JP4231706B2 - X-ray tube apparatus and X-ray CT apparatus using the same - Google Patents

X-ray tube apparatus and X-ray CT apparatus using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線CT装置などに使用されるX線管装置に係り、特にX線管装置に収納される回転陽極X線管の回転陽極構造の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、X線CT装置の性能向上は著しく、画像処理技術などが特に進歩している。X線計測データを取り込むX線検出器に関しては、X線による気体の電離作用を応用したガスチャンバー方式のX線検出器に代り、受光感度の高い半導体を用いた固体X線検出器が使用され、X線CT装置の画質の向上に大きく貢献している。このような技術の進歩に対し、X線発生源であるX線管装置に関しては、次に述べるような問題がある。
【0003】
X線CT装置では、X線管装置から放射された厚さ1〜10mm程度の扇状のX線が被検体の検査部位を透過し、被検体によって減弱を受けた後に、X線検出器によって受光されて、X線検出器からX線減弱信号(X線計測データ)として出力され、このX線減弱信号が画像再構成処理されて、被検体の撮影部位の断層像が得られる。この過程で、従来のX線管装置ではX線源である焦点の移動が生じるため、上記の断層像上にアーチファクトが発生し、X線CT装置の画質向上の妨げとなっている。
【0004】
最近では、X線検出器として固体X線検出器が主流となっており、この固体X線検出器の高感度という性能を十分に発揮し、さらに最高の画質を提供するためには、X線管装置の焦点移動の問題を解決することが必要である。
【0005】
上記の焦点移動は、X線管軸方向に生じ、X線管の使用中に、その回転陽極に熱が蓄積して、回転陽極が熱膨張するために発生するものである。X線CT装置では、断層像の画像処理を行う際に、あらかじめ被検体を挿入せずにX線計測データを取り込み補正係数を決定するというキャリブレーション操作を行う。実際に断層像の撮影を開始すると、X線管装置ではX線曝射に伴いX線管の回転陽極のターゲットに熱が発生する。このX線曝射を繰り返すことにより、ターゲットに熱が蓄積し、ターゲットの温度は950〜1000℃まで上昇する。このターゲットの温度上昇により、回転陽極自体がX線管軸方向に熱膨張し、ターゲット上の焦点が移動することになる。
【0006】
現在のX線管装置では、この焦点移動量は200〜400μm程度である。これに対し、上記のキャリブレーション操作で決定した補正係数が許容できる焦点移動量の許容範囲は約100μm以内である。この許容範囲を越えて焦点位置が移動すると、断層像上にアーチファクトなどが発生し、画像劣化が起こる。
【0007】
次に、図10を用いて従来のX線管装置での焦点移動の具体的内容を説明する。図10は従来のX線管装置に内挿されている回転陽極X線管の構造とX線CT装置のコリメータとの関係を示した図である。図10において、回転陽極X線管1は、回転陽極2と、これに対向して配置された陰極3と、回転陽極2と陰極3を真空気密に封入する外囲器4とから成る。回転陽極X線管1の使用中には、回転陽極2と陰極3との間に高電圧が印加され、陰極2のフィラメントから放出された熱電子による電子流5が回転陽極2のターゲット6に衝突し、X線8を放射する。陰極3からの電子流5が衝突する部分が焦点7であり、X線8は焦点7をX線源として、外囲器4のX線放射窓9を通して外部に放射される。
【0008】
上記の回転陽極X線管1を内挿したX線管装置をX線CT装置に搭載して使用する場合、X線8はX線CT装置に取り付けられているコリメータ10のスリット11で必要な厚さの扇状のX線ビーム8に絞られる。X線管装置の使用開始時点ではX線曝射回数が少ないので、回転陽極2は殆んど熱膨張せず、ターゲット6は実線の位置にあり、X線ビーム8はX線検出器12のA点に放射される。しかし、X線曝射回数が増加すると、ターゲット6を含む回転陽極2の温度が上昇し、回転陽極2を構成する部材が熱膨張する。その結果、ターゲット6の位置は破線で示したターゲット6Aの位置まで移動し、それに伴い焦点7も、ターゲット6A上の焦点7Aの位置まで移動する。
【0009】
この焦点7Aの位置の移動により、コリメータ10のスリット11を通過するX線ビーム8も、X線ビーム8Aの位置に移動し、X線検出器12のB点に向けて放射される。X線ビーム8を検出するX線検出器12では、X線ビーム8の位置の移動量△L13、すなわちA点とB点の間隔を検出して、この移動量△L13から焦点移動量を検出する。また、この移動量△L13が許容範囲を越えると断層像の画像処理に悪影響を及ぼす。このため、この移動量△L13の許容値に対応して、焦点移動量の許容値が設定される。
【0010】
上記焦点移動の問題の対処技術の一例として、X線管装置全体を回転陽極X線管の管軸方向に移動する機構を付加したものがある。この技術では、X線CT装置のX線管装置支持台に、モータ駆動にてX線管軸方向に移動させることができる機構を設け、焦点移動量の計測結果に対応させて、焦点移動の方向とは逆の方向にX線管装置を移動させて、焦点移動量を補償するものである。また、上記対処技術の他の例として、焦点移動量の計測結果に対応させて、X線検出器をX線管軸方向に移動する技術も実用に供されている。
【0011】
しかし、これらの技術はX線管装置やX線検出器を機械的に数百μmの精度で移動することになるため、駆動機構が複雑になり、また支持部が大きくなる。その結果、X線CT装置のコスト上昇の要因となり、またX線CT装置の小型化に支障をきたしている。
【0012】
また、上記焦点移動の問題に対するX線検出器での対処技術として、放射線検出素子の配列を一部変更し、その変更部分をX線強度分布のリファレンス専用とし、その計測データをフィードバックさせて画像処理の補正を行うものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0013】
【特許文献1】
特開平11-290308号公報
【0014】
しかし、本技術の場合には、補正用のプログラムが増加し、画像処理の演算時間が増加すること、後者の場合には検出器に入射するX線量が削減されるため、画質低下を招く恐れがあり、効率も低くなることなどの問題がある。
また、検出器に照射するX線の幅を絞り、X線強度分布の一様な部分のみを使用するものがある(例えば、特許文献2参照)。
