(57)【要約】【課題】Ｘ線管装置用の高電圧スイッチ回路で、絶縁対策や電界に依存しない信号の受送信を不要とすることにより、小型、低コスト化を図る。【解決手段】アノードとアースの間、及びアースとカソードの間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチＳ（１）〜Ｓ（ｎ）からなる二段の半導体スイッチ群と、複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサＣｂ（１）と〜Ｃｂ（ｎ）、第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段Ｒｇ（１）〜Ｒｇ（ｎ）と、半導体スイッチ群各々の複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する半導体スイッチ制御回路である波尾遮断制御回路１４を備え、アノードとアースの間及びアースとカソードの間に接続される半導体スイッチ群各々を、ＰチャネルおよびＮチャネルのＭＯＳＦＥＴで構成する。【選択図】図４
2018037146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管装置のアノードとカソードの間に接続される高電圧スイッチ回路であって、
前記アノードとアースの間、及び前記アースと前記カソードの間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチからなる半導体スイッチ群と、
前記複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサと、
前記第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段と、
前記半導体スイッチ群各々の前記複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、前記半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する高電圧スイッチ制御回路と、を備え、
前記アノードと前記アースの間及び前記アースと前記カソードの間に接続される前記半導体スイッチ群は、動作の異なる半導体スイッチで構成される、
ことを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項２】
請求項1記載の高電圧スイッチ回路であって、
前記アノードと前記アースの間に接続された前記半導体スイッチ群の前記動作の異なる半導体スイッチはＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴであり、
前記アースと前記カソードの間に接続された前記半導体スイッチ群の前記動作の異なる半導体スイッチはＰチャネルＭＯＳ型ＦＥＴである、
ことを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項３】
請求項1記載の高電圧スイッチ回路であって、
前記複数の半導体スイッチは、放電用抵抗を介して前記アノードと前記カソードに接続される、
ことを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項４】
請求項１に記載の高電圧スイッチ回路であって、
前記高電圧スイッチ制御回路は、前記アノードと前記アースの間に接続された前記半導体スイッチ群と、前記アースと前記カソードの間に接続された前記半導体スイッチ群における前記半導体スイッチの導通の波尾遮断動作のタイミングが異なるときに自動調整を行う、
ことを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項５】
Ｘ線管装置のアノードとカソードの間に接続される高電圧スイッチ回路であって、
前記アノードとアースの間、及び前記アースと前記カソードの間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチからなる半導体スイッチ群と、
前記複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサと、
前記第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段と、
前記半導体スイッチ群各々の前記複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、前記半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する高電圧スイッチ制御回路と、を備え、
