【手続補正書】
【提出日】平成22年5月11日(2010.5.11)
【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】
高圧電源であって、
電源に接続するよう構成される第一端を有する一次巻き線およびフィードバック巻き線を有したフライバック変圧器と、
前記フィードバック巻き線の第一端に接続された制御ポートを有し、前記一次巻き線の第二端とアースとの間に接続されたスイッチング装置と、
前記スイッチング装置の制御ポートとアースとの間に接続された補償キャパシターと、
を備えることを特徴とする高圧電源。
【請求項２】
請求項１に基づく電源において、前記フライバック変圧器は、前記一次巻き線よりも巻き数が多い二次巻き線を含んでおり、これにより、前記一次巻き線に印加された電圧よりも大きい出力電圧が、二次巻き線にわたって誘導されることを特徴とする高圧電源。
【請求項３】
請求項２に基づく電源において、コッククロフト・ウォルトン型電圧乗算回路が、前記フライバック変圧器の二次巻き線にわたって接続されることを特徴とする電源。
【請求項４】
請求項３に基づく電源において、前記スイッチング装置は、トランジスターであることを特徴とする電源。
【請求項５】
高圧電源であって、
電源に接続するよう構成される第一端を有する一次巻き線およびフィードバック巻き線を有し、前記一次巻き線よりも巻き数が多い第二巻き線も有しており、これにより、前記一次巻き線に印加される電圧よりも大きい出力電圧が、二次巻き線にわたって誘導される、フライバック変圧器と、
前記フィードバック巻き線の第一端に接続された制御部を有し、前記一次巻き線の第二端に接続された第一スイッチング装置と、
前記第一スイッチング装置とアースの間に接続され、前記出力電圧を調整するため、前記第一スイッチング装置への電流を遮断するよう動作可能な第二スイッチング装置と、
前記第一スイッチング装置の制御ポートと前記第二スイッチング装置の間に接続された補償キャパシターと、を備えること、
を特徴とする高圧電源。
【請求項６】
請求項５に基づく電源であって、さらに、前記第二電気スイッチング装置に接続され、当該第二スイッチング装置が前記第一スイッチング装置に対する電流を選択的に遮断するよう動作可能である電圧調整装置に対する前記出力電圧と比例する、フィードバック電圧の還流を含むことを特徴とする電源。
【請求項７】
請求項６に基づく電源において、前記第一電気スイッチは、トランジスターであり、前記第二電気スイッチは、電界効果トランジスターであることを特徴とする電源。
【請求項８】
請求項７に基づく電源において、前記電圧調整装置は、目標とする電圧を維持するため前記出力電圧を調整するよう動作可能な、マイクロコントローラーを含むことを特徴とする電源。
【請求項９】
請求項８に基づく電源において、前記マイクロコントローラーは、前記目標電圧を設定するようにも動作可能であることを特徴とする電源。
【請求項１０】
請求項８に基づく電源において、前記マイクロコントローラーは、前記フィードバック電圧に応じたデューティーサイクルを有するパルス幅変調電圧を生成するよう動作可能であり、当該マイクロコントローラーは、前記出力電圧を調整するため、前記パルス幅変調電圧を、前記電界効果トランジスターのゲート端子に印加するよう動作可能であることを特徴とする電源。
【請求項１１】
請求項１０に基づく電源において、前記マイクロコントローラーは、前記入力電圧を監視し、入力電圧の変化を補償するため、前記パルス幅変調電圧の前記デューティーサイクルを変更するよう動作可能であることを特徴とする電源。
【請求項１２】
請求項７に基づく電源において、前記電圧調整装置は、前記フィードバック電圧と基準電圧を比較するコンパレーターを含むことを特徴とする電源。
【請求項１３】
請求項１２に基づく電源において、前記コンパレーターは、オペアンプを含むことを特徴とする電源。
【請求項１４】
請求項４に基づく電源であって、さらに、前記一次巻き線の前記第一端と電源の間に接続される電圧調整装置を含むことを特徴とする電源。
【請求項１５】
請求項４に基づく電源において、前記補償キャパシターの値は、前記電圧の効率を最適にするため選択されることを特徴とする電源。
【請求項１６】
請求項４に基づく電源において、前記補償キャパシターの値は、前記電源により生じたいかなる電磁妨害を最小にするため選択されることを特徴とする電源。
【請求項１７】
高圧電源を動作する方法であって、
(a)電源に接続する第一端を有する一次巻き線およびフィードバック巻き線を有するフライバック変圧器であって、さらに、前記一次巻き線よりも巻き数が多い二次巻き線を含んでいるフライバック変圧器と、
