JP2014175197A - Ｘ線管装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントの短絡を防止するＸ線管装置を提供する。
【解決手段】フィラメント２１と固定棒２５との接続部分には、金属部品２７が介在されている。Ｘ線発生時にフィラメント２１は通電され加熱するが、この熱は金属部品２７に伝達される。伝達された熱により加熱された金属部品２７は、コイル状のフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ、フィラメントの外側方向Ｍに変形する。すなわち、フィラメント２１が熱膨張する軸方向Ｌに沿って金属部品２７も変形する。これにより、フィラメント２１の熱膨張を吸収することができる。そのため、フィラメント２１の熱膨張により生じていた応力が緩和され、フィラメント２１が座屈して弓状に変形することが抑えられ、フィラメント２１と収束電極とが短絡することを防止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、医用Ｘ線装置に搭載されるＸ線管装置に係り、特に陰極構造に関する。

従来のＸ線管装置は、電子（熱電子、電子ビームともいう）を放出する陰極と、陰極から放出された電子を衝突させてＸ線を発生させるターゲットを有する回転陽極とを備えている。陰極１０３は、図７（ａ）に示すように、収束電極１２３内にコイル状のフィラメント１２１が設置されている（例えば、特許文献１参照）。

フィラメント１２１は、通電されて加熱することにより電子を放出する。この状態で、Ｘ線管装置は、ターゲットを高速回転させた後、陰極１０３とターゲットの間に高電圧を印加し、電子を加速および収束してターゲットに衝突させ、Ｘ線を発生させている。ターゲット上の主たる電子衝突面のことを焦点と呼び、その焦点の大きさがＸ線管装置の定格、および画像の鮮鋭度に深く関係する。

特開平７−１７６２８１号公報

Ｘ線管装置のフィラメント１２１は、Ｘ線発生時に最高２６００℃程度まで加熱されて非常に高温になる。また、フィラメント１２１は、収束電極１２３の電極溝１２３ａに収められており、フィラメント１２１と収束電極１２３の電極溝１２３ａとの隙間Ｄ（図７（ａ）参照）は、１００〜３００μｍと非常に狭い構成となっている。そのため、フィラメント１２１の僅かな熱変形でフィラメント１２１と収束電極１２３が短絡することがある。特に、多くのＸ線を必要とする術式では、多くの管電流を使用するので、フィラメント１２１に流れるフィラメント電流も多くなる。そのため、フィラメント温度が大きく上昇してフィラメント１２１が変形し易くなり、図７（ｂ）に示すように、短絡が発生する。

すなわち、フィラメント１２１が加熱すると、フィラメント１２１は、図８（ａ）に示す方向Ｌに沿って延びるように熱膨張する。しかしながら、従来構成のフィラメント１２１の足部１２２ａ，１２２ｂは、直接、固定棒１２５によって所定の位置に固定されているので、フィラメント１２１の熱膨張が妨げられる（図８（ｂ）参照）。これにより、フィラメント１２１には、妨げられた変形量に対応する応力（熱応力）が生じ、応力がある閾値を超えると座屈してしまう。そのため、フィラメント１２１が弓状（Ｃ状）に曲がってフィラメント１２１と収束電極１２３とが短絡する。

フィラメント１２１と収束電極１２３とが短絡すると、フィラメント１２１を正常に加熱することができなり、Ｘ線出力不良が生じて適切な診断を行うことができなくなる。すなわち、図７（ｂ）において、例えば、フィラメント１２１の足部を支持する固定棒の一方（符号Ｓ）は絶縁体を介在させて収束電極１２３と絶縁し、他方（符号Ｔ）は収束電極１２３と導通しているものとする。この状態で、Ｕ点でフィラメント１２１が短絡すると、フィラメント１２１の固定棒の一方Ｓと短絡部Ｕとの間で電流が流れるので、フィラメント１２１を正常に加熱できなくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、フィラメントの短絡を防止するＸ線管装置を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係るＸ線管装置は、電子を放出するコイル状のフィラメントと、前記フィラメントから放出された電子を収束させる収束電極と、前記フィラメントの両端の足部を各々支持すると共に、前記収束電極内の予め設定された位置に固定される固定部と、前記フィラメントと前記固定部との接続部分に介在して設けられ、前記フィラメントの軸方向でかつ、前記フィラメントの外側方向に、前記フィラメントの熱で変形する熱変形部と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明に係るＸ線管装置によれば、コイル状のフィラメントは、電子を放出し、収束電極は、フィラメントから放出させる電子を収束させる。固定部は、フィラメントの両端の足部を各々支持すると共に、収束電極内の予め設定された位置に固定されている。ここで、フィラメントと、収束電極に固定される固定部との接続部分には、熱変形部が介在して設けられている。熱変形部は、コイル状のフィラメントの軸方向でかつ、フィラメントの外側方向にフィラメントの熱で変形する。

