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JP6673149B2 - Rotating anode type X-ray tube apparatus and its rotating anode driving device - Google Patents
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JP6673149B2 - Rotating anode type X-ray tube apparatus and its rotating anode driving device - Google Patents

Rotating anode type X-ray tube apparatus and its rotating anode driving device Download PDF

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Description

本発明はX線装置一般、又はX線CT装置などの医療用X線診断装置に用いられる回転陽極型X線管装置と、その回転陽極型X線管装置のための陽極回転駆動装置に関する。   The present invention relates to a rotary anode X-ray tube device used for medical X-ray diagnostic devices such as general X-ray devices or X-ray CT devices, and an anode rotation driving device for the rotary anode X-ray tube device.

回転陽極型X線管(以下では、単にX線管ということがある。)は電子衝撃面を移動させて陽極の許容負荷を増大させるために、陽極を誘導モータの原理を用いた陽極回転駆動装置で回転させる。X線管は、X線管球内に回転軸により回転可能に支持された陽極のその回転軸にロータコイルを備え、X線管球外にステータコイルを備えて、ステータコイルに電流を流して回転磁界を発生させることによりロータコイルを介して陽極を回転させる。   A rotating anode type X-ray tube (hereinafter sometimes simply referred to as an X-ray tube) is an anode rotating drive using the principle of an induction motor in order to increase an allowable load of the anode by moving an electron impact surface. Rotate on device. The X-ray tube is provided with a rotor coil on the rotation axis of an anode rotatably supported by a rotation axis in the X-ray tube, and a stator coil outside the X-ray tube, and a current is applied to the stator coil. By generating a rotating magnetic field, the anode is rotated via the rotor coil.

陽極回転駆動装置はステータコイルの相数によって2相式と3相式に分けられる(特許文献1参照。)。いずれの陽極回転駆動装置も、直流電圧電源からの直流電圧をインバータ回路によって交流電圧に変換し、2相式では位相差が90度の2相の交流信号をステータコイルに印加し、3相式では位相差が120度の3相の交流信号をステータコイルに印加する。2相式はステータコイルが単純で安価に製造できる利点をもち、3相式は高速応答に有利であるという利点をもっている。   The anode rotation drive device is divided into a two-phase type and a three-phase type according to the number of phases of the stator coil (see Patent Document 1). Each of the anode rotation driving devices converts a DC voltage from a DC voltage power supply into an AC voltage by an inverter circuit, applies a two-phase AC signal having a phase difference of 90 degrees to a stator coil in a two-phase system, and outputs a three-phase system. Then, a three-phase AC signal having a phase difference of 120 degrees is applied to the stator coil. The two-phase type has an advantage that the stator coil can be manufactured simply and at low cost, and the three-phase type has an advantage that it is advantageous for high-speed response.

特許第4262810号公報Japanese Patent No. 4262810 特開昭60−198099号公報JP-A-60-198099

陽極回転駆動装置のステータコイルに印加されるインバータ回路からの交流電圧の上限が決まる因子として、インバータ回路に接続された直流電源から出力される最大電圧がある。   A factor that determines the upper limit of the AC voltage from the inverter circuit applied to the stator coil of the anode rotation drive device is a maximum voltage output from a DC power supply connected to the inverter circuit.

いずれの相数の陽極回転駆動装置にも、高速動作、低速動作、回転維持、起動、制動及び停止などの動作モードがある。それぞれの動作モードによってインバータ回路からステータコイルに送られる交流電圧の大きさが規定され、その交流電圧の大きさはインバータ回路のパルス幅変調(PWM)によって制御される。通常、高速動作モードで最も高電圧の交流電圧が必要とされる。そのため、直流電源としては、この最も高電圧の交流電圧を出力するのに十分な構造となっている。   The anode rotation drive devices of any number of phases have operation modes such as high-speed operation, low-speed operation, rotation maintenance, start, braking, and stop. Each operation mode defines the magnitude of the AC voltage sent from the inverter circuit to the stator coil, and the magnitude of the AC voltage is controlled by pulse width modulation (PWM) of the inverter circuit. Usually, the highest AC voltage is required in the high-speed operation mode. Therefore, the DC power supply has a structure sufficient to output the highest AC voltage.

また、例えば、2相式の陽極回転駆動装置には、ステータコイルとして主コイルと補助コイルを備え、補助コイルの方が主コイルより巻き数が多くなっているものがある。陽極を回転させるトルクを生成する重要な因子はステータコイルに印加される電圧ではなく、ステータコイルに流れる電流、さらに言えばその電流によって生成される回転磁界である。コイルの巻き数が多い場合、概ね、巻き数の2乗に比例してインピーダンスが増加する。電流によって生成される磁束の振幅を主コイルと補助コイルで同程度にしようとすると、補助コイルには主コイルよりも高い電圧を印加する必要が出てくる。この場合も、直流電源としては、補助コイルで必要とされる電流を流すことのできる電圧を出力できるものを備えておく必要がある。   Further, for example, a two-phase anode rotation drive device includes a main coil and an auxiliary coil as stator coils, and the auxiliary coil has a larger number of turns than the main coil. The important factor that generates the torque for rotating the anode is not the voltage applied to the stator coil, but the current flowing through the stator coil, and more specifically, the rotating magnetic field generated by the current. When the number of turns of the coil is large, the impedance generally increases in proportion to the square of the number of turns. If an attempt is made to make the amplitude of the magnetic flux generated by the current equal between the main coil and the auxiliary coil, it is necessary to apply a higher voltage to the auxiliary coil than to the main coil. Also in this case, it is necessary to provide a DC power supply capable of outputting a voltage capable of flowing a current required by the auxiliary coil.

さらにインバータ回路で直流電圧を主コイルと補助コイルに供給する2相交流電圧に変換するとき、それらの2相交流電圧の位相差が理想的な位相差、すなわち90°からずれるほど、交流電圧のピーク値として大きな電圧が得られにくくなり、必要なピーク電圧を得るためには、インバータ回路で変換する前の直流電圧には高い電圧が必要となる。   Further, when the inverter circuit converts the DC voltage into a two-phase AC voltage supplied to the main coil and the auxiliary coil, the more the phase difference between the two-phase AC voltages deviates from the ideal phase difference, that is, 90 °, the more the AC voltage becomes. A large voltage is hardly obtained as a peak value, and a high DC voltage is required before conversion by an inverter circuit in order to obtain a required peak voltage.

ステータコイルに印加する交流電圧の必要な振幅は、動作モード以外にもX線管の種類によっても変化する。   The required amplitude of the AC voltage applied to the stator coil changes depending on the type of X-ray tube as well as the operation mode.

このように、インバータ回路に接続される直流電源としては、インバータ回路からステータコイルに印加される交流電圧の最大値の要請を満たすだけの高電圧を出力できるものを備えなければならず、陽極回転駆動装置における直流電源のコストの割合が大きくなったり、インバータ回路に含まれるスイッチング素子の高耐圧化や陽極回転駆動装置が大型化したりする問題がある。   As described above, the DC power supply connected to the inverter circuit must be capable of outputting a high voltage that satisfies the requirement of the maximum value of the AC voltage applied to the stator coil from the inverter circuit. There are problems that the cost ratio of the DC power supply in the driving device is increased, the breakdown voltage of the switching element included in the inverter circuit is increased, and the size of the anode rotation driving device is increased.

本発明は、このような問題を解決するために、インバータ回路からステータコイルに印加される交流電圧の最大値を低い電圧のインバータ回路に接続された直流電源で構成できるようにすることを目的とするものである。   An object of the present invention is to solve the above-described problem by enabling the maximum value of an AC voltage applied from an inverter circuit to a stator coil to be constituted by a DC power supply connected to a low-voltage inverter circuit. Is what you do.

本発明の陽極回転駆動装置は2相式と3相式の両方を対象にしている。   The anode rotary drive of the present invention is intended for both the two-phase type and the three-phase type.

本発明の陽極回転駆動装置は、直流電源と、複数個のスイッチング素子を備え前記直流電源に接続され、前記直流電源の直流電圧から交流電圧を生成してX線管の回転磁界を発生させるステータコイルに出力するインバータ回路と、前記インバータ回路の前記スイッチング素子をパルス幅変調(PWM)制御し、前記交流電圧として前記直流電圧から2相又は3相の交流電圧を発生させるPWM波形生成部と、前記ステータコイルの少なくとも1相のステータコイルの入力側に直列に接続されるコンデンサを備え、そのコンデンサはそれが接続されたステータコイルとの間で直列共振回路を構成する静電容量をもっている。   An anode rotation driving device according to the present invention includes a DC power source and a plurality of switching elements, the stator being connected to the DC power source, generating an AC voltage from the DC voltage of the DC power source, and generating a rotating magnetic field of the X-ray tube. An inverter circuit that outputs to a coil; a PWM waveform generator that performs pulse width modulation (PWM) control on the switching element of the inverter circuit to generate a two-phase or three-phase AC voltage from the DC voltage as the AC voltage; A capacitor is connected in series with the input side of at least one phase stator coil of the stator coil, and the capacitor has a capacitance forming a series resonance circuit with the stator coil to which it is connected.

