JP4298351B2

JP4298351B2 - 高圧回路の共振点の調整装置

Info

Publication number: JP4298351B2
Application number: JP2003098368A
Authority: JP
Inventors: 岳高口
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Holon Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: JP2004303707A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高電圧回路の共振点の調整装置に関し、特に、電子銃などの電子ビーム加速電源に用いる高電圧回路の共振点の調整装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビーム式の描画装置では、電子ビームの加速用に高出力高電圧の電源が用いられている。このような電源には、例えば、特許文献１に開示されているように、コッククロフト・ウオルトン型（以下、ＣＷと略す）逓倍回路と、ステップアップトランスとを組合わせた高圧回路が用いられている。
【０００３】
図６は、この種の高圧回路の一例を示しており、同図においては、１がＣＷ逓倍回路で、２がステップアップトランスである。このような高圧回路では、小型化して、リップル電圧や内部抵抗を小さくするために、高周波駆動で使用される。
【０００４】
ところで、ＣＷ逓倍回路１とステップアップトランス２とを組合わせた高圧回路では、その等価回路を図８に示すように、ＣＷ逓倍回路１がカラム間に分布容量Ｃｓを有しているので、この分布容量Ｃｓが、ステップアップトランス２の相互インダクタンスＬｅｘと並列接続された状態となる。
【０００５】
図７に示した等価回路では、Ｌｌ１がステップアップトランス２の一次インダクタンスで、Ｌｌ２が同トランス２の二次インダクタンスで、Ｌｅｘが同トランス２の相互インダクタンスである。
【０００６】
このような等価回路において、高周波駆動させる場合には、電圧と電流の位相を一致させることが望ましいので、通常、ステップアップトランスの相互インダクタンスＬｅｘと分布容量Ｃｓとを並列共振させて、電圧と電流の位相の一致を図っている。
【０００７】
この場合、希望する駆動周波数（相互インダクタンスＬｅｘと分布容量Ｃｓとの並列共振周波数に同じ）とするには、分布容量Ｃｓの変更ができないので、一般的には、ステップアップトランス２の相互インダクタンスＬｅｘを変更しており、インダクタンスＬｅｘを変更する際には、従来、８図に示すように、ステップアップトランス２のトランスコアの分割部分にスペーサを介装して、ギャップを調整することで行っていた。
【０００８】
しかしながら、このような従来の高周波トランスの共振点の調整方法には、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−３５１７９９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、図８に示したステップアップトランス２のギャップ調整により共振周波数を調整する方法では、微妙な共振点の調節が困難であり、また、ステップアップトランス２に使用しているトランスコアの透磁率は、周囲温度によって変化し、透磁率が変化すると、共振点も微妙に変位するが、このような場合に、ギャップ調整でこれに対応することは、殆ど不可能であった。
【００１１】
また、図６に示した高圧回路では、ＣＷ逓倍回路１の出力電圧を一定にするために、同図に示すように、抵抗分圧器３および比較器４を設け、インバータ回路５を介して、ステップアップトランス２に供給される可変出力直流電源６を負帰還制御していた。
【００１２】
この際の制御の概要は、抵抗分圧器３でＣＷ逓倍回路１の出力電圧を検出し、比較器４にこれを入力して、基準電圧信号と比較し、出力電圧の状態に応じて、制御信号を可変出力直流電源６に送出する。
【００１３】
この場合、インバーター回路５のスイッチング周波数は、通常、固定されているので、ステップアップトランス２の励磁インダクタンスが、温度変化により変動すると、ＣＷ逓倍回路１の分布容量Ｃｓとの並列共振点が変化し、電流の位相が電圧の位相よりも進み位相になることがある。
【００１４】
このような状態になると、分圧器３と比較器４を介して、負帰還制御されている高電圧制御系は、発振ぎみとなり、安定した制御が期待できなくなるという問題があった。
