JPH07161270A - レーザートリガー式ギャップスイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安定したスイッチング動作ができるレーザー
トリガー式ギャップスイッチ装置を提供する。 【構成】 レーザー発振器１１より発振されたレーザー
光が、反射ミラー１２を介して集光レンズ１３により集
光されて、ギャップスイッチ１０の一方の電極１０ｂの
表面に照射されるように構成されている。なお、ギャッ
プスイッチ１０の両電極には、図１に示した回路により
高電圧が供給されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高電圧、大電流のスイ
ッチング動作を行うギャップスイッチに係り、特に、精
度のよいタイミングでスイッチング動作を行うことので
きるレーザートリガー式ギャップスイッチ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ギャップスイッチは、スイッチ
素子、コンタクター、半導体又はサイラトロンなどでは
スイッチングできないような高電圧、大電流のスイッチ
ング手段として用いられている。ここで、前記ギャップ
スイッチの一般的な構成を、図８及び図９に基づいて説
明する。なお、図１０は、前記ギャップスイッチを用い
た回路の一例を示したものである。

【０００３】即ち、図８に示した様に、ギャップスイッ
チ１は２つの対向配置された電極１ａ，１ｂとから構成
され、そのいずれか一方の電極（図８においては電極１
ａ）に、絶縁物９によってその周囲を被覆されたトリガ
ー電極８が貫通配置されている。なお、前記対向配置さ
れた電極１ａ，１ｂは、それぞれ絶縁物から成る２つの
保持材２によって支持固定されている。また、図９に示
した様に、Ｕ字形の一つの保持材２に支持固定された２
つの電極１ａ，１ｂが対向配置され、両電極の中間に
は、絶縁物９によってその周囲を被覆されたトリガー電
極８が配設されている。さらに、図１０の回路図に示し
た様に、上記の様なギャップスイッチには、パルス電圧
を印加するために、パルストランス及びパルサーが接続
されている。

【０００４】この様に構成された従来のギャップスイッ
チにおいては、前記トリガー電極８にパルス電圧を印加
することにより、対向配置された両電極１ａ，１ｂ間に
スパークを発生させ、そのスパークをきっかけとして両
電極間に放電を生じさせ、その結果発生したプラズマに
よって両電極間を導通状態とし、スイッチング動作を行
うようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た様な従来のギャップスイッチには、以下に述べる様な
解決すべき課題があった。即ち、上述した様に、ギャッ
プスイッチは両電極間に配設されたトリガー電極８に所
定のパルス電圧を印加することによりスイッチング動作
を行うため、ギャップスイッチの両電極間には、直流高
圧電源（ＤＣＨＶ）からできるだけ高い電圧を印加する
必要がある。一方、両電極間にかける電圧が高すぎる
と、両電極は自爆してしまう。これらのことから、ギャ
ップスイッチの両電極間に印加する電圧は、自爆電圧か
らそれほど低くすることはできず、また、自爆電圧に近
いため、ほんのわずかなトリガーで自爆する危険性があ
った。また、図１０に示した様に、トリガー回路はギャ
ップスイッチに電気的に接続されているため、他からの
誘導、ノイズなどによって誤動作することがあった。

【０００６】この様に、従来のギャップスイッチは、わ
ずかな攪乱により自爆したり、誤動作することが多く、
信頼性に著しく欠けていた。

【０００７】本発明は、上述した様な従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、高電
圧でも自爆することがなく、電気的な誘導、ノイズによ
っても誤動作することのない、安定したスイッチング動
作ができるレーザートリガー式ギャップスイッチ装置を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のレーザ
ートリガー式ギャップスイッチ装置は、一対の電極を所
定の間隔をおいて配設して成るギャップスイッチと、レ
ーザー光を発生するレーザー発振器と、前記レーザー発
振器より発振されたレーザー光を伝送する伝送手段を備
え、前記伝送手段により集光されたレーザー光を、前記
ギャップスイッチを構成する一対の電極の内、いずれか
一方の電極表面に照射し、その電極表面に発生したプラ
ズマが、他方の電極方向に伸びるように構成したことを
特徴とするものである。

