CN101897594B - X射线ct装置及其磁极位置检测方法 - Google Patents

Abstract

X射线CT装置及其启动时磁极位置检测方法，为容易进行启动时的磁极位置检测的DD马达驱动方式。X射线CT装置具备：固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；环状的旋转框架，圆周状地配置了与定子线圈对置的多个转子磁铁；支持部，将旋转框架相对于固定架台非接触地支持；磁极位置检测部，在定子线圈启动时检测转子磁铁的磁极位置；以及制动机构，在磁极位置检测时对旋转框架施加制动负荷，在检测磁极后除去制动负荷。

Description

X射线CT装置及其磁极位置检测方法

相关申请的交叉引用 

本申请要求2009年5月26日提交的日本专利申请2009-126924号的优先权，后者的全部内容以引用的方式包含于此。 

技术领域

本发明涉及X射线CT装置及其磁极位置检测方法，尤其涉及具有架台旋转部的直接驱动马达驱动机构的X射线CT装置及其启动时的磁极位置检测方法。 

背景技术

X射线CT装置为，对被检体周围照射放射线束而得到投影数据，并对该投影数据进行图像重构处理，由此形成被检体的断层像，X射线CT装置被广泛利用为医疗用和工业用。X射线CT装置为，使在环状的旋转框架(架台旋转部)上相对配置的X射线管和X射线检测器，在被检体周围向1个方向旋转而取得投影数据。近年来，通过使载放了X射线管和X射线检测器的旋转框架高速旋转，由此实现X射线CT装置的高速化和高功能化。为了使旋转框架高速旋转，支持旋转框架的固定架台与旋转框架之间的供电和信号收发，经由滑环或光传输等进行。 

在以往的高速X射线CT装置中，将设置在固定架台上的电动机的旋转驱动力经由齿轮或带传递至旋转框架，而使旋转框架高速旋转。在该旋转驱动力传递方式中，齿轮或带的机械振动和动作音较大，给被检者和X射线技师带来不快感。近年来，为了除去该缺点，提出了一种不使用齿轮或带而实现静音成像的高速X射线CT装置。即，提出了直接驱动马达(以下称为“DD马达”)驱动方式，对旋转框架进行非接触的电力传输，而高速地进行旋转驱动。 

在DD马达驱动中，基于设置在旋转框架(架台旋转部)上的绕线和设置在架台固定部上的磁铁，进行非接触电力传输。即，对设置在架台旋转部上的绕线供给电流而产生的磁通、与来自设置在架台固定部上的磁铁的磁通相互排斥，由此架台旋转部作为马达转子而无接触地被直接旋转驱动。 另外，在架台固定部上设置绕线、在旋转框架(架台旋转部)上设置磁铁，也同样能够构成DD马达驱动电路。在以下的实施例中，说明在旋转框架上设置绕线的情况。 

在DD马达启动时，为了决定旋转框架的旋转方向和磁极开关的定时，需要根据停止状态下的旋转部绕线(转子磁铁)的中心位置与固定部磁铁(定子磁铁)的中心位置之间的中心间距离以及转子磁铁的磁极(N极、S极)，来控制向绕线供给的脉冲信号。通常，为了该启动时的磁极位置检测，在DD马达启动时，在极短时间内对旋转部绕线供给电流而激振架台旋转部。根据从该激振开始到架台旋转部的振动停止的时间，推测启动时的磁极位置。 

以往，为了静音成像而提出的DD马达驱动方式的X射线CT装置为，将旋转框架经由球轴承支持在固定架台上，且通过介于固定架台与旋转框架之间的滑环，进行从固定架台向旋转框架的供电。在DD马达启动时，滑环和球轴承成为旋转框架相对于固定架台的摩擦阻力。即，当使旋转框架激振极短时间时，通过该摩擦阻力，在一段时间后其振动收敛并停止。因此，能够根据到该振动停止为止的时间来推测磁极位置。 

