JP2006138715A - 回転角度検出装置、回転角度検出方法および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た場合であっても回転角度を高精度に検出でき且つ演算上の誤差を低減する。
【解決手段】 学習段階において、定速回転中に光学式センサ１０から検出信号Ｓ２が出力された時を基点に、ゼロクロス点検出回路１５からゼロクロス検出信号Ｓ４が順次出力されるまでの各時間間隔Ｔｎを計測し、その計測した各時間間隔Ｔｎを角度に変換して得られる学習角度θｎをメモリ２０に記憶する。その後の検出段階において、ゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されるごとに当該ゼロクロス検出信号Ｓ４に対応した学習角度θｎに相当するカウント値Ｎ（θｎ）を角度カウンタ２４にセットし、ゼロクロス検出信号Ｓ４相互間では、角度カウンタ２４は、角度変化率演算部２６により演算した直前の期間の角度変化率に応じた周波数を持つクロック信号Ｓ６をカウントする。
【選択図】 図１

Description

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、回転角度検出方法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。

本出願人は、比較的低い角度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て出願した（特許文献１参照）。さらに、時間の経過による誤差の増大を防止した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出願した（特許文献２参照）。

これら回転角度検出装置の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。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。
特開２００３−１８０６７２号公報 特開２００４−２０２２０１号公報

特許文献２記載の回転角度検出装置を用いることにより、時間の経過による誤差の増大を防止でき、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置を連続運転したときに、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し続ける現象は改善された。しかしながら、この回転角度検出装置は、第２の信号検出手段から第２の検出信号が出力された時にリセット動作を行う構成であるため、第２の検出信号間において検出回転角度の更なる高精度化が望まれていた。

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演算上の誤差を低減可能な回転角度検出装置、回転角度検出方法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。

上記目的を達成するため、請求項１記載の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、前記回転部の回転により何れか他方に対し周期的な第１の原信号を生成する第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の原信号を検出するとともにその検出した第１の原信号が各周期において所定の状態に一致するごとに第１の信号を出力する第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、前記回転部の回転により何れか他方に対し前記第１の信号よりも角度精度が高い第２の原信号を生成する第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の原信号を検出するとともにその検出した第２の原信号が所定の状態に一致するごとに第２の信号を出力する第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２の信号検出手段から第２の信号が出力された時を基点に、前記第１の信号検出手段から第１の信号が順次出力されるまでの各時間間隔を計測し、その計測した各時間間隔を角度に変換して得られる学習角度を記憶する角度情報学習手段と、
この角度情報学習手段による学習角度の記憶が終了した後、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第１の信号が出力されるごとに当該第１の信号に対応した前記学習角度を前記回転部の回転角度検出値として設定し、当該第１の信号から次に出力される第１の信号までの期間では、当該期間に先行する期間の時間間隔と角度間隔とから定まる角度変化率を用いて前記回転部の回転角度検出値を演算する回転角度演算手段とから構成されていることを特徴とする。

この回転角度検出装置は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置において回転枠の回転によるＸ線管の回転位置を検出するのに好適である。

この構成によれば、角度情報学習手段は、回転部が定速回転している状態において、第２の信号（第１の信号と比べて周期が長い）が出力された基準時から第１の信号が順次出力されるまでの各時間間隔を共通の計時手段を用いて計測し、その計測した各時間間隔を角度に変換することにより、順次出力される第１の信号のそれぞれに対応した学習角度を記憶する（学習段階）。この学習角度は、第２の信号と同程度に角度精度が高い。

その後、回転角度演算手段は、第１の信号が出力されるごとに当該第１の信号に対応した学習角度を回転角度検出値にセットして誤差をリセットし、次に第１の信号が出力されるまでの期間は、当該期間に先行する期間の時間間隔と角度間隔とから算出した角度変化率を用いて回転角度検出値を演算する（検出段階）。

本発明の回転角度検出装置および回転角度検出方法によれば、検出段階において第１の信号が出力されるごとに回転角度検出値の誤差がリセットされるので、演算誤差が累積されることがなく、比較的低精度の第１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。また、この回転角度検出装置を適用した上記Ｘ線コンピュータ断層撮影装置によれば、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。