【0015】
【特許文献2】
特開平11-295430号公報
【0016】
しかし、本技術の場合の場合には、検出器自体の構造が複雑となり、コスト上昇の要因となるという問題がある。
また、上記焦点移動の問題に対するX線管装置自体での対処技術として、回転陽極X線管の回転陽極を構成する部品の中の一部の部品に、焦点の移動方向と逆方向に伸びる部分を付加すると共に、その部分の長さを増加して、焦点移動方向への伸び量をキャンセルする構造を採用しているものがある(例えば、特許文献3参照)。
【0017】
【特許文献3】
特開2000-40480号公報
【0018】
しかし、この回転陽極の構造では、X線管の構造上長さに制約が加わること、部品の構造が複雑で製造が困難になること、一体部品より剛性が低くなることなどの問題がある。
また、回転陽極の固定部を二重管構造とし、内筒部を高熱伝導率の金属材料、外筒部を高強度、低熱膨張率の金属材料によって構成することにより、焦点移動量の低減と回転陽極の強度向上を図っているものがある(例えば、特許文献4参照)。
【0019】
【特許文献4】
特開2000-340148号公報
【0020】
しかし、固定部の構造改良のみでは、回転陽極全体の焦点移動量の問題解決には不十分である。
更に、X線管装置内でX線管の回転陽極を支持する部材にヒーターを取り付けて加熱することにより、この部材を焦点移動方向とは逆の方向に熱膨張させて、焦点移動量をキャンセルする方法がとられているものがある(例えば、特許文献5参照)。
【0021】
【特許文献5】
特開平9-63522号公報
【0022】
しかし、ヒーター加熱操作の焦点移動量の変化に対する追従が難しく、別にコントローラー等を設ける必要があることでコストが増加するという問題がある。一方、最近のX線CT装置では、短時間で多くの断層像を得るために、500万ヒートユニット(HU:熱量の単位で、約0.71ジュール)以上の大熱容量のターゲットを持つX線管を内挿したX線管装置を搭載し、1断層像を0.5秒で撮影する(または1スキャンを0.5秒で行う)技術が開発されている。この技術では、X線管装置を搭載するスキャナが従来品に比べて約2倍以上の高速度で回転するため、X線管装置にかかる遠心力がスキャン速度の2乗に比例して増加すること、及びターゲットの熱容量の増加によりターゲットが大型化し、これを支持する部分に大きな荷重がかかることなどから、X線管の回転陽極の機械的強度の向上が必要となっている。
【0023】
これに対応するために、X線管装置に内挿されるX線管自体の構造に関しては、強度向上及び焦点移動量の低減の必要性から、回転陽極のロータ及び断熱部(ロータと回転軸との接続部)を大径化して剛性を向上することやロータの材料としてモリブデンなどの高強度、低熱膨張率の金属材料を用いることなどが行われている。
【0024】
ここで、上記のロータと断熱部とは、回転陽極の回転バランスをとるために、一般に公差の小さい嵌合構造を採用している。この結果、低熱膨張率の材料を用いたロータに、比較的高い熱膨張率の材料を用いた断熱部を内挿するように嵌合させると、温度上昇とともに断熱部がロータによって締め付けられ、変形するという問題がある。これに対し、断熱部の肉厚を増加させたり、長さを短くすることで剛性を上げ、変形を防止することも可能である。しかし、このような方法では、断熱部の断熱効果が低下することや、断熱部での逆方向の熱伸び量が低下して焦点移動量を増加させてしまうことなどの問題がある。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した如く、X線CT装置に搭載されるX線管装置の焦点移動の問題及びターゲットの大容量化に伴う回転陽極への荷重の増加の問題については、種々の改善が行われているが、未だ不十分な状態にある。図11を用いて、従来のX線管装置における問題点について説明する。図11は、従来のX線管装置に内挿される回転陽極X線管の回転陽極の構造の一例を示したものである。図11において、回転陽極2は、円盤状のターゲット6と、ターゲット6を支持するロータ20と、ロータ20を支持する回転軸26と、ロータ20と回転軸26とを接続する断熱キャップ24と、回転軸26を回転自在に支持する2箇の軸受27と、軸受27を固定、支持する固定部28などから構成される。また、ロータ20はターゲット支持軸21とロータ肩部22と円筒部23とから成り、ロータ20の各部品は鋳造またはろう付けによって接続されている。これらの構成部品のうち、焦点移動に関与する部品はターゲット6と、ロータ20のターゲット支持軸21及びロータ肩部22と、断熱キャップ24と、回転軸26と、固定部28である。
【0026】
これらの部品は、回転陽極2の温度上昇時に熱膨張するが、ターゲット6とターゲット支持軸21とロータ肩部22と回転軸26と固定部28は焦点移動量を大きくする方向に熱膨張し、断熱キャップ24は焦点移動量を小さくする方向に熱膨張する。また、これらの部品の焦点移動に関係する部分の材質としては、ターゲット6とターゲット支持軸21にはモリブデンまたはモリブデン合金などの高耐熱性金属材料、ロータ肩部22や断熱部24にはステンレス鋼などの高強度金属材料、回転軸26には耐熱鋼などの高硬度かつ高強度の金属材料、固定部28には銅などの高熱伝導性金属材料がそれぞれ用いられている。
【0027】
上記の回転陽極2を用いた回転陽極X線管を内挿した従来のX線管装置において、ターゲット6の温度が約1,000℃に上昇したときの焦点移動量は約350μmである。X線管装置の中で、焦点移動に関与する部分としては、回転陽極X線管の回転陽極2と、X線管容器の陽極支持構造体(図示せず)とがあり、発明者たちの実験によれば、前者は焦点移動量を増大させる方向に熱膨張するが、後者は焦点移動量を減少させる方向に熱膨張する。実験例では、回転陽極2の熱伸び量が約480μmであり、陽極支持構造体の熱伸び量が回転陽極2の熱伸び方向とは逆方向に約130μmであるため、全体としては両者の差の約350μmが焦点移動量となっている。また、回転陽極2の熱膨張による伸びのうち約310μm(約65%)がロータ20の伸びで、最も大きい部分を占めている。
【0028】
ロータ20の熱伸び量を低減するためには、ロータ肩部22に熱膨張率の小さい材料を適用することが考えられる。例えば、モリブデンまたはモリブデン合金を材料として選択した場合、その熱膨張率は4.5×10−6(1/℃)であり、ステンレス鋼の13.6×10−6(1/℃)の約1/3となり、ロータ20の熱膨張による伸び量は大幅に低減することができる。
【0029】
