(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振回路と、
直流電源と前記共振回路の間に接続されかつ直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記共振回路と負荷との間に接続され、前記交流電圧を整流し、負荷へ直流電圧を供給する整流回路と、
前記インバータを制御する制御手段と、を備えた高電圧装置において、
前記制御手段は、
前記インバータから前記共振回路へ供給する共振電流の周波数が前記インバータの駆動周波数と概ね等しくなるように動作する第１のモードと、
前記インバータから前記共振回路へ供給する共振電流の周波数が、前記インバータの駆動周波数の(自然数＋１)倍となるように動作する第２のモードと、
前記第１のモードと前記第２のモードを切り替える切替手段と、を備え、
前記負荷はＸ線管であることを特徴とする高電圧装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高電圧装置であって、
前記制御手段は、前記整流回路から出力され前記負荷へ供給される出力電圧が所定の値に到達するまでの期間は、前記第１のモードで動作し、前記出力電圧が前記所定の値に到達した以降の期間は、前記第２のモードで動作するように前記切替手段を制御することを特徴とする高電圧装置。
【請求項３】
請求項２に記載の高電圧装置であって、
前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段を備え、
前記切替手段は、前記出力電圧検出手段により検出した電圧値に基づいて前記第１のモードと前記第２のモードを切り替えることを特徴とする高電圧装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記インバータは、少なくとも１つ以上のスイッチング素子で構成され、
前記切替手段は、前記スイッチング素子のスイッチング周期中のオン又はオフが切り替わるタイミングで前記第１の動作モードと前記第２の動作モードを切り替えることを特徴とする高電圧装置。
【請求項５】
請求項１に記載の高電圧装置であって、
前記切替手段は、あらかじめ決められた前記出力電圧のパターンに基づいて、前記第１のモードと前記第２のモードを切り替えることを特徴とする高電圧装置。
【請求項６】
請求項５に記載の高電圧装置であって、
前記制御手段は、
前記出力電圧を複数の値に切り替えて動作する場合は、前記インバータは前記第１のモードで動作し、
前記出力電圧を概ね一定として動作する場合は、前記インバータは前記第２のモードで動作することを特徴とする高電圧装置。
【請求項７】
請求項１ないし６に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記第１のモードの共振電流の周波数と、前記第２のモードの共振電流の周波数が概ね等しいことを特徴とする高電圧装置。
【請求項８】
請求項１ないし７に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記インバータから出力される前記共振電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電流検出手段は前記共振電流のゼロクロス点を検出することを特徴とする高電圧装置。
【請求項９】
請求項１ないし８に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記第１の動作モード又は前記第２の動作モードにおいて、前記インバータの駆動周波数を変化することを特徴とする高電圧装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記共振回路は、トランスと、前記トランスの一次巻線に直列接続された直列共振インダクタと、前記トランスの二次側巻線の両端と並列接続された並列共振コンデンサとを備えたことを特徴とする高電圧装置。
【請求項１１】
請求項１ないし９に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記共振回路は、トランスと、前記トランスの一次巻線と直列接続された直列共振コンデンサ及び直列共振インダクタと、前記トランスの二次巻線の端子間に並列接続された並列共振コンデンサとを備えたことを特徴とする高電圧装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記整流回路はコッククロフト回路であることを特徴とする高電圧装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１２に記載のいずれかの高電圧装置であって、
