(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流信号が１次側に入力されるパルストランス、前記パルストランスの２次側に接続されたゲートドライブ回路、および前記ゲートドライブ回路によりオンオフ制御される半導体スイッチから構成される、第１の半導体スイッチ回路と、
前記第１の半導体スイッチ回路に順次直列接続され，前記第１の半導体スイッチ回路と同様の構成の第２〜第ｎ（但し、ｎは２以上の整数）の半導体スイッチ回路と、を備え、
前記第１〜第（ｎ−１）の半導体スイッチ回路のパルストランスの２次側はそれぞれ前記第２〜第ｎの半導体スイッチ回路のパルストランスの１次側に接続され、
前記第１の半導体スイッチ回路のパルストランスに入力される前記交流信号に基づいて、前記第１〜第ｎの各半導体スイッチ回路における半導体スイッチがゲートドライブ回路によって同期的にオンオフ制御されることを特徴とする高電圧スイッチ回路。
【請求項２】
直流電源の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータによって変換された交流電圧を昇圧して高電圧に変換する高電圧トランスと、
前記高電圧トランスによって変換された高電圧をさらに昇圧するとともに整流して直流高電圧に変換する昇圧整流回路と、
前記昇圧整流回路によって変換された直流高電圧が供給されることにより、アノードからＸ線を照射するＸ線管と、
前記昇圧整流回路の出力部と前記アノードの間に配置され、スイッチの開閉によって、前記アノードに対する前記直流高電圧の供給状態を制御するスイッチ手段と、
前記Ｘ線管からＸ線パルスを照射させるために、前記スイッチ手段を制御する制御部と、を備え、
前記スイッチ手段が、前記昇圧整流回路の出力部と前記アノードの間に接続された、請求項１に記載の高電圧スイッチ回路を含み、
前記制御部は、前記Ｘ線パルスの照射期間において前記高電圧スイッチ回路をオン状態とする一方、前記Ｘ線パルスの非照射期間において前記高電圧スイッチ回路をオフ状態とすることを特徴とするＸ線パルス発生装置。
【請求項３】
前記スイッチ手段が、スイッチの開閉によって、前記高電圧スイッチ回路の出力部と前記アノードの間の高電圧伝送路に対して正または負のインパルス電圧を重畳させるインパルス電圧重畳回路をさらに含み、
前記制御部は、前記Ｘ線パルスの照射開始における前記高電圧スイッチ回路がオン状態となる直前に、前記高電圧伝送路に対して前記インパルス電圧重畳回路から正のインパルス電圧を重畳させ、前記正のインパルス電圧が最大値となるタイミングにあわせて、前記高電圧スイッチ回路をオン状態とすることを特徴とする請求項２に記載のＸ線パルス発生装置。
【請求項４】
前記スイッチ手段が、スイッチの開閉によって、前記高電圧スイッチ回路の出力部と前記アノードの間の高電圧伝送路に対して正または負のインパルス電圧を重畳させるインパルス電圧重畳回路をさらに含み、
前記制御部は、前記Ｘ線パルスの照射終了における前記高電圧スイッチ回路がオフ状態となるタイミングにあわせて、前記高電圧伝送路に対して前記インパルス電圧供給回路から負のインパルス電圧を重畳させることを特徴とする請求項２に記載のＸ線パルス発生装置。
【請求項５】
前記昇圧整流回路がコッククロフト・ウォルトン回路からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のＸ線パルス発生装置。
【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およびこれを用いたＸ線パルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療現場においては、患者等のＸ線断層投影画像を取得するために、Ｘ線を連続的に発生させて患者に照射するＸ線発生装置が用いられている。しかしながら、この連続的なＸ線照射による患者の被曝量は大きい上、装置の大規模化や消費電力が大きくなるという問題もあるため、今日では、これらに配慮したＸ線発生装置の開発が求められている。
【０００３】
ところで、例えばＦＰＤ（Flat Panel Detector）を用いたＸ線断層投影において、Ｘ線を連続的に照射するだけでなく、パルス状のＸ線（以下、「Ｘ線パルス」という）を間欠的に発生させて照射することも可能な、Ｘ線パルス発生装置が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。
このＸ線パルス発生装置によれば、Ｘ線パルスレート（単位時間あたりのＸ線パルス照射回数）を減らすことで、患者の被曝低減を図ることができる。
このＸ線パルス発生装置は、非特許文献１の図１０に示されるように、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（高周波インバータ回路）と、この交流電圧を昇圧して高電圧に変換する高電圧トランス（高電圧変圧器）と、この高電圧を整流して直流高電圧に変換する高電圧整流器と、この直流高電圧が高電圧ケーブルを介して供給されることによりＸ線を照射するＸ線管と、このＸ線管に並列接続され、互いに直列接続された放電抵抗（電流制御用インピーダンス）および高電圧スイッチ回路（高電圧半導体スイッチ）からなる波尾消去回路と、この高電圧スイッチ回路を駆動する駆動回路と、を備える。
