JPH0635673Y2

JPH0635673Y2 - 高電圧発生回路

Info

Publication number: JPH0635673Y2
Application number: JP1986108660U
Authority: JP
Inventors: 光明大崎; 忠義長船
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2001-07-15
Also published as: JPS6315191U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案は高電圧発生回路に関し、更に詳しくは励振トラ
ンスと、整流器及びコンデンサを多段接続して構成され
たコッククロフト・ウォルトン回路と、フィルタ回路
と、複数個のコイルとを有する高電圧発生回路の改良に
関する。

（従来の技術）電子顕微鏡或いは集束イオンビーム装置においては、発
生した電子或いはイオンを加速するために高電圧発生回
路が用いられている。この種の高電圧発生回路として
は、通常コッククロフト・ウォルトン（Cockcroft−Wal
ton）回路を用いた直流高電圧発生回路が用いられる。
コッククロフト・ウォルトン回路（以下単にCW回路と略
す）の昇圧原理は、その入力側に取付けられた励振トラ
ンスに高周波（例えば20KHz）電圧を印加し、２次側に
誘起した電圧を整流器とコンデンサにより昇圧するもの
である。この時の高圧出力は、整流器とコンデンサの段
数に比例する。そして、通常動作においては、励振トラ
ンス入力側から見て並列共振点で動作する方法が採用さ
れている。

第４図は高電圧発生回路の従来構成例を示す図である。
図において、１は前述のCW回路で、その入力側には励振
トランスＴが接続されている。励振トランスＴの１次巻
線T_c1に高周波電圧源５が接続されており、この高周波
電圧源５から高周波電圧eaが印加されると、２次巻線T
_c2に高周波電圧が誘起される。この高周波電圧はCW回路
１に印加され、CW回路１から高電圧が出力される。CW回
路１の出力にはリップルが含まれているので、このリッ
プルを、抵抗R_TとコンデンサC_Tよりなるフィルタ回路FT
で低減する。このフィルタ回路FTでリップルの低減され
た高電圧V_Hは、鏡筒２内の電子銃３に接続され、エミッ
タ31に高電位を与える。これによりエミッタ３で発生し
た電子は加速され電子ビームとなる。以上電子ビームを
発生させる場合を例にとったが、イオン源を用いてイオ
ンビームを発生させる場合についても同様である。

一方、増幅器４はCW回路１の出力V_Hの振幅が一定になる
ように負帰還制御を行う。CW回路１の出力電圧V_Hは基準
抵抗R_e，R₁の直列回路を介して増幅器４に接続され、基
準電圧E_sは基準抵抗R₂を介して増幅器４に接続されてい
る。増幅器４の帰還抵抗をＲとし、各抵抗の値として
識別記号をそのまま用いることにすると、増幅器４はそ
の出力ＲV_H／（R₁＋R_e）−ＲE_s／R₂ ……（１）が０になるように高周波電圧eaの振幅を制御する。この
結果、CW回路１の出力V_Hは一定に保たれることになる。

ところで、CW回路１の出力に含まれているリップルはR_T
とC_Tによるフィルタ回路FTではとりきれない。高電圧V_H
にリップルが含まれていると電子顕微鏡等で得られる画
像に色収差による影響が現われ画質が低下する。このた
め、CW回路出力のリップルは可能な限り低減させる必要
がある。リップルを低減させる方法として、周波数を上
げる方法がよく用いられている。

第５図はCW回路の種類を示す図である。図において、
（イ），（ロ）は普通形CW回路で、（イ）が基本形，
（ロ）がインバース形である。（ハ），（ニ）は対称形
CW回路で、（ハ）が基本形，（ニ）がインバース形であ
る。（ホ），（ヘ）はバランス形CW回路で、（ホ）は基
本形，（ヘ）はインバース形である。第６図は各CW回路
の特性を示す図で、普通形，対称形，バランス形ごとに
電圧降下ΔVn,出力電圧Ec,リップル電圧２ΔEnを数式で
示している。各式において、ｎは段数,Cはコンデンサ容
量,aは（コンデンサ容量/1段あたりのコラム間漂遊容量）^1/2 で与えられる定数，は周波数,Vcは入力電圧波高値,I
は負荷電流,Csは最高電位と大地電位間の漂遊容量であ
る。第６図を見ると明らかなように、何れのタイプも周
波数を上げるとリップルが低減することが分かる。

