(57)【要約】【課題】電源が遮断された状態でもＸ線管陽極の回転を速やかに減速させることが可能なＸ線高電圧装置を提供すること。【解決手段】実施形態のＸ線高電圧装置は、回転陽極Ｘ線管と、前記回転陽極のステータコイルに電流を供給するスタータ用インバータと、交流電源を整流した脈流を平滑化し、前記スタータ用インバータに直流電圧を供給する平滑コンデンサと、前記交流電源の電源断を検出する電源断検出部と、前記電源断検出部で電源断を検出した場合、前記ステータ用インバータに所定のディーティ比でパルス幅変調されて入力されるインバータ駆動信号のパルス幅を前記平滑コンデンサ電圧の減少に応じて伸長するするとともに、前記インバータ駆動信号の回転周波数を前記回転陽極Ｘ線管の共振回転周波数以下に設定するスタータ制御回路と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転陽極Ｘ線管と、
前記回転陽極Ｘ線管のステータコイルに電流を供給するスタータ用インバータと、
交流電源を整流した脈流を平滑化し、前記スタータ用インバータに直流電圧を供給する平滑コンデンサと、
前記交流電源の電源断を検出する電源断検出部と、
前記電源断検出部で電源断を検出した場合、前記スタータ用インバータに所定のディーティ比でパルス幅変調されて入力されるインバータ駆動信号のパルス幅を前記平滑コンデンサの電圧の減少に応じて伸長するするとともに、前記インバータ駆動信号の回転周波数を前記回転陽極Ｘ線管の共振回転周波数以下に設定するスタータ制御回路と、
を有することを特徴とするＸ線高電圧装置。
【請求項２】
回転陽極Ｘ線管と、
前記回転陽極Ｘ線管のステータコイルに電流を供給するスタータ用インバータと、
交流電源を整流した脈流を平滑化し、前記スタータ用インバータに直流電圧を供給する平滑コンデンサと、
前記交流電源の電源断を検出する電源断検出部と、
前記ステータコイルのピーク電流値を検出するピーク検出部と、
前記ピーク電流値と前記ステータコイルに流すべき電流規定値とを比較する電流比較部と、
前記スタータ用インバータに所定のデューティ比でパルス幅変調されて入力されるインバータ駆動信号のパルス幅を前記電流比較部の出力に応じて伸長するするとともに、前記インバータ駆動信号の回転周波数を前記回転陽極Ｘ線管の共振回転周波数以下に設定するスタータ制御回路と、
を有することを特徴とするＸ線高電圧装置。
【請求項３】
前記平滑コンデンサは、前記回転陽極の回転数が、前記電源断から少なくとも共振回転周波数以下になるまでの時間において、所定のデューティ比の一定のパルス幅でパルス変調した場合、前記スタータ用インバータから出力される直流電流が、前記電源断前の直流電流値に前記所定のデューティ比を掛けた電流値を保持可能な容量を有することを特徴とする請求項１または２記載のＸ線高電圧装置。
【請求項４】
前記電源断時において前記回転陽極Ｘ線管の回転周波数を０と設定することを特徴とする請求項１または２記載のＸ線高電圧装置。
【請求項５】
前記スタータ制御回路は、前記電源断時に動作するバックアップ電源から電源を供給されることを特徴とする請求項３記載のＸ線高電圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転陽極Ｘ線管を有するＸ線診断装置に使用されるＸ線高電圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転陽極Ｘ線管をＸ線発生源とするＸ線診断装置では、Ｘ線高電圧装置に組み込まれたスタータ制御回路により陽極回転を制御している。陽極回転数はＸ線の出力条件により制御され、Ｘ線低出力時は低速回転（例えば毎秒６０回転）、Ｘ線高出力時は高速回転（例えば毎秒１８０回転）となるように制御される。ここで、陽極回転には機械的振動が増大する共振回転周波数（共振点）があり（例えば毎秒７０回転）、この回転周波数付近で長時間回転を行うことは回転軸の軸受けベアリングを傷めることになる（特許文献１参照）。
【０００３】
