JP6673149B2 - 回転陽極型ｘ線管装置とその回転陽極駆動装置 - Google Patents

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。

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。

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。

特許第４２６２８１０号公報 特開昭６０−１９８０９９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ＬＣＲの印加電圧をｖ₁＝Ｖ₀ｓｉｎ ωｔ、ステータの印加電圧ｖ_s（振幅Ｖ_s、進み位相α）とすると、

共振条件

のとき、ｖｓの振幅Ｖｓは、

となる。

共振条件

のとき、

となり、位相が進む。

このことをベクトル図で表わすと、図３のようになる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

回転陽極駆動装置の第１の実施例を示す回路図である。 直列ＬＣＲ回路図である。 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。 Ｘ線管装置の一実施例を示す概略構成図である。 （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）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）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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (11)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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３に記載の回転陽極駆動装置。
5. 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４のいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。
6. 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５に記載の回転陽極駆動装置。
7. 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４のいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。
8. 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７のいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。
9. 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８に記載の回転陽極駆動装置。
10. 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９のいずれか一項に記載の回転陽極駆動装置。
11. 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。

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