JP7478680B2 - 高電圧モジュール - Google Patents

Description

本発明は、高電圧を出力する高電圧モジュールおよびそれを用いる質量分析装置に関し、例えば質量分析装置に搭載されるイオン源、イオンフィルタまたは／および検知器に、高電圧を供給する高電圧モジュールに関する。

例えば容量性負荷を駆動する駆動回路を高電圧モジュールと見なした場合、高電圧モジュールは、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、駆動回路にデジタル電圧増幅器を追加することで熱の発生を抑制し、演算増幅器と帰還回路との間にバッファーを追加することで安定性の向上を図ることが記載されている。

特開２００７－９６３６４号

高電圧モジュール（以下、質量分析装置等の装置に電源電圧を供給する用途に用いる場合、高電圧電源モジュールとも称する）は、一般的に、その消費電力の低減を図ると、その引き換えに低速化や不安定動作となる。

一方、高電圧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、分析の高スループット化と高感度化を図るために、搭載する高電圧電源モジュールに対して、更なる高速化や高安定動作性と言った電気特性の向上が求められている。また同時に、ユーザビリティの観点からは、容易な放熱設計や小型化を可能とするために、高電圧電源モジュールに対して低消費電力化も求められている。従って、高電圧電源モジュールでは、電気特性の向上と低消費電力化の両立が課題となっている。

また、感電の防止やノイズ放射の低減を図るために、高電圧電源モジュールを実装した基板は、接地電圧等に接続された金属製（導体性）の筐体に収納され、金属製筐体と一体化された高電圧電源モジュールが装置に搭載されることになる。前記したように高電圧電源モジュールの小型化を図ると、金属製筐体と基板との間の距離が小さくなる。基板と金属製筐体との間には、不所望な寄生容量成分が発生するが、金属製筐体と基板との間の距離が小さくなると、発生する寄生容量成分は、距離に反比例して大きくなる。また、高電圧電源モジュールの絶縁性を高めるために、基板を収納した金属製筐体に絶縁性樹脂を充填する場合がある。金属製筐体と基板間距離以外に、基板と金属製筐体の間の誘電率に比例して発生する寄生容量成分も上昇するため、空気より誘電率が高い絶縁性樹脂があると寄生容量成分はさらに増加する。すなわち、高電圧電源モジュールの小型化・絶縁性の向上により、基板と筐体との間の距離が低減して誘電率が上昇し、その分発生する寄生容量成分が大きくなる。この寄生容量成分が大きくなることにより、高電圧電源モジュールが低速動作または／および不安定動作となる。

特許文献１においては、アナログ増幅器の代わりにデジタル電圧増幅器を追加することで、パルス幅変調器によってパルス幅変調されたデジタル信号の電圧を増幅する。これにより、熱の発生を抑制することが可能となっている。また、演算増幅器と帰還回路との間にバッファーを追加することで、演算増幅器が決定するループゲインに帰還回路が影響するのを低減し、熱の抑制と駆動回路の安定性を両立している。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、出力電圧が高くなるに従って帰還回路を流れる電流が増加し、発熱量も比例して増大する。そのため、ヒートシンクなしで帰還回路の発熱を抑制するには抵抗値を高く設計する必要がある。そうした場合、駆動回路全体の安定性は、演算増幅器だけでなく、帰還回路もループゲインを決定する回路部となるため、駆動回路を収納する金属製筐体と駆動回路が実装された基板間で発生する寄生容量成分が、駆動回路全体の安定性に強く影響することになる。特許文献１では、金属製筐体と基板間で発生する寄生容量成分による影響については、記載も認識もされていない。

本発明の目的は、低消費電力で安定した高速動作が可能な高電圧モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的と新規な特徴は、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下記の通りである。

すなわち、高電圧モジュールは、参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、供給用高電圧に基づいて、帰還信号を出力する帰還回路とを備えている。帰還回路は、供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する、抵抗素子から構成された第１部分回路と、中間信号が入力され、帰還信号を出力する、第２部分回路とを備えている。さらに、高電圧モジュールは、高電圧出力回路と、第１部分回路の一部とが実装された高電圧基板領域と、誤差増幅器と、第２部分回路とが実装された低電圧基板領域とを備える基板を備え、第２部分回路は、帰還回路のループゲインに関連する抵抗素子と容量素子とを備えている。

本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すると、低消費電力で安定した高速動作が可能な高電圧モジュールを提供することができる。

実施の形態１に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。 実施の形態２に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態２を説明するための特性図である。 実施の形態３に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。 実施の形態４に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。 実施の形態４の変形例に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。 実施の形態５に係る質量分析装置の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係る高電圧モジュールを説明するための式を示す図である。 比較例に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。

実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施の形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。図１において、ＨＶＭＤは、高電圧モジュールを示している。高電圧モジュールＨＶＭＤは、高電圧モジュールが実装された基板（例えばプリント基板）ＳＵＢと基板ＳＵＢを収納する金属製筐体１とを備えている。基板ＳＵＢへの高電圧モジュールの実装は、例えば基板ＳＵＢに高電圧モジュールを構成する素子および素子間等を接続する配線等を基板ＳＵＢに実装することによって実現されている。

金属製筐体１は、感電の防止およびノイズの放射を低減するために、接地電圧Ｖｓのような所定の低電圧に電気的に接続されている。図１では、金属製筐体１内に収納された基板ＳＵＢと金属製筐体１との間の距離が符号ＤＤで示されている。図１では、金属製筐体１と基板ＳＵＢとの間に、距離ＤＤの隙間が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば金属製筐体１と、その内部に配置された基板ＳＵＢとは当接していてもよい。また、金属製筐体１は、基板ＳＵＢの全面を覆うように配置されていてもよいし、基板ＳＵＢの一部を覆うようにしてもよい。