然而，X射线CT装置的静音成像的要求变得更强。因此，强烈要求将经由滑环的从固定架台向旋转框架的供电变更为非接触供电方式、以及将旋转框架相对于固定架台的支持从球轴承变更为非接触的空气轴承。 

但是，当为了强化静音成像而通过空气轴承将旋转框架非接触支持在固定架台上时，产生其他问题。即，当基于空气轴承进行旋转框架的非接触支持时，旋转框架相对于固定架台的摩擦阻力减少。因此，即使在DD马达启动时使旋转框架激振极短时间的情况下，旋转框架的振动也难以收敛、而到停止为止需要较长时间，并几乎无法推测启动时的磁极位置检测。因此，产生无法容易地开始投影数据的收集的问题。 

发明内容

本发明提供一种具有DD马达驱动机构的X射线CT装置及其启动时的磁极位置检测方法，解决了这些问题，使从固定架台向旋转框架的供电为非接触电力传输，并且使用空气轴承等非接触保持技术来减少架台旋转的负荷，而达到静音成像强化，同时容易进行启动时的磁极位置检测，能够迅速地开始投影数据收集。 

本发明的X射线CT装置的一个方式的特征在于，具备：固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；环状的旋转框架，以与该固定架台的定子 线圈对置的方式圆周状地配置了多个转子磁铁，并且具备X射线管和X射线检测器；支持单元，使该旋转框架相对于上述固定架台非接触地浮起而进行支持；磁极检测单元，在启动上述定子线圈时，在短时间内对上述多个定子线圈供给驱动电流，检测上述转子磁铁的磁极位置；以及制动负荷施加除去单元，在通过该磁极检测单元检测磁极位置时，在供给上述驱动电流之前、同时或者之后，对上述旋转框架施加制动负荷，在检测出磁极位置后除去该制动负荷。 

本发明的磁极位置检测方法的一个方式，是如下装置的磁极位置检测方法，该装置具有：固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；环状的旋转框架，与上述固定架台的多个定子线圈非接触地对置，并圆周状地配置了多个转子磁铁；以及直接驱动(DD)马达驱动电路，使上述旋转框架相对于上述固定架台非接触地旋转驱动；该磁极位置检测方法的特征在于，在启动时，通过对上述装置的控制部的规定操作来启动磁极位置检测功能；根据启动指示，上述控制部立即使阻止上述旋转框架的旋转的制动机构动作；在上述制动机构动作之后，在短时间内对上述直接驱动马达驱动电路供给驱动电流，而对上述多个定子线圈进行通电；以及根据从上述制动机构的动作导致的上述旋转框架的微振动开始时刻起、到振动收敛为止的编码脉冲数，来检测上述转子磁铁的磁极位置。 

本发明的磁极位置检测方法的另一方方式，是如下装置的磁极位置检测方法，该装置具有：固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；环状的旋转框架，与上述固定架台的多个定子线圈非接触地对置，并圆周状地配置多个转子磁铁；以及直接驱动马达驱动电路，使上述旋转框架相对于上述固定架台非接触地旋转驱动；该磁极位置检测方法的特征在于，在启动时，通过对上述装置的控制部的规定操作来启动磁极位置检测功能；根据启动指示，在短时间内对上述直接驱动马达驱动电路供给驱动电流，而对上述多个定子线圈进行通电；同时上述控制部立即使阻止上述旋转框架的旋转的制动机构动作；以及根据从上述制动机构的动作导致的上述旋转框架的微振动开始时刻起、到振动收敛为止的编码脉冲数，来检测上述转子磁铁的磁极位置。 

根据本发明，在将旋转框架相对于固定架台进行非接触支持的DD马达驱动系统的X射线CT装置中，能够容易且可靠地检测DD马达启动时的磁极位置，并能够迅速地开始投影数据的收集。 

