JP6966027B1

JP6966027B1 - 高電圧発生装置およびｘ線発生装置

Info

Publication number: JP6966027B1
Application number: JP2021531968A
Authority: JP
Inventors: 拓実林
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2041-05-12
Also published as: CN115669230A; US20230199934A1; KR102542892B1; CN115669230B; KR20220162890A; JPWO2021241227A1; US11778718B2

Abstract

交流電源（１）から交流電力の供給を受けて負荷（２）に電位差を印加するコッククロフト・ウォルトン回路を備えた高電圧発生装置において、厚み方向に間隔を空けて３枚以上の基板を配置する。各基板に平板形状のコンデンサ（Ｃ1-1〜Ｃ6-2）を搭載する。各基板間にダイオード（Ｄ1〜Ｄ6）を接続する。３枚以上の基板のうち両端以外の基板には切り欠き（３）が形成される。ダイオード（Ｄ1〜Ｄ6）は、切り欠き（３）の位置に配置される。これにより、小型で生産性の高い高電圧発生装置を提供する。

Description

本発明は、高電圧発生装置の小型化に関する。

医療用のＸ線発生装置に用いられる高電圧発生装置では、コッククロフト・ウォルトン回路（以下、ＣＷ回路と称する）が用いられることが多い。図１１にＣＷ回路の回路図を示す。

特許文献１には、ＣＷ回路の小型化方法が記載されている。特許文献１の図３において、ダイオード３ａ−１，２，３は曲げ加工のリード線を使用している。またコンデンサ２ａ−１，２，３，４は円筒形状のモールド品を使用している。

しかしながら、ＣＷ回路一段当たりに加わる電圧をコンデンサ一つで受けるため、ＣＷ回路の分担電圧を担うためには耐圧の高いコンデンサを使う必要があり、大型なコンデンサとなる。耐圧の小さいコンデンサを直列に配置する方法もあるが、段数増加方向（特許文献１の図３でいう横方向）に大きくなり、サイズダウンが見込めない。また、端部電極はある程度大きさが必要なため、過度なサイズダウンができない。

以上示したようなことから、小型で生産性の高い高電圧発生装置を提供することが課題となる。

特許６０９７３９３号

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、交流電源から交流電力の供給を受けて負荷に電位差を印加するコッククロフト・ウォルトン回路を備えた高電圧発生装置であって、厚み方向に間隔を空けて配置された３枚以上の基板と、前記各基板に搭載された平板形状のコンデンサと、前記各基板間に接続されたダイオードと、を備え、前記３枚以上の基板のうち両端以外の前記基板には切り欠きが形成され、前記ダイオードは、前記切り欠きの位置に配置されたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記ダイオードのリード線は直線状に形成されたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記ダイオードのリード線は２回曲げ加工され、前記ダイオードのリード線と前記基板を前記基板の端面で接続したことを特徴とする。

また、その一態様として、前記コンデンサは前記各基板の表面および裏面に搭載され、前記各基板の表面および裏面に搭載された前記コンデンサは並列接続されたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記各基板は、スリットで分割されたことを特徴とする。

また、その一態様として、基板組み立て時に、基板間位置決め用の治具によって前記各基板を固定することを特徴とする。

また、その一態様として、前記高電圧発生装置をＸ線発生装置に用いたことを特徴とする。

本発明によれば、小型で生産性の高い高電圧発生装置を提供することが可能となる。

実施形態１における高電圧発生装置を示す正面図。実施形態１における高電圧発生装置を各基板上方向から見た図。実施形態１における高電圧発生装置を示す斜視図。実施形態１におけるダイオード位置決め箇所を示す図。実施形態２における高電圧発生装置を示す正面図。実施形態３における基板分割方法を示す図。実施形態１〜３のフローノズルアプローチ方向を示す図。実施形態４における高電圧発生装置を示す斜視図。実施形態４における高電圧発生装置を示す正面図。実施形態４における高電圧発生装置を各基板上方向から見た図。コッククロフト・ウォルトン回路の一例を示す図。

以下、本願発明における高電圧発生装置の実施形態１〜４を図１〜図１１に基づいて詳述する。

［実施形態１］
高電圧発生装置は、例えばＸ線発生装置に用いられる。高電圧発生装置は、ＣＷ回路を有する。まず、図１１に基づいて、ＣＷ回路について説明する。ＣＷ回路は、交流電源１から交流電力の供給を受けて負荷２に高い電位差を印加するものである。