前記フィードバック巻き線の第一端に接続された制御ポートを有し、前記一次巻き線の第二端とアースとの間に接続されたスイッチング装置と、
前記スイッチング装置の制御ポートとアースとの間に接続された補償キャパシターと、を設けるステップと、
(b)前記スイッチング装置が電流を導電するように当該スイッチング装置に電圧を印可するステップと、
(c)前記第二巻き線および前記フィードバック巻き線に電圧を誘導するステップであって、前記フィードバック巻き線の電圧が前記電流を伴うステップと、
(d)前記スイッチング装置が前記電流を導電するのを停止させるため、前記フィードバック巻き線に誘導された前記電圧を、前記スイッチング装置に印可するステップと、
(e)  前記二次巻き線および前記フィードバック巻き線に誘導された電圧が減衰することを許容するステップであって、これにより、前記スイッチング装置は、再び電流を導電するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に基づく方法において、前記出力電圧をさまざまな負荷についての電圧の範囲内に維持するため、前記第二巻き線の電圧の一部を、前記電源を調整するよう動作可能な電圧調整装置に還流させることを特徴とする方法。
【手続補正２】
【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】
ここで、ＨＶＰＳ１０の動作について説明する。回路に電力が印可されると、バイアス抵抗器Ｒ１およびＲ２は、スイッチングトランジスターＱ１をオンにし始めるか、あるいは、フライバック変圧器の一次巻き線１４を通じて電流が流れることを許容するよう導く。かかる一次巻き線１４は、分圧器の芯１９によってフィードバック巻き線１８に接続されている。一次巻き線１４に電流が増えると、フィードバック巻き線１８内に構成されるスイッチングトランジスターＱ１の伝導と逆の電圧を誘導するトランス芯１９内に磁場が生成される。フィードバック巻き線に電圧が構成されると、スイッチングトランジスターＱ１がオフになり、一次巻き線１４を流れる電流はゼロになる。一次巻き線１４の電流が低下すると、一次巻き線１４により生じる磁場が崩壊され、これにより、二次巻き線１６に電圧が誘導される。二次巻き線１６は、一次巻き線１４よりも巻き数が多いので、一次巻き線に対する二次巻き線の巻数比により決定された振幅を用いると、二次巻き線にわたって誘導される電圧は、一次巻き線１４にわたる電圧よりも大きい。スイッチングトランジスターＱ１がオフにされ、あるいは、誘導が停止されると、フィードバック巻き線１８にわたって誘導される電圧もゼロに降下し、スイッチングトランジスターＱ１を再び動作させ、サイクルを繰り返すことを許容する。したがって、図１に示したＨＶＰＳ１０は、自励発振回路又は自励発振コンバーターである。ＨＶＰＳ１０は、スイッチングトランジスターＱ１を、導電状態ならびに非導電状態の間でスイッチングすることによって動作するので、かかる回路をスイッチングパワーコンバーターと呼んでもよい。
【手続補正３】
【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】
無駄なエネルギーを減少させるため、補償キャパシターＣ２０は、不要な共振モードによりフィードバック巻き線１８に誘導された電圧信号にフィルターをかけるよう機能する。このフィードバック信号をフィルタリングすることにより、ＨＶＰＳ１０は、スイッチングトランジスターＱ１の誤作動の数を減少させ、あるいは、その全てを防止することができる。スイッチングトランジスターＱ１が動作するたびに、一次巻き線１４内にはより多くの電流が注ぎ込まれ、次に、一次巻き線内の磁場が崩壊すると、二次巻き線１６に誘起される。誤作動が生じると、２つの望ましくない出来事が発生する。まず、より多くの電流が一次巻き線に供給され、不要なフィードバックの問題を長引かせ、次に、各誤作動は、無駄な電圧スパイクでエネルギーを浪費する。
【手続補正４】
【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】