すなわち、フィラメントと固定部との接続部分には、熱変形部が介在されている。Ｘ線発生時にフィラメントは通電され加熱するが、この熱は熱変形部に伝達される。伝達された熱により加熱された熱変形部は、コイル状のフィラメントの軸方向でかつ、フィラメントの外側方向に変形する。すなわち、フィラメントが熱膨張する方向に沿って熱変形部も変形する。これにより、フィラメントの熱膨張を吸収することができる。そのため、フィラメントの熱膨張に抵抗し生じていた応力が緩和され、フィラメントが座屈して弓状に変形することが抑えられるので、フィラメントと収束電極とが短絡することを防止することができる。

また、多くのＸ線量を必要とする術式では、多くの管電流を使用とするので、フィラメントに流す電流が多くなり、フィラメントの発熱量および熱膨張量も大きくなる。これに伴い、熱変形部の温度も上昇し、変形量も大きくなる。すなわち、フィラメントの熱膨張に応じて、熱変形部の変形量も大きくなる。そのため、フィラメントの座屈防止効果が高くなる。

また、本発明に係るＸ線管装置において、前記熱変形部は、線状のもので構成されると共に、前記熱変形部は、前記固定部との接合部分を基準に前記フィラメントの軸方向でかつ外側方向に向けて形成された部分を備えていることが好ましい。これにより、熱変形部は、固定部との接合部分を基準にフィラメントの軸方向でかつ外側方向に変形することができる。また、フィラメント周辺の電極溝は、静電レンズを形成するために厳しい寸法精度で設計されている。熱変形部は、固定部の幅に収まるように形成すれば、コンパクトな形状に形成することができ、従来の陰極構造に与える影響を抑えたものを得ることができる。

また、本発明に係るＸ線管装置において、前記熱変形部は、前記足部との接合部分が前記固定部との接合部分よりもフィラメントの軸方向でかつ外側方向に位置することが好ましい。これにより、熱変形部の変形により、収束電極内の予め設定された位置に固定された固定部との接合部分を基準にフィラメントの軸方向でかつ外側方向に、足部との接合部分を移動させることができる。

また、本発明に係るＸ線管装置において、前記熱変形部は、金属部品で構成されていることが好ましい。これにより、金属部品を通じて予め設定された電流を供給することができる。また、前記金属部品は、タングステン、モリブデンおよびこれらのいずれかを主成分とする合金のいずれかで構成されていることが好ましい。金属部品を高融点金属で構成することにより、フィラメントの加熱で溶融することを抑えることができる。

本発明に係るＸ線管装置によれば、フィラメントと固定部との接続部分には、熱変形部が介在されている。Ｘ線発生時にフィラメントは通電され加熱するが、この熱は熱変形部に伝達される。伝達された熱により加熱された熱変形部は、コイル状のフィラメントの軸方向でかつ、フィラメントの外側方向に変形する。すなわち、フィラメントが熱膨張する方向に沿って熱変形部も変形する。これにより、フィラメントの熱膨張を吸収することができる。そのため、フィラメントの熱膨張に抵抗し生じていた応力が緩和され、フィラメントが座屈して弓状に変形することが抑えられるので、フィラメントと収束電極とが短絡することを防止することができる。

実施例に係る回転陽極Ｘ線管装置の概略構成図である。 図１のＡ方向から見た陰極を示す平面図である。 図２に示す陰極のフィラメントの固定部分を示す縦断面図である。 （ａ）は、図３のＢ方向から見たフィラメントの固定部分を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）を上から見た平面図であり、（ｃ）は、（ａ）中の枠Ｅを拡大した図である。 金属部品と固定棒の接合を説明するための図である。 変形例に係るフィラメントの固定部分を示す側面図である。 （ａ）は、従来の陰極を示す平面図であってフィラメントの正常な状態を示す図であり、（ｂ）は、フィラメントと収束電極とが短絡した状態を示す図である。 （ａ）は、従来のフィラメントの固定部分を示す側面図であり、（ｂ）は、フィラメントが熱膨張したときを説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、実施例に係る回転陽極Ｘ線管装置の概略構成図である。本実施例では、Ｘ線管装置として回転陽極Ｘ線管装置を説明する。

