JP5602590B2

JP5602590B2 - エンコーダ異常検出装置

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Publication number: JP5602590B2
Application number: JP2010246305A
Authority: JP
Inventors: 智之梶田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: JP2012095846A

Description

この発明は、癌治療を目的とした粒子線治療装置において使用されるマルチリーフコリメータのリーフ位置を検出するためのエンコーダが故障などにより異常を起こした場合に、その異常を検出するエンコーダ異常検出装置に関するものである。

粒子線治療は、治療患部に対して集中的に放射線量を照射できるため、Ｘ線治療装置等の治療に比べて、皮膚への副作用が少ない治療方法とされている。この治療において、治療計画により粒子線を照射する領域すなわち治療患部の形状に合わせた照射野が計画され、この計画された照射野に粒子線を照射し、照射野外への照射を遮る装置として、マルチリーフコリメータを使う方法を用いることがある。

マルチリーフコリメータは、多数のリーフを駆動するためのリーフ駆動装置と、このリーフ駆動装置を制御するためのリーフ制御装置とからなる。リーフ駆動装置は、粒子線の照射野を形成するリーフと、このリーフをギアを介して駆動するモータと、モータの回転軸の回転が伝達され所定のパルスを発生するエンコーダとで構成され、リーフの移動位置はリーフを駆動するモータに接続されたエンコーダのパルス数で検知することは知られている（特許文献１参照）。

また、エンコーダから出力されるパルス幅によってカウントされる高周波パルスの数を検知し、その値を規定値と比較して判定し、規定値以上のパルス数を検出した場合は装置の異常と判断して、装置の作動を停止したり、あるいは警告を表示するなどの処置を行なうようにした自己診断装置が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１０−５１４９号公報特開昭６０−２０４２８９号公報（図１参照）

マルチリーフコリメータのリーフは、一般に最初は加速して速度を上げ、一定速度に達すると均一速度を維持し、リーフ目標位置に近づくと減速して静止するよう、モータの速度が制御される。
特許文献１のように、エンコーダからのパルス幅を規定値と比較する方法においては、一定速度で動作し続けるモータでない場合はエンコーダからのパルス出力の異常を検出することができない。このため、エンコーダ動作異常の検出ができない場合が考えられる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、パルス幅比較の規定値を常にアップデートすることで、ダイナミックにエンコーダパルス異常を検出し、エンコーダ動作異常検出のリアルタイム性向上を行なったエンコーダ異常検出装置を得ることを目的とするものである。

この発明のエンコーダ異常検出装置は、マルチリーフコリメータのリーフ位置をモータに接続されたエンコーダのパルスで検出するようにしたものにおいて、モータに回転指令を与えると共にエンコーダからのパルス数を検出してリーフの位置を検出するリーフ位置制御回路、リーフ位置制御回路からの開始信号に基づいて、パルス幅の差を所定値に設定する割合値とこの割合値を外れた回数を所定値に設定するカウント値とからなる異常検出設定信号を出力するエンコーダパルス診断制御回路、エンコーダから出力されるパルスを入力して、今回入力したパルスの幅を前回入力したパルス幅と比較し、その差が異常検出設定信号で設定された割合値を外れ、且つ外れた回数がカウント値を超えた時にエンコーダパルスの異常として異常信号を出力するエンコーダパルス異常検出回路を備えたものである。

この発明は、パルス幅比較の規定値が常に前回入力したパルス幅としてアップデートされているから、モータの速度が変化した場合においてもダイナミックにエンコーダパルスの異常を検出することが可能となる。
したがってマルチリーフコリメータのリーフ位置を検出するエンコーダが正常動作でないなどの異常時を早期発見でき、粒子線治療を効率よく実施することが可能となる。

この発明の実施の形態１を示すマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置のブロック図である。この発明の実施の形態１におけるエンコーダパルスの説明図である。この発明の実施の形態１の動作を説明するためのフローチャートである。この発明の実施の形態２を示すマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置のブロック図である。この発明の実施の形態２における診断時のパルスの説明図である。この発明の実施の形態３を示すマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置のブロック図である。この発明の実施の形態４におけるエンコーダパルスの説明図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置を図１、図２、図３に基づいて説明する。
図１において、リーフ位置制御回路１０１は、モータ１１１に回転指令１０２を与えると共にエンコーダ１４１からの出力パルス（エンコーダパルス）１４２のパルス数を検出してリーフ（図示省略）の位置を検出する。またリーフ位置制御回路１０１はエンコーダパルス診断開始／停止信号１０３（開始信号１０３ａ、停止信号１０３ｂ）も出力する。

