JPWO2015005380A1 - 高電圧発生装置およびx線発生装置 - Google Patents

高電圧発生装置およびx線発生装置 Download PDF

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Abstract

コッククロフト・ウォルトン型の高電圧発生装置の小型化を進めると、各部品の接続部からの放電の虞があり、よって絶縁信頼性に欠ける虞がある。コッククロフト・ウォルトン回路(1)は、両端に端部電極(22)を有するコンデンサ(2a−1〜2a−4)と、コンデンサ(2b−1〜2b−4)とが直列に接続されて構成される。接続部(7a−1)では、一方のコンデンサ(2a−1)と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ(2a−2)とが電気的に接続される。接続部(7a−1)は、これら一方のコンデンサ(2a−1)の端部電極(22)と他方のコンデンサ(2a−2)の端部電極(22)との間の第1空間(9)から、はみ出さないように配置される。接続部(7a−1)には更に、ダイオード(3a−1)のアノードと、ダイオード(3b−1)のカソードとが電気的に接続される。

Description

本発明は、高電位を発生して、2個の出力端子の間に印加する高電圧発生装置、および、この高電圧発生装置を用いたX線発生装置に関する。
近年、医療用のX線発生装置に用いられる高電圧発生装置の小型化が要求されている。医療用のX線発生装置のX線管の入力電圧は、直流100kV以上であり、X線発生装置に用いられる高電圧発生装置は、この直流電圧を発生することが必要である。医療用のX線発生装置に用いられる高電圧発生装置は、コッククロフト・ウォルトン回路が用いられることが多い。
特許文献1の要約書は、課題に「薄型化を実現する。製造を容易にする。」と記載され、解決手段に「プリント基板(1)には、ダイオード(Da)の本体を収容し得る嵌入孔(α)が形成され、ダイオード(Da)の本体は、プリント基板(1)の表面側から嵌入孔(α)に嵌め込まれ、ダイオード(Da)のリード線はプリント基板(1)の表面のランドパターン(R)にハンダ付けされ、コンデンサもプリント基板(1)の表面のランドパターン(R)にハンダ付けされている。」と記載されている。これにより、特許文献1の要約書の効果に記載されているように、「ダイオード(Da)の半分が嵌入孔(α)に入っているので薄型化を図れる。」という効果を奏することができる。
特開2004−48905号公報
特許文献1に記載された技術は、コッククロフト・ウォルトン回路の小型化には効果的である。しかし、高電圧発生装置に於いて、小型化や薄型化は、その絶縁信頼性とトレードオフの関係となる場合がある。コッククロフト・ウォルトン回路は、各部品の接続部がエッジ状に突出すると高電界による放電が発生するため、自身を構成する各電子部品が単体では充分な耐電圧性や絶縁信頼性を有するにも関わらず、絶縁信頼性に欠ける虞がある。
そこで、本発明は、各部品の接続部からの放電の発生を抑止して絶縁信頼性を確保すると共に、装置全体の小型化を可能とする高電圧発生装置、および、この高電圧発生装置を用いたX線発生装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、例えば、各電子部品の接続部の配置位置や構造を改善することが重要である。請求項1に記載の高電圧発生装置の発明では、両端に端子電極を有するコンデンサが複数個直列に接続される。直列に隣接する2個のコンデンサが電気的に接続される接続部は、一方のコンデンサの端部電極と他方のコンデンサの端部電極との間の第1空間からはみ出さないように配置される。ダイオードの一端は、前記接続部に電気的に接続される。
このようにすることで、本発明によれば、高電圧発生装置を構成する各部品の接続部からの放電の発生を抑止し、かつ、高電圧発生装置全体の小型化を可能とすることができる。
X線発生装置の発明では、前記高電圧発生装置を備えることを特徴とする。
このようにすることで、本発明によれば、高電圧発生装置を構成する各部品の接続部からの放電の発生を抑止し、かつ、X線発生装置全体の小型化を可能とすることができる。
本発明によれば、高電圧発生装置、および、この高電圧発生装置を用いたX線発生装置に於いて、各部品の接続部からの放電の発生を抑止して絶縁信頼性を確保すると共に、装置全体の小型化が可能である。
第1の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の一部構成を示す図である。 第1の実施形態の変形例に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の一部構成を示す図である。 第2の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の一部構成を示す図である。 第2の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の基板を示す図である。 第3の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の端部構成を示す図である。 第4の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の端部構成を示す図である。 第5の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の一部構成を示す図である。 第6の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の端部構成を示す図である。 第7の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路の端部構成を示す図である。 陽極接地型コッククロフト・ウォルトン回路を用いたX線発生装置を示す図である。 中性点接地型コッククロフト・ウォルトン回路を用いたX線発生装置を示す図である。 第1の比較例のコッククロフト・ウォルトン回路のプリント基板の一部を示す図である。 第2の比較例のコンデンサの電気的接続構造を示す図である。
以降、本発明の比較例と、本発明を実施するための形態とを、図を参照して詳細に説明する。
X線管は、大別して、陰極が負電位、陽極が接地電位である陽極接地型と、陰極が負電位、陽極が正電位である中性点接地型に分類される。
図10は、陽極接地型のX線管5に接続する場合のコッククロフト・ウォルトン回路1Gと、これらを用いたX線発生装置10とを示す図である。