前記整流回路は倍電圧整流回路であることを特徴とする高電圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線ＣＴ装置や一般Ｘ線撮影装置をはじめとしたＸ線装置や電子顕微鏡に搭載され、負荷へ直流の高電圧を供給する高電圧装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、Ｘ線ＣＴ装置や一般Ｘ線撮影装置をはじめとしたＸ線装置では、負荷であるＸ線管へ数十ｋＶ〜１００ｋＶ程度の直流の高電圧を供給する必要がある。そのため、Ｘ線管へ高電圧を供給する高電圧装置として、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている構成が用いられる。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２に記載のＸ線高電圧装置では、商用電源を入力し直流電圧を出力するコンバータと、直流電圧を入力して高周波の交流電圧を生成するインバータと、交流電圧を昇圧して整流回路へ供給するトランスと、交流電圧を入力して直流電圧を生成する整流回路（例えば、多段倍電圧整流回路やコッククロフト・ウォルトン回路）で構成され、直流の高電圧をＸ線管へ供給する構成となっている。
【０００４】
近年、Ｘ線ＣＴ装置では、被検者の低被ばく化や、撮影画像の高精度化の観点から、スキャン中にエネルギーの異なるＸ線ビームを照射し、Ｘ線透過データを得るマルチエネルギー撮影技術が提案されている。マルチエネルギー撮影技術では、スキャン中にＸ線管の電圧（以下、管電圧と記す。）を数百μｓ周期で高速に切り替える必要があり、高電圧装置においてもＸ線管へ供給する出力電圧の立ち上がり及び立ち下がりの高速化が求められている。
【０００５】
管電圧の立ち上がり及び立ち下がりは、概ね整流回路の平滑コンデンサ容量に依存するため、平滑コンデンサ容量の低減が有効な手段である。しかしながら、Ｘ線装置では管電圧の脈動を規定値以下に抑える必要があるため、単純に整流回路の平滑コンデンサ容量を低減することはできない。
【０００６】
この課題を解決する手段として、インバータの駆動周波数を高周波化することが知られている。インバータの駆動周波数を高周波化することで、整流回路へ供給される交流電圧を高周波化することができるため、管電圧の脈動を抑制しながら、コンデンサ容量を低減できる。コンデンサ容量を低減することで、管電圧の立ち上がり及び立ち下がりの高速化が可能となる。また、インバータの駆動周波数を高周波化することで、出力電圧の応答速度を向上することができる。しかし、単純にインバータの駆動周波数を高周波化すると、スイッチング損失が増加するため、特に一定の管電圧を長期間維持して撮影する場合、スイッチング素子の冷却が困難になる課題がある。
【０００７】
Ｘ線高電圧装置の立ち上りを高速化する手段として、非特許文献３が開示されている。非特許文献３に記載の技術では、管電圧が所定の値となるまでの立ち上がり期間において、インバータから整流回路へ供給される出力電力を定常期間と比べて増加させることで管電圧の立ち上がりの高速化を図っている。これにより、インバータの駆動周波数を高周波化することなく、管電圧の立ち上がりの高速化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−４１０９３号公報
【特許文献２】特開２００９−４３５７１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｅｎｈｕｉ ＣＨＵ、石飛  学、Ｓｅｒｇｕｅｉ  Ｍｏｉｓｓｅｅｖ、平木  英治、中岡  睦雄：「Ｘ線管駆動用ゼロ電流ソフトスイッチングＰＦＭ高周波インバータ」、電子情報通信学論文誌Ｃ、Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｃ、Ｎｏ．５、ｐｐ．３５６−３６６  （２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献３に記載の技術では、平滑コンデンサ容量を同じ条件とした場合、管電圧の立ち上りの高速化に比例してインバータの出力電流を増加する必要があるため、スイッチング素子の冷却が困難になる課題がある。また、管電圧の立ち下がりは、Ｘ線管の等価抵抗値と、平滑コンデンサの静電容量の時定数に依存するため、非特許文献３に記載の技術では管電圧の立ち下がりを高速化することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、直流電源と共振回路の間に接続され、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記共振回路と、前記共振回路と負荷との間に接続され、交流電圧を整流し、負荷へ直流電圧を供給する整流回路と、前記インバータを制御する制御手段と、を備えた高電圧装置において、前記制御手段は、前記インバータから前記共振回路へ供給する共振電流の周波数が、前記インバータを駆動する周波数と概ね等しくなるように動作する第１のモードと、前記インバータから前記共振回路へ供給する共振電流の周波数が、前記インバータを駆動する周波数の(自然数＋１)倍となるように動作する第２のモードと、前記第１のモードと前記第２のモードを切り替える切替手段を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の望ましい実施態様によれば、定常期間におけるインバータのスイッチング損失の増加を抑制しながら、平滑コンデンサ容量を低減することが可能となる。さらに、出力電圧の立ち上り期間のみインバータの駆動周波数を高周波化することが可能となるため、定常期間におけるインバータの低損失化と、出力電圧の立ち上り及び立ち下がりの高速化を両立する高電圧装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の高電圧装置の回路構成図。
