JP2004202201A - 回転角度検出装置およびｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低精度の信号生成手段を用いて回転角度を高精度に検出でき且つ時間の経過による誤差の増大を防止する。
【解決手段】検出歯車８の内周面に１つのスリット８ｂが形成されている。定速回転させた状態で間隔測定タイマ２４は検出信号Ｓ２のパルス間隔Ｔｐを測定し、基準周期演算手段２５は基準周期Ｔｒを算出する。スイッチ手段１８はａ側に切り替えられており、補正係数演算手段１９は基準周期Ｔｒと検出周期Ｔｎとの比である補正係数Ｋｎを算出して記憶手段２６に記憶する。撮影時において、スイッチ手段１８はｂ側に切り替えられ、補正周期演算手段２０は検出周期Ｔｎに補正係数Ｋｎを掛けて補正周期Ｔｒｎを求め、その補正周期Ｔｒｎに基づいて逓倍した位置信号ＳＡ、ＳＢを得る。検出信号Ｓ２が入力されるごとに、その直前に補正対象とされる補正周期Ｔｒｎを調整して演算誤差が累積するのを防止する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転部の回転角度を検出する回転角度検出装置およびこれを用いたＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、比較的低精度の信号生成手段を用いた場合であっても回転角度を高精度に検出することができる回転角度検出装置およびこれを用いたＸ線コンピュータ断層撮影装置を開発し、特願２００１−３８４４５０として出願した。
【０００３】
この出願に係る発明において、回転角度演算手段は、回転部が一定の回転速度で回転している状態で、角度精度の高い第２の検出信号の信号間隔を基準時間として、第１の検出信号の各周期をその基準時間に基づいて定められる周期に補正する補正データを求める（学習段階）。そして、回転角度演算手段は、上記補正データを求めた後実際に回転角度を検出する時（検出段階）に、第１の検出信号の各周期を上記補正データを用いて補正する。
【０００４】
この補正によって、第１の検出信号の各周期が上記基準時間に基づいて定められる周期に基準化されるので、その補正した各周期に基づいて回転部の回転角度を求めれば、第２の検出信号の信号間隔を基準とした高精度の回転角度が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成を備えたＸ線コンピュータ断層撮影装置を連続運転したところ、表示手段に表示される画像が時間の経過とともに僅かずつ回転する現象が見られた。このような現象は、検出される回転部の回転角度のずれが時間の経過とともに増加していく場合に生じる。図１１は、このずれ量を測定した結果を示している。具体的には、１回転につき１０８００パルスのパルス信号を生成する回転角度検出装置を備えたＸ線コンピュータ断層撮影装置において、回転部を１２０ｒｐｍ一定で回転させた場合のパルスのずれ量（つまり検出角度のずれ）の時間経過を示している。３５秒に１パルスつまり３６０°／１０８００＝０．０３３°ずつ角度誤差が累積していることが分かる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、比較的低精度の信号生成手段を用いた場合であっても回転角度を高精度に検出でき且つ時間の経過による誤差の増大が生じない回転角度検出装置およびこれを用いたＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した回転角度検出装置は、回転部と固定部とを有する回転装置の当該回転部と固定部の何れか一方に固定され、前記回転部の円周方向に沿って周期的に変化する第１の信号を生成する第１の信号生成手段と、この第１の信号生成手段に対し前記回転部と固定部の何れか他方に固定され、前記第１の信号を検出する第１の信号検出手段と、前記回転部と固定部の何れか一方に固定され、前記回転部の円周方向に沿って前記第１の信号よりも角度精度が高い第２の信号を生成する第２の信号生成手段と、この第２の信号生成手段に対し前記回転部と固定部の何れか他方に固定され、前記第２の信号を検出する第２の信号検出手段と、前記回転部が一定の回転速度で回転している状態において、前記第１の信号検出手段から出力される第１の検出信号の各周期と前記第２の信号検出手段から出力される第２の検出信号の信号間隔とをそれぞれ測定し、前記第２の検出信号の信号間隔を基準時間として前記第１の検出信号の各周期の補正データを求め、以後は前記回転部が任意の回転速度で回転している状態において、前記第１の信号検出手段から出力される第１の検出信号の各周期を前記補正データを用いて順次補正するとともに、前記第２の信号検出手段から前記第２の検出信号が出力されるごとにその時の補正状態を一定の補正状態に初期化して新たな補正を開始し、その補正した周期に基づいて前記回転部の回転角度を求める回転角度演算手段とを有して構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、回転角度演算手段は、回転部が一定の回転速度で回転している状態で、角度精度の高い第２の検出信号の信号間隔を基準時間として、第１の検出信号の各周期をその基準時間に基づいて定められる周期に補正する補正データを求める（学習段階）。この補正データは、例えば記憶手段に記憶される。
回転角度演算手段は、上記補正データを求めた後実際に回転角度を検出する時（検出段階）に、第１の検出信号の各周期を上記補正データを用いて補正する。この補正によって、第１の信号（第１の検出信号）の各周期が上記基準時間に基づいて定められる周期に基準化されるので、その補正した周期に基づいて回転部の回転角度を求めれば、第２の信号（第２の検出信号）の信号間隔を基準とした高精度の回転角度が得られる。
【０００９】
