特開 2024-159665 電源装置、磁気コアトランスおよび印刷回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024159665

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】電源装置、磁気コアトランスおよび印刷回路基板

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20241031BHJP

   H01F 17/00 20060101ALI20241031BHJP

   H01F 17/04 20060101ALI20241031BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20241031BHJP

   H01F 27/255 20060101ALI20241031BHJP

   H01F 27/24 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 D

H01F30/10 A

H01F30/10 M

H01F17/00 B

H01F17/04 A

H01F17/04 F

H01F27/28 K

H01F27/28 104

H01F27/255

H01F27/24 W

【審査請求】有

【請求項の数】19

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024071884

(22)【出願日】2024-04-25

(31)【優先権主張番号】10-2023-0054624

(32)【優先日】2023-04-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】522261075

【氏名又は名称】ヨンインエース カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ワディム オシポフ

(72)【発明者】

【氏名】金 殷 ド

(72)【発明者】

【氏名】姜 星 遠

【テーマコード（参考）】

5E043

5E070

【Ｆターム（参考）】

5E043AA08

5E043BA01

5E070AA11

5E070AB01

5E070BA08

5E070CB03

5E070CB06

(57)【要約】

【課題】変圧器係数を維持しながら、小型変圧器および小型変圧器を含む電源装置を提供する。
【解決手段】ＲＦ電源と、ＲＦ電源の出力を昇圧する第１変圧部および第２変圧部を含む磁気コアトランスと、第１変圧部および第２変圧部のそれぞれの出力端子のうち第１端子と接地との間に連結される直流デカップリングキャパシタと、第１変圧部および第２変圧部のそれぞれの出力端子のうち第２端子と接地との間に連結される可変キャパシタと、第１端子に直流電圧を供給する直流電源と、直流電圧と昇圧されたＲＦ電圧を出力する出力端子と、を備え、第１変圧部および第２変圧部のそれぞれは、入力コイル、磁気コアおよび出力コイルを含み、入力コイルは外側巻線および内側巻線を含むが、外側巻線と内側巻線は単一の巻線を構成し、外側巻線と内側巻線は直列に連結される電源装置を提供する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＲＦ電源と、
前記ＲＦ電源の出力を昇圧する第１変圧部および第２変圧部を含む磁気コアトランスと、
前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれの出力端子のうち、第１端子と接地との間に連結される直流デカップリングキャパシタと、
前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれの出力端子のうち、第２端子と接地との間に連結される可変キャパシタと、
前記第１端子に直流電圧を供給する直流電源と、
前記直流電圧と昇圧されたＲＦ電圧を出力する出力端子と、を備え、
前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれは、入力コイル、磁気コアおよび出力コイルを含み、
前記入力コイルは、外側巻線および内側巻線を含み、前記外側巻線と前記内側巻線は単一の巻線を構成し、前記外側巻線と前記内側巻線は直列に連結される、ことを特徴とする電源装置。

【請求項2】

前記第１変圧部の前記磁気コアおよび前記第２変圧部の前記磁気コアはエアギャップを形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記第１変圧部および前記第２変圧部の入力コイルの両端に並列に連結されるマッチングキャパシタと、をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項4】

前記マッチングキャパシタのそれぞれの大きさは、前記第１変圧部および前記第２変圧部の入力コイルのそれぞれの漏れインピーダンスとマッチングするように決定される、ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。

【請求項5】

前記直流デカップリングキャパシタのそれぞれの大きさは、前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれの出力コイル、前記可変キャパシタのそれぞれと共振を起こすように調節される、ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項6】

前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれは基板をさらに含み、
前記入力コイルは前記基板の第１面に形成され、前記出力コイルは前記基板の前記第１面の反対面である第２面に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項7】

前記第１変圧部の基板と前記第２変圧部の基板は、前記出力コイルと向き合うように付着される、ことを特徴とする請求項６に記載の電源装置。

【請求項8】

前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれのコアは、Ｅ形状のフェライトコアである、ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項9】

基板と、
前記基板の一面に配置された第１導電性ラインと、
前記基板の前記一面とは反対側の面に配置された第２導電性ラインと、を備え、
前記第１導電性ラインは内側巻線および外側巻線を含み、前記内側巻線と前記外側巻線は単一の巻線を構成し、前記外側巻線と前記内側巻線は直列に連結される、ことを特徴とする印刷回路基板。

【請求項10】

前記第２導電性ラインはスパイラル形状に配置された、ことを特徴とする請求項９に記載の印刷回路基板。

【請求項11】

第１磁気コアおよび第２磁気コアと、
一面に第１導電性ラインが配置され、前記一面の反対面に第２導電性ラインが配置された第１印刷回路基板および第２印刷回路基板と、を備え、
前記第１導電性ラインは内側巻線および外側巻線を含み、前記内側巻線と前記外側巻線は単一の巻線を構成し、前記外側巻線と前記内側巻線は直列に連結される、ことを特徴とする磁気コアトランス。

