(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズフィルタ回路と整流回路と力率改善回路とを有する低電圧側電源回路と、
蓄電池と、
インバータ回路と高電圧用トランスと高電圧用整流回路とを有する高電圧側電源回路とを備え、
商用交流電源からの交流入力電力が入力される前記低電圧側電源回路と負荷であるＸ線管に電力を出力する前記高電圧側電源回路とが直列に接続され、かつ、前記高電圧側電源回路の入力側に対して前記低電圧側電源回路の出力側と前記蓄電池とが並列に接続され、
前記交流入力電力は前記低電圧側電源回路を通して前記蓄電池に供給されて前記蓄電池が充電され、
透視運転電力が前記Ｘ線管に供給される透視運転時と、前記透視運転電力に比べて大電力の撮影運転電力が前記Ｘ線管に供給される撮影運転時とは、
前記透視運転時には前記交流入力電力が前記低電圧側電源回路及び前記高電圧側電源回路を通して所定の高電圧・小電力に変換されて該高電圧・小電力が前記透視運転電力として前記Ｘ線管に供給され、
前記撮影運転時には前記蓄電池からの電力が前記高電圧側電源回路を通して所定の高電圧・大電力に変換されて該高電圧・大電力が前記撮影運転電力として前記Ｘ線管に供給される
ことを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【請求項２】
請求項１において、前記低電圧側電源回路から出力される電力容量を前記透視運転電力と前記蓄電池を充電する電力とを合わせた電力以上であり前記蓄電池の最大電力容量よりも小さい電力であることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記力率改善回路は前記蓄電池の充電回路をも兼ねることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２において、前記低電圧側電源回路は前記蓄電池の充電回路を有することを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記高電圧側電源回路とフィラメント加熱回路とが並列に接続されることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【請求項６】
請求項５において、前記フィラメント加熱回路は、加熱用インバータとフィラメントトランスとを有することを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【請求項７】
請求項５又は請求項６において、前記低電圧側電源回路から出力される電力容量を前記透視運転電力と前記蓄電池を充電する電力と前記フィラメント加熱回路へ供給する電力とを合わせた電力以上であり前記蓄電池の最大電力容量よりも小さい電力であることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，病院などで使用されるＸ線撮影用のＸ線装置に電力を供給する方法及び電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、スイッチング電源に対するＶＣＣＩなどのノイズ規制、通産省による入力高調波規制が厳しくなり、これらの対策費用はスイッチング電源のコストの中で占める割合が大きくなってきた。この問題は、特に標準的な３２ｋＷ，５０ｋＷ，８０ｋＷ，１００ｋＷなど大容量のＸ線装置用電源で顕著である。
【０００３】
この理由は、これらＸ線装置用電源が透視と撮影の二つの態様で運転され、連続運転の透視運転時に必要とされる透視用電力は小さいにもかかわらず、短時間運転の撮影時に必要とされる撮影用電力は透視用電力に比べてはるかに大きく、この大きな撮影用電力に合わせて伝導・放射ノイズ対策、及び入力高調波対策回路を大容量、大型化させねばならず、したがって、その費用は相当なものとなる。例えば、５０ｋＷのＸ線装置用電源では、ノイズ対策のためのノイズフィルタ、高調波対策のための力率改善回路の通過電力は、Ｘ線電源内のインバータ回路などの変換効率を考慮して、約６０ｋＶＡであり、大型化し、高価格となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ｘ線装置用電源が透視と撮影の二つの態様で運転されることに着目し、小さい透視用電力は従来通り力率改善回路を通して負荷であるＸ線管に供給し、大電力ではあるが短時間供給でよい撮影用電力は蓄電池から供給することにより、従来と同レベルのノイズ対策と高調波対策を維持した上で、トータルコストの低減と装置全体の小型化を図ることを課題とする。