そして、第２の信号検出手段から第２の検出信号が出力されるごとに、その時の補正状態を一定の補正状態に初期化して新たな補正を開始するので（リセット動作）、補正データを用いた各周期の補正演算の際に生じる演算誤差（例えば丸め誤差）が累積されることがなくなる。これにより、高精度であって且つ時間の経過による誤差の増大がない回転角度の検出が可能となる。
【００１０】
この場合、回転角度演算手段は、計時手段を備え、第２の検出信号が出力された時点から補正した周期を順に計時手段に設定して計時するとともに、第２の検出信号が出力される直前に計時対象とされている周期については、当該周期の計時開始から第２の検出信号が出力される時点までの時間を前記補正した周期とする構成が好ましい（請求項２）。
【００１１】
この構成によれば、第２の検出信号が出力される直前に計時対象とされている周期が、補正後の各周期に含まれる演算誤差を吸収するので、前回の第２の検出信号の出力時点から累積された演算誤差が当該第２の検出信号の出力時点においてゼロにクリアされる。なお、この手段によれば、回転部の加減速に伴って生じる周期の長短も吸収されることになるが、第１の検出信号の周期と第２の検出信号の周期との比がある程度大きい場合または回転部の速度変動が小さい場合にはその影響は十分に小さくなる。
【００１２】
回転角度演算手段は、学習段階において、基準時間に基づいて第１の検出信号の基準周期を求め、この基準周期と第１の検出信号の各周期との比を補正データとすると良い（請求項３）。
この構成によれば、第１の信号の各周期が全て基準周期に等しい高精度の信号生成手段を用いた場合と同様の高精度の回転角度を得られる。
【００１３】
さらに、学習段階から検出段階に移行した後に、前記第１の検出信号の各周期と前記第２の検出信号の信号間隔とに基づいて補正データの誤差を求め、所定値以上の誤差がある場合には再度補正データを求めると良い（請求項４）。
この構成によれば、検出段階において、機械的状態、電気的状態、磁気的状態などに変化が生じるなどして補正データに誤差が生じても、所定値以上の誤差が生じた時点で補正データが再設定されるので、角度精度を常に所定値よりも高く維持できる。
【００１４】
第１の検出信号が各周期において所定の信号状態（例えば所定の向きのゼロクロス状態）に一致した時点で周期についての信号処理を開始し、第２の検出信号が各周期において所定の信号状態（例えば所定の向きのエッジ発生状態）に一致した時点で初期化等の信号処理を開始する構成であって、第１の検出信号についての信号処理開始時点と第２の検出信号についての信号処理開始時点とが接近している場合に、第１の検出信号および第２の検出信号の何れか一方の検出信号を反転して用いることが好ましい（請求項５）。
【００１５】
この構成によれば、第１の検出信号についての信号処理と第２の検出信号についての信号処理とが重なり合うことがなくなるため、プロセッサ等により構成される回転角度演算手段の処理負担が軽減される。この処理は、第１の検出信号の各周期の補正データを求める学習段階に先立って行うことが好ましい（請求項６）。
【００１６】
なお、回転角度演算手段を、求めた回転角度に対応したパルス状の位置信号を生成するように構成しても良く、この場合、上記補正した周期を１／ｎ（ｎ≧２）に等分割することにより、第１の検出信号を逓倍した位置信号を生成するように構成しても良い（請求項７）。これにより、検出する回転角度の角度分解能をより高めることができる。
【００１７】
以上の各場合において、第１の信号生成手段を、磁気信号を生成する磁性体から構成し（請求項８）、さらに、この磁性体を複数に分割して製作しても良い（請求項９）。分割することにより第１の信号の角度精度は低下するが、上述したようにこの精度低下は第２の信号を用いて補償されるようになっているため回転角度検出装置の検出精度を高く維持できる。また、分割することにより、磁性体からなる第１の信号生成手段の製作が容易となり、一層のコストの低減が図られる。
【００１８】
以上説明した回転角度検出装置をＸ線コンピュータ断層撮影装置に適用すれば（請求項１０）、回転角度検出装置のコストを低く抑えつつ、断層画像の再構成処理を行う場合において必要となる極めて高精度の回転角度（Ｘ線管の回転位置）の検出が可能となる。また、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の回転枠は慣性モーメントが大きいので、回転速度の変動が極めて小さくなり、上述のリセット動作により演算誤差のみをゼロにクリアでき、より精度の高い補正データおよび補正周期が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明をＸ線コンピュータ断層撮影装置に適用した第１の実施形態について図１ないし図７を参照しながら説明する。
図３はＸ線コンピュータ断層撮影装置の側面図であり、図４は図３において矢印Ａ方向から見た正面図である。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１（以下、Ｘ線ＣＴ装置１と称す）は、Ｘ線管２とＸ線検出器３とが一体となって被検者Ｐの周囲を回転する回転／回転方式を採用しており、被検者Ｐの周囲１周（約３６０°）分の投影データセットから１枚の断層画像を再構成する装置である。
【００２０】
一種の回転装置としてのＸ線ＣＴ装置１は、架台部４と被検者Ｐが横たわる寝台５とを備えている。架台部４は、固定枠６（固定部に相当）とこの固定枠６に回転可能に支持されたほぼ円環形状の回転枠７（回転部に相当）とから構成されている。このうち回転枠７には、例えばコーンビーム形でＸ線を曝射するタイプのＸ線管２と例えばマルチスライス形のＸ線検出器３とが、寝台５上の被検者Ｐを挟んで対向する位置関係で搭載されている。
【００２１】
