JP4474360B2 - X線発生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高電圧変圧器の出力電圧を数倍化可能な高電圧装置に関する。特に、直流電源をインバータにより高周波の交流に変換し、その出力電圧を高電圧変圧器で昇圧した後、整流して直流の高電圧を発生し、これを陽極接地型X線管に印加するインバータ式X線発生装置に関する。
一般に、被検体の診断部位にX線を照射するためにX線を発生させるX線発生装置が知られており、このX線発生装置はX線を放射するX線管と、このX線管に印加するための直流高電圧(以下、管電圧と称す)を発生する高電圧発生装置とを備えて構成されている。このX線発生装置としては、中性点接地型のものが主に用いられている。しかし、陽極の熱容量を稼いだり,CT装置に適用する場合において陽極の軸受け部等の対遠心力強度を確保しにくかった。そこで、日本国特開2002−164197号公報に開示されるように、X線発生装置の大容量化と高負荷率化に伴い、陽極接地型X線管も用いられるようになってきた。この陽極接地型X線管は、陽極の回転ロータの電位を接地できる構成となっているので、陽極の設計自由度が増し、放熱設計が容易となり、放熱効率を飛躍的に向上させることを可能にした。これによって大容量のX線管の実装が可能となった。
:特開2002−164197号公報
しかしながら、従来の陽極接地型X線管を用いたインバータ式高電圧発生装置では、耐電圧の確保のため筺体を大型化せざるを得ない。従来の中性点接地型における高電圧発生装置は、アース電位に対してそれぞれアノード側に最大+75kV、カソード側に最大−75kV、トータルで150kVの直流電圧をX線管に印加するように構成しているため、高電圧変圧器の巻線や高電圧整流器の各端子とアース電位との間では、最大±75kVの耐電圧設計をしておけば良かった。これに対して、陽極接地型X線管を用いた場合、X線管のアノード側を接地するためカソード側はアースに対して最大−150kVとなる。このため、75kVの2倍の耐電圧設計が求められ、陽極接地型X線管用の高電圧変圧器や高電圧整流器等を含む高電圧発生装置は非常に大型化する。
一方、別の文献である日本国特許第2814016号には、倍電圧回路としてコッククロフト・ウォルトン回路が開示される。同公報図3を用いて回路動作を説明する。
:特許第2814016号(1)二次コイルの上側がプラスとなる周期では、電流は、二次コイルの上からコンデンサ17を通過して、ダイオード19を流れる。この時、コンデンサ17の両端には交流電圧のピーク値の電圧−E(kV)が充電される。(2)次に、交流電圧の極性が反転し二次コイルの下側がプラスとなる周期では,二次電流が下からコンデンサ21に流れる。コンデンサ21は−E(kV)に充電され、電流は、ダイオード18とコンデンサ17を通過して二次コイルに戻る。このとき、先のコンデンサ17内に維持された電圧である−E(kV)によってダイオード18を通過した電流はせき止められる。結果として、2次コイルで発生した−E(kV)とコンデンサ17内の電圧−E(kV)との合計である−2E(kV)が、コンデンサ21の両端間に生じる。(3)さらに、交流の極性が反転し、二次コイルの上側が再度プラスとなる周期では、(1)と同じように電流が流れ、この際立ち下がり始めたコンデンサ17内の−E(kV)は維持される。(4)さらに、交流の極性が反転し、二次コイルの下側が再度プラスとなる周期では、アースと二次コイルの上側の間に、二次コイルで生じる−E(kV)と(3)でコンデンサ17に蓄えられた−E(kV)との合計の−2E(kV)が生じる。すでに(2)でコンデンサ21の両端には−2E(kV)が生じている。このようにX線管の陰極の電位は−2E(kV)に安定する。なお、(2)以降、X線管の両端にかかる電圧がある一定以上に達した後、X線管の放電は常に起こる。
ここで、コンデンサ21にかかる電圧は通常−150kV程度であり、コンデンサはかなり大型である必要がある。また、放電時におけるX線管両端の電圧降下曲線には、顕著なリップルが含まれる。