【請求項12】

前記第１印刷回路基板と前記第２印刷回路基板は、互いに絶縁接着剤によって付着され合う、ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気コアトランス。

【請求項13】

前記第１印刷回路基板および前記第２印刷回路基板は、前記第２導電性ラインと向き合うように付着される、ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気コアトランス。

【請求項14】

前記第１印刷回路基板および前記第２印刷回路基板のそれぞれの前記第２導電性ラインは、スパイラル形状で配置される、ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気コアトランス。

【請求項15】

前記第１印刷回路基板および前記第２印刷回路基板のそれぞれの中央に孔が形成され、
前記第１磁気コアは前記第１印刷回路基板の前記孔を通過し、前記第２磁気コアは前記第２印刷回路基板の前記孔を通過する、ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気コアトランス。

【請求項16】

前記第１磁気コアおよび前記第２磁気コアはエアギャップを形成する、ことを特徴とする請求項１５に記載の磁気コアトランス。

【請求項17】

前記エアギャップは、動作周波数で共振を起こすように調節される、ことを特徴とする請求項１６に記載の磁気コアトランス。

【請求項18】

前記第１磁気コアおよび前記第２磁気コアはＥ形状である、ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気コアトランス。

【請求項19】

前記第１磁気コアおよび前記第２磁気コアはフェライトコアである、ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気コアトランス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源装置に係り、より詳細には質量分析計に使用される電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

質量分析計は、質量分析により化学物質などを識別または分析する機器である。このような質量分析計は、物質の質量を質量電荷比（ｍａｓｓ－ｔｏ－ｃｈａｒｇｅ ｒａｔｉｏ）で測定して試料の構成成分を分析することができる。質量分析計内で多様な方法を使用して試料をイオン化することができる。イオン化された試料は、電場および／または磁場を通過しながら加速される。すなわち、イオン化された試料の一部または全部は、電場および／または磁場などによって経路が曲がる。検出器はイオン化された試料を検出できる。

【0003】

四重極子質量分析法（ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）では、四重極子には直流電圧とＲＦ電圧を印加することができる。電源装置は、ＲＦ電源の出力を変圧器を介して増幅して四重極子に印加することができる。ＲＦ電源の出力を増幅する変圧器として、空芯変圧器（ａｉｒ ｃｏｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が用いられる。このとき、変圧比に対応する変圧器係数を維持しながら大きさを減らすことができる方策が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１２６０４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の技術的課題は、変圧器係数を維持しながら、小型変圧器および小型変圧器を含む電源装置を提供することにある。

【0006】

本発明の解決しようとする課題は、以上で言及した課題に限定されず、言及されていないもう１つの課題は、以下の記載から当該する技術分野における通常の知識を有する者にとって明確に理解されるはずである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一実施形態による電源装置は、ＲＦ電源と、前記ＲＦ電源の出力を昇圧する第１変圧部および第２変圧部を含む磁気コアトランスと、前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれの出力端子のうち第１端子と接地との間に連結される直流デカップリングキャパシタと、前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれの出力端子のうち第２端子と接地との間に連結される可変キャパシタと、前記第１端子に直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電圧と昇圧されたＲＦ電圧を出力する出力端子と、を備える。前記第１変圧部および前記第２変圧部のそれぞれは、入力コイル、磁気コアおよび出力コイルを含む。前記入力コイルは外側巻線および内側巻線を含むが、前記外側巻線と前記内側巻線は単一の巻線を構成し、前記外側巻線と前記内側巻線は直列に連結される。

【0008】

本発明の別の実施形態による印刷回路基板は、基板と、前記基板の一方の面に配置された第１導電性ラインと、前記基板の一方の面とは反対側の他方の面に配置された第２導電性ラインと、を備える。前記第１導電性ラインは内側巻線および外側巻線を含むが、前記内側巻線および前記外側巻線は単一の巻線を構成し、前記外側巻線と前記内側巻線は直列に連結される。

【0009】

本発明のもう１つの実施形態による磁気コアトランスは、第１磁気コアおよび第２磁気コアと、一方の面に第１導電性ラインが配置され、前記一方の面とは反対側の他方の面に第２導電性ラインが配置された第１印刷回路基板および第２印刷回路基板と、を備える。前記第１導電性ラインは内側巻線および外側巻線を含むが、前記内側巻線および前記外側巻線は単一の巻線を構成し、前記外側巻線と前記内側巻線は直列に連結される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態による電源装置、磁気コアトランスおよび印刷回路基板は、入力コイルの構造を介して入力コイルと出力コイルの巻線比を超える変圧器係数を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】質量分析計の電源装置を示す回路図である。

