄心60a,60bを飽和させるのに十分な電流値に
設定してある。

第９図には分割鉄心60a,60bのヒステリシス曲線（実
線）が示されている。電流ｉによつて分割鉄心60aの磁
束はＰに、分割鉄心60bの磁束はＱにそれぞれ飽和す
る。スイツチを開き電流ｉが零になると、分割鉄心60a
の残留磁束はＲに、分割鉄心60bの残留磁束はＳに夫々
リセツトされる。

主巻線14に対する鉄心全体の特性は、分割鉄心60aと分
割鉄心60bとの特性を加え合わせたものとなり、図中破
線で示すヒステリシス曲線となる。また、分割鉄心60a
と分割鉄心60bとの特性およびその断面積が同じである
場合、残留磁束は等価的にはＺすなわち零になる。

主巻線14に電圧を加えた場合の動作について考えてみ
る。まず、主巻線14に分割鉄心60a,60bの磁束が増加す
る方向へ電圧を印加すると、その方向へは分割鉄心60a
は飽和状態にあるので磁束は増加しない。これに対し分
割鉄心60bは第９図から明らかなようにＳからＰ点で磁
束の増加が可能なので、印加された電圧に応じて磁束が
増加する。この磁束の増加により主巻線14のインダクタ
ンスが大きくなる。印加する電圧の極性が逆の場合に
は、分割鉄心60aの磁束が減少して主巻線14のインダク
タンスを大きくする。このような動作の結果は、分割鉄
心60a,60bの磁留磁束が零にリセツトされている場合と
同じである。

このように制御巻線61a,61bに流れる電流ｉによつて、
分割鉄心60a,60bの残留磁束が第９図のR,Sにリセツトさ
れた結果は、主巻線14に対しては分割鉄心60a,60bの残
留磁束が零にリセツトされたのと等価である。

以上は分割鉄心60aと分割鉄心60bとの特性、断面積を等
しくして残留磁束を零にリセツトする場合について説明
した。同様な動作により分割鉄心60aと分割鉄心60bとの
材質は同じで断面積を変えることで、残留磁束を任意の
値にリセツトできる。

このように本実施例によれば制御巻線の制御回路（電
源，スイツチ等）が一組でできる。そして鉄心の残留磁
束を部分的に制御できるので、容易に、残留磁束を任意
の値にリセツトすることができる。

第10図（Ａ）にはリセツト回路のさらに別の実施例が示
されている。本実施例では可飽和リアクトルの主巻線14
a,14bを分割鉄心60a,60bに独立して設けた。主巻線14a,
14bへの誘導起電力は変化する磁束の両と巻数とに比例
する。従つて夫々の主巻線14a,14bの巻数を独立に調整
することにより、リセツトされる残留磁束の値が調整で
きる。すなわちこのようにすることにより、リセツトさ
れる残留磁束を分割鉄心60a,60bの断面積の比だけでな
く、巻数の比によつても調整できる。このように本実施
例によれば巻数比によつてもリセツトされる残留磁束の
値を調整することができる。第10図（Ｂ）は第10図
（Ａ）のリセツト回路の回路図である。

第11図には本発明のリセツト回路の更に他の実施例が示
されている。本実施例では鉄心を60a,60b,60cと３分割
し、それぞれに制御巻線61a,61b,61cを巻いた。その中
の１つの制御巻線61cには電流の方向を切換えるスイツ
チ65を設けた。スイツチ65を切換えることにより、その
分割鉄心60cの飽和する方向が反転するので、リセツト
される残留磁束の値も変る。このように本実施例によれ
ば制御巻線61cに設けた切換えスイツチ65により、リセ
ツトされる残留磁束の値が容易に変更できる。第11図
（Ｂ）は第11図（Ａ）のリセツト回路の回路図である。