図１１に示すように、交流電源１の一端には、コンデンサＣ₁，Ｃ₃，Ｃ₅が直列接続される。また、交流電源１の他端には、コンデンサＣ₂，Ｃ₄，Ｃ₆が直列接続される。また、交流電源１の他端は接地される。

交流電源１とコンデンサＣ₂の共通接続点とコンデンサＣ₁，Ｃ₃の共通接続点との間にはダイオードＤ₁が接続される。コンデンサＣ₁，Ｃ₃の共通接続点とコンデンサＣ₂，Ｃ₄の共通接続点との間にはダイオードＤ₂が接続される。コンデンサＣ₂，Ｃ₄の共通接続点とコンデンサＣ₃，Ｃ₅の共通接続点との間にはダイオードＤ₃が接続される。コンデンサＣ₃，Ｃ₅の共通接続点とコンデンサＣ₄，Ｃ₆の共通接続点との間にはダイオードＤ₄が接続される。コンデンサＣ₄，Ｃ₆の共通接続点とコンデンサＣ₅との間にはダイオードＤ₅が接続される。コンデンサＣ₅とダイオードＤ₅の共通接続点とコンデンサＣ₆との間にはダイオードＤ₆が接続される。

コンデンサＣ₆とダイオードＤ₆の共通接続点と交流電源１の他端との間には負荷２が接続される。

なお図１１は、３段構成のＣＷ回路である。２段構成の場合は、図１１の３段目の回路が省略される。４段以上の構成の場合は、図１１の１〜３段目と同様にコンデンサとダイオードから成る回路が４段目以降に追加接続される。

図１，図２に本実施形態１における高電圧発生装置の構造を示す。図１は高電圧発生装置の正面図であり、図２は各基板を上方向から見た図である。

本実施形態１では、基板を４枚（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）に分割しているが、基板は３枚以上であればよい。基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は厚み方向に間隔を空けて配置される。それぞれの基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４をダイオード及び接続端子で接続する。コンデンサには、平板形状で基板表面へ実装可能な種類を用いる。

図１に示すように、基板Ｎｏ．１には、コンデンサＣ_2-2，Ｃ_4-2，Ｃ_6-2が実装される。基板Ｎｏ．２には、コンデンサＣ_2-1，Ｃ_4-1，Ｃ_6-1が実装される。基板Ｎｏ．３には、コンデンサＣ_1-1，Ｃ_3-1，Ｃ_5-1が実装される。基板Ｎｏ．４には、コンデンサＣ_1-2，Ｃ_3-2，Ｃ_5-2が実装される。また、同段のコンデンサは段数増加の軸と垂直に並ぶよう配置する。

ダイオードＤ₁の一端（アノード）は基板Ｎｏ．２に接続され、他端（カソード）は基板Ｎｏ．４に接続される。ダイオードＤ₂の一端（アノード）は基板Ｎｏ．４に接続され、他端（カソード）は基板Ｎｏ．１に接続される。また、ダイオードＤ₂の一端（アノード）側のリード線は基板Ｎｏ．３のスルーホールを貫通しており、基板Ｎｏ．３のスルーホールを半田付けすることによって基板ＮＯ．３にも接続される。ダイオードＤ₃の一端（アノード）は基板Ｎｏ．１に接続され、他端（カソード）は基板Ｎｏ．４に接続される。また、ダイオードＤ₃の一端（アノード）側のリード線は基板Ｎｏ．２のスルーホールを貫通しており、基板Ｎｏ．２のスルーホールを半田付けすることによって基板ＮＯ．２にも接続される。ダイオードＤ₄の一端（アノード）は基板Ｎｏ．４に接続され、他端（カソード）は基板Ｎｏ．１に接続される。また、ダイオードＤ₄の一端（アノード）側のリード線は基板Ｎｏ．３のスルーホールを貫通しており、基板Ｎｏ．３のスルーホールを半田付けすることによって基板ＮＯ．３にも接続される。ダイオードＤ₅の一端（アノード）は基板Ｎｏ．１に接続され、他端（カソード）は基板Ｎｏ．４に接続される。また、ダイオードＤ₅の一端（アノード）側のリード線は基板Ｎｏ．２のスルーホールを貫通しており、基板Ｎｏ．２のスルーホールを半田付けすることによって基板ＮＯ．２にも接続される。ダイオードＤ₆の一端（アノード）は基板Ｎｏ．４に接続され、他端（カソード）は基板Ｎｏ．１に接続される。また、ダイオードＤ₆の一端（アノード）側のリード線は基板Ｎｏ．３のスルーホールを貫通しており、基板Ｎｏ．３のスルーホールを半田付けすることによって基板ＮＯ．３にも接続される。

