(57)【要約】  ＳＷ素子（４ａ〜４ｎ）をオン、他のＳＷ素子（３ａ〜３ｎ、１７ａ、１８ａ）をオフして負電圧発生部（２）からフライトチューブ（５）に負の直流電圧を印加し測定を実施する間に、ＳＷ回路（１５）をオンし補助正電圧発生部（１１）によりコンデンサ（１３）を充電する。印加電圧の極性を負から正に切り替える際に、ＳＷ素子（４ａ〜４ｎ、１５）をオフする一方ＳＷ素子（１７ａ、３ｂ〜３ｎ）をオンし、コンデンサ（１３）からフライトチューブ（５）に大電流を供給してその静電容量を迅速に正電位に充電する。そのあと、ＳＷ素子（１７ａ）をオフ、ＳＷ素子（３ａ）をオンすることで正電圧発生部（１）から安定した正の直流電圧をフライトチューブ（５）に印加する。正負極性の切替え時にフライトチューブ（５）の静電容量を迅速に充放電することで、電圧発生部（１、２）の最大出力電流に制約があっても、電圧の立上り時間を短縮することができる。また、ＳＷ素子（３ｂ〜３ｎ、４ｂ〜４ｎ）は主電圧と補助電圧との切り替えのために共用されているので、使用する素子数を抑えることができる。
2019043943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に直流高電圧を印加する高電圧電源装置であって、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の１又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高電圧電源装置であって、
前記補助電源部は、コンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、を含むことを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の高電圧電源装置であって、
前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路を開閉する第２補助スイッチ部をさらに含み、
前記制御部は、前記補助スイッチ部が開成している期間中に前記第２補助スイッチを閉成し、該補助スイッチ部が閉成する際には該第２補助スイッチ部を開成させることを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項４】
請求項２に記載の高電圧電源装置であって、
前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路に設けられ、前記補助スイッチ部が閉成する際に前記充電用電源部から該補助スイッチ部を通して流れる電流を制限する抵抗部を含むことを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項５】
請求項１に記載の高電圧電源装置であって、
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動することを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項６】
請求項１に記載の高電圧電源装置であって、
前記スイッチング素子はパワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項７】
請求項５に記載の高電圧電源装置であって、
前記スイッチング素子はパワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする高電圧電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高電圧電源装置に関し、さらに詳しくは、飛行時間型質量分析装置のフライトチューブなど、比較的静電容量が大きな容量性負荷に直流高電圧を印加するのに好適な高電圧電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間型質量分析装置（以下、慣用に従って「ＴＯＦＭＳ」と称す）では、試料由来の各種イオンをイオン射出部から射出し、該イオンがフライトチューブ内に形成された飛行空間中を飛行するのに要する飛行時間を計測する。飛行するイオンはその質量電荷比m/zに応じた速度を有するため、上記飛行時間はそのイオンの質量電荷比に応じたものとなり、各イオンの飛行時間から質量電荷比を求めることができる。【０００３】
例えば特許文献１に開示されているように、ＴＯＦＭＳにおいてフライトチューブには、正負両極性の直流高電圧を切り替え出力可能である高電圧電源装置から、分析対象であるイオンの極性に応じて極性の異なる数kV〜十数kV程度の直流高電圧が印加される。分析実行中にフライトチューブの電位が変動するとイオンの飛行距離が変動してしまい、質量精度や質量分解能を低下させるおそれがある。また、リフレクトロン型のＴＯＦＭＳでは、フライトチューブの電位がイオンを反射させる反射電場を形成するためのリフレクトロンの基準電位となっている場合もあり、そうした場合、分析実行中のフライトチューブの電位変動が質量精度に与える影響は一層大きい。【０００４】
そのため、上記高電圧電源装置には、電圧変動が数ppm程度以下である高い安定性を保ちつつ数kV〜十kV程度の直流高電圧を出力可能であることが求められる。また、正イオンの測定と負イオンの測定とを交互に繰り返し実施することが可能なＴＯＦＭＳでは、高電圧電源装置の出力電圧の極性の切替えを短い周期で行う必要があるため、出力電圧の極性切替え時に電圧が安定するまでの時間をできるだけ短縮することも求められる。【０００５】
図６は従来一般的であるフライトチューブ用高電圧電源装置の概略構成及びその動作説明図である。
図６（ａ）に示すように、この高電圧電源装置は、電圧値がＨ[Ｖ]である正極性の直流高電圧を出力する正電圧発生部１と、電圧値が−Ｈ[Ｖ]である負極性の直流高電圧を出力する負電圧発生部２と、正電圧発生部１と負荷であるフライトチューブ５とを電気的に接続する線路に設けられた正側主スイッチ回路３と、負電圧発生部２とフライトチューブ５とを電気的に接続する線路に設けられた負側主スイッチ回路４と、を備える。一般に、主スイッチ回路３、４はそれぞれ半導体スイッチング素子として１又は複数のＭＯＳＦＥＴを含む。また、正電圧発生部１及び負電圧発生部２としては、コッククロフト・ウォルトン回路（Cockcroft-Walton circuit）などの、倍電圧整流回路を多段接続した昇圧回路が利用されることが多い。直流高電圧の電圧値±Ｈは一般に±５〜±１０[kV]程度である。フライトチューブ５は長さが１〜２[ｍ]程度の金属製の略円筒管であり、Ｃａ[Ｆ]の静電容量を有する容量性負荷である。【０００６】
ＴＯＦＭＳにおいて正イオンの測定と負イオンの測定とを交互に行うべくフライトチューブ５に印加する高電圧の正負を交互に切り替える際には、正側主スイッチ回路３と負側主スイッチ回路４とを交互にオン・オフさせる。但し、両主スイッチ回路３、４が同時にオン状態にならないように、一方のスイッチ回路（例えば正側主スイッチ回路３）をオン状態からオフ状態に切り替えたあとに他方のスイッチ回路（例えば負側主スイッチ回路４）をオフ状態からオン状態に切り替えるように、それら主スイッチ回路３、４を制御するのが一般的である。【０００７】
