電子放出装置の電流制御装置
【課題】陽極接地(ターゲット接地)方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できる電流制御装置を提供する。
【解決手段】陽極3の端子と引出し電極4の端子との間に接続された電流コントロールアレイ8を有しており、この電流コントロールアレイ8は、入力端子14からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数のトランジスタTr(0)〜Tr(n)と、陽極3と引出し電極4との間の電圧Vgtを複数のトランジスタTr(0)〜Tr(n)のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子(R0〜Rn)とを有する電子放出装置1の電流制御装置である。
【解決手段】陽極3の端子と引出し電極4の端子との間に接続された電流コントロールアレイ8を有しており、この電流コントロールアレイ8は、入力端子14からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数のトランジスタTr(0)〜Tr(n)と、陽極3と引出し電極4との間の電圧Vgtを複数のトランジスタTr(0)〜Tr(n)のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子(R0〜Rn)とを有する電子放出装置1の電流制御装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子放出装置に用いられる電流制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電子放出装置は、一般に、電子を放出する陰極(カソード)と、電子を吸引する陽極(アノード、ターゲット等)と、引出し電極(グリッド)とを有している。陰極と陽極との間に所定の電圧が印加され、さらに引出し電極に所定の電圧が印加されると陰極から電子が引出され、引出された電子が陰極と陽極との間の電位差に従って加速されて陽極に向って進行する。電子放出装置の電流制御は、通常、陰極と引出し電極との間に印加される電圧を制御することによって行われる。
【0003】
特許文献1によれば、陰極と陽極との間に引出し電極を配置し、陽極の外側に加速電極を配置し、その加速電極を接地するようにした電子銃が開示されている。各電極間に所定の電圧が印加されるようになっている。
【0004】
特許文献2によれば、第1陽極及び第2陽極の2つの陽極を陰極に対向して配置し、陰極から遠い方の陽極である第2陽極を接地するようにした電子銃が開示されている。この電子銃には、グリッドのような中間電極は設けられていない。
【0005】
特許文献3によれば、アノード(陽極)、ゲート(引出し電極)、エミッタ(陰極)を有した電子放出装置において、各電極に電圧が印加されてエミッタとアノードとの間に電界が形成されることが示されている。
【0006】
特許文献4によれば、フィールドエミッション表示装置において、陰極、制御電極、陽極のそれぞれに電圧Vc,Vg,Vaを印加することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献2】特開昭48−047263号公報(第2頁、図2)
【特許文献3】特開昭49−093798号公報(第3頁、図2)
【特許文献4】国際公開第WO2002/061789号再公表特許公報(第4頁、図2)
【特許文献5】特開2005−085666号公報(第4頁、図2)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
陰極、引出し電極及び陽極を有する電子放出装置の電流制御装置において、従来、接地方法として陰極(カソード)を接地するもの、引出し電極(グリッド)を接地するもの、陽極(アノード、ターゲット等)を接地するもののそれぞれがある。
【0009】
(グリッド接地)
図9は、引出し電極であるグリッド101を接地する場合の、基本となる従来の電流制御回路を示している。この回路では、グリッド101が接地され、グリッド101と陰極102との間に可変電源PScが接続され、グリッド101と陽極103との間に可変電源PStが接続されている。陰極102側の可変電源PScを調節することにより、陽極に流れる電流Itを変化させることができる。
【0010】
図10は、図9の電流制御回路によって実現される電圧−電流特性を示している。横軸は陰極102とグリッド101との間の電圧Vcgを示している。縦軸は陽極電流(すなわち、陽極を流れる電流)Itを示している。電子の放出は陰極−グリッド間電圧VcgがV1になったときに開始し、Vcgの増大と共に陽極電流Itが増大する。
【0011】
図9において、陽極103側の可変電源PStは、陽極103に電圧を供給する電源であり、「陰極−グリッド間電圧Vcg+グリッド−陽極間電圧Vgt」の値が一定になるように制御される。この給電方式は、陰極側電源PSc及び陽極側電源PStの電圧が他の給電方式に比べて低くて済むため、高電圧の設計が比較的容易である。
【0012】
(陰極接地)
図11は、陰極102を接地する場合の、基本となる従来の電流制御回路を示している。この回路において、陰極−陽極間電圧Vctは常に一定に保持される。陽極電流Itが一定になるように陰極−グリッド間電圧Vcgが調節される。この回路は、2つの電源を用いる方式であるが、電流制御のために制御する電源が1つで済むという利点がある。
【0013】
(陽極接地1)
図12は、図11の回路を改変して陽極103を接地する場合の従来の電流制御回路を示している。この回路では、陰極−グリッド間電源PScを陰極102とグリッド101との間に配置したままで、陽極103を接地している。一般に陽極103は電子を受けることにより非常に高温になるので、冷却する必要がある。冷却は、通常、陽極103に放熱板を付設することによって行われる。
【0014】
しかしながら、陽極103はグリッド101に対して非常に高電圧になるので、陽極103以外が接地電位であるとすると、陽極103は接地電位に対して高電圧になり、これに放熱板を付設することは安全性を損なうことになる。このことに対し、図12の回路によれば、陽極103を接地することにしたので、陽極103に放熱板を付設しても安全性が確保されるという利点がある。ところが、このような利点があるものの、図12の回路では陰極−グリッド間電圧Vcgが接地電位から電位的に浮いた状態となってしまうので、制御が不安定になり、実際に実現することは困難であるという問題がある。
【0015】
本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、陽極接地方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できる電流制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
まず、本発明を説明するのに先立ってその前提となる技術について説明する。
(前提技術1)
図13は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の前提となる第1の装置を示している。この装置は、陽極103を接地することにより、放熱板を用いて陽極103を冷却することができることの利益を享受しつつ、高電圧部分が接地電位から浮いてしまうという状態を回避できる回路を含んでいる。
【0017】
この回路では、陽極103が接地されている。陰極−陽極間電圧Vctは常に一定に保持されている。グリッド電流Igがグリッド101から陰極102へ流れるため、グリッド101への電圧の供給は、陽極電圧(接地電位)から抵抗R1を介して電流を供給することによって行う必要がある。
【0018】
この給電方式は次の利点を有している。
(1)電源が1つであるので、電流制御回路の全体を小型にでき、しかもコストを低減できる。
(2)陽極103は電子を受けて高熱になる場合があるが、陽極103を接地しておけば、放熱板を付設することによって行う放熱設計が非常に容易になる。
【0019】
グリッド電圧の調節は抵抗R1の抵抗値を変化させることで行われるが、この場合には高耐圧の可変抵抗器が必要になる。また、外部からの制御信号によって抵抗値を変化させる場合には、モータ等で可変抵抗器のシャフトを回す等といった物理的な操作を行わなくてはならず、小型化の面から非現実的である。
【0020】
(前提技術2)
図14は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の前提となる第2の装置を示して