前記高電圧スイッチ制御回路は、前記アノードと前記アースの間に接続された前記半導体スイッチ群と、前記アースと前記カソードの間に接続された前記半導体スイッチ群における前記半導体スイッチの導通の波尾遮断動作のタイミングが異なるときに自動調整を行う、
ことを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項６】
請求項５記載の高電圧スイッチ回路であって、
前記アノードと前記アースの間、及び前記アースと前記カソードの間に接続された前記半導体スイッチ群の半導体スイッチはＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴである、
ことを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項７】
単相交流電源に接続され、交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
変換された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、
変換された高周波交流電圧を昇圧する高電圧変圧器と、
昇圧された高周波交流高電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、
変換された直流高電圧が供給されるＸ線管装置と、
前記高電圧整流器に並列接続され、請求項１乃至６のいずれか一項記載の高電圧スイッチ回路を含む波尾遮断回路と、
前記Ｘ線管装置のＸ線曝射信号に基づき前記波尾遮断回路を制御する制御回路と、を備え、
前記高電圧スイッチ制御回路は、前記制御回路から前記Ｘ線曝射信号を受信する、
ことを特徴とするＸ線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧スイッチ回路とそれを用いたＸ線装置に係り、特に半導体スイッチ素子のターンオン時の急峻な電圧変化の抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｘ線装置のＸ線検出器には、半導体を材料とするフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）が多く用いられている。ＦＰＤではＸ線曝射後にＸ線検出データを読み出すための読出期間が必要である。このＸ線検出データの読出期間を確保するため、Ｘ線源からのＸ線の照射を断続するパルスＸ線と称するＸ線照射方式が採用されている。パルスＸ線照射方式では、Ｘ線源へ供給される高電圧電源の電圧（以降「管電圧」と称する）の波形がパルス状となる。
【０００３】
このパルスＸ線では、Ｘ線の照射状態から停止状態へ切り替わっても暫くの間、Ｘ線源への電圧供給が完全に断たれる事がなく、低エネルギーのＸ線を照射し続ける「波尾」と称する現象が起こることが知られている。「波尾」現象の長時間化は、被検体への無効被曝、Ｘ線画像の画質低下などの影響が懸念される。そこで、波尾を出来るだけ早期に遮断する技術として波尾遮断回路を用いる技術が採用される。このＸ線源の波尾遮断回路の一例は、例えば、特許文献１に開示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３７９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した波尾を高速に遮断するための波尾遮断回路では、その電力用半導体スイッチ素子にＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用することが多く、一般的なＮチャネルＭＯＳＦＥＴのみを使用して波尾遮断回路を構成している。しかしながら、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの特性上、低電圧から高電圧に向かってスイッチング動作を行わなければならず、Ｘ線源のカソード側などのマイナスの高電圧に対しては、高電圧側からのスイッチング動作が必要になる。そのため、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート駆動回路用の絶縁用トランスおよび光ファイバーなどの絶縁対策や電界の影響を受けない信号の送信が必要となり、実装するためのスペースや費用などが掛かってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、半導体スイッチ素子のターンオン時の急峻な電圧変化を抑制することを可能とする、小型で低コストの高電圧スイッチ回路、及びそれを用いたＸ線装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明においては、Ｘ線管装置のアノードとカソードの間に接続される高電圧スイッチ回路であって、アノードとアースの間、及びアースとカソードの間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチからなる半導体スイッチ群と、複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段と、半導体スイッチ群各々の複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する高電圧スイッチ制御回路を備え、アノードとアースの間及びアースとカソードの間に接続される半導体スイッチ群は、動作の異なる半導体スイッチで構成される構成の高電圧スイッチ回路を提供する。
