JP2021069140A - 電源モジュールおよび質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源モジュールの性能を向上させる。特に、電源モジュール内において、放電の発生を防ぎ、かつ、電源モジュールを小型化する。【解決手段】電源モジュール内において、基板を平面視において重なるように複数設ける。このとき、第１基板２に、互いの間に沿面放電防止のための距離Ｌを保って低電圧回路３および高電圧回路を形成し、第２基板４に、低電圧回路５を形成する。また、高電圧回路に形成された高電圧交流回路８を構成する部品と、低電圧回路５を構成する部品との間の距離は、高電圧回路に形成された高電圧直流回路７を構成する部品と、低電圧回路５を構成する部品との間で空間放電が生じない最短の距離Ｄの３倍以上である。【選択図】図１

Description

本発明は電源モジュールおよび質量分析装置に関し、特に、高電圧直流回路および高電圧交流回路を備えた基板と他の基板とを内部に含む高電圧モジュール、並びに、当該高電圧モジュールを用いた質量分析装置に関するものである。

例えば質量分析装置に搭載されるイオン源または検知器に高い電圧を供給する装置として、電源モジュールが知られている。

特許文献１（特開平７−９９７７７号公報）には、低コストと高精度を両立することを目的として、高圧電源部である主基板の上に、昇圧整流回路部が形成された副基板を配置し、２階建ての構造を形成することが記載されている。

特開平７−９９７７７号公報

電源モジュールは、一般的に出力電圧の高電圧化と、モジュールに重畳するノイズ低減などの電気特性向上と引き換えに電源モジュールのサイズが増大する。一方、電源モジュールを搭載する装置（例えば質量分析装置）では、分析の高感度化を達成するために電源モジュールの更なる高電圧化と低ノイズ化が求められると同時に、ユーザビリティ向上のため、装置の小型化も求められている。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

代表的な実施の形態による電源モジュールは、電源モジュール内において、基板を平面視において重なるように複数設けるものである。このとき、第１基板に、互いの間に沿面放電防止のための沿面放電防止距離を保って第１低電圧回路および高電圧回路を形成し、第２基板に、第２低電圧回路を形成する。また、高電圧回路に形成された高電圧交流回路を構成する部品と、第２低電圧回路を構成する部品との間の距離は、高電圧回路に形成された高電圧直流回路を構成する部品と、第２低電圧回路を構成する部品との間で空間放電が生じない最短の距離の３倍以上である。

代表的な実施の形態によれば、電源モジュールの性能を向上させることができる。特に、電源モジュール内において、放電の発生を防ぎ、かつ、電源モジュールを小型化することができる。

本発明の実施の形態１である電源モジュールの一部を破断して示す側面図である。 空間放電防止距離を示す式である。 電位差に対する沿面放電防止距離および空間放電防止距離のそれぞれの特性を示すグラフである。 比較例の電源モジュールのグランド結線構造を示す回路図である。 比較例の電源モジュールのノイズ経路を示す回路図である。 比較例の電源モジュールのノイズ経路を示す回路図である。 比較例の電源モジュールのノイズ経路を示す回路図である。 本発明の実施の形態１の変形例１である電源モジュールを示す回路図である。 本発明の実施の形態１の変形例１である電源モジュールの一部を破断して示す側面図である。 本発明の実施の形態１の変形例２である電源モジュールの一部を破断して示す側面図である。 本発明の実施の形態１の変形例３である電源モジュールの一部を破断して示す側面図である。 本発明の実施の形態１の変形例４である電源モジュールの一部を破断して示す側面図である。 本発明の実施の形態２である質量分析装置を示す概略図である。 比較例である電源モジュールの一部を破断して示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態１）
以下では、高電圧を出力する電源モジュール（高電圧電源モジュール）であって、互いに離間して重ねられた複数の基板が内部に配置された電源モジュールについて説明する。本実施の形態は、電源モジュール内の第１基板に形成された高電圧直流回路と第２基板との間の距離と、電源モジュール内の第１基板に形成された高電圧交流回路と第２基板との間の距離とを区別して規定するものである。これにより、電源モジュールの放電防止、ノイズ低減および小型化を実現する。本願では、回路を構成する素子および配線（プリント配線）を、回路を構成する部品と呼ぶ場合がある。

＜本実施の形態の電源モジュールの構造＞
図１に、本実施の形態１における電源モジュールの一部を破断した側面図を示す。電源モジュールは、グランドに電気的に接続された金属筐体１と、金属筐体１内に収納（配置）された第１基板２および第２基板４とを有している。すなわち、金属筐体１は、感電および外来ノイズの発生を防ぐことなどを目的として電気的に接地されている。金属筐体１の形状は、例えば、低コストで製造可能な直方体である。