また、図示しないが、回転枠７には永久磁石と円環形状のロータヨークコイルとが取り付けられており、固定枠６にはコイルが取り付けられている。これらにより、回転枠７を回転駆動するダイレクトドライブモータＤＭ（回転駆動部に相当、図２参照）が構成されている。さらに、回転枠７には、Ｘ線検出器３から出力される電流信号を電圧信号に変換するＩ−Ｖ変換器、この電圧信号を周期的に積分する積分器、この積分器の出力信号を増幅するアンプ、このアンプの出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ等からなるデータ収集システムを収納するボックスや、Ｘ線管２への電力供給および信号送受信のためのスリップリング機構が回転バランスをとって配設されている。
【００２２】
ダイレクトドライブモータＤＭの速度制御、回転枠７の停止位置制御、断層画像の再構成処理などを行うためには、回転枠７の回転角度（つまりＸ線管２の回転位置）の検出が必要である。特に断層画像の再構成処理には極めて高精度の回転角度が必要とされる。このため、Ｘ線ＣＴ装置１には、磁気抵抗方式による第１の信号生成手段と信号検出手段に加え、光学方式による第２の信号生成手段と信号検出手段を備えている。
【００２３】
すなわち、図５に示すように、回転枠７の先端面には磁性体（例えば鉄）からなる円環状の検出歯車８が取り付けられている。検出歯車８の外周側には例えばＤ個（本実施形態では４３２個）の同一形状の歯８ａ（第１の信号生成手段に相当）が一定間隔に形成されており、内周面には細溝をなす１つのスリット８ｂ（第２の信号生成手段に相当）が形成されている。本実施形態では、後述するように検出歯車８の歯８ａに関する加工精度は低くても良く、そのような低精度であっても極めて高精度の回転角度を検出することができるようになっている。
【００２４】
一方、図３、図４に示すように、固定枠６には検出歯車８の歯先から所定距離を隔てて歯８ａに対向するように磁気抵抗式センサ９（第１の信号検出手段に相当）が取り付けられているとともに、検出歯車８の内周面から所定距離を隔ててスリット８ｂに対向するように光学式センサ１０（第２の信号検出手段に相当）が取り付けられている。
【００２５】
磁気抵抗式センサ９は、検出歯車８の周方向の向きに所定間隔を持って並設された２つの磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子に磁気バイアスを与えるための永久磁石（何れも図示せず）とから構成されている。２つの磁気抵抗素子は、所定の直流電位とグランド電位との間に直列に接続されており、磁気抵抗素子同士の接続点から検出信号Ｓ１（第１の検出信号に相当）が出力されるようになっている。この検出信号Ｓ１の電圧振幅は、歯８ａと磁気抵抗素子との相対的な位置関係によって変化し、回転枠７が回転している状態ではほぼ正弦波形となる。
【００２６】
光学式センサ１０は、円環状の検出歯車８の内周面に対し光を照射する発光素子と、その内周面からの反射光を受光して電気的な検出信号Ｓ２（第２の検出信号に相当）を出力する受光素子とから構成されている。この検出信号Ｓ２は、ディジタル信号であって、回転枠７の回転に伴って光学式センサ１０とスリット８ｂとが対向した時にのみＨレベルとなる。
【００２７】
さて、図２は、検出信号Ｓ１とＳ２の処理回路に係る概略的な電気的構成を示している。磁気抵抗式センサ９からの検出信号Ｓ１は、エンコーダ１１とパルス生成回路１２とに入力され、光学式センサ１０からの検出信号Ｓ２は、パルス生成回路１２に入力されている。
【００２８】
このうちエンコーダ１１は、正弦波状の検出信号Ｓ１からこれと同じ周波数（１回転につき４３２パルス）のパルス信号Ｓ３を生成し、これをダイレクトドライブモータＤＭを駆動するモータコントローラ１３（回転駆動部に相当）に出力するようになっている。エンコーダ１１は、入出力信号間の遅れがほとんどないが、検出信号Ｓ１の波形歪みや検出歯車８の歯８ａの加工精度の影響を受けるため、回転角度について高精度を得にくい。このため、検出遅れが小さい特性を活かして、モータコントローラ１３によるダイレクトドライブモータＤＭのフィードバック制御に用いている。
【００２９】
一方、パルス生成回路１２（回転角度演算手段に相当）は、検出信号Ｓ１とＳ２とに基づいて極めて高精度の２相の位置信号ＳＡ、ＳＢを生成し、これを断層画像を再構成する画像再構成プロセッサ１４（コンピュータ部に相当）に出力するようになっている。位置信号ＳＡ、ＳＢは検出信号Ｓ１に対し２５逓倍されており、１回転につき１０８００パルスのパルス信号である。なお、画像再構成プロセッサ１４は、投影データに対してチャンネル間における感度不均一の補正等の前処理を実行する前処理部、この前処理部で補正された投影データに基づいて断層画像データを再構成する再構成部、断層画像データを表示するディスプレイ装置、ユーザインストラクションを入力するための入力装置、架台部４のスキャン動作を制御するスキャンコントローラ等を備えている。
【００３０】
図１は、このパルス生成回路１２の電気的構成をブロック図として示したものである。二点鎖線で囲まれた部分は、ＤＳＰなどのプロセッサによってソフトウェア処理されている。
ゼロクロス点検出回路１５は、検出信号Ｓ１のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス検出信号Ｓ４を出力するようになっている。このゼロクロス検出信号Ｓ４は、検出信号Ｓ１が低電位側から高電位側へと変化する時のゼロクロス点でＬレベルからＨレベルに変化し、高電位側から低電位側へと変化する時のゼロクロス点でＨレベルからＬレベルに変化する。
【００３１】
周期測定タイマ１６は、クロック発生回路１７で生成される基準クロック信号Ｓ５を用いてゼロクロス検出信号Ｓ４の各周期を測定し、その検出周期Ｔｎ（ｎ＝１、２、…、４３２）を順次出力するようになっている。
【００３２】