【０００８】
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、Ｘ線管装置のアノードとカソードの間に接続される高電圧スイッチ回路であって、アノードとアースの間、及びアースとカソードの間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチからなる半導体スイッチ群と、複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段と、半導体スイッチ群各々の複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する高電圧スイッチ制御回路を備え、高電圧スイッチ制御回路は、アノードとアースの間に接続された半導体スイッチ群と、アースとカソードの間に接続された半導体スイッチ群における半導体スイッチの導通の波尾遮断動作のタイミングが異なるときに自動調整を行う構成の高電圧スイッチ回路を提供する。
【０００９】
更に、上記の目的を達成するため、本発明においては、単相交流電源に接続され、交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、変換された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、変換された高周波交流電圧を昇圧する高電圧変圧器と、昇圧された高周波交流高電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、変換された直流高電圧が供給されるＸ線管装置と、高電圧整流器に並列接続され、上記の高電圧スイッチ回路を含む波尾遮断回路と、Ｘ線管装置のＸ線曝射信号に基づき波尾遮断回路を制御する制御回路を備え、高電圧スイッチ回路の高電圧スイッチ制御回路は、制御回路からＸ線曝射信号を受信する構成のＸ線装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安価で部品点数が削減しても品質の高い高電圧スイッチ回路、及びそれを用いたＸ線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】波尾遮断回路を用いたインバータ式のＸ線装置の一構成例を示す図である。
【図２】波尾遮断回路の高電圧スイッチ回路を説明するための図である。
【図３】従来の波尾遮断回路の構成例を示す図である。
【図４】実施例１に係る、波尾遮断回路の高電圧スイッチ回路の一構成例を示す図である。
【図５】実施例１に係る、波尾遮断回路の波尾遮断動作における管電圧および波尾遮断制御の信号を示す図である。
【図６】実施例１に係る、波尾遮断回路のスイッチタイミング動作時間の自動調整方法を説明するためのフローチャート図である。
【図７】実施例２に係る、波尾遮断回路の高電圧スイッチ回路の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための種々の実施例を図面に従い説明する。異なる図面中の同一の数番は同一物を示している。まず、本発明の理解を図るため、図１−図３を用いて、各実施例の高電圧スイッチ回路が共通して利用されるＸ線装置、及び波尾遮断回路高電圧スイッチ回路の構成、及び従来の波尾遮断回路の一例を説明する。
【００１３】
インバータ式のＸ線装置はＸ線管装置など次に示す各構成要素から構成される。図１に示すように整流器１は、単相交流電源２に接続され、単相交流電源２から供給される商用の交流電圧を直流電圧に変換する。整流器１に接続される平滑コンデンサ３は、整流器１によって変換された直流電圧に含まれる脈動成分を除去し、平滑化する。平滑コンデンサ３に接続されるインバータ回路４は、平滑コンデンサ３によって平滑化された直流電圧を高周波交流電源に変換する。インバータ回路４に接続される高電圧変圧器５は、インバータ回路４によって変換された高周波交流電圧を昇圧する。高電圧変圧器５に接続される高電圧整流器６は、高電圧変圧器５によって昇圧された高周波交流電圧を整流して直流高電圧に変換する。高電圧整流器６に接続される高電圧コンデンサ８は、高電圧整流器６によって変換された直流高電圧に含まれる脈動成分を除去し、平滑化する。