（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８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。

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。

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。

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θ（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の信号生成手段と第１の信号検出手段に加え、光学方式による第２の信号生成手段と第２信号検出手段を備えている。

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。

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。

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の原信号に相当）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。

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の原信号に相当）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所定の状態であるＨレベルとなる。以下の説明では、この幅狭のＨレベルの信号を検出信号Ｓ２（第２の信号に相当）と称す。

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。

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。

一方、パルス生成回路１２（角度情報学習手段、回転角度演算手段、位置信号生成手段に相当）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、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。

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。後述するゼロクロス点検出回路１５、メモリ２０およびクロック発生回路２１を除いてＤＳＰなどのプロセッサにより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の所定の状態であるゼロクロス点を検出し、ゼロクロス検出信号Ｓ４（第２の信号に相当）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一時的にＨレベルとなる信号である。磁気抵抗式センサ９とゼロクロス点検出回路１５とにより信号検出部１６（第１の信号検出手段に相当）が構成されている。

角度情報の学習段階に用いられる角度情報学習部１７（角度情報学習手段に相当）は、タイマ１８（計時手段に相当）と学習角度演算部１９（学習角度演算手段に相当）とから構成されている。タイマ１８は、光学式センサ１０から検出信号Ｓ２が出力された時にタイマ値Ｔａを０にリセットし、次に検出信号Ｓ２が出力されるまでの期間、クロック発生回路２１で生成される一定周波数の基準クロック信号Ｓ５をカウントし続けることによりタイマ動作を行うようになっている。

学習角度演算部１９は、１回転（３６０°）に一度出力される検出信号Ｓ２を角度基準信号として用いることにより、定速回転時において検出信号Ｓ２が出力されてからゼロクロス検出信号Ｓ４が順次出力されるまでの各回転角度すなわち検出歯車８の各歯８ａの配置角度θｎ（ｎ＝１、２、…、４３１）を演算してメモリ２０（記憶手段に相当）に記憶するようになっている。そして、この記憶した学習角度θｎは、回転角度θの検出段階において学習角度設定部２３により順次読み出されるようになっている。

回転角度θの検出段階に用いられる回転角度演算部２２（回転角度演算手段に相当）は、学習角度設定部２３（学習角度設定手段に相当）、角度カウンタ２４（角度計数手段に相当）、タイマ２５（計時手段に相当）および角度変化率演算部２６（角度変化率演算手段に相当）から構成されている。

角度カウンタ２４は、角度変化率演算部２６から出力されるクロック信号Ｓ６をカウントして、回転枠７の回転角度θに対応するカウント値Ｎを出力するものである。また、角度カウンタ２４は、光学式センサ１０から検出信号Ｓ２が出力されるとカウント値Ｎを０にリセットするとともに、ゼロクロス検出信号Ｓ４に同期して学習角度設定部２３から出力される学習角度θｎをセットするようになっている。

学習角度設定部２３は、内部にカウンタ２３ａを備えており、光学式センサ１０から検出信号Ｓ２が出力されるとカウンタ２３ａを０にリセットするようになっている。そして、学習角度設定部２３は、ゼロクロス点検出回路１５からゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されると、カウンタ２３ａをインクリメントして学習角度演算部１９のメモリ２０から当該カウント値ｎに対応した学習角度θｎを入力し、それを角度変化率演算部２６に出力するとともに、角度カウンタ２４のカウント値に変換して角度カウンタ２４に出力するようになっている。

タイマ２５は、基準クロック信号Ｓ５をカウントするフリーランタイマで、ゼロクロス点検出回路１５からゼロクロス検出信号Ｓ４が出力された時のタイマ値ｔｎ（ｎ＝１、２、…、４３２）を角度変化率演算部２６に出力するようになっている。

