JP5627186B2

JP5627186B2 - 電気機器の異常監視装置及び加速器装置の異常監視装置

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Publication number: JP5627186B2
Application number: JP2009052173A
Authority: JP
Inventors: 博光井上; 崇夫釣本; 吉治兼田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP2010204020A

Description

この発明は高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電による電磁波を検出して異常検出を行なう電気機器の異常監視装置及び加速器装置の異常監視装置に関するものである。

電気機器として医療用加速器装置を例に説明する。高エネルギー電磁放射線又は粒子線の放射が発生される医療用加速器装置は、放射線治療医学において使用される。この装置により患者の身体範囲に放射線が照射され治療に供される。放射線治療は特に癌治療において、腫瘍細胞の***能力を阻止するため、又はこれらの細胞を殺すために施される。医療用加速器装置は、イオンビーム（イオン源）を予備加速する入射系、入射系からビームを入射し治療に適合したエネルギーまでビームを加速するシンクロトロン（加速系）、加速したビームを出射（出射系）し指定された照射室に効率よく導く高エネルギービーム輸送系、供給されたビームを腫瘍に適正に照射する照射系、及び医療用加速器装置の調整,
運転管理,状態監視等を統括している制御系から構成されている。その他、前記各系には
大小あわせて数百の電源から電力が供給されている。

このような医療用加速器装置における従来の機能監視の方法としては、医療用加速器装置の動作を定性的に特徴づける信号が、自動的に検出されてデジタル化され、デジタル化された形で後続のコンピュータ支援による医療用加速器装置機能検査の枠内での評価のために提供すべくデータ処理装置に保存されるようにしている（例えば特許文献１）。
また、他の従来例では電力ケーブル中のアーク放電を１ＭＨｚ〜３ＧＨｚに応答するマイクロ波ホーンアンテナでタイムリーに検出し、電源盤からアーク放電が生じた電力ケーブルへの電力供給を遮断することができるアーク放電の検出方法が開示されている（例えば特許文献２）。
また、他の従来例における機器の絶縁診断方法としては、固定子巻線に発生する部分放電をパッチアンテナで検出する方法が開示されている（例えば特許文献３）。

特開２００６−３２４２４９号公報（４頁２４〜２８行,図１及び１１頁１４〜２４行,図２）特開平７−１９８７６８号公報（３頁左欄３〜１４行,図１）特開２００６−２５０７７２号公報（４頁１１〜１８行，図１及び４頁５０行〜５頁４行，図３）

医療用加速器装置は大形かつ高額で高度先進医療のための治療装置である。この装置の最大の不具合は、機器の機能が停止すると、多数の患者の治療ができなくなることであり、その社会的影響は大きい。この機器の機能停止の要因としては、運転中に機器が正常動作範囲を逸脱する場合と、機器が正常に動作している範囲における高電圧部の絶縁劣化がある。特許文献１では、機器が正常動作範囲を逸脱した場合の機能監視はできるが、高電圧部の絶縁劣化の前兆である部分放電を監視することはできない。

多数の機器が配置された電源盤の電力ケーブルのアーク放電を検出する方法として特許文献２の技術があるが、特許文献２のマイクロ波ホーンアンテナは検知周波数帯域が１ＭＨｚ〜３ＧＨｚと広いので、アーク放電は検出できても、部分放電は周辺ノイズとの識別が困難で、事実上部分放電検出はできないという問題点がある。
特許文献３では、電動機の金属容器フレーム内にパッチアンテナを設置して部分放電を検出しているが、医療用加速器装置のようなオープン空間であり、且つ多数の機器で構成される装置において、各装置の金属容器外部の複数部位で部分放電を検出する場合には、監視対象部位以外で発生するノイズや、監視対象部位以外で発生する放電による電磁波を検出してしまうため監視対象部位での放電との識別が困難であると言う問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、アンテナの指向性を制御して複数の監視対象部位を監視し異常発生を検出できる電気機器の異常監視装置及び加速器装置の異常監視装置を得ることを目的としている。

この発明に係わる電気機器の異常監視装置は、電気機器の複数の高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出する複数のパッチアンテナを有するアレーアンテナと、前記パッチアンテナに接続され前記パッチアンテナの出力の位相をシフトする位相変換器と、前記複数のパッチアンテナにそれぞれ接続された複数の振幅変換器と、前記位相変換器の位相シフト量を前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの前記複数のパッチアンテナからの方向に応じて制御すると共に、前記複数の振幅変換器の振幅を、前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の方向に応じて制御する制御器と、位相シフト量が制御された前記パッチアンテナの出力を含み、振幅が制御された前記複数のパッチアンテナの出力を合成する合成器とを備え、前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の特定の方向に応じて前記複数の振幅変換器の振幅を制御して電磁波の特定の方向に指向性を持たせ、前記合成器の出力を基に前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの絶縁異常を検出するようにしたものである。

