変圧器
【課題】 変圧器を構成する巻線の周辺で生ずる浮遊容量の影響を低減化して、高電圧パルスの立ち上がり後において、高電圧パルスのパルス波高値が時間的に変化しにくい変圧器を提供する。
【解決手段】 １次巻線と、１次巻線の外側に配置された２次巻線とを有する変圧器であり、２次巻線の外側に配置された対向電極を有し、２次巻線と対向電極とを電気的に接続した。
【解決手段】 １次巻線と、１次巻線の外側に配置された２次巻線とを有する変圧器であり、２次巻線の外側に配置された対向電極を有し、２次巻線と対向電極とを電気的に接続した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線管用電源装置に用いられる変圧器、特に、荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置に用いられる変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変圧器では、巻線の高電圧部位に電界が集中することによって、外来サージ電圧が侵入することによる絶縁破壊や、部分放電による絶縁の劣化などが生ずることがあった。このため、巻線の端部の近傍に遮蔽電極を設ける対策が行われてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、低圧巻線と高圧巻線との間に絶縁筒と間隔材とを配置した変圧器もあった。この変圧器は、低圧巻線と高圧巻線との間の特定の領域における電界集中を抑制することを目的としたものであった（例えば、特許文献２参照）。
このように、従来の変圧器では、巻線の両端近傍に電極を設けたものや、２つの巻線の間に絶縁筒などを配置したものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−２１３０８号公報
【特許文献２】特開２０００−９１１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置に用いられる変圧器は、パルス列からなる電圧を出力する。このパルス列は、方形波のパルスによって構成されている。パルスは、パルス幅が数マイクロ秒から数ミリ秒程度という短時間であり、パルス波高値が百キロボルト以上のものが要求される。以下、このパルスを高電圧パルスと称する。
【０００６】
しかしながら、従来の変圧器では、高電圧巻線と接地電位間との間に浮遊容量が形成されるため、この浮遊容量と高電圧巻線のインダクタンスとによって共振が生じていた。
このため、変圧器により伝達すべき高電圧パルスに、共振による振動電圧が重畳することによって、高電圧パルスの波形が歪んでしまい、負荷となる加速器や電子管に、方形波の高電圧パルスを供給することができなかった（図５参照）。以下、より詳しく説明する。なお、図５に示した部材や部位のうち、後述する図６と同じものについては、同様の符号を付した。
【０００７】
上述した浮遊容量は、図５（ａ）に示すように、主に、巻線間静電容量１８２と高電圧巻線内部静電容量１８４と対地間静電容量１８６とからなる。高電圧巻線内部静電容量１８４に比べると、巻線間静電容量１８２、対地間静電容量１８６の方が大きい。これらの巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６が大きい場合には、高電圧パルスの立ち上がり直後において、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位は、図５（ｂ）のグラフの実線に示すように、第２の端部１２４に近づくに従って大きく変化する。このため、高電圧パルスの立ち上がり直後に、これらの巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６を充電するために、高電圧巻線１２０の両端から、巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６に電荷が移動する。その後、図５（ｂ）のグラフの破線に示すように、従来の変圧器の誘導起電力による電位の変化は、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って直線的なものとなる。
この電荷の移動によって磁界が生じ、生じた磁界によるインダクタンスと、巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６との間に共振現象が現れ、周期がマイクロ秒台の振動電圧が生ずる。この振動電圧は、高電圧パルスの立ち上がり後において、パルス波高値を時間的に変化させるため、高電圧パルスの波形が方形波から歪んでしまい、負荷となる加速器や電子管に、方形波の高電圧パルスを供給することができなかった。
【０００８】
荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置では、荷電粒子に与えるエネルギーや電磁波の強度を一定に保つ必要がある。このため、これらの装置に供給する高電圧パルスのパルス波高値の変動を数パーセント以内に収める要求があるが、従来の変圧器では、上述した振動電圧によって、この要求を必ずしも満足できなかった。
【０００９】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変圧器を構成する巻線の周辺で生ずる浮遊容量の影響を低減して、高電圧パルスの立ち上がり後において、高電圧パルスのパルス波高値が時間的に変化するのを抑制することができる変圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る変圧器は、
１次巻線と、前記１次巻線の外側に配置された２次巻線とを有する変圧器であって、
前記２次巻線の外側に配置された対向電極を有し、
前記２次巻線と前記対向電極とを電気的に接続してなることを特徴とする。
【００１１】
このように構成したことにより、２次巻線の周辺で生ずる浮遊容量によって移動する電荷の量を減らし、電荷の移動によるインダクタンスと浮遊容量とによって生ずる共振による振動電圧を抑えて、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１２】
また、前記２次巻線は、第１の端部と、前記第１の端部よりも高い電位となる第２の端部とを有し、
前記対向電極と対面する部位における前記２次巻線の電位は、前記第１の端部の電位と第２の端部の電位との間の中間電位であり、
前記対向電極は、前記中間電位よりも高い電位になる前記２次巻線の部位に電気的に接続されたものが好ましい。
【００１３】
このように構成したことにより、対向電極と中間電位との間で、浮遊容量が形成されやすくなり、中間電位と接地電位との間で形成される浮遊容量（対地間容量）と、同等とすることができるので、高電圧パルス印加直後から静電容量による分圧で、中間電位に略１/２の電圧が印加され、移動する電荷の量を減らし、電荷の移動によるインダクタンスと浮遊容量とによって生ずる共振による振動電圧を抑えて、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１４】
さらに、前記対向電極と前記２次巻線との間の距離が、前記１次巻線と前記２次巻線の間の距離よりも小さいものが好ましい。
【００１５】
このように構成したことにより、２次巻線と対向電極との間に形成される浮遊容量を、１次巻線と２次巻線との間に形成される浮遊容量とほぼ等しくすることによって、２次巻線の軸方向に沿った電位の分布を直線状に近づけることで、電荷の移動量を減らし、振動電圧を抑えることにより、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１６】
さらにまた、前記対向電極は、前記２次巻線の軸方向の中央部に、または中央部よりも接地電位側に対向配置されているものが好ましい。
【００１７】
このように構成したことにより、２次巻線の軸方向に沿った電位の分布が偏るのを補正して電位の分布を直線状に近づけることによって、電荷の移動量をより減らすことができ、振動電圧を抑えることにより、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１８】
また、前記対向電極は、断面の形状が円、小判形または長円であるものが好ましい。
【００１９】
このように、電極の外形の形状を曲面によって構成したので、電界集中を緩和させて、部分放電や絶縁破壊を防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
２次巻線の周辺で生ずる浮遊容量によって移動する電荷の量を減らし、電荷の移動によるインダクタンスと浮遊容量とによって生ずる共振による振動電圧を抑えることにより、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る変圧器１００を示す正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る変圧器１００を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った変圧器１００の断面図である。
【図４】図１のＩ−Ｉ線に沿った変圧器１００の断面図である。
【図５】従来の変圧器の等価回路を示す参考図（ａ）と、従来の変圧器の高電圧巻線１２０における電位の変化を示すグラフ（ｂ）とである。
【図６】本発明の第一実施形態に係る変圧器１００の等価回路図を示す図（ａ）と、本発明の第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０における電位の変化を示すグラフ（ｂ）とである。
【図７】本発明の第二実施形態に係る変圧器２００を示す正面図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係る変圧器２００を示す平面図である。
【図９】本発明の第三実施形態に係る変圧器３００を示す平面図（ａ）と、変圧器３００で用いる電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
【００２３】
[第一実施形態]