【０００４】
このＸ線パルス発生装置では、Ｘ線パルスの照射・非照射はインバータの駆動・停止により制御される。すなわち、インバータの駆動時には、Ｘ線管に直流高電圧が供給されて、Ｘ線管からＸ線パルスが照射される一方、インバータの停止時には、Ｘ線管に直流高電圧が供給されず、Ｘ線管からＸ線パルスは照射されない。
【０００５】
また、このＸ線パルス発生装置では、放電抵抗および高電圧スイッチ回路によって、後述するような「波尾消去機能」が実現される。
ここで、波尾消去機能を有しないＸ線パルス発生装置の場合、Ｘ線管の管電圧は、Ｘ線パルスの照射終了後、すぐに低下せず、例えば数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃ程度の長時間にわたって徐々に低下していく。これは、高電圧整流器とＸ線管の間の高電圧ケーブルに付随（残留）する電荷が、高インピーダンスのＸ線管を経由して徐々に放電されるからである。そして、この低い管電圧成分によってＸ線管から軟Ｘ線が発生する。この管電圧の低下部分は「波尾」と呼ばれる。この長時間にわたる波尾による軟Ｘ線の発生は、断層投影画像の画質低下、患者の無効被曝等の問題を引き起こす。
そこで、この問題を解決するため、このＸ線パルス発生装置は、Ｘ線パルスの照射終了時（インバータの駆動終了時）に、駆動回路によって高電圧スイッチ回路をオン状態（導通状態）にして、高電圧ケーブルに付随する電荷を放電抵抗で短時間に放電させることにより、管電圧の波尾を消去するように構成されている（以下、この機能を「波尾消去機能」という）。
【０００６】
さらに、このＸ線パルス発生装置の高電圧スイッチ回路の回路構成が、具体的に開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
この高電圧スイッチ回路は、Ｘ線管に並列接続されるものであって、特許文献１の図２に示されるように、直列接続された複数の半導体スイッチの直列接続体と、アノードに最も近い半導体スイッチと該アノードの間に接続された放電抵抗と、を備える。この高電圧スイッチ回路を用いたＸ線パルス発生装置は、Ｘ線パルスの照射終了時に、カソードに最も近い半導体スイッチが導通制御されて残りの半導体スイッチが順次導通制御され、高電圧スイッチ回路がオン状態となり、高電圧ケーブルに付随する電荷が放電抵抗で放電されることによって、波尾消去機能を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ＭＥＤＩＸ Vol.38（2003年3月発行）技術レポート「FPD 搭載デジタルイメージングシステム VersiFlexの開発  ３１頁の図１０および図１１」、株式会社日立メディコのホームページ、平成２２年５月検索、インターネットＵＲＬ＜http://www.hitachi-medical.co.jp/medix/pdf/vol38/P27-32.pdf＞
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
しかしながら、上記の従来技術の、高電圧スイッチ回路およびこれを用いたＸ線パルス発生装置は、以下の課題を有していた。
【００１０】
＜１＞高電圧ケーブルに付随する電荷を放電抵抗で短時間に放電させるため、アノードとカソードの間に印加された例えば１００ｋＶ以上もの高電圧による過大な過渡電流に耐えられるだけの、高電圧スイッチ回路が必要になる。すなわち、この高電圧スイッチ回路においては、高電圧・大電流に対応可能な半導体スイッチが必要になるため、その構成が大規模になる上、消費電力も大きい。また、ＦＰＤを用いたＸ線断層投影においては、例えば１つの断層投影画像をＸ線パルス照射による１００枚の投影画像から再構成して作成するため、大電流が放電抵抗で繰り返し放電されることによる発熱も大きくなる。
【００１１】
＜２＞Ｘ線パルスの照射終了後の管電圧の立下り時間（以下、「波尾長」という）は上記高電圧ケーブルに付随する数１００〜数１０００ｐＦ程度の大きなコンデンサ（静電容量）と放電抵抗との時定数で決定されるため、その波尾長は改善されたといえども依然として長い。このため、軟Ｘ線による患者の被曝低減が十分なされたとは言い難い。
【００１２】
＜３＞高電圧スイッチ回路をオン状態としたときに高電圧ケーブルに付随するコンデンサの電荷が放電抵抗で放電されるので、Ｘ線パルスの照射毎に、該コンデンサの初期充電を繰り返す必要があり、効率が悪い。また、この初期充電に必要な励磁電流を高電圧トランスから逐次供給する必要があるため、例えばＸ線パルス照射による１００枚の投影画像を取得する場合において、消費電力は大きくなる。
【００１３】
したがって、本発明の課題は、大規模な構成の高電圧スイッチ回路が不要で、消費電力が低減され、被曝低減を十分になしうる高電圧スイッチ回路およびこれを用いたＸ線パルス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、本発明者らは、誠意検討を重ねた結果、従来技術とは全く異なる原理および新規な構成で、上記の課題を解決できるとともに、波尾消去機能をも実現しうる、高電圧スイッチ回路およびこれを用いたＸ線パルス発生装置を完成させるに至った。