【００１４】
Ｘ線管装置９は高電圧コンデンサ８と接続され、高電圧コンデンサ８によって平滑化された直流高電圧が供給され、Ｘ線を曝射する。制御回路１０は、インバータ回路４にＸ線曝射を指令するものである。ここでは、Ｘ線曝射指令の信号であるＸ線曝射信号が制御回路１０からインバータ回路４に出力される。管電圧検出回路７は高電圧整流器６に並列に接続され、高電圧整流器６によって出力された直流高電圧を分圧し低電圧に変換した信号を制御回路１０にフィードバックする。波尾遮断回路１１は高電圧コンデンサ８に並列接続され、制御回路１０からのＸ線曝射信号に基づき、インバータ回路４の停止後に高電圧コンデンサ８に充電された直流高電圧を高速に遮断、すなわち波尾を遮断する。
【００１５】
図２に、図１のＸ線装置中の波尾遮断回路１１の一構成例を示す。波尾遮断回路１１は、高電圧スイッチ回路１３を備え、上述したように半導体スイッチは、一般的にＮチャネルＭＯＳＦＥＴスイッチが複数段直列接続されて形成されている。複数段直列接続される半導体スイッチをＳ（１）〜Ｓ（n）（nは正の整数）とする。スイッチＳ（１）は、Ｘ線管装置９のカソード（Ｋ）側に配置され、スイッチＳ（１）のゲート、ソース間に駆動回路１２を介して波尾遮断制御回路１４から制御信号が与えられ、スイッチＳ（１）の導通が制御される。この制御信号は、上述したＸ線曝射信号に基づき波尾遮断制御回路１４で生成される。スイッチＳ（２）は、スイッチＳ（１）のドレイン側に直接接続され、スイッチＳ（３）は、スイッチＳ（２）のドレイン側に直接接続され、・・・スイッチＳ（n）は、スイッチＳ（n−１）のドレイン側に直接接続される。このように、スイッチＳ（２）〜スイッチＳ（n）は、スイッチＳ（１）の動作に追従動作するように制御される。波尾遮断制御回路１４と駆動回路１２は、高電圧スイッチ回路１３の複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチＳ（１）を導通制御することで、半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチＳ（２）〜Ｓ（n）の導通を制御する波尾遮断開始手段として機能する高電圧スイッチ制御回路とを構成する。
【００１６】
なお図２では、駆動回路１２及び波尾遮断制御回路１４からなる高電圧スイッチ制御回路を波尾遮断回路１１の外部に図示したが、駆動回路１２及び波尾遮断制御回路１４からなる高電圧スイッチ制御回路を含めて、波尾遮断回路と呼ぶ場合がある。また、波尾遮断制御回路１４をＸ線装置の制御回路１０に一体化して構成しても良い。制御回路１０や高電圧スイッチ制御回路である波尾遮断制御回路１４は、ハードウェアで実現可能であり、また、中央処理部（ＣＰＵ）によるプログラム実行によって実現することもできる。
【００１７】
ツェナーダイオードＤza（２）〜Ｄza（n）は、スイッチＳ（１）に順次直列接続された他の各スイッチＳ（２）〜スイッチＳ（n-1）のソース、ゲート間にそれぞれ接続される。第一の電流制限手段である抵抗Ｒg（１）〜Ｒg（n）には、Ｘ線管装置９のアノード（Ａ）側がスイッチＳ（２）〜スイッチＳ（ｎ）のゲート側になるように、ダイオードＤａ（１）〜Ｄａ（ｎ）を並列接続している。第一のコンデンサＣｂ（１）〜Ｃｂ（ｎ）には、各スイッチに印加される電圧が分圧されるようにバランス抵抗Ｒｂ（１）〜Ｒｂ（ｎ）が並列接続される。ダイオードＤＬは、スイッチＳ（ｎ）のアノード（Ａ）側に直列接続され、逆流電流を防止する。そして、放電抵抗ＲＤ、ＲＤ’はこの場合、ダイオードＤＬの更にアノード（Ａ）と、カソード（Ｋ）に直接接続され、Ｘ線管装置９からの放電電流を消費する。また、スイッチＳ（１）〜Ｓ（ｎ）のドレイン、ソース間には、第二のコンデンサＣｓ（１）〜Ｃｓ（ｎ）と第二の電流制限手段である抵抗Ｒｓ（１）〜Ｒｓ（ｎ）とからなる直列回路が接続される。それぞれ同様の記号で示されたＳ、Ｃｂ、Ｃｓ、Ｒｇ、Ｒｂ、Ｄａ、Ｄｚａなどの素子の電気特性は、それぞれほぼ同一である。
【００１８】
次に、図２の波尾遮断回路１１に含まれる高電圧スイッチ回路１３の動作について説明する。スイッチＳ（１）は、そのゲート、ソース間に与えられる駆動信号１２が正でないとき、遮断状態である。他のスイッチＳ（２）〜Ｓ（ｎ）は、スイッチＳ（１）に追従して動作するため、スイッチＳ（１）と同様に遮断状態である。つまり、スイッチＳ（１）〜Ｓ（ｎ）がすべて遮断状態であるため、高電圧スイッチ回路１３はオフ状態である。オフ状態の高電圧スイッチ回路１３は、Ｘ線管装置のアノード（Ａ）―カソード（Ｋ）間に電圧が印加されると、バランス抵抗Ｒｂ（１）〜Ｒｂ（ｎ）によって印加された電圧が分圧されて、それぞれのコンデンサＣｂ（１）〜Ｃｂ（ｎ）にはほぼ均等に電圧が充電される。スイッチＳ（１）〜Ｓ（ｎ）にもほぼ均等に電圧が分担される。