本発明の目的は、高電圧で動作する陽極接地型X線管を用いても、小型軽量で安価な構成が可能で、かつ放電時のリップルを減少できるインバータ式X線発生装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴によれば、高周波の交流を出力する高周波出力手段と、この高周波出力手段の出力側に接続されて上記高周波出力手段の出力を昇圧する高電圧変圧手段と、この高電圧変圧手段の高電圧出力を倍化する電圧倍化手段と、この電圧倍化手段にて発生した直流高電圧が印加される陽極接地型X線管と、を備えたX線発生装置において、前記電圧倍化手段には、高周波整流回路と、前記高周波整流回路のノード間電圧のピーク値を上記高周波出力手段が出力する高周波の周期より長く維持する電圧維持手段を含む。
本発明の第2の特徴によれば、前記第1の特徴に記載のX線発生装置において、前記高周波整流回路は少なくとも2つのダイオードフルブリッジを接続して構成された。
本発明の第3の特徴によれば、前記第1および2の特徴に記載のX線発生装置において、前記電圧維持手段は、少なくとも前記高周波整流回路内に接続された。
本発明の第4の特徴によれば、前記第1から3の特徴に記載のX線発生装置において、さらに平滑化手段を前記電圧倍化手段内に備えた。
本発明の第5の特徴によれば、前記第4の特徴に記載のX線発生装置において、前記高周波整流回路は、少なくとも2つのダイオードフルブリッジの入力端子同士を極毎に並列に接続して構成され、前記電圧維持手段は第1の電圧維持手段と第2の電圧維持手段からなり、前記第1の電圧維持手段は前記並列接続配線間にそれぞれ挿入され、前記平滑化手段は前記少なくとも2つのダイオードフルブリッジの2極の出力端子間に接続され、前記第2の電圧維持手段は前記高周波出力手段と前記高周波整流回路の間に接続された。
本発明の第6の特徴によれば、前記第5の特徴に記載のX線発生装置において、前記第2の電圧維持手段は、前記高電圧変圧手段の出力側と前記高周波整流回路の入力側の間の配線の少なくとも一方に挿入される。
本発明の第7の特徴によれば、前記第5の特徴に記載のX線発生装置において、前記第2の電圧維持手段は、前記高電圧変圧手段の入力側に1つ挿入される。
本発明の第8の特徴によれば、前記第1から7の特徴に記載のX線発生装置において、さらに管電圧検出手段を前記電圧倍化手段の出力側に接続した。
本発明の第9の特徴によれば、前記第1から8の特徴に記載のX線発生装置において、前記高周波出力手段は直流電源とインバータ回路からなる。
[図1]本発明の一実施の形態によるインバータ式X線発生装置を示す回路図である。
[図2a]図1に示したインバータ式X線発生装置における高電圧変圧器を示す部分断面正面図である。
[図2b]図2aの33cにおける断面図である。
[図3a]従来の中性点接地型X線管用インバータ式X線発生装置の構成図である。
[図3b]本発明に係る陽極点接地型X線管用インバータ式X線発生装置の概略構成図である。
[図4]ダイオードフルブリッジ回路を示す回路図である。
[図5]本発明にかかわる管電圧検出装置を含んだ電圧倍化手段の構成を示す回路図である。
[図6]本発明の他の実施の形態によるインバータ式X線発生装置を示す回路図である。
[図7]本発明のさらに他の実施の形態によるインバータ式X線発生装置を示す回路図である。
[図8]従来の中性点接地型インバータ式X線発生装置を示す回路図である。
以下、添付図面に従って本発明に係る機能画像の表示方法および装置の好ましい実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施の形態によるインバータ式X線発生装置を示す回路図である。直流電源1の直流電圧をインバータ2を用いて高周波の交流電圧に変換し、その出力電圧を高電圧変圧器3で昇圧した後、高電圧変圧器3の出力側に接続した電圧倍化手段4の出力側にアノード5aおよびカソード5bを接続し、電圧倍化手段4で整流した直流高電圧を陽極接地型X線管5に供給してX線を放射するように構成しており、高電圧変圧器3と電圧倍化手段4とによって高電圧発生装置12を構成している。ここでは、インバータを使用したものを用いて説明しているが、高周波の交流電源を発生する装置であれば他の手段でも差し支えないことは言うまでもない。
