(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧が印加される筒状に巻いたアルミ箔，金属箔その他の導体箔からなる一次側単巻コイル部と、該一次側単巻コイル部の内側に筒状に一定回数巻かれたエナメル線，銅線その他の導線からなる二次側コイル部とからなり、前記一次側単巻コイル部と前記二次側コイル部との間に、紙，プラスチック，塩化ビニールその他の絶縁材料からなる絶縁層が巻付挿入され、前記一次側巻コイル部の軸方向の長さは、前記二次側コイル部の軸方向の長さより長く、且つ該二次コイル部を覆う構造を備えたことを特徴とするパルス生成装置に用いる筒状トランス装置。
【請求項２】
請求項１記載において、前記一次側単巻コイル部１の巻き始めと巻き終わりの位置に、入力電圧を印加するための入力端を設けたことを特徴とするパルス生成装置に用いる筒状トランス装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載において、前記二次側コイル部の内側を中空としたことを特徴とするパルス生成装置に用いる筒状トランス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧且つ短幅のパルス電圧を、簡易な構成で，且つ確実に発生できる筒状トランス装置に関し、例えば、そのパルス幅がマイクロ秒オーダー以下の極めて短いパルス電圧を発生するのに良好に適用できるパルス生成装置に用いる筒状トランス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力機器の開閉操作および民生機器に用いられているスイッチング素子（IGBT，GTO等）の動作によって生ずる過渡的過電圧パルスが、情報機器の誤動作や絶縁材料の劣化特性に大きな影響を及ぼすことが知られている。この過渡的過電圧パルスは、一般に減衰振動波としての特徴を有する。
【０００３】
前記過渡的過電圧パルス波の発生が電子機器に与える影響を解析するためには、開閉装置，パワーエレクトロニクス等のスイッチング動作時に生じる過渡的過電圧が絶縁材料に与える影響を調査する必要がある。そのため、特にスイッチング素子の動作によって生じるパルス波に近似するような、立ち上がりが急峻で，高電圧，且つマイクロ秒オーダー以下の短幅パルス波を擬似的に発生させることが要求されている。
【０００４】
ここで、特開平９−１４８８９５号公報は、光短パルス程度のパルス幅の短電気パルスを得ることができる短電気パルス発生装置を開示する。この短電気パルス発生装置は、光パルスを電気パルスに変換することで１０ピコ秒オーダーの電気パルスを発生するが、その電圧は前記過渡的過電圧には到底及ばず、誘導妨害の解析には使用できない。また、電気パルス発生手段，半導体レーザー（例えばＶＣＳＥＬ等），光学素子等を備えることが必要であるため、部品点数が多く複雑な構成となり、装置自体のコストも高いと考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来のパルス発生装置等においては、半導体素子を利用したものは存在していたが、かかる半導体素子の耐圧能力等には限界があった。特に、スイッチング素子の動作等によって生じる過渡的過電圧パルス波に近似するような、高電圧且つ短幅のパルス波を、半導体素子を用いずに生成することができなかった。とりわけ、パルス波の幅を短くすると出力電圧を高くできないというトレードオフ的問題もあった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者は鋭意研究を重ねた結果、その発明を、入力電圧が印加される筒状に一度だけ巻いたアルミ箔，金属箔その他の導体箔からなる一次側単巻コイル部と、該一次側単巻コイル部の内側にて一定回数巻かれたエナメル線，銅線その他の導線からなる二次側コイル部とからなるパルス生成装置に用いる筒状トランス装置等とすることで、コスト高の原因となる半導体や光学素子及び高価な部品を用いることなく、一次コイルと，二次コイルと，これらを絶縁させるための絶縁層とからなる極めて簡易な構成で、高電圧且つ短幅のパルス電圧を、簡易な構成で，且つ確実に発生でき、特に、そのパルス幅がマイクロ秒オーダー以下の極めて短いパルス電圧を発生するのに良好に適用でき、上記課題を解決したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の一形態を説明する。図１は、本発明の筒状トランス装置Ａの構成を示す概略図である。従来のパルス変成器は、一次側に単一巻線が使用されている。しかし、本発明の筒状トランス装置Ａでは、一次側コイルとして円筒状に巻かれた単巻コイルを適用し、特に本明細書では一次側単巻コイル部１と称する〔図１（Ａ）参照〕。