いま、両主スイッチ回路３、４が共にオフした状態から正側主スイッチ回路３がオンされると、該正側主スイッチ回路３を通して正電圧発生部１からフライトチューブ５に電流ｉ1が流れ、フライトチューブ５の静電容量が充電される（図６（ａ）参照）。静電容量が完全に充電されるとフライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位は＋Ｈ[Ｖ]に安定し、その状態で測定が実施される（図６（ｂ）参照）。測定終了後にフライトチューブ５へ負の高電圧を印加するように切り替えるには、まず正側主スイッチ回路３をオフし続いて負側主スイッチ回路４をオンする。すると、先にフライトチューブ５の静電容量に蓄えられていた電荷による電流ｉ2が負側主スイッチ回路４を通してフライトチューブ５から負電圧発生部２に流れる。そして、該静電容量は逆極性に充電される（図６（ｃ）参照）。静電容量が逆極性に完全に充電されるとフライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位は−Ｈ[Ｖ]に安定し、その状態で測定が実施される（図６（ｄ）参照）。【０００８】
フライトチューブ５の静電容量はその大きさ等に依存するが、通常、数百pF〜数nF程度である。主スイッチ回路３、４がそれぞれオン状態に切り替えられた時点からフライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位が正方向又は負方向に徐々に上昇し、その電位が安定するまでに要する安定化時間ｔsは、電圧発生部１、２の電流供給能力と負荷変動に対する応答性に依存する。電流供給能力を上げれば（つまりは電流ｉ1、ｉ2を大きくすれば）安定化時間ｔsは短くなるものの、電流供給能力を上げるほど電圧発生部１、２に掛かるコストは高くなる。また、電圧発生部１、２において負荷変動に対する応答性を高くすると安定化時間ｔsは短くなるものの、直流電圧の安定性が低下するおそれがある。こうした制約から、電圧発生部１、２の電流供給能力や負荷変動に対する応答性を上げるには限界がある。そのため、フライトチューブ５の静電容量が数nF程度である場合、従来の高電圧電源装置における安定化時間ｔsは数百ms程度であり、この時間の長さがフライトチューブ５への印加電圧の極性切替えの時間を短縮する、つまりは正イオン測定と負イオン測定とを交互に実施する際における測定周期を短縮するうえで、大きな制約となっていた。【０００９】
また、こうした問題は出力電圧の正負極性の切替え時のみならず、電圧印加を停止している状態から電圧印加を開始する際、つまりは印加電圧をゼロから＋Ｈ[Ｖ]又は−Ｈ[Ｖ]に立ち上げる際においても同様である。
また、フライトチューブ５に高電圧を印加する高電圧電源装置のみならず、静電容量が比較的大きな負荷（容量性負荷）に対して安定した直流高電圧を印加する高電圧電源装置において同様の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−８００３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、容量性の負荷に対し安定した高電圧を印加する高電圧電源装置において、装置コストの増加を抑えながら、電圧印加停止状態から電圧印加を開始する際や印加電圧の極性を切り替える際に、その電圧の立上りを高速化することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明は、負荷に直流高電圧を印加する高電圧電源装置であって、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の１又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴としている。【００１３】
本発明に係る高電圧電源装置において、制御部が開成状態にある主スイッチ部を閉成すると、該主スイッチ部を介して主電圧発生部と負荷とが接続され、主電圧発生部による直流高電圧が負荷に印加される。このとき制御部は、主スイッチ部を閉成する直前に又は該主スイッチ部を閉成した直後に、補助スイッチ部を短時間だけ閉成する。これにより、補助電源部は主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を短時間、負荷に供給する。負荷に印加される直流高電圧が正である場合には、補助電源部は負荷に正の電流を供給し（つまりは負荷に電流を流し込む）、負荷に印加される直流高電圧が負である場合には、補助電源部は負荷に負の電流を供給（つまりは負荷から電流を引き抜く）すればよい。この補助電源部により供給される電流によって負荷の静電容量は急速に充電されるため、主電圧発生部から負荷への電流供給による静電容量の充電は不要になり又は軽減され、主スイッチ部が閉成されたあとに負荷の電位は短時間で所望の値に静定する。【００１４】
本発明に係る高電圧電源装置による電圧印加対象の負荷が例えば上述したＴＯＦＭＳのフライトチューブである場合、電圧は最大で１０kV又はそれ以上になる。その場合、主電圧発生部の電圧出力端と負荷との間に設けられた主スイッチ部の両端、及び、補助電源部の電圧出力端と負荷との間に設けられた補助スイッチ部の両端にはそれぞれ、１０kV又はそれ以上の電圧が掛かることになるが、主スイッチ部及び補助スイッチ部は共に複数のスイッチング素子が直列に接続されたものであるため、各スイッチング素子の両端に掛かる電圧はその素子の個数に応じて分割された電圧で済む。そのため、直列に接続されるスイッチング素子の個数を増やすほど、１個のスイッチング素子の耐圧は小さくてよい。ただし、スイッチング素子の個数を増やすとコストが増加するし、素子を配置する回路基板の面積も大きくなる。【００１５】
これに対し本発明に係る高電圧電源装置では、主スイッチ部におけるＮ個のスイッチング素子のうちの負荷側から所定個数（最大でＮ−１個）のスイッチング素子と、補助スイッチ部におけるＭ個のスイッチング素子のうちの負荷側から所定個数のスイッチング素子とを共用している。したがって、主スイッチ部と補助スイッチ部とで共用しているスイッチング素子の個数がＮ−１個（当然のことながら、この場合にはＭ＞Ｎ−１）であれば、主スイッチ部及び補助スイッチ部に必要なスイッチング素子の総数は、Ｎ＋Ｍ−（Ｎ−１）となる。即ち、スイッチング素子を部分的に共用しない場合にスイッチング素子の総数がＮ＋Ｍになるのに対し、その個数を減らすことができる。【００１６】
本発明に係る高電圧電源装置では、直列に接続されるスイッチング素子の個数を或る程度増やしても１個のスイッチング素子としてかなり大きな耐圧のものが必要である。そこで、前記スイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いるとよい。【００１７】