本発明においては、ステータコイルの入力側にコンデンサを直列に接続して直列共振回路を構成することにより、そのステータコイルに印加される交流電圧の振幅はインバータ回路から直接に印加されたものよりも大きくなり、また位相はインバータ回路から直接に印加された交流電圧の位相より進んだものとなる。このことを図2と図3により説明する。   In the present invention, by forming a series resonance circuit by connecting a capacitor in series to the input side of the stator coil, the amplitude of the AC voltage applied to the stator coil is larger than that applied directly from the inverter circuit. The phase becomes larger than the phase of the AC voltage applied directly from the inverter circuit. This will be described with reference to FIGS.

図2に示されるように、ステータコイルに直列にコンデンサを接続した直列LCR回路を考える。そのLCR回路のインピーダンスをZとし、その力率角をθとする。LCR回路のうち、ステータ部であるLR直列部のインピーダンスをZs、力率角をφとすると、次の関係が成り立つ。   As shown in FIG. 2, consider a series LCR circuit in which a capacitor is connected in series with a stator coil. Let the impedance of the LCR circuit be Z and its power factor angle be θ. In the LCR circuit, when the impedance of the LR series unit as the stator unit is Zs and the power factor angle is φ, the following relationship is established.

Figure 0006673149
LCRの印加電圧をv1=V0sin ωt、ステータの印加電圧vs(振幅Vs、進み位相α)とすると、
Figure 0006673149
共振条件
Figure 0006673149
のとき、vsの振幅Vsは、
Figure 0006673149
となる。
Figure 0006673149
共振条件
Figure 0006673149
のとき、
Figure 0006673149
となり、位相が進む。
Figure 0006673149
Assuming that the applied voltage of the LCR is v 1 = V 0 sin ωt, and the applied voltage v s of the stator (amplitude V s , leading phase α),
Figure 0006673149
Resonance condition
Figure 0006673149
When, the amplitude Vs of vs is
Figure 0006673149
Becomes
Figure 0006673149
Resonance condition
Figure 0006673149
When,
Figure 0006673149
And the phase advances.

このことをベクトル図で表わすと、図3のようになる。   This is represented by a vector diagram as shown in FIG.

ここで、「直列共振回路を構成する」との語は、上記の式で表現されるような共振条件を厳密に満たすものだけでなく、それからはいくらか外れている場合も含む。例えば、共振条件を厳密に満たすようにコンデンサの静電容量を予め設定したとしても、X線管球のロータコイルの回転数とインバータ回路からステータコイルに供給された交流電圧の駆動周波数の差の比(=すべり)によってインバータ回路からステータコイルへの入力回路のインピーダンス(インダクタンス含む)が変化することにより、共振条件は厳密なものではなくなる。本発明はそのような場合も含んでおり、厳密な共振条件を求めているのではない。要は、「直列共振回路を構成する」は、ステータコイルにコンデンサを直列に接続したことにより、そのステータコイルに印加される交流電圧の振幅がコンデンサを接続しなかった場合よりも共振により大きくなる場合を網羅している。   Here, the term "constituting a series resonance circuit" includes not only a condition that strictly satisfies the resonance condition expressed by the above equation, but also includes a case where the resonance condition deviates somewhat. For example, even if the capacitance of the capacitor is set in advance so as to strictly satisfy the resonance condition, the difference between the rotational frequency of the rotor coil of the X-ray tube and the drive frequency of the AC voltage supplied to the stator coil from the inverter circuit is obtained. When the impedance (including the inductance) of the input circuit from the inverter circuit to the stator coil changes depending on the ratio (= slip), the resonance condition is not strict. The present invention includes such a case, and does not require a strict resonance condition. In short, "Constituting a series resonance circuit" means that the amplitude of the AC voltage applied to the stator coil becomes larger due to resonance than when no capacitor is connected by connecting a capacitor in series to the stator coil. Covers the case.

本発明はステータコイルの入力側にコンデンサを直列に接続して直列共振回路を構成する点に特徴をもっているが、ステータコイルの入力側にコンデンサを直列に接続すること自体は従来の2相陽極回転機構においても行われている。   The present invention is characterized in that a capacitor is connected in series to the input side of the stator coil to form a series resonance circuit. However, connecting a capacitor in series to the input side of the stator coil itself is a conventional two-phase anode rotation. This is also done in the mechanism.

例えば、特許文献1の図13(a)には、単相フルブリッジインバータ回路21の2つの出力を、主コイルへVmain,両コイルのコモン端へVcom,補助コイルへVsubとして供給している。その際、Vsubの位相をVmainから90°ずらすために、補助コイルに直列にコンデンサ50が挿入されている。しかし、このコンデンサ50は、「位相シフトコンデンサ50」と命名されていることからも明らかなように、位相を90°ずらすために挿入されたものであり、コンデンサ50と補助コイルとで直列共振回路を構成することは記載も示唆もなされていない。   For example, in FIG. 13A of Patent Document 1, two outputs of a single-phase full-bridge inverter circuit 21 are supplied as Vmain to a main coil, Vcom to a common end of both coils, and Vsub to an auxiliary coil. At this time, a capacitor 50 is inserted in series with the auxiliary coil to shift the phase of Vsub by 90 ° from Vmain. However, as is apparent from the fact that the capacitor 50 is named “phase shift capacitor 50”, the capacitor 50 is inserted to shift the phase by 90 °, and a series resonance circuit is formed by the capacitor 50 and the auxiliary coil. Is not described or suggested.

特許文献2の第1図、第3図においても、2相陽極回転機構のステータコイルの補助コイルに直列にコンデンサ3Cを接続することが記載されているが、そのコンデンサ3Cが何のために設けられているのかについては何も記載されていない。2相陽極回転機構が特許文献1と同じ構成であり、コンデンサ3Cがステータコイルの補助コイルに直列に接続されていることからみて、このコンデンサ3Cも位相を90°ずらすための位相シフトコンデンサと考えるのが相当である。特許文献2にも、コンデンサ3Cと補助コイルとで直列共振回路を構成することは記載も示唆もなされていない。   FIGS. 1 and 3 of Patent Document 2 also describe that a capacitor 3C is connected in series to an auxiliary coil of a stator coil of a two-phase anode rotating mechanism, but the capacitor 3C is provided for what purpose. Nothing is described as to whether or not it is done. Since the two-phase anode rotating mechanism has the same configuration as that of Patent Document 1, and the capacitor 3C is connected in series to the auxiliary coil of the stator coil, this capacitor 3C is also considered as a phase shift capacitor for shifting the phase by 90 °. Is equivalent. Patent Document 2 neither describes nor suggests that a series resonance circuit is formed by the capacitor 3C and the auxiliary coil.

本発明の回転陽極型X線管装置は、X線管球と、前記X線管球内に配置され、回転軸により回転可能に支持されたターゲットを備えた陽極と、前記X線管球内で前記回転軸に取りつけられたロータと、前記X線管球内で前記ターゲットに対向して配置され、前記ターゲットに電子線を照射する陰極と、前記X線管球外に配置され、前記ロータに対して回転磁界を発生させるステータコイルと、前記ステータコイルに交流電圧を印加する回転陽極駆動装置とを備え、その回転陽極駆動装置として本発明の回転陽極型X線管装置を備えたものである。   A rotary anode type X-ray tube apparatus according to the present invention includes an X-ray tube, an anode provided in the X-ray tube, and a target rotatably supported by a rotating shaft; A rotor attached to the rotating shaft, a cathode disposed in the X-ray tube so as to face the target, and irradiating the target with an electron beam, and the rotor disposed outside the X-ray tube. A rotating anode drive device for applying an AC voltage to the stator coil, and a rotating anode type X-ray tube device of the present invention as the rotating anode drive device. is there.

本発明の回転陽極駆動装置は、少なくとも1相のステータコイルに直列にコンデンサを接続し、直列共振現象を利用することで、インバータ回路からそのステータコイルのインピーダンスに電流を流すのに必要とされる交流電圧よりも小さい交流電圧しか発生できないような低電圧の直流電源を使用できるようになる。その結果、この回転陽極駆動装置自体の低コスト化と小型化が可能になる。   The rotary anode driving device of the present invention is required to connect a capacitor in series to at least one phase stator coil and to use a series resonance phenomenon to flow a current from the inverter circuit to the impedance of the stator coil. A low-voltage DC power supply that can generate only an AC voltage smaller than the AC voltage can be used. As a result, the cost and size of the rotary anode driving device itself can be reduced.

回転陽極駆動装置の第1の実施例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a first embodiment of the rotary anode driving device. 直列LCR回路図である。It is a series LCR circuit diagram. 直列共振による振幅と位相の変化を示すベクトル図である。It is a vector diagram which shows the change of the amplitude and phase by series resonance. X線管装置の一実施例を示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing an example of an X-ray tube device. (A)、(B)は共振がない状態でインバータ回路から主コイルと補助コイルにそれぞれ印加されるPWM電圧波形の概略図の例である。(A), (B) is an example of a schematic diagram of a PWM voltage waveform applied to each of a main coil and an auxiliary coil from an inverter circuit without resonance. (A)、(B)はインバータ回路から主コイルと補助コイルにそれぞれ印加されるPWM電圧波形の概略図の例であり、補助コイルにのみ共振用のコンデンサが接続されている。(A) and (B) are examples of schematic diagrams of PWM voltage waveforms respectively applied to a main coil and an auxiliary coil from an inverter circuit, and a resonance capacitor is connected only to the auxiliary coil. (A)のVx−z電圧波形は図6(B)のものと同じであり、(B)のVx−z’はステータコイルに印加される電圧のピークを小さくした場合の電圧波形である。The Vx-z voltage waveform in (A) is the same as that in FIG. 6B, and the Vx-z 'in (B) is a voltage waveform when the peak of the voltage applied to the stator coil is reduced. 2相型X線管において、主コイルと補助コイルに静電容量の異なる共振用コンデンサが接続されている実施例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment in which a resonance capacitor having a different capacitance is connected to a main coil and an auxiliary coil in a two-phase X-ray tube. X線管が3相のステータコイルを備えた場合の実施例である。This is an embodiment in the case where the X-ray tube has three-phase stator coils.