上述した直流電源1は直流電圧を供給する手段である。このような直流電源1として使用可能なものを例示すれば、バッテリー、50または60Hzの交流の商用電源の電力を整流すると共にコンデンサ等の平滑手段で平滑することによって直流電圧を得る手段、およびIGBT等を適用した昇圧機能を持つ高力率コンバータである。なお、上記商用電源の電力の整流は、例えばダイオードやサイリスタによる整流回路により可能である。
インバータ2では、直流電源1から出力された直流電圧を受電して高周波の交流電圧に変換すると共に、高電圧発生装置12から出力してX線管に印加される管電圧が目標値となるように制御する。例えば、図示しないインバータ制御回路により、管電圧が目標値となるように制御している。
また、高電圧変圧器3は、インバータ2からの交流電圧を昇圧するもので、その一次巻線がインバータ2の出力側に接続されている。図2により、上記一次巻線の構成の一例を説明する。十分な電流容量を確保すると共に、高周波で大電力を供給する必要上、第一の一次巻線31aおよび第二の一次巻線31kは、U−U型カットコア33の二脚34a,34kにそれぞれ巻回して二並列構成としている。U−U型カットコア33は、例えば、一方のU型カットコア33aと他方のU型カットコア33bをつき合わせてリング状のコア33としており、その突合せ部33cは、例えば、図2bのように断面四角状となっている。一方、二次巻線32a,32kは、各一次巻線31a,31kの周囲に巻回され、それぞれ管電圧のおよそ半分の電圧を発生するようにしている。
電圧倍化手段4は、高電圧変圧器3からの高周波の高電圧出力を受電して直流に変換する。高電圧変圧器3における二次巻線32a,32kの端子間に、それぞれインバータ2でパルス化された周期よりも長い期間電圧ピーク値を維持するコンデンサC1,C5などの電圧維持手段を接続する。これら電圧維持手段を介して、二次巻線32a,32kの端子を二つのダイオードフルブリッジ回路6,7の入力側端子に接続している。このダイオードフルブリッジ回路6の入力側端子には、ノードn2,n8の2極があり、ダイオードフルブリッジ回路7の入力側端子には、ノードn3,n9の2極がある。二つのダイオードフルブリッジ回路の一極側に二次巻線32a,32kの端子の一方を接続する。また、二つのダイオードフルブリッジ回路の他極側に二次巻線32a,32kの端子の他方を接続する。つまり、二次巻線32aと32kの一端は接続され、二次巻線32aの他端はコンデンサC1と接続されてから、ダイオードフルブリッジ回路6の入力側端子の一極側であるノードn2,n3に接続される。また、二次巻線32kの他端はコンデンサC5と接続されてから、ダイオードフルブリッジ回路6の入力側端子の他極側であるノードn8,n9に接続される。
さらに、入力側端子の一極側であるノードn2とノードn3の間には、インバータ2の周期よりも長い期間電圧ピーク値を維持するコンデンサC2などの電圧維持手段が接続される。同様に、入力側端子の他極側であるノードn8とノードn9の間にも、インバータ2の周期よりも長い期間電圧ピーク値を維持するコンデンサC2などの電圧維持手段が接続される。
また、各ダイオードフルブリッジ6と7は出力側で直列接続される。つまり、ダイオードフルブリッジ6と7のノードn5同士は接続され、ダイオードフルブリッジ回路6の出力側端子n4とダイオードフルブリッジ回路7の出力側端子n6とは陽極接地型X線管5のそれぞれアノード5aおよびカソード5bに接続される。
陽極接地型X線管5は、電圧倍化手段4からの直流出力電圧を入力してX線を放射するもので、熱電子を発生するカソード5kと、このカソード5kからの熱電子が衝突することによってX線を発生するアノード5aとを有してなり、このアノード5aは接地されている。
