JP5666485B2 - 電力変換装置、ｘ線ｃｔ装置およびｘ線撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業用電力変換装置に関し、特に、医療用X線高電圧装置に適した、信頼性の高い電力変換装置に関するものである。

医療用または工業用のインバータ式X線高電圧装置は、一般に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コンバータ回路やチョッパ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してインバータ回路に入力する。このインバータ回路は、共振キャパシタと高電圧変圧器の漏れインダクタンスとの共振現象を利用してインバータ回路の位相差や周波数あるいはパルス幅等を制御する。その後高電圧発生装置で直流高電圧に昇圧し、負荷であるX線管に印加される。

特開2004-14165号公報

近年、装置の高出力化に伴い、インバータに要求される出力は、年々大きくなっている状態である。インバータの出力が直接印加される、高電圧発生装置内部に実装されている主変圧器一次巻線は、一個で構成されるのが普通であったが、大電流化を実現するためには、主変圧器の一次巻線を増やすことが考えられる。

しかしながら、主変圧器の一次巻線を増やし、例えば、一次巻線を二並列にした場合、インバータ出力ケーブルは、往復それぞれ二本ずつ、計四本のケーブルを必要とする。このように、ケーブル本数が増加した場合、誤配線を誘発する可能性がある。また、ケーブルがより細くて済むため、従来よりも断線し易くなるという問題も発生する。

これらの解決策としては、誤配線防止用に接続銘板を貼り付けること、断線防止用には保護チューブによる補強や十分に固定すること、といったことが考えられる。

しかし、上記のような解決策だけでは作業者が人である以上、接続銘板を見間違えて誤配線するという可能性は零ではないし、断線に気付かない可能性が残る。このため、誤配線または断線が生じた状態で装置を動作させた場合でも、装置が安全に停止し、回路が破損しないような機構を設けておく必要がある。

本発明の目的は、大電流化が可能な電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、以下のような電力変換装置が提供される。すなわち、直流出力を所定周波数の交流電圧に変換するインバータと、インバータの出力端子からの出力を受け取って所望の直流高電圧に昇圧する高電圧発生部とを有する電力変換装置である。高電圧発生部は、一次巻線と二次巻線とを含む変圧器を備え、一次巻線は複数であり、該複数の一次巻線は、それぞれの両端に接続された導線によりインバータの出力端子に並列に接続されている。

上記電力変換装置は、複数の一次巻線をそれぞれ流れる電流を検出する電流センサと、電流センサの出力から複数の一次巻線のいずれかに電流が流れていないか、他の一次巻線の電流値よりも小さくなっている場合、異常であると判定する制御部とを備える。

例えば、上記電流センサは、複数の一次巻線のいずれかの一次巻線に流れ込む電流と、別の一次巻線から流れ出た電流とを検出する構成とする。制御部は、電流センサが検出した二つの電流の大きさの差分を計算し、計算結果が予め定めた閾値を超えた場合、異常であると判定することができる。

また例えば、上記電流センサは、複数の一次巻線のいずれかの一次巻線に流れ込む電流と、別の一次巻線から流れ出た電流の大きさを差し引きした電流を検出する構成とする。
制御部は、電流センサが検出した電流が予め定めた閾値よりも大きい場合、異常であると判定することができる。この場合、電流センサは、いずれかの一次巻線に電流を供給する導線と、別の一次巻線から電流を帰還させる導線との双方が内側空間に配置されたコイルを有し、コイルを流れる電流を検出する交流電流センサを用いることが可能である。

制御部は、異常であると判定した場合には、複数の一次巻線のいずれか一つの一次巻線に電流が流れているかどうかに基づき、電流が流れていない一次巻線を特定することが可能である。

また、本発明では、上記電力変換装置を用いたX線CT装置を提供する。すなわち、被検体を挿入する開口を備えた円盤と、円盤の前記開口を挟んで対向する位置にそれぞれ搭載されたX線管およびX線検出器と、X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置と、被検体を搭載して円盤の開口に挿入する寝台と、円盤を回転させる回転駆動部とを有するX線CT装置であって、X線高電圧装置は、上述した電力変換装置を含む。

また、本発明では、上記電力変換装置を用いたX線撮影装置を提供する。すなわち、X線管と、被検体を透過したX線を検出するX線受像部と、X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置とを有するX線撮影装置であって、X線高電圧装置は、上記電力変換装置を含む。

本発明によれば、並列な複数の一次巻線にそれぞれ電流を供給できるため、大電流供給が可能になる。また、一次巻線へのインバータ出力ケーブルの誤配線または断線を常時検出することができ、装置の破損を未然に防ぐことができる。

第1の実施形態の電力変換装置の構成を示すブロック図。 図1の電力変換装置のインバータ3の一部と高電圧発生装置4の変圧器の回路構成を示すブロック図。 図2の制御部21の回路構成を示すブロック図。 図2の構成において、並列な二つの一次巻線に流れる電流A，Bが正常な状態を示す説明図。 (a)図2の構成において、並列な二つの一次巻線のうち一方に異常が発生し、電流Aが流れない状態を示す説明図、(b)図2の構成において、並列な二つの一次巻線のうち一方に異常が発生し、電流Bが流れない状態を示す説明図。 (a)および(b)は、図2の構成において、インバータの回路素子等に異常が発生し、並列な二つの一次巻線のうち一方の電流が他方の電流よりも小さくなった状態を示す説明図、(c)〜(f)は、電流Bの位相を示す説明図、(g)〜(j)は、(a)〜(f)に基づき電流Aまたは電流Bのどちらに劣化が生じているか判定する説明図。 図3の構成において、CPU30の異常ライン検出部32の判断動作を示す説明図。 第2の実施形態の電力変換装置のインバータ3の一部と高電圧発生装置4の変圧器の回路構成を示すブロック図。 図8の制御部22の回路構成を示すブロック図。 第3の実施形態の電力変換装置のインバータ3の一部と高電圧発生装置4の変圧器の回路構成を示すブロック図。 図10の制御部23の回路構成を示すブロック図。 図11のCPU30の異常ライン検出部32の判断動作を示す説明図。 第4の実施形態の電力変換装置のインバータ3の一部と高電圧発生装置4の変圧器の回路構成を示すブロック図。 図13の制御部24の回路構成を示すブロック図。 第5の実施形態のX線高電圧装置の回路構成を示すブロック図。 第6の実施形態のX線CT装置の回路構成を示すブロック図。 第7の実施形態のX線撮影装置の回路構成を示すブロック図。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態として、主変圧器一次巻線を二並列で備えた大電流対応の電力変換装置について説明する。本実施形態の電力変換装置は、商用電圧を高電圧に変換し、X線管に供給する装置である。

