(57)【要約】【課題】  第一回路と出力回路との間の高レベルな電圧分離を実現しつつ、交流電流信号に直流電流バイアスを供給する。【解決手段】  高電圧分離変圧器１００は、第一回路１０９から出力回路１１４に交流電流信号を転送するための複数のバランコア１０７及び１０８と、第一回路１０９と出力回路１１４との間の高レベルな電圧分離を実現しつつ、交流電流信号に直流電流バイアスを供給する、コッククロフト−ワルトン乗算回路のような高電圧生成器１０１とを利用する。多重バランコア変圧器が、各個々の変圧器間の電圧上昇を軽減するために使用できる。【選択図】  図１
2010136618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧分離機能を有する変圧器回路であって、
ａ）低電圧の交流電流信号を搬送するように構成された第一回路と、
ｂ）貫通する少なくとも２つの孔を有するバランコアと、
ｃ）前記バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされるものであって、前記変圧器回路の一次側巻線として振る舞う前記第一回路と、
ｄ）前記バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされるものであって、前記変圧器回路の二次側巻線として振る舞う出力回路と、
を備え、
前記出力回路は、高電圧直流電流信号源に電気的に接続され、前記第一回路と前記出力回路との間の高レベルな電圧分離を実現しつつ、前記交流電流信号に直流電流バイアスを供給することを特徴とする高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項２】
前記高電圧直流電流信号源は、前記出力回路に接続され、前記高電圧直流電流信号を供給するように構成された高電圧生成器であることを特徴とする請求項１に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項３】
前記高電圧生成器は、コッククロフト−ワルトン乗算回路であることを特徴とする請求項２に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項４】
前記第一回路及び前記出力回路のうちの少なくとも１つを実質的に覆うように構成された絶縁部材を更に備え、前記絶縁部材は、フッ素化エチレンプロピレンであることを特徴とする請求項１に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項５】
前記出力回路に電気的に接続されるように動作可能であり、前記出力回路に対する負荷として振る舞うＸ線管の熱陰極を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項６】
前記Ｘ線管は、蛍光Ｘ線分析装置内に使用されていることを特徴とする請求項１に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項７】
高電圧分離機能を有する変圧器回路であって、
ａ）低電圧の交流電流信号を搬送するように動作可能な第一回路と、
ｂ）貫通する少なくとも２つの孔を有する第一バランコアと、
ｃ）第一変圧器の一次側巻線として、前記第一バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされる前記第一回路と、
ｄ）前記第一変圧器の二次側巻線として、前記第一バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされ、直流電流信号源の中間レベルに接続される中間回路と、
ｅ）貫通する少なくとも２つの孔を有する第二バランコアと、
ｆ）第二変圧器の一次側巻線として、前記第二バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされる前記中間回路と、
ｇ）前記第二変圧器の二次側巻線として、前記第二バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされる出力回路と、
を備え、
前記出力回路は、高電圧直流電流信号源に電気的に接続され、前記第一回路と前記出力回路との間の高レベルな電圧分離を実現しつつ、前記交流電流信号に直流電流バイアスを供給することを特徴とする高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項８】
前記直流電流信号源は、前記中間回路に中間レベル直流電流信号を供給し、前記出力回路に高電圧直流電流信号を供給するように構成されたコッククロフト−ワルトン乗算回路であることを特徴とする請求項７に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項９】