なお、本発明に係る高電圧電源装置では、主スイッチ部及び補助スイッチ部は共用のスイッチング素子を含めて複数のスイッチング素子が直列に接続された構成であるため、スイッチ部の「閉成」とはそのスイッチ部に含まれる全てのスイッチング素子が閉成（オン）した状態をいい、スイッチ部の「開成」とはそのスイッチ部に含まれる少なくとも１個のスイッチング素子が開成（オフ）した状態をいう。したがって、主スイッチ部又は補助スイッチ部のいずれか一方が閉成した状態であるとき、主スイッチ部と補助スイッチ部とで共用されているスイッチング素子は全て閉成した状態である。【００１８】
また、変動の少ない安定した直流高電圧を負荷に印加しようとする場合、上述したように、主電圧発生部の電流供給能力はコスト要因等のために制約を受ける。これに対し、補助電源部は印加電圧の立上り時に負荷の静電容量を充電するのが主たる目的であるため、短時間だけ大電流を供給できればよい。【００１９】
そこで、本発明に係る高電圧電源装置において、前記補助電源部は、コンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、を含む構成とすることができる。【００２０】
この構成では、主スイッチ部を開成状態から閉成状態に切り替えて主電圧発生部による直流高電圧を負荷に印加し始めるよりも前に、充電用電源部によりコンデンサを予め充電しておく。そして、例えば主スイッチ部を開成状態から閉成状態に切り替る際にその直前に、補助スイッチ部を短時間閉成することにより、コンデンサに蓄えられていた電荷による電流を該補助スイッチ部を通して負荷に供給し該負荷の静電容量を充電する。補助スイッチ部を再び開成してコンデンサと負荷とを切り離したあとに主スイッチ部を閉成し、主電圧発生部による直流高電圧を負荷に印加する。補助スイッチ部を閉成することで、コンデンサに蓄積されていた電荷が放電され、一時的ではあるが大きな電流を負荷に供給することができる。それによって、負荷の電位を短時間で上昇させ、主電圧発生部が負荷に接続された後に迅速に、その主電圧発生部による直流高電圧に安定させることができる。【００２１】
上記構成における第１の態様では、前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路を開閉する第２補助スイッチ部をさらに含み、
前記制御部は、前記補助スイッチ部が開成している期間中に前記第２補助スイッチを閉成し、該補助スイッチ部が閉成する際には該第２補助スイッチ部を開成させる構成とすることができる。【００２２】
この第１の態様では、補助スイッチ部が閉成しているときに第２補助スイッチ部を開成して充電用電源部とコンデンサとを切り離し、その直前までコンデンサに蓄積されていた電荷による大きな電流を負荷に供給することができる。【００２３】
また上記構成における第２の態様では、前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路に設けられ、前記補助スイッチ部が閉成する際に前記充電用電源部から該補助スイッチ部を通して流れる電流を制限する抵抗部を含む構成とすることができる。【００２４】
この第２の態様では、上記第１の態様における第２補助スイッチ部を抵抗部に置き換える。この構成では、補助スイッチ部を閉成したときに抵抗部を通してコンデンサと充電用電源部とが接続された状態である。但し、抵抗部の抵抗値を或る程度大きくしておけば、該抵抗部を通して充電用電源部から負荷へ流れる電流は殆ど無視できる。これにより、補助スイッチ部を閉成したときに、コンデンサに蓄積されていた電荷による大電流を負荷に供給することができる。【００２５】
本発明に係る高電圧電源装置は、正又は負のいずれか一方の極性の直流高電圧を負荷に印加する単極性型の電源装置でもよいが、正極性の直流高電圧と負極性の直流高電圧とを選択的に負荷に印加可能である極性切替え型の電源装置に本発明を適用することもできる。【００２６】
即ち、本発明に係る高電圧電源装置において、
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する構成とすることができる。【００２７】
この構成によれば、負荷に電圧を印加していない状態から正又は負の電圧を印加し始める際のみならず、負荷に印加している直流高電圧の極性を正から負へ又はその逆に切り替える際に、負荷の静電容量をその直前とは逆の極性に迅速に充電することができる。それによって、極性切替え後の電圧を迅速に安定させることができる。【００２８】
例えばＴＯＦＭＳでは、分析対象であるイオンの極性に応じて正負電圧の極性が切り替えられるフライトチューブの電位が十分に安定したあとに測定を実施する必要があるが、本発明に係る高電圧電源装置を電源装置として用いることで、フライトチューブの電位の切替えが迅速に行われるので、正イオン測定と負イオン測定とを交互に実行する測定周期を短くすることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る高電圧電源装置では、負荷への電圧印加停止状態から電圧印加を開始する際や印加電圧の極性を切り替える際に、出力電圧の安定性が高い主電圧発生部とは別の専用の補助電源部により負荷の静電容量を迅速に充電している。そのため、主電圧発生部の出力電流に制約があっても、負荷の電位を迅速に所望の安定した値に静定させることができる。これにより、高い電圧安定性を要する主電圧発生部の出力電流を抑えることができるので、装置コストの増加を抑えることができる。また、負荷変動に対する応答性を必要以上に高くする必要がないので、安定した直流高電圧を負荷に印加することができる。【００３０】
また本発明に係る高電圧電源装置では、主スイッチ部と補助スイッチ部とでスイッチング素子を共用しない場合に比べて、それらスイッチ部に使用するスイッチング素子の個数を減らすことができる。それにより、主スイッチ部及び補助スイッチ部のコストを引き下げることができるとともに、それら素子が配置される回路基板の面積を小さくすることができる。それにより、装置の小形化や軽量化にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施例による高電圧電源装置の概略構成図。
【図２】第１実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図。
【図３】本発明の第２実施例による高電圧電源装置の概略構成図。
【図４】第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の制御信号のタイミング図。
【図５】第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図。
【図６】従来の高電圧電源装置の概略構成及びその動作説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［第１実施例］
以下、本発明に係る高電圧電源装置の第１実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は第１実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図２は第１実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。図１において、図６に示した従来の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。