図1には、電力変換装置の構造を示す。電力変換装置は、図1に示すように、商用電源1の電圧を昇圧または降圧して整流する回路2(例えばコンバータやチョッパ)と、前記回路の直流出力を所定の周波数の交流電圧に変換するインバータ3と，インバータ3の高周波交流電圧出力を所望の直流高電圧に昇圧する高電圧発生装置4とを備えている。高電圧発生装置4には、X線管5が接続されている。高電圧発生装置4からの高電圧をX線管5に印加することによりX線が出射される。

次に、上記構成要素の機能についてそれぞれ説明する。商用電源1の電圧を昇圧または降圧して整流する回路2は、ここでは昇圧型コンバータとして説明する。昇圧型コンバータは、パワーモジュールであるIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いた昇圧機能を持つ高力率コンバータである。この昇圧型コンバータは、PWM動作によって50Hzまたは60Hzの商用三相交流電源電圧を整流すると共に相電圧波形と相電流波形を一致させることによって力率をほぼ1とし、電源高調波を低減しつつ、キャパシタ等の平滑素子で平滑した後直流電圧をインバータに与える手段である。この昇圧型コンバータは、パワーデバイスであるIGBTの動作を停止すれば全波整流回路として動作し、その時の直流出力電圧は交流入力電圧の√2倍の値になる。

インバータ3は、昇圧型コンバータ2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、X線管5に印加する電圧(管電圧)を制御するものである。

高電圧発生装置4は、前記インバータ3からの交流電圧を受電して直流の高電圧に変換するものであり、その内部に実装されている主変圧器の一次巻線がインバータ3の出力側に接続されている。本実施形態では、大電流化を可能にするために主変圧器の一次巻線は二つであり、インバータに並列に接続されている。

X線管5は、高電圧発生装置4からの出力電圧を受け取り、X線を発生するものである。

図2は、インバータ3と高電圧発生装置4の回路構成の一部を具体的に示した図である。
インバータ3は、トランジスタ(例えばIGBT)にダイオードを逆並列に接続した構成の4つのスイッチS1〜S4を図2のようにブリッジ接続したインバータ回路と、各スイッチS1〜S4のトランジスタにON,OFF制御信号を入力するインバータ駆動回路(不図示)とを備えている。インバータ3の構造は、特許文献1等により広く知られた構造である。

高電圧発生装置4は、二つの一次巻線4a,4bと、鉄心4dと、二次巻線4eとを備えた変圧器40を備えている。一次巻線4a,4bは、並列にインバータ回路に接続されている。

インバータ3は、出力端子3a,3bに、出力線が並列に接続されている。これ以外は、公知のインバータと同様であり、まずスイッチS1,S4がONされる。これにより、スイッチS1、往ケーブル10a,11aを経由し、高電圧発生装置4の主変圧器40の一次巻線4a,4bに電流が流れる。そして、復ケーブル10b,11b、スイッチS4を経由し、商用電源1の方に電流が流れていく。

次にスイッチS2,S3がONされ、スイッチS2、往ケーブル10a,11aを経由し、高電圧発生装置の主変圧器一次巻線4a,4bに電流が流れる。そして、復ケーブル10b,11b、直流電流センサ6、スイッチS3を経由し、商用電源1の方に電流が流れていく。この動作を高周波で繰り返し行い、必要な出力を得る仕組みになっている。

図2のように、高電圧発生装置4の主変圧器40の一次巻線4a,4bが二並列構成とすることにより、1本のケーブルおよび一次巻線に流すことのできる最大電流の二倍の電流を変圧器40に供給することができるため、出力の大電流化を図ることができる。

しかし、二並列としたことにより、往復ケーブルが二本ずつになるため、例えば、インバータ出力ケーブル11aが誤配線または断線していて、主変圧器の一次巻線4bに電流が流れない場合、その分の電流が主変圧器一次巻線4aに流れ、主変圧器一次巻線の許容以上の電流が流れて破損する可能性がある。

これを防止するために、本実施形態では、往ケーブル10aと復ケーブル11bに電流センサ7,6をそれぞれ配置し、流れる電流量を検出する。このとき、電流センサ7は、往ケーブル10aから復ケーブル10bに向かって流れる電流Aを正の振幅として検出するように取り付けられている。一方、電流センサ6は、往ケーブル11aから復ケーブル11bに向かって流れる電流Bを負の振幅として、すなわち電流センサ7とは逆位相で、検出するように取り付けの向きが設定されている。電流センサ7,6には、制御部21が接続されている。

制御部21は、図3に示すように、電流センサ7および電流センサ6の出力を加算するための加算器13と、加算器13の出力を予め定めた正および負の閾値とそれぞれ比較する比較器14,15とCPU30とを備えている。CPU30は、エラー検出部31と、異常ライン検出部32と、AD変換部33とを含む。なお、エラー検出部31と異常ライン検出部32は、CPU30内のメモリに予め格納されたプログラムをCPU30が実行することによりエラー検出と異常ライン検出動作とを行うことにより実現される。

制御部21の動作について、図4〜図7を用いて説明する。電流センサ7は高電圧発生装置4内の主変圧器一次巻線4aに流れ込む電流Aを検出する。電流センサ6は、一次巻線4bから流れ出る電流Bを逆位相で検出する。よって、制御部21の加算器13は、電流センサ6,7の検出結果を加算することにより「電流A−電流B」を求める。