前記コッククロフト−ワルトン乗算回路の中間レベル電圧直流電流信号は、回路分離機器を介して前記中間回路に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１０】
前記回路分離機器は、金属酸化物バリスターであることを特徴とする請求項９に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１１】
前記第一回路、前記中間回路、及び前記出力回路のうちの少なくとも１つを実質的に覆うように構成された絶縁部材を更に備え、前記絶縁部材は、フッ素化エチレンプロピレンであることを特徴とする請求項７に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１２】
前記出力回路に接続され、前記出力回路に対する負荷として振る舞うＸ線管の熱陰極を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１３】
前記Ｘ線管は、蛍光Ｘ線分析装置内に使用されていることを特徴とする請求項１２に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１４】
高電圧分離機能を有する変圧器回路であって、
ａ）第一バランコア、少なくとも１つの中間バランコア、及び最終バランコアからなる少なくとも３つの一連のバランコアであって、各バランコアが貫通する少なくとも２つの孔を有するような一連のバランコアと、
ｂ）第一回路、少なくとも２つの中間回路、及び出力回路からなる一連の回路であって、回路の総数は、バランコアの総数に１を加えたものに等しいような一連の回路と、
ｃ）低電圧の交流電流信号を搬送するように動作可能であり、第一変圧器の一次側巻線として、前記第一バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされる前記第一回路と、
ｄ）前記第一変圧器の二次側巻線として、前記第一バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされ、二次変圧器の一次側巻線として、第二バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされる第一中間回路と、を備え、
ｅ）前記中間バランコアの各々は、前記中間バランコアの各々の前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされる中間回路により、次段のバランコアに接続されており、
ｆ）前記最終バランコアは、前記最終及び中間バランコアの前記少なくとも２つの孔の各々を通して少なくとも一巻きの輪とされる中間回路により、前段の中間バランコアに接続されており、
ｇ）前記出力回路は、前記最終バランコアの前記少なくとも２つの孔を通して少なくとも一巻きの輪とされ、
ｈ）前記各回路のための一連の高電圧アクセスポイントを提供する手段を、更に備え、
１．高電圧アクセスポイントの数は、中間回路の数に１を加えたものに等しく、
２．最も高い高電圧アクセスポイントは、他の高電圧アクセスポイントのいずれよりも高い電圧を有しており、
３．第一高電圧アクセスポイントは、前記最も高い高電圧アクセスポイントを高電圧アクセスポイントの数で割って得られた電圧に概ね等しい電圧を有しており、
４．各連続高電圧アクセスポイントでの電圧は、前段の高電圧アクセスポイントでの電圧よりも大きく、
ｉ）前記第一中間回路は、前記第一高電圧アクセスポイントに接続され、各次段の中間回路は、次の対応する高電圧アクセスポイントに接続され、それにより各連続中間回路での電圧は増加し、前記最も高い高電圧アクセスポイントは、前記出力回路に接続され、前記第一回路と前記出力回路との間の高レベルな電圧分離を実現しつつ、前記交流電流信号に直流電流バイアスを供給することを特徴とする高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１５】
各高電圧アクセスポイントと次段の高電圧アクセスポイントの間の電圧差は、前記最も高い高電圧アクセスポイントを高電圧アクセスポイントの数で割って得られた電圧に概ね等しいことを特徴とする請求項１４に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１６】
ａ）前記一連の高電圧アクセスポイントを提供する手段は、コッククロフト−ワルトン乗算回路であり、
ｂ）各中間回路は、回路分離機器を介して前記コッククロフト−ワルトン乗算回路に接続されていることを特徴とする請求項１４に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１７】
前記回路分離機器は、金属酸化物バリスターであることを特徴とする請求項１４に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１８】
