(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力ノードにおいて電圧波形を生成するための回路を含む荷電粒子処理用の質量分析装置であって、前記回路は、
第１の電圧に維持されるように構成された第１の電圧レールであって、第１の電圧レールスイッチを介して前記出力ノードに接続された第１の電圧レールと、
前記第１の電圧と異なる第２の電圧に維持されるように構成された第２の電圧レールであって、第２の電圧レールスイッチを介して前記出力ノードに接続された第２の電圧レールと、
インダクタ及び第１のアンカーノードスイッチを介して前記出力ノードに接続され、第１のアンカー電圧に維持された第１のアンカーノードと、
インダクタ及び第２のアンカーノードスイッチを介して前記出力ノードに接続され、第２のアンカー電圧に維持されたアンカーノードであって、前記第１のアンカーノードとは別のものである第２のアンカーノードと、
使用時に、前記回路によって前記出力ノードに生成される電圧波形を受け取るようになっている、前記出力ノードに接続された負荷容量と、
前記第１の電圧レールスイッチが閉じられ且つ前記第２の電圧レールスイッチが開かれていることで前記出力ノードが前記第１の電圧に保持される第１の電圧出力状態と、前記第２の電圧レールスイッチが閉じられ且つ前記第１の電圧レールスイッチが開かれていることで前記出力ノードが前記第２の電圧に保持される第２の電圧出力状態との間で前記回路を切り換えるように構成された制御ユニットと
を備え、
前記制御ユニットが、
前記第１の電圧レールスイッチを開く操作、及び、前記第１のアンカー電圧に維持された前記第１のアンカーノードに、インダクタを介して前記出力ノードを接続している前記第１のアンカーノードスイッチを閉じる操作を行うことにより、前記出力ノードを前記第１のアンカーノードに接続している前記インダクタと前記負荷容量の間に共振回路が確立されて前記出力ノードにおける電圧を前記第２の電圧へ向けて振れさせ、その際に前記第１のアンカー電圧が前記出力ノードにおける電圧の前記第２の電圧へ向けた振れを助けるエネルギーを供給するように構成されており、その後、
前記第１のアンカーノードスイッチを開く操作及び前記第２の電圧レールスイッチを閉じる操作を行うこと
により、前記回路を前記第１の電圧出力状態から前記第２の電圧出力状態へ切り換えるように構成されており、
更に前記制御ユニットが、
前記第２の電圧レールスイッチを開く操作、及び、前記第２のアンカー電圧に維持された前記第２のアンカーノードに、インダクタを介して前記出力ノードを接続している前記第２のアンカーノードスイッチを閉じる操作を行うことにより、前記出力ノードを前記第２のアンカーノードに接続している前記インダクタと前記負荷容量の間に共振回路が確立されて前記出力ノードにおける電圧を前記第１の電圧へ向けて振れさせ、その際に前記第２のアンカー電圧が前記出力ノードにおける電圧の前記第１の電圧へ向けた振れを助けるエネルギーを供給するように構成されており、その後、
前記第２のアンカーノードスイッチを開く操作及び前記第１の電圧レールスイッチを閉じる操作を行うこと
により、前記回路を前記第２の電圧出力状態から前記第１の電圧出力状態へ切り換えるように構成されており、
前記制御ユニットが前記回路を前記第１の電圧出力状態から前記第２の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が前記第２の電圧において前記確立された共振回路により生じる電圧の振れのピークに達するように前記第１のアンカー電圧が選ばれており、
前記制御ユニットが制御回路を前記第２の電圧出力状態から前記第１の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が前記第１の電圧において前記確立された共振回路により生じる電圧の振れのピークに達するように、前記第２のアンカー電圧が選ばれており、
前記第１及び第２のアンカー電圧が前記第１及び第２の電圧の間にあり、前記第１のアンカー電圧が前記第１の電圧よりも前記第２の電圧に近く、前記第２のアンカー電圧が前記第２の電圧よりも前記第１の電圧に近く、
前記回路が、更に、双方向スイッチを備え、該双方向スイッチを介して前記第１及び第２のアンカーノードが前記出力ノードに接続されていること
を特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記回路が、前記第１及び第２の電圧を供給するように構成された電圧レール源と、前記第１及び第２のアンカー電圧を供給するように構成されたアンカー電圧源とを備え、前記アンカー電圧源が前記電圧レール源から独立していることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の電圧はいずれもその大きさがアースに対して少なくとも１０００Ｖであることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【請求項４】
１Ｈｚと１０ＭＨｚの間の周波数で前記第１の電圧と前記第２の電圧の間で切り換わるスイッチング電圧波形を生成するためのスイッチング回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項５】
第１の電圧及び第２の電圧のいずれか一方は、該第１及び第２の電圧の他方に対して、アースに対する大きさが互いに等しく極性が逆であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項６】
前記出力ノードを前記第１のアンカーノードに接続する前記インダクタと、前記出力ノードを前記第２のアンカーノードに接続するインダクタが同一のインダクタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項７】
前記出力ノードを前記第１のアンカーノードに接続する前記インダクタと、前記出力ノードを前記第２のアンカーノードに接続するインダクタが別々のインダクタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項８】
前記制御部が、更に、前記第１の電圧出力状態から前記第２の電圧出力状態へ切り換えるときに、前記第１のアンカーノードスイッチを閉じた後に前記双方向スイッチを閉じ、前記第１のアンカーノードスイッチを開く前に該双方向スイッチを開くように構成されており、
前記制御部が、更に、前記第２の電圧出力状態から前記第１の電圧出力状態へ切り換えるときに、前記第２のアンカーノードスイッチを閉じた後に前記双方向スイッチを閉じ、前記第２のアンカーノードスイッチを開く前に該双方向スイッチを開くように構成されていること
を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項９】
荷電粒子処理用の質量分析装置を制御する方法であって、
前記質量分析装置は、出力ノードにおいて電圧波形を生成するための回路を含んでおり、該回路が、
第１の電圧に維持されるように構成された第１の電圧レールであって、第１の電圧レールスイッチを介して前記出力ノードに接続された第１の電圧レールと、
前記第１の電圧と異なる第２の電圧に維持されるように構成された第２の電圧レールであって、第２の電圧レールスイッチを介して前記出力ノードに接続された第２の電圧レールと、