一次巻線4a,4bは、往ケーブル10a,11aと復ケーブル10b,11bにより並列に接続されているため、流れる電流は同相で同じ大きさであるので、加算器13の出力する「電流A−電流B」は図4に示す通り常時零になる。この状態を正常状態と定義すると、例えば、図2のケーブル10aまたは10bが誤配線または断線していた場合、電流Aは流れず、電流Bのみ流れることになり、「電流A−電流B」は、図5(b)のように電流センサ6の出力する「−電流B」と等しい波形となる。なお、「−電流B」は、電流センサ6が電流Bを逆位相で検出した検出電流を示している。また反対に、ケーブル11aまたは11bが誤配線または断線していた場合、電流Bは流れず、電流Aのみ流れることになり、「電流A−電流B」は、図5(a)に示すように電流Aと等しい波形となる。よって、加算器13の出力を、比較器14,15により予め定めた負および正の閾値とそれぞれ比較し、加算値が負の閾値より小さい場合、もしくは、正の閾値よりも大きい場合には、CPU30のエラー検出部31がエラーと判定することにより、誤配線または断線を検出することができる。なお、以下の説明において、加算値が負の閾値より小さい場合と正の閾値よりも大きい場合をまとめて、閾値を超えた場合とも称する。

一方、インバータ3のトランジスタ等の電気部品や、高電圧発生装置4内の主変圧器一次巻線4aまたは4bの劣化または初期不良により、上記電流Aおよび電流Bの一方が所定の電流値を満たさず、他方にその分多く電流が流れてしまった場合、電流センサ7，6が検出する電流波形は図6(a)または(b)のように、振幅が小さくなる。この場合も、比較器14,15の閾値を図6(a)、(b)の振幅よりも小さく設定しておくことにより、比較器14,15の出力からエラー検出部31がエラーを検出することができる。

エラー検出部31がエラー発生を判定したならば、異常ライン検出部32は、図7のフローにしたがって、異常のあるラインを判別する。すなわち、エラー検出部31がエラー発生を判定した場合(ステップ71)、異常ライン検出部32は、AD変換部33から電流センサ6の検出した電流Bをデジタル信号に変換して取り込む。異常ライン検出部32は、直流電流センサ6の検出した電流Bが流れていない(ゼロである)か、もしくは流れているかを判定する(ステップ72)。

電流Bが流れていない場合には、電流Bの経路、すなわち、ケーブル11aまたは11bの誤配線または断線、もしくは、一次巻線4bが断線していると判定する(ステップ722)。

一方、ステップ72で電流Bが流れている場合には、ステップ74に進み、加算器13の出力する「電流A−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と同位相か異位相かを判定する。「電流A−電流B」の波形の位相は、比較器14および比較器15のどちらが先に閾値超え信号を出力したかにより判定する。

具体的には、加算器13の出力する「電流A−電流B」の波形が図6(a)のように出力が正から負へ変化する位相の場合には、＋閾値と比較する比較器15が−閾値と比較する比較器14よりも先に閾値超え信号を出力する。一方、「電流A−電流B」の波形が図6(b)のように出力が負から正へ変化する位相の場合には、−閾値と比較する比較器14が＋閾値と比較する比較器15よりも先に閾値超え信号を出力する。よって、エラー検出部31にいずれの比較器14,15から先に閾値超え信号が入力されたかにより、異常ライン検出部32は、加算器13の出力する「電流A−電流B」の波形の位相が図6(a)の位相か、図6(b)の位相かを判定できる。

異常ライン検出部32は、加算器13の出力する「電流A−電流B」の波形の位相と、AD変換器33から取り込んだ「−電流B」の位相とを比較する(ステップ74)。「電流A−電流B」の波形の位相が図6(a)であって、「−電流B」の位相が図6(c)であり、図6(a)の波形と同位相である場合には、図6(g)のように電流Bの大きさ(振幅)が電流Aよりも大きいと判定できるので、電流Aの経路の劣化または断線があったと判定できる。すなわち、電流Aの流れるケーブル10aまたは10bの誤配線または断線または劣化、もしくは、一次巻線4aが断線または劣化、さらには、電流Aを供給するインバータ3のトランジスタ等の電気部品の劣化と判定する(ステップ75)。以下、一次巻線やケーブルの劣化の他、トランジスタ等の電気部品の劣化も含め、「電流の経路の劣化」と称する。

また、ステップ74において、「電流A−電流B」の波形の位相が図6(a)であって、「−電流B」の位相が図6(d)であり、図6(a)の波形と異位相である場合には、図6(h)のように電流Aの大きさ(振幅)が電流Bよりも大きいと判定できるので、電流Bの経路の劣化と判定できる。このとき、ステップ72で電流Bが流れていると判定されているので、電流Bの経路は断線していない。よって、電流Bの流れるケーブル11aまたは11bの劣化、もしくは、一次巻線4bの劣化、さらには、電流Bを供給するインバータ3のトランジスタ等の電気部品の劣化と判定する(ステップ76)。

同様にステップ74において、「電流A−電流B」の波形の位相が図6(b)であって、「−電流B」の位相が図6(e)であり、図6(b)の波形と異位相である場合には、図6(ｉ)のように電流Aの大きさ(振幅)が電流Bよりも大きいと判定できるので、電流Bの経路の劣化と判定する。

またステップ74において、「電流A−電流B」の波形の位相が図6(b)であって、「−電流B」の位相が図6(f)であり、図6(b)の波形と同位相である場合には、図6(j)のように電流Bの大きさ(振幅)が電流Aよりも大きいと判定できるので、電流Aの経路の断線または劣化と判定する。

上述のように、制御部21の異常ライン検出部が、電流経路の誤配線や断線や劣化という異常を判定した場合には、制御部21はインバータ3のインバータ制御部200等に信号を出力し、少なくともインバータ3の動作を停止させ、装置を安全に停止させることができる。

