JP7440475B2

JP7440475B2 - 高電圧増幅回路、及び分析装置

Info

Publication number: JP7440475B2
Application number: JP2021181024A
Authority: JP
Inventors: 正浩有光
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2041-11-05
Also published as: US20230148109A1; JP2023069273A; EP4178109A1

Description

本発明は、高電圧増幅回路、及び分析装置に関する。

入力される数Ｖ～数十Ｖの電圧信号を数ｋＶの高電圧信号に増幅し、出力する高電圧増幅回路が知られている。例えば、特許文献１には、電圧信号が入力されるオペアンプと、オペアンプが出力する信号を増幅し高電圧信号を出力するプッシュ・プル回路とを有し、プッシュ・プル回路が出力する高電圧信号を、抵抗素子を介してオペアンプに帰還することで、所望の電圧値の高電圧信号の出力が可能な高出力直流増幅回路（高電圧増幅回路）が開示されている。

特開２００５－０７９９２５号公報

特許文献１に記載の高電圧増幅回路では、プッシュ・プル回路に含まれるプッシュ側電界効果トランジスターが、プッシュ側フォトカプラ１３Ａの出力電流に基づいて駆動される。しかしながら、プッシュ側フォトカプラ１３Ａの出力電流は微弱であり、それ故に、プッシュ側電界効果トランジスターの入力容量をチャージするのに時間を要する。そのため、特許文献１に記載の高電圧増幅回路では、高電圧信号の電圧値の変更要求に対する高電圧信号の応答速度の高速化が困難であった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、高速に応答する高電圧増幅回路及び分析装置を提供することができる。

本発明に係る高電圧出力回路の一態様は、
入力端子に入力される第１電圧信号を増幅した第２電圧信号を出力端子から出力する高電圧増幅回路であって、
前記出力端子に定電流信号を出力する定電流回路と、
前記第１電圧信号に基づく増幅制御信号を出力する増幅演算器と、
前記定電流信号と前記増幅制御信号とに基づいて、前記第２電圧信号を出力する増幅電圧出力回路と、
を備え、
前記定電流回路は、
一端に定電圧信号が供給され、他端にグラウンド電位が供給される第１発光素子と、
前記第１発光素子の発光に応じた駆動信号を出力する第１受光発電素子と、
第１端子に供給される前記駆動信号に基づいて駆動することで、第２端子に入力される数ｋＶ以上の電圧値の増幅電圧信号に基づき前記定電流信号を生成し、第３端子から出力する第１トランジスターと、
前記第３端子から出力される前記定電流信号の電流値を検出し、検出結果に基づいて前記第１端子への前記駆動信号の供給を制御する電流制御回路と、
を有し、
前記増幅電圧出力回路は、
前記増幅制御信号に基づく電流によって発光する第２発光素子と、
前記第２発光素子の発光に応じた電流を出力する第２受光発電素子と、
－端子側に－数ｋＶ以下の負側高電圧信号が入力されるフローティング電源を含み、前記第２受光発電素子が出力する電流を増幅制御電圧信号に変換するＩＶ変換回路と、
ドレイン端子が前記出力端子と電気的に接続され、ゲート端子に前記増幅制御電圧信号が入力され、ソース端子に前記負側高電圧信号が入力される第２トランジスターと、
を有し、
前記増幅制御電圧信号に応じて前記第２トランジスターのゲート端子とソース端子との導通状態が制御されることで、前記増幅電圧出力回路は、電圧値が数ｋＶと－数ｋＶとの間で変化する前記第２電圧信号を出力する。

この高電圧出力回路によれば、発光素子に定電圧信号が継続して供給されるが故に、受
光発電素子は、駆動信号を継続して生成し、第１トランジスターに出力する。そのため、出力端子に定電流信号を出力する第１トランジスターの入力容量には、継続して電荷が蓄えられる。これにより、高電圧増幅回路が出力する第２電圧信号の電圧値の変更要求として、入力端子に入力される第１電圧信号の電圧値が変化した場合であっても、第１トランジスターの入力容量に電荷を蓄える時間を短縮することができ、高電圧増幅回路が出力する第２電圧信号の電圧値の変更要求に対する応答性を高めることができる。

また、この高電圧出力回路によれば、発光素子に定電圧信号が継続して供給されるが故に、受光発電素子は駆動信号を継続して生成する。これにより、高耐圧のフローティング電源を用いることなく、定電流回路を動作することができ、高電圧出力回路の回路規模が大きくなるおそれが低減するとともに、高耐圧のフローティング電源を用いた際に生じる結合ノイズが重畳するおそれも低減する。

また、この高電圧出力回路によれば、定電流回路が出力端子に増幅電圧信号に基づく定電流信号を出力することで、高電圧出力回路に接続される負荷容量によって、高電圧増幅回路が出力する第２電圧信号の電圧値の変更要求に対する応答性が変動するおそれが低減するとともに、高電圧出力回路に接続される負荷容量の変動により、回路損失が増加するおそれが低減する。

本発明に係る分析装置の一態様は、
前記高電圧増幅回路を含む。

この分析装置によれば、第２電圧信号の電圧値の変更要求に対する応答性を高めることができる前記高電圧増幅回路を有することで、分析に伴い生じる応答待ち時間を短縮することができ、その結果、迅速な分析を行うことができる。

