JP2714284B2 - 金属蒸気レーザー装置 - Google Patents

金属蒸気レーザー装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はレーザー発振用高速パル
放電回路を改良した金属蒸気レーザー装置に関する。
【0002】
【従来の技術】金属蒸気レーザー装置は例えば、レーザ
ー加工、光反応プロセス、同位体原子の選択励起イオン
化等に使用される。金属蒸気レーザー装置は、通常図3
に示すような電気回路によりレーザー発振させている。
【0003】すなわち、図3において符号1は金属蒸気
レーザー管で、この金属蒸気レーザー管1には充電抵抗
9、直流高圧電源11、ピーキングコンデンサ12およびト
リガー回路10からトリガー信号が送られるサイラトロン
13が並列接続され、金属蒸気レーザー管1と直流高圧電
源11のプラス側間には充電コンデンサ14、ダイオード8
および共振充電チョークコイルが直列接続された電気
回路が構成されている。このような金属蒸気レーザー装
置は金属蒸気レーザー管1に立ち上りの速いパルス状の
高電圧を印加して、金属蒸気レーザー管1をパルス放電
させる必要があった。そのため、従来の金属蒸気レーザ
ー装置には、直流電源をスイッチングし、立ち上がりの
速い高圧パルスを発生させるためのサイラトロン13とい
う水素ガス入り放電管を使用していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このサイラ
トロン13を高くり返し(例えば5kHz )の金属蒸気レー
ザー装置に使用すると、 (1) サイラトロン13内の陰極の2次放出が増大するので
サイラトロン13が完全に絶縁状態にならず、安定な動作
が期待できない。 (2) サイラトロン13内での部分加熱が発生し、陰極コー
ティングの損傷・陰極チップの変形・セラミック管壁へ
の金属粒子の付着が増加するので、サイラトロン13の寿
命が短くなるという課題があった。
【0005】すなわち、上記従来の金属蒸気レーザー装
置では、高くり返し動作時は動作が不安定になり、しか
もサイラトロン13の寿命が短いため、メンテナンスに時
間がかかり、またコストが高くなるという課題があっ
た。
【0006】特に、レーザー加工、光反応プロセス、同
位体原子の選択励起イオン化など工業的な応用を考えた
場合、金属蒸気レーザー装置を多数台直並列に配置して
システム化し、長時間(1000〜4000時間)連続運転が必
要となる。この場合、上述した課題はより重要となって
くる。
【0007】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、レーザー発振用高速パルス放電回路に半導体
高速スイッチング素子を使用し、長時間(1000〜4000時
間)の安定運転を可能にし、さらに電源寿命を半永久的
にした金属蒸気レーザー装置を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属蒸気レー
ザー管と、この管に直列接続された第1および第2のコ
ンデンサと、この第1および第2のコンデンサの中点に
接続されたコバルトアモルファス磁性体または鉄アモル
ファス磁性体をコアとする磁気スイッチと、この磁気ス
イッチに接続された少なくとも1個の半導体高速スイッ
チング素子と、この半導体高速スイッチング素子をトリ
ガーするトリガー回路、前記コンデンサに電荷を供給す
るように前記磁気スイッチ側から順次接続されたダイオ
ード,共振充電チョークコイルおよび直流高圧電源とを
具備したことを特徴とする。
【0009】ここで、磁気スイッチは磁性体が飽和しな
い限りそのインピーダンスが高く、飽和するとインピー
ダンスが急激に減少するものであり、トリガー回路は前
記コンデンサの電荷を高い繰り返し周波数で充放電させ
るための前記半導体高速スイッチング素子をトリガーす
るものである。
【0010】
【作用】トリガー回路から半導体高速スイッチング素子
にトリガー信号を送ると、半導体高速スイッチング素子
のインピーダンスが下がりはじめ電流が流れる。このと
き、磁気スイッチに使用される磁性体がまだ飽和しない
ため、半導体高速スイッチング素子には最大ピーク電流