基板ＳＵＢは、複数の基板領域によって構成されており、図１では、この内の２つの基板領域２、３が示されている。基板領域２は高電圧基板領域を示し、図１において斜線で示されている基板領域３は、低電圧基板領域を示している。基板ＳＵＢを、1枚の共通基板と見なした場合、基板ＳＵＢに高電圧基板領域２と低電圧基板領域３とが、排他的に配置され、高電圧基板領域２と低電圧基板領域３とは、互いに独立している。

高電圧基板領域２と低電圧基板領域３とでは、それぞれの基板領域に実装された回路（実装された素子および配線等で構成された回路）で用いられる電圧の最高電圧値が異なっている。実施の形態１では、特に制限されないが、高電圧基板領域２内に実装された回路で用いられる最高電圧の電圧値は、例えば３００（Ｖ）以上であり、低電圧基板領域３内に実装された回路で用いられる最高電圧の電圧値は、例えば３００（Ｖ）未満である。勿論、３００（Ｖ）未満の電圧で用いられる回路（素子、配線等）は、高電圧基板領域２内に実装される場合もある。

また、金属製筐体１に収納される基板ＳＵＢは、複数の個別基板によって構成してもよい。この場合、高電圧基板領域２が、例えば１つの個別基板によって構成され、低電圧基板領域３は、高電圧基板領域２とは異なる個別基板によって構成される。

高電圧モジュールＨＶＭＤには、参照信号Ｖｉｎが供給され、高電圧モジュールＨＶＭＤは、参照信号Ｖｉｎに基づいた安定した高速な供給用高電圧Ｖｏｕｔを出力する。参照信号Ｖｉｎは、目標とする供給用高電圧Ｖｏｕｔの電圧値を指定する信号であり、低電圧のアナログの電圧信号であっても、低電圧のデジタル信号であってもよい。例えば、計算機あるいは制御ユニットから、参照信号Ｖｉｎが高電圧モジュールＨＶＭＤに供給される。参照信号Ｖｉｎがアナログ信号であった場合、参照信号Ｖｉｎの電圧値は、供給用高電圧Ｖｏｕｔよりも低い電圧値である。

＜高電圧モジュール＞
次に、高電圧モジュールＨＶＭＤの回路構成を説明する。高電圧モジュールＨＶＭＤは、誤差増幅器５、高電圧出力回路７および帰還回路（フィードバック回路）１０を備えている。

誤差増幅器５は、参照信号Ｖｉｎと帰還信号（フィードバック信号）４とを入力し、参照信号Ｖｉｎと帰還信号４との間の差分を増幅し、制御信号６として出力する。誤差増幅器５は、例えば、参照信号Ｖｉｎと帰還信号４とが供給され、制御信号６を出力するオペアンプを含んでいる。また、参照信号Ｖｉｎがデジタル信号の場合、誤差増幅器５は、デジタル信号を低電圧のアナログ信号に変換し、オペアンプに供給する変換回路を含んでいる。

高電圧出力回路７は、制御信号６を入力し、制御信号６に従った電圧値の供給用高電圧Ｖｏｕｔを出力する。

帰還回路１０は、供給用高電圧Ｖｏｕｔを高電圧信号として入力し、高電圧信号に基づいた帰還信号４を出力する。この帰還回路１０は、次の２つの機能を備えている。すなわち、第１の機能は、高電圧信号を低電圧信号に減衰し、高電圧モジュールの動作周波数範囲における減衰係数を決定する信号減衰機能であり、第２の機能は、高電圧モジュールＨＶＭＤの安定性設計においてループゲインを決定する位相補償機能である。

＜比較例＞
従来の高電圧モジュールにおける帰還回路では、前記の信号減衰機能と位相補償機能は、抵抗素子と容量素子とを組み合わせることで実現されていた。従来の高電圧モジュールの構成を、比較例を用いて説明する。図９は、比較例に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。図１との相違点は、図９では、帰還回路が変更され、符号が２０となっていることである。

帰還回路２０は、帰還抵抗素子Ｒ２０ａ、Ｒ２０ｂと帰還容量素子Ｃ２０とによって構成されている。この帰還抵抗素子Ｒ２０ａ、Ｒ２０ｂと帰還容量素子Ｃ２０との組み合わせにより構成された組み合わせ回路によって、前記した信号減衰機能と位相補償機能の両方の機能が実現されている。帰還抵抗素子Ｒ２０ａと帰還容量素子Ｃ２０とは並列接続され、並列接続により構成されたＲＣ回路の一方の端部は、供給用高電圧Ｖｏｕｔに接続され、ＲＣ回路の他方の端部は、帰還抵抗素子Ｒ２０ｂを介して接地電圧Ｖｓに接続されており、誤差増幅器５にも接続されている。ここで、帰還信号４の電圧をＶｆｂと定義する。

前記の両方の機能の設計において、帰還抵抗素子Ｒ２０ａとＲ２０ｂとが共有されているため、互いに影響し合うことになる。互いに影響し合うことにより生じる課題を、次に一例を用いて説明する。

図９において、Ｃｐは、基板ＳＵＢと筐体１との間に発生する寄生容量成分を等価的に示した寄生容量である。図９では、寄生容量Ｃｐが、帰還信号４を生成するノードで発生した場合が描かれている。このときの帰還回路２０の減衰係数β、位相補償の周波数帯域ｆ１、ｆ２および消費電力Ｐは、図８に示す式（１）～（４）で簡略的に表される。