上述のように本実施例のリセツト回路は鉄心の残留磁束
を零または飽和領域以外に容易にリセツトすることがで
きるようになつて、鉄心の残留磁束を零または飽和領域
以外に容易に簡単な構成でリセツトすることができる。
以上の実施例ではスイツチ64,65は機械的スイツチで表
示されているが、第１図の回路のようにトランジスタの
ようなスイツチング素子が使用できることは言うまでも
ない。

次に第１図の制御回路106についてさらに詳細に説明す
る。第３図は制御回路106の内部の構成を示すブロツク
ダイヤグラムである。

外部からのトリガ信号により、まずタイマ１が動作しパ
ルス信号を作る。このパルス信号は駆動回路１により増
幅されトランジスタ23Aを駆動する。このことにより制
御巻線20Aに、電流が流れ、鉄心13を飽和させる。次に
タイミ２が遅れて動作し、駆動回路２にパルス信号を与
え、駆動回路２はトランジスタ23BをONする。制御巻線2
0Bに、電流が流れ、鉄心13の磁束を零にもどす。（巻線
14に生じる誘起電圧でコンデンサ8,11に充電される電圧
の影響も含めて零にする。）以上により、鉄心13の残留
磁束をリセツトする。

次にタイマ３が動作し、起動信号発生回路がパルス信号
を発生する。この信号が駆動回路５により増巾され、ト
ランジスタ3Aを駆動、巻線１の電流I_S1により、コンデ
ンサ８が充電され、共振回路９の振動（電圧，電流の振
動）が始まる。共振回路９の極性反転（振動）を検出巻
線７により検出、その極性に応じて振動極性検出回路に
よりパルスを発生し、トランジスタ3A,3Bを交互にON,OF
Fし、振動回路９の振動電圧、電流を増大させる。

次にタイマ３の出力パルスを受けてから所定時間経過後
タイマ４が動作し、パルスを発生、トランジスタ16を駆
動して可飽和リアクトル103を飽和させ、共振回路９の
エネルギーをコンデンサ11側へ出力する。

次に本発明のパルス発生装置の別の実施例を説明する。

第４図の実施例のパルス発生装置では、直流電源17から
トランジスタ16を用いてコンデンサ11を直接充電するよ
うにしたものである。この回路では、コンデンサ８の電
気エネルギーがコンデンサ11に移り、高電圧を生じた場
合に、その高電圧から、トランジスタ16,直流電源17を
保護するために、抵抗26,29,ダイオード28,コンデンサ2
7から成るサージ吸収回路30を設けて、保護した。

本発明のさらに別の実施例である第５図は、可飽和リア
クトル103およびリセツト回路105とレーザ装置102との
間に磁気パルス圧縮回路40を設けた場合であり、磁気パ
ルス圧縮回路40は飽和リアクトル103′とコンデンサ43
とから構成されており、次のような作用，効果を有す
る。

すなわち、上述のタイミング回路104では、鉄心13を飽
和するために、主巻線14に第２図（ｃ）の電流I_ONを流
し、この電流I_ONによりコンデンサ１が充電され、第２
図（ｆ）に示す三角波形状の電圧V_C2′を生ずる。

もし、短時間で可飽和リアクトルを飽和させるためにV
_C2′を放電電圧近くに設定すると、電圧V_C2′によりレ
ーザ装置102が誤動作をする恐れが考えられる。

そこで、本実施例では、電圧V_C2で鉄心13が飽和し、主
巻線14のインピーダンスが低下すると、コンデンサ８の
電荷が放電し、放電電流がコンデンサ11に流れるが、鉄
心41は飽和していないので、可飽和リアクトル103′に
阻止された状態にある。時間の経過と共に、コンデンサ
11の電位が高くなると、鉄心41は飽和し、コンデンサ11
の電荷が放電し、放電電流は主巻線42を介してコンデン
サ43に流れる。コンデンサ43には上述の三角波の電圧は
現われない。したがつて、レーザ発振器102には、目的
とする最終的な電圧だけが印加されるので、誤動作を防
止できる。他の回路の部分については第１図のものと同
じ動作であるので説明は省略する。