図１は、本発明の第一実施形態に係る変圧器１００を示す正面図である。また、図２は、その平面図であり、図３は、図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。そして、図４は、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００２４】
第一実施形態に係る変圧器１００は、低電圧巻線１１０と、高電圧巻線１２０と、電位分布均等化遮蔽電極１３０と、支持棒１４０と、鉄心１５０とを有する。
【００２５】
＜低電圧巻線１１０、高電圧巻線１２０、鉄心１５０＞
鉄心１５０は、環状に形成され、磁気回路を構成する。鉄心１５０は、略四角柱状に形成された鉄心脚１５２を有する。図４に示すように、鉄心脚１５２を軸として同心状に、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０とが鉄心脚１５２に巻回されている。低電圧巻線１１０が、「１次巻線」に相当し、高電圧巻線１２０が、「２次巻線」に相当する。
【００２６】
図３および図４に示すように、低電圧巻線１１０は、絶縁体１６０を介して鉄心脚１５２に巻回されており、筒状の形状を有する。高電圧巻線１２０は、絶縁体１６２を介して低電圧巻線１１０の外周に巻回されており、筒状の形状を有する。これらの絶縁体１６０および１６２は、絶縁油や空気などを用いることができる。
【００２７】
この第一実施形態では、図３に示すように、低電圧巻線１１０の軸方向の中央部Ｏ１と、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２とが、軸方向で、ほぼ同じ位置になるように配置されている。低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との各々は、所定の巻数を有する。変圧器１００では、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との巻数比に応じて、電圧および電流の変換が行われる。
【００２８】
低電圧巻線１１０は、第１の端部１１２および第２の端部１１４を有する（図６（ａ）参照）。図１または図３において、第１の端部１１２は、下側に位置し、第２の端部１１４は、上側に位置する。第１の端部１１２および第２の端部１１４には、電源（図示せず）が接続されており、電源電圧が低電圧巻線１１０に印加される。低電圧巻線１１０に印加された供給電圧は、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との巻数比に応じて昇圧され、高電圧巻線１２０から昇圧された電圧（昇圧電圧）が出力される。
【００２９】
一方、高電圧巻線１２０は、第１の端部１２２および第２の端部１２４を有する（図６（ａ）参照）。図１または図３において、第１の端部１２２は、下側に位置し、第２の端部１２４は、上側に位置する。第１の端部１２２は、接地されており、接地電位となる。一方、第２の端部１２４は、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、上述した昇圧電圧に対応した電位（高電位）となる。第１の端部１２２および第２の端部１２４には、負荷（図示せず）が接続されており、高電圧巻線１２０から出力される昇圧電圧が負荷に印加され、高電圧パルスが負荷に供給される。
なお、負荷には、例えば、荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置などがある。以下、第２の端部１２４だけでなく、第２の端部１２４と電気的に接続され、第２の端部１２４と同電位となる部位、すなわち、昇圧電圧に対応した電位となり得る部位を高電位部位と称する。
【００３０】
＜高圧側遮蔽電極１７０＞
図１および図２に示すように、高電圧巻線１２０の上端部には、高圧側遮蔽電極１７０が設けられている。高圧側遮蔽電極１７０は、断面が略円形の環状の形状を有し、周方向の一部に間隙１７２が形成されている。間隙１７２によって、高圧側遮蔽電極１７０の周方向に流れる渦電流の発生を防止できる。高圧側遮蔽電極１７０は、第２の端部１２４と電気的に接続されており、高圧側遮蔽電極１７０も高電位部位となる。
【００３１】
高圧側遮蔽電極１７０は、電界緩和を目的とした部材である。すなわち、高電圧巻線１２０の上端部には電界が集中しやすく、高電圧巻線１２０の上端部に、断面が略円形の環状の形状の高圧側遮蔽電極１７０を設けたことにより、電界の集中によって生ずる部分放電や絶縁破壊を防ぐことができる。
【００３２】
＜電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）１３０＞
図２に示すように、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０には、４本の支持棒１４０が電気的に接続されている。これらの４本の支持棒１４０は、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０の周方向に略９０度間隔で配置されている。上述したように、高圧側遮蔽電極１７０の電位は高電位であるので、４本の支持棒１４０の電位も高電位となる。
この電位分布均等化遮蔽電極１３０が、「対向電極」に相当する。支持棒１４０および高圧側遮蔽電極１７０が、高電圧巻線１２０と電圧分布均等化遮蔽電極１３０とを接続する接続体として機能する。なお、４本の支持棒１４０は、高圧側遮蔽電極１７０に接続される場合に限らず、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０のいずれか一方に電気的に接続されていればよい。
【００３３】
支持棒１４０は、断面が略円形の長尺な形状を有する導電体によって構成されている。支持棒１４０は、２つの端部を有し、一方の端部は、上述したように、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０に接続されている。図１または図３に示すように、４本の支持棒１４０の各々は、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って下方に向かうに従って、高電圧巻線１２０の外周面１２６から離隔するように配置されている。支持棒１４０の断面の形状を略円形としたことにより、曲面が形成されているので、部分放電を防止することができる。また、支持棒１４０の断面の形状を小判形にしてもよい。この場合も、曲面が形成されているので、部分放電を防止することができる。
【００３４】
図１および図２に示すように、４本の支持棒１４０の各々の他方の端部は、電位分布均等化遮蔽電極１３０の周方向に略９０度間隔で、電位分布均等化遮蔽電極１３０に接続されている。電位分布均等化遮蔽電極１３０は、４本の支持棒１４０に支持されることによって、低電圧巻線１１０の軸方向の中央部Ｏ１や、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２に位置するように配置される。電位分布均等化遮蔽電極１３０は、断面が略円形で略環状の形状を有する。
図３に示すように、電位分布均等化遮蔽電極１３０の断面形状のうち内周部曲面（内方を臨む半円部分、電極面）１３４が、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２で、高電圧巻線１２０の外周面１２６と対面する。
【００３５】
また、図４に示すように、電位分布均等化遮蔽電極１３０には、周方向の一部に間隙１３２が形成されている。間隙１３２によって、電位分布均等化遮蔽電極１３０の周方向に流れる渦電流の発生を防止できる。電位分布均等化遮蔽電極１３０は、高電圧巻線１２０を周回するとともに、高電圧巻線１２０に対して距離Ｌ１の間隙（図３参照）を有するように配置される。
【００３６】
上述したように、支持棒１４０は、導電体によって構成されており、電位分布均等化遮蔽電極１３０は、支持棒１４０および高圧側遮蔽電極１７０を介して、高電圧巻線１２０の第２の端部１２４と電気的に接続されている。したがって、電位分布均等化遮蔽電極１３０を第２の端部１２４と同電位にすることができる。すなわち、電位分布均等化遮蔽電極１３０の電位は高電位となる。
【００３７】
一方、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、電位分布均等化遮蔽電極１３０と向かい合う高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２における電位は、第１の端部１２２の電位である接地電位よりも高く、かつ、第２の端部１２４の電位である高電位よりも低い中間の電位（以下、中間電位と称する。）となる。
このため、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と、高電圧巻線１２０の外周面１２６との間に電位差が生じ、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間に電界を発生させることができる。このような電界が生じたときには、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間に、浮遊容量１８０（図６（ａ）参照）が形成される。
このように、浮遊容量１８０は、中間電位と高電位との間で形成される浮遊容量である。浮遊容量１８０の大きさは、電位分布均等化遮蔽電極１３０の直径や、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と高電圧巻線１２０の外周面１２６との間の間隙の距離Ｌ１によって、所望するものに変更できる。
【００３８】
図６（ａ）は、本発明の第一実施形態の変圧器１００の低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との周辺で生ずる浮遊容量を含む等価回路図を示す図である。