前記第一回路、前記少なくとも１つの中間回路、及び前記出力回路のうちの少なくとも１つを実質的に覆うように構成された絶縁部材を更に備え、前記絶縁部材は、フッ素化エチレンプロピレンであることを特徴とする請求項１４に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項１９】
前記出力回路に対する負荷は、Ｘ線管の熱陰極であることを特徴とする請求項１４に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【請求項２０】
前記Ｘ線管は、蛍光Ｘ線分析装置内に使用されていることを特徴とする請求項１４に記載の高電圧分離機能を有する変圧器回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧分離機能を有する変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的変圧器において、非常に低い電圧の一次側回路を非常に高い電圧の二次側回路から絶縁することは、その２つの回路間の電圧差により、困難なことである。いくつかの高電圧分離変圧器についての他の問題としては、繊細な電気的構成物に障害を起こしかねない、ある振幅及び周波数を有する重大な電磁波の生成にある。例えば、いくつかの携帯型の蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分光計は、高電圧分離変圧器を必要としており、それによりＸ線管の熱陰極のための大きな負のＤＣ電圧のところに小さなＡＣ信号を供給している。これらの変圧器からの電磁波は、ＸＲＦ分光計のＸ線検出器により受信されたＸ線信号に対して障害を起こし得る。
【０００３】
変圧器の最適な動作は、とりわけ変圧器の共振周波数において行われる。トロイダル型のコアを有する変圧器を使用したＸＲＦ分析装置においては、コアの共振周波数において発せられた電磁波は、Ｘ線検出器の動作に重大な障害を起こすかもしれない。加えて、トロイダル変圧器の形状により、高レベルで電磁波障害（ＥＭＩ）が生じる可能性がある。検出器の電磁波障害を緩和するために、シールドと回路設計による方法がしばしば採用されるが、特に比較的小さな携帯型ＸＲＦ分光計に利用できる狭い空間におけて、回路設計とシールドによりその障害を排除することは困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強磁性材料でできたトロイダル型のコアは、高電圧分離変圧器に使用され得る。例えば、携帯型ＸＲＦ分光計においては、変圧器の一次側巻線は、比較的低い電圧、典型的には約１０ボルトｒｍｓＡＣ、を有している。二次側巻線も、一次側巻線と比較して、約５０，０００の非常に大きな負のバイアス電圧を有している。このバイアス電圧は、二次側巻線にバイアス電圧を印加するために使用される高電圧電源により主に生成される。そのような大きな電圧差を有した回路を効果的に絶縁することは大変困難である。
【０００５】
トロイダル型のコアを有した高電圧分離変圧器には、厳格な設計及び製造要求がある。一次側及び二次側巻線の２つの大きく異なる電圧を分離するために、変圧器コア、配線、又は配線とコアの双方に典型的には熱い絶縁部材が宛がわれる。一次側及び二次側巻線の間の電流漏れを避けるために、保全性を維持し、亀裂が発生しないような絶縁が施される。絶縁部材の大部分が、コア上にある場合には、コアの加熱及び冷却により生じた熱膨張により、絶縁部材に亀裂が生じる可能性がある。これらの温度の変動の間の絶縁部材の亀裂の原因の一つとしては、絶縁部材の熱膨張係数（ＣＴＥ）に対するコアのＣＴＥの不整合ということがある。これを整合させることは、困難な設計上の挑戦である。亀裂が生じない絶縁部材を採用することは、困難な製造上の挑戦である。絶縁不良のない、より厚い絶縁部材を製造することは、より薄い絶縁部材の製造よりもより困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
高電圧分離機能を有する変圧器回路が開示される。その変圧器回路は、低電圧レベルの交流電流信号を搬送するように構成された第一回路を備えている。第一回路は、バランコアの少なくとも２つの孔を通して輪に形成され、変圧器回路の一次側巻線として動作する。出力回路は、バランコアの少なくとも２つの孔を通して輪に形成され、変圧器回路の二次側巻線として動作する。出力回路は、高電圧直流電流信号源に電気的に接続され、第一回路及び出力回路の間を高レベルで電圧分離しつつ、直流電流バイアスを交流電流信号に与えている。電圧がより緩やかに増加するようにするため、１つ以上のバランコアが直列で使用できる。
【０００７】