【０００９】また、請求項２に記載のレーザートリガー
式ギャップスイッチ装置は、一対の電極を所定の間隔を
おいて配設して成るギャップスイッチと、レーザー光を
発生するレーザー発振器と、前記レーザー発振器より発
振されたレーザー光を伝送する伝送手段を備え、前記レ
ーザー発振器より発生したレーザー光を、前記伝送手段
により２方向に分割伝送し、このレーザー光を前記ギャ
ップスイッチを構成する一対の電極に互いに交差するよ
うに照射し、両電極表面に発生したプラズマが互いに交
差するようにしたことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１に記載のレーザートリガー式ギャップ
スイッチ装置においては、ギャップスイッチの一方の電
極表面に集光されたレーザー光が照射されると、電極表
面からプラズマが発生し、他方の電極の方へ伸びてい
き、プラズマ中に電流路が形成される。これによりギャ
ップスイッチを構成する両電極間が導通状態になり、ス
イッチング動作が完了する。

【００１１】また、請求項２に記載のレーザートリガー
式ギャップスイッチ装置においては、ギャップスイッチ
の両電極に集光されたレーザー光が互いに交差するよう
に照射されるので、両電極に発生するプラズマも互いに
交差することになり、プラズマはその部分でつながるこ
とになる。このつながったプラズマ中に電流路が形成さ
れ、これにより、ギャップスイッチを構成する両電極間
が導通状態になり、スイッチング動作が完了する。

【００１２】従って、上記両発明とも、ギャップスイッ
チを構成する両電極間にパルス電圧を印加する必要がな
く、非常に簡便にまた確実にギャップスイッチをトリガ
ーすることができ、レーザー光は電気的な誘導、ノイズ
によって影響を受けないので、誤動作を防止することも
できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図７を参照
して具体的に説明する。なお、図８及び図９に示した従
来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略
する。

【００１４】（第１実施例）本実施例のレーザートリガ
ー式ギャップスイッチ装置は、レーザー光を発生させる
レーザー発振器と、このレーザー光を伝送する伝送手段
と、大電流をスイッチングするギャップスイッチを、そ
の主要構成要素とするものである。

【００１５】即ち、本実施例においては、図１に示した
様に、レーザー発振器１１より発振されたレーザー光
が、反射ミラー１２を介して集光レンズ１３により集光
されて、ギャップスイッチ１０に照射されるように構成
されている。また、図２に示した様に、本実施例のギャ
ップスイッチ１０は、絶縁物より成る２つの保持材２に
よってそれぞれ支持固定された２つの電極１０ａ，１０
ｂを、斜め方向に対向配置して構成されており、両電極
には図１に示した回路により高電圧が供給されている。
さらに、一方の電極１０ｂの表面には、前記集光された
レーザー光１４が照射されるように構成されている。な
お、ギャップスイッチ１０を構成する２つの電極として
は、概略球あるいは半球状の電極が用いられている。

【００１６】この様な構成を有する本実施例のレーザー
トリガー式ギャップスイッチ装置は、以下に述べる様に
作用する。即ち、上記の様に、一方の電極１０ｂの表面
に集光されたレーザー光１４が照射されると、レーザー
光１４のエネルギーによって、電極１０ｂの表面からプ
ラズマが発生する。このプラズマは、ほぼレーザー光１
４の照射してきた方向に成長していく。その結果、２つ
の電極１０ａ，１０ｂが、斜め方向に対向配置された本
実施例の構成では、発生したプラズマは、他方の電極１
０ａの方へ伸びていく。この様にして、ある程度のプラ
ズマが成長すると、電極に付加されている高電圧によ
り、プラズマ中に電流路が形成される。これによりギャ
ップスイッチを構成する両電極間が導通状態になり、ス
イッチング動作が完了する。

【００１７】ここで、図１に示したレーザートリガー式
ギャップスイッチを用いた回路の構成について説明す
る。即ち、直流高圧電源（ＤＣＨＶ）から充電抵抗Ｒ１
を通してコンデンサーＣ１に電荷が充電される。なお、
このコンデンサーＣ１の上部にギャップスイッチ１０が
設けられている。このギャップスイッチ１０には、レー
ザー発振器１１から発振されたレーザーパルスが反射ミ
ラー１２により導かれ、集光レンズ１３によって集光さ
れて照射される。これにより、ギャップスイッチ１０が
導通状態となり電流が流れる。この電流はコイルＬ１を
通してコンデンサーＣ２を充電し、放電管において放電
を発生させるように構成されている。

