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明細書 :パルス発生装置およびパルス発生方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4810655号 (P4810655)
公開番号 特開2006-135947 (P2006-135947A)
登録日 平成23年9月2日(2011.9.2)
発行日 平成23年11月9日(2011.11.9)
公開日 平成18年5月25日(2006.5.25)
発明の名称または考案の名称 パルス発生装置およびパルス発生方法
国際特許分類 H03K   3/02        (2006.01)
FI H03K 3/02 Z
請求項の数または発明の数 9
全頁数 14
出願番号 特願2005-291485 (P2005-291485)
出願日 平成17年10月4日(2005.10.4)
優先権出願番号 2004321269
優先日 平成16年10月5日(2004.10.5)
優先権主張国 日本国(JP)
審査請求日 平成20年8月21日(2008.8.21)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504159235
【氏名又は名称】国立大学法人 熊本大学
発明者または考案者 【氏名】秋山 秀典
【氏名】勝木 淳
【氏名】タモ ヒーレン
【氏名】浪平 隆男
個別代理人の代理人 【識別番号】100098785、【弁理士】、【氏名又は名称】藤島 洋一郎
【識別番号】100109656、【弁理士】、【氏名又は名称】三反崎 泰司
審査官 【審査官】石田 勝
参考文献・文献 特開平2-211713(JP,A)
特開平3-236621(JP,A)
特開平9-275687(JP,A)
調査した分野 H03K 3/02
特許請求の範囲 【請求項1】
整流素子からなる第1のスイッチ素子を用いた第1のマルクス回路を含み、第1のパルス電圧を発生する第1のパルス発生部と、
整流素子からなる第2のスイッチ素子を用いた第2のマルクス回路を含み、前記第1のパルス電圧とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧を発生する第2のパルス発生部と、
前記第1および第2のパルス発生部同士を接続すると共に、前記第1のパルス発生部から前記第2のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第3のスイッチ素子を含むパルス結合部と、
前記第1および第2のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、前記第1および第2のパルス発生部を制御する制御部と
を備えたことを特徴とするパルス発生装置。
【請求項2】
前記第1のパルス発生部は、複数段の前記第1のマルクス回路を含む
ことを特徴とする請求項1に記載のパルス発生装置
【請求項3】
前記第2のパルス発生部は、複数段の前記第2のマルクス回路を含む
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパルス発生装置
【請求項4】
前記第1ないし第3のスイッチ素子を構成する整流素子の少なくとも1つが、バイポーラトランジスタである
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のパルス発生装置
【請求項5】
前記第1ないし第3のスイッチ素子を構成する整流素子がいずれもバイポーラトランジスタであり、
これらバイポーラトランジスタの特性が同一であると共に、前記第1ないし第3のスイッチ素子の個数も同一である
ことを特徴とする請求項4に記載のパルス発生装置
【請求項6】
前記制御部は、前記パルス電圧の発生順序を調整することにより、前記出力パルス電圧の電圧極性を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のパルス発生装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記第1のパルス電圧と前記第2のパルス電圧との発生時間差を調整することにより、前記出力パルス電圧のパルス幅を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のパルス発生装置。
【請求項8】
前記制御部は、前記パルス発生部における充電電圧を調整することにより、前記出力パルス電圧の波高値を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のパルス発生装置。
【請求項9】
整流素子からなる第1のスイッチ素子を用いた第1のマルクス回路を含む第1のパルス発生部により、第1のパルス電圧を発生させ、
整流素子からなる第2のスイッチ素子を用いた第2のマルクス回路を含む第2のパルス発生部により、前記第1のパルス電圧とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧を発生させ、
前記第1のパルス発生部から前記第2のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第3のスイッチ素子を含むパルス結合部により、これら第1および第2のパルス発生部同士を接続させ、