【図2】本発明の実施形態による質量分析計の電源装置を示す回路図である。

【図3】図２の磁気コアトランスの垂直断面を示す図である。

【図4】図３の磁気コアトランスの磁気コアと印刷回路基板を示す図である。

【図5A】本発明の実施形態による磁気コアトランスに含まれた印刷回路基板の第１導電性ラインおよび第２導電性ラインのコイルに対する平面図である。

【図5B】本発明の実施形態による磁気コアトランスに含まれた印刷回路基板の第１導電性ラインおよび第２導電性ラインのコイルに対する平面図である。

【図6A】図３の磁気コアトランスの分解図および結合図である。

【図6B】図３の磁気コアトランスの分解図および結合図である。

【図7】図３の磁気コアトランスの入力コイルおよび出力コイルによって形成された磁場を示す図である。

【図8】図２の電源装置のＲＦ等価回路である。

【図9A】図８のＲＦ等価回路の特性を示すグラフである。

【図9B】図８のＲＦ等価回路の特性を示すグラフである。

【図9C】図８のＲＦ等価回路の特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の構成および効果を十分に理解するために、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

【0013】

本発明は、以下で開示する実施形態に限定されるものではなく、多様な形態で実施され、多様な修正および変更を加えることができる。ただ、本実施形態の説明を通じて本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。添付の図面では、構成要素は、説明の便宜のためにその大きさが実際よりも拡大して示されており、各構成要素の割合は誇張または縮小されてもよい。

【0014】

本明細書で使用される用語は実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定しようとするものではない。なお、本明細書で使用する用語は、別の意味で定義されていない限り、該当する技術分野における通常の知識を有する者に通常知られている意味と解釈され得る。

【0015】

本開示において、単数形には、文脈で特に言及されていない限り、複数形も含まれる。本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、構成要素、段階、動作および／または素子の存在を指定するが、１つ以上の他の構成要素、段階、動作および／または素子の存在もしくは追加を排除しない。

【0016】

本開示において、ある層が他の層「上に」あると言及される場合、それは他の層の上面に直接形成されるか、またはそれらの間に第３層が介在されることも有り得る。

【0017】

本開示において、第１、第２などの用語が、多様な領域、層などを記述するために使用されているが、これらの領域、層がこれらの用語によって限定されてはならない。これらの用語は、単にある所定の領域または層を他の領域または層と区別するために使用されただけである。したがって、ある１つの実施形態では第１部分と言及された部分が、他の実施形態では第２部分と言及されることもある。本明細書に記載および例示される実施形態は、それの相補的な実施形態も含む。明細書全体にわたって同じ参照番号で示される部分は、同じ構成要素を表す。

【0018】

以下では、図面を参照して本発明による電源装置の実施形態に対して詳細に説明する。

【0019】

図１は、質量分析計の電源装置を示す回路図である。図１を参照すると、質量分析計の電源装置１００は、ＲＦ電源１１０、変圧器１２０、ＤＣ電源１３０、出力端子１４１、１４２および四重極子質量フィルタ１５０を含む。

【0020】

ＲＦ電源１１０は、高周波であり電力電源１００の出力に比して相対的小さな大きさのＲＦ電圧を生成する。ＲＦ電源１１０で生成されたＲＦ電圧は、変圧器１２０を介して相対的に大きなサイズのＲＦ電圧に昇圧されてもよい。

【0021】

変圧器１２０は、入力コイル１２１および出力コイル１２２を含む。 入力コイルにはＲＦ電源から生成されたＲＦ電圧が印加される。入力コイルに印加されたＲＦ電圧は磁束を形成し、出力コイル１２２に磁束による誘導起電力が印加される。出力コイル１２２は、分割インダクタで差動ＲＦ電圧を生成する。

【0022】

ＤＣ電源１３０は、出力コイル１２２を通した出力電圧に直流成分を追加する。このとき、ＤＣ電源を介して生成された直流電圧成分と、出力コイル１２２を介して伝達されるＲＦ成分とは、出力端子１４１、１４２を介して四重極子質量フィルタ１５０に印加される。

【0023】

出力端子１４１、１４２には差動ＲＦ電圧および直流電圧を印加する。出力端子１４１、１４２を介したＲＦ出力の周波数は数メガヘルツ（ＭＨｚ）に達することができ、ＲＦ出力の電圧の振幅は数キロボルト（ＫＶ）に達し得る。出力端子１４１、１４２を介したＤＣ出力の電圧は、数百ボルト（Ｖ）に達することができる。出力端子１４１、１４２は、四重極子質量フィルタ１５０に差動ＲＦおよび直流電圧を伝達する。