エンコーダパルス診断制御回路１２１は、リーフ位置制御回路１０１からのエンコーダパルス診断開始信号１０３ａに基づいて後述する異常検出設定信号１２２を出力する。エンコーダパルス異常検出回路１３１は、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２を入力して、今回入力したパルスの幅を前回入力したパルス幅と比較し、その差がエンコーダパルス診断制御回路１２１から入力された異常検出設定信号で設定された値を外れた時にエンコーダパルスの異常としてエンコーダ異常信号１３２を出力する。

図２は、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２について図化したものである。Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・Ｔｎが１パルスの幅、ｔ２ａ、ｔ３ａ、・・・ｔｎａがＨｉ状態のパルス幅、ｔ２ｂ、ｔ３ｂ、・・・ｔｎｂがＬｏｗ状態のパルス幅である。
エンコーダパルス１４２のパルス幅は、モータ１１１の速度が速くなれば短くなり、モータ１１の速度が遅くなれば長くなる。
また、エンコーダ１４１はモータ１１１の回転方向が異なっても同様なパルスを出力し、リーフが閉方向に移動しているときは正の数でパルス数がカウントされ、リーフが開方向に移動しているときは負の数でパルス数がカウントされるようになって、リーフの位置が検出できるようになっている。

ここで、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２は、エンコーダ１４１の故障、またはエンコーダ１４１とマルチリーフコリメータ位置制御システム間のケーブルの異常が生じると、エンコーダパルス１４２のパルス幅が極端に短くなったり、長くなったり、あるいはパルスが発生しなくなったりする。
この発明はこのようなエンコーダパルス１４２の異常を検出するものである。

エンコーダパルス診断制御回路１２１から出力される異常検出設定信号１２２は、パルス幅の差を所定値（上限値と下限値）に設定する割合値と、この割合値の範囲を外れた回数を所定値に設定するカウント規定値とからなる。
割合値については、一例として下記（１）式が適用される。

また、カウント規定値については、モータとリーフとの間のギア比などでカウント規定値は変わってくるが、一般にシステムとして許容できるリーフの位置誤差より少ない値とするのが望ましい。
なお、上記した割合値は、今回入力したエンコーダパルスのＨｉ状態のパルス幅ｔｎａおよびＬｏｗ状態のパルス幅ｔｎｂと、前回入力したエンコーダパルスの１パルス幅Ｔｎとを比較するようにしているが、Ｈｉ状態のパルス幅ｔｎａとＬｏｗ状態のパルス幅ｔｎｂのどちらか一方と１パルス幅Ｔｎとを比較してもよい。また、今回入力したエンコーダパルスのＨｉ状態のパルス幅ｔｎａと前回入力したエンコーダパルスのＨｉ状態のパルス幅ｔｎ_−１ａというようにＨｉ状態のパルス幅同士を比較してもよい。

次にエンコーダ異常検出装置の動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。
図３において、左がリーフ位置制御回路１０１による処理内容３００である。右がエンコーダパルス診断制御回路１２１とエンコーダパルス異常検出回路１３１による処理内容３１０である。
まず、リーフ位置制御回路１０１はモータ１１１を駆動するためモータ回転指令１０２を出力し、モータ１１１が制御開始する（ステップＳ３０１）。その際にリーフ位置制御回路１０１はエンコーダパルス診断制御回路１２１に対して、エンコーダパルス診断開始信号１０３ａを出力する。これに従い、エンコーダパルス診断制御回路１２１は、診断処理をスタートする（ステップＳ３１１）。具体的にはエンコーダパルス診断制御回路１２１は、エンコーダパルス異常検出回路１３１に対して異常検出設定信号１２２を与える。