図１を参照する。回転陽極Ｘ線管装置１は、内部が真空状態である外囲器２と、電子（熱電子または電子ビームともいう）を放出する陰極３と、陰極３から放出された電子を衝突させてＸ線を発生させるターゲット４ａを有する回転陽極４とを備えている。

外囲器２は、例えば硬質ガラスで構成される。外囲器２の一端には、陽極３が配置され、外囲器２の他端には、ターゲット４ａの外周部が後述するフィラメント２１および収束電極２３と対向するように、回転陽極４が配置される。ターゲット４ａは、傘状に形成され、例えばタングステンで構成される。ターゲット４ａは、外囲器２の外部に配置されたモータコイル等のステータ５の回転磁界によって高速回転するようになっている。

外囲器２等は、管容器７によって保持および収容されている。外囲器２等と管容器７との間には、絶縁油が充填されている。管容器７には、発生したＸ線を透過させるＸ線照射窓（図示しない）が設けられている。

また、回転陽極Ｘ線管装置１は、Ｘ線発生に必要な管電圧・管電流を供給する高電圧発生部９と、ステータ５および高電圧発生部９等の各構成を統括的に制御する制御部１１と、制御部１１と連絡して回転陽極Ｘ線管装置１を操作する操作部１３とを備えている。制御部１１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などで構成される。制御部１１は、ステータ５を制御してターゲット４ａの回転させたり、高電圧発生部９を制御して予め設定された管電圧および管電流を供給したりする。操作部１３は、スイッチやタッチパネル入力部等で構成される。

次に、本発明の特徴部分である陰極３の具体的な構成を説明する。図２は、図１のＡ方向から見た陰極３の平面図である。図３は、図２に示す陰極３のフィラメントの固定部分を示す縦断面図である。

陰極３は、通電されて加熱して電子を放出するコイル状のフィラメント２１と、フィラメント２１から放出された電子を収束させる電極溝２３ａを有する収束電極２３とを備えている。陰極３は、図２および図３に示すように、２つのフィラメント２１を備えている。一方のフィラメント２１ａは、小さい焦点を形成させるためのものであり、他方のフィラメント２１ｂは、多くの電流を流すためのものであり、フィラメント２１ａよりも大きい焦点が形成される。なお、フィラメント２１ａ，２１ｂを区別しない場合は、フィラメント２１として説明する。また、フィラメント２１は、２つに限定されず、１つで構成されていてもよいし、３つ以上で構成されていてもよい。

フィラメント２１は、収束電極２３内の電極溝２３ａに設けられており、フィラメント２１は、例えばタングステンで構成されている。なお、図２および図３等において、フィラメント２１は矩形で示されている。この点、フィラメント２１は、長手方向に沿ってコイル状に導線が巻かれて形成され、フィラメント２１の両端には、コイル状に巻かれた導線を延長した足部２２ａ，２２ｂが形成されている。

フィラメント２１の両端の足部２２ａ，２２ｂは、各々、後述する金属部品２７を介在させて固定棒２５により支持されている。固定棒２５は、導電性であり、例えばモリブデンで構成されている。固定棒２５は、図３に示すように、紙面横方向および紙面奥行き方向に収束電極２３内の予め設定された位置に固定されている。また、フィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂを各々支持する固定棒２５（図４（ａ）参照）のうち、例えば、足部２２ａを支持する固定棒２５は、セラミック等の絶縁体を介在させて収束電極２３と絶縁されている。一方、足部２２ｂを支持する固定棒２５は、収束電極２３と導通している。なお、固定棒２５は、本発明の固定部に相当する。

次に、金属部品２７について説明する。図４（ａ）は、図３のＢ方向から見たフィラメントの固定部分を示す側面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）を上から見た平面図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）中の枠Ｅを拡大した図である。

金属部品２７は、フィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂと固定棒２５との接続部分に介在して設けられるものである。金属部品２７は、例えばタングステン、モリブデンおよびこれらのいずれかを主成分とする合金のいずれかで構成されている。すなわち、金属部品２７は、高融点金属で構成されている。そのため、フィラメント２１の加熱で溶融することを抑えることができる。また、金属部品２７は、足部２２ａ，２２ｂと固定棒２５との間で電流を流すため導通するようになっており、金属部品２７を通じて予め設定された電流を供給することができる。なお、金属部品２７は本発明の熱変形部に相当する。

金属部品２７とフィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂは、溶接やろう付け等で接合されている。また、金属部品２７と固定棒２５は、固定棒２５の分岐した先端部分で金属部品２７を挟み込んで固定するかしめ（図５中の矢印Ｈ）や、溶接により接合されている。なお、図５は、フィラメント２１を図３の方向から見た図である。