この発明の電気機器の異常監視装置によれば、パッチアンテナに接続され前記パッチアンテナの出力の位相をシフトする位相変換器と、複数のパッチアンテナにそれぞれ接続された複数の振幅変換器と、前記位相変換器の位相シフト量を複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの前記複数のパッチアンテナからの方向に応じて制御すると共に、前記複数の振幅変換器の振幅を、前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の方向に応じて制御する制御器と、位相シフト量が制御された前記パッチアンテナの出力を含み、振幅が制御された前記複数のパッチアンテナの出力を合成する合成器とを備え、前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の特定の方向に応じて前記複数の振幅変換器の振幅を制御して電磁波の特定の方向に指向性を持たせ、前記合成器の出力を基に前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの絶縁異常を検出するので、アンテナの向きを機械的に変えることなく、アンテナの指向性を制御して複数の監視対象部位を監視し異常発生を検出できる。位相変換器の位相シフト量、振幅変換器の振幅変換量を適切に設定制御することにより、利得の高い方向だけでなく利得の低い方向も可変制御することができるため、監視対象部位の方向には利得を高く、ノイズ源の方向には利得を低くすることが容易に達成できる。
また、この発明の電気機器は加速器装置であり,この発明は加速器装置の異常監視装置に適している。

基礎技術における加速器装置の異常監視装置を示す構成図である。基礎技術の加速器装置の異常監視装置におけるパッチアレーアンテナを示す分解斜視図である。図２に示すパッチアレーアンテナの断面図である。図３のＡ−Ａ線から矢印方向に見た断面図である。基礎技術の加速器装置の異常監視装置における部分放電を監視する監視フローチャートである。他の基礎技術における加速器装置の異常監視装置を示す構成図である。この発明の実施の形態１における電気機器の異常監視装置を示す構成図である。実施の形態１における各励振パッチへの電磁波の入射方向による基本動作を示す図である。実施の形態１における電磁波発生源が近距離にある場合の動作を示す図である。実施の形態２における２次元マップＡと２次元スキャンマップＢを示す図である。実施の形態２における２次元マップＣを示す図である。

基礎技術
図1は基礎技術における加速器装置の異常監視装置を示す構成図である。図２は基礎技術の加速器装置の異常監視装置におけるパッチアレーアンテナを示す分解斜視図である。図３は図２に示すパッチアレーアンテナの断面図である。図４は図３のＡ−Ａ線から矢印方向に見た断面図である。図５は基礎技術の加速器装置の異常監視装置における部分放電を監視する監視フローチャートである。以下、図に基づいて説明する。

電気機器として医療用加速器装置を例に説明する。医療用加速器装置１は、加速器系１２と、加速器系１２を動作させるために加速器系１２の周辺に設置された電源(Ａ)１３、電源(Ｂ)１４、電源(Ｃ)１５、電源(Ｄ)１６、電源(Ｅ)１７、およびこれらの各電源から電力を供給する高電圧ケーブル１８,電源ケーブル１９などから構成されており、加速器系１２には種々の動作のための電力が供給されている。特に加速器系１２は高電圧で動作させる必要があり、図１の電源(Ａ)１３は７０ｋＶの直流高電圧パルスを発生する電源であり、直流高電圧パルスを高電圧ケーブル１８を介して加速器系１２に供給している。直流高電圧パルスは、例えば高電圧発生時間３０μ秒の矩形波を１００ｍ秒間隔で連続発生し、この発生時間と発生間隔は運転状態により変わるものである。

医療用加速器装置１の異常監視装置２は、電源(Ａ)１３の近傍に設置した電磁波検出手段２３及び高電圧信号検出手段２６と、電磁波検出手段２３及び高電圧信号モニタ２８からの信号を受信して信号処理する信号処理手段２４と監視手段２５とから構成されている。電磁波検出手段２３はパッチアレーアンテナ２０と高周波同軸ケーブル２１と電磁波検出器２２とで構成され、パッチアレーアンテナ２０を用いて絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を受信し、受信した信号を高周波同軸ケーブル２１を介して電磁波検出器２２に伝送する。

パッチアレーアンテナ２０は高指向性とするために図２,図３,図４に示す構成としている。図２,図３,図４を用いてパッチアレーアンテナ２０の構成を説明する。パッチアレーアンテナ２０は誘電体基板３１と補強板３８と非励振パッチ３６と誘電体３７とで構成されている。誘電体基板３１には、前面に４個の励振パッチ３２と給電点３４と給電用マイクロストリップ線路３３が設けてある。給電点３４からの給電線は不要輻射を小さくするために給電用マイクロストリップ線路３３とし、更に給電用マイクロストリップ線路３３の給電点３４から各励振パッチ３２までの長さはすべて等しい構造としている。給電用マイクロストリップ線路３３を励振パッチ３２と同一基板上に形成し、給電点３４から各励振パッチ３２までの長さを同一長とすることで、給電用マイクロストリップ線路からの不要放射レベルが低減してアンテナの受信特性が向上し、指向性を高くすることができ、高感度に検出できる。励振パッチ３２の形状寸法はパッチアレーアンテナ２０の中心周波数と帯域幅の設計緒元で決定される。誘電体基板３１の裏面は全面が接地電極３５となっている。パッチアレーアンテナで構成することにより、ＧＨｚ帯の高周波を狭帯域で高感度に検出することができる。