【0024】

四重極子質量フィルタ１５０は、平行に配置される４つの円筒形棒を含む。対角に配置される棒に同じ電源が印加され、隣接して配置される棒に差動ＲＦおよび直流電圧が印加される。四重極子質量フィルタ１５０には電磁気場が形成され、多様な質量を有するイオンが同じエネルギーで棒の間に噴射される。四重極子質量フィルタ１５０内でのイオンを質量に応じて分離することができる。これを通じてイオンの質量を分析できる。

【0025】

変圧器１２０は、以下の３つの要件を満たさなければならない。第１に、変圧器１２０の出力コイル１２２は、動作周波数で他の容量性素子との共振を提供しなければならない。第２に、出力コイル１２２は高電圧に耐えることができなければならない。第３に、入力コイル１２１と出力コイル１２２との間の誘導結合は、比較的に低い電圧を生成するＲＦ電源１１０とマッチングするように十分に小さくなければならない。変圧器１２０における誘導結合は、入力コイル１２１と出力コイル１２２との間で磁場または磁束を共有することによって生じる電気的相互作用であり、０と１の間の値の結合係数として表される。変圧器係数は、入力コイル１２１と出力コイル１２２の巻線数と感度によって決定され、変圧器係数が高いほど入力コイル１２１で発生する磁場が出力コイル１２２に伝達され、変圧器１２０の出力電圧が増幅される。入力コイル１２１と出力コイル１２２の誘導結合を十分に小さくしなければならないことは、変圧器係数が十分に大きくなければならないことを意味する。

【0026】

変圧器１２０に適用される空芯変圧器（ａｉｒ ｃｏｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）は、抵抗による損失に関連する品質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）であるＱ値が大きいという利点があるものの、他の種類の変圧器に比してその大きさが相対的に大きいという欠点がある。変圧器１２０の大きさを減らすと同時にＱ値を維持するために、変圧器１２０に磁気コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｒｅ）が適用され得る。一例として、変圧器１２０には、シリコン鋼板コアまたはフェライトコア（ｆｅｒｒｉｔｅ ｃｏｒｅ）などの多様な種類の磁気コアを適用することができる。フェライトコアは、鉄粉末素材を圧着した素材で構成されたコアであり、シリコン鋼板コアに比して高周波の電源で渦電流損失が少ないという利点がある。

【0027】

磁気コアが変圧器１２０に適用される場合も、また前述した３つの要件を満たさなければならない。このとき、出力コイル１２２が動作周波数で他の容量性素子との共振を提供しなければならないということは、磁気コアのエアギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）、および入力コイル１２１と出力コイル１２２の巻線比を決定して満たされてもよい。

【0028】

磁気コアトランスの出力コイル１２２は、高電圧に耐えることができるということは、出力コイル１２２の隣接する巻線の間の沿面距離を選択し、磁気コアのエアギャップを調節して満たされ得る。

【0029】

入力コイル１２１と出力コイル１２２との間の誘導結合がＲＦ電源１１０とマッチングするのに十分に小さくなければならないことは、変圧器係数を高めることによって満たされる。 このとき、変圧器の係数を高めるために、次の２つの方法が考えられる。

【0030】

第１に、入力コイル１２１と出力コイル１２２の巻線比（ｔｕｒｎｓ ｒａｔｉｏｎ）を大きくすることができる。ただし、出力コイル１２２の巻線数が増加するほど、出力コイル１２２の自己インダクタンスが巻線数の二乗に比例して増加するため、容量性素子との共振を起こすのに制限となる。なお、入力コイル１２１の巻線数は、１より小さくなり得ない。したがって、巻線比を増加させることは制限される。

【0031】

第２に、変圧器１２０の入力コイル１２１と出力コイル１２２との間の結合係数を減少させ得る。変圧器１２０が空芯変圧器である場合、入力コイル１２１の面積を減らしたり、出力コイル１２２を入力コイルから落としたり、入力コイル１２１と出力コイル１２２との間に幾何学的軸が成す角度を変えたりすることによって結合係数を減らすことができる。ただし、変圧器１２０の大きさを減らすために磁気コアが適用された場合、入力コイル１２１によって形成される磁束はコアに集中されるため、空芯変圧器と同様に結合係数を減らすことが制限される。したがって、入力コイル１２１と出力コイル１２２との間の結合係数を減らすことができる新しい方法が必要となる。

