JP2005123085A - X線管装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第1の凹凸部8aを備え、X線を放出する陽極ターゲット8と、第1の凹凸部8aと嵌合する第2の凹凸部4aを備え、陽極ターゲット8と連結される継手部4と、継手部4を介して陽極8に所定の回転力を提供する回転支持機構とを有し、第2の凹凸部4aの凸部を、第1の凹凸部8aの凸部より外側に位置する。
【選択図】 図2
Description
X線CT装置において、例えば最大重量12kgで、最大直径180mm程度の大きさの陽極ターゲットを有し、1秒間に最大2.5回転のスピードで回転される架台に搭載されるX線管が利用された場合、X線診断装置と同様、陽極ターゲットに対し径方向の大きな遠心力が加わる。従って、継手部と回転支持機構の連結部分には、大きな強度が要求されている。
これまで、回転される陽極ターゲットを有する回転陽極型X線管では、継手部と回転支持機構を連結する方法として、たとえばろう材を用いたろう接方式、またはモリブデン製の複数のボルトで締め付けるボルト締め方式、あるいは溶接方式等が採用されている。また、陽極ターゲットと継手部との連結には、拡散接合方式も採用されている(特許文献1参照)。
また、これに伴い、陽極ターゲットには熱応力が発生し、特に内側部には高い引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力は、外側から接合する部材が熱により変形する際、内側で接合されている部材との接合部分に作用し、両者を引き離す方向に働く。
例えば、高温度に加熱される陽極ターゲットの接合部が、継手部の接合部と外側から連結されている場合、内側で連結されている継手部の接合部には、引っ張り応力が働き、両者の固定強度が不十分であれば、接合不良が発生する虞がある。
これに伴い、使用中の回転陽極ターゲットは、回転バランスを崩すため、X線管の振動が増加したり、あるいは接合部が破損する等の問題がある。
図1に示す通り、例えばX線画像を検出するX線イメージ管にX線透視像を投影可能に設けられるX線管装置1は、所定波長および所定強度のX線を所定の方向に向けて放射可能な回転陽極型のX線管本体2を有している。なお、X線管装置1内には、X線管本体2を気密支持する絶縁油3が満たされている。また、X線管装置1の所定の位置には、X線管本体2内部に設けられる回転機構(ローター)4に推力(磁界)を与えるためのステータ5が設けられている。
X線管本体2の外囲器6内の所定位置には、熱電子を放出する陰極電子銃7と、陰極電子銃7からの熱電子が衝突されることによりX線を放射する陽極(陽極タ−ゲット)8が設けられている。なお、陰極電子銃7と陽極8とは、絶縁材9を介して、相互に絶縁されている。また、陽極8は、ローター(回転機構)4のローター回転軸4bに固定されており、ローター4が中心軸を中心に回転することにより所定の速度で回転される。
図2に示す通り、ローター4は、ローター回転軸4bの先端(以下継手部と記す)に、中心軸を中心とする概略円形状の嵌合部4aを有する。嵌合部4aは、外側が凸、内側が凹に形成され、嵌合部4aの凹部と凸部の境界面は、中心軸を中心とする直径Dの概略円形で定義される。
言い換えると、凸部は、嵌合部4aの外周側に位置し、内径がDのリング形状であって、凹部は、嵌合部4aの内周側に位置し、外径がDのリング形状である。なお、嵌合部4aのうち少なくとも陽極8と連結される部分、すなわち後で説明する拡散促進材料により拡散される領域は、モリブデンまたはモリブデン合金から構成されることが好ましい。
言い換えると、凹部は、嵌合部8aの外周側に位置し、内径がdのリング形状であって、凸部は、嵌合部8aの内周側に位置し、外径がdのリング形状である。また、嵌合部8aも嵌合部4aと同様に、少なくともローター4と連結される部分(拡散促進材料により拡散される領域)は、モリブデンまたはモリブデン合金から構成されることが好ましい。