スイッチ手段１８は、この出力された検出周期Ｔｎを補正係数演算手段１９または補正周期演算手段２０の何れか一方に与えるための選択手段であって、後述するように学習段階においては補正係数演算手段１９側（図１に示すａ側）に切り替えられ、検出段階においては補正周期演算手段２０側（図１に示すｂ側）に切り替えられるようになっている。
【００３３】
補正周期演算手段２０、除算手段２１、遅延手段２２およびパルス発生手段２３は検出段階において動作するものである。このうち補正周期演算手段２０は、検出信号Ｓ２、検出周期Ｔｎおよび補正係数Ｋｎ（ｎ＝１、２、…、４３２）を入力し、検出周期Ｔｎを補正係数Ｋｎで補正した補正周期Ｔｒｎ（ｎ＝１、２、…、４３２）を演算するようになっている。また、補正周期演算手段２０は、計時手段たるカウンタ２０ａを備えており、このカウンタ２０ａと検出信号Ｓ２とを用いることにより、プロセッサが補正周期Ｔｒｎを演算する際に生じる演算誤差（具体的には丸め誤差）をリセットするようになっている。除算手段２１、遅延手段２２およびパルス発生手段２３は、逓倍された位置信号ＳＡ、ＳＢを生成するものであり、補正周期Ｔｒｎと同期して動作するようになっている。
【００３４】
一方、間隔測定タイマ２４、基準周期演算手段２５および補正係数演算手段１９は学習段階において動作するもので、このうち間隔測定タイマ２４は、基準クロック信号Ｓ５を用いて検出信号Ｓ２のパルス間隔Ｔｐ（基準時間に相当）を測定し出力するようになっている。また、基準周期演算手段２５はパルス間隔Ｔｐに基づいて基準周期Ｔｒを演算し、補正係数演算手段１９は基準周期Ｔｒと検出周期Ｔｎとに基づいて各周期ごとの補正係数Ｋｎ（補正データに相当）を演算するようになっている。記憶手段２６は、学習段階において演算された補正係数Ｋｎを記憶する不揮発性メモリである。
【００３５】
なお、本発明でいう回転角度検出装置は、上述した検出歯車８（歯８ａ、スリット８ｂ）、磁気抵抗式センサ９、光学式センサ１０およびパルス生成回路１２から構成されている。
【００３６】
次に、本実施形態の作用について図６および図７も参照しながら説明する。 被検者Ｐの断層撮影を行う場合、Ｘ線ＣＴ装置１は、寝台５に被検者Ｐが横たわっている状態で回転枠７を回転させながらＸ線管２からＸ線を曝射し、Ｘ線検出器３によりその投影量を検出する。そして、被検者Ｐの周囲１周分の投影データに基づいて断層画像の再構成を行う。上述したように、この断層画像の再構成には回転枠７の回転角度（Ｘ線管２の回転位置）を示す高精度の位置信号ＳＡ、ＳＢが必要となる。
【００３７】
検出歯車８の歯数Ｄ（＝４３２）は決まっているため、磁気抵抗式センサ９から出力される検出信号Ｓ１の各周期Ｔｎに相当する回転角度Δθｎは、ほぼ３６０°／Ｄとなっている。しかし、検出歯車８の歯８ａには加工ばらつきがあり、また検出歯車８の径が大きくなるほど検出信号Ｓ１の歪みが大きくなるため、上記回転角度Δθｎも歯８ａごとにばらついてしまう。従って、検出信号Ｓ１のみを用いて得た位置信号ＳＡ、ＳＢには、上記加工ばらつきや波形歪みに相当する誤差が生じる。
【００３８】
そこで、本実施形態のＸ線ＣＴ装置１は、断層撮影に先立って検出歯車８の各歯８ａごとの上記回転角度Δθｎ（実際には後述する補正係数Ｋｎ）を学習し（学習段階）、断層撮影を行う場合にはその学習結果に基づいて回転角度の検出を行う（検出段階）。以下、学習段階と検出段階とについてそれぞれ説明する。
【００３９】
［学習段階］
まず、モータコントローラ１３がダイレクトドライブモータＤＭをフィードバック制御して、回転枠７を比較的高い一定の回転速度例えば１２０ｒｐｍ（もしくはそれ以上）で回転させる。回転枠７はイナーシャが大きく、計算によれば１２０ｒｐｍで回転中に駆動トルクが０になった場合でも約０．８％の回転むらしか生じない。このことは、回転枠７が１２０ｒｐｍで回転中には、１回転につき１パルスだけ出力される光学式センサ１０の検出信号Ｓ２のパルス間隔Ｔｐと、検出信号Ｓ２のパルスからの経過時間とに基づいて回転角度を０．８％以下の誤差で求めることができることを意味している。実際には、モータコントローラ１３がダイレクトドライブモータＤＭを定速駆動するため、角度精度はさらに高くなる。
【００４０】
この定速回転状態において、間隔測定タイマ２４は基準クロック信号Ｓ５を用いて検出信号Ｓ２のパルス間隔Ｔｐを測定し、基準周期演算手段２５は次の（１）式に基づいて基準周期Ｔｒを算出する。この基準周期Ｔｒは、歯８ａが等間隔に形成された理想的な検出歯車８を用いるとともに検出信号Ｓ１に歪みが存在しない場合、つまり上記回転角度Δθｎに歯８ａごとのばらつきが存在しない場合において周期測定タイマ１６が出力する検出周期Ｔｎに等しい。
Ｔｒ＝Ｔｐ／Ｄ …（１）
【００４１】
スイッチ手段１８はａ側に切り替えられており、補正係数演算手段１９は、基準周期Ｔｒと周期測定タイマ１６が出力する検出周期Ｔｎとを入力し、次の（２）式に従って各周期ごとの補正係数Ｋｎを算出する。得られた補正係数Ｋｎは、記憶手段２６に記憶される。
Ｋｎ＝Ｔｒ／Ｔｎ …（２）
【００４２】
なお、検出歯車８の歯８ａの加工ばらつきは検出歯車８を交換しない限り変化せず、検出信号Ｓ１の波形歪みも検出歯車８や磁気抵抗式センサ９を交換しない限り変化しにくい（繰り返し精度が高い）と考えられる。従って、補正係数Ｋｎの算出（学習段階）は断層撮影のたびに行う必要はない。
【００４３】
［検出段階］
実際に被検者Ｐの断層撮影を行う場合、ダイレクトドライブモータＤＭ（回転枠７）はモータコントローラ１３により様々な回転速度で定速駆動され、これに伴って断層画像の構成に必要となる投影データが収集される。この場合、スイッチ手段１８はｂ側に切り替えられている。
【００４４】