例えば、低消費電力化を図る場合、供給用高電圧Ｖｏｕｔの信号を減衰する帰還抵抗素子Ｒ２０ａの抵抗値を増加させる。これにより、式（４）から理解されるように、消費電力Ｐを低減させることが可能である。一方、式（３）から理解されるように、位相補償機能の一部である位相補償の周波数帯域ｆ２は、帰還抵抗素子Ｒ２０ａと帰還容量素子Ｃ２０の積によって決定される。そのため、低消費電力化を図るために、帰還抵抗素子Ｒ２０ａの抵抗値を増加させると、所望の位相補償の周波数帯域ｆ２を得るためには、より小さな容量値の帰還容量素子Ｃ２０を使用しなければならなくなる。

加えて、式（２）から理解されるように、帰還容量素子Ｃ２０の容量値を寄生容量Ｃｐに比べて十分に大きく（Ｃｐ＜＜Ｃ２０）すれば、寄生容量Ｃｐを無視して、位相補償の周波数帯域ｆ１を決定することが可能である。しかしながら、低消費電力化を図りながら、所望の位相補償の周波数帯域ｆ２を得るために、帰還容量素子Ｃ２０の容量値が小さくなると、Ｃｐ＜＜Ｃ２０の関係が崩れることになる。さらに寄生容量Ｃｐは、高電圧モジュールの小型化を図るために、基板ＳＵＢと筐体１との間の隙間の距離ＤＤを小さくすることにより、寄生容量Ｃｐの容量値は増加することになる。そのため、発生する寄生容量Ｃｐの影響度が増加し、高電圧モジュールの安定性を保つことが困難になる。

＜帰還回路の構成＞
これに対して、実施の形態１に係る高電圧モジュールＨＶＭＤにおいては、図１に示すように、帰還回路１０は、第１部分回路８と第２部分回路９に分離されている。第１部分回路８は、高電圧出力回路７に接続され、供給用高電圧Ｖｏｕｔの高電圧信号が供給され、この高電圧信号に従った中間信号１１を出力する。一方、第２部分回路９は、誤差増幅器５に接続され、中間信号１１が供給され、帰還信号４を誤差増幅器５に出力する。第１部分回路８は減衰機能を有し、第２部分回路９はループゲインに関連する位相補償機能を有している。

基板ＳＵＢにおいて、高電圧基板領域２には、高電圧出力回路７と第１部分回路８の一部分（高電圧部分）が実装され、低電圧基板領域３には、誤差増幅器５と第２部分回路９と第１部分回路８の一部分（低電圧部分）が実装されている。これは、実施の形態１に係る高電圧モジュールでは、高電圧出力回路７と第１部分回路８の高電圧部分で用いられる電圧の最高電圧が３００（Ｖ）以上であり、誤差増幅器５と第２部分回路９と第１部分回路９の低電圧部分で用いられる電圧の最高電圧が３００（Ｖ）未満であるためである。

高電圧基板領域２に実装された部分（回路、素子）と低電圧基板領域３に実装された部分（回路、素子）との間で送受される信号を伝達する配線、例えば制御信号６および中間信号１１を伝達する配線は、基板ＳＵＢに設けられ、高電圧基板領域２および低電圧基板領域３とは異なる中間基板領域（図示しない）に実装されていると見なしてもよい。また、接地電圧Ｖｓを回路、素子等に伝達する配線については、高電圧基板領域２、低電圧基板領域３および中間基板領域の区別とは無関係に、基板ＳＵＢに実装されている。また、前記したように、高電圧基板領域２および低電圧基板領域３のそれぞれを、個別基板に実装する場合には、個別基板ごとに、接地電圧Ｖｓを伝達する配線を実装することが望ましい。これにより、個別基板間でノイズが伝達するのを低減することが可能である。

第１部分回路８および第２部分回路９は、種々の構成が考えられる。ここでは、一例を、図１を用いて説明する。

減衰機能を有する第１部分回路８は、高電圧出力回路７の出力ノードと、接地電圧Ｖｓとの間で直列的に接続された帰還抵抗素子Ｒ８ａとＲ８ｂとを備えている。高電圧出力回路７からの高電圧信号は、帰還抵抗素子Ｒ８ａとＲ８ｂとによって抵抗分圧され、中間信号１１として、第１部分回路８から出力される。すなわち、帰還抵抗素子Ｒ８ａとＲ８ｂの比率で、帰還回路１０の減衰係数β’が決定され、供給用高電圧Ｖｏｕｔの高電圧信号が、低電圧の中間信号１１に減衰される。この減衰係数β’は、図８に示す式（５）によって表される。帰還抵抗素子Ｒ８ａには、減衰する前の高電圧（最高電圧が３００（Ｖ）以上）が印加される（用いられる）ため、帰還抵抗素子Ｒ８ａは、第１部分回路８の高電圧部分として、高電圧基板領域２に実装されている。これに対して、帰還抵抗素子Ｒ８ｂには、減衰された電圧が印加される（用いられる）ため、帰還抵抗素子Ｒ８ｂは、第１部分回路８の低電圧部分として、低電圧基板領域３に実装されている。実施の形態１では、抵抗分圧により減衰が行われるため、帰還抵抗素子Ｒ８ａおよびＲ８ｂは、分圧抵抗素子と見なしてもよい。