図10に示すように、X線発生装置10は、高電圧発生装置であるコッククロフト・ウォルトン回路1Gと、陽極接地型のX線管5とを備えている。コッククロフト・ウォルトン回路1Gは、交流電源4によって交流電力の供給を受けて、X線管5の陽極と陰極との間に、高い電位差を印加するものである。コッククロフト・ウォルトン回路1Gは、直列接続されたコンデンサ2a−1〜2a−4と、直列接続されたコンデンサ2b−1〜2b−4と、ダイオード3a−1〜3a−4と、ダイオード3b−1〜3b−4とを備えている。
以下、コンデンサ2a−1〜2a−4や、コンデンサ2b−1〜2b−4などを特に区別しないときには、単にコンデンサ2と記載する場合がある。ダイオード3a−1〜3a−4や、ダイオード3b−1〜3b−4などを特に区別しないときには、単にダイオード3と記載する場合がある。
コッククロフト・ウォルトン回路1Gは、2個のコンデンサ2と2個のダイオード3からなるラダー回路L1〜L4を直列に4段接続した構成である。各ラダー回路L1〜L4が、それぞれ交流電圧をピーク値の2倍に降圧するので、印加した交流電圧に対して極めて低い負電圧を印加し、高い電位差を得ることができる。
ラダー回路L1は、コンデンサ2a−1,2b−1と、ダイオード3a−1,3b−1とで構成されている。交流電源4は、一端がコンデンサ2a−1の一端に接続され、他端がコンデンサ2b−1の一端とダイオード3a−1のカソードに接続され、更にグランドに接地されている。ダイオード3a−1のアノードは、コンデンサ2a−1の他端と、ダイオード3b−1のカソードに接続されている。ダイオード3b−1のアノードは、コンデンサ2b−1の他端に接続されている。これにより、コンデンサ2b−1の他端には、交流電圧のピーク値の2倍の負電圧が印加される。
ラダー回路L2は、同様にコンデンサ2a−2,2b−2と、ダイオード3a−2,3b−2とで構成される。コンデンサ2b−2の一端には、ラダー回路L1のコンデンサ2b−1の他端が接続される。コンデンサ2b−2の他端には、交流電圧のピーク値の4倍の負電圧が印加される。
ラダー回路L3は、同様にコンデンサ2a−3,2b−3と、ダイオード3a−3,3b−3とで構成される。コンデンサ2b−3の一端には、ラダー回路L2のコンデンサ2b−2の他端が接続される。コンデンサ2b−3の他端には、交流電圧のピーク値の6倍の負電圧が印加される。
ラダー回路L4は、同様にコンデンサ2a−4,2b−4と、ダイオード3a−4,3b−4とで構成される。コンデンサ2b−4の一端には、ラダー回路L3のコンデンサ2b−3の他端が接続される。コンデンサ2b−4の他端には、交流電圧のピーク値の8倍の負電圧が印加される。このコンデンサ2b−4の他端は、このコッククロフト・ウォルトン回路1Gの出力端であり、X線管5の陰極に接続されて、負の高電位を印加する。X線管5の陽極は、グランドに接地されている。
このように交流電源4を、はしご状に接続したコンデンサ2とダイオード3に接続し、高電位差をX線管5に印加することにより、X線を発生させることができる。なお、ラダー回路L1〜L4の段数は、4段に限定されず、任意の段数であってもよい。
図11は、中性点接地型のX線管5Aに接続する場合のコッククロフト・ウォルトン回路1Hと、これらを用いたX線発生装置10Aとを示す図である。
図11に示すように、X線発生装置10Aは、コッククロフト・ウォルトン回路1Hと、中性点接地型のX線管5Aとを備えている。コッククロフト・ウォルトン回路1Hは、交流電源4によって交流電力の供給を受けて、X線管5Aに高い電位差を印加するものである。コッククロフト・ウォルトン回路1Hは、直列接続されたコンデンサ2a−1,2a−2と、直列接続されたコンデンサ2b−1,2b−2と、直列接続されたコンデンサ2c−1,2c−2と、直列接続されたコンデンサ2d−1,2d−2と、ダイオード3a−1,3a−2と、ダイオード3b−1,3b−2と、ダイオード3c−1,3c−2と、ダイオード3d−1〜3d−2とを備えている。
コッククロフト・ウォルトン回路1Hは、交流電源4−1に、2個のコンデンサ2と2個のダイオード3からなる2段のラダー回路L1A,L2Aを直列に接続した構成により、X線管5Aの陰極に負の高電位を印加する。コッククロフト・ウォルトン回路1Hは更に、交流電源4−2に、2個のコンデンサ2と2個のダイオード3からなる2段のラダー回路L3A,L4Aを直列に接続した構成により、X線管5Aの陽極に正の高電位を印加する。
ラダー回路L1Aは、ラダー回路L1と同様に、コンデンサ2a−1,2b−1と、ダイオード3a−1,3b−1とで構成されている。コンデンサ2b−1の一端はグランドに接地され、その他端には、交流電圧のピーク値の2倍の負電圧が印加される。
ラダー回路L2Aは、同様にコンデンサ2a−2,2b−2と、ダイオード3a−2,3b−2とで構成される。コンデンサ2b−2の一端には、コンデンサ2b−1の他端が接続される。コンデンサ2b−2の他端には、交流電圧のピーク値の4倍の負電圧が印加される。
ラダー回路L3Aは、コンデンサ2c−1,2d−1と、ダイオード3c−1,3d−1とで構成される。交流電源4−2は、一端がコンデンサ2d−1の一端に接続され、他端がコンデンサ2c−1の一端とダイオード3c−1のアノードに接続され、更にグランドに接地されている。コンデンサ2d−1の他端は、ダイオード3c−1のカソードと、ダイオード3d−1のアノードとが接続される。ダイオード3d−1のカソードは、コンデンサ2c−1の他端に接続される。この構成により、コンデンサ2c−1の他端には、交流電圧のピーク値の2倍の正電圧が印加される。
ラダー回路L4Aは、ラダー回路L3Aと同様にコンデンサ2c−2,2d−2と、ダイオード3c−2,3d−2とで構成される。コンデンサ2c−2の一端には、コンデンサ2c−1の他端が接続される。コンデンサ2c−2の他端には、交流電圧のピーク値の4倍の正電圧が印加される。
このように構成することで、コッククロフト・ウォルトン回路1Hは、X線管5Aの陽極と陰極との間に、交流電圧のピーク値の8倍の電圧を印加することができる。このように交流電源4−1,4−2を、それぞれはしご状に接続したコンデンサ2とダイオード3に接続し、高電圧をX線管5Aに印加することにより、X線を発生することができる。
(第1の比較例)
図12は、第1の比較例のコッククロフト・ウォルトン回路1Jを構成するプリント基板6の一部を示す平面図である。
第1の比較例のコッククロフト・ウォルトン回路1Jは、図10に示すコッククロフト・ウォルトン回路1Gと同様に構成されている。コッククロフト・ウォルトン回路1Jは、プリント基板6上に、ランドパターン72a−1〜72a−3とランドパターン72b−1〜72b−3が形成されて構成されている。以下、各ランドパターン72a−1〜72a−3やランドパターン72b−1〜72b−3を特に区別しないときには、単にランドパターン72と記載している場合がある。プリント基板6には更に、切欠部61が設けられている。
