(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周状に複数のステータコイルを配置した固定架台と、
前記固定架台の複数のステータコイルに対向するように、周状に複数のロータマグネットを配置すると共に、Ｘ線管とＸ線検出器とを配置する環状の回転フレームと、
前記回転フレームを前記固定架台に対して非接触に浮かせて支持する支持機構と、
前記複数のステータコイルへ電気パルスを印加することにより、前記回転フレームを励振させる電気信号入力回路と、
前記電気パルスの印加に応じて前記回転フレームに対して制動負荷を加えるブレーキ機構と、
前記励振機能による前記励振が、前記制動負荷によって停止するまでの停止時間を計測し、前記停止時間に基づいて前記複数のロータマグネットの磁極位置を検出する磁極特定ユニットと、を備え、
前記ブレーキ機構は、前記磁極特定ユニットが前記磁極位置を検出したことに応じて前記制動負荷を除去する
Ｘ線ＣＴ装置。
【請求項２】
前記電気信号入力回路は、検出された前記磁極位置に基づいて極性反転までの時間が調整された電気信号を前記複数のステータコイルへ入力し、前記回転フレームを回転させる
請求項１に記載のX線CT装置。
【請求項３】
前記支持機構は、エアベアリングにより前記回転フレームを前記固定架台に対して非接触に浮かせて支持する請求項１または２に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項４】
前記ブレーキ機構は、前記回転フレームの周面若しくは側面の一部に設けた摩擦板に前記固定架台に設けられるブレーキパッドを押圧接触させる電磁ブレーキである請求項１または２に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項５】
前記ブレーキ機構は、前記ステータコイルの一部と前記回転フレームの周面若しくは側面に非接触で作用するマグネットを備えた非接触電磁ブレーキである請求項１または２に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項６】
周状に複数のステータコイルを配置した固定架台と、前記固定架台の複数のステータコイルに非接触で対向し、周状に複数のロータマグネットを配置する環状の回転フレームと、
前記回転フレームを前記固定架台に対して非接触で回転駆動させるダイレクトドライブ（ＤＤ）モータ駆動回路と、を有するX線CT装置の磁極位置検出方法であって、
始動時に、前記X線CT装置の制御部に対する所定操作で磁極位置検出機能を起動し、
前記磁極位置検出機能の起動指示により、前記ＤＤモータ駆動回路が備える前記複数のステータコイルへ電流パルスを印加することにより前記回転フレームを励振させ、
前記制御部は前記起動指示に応じて前記回転フレームの微振動を阻止させるブレーキ機構を作動し、
前記ブレーキ機構の作動による前記回転フレームの微振動開始時点から、振動収束までの時間に基づいて、前記ロータマグネットの磁極位置を検出する磁極位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線ＣＴ装置及びその磁極位置検出方法に関し、特に、架台回転部のダイレクトドライブモータ駆動機構を有するＸ線ＣＴ装置及びその始動時の磁極位置検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線ＣＴ装置は、被検体の周囲に放射線ビームを照射して投影データを得て、その投影データを画像再構成処理することによって被検体の断層像を形成するもので、医療用や工業用として広く利用されている。Ｘ線ＣＴ装置は、環状の回転フレーム（架台回転部）上に対向配置されるＸ線管とＸ線検出器とを、被検体の周りを１方向へ回転させて投影データを取得する。近年、Ｘ線管とＸ線検出器と載置した回転フレームを高速回転させることで、Ｘ線ＣＴ装置の高速化、高機能化が図られている。回転フレームの高速回転のために、回転フレームを支持する固定架台と回転フレームとの間の給電や信号授受は、スリップリングや光伝送などを介して行われている。
