JP2013030325A

JP2013030325A - インバータ式ｘ線高電圧装置

Info

Publication number: JP2013030325A
Application number: JP2011164660A
Authority: JP
Inventors: Takatsugu Oketa; 隆継桶田
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP5979827B2

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら、中点接地方式のＸ線管のカソードとアース間の電圧と、アースとアノード間の電圧の差を低減できるＸ線高電圧装置を提供する。
【解決手段】第１の一次巻線３ａの漏れインダクタンスを第２の一次巻線３ｂの漏れインダクタンスよりも大きい値にすることにより、第１の一次巻線３ａに供給される電流Ｉａを減少させ、その分第２の一次巻線に電流Ｉｂが大きくなるようにする。これにより、カソード５ｋ・アース５１間電圧を高める。例えば、第１の一次巻線３ａの巻き回しの径を、第２の一次巻線３ｂの巻き回しの径よりも大きくする。また例えば、第１の一次巻線３ａと第１の二次巻線３ｂとの結合の間隔を広くする。もしくは、第１の一次巻線３ａの巻数を、第２の一次巻線３ａの巻き数よりも多くすることも可能である。
【選択図】図１

Description

発明は、中性点接地型のメタルＸ線管のアノード・アース間電圧と、カソード・アース間電圧とを均等にすることが可能なインバータ式Ｘ線高電圧装置に関するものである。

Ｘ線ＣＴ装置及びＸ線撮影装置は、Ｘ線管から発生したＸ線を被検体に照射し、該被検体を透過したＸ線量を検出して画像化するものである。このような装置では、Ｘ線管のアノード・カソード間に直流高電圧を印加し、カソードを高温にすることにより発生する熱電子を高電圧で加速し、これをアノードに衝突させてＸ線を発生させる。このため、例えば特許文献１に記載のように、Ｘ線管に直流高電圧を印加するとともに、制御するＸ線高電圧装置が用いられる。

特許文献１に開示されているＸ線高電圧装置は、Ｘ線管のアノードとカソード間の電圧を１／２に分割して、それぞれをアノードとアース間、アースとカソード間に印加する中性点接地方式である。この方式は、絶縁耐電圧の確保が容易である。アノードとカソードを収容する容器の一部が金属で形成されたメタルＸ線管の場合、金属部がアースに接続される。メタルＸ線管は、カソードから発生する熱電子の一部が金属部を介してアースに流れ込むため、アノードとアース間に流れる電流よりも、アースとカソード間に流れる電流の方が大きくなる。このため、アースとカソード間の負荷インピーダンスの方が、アノードとアース間の負荷インピーダンスよりも見かけ上低くなり、アノードとアース間電圧と、アースとカソード間電圧とに差が生じ、アンバランスになる。アンバランス電圧が生じた場合、それが大きくなると、アノードとアース間、もしくは、アースとカソード間に定格以上の電圧が印加されることになるので、Ｘ線管はもとより、Ｘ線高電圧装置内の回路の耐電圧を高くしなければならず、装置の小型化の妨げになる。

そのため、特許文献１の技術では、見かけ上の負荷インピーダンスの小さいアースとカソード間に流れる電流を大きくして、アースとカソード間の電圧を高くするために、アノードとアース間に流れる電流と成分が同じ電流の一部を分流して、アースとカソード間に流れる電流に加算する構成を開示している。電流を分流する手段および電流を加算する手段としては、磁性材料のコアに、分流および加算すべき電流が流れる導体（例えば、インバータと高電圧変圧器の一次側を接続するためのケーブル）を巻きつけて用いる。このコアは、透磁率が大きく、高電圧変圧器の漏れインダクタンスと同等以上のインダクタンスが得られるものを用いる。

特開２００４−１０３３４５号公報

しかし、上記特許文献１の構成では、透磁率が高く、高電圧変圧器の漏れインダクタンスと同等以上のインダクタンスが得られるコアを用いる必要があるが、このコアは比較的高価である。また、分流および加算すべき電流が流れる導体（インバータと高電圧変圧器の一次側を接続するためのケーブル）をコアに十数ターンさせる必要があり、ケーブル作製が複雑で、装置の製造コストが高くなるという問題があった。