このように、本実施形態では、変圧器の一次巻線を二つ並列に配置し、大電流の供給が可能であるだけでなく、ケーブル誤配線または断線や劣化が生じたこと、および、異常が生じたケーブル(系統)を特定して判定できる。さらに、長時間使用による装置劣化または初期不良によるインバータ電流異常も、常時検出することができる。よって、大電流の供給と、安全性とを両立した電力変換装置を提供することができる。

なお、本実施形態では、電流センサ7,6の出力を加算器13で加算した値により、エラー判定を行う構成であるため、二つの電流センサ7,6は、電流値を精度よく検出する必要があるため、同じ構造のものを用いることが望ましい。

また、二つの電流センサ7,6が直流成分検出回路を備えている場合には、流れる電流が正負非対称であることを検出することができる。インバータ3の出力が正負非対称の電流(電圧)である場合、軽負荷条件における主変圧器40の鉄心4dの偏磁が生じ、磁気飽和を生じることがある。よって、電流センサ7,6の直流成分検出回路が、正負非対称電流を検出した場合には、インバータ3にインバータ駆動回路から供給されるスイッチング信号を補正することにより、正負非対称電流を解消でき、磁気飽和を防止できる。なお、この磁気飽和を防止する構成は、特許文献1に記載されているため、ここでは詳しい説明は省略する。

なお、本実施形態では、二つの並列の一次巻線のケーブルにそれぞれ電流センサ7,6を配置しているが、それは以下のような理由による。例えばインバータ出力ケーブル11aが誤配線または断線していて、主変圧器の一次巻線4aに電流が流れない場合、その分の電流が主変圧器一次巻線4bに流れ、主変圧器一次巻線の許容以上の電流が流れるため、いずれか一方の電流センサ、例えば電流センサ6のみでも、これを検出することは可能である。
すなわち、電流センサ6の検出電流が所定値よりも大きく閾値を超えたことを検出することにより一つの電流センサ6で検出できる。しかし、低出力時すなわち電流をあまり必要としない出力条件の場合、片方に二倍の電流が流れても、閾値に達しないことがあり、この場合には、異常を検出することができない。本実施形態では、この問題を解決するために二つの電流センサ7,6を配置し、加算した電流値を用いて判定を行うことにより、低出力時であっても、異常の検出をすることができる。

以上のように、本実施形態は、インバータ出力ケーブルの誤配線または断線、さらには電気部品等の劣化、初期不良によるインバータ電流異常を常時検出して、装置を停止させ、異常個所を表示等することが可能であり、装置の破損を未然に回避し、復旧させることができる。

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、第1の実施形態の二つの電流センサのうちの一方を交流電流センサ17とし、これを図8のように配置することにより、簡単な回路構成の制御部22によりエラー判定および異常ラインの検出を行う。

交流電流センサ17は、高電圧発生装置4内の主変圧器一次巻線4bに流れ込む電流Bと、一次巻線4aから出て行く電流Aを減算した「電流A−電流B」を検出するように、ケーブル11aとケーブル10bの2本が交流電流センサ17のコイルの内側に位置するように配置されている。コイルを流れる電流を検出することにより、「電流A−電流B」を検出する。電流センサ6は、第1の実施形態と同様にケーブル11bの電流Bを逆位相で検出するように配置されている。

交流電流センサ17および電流センサ6は、制御部22に接続されている。交流電流センサ17は、電流AとBとを減算した「電流A−電流B」を検出するため、制御部22は、第1の実施形態の制御部21の加算器13を備えていない。また、AD変換器33には、電流センサ6の出力電流が入力される。制御部22による誤配線、断線、劣化等の異常検出および異常個所の判定方法は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。

第2の実施形態では、交流電流センサ17を用いたことにより、電流AとBとを減算した「電流A−電流B」を検出できる。このため、第1の実施形態のように電流センサ7,6によりそれぞれ検出した電流値を加算器で加算する場合のように、二つの電流センサ7,6の出力値が精度よく一致するように電流センサ7,6として高精度ものを用いる必要がない。このため、交流電流センサ17として小型で安価なセンサを用いることができる。

なお、上記実施例においては、上記交流電流センサ17を取り付けるケーブルを10b、11aとして説明したが、ケーブル10a、11bとすることももちろん可能である。

(第3の実施形態)
上述の第1の実施形態の電力変換装置は、主変圧器40の二つの一次巻線4a,4bが並列にインバータ3に接続されている構造であったが、第3の実施形態では、三つの一次巻線4a,4b,4cを並列にインバータ3の出力端子3a,3bに接続した構成とする。

図10にインバータ3のインバータ回路と高電圧発生装置4の主変圧器40の構造を示したように、第三の一次巻線4cは、往ケーブル12aおよび復ケーブル12bによりインバータ3に接続されている。第1の実施形態と同様に、一次巻線4aの往ケーブル10aおよび一次巻線4bの復ケーブル11bには、それぞれ電流センサ7および6が取り付けられている。一次巻線4cの往ケーブル12aには、電流センサ8が取り付けられている。このとき、電流センサ7は、第1の実施形態と同様に、往ケーブル10aから復ケーブル10bに向かって流れる電流Aを正の振幅として検出するように取り付けられている。電流センサ8も同様に、往ケーブル12aから復ケーブル12bに向かって流れる電流Cを正の振幅として検出するように取り付けられている。電流センサ6は、往ケーブル11aから復ケーブル11bに向かって流れる電流Bを負の振幅として、すなわち電流センサ7および8とは逆位相で、検出するように取り付けの向きが設定されている。制御部23は、ケーブルの断線等のエラー検出および断線したケーブルの特定等を行う。

図11に制御部23の構造を示す。制御部23は、第1の実施形態の制御部21と同様の加算器13、比較器14,15に、さらに加算器113、比較器114,115を備えている。また、制御部23のCPU30は、エラー検出部31、異常ライン検出部32、AD変換器33に加えて、さらにエラー検出部131が備えられている。他の構成は、第1の実施形態と同様である。