いる。この装置は、図13の可変抵抗器R1を半導体電流制御素子(例えば、バイポーラトランジスタ)を含む回路104に置き換えて構成された回路を含んでいる。回路104はトランジスタが含まれていることを模式的に示している。
【0021】
この電流制御回路においては、陽極103の電圧(接地電位)から半導体電流制御素子104を介して電流を供給することにより、グリッド101への電圧の供給が行われる。そして、半導体電流制御素子104の入力端子(例えば、トランジスタのベース)に印加する電圧を調節することにより、グリッド電圧Vcgを制御する。
【0022】
トランジスタ等といった半導体電流制御素子を用いたこの電流制御回路によれば、外部からの制御が非常に容易であるので、図13に示した可変抵抗器R1を用いた回路における欠点を解消できる。しかしながら、グリッド−陽極間の制御電圧Vgtは数万ボルトにも達するものであり、このような高電圧に耐えられる半導体電流制御素子を準備することは非常に困難である。
【0023】
(本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の説明)
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置は、電子を放出する陰極と、電子を引き付ける陽極と、前記陰極に対して正の電位を持った引出し電極とを有する電子放出装置に用いられる電流制御装置であって、前記陽極の端子と前記引出し電極の端子との間に接続された電流コントロールアレイを有しており、当該電流コントロールアレイは、入力端子からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数の半導体電流制御素子と、前記陽極と前記引出し電極との間の電圧を、前記複数の半導体電流制御素子のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子とを有することを特徴とする。
【0024】
上記の電子放出装置は、例えばX線を放射するX線管や、電子顕微鏡の電子銃や、その他の任意の電子利用機器である。陰極は、フィールドエミッション(Field Emission/電界放出)方式のエミッタであっても良いし、熱電子を放出するフィラメントであっても良い。
【0025】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記半導体電流制御素子はPNP型トランジスタとすることができ、前記電圧分圧素子は抵抗とすることができる。
【0026】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置においては、端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けることができる。
【0027】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記定電圧回路は、NPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路を有することが望ましい。
【0028】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、端子間を流れる電流が増えると端子間電圧が減少する特性である負性抵抗特性を有した負性抵抗回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けることが望ましい。
【0029】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記負性抵抗回路は、1つのNPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路、及び負性抵抗特性をもたらすための複数のNPN型トランジスタを有することが望ましい。
【発明の効果】
【0030】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置によれば、陽極−引出し電極間電圧が非常に高い電圧、例えば数万ボルトであっても、その電圧を分圧して、各分圧領域内にトランジスタ等といった半導体電流制御素子を設けることにしたので、耐圧の低い半導体電流制御素子を高電圧領域内に支障なく配置させることが可能となった。そして、半導体電流制御素子による電流制御により、陽極接地方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の一実施形態を示す回路図である。
【図2】一般的な電子放出装置のグリッド−陽極間電圧とグリッド電流との関係を表すグラフである。
【図3】本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の他の実施形態を示す回路図である。
【図4】図3の実施形態で用いられる定電圧回路の一例を示す回路図である。
【図5】本発明に係る電子放出装置の電流制御装置のさらに他の実施形態を示す回路図である。
【図6】図5の実施形態で用いられる負性抵抗回路の一例を示す回路図である。
【図7】(a)は図4の回路の出力特性を示し、(b)は図6の回路の出力特性を示す図である。
【図8】図3及び図5の各実施形態の特性を表すグラフである。
【図9】グリッド接地の電子放出装置の従来例を示す回路図である。
【図10】一般的な電子放出装置の陰極−グリッド間電圧と陽極電流との関係を示すグラフである。
【図11】グリッド接地の電子放出装置の従来例を示す回路図である。
【図12】陽極接地(ターゲット接地)の電子放出装置の参考例を示す回路図である。
【図13】陽極接地(ターゲット接地)の電子放出装置の他の参考例を示す回路図である。
【図14】陽極接地(ターゲット接地)の電子放出装置のさらに他の参考例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。
【0033】
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置を、X線を発生するためのX線管に適用した場合の実施形態を示している。電子放出装置1はすなわちX線管であり、このX線管1は、陰極であるカソード2と、陽極であるターゲット3と、引出し電極であるグリッド4と、それらを真空状態で包囲するハウジング6とを有している。
【0034】
カソード2は、電界放出(Field Emission)の現象に基づいて電子を放出できる物質によって形成されている。そのような物質は、例えばカーボンナノチューブを含んだ物質や、グラファイト粒子を含んだ物質である。カーボンナノチューブは、六炭素環で構成される針状、すなわちアスペクト比(粒子長/粒子径)が非常に大きい状態、で管状の粒子である。グラファイトとは、炭素六角網面(複数の六炭素環が連なって1つの層を構成している面)が複数個層状に積層されて成る層状構造物質である。もちろん、カソード2は、電界放出以外の原理に基づく物質であっても良く、例えば熱電子を放出するフィラメントであっても良い。
【0035】
カソード2とターゲット3との間に一定のカソード−ターゲット間電圧Vctが印加され、さらにグリッド4に所定のカソード−グリッド間電圧Vcgが印加されると、電界放出現象によりカソード2から電子が放出され、その電子がターゲット3に衝突し、その衝突領域からX線Rが発生し、ハウジング6の一部分を介して外部へ放射される。このX線は、例えば、対象物の欠陥、損傷等を非破壊で検査する工業用のX線測定に用いられる。
【0036】
本回路ではターゲット3が接地されている。ターゲット3を接地したことにより、導電性の金属材料である放熱板を用いたターゲット3の冷却設計が容易となっている。そして、ターゲット3の端子とグリッド4の端子との間に電流コントロールアレイ8が接続されている。この電流コントロールアレイ8は、半導体電流制御素子としての入力用PNP型トランジスタTr(0)と、入力用トランジスタTr(0)の後段に互いに直列に接続された半導体電流制御素子としての複数のPNP型トランジスタTr(1)〜Tr(n)(nは正の整数)と、分圧抵抗R0〜Rnとを有している。
【0037】
入力用PNP型トランジスタTr(0)のベースには、入力信号を入力するための入力端子14が設けられている。入力用PNP型トランジスタTr(0)は抵抗Rccを介してターゲット3に接続されている。分圧抵抗R0〜Rnは、ターゲット3とグリッド4との間の制御電圧Vgtを分圧して各トランジスタへ印加する。これにより、各トランジスタに耐圧以上の電圧が加わることを防止している。
【0038】