本発明のさらに別の実施例である第６図は、トランス10
1の１次巻線１と２次巻線２とに鉄心50を配置した場合
である。実施例ではトランス101の鉄心50の飽和による
コンデンサ８の電圧反転を利用して振動回路に構成して
いる。

トランス101は、鉄心50の飽和磁束密度B₁とその断面積A
₁と２次巻線２の巻回数N₁との積をZ₁とすれば、 Z₁＝B₁×A₁×N₁ …（１）可飽和リアクトル103は、鉄心13の飽和磁束密度B₂その
断面積A₁と巻線14の巻回数N₂との積をZ₂とすれば、 Z₂＝B₂×A₂×N₂ …（２）そして、Z₁とZ₂との条件を Z₁＜Z₂ …（３）とすれば、第１図のタイミング回路104を省略できる。
その理由を以下説明する。

トランジスタ3AをONすると、鉄心50に巻かれた１次巻線
１に直流電源４から第７図（ａ）に示すように電流I_S1
が流れる。１次巻線１と２次巻線２とは鉄心50により、
磁気的に結合し、トランス101を形成しているので、電
流I_S1により、２次巻線２に第７図（ｃ）に示すような
電流I_C1が流れる。電流I_C1はコンデンサ８に流れて、コ
ンデンサ８で第７図（ｄ）に示すような電圧V_C1を生じ
る。この電圧V_C1により、鉄心50内の磁束が増加し、第
７図（ｄ）破線のように変化する。電圧V_C1は巻線14に
も印加され、鉄心13内の磁束も増加し、第７図（ｅ）の
ように変化する。ここで、トランス101と可飽和リアク
トル103の電圧時間積は（３）式のようにZ₁＜Z₂となる
ように設定してあるので、鉄心50が先に飽和し、２次巻
線２のインダクタンスが小さくなる。そのインダクタン
スとコンデンサ８の容量で決る周波数で、コンデンサ８
の電荷が２次巻線を通して放電し、放電々流I_C1が半波
（第７図（ｃ））が流れる。その結果、コンデンサ８
の電圧の極性が反転する。このことにより、鉄心13,鉄
心50内の磁束は逆方向へ変化しはじめる。

コンデンサ８の放電々流I_C1を検出器７により検出
し、制御装置106により、トランジスタ3AをOFF、トラン
ジスタ3BをONする。その結果、コンデンサ８は先ほどと
は逆極性にて、１次巻線1,直流電源４により充電され、
その蓄積される電気エネルギーは増大する。鉄心50内磁
束が逆方向へ増大し、やがて飽和すると、再びコンデン
サ８の放電により、電圧の極性反転が起る。それにした
がつて、トランジスタ3A,3BのON,OFFも反転させ、コン
デンサ８を充電する。

このように、コンデンサ８の電圧極性に合せて、トラン
ジスタ3A,3BをON,OFFすることにより、コンデンサ８の
電圧は上昇は、その電気エネルギーは増大する。

一方、鉄心50が飽和し、コンデンサ８が２次巻線２を通
して放電し、その電圧極性を反転している間の電圧〔第
７図（ｄ）（斜線部）〕は、鉄心50の磁束の増減には
影響しないが、鉄心13の磁束は変動する。すなわち、こ
の間の電圧時間積に相当する分だけ多く、巻線14に電圧
が加わることになる。そして、この電圧による電圧時間
積は、コンデンサ８に充電された電圧に比例して増大す
る。この電圧時間積の増大がトランス101の電圧時間積
（Z₁）と可飽和リアクトル103の電圧時間積（Z₂）の差
より大きくなると、鉄心13も飽和するようになる。