ベアリングが損耗すると回転不良や騒音増大を招くため、この装置を使った診断に悪影響が出ることになる。そのため、共振回転周波数を通過する高速回転起動、及び高速回転からの停止はなるべく短時間で行う必要がある。通常、この回転開始から毎秒１８０回転の高速回転となる時間、または毎秒１８０回転の高速回転から回転停止となる時間はどちらも数秒程度である。
【０００４】
また、Ｘ線診断装置の電源をオフする場合に、たとえば撮影直後など装置の使用状態によってはＸ線管陽極がまだ回転している場合がある。このため電源をオフする操作と同時に電源を遮断するのではなく、陽極の回転にブレーキ動作を行って確実に陽極回転を停止させてから電源遮断を行うシャットダウン機能を有する装置もある。
【０００５】
しかし、そのような装置であってもＸ線管陽極が回転している状態で停電が生じた場合、Ｘ線管陽極の回転にブレーキをかけることができない。Ｘ線管陽極は慣性によりしばらく惰性回転を続け、軸受けベアリングの摩擦等により徐々に回転数を下げることになる。共振回転周波数よりも高い回転数で回転している場合では、ゆっくりと共振回転周波数を通過することになり、軸受けベアリングの損耗や騒音の問題が発生する。
【０００６】
また、停電や緊急事態等で電源が遮断された場合でも電源遮断前の状態を記憶することにより、再度電源が投入された時にＸ線管の回転ロータに制動をかけ回転数を急速に低下させ共振回転周波数の通過時間を短縮するものがある（特許文献２参照）。しかし、電源が再投入される場合にのみ対応する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−６９４９５号公報
【特許文献２】特開２０００−１７３７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、上記課題などを解決し、電源が遮断された状態でもＸ線管陽極の回転を速やかに減速させることが可能なＸ線高電圧装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するために、実施形態のＸ線高電圧装置は、回転陽極Ｘ線管と、前記回転陽極のステータコイルに電流を供給するスタータ用インバータと、交流電源を整流した脈流を平滑化し、前記スタータ用インバータに直流電圧を供給する平滑コンデンサと、前記交流電源の電源断を検出する電源断検出部と、前記電源断検出部で電源断を検出した場合、前記スタータ用インバータに所定のディーティ比でパルス幅変調されて入力されるインバータ駆動信号のパルス幅を前記平滑コンデンサ電圧の減少に応じて伸長するするとともに、前記インバータ駆動信号の回転周波数を前記回転陽極Ｘ線管の共振回転周波数以下に設定するスタータ制御回路と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態におけるＸ線高電圧装置のブロック図。
【図２】同実施形態におけるスタータ用インバータの動作原理図。
【図３】同実施形態におけるステータコイルに流れる電流波形の説明図。
【図４】同実施形態における通常のブレーキモードの説明図。
【図５】同実施形態における電源遮断時のブレーキモードの説明図。
【図６】その他の実施形態におけるＸ線高電圧装置のブロック図。
【図７】同実施形態における電源遮断時のブレーキモードの説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明を実施するための実施形態について図１から図７を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は本実施形態に係るＸ線高電圧装置のブロックである。本実施形態のＸ線高電圧装置に使用する回転陽極Ｘ線管１０は、Ｘ線管球１０１とその陽極を回転させるためのスタータ回路で構成される。そしてスタータ回路は、Ｘ線管陽極を回転させるロータ１０２と、回転磁界を発生するステータコイル１０３からなる。
【００１３】
また、本実施形態のＸ線高電圧装置は、高電圧を印加する高電圧回路系統と、陽極を回転させるためのスタータ制御回路系統の２つに分けられる。
【００１４】