上記の課題を解決するため、本発明に係る高電圧スイッチ回路は、（１）交流信号が１次側に入力されるパルストランス、前記パルストランスの２次側に接続されたゲートドライブ回路、および前記ゲートドライブ回路によりオンオフ制御される半導体スイッチから構成される、第１の半導体スイッチ回路と、前記第１の半導体スイッチ回路に順次直列接続され，前記第１の半導体スイッチ回路と同様の構成の第２〜第ｎ（但し、ｎは２以上の整数）の半導体スイッチ回路と、を備え、前記第１〜第（ｎ−１）の半導体スイッチ回路のパルストランスの２次側はそれぞれ前記第２〜第ｎの半導体スイッチ回路のパルストランスの１次側に接続され、前記第１の半導体スイッチ回路のパルストランスに入力される前記交流信号に基づいて、前記第１〜第ｎの各半導体スイッチ回路における半導体スイッチがゲートドライブ回路によって同期的にオンオフ制御されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るＸ線パルス発生装置は、（２）直流電源の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータによって変換された交流電圧を昇圧して高電圧に変換する高電圧トランスと、前記高電圧トランスによって変換された高電圧をさらに昇圧するとともに整流して直流高電圧に変換する昇圧整流回路と、前記昇圧整流回路によって変換された直流高電圧が供給されることにより、アノードからＸ線を照射するＸ線管と、前記昇圧整流回路の出力部と前記アノードの間に配置され、スイッチの開閉によって、前記アノードに対する前記直流高電圧の供給状態を制御するスイッチ手段と、前記Ｘ線管からＸ線パルスを照射させるために、前記スイッチ手段を制御する制御部と、を備え、前記スイッチ手段が、前記昇圧整流回路の出力部と前記アノードの間に接続された、上記の構成（１）の高電圧スイッチ回路を含み、前記制御部は、前記Ｘ線パルスの照射期間において前記高電圧スイッチ回路をオン状態とする一方、前記Ｘ線パルスの非照射期間において前記高電圧スイッチ回路をオフ状態とすることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成（２）において、（３）前記スイッチ手段が、スイッチの開閉によって、前記高電圧スイッチ回路の出力部と前記アノードの間の高電圧伝送路に対して正または負のインパルス電圧を重畳させるインパルス電圧重畳回路をさらに含み、前記制御部は、前記Ｘ線パルスの照射開始における前記高電圧スイッチ回路がオン状態となる直前に、前記高電圧伝送路に対して前記インパルス電圧重畳回路から正のインパルス電圧を重畳させ、前記正のインパルス電圧が最大値となるタイミングにあわせて、前記高電圧スイッチ回路をオン状態とすることが好ましい。
【００１７】
上記の構成（２）において、（４）前記スイッチ手段が、スイッチの開閉によって、前記高電圧スイッチ回路の出力部と前記アノードの間の高電圧伝送路に対して正または負のインパルス電圧を重畳させるインパルス電圧重畳回路をさらに含み、
前記制御部は、前記Ｘ線パルスの照射終了における前記高電圧スイッチ回路がオフ状態となるタイミングにあわせて、前記高電圧伝送路に対して前記インパルス電圧供給回路から負のインパルス電圧を重畳させることが好ましい。
【００１８】
上記の構成（２）〜（４）のいずれかにおいて、（５）前記昇圧整流回路がコッククロフト・ウォルトン回路からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、大規模な構成の高電圧スイッチ回路が不要で、消費電力が低減され、被曝低減を十分になしうる高電圧スイッチ回路およびこれを用いたＸ線パルス発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るＸ線パルス発生装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のＸ線パルス発生装置の具体的な回路図である。
【図３】図１のＸ線パルス発生装置の動作を説明するための各信号の時間波形を示す図であり、（Ａ）はインバータ制御信号Ｓｉｇ４（ｔ）の時間波形を示す図、（Ｂ）はインバータドライブ信号Ｓｉｇ５（ｔ）の時間波形を示す図、（Ｃ）は第１の制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）の時間波形を示す図、（Ｄ）は第２の制御信号Ｓｉｇ２（ｔ）の時間波形を示す図、（Ｅ）は第３の制御信号Ｓｉｇ３（ｔ）の時間波形を示す図、（Ｆ）はインパルス電圧重畳回路から出力される正負のインパルス電圧の時間波形を示す図、（Ｇ）は管電圧の時間波形を示す図である。
【図４】本発明の高電圧スイッチ回路を含むスイッチ手段を使用しない場合と使用した場合の、管電圧の波形を比較したシミュレーション結果であり、（Ａ）は高電圧スイッチ回路を使用しない場合の管電圧の時間波形を示す図、（Ａ’）は（Ａ）の時間波形の立ち上がり部分の拡大図、（Ｂ）は高電圧スイッチ回路を使用した場合の管電圧の時間波形を示す図、（Ｂ’）は（Ｂ）の時間波形の立ち上がり部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（Ｘ線パルス発生装置の構成）