低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間には、浮遊容量１８２が形成されている。また、高電圧巻線１２０の内部で生成される浮遊容量１８４と、対地間の浮遊容量１８６とが形成される。さらに、上述したように、電位分布均等化遮蔽電極１３０を設けたことによって、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間には、浮遊容量１８０が形成される。
【００３９】
図６（ｂ）は、本発明の第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０における電位の変化を示すグラフである。図６（ｂ）に示したグラフの横軸は、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った位置を示す。具体的には、第１の端部１２２を原点として、第１の端部１２２から第２の端部１２４までの位置を示す。また、図６（ｂ）に示したグラフの縦軸は、第１の端部１２２から第２の端部１２４までの位置に対応した高電圧巻線１２０の電位を示す。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように、高電圧巻線１２０の電位は、第１の端部１２２から第２の端部１２４に向かって、直線に近い形で徐々に高くなる。また、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２を中心にして、ほぼ対称的な形で電位が変化する。このように、電位分布均等化遮蔽電極１３０によって、中間電位と高電位との間で形成される浮遊容量１８０を形成することにより、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布を略直線状に近づけることができる。
このようにしたことで、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間の浮遊容量１８２や対地間の浮遊容量１８６に充電される電荷の量を、高電圧パルスの立ち上がり直後から少なくできる。このため、電荷の移動によって生ずる磁界によるインダクタンスと、浮遊容量１８２や浮遊容量１８６との間の共振現象による振動電圧を抑えることができ、変圧器１００から出力される高電圧パルスの波形の歪みを小さくできる。
【００４１】
また、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と、高電圧巻線１２０の外周面１２６との間の距離Ｌ１を、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０の間の距離Ｌ２（図３参照）よりも小さくすることで、高電圧巻線１２０の中央部Ｏ２と電位分布均等化遮蔽電極１３０との間に形成される浮遊容量１８０の大きさを、高電圧巻線１２０の中央部Ｏ２と低電圧巻線１１０との間に形成される浮遊容量１８２の大きさとほぼ等しくできる。
このようにすることで、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布を略直線状に近づけることができるので、浮遊容量１８２や対地間の浮遊容量１８６に充電される電荷の量を少なくでき、高電圧パルスの波形の歪みを小さくできる。
【００４２】
また、上述したように、電位分布均等化遮蔽電極１３０の断面の形状は、略円形であり、高電圧巻線１２０の外周面１２６と対面する面は、断面が円弧状の曲面１３４である。このように、高電圧巻線１２０の外周面１２６と向かい合う面を、曲面１３４としたことにより、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間に生ずる電界が集中しないようにでき、電界を緩和させることができる。電位分布均等化遮蔽電極１３０を設けた構成としても、絶縁破壊や絶縁劣化を防止することができる。
【００４３】
[第二実施形態]
図７は、本発明の第二実施形態に係る変圧器２００を示す正面図である。また、図８は、その平面図である。この第二実施形態に係る変圧器２００は、第一実施形態に係る変圧器１００とほぼ同様のものを二つ設けた構成を有する。すなわち、図７および図８に示すように、変圧器２００は、第１の変圧器脚１０１ａと第２の変圧器脚１０１ｂとを有する。
なお、後述するように、第１の変圧器脚１０１ａと第２の変圧器脚１０１ｂとが、第一実施形態に係る変圧器１００と相違する点は、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａおよび１３０ｂの形状である。
【００４４】
第二実施形態に係る変圧器２００は、鉄心２５０を有する。鉄心２５０は、環状に形成され、磁気回路を構成する。鉄心２５０は、略四角柱状に形成された鉄心脚２５２ａおよび２５２ｂを有する。
【００４５】
第１の変圧器脚１０１ａは、低電圧巻線１１０ａと、高電圧巻線１２０ａと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａと、支持棒１４０ａとを有する。上述した鉄心脚２５２ａを軸として同心状に、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとが鉄心脚２５２ａに巻回されている。
【００４６】
低電圧巻線１１０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の低電圧巻線１１０に対応し、高電圧巻線１２０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０に対応し、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の電位分布均等化遮蔽電極１３０に対応し、支持棒１４０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の支持棒１４０に対応し、鉄心脚２５２ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の鉄心脚１５２に対応し、これらは、第一実施形態に係る変圧器１００と同様の構造を有し、同様に機能する。
【００４７】
また、鉄心脚２５２ａと低電圧巻線１１０ａとを絶縁状態にする絶縁体１６０ａ（図示せず）や、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとを絶縁状態にする絶縁体１６２ａ（図示せず）も第一実施形態と同様の構成であり、同様に機能する。
【００４８】
第２の変圧器脚１０１ｂは、低電圧巻線１１０ｂと、高電圧巻線１２０ｂと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂと、支持棒１４０ｂとを有する。また、上述した鉄心脚２５２ｂを軸として同心状に、低電圧巻線１１０ｂと高電圧巻線１２０ｂとが鉄心脚２５２ｂに巻回されている。
【００４９】
低電圧巻線１１０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の低電圧巻線１１０に対応し、高電圧巻線１２０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０に対応し、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の電位分布均等化遮蔽電極１３０に対応し、支持棒１４０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の支持棒１４０に対応し、鉄心脚２５２ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の鉄心脚１５２に対応し、これらは、第一実施形態に係る変圧器１００と同様の構造を有し、同様に機能する。
【００５０】
また、鉄心脚２５２ｂと低電圧巻線１１０ｂとを絶縁状態にする絶縁体１６０ｂ（図示せず）や、低電圧巻線１１０ｂと高電圧巻線１２０ｂとを絶縁状態にする絶縁体１６２ｂ（図示せず）も第一実施形態と同様の構成であり、同様に機能する。
【００５１】
上述したように、第一実施形態の変圧器１００と相違する点は、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａおよび１３０ｂである。図８に示すように、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａは、２本の脚部１３６ａおよび１３８ａを備え、略Ｕ字状の形状を有する。また、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂは、２本の脚部１３６ｂおよび１３８ｂを備え、略Ｕ字状の形状を有する。
【００５２】
電位分布均等化遮蔽電極１３０ａの脚部１３６ａと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂの脚部１３６ｂとが互いに向かい合うように、かつ、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａの脚部１３８ａと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂの脚部１３８ｂとが互いに向かい合うように配置されている。互いに向かい合う脚部１３６ａと脚部１３６ｂとの間には、間隙１３２Ａが形成され、互いに向かい合う脚部１３８ａと脚部１３８ｂとの間には、間隙１３２Ｂが形成されている。このように、間隙１３２Ａと間隙１３２Ｂとを形成したことにより、２つの脚の高電圧巻線１２０ａ、１２０ｂを異なる電圧で使用することができ、例えば、負荷として接続される真空管のヒータ用電圧を供給することが可能となる。
【００５３】
第１の変圧器脚１０１ａにおいては、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａは、高電圧巻線１２０ａと向かい合うように配置され、両者の間で浮遊容量が形成される。この浮遊容量によって、高電圧巻線１２０ａの電位の分布は、高電圧巻線１２０ａの軸方向に沿った位置に対して、直線に近い形で変化する。その結果、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとの間の浮遊容量や、対地間の浮遊容量に充電される電荷の量を、高電圧パルスの立ち上がり直後から少なくできる。このため、電荷の移動によって生ずる磁界によるインダクタンスと浮遊容量との間の共振現象による振動電圧を抑えることができる。