（考案が解決しようとする問題点） CW回路の周波数を上げるとリップルが低減することが分
かったが、現実には周波数を上げると、CW回路の漂遊容
量その他の要因により出力電圧V_Hが低下したり、高周波
磁界に起因するコイル周辺の導電体の渦電流損による発
熱（誘導加熱）で過度の温度上昇が起こるため、周波数
を大幅に高めることができず、有効なリップル対策が行
えないのが現状である。

本考案はこのような点に鑑みてなされたものであって、
その目的は、出力電圧が低下したり過度の温度上昇が生
じたりすることなく、周波数を大幅に高め、リップルを
大幅に低減させることができる高電圧発生回路を実現す
ることにある。

（問題点を解決するための手段）上記問題点を解決する本考案は、励振トランスと、整流
器及びコンデンサを多段接続して構成されたコッククロ
フト・ウォルトン回路と、フィルタ回路と、複数個のコ
イルとを有する高電圧発生回路であって、励振トランス
は、１次巻線に高周波電圧源が接続され、２次巻線にコ
ッククロフト・ウォルトン回路が接続され、複数個のコ
イルは、物理的な位置関係が略平行で隣り合うコイルの
中心軸上に生じる磁束の向きが逆方向になるように配置
されて、励振トランスの２次巻線に並列接続され、フィ
ルタ回路は、コッククロフト・ウォルトン回路の出力側
に接続されて、リップルを低減した高電圧を出力する、
ことを特徴とするものである。

（作用）本考案は、励振トランスの２次巻線に並列接続された複
数個のコイルにより、CW回路の漂遊容量はキャンセルさ
れる。更に、この複数個のコイルにより生じる磁界は互
いに打ち消されるので、コイル間の相互インダクタンス
が低減すると共に誘導加熱の問題もなくなり、周波数を
大幅に高めることができる。

出力電圧V_HとCW回路入力部の励振トランスの１次側電流
Ipの関係は、V_Hが最高値を得る時にIpが最低値になるこ
とから、CW回路は第７図に示すような並列共振回路を構
成していると考えられる。ここで、CoはCW回路の漂遊容
量,Loは励振トランスのインダクタンス,Rcは励振トラン
スのコイル抵抗,Eoは励振トランス２次側に発生する電
圧で角周波数ω（＝２π）の高周波電圧である。第７
図に示す回路のインピーダンスZoは次式で与えられる。

Zo＝｛Ro＋ｊ（ωLo−ω^３Lo²Co−ωCoRo²｝×1/｛（１
−ω^２LoCo）^２＋ω^２Co²Ro²｝ ……（２）（２）式より並列共振時における角周波数ωｏは、Zoが
最大値をとる周波数であるから、次式で与えられる。

ωｏ＝｛（1/LoCo） −（Ro²／Lo²）｝^1/2 ……（３）（３）式より、リップルを低減するため周波数を高くす
るには漂遊容量Coをキャンセルする必要があることが分
かる。そこで、励振トランスの２次側にコイルを並列に
接続すれば目的を達することができる。本考案はこの点
に着目している。

（実施例）以下、図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本考案の一実施例を示す構成図である。第４図
と同一のものは、同一の符号を付して示す。第１図に示
す実施例と第４図に示す従来例と比較すると、励振トラ
ンスＴの２次側に複数個のコイルL₁〜L_m（ｍは整数）が
並列接続されている点が異なる。このように、励振トラ
ンス２次側にコイルを接続した時のCW回路の等価回路は
第２図に示すようなものとなり、インダクタンス分を減
少させて漂遊容量をキャンセルする。図において、l₁〜
l_mはコイルのインダクタンス，r₁〜r_mはコイル抵抗であ
る。尚、Loは励振トランスＴの本来の２次巻線のインダ
クタンス,Roはコイル抵抗である。