【０００３】
従来、固定架台に設置した電動機の回転駆動力を歯車やベルトを介して回転フレームに伝達して回転フレームの高速回転させている。この回転駆動力伝達方式では、歯車やベルトの機械的振動や作動音が大きく、被検者やＸ線技師に不快感を与える。近年、この欠点を除去するため、歯車やベルトを使用せずに、静音イメージングを実現する技術が提案されている。即ち、回転フレームに非接触の電力伝送を行って高速に回転駆動するダイレクトドライブモータ(以下、「ＤＤモータ」)駆動方式が提案されている。
【０００４】
ＤＤモータ駆動では、回転フレーム（架台回転部）に設けた巻線と、架台固定部に設けた磁石とによる非接触電力伝送が行なわれる。即ち、架台回転部に設けた巻線に電流を供給する発生する磁束と、架台固定部に設けた磁石からの磁束とが互いに反撥することで、架台回転部がモータ回転子として無接触で直接回転駆動されるのである。尚、架台固定部に巻線を設けて、回転フレーム（架台回転部）に磁石を設けても、同様にＤＤモータ駆動回路が構成できる。以下の実施例では、回転フレームに巻線を設ける場合について説明する。
【０００５】
ＤＤモータ始動時には、回転フレームの回転方向や磁極スイッチングのタイミングを決めるために、停止状態における回転部巻線（ロータマグネット）の中心位置と固定部磁石（ステータマグネット）の中心位置との間の中心間距離及びロータマグネットの磁極（Ｎ極、Ｓ極）に応じて、巻線へ供給するパルス信号を制御する必要がある。通常、この始動時の磁極位置検出のため、ＤＤモータ起動時に、回転部巻線に極短時間電流を供給して架台回転部を励振する。この励振開始から架台回転部の振動が停止するまでの時間を基に、始動時の磁極位置を推定している。
【０００６】
従来、静音イメージングのために提案されたＤＤモータ駆動方式のＸ線ＣＴ装置は、回転フレームをボールベアリングを介して固定架台に支持し、且つ、固定架台と回転フレームとの間に介在させたスリップリングにより、固定架台から回転フレームへの給電を行っている。ＤＤモータ始動時には、スリップリングとボールベアリングが回転フレームの固定架台に対する摩擦抵抗となる。即ち、極く短時間回転フレームを励振させると、この摩擦抵抗によって、或る時間後にその振動は収束して停止する。従って、この振動停止までの時間を基に磁極位置を推定することが可能となる。
【０００７】
ところで、Ｘ線ＣＴ装置による静音イメージングの要求は更に強くなっている。このため、スリップリングを介した固定架台から回転フレームへの給電を、非接触給電方式に変更することや、固定架台に対する回転フレームの支持をボールベアリングから非接触のエアベアリングに変更することが強く求められている。
【０００８】
しかし、静音イメージング強化のために、エアベアリングによって回転フレームを固定架台に非接触支持にすると別の問題が発生する。即ち、エアベアリングによる回転フレームの非接触支持にすると、回転フレームの固定架台に対する摩擦抵抗が少なくなる。このため、ＤＤモータ始動時に回転フレームを極く短時間だけ励振させた場合でも、回転フレームの振動はなかなか収束せず停止するまでに長時間かかってしまい、始動時の磁極位置検出がなかなか推定できずない。従って、投影データの収集開始が容易にはできないという問題を生ずる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−７８７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、これらの問題を解決し、固定架台から回転フレームへの給電を非接触電力伝送にすると共に、エアベアリングなどの非接触保持技術を用いて架台回転の負荷を低減して、静音イメージング強化を達成すると同時に、始動時の磁極位置検出を容易にして、投影データ収集を速やかに開始できるＤＤモータ駆動機構を有するＸ線ＣＴ装置及びその始動時の磁極位置検出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態に係るＸ線ＣＴ装置は、周状に複数のステータコイルを配置した固定架台と、前記固定架