【０００５】
この課題を解決するために、請求項１の発明は、ノイズフィルタ回路と整流回路と力率改善回路とを有する低電圧側電源回路と、蓄電池と、インバータ回路と高電圧用トランスと高電圧用整流回路とを有する高電圧側電源回路とを備え、商用交流電源からの交流入力電力が入力される前記低電圧側電源回路と負荷であるＸ線管に電力を出力する前記高電圧側電源回路とが直列に接続され、かつ、前記高電圧側電源回路の入力側に対して前記低電圧側電源回路の出力側と前記蓄電池とが並列に接続され、前記交流入力電力は前記低電圧側電源回路を通して前記蓄電池に供給されて前記蓄電池が充電され、透視運転電力が前記Ｘ線管に供給される透視運転時と、前記透視運転電力に比べて大電力の撮影運転電力が前記Ｘ線管に供給される撮影運転時とは、前記透視運転時には前記交流入力電力が前記低電圧側電源回路及び前記高電圧側電源回路を通して所定の高電圧・小電力に変換されて該高電圧・小電力が前記透視運転電力として前記Ｘ線管に供給され、前記撮影運転時には前記蓄電池からの電力が前記高電圧側電源回路を通して所定の高電圧・大電力に変換されて該高電圧・大電力が前記撮影運転電力として前記Ｘ線管に供給されることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。
【０００６】
この課題を解決するために、請求項２の発明は、請求項１において、前記低電圧側電源回路から出力される電力容量を前記透視運転電力と前記蓄電池を充電する電力とを合わせた電力以上であり前記蓄電池の最大電力容量よりも小さい電力であることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。
【０００７】
前述の課題を解決するために、第３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記力率改善回路は前記蓄電池の充電回路をも兼ねることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。
【０００８】
前述の課題を解決するために、第４の発明は、請求項１又は請求項２において、前記低電圧側電源回路は前記蓄電池の充電回路を有することを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。
【０００９】
前述の課題を解決するために、第５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記高電圧側電源回路とフィラメント加熱回路とが並列に接続されることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。また、前述の課題を解決するために、第６の発明は、請求項５において、前記フィラメント加熱回路は、加熱用インバータとフィラメントトランスとを有することを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。さらに、前述の課題を解決するために、第７の発明は、請求項５又は請求項６において、前記低電圧側電源回路から出力される電力容量を前記透視運転電力と前記蓄電池を充電する電力と前記フィラメント加熱回路へ供給する電力とを合わせた電力以上であり前記蓄電池の最大電力容量よりも小さい電力であることを特徴とするＸ線装置用電力供給装置を提供するものである。
【００１０】
【発明を実施するための形態】
先ず、実施例を説明する前に、本発明の基本的な考え方と構成について簡単に説明する。例えば、５０ｋＷのＸ線装置用電源の実際の使用状態は、撮影時には５０ｋＷ（１５０ｋＶ／３２０ｍＡから８０ｋＶ／６３０ｍＡの範囲）と非常に大出力であるが、０．１秒程度の短時間である。一方，透視時には５００Ｗ（１２５ｋＶ／４ｍＡ）が通常最大定格であり、連続運転である。このように、Ｘ線装置用電源には撮影時に短時間ではあるが大電力出力が要求され、透視時には連続運転で小電力出力が要求される。
【００１１】