【００１９】
次に、スイッチＳ（１）のゲート、ソース間に与えられる駆動回路１２からの駆動信号が正とすると、スイッチＳ（１）は導通が開始される。この導通開始により第一のコンデンサＣｂ（１）の電荷は、第一の電流制限手段Ｒｇ（１）、スイッチＳ（２）のゲート、ソース、及びスイッチＳ（１）のドレイン、ソースを介して放電が開始される。第二のコンデンサＣs（１）の電荷は、放電開始されると第二の電流制限手段Ｒs（１）、スイッチＳ（１）のゲート、ソース、を介して放電が開始される。この放電開始により、スイッチＳ（２）のゲート、ソース間には、スイッチＳ（２）が導通開始するために必要十分な電圧が印加される。この電圧の印加により、スイッチＳ（２）は導通が開始される。なお、ツェナーダイオードＤｚａ（２）はスイッチＳ（２）のゲート、ソース間の電圧を所定値以下に抑制する。スイッチＳ（３）〜Ｓ（ｎ）は、スイッチＳ（２）と同様に順次導通が開始され、スイッチＳ（１）〜Ｓ（ｎ）は、全てオン状態となる。
【００２０】
スイッチＳ（１）のゲート、ソース間に与えられる駆動回路１２からの駆動信号を負にすると、スイッチＳ（１）は遮断状態となって電流が流れなくなる。このとき、アノード（Ａ）―カソード（Ｋ）間に電圧が印加されると、電流がスイッチＳ（２）のゲート、ソースとダイオードＤａ（１）〜Ｄａ（ｎ）及び第一のコンデンサＣｂ（１）と、第二の電流制限手段である抵抗Ｒｓ（１）及び第二のコンデンサＣｓ（１）を通して流れる。スイッチＳ（２）のゲート、ソース間に蓄えられた電荷は放電されるとスイッチＳ（２）は遮断状態となる。スイッチＳ（３）〜Ｓ（ｎ）は、スイッチＳ（２）と同様にして順次遮断状態となり、スイッチＳ（１）〜Ｓ（ｎ）は、オフ状態となる。
【００２１】
図３は、上述した波尾遮断回路１１の従来の一構成を示す図である。Ｘ線高電圧装置１５は図１で説明した整流器１、平滑コンデンサ３、インバータ回路４、高電圧変圧器５、高電圧整流器６、管電圧検出回路７、高電圧コンデンサ８、そして制御回路１０から構成されているものとする。図２、図３で使われている半導体スイッチは高速かつ一般的なＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるが、一つ一つは管電圧に対して非常に低い耐電圧のため、例えば二百個程度の数を使用する必要がある。このため、図２のようにアノード―カソード間に一貫して接続すると、半導体スイッチが全てＯＮするまでの時間が長くなってしまう。そこで、従来は図３に示す構成により、半導体スイッチ群をアース（接地）を挟んだアノードアース間、およびアースカソード間の二段構成とし、各段に対してそれぞれ波尾遮断制御回路１４に接続された駆動回路からなる波尾遮断開始手段である高電圧スイッチ制御回路を用意することで、全ての半導体スイッチがＯＮするまでの時間を半分にするよう構成している。
【００２２】
しかしＮチャネルＭＯＳＦＥＴをＯＮ状態にするためにはゲート―ソース間に正の電位を与えなければならない特性上、図３の矢印である各半導体スイッチ群のスイッチ点弧順序に示したように、それぞれ低電位から高電位に向かってスイッチ動作をさせなければならない。そして、例えば、アノード−カソード間に１５万Ｖの電圧を掛ける場合、アースカソード間のカソード側に対しては、−７．５万Ｖといったマイナスの高電圧側からスイッチ動作をする必要がある。その場合、カソード側の駆動回路１２はカソード側と同じ電位に帯電する必要があり、発生器側に対して絶縁をする必要があるため、カソード側の駆動回路１２に電源を供給する際に絶縁トランス１７を接続しなければならない。また高電圧に帯電しているカソード側の駆動回路１２に低電圧の信号線を接続することは不具合の原因になりかねないため、電界の影響を受けない光ファイバー１６を接続する構成にする必要がある。
【００２３】
一方、アノードアース間のアノード側の波尾遮断開始手段として機能する高電圧スイッチ制御回路を構成する駆動回路１２は、アース側に接続されているため、理論的には光ファイバーおよび絶縁トランスを接続する必要はない。しかしながら、波尾遮断動作のスイッチタイミングのバランスをアノードアース間、アースカソード間で取るために、アノードアース間の駆動回路も光ファイバーおよび絶縁トランスに接続している。
【００２４】
このように、従来の波尾遮断回路においては、波尾遮断動作開始直後の過電流を制限するための放電抵抗ＲＤをアースとの間に接続する場合は半導体スイッチが順番に点弧している過程で高電圧に帯電していくため、図３に示すように、光ファイバー１６および絶縁トランス１７がカソード側とアノード側の両極とも必要となり、回路構成の大型化、部品コストの高額化をもたらしている。それに対し、以下順次説明する本発明の各実施例の構成によれば、光ファイバーおよび絶縁トランスの設置数を低減することにより、安価で部品点数が削減しても品質の高い高電圧スイッチ回路、及びそれを用いたＸ線装置を提供することができる。