台の複数のステータコイルに対向するように、周状に複数のロータマグネットを配置すると共に、Ｘ線管とＸ線検出器とを対向配置する環状の回転フレームと、前記回転フレームを前記固定架台に対して非接触に浮かせて支持する支持機構と、前記複数のステータコイルへ電気パルスを印加することにより、前記回転フレームを励振させる電気信号入力回路と、前記電気パルスの印加に応じて前記回転フレームに対して制動負荷を加えるブレーキ機構と、前記励振機能による前記励振が、前記制動負荷によって停止するまでの停止時間を計測し、前記停止時間に基づいて前記複数のロータマグネットの磁極位置を検出する磁極特定ユニットと、を備える。
【００１２】
実施形態に係る磁極位置検出方法は、周状に複数のステータコイルを配置した固定架台と、前記固定架台の複数のステータコイルに非接触で対向し、周状に複数のロータマグネットを配置する環状の回転フレームと、前記回転フレームを前記固定架台に対して非接触で回転駆動させるダイレクトドライブ（ＤＤ）モータ駆動回路と、を有するX線CT装置の磁極位置検出方法であって、始動時に、前記X線CT装置の制御部に対する所定操作で磁極位置検出機能を起動し、前記磁極位置検出機能の起動指示により、前記ＤＤモータ駆動回路が備える前記複数のステータコイルへ電流パルスを印加することにより前記回転フレームを励振させ、前記制御部は前記起動指示に応じて前記回転フレームの微振動を阻止させるブレーキ機構を作動し、前記ブレーキ機構の作動による前記回転フレームの微振動開始時点から、振動収束までの時間に基づいて、前記ロータマグネットの磁極位置を検出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転フレームを固定架台に対して非接触支持するＤＤモータ駆動システムのＸ線ＣＴ装置において、ＤＤモータ始動時の磁極位置を容易且つ確実に検出することができ、速やかに投影データの収集を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す概略ブロック図。
【図２】ＤＤモータを構成するロータマグネットとステータコイルの配列を示す図。
【図３】ＤＤモータにおける磁極位置の定義を示す図。
【図４】ＤＤモータにおける励磁開始時点のロータマグネットとステータコイルの状態を示す図。
【図５】ＤＤモータ励磁停止時点のロータマグネットとステータコイルの状態を示す図。
【図６】ＤＤモータ振動時のロータマグネットとステータコイルの状態を示す図。
【図７】ＤＤモータ振動終了時点のロータマグネットとステータコイルの状態を示す図。
【図８】実施形態に係るＸ線ＣＴ装置に使用されるブレーキ装置を示す図。
【図９】実施形態に係るＸ線ＣＴ装置における、架台回転のための自動磁極検出動作を示したフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示すブロック図である。図示のように、Ｘ線ＣＴ装置１００の架台部は、環状回転フレーム１と固定架台４で構成される。回転フレーム１は、固定架台４に例えばエアベアリングのような非接触支持ユニットにより微小ギャップを保って回転可能に支持されている。環状回転フレーム１は、中央部に円筒状の空間Ｓを有しており、この空間Ｓを介してＸ線管２とＸ線検出器３とが対向するように配置される。回転フレーム１は、ＤＤモータ駆動システムによって駆動される。固定架台４には、磁気センサ５及び基準位置センサ１６が設けられる。磁気センサ５は、後述するように、ロータマグネットの回転に伴う磁束変動を検出する。基準位置センサ１６は、回転フレーム１の基準位置や回転速度などを検出する。
【００１７】
図２は、図１の回転フレーム１を駆動するＤＤモータの構成を示す図である。図示のように、回転フレーム１には、多数のロータマグネット１１がＮ極とＳ極とが交互になるように環状に配置される。固定架台４には、回転フレーム１上の各ロータマグネット１１に対向してステータコイル（巻線）１２が多数配置される。回転フレーム１上のロータマグネット１１の回転に伴う磁束変動が、固定架台４に設けられた磁気センサ５によって検出される。