【０００８】
前記一次側単巻コイル部１は、本実施形態においては、厚さ0.05mmの軟質アルミ箔を用いた。しかしながら、かかるアルミ箔には限定されず、例えば、金箔，銀箔，錫箔，銅箔，金属箔その他の導電性を有する導体箔であれば本発明に好適に適用できる。
【０００９】
また、本発明の筒状トランス装置Ａは、二次側のコイルとして、導線を筒状に巻いたコイルを適用し、特に本明細書では二次側コイル部３と称する〔図１（Ｃ）参照〕。本実施形態では、前記二次側コイル部３は円筒形状にて形成する。また、本明細書において、「筒状」とは、円筒，扁平円筒，多角柱等を含む概念とする。
【００１０】
前記二次側コイル部３は、本実施形態においては、導線３ａとしてのエナメル線（2PEW-0.20）を円筒形状の紙製の筒４に、二次側ソレノイドコイルとして一定数Ｎ回だけ巻きつけたものである。その導線３ａは、エナメル線以外にも、銅線，鉄線，鋼線その他の導体からなる線材とすることができ、エナメル，ゴムその他の被覆の有無は問わない。
【００１１】
前記筒４は、単に前記二次側コイル部３を筒状に巻くために便宜的に用いられるものであり、本発明の筒状トランス装置Ａの実施に際しては特に必要のないもので、実施時には前記二次側コイル部３内部から抜き出すことがある。この筒４を用いなくとも、機械で前記二次側コイル部３を筒状に巻いてもよい。即ち、前記二次側コイル部３の内側（内部）は、中空とすることが望ましい。
【００１２】
ここで、本明細書における「中空」とは、内部が空になっている状態をいう。但し、空気等で満たされることは差し支えない。また、前記二次側コイル部３内部に筒４を挿入したまま実施する場合は、その筒４を、例えば紙，ダンボール，プラスチック，塩化ビニール等の絶縁性材質にて形成することが好ましい。このようにすると、本発明の筒状トランス装置Ａに電気的・電磁的影響を与えることがなく、更に、筒状トランス装置Ａの強度を補強することもできるからである。
【００１３】
次に、前記一次側単巻コイル部１と、前記二次側コイル部３との配置関係について説明する。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した筒状トランス装置ＡのＸ−Ｘ矢視断面図である。最も内側の円筒形状の筒４の円周に則して、前記導線３を一定幅にて規則正しく巻きつけ、前記二次側コイル部３が形成される。該二次側コイル部３の端部３ｂ，３ｂは、接続用端子として使用する。
【００１４】
そして、前記二次側コイル部３の円周に則して、アルミ箔とした前記一次側単巻コイル部１を巻きつける。但し、本実施形態では、絶縁層２として、前記一次側単巻コイル部１の軸方向の幅と略等しい幅で、厚さ約0.05mmの紙を巻付挿入した。これにより、前記一次側単巻コイル部１と前記二次側コイル部３との不用意な短絡、熱の相互伝導等を確実に防止することができる。
【００１５】
ここで、本実施形態では、前記筒４と前記一次側単巻コイル部１との電磁結合を密にするため、特にメンディングテープ（幅12mm）等の接着材を用いて前記一次側単巻コイル部１を表面から内方に向かって押圧固定することがある。このときの入力端１ａの長さは、約20mmとした〔図２（Ａ）参照〕。
【００１６】
また、本実施形態においては、前記一次側単巻コイル部１の軸方向の幅を、前記二次側コイル部３の軸方向の幅よりも若干長くした構造とした〔図２（Ｂ）参照〕。具体的には、前記一次側単巻コイル部１の軸方向の長さを約3mm、前記二次側コイル部１の軸方向の長さよりも長くした。これにより、前記一次側単巻コイル部１と前記二次側コイル部３との端部で端効果を生じさせることがない。ここで、図２（Ｂ）では、便宜上、各要素が一定の間隔を有して巻きつけられているように示したが、実施の際には、それぞれの要素が相互に密着するように巻き付けてもよい。