第１基板２および第２基板４のそれぞれは、表面の一部分として、主面と、主面の反対側の裏面とを有している。第１基板２および第２基板４のそれぞれは、絶縁体から成る基板の主面または裏面の一方または両方にプリント配線が設けられた、所謂プリント基板である。また、設計によっては、第１基板２および第２基板４のそれぞれの内層に配線が配置されている場合もある。また、第１基板２および第２基板４のそれぞれの主面または裏面の一方または両方には、半導体素子（例えばトランジスタ）、容量素子または抵抗素子などの素子が実装されている。すなわち、第１基板２および第２基板４のそれぞれにおいて、主面若しくは裏面の一方、または、主面および裏面の両方は、実装面である。

第１基板２および第２基板４のそれぞれは、平面視で重なる位置において、互いに平行に配置されている。つまり、第１基板２の主面および裏面と、第２基板４の主面および裏面とは、互いに平行である。第１基板２の主面または裏面と、第２基板４の主面または裏面とは、互いに対向している。第１基板２の主面に垂直な方向（高さ方向、基板積層方向、縦方向）において、第１基板２と第２基板４とは、互いに異なる高さ位置に配置されている。第１基板２および第２基板４を互いに平行に配置することにより、電源モジュールの製造を容易にすることができ、基板間の距離を容易に設計することができ、基板間の信号などの伝送も容易となる。

第１基板２は、高電圧領域と低電圧領域とを有している。第１基板２の高電圧領域には、高電圧電源回路が形成されており、高電圧電源回路は、高電圧直流回路７と高電圧交流回路８とを含んでいる。第１基板２の低電圧領域には、低電圧回路３が形成されている。第２基板４は低電圧領域を有し、当該低電圧領域には、低電圧回路５が形成されている。高電圧電源回路は、低電圧回路３、５のそれぞれよりも高い電圧で動作する。つまり、高電圧直流回路７および高電圧交流回路８は、いずれも低電圧回路３、５のそれぞれよりも高い電圧で動作する。図１では、第１基板２を４つの領域に分割するため、第１基板２の側面の３箇所に破線を示している。

高電圧回路は、例えば３００Ｖ以上または１０００Ｖ以上の電圧で動作し、低電圧回路３、５は、３００Ｖ未満の電圧で動作する。本実施の形態では、回路に流れる電気信号の電圧が３００Ｖ以上の振幅を有する回路を、高電圧交流回路と呼ぶ。また、回路に流れる電気信号の電圧の振幅が３００Ｖ未満であり、かつ、当該電圧の絶対値の最大が３００Ｖ以上である回路を、高電圧直流回路と呼ぶ。また、回路に流れる電気信号の電圧の振幅が３００Ｖ未満であり、かつ、当該電圧の絶対値の最大が３００Ｖ未満である回路を、低電圧回路と呼ぶ。

第１基板２と第２基板４とは、基板間接続手段（伝送部）１８を用いて、例えば電気的に接続されている。基板間接続手段１８は、第１基板２と第２基板４との間で信号および電力を伝送するために用いられる伝送部である。具体的には、端部にコネクタを備えたケーブルにより電力を伝送し、フォトカプラを用いて光通信により信号を伝送することが考えられる。その他、基板間接続手段１８としては、ケーブルまたはコネクタのいずれか一方のみを用いてもよい。また、基板間接続手段１８としてトランスを用い、磁気的な伝送を行ってもよい。

次に、上述した各回路同士の間の距離について述べる。第１基板２に配置される高電圧回路と、低電圧回路３、５との間には、高い電位差が発生する。このため、高電圧回路と、低電圧回路３、５との間は、放電が発生しない距離以上に離す必要がある。例えば、第１基板２の高電圧回路を構成する素子（部品）１５と低電圧回路３を構成する素子（部品）１７との間は、沿面放電が生じない距離Ｌ以上離して配置する。言い換えれば、第１基板２の低電圧領域と第１基板２の高電圧領域との最短の距離は距離Ｌである。

距離Ｌは、第１基板２の実装面に沿う方向における距離であって、高電圧回路を構成する部品と、低電圧回路３を構成する部品との間の最短距離の最小値を規定するものである。すなわち、距離Ｌは、沿面放電を生じさせないために確保すべき最低限の距離であり、沿面放電防止距離と呼べる。ここでいう沿面放電とは、基板の表面に沿って生じる放電である。

ここでいう部品とは、高電圧回路または低電圧回路３を構成する素子および配線（プリント配線）など、回路を構成する構造体を指す。回路を構成する部品としての素子は、例えば半導体素子の端子などの導体部分のみでなく、半導体素子の一部を構成する樹脂などの絶縁体部分も含む。このことは、低電圧回路５を構成する部品についても同様である。図１に例として示す素子１５は、高電圧回路を構成する部品のうち、最も低電圧回路３の近くに位置する部品であり、素子１７は、低電圧回路３を構成する部品のうち、最も高電圧回路の近くに位置する部品である。

距離Ｌを確保するには、図１に示すように、部品が実装されない領域６を設ける必要がある。第１基板２が有する領域６は、低電圧回路３と高電圧回路との間の領域であって、プリント配線などを含む導体部を有しない領域である。ただし、領域６の第１基板２の表面上には、低電圧回路３と高電圧回路との間で信号または電力を伝送するための、絶縁体から成る伝送部品（例えば光ファイバなど）が実装されていてもよい。当該伝送部品としては、例えばフォトカプラまたはトランスなどを用いることができる。