【図２】実施例１の高電圧装置の動作を説明するフローチャート。
【図３】実施例１の高電圧装置の動作を説明する波形図。
【図４】実施例１の高電圧装置の動作を説明する波形図。
【図５】実施例１の高電圧装置の動作を説明する波形図。
【図６】実施例２の高電圧装置の回路構成図。
【図７】実施例２の高電圧装置の動作を説明する波形図。
【図８】実施例３の高電圧装置の回路構成図。
【図９】実施例３の高電圧装置の動作を説明する波形図。
【図１０】実施例４の高電圧装置の回路構成図。
【図１１】実施例４の高電圧装置の動作を説明するフローチャート。
【図１２】実施例４の高電圧装置の動作を説明する図。
【図１３】実施例４の高電圧装置の動作を説明する図。
【図１４】実施例４の高電圧装置の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施例では、Ｘ線管を負荷としたＸ線画像診断装置を例に挙げて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１による高電圧装置の回路構成図である。この高電圧装置は、直流電源１を電源とし、インバータ２と、共振回路３と、整流回路４と、制御手段５と、電圧検出手段６で構成され、負荷であるＸ線管７へ直流の高電圧を供給する。
【００１６】
インバータ２は、直流電源１を入力として、共振回路３へ任意の周波数の交流電圧を出力するものであり、ブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ４で構成され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にはそれぞれ逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４が接続されている。
【００１７】
共振回路３は、トランス３１と、二次巻線Ｎ２の両端に並列接続された並列共振コンデンサＣｐから構成されており、整流回路４へ高周波の交流電力を供給する。トランス３１は、一次巻線Ｎ１と直列接続された共振インダクタＬｒと、一次巻線Ｎ１、磁性体コアＴ１、二次巻線Ｎ２から構成される。
【００１８】
整流回路４は、ブリッジ接続された整流ダイオードＤｒ１〜Ｄｒ４と、平滑コンデンサＣｍで構成され、並列共振コンデンサＣｐの端子間に出力される交流電圧を整流および平滑し、負荷７へ直流電圧を供給する。このとき、整流ダイオードＤｒ１〜Ｄｒ４には、数十〜百ｋＶ程度の高電圧が印加されるため、複数の素子を直列に接続した構成が用いられる。このように、複数の素子を直列接続して整流回路を構成する場合には、素子に印加される電圧を均等化するバランス用コンデンサを素子と並列に接続した構成としてもよい。
【００１９】
制御手段５は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御するものであり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート信号を生成するゲート信号生成手段５１と、基本共振モード５３と、Ｎ倍共振モード５４と、切替手段５２から構成される。
【００２０】
また、制御手段５は、電圧検出手段６と接続されており、Ｘ線管７の電圧（以下、管電圧と記す。）を検出することができる。切替手段５２は、電圧検出手段６から検出した管電圧に基づいて、基本共振モード５３とＮ倍共振モード５４を切り替える。
【００２１】
このように構成することで、インバータ２は、共振回路３へ供給するインバータ出力電流Ｉ１（以下、共振電流Ｉ１と記す。）が、正弦波状となる共振型インバータとして動作する。
【００２２】
基本共振モード５３では、インバータ２から共振回路３へ供給される共振電流Ｉ１の周波数がインバータ２の駆動周波数と概ね等しくなるようにインバータ２を動作させる。ここで、概ね等しくなるとはインバータ２の駆動周波数fswと共振電流I1の周波数fｒの関係が式（１）を満たす一般的な共振形インバータとして動作することを意味する。
0006463913.tif 000002
【００２３】
Ｎ倍共振モード５４では、インバータ２から共振回路３へ供給される共振電流Ｉ１の周波数がインバータ２の駆動周波数のＮ倍となるようにインバータ２を動作させる。ここで、Ｎ（以下、倍数と記す。）は（自然数＋１）を示す。本実施例では、Ｎ＝３とした場合について説明する。
【００２４】