【実施例１】
【００２５】
実施例１は、アノード側およびカソード側に各々動作の異なる半導体スイッチ素子として、ＮチャネルおよびＰチャネルの２種類のＭＯＳＦＥＴを接続する構成の波尾遮断回路用の高電圧スイッチ回路の実施例であり、特にカソード側に接続されているＭＯＳＦＥＴとしてＰチャネルを用いる構成の実施例である。すなわち、Ｘ線管装置のアノードとカソードの間に接続される高電圧スイッチ回路であって、アノードとアース間、及びアースとカソード間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチからなる半導体スイッチ群と、複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段と、半導体スイッチ群各々の複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する高電圧スイッチ制御回路を備え、アノードとアース間及びアースとカソード間に接続される半導体スイッチ群は、動作の異なる半導体スイッチで構成される構成の高電圧スイッチ回路の実施例である。
【００２６】
また、実施例１は、単相交流電源に接続され、交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、変換された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、変換された高周波交流電圧を昇圧する高電圧変圧器と、昇圧された高周波交流高電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、変換された直流高電圧が供給されるＸ線管装置と、高電圧整流器に並列接続され、上記の高電圧スイッチ回路を含む波尾遮断回路と、Ｘ線管装置のＸ線曝射信号に基づき波尾遮断回路を制御する制御回路を備え、高電圧スイッチ回路の高電圧スイッチ制御回路は、制御回路からＸ線曝射信号を受信するＸ線装置の実施例である。
【００２７】
図４は、本実施例の高電圧スイッチ回路を使った波尾遮断回路の一構成例を示す図である。同図に明らかなように、カソード側に接続されている半導体スイッチ群のＭＯＳＦＥＴをＮチャネルからＰチャネルに変更している。動作の異なる半導体スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴとＰチャネルＭＯＳＦＥＴの違いは、スイッチをＯＮ状態にするためにＮチャネルＭＯＳＦＥＴはゲートに正の電圧を必要とするが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴはゲートに負の電圧を必要とする。この特性によりカソード側は高電位から低電位に向かってスイッチ動作を行うことが可能となる。その結果、図３に示したような絶縁トランスや光ファイバー等の利用が不要となり、回路構成の大型化、部品コストの高額化を防ぐことができる。なお、図４の波尾遮断回路の高電圧スイッチ回路の動作機能については図２で説明したものと同等であるのでここでは説明を省略する。
【００２８】
図５は、本実施例の動作の異なる半導体スイッチであるＮチャネル、Ｐチャネルの２種類のＭＯＳＦＥＴで構成された波尾遮断回路１１におけるアノード側、カソード側の管電圧と波尾遮断制御の信号、及びインバータ制御の信号を示す図である。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴはＯＮ状態の動作条件がＮチャネルＭＯＳＦＥＴと正反対の関係にあるが、耐電圧、スイッチング時間などの仕様が異なるため、アノード側とカソード側で使用するＮチャネル、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴの数量が異なる場合がある。その場合使用するＭＯＳＦＥＴの数によっては、アノード側とカソード側とでスイッチタイミングを合わせられない状況が想定される。
【００２９】
図３の従来構成で説明したＮチャネルＭＯＳＦＥＴのみを使用した場合、同じ仕様のものを複数個使用しているのでアノード側もカソード側も1本の制御信号を２本に分岐させて同時にスイッチング動作を開始させ、ほぼ同じ時間にスイッチング動作を終了させることができる。しかしながら、アノード側、カソード側それぞれで、Ｎチャネル、ＰチャネルのＭＯＳＦＥＴを使用する場合、同時にスイッチング動作を開始しても終了するタイミングがずれてしまう現象が発生する可能性がある。タイミングがずれてしまうと波尾遮断動作がアノード側およびカソード側でアンバランスの状態で行われる。
【００３０】
