JP2022163781A - 透視像撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透視像撮影装置において、供試体の内部構造を適切に評価できるようにする。【解決手段】供試体３１を駆動する駆動タイミング信号Ｓ４または供試体３１の動作の検出結果であるタイミング信号Ｓ５に同期して照射タイミング信号Ｓ１を出力するタイミング制御装置１３と、照射タイミング信号Ｓ１に同期して、供試体３１を透過する波長を有するパルス状の電磁波ビームＢ１を供試体３１に照射する電磁波発生部２２，２３と、供試体３１を透過した電磁波ビームＢ１を受信する電磁波検出装置４１と、を透視像撮影装置１に設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、透視像撮影装置に関する。

例えば下記特許文献１，２に示されているように、Ｘ線源から供試体にＸ線を照射し、供試体内部の構造で減衰しながら透過したＸ線の強度を測定することにより、供試体の内部構造を評価する技術が知られている。

特表２００６－５０３６３１号公報 特開２０１１－８９７９８号公報

しかし、上述した技術によれば、供試体の内部構造を適切に評価することが困難な場合があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、供試体の内部構造を適切に評価できる透視像撮影装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の透視像撮影装置は、供試体を駆動する駆動タイミング信号または前記供試体の動作の検出結果であるタイミング信号に同期して照射タイミング信号を出力するタイミング制御装置と、前記照射タイミング信号に同期して、前記供試体を透過する波長を有するパルス状の電磁波ビームを前記供試体に照射する電磁波発生部と、前記供試体を透過した前記電磁波ビームを受信する電磁波検出装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、供試体の内部構造を適切に評価できる。

第１実施形態による透視像撮影装置のブロック図である。 各実施形態における電圧パルスの波形図である。 第２実施形態による透視像撮影装置のブロック図である。 第３実施形態による透視像撮影装置のブロック図である。

［実施形態の概要］
上述の特許文献１の技術を応用すると、サブ検出器を用いてインターレース、つまり補完的サンプリング撮影を行うことで時間分解能と画像ノイズの低下を回避できると考えられる。しかし、この手法は高い空間分解が求められる用途や、高速動作する機械部品の作動状態での撮影には有効に機能しない。

他方、上述の特許文献２の技術を応用すると、パルス状に放射線を照射することで、供試体である流体中の介在物の挙動を定量的に評価できると考えられる。しかし、この手法は、全体的な挙動を数秒以上の時間間隔単位で巨視的に評価しようとしているに過ぎない。すなわち、この手法では、サブミリメートル単位の高い空間分解能が求められる機械部品の評価や、機械部品をミリ秒単位で高速動作させた状態の評価には適していない。

そこで、以下説明する実施形態は、高速動作する機械部品においても、高速撮影に適した検出装置とタイミング制御装置を用いて機械部品と撮影タイミングの同期や相関を取る。これにより、その内部構造の変化を高い時間分解能と高い空間分解能で評価することができる透視像撮影装置を実現できる。

より具体的には、後述する実施形態の透視像撮影装置は、５マイクロ秒以下のパルス状Ｘ線の計測が可能な検出装置とタイミング制御装置を用いることで高速度で精度よくＸ線透視画像の撮影タイミングを制御する。そして、タイミング制御装置からのタイミング信号により、供試体である機械部品を駆動させ、それと同期したパルスＸ線の照射タイミング信号と透過Ｘ線の検出信号を発生させる。そして、供試体の所定の作動状態において、透過Ｘ線量を測定することにより、目的とする高速動作する機械部品の内部作動状況を定量的に非破壊で評価できる。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
図１は、第１実施形態による透視像撮影装置１のブロック図である。
図１において透視像撮影装置１は、撮影制御装置１２と、タイミング制御装置１３と、Ｘ線源制御電源部２１と、Ｘ線源パルス変調回路２２（パルス発生部、電磁波発生部）と、Ｘ線源照射部２３（電磁波ビーム照射部、電磁波発生部）と、Ｘ線検出装置４１（電磁波検出装置）と、画像処理装置４２と、センサ部７０と、を備えている。