制御部23の動作について説明する。加算器13および比較器14,15の動作は、第1の実施形態の制御部21と同様であり、電流センサ7と電流センサ6の出力を加算し、加算結果を予め定めた負および正の閾値と比較し、負の閾値よりも小さいか正の閾値よりも大きい場合には、エラー検出部31が、一次巻線4aまたは一次巻線4bのケーブルに断線等が生じ、電流が流れていないと判定する。

一方、電流センサ8は、一次巻線4cへの往ケーブル12aの電流Cを測定している。加算器113および比較器14,15は、電流センサ6と電流センサ8の出力を加算し「電流C−電流B」を求め、加算結果を予め定めた負および正の閾値と比較し、負の閾値よりも小さいか正の閾値よりも大きい場合には、エラー検出部131が、一次巻線4bまたは一次巻線4cのケーブルに断線等が生じ、電流が流れていないと判定する。

なお、比較器14および114に設定する負の閾値は同じ値であり、比較器15および115に設定する正の閾値は同じ値である。

異常ライン検出部32は、図12にフローを示したように判定を行い、どのケーブルに異常が生じているかを判別する。まず、異常ライン検出部は、エラー検出部31および131の出力を取り込むことにより、加算器13,113の出力が閾値を超えてエラーを判定しているのが、エラー検出部31のみか、エラー検出部131のみか、または、両方かを判定する(ステップ121,122,123)。

エラー検出部31のみがエラーを検出している場合(ステップ121)について説明する。
異常ライン検出部32は、AD変換器33から電流センサ6の出力する「−電流B」をデジタル信号に変換したものを取り込み、電流センサ6に電流が流れているかどうかを判別する(ステップ124)。電流センサ6に電流が流れていない場合には、エラー検出部31のエラーは、一次巻線4bのケーブル11a,11bの誤接続または断線を検出したものであり、一次巻線4aのケーブル10a,10bには異常がないと判定できる。また、一次巻線4bのケーブル11a,11bに電流が流れていないにも関わらず、エラー検出部131がエラーを検出していないことから、一次巻線4cのケーブル12a,12bにも電流が流れていないと判定できる。以上のことから、異常ライン検出部32は、誤接続または断線が生じているのは、電流Bの経路(一次巻線4bまたはケーブル11a,11b)および電流Cの経路(一次巻線4cまたはケーブル12a,12b)の両者であると判定する(ステップ125)。

一方、ステップ124で電流Bが流れている場合には、ステップ126に進み、第1の実施形態の図7のステップ74と同様に、加算器13の出力する「電流A−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と同位相か異位相かを判定する。そして、第1の実施形態のステップ75,76と同様に、加算器13で加算した「電流A−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と同位相である場合には、電流Aの経路の劣化または断線であると判定する。すなわち、電流Aの流れるケーブル10aまたは10bの誤配線または断線または劣化、もしくは、一次巻線4aが断線または劣化、さらには、電流Aを供給するインバータ3のトランジスタ等の電気部品の劣化と判定する(ステップ127)。

一方、ステップ126において、電流A，Bの加算後の「電流A−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と異位相である場合には、第1の実施形態のステップ76と同様に、電流Bの経路の劣化と判定する。すなわち、電流Bの流れるケーブル11aまたは11bの劣化、もしくは、一次巻線4bの劣化、さらには、電流Bを供給するインバータ3のトランジスタ等の電気部品の劣化と判定する(ステップ128)。

次に、エラー検出部131のみがエラーを検出している場合(ステップ122)について説明する。この場合も、異常ライン検出部32は、電流センサ6の出力を取り込み、電流センサ6に電流Bが流れているかどうかを判別する(ステップ129)。電流センサ6に電流が流れていない場合は、上記ステップ125と同様に、異常ライン検出部32は、誤接続または断線が生じているのは、電流Bの経路(一次巻線4bまたはケーブル11a,11b)および電流Aの経路(一次巻線4aまたはケーブル10a,10b)の両者であると判定する(ステップ130)。

一方、ステップ124で電流Bが流れている場合には、ステップ132に進み、加算器13で加算した「電流C−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と同位相か異位相かを判定する。そして、ステップ127と同様に、加算器131で加算した「電流C−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と同位相である場合には、電流Cの経路の劣化または断線であると判定する。すなわち、電流Cの流れるケーブル12aまたは12bの誤配線または断線または劣化、もしくは、一次巻線4cが断線または劣化、さらには、電流Cを供給するインバータ3のトランジスタ等の電気部品の劣化と判定する(ステップ133)。

一方、ステップ132において、「電流C−電流B」の波形が、電流センサ6の検出した「−電流B」と異位相である場合には、ステップ128と同様に、電流Bの経路の劣化と判定する。すなわち、電流Bの流れるケーブル11aまたは11bの劣化、もしくは、一次巻線4bの劣化、さらには、電流Bを供給するインバータ3のトランジスタ等の電気部品の劣化と判定する(ステップ134)。

次に、エラー検出部31および131の両方がエラーを検出している場合(ステップ123)について説明する。異常ライン検出部32は、電流センサ6の出力を取り込み、電流センサ6に電流が流れているかどうかを判別する(ステップ135)。電流センサ6に電流が流れていない場合には、エラー検出部31のエラーは、一次巻線4bのケーブル11a,11bの誤接続または断線を検出したものであり、一次巻線4aのケーブル10a,10bには異常がないと判定できる。また、エラー検出部131もエラーを検出していることから、一次巻線4cのケーブル12a,12bには異常がないと判定できる。以上のことから、異常ライン検出部32は、誤接続または断線が生じているのは、電流Bの経路(一次巻線4bまたはケーブル11a,11b)であると判定する(ステップ136)。