本発明の特徴がこのようにむしろ広く概説されたが、以下の詳細な説明により、より良く理解され、当該技術分野に対する貢献もより良く認識できるであろう。本発明の他の特徴は、添付の請求の範囲と共に、以下の発明の詳細な説明により、より明確になるであろうし、発明の実施化により把握できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、コアが２つの分割された高電圧分離変圧器を示す図である。
【図２】図２は、変圧器に使用されるバランコアを示す図である。
【図３】図３は、コアを少なくとも３つに分割された高電圧分離変圧器を示す図である。
【図４】図４は、単一のバランコアを有する高電圧分離変圧器を示す図である。
【図５】図５は、高電圧分離変圧器の中間回路上の高電圧接続点を示す図である。
【図６】図６は、コアが２つに分割された高電圧分離変圧器に接続されるコッククロフト−ワルトン乗算回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
定義：
この出願で定義されているようなバラン変圧器コア、バランコア、又はバランは、図２に描かれている一実施形態に、一般的に２００で示されるような、少なくとも２つの孔を有する変圧器コアである。バランは、上面２０２、底面２０４及び側面２０３を有している。通常、上底面の形状は、円又は楕円であるが、四角、三角、又は他の形状でもよい。図２に示されたようなこれらの面の円又は楕円の形状の利点は、滑らかな側面２０３となることと、他の構成物や絶縁部材が傷ついてしまったり、コロナ応力が生じてしまうような角の少なさである。図２に描かれたバランは、上面２０２からそのバランを通して底面２０４に延びる２つの孔２０１を備えている。バランは、２つ以上の孔を有していてもよい。バランの長さＬは、通常、孔の直径Ｄよりも長く、それにより孔を通過する配線を電気的にコアに接続するためのより長い距離を得ている。通常、長さＬは、孔の直径の少なくとも２倍である。バランコアは、“ワイドバンドマルチ開口バランコア（Wideband Multi-Aperture Balun Cores）”という名称で、見つけることができ購入できる。
【００１０】
この出願で使用されているＡＣ及びＤＣは、通常の交流電流及び直流電流の意味である。ＥＭＩは、電磁障害の頭文字であり、電子回路の適正な動作に対する電磁障害という通常の定義である。
【００１１】
ＸＲＦは、蛍光Ｘ線の頭文字であり、Ｘ線又はガンマ線を浴びせることにより励起された材料からのＸ線の発射又は蛍光発光である。ＸＲＦ分光計は、サンプルにＸ線を浴びせるためのＸ線源を備えており、また、そのサンプルから発光されたＸ線の量及びエネルギーを定量化するために検出器を有している。ＸＲＦ分光計は、材料がどのような要素により成り立っているかを分析するために使用できる。
【００１２】
ＦＥＰは、フッ素化エチレンプロピレンの頭文字である。ＦＥＰは、高い絶縁耐力を有する絶縁材料の１つである。
【００１３】
説明
ここでは、図面に描かれた実施形態を参照するが、その実施形態を説明するために特定の言語が使用される。しかしながら、それにより発明の範囲を限定するという意図ではない、ということが理解できるであろう。ここで描かれた発明的特徴の変更や更に変形、ここで描かれた発明の原理の追加的応用は、この開示を会得した当該技術分野の当業者が思いつくものであり、発明の範囲内にあるものと考えられるべきものである。
【００１４】
繊細な電磁的構成物に障害を比較的与えない高電圧分離変圧器は、比較的容易に製造でき、信頼できるものである。かかる変圧器は、高電圧分離問題を軽減するような、多重変圧器コアに分割された変圧器を使用することにより実現できる。多重コアを使用すると、また、各コアの両端にかかる応力的ＤＣを軽減でき、各コアで必要とされる絶縁部材の量を軽減することができる。薄い絶縁部材を伴った変圧器コアは、製造することが容易である。変圧器コアとしてバランコア又は多重バランコアを使用すると、更なる改良が実現できる。バランコアは、トロイダルコアよりもかなり広い帯域幅を有しており、それでＸ線検出器電子素子の感度範囲の外にまで及ぶ十分高い周波数で駆動できる。トロイダル型や多くの他の型のコアの代わりにバランコアを使用することにより、信頼できるものとなり、製造設計が容易であり、ＥＭＩもより減らすことができる。バランコアから放たれたＥＭＩというのは、トロイダルコアから放たれたＥＭＩよりもより指向性を有しているのであるから、シールドも容易である。
【００１５】
多重変圧器設計における変圧器の一目的というのは、ある回路から他の回路にＡＣ信号を伝達するということである。それらの回路間の大きなバイアス電圧を生成するために、高電圧生成器が使用可能である。コッククロフト−ワルトン乗算回路のようないくつかの高電圧生成器が、階段状に増加する電圧を生成できる。そのような高電圧生成器の外部の回路は、これらの電圧段差の各々に接続でき、増加する電圧についての一連の高電圧アクセスポイントを提供できる。コッククロフト−ワルトン乗算回路は、携帯型バッテリ駆動ＸＲＦ分光計において、その制限された空間と制限された利用可能電力という観点から、特に価値がある。