よって、回転バランスが崩れることによる振動あるいは破損等の不具合を回避できると共に、継手部に固定された陽極が安定に回転できる、すなわち良好な回転特性が確保される。また、特定の温度サイクルの長期使用での回転によって、回転バランスが崩れて振動が生じたり、陽極と継手部との連結が外れる等を防止できる。
図3は、第1の実施の形態における、継手部4と陽極8との連結部分を説明する概略断面図である。
図3に示す通り、継手部4の嵌合部4aの凸部は、嵌合された状態で、陽極8の嵌合部8aの凹部との間に中間部材10を有する。中間部材10は、所定の厚さを有し、継手部4および陽極8と、それぞれ接触する両面において拡散接合部11により接合されている。また、中間部材10は、モリブデンまたはモリブデン合金から構成されることが好ましい。
なお、嵌合部4aの凸部の外周面4cは、向かい合う陽極8の対向面8bと非接触である、つまり嵌合部4aの凸部は陽極8との間に、隙間(間隔)を有する。言い換えると、嵌合部4aの凸部の外周(すなわち外周面4cの円周)は、陽極8の対向面8bの円周より小さい。
上に説明したような所定の大きさの嵌合部4aを有するローター4と,嵌合部8aを有する陽極8を用意する。
(1)中間部材10の継手部4および陽極8とそれぞれ接触する面のうち全面あるいは所定部分に、拡散促進材料を被膜する。
(2)拡散促進材料が被膜された中間部材10を、継手部4の嵌合部4aの凸部、あるいは陽極8の嵌合部8aの凹部のいずれか一方に配置するとともに、嵌合部4aと嵌合部8aとを嵌合させる。これにより、中間部材10の拡散促進材料の被膜された両面のそれぞれと、嵌合部4aの凸部および嵌合部8aの凹部とが接触する。
(3)嵌合部4aと中間部材10の接触面、および嵌合部8aと中間部材10の接触面に、所定の圧力を提供する。
(4)例えば真空炉または雰囲気ガス炉中で750℃で30分以上加熱することにより、継手部4,陽極8および中間部材10とがそれぞれ接触する面に、所定の熱を提供する。これにより、拡散促進材料が中間部材10、継手部4,陽極8等に拡散し、あるいは中間部材10、継手部4,陽極8を構成する元素が拡散促進材料に拡散し、高強度の拡散接合が得られる。
また、(3)において提供される所定の圧力は、例えばローター4と陽極8とをそれぞれ押し合わせ、ローター4から中間部材10に向かう圧力と、陽極8から中間部材10に向かう圧力であることが好ましい。
図4は、第2の実施の形態における、継手部(ローター)41と陽極81との連結部分を説明する概略断面図である。
図4に示す通り、継手部41の嵌合部41aの凹部は、嵌合された状態で、陽極81の嵌合部81aの凸部との間に中間部材12を有する。中間部材12は、所定の厚さを有し、継手部41および陽極81と、それぞれ接触する両面において拡散接合部13により連結されている。
継手部41と陽極81は、上述の連結方法と同様に、中間部材12を挟んだ状態で嵌合され、所定の圧力および熱が提供され、拡散接合により連結される。
よって、嵌合状態で嵌合部41aと嵌合部81aとが接触するそれぞれの平行平面部41x,81xでは、中心軸と垂直方向に互いに向かい合う方向を有する所定の圧力を確保され、接合部の連結強度をより高めることができる。
図5は、第3の実施の形態における、継手部(ローター)42と陽極82との連結部分を説明する概略断面図である。
図5に示す通り、継手部42の嵌合部42aは、嵌合された状態で、陽極82の嵌合部82aと、ろう材15を用いたろう接合方式により接合される。
ろう材15は、嵌合部42aの凸部と嵌合部82aの凹部との間、および嵌合部42aの凸部と嵌合部82aの凸部との間に配置される。但し、図5に示す通り、嵌合部42aの凸部の外周面42bは、陽極82の対向面82bと非接触である、つまり嵌合部42aの凸部は陽極82との間に、隙間(間隔)を有する。