更に、ロータ肩部22の材質を従来のステンレス鋼の代りにモリブデンまたはモリブデン合金とした場合、弾性係数が約1.5倍となり剛性が増加するため、X線CT装置に搭載して高速スキャンした時に加わる遠心力に耐えられ、回転陽極2のたわみ量を低減することができる。
【0030】
しかし、上記の如く、ロータ肩部22の材料としてモリブデンまたはモリブデン合金を適用すると、回転陽極2の温度上昇時に、内側に嵌合する断熱キャップ24がロータ肩部22より大きく熱膨張するため、断熱キャップ24に締付け応力が働いて変形し、回転陽極2の回転バランスが崩れるという問題が生じる。
【0031】
更に、断熱キャップ24は、ステンレス鋼製の数本の細いねじ25にて、ロータ肩部22と結合されているが、このねじ25はロータ肩部22の材料よりも熱膨張率が大きいため、その熱伸び量がロータ肩部22より大きくなり、温度上昇時にねじ25の緩みが生じるという問題もある。
【0032】
上記問題に対する対処技術として、後者のねじ25の緩みに関しては、ねじ25の長さを短くすることで、熱伸び量を小さくすることができる。例えば、ねじ25のロータ肩部22を固定する部分の長さを1mm程度とした場合、使用中の温度が約550℃程度になるため、熱伸び量は約5μmとなる。この伸び量以上にねじの弾性変形を用いて締付ける場合、ねじ25にはおよそ980MPa(100kg/mm2)の応力が加わることになり、ステンレス鋼製のねじは降伏点を超え、塑性変形を起こしてしまい、締付け力が低下し、結果的にねじの緩みが生じてしまう。
【0033】
また、前者の断熱キャップ24の締付けの問題に関しては、変形を防止するために、断熱キャップ24の薄肉円筒部の肉厚を厚くするとともに、X線管軸方向の長さを短くして、剛性を上げることが考えられる。しかし、この方法では、断熱キャップ24の本来の目的である軸受27の潤滑剤の保護のために軸受27への熱の流れを減少させるという効果を低減させてしまうことになり、適正な構造とは言えない。
【0034】
以上に鑑み、本発明では、X線管の回転陽極の構造を改良し、焦点移動量を大幅に低減し、かつX線CT装置の0.5秒スキャン時の遠心力に耐え得るような機械的強度を有するX線管装置及びそれを用いたX線CT装置を提供することを目的とする。
【0035】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のX線管装置は、円盤状のターゲットと、ターゲットを支持するロータと、ロータを支持する回転軸と、回転軸を回転自在に支持する軸受と、軸受を支持する固定部とを有する回転陽極と、電子流を放出してターゲット上にX線源となる焦点を形成する陰極と、回転陽極と陰極とを絶縁支持し真空気密に封入する外囲器とを具備する回転陽極X線管を、防X線・防電撃構造のX線管容器内に絶縁支持して収納するX線管装置において、前記ロータはターゲットを支持し、高耐熱性で機械的強度が大きい金属材料から成るターゲット支持部と、該ターゲット支持部に一端において接合され、他端において前記回転軸に支持され、機械的強度の大きい金属材料から成る断熱部と、該断熱部のターゲット支持部との接合部とほぼ同じ外径の円筒形状をしており、該断熱部に接続され、導電率の大きい金属材料から成る円筒部とから構成され、前記ターゲット支持部はターゲットを支持する細径部と、前記断熱部に接合される大径部を有し、該大径部側に前記断熱部の大部分を収容する円形穴を備えており、前記断熱部はターゲット支持部の大径部に接合されるフランジ部と、前記ターゲット支持部からの伝熱を減少させるための薄肉円筒部と、該薄肉円筒部の底を形成し前記回転軸と結合される平面部を有し、前記ターゲット支持部と前記断熱部との接合部では、両者が互いに噛み合う円環状の突起(以下、円環歯部という)を一方が2個以上、他方が1個以上持ち、一方の2個の円環歯部の間に他方の1個の円環歯部が嵌合した状態でろう付けされている(請求項1)。
【0036】
この構成では、X線管装置に内挿される回転陽極X線管の回転陽極を構成するロータのターゲット支持部と断熱部との接合部に、互いに噛み合う円環歯部を設け、ターゲット支持部と断熱部を高強度金属材料で構成し、両者の円環歯部を嵌合してろう付けしているので、両者の接合部の剛性が向上し、X線CT装置への搭載時に加わる遠心力などによって生じる回転陽極のたわみを大幅に低減することができる。
【0037】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータの前記ターゲット支持部は機械的強度が大きく熱膨張率の小さい金属材料から成り、前記断熱部は熱伝導率が小さく熱膨張率の大きい金属材料から成る(請求項2)。
【0038】
この構成では、X線管装置に内挿される回転陽極X線管の回転陽極を構成するロータのターゲット支持部が従来のロータ肩部を含む一体構造となり、熱膨張率の小さい金属材料で構成しているので、ロータの熱伸び量が大幅に低減され、焦点移動量が大幅に低減される。
【0039】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、前記ロータはターゲット支持部の円環歯部の外周面と断熱部の円環歯部の内周面との嵌合部と、ターゲット支持部の円環歯部の内周面と断熱部の円環歯部の外周面との嵌合部を少なくとも1個ずつ有し、前者の嵌合部では室温時に両周面がほぼ接触しており、後者の嵌合部ではろう付け温度にて両周面がほぼ接触するように形成されている。
【0040】
この構成では、ロータのターゲット支持部の円環歯部と断熱部の円環歯部とが室温時には前者の外周面と後者の内周面がほぼ接触し、ろう付け時には前者の内周面と後者の外周面がほぼ接触することで、中心軸方向に高精度で嵌合しているため、X線管装置の使用中の全温度領域にわたってロータの軸心を高精度で出すことができるので、回転陽極の回転バランスを向上することができる。
【0041】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部の円環歯部と断熱部の円環歯部はそれぞれ2個ずつ形成されている。この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部が両者の2個ずつの円環歯部の噛み合わせ構造となっているので、両者の接合部の強度及び剛性を向上させるとともに、ロータの軸心を高精度に出すことができる。
【0042】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部と断熱部の円環歯部は、その中心軸に平行な部分の長さ寸法がその半径方向の幅寸法より大きくなるように形成されている。