金属部品２７は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、コイル状のフィラメント２１の軸方向（長手方向）Ｌでかつ、そのフィラメント２１の外側方向Ｍに、フィラメントの熱で変形するようになっている。すなわち、金属部品２７は、線状のもので構成され、金属部品２７は、固定棒２５との接合部分Ｑを基準にフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに向くように形成された部分Ｆを備えている（図４（ｃ）の太枠参照）。これにより、金属部品２７は、フィラメント２１の熱で、固定棒２５との接合部分Ｑを基準に熱膨張して、フィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに変形する。また、金属部品２５を固定棒２５の幅（径）Ｇに収まるように形成できる等、金属部品２７をコンパクトに形成することができる。

また、金属部品２７の接合部分Ｐ，Ｑについて説明する。金属部品２７は、フィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂとの接合部分Ｐが、固定棒２５との接合部分Ｑに対して、フィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに移動するように、フィラメント２１の熱で変形する。それを実現させるため、金属部品２７は、フィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂとの接合部分Ｐが、固定棒２５の接合部分Ｑよりもフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに位置するようになっている。これにより、固定棒２５との接合部分Ｑを基準にフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに変形する。

金属部品２７の変形量は、所望のＸ線量を得るために流す電流量による加熱で、フィラメント２１が座屈してフィラメント２１と収束電極２３とが短絡を起こさない程度に設定する。また、変形量は、フィラメント２１を引っ張るように設定してもよい。

次に、回転陽極Ｘ線管装置１の動作について説明する。所望のＸ線量を得るためにフィラメント２１に通電して加熱させて、フィラメント２１から電子を放出する。フィラメント２１から放出された電子は、収束電極２３の電極溝２３ａにより収束される。これにより、陰極３から収束された電子が放出される。この状態で、ステータ５の回転磁界により回転陽極４のターゲット４を高速回転させる。ターゲット４ａを高速回転させた後、高電圧発生部９により陰極３と、回転陽極４のターゲット４ａとの間に管電圧を印加させる。電子は、電極溝２３ａの形状で設定される電界により加速および収束されてターゲット４ａに焦点を形成しつつ衝突し、電子が衝突した焦点からＸ線が発生される。

ここで、フィラメント２１に電流が流されるとフィラメント２１が発熱する。この熱でフィラメント２１は、コイル状のフィラメント２１の軸方向Ｌに熱膨張する。また、フィラメント２１の熱は、足部２２ａ，２２ｂを経由して金属部品２７に伝わり、金属部品２７の温度を上昇させる。温度が上昇した金属部品２７は、コイル状のフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ、フィラメント２１の外側方向Ｍに変形する。すなわち、フィラメント２１が熱膨張する軸方向Ｌに沿って金属部品２７も変形する。つまり、金属部品２７の変形により、フィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂと金属部品２７の接合部分Ｐが軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに移動する。これにより、フィラメント２１の熱膨張を吸収することができる。

図８（ａ）に示す従来構成では、フィラメント１２１が熱膨張した際に、フィラメント１２１の足部１２２ａ，１２２ｂが直接、固定棒１２５によって所定の位置に固定されるので、フィラメント１２１の熱膨張が妨げられる（図８（ｂ）参照）。これにより、フィラメント１２１には、妨げられた変形量に対応して応力が生じて座屈する。そのため、フィラメント１２１が弓状に曲がり、フィラメント１２１と収束電極１２３とが短絡していた（図７（ｂ）参照）。

しかしながら、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す、金属部品２７がフィラメント２１の熱膨張を吸収するので、フィラメント２１の熱膨張により生じていた応力が緩和され、フィラメント２１が座屈して弓状に曲がることが抑えられるので、フィラメント２１と収束電極２３の電極溝２３ａとが短絡することを防止することができる。

本実施例によれば、フィラメント２１と固定棒２５との接続部分には、金属部品２７が介在されている。Ｘ線発生時にフィラメント２１は通電され加熱するが、この熱は金属部品２７に伝達される。伝達された熱により加熱された金属部品２７は、コイル状のフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ、フィラメント２１の外側方向Ｍに変形する。すなわち、フィラメント２１が熱膨張する軸方向Ｌに沿って金属部品２７も変形する。これにより、フィラメント２１の熱膨張を吸収することができる。そのため、フィラメント２１の熱膨張により生じていた応力が緩和され、フィラメント２１が座屈して弓状に変形することが抑えられるので、フィラメント２１と収束電極２３とが短絡することを防止することができる。