図３はパッチアレーアンテナ２０の立体構造を示す断面図である。図３に示すように、積層構造の誘電体基板３１の前面の励振パッチ３２と給電用マイクロストリップ線路３３(図示せず)と裏面の接地電極３５は誘電体基板３１に密着して励振パッチ３２と接地電極３５とで誘電体基板３１を挟持した構造となっており、銅張りの誘電体基板３１の前面と裏面を化学加工によりエッチングしてパターン形成している。非励振パッチ３６はアルミニウム製で励振パッチ３２と対向する位置に励振パッチ３２と対をなして励振パッチ３２より縦横ともに大きい外形寸法であり、図３に示す位置に誘電体(Ｂ)３７に接着固定されている。励振パッチ３２と空隙を介して対向設置した非励振パッチ３６を配置し且つ励振パッチ３２と非励振パッチ３６を強誘電体で覆う構成として高指向性を実現している。

誘電体(Ｂ)３７の形状は図２に示すように凹状の箱型であり、誘電体(Ｂ)３７は誘電体基板３１に伏せた形で、誘電体基板３１の裏面に設けたアルミニウム製の補強板３８と共に止めねじ４２を止め穴４０とねじ穴４１に挿入して一体に固定されている。図２の誘電体(Ｂ)３７に示す斜線部は誘電体(Ｂ)３７の断面を示している。誘電体基板３１と誘電体(Ｂ)３７の接合面はシール剤を介して固定される。誘電体基板３１と誘電体(Ｂ)３７の囲まれた空隙３９内には大気圧空気が存在し、励振パッチ３２と非励振パッチ３６との空間距離および誘電体(Ｂ)３７の比誘電率はパッチアレーアンテナ２０の指向性が最良となる緒元で設計している。

このように構成することで、給電点３４に供給された電力は給電用マイクロストリップ線路３３をとおり、励振パッチ３２を励振し、励振パッチ３２より電波が放射される。放射された電波は無給電の非励振パッチ３６を電磁結合により励振して、非励振パッチ３６より電波が放射され、アンテナとして機能する。また非励振パッチ３６の形状が励振パッチ３２より大きい（差をつける）ことで励振周波数帯域が広がり、励振パッチ３２の励振周波数との２周波共用化することで指向性を向上することができ高感度に検出できる。励振周波数帯域を広げることは誘電体基板３１の厚みを厚くすることでも可能であるが、不要輻射が大きくなり指向性が悪くなる。

基礎技術の誘電体基板３１は例えばガラステフロン（登録商標）積層体で比誘電率は２．６,厚み０．８ｍｍあり、励振パッチ３２は５１×５１ｍｍで厚みは５０〜１００μｍ
、非励振パッチ３６は６２×１１０ｍｍで厚みは１．５ｍｍ、励振パッチ３２と非励振パッチ３６との空間距離は６ｍｍ、誘電体(Ｂ)３７は比誘電率２．７のポリカーボネイトである。以上のように構成することで中心周波数に対する帯域幅２．５％でＶＳＷＲ(Voltage Standing Wave Ratio：定在波比)＝１．３３以下の特性を有する小型で高指向性のパッチアレーアンテナ２０を得ることができる。

このように構成したパッチアレーアンテナ２０を電源(Ａ)１３の高電圧発生部や高電圧ケーブル１８との接続絶縁部に向けて近接設置する。基礎技術では、このアンテナ特性を用いて絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を受信する。前述したように、図１の電源(Ａ)１３は７０ｋＶの直流高電圧パルスを発生する。この直流高電圧パルスの発生を高圧信号検出手段２６で検出し、高電圧信号モニタ２８でモニタリングして信号処理手段２４に伝送する構成である。