前記第1および第2のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、前記第1および第2のパルス発生部を制御する
ことを特徴とするパルス発生方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、マルクス回路を利用したパルス発生装置およびパルス発生方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年急速に拡大しつつある、大気・水質改善等の環境浄化技術や、細菌・細胞制御等のバイオ技術などでは、高電圧のパルス電圧を印加することにより、パルスパワーのエネルギーが利用されるようになっている。このような高電圧のパルス電圧を発生するための装置(パルス発生装置)としては、例えば磁気回路を用いたものや、バイポーラトランジスタを含むマルクス回路を用いたものが挙げられる。
【0003】
このうち、マルクス回路を用いたパルス発生装置としては、例えば特許文献1に開示されているもの(プラズマ処理装置)が挙げられる。
【0004】
また、特許文献2には、このようなマルクス回路を用いるのではなく、パルス信号の発生を光学系によって行うようにしたパルス発生装置が開示されている。
【0005】

【特許文献1】特開平7-142972号公報
【特許文献2】特開2002-263471号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上記したような技術分野において、パルスパワーのエネルギー供給による処理のスループットを向上させるためには、パルス発生装置からの出力パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間を、できるだけ短くすることが重要である。なぜならば、これらの時間を短縮して高速化すれば、その分だけ、パルスパワーのエネルギー供給による処理を行う時間が増えるからである。
【0007】
ところが、上記した磁気回路を用いたパルス発生装置や、上記特許文献1に開示されているような技術では、出力パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間は数μs程度であり、実用上十分なレベルまで至っていなかった。
【0008】
一方、上記特許文献2によれば、パルス信号を光学系により発生しているので、高速な立ち上がりを実現することが可能である。しかしながら、この特許文献2に開示されている技術によっても、高速な立ち下がりを実現することはできない。
【0009】
このように従来の技術では、パルス発生装置において、出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりの両者を、実用上十分なレベルまで高速化するのは困難であった。
【0010】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりをより高速化することが可能なパルス発生装置およびパルス発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明のパルス発生装置は、整流素子からなる第1のスイッチ素子を用いた第1のマルクス回路を含み、第1のパルス電圧を発生する第1のパルス発生部と、整流素子からなる第2のスイッチ素子を用いた第2のマルクス回路を含み、第1のパルス電圧とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧を発生する第2のパルス発生部と、これら第1および第2のパルス発生部同士を接続すると共に、第1のパルス発生部から第2のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第3のスイッチ素子を含むパルス結合部と、上記第1および第2のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、第1および第2のパルス発生部を制御する制御部とを備えたものである。
【0012】
ここで、「マルクス回路」とは、互いに並列接続された複数の容量素子同士を、直列接続に切り換えることが可能な回路を意味する。
【0014】
本発明のパルス発生方法は、整流素子からなる第1のスイッチ素子を用いた第1のマルクス回路を含む第1のパルス発生部により、第1のパルス電圧を発生させ、整流素子からなる第2のスイッチ素子を用いた第2のマルクス回路を含む第2のパルス発生部により、第1のパルス電圧とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧を発生させ、第1のパルス発生部から第2のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第3のスイッチ素子を含むパルス結合部により、これら第1および第2のパルス発生部同士を接続させ、上記第1および第2のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、第1および第2のパルス発生部を制御するようにしたものである。
【0015】
