(57)【要約】 【課題】  負荷への直流高電圧のリップルを低減する。【解決手段】  スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂ、発振器２、一次側に交流電流が流れ、その二次側に高周波電圧を誘起するトランス４ａ，４ｂ、各トランスからの高周波電圧を昇圧・整流する二つのカラムを有し、バランス抵抗Ｒａ，Ｒｂの中間点から直流高電圧を得、トランス４ａ，４ｂの中間に抵抗器１４を設け、その抵抗配分を調整することにより、一方のカラム側の電圧と他方のカラム側の電圧を調整できるように成したバランス型コッククロフト・ウォルトン回路、トランス１２とトランス１２からの交流電圧を整流する整流回路１３を有する電力転送回路７を備え、トランス１２の一次側に発振器２からの信号に基づいた交流電圧を発生させる様に成し、発振器２からスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂに供給される信号と、発振器２からトランス１２に供給される信号の位相をずらせる様に成している。【選択図】 図２
2007236099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つのスイッチング素子、該各スイッチング素子のスイッチングによってその一次側に交流電流が流れることにより、その二次側に高周波電圧を誘起する二つのトランス、該各トランスからの高周波電圧を二つの昇圧・整流カラムでそれぞれ昇圧及び整流し、各カラムの最終段に設けられたバランス抵抗の中間点から直流高電圧を得る様に成すと共に、前記二つのトランスの中間に抵抗器を設け、該抵抗器の抵抗配分を調整することにより、一方のカラム側の電圧と他方のカラム側の電圧を調整できるように成したバランス型コッククロフト・ウォルトン回路、及び、トランスと該トランスの二次側に発生した交流電圧を整流する整流回路を備えた電力転送回路を備え、前記電力転送回路からの直流電圧を前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路からの直流高電圧に乗せた直流高電圧を負荷に供給する様に成した直流高電圧発生装置において、前記電力転送回路のリップルの振幅に対応した振幅のリップルが発生する様に前記抵抗器の抵抗配分を調整すると共に、前記スイッチング素子の駆動信号と前記電力転送回路のトランスの一次側に交流電圧を発生させるための信号とを共通な発振器から発生させる様にし、該発振器から前記スイッチング素子に供給される信号と、前記発振器から前記電力転送回路のトランスに供給される信号の位相をずらせる様に成したことを特徴とする直流高電圧発生装置。
【請求項２】
前記位相のずれは１８０゜である請求項１記載の直流高電圧発生装置。    
【請求項３】
前記発振器からの信号をサイン波に変換して前記電力転送回路のトランスに供給する様に成した請求項１記載の直流高電圧発生装置。
【請求項４】
前記電力転送回路のリップル振幅に対応した振幅のリップルを前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路から発生させるための前記抵抗器の抵抗配分値を前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路の出力電圧値に対応させて記憶させたメモリと、該メモリから前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路の出力電圧値に対応した抵抗配分値を呼び出し、該呼び出した抵抗配分値に基づいて前記抵抗器をコントロールする制御装置を設けた請求項１記載の直流高電圧発生装置。
【請求項５】
前記高周波電圧を誘起するトランスは共振周波数で励振する共振トランスであり、前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路の出力電圧周波数の前記共振周波数からのずれに対応した補正位相値を該出力電圧値に対応させて前記メモリ若しくは別のメモリに記憶させておき、前記制御装置により前記メモリから前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路の出力電圧値に対応した補正位相値を呼び出し、該呼び出した補正位相値に基づいて前記発振器から前記電力転送回路のトランスに供給される信号の位相を補正する様に成した請求項４記載の直流高電圧発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