次に動作を説明する。医療用加速器装置を運転すると電源(Ａ)１３では高電圧パルスを発生し、高電圧ケーブル１８を介して加速器系１２に高電圧パルスが供給される。この状態で長時間運転した場合に、電源(Ａ)１３の高電圧発生部や高電圧ケーブルの絶縁部で絶縁劣化が生じて絶縁破壊の前兆である部分放電が発生する場合がある。この部分放電の発生に伴う高周波帯域の電磁波を電源(Ａ)１３の近傍に設置した高指向性のパッチアレーアンテナ２０で検出して電源(Ａ)１３の異常を検知する。この異常発生時に、電源(Ｂ)１４,電源(Ｃ)１５,電源(Ｄ)１６,電源(Ｅ)１７から部分放電に類似のノイズが発生す場合が多い。そこで電源(Ａ)１３の絶縁劣化が生じる恐れがある部位に向け、つまり、対向させて高指向性のパッチアレーアンテナ２０を設置して電磁波を検出することで電源(Ａ)１３のみの電磁波を検出することができる。

しかしながら、電源(Ａ)１３の高電圧パルス発生に伴う電磁波発生が無視できず、パッチアレーアンテナ２０の計測に対するノイズとなる。そこで電源(Ａ)１３のノイズを抑制して部分放電に伴う電磁波のみを検出することが必要となる。このノイズ抑制の方法として基礎技術では周波数帯域制限方法を用いている。予め計測した高周波パルスによるノイズの周波数特性からノイズが小さい帯域を選定して検出帯域としている。パッチアレーアンテナ２０では前記検出帯域を中心周波数とする。

監視フローチャートを図５に示す。前述したようにして、電磁波検出手段２３で検出した信号は信号処理手段２４に伝送し、高電圧信号検出手段２６で検出し（ステップＳ１）、高電圧信号モニタ２８でモニタリングした信号と同期して計測し（ステップＳ２）、計測値が監視手段２５に伝送される。監視手段２５では予め登録された規定値と比較して（ステップＳ３）、規定値を超えた場合に異常と判定し警報を発する（ステップＳ４）。このようにすることで電源(Ａ)１３の異常を確実に検出することができる。
また、他の電源(Ａ)１３のノイズ抑制の方法として、高電圧信号モニタ２８でモニタリングした信号を元に計測時間を制御する方法がある。前述した直流高電圧パルスの場合の部分放電の発生はパルスの立ち上がりと立下がりである。したがってこのパルス発生時のみ計測することで、つまり、高電圧信号モニタ２８でモニタリングした信号と同期して計測時間を制御して測定することにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、同様の効果を奏することができる。

図６は他の基礎技術における加速器装置の異常監視装置を示す構成図である。図において医療用加速器装置５０は、高電圧発生部又は高電圧印加部となるイオン源５１,入射系
５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６とを備えている。医療用加速器装置５０は、イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６のそれぞれにパッチアレーアンテナ２０ａ〜２０ｇ,電磁波検出器２２ａ〜２２ｇ,及び動作信号検出手段（高電圧信号検出手段）５７ａ〜５７ｇとを備える。パッチアレーアンテナ２０ａ〜２０ｇの設置は、高電圧発生部,高電圧絶縁部や高圧ケーブル接続部などの絶縁劣化により部分放電が発生する可能性のある部位に対向させて近接設置する。

イオン源５１などの高電圧部を複数箇所有する機器には複数のパッチアレーアンテナ２０と電磁波検出器２２とを備える。各電磁波検出器２２ａ〜２２ｇ及び動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇはEthernet（登録商標）出力を有する。それぞれの電磁波検出器２２ａ〜２２ｇからの信号はネットワーク５８によりＨＵＢ（Ａ）６２ａを介して信号処理手段５９に接続される。また、それぞれの動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇからの信号はネットワーク６１によりＨＵＢ（Ｂ）６２ｂを介して信号処理手段５９に接続される。

信号処理手段５９では、監視端末６０で設定されたプログラムに従い、イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６ごとに動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇの信号と同期して信号処理し、その結果を監視端末６０に伝送する。監視対象機器の動作信号と同期して部分放電に伴う電磁波を検出すると、ノイズと放電信号との識別精度が向上する。監視端末６０では、各監視対象機器の信号値を記録して時間的変化を表示するとともに、伝送されたそれぞれの機器の監視信号を予め登録されたそれぞれの機器ごとの規定値と比較して、規定値を超えた場合に異常と判定し機器ごとに警報を発する構成となっている。
このように、高電圧発生部又は高電圧印加部である監視対象機器の各部に対向させてそれぞれパッチアレーアンテナを設置し、監視対象機器の各部の絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を、監視対象機器の動作信号と同期してパッチアレーアンテナでそれぞれ検出することにより放電発生部を特定することができる。

次に動作について説明する。イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び照射系５６に備えられた動作信号検出手段５７ａ〜５７ｇは、それぞれの機器に応じた動作信号（高電圧信号）を検出する。例えば、イオン源５１では治療に供される各イオンを生成し、入射系５２ではシンクロトロンへ入射するための予備加速を行なう。イオン源は大強度であるとともに、加速効率を上げるために電子をできるだけ剥ぎとって多価イオンを生成する必要があり、高エネルギー電子を用いたイオン源とするための高電圧・高磁場発生機器が使用される。