一次側のスイッチングトランジスターＱ１のベース−エミッター端子にわたって設けられた補償キャパシターＣ２０は、スイッチングトランジスター周囲の高周波数の共振信号を分路させ、トランジスターが効率的に、これらのインパルスを無視することを可能にする。しかし、実際の駆動信号が、スイッチングトランジスターＱ１のベース端子に印可されると、かかるトランジスターは、予想通り自身のコレクター−エミッター接点を介して電流を伝導可能である。したがって、補償キャパシターＣ２０は、装置動作からＨＶＰＳ１０の不要な高共振周波数をフィルタリングする。補償キャパシターＣ２０は、一般に小さく、通常は、０．０１μＦから０．１μＦの範囲にあり、所望の入−出力性能とともに、設計者によって設定された共振周波数に基づいて選択される。補償キャパシターＣ２０が電源自身における電力損失を減少させ、Ｃ２０の最適値が、所望の高出力電圧も維持するとともに、変換効率を最大にすることが本発明の効果である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
ＨＶＰＳ１０の他の実施形態は、通常、図２において２０として示されている。図１に示す部品と類似するＨＶＰＳ２０の部品は、同じ参照符号が付されている。かかるＨＶＰＳ２０は、上述され図１に示された自励発振回路を含んでいるが、従来のコッククロフト・ウォルトン型電圧乗算回路２２が、フライバック変圧器１２の二次巻き線１６にわたって接続されている。かかる電圧乗算回路２２は、縦列に接続されたキャパシタならびにダイオードを含んでいる。動作中、キャパシターは、二次巻き線１６の出力において、印可電圧を２倍にする２のキャパシターならびに２のダイオードからなる各セットにより直列に充電される。前記出力は、個々のキャパシター上の電圧の総合計となる。ダイオードは、若干のリップルを有しあるいはそれを全く有しない一定の出力電圧Ｖoutを提供するため、キャパシターを通じて電流の経路を制御する。キャパシターおよびダイオードのセットが５つ存在するので、かかる完全な乗算回路については、電圧乗算回路２２の入力に印可された電圧が５回にわたって倍化され、合計１０倍化される。本発明に基づいて構築された一のＨＶＰＳ回路において、４Ｖの入力電圧ＶIN は、その後、２０Ｋｖの出力電圧を作り出すため１０倍にされる、２Ｋｖの二次巻き線を生じさせた。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
かかるＨＶＰＳ３０は、図３に電界効果トランジスター（ＦＥＴ）３３として示された電気スイッチのゲートと接続された出力を有するコンパレーター回路３２を含んでいる。 かかるＦＥＴ３３は、スイッチングトランジスタＱ１のエミッター端子に接続しているアースとドレイン端子に接続しているソース端子を有している。コンパレーター回路３２は、ツェナーダイオード３４のアノードに接続するプラスの入力端末を有するオペアンプ３５を含んでいる。当該ツェナーダイオードのアノードがアースに接続されるとともに、かかるツェナーダイオード３４のカソードが、抵抗器を介して入力電圧Ｖinに接続されている。したがって、かかるツェナーダイオード３４は、オペアンプに対し、回路内で使用されている特定のツェナーダイオードによって決定される基準電圧ＶRを供給する。フィードバックライン３６は、オペアンプ３５のマイナス端子を、乗算回路とアースいずれかの間に接続された分圧器３８のセンタータップに接続している。かかる分圧器は、(e)とマークされたタップに接続されるよう示されているが、乗算器を、出力電圧ＶＯＵＴとともに、図３に示した他のいずれのタップに接続してもいいことが理解される。フィードバック分圧器の位置に関係なく、フィードバック電圧ＶＦは出力電圧ＶＯＵＴに比例する。したがって、分圧器３８は、フィードバック電圧ＶＦを、オペアンプ３５のマイナス端子に供給する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明の他の実施形態は、通常、図４において４０として示されており、ここでも、前の図面に示された部品と類似する部品は、同じ参照符号を有している。ＨＶＰＳ４０は、プログラムされたマイクロプロセッサー又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であるマイクロコントローラ４２によって調整される。図４に示すように、ＦＥＴ３３のゲート電圧端末がマイクロコントローラ４２の制御ポートに接続されるとともに、フィードバックライン３６は、マイクロコントローラ４２上のフィードバック電圧ポートに接続されている。本発明は、マイクロコントローラ４２が、ＦＥＴ３３のゲート端末に対して一定の周波数パルス幅変調済（ＰＷＭ）電圧を印可するよう動作可能であることを意図する。かかるＰＷＭ電圧は、ＨＶＰＳ４０に対する実効入力電圧を制御するため用いられる。この制御は、ＨＶＰＳの入力電圧信号のオン時間とオフ時間の比、すなわち、ＰＷＭ電圧のデューティーサイクルを動的に変化させることにより促進される。特定の電圧に維持される出力電圧ＶＯＵＴを調整するため、マイクロコントローラ４２をプログラムするようにしてもよい。したがって、マイクロコントローラ４２を含むことにより、回路の部品を交換することなく出力電圧を設定することが可能となる。基準電圧付近の非常に小さい変化における高周波数スイッチングを防止するため、マイクロコントローラ４２に含まれるソフトウエアを介してヒステリシスが追加される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