直列にコンデンサを接続したステータコイルは、高速動作、低速動作又は回転維持などの動作モードの全てにわたってコンデンサを接続した状態として、直列共振を利用することもできる。しかし、低速動作時など、そのステータコイルに直流電源電圧以上の振幅の交流電圧を印加する必要がないこともある。   A stator coil connected in series with a capacitor can utilize series resonance in a state where the capacitor is connected in all operation modes such as high-speed operation, low-speed operation, and rotation maintaining. However, it may not be necessary to apply an AC voltage having an amplitude equal to or larger than the DC power supply voltage to the stator coil, for example, during a low-speed operation.

一実施形態は、動作モードに応じてステータコイルにコンデンサを接続するかしないかを選択できるようにしたものであり、前記コンデンサに並列に接続されたバイパス回路と、前記コンデンサの入力側に配置され、インバータ回路の出力を前記コンデンサ又は前記バイパス回路のいずれかに選択的に接続する切替え機構とを備えている。   In one embodiment, it is possible to select whether or not to connect a capacitor to the stator coil according to an operation mode, and a bypass circuit connected in parallel to the capacitor and an input side of the capacitor are provided. And a switching mechanism for selectively connecting the output of the inverter circuit to either the capacitor or the bypass circuit.

このような切替え機構を備えた場合、動作モードによる切換え動作をその都度、外部から指示することもできるが、予め定めたプログラムにしたがって自動的に指示することもできる。そのような自動化を行うための実施形態は、その切替え機構の切換え動作を制御する制御部をさらに備えている。その制御部は、直流電源の出力電圧よりも高い電圧が必要となる動作モード時に前記コンデンサを選択し、前記直流電源の出力電圧以下の電圧でよい動作モード時に前記バイパス回路を選択するように前記切替え機構の切換え動作を制御する。   When such a switching mechanism is provided, the switching operation according to the operation mode can be instructed from outside each time, or can be automatically instructed according to a predetermined program. Embodiments for performing such automation further include a control unit that controls the switching operation of the switching mechanism. The control unit selects the capacitor in an operation mode in which a voltage higher than the output voltage of the DC power supply is required, and selects the bypass circuit in an operation mode in which the voltage may be lower than the output voltage of the DC power supply. The switching operation of the switching mechanism is controlled.

本発明が対象にするX線管には、2相型と3相型がある。2相型X線管の一例は、第1のステータコイル及び第1のステータコイルよりも巻き数の多い第2のステータコイルからなる2相のステータコイルを備えたものも含む。この場合、第1のステータコイルよりも第2のステータコイルの方が大きい振幅の交流電圧、すなわち大きい振幅の駆動電圧が必要になるので、少なくとも第2のステータコイルに共振用のコンデンサが直列に接続される。   X-ray tubes targeted by the present invention include a two-phase type and a three-phase type. An example of the two-phase X-ray tube includes one having a two-phase stator coil including a first stator coil and a second stator coil having a larger number of turns than the first stator coil. In this case, since the second stator coil requires an AC voltage having a larger amplitude than the first stator coil, that is, a drive voltage having a larger amplitude, a capacitor for resonance is connected in series with at least the second stator coil. Connected.

具体的には、2相のステータコイルを有するX線管装置であって、ステータコイルの巻き数に起因するインピーダンスの異なる主コイルと補助コイルを有するものである。主コイルよりも補助コイルの方が巻き数が多く、インピーダンスも大きい。主コイルが第1のステータコイルに該当し、補助コイルが第2のステータコイルに該当する。この場合も、補助コイルに供給する駆動電圧を共振により高めるので、インバータ回路に接続された直流電源として、補助コイルに回転トルクを与えるための電流を流すのに必要な駆動電圧を満たす出力電圧をもたなくても、共振によりその駆動電圧まで高めることのできる出力電圧をもつ直流電源を使用することができるようになる。   Specifically, an X-ray tube device having a two-phase stator coil has a main coil and an auxiliary coil having different impedances due to the number of turns of the stator coil. The auxiliary coil has more turns and an impedance than the main coil. The main coil corresponds to the first stator coil, and the auxiliary coil corresponds to the second stator coil. Also in this case, since the drive voltage supplied to the auxiliary coil is increased by resonance, an output voltage that satisfies the drive voltage necessary to supply a current for applying a rotational torque to the auxiliary coil as a DC power supply connected to the inverter circuit is used. Without a DC power supply, it is possible to use a DC power supply having an output voltage that can be increased to its drive voltage by resonance.

この例の2相型X線管において、第1のステータコイルの入力側にも第1のステータコイルとの間で直列共振回路を構成する静電容量をもっているコンデンサが直列に接続され、第2のステータコイルに接続されているコンデンサは第1のステータコイルに接続されるコンデンサより静電容量の大きいものが接続されるように構成することもできる。この場合は、第1のステータコイルに回転トルクを与えるための電流を流すのに必要な駆動電圧を満たす出力電圧の直流電源をもたなくても、共振によりその駆動電圧まで高めることのできる出力電圧をもつ直流電源を使用することができるようになり、さらに低電圧の直流電源の使用が可能になる。   In the two-phase X-ray tube of this example, a capacitor having a capacitance forming a series resonance circuit with the first stator coil is also connected in series to the input side of the first stator coil. The capacitor connected to the first stator coil may be configured to be connected to a capacitor having a larger capacitance than the capacitor connected to the first stator coil. In this case, even if there is no DC power supply having an output voltage that satisfies a drive voltage required to supply a current for applying a rotating torque to the first stator coil, an output that can be increased to the drive voltage by resonance is provided. A DC power supply having a voltage can be used, and a DC power supply having a lower voltage can be used.

本発明が対象にするX線管は、必ずしも巻き数の異なるステータコイルを備えたものに限らない。すなわち、2相又は3相のステータコイルを備えて全てのステータコイルが巻き数の等しいものも対象にしている。その場合、共振回路を構成するコンデンサは全てのステータコイルにそれぞれ接続される。また、各コンデンサに並列にバイパス回路を設けるとともに、各コンデンサの入力側にインバータ回路の出力を各コンデンサ又はそれぞれのバイパス回路のいずれかに選択的に接続する切替え機構を設けて、高速動作時のように大きい振幅の駆動電圧が必要とされる場合にのみコンデンサを選択して共振現象を利用するようにしてもよい。   The X-ray tube targeted by the present invention is not necessarily limited to one provided with stator coils having different numbers of turns. That is, the present invention also covers a case where a stator coil is provided with two or three phases and all the stator coils have the same number of turns. In that case, the capacitors constituting the resonance circuit are connected to all the stator coils. In addition, a bypass circuit is provided in parallel with each capacitor, and a switching mechanism for selectively connecting the output of the inverter circuit to each of the capacitors or each of the bypass circuits is provided on the input side of each capacitor, so that a high-speed operation is provided. The capacitor may be selected to use the resonance phenomenon only when a drive voltage having such a large amplitude is required.

一部の相のステータコイルにのみ共振回路を構成するコンデンサが接続された場合、そのコンデンサが接続されて共振を起こさせたステータコイルに流れる電流の位相が進むことになる。通常、2相型のX線管では2相のステータコイル間の電流位相差は90°に設定され、3相型のX線管では3相のステータコイル間の電流位相差は120°に設定され、それぞれの場合にステータコイルとロータとの間に発生する回転トルクが最大となる。しかし、陽極回転数が変化すると、コンデンサが接続されているステータコイルに流れる電流とコンデンサが接続されていないステータコイルに流れる電流との間の位相差が予め設定された電流位相差からずれてきて回転トルクの減少等が生じる。そこで、各ステータコイル間の電流位相差を所定の位相差に保つようにインバータ回路のPWM制御を調整することが好ましい。所定の位相差とは、2相型のX線管であれば略90°、3相型のX線管であれば略120°である。   When a capacitor constituting a resonance circuit is connected only to some phases of the stator coil, the phase of the current flowing through the stator coil that has caused resonance by connecting the capacitor is increased. Usually, in a two-phase X-ray tube, the current phase difference between the two-phase stator coils is set to 90 °, and in a three-phase X-ray tube, the current phase difference between the three-phase stator coils is set to 120 °. In each case, the rotational torque generated between the stator coil and the rotor is maximized. However, when the anode rotation speed changes, the phase difference between the current flowing through the stator coil connected to the capacitor and the current flowing through the stator coil not connected to the capacitor deviates from a preset current phase difference. The rotation torque is reduced. Therefore, it is preferable to adjust the PWM control of the inverter circuit so that the current phase difference between the stator coils is maintained at a predetermined phase difference. The predetermined phase difference is approximately 90 ° for a two-phase X-ray tube and approximately 120 ° for a three-phase X-ray tube.

本発明においては、各ステータコイル間の電流位相差を所定の位相差に維持するように構成された位相差調整部をさらに備えていることが好ましい。   In the present invention, it is preferable to further include a phase difference adjusting unit configured to maintain a current phase difference between the stator coils at a predetermined phase difference.