また、イオン源から出たビームは収束され、加速されて、シンクロトロンに入射するまでの予備加速を行なう線形加速器に輸送され数ＭｅＶまで加速される。さらに主加速器であるシンクロトロンに入射され数１００ＭｅＶまで加速されて取り出される。これらの収束、加速などに高磁場・高電圧の機器が多用される。以下、出射系５４,ビーム輸送系５
５,照射系５６はともに大電力、高電圧の機器が多用される。これら各機器に設けた動作
信号検出手段５７ａ〜５７ｇではこれらの機器に応じた動作信号を検出する。また、パッチアレーアンテナ２０ａ〜２０ｇは,それぞれの機器の最適Ｓ／Ｎ比となる検出周波数に
設計される。イオン源５１,入射系５２,加速系５３,出射系５４,ビーム輸送系５５,及び
照射系５６のいずれかで絶縁異常による部分放電が発生した場合は異常検出される。このように構成することで、大規模である医療用加速器装置の各部の絶縁異常を監視することができる。部分放電を監視することで医療用加速器装置の故障を予知できる。

実施の形態１．
図７は実施の形態１における電気機器の異常監視装置を示す構成図である。実施の形態１で用いるパッチアレーアンテナは、図２,図３,図４で詳述したパッチアレーアンテナ２０であり、同様に構成されており、複数のパッチアンテナを有するアレーアンテナである。図７において、パッチアレーアンテナの励振パッチ３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄは、
それぞれ位相変換器６３ａ,６３ｂ,６３ｃ,６３ｄ及び振幅変換器６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄを通して合成器６５に接続され、その出力は電磁波検出器２２に入力される。位相変換器６３ａ,６３ｂ,６３ｃ,６３ｄにおける位相変換量及び振幅変換器６６ａ,６６ｂ,
６６ｃ,６６ｄの振幅変換量は制御器６４で制御される。

次に、このような構成の電気機器の異常監視装置の動作について説明する。パッチアレーアンテナの励振パッチ３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄに到達した電磁波はそれぞれの位
相変換器６３ａ,６３ｂ,６３ｃ,６３ｄによってその位相がシフトされ、もしくは時間的
に遅延され、その後合成器６５で合成される。従って、電磁波が正面から入射して各励振パッチで同時に検出された場合は、位相変換器の位相変換量が同じ値の時に合成出力が最大となる。このとき振幅変換器６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄの振幅変換量は利得（重み
付け）を調整している。これに対して、電磁波が正面ではなく斜め方向から入射した場合は、各励振パッチへの到達時刻に差が生じるため、入射した電磁波の位相をシフトしてこの差を補償すると合成出力は高くなるが、そうでない場合は打ち消し合って合成出力が低くなる。

図８は各励振パッチへの電磁波の入射方向による基本動作を示す図である。図８は説明の便宜上、パッチアレーアンテナを構成するパッチアンテナが２個配置された場合における、入力される電磁波の位相と入射角度を示す。２つの励振パッチ３２ａ,３２ｂの中心間の距離はｄ（ｍ）である。図８の（ａ）はパッチアレーアンテナの正面から電磁波が入射している様子を示す。正面、つまりパッチアレーアンテナ面の法線に対して角度０度で電磁波が入射した場合、電磁波が励振パッチ３２ａ,３２ｂに到達する時刻は同時である。つまり、時間差Δｔ＝０（ｓ）、位相差Δθ＝０（rad）である。この場合、合成出力は最大２倍になる。

一方、図８の（ｂ）は角度φ度で励振パッチ３２ｂの方から電磁波が入射している様子を示す。このとき電磁波はまず励振パッチ３２ｂに到達し、時間Δｔ（ｓ）後に励振パッチ３２ａに到達する。電磁波の周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）とすると、この時間差Δt、位相差Δθはそれぞれ以下の式で表される。Δｔ＝ｄ (sin φ)／ｃ
Δθ＝２πf ｄ (sin φ)／ｃ
そこで、先に信号が到達した励振パッチ３２ｂの信号を位相変換器６３ｂによりΔｔだけ遅らせることにより、もしくは言い換えるとΔθだけ位相を遅らすことにより、それぞれの電磁波信号が合成器６５に入る時点で位相が一致し、最大の合成出力が得られる。

この場合は、励振パッチ３２ｂの信号を位相変換器６３ｂによりΔθだけ位相を遅らせれば良いので、他方の位相変換器６３ａの接続は必ずしも必要ではなく、励振パッチ３２ａの信号を直接、合成器６５へ加えればよい。つまり、合成器６５は、位相変換器６３ｂによりΔθだけ位相を遅らせた励振パッチ３２ｂの信号と、励振パッチ３２ａの信号を合成することにより、最大の合成出力が得られる。