在上述短时间的通电之后，上述控制部立即使阻止上述旋转框架的旋转的制动机构动作；以及 

根据从上述制动机构的动作导致的上述旋转框架的微振动开始时刻起、到振动收敛为止的编码脉冲数，来检测上述转子磁铁的磁极位置。 

根据本发明，在将旋转框架相对于固定架台进行非接触支持的DD马达驱动系统的X射线CT装置中，能够容易且可靠地检测DD马达启动时的磁极位置，并能够迅速地开始投影数据的收集。 

附图说明

附图是说明书的一部分，说明本发明的各实施方式及/或特征，并与说明书一起用于解释本发明。在可能的情况下，在附图中使用相同的附图标记来说明相同或相似的部分。 

图1是表示本发明的X射线CT装置的一个实施例的构成的概略框图。 

图2说明构成DD马达的转子磁铁和定子线圈的排列。 

图3说明DD马达中的磁极位置的定义。 

图4表示DD马达中的励磁开始时刻的转子磁铁和定子线圈的状态。 

图5表示DD马达励磁停止时刻的转子磁铁和定子线圈的状态。 

图6说明DD马达振动时的转子磁铁和定子线圈的状态。 

图7表示DD马达振动结束时刻的转子磁铁和定子线圈的状态。 

图8是本发明的X射线CT装置所使用的制动装置的一个实施例。 

图9是对本发明的X射线CT装置中的用于架台旋转的自动磁极检测动作进行说明的流程图。 

具体实施方式

图1表示本发明的X射线CT装置的一个实施例。如图所示，X射线CT装置100的架台部由环状旋转框架1和固定架台4构成。旋转框架1例如通过空气轴承那样的非接触支持单元，具有微小间隙而能够旋转地支持在固定架台4上。环状旋转架台1在中央部具有圆筒状的空间S，X射线管2与X射线检测器3隔着该空间S以对置的方式配置。旋转框架1由DD马达驱动系统驱动。在固定架台4上设置有磁传感器5以及基准位置传感器16。磁传感器5如后述那样检测与转子磁铁的旋转相伴的磁通变动。基准位置传感器16检测旋转框架1的基准位置和转速等。 

图2说明对图1的旋转框架1进行驱动的DD马达的构成。如图所示，在旋转框架1上，多个转子磁铁11以N极和S极交替的方式配置为环状。在固定架台4上，与旋转框架1上的各转子磁铁11相对地配置有多个定子线圈(绕线)12。与旋转框架1上的转子磁铁11的旋转相伴的磁通变动，由设置在固定架台4上的磁传感器5检测。 

返回图1，本发明的X射线CT装置100还具备信号处理单元6、磁极位置确定部7、伺服放大器8、CT主控制部9以及DD马达驱动电路14。信号处理单元6将来自磁传感器5的转子磁铁的磁通变动检测信号进行波 形成形而成为脉冲信号。磁极位置确定部7根据来自磁传感器5的磁通变动检测信号来确定磁极位置，具有存储有预先测定的多个收敛时间与多个磁极位置之间的对应关系的存储器。伺服放大器8根据来自信号处理单元6的脉冲信号，向DD马达供给驱动信号。DD马达驱动电路14接受来自伺服放大器8的驱动信号，而向DD马达的定子线圈12供给驱动电流。CT主控制部9控制X射线CT装置整体的动作。 

当从DD马达驱动电路14向DD马达的定子线圈12供给电流时，从定子线圈12产生的磁通与来自转子磁铁11的磁通相排斥，因此通过控制向定子线圈12的电流供给，能够将旋转框架1作为马达转子而直接旋转驱动。随着旋转框架1的旋转、转子磁铁11也进行移动，因此通过磁传感器5检测出由转子磁铁11的移动导致的磁通变动。磁传感器5在检测磁通变动的期间中持续送出编码脉冲。 

DD马达驱动电路14将用于旋转驱动旋转框架1的电流供给到DD马达的定子线圈12。通过来自控制系统的信号来控制DD马达驱动电路14，该控制系统由磁传感器5、信号处理单元6、磁极位置确定部7、伺服放大器8、CT主控制部9等构成。 