【0043】
この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、両者の円環歯部の長さ寸法が幅寸法より大きくしているので、両者の円環歯部の噛み合い嵌合構造が強固で確実なものとなり、ロータの強度と剛性並びに軸心の精度を向上することができる。
【0044】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部の外側に配置された円環歯部の長さが内側に配置された円環歯部よりも長く形成されている。この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、高耐熱性で高強度の材料から成るターゲット支持部の外側の円環歯部が断熱部に、より深く入るように嵌合しているので、温度上昇時の熱応力などによって発生する両者の接合部における半径方向への変形を抑制することができる。
【0045】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータの断熱部の内側に配置した円環歯部の長さが外側に配置した円環歯部よりも長く形成されている。この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、断熱部の内側の円環歯部がターゲット支持部に、より深く入るように嵌合しているので、両者の接合部における半径方向への変形を抑制することができる。
【0046】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータの断熱部の内側に配置した円環歯部の半径方向の幅が外側に配置された円環歯部よりも厚く形成されている。この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、高温にてより強度の低い材料から成る断熱部の内側の円環歯部の幅を厚くして補強した上で、両者の円環歯部を嵌合させているので、両者の接合部の剛性を高めることができ、当該接合部の変形を抑制することができる。
【0047】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、両者の円環歯部が互いに嵌合する中心軸方向の隙間を半径方向の隙間よりも広くし、中心軸方向の隙間に充填されるろう材の厚さを半径方向の隙間を充填するろう材の厚さより厚くしている。
【0048】
この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、両者の円環歯部が嵌合する中心軸方向の隙間に充填されるろう材の厚さを厚くしているので、ろう材が比較的延性が高いことに起因して、両者の接合部の半径方向の応力を緩和することができる。
【0049】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部と断熱部の円環歯部のうち少なくとも1個の円環歯部の先端を応力緩和のために面取り加工している。この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部との接合部において、両者の円環歯部の先端の角部を面取り加工しているので、円環歯部の先端周辺の応力集中が緩和され、両者の接合面の剥れが防止される。
【0050】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部の円環歯部と断熱部の円環歯部はそれぞれ3個以上ずつ形成されている。この構成では、ロータのターゲット支持部と断熱部の円環歯部の個数を増加させているので、ロータの機械的強度を向上させることができるとともに、ろう付け面積の増加によりターゲット支持部と断熱部との接合強度を向上させることができる。
【0051】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータの断熱部の内側に配置された円環歯部の中心軸方向の長さを外側に配置した円環歯部よりも短く形成したものである。この構成では、ロータの断熱部の内側の円環歯部の長さを短くしているため、ターゲット支持部と断熱部との接合部全体の強度及び剛性は若干低くなるが、ターゲット支持部と断熱部の円環歯部の加工性が向上し、コスト低減に寄与する。
【0052】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部の円環歯部は、外側歯部と内側歯部を持ち、断熱部の円環歯部は外側歯部と内側歯部を持ち、互いの嵌合は、内側よりターゲット支持部の内側歯部、断熱部の内側歯部、ターゲット支持部の外側歯部、断熱部の外側歯部の順に噛み合う構造になっている場合において、ターゲット支持部の内側歯部と断熱部の内側歯部の接触面、あるいは断熱部の内側歯部とターゲット支持部の外側歯部の接触面が回転陽極の中心軸方向に対してテーパーを持たせている。すなわち、ターゲット支持部と断熱部の接合部が、断面がZ字状で円環状に噛み合う嵌合構造となっている。この構成では、嵌合構造の各部に付加される応力を低減できるので、疲労破壊を防止することができる。
【0053】
本発明のX線管装置では、更に、前記ロータのターゲット支持部はモリブデンまたはモリブデン合金から成り、断熱部はステンレス鋼から成る。この構成では、ロータのターゲット支持部の材料がモリブデンまたはモリブデン合金であるので、ロータの熱伸び量を大幅に低減することができる。また、断熱部の材料をステンレス鋼としたことにより、ターゲット支持部の高耐熱性高強度材料と協調して、両者の接合部の強度は向上し、ロータ全体の機械的強度及び剛性を向上することができる。
【0054】
本発明のX線管装置では、更に、前記固定部が軸受を支持する内筒部と、内筒部の外周を被う外筒部とから構成され、内筒部は熱伝導率の大きい金属材料から成り、外筒部は機械的強度が大きく、熱膨張率の小さい金属材料から成る(請求項3)。また、外筒部は固定部の長さのうち少なくとも内筒部の軸受を支持している範囲を被っている。
【0055】
この構成では、X線管装置に内挿される回転陽極X線管の回転陽極を構成する固定部を二重円筒構造とし、外筒部に機械的強度が大きく、熱膨張率の小さい金属材料を用いているので、内筒部の軸受を支持している範囲など、固定部の長さのうちの大部分を占める外筒部に被われた範囲は熱伸び量が大幅に低減されるため、X線管装置の焦点移動量が大幅に低減される。また、内筒部には、熱伝導率の大きい金属材料を用いているので、使用中の固定部の温度上昇が抑制され、それに伴い内筒部に支持される軸受の温度上昇も抑制され、軸受の長寿命が確保される。
