JP2004202092A

JP2004202092A - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP2004202092A
Application number: JP2002377426A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kominato; 真一小湊; Masahiro Kuroda; 昌寛黒田; Mitsuyuki Yokoyama; 光之横山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP4334212B2

Abstract

【課題】装置規模を拡大することなく、Ｘ線の曝射等による電源電圧の低下に対し回転枠を所定の回転速度に制御する。
【解決手段】電圧検出部１９によりコンバータ１５の入力端子における商用電源１４の電圧を検出する。進み角決定部２０は、検出した電源電圧ＶACが電圧Ｖｔよりも低下した場合に、Ｘ線管が取り付けられた回転枠を駆動するブラシレスモータ１０を進み位相制御するための進み角θｐを決定する。位相決定部２１は、回転角度θｒに対する電流位相が上記進み角θｐとなるように、ブラシレスモータ１０の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの位相θｖを決定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータを用いて回転枠を回転駆動するＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置では、Ｘ線を曝射する時に大電流が流れるため、電源系統に存在する線路インピーダンスに起因する電圧降下により電源電圧が変動する。特許文献１には、被検者の特定部位を圧迫する圧迫手段を備えたＸ線透視撮影装置において、当該圧迫手段を駆動するために単相誘導電動機を備え、交流電力制御素子の導通位相角を制御することにより、単相誘導電動機への給電電圧が一定となるように制御する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２０６７５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、Ｘ線管が取り付けられた回転枠を回転駆動するモータとして、高効率で高精度の制御が可能なブラシレスモータが用いられている。このブラシレスモータの駆動装置は、回転子の位置を示す位置信号に基づいて速度制御を行っている。このため、電源電圧がある程度低下しても、例えばＰＷＭ変調率、ＰＷＭデューティ比を増やすことにより回転速度を指令回転速度に制御することが可能である。しかし、電源電圧がさらに低下すると、電圧不足により回転速度を維持できなくなる。
【０００５】
これに対しては、ブラシレスモータの設計に際し、上記Ｘ線曝射時における電源電圧低下まで見越した余裕のある設計をすれば良いが、通常動作時においてオーバースペックとなり、モータの大型化、コストの増大を避けられない。また、電源電圧の低下を補償する昇圧トランスや電源電圧の安定化を図る安定化電源装置を別途設けることも考えられるが、やはり設備の大型化およびコストの増大の問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、従来装置に対して装置規模を拡大することなく、Ｘ線の曝射等による電源電圧の低下に対して回転枠を所定の回転速度に維持することができるＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、固定枠と、この固定枠に対して回転可能に支持された回転枠と、この回転枠に取り付けられたＸ線管と、このＸ線管から出射され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記回転枠を回転駆動する回転駆動手段と、前記Ｘ線検出器の出力と前記回転枠の回転による前記Ｘ線管の回転位置とに基づいて前記被検体の断層画像データを構成するコンピュータ部とを有するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、前記回転駆動手段は、永久磁石を備えた回転子と巻線が巻装された固定子とを有するブラシレスモータと、このブラシレスモータを駆動する電力変換手段と、この電力変換手段に入力される電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出された電源電圧検出値に基づいて前記電力変換手段を制御することにより、前記ブラシレスモータの誘起電圧に対する前記固定子巻線の電流位相を制御する制御手段とから構成されている。