また、ダイオードＤ₁〜Ｄ₆のリード線は図１に示すように、曲げ加工されておらず、直線状に形成されている。

なお、ダイオードの符号Ｄ₁〜Ｄ₆は、図１と図１１で対応している。さらに、図１のコンデンサＣ_1-1とコンデンサＣ_1-2は直列接続されていて（両者の接続配線の一部は図１に示していない）、図１のコンデンサＣ_1-1とコンデンサＣ_1-2の直列回路が図１１のコンデンサＣ₁と対応している。他のコンデンサＣ₂〜Ｃ₆についても同様である。

図１１に示す交流電源１の電圧は、基板Ｎｏ．２−Ｎｏ．３間に印加される。

図３は、本実施形態１における高電圧発生装置の斜視図である。中間部の基板（複数の基板のうち両端以外の基板）Ｎｏ．２、Ｎｏ．３には切り欠き３が設けられている。この切り欠き３にダイオードＤ₁〜Ｄ₆を配置する。

なお、図３には、基板間の組み立て作業を容易にするための基板間位置決め用の治具４も示している。この治具４は、組み立て作業完了後に基板から取り外してもよいし、治具４をつけたまま基板を装置に装着してもよい。

特許文献１では、比較的外形が大きいコンデンサを使用しており、装置の小型化が難しかった。また、ダイオードのリード線に曲げ加工があるため、外力によってダイオードの変形があった場合に周辺の部品との距離を一定に保つことができなくなって絶縁破壊する恐れがあった。

本実施形態１のような構造とすることで、絶縁破壊する可能性を極力抑えて信頼性を向上させ、小型で生産性の良い高電圧発生装置を製作することが可能となる。

基板間の距離を十分確保することで、基板間、主にコンデンサ間の放電を防止する。製作後の基板間の距離は、ダイオードと接続端子によって一定の間隔を保つことができ、さらにダイオードのリード線には曲げ加工がないため、外力によって絶縁性が低下するおそれは低い。

図４にダイオードの位置決め方法を示す。図４では、例として基板Ｎｏ．３の一部を示している。ダイオードＤ₁，Ｄ₃は基板の切りかき３によって位置決めが容易にできる。ダイオードＤ₂，Ｄ₄，Ｄ₅，Ｄ₆も図示は省略するが、同様に位置決めできる。よって、製造工数を低減でき、生産性を高めることができる。また、切りかき３によってダイオード間の距離も十分確保することができるため、絶縁が確保され信頼性も向上する。

また、基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４表面に、背の低い平板形状のコンデンサＣを用いることによって、コンデンサ寸法による基板間の距離の制約はなくなり、円筒形状のコンデンサ使用時と比べて装置を小型化できる。

また、図３に示すような基板間位置決め用の治具４を設けて基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４を固定することで、組み立てがさらに容易になって生産性を高めることができる。

また、本実施形態１は小容量の高電圧発生装置に適している。

なお図１〜図３は、基板が４枚の場合の構成図である。基板は３枚以上であれば、ダイオードを切り欠きによって固定する中間部の基板（両端以外の基板）が存在することになるので、本発明を適用できる。
［実施形態２］
図５に本実施形態２における高電圧発生装置の構造を示す。コンデンサの静電容量を増加させるため、基板裏面にコンデンサＣを追加する。さらに、基板表面のコンデンサＣと基板裏面のコンデンサＣを、基板内で並列接続する。

本実施形態２のような構造とすることで、実施形態１と同様の効果を得つつ、コンデンサ容量を二倍にすることができる。コンデンサ容量を倍増することでＣＷ回路の出力電力を高めることができる。

［実施形態３］
図６に本実施形態３における高電圧発生装置の構造を示す。実施形態１の基板を段ごとにスリットで分割する。図６の分割方法は一例であり、沿面放電の恐れがある部分を分割することで効果が得られる。

本実施形態３のような構造とすることで、実施形態１，２と同様の効果を得つつ、基板上で電位差がある箇所を分割することができる。高電圧発生回路を基板に実装した際、一番の問題となる基板上での沿面放電を防止することできる。