【0056】
本発明のX線管装置では、更に、前記固定部の内筒部は銅から成り、外筒部はモリブデンまたはモリブデン合金から成る。この構成では、固定部の外筒部が機械的強度が大きく、熱膨張率の小さいモリブデンまたはモリブデン合金で構成され、内筒部が熱伝導率の大きい銅で構成されているので、本発明の目的であるX線管装置の焦点移動量の大幅な低減とともに、軸受の長寿命の確保も達成することができる。
【0057】
本発明のX線CT装置は、上記の本発明のX線管装置とX線検出器とを被検体が挿入される開口部を挟んで対向配置して搭載した走査ガントリと、前記X線管装置に高電圧負荷を印加するX線コントローラと、寝載した被検体を前記開口部に挿入する撮影テーブルと、前記走査ガントリ、前記X線コントローラ及び前記撮影テーブルを制御し、前記X線検出器で収集したX線計測データに基づいて被検体の断層画像を再構成する操作コンソールとを具備する(請求項4)。
【0058】
この構成では、X線CT装置に搭載されるX線管装置として、本発明のX線管装置を用いているので、X線管装置の焦点移動量の大幅な低減並びに回転陽極の機械的強度及び剛性の向上が図られて、焦点移動によるアーチファクトのない高画質の断層画像が得られ、0.5秒スキャンなどの高速スキャンの可能なX線CT装置を実現できる。
【0059】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面の符号については、従来品とほぼ同じ機能及びほぼ同じ構造を持つものには同じ符号を用いることにした。
【0060】
本発明に係るX線管装置の第1の実施例について図1,図2を用いて説明する。本発明では、従来例と比べ、X線管装置に内挿される回転陽極X線管の回転陽極の構造が異なるので、以下の説明では回転陽極の構造について重点的に説明する。図1は本発明に係るX線管装置の第1の実施例に内挿される回転陽極X線管の全体構造図,図2は図1の回転陽極の構造の拡大断面図である。
【0061】
図1において、本実施例の回転陽極X線管40は、ターゲット6を有する回転陽極41と、電子ビームを放出してターゲット6上にX線源となる焦点を形成する陰極3と、回転陽極41と陰極3とを絶縁支持し、真空気密に封入する外囲器4とを具備する。回転陽極41の構造は本発明の要部となるので、図2を用いて後で詳細に説明する。陰極3と外囲器4は従来例と同様な構造をしている。
【0062】
図1において、陰極3は、熱電子を放出するフィラメントを支持するとともにフィラメントから放出された熱電子を集束する集束電極3Aと、集束電極3Aを支持するホルダー3Bと、ホルダー3Bを絶縁支持し、外囲器4に結合されるステム3Cなどから構成される。フィラメントは図示されていないが、通常タングステンの細線をコイル状に巻いたものが用いられ、これに通電して加熱することによって熱電子が放出される。集束電極3Aは半円形また長方形状の集束溝を備え、その集束溝にフィラメントが設置され、集束溝の部分に形成される電界によってフィラメントからの熱電子が集束されて、電子ビーム5となり、ターゲット6に衝突して焦点7を形成する。集束電極3Aやホルダー3Bは鉄やステンレス鋼などの金属材料から成る。ステム3Cは大部分が耐熱性ガラスやセラミックなどの絶縁材料から成り、中央部に給電用のリードが真空気密に埋め込まれている。このリードを介してフィラメント及び集束電極(陰極電位)への給電が行われる。
【0063】
外囲器4は、ステンレス鋼や銅などの金属材料から成る胴体部4Aと、回転陽極41の端部と結合されて、これを絶縁支持する陽極筒状部4Bと、陰極3のステム3Cと結合されて、これを絶縁支持する陰極筒状部4Cなどから構成される。陽極筒状部4Bと陰極筒状部4Cは、耐熱性ガラスやセラミックなどの絶縁材料から成る。胴体部4Aの中央外周部のターゲット6の焦点7の位置に近い部分にX線放射窓12が取り付けられている。X線放射窓12はベリリウムなどのX線透過性の良い材料から成り、胴体部4Aにろう付けや溶接により結合されている。焦点7で発生したX線はX線放射窓12から外部に取り出される。
【0064】
次に、図2を用いて、本実施例の要部となる回転陽極41の構造について説明する。図2において、図2(a)は、図1の回転陽極41の拡大断面図、図2(b)は図2(a)の丸A部の拡大図である。図2(a)において、本実施例の回転陽極41は、円盤状のターゲット6と、ターゲット6をナット19で固定して支持するロータ44と、ロータ44を支持する回転軸26と、回転軸26を回転自在に支持する軸受27と、軸受27を支持する固定部28とから構成される。本実施例の特長はロータ44の構造にあり、図9の従来品におけるロータ20と断熱キャップ48とが一体化された構造となっている。
【0065】
本実施例のロータ44は、ターゲット支持軸46と、断熱キャップ48と、円筒部23とから構成される。ターゲット支持軸46は従来品のターゲット支持軸21とロータ肩部22を一体化させており、断熱キャップ48は従来品の断熱キャップ24とほぼ同じ機能を持たせている。円筒部23は従来品のものと同じであるが、本実施例では、断熱キャップ48のフランジ部に結合されている。
【0066】
ターゲット支持軸46は、従来のターゲット支持軸とロータ肩部とを一体化した構造であるため、一端のターゲット6を支持する部分46Aは細い外径(以下、小径部という)としてターゲット6からの熱伝導を抑制し、他端の断熱キャップ48と接合する部分46Bは円筒部23とほぼ同じの太い外径(以下、大径部という)とし、断熱キャップ48や円筒部23との接続を容易にしている。ターゲット支持軸46の大径部46Bは従来のロータ肩部に相当し、その大径部46Bには断熱キャップ48の大部分を収容する円形の穴46Cが設けられている。
【0067】
断熱キャップ48はターゲット支持軸46の大径部46Bと接合されるフランジ部48Aと、このフランジ部48Aに接続された薄肉円筒部48Bと、この薄肉円筒部48Bに接続され回転軸26と締結される底面部48Cとから構成される。フランジ部48Aの構造を除いて、従来品とほぼ同じ構造を持ち、薄肉円筒部48Bは断熱を目的として薄肉の円筒状に加工されるとともに、フランジ部48Aからターゲット6側へ延在している。底面部48Cは薄肉円筒部48Bの底面を形成し、平面状に加工されており、その平面の部分で回転軸26とねじなどで締結される。また、薄肉円筒部48Bと底面部48Cはターゲット支持軸46の大径部46Bの穴46Cの中に収容されている。
【0068】