【０００８】
この構成によれば、制御手段は、電圧検出手段により検出された電源電圧検出値に基づいて電力変換手段を制御し、ブラシレスモータの誘起電圧に対する固定子巻線の電流位相を制御するので、電力変換手段がブラシレスモータに対して出力する電圧（端子電圧）とブラシレスモータの誘起電圧との位相が変化することになる。この位相制御により、ブラシレスモータの端子電圧−発生トルク−回転速度の特性が変化し、同一回転速度に対してより低い端子電圧で回転させることが可能となる。本手段は、電圧検出手段等の僅かな追加により実現できるので、装置規模を拡大することがない。
【０００９】
Ｘ線コンピュータ断層撮影装置では、Ｘ線の曝射等により電力変換手段に入力される電源電圧が一時的に低下する場合があるが、それは回転枠の回転速度が一定速度に安定した後であって、しかも回転枠の慣性モーメントは非常に大きいという事情がある。このため、大きいトルクが必要となる回転枠の加減速時においてはＸ線の曝射がなく電源電圧の低下が生じにくく、上記位相角制御に伴うブラシレスモータの発生トルクの低下によりトルク不足に陥ることはない。また、回転速度が安定化した後、Ｘ線の曝射タイミングに合わせて一時的に上記位相角を変化させて回転速度の維持制御が行われた場合であっても、ブラシレスモータの発生可能な最大トルクは低下するものの上記慣性モーメントにより回転速度への影響は非常に小さくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の側面図であり、図３は図２において矢印Ａ方向から見た正面図である。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１（以下、Ｘ線ＣＴ装置１と称す）は、Ｘ線管２とＸ線検出器３とが一体となって被検者Ｐの周囲を回転する回転／回転方式を採用しており、被検者Ｐの周囲１周（約３６０°）分の投影データセットから１枚の断層画像を構成する装置である。
【００１１】
このＸ線ＣＴ装置１は、架台部４と被検者Ｐが横たわる寝台５とを備えている。架台部４は、固定枠６とこの固定枠６に回転可能に支持されたほぼ円環形状の回転枠７とから構成されている。このうち回転枠７には、例えばコーンビーム形でＸ線を曝射するタイプのＸ線管２と例えばマルチスライス形のＸ線検出器３とが、寝台５上の被検者Ｐを挟んで対向する位置関係で搭載されている。
【００１２】
回転枠７には永久磁石と円環形状のヨークコイルとを備えた回転子８（図１参照）が取り付けられており、固定枠６には巻線９ｕ、９ｖ、９ｗ（図１参照）を備えた固定子が取り付けられている。これら回転子８と固定子とにより、回転枠７を回転駆動するダイレクトドライブ方式のブラシレスモータ１０（図１参照）が構成されている。
【００１３】
さらに、回転枠７には、Ｘ線検出器３から出力される電流信号を電圧信号に変換するＩ−Ｖ変換器、この電圧信号を周期的に積分する積分器、この積分器の出力信号を増幅するアンプ、このアンプの出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ等からなるデータ収集システムを収納するボックス、Ｘ線管２への電力供給および信号送受信のためのスリップリング機構が回転バランスをとって配設されている。
【００１４】
ブラシレスモータ１０の通電制御と速度制御、回転枠７の停止位置制御、断層画像の構成処理などを行うためには、回転枠７の回転角度（つまりＸ線管２の回転位置）の検出が必要である。このため、回転枠７の先端面には磁性体（例えば鉄）からなる円環状の検出歯車１１が取り付けられており、固定枠６には検出歯車１１の歯先から所定距離を隔てて磁気抵抗式センサ１２が取り付けられている。図示しない画像構成プロセッサ（コンピュータ部に相当）は、Ｘ線検出器３の出力信号と回転枠７の回転によるＸ線管２の回転位置とに基づいて被検者Ｐの断層画像データを構成するようになっている。
【００１５】
図１は、ブラシレスモータ１０の駆動装置を示す電気的構成図である。この駆動装置１３（回転駆動手段に相当）は、商用電源１４から電源供給を受け、ブラシレスモータ１０の巻線９ｕ、９ｖ、９ｗに対し、正弦波状の交流電圧を出力するものである。駆動装置１３の主回路部分（電力変換手段に相当）は、コンバータ１５とインバータ１６とから構成されている。ここで、コンバータ１５は、ダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄからなるダイオードブリッジ回路１７と平滑コンデンサ１８とから構成されており、インバータ１６は、トランジスタ１６ｕｐ、１６ｕｎ、１６ｖｐ、１６ｖｎ、１６ｗｐ、１６ｗｎを三相ブリッジ接続して構成されている。