鉄心13が飽和すると、巻線14のインダクタンスが小さく
なり、そのインダクタンスとコンデンサ8,コンデンサ11
によつて決る周波数で、コンデンサ８の電荷の一部がコ
ンデンサ11に移る。すなわち、第７図（ｅ）に示す電流
I_C2が流れることにより、コンデンサ11に電圧V_C2（第７
図（ｆ））を生じる。この電圧（第７図（ｆ））は次
の半波でさらに鉄心13を飽和させるように働くため、次
に鉄心13が飽和したときに、さらに高い逆極性の電圧
（第７図（ｆ））を生じ、やがて、コンデンサ８の電
荷の大部分がコンデンサ11に移るようになる。すなわ
ち、目的とする電圧，電流を得ることができる。この電
圧によるレーザ装置102の放電等の動作については第１
図と同じなので省略する。

以上述べたように、本実施例によれば、２次巻線２に鉄
心50を設け、その電圧時間積をZ₁，鉄心13,巻線14によ
る可飽和リアクトル103の電圧時間積をZ₂とした場合、 Z₁＜Z₂ となるように設定することにより、鉄心13を飽和させる
ためのスイツチング素子が不要となる。また、１次およ
び２次巻線1,2は鉄心により電磁的に結合するので効率
良くコンデンサ８を充電できる。