本発明の目的は、簡単な構成でありながら、中点接地方式のＸ線管のカソードとアース間の電圧と、アースとアノード間の電圧の差を低減できるＸ線高電圧装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明では、第１の一次巻線の漏れインダクタンスを第２の一次巻線の漏れインダクタンスよりも大きい値にすることにより、第１の一次巻線に供給される電流を減少させ、その分第２の一次巻線に電流が加算されるようにする。これにより、カソード・アース間電圧を高める。具体的には、直流電源からの直流出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力する交流電圧を高電圧に変換する高電圧変圧器と、高電圧変圧器の出力する交流高電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、高電圧整流器の直流高電圧を印加されてＸ線を発するＸ線管とを有するＸ線高電圧装置である。Ｘ線管は、アノードと、カソードと、これらを収容する容器とを備え、容器の一部は、金属で形成された金属部であり、金属部は、接地されている。高電圧変圧器は、第１の一次巻線および第１の二次巻線を含む第１の変圧部、および、第２の一次巻線および第２の二次巻線を含む第２の変圧部を備え、第１の一次巻線と第２の一次巻線は並列にインバータ回路に接続されている。高電圧整流器は、第１の二次巻線の出力を直流高電圧に変換してアノードと金属部との間に印加し、第２の二次巻線の出力を直流高電圧に変換してカソードと金属部との間に印加する。第１の一次巻線の漏れインダクタンスは、第２の一次巻線の漏れインダクタンスよりも大きい。

例えば、第１の一次巻線の巻き回しの径を、第２の一次巻線の巻き回しの径よりも大きくすることにより、第１の一次巻線の漏れインダクタンスを大きくする。また例えば、第１の一次巻線と第１の二次巻線との磁気結合の距離を、第２の一次巻線と第２の二次巻線の磁気結合の距離よりも大きくしてもよい。第１の一次巻線および第１の二次巻線の巻数をそれぞれ、第２の一次巻線および第２の二次巻線の巻数よりも多くすることも可能である。

第１の一次巻線の漏れインダクタンスは、第２の一次巻線の漏れインダクタンスよりも、例えば、８％以上１３％以下大きい値になるように調整する。

本発明によれば、中性点接地型のメタルＸ線管のアノード・アース間電圧とカソード・アース間電圧の差(アンバランス電圧)を問題ない程度まで小さくすることができるため、Ｘ線高電圧装置の絶縁耐電圧の確保が容易になる。

本発明のＸ線高電圧装置の全体構成を示すブロック図。第１の実施形態の高電圧変圧器３の外観を示す側面図。従来のＸ線高電圧装置で生じるアノード・アース間電圧とカソード・アース間電圧とのアンバランスを示すグラフ。第１の実施形態において、第１の一次巻線３ａの巻き回しの径を大きくして、漏れインダクタンス３ｆを増加させることを示す等価回路図。一般的な高電圧変圧器の一次巻線３ａ、３ｂの漏れインダクタンスと浮遊容量を示す等価回路図。本発明のＸ線高電圧装置で生じるアノード・アース間電圧とカソード・アース間電圧を示すグラフ。第２の実施形態において、第１の一次巻線３ａと第１の二次巻線３ｃとの結合の間隔を大きくして、漏れインダクタンス３ｆを増加させることを示す等価回路図。第３の実施形態において、第１の一次巻線３ａと第１の二次巻線３ｃとの巻き数を多くして、漏れインダクタンス３ｆを増加させることを示す等価回路図。

本発明の一実施形態について以下図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のＸ線高電圧装置の全体構成を図１を用いて説明する。

Ｘ線高電圧装置は、高電圧発生装置１００とＸ線制御装置２００からなる。高電圧発生装置１００は、直流電源１と、インバータ回路２と、高電圧変圧器３と、高電圧整流器４と、Ｘ線管５とを備えている。高電圧発生装置１００は、直流高電圧を発生してＸ線管５のアノード５ａとカソード５ｋ間に印加する。Ｘ線制御装置２００は、Ｘ線管５の管電圧を検出し、直流高電圧の大きさ及び印加時間、さらに流れる電流等を制御することにより、Ｘ線管５から発生されるＸ線を制御する。

直流電源１は、単相または三相の商用電源から交流リアクトルを介して、サイリスタまたはダイオードで構成されたチョッパ回路やコンバータ回路により交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧をキャパシタで平滑にする回路である。

インバータ回路２は、半導体スイッチング素子（例えばIGBT：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とダイオードとを逆並列に接続した４つのスイッチＳ１〜Ｓ４を図１のように接続したフルブリッジ回路である。インバータ回路２は、直流電源１からの直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換する。

Ｘ線制御装置２００は、Ｘ線管５のアノード５ａとカソード５ｋ間の電圧を検出し、インバータ回路２の４つのスイッチＳ１〜Ｓ４のスイッチングの位相差や周波数あるいはパルス幅等を制御することにより、インバータ回路２の出力の周波数等を制御し、Ｘ線管５の管電圧を制御する。