【００１６】
電圧検出部１９（電圧検出手段に相当）は、コンバータ１５の入力端子における商用電源１４の電圧（以下、電源電圧ＶACと称す）を検出するもので、例えば計器用変圧器と全波整流回路とを組み合わせて構成されている。
【００１７】
進み角決定部２０、位相決定部２１および電圧信号形成部２２からなる制御部２３（制御手段に相当）は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのプロセッサによってソフトウェア処理されるようになっている。このうち進み角決定部２０は、検出した電源電圧ＶACに対する進み角θｐを決定するものであって、そのために電源電圧ＶACと進み角θｐとの関係を示すテーブルデータ（図６参照）を備えている。ここで、進み角θｐとは、ブラシレスモータ１０の誘起電圧ｅｍに対する巻線９ｕ、９ｖ、９ｗの電流位相をいう。
【００１８】
上述した磁気抵抗式センサ１２から出力される信号は、図示しないエンコーダを通して位置信号Ｓｈとして位相決定部２１に入力されるようになっている。この位置信号Ｓｈは、検出歯車１１の歯の位置つまり回転枠７（回転子８）の回転角度θｒを示す信号であって、例えば１回転につき４３２パルスの分解能を有している。位相決定部２１は、回転角度θｒに対する電流位相が上記進み角θｐとなるように、ブラシレスモータ１０の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの位相θｖを決定するようになっている。
【００１９】
電圧信号形成部２２は、電圧位相θｖと予めテーブルデータとして準備されている正弦波データとに基づいて三相正弦波信号を生成し、その三相正弦波信号と搬送波信号との比較により正弦波ＰＷＭ波形を持つ電圧信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成するようになっている。また、図示していないが、制御部２３は速度フィードバック制御ループを備えており、速度偏差に応じて上記三相正弦波信号の振幅が決定されるようになっている。
【００２０】
駆動信号形成部２４は、電圧信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを入力し、上記インバータ１６を構成するトランジスタ１６ｕｐ、１６ｕｎ、１６ｖｐ、１６ｖｎ、１６ｗｐ、１６ｗｎに対して、それぞれ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎを出力するものである。
【００２１】
なお、画像構成プロセッサの構成の説明は省略するが、断層画像データを構成する際に用いる位置信号は、上述した４３２パルス／１回転の位置信号Ｓｈではなく、磁気抵抗式センサ１２から出力される信号を逓倍して得られる高分解能のパルス信号（例えば１回転につき１０８００パルス）である。
【００２２】
次に、駆動装置１３の動作について説明する。
制御部２３は速度制御を行っているため、電源電圧ＶACに余裕がある範囲内においては、回転枠７（回転子８）の回転速度Ｎが指令回転速度Ｎｒ（例えば２ｒｐｍ）に一致するように、端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの大きさすなわちＰＷＭ変調率が制御される。しかしながら、電源電圧ＶACが低下してＰＷＭ変調率が上限に達した状態では、もはや速度制御は機能しなくなる。
【００２３】
図４は、ＰＷＭ変調率が上限に達した状態において、端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗおよび進み角θｐを変えた場合におけるブラシレスモータ１０の発生トルクＴと回転速度Ｎとの関係（Ｔ−Ｎ特性）を示している。この図４において、直線１、２、３はそれぞれ以下の条件下での特性である。
【００２４】
▲１▼直線１…進み角θｐ＝０°、電源電圧ＶAC＝Ｖ１の場合
▲２▼直線２…進み角θｐ＝０°、電源電圧ＶAC＝Ｖ２（＜Ｖ１）の場合
▲３▼直線３…進み角θｐ＞０°、電源電圧ＶAC＝Ｖ２の場合
【００２５】
この図４によれば、ＰＷＭ変調率が上限に達した状態での運転可能な最高回転速度Ｎmax は、電源電圧ＶACにほぼ比例する。例えば、図４において、回転枠７を指令回転速度Ｎｒ（２ｒｐｍ）で回転させるために必要なトルクをＴｒとすれば、電源電圧ＶACがＶ１（直線▲１▼）の時には指令回転速度Ｎｒで回転可能であるが、電源電圧ＶACがＶ２（直線▲２▼）に低下すると電圧不足により当該回転速度Ｎｒを維持できなくなる。