Ｘ線装置の一つである中性点タイプのＸ線診断装置では、Ｘ線曝射中のアノード側およびカソード側の管電圧のバランスを監視しており、片極の放電などでアンバランスが起きる場合に、制御回路１０によりインバータ回路４を停止する機能が備えられていることが一般的であり、波尾遮断動作がアンバランス状態で行われると、アノード側とカソード側で管電圧のアンバランスとなるその差分が閾値を超えると、制御回路１０が誤認により上記の機能を使って図１のインバータ回路４を停止してしまう。波尾遮断動作は主にパルス透視術式で行われているため、術式が中断されてしまうなどの不具合が起きてしまう。それを回避するために図４の構成においてアノード側とカソード側でスイッチング動作のタイミングを操作する必要がある。
【００３１】
そのため本実施例の高電圧スイッチ回路では、制御回路１０からのＸ線曝射信号を受け、波尾遮断制御回路１４は波尾遮断信号を二個生成し、波尾遮断信号線をアノード側およびカソード側で各々一本ずつ接続する構成とした。通常、アノード側とカソード側でスイッチング動作開始のタイミングである波尾遮断制御は、図５の左側の波形に示すように、インバータ制御の信号であるＸ線曝射信号の立下り後に同時に始まって同時に終わるが、カソード側の終了時間が時間差分１８だけ遅かった場合、アノード側から波尾遮断動作２０が開始するので、波尾遮断動作中の管電圧のアンバランスが発生してしまう。
【００３２】
そこで、本実施例の構成においては、アノードの管電圧とカソードの管電圧のスイッチング動作時間１９の終了時間を合わせるために、図５の右側の波形に示すように、スイッチング動作時間１９の早い方をＸ線曝射信号の立下りからみて遅くする。なお、遅い方を早くする場合、インバータ回路停止時の立下り時間、波尾遮断制御信号の立ち上がり時間が重なってしまうと、別の不具合が発生する恐れがあるため、早い方をＸ線曝射信号の立下りからみて遅くする構成とした。
【００３３】
なお、アノード側およびカソード側のスイッチング動作時間１９の時間差分１８については、管電圧のフィードバックから管電圧が立下り始める時間などを記録して算出することができる。ＭＯＳＦＥＴの仕様上、スイッチング時間が把握できれば、計算的に決まったタイミングでスイッチング動作を行うことによりタイミングを合わせることは可能であるが、半導体スイッチング素子のバラつきや温度特性などで変化してしまう場合、使用するスイッチング半導体の数だけタイミングがズレ、計算のみの制御では対応できなくなる可能性がある。そこで好適には、以下に説明する自動で調整する機能を備えるよう構成すると良い。
【００３４】
図６は、実施例１の高電圧スイッチ回路において、アノード側およびカソード側でスイッチタイミングがずれてしまった場合に自動補正するための動作のフローチャートを示す。なお、この自動制御の動作フローは、波尾遮断制御回路１４や制御回路１０で実現される。
【００３５】
まず、図４の実施例の構成において、アノード・カソードの管電圧のアンバランスが検出されたときに（Ｓ６０１）調整モードに移行する（Ｓ６０２）。制御回路１０や波尾遮断制御回路１４は、アノード側およびカソード側の管電圧のフィードバックデータより両極の各管電圧遮断開始までの時間を検出し（Ｓ６０３）、遮断開始時間がずれているか否かを判定する（Ｓ６０４）。ずれている場合、スイッチング動作時間１９の時間差分１８を検出し（Ｓ６０５）、所定の閾値を超えていないか判定する（Ｓ６０７）。遮断開始時間がずれていない、すなわち時間差分１８がゼロであれば、他の箇所で管電圧のアンバランスの要因となる不具合が発生したと判断し警告を出力する（Ｓ６０６）。
【００３６】
時間差分１８があった場合、算出された時間差分１８に対してスイッチング動作時間１９の早い側の波尾遮断制御信号をずれた時間分遅く発信する（Ｓ６０８）。それにより、アノード側およびカソード側のスイッチング動作時間２４に終了時間を同時に合わせることができるのでパルス透視ＯＮとすることができる（Ｓ６０９）。ただし、パルス透視で管電圧のフードバック波形においてパルス幅は管電流値に依存しているため、本提案によるスイッチタイミングの調整方法で大幅に調整された際に管電流の実測値が設定値と異なると、画質などに影響が出る可能性がある。そのため、時間差分１８に対して閾値を設けると共に、管電流の実測値が設定値とすれているか否かを判定し（Ｓ６１０）、管電流の実測値が設置値とずれている場合（Ｙｅｓ）、補正不能、要装置交換を警告する（Ｓ６１１）。ずれていない場合（Ｎｏ）は装置復旧（Ｓ６１２）として、自動補正を終了する。
【００３７】
以上説明した実施例１の構成により、それぞれＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを利用した高電圧スイッチ回路に波尾遮断制御信号を送信する際に、絶縁用トランスおよび光ファイバーを不要として、安価で部品点数が削減しても品質の高い高電圧スイッチ回路、及びそれを用いたＸ線装置を提供することができる。更に、パルス透視術式のＸ線装置の管電流値に影響を及ぼさないことが可能となり、想定外の不具合に対処することができる。