図６は、この検出段階における各信号波形を示している。ここでは、検出信号Ｓ２の立ち上がりとゼロクロス検出信号Ｓ４の立ち上がりとが一致する場合を示している。周期測定タイマ１６は、ゼロクロス検出信号Ｓ４の立ち上がりエッジの間隔を計測することにより、ゼロクロス検出信号Ｓ４の各周期Ｔｎを測定している。
【００４５】
この場合、パルス生成回路１２が検出信号Ｓ２を入力した時点で、周期測定タイマ１６による周期Ｔ４３２の測定が完了する。そこで、補正周期演算手段２０は、この周期Ｔ４３２に補正係数Ｋ４３２を乗算して補正周期Ｔｒ４３２を算出すし、その補正周期Ｔｒ４３２に相当するカウント値を計時手段たるカウンタ２０ａにセットしてカウントを開始する。続いて、周期測定タイマ１６により周期Ｔ１の測定が完了すると、補正周期演算手段２０は、この周期Ｔ１に補正係数Ｋ１を乗算して補正周期Ｔｒ１を算出し、その補正周期Ｔｒ１に相当するカウント値をカウンタ２０ａにセットしてカウントを開始する。
【００４６】
すなわち、検出信号Ｓ２が入力された時点から、周期測定タイマ１６は周期Ｔｎ（ｎ＝１、２、…、４３１）の測定を行う。そして、補正周期演算手段２０は、その周期Ｔｎと補正係数Ｋｎを用いて次の（３）式に従って補正周期Ｔｒｎを演算し、その補正周期Ｔｒｎ（ｎ＝４３２、１、２、…、４３０）を連続的に順次計時する。
Ｔｒｎ＝Ｔｎ×Ｋｎ …（３）
【００４７】
補正係数Ｋｎにより補正された補正周期Ｔｒｎは、歯８ａが等間隔に形成された理想的な検出歯車８を用いるとともに検出信号Ｓ１に歪みが存在しない場合に周期測定タイマ１６が出力する検出周期Ｔｎに等しくなる。従って、検出周期Ｔｎに替えて補正周期Ｔｒｎを用いることは、実質的に上記理想的な検出歯車８を用い且つ波形歪みを除去したことと等価となる。
【００４８】
なお、検出信号Ｓ２が入力された時点からカウンタ２０ａによる補正周期Ｔｒ４３２のカウントを開始したが、その開始した後の過程において、検出周期Ｔｎの測定完了時点が補正周期Ｔｒ（ｎ−１）のカウント終了時点よりも遅れる場合も考えられる。こうした状況が発生する場合には、検出信号Ｓ２が入力された時点から補正周期Ｔｒ４３１のカウントを開始するようにすれば良い。
【００４９】
ところで、上記（３）式に示す演算はプロセッサによるディジタル演算であるため、演算結果である補正周期Ｔｒｎには演算誤差（丸め誤差）が含まれる。カウンタ２０ａにより補正周期Ｔｒ４３２からＴｒ４３０までの４３１個の補正周期を順に連続して計時すると、上記演算誤差が累積される。
【００５０】
そこで、補正周期演算手段２０は、補正周期Ｔｒ４３０のカウントが終了した時点から次の検出信号Ｓ２が入力される時点までの期間をカウンタ２０ａを用いて測定し、その測定時間を補正周期Ｔｒ４３１とする。つまり、検出信号Ｓ２が入力された時点で、前回の検出信号Ｓ２の入力時点から累積された演算誤差を一旦クリア（リセット）する。このリセット動作のために、検出信号Ｓ２が入力される直前に計時対象とされていた補正周期Ｔｒ４３１が調整される。なお、図６には、周期Ｔ４３１に補正係数Ｋ４３１を乗算した場合に得られる補正周期Ｔｒ４３１も参考として表示している。この図６に示す周期Ｔｒ４３１は誇張して表されており、実際の補正周期Ｔｒ４３１と（Ｔ４３１×Ｋ４３１）との差は極めて小さい。
【００５１】
このようにして周期が補正されたゼロクロス検出信号Ｓ４を逓倍するため、除算手段２１は次の（４）式に従って各補正周期Ｔｒｎごとに時間Ｔｃｎを算出する。ここで、ｍｐは、ゼロクロス検出信号Ｓ４（検出信号Ｓ１）に対する位置信号ＳＡ、ＳＢの逓倍係数であり、本実施形態では２５としている。
Ｔｃｎ＝Ｔｒｎ／（４×ｍｐ） …（４）
【００５２】
遅延手段２２は、検出信号Ｓ１の出力から位置信号ＳＡ、ＳＢの出力までの時間遅れが所定時間例えば２周期となるように出力タイミングを調整する。例えば、検出信号Ｓ２が出力された後の検出信号Ｓ１の最初の検出周期Ｔ１は、（３）式により補正された後、検出周期Ｔ１の開始時点から２周期後に出力される位置信号ＳＡ、ＳＢに反映されることとなる。
【００５３】
パルス発生手段２３は、図７に示すように、時間Ｔｃｎを用いて補正周期Ｔｒｎの１／ｍｐの周期（ｍｐ倍の周波数）を持つ位置信号ＳＡ、ＳＢを生成する。位置信号ＳＡは位置信号ＳＢに対し９０°の進み位相となっている。
【００５４】
なお、上述の説明から分かるように、ゼロクロス検出信号Ｓ４の周期測定が必要であるため、検出周期Ｔｎと位置信号ＳＡ、ＳＢとの間には例えば２周期程度の遅れが発生する。しかし、回転枠７のイナーシャは非常に大きく、ダイレクトドライブモータＤＭのトルク変動は十分に小さいため、２周期程度の遅れによる回転角度のずれは極めて小さくなり実質的な誤差は生じない。
【００５５】
また、位置信号ＳＡ、ＳＢと補正周期Ｔｒｎとは同期しているため、位置信号ＳＡ、ＳＢの生成段階で演算誤差が生じることはない。図６においては、補正周期Ｔｒ４３２の計時終了時点と、当該補正周期Ｔｒ４３２に基づく位置信号ＳＡ、ＳＢの生成開始時点とが一致するようになっている。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態のＸ線ＣＴ装置１は、断層撮影に先立つ学習段階において、回転枠７を定速回転させて検出信号Ｓ１の各周期Ｔｎと検出信号Ｓ２のパルス間隔Ｔｐとを測定し、そのパルス間隔Ｔｐを歯数Ｄで除して得た基準周期Ｔｒと各周期Ｔｎとの比である補正係数Ｋｎを算出し記憶手段２６に記憶する構成とした。これにより、補正係数Ｋｎは、加工ばらつきを持つ検出歯車８を用いた場合あるいは検出信号Ｓ１の波形が歪んでいる場合の検出周期Ｔｎを、加工ばらつきのない理想的な検出歯車８を用い且つ検出信号Ｓ１に歪みがない場合の基準周期Ｔｒに補正する補正データとなる。
【００５７】
そして、断層撮影を行う検出段階において、検出信号Ｓ１の各周期Ｔｎを補正係数Ｋｎにより補正した上で用いる構成としたので、各周期Ｔｎが基準周期Ｔｒ（つまり正確に３６０°に対応するパルス間隔Ｔｐ）に基づいて基準化されることとなり、高精度の回転角度を得ることができる。