ランドパターン72a−1,72a−2には、コンデンサ2a−2の端部電極22がハンダ71を介して電気的に接続されている。コンデンサ2は表面実装型のチップコンデンサである。ランドパターン72a−1には、ダイオード3b−1の一端のリード線31がハンダ71で電気的に接続されている。ランドパターン72b−1には、ダイオード3b−1の他端のリード線31がハンダ71で電気的に接続されている。
各ダイオード3は、プリント基板6の切欠部61に挿入されており、プリント基板6の部品実装後の厚みを薄くできる。よって、コッククロフト・ウォルトン回路1Jを薄型かつ小型に構成することができる。他のランドパターン72a−2,72a−3,72b−2,72b−3も同様に構成されている。
高電圧発生装置では、薄型化や小型化も重要であるが、高電圧に対する絶縁信頼性の確保も必要である。第1の比較例のランドパターン72は、厚さが数十μmであり、高電圧が印加されると、自身の頂点部やエッジに高電界が発生して放電が発生する虞がある。
ダイオード3b−1〜3b−3や、ダイオード3a−2,3a−3を基板の切欠部61に挿入したとしても、ダイオード3の構造上、ランドパターン72周囲での電界を緩和する作用はなく、絶縁信頼性に欠ける虞がある。
(第2の比較例)
図13(a),(b)は、第2の比較例のフィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサの電気的接続構造を示す断面図である。図13(a)は、両リード線21を直接接続した構造断面図である。図13(b)は、両リード線21をプリント基板6を介して接続した構造の断面図である。
図13(a)に示すように、コンデンサ2a−1,2a−2は、それぞれ誘電体24を電極23で挟み込んでいる。以下、コンデンサ2a−1,2a−2を特に区別しないときには、単にコンデンサ2と記載する。コンデンサ2の電極23は、両端に設けられた端部電極22に、電気的に接続される。
コンデンサ2a−1と、コンデンサ2a−2とを接続するために、コンデンサ2a−1,2a−2が備えるリード線21をそれぞれ曲げて、コンデンサ2から遠い位置でハンダ71で接続している。なお、リード線21は、ハンダ付けに限られず、端子接続やネジ接続などによって電気的に接続されてもよい。この構造は、コンデンサ2a−1,2a−2相互の距離を近くできるので、装置全体の小型化が可能であり、かつ、ハンダ付け、端子接続、ネジ接続など、いずれの方法でもリード線21の接続の作業性が良好である。しかし、この構造は、接続部7がエッジ状に突出しているので、リード線21に高い電位差が印加されると、エッジ状の接続部7の頂点部やエッジに高電界が発生して放電が発生する虞がある。これにより、この構造は、絶縁信頼性に欠ける虞がある。
図13(b)に示すコンデンサ2a−1,2a−2は、図13(a)と同様に構成されている。
コンデンサ2a−1と、コンデンサ2a−2とを接続するために、コンデンサ2a−1が備えるリード線21と、コンデンサ2a−2が備えるリード線21とは、それぞれ曲げられている。両リード線21は、コンデンサ2から遠い位置、かつ、プリント基板6上に形成したランドパターン72で、ハンダ71によって電気的に接続される。この構造は、図13(a)に示す例と同様に、コンデンサ2a−1,2a−2相互の距離を近くできるので、装置全体の小型化が可能であり、かつ、ハンダ付けによるリード線21の接続の作業性が良好である。しかし、この構造は、接続部7がエッジ状に突出していると共に、ランドパターン72の端にエッジ部73が形成されているので、リード線21に高い電位差が印加されると、エッジ状の接続部7の頂点部やエッジ部73に高電界が発生して放電が発生する虞がある。これにより、この構造は、絶縁信頼性に欠ける虞がある。
(第1の実施形態)
図1(a),(b)は、第1の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1の一部構成を示す図である。図1に示すコッククロフト・ウォルトン回路1は、図10のコッククロフト・ウォルトン回路1Gの具体的構造の一部を示している。図1(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1の斜視図である。図1(b)は、コッククロフト・ウォルトン回路1のコンデンサ2a−1〜2a−4の直列接続の断面図である。
図1(a)に示すように、高電圧発生装置であるコッククロフト・ウォルトン回路1を構成するコンデンサ2a−1〜2a−4は、両端に端部電極22を有し、直列に接続されて、概ね直線状に配置される。コッククロフト・ウォルトン回路1を構成するコンデンサ2b−1〜2b−4は、同様に両端に端部電極22を有し、直列に接続されて、概ね直線状に配置される。各コンデンサ2は、フィルムコンデンサである。
コンデンサ2a−1〜2a−4と各ダイオード3とは、それぞれ接続部7a−1〜7a−3に電気的に接続される。接続部7a−1では、一方のコンデンサ2a−1と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2とが電気的に接続される。接続部7a−1には更に、ダイオード3a−1のアノードと、ダイオード3b−1のカソードとが電気的に接続される。各ダイオード3は、半導体整流素子である。
接続部7a−2では、一方のコンデンサ2a−2と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−3とが電気的に接続される。接続部7a−2には更に、ダイオード3a−2のアノードと、ダイオード3b−2のカソードとが電気的に接続される。
接続部7a−3では、一方のコンデンサ2a−3と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−4とが電気的に接続される。接続部7a−3には更に、ダイオード3a−3のアノードと、ダイオード3b−3のカソードとが電気的に接続される。
同様に、コンデンサ2b−1〜2b−4と各ダイオード3とは、それぞれ接続部7b−1〜7b−3に電気的に接続されている。以下、接続部7a−1〜7a−3や、接続部7b−1〜7b−3を特に区別しないときには、単に接続部7と記載している場合がある。
第1の実施形態の各接続部7は、ハンダ付けによって電気的に接続されている。しかし、これに限られず、圧着端子やネジ締結などによっても、好適に接続することができる。各コンデンサ2は、フィルムコンデンサである。これらコッククロフト・ウォルトン回路1は、エポキシ樹脂などの固体絶縁体で覆われている。