【００５４】
第２の変圧器脚１０１ｂにおいても、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂは、高電圧巻線１２０ｂと向かい合うように配置され、両者の間で浮遊容量が形成される。この浮遊容量によって、前記と同様、高電圧巻線１２０ａの電位の分布は、高電圧巻線１２０ａの軸方向に沿った位置に対して、直線に近い形で変化し、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとの間の浮遊容量や、対地間の浮遊容量に充電される電荷の量を、高電圧パルスの立ち上がり直後から少なくでき、電荷の移動によって生ずる磁界によるインダクタンスと浮遊容量との間の共振現象による振動電圧を抑えることができる。
【００５５】
このように、複数の変圧器脚を設けたことによって、巻線を分割した「内鉄型」変圧器として用いることができる。
【００５６】
上述した第二実施形態においては、低電圧巻線１１０ａおよび１１０ｂが、「１次巻線」に相当し、高電圧巻線１２０ａおよび１２０ｂが、「２次巻線」に相当し、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａおよび１３０ｂが「対向電極」に相当する。
【００５７】
[第三実施形態]
図９は、本発明の第三実施形態の変圧器３００を示す正面図（ａ）と、変圧器３００で用いる電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面図（ｂ）とである。なお、この第三実施形態の変圧器３００において、第一実施形態の変圧器１００と同様の構成については、同じ符号を付した。
【００５８】
第三実施形態の変圧器３００は、低電圧巻線１１０と、高電圧巻線１２０と、電位分布均等化遮蔽電極３３０と、支持棒１４０と、鉄心１５０とを有する。この低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０と支持棒１４０と鉄心１５０とは、第一実施形態の変圧器１００と同様の構造を有し、同様に機能する。また、鉄心１５０と低電圧巻線１１０とを絶縁状態にする絶縁体１６０（図示せず）や、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０とを絶縁状態にする絶縁体１６２（図示せず）も第一実施形態と同様の構成であり、同様に機能する。
【００５９】
＜電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）３３０＞
図９（ｂ）に示すように、電位分布均等化遮蔽電極３３０は、断面が小判形（陸上競技場走路状（race-track shaped cross- section））、または長円形で、略環状の形状を有し、周方向の一部に間隙（図示せず）が形成されている。該間隙（図示せず）によって、電位分布均等化遮蔽電極１３０の周方向に流れる渦電流の発生を防止できる。電位分布均等化遮蔽電極３３０は、電位分布均等化遮蔽電極１３０と同様に、高電圧巻線１２０を周回するとともに、高電圧巻線１２０に対して所定の間隙を有するように配置される。
【００６０】
また、電位分布均等化遮蔽電極３３０は、電位分布均等化遮蔽電極１３０と同様に、導電体からなる４本の支持棒１４０に電気的に接続され、４本の支持棒１４０によって、支持されている。したがって、電位分布均等化遮蔽電極３３０の電位も、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、第２の端部１２４と同電位、すなわち、高電位となる。
【００６１】
図９（ｂ）に示すように、電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面の形状を、小判形または長円形にした。すなわち、電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面は、上端部と下端部との各々が略半円形で、かつ、上端部と下端部との間に略四角形が配置された形状である。この四角形の直線部分によって構成される面３３４を高電圧巻線１２０と対面させることにより、高電圧巻線１２０と向かい合う面の面積を広くすることができる。
【００６２】
このように、断面が小判形または長円形の電位分布均等化遮蔽電極３３０を用いたことにより、面３３４によって、高電圧巻線１２０と向かい合う面の面積を広くすることができる。
これにより、電位分布均等化遮蔽電極３３０と高電圧巻線１２０との間の距離を、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間の距離と同程度にしつつ、高電圧巻線１２０と電位分布均等化遮蔽電極３３０との間に形成される浮遊容量を、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間に形成される浮遊容量とほぼ等しくできる。
このため、浮遊容量の大きさのバランスを図りやすくできるとともに、高電圧巻線１２０の電位の分布を、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った位置に対して、直線に近い形で変化させることができる。
【００６３】
さらに、図９に示したように、電位分布均等化遮蔽電極３３０の位置を、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部よりも、第１の端部１２２側、すなわち、接地側に近づけた位置にした。このように、接地側に近づけた位置にすることにより、高電圧巻線１２０の接地側に近い部分と電位分布均等化遮蔽電極３３０との間で浮遊容量を形成させ、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布が、接地側に偏るのを防止できる。
【００６４】
また、上述したように、電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面の形状を、小判形または長円形にした。このように、上端部と下端部との各々が略半円形で構成したことにより、電界が集中することを防止して電界緩和を図ることができる。
【００６５】
[その他の実施の形態]
上述した図３に示したように、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と、高電圧巻線１２０の外周面１２６との間には、距離Ｌ１の間隙が形成されている。この間隙に適合した大きさおよび形状を有する絶縁体を間隙に設けてもよい。
この絶縁体の誘電率によって、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間の浮遊容量の大きさを所望するものにできる。
また、電位分布均等化遮蔽電極１３０を絶縁体によって支持できるので、電位分布均等化遮蔽電極１３０を高電圧巻線１２０の外側に安定させて配置することができる。
【００６６】
また、上述した第一〜第三実施形態では、電位分布均等化遮蔽電極１３０などを、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って１つのみ、設けた構成を示したが、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って、複数の電位分布均等化遮蔽電極１３０などを設けた構成としても良い。
【００６７】
複数の電位分布均等化遮蔽電極１３０などを設けることによって、浮遊容量１８０の大きさを適宜変更しやすくでき、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布を直線に近づけやすくできる。また、複数の電位分布均等化遮蔽電極１３０などを設けたことにより、軽量化を図ることもできる。
【００６８】
そして、上述した第一〜第三実施形態では、支持棒１４０および高圧側遮蔽電極１７０が、高電圧巻線（２次巻線）と電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）とを電気的に接続しているが、これに限定されず、高圧側遮蔽電極を有しない変圧器にも適用することができる。この場合、電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）と支持棒の一方端を接続する一方、支持棒の他方端を高電圧巻線の上端部（高電位側）に接続すればよい。
【符号の説明】
【００６９】
１００、２００、３００ 変圧器
１０１ａ、１０１ｂ 変圧器脚
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 低電圧巻線（１次巻線）
１２０、１２０ａ、１２０ｂ 高電圧巻線（２次巻線）
１２２ 第１の端部
１２４ 第２の端部
１３０、１３０ａ、１３０ｂ、３３０ 電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）
１３４ 曲面（電極面）
３３４ 面（電極面）
１４０、１４０ａ、１４０ｂ 支持棒
１５０、２５０ 鉄心
１７０、１７０ａ、１７０ｂ 高圧側遮蔽電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線管用電源装置に用いられる変圧器、特に、荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置に用いられる変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変圧器では、巻線の高電圧部位に電界が集中することによって、外来サージ電圧が侵入することによる絶縁破壊や、部分放電による絶縁の劣化などが生ずることがあった。このため、巻線の端部の近傍に遮蔽電極を設ける対策が行われてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、低圧巻線と高圧巻線との間に絶縁筒と間隔材とを配置した変圧器もあった。この変圧器は、低圧巻線と高圧巻線との間の特定の領域における電界集中を抑制することを目的としたものであった（例えば、特許文献２参照）。