【００５８】
この場合、補正周期演算手段２０は、検出信号Ｓ２が入力されるごとに、前回の検出信号Ｓ２の入力時点から累積された演算誤差を補正周期Ｔｒ４３１に吸収させるので、前回の第２の検出信号の入力時点から累積された演算誤差がその次の第２の検出信号の入力時点においてゼロにクリア（一定の補正状態に初期化）される。これにより、補正データを用いた各周期の補正演算の際に生じる演算誤差（丸め誤差）が、検出信号Ｓ２の入力時点を越えて累積されることがなくなり、時間の経過による誤差の増大を防止することができる。特に、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の回転枠７は慣性モーメントが大きいので、回転速度の変動が極めて小さくなり、回転速度の変動の影響を受けることなく、演算誤差のみをゼロクリアできる。
【００５９】
また、検出信号Ｓ１について繰り返し精度は必要となるが角度精度は必要とならない。このため、検出歯車８の歯８ａの加工精度を比較的低く設定でき、製造コストを下げることができる。また、検出信号Ｓ１の波形歪みによる影響を受けないため、検出歯車８の径を大きくすることができる。さらに、検出信号Ｓ２には、断層画像を再構成する上で要求される角度精度に応じた高い精度が必要とされるが、スリット８ｂは１つだけ設けられているので、パルス間隔Ｔｐは正確に３６０°に対応することとなり容易に高い精度を得られる。
【００６０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図８ないし図１０を参照しながら説明する。本実施形態は、第１の実施形態の一部に変更を加えたものであり、図８、図９において、それぞれ図１、図４と同一構成部分には同一符号を付して示している。
【００６１】
図９は、Ｘ線ＣＴ装置の正面図である。Ｘ線ＣＴ装置２７は、回転枠７の回転角度を検出するため、磁気抵抗方式による第１の信号生成手段および第１の信号検出手段と、光学方式による第２の信号生成手段および第２の信号検出手段とを備えている。
【００６２】
すなわち、回転枠７の端部には、その外周側に位置して磁性体（例えば鉄）からなる円環平板状の検出板２８が取り付けられている。この検出板２８には、周方向に沿ってＤ個（本実施形態では４３２個）の矩形孔２８ａ（第１の信号生成手段に相当）が一定間隔に設けられている。また、検出板２８の外周部には、１回転につき１箇所だけ凸部２８ｂ（第２の信号生成手段に相当）が形成されている。矩形孔２８ａの加工精度は低くても良く、そのような低精度であっても極めて高精度の回転角度を検出することができるようになっている。
【００６３】
固定枠６には、検出板２８の矩形孔２８ａに対向するように磁気抵抗式センサ２９（第１の信号検出手段に相当）が取り付けられている。また、検出板２８の凸部２８ｂに対向し得るように光学式センサ３０（第２の信号検出手段に相当）が取り付けられている。磁気抵抗式センサ２９が出力する検出信号Ｓ１の電圧振幅は、矩形孔２８ａと磁気抵抗素子との相対的な位置関係によって変化し、回転枠７が回転している状態ではほぼ正弦波形となる。また、光学式センサ３０は、例えばフォトインタラプタにより構成されており、凸部２８ｂにより出射光が遮られることに対応してレベルが変化する検出信号Ｓ２を出力するようになっている。
【００６４】
図８は、パルス生成回路３１の電気的構成をブロック図として示したものである。二点鎖線で囲まれた部分は、ＤＳＰなどのプロセッサによってソフトウェア処理されている。
信号極性決定手段３２は、光学式センサ３０から検出信号Ｓ２を入力し、ゼロクロス点検出回路１５からゼロクロス検出信号Ｓ４を入力しており、エッジ検出開始信号が入力されると検出信号Ｓ２の極性を決定するように構成されている。この極性とは、補正周期演算手段２０と間隔測定タイマ２４に対し、検出信号Ｓ２をそのまま出力するか反転して出力するかを意味する。信号極性決定手段３２は、検出信号Ｓ２の極性を一旦決定すると、その極性を不揮発性メモリに記憶し、極性切替回路３３に対して上記決定した極性に対応した極性切替信号を出力し続けるようになっている。
【００６５】
その極性切替回路３３は、光学式センサ３０から補正周期演算手段２０および間隔測定タイマ２４に至る信号経路に設けられており、スイッチ３４並びにこのスイッチ３４に並列に接続されたインバータ３５とスイッチ３６との直列回路とから構成されている。スイッチ３４と３６は、上記極性切替信号によって何れか一方のみがオンとなるように切り替えられ、検出信号Ｓ２をそのまま或いは反転した検出信号Ｓ２′を出力するようになっている。
【００６６】
次に、本実施形態の作用について図１０も参照しながら説明する。
検出段階では、補正周期演算手段２０は、ゼロクロス検出信号Ｓ４の立ち上がりエッジの発生（所定の信号状態に相当）により割り込み処理を開始し、補正周期の演算や周期測定タイマの再スタートなどの処理を実行する。一方、補正周期演算手段２０は、検出信号Ｓ２（本実施形態では後述するように検出信号Ｓ２′）の立ち上がりエッジの発生（所定の信号状態に相当）により割り込み処理を開始し、上述したリセット処理などを実行する。これらの処理にはある程度の時間を要し、両処理が競合することにより何れか一方の割り込み処理が待たされると、処理の遅れによる誤差が発生する虞がある。
【００６７】
そこで、学習段階が開始されるのに先立って信号極性決定手段３２に対しエッジ検出開始信号が与えられ、信号極性決定手段３２は、ゼロクロス検出信号Ｓ４の立ち上がりエッジと検出信号Ｓ２の立ち上がりエッジとの時間間隔を内部タイマを用いて測定する。信号極性決定手段３２は、この時間間隔が上記処理時間よりも長い場合には、極性切替回路３３に対しスイッチ３４をオン、スイッチ３６をオフとする極性切替信号を出力し、上記処理時間以下の場合には、極性切替回路３３に対しスイッチ３４をオフ、スイッチ３６をオンとする極性切替信号を出力する。