また、第１基板２の高電圧回路を構成する部品である素子１４と、低電圧回路５を構成する部品である素子１３との間は、空間放電が生じない距離Ｄ以上離して配置する。すなわち、距離Ｄは、空間放電を生じさせないために確保すべき最低限の距離であり、空間放電防止距離と呼べる。素子１３、１４は、それぞれ、第１基板２および第２基板４の互いに対向する実装面のそれぞれに設けられている。図１に例として示す素子１４は、高電圧回路を構成する部品のうち、最も低電圧回路５の近くに位置する部品であり、素子１３は、低電圧回路５を構成する部品のうち、最も高電圧回路の近くに位置する部品である。

距離Ｌおよび距離Ｄと電位差の関係を示す計算式は、例えば以下の式（１）と、図２に示す式（２）とによりそれぞれ表される。ここでは、第１基板２に含まれる高電圧回路の動作に用いられる高電圧をＶｈとし、低電圧回路３、４の動作に用いられる低電圧をＶｌとする。それらの電圧の単位はｋＶである。また、距離Ｌ、Ｄのそれぞれの単位はｍｍである。

Ｌ＝０．１６（Ｖｈ−Ｖｌ）²＋０．５（Ｖｈ−Ｖｌ）−０．０７・・・（１）
式（１）および式（２）を用いて距離Ｌ、Ｄを計算したグラフを図３に示す。当該グラフの横軸は電位差（高電圧（ｋＶ）−低電圧（ｋＶ））であり、縦軸は放電を防止可能な距離（ｍｍ）である。当該グラフでは、距離Ｌを破線で示し、距離Ｄを実線で示している。図３から、電位差が同様な場合、距離Ｌは距離Ｄより長い距離が必要であることが分かる。すなわち、部品同士の間に気体（空気）のみがある場合に比べ、部品同士の間に気体と固体（基板）とが存在する場合の方が、放電が起き易い。

よって、放電を防ぐ観点から、同一の基板に高電圧回路および低電圧回路を形成する場合、それらの回路の相互間の距離Ｌを保つ必要がある。これに対し、異なる基板のそれぞれに高電圧回路および低電圧回路を形成する場合、それらの回路の相互間の距離は、距離Ｌよりも小さい距離Ｄが保たれていればよい。したがって、電源モジュールでは、同一基板のみに高電圧回路および低電圧回路を形成するよりも、異なる基板のそれぞれに高電圧回路および低電圧回路を形成した方が回路間の距離を短縮することができるため、電源モジュールを小型化できる。

次に、第１基板２の高電圧回路領域が高電圧直流回路７と高電圧交流回路８を有することに着目して、高電圧直流回路７および高電圧交流回路８と、その他の低電圧回路との距離について述べる。第１基板２の高電圧回路領域は、直流領域および交流領域を有し、直流領域には高電圧直流回路７が形成され、交流領域には高電圧交流回路８が形成されている。

ここでは、第１基板２の高電圧直流回路７を構成する部品である素子１４と、第２基板４の低電圧回路３を構成する部品である素子１３と、金属筐体１とが、直流の高電圧で放電が発生しない距離以上離れて配置されている。また、第１基板２の高電圧交流回路８を構成する部品である素子１６と、第２基板４の低電圧回路３を構成する部品である素子１３と、金属筐体１とが、交流の高電圧で放電が発生しない距離以上離れて配置されている。

具体的には、素子１４、素子１３および金属筐体１は、互いに距離Ｄ以上離れて配置されている。ここで、高電圧直流回路７に比べて高電圧交流回路８は、他の低電圧回路に対して放電し易い。このため、交流の高電圧で放電が発生しない距離（空間放電防止距離）は、距離Ｄの３倍（距離３Ｄ）である。つまり、素子１６と金属筐体１とは互いに距離Ｄの３倍以上離れて配置され、素子１６と素子１３とは互いに距離Ｄの３倍以上離れて配置されている。ただし、素子１３と金属筐体１とは、互いに低電圧であるため、相互の間隔は距離Ｄ未満でもよい。距離Ｌは、距離Ｄの３倍よりも大きい。このように金属筐体１と高電圧交流回路８を構成する部品との距離を距離Ｄの３倍以上保つことで、金属筐体１と高電圧交流回路８との間での放電発生を防ぐことができる。

第１基板２は高電圧絶縁スペーサー９により金属筐体１に固定され、第２基板４は低電圧絶縁スペーサー１０により金属筐体１に固定されている。また、第１基板２の高電圧交流回路８は、電源モジュールの出力端子１１付近に配置され、高電圧交流回路８と低電圧回路３とは、第１基板２に配置される複数の回路の中で、最も距離が離れるよう配置されている。第１基板２は高電圧絶縁スペーサー９により金属筐体１に固定されていることで、第１基板２に形成された回路と金属筐体１との間において、スペーサーを介して放電が起きることを防止できる。