の1/10程度の電流が遅い立上り速度で流れる。この状
態で、半導体高速スイッチング素子のインピーダンスが
十分に低下した後、磁気スイッチの磁性体が飽和し、高
速の大電流が流れることが可能になる。
【0011】しかして、同電圧を充電されたコンデンサ
の中点をアース電位にすることになるため、直列に接続
されたコンデンサの両端にはコンデンサ1つの両端に印
加された電圧の2倍の高電圧が誘起され、結果的にレー
ザー管の両端にはこの高電圧が印加されることになる。
【0012】これにより、サイラトロンのようなガス入
り放電管を使用することなく、レーザー放電管に必要な
高速高電圧のパルス状の電圧を印加することができ、金
属蒸気レーザーの安定動作と長寿命化が可能となる。
【0013】
【実施例】図1および図2を参照しながら本発明に係る
金属蒸気レーザー装置の一実施例を説明する。図1は本
発明の一実施例による金属蒸気レーザー装置の電気回路
を示し、図2は図1における電気回路各部の電圧、電流
波形を示している。すなわち、図1において、金属蒸気
レーザー管1の両端に第1のコンデンサ2と第2のコン
デンサ3とが直列に接続されている。これらのコンデン
サ2,3の中点に、磁気スイッチ4を介して半導体高速
ターンオン素子5a,5b,5cを直列に配置する。また、半
導体高速スイッチング素子5a,5b,5cに印加される電圧
が均等となるように、ブリーダ抵抗6a,6b,6cが並列に
設置している。さらに、半導体高速スイッチング素子5
a,5b,5cをトリガーするトリガー回路10が設置されて
いる。一方、磁気スイッチ4には、共振充電チョーク7
及びダイオード8を介して直流高圧電源11が接続されて
いる。
【0014】この磁気スイッチ4は、複数のみならず単
数でもよく、強磁性体をそのコアとして使用し、磁性体
が飽和しない限りはそのインピーダンスが極めて高く、
磁性体が飽和するとインピーダンスが急激に減少するも
のである。
【0015】磁気スイッチのコアとしてコバルトアモ
ルファス磁性体、または鉄アモルファス磁性体を用い
る。また、半導体高速スイッチング素子5a〜5cは絶縁ゲ
ート型トランジスタを用いる。これにより動作速度が 1
00nsec程度の立上りを有し、高速動作を可能とする。
【0016】次に本発明を動作させるには、まず、直流
高圧電源11を投入しV0 ボルトなる電圧を印加する。す
ると電流が、共振充電チョークコイル7とダイオード8
を通じて第1のコンデン2と第2のコンデンサ3に流
れ、この第1および第2のコンデンサ2,3に電荷が充
電される。充電抵抗9は第1のコンデンサ2を充電する
ために使用されるものである。
【0017】この時、共振充電チョークコイル7のイン
ダクタンスLは通常0.1 〜1H程度と大きくとり、第1
および第2のコンデンサ2,3の容量は1〜20nF程度に
する。また、磁気スイッチ4の不飽和時のインダクタン
スを共振充電チョークコイル7より1〜3けた少なくと
れば、磁気スイッチ4のインダクタンスは無視できて、
共振充電チョークコイル7と第1および第2のコンデン
サ2,3間で共振を生じ、共振角周波数Wは、(1)式
のようになる。
【0018】
【数1】
【0019】これにより、ちょうど、この共振の半周期
時間になると第1および第2のコンデンサ2,3の中間
点の電圧V2 は、V2 =2V0 となる。さらに時間がす
ぎると、ダイオード8の効果で、この電圧V2 は一定に
保持される。この状態で、トリガー回路10により、多段
にならべられた半導体高速スイッチング素子5a,5b,5c
を導通状態にさせる。
【0020】この導通状態になる時、半導体高速スイッ
チング素子5a,5b,5c内部では、ある一定時間T1 にお
いて、半導体内にキャリアが発生し、それが増倍して抵
抗が低下しやがて大電流を流すことが可能となる導通状
態になるという過程が存在する。
【0021】この過渡的な状態の時に半導体に大電流が
流れ込むと半導体高速スイッチング素子5a,5b,5c内の
部分発熱がおこり、やがて破壊にいたる。また、半導体
スイッチング素子5a,5b,5cを多数ならべて同一動作を
させた場合、この過渡的な状態である時間T1 は半導体
スイッチング素子5a,5b,5cによってかなりばらつく。