【００６８】
図１０は、スイッチ３４をオフ、スイッチ３６をオンとした場合における検出段階での信号波形および処理のタイミングを示している。上から順に検出信号Ｓ２′、検出信号Ｓ２′に係る処理時間、検出信号Ｓ１、ゼロクロス検出信号Ｓ４、検出信号Ｓ１に係る処理時間を示している。処理時間の矢印部分は、プロセッサが処理中であることを示している。
【００６９】
検出信号Ｓ２を反転せずにそのまま検出信号Ｓ２′として用いると処理の競合状態が発生するのに対し、この図１０に示すように検出信号Ｓ２を反転して検出信号Ｓ２′とすれば、ゼロクロス検出信号Ｓ４に係る割り込み処理と検出信号Ｓ２′に係る割り込み処理とが重なり合うことがなくなる。その結果、処理の遅延による誤差の発生を防止できる。また、上記競合状態が生じないように、Ｘ線ＣＴ装置２７の設置時に検出板２８の矩形孔２８ａの位置と凸部２８ｂの位置とを調整（位置合わせ）する手間も省け、設置作業を容易化することができる。
【００７０】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、以下のような変形あるいは拡大が可能である。
検出歯車８、検出板２８を固定枠６に取り付け、磁気抵抗式センサ９、２９および光学式センサ１０、３０を回転枠７に取り付ける構成としても良い。また、磁気抵抗式センサ９、２９と光学式センサ１０、３０を、それぞれ固定枠６と回転枠７あるいは回転枠７と固定枠６に取り付ける構成としても良い。
検出歯車８にスリット８ｂを複数個設けても良い。この場合、スリット８ｂの角度間隔には、回転角度検出装置に要求される角度精度に応じた精度が必要とされる。検出板２８の凸部２８ｂについても同様である。
【００７１】
第１、第２の信号生成手段は検出歯車８（歯８ａ、スリット８ｂ）、検出板２８（矩形孔２８ａ、凸部２８ｂ）に限られない。第１の信号生成手段は、円周方向に沿って周期的に変化する信号を生成するものであれば良い。第１、第２の信号検出手段には、第１、第２の信号生成手段で生成される第１、第２の信号を繰り返し精度良く検出できるものを使用すれば良い。例えば、円環状の板、円板など（磁性体に限らない）に対しプレス加工（打ち抜き）を行い、周方向に一定間隔で一定寸法の孔部を設けたものを第１の信号生成手段としても良い。この場合の第１の信号検出手段には、発光素子と受光素子とからなる透過式の光学式センサを用いると良い。
【００７２】
検出歯車８、検出板２８は複数に分割されて製作されていても良い。分割や上述した打ち抜き加工を用いると第１の検出信号の角度精度が低下するが、この精度低下は第２の検出信号を用いて補償されるようになっているため位置信号ＳＡ、ＳＢの角度精度を高く維持できる。また、分割や打ち抜き加工を用いることにより製作が容易となり、一層のコスト低減が図られる。
【００７３】
スイッチ手段１８を除いて検出周期Ｔｎを補正係数演算手段１９と補正周期演算手段２０とに与え、断層撮影を行う検出段階において回転枠７が例えば１２０ｒｐｍで定速回転している時に、補正係数演算手段１９が補正係数Ｋｎを演算するように構成しても良い。そして、演算された補正係数Ｋｎと記憶手段２６に記憶されている補正係数Ｋｎとが所定値以上異なる場合には、記憶されている補正係数Ｋｎを演算された補正係数Ｋｎで置き換えたり、再度学習段階に移行するようにしても良い。
この構成によれば、検出段階において、機械的状態、電気的状態、磁気的状態などに変化が生じるなどして補正係数Ｋｎに誤差が生じても、所定値以上の誤差が生じた時点で補正係数Ｋｎが再設定されるので、角度精度を常に所定値よりも高く維持できる。
【００７４】
逓倍処理は必要に応じて行えば良い。
回転角度検出装置は、Ｘ線ＣＴ装置に限らず、固定部と回転部を有する他の回転装置に対しても適用可能である。
第２の実施形態において検出信号Ｓ２を反転可能なように構成したが、ゼロクロス検出信号Ｓ４を反転可能なように構成しても良い。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の回転角度検出装置によれば、第１の検出信号の各周期が第２の検出信号の信号間隔に基づいて定められる基準周期に補正されるとともに、第２の検出信号が出力されるごとにその時の補正状態が一定の補正状態に初期化されて新たな補正が開始されるので、その補正された周期に基づいて回転部の回転角度を求めることにより、補正演算の際に生じる演算誤差が累積されることがなくなる。これにより、高精度であって且つ時間の経過による誤差の増大がない回転角度の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すパルス生成回路の電気的構成図
【図２】検出信号Ｓ１とＳ２の処理回路に係る概略的な電気的構成図
【図３】Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の側面図
【図４】Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の正面図
【図５】検出歯車の取り付け態様を示す斜視図
【図６】検出段階における各信号波形を示す図
【図７】位置信号ＳＡ、ＳＢの詳細図
【図８】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図９】図４相当図
【図１０】検出段階における信号波形および処理タイミングを示す図
【図１１】先に開発したＸ線コンピュータ断層撮影装置における回転角度のずれを示す図
【符号の説明】