インダクタ及び第１のアンカーノードスイッチを介して前記出力ノードに接続され、第１のアンカー電圧に維持された第１のアンカーノードと、
インダクタ及び第２のアンカーノードスイッチを介して前記出力ノードに接続され、第２のアンカー電圧に維持されたアンカーノードであって、前記第１のアンカーノードとは別のものである第２のアンカーノードと、
使用時に、前記回路によって前記出力ノードに生成される電圧波形を受け取るようになっている、前記出力ノードに接続された負荷容量と、
前記回路が、更に、双方向スイッチと
を備えており、
前記双方向スイッチを介して前記第１及び第２のアンカーノードが前記出力ノードに接続されており、
前記方法は、
前記第１の電圧レールスイッチを開き、前記第１のアンカー電圧に維持された前記第１のアンカーノードに、インダクタを介して前記出力ノードを接続している前記第１のアンカーノードスイッチを閉じることにより、前記出力ノードを前記第１のアンカーノードに接続している前記インダクタと前記負荷容量の間に共振回路を確立して前記出力ノードにおける電圧を前記第２の電圧へ向けて振れさせ、その際に前記第１のアンカー電圧が前記出力ノードにおける電圧の前記第２の電圧へ向けた振れを助けるエネルギーを供給し、その後、
前記第１のアンカーノードスイッチを開き、前記第２の電圧レールスイッチを閉じること
により、前記第１の電圧レールスイッチが閉じられ且つ前記第２の電圧レールスイッチが開かれていることで前記出力ノードが前記第１の電圧に保持される、第１の電圧出力状態から、前記第２の電圧レールスイッチが閉じられ且つ前記第１の電圧レールスイッチが開かれていることで前記出力ノードが前記第２の電圧に保持される、第２の電圧出力状態へ切り換える手順を備え、
更に、
前記第２の電圧レールスイッチを開き、前記第２のアンカー電圧に維持された前記第２のアンカーノードに、インダクタを介して前記出力ノードを接続している前記第２のアンカーノードスイッチを閉じることにより、前記出力ノードを前記第２のアンカーノードに接続している前記インダクタと前記負荷容量の間に共振回路を確立して前記出力ノードにおける電圧を前記第１の電圧へ向けて振れさせ、その際に前記第２のアンカー電圧が前記出力ノードにおける電圧の前記第１の電圧へ向けた振れを助けるエネルギーを供給し、その後、
前記第２のアンカーノードスイッチを開き、前記第１の電圧レールスイッチを閉じること
により前記第２の電圧出力状態から前記第１の電圧出力状態へ切り換えること
を含んでおり、
前記第１の電圧出力状態から前記第２の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が前記第２の電圧において前記確立された共振回路により生じる電圧の振れのピークに達するように前記第１のアンカー電圧が選ばれ、
前記第２の電圧出力状態から前記第１の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が前記第１の電圧において前記確立された共振回路により生じる電圧の振れのピークに達するように、前記第２のアンカー電圧が選ばれ、
前記第１及び第２のアンカー電圧が前記第１及び第２の電圧の間にあり、前記第１のアンカー電圧が前記第１の電圧よりも前記第２の電圧に近く、前記第２のアンカー電圧が前記第２の電圧よりも前記第１の電圧に近いこと
を特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば質量分析装置で使用される、出力ノードにおいて電圧波形を生成するための回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人による先願である特許文献１（その開示内容は関連出願である特許文献２及び３の開示内容に対応する）に記載のように、質量分析を行う方法には質量分析装置の構成要素に高周波電圧波形を印加することに頼るものが非常に多い。例えば、前記文献に十分に記載されているように、イオンガイドやイオントラップ、マスフィルタ等のイオン光学装置は全てそのような電圧波形を必要とする。
【０００３】
出願人による先願である特許文献１には更に、動作中に電圧波形の周波数を容易に変更できる点で、共振回路よりも直接スイッチング法の方が非常に有利であることが記載されている。しかし「ハードスイッチング（ｈａｒｄ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」技術（詳細は後述）は効率が悪くなりがちであり、また消費電力が比較的大きい。
【０００４】
以上の事柄を考慮し、特許文献１では出力ノードにおいて電圧波形を生成するための様々な回路が提案されている。これらの回路の制御ユニットは、出力ノードに負荷容量が接続されているときに、電圧レールスイッチと双方向スイッチを制御することにより出力ノードにおける電力を変化させることでインダクタと負荷容量の間に共振回路を確立するように構成されている。特許文献１で提案されている各回路は、よりエネルギー効率のよい方法で電圧波形を生成することを助けることから、「エネルギー回収（ｅｎｅｒｇｙ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ）」回路と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＥＰ２８０６５５３
【特許文献２】ＵＳ２０１４／０３４７１０４
【特許文献３】ＣＮ１０４１８４３０９
【特許文献４】ＷＯ０１／２９８７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で提案された各回路は共振回路を用いない「ハードスイッチング」技術（例えば特許文献４に記載）に比べてエネルギー効率をかなり改善するものの、本発明者らは、特許文献１で提案された「エネルギー回収」回路でもなお、電圧波形を生成するために典型的に用いられる高圧電源から相当な量の電流が引き出されることを見出した。これは高圧電源により供給される電圧の安定性を欠如させる可能性がある（これは、質量分析等、ある種の用途において大きな問題となり得る）。そういうわけで、本発明者らはそのような回路を更に改良することが望ましいと考える。
【０００７】
本発明は以上のような事柄を考慮して案出されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、出力ノードにおいて電圧波形を生成するための回路において、
第１の電圧に維持されるように構成された第１の電圧レールであって、第１の電圧レールスイッチを介して前記出力ノードに接続された第１の電圧レールと、
前記第１の電圧と異なる第２の電圧に維持されるように構成された第２の電圧レールであって、第２の電圧レールスイッチを介して前記出力ノードに接続された第２の電圧レールと、
インダクタ及びアンカーノードスイッチを介して前記出力ノードに接続された少なくとも１つのアンカーノードと、
前記第１の電圧レールスイッチが閉じられ且つ前記第２の電圧レールスイッチが開かれていることで前記出力ノードが前記第１の電圧に保持される第１の電圧出力状態と、前記第２の電圧レールスイッチが閉じられ且つ前記第２の電圧レールスイッチが開かれていることで前記出力ノードが前記第２の電圧に保持される第２の電圧出力状態との間で本回路を切り換えるように構成された制御ユニットと
を備え、
前記制御ユニットが、