【００１５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、温度変化などによる共振点の変動に対して、自動的に対応することができ、その結果、安定した帰還制御を確保することができる高周波トランスの共振点の調整装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、分布容量Ｃｓを有するコッククロフト・ウオルトン型逓倍回路と、相互インダクタンスＬｅｘを有するステップアップトランスと備えた高圧回路における、前記分布容量Ｃｓと相互インダクタンスＬｅｘとで構成する並列共振の共振点の調整装置において、前記ステップアップトランスの一次側から瞬時電圧と瞬時電流の位相差を検出する位相差検出手段と、前記ステップアップトランスに並列接続された共振点調整用トランスと、前記位相差検出手段で検出された前記位相差の大きさに対応させて、当該位相差が低減されるように、前記共振点調整用トランスに励磁電流を供給する励磁電流制御手段とを備えた高圧回路の共振点の調整装置であって、前記位相差検出手段は、前記ステップアップトランスの一次側から取り出された瞬時電圧と瞬時電流とのゼロクロス点を検出して、検出されたゼロクロス点間に対応した幅の電圧，電流パルス信号に変換するゼロクロス検出器と、前記ゼロクロス検出器から送出される前記電圧，電流パルス信号を受けて、前記電圧，電流パルス信号間の位相差を検出し、前記位相差に対応したパルス信号を送出する位相差検出器とを備えている。
【００１８】
このように構成した高圧回路の共振点の調整装置によれば、ステップアップトランスの一次側から瞬時電圧と瞬時電流の位相差を検出し、ステップアップトランスに並列接続された共振点調整用トランスの励磁電流を、検出された位相差の大きさに対応させて、当該位相差が低減されるように供給するので、自動的に、ステップアップトランスに供給される瞬時電圧と瞬時電流の位相差を一致させることができる。
【００１９】
この場合、ステップアップトランスに供給される瞬時電圧と瞬時電流の位相差は、例えば、トランスコアの透磁率が周囲温度によって変化した際に発生し、これに伴って、透磁率が変化して共振点も微妙に変位するが、本発明では、発生した位相差を低減するように調整するので、結果的に、並列共振の共振点の調整が自動的に行われる。
【００２０】
また、ステップアップトランスに供給される瞬時電圧と瞬時電流の位相差を一致させることができると、負帰還制御されている高電圧制御系が、発振ぎみとなることがなくなり、安定した制御が行える。
【００２２】
前記位相差検出器は、前記電圧，電流パルス信号間で、前記電流パルス信号が前記電圧パルス信号よりも進み位相の場合に、その位相差を検出する第１位相差検出器と、前記電流パルス信号が前記電圧パルス信号よりも遅れ位相の場合に、その位相差を検出する第２位相差検出器とを設けることができる。
【００２３】
前記共振点調整用トランスは、前記励磁電流による作動点が磁気飽和近傍となるように、オフセットすることができる。
【００２４】
前記共振点調整用トランスをオフセットすることにより前記ステップアップトランスに与えるインダクタンスは、前記相互インダクタンスＬｅｘの１００倍程度に設定することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１から図５は、本発明にかかる高圧回路の共振点の調整装置の一実施例を示している。
【００２６】
図１は、調整装置１０の全体構成を示した回路図であり、共振点の調整対象となる高圧回路は、図６に示したものと同じ回路であり、ＣＷ逓倍回路１と、ステップアップトランス２とを組合わせた構成となっている。
【００２７】
図１では、このような構成の高圧回路の等価回路が示されており、分布容量Ｃｓは、ＣＷ逓倍回路１のカラム間に存在しており、Ｌｌ１がステップアップトランス２の一次インダクタンスで、Ｌｌ２が同トランス２の二次インダクタンスで、Ｌｅｘが同トランス２の相互インダクタンスである。
【００２８】
このような高圧回路は、高周波電源１２により駆動される。なお、図１に示した高周波電源１２は、図６に示した、可変出力直流電源６を高周波信号に変換してステップアップトランス２に供給するインバータ回路５や、ＣＷ逓倍回路１の出力電圧を一定にするために用いる抵抗分圧器３および比較器４などの負帰還制御系を含んでいる。
【００２９】
本実施例の共振点の調整装置１０は、位相差検出手段１４と、共振点調整用トランス１６と、励磁電流制御手段１８とを備えている。位相差検出手段１４は、ステップアップトランス２の一次側から、当該トランス２に供給されている瞬時電圧ｖと、瞬時電流ｉとの位相差を検出するものであって、ゼロクロス検出器１４ａと、第１位相差検出器１４ｂおよび第２位相差検出器１４ｃとを備えている。