本発明のパルス発生装置およびパルス発生方法では、第1のスイッチ素子を用いた第1のマルクス回路から、高速な立ち上がりを有する第1のパルス電圧が発生する。また、第2のスイッチ素子を用いた第2のマルクス回路から、高速な立ち上がりを有すると共に第1のパルス電圧とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧が発生する。また、これら第1および第2のマルクス回路をそれぞれ含む第1または第2のパルス発生部同士は、第3のスイッチ素子を含むスイッチ素子を含むパルス結合部によって、互いに接続されている。ここで、第1のパルス電圧および第2のパルス電圧のうちの一方のみが発生したときには、そのパルス電圧は、第3のスイッチ素子を構成する整流素子の降伏電圧を越えることはなく、第3のスイッチ素子はオフ状態となる。よって、そのパルス電圧がそのまま、高速な立ち上がりを有する出力パルス電圧として出力される。一方、時間差をもって他方のパルス電圧も発生し、第1および第2のパルス電圧の両方が発生した状態となると、それらのパルス電圧の総和が上記降伏電圧を越えることから、第3のスイッチ素子が降伏状態となり、オン状態となる。よって、それらのパルス電圧は互いに電圧極性が異なることから、重畳されると互いに打ち消し合う方向に作用し、他方のパルス電圧の高速な立ち上がりに応じて、出力パルス電圧の立ち下がりも高速化される。このようにして、両パルス電圧の発生する時間差に応じたパルス幅によって、出力パルス電圧が出力される。
【0016】
本発明のパルス発生装置では、上記第1のパルス発生部が複数段の第1のマルクス回路を含むようにしてもよく、また、上記第2のパルス発生部が複数段の第2のマルクス回路を含むようにしてもよい。このように構成した場合、出力パルス電圧の波高値をより高めることができる。
【0017】
本発明のパルス発生装置では、第1ないし第3のスイッチ素子を構成する整流素子の少なくとも1つを、バイポーラトランジスタとするようにしてもよい。また、これら第1ないし第3のスイッチ素子を構成する整流素子がいずれもバイポーラトランジスタである場合には、これらバイポーラトランジスタの特性を全て同一とすると共に、第1ないし第3のスイッチ素子の個数も全て同一とするようにしてもよい。なお、「バイポーラトランジスタの特性」とは、バイポーラトランジスタの降伏特性を意味する。
【0018】
本発明のパルス発生装置では、上記制御部が、パルス電圧の発生順序を調整することにより、出力パルス電圧の電圧極性を制御するようにしてもよい。また、第1のパルス電圧と第2のパルス電圧との発生時間差を調整することにより、出力パルス電圧のパルス幅を制御するようにしてもよく、パルス発生部における充電電圧を調整することにより、出力パルス電圧の波高値を制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【0019】
本発明のパルス発生装置またはパルス発生方法によれば、第1のマルクス回路から第1のパルス電圧を発生させると共に第2のマルクス回路から第1のパルス電圧とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧を発生させ、両パルス電圧のうちの一方のみが発生したときにはそれらを結合する第3のスイッチ素子をオフ状態として、高速な立ち上がりを有するそのパルス電圧をそのまま出力パルス電圧として出力する一方、時間差をもって他方のパルス電圧も発生させたときには、第3のスイッチ素子をオン状態として両パルス電圧を互いに打ち消し合う方向に重畳させるようにしたので、他方のパルス電圧の高速な立ち上がりに応じて出力パルス電圧の立ち下がりも高速化することができ、従来と比べて出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりをより高速化することが可能となる。

【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0021】
図1は、本発明の一実施の形態に係るパルス発生装置の構成を表すものである。このパルス発生装置は、後述する出力端子Tout1,Tout2間から、高速な立ち上がりおよび立ち下がりを有する出力パルス電圧Voutを出力するものであり、一対のトリガ発生部10,20と、トリガ発生部10に接続された第1のパルス回路11と、トリガ発生部20に接続された第2のパルス回路21と、これら第1および第2のパルス回路11,21の出力同士を接続して上記出力端子Tout1,Tout2へと導くパルス結合部3と、トリガ発生部10,20を制御する制御部4とを備えている。なお、本発明の一実施の形態に係るパルス発生方法は、本実施の形態に係るパルス発生装置によって具現化されるので、以下、併せて説明する。
【0022】
トリガ発生部10,20は、第1のパルス発生回路11または第2のパルス発生回路21を動作させるためのトリガ信号ST1,ST2をそれぞれ、これら第1のパルス発生回路11または第2のパルス発生回路21へ出力するものである。なお、これらトリガ回路10,20がそれぞれトリガ信号ST1,ST2を出力するタイミングや順序については、制御部4によって制御されるようになっている。
【0023】