ターゲット支持軸46は、熱膨張率が小さく、高耐熱性で機械的強度の大きい金属材料、例えばモリブデンまたはモリブデン合金から成る。断熱キャップ48は熱膨張率が比較的大きく、機械的強度の大きい金属材料、例えばステンレス鋼から成る。ターゲット支持軸46の大径部46Bと断熱キャップ48のフランジ部48Aとの結合部は図2に示すような断面の嵌合構造を持っている。すなわち、両者とも2層ずつの円環状の突起(以下、円環歯部と呼ぶ)を持ち、それぞれの円環歯部が噛み合う形で嵌合している。
【0069】
図2(b)において、ターゲット支持軸46は2層のほぼ同じ長さの円環歯部47、すなわち外側円環歯部47Aと内側円環歯部47Bを持ち、断熱キャップ48も2層のほぼ同じ長さの円環歯部49、すなわち外側円環歯部49Aと内側円環歯部49Bを持ち、ターゲット支持軸46の2層の円環歯部47A,47Bの間に断熱キャップ48の内側円環歯部49Bが嵌合し、断熱キャップ48の2層の円環歯部49A,49Bの間にターゲット支持軸46の外側円環歯部47Aが嵌合する構造をとっている。それぞれの円環歯部47A,47B,49A,49Bの断面は、回転陽極41の中心軸方向を長辺とする長方形となっている。すなわち、円環歯部の中心軸方向の長さは半径方向の幅より大きくなっている。また、円環歯部の半径方向の幅方法は通常ほぼ同じ寸法で作られるが、異なる寸法で作ってもよいことは言うまでもない。
【0070】
ターゲット支持軸46と断熱キャップ48との接合は、両者の円環歯部47,49を嵌合させた状態で、例えば融点1,083℃の銅50を用いて、ろう付けによって行われる。ろう付け前の円環歯部47,49の半径方向の嵌合寸法としては、ターゲット支持部46の外側円環歯部47Aの外周と断熱キャップ48の外側円環歯部49Aの内周との間、及びターゲット支持部46の内側円環歯部47Bの外周と断熱キャップ48の内側円環歯部47Bの内周との間の隙間を殆んどなくし、両者がほぼ接触するようにする。このようにすることによって、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48の軸心を高精度で出すことができる。上記では、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48の円環歯部の高精度嵌合を外側円環歯部同士と内側円環歯部同士の2個所で行うようにしているが、この高精度嵌合は、必ずも2箇所で行う必要はなく、外側円環歯部同士または内側円環歯部同士の一方のみでもよい。
【0071】
また、ターゲット支持部46の外側円環歯部47Aの内周と断熱キャップ48の内側円環歯部49Bの外周との間の隙間は、室温ではゆるい嵌合とし、ろう材(銅)50の融点では両者がほぼ接触するように、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48の熱膨張率の差を考慮して設定している。このような嵌合構造にすることにより、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48は、嵌合組立時とろう付け温度時の両時点で、同心円筒の接触面を持つため、ろう付けによる回転軸心のずれをほぼ完全になくすことができる。
【0072】
上記において、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48の円環歯部47,49の数をそれぞれ2層ずつとして説明してきたが、本発明の円環歯部47,49の噛み合わせ嵌合構造は、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48のうちの一方が2層の円環歯部を持ち、他方が1層の円環歯部を持つことによって実現できるので、必ずしも両者ともに2層ずつの円環歯部を持つ必要はなく、最低限の必要条件は一方が2層の円環歯部を持ち、他方が1層の円環歯部を持つことである。
【0073】
また、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48の円環歯部47,49の嵌合組立時とろう付け温度の両時点での高精度嵌合に関しても、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48のうちの一方が2層の円環歯部を持ち、他方が1層の円環歯部を持つことによって実現することができる。しかし、両者が2層の円環歯部47,49を持った方が高精度嵌合安全性及び信頼性の面では向上するので、以下の説明においても、両者が2層ずつの円環歯部を持つ場合について例示する。
【0074】
本実施例の回転陽極41のロータ44のターゲット支持軸46と断熱キャップ48との嵌合構造は、回転陽極41の中心軸52に対し、垂直な面と平行な面を併せて持っているので、従来の平行な面のみの嵌合構造に比べて、両者の接合面積が増加し、更に両者の円環歯部が噛み合う嵌合形状を持っていることから、ろう付け時や使用時に部材間の大きな熱膨張差によって発生するあらゆる方向の引張または圧縮の熱応力に対しより強く耐えられる構造となっている。更に、ターゲット支持軸46と断熱キャップ48の接合部の剛性が向上することにより、X線管装置のX線CT装置への搭載時に加わる遠心力によって生じる回転陽極41のたわみを大幅に低減することができるという効果も得られる。
【0075】
また、上記のロータ44の構造では、ろう付け後室温まで冷却すると、断熱キャップ48がターゲット支持軸46を半径方向について等方的に締付ける構造であるため、従来品の如く断熱キャップの周上に不均一な変形が発生するのを防止することができる。
【0076】
また、図2において、断熱キャップ48は上記の如く断熱のため薄肉円筒部48Bを有し、ターゲット支持軸46自体の強度向上及びターゲット支持軸46と断熱キャップ48との接合部の強度向上により、ターゲット支持軸46の大径部46Bの長さを長くして、薄肉円筒部48Bを長くすることが可能となり、この部分における断熱効果を向上させることが可能となった。更に、本実施例では、断熱キャップ48の薄肉円筒部48Bの外周面54と、ターゲット支持軸46の内側円環歯部47Bの内側円筒面55との間には、接触防止のための隙間56を設けて、断熱効果の確保をはかっている。
【0077】
また、本実施例の回転陽極41では、上記の如く、ターゲット支持軸46の大径部46Bの長さを長くすることができるので、断熱キャップ48の薄肉円筒部48Bの長さを伸ばし、焦点移動と逆方向の熱伸び量を増加させ、焦点移動量を低減することができる。この場合、比較的薄肉の断熱キャップ48の薄肉円筒部48Bの長さが伸びると回転陽極41の剛性を低下させてしまうが、これに対しては薄肉円筒部48Bの肉厚を厚くすることで問題を回避することができる。また、このときの断熱キャップ48の断熱効果は、薄肉円筒部48Bの長さが伸びているため、肉厚の厚くしたマイナス分を相殺し、維持される。