そのような位相差調整部の一例は、各ステータコイルに流れる電流の位相を検出する電流検出部と、PWM波形生成部と、電流検出部が検出した各ステータコイルに流れる電流の位相に基づいて、各ステータコイル間の位相差の所定の位相差からのずれを抑制又はなくすようにPWM波形生成部を介してインバータ回路を制御する波形演算部とを備えたものである。   One example of such a phase difference adjustment unit is a current detection unit that detects a phase of a current flowing through each stator coil, a PWM waveform generation unit, and a phase detection unit that detects a phase of a current flowing through each stator coil detected by the current detection unit. And a waveform calculator for controlling an inverter circuit via a PWM waveform generator so as to suppress or eliminate a deviation of a phase difference between the stator coils from a predetermined phase difference.

本発明は少なくとも1相のステータコイルにコンデンサを接続して共振回路を構成して、そのステータコイルに印加される駆動電圧を、インバータ回路に接続された直流電源の直流電圧により高めるものである。そのため、その高められた駆動電圧がそのステータコイルの耐圧を超える事態が生じることも想定しておくことが好ましい。そのための実施形態では、コンデンサを接続したステータコイルに入力するPWM電圧波形を工夫することで駆動電圧のピーク電圧を抑制し、ステータコイルが絶縁破壊するリスクを低減するものである。例えば、コンデンサを直列に接続したステータコイルに対して、インバータ回路から出力するPWM電圧を正弦波(v=v0sin(ωt))ではなく、ωtが0〜90°および180°〜270°の範囲の一部をゼロとする。これにより、ステータコイルへの印加電圧が直列コンデンサ間の電圧で支配的な時間領域に対して、ステータコイルに印加されるピーク電圧を小さくできる。 According to the present invention, a resonance circuit is formed by connecting a capacitor to at least one phase stator coil, and a driving voltage applied to the stator coil is increased by a DC voltage of a DC power supply connected to an inverter circuit. Therefore, it is preferable to assume that a situation in which the increased drive voltage exceeds the withstand voltage of the stator coil may occur. In the embodiment for that purpose, the peak voltage of the driving voltage is suppressed by devising the PWM voltage waveform input to the stator coil connected to the capacitor, and the risk of dielectric breakdown of the stator coil is reduced. For example, for a stator coil having a capacitor connected in series, the PWM voltage output from the inverter circuit is not a sine wave (v = v 0 sin (ωt)), but ωt is 0 to 90 ° and 180 ° to 270 °. Zero out part of the range. Thus, the peak voltage applied to the stator coil can be reduced in a time region in which the voltage applied to the stator coil is dominant by the voltage between the series capacitors.

具体的には、一実施形態では、コンデンサが接続されたステータコイルに出力されるインバータ回路からの交流電圧について、PWM電圧(矩形波)の平均値が、図6(B)に破線の正弦波で示される印加電圧平均値の予め設定された割合(例えば5%)以下の領域で、コンデンサ間の電圧と同じ極性のとき、その領域ではデューティ比をゼロにするようにPWM波形生成部を介してインバータ回路を制御する波形演算部をさらに備えている。   Specifically, in one embodiment, the average value of the PWM voltage (rectangular wave) for the AC voltage output from the inverter circuit to the stator coil connected to the capacitor is represented by a sine wave indicated by a broken line in FIG. When the polarity of the voltage between the capacitors is equal to or less than a predetermined ratio (for example, 5%) of the average value of the applied voltage indicated by, the duty ratio becomes zero in the region through the PWM waveform generator. And a waveform calculator for controlling the inverter circuit.

図4は本発明が適用されるX線管装置の一実施例を示している。ここでは、2相型を示しているが、3相型でも基本的には同じである。   FIG. 4 shows an embodiment of the X-ray tube apparatus to which the present invention is applied. Here, the two-phase type is shown, but the three-phase type is basically the same.

X線管球2内には、回転軸4の先端に固定された傘型のターゲット6を備えた陽極8が配置されている。回転軸4はその基端が支持体10により回転可能に支持されている。X線管球2内で回転軸4にはロータ12が取りつけられている。さらに、X線管球2内にはターゲット6の傘型部分に対向して配置され、ターゲット6に電子線16を照射してX線18を発生させる陰極14が配置されている。   In the X-ray tube 2, an anode 8 having an umbrella-shaped target 6 fixed to the tip of the rotating shaft 4 is arranged. The rotating shaft 4 has a base end rotatably supported by a support 10. A rotor 12 is attached to the rotating shaft 4 in the X-ray tube 2. Further, a cathode 14 is disposed in the X-ray tube 2 so as to face the umbrella-shaped portion of the target 6 and to irradiate the target 6 with an electron beam 16 to generate an X-ray 18.

陽極8を回転させるために、X線管球2の外部にはロータ12に対して回転磁界を発生させるステータコイル20A、20Bが配置されている。ステータコイル20A、20Bに回転磁界を発生させる交流の駆動電圧を印加するために回転陽極駆動装置22が設けられている。回転陽極駆動装置22については詳細に後述する。   Stator coils 20A and 20B for generating a rotating magnetic field with respect to the rotor 12 are arranged outside the X-ray tube 2 in order to rotate the anode 8. A rotating anode driving device 22 is provided for applying an AC driving voltage for generating a rotating magnetic field to the stator coils 20A and 20B. The rotary anode driving device 22 will be described later in detail.

このようなX線管装置では、回転陽極駆動装置22からステータコイル20A、20Bに駆動電圧を印加すると回転磁界を発生し、ロータ12を介してターゲット6が回転する。ターゲット6が回転することによりターゲット6の電子衝撃面積が増大して陽極の寿命が長くなり、また電子線16の電流を大きくしてX線発生量を大きくすることができる。   In such an X-ray tube device, when a driving voltage is applied from the rotating anode driving device 22 to the stator coils 20A and 20B, a rotating magnetic field is generated, and the target 6 rotates via the rotor 12. The rotation of the target 6 increases the electron impact area of the target 6 and extends the life of the anode. In addition, the current of the electron beam 16 can be increased to increase the amount of X-rays generated.

回転陽極駆動装置22の幾つかの実施例について説明する。回転陽極駆動装置22は基本的にX線管と独立して構成することができ、異なる種類のX線管にも適用することができる。   Several embodiments of the rotary anode driving device 22 will be described. The rotary anode driving device 22 can be basically configured independently of the X-ray tube, and can be applied to different types of X-ray tubes.

図1は回転陽極駆動装置22の第1の実施例である。ここでは2相式のX線管に適用した例を取りあげるが、本発明の回転陽極駆動装置が適用されるのは2相式に限らない。3相式については後に別の実施例で取りあげる。   FIG. 1 shows a first embodiment of the rotary anode driving device 22. Here, an example in which the present invention is applied to a two-phase X-ray tube will be described, but the application of the rotary anode driving device of the present invention is not limited to the two-phase X-ray tube. The three-phase method will be described later in another embodiment.

インバータ回路24に並列に直流電源26が接続され、インバータ回路24はその直流電源26の直流電圧から交流電圧を生成してX線管28の回転磁界を発生させる2相のステータコイル30と32に出力する。   A DC power supply 26 is connected in parallel to the inverter circuit 24. The inverter circuit 24 generates an AC voltage from the DC voltage of the DC power supply 26 to generate two-phase stator coils 30 and 32 that generate a rotating magnetic field of the X-ray tube 28. Output.

インバータ回路24は6つのスイッチング素子Qx1〜Qz2を有する3相フルブリッジインバータ回路である。インバータ回路24では、(Qx1,Qx2)、(Qy1,Qy2)及び(Qz1,Qz2)からなる3組のスイッチング素子の直列回路が直流電源26に並列に接続されている。各組のスイッチング素子間の接続箇所が出力端子38x、38y、38zとなる。出力端子38xと38yがステータコイル30の両端間に接続され、出力端子38xと38zがステータコイル32の両端間に接続されている。   The inverter circuit 24 is a three-phase full-bridge inverter circuit having six switching elements Qx1 to Qz2. In the inverter circuit 24, a series circuit of three sets of switching elements including (Qx1, Qx2), (Qy1, Qy2), and (Qz1, Qz2) is connected to the DC power supply 26 in parallel. The connection points between the switching elements of each set are the output terminals 38x, 38y, 38z. The output terminals 38x and 38y are connected between both ends of the stator coil 30, and the output terminals 38x and 38z are connected between both ends of the stator coil 32.

スイッチング素子Qx1〜Qz2として図示されているものは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)34にダイオード36を並列に接続したものである。スイッチング素子Qx1〜Qz2としてはMOSFET(電界効果トランジスタ)を用いてもよい。MOSFETはダイオード機能を有するので、ダイオード36を別途設けなくてもよい。しかし、スイッチング素子Qx1〜Qz2はこれらに限られるものではない。   The switching elements Qx1 to Qz2 are shown by connecting a diode 36 to an IGBT (insulated gate bipolar transistor) 34 in parallel. MOSFETs (field effect transistors) may be used as the switching elements Qx1 to Qz2. Since the MOSFET has a diode function, the diode 36 need not be separately provided. However, the switching elements Qx1 to Qz2 are not limited to these.