ばらつきの大きいものが大電流動作時に破壊し、1つの
破壊が生じると、これが他の半導体にも飛び火し、やが
て全半導体スイッチング素子がこわれる場合もある。
【0022】そこで、磁気スイッチ4を用いて、半導体
スイッチング素子5a,5b,5cが十分に導通状態になるま
で、大電流が流れ込むのを阻止し、半導体スイッチング
素子5a,5b,5cが完全に導通状態になった後、磁気スイ
ッチ4の磁性体が飽和し大電流が流れるようにする。
【0023】図2に回路各部の電圧電流波形を示す。前
述のように、磁気スイッチ4は電流I1 がピーク値の1
/10程度になるまで磁性体が飽和しないため高いインダ
クタンス値(例えば10〜100 μH)を示し、きわめてゆ
っくり電流が立ち上がる。この時間のうちに、半導体高
速スイッチング素子5a,5b,5cが導通状態に移行し、こ
の両端電圧V1 は0Vに漸近する(時定数T1 )。
【0024】次に、磁気スイッチ4に流れる電流値がピ
ーク値の1/10以上に上昇すると磁気スイッチ4の磁性
体が飽和しインダクタンスが激減する(時間T2 )、
(飽和時インダクタンスは例えば50〜250nH)。する
と、電流I2 は急増し、これにともなって図2に示すよ
うに第1および第2のコンデンサ2,3の中間の電圧V
2 は、充電電圧2V0 →−2V0 に反転し、金属蒸気レ
ーザー管1に印加される電圧V3 は0→−4V0 近くま
で昇圧される。これにより直流電源電圧の約4倍の高速
のパルス状高電圧を金属蒸気レーザー管1に印加するこ
とが可能になる。
【0025】このようにして本実施例では従来例のサイ
ラトロン13の代りに半導体高速スイッチング素子5を磁
気スイッチ4と並用して用いることにより、安定で、し
かも長寿命の金属蒸気レーザー用高速パルス放電回路
可能になる。
【0026】
【発明の効果】従来、サイラトロンをスイッチング素子
として使用していた短寿命でかつ不安定の高速パルス放
電回路において、本発明によれば、サイラトロンの代り
半導体高速スイッチング素子を使用することにより長
寿命でかつ安定な高速パルス放電回路を得ることができ
る。また、磁気スイッチ4と半導体高速スイッチング素
子5を組み合わせ、かつLC反転回路と共振充電回路を
並用することにより、直流電源電圧の4倍の高電圧パル
スが得られる。
【0027】これにより、耐電圧の低い半導体高速ター
ンオン素子を安定にしかも長寿命で使用でき、電気部品
の破壊を未然に防止でき、またコストの高い高電圧部品
の使用を最少限におさえ、従来に比較し大幅なコストダ
ウンが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る金属蒸気レーザー装置の一実施例
を示す電気回路図。
【図2】図1における回路各部の電圧電流波形を示す曲
線図。
【図3】従来の金属蒸気レーザー装置を示す電気回路
図。
【符号の説明】
1…金属蒸気レーザー管、2…第1のコンデンサ、3…
第2のコンデンサ、4…磁気スイッチ、5(5a,5b,5
c)…半導体高速スイッチング素子、6…ブリーダー抵
抗、7…共振充電チョークコイル、8…ダイオード、9
…充電抵抗、10…トリガー回路、11…直流高圧電源、12
…ピーキングコンデンサ、13…サイラトロン、14…充電
コンデンサ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属蒸気レーザー管と、このレーザー管
    に直列接続された第1および第2のコンデンサと、この
    第1および第2のコンデンサの中点に接続されたコバル
    トアモルファス磁性体または鉄アモルファス磁性体をコ
    アとする磁気スイッチと、この磁気スイッチに接続され
    た少なくとも1個の半導体高速スイッチング素子と、こ
    の半導体高速スイッチング素子をトリガーするトリガー
    回路と、前記コンデンサに電荷を供給するように前記磁
    気スイッチ側から順次接続されたダイオード,共振充電
    チョークコイルおよび直流高圧電源とを具備したことを
    特徴とする金属蒸気レーザー装置。
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