図１は、本発明に係るＸ線パルス発生装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明に係るＸ線パルス発生装置１は、インバータ２と、高電圧トランス３と、昇圧整流回路４Ａ、４Ｂと、スイッチ手段５と、Ｘ線管１０と、制御部１１とを備える。
【００２３】
インバータ２は、直流電源１６の直流電圧を交流電圧に変換するものであり、例えば公知の共振型インバータからなる。
高電圧トランス３は、その１次側がインバータ２に接続され、インバータ２によって変換された交流電圧を昇圧して高電圧に変換するものであり、例えば同心円筒巻きのパルストランスからなる。
昇圧整流回路４Ａ、４Ｂは、いずれも高電圧トランス３の２次側に接続され、高電圧トランス３によって変換された高電圧をさらに昇圧するとともに整流して、それぞれ正および負の直流高電圧に変換するものである。
スイッチ手段５は、昇圧整流回路４Ａの出力部とアノードＡの間に配置され、スイッチの開閉によって、アノードＡに対する直流高電圧の供給状態を制御するものである。スイッチ手段５は、後述するような、いずれも外部からのスイッチ制御信号に基づいて、該スイッチ手段５内部のスイッチの開閉が制御される、高電圧スイッチ回路６とインパルス電圧重畳回路７を備える。
Ｘ線管１０は、アノードＡとカソードＫを有する２極管のものからなる。アノードＡは、スイッチ手段５を介して昇圧整流回路４Ａに接続されている。カソードＫは、昇圧整流回路４Ｂに接続されるとともに、そのフィラメント部分がヒータ回路１７に接続されている。ヒータ回路１７は、制御部１１からのヒータ回路制御信号に基づいて駆動され、カソードＫのフィラメントを所定の温度に加熱することによって、該フィラメントから熱電子を発生させるように構成されている。Ｘ線管１０は、アノードＡおよびカソードＫに対してそれぞれ正および負の直流高電圧が供給されて、フィラメントの熱電子がアノードＡのターゲットに衝突することにより、アノードＡからＸ線を照射する。
制御部１１は、このＸ線管１０からＸ線パルスの照射・非照射の制御を行うためのものである。制御部１１は、後述するように、スイッチ手段５を駆動する第１〜３のスイッチ駆動回路１２〜１４、およびインバータ２を駆動するインバータ駆動回路１５に対し、それぞれ、第１〜３のスイッチ制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）〜Ｓｉｇ３（ｔ）、およびインバータ制御信号Ｓｉｇ４（ｔ）を出力し、インバータ２、およびスイッチ手段５を制御するように構成されている。
【００２４】
図２は、図１のＸ線パルス発生装置１の具体的な回路図である。なお、図２においては、説明を簡略化するために、直流電源１６およびヒータ回路１７が省略されている。
図２に示すように、昇圧整流回路４Ａ、４Ｂは、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａ、４Ｂからなる。コッククロフト・ウォルトン回路４Ａ、４Ｂは、所定の直流高電圧を出力できるように、ともに複数段接続されたコンデンサおよびダイオードから構成される。コッククロフト・ウォルトン回路４Ａは、その最後段の出力部から正の直流高電圧を出力する。コッククロフト・ウォルトン回路４Ｂは、その最後段の出力部から負の直流高電圧を出力する。
【００２５】
高電圧スイッチ回路６は、交流信号印加部ＨＦＶと、第１〜第ｎ（ただし、ｎは２以上の整数）の半導体スイッチ回路Ｓ１〜Ｓｎと、を備える。
交流信号印加部ＨＦＶは、制御部１１からの第１のスイッチ制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）に基づいて第１のスイッチ駆動回路１２から駆動信号を受けて、例えば高周波パルス信号等の交流信号を第１の半導体スイッチ回路Ｓ１に出力するものである。
第１の半導体スイッチ回路Ｓ１は、パルストランスＰＴＲ１、ゲートドライブ回路ＧＤ１、および半導体スイッチＳｗ１から構成される。
パルストランスＰＴＲ１の１次側は、交流信号印加部ＨＦＶと接続され、交流信号が入力される。パルストランスＰＴＲ１の２次側は、ゲートドライブ回路ＧＤ１、および図示しない第２の半導体スイッチ回路Ｓ２のパルストランスＰＴＲ２の１次側と接続されている。
ゲートドライブ回路ＧＤ１は、整流回路（ダイオードＤ１〜Ｄ４から構成）と、定電圧回路（抵抗Ｒ１、Ｒ２、ツェナーダイオードＺＤ、およびＮＰＮトランジスタＴｒ１から構成）と、放電回路（抵抗Ｒ３、Ｒ４、およびＰＮＰトランジスタＴｒ２から構成）とからなる。
半導体スイッチＳｗ１は、例えばＩＧＢＴからなり、ゲートドライブ回路ＧＤ１によりオンオフ制御される。
第２〜第ｎの半導体スイッチ回路Ｓｎ（但し、ｎは２以上の整数）は、いずれも第１の半導体スイッチ回路Ｓ１と同様の構成のものであり、第１の半導体スイッチ回路Ｓ１に順次直列接続されている。また、第１〜第（ｎ−１）の半導体スイッチ回路のパルストランスの２次側はそれぞれ第２〜第ｎの半導体スイッチ回路のパルストランスの１次側に接続されている。