図1(b)に示すように、接続部7a−1は、一方のコンデンサ2a−1の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の端部電極22によって形成される第1空間9に含まれ、かつ、はみ出さないように配置される。一方のコンデンサ2a−1の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の端部電極22とは同電位であり、第1空間9内では電界がゼロである。このようにコンデンサ2の間の電界をゼロにできるのは、コンデンサ2が両端に端部電極22を備えているためである。一方、ダイオード3は、このような端部の構造を備えておらず、電界がゼロの空間を形成できない。
よって、接続部7a−1に突起などがあっても電界が発生せず、放電が発生しない。他の接続部7a−2,7a−3や、図1(a)に示す接続部7b−1〜7b−3も同様に構成されているので、放電の発生を抑止することができる。したがって、コッククロフト・ウォルトン回路1の絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
(第1の実施形態の変形例)
図2(a),(b)は、第1の実施形態の変形例に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1の一部構成を示す図である。図2に示すコッククロフト・ウォルトン回路1は、図10のコッククロフト・ウォルトン回路1Gの具体的構造の一部を示している。図2(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1の斜視図である。図2(b)は、コッククロフト・ウォルトン回路1のコンデンサ2a−1〜2a−4の直列接続の断面図である。
図2(a)に示すように、第1の実施形態の変形例の各コンデンサ2は、一端に雄ネジ74を備え、他端に雌ネジ75を備えている。各ダイオード3は、リード線31に圧着端子76が圧着されている。
接続部7a−1では、一方のコンデンサ2a−1の雄ネジ74が、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の雌ネジ75に締結されて構成される。ダイオード3a−1のアノードに設けた圧着端子76と、ダイオード3b−1のカソードに設けた圧着端子76とが、雄ネジ74と雌ネジ75との間に挟み込まれることにより、接続部7a−1に電気的に接続される。
同様に、コンデンサ2a−2〜2a−4と各ダイオード3とは、それぞれ接続部7a−2、接続部7a−3に電気的に接続されている。コンデンサ2b−1〜2b−4と各ダイオード3とは、それぞれ接続部7b−1〜7b−3に電気的に接続されている。
図2(b)に示すように、接続部7a−1は、一方のコンデンサ2a−1の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の端部電極22によって形成される第1空間9に含まれるように配置される。コンデンサ2a−1の端部電極22と、直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の端部電極22とは、同電位であるため、第1空間9内では電界がゼロである。よって、接続部7a−1に突起などがあっても電界が発生せず、放電が発生しない。
接続部7a−2も同様に、一方のコンデンサ2a−2の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−3の端部電極22によって形成される第1空間9に含まれるように配置される。接続部7a−3も同様に、一方のコンデンサ2a−3の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−4の端部電極22によって形成される第1空間9に含まれるように配置される。他の接続部7も同様である。したがって、絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
接続部7は更に、雄ネジ74と雌ネジ75との間に圧着端子76を挟み込んで、雄ネジ74と雌ネジ75とを締結することによって、ダイオード3を電気的に接続している。よって、ハンダ付け作業が不要となり、装置を製造する際の作業性を向上させることができる。
(第2の実施形態)
図3(a),(b)は、第2の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Aの一部構成を示す図である。図3に示すコッククロフト・ウォルトン回路1Aは、図10のコッククロフト・ウォルトン回路1Gの具体的構造の一部を示している。図3(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Aの斜視図である。図3(b)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Aのコンデンサ2a−1〜2a−4の直列接続の断面図である。
図3(a)に示すように、第2の実施形態のコッククロフト・ウォルトン回路1Aは、プリント基板6上に、コンデンサ2とダイオード3とをマウントしている。このプリント基板6には、切欠部62が穿たれており、そこにコンデンサ2a−1〜2a−4と、コンデンサ2b−1〜2b−4とが嵌め込まれている。
コンデンサ2a−1〜2a−4は、第1の実施形態と同様に、両端に端部電極22(図1(a)参照)を有し、直列に接続されて、概ね直線状に配置される。コンデンサ2b−1〜2b−4は、同様に両端に端部電極22(図1(a)参照)を有し、同様に接続されて配置される。
図3(b)に示すように、コンデンサ2a−1の一端と、コンデンサ2a−2の一端と、ダイオード3a−1のアノードと、ダイオード3b−1のカソードとは、プリント基板6のランドパターン72に、ハンダ71で電気的に接続されて、接続部7a−1を構成している。他の接続部7も同様に構成されている。
各ランドパターン72の厚さは数十μmと薄いため、ランドパターン72の周囲に電界が発生したならば、端部から放電が発生する虞がある。
接続部7a−1を構成するランドパターン72は、一方のコンデンサ2a−1のリード線21と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2のリード線21とが挿入されてハンダ71で電気的に接続される。接続部7a−1を構成するランドパターン72は、一方のコンデンサ2a−1の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の端部電極22とによって形成される第1空間9に含まれ、かつ、はみ出さないように配置される。