【００１８】
図１に戻り、実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１００は、更に、信号処理ユニット６、磁極位置特定部７、サーボアンプ８、ＣＴ主制御部９及びＤＤモータ駆動回路１４を備える。信号処理ユニット６は、磁気センサ５からのロータマグネットの磁束変動検出信号を波形成形してパルス信号にする。磁極位置特定部７は、磁気センサ５からの磁束変動検出信号に基づいて磁極位置を特定するもので、予め測定した複数の収束時間と複数の磁極位置との対応関係が記憶されているメモリを内蔵する。サーボアンプ８は、信号処理ユニット６からのパルス信号に基づきＤＤモータへ駆動信号を供給する。ＤＤモータ駆動回路１４は、サーボアンプ８からの駆動信号を受けて、ＤＤモータのステータコイル１２へ駆動電流を供給する。ＣＴ主制御部９は、Ｘ線ＣＴ装置全体の動作を制御する。
【００１９】
ＤＤモータ駆動回路１４からＤＤモータのステータコイル１２に電流が供給されると、ステータコイル１２から発生する磁束とロータマグネット１１からの磁束とが反撥するので、ステータコイル１２への電流供給を制御することで、回転フレーム１をモータ回転子として直接回転駆動することができる。回転フレーム１の回転に伴いロータマグネット１１も移動するので、ロータマグネット１１の移動による磁束変動が磁気センサ５によって検出される。磁気センサ５は、磁束変動を検出している期間中継続してエンコードパルスを送出する。
【００２０】
ＤＤモータ駆動回路１４は、回転フレーム１を回転駆動するための電流を、ＤＤモータのステータコイル１２に供給する。ＤＤモータ駆動回路１４は磁気センサ５、信号処理ユニット６、磁極位置特定部７、サーボアンプ８、ＣＴ主制御部９などから成る制御系からの信号によって制御される。
【００２１】
図３は、ＤＤモータの起動時における磁極位置の検出を説明する。磁極位置は、図示のように、各ステータコイル１２の中心Ｃｓｃと対応するロータマグネット１１の中心Ｃｒｍとの中心間距離ΔＤと磁極とで定義される。磁極位置は、回転フレーム１の固有の性質、即ち、歪や重心位置などによって決まり、ステータコイル１２の励振停止状態では同じ位置に再現される。従って、ＤＤモータの起動時には、この中心間距離ΔＤに応じて、サーボアンプ８からステータコイル１２へ供給する駆動電流を調整して、供給開始から最初に極性反転するまでの時間を調整する。即ち、中心間距離ΔＤに応じてステータコイル１２に極短時間だけ電流を供給して回転フレーム１を励振すると、その振動は或る時間経過して停止する。回転フレームの励振から停止までの時間が収束時間であり、その収束時間から磁極位置が推定される。磁極位置特定部７の予め測定した複数の収束時間と複数の磁極位置との対応関係が記憶されているメモリにより、磁極位置を特定する。
【００２２】
図４は、ＤＤモータにおける「励磁開始」時点のロータマグネット１１とステータコイル１２の状態図である。ＤＤモータの起動時のユーザーによる所定操作で、ＣＴ主制御部９が磁極位置特定オペレーション機能を起動する。磁極位置特定オペレーションの初期状態では、図示のように、ロータマグネット１１の磁極位置は初期位置Ｐ０にあり、ステータコイル１２とロータマグネット１１との中心間距離はΔＤ０である。この状態で、ＣＴ主制御部９はサーボアンプ８に対して、極短時間だけ所定振幅で所定極性の電流をステータコイル１２へ供給するように制御信号を送出する。
【００２３】
電流が流されてステータコイル１２が励磁されると、ステータコイル１２から発生する磁束とロータマグネット１１からの磁束とが反撥する。磁束の反撥により、図５に示すように、ロータマグネット１１の磁極位置が初期位置Ｐ０から励磁位置Ｐ１へ移動する。即ち、磁極位置が移動することで、ステータコイル１２に対してロータマグネット１１の位置が移動し、結果として回転フレーム１が回転を始めようとする。その瞬間にステータコイル１２へ供給する電流を遮断する。電流遮断で駆動力が突然断たれるため、その位置で回転フレーム１の振動が始まり、徐々に振動は収束へ向かう。
【００２４】