ここで、半導体スイッチ回路の個数ｎは、第１〜第ｎの各半導体スイッチの耐電圧の和が、高電圧スイッチ回路６の入力部（第ｎの半導体スイッチ回路Ｓｎの半導体スイッチＳｗｎの入力端）と出力部（第１の半導体スイッチ回路Ｓ１の半導体スイッチＳｗ１の出力端）の電位差よりも大きくなるように、決定される。
【００２６】
次に、高電圧スイッチ回路６の動作について簡単に説明する。
制御部１１からの第１のスイッチ制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）がＬレベルのとき、交流信号印加部ＨＦＶからの交流信号は高電圧スイッチ回路６に入力されないので、第１〜第ｎの各半導体スイッチ回路Ｓ１〜Ｓｎはいずれもオフしたままである。すなわち、高電圧スイッチ回路６はオフ状態である。
次に、このオフ状態で、第１のスイッチ制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）がＨレベルとなると、交流信号印加部ＨＦＶからの交流信号がパルストランスＰＴＲ１の１次側に入力される。このパルストランスＰＴＲ１の２次側に出力された交流信号は、ゲートドライブ回路ＧＤ１の整流回路に入力されて整流される。この整流された交流信号は、さらに定電圧回路に入力されてＮＰＮトランジスタＴｒ１をオンさせ、ツェナーダイオードＺＤで定められる所定の大きさのオン信号に変換される。このオン信号が第１の半導体スイッチＳｗ１のゲートに入力され、該第１の半導体スイッチＳｗ１がオンする。
これと同様にして、第１の半導体スイッチ回路Ｓ１のパルストランスＰＴＲ１の２次側から出力された交流信号が第２〜第ｎの各半導体スイッチ回路Ｓ２〜Ｓｎにそれぞれ伝送されていき、第２〜第ｎの各半導体スイッチＳｗ２〜Ｓｗｎがゲートドライブ回路ＧＤ２〜ＧＤｎによって同期的にオンする。これにより、高電圧スイッチ回路６はオン状態となる。
最後に、高電圧スイッチ回路６がオン状態で、第１のスイッチ制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）がＬレベルとなると、各第１〜第ｎの各半導体スイッチ回路Ｓ１〜ＳｎのパルストランスＰＴＲ１〜ＰＴＲｎには交流信号が伝送されなくなくなる。これによって、各ゲートドライブ回路ＧＤ１〜ＧＤｎにおいて、定電圧回路のＮＰＮトランジスタＴｒ１がオフするとともに放電回路のＰＮＰトランジスタＴｒ２がオンする。これによって、第１〜第ｎの各半導体スイッチＳｗ１〜Ｓｗｎのゲートのオン信号が放電回路によってリセットされ、全ての第１〜第ｎの半導体スイッチＳｗ１〜Ｓｗｎがオフする。これにより、高電圧スイッチ回路６はオフ状態となる。
【００２７】
インパルス電圧重畳回路７は、高電圧スイッチ回路６の出力部とアノードＡの間の高電圧伝送路ＳＬに接続され、スイッチの開閉によって該高電圧伝送路ＳＬに対して正負のインパルス電圧を重畳させるものである。インパルス電圧重畳回路７は、インパルス電圧印加用スイッチ回路８とインパルス電圧極性切り替え回路９を備える。
【００２８】
インパルス電圧印加用スイッチ回路８は、高電圧スイッチ回路６の半導体スイッチ回路を２段構成としたものである。インパルス電圧印加用スイッチ回路８は、該高電圧スイッチ回路６と同様に、制御部１１からの第２のスイッチ制御信号Ｓｉｇ２（ｔ）に基づいて第２のスイッチ駆動回路１３から駆動信号を受けて、オンオフ制御される。
インパルス電圧印加用スイッチ回路８の入力部には、例えば、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａから得た所定の大きさの直流電圧ＶＩが、抵抗ＲＩおよびコンデンサＣＩからなるＲＣ回路を介して入力される。この直流電圧ＶＩは、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａが後述するような電圧保持機能を有しているため、当該コッククロフト・ウォルトン回路４Ａから常に供給されるようになっている。
なお、インパルス電圧印加用スイッチ回路８の半導体スイッチ回路が２段構成でよいのは、インパルス電圧印加用スイッチ回路８に入力される直流電圧ＶＩはコッククロフト・ウォルトン回路４Ａから出力される直流高電圧に比べて小さいためである。
【００２９】
インパルス電圧極性切り替え回路９は、インパルス電圧印加用スイッチ回路８の出力部に接続され、公知のスイッチ素子９ａ、９ｂを有する。スイッチ素子９ａ、９ｂは、インパルス電圧の正負極性を切り替えるために、出力ラインの切り替えを行うためのものである。各スイッチ素子９ａ、９ｂは、制御部１１からの第３のスイッチ制御信号Ｓｉｇ３（ｔ）に基づいて第３のスイッチ駆動回路１４から駆動信号を受けて、オンオフ制御される。
インパルス電圧極性切り替え回路９の出力部は昇圧パルストランスＣＰＴＲの１次巻線に接続され、該昇圧パルストランスＣＰＴＲの２次巻線の一方は、コンデンサＣＩ２を介して高電圧伝送路ＳＬと接続され、他方は、直列接続された抵抗ＲＸ２およびＣＸ２と接続されている。この構成によって、インパルス電圧極性切り替え回路９から出力された直流電圧ＶＩは、昇圧パルストランスＣＰＴＲによって適切な増幅率で昇圧され、後述するような直流高電圧（コッククロフト・ウォルトン回路４Ａから出力される直流高電圧と同じ電圧）に変換され、コンデンサＣＩ２のコンデンサ結合によって高電圧伝送路ＳＬに供給される。