コッククロフト・ウォルトン回路を備えた直流高電圧発生装置装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧電子顕微鏡や、原子をイオン化させ、それを取り出してビームとし、このイオンビームを物質に照射して物質の形や性質を変えようとする様な集束イオンビーム装置等の直流高電圧発生装置の昇圧整流回路としては、高安定が要求されることから、一般的に、コッククロフト・ウォルトン回路（Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ−Ｗａｌｔｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ、略してＣＷＣ）が使用されている。  
図１はコッククロフト・ウォルトン回路を使用した直流高電圧発生装置の概略を示している。
【０００３】
図中１は直流電源で、該電源からの直流電圧は、発振器２から出力されるパルスにより相補的にオンオフするスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂによりスイッチングされる。尚、３は極性反転器（インバータ）である。
【０００４】
該スイッチングにより、共振トランス（自分自身とコッククロフト・ウォルトン回路のインピーダンスで決まる共振周波数で励振するトランス）４ａ，４ｂの一次側に一定周期でその極性が反転する電流、即ち、交流電流が流れ、その為、該トランス４ａ，４ｂの二次側に高周波電圧が誘起される。
【０００５】
該高周波電圧は２組のコンデンサとダイオードのペア（複数段のコンデンサＣ１とダイオードＤ１のペアから成る第１カラムと、複数段のコンデンサＣ２とダイオードＤ２のペアから成る第２カラム）からなるカラムコッククロフト・ウォルトン回路５により昇圧・整流される。尚、前記コッククロフト・ウォルトン回路５はバランス型コッククロフト・ウォルトン回路を成しており、その頂部には、バランス抵抗Ｒａ，Ｒｂが設けられている。
【０００６】
これらのバランス抵抗Ｒａ，Ｒｂの接続中点からの高電圧は、フィルタ抵抗ＲｆとフィルタコンデンサＣｆから成るフィルタ回路６によってそのリップル分が低減される。
【０００７】
７は直流電圧を発生し、該直流電圧を前記フィルタ回路６からの直流高電圧に浮かせた状態の直流高電圧を負荷８に印加する電力転送回路である。該電力転送回路は、直流電源９，発振器１０，スイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄ，極性反転器（インバータ）１１，トランス１２及び整流回路１３から成り、前記直流電源９からの直流電圧が、発振器１０から出力されるパルスにより相補的にオンオフする前記スイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄによりスイッチングされる様に成っており、該スイッチングにより、前記トランス１２の一次側に一定周期でその極性が反転する電流、即ち、交流電流が流れることにより、該トランス１２の二次側に高周波電圧が誘起され、該高周波電圧は整流回路１３により整流される様に成っている。
【０００８】
この様にして生成された直流電圧は前記フィルタ回路６からの直流高電圧に載った状態で負荷８に印加される。
【０００９】
尚、前記直流高電圧発生装置のバランス型コッククロフト・ウォルトン回路においては、一方側（左側）のカラムの頂点部（Ａ点）と他方側（右側）のカラムの頂点部（Ｂ点）の出力リップルは振幅が同じで位相が逆となり、バランス抵抗ＲａとＲｂが同じ抵抗値であれば、Ｒａ都Ｒｂの接続中点でのリップルは相殺される。しかし、設計上同じ抵抗値を持つ様に作製されたバランス抵抗ＲａとＲｂの抵抗値に差がある場合等により、接続中点にリップルが発生する。そこで、図１に示す様に、バランス型コッククロフト・ウォルトン回路５では、前記一方（左）のカラム側のトランス４ａと他方（右）のカラム側のトランス４ｂとの接続中間に抵抗器１４が設けられており、この抵抗器１４の左側と右側の抵抗配分を変えることにより、前記各頂点部の出力リップル振幅を調整し、バランス抵抗の抵抗差を補正出来る様になっている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−０２３９１３号公報
【特許文献２】特開平０９−１９１６４９号公報
【特許文献３】特開平０８−１１６６７３号公報