本実施の形態では、高電圧交流回路８の直下および直上に、他の回路の構成部品を配置していない。言い換えれば、高電圧交流回路８と平面視で重なる領域と、第２基板４に形成された低電圧回路５とは、平面視において互いに離間している。なお、ここでは平面視において、高電圧交流回路８と第２基板４とが互いに離間している。これにより、高電圧交流回路８を構成する部品と、低電圧回路５を構成する部品との最短距離は、各基板の実装面に対して必ず斜めの方向の距離となる。したがって、当該斜めの距離を距離Ｄの３倍以上の大きさとすればよく、高さ方向において、基板同士の間の距離を、距離Ｄの３倍以上確保する必要はない。

このため、例えば高さ方向において第１基板２と金属筐体１との間が距離Ｄの３倍離れている場合に、第１基板２と金属筐体１との間の距離を拡げることなく、第１基板２と金属筐体１との間に第２基板４を配置することができる。これにより、複数種類の回路を配置するために大きな面積を必要とする基板を分割して重ねる際、電源モジュールが大型化することを防ぐことができる。

＜本実施の形態の効果＞
図１４に比較例の電源モジュールの一部を破断した側面図を示す。比較例の電源モジュールの構造は、基板が積層されておらず第１基板２のみである点、および、低電圧回路３と隣接して低電圧回路５が第１基板２に形成されている点で、図１に示す構造と異なる。

まず、電源モジュールの小型設計の課題について述べる。電源モジュール内で高電圧が印加される領域と、グランドなどが形成された低電圧領域との間の距離は、放電が発生しないよう適切な沿面放電防止距離を確保する必要がある。この沿面放電防止距離は、高電圧領域と低電圧領域との電位差とともに増加する。このため、高電圧化するとともに沿面放電防止距離が増加し、その分電源モジュールの大型化を招く。加えて、電源モジュール内の高電圧領域に電気的な交流成分が存在する場合、その交流成分に起因して生じる電磁輻射（電磁波）が、低電圧領域に配置される制御回路の配線に重畳しないために高電圧領域と低電圧領域とを十分に距離が離れた位置に配置する必要があることから、電源モジュールが大型化し易い。つまり、高電圧領域と低電圧領域との放電防止並びに電磁波重畳の防止と、電源モジュールの小型化設計の両立が困難である。

比較例では、空間放電を防ぐ観点から、金属筐体１と高電圧交流回路８を構成する素子１６との距離を、距離Ｄの３倍以上離す必要がある。このため、低コストで製造可能な直方体の金属筐体１を使用した場合、低電圧回路３、５および沿面方円防止距離を確保するための領域６のそれぞれの上下の空間（図１４にハッチングを付して示す空間１２）に無駄な空間が発生する。

これに対し、本実施の形態では、上記空間１２に第２基板４を配置することで、金属筐体１内の空間を効率的に利用し、これにより電源モジュールを小型化できる。ここでは、図１４に示した低電圧回路５を、図１に示すように第２基板４に形成して第１基板２の下に配置している。これにより、各基板の実装面に沿う方向（横方向）における電源モジュールの幅を縮小し、電源モジュールを小型化できる。

また、本実施の形態では、図１に示すように、高電圧交流回路８の存在を考慮して、第２基板４に形成された低電圧回路５を構成する部品を、高電圧交流回路８と平面視で重ならない位置に配置している。低電圧回路５を構成する部品は高電圧交流回路８を構成する部品から距離Ｄの３倍以上離れた位置に配置されているため、放電の発生を防ぐことができ、かつ、高さ方向における当該部品と第１基板２に実装された部品との距離を距離Ｄの３倍未満とすることができる。よって、高さ方向における電源モジュールの大きさが増大することを防ぎつつ、電源モジュール内の基板を積層することを可能としているため、電源モジュールを小型化できる。

すなわち、本実施の形態では、放電を防止しつつ、プリント基板の多層建て構造を実現することで、小型かつ高性能な電源モジュールを提供することができる。

本実施の形態の電源モジュールでは、金属筐体１の内部に、放電を防ぐための樹脂などの絶縁体が充填されていない。そのような樹脂が第１基板２または第２基板４の表面を覆うように充填されている場合、樹脂に起因する寄生成分（寄生容量などの寄生素子）が生じる。このため、高電圧回路から低電圧回路に重畳する電磁輻射の強度が増加して、ノイズが複数の回路に影響を与え易くなる。

これに対し本実施の形態では、金属筐体１内において第１基板２および第２基板４のいずれも樹脂に覆われていない。つまり、金属筐体１と、第１基板２または第２基板４との間、および、第１基板２と第２基板４との間は、いずれも樹脂が充填されていない。よって、樹脂の存在に起因する寄生成分の発生およびノイズによる影響の発生を防ぐことができる。したがって、電源モジュールの性能を向上させることができる。