グリッド4とターゲット3との間に印加される制御電圧は、通常、20kV〜80kVの高電圧である。PNP型のトランジスタの耐圧は一般に1kV程度である。従って、1つの制御用トランジスタTr(0)だけでは耐圧が不十分で、実用に供し得ない。しかしながら、本実施形態では、複数のトランジスタTr(1)〜Tr(n)を用い、それらのトランジスタに加わる電圧を分圧させたので、制御用トランジスタTr(0)を支障なくターゲット3とグリッド4との間の高電圧部分に配置でき、そしてその制御用トランジスタTr(0)のベース電圧を調節することにより、グリッドを流れる電流(グリッド電流)Igの調節を行うことができる。
【0039】
こうしてグリッド電流Igを調節することにより、カソード−グリッド間電圧Vcgを調節でき、そのため、ターゲット電流Itを調節でき、その結果、ターゲット3から発生するX線の強度を所望の強さに調節できる。
【0040】
このように、汎用のトランジスタを用いてターゲット接地型のX線管1に対するターゲット電流Itの制御を可能としたことにより、図13に示したような高耐圧の可変抵抗器を用いた装置では到底実現し得なかった、X線管全体の小型化及び低コスト化を実現できる。
【0041】
本実施形態では、ターゲット3側の制御用トランジスタTr(0)からグリッド4側のトランジスタTr(n)までの全てのトランジスタが電圧コントロール用のトランジスタとして機能する。つまり、Tr(0)〜Tr(n)の全てのトランジスタによって電流コントロールアレイ8が構成されている。この電流コントロールアレイ8を構成するトランジスタの段数は、グリッド−ターゲット間電圧Vgtとトランジスタの耐圧との関係において適宜に決められる。
【0042】
なお、本実施形態ではPNP型トランジスタを直列に並べているが、このトランジスタの耐圧が1kVであるとすると、数十個のトランジスタを並べる必要がある。トランジスタのHfe(電流増幅率)が100以下であると分圧抵抗に流れる電流が大きくなり、グリッド4に近い分圧抵抗(すなわちRn側の抵抗)の電圧が大きくなってしまう。当然、抵抗値を変えて対応可能であるが、現実的には20〜30個の直列接続が限度である。
【0043】
Pチャンネルの高耐圧MOSFETを使用すればゲート電流がほとんど流れないので接続段数を多くとれるが、市場で入手可能なものは1kV以下であり、段数を増やす必要がある。
【0044】
図2は、本実施形態に係るX線管1の電圧−電流特性を示しており、特に、制御電圧であるグリッド−ターゲット間電圧Vgtとグリッド電流Igとの関係を示している。グリッド−ターゲット間電圧Vgtが制御電圧(すなわち、制御すべき電圧)であり、通常は、20〜80kV程度である。このグラフは、図10に示したグラフ、すなわちカソード−グリッド間電圧Vcgとターゲット電流Itとの関係を示すグラフを別の視点から表したものである。
【0045】
一般に、電子放出装置においては、陽極電流を所望の値に制御することが目標とされる。図9、図11、図12等に示した従来の装置においては、陽極電流を調節するためにカソード(陰極)−グリッド間電圧Vcgを制御している。図10はその際のカソード−グリッド間電圧Vcgと陽極電流Itとの関係を示している。これに対し、本実施形態の装置では、グリッドに流れる電流、すなわちグリッド電流Igを制御することによりグリッド−陽極間電圧Vgtを制御し、もって陽極電流Itを調節するものである。図2に示す電圧−電流特性は、その調節の際におけるグリッド−陽極間電圧Vgtとグリッド電流Igとの関係を示している。
【0046】
図2のグラフにおいて、電流制御範囲(Current Control Range)内でグリッド電流Igを制御可能である。具体的には、コントロール電流値が増加すると印加電圧は減少する。電流制御範囲はグリッド電流が変化している部分(数kV〜10kV)である。オフセット電圧(Offset Voltage)の領域は、グリッド電流を制御できる範囲から外れている領域である。図1に示した本実施形態の電子放出装置1においては、電流コントロールアレイ8内の分圧抵抗R0〜Rnによってオフセット電圧(Offset Voltage)を維持し、トランジスタアレイTr(0)〜Tr(n)によってグリッド電流Igの制御を行っている。
【0047】
(第2の実施形態)
図3は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の他の実施形態を示している。図1に示した実施形態と同じ構成要素は同じ符号で示すことにしてその説明は省略する。図1に示した実施形態ではターゲット3とグリッド4との間に電流コントロールアレイ8だけを設けたが、本実施形態では、図3に示すように、電流コントロールアレイ8の一部分を定電圧負荷アレイ7で置き換えている。
【0048】
図2に示すグラフから分かるように、X線管1の電圧−電流特性においては、グリッド電流を制御できない電圧領域であるオフセット電圧領域が存在する。図8(a)は、図2のグラフに線L1,L2及び電圧領域A1,A2を追記したものである。電圧領域A1はグラフの縦軸と線L1によって規定される領域である。電圧領域A2は線L1と線L2とによって規定される領域である。電圧領域A1は、オフセット電圧領域と全く同じ電圧領域であっても良い。
【0049】
図3の定電圧負荷アレイ7は、オフセット電圧領域内の電圧領域A1を担う回路として設けられている。電流コントロールアレイ8は電圧領域A1の高電圧側に引き続く電圧領域である電圧領域A2を担っている。定電圧負荷アレイ7は、図4に示す定電圧回路9を複数個、互いに直列に接続することによって形成されている。定電圧回路9は、基本的に、図7(a)に示すように、電流が変化しても電圧が一定である特性、すなわち定電圧特性を持った回路である。
【0050】
定電圧回路9は、NPN型トランジスタTr−pとツェナーダイオードDzとを直列に接続した回路を含んで構成されている。この回路の端子間電圧Vcは下式で計算される。
Vc=(R1+R2)/R2×(Vbe+Vdz)+Ib×R1
ここで、「Vbe」はトランジスタのベース−エミッタ間電圧、「Vdz」は定電圧ダイオードに加わる電圧、Ibはトランジスタのベース電流である。
【0051】
図4の定電圧回路9が図3に示すように複数個、直列に接続されて定電圧負荷アレイ7が構成され、その前段に、PNP型トランジスタと分圧抵抗との組み合わせから成る回路を複数個、直列に接続して成る電流コントローラアレイ8が接続されている。定電圧負荷アレイ7を構成する定電圧回路9の段数は、図2のグラフにおけるオフセット電圧領域の大きさに対応して決定されている。
【0052】
図8(a)のオフセット電圧領域内の電圧領域A1を定電圧負荷アレイ7で賄うことにより、電流コントロールアレイ8を構成している回路、すなわちトランジスタと分圧抵抗との組み合わせの回路の段数を減らすことができる。図4の定電圧回路9はNPN型トランジスタTr−pを用いて構成されており、このNPN型トランジスタはPNP型トランジスタよりも耐圧が高いので、定電圧負荷アレイ7の段数は電流コントローラアレイ8の段数よりも少なくできる。これにより、装置全体の小型化及び低コスト化を達成できる。
【0053】
例えば、カソード−グリッド間電圧Vcgが80kVである場合は、電流コントロールアレイ8を30段とし、定電圧負荷アレイ7を30段とすることができる。このように電流コントロールアレイ8と定電圧負荷アレイ7とを互いに直列に接続することにより、高耐圧の可変負荷電子回路を構成することができる。
【0054】
(第3の実施形態)
図5は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置のさらに他の実施形態を示している。図1及び図3に示した実施形態と同じ構成要素は同じ符号で示すことにしてその説明は省略する。
【0055】
本実施形態では、ターゲット3とグリッド4との間に、電流コントロールアレイ8と定電圧負荷アレイ7と負性抵抗負荷アレイ12とを直列に接続して成る回路が配置されている。電流コントロールアレイ8は図3及び図1で示した実施形態で用いた電流コントロールアレイ8と同じで、複数のPNP型トランジスタと複数の分圧抵抗とを直列に組み合わせて成るアレイである。定電圧負荷アレイ7は図3で示した実施形態で用いた定電圧負荷アレイ7と同じで、図4の定電圧回路9を複数個、直列に接続して成るアレイである。
【0056】
負性抵抗負荷アレイ12は、図6に示す負性抵抗回路13を複数個、直列に接続することによって形成されたアレイである。負性抵抗回路13は、NPN型トランジスタTr1とツェナーダイオードDzとの直列回路に加えて、3つのNPN型トランジスタTr2〜Tr4及び抵抗R1〜R5を有している。
【0057】
負性抵抗回路13は、基本的に、図7(b)に示すように、負荷従って電流が増えると電圧が減少する特性、すなわち負性抵抗性を持った回路である。定電圧ダイオードDzはアレイとして温度保証がなされるに最適な電圧を設定する。電圧の減少率は各抵抗値を変えることにより設定する。