図２は、図１の高電圧装置の立ち上り期間から定常期間に移行するまでの動作のロジックを示すフローチャートである。ただし、図２におけるＳ１００〜Ｓ１０５はステップ１００〜ステップ１０５を示している。図３は、インバータ２の出力電圧Ｖ１、共振電流Ｉ１、管電圧Ｖｘの時間ｔによる変化を示している。図４は、図３の時刻ｔ１付近を拡大した動作波形であり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御するゲート信号Ｇ１〜Ｇ４、インバータ２の出力電圧Ｖ１、共振電流Ｉ１、管電圧Ｖｘの時間tによる変化を示している。ここで、図３を含む以下すべての動作波形図における電流は、図１の回路図における各素子を左から右へ流れる電流を正としている。
【００２５】
以下、図２〜図４を用いて本発明の実施例１における高電圧装置の動作について説明する。
＜実施例１の動作の説明＞
上位システムから指示される撮影時の管電圧目標値Ｖｘ１と、動作モードを切り替えるタイミングを決定する管電圧の切替指令値Ｖｘ２を同じとした場合(Ｖｘ１＝Ｖｘ２)について説明する。
【００２６】
このとき、図１に示される基本共振モード５３における共振電流Ｉ１の周波数と、Ｎ倍共振モード５４における共振電流Ｉ１の周波数が概ね等しくなるように、インバータの駆動周波数ｆｓｗと共振回路３の定数を設定する。なお、本実施の形態では、共振回路３の定数は、基本共振モード５３とＮ倍共振モード５４で同一とする。
（ステップ１００）
ここでは、撮影時の管電圧目標値Ｖｘ１が入力されると、動作モードを切り替えるタイミングを決定する管電圧の切替指令値Ｖｘ２が設定される。本実施例では、目標値Ｖｘ１と切替指令値Ｖｘ２を同じ電圧値（Ｖｘ１＝Ｖｘ２）に設定しているが、目標値Ｖｘ１と切替指令値Ｖｘ２で異なる値に設定してもよい。
（ステップ１０１）
ステップ１００で、管電圧の目標値Ｖｘ１と切替指令値Ｖｘ２が決定されると、切替手段５２は、インバータ２を基本共振モード５３に設定し動作を開始する(図３のｔ０〜ｔ１の期間)。このとき、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗはあらかじめ設定された一定の値ｆｓｗ１で動作する。
（ステップ１０２）
ここでは、電圧検出手段６で管電圧Ｖｘと切替指令値Ｖｘ２を比較し、インバータ２の動作モードの切り替えを判定する。管電圧Ｖｘが切替指令値Ｖｘ２に到達していない場合(Ｖｘ＜Ｖｘ２)は、基本共振モード５３での動作を継続する。
（ステップ１０３）
ステップ１０２において、管電圧Ｖｘが切替指令値Ｖｘ２に到達した(図３の時刻ｔ１)と判断されると、切替手段５２によって、インバータ２をＮ倍共振モード５４へ切り替える（図３の時刻ｔ１〜ｔ３のタイミング）。このとき、切替手段５２は図４に示すように、基本共振モード５３の動作周期と同期したタイミング（ゲート信号Ｇ１、Ｇ４のＨ信号又はＬ信号と、ゲート信号Ｇ２、Ｇ３のＨ信号又はＬ信号が切り替わるタイミング）で動作モードを移行させる。
【００２７】
このようにゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を制御することで、動作モードの切り替えタイミングに生じる管電圧Ｖｘの脈動を抑制できるため、スムーズな立ち上りが可能となる。このとき、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗは、管電圧の目標値Ｖｘ１に応じてあらかじめ設定された値で動作する。図３に示すように、動作モードの切り替えタイミングで管電圧Ｖｘの脈動ΔＶｘが生じるが、立ち上り期間であるため問題はないと考えられる。
（ステップ１０４）
ここでは、インバータ２をＮ倍共振モード５４で動作させており、電圧検出手段６で検出した管電圧Ｖｘと目標値Ｖｘ１を比較し、定常期間への移行を判定する。
（ステップ１０５）
ステップ１０４において、管電圧Ｖｘが目標値Ｖｘ１に到達すると（図３の時刻ｔ２）、管電圧が定常期間に移行したと判定されステップ１０５へ移行する。ステップ１０５では、図１には記載されていないが、制御手段５から上位システムへ撮影開始の指令を送信する。このとき、インバータ２はＮ倍共振モード５４での動作を継続する。
【００２８】
このように、本実施形態の高電圧装置は、定常期間におけるインバータ２の動作モードをＮ倍共振モード５４とすることでインバータ２の駆動周波数ｆｓｗを高周波化することなく、管電圧の脈動を抑制しながら、整流回路４の平滑コンデンサ容量を低減することができる。さらに、立ち上り期間においては、管電圧の条件に応じて、インバータ２の動作モードを基本共振モード５３とＮ倍共振モード５４に切り替えることで、立ち上り期間の駆動周波数ｆｓｗ１を定常期間の駆動周波数ｆｓｗ２と比べて高周波化することができる。インバータ２の駆動周波数ｆｓｗを高周波化することで、出力電圧の応答速度を向上することができる。
＜実施例１の変形例＞
実施例１の変形例について図５を用いて説明する。図５は、上位システムから指示される撮影時の管電圧の目標値Ｖｘ１と、インバータ２の動作モードを切り替えるタイミングを決定する管電圧の目標値Ｖｘ２を異なる条件(Ｖｘ１≠Ｖｘ２)とした例を示している。
【００２９】
図５では、管電圧の切替指令値Ｖｘ２を目標値Ｖｘ１よりも低い値に設定している。図５に示すように、切替指令値Ｖｘ２を目標値Ｖｘ１よりも低く設定することで、動作モードの切り替えタイミングで生じる管電圧Ｖｘの脈動幅ΔＶｘを小さく抑えることができるため、目標値Ｖｘ１と切替指令値Ｖｘ２を同じとした図３の条件と比べて、管電圧の立ち上りをさらに高速化することができる。