よって、嵌合状態で嵌合部42aと嵌合部82aとが接触するそれぞれの平行平面部42x,82xでは、中心軸と垂直方向に互いに向かい合う方向を有する所定の圧力を確保され、接合部の連結強度をより高めることができる。
図6は、第4の実施の形態における、継手部(ローター)43と陽極83との連結部分を説明する概略断面図である。
図6に示す通り、継手部43の嵌合部43aの凹部は、嵌合された状態で、陽極83の嵌合部83aの凸部との間に、中間部材16を備える。中間部材16は、所定の厚さを有し、継手部43および陽極83と、それぞれ接触する両面において拡散接合部17により接合されている。
また、嵌合部43aの凹部と嵌合部83aの凸部は、中心軸と平行方向に位置される少なくとも2つの留め具(たとえばねじ、ボルト)18により固定され、中心軸と垂直に配置される垂直平面部43y,83yには、中心軸と平行方向の所定の圧力が提供される。
ローター43と陽極83は、上述の連結方法と同様にして、中間部材16を挟んだ状態で嵌合され、所定の圧力および熱が提供されるため、拡散接合により連結される。
よって、嵌合状態で嵌合部43aと嵌合部83aとが接触するそれぞれの平行平面部43x,83xでは、中心軸と垂直方向の所定の圧力を確保され、接合部の連結強度をより高めることができる。さらに、留め具18およびしまり嵌めにより、垂直平面部43y,83yに働く中心軸と平行方向の所定の圧力も確保されているため、熱応力により接合部の隔離を防止できる。
図7(a),(b),(c)は、第5の実施の形態における、継手部(ローター)44の一例を説明する概略断面図である。なお、図7(c)は、線AAに対応する箇所でローター44を切断したときの概略断面図である。
図7(a)に示す通り、継手部44の嵌合部44aの凸部が、陽極84の嵌合部84aの凸部の外側で嵌合されており、嵌合部44aの凸部の外周面44bは、陽極84の対向面84bと非接触である、つまり嵌合部44aの凸部は陽極84との間に、隙間(間隔)を有し、嵌合部44a,84aは、図2で説明した、いわゆるしまり嵌めである。
図7(b)に示す通り、継手部44には、中心軸方向の平行に切り欠かれたスリット19(すり割とも言う)が複数、例えば8つ概ね均等な間隔で形成されてもよい。
深さL1は、図7(c)に示す円の直径L2以上であることが好ましい。また、幅M1は、継手部44の肉厚M2程度であることが好ましく、陽極84と一定以上の強度を有して接合されるために要求されるスリット19が形成されない領域としては、図7(c)に示す円のスリットが形成されない部分(円周M3−幅M1×個数)が少なくとも円周M3の7割以上残る程度であることが好ましい。
なお、ローター44および陽極84は、上述した第1ないし第4の実施の形態で説明した接合を用いて、接合されてもよい。
図8は、第6の実施の形態における、継手部45と陽極85との連結部分を説明する概略断面図である。
図8に示す通り、継手部45と陽極85は、ろう材21を用いてろう接されている。
継手部45は、中心軸を中心とする概略円形状の連結部45aを有する。連結部45aは、中心軸方向に直径が異なる第1の面45Pと、第1の面45Pより内径側に位置し中心軸と直交する第2の面(水平面)45Qとを有する。なお、第1の面45Pは、水平面45Qに近づくに従って、直径が次第に減少している円錐状(テーパー状)であって、このような形状の面を以下テーパー面と記して説明する。また、第2の面のように、中心軸と直交する面を水平面と記して説明する。
また、連結部45aは、テーパー面45Pと水平面45Qとの接線で、周方向に180度以上の所定の角度を有する。すなわち、連結部45aは、外側が凸、内側が凹に形成されている。
また、継手部45と陽極85は、連結された状態で、連結部45aのテーパー面45Pおよび連結部85aのテーパー面85Pが、平行になるように向かい合う所定の角度のテーパーに形成されることが好ましい。