图3说明DD马达启动时的磁极位置的检测。如图所示，通过各定子线圈12的中心Csc与相对应的转子磁铁11的中心Crm之间的中心间距离ΔD以及磁极，来定义磁极位置。磁极位置为，根据旋转框架1的固有性质、即应变和重心位置等来决定，并在定子线圈12的激振停止状态下再现在相同位置上。因此，在DD马达启动时，根据该中心间距离ΔD，调整从伺服放大器8向定子线圈12供给的驱动电流，而调整从开始供给到最初极性反转为止的时间。即，当根据中心间距离ΔD在极短时间内向定子线圈12供给电流而将旋转框架1进行激振时，其振动经过一定时间后停止。从旋转框架的激振到停止的时间为收敛时间，根据该收敛时间来推测磁极位置。通过磁极位置确定部7的存储有预先测定的多个收敛时间与多个磁极位置之间的对应关系的存储器，来确定磁极位置。 

图4是DD马达的励磁开始时刻的转子磁铁11和定子线圈12的状态图。通过DD马达启动时的用户的规定操作，CT主控制部9启动磁极位置确定运行功能。在磁极位置确定运行的初始状态下，如图所示，转子磁铁 11的磁极位置处于初始位置P0，定子线圈12与转子磁铁11的中心间距离为ΔD0。在该状态下，CT主控制部9对伺服放大器8送出控制信号，以便在极短时间内向定子线圈12供给规定振幅、规定极性的电流。 

当流过电流而定子线圈12被励磁时，从定子线圈12产生的磁通与来自转子磁铁11的磁通相排斥。由于磁通的排斥，因此如图5所示，转子磁铁11的磁极位置从初始位置P0向励磁位置P1移动。即，由于磁极位置移动，因此转子磁铁11相对于定子线圈12的位置移动，结果旋转框架1要开始旋转。在该瞬间切断向定子线圈12供给的电流。驱动力由于电流切断而突然中断，因此在该位置上旋转框架1开始振动，且振动逐渐朝向收敛。 

如图6所示，由于旋转框架1开始振动，因此转子磁铁11的磁极位置在励磁位置P1与振动位置P2之间移动、同时振动逐渐朝向收敛。图7表示在旋转框架1的振动逐渐收敛而最终停止时、转子磁铁11的磁极位置返回到初始位置P0的情况。 

图1的磁极位置确定部7，计测从向定子线圈12的电流供给停止且旋转框架1开始振动的时刻起、到振动收敛而旋转框架1停止为止的时间。通过对来自磁传感器5的编码脉冲数进行计测，来进行该时间计测。根据与编码脉冲数相对应的收敛时间，从在磁极位置确定部7的存储器中预先存储的收敛时间与磁极位置之间的对应关系中进行读出，由此来确定磁极位置。当磁极位置确定时，励磁条件也被决定。根据该励磁条件，伺服放大器8向DD马达驱动电路14供给启动信号而使DD马达启动。 

伺服放大器8根据来自CT主控制部9的控制信号，向DD马达驱动电路14供给驱动信号。DD马达驱动电路14根据来自伺服放大器8的驱动信号，向DD马达的定子线圈12供给驱动电流，由此旋转框架1进行旋转。 

对DD马达驱动电路14还赋予旋转模式的设定指示，该旋转模式的设定指示包含来自CT主控制部9的扫描开始或扫描停止的指示和转速指示等。因此，旋转框架1以由CT主控制部9设定的转速进行旋转。由设置在固定架台4上的基准位置传感器16检测旋转框架1的基准位置和转速，检测信息被供给至CT主控制部9。CT主控制部9根据接受到来自基准位置传感器16的基准位置信号的定时和旋转框架1的转速，通过运算求出旋转框架1的旋转位置，并产生位置信号。 