【００３３】
図１に示した本実施例の高電圧電源装置において、正電圧発生部１、負電圧発生部２、（本発明における主電圧発生部に相当）及び負荷であるフライトチューブ５は、図６に示した従来の高電圧電源装置と同じである。また、従来の高電圧電源装置における正側主スイッチ回路３及び負側主スイッチ回路４（本発明における主スイッチ部に相当）はそれぞれ、図１では、直列に接続された複数のスイッチング素子３ａ、３ｂ、…、３ｎ、及び直列に接続された複数のスイッチング素子４ａ、４ｂ、…、４ｎで示している。スイッチング素子は一般的にはパワーＭＯＳＦＥＴであるが、それに限るものではない。また、スイッチング素子を直列に接続した構成としているのは、１個のスイッチング素子の両端に掛かる電圧を下げるためであり、直列に接続されるスイッチング素子の個数はその耐圧とフライトチューブ５への印加電圧とに応じて適宜に定めることができる。なお、説明の都合上、複数のスイッチング素子３ｂ、…、３ｎを符号３Ａで表し、複数のスイッチング素子４ｂ、…、４ｎを符号４Ａで表す。
【００３４】
本実施例の高電圧電源装置は、上述した構成要素に加え、補助電源部１０（本発明における補助電源部に相当）を備える。補助電源部１０は、電圧値が＋（Ｈ＋α）[Ｖ]である正極性の直流高電圧を出力する補助正電圧発生部１１と、電圧値が−（Ｈ＋α）[Ｖ]である負極性の直流高電圧を出力する補助負電圧発生部１２と、一端が接地された第１コンデンサ１３と、同じく一端が接地された第２コンデンサ１４と、補助正電圧発生部１１と第１コンデンサ１３の他端とを電気的に接続する線路に設けられた正側第２補助スイッチ回路１５と、補助負電圧発生部１２と第２コンデンサ１４の他端とを電気的に接続する線路に設けられた負側第２補助スイッチ回路１６と、を含む。さらに補助電源部１０は、上記正側主スイッチ回路３に含まれる複数のスイッチング素子３ｂ、…、３ｎ（３Ａ）とともに正側第１補助スイッチ回路１７を構成する正側充放電補助スイッチング素子１７ａと、上記負側主スイッチ回路４に含まれる複数のスイッチング素子４ｂ、…、４ｎ（４Ａ）とともに負側第１補助スイッチ回路１８を構成する負側充放電補助スイッチング素子１８ａと、を含む。正側充放電補助スイッチング素子１７ａ及び負側充放電補助スイッチング素子１８ａは本発明における補助スイッチ部に相当する。
【００３５】
即ち  直列接続された複数のスイッチング素子３Ａは、正側主スイッチ回路３と正側第１補助スイッチ回路１７とで共用されており、正側主スイッチング素子３ａは正側主スイッチ回路３のみに含まれ、正側充放電補助スイッチング素子１７ａは正側第１補助スイッチ回路１７のみに含まれる。負極性側においても同様に、直列接続された複数のスイッチング素子４Ａは、負側主スイッチ回路４と負側第１補助スイッチ回路１８とで共用されており、スイッチング素子４ａは負側主スイッチ回路４のみに含まれ、負側充放電補助スイッチング素子１８ａは負側第１補助スイッチ回路１８のみに含まれる。
なお、スイッチング素子３ａ、１７ａ、４ａ、１８ａもそれぞれ、１個のパワーＭＯＳＦＥＴではなく複数個のパワーＭＯＳＦＥＴを直列に接続したものであってもよい。また、補助電源部１０中の正側第２補助スイッチ回路１５、負側第２補助スイッチ回路１６もそれぞれ複数のパワーＭＯＳＦＥＴを直列に接続したものとすることができる。
【００３６】
制御部２０は、正側主スイッチ回路３を構成する正側主スイッチング素子３ａ、直列接続されたスイッチング素子３Ａ、正側充放電補助スイッチング素子１７ａ、負側主スイッチ回路４を構成するスイッチング素子４ａ、直列接続されたスイッチング素子４Ａ、負側充放電補助スイッチング素子１８ａ、正側第２補助スイッチ回路１５、及び、負側第２補助スイッチ回路１６それぞれのオン（閉成）・オフ（開成）の動作を制御するものであり、通常、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータを中心に構成される。
【００３７】
補助正電圧発生部１１の出力である直流高電圧の電圧値（Ｈ＋α）[Ｖ]は、正電圧発生部１の出力である直流高電圧の電圧値Ｈ[Ｖ]よりもα[Ｖ]だけ高い。同様に、補助負電圧発生部１２の出力である直流高電圧の電圧値−（Ｈ＋α）[Ｖ]は、負電圧発生部２の出力である直流高電圧の電圧値−Ｈ[Ｖ]よりもその絶対値がα[Ｖ]だけ高い。後述するように、α[Ｖ]は第１、第２コンデンサ１３、１４の容量、フライトチューブ５の静電容量の容量値Ｃａなどに応じて適宜決められる。
【００３８】
図２を参照して、この高電圧電源装置におけるフライトチューブ５への印加電圧の極性切替え時の動作を説明する。
いま、負側主スイッチ回路４（負側主スイッチング素子４ａ及び直列接続されたスイッチング素子４Ａの全て）がオン状態、正側主スイッチ回路３（正側主スイッチング素子３ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａの全て）はオフ状態、充放電補助スイッチング素子１７ａ、１８ａも共にオフ状態で、フライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電圧は−Ｈ[Ｖ]に安定しているものとする。このとき、正側第２補助スイッチ回路１５はオン状態とされ、第１コンデンサ１３は補助正電圧発生部１１の出力電圧＋（Ｈ＋α）[Ｖ]により充電される（図２（ａ）参照）。完全に充電されると、第１コンデンサ１３の両端電圧は＋（Ｈ＋α）[Ｖ]となる。
【００３９】
フライトチューブ５への印加電圧を負極性から正極性に切り替える際には、まず負側主スイッチ回路４（負側主スイッチング素子４ａ及び直列接続されたスイッチング素子４Ａの全て）、正側第２補助スイッチ回路１５をオフ状態にし、正側充放電補助スイッチング素子１７ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａ（つまりは正側第１補助スイッチ回路１７）をオンする。すると、正側充放電補助スイッチング素子１７ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａを介して第１コンデンサ１３とフライトチューブ５とが接続され、第１コンデンサ１３に蓄えられていた電荷による電流がフライトチューブ５に流れる（図２（ｂ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが負極性であるように充電されているが、上記電流の流れ込みによって急速に正極性に充電される。
【００４０】
このとき、電圧印加側端部５ａの電圧Ｈ’[Ｖ]と、第１コンデンサ１３の容量Ｃｂ[Ｆ]、フライトチューブ５の静電容量の容量値Ｃａ[Ｆ]、及びα[Ｖ]は次の関係となる。
α＝（Ｃａ／Ｃｂ）・（Ｈ−Ｈ’）[Ｖ]
電圧印加側端部５ａの電圧Ｈ’＝−Ｈである場合、上式は次の式になる。
α＝２・（Ｃａ／Ｃｂ）・Ｈ’[Ｖ]