【００２６】
これに対し、進み位相制御（いわゆる進み角制御）を行うと、トルクＴ−回転速度Ｎ特性が変化するため（直線▲３▼）、電源電圧ＶACがＶ２に低下して端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがブラシレスモータ１０の誘起電圧よりも低い関係となっても正のトルクを発生させることができるようになる。従って、上述の例では、電源電圧ＶACがＶ２に低下しても指令回転速度Ｎｒで回転可能となる。図５は、この進み位相制御を行っている場合におけるブラシレスモータ１０の巻線電流波形と誘起電圧波形とを示している。なお、進み位相制御を行うと、発生可能な上限トルクＴmax が低下する。このため、大きなトルクを必要とする回転枠７の加減速時には、進み位相制御を行うことは好ましくない。
【００２７】
そこで、本実施形態の駆動装置１３は、以下のような制御を行う。
図６は、進み位相決定部２０がテーブルデータとして有する電源電圧ＶACと進み角θｐとの関係を示している。電圧検出部１９により検出された電源電圧ＶACが電圧Ｖｔ以上ある場合には、進み角θｐは０°に設定されており、電源電圧ＶACが電圧Ｖｔよりも低下した場合には、電源電圧ＶACの低下に比例して進み角θｐが増大するように設定されている。Ｘ線管２によりＸ線を曝射する時には大電流が流れるため、商用電源１４の系統に存在する線路インピーダンスの影響で電源電圧ＶACが一時的に低下する。上記電圧Ｖｔは、Ｘ線の非曝射時の電源電圧ＶACよりも低く、且つ曝射時の電源電圧ＶACよりも高い値に設定されている。
【００２８】
このように制御すれば、Ｘ線の曝射が行われることのない回転枠７の加減速途中にあっては、電源電圧ＶACが大きく低下することがない（つまり電圧Ｖｔよりも低下することがない）ので進み位相制御は行われず、高力率、高効率であって且つ大きい加減速トルクを発生させることができる（図４に示す直線▲１▼）。
【００２９】
これに対し、Ｘ線の曝射が行われる定速回転中にあっては、Ｘ線の曝射により電源電圧ＶACが電圧Ｖｔよりも低下した時に進み位相制御が行われるので、回転速度を指令回転速度Ｎｒに追従させることができる（図４に示す直線▲３▼）。また、定速回転時には必要とされるトルクが小さいので、進み位相制御によってトルク不足に陥ることもない。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、電圧検出部１９により電源電圧ＶACを検出し、その電源電圧ＶACが電圧Ｖｔよりも低下した場合に回転枠７を駆動するブラシレスモータ１０を進み位相制御する。この進み位相制御により、ブラシレスモータ１０のＴ−Ｎ特性が変化し、同一回転速度に対してより低い端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗで回転させることが可能となる。その結果、Ｘ線の曝射等により電源電圧ＶACが低下しても、ブラシレスモータ１０の回転速度を指令回転速度Ｎｒに追従させることができる。
【００３１】
本Ｘ線ＣＴ装置１は、従来構成に対し電圧検出部１９を追加し、プロセッサが実行するプログラムの一部を変更し、電源電圧ＶACと進み角θｐとの関係を示すテーブルデータをメモリに書き込んでおくことにより実現できるため、装置規模が拡大したりブラシレスモータ１０が大型化することなく且つ僅かなコスト上昇だけで実現できる。
【００３２】
さらに、Ｘ線ＣＴ装置１では、Ｘ線の曝射等により駆動回路１３に入力される電源電圧ＶACが一時的に低下する場合があるが、それは回転枠７の回転速度が一定速度に安定した後であって、しかも回転枠７の慣性モーメントは非常に大きいという事情がある。このため、大きいトルクが必要となる回転枠７の加減速時においては、Ｘ線の曝射がなく電源電圧ＶACの低下が生じにくく、進み位相制御によるトルク不足に陥ることはない。また、回転速度が安定化した後、Ｘ線の曝射タイミングに合わせて一時的に進み位相制御が行われた場合であっても、ブラシレスモータ１０の発生トルクは低下するものの上記慣性モーメントにより回転速度への影響は非常に小さくなる。
【００３３】
本実施形態では、電源電圧ＶACが低下するほど進み角θｐが増大するように設定されているので、モータ効率および発生トルクを極力高く維持しながら、電源電圧ＶACの低下に応じて回転速度の維持制御が行われる。また、電源電圧ＶACがＶｔ以上ある通常状態では、進み角θｐが０°に制御されるので、高効率駆動が可能となっている。