高電圧回路系統は、商用の交流電源１１、直流電源１２、高電圧用インバータ１３、および高電圧トランス１４から構成され、Ｘ線管球１０１の陽極と陰極に高電圧を印加する。
【００１５】
また直流電源１２は、交流を直流に変換する整流器１２１と、整流した脈流を平滑する平滑コンデンサ１２２で構成される。
【００１６】
スタータ制御回路系統は、交流電源１１、この交流電源１１の電源が遮断されたことを検出する電源断検出部１５、交流を直流に変換するスタータ制御用ＡＣ／ＤＣコンバータ１６、Ｘ線管陽極の回転数を制御するスタータ制御回路１７、およびスタータ回路のステータコイル１０３へ電流を印加するスタータ用インバータ１８からなる。
【００１７】
交流電源１１の交流出力を直流に変換するスタータ制御用ＡＣ／ＤＣコンバータ１６は、電源断発生時においても直流電源出力を持たせるために蓄電部１６１を有している。
【００１８】
また、スタータ制御回路１７は、回路内に電源を分配する電源部１７１、Ｘ線管陽極の回転動作モードに従い、回転数目標となる周波数を設定する回転周波数設定部１７２、スタータ用インバータ１８の各スイッチング素子へ入力するインバータ駆動信号をパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）し、その回転動作モードに応じてパルス幅を制御、伸長するパルス幅伸長部１７３、および回転周波数とパルス幅が決定されたインバータ駆動信号を出力するインバータ駆動部１７４からなる。
【００１９】
スタータ用インバータ１８は、４つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで構成される。スイッチング素子Ａ、Ｄをオンし、スイッチング素子Ｂ、Ｃをオフする場合と、スイッチング素子Ａ、Ｄをオフし、スイッチング素子Ｂ、Ｃをオンする場合とでステータコイル１０３に流れる電流を逆にすることができ交流電流を流すことが可能である。従ってスタータ用インバータ１８は、回転陽極Ｘ線管１０のステータコイル１０３に回転数目標となる周波数の交流電流を流すようにスイッチング動作する。また、進相コンデンサ１０４によって２つのステータコイル１０３の電流に位相差を発生させる。なお、高電圧用インバータと１３とスタータ用インバータ１８は直流電源１２を共用する構成とする。
【００２０】
次に、図２を参照してスタータ制御回路１７の動作原理について説明する。以下、スイッチング素子としてＩＧＢＴを想定して説明する。また、交流を生成するためのインバータ動作の方式は種々あるが、ここでは説明のため単純な単相インバータの場合について説明する。図２（ａ）は、インバータ駆動部１７４からスイッチング素子Ａ、Ｄに入力されるインバータ駆動信号の電圧波形を示し、図２（ｂ）は、スイッチング素子Ｂ、Ｃに入力されるインバータ駆動信号の電圧波形を示している。スイッチング素子Ａ、ＢおよびＣ、Ｄは回転周波数設定部１７２で設定されるＸ線管陽極の回転周期よりも十分短い時間間隔Ｔｐでオン・オフするようにパルス幅変調され、図２の点線で示すように、その時間的平均値となる電圧が入力され、時間的平均値となる電流が出力されると考えてよい。このパルス変調の周期Ｔｐに対するオン時間の比（デューティ比）を変えることによって、出力電流の時間的平均値を変えることができる。このパルス幅の制御は、パルス幅伸長部１７３で行うことができる。また、このデューティ比は、ステータコイル１０３に過大な電流が流れないように決定されている。
【００２１】
図３はスタータ用インバータ１８に入力されるインバータ駆動信号の電圧波形によってステータコイル１０３に流れる電流波形の様子を示している。ステータコイル１０３にはスイッチング素子Ａ、Ｂがオンする時の電流とスイッチング素子Ｃ、Ｄがオンする時電流が逆向きに印加されることになる。図３の両矢印で示すように、この電流の１周期はＸ線管陽極の回転周期を決定する。
【００２２】