Ｘ線源制御電源部２１は、Ｘ線源パルス変調回路２２に対して、所定の高電圧の電源電圧を印加する。Ｘ線源パルス変調回路２２は、電源電圧を変調することにより、Ｘ線源照射部２３に対して、高電圧の電圧パルスＳ１１を供給する。Ｘ線源照射部２３は、電圧パルスＳ１１によって駆動され、Ｘ線ビームＢ１（電磁波ビーム）を供試体３１に照射する。なお、「Ｘ線」は、例えば波長が０．０１ｎｍ以上、１０ｎｍ未満の電磁波である。但し、本実施形態においてＸ線源照射部２３が発生するＸ線は高エネルギーＸ線であり、最大エネルギーが１ＭｅＶ～９ＭｅＶ程度の白色スペクトルを有する。従って、特定波長のＸ線のみが供試体３１に照射されるわけではない。

Ｘ線検出装置４１は、Ｘ線ビームＢ１のうち供試体３１を透過した部分を検出する。撮影制御装置１２は、画像処理装置４２に対して撮像計画データを供給する。画像処理装置４２は、この撮像計画データと、Ｘ線検出装置４１における検出結果とに基づいて、供試体３１の内部構造を評価した透視画像を生成する。

図２は、電圧パルスの波形例を示す図である。
図２において、電圧パルスＳ１１は、周期ＴＰ１と、パルス幅ＴＱ１とを有するパルスである。パルス幅ＴＱ１は、例えば５μｓ（マイクロ秒）程度であり、周期ＴＰ１は、例えば４ｍｓ（ミリ秒）程度である。この場合、Ｘ線検出装置４１は、５μｓ以下のパルス幅のＸ線の計測に適したものを用いるとよい。なお、図示の電圧パルスＳ１２は、後述する他の実施形態に適用される高電圧パルスであり、その詳細は後述する。

図１に戻り、可変パルス変調部１１は、電圧パルスＳ１１のオン／オフタイミングを指定する照射タイミング信号Ｓ１をＸ線源パルス変調回路２２に供給する。照射タイミング信号Ｓ１は、例えば電圧パルスＳ１１の発生タイミングｔ0（図２参照）に発生するパルス信号である。また、可変パルス変調部１１は、Ｘ線検出装置４１に対して、Ｘ線ビームＢ１を検出するタイミングを指定する検出タイミング信号Ｓ２を供給する。

さらに、タイミング制御装置１３は、供試体３１に対して、照射タイミング信号Ｓ１に同期する駆動タイミング信号Ｓ４を供給する。駆動タイミング信号Ｓ４は、供試体３１を駆動するタイミングを指定する信号であり、これにより、供試体３１を照射タイミング信号Ｓ１に同期して駆動することができる。但し、供試体３１の種類によっては、外部から供給された駆動タイミング信号Ｓ４によって制御することが不可能または困難な場合もある。そのため、本実施形態においては、センサ部７０を設けている。

センサ部７０は、供試体３１の動作状態を検出し、供試体３１の動作に同期したタイミング信号Ｓ５を出力する。撮影制御装置１２は、各信号Ｓ１，Ｓ２をタイミング信号Ｓ５に同期させるか否かをタイミング制御装置１３に指定する。ここで、撮影制御装置１２によって「信号Ｓ５に同期させる」旨が指定されると、タイミング制御装置１３は、信号Ｓ５に同期させつつ信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。従って、この場合においても、タイミング制御装置１３は、供試体３１の動作に同期した照射タイミング信号Ｓ１および検出タイミング信号Ｓ２を出力することができる。

一例として、供試体３１が駆動タイミング信号Ｓ４に同期して開状態と閉状態を繰り返すソレノイドバルブであったとする。この場合、撮影制御装置１２は、供試体３１の周期的な動作過程のうち、撮影すべきタイミングにＸ線源照射部２３がＸ線ビームＢ１を照射し、かつ、Ｘ線検出装置４１がＸ線ビームＢ１を検出するように、信号Ｓ１，Ｓ２の出力タイミングをタイミング制御装置１３に供給する。一例として、図２に示した周期ＴＰ１が４ｍｓであり、パルス幅ＴＱ１が５μｓであったとする。すると、ソレノイドバルブである供試体３１は、４ｍｓの周期で開閉動作を繰り返し、開閉動作のうち所望の区間を５μｓという高時間分解能で撮影することができる。これにより、繰り返し精度などの工学的に重要となる機械部品の信頼性を評価することが可能になる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態による透視像撮影装置２のブロック図である。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
透視像撮影装置２は、図１に示した透視像撮影装置１と同様の構成を備え、さらに、スイッチ２７，２８と、Ｘ線源パルス変調回路２６（パルス発生部、電磁波発生部）と、を備えている。そして、タイミング制御装置１３は、Ｘ線源パルス変調回路２２，２６の双方に照射タイミング信号Ｓ１を供給する。