【００３０】
以上、本実施の形態では、管電圧の条件に応じて、インバータの動作モードを基本共振モードとＮ倍共振モードに切り替えることで、定常期間におけるインバータの損失を抑制しながら、管電圧の立ち上りを高速化することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、立ち上り期間のインバータの駆動周波数を定常期間と比べて高周波化しているため、スイッチング損失が増加するが、立ち上り期間は定常期間と比較して十分に短いため問題はない。なお、本実施の形態では、基本共振モードとＮ倍共振モードの切り替えのタイミングを、管電圧の値に基づいて決定したがこれに限らない。例えば、制御手段の内部にカウンタを備え、各動作モードがスタートしてからの経過時間に基づいて動作モードを変更してもよい。また、本実施例ではＮ倍共振モードの倍数をＮ＝３としたが、管電圧の目標値Ｖｘ１に応じてＮ＝４やＮ＝５としてもよい。
【実施例２】
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について、図６、７を用いて説明する。
【００３３】
図６は、本発明の実施例２による高電圧装置の回路構成図である。図７は、図６の高電圧装置の動作波形を示したものである。この高電圧装置は、実施例１の高電圧装置と同様に、直流電源１を電源とし、インバータ２と、共振回路２０３と、整流回路２０４と、制御手段２０５と、電圧検出手段６で構成され、負荷であるＸ線管７へ直流の高電圧を供給する。
【００３４】
第１の実施形態と異なる点は、共振回路２０３に一次巻線Ｎ１１と直列接続した直列共振コンデンサＣｓを接続した点と、整流回路２０４においてコッククロフト回路を多段に接続して構成した点と、制御手段２０５中のＮ倍共振モード５４に管電圧Ｖｘのフィードバックループを備えた点である。
【００３５】
以下、図７を用いて本発明の実施例２における高電圧装置の動作を説明する。
＜動作の説明＞
（Ｍｏｄｅ１）図7中の時刻ｔ０〜ｔ２１
図７中の時刻ｔ０〜ｔ２１の期間は、実施例１の図３中の時刻ｔ０〜ｔ１の期間と同様に、インバータ２は基本共振モード５３で動作する。このとき、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗはあらかじめ設定した一定の値で動作する。
（Ｍｏｄｅ２）図７中の時刻ｔ２１〜ｔ２２
時刻ｔ２１において、管電圧Ｖｘが切替指令値Ｖｘ２に到達すると、切替手段５２によりインバータ２はＮ倍共振モード５４へ移行する。ここで、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗは、検出した管電圧Ｖｘと指令値Ｖｘ１の差分に基づいて算出された値に設定される。
【００３６】
この場合、駆動周波数ｆｓｗの算出手法として、ＰＩ制御を用いてもよいし、あらかじめ準備した管電圧Ｖｘと指令値Ｖｘ１の差分とインバータ２の駆動周波数ｆｓｗの関係をテーブル化したものから導出してもよい。なお、本実施の形態では、図７に示すように立ち上り期間の共振電流Ｉ１ａが、定常期間の共振電流Ｉ１ｂよりも大きくなる場合がある。これに関しては、全体の動作期間に比べて短時間であるため問題はない。
（Ｍｏｄｅ３）図７中の時刻ｔ２２〜ｔ２３
時刻ｔ２２において、管電圧Ｖｘが目標値Ｖｘ１に到達すると、制御手段２０５は、管電圧が定常期間に到達したと判断し、上位システムへ撮影開始の指令を送信する。このとき、インバータ２は引き続きＮ倍共振モード５４で動作させる。
【００３７】
以上、本実施の形態では、制御手段２０５のＮ倍共振モード５４に管電圧Ｖｘのフィードバックループを備えた構成とした。これにより、インバータ２の動作モードがＮ倍共振モード５４に切り替わった後に管電圧が目標値Ｖｘ１に到達するまでの期間（図７中の時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間）の短縮が可能となり、実施例１と比べて管電圧Ｖｘの立ち上りをさらに高速化できる。
【実施例３】
【００３８】
次に、本発明の第３の実施形態について、図８、９を用いて説明する。
【００３９】
図８は、本発明の実施例３による高電圧装置の回路構成図である。図９は、図８の高電圧装置の動作波形を示したものである。この高電圧装置は、実施例２の高電圧装置と同様に、直流電源１を電源とし、インバータ２と、共振回路３０３と、整流回路３０４と、制御手段３０５と、電圧検出手段６で構成され、負荷であるＸ線管７へ直流の高電圧を供給する。
【００４０】
第２の実施形態と異なる点は、共振回路３０３中のトランスの二次巻線を二次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２に分割して構成し、二次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２の端子間にそれぞれ並列に並列共振コンデンサＣｐ２1、Ｃｐ２２を接続した点と、整流回路３０４において倍電圧整流回路を多段に接続して構成した点と、インバータ２から共振回路３０３へ供給される共振電流Ｉ１を検出する電流検出手段８を備えた点と、制御手段３０５中の基本共振モード５３に共振電流Ｉ１のフィードバックループと管電圧Ｖｘのフィードバックループを備えた点である。電流検出手段８は、共振電流Ｉ１の平均値又は波高値を検出し、制御手段３０５へ入力される。