図６に示すように、回転フレーム１の振動開始によって、ロータマグネット１１の磁極位置が励磁位置Ｐ１と振動位置Ｐ２の間を移動しながら徐々に振動が収束へ向う。図７は、回転フレーム１の振動が徐々に収束して遂に停止したとき、ロータマグネット１１の磁極位置が初期位置Ｐ０に戻っていることを示す。
【００２５】
図１の磁極位置特定部７は、ステータコイル１２への電流供給が停止され、回転フレーム１の振動が開始した時点から、振動が収束して回転フレーム１が停止するまでの時間を計測する。この時間計測は、磁気センサ５からのエンコードパルス数を計測することによって行われる。エンコードパルス数に対応する収束時間を基に、磁極位置特定部７のメモリに予め記憶されている収束時間と磁極位置との対応関係から読み出すことによって磁極位置が特定される。磁極位置が特定されると励磁条件が定まる。その励磁条件により、サーボアンプ８はＤＤモータ駆動回路１４へ起動信号を供給してＤＤモータを起動させる。
【００２６】
サーボアンプ８は、ＣＴ主制御部９からの制御信号に従ってＤＤモータ駆動回路１４へ駆動信号を供給する。ＤＤモータ駆動回路１４は、サーボアンプ８からの駆動信号に基づきＤＤモータのステータコイル１２へ駆動電流を供給することで、回転フレーム１が回転する。
【００２７】
ＤＤモータ駆動回路１４には、ＣＴ主制御部９からのスキャン開始或いはスキャン停止の指示や回転速度指示などを含む回転モードの設定指示も与えられる。従って、回転フレーム１はＣＴ主制御部９で設定された回転速度で回転する。回転フレーム１の基準位置や回転速度は、固定架台４に設けられた基準位置センサ１６によって検知され、検知情報はＣＴ主制御部９へ供給される。ＣＴ主制御部９は、基準位置センサ１６からの基準位置信号を受けたタイミングや回転フレーム１の回転速度から、回転フレーム１の回転位置を演算により求め、位置信号を発生する。
【００２８】
ＤＤモータ駆動方式のＸ線ＣＴ装置１００において、回転フレーム１を固定架台４に対してエアベアリングによって支持すると、回転フレーム１の固定架台４に対する摩擦抵抗が微少となる。このため、ＤＤモータを始動させる際に、回転フレーム１を短時間励振させても、振動が長時間収束せず、容易には磁極位置が推定できない。この問題を解決するために、回転フレーム１の振動を止めるブレーキ装置が必要となる。
【００２９】
図８に、回転フレーム１の振動を止めるブレーキ装置２０の実施例を示す。ブレーキ装置２０は、ＤＤモータ駆動方式のＸ線ＣＴ装置を起動する際に、磁極位置を検出するために、回転フレーム１に制動負荷を加えたり、解除したりするものである。ブレーキ装置２０は、摩擦板２１とブレーキパッド２２とから構成される。
【００３０】
摩擦板２１は、例えば回転フレーム１の側面に周状に貼付されている。この摩擦板２１に部分的に対峙するように、固定架台４にブレーキパッド２２が設けられる。ブレーキパッド２２は、通電によって摩擦板２１側へ押し当てられるように移動し、通電を停止すれば摩擦板２１側から退避するように作動する。即ち、通電によりブレーキパッド２２が摩擦板２１に接触して回転フレーム１に対して摩擦抵抗が加わる。その結果、回転フレーム１の回転を阻止する機能がある。ブレーキパッド２２への通電を停止すると、ブレーキパッド２２が回転フレーム１から離れて摩擦抵抗の付加が解除され、回転フレーム１は自由に回転する。尚、摩擦板２１とブレーキパッド２２とは接触による磨耗が生じる場合があるので、回転フレームに対し、コイルとマグネットによる非接触のブレ−キ機構を採用してもよい。
【００３１】
図９は、実施形態によるＤＤモータ駆動システムのＸ線ＣＴ装置において、起動時の架台回転のための自動磁極検出方法を示すフローチャートである。ユーザーは、先ずＣＴ主制御部９に対して所定操作をして、磁極位置検出オペレーション機能の起動指示を行う（図９のステップ１）。ＣＴ主制御部９からの起動指示を受けたサーボアンプ８は、ＤＤモータ駆動回路１４へ極短時間だけ駆動信号を供給する。即ち、ＤＤモータ駆動回路１４は、ステータコイル１２へ極短時間だけ駆動電流を供給する（図９のステップ２）。短時間だけの駆動電流供給後、ＣＴ主制御部９は、磁極位置検出オペレーションのため、直ちに回転フレーム１の回転を停止させるようにブレーキ装置２０を作動させる（図９のステップ３）。電磁ブレーキの場合、固定架台４側に設けられているブレーキパッド２２を、回転フレーム１の摩擦板２１に押圧させる。非接触ブレーキの場合、コイルとマグネットにより、回転フレームの部分若しくは全周に亘って回転を阻止する磁力を与える。