直流電源26も特に限定されるものではないが、この実施例では昇圧チョッパ回路を用いる。直流電圧制御部40はその昇圧チョッパ回路をPWM制御して所定の電圧まで高める。直流電源26の電圧は直流電圧検出部42によって検出されるようになっている。直流電圧検出部42は、例えばホトカプラを用いて絶縁した検出方法を行うものとすることができる。   Although the DC power supply 26 is not particularly limited, a boost chopper circuit is used in this embodiment. The DC voltage control unit 40 performs PWM control on the boost chopper circuit to increase the voltage to a predetermined voltage. The voltage of the DC power supply 26 is detected by a DC voltage detection unit 42. The DC voltage detection unit 42 may perform a detection method insulated using, for example, a photocoupler.

2相のステータコイル30、32のうち、一方のステータコイル30が主コイル、他方のステータコイル32が補助コイルである。主コイル30と補助コイル32の巻き数は、補助コイル32の方が主コイル30より多い。主コイル30のインダクタンスをLx−y、抵抗をRx−yとし、補助コイル32のインダクタンスをLx−z、抵抗をRx−zとすると、Lx−y<Lx−z、Rx−y<Rx−zとなる。   One of the two-phase stator coils 30 and 32 is a main coil, and the other stator coil 32 is an auxiliary coil. The number of turns of the main coil 30 and the auxiliary coil 32 is larger in the auxiliary coil 32 than in the main coil 30. If the inductance of the main coil 30 is Lx-y, the resistance is Rx-y, the inductance of the auxiliary coil 32 is Lx-z, and the resistance is Rx-z, Lx-y <Lx-z, Rxy-Rx-z Becomes

この実施例では、補助コイル32のインピーダンスが主コイル30のインピーダンスよりも大きいので、補助コイル32で生成される磁束の振幅を主コイル30で生成される磁束と同程度にしようとすると、補助コイル32には主コイル30よりも高い交流電圧を印加する必要がある。その交流電圧の振幅を直流電源26の直流電圧よりも大きくするために、補助コイル32の入力側に直列にコンデンサ46が接続される。そのコンデンサ46は、補助コイル32との間で直列共振回路を構成する静電容量をもったものである。   In this embodiment, since the impedance of the auxiliary coil 32 is larger than the impedance of the main coil 30, if the amplitude of the magnetic flux generated by the auxiliary coil 32 is made to be substantially the same as the magnetic flux generated by the main coil 30, An AC voltage higher than that of the main coil 30 needs to be applied to 32. To make the amplitude of the AC voltage larger than the DC voltage of the DC power supply 26, a capacitor 46 is connected in series to the input side of the auxiliary coil 32. The capacitor 46 has a capacitance that forms a series resonance circuit with the auxiliary coil 32.

静電容量の大きさは、計算により又は実験により、補助コイル32との間で直列共振回路を構成するように予め設定されたものである。しかし、その静電容量の大きさは共振条件を厳密に満たすものである必要はなく、すべりによってインバータ回路から補助コイル32への入力回路のインピーダンスが変化することからも、少なくとも、補助コイル32にコンデンサ46を直列に接続したことにより補助コイル32に印加される交流電圧の振幅がコンデンサ46を接続しなかった場合よりも常に大きくなるような状況が維持されるものであればよい。   The magnitude of the capacitance is set in advance so as to form a series resonance circuit with the auxiliary coil 32 by calculation or experiment. However, the magnitude of the capacitance does not need to strictly satisfy the resonance condition, and the impedance of the input circuit from the inverter circuit to the auxiliary coil 32 changes due to slippage. What is necessary is just to maintain a situation in which the amplitude of the AC voltage applied to the auxiliary coil 32 is always larger by connecting the capacitor 46 in series than when the capacitor 46 is not connected.

コンデンサ46は常に補助コイル32に接続されたものとすることもできる。しかし、この実施例では、コンデンサ46を補助コイル32に接続されるか否かを選択できるように構成されている。そのため、コンデンサ46に並列にバイパス回路48が接続され、コンデンサ46の入力側にはインバータ回路24の出力をコンデンサ46又はバイパス回路48のいずれかに選択的に接続する切替え機構50が配置されている。切替え機構50は、パワーリレーなどにより構成することができる。   The capacitor 46 may be always connected to the auxiliary coil 32. However, in this embodiment, the configuration is such that whether or not the capacitor 46 is connected to the auxiliary coil 32 can be selected. Therefore, a bypass circuit 48 is connected in parallel with the capacitor 46, and a switching mechanism 50 for selectively connecting the output of the inverter circuit 24 to either the capacitor 46 or the bypass circuit 48 is arranged on the input side of the capacitor 46. . The switching mechanism 50 can be configured by a power relay or the like.

インバータ回路24のスイッチング素子Qx1〜Qz2をPWM制御し、直流電源26の直流電圧から2相の交流電圧を発生させるためにPWM波形生成部44が設けられている。   A PWM waveform generator 44 is provided for performing PWM control on the switching elements Qx1 to Qz2 of the inverter circuit 24 and generating a two-phase AC voltage from the DC voltage of the DC power supply 26.

インバータ回路24からステータコイル30と32に印加される交流電圧による電流量及び電流位相を検出するために、インバータ回路24からステータコイル30、32への回路に電流検出部45が設けられている。電流検出部45としては、例えばインバータ回路24からステータコイル30、32への回路に直列に接続されたカレントトランスを用いることができる。   A current detector 45 is provided in a circuit from the inverter circuit 24 to the stator coils 30 and 32 in order to detect a current amount and a current phase by an AC voltage applied to the stator coils 30 and 32 from the inverter circuit 24. As the current detector 45, for example, a current transformer connected in series to a circuit from the inverter circuit 24 to the stator coils 30 and 32 can be used.

選択するX線管に応じた直流電圧情報のほか、動作モードに応じた波形条件などを記憶しておくために条件記憶部52が設けられている。   A condition storage unit 52 is provided for storing DC voltage information according to the X-ray tube to be selected, as well as waveform conditions according to the operation mode.

波形演算部54が設けられている。波形演算部54は、条件記憶部52からX線管の種類及び動作モードの少なくとも1つに応じた波形条件を読み取るとともに、電流検出部45が検出した電流量及び電流位相の情報を読み取り、選択するX線管の種類及び動作モードに応じて、PWM波形生成部44からインバータ回路24へ出力する電圧波形(各相の電圧振幅と位相差)を演算する。   A waveform calculation unit 54 is provided. The waveform calculation unit 54 reads the waveform condition according to at least one of the type and the operation mode of the X-ray tube from the condition storage unit 52, and reads the information of the current amount and the current phase detected by the current detection unit 45, and selects the information. A voltage waveform (voltage amplitude and phase difference of each phase) output from the PWM waveform generation unit 44 to the inverter circuit 24 is calculated according to the type and operation mode of the X-ray tube to be performed.

選択するX線管の種類、動作モードを表わす信号を入力するためにX線高電圧発生器56が接続されている。   An X-ray high voltage generator 56 is connected to input a signal indicating the type of X-ray tube to be selected and the operation mode.

X線高電圧発生器56から入力された選択するX線管の種類、動作モードに応じてスイッチング素子50を介してコンデンサ46を補助コイル32に接続するか否かの切替えを制御する信号を発するために主制御部58が設けられている。主制御部58はまた、選択するX線管の種類に関する情報又は動作モードを表わす信号を波形演算部54に入力し、選択するX線管に応じた直流電圧情報を条件記憶部52から読み取り、直流電圧制御部40へ出力する。   A signal for controlling whether to connect the capacitor 46 to the auxiliary coil 32 via the switching element 50 according to the type of X-ray tube to be selected and the operation mode input from the X-ray high voltage generator 56 is issued. For this purpose, a main control unit 58 is provided. The main control unit 58 also inputs information on the type of X-ray tube to be selected or a signal indicating an operation mode to the waveform calculation unit 54, reads DC voltage information corresponding to the selected X-ray tube from the condition storage unit 52, Output to DC voltage control unit 40.

直流電圧制御部40、PWM波形生成部44、条件記憶部52、波形演算部54及び主制御部58は専用のコンピュータ、汎用のパーソナルコンピュータ、又はCPUとメモリ装置などにより実現され、X線高電圧発生器56はそれらのコンピュータ又はCPUと、その入力装置により実現される。   The DC voltage control unit 40, the PWM waveform generation unit 44, the condition storage unit 52, the waveform calculation unit 54, and the main control unit 58 are realized by a dedicated computer, a general-purpose personal computer, or a CPU and a memory device. The generator 56 is realized by the computer or CPU and the input device.