【００４１】
以下、図９を用いて本発明の実施例３における高電圧装置の動作を説明する。
（Ｍｏｄｅ１）時刻ｔ０〜ｔ３２の期間
図９中の時刻ｔ０〜ｔ３２の期間では、インバータ２は基本共振モード５３で動作する。このとき、基本共振モード５３は、共振電流Ｉ１のフィードバックループを用いることで、共振電流Ｉ１が目標値Ｉ１ｒｅｆに近づくように電流検出手段８で検出した共振電流Ｉ１と目標値Ｉ１ｒｅｆの差分に基づいてインバータ２の駆動周波数ｆｓｗを決定する。図９の動作では、立ち上り期間の共振電流Ｉ１aが定常期間の共振電流Ｉ１ｂよりも大きな値（Ｉ１ａ＞Ｉ１ｂ）となるように目標値Ｉ１ｒｅｆを設定している。この期間は、管電圧Ｖｘが指令値Ｖｘ２２に到達するまで継続される。
（Ｍｏｄｅ２）時刻ｔ３２〜ｔ３３の期間
時刻ｔ３２のタイミングで管電圧Ｖｘが指令値Ｖｘ２２に到達すると、基本共振モード５３は、管電圧Ｖｘのフィードバックループに切り替わる。この期間では、電圧検出手段６で検出した管電圧の値Ｖｘと切替指令値Ｖｘ２の差分に基づいて、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗを決定する。この期間は、管電圧Ｖｘが切替指令値Ｖｘ２に到達するまで継続される。
（Ｍｏｄｅ３）時刻ｔ３３〜ｔ３４
時刻ｔ３３のタイミングで、管電圧Ｖｘが切替指令値Ｖｘ２に到達すると、切替手段５２はインバータ２の動作モードを、基本共振モード５３からＮ倍共振モード５４に切り替える。このとき、Ｎ倍共振モード５４は、管電圧Ｖｘのフィードバックループとなり、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗは、管電圧Ｖｘが目標値Ｖｘ１に近づくように、管電圧の検出値Ｖｘと目標値Ｖｘ１の差分に基づいて決定される。
（Ｍｏｄｅ４）時刻ｔ３４〜ｔ３５
時刻ｔ３４のタイミングで、管電圧Ｖｘが目標値Ｖｘ１に到達すると、制御手段３０５は、管電圧Ｖｘが定常期間に移行したと判断し、上位システムへ撮影開始の指示を出す。このとき、インバータ２は引き続きＮ倍共振モード５４で動作させる。
【００４２】
以上、本実施の形態では、基本共振モード５３に共振電流Ｉ１のフィードバックループと、管電圧Ｖｘのフィードバックループを備えた構成とした。これにより、立ち上り期間中の共振電流が、定常期間よりも大きくなるように共振電流の目標値を設定することで基本共振モードの期間を短縮することができるため、実施例２と比べて管電圧の立ち上りをさらに高速化することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、電流検出手段８により、共振電流Ｉ１の平均値又は波高値を検出しているが、共振電流Ｉ１のゼロクロス点を検出してもよい。共振電流のゼロクロス点を検出することで、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗと共振電流の周波数が所定の関係となっているか判定することが可能となる。また、本実施形態の高電圧装置では、管電圧Ｖｘを検出することで、インバータ２の動作モードを切り替えているが、これに限らない。例えば、整流回路２０４の平滑コンデンサＣｍ１の両端電圧を検出し、平滑コンデンサＣｍ１の両端電圧の値に応じてインバータ２の動作モードを切り替えてもよい。また、本実施の形態では、基本共振モード５３のみに、共振電流Ｉ１のフィードバックループを備えた構成としたが、Ｎ倍共振モード５４にも共振電流Ｉ１のフィードバックループを備えた構成としてもよい。Ｎ倍共振モード５４に共振電流Ｉ１のフィードバックループを備えることで、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗと共振電流Ｉ１の周波数の関係がＮ倍となっているか判定することが可能となる。
【実施例４】
【００４４】
次に、本発明の第４の実施形態について、図１０〜１４を用いて説明する。
【００４５】
図１０は、本発明の実施例４による高電圧装置の回路構成図である。図１１は、図１０に示す高電圧装置の動作パターンを決定するまでの動作ロジックについてのフローチャートである。ただし、図１１におけるＳ４００〜Ｓ４０８はステップ４００〜ステップ４０８を示している。図１２〜１４は、図１０の高電圧装置の動作パターン１〜３を示す図であり、インバータの駆動周波数ｆｓｗ、インバータ出力電圧Ｖ１、インバータ出力電流Ｉ１、管電圧Ｖｘの時間ｔによる変化を示している。
【００４６】
この高電圧装置は、実施例３の高電圧装置と同様に、直流電圧１を電源とし、インバータ２と、共振回路３０３と、整流回路３０４と、制御手段４０５と、電圧検出手段６で構成され、負荷であるＸ線管７へ直流の高電圧を供給する。
【００４７】
第３の実施例と異なる点は、切替手段４５２内に動作モード切替手段４５５と動作パターン決定手段４５６を備えた点と、撮影パターン選択手段９を備えた点である。