【００３２】
上記ステップ２とステップ３は逆でもよいし、同時でもよい。即ち、起動指示により、ＣＴ主制御部９は直ちに、回転フレーム１の回転を阻止させるブレーキ装置２０を作動し、ブレーキ装置作動後、ＤＤモータ駆動回路１４に短時間だけ駆動電流を供給して、前記複数のステータコイル１２に通電してもよい。更に、起動指示により、ＤＤモータ駆動回路１４に短時間だけ駆動電流を供給して、前記複数のステータコイル１２に通電すると同時に、ＣＴ主制御部９が直ちに、回転フレーム１の回転を阻止させるブレーキ装置２０を作動することにしてもよい。
【００３３】
回転阻止により回転フレーム１に微振動が生じると、磁極位置の自動検出が開始される（図９のステップ４）。磁極位置の検出は、磁極位置検出７によって回転フレーム１の振動開始時点から、振動が収束して回転フレーム１が停止するまでの時間を計測する磁気センサ５からのエンコードパルス数に基づき行われる。
【００３４】
回転フレーム１が停止すると磁極位置検出が終了する（図９のステップ５）。ＣＴ主制御部９は、磁極位置特定オペレーションを終了して、ブレーキ装置２０を解除する（図９のステップ６）。従って、回転フレーム１は自由に回転できるので、ＣＴ主制御部９は、通常のスキャン可能な回転速度となるように、回転フレーム１を加速させる（図９のステップ７）。回転速度が所定速度に達して安定すると、Ｘ線ＣＴ装置１００としての本来の目的である投影データ収集のためのスキャンが開始される（図９のステップ８）。
【００３５】
ブレーキ装置２０のブレーキパッド２２は、電磁駆動ユニットにより駆動させる。尚、油圧、ガス圧、空気圧など各種の駆動ユニットを適宜採用することができる。摩擦板２１の配置も、回転フレーム１の側面方向に限らず、周面方向でも良い。その配置面に応じてブレーキパッド２２を固定架台４に設置すれば良い。さらに摩擦板２１は、特別の部材を貼付するのではなく、回転フレーム１自体であっても良く、回転フレーム１の表面にブレーキパッド２２を押し当てるようにしても良い。勿論、前述のように、磨耗を防止するため、コイルとマグネットを用いた非接触ブレーキ機構にすることもできる。
【００３６】
本実施形態は、回転フレームが固定架台の内側を回転するように構成されるＸ線ＣＴ装置、及び回転フレームが固定架台の外側を回転するように構成されるＸ線ＣＴ装置のいずれにも適用できることは勿論である。
【００３７】
本実施形態によれば、回転フレームを固定架台に対して例えばエアベアリングのような非接触支持機構によって支持するＤＤモータ駆動システム方式Ｘ線ＣＴ装置において、始動時の磁極位置を容易に検出でき、確実にＤＤモータを起動して、速やかに投影データの収集を開始することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１００‥Ｘ線ＣＴ装置、
１‥環状回転フレーム
２‥Ｘ線管
３‥Ｘ線検出器
４‥固定架台
５‥磁気センサ
６‥信号処理ユニット
７‥磁極位置特定部
８‥サーボアンプ
９‥ＣＴ主制御部
１１‥ロータマグネット
１２‥ステータコイル
１４‥ＤＤモータ駆動回路
２０‥ブレーキ装置
２１‥摩擦板
２２‥ブレーキパッド
【図１】
0005512392.tif 000002
【図２】
0005512392.tif 000003
【図３】
0005512392.tif 000004
【図４】
0005512392.tif 000005
【図５】
0005512392.tif 000006
【図６】
0005512392.tif 000007
【図７】
0005512392.tif 000008
【図８】
0005512392.tif 000009
【図９】
0005512392.tif 000010