一方、ステップ135で電流Bが流れている場合には、ステップ137,138に進み、加算器13で加算した「電流A−電流B」の波形と、加算器113で加算した「電流C−電流B」の波形と、電流センサ6の検出した「−電流B」の波形の3者を比較し、同位相か異位相かを判定する(ステップ137)。加算器13で加算した「電流A−電流B」の波形の位相は、第1の実施形態で説明したように＋閾値と比較する比較器15と−閾値と比較する比較器14のどちらが先に閾値超え信号を出力したかにより判断する。同様に、加算器113で加算した「電流C−電流B」の波形の位相は、＋閾値と比較する比較器115と−閾値と比較する比較器114のどちらが先に閾値超え信号を出力したかにより判断する。

「電流A−電流B」の波形と「電流C−電流B」の波形が同位相で、かつ、「−電流B」とも同位相である場合、電流Bの大きさ(振幅)が電流A、Cよりも大きいと判定できるので、電流Aの経路および電流Cの経路に劣化または断線が生じたと判定する(ステップ139)。

また、「電流A−電流B」の波形と「電流C−電流B」の波形が同位相であるが、「−電流B」の位相とは異位相である場合、電流Bの大きさ(振幅)が電流A、Cよりも小さいと判定できるので、電流Bの経路に劣化または断線が生じたと判定する(ステップ140)。

また、「電流A−電流B」の波形と「電流C−電流B」の波形が異位相で、かつ、「電流A−電流B」波形と「−電流B」とが同位相である場合、電流Bの大きさ(振幅)が電流Aよりも大きく、かつ、電流Cの大きさは電流Bよりも大きいと判定できるので、電流Aの経路に劣化または断線が生じ、電流Bの経路に劣化が生じたと判定する(ステップ141)。

また、「電流A−電流B」の波形と「電流C−電流B」の波形が異位相で、かつ、「電流A−電流B」波形と「−電流B」の波形が異位相である場合、電流Aの大きさ(振幅)が電流Bよりも大きく、かつ、電流Bの大きさは電流Cよりも大きいと判定できるので、電流Cの経路に劣化または断線が生じ、電流Bの経路に劣化が生じたと判定する(ステップ142)。

このように、本実施形態によれば、3つの一次巻線4a,4b,4cを並列に接続したことにより、一次巻線が一つの場合と比較し、ケーブルの太さ等が同じであれば、3倍の大電流を供給できる構成ありながら、3つの電流A，B,Cの経路(一次巻線4a,4b,4cまたはそれに接続されたケーブル)の異常(誤配線または断線または劣化)の有無と、異常のある電流経路ラインを判別することができる。

これにより、制御部23は、インバータ電流が異常であると判断し、装置を安全に停止させ、異常個所を表示等することができる。

本実施形態では、一次巻線が三つの場合について説明したが、一次巻線が四つ以上となった場合でも、同様に適用可能である。

(第4の実施形態)
第4の実施形態では、第3の実施形態の3つの電流センサ6,7,8のうちの二つの電流センサ7,8の代わりに、交流電流センサ27,28を用い、これを図13のように配置することにより、簡単な回路構成の制御部24によりエラー判定および異常ラインの検出を行う。

交流電流センサ27は、一次巻線4aから出てきた電流Aと、一次巻線4bから流れ込む電流Bを減算して「電流A−電流B」を検出するように、ケーブル10bとケーブル11aの2本が交流電流センサ27のコイルの内側に位置するように配置されている。交流電流センサ28は、一次巻線4cから出てきた電流Cと、一次巻線4bに流れ込む電流Bを減算して「電流C−電流B」を検出するように、ケーブル12bとケーブル11aの2本が交流電流センサ28のコイルの内側に位置するように配置されている。電流センサ6は、第3の実施形態と同様にケーブル11bの電流Bを逆位相で検出するように配置されている。

交流電流センサ27,28および電流センサ6は、制御部24に接続されている。図14に制御部24の回路構成を示す。制御部24は、図14のように第3の実施形態の制御部23(図11)と同様の構成であるが、加算器13,113を備えていない。これは、交流電流センサ27,28が、「電流A−電流B」および「電流C−電流B」をそれぞれ検出するからである。他の構成は、第3の実施形態と同様であるので説明を省略する。

制御部24の動作は、加算器13,113を備えない他は、第3の実施形態の制御部23と同様であり、誤配線または断線の有無およびそれが生じているケーブル(ライン)の判定を行う。これにより、制御部24は、インバータ電流が異常であると判断し、装置を安全に停止させ、異常のあるラインを表示等することができる。

上記のように、第4の実施形態では、交流電流センサ27,28を用いたことにより、第3の実施形態と比較して簡単な構成の制御部24により、ケーブル誤配線または断線を検出することができる。

また、交流電流センサ27,28を用いたことにより、減算した電流を検出できるため、第1の実施形態のように電流センサ6,7,8によりそれぞれ検出した電流値を加算器で加算する場合のように、電流センサとして高精度ものを用いる必要がない。このため、交流電流センサ27,28として小型で安価なセンサを用いることができる。

(第5の実施形態)
第5の実施形態として、これまで述べた第1〜第4の実施形態の電力変換装置を用いたX線高電圧装置について、図15を用いて説明する。

本実施形態のX線高電圧装置70は、図15に示すように、整流回路2と、インバータ3と、高電圧発生装置4と、制御回路73とを有する。高電圧発生装置4には、X線管5が接続されている。制御回路73は、インバータ駆動回路部3aと、フィラメント加熱回路731と、陽極駆動回路732とを備えている。整流回路2、インバータ3および高電圧発生装置4は、電力変換装置を構成しており、その構造は、第1〜第4の実施形態のうちいずれかの構成である。

フィラメント加熱回路731は、X線管5のフィラメントを加熱する。これにより、X線管5では加熱されたフィラメントから熱電子が飛び出し、陽極に衝突することで熱とX線を生成する。熱電子が衝突する陽極は、その熱容量が非常に大きいことから、陽極自身を回転させ、エネルギーを分散することで熱容量を大きくする一般的な構造のものを用いることができる。X線管5の陽極は真空容器内に包容されており、真空容器外から回転磁界を与えることで隔離された陽極を回転駆動する。陽極駆動回路732は、回転磁界を発生させるための電力を供給する回路である。