第1のパルス発生回路11は、トリガ信号ST1が入力されるのに応じて、電源端子T1への供給電源VDCに基づく負極性のパルス電圧(第1のパルス電圧VP1)を発生するものであり、Nチャネルトランジスタからなる電界効果型(MOS;Metal Oxide Semiconductor)トランジスタM1と、抵抗器R10と、コンデンサC10と、ダイオードD1と、3つのマルクス回路111~113とを有している。なお、これらマルクス回路111~113はそれぞれ、電源端子T1から接続点P13へ導かれた高圧ラインL1Hと、接地(接続点P12)から接続点P14へ導かれた低圧ラインL1Lとの間に挿入配置されるようになっている。
【0024】
MOSトランジスタM1は、トリガ発生部10に接続されると共に、高圧ラインL1H上の接続点P11と、低圧ラインL1L上の接続点P12との間に挿入配置されている。具体的には、MOSトランジスタM1のゲートはトリガ発生部10に接続され、ソースは接続点P12に接続され、ドレインは接続点P11に接続されている。このような構成によりMOSトランジスタM1は、トリガ発生部10からのトリガ信号ST1の発生に応じてオン状態となり、後述するマルクス回路111~113の動作を起動させるようになっている。
【0025】
コンデンサC10の一端は高圧ラインL1Hに接続され、その他端は低圧ラインL1Lに接続されている。また、抵抗器R10は、低圧ラインL1L上で接続点P12とコンデンサC10の他端との間に配置されている。
【0026】
また、ダイオードD1は、アノードが接続点P14に接続され、カソードが接地(接続点P12)に接続されている。
【0027】
マルクス回路111~113はそれぞれ、接続点P11,P12側から順に位置する3段構成となっており、MOSトランジスタM1がオン状態となるのに応じて、高速な立ち上がりを有すると共にこれらの回路の時定数に応じた立ち下がりを有する第1のパルス電圧VP1を出力するものである。また、マルクス回路111は、NPNトランジスタからなるバイポーラトランジスタB11と、抵抗器11A,11Bと、コンデンサC11とから構成され、マルクス回路112は、バイポーラトランジスタB12と、抵抗器12A,12Bと、コンデンサC12とから構成され、マルクス回路113は、バイポーラトランジスタB13と、抵抗器13A,13Bと、コンデンサC13とから構成されている。また、これらバイポーラトランジスタB11~B13はそれぞれ、低圧ラインL1Lから高圧ラインL1Hへの方向を順方向とする整流素子(スイッチ素子)として機能しており、これらに印加される電圧がバイポーラトランジスタの降伏電圧を超えると、バイポーラトランジスタB11~B13がブレークダウン(降伏)し、コンデンサC10~C13が互いに並列接続から直列接続へと切り替わるようになっている。
【0028】
マルクス回路111~113の構成を詳細に説明すると、抵抗器11Aは高圧ラインL1H上に配置されており、一端はコンデンサC10の一端に接続され、他端はコンデンサC11の一端に接続されている。また、抵抗器11Bは低圧ラインL1L上に配置されており、一端はコンデンサC10の他端に接続され、他端はコンデンサC11の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタB11のエミッタは、コンデンサC10の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器R11Aの他端およびコンデンサC11の一端に接続されている。また、抵抗器12Aは高圧ラインL1H上に配置されており、一端はコンデンサC11の一端に接続され、他端はコンデンサC12の一端に接続されている。また、抵抗器12Bは低圧ラインL1L上に配置されており、一端はコンデンサC11の他端に接続され、他端はコンデンサC12の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタB12のエミッタは、コンデンサC11の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器R12Aの他端およびコンデンサC12の一端に接続されている。また、抵抗器13Aは高圧ラインL1H上に配置されており、一端はコンデンサC12の一端に接続され、他端はコンデンサC13の一端(接続点P13)に接続されている。また、抵抗器13Bは低圧ラインL1L上に配置されており、一端はコンデンサC12の他端に接続され、他端はコンデンサC13の他端(接続点P14)に接続されている。また、バイポーラトランジスタB13のエミッタは、コンデンサC12の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器R13Aの他端およびコンデンサC13の一端に接続されている。

【0029】