Ｘ線源パルス変調回路２６は、電圧パルスＳ１２を出力する。スイッチ２７は、Ｘ線源パルス変調回路２２，２６のうち一方を選択し、Ｘ線源制御電源部２１が出力する電源電圧を印加する。スイッチ２８は、スイッチ２７と連動して、電圧パルスＳ１１，Ｓ１２のうち一方を選択し、Ｘ線源照射部２３に供給する。以下、Ｘ線源パルス変調回路２２，２６およびスイッチ２７，２８を総称して「可変パルス変調部１１」と呼ぶ。

ここで、Ｘ線源パルス変調回路２６が発生する電圧パルスＳ１２は、図２に示したように、周期ＴＰ２と、パルス幅ＴＱ２とを有するパルスである。パルス幅ＴＱ２は、例えば１．２５μｓ程度であり、周期ＴＰ２は、例えば１ｍｓ程度である。

Ｘ線源パルス変調回路２２，２６は、それぞれ複数のコンデンサおよび少なくとも一つのコイル（何れも図示せず）を備えており、これらコンデンサおよびコイルはネットワークを形成している。ここで、コンデンサの容量、コンデンサの個数、コイルの巻き数を適切に設定することで、所望のパルス幅の電圧パルス、すなわち図２に示した電圧パルスＳ１１，Ｓ１２を出力することができる。換言すれば、Ｘ線のパルス幅を可変とするには、本実施形態の可変パルス変調部１１のように、適切なコンデンサ容量、コンデンサ個数、コイルで調整された複数のＸ線源パルス変調回路を予め用意しておき、それらを排他的に選択使用することが好ましい。

可変パルス変調部１１が、例えば周期ＴＰ１＝４ｍｓ、パルス幅ＴＱ１＝５μｓの電圧パルスＳ１１を出力すると、１パルスに対応して発生するＸ線量を高くすることができるため、透視画像のノイズを抑制できる点で有利である。一方、可変パルス変調部１１が、例えば周期ＴＰ２＝１ｍｓ、パルス幅ＴＱ２＝１．２５μｓの電圧パルスＳ１２を出力すると、Ｘ線ビームＢ１の照射サイクルを毎秒１０００回に高めることができ、分解能が高い透視画像を得ることができる。

従って、透視画像に必要とされるノイズ割合、分解能、供試体３１の動作周期等に応じて、電圧パルスＳ１１，Ｓ１２のうち最適なものを選択するとよい。撮影制御装置１２は、取得する透視像に必要となる時間分解能、ノイズ割合、供試体３１の動作の繰り返し周波数等のパラメータに基づいて、電圧パルスＳ１１，Ｓ１２のうち何れかを選択する。これにより、供試体３１に対して最適なパルス幅とパルス繰り返し周波数が選択され、最適な透視像を取得することが可能となる。

なお、図３に示した例においては、可変パルス変調部１１は２種類の電圧パルスＳ１１，Ｓ１２のうち何れかを選択してＸ線源照射部２３に供給したが、３種類以上の電圧パルスの中からＸ線源照射部２３に供給するものを選択できるようにしてもよい。何れの場合においても、電圧パルスの周期（ＴＰ１，ＴＰ２等）が短くなるほど、パルス幅（ＴＱ１，ＴＱ２等）が短くなるようにするとよい。

［第３実施形態］
図４は、第３実施形態による透視像撮影装置３のブロック図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
透視像撮影装置３は、図３に示した透視像撮影装置２と同様の構成を備え、さらに、ターンテーブル５１，５２と、Ｘ線源照射部２４（電磁波ビーム照射部、電磁波発生部）と、Ｘ線検出装置４４（電磁波検出装置）と、照射部移動機構６０と、センサ部７２と、を備えている。

ターンテーブル５１，５２は、その上面にそれぞれ供試体３１，３２を載置することができ、供試体３１，３２を回転駆動する。タイミング制御装置１３は、ターンテーブル５１，５２に対して、照射タイミング信号Ｓ１に同期するパルス信号Ｓ６，Ｓ１６をそれぞれ供給する。ターンテーブル５１，５２は、パルス信号Ｓ６，Ｓ１６に同期して回転する。