本発明はこれに着目し、蓄電池を備え、商用交流電源から従来に比べて大幅に小さい容量の交流入力電力をノイズフィルタ回路、整流回路、力率改善回路などからなる低電圧電源側回路を通して蓄電池に供給しながら、透視時には更にインバータ回路、高電圧トランス、高電圧整流回路からなる高電圧側電源回路を通して直流高電圧に変換し、この直流高電圧を透視用電力としてＸ線管に供給する。他方、撮影時にはこの蓄電池から前記高電圧側電源回路を通して大電力の撮影電力を短時間Ｘ線管に供給するものである。
【００１２】
このようにすることにより、前記低電圧側電源回路の通過電力容量は、このＸ線装置の透視定格容量にほぼ等しい電力ないしその２倍程度に選定できるから、ノイズフィルタ回路、整流回路、力率改善回路からなる低電圧側電源回路を大幅に小容量化でき、伝導ノイズ対策、入力高調波対策、コスト低減対策を容易に実施することが可能となる。
【００１３】
次に、図１により本発明の一実施例の５０ｋＷＸ線装置用電源について説明する。１は例えば単相ＡＣ２００Ｖの商用交流電源、２はノイズフィルタ回路、３は整流回路、４は力率改善回路、５は充電回路であり、これらで低電圧側電源回路６を構成する。７は新たに付加した蓄電池、８は高電圧発生用のインバータ回路、９は高電圧トランス、１０は高電圧整流回路であり、８〜１０は高電圧側電源回路１１を構成する。１２はＸ線管のフィラメント加熱用インバータ回路、１３はフィラメントトランスで、これらでフィラメント加熱回路１４を構成する。１５は負荷となるＸ線管である。
【００１４】
商用交流電源１から入力された単相ＡＣ２００Ｖは力率改善回路４、充電回路５などから発生されるスイッチングノイズを減衰させるノイズフィルタ回路２を通して、整流回路３と力率改善回路４により入力交流電流を正弦波に保ちながら直流電圧に変換される。この直流電圧は充電回路５により所定の電圧などにされ、蓄電池７を充電する。インバータ回路８は直流電圧を高周波交流電圧に変換し、この高周波交流電圧は高電圧トランス９で昇圧され、さらに高電圧整流回路１０で正負極の直流高電圧に変換される。この直流高電圧はＸ線管１５に加えられ、同時にフィラメント加熱用インバータ回路１２とフィラメントトランス１３でＸ線管１５のフィラメントを加熱することによりＸ線が発生される。
【００１５】
以上の構成要素、ノイズフィルタ回路２、整流回路３、力率改善回路４、充電回路５、蓄電池７、インバータ回路８、高電圧トランス９、高電圧整流回路１０、フィラメント加熱用インバータ１２、フィラメントトランス１３はすべて従来周知の回路または要素であり、それらの詳細については説明を省く。ただし、充電回路５は蓄電池電圧を検出し、蓄電池電圧が設定値以下では例えば定電流もしくは制限された電流で充電し、設定値に達したら、充電停止または微少電流で浮動充電する機能を有している。この機能を持つ制御回路は従来技術で構成でき、説明を省略する。
【００１６】
この実施例では、ノイズフィルタ回路２、整流回路３、力率改善回路４、充電回路５の処理電力をほぼ透視定格ないしその２倍程度、例えば５０ｋＷのＸ線装置では、連続運転の透視電力５００Ｗに対応した７００Ｗ程度に、フィラメント加熱電力として通常透視で連続５０Ｗ程度と、透視中にも蓄電池７を浮動充電するための数１００Ｗの能力を付加した１ｋＷとする。蓄電池電圧を１２０Ｖとすると、充電回路５は約９アンペアの定電流充電能力とする。透視時には、商用電源電力で高電圧発生回路１１とフィラメント加熱回路１４を動作させながら、余剰電流で蓄電池７を浮動充電する。
【００１７】
一方、撮影時には、インバータ回路８を撮影運転で動作させ、撮影電力の大部分５０ｋＷ（効率９０％として４６０Ａ）を蓄電池７から供給する。撮影時、フィラメント加熱電力は短時間１００Ｗ程度であり、大部分が高電圧発生用電力であるので、無視できる。蓄電池７は前記電流容量のものを選定する。充電回路５は電流容量が９アンペアの能力のため撮影時にはほとんど機能しない。充電回路５は基本的に常時運転させるのが望ましいが、場合によっては、撮影時の動作デューテイサイクルが小さいのでインバータ回路８が動作する期間のみ力率改善回路４、充電回路５を停止させることも可能である。
【００１８】