また、この分析装置によれば、前記高電圧増幅回路を有することで、高電圧出力回路の回路規模が大きくなるおそれを低減できるとともに、高耐圧のフローティング電源を用いた際に生じる結合ノイズが重畳するおそれも低減することができる。

第１実施形態の高電圧増幅回路１の構成の一例を示す図。第２実施形態の高電圧増幅回路１の構成の一例を示す図。分析装置の一例としての電子分光装置の構成の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。用いる図面は説明の便宜上のものである。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．高電圧増幅回路
１．１第１実施形態
図１は、第１実施形態の高電圧増幅回路１の構成の一例を示す図である。図１に示すように、高電圧増幅回路１は、増幅演算器１０、増幅電圧出力回路２０、及び定電流回路５０を備える。そして、高電圧増幅回路１は、端子Ｉｎに入力される入力電圧Ｖｉｎを増幅し、数ｋＶ以上の出力電圧Ｖｏｕｔを端子Ｏｕｔから出力する。ここで、高電圧増幅回路１が数ｋＶ以上の出力電圧Ｖｏｕｔを出力するとは、高電圧増幅回路１が常に数ｋＶ以上の出力電圧Ｖｏｕｔを出力することに限られるものではなく、高電圧増幅回路１が数ｋＶ以上の出力電圧Ｖｏｕｔの出力が可能であるとの意味が含まれる。

具体的には、高電圧増幅回路１が備える定電流回路５０が、端子Ｈｖに入力される電圧信号ＶＨに基づく定電流信号を端子Ｏｕｔに出力し、高電圧増幅回路１が備える増幅演算器１０が、端子Ｉｎに入力される入力電圧Ｖｉｎに基づく増幅制御信号を出力する。そして、高電圧増幅回路１が備える増幅電圧出力回路２０が、増幅演算器１０が出力する増幅制御信号と、定電流回路５０が出力する定電流信号とに基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、端子Ｏｕｔから出力する。すなわち、高電圧増幅回路１は、端子Ｏｕｔに定電流信号を出力する定電流回路５０と、入力電圧Ｖｉｎに基づく増幅制御信号を出力する増幅演算器１０と、増幅演算器１０が出力する増幅制御信号と定電流回路５０が出力する定電流信号とに基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する増幅電圧出力回路２０と、を備える。

以上のような高電圧増幅回路１の構成の詳細について図１を用いて説明する。図１に示すように、定電流回路５０は、抵抗５１～５７、トランジスター６１～６３、及びフォトカプラ７０を有する。ここで、第１施形態におけるトランジスター６１，６２は、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスターであり、トランジスター６３は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスターである。また、図１には、トランジスター６２のゲート端子とソース端子との間に存在する電気容量５９を図示している。

フォトカプラ７０は、発光ダイオード７１及び光電変換素子７２を含む。発光ダイオード７１のアノード端子には抵抗５７を介して電圧信号ＶＤＨが供給され、発光ダイオード７１のカソード端子にはグラウンド電位ＧＮＤが供給されている。ここで、電圧信号ＶＤＨは、例えば、＋１５Ｖの直流電圧信号である。

光電変換素子７２は、１又は複数のフォトダイオードを含む。光電変換素子７２が、１個のフォトダイオードを含む場合、当該フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、光電変換素子７２の外部に設けられた電子部品と電気的に接続する。一方で、光電変換素子７２が、複数のフォトダイオードを含む場合、当該複数のフォトダイオードは、隣り合うフォトダイオードの一方のアノード端子と、隣り合うフォトダイオードの他方のカソード端子とが接続されることで直列に接続されている。そして、直列に接続された複数のフォトダイオードの一方の端部に位置するフォトダイオードのアノード端子と、直列に接続された複数のフォトダイオードの他方の端部に位置するフォトダイオードのカソード端子とが、光電変換素子７２の外部に設けられた電子部品と電気的に接続する。ここで、以下の説明において、１又は複数のフォトダイオードの一方の端部に位置するフォトダイオードのアノード端子を、光電変換素子７２のアノード端子と称し、１又は複数のフォトダイオードの他方の端部に位置するフォトダイオードのカソード端子を、光電変換素子７２のカソード端子と称する。

光電変換素子７２のアノード端子は、抵抗５３の一端、及び抵抗５４の一端と電気的に接続している。光電変換素子７２のカソード端子と抵抗５４の他端とは、端子Ｏｕｔと電気的に接続している。すなわち、光電変換素子７２と抵抗５４とは並列に接続されている。

抵抗５３の他端は、トランジスター６２のゲート端子と電気的に接続している。トランジスター６２のドレイン端子は、トランジスター６１のソース端子と電気的に接続し、トランジスター６２のソース端子は、抵抗５５の一端と電気的に接続している。そして、トランジスター６２のゲート端子とトランジスター６２のソース端子との間には、電気容量５９が存在する。この電気容量５９は、トランジスター６２の入力容量に相当する。