【００３０】
（Ｘ線パルス発生装置の動作）
図３は、図１のＸ線パルス発生装置１の動作を説明するための各信号の時間波形を示す図である。
図２および図３を参照して、このＸ線パルス発生装置１の動作について、制御部１１、インバータ２、高電圧スイッチ回路６およびインパルス電圧重畳回路７の各動作と関連付けながら説明する。なお、図３（Ａ）〜（Ｇ）において、縦軸は各信号の大きさ、横軸は時間ｔ（ただし、ｔ１〜ｔ９は時刻であり、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４＜ｔ５＜ｔ６＜ｔ７＜ｔ８＜ｔ９とする）を表している。
【００３１】
まず、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａの電圧保持機能について簡単に説明する。
インバータ２が停止している期間（Ｘ線パルスの非照射期間）において、これ以前のインバータ２の駆動によって昇圧整流されたコッククロフト・ウォルトン回路４Ａの出力部の直流高電圧（出力部に付随する電荷）は、高電圧スイッチ回路６がオフ状態となっているため、低下しない（電荷が放電されない）。このため、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａは、インバータ２の停止時や駆動時に関係なく、その出力部において常に一定の直流高電圧を保持することができる（以下、これを「電圧保持機能」という）。
【００３２】
さて、Ｘ線パルス発生装置１の動作について説明すると、まず、制御部１１は、インバータ２を駆動する前（Ｘ線パルスの照射開始前）に、インパルス電圧重畳回路７を駆動させる。
すなわち、制御部１１は、図３（Ｅ）に示すように、時刻ｔ１のタイミングで、Ｈレベルの第３の制御信号Ｓｉｇ３（ｔ）を第３のスイッチ駆動回路１４に出力する。これによって、インパルス電圧極性切り替え回路９のスイッチ素子９ａ、９ｂを制御して、高電圧伝送路ＳＬに正のインパルス電圧が供給されうるように出力ラインを切り替える。そして、制御部１１は、図３（Ｄ）に示すように、時刻ｔ２のタイミングで、Ｈレベルの第２の制御信号Ｓｉｇ２（ｔ）を第２のスイッチ駆動回路１３に出力する。これによって、インパルス電圧印加用スイッチ回路８をオン状態とする。このとき、図３（Ｆ）に示すように、インパルス電圧重畳回路７から正のインパルス電圧が高電圧伝送路ＳＬに供給されるようになる。
したがって、この正のインパルス電圧によって、図３（Ｇ）に示すように、高電圧スイッチ回路６がオン状態となる直前に、Ｘ線管１０の管電圧が上昇し、Ｘ線管１０がＸ線照射を可能な程度の励起状態にせしめられる。
【００３３】
次に、Ｘ線パルス照射を開始させるために、制御部１１は、図３（Ａ）および（Ｃ）に示すように、正のインパルス電圧が最大値となるタイミング、すなわち時刻ｔ３のタイミングで、Ｈレベルのインバータ制御信号Ｓｉｇ４（ｔ）をインバータ駆動回路１５に出力するとともに、Ｈレベルの第１の制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）を第１のスイッチ駆動回路１２に出力する。これによって、インバータ駆動回路１５が図３（Ｂ）に示すような高周波のインバータドライブ信号Ｓｉｇ５（ｔ）をインバータ２に出力し、該インバータ２の駆動が開始されるとともに、第１のスイッチ駆動回路１２が高電圧スイッチ回路６をオン状態にする。さらに、Ｘ線管１０のカソードＫにはコッククロフト・ウォルトン回路４Ｂから負の直流高電圧が供給される一方、アノードＡに至る高電圧伝送路ＳＬには、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａから供給された正の直流高電圧に対して、インパルス電圧重畳回路７から供給された正のインパルス電圧が重畳される。なお、正のインパルス電圧の最大値は、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａから出力される直流高電圧の大きさとほぼ等しいことが好ましい。
したがって、高電圧スイッチ回路６は、該高電圧スイッチ回路６の入力部と出力部の電位が実質的に同じ電位となった状態で、オン状態となる。
【００３４】
次に、制御部１１は、図３（Ｄ）に示すように、時刻ｔ４のタイミングで、Ｌレベルの第２の制御信号Ｓｉｇ２（ｔ）を第２のスイッチ駆動回路１３に出力する。これによって、インパルス電圧印加用スイッチ回路８をオフ状態とする。このとき、図３（Ｆ）に示すように、インパルス電圧重畳回路７から高電圧伝送路ＳＬに出力されるインパルス電圧はゼロなる。また、このとき、Ｘ線管１０のアノードＡにはコッククロフト・ウォルトン回路４Ａからの直流高電圧が供給され続けている。
【００３５】
次に、制御部１１は、図３（Ｅ）に示すように、時刻ｔ５のタイミングで、Ｌレベルの第３の制御信号Ｓｉｇ３（ｔ）を第３のスイッチ駆動回路１４に出力する。これによって、インパルス電圧極性切り替え回路９のスイッチ素子９ａ、９ｂをオフとする。