【特許文献４】特開平０９−１４９６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
さて、前記直流高電圧発生装置において、前記フィルタ回路６の出力部（Ｃ点）に直流高電圧が供給されると、該フィルタ回路６の出力部（Ｃ点）と前記電力転送回路の励振トランス１２との間の浮遊容量１５によるカップリングによって前記電力転送回路７のリップルが前記フィルタ回路６の出力部に載ってしまい、結果として、そのリップルが負荷８に供給すべき直流高電圧に載ってしまい、負荷８への安定した直流高電圧の供給に支障を来す。
【００１２】
本発明はこの様に問題を解決するために成されたもので、新規な直流高電圧発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の直流高電圧発生装置は、二つのスイッチング素子、該各スイッチング素子のスイッチングによってその一次側に交流電流が流れることにより、その二次側に高周波電圧を誘起する二つのトランス、該各トランスからの高周波電圧を二つの昇圧・整流カラムでそれぞれ昇圧及び整流し、各カラムの最終段に設けられたバランス抵抗の中間点から直流高電圧を得る様に成すと共に、前記二つのトランスの中間に抵抗器を設け、該抵抗器の抵抗配分を調整することにより、一方のカラム側の電圧と他方のカラム側の電圧を調整できるように成したバランス型コッククロフト・ウォルトン回路、及び、トランスと該トランスの二次側に発生した交流電圧を整流する整流回路を備えた電力転送回路を備え、前記電力転送回路からの直流電圧を前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路からの直流高電圧に乗せた直流高電圧を負荷に供給する様に成した直流高電圧発生装置において、前記電力転送回路のリップルの振幅に対応した振幅のリップルが発生する様に前記抵抗器の抵抗配分を調整すると共に、前記スイッチング素子の駆動信号と前記電力転送回路のトランスの一次側に交流電圧を発生させるための信号とを共通な発振器から発生させる様にし、該発振器から前記スイッチング素子に供給される信号と、前記発振器から前記電力転送回路のトランスに供給される信号の位相をずらせる様に成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のによれば、電力転送回路のリップルの振幅に対応した振幅のリップルが発生する様に抵抗器の抵抗配分を調整すると共に、コッククロフト・ウォルトン回路へのトランスに入力する信号と電力転送回路のトランスに入力する信号を発生する発振器を共用することにより、コッククロフト・ウォルトン回路のリップルと電力転送回路のリップルの周波数を合わせ、コッククロフト・ウォルトン回路のリップルと電力転送回路のリップルの位相を１８０゜異なる様にしたので、コッククロフト・ウォルトン回路のリップルと電力転送回路のリップルは相殺される。従って、負荷への直流高電圧のリップルが著しく低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図２は本発明に基づく直流高電圧発生装置の１概略例を表したものである。図中、前記図１にて使用された記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。
【００１７】
図２に示す直流高電圧発生装置が図１に示す直流高電圧発生装置と構成上で異なるところは以下の通りである。
【００１８】
図１の直流高電圧発生装置においては、発振器として、コッククロフト・ウォルトン回路用のもの２と電力転送回路７用のもの１０が使用されていたが、図２の直流高電圧発生装置においては、何れかの発振器（図２ではコッククロフト・ウォルトン回路用の発振器２）が共用されている。
【００１９】
又、コッククロフト・ウォルトン回路用スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂと電力転送回路７用のスイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄとの間に位相シフト回路２１が挿入されている。この位相シフト回路２１は発振器２からのパルスの位相を１８０゜シフトする。
【００２０】
この様な構成の直流高電圧発生装置において、直流電源１からの直流電圧は、発振器２から出力されるパルスにより相補的にオンオフするスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂによりスイッチングされる。
【００２１】