【0032】

図２は、本発明の実施形態による質量分析計の電源装置を示す回路図である。 図２を参照すると、本発明の実施形態による電源装置は、ＲＦ電源２１０、マッチングキャパシタ２１１、２１２、磁気コアトランス２２０、直流デカップリングキャパシタ２３２、２３５、可変キャパシタ２３３、２３６、出力端子２４１、２４２および四重極子質量フィルタ２５０を含む。

【0033】

ＲＦ電源２１０は、図１のＲＦ電源１１０と対応する構成で、比較的小さいサイズのＲＦ電圧を生成する。ＲＦ電源２１０から生成されたＲＦ電圧は、磁気コアトランス２２０を介して比較的大きなサイズのＲＦ電圧に昇圧される。

【0034】

磁気コアトランス２２０は、第１変圧部２２１、第２変圧部２２４を含む。第１変圧部２２１は磁気コアＭＣの一部、第１入力コイル２２２および第１出力コイル２２３を含み、第２変圧部２２４は磁気コアＭＣの他の一部、第２入力コイル２２５および第２出力コイル２２６を含む。ＲＦ電源２１０で生成されたＲＦ電圧は、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５に入力されることがあり、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５は、磁気コアＭＣに集中される磁束を形成する。第１出力コイル２２３および第２出力コイル２２６は、磁気コアＭＣに形成された磁束によって誘導された電圧を出力する。第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５は同じ形状を有し、第１出力コイル２２３および第２出力コイル２２６もまた同じ形状を有する。磁気コアＭＣにはエアギャップＧが形成されてもよい。

【0035】

第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５は、内側巻線および外側巻線を含むが、内側巻線および外側巻線は、直列に連結された単一の巻線で構成されてもよい。第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５の構造に起因して、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５のそれぞれは、漏れインダクタンス（ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を追加することができる。漏れインダクタンスは、直列に連結された新しい自己インダクタンスとして働く。

【0036】

マッチングキャパシタ２１１、２１２のそれぞれは、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５の構造によって追加された漏れインダクタンスを補償するために、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５に並列に連結される。

【0037】

第１直流端子２３１には第１符号の直流電圧（例えば、＋Ｖｄｃ）を印加することができ、第２直流端子２３４には第１符号と異なる符号の直流電圧（例えば、 －Ｖｄｃ）を印加することができる。

【0038】

直流デカップリングキャパシタ２３２、２３６は、ＲＦ電圧と直流電圧を連結する。このとき、直流デカップリングキャパシタ２３２、２３６は、直流電圧がＲＦ電圧に影響を及ぼすのを防ぎ、分析の正確度を高める。

【0039】

可変キャパシタ２３３、２３６は、接地と出力端子２４１、２４２とのそれぞれの間に連結される。第１出力コイル２２３、直流デカップリングキャパシタ２３２および可変キャパシタ２３３は、第１共振タンク（１ｓｔ ＲＴ）を形成し、第２出力コイル２２６、直流デカップリングキャパシタ２３５および可変キャパシタ２３６は、第２共振タンク（２ｎｄ ＲＴ）を形成する。 第１共振タンク（１ｓｔ ＲＴ）および第２共振タンク（２ｎｄ ＲＴ）は、磁気コアトランス２２０の動作周波数のＲＦ出力を出力端子２４１、２４２に効率的に伝達するようにする。可変キャパシタ２３３、２３６は、動作周波数で共振を起こすように調節される。

【0040】

出力端子２４１、２４２のそれぞれは、図１の出力端子１４１、１４２に対応する。出力端子２４１、２４２を介して四重極子質量フィルタ２５０に差動ＲＦ電圧および直流電圧を印加する。

【0041】

四重極子質量フィルタ２５０は、図１の四重極子質量フィルタ１５０に対応する。

【0042】

一方、本発明の実施形態による磁気コアトランス２２０は、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５の構造を介して、変圧器の要件を満たしながら比較的小さいサイズを有する。

【0043】

図３は、図２の磁気コアトランスの垂直断面を示す図である。図３を参照すると、図２の磁気コアトランス２２０は、第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）、第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）、第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）および第２印刷回路基板を含む。

【0044】

第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）は、Ｅ字形状のコアである。第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）の中央突出部は、第１印刷回路基板および第２印刷回路基板の中央に形成された孔を通過し、エアギャップＧだけ離隔される。第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）の側面突出部は、中央突出部と同様に、第１印刷回路基板および第２印刷回路基板の両側面でエアギャップＧだけ離隔される。中央突出部のエアギャップと側面突出部のエアギャップＧは、等しく形成されてもよく、互いに異なって形成されることもあり得る。第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）と第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）との間に形成されるエアギャップＧは、動作周波数での共振と出力コイルに印加される高電圧などを総合的に考慮して決定される。