コンデンサ2a−1の端部電極22と、これと直列に隣接するコンデンサ2a−2の端部電極22とは同電位であり、第1空間9内の電界がゼロである。よって、ランドパターン72の周辺エッジや、ハンダ71の部位に突起などがあっても電界が発生せず、放電が発生しない。したがって、コッククロフト・ウォルトン回路1Aの絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
図4(a),(b)は、第2の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Aのプリント基板6を示す図である。図4(a)は、プリント基板6の表面を示す斜視図である。図4(b)は、プリント基板6の裏面を示す斜視図である。
図4(a)に示すように、プリント基板6は、それぞれコンデンサ2を嵌め込むための切欠部62と、穴63とが穿たれている。穴63は、コンデンサ2のリード線21や、ダイオード3のリード線などを挿入するために穿たれている。
図4(b)に示すように、プリント基板6の裏面には、穴63(図4(a)参照)の位置に対応してランドパターン72が形成されている。このコッククロフト・ウォルトン回路1Aを製造する際には、各コンデンサ2を切欠部62に嵌め込み、コンデンサ2のリード線21やダイオード3のリード線31を穴63に挿入し、裏面のランドパターン72でハンダ付けする。これにより、ハンダ71とランドパターン72で接続部7が構成され、各コンデンサ2と各ダイオード3とが電気的に接続される。
プリント基板6に切欠部62を設け、コンデンサ2を切欠部62に嵌め込むように配置している。よって、接続部7は、一方のコンデンサの端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサの端部電極22によって形成される第1空間9に含まれるように配置される。一方のコンデンサの端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサの端部電極22は、同電位であるため、第1空間9内では電界がゼロである。よって、接続部7に突起などがあっても電界が発生せず、放電が発生しない。したがって、絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
更に、このコッククロフト・ウォルトン回路1Aは、プリント基板6上にコンデンサ2とダイオード3とをマウントする構造であるため、電子部品実装機によって好適に製造することができる。
(第3の実施形態)
図5(a)〜(c)は、第3の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Bの端部構成を示す図である。図5(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Bの端部の斜視図である。図5(b)は、最も電位差が大きい接続部7B近傍の断面図である。図5(c)は、次に電位差が大きい接続部7A近傍の断面図である。
図5(a)に示すように、接続部7Bは、コンデンサ2b−4とダイオード3b−4のアノードと高圧出力ケーブル8とを電気的に接続する第2接続部であり、コッククロフト・ウォルトン回路1Bのうち最も電位差が大きくなる部位である。
接続部7Aは、コッククロフト・ウォルトン回路1Bのうち、接続部7Bに次いで電位差が大きくなる第3接続部であり、ダイオード3b−4のカソードとコンデンサ2a−4とが電気的に接続される。ダイオード3b−4は、アノードが第2接続部の接続部7Bに接続され、カソードが第3接続部である接続部7Aに接続されている。
図5(b)に示すように、コンデンサ2b−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8とは同電位なので、ほぼ電界がゼロとなる第2空間9Bを形成する。接続部7Bは、この第2空間9Bから、はみ出さないように配置される。接続部7Bの周囲の電界がゼロに近いので、接続部7Bでは、放電などが発生しにくくなる。
図5(c)に示すように、コンデンサ2a−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8とは近い電位なので、電界が極めて低い第3空間9Aを形成する。接続部7Aは、この第3空間9Aから、はみ出さないように配置される。接続部7Aの周囲の電界が極めて低いので、接続部7Aでは、放電などが発生しにくくなる。
よって、コッククロフト・ウォルトン回路1Bの絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
コッククロフト・ウォルトン回路1Bは、第1の実施形態と同様に、エポキシ樹脂などの固体絶縁体で覆われている。
高圧出力ケーブル8は、導体に絶縁体を被覆したものである。高圧出力ケーブル8の被覆材は、コッククロフト・ウォルトン回路1B全体の被覆材より、誘電率または導電率が高いほうが望ましい。また、高圧出力ケーブル8の断面の曲率は、接続部7A,7Bよりも小さいことが望ましい。
(第4の実施形態)
図6(a)〜(d)は、第4の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Cの端部構成を示す図である。図6(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Cの端部表面の斜視図である。図6(b)は、最も電位差が大きい接続部7B近傍の断面図である。図6(c)は、次に電位差が大きい接続部7A近傍の断面図である。図6(d)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Cの端部裏面の斜視図である。
図6(a)に示すように、第4の実施形態のコッククロフト・ウォルトン回路1Cのプリント基板6の表面には、複数の切欠部62が形成されている。この切欠部62には、コンデンサ2a−2〜2a−4と、コンデンサ2b−2〜2b−4とが、それぞれ嵌め込まれている。プリント基板6は、コンデンサ2a−2〜2a−4と、コンデンサ2b−2〜2b−4とをマウントしている。プリント基板6は更に、ダイオード3a−2〜3a−4とダイオード3b−2〜3b−4とをマウントしている。
コンデンサ2b−4の一端と、ダイオード3b−4のアノードとが接続されているプリント基板6の近傍には、高圧出力ケーブル8が電気的に接続されている。