【００３０】
ゼロクロス検出器１４ａは、２本の入力端子を備え、一方の入力端子がステップアップトランス２の一次コイル側に接続されて、瞬時電圧ｖが取り込まれるとともに、他方の入力端子が変流器ＣＴを介して、ステップアップトランスに接続され、この変流器ＣＴを介して、瞬時電流ｉが入力されている。
【００３１】
ゼロクロス検出器１４ａでは、このような瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉとを受けて、各瞬時電圧ｖないしは瞬時電流ｉのゼロクロス点を検出して、図２に示すような、電圧パルス信号Ｖｐと電流パルス信号Ｉｐとを送出する。
【００３２】
この場合、各パルス信号Ｖｐ，Ｉｐは、検出されたゼロクロス点間の間隔が、各パルス信号Ｖｐ，Ｉｐのパルス幅になる。第１および第２位相差検出器１４ｂ，１４ｃは、ゼロクロス検出器１４ａから送出される電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐを受けて、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐ間の位相差を検出し、位相差に対応したパルス信号ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２を送出する。
【００３３】
本実施例の場合、第１および第２位相差検出器１４ｂ，１４ｃは、フリップフロップ回路とアンプから構成されていて、第１位相差検出器１４ｂのフリップフロップ回路には、Ｄ端子に電流パルス信号ＩｐがアンプＡ１を介して入力され、クロック端子に電圧パルス信号Ｖｐが入力されている。
【００３４】
第２位相差検出器１４ｃのフリップフロップ回路には、Ｄ端子に電圧パルス信号ＶｐがアンプＡ２を介して入力され、クロック端子に電流パルス信号Ｉｐが入力されている。
【００３５】
第１位相差検出器１４ｂのフリップフロップ回路は、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐ間で、電流パルス信号Ｉｐが電圧パルス信号Ｖｐよりも進み位相の場合に作動して、図３に示すように、電圧パルス信号Ｖｐの立ち上がりと、電流パルス信号Ｉｐの立下りとの間に、Ｑ端子から出力信号ａ１が送出され、この出力信号ａ１は、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐの位相差に応じたパルス幅になっている。
【００３６】
この場合、第２位相差検出器１４ｃのフリップフロップ回路は、作動せず、出力信号ｂ１は、ゼロレベルとなる。第２位相差検出器１４ｂのフリップフロップ回路は、図４に示すように、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐ間で、電流パルス信号Ｉｐが電圧パルス信号Ｖｐよりも遅れ位相の場合に作動して、電流パルス信号Ｉｐの立ち上がりと、電圧パルス信号Ｖｐの立下りとの間に、Ｑ端子から出力信号ｂ２が送出され、この出力信号ｂ２は、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐの位相差に応じたパルス幅になっている。
【００３７】
この場合、第１位相差検出器１４ｃのフリップフロップ回路は、作動せず、出力信号ａ２は、ゼロレベルとなる。共振点調整トランス１６は、一次コイル１６ａと二次コイル１６ｂとを備えている。
【００３８】
一次コイル１６ａは、一端側が接地され、他端側には、後述する励磁電流制御手段１８の一部を構成する出力トランジスタＱが接続されている。二次コイル１６ｂは、ステップアップトランス２の相互インダクタンスＬｅｘと並列接続されている。具体的には、ステップアップトランス２の一次コイルと、共振点調整トランス１６の二次コイル１６ｂとが並列接続される。
【００３９】
励磁電流制御手段１８は、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐ間に位相差がある場合に、共振点調整トランス１６の励磁電流を替えて、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐ間の位相が一致するように制御するものである。
【００４０】