このように、従来の変圧器では、巻線の両端近傍に電極を設けたものや、２つの巻線の間に絶縁筒などを配置したものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−２１３０８号公報
【特許文献２】特開２０００−９１１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置に用いられる変圧器は、パルス列からなる電圧を出力する。このパルス列は、方形波のパルスによって構成されている。パルスは、パルス幅が数マイクロ秒から数ミリ秒程度という短時間であり、パルス波高値が百キロボルト以上のものが要求される。以下、このパルスを高電圧パルスと称する。
【０００６】
しかしながら、従来の変圧器では、高電圧巻線と接地電位間との間に浮遊容量が形成されるため、この浮遊容量と高電圧巻線のインダクタンスとによって共振が生じていた。
このため、変圧器により伝達すべき高電圧パルスに、共振による振動電圧が重畳することによって、高電圧パルスの波形が歪んでしまい、負荷となる加速器や電子管に、方形波の高電圧パルスを供給することができなかった（図５参照）。以下、より詳しく説明する。なお、図５に示した部材や部位のうち、後述する図６と同じものについては、同様の符号を付した。
【０００７】
上述した浮遊容量は、図５（ａ）に示すように、主に、巻線間静電容量１８２と高電圧巻線内部静電容量１８４と対地間静電容量１８６とからなる。高電圧巻線内部静電容量１８４に比べると、巻線間静電容量１８２、対地間静電容量１８６の方が大きい。これらの巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６が大きい場合には、高電圧パルスの立ち上がり直後において、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位は、図５（ｂ）のグラフの実線に示すように、第２の端部１２４に近づくに従って大きく変化する。このため、高電圧パルスの立ち上がり直後に、これらの巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６を充電するために、高電圧巻線１２０の両端から、巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６に電荷が移動する。その後、図５（ｂ）のグラフの破線に示すように、従来の変圧器の誘導起電力による電位の変化は、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って直線的なものとなる。
この電荷の移動によって磁界が生じ、生じた磁界によるインダクタンスと、巻線間静電容量１８２や対地間静電容量１８６との間に共振現象が現れ、周期がマイクロ秒台の振動電圧が生ずる。この振動電圧は、高電圧パルスの立ち上がり後において、パルス波高値を時間的に変化させるため、高電圧パルスの波形が方形波から歪んでしまい、負荷となる加速器や電子管に、方形波の高電圧パルスを供給することができなかった。
【０００８】
荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置では、荷電粒子に与えるエネルギーや電磁波の強度を一定に保つ必要がある。このため、これらの装置に供給する高電圧パルスのパルス波高値の変動を数パーセント以内に収める要求があるが、従来の変圧器では、上述した振動電圧によって、この要求を必ずしも満足できなかった。
【０００９】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変圧器を構成する巻線の周辺で生ずる浮遊容量の影響を低減して、高電圧パルスの立ち上がり後において、高電圧パルスのパルス波高値が時間的に変化するのを抑制することができる変圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る変圧器は、
１次巻線と、前記１次巻線の外側に配置された２次巻線とを有する変圧器であって、
前記２次巻線の外側に配置された対向電極を有し、
前記２次巻線と前記対向電極とを電気的に接続してなることを特徴とする。
【００１１】
このように構成したことにより、２次巻線の周辺で生ずる浮遊容量によって移動する電荷の量を減らし、電荷の移動によるインダクタンスと浮遊容量とによって生ずる共振による振動電圧を抑えて、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１２】
また、前記２次巻線は、第１の端部と、前記第１の端部よりも高い電位となる第２の端部とを有し、
前記対向電極と対面する部位における前記２次巻線の電位は、前記第１の端部の電位と第２の端部の電位との間の中間電位であり、
前記対向電極は、前記中間電位よりも高い電位になる前記２次巻線の部位に電気的に接続されたものが好ましい。
【００１３】
このように構成したことにより、対向電極と中間電位との間で、浮遊容量が形成されやすくなり、中間電位と接地電位との間で形成される浮遊容量（対地間容量）と、同等とすることができるので、高電圧パルス印加直後から静電容量による分圧で、中間電位に略１/２の電圧が印加され、移動する電荷の量を減らし、電荷の移動によるインダクタンスと浮遊容量とによって生ずる共振による振動電圧を抑えて、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１４】
さらに、前記対向電極と前記２次巻線との間の距離が、前記１次巻線と前記２次巻線の間の距離よりも小さいものが好ましい。
【００１５】
このように構成したことにより、２次巻線と対向電極との間に形成される浮遊容量を、１次巻線と２次巻線との間に形成される浮遊容量とほぼ等しくすることによって、２次巻線の軸方向に沿った電位の分布を直線状に近づけることで、電荷の移動量を減らし、振動電圧を抑えることにより、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１６】
さらにまた、前記対向電極は、前記２次巻線の軸方向の中央部に、または中央部よりも接地電位側に対向配置されているものが好ましい。
【００１７】
このように構成したことにより、２次巻線の軸方向に沿った電位の分布が偏るのを補正して電位の分布を直線状に近づけることによって、電荷の移動量をより減らすことができ、振動電圧を抑えることにより、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【００１８】
また、前記対向電極は、断面の形状が円、小判形または長円であるものが好ましい。
【００１９】
このように、電極の外形の形状を曲面によって構成したので、電界集中を緩和させて、部分放電や絶縁破壊を防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
２次巻線の周辺で生ずる浮遊容量によって移動する電荷の量を減らし、電荷の移動によるインダクタンスと浮遊容量とによって生ずる共振による振動電圧を抑えることにより、２次巻線から出力される電圧の波形の歪みを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る変圧器１００を示す正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る変圧器１００を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った変圧器１００の断面図である。
【図４】図１のＩ−Ｉ線に沿った変圧器１００の断面図である。
【図５】従来の変圧器の等価回路を示す参考図（ａ）と、従来の変圧器の高電圧巻線１２０における電位の変化を示すグラフ（ｂ）とである。
【図６】本発明の第一実施形態に係る変圧器１００の等価回路図を示す図（ａ）と、本発明の第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０における電位の変化を示すグラフ（ｂ）とである。
【図７】本発明の第二実施形態に係る変圧器２００を示す正面図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係る変圧器２００を示す平面図である。
【図９】本発明の第三実施形態に係る変圧器３００を示す平面図（ａ）と、変圧器３００で用いる電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
【００２３】
[第一実施形態]
図１は、本発明の第一実施形態に係る変圧器１００を示す正面図である。また、図２は、その平面図であり、図３は、図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。そして、図４は、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００２４】
第一実施形態に係る変圧器１００は、低電圧巻線１１０と、高電圧巻線１２０と、電位分布均等化遮蔽電極１３０と、支持棒１４０と、鉄心１５０とを有する。
【００２５】
＜低電圧巻線１１０、高電圧巻線１２０、鉄心１５０＞
鉄心１５０は、環状に形成され、磁気回路を構成する。鉄心１５０は、略四角柱状に形成された鉄心脚１５２を有する。図４に示すように、鉄心脚１５２を軸として同心状に、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０とが鉄心脚１５２に巻回されている。低電圧巻線１１０が、「１次巻線」に相当し、高電圧巻線１２０が、「２次巻線」に相当する。
【００２６】
図３および図４に示すように、低電圧巻線１１０は、絶縁体１６０を介して鉄心脚１５２に巻回されており、筒状の形状を有する。高電圧巻線１２０は、絶縁体１６２を介して低電圧巻線１１０の外周に巻回されており、筒状の形状を有する。これらの絶縁体１６０および１６２は、絶縁油や空気などを用いることができる。