一方、第2のパルス発生回路21は、トリガ信号ST2が入力されるのに応じて、電源端子T2への供給電源(-VDC)に基づく正極性のパルス電圧(第2のパルス電圧VP2)を発生するものである。すなわち、この第2のパルス発生回路21は、第1のパルス電圧VP1と電圧極性が異なると共に、絶対値の等しい第2のパルス電圧VP2を発生するようになっている。また、詳細は後述するが、制御部4による制御により、この第2のパルス電圧VP2は、第1のパルス電圧VP1に対して所定の時間差をもって発生するようになっている。この第2のパルス発生回路21は、NチャネルトランジスタからなるMOSトランジスタM2と、抵抗器R20と、コンデンサC20と、ダイオードD2と、3つのマルクス回路211~213とを有している。なお、これらマルクス回路211~213はそれぞれ、電源端子T2から接続点P23へ導かれた低圧ラインL2Lと、接地(接続点P22)から接続点P24へ導かれた高圧ラインL2Hとの間に挿入配置されるようになっている。
【0030】
MOSトランジスタM2は、トリガ発生部20に接続されると共に、低圧ラインL2L上の接続点P21と、高圧ラインL2H上の接続点P22との間に挿入配置されている。具体的には、MOSトランジスタM2のゲートはトリガ発生部20に接続され、ソースは接続点P22に接続され、ドレインは接続点P21に接続されている。このような構成によりMOSトランジスタM2は、トリガ発生部20からのトリガ信号ST2の発生に応じてオン状態となり、後述するマルクス回路211~213の動作を起動させるようになっている。
【0031】
コンデンサC20の一端は低圧ラインL2Lに接続され、その他端は高圧ラインL2Hに接続されている。また、抵抗器R20は、高圧ラインL2H上で接続点P22とコンデンサC20の他端との間に配置されている。また、ダイオードD2は、アノードが接地(接続点P22)に接続され、カソードが接続点P24に接続されている。
【0032】
マルクス回路211~213はそれぞれ、前述のマルクス回路111~113と同様に、接続点P21,P22側から順に位置する3段構成となっており、MOSトランジスタM2がオン状態となるのに応じて、高速な立ち上がりを有すると共にこれらの回路の時定数に応じた立ち下がりを有する第2のパルス電圧VP2を出力するものである。また、マルクス回路211は、NPNトランジスタからなるバイポーラトランジスタB21と、抵抗器21A,21Bと、コンデンサC21とから構成され、マルクス回路212は、バイポーラトランジスタB22と、抵抗器22A,22Bと、コンデンサC22とから構成され、マルクス回路213は、バイポーラトランジスタB23と、抵抗器23A,23Bと、コンデンサC23とから構成されている。また、これらバイポーラトランジスタB21~B23はそれぞれ、第1のパルス発生回路11内のバイポーラトランジスタB11~B13と同じ特性(バイポーラトランジスタの降伏特性)になるように構成されていると共に、低圧ラインL2Lから高圧ラインL2Hへの方向を順方向とする整流素子(スイッチ素子)として機能しており、これらに印加される電圧がバイポーラトランジスタの降伏電圧を超えると、バイポーラトランジスタB21~B23がブレークダウン(降伏)し、コンデンサC20~C23が互いに並列接続から直列接続へと切り替わるようになっている。
【0033】
マルクス回路211~213の構成を詳細に説明すると、抵抗器21Aは高圧ラインL2H上に配置されており、一端はコンデンサC20の一端に接続され、他端はコンデンサC21の一端に接続されている。また、抵抗器21Bは高圧ラインL2H上に配置されており、一端はコンデンサC20の他端に接続され、他端はコンデンサC21の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタB21のエミッタは、コンデンサC20の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器R21Aの他端およびコンデンサC21の一端に接続されている。また、抵抗器22Aは低圧ラインL2L上に配置されており、一端はコンデンサC21の一端に接続され、他端はコンデンサC22の一端に接続されている。また、抵抗器22Bは高圧ラインL2H上に配置されており、一端はコンデンサC21の他端に接続され、他端はコンデンサC22の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタB22のエミッタは、コンデンサC21の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器R22Aの他端およびコンデンサC22の一端に接続されている。また、抵抗器23Aは低圧ラインL2L上に配置されており、一端はコンデンサC22の一端に接続され、他端はコンデンサC23の一端(接続点P23)に接続されている。また、抵抗器23Bは高圧ラインL2H上に配置されており、一端はコンデンサC22の他端に接続され、他端はコンデンサC23の他端(接続点P24)に接続されている。また、バイポーラトランジスタB23のエミッタは、コンデンサC22の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器R23Aの他端およびコンデンサC23の一端に接続されている。
【0034】