トランジスター６１のドレイン端子は、抵抗５１の一端と電気的に接続しているとともに、端子Ｈｖと電気的に接続している。トランジスター６１のゲート端子は、抵抗５１の
他端、及び抵抗５２の一端と電気的に接続している。そして、抵抗５２の他端は、端子Ｏｕｔと電気的に接続している。

抵抗５５の他端は、抵抗５６の一端と電気的に接続している。抵抗５６の他端は、端子Ｏｕｔと電気的に接続している。また、抵抗５５の他端及び抵抗５６の一端は、トランジスター６３のベース端子とも電気的に接続している。そして、トランジスター６３のコレクタ端子が、トランジスター６２のゲート端子と電気的に接続し、トランジスター６３のソース端子が、端子Ｏｕｔと電気的に接続している。

以上のように構成された定電流回路５０の動作について説明する。定電流回路５０において、フォトカプラ７０が有する発光ダイオード７１に電圧信号ＶＤＨが供給されることで、発光ダイオード７１は、電圧信号ＶＤＨに基づいて生じる電流量に応じて発光する。フォトカプラ７０が有する光電変換素子７２は、発光ダイオード７１の発光を受光し、発光ダイオード７１の発光量に応じた電流を出力する。ここで、本実施形態の発光ダイオード７１には、電圧信号ＶＤＨが継続して供給される。したがって、光電変換素子７２は、高電圧増幅回路１の動作に依らず継続して電流を出力する。

光電変換素子７２が出力する電流は、抵抗５３を介して、電気容量５９に供給される。これにより、電気容量５９に電荷が蓄えられる。そして、電気容量５９に電荷が蓄えられることで、トランジスター６２のゲート端子に、光電変換素子７２が出力する電流量と抵抗５４の抵抗値とにより規定される電圧が供給される。その結果、トランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間、及びトランジスター６１のドレイン端子とソース端子との間に電圧信号ＶＨに基づく電流が流れる。

トランジスター６１のドレイン端子とソース端子との間、及びトランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間を流れる電圧信号ＶＨに基づく電流は、抵抗５５，５６を介して端子Ｏｕｔに供給される。この場合において、抵抗５６の両端には、電圧信号ＶＨに基づく電流と抵抗５６の抵抗値とに応じた電圧が生じる。この抵抗５６の両端に生じた電圧の電圧値が、トランジスター６３の閾値電圧を上回ると、トランジスター６３のコレクタ端子とエミッタ端子との間に電流が流れる。これにより、トランジスター６３のコレクタ端子と電気的に接続するトランジスター６２のゲート端子に供給される電圧値が制御され、その結果、トランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間に流れる電流値が制限される。

すなわち、定電流回路５０は、一端に電圧信号ＶＤＨが供給され、他端にグラウンド電位ＧＮＤが供給される発光ダイオード７１と、発光ダイオードの発光に応じた電流を出力する光電変換素子７２と、ゲート端子に供給される光電変換素子７２が出力する電流に基づいて駆動されることで、ドレイン端子に入力される電圧信号ＶＨに基づく信号を、ソース端子から出力するトランジスター６２と、トランジスター６２のソース端子から出力される電圧信号ＶＨに基づく信号の電流値を検出し、検出結果に基づいてトランジスター６２のゲート端子への電流及び電圧の供給を制御する抵抗５６及びトランジスター６３と、を有する。

すなわち、定電流回路５０は、抵抗５６において、トランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間を流れる電流値を検出するととともに、抵抗５６の検出結果に応じて、トランジスター６３の動作を制御することで、トランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間を流れる電流量を一定に制御する。そして、定電流回路５０は、電流量が一定に制御されたトランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間を流れる電流を端子Ｏｕｔに出力する。ここで、電流量が一定に制御されたトランジスター６２のドレイン端子とソース端子との間を流れる電流が定電流信号に相当する。

ここで、トランジスター６１は、端子Ｈｖと端子Ｏｕｔとの間の耐電圧を確保するために設けられている。それ故に、定電流回路５０は、電圧信号ＶＨの電圧値、及びトランジスター６２の耐電圧に応じて複数のトランジスター６１を有してもよく、また、トランジスター６１を有さなくてもよい。また、本実施形態において、発光ダイオード７１と光電変換素子７２とは、１つのフォトカプラ７０に含まれているとして説明を行ったが、発光ダイオード７１と光電変換素子７２とのそれぞれが個別の電子部品として構成されていてもよい。

次に、増幅演算器１０、及び増幅電圧出力回路２０の構成及び動作について説明する。

図１に示すように、増幅演算器１０の－側入力端子は、抵抗１１を介して端子Ｉｎと電気的に接続するとともに、抵抗１２を介して端子Ｏｕｔと電気的に接続している。増幅演算器１０の＋側入力端子には、グラウンド電位ＧＮＤが供給されている。また、増幅演算器１０の出力端子は、増幅電圧出力回路２０と電気的に接続している。

増幅電圧出力回路２０は、抵抗２１～２６，２０１～２０５、トランジスター３１～３３，２１１～２１３、フォトカプラ４０、及び電源２０９を有する。ここで、本実施形態におけるトランジスター３１は、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスターであり、トランジスター３２，３３は、それぞれがＮチャネル型のＭＯＳトランジスターであり、トランジスター２１１～２１３は、それぞれがＮＰＮ型のバイポーラトランジスターである。また、図１には、トランジスター３３のゲート端子とソース端子との間に存在する電気容量２９を図示している。