ここで、上記日本国特許第2814016号に記載され図9に示したコッククロフト・ウォルトン回路と本発明による電圧倍化装置の違いを説明する。コッククロフト・ウォルトン回路の場合、出力に並列接続されたコンデンサ21には1周期に一度しか充電されないため、X線管電圧の脈動率、つまり目的管電圧からの変動幅、が大きい。X線管電圧の脈動率を減少させるためには、より頻繁なタイミングである半周期に1回コンデンサを充電する方法が望ましい。また、日本国特開2002−164197号公報に記載され図8に示されたような中性点接地型X線管を用いたインバータ式高電圧発生装置では、装置内の回路で発生する最大電圧が±75kVであるために、使用するコンデンサのサイズが小さく、コストが低く、ひいては高電圧装置全体の絶縁設計の許容度が大きいという長所があった。そこで、上記X線管電圧の脈動率を減少させながら、上記最大電圧を低くするために、発明者は高電圧変圧器の出力の極性が切り替わる都度にコンデンサへの充電を行わせる回路を上述のとおり案出した。この回路構成を詳細に検討して改良すべく、発明者は下記のようなシミュレーションを行った。
シミュレーションに使用したソフトウエアは電気回路解析の行える一般的なもので、通称SPICEと呼ばれるソフトウエアである。シミュレーションを図1を参照して説明する。回路要素として、フルブリッジのインバータ2(20kHz,直流700V)、高電圧変圧器3(巻数比が100から200)、陽極接地型X線管5(100kVの500mAとして200kΩ程度)、およびダイオードフルブリッジ回路D1からD8とC3からC4(4つのダイオードをブリッジ接続して中央にはコンデンサを挿入したもの)を2から4段の範囲で複数並列接続した。さらに倍電圧を生じさせるための電圧値維持コンデンサC1,C2,C5およびC6を適宜追加した。以上のように条件設定して回路を構成し、シミュレーションを行った結果、下記の効果が確認された。
(1)管電圧の脈動率は段数の多少にはあまり影響されず2段あれば十分であること。
(2)管電圧のダイオードフルブリッジ回路の上記段数に比例して電圧も倍化可能であること。
(3)段数が多いほど管電圧の立ち上がり時間が増加してしまうこと。
(4)回路中、X線管に接続される出力部近傍以外は、中性点接地型X線管を用いたインバータ式発生装置と同様の低い電圧であるため容量やサイズを抑えた安価なコンデンサの使用が可能で、装置全体の絶縁設計も中性点接地のものが流用できること。
(5)2段とすると,中性点接地方式で使用しているフルブリッジダイオードモジュールが適用可能であること。
以上の結果から、陽極接地型X線管を用いたインバータ式X線発生装置の構成としては、2段のダイオードフルブリッジ回路を備えたものがもっとも望ましいことが判明した。
本発明に係るX線発生装置の耐電設計上の利点について、具体的な例を挙げてさらに詳述する。図3aに記載する従来の中性点接地型X線管用のインバータ式X線発生装置と同じ設計思想をもって陽極接地型X線管用のインバータ式X線発生装置を設計しようとすると、図3bに示すような構成になる。つまり、図3aの中性点接地では、高電圧変圧器3の二次巻線3a,3bにそれぞれ高電圧整流回路4a,4bの入力端子を接続し、出力端子間を直列接続した高電圧整流回路4a,4b間で接地すると共に、高電圧整流回路4a,4bの出力両端子間にX線管5を接続して中性点接地型X線発生装置を構成していたのに対して、同図3bに示す本発明の構成では二次巻線3a,3bの接続部における接地を止め、二次巻線3a,3bの端子間にX線管5を接続すると共にアノード5a側を接地して陽極接地型X線発生装置を構成してもよい。
中性点接地型高電圧発生装置では、図3aに示すようにX線管5に150kVを印加するとき高電圧変圧器3の二次巻線3a,3b間の電位差はそれぞれ±75kVである。しかしながら、従来の陽極接地型X線管用のX線発生装置では、高電圧変圧器3の二次巻線3a,3bの端子間には同図bに示すように最大−150kVの電位差が生じることになる。したがって、例えば、耐電圧の高いコンデンサ等の素子の使用の必要性や、高電圧発生装置12を収納する高電圧タンク等の内壁面との絶縁距離を大きくする等十分な絶縁距離の確保の必要性が生じ、その結果高電圧変圧器3自体の大型化は避けられなくなる。