前記第１の電圧レールスイッチを開く操作、及び、第１のアンカー電圧に維持されたアンカーノードに前記出力ノードをインダクタを介して接続しているアンカーノードスイッチを閉じる操作を行うことにより、前記出力ノードに負荷容量が接続されている場合に前記インダクタと前記負荷容量の間に共振回路が確立されて前記出力ノードにおける電圧を前記第２の電圧へ向けて振れさせ、その際に前記第１のアンカー電圧が前記出力ノードにおける電圧の前記第２の電圧へ向けた振れを助けるエネルギーを供給するように構成されており、その後、
前記アンカーノードスイッチを開く操作及び前記第２の電圧レールスイッチを開く操作を行うこと
により、本回路を前記第１の電圧出力状態から前記第２の電圧出力状態へ切り換えるように構成されており、
更に前記制御ユニットが、
前記第２の電圧レールスイッチを開く操作、及び、前記出力ノードを第２のアンカー電圧に維持されたアンカーノードにインダクタを介して接続しているアンカーノードスイッチを閉じる操作を行うことにより、前記出力ノードに負荷容量が接続されている場合に前記インダクタと前記負荷容量の間に共振回路が確立されて前記出力ノードにおける電圧を前記第１の電圧へ向けて振れさせ、その際に前記第２のアンカー電圧が前記出力ノードにおける電圧の前記第１の電圧へ向けた振れを助けるエネルギーを供給するように構成されており、その後、
前記アンカーノードスイッチを開く操作及び前記第１の電圧レールスイッチを開く操作を行うこと
により、本回路を前記第２の電圧出力状態から前記第１の電圧出力状態へ切り換えるように構成されていること
を特徴としている。
【０００９】
後でより詳しく検討するが、このように第１及び第２のアンカー電圧を用いることにより、出力ノードにおける電圧が第１／第２の電圧に近づくように（好ましくは該電圧に到達するように）振れることを助けることができる。これにより、特許文献１で提案された回路に比べて第１及び第２の電圧レールから引き出すべき電流が少なくなる。これは第１／第２の電圧を安定化する上で有益であり、これらの電圧が非常に安定でなければならない用途（例えば質量分析）において特に有用である。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る回路を本願では「プリチャージエネルギー回収（ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｅ  ｅｎｅｒｇｙ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ）」回路と呼ぶことがある。なお、「プリチャージエネルギー回収」という用語は本発明の第１の態様に係る回路を他の回路から区別するためのラベルとして用いられるに過ぎない。
【００１１】
また、本願において「アンカー（ａｎｃｈｏｒ）」という用語は、例えば「アンカーノード」を他のノード（「出力ノード」等）から区別するためのラベルとして用いられるに過ぎない。「アンカーノード」及びそれに関連した回路要素に付すラベルとして「アンカー」という用語を選んだ理由は、アンカーノードは共振回路に接続されているときにその回路に影響を及ぼす固定点（アンカー）を提供するものと見ることができるからである。
【００１２】
本回路は、前記第１及び第２の電圧を供給するように構成された電圧レール源と、前記第１及び第２のアンカー電圧を供給するように構成された１つ以上のアンカー電圧源とを備え、前記アンカー電圧源が前記電圧レール源から独立していることが好ましい。このようにすれば、電圧レール源から引き出される電流の量を減らす（好ましくはゼロ電流に近くする）ことができる。これは電圧レール源により供給される第１及び第２の電圧の安定性が欠如することを回避する上で役立つ（これは、例えば質量分析の場合のように、電圧レール源が「高圧」電源であるような用途において特に有用である）。
【００１３】
好ましくは、前記ユニットが本回路を第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が前記第２の電圧へ向かって振れて（好ましくは該第２の電圧をほとんど通り過ぎずに）該第２の電圧に達するように、前記第１のアンカー電圧が選ばれる。より好ましくは、前記ユニットが本回路を第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が、前記第２の電圧において（又はほぼ該第２の電圧において）、前記確立された共振回路により生じる電圧の振れのピークに達するように、前記第１のアンカー電圧が選ばれる。
【００１４】
同様に、好ましくは、前記制御回路が本回路を第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が前記第１の電圧へ向かって振れて（好ましくは該第１の電圧をほとんど通り過ぎずに）該第１の電圧に達するように、前記第２のアンカー電圧が選ばれる。より好ましくは、前記制御回路が本回路を第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態へ切り換えたときに前記出力ノードにおける電圧が、前記第１の電圧において（又はほぼ該第１の電圧において）、前記確立された共振回路により生じる電圧の振れのピークに達するように、前記第２のアンカー電圧が選ばれる。
【００１５】
前記第１のアンカー電圧に維持されたアンカーノードと前記第２のアンカー電圧に維持されたアンカーノードは別のものであることが好ましい。
【００１６】
即ち、（第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態への回路の切り換え中に）前記第１のアンカー電圧に維持されるアンカーノードが、（例えば第１のアンカー電圧源により）前記第１のアンカー電圧に維持されるように構成された第１のアンカーノードであり、（第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態への回路の切り換え中に）前記第２のアンカー電圧に維持されるアンカーノードが、（例えば第２のアンカー電圧源により）前記第２のアンカー電圧に維持されるように構成された第２のアンカーノードであり、該第１のアンカーノードと該第２のアンカーノードが別のものである、というようにしてもよい。
【００１７】
なお、このような実施形態において、第１及び第２のアンカーノードは別々のインダクタ（図示せず）を介して又は同一のインダクタを介して（例えば図４のように）出力ノードに接続することができる。同様に、第１及び第２のアンカーノードは別々のアンカーノードスイッチを介して（例えば図４のように）又は共用の双方向アンカーノードスイッチ（図示せず）を介して出力ノードに接続することができる。
【００１８】
前記第１のアンカーノードは、第２のアンカーノードを前記出力ノードに接続する第２のアンカーノードスイッチとは別のものである第１のアンカーノードスイッチを介して前記出力ノードに接続されていることが好ましい。この場合、本回路は、（例えば図６のように）それを介して前記第１及び第２のアンカーノードが前記出力ノードに接続される双方向スイッチを備えるものとすることができる。
【００１９】
なお、第１及び第２のアンカーノードスイッチは双方向型である必要はない。なぜなら、典型的には電流はこのようなスイッチを通じて一方向にのみ引き出されるからである。
【００２０】