また、陽極85が高温になり連結部85aで外側への引っ張り応力が発生した場合であっても、外が凸の形状の連結部45aにより制限されるため、両者の連結強度が減少する虞はない。
連結部45aの最外周部45Rは、陽極85の対向面85Rと非接触である、つまり連結部45aの最外部は陽極85との間に、隙間(間隔)を有する。
図9は、第7の実施の形態における、継手部(ローター)46と陽極86との連結部分を説明する概略断面図である。
図9に示す通り、継手部46と陽極86は、ろう材22を用いてろう接されている。
継手部46は、中心軸方向に直径が異なるテーパー面46Pと、テーパー面46Pより内径側に位置し中心軸と直交する水平面46Qとを有する連結部46aを有する。また、連結部46aは、テーパー面46Pと水平面46Qとの接線で、周方向に180度以上の所定の角度を有し、外側が凸、内側が凹に形成されている。
陽極86は、中心軸を中心とする概略円形状の連結部86aを有する。連結部46aは、中心軸方向に直径が異なる第5の面86Pと、第5の面86Pより内径側に位置し中心軸と直交する第6の面(水平面)86Qとを有する。なお、第5の面86Pは、周方向での中央付近に向かって、直径が次第に増加している外側に張り出している弓形であって、このような形状の面を以下曲面と記して説明する。
また、陽極86が高温になり連結部86aで外側への引っ張り応力が発生した場合であっても、外が凸の形状の連結部46aにより制限されるため、両者の連結強度が減少する虞はない。さらに、連結部86aの曲面86Pは、外側への引っ張り応力が発生したとしても、形状特性により、応力を分散することができる。
なお、本実施の形態において、第5の面86Pは弓形であるが、本発明はこれに限られず、所定の曲率を有し、外側に張り出している形状であればよい。
詳細には、継手部47は、外側が凸、内側が凹であって、曲面47Pは、内側に張り出している弓形に形成されている。
従って、ろう材を介した継手部47と陽極87との接合部分には、中心軸方向の所定の接触圧力および中心軸と直行する方向の所定の接触圧力が提供されるため、継手部47と陽極87の連結強度はさらに強化される。
なお、連結部47aの最外周部47Rは、陽極87の対向面87Rと非接触である、つまり連結部47aの最外部は陽極87との間に、隙間(間隔)を有する。
図11は、第8の実施の形態における、継手部(ローター)48と陽極88との連結部分を説明する概略断面図である。
図11に示す通り、継手部48と陽極88は、ろう材24を用いてろう接され、かつ留め具(たとえばねじ、ボルト)25により固定されている。
継手部48は、テーパー面48Pおよび水平面48Qを含む連結部48aを有する。
陽極88は、テーパー面88Pおよび水平面88Qを含む連結部88aを有し、外側が凸、内側が凹に形成される。
留め具25は、水平面48Qと水平面88Qを貫いて、中心軸と平行方向に位置し、少なくとも2つ以上配置される。従って、継手部48と陽極88はより強固に連結され、テーパー面48Pとテーパー面88Pとの連結面においても、中心軸方向の所定の接触圧力および中心軸と直行する方向の所定の接触圧力が提供されるため、さらに強固に連結される。
なお、連結部48aの最外周部48Rは、陽極88の対向面88Rと非接触である、つまり連結部48aの最外部は陽極88との間に、隙間(間隔)を有する。
図12は、第9の実施の形態における、継手部(ローター)49と陽極89との連結部分を説明する概略断面図である。
図12に示す通り、継手部49と陽極89は、拡散接合部26により拡散接合され、かつ留め具(たとえばねじ、ボルト)27により固定されている。
継手部49は、テーパー面49Pおよび水平面49Qを含む連結部49aを有する。
陽極89は、テーパー面89Pおよび水平面89Qを含む連結部89aを有し、外側が凸、内側が凹に形成される。
留め具27は、水平面49Qと水平面89Qを貫いて、中心軸と平行方向に位置し、少なくとも2つ以上配置される。従って、継手部49と陽極89はより強固に連結され、テーパー面49Pとテーパー面89Pとの連結面においても、中心軸方向の所定の接触圧力および中心軸と直行する方向の所定の接触圧力が提供されるため、さらに強固に連結される。