【００２７】
この第一実施形態では、図３に示すように、低電圧巻線１１０の軸方向の中央部Ｏ１と、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２とが、軸方向で、ほぼ同じ位置になるように配置されている。低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との各々は、所定の巻数を有する。変圧器１００では、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との巻数比に応じて、電圧および電流の変換が行われる。
【００２８】
低電圧巻線１１０は、第１の端部１１２および第２の端部１１４を有する（図６（ａ）参照）。図１または図３において、第１の端部１１２は、下側に位置し、第２の端部１１４は、上側に位置する。第１の端部１１２および第２の端部１１４には、電源（図示せず）が接続されており、電源電圧が低電圧巻線１１０に印加される。低電圧巻線１１０に印加された供給電圧は、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との巻数比に応じて昇圧され、高電圧巻線１２０から昇圧された電圧（昇圧電圧）が出力される。
【００２９】
一方、高電圧巻線１２０は、第１の端部１２２および第２の端部１２４を有する（図６（ａ）参照）。図１または図３において、第１の端部１２２は、下側に位置し、第２の端部１２４は、上側に位置する。第１の端部１２２は、接地されており、接地電位となる。一方、第２の端部１２４は、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、上述した昇圧電圧に対応した電位（高電位）となる。第１の端部１２２および第２の端部１２４には、負荷（図示せず）が接続されており、高電圧巻線１２０から出力される昇圧電圧が負荷に印加され、高電圧パルスが負荷に供給される。
なお、負荷には、例えば、荷電粒子加速器や電磁波発生等を目的とした電子線管用電源装置などがある。以下、第２の端部１２４だけでなく、第２の端部１２４と電気的に接続され、第２の端部１２４と同電位となる部位、すなわち、昇圧電圧に対応した電位となり得る部位を高電位部位と称する。
【００３０】
＜高圧側遮蔽電極１７０＞
図１および図２に示すように、高電圧巻線１２０の上端部には、高圧側遮蔽電極１７０が設けられている。高圧側遮蔽電極１７０は、断面が略円形の環状の形状を有し、周方向の一部に間隙１７２が形成されている。間隙１７２によって、高圧側遮蔽電極１７０の周方向に流れる渦電流の発生を防止できる。高圧側遮蔽電極１７０は、第２の端部１２４と電気的に接続されており、高圧側遮蔽電極１７０も高電位部位となる。
【００３１】
高圧側遮蔽電極１７０は、電界緩和を目的とした部材である。すなわち、高電圧巻線１２０の上端部には電界が集中しやすく、高電圧巻線１２０の上端部に、断面が略円形の環状の形状の高圧側遮蔽電極１７０を設けたことにより、電界の集中によって生ずる部分放電や絶縁破壊を防ぐことができる。
【００３２】
＜電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）１３０＞
図２に示すように、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０には、４本の支持棒１４０が電気的に接続されている。これらの４本の支持棒１４０は、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０の周方向に略９０度間隔で配置されている。上述したように、高圧側遮蔽電極１７０の電位は高電位であるので、４本の支持棒１４０の電位も高電位となる。
この電位分布均等化遮蔽電極１３０が、「対向電極」に相当する。支持棒１４０および高圧側遮蔽電極１７０が、高電圧巻線１２０と電圧分布均等化遮蔽電極１３０とを接続する接続体として機能する。なお、４本の支持棒１４０は、高圧側遮蔽電極１７０に接続される場合に限らず、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０のいずれか一方に電気的に接続されていればよい。
【００３３】
支持棒１４０は、断面が略円形の長尺な形状を有する導電体によって構成されている。支持棒１４０は、２つの端部を有し、一方の端部は、上述したように、高電圧巻線１２０の上端部または高圧側遮蔽電極１７０に接続されている。図１または図３に示すように、４本の支持棒１４０の各々は、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って下方に向かうに従って、高電圧巻線１２０の外周面１２６から離隔するように配置されている。支持棒１４０の断面の形状を略円形としたことにより、曲面が形成されているので、部分放電を防止することができる。また、支持棒１４０の断面の形状を小判形にしてもよい。この場合も、曲面が形成されているので、部分放電を防止することができる。
【００３４】
図１および図２に示すように、４本の支持棒１４０の各々の他方の端部は、電位分布均等化遮蔽電極１３０の周方向に略９０度間隔で、電位分布均等化遮蔽電極１３０に接続されている。電位分布均等化遮蔽電極１３０は、４本の支持棒１４０に支持されることによって、低電圧巻線１１０の軸方向の中央部Ｏ１や、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２に位置するように配置される。電位分布均等化遮蔽電極１３０は、断面が略円形で略環状の形状を有する。
図３に示すように、電位分布均等化遮蔽電極１３０の断面形状のうち内周部曲面（内方を臨む半円部分、電極面）１３４が、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２で、高電圧巻線１２０の外周面１２６と対面する。
【００３５】
また、図４に示すように、電位分布均等化遮蔽電極１３０には、周方向の一部に間隙１３２が形成されている。間隙１３２によって、電位分布均等化遮蔽電極１３０の周方向に流れる渦電流の発生を防止できる。電位分布均等化遮蔽電極１３０は、高電圧巻線１２０を周回するとともに、高電圧巻線１２０に対して距離Ｌ１の間隙（図３参照）を有するように配置される。
【００３６】
上述したように、支持棒１４０は、導電体によって構成されており、電位分布均等化遮蔽電極１３０は、支持棒１４０および高圧側遮蔽電極１７０を介して、高電圧巻線１２０の第２の端部１２４と電気的に接続されている。したがって、電位分布均等化遮蔽電極１３０を第２の端部１２４と同電位にすることができる。すなわち、電位分布均等化遮蔽電極１３０の電位は高電位となる。
【００３７】
一方、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、電位分布均等化遮蔽電極１３０と向かい合う高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２における電位は、第１の端部１２２の電位である接地電位よりも高く、かつ、第２の端部１２４の電位である高電位よりも低い中間の電位（以下、中間電位と称する。）となる。
このため、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と、高電圧巻線１２０の外周面１２６との間に電位差が生じ、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間に電界を発生させることができる。このような電界が生じたときには、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間に、浮遊容量１８０（図６（ａ）参照）が形成される。
このように、浮遊容量１８０は、中間電位と高電位との間で形成される浮遊容量である。浮遊容量１８０の大きさは、電位分布均等化遮蔽電極１３０の直径や、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と高電圧巻線１２０の外周面１２６との間の間隙の距離Ｌ１によって、所望するものに変更できる。
【００３８】
図６（ａ）は、本発明の第一実施形態の変圧器１００の低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との周辺で生ずる浮遊容量を含む等価回路図を示す図である。
低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間には、浮遊容量１８２が形成されている。また、高電圧巻線１２０の内部で生成される浮遊容量１８４と、対地間の浮遊容量１８６とが形成される。さらに、上述したように、電位分布均等化遮蔽電極１３０を設けたことによって、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間には、浮遊容量１８０が形成される。
【００３９】
図６（ｂ）は、本発明の第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０における電位の変化を示すグラフである。図６（ｂ）に示したグラフの横軸は、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った位置を示す。具体的には、第１の端部１２２を原点として、第１の端部１２２から第２の端部１２４までの位置を示す。また、図６（ｂ）に示したグラフの縦軸は、第１の端部１２２から第２の端部１２４までの位置に対応した高電圧巻線１２０の電位を示す。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように、高電圧巻線１２０の電位は、第１の端部１２２から第２の端部１２４に向かって、直線に近い形で徐々に高くなる。また、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部Ｏ２を中心にして、ほぼ対称的な形で電位が変化する。このように、電位分布均等化遮蔽電極１３０によって、中間電位と高電位との間で形成される浮遊容量１８０を形成することにより、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布を略直線状に近づけることができる。