【００１６】
例えば、２つの変圧器に渡ってバイアス電圧の上昇が生じた場合、全電圧上昇の半分のみが各変圧器にかかることになり、それにより各変圧器に必要な絶縁部材の厚さは、単一の変圧器の場合に必要なものよりも大幅に薄くなる。各変圧器にかかる電圧上昇は、コッククロフト−ワルトン乗算回路を使用することにより生成できる。第一変圧器の一次側巻線、すなわち第一回路は、低電圧ＡＣ信号を搬送する。第一変圧器の二次側巻線、すなわち中間回路は、一方で、第二変圧器の一次側巻線でもある。この中間回路は、高電圧生成器上の中レベル電圧点に取り付けられている。第二変圧器の二次側巻線、すなわち出力回路は、高電圧生成器上の最高電圧点に接続されている。出力回路は、高バイアス電圧のＡＣ信号を負荷に提供する。高ＤＣバイアスは、大きな負のバイアスでもよいし、大きな正のバイアスでもよい。一般的に、各変圧器の各中間巻線は、一巻きに制限され、ＨＶ絶縁部材の大半が、これらの巻線上に配設されている。例えば、中間巻線は、３０ｋＶを超えて絶縁でき、直径約０．１インチの厚いＦＥＰ絶縁部材を伴った配線で形成されている。
【００１７】
例えば、携帯型ＸＲＦ分光計において、第一回路は、約１０ボルトｒｍｓのＡＣ信号を搬送する。そのＡＣ信号は、中間回路に誘導され、高電圧生成器へのその接続により、第一回路と中間回路との間で、マイナス約２５，０００ボルトＤＣのＤＣバイアスが維持できるようになる。そしてそのＡＣ信号は、出力回路に誘導される。高電圧生成器への分離接続により、中間回路と出力回路との間のバイアスは、約マイナス２５，０００ボルトで維持でき、第一回路と出力回路との間の全バイアスは、約マイナス５０，０００ボルトＤＣとなる。
【００１８】
２つの変圧器コアを備えることにより、各変圧器での電圧上昇は、２５，０００ボルトのみとなり、それにより３０，０００ボルト定格の絶縁部材が使用できることとなる。２つのコアを有することにより、３０，０００ボルトの絶縁定格を有する配線が使用できる一方で、第一回路と出力回路との間の５０，０００ボルトの分離が実現でいると共に、上記例で使用される１０ボルトｒｍｓ信号のような小さなＡＣ信号を、高くバイアスされた信号に印加できることとなる。より低い又はより高いＡＣ信号が望まれるのであれば、一次側、二次側、中間、又は出力の各巻線の巻数は、変更できる。
【００１９】
ＸＲＦ分光計においては、熱陰極は、通常、陽極と比較して非常に大きな負のＤＣ電位で動作する。例えば、陽極は概ね接地レベルの電圧であるのに対し、陰極は、約マイナス５０，０００ボルトとすることができる。この大きな負の電位により、陰極から陽極へ電子が加速される結果となる。小さなＡＣ信号、典型的には１０ボルトＡＣｒｍｓに満たないＡＣ信号も、陰極に印加できる。ＡＣ信号は、陰極を加熱して電子の放射を改善するために使用される。
【００２０】
より多くの変圧器を直列に連ねて使用でき、それにより元のＡＣ信号を維持しつつ、各段の電圧の増加をよる緩やかにできるし、又は各段の電圧の増加を同じにしてより電圧増加の全体をより高くすることができる。各連続アクセスポイントの電圧が前段よりも高いような異なる高電圧生成器アクセスポイントが使用され、中間回路の各々と出力回路に接続される。各中間回路は、前段の変圧器の二次側巻線であり、また次段の変圧器の一次側巻線でもある。第一中間回路は、最も低い高電圧生成器アクセスポイントに接続される。次の中間回路は、より高い高電圧生成器アクセスポイントに接続される。各連続中間回路は、前段の中間回路よりは高い電圧を有する高電圧生成器アクセスポイントに接続され、そのようにして最終的には、出力回路が、最も高い高電圧生成器アクセスポイントに接続される。高電圧分離応用装置における一連の変圧器によれば、有益な省スペース化が図れる。高電圧生成器は、典型的にはかなり長いものである。変圧器の連なりも大抵はかなり長いものであるが、その高電圧生成器に隣接した機器内の空間に渡って便宜上延設することが可能である。
【００２１】
変圧器コアは、変圧器の二次側巻線に交流電流を誘導するための手段である。コアは、変圧器内の一次側巻線から二次側巻線への電気信号の効率的転送を支援する。多くの型のコアが利用でき、例えばポット型、平面型、経済的平面設計（ＥＦＤ）、ＥＲ、ＥＰ、トロイダル、角板、ロッド、Ｃ、Ｕ、Ｅ、及びＦの各型のようなものが当該技術分野ではよく知られている。本発明の一実施形態においては、トロイダル又は他の型のコアの代わりに２つのバランコアが、変圧器コアとして知られている。バランコアは、例えば特許文献１（米国特許第７，３１９，４３５号）に記述されており、その文献をここで援用しておく。バランコアは、トロイダル型のコアよりも高い共振周波数を有するので、駆動周波数がより高くなり、従ってより小さなバランコアが使用できることとなる。いくつかのＸＲＦ分析装置においては、トロイダル変圧器は、典型的には、それらの共振周波数である約１００ｋＨｚにおいて動作する。いくつかの実験的ＸＲＦ分析装置においては、バランコア変圧器は、それらの共振周波数である約１００ＭＨｚもしくはそれ以上において動作する。現状では、バランコアを備えた実験的ＸＲＦ分析装置は、２．５ＭＨｚで動作する。バランコアの共振周波数がより高くなれば、ＸＲＦ検出器障害が大幅に少なくなる。