高電圧変圧器３は、一次巻線３ａ，３ｂと二次巻線３ｃ，３ｄと鉄心３ｅとを有する。図２に示すように、一次巻線３ａ，３ｂと二次巻線３ｃ，３ｄはいずれも、ひとつの鉄心３ｅに巻き回され、相互インダクタンスにより接続される。高電圧変圧器３は、インバータ回路２の出力した交流電圧を昇圧する。

高電圧整流器４は、４つのダイオードを図１のようにブリッジ接続した二つの整流回路４ａ，４ｋを備えている。高電圧整流器４の二つの整流回路４ａ，４ｋは、高電圧変圧器３が昇圧した交流電圧を直流の高電圧Ｖａ、Ｖｋに変換し、それぞれＸ線管５のアノード５ａ・アース間およびカソードＶｋ・アース間に印加する。

高電圧変圧器３は、十分な電流容量を確保するために、二つの一次巻線３ａ、３ｂを有し、これらを並列にしてインバータ回路２の出力に接続する構成である。二つの二次巻線３ｃ、３ｄのうち第１の二次巻線３ｃは、高電圧整流器４の第１の整流回路４ａに接続され、第２の二次巻線３ｄは、第２の整流回路４ｋに接続されている。

Ｘ線管５は、アノード５ａとカソード５ｋを収納する容器の一部が金属で形成されたメタルＸ線管である。容器の金属部５１はアースに接続され、中性点接地型のメタルＸ線管５である。

第１の整流回路４ａは、第１の二次巻線３ｃの出力する交流高電圧を直流高電圧Ｖａに変換し、これをＸ線管５のアノード５ａとアース５１間に印加する。第２の整流回路４ｋは、第２の二次巻線３ｄの出力する交流高電圧を直流高電圧Ｖｋに変換し、これをＸ線管５のカソード５ｋとアース５１間に印加する。

第１の整流回路４ａの直流出力端の負側と、第２の整流回路４ｋの直流出力端の正側とは接続点４１により直列接続され、この接続点４１がアースに接続されるとともに、Ｘ線管５の金属部５１に接続されている。このような中性点接地型を採用することにより、Ｘ線管５のアノード５ａとカソード５ｋ間の電圧（管電圧）を１／２に分割して、それぞれアノード５ａとアース（金属部５１）間及びカソード５ｋとアース（金属部５１）間に印加することができるので、高電圧変圧器３及び高電圧整流器４の絶縁耐電圧の確保が容易となる。

しかしながら、Ｘ線管５のカソード５ｋから発生する熱電子の一部は、容器の金属部５１を介してアースに流れ込むため、これに起因してアース・アノード間電圧Ｖａとアース・カソード間電圧Ｖｋに差が生じる。これを具体的に説明する。メタルＸ線管５を用いた場合、図１のように、高電圧変圧器３の第１および第２の二次巻線３ｃ、３ｄの出力電圧Ｖａ、Ｖｋは、第１および第２の整流回路４ａで整流されアノード５ａと金属部５１（アース）間およびカソード５ｋと金属部５１（アース）間にそれぞれ印加される。これにより、電流Ｉｔが、第１の整流回路４ａ→Ｘ線管５のアノード５ａ→カソード５ｋ→第２の整流回路４ｋの順に流れる。この時、Ｘ線管５のカソード５ｋから発生する熱電子の一部は、容器の金属部５１を介してアースに流れ込むため、これに伴い電流Ｉｃが、第２の整流回路４ｋ→Ｘ線管５の金属部５１→カソード５ｋ→第２の整流回路４ｋの順に流れる。通常のメタルＸ線管５の場合、電流Ｉｃはアノード５ａからカソード５ｋに流れる電流（管電流）Ｉｔの８〜１３％程度の値になる。

このため、第１の二次巻線３ｃは、第１の整流回路４ａを介して電流Ｉｔを供給し、第２の二次巻線３ｄは、第２の整流回路４ｋを介して電流Ｉｔと電流Ｉｃを供給することになる。つまり、アノード５ａに流れる電流Ｉｔは、カソード５ｋに流れる電流Ｉｋ（＝Ｉｔ＋Ｉｃ）に対してＩｔ＝Ｉｋ−Ｉｃとなり、カソード側に流れる電流（管電流）Ｉｋよりも８〜１３％程度低い値になるため、図３に示すように、Ｘ線曝射時のアノード５ａと金属部５１（アース）間の電圧Ｖａと、カソード５ｋと金属部５１（アース）間の電圧Ｖｋに差が生じ、アンバランスになる。このようなアンバランス電圧は、管電流に比例する。ＶａとＶｋがアンバランスになった場合、アノード・アース間またはカソード・アース間に定格以上の電圧が印加されることになるので、その分だけＸ線管５はもちろん、高電圧変圧器３や高電圧整流器４及びこれらを構成する高電圧部品の耐電圧を高くしなければならない。