＜変形例１＞
以下に、本実施の形態１の変形例１として、高電圧交流回路から電磁輻射されるノイズを低減する構造について説明する。

＜改善の余地の詳細＞
図４に比較例である電源モジュールのグランド結線構造を表した回路図を示す。図４のグランド配線図は、電源モジュールの電源３１、デジタル回路３３、アナログ回路３４および高電圧回路３５を有し、それらの回路のそれぞれの電源電圧を生成するパワー回路（変圧回路）３２を有している。つまり、電源モジュールは、高電圧を出力する高電圧回路３５と、前記高電圧回路３５を制御するデジタル回路３３と、アナログ回路３４とを有している。パワー回路３２の動作基準電位はグランドＰＧである。つまり、パワー回路３２はグランドＰＧに電気的に接続されている。デジタル回路３３はグランドＤＧに電気的に接続されている。アナログ回路３４はグランドＡＧに電気的に接続されている。高電圧回路３５はグランドＨＧに電気的に接続されている。

電源３１は、電源モジュールの外部の電源であり、接地されている。電源モジュール内の各回路を収めた金属筐体１を、図４に破線で示している。電源モジュールと、電源モジュールの外部の電源３１とは、ケーブルを介して接続されており、当該ケーブルは、端子（コネクタ）１１１から金属筐体１の外部に引き出されている。グランドＰＧ、ＤＧ、ＡＧおよびＨＧは、いずれも電源モジュール内に設けられた回路内のグランドである。図４に示すように、グランドＰＧ、ＤＧは、互いに電気的に接続されている。また、グランドＰＧ、ＤＧと、グランドＡＧとは、互いに電気的に接続されている。グランドＨＧは、グランドＡＧを介して、グランドＰＧ、ＤＧと電気的に接続されている。また、パワー回路３２は、端子１１１およびケーブルを介して電源３１に電気的に接続されており、グランドＰＧは、端子１１１およびケーブルを介して電源３１に電気的に接続されている。

パワー回路３２、デジタル回路３３およびアナログ回路３４は、図１に示す構造において、高電圧直流回路７および高電圧交流回路８以外の回路（例えば低電圧回路３または４）に含まれている。高電圧回路３５は、図１に示す構造において、高電圧直流回路７または高電圧交流回路８に含まれている。

本実施の形態の電源モジュール（図１参照）は、図１を用いて説明した小型化手法が適応されることで、例えば第２基板４に搭載されるデジタル回路３３およびアナログ回路３４が、ノイズ源となる高電圧交流回路８に近接配置されると、ノイズの影響を受け易くなる。次に、低電圧回路のノイズ電流を抑止しつつ電源モジュールの小型化を達成できる手法を下記に説明する。

ノイズ電流がパワー回路３２を介する経路を図５に、ノイズ電流がデジタル回路３３を介する経路を図６に、ノイズ電流がアナログ回路３４を介する経路を図７にそれぞれ示す。図５〜図７に示す回路は、図４に示す回路と同じである。図５〜図７では、ノイズ電流の流れる経路を太い矢印で示している。図５〜図７では、寄生容量であるコンデンサ３６を示している。

ノイズ電流はノイズ発生源から出力され、再びノイズ発生源に戻るループ状の経路を辿って流れる。上記電磁輻射は、高電圧交流に起因した電磁輻射に限れば、簡易的に、電界カップリンングで生じるコンデンサ３６として考えることができる。図５では、高電圧回路３５からノイズ電流が出力され、コンデンサ３６とパワー回路３２を通過した後、グランドＰＧ、ＡＧおよびＨＧを介して高電圧回路３５に戻る。このため、図５に示すようなノイズ電流の経路を遮断すれば、ノイズ電流はパワー回路３２に流れなくなり、高電圧回路３５から他の回路への伝導ノイズを低減できる。同様に、図６、図７のノイズ経路を考慮すると、全てのノイズ電流は必ずグランドＡＧ、ＨＧを順に経由する。

＜本変形例の構造および効果＞
全てのノイズ電流は必ずグランドＡＧ、ＨＧを順に経由することから、本変形例では、図８に示すように、グランドＡＧ、ＨＧの相互間に、電気ノイズ低減用フィルタ３７を配置しており、これにより、ノイズ電流経路を遮断することができる。

図８に示す回路の構成は、電気ノイズ低減用フィルタ３７がグランドＡＧ、ＨＧの相互間に介在している点を除き、図４に示す回路と同じ構成である。つまり、グランドＡＧ、ＨＧの相互間は、電気ノイズ低減用フィルタ３７を介して電気的に接続されている。すなわち、グランドＨＧは、電気ノイズ低減用フィルタ３７（下記のノイズ低減用部品１９）を介して、グランドＡＧ、グランドＰＧおよびＤＧと電気的に接続されている。言い換えれば、グランドＡＧは電気ノイズ低減用フィルタ３７に電気的に接続されており、電気ノイズ低減用フィルタ３７は、グランドＨＧに電気的に接続されている。