【0045】

一方、図３において、第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）が対称的に示されているのとは異なり、第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）は、非対称構造で形成されることもあり得る。一例として、第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）の突出部と第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）の突出部の長さが異なる場合があり得る。あるいは、第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）はＥ字形状のコアであり得るが、第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）は突出部を含まない形状でもあり得る。

【0046】

第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）および第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）は、互いに同じ印刷回路基板であり得る。

【0047】

第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）は、基板ＢＤ、第１入力コイル２２２および第１出力コイル２２３を含む。基板ＢＤの中央には磁気コアを挿入するための孔が形成されてもよい。第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）の一面には、第１入力コイル２２２を導電性ラインとして配置でき、他面には第１出力コイル２２３を導電性ラインとして形成できる。すなわち、基板ＢＤの両面には、印刷回路（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の方式で第１入力コイル２２２の導電ライン、および第１出力コイル２２３の導電ラインを配置できる。

【0048】

第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）に対して、第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）と同様に第２入力コイル２２５の導電性ライン、および第２出力コイル２２６の導電性ラインが印刷回路の方式によって基板ＢＤ上に形成される。

【0049】

磁気コアトランス２２０の組立体において、第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）および第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）のそれぞれは、第１入力コイル２２２および第２入力コイル２２５のそれぞれが外部を向くように位置する。すなわち、第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）の第１出力コイル２２３と、第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）の第２出力コイル２２６とは、向き合うように位置する。第１出力コイル２２３と第２出力コイル２２６が互いに近接して配置されることによって、出力コイル２２３、２２６間の結合が増加する。

【0050】

基板ＢＤ上に高電圧が誘起されて巻線間のショートを含む不良が発生するのを防止するために、絶縁物質を塗布する。第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）および第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）は、高電圧による絶縁破壊を防止するために絶縁プラスチックを含む絶縁接着剤で付着されてもよい。

【0051】

第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）は図２の第１変圧部２２１に対応し、第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）は図２の第２変圧部２２４に対応する。

【0052】

基板ＢＤは、ＦＲ－４基板、ＣＥＭ基板、メタルコア基板、ポリイミド基板、銅コア基板、セラミック基板、ＰＴＦＥ基板などの多様な種類の基板を用いることができる。

【0053】

入力コイル２２２、２２５および出力コイル２２３、２２６の導電ラインは、銅、金、銀、アルミニウム、鋼鉄合金などで構成される。一方、入力コイル２２２、２２５および出力コイル２２３、２２６は、１つの多層印刷回路基板で形成されることもある。第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）は、フェライトコアであり得る。

【0054】

図４は、図３の磁気コアトランスの磁気コアおよび印刷回路基板を示す図である。図３を参照すると、印刷回路基板ＰＣＢは、基板ＢＤ、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）および第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）を含む。

【0055】

基板ＢＤの中央には、磁気コアＭＣが通過するように孔が形成される。第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）は、単一の巻線として外側巻線ＯＴと内側巻線ＩＴが直列に連結された構造を有する。このとき、隣接する内側巻線ＩＴと外側巻線ＯＴには同じ大きさの反対方向の電流が流れる。例として、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）に流れる電流Ｉ１とＩ２は、互いに大きさが等しく、方向が逆である。

【0056】

第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）は、基板ＢＤの第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）が形成された面とは反対の面に形成される。第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）は、特定の巻線数を有する単層スパイラルコイル（ｓｐｉｒａｌ ｃｏｉｌ）である。第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）の巻線数は、動作周波数での共振、高電圧による絶縁破壊を防止するための沿面距離、変圧器係数を総合的に考慮して決定される。

【0057】

第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）の内側巻線ＩＴによって取り囲まれた内部領域および外側巻線ＯＴの外部領域の磁場は減少し、第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）と磁気的に結合される。内側巻線ＩＴと外側巻線ＯＴとの間の領域の磁場は追加されるが、第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）と磁気的に結合されない。これによって、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）と第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）との結合が小さくなり、一定の大きさの磁気エネルギーが、第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）に伝達されず、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）にのみ蓄えられる。すなわち、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）と第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）との間の相互インダクタンスが減少し、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）に漏れインダクタンスが追加される。漏れインダクタンスは、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）に直列に連結された新しい自己インダクタンスとして働く。すなわち、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）と第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）との間の結合係数を減少させることがあり、第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）の巻線数を最小化しながら変圧器係数を増加させることがある。

【0058】

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施形態による磁気コアトランスに含まれる印刷回路基板の第１導電性ライン、および第２導電性ラインのコイルの平面図である。図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）は、直列連結されて単一の巻線を形成する外側巻線ＯＴおよび内側巻線ＩＴを含む。