該スイッチングにより、トランス４ａ，４ｂの一次側に交流電流が流れることにより、該トランス４ａ，４ｂの二次側に高周波電圧が誘起される。
【００２２】
該高周波電圧はコッククロフト・ウォルトン回路５により昇圧・整流され、バランス抵抗Ｒａ，Ｒｂの中点に直流高電圧が得られる。この直流高電圧に含まれるリップル分は、フィルタ回路６により低減されるので、リップル分が低減された直流高電圧がフィルタ回路６の出力部に得られる。
【００２３】
一方、電力転送回路７においては、前記発振器２からのパルスが位相シフト回路２１によって位相を１８０゜シフトされてスイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄに供給され、直流電源９からの直流電圧は、該スイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄによりスイッチングされる。
【００２４】
該スイッチングにより、トランス１２の一次側に交流電流が流れ、該トランス１２の二次側に高周波電圧が誘起される。そして、この高周波電圧は整流回路１３により整流される。
【００２５】
この際、前記発振器２は、コッククロフト・ウォルトン回路用のスイッチング素子駆動用のパルスを発生する発振器として、及び、値電力転送回路７のスイッチング素子駆動用のパルスを発生する発振器として共用されているので、コッククロフト・ウォルトン回路の出力に含まれるリップルの周波数と前記電力転送回路７のリップルの周波数は一致する。
【００２６】
又、前記発振器２から前記電力転送回路７のスイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄに供給されるパルスは、コッククロフト・ウォルトン回路用のスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂに供給されるパルスに対して対して位相が１８０゜シフトされているので、コッククロフト・ウォルトン回路の出力に含まれるリップルと前記電力転送回路７のリップルは位相が１８０゜ずれている。
【００２７】
更に、この時、前記コッククロフト・ウォルトン回路の抵抗器１４を操作して該抵抗器１４の左側と右側の抵抗配分を変えて、前記フィルタ回路６の出力端子（Ｃ点）に得られる直流高電圧に、予め実験等で既知の前記電力転送回路７のリップルと同じ振幅のリップルが発生する様にする。
【００２８】
この結果、前記フィルタ回路６の出力端子（Ｃ点）において、コッククロフト・ウォルトン回路からのリップルと前記電力転送回路７からのリップルが相殺され、負荷８へ供給される直流高電圧に載るリップル成分が殆ど無くなる。
【００２９】
尚、前記フィルタ回路６で消去出来るリップル分は前記電力転送回路のリップルに比べ可成り小さなものであり、前記抵抗器１４の抵抗配分の調整により作成されるリップル分は、前記電力転送回路のリップルから前記フィルタ回路６が消去出来るリップルを差し引いたものとなる。  
図３は本発明に基づく直流高電圧発生装置の他の概略例を表したものである。図中、前記図２にて使用された記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。
【００３０】
図３に示す直流高電圧発生装置が図２に示す直流高電圧発生装置と構成上で異なるところは以下の通りである。
【００３１】
図３に示す直流高電圧発生装置においては、図２の電力転送回路７で使用されていた直流電源９，トランス１２及びスイッチング素子Ｓｃ，Ｓｄを使用せず、これらに代わって、位相シフト回路２１と整流回路１３の間に、順に、サイン波変換回路２２、電力増幅器２３及びトランス２４を設けた。
【００３２】
この様な構成の装置において、位相シフト回路２１により発振器２からのパルスの位相を１８０゜シフトし、該シフトしたパルスをサイン波変換回路２２によりサイン波に変換する。このサイン波は電力増幅器２３にて増幅され、トランス２４の一次側に供給されるので、該トランス２４の二次側には高周波電圧が出力され、該高周波電圧は整流回路１３にて整流され、直流電圧に変換される。
【００３３】
さて、前記バランス型コッククロフト・ウォルトン回路ではトランスとして共振トランスが用いられており、バランス型コッククロフト・ウォルトン回路のリップルはサイン波となる。一方、前記発振器２の出力波形は矩形であることから、電力転送回路７のリップルは矩形となる。従って、前記図２に示す直流高電圧発生装置においては、前記フィルタ回路６の出力端子（Ｃ点）において、前記コッククロフト・ウォルトン回路からのリップルと前記電力転送回路７からのリップルが完全に相殺されない。