【００１８】この様に、本実施例によれば、ギャップス
イッチの開閉動作をレーザー光を用いて行うため、ギャ
ップスイッチを構成する両電極間にパルス電圧を印加す
る必要がなく、非常に簡便にまた確実にギャップスイッ
チをトリガーすることができる。また、レーザー光は電
気的な誘導、ノイズによって影響を受けないので、誤動
作を防止することも可能となる。さらに、パルスレーザ
ー光を用いてレーザー照射のタイミングを適切にコント
ロールすることにより、時間的精度も非常に良くなる。
また、レーザー光のパワーを大きくすることでギャップ
の間隔を広くとることができるため、自爆電圧を高くす
ることができ、常時の充電電圧で自爆することがなくな
る。

【００１９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、図３に示した様に、斜め方向に対向配
置する２つの電極１０ａ，１０ｂを、Ｌ字型の保持材２
によってそれぞれ支持固定することもできる。

【００２０】（第２実施例）本実施例は、ギャップスイ
ッチを構成する両電極に、それぞれ異なる方向からレー
ザー光を照射する例を示したものである。

【００２１】即ち、本実施例においては、図４に示した
様に、レーザー発振器１１より発振されたレーザー光が
反射ミラー１２によりビームスプリッター１５に導かれ
る。このビームスプリッター１５は、５０％反射のミラ
ーになっており、半分のエネルギーを反射し、残り半分
のエネルギーを透過して、レーザー発振器１１より発振
されたレーザー光を２方向に分割伝送するように構成さ
れている。また、これらの反射光及び透過光は、それぞ
れ反射ミラー１２により集光レンズ１３に導かれ、集光
されたレーザー光１４ａ，１４ｂが両電極１０ａ，１０
ｂに２方向から照射されるように構成されている。

【００２２】また、図５に示した様に、本実施例のギャ
ップスイッチ１０は、絶縁物より成る２つの保持材２に
それぞれ支持固定された２つの電極１０ａ，１０ｂが、
正対配置されて構成されている。そして、これらの電極
１０ａ，１０ｂには、前記集光された２本のレーザー光
１４ａ，１４ｂが互いに交差して照射されるように構成
されている。

【００２３】この様な構成を有する本実施例のレーザー
トリガー式ギャップスイッチは、以下に述べる様に作用
する。即ち、一方の電極１０ａの表面に、集光されたレ
ーザー光１４ａが照射されると、レーザー光１４ａのエ
ネルギーによって、電極１０ａの表面からプラズマが発
生する。このプラズマは、ほぼレーザー光１４ａの照射
してきた方向に成長していく。また、本実施例において
は、他方の電極１０ｂの表面にも、集光されたレーザー
光１４ｂが照射されるので、レーザー光１４ｂのエネル
ギーによって、電極１０ｂの表面からプラズマが発生
し、このプラズマは、ほぼレーザー光１４ｂの照射して
きた方向に成長していく本実施例においては、レーザー
光１４ａ，１４ｂは交差しているため、プラズマもその
部分でつながることになる。従って、このつながったプ
ラズマ中に電流路が形成される。初めに形成された電流
路は弧状のアークとなるが、その後、電極の最短距離の
位置へ移動して直線状となる。これにより、ギャップス
イッチを構成する両電極間が導通状態になり、スイッチ
ング動作が完了する。

【００２４】この様に、本実施例においても、ギャップ
スイッチの開閉動作をレーザー光を用いて行うため、ギ
ャップスイッチを構成する両電極間にパルス電圧を印加
する必要がなく、また、レーザー光は電気的な誘導、ノ
イズによって影響を受けないので、誤動作を防止するこ
とも可能となる。さらに、パルスレーザー光を用いてレ
ーザー照射のタイミングを適切にコントロールすること
により、時間的精度も非常に良くなる。また、レーザー
光のパワーを大きくすることでギャップの間隔を広くと
ることができるため、自爆電圧を高くすることができ、
常時の充電電圧で自爆することがなくなる。