本発明では、高電圧発生装置12内の電圧倍化手段4に対して、図1に示したようにインバータ2の周期よりも長い期間電圧ピーク値を維持するコンデンサC1,C2,C5,C6などの電圧維持手段と、平滑コンデンサC3,C4などの平滑手段とを付加した。このように構成されたダイオードフルブリッジ回路6,7は、二段の全波多倍昇圧回路となっている。例えば、陽極接地型X線管5に150kVを印加する場合、高電圧変圧器3の二次側端子間の最大電位差を75kVであるが、その昇圧機能によって電圧倍化手段4の出力としては2倍の150kVとすることが可能である。また、ここで電圧倍化手段4におけるノードn4を接地すれば、このノードn4は陽極接地型X線管5のアノード5a側と同電位となる。つまり、電圧倍化手段4で150Vの電圧を整流する際に、その整流の基準点をノードn4における中間電圧75kVに置く。こうして、電圧変圧器3の二次側端子は、共にアースに対して最大管電圧の半分の電圧である最大±75kVの範囲で動作することになる。このため、高電圧発生装置12において、アース電位に対する耐電圧設計を±75kVとすれば足りる。以上のようにして、本発明に係わる陽極接地型X線管用X線発生装置の耐電圧設計は、従来の中性点接地型のそれと同程度で済むことになる。
次に、本発明に係るX線発生装置の回路素子流用に関する利点について説明する。図8に示した従来の中性点接地型X線装置では、高電圧変圧器3の二次巻線3aをダイオードフルブリッジ回路モジュール4aの入力側交流端子6a,7a間に接続し、二次巻線3bをダイオードフルブリッジ回路モジュール4bの入力側交流端子6b,7b間に接続し、ダイオードフルブリッジ回路モジュール4aの出力側負端子9aにダイオードフルブリッジ回路モジュール4bの出力側正端子8bを接続して接地し、ダイオードフルブリッジ回路モジュール4aの出力側正端子8aとダイオードフルブリッジ回路モジュール4bの出力側負端子9b間にX線管5を接続している。この構成をもとにして、各々4個のダイオードから成る全波整流回路をモジュール化したダイオードフルブリッジ回路モジュール4a,4bの接続を変更して、上記図1に示した電圧倍化手段4を構成することもできる。
つまり、7aと6bを結び、6aにピーク電圧維持コンデンサを介在させる。さらに、6aをD5とD6の交点まで伸長させ、そこにも別のピーク電圧維持コンデンサを介在させる。さらに、7bにピーク電圧維持コンデンサを介在させ、7bをD3とD4の交点まで伸長させ、そこにも別のピーク電圧維持コンデンサを介在させる。さらに、9aと8b間のアースを外すことで、図1と同じ陽極接地型X線発生装置に変換することができる。この構成でX線管5に150kVを印加する場合、個々のダイオードD1〜D8の耐圧は75kVであるから、図5に示した従来の中性点接地型X線発生装置で用いていたものと同じダイオードフルブリッジ回路モジュール4a,4bを使用すると、個々のダイオードD1〜D8の耐電圧は75kVであり、耐電圧的にそのまま使用することができることになる。
なお、このダイオードフルブリッジ回路モジュール4a,4bには、図5のように管電圧を検出するために管電圧検出用抵抗11と共に用いる分圧器10a,10bを含んだ従来の中性点接地型X線発生装置の構成を用いても良い。
以上のように、図8に示されるような中性点接地方式で使用する回路素子の多くをそのまま本発明の素子として使用することが可能であり、新たな素子の手配などが不要となる。また、電圧倍化手段部4を構成するダイオードフルブリッジ回路モジュール4a,4bとしては、中性点接地型と陽極接地型との間で共用化可能となり、既存の製造設備や部品手配の多くを変更することなく、安価なX線発生装置を提供することが可能となる。
また、本発明に係る全波多倍昇圧回路を使用したインバータ回路は、コッククロフト・ウォルトン回路のような半波整流の昇圧回路と比べても、コンデンサの容量が小さく、かつ、管電圧のリップルを低減できる特徴を持っており、中性点接地型X線発生装置並みの小型化軽量化も可能である。