次にスタータ制御回路１７の回転動作モードについて説明する。スタータ制御回路１７の回転動作モードは、（１）たとえば毎秒約６０回転の低速回転モード、（２）たとえば毎秒約１８０回転の高速回転モード、（３）高速回転から制動をかけて停止する通常のブレーキモードなどがある。本実施形態では、この通常のブレーキモードに加え、（４）電源遮断時のブレーキモードを設ける。
【００２３】
低速回転モードと高速回転モードは、図２、および図３で示すＸ線管陽極の回転周期、すなわち回転周波数をそれぞれ毎秒６０回と毎秒１８０回とに変えることによって達成される。
【００２４】
次に、通常のブレーキモードについて図４を用いて説明する。Ｘ線管陽極の回転には機械的振動が増大する共振回転周波数が存在し、それは低回転モードと高回転モードの回転数の間、例えば毎秒７０回転あたりに存在する。この回転数付近で長時間回転を行うことは回転軸の軸受けベアリングを傷め、さらにベアリングが損耗すると回転不良や騒音増大を招くため、診断においても悪影響が出る場合がある。そのため、共振回転周波数を通過する高速回転起動（高速回転モード）、及び高速回転からの停止（通常のブレーキモード）は、なるべく共振回転周波数を通過する時間が短時間になるように回転動作の安定を行う必要がある。通常、この回転開始から毎秒１８０回転と高速回転となる時間、または毎秒１８０回転の高速回転から回転停止となる時間は数秒程度が必要である。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、通常のブレーキモードでは、スイッチング素子Ａ、Ｄに対しては上述のパルス幅変調を施したインバータ駆動信号をＸ線管陽極が停止するまで入力する。一方、図４（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｂ、Ｃには何も入力しない。すなわち、回転周波数設定部１７２で回転周波数を０と設定し回転磁界を停止することで制動をかけている。このような制動をかけることにより共振回転周波数付近での回転時間を短縮してベアリングの損傷を防止できる。
【００２６】
次に、本実施形態の特徴となる停電または緊急事態により電源が遮断されたときに動作する電源遮断時のブレーキモードについて図５を用いて説明する。なお、Ｘ線管陽極は高速回転モードで回転しているものとする。
【００２７】
まず停電や緊急事態などで交流電源が遮断されたとする。高電圧用インバータ１３とスタータ用インバータ１８の主電源となる直流電源１２には平滑コンデンサ１２２があり、交流電源１１の電源遮断後も平滑コンデンサ１２２には電荷が残っている。
【００２８】
また、スタータ制御電源用ＡＣ／ＤＣコンバータ１７は蓄電部１６１により蓄電機能を持たせているため、交流電源が遮断された後にも一定時間、直流電源出力が可能である。特に蓄電方法は問わないが、例えばコンデンサ、バッテリーなどの簡易な方法が考えられる。なお、一定時間とは少なくとも電源遮断時のブレーキモード１回分を行えるだけの短い時間（数秒程度）で構わないため大きな蓄電容量は必要でない。
【００２９】
これにより、交流電源１１が遮断された後にも一定時間、スタータ制御回路１７は正常に動作可能となる。電源断検出部１５が交流電源１１の遮断を検出（電源断検出）すると、スタータ制御回路１７はただちに電源遮断時のブレーキモードでの制御を行う。また、スタータ用インバータ１８の電源電圧は、平滑コンデンサ１２２に残っている電荷を使ってステータコイル１０３に電流を流してＸ線管陽極の回転にブレーキをかける。
【００３０】
図５（ｂ）に示すように、交流電源１１が遮断された状態では平滑コンデンサ１２２内に蓄電されていた電荷が使用されるのに伴い、平滑コンデンサ１２２から出力される直流電圧は低下する。従って、スタータ用インバータ１８に供給される電源電圧が低下することによってその出力電流も低下することになる。ブレーキの利きを確保するためには、一定値以上の電流をステータコイル１０３に流す必要がある。そのため、図５(ａ)に示すように、平滑コンデンサ１２２の直流電圧低下に伴って、パルス幅伸長部１７３ではスタータ用インバータ１８に入力するインバータ駆動信号のパルス幅を伸長する制御を行い、ステータコイル１０３に流す電流を補正して一定（点線）になるように制御を行う。