【0078】
次に、図3を用いて、本発明に係るX線管装置の第2〜第7の実施例について説明する。図3は、本発明に係るX線管装置の第2〜第7の実施例の回転陽極の要部断面図を示したものである。最初に、図3(a)により、本発明のX線管装置の第2の実施例について説明する。図3(a)には、本実施例の要部であるロータのターゲット支持軸と断熱キャップとの接合部の断面図を示す。図3(a)において、本実施例の回転陽極のロータ60は、第1の実施例とほぼ同じ構造をしており、ターゲット支持軸62と断熱キャップ64との接合部は両者の円環歯部がそれぞれ噛み合う嵌合構造を持っている。本実施例では、ターゲット支持軸62の外側円環歯部63Aの中心軸方向の長さを内側円環歯部63Bの長さより長くし、この外側円環歯部63Aが断熱キャップ64の外側円環歯部65Aと内側円環歯部65Bの間に深く嵌合するようにしたものである。
【0079】
熱膨張差のある2つの部材を嵌合構造にてろう付けした場合、ろう付け部材の熱膨張差と温度の上昇、降下によって、方向、大きさの異なる複雑な熱応力が発生するが、本実施例では高耐熱性、高強度の材料から成るターゲット支持軸62の外側円環歯部63Aの長さを伸ばして、断熱キャップ64に深く嵌合する形状としているので、両者の接合部における半径方向への変形を抑えることができる。
【0080】
図3(b)には、本発明に係るX線管装置の第3の実施例の要部であるロータのターゲット支持軸と断熱キャップとの接合部の断面図を示す。図3(b)において、本実施例の回転陽極のロータ66のターゲット支持軸68と断熱キャップ70との接合部では、断熱キャップ70の内側円環歯部71Bの中心軸方向の長さを外側円環歯部71Aの長さより長くし、この内側円環歯部71Bがターゲット支持軸68の外側円環歯部69Aと内側円環歯部69Bの間に深く嵌合するようにしたものである。本実施例の場合も、断熱キャップ70の内側円環歯部71Bがターゲット支持軸68に深く嵌合する形状となっているので、両者の接合部における半径方向への変形を抑えることができる。
【0081】
図3(c)には、本発明に係るX線管装置の第4の実施例の要部であるロータのターゲット支持軸と断熱キャップとの接合部の断面図を示す。図3(c)において、本実施例の回転陽極のロータ72のターゲット支持軸74と断熱キャップ76との接合部では、断熱キャップ76の内側円環歯部77Bの半径方向幅を特別に広くし、両者の外側円環歯部75Aと77Aの半径方向幅を狭くして、嵌合させている。本実施例では、ターゲット支持軸74の材料(モリブデンなど)に比べて強度の低い材料(ステンレス鋼など)から成る断熱キャップ76の内側円環歯部76Bの幅を広くして剛性を高めることにより、両者の接合部の変形を抑えることができる。
【0082】
図3(d)には、本発明に係るX線管装置の第5の実施例の要部であるロータのターゲット支持軸と断熱キャップとの接合部の断面図を示す。図3(d)において、本実施例のロータ78のターゲット支持軸80と断熱キャップ82との接合部では、両者の嵌合構造は隙間以外については第4の実施例のものとほぼ同じになっている。すなわち、半径方向の嵌合構造は全く同じであり、中心軸方向においては、ろう材(銅)50の入る隙間を半径方向よりも少し広げた以外同じ構造となっている。
【0083】
本実施例では、図示の如く、ターゲット支持軸80の2層の円環歯部81A,81Bと断熱キャップ82の2層の円環歯部83A,83Bとを嵌合して、中心軸方向について両者の間にろう付けする際にろう材50の入る隙間84A〜84Dを少し広めに設定している。これらの少し広めの隙間84A〜84Dを設けてろう付けすることによって、これらの隙間84A〜84Dにろう材50が厚めに充填される。ろう材50には銅などの比較的延性の高い材料が用いられるため、その隙間84A〜84Dの厚さ分のろう材50が両者の接合面の半径方向の応力を緩和する効果をもたらす。図示の例では、隙間84A〜84Dの寸法はほぼ同じとしているが、一部の隙間について寸法を増減してもよいことは言うまでもない。
【0084】
図3(e)には、本発明に係るX線管装置の第6の実施例の要部であるロータのターゲット支持軸と断熱キャップとの接合部の断面図を示す。図3(e)において、本実施例のロータ86のターゲット支持軸88と断熱キャップ90との接合部では、ターゲット支持軸88の外側円環歯部89Aと断熱キャップ90の内側円環歯部91Bの先端92,93を半円形とし、それぞれの円環歯部89A,91Bの嵌合する円環状溝部の底についても半円形として、ろう付けしている。
【0085】
円環歯部の断面形状が長方形のものの場合、その先端の角部に応力が集中する。このため、本実施例の如く、円環歯部89A,91Bの先端92,93を半円形にし、丸めた形状にすることにより、円環歯部89A,91Bの先端92,93の角部の応力集中が緩和され、ターゲット支持軸88と断熱キャップ90の接合面の剥れを防止することができる。図示では、円環歯部89A,91Bの先端92,93全体を半円形としたが、それぞれの先端92,93の角部について半円形より小さいR面取りしたり、角面取りしても同様な効果が得られる。また、ターゲット支持軸88の円環歯部89Aの如く半径方向の幅が狭い場合には、それが嵌合する円環状溝部の底の半円形加工を省略しても同様な効果が得られる。
【0086】
図3(d)に示した第5の実施例及び図3(e)に示した第6の実施例では、円環歯部の半径方向の幅をそれぞれ図3(c)の第4の実施例のものと同じとしたが、これらの実施例の技術的内容は、第1〜第3の実施例などの、第4の実施例とは異なる構成のものにも適用可能である。
【0087】
図3(f)には、本発明に係るX線管装置の第7の実施例の要部であるロータのターゲット支持軸と断熱キャップとの接合部の断面図を示す。本実施例は図2の第1の実施例に対し円環歯部の数を増加させたものである。図3(f)において、ロータ94のターゲット支持軸96は4個の円環歯部97A〜97Dを持ち、断熱キャップ98も4個の円環歯部99A〜99Dを持ち、それぞれの円環歯部が交互に噛み合せられて、銅などのろう材50によってろう付けされている。
【0088】