したがって、Ｃａ、Ｃｂが既知であれば、上記式より、Ｈ’[Ｖ]をＨ[Ｖ]と等しくするためのα[Ｖ]が求まる。例えばＣａ＝１[nF]、Ｃｂ＝７[nF]、Ｈ[Ｖ]＝±７[kV]であれば、α＝（２／７）×７＝２[kV]である。即ち、補助正電圧発生部１１の出力電圧は９[kV]であればよい。
【００４１】
第１コンデンサ１３から供給される電流によってフライトチューブ５の静電容量が充電されたあと、直列接続されたスイッチング素子３Ａをオンしたまま正側充放電補助スイッチング素子１７ａをオフし、正側主スイッチング素子３ａ、正側第２補助スイッチ回路１５をオンする。これにより、正電圧発生部１がフライトチューブ５に接続されるため、電圧値がＨ[Ｖ]である安定した直流電圧がフライトチューブ５に印加されることになる（図２（ｃ）参照）。一方、上記第１コンデンサ１３の放電によってその充電電圧は下がるが、正側第２補助スイッチ回路１５がオンされることで第１コンデンサ１３と補助正電圧発生部１１とが再び接続され、第１コンデンサ１３はその両端電圧が＋（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで充電される。正電圧発生部１からフライトチューブ５に安定した直流電圧が印加されている状態で測定が実施される（図２（ｄ）参照）。測定の実行時、負側第２補助スイッチ回路１６はオン状態とされるため、第２コンデンサ１４は補助負電圧発生部１２の出力電圧−（Ｈ＋α）[Ｖ]により充電され、第２コンデンサ１４の両端電圧は−（Ｈ＋α）[Ｖ]となる。
【００４２】
測定が終了すると、フライトチューブ５への印加電圧を正極性から負極性に切り替えるために、制御部２０は正側主スイッチ回路３（正側主スイッチング素子３ａと直列接続されたスイッチング素子３Ａの全て）及び負側第２補助スイッチ回路１６をオフ状態にし、直列接続されたスイッチング素子４Ａをオンしたまま負側充放電補助スイッチング素子１８ａをオンする。すると、負側充放電補助スイッチング素子１８ａ及び直列接続されたスイッチング素子４Ａ（つまりは負側第１補助スイッチ回路１８）を介して第２コンデンサ１４とフライトチューブ５とが接続され、第２コンデンサ１４に蓄えられていた電荷によりフライトチューブ５から第２コンデンサ１４に電流が流れる（図２（ｅ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが正極性であるように充電されているが、上記電流の流出によって急速に負極性に充電される。
【００４３】
制御部２０は、第２コンデンサ１４による電流の引き抜きによってフライトチューブ５の静電容量が負極性に充電されたあと、直列接続されたスイッチング素子４Ａをオンしたまま負側充放電補助スイッチング素子１８ａをオフし、負側主スイッチング素子４ａ及び負側第２補助スイッチ回路１６をオンする。これにより、負電圧発生部２がフライトチューブ５に接続されるため、安定な負の直流電圧がフライトチューブ５に印加されることになる（図２（ｆ）参照）。一方、上記第２コンデンサ１４の放電によってその充電電圧は下がるが、負側第２補助スイッチ回路１６がオンされることで第２コンデンサ１４と補助負電圧発生部１２とが再び接続され、第２コンデンサ１４はその両端電圧が−（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで充電される。負電圧発生部２からフライトチューブ５に安定な直流電圧が印加されている状態で測定は実施される（図２（ａ）参照）。
【００４４】
以上のように第１実施例の高電圧電源装置では、フライトチューブ５に印加する電圧を正極性から負極性へ又はその逆に切り替える際に、補助電源部１０において第１コンデンサ１３、第２コンデンサ１４に予め蓄えておいた電荷に基づく電流をフライトチューブ５に供給し、フライトチューブ５の静電容量を切り替えようとしている極性の直流高電圧付近の値まで充電する。第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４から供給される電流は電圧発生部１、２から供給される電流のような制約はなく、基本的に、正側充放電補助スイッチング素子１７ａ、負側充放電補助スイッチング素子１８ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａ、４Ａの内部抵抗の抵抗値（或いはそれに直列に保護抵抗等が接続されている場合にはその抵抗との直列抵抗値）で決まる大きな電流が流れる。そのため、フライトチューブ５の静電容量の充電は迅速に行われ、それ故に、極性切替え時に安定した直流電圧になるまでの時間（安定化時間）も補助電源部１０がない場合に比べて速くなる。
【００４５】
また、第１実施例の高電圧電源装置では、上述したように、直列接続された複数のスイッチング素子３Ａが正側主スイッチ回路３と正側第１補助スイッチ回路１７とで共用されている。そのため、正側主スイッチ回路３と正側第１補助スイッチ回路１７とでそれぞれ独立に複数の（通常は多数の）スイッチング素子を直列に接続した構成を採る場合に比べて、スイッチング素子の総数を減らすことができる。それによって、スイッチング素子のコストを削減することができるのみならず、スイッチング素子を搭載する回路基板の面積を小さくすることができ、装置の小形化・軽量化を図るのに有利である。
【００４６】
［第２実施例］
本発明に係る高電圧電源装置の第２実施例について、図３〜図５を参照して説明する。図３は第２実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図４は第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の制御信号のタイミング図、図５は第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。
図３において、図１に示した第１実施例の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。また、図５（ａ）〜（ｆ）は図２（ａ）〜（ｆ）にそれぞれ対応している。
【００４７】
第２実施例の高電圧電源装置では、第１実施例の高電圧電源装置における二つの補助スイッチ回路１５、１６をそれぞれ抵抗器１０５、１０６に置き換えている。この抵抗器１０５、１０６は数百kΩ〜数ＭΩ程度の大きな抵抗値を有するものである。即ち、第２実施例の高電圧電源装置では、補助正電圧発生部１１と第１コンデンサ１３とは抵抗器１０５を通して常に接続され、  補助負電圧発生部１２と第２コンデンサ１４とは抵抗器１０６を通して常に接続されている。
【００４８】
図５（ａ）に示すように、負側主スイッチ回路４（負側主スイッチング素子４ａ及び直列接続されたスイッチング素子４Ａの全て）がオン状態、正側主スイッチ回路３（正側主スイッチング素子３ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａの全て）はオフ状態、充放電補助スイッチング素子１７ａ、１８ａも共にオフ状態で、フライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位が−Ｈ[Ｖ]に安定しているとき、抵抗器１０５を介して補助正電圧発生部１１を接続されている第１コンデンサ１３の両端電圧は＋（Ｈ＋α）[Ｖ]に充電される。