電気ノイズ低減用フィルタ３７としては、例えばフェライトビーズ、抵抗素子または容量素子などを用いることができる。図９に、本変形例における電源モジュールの一部を破断した側面図を示す。上記電気ノイズ低減用フィルタ３７は、例えば図９に示すノイズ低減用部品１９に相当する。ノイズ低減用部品１９は、第１基板の高電圧領域のうち、領域６に隣接する箇所に実装されている。ここでは、ノイズ低減用部品１９は高電圧直流回路７が形成された領域に形成されている。

以上により、高電圧交流回路の電磁輻射に起因したノイズ電流を低減することができる。よって、低電圧回路を高電圧回路に近接配置できるプリント基板の多層建て構成を電源モジュールに採用しても、放電防止と電磁輻射によるノイズ電流の抑止を可能にし、小型かつ高性能な電源モジュールを実現できる。

＜変形例２＞
以下では、本実施の形態の変形例２として、低電圧回路の面積が高電圧回路の面積に対して非常に大きく、図１に記載の１つの第２基板４に配置できない場合の実施形態を説明する。

図１０に、本変形例の電源モジュールの一部を破断した側面図を示す。低電圧回路のうち、第２基板４に収まらない回路は、図１０に示すように、第１基板２の上に配置された第３基板９１の低電圧領域に形成する。第３基板９１は、第１基板２と平面視で重なる位置に形成されている。ただし、第３基板９１に形成された低電圧回路９４を構成する部品は、平面視で高電圧交流回路８が形成された交流領域から離間している。

ここで、図１に示す構造に対して増設した第３基板９１は、放電が発生しないよう、図１４に記載される斜線の空間１２の中に収められている。また、第３基板９１に形成された低電圧回路９４を構成する素子（部品）９２は、高電圧直流回路７を構成する素子１５から距離Ｄ以上離して配置されている。また、素子９２は、高電圧交流回路８を構成する素子（部品）９３から距離Ｄの３倍以上離して配置されている。つまり、第３基板９１に形成された低電圧回路を構成する部品は、第２基板４と同じ条件で、第１基板２に実装された部品からの距離を保って形成されている。言い換えれば、第２基板４が、第１基板２を挟んで複数形成されているとみなすこともできる。

以上から、低電圧回路の面積が高電圧回路の面積に対して非常に大きく、第２基板４の領域に配置できない場合でも、プリント基板の多層建て構成を可能にし、小型・高性能な電源モジュールを提供できる。

＜変形例３＞
以下では、本実施の形態の変形例３として、基板の多層建て構造を採用した電源モジュールのノイズ耐性を向上させる手段を説明する。

図１１に、本変形例の電源モジュールの一部を破断した側面図を示す。本変形例における電源モジュールにおいて、多層建て構造を構成している複数の基板のうち、第２基板４は、内層として、グランド電位に接続された金属層（シールドプレーン層、グランドプレーン層）１０１を有している。また、第２基板４に形成された低電圧回路５を構成する部品は、第２基板４の表面のうち、第１基板２と反対側の面に配置されている。すなわち、第１基板２と、低電圧回路５との間に金属層１０１が介在している。言い換えれば、金属層１０１は、低電圧回路５を構成する部品（例えば素子１３）と、高電圧交流回路８を構成する部品との間に介在している。ここでは、金属層１０１は、第２基板４を構成する２つの基板に挟まれている。ただし、金属層１０１の第１基板２側の面は露出していてもよい。金属層１０１は、例えば電気的に接地された銅箔から成る。図を分かり易くするため、図１１では、金属層１０１にハッチングを付している。

このように、第２基板４の低電圧回路５と、ノイズ源である高電圧交流回路８を含む第１基板２との間に電磁輻射を低減させる金属層１０１を設けることで、低電圧回路５に重畳する電磁輻射を低減できる。すなわち、高電圧交流回路からの電磁輻射ノイズの耐性を向上させた小型な電源モジュールを実現できる。

また、本変形例を、変形例２に適用してもよい。つまり、高電圧交流回路を含む基板と重ねて設けられた複数の基板のそれぞれに金属層を設けてもよい。

また、金属層１０１は複数の金属層を重ねて形成した積層構造を有していてもよい。この場合、シールド効果を向上させることができる。

＜変形例４＞
以下では、本実施の形態の変形例４として、電源モジュールの安全性を高める手法について説明する。図１２に、本変形例の電源モジュールの一部を破断した側面図を示す。ここでは、保護回路を第１基板２における低電圧回路３に形成している。保護回路は、高電圧回路、つまり、前記直流回路および前記交流回路のそれぞれを保護するものである。

これにより、基板間接続手段１８の故障により、第２基板４から第１基板２に出力される高電圧回路の制御信号配線が断線した場合、当該保護回路が第１基板２の高電圧回路を停止させることができる。

また、ここでは、電源モジュールの外部の電源から電源モジュールに電圧を入力する端子１１１を、第１基板２以外の基板（例えば第２基板４）に配置する。これにより、基板間接続手段１８の故障により電源モジュールの電源配線が断線した場合に、第１基板２に対する電力供給が無くなり、高電圧回路は動作を停止する。