実施形態によっては、（第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態への回路の切り換え中に）前記第１の電圧に維持されるアンカーノードと、（第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態への回路の切り換え中に）前記第２の電圧に維持されるアンカーノードが同一のアンカーノードであってもよい。
【００２１】
このような実施形態においては、第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態への回路の切り換え中には当該１つのアンカーノードを第１のアンカー電圧に維持し、第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態への回路の切り換え中には当該１つのアンカーノードを第２のアンカー電圧に維持するように、制御ユニットを構成すればよい。これは例えば動的に変更可能な電圧源を当該１つのアンカーノードに接続することにより達成できる（図示せず）。
【００２２】
本願では、特に明記しない限り、各スイッチは（該スイッチを通って一方向に電流を流すことができる）一方向スイッチ、又は（該スイッチを通って二方向に電流を流すことができる）双方向スイッチとすることができる。
【００２３】
一方向スイッチは例えばＭＯＳＦＥＴ又はバイポーラ接合トランジスタを含むものとすることができる。
【００２４】
一般に、双方向スイッチが必要とされるのはスイッチが両方向に電流を通過させる必要がある場合（例えば図６のスイッチ４０８ｃのような場合）のみである。
【００２５】
双方向スイッチは、例えば特許文献１に記載のように、直列接続された２つ以上のトランジスタを含むものとすることができる。即ち、前記直列接続された２つ以上のトランジスタは背中合わせに接続された一対のトランジスタを含むこと、つまり該一対のトランジスタに関連づけられた規約電流の方向が逆向きであることが好ましい。例えば、一対のＭＯＳＦＥＴを背中合わせに接続するにはソース同士を接続するかドレン同士を接続すればよい。また、一対のｎｐｎトランジスタ又は一対のｐｎｐトランジスタの場合はコレクタ同士を接続するかエミッタ同士を接続すればよい。
【００２６】
（単一又は各々の双方向スイッチにおいて）前記直列接続された２つ以上のトランジスタは、例えば特許文献１に記載のように一対のＭＯＳＦＥＴトランジスタを含むものとすることができる。
【００２７】
第１及び第２の電圧はいずれもその大きさがアースに対して少なくとも１０Ｖであり、より好ましくは少なくとも５０Ｖ、更に好ましくは少なくとも１００Ｖ、更に好ましくは少なくとも５００Ｖ、更に好ましくは少なくとも１０００Ｖであることが好ましい（アースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる）。
【００２８】
第１及び第２の電圧はいずれもその大きさがアースに対して１０Ｖと３００００Ｖの間、５０Ｖと２５００Ｖの間、又は１００Ｖと１０００Ｖの間とすることができる（アースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる）。
【００２９】
第１及び第２の電圧はいずれもその大きさがアースに対して１００Ｖ又はそれ以上まで、より好ましくは５００Ｖ又はそれ以上まで、更に好ましくは１０００Ｖ又はそれ以上まで変更可能であることが好ましい（アースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる）。
【００３０】
第１及び第２のアンカー電圧の大きさはアースに対して１０００Ｖ未満、より好ましくは５００Ｖ未満とすることができる（アースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる）。
【００３１】
第１の電圧及び第２の電圧は、前記確立される共振回路が効果的に作用することを確実にするために、該第１及び第２の電圧の他方に対して、アースに対する大きさが互いに略等しく極性が逆であることが好ましい（アースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる）。
【００３２】
本回路は、好ましくは１Ｈｚと１０ＭＨｚの間、より好ましくは１０Ｈｚと１ＭＨｚの間の周波数で、前記第１の電圧と前記第２の電圧の間で切り換わるスイッチング電圧波形を生成するためのスイッチング回路であることが好ましい。
【００３３】
制御ユニットは、第１の電圧と第２の電圧の間で前記スイッチング電圧波形が切り換わる周波数を、好ましくは１０ｋＨｚ又はそれ以上、より好ましくは１００ｋＨｚ又はそれ以上、更に好ましくは１ＭＨｚ又はそれ以上の周波数まで変更するように構成されていることが好ましい。
【００３４】
本願において、インダクタとキャパシタの間で確立される「共振回路」とは、インダクタとキャパシタが互いに接続された回路と理解することができ、しかも前述の第１及び第２の電圧レールから切り離された回路であることが好ましい。「共振回路」はまた、例えばインダクタ及び双方向スイッチを介して出力ノードに接続されたアンカーノードを含んでいてもよい。当該技術分野で周知のように、共振回路に蓄積された電気エネルギーは誘導性素子と容量性素子の間で共振周波数において振動する傾向がある。疑いを避けるために言うと、（例えば１サイクル分の振動が完了する前に共振回路が遮断されてしまったがために）共振回路内の電気エネルギーが１サイクル分の振動を完了しないうちに異なる回路が確立されたとしても、その「共振回路」は確立されたものとみなすことができる。
【００３５】
好ましくは、（第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態への回路の切り換え中に）アンカーノードスイッチを開く操作及び第２の電圧スイッチを閉じる操作は、出力ノードにおける電圧が第２の電圧又はそれに近い値（例えば該電圧の１０％以内、より好ましくは１％以内）にあるときに行われる。後の検討から分かるように、これは出力ノードにおける電圧を特に効率的に変化させることを助ける。何故なら、第２の電圧レールから引き出される電流を減らすことができるからである。
【００３６】
なお、効率を最大化するため、第２の電圧スイッチを閉じる前にアンカーノードスイッチを開くことが好ましい。アンカーノードスイッチを開く操作と第２の電圧スイッチを閉じる操作の間の時間差は非常に小さいこと、例えば１００ｎｓ以下であることが好ましい。
【００３７】
同様に、（第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態への回路の切り換え中に）アンカーノードスイッチを開く操作及び第１の電圧スイッチを閉じる操作は、出力ノードにおける電圧が第１の電圧又はそれに近い値（例えば該電圧の１０％以内、より好ましくは１％以内）にあるときに行われることが好ましい。後の検討から分かるように、これは出力ノードにおける電圧を特に効率的に変化させることを助ける。何故なら、第１の電圧レールから引き出される電流を減らすことができるからである。
【００３８】
この場合も、効率を最大化するため、第１の電圧スイッチを閉じる前にアンカーノードスイッチを開くことが好ましい。また、アンカーノードスイッチを開く操作と第１の電圧スイッチを閉じる操作の間の時間差は非常に小さいこと、例えば１００ｎｓ以下であることが好ましい。
【００３９】
もちろん、制御ユニットは、所望の周波数の電圧波形を得るために、任意の所定の周波数で第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態へ（及びその逆に）回路を切り換えるように構成されていてもよい。