このような構成をもった回転陽極駆動装置において、X線高電圧発生器56から主制御部58へ選択するX線管の種類及び動作モードを表わす信号を入力すると、主制御部58は選択するX線管の種類及び動作モードに応じてスイッチング素子50に対してコンデンサ46を補助コイル32に接続するか否かの切替え信号を出力し、選択するX線管の種類及び動作モード信号に応じた信号を波形演算部54に出力する。さらに、主制御部58は選択するX線管の種類に応じた直流電圧情報を条件記憶部52から読み取り、直流電圧制御部40へ出力する。波形演算部54は条件記憶部52からX線管の種類及び動作モード信号に応じた波形条件を読み取り、電流検出部45が検出した直流電圧、電流量及び電流位相の情報とともに、PWM波形生成部44へ出力する電圧波形条件(各相の電圧振幅、位相差)を演算する。PWM波形生成部44は波形演算部54から入力した電圧波形条件をPWM波形に変換し、インバータ回路24へ出力する。   In the rotary anode driving device having such a configuration, when a signal representing the type and operation mode of the selected X-ray tube is input from the X-ray high voltage generator 56 to the main control unit 58, the main control unit 58 selects. A switching signal is output to the switching element 50 as to whether or not the capacitor 46 is connected to the auxiliary coil 32 in accordance with the type and operation mode of the X-ray tube, and the type and operation mode signal of the selected X-ray tube are output. The signal is output to the waveform calculator 54. Further, the main control unit 58 reads DC voltage information corresponding to the type of the selected X-ray tube from the condition storage unit 52 and outputs the DC voltage information to the DC voltage control unit 40. The waveform calculation unit 54 reads the waveform condition corresponding to the type of the X-ray tube and the operation mode signal from the condition storage unit 52, and, together with the information of the DC voltage, the current amount and the current phase detected by the current detection unit 45, the PWM waveform generation unit The voltage waveform conditions (voltage amplitude and phase difference of each phase) to be output to 44 are calculated. The PWM waveform generator 44 converts the voltage waveform condition input from the waveform calculator 54 into a PWM waveform, and outputs the PWM waveform to the inverter circuit 24.

続いて、主コイル30と補助32に印加する電圧について、図5、図6を参照して説明する。   Subsequently, the voltage applied to the main coil 30 and the auxiliary 32 will be described with reference to FIGS.

図5(A)、(B)は切替え機構50をバイパス回路48側に接続して、コンデンサ46を接続しなかったときにインバータ回路24がPWM制御されてインバータ回路24から主コイル30と補助コイル32にそれぞれ印加されるPWM電圧波形の例である。PWM電圧波形は時間的に平均化すると交流電圧波形となる。   FIGS. 5A and 5B show that the switching circuit 50 is connected to the bypass circuit 48 side, and when the capacitor 46 is not connected, the inverter circuit 24 is PWM-controlled so that the main coil 30 and the auxiliary coil 32 is an example of a PWM voltage waveform applied to each of 32. The PWM voltage waveform becomes an AC voltage waveform when averaged over time.

Vx−yは主コイル30へ印加する電圧、Vx−zは補助コイル32へ印加する電圧、Vcはインバータ回路24の母線の直流電圧、すなわち直流電源26の出力電圧、TcはPWMキャリア周波数周期、Tdvは各PWM電圧の位相差、Tiはインバータ回路24から出力されるPWM電圧信号の周期である。   Vx-y is the voltage applied to the main coil 30, Vx-z is the voltage applied to the auxiliary coil 32, Vc is the DC voltage of the bus of the inverter circuit 24, that is, the output voltage of the DC power supply 26, Tc is the PWM carrier frequency period, Tdv is the phase difference between the PWM voltages, and Ti is the period of the PWM voltage signal output from the inverter circuit 24.

位相差Tdvの範囲ではVx−yは負、Vx−zは正の電圧を印加する必要がある。このとき、図1のインバータ回路24のスイッチング素子Qx1〜Qz2の動作を考える。   In the range of the phase difference Tdv, it is necessary to apply a negative voltage to Vxy and a positive voltage to Vxz. At this time, the operation of the switching elements Qx1 to Qz2 of the inverter circuit 24 in FIG. 1 will be considered.

Vx−yに負の電圧を印加するには
Qx1:OFF; Qx2:ON
Qy1:ON; Qy2:OFF
となる。一方でVx−zに正の電圧を印加するには
Qx1:ON; Qx2:OFF
Qz1:OFF; Qz2:ON
となる。
To apply a negative voltage to Vx-y Qx1: OFF; Qx2: ON
Qy1: ON; Qy2: OFF
Becomes On the other hand, to apply a positive voltage to Vx-z Qx1: ON; Qx2: OFF
Qz1: OFF; Qz2: ON
Becomes

すなわち、PWMキャリア周波数周期Tcの間でインバータ回路24のX相がONとなる期間とOFFとなる期間の両方が必要であり、Vx−yとVx−zの差がVc以上となる瞬間が存在する平均電圧条件と位相差の組み合わせは出力不可となり、これが入力電圧の制限となる。   That is, both a period during which the X phase of the inverter circuit 24 is turned on and a period during which the X phase of the inverter circuit 24 is turned off are required during the PWM carrier frequency period Tc. The combination of the average voltage condition and the phase difference is not output, which limits the input voltage.

一方でコンデンサ46を接続したときのPWM電圧波形について図6を参照して説明する。図6(A)、(B)はスイッチング素子50をコンデンサ46側に接続して、補助コイル32にコンデンサ46を接続したときにインバータ回路24がPWM制御されて、インバータ回路24から主コイル30と補助コイル32にそれぞれ印加されるPWM電圧波形の例である。主コイル30にはコンデンサは接続されない。切替え機構50をコンデンサ46側に接続するのは回転起動時や高速回転モードのときであり、補助コイル32に主コイル30よりも高い電圧を印加する必要のあるときである。   On the other hand, a PWM voltage waveform when the capacitor 46 is connected will be described with reference to FIG. FIGS. 6A and 6B show that when the switching element 50 is connected to the capacitor 46 side and the capacitor 46 is connected to the auxiliary coil 32, the inverter circuit 24 is PWM-controlled, and the inverter circuit 24 It is an example of a PWM voltage waveform applied to each of the auxiliary coils 32. No capacitor is connected to the main coil 30. The switching mechanism 50 is connected to the capacitor 46 at the time of starting rotation or in the high-speed rotation mode, and when a voltage higher than that of the main coil 30 needs to be applied to the auxiliary coil 32.

補助コイル32に主コイル30よりも高い電圧を印加するには、このPWM電圧波形のデューティ比を補助コイルに対して高くする必要がある。   In order to apply a voltage higher than that of the main coil 30 to the auxiliary coil 32, the duty ratio of the PWM voltage waveform needs to be higher than that of the auxiliary coil.

主コイル30にはインバータ回路24からの出力が直接印加され、補助コイル32にはインバータ回路24からの出力がコンデンサ46を通して印加される。主コイル30と補助コイル32に印加された電圧をそれぞれVx−y、Vx−zとする。実線はPWM制御された実際の電圧、破線はその平均を表す。また、インバータ回路24から出力される電圧は、キャリア周波数Tcの周期ごとの平均値をとると正弦波であるとする。   The output from the inverter circuit 24 is directly applied to the main coil 30, and the output from the inverter circuit 24 is applied to the auxiliary coil 32 through a capacitor 46. The voltages applied to the main coil 30 and the auxiliary coil 32 are Vxy and Vxz, respectively. The solid line represents the actual voltage under PWM control, and the dashed line represents the average. Further, it is assumed that the voltage output from the inverter circuit 24 is a sine wave when the average value of each period of the carrier frequency Tc is taken.

Vx−zは実線で示されるとおり、コンデンサ間の電圧である正弦波にPWM波形が重畳されるような波形となる。電圧振幅は共振により、インバータ回路24から直接印加されたものより大きくなる。また位相はPWM電圧の位相より進む。すなわちVx−yとVx−zに対するPWM電圧の位相差は小さくなることになり、出力できる電圧の上限も大きくなる。   As indicated by the solid line, Vx-z has a waveform in which a PWM waveform is superimposed on a sine wave which is a voltage between capacitors. Due to the resonance, the voltage amplitude becomes larger than that applied directly from the inverter circuit 24. The phase is advanced from the phase of the PWM voltage. That is, the phase difference between the PWM voltages Vx-y and Vx-z becomes smaller, and the upper limit of the output voltage becomes larger.

陽極回転数が変化することにより、コンデンサが接続されているステータコイルに流れる電流とコンデンサが接続されていないステータコイルに流れる電流との間の位相差が予め設定された電流位相差からずれてきて回転トルクの減少等が生じないように、各ステータコイル間の電流位相差を所定の位相差に保つようにインバータ回路24をPWM制御することができる。これにより、回転トルクを維持することができる。   Due to the change in the anode rotation speed, the phase difference between the current flowing through the stator coil to which the capacitor is connected and the current flowing through the stator coil to which the capacitor is not connected deviates from a preset current phase difference. The inverter circuit 24 can be subjected to PWM control so that the current phase difference between the stator coils is maintained at a predetermined phase difference so that the rotation torque does not decrease. Thereby, the rotation torque can be maintained.

他の実施形態として、フィードバック制御によって各ステータコイル間の位相差の所定の位相差(2相であれば90°、3相であれば120°)からのずれを抑制又はなくすための位相差調整部を設けることができる。位相差調整部は図1における電流検出部45、PWM波形生成部44及び波形演算部54により構成される。電流検出部45は主コイル30とコンデンサ46が接続された補助コイル32に流れる電流の位相を検出し、波形演算部54は電流検出部45が検出した主コイル30と補助コイル32に流れる電流の位相に基づいて、主コイル30と補助コイル32との間の位相差を所定の位相差、すなわち略90°に維持するようにPWM波形生成部44を介してインバータ回路24をフィードバック制御する。ここで、位相差が略90°とは、位相差が厳密には90°ではないが、陽極回転数の低下につながらない程度の位相差であることも含む。   As another embodiment, a phase difference adjustment for suppressing or eliminating a deviation of a phase difference between the stator coils from a predetermined phase difference (90 ° for two phases, 120 ° for three phases) by feedback control. A part can be provided. The phase difference adjustment unit is configured by the current detection unit 45, the PWM waveform generation unit 44, and the waveform calculation unit 54 in FIG. The current detector 45 detects the phase of the current flowing through the auxiliary coil 32 to which the main coil 30 and the capacitor 46 are connected. The waveform calculator 54 detects the phase of the current flowing through the main coil 30 and the auxiliary coil 32 detected by the current detector 45. Based on the phase, the inverter circuit 24 is feedback-controlled via the PWM waveform generator 44 so as to maintain the phase difference between the main coil 30 and the auxiliary coil 32 at a predetermined phase difference, that is, approximately 90 °. Here, the phase difference of approximately 90 ° includes a phase difference that is not exactly 90 ° but does not lead to a decrease in the anode rotation speed.