パルス結合部3は、第1のパルス発生回路11と第2のパルス発生回路12の出力同士を接続するものであり、NPNトランジスタのバイポーラトランジスタからなる3つのスイッチ素子31~33を有している。また、これらスイッチ素子31~33はそれぞれ、第1のパルス発生回路11内のバイポーラトランジスタB11~B13、および第2のパルス発生回路21内のバイポーラトランジスタB21~B23と同じ特性(バイポーラトランジスタの降伏特性)になるように構成されていると共に、第1のパルス発生回路11から第2のパルス発生回路12への方向を順方向とする整流素子として機能している。具体的には、スイッチ素子31のエミッタは、ベース、接続点P14および出力端子Tout1に接続され、コレクタは、スイッチ素子32のエミッタおよびベースに接続されている。また、スイッチ素子32のコレクタは、スイッチ素子33のエミッタおよびベースに接続され、スイッチ素子33のコレクタは、接続点P24および出力端子Tout2に接続されている。
【0035】
また、詳細は後述するが、これらスイッチ素子31~33は、第1のパルス電圧VP1および第2のパルス電圧VP2のうちの一方が発生しているときには、そのパルス電圧がバイポーラトランジスタ(整流素子)の降伏電圧を越えないようになっている一方、両方のパルス電圧が発生しているときには、そのパルス電圧が降伏電圧を越えることにより、バイポーラトランジスタ(整流素子)がブレークダウン(降伏)するようになっている。このような構成により、パルス結合部3では、パルス電圧の一方のみが発生しているときには、スイッチ素子31~33がオフ状態となる一方、両方のパルス電圧が発生しているときには、スイッチ素子31~33がオン状態となるようになっている。
【0036】
ここで、トリガ発生部10および第1のパルス発生回路11が本発明における「第1のパルス発生部」の一具体例に対応し、トリガ発生部20および第2のパルス発生回路21が本発明における「第2のパルス発生部」の一具体例に対応する。バイポーラトランジスタB11~B13が本発明における「第1のスイッチ素子」の一具体例に対応し、バイポーラトランジスタB21~B23が本発明における「第2のスイッチ素子」の一具体例に対応する。また、マルクス回路111~113が本発明における「第1のマルクス回路」の一具体例に対応し、マルクス回路211~213が本発明における「第2のマルクス回路」の一具体例に対応する。また、スイッチ素子31~33が、本発明における「第3のスイッチ素子」の一具体例に対応する。また、トリガ発生部10,20、パルス発生回路11,21およびパルス結合部3が、本発明における「パルス発生回路」の一具体例に対応する。
【0037】
次に、図1および図2を参照して、このような構成のパルス発生装置の動作について、詳細に説明する。図2は、各電圧波形をタイミング図で表したものであり、(A)はトリガ信号ST1の電圧(トリガ電圧VT1)の波形を、(B)は第1のパルス電圧VP1の波形を、(C)はトリガ信号ST2の電圧(トリガ電圧VT2)の波形を、(D)は第2のパルス電圧VP2の波形を、(E)は出力端子Tout1,Tout2間から出力される出力パルス電圧Voutの波形を、それぞれ表している。
【0038】
まず、タイミングt1において、制御部4からの制御により、トリガ発生部10がトリガ信号ST1を発生する(トリガ電圧VT1を出力する)と(図2(A))、第1のパルス発生回路11では、MOSトランジスタM1がオン状態となり、それに応じて3段構成のマルクス回路111~113が、それぞれ動作状態となる。よって、この第1のパルス発生回路11から、高速な立ち上がりを有する負極の第1のパルス電圧VP1が発生し(図2(B))、タイミングt2において完全に立ち上がることとなる。なお、このときはトリガ発生部20からはトリガ信号ST2は発生していない(トリガ電圧VT2が出力されていない)ので(図2(C))、第2のパルス発生回路21ではMOSトランジスタM2はオフ状態である。よって、マルクス回路211~213の動作は開始されず、第2のパルス電圧VP2は出力されていない(図2(D))。
【0039】
ここで、パルス結合部3には、上記のように第1のパルス電圧VP1のみが供給されることから、この第1のパルス電圧VP1はスイッチ素子31~33を構成するバイポーラトランジスタ(整流素子)の降伏電圧を越えることはなく、これらスイッチ素子31~33はオフ状態となる。なぜならば、第1のパルス発生回路11内のマルクス回路111~113に含まれるバイポーラトランジスタB11~B13の数(3個)と、スイッチ素子31~33を構成するバイポーラトランジスタの数(3個)とが互いに同数であると共に、これらバイポーラトランジスタB11~B13,B21~B23の特性(バイポーラトランジスタの降伏特性)が同一となるように構成されているからである。よって、スイッチ素子31~33がオフ状態であることから、第1のパルス電圧VP1がそのまま出力パルス電圧Voutとして出力され、その結果、この出力パルス電圧Voutも高速に立ち上がることとなる(図2(E))。
【0040】
次いで、タイミングt1から所定の時間差をなすタイミングt3において、制御部4からの制御により、トリガ発生部20がトリガ信号ST2を発生する(トリガ電圧VT2を出力する)(図2(C))。すると、第2のパルス発生回路21では、MOSトランジスタM2がオン状態となり、それに応じて3段構成のマルクス回路211~213が、それぞれ動作状態となる。よって、この第2のパルス発生回路21から、高速な立ち上がりを有する正極の第2のパルス電圧VP2が発生し(図2(D))、タイミングt4において完全に立ち上がることとなる。