【００１７】
本実施形態では、前記二次側コイル部３の両端から引き出される端部３ｂ，３ｂに、信号測定器としてディジタイジングシグナルアナライザ（DSA 2GS/S）を、高電圧プローブ（１０００倍、１００ＭΩ）を介して接続し、出力されるパルス電圧を測定する構成とした〔図２（Ａ）参照〕。
【００１８】
次に、図３は、本発明の第２の実施形態に係る構成の概略図である。即ち、第１の実施形態における筒状トランス装置Ａを複数個、同一軸上に直列的に配列したものである。電気的には、１番目の筒状トランス装置Ａ1の端部３ｂの一端を、隣接配置される２番目の筒状トランス装置Ａ2の端部３ｂの一端と直列接続する。以下同様に、２番目の筒状トランス装置Ａ2の端部３ｂの一端を、３番目の筒状トランス装置Ａ3の端部３ｂの一端と接続し、……（ｎ−１）番目の筒状トランス装置Ａn-1の端部３ｂの一端と、ｎ番目の筒状トランス装置Ａnの端部３ｂの一端とを接続する。本実施形態では、１０個の筒状トランス装置Ａ1，Ａ2，…Ａ１０を同一軸上に直列接続した。
【００１９】
各筒状トランス装置Ａ1，Ａ2…の間隔Ｄ（例えば、前記１次側単巻コイル部１，１の端と端の間隔）は、筒状トランス装置Ａ1，Ａ2，…のそれぞれが良好に電磁結合できるよう、数ｃｍ程度としたが、これに限定されない。
【００２０】
入力電源Ｖは、単一（同一）の直流電源から並列的に各筒状トランス装置Ａ1，Ａ2，…に入力電圧が供給される構成としたが（図３参照）、各筒状トランス装置Ａ1，Ａ2…に個別的に供給されるよう、筒状トランス装置Ａの台数だけ用意してもよい。
【００２１】
スイッチＳは、前記入力電源Ｖから入力される電圧を筒状トランス装置Ａ（又は各筒状トランス装置Ａ1，Ａ2，…）に供給するための開閉装置であり、本実施形態では市販の埋込押ボタンを適用したが、これに限定されず、入力電圧値に耐えうるスイッチ類であればいかなるものでも適用できる。
【００２２】
図１０は、上述の第２の実施形態の変形例に係る接続構成図で、前記入力電源Ｖから供給される電圧を直列にて提供する実施形態である。このようにすることで、図３に開示した並列接続の構成に比べて更に大電流を入力させることができる。
【００２３】
次に、図４は、本発明の第３の実施形態に係る構成の概略図である。第１の実施形態との相違点は、前記二次側コイル部３の端部３ｂ，３ｂに電極部６を接続したことである。
【００２４】
その電極部６は、２本のガス針５，５を、その先端が微小距離だけおいてプレパラート上で同一直線上に配列されるように顕微鏡等を用いて配置し、市販の瞬間接着剤で固定し、且つ、アクリル製容器等の密閉容器内に封じ込めたもので、その密閉容器内には純空気が一定量十分に流入される。出力電圧の測定は、その純空気を流しつづけた状態で行った。前記ガス針５，５の先端間距離ｄは、約１０マイクロメートル乃至１００マイクロメートルが好ましいが、これに限定されない。前記ガス針５，５の先端間では、絶縁破壊による放電が行われる。
【００２５】
次に、図５は、本発明の第４の実施形態に係る構成の概略図である。本実施形態は、第２の実施形態との関係において、前記二次側コイル部３の端部３ｂ，３ｂに前記電極部６を接続した点で異なる。
【００２６】
図１１は、上述の第４の実施形態の変形例に係る接続構成図で、前記入力電源Ｖから供給される電圧を直列にて提供する実施形態である。このようにすることで、図５に開示した並列接続の構成に比べて更に大電流を入力させることができる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の筒状トランス装置Ａの第１の実施例として、出力されたパルス電圧を測定した結果について説明する。まず、前記二次側コイル部３について、コイル内径（直径）φを５種類（10mm，30mm，50mm，70mm，100mm）とし、巻数Ｎを６種類（50回，100回，150回，200回，250回，300回）とし、巻線はエナメル線（2PEW-0.20）を使用した。この条件による入出力特性を、図２（Ａ）に示す第１実施形態の回路構成で測定した。