増幅演算器１０の出力端子は、抵抗２１の一端と電気的に接続している。抵抗２１の他端は、トランジスター３１のベース端子と電気的に接続している。トランジスター３１のエミッタ端子には、抵抗２２を介してグラウンド電位ＧＮＤが供給されている。また、トランジスター３１のコレクタ端子は、フォトカプラ４０と電気的に接続している。

フォトカプラ４０は、発光ダイオード４１及び光電変換素子４２を含む。発光ダイオード４１のアノード端子は、トランジスター３１のコレクタ端子と電気的に接続している。また、発光ダイオード４１のカソード端子には、抵抗２３を介して電圧信号ＶＤＬが供給されている。ここで、電圧信号ＶＤＬは、例えば、－１５Ｖの直流電圧信号である。

光電変換素子４２は、１又は複数のフォトダイオードを含む。光電変換素子４２が、１個のフォトダイオードを含む場合、当該フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、光電変換素子４２の外部に設けられた電子部品と電気的に接続する。一方で、光電変換素子４２が、複数のフォトダイオードを含む場合、当該複数のフォトダイオードは、隣り合うフォトダイオードの一方のアノード端子と、隣り合うフォトダイオードの他方のカソード端子とが接続されることで直列に接続されている。そして、直列に接続された複数のフォトダイオードの一方の端部に位置するフォトダイオードのアノード端子と、直列に接続された複数のフォトダイオードの他方の端部に位置するフォトダイオードのカソード端子とが、光電変換素子４２の外部に設けられた電子部品と電気的に接続する。ここで、以下の説明において、１又は複数のフォトダイオードの一方の端部に位置するフォトダイオードのアノード端子を、光電変換素子４２のアノード端子と称し、１又は複数のフォトダイオードの他方の端部に位置するフォトダイオードのカソード端子を、光電変換素子４２のカソード端子と称する。

光電変換素子４２のアノード端子は、抵抗２０１の一端、及びトランジスター２１１のベース端子と電気的に接続している。光電変換素子４２のカソード端子は、抵抗２０２の
一端、抵抗２０３の一端、トランジスター２１３のコレクタ端子、及び電源２０９の＋側端子と電気的に接続している。

電源２０９の－側端子は、端子Ｌｖと電気的に接続している。

抵抗２０２の他端は、トランジスター２１１のコレクタ端子と電気的に接続し、トランジスター２１１のエミッタ端子は、端子Ｌｖと電気的に接続している。抵抗２０２の他端は、トランジスター２１２のベース端子とも電気的に接続している。

抵抗２０３の他端は、トランジスター２１２のコレクタ端子、及びトランジスター２１３のベース端子と電気的に接続している。トランジスター２１２のエミッタ端子は、抵抗２０１の他端、及び抵抗２０４の一端と電気的に接続している。抵抗２０４の他端は、端子Ｌｖと電気的に接続している。

トランジスター２１３のエミッタ端子は、抵抗２０５の一端と電気的に接続している。抵抗２０５の他端は、端子Ｌｖと電気的に接続している。また、トランジスター２１３のエミッタ端子は、抵抗２６の一端とも電気的に接続している。

以上のように構成された抵抗２０１～２０５、トランジスター２１１～２１３、及び電源２０９は、フォトカプラ４０が出力する電流を電圧に変換する。具体的には、フォトカプラ４０が出力する電流の電流量に応じてトランジスター２１１～２１３の導通状態が能動的に変化する。その結果、抵抗２０５の両端には、フォトカプラ４０が出力する電流の電流値と電源２０９が出力する電圧の電圧値とに基づく電圧が生じる。そして、抵抗２０５の両端に生じた電圧が抵抗２０６の一端に入力される。ここで、フォトカプラ４０が出力する電流を電圧に変換する抵抗２０１～２０５、トランジスター２１１～２１３、及び電源２０９を含む構成を、ＩＶ変換回路２００と称する。換言すれば、ＩＶ変換回路２００は、増幅演算器１０が出力する電圧に基づく電流を、電圧に変換する。

ここで、増幅演算器１０が出力する電圧が、増幅制御信号に相当し、増幅演算器１０が出力する電圧に基づいてフォトカプラ４０が有する出力する光電変換素子４２が出力する電流が増幅制御電流信号に相当し、ＩＶ変換回路２００が、フォトカプラ４０が有する出力する光電変換素子４２が出力する電流から変換した電圧が、増幅制御電圧信号に相当する。

抵抗２６の他端は、トランジスター３３のゲート端子と電気的に接続する。トランジスター３３のドレイン端子は、トランジスター３２のソース端子と電気的に接続し、トランジスター３３のソース端子は、端子Ｌｖと電気的に接続している。そして、トランジスター３３のゲート端子とトランジスター３３のソース端子との間には、電気容量２９が存在する。この電気容量２９は、トランジスター３３の入力容量に相当する。