リーフ位置制御回路１０１は、モータ１１１の回転に伴ってエンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２を入力して、そのパルス数をカウントする（ステップＳ３０２）。カウントされたエンコーダパルス数は治療計画により決められたリーフの移動位置に基づいて設定された規定数と比較する（ステップＳ３０３）。エンコーダパルス数が規定数に到達すれば（ステップＳ３０３ＹＥＳ）、リーフ位置制御回路１０１はモータ１１１に対して停止処理の制御指令を出力し、モータ１１１を停止する（ステップＳ３０４）。
同時に、リーフ位置制御回路１０１はエンコーダパルス診断制御回路１２１に対して診断終了信号１０３ｂを出力する。

一方、エンコーダパルス診断制御回路１２１から異常検出設定信号１２２を与えられた
エンコーダパルス異常検出回路１３１は、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２を入力して、エンコーダパルス幅Ｔｎ、ｔｎａ、ｔｎｂの取得を行なう（ステップＳ３１２）。
エンコーダパルス異常検出回路１３１は、まず異常検出設定信号１２２に含まれる「割合値」に基づいて、（１）式により、今回入力したエンコーダパルスのＨｉ状態のパルス幅ｔｎａおよびＬｏｗ状態のパルス幅ｔｎｂと、前回入力したエンコーダパルスの１パルス幅Ｔｎとを比較する（ステップＳ３１３）。

今回パルス幅と前回パルス幅の比較により、今回入力したパルス幅ｔｎａおよびパルス幅ｔｎｂが前回パルス幅Ｔｎに対して（１）式から外れた場合、異常パルスと判定し（ステップＳ３１３ＮＯ）、エンコーダパルス異常検出回路１３１は異常パルスとしてカウントアップする（ステップＳ３１４）。
エンコーダパルス異常検出回路１３１は、次に異常検出設定信号１２２に含まれる「カウント規定値」とカウントした異常パルス数とを比較し（ステップＳ３１５）、異常パルス数が「カウント規定値」を超えた場合（ステップＳ３１５ＹＥＳ）、エンコーダパルス診断制御回路１２１に対してエンコーダ異常信号１３２を出力する（ステップＳ３１６）。

エンコーダパルスの診断は、リーフ位置制御回路１０１からエンコーダパルス診断停止信号１０３ｂが入力されるまで継続実施する。即ち、図３のフローチャートのとおり、ステップＳ３１３において、エンコーダパルスについて前回パルス幅と今回パルス幅との比較をし続け、さらにステップＳ３１５において、異常パルス数と「カウント規定値」を比較し、異常検出した場合はエンコーダ異常信号１３２にて伝える。
このエンコーダ異常信号１３２は上位システムに提供することや、リーフ位置制御回路１０１に提供するなど、システムに応じたモータ制御処理を実施することができる。
なお、この実施形態では、前回パルスと比較するという処理の都合上、エンコーダパルス診断はモータ１１１が定速動作に到達後に開始することを基本とする。

実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２におけるマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置を図４、図５に基づいて説明する。
実施の形態２の発明は、実施の形態１におけるエンコーダパルス異常検出回路１３１が正常に動作するか確認するための診断回路を設けたものである。

図４において、エンコーダパルス診断制御回路１２１から出力される診断用パルス出力制御信号１２３に基づいて診断用パルス１５２を生成し出力する診断用パルス出力回路１５１を設け、さらにエンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２と、診断用パルス出力回路１５１から出力される診断用パルス１５２を重ね合わせて出力するか、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２のみを出力するかを選択するエンコーダパルス選択回路１６１を設けている。エンコーダパルス選択回路１６１によるパルス出力の選択は診断用パルス出力回路１５１から出力されるエンコーダパルス選択信号１５３によって決められる。
その他の構成は実施の形態１における図１と同じ構成につき、同じまたは相当部分には同じ符号を付して説明を省略する。

エンコーダ１４１からのエンコーダパルス出力を単純に切断し、エンコーダパルス異常検出回路１３１に診断用パルス１５２の模擬入力を加えることは通常難しい。エンコーダ１４１からの出力として、実際のモータ動作と全く異なる模擬の入力を行うとリーフ位置制御回路１０１が正常に動作できないからである。
実施の形態２では、実エンコーダパルス出力に若干の診断用パルス（ノイズパルス）の
重ね合わせを簡易に行うことができるように内部で切り替え処理を可能とする、診断用パルス出力回路１５１とエンコーダパルス選択回路１６１を具備している。