角度変化率演算部２６は、タイマ２５のタイマ値ｔｎを用いてゼロクロス検出信号Ｓ４相互の時間間隔Δｔｎを求めるとともに、学習角度設定部２３から出力される学習角度θｎを用いて上記時間間隔Δｔｎに対応した学習角度間隔Δθｎを求め、これら時間間隔Δｔｎと学習角度間隔Δθｎに基づいて、ゼロクロス検出信号Ｓ４の各相互間隔における角度変化率Ｒを求めるようになっている。そして、角度変化率演算部２６は、この角度変化率Ｒに応じて基準クロック信号Ｓ５を分周することにより、角度変化率Ｒに応じた周波数を持つクロック信号Ｓ６を生成するようになっている。

パルス発生回路２７は、角度カウンタ２４から出力されるカウント値Ｎに基づいて、一定の回転角度例えば３６０°／１０８００ごとに位置信号ＳＡ、ＳＢを出力するようになっている。
切替スイッチ２８は、ゼロクロス点検出回路１５から出力されたゼロクロス検出信号Ｓ４を角度情報学習部１７または回転角度演算部２２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角度情報学習部１７側（図１に示すａ側）に切り替えられ、検出段階においては回転角度演算部２２側（図１に示すｂ側）に切り替えられるようになっている。
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。

次に、本実施形態の作用について図６ないし図８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θ（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。

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に基づくゼロクロス検出信号Ｓ４は、ほぼ３６０°／Ｄごとに発生する。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、この発生角度も歯８ａごとにばらついてしまう。従って、検出信号Ｓ１（ゼロクロス検出信号Ｓ４）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。

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スリット８ｂの位置を基準とする検出歯車８の各歯８ａの角度（学習角度）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θ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。

［学習段階］
切替スイッチ２８が角度情報学習部１７側に切り替えられ、モータコントローラ１３は、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。

図６は、学習段階における各信号波形を示している。波形は、上から順に検出信号Ｓ２、検出信号Ｓ１、ゼロクロス検出信号Ｓ４を示している。タイマ１８は、少なくとも学習段階において停止することなく基準クロック信号Ｓ５をカウントし続けるフリーランニングタイマで、光学式センサ１０から検出信号Ｓ２が出力された時にタイマ値Ｔａを０にリセットする。

学習角度演算部１９は、タイマ値Ｔａがリセットされた時を基準として、次に再びタイマ値Ｔａがリセットされるまでの間、ゼロクロス検出信号Ｓ４が出力された時のタイマ値Ｔ１、Ｔ２、…、Ｔ４３１をメモリ２０に一時的に記憶する。また、タイマ値Ｔａがリセットされる直前の値つまり検出信号Ｓ２の周期Ｔｐもメモリ２０に記憶する。なお、図６は、ゼロクロス検出信号Ｓ４の間隔のばらつきを強調して描いてある。

続いて、学習角度演算部１９は、次の（１）式に従って検出歯車８の各歯８ａの学習角度θｎ（ｎ＝１、２、…、４３１）を求め、それをメモリ２０に記憶する。
θｎ＝Ｔｎ／Ｔｐ×３６０° …（１）
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、学習角度θｎの算出（学習段階）は断層撮影のたびに行う必要はない。

［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、切替スイッチ２８はｂ側に切り替えられている。

図７は、この検出段階における各信号波形を示している。波形は、上から順に検出信号Ｓ２、検出信号Ｓ１、ゼロクロス検出信号Ｓ４、角度カウンタ２４のカウント値Ｎを示している。学習段階で得られた学習角度θｎは、対応するゼロクロス検出信号Ｓ４の出力時点における正確な角度を示している。そこで、検出段階において、角度カウンタ２４は、検出信号Ｓ２が出力されると０にリセットされ、ゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されると対応する学習角度θｎに相当するカウント値Ｎ（θｎ）にセットされる。

これにより、少なくとも検出信号Ｓ２およびゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されるごとに、後述する推定演算により角度カウンタ２４に累積された誤差がリセットされる。図７において、ゼロクロス検出信号Ｓ４の発生時点に見られる角度カウンタ２４のカウント値Ｎのずれは、上記誤差を誇張して表している。