【００４９】
そのあと、フライトチューブ５への印加電圧を負極性から正極性に切り替える際に、制御部２０は、負側主スイッチ回路４（負側主スイッチング素子４ａ及び直列接続されたスイッチング素子４Ａの全て）をオフ状態にする。また、制御部２０は正側充放電補助スイッチング素子１７ａに図４（ａ）に示す制御信号を与えるとともに、直列接続されたスイッチング素子３Ａに図４（ｃ）に示す制御信号を与える。これにより、正側充放電補助スイッチング素子１７ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａを介して第１コンデンサ１３とフライトチューブ５とが短時間（本例では１ms）だけ接続され、第１コンデンサ１３に蓄えられていた電荷による電流がフライトチューブ５に流れる（図５（ｂ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが負極性であるように充電されているが、上記電流の流れ込みによって急速に正極性に充電される。
【００５０】
正側充放電補助スイッチング素子１７ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａをオンすると、抵抗器１０５を介して補助正電圧発生部１１とフライトチューブ５とも接続されるが、抵抗器１０５の抵抗値は大きいので、正側充放電補助スイッチング素子１７ａをオンする時間を後述する正側主スイッチ回路３（正側主スイッチング素子３ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａ）のオン時間に比べて十分に短くしておくことによって、補助正電圧発生部１１からフライトチューブ５へ流れる電流を殆ど無視できる程度に抑えることができる。
【００５１】
第１コンデンサ１３から供給される電流によってフライトチューブ５の静電容量が充電されたあと、制御部２０は直列接続されたスイッチング素子３Ａをオンしたまま正側充放電補助スイッチング素子１７ａをオフし、図４（ｂ）に示す制御信号を正側主スイッチング素子３ａに与えることでオンする。このオン時間（図４（ｂ）の制御信号が「Ｈ」レベルである時間）は本例では２４msであり、上述したように正側充放電補助スイッチング素子１７ａのオン時間（図４（ａ）の制御信号が「Ｈ」レベルである時間）に比べて十分に長い。これにより、正電圧発生部１がフライトチューブ５に接続されるため、電圧値がＨ[Ｖ]である安定した直流電圧がフライトチューブ５に印加される（図５（ｃ）参照）。
【００５２】
一方、上記第１コンデンサ１３の放電によってその充電電圧は下がるが、第１コンデンサ１３と補助正電圧発生部１１とは抵抗器１０５を介して接続されているので、放電後に第１コンデンサ１３は充電され始め、その両端電圧が＋（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで充電される。正電圧発生部１からフライトチューブ５に安定した直流電圧が印加されている状態で測定が実施される（図５（ｄ）参照）。一方、負側充放電補助スイッチング素子１８ａがオフしている状態では、第２コンデンサ１４の両端電圧は補助負電圧発生部１２により−（Ｈ＋α）[Ｖ]に充電される。
【００５３】
測定が終了すると、フライトチューブ５への印加電圧を正極性から負極性に切り替えるために、制御部２０は正側主スイッチ回路３（正側主スイッチング素子３ａ及び直列接続されたスイッチング素子３Ａの全て）をオフ状態にし、負側の直列接続されたスイッチング素子４Ａに図４（ｆ）に示す制御信号を与えてオンするとともに負側充放電補助スイッチング素子１８ａに図４（ｄ）に示す制御信号を与えて短時間（この例では１ms）だけオンする。すると、負側充放電補助スイッチング素子１８ａ及び直列接続されたスイッチング素子４Ａを介して第２コンデンサ１４とフライトチューブ５とが接続され、第２コンデンサ１４に蓄えられていた電荷によりフライトチューブ５から第２コンデンサ１４に電流が流れる（図５（ｅ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが正極性であるように充電されているが、上記電流の流出によって急速に負極性に充電される。
【００５４】
制御部２０は、第２コンデンサ１４による電流の引き抜きによってフライトチューブ５の静電容量が負極性に充電されたあと、負側充放電補助スイッチング素子１８ａをオフし、直列接続されたスイッチング素子４Ａをオンしたまま負側主スイッチング素子４ａをオンする。これにより、負電圧発生部２がフライトチューブ５に接続されるため、安定な負の直流電圧がフライトチューブ５に印加されることになる（図５（ｆ）参照）。一方、上記第２コンデンサ１４の放電によってその充電電圧は下がるが、負側充放電補助スイッチング素子１８ａがオフされると第２コンデンサ１４はその両端電圧が−（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで再び充電される。負電圧発生部２からフライトチューブ５に安定な直流電圧が印加されている状態で測定は実施される（図５（ａ）参照）。
【００５５】
以上のように第２実施例の高電圧電源装置では、主スイッチ回路３、４のオン時間（つまりは主スイッチング素子３ａ、４ａのオン時間）に比べて充放電補助スイッチング素子１７ａ、１８ａのオン時間を十分に短くしておくことで、第１実施例とほぼ同じ動作が達成される。
【００５６】
なお、上記説明では、フライトチューブ５に印加する電圧の極性の切替え時に補助電源部１０を利用していたが、電圧を印加していない状態から正又は負の高電圧を印加し始めるときにも補助電源部１０を利用することで電圧の立上りを高速化できることは言うまでもない。
【００５７】
また、上記記載の高電圧電源装置の構成は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
また、本発明に係る高電圧電源装置はＴＯＦＭＳのフライトチューブに高電圧を印加する用途に用いることができるだけでなく、±数[kV]程度の高電圧を高速に切り替える必要がある様々な用途や装置に利用できることは明白である。
【符号の説明】
【００５８】
１…正電圧発生部
２…負電圧発生部
３…正側主スイッチ回路
３ａ…正側主スイッチング素子
３ｂ〜３ｎ…スイッチング素子
３Ａ…直列接続されたスイッチング素子
４…負側主スイッチ回路
４ａ…負側主スイッチング素子
４ｂ〜４ｎ…スイッチング素子
４Ａ…直列接続されたスイッチング素子
５…フライトチューブ
５ａ…電圧印加側端部
１０…補助電源部
１１…補助正電圧発生部
１２…補助負電圧発生部
１３…第１コンデンサ
１４…第２コンデンサ
１５…正側第２補助スイッチ回路
１６…負側第２補助スイッチ回路
１７…正側第１補助スイッチ回路
１７ａ…正側充放電補助スイッチング素子
１８…負側第１補助スイッチ回路