次に、実エンコーダパルス１４２に診断用パルス（ノイズパルス）１５２を重ね合わせる例を図５に基づいて説明する。
図５（ａ）はエンコーダパルスと診断用パルス（ノイズパルス）が加算（パルス重畳）されて重ね合わせられる例を、図５（ｂ）はエンコーダパルスと診断用パルス（ノイズパルス）が減算（パルス欠け）されて重ね合わせられる例をそれぞれ示す。

図５（ａ）においては、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２と、診断用パルス出力回路１５１から出力される診断用パルス（ノイズパルス）１５２が、エンコーダパルス選択回路１６１において加算されて重ね合わせられ、結果として両方のパルスがエンコーダパルス異常検出回路１３１に入力される。
そしてエンコーダパルス異常検出回路１３１は、エンコーダパルス異常を検出することにより、当該エンコーダパルス異常検出回路１３１が正常に動作することの確認を実施することができるようになる。

図５（ｂ）においては、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２と、診断用パルス出力回路１５１から出力される診断用パルス（ノイズパルス）１５２が、エンコーダパルス選択回路１６１において減算されて重ね合わせられ、結果としてエンコーダパルス１４２からノイズパルスに相当するパルスが欠けたものがエンコーダパルス異常検出回路１３１に入力される。
そしてエンコーダパルス異常検出回路１３１は、エンコーダパルス異常を検出することにより、当該エンコーダパルス異常検出回路１３１が正常に動作することの確認を実施することができるようになる。

実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３におけるマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置を図６に基づいて説明する。
実施の形態１および２では、モータ１１１が定速動作しているときの異常検出および診断を想定していたが、実施の形態３の発明はモータ１１１が可変速動作している場合においても異常検出および診断が行なえるようにしたものである。

図６において、リーフ位置制御回路１０１はエンコーダパルス診断制御回路１２１に対してモータ１１１の速度情報１０４を出力する。エンコーダパルス診断制御回路１２１はその速度情報１０４に基づいて異常検出設定信号１２２を変更して、エンコーダパルス異常検出回路１３１に出力する。
その他の構成は実施の形態１における図１および実施の形態２における図４と同じ構成につき、同じまたは相当部分には同じ符号を付して説明を省略する。

リーフを駆動するモータ１１１は、通常「加速→定速→減速」というように制御する。システムとして許容できるリーフの位置誤差から算出して、モータ制御は２０％を加速、６０％を定速、２０％を減速として割り当てる。
したがって加速中は、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２のパルス幅は短くなるので、その場合の異常検出設定信号１２２の「割合値」については、一例として下記（２）式が適用され、短くなる側（下限値）の正常判定区間を延ばすようにしている。

なお、減速中は上記と逆になる。

以上のように、実施の形態３の発明では、モータ１１１の速度情報１０４を追加することで、速度に合わせて異常検出設定信号１２２を変更することにより、速度変化に柔軟に対応したエンコーダパルス異常検出およびエンコーダパルス異常検出回路の診断が可能となる。

実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４におけるマルチリーフコリメータのエンコーダ異常検出装置を図７に基づいて説明する。
実施の形態１〜３では、エンコーダ１４１から出力されるエンコーダパルス１４２がＡ相、Ｂ相と分かれて入力される場合においても、それぞれ個別に異常検出する方式を提案している。
ここで、Ａ相パルスが異常の場合に、前回パルス幅との比較では単純に検出できない場合（Ａ相からのパルス幅の変化がほとんどない故障状態）も想定される。
実施の形態４の発明は、この場合に、Ｂ相の前回パルス幅とＡ相の今回パルス幅を比較することで、さらに細やかな異常検出が可能となるようにしたものである。

図７において、図７（ａ）はエンコーダ１４１から出力されるＡ相、Ｂ相の正常なエンコーダパルス１４２を示しており、Ａ相とＢ相は互いに位相がずれている。図７（ｂ）はエンコーダ１４１から出力されるＡ相、Ｂ相のエンコーダパルス１４２のうち、Ａ相のエンコーダパルスに異常が生じた場合において、実施の形態１の装置で異常検出している場合の状態を示している。図７（ｃ）はエンコーダ１４１から出力されるＡ相、Ｂ相のエンコーダパルス１４２のうち、Ａ相のエンコーダパルスに異常が生じた場合において、実施の形態４の装置で異常検出している場合の状態を示している。