これらのコッククロフト・ウォルトン回路1C全体は、第1〜第3の実施形態と同様に、エポキシ樹脂などの固体絶縁体で覆われている。高圧出力ケーブル8は、第3の実施形態と同様に、導体に絶縁体を被覆したものである。
図6(b)に示すように、接続部7Bは、ランドパターン72Bとハンダ71とを含んで構成されている。接続部7Bは、コンデンサ2a−4とダイオード3b−4のアノードと高圧出力ケーブル8とを電気的に接続する第2接続部であり、コッククロフト・ウォルトン回路1Cのうち最も電位差が大きくなる部位である。ランドパターン72Bは、高圧出力ケーブル8とコンデンサ2a−4とを電気的に接続する第2ランドパターンである。
ランドパターン72Bおよび接続部7Bは、第3の実施形態と同様に、コンデンサ2b−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8との間の第2空間9Bから、はみ出さないように配置される。接続部7Bは、同電位のコンデンサ2b−4の端部電極22と、高圧出力ケーブル8の間に配置される。そのため、接続部7Bは、周囲の電界がゼロに近くなり、放電などが発生しにくくなる。
図6(c)に示すように、接続部7Aは、ランドパターン72Aとハンダ71とを含んで構成されている。接続部7Aは、コッククロフト・ウォルトン回路1Cのうち接続部7Bに次いで電位差が大きくなる部位であり、コンデンサ2a−4とダイオード3b−4のカソードとを電気的に接続している。このランドパターン72Aは、第2ランドパターンであるランドパターン72Bに一端が接続されるダイオード3b−4と、コンデンサ2a−4とが電気的に接続される第3ランドパターンである。
ランドパターン72Aおよび接続部7Aは、第3の実施形態と同様に、コンデンサ2a−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8との間の第3空間9Aから、はみ出さないように配置される。接続部7Aは、同電位のコンデンサ2a−4の端部電極22と、近い電位の高圧出力ケーブル8との間に配置される。よって、接続部7Aの周囲の電界は極めて低く、放電などが発生しにくくなる。
これにより、コッククロフト・ウォルトン回路1Cの絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
図6(d)に示すように、第4の実施形態のコッククロフト・ウォルトン回路1Cのプリント基板6の裏面には、複数の切欠部62とランドパターン72,72A,72Bが形成されている。この切欠部62には、コンデンサ2a−2〜2a−4と、コンデンサ2b−2〜2b−4とが、それぞれ嵌め込まれている。コンデンサ2a−2〜2a−4と、コンデンサ2b−2〜2b−4とは、プリント基板6にマウントされると共に、ランドパターン72によって電気的に接続される。このランドパターン72には、図6(a)に示すダイオード3a−2〜3a−4と、ダイオード3b−2〜3b−4とが、それぞれ電気的に接続される。
ランドパターン72Bは、コンデンサ2b−4の一端に形成され、このコンデンサ2b−4の一端と、高圧出力ケーブル8と、ダイオード3b−4のアノードとが電気的に接続されて、接続部7B(図6(b)参照)を構成する。
ランドパターン72Aは、コンデンサ2a−4の一端に形成され、このコンデンサ2a−4の一端と、ダイオード3b−4のカソードとが電気的に接続されて、接続部7A(図6(c)参照)を構成する。
(第5の実施形態)
図7(a),(b)は、第5の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Dの一部構成を示す図である。図7(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Dの斜視図である。図7(b)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Dのコンデンサ2a−1〜2a−4の直列接続の断面図である。
図7(a)に示すように、第5の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Dは、第1の実施形態のコッククロフト・ウォルトン回路1と同様の構成に加えて、接続部7a−1〜7a−3に、それぞれ金属板77a−1〜77a−3が電気的に接続され、接続部7b−1〜7b−3に、それぞれ金属板77b−1〜77b−3が電気的に接続される。以下、金属板77a−1〜77a−3や、金属板77b−1〜77b−3を特に区別しないときには、単に金属板77と記載している場合がある。
図7(b)に示すように、各金属板77は、この金属板77に直列に隣接するコンデンサ2の端部電極22によって形成される第1空間9に含まれて、はみ出さないように配置される。例えば、金属板77a−1は、一方のコンデンサ2a−1の端部電極22と、これと直列に隣接する他方のコンデンサ2a−2の端部電極22によって形成される第1空間9に含まれる。
金属板77は、コンデンサ2の端部電極22と同一の形状か、または、端部電極22よりも小さいことが望ましい。金属板77は、薄板または厚板のいずれでもよく、外周にエッジが無い形状であることが望ましい。金属板77と接続部7との電気的接続方法は、ハンダ付け、圧着端子、ネジ締めなどが好適である。
金属板77は、その両側に配置される各端部電極22と同電位である。第1の実施形態では、直列に隣接するコンデンサ2の端部電極22相互の距離が離れていたときには、電界がゼロの空間を構成できない虞があった。第5の実施形態では、金属板77と端部電極22との間の空間では、電界がゼロである。よって、直列に隣接するコンデンサ2の端部電極22相互の距離が離れていても電界がゼロの空間を構成でき、接続部7から放電が発生しない。したがって、絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
(第6の実施形態)
図8(a)〜(c)は、第6の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Eの端部構成を示す図である。図8(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Eの端部の斜視図である。図8(b)は、最も電位差が大きい接続部7B近傍の断面図である。図8(c)は、次に電位差が大きい接続部7A近傍の断面図である。