本実施例場合、一対のスイチィングトランジスタＱ２，Ｑ４と、オフセット電圧発生部１８ａと、＋補正電圧発生部１８ｂと、−補正電圧発生部１８ｃと、出力トランジスタＱおよび複数の増幅器Ａ３〜Ａ５とから概略構成されている。
【００４１】
オフセット電圧発生部１８ａは、所定大きさの直流電圧Ｖｏを送出し、その出力側がアンプＡ５を介して、出力トランジスタＱのゲートに接続されていて、常時所定大きさの励磁電流が共振点調整用トランス１６の一次コイル１６ａに供給されるようになっている。
【００４２】
この場合の励磁電流は、図５に共振点調整トランス１６のＢＨ曲線で示すように、トランス１６の励磁電流による作動点Ａが、磁気飽和点近傍となるように、オフセットさせている。
【００４３】
この場合に、ステップアップトランス２に対して与えられるインダクタンスは、相互インダクタンスＬｅｘの、例えば、１００倍程度にする。このような大きさに設定すると、付与するインダクタンスが並列接続なので、相互インダクタンスＬｅｘに対して、１％の影響しか与えない。
【００４４】
スイッチングトランジスタＱ２は、＋補正電圧発生部１８ｂの出力側に介装され、アンプＡ３を介在させて、オフセット電圧発生部１８ａの出力側に接続されているとともに、ゲートに第１位相差検出器１４ａのフリップフロップ回路の出力側が接続されている。＋補正電圧発生部１８ｂは、所定大きさの正電圧Ｖ＋を常時送出するものである。
【００４５】
スイッチングトランジスタＱ４は、−補正電圧発生部１８ｃの出力側に介装され、アンプＡ４を介在させて、オフセット電圧発生部１８ａの出力側に接続されているとともに、ゲートに第２位相差検出器１４ｃのフリップフロップ回路の出力側が接続されている。−補正電圧発生部１８ｃは、所定大きさの負電圧Ｖ−を常時送出するものである。
【００４６】
以上のように構成された共振点の調整装置１０では、例えば、温度上昇などにより、ステップアップトランス２の相互インダクタンスＬｅｘと分布容量Ｃｓとで構成する並列共振の共振点が変化すると、この変化は、瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの位相差となって現れる。
【００４７】
このような位相差は、これがいま、例えば、瞬時電流ｉが瞬時電圧ｖよりも遅れ位相にある場合には、図３に示すように、その位相差が第１位相差検出器１４ａにより検出されて、検出された位相差に応じた幅のパルス信号ａ１として、スイッチングトランジスタＱ２に送出される。
【００４８】
パルス信号ａ１を受けたトランジスタＱ２は、その信号ａ１が送出されている間は、オン状態になり、これに伴って、＋補正電圧発生部１８ｂの出力電圧Ｖ＋が、オフセット電圧発生部１８ａの出力側に送出される。
【００４９】
この結果、出力トランジスタＱには、オフセット電圧発生部１８ａの出力電圧値Ｖｏに、補正電圧発生部１８ｂの出力電圧Ｖ＋が加えられた電圧（Ｖｏ＋Ｖ＋）が印加され、共振点調整トランス１６は、この電圧に対応した励磁電流で励磁されるので、図５に示したＢＨ曲線における作動点が、右側に移動することになる。
【００５０】
つまり、瞬時電流ｉが瞬時電圧ｖよりも遅れ位相にある場合には、オフセットさせた作動点Ａが、適正な位置から左側に変位した状態になっており、このような状態から作動点を右側に移動させるように、励磁電流を増加させることになる。
【００５１】
そして、所定時間経過した後に、瞬時電流ｉと瞬時電圧ｖとの位相差を検出した時に、まだ瞬時電流ｉが瞬時電圧ｖよりも遅れ位相にある場合には、前述した作動が繰り返される。
【００５２】
この際には、一度共振点を調整しているので、瞬時電流ｉと瞬時電圧ｖとの間の位相差が、減少しているので、スイッチングトランジスタＱ２は、前回よりも短い時間でオン状態になり、共振点調整トランス１６は、図５に示したＢＨ曲線における作動点が、さらに右側に移動し、このような作動を複数回繰り返すことで、作動点は、適正な位置、すなわち、ステップアップトランス２の相互インダクタンスＬｅｘと分布容量Ｃｓとで構成する並列共振の共振点に一致する。
【００５３】
以上のような作動は、瞬時電流ｉが瞬時電圧ｖよりも進み位相にある場合には、位相差が第２位相差検出器１４ｃにより検出されて、進み位相の場合と実質的に同様な作動を繰り返すことで共振点の調整が行われる。
【００５４】
さて、以上のように構成した高圧回路の共振点の調整方法および調整装置によれば、ステップアップトランス２の一次側から瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの位相差を検出し、ステップアップトランス２に並列接続された共振点調整用トランス１６の励磁電流を、検出された位相差の大きさに対応させて、当該位相差が低減されるように供給するので、自動的に、ステップアップトランス２に供給される瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの位相差を一致させることができる。