Ｘ線源照射部２４、Ｘ線検出装置４４およびセンサ部７２は、それぞれＸ線源照射部２３、Ｘ線検出装置４１およびセンサ部７０と同様に構成されている。すなわち、図示の状態では、Ｘ線源照射部２３，２４は、それぞれＸ線ビームＢ１，Ｂ２（電磁波ビーム）を供試体３１，３２に照射し、Ｘ線検出装置４１，４４は、それぞれ供試体３１，３２を透過したＸ線ビームＢ１，Ｂ２を検出する。また、タイミング制御装置１３は、検出タイミング信号Ｓ２をＸ線検出装置４１，４４の双方に供給する。

センサ部７２は、供試体３２の動作状態を検出し、タイミング制御装置１３に対して供試体３２の動作に同期したタイミング信号Ｓ１５を出力する。タイミング制御装置１３は、駆動タイミング信号Ｓ１４を供試体３２に供給する。撮影制御装置１２は、各信号Ｓ１，Ｓ２をタイミング信号Ｓ５またはＳ１５に同期させるか否かをタイミング制御装置１３に指定する。

ターンテーブル５１は、例えば小型の供試体３１を高分解能で撮影する用途に適した小型のターンテーブルとし、ターンテーブル５２は、例えば大型の供試体３２を高分解能で撮影する用途に適した大型のターンテーブルとすることができる。その場合、Ｘ線検出装置４１は、小型の供試体３１に適した小型の装置とし、Ｘ線検出装置４４は、大型の供試体３２に適した大型の装置とするとよい。

照射部移動機構６０は、必要に応じてＸ線源照射部２３，２４の位置を移動させることができる。すなわち、図示の状態とは逆に、Ｘ線源照射部２３がＸ線ビームＢ１を供試体３２に照射し、Ｘ線源照射部２４がＸ線ビームＢ２を供試体３１に照射するように、Ｘ線源照射部２３，２４の位置を移動させることができる。

上記構成によれば、小型のターンテーブル５１および大型のターンテーブル５２は、何れもＸ線ビームＢ１，Ｂ２の照射タイミングに同期して回転することができる。これにより、全方向からのＸ線透過データを収集することができ、供試体３１，３２の透視像のみならず断層画像を画像処理装置４２で再構成することが可能となる。すなわち、供試体３１，３２の大きさ等の属性に応じて、撮影制御装置１２に対して時間分解能、サンプリング間隔、空間分解能等を入力することで、撮影制御装置１２が最適な周期ＴＰ１，ＴＰ２と、Ｘ線検出装置４１，４４と、ターンテーブル５１，５２とを選択するとよい。

また、本実施形態においては、ターンテーブル５１，５２を停止させ、第１，第２実施形態と同様に、駆動タイミング信号Ｓ４，Ｓ１４に同期して照射タイミング信号Ｓ１を可変パルス変調部１１に供給することができる。または、これに代えて、供試体３１，３２から検出したタイミング信号Ｓ５，Ｓ１５に応じて照射タイミング信号Ｓ１を可変パルス変調部１１に出力することもできる。これにより、当該供試体３１，３２に対する最適な透視像、および断層像撮影装置を構成することが可能となる。

［実施形態の効果］
以上のように、上述した実施形態によれば、透視像撮影装置１，２，３は、供試体３１，３２を駆動する駆動タイミング信号Ｓ４，Ｓ１４または供試体３１，３２の動作の検出結果であるタイミング信号Ｓ５，Ｓ１５に同期して照射タイミング信号Ｓ１を出力するタイミング制御装置１３と、照射タイミング信号Ｓ１に同期して、供試体３１，３２を透過する波長を有するパルス状の電磁波ビーム（Ｂ１，Ｂ２）を供試体３１，３２に照射する電磁波発生部（２２，２６，２３，２４）と、供試体３１，３２を透過した電磁波ビーム（Ｂ１，Ｂ２）を受信する電磁波検出装置（４１，４４）と、を備える。

これにより、供試体３１，３２の内部構造を適切に評価できる。具体的には、機械部品等の供試体３１，３２に求められる空間分解能や時間分解能で、動作状態の内部状況を可視化することができる。さらに、高速撮影に適した電磁波検出装置（４１，４４）と、タイミング制御装置１３とを用いて、供試体３１，３２の動作と撮影タイミングとを相関させることができ、その内部構造を高時間分解能かつ高空間分解能で評価することができる。