【実施例２】
【００３８】
実施例２は、実施例１の構成と異なり、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのみを使用し、且つアノード側の光ファイバーおよび絶縁トランスを削除して安価で部品点数を削減した波尾遮断回路の実施例である。すなわち、Ｘ線管装置のアノードとカソードの間に接続される高電圧スイッチ回路であって、アノードとアース間、及びアースとカソード間に接続され、それぞれ直列接続される複数の半導体スイッチからなる半導体スイッチ群と、複数の半導体スイッチ各々に並列接続される第一のコンデンサと、第一のコンデンサ毎に直列接続される第一の電流制限手段と、半導体スイッチ群各々の複数の半導体スイッチの内の一つの半導体スイッチを導通制御することで、半導体スイッチ群各々の他の半導体スイッチの導通を制御する高電圧スイッチ制御回路とを備え、高電圧スイッチ制御回路は、アノードとアース間に接続された半導体スイッチ群と、アースとカソード間に接続された半導体スイッチ群における半導体スイッチの導通の波尾遮断動作のタイミングが異なるときに自動調整を行う構成の高電圧スイッチ回路の実施例である。
【００３９】
図７は、本実施例の波尾遮断回路１１の一構成例を示す図である。本実施例の構成は、図３に示したＮチャネルＭＯＳＦＥＴのみを使用した波尾遮断回路と比較し、アノード側の光ファイバーおよび絶縁トランスを削除し、カソード側の光ファイバーおよび絶縁トランスのみを利用することにより、光ファイバーおよび絶縁トランスをカソード側とアノード側の両極に設置する必要がなくなるため、部品点数を削減し、原価の低額化を図ることができる。
【００４０】
しかしながら本構成においても、図５を用いて説明したアノード側、カソード側の波尾遮断開始手段として機能する高電圧スイッチ制御回路のスイッチタイミングのアンバランスが発生する。これは、スイッチング動作時間１９の影響は半導体スイッチ素子のバラつきや温度特性だけでなく、光ファイバー１６と駆動回路および絶縁トランス１７も同様に温度などの特性で時間にバラつきが出る可能性があるためである。そこで、本実施例の波尾遮断回路の構成においても、図５および図６で説明したスイッチング動作時間１９の自動調整制御を波尾遮断制御回路１４で構成される高電圧スイッチ制御回路に適用する。これにより、二段構成の中性点接地型の高電圧スイッチ回路において、片極の光ファイバーや絶縁トランスなどの部品を削除してアンバランスな回路構成とした場合でも、スイッチングタイミングのアンバランスに対応することが可能となり、安価で部品点数が削減しても品質の高い高電圧スイッチ回路、及びそれを用いたＸ線装置を提供することができる。
【００４１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。アノードとカソードで動作の異なる半導体スイッチ素子として、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴとＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合を説明したが、動作の異なる半導体スイッチ素子をソリッドステートリレーなどで実現しても良い。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００４２】
更に、上述した各構成、機能、制御回路等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。すなわち、制御回路の全部または一部の機能は、プログラムに代え、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などの集積回路などにより実現してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  整流器
２  単相交流電源
３  平滑コンデンサ
４  インバータ回路
５  高電圧変圧器
６  高電圧整流器
７  管電圧検出回路
８  高電圧コンデンサ
９  Ｘ線管装置
１０  制御回路
１１  波尾遮断回路
１２  駆動回路
１３  高電圧スイッチ回路
１４  波尾遮断制御回路
１５  Ｘ線高電圧装置
１６  光ファイバー
１７  絶縁トランス
１８  時間差分
１９  スイッチング動作時間
２０  波尾遮断動作
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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