【００３１】
また、スイッチング素子Ａ、Ｂに入力するインバータ駆動信号の回転周波数は回転周波数設定部１７１で共振回転周波数以下の回転周波数に設定する。共振回転周波数付近での回転時間を短縮してベアリングの損傷を防止できればよいからである。また回転周波数は通常のブレーキモードと同じく０に設定しても構わない。共振回転周波数以下に設定する回転周波数は、平滑コンデンサ１２２の容量や、ステータコイル１０３に流す電流値などを考慮し、高速回転から共振回転数以下となる時間など各種測定して最適な値を決定する。
【００３２】
ここで、電源遮断時における平滑コンデンサ１２２から出力される直流電圧と平滑コンデンサ１２２の容量について説明する。
【００３３】
スタータ用インバータ１８に入力されるインバータ駆動信号はパルス幅変調されている。従ってスタータ用インバータ１８の時間平均の出力電流は、このパルス幅のデューティ比に対応して少なくなる。例えばデューティ比が１／２であれば、スタータ用インバータ１８の時間平均出力電流は１／２となる。ここでデューティ比を１とすれば、スタータ用インバータ１８の時間平均出力電流は２倍にすることが可能となる。従って電源断時の場合を考えると、スタータ用インバータ１８から出力される直流電流が１／２になっても、パルス幅のデューティを１にすれば、出力される直流電流を電源遮断以前の正常な値にすることができる。
【００３４】
すなわち、電源遮断前の電流にディーティ比を掛けた電流値に減少する範囲内であれば、インバータ駆動信号のパルス幅を伸長させることによりステータコイル１０３に流す電流を一定にすることが可能であり、ブレーキの効きを持続させることが可能である。
【００３５】
平滑コンデンサ１２２の容量については、Ｘ線管陽極の回転が電源断検出から少なくとも共振回転周波数以下になるまでの時間を通常のブレーキモードで測定し、この時間内においてパルス幅伸長しない一定のデューティ比でパルス変調した場合、スタータ用インバータから出力される直流電流が、電源遮断以前の直流電流値にデューティ比を掛けた値以上の電流値を保持可能である容量を設定すればよい。
【００３６】
また、平滑コンデンサ１２２の容量は、以上述べた条件を満足することが最善ではあるが、たとえ満足していなくとも、本実施形態はＸ線管陽極の回転を共振回転周波数以下の回転数に迅速に下げることが目的であるので一定の効果は得られることになる。
【００３７】
また、電源遮断時のブレーキモードにおいて、インバータ駆動信号のパルス幅の伸長方法は、電源断検出以降、平滑コンデンサ１２２から出力される直流電圧とスタータ用インバータ１８の出力電流を測定し、時間的にステータコイル１０３の電流が一定になるようなパルス幅の伸長レートをＲＯＭ（Read Only Memory）などにテーブルとしてあらかじめ設定しておき、このテーブルに従ってパルス幅を伸長すればよい。
【００３８】
従って、図５（ｃ）に示すように、平滑コンデンサ１２２の出力電圧の減少に伴い、スタータ用インバータ１８に入力するインバータ駆動信号パルス波形（実線）が伸長されるため、ステータコイル１０３に流れる平均電流（１点鎖線）は、一定となる。
【００３９】
本実施形態では、ステータコイル１０３に流す電流を単相電流と仮定したが、３相のステータコイルを用いた場合でも同様な考え方で実施することが可能である。
【００４０】
以上述べたように、本実施形態においては、電源遮断時においても、Ｘ線管陽極の回転にブレーキを有効に働かせることができるので、軸受けベアリングの損耗や騒音の問題を解決できる。
【００４１】
また、ステータコイルに流れる電流を実際に観測することにより能動的に電源遮断時のブレーキモードを動作させることができる実施形態について説明する。
【００４２】
図６は、この実施形態におけるＸ線高電圧装置のブロック図である。図１のブロック図に加え、ステータコイル２０３に流れる電流のピークを検出するピーク検出部１７５と、所定の電流規定値１７６と比較し、その差分に対応する信号を出力する電流比較部１７７を有している。