図6は、実施例2によるインバータ式X線発生装置を示す回路図である。実施例1との同等物には同一符号を付けて詳細な説明は省略する。本実施の形態によるインバータ式X線発生装置では、図1に示した高電圧変圧器3の二次巻線32kと電圧倍化手段4間に接続していたコンデンサC5を省略し、その他のコンデンサC1,C2,C6によってインバータ2の周期よりも長い期間電圧ピーク値を維持する電圧維持手段を構成している。これは、図1に示した実施の形態と電気回路的には等価であり、コンデンサの数をさらに減らすことで、装置全体のサイズとコストをさらに減らすことができる。このような構成は、X線発生装置の設置スペースに限定がある場合に特に効果を発揮する。
図7は、実施例3によるインバータ式X線発生装置を示す回路図である。実施例1との同等物には同一符号を付けて詳細な説明を省略する。本実施例によるインバータ式X線発生装置では、図1に示した高電圧変圧器3の二次巻線32a,32kと電圧倍化手段4間にそれぞれ接続していたコンデンサC1,C5を省略して直接接続し、代わりに高電圧変圧器3の一次側にコンデンサC1を接続して、インバータ2の周期よりも長い期間電圧ピーク値を維持する電圧維持手段を構成している。これは、図1に示した実施の形態と電気回路的には等価である。この実施例では、ピーク電圧値維持用のコンデンサを高電圧変圧器の一次側に設置可能として、X線発生装置の設計の自由度を向上させることができる。
実施例1から3では、陽極接地型X線管用のX線発生装置について説明してきたが、本発明にかかわる電圧倍化装置は他の技術分野にも応用可能である。例えば、高電圧が要求される電子顕微鏡に使用可能である。小型軽量で安価な装置にもかかわらず、電源の何倍もの電圧を電圧変動を少なく安定して発生可能である。

Claims (9)

  1. 高周波の交流を出力する高周波出力手段と、この高周波出力手段の出力側に接続されて上記高周波出力手段の出力を昇圧する高電圧変圧手段と、この高電圧変圧手段の高電圧出力を倍化する電圧倍化手段と、この電圧倍化手段にて発生した直流高電圧が印加される陽極接地型X線管と、を備えたX線発生装置において、前記電圧倍化手段には、高周波整流回路と前記高周波整流回路のノード間電圧のピーク値を上記高周波出力手段が出力する高周波の周期より長く維持する電圧維持手段が含まれることを特徴とするX線発生装置。
  2. 前記高周波整流回路は少なくとも2つのダイオードフルブリッジを接続して構成されたことを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。
  3. 前記電圧維持手段は、少なくとも前記高周波整流回路内に接続されることを特徴とする請求項1または2に記載のX線発生装置。
  4. さらに平滑化手段を前記電圧倍化手段内に備えた請求項1からのいずれかに記載のX線発生装置。
  5. 前記高周波整流回路は、少なくとも2つのダイオードフルブリッジの入力端子同士を極毎に並列に接続して構成され、前記電圧維持手段は第1の電圧維持手段と第2の電圧維持手段からなり、前記第1の電圧維持手段は前記並列接続配線間にそれぞれ挿入され、前記平滑化手段は前記少なくとも2つのダイオードフルブリッジの2極の出力端子間に接続され、前記第2の電圧維持手段は前記高周波出力手段と前記高周波整流回路の間に接続されたことを特徴とする請求項に記載のX線発生装置。
  6. 前記第2の電圧維持手段は、前記高電圧変圧手段の出力側と前記高周波整流回路の入力側の間の配線の少なくとも一方に挿入されることを特徴とする請求項に記載のX線発生装置。
  7. 前記第2の電圧維持手段は、前記高電圧変圧手段の入力側に1つ挿入されることを特徴とする請求項に記載のX線発生装置。
  8. さらに管電圧検出手段を前記電圧倍化手段の出力側に接続したことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のX線発生装置。
  9. 前記高周波出力手段は直流電源とインバータ回路からなることを特徴とする請求項1からのいずれかひとつに記載のX線発生装置。
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