位相補償機能を有する第２部分回路９は、演算増幅器（オペアンプ）１２と、抵抗素子（位相補償抵抗素子）Ｒ９ａ、Ｒ９ｂと、容量素子（位相補償容量素子）Ｃ９ａ、Ｃ９ｂとによって構成された位相補償回路で構成されている。抵抗素子Ｒ９ａと容量素子Ｃ９ａとが、演算増幅器１２の入力ｎ２と演算増幅器１２の出力ｎ３との間で並列的に接続されている。また、抵抗素子Ｒ９ａと容量素子Ｃ９ａとが並列的に接続され、この並列接続で構成されたＲＣ回路の一方の端部が、演算増幅器１２の入力ｎ２に接続され、ＲＣ回路の他方の端部に中間信号１１が供給される。また、演算増幅器１２の入力ｎ１は、接地電圧Ｖｓに接続され、演算増幅器１２の出力ｎ３から帰還信号４が出力される。第２部分回路９では、抵抗素子Ｒ９ａ、Ｒ９ｂおよび容量素子Ｃ９ａ、Ｃ９ｂの積によって、補正する周波数帯域を求めることができる。図１において、Ｃｐは、図９で説明した寄生容量を示している。図１でも、図９と同様なノードにおいて寄生容量Ｃｐが発生した場合が示されている。第２部分回路９によって得られる位相補償の周波数帯域ｆ１’およびｆ２’が、図８において式（６）および式（７）として示されている。

第２部分回路９は、低電圧基板領域３に実装され、第１部分回路８によって減衰された低電圧信号が供給される。そのため、高電圧基板領域２に実装した場合に比べて、より抵抗値の小さな抵抗素子を用いても、消費電力の上昇を抑制することができる。結果的に、所望な周波数帯域での補正を得るために、寄生容量Ｃｐの値を無視できるほど大きな容量値の容量素子Ｃ９ａと低い抵抗値の抵抗素子Ｒ９ａ、Ｒ９ｂとの組み合わせで、帰還回路１０を実現することが可能となり、寄生容量Ｃｐからの影響度を低減できる。

また、式（５）～（７）に示すように、減衰機能と位相補償機能とを設定する際に、共有となる素子が存在しない。すなわち、減衰機能は、式（５）に示すように抵抗素子Ｒ８ａ、Ｒ８ｂによって設定され、位相補償機能は、式（６）および（７）に示すように抵抗素子Ｒ９ａ、Ｒ９ｂおよび容量素子Ｃ９ａ、Ｃ９ｂによって設定される。そのため、第１部分回路８における帰還抵抗素子Ｒ８ａ、Ｒ８ｂは、高電圧モジュールの安定性に対して影響を与えずに、消費電力を低減するために所望の高抵抗値に設定することが可能である。図１では、第１部分回路８として抵抗分圧を用いる例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、演算増幅器を用いた反転増幅回路の構成を用いて、第１部分回路８を構成するようにしてもよい。

以上により、帰還回路１０を、機能（減衰機能、位相補償機能）ごとに回路を分離し、さらに実装される基板領域を分けることで、筐体と基板間に由来の寄生容量からの影響度を低減でき、低消費電力と安定した高速動作を両立する高電圧モジュールを提供することが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２においては、図１に示した高電圧モジュールＨＶＭＤ内に、高電圧生成回路が設けられ、高電圧生成回路によって生成された高電圧が、高電圧出力回路７に供給される。高電圧出力回路７は、高電圧生成回路からの高電圧を電源として動作し、制御信号６に従った供給用高電圧Ｖｏｕｔを出力する。実施の形態２に係る高電圧モジュールでは、高電圧生成回路が設けられるため、例えば、高電圧モジュールＨＶＭＤの外部から高電圧を供給しなくても、供給用高電圧Ｖｏｕｔを出力することが可能である。しかしながら、高電圧モジュールＨＶＭＤに設けられた高電圧生成回路からノイズが電磁輻射されることが危惧される。実施の形態２においては、この輻射ノイズによる影響を低減することが可能な高電圧モジュールが提供される。

図２は、実施の形態２に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。図２は、図１と類似しているので、主に相違点を説明する。相違点は、図２では、高電圧モジュールＨＶＭＤが、高電圧生成回路１３を備えていることである。また、高電圧生成回路１３の少なくとも一部は、高電圧基板領域２に実装され、高電圧生成回路１３によって生成された高電圧は、高電圧出力回路７に、電源として給電される。

高電圧生成回路１３は、所定の駆動周波数の駆動信号で駆動される昇圧回路で構成されている。昇圧回路としては、例えばコッククロフト・ウォルトン（Ｃｏｃｋｒｏｆｔ－Ｗａｌｔｏｎ）回路が用いられている。勿論、昇圧回路は、これに限定されるものではなく、駆動信号に従ってスイッチング動作を行い、高電圧を生成する回路であればよい。

高電圧生成回路１３は、所定の駆動周波数の駆動信号に従ってスイッチング動作をすることにより、高電圧を生成するが、スイッチング動作によって輻射ノイズを発生する。図２では、輻射ノイズが、模式的に符号ｎｚで示されている。この輻射ノイズｎｚが、特に低電圧基板領域３に実装され、精密な処理を実行する低電圧回路（第２部分回路、誤差増幅器５）に影響を及ぼす可能性が高い。

実施の形態１で述べたように、低消費電力化および安定動作化を図るために、帰還回路１０が第１部分回路８と第２部分回路９に分離され、第２部分回路９が低電圧基板領域３に実装されている。寄生容量Ｃｐによる影響を低減し、安定動作化するために、容量素子Ｃ９ｂの値を大きくすることが必要となる。その分、抵抗素子Ｒ９ａ、Ｒ９ｂの抵抗値は小さく設定される。帰還回路１０を機能ごとに分離すると、位相補償機能を実現する第２部分回路９は、高域通過フィルタの構成を取ることが多く、高周波ノイズに対してのノイズゲインも大きいため、原理的にノイズを受けやすく、増幅しやすい構成となる。すなわち、原理的に第２部分回路９は、輻射ノイズｎｚの影響を受けやすい構成となる。例えば輻射ノイズｎｚが、第２部分回路９に入り込むと、輻射ノイズｎｚは、第２部分回路９、誤差増幅器５および高電圧出力回路７によって増幅され、供給用高電圧Ｖｏｕｔに重畳されることになる。結果として、高電圧生成回路１３で発生した輻射ノイズｎｚの強度の何倍もの電圧ノイズが供給用高電圧Ｖｏｕｔに重畳され、出力されることになる。供給用高電圧Ｖｏｕｔが給電される負荷によっては、このような高電圧ノイズを許容できない場合がある。