また、透視像撮影装置２，３のように、電磁波発生部（２２，２６，２３，２４）は、周期ＴＰ１，ＴＰ２およびパルス幅ＴＱ１，ＴＱ２が各々異なる複数の電圧パルス（Ｓ１１，Ｓ１２）を発生する複数のパルス発生部（２２，２６）と、複数の電圧パルス（Ｓ１１，Ｓ１２）のうち何れかによって電磁波ビーム（Ｂ１，Ｂ２）を発生する電磁波ビーム照射部（２３，２４）と、を備えることが好ましい。これにより、供試体３１，３２に応じて、最適な電圧パルス（Ｓ１１，Ｓ１２）を選択することができる。

また、複数のパルス発生部（２２，２６）は、周期ＴＰ１，ＴＰ２が短くなるほどパルス幅ＴＱ１，ＴＱ２が短くなるように設定されていると一層好ましい。
これにより、電磁波発生部（２２，２６，２３，２４）の能力に応じたエネルギーの電磁波ビーム（Ｂ１，Ｂ２）を発生することができる。

また、透視像撮影装置３のように、装着された供試体３１，３２を回転駆動するターンテーブル５１，５２をさらに備え、タイミング制御装置１３は、ターンテーブル５１，５２の回転に同期して照射タイミング信号Ｓ１を発生する機能をさらに備えると一層好ましい。これにより、供試体３１，３２の透視像に加えて、断層画像も撮影することができる。

また、透視像撮影装置３において、ターンテーブル５１，５２は複数設けられ、複数のターンテーブル５１，５２のうち、供試体３１，３２が装着された側に電磁波ビーム照射部（２３，２４）を移動させる照射部移動機構６０をさらに備えると一層好ましい。これにより、供試体３１，３２に対して最適なターンテーブル５１，５２と、電磁波ビーム照射部（２３，２４）とを選択して適用することができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上述した実施形態の透視像撮影装置１，２，３において、Ｘ線源照射部２３，２４は、供試体３１，３２に対してＸ線、例えば波長が０．０１ｎｍ以上、１０ｎｍ未満の電磁波を照射するものであった。しかし、供試体３１，３２に対して、Ｘ線に代えて、波長が０．０１ｎｍ未満のγ線を照射してもよく、波長が１０ｎｍ以上、３８０ｎｍ未満の紫外線を照射してもよく、供試体３１，３２を透過する電磁波であれば、その他の波長域の電磁波を照射してもよい。

１，２，３ 透視像撮影装置
１３ タイミング制御装置
２２，２６ Ｘ線源パルス変調回路（パルス発生部、電磁波発生部）
２３，２４ Ｘ線源照射部（電磁波ビーム照射部、電磁波発生部）
３１，３２ 供試体
４１，４４ Ｘ線検出装置（電磁波検出装置）
５１，５２ ターンテーブル
６０ 照射部移動機構
Ｂ１，Ｂ２ Ｘ線ビーム（電磁波ビーム）
Ｓ１ 照射タイミング信号
Ｓ４，Ｓ１４ 駆動タイミング信号
Ｓ５，Ｓ１５ タイミング信号
Ｓ１１，Ｓ１２ 電圧パルス
ＴＰ１，ＴＰ２ 周期
ＴＱ１，ＴＱ２ パルス幅

Claims (5)

1. 供試体を駆動する駆動タイミング信号または前記供試体の動作の検出結果であるタイミング信号に同期して照射タイミング信号を出力するタイミング制御装置と、
   前記照射タイミング信号に同期して、前記供試体を透過する波長を有するパルス状の電磁波ビームを前記供試体に照射する電磁波発生部と、
   前記供試体を透過した前記電磁波ビームを受信する電磁波検出装置と、を備える
   ことを特徴とする透視像撮影装置。
2. 前記電磁波発生部は、周期およびパルス幅が各々異なる複数の電圧パルスを発生する複数のパルス発生部と、複数の前記電圧パルスのうち何れかによって前記電磁波ビームを発生する電磁波ビーム照射部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の透視像撮影装置。
3. 複数の前記パルス発生部は、前記周期が短くなるほど前記パルス幅が短くなるように設定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の透視像撮影装置。
4. 装着された前記供試体を回転駆動するターンテーブルをさらに備え、
   前記タイミング制御装置は、前記ターンテーブルの回転に同期して前記照射タイミング信号を発生する機能をさらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の透視像撮影装置。
5. 前記ターンテーブルは複数設けられ、
   複数の前記ターンテーブルのうち、前記供試体が装着された側に前記電磁波ビーム照射部を移動させる照射部移動機構をさらに備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の透視像撮影装置。

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