この構成により、ノイズフィルタ回路２、力率改善回路４は撮影定格５０ｋW の数％以下の１ｋＷと小容量化でき、従来の５０ｋＷの電力容量をもつノイズフィルタ回路、力率改善回路に比べて大幅に小型化、低コスト化が容易となる。ただし、本発明では蓄電池を必要とするため、装置のコストアップ要因となるが、近年の蓄電池技術の進歩により、電気自動車用などの低コストで小型高性能な蓄電池が開発されており、トータルコストとしては十分に低減できる。
【００１９】
図２は本発明の他の実施例を示し、１石型昇圧チョッパ構成の力率改善回路４で蓄電池７を直接充電するシンプルな構成とした。ノイズフィルタ回路２はコモンモードチョークコイル２１とコンデンサ２２〜２５の組み合せの通常の１段のＬＣフィルタである。ノイズ対策を厳重にするために、２段としてもよい。整流回路３はブリッジ整流回路である。
【００２０】
充電回路をも兼ねる力率改善回路４は、低周波チョークコイル４１とスイッチング用ＦＥＴ４２とフライホイールダイオード４３とから構成される周知の１石型昇圧チョッパ回路である。制御回路４４は力率改善用のＩＣ４５, 例えば東芝ＴＡ８３１０、又はマイクロリニア社のＭＬ４８１２などを使用する。４６、４７は蓄電池電圧検出抵抗、４８は充電電流検出抵抗、４９はスイッチング用ＦＥＴ４２のソース電流検出抵抗である。高電圧発生用のインバータ回路８はＦＥＴ５１〜５４で構成されるブリッジ型である。
【００２１】
高電圧トランス９と高電圧整流回路１０は一例として、センタタップアース型の一般的なＸ線用高電圧整流回路であり、フィルタコンデンサ１０１，１０２を出力に接続している。フィラメント加熱インバータ回路１２はＦＥＴ１２１，１２２で構成されるプッシュプル回路とセンタタップトランス１３からなる。このフィラメントトランス１３の１次、２次間の耐圧は、Ｘ線管に加わる直流高電圧の１／２以上必要である。なお、昇圧チョッパ型の力率改善回路４の出力は交流電源電圧の最大波高値より高いことが必要なので、ＡＣ２２０Ｖの交流入力電圧では蓄電池電圧を３６０Ｖ程度、ＡＣ１１０Ｖの入力電圧では蓄電池電圧を１８０Ｖ程度に選定するのが望ましい。
【００２２】
次に動作を説明する。電圧検出抵抗４６，４７で検出された蓄電池電圧の検出電圧と基準電圧４４２がコンパレータ４４３で比較される。蓄電池７の充電電圧が設定値以下のときには、オープンコレクタ型のコンパレータ４４３の出力はオープンである。力率改善回路４の出力電流、蓄電池充電電流は充電電流検出抵抗４８で検出され、ＩＣ４５内部の誤差増幅器４５２によりその基準電圧４５１と比較される。また、交流全波整流電圧を入力電圧検出抵抗４４４で交流全波電流として検出する。この交流全波電流は誤差増幅器４５２の出力電圧である誤差信号と乗算器４５３で乗算される。したがって、乗算器４５３の出力ＭＰＸＯＵＴは誤差信号を入力全波整流電圧で変調した変調電圧となる。
【００２３】
この変調電圧とソース電流検出抵抗４９の電圧との差が電流エラーアンプ４５４の入力となる。この電流エラーアンプ４５４の出力がＰＷＭコンパレータ４５５の一端に入力され、他端に三角波発振器４５６からの三角波波形が入力され，コンパレータ４５５はこれらを比較してＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号はＦＥＴ駆動回路４５７を通してＦＥＴ４２のゲートに加えられ、閉ループ制御により電流エラーアンプ４５４は電流検出抵抗４９の電圧降下が乗算器出力と同じになるように、すなわち入力電流が正弦波となるように、ＰＷＭ変調されたゲート信号がＦＥＴ４２に印加される。つまり、力率改善回路４は、入力電流を入力電圧の正弦波波形に相似させながら、充電電流を定電流に制御する。
【００２４】
次に、蓄電池７の充電が進み、蓄電池電圧が設定値以上に上昇すると、コンパレータ４４３の出力はオンになり、乗算器４５３の出力ＭＰＸＯＵＴを短絡して電流エラーアンプ４５４の一方の入力をゼロにする。なお、抵抗４４５は出力ＭＰＸＯＵＴの短絡保護用である。この結果、電流エラーアンプ４５４はＰＷＭ信号をゼロに絞り、ＦＥＴ４２はオフを続け、充電停止する。そして、撮影時の運転により蓄電池７が放電して充電電圧が再び低下すると、再度、コンパレータ４４３がオフし、充電を開始する。この充電、充電停止を頻繁に繰り返すと、ＡＣ入力電流が頻繁にオンオフして望ましくないので、コンパレータ４４３に抵抗４４６と４４７でコンパレータ出力から入力に正帰還を与え、ヒステリシスを設けている。例えば、１７５Ｖと１８５Ｖの範囲でコンパレータ４４３をオンオフさせる。
【００２５】