【0041】
ここで、パルス結合部3には、第1のパルス電圧VP1および第2のパルス電圧VP2の両方が供給されているので、これら第1および第2のパルス電圧VP1,VP2の総和が、スイッチ素子31~33を構成するバイポーラトランジスタ(整流素子)の降伏電圧を越えることとなり、その結果、これらスイッチ素子31~33が瞬時にブレークダウン(降伏)し、オン状態となる。よって、これら第1および第2のパルス電圧VP1,VP2は互いに電圧極性が異なることから、スイッチ素子31~33がオン状態となって重畳されると、互いに打ち消し合う方向に作用し、第2のパルス電圧VP2の高速な立ち上がりに応じて、出力パルス電圧Voutの立ち下がりも高速化(タイミングt4で完全に立ち下がる)される(図2(E))。
【0042】
このようにして、第1のパルス電圧VP1と第2のパルス電圧VP2の発生する時間差(タイミングt1~t3)に応じたパルス幅によって、高速な立ち上がりおよび立ち下がりを有する出力パルス電圧Voutが出力されることとなる。
【0043】
なお、タイミングt2またはタイミングt4において、パルス電圧VP1,VP2が立ち下がった後または立ち上がった後は、パルス発生回路11,21内のマルクス回路111~113,211~213における時定数に応じて、第1のパルス電圧VP1が立ち上がると共に、第2のパルス電圧VP2が立ち下がることとなる(図2(B),(D))。
【0044】
次に、図3~図5を参照して、本実施の形態のパルス発生装置の具体的な実施例について説明する。ここで、図3は、実施例に係るパルス発生装置を表す平面配置写真であり、平面基板上に、トリガ発生部10,20や、パルス発生回路11,21、電源ライン(+VDC,-VDC)や接地ラインGNDなどが配置されている様子を表している。また、図4は、図3に示したパルス発生装置による出力パルス電圧Voutの波形を表しており、図5は、図4におけるパルス波形W1の部分を拡大して表したものである。なお、この実施例では、第1のパルス電圧VP1と第2のパルス電圧VP2の発生する時間差は、28nsに設定されており、3.3kΩの出力負荷抵抗(出力端子Tout1,Tout2間に接続された図示しない抵抗器)に対する出力パルス電圧Voutを表している。
【0045】
まず、図4に示したように、このパルス発生装置から出力される出力パルス電圧Voutの波形W1は、完全な矩形状となっている。また、図5に示したように、このパルス波形W1のパルス幅は、第1のパルス電圧VP1と第2のパルス電圧VP2の発生する時間差に対応して、実際に約28nsになっていることが分かる。また、このパルス波形の立ち上がり時間および立ち下がり時間とも約2nsとなっており、立ち下がり時間が約数μsである従来のものと比べて、格段に短くなり(約1/1000)、高速化されていることが分かる。
【0046】
以上のように、本実施の形態では、第1のパルス発生回路11内のマルクス回路111~113から第1のパルス電圧VP1を発生させると共に、第2のパルス発生回路21内のマルクス回路211~213から、第1のパルス電圧VP1とは電圧極性が異なる第2のパルス電圧VP2を発生させ、両パルス電圧のうちの一方のみが発生したときにはそれらを結合するためのスイッチ素子31~33をオフ状態として、高速な立ち上がりを有する第1のパルス電圧VP1をそのまま出力パルス電圧Voutとして出力する一方、時間差をもって第2のパルス電圧VP2も発生させたときには、スイッチ素子31~33をオン状態として両パルス電圧を互いに打ち消し合う方向に重畳させるようにしたので、第2のパルス電圧VP2の高速な立ち上がりに応じて出力パルス電圧Voutの立ち下がりも高速化することができ、従来と比べて出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりをより高速化することが可能となる。
【0047】
また、出力パルス電圧Voutの立ち上がりおよび立ち下がりを高速化することができるので、パルスパワーのエネルギー供給による処理の時間を増やすことができ、例えば大気・水質改善等の環境浄化技術や細菌・細胞制御等のバイオ技術などの分野において、このパルス発生装置による出力パルス電圧Voutを適用した場合に、パルスパワーのエネルギー供給による処理のスループットを向上させることが可能となる。
【0048】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【0049】
例えば、制御部4によって、トリガ信号ST1,ST2のタイミング(第1のパルス電圧VP1と第2のパルス電圧VP2の発生する時間差)を調整するようにしてもよい。そのように構成した場合、例えば図6(A)のパルス波形W11~W14に示したように、出力パルス電圧Voutのパルス幅を制御することが可能となる。
【0050】
また、上記実施の形態では、第1のパルス電圧VP1を発生された後に第2のパルス電圧VP2を発生することにより、負極の出力パルス電圧Voutを発生させる場合で説明したが、例えばそのようなパルス電圧の発生順序を逆にするなどの調整をするようにしてもよい。そのように構成した場合、例えば図6(B)のパルス波形W21~W24に示したように、出力パルス電圧Voutの極性を制御する(この場合、負極の波形から正極の波形に変更する)ことが可能となる。なお、その他にも例えば、パルス発生回路11,21内のマルクス回路111~113,211~213の充電極性を変更することによっても、出力パルス電圧Voutの極性を制御することが可能である。