【００２２】
バランコアを有する変圧器は、他のタイプのコアと比較して、漏れインダクタンスが小さく、結合性は良好である。例えば、トロイダル型のコアは、その共振周波数がより低いので、生成される周波数ＥＭＩはより少なくなる。この少ない周波数ＥＭＩは、バランコアのより高い共振周波数において発生する多い周波数ＥＭＩよりも、ＸＲＦ検出装置に対して、より大きな逆効果を及ぼす。バランコアは、最大の帯域幅を有し、高い周波数において電力損失が低いので、バランコア変圧器は、ＸＲＦ検出装置に対して有害性の少ない一周波数のＥＭＩを発生させる範囲で動作できる。バランは、動作周波数に依存して、粉末の鉄、鋼、又はフェライトのような如何なる標準変圧器コア材料で構成することが可能である。他の材料も使用できる。コア材料は、性能に影響を与え、設計においては、熟慮すべきである。現状では、フェライトが好適なコア材料である。実際の材料は、具体的な応用形態に合うように選択されるべきであるが、本発明としては重要な問題ではない。
【００２３】
図４は、一般符号４００で示された高電圧分離変圧器の一実施形態を示す図である。電気回路１０９は、第一回路と称されるが、低い電圧の交流電流を搬送する。第一回路は、バランコア４０４の一方の孔に入って貫通し、他方の孔から貫通して出てくるように輪を形成しており、一次側巻線となっている。第一回路は、一回巻きとすることもできるし、多数回巻きとすることもできる。ＡＣ信号は、二次側巻線１１２に誘導される。二次側巻線、あるいは出力回路は、比較的高いＤＣバイアス電圧のＡＣ信号を負荷１１４に搬送する。高電圧分離は、段ごとの設計電圧負荷に耐えるに十分な高電圧絶縁部材を備えた一回巻き二次側を使用することにより、一般的には達成できる。高電圧生成器４０１は、アクセスポイント４０２において、非常に高い電圧バイアスを提供し、接続手段４０３を介して出力回路１１２に接続可能である。この実施形態又は他の実施形態において、コネクターは、適式な絶縁定格を有する如何なる標準電気的配線でもよい。配線間又は回路間の接続には、如何なる標準的な高電圧電気的接続も利用できる。はんだ付けが好ましい。この実施形態又は他の実施形態において、出力回路は、Ｘ線管の陰極であり、又は高いＤＣバイアス電圧の交流電流を使用する他の回路である。
【００２４】
上記実施形態、及び後に記述する実施形態における高電圧生成器は、コッククロフト−ワルトン（ＣＷ）乗算回路とすることができる。これは、交流電流又はパルス化ＤＣ電力を低電圧レベルからより高いＤＣ電圧レベルに変換するために使用される乗算回路の１つである。それは、容量及びダイオードで構成された電圧乗算化ラダーネットワークで構成されており、高電圧を生成する。ＣＷ乗算回路は、当該技術分野ではよく知られている。図６を参照して、より詳細な記述が以下に提供される。
【００２５】
図１は、高電圧分離変圧器の一実施形態を示す図であり、変圧器コアが２つに分割されており、一般符号１００で示されている。電気回路１０９は、第一回路であるが、例えば約１０ボルトの比較的低い電圧の交流電流を搬送する。この第一回路は、第一バランコア１０７の一方の孔に入って貫通し、他方の孔から貫通して出てくるように輪を形成しており、第一バランコア１０７の一次側巻線として動作する。第一回路は、一回巻きとすることもできるし、多数回巻きとすることもできる。ＡＣ信号は、第一バランコア１０７の二次側巻線１１０に誘導される。この第一バランコアの二次側巻線１１０は、中間回路として動作し、また第二バランコア１０８についての一次側巻線となる。中間回路１１０は、第二バランコア１０８の二次側巻線又は出力回路として動作する出力回路１１２にＡＣ信号を誘導する。中間回路１１０は、第一バランコア１０７に一回又は複数回通して輪を形成できるが、通常は、一巻きの高電圧絶縁された配線からなる。中間回路１１０は、また、第二バランコア１０８に一回又は複数回通して輪を形成している。出力回路１１２は、負荷１１４に接続され得る。この負荷は、Ｘ線管における熱陰極とすることができる。Ｘ線管は、ＸＲＦ分光計に使用できる。出力電圧に対する入力の比は、最後の二次側の巻線数に対する最初の一次側の巻線数の比を調整することにより、変更できる。これは、例えば、駆動電子系ｒｍｓ電圧をＸ線管のフィラメントが必要とする電圧に合わせようとする上で有用である。
【００２６】
中間レベル電圧アクセスポイント１０５及び高レベル電圧アクセスポイント１０６を有した高電圧生成器１０１が、高いＤＣ電圧バイアスを提供している。中間レベル電圧アクセスポイント１０５は、配線１０３を介して、任意の回路分離手段１０２に接続可能である。