【００４３】
図７によって、本実施形態の電源断時のブレーキモードについて説明する。図７（ａ）は、電源断が発生したことによって平滑コンデンサ１２２の出力電圧の減少を示している。
【００４４】
また、図７（ｂ）は、平滑コンデンサ１２２の出力電圧の減少に伴い、スタータ用インバータ１８に入力するインバータ駆動信号パルス波形（実線）と、ステータコイル１０３に流れるインバータ出力電流（点線）、および平均電流（１点鎖線）を示している。
【００４５】
図７（ａ）に示すように、矢印で示す電源断を検出した後、平滑コンデンサ１２２の出力電圧は減少していく。これに伴い、スタータ用インバータ１８の出力電流も減少する。これを防止するために、スタータ用インバータ１８とステータコイル１０３の間にピーク検出回路１７５を接続し、インバータ出力電流のピーク電流値を検出する。ステータコイル１０３に流すべき電流を電流規定値１７６として設定し、電流比較部１７７から出力される電流規定値１７６とピーク電流値との差分値に対応してインバータ駆動信号のパルス幅を伸長する。
【００４６】
インバータ駆動信号のパルス幅を伸長することによって、ステータコイル１０３に流れる電流は増加し、ピーク検出部１７５のピーク電流値も上昇する。そしてピーク電流値が電流既定値１７６と同じになった時点でパルス幅の伸長を停止しインバータ駆動信号のパルスをオフする。パルスをオフしている時間は通常のブレーキモードと同じ時間とする。このパルスをオフしている間スタータ用インバータ１８に供給される平滑コンデンサ１２２の直流電圧、およびインバータ出力電流も大きく減少するために、次のパルスでは、ピーク電流値が電流規定値１７６になるまでさらにパルス幅を伸長する必要がある。
【００４７】
このようにインバータ駆動信号のパルス幅を時間とともに伸長するパルス変調動作の繰り返しにより、ステータコイル１０３に流れる平均電流は一点鎖線に示すような波形となり、ステータコイル１０３に流れる電流の低下を少なくすることが可能である。尚、図７では、回転周波数設定回路１７２で設定される周波数を０とし、スイッチング素子Ａ、Ｄの制御のみについて説明したが、図６の点線で示すように、スタータ用インバータ１８のスイッチング素子Ｂ、Ｃによる逆相電流のピーク検出も行い、同様の制御を行うことで、回転周波数設定回路１７２では共振回転周波数以下の任意の回転周波数を設定することも可能である。
【００４８】
なお、本実施形態で示すインバータ出力電流のピーク検出制御は、電源遮断時だけではなく正常時においても動作させることが可能である。その場合、交流電源の電圧変動などに対しても安定してステータコイル２０３へ一定の電流を流すことが可能となる。
【００４９】
従って、インバータ駆動信号のパルス幅に対して能動的制御が行えるとともに、電源断が生じていない時に対しても最適なパルス幅制御が行われるという効果を奏する。
【００５０】
以上述べた実施形態によれば、Ｘ線管陽極が回転している状態において停電の発生や通常の運転で操作を誤り、装置のシャットダウン処理を行わずに強制的に電源をオフしてしまった場合でもＸ線管陽極の回転にブレーキをかけることができ、陽極軸受のベアリングの損耗や騒音発生を抑えることが可能である。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１０…回転陽極Ｘ線管
１１…交流電源
１２…直流電源
１３…高電圧用インバータ
１４…高電圧トランス
１５…電源断検出部
１６…スタータ制御用ＡＣ／ＤＣコンバータ
１７…スタータ制御回路
１８…スタータ用インバータ
１０１…Ｘ線管球
１０２…ロータ
１０３…ステータコイル
１６１…蓄電部
１７２…回転周波数設定部
１７３…パルス幅伸長部
１７４…インバータ駆動部
１７５…ピーク検出部
１７６…電圧既定値
１７７…電流比較部
【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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