【００４８】
以下、図１１〜１４を用いて本発明の実施例４における高電圧装置の動作を説明する。
（ステップ４００）
ステップ４００では、撮影パターン選択手段９に、外部より撮影箇所や被撮影体の条件に応じた任意の撮影パターン情報が入力される。撮影パターン選択手段９では、入力された撮影パターン情報に基づいて、高電圧装置の起動から停止までの管電圧Ｖｘのパターンを抽出する。
（ステップ４０１）
ステップ４０１では、ステップ４００で抽出した管電圧のパターンを、切替手段４５２の内部にある動作パターン決定手段４５６へ送信する。そして、ステップ４０２へ移行する。
（ステップ４０２）
ステップ４０２では、動作パターン決定手段４５６において、撮影パターン選択手段９より送信された管電圧Ｖｘのパターンに基づいて、管電圧Ｖｘの切り替えの有無を判定する。管電圧Ｖｘの切り替えが必要な場合（Ｓ４０１：ＹＥＳ）はステップ４０４へ、管電圧の切り替えが不要な場合(Ｓ４０１：ＮＯ)はステップ４０３へ移行する。
（ステップ４０３）
ステップ４０３では、動作パターン決定手段４５６によって決定された動作パターン１を動作モード切替手段４５５に送信する。動作パターンの送信が完了すると、ステップ４０７へ移行する。
（ステップ４０４）
ステップ４０４では、撮影パターン選択手段９より送信された管電圧Ｖｘのパルスパターンに基づいて、管電圧の切り替え周期Ｔと判定値Ｔｂを比較する。判定値Ｔｂは、あらかじめ取得した高電圧装置の出力電圧特性を基に、事前に決められた値が用いられる。
（ステップ４０５）
ステップ４０４において、管電圧の切り替え周期Ｔが判定値Ｔｂより長い（Ｔ＞Ｔｂ）と判定されると（Ｓ４０３：ＮＯ）、ステップ４０５へ移行する。ステップ４０５では、動作パターン決定手段４５６によって決定された動作パターン２を動作モード切替手段４５５へ送信する。動作パターンの送信が完了するとステップ４０７へ移行する。
（ステップ４０６）
ステップ４０４で、管電圧の切り替え周期ＴがＴ＜Ｔｂと判定されると（Ｓ４０３：ＹＥＳ）、ステップ４０６へ移行する。ここでは、動作パターン決定手段４５６によって決められた動作パターン３を動作モード切替手段４５５へ送信する。動作パターンの送信が完了すると、ステップ４０７へ移行する。
（ステップ４０７）
ステップ４０７では、動作モード切替手段４５５へ動作パターンが送信されたことを検出し、指定された動作パターンに基づいて起動時の動作モードを設定する。
（ステップ４０８）
ステップ４０７において動作モードの設定が完了すると、高電圧装置の動作を開始する。
【００４９】
このように、本実施の形態では、あらかじめ設定された撮影パターンの情報に基づいて高電圧装置の動作パターンを設定する。
【００５０】
以下に、図１２〜１４を用いて図１０の高電圧装置の動作パターン１〜３を説明する。動作パターン１は、管電圧を一定として撮影を行う一般撮影モードでの高電圧装置の動作の一例を、動作パターン２及び動作パターン３は、複数の管電圧値を切り替えて撮影を行うマルチエネルギー撮影モードでの高電圧装置の動作の一例を示している。ここでは、動作パターン１〜３において、共振回路３０３の定数は同一とする。
（動作パターン１）
ここでは、図１２を用いて動作パターン１を説明する。動作パターン１は、撮影期間中の管電圧Ｖｘ１を一定とした場合の高電圧装置の動作パターンを示している。動作パターン１では、高電圧装置の起動から撮影終了までの期間（図１２中の時刻０〜時刻ｔ４２の期間）において、インバータ２をＮ倍共振モード５４で動作させている。時刻ｔ４２のタイミングで所定の撮影期間が終了すると、インバータ２はスイッチング動作を停止する停止モードとなり、管電圧がゼロになるまで継続する。この停止モードでは、インバータ２のスイッチング動作を停止しているため、立ち下がり期間は整流回路３０４の平滑コンデンサＣｍ１、Ｃｍ１の静電容量と、Ｘ線管の等価抵抗値の時定数に依存する。Ｎ倍共振モード５４は、インバータ２の駆動周波数ｆｓｗを基本共振モード５３の１／Ｎとしているため、管電圧の応答速度は基本共振モード５３と比較して低下する。しかし、インバータ２のスイッチング損失を抑制できるため、一定の管電圧で長期間撮影を行う場合に適していると言える。なお、本実施形態の動作パターン１では、立ち上りから撮影終了までの全ての期間をＮ倍共振モード５４で動作させているがこれに限らない。例えば、Ｘ線管の異常放電により撮影中に管電圧が急峻に低下した場合など、管電圧を急速に立ち上げる必要がある場合にはインバータ２を基本共振モード５３で動作させることもある。
（動作パターン２）
ここでは、図１３を用いて動作パターン２を説明する。動作パターン２は、撮影期間中に管電圧を切り替える場合の高電圧装置の動作を示している。動作パターン２では、基本的に、管電圧の立ち上り期間(図１３中の時刻ｔ０〜ｔ５１及び、時刻ｔ５５〜５６の期間)を基本共振モード５３で動作させ、定常期間（図１３中の時刻ｔ５１〜ｔ５３、時刻ｔ５４〜ｔ５５、時刻ｔ５６〜ｔ５８及び時刻ｔ５９〜ｔ６０の期間）をＮ倍共振モード５４で動作させている。管電圧の立ち下がり期間（図１３中の時刻ｔ５３〜ｔ５４、時刻ｔ５８〜ｔ５９及び時刻ｔ６０〜６１の期間）は、インバータ２を停止モードとする。動作パターン２では、管電圧の立ち上り期間のみインバータ２を基本共振モード５３で動作させている。このため、動作パターン１と比較して、管電圧の立ち上りを高速化できる。また、定常期間はインバータ２をＮ倍共振モードで動作させることで、スイッチング損失を抑制できる。このように、動作パターン２は、管電圧の立ち上りの高速化とインバータの低損失化を両立した動作パターンであり、比較的長い周期で管電圧を切り替える撮影モードに適していると言える。