【００２８】
また、入力電源Ｐとして市販の可変直流低電圧・定電流電源（0-110V,0-60A）を使用し、入力電圧Vin（20,40,60,80,100V）に対する出力電圧Voutの最大値を各１０回測定した。スイッチＳは、市販の埋込押しボタン（10A,300V,AC）で手動で操作した。
【００２９】
図６は、前記二次側コイル部３のコイル内径φ毎の、巻数Ｎと出力電圧Voutとの特性グラフである。入力電圧Vinは直流１００V一定である。この図から明らかなように、巻数Ｎが一定なら、内径φが増加するにつれて出力電圧Voutも増大する特性を有することが判る。また内径φが十分小さいと、出力電圧Voutが入力電圧Vinより低くなる特性を有する。
【００３０】
次に、図７は、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの関係を示す特性グラフである。この特性は、本発明の筒状トランス装置Aの二次側コイル部３の巻数Ｎを１００回、コイル内径φを10,30,50,70,100mmとし、このような筒状トランス装置Ａを図１０に示す第２実施形態の変形例のように１０個直列に接続したときの、直列接続による入力電圧Vin（20,40,60,80,100V）に対する出力電圧Voutの平均値を示す。この特性から、入力電圧Vinが増加すると共に出力電圧Voutも増大することがわかる。特に、コイル内径φが大きくなるにつれ、グラフの勾配は大きくなるので、電圧増幅率がコイル内径φに比例することがわかる。
【００３１】
次に、図８は、図４に示した第３の実施形態に基づく前記電極部６における絶縁破壊特性グラフであり、絶縁破壊電圧Ｖｂ（ボルト）と電極間距離ｄ（マイクロメートル）との関係を示す。前記二次側コイル部３の内径φを100mm、入力電圧Vinを交流100V一定とした。この図における値は絶縁破壊電圧の１０回の平均値である。この特性から、電極間距離ｄが増大するに連れて、絶縁破壊電圧Ｖｂも上昇していることがわかる。またインパルス比（インパルス電圧／交流電圧）は約1.99〜3.3となった。
【００３２】
ここでの前記電極部６における電極５，５は、ガス針２号（針の直径0.76mm，長さ54.5mm）を使用し、プレパラート上に２本の針が直線状態になるように顕微鏡（構成目盛0-1000マイクロメートル）を用いて配置し、固定は市販の瞬間接着剤で行った。これを、アクリル製容器（155mm×105mm×50mm）に入れ、純空気を流量500cc／分で容器の体積以上に十分に流入してから流しつづけた状態で測定を行った。また、前記電極間距離（ギャップ長）ｄは10〜100マイクロメートルとした。これにより、出力電圧は、入力電圧が20〜100ボルトの範囲内において、約４ボルト〜2.8キロボルトとなり、半値幅約２０ナノ秒〜２５マイクロ秒のパルス波（急峻波）であることが判明した。
【００３３】
図９は、図２に示した本発明の第１の実施形態において、前記二次側コイル部３の内径φを１０ミリメートル，コイル巻数をＮ回，入力直流電圧Vinを２０ボルトとしたときの、前記二次側コイル部３の単部３ｂ，３ｂに現れる出力電圧を示す測定グラフである。これにより、パルス波の幅が約24.21ナノ秒という、極めて短い幅のパルス波出力を得ることができた。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１の発明では、スイッチング素子の動作等によって生じる過渡的過電圧パルス波に近似するような、高電圧且つ短幅のパルス波を、半導体素子を用いずに生成することができ、特に、パルス波の幅を短くしても出力電圧を高く維持することができ、前記課題を解決したものである。
【００３５】