【００２７】
回路分離手段１０２は、高電圧生成器の高電圧アクセスポイント１０６と、中間回路１１０との間の回路に使用される。回路分離手段は、抵抗、金属酸化物バリスター、又はスパークギャップもしくは他の同様の素子である。回路分離手段は、変圧器ネットワーク内の無線周波数信号を、高電圧生成器から分離する。回路分離手段は、また、高電圧生成器と中間回路の間の電流経路を形成することなく、中間回路のためのバイアス電圧参照信号を生成する。
【００２８】
回路分離手段１０２は、配線１０４を介して、中間回路１１０に接続できる。しかしながら、高電圧分離変圧器は、回路分離手段１０２なしでも機能する。回路分離手段１０２は、この実施形態及び後述の他の実施形態においては、任意である。回路分離手段１０２が使用されないときは、配線１０３は、配線１０４に接続される。つまり、配線１０３及び１０４は１本の連続配線となる。回路分離手段１０２があってもなくても、中間レベルアクセスポイント１０５は、アクセスポイント１０６の電圧の概ね半分の電圧を、中間回路１１０に供給する。高レベル電圧アクセスポイント１０６は、配線１１１、抵抗Ｒ及び配線１１３を介して、出力回路に接続される。抵抗Ｒは通常使用されるが、この抵抗がなくても回路は機能できる。アクセスポイント１０６は、出力回路１１２に対して非常に高い電圧バイアスを供給する。
【００２９】
図３は、高電圧分離変圧器を示す図であり、変圧器コアが少なくとも３つに分割されており、一般符号３００で示されている。電気回路１０９は、第一回路であるが、比較的低い電圧の交流電流を搬送する。この第一回路は、第一バランコア１０７の一方の孔に入って貫通し、他方の孔から貫通して出てくるように輪を形成しており、第一バランコア１０７の一次側巻線である。第一回路は、一回巻きとすることもできるし、多数回巻きとすることもできる。ＡＣ信号は、第一バランコア１０７の二次側巻線１１０に誘導される。この第一バランコアの二次側巻線１１０は、中間回路であり、また第二バランコア２０９についての一次側巻線でもある。中間回路１１０は、第二バランコア３０９についての二次側巻線である第二中間回路３０２にＡＣ信号を誘導する。第二中間回路３０２は、第三バランコア３１０の一次側巻線であり、回路３０３にＡＣ信号を誘導する。回路３０３は、出力回路又は他の中間回路である。更なるバランコアと、連続したバランコアの各対の間で輪を形成する中間回路とをもって、これと同様の構成が連続することが可能である。最後のバランコアを励起する回路が、出力回路である。
【００３０】
いくつのバランコアが使用されるべきかの決定においては、隣接回路間のより小さな電圧差という得られる利益と、より長い変圧器及び全体の電力損失への可能性のある挑戦との間のバランスと考えることができる。より多くのバランコアを使用して、隣接回路間の電圧差をより小さくすると、配線上に使用されるべき絶縁部材を減らすことができる。しかしながら、より多くのバランコアの連なりは、より多くの空間を必要とする。また、各連続バランコアについて、第一及び第二巻線の間に電力損失が生じる。少ない絶縁部材という得られる利益を、バランコアの連なりがより長くなり、各バランコアに電力損失が生じるという欠点に対して重要視できる。
【００３１】
通常は１つだけの中間回路を２つのバランコアに接続するが、それ以上でもよい。各回路はいずれも、第一回路１０９に対する出力回路でのＡＣ信号の所望の振幅に応じて、バランコアに一回巻きとすることもできるし、多数回巻きとすることもできる。
【００３２】
高電圧生成器３０８は、その多重電圧アクセスポイントにより、ＡＣ信号に対して高いＤＣ電圧バイアスを提供する。連なりにおける連続する各高電圧アクセスポイントは、図３で左から右にいくにつれて、前段のアクセスポイントよりも高い電圧となる。とりわけ、どのアクセスポイントも、前段又は次段のアクセスポイントとの電圧の差異は概ね等しくなっている。この実施形態においては、アクセスポイント３０４が最も低い電圧であり、３０５が次の最も高い電圧であり、３０６が次の最も高い電圧である。この実施形態に示された通り、３０６が最後のアクセスポイントの場合、それが最も高い電圧のアクセスポイントであろう。３０６が最後のアクセスポイントでない場合、次段がより高い電圧のアクセスポイントとなる。最終アクセスポイントが、典型的には、最も高い所望の電圧となる。各バランコアにおける電圧の変化が実質的に等しければ、どこの２つのアクセスポイント間の電圧の大体の差異も、最高電圧アクセスポイントの電圧を全アクセスポイントの数で割った値に等しい。あるいは、コアの連なりにおいて、１つ以上のバランコアを他のコアよりも、電圧変化を大きくすることができる。
【００３３】