トランジスター３２のドレイン端子は、抵抗２４の一端と電気的に接続しているとともに、端子Ｏｕｔと電気的に接続している。トランジスター３２のゲート端子は、抵抗２４の他端、及び抵抗２５の一端と電気的に接続している。そして、抵抗２５の他端は、端子Ｌｖと電気的に接続している。

以上のように構成された増幅演算器１０、及び増幅電圧出力回路２０の動作について説明する。

増幅演算器１０は、端子Ｉｎから入力される入力電圧Ｖｉｎと、端子Ｏｕｔに生じる出力電圧Ｖｏｕｔと、抵抗１１，１２とに基づいて規定される電圧値の電圧を出力端子から
出力する。増幅演算器１０が出力する電圧は、抵抗２１を介してトランジスター３１のベース端子に入力される。

トランジスター３１は、ベース端子に入力される電圧の電圧値に応じて、エミッタ端子とコレクタ端子との間を導通に制御する。これより、トランジスター３１のエミッタ端子とコレクタ端子との間にベース端子に供給される電圧の電圧値に応じた電流量の電流が流れる。そして、トランジスター３１のエミッタ端子とコレクタ端子との間に流れる電流は、フォトカプラ４０が有する発光ダイオード４１に供給される。これにより、発光ダイオード４１が発光し、フォトカプラ４０が有する光電変換素子４２は、発光ダイオード４１の発光量に応じた電流を出力する。

光電変換素子４２が出力する電流は、ＩＶ変換回路２００に入力され、光電変換素子４２が出力する電流に応じた電圧値の電圧に変換される。すなわち、ＩＶ変換回路２００は、増幅演算器１０が出力する電圧の電圧値に基づく電流を電圧に変換する。そして、ＩＶ変換回路２００が出力する電圧は、抵抗２６を介してトランジスター３３のゲート端子に供給される。

トランジスター３３は、ゲート端子に供給されるＩＶ変換回路２００が出力する電圧によって、ドレイン端子とソース端子との間が導通に制御される。また、トランジスター３３のドレイン端子とソース端子との間が導通に制御されることで、トランジスター３２のドレイン端子とソース端子との間も導通に制御される。この場合において、トランジスター３３のドレイン端子とソース端子との間に流れる電流量は、トランジスター３３のゲート端子に供給される電圧の電圧値であって、ＩＶ変換回路２００が出力する電圧の電圧値により規定される。すなわち、トランジスター３３は、ＩＶ変換回路２００が出力する電圧であって、増幅演算器１０が出力する電圧に基づいて、定電流回路５０が端子Ｏｕｔに供給する定電流信号の電流の内、端子Ｏｕｔから端子Ｌｖに向かい流れる電流量を制御する。これにより、端子Ｏｕｔに生じる出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が制御される。

増幅演算器１０が出力する電圧に基づいてＩＶ変換回路２００が出力する電圧の電圧値が高くなると、トランジスター３３のドレイン端子とソース端子との間を流れる電流量が増加する。その結果、端子Ｏｕｔに生じる電圧値は、電圧信号ＶＬの電圧値に向かい低下する。一方で、増幅演算器１０が出力する電圧に基づいてＩＶ変換回路２００が出力する電圧の電圧値が低くなると、トランジスター３３のドレイン端子とソース端子との間を流れる電流量が低減する。その結果、端子Ｏｕｔに生じる電圧値は、電圧信号ＶＨの電圧値に向かい増加する。

すなわち、増幅電圧出力回路２０は、定電流回路５０が出力する電流の内、端子Ｌｖに向かい流れる電流量を、増幅演算器１０が出力する電圧に応じて制御することで、端子Ｏｕｔに生じる出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を電圧信号ＶＨの電圧値から電圧信号ＶＬの電圧値の間で制御する。

また、前述の通り、端子Ｏｕｔに生じた出力電圧Ｖｏｕｔは、抵抗１２を介して、増幅演算器１０に帰還する。そして、増幅演算器１０は、端子Ｉｎから入力される入力電圧Ｖｉｎの電圧値と、抵抗１２を介して帰還する出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値と、抵抗１１，１２の抵抗値とに基づいて、増幅演算器１０の出力端子から出力する電圧の電圧値を制御する。すなわち、増幅演算器１０、増幅電圧出力回路２０、及び抵抗１１，１２は、反転増幅回路を構成している。これにより、高電圧増幅回路１は、端子Ｉｎに入力する入力電圧Ｖｉｎの電圧値を電圧信号ＶＨの電圧値、及び電圧信号ＶＬの電圧値に応じて増幅した出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、端子Ｏｕｔから出力する。すなわち、高電圧増幅回路１は、端子Ｉｎに入力される電圧値が±数十Ｖの入力電圧Ｖｉｎに応じて、端子Ｈｖを介して入力
される電圧値が数ｋＶの電圧信号ＶＨと、端子Ｌｖを介して入力される電圧値が－数ｋＶの電圧信号ＶＬとの間で電圧値が変化する出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、端子Ｏｕｔから出力する。

ここで、端子Ｉｎが入力端子の一例であり、端子Ｏｕｔが出力端子の一例であり、端子Ｉｎから高電圧増幅回路１に入力される入力電圧Ｖｉｎが第１電圧信号の一例であり、端子Ｏｕｔから出力される出力電圧Ｖｏｕｔが第２電圧信号の一例である。