在DD马达驱动方式的X射线CT装置100中，当通过空气轴承将旋转框架1相对于固定架台4进行支持时，旋转框架1相对于固定架台4的摩擦阻力变得微小。因此，在使DD马达启动时，即使使旋转框架1激振短时间，振动也长时间地不收敛、而无法容易地推测磁极位置。为了解决该问题，需要在短时间内使旋转框架1的振动停止的制动装置。 

图8表示使旋转框架1的振动停止的制动装置20的实施例。制动装置20为，在启动DD马达驱动方式的X射线CT装置时，为了检测磁极位置，而对旋转框架1施加或者解除制动负荷。制动装置20由摩擦板21和制动片22构成。 

摩擦板21例如圆周状地粘贴在旋转框架1的侧面。以与该摩擦板21部分地对置的方式在固定架台4上设置有制动片22。制动片22为，通过通电而以被向摩擦板21侧按压的方式移动，如果停止通电则以从摩擦板21侧退开的方式动作。即，通过通电，制动片22与摩擦板21接触而对旋转框架1施加摩擦阻力。结果，具有阻止旋转框架1旋转的功能。当停止向制动片22的通电时，制动片22从旋转框架1离开而解除摩擦阻力的附加，旋转框架1自由旋转。另外，有时摩擦板21与制动片22由于接触而产生磨损，因此对于旋转框架也可以采用基于线圈与磁铁的非接触的制动机构。 

图9是说明在本发明的DD马达驱动系统的X射线CT装置中用于启动时的架台旋转的自动磁极检测方法的流程图。用户首先对CT主控制部9进行规定操作，而进行磁极位置检测运行功能的启动指示(图9、步骤1)。在短时间内供给驱动电流后，CT主控制部9为了磁极位置检测运行，立即使制动装置20动作以使旋转框架1的旋转停止(图9、步骤2)。接受了来自CT主控制部9的启动指示的伺服放大器8，向DD马达驱动电路14在极短时间内供给驱动信号。即，DD马达驱动电路14在极短时间内向定子线圈12供给驱动电流(图9、步骤3)。在电磁制动时，使设置在固定架台4侧的制动片22按压在旋转框架1的摩擦板21上。在基于线圈和磁铁的非接触制动时，在旋转框架的部分或整个圆周上以阻止旋转的方式赋予磁力。 

上述步骤2和步骤3可以互换、也可以同时进行。即，也可以根据启动指示，CT控制部立即使阻止旋转框架旋转的制动机构动作，在制动机构动作后，在短时间内对DD马达驱动电路供给驱动电流，而对上述多个定 子线圈进行通电。并且，也可以根据启动指示，在短时间内对DD马达驱动电路供给驱动电流，而对上述多个定子线圈进行通电，同时CT控制部立即使阻止旋转框架的旋转的制动机构动作。 

当由于阻止旋转而在旋转框架1上产生微振动时，开始磁极位置的自动检测(图9、步骤4)。通过磁极位置确定部7根据来自磁传感器5的编码脉冲数，来进行磁极位置的检测，该磁传感器5对从旋转框架1的振动开始时刻到振动收敛而旋转框架1停止为止的时间进行计测。 

当旋转框架1停止时，磁极位置检测结束(图9、步骤5)。CT主控制部9结束磁极位置确定运行，并解除制动装置20(图9、步骤6)。因此，旋转框架1能够自由旋转，因此CT主控制部9使旋转框架1加速以便成为通常的能够扫描的转速(图9、步骤7)。当转速达到规定速度并稳定时，开始作为X射线CT装置的本来目的、即用于投影数据收集的扫描(图9、步骤8)。 

在本实施例中，制动装置20的制动片22通过电磁驱动单元驱动。另外，能够适当采用液压、气体压、空气压等各种驱动单元。摩擦板21的配置也不限于旋转框架1的侧面方向，也可以是周面方向。即，与摩擦板21的配置面相对应，将制动片22设置在固定架台4上即可。并且，摩擦板21也可以不粘贴特别的部件、而是旋转框架1本身，可以将制动片22按压带旋转框架1的表面上。当然，如上所述，为了防止磨损，也可以为使用了线圈和磁铁的非接触制动机构。 