このように構成したX線高電圧装置70は、X線管5へ供給する管電圧と管電流の設定を操作者から受け付け、制御回路73が設定値になるようインバータ3を制御する。

本実施形態のX線高電圧装置を用いることによりX線CT装置やレントゲン装置を構成することが可能である。これにより、X線管5に大電流供給が可能で、かつ、安全性の高いX線CT装置やレントゲン装置を提供できる。

(第6の実施形態)
第6の実施形態として、上記第5の実施形態のX線高電圧装置70を用いたX線CT(Computer Tomography)装置について、図16を用いて説明する。

図16は本発明を適用したX線CT装置301の全体構成図である。この装置はスキャンガントリ部300と操作卓320とを備える。

スキャンガントリ部300は、X線管5と、回転円盤302と、コリメータ303と、X線検出器306と、データ収集装置307と、寝台305と、ガントリ制御装置308と、寝台制御装置309と、X線高電圧装置70と、を備えている。X線管5は寝台305上に搭載された被検体にX線を照射する装置である。コリメータ303はX線管5から照射されるX線の照射範囲を制御する装置である。X線検出器306は、X線管5と対向配置され被検体を透過したX線を検出する装置である。回転円盤302は、寝台305上に搭載された被検体が入る開口部304を備えるとともに、X線管5とX線検出器306を搭載し、被検体の周囲を回転する駆動部を備える。X線検出器306は、複数(例えば1000個)の検出素子を回転円盤302の回転方向(チャンネル方向ともいう)に配置した構成である。複数の検出素子は、回転方向の並びを1列としたときに、この列を回転円盤302の回転軸方向(スライス方向ともいう)に多列(例えば64列)並べたものであっても良い。

X線高電圧装置70は、X線管5へ管電圧と管電流を供給する装置であり、第5の実施形態のX線高電圧装置70を用いる。データ収集装置307は、X線検出器306で検出されたX線を所定の電気信号に変換する装置である。ガントリ制御装置308は回転円盤302の回転を制御する装置である。寝台制御装置309は、寝台305の上下動および前後動(回転円盤302の回転軸方向の移動)を制御する装置である。

操作卓320は、入力装置321と、画像演算装置322と、表示装置325と、記憶装置323と、システム制御装置324とを備えている。入力装置321は、被検体氏名、検査日時、撮影条件などを入力するための装置であり、具体的にはキーボードやポインティングデバイス等である。画像演算装置322は、データ収集装置307から送出される計測データを演算処理してCT画像再構成を行う装置であり、具体的には演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)、若しくは専用の演算回路である。表示装置325は、画像演算装置322で作成されたCT画像を表示する装置であり、具体的にはCRT(Cathode Ray Tube)や液晶ディスプレイ等である。記憶装置323は、データ収集装置307で収集されたデータ及び画像演算装置322で作成されたCT画像の画像データを記憶する装置であり、具体的にはHD(Hard Disk)などである。システム制御装置324は、これらの装置及びガントリ制御装置308と寝台制御装置309とX線高電圧装置70を制御する装置である。

X線管5は、入力装置321から入力された撮影条件(管電圧や管電流など)になるように、X線高電圧装置70によって制御された管電流および管電圧が供給され、X線を照射する。

X線高電圧装置70は、X線管5に大きな管電流を供給できるため、大きな強度のX線を照射できる。

X線管5から照射され被検体を透過したX線は、X線検出器306はX線検出素子によって検出される。この間、回転円盤302は、X線管5とX線検出器306とを回転させることにより、被検体の各方向からX線が照射され、検出されるようにする。回転円盤302の回転速度は、入力装置321から入力された撮影条件(スキャン速度など)となるようにガントリ制御装置308により制御される。また、X線が照射されて検出されている間、寝台305は、寝台制御装置309の制御により、被検体を体軸方向に移動させ、入力装置321から入力された撮影条件(らせんピッチなど)となるように動作する。

X線検出器306の出力信号は、データ収集装置307により収集される。データ収集装置307で収集された投影データは、画像演算装置322へ送出される。画像演算装置322は、投影データを再構成演算してCT画像とする。再構成されたCT画像は表示装置325に表示され、また撮影条件とともに画像データとして記憶装置323に記憶される。

本実施形態のX線CT装置に、本発明のX線高電圧装置70を用いることにより、X線管5に大電流を供給でき、かつ、安全に運転することができる。

(第7の実施形態)
第7の実施形態として、第5の実施形態のX線高電圧装置を用いたX線撮影装置について、図17を用いて説明する。

図17に示すように、本実施形態のX線撮影装置405は、X線検査室の操作室401と撮影室402とに跨って設置されている。病院におけるX線検査室の操作室401と撮影室402は、X線に対する防護壁403によって隔離されている。防護壁403には、鉛ガラスによりなる窓404が設けられている。

撮影室402には、X線撮影装置405の主要な構成が設置されている。具体的には、X線管5と、X線管支持装置410と、コリメータ411と、X線受像装置412a、412bと、X線高電圧装置70と、制御装置413とがそれぞれ所定の位置に設置されている。X線管5は、被検体に照射するX線を発生する装置である。X線高電圧装置70は、設定された管電圧および管電流をX線管5に供給する。X線高電圧装置70は、第7の実施形態の装置であるので、ここではその詳細な構造については説明を省略する。

X線管支持装置410は、図17の紙面上下方向に伸縮可能な構造を有するL字型の伸縮部415を有している。伸縮部415のL字型の端部にはX線管5が保持されている。X線管支持装置410は、天井416に配設されたレール417に取り付けられている。X線管支持装置410は、レール417に沿って図17の紙面左右方向に移動可能な構造となっている。コリメータ411は、X線の照射野を決定する。