また、定電流回路５０が有するフォトカプラ７０に含まれる発光ダイオード７１が発光素子の一例であり、発光ダイオード７１のアノード端子に供給される電圧信号ＶＤＨが定電圧信号の一例であり、フォトカプラ７０に含まれる光電変換素子７２が受光発電素子の一例であり、当該光電変換素子７２が出力する電流、及び当該電流に基づいて抵抗５４の両端に生じる電圧が駆動信号の一例である。そして、トランジスター６２が第１トランジスターの一例であり、トランジスター６２のゲート端子が第１端子の一例であり、トランジスター６２のドレイン端子が第２端子の一例であり、トランジスター６２のソース端子が第３端子の一例であり、トランジスター６１を介してトランジスター６２のドレイン端子に供給される電圧信号ＶＨが増幅電圧信号の一例である。

また、トランジスター６２のドレイン端子とソース端子の間に流れる電流であって、定電流回路５０が端子Ｏｕｔに供給する電流の電流量を検出する抵抗５６と、抵抗５６による検出結果に基づいてトランジスター６２のゲート端子への電圧の供給を制御するトランジスター６３と、を含む構成が電流制御回路の一例である。

また、ドレイン端子がトランジスター３２を介して端子Ｏｕｔと電気的に接続しているトランジスター３３が第２トランジスターの一例である。

１．２作用効果
従前の高電圧増幅回路においてＭＯＳトランジスターの駆動に必要な電流をフォトカプラから供給する場合、フォトカプラが出力する電流が微弱であるが故に、ＭＯＳトランジスターの入力容量に電荷を蓄える際に時間を要し、高電圧増幅回路の高速な制御が困難であった。

このような問題に対して、本実施形態の高電圧増幅回路１では、定電流回路５０が有するトランジスター６２の入力容量に相当する電気容量５９には、フォトカプラ７０を介して一定の電流が継続して供給される。これにより、電気容量５９には継続して電荷が蓄えられる。その結果、高電圧増幅回路１の動作状態が変化した場合であって、例えば、高電圧増幅回路１が出力する出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が変更された場合であっても、当該変更の都度、電気容量５９に電荷を蓄える必要がなく、その結果、当該変更要求に対して、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値の高い応答性を実現することができる。

また、トランジスターの入力容量の充電効率を高めるとの観点においては、大電流の出力が可能な電源回路を用いることも可能かもしれないが、当該構成を採用した場合、高耐圧のフローティング電源が必要となり、その結果、高電圧増幅回路の回路規模が大きくなる懸念があるとともに、当該フローティング電源の結合容量により、高電圧増幅回路にノイズが重畳するおそれも増加する。

これに対して、本実施形態の高電圧増幅回路１では、発光ダイオード７１と、発光ダイオード７１の発光に応じて動作する光電変換素子７２とを用いて定電流回路５０に電流を供給することで、定電流回路５０の動作の基準電位が変動する場合であっても、大型の電源回路を必要とせず、その結果、高電圧増幅回路１の回路規模が増加するおそれが低減す
るとともに、高電圧増幅回路１にノイズが重畳するおそれも低減する。

さらに、第１実施形態の高電圧増幅回路１では、増幅電圧出力回路２０が、トランジスター３３に流れる電流量を制御することで、端子Ｏｕｔから出力される出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を制御することができる。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔにクロスオーバー歪が生じるおそれも低減される。

１．３第２実施形態
次に、第２実施形態の高電圧増幅回路１について説明する。なお、第２実施形態の高電圧増幅回路１の構成を説明するにあたり、第１実施形態の高電圧増幅回路１と同様の構成については同じ符号を付し、その説明を簡略、若しくは省略する。

図２は、第２実施形態の高電圧増幅回路１の構成の一例を示す図である。図２に示すように、第１実施形態の高電圧増幅回路１においてＩＶ変換回路２００は、抵抗２０１～２０５、及びトランジスター２１１～２１３を含み構成されていたが、第２実施形態の高電圧増幅回路１において、ＩＶ変換回路２００は、オペアンプ２２１を含む集積回路装置２２０で構成されている。換言すれば、第２実施形態の高電圧増幅回路１において、ＩＶ変換回路２００は、オペアンプ２２１を有する集積回路装置２２０を含む。

ＩＶ変換回路２００が１つの集積回路装置２２０で構成されることで、ノイズ等の影響を受け難く、ＩＶ変換回路２００がトランジスター３３に出力する電圧信号の精度が向上し、トランジスター３３の駆動精度が向上するとともに、ＩＶ変換回路２００における損失が低減し、電源２０９の電源容量を第１実施形態の高電圧増幅回路１よりも小さくすることができ、ＩＶ変換回路２００の小型化が可能となる。

その結果、第２実施形態の高電圧増幅回路１では、第１実施形態の作用効果に加えて、トランジスター３３の駆動精度の向上に伴い出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値の精度が向上するとともに、ＩＶ変換回路２００及びＩＶ変換回路２００を含む高電圧増幅回路１の回路規模の小型化を実現できる。