ゼロクロス検出信号Ｓ４相互の期間の回転角度θは、角度変化率演算部２６により演算される角度変化率Ｒを用いて推定演算される。すなわち、角度変化率演算部２６は、推定演算の対象期間の１つ前の期間（つまり直前の期間）の時間幅Δｔn-1と角度幅Δθn-1とから（２）式〜（４）式により当該１つ前の期間における角度変化率Ｒn-1を演算し、その角度変化率Ｒn-1に応じた周波数を持つクロック信号Ｓ６を出力する。ここで、ｔｎ、ｔn-1は、タイマ２５から出力されるタイマ値であり、θｎ、θn-1は、学習角度設定部２３から出力される学習角度である。
Δｔn-1＝ｔｎ−ｔn-1 …（２）
Δθn-1＝θｎ−θn-1 …（３）
Ｒn-1＝Δθn-1／ｔn-1 …（４）

その結果、角度カウンタ２４のカウント値Ｎすなわち推定した回転枠７の回転角度θは次の（５）式のようになる。ただし、ｔは検出信号Ｓ２からの経過時間であり、ｔｎは検出信号Ｓ２から各ゼロクロス検出信号Ｓ４までの時間である。
θ＝θｎ＋Ｒn-1・（ｔ−ｔｎ） …（５）

図８は、位置信号ＳＡ、ＳＢの詳細図である。パルス発生回路２７は、角度カウンタ２４から出力されるカウント値Ｎを必要なパルス数（ここでは１０８００）で等分し、回転角度３６０°／１０８００ごとに位置信号ＳＡ、ＳＢを出力する。なお、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ため、実際には回転角度３６０°／４３２００ごとに位置信号ＳＡ、ＳＢのレベルを制御する。

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を定速回転させて光学式センサ１０から検出信号Ｓ２が出力された時を基点に、ゼロクロス点検出回路１５からゼロクロス検出信号Ｓ４が順次出力されるまでの各時間間隔Ｔｎを計測し、その計測した各時間間隔Ｔｎを角度に変換して得られる学習角度θｎを記憶する構成とした。これにより、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であっても、検出信号Ｓ２を基準としたゼロクロス検出信号Ｓ４の発生角度を高精度に求めることができる。

そして、断層撮影を行う検出段階において、ゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されるごとに当該ゼロクロス検出信号Ｓ４に対応した学習角度θｎに相当するカウント値Ｎ（θｎ）を角度カウンタ２４にセットするので、ゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されるごとに演算誤差や回転枠７の速度変化に起因する誤差がリセットされる。これにより、回転枠７の１回転を超えて角度誤差が累積されることがないのは勿論、検出歯車８の歯８ａの周期を超えて角度誤差が累積されることもない。

ゼロクロス検出信号Ｓ４相互の期間における回転角度θ（角度カウンタ２４のカウント値Ｎ）は、角度変化率演算部２６により演算された直前の期間の角度変化率Ｒn-1を用いて推定演算されるが、Ｘ線ＣＴ装置１の回転枠７はイナーシャが大きいため、推定された角度θは学習角度θｎとほぼ同等の高い精度を持つ。

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。

（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９および図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９、図１０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。

図１０は、Ｘ線ＣＴ装置の正面図である。Ｘ線ＣＴ装置２９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。

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３０が取り付けられている。この検出板３０には、周方向に沿ってＤ個（本実施形態では４３２個）の矩形孔３０ａ（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３０の外周部には、１回転につき１箇所だけ凸部３０ｂ（第２の信号生成手段に相当）が形成されている。矩形孔３０ａ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。

固定枠６には、検出板３０の矩形孔３０ａに対向するように磁気抵抗式センサ３１が取り付けられている。また、検出板３０の凸部３０ｂに対向し得るように光学式センサ３２（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３１が出力する検出信号Ｓ１の電圧振幅は、矩形孔３０ａ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３２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３０ｂ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。

図９は、パルス生成回路３３の電気的構成をブロック図として示したものである。ゼロクロス点検出回路３４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（第２の信号に相当）を出力するようになっている。このゼロクロス点検出回路３４と磁気抵抗式センサ３１とにより信号検出部３５（第１の信号検出手段に相当）が構成されている。