X線受像装置412a、412bは、被検体を透過したX線を受像する装置であって、本実施形態では2台配置されている。一方のX線受像装置412aは、被検体を立位の状態で撮影するためのものであり、他方のX線受像装置412bは、被検体が横になった状態で撮影するためのものである。立位用のX線受像装置412aは、フイルムやイメージングプレートの入った撮影用カセッテ419と、この撮影用カセッテ419を支持する支持台420とを有する構成になっている。臥位用のX線受像装置412bは、撮影台422と、その内部に配置されたに、フイルムやイメージングプレートの入った撮影用カセッテ421とを含む。立位用のX線受像装置412aを用いる場合には、図17のようにX線管5とコリメータ411を立位用のX線受像装置412aに向けて横向きに配置し、臥位用のX線受像装置412bを用いる場合は、X線管5とコリメータ411を下向きにし、X線受像装置412bに向けてX線が照射されるようにする。

尚、撮影用カセッテ419、421に替えて、イメージインテンシファイヤとTVカメラとを組み合わせてX線画像を動画で出力する構成や、フラットパネルディテクタ(FPD)を備えてX線画像を出力する構成でも良いものとする。

操作室401には、操作器406が設置されている。この操作器406は、操作卓407と、操作卓407を支持する支持台408とを有して構成されている。操作卓407は、X線管5の管電圧、管電流、撮影時間等の撮影条件の設定を操作者から受け付ける操作部と、表示部とを備えている。表示部には、受け付けた設定条件や、X線受像装置412a、412bが受像した画像が表示される。また、操作卓407には、X線高電圧装置70を作動させるためのスイッチ、コリメータ411の開閉量を調節するための操作ボタン等が設けられている。

制御装置413は、上記の各装置をそれぞれ制御するとともに、X線受像装置412a、412bが受像した画像の表示制御を行う。また、制御装置413には、記憶装置が内蔵されており、撮影条件と撮影画像とが格納される。

また、本実施形態のX線撮影装置に、本発明のX線高電圧装置70を用いることにより、X線管5に大きな管電流を供給でき、かつ、安全運転が可能である。

1 商用電源、2 昇降圧整流回路、3 インバータ、4 高電圧発生装置、4a〜4c 一次巻線、4d 鉄心、5 X線管、6,7,8 電流センサ、13、113 加算器、14,15,114,115 比較器、17,27,28 交流電流センサ、21,22,23,24 制御部、30 CPU、31,131 エラー検出部、32 異常ライン検出部、33 AD変換器、40 変圧器、70 X線高電圧装置、200 インバータ制御部、300 スキャンガントリ、302 回転円盤、303 コリメータ、305 寝台、306 X線検出器、307 データ収集装置、308 ガントリ制御装置、309 寝台制御装置、320 操作卓、321 入力装置、322 画像演算装置、323 記憶装置、324 システム制御装置、325 表示装置、401 操作室、402 撮影室、403 防護壁、404 窓、405 X線撮影装置、406 操作器、407 操作卓、408 支持台、410 X線管支持装置、411 コリメータ、412a,412b X線受像装置、413 制御装置、415 伸縮部、416 天井、417 レール、419 撮影用カセッテ、420 支持台、421 撮影用カセッテ、422 撮影台、731 フィラメント加熱回路、732 陽極駆動回路

Claims (7)

1. 直流出力を所定周波数の交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端子からの出力を受け取って所望の直流高電圧に昇圧する高電圧発生部と、を有し、
   前記高電圧発生部は、一次巻線と二次巻線とを備える変圧器を含み、前記一次巻線は複数であり、前記複数の一次巻線は、それぞれの両端に接続された導線により前記インバータの出力端子に並列に接続され、
   更に、前記複数の一次巻線のいずれかの一次巻線に流れ込む電流と、別の一次巻線から流れ出た電流と、を検出する電流センサと、前記電流センサの値に基づいて前記インバータと前記一次巻線の経路の異常を判定する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記電流センサが検出した二つの前記電流の大きさの差分を計算し、計算結果が予め定めた閾値を超えた場合、異常であると判定すること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記異常であると判定した場合には、前記複数の一次巻線のいずれか一つの一次巻線に電流が流れているかどうかに基づき、前記電流が流れていない一次巻線を特定すること
   を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
3. 直流出力を所定周波数の交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端子からの出力を受け取って所望の直流高電圧に昇圧する高電圧発生部と、
   を有し、
   前記高電圧発生部は、一次巻線と二次巻線とを備える変圧器を含み、前記一次巻線は複数であり、前記複数の一次巻線は、それぞれの両端に接続された導線により前記インバータの出力端子に並列に接続され、
   更に、前記複数の一次巻線のいずれかの一次巻線に流れ込む電流と、別の一次巻線から流れ出た電流との大きさを差し引きした電流を検出する電流センサと、前記電流センサの値に基づいて前記インバータと前記一次巻線の経路の異常を判定する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記電流センサが検出した電流が予め定めた閾値を越えた場合、異常であると判定すること
   を特徴とする電力変換装置。
4. 前記電流センサは、前記いずれかの一次巻線に電流を供給する導線と、前記別の一次巻線から電流を帰還させる導線と、の双方が内側空間に配置されたコイルを有し、前記コイルを流れる電流を検出する交流電流センサであること
   を特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記異常であると判定した場合には、前記複数の一次巻線のいずれか一つの一次巻線に電流が流れているかどうかに基づき、前記電流が流れていない一次巻線を特定すること
   を特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
6. 被検体を挿入する開口を備えた円盤と、円盤の前記開口を挟んで対向する位置にそれぞれ搭載されたX線管およびX線検出器と、前記X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置と、被検体を搭載して前記円盤の開口に挿入する寝台と、前記円盤を回転させる回転駆動部と、を有し、
   前記X線高電圧装置は、請求項1乃至5の何れか一項に記載の電力変換装置を含むことを特徴とするX線CT装置。
7. X線管と、被検体を透過したX線を検出するX線受像部と、前記X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置と、を有し、
   前記X線高電圧装置は、請求項1乃至5の何れか一項に記載の電力変換装置を含むことを特徴とするX線撮影装置。

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