実施の形態２においては、高電圧生成回路１３を駆動する駆動信号の駆動周波数がｆｎ１からｆｎ２に変更される。次に、駆動周波数ｆｎ１、ｆｎ２について、図面を用いて説明する。図３は、実施の形態２を説明するための特性図である。図３には、高電圧生成回路１３からの輻射ノイズ強度と、第２部分回路９が扱う信号強度のイメージが示されている。

図３（Ａ）、（Ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電圧強度を表している。高電圧生成回路１３は、駆動周波数ｆｎ１の駆動信号でスイッチング動作をしている。そのため、高電圧生成回路１３は、図３（Ａ）に示すように、駆動周波数ｆｎ１近辺でピークを持つ輻射ノイズが発生する。

図９に示した比較例における帰還回路２０の出力信号と、図１に示した中間信号１１の信号強度は、帰還回路２０および第１部分回路８の減衰係数が同じであれば、基本的には同様な値となる。しかしながら、中間信号１１が供給される第２部分回路９は、前記したようにノイズゲインが大きく、高域通過フィルタの構成を取るため、輻射ノイズを増幅しやすい。輻射ノイズが帰還回路１０の信号帯域内にある場合、輻射ノイズを除去することができる低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を設けることが考えられるが、ＬＰＦが本来の信号も含めて減衰させることが考えられる。そのため、実施の形態２では、輻射ノイズを、さらに高帯域側に移動させ、本来の信号と輻射ノイズを分離してから、ＬＰＦで輻射ノイズを除去する。

より具体的に述べると、実施の形態１では、帰還回路１０の一部分（第２部分回路９および帰還抵抗素子Ｒ８ｂ）が、低電圧基板領域３に実装され、第２部分回路９に供給される中間信号１１が低電圧信号となっている。すなわち、第２部分回路９によって扱われる信号の電圧強度が低くなっている。図３（Ａ）において、実線１５は、第２部分回路９の電圧強度の特性を示している。特性１５が減衰する遮断周波数よりも、低い周波数帯域に、輻射ノイズが存在し、輻射ノイズの電圧強度が、特性１５の電圧強度を超えているため、第２部分回路９は、輻射ノイズの影響を強く受けることになる。また、遮断周波数よりも低い周波数帯域に、輻射ノイズが存在するため、輻射ノイズを分離することも困難である。

実施の形態２においては、高電圧生成回路１３の駆動信号の駆動周波数が、ｆｎ１から、高電圧モジュールＨＶＭＤの動作周波数帯域よりも高い周波数ｆｎ２に変更される。これにより、図３（Ｂ）に示すように、輻射ノイズのピークは、駆動周波数ｆｎ１近辺から駆動周波数ｆｎ２近辺にシフトする。これにより、輻射ノイズは、第２部分回路９の遮断周波数より高い周波数帯域に移動するため、輻射ノイズを分離することが可能となる。

さらに、実施の形態２においては、第２部分回路９に設けられている抵抗素子Ｒ９ａと容量素子Ｃ９ａとに低域通過フィルタ（ＬＰＦ）としての役割も兼用させる。抵抗素子Ｒ９ａと容量素子Ｃ９ａにより実現される低域通過フィルタの周波数特性(周波数フィルタ特性)は、図３（Ｂ）において特性１６として示されている。すなわち、第２部分回路９において、駆動周波数ｆｎ２近辺における輻射ノイズを除去する低域通過フィルタが構成される。これにより、抵抗素子Ｒ９ａと容量素子Ｃ９ａにより実現された低域通過フィルタに伝搬してきた高周波帯域における輻射ノイズを除去することが可能となる。すなわち、高電圧生成回路１３の電磁輻射に起因したノイズを低減することが可能となる。

実施の形態２に係る高電圧モジュールによれば、実施の形態１と同様に低消費電力化と安定した高速動作化を図ることが可能であるとともに、低ノイズ化も図ることが可能である。

（実施の形態３）
実施の形態３においては、帰還回路１０が備える第１部分回路８と第２部分回路９との間で、インピーダンスが整合していない場合、あるいは互いのインピーダンス特性が干渉し合う場合に好適な高電圧モジュールが提供される。

図４は、実施の形態３に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。図４は、図１と類似しているので、主に相違点を説明する。相違点は、図４では、第１部分回路８と第２部分回路９との間に、インピーダンス整合回路１７が追加されていることである。

ここでは、第１部分回路８の出力インピーダンと第２部分回路９の入力インピーダンスが一致しない場合を例にして説明する。インピーダンス整合回路１７を、第１部分回路８の出力と、第２部分回路９の入力との間に接続することによって、インピーダンス特性の整合を図ることが可能である。

図４では、インピーダンス整合回路１７は、演算増幅器によって構成されている。すなわち、演算増幅器によって、増幅率がほぼ１のボルテージフォロワー（以下、ＶＦとも称する）回路が構成され、インピーダンス整合回路１７として用いられている。ＶＦ回路には、前段である第１部分回路８からの中間信号１１が供給され、ＶＦ回路は、中間信号１１に従った整合信号１８を第２部分回路９へ出力する。これにより、ＶＦ回路は、第１部分回路８の出力である中間信号１１を高いインピーダンスで受け、低いインピーダンスで整合信号１８を第２部分回路９へ出力する。その結果、第１部分回路８と第２部分回路９が、互いのインピーダンス特性を干渉することなく、正確な信号の伝送を実現することが可能である。