そこで本実施形態では、アノード５ａと金属部５１（アース）間の電圧Ｖａと、カソード５ｋと金属部５１（アース）間の電圧Ｖｋを等しくするために、高電圧変圧器３の構成を図４のような構成にする。すなわち、第１の一次巻線３ａの漏れインダクタンスを第２の一次巻線３ｂの漏れインダクタンスよりも大きい値にすることにより、第１の一次巻線３ａに供給される電流Ｉａを減少させ、その分だけ第２の一次巻線３ｂに流れる電流Ｉｂが大きくなるようにする。これにより、カソード・アース間電圧Ｖｋを高める。具体的には、第１の実施形態では、第１の一次巻線３ａを巻きつけているボビンの半径を、第２の一次巻線３ｂのボビンの半径よりも大きくすることで、第１の一次巻線３ａの漏れインダクタンスを第２の一次巻線３ｂの漏れインダクタンスよりも大きくする。

高電圧変圧器３の一次巻線３ａ，３ｂのそれぞれの浮遊容量３ｈ，３ｉと漏れインダクタンス３ｆ，３ｇを等価回路で示すと、図５に示した通り、漏れインダクタンス３ｆ，３ｇはそれぞれ一次巻線３ａ，３ｂと直列に、浮遊容量３ｈ，３ｉはそれぞれ一次巻線３ａ，３ｂと並列に接続された形になる。第１の実施形態では、第１の一次巻線３ａの漏れインダクタンス３ｆを第２の一次巻線３ｂの漏れインダクタンス３ｇよりも大きい値にすることにより、Ｘ線管５のアノード５ａ・アース間電圧Ｖａとカソード５ｋ・アース間電圧Ｖｋとの差をなくすようにする。

すなわち、第１の一次巻線３ａを巻きつけているボビンの半径を、第２の一次巻線３ｂのボビンの半径よりも大きくすると、図４に示すように、第１の一次巻線３ａの漏れインダクタンス３ｆが第２の一次巻線３ｂの漏れインダクタンス３ｇよりもα倍大きくなる。これにより、第２の一次巻線３ｂに流れる電流Ｉｂは、Ｉｂ＝α＊Ｉａとなり、アノード５ａ・アース間電圧Ｖａとカソード５ｋ・アース間電圧Ｖｋとの差（アンバランス電圧）をなくすことができる。αは、カソード５ｋから金属部５１への熱電子の流入により生じる電流Ｉｃの大きさと同等とし、例えば、Ｉｃが、管電流Ｉｋの８〜１３％程度の値である場合には、第１の漏れインダクタンス３ｆを第２の漏れインダクタンス３ｇよりもα（＝８〜１３％）だけ大きくなるように、ボビンの半径を設計する。

これにより、Ｘ線管５のアノード５ａとカソード５ｋ間の電圧（管電圧）を１／２に分割して、図６のように等しい電圧ＶａとＶｋをそれぞれアノード５ａとアース（金属部５１）間及びカソード５ｋとアース（金属部５１）間に印加することができるので、高電圧変圧器３及び高電圧整流器４の絶縁耐電圧の確保が容易となる。

また、第１の実施形態の技術は、従来より巻回されている一次巻線３ａのボビン径を変更するだけでよく、従来の特許文献１の技術のように高価なコア、ならびに、コアに分流および加算すべき電流が流れる導体（ケーブル）を巻きつける構成が必要ない。よって、簡単かつリーズナブルな構成でありながら、Ｘ線管５のアノード・アース間電圧Ｖａとカソード・アース間電圧Ｖｋとの差（アンバランス電圧）をなくすことができる。