このようにしたことで、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間の浮遊容量１８２や対地間の浮遊容量１８６に充電される電荷の量を、高電圧パルスの立ち上がり直後から少なくできる。このため、電荷の移動によって生ずる磁界によるインダクタンスと、浮遊容量１８２や浮遊容量１８６との間の共振現象による振動電圧を抑えることができ、変圧器１００から出力される高電圧パルスの波形の歪みを小さくできる。
【００４１】
また、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と、高電圧巻線１２０の外周面１２６との間の距離Ｌ１を、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０の間の距離Ｌ２（図３参照）よりも小さくすることで、高電圧巻線１２０の中央部Ｏ２と電位分布均等化遮蔽電極１３０との間に形成される浮遊容量１８０の大きさを、高電圧巻線１２０の中央部Ｏ２と低電圧巻線１１０との間に形成される浮遊容量１８２の大きさとほぼ等しくできる。
このようにすることで、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布を略直線状に近づけることができるので、浮遊容量１８２や対地間の浮遊容量１８６に充電される電荷の量を少なくでき、高電圧パルスの波形の歪みを小さくできる。
【００４２】
また、上述したように、電位分布均等化遮蔽電極１３０の断面の形状は、略円形であり、高電圧巻線１２０の外周面１２６と対面する面は、断面が円弧状の曲面１３４である。このように、高電圧巻線１２０の外周面１２６と向かい合う面を、曲面１３４としたことにより、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間に生ずる電界が集中しないようにでき、電界を緩和させることができる。電位分布均等化遮蔽電極１３０を設けた構成としても、絶縁破壊や絶縁劣化を防止することができる。
【００４３】
[第二実施形態]
図７は、本発明の第二実施形態に係る変圧器２００を示す正面図である。また、図８は、その平面図である。この第二実施形態に係る変圧器２００は、第一実施形態に係る変圧器１００とほぼ同様のものを二つ設けた構成を有する。すなわち、図７および図８に示すように、変圧器２００は、第１の変圧器脚１０１ａと第２の変圧器脚１０１ｂとを有する。
なお、後述するように、第１の変圧器脚１０１ａと第２の変圧器脚１０１ｂとが、第一実施形態に係る変圧器１００と相違する点は、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａおよび１３０ｂの形状である。
【００４４】
第二実施形態に係る変圧器２００は、鉄心２５０を有する。鉄心２５０は、環状に形成され、磁気回路を構成する。鉄心２５０は、略四角柱状に形成された鉄心脚２５２ａおよび２５２ｂを有する。
【００４５】
第１の変圧器脚１０１ａは、低電圧巻線１１０ａと、高電圧巻線１２０ａと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａと、支持棒１４０ａとを有する。上述した鉄心脚２５２ａを軸として同心状に、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとが鉄心脚２５２ａに巻回されている。
【００４６】
低電圧巻線１１０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の低電圧巻線１１０に対応し、高電圧巻線１２０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０に対応し、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の電位分布均等化遮蔽電極１３０に対応し、支持棒１４０ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の支持棒１４０に対応し、鉄心脚２５２ａは、第一実施形態に係る変圧器１００の鉄心脚１５２に対応し、これらは、第一実施形態に係る変圧器１００と同様の構造を有し、同様に機能する。
【００４７】
また、鉄心脚２５２ａと低電圧巻線１１０ａとを絶縁状態にする絶縁体１６０ａ（図示せず）や、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとを絶縁状態にする絶縁体１６２ａ（図示せず）も第一実施形態と同様の構成であり、同様に機能する。
【００４８】
第２の変圧器脚１０１ｂは、低電圧巻線１１０ｂと、高電圧巻線１２０ｂと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂと、支持棒１４０ｂとを有する。また、上述した鉄心脚２５２ｂを軸として同心状に、低電圧巻線１１０ｂと高電圧巻線１２０ｂとが鉄心脚２５２ｂに巻回されている。
【００４９】
低電圧巻線１１０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の低電圧巻線１１０に対応し、高電圧巻線１２０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の高電圧巻線１２０に対応し、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の電位分布均等化遮蔽電極１３０に対応し、支持棒１４０ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の支持棒１４０に対応し、鉄心脚２５２ｂは、第一実施形態に係る変圧器１００の鉄心脚１５２に対応し、これらは、第一実施形態に係る変圧器１００と同様の構造を有し、同様に機能する。
【００５０】
また、鉄心脚２５２ｂと低電圧巻線１１０ｂとを絶縁状態にする絶縁体１６０ｂ（図示せず）や、低電圧巻線１１０ｂと高電圧巻線１２０ｂとを絶縁状態にする絶縁体１６２ｂ（図示せず）も第一実施形態と同様の構成であり、同様に機能する。
【００５１】
上述したように、第一実施形態の変圧器１００と相違する点は、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａおよび１３０ｂである。図８に示すように、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａは、２本の脚部１３６ａおよび１３８ａを備え、略Ｕ字状の形状を有する。また、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂは、２本の脚部１３６ｂおよび１３８ｂを備え、略Ｕ字状の形状を有する。
【００５２】
電位分布均等化遮蔽電極１３０ａの脚部１３６ａと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂの脚部１３６ｂとが互いに向かい合うように、かつ、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａの脚部１３８ａと、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂの脚部１３８ｂとが互いに向かい合うように配置されている。互いに向かい合う脚部１３６ａと脚部１３６ｂとの間には、間隙１３２Ａが形成され、互いに向かい合う脚部１３８ａと脚部１３８ｂとの間には、間隙１３２Ｂが形成されている。このように、間隙１３２Ａと間隙１３２Ｂとを形成したことにより、２つの脚の高電圧巻線１２０ａ、１２０ｂを異なる電圧で使用することができ、例えば、負荷として接続される真空管のヒータ用電圧を供給することが可能となる。
【００５３】
第１の変圧器脚１０１ａにおいては、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａは、高電圧巻線１２０ａと向かい合うように配置され、両者の間で浮遊容量が形成される。この浮遊容量によって、高電圧巻線１２０ａの電位の分布は、高電圧巻線１２０ａの軸方向に沿った位置に対して、直線に近い形で変化する。その結果、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとの間の浮遊容量や、対地間の浮遊容量に充電される電荷の量を、高電圧パルスの立ち上がり直後から少なくできる。このため、電荷の移動によって生ずる磁界によるインダクタンスと浮遊容量との間の共振現象による振動電圧を抑えることができる。
【００５４】
第２の変圧器脚１０１ｂにおいても、電位分布均等化遮蔽電極１３０ｂは、高電圧巻線１２０ｂと向かい合うように配置され、両者の間で浮遊容量が形成される。この浮遊容量によって、前記と同様、高電圧巻線１２０ａの電位の分布は、高電圧巻線１２０ａの軸方向に沿った位置に対して、直線に近い形で変化し、低電圧巻線１１０ａと高電圧巻線１２０ａとの間の浮遊容量や、対地間の浮遊容量に充電される電荷の量を、高電圧パルスの立ち上がり直後から少なくでき、電荷の移動によって生ずる磁界によるインダクタンスと浮遊容量との間の共振現象による振動電圧を抑えることができる。
【００５５】
このように、複数の変圧器脚を設けたことによって、巻線を分割した「内鉄型」変圧器として用いることができる。
【００５６】
上述した第二実施形態においては、低電圧巻線１１０ａおよび１１０ｂが、「１次巻線」に相当し、高電圧巻線１２０ａおよび１２０ｂが、「２次巻線」に相当し、電位分布均等化遮蔽電極１３０ａおよび１３０ｂが「対向電極」に相当する。
【００５７】
[第三実施形態]
図９は、本発明の第三実施形態の変圧器３００を示す正面図（ａ）と、変圧器３００で用いる電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面図（ｂ）とである。なお、この第三実施形態の変圧器３００において、第一実施形態の変圧器１００と同様の構成については、同じ符号を付した。