実施の形態３によれば、帰還回路１０における第１部分回路と第２部分回路のインピーダンス特性が互いに干渉しあう場合に、インピーダンス整合を行うことができ、種々の構成の第１部分回路および第２部分回路を用いて、帰還回路１０を分離することが可能となり、実施の形態１と同様に、低消費電力と安定した高速動作を両立することが可能な高電圧モジュールを提供することができる。

（実施の形態４）
実施の形態４においては、高電圧基板領域と低電圧基板領域とを電気的に絶縁することが可能な高電圧モジュールが提供される。

図５は、実施の形態４に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。図５は、図１と類似しているので、相違点のみを説明する。相違点は、第１部分回路が変更されていることである。

図１において、中間信号１１が、帰還抵抗素子Ｒ８ａから出力されると見なした場合、中間信号１１は、高電圧基板領域２と低電圧基板領域３との両方を跨ぐことになる。この領域間を電気的に絶縁するために、図５では、第１部分回路２が、帰還抵抗素子Ｒ８ａとトランス３０とによって構成されている。すなわち、供給用高電圧Ｖｏｕｔの高電圧信号と、接地電圧Ｖｓとの間に、帰還抵抗素子Ｒ８ａとトランス３０の１次側が直列に接続され、トランス３０の２次側から中間信号１１が出力される。また、トランス３０の１次側および帰還抵抗素子Ｒ８ａは、高電圧基板領域２に実装され、トランス３０の２次側は、低電圧基板領域３に実装されている。第１部分回路８の減衰率は、トランス３０の１次側と２次側の巻き線比によって決定される。トランス３０の１次側と２次側が磁気結合されているため、図５に示した構成では、磁気で信号の伝送が行われるようになり、高電圧基板領域２と低電圧基板領域３とは電気的に絶縁されることになる。

図５では、第１部分回路８の減衰率を、トランス３０の巻き線比で決定する例を示したが、図１に示した抵抗分圧比と組み合わせてもよい。例えば、抵抗分圧によって生成された電圧を、トランス３０の１次側に供給し、２次側から中間信号１１を出力するようにしてもよい。この場合、第１部分回路８の減衰率は、トランス３０の巻き線比と抵抗分圧比によって決定されることになる。

図５では、高電圧基板領域２と低電圧基板領域３とを電気的に絶縁する絶縁信号伝達回路の例として、磁気を用いて信号を伝送する例を示したが、絶縁信号伝達回路は、これに限定されるものではない。以下、変形例として、光を用いて信号を伝送する例を示す。

＜変形例＞
図６は、実施の形態４の変形例に係る高電圧モジュールの構成を示す回路図である。図６は、図５と類似しているので、相違点を説明する。相違点は、第１部分回路８が、図６では変更されていることである。第１部分回路８は、帰還抵抗素子Ｒ８ａとフォトカプラ３１によって構成されている。この場合、帰還抵抗素子Ｒ８ａとフォトカプラ３１の入力が、高電圧基板領域２に実装され、フォトカプラ３１の出力が、低電圧基板領域３に実装される。このときの第１部分回路８の減衰率は、フォトカプラ３１の電流伝達率（ＣＴＲ）によって決定される。

変形例においても、フォトカプラ３１と図１に示した抵抗分圧比とを組み合わせるようにしてもよい。組み合わせた場合、第１部分回路８の減衰率は、フォトカプラ３１の電流伝達率と抵抗分圧比によって決定されることになる。

図５および図６では、第１部分回路８と第２部分回路９との間を電気的に絶縁する例を示したが、同様に誤差増幅器５と高電圧出力回路７との間を電気的に絶縁するようにしてもよい。この場合も、磁気あるいは光信号によって、制御信号６が、誤差増幅器５から高電圧出力回路７へ伝達される。勿論、中間信号１１と制御信号６の両方が、磁気あるいは光信号によって伝達されるようにしてもよい。

以上から，高電圧電源モジュール内の低電圧基板領域と高電圧基板領域とを、絶縁する必要がある場合でも、磁気あるいは光信号により中間信号１１または／および制御信号６を伝送することが可能となり、実施の形態１で記載の効果に加えて、絶縁型の高電圧モジュールを提供することができる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態１～４で示した高電圧モジュールＨＶＭＤを搭載した質量分析装置（以下、単に分析装置とも称する）の例を、実施の形態５として説明する。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。

ここでは、高電圧モジュールＨＶＭＤとして、実施の形態１で説明したものを用いる場合を説明するが、これに限定されるものではない。例えば、実施の形態２～４で説明した高電圧モジュールＨＶＭＤまたは実施の形態１～４で説明した高電圧モジュールＨＶＭＤを組み合わせたものを、分析装置に搭載するようにしてもよい。

図７は、実施の形態５に係る質量分析装置の構成を示す概略図である。図７において、１００は、分析装置を示している。分析装置１００は、分析装置筐体１１０と、質量分析装置制御ユニット（以下、制御ユニットとも称する）１０１と、第１高電圧電源モジュールＨＶＭＤ～第４高電圧電源モジュールＨＶＭＤ４と、情報処理ユニット１０２とを備えている。

分析装置筐体１１０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のみを透過する質量分離部（イオンフィルタ）１２６とを備えている。分析装置筐体１１０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。なお、図７において、１２４は、検出対象のイオンを示し、１２５は、不要イオンを示している。