【0058】
図2のグラフに示したように、X線管の電流制御特性は電流制御範囲において負性抵抗性、すなわち、制御電流値が増加すると印加電圧が減少するという特性を持っている。図1の実施形態や図3の実施形態では、図2の電流制御範囲における負性抵抗性を電流コントロールアレイ8による電流制御で行った。これに対し、図5に示す本実施形態では、負性抵抗負荷アレイ12を構成する負性抵抗回路13が有する負性抵抗性(図7(b)参照)を利用して電流コントロールアレイ8の電流制御と協働して、図2における電流制御範囲の負性抵抗性を実現する。
【0059】
つまり、図5の電流コントロールアレイ8の入力用トランジスタTr(0)の入力端子14への入力電圧を調節して、図2のグリッド電流を電流制御範囲内の曲線に従って変化させるとき、負性抵抗回路13の負性抵抗特性(図7(b)参照)が図2における電流制御の実現を支援することになる。こうして、負性抵抗負荷アレイ12を設けたことにより、電流コントロールアレイ8内のトランジスタの段数を減らすことができる。これにより、装置の小型化及び低コスト化を達成できる。
【0060】
より具体的に説明すれば、図8(b)は、図2のグラフに線L1,L2,L3及び電圧領域A1,A2,A3を追記したものである。電圧領域A1はグラフの縦軸と線L1によって規定される領域である。電圧領域A2は線L1と線L2とによって規定される領域である。電圧領域A3は線L2と線L3とによって規定される領域である。電圧領域A1は、オフセット電圧領域と全く同じ電圧領域であっても良い。線L2は、図6の負性抵抗回路13の負性抵抗特性(図7(b)の直線の傾き)に対応した傾きを持った線である。
【0061】
図5の定電圧負荷アレイ7は、オフセット電圧領域内の電圧領域A1を担う回路として設けられている。負荷抵抗負荷アレイ12は、電圧領域A1の高電圧側に引き続く電圧領域A2を担う回路として設けられており、図7(b)に示す負性抵抗特性を実現する機能を奏する。電流コントロールアレイ8は電圧領域A2の高電圧側に引き続く電圧領域A3を担っている。
【0062】
以上のように、本実施形態によれば、図2のX線管特性における電圧制御範囲内の負性抵抗性(線の傾き)を実現するにあたって、図6の負性抵抗回路13が持っている負性抵抗特性(図7(b)参照)を利用している。このため、電流コントロールアレイ8の負担を減らすことができる。従って、電流コントロールアレイ8内のトランジスタの段数をさらに減らすことができる。
【0063】
図2の特性グラフの電圧制御範囲はPNP型トランジスタで構成される電流コントロールアレイが吸収しなければならないが、PNP型の耐圧がNPN型に比べて低いため、より多くのトランジスタ数になる。図2の負性抵抗特性の変化に合わせた図6の負性抵抗回路13をPNP型トランジスタより少ない段数で実現することにより、電流コントロールアレイのコントロール電圧範囲が大幅に減少し、結果として電流コントロールアレイのトランジスタ数を減らすことが可能になる。
【0064】
図6の負性抵抗回路13において、各トランジスタのVbe(ベース−エミッタ間電圧)は0.65Vで温度特性は負の特性を示す(−2.4mV/℃)。定電圧ダイオードは使用する電圧により温度特性は負から正まで変化する。5〜6Vから低いものは負の特性、高いものは正の特性を示す。本回路ではI1の流れる経路にトランジスタが2個つながっているので、Vbが温度変化で一定にするためには+4〜5mV/℃の特性を持つ定電圧ダイオードを使用する。ここでは7〜8V前後のダイオードがそれに該当する。
【0065】
電流(I1+I2+I3)が増えると回路端子の電圧が減少することを説明すると、以下の通りである。
トランジスタTr2からトランジスタTr4は十分に高いHfe(電流増幅率)のものが容易に選択可能(100〜200以上)なので、Hfeによる影響は無視できる。高耐圧が要求されるTr1もHfeは50以上であるが計算式の中に組み入れる。回路に流れる電流の98%以上はI1である。
【0066】
簡単な説明としては、回路の電流が増えるとI1が増加し、同様にI2も増加する。I2の増加に伴いR2の電圧が増加する。すると、R5の電圧が減少しI3も減少する。R4に流れる電流は、I2+I3+I1÷Hfetr1であるので、I3の電流比率を増やすことにより、I1の電流増加に反比例してR5に流す電流を減少することができる。従って、回路にかかる電圧VcはR4にかかる電圧とほぼ等価なので、同様に減少する。
【0067】
以下に、VcとI1との関係式を示す。
Vb=Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1×R1
I2=I1×R1÷R3
I3=(Vb−R2×I2−Vbetr4)÷R5
Vc=Vb+R4×(I3+I2+Ibtr1)
=Vb+R4×(I3+I2+I1÷HFEtr1)
=Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1×R1+R4×((Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1× R1−R2×I2−Vbetr4)÷R5+I2+I1÷HFEtr1)
=Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1×R1+R4×((Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1× R1−R2×(I1×R1÷R3)−Vbetr4)÷R5+(I1×R1÷R3)+I1÷HFEtr1)
=8.8+I1×R1+R4×(8.8+I1×R1−R2×(I1×R1÷R3)−0.65)÷ R5+(I1×R1÷R3)+I1÷HFEtr1)
=8.8+I1×R1+R4×8.8+I1×R1+R4×(I1×R1÷R3)+R4×I 1÷HFEtr1−R4×R2×(I1×R1÷R3)−0.65)÷R5
アンダーラインの項がその前の2項より大きくなるように抵抗値を選べば、Vc はI1の増加で減少する。
【0068】
(その他の実施形態)
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、上記実施形態では電子放出装置としてX線を発生するX線管を例示したが、電子放出装置はその他の任意の電子利用機器とすることができる。
【符号の説明】
【0069】
1.電子放出装置(X線管)、 2.カソード(陰極)、 3.ターゲット(陽極)、 4.グリッド(引出し電極、補助電極)、 6.ハウジング、 7.定電圧負荷アレイ、8.電流コントロールアレイ、 9.定電圧回路、 12.負性抵抗負荷アレイ、 13.負性抵抗回路、 14.入力端子
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子放出装置に用いられる電流制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電子放出装置は、一般に、電子を放出する陰極(カソード)と、電子を吸引する陽極(アノード、ターゲット等)と、引出し電極(グリッド)とを有している。陰極と陽極との間に所定の電圧が印加され、さらに引出し電極に所定の電圧が印加されると陰極から電子が引出され、引出された電子が陰極と陽極との間の電位差に従って加速されて陽極に向って進行する。電子放出装置の電流制御は、通常、陰極と引出し電極との間に印加される電圧を制御することによって行われる。
【0003】
特許文献1によれば、陰極と陽極との間に引出し電極を配置し、陽極の外側に加速電極を配置し、その加速電極を接地するようにした電子銃が開示されている。各電極間に所定の電圧が印加されるようになっている。
【0004】
特許文献2によれば、第1陽極及び第2陽極の2つの陽極を陰極に対向して配置し、陰極から遠い方の陽極である第2陽極を接地するようにした電子銃が開示されている。この電子銃には、グリッドのような中間電極は設けられていない。
【0005】
特許文献3によれば、アノード(陽極)、ゲート(引出し電極)、エミッタ(陰極)を有した電子放出装置において、各電極に電圧が印加されてエミッタとアノードとの間に電界が形成されることが示されている。
【0006】
特許文献4によれば、フィールドエミッション表示装置において、陰極、制御電極、陽極のそれぞれに電圧Vc,Vg,Vaを印加することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献2】特開昭48−047263号公報(第2頁、図2)
【特許文献3】特開昭49−093798号公報(第3頁、図2)
【特許文献4】国際公開第WO2002/061789号再公表特許公報(第4頁、図2)