【００２５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、図６に示した様に、ギャップスイッチ
を構成する２つの電極１０ａ，１０ｂを、一つの保持材
２に支持固定し、斜め方向に対向配置して構成し、各電
極に２本のレーザー光１４ａ，１４ｂを互いに交差する
ように照射しても良い。また、図７に示した様に、斜め
方向に対向配置される２つの電極１０ａ，１０ｂを、Ｌ
字型の保持材２によってそれぞれ支持固定することもで
きる。

【００２６】（他の実施例）なお、本発明は上述した第
１実施例又は第２実施例に限定されるものではなく、ギ
ャップスイッチを構成する電極の内、少なくともレーザ
ー光の照射される部分を、カーボングラファイトなどの
レーザー光の良吸収体で構成すれば、上記の効果はさら
に増大する。

【００２７】また、ギャップスイッチを構成する電極の
内、少なくともレーザー光の照射される部分を、低溶融
点の金属材料で構成することもできる。例えば、Ｓｎ、
Ｚｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｍｇなどの金属材料、あるい
はこれらを含む合金材料又はこれらの化合物を含む材料
等を用いることができる。

【００２８】さらに、使用するレーザーとしては、ＴＥ
Ａ−ＣＯ₂ レーザー、エキシマレーザー、ルビーレーザ
ーあるいはＹＡＧレーザーなどを用いることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、レ
ーザー光を発生させるレーザー発振器と、このレーザー
光を伝送する伝送手段と、大電流をスイッチングするギ
ャップスイッチを備え、前記伝送手段により集光された
レーザー光を、一対のギャップスイッチの少なくともい
ずれか一方に照射することにより、高電圧でも自爆する
ことがなく、電気的な誘導、ノイズによっても誤動作す
ることのない、安定したスイッチング動作ができるレー
ザートリガー式ギャップスイッチ装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザートリガー式ギャップスイッチ
装置の第１実施例の構成を示す回路図

【図２】図１に示した第１実施例におけるギャップスイ
ッチの電極の配置例と、レーザー光の照射方向を示す図

【図３】図１に示した第１実施例におけるギャップスイ
ッチの電極の他の配置例と、レーザー光の照射方向を示
す図

【図４】本発明のレーザートリガー式ギャップスイッチ
装置の第２実施例の構成を示す回路図

【図５】図４に示した第２実施例におけるギャップスイ
ッチの電極の配置例と、レーザー光の照射方向を示す図

【図６】図４に示した第２実施例におけるギャップスイ
ッチの電極の他の配置例と、レーザー光の照射方向を示
す図

【図７】図４に示した第２実施例におけるギャップスイ
ッチの電極の他の配置例と、レーザー光の照射方向を示
す図

【図８】従来のトリガー電極を用いたギャップスイッチ
の構成を示す図

【図９】従来のトリガー電極を用いたギャップスイッチ
の構成を示す図

【図１０】従来のギャップスイッチを用いた回路図

【符号の説明】 １…電極 ２…保持材 ８…トリガー電極 １０…ギャップスイッチの電極 １１…レーザー発振器 １２…反射ミラー １３…集光レンズ １４…レーザー光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電極を所定の間隔をおいて配設し
   て成るギャップスイッチと、レーザー光を発生するレー
   ザー発振器と、前記レーザー発振器より発振されたレー
   ザー光を伝送する伝送手段を備え、 前記伝送手段により集光されたレーザー光を、前記ギャ
   ップスイッチを構成する一対の電極の内、いずれか一方
   の電極表面に照射し、その電極表面に発生したプラズマ
   が、他方の電極方向に伸びるように構成したことを特徴
   とするレーザートリガー式ギャップスイッチ装置。
2. 【請求項２】 一対の電極を所定の間隔をおいて配設し
   て成るギャップスイッチと、レーザー光を発生するレー
   ザー発振器と、前記レーザー発振器より発振されたレー
   ザー光を伝送する伝送手段を備え、 前記レーザー発振器より発生したレーザー光を、前記伝
   送手段により２方向に分割伝送し、前記ギャップスイッ
   チを構成する一対の電極に互いに交差するように照射
   し、両電極表面に発生したプラズマが互いに交差するよ
   うにしたことを特徴とするレーザートリガー式ギャップ
   スイッチ装置。