【００４０】
好ましくは、第１及び第２のアンカー電圧が第１及び第２の電圧の間にあり、第１のアンカー電圧が第１の電圧より第２の電圧に近く、第２のアンカー電圧が第２の電圧よりも第１の電圧に近いようにする。これは、上記のように出力ノードにおける電圧の振れを促進するためのエネルギーをアンカーノードが提供することを助ける。
【００４１】
本回路は（例えば図４のように）出力ノードに接続された負荷容量を含んでいてもよい。
【００４２】
本回路（負荷容量があればそれも含む）は、例えば質量分析又はイオン移動度分析を行う装置等、荷電粒子処理用の装置に含まれていてもよい。本回路は質量分析における極性の切り換えに利用することが特に好適であると考えられる。
【００４３】
制御ユニットは例えばコンピュータとすることができる。ただしこれは必須ではない。なぜなら、例えば制御ユニットは適切な論理素子（例えば単安定素子等の適切な遅延素子を備えるもの）を含むものでもよいからである。
【００４４】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係る回路を含む荷電粒子処理用の装置を提供する。
【００４５】
例えば、本発明の第２の態様は、荷電粒子処理用の装置であって、
本発明の第１の態様に係る回路を備え、
前記回路が前記出力ノードに接続された負荷容量を含み、該負荷容量が、例えば使用時に前記回路によって前記出力ノードに生成される電圧波形を受け取るようになっている
装置を提供する。
【００４６】
前記負荷容量は、例えば質量分析又はイオン移動度分析を行う際等、荷電粒子を処理する際に好適に用いられる構成要素のうちの任意のものを構成し又はその一部を成すものとすることができる。例えば該負荷容量は
イオンの飛行経路の変更又は閉じ込めのためのイオン光学装置、及び／又は、
マスフィルタ、及び／又は、
イオントラップ、及び／又は、
イオン移送装置、及び／又は、
イオン移動度装置
のうちの任意のものを構成し又はその一部を成すものとすることができる。
【００４７】
好ましくは、前記負荷容量はイオンの飛行経路の変更又は閉じ込めのためのイオン光学装置である、又はその一部を成すものである。
【００４８】
前記負荷容量は複数（例えば２つ）の電極を含んでいてもよい。
【００４９】
好ましくは、前記２つの電極がロッド又は板から成り、それらはイオン光軸を取り囲むように構成されていることが好ましい。任意の数のロッド／板を用いることができる。ロッドは双曲線状の面を有していてもよい。
【００５０】
前記装置は質量分析装置とすることができる。
【００５１】
また、前記質量分析装置は、
イオンを生成するように構成されたイオン源と、
イオンを処理するように構成されたイオン処理領域と、
前記イオンをその質量分析比に応じて分離するように構成された質量分析器と、
分離された前記イオンを検出するように構成された検出器と
を含んでいてもよい。この場合、前記装置は質量分析装置とみることができる。
【００５２】
前記負荷容量は例えば前記イオン源及び／又は前記イオン処理領域及び／又は前記質量分析器及び／又は前記検出器に含まれるものとすることができる。
【００５３】
本発明の第３の態様は、本発明の前記のいずれかの態様に係る回路又は装置を制御する方法を提供する。
【００５４】
その方法は本発明の前記のいずれかの態様に関連して説明した操作に対応する任意の手順を含むものとすることができる。
【００５５】
前記方法は、例えば質量分析又はイオン移動度分析を行う際に用いられる荷電粒子処理方法とすることができる。
【００５６】
本発明の第４の態様は、本発明のいずれかの態様に係る方法を実行するために本発明のいずれかの態様に係る回路を制御するように構成されたコンピュータで実行可能な命令を有する、コンピュータにより読み取り可能な媒体を提供する。ただし、コンピュータ制御以外の制御方式（例えばクロック動作素子又はアナログタイミング素子を備える個別論理回路）を実装することも可能である。
【００５７】
本発明の第５の態様は、出力ノードにおいて電圧波形を生成するための回路を修正して本発明の第１の態様に係る回路を提供する方法を提供する。修正された回路は「改良（レトロフィット）型」回路と呼んでもよい。
【００５８】
本発明はまた、前記の各態様又は好ましい特徴の組み合わせのうち、明らかに許されない又は明示的に避けられている組み合わせを除くあらゆる組み合わせを含む。
【００５９】
これらの提案の例を添付の図面を参照して以下に検討する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施例ではないが本発明を理解する上で役立つ「ハードスイッチング」回路（「基本極性スイッチ（ｂａｓｉｃ  ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｓｗｉｔｃｈ）」とも呼ぶ）の回路図及びそれに対応する動作モードを示す図。
【図２】本発明の実施例ではないが本発明を理解する上で役立つ「エネルギー回収」回路（「エネルギー回収極性スイッチ（ｅｎｅｒｇｙ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｓｗｉｔｃｈ）」とも呼ぶ）の回路図及びそれに対応する動作モードを示す図。
【図３】図２の「エネルギー回収」回路により生成される正極性から負極性へのスイッチング曲線を示す図。
【図４】本発明の第１実施例に係る「プリチャージエネルギー回収」回路（「プリチャージエネルギー回収極性スイッチ」とも呼ぶ）の回路図及びそれに対応する動作モードを示す図。
【図５】図４の「プリチャージエネルギー回収」回路により生成される正極性から負極性へのスイッチング曲線を示す図。
【図６】本発明の第２実施例に係る「プリチャージエネルギー回収」回路の回路図。
【図７】図１の「ハードスイッチング」回路を用いて得られた、負荷容量を通した出力電圧５０１（点線）とＨＶ電源から引き出される電流５０２（実線）とを示すオシロスコープの軌跡。
【図８】図４の「プリチャージエネルギー回収」回路を用いて得られた、負荷容量を通した出力電圧６０１（点線）とＨＶ電源から引き出される電流６０２（実線）とを示すオシロスコープの軌跡。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
極性の切り換えはあらゆる型の飛行時間型質量分析装置の重要な特徴であり、特にイオントラップ飛行時間型質量分析装置に適している。切り換えが高速になればスループットやデューティ比、感度が向上する。簡単に言えば、切り換えが高速であるほど全体の性能が向上する。業界全体に共通の問題は、以下に概説する理由により、高速の切り換えは従来から達成が非常に難しい目標だということである。
【００６２】
本願では「高圧（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ）」（又は単に「ＨＶ」）という用語を、アースに対して少なくとも１００Ｖ、好ましくは少なくとも１０００Ｖの大きさを持つ電圧の呼称として用いることがある。なお、アースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる。同様に、アースに対して少なくとも１００Ｖ、好ましくは少なくとも１０００Ｖの大きさを持つ電圧を生成できる電圧源を「高圧」電源と呼ぶことがある。ここでもアースは第１のアンカー電圧と第２のアンカー電圧の間とすることができる。