また、多くのＸ線量を必要とする術式では、多くの管電流を使用とするので、フィラメント２１に流す電流が多くなり、フィラメント２１の発熱量および熱膨張量も大きくなる。これに伴い、金属部品２７の温度も上昇し、変形量も大きくなる。すなわち、フィラメント２１の熱膨張に応じて、金属部品２７の変形量も大きくなる。そのため、フィラメント２１の座屈防止効果が高くなる。

また、金属部品２７は、線状のもので構成されると共に、金属部品２７は、固定棒２５との接合部分Ｑを基準にフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに向けて形成された部分Ｆを備えている。これにより、金属部品２７は、固定棒２５との接合部分Ｑを基準にフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに変形することができる。また、フィラメント２１周辺の電極溝２３ａは、静電レンズを形成するために厳しい寸法精度で設計されている。金属部品２７は、固定棒２５の幅に収まるように形成すれば、コンパクトな形状に形成することができ、従来の陰極３の構造に与える影響を抑えたものを得ることができる。

また、金属部品２７は、足部２２ａ，２２ｂとの接合部分Ｐが固定棒２５との接合部分Ｑよりもフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに位置するように構成されている。これにより、金属部品２７の変形により、収束電極２３内の予め設定された位置に固定された固定棒２５との接合部分Ｑを基準にフィラメント２１の軸方向Ｌでかつ外側方向Ｍに、足部２２ａ，２２ｂとの接合部分Ｐを移動させることができる。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、金属部品２７は、フィラメント２１の両端の足部２２ａ，２２ｂに各々設けられていたが、必要に応じて、例えば、図６に示すように、フィラメント２１の両端の足部２２ａ，２２ｂのいずれか一方に金属部品２７が設けられてもよい。

（２）上述した実施例および変形例（１）では、図３において、金属部品２７は、フィラメント２１ｂのみに設けられているが、金属部品２７をフィラメント２１ａに設けてもよい。

（３）上述した実施例および各変形例では、金属部品２７の形状は、線状に限定されない。例えば、図４（ａ）の紙面奥行き方向に厚みを持たせて、板状に構成してもよい。

（４）上述した実施例および各変形例において、例えばフィラメント２１がタングステンで構成され、金属部品２７もタングステンで構成される等、フィラメント２１と金属部品２７が同じ材料で構成される場合は、溶接やろう付け等の接合をせずに形成したものであってもよい。すなわち、フィラメント２１の足部２２ａ，２２ｂを折り曲げて、図４のような金属部品２７の形状に形成したものであってもよい。その折り曲げて形成した部分が本発明における熱変形部に相当する。

（５）上述した実施例および各変形例では、回転陽極４を用いていたが、必要に応じて、回転しない固定陽極であってもよい。

１ … 回転陽極Ｘ線管装置
２ … 外囲器
３ … 陰極
４ … 回転陽極
４ａ … ターゲット
２１（２１ａ，２１ｂ） … フィラメント
２２ａ，２２ｂ … 足部
２３ … 収束電極
２５ … 固定棒
２７ … 金属部品
Ｌ … コイル状のフィラメントの軸方向（長手方向）
Ｍ … 外側方向
Ｐ … フィラメントの足部と金属部品との接合部分
Ｑ … 金属部品と固定棒の接合部分

Claims (5)

1. 電子を放出するコイル状のフィラメントと、
   前記フィラメントから放出された電子を収束させる収束電極と、
   前記フィラメントの両端の足部を各々支持すると共に、前記収束電極内の予め設定された位置に固定される固定部と、
   前記足部と前記固定部との接続部分に介在して設けられ、前記フィラメントの軸方向でかつ、前記フィラメントの外側方向に、前記フィラメントの熱で変形する熱変形部と、
   を備えていることを特徴とするＸ線管装置。
2. 請求項１に記載のＸ線管装置において、
   前記熱変形部は、線状のもので構成されると共に、
   前記熱変形部は、前記固定部との接合部分を基準に前記フィラメントの軸方向でかつ外側方向に向けて形成された部分を備えていることを特徴とするＸ線管装置。
3. 請求項１または２に記載のＸ線管装置において、
   前記熱変形部は、前記足部との接合部分が前記固定部との接合部分よりもフィラメントの軸方向でかつ外側方向に位置することを特徴とするＸ線管装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のＸ線管装置において、
   前記熱変形部は、金属部品で構成されていることを特徴とするＸ線管装置。
5. 請求項４に記載のＸ線管装置において、
   前記金属部品は、タングステン、モリブデンおよびこれらのいずれかを主成分とする合金のいずれかで構成されていることを特徴とするＸ線管装置。

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