この実施例においても前記実施例と同様に、撮影時にＸ線管が短時間大きな撮影電力を要求すると、短時間ならば大電力を供給できる蓄電池７からそのほとんどを供給し、透視時には透視電力よりもある程度大きい電力供給能力をもつ低電圧側電源回路から透視電力をＸ線管に供給し、その剰余電力で蓄電池を充電する。なお、透視時でも撮影時においても蓄電池７が設定値以上に充電されている場合には、力率改善回路４はほぼ透視電力に等しい電力を供給するよう制御される。
【００２６】
図３は本発明に適用できる他の力率改善回路の例であり、交流電源１側に接続したインダクタンス３１とスイッチ素子であるＩＧＢＴ３２, ３３、ダイオード３４，３５との動作により、整流と力率改善を行うと共に、蓄電池７の充電を行う。
【００２７】
図４も本発明に適用できる他の力率改善回路の例であり、インダクタンス４１とスイッチ素子であるＩＧＢＴ４２，４３，４４，４５との動作により整流と力率改善を行うと共に、蓄電池７の充電を行う。以上の力率改善回路はいずれも直流電圧が入力交流電圧より高くなる昇圧型であるが、図５は直流電圧を入力交流電圧よりも低くすることもできる降圧型で、３相交流を入力とする力率改善回路の例であり、ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４、５５、５６、これらＩＧＢＴのそれぞれと直列に接続された逆流阻止用ダイオード５７、５８、５９、６０、６１，６２からなる。
【００２８】
このような構成の力率改善回路において、１組のＩＧＢＴ，例ええ５１，５６のオンにより交流入力電圧がフライホイールダイオード６３とチョーク６４に加えられ、それらのオン時間を制御することにより充電電流が制御される。これらの回路は周知であり、詳しい動作説明は省略するが、比較的簡単に大容量化が可能な構成である。
【００２９】
力率改善回路などの形式、構成は他にも多く周知であり、本発明では以上述べた力率改善回路などの他に、周知の構成のものも用いることができ、実施例に限定されない。
【００３０】
なお、従来、蓄電池を使用したＸ線装置は公知であるが、移動（携帯）用、停電対策用など蓄電池から電力を供給するときには交流入力電源は実質的にＸ線装置から切り離されている。したがって、この構成のものは蓄電池だけで比較的短い期間運転することを前提にしている。この点、本発明は以上の説明から明らかなように停電対策用ではなく、停電対策としても利用可能であるが、基本的には入力交流電源が常時接続されている正常時の運転を前提としており、従来の電力供給方式とはまったく別のものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば，定格電力の１〜２％以下のノイズ対策と高調波対策を維持した上で、Ｘ線装置用の電力供給装置のトータルコストの低減と装置全体の小型化を図ることができ、実用上の効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るＸ線装置への電力供給方法及びそれを実現す電源の一実施例を説明するための図である。
【図２】  本発明に係る別の実施例を示す図である。
【図３】  本発明に用いられる力率改善回路の一例を示す図である。
【図４】  本発明に用いられる力率改善回路の別の一例を示す図である。
【図５】  本発明に用いられる力率改善回路の別の一例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・商用交流電源          10・・・高電圧整流回路
２・・・ノイズフィルタ        11・・・高電圧側電源回路
３・・・整流回路              12・・・フィラメント加熱インバータ回路
４・・・力率改善回路          13・・・フィラメントトランス
５・・・充電回路              14・・・フィラメント加熱回路
６・・・低電圧側電源回路      15・・・Ｘ線管
７・・・蓄電池                44・・・制御回路
８・・・インバータ回路        45・・・ＩＣ
９・・・高電圧トランス
【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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