なお、連結部49aの最外周部49Rは、陽極89の対向面89Rと非接触である、つまり連結部49aの最外部は陽極89との間に、隙間(間隔)を有する。
Claims (20)
- 回転軸と垂直な回転面に同心的に凹凸して形成され、凸部が内周に位置する第1の凹凸部を備え、X線を放出する陽極ターゲットと、
前記第1の凹凸部と嵌合し、凸部が外周に位置する第2の凹凸部を備え、前記陽極ターゲットと同軸的に連結される継手部と、
前記継手部を介して前記陽極ターゲットに所定の回転力を提供する回転支持機構とを有し、
前記第2の凹凸部の凸部は、前記第1の凹凸部の凸部より外側に位置されることを特徴とするX線管装置。 - 前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部は、留め具により、嵌合している前記継手部の第2の凹凸部と連結されると共に、第1の当たり部(当たり部…実施の形態においては垂直平面部43y,83y−図6)において、回転軸と平行方向の所定の圧力が提供されることを特徴とする請求項1に記載のX線管装置。
- 前記継手部の前記第2の凹凸部は、前記第1の当たり部と平行な第2の当たり部を有し、前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部と、前記継手部の前記第2の凹凸部は、前記第1,2の当たり部において、拡散接合されていることを特徴とする請求項2に記載のX線管装置。
- 前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部および前記継手部の前記第2の凹凸部のうち、少なくとも前記第1の当たり部および前記第2の当たり部は、モリブデンまたはモリブデン合金により構成されることを特徴とする請求項3に記載のX線管装置。
- 前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部と前記継手部の前記第2の凹凸部の間には、所定の厚さを有する中間部材が備えられ、
前記継手部の前記第2の凹凸部は、前記第1の当たり部と平行な第2の当たり部を有し、
前記第1,2の当たり部は、前記中間部材と拡散接合されていることを特徴とする請求項2に記載のX線管装置。 - 前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部および前記継手部の前記第2の凹凸部のうち少なくとも前記第1,2の平面部または/および前記中間部材は、モリブデンまたはモリブデン合金により構成されることを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれかに記載のX線管装置。
- 前記中間部材、前記第1,2の当たり部、のうち少なくとも一つには、その少なくとも一部の表面に、Au、Cu、Pd、Ti、Pt、またはこれらの金属を含む合金により構成される薄膜が形成されることを特徴とする請求項3ないし請求項6のいずれかに記載のX線管装置。
- 前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部と、前記継手部の前記第2の凹凸部は、ろう材を用いたろう接により接合されていることを特徴とする請求項1に記載のX線管装置。
- 前記陽極ターゲットの前記第1の凹凸部は、前記継手部の前記第2の凹凸部と嵌合された状態で、所定の圧力を提供されるしまり嵌めであることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のX線管装置。
- 前記継手部の前記第2の凹凸部は、回転軸と平行方向に所定の大きさで切り欠かれた切り欠き部を有することを特徴とする請求項9に記載のX線管装置。