以上の説明は２個のパッチアンテナ３２ａ,３２ｂへの電磁波の入射角度が同じ、つま
りパッチアンテナ間の距離に対して電磁波発生源が十分遠方にある場合として述べた。これに対して電磁波発生源が近距離にある場合は２個のパッチアンテナへの電磁波の入射角度が異なることとなる。この場合については、例えば、図９に示すように、電磁波発生源からそれぞれのパッチアンテナ３２ａ,３２ｂへの距離の差ｌ＝ Δｔ・ｃが一定値であ
る線上、つまりパッチアンテナ３２ａ,３２ｂの位置を焦点とする双曲線６７上に電磁波
発生源が位置することとなる。従って、励振パッチ３２ａの信号を（位相変換器６３ｂに対して）位相変換器６３ａによりΔtだけ遅らせることにより、それぞれの電磁波信号が
合成器６５に入る時点で位相が一致し、最大の合成出力が得られる。近距離の場合はこのように時間差（位相差）により電磁波発生源を双曲線上として表すことができる。

この場合は、励振パッチ３２ａの信号を位相変換器６３ａによりΔtだけ遅らせれば良
いので、他方の位相変換器６３ｂの接続は必ずしも必要ではなく、励振パッチ３２ｂの信号を直接、合成器６５へ加えればよい。つまり、合成器６５は、位相変換器６３ａによりΔtだけ遅らせた励振パッチ３２ａの信号と、励振パッチ３２ｂの信号を合成することに
より、最大の合成出力が得られる。

以上述べた基本動作に基づく基本原理によると、パッチアレーアンテナにおいて、位相変換器の位相シフト量を適切に制御することにより、パッチアレーアンテナの向きを機械的に変えることなく、複数の監視対象部位に対するそれぞれの方向の利得を、順次大きくなるようにして、順次部分放電の発生状況を監視することができる。つまり位相変換器の位相シフト量を、複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの複数のパッチアンテナからの方向に応じて制御器６４で制御することにより得られる合成器６５の出力を基に、複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの絶縁異常を検出することができる。これは、図６で各系毎にパッチアレーアンテナ２０を配置する場合に比べ、パッチアレーアンテナ２０の数とスペースを減らすことができる。

また、パッチアンテナの個数・配置、位相変換器の位相シフト量、振幅変換器の振幅変換量を適切に設定制御することにより、利得の高い方向だけでなく利得の低い方向も可変制御することができるため、様々なノイズ発生源が存在する例えば、医療用加速器装置に対して監視対象部位の方向には利得を高く、ノイズ源の方向には利得を低くすることが容易に達成できるため、Ｓ／Ｎ比が高く信頼性の高い電気機器の異常監視装置を実現できる。つまり、位相シフト量を設定制御して特定したノイズ源の方向には、振幅変換器の振幅を低く設定制御することにより利得（重み付け）を低くして、ノイズ源からの信号を低くすることができる。そのため、アンテナの指向性を複数の監視対象部位に向けて順次設定し、且つノイズ発生源の方向に対してはアンテナ利得を下げることにより、ノイズの発生源の方向を避けながら、複数の監視対象部位の部分放電を高感度で検出することができる。

さらにパッチアンテナ間の距離に対して、監視対象部位が比較的近い場合は、監視対象部位を２個のパッチアンテナの位置を焦点とする双曲線もしくは双曲面で表せるため、３個以上のパッチアンテナを用いれば、２以上の双曲線もしくは双曲面が求まるため、監視対象部位を方向としてではなく位置（つまり、両双曲線もしくは両双曲面の交点）そのものとして表すことができるため、さらにＳ／Ｎ比が高い異常監視装置を実現できる。なお、３個以上のパッチアンテナは１個又は複数個のパッチアレーアンテナで実現できる。

なお、実施の形態１で用いるパッチアレーアンテナは、図２,図３,図４で詳述したパッチアレーアンテナ２０であり、同様に構成されているので、非励振パッチ３６の形状が励振パッチ３２より大きい（差をつける）ことで励振周波数帯域が広がり、励振パッチ３２の励振周波数との２周波共用化することで指向性を向上することができ高感度に検出できる。
さらに、高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を、監視対象機器の動作を動作信号検出手段（高圧信号検出手段）で検出した動作信号と同期して、パッチアレーアンテナで検出して異常検出を行なうようにすれば、より高感度で放電発生部を特定することができる。

実施の形態２・
ここで、電気機器の異常監視装置を医療用加速器装置の異常監視装置に適用した場合における位相変換器の位相シフト量及び振幅変換器の振幅変換量の設定制御について述べる。医療用加速器装置は装置設置時点で機器配置が決定され運転途中に変更されることは少ない。そこで、医療用加速器装置の異常監視装置の設置時点で、位相変換器の位相シフト量及び振幅変換器の振幅変換量を変えて全体として所定の複数の方向にパッチアレーアンテナの指向性を持たせる。所定の複数の方向の決定と異常部位の特定は次の手順で行なう。