情報処理ユニット１０２は、検出器１２３により得られた電気信号から質量を計算する。

第1高電圧電源モジュールＨＶＭＤ１～第４高電圧電源モジュールＨＶＭＤ４は、実施の形態１で説明した高電圧モジュールによって構成されている。制御ユニット１０１は、第1高電圧電源モジュールＨＶＭＤ１～第４高電圧電源モジュールＨＶＭＤ４を制御する。図７では、制御ユニット１０１が、参照信号Ｖｉｎ１～Ｖｉｎ４を、対応する第1高電圧電源モジュールＨＶＭＤ１～第４高電圧電源モジュールＨＶＭＤ４に供給し、それぞれの高電圧電源モジュールが、供給された参照信号に従った供給用高電圧Ｖｏｕｔ１～Ｖｏｕｔ４を出力する。

参照信号Ｖｉｎ１～Ｖｉｎ４は、１００（Ｖ）未満の低電圧信号であり、供給用高電圧Ｖｏｕｔ１～Ｖｏｕｔ４は、イオン化やイオンの軌道を制御するのに適した３００（Ｖ）以上の高電圧である。そのため、実施の形態５において用いられる高電圧モジュールにおいて、低電圧基板領域３(図１)で扱われる最高電圧は、１００（Ｖ）未満であり、高電圧基板領域２(図１)で扱われる最高電圧は、３００（Ｖ）以上である。

図７では、特に制限されないが、分析装置筐体１１０に設けられている各部によって適した高電圧の電圧値が異なっている。そのため、各部ごとに対応する高電圧電源モジュールが搭載されている。すなわち、第1高電圧電源モジュールＨＶＭＤ１は、参照信号Ｖｉｎ１に従った供給用高電圧Ｖｏｕｔ１を、イオン源１２１に出力し、第２高電圧電源モジュールＨＶＭＤ２は、参照信号Ｖｉｎ２に従った供給用高電圧Ｖｏｕｔ２を、イオンフィルタ１２６内のフィルタ電極１２７に出力する。また、第３高電圧電源モジュールＨＶＭＤ３は、参照信号Ｖｉｎ３に従った供給用高電圧Ｖｏｕｔ３を、コンバージョンダイノード１２２に出力し、第４高電圧電源モジュールＨＶＭＤ４は、参照信号Ｖｉｎ４に従った供給用高電圧Ｖｏｕｔ４を、検出器１２３に出力する。

図７では、イオン源１２１、イオンフィルタ１２６、コンバージョンダイノード１２２および検出器１２３に、実施の形態１で述べた高電圧モジュールから高電圧を供給する例が示されているが、これらの内の少なくとも１つに対して実施の形態１で述べた高電圧モジュールから高電圧を供給するようにしてもよい。

分析装置筐体１１０に設けられた各部分のそれぞれに、同等の電圧値の高電圧を印加すればよい場合、１つの共通の高電圧電源モジュールを搭載するようにしてもよい。しかしながら、実際には、分析装置１００の多機能化により、分析装置筐体１１０の各部分のそれぞれに異なる電圧値の高電圧を供給することが必要となっている。そのため、それぞれの電圧値に対応した高電圧電源モジュールを、分析装置１００に搭載することが必要となり、高電圧電源モジュールの個数も増加する。実施の形態１に係る高電圧モジュールによれば、低消費電力化を図ることが可能であるため、それぞれの高電圧電源モジュールの放熱設計に必要なスペースを低減することや装置筐体１１０内の配置の簡易性などユーザビリティ向上につながる。また、分析装置１００のスループットと検出感度は、高電圧電源モジュールの安定性や高速動作、加えてノイズ量に大きく左右される。このため、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせることで、高スループットで高感度な分析装置１００を提供することが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を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ことはいうまでもない。

１ 金属製筐体
２ 高電圧基板領域
３ 低電圧基板領域
５ 誤差増幅器
７ 高電圧出力回路
８ 第１部分回路
９ 第２部分回路
１０ 帰還回路
１３ 高電圧生成回路
１００ 質量分析装置
Ｃ９ａ、Ｃ９ｂ 容量素子
Ｃｐ 寄生容量
Ｒ８ａ、Ｒ８ｂ 帰還抵抗素子
Ｒ９ａ、Ｒ９ｂ 抵抗素子
ＤＤ 距離
ＨＶＭＤ、ＨＶＭＤ１～ＨＶＭＤ４ 高電圧モジュール
ＳＵＢ 基板
Ｖｉｎ、Ｖｉｎ１～Ｖｉｎ４ 参照信号
Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ１～Ｖｏｕｔ４ 供給用高電圧

Claims (9)