具体的には、筒状に一度だけ巻いたアルミ箔，金属箔その他の導体箔からなる一次側単巻コイル部１と、該一次側単巻コイル部１の内側にて筒状に一定回数巻かれたエナメル線，銅線その他の導線からなる二次側コイル部３とからなる、いわば２重構造の筒状コイルからなる極めて簡易な構成とするだけで、一次側のコイルから入力される電圧の数倍乃至数十倍のパルス電圧の出力を得ることができる。しかも、かかる出力パルス電圧の幅は、少なくともマイクロ秒オーダーであり、上記実施例からもわかるように、２０ナノ秒前後という極めて短いものである。本発明は、このような短幅パルス電圧を、半導体素子，光学素子等の高額素子を一切用いることなく確実に発生させることができるという、極めて優れた効果を有する。
【００３６】
更にその結果、過渡的過電圧パルス波の発生が電子機器に与える影響を解析するために、開閉装置，パワーエレクトロニクス等のスイッチング動作時に生じる過渡的過電圧が絶縁材料に与える影響を調査することも可能になるという極めて優れた利点も有する。また、前記一次側単巻コイル部１の軸方向の長さを、前記二次側コイル部１の軸方向の長さよりも長くしたことにより、前記一次側単巻コイル部１と前記二次側コイル部３との端部で端効果を生じさせることがない。
【００３７】
さらに、本発明では、前記一次側単巻コイル部１と前記二次側コイル部３との間に、紙，プラスチック，塩化ビニールその他の絶縁材料からなる絶縁層２を巻付挿入した筒状パルス生成装置としたことにより、請求項１の発明による極めて優れた効果及び利点に加え、前記一次側単巻コイル部１と前記二次側コイル部３とを、絶縁層２によって良好に絶縁することができるので、エナメル等の皮膜の破れ等がコイルに存在しても、短絡することがないので、本発明のように高電圧を出力するような装置であっても、安全に使用することができるという極めて優れた利点がある。
【００３８】
次に，請求項２の発明では、請求項１記載において、前記一次側単巻コイル部１の巻き始めと巻き終わり位置に、入力電圧を印加するための入力端１ａ，１ａを設けた筒状パルス生成装置としたことにより、入力電圧を前記一次側単巻コイル部１に印加する場合に比べて、入力電圧を容易且つ確実に前記一次側単巻コイル部１に印加することができる。その結果、請求項１，２，３又は４の発明による極めて優れた効果及び利点に加え、ひいては本発明の筒状パルス生成装置を安全に使用できるという極めて優れた利点を有する。
【００３９】
次に、請求項３の発明では、請求項１又は２記載において、前記二次側コイル部３の内側を中空とした筒状パルス生成装置としたことにより、本発明の筒状パルス装置を筒状（又は円筒状）に形成する際に用いる筒４を使用することなく、中空としたことで、その分の重量を減量することができるので、請求項１又は２の発明による極めて優れた効果及び利点に加え、本発明の筒状パルス生成装置をより軽量にすることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）は本発明の第１実施形態の構成の一例を示す概略図
（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図
（Ｃ）は（Ａ）から最表面の一次側単巻コイル部を除去したときの構成の一例を示す概略図
【図２】  （Ａ）は本発明の第１実施形態における出力パルス電圧の測定方法の一例を示す概略図
（Ｂ）は、本発明の第１実施形態において、最表面部の一次側単巻コイル部とその内側にある二次側コイル部との端部の関係を示す概略図
【図３】  本発明の第２実施形態の構成の一例を示す概略図
【図４】  本発明の第３実施形態の構成の一例を示す概略図
【図５】  本発明の第４実施形態の構成の一例を示す概略図
【図６】  二次側コイル部のコイル内径毎の、巻数と出力電圧との特性グラフ
【図７】  入力電圧と出力電圧との関係を示す特性グラフ
【図８】  本発明の第３の実施形態に基づく前記電極部における絶縁破壊特性グラフ
【図９】  本発明の第１の実施形態における出力電圧を示す測定グラフ
【図１０】  本発明の第２の実施形態の変形例に係る接続構成図
【図１１】  本発明の第４の実施形態の変形例に係る接続構成図
【符号の説明】
１…一次側単巻コイル部、１ａ…入力端、２…絶縁層、３…二次側コイル部。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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