第１の実施形態では、図２に示したように第１および第２の一次巻線３ａ，３ｂおよび第１および第２の二次巻線３ｃ，３ｄを、一つの鉄心３ｅに巻き回しているが、鉄心３ｅを二つに分ける構成とすることも可能である。すなわち、第１の一次巻線３ａと第１の二次巻線３ｃが巻き回される鉄心と、第２の一次巻線３ｂと第２の二次巻線３ｄが巻き回される鉄心とを独立した部材にすることも可能であり、この場合も上記実施形態と同様の効果が得られる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図７を用いて説明する。第２の実施形態では、図７のように第１の一次巻線３ａと第１の二次巻線３ｃとの、鉄心３ｅを介しての磁気結合の距離を拡げることで、第１の漏れインダクタンス３ｆを第２の漏れインダクタンス３ｇよりもα倍（８〜１３％）大きくする。具体的には、第１の一次巻線３ａのボビン径を第２の一次巻線３ｂのボビン径よりも大きくして、第１の一次巻線３ａと鉄心３ｅとの距離を拡げるとともに、第１の二次巻線３ｃのボビン径を第２の二次巻線３ｄのボビン径よりも大きくして、第１の二次巻線３ｃと鉄心３ｅとの距離を広げる。これにより、第１の一次巻線３ａおよび二次巻線３ｃと鉄心３ｅとの磁気結合の距離が大きくなり、第１の漏れインダクタンス３ｆが増大する。

他の構成および効果は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図８を用いて説明する。第３の実施形態では、図８のように、第１の一次巻線３ａの巻数を増やすことで、第１の漏れインダクタンス３ｆを第２の漏れインダクタンス３ｇよりもα倍（８〜１３％）大きくする。具体的には、第１の一次巻線３ａの巻数を第２の一次巻線３ｂの巻数よりも大きくする。これにともない、第１の二次巻線３ｃの巻数についても、第２の二次巻線３ｄの巻数よりも多くする。

上記第１〜第３の実施形態では、第１の一次巻線３ａおよび第１の二次巻線３ｃを調整することにより、第１の漏れインダクタンス３ｆを第２の漏れインダクタンス３ｇよりもα倍大きくする構成であったが、第２の一次巻線３ｂおよび第２の二次巻線３ｄを調整して、漏れインダクタンスを小さくする構成にしても同様の効果が得られることは言うまでもない。

１…直流電源電圧、２…インバータ回路、３…高電圧変圧器、３ａ…第１の一次巻線、３ｂ…第２の一次巻線、３ｃ…第１の二次巻線、３ｄ…第２の二次巻線、３ｅ…鉄心、３ｆ…第１の漏れインダクタンス、３ｇ…第２の漏れインダクタンス、３ｈ…第１の浮遊容量、３ｉ…第２の浮遊容量、４…高電圧整流器、５…Ｘ線管、５ａ…アノード、５ｋ…カソード、５１…金属部、１００…高電圧発生装置、２００…Ｘ線制御装置

Claims

直流電源からの直流出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力する交流電圧を高電圧に変圧する高電圧変圧器と、前記高電圧変圧器の出力する交流高電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、前記高電圧整流器の直流高電圧を印加されてＸ線を発するＸ線管とを有するＸ線高電圧装置であって、
前記Ｘ線管は、アノードと、カソードと、これらを収容する容器とを備え、前記容器の一部は、金属で形成された金属部であり、前記金属部は、接地され、
前記高電圧変圧器は、第１の一次巻線および第１の二次巻線を含む第１の変圧部と、第２の一次巻線および第２の二次巻線を含む第２の変圧部を備え、前記第１の一次巻線と第２の一次巻線は、並列に前記インバータ回路に接続され、
前記高電圧整流器は、前記第１の二次巻線の出力を直流高電圧に変換して前記アノードと前記金属部との間に印加し、前記第２の二次巻線の出力を直流高電圧に変換して前記カソードと前記金属部との間に印加し、
前記第１の一次巻線の漏れインダクタンスは、前記第２の一次巻線の漏れインダクタンスよりも大きいことを特徴とするＸ線高電圧装置。
請求項１に記載のＸ線高電圧装置において、前記第１の一次巻線の巻き回しの径が、前記第２の一次巻線の巻き回しの径よりも大きいことを特徴とするＸ線高電圧装置。
請求項１に記載のＸ線高電圧装置において、前記第１の一次巻線と第１の二次巻線との磁気結合の距離は、前記第２の一次巻線と前記第２の二次巻線の磁気結合の距離よりも広いことを特徴とするＸ線高電圧装置。
請求項１に記載のＸ線高電圧装置において、前記第１の一次巻線および第１の二次巻線の巻数はそれぞれ、第２の一次巻線および第２の二次巻線の巻数よりも多いことを特徴とするＸ線高電圧装置。
請求項１に記載のＸ線高電圧装置において、前記第１の一次巻線の漏れインダクタンスは、第２の一次巻線の漏れインダクタンスよりも８％以上１３％以下大きい値であることを特徴とするＸ線高電圧装置。