【００５５】
この場合、ステップアップトランス２に供給される瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの位相差は、例えば、トランスコアの透磁率が周囲温度によって変化し際に発生し、これに伴って、透磁率が変化して共振点も微妙に変位するが、本実施例では、位相差をなくすように調整するので、結果的に、並列共振の共振点の調整が自動的に行われる。
【００５６】
また、ステップアップトランス２に供給される瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの位相差を一致させることができると、負帰還制御されている高電圧制御系が、発振ぎみとなることがなくなり、安定した制御が行える。
【００５７】
さらに、本実施例の場合には、位相差検出器は、電圧，電流パルス信号Ｖｐ，Ｉｐ間で、電流パルス信号Ｉｐが電圧パルス信号Ｖｐよりも遅れ位相の場合に、その位相差を検出する第１位相差検出器１４ｂと、電流パルス信号ＩＰが電圧パルス信号Ｖｐよりも進み位相の場合に、その位相差を検出する第２位相差検出器１４ｃとを設けている。
【００５８】
このため、共振点が正負のいずれの方向に変位した場合にも、自動的に対応することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明にかかる共振点の調整装置によれば、温度変化などによる共振点の変動に対して、自動的に対応することができ、その結果、安定した帰還制御を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる共振点の調整装置の一実施例を示す全体構成の回路図である。
【図２】図１に示したゼロクロス検出器の入出力信号の波形図である。
【図３】図１に示した第１位相差検出器の入出力信号の波形図である。
【図４】図１に示した第２位相差検出器の入出力信号の波形図である。
【図５】図１に示した共振点調整トランスの作動点の説明図である。
【図６】本発明が適用される高圧回路の回路図である。
【図７】図６の高圧回路の要部等価回路図である。
【図８】従来の共振点の調整方法の説明図である。
【符号の説明】
１０共振点調整装置
１２高周波電源
１４位相差検出手段
１６共振点調整トランス
１８励磁電流制御手段

Claims

分布容量Ｃｓを有するコッククロフト・ウオルトン型逓倍回路と、相互インダクタンスＬｅｘを有するステップアップトランスと備えた高圧回路における、前記分布容量Ｃｓと相互インダクタンスＬｅｘとで構成する並列共振の共振点の調整装置において、
前記ステップアップトランスの一次側から瞬時電圧と瞬時電流の位相差を検出する位相差検出手段と、
前記ステップアップトランスに並列接続された共振点調整用トランスと、
前記位相差検出手段で検出された前記位相差の大きさに対応させて、当該位相差が低減されるように、前記共振点調整用トランスに励磁電流を供給する励磁電流制御手段とを備えた高圧回路の共振点の調整装置であって、
前記位相差検出手段は、前記ステップアップトランスの一次側から取り出された瞬時電圧と瞬時電流とのゼロクロス点を検出して、検出されたゼロクロス点間に対応した幅の電圧，電流パルス信号に変換するゼロクロス検出器と、
前記ゼロクロス検出器から送出される前記電圧，電流パルス信号を受けて、前記電圧，電流パルス信号間の位相差を検出し、前記位相差に対応したパルス信号を送出する位相差検出器とを備えたことを特徴とする高圧回路の共振点の調整装置。
前記位相差検出器は、前記電圧，電流パルス信号間で、前記電流パルス信号が前記電圧パルス信号よりも進み位相の場合に、その位相差を検出する第１位相差検出器と、
前記電流パルス信号が前記電圧パルス信号よりも遅れ位相の場合に、その位相差を検出する第２位相差検出器とを備えたことを特徴とする請求項１記載の高圧回路の共振点の調整装置。
前記共振点調整用トランスは、前記励磁電流による作動点が磁気飽和近傍となるように、オフセットされることを特徴とする請求項１または２記載の高圧回路の共振点の調整装置。
前記共振点調整用トランスをオフセットすることにより前記ステップアップトランスに与えるインダクタンスは、前記相互インダクタンスＬｅｘの１００倍程度に設定することを特徴とする請求項３記載の高圧回路の共振点の調整装置。