1. 参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、前記制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、前記供給用高電圧に基づいて、前記帰還信号を出力する帰還回路とを備えた高電圧モジュールであって、
   前記帰還回路は、
   前記供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する、抵抗素子から構成された第１部分回路と、
   前記中間信号が入力され、前記帰還信号を出力する、第２部分回路と、
   を備え、
   前記高電圧モジュールは、
   前記高電圧出力回路と、前記第１部分回路の一部とが実装された高電圧基板領域と、
   前記誤差増幅器と、前記第２部分回路とが実装された低電圧基板領域とを備える基板と、
   所定の駆動周波数で駆動され、高電圧を生成する高電圧生成回路と、
   を備え、
   前記高電圧出力回路は、前記高電圧生成回路から出力される前記高電圧を電源とし、前記制御信号に基づいた前記供給用高電圧を出力し、
   前記第２部分回路は、前記帰還回路のループゲインに関連する抵抗素子と容量素子とを備え、
   前記高電圧基板領域には、前記高電圧生成回路の少なくとも一部が実装され、
   前記第２部分回路の周波数フィルタ特性は、前記所定の駆動周波数を除去する特性を有する、、
   高電圧モジュール。
2. 請求項１に記載の高電圧モジュールにおいて、
   前記高電圧モジュールは、電源回路として用いられる、高電圧モジュール。
3. 参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、前記制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、前記供給用高電圧に基づいて、前記帰還信号を出力する帰還回路とを備える、高電圧モジュールであって、
   前記帰還回路は、
   前記供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する第１部分回路と、
   前記中間信号が入力され、前記帰還信号を出力する第２部分回路と、
   を備え、
   前記第１部分回路は、前記供給用高電圧の高電圧信号を低電圧信号に減衰する信号減衰機能を有し、
   前記第２部分回路は、前記高電圧モジュールのループゲインに関連する位相補償機能を有し、
   前記高電圧モジュールは、
   前記高電圧出力回路と前記第１部分回路の一部とが実装される高電圧基板領域と、
   前記誤差増幅器と前記第２部分回路とが実装される低電圧基板領域と、
   を備える基板と、
   前記基板を収納する金属製筐体と、
   を備え、
   前記高電圧基板領域と前記低電圧基板領域は、前記基板において排他的に配置されている、
   高電圧モジュール。
4. 請求項３に記載の高電圧モジュールにおいて、
   前記高電圧基板領域で用いられる最高電圧は、３００（Ｖ）以上であり、前記低電圧基板領域で用いられる最高電圧は、３００（Ｖ）未満である、高電圧モジュール。
5. 請求項３に記載の高電圧モジュールにおいて、
   前記金属製筐体は、所定の電圧に電気的に接続されている、高電圧モジュール。
6. 参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、前記制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、前記供給用高電圧に基づいて、前記帰還信号を出力する帰還回路とを備える、高電圧モジュールであって、
   前記帰還回路は、
   前記供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する第１部分回路と、
   前記中間信号が入力され、前記帰還信号を出力する第２部分回路と、
   を備え、
   前記第１部分回路は、前記供給用高電圧の高電圧信号を低電圧信号に減衰する信号減衰機能を有し、
   前記第２部分回路は、前記高電圧モジュールのループゲインに関連する位相補償機能を有し、
   前記高電圧モジュールは、
   前記高電圧出力回路と前記第１部分回路の一部とが実装される高電圧基板領域と、
   前記誤差増幅器と前記第２部分回路とが実装される低電圧基板領域と、
   を備える基板と、
   前記基板を収納する金属製筐体と、
   を備え、
   前記基板は、複数の個別基板を備え、
   前記複数の個別基板のうちの第１個別基板に、前記高電圧基板領域が配置され、前記第1個別基板とは異なる第２個別基板に、前記低電圧基板領域が配置されている、高電圧モジュール。
7. 参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、前記制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、前記供給用高電圧に基づいて、前記帰還信号を出力する帰還回路とを備える、高電圧モジュールであって、
   前記帰還回路は、
   前記供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する第１部分回路と、
   前記中間信号が入力され、前記帰還信号を出力する第２部分回路と、
   を備え、
   前記第１部分回路は、前記供給用高電圧の高電圧信号を低電圧信号に減衰する信号減衰機能を有し、
   前記第２部分回路は、前記高電圧モジュールのループゲインに関連する位相補償機能を有し、
   前記高電圧モジュールは、
   前記高電圧出力回路と前記第１部分回路の一部とが実装される高電圧基板領域と、
   前記誤差増幅器と前記第２部分回路とが実装される低電圧基板領域と、
   を備える基板と、
   前記基板を収納する金属製筐体と、
   を備え、
   前記高電圧モジュールは、所定の駆動周波数で駆動され、少なくとも一部が、前記高電圧基板領域に実装され、前記高電圧出力回路に高電圧を出力する高電圧生成回路を、さらに備え、
   前記第２部分回路の周波数フィルタ特性は、前記駆動周波数を除去する特性を有する、高電圧モジュール。
8. 参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、前記制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、前記供給用高電圧に基づいて、前記帰還信号を出力する帰還回路とを備える、高電圧モジュールであって、
   前記帰還回路は、
   前記供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する第１部分回路と、
   前記中間信号が入力され、前記帰還信号を出力する第２部分回路と、
   を備え、
   前記第１部分回路は、前記供給用高電圧の高電圧信号を低電圧信号に減衰する信号減衰機能を有し、
   前記第２部分回路は、前記高電圧モジュールのループゲインに関連する位相補償機能を有し、
   前記高電圧モジュールは、
   前記高電圧出力回路と前記第１部分回路の一部とが実装される高電圧基板領域と、
   前記誤差増幅器と前記第２部分回路とが実装される低電圧基板領域と、
   を備える基板と、
   前記基板を収納する金属製筐体と、
   を備え、
   前記高電圧モジュールは、前記第１部分回路と前記第２部分回路との間に接続されたインピーダンス整合回路を、さらに備える、高電圧モジュール。
9. 参照信号と帰還信号とに基づいて、制御信号を出力する誤差増幅器と、前記制御信号に基づいて、供給用高電圧を出力する高電圧出力回路と、前記供給用高電圧に基づいて、前記帰還信号を出力する帰還回路とを備える、高電圧モジュールであって、
   前記帰還回路は、
   前記供給用高電圧が入力され、中間信号を出力する第１部分回路と、
   前記中間信号が入力され、前記帰還信号を出力する第２部分回路と、
   を備え、
   前記第１部分回路は、前記供給用高電圧の高電圧信号を低電圧信号に減衰する信号減衰機能を有し、
   前記第２部分回路は、前記高電圧モジュールのループゲインに関連する位相補償機能を有し、
   前記高電圧モジュールは、
   前記高電圧出力回路と前記第１部分回路の一部とが実装される高電圧基板領域と、
   前記誤差増幅器と前記第２部分回路とが実装される低電圧基板領域と、
   を備える基板と、
   前記基板を収納する金属製筐体と、
   を備え、
   前記第１部分回路と前記第２部分回路とは、電気的に絶縁された絶縁信号伝達回路によって接続されている、高電圧モジュール。

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