- 回転軸と垂直な回転面に同心的に凹凸して形成され、凸部が内周に位置する第1の凹凸部を備えX線を放出する陽極ターゲットと、第1の凹凸部と嵌合し凸部が外周に位置する第2の凹凸部を備え、陽極ターゲットと連結される継手部と、この継手部を介して陽極ターゲットに所定の回転力を提供する回転支持機構とを有するX線管装置の製造方法において、
陽極ターゲットおよび継手部と接触する部分うち、少なくとも陽極ターゲットおよび継手部と連結された状態で回転軸方向に突き当てられる当たり部に、拡散促進材料の皮膜を形成する第1工程と、
、継手部の凸部が陽極ターゲットの凸部より回転軸の外側に位置するように、第1の凹凸部と第2の凹凸部を嵌合する第2工程と、
第1の凹凸部と第2の凹凸部に、回転軸方向に向かう所定の圧力を提供する第3工程と、
第1の凹凸部と第2の凹凸部のうち、少なくとも互いに接触する当たり部分に、所定の熱を提供し、前記第1の凹凸部および前記第2の凹凸部とをそれぞれ拡散接合する第4工程とからなることを特徴とするX線管装置の製造方法。 - 回転軸と垂直な回転面に同心的に凹凸して形成され、凸部が内周に位置する第1の凹凸部を備えX線を放出する陽極ターゲットと、第1の凹凸部と嵌合し凸部が外周に位置する第2の凹凸部を備え、陽極ターゲットと中間部材を介して連結される継手部と、この継手部を介して陽極ターゲットに所定の回転力を提供する回転支持機構とを有するX線管装置の製造方法において、
陽極ターゲットおよび継手部と接触する部分うち、少なくとも陽極ターゲットおよび継手部と連結された状態で回転軸方向に突き当てられる当たり部に、拡散促進材料の皮膜を形成する第1工程と、
前記陽極ターゲットまたは前記継手部のいずれか一方に中間部材を配置すると共に、継手部の凸部が陽極ターゲットの凸部より回転軸の外側に位置するように、第1の凹凸部と第2の凹凸部を嵌合する第2工程と、
第1の凹凸部と第2の凹凸部に、回転軸方向に向かう所定の圧力を提供する第3工程と、
第1の凹凸部と第2の凹凸部のうち、少なくとも互いに接触する当たり部分に、所定の熱を提供し、前記第1の凹凸部および前記第2の凹凸部とをそれぞれ拡散接合する第4工程とからなることを特徴とするX線管装置の製造方法。 - 回転軸方向に直径が変化する第1の面とからなる第1の連結部を備え、X線を放出する陽極ターゲットと、
前記第1の連結部と結合され、回転軸方向に直径が変化する第2面とからなる第2の連結部を備え、前記陽極ターゲットと同軸的に連結される継手部と、
前記継手部を介して前記陽極ターゲットに所定の回転力を提供する回転支持機構とを有し、
前記第2の連結部は、前記第1の連結部より外側に配置されることを特徴とするX線管装置。 - 所定の接合方法により向かい合う前記第1の面と前記第2の面には、回転軸と平行する方向の所定の接触圧力と、回転軸と垂直する方向の所定の接触圧力が提供されることを特徴とする請求項13に記載のX線管装置。
- 前記接合方法は、拡散接合であることを特徴とする請求項14に記載のX線管装置。
- 前記第1の面または/および前記第2の面は、モリブデンまたはモリブデン合金により構成されることを特徴とする請求項15に記載のX線管装置。
- 前記第1の面または/および前記第2の面は、Au、Cu、Pd、Ti、Pt、またはこれらの金属を含む合金により構成される薄膜が形成されることを特徴とする請求項15または請求項16に記載のX線管装置。
- 前記接合方法は、ろう材を用いたろう接であることを特徴とする請求項14に記載のX線管装置。
- 前記第1の連結部と前記第2の連結部は、テーパー面を有した嵌め合い部であることを特徴とする請求項13ないし請求項18のいずれかに記載のX線管装置。
- 前記継手部の前記第2の連結部は、回転軸と平行方向に所定の大きさで切り欠かれた切り欠き部を有することを特徴とする請求項13ないし請求項19のいずれかに記載のX線管装置。
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