第１ステップ：２次元マップＡを示す図１０（ａ）を参照して、パッチアレーアンテナ設置位置（誘電体基板３１）から医療用加速器装置（イオン源５１,入射系５２,ビーム輸送系５５,ノイズ発生源７１）を俯瞰する範囲の２次元マップＡを作成し、監視対象部位やノイズ発生源を電磁波源としてパッチアンテナの受信面への入射角を特定する。パッチアンテナの受信面の法線に対する入射角で、φ_１,φ_２,φ_３,φ_４を特定する。
このとき、医療用加速器装置設計時に絶縁異常の発生が想定される指向箇所も監視対象部位と特定する。医療用加速器装置設計時に正常動作において監視周波数と類似の電磁波を励振する箇所は監視対象外とする。

第２ステップ：監視対象部位（イオン源５１,入射系５２,ビーム輸送系５５,ノイズ
発生源７１）からの電磁波における複数のパッチアンテナ（誘電体基板３１）への入射角は同一（平行）として、パッチアンテナ設置位置から医療用加速器装置を俯瞰できる範囲の２次元方向にスキャン（つまり、位相変換器で位相シフト量を制御してスキャン）して、絶縁異常時に利得が最大値となる指向部位（指向方向）を特定し、２次元スキャンマップＢ（図１０（ｂ））を作成し記録する。

第３ステップ：２次元スキャンマップＢの利得が絶縁異常時に最大値を示す複数の指向箇所において、各パッチアンテナの位相シフト量を、監視対象機器を放電源とする入射角を考慮して利得が最大となるようにそれぞれ調整する。つまり、２次元スキャンマップＢの各入射角φにおいて、図９に示す双曲線６７上をスキャンするように位相変換器の位相シフト量を調整する。ここで最大値が得られる指向箇所を監視対象部位又は監視対象と特定する。２次元スキャンマップＢと俯瞰した医療用加速器装置配置を示す２次元マップＡとから、ノイズ発生源を指向する２次元的な位相変換器の位相シフト量を決定しノイズ発生箇所を特定して監視対象外とする。

第４ステップ：第３ステップを基に図１１に示す監視２次元マップＣを策定する。この時、監視対象指向箇所は利得が最大となるようにし、監視対象外とした指向箇所は利得が最小となるように位相変換器の位相シフト量および振幅変換器の振幅変換量を設定制御する計測条件とする。
第５ステップ：一定時間間隔（監視機器の重要度に応じて数分から数時間間隔）ごとに、動作信号検出手段からの信号と同期して、第４ステップで決定した監視２次元マップＣに基づき監視し、異常個所を検出し特定する。

第６ステップ：第５ステップでの監視を継続しつつ、第５ステップの監視間隔より長い時間間隔(例えば1日に1回の頻度)で、２次元マップＣのスキャンを実施しつつ、スキャン面の仰角を１度ずつ変化させて、第１ステップで明確にした医療用加速器装置を俯瞰する仰角範囲内に３次元スキャンを行い、第４ステップでの特定箇所以外の利得が最大値となる箇所の電磁波強度計測し、第４ステップで特定した箇所以外の異常個所を検出し特定する。

ここで、第４ステップで決定した監視マップにより監視する所定の１つの方向は、１つの方向線上である。先に説明したように、パッチアンテナ間の距離に対して、監視対象部位が比較的近い場合は、監視対象部位を２個のパッチアンテナの位置を焦点とする双曲線もしくは双曲面で表せるため、２組以上の（２つのパッチアンテナで構成される）パッチアンテナ対を用いれば、２以上の双曲線もしくは双曲面が求まるため、監視対象部位を方向としてではなく位置（フォーカス）そのものとして表すことができる。そのため、２組以上のパッチアンテナ対を用い監視する所定の１つの方向線上において、位置（フォーカス）を特定でき、監視対象部位の位置を特定できる。所定の１つの方向線上に監視対象部位が複数の箇所である場合には、２次元スキャンにおいてこの複数箇所を順次フォーカスしながら監視する。この時、フォーカス点が所定の領域をカバーするように、自動的且つ連続的に変化するように制御する。また、前記所定の１つの方向については、フォーカス点が１つの方向の所定の範囲をカバーするように、１つの方向に連続的に変化するようにしてもよい。さらに、３組以上のパッチアンテナ対を用いれば、３次元上の位置を特定できるため、パッチアレーアンテナの設置位置を自由に選定できる。