【0059】

基板ＢＤの中央には、磁気コアが通過する孔Ｈが形成される。

【0060】

第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）は、基板ＢＤの第１面ＳＤ１に配置される。第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）によって磁場が形成される領域は、内側巻線ＩＴおよび外側巻線ＯＴに応じて第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３に区分される。第１領域Ａ１は内側巻線ＩＴの内部領域であり、第２領域Ａ２は内側巻線ＩＴと外側巻線ＯＴとの間の領域であり、第３領域Ａ３は外側巻線の外部領域である。

【0061】

第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）は、基板ＢＤの第２面ＳＤ２に配置される。第２面ＳＤ２は、第１面ＳＤ１の反対面である。第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）は、基板の中央に形成された孔Ｈの周囲にスパイラルコイルの形状である。

【0062】

図４で説明したように、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）のＲＦ電圧に形成された磁場のうち、第１領域Ａ１および第３領域Ａ３に形成された磁場によって、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）と第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）とが磁気的に結合されるようにする。一方、第２領域Ａ２に形成された磁場は、第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）との結合を形成せず、漏れインダクタンスを形成する。第２領域における漏れインダクタンスは、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）に直列に連結された自己インダクタンスとして取り扱われてもよい。

【0063】

単一の巻線として、内側巻線ＩＴと外側巻線ＯＴとが直列に連結された第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）の構造によって、第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）と第２導電性ライン２ｄＣＬとの間の結合係数を減少させる。第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）の巻線数を最小化しながら変圧器係数を増加させる。

【0064】

第１導電性ライン（１ｓｔ ＣＬ）は、図２の磁気コアトランス２２０の第１入力コイル２２２または第２入力コイル２２５に対応し、第２導電性ライン（２ｎｄ ＣＬ）は、図２の磁気コアトランス２２０の第１出力コイル２２３または第２出力コイル２２６に対応する。

【0065】

図６Ａおよび図６Ｂは、図３の磁気コアトランスの分解図および結合図である。図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、磁気コアトランス２２０の組立体を確認できる。磁気コアトランス２２０の組立体は、第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）、第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）、第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）および第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）で構成される。

【0066】

第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）および第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）は、Ｅ形状の磁気コアであって、側面突出部と中央突出部を有する。第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）の中央突出部は第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）の中央に形成された孔を通過し、側面突出部は第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）の側面をカバーする。第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）は、入力コイルが第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）側に位置するように第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）と組み立てられる。第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）と第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）もまた前述したのと同様に組み立てられる。

【0067】

第１磁気コア（１ｓｔ ＭＣ）と第２磁気コア（２ｎｄ ＭＣ）との間にはエアギャップＧを形成する。エアギャップＧは、動作周波数で出力コイルによって出力されるＲＦ電圧が他の容量性素子と共に共振を起こすために、調節される。

【0068】

前述したように、第１印刷回路基板（１ｓｔ ＰＣＢ）および第２印刷回路基板（２ｎｄ ＰＣＢ）は、絶縁接着剤で付着される。

【0069】

図７は、図３の磁気コアトランスの入力コイルおよび出力コイルによって形成された磁場を示す図である。図７を参照すると、入力コイル２２２、２２５および出力コイル２２３、２２６の磁気結合を確認できる。

【0070】

第１磁場ＭＦ１は、入力コイル２２２、２２５によって形成された磁場である。前述の入力コイル２２２、２２５の構造に応じて、入力コイル２２２、２２５の内側巻線と外側巻線との間の領域に磁束ＭＦＸが追加され、内側巻線の内部領域と外側巻線の外部領域での磁束ＭＦＸは減少する。

【0071】

第２磁場ＭＦ２は、出力コイル２２３、２２６によって形成された磁場である。出力コイル２２３、２２６の場合、磁束ＭＦＸの大部分は磁気コア（１ｓｔ ＭＣ、２ｎｄ ＭＣ）に集中される。全磁束ＭＦＸのうち、いくつかの磁束ＭＦＸのみが入力コイル２２２、２２５および出力コイル２２３、２２６の両方に結合される。これによって、入力コイル２２２、２２５と出力コイル２２３、２２６の結合係数は減少することが確認できる。

【0072】

図８は、図２の電源装置のＲＦ等価回路である。図８を参照すると、図２の電源装置は、ＲＦ等価回路３００で入力電圧Ｖｉｎ、第１キャパシタＣ１、第１インダクタＬ１、第２インダクタＬ２、第３インダクタＬ３、第４インダクタＬ４、第２キャパシタＣ２、抵抗Ｒおよび出力電圧Ｖｏｕｔとして表される。このとき、図２の直流要素は無視されてもよい。