図8(a)に示すように、接続部7Bは、コンデンサ2b−4とダイオード3b−4のアノードと高圧出力ケーブル8とを電気的に接続する第2接続部であり、コッククロフト・ウォルトン回路1Eのうち最も電位差が大きくなる部位である。接続部7Bには、金属板77Bが電気的に接続されている。接続部7Aは、コンデンサ2a−4とダイオード3b−4のカソードとを電気的に接続する第3接続部であり、コッククロフト・ウォルトン回路1Eのうち、接続部7Bの次に電位差が大きくなる部位である。接続部7Aには、金属板77Aが電気的に接続されている。ダイオード3b−4は、アノードが第2接続部の接続部7Bに接続され、カソードが第3接続部である接続部7Aに接続されている。
図8(b)に示すように、コンデンサ2b−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8とは同電位なので、ほぼ電界がゼロとなる第2空間9Bを形成する。金属板77Bと接続部7Bは、この第2空間9Bから、はみ出さないように配置される。金属板77Bは、周囲の電界がゼロに近いので、放電などが発生しにくい。接続部7Bは、この金属板77Bとコンデンサ2b−4の端部電極22に挟まれ、周囲の電界がゼロに近いので、更に放電などが発生しにくくなる。
図8(c)に示すように、コンデンサ2a−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8とは近い電位なので、電界が極めて低い第3空間9Aを形成する。接続部7Aと金属板77Aは、この第3空間9Aから、はみ出さないように配置される。金属板77Aは、周囲の電界が極めて低いので、放電などが発生しにくい。接続部7Aは、この金属板77Aとコンデンサ2a−4の端部電極22に挟まれ、周囲の電界がゼロに近いので、更に放電などが発生しにくくなる。
よって、コッククロフト・ウォルトン回路1Eの絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
(第7の実施形態)
図9(a)〜(d)は、第7の実施形態に於けるコッククロフト・ウォルトン回路1Fの端部構成を示す図である。図9(a)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Fの端部表面の斜視図である。図9(b)は、最も電位差が大きい接続部7B近傍の断面図である。図9(c)は、次に電位差が大きい接続部7A近傍の断面図である。図6(d)は、コッククロフト・ウォルトン回路1Fの端部裏面の斜視図である。
図9(a)に示すように、第7の実施形態のコッククロフト・ウォルトン回路1Fの基板6の表面は、図6(a)に示す第4の実施形態と同様に構成されている。第7の実施形態に於いて、高圧出力ケーブル8が電気的に接続されているプリント基板6の近傍には、更に金属板77Bが配置されている。第7の実施形態では、コンデンサ2a−4の一端と、ダイオード3b−4のカソードとが電気的に接続されているプリント基板6の近傍には、更に金属板77Aが配置されている。
これらのコッククロフト・ウォルトン回路1F全体は、第4の実施形態と同様に、エポキシ樹脂などの固体絶縁体で覆われている。高圧出力ケーブル8は、第4の実施形態と同様に、導体に絶縁体を被覆したものである。
図9(b)に示すように、接続部7Bは、ランドパターン72Bとハンダ71とを含んで構成され、更に金属板77Bに電気的に接続されている。接続部7Bは、コンデンサ2a−4とダイオード3b−4のアノードと高圧出力ケーブル8とを電気的に接続する第2接続部であり、コッククロフト・ウォルトン回路1Fのうち最も電位差が大きくなる部位である。
金属板77Bは、同電位のコンデンサ2b−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8との間の第2空間9Bから、はみ出さないように配置される。よって、金属板77Bでの放電などが発生しにくくなる。ランドパターン72Bやハンダ71で構成される接続部7Bは、同電位のコンデンサ2b−4の端部電極22と、金属板77Bとの間に配置される。そのため、接続部7Bは、周囲の電界がゼロに近くなり、放電などが発生しにくくなる。
図9(c)に示すように、接続部7Aは、ランドパターン72Aとハンダ71とを含んで構成され、更に金属板77Aに電気的に接続されている。接続部7Aは、コッククロフト・ウォルトン回路1Fのうち接続部7Bに次いで電位差が大きくなる部位であり、コンデンサ2a−4とダイオード3b−4のカソードとを電気的に接続している。
金属板77Aは、近い電位のコンデンサ2a−4の端部電極22と高圧出力ケーブル8との間の第3空間9Aから、はみ出さないように配置される。よって、金属板77Aは、周囲の電界が極めて低く、放電などが発生しにくくなる。
ランドパターン72Aなどを含む接続部7Aは、同電位のコンデンサ2a−4の端部電極22と、同電位の金属板77Aとの間に配置される。そのため、接続部7Aの周囲の電界はゼロであり、接続部7Aでは、放電などが発生しにくくなる。
よって、コッククロフト・ウォルトン回路1Fの絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
図9(d)に示すように、第7の実施形態のコッククロフト・ウォルトン回路1Fのプリント基板6の裏面は、図6(a)に示す第4の実施形態と同様に構成されている。第7の実施形態に於いて、プリント基板6の裏面に形成されたランドパターン72Bには、金属板77Bが配置され、かつ電気的に接続されている。プリント基板6の裏面に形成されたランドパターン72Aには、金属板77Aが配置され、かつ電気的に接続されている。
これら金属板77A,77Bは、コッククロフト・ウォルトン回路1Fの電位差が大きい部分からの放電を抑止する。よって、コッククロフト・ウォルトン回路1Fの絶縁信頼性を確保でき、かつ、装置全体の小型化が可能である。
(変形例)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、DVD(Digital Versatile Disk)などの記録媒体に置くことができる。
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の(a)〜(d)のようなものがある。
(a) コッククロフト・ウォルトン回路を構成するコンデンサ2は、フィルムコンデンサに限られず、セラミックコンデンサなどを好適に用いることができる。
(b) コッククロフト・ウォルトン回路を覆う絶縁体は、エポキシ樹脂などの固体絶縁体に限られず、絶縁油などの液体絶縁体、六フッ化硫黄ガスなどの気体絶縁体で覆われていてもよく、更に固体絶縁体、液体絶縁体、気体絶縁体のうち複数のもので覆われていてもよい。
(c) 高圧出力ケーブル8は、導体に絶縁体を被覆したものに限られず、導体に半導電体を被覆したものや、導体のみであってもよい。