【特許文献5】特開2005−085666号公報(第4頁、図2)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
陰極、引出し電極及び陽極を有する電子放出装置の電流制御装置において、従来、接地方法として陰極(カソード)を接地するもの、引出し電極(グリッド)を接地するもの、陽極(アノード、ターゲット等)を接地するもののそれぞれがある。
【0009】
(グリッド接地)
図9は、引出し電極であるグリッド101を接地する場合の、基本となる従来の電流制御回路を示している。この回路では、グリッド101が接地され、グリッド101と陰極102との間に可変電源PScが接続され、グリッド101と陽極103との間に可変電源PStが接続されている。陰極102側の可変電源PScを調節することにより、陽極に流れる電流Itを変化させることができる。
【0010】
図10は、図9の電流制御回路によって実現される電圧−電流特性を示している。横軸は陰極102とグリッド101との間の電圧Vcgを示している。縦軸は陽極電流(すなわち、陽極を流れる電流)Itを示している。電子の放出は陰極−グリッド間電圧VcgがV1になったときに開始し、Vcgの増大と共に陽極電流Itが増大する。
【0011】
図9において、陽極103側の可変電源PStは、陽極103に電圧を供給する電源であり、「陰極−グリッド間電圧Vcg+グリッド−陽極間電圧Vgt」の値が一定になるように制御される。この給電方式は、陰極側電源PSc及び陽極側電源PStの電圧が他の給電方式に比べて低くて済むため、高電圧の設計が比較的容易である。
【0012】
(陰極接地)
図11は、陰極102を接地する場合の、基本となる従来の電流制御回路を示している。この回路において、陰極−陽極間電圧Vctは常に一定に保持される。陽極電流Itが一定になるように陰極−グリッド間電圧Vcgが調節される。この回路は、2つの電源を用いる方式であるが、電流制御のために制御する電源が1つで済むという利点がある。
【0013】
(陽極接地1)
図12は、図11の回路を改変して陽極103を接地する場合の従来の電流制御回路を示している。この回路では、陰極−グリッド間電源PScを陰極102とグリッド101との間に配置したままで、陽極103を接地している。一般に陽極103は電子を受けることにより非常に高温になるので、冷却する必要がある。冷却は、通常、陽極103に放熱板を付設することによって行われる。
【0014】
しかしながら、陽極103はグリッド101に対して非常に高電圧になるので、陽極103以外が接地電位であるとすると、陽極103は接地電位に対して高電圧になり、これに放熱板を付設することは安全性を損なうことになる。このことに対し、図12の回路によれば、陽極103を接地することにしたので、陽極103に放熱板を付設しても安全性が確保されるという利点がある。ところが、このような利点があるものの、図12の回路では陰極−グリッド間電圧Vcgが接地電位から電位的に浮いた状態となってしまうので、制御が不安定になり、実際に実現することは困難であるという問題がある。
【0015】
本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、陽極接地方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できる電流制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
まず、本発明を説明するのに先立ってその前提となる技術について説明する。
(前提技術1)
図13は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の前提となる第1の装置を示している。この装置は、陽極103を接地することにより、放熱板を用いて陽極103を冷却することができることの利益を享受しつつ、高電圧部分が接地電位から浮いてしまうという状態を回避できる回路を含んでいる。
【0017】
この回路では、陽極103が接地されている。陰極−陽極間電圧Vctは常に一定に保持されている。グリッド電流Igがグリッド101から陰極102へ流れるため、グリッド101への電圧の供給は、陽極電圧(接地電位)から抵抗R1を介して電流を供給することによって行う必要がある。
【0018】
この給電方式は次の利点を有している。
(1)電源が1つであるので、電流制御回路の全体を小型にでき、しかもコストを低減できる。
(2)陽極103は電子を受けて高熱になる場合があるが、陽極103を接地しておけば、放熱板を付設することによって行う放熱設計が非常に容易になる。
【0019】
グリッド電圧の調節は抵抗R1の抵抗値を変化させることで行われるが、この場合には高耐圧の可変抵抗器が必要になる。また、外部からの制御信号によって抵抗値を変化させる場合には、モータ等で可変抵抗器のシャフトを回す等といった物理的な操作を行わなくてはならず、小型化の面から非現実的である。
【0020】
(前提技術2)
図14は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の前提となる第2の装置を示して
いる。この装置は、図13の可変抵抗器R1を半導体電流制御素子(例えば、バイポーラトランジスタ)を含む回路104に置き換えて構成された回路を含んでいる。回路104はトランジスタが含まれていることを模式的に示している。
【0021】
この電流制御回路においては、陽極103の電圧(接地電位)から半導体電流制御素子104を介して電流を供給することにより、グリッド101への電圧の供給が行われる。そして、半導体電流制御素子104の入力端子(例えば、トランジスタのベース)に印加する電圧を調節することにより、グリッド電圧Vcgを制御する。
【0022】
トランジスタ等といった半導体電流制御素子を用いたこの電流制御回路によれば、外部からの制御が非常に容易であるので、図13に示した可変抵抗器R1を用いた回路における欠点を解消できる。しかしながら、グリッド−陽極間の制御電圧Vgtは数万ボルトにも達するものであり、このような高電圧に耐えられる半導体電流制御素子を準備することは非常に困難である。
【0023】
(本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の説明)
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置は、電子を放出する陰極と、電子を引き付ける陽極と、前記陰極に対して正の電位を持った引出し電極とを有する電子放出装置に用いられる電流制御装置であって、前記陽極の端子と前記引出し電極の端子との間に接続された電流コントロールアレイを有しており、当該電流コントロールアレイは、入力端子からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数の半導体電流制御素子と、前記陽極と前記引出し電極との間の電圧を、前記複数の半導体電流制御素子のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子とを有することを特徴とする。
【0024】
上記の電子放出装置は、例えばX線を放射するX線管や、電子顕微鏡の電子銃や、その他の任意の電子利用機器である。陰極は、フィールドエミッション(Field Emission/電界放出)方式のエミッタであっても良いし、熱電子を放出するフィラメントであっても良い。
【0025】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記半導体電流制御素子はPNP型トランジスタとすることができ、前記電圧分圧素子は抵抗とすることができる。
【0026】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置においては、端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けることができる。
【0027】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記定電圧回路は、NPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路を有することが望ましい。
【0028】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、端子間を流れる電流が増えると端子間電圧が減少する特性である負性抵抗特性を有した負性抵抗回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けることが望ましい。