前記した電気機器の異常監視装置では、アンテナの向きを機械的に変えることなく、アンテナの指向性を制御して、つまりアンテナの指向方向を制御して、複数の監視対象部位を監視し異常発生箇所を特定できる。また、アンテナの利得の無い方向を可変できる。そのため、このような電気機器の異常監視装置は、変電所の電力機器の部分放電や、工場の製造ラインでの静電気放電など、絶縁異常により電磁波を発生し、且つそれがどの位置で発生しているかをノイズと区別しつつ監視する場合に広く適用できる。特に、ノイズ源が多い加速器装置、例えば医療用加速器装置の異常監視装置への適用に適している。医療用加速器装置の異常監視装置の場合は、故障の予知により事前に予防保全を施すことができ、不慮の装置運転停止を回避できるので、治療計画に支障をきたすこがなく、患者治療の計画的遂行に大きな効果を奏する。計画どおりに患者治療ができることは大きな経済的効果を得ると同時に、患者の生命を守る社会的責任を向上させる。また、パッチアンテナは２個又は４個の場合を図示して説明したが、２個以上あれば何個でも同じ効果が得られるのはいうまでもない。

１加速器装置２異常監視装置
１２加速器系１３電源（Ａ）
１４電源（Ｂ）１５電源（Ｃ）
１６電源（Ｄ）１７電源（Ｅ）
１８高電圧ケーブル１９電源ケーブル
２０パッチアレーアンテナ２１高周波同軸ケーブル
２２電磁波検出器２３電磁波検出手段

２４信号処理手段２５監視手段
２６高電圧信号検出手段２７信号検出ケーブル
２８高電圧信号モニタ３１誘電体基板
３２励振パッチ３３給電マイクロストリップ線路
３４給電点３５接地電極
３６非励振パッチ３７誘電体（Ｂ）
３８補強板３９空隙

４０止め穴４１ねじ穴
４２止めねじ５１イオン源
５２入射系５３加速系
５４出射系５５ビーム輸送系
５６照射系５７動作信号検出手段
５８ネットワーク(ａ) ５９信号処理手段（ｂ）
６０監視端末６１ネットワーク(ｂ)
６２ＨＵＢ６３位相変換器
６４制御器６５合成器
６６振幅変換器６７双曲線
７１ノイズ発生源

Claims

電気機器の複数の高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出する複数のパッチアンテナを有するアレーアンテナと、
前記パッチアンテナに接続され前記パッチアンテナの出力の位相をシフトする位相変換器と、
前記複数のパッチアンテナにそれぞれ接続された複数の振幅変換器と、
前記位相変換器の位相シフト量を前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの前記複数のパッチアンテナからの方向に応じて制御すると共に、前記複数の振幅変換器の振幅を、前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の方向に応じて制御する制御器と、
位相シフト量が制御された前記パッチアンテナの出力を含み、振幅が制御された前記複数のパッチアンテナの出力を合成する合成器とを備え、
前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の特定の方向に応じて前記複数の振幅変換器の振幅を制御して電磁波の特定の方向に指向性を持たせ、
前記合成器の出力を基に前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの絶縁異常を検出するようにした電気機器の異常監視装置。
電気機器の複数の高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を検出する複数のパッチアンテナを有するアレーアンテナと、
前記複数のパッチアンテナにそれぞれ接続され前記複数のパッチアンテナの出力の位相をそれぞれシフトする複数の位相変換器と、
前記複数のパッチアンテナにそれぞれ接続された複数の振幅変換器と、
前記複数の位相変換器の位相シフト量を前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの前記複数のパッチアンテナからの方向に応じて制御すると共に、前記複数の振幅変換器の振幅を、前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の方向に応じて制御する制御器と、
位相シフト量が制御された前記複数のパッチアンテナの出力を含み、振幅が制御された前記複数のパッチアンテナの出力を合成する合成器とを備え、
前記複数のパッチアンテナが受ける電磁波の特定の方向に応じて前記複数の振幅変換器の振幅を制御して電磁波の特定の方向に指向性を持たせ、
前記合成器の出力を基に前記複数の高電圧発生部又は高電圧印加部のそれぞれの絶縁異常を検出するようにした電気機器の異常監視装置。
前記アレーアンテナは、励振パッチと、前記励振パッチと対向して配置され前記励振パッチより大きい面積を有する非励振パッチとで対構成となるパッチアンテナの複数個で構成したパッチアレーアンテナであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電気機器の異常監視装置。
前記高電圧発生部又は高電圧印加部での絶縁異常により発生する部分放電に伴う電磁波を、監視対象機器の動作を動作信号検出手段で検出した動作信号と同期して、前記パッチアンテナで検出して異常検出を行なうようにした請求項１又は請求項２記載の電気機器の異常監視装置。
前記パッチアンテナの２つで構成されるパッチアンテナ対を２組以上設け、各組のパッチアンテナに接続された前記位相変換器の位相シフト量を制御して、監視対象部位の位置を特定するようにした請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気機器の異常監視装置。
前記電気機器は加速器装置である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の加速器装置の異常監視装置。