【0073】

第１インダクタＬ１は図２の第１入力コイル２２２に対応し、第２インダクタＬ２は第２入力コイル２２５に対応し、第３インダクタＬ３は第１出力コイル２２３に対応し、第４インダクタＬ４は第２出力コイル２２６に対応する。第１キャパシタＣ１は、図２のマッチングキャパシタ２１１、２１２に対応する。第２キャパシタＣ２は、図２の可変キャパシタ２３３、２３６、四重極子質量フィルタ２５０の静電容量および連結導線の静電容量に対応する。抵抗Ｒは、図２の磁気コアＭＣから発生する損失の抵抗に対応する。

【0074】

ＲＦ等価回路３００におけるインダクタＬ１～Ｌ４の自己インダクタンスＬ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４のそれぞれは、表１の通りである。

【0075】

【表1】

【0076】

ＲＦ等価回路３００におけるダクタＬ１～Ｌ４の相互インダクタンスＬ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｌ３４のそれぞれは、以下の表２の通りである。

【0077】

【表2】

【0078】

ＲＦ等価回路３００におけるインダクタＬ１～Ｌ４の結合係数Ｋ１２、Ｋ１３、Ｋ１４、Ｋ２３、Ｋ２４、Ｋ３４のそれぞれは、以下の表３の通りである。

【0079】

【表3】

【0080】

第１キャパシタＣ１の容量は１．６１Ｅ－８ファラット（Ｆ）で、第２キャパシタＣ２の容量は５．３５５Ｅ－１１ファラット（Ｆ）で、抵抗Ｒの大きさは２．００Ｅ＋５オーム（ｏｈｍ）である。

【0081】

ＲＦ等価回路３００は、バンドパスフィルタ（ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）として働くことができる。ＲＦ等価回路３００のバンドパスフィルタは、第１キャパシタＣ１、第１インダクタＬ１、第２インダクタＬ２を含む低インピーダンス共振タンクと、第２キャパシタＣ２、第３インダクタＬ３、第４インダクタＬ４を含む高インピーダンス共振タンクとで構成される。以下では、図９Ａ～図９ＣにおいてＲＦ等価回路３００の特性に対して説明する。

【0082】

図９Ａ～図９Ｃは、図８のＲＦ等価回路の特性を示すグラフである。図９Ａを参照すると、ＲＦ等価回路３００の有効変圧器係数を確認できる。ＲＦ等価回路３００において、第１インダクタＬ１と第３インダクタＬ３の巻線比は１４である。すなわち、第１インダクタＬ１の巻線数は１であり、第３インダクタＬ３の巻線数は１４である。ただし、前述した第１インダクタＬ１および第２インダクタＬ２の構造的特性により、第１インダクタＬ１と第３インダクタＬ３との間の結合係数、並びに第２インダクタＬ２と第４インダクタＬ４との間の結合係数Ｋ１３、Ｋ２４は、比較的に小さい値を有する。図９Ａのグラフ上では、動作周波数は１．５０メガヘルツ（ＭＨｚ）であり、動作周波数における入力電圧Ｖｉｎ対出力電圧Ｖｏｕｔの比は７６である。従来の磁気コアトランスの場合、変圧器係数は、巻線比である１４またはこれと同様の値でなければならない。一方、本発明の実施形態による入力コイルの構造により、結合係数Ｋ１３、Ｋ２４が減少し、有効変圧器係数が７６に達することを確認できる。

【0083】

図９Ｂおよび図９Ｃのそれぞれは、入力インピーダンスの大きさおよび位相を示す。ＲＦ等価回路３００の動作周波数である１．５メガヘルツ（ＭＨｚ）では、入力インピーダンスの位相はゼロとなり、入力インピーダンスの大きさは最小値を有する。このとき、ＲＦ等価回路３００は、バンドパスフィルタを遂行することを確認することができる。

【0084】

以上の通り、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施されることが理解できるだろう。したがって、以上で記述した実施形態は、あらゆる面で例としてのものであり、限定的なものではないと理解すべきである。

【符号の説明】

【0085】

１００ 電源装置
１１０ ＲＦ電源
１２０ トランス（変圧器）
１３０ ＤＣ電源
１４１、１４２ 出力端子
１５０ 四重極子質量フィルタ
２１０ ＲＦ電源
２２０ 磁気コアトランス
２２１ 第１変圧部
２２２ 第１入力コイル
２２３ 第１出力コイル
２２４ 第２変圧部
２２５ 第２入力コイル
２２６ 第２出力コイル
２３１ 第１直流電源端子
２３２、２３５ 直流デカップリングキャパシタ
２３３、２３６ 可変キャパシタ
２３４ 第２直流電源端子
２４１、２４２ 出力端子
２５０ 四重極子質量フィルタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】