【００３４】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
上述した実施形態では、コンバータ１５とインバータ１６とからなる主回路を本発明でいう電力変換手段とし、電圧検出部１９によりその電力変換手段に入力される電源電圧ＶACを検出するように構成したが、これに替えてインバータ１６を電力変換手段と考え、インバータ１６に入力される直流電圧ＶDCを電源電圧として検出するように構成しても良い。
【００３５】
電源電圧ＶACが電圧Ｖｔ以上ある場合の進み角θｐは正確に０°である必要はない。また、しきい値となる電圧Ｖｔを設けることなく、電源電圧ＶACの低下に従って進み角θｐを単調に増加させるようにしても良い。さらに、電源電圧ＶACが電圧Ｖｔよりも低下した場合には、進み角θｐを正の一定値としたり、段階的に高めても良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置は、回転枠を駆動するブラシレスモータを制御する上で、当該ブラシレスモータを駆動する電力変換手段に入力される電源電圧を検出し、その電源電圧検出値に基づいて電力変換手段を制御することによりブラシレスモータの誘起電圧に対する固定子巻線の電流位相を制御するように構成したので、Ｘ線の曝射等により電力変換手段に入力される電源電圧が一時的に低下する場合であっても、電圧不足による回転速度の低下を防止することができる。また、本発明は、装置規模を拡大することなく実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す駆動装置の電気的構成図
【図２】Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の側面図
【図３】Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の正面図
【図４】ＰＷＭ変調率が上限に達した状態におけるブラシレスモータの発生トルクＴと回転速度Ｎとの関係を示す図
【図５】進み位相制御を行っている場合におけるブラシレスモータの巻線電流波形と誘起電圧波形とを示す図
【図６】テーブルデータとして有する電源電圧ＶACと進み角θｐとの関係を示す図
【符号の説明】
１はＸ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）、２はＸ線管、３はＸ線検出器、６は固定枠、７は回転枠、８は回転子、９ｕ、９ｖ、９ｗは巻線（固定子巻線）、１０はブラシレスモータ、１３は駆動装置（回転駆動手段）、１９は電圧検出部（電圧検出手段）、２３は制御部（制御手段）である。

Claims

固定枠と、この固定枠に対して回転可能に支持された回転枠と、この回転枠に取り付けられたＸ線管と、このＸ線管から出射され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記回転枠を回転駆動する回転駆動手段と、前記Ｘ線検出器の出力と前記回転枠の回転による前記Ｘ線管の回転位置とに基づいて前記被検体の断層画像データを構成するコンピュータ部とを有するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、
前記回転駆動手段は、
永久磁石を備えた回転子と巻線が巻装された固定子とを有するブラシレスモータと、
このブラシレスモータを駆動する電力変換手段と、
この電力変換手段に入力される電源電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段により検出された電源電圧検出値に基づいて前記電力変換手段を制御することにより、前記ブラシレスモータの誘起電圧に対する前記固定子巻線の電流位相を制御する制御手段とから構成されていることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記制御手段は、前記電源電圧検出値が所定の電圧値よりも低い場合に、前記固定子巻線の電流が前記ブラシレスモータの誘起電圧に対して進み位相となるように制御することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記制御手段は、前記電源電圧検出値が低下するに従って前記進み位相が増大するように制御することを特徴とする請求項１または２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。