また、コンデンサ８に現われる電圧波形Ｚは矩形波状で
あるため、可飽和リアクトル103の飽和するタイミング
が多少ずれても出力される電圧，電気エネルギーはほゞ
一定である。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、パルス発生回路を小形
化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例であるレーザ用パルス発生回路
の回路図、第２図（ａ）ないし（ｈ）は第１図の各特性
を示す特性図、第３図は、第１図，第４図，第５図のパ
ルス発生装置に適用できる制御回路のブロツク図、第４
図ないし第６図は本発明の他の実施例であるレーザ用パ
ルス発生回路、第７図（ａ）ないし（ｇ）は第６図の回
路の各部波形図、第８図（Ａ）は、本発明のパルス発生
装置に適用できる残留磁束リセツト装置の実施例を示す
図、第８図（Ｂ）は、第８図（Ａ）の回路図、第９図は
鉄心の磁気特性を示す図、第10図（Ａ）は残留磁束リセ
ツト装置の別の実施例を示す図、第10図（Ｂ）は第10図
（Ａ）の回路図、第11図（Ａ）は残留磁束リセツト装置
の別の実施例を示す図、第11図（Ｂ）は第11図（Ａ）の
回路図である。１……１次巻線、２……２次巻線、3A,3B……トランジ
スタ、７……検出巻線、8,11……コンデンサ、９……LC
共振回路、12A,12B……電極、13……鉄心、14……巻
線、101……トランス、102……レーザ発振器、103……
可飽和リアクトル、104……タイミング回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桑原皓二茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者菅原宏之茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ装置の構成は、放電電極を有するレーザ発振装置と；直流電源と；前記直流電源からの電圧を断続するスイツ
チング手段と；１次巻線と２次巻線とを備え、該１次巻線が前記スイツ
チング手段に接続されるトランスフオーマと；前記トラ
ンスフオーマの２次巻線と前記２次巻線の両端に接続さ
れたキヤパシタとからなるタンク回路であつて、該タン
ク回路は前記スイツチング手段が前記タンク回路の振動
周期で前記直流電源からの電圧を断続すると前記直流電
源からの電気エネルギーを電気振動の形で蓄積するもの
と；その主巻線が前記タンク回路に接続された可飽和リ
アクトルと；前記可飽和リアクトルと前記レーザ発振装
置の放電電極との間に接続され前記可飽和リアクトルの
前記主巻線が導通すると前記タンク回路に蓄積された電
気エネルギーを電荷エネルギーの形で充電し、該電荷エ
ネルギーを前記放電電極にパルスとして放電する出力キ
ヤパシタと；を含むことを特徴とする高電圧パルス発生装置を備える
レーザ装置。
【請求項２】放電性負荷に高電圧パルスを供給するパル
ス発生装置の構成は、直流電源と；前記直流電源からの電圧を断続するスイツ
チング手段と；１次巻線と２次巻線とを備え、該１次巻線が前記スイツ
チング手段に接続されるトランスフオーマと；前記トラ
ンスフオーマの２次巻線と前記２次巻線の両端に接続さ
れたキヤパシタとからなるタンク回路であつて、該タン
ク回路は前記スイツチング手段が前記タンク回路の振動
周期で前記直流電源からの電圧を断続すると前記直流電
源からの電気エネルギーを電気振動の形で蓄積するもの
と；その主巻線が前記タンク回路に接続された可飽和リ
アクトルと；前記可飽和リアクトルと前記放電性負荷と
の間に接続され前記可飽和リアクトルの前記主巻線が導
通すると前記タンク回路に蓄積された電気エネルギーを
電荷エネルギーの形で充電し、該電荷エネルギーを前記
放電性負荷にパルスとして放電する出力キヤパシタと；
前記可飽和リアクトルの残留磁束を前記可飽和リアクト
ルの制御巻線に電流を流して実質的に消去する磁束リセ
ツト手段と；を含むことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項３】放電性負荷に高電圧パルスを供給するパル
ス発生装置は、直流電源と；前記直流電源からの電圧を断続するスイツ
チング手段と；１次巻線と２次巻線とを備え、該１次巻線が前記スイツ
チング手段に接続されるトランスフオーマと；前記トラ
ンスフオーマの２次巻線と前記２次巻線の両端に接続さ
れたキヤパシタとからなるタンク回路であつて、該タン
ク回路は前記スイツチング手段が前記タンク回路の振動
周期で前記直流電源からの電圧を断続すると前記直流電
源からの電気エネルギーを電気振動の形で蓄積するもの
と；その主巻線が前記タンク回路に接続された可飽和リアク
トルと；前記可飽和リアクトルと前記放電性負荷との間
に接続され前記可飽和リアクトルの前記主巻線が導通す
ると前記タンク回路に蓄積された電気エネルギーを電荷
エネルギーの形で充電し、該電荷エネルギーを前記放電
性負荷にパルスとして放電する出力キヤパシタと；前記
可飽和リアクトルの残留磁束を前記可飽和リアクトルの
制御巻線に電流を流して実質的に消去する磁束リセツト
手段と；を含むことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項４】放電性負荷に高電圧パルスを供給するパル
ス発生装置の構成は、直流電源と；前記直流電源からの電圧を断続するスイツ
チング手段と；１次巻線と２次巻線とを備え、該１次巻線が前記スイツ