図７に示すとおり、図７（ｂ）の実施の形態１の場合は、パルス欠けが２連続で起こった場合に、Ａ−３は異常パルスと検出されるが、Ａ−４は前回パルスＡ−３と比較した場合ほとんど差分が無いため正常とみなす設定となる可能性が高い。しかしながら図７（ｃ）の実施の形態４の場合は、実施の形態１と同様にＡ相の今回パルスＡ−３と前回パルスＡ−２の比較と併せて、さらにＡ相の今回パルスＡ−３とＢ相の前回パルスＢ−２とも比較するようにしている。
このように実施の形態４の考え方でＡ相、Ｂ相のパルスを相互比較する場合は、Ａ−３、Ａ−４ともに異常パルスと検出でき、細やかな故障検出が可能になる。

この発明は、粒子線治療装置において使用されるマルチリーフコリメータのリーフ位置制御におけるエンコーダの異常検出に適用できる。

１０１：リーフ位置制御回路
１０２：モータ回転指令
１０３：エンコーダパルス診断開始/停止信号
１０４：モータの速度情報
１１１：モータ
１２１：エンコーダパルス診断制御回路
１２２：異常検出設定信号
１２３：診断用パルス出力制御信号
１３１：エンコーダパルス異常検出回路
１３２：エンコーダ異常信号
１４１：エンコーダ
１４２：エンコーダパルス
１５１：診断用パルス出力回路
１５２：診断用パルス
１５３：エンコーダパルス選択信号
１６１：パルス選択回路
３００：リーフ位置制御回路の処理
３１０：エンコーダパルス診断制御回路およびエンコーダパルス異常検出回路の処理。

Claims

マルチリーフコリメータのリーフ位置をモータに接続されたエンコーダのパルスで検出するようにしたものにおいて、前記モータに回転指令を与えると共に前記エンコーダからのパルス数を検出してリーフの位置を検出するリーフ位置制御回路、前記リーフ位置制御回路からの開始信号に基づいて、パルス幅の差を所定値に設定する割合値とこの割合値を外れた回数を所定値に設定するカウント値とからなる異常検出設定信号を出力するエンコーダパルス診断制御回路、前記エンコーダから出力されるパルスを入力して、今回入力したパルスの幅を前回入力したパルス幅と比較し、その差が前記異常検出設定信号で設定された前記割合値を外れ、且つ外れた回数が前記カウント値を超えた時にエンコーダパルスの異常として異常信号を出力するエンコーダパルス異常検出回路を備えたエンコーダ異常検出装置。
前記エンコーダパルス異常検出回路は、今回入力したエンコーダパルスのＨｉ状態のパルス幅またはＬｏｗ状態のパルス幅と前回入力したエンコーダパルスの１パルス幅とを比較するようにした請求項１に記載のエンコーダ異常検出装置。
診断用パルスを出力する診断用パルス出力回路と、この診断用パルス出力回路から出力される診断用パルスと前記エンコーダから出力されるパルスを重畳して前記エンコーダパルス異常検出回路に入力する選択回路とを設け、前記エンコーダパルス異常検出回路の健全性確認を行なうようにした請求項１または請求項２に記載のエンコーダ異常検出装置。
前記モータの速度情報を前記エンコーダパルス診断制御回路に入力し、速度に応じて前記異常検出設定信号を変更するようにした請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエンコーダ異常検出装置。
マルチリーフコリメータのリーフ位置をモータに接続されたエンコーダのパルスで検出するようにしたものにおいて、前記モータに回転指令を与えると共に前記エンコーダから出力される位相のずれたＡ相、Ｂ相の２つのパルスの少なくとも一方のパルス数を検出してリーフの位置を検出するリーフ位置制御回路、前記リーフ位置制御回路からの開始信号に基づいて、パルス幅の差を所定値に設定する割合値とこの割合値を外れた回数を所定
値に設定するカウント値とからなる異常検出設定信号を出力するエンコーダパルス診断制御回路、前記エンコーダから出力されるパルスを入力して、Ａ相パルスのパルス幅とＢ相パルスのパルス幅を相互比較し、その差が前記異常検出設定信号で設定された前記割合値を外れ、且つ外れた回数が前記カウント値を超えた時にエンコーダパルスの異常として異常信号を出力するエンコーダパルス異常検出回路を備えたエンコーダ異常検出装置。