コイルL₁〜L_mをこのように並列接続すると、CW回路の漂
遊容量をキャンセルすることができ、漂遊容量による問
題は解決されるが、単なるこの構成だけでは高周波磁界
による誘導加熱の問題は解決できない。そこで、本考案
ではコイルL₁〜L_mの接続方法にも工夫をこらした。第３
図はコイルの物理的配置及びその接続方法を示す図であ
る。第３図には同一方向に巻回された４個のコイルL₁〜
L₄を略平行に配置した場合を示している。各コイルのＡ
側は励振トランスＴの２次巻線の一端に電気的に接続さ
れ、Ｂ側は励振トランスＴの２次巻線の他端に電気的に
接続されている。このため、Ａ側がＮ極の時はＢ側がＳ
極となり、Ａ側がＳ極の時はＢ側がＮ極となる。この第
３図から明らかなように、隣り合うコイルはＮ極とＳ極
が互い違いになるように結線されている。

このような接続方法を採用すると、隣り合うコイルによ
って発生する高周波磁界が打ち消し合うことになるた
め、各コイル間の相互インダクタンスが低減し、周波数
を大幅に高めることができる。出願人の実験によれば、
Ｎ極とＳ極を互い違いにしない場合には80KHzであった
周波数を、Ｎ極とＳ極を互い違いにすることで100KHzま
で高めることができた。従って、リップルを大幅に低減
することができた。更にこの接続の場合、各コイルから
発生する高周波磁界が打ち消されることから、誘導加熱
による過度の温度上昇もなく、従って周波数を高める障
害にならず、又、エネルギー効率の面からも有利とな
る。

上述の説明では励振トランスの２次巻線にコイル４個を
並列接続した場合を示したが、４個に限るものではなく
任意の数であってよい。

（考案の効果）以上詳細に説明したように、本考案によれば、励振トラ
ンスの２次巻線に複数個のコイルを並列接続することに
より励振トランスの漂遊容量の影響をキャンセルできる
と共に、これら複数個のコイルを物理的には略平行に配
置し、その隣り合うコイルの各中心軸上に生じる磁束の
向きが逆方向になるように結線しているので、コイル間
の相互インダクタンスを減少させることができ、しかも
この接続を行うことにより、高周波磁界が打ち消され、
誘導加熱による過度の温度上昇の問題も解決できる。こ
れらの結果、出力電圧が低下したり過度の温度上昇が生
じたりすることなく、周波数を大幅に高め、リップルを
大幅に低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図は本考案に係るCW回路の等価回路図、第３図はコイル
の物理的配置及びその接続方法を示す図、第４図は従来
回路の構成例を示す図、第５図はCW回路の種類を示す
図、第６図はCW回路の特性を示す図、第７図はCW回路の
等価回路図である。１……CW回路、２……鏡筒３……電子銃、４……増幅器５……高周波電圧源、31……エミッタ、FT……フィルタ
回路 R₁，R₂，R_T，R_e,R……抵抗 C_T……コンデンサ、Ｔ……励振トランス L₁〜L_m……コイル

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】励振トランス（Ｔ）と、整流器及びコンデ
ンサを多段接続して構成されたコッククロフト・ウォル
トン回路（１）と、フィルタ回路（FT）と、複数個のコ
イル（L₁〜L₄）とを有する高電圧発生回路であって、励振トランス（Ｔ）は、１次巻線（T_c1）に高周波電圧
源（５）が接続され、２次巻線（T_c2）にコッククロフ
ト・ウォルトン回路（１）が接続され、複数個のコイル（L₁〜L₄）は、物理的な位置関係が略平
行で隣り合うコイルの中心軸上に生じる磁束の向きが逆
方向になるように配置されて、励振トランス（Ｔ）の２
次巻線（T_c2）に並列接続され、フィルタ回路（FT）は、コッククロフト・ウォルトン回
路（１）の出力側に接続されて、リップルを低減した高
電圧を出力する高電圧発生回路。