本发明当然可以适用于构成为旋转框架在固定架台的内侧旋转的X射线CT装置、以及构成为旋转框架在固定架台的外侧旋转的X射线CT装置的任何一种。 

根据本发明，在例如通过空气轴承那样的非接触支持机构将旋转框架相对于固定架台进行支持的DD马达驱动系统方式X射线CT装置中，能够容易地检测启动时的磁极位置，能够可靠地使DD马达启动，而迅速开始投影数据的收集。 

对于本领域技术人员来说，能够根据本发明的说明书和实施例得出本发明的其他实施方式。需要说明的是，说明书和实施例仅作为示例，本发明的真正的范围和精神将在权利要求中得以阐明。 

Claims (6)

1.一种X射线CT装置，其特征在于，具备：

固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；

环状的旋转框架，以与上述固定架台的多个定子线圈对置的方式圆周状地配置多个转子磁铁，并且对置配置X射线管和X射线检测器；

支持机构，使上述旋转框架相对于上述固定架台非接触地浮起而进行支持；

磁极确定单元，在启动上述多个定子线圈时，在短时间内对上述多个定子线圈供给驱动电流，检测上述多个转子磁铁的磁极位置；以及

制动机构，在通过上述磁极确定单元检测磁极位置时，在供给上述驱动电流之前、同时或者之后，对上述旋转框架施加制动负荷，在检测出磁极位置后除去该制动负荷。

2.如权利要求1记载的X射线CT装置，其特征在于，

上述支持机构通过空气轴承使上述旋转框架相对于上述固定架台非接触地浮起而进行支持。

3.如权利要求1记载的X射线CT装置，其特征在于，

上述制动机构是电磁制动器，该电磁制动器使设置在上述固定架台上的制动片按压接触到设置在上述旋转框架的周面或侧面的一部分上的摩擦板上。

4.如权利要求1记载的X射线CT装置，其特征在于，

为直接驱动马达驱动方式，

上述制动机构是非接触电磁制动器，该非接触电磁制动器具备对上述定子线圈的一部分和上述旋转框架的周面或侧面非接触地作用的磁铁。

5.一种磁极位置检测方法，是如下装置的磁极位置检测方法，该装置具有：固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；环状的旋转框架，与上述固定架台的多个定子线圈非接触地对置，并圆周状地配置多个转子磁铁；以及直接驱动马达驱动电路，使上述旋转框架相对于上述固定架台非接触地旋转驱动；该磁极位置检测方法的特征在于，

在启动时，通过对上述装置的控制部的规定操作来启动磁极位置检测功能；

根据启动指示，上述控制部立即使阻止上述旋转框架的旋转的制动机构动作；

在上述制动机构动作之后，在短时间内对上述直接驱动马达驱动电路供给驱动电流，而对上述多个定子线圈进行通电；以及

根据从上述制动机构的动作导致的上述旋转框架的微振动开始时刻起、到振动收敛为止的编码脉冲数，来检测上述转子磁铁的磁极位置。

6.一种磁极位置检测方法，是如下装置的磁极位置检测方法，该装置具有：固定架台，圆周状地配置了多个定子线圈；环状的旋转框架，与上述固定架台的多个定子线圈非接触地对置，并圆周状地配置多个转子磁铁；以及直接驱动马达驱动电路，使上述旋转框架相对于上述固定架台非接触地旋转驱动；该磁极位置检测方法的特征在于，

在启动时，通过对上述装置的控制部的规定操作来启动磁极位置检测功能；

根据启动指示，在短时间内对上述直接驱动马达驱动电路供给驱动电流，而对上述多个定子线圈进行通电；

同时上述控制部立即使阻止上述旋转框架的旋转的制动机构动作；以及

根据从上述制动机构的动作导致的上述旋转框架的微振动开始时刻起、到振动收敛为止的编码脉冲数，来检测上述转子磁铁的磁极位置。

Images