２．分析装置
次に上述した高電圧増幅回路１を備えた分析装置の一例について説明する。図３は、高電圧増幅回路１を備える分析装置の一例としての電子分光装置１００の構成の一例を示す図である。本実施形態における電子分光装置１００は、上述した高電圧増幅回路１を複数個備えるとともに、複数の高電圧増幅回路１が出力する複数の出力電圧Ｖｏｕｔの少なくともいずれかが供給される静電レンズ１５１，１５２を有する。

図３に示すように、電子分光装置１００は、高電圧増幅回路１ａ～１ｅ、制御部１２０、検出器１３０、インプットレンズ１５０、エネルギー分光部１６０、入射スリット１７０、Ｘ線源１８０、及び電源ユニット１８１を有する。そして、電子分光装置１００は、使用者がコンピューター１１０を操作することにより入力される操作信号に基づいて、試料１４０の分析を行う。

Ｘ線源１８０は、Ｘ線を発生させ、試料１４０にＸ線を照射する。試料１４０にＸ線が照射されると試料１４０から光電子やオージェ電子等が放出される。

インプットレンズ１５０は、静電レンズ１５１，１５２を含む。静電レンズ１５１，１５２は、電子（光電子、オージェ電子）を入射スリット１７０に集束させる。

入射スリット１７０は、エネルギー分光部１６０の入口に配置されている。入射スリッ
ト１７０は、エネルギー分光部１６０に入射する電子を制限する。

エネルギー分光部１６０は、試料１４０から放出された電子をエネルギー分光する。エネルギー分光部１６０は、例えば、静電半球型アナライザーであって、内半球電極１６１と外半球電極１６２とを有する。この内半球電極１６１と外半球電極１６２との間には、例えば所定の設定電圧が印加され、この設定電圧により電子のパスエネルギーが決定される。

検出器１３０は、エネルギー分光部１６０でエネルギー分光された電子を検出する。検出器１３０の出力信号は、増幅器で増幅され、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換された後、制御部１２０が有する不図示の処理部に送られる。なお、検出器１３０の出力信号は、制御部１２０において、増幅器で増幅され、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換されてもよい。

電源ユニット１８１は、制御部１２０からの指令に基づいて、Ｘ線源１８０にＸ線を発生させるための制御信号を送る。

複数の高電圧増幅回路１の内の１個に相当する高電圧増幅回路１ａは、制御部１２０から入力される入力電圧Ｖｉｎ－ａを増幅することで、例えば、－４ｋＶ～＋１ｋＶの高電圧の出力電圧Ｖｏｕｔ－ａを生成し、エネルギー分光部１６０に含まれる外半球電極１６２に供給する。

複数の高電圧増幅回路１の内の異なる１個に相当する高電圧増幅回路１ｂは、制御部１２０から入力される入力電圧Ｖｉｎ－ｂを増幅することで、例えば、－４ｋＶ～＋１ｋＶの高電圧の出力電圧Ｖｏｕｔ－ｂを生成し、エネルギー分光部１６０に含まれる内半球電極１６１に供給する。

複数の高電圧増幅回路１の内の異なる１個に相当する高電圧増幅回路１ｃは、制御部１２０から入力される入力電圧Ｖｉｎ－ｃを増幅することで、例えば、－４ｋＶ～＋１ｋＶの高電圧の出力電圧Ｖｏｕｔ－ｃを生成し、入射スリット１７０に供給する。

複数の高電圧増幅回路１の内の異なる１個に相当する高電圧増幅回路１ｄは、制御部１２０から入力される入力電圧Ｖｉｎ－ｄを増幅することで、例えば、－１ｋＶ～＋１５ｋＶの高電圧の出力電圧Ｖｏｕｔ－ｄを生成し、静電レンズ１５２に供給する。

複数の高電圧増幅回路１の内の異なる１個に相当する高電圧増幅回路１ｅは、制御部１２０から入力される入力電圧Ｖｉｎ－ｅを増幅することで、例えば、－１ｋＶ～＋１５ｋＶの高電圧の出力電圧Ｖｏｕｔ－ｅを生成し、静電レンズ１５１に供給する。

以上のような電子分光装置１００を用いて、例えば、０～３０００ｅＶのエネルギー範囲の分析を実行しようとする場合に、エネルギー分光部１６０を通り抜けるエネルギー範囲を３０００ｅＶにすると、検出器１３０の位置判別分解能により分析するエネルギー分解能が制限されてしまう。具体的には、例えば検出器１３０が１０個のチャンネルを有する場合、各チャンネルは、約３００ｅＶごとの広範囲にわたりエネルギーを検出することとなり、分析に必要な分解能が得られないおそれが生じる。そのため、電子分光装置１００では、エネルギー分光部１６０を通り抜けるエネルギー範囲を、例えば１０ｅＶ程度に設定し、静電レンズ１５１，１５２、内半球電極１６１、外半球電極１６２、及び入射スリット１７０に供給される電圧値を、分析しようとするエネルギーに応じて変化させながら、検出器１３０が強度を検出することで、広いエネルギー範囲でのスペクトルの取得を実現している。