１、２７はＸ線コンピュータ断層撮影装置（回転装置）、２はＸ線管、３はＸ線検出器、６は固定枠（固定部）、７は回転枠（回転部）、８ａは歯（第１の信号生成手段）、８ｂはスリット（第２の信号生成手段）、９、２９は磁気抵抗式センサ（第１の信号検出手段）、１０、３０は光学式センサ（第２の信号検出手段）、１２、３１はパルス生成回路（回転角度演算手段）、１４は画像再構成プロセッサ（コンピュータ部）、２０ａはカウンタ（計時手段）、２８ａは矩形孔（第１の信号生成手段）、２８ｂは凸部（第２の信号生成手段）、ＤＭはダイレクトドライブモータ（回転駆動部）である。

Claims (10)

1. 回転部と固定部とを有する回転装置の当該回転部と固定部の何れか一方に固定され、前記回転部の円周方向に沿って周期的に変化する第１の信号を生成する第１の信号生成手段と、
   この第１の信号生成手段に対し前記回転部と固定部の何れか他方に固定され、前記第１の信号を検出する第１の信号検出手段と、
   前記回転部と固定部の何れか一方に固定され、前記回転部の円周方向に沿って前記第１の信号よりも角度精度が高い第２の信号を生成する第２の信号生成手段と、
   この第２の信号生成手段に対し前記回転部と固定部の何れか他方に固定され、前記第２の信号を検出する第２の信号検出手段と、
   前記回転部が一定の回転速度で回転している状態において、前記第１の信号検出手段から出力される第１の検出信号の各周期と前記第２の信号検出手段から出力される第２の検出信号の信号間隔とをそれぞれ測定し、前記第２の検出信号の信号間隔を基準時間として前記第１の検出信号の各周期の補正データを求め、以後は前記回転部が任意の回転速度で回転している状態において、前記第１の信号検出手段から出力される第１の検出信号の各周期を前記補正データを用いて順次補正するとともに、前記第２の信号検出手段から前記第２の検出信号が出力されるごとにその時の補正状態を一定の補正状態に初期化して新たな補正を開始し、その補正した周期に基づいて前記回転部の回転角度を求める回転角度演算手段とを有して構成されていることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記回転角度演算手段は、計時手段を備え、前記第２の検出信号が出力された時点から前記補正した周期を順に前記計時手段に設定して計時するとともに、前記第２の検出信号が出力される直前に計時対象とされている周期については、当該周期の計時開始から前記第２の検出信号が出力される時点までの時間を前記補正した周期とすることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
3. 前記回転角度演算手段は、前記回転部を一定の回転速度で回転させた状態において、前記基準時間に基づいて前記第１の検出信号の基準周期を求め、この基準周期と前記第１の検出信号の各周期との比を補正データとすることを特徴とする請求項１または２記載の回転角度検出装置。
4. 前記回転角度演算手段は、前記補正データを求めた後、前記回転部が一定の回転速度で回転している時に、前記第１の信号検出手段から出力される第１の検出信号の各周期と前記第２の信号検出手段から出力される第２の検出信号の信号間隔とに基づいて前記補正データの誤差を求め、所定値以上の誤差がある場合には再度補正データを求めることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の回転角度検出装置。
5. 前記回転角度演算手段は、前記第１の検出信号が各周期において所定の信号状態に一致した時点で当該周期についての信号処理を開始し、前記第２の検出信号が各周期において所定の信号状態に一致した時点で前記初期化等の信号処理を開始するように構成されており、前記第１の検出信号についての信号処理開始時点と前記第２の検出信号についての信号処理開始時点とが接近している場合に、前記第１の検出信号および第２の検出信号の何れか一方の検出信号を反転して用いるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の回転角度検出装置。
6. 前記回転角度演算手段は、前記第１の検出信号の各周期の補正データを求めるのに先立って、前記第１の検出信号についての信号処理開始時点と前記第２の検出信号についての信号処理開始時点との時間差を測定し、その時間差が所定値以下である場合に前記検出信号の反転処理を行うように構成されていることを特徴とする請求項５記載の回転角度検出装置。
7. 前記回転角度演算手段は、前記補正した周期を１／ｎ（ｎ≧２）に等分割することにより、前記第１の検出信号を逓倍した位置信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の回転角度検出装置。
8. 前記第１の信号生成手段は、磁気信号を生成する磁性体から構成されていることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の回転角度検出装置。
9. 前記第１の信号生成手段は複数に分割されて製作されていることを特徴とする請求項８記載の回転角度検出装置。
10. 固定枠と、
    この固定枠に対して回転可能に支持された回転枠と、
    この回転枠に取り付けられたＸ線管と、
    このＸ線管から出射され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
    前記回転枠を回転駆動する回転駆動部と、
    前記回転枠の回転による前記Ｘ線管の回転位置を検出する請求項１ないし９の何れかに記載の回転角度検出装置と、
    前記Ｘ線検出器の出力と前記回転枠の回転による前記Ｘ線管の回転位置とに基づいて前記被検体の断層画像データを再構成するコンピュータ部とを有するＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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