【００６３】
なお、以下の回路の検討において、「ハードスイッチング」、「エネルギー回収」及び「プリチャージエネルギー回収」という用語は異なる回路を区別するためのラベルとして用いたものに過ぎない。
【００６４】
図１は従来の極性切り換えの一形態を実行する「ハードスイッチング」回路１００を示している。この回路では共振回路が確立されないため、ここでは「ハードスイッチング」技術と呼ぶ。
【００６５】
図１の「ハードスイッチング」回路１００では、第１の高圧電源（図示せず）により第１の電圧（＋ＨＶ）に維持された第１の電圧レールが第１の電圧レールスイッチ１０２を介して出力ノード１０５に接続されている。また、第２の高圧電源（図示せず）により第２の電圧（−ＨＶ）に維持された第２の電圧レールが第２の電圧レールスイッチ１０４を介して出力ノード１０５に接続されている。
【００６６】
第１の電圧レールスイッチ１０２が閉じており、第２の電圧レールスイッチ１０４が開いているものとする。このとき、出力ノード１０５に接続された負荷容量１０６における電圧は第１の電圧レールの電圧（＋ＨＶ）である。第１の電圧レールスイッチ１０２が開き、第２の電圧レールスイッチ１０４が閉じる（この時点をｔ＝０とする）と、出力ノード１０５に接続された負荷容量１０６における電圧が＋ＨＶから−ＨＶへ変化し始め、式ｉ＝Ｖ（ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ））／Ｒで定義される電流ｉが−ＨＶ電源から引き出される。ここで、Ｖは＋ＨＶと−ＨＶの差、ｔは時間、Ｃは負荷容量、Ｒは直列抵抗である。
【００６７】
時間ｔ＝０のとき電流は最大値ｉ＝Ｖ／Ｒにある。第１及び第２の電圧を供給するために高圧電源を用いることがある質量分析の場合、ほとんどのＨＶ電源にとってこの電流の引き出しは出力電圧をかなり急降下させ、そこから電源が回復するのに時間がかかることがある（例えば３００ｍｓ）。一般に質量分析の測定は電圧の推移がその都度安定してから行われるため、回復時間が長いとマススペクトルデータの取得が大きく遅れる可能性がある。データ一式を集めるには極性が何百回も切り換えられることがよくあるため、これはデータのスループットに著しく影響する恐れがある。
【００６８】
出願人による先願である特許文献１（その開示内容は関連出願である特許文献２及び３の開示内容に対応する）では、例えば質量分析で用いられる、電圧波形生成の際の消費電力を低減させる様々な「エネルギー回収」回路が提案されている。
【００６９】
図２は特許文献１に記載されている原理を実装した「エネルギー回収」回路２００を示している。
【００７０】
図２の「エネルギー回収」回路２００は、第１の高圧電源（図示せず）により第１の電圧（＋ＨＶ）に維持された第１の電圧レールであって、第１の電圧レールスイッチ２０２を介して出力ノード２０５に接続された第１の電圧レールと、第２の高圧電源（図示せず）により第２の電圧（−ＨＶ）に維持された第２の電圧レールであって、第２の電圧レールスイッチ２０４を介して出力ノード２０５に接続された第２の電圧レールと、インダクタ２１０及び双方向スイッチ２０８を介して出力ノード２０５に接続されたアンカーノード２０７とを含んでいる。
【００７１】
図２において（更に図４及び６においても）、図示した全てのスイッチは、例えばＭＯＳＦＥＴやバイポーラ接合トランジスタ等の半導体素子のような固体状態のものでもよいし、電気機械的なもの、即ち可動接触子を持つリレーやスイッチでもよい。スイッチ操作は図の右側に示した波形で定義されている。図において、高レベルはスイッチがオンの（閉じた）状態、低レベルはオフの（開いた）状態を示す。なお、図２の回路２００において、スイッチ２０８は双方向でなければならないが、第１及び第２の電圧レールスイッチ２０２及び２０４は双方向でも一方向でもよい。
【００７２】
回路２００の第１の電圧出力状態では、第１の電圧レールスイッチ２０２が閉じており、他のスイッチが全て開いている。従って、この第１の電圧出力状態では負荷容量２０６における電圧が＋ＨＶに保持される。動作中は、第１の電圧レールスイッチ２０２が開くとともに双方向スイッチ２０８が閉じることで共振回路を確立する。この回路ではエネルギーが負荷容量２０６からインダクタ２１０へ送られ、負荷容量２０６における電圧が＋ＨＶから０Ｖへ振れる。双方向スイッチ２０８がまだ閉じているため、負荷容量２０６における電圧はゼロから−ＨＶへ向かって振れ続け、エネルギーはインダクタ２１０から負荷容量２０６へ戻る。負荷容量２０６における電圧が負のピークに達すると、双方向スイッチ２０８が開き、共振回路が遮断される。このプロセスではタイミングが決定的に重要である。なぜなら、最大効率を達成するには、共振回路が遮断される正にその瞬間に負荷容量２０６における電圧波形が振幅のピークに達することが重要だからである。それから第２の電圧レールスイッチ２０４が閉じることで回路２００が第２の電圧出力状態になる。この状態では、第２の電圧レールスイッチ２０４が閉じており、他のスイッチが全て開いている。この第２の電圧出力状態では負荷容量２０６における電圧が−ＨＶに保持される。
【００７３】
こうして図２の「エネルギー回収」回路２００は、共振の原理を利用して、負荷容量２０６に蓄積されたエネルギーをインダクタ２１０へ送り、極性が変わったらそのエネルギーを負荷容量２０６へ戻す。このようにインダクタ２１０がほぼ全ての電流を負荷容量２０６に供給するため、第１及び第２の電圧を第１及び第２の電圧レールに供給するために用いられるＨＶ電源からは極めてわずかな電流しか取り出されない。実際に、図２の「エネルギー回収」回路２００では図１に示した「ハードスイッチング」回路１００に比べてＨＶ電源から引き出される電流が約２０分の１に減ることが分かっており、故にこの回路は高い周波数での極性の切り換えに好適である。
【００７４】
しかし、上記回路２００の動作について本発明者らは、スイッチ２０２、２０４及び２０８並びにインダクタ２１０の抵抗損失があるため、負荷容量２０６における電圧が第２の電圧レールの保持電圧である第２の電圧（−ＨＶ）に完全に到達するようには振れないことに気がついた。むしろ、負荷容量２０６における電圧の振れは前記電圧にわずかに届かず、その結果、図３のスイッチング曲線に示したように小さな電圧の段差２２０が生じる。図２の右側に示したように、この小さな電圧の段差２０２は回路が第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態へ（及びその逆に）切り換えられるたびに生じる。
【００７５】
電圧の段差２２０は、第１及び第２の電圧レールに第１及び第２の電圧（＋ＨＶ、−ＨＶ）を供給するＨＶ電源から引き出される電流に小さなスパイクを生じさせる。これらの電圧の段差２２０は図１の「ハードスイッチング」回路１００を用いた場合に生じる電圧の段差に比べればずっと小さいが、それでもその段差が第１及び第２の電圧レールへの第１及び第２の電圧（＋ＨＶ、−ＨＶ）の供給に用いられるＨＶ電源にとってかなりの妨害要因となることが分かった。同様のスパイクは第２の出力状態から第１の出力状態への遷移に対しても生じる。
【００７６】
即ち、図２の「エネルギー回収」回路２００はＨＶ電源から引き出される電流の低減に役立つ一方、それでもなお、第１及び第２の電圧レールを第１及び第２の電圧に維持するために用いられるＨＶ電源から少ないものの有意な量の電流が引き出され、該ＨＶ電源から供給される第１及び第２の電圧を不安定にすることが分かった。