ゼロクロス点検出回路３４は、原則的には検出信号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を検出するようになっている。しかしながら、検出信号Ｓ２が出力されてから最初にゼロクロス検出信号Ｓ４が出力されるまでの時間が所定時間よりも短い場合には、検出信号Ｓ１のレベルを反転処理した後にゼロクロス点を検出するようになっている。これは、検出信号Ｓ１が高電位側から低電位側へと変化する時のゼロクロス点を検出することになる。

この構成によれば、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、ＤＳＰのソフトウェア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２９の設置時に検出板３０の矩形孔３０ａの位置と凸部３０ｂ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。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
角度変化率演算部２６は、推定演算の対象期間の１つ前の期間における角度変化率Ｒn-1を演算したが、さらに前の期間における角度変化率Ｒn-2、Ｒn-3、…を演算してクロック信号Ｓ６を出力してもよい。また、これら複数の期間の角度変化率の平均値を演算するように構成してもよい。ただし、回転枠７の回転速度が変化している場合には、上述した実施形態のように直前の期間における角度変化率Ｒn-1を用いることが好ましい。

切替スイッチ２８を除いてゼロクロス検出信号Ｓ４を角度情報学習部１７と回転角度演算部２２とに与え、断層撮影を行う検出段階において回転枠７が定速回転している時に、ゼロクロス検出信号Ｓ４が出力された時の角度カウンタ２４のカウント値Ｎと角度カウンタ２４にセットするカウント値Ｎ（θｎ）との角度誤差を求め、角度情報学習部１７は、この角度誤差が所定値以上である場合に学習動作を再実行するように構成してもよい。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学習角度θｎに誤差が生じても、所定値以上の誤差が生じた時点で学習角度θｎ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。

第１の実施形態において、学習段階で必要となるタイマ１８と検出段階で必要となるタイマ２５を共通化してもよい。
パルス発生回路２７は、必要に応じて行えばよい。

検出歯車８、検出板３０を固定枠６に取り付け、磁気抵抗式センサ９、３１および光学式センサ１０、３２を回転枠７に取り付ける構成としてもよい。また、磁気抵抗式センサ９、３１と光学式センサ１０、３２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よい。
検出歯車８にスリット８ｂを複数個設けてもよい。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３０の凸部３０ｂについても同様である。

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３０（矩形孔３０ａ、凸部３０ｂ）に限られない。第１の信号生成手段は、周期的な信号を生成するものであればよい。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よい。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用いてもよい。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よい。

検出歯車８、検出板３０は複数に分割されて製作されていてもよい。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。
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。

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 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 Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の側面図 Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の正面図 検出歯車の取り付け態様を示す斜視図 学習段階における各信号波形を示す図 検出段階における各信号波形を示す図 位置信号ＳＡ、ＳＢの詳細図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 図４相当図