以上から、第１基板２と第２基板４との間の基板間接続手段１８が故障・断線により、高電圧回路と第２基板４の低電圧制御回路と間で通信不備があっても、高電圧回路は暴走することなく、保護回路が安全に供給電源を断つことができる。

また、図１２には、端子１１１から金属筐体１の外部に引き出されたケーブル２０と、高電圧領域に形成された出力端子１１から金属筐体１の外部に引き出されたケーブル２１とを示している。ケーブル２０は、端子１１１を介して低電圧回路５に電気的に接続され、ケーブル２１は、出力端子１１を介して高電圧交流回路８に電気的に接続されている。ケーブル２０、２１のそれぞれは、第１基板２と第２基板４との間の領域に対し離間している。

つまり、ケーブル２０、２１のそれぞれは、第１基板２と第２基板４との間には存在していない。これにより、ケーブル２０または２１が、第１基板２または第２基板４に実装された部品などに接触することに起因していずれかの箇所で破損が起こり、これにより短絡などの不良が生じることを防ぐことができる。また、第１基板２と第２基板４との間にケーブル２０または２１が存在することにより、高電圧交流回路８からケーブル２０、２１または第２基板４に対する放電を防げる。

＜変形例５＞
図１を用いて説明した電源モジュールでは、電気信号の電圧が３００Ｖ未満であるものを低電圧回路と呼び、当該電圧が３００Ｖ以上であるものを高電圧回路と呼んだが、高電圧、低電圧、直流および交流は、上述した数値と異なる数値により区別されてもよい。

例えば、第１の例として、交流回路の場合、当該電圧が６００Ｖ以下のものを低電圧回路と呼び、当該電圧が６００Ｖを超えるものを高電圧回路と呼んでもよい。このとき、直流回路の場合には、当該電圧が７５０Ｖ以下のものを低電圧回路と呼び、当該電圧が７５０Ｖを超えるものを高電圧回路と呼んでもよい。

また、第２の例として、高電圧および低電圧は、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commision）などの国際規格により定義されてもよい。

また、第３の例として、交流回路の場合、当該電圧が１０００Ｖ以下のものを低電圧回路と呼び、当該電圧が１０００Ｖを超えるものを高電圧回路と呼んでもよい。このとき、直流回路の場合には、当該電圧が１５００Ｖ以下のものを低電圧回路と呼び、当該電圧が１５００Ｖを超えるものを高電圧回路と呼んでもよい。

（実施の形態２）
図１２に、実施の形態２である質量分析装置の概略図を図１３に示す。以下では、前記実施の形態１で説明した電源モジュールを、質量分析装置の供給電源に用いることについて説明する。質量分析装置は、例えば、試料を構成する原子の種類または量などを調べるために用いられる装置である。

本実施の形態の質量分析装置は、質量分析の対象となる試料をイオン化するイオン源１２１と、イオン化された試料中の不要イオン分子１２５をフィルタ電極１２７でフィルタリングして、分析対象の質量をもつイオン分子１２４のみを透過する質量分離部１２６と備えている。質量分析装置は、さらに、イオン分子および電子のそれぞれの移動する軌道を制御する軌道制御部１２８、イオン分子を電子（電気）に変換するコンバージョンダイノード１２２と、当該電子を検出する検出器１２３とを備えている。コンバージョンダイノード１２２および検出器１２３は、軌道制御部１２８内に配置されている。質量分析装置は、さらに、検出器１２３により得られた電気信号から質量を計算する情報処理ユニットを備えている。ここで、質量分析装置は、イオン源１２１に電圧を与える第１電源モジュールと、フィルタ電極１２７に電圧を与える第２電源モジュールと、コンバージョンダイノード１２２に電圧を与える第３電源モジュールと、検出器１２３に電圧を与える第４電源モジュールとを備えている。また、質量分析装置は、高電圧の第１〜第４電源モジュールを制御する質量分析装置制御ユニットを有している。

本発明の質量分析装置に搭載される電源モジュールは、前記実施の形態１および前記実施の形態１の変形例１〜５のいずれかの構成のうち、１つの構造または複数の構成を有するものである。質量分析装置を構成する各部分のそれぞれに同等の電圧を印加すればよい場合は、供給電源としての電源モジュールは１つあればよい。しかし、実際には、質量分析装置の多機能化により、質量分析装置の各部分のそれぞれに異なる電圧を供給する必要があり、それらの電圧に対応して、質量分析装置に搭載する電源モジュールの数も増加する。

本実施の形態では、質量分析装置の供給電源に前記実施の形態１の電源モジュールを用いることで、質量分析装置に搭載する電源モジュール数が増加した場合でも、小型な質量分析装置を提供できる。また、質量分析装置の検出感度は、電源モジュールのノイズ量に大きく左右される。このため、前記実施の形態１の変形例１または変形例３で述べたノイズ低減手段を有する電源モジュールを搭載することで、高感度な質量分析装置を提供できる。

以上、本発明者らによってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、本願の電源モジュールには、前記実施の形態１の変形例１〜５のうち、複数の構成を組み合わせて適用してもよい。また、比較例と、前記実施の形態１の変形例１〜５と、を組み合わせてもよい。