【００３４】
そこで、図３の直流高電圧発生装置の電力転送回路７では、前記の様に、前記発振器２からのパルスの位相を１８０゜シフトした後、該パルスをサイン波変換回路２２によりサイン波に変換しているので、電力転送回路７のリップルはサイン波となり、前記フィルタ回路６の出力端子（Ｃ点）において、前記コッククロフト・ウォルトン回路からのリップルと前記電力転送回路７からのリップルが完全に相殺さることになる。
【００３５】
図４は本発明に基づく直流高電圧発生装置の他の概略例を表したものである。図中、前記図２にて使用された記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。
【００３６】
図４に示す直流高電圧発生装置が図２に示す直流高電圧発生装置と構成上で異なるところは以下の通りである。
【００３７】
図４に示す直流高電圧発生装置においては、新たに制御装置３１を設け、更に、最初の設定した抵抗配分に固定される抵抗器１４に代えて、前記制御装置３１の指令に従って自身の左側と右側の抵抗配分値を変えることが出来る可変抵抗器３２が設けられている。
【００３８】
所で、一般的に、前記電力転送回路７のリップルは該電力転送回路出力等によって変わることはなく固定した値である。しかし、前記コッククロフト・ウォルトン回路のリップルは該コッククロフト・ウォルトン回路出力が小さいと該出力に応じて小さく、抵抗器１４が最初の配分設定状態のままでは前記電力転送回路７のリップルを充分に消去することが出来ない。
【００３９】
そこで、図４に示す制御装置３１の内蔵メモリに、コッククロフト・ウォルトン回路の出力値に応じて前記電力転送回路７のリップルを消去出来る振幅のリップルが発生出来る前記可変抵抗器３２自身の左側と右側の抵抗配分値を記憶させておき、コッククロフト・ウォルトン回路の出力値によって対応した抵抗配分値を呼び出してきて、前記可変抵抗器３２をコントロールする様にしている。
【００４０】
尚、前記した様に、前記高周波電圧を誘起するトランス４ａ，４ｂは共振トランスで、共振周波数で励振しているが、コッククロフト・ウォルトン回路の出力値により、該コッククロフト・ウォルトン回路の出力周波数が共振周波数から少しずれる。そこで、前記制御装置３２の内蔵メモリに、前記コッククロフト・ウォルトン回路の出力に対応させて前記周波数のずれに対応した補正位相値を記憶させておき、前記制御装置３１により、前記メモリから前記コッククロフト・ウォルトン回路の出力値に対応した補正位相値を呼び出してきて、前記電力転送回路７のリップルの位相がコッククロフト・ウォルトン回路のリップルの位相に合う様に、図４に示す様に、前記位相シフト回路２１を制御する。
【００４１】
前記例では、発振器２から電力転送回路７へ供給するパルスの位相をシフトする様にしたが、そうはせずに、コッククロフト・ウォルトン回路側のスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂへ供給するパルスの位相をシフトする様にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の直流高電圧発生装置の一概略例を示したものである。
【図２】本発明の直流高電圧発生装置の一概略例を示したものである。
【図３】本発明の直流高電圧発生装置の一概略例を示したものである。
【図４】本発明の直流高電圧発生装置の一概略例を示したものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…直流電源
２…発振器
３…極性反転器
Ｓａ，Ｓｂ…スイッチング素子
４ａ，４ｂ…トランス
５…コッククロフト・ウォルトン回路
Ｒａ，Ｒｂ…バランス抵抗
６…フィルタ回路
Ｒｆ…フィルタ抵抗
Ｃｆ…フィルタコンデンサ  
７…電力転送回路
８…負荷
９…直流電源
Ｓｃ，Ｓｄ…スイッチング素子  
１０…発振器
１１…極性反転回路
１２…トランス
１３…整流回路
１４…抵抗器
１５…浮遊容量
２１…位相シフト回路
２２…サイン波変換回路
２３…電力増幅器
２４…トランス
３１…制御装置
３２…可変抵抗器
【図１】
2007236099.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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