符号の説明

１、２９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）、１０、３２は光学式センサ（第２の信号検出手段）、１４は画像再構成プロセッサ（コンピュータ部）、１６、３５は信号検出部（第１の信号検出手段）、１７は角度情報学習部（角度情報学習手段）、２２は回転角度演算部（回転角度演算手段）、１８、２５はタイマ（計時手段）、１９は学習角度演算部（学習角度演算手段）、２０はメモリ（記憶手段）、２３は学習角度設定部（学習角度設定手段）、２４は角度カウンタ（角度計数手段）、２６は角度変化率演算部（角度変化率演算手段）、２７はパルス発生回路（位置信号生成手段）、３０ａは矩形孔（第１の信号生成手段）、３０ｂ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、前記回転部の回転により何れか他方に対し周期的な第１の原信号を生成する第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の原信号を検出するとともにその検出した第１の原信号が各周期において所定の状態に一致するごとに第１の信号を出力する第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、前記回転部の回転により何れか他方に対し前記第１の信号よりも角度精度が高い第２の原信号を生成する第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の原信号を検出するとともにその検出した第２の原信号が所定の状態に一致するごとに第２の信号を出力する第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２の信号検出手段から第２の信号が出力された時を基点に、前記第１の信号検出手段から第１の信号が順次出力されるまでの各時間間隔を計測し、その計測した各時間間隔を角度に変換して得られる学習角度を記憶する角度情報学習手段と、
   この角度情報学習手段による学習角度の記憶が終了した後、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第１の信号が出力されるごとに当該第１の信号に対応した前記学習角度を前記回転部の回転角度検出値として設定し、当該第１の信号から次に出力される第１の信号までの期間では、当該期間に先行する期間の時間間隔と角度間隔とから定まる角度変化率を用いて前記回転部の回転角度検出値を演算する回転角度演算手段とから構成されていることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記角度情報学習手段は、
   前記第２の信号検出手段から第２の信号が出力された時に計時値を初期化し、その後次の第２の信号が出力されるまでの期間継続的に計時動作を行う計時手段と、
   当該計時手段により計測された前記第２の信号から前記第１の信号までの各時間間隔および前記第２の信号から次の第２の信号までの時間間隔並びに当該第２の信号の角度間隔に基づいて前記学習角度を演算する学習角度演算手段と、
   この学習角度演算手段で演算された学習角度を記憶する記憶手段とから構成されてい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、
   クロック信号を計数し、前記回転部の回転角度検出値に相当する計数値を出力する角度計数手段と、
   前記第１の信号検出手段から第１の信号が出力されるごとに、前記角度計数手段に対し当該第１の信号に対応した学習角度に相当する計数値を設定する学習角度設定手段と、
   継続的に計時動作を行い、前記第１の信号検出手段から第１の信号が出力された時の経時値を出力する計時手段と、
   この計時手段の計時値から求めた先行する第１の信号相互間の時間間隔とその第１の信号相互間の学習角度間隔に基づいて角度変化率を求め、その角度変化率に応じた周波数を持つ前記クロック信号を出力する角度変化率演算手段とから構成されてい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、前記角度情報学習手段による学習角度の記憶が終了した後、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第１の信号が出力された時の前記回転部の回転角度検出値と当該第１の信号に対応した前記学習角度との角度誤差を求めるように構成され、
   前記角度情報学習手段は、この角度誤差が所定値以上である場合、前記学習角度を求めて記憶する学習動作を再実行す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. 前記第１の信号検出手段は、前記第２の信号検出手段から第２の信号が出力される時点と前記第１の信号検出手段から第１の信号が出力される時点とが接近している場合、検出した第１の原信号を反転した上で当該第１の原信号が各周期において所定の状態に一致するごとに第１の信号を出力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４の何れかに記載の回転角度検出装置。
6. 前記回転部の回転角度検出値に基づいて一定の回転角度ごとに位置信号を生成する位置信号生成手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の回転角度検出装置。
7. 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、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７記載の回転角度検出装置。
9. 回転部と固定部とを有する回転装置の当該回転部の回転角度を検出する回転角度検出方法において、
   前記回転部の回転と対応させて周期的な第１の原信号を生成し、この第１の原信号を検出するとともにその検出した第１の原信号が各周期において所定の状態に一致するごとに第１の信号を出力し、
   前記回転部の回転と対応させて前記第１の信号よりも角度精度が高い第２の原信号を生成し、この第２の原信号を検出するとともにその検出した第２の原信号が所定の状態に一致するごとに第２の信号を出力し、
   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２の信号が出力された時を基点に、前記第１の信号が順次出力されるまでの各時間間隔を計測し、その計測した各時間間隔を角度に変換して得られる学習角度を記憶し、
   この学習角度の記憶が終了した後、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の信号が出力されるごとに当該第１の信号に対応した前記学習角度を前記回転部の回転角度検出値として設定し、当該第１の信号から次に出力される第１の信号までの期間では、当該期間に先行する期間の時間間隔と角度間隔とから定まる角度変化率を用いて前記回転部の回転角度検出値を演算することを特徴とする回転角度検出方法。
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８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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