１８ａ…負側充放電補助スイッチング素子
２０…制御部
１０５、１０６…抵抗器
【図１】
2019043943.tif 000003
【図２】
2019043943.tif 000004
【図３】
2019043943.tif 000005
【図４】
2019043943.tif 000006
【図５】
2019043943.tif 000007
【図６】
2019043943.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月11日(2019.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを飛行させる飛行空間を形成するフライトチューブと、前記フライトチューブに直流高電圧を印加する高電圧電源装置と、を具備する質量分析装置であって、該高電圧電源装置は、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)電荷保持部と該電荷保持部を充電する充電部を含み、前記電荷保持部に保持されている電荷によって前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の１又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記補助電源部は、前記電荷保持部であるコンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、を含むことを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の質量分析装置であって、
前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路を開閉する第２補助スイッチ部をさらに含み、
前記制御部は、前記補助スイッチ部が開成している期間中に前記第２補助スイッチを閉成し、該補助スイッチ部が閉成する際には該第２補助スイッチ部を開成させることを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項２に記載の質量分析装置であって、
前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路に設けられ、前記補助スイッチ部が閉成する際に前記充電用電源部から該補助スイッチ部を通して流れる電流を制限する抵抗部を含むことを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動することを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記スイッチング素子はパワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記スイッチング素子はパワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする質量分析装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、飛行時間型質量分析装置のフライトチューブなど、比較的静電容量が大きな容量性負荷に直流高電圧を印加するのに好適な高電圧電源装置を備える質量分析装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、容量性の負荷に対し安定した高電圧を印加する高電圧電源装置を備えた質量分析装置において、装置コストの増加を抑えながら、電圧印加停止状態から電圧印加を開始する際や印加電圧の極性を切り替える際に、その電圧の立上りを高速化することを主たる目的としている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンを飛行させる飛行空間を形成するフライトチューブと、前記フライトチューブに直流高電圧を印加する高電圧電源装置と、を具備する質量分析装置であって、該高電圧電源装置は、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)電荷保持部と該電荷保持部を充電する充電部を含み、前記電荷保持部に保持されている電荷によって前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の１又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴としている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置において、制御部が開成状態にある主スイッチ部を閉成すると、該主スイッチ部を介して主電圧発生部と負荷とが接続され、主電圧発生部による直流高電圧が負荷に印加される。このとき制御部は、主スイッチ部を閉成する直前に又は該主スイッチ部を閉成した直後に、補助スイッチ部を短時間だけ閉成する。これにより、補助電源部は主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を短時間、負荷に供給する。負荷に印加される直流高電圧が正である場合には、補助電源部は負荷に正の電流を供給し（つまりは負荷に電流を流し込む）、負荷に印加される直流高電圧が負である場合には、補助電源部は負荷に負の電流を供給（つまりは負荷から電流を引き抜く）すればよい。この補助電源部により供給される電流によって負荷の静電容量は急速に充電されるため、主電圧発生部から負荷への電流供給による静電容量の充電は不要になり又は軽減され、主スイッチ部が閉成されたあとに負荷の電位は短時間で所望の値に静定する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明に係る質量分析装置では、電圧印加対象の負荷はＴＯＦＭＳのフライトチューブであり、電圧は最大で１０kV又はそれ以上になる。そのため、主電圧発生部の電圧出力端と負荷との間に設けられた主スイッチ部の両端、及び、補助電源部の電圧出力端と負荷との間に設けられた補助スイッチ部の両端にはそれぞれ、１０kV又はそれ以上の電圧が掛かることになるが、主スイッチ部及び補助スイッチ部は共に複数のスイッチング素子が直列に接続されたものであるため、各スイッチング素子の両端に掛かる電圧はその素子の個数に応じて分割された電圧で済む。そのため、直列に接続されるスイッチング素子の個数を増やすほど、１個のスイッチング素子の耐圧は小さくてよい。ただし、スイッチング素子の個数を増やすとコストが増加するし、素子を配置する回路基板の面積も大きくなる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