【0029】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記負性抵抗回路は、1つのNPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路、及び負性抵抗特性をもたらすための複数のNPN型トランジスタを有することが望ましい。
【発明の効果】
【0030】
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置によれば、陽極−引出し電極間電圧が非常に高い電圧、例えば数万ボルトであっても、その電圧を分圧して、各分圧領域内にトランジスタ等といった半導体電流制御素子を設けることにしたので、耐圧の低い半導体電流制御素子を高電圧領域内に支障なく配置させることが可能となった。そして、半導体電流制御素子による電流制御により、陽極接地方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の一実施形態を示す回路図である。
【図2】一般的な電子放出装置のグリッド−陽極間電圧とグリッド電流との関係を表すグラフである。
【図3】本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の他の実施形態を示す回路図である。
【図4】図3の実施形態で用いられる定電圧回路の一例を示す回路図である。
【図5】本発明に係る電子放出装置の電流制御装置のさらに他の実施形態を示す回路図である。
【図6】図5の実施形態で用いられる負性抵抗回路の一例を示す回路図である。
【図7】(a)は図4の回路の出力特性を示し、(b)は図6の回路の出力特性を示す図である。
【図8】図3及び図5の各実施形態の特性を表すグラフである。
【図9】グリッド接地の電子放出装置の従来例を示す回路図である。
【図10】一般的な電子放出装置の陰極−グリッド間電圧と陽極電流との関係を示すグラフである。
【図11】グリッド接地の電子放出装置の従来例を示す回路図である。
【図12】陽極接地(ターゲット接地)の電子放出装置の参考例を示す回路図である。
【図13】陽極接地(ターゲット接地)の電子放出装置の他の参考例を示す回路図である。
【図14】陽極接地(ターゲット接地)の電子放出装置のさらに他の参考例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。
【0033】
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置を、X線を発生するためのX線管に適用した場合の実施形態を示している。電子放出装置1はすなわちX線管であり、このX線管1は、陰極であるカソード2と、陽極であるターゲット3と、引出し電極であるグリッド4と、それらを真空状態で包囲するハウジング6とを有している。
【0034】
カソード2は、電界放出(Field Emission)の現象に基づいて電子を放出できる物質によって形成されている。そのような物質は、例えばカーボンナノチューブを含んだ物質や、グラファイト粒子を含んだ物質である。カーボンナノチューブは、六炭素環で構成される針状、すなわちアスペクト比(粒子長/粒子径)が非常に大きい状態、で管状の粒子である。グラファイトとは、炭素六角網面(複数の六炭素環が連なって1つの層を構成している面)が複数個層状に積層されて成る層状構造物質である。もちろん、カソード2は、電界放出以外の原理に基づく物質であっても良く、例えば熱電子を放出するフィラメントであっても良い。
【0035】
カソード2とターゲット3との間に一定のカソード−ターゲット間電圧Vctが印加され、さらにグリッド4に所定のカソード−グリッド間電圧Vcgが印加されると、電界放出現象によりカソード2から電子が放出され、その電子がターゲット3に衝突し、その衝突領域からX線Rが発生し、ハウジング6の一部分を介して外部へ放射される。このX線は、例えば、対象物の欠陥、損傷等を非破壊で検査する工業用のX線測定に用いられる。
【0036】
本回路ではターゲット3が接地されている。ターゲット3を接地したことにより、導電性の金属材料である放熱板を用いたターゲット3の冷却設計が容易となっている。そして、ターゲット3の端子とグリッド4の端子との間に電流コントロールアレイ8が接続されている。この電流コントロールアレイ8は、半導体電流制御素子としての入力用PNP型トランジスタTr(0)と、入力用トランジスタTr(0)の後段に互いに直列に接続された半導体電流制御素子としての複数のPNP型トランジスタTr(1)〜Tr(n)(nは正の整数)と、分圧抵抗R0〜Rnとを有している。
【0037】
入力用PNP型トランジスタTr(0)のベースには、入力信号を入力するための入力端子14が設けられている。入力用PNP型トランジスタTr(0)は抵抗Rccを介してターゲット3に接続されている。分圧抵抗R0〜Rnは、ターゲット3とグリッド4との間の制御電圧Vgtを分圧して各トランジスタへ印加する。これにより、各トランジスタに耐圧以上の電圧が加わることを防止している。
【0038】
グリッド4とターゲット3との間に印加される制御電圧は、通常、20kV〜80kVの高電圧である。PNP型のトランジスタの耐圧は一般に1kV程度である。従って、1つの制御用トランジスタTr(0)だけでは耐圧が不十分で、実用に供し得ない。しかしながら、本実施形態では、複数のトランジスタTr(1)〜Tr(n)を用い、それらのトランジスタに加わる電圧を分圧させたので、制御用トランジスタTr(0)を支障なくターゲット3とグリッド4との間の高電圧部分に配置でき、そしてその制御用トランジスタTr(0)のベース電圧を調節することにより、グリッドを流れる電流(グリッド電流)Igの調節を行うことができる。
【0039】
こうしてグリッド電流Igを調節することにより、カソード−グリッド間電圧Vcgを調節でき、そのため、ターゲット電流Itを調節でき、その結果、ターゲット3から発生するX線の強度を所望の強さに調節できる。
【0040】
このように、汎用のトランジスタを用いてターゲット接地型のX線管1に対するターゲット電流Itの制御を可能としたことにより、図13に示したような高耐圧の可変抵抗器を用いた装置では到底実現し得なかった、X線管全体の小型化及び低コスト化を実現できる。
【0041】
本実施形態では、ターゲット3側の制御用トランジスタTr(0)からグリッド4側のトランジスタTr(n)までの全てのトランジスタが電圧コントロール用のトランジスタとして機能する。つまり、Tr(0)〜Tr(n)の全てのトランジスタによって電流コントロールアレイ8が構成されている。この電流コントロールアレイ8を構成するトランジスタの段数は、グリッド−ターゲット間電圧Vgtとトランジスタの耐圧との関係において適宜に決められる。
【0042】
なお、本実施形態ではPNP型トランジスタを直列に並べているが、このトランジスタの耐圧が1kVであるとすると、数十個のトランジスタを並べる必要がある。トランジスタのHfe(電流増幅率)が100以下であると分圧抵抗に流れる電流が大きくなり、グリッド4に近い分圧抵抗(すなわちRn側の抵抗)の電圧が大きくなってしまう。当然、抵抗値を変えて対応可能であるが、現実的には20〜30個の直列接続が限度である。
【0043】
Pチャンネルの高耐圧MOSFETを使用すればゲート電流がほとんど流れないので接続段数を多くとれるが、市場で入手可能なものは1kV以下であり、段数を増やす必要がある。
【0044】
図2は、本実施形態に係るX線管1の電圧−電流特性を示しており、特に、制御電圧であるグリッド−ターゲット間電圧Vgtとグリッド電流Igとの関係を示している。グリッド−ターゲット間電圧Vgtが制御電圧(すなわち、制御すべき電圧)であり、通常は、20〜80kV程度である。このグラフは、図10に示したグラフ、すなわちカソード−グリッド間電圧Vcgとターゲット電流Itとの関係を示すグラフを別の視点から表したものである。
【0045】
一般に、電子放出装置においては、陽極電流を所望の値に制御することが目標とされる。図9、図11、図12等に示した従来の装置においては、陽極電流を調節するためにカソード(陰極)−グリッド間電圧Vcgを制御している。図10はその際のカソード−グリッド間電圧Vcgと陽極電流Itとの関係を示している。これに対し、本実施形態の装置では、グリッドに流れる電流、すなわちグリッド電流Igを制御することによりグリッド−陽極間電圧Vgtを制御し、もって陽極電流Itを調節するものである。図2に示す電圧−電流特性は、その調節の際におけるグリッド−陽極間電圧Vgtとグリッド電流Igとの関係を示している。
【0046】