【００５８】
第三実施形態の変圧器３００は、低電圧巻線１１０と、高電圧巻線１２０と、電位分布均等化遮蔽電極３３０と、支持棒１４０と、鉄心１５０とを有する。この低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０と支持棒１４０と鉄心１５０とは、第一実施形態の変圧器１００と同様の構造を有し、同様に機能する。また、鉄心１５０と低電圧巻線１１０とを絶縁状態にする絶縁体１６０（図示せず）や、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０とを絶縁状態にする絶縁体１６２（図示せず）も第一実施形態と同様の構成であり、同様に機能する。
【００５９】
＜電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）３３０＞
図９（ｂ）に示すように、電位分布均等化遮蔽電極３３０は、断面が小判形（陸上競技場走路状（race-track shaped cross- section））、または長円形で、略環状の形状を有し、周方向の一部に間隙（図示せず）が形成されている。該間隙（図示せず）によって、電位分布均等化遮蔽電極１３０の周方向に流れる渦電流の発生を防止できる。電位分布均等化遮蔽電極３３０は、電位分布均等化遮蔽電極１３０と同様に、高電圧巻線１２０を周回するとともに、高電圧巻線１２０に対して所定の間隙を有するように配置される。
【００６０】
また、電位分布均等化遮蔽電極３３０は、電位分布均等化遮蔽電極１３０と同様に、導電体からなる４本の支持棒１４０に電気的に接続され、４本の支持棒１４０によって、支持されている。したがって、電位分布均等化遮蔽電極３３０の電位も、変圧器１００から高電圧パルスが出力されるときには、第２の端部１２４と同電位、すなわち、高電位となる。
【００６１】
図９（ｂ）に示すように、電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面の形状を、小判形または長円形にした。すなわち、電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面は、上端部と下端部との各々が略半円形で、かつ、上端部と下端部との間に略四角形が配置された形状である。この四角形の直線部分によって構成される面３３４を高電圧巻線１２０と対面させることにより、高電圧巻線１２０と向かい合う面の面積を広くすることができる。
【００６２】
このように、断面が小判形または長円形の電位分布均等化遮蔽電極３３０を用いたことにより、面３３４によって、高電圧巻線１２０と向かい合う面の面積を広くすることができる。
これにより、電位分布均等化遮蔽電極３３０と高電圧巻線１２０との間の距離を、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間の距離と同程度にしつつ、高電圧巻線１２０と電位分布均等化遮蔽電極３３０との間に形成される浮遊容量を、低電圧巻線１１０と高電圧巻線１２０との間に形成される浮遊容量とほぼ等しくできる。
このため、浮遊容量の大きさのバランスを図りやすくできるとともに、高電圧巻線１２０の電位の分布を、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った位置に対して、直線に近い形で変化させることができる。
【００６３】
さらに、図９に示したように、電位分布均等化遮蔽電極３３０の位置を、高電圧巻線１２０の軸方向の中央部よりも、第１の端部１２２側、すなわち、接地側に近づけた位置にした。このように、接地側に近づけた位置にすることにより、高電圧巻線１２０の接地側に近い部分と電位分布均等化遮蔽電極３３０との間で浮遊容量を形成させ、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布が、接地側に偏るのを防止できる。
【００６４】
また、上述したように、電位分布均等化遮蔽電極３３０の断面の形状を、小判形または長円形にした。このように、上端部と下端部との各々が略半円形で構成したことにより、電界が集中することを防止して電界緩和を図ることができる。
【００６５】
[その他の実施の形態]
上述した図３に示したように、電位分布均等化遮蔽電極１３０の曲面１３４と、高電圧巻線１２０の外周面１２６との間には、距離Ｌ１の間隙が形成されている。この間隙に適合した大きさおよび形状を有する絶縁体を間隙に設けてもよい。
この絶縁体の誘電率によって、電位分布均等化遮蔽電極１３０と高電圧巻線１２０との間の浮遊容量の大きさを所望するものにできる。
また、電位分布均等化遮蔽電極１３０を絶縁体によって支持できるので、電位分布均等化遮蔽電極１３０を高電圧巻線１２０の外側に安定させて配置することができる。
【００６６】
また、上述した第一〜第三実施形態では、電位分布均等化遮蔽電極１３０などを、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って１つのみ、設けた構成を示したが、高電圧巻線１２０の軸方向に沿って、複数の電位分布均等化遮蔽電極１３０などを設けた構成としても良い。
【００６７】
複数の電位分布均等化遮蔽電極１３０などを設けることによって、浮遊容量１８０の大きさを適宜変更しやすくでき、高電圧巻線１２０の軸方向に沿った電位の分布を直線に近づけやすくできる。また、複数の電位分布均等化遮蔽電極１３０などを設けたことにより、軽量化を図ることもできる。
【００６８】
そして、上述した第一〜第三実施形態では、支持棒１４０および高圧側遮蔽電極１７０が、高電圧巻線（２次巻線）と電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）とを電気的に接続しているが、これに限定されず、高圧側遮蔽電極を有しない変圧器にも適用することができる。この場合、電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）と支持棒の一方端を接続する一方、支持棒の他方端を高電圧巻線の上端部（高電位側）に接続すればよい。
【符号の説明】
【００６９】
１００、２００、３００ 変圧器
１０１ａ、１０１ｂ 変圧器脚
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 低電圧巻線（１次巻線）
１２０、１２０ａ、１２０ｂ 高電圧巻線（２次巻線）
１２２ 第１の端部
１２４ 第２の端部
１３０、１３０ａ、１３０ｂ、３３０ 電位分布均等化遮蔽電極（対向電極）
１３４ 曲面（電極面）
３３４ 面（電極面）
１４０、１４０ａ、１４０ｂ 支持棒
１５０、２５０ 鉄心
１７０、１７０ａ、１７０ｂ 高圧側遮蔽電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線と、前記１次巻線の外側に配置された２次巻線とを有する変圧器であって、
前記２次巻線の外側に配置された対向電極を有し、
前記２次巻線と前記対向電極とを電気的に接続してなることを特徴とする変圧器。
【請求項２】
前記２次巻線は、第１の端部と、前記第１の端部よりも高い電位となる第２の端部とを有し、
前記対向電極と対面する部位における前記２次巻線の電位は、前記第１の端部の電位と第２の端部の電位との間の中間電位であり、
前記対向電極は、前記中間電位よりも高い電位になる前記２次巻線の部位に電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
【請求項３】
前記対向電極と前記２次巻線との間の距離が、前記１次巻線と前記２次巻線の間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の変圧器。
【請求項４】
前記対向電極は、前記２次巻線の軸方向の中央部に、または中央部よりも接地電位側に対向配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項５】
前記対向電極は、断面の形状が円、小判形または長円であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項１】
１次巻線と、前記１次巻線の外側に配置された２次巻線とを有する変圧器であって、
前記２次巻線の外側に配置された対向電極を有し、
前記２次巻線と前記対向電極とを電気的に接続してなることを特徴とする変圧器。
【請求項２】
前記２次巻線は、第１の端部と、前記第１の端部よりも高い電位となる第２の端部とを有し、
前記対向電極と対面する部位における前記２次巻線の電位は、前記第１の端部の電位と第２の端部の電位との間の中間電位であり、
前記対向電極は、前記中間電位よりも高い電位になる前記２次巻線の部位に電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
【請求項３】
前記対向電極と前記２次巻線との間の距離が、前記１次巻線と前記２次巻線の間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の変圧器。
【請求項４】
前記対向電極は、前記２次巻線の軸方向の中央部に、または中央部よりも接地電位側に対向配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項５】
前記対向電極は、断面の形状が円、小判形または長円であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の変圧器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１４５８５（Ｐ２０１１−１４５８５Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５４８９１（Ｐ２００９−１５４８９１）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
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