これに対し本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置では、主スイッチ部におけるＮ個のスイッチング素子のうちの負荷側から所定個数（最大でＮ−１個）のスイッチング素子と、補助スイッチ部におけるＭ個のスイッチング素子のうちの負荷側から所定個数のスイッチング素子とを共用している。したがって、主スイッチ部と補助スイッチ部とで共用しているスイッチング素子の個数がＮ−１個（当然のことながら、この場合にはＭ＞Ｎ−１）であれば、主スイッチ部及び補助スイッチ部に必要なスイッチング素子の総数は、Ｎ＋Ｍ−（Ｎ−１）となる。即ち、スイッチング素子を部分的に共用しない場合にスイッチング素子の総数がＮ＋Ｍになるのに対し、その個数を減らすことができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置では、直列に接続されるスイッチング素子の個数を或る程度増やしても１個のスイッチング素子としてかなり大きな耐圧のものが必要である。そこで、前記スイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いるとよい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
なお、本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置では、主スイッチ部及び補助スイッチ部は共用のスイッチング素子を含めて複数のスイッチング素子が直列に接続された構成であるため、スイッチ部の「閉成」とはそのスイッチ部に含まれる全てのスイッチング素子が閉成（オン）した状態をいい、スイッチ部の「開成」とはそのスイッチ部に含まれる少なくとも１個のスイッチング素子が開成（オフ）した状態をいう。したがって、主スイッチ部又は補助スイッチ部のいずれか一方が閉成した状態であるとき、主スイッチ部と補助スイッチ部とで共用されているスイッチング素子は全て閉成した状態である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
そこで、本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置において、前記補助電源部は、コンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、を含む構成とすることができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置は、正又は負のいずれか一方の極性の直流高電圧を負荷に印加する単極性型の電源装置でもよいが、正極性の直流高電圧と負極性の直流高電圧とを選択的に負荷に印加可能である極性切替え型の電源装置に本発明を適用することもできる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
即ち、本発明に係る質量分析装置において、
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する構成とすることができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
例えばＴＯＦＭＳでは、分析対象であるイオンの極性に応じて正負電圧の極性が切り替えられるフライトチューブの電位が十分に安定したあとに測定を実施する必要があるが、本発明に係る質量分析装置では、フライトチューブの電位の切替えが迅速に行われるので、正イオン測定と負イオン測定とを交互に実行する測定周期を短くすることができる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置では、負荷への電圧印加停止状態から電圧印加を開始する際や印加電圧の極性を切り替える際に、出力電圧の安定性が高い主電圧発生部とは別の専用の補助電源部により負荷の静電容量を迅速に充電している。そのため、主電圧発生部の出力電流に制約があっても、負荷の電位を迅速に所望の安定した値に静定させることができる。これにより、高い電圧安定性を要する主電圧発生部の出力電流を抑えることができるので、装置コストの増加を抑えることができる。また、負荷変動に対する応答性を必要以上に高くする必要がないので、安定した直流高電圧を負荷に印加することができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置では、主スイッチ部と補助スイッチ部とでスイッチング素子を共用しない場合に比べて、それらスイッチ部に使用するスイッチング素子の個数を減らすことができる。それにより、主スイッチ部及び補助スイッチ部のコストを引き下げることができるとともに、それら素子が配置される回路基板の面積を小さくすることができる。それにより、装置の小形化や軽量化にも有利である。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
［第１実施例］
以下、本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置の第１実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は第１実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図２は第１実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。図１において、図６に示した従来の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月23日(2019.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
イオンを飛行させる飛行空間を形成するフライトチューブと、電圧を印加する対象である負荷としての前記フライトチューブに直流高電圧を印加する高電圧電源装置と、を具備する質量分析装置であって、該高電圧電源装置は、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)電荷保持部と該電荷保持部を充電する充電部を含み、前記電荷保持部に保持されている電荷によって前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の１又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンを飛行させる飛行空間を形成するフライトチューブと、電圧を印加する対象である負荷としての前記フライトチューブに直流高電圧を印加する高電圧電源装置と、を具備する質量分析装置であって、該高電圧電源装置は、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)電荷保持部と該電荷保持部を充電する充電部を含み、前記電荷保持部に保持されている電荷によって前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の１又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴としている。
【国際調査報告】
2019043943.tif 000009
2019043943.tif 000010
2019043943.tif 000011
2019043943.tif 000012