また、基板間位置決め用の治具４を用いることで、基板間の距離と段間の距離を一定に保つことができる。基板間位置決め用の治具４を用いることで分割した基板同士を接触させない構造を容易に製作することができる。

本実施形態３のような構造にすると、基板上での沿面放電を防止することできるため、信頼性をさらに向上させることが可能となる。

［実施形態４］
実施形態１〜３の構造は小型化できるものの、機械実装が困難で手動で半田付けを行う必要があり、実装時の品質を保つことが難しい。

実施形態１〜３の構造で機械実装が困難な理由は、基板４枚をユニット組立する際、フロー半田のノズルがＴＭＤ（ＴｈｏｒｏｕｇｈｈｏｌｅＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）部品の全半田箇所に入らないためである。図７に示すように、実施形態１〜３ではユニットの外側２枚の基板Ｎｏ．１，Ｎｏ．４に関してはフロー半田のノズルがアプローチ可能である。しかし、中央の２枚の基板Ｎｏ．２，Ｎｏ．３に関しては実装箇所にフロー半田のノズルがアプローチできない。

よって、実施形態１〜３の構造では手動で半田付け、もしくは特殊で高価な装置が必要となる。

そこで、本実施形態４では、図８〜図１０に示すように、ダイオードＤ₁〜Ｄ₆のリード線（アノードリード、カソードリード）を２回曲げ加工し、ダイオードＤ₁〜Ｄ₆のリード線と基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４を基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の端面で接続されるようにする。基板Ｎｏ１〜Ｎｏ．４のダイオードＤ₁〜Ｄ₆のリード線との接続箇所は端面スルーホール化する。ダイオードＤ₁〜Ｄ₆はアノードリード、カソードリードをフォーミングする。図８〜図１０において、符号５は端面スルーホールを示し、符号６は２回曲げ加工部を示す。なお、ダイオードＤ₁〜Ｄ₆の本体は実施形態１〜３と同様に切り欠き３に配置される。

実施形態１〜３では、基板Ｎｏ．２，Ｎｏ．３に対するダイオードの機械実装が困難だったが、端面スルーホールを採用することで機械実装（スポット半田等）に対応することができるようになり、半田不良発生を著しく下げることができる。端面スルーホール採用時に機械実装が可能となる理由は、実装部が基板内部から基板端に移動することでフロー半田のノズルがアプローチ可能になるからである。

また、実施形態１〜３では、基板のスルーホールを縫うようにダイオードＤ₁〜Ｄ₆を配置しなければならなかったが、本実施形態４ではダイオードＤ₁〜Ｄ₆を基板Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の側面から置くだけで配置できるようになった。

以上示したように、本実施形態４のような構造とすることで、小型で機械実装できる生産性の良い高電圧発生装置を製作することができ、更に信頼性が高まる。

また、本実施形態４ではダイオードＤ₁〜Ｄ₆のアノードリード、カソードリードを二回曲げし、端面スルーホールを採用することですべての半田箇所を機械実装できる。さらに、基板間の部品配置でスルーホールを通す部品がなくなったことで、部品配置が容易になる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Claims

交流電源から交流電力の供給を受けて負荷に電位差を印加するコッククロフト・ウォルトン回路を備えた高電圧発生装置であって、
厚み方向に間隔を空けて配置された３枚以上の基板と、
前記各基板に搭載された平板形状のコンデンサと、
前記各基板間に接続されたダイオードと、を備え、
前記３枚以上の基板のうち両端以外の前記基板には切り欠きが形成され、
前記ダイオードは、前記切り欠きの位置に配置された高電圧発生装置。
前記ダイオードのリード線は直線状に形成された請求項１記載の高電圧発生装置。
前記ダイオードのリード線は２回曲げ加工され、
前記ダイオードのリード線と前記基板を前記基板の端面で接続した請求項１記載の高電圧発生装置。
前記コンデンサは前記各基板の表面および裏面に搭載され、前記各基板の表面および裏面に搭載された前記コンデンサは並列接続された請求項１〜３のうち何れかに記載の高電圧発生装置。
前記各基板は、スリットで分割された請求項１〜４のうち何れかに記載の高電圧発生装置。
基板組み立て時に、基板間位置決め用の治具によって前記各基板を固定する請求項１〜５のうち何れかに記載の高電圧発生装置。
請求項１〜６にうち何れかに記載の高電圧発生装置を用いたＸ線発生装置。