しかしながら、高電圧増幅回路１ａ～１ｅが出力した出力電圧Ｖｏｕｔ－ａ～Ｖｏｕｔ－ｅの電圧値を変化させる場合、高電圧増幅回路１ａ～１ｅの応答性に起因して、制御部１２０が出力する当該電圧値の変更要求が生じたタイミングと、高電圧増幅回路１ａ～１ｅが静電レンズ１５１，１５２、内半球電極１６１、外半球電極１６２、及び入射スリット１７０に出力する出力電圧Ｖｏｕｔ－ａ～Ｖｏｕｔ－ｅの電圧値が所定の電圧値に到達するタイミングとの間に時間差が生じる。それ故に、電子分光装置１００には、分析エネルギーの条件を変更した場合に、高電圧増幅回路１ａ～１ｅが出力する出力電圧Ｖｏｕｔ－ａ～Ｖｏｕｔ－ｅの電圧値が所定の電圧値に到達するまでの時間を確保するための待ち時間が設けられている。

これに対して、本実施形態の電子分光装置１００では、高電圧増幅回路１ａ～１ｅのそれぞれが、入力される入力電圧Ｖｉｎ－ａ～Ｖｉｎ－ｅの電圧値の変化に対する、出力する出力電圧Ｖｏｕｔ－ａ～Ｖｏｕｔ－ｅの電圧値の応答性に優れるが故に、高電圧増幅回路１ａ～１ｅが出力する出力電圧Ｖｏｕｔ－ａ～Ｖｏｕｔ－ｅの電圧値が所定の電圧値に到達するための待ち時間を短くすることができる。これにより、本実施形態の電子分光装置１００では、従来よりも迅速にエネルギー分析を行うことが可能となる。

ここで、本実施形態では、分析装置の一例として、電子分光装置１００を例示して説明を行ったが、高電圧増幅回路１が適用できる分析装置は、電子分光装置１００に限るものではなく、質量分析装置や、走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡等の電子顕微鏡や、オージェ電子顕微鏡等の各種の分析装置に適用することができる。

以上、実施形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。例えば、上記の実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１，１ａ～１ｅ…高電圧増幅回路、１０…増幅演算器、１１，１２…抵抗、２０…増幅電圧出力回路、２１～２６…抵抗、２９…電気容量、３１～３３…トランジスター、４０…フォトカプラ、４１…発光ダイオード、４２…光電変換素子、５０…定電流回路、５１～５６…抵抗、５９…電気容量、６１～６３…トランジスター、７０…フォトカプラ、７１…発光ダイオード、７２…光電変換素子、１００…電子分光装置、１１０…コンピューター、１２０…制御部、１３０…検出器、１４０…試料、１５０…インプットレンズ、１５１，１５２…静電レンズ、１６０…エネルギー分光部、１６１…内半球電極、１６２…外半球電極、１７０…入射スリット、１８０…Ｘ線源、１８１…電源ユニット、２００…ＩＶ変換回路、２０１～２０６…抵抗、２０９…電源、２１１～２１３…トランジスター、２２０…集積回路装置、２２１…オペアンプ、Ｈｖ，Ｉｎ，Ｌｖ，Ｏｕｔ，Ｖｌ…端子

Claims

入力端子に入力される第１電圧信号を増幅した第２電圧信号を出力端子から出力する高電圧増幅回路であって、
前記出力端子に定電流信号を出力する定電流回路と、
前記第１電圧信号に基づく増幅制御信号を出力する増幅演算器と、
前記定電流信号と前記増幅制御信号とに基づいて、前記第２電圧信号を出力する増幅電圧出力回路と、
を備え、
前記定電流回路は、
一端に定電圧信号が供給され、他端にグラウンド電位が供給される第１発光素子と、
前記第１発光素子の発光に応じた駆動信号を出力する第１受光発電素子と、
第１端子に供給される前記駆動信号に基づいて駆動することで、第２端子に入力される数ｋＶ以上の電圧値の増幅電圧信号に基づき前記定電流信号を生成し、第３端子から出力する第１トランジスターと、
前記第３端子から出力される前記定電流信号の電流値を検出し、検出結果に基づいて前記第１端子への前記駆動信号の供給を制御する電流制御回路と、
を有し、
前記増幅電圧出力回路は、
前記増幅制御信号に基づく電流によって発光する第２発光素子と、
前記第２発光素子の発光に応じた電流を出力する第２受光発電素子と、
－端子側に－数ｋＶ以下の負側高電圧信号が入力されるフローティング電源を含み、前記第２受光発電素子が出力する電流を増幅制御電圧信号に変換するＩＶ変換回路と、
ドレイン端子が前記出力端子と電気的に接続され、ゲート端子に前記増幅制御電圧信号が入力され、ソース端子に前記負側高電圧信号が入力される第２トランジスターと、
を有し、
前記増幅制御電圧信号に応じて前記第２トランジスターのゲート端子とソース端子との導通状態が制御されることで、前記増幅電圧出力回路は、電圧値が数ｋＶと－数ｋＶとの間で変化する前記第２電圧信号を出力する、高電圧増幅回路。
請求項１において、
前記ＩＶ変換回路は、オペアンプを有する集積回路装置を含む、高電圧増幅回路。
請求項１又は２に記載の高電圧増幅回路を含む、分析装置。
請求項３において、
前記第２電圧信号が供給される静電レンズを含む、分析装置。