最終アクセスポイント以外の全ての電圧アクセスポイントは、配線１０３により、（上述のように）任意の回路分離手段１０２に接続可能である。回路分離手段１０２は、別の配線１０４により、変圧器巻線に接続することができる。図３において、回路３０３が出力回路であるならば、３１１は抵抗である。回路３０３が中間回路であるならば、３０３は、金属酸化物バリスターのような回路分離手段である。
【００３４】
高電圧分離変圧器３００によれば、第一回路１０９と出力回路３０６との間の高電圧分離を維持しつつ、ＡＣ信号に大きなＤＣバイアスをかけることができる。回路を段階化することにより、バランコア間のバイアスの変化が小さくなり、それにより、より薄い絶縁部材を使用することができる。より薄い絶縁部材が使用できれば、コストを軽減し、全回路の大きさも小さくすることができる。
【００３５】
高電圧分離変圧器は、比較的製造し易い。バランコアは、いくつかの供給源から購入できる。一次側巻線と二次側巻線との間の予定の電圧差のための適正な絶縁定格を有するような配線が選択できる。
【００３６】
２個バランコア分離変圧器を有する一実施形態においては、中間回路がほとんどの絶縁部材を有することができる。この中間回路は、その絶縁部材の厚さの影響から、各バランコアに対して一回のみの巻線とすることができる。フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）が、中間回路の絶縁部材として利用できる。ＦＥＰは、また、他の回路の絶縁部材としても利用できる。あるいは、他の材料も使用できる。
【００３７】
図５は、中間回路５０１上の接続点の例を示しており、一般符号５００で示されている。一実施形態においては、各中間回路５０３の両端の２つのバランコアの間の中間点で、各中間回路５０３から高電圧生成器５０２への接続５０１が形成されている。言い換えれば、距離Ｌ１は、絶縁開部からバランコアへの距離を最大にするような距離Ｌ２と概ね等しい。これは、絶縁部材の大部分が中間回路５０３上にあり、前段バランコア５０６の一次側巻線５０４と次段バランコア５０６の二次側巻線５０５上には絶縁部材の量が少ないような場合に、特に重要である。前段バランコア５０６の一次側巻線５０４上の絶縁部材を最少にすることにより、バランコア電圧は、そのコアの一次側巻線５０４の電圧に近づく。また、次段バランコア５０７の二次側巻線５０５上の絶縁部材を最少にすることにより、次段バランコア電圧は、そのコアの一次側巻線５０４の電圧に近づく。中間回路５０１の開放部分からバランコア５０６又は５０７のいずれかへ、電流が絶縁部材の表面に沿って流れてしまうのを避けるために、センチメートル単位の距離Ｌ１又はＬ２は、中間回路５０３とバランコアとの間の電位差がかけられた０．００００５に概ね等しくされるべきである。例えば、中間回路５０３と第一バランコア５０６との間に２５，０００ボルトの電圧差があれば、接続点５０１と第一バランコア５０６の距離、すなわち距離Ｌ１は、約１．２５センチメートルとすべきである。
【００３８】
図６は、コッククロフト−ワルトン乗算回路に接続された高電圧分離変圧器の例を示しており、一般符号６００で示されている。ＡＣ電源は、コッククロフト−ワルトン乗算回路に交流電流を提供する。容量Ｃ１乃至Ｃ１２が、ダイオードＤ１乃至Ｄ１２及びアクセスポイントＡ１乃至Ａ６に沿って示されている。交流電流の振幅及び周波数や、ダイオード及び容量の大きさと種類は、特別な設計による要求の通りに選択でき、それにより高レベルな電圧分離機能を備えた変圧器回路において、ＡＣ信号に所望のＤＣバイアスを提供している。２つの連続する容量及び２つの連続するダイオード、例えば容量Ｃ１及びＣ２並びにダイオードＤ１及びＤ２は、コッククロフト−ワルトン乗算回路の一段を成している。図６では、６つのコッククロフト−ワルトン乗算回路が示されている。更なる段が追加されて電圧を更に上昇させてもよい。変圧器回路への接続は、いずれのアクセスポイントにおいても行える。
【００３９】
上述において参照された配置というのは、本発明の原理の応用の一例でしかないことを理解すべきである。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変形や他の配置が考案できる。本発明は、現在最も実用的で好適な実施形態と考えられているものとの関係で、特別に詳細に、図面で示され、完全に上で記述されたが、ここで明らかにした発明の原理及び概念から逸脱することなく、多くの変形例があることは、当業者であれば、明らかであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４０】
【特許文献１】米国特許第７，３１９，４３５号明細書
【図１】
2010136618.tif 000003
【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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【外国語明細書】
2010136618000001.pdf