(d) 本発明のコッククロフト・ウォルトン回路は、X線発生装置に限られず、荷電粒子加速装置、電子顕微鏡、電気集塵機、静電塗装機などに用いられてもよい。
1,1A〜1J コッククロフト・ウォルトン回路 (高電圧発生装置)
2,2a−1〜2a−4、2b−1〜2b−4,2c−1,2c−2,2d−1,2d−2 コンデンサ
21 リード線
22 端部電極
3,3a−1〜3a−4,3b−1〜3b−4,3c−1,3c−2,3d−1,3d−2 ダイオード
31 リード線
4,4−1,4−2 交流電源
5,5A X線管
6 プリント基板
61,62 切欠部
63 穴
7,7A,7B 接続部
71 ハンダ
72,72A,72B ランドパターン
73 エッジ部
74 雄ネジ
75 雌ネジ
76 圧着端子
77,77A,77B 金属板
8 高圧出力ケーブル
9 第1空間
9B 第2空間
9A 第3空間
10,10A X線発生装置
上記課題を解決するために、例えば、各電子部品の接続部の配置位置や構造を改善することが重要である。請求項1に記載の高電圧発生装置の発明では、両端に端子電極を有するコンデンサが複数個直列に接続される。直列に隣接する2個のコンデンサが電気的に接続される接続部は、一方のコンデンサの端部電極と他方のコンデンサの端部電極との間の第1空間からはみ出さないように配置される。ダイオードの一端は、前記接続部に電気的に接続される。高圧出力ケーブルとコンデンサとが電気的に接続される第2接続部は、当該コンデンサの端部電極と当該高圧出力ケーブルとの間の第2空間から、はみ出さないように配置される。

Claims (14)

  1. 両端に端部電極を有するコンデンサが複数個直列に接続され、
    直列に隣接する2個の前記コンデンサが電気的に接続される接続部は、一方のコンデンサの端部電極と他方のコンデンサの端部電極との間の第1空間から、はみ出さないように配置され、
    ダイオードの一端は、前記接続部に電気的に接続される、
    ことを特徴とする高電圧発生装置。
  2. 前記コンデンサは更に、一端の端部電極に雄ネジを、他端の端部電極に雌ネジを設けており、
    前記接続部は、前記一方のコンデンサの前記雄ネジが前記他方のコンデンサの前記雌ネジに締結されて構成され、
    前記ダイオードは、当該ダイオードの一端に設けた端子を前記雄ネジと前記雌ネジとの間に挟み込むことにより、前記接続部に電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の高電圧発生装置。
  3. 前記ダイオードは、ハンダ付けによって前記接続部に電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の高電圧発生装置。
  4. 前記接続部に電気的に接続される金属板を更に有しており、
    前記金属板は、前記第1空間から、はみ出さないように配置され、
    前記ダイオードの一端は、前記金属板または前記接続部に電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の高電圧発生装置。
  5. 高圧出力ケーブルとコンデンサとが電気的に接続される第2接続部は、当該コンデンサの端部電極と当該高圧出力ケーブルとの間の第2空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の高電圧発生装置。
  6. 前記第2接続部に金属板を電気的に接続し、
    当該金属板は、前記第2空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項5に記載の高電圧発生装置。
  7. 前記第2接続部に一端が接続されるダイオードの他端と、コンデンサとが電気的に接続される第3接続部は、当該コンデンサの端部電極と当該高圧出力ケーブルとの間の第3空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項5に記載の高電圧発生装置。
  8. 前記第3接続部に金属板を電気的に接続し、
    当該金属板は、前記第3空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項7に記載の高電圧発生装置。
  9. 前記一方のコンデンサの一端、前記他方のコンデンサの一端、および、前記ダイオードの一端を電気的に接続する複数のランドパターンと、
    各前記コンデンサを嵌め込むための切欠部と、
    を有するプリント基板を更に有しており、
    前記ランドパターンは、前記第1空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の高電圧発生装置。
  10. 前記プリント基板は、高圧出力ケーブルとコンデンサとを電気的に接続する第2ランドパターンを有し、
    前記第2ランドパターンは、当該コンデンサの端部電極と当該高圧出力ケーブルとの間の第2空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項9に記載の高電圧発生装置。
  11. 前記第2ランドパターンに金属板を電気的に接続し、
    当該金属板は、前記第2空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項10に記載の高電圧発生装置。
  12. 前記プリント基板は、前記第2ランドパターンに一端が接続されるダイオードの他端と、コンデンサとが電気的に接続される第3ランドパターンを有し、
    前記第3ランドパターンは、当該コンデンサの端部電極と当該高圧出力ケーブルとの間の第3空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項10に記載の高電圧発生装置。
  13. 前記第3ランドパターンに金属板を電気的に接続し、
    当該金属板は、前記第3空間から、はみ出さないように配置される、
    ことを特徴とする請求項12に記載の高電圧発生装置。
  14. 両端に端部電極を有するコンデンサが複数個直列に接続され、
    直列に隣接する2個の前記コンデンサが電気的に接続される接続部は、一方のコンデンサの端部電極と他方のコンデンサの端部電極との間の第1空間から、はみ出さないように配置され、
    ダイオードの一端は、前記接続部に電気的に接続される高電圧発生装置、
    を備えたことを特徴とするX線発生装置。
JP2015526373A 2013-07-11 2014-07-09 高電圧発生装置およびx線発生装置 Active JP6097393B2 (ja)

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