【００７７】
以下で検討する各例では、特許文献１で提案された「エネルギー回収」回路と比較して本発明者らが「プリチャージ」と呼ぶ変更を行うことで、第１及び第２の電圧レールへの第１及び第２の電圧（＋ＨＶ、−ＨＶ）の供給に用いられるＨＶ電源から引き出される電流を更に低減する「プリチャージエネルギー回収」回路を提供する。
【００７８】
即ち、以下で検討する「プリチャージエネルギー回収」回路は図２の「エネルギー回収」回路２００の不足部分に取り組む上で役立つ。理論的には、以下で検討する「プリチャージエネルギー回収」回路はＨＶ電源から引き出される電流をゼロまで減らすことができるが、実際にはシステム内に非常に小さな損失がまだあるため、ＨＶ電源から微量の電流が引き出される。
【００７９】
それでも、以下で検討する「プリチャージエネルギー回収」回路では、図１の「ハードスイッチング」回路１００に比べてＨＶ電源から引き出される電流が約７５０分の１に減少し、また図２の「エネルギー回収」回路２００に比べて約３７分の１に減少することが分かった。よって、以下で検討する「プリチャージエネルギー回収」回路は、極性を切り換える用途、特に、例えば質量分析のように安定した第１及び第２の電圧が望まれる用途に一層好適に利用できる。
【００８０】
図４の「プリチャージエネルギー回収」回路３００を見ると、この回路は、第１の高圧電源（図示せず）により第１の電圧（＋ＨＶ）に維持される第１の電圧レールであって、第１の電圧レールスイッチ３０２を介して出力ノード３０５に接続された第１の電圧レールと、第２の高圧電源（図示せず）により第２の電圧（−ＨＶ）に維持される第２の電圧レールであって、第２の電圧レールスイッチ３０４を介して出力ノード３０５に接続された第２の電圧レールとを備えている。
【００８１】
図４の回路３００はまた、第１のアンカー電圧源（図示せず）により第１のアンカー電圧（ＡＶ１）に維持された第１のアンカーノード３０７ａと、第２のアンカー電圧源（図示せず）により第２のアンカー電圧（ＡＶ２）に維持された第２のアンカーノード３０７ｂとを備えている。第１のアンカーノード３０７ａは第１のアンカーノードスイッチ３０８ａ及びインダクタ３１０を介して出力ノード３０５に接続されている。第２のアンカーノード３０７ｂは第２のアンカーノードスイッチ３０８ｂ及びインダクタ３１０を介して出力ノード３０５に接続されている。
【００８２】
回路３００は、第１の電圧レールスイッチ３０２が閉じられ且つ第２の電圧レールスイッチ３０４が開かれていることで出力ノード３０５が第１の電圧（＋ＨＶ）に保持される第１の電圧出力状態と、第２の電圧レールスイッチ３０４が閉じられ且つ第１の電圧レールスイッチ３０２が開かれていることで出力ノード３０５が第２の電圧（−ＨＶ）に保持される第２の電圧出力状態との間で切り換え可能である。
【００８３】
大まかに言えば、ここで提案される「プリチャージエネルギー回収」回路はインダクタ３１０又は４１０に微小な交番バイアスを加えることで作動する。
【００８４】
図４の回路３００の場合、これは、第１及び第２のアンカーノードスイッチ３０８ａ及び３０８ｂの追加、並びに、例えば第１及び第２のアンカー電圧源により第１及び第２のアンカー電圧（ＡＶ１、ＡＶ２）に維持される第１及び第２のアンカーノード３０７ａ及び３０７ｂの追加により達成されている。
【００８５】
図４の右側のスイッチングシーケンスに示したように、図４の回路３００は（例えば適切に構成／シーケンス設定が行われた図示せぬ制御ユニットによる制御の下で）以下のように第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態へ切り換えられる。まず、第１の電圧レールスイッチ３０２を開くとともに、第１のアンカー電圧（ＡＶ１）に維持された第１のアンカーノード３０７ａに出力ノード３０５をインダクタ３１０を介して接続している第１のアンカーノードスイッチ３０８ａを閉じる。これにより、インダクタ３１０と負荷容量３０６の間に共振回路が確立され、出力ノード３０５における電圧が第２の電圧（−ＨＶ）に向けて振れる。その後、第１のアンカーノードスイッチ３０８ａを開くとともに第２の電圧レールスイッチ３０４を閉じる。
【００８６】
同じく図４の右側のスイッチングシーケンスに示したように、図４の回路３００は（例えば適切に構成／シーケンス設定が行われた図示せぬ制御ユニットによる制御の下で）以下のように第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態へ切り換えられる。まず、第２の電圧レールスイッチ３０４を開くとともに、第２のアンカー電圧（ＡＶ２）に維持された第２のアンカーノード３０７ｂに出力ノード３０５をインダクタ３１０を介して接続している第２のアンカーノードスイッチ３０８ｂを閉じる。これにより、インダクタ３１０と負荷容量３０６の間に共振回路が確立され、出力ノード３０５における電圧が第１の電圧（＋ＨＶ）に向けて振れる。その後、第２のアンカーノードスイッチ３０８ｂを開くとともに第１の電圧レールスイッチ３０２を閉じる。
【００８７】
第１及び第２のアンカー電圧（ＡＶ１、ＡＶ２）は第１及び第２の電圧（＋ＨＶ、−ＨＶ）の間にあるように選択されており、第１のアンカー電圧（ＡＶ１）は第１の電圧（＋ＨＶ）よりも第２の電圧（−ＨＶ）に近く、第２のアンカー電圧（ＡＶ２）は第２の電圧（−ＨＶ）よりも第１の電圧（＋ＨＶ）に近い。
【００８８】
故にこの例では、第１のアンカー電圧（ＡＶ１）を負の電圧源により供給することができ、第２のアンカー電圧（ＡＶ２）を正の電圧源により供給することができる。
【００８９】
従って、第１の電圧出力状態から第２の電圧出力状態への回路の切り換え中（上記参照）、確立された共振回路には負のバイアス（ＡＶ１）が印加されるため、出力ノード３０５（従って負荷容量３０６）における電圧が図２の回路２００に関連して説明した場合よりも大きく負の方向に振れることになる。
【００９０】
同様に、第２の電圧出力状態から第１の電圧出力状態への回路の切り換え中（上記参照）、確立された共振回路には正のバイアス（ＡＶ２）が印加されるため、出力ノード３０５（従って負荷容量３０６）における電圧が図２の回路２００に関連して説明した場合よりも大きく正の方向に振れることになる。
【００９１】
ＡＶ１及びＡＶ２の振幅はいずれも、図４の出力ノード３０５における電圧が、正確に−ＨＶ（又はできるだけその近く）において（ＡＶ１の場合）、及び正確に＋ＨＶ（又はできるだけその近く）において（ＡＶ２の場合）、確立された共振回路により生じる電圧の振れにおいてピークに達するように、すなわち、図２及び３に見られる電圧の段差２２０がほぼ無くなるように、調節されることが好ましい。
【００９２】
図２の回路２００と同様、図４の負荷容量３０６における電圧を「いっぱいに満たす」ためにやはり電流が必要であるが、本回路ではこの電流が第１及び第２のアンカー電圧（ＡＶ１、ＡＶ２）を供給するために用いられている電源から来る。第１及び第２のアンカー電圧は第１及び第２の電圧レールに第１及び第２の電圧（＋ＨＶ、−ＨＶ）を供給するために用いられているＨＶ電源とは別の電源から供給されているため、ＨＶ電源から引き出される電流はゼロ付近まで低下するということに注意されたい。その結果、ＨＶ電源に対する妨害が軽微になり、負荷容量３０６における電圧の整定時間がはるかに短くなる。ＨＶ電源に対する妨害が軽減されるだけでなく、図４及び図５から分かるように、出力電圧波形の推移もより滑らかになる。