図2のグラフにおいて、電流制御範囲(Current Control Range)内でグリッド電流Igを制御可能である。具体的には、コントロール電流値が増加すると印加電圧は減少する。電流制御範囲はグリッド電流が変化している部分(数kV〜10kV)である。オフセット電圧(Offset Voltage)の領域は、グリッド電流を制御できる範囲から外れている領域である。図1に示した本実施形態の電子放出装置1においては、電流コントロールアレイ8内の分圧抵抗R0〜Rnによってオフセット電圧(Offset Voltage)を維持し、トランジスタアレイTr(0)〜Tr(n)によってグリッド電流Igの制御を行っている。
【0047】
(第2の実施形態)
図3は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の他の実施形態を示している。図1に示した実施形態と同じ構成要素は同じ符号で示すことにしてその説明は省略する。図1に示した実施形態ではターゲット3とグリッド4との間に電流コントロールアレイ8だけを設けたが、本実施形態では、図3に示すように、電流コントロールアレイ8の一部分を定電圧負荷アレイ7で置き換えている。
【0048】
図2に示すグラフから分かるように、X線管1の電圧−電流特性においては、グリッド電流を制御できない電圧領域であるオフセット電圧領域が存在する。図8(a)は、図2のグラフに線L1,L2及び電圧領域A1,A2を追記したものである。電圧領域A1はグラフの縦軸と線L1によって規定される領域である。電圧領域A2は線L1と線L2とによって規定される領域である。電圧領域A1は、オフセット電圧領域と全く同じ電圧領域であっても良い。
【0049】
図3の定電圧負荷アレイ7は、オフセット電圧領域内の電圧領域A1を担う回路として設けられている。電流コントロールアレイ8は電圧領域A1の高電圧側に引き続く電圧領域である電圧領域A2を担っている。定電圧負荷アレイ7は、図4に示す定電圧回路9を複数個、互いに直列に接続することによって形成されている。定電圧回路9は、基本的に、図7(a)に示すように、電流が変化しても電圧が一定である特性、すなわち定電圧特性を持った回路である。
【0050】
定電圧回路9は、NPN型トランジスタTr−pとツェナーダイオードDzとを直列に接続した回路を含んで構成されている。この回路の端子間電圧Vcは下式で計算される。
Vc=(R1+R2)/R2×(Vbe+Vdz)+Ib×R1
ここで、「Vbe」はトランジスタのベース−エミッタ間電圧、「Vdz」は定電圧ダイオードに加わる電圧、Ibはトランジスタのベース電流である。
【0051】
図4の定電圧回路9が図3に示すように複数個、直列に接続されて定電圧負荷アレイ7が構成され、その前段に、PNP型トランジスタと分圧抵抗との組み合わせから成る回路を複数個、直列に接続して成る電流コントローラアレイ8が接続されている。定電圧負荷アレイ7を構成する定電圧回路9の段数は、図2のグラフにおけるオフセット電圧領域の大きさに対応して決定されている。
【0052】
図8(a)のオフセット電圧領域内の電圧領域A1を定電圧負荷アレイ7で賄うことにより、電流コントロールアレイ8を構成している回路、すなわちトランジスタと分圧抵抗との組み合わせの回路の段数を減らすことができる。図4の定電圧回路9はNPN型トランジスタTr−pを用いて構成されており、このNPN型トランジスタはPNP型トランジスタよりも耐圧が高いので、定電圧負荷アレイ7の段数は電流コントローラアレイ8の段数よりも少なくできる。これにより、装置全体の小型化及び低コスト化を達成できる。
【0053】
例えば、カソード−グリッド間電圧Vcgが80kVである場合は、電流コントロールアレイ8を30段とし、定電圧負荷アレイ7を30段とすることができる。このように電流コントロールアレイ8と定電圧負荷アレイ7とを互いに直列に接続することにより、高耐圧の可変負荷電子回路を構成することができる。
【0054】
(第3の実施形態)
図5は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置のさらに他の実施形態を示している。図1及び図3に示した実施形態と同じ構成要素は同じ符号で示すことにしてその説明は省略する。
【0055】
本実施形態では、ターゲット3とグリッド4との間に、電流コントロールアレイ8と定電圧負荷アレイ7と負性抵抗負荷アレイ12とを直列に接続して成る回路が配置されている。電流コントロールアレイ8は図3及び図1で示した実施形態で用いた電流コントロールアレイ8と同じで、複数のPNP型トランジスタと複数の分圧抵抗とを直列に組み合わせて成るアレイである。定電圧負荷アレイ7は図3で示した実施形態で用いた定電圧負荷アレイ7と同じで、図4の定電圧回路9を複数個、直列に接続して成るアレイである。
【0056】
負性抵抗負荷アレイ12は、図6に示す負性抵抗回路13を複数個、直列に接続することによって形成されたアレイである。負性抵抗回路13は、NPN型トランジスタTr1とツェナーダイオードDzとの直列回路に加えて、3つのNPN型トランジスタTr2〜Tr4及び抵抗R1〜R5を有している。
【0057】
負性抵抗回路13は、基本的に、図7(b)に示すように、負荷従って電流が増えると電圧が減少する特性、すなわち負性抵抗性を持った回路である。定電圧ダイオードDzはアレイとして温度保証がなされるに最適な電圧を設定する。電圧の減少率は各抵抗値を変えることにより設定する。
【0058】
図2のグラフに示したように、X線管の電流制御特性は電流制御範囲において負性抵抗性、すなわち、制御電流値が増加すると印加電圧が減少するという特性を持っている。図1の実施形態や図3の実施形態では、図2の電流制御範囲における負性抵抗性を電流コントロールアレイ8による電流制御で行った。これに対し、図5に示す本実施形態では、負性抵抗負荷アレイ12を構成する負性抵抗回路13が有する負性抵抗性(図7(b)参照)を利用して電流コントロールアレイ8の電流制御と協働して、図2における電流制御範囲の負性抵抗性を実現する。
【0059】
つまり、図5の電流コントロールアレイ8の入力用トランジスタTr(0)の入力端子14への入力電圧を調節して、図2のグリッド電流を電流制御範囲内の曲線に従って変化させるとき、負性抵抗回路13の負性抵抗特性(図7(b)参照)が図2における電流制御の実現を支援することになる。こうして、負性抵抗負荷アレイ12を設けたことにより、電流コントロールアレイ8内のトランジスタの段数を減らすことができる。これにより、装置の小型化及び低コスト化を達成できる。
【0060】
より具体的に説明すれば、図8(b)は、図2のグラフに線L1,L2,L3及び電圧領域A1,A2,A3を追記したものである。電圧領域A1はグラフの縦軸と線L1によって規定される領域である。電圧領域A2は線L1と線L2とによって規定される領域である。電圧領域A3は線L2と線L3とによって規定される領域である。電圧領域A1は、オフセット電圧領域と全く同じ電圧領域であっても良い。線L2は、図6の負性抵抗回路13の負性抵抗特性(図7(b)の直線の傾き)に対応した傾きを持った線である。
【0061】
図5の定電圧負荷アレイ7は、オフセット電圧領域内の電圧領域A1を担う回路として設けられている。負荷抵抗負荷アレイ12は、電圧領域A1の高電圧側に引き続く電圧領域A2を担う回路として設けられており、図7(b)に示す負性抵抗特性を実現する機能を奏する。電流コントロールアレイ8は電圧領域A2の高電圧側に引き続く電圧領域A3を担っている。
【0062】
以上のように、本実施形態によれば、図2のX線管特性における電圧制御範囲内の負性抵抗性(線の傾き)を実現するにあたって、図6の負性抵抗回路13が持っている負性抵抗特性(図7(b)参照)を利用している。このため、電流コントロールアレイ8の負担を減らすことができる。従って、電流コントロールアレイ8内のトランジスタの段数をさらに減らすことができる。
【0063】
図2の特性グラフの電圧制御範囲はPNP型トランジスタで構成される電流コントロールアレイが吸収しなければならないが、PNP型の耐圧がNPN型に比べて低いため、より多くのトランジスタ数になる。図2の負性抵抗特性の変化に合わせた図6の負性抵抗回路13をPNP型トランジスタより少ない段数で実現することにより、電流コントロールアレイのコントロール電圧範囲が大幅に減少し、結果として電流コントロールアレイのトランジスタ数を減らすことが可能になる。
【0064】
図6の負性抵抗回路13において、各トランジスタのVbe(ベース−エミッタ間電圧)は0.65Vで温度特性は負の特性を示す(−2.4mV/℃)。定電圧ダイオードは使用する電圧により温度特性は負から正まで変化する。5〜6Vから低いものは負の特性、高いものは正の特性を示す。本回路ではI1の流れる経路にトランジスタが2個つながっているので、Vbが温度変化で一定にするためには+4〜5mV/℃の特性を持つ定電圧ダイオードを使用する。ここでは7〜8V前後のダイオードがそれに該当する。