さらにPWM電圧を工夫し、大きく性能を損なうことなく、ステータコイルに印加される電圧を小さくした場合の電圧波形を図7(B)のVx−z’として示す。図7(A)のVx−z電圧波形は図6(B)のものと同じである。これはコンデンサ間電圧とPWM電圧のパルス電圧が正または負の同じ極性に印加される時間領域に対して、PWM電圧のうち、あまり寄与しない小さな幅のパルスを出力しない場合である。これによりステータコイルに印加される電圧のピーク値VpはVp’のように小さくなる。かつ破線で示した平均電圧波形に大きく影響は与えない。   Further, the voltage waveform when the voltage applied to the stator coil is reduced without significantly deteriorating the PWM voltage without significantly deteriorating the performance is shown as Vx-z 'in FIG. 7B. The Vx-z voltage waveform in FIG. 7A is the same as that in FIG. This is a case where a pulse of a small width that does not contribute much to the PWM voltage is not output in a time region in which the pulse voltage of the capacitor voltage and the pulse voltage of the PWM voltage are applied with the same positive or negative polarity. As a result, the peak value Vp of the voltage applied to the stator coil becomes smaller as Vp '. Further, the average voltage waveform shown by the broken line is not significantly affected.

具体的には、例えば、図1において、コンデンサ46が接続された補助コイル32に出力されるインバータ回路24からの交流電圧について、PWM電圧(矩形波)の平均値が、正弦波で示される印加電圧平均値の5%以下の領域で、コンデンサ46間の電圧と同じ極性のとき、その領域ではデューティ比をゼロにするように、波形演算部54がPWM波形生成部44を介してインバータ回路24を制御することにより実現することができる。   Specifically, for example, in FIG. 1, with respect to the AC voltage output from the inverter circuit 24 to the auxiliary coil 32 to which the capacitor 46 is connected, the average value of the PWM voltage (rectangular wave) is indicated by a sine wave. When the polarity is the same as the voltage between the capacitors 46 in a region of 5% or less of the voltage average value, the waveform calculation unit 54 operates the inverter circuit 24 via the PWM waveform generation unit 44 so that the duty ratio becomes zero in that region. Can be realized by controlling

図8は、図1で取りあげた2相型X線管において、主コイル30の入力側にも主コイル30との間で直列共振回路を構成する静電容量をもっているコンデンサC1が直列に接続されており、補助コイル32に接続されているコンデンサ(C2+C2)は補助コイル32に接続されているコンデンサC1とは静電容量の異なるものとできる実施例を示したものである。   FIG. 8 shows a two-phase X-ray tube taken up in FIG. 1, in which an input side of the main coil 30 is also connected in series with a capacitor C1 having a capacitance forming a series resonance circuit with the main coil 30. In this embodiment, the capacitor (C2 + C2) connected to the auxiliary coil 32 has a capacitance different from that of the capacitor C1 connected to the auxiliary coil 32.

この実施例では、主コイル30にはバイパス回路と切替え機構によってコンデンサを接続しないか、又は1個のコンデンサを接続するかを選択できるようになっている。補助コイル32には2つのコンデンサが直列に接続されるようになっており、それぞれのコンデンサのバイパス回路と切替え機構によって、コンデンサを接続しないか、1個のコンデンサのみを接続するか、又は2個のコンデンサを直列に接続するかを選択できるようになっている。コンデンサC1とC2の静電容量は同じであっても異なっていてもよいが、(C2+C2)の静電容量はC1の静電容量よりは大きい。   In this embodiment, it is possible to select whether to connect a capacitor to the main coil 30 by a bypass circuit and a switching mechanism or to connect a single capacitor. Two capacitors are connected in series to the auxiliary coil 32. Depending on the bypass circuit and the switching mechanism of each capacitor, no capacitor is connected, only one capacitor is connected, or two capacitors are connected. Can be connected in series. The capacitances of the capacitors C1 and C2 may be the same or different, but the capacitance of (C2 + C2) is larger than the capacitance of C1.

この実施例でも、図1に示されている直流電圧制御部40、直流電圧検出部42、電流検出部45、PWM波形生成部44、条件記憶部52、波形演算部54、X線高電圧発生部56及び主制御部58を備えているが、図示は省略されている。   Also in this embodiment, the DC voltage control unit 40, DC voltage detection unit 42, current detection unit 45, PWM waveform generation unit 44, condition storage unit 52, waveform calculation unit 54, X-ray high voltage generation shown in FIG. Although a unit 56 and a main control unit 58 are provided, illustration is omitted.

さらに他の実施例として、X線管28は2相又は3相のステータコイルを備え、全てのステータコイルは巻き数が等しいものであり、全てのステータコイルの入力側にそれぞれのステータコイルとの間に共振回路を構成するコンデンサがそれぞれ接続されているものを示す。図9はX線管28が3相のステータコイルを備えた場合の実施例であるが、2相のステータコイルを備えた場合も同様である。   As still another embodiment, the X-ray tube 28 includes two-phase or three-phase stator coils, all of the stator coils have the same number of turns, and the input side of all of the stator coils is connected to the respective stator coils. In the figure, capacitors connected to form a resonance circuit are connected. FIG. 9 shows an embodiment in which the X-ray tube 28 has three-phase stator coils. The same applies to a case in which two-phase stator coils are provided.

ここでは、3相のステータコイル60−1,60−2,60−3の巻き数が互いに等しい。共振回路を構成するコンデンサ 62−1,62−2,62−3も全てのステータコイル60−1,60−2,60−3について等しい静電容量Cをもっている。各コンデンサ62−1,62−2,62−3に並列にバイパス回路64−1,64−2,64−3が設けられ、各コンデンサ62−1,62−2,62−3の入力側にインバータ回路24の出力を各コンデンサ62−1,62−2,62−3又はそれぞれのバイパス回路64−1,64−2,64−3のいずれかに選択的に接続する切替え機構66−1,66−2,66−3が設けられている。この実施例でも、図1に示されている直流電圧制御部40、直流電圧検出部42、PWM波形生成部44、条件記憶部52、波形演算部54、X線高電圧発生部56及び主制御部58を備えているが、図示は省略されている。   Here, the number of turns of the three-phase stator coils 60-1, 60-2, and 60-3 is equal to each other. The capacitors 62-1, 62-2, and 62-3 constituting the resonance circuit also have the same capacitance C for all the stator coils 60-1, 60-2, and 60-3. Bypass circuits 64-1, 64-2, and 64-3 are provided in parallel with the capacitors 62-1, 62-2, and 62-3, and are provided on the input sides of the capacitors 62-1, 62-2, and 62-3. A switching mechanism 66-1, which selectively connects the output of the inverter circuit 24 to each of the capacitors 62-1, 62-2, 62-3 or each of the bypass circuits 64-1, 64-2, 64-3; 66-2 and 66-3 are provided. Also in this embodiment, the DC voltage control unit 40, the DC voltage detection unit 42, the PWM waveform generation unit 44, the condition storage unit 52, the waveform calculation unit 54, the X-ray high voltage generation unit 56, and the main control shown in FIG. A portion 58 is provided, but is not shown.

高速動作時のように大きい振幅の駆動電圧が必要とされる場合にのみコンデンサ62−1,62−2,62−3を選択して共振現象を利用するようにしてもよい。
また、この実施例において、バイパス回路64−1,64−2,64−3と切替え機構66−1,66−2,66−3を省略することもできる。その場合、高速動作、低速動作、回転維持、制動などの全ての動作モードにわたってコンデンサが接続された状態となる。このような態様であっても、ステータコイルの起動時や高速動作時に必要とされる振幅の駆動電圧を供給するのに必要とされる電源電圧より低い直流電圧をもつ直流電源を使用することができる。
The capacitors 62-1, 62-2, and 62-3 may be selected to utilize the resonance phenomenon only when a high-amplitude drive voltage is required, such as during high-speed operation.
In this embodiment, the bypass circuits 64-1, 64-2, 64-3 and the switching mechanisms 66-1, 66-2, 66-3 can be omitted. In this case, the capacitor is connected in all operation modes such as high-speed operation, low-speed operation, rotation maintenance, and braking. Even in such an embodiment, it is possible to use a DC power supply having a DC voltage lower than a power supply voltage required to supply a drive voltage having an amplitude required at the time of starting the stator coil or operating at a high speed. it can.

この実施例では、全てのステータコイル60−1,60−2,60−3において発生する位相の進み量が等しいため、各ステータコイル60−1,60−2,60−3間の位相差を調整する必要がなく、図1に示されている電流検出部45は必ずしも必要ではない。   In this embodiment, since the amount of phase advance generated in all the stator coils 60-1, 60-2, 60-3 is equal, the phase difference between the stator coils 60-1, 60-2, 60-3 is reduced. There is no need for adjustment, and the current detector 45 shown in FIG. 1 is not always necessary.