したがって、インパルス電圧重畳回路７は完全に停止状態となる。
【００３６】
次に、制御部１１は、インバータ２を停止する前（Ｘ線パルスの照射終了前）に、インパルス電圧重畳回路７を再度駆動させる。
すなわち、制御部１１は、図３（Ｅ）に示すように、時刻ｔ６のタイミングで、Ｈレベルの第３の制御信号Ｓｉｇ３（ｔ）を第３のスイッチ駆動回路１４に出力する。これによって、インパルス電圧極性切り替え回路９のスイッチ素子９ａ、９ｂを制御して、高電圧伝送路ＳＬに負のインパルス電圧が供給されうるように出力ラインを切り替える。
【００３７】
次に、Ｘ線パルス照射を終了させるために、制御部１１は、図３（Ａ）および（Ｃ）に示すように、時刻ｔ７のタイミングで、Ｌレベルのインバータ制御信号Ｓｉｇ４（ｔ）をインバータ駆動回路１５に出力し、Ｌレベルの第１の制御信号Ｓｉｇ１（ｔ）を第１のスイッチ駆動回路１２に出力する。これによって、インバータ駆動回路１５からのインバータドライブ信号Ｓｉｇ５（ｔ）がインバータ２に出力されなくなるとともに、交流信号印加部ＨＦＶからの交流信号が高電圧スイッチ回路６に出力されなくなる。したがって、該インバータ２が停止するとともに、高電圧スイッチ回路６がオフ状態となる。
また、制御部１１は、図３（Ｄ）に示すように、時刻ｔ７のタイミングで、Ｈレベルの第２の制御信号Ｓｉｇ２（ｔ）を第２のスイッチ駆動回路１３に出力する。これによって、インパルス電圧印加用スイッチ回路８をオン状態とする。このとき、図３（Ｆ）に示すように、インパルス電圧重畳回路７から負のインパルス電圧が高電圧伝送路ＳＬに供給されるようになる。これによって、高電圧伝送路ＳＬにおいて、高電圧スイッチ回路６の出力部の直流高電圧に対して、インパルス電圧重畳回路７から供給された負のインパルス電圧が重畳されて、該直流高電圧が瞬時にゼロレベルまで降下する。すなわち、高電圧伝送路ＳＬに付随する電荷が負のインパルス電圧によって放電され、管電圧の波尾が瞬時に消去され、波尾長が大変短くなる。
【００３８】
その後、制御部１１は、図３（Ｄ）に示すように、時刻ｔ８のタイミングで、Ｌレベルの第２の制御信号Ｓｉｇ２（ｔ）を第２のスイッチ駆動回路１３に出力する。これによって、インパルス電圧印加用スイッチ回路８をオフ状態とする。このとき、図３（Ｆ）に示すように、インパルス電圧重畳回路７から高電圧伝送路ＳＬに重畳されるインパルス電圧はゼロなる。
【００３９】
最後に、制御部１１は、図３（Ｅ）に示すように、時刻ｔ９のタイミングで、Ｌレベルの第３の制御信号Ｓｉｇ３（ｔ）を第３のスイッチ駆動回路１４に出力する。これによって、インパルス電圧極性切り替え回路９のスイッチ素子９ａ、９ｂをオフとする。
したがって、インパルス電圧重畳回路７は再び完全に停止状態となる。
この動作を繰り返すことで、Ｘ線パルス発生装置１からＸ線パルスが所定のパルスレートで照射される。
【００４０】
（本発明の効果）
本発明に係る高電圧スイッチ回路およびこれを用いたＸ線パルス発生装置は、以下の効果を有している。
【００４１】
＜１＞この高電圧スイッチ回路６は、昇圧整流回路４ＡとアノードＡの間に直列接続されてオンオフ制御され、特に、オフ状態からオン状態となるときには、該高電圧スイッチ回路６の入力部と出力部が実質的に同じ電位とされる。したがって、高電圧スイッチ回路６がオン状態となるときに、当該回路６を流れる電流は極めて小さく、従来技術のような、大電流に対応させた半導体スイッチ（半導体スイッチ回路）は不要となる。すなわち、小電流に対応可能な半導体スイッチ（半導体スイッチ回路）で代用できるため、その構成が小規模になる上、消費電力も極めて小さくなる。また、従来技術のような、大電流が放電抵抗で繰り返し放電されることによる発熱もない。
【００４２】
＜２＞Ｘ線パルスの照射終了後の管電圧の波尾は、インパルス電圧重畳回路７による高電圧伝送路ＳＬへの急峻な負のインパルス電圧の供給によって瞬時に消去される。したがって、波尾長を従来と比べて短くすることができる。これにより、軟Ｘ線による患者の被曝低減が十分に実現されうる。
【００４３】
ところで、図４（Ａ）および（Ｂ）は、スイッチ手段５を使用しない場合と使用した場合の、管電圧の波形を比較したシミュレーション結果である。図４（Ａ’）および（Ｂ’）は、それぞれ図４（Ａ）および（Ｂ）の波形の立ち上がり部分の拡大図である。
図４の（Ａ’）と（Ｂ’）を比較して明らかなように、スイッチ手段５を使用したＸ線パルス発生装置１では、それを使用しないものと比べて、管電圧の立ち上がりが緩やかになっている。これは、高電圧スイッチ回路６がオン状態となる直前に、高電圧伝送路ＳＬにおいてスイッチ手段５のインパルス電圧重畳回路７から正のインパルス電圧が重畳されるからである。これによって、高電圧スイッチ回路６の各半導体スイッチＳｗ１〜Ｓｗｎに流れる電流は小さなものなり、当該各半導体スイッチＳｗ１〜Ｓｗｎが保護される。
また、図４の（Ａ）と（Ｂ）を比較して明らかなように、スイッチ手段５を使用したＸ線パルス発生装置１では、それを使用しないものと比べて、波尾長が大きく短縮されていることがわかる。これは、高電圧スイッチ回路６がオフ状態となると同時に、高電圧伝送路ＳＬにおいてスイッチ手段５のインパルス電圧重畳回路７から負のインパルス電圧が重畳されるからである。このように、本発明のＸ線パルス発生装置１においても、従来技術とは全く異なる原理および構成の高電圧スイッチ回路で、波尾消去機能を実現することができる。