（動作パターン３）
図１４を用いて動作パターン３を説明する。動作パターン３は、動作パターン２と同様に撮影期間中に管電圧を切り替える場合の高電圧装置の動作を示している。動作パターン３では、動作パターン２と比較して、管電圧の切り替え幅ΔＶｘ１４が大きく（ΔＶｘ１４＞ΔＶｘ１３）、また、管電圧の切替周期Ｔｍ４３が短くなっている（Ｔｍ４３＜Ｔｍ４２）。このため、動作パターン３では動作パターン２と比較してより管電圧の立ちりの高速化が求められる。そのため、図１４の動作パターン３では、管電圧の立ち上がり期間（図１４中の時刻ｔ６００〜ｔ６０１及び時刻ｔ６０４〜ｔ６０５の期間）及び定常期間（図１４中の時刻ｔ６０１〜ｔ６０２、時刻ｔ６０３〜ｔ６０４、時刻ｔ６０５〜ｔ６０６及び時刻ｔ６０７〜６０８の期間）は、インバータ２をＮ倍共振モード５４と比べて、管電圧の応答速度を高速化できる基本共振モード５３で動作させている。管電圧の立ち下がり期間（図１４中の時刻ｔ６０２〜ｔ６０３及び時刻ｔ６０６〜６０７の期間）は、動作パターン１、２と同様にインバータ２のスイッチング動作を停止する停止モードとしている。動作パターン３では、立ち上り期間及び定常期間のインバータ２を基本共振モード５３で動作させているためスイッチング損失が増加する。しかし、撮影期間中にインバータ２のスイッチング動作を停止させる停止モードと、低管電圧条件での動作期間(図１４中の時刻ｔ６０３〜ｔ６０４及び時刻ｔ６０７〜６０８の期間)を周期的に切り替えるため、動作モード１及び動作モード２と比較してスイッチング素子の冷却が困難になるといった問題は生じないと考えられる。このように、動作パターン３は、管電圧の切り替え幅が大きく、かつ短い周期で高速に管電圧を切り替える撮影モードに適していると言える。
【００５１】
以上、本実施の形態では、あらかじめ設定された負荷条件に基づいてインバータの動作モードを切り替えることで、設定された負荷条件に適した高電圧装置の動作パターンを選定することができる。これにより、長期間一定の電圧を出力する負荷パターンや、出力電圧を短い周期で高速に切り替える負荷パターンなど様々な負荷パターンに対応可能な高電圧装置を提供することが可能となる。なお、本実施の形態では、基本共振モード５３とＮ倍共振モード５４で共振回路３０３の定数を同じとしたが、基本共振モード５３とＮ倍共振モード５４で異なる定数としてもよい。例えば、直列共振コンデンサＣｓと並列にスイッチとコンデンサを接続した構成とし、インバータ２の動作モードによってスイッチのオン／オフを切り替えることで共振回路を変化させてもよい。
【００５２】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、全ての実施形態では、１つのインバータ及び整流回路で構成した高電圧装置について述べたが、例えば２つ以上のインバータ及び整流回路を備えた高電圧装置であっても本発明を適用することは可能である。また、全ての実施形態において、直流電源をＡＣ―ＤＣコンバータ又はＤＣ−ＤＣコンバータの出力としても本発明を適用することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の高電圧装置は、Ｘ線画像診断装置や真空蒸着用電子銃など負荷へ直流の高電圧を供給する電源装置に適用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・電源、２・・・インバータ、３，３，２０３，３０３・・・共振回路、４，２０４，３０４，整流回路、５，２０５，３０５，４０５・・・制御手段、６・・・電圧検出手段、７・・・Ｘ線管、８・・・電流検出手段、９・・・撮影パターン選択手段、５１・・・ゲート信号生成手段、５２，４５２・・・切替手段，５３・・・基本共振モード、５４・・・Ｎ倍共振モード、４５５・・・動作モード切替手段、４５６・・・動作パターン決定手段、Ｑ１〜Ｑ４・・・スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ４・・・ダイオード、Ｄｒ１〜Ｄｒ４，Ｄｒ１１〜Ｄｒ１８・・・整流ダイオード、Ｌｒ・・・直列共振インダクタ、Ｎ１，Ｎ１１・・・一次巻線、Ｎ２，Ｎ２１，Ｎ２２・・・二次巻線、Ｔ１，Ｔ２・・・コア、Ｃｍ，Ｃｍ１，Ｃｍ２・・・平滑コンデンサ、Ｃｐ，Ｃｐ１，Ｃｐ２・・・並列共振コンデンサ、Ｃｓ・・・直列共振コンデンサ、Ｃｄ１〜Ｃｄ４・・・整流コンデンサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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