24 インバータ回路
26 直流電源
28 X線管
30,32,60−1,60−2,60−3 ステータコイル
40 直流電圧制御部
42 直流電圧検出部
46,62−1,62−2,62−3 コンデンサ
48,64−1,64−2,64−3 バイパス回路
50,66−1,66−2,66−3 共振回路用の切替え機構
52 条件記憶部
45 電流検出部
54 波形演算部
56 X線高電圧発生器
Qx1〜Qz2 インバータ回路のスイッチング素子
Reference Signs List 24 Inverter circuit 26 DC power supply 28 X-ray tube 30, 32, 60-1, 60-2, 60-3 Stator coil 40 DC voltage control unit 42 DC voltage detection unit 46, 62-1, 62-2, 62-3 Capacitors 48, 64-1, 64-2, 64-3 Bypass circuit 50, 66-1, 66-2, 66-3 Switching mechanism for resonance circuit 52 Condition storage unit 45 Current detection unit 54 Waveform calculation unit 56 X-ray High voltage generator Qx1-Qz2 Switching element of inverter circuit

Claims (11)

回転陽極型X線管の回転磁界を発生させるステータコイルに交流電圧を印加することにより前記回転陽極型X線管を駆動するための回転陽極駆動装置であって、
直流電源と、
複数個のスイッチング素子を備え前記直流電源に接続され、前記直流電源の直流電圧から交流電圧を生成して前記ステータコイルに出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路の前記スイッチング素子をPWM制御し、前記交流電圧として前記直流電圧から2相又は3相の交流電圧を発生させるPWM波形生成部と、
前記ステータコイルの少なくとも1相のステータコイルの入力側に直列に接続されるコンデンサであって、該コンデンサはそれが接続されたステータコイルとの間で直列共振回路を構成する静電容量をもっているコンデンサと、を備えた回転陽極駆動装置。
A rotating anode driving device for driving the rotating anode X-ray tube by applying an AC voltage to a stator coil that generates a rotating magnetic field of the rotating anode X-ray tube,
DC power supply,
Connected to the DC power supply comprises a plurality of switching elements, and an inverter circuit for outputting to said stator coil to generate an AC voltage from the DC voltage of the DC power supply,
A PWM waveform generator that performs PWM control on the switching element of the inverter circuit and generates a two-phase or three-phase AC voltage from the DC voltage as the AC voltage;
A capacitor connected in series to an input side of at least one phase stator coil of the stator coil, the capacitor having a capacitance forming a series resonance circuit with the stator coil to which the capacitor is connected. And a rotary anode drive device comprising:
前記直流電源の出力が前記回転陽極型X線管を駆動するために必要な交流電圧の最大値よりも小さく、前記ステータコイルと前記コンデンサとの共振現象により、前記ステータコイルに印加される交流電圧が前記最大値に達するように構成されている請求項1に記載の回転陽極駆動装置。  An output of the DC power supply is smaller than a maximum value of an AC voltage necessary to drive the rotary anode type X-ray tube, and an AC voltage applied to the stator coil due to a resonance phenomenon between the stator coil and the capacitor. 2. The rotating anode drive according to claim 1, wherein the rotating anode driving device is configured to reach the maximum value. 前記コンデンサに並列に接続されたバイパス回路と、
前記コンデンサの入力側に配置され、前記インバータ回路の出力を前記コンデンサ又は前記バイパス回路のいずれかに選択的に接続する切替え機構と、
を備えた請求項1に記載の回転陽極駆動装置。
A bypass circuit connected in parallel to the capacitor;
A switching mechanism disposed on the input side of the capacitor, for selectively connecting the output of the inverter circuit to either the capacitor or the bypass circuit;
The rotary anode driving device according to claim 1, further comprising:
前記直流電源の出力電圧よりも高い電圧が必要となる前記回転陽極型X線管の種類又は動作モードのときに前記コンデンサを選択し、前記直流電源の出力電圧以下の電圧でよい前記回転陽極型X線管の種類、動作モード又は起動状態モードのときに前記バイパス回路を選択するように前記切替え機構の切換え動作を制御する制御部をさらに備えている請求項に記載の回転陽極駆動装置。 The type of the rotary anode type X-ray tube or the operation mode in which a voltage higher than the output voltage of the DC power source is required, the capacitor is selected, and the voltage of the rotary anode type may be lower than the output voltage of the DC power source. 4. The rotary anode driving device according to claim 3 , further comprising a control unit that controls a switching operation of the switching mechanism so as to select the bypass circuit when the type of the X-ray tube, the operation mode, or the activation mode is selected. 前記回転陽極型X線管は第1のステータコイル及び第1のステータコイルよりも巻き数の多い第2のステータコイルからなる2相のステータコイルを備えたものであり、
前記コンデンサは少なくとも前記第2のステータコイルに接続されるように構成されている請求項1からのいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。
The rotary anode type X-ray tube includes a two-phase stator coil including a first stator coil and a second stator coil having a larger number of turns than the first stator coil,
The capacitor rotating anode drive apparatus as claimed in claim 1 which is adapted to be connected to at least the second stator coil in any one of four.
前記第1のステータコイルの入力側にも前記第1のステータコイルとの間で直列共振回路を構成する静電容量をもっているコンデンサが直列に接続され、
前記第2のステータコイルに接続されているコンデンサは前記第1のステータコイルに接続されているコンデンサより静電容量の大きいものが接続されるように構成されている請求項に記載の回転陽極駆動装置。
A capacitor having a capacitance constituting a series resonance circuit with the first stator coil is also connected in series to an input side of the first stator coil,
The rotating anode according to claim 5 , wherein the capacitor connected to the second stator coil is configured to be connected to a capacitor having a larger capacitance than a capacitor connected to the first stator coil. Drive.
前記回転陽極型X線管は2相又は3相のステータコイルを備え、全てのステータコイルは巻き数が等しいものであり、
前記コンデンサは全てのステータコイルにそれぞれ接続されるように構成されている請求項1からのいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。
The rotary anode type X-ray tube includes a two-phase or three-phase stator coil, and all stator coils have the same number of turns.
The rotary anode driving device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the capacitor is configured to be connected to all the stator coils.
前記コンデンサが接続されたステータコイルに流れる電流について、各ステータコイル間の位相差を所定の位相差に調整するように構成された位相差調整部をさらに備えている請求項1からのいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。 For the current flowing through the stator coil in which the capacitor is connected, any one of claims 1 to 7, further comprising a phase difference adjusting section configured to adjust the phase difference to a predetermined phase difference between the stator coils The rotating anode drive device according to claim 1. 前記位相差調整部は、各ステータコイルに流れる電流の位相を検出する電流検出部と、
前記PWM波形生成部と、
前記電流検出部が検出した各ステータコイルに流れる電流の位相に基づいて、各ステータコイル間の位相差の所定の位相差からのずれを抑制又はなくすように前記PWM波形生成部を介して前記インバータ回路を制御する波形演算部と、
を備えている請求項に記載の回転陽極駆動装置。
The phase difference adjustment unit, a current detection unit that detects the phase of the current flowing through each stator coil,
The PWM waveform generator;
The inverter through the PWM waveform generator so as to suppress or eliminate a deviation of a phase difference between the stator coils from a predetermined phase difference based on a phase of a current flowing through each stator coil detected by the current detector. A waveform calculation unit for controlling the circuit,
The rotating anode driving device according to claim 8 , further comprising:
前記コンデンサが接続されたステータコイルに出力される前記インバータ回路からの交流電圧について、PWM電圧(矩形波)の平均値が、正弦波で示される印加電圧平均値の予め設定された割合以下の領域で、前記コンデンサ間の電圧と同じ極性のとき、その領域ではデューティ比をゼロにするように前記PWM波形生成部を介して前記インバータ回路を制御する波形演算部をさらに備えている請求項1からのいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。 A region where the average value of the PWM voltage (rectangular wave) of the AC voltage output from the inverter circuit to the stator coil connected to the capacitor is equal to or less than a predetermined ratio of the average value of the applied voltage indicated by the sine wave. 2. The apparatus according to claim 1, further comprising a waveform calculation unit that controls the inverter circuit via the PWM waveform generation unit so that a duty ratio becomes zero in the region when the polarity is the same as the voltage between the capacitors. 10. The rotary anode driving device according to any one of claims 9 to 9 . X線管球と、
前記X線管球内に配置され、回転軸に取りつけられており回転軸とともに回転可能に支持されたターゲットを備えた陽極と、
前記X線管球内で前記回転軸に取りつけられたロータコイルと、
前記X線管球内で前記ターゲットに対向して配置され、前記ターゲットに電子線を照射する陰極と、
前記X線管球外に配置され、前記ロータコイルに対して回転磁界を発生させるステータコイルと、
前記ステータコイルに交流電圧を印加する請求項1から10のいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置と、を備えた回転陽極型X線管装置。
An X-ray tube,
An anode wherein arranged in the X-ray tube bulb, comprising a target which is rotatably supported together with the rotating shaft is mounted on the rotary shaft,
A rotor coil attached to the rotating shaft in the X-ray tube;
A cathode disposed in the X-ray tube so as to face the target, and irradiating the target with an electron beam;
A stator coil that is arranged outside the X-ray tube and generates a rotating magnetic field with respect to the rotor coil;
Rotating anode X-ray tube apparatus provided with a rotating anode drive apparatus according to any one of claims 1 to 10 for applying an AC voltage to the stator coil.
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