これに代え、マイクロコントローラ４２の動作は、固定されたオン時間又はオフ時間ならびにＦＥＴ３３のゲート端子に印可されるＰＷＭ電圧信号において可変周波数を用いるようにしてもよい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
入力電圧の調整を含む他の実施形態は、通常、図６において６０として示されており、ここでも、前の図面に示された部品と類似する部品は、同じ参照符号を有している。ＨＶＰＳ６０は、事前調整機能を、高電圧電源のアーキテクチャーに組み入れる。図に示されたマイクロコントローラ４２あるいは他のコントローラーは、オシレーターならびに変圧器の一次巻き線に印可された電圧を監視し、この値を所定の設定ポイントと比較する。ＦＥＴ３３を調節することにより、実効入力電圧を所望の値、この場合、４ＶＤＣに調整することができる。この場合、本発明は、図６に図示され線６２と名付けられた、入力電圧を監視する線を追加することを意図する。かかる入力電圧監視線６２は、入力電流ＶＩＮをマイクロコントローラ４２の電圧監視ポートに接続する。新しいバッテリーセットを用いた場合、マイクロコントローラ４２は、ＨＶＰＳ６０に一定の入力電圧を提供するため、ＰＷＭのオフの時間と比べてオンの時間を短くするためにデューティーサイクルを短くする。前記調整に関する正確なターゲット電圧は、マイクロコントローラ４２内のバッテリー電源およびＰＷＭ電源の能力の範囲内で設定される。ＨＶＰＳ６０に供給される入力電圧は、監視され、ＨＶＰＳ入力電圧のオン時間とオフ時間の割合を動的に調節するために用いられる。年月を経て、バッテリー電圧が低下したとしても、ＨＶＰＳを安定させ、一定の入力電圧を提供するため、マイクロコントローラ４２が、自動的にＰＷＭ電圧のオン時間を増加させるとともに、オフ時間を減少させる。したがって、Vinは、自体のＰＷＭ出力ならびにＦＥＴ３３を通じ、マイクロコントローラ４２によって調節される。
【手続補正１０】
【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】
さらに他の実施形態は、通常、図７において７０として示されており、ここで、図６に図示されたマイクロコントローラ４２が、図３に示されたコンパレーター回路３２又は他の従来のコンパレーター回路と近似するコンパレーター回路７２に置き換えられる。例えば、図５から図７に示した回路は、入力電圧が４ＶＤＣの場合に２５ｋＶＤＣを生じさせる。  
【手続補正１１】
【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】
上述のＨＶＰＳ４０の一つの可能な構成が図８に示されており、ここでも、図４に示された部品と類似する部品は、同じ参照符号を有している。図８に示すように、フライバック変圧器１２ならびにマイクロコントローラ４２は、自励発振回路の他の部品も備えるプライマリー回路基板８０上に設けられている。コッククロフト・ウォルトン型電圧乗算回路２２は、プライマリー回路基板８０に取り付けられているセコンダリー回路基板８２上に設けられる。当該セコンダリー回路基板８２は、プライマリー回路基板８０とほぼ直角に示されているが、本発明は、回路基板８０と８２の間の他の方向において実施してもよいことが理解される。回路部品を絶縁し、保護するため、ポッティング８４が、コッククロフト・ウォルトン型電圧乗算回路２２の上に塗布される。図８に示された構成は、多数の異なるコッククロフト・ウォルトン型電圧乗算回路が、共通のオシレーター回路に取り付けられることを可能にし、これにより、必須部品の最小限の在庫から異なる出力電圧を有するＨＶＰＳの構成が可能となる。図８に示す構成を、図２に示したＨＶＰＳ２０、図３に示したＨＶＰＳ３０、および、図５から図７に示したＨＶＰＳ５０、６０ならびに７０に用いてもよいことが理解される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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