１ 金属筐体
２ 第１基板
３、５ 低電圧回路
３Ｄ、Ｄ、Ｌ 距離
４ 第２基板
７ 高電圧直流回路
８ 高電圧交流回路
１８ 基板間接続手段

Claims (15)

1. 平面視で互いに重なる第１基板と第２基板とを備え、
   前記第１基板は、
   第１回路が形成された第１領域と、
   前記第１回路よりも高い電圧で動作する直流回路が形成された第２領域と、
   前記第１回路よりも高い電圧で動作する交流回路が形成された第３領域と、
   前記直流回路と前記交流回路とを含む第５領域と、
   前記第１領域と前記第５領域との間に位置し、前記第１基板の表面に配線パターンが実装されていない第６領域と、
   を有し、
   前記第２基板は、
   前記直流回路および前記交流回路よりも低い電圧で動作する第２回路が形成された第４領域を有し、
   前記第１基板の表面に沿う方向における前記第１領域と前記第５領域との最短の距離をＬとし、
   前記直流回路を構成する部品と、前記第２回路を構成する部品との間で空間放電が生じない最短の距離をＤとしたとき、
   前記交流回路を構成する部品と、前記第２回路を構成する前記部品との最短の距離は、前記距離Ｄの３倍以上であり、
   前記距離Ｌは、前記距離Ｄの３倍より大きい、電源モジュール。
2. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
   前記交流回路を流れる電気信号の第１電圧の振幅は、３００Ｖ以上であり、
   前記直流回路を流れる電気信号の第２電圧の振幅は、３００Ｖ未満であり、かつ、前記第２電圧の絶対値の最大は、３００Ｖ以上であり、
   前記第１回路を流れる電気信号の第３電圧の振幅は、３００Ｖ未満であり、かつ、前記第３電圧の絶対値の最大は、３００Ｖ未満であり、
   前記第２回路を流れる電気信号の第４電圧の振幅は、３００Ｖ未満であり、かつ、前記第３電圧の絶対値の最大は、３００Ｖ未満である、電源モジュール。
3. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
   前記第１基板に実装された部品と、前記第２回路を構成する前記部品との最短の距離は、前記距離Ｄの３倍より小さい、電源モジュール。
4. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
   前記交流回路を構成する前記部品と、前記第２回路を構成する前記部品とは、平面視で互いに離間している、電源モジュール。
5. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
   電気的に接地された金属筐体をさらに有し、
   前記第１基板および前記第２基板は、前記金属筐体の内部に収納され、前記金属筐体に対し絶縁スペーサーによりに固定されている、電源モジュール。
6. 請求項５記載の電源モジュールにおいて、
   前記金属筐体と、前記第１基板または前記第２基板との間、および、前記第１基板と前記第２基板との間は、いずれも樹脂が充填されていない、電源モジュール。
7. 請求項５記載の電源モジュールにおいて、
   前記金属筐体と、前記交流回路を構成する前記部品との最短の距離は、前記距離Ｄの３倍以上である、電源モジュール。
8. 請求項５記載の電源モジュールにおいて、
   前記第２回路に電気的に接続され、前記金属筐体の外部に引き出されたケーブルをさらに有し、
   前記ケーブルは、前記第１基板と前記第２基板との間の第７領域に対し離間している、電源モジュール。
9. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
   前記第１回路は、第１グランドに電気的に接続され、
   前記第２回路は、第２グランドに電気的に接続され、
   前記直流回路または前記交流回路は、第３グランドに電気的に接続され、
   第３グランドは、ノイズ低減用部品を介して前記第１グランドおよび前記第２グランドのそれぞれに電気的に接続されている、電源モジュール。
10. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
    前記第１基板の実装面と前記第２基板の実装面とは、互いに平行である、電源モジュール。
11. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
    前記の第２基板は、前記第１基板を挟んで複数形成されている、電源モジュール。
12. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
    前記第１領域には、前記直流回路と前記交流回路とを保護する保護回路が搭載されている、電源モジュール。
13. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
    前記電源モジュールの外部の電源に接続されたケーブルをさらに有し、
    前記ケーブルは、前記第２回路に電気的に接続されている、電源モジュール。
14. 請求項１記載の電源モジュールにおいて、
    前記第２回路を構成する前記部品と、前記交流回路を構成する前記部品との間に介在する金属層をさらに有し、
    前記金属層は電気的に接地されている、電源モジュール。
15. 試料をイオン化するイオン源、検出対象イオンを選別するフィルタ電極、イオンおよび電子のそれぞれの移動軌道を制御する軌道制御部、前記イオンを検出して電子に変換するコンバージョンダイノード、および、前記電子を検出する検出器を有し、
    前記コンバージョンダイノードおよび前記検出器は、軌道制御部に配置され、
    前記イオン源の第１供給電源、前記フィルタ電極の第２供給電源、前記コンバージョンダイノードの第３供給電源、または、前記検出器の第４供給電源として、請求項１に記載の電源モジュールを用いる、質量分析装置。

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