【００４４】
＜３＞このＸ線パルス発生装置１では、高電圧スイッチ回路６がオフ状態となっても、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａが上記の電圧保持機能を有する。したがって、従来技術のように、Ｘ線パルスの照射毎に高電圧ケーブルのコンデンサの初期充電を繰り返す必要はなく、非常に効率が良い。また、従来技術のような、初期充電に必要な励磁電流を高電圧トランスから逐次供給する必要もないため、例えばＸ線パルス照射による１００枚の投影画像を取得する場合においては、極めて省電力化の効果は大きくなる。
【００４５】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の構成はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
上記実施例で説明した、インバータ２、高電圧トランス３、昇圧整流回路４Ａ、４Ｂ、およびスイッチ手段５等の各構成はいずれも一例にすぎない。
コッククロフト・ウォルトン回路４Ａ、４Ｂは３段構成としたが、これに限定されるものではなく、所定の直流高電圧が得られるように任意の段数構成としてもよい。
【００４７】
インパルス電圧印加用スイッチ回路８に入力される直流電圧ＶＩは、コッククロフト・ウォルトン回路４Ａからではなく公知の直流電源から得るようにしてもよい。
また、インパルス電圧印加用スイッチ回路８における半導体スイッチ回路の段数や昇圧パルストランスＣＰＴＲの増幅率は、適宜決定されうる。例えば、直流電圧ＶＩとしてコッククロフト・ウォルトン回路４Ａの最終段から得られるような直流高電圧を扱う場合には、耐圧を考慮して半導体スイッチ回路の段数を増加させ、昇圧パルストランスＣＰＴＲの増幅率を減らすようにすればよい。
さらに、インパルス電圧印加用スイッチ回路８において、２段構成の半導体スイッチ回路からなる高電圧スイッチ回路を使用したが、これに限定されるものではなく、インパルス電圧を印加制御可能な公知のスイッチ回路が使用されても良い。
【００４８】
インパルス電圧極性切り替え回路９は、２つのスイッチ素子９ａ、９ｂから構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、昇圧パルストランスＣＰＴＲに中間タップを設けて１つのスイッチで正および負の極性を切り替えられるような回路や、その他の公知の極性切り替え回路が使用されてもよい。
また、インパルス電圧極性切り替え回路９の出力は、コンデンサ結合によって高電圧伝送路ＳＬに供給される構成としたが、これに限定されるものではなく、トランス結合によって高電圧伝送路ＳＬに供給されるように構成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の高電圧スイッチ回路は、上記に述べたように、従来技術に比べて小規模なものとすることができるため、例えば小型化が要求されるような歯科用のＸ線パルス発生装置に用いることもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１  Ｘ線パルス発生装置
２  インバータ
３  高電圧トランス
４、４Ａ、４Ｂ  昇圧整流回路（コッククロフト・ウォルトン回路）
５  スイッチ手段
６  高電圧スイッチ回路
７  インパルス電圧重畳回路
８  インパルス電圧印加用スイッチ回路
９  インパルス電圧極性切り替え回路
９ａ、９ｂ  スイッチ素子
１０  Ｘ線管
１１  制御部
１２  第１のスイッチ駆動回路
１３  第２のスイッチ駆動回路
１４  第３のスイッチ駆動回路
１５  インバータ駆動回路
１６  直流電源
１７  ヒータ回路
Ａ  アノード
ＣＰＴＲ  昇圧パルストランス
ＣＩ、ＣＩ２、ＣＸ２  コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４  整流ダイオード
ＧＤ１〜ＧＤｎ  ゲートドライブ回路
ＨＦＶ  交流信号印加部
Ｋ  カソード
Ｓ１〜Ｓｎ  半導体スイッチ回路
ＳＬ  高電圧伝送路
Ｓｗ１〜Ｓｗｎ  半導体スイッチ
Ｓｉｇ１（ｔ）  第１のスイッチ制御信号
Ｓｉｇ２（ｔ）  第２のスイッチ制御信号
Ｓｉｇ３（ｔ）  第３のスイッチ制御信号
Ｓｉｇ４（ｔ）  インバータ制御信号
Ｓｉｇ５（ｔ）  インバータドライブ信号
ＰＴＲ１〜ＰＴＲｎ  パルストランス
Ｔｒ１  ＮＰＮトランジスタ
Ｔｒ２  ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１〜Ｒ４、ＲＩ、ＲＸ２  抵抗
ＺＤ  ツェナーダイオード
【図１】
0005821050.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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