チング手段に接続されるトランスフオーマと；前記トラ
ンスフオーマの２次巻線と前記２次巻線の両端に接続さ
れたキヤパシタとからなるタンク回路であつて、該タン
ク回路は前記スイツチング手段が前記タンク回路の振動
周期で前記直流電源からの電圧を断続すると前記直流電
源からの電気エネルギーを電気振動の形で蓄積するもの
と；その主巻線が前記タンク回路に接続された可飽和リ
アクトルと；前記可飽和リアクトルと前記放電性負荷と
の間に接続され前記可飽和リアクトルの前記主巻線が導
通すると前記タンク回路に蓄積された電気エネルギーを
電荷エネルギーの形で充電し、該電荷エネルギーを前記
放電性負荷にパルスとして放電する出力キヤパシタと；
前記パルス発生装置はさらに、前記可飽和リアクトルの
残留磁束を前記可飽和リアクトルの制御巻線に電流を流
して実質的に消去する磁束リセツト手段と；前記磁束リ
セツト手段は、前記可飽和リアクトルに巻かれた制御巻
線と第２の直流電源と前記第２の直流電源と前記制御巻
線との間に接続された第２のスイツチング手段とを備
え、前記スイツチング手段を切り換えることによつて前
記制御巻線の一方向に前記可飽和リアクトルが飽和する
まで前記第２の直流電源より電流を供給し、前記可飽和
リアクトルの残留磁束が実質的に零となるよう所定電流
を前記制御巻線の低方向に流す手段と；を含むことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項５】特許請求の範囲第（４）項において、前記
磁束リセツト手段の前記制御巻線は２つの巻線を含み、
前記スイツチング手段は２つのトランジスタを含み、前
記各トランジスタは前記各巻線と前記第２の直流電源と
に直列で、前記各巻線の電流の方向が互いに逆方向であ
るように接続されることを特徴とする高電圧パルス発生
装置。
【請求項６】特許請求の範囲第（４）項において、前記
可飽和リアクトルは互いに磁気的に結合状態にある複数
の分割鉄芯を備え、前記磁束リセツト手段は各分割鉄芯
毎に設けられた制御巻線を含み、前記制御巻線の少なく
とも一方は他方の制御巻線とは逆方向に前記分割鉄芯を
飽和させる電流を流されることを、特徴とする高電圧パ
ルス発生装置。
【請求項７】特許請求の範囲第（６）項において、前記
可飽和リアクトルの主巻線は、前記複数の分割鉄芯の各
々にそれぞれ任意の巻数で巻かれることを、特徴とする
高電圧パルス発生装置。
【請求項８】特許請求の範囲第（６）項において、前記
可飽和リアクトルの制御巻線の少なくとも一方に、他の
制御巻線の電流方向と同方向か逆方向の何れかの方向に
選択的に切り換えるスイツチが接続されることを、特徴
とする高電圧パルス発生装置。
【請求項９】特許請求の範囲第（２）項において、前記
パルス発生装置はさらに、前記可飽和リアクトルの導通
時期を制御する飽和タイミング制御回路を含むことを、
特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項１０】特許請求の範囲第（９）項において、前
記飽和タイミング制御回路は前記可飽和リアクトルに設
けた制御巻線と前記制御巻線に前記可飽和リアクトルを
飽和するための電流を流す電流制御手段を含むことを、
特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項１１】特許請求の範囲第（10）項において、前
記飽和タイミング制御回路の前記電流制御手段は、前記
トランスフオーマの２次巻線の電圧極性の反転回数をカ
ウントする手段と該カウントする手段が所定回数をカウ
ントしたことに応答して前記制御巻線に前記可飽和リア
クトルを飽和するための電流を流す電流発生回路を含む
ことを、特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項１２】特許請求の範囲第（９）項において、前
記飽和タイミング制御回路は、前記トランスフオーマの
２次巻線の電圧の極性反転の回数をカウントするカウン
ト手段と該カウント手段が所定回数をカウントしたこと
に応答して前記出力キヤパシタを充電して前記可飽和リ
アクトルを飽和せしめる充電回路とを含むことを、特徴
とする高電圧パルス発生装置。
【請求項１３】特許請求の範囲第（２）項において、前
記トランスフオーマは鉄芯を有し、該鉄芯の飽和磁束密
度をB₁、該鉄芯の断面積をA₁、前記２次巻線の巻数を
N₁、前記可飽和リアクトルの鉄芯の飽和磁束密度をB₂、
断面積をA₂、前記主巻線の巻数をN₂としたときに B₁XA₁XN₁＜B₂XA₂XN₂ の関係を満たすようにすることを、特徴とする高電圧パ
ルス発生装置。
【請求項１４】特許請求の範囲第（２）項において、前
記パルス発生装置はさらに、前記可飽和リアクトルと前
記放電性負荷との間に、直列に第２の可飽和リアクトル
を有し、前記放電性負荷と並列に第２の出力キヤパシタ
を有することを、特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項１５】直流電源の電源電圧を断続する工程と、前記断続した電源の電気エネルギーをトランスフオーマ
を介してタンクに回路に供給する前記電源電圧を断続す
るstepは前記タンク回路の振動周期に同期して断続する
工程と、前記タンク回路が供給される電気エネルギーを電気振動
の形で蓄積する工程と、前記タンク回路に蓄積された電気エネルギーが所定値に
達したときに、前記放電性負荷に放出する工程とを、有
する放電性負荷のための高電圧パルス発生方法。