【００９３】
上述の「エネルギー回収」回路及び「プリチャージエネルギー回収」回路の背後にある考え方を理解する有用な助けとしてブランコが機械的な類似物となるであろう。ブランコを後ろに引いて放すとブランコは前後に揺れるが、空気抵抗や軸受摩擦に起因する損失により揺れの度に高さが低くなる。運動の最高点に達する度にブランコをこぐことにより揺れの最大振幅を維持することができる。これが図２の「エネルギー回収」回路２００に相当する。いま、ブランコをこぐ代わりに、別の人が最高点でブランコを押してちょうど同じ高さに達するようにすれば、もうそれをこぐ必要はなく、押すだけでブランコが振動を維持する。ここで、こぐ動作をＨＶ電源からのエネルギー、押す動作をＡＶ１及びＡＶ２の供給電源からのエネルギーと考えれば、入力エネルギーが単にＨＶ電源からＡＶ１及びＡＶ２の供給電源に変わったに過ぎないことが分かる。
【００９４】
当業者であれば分かるように、他にも様々な「プリチャージエネルギー回収」回路を想像することが可能である。その１つを図６に示す。これらの図面において、対応する特徴部分には対応する参照符号が付されており、それらの動作は以下に特に断りのない限り図４の「プリチャージエネルギー回収」回路３００の場合と同じである。
【００９５】
図６に示した別の「プリチャージエネルギー回収」回路４００では、アンカーノード４０８ａ及び４０８ｂへの電圧ストレスを軽減するために双方向スイッチ４０８ｃが追加されており、この双方向スイッチが確立された共振回路からの高電圧の大部分を扱う。
【００９６】
使用中、スイッチ４０８ａ及び４０８ｂは図４の回路３００を参照して説明したとおりに操作すればよい。その際、双方向スイッチ４０８ｃは、第１のアンカーノード４０８ａ又は第２のアンカーノードスイッチ４０８ｂが閉じた直後に閉じ、第１のアンカーノード４０８ａ又は第２のアンカーノードスイッチ４０８ｂが開く直前に開く。このように、双方向スイッチ４０８ｃは第１のアンカーノード４０８ａ又は第２のアンカーノードスイッチ４０８ｂが開く前に必ず開いた状態になり、第１のアンカーノード４０８ａ又は第２のアンカーノードスイッチ４０８ｂが閉じるまで開いたままである。それ故、双方向スイッチ４０８ｃは確立された共振回路からの全電圧を受け取る。これにはゲート駆動回路部品が最小限ですむという利点がある。
【００９７】
ＳＲＬ（シマヅ  リサーチ  ラボラトリー）で試験を行ったところ、図２の「エネルギー回収」回路２００では図１の「ハードスイッチング」回路１００に比べてＨＶ電源から引き出される電流が約２０分の１に減少し、図４の「プリチャージエネルギー回収」回路３００では図１の「ハードスイッチング」回路１００に比べてＨＶ電源から引き出される電流が約７５０分の１に減少した。
【００９８】
図７と図８を比較すると、図１の「ハードスイッチング」回路１００を用いた場合（図７）に比べて、図４の「プリチャージエネルギー回収」回路３００を用いた場合（図８）の方が出力電圧５０１、６０１（点線）及びＨＶ電源５０２、６０２から引き出される電流５０２、６０２（実線）が改善していることが分かる。
【００９９】
ＨＶ電源から引き出される電流の低減に関して上記「プリチャージエネルギー回収」回路の使用により得られる改善は一般に負荷容量の大きさに比例する。言い換えると、負荷容量が大きいほど得られる利益が大きい。
【０１００】
上記「プリチャージエネルギー回収」回路は、電圧間で負荷容量を切り換える際にその電圧を供給する電源への影響を最小限に抑えつつ負荷容量を素早く充放電する必要があるようなあらゆる用途に利用できる。
【０１０１】
上記「プリチャージエネルギー回収」回路は負荷容量を駆動するための極性切り換え電源に用いることが特に好適であり、その目的で今日利用されているハードスイッチングを用いたより大型の電源よりかなり優れていると考えられる。
【０１０２】
なお、以下に述べるように既存の極性切り換え回路を改良して本願に記載の「プリチャージエネルギー回収」回路にすることもできる。この場合、図４の右側に示すように単一の「極性」信号が存在するだろうと想定してよい。そうすれば、その１つの信号から他のスイッチ命令を全て導出することは簡単なことである。例えば、極性信号の立ち下がりエッジにおいてスイッチ３０２を開き、同時に、負荷容量３０６とインダクタ３１０の値で決まる一定の時間だけスイッチ３０８ａを閉じる。スイッチ３０８ａが開いたら、スイッチ３０４を閉じて、極性信号が変化してＰＯＳに戻るまでその閉じた状態を保つ。極性信号がＰＯＳに戻ったら、このサイクルで先にスイッチ３０８ａを閉じた時間と同じ時間だけスイッチ３０８ｂを閉じる。その後、極性信号上の立ち下がりエッジのサイクルを再開する。
【０１０３】
本願に開示された回路のいずれかにより生成される電圧波形は高周波（ＲＦ）又は交流（ＡＣ）波形の供給に用いることが可能であり、例えば質量分析を行うための装置等、荷電粒子処理用の装置で利用することができる。生成される電圧波形は概して矩形状と呼んでよいが、その切り換わりエッジは正弦波状つまり共振波状である。波形の周波数及び振幅は、電圧レールに接続された電源を制御ユニット（図示せず）で制御することにより簡単に制御することができる。制御ユニットはデジタル制御回路系を含むものとすることができる。
【０１０４】
上記の各回路は、例えば出願人による先願である特許文献１で検討したような、質量分析を行うための装置で用いることが特に好適である。
【０１０５】
本明細書及び特許請求の範囲で用いられる場合、「備える」及び「含む」という言葉並びにそれらの変化形は、特定の特徴、手順又は整数が含まれることを意味する。これらの言葉は、他の特徴、手順又は整数が存在する可能性を排除するものと解釈されるべきではない。
【０１０６】
ここまでの記述又は後の特許請求の範囲又は添付の図面に開示され、その特定の形態において又は記載された機能を実行するための手段若しくは記載された結果を得るための方法若しくは工程という観点から表現された、諸特徴は、必要に応じて、本発明をその様々な形態で実現するために、別々に又は任意に組み合わせて利用することができる。
【０１０７】
ここまで上記の模範的な実施例と結びつけて本発明を説明してきたが、本願の開示があれば、当業者には数多くの同等の修正や変形が容易に分かるであろう。従って、上述した本発明の模範的な実施例は例証的なものあって制限的なものではないとみなされるものである。上述の実施例には本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。
【０１０８】
疑いを避けるために述べておくが、本明細書で行われた理論的な説明はいずれも読者の理解を深めることを目的としたものである。本発明者らはこれらの理論的な説明のいずれによっても束縛されることを望まない。
【０１０９】
ここまでに言及した参考文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
0006455608.tif 000002
【図２】
0006455608.tif 000003
【図３】
0006455608.tif 000004
【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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