【0065】
電流(I1+I2+I3)が増えると回路端子の電圧が減少することを説明すると、以下の通りである。
トランジスタTr2からトランジスタTr4は十分に高いHfe(電流増幅率)のものが容易に選択可能(100〜200以上)なので、Hfeによる影響は無視できる。高耐圧が要求されるTr1もHfeは50以上であるが計算式の中に組み入れる。回路に流れる電流の98%以上はI1である。
【0066】
簡単な説明としては、回路の電流が増えるとI1が増加し、同様にI2も増加する。I2の増加に伴いR2の電圧が増加する。すると、R5の電圧が減少しI3も減少する。R4に流れる電流は、I2+I3+I1÷Hfetr1であるので、I3の電流比率を増やすことにより、I1の電流増加に反比例してR5に流す電流を減少することができる。従って、回路にかかる電圧VcはR4にかかる電圧とほぼ等価なので、同様に減少する。
【0067】
以下に、VcとI1との関係式を示す。
Vb=Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1×R1
I2=I1×R1÷R3
I3=(Vb−R2×I2−Vbetr4)÷R5
Vc=Vb+R4×(I3+I2+Ibtr1)
=Vb+R4×(I3+I2+I1÷HFEtr1)
=Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1×R1+R4×((Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1× R1−R2×I2−Vbetr4)÷R5+I2+I1÷HFEtr1)
=Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1×R1+R4×((Vbetr1+Vdz6+Vbetr2+I1× R1−R2×(I1×R1÷R3)−Vbetr4)÷R5+(I1×R1÷R3)+I1÷HFEtr1)
=8.8+I1×R1+R4×(8.8+I1×R1−R2×(I1×R1÷R3)−0.65)÷ R5+(I1×R1÷R3)+I1÷HFEtr1)
=8.8+I1×R1+R4×8.8+I1×R1+R4×(I1×R1÷R3)+R4×I 1÷HFEtr1−R4×R2×(I1×R1÷R3)−0.65)÷R5
アンダーラインの項がその前の2項より大きくなるように抵抗値を選べば、Vc はI1の増加で減少する。
【0068】
(その他の実施形態)
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、上記実施形態では電子放出装置としてX線を発生するX線管を例示したが、電子放出装置はその他の任意の電子利用機器とすることができる。
【符号の説明】
【0069】
1.電子放出装置(X線管)、 2.カソード(陰極)、 3.ターゲット(陽極)、 4.グリッド(引出し電極、補助電極)、 6.ハウジング、 7.定電圧負荷アレイ、8.電流コントロールアレイ、 9.定電圧回路、 12.負性抵抗負荷アレイ、 13.負性抵抗回路、 14.入力端子
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電子を放出する陰極と、電子を引き付ける陽極と、前記陰極に対して正の電位を持った引出し電極とを有する電子放出装置に用いられる電流制御装置であって、
前記陽極の端子と前記引出し電極の端子との間に接続された電流コントロールアレイを有しており、
当該電流コントロールアレイは、
入力端子からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数の半導体電流制御素子と、
前記陽極と前記引出し電極との間の電圧を、前記複数の半導体電流制御素子のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子と、を有する
ことを特徴とする電子放出装置の電流制御装置。
【請求項2】
前記半導体電流制御素子はPNP型トランジスタであり、前記電圧分圧素子は抵抗であることを特徴とする請求項1記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項3】
端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けたことを特徴とする請求項1記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項4】
前記定電圧回路は、NPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路を有することを特徴とする請求項3記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項5】
端子間を流れる電流が増えると端子間電圧が減少する特性である負性抵抗特性を有した負性抵抗回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項6】
前記負性抵抗回路は、1つのNPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路、及び負性抵抗特性をもたらすための複数のNPN型トランジスタを有することを特徴とする請求項5記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項1】
電子を放出する陰極と、電子を引き付ける陽極と、前記陰極に対して正の電位を持った引出し電極とを有する電子放出装置に用いられる電流制御装置であって、
前記陽極の端子と前記引出し電極の端子との間に接続された電流コントロールアレイを有しており、
当該電流コントロールアレイは、
入力端子からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数の半導体電流制御素子と、
前記陽極と前記引出し電極との間の電圧を、前記複数の半導体電流制御素子のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子と、を有する
ことを特徴とする電子放出装置の電流制御装置。
【請求項2】
前記半導体電流制御素子はPNP型トランジスタであり、前記電圧分圧素子は抵抗であることを特徴とする請求項1記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項3】
端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けたことを特徴とする請求項1記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項4】
前記定電圧回路は、NPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路を有することを特徴とする請求項3記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項5】
端子間を流れる電流が増えると端子間電圧が減少する特性である負性抵抗特性を有した負性抵抗回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の電子放出装置の電流制御装置。
【請求項6】
前記負性抵抗回路は、1つのNPN型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路、及び負性抵抗特性をもたらすための複数のNPN型トランジスタを有することを特徴とする請求項5記載の電子放出装置の電流制御装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2012−33411(P2012−33411A)
【公開日】平成24年2月16日(2012.2.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−172708(P2010−172708)
【出願日】平成22年7月30日(2010.7.30)
【出願人】(000250339)株式会社リガク (206)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年2月16日(2012.2.16)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年7月30日(2010.7.30)
【出願人】(000250339)株式会社リガク (206)
【Fターム(参考)】
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