【0051】
また、パルス発生回路11,21内のマルクス回路111~113,211~213の充電電圧を調整するようにしてもよい。そのように構成した場合、例えば図7のパルス波形W31~W33に示したように、出力パルス電圧Voutの波高値を制御することが可能となる。
【0052】
また、上記実施の形態では、パルス発生回路11,21内でスイッチ素子として機能する整流素子(バイポーラトランジスタB11~B13,B21~B23)、およびパルス結合部3内のスイッチ素子31~33が、いずれもバイポーラトランジスタにより構成されると共に、同一の特性(バイポーラトランジスタの降伏特性)および同じ個数により構成されている場合で説明したが、これら整流素子のうちの少なくとも1つを、バイポーラトランジスタにより構成するようにしてもよく、さらにこれら整流素子を、バイポーラトランジスタ以外の素子、例えばダイオードなどによって構成するようにしてもよい。
【0053】
また、上記実施の形態では、パルス発生回路11,21内のマルクス回路およびスイッチ素子を3段構成とした場合で説明したが、それらの段数はこれに限られない。例えば、図8のパルス波形W41(2段構成)およびパルス波形W42(3段構成)に示したように、このマルクス回路およびスイッチ素子の段数を変化させた場合、段数が増加することにより、出力パルス電圧Voutの波高値も増加することが分かる。よって、マルクス回路の段数を調整することによっても、出力パルス電圧Voutの波高値を制御することが可能となる。
【0054】
さらに、上記実施の形態では、2つのパルス発生回路(パルス発生回路11,21)によって、パルス発生装置を構成した場合で説明したが、その個数についても、これには限られない。具体的には例えば、正極のパルス電圧を発生させる2つのパルス発生回路と、負極のパルス電圧を発生させる2つのパルス発生回路とからパルス発生装置を構成し、これら4つのパルス発生回路の出力同士をパルス結合部で接続させるようにしてもよい。また、このような偶数個のパルス発生回路から構成する場合には限られず、例えば、奇数個のパルス発生回路から接続するようにしてもよい。すなわち、パルス発生回路の個数には限定されず、所定の時間差をもってそれらから出力されるパルス電圧同士が互いに打ち消し合う方向に重畳されるようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【0055】
本発明に係るパルス発生回路、パルス発生装置およびパルス発生方法は、例えば、大気や水質等を改善するための環境浄化技術や、殺菌や細胞等を制御するバイオ技術など、パルス電圧によるエネルギーを用いるあらゆる産業分野で利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の一実施の形態に係るパルス発生装置の構成を表す回路図である。
【図2】図1に示したパルス発生装置の動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図3】図1に示したパルス発生装置の一例を表す平面配置写真である。
【図4】図3に示したパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。
【図5】図4に示した出力パルス電圧の拡大波形図である。
【図6】変形例に係るパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。
【図7】変形例に係るパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。
【図8】変形例に係るパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。
【符号の説明】
【0057】
11…第1のパルス発生回路、10,20…トリガ発生部、111~113,211~213…マルクス回路、21…第2のパルス発生回路、3…パルス結合部、31~33…スイッチ素子、4…制御部、+VDC,-VDC…電源電圧、ST1,ST2…トリガ信号、VT1,VT2…トリガ電圧、VP1……第1のパルス電圧、VP2…第2のパルス電圧、Vout…出力パルス電圧、T1,T2…電源端子、Tout1,Tout2…出力端子、P11~P14,P21~P24…接続点、L1H,L2H…高圧ライン、L1L,L2L…低圧ライン、M1,M2…MOSトランジスタ、B11~B13,B21~B23…バイポーラトランジスタ、C10~C13,C20~C23…コンデンサ、R10~R13,R20~R23…抵抗器、D1,D2…ダイオード、t1~t6…タイミング、W1,W11~W14,W21~W24,W31~W33,W41,W42…出力パルス電圧波形。
図面
【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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