図示の例では、円環歯部の個数をそれぞれ4個ずつとしたが、他の個数にしてもよいことは言うまでもない。円環歯部の個数はロータ94の大きさ(特に外径寸法)や部材の加工性によって制限を受けるが、この個数を可能な限り増加させることにより、ロータ94の機械的強度の向上を図ることができ、更にろう付け面積が増加することにより、ターゲット支持軸96と断熱キャップ98との接合強度の向上を図ることができる。この結果、X線管装置をX線CT装置に搭載して使用する際の安全性を向上させることができる。
【0089】
次に、図4を用いて本発明に係るX線管装置の第8の実施例について説明する。図4は、本発明に係るX線管装置の第8の実施例の回転陽極の構造の拡大断面図である。図4(a)には回転陽極全体の断面図を、図4(b)には図4(a)の丸A部の拡大図を示す。図4(a)において、本実施例の回転陽極100は、ロータ101を除いて、第1の実施例の回転陽極41と同じ構造をしている。図4(b)は本実施例の要部となるロータ101のターゲット支持軸102と断熱キャップ104との接合部の拡大断面図である。図4(b)において、本実施例のロータ101では、断熱キャップ104の内側円環歯部105Bの中心軸方向の長さを外側円環歯部105Aより短くし、ターゲット支持軸102の円環歯部103A,103Bと嵌合させて、ろう付けしている。
【0090】
本実施例の場合、断熱キャップ104の内側円環歯部105Bの長さを短くしているために、第1の実施例に比べ接合部全体の剛性が若干低くなるが、ターゲット支持軸102及び断熱キャップ104の円環歯部103A,103B,105A,105Bの加工性が向上する。このため、ロータ101の外径が細い場合や使用温度が低い場合など、ロータ101の接合部に発生する応力が比較的低い場合に有効である。
【0091】
次に、図5を用いて、本発明に係るX線管装置の第9の実施例について説明する。図5は、本発明に係るX線管装置の第9の実施例の回転陽極の構造の拡大断面図である。図5(a)には回転陽極全体の断面図を、図5(b)には図5(a)の丸A部の拡大図を示す。図5(a)において、本実施例の回転陽極200は、ロータ201を除いて、第1の実施例の回転陽極41と同じ構造をしている。図5(b)は本実施例の要部となるロータ201のターゲット支持軸202と断熱キャップ204との接合部の拡大断面図である。図5(b)において、ターゲット支持軸202の円環状歯は、外側歯203Aと内側歯203Bを持つ。一方、断熱キャップ204の円環状歯は外側歯205Aと内側歯205Bを持つ。互いの嵌合は、内側より内側歯203B、内側歯205B、外側歯203A、外側歯205Aの順に互いに噛み合う構造である。本構造において、ターゲット支持軸202の外側歯203Aと断熱キャップ204の内側歯205Bの接触面237は、回転陽極X線管の中心軸方向に対してテーパーを持たせる構造(テーパー面237)となっており、ターゲット支持軸202と断熱キャップ204の接合部は、断面がZ字状で円環状に噛み合う嵌合構造である。
【0092】
本実施例は、嵌合構造の各部に加わる応力を低減した構造となっている。その原理を図6を用い説明する。ただし、図6(a)は、半径方向面のみを突き合わせる構造を持つ場合、図6(b)は、断熱キャップ314Aに矩形でリング状の突起331、ロータ肩部318Aにリング状の溝332を設け、両者を嵌め合せてろう付けする場合(実施例8にほぼ同じ)、図6(c)は、本実施例である。
【0093】
図6(a)の半径方向面のみを突き合わせる構造では、例えばφ50程度のロータの場合、陽極X線管の使用時500℃〜600℃に加熱されるため、熱膨張差により40kg/mm2程度のせん断応力330がろう付け面に沿って発生する。このせん断応力330が陽極X線管の使用時と不使用時で負荷がかかかったり、負荷がかからなかったりして振幅することにより、疲労破壊を起こす問題がある。ろう付け部が破壊すると、ロータの軸心が曲り陽極のアンバランスを生み回転振動が大きくなる問題がある。
【0094】
上記のせん断応力330に対し、例えば、断熱キャップ314Aに矩形でリング状の突起331、ロータ肩部318Aにリング状の溝332を設け、両者を嵌め合せてろう付けする場合(図6(b)))が考えられる。本構造では、リングが回転軸に対して半径方向の熱膨張を押えるため、ろう付け半径方向に発生するせん断応力333を低減させることが可能である。ただし、リング状の突起331自体は温度変化による熱弾塑性変形が伴うためその部分の応力は大きくなる。そのため、応力解析の結果、リング状の突起331の上面のろう付け部334には面に垂直な40kg/mm2程度の引張応力335が全面に発生するため、疲労破壊を起こす問題がのこる。
【0095】
この問題に対し、本実施例の構造(図6c)ではろう付け部全体、特に上記リング上面の引張応力335を低減し疲労破壊を防止するものである。図5で説明したようにリング状の突起336がZ字形状で嵌合しろう付けされており、リング状の突起336自体の熱膨張と収縮はテーパー面337が互いに引っ掛ることによって押えられるため、リング上面の引張応力339は30kg/mm2程度に低減しその分布範囲も全面ではなく約1/5に減少する。これによってろう付け面全体の応力は低減され、疲労破壊を防止することが可能となる。本実施例は上記示したように円環状歯が、ターゲット支持軸側と断熱キャップ側で2個ずつの場合に限られず、第7の実施例で示したように他の個数の場合にも適用できることは言うまでもない。
【0096】
次に、以上説明した本発明に係るX線管装置の第1〜第9の実施例の回転陽極の熱伸び量の解析結果例について図7を用いて説明する。図7は、本発明の第1の実施例と従来例の回転陽極の熱伸び量の解析結果を比較したものである。図7(a)が本発明の第1の実施例の回転陽極についての計算例、図7(b)が従来例の回転陽極についての計算例である。本発明の第1〜第9の実施例の回転陽極では構造上熱伸び量はほぼ同等のレベルであるので、ここでは第1の実施例のものを代表例として示した。第1の実施例の回転陽極41では、ロータ44のターゲット支持軸46は従来例の回転陽極2のターゲット支持軸21とロータ肩部22を一体化したものとなっているが、従来例の回転陽極2との比較を解り易くするために、図7(a)の計算例では、ターゲット支持軸46を従来例のターゲット支持軸21に相当する部分とロータ肩部22に相当する部分とに分けて示した。
【0097】
図7において、従来例の回転陽極2の熱伸び量が約480μmであるのに対し、第1の実施例の回転陽極41の熱伸び量は約320μmであり、熱伸び量が約160μm低減されている。この低減効果は、ロータの構造の改良に起因して得られている。従って、本発明では、回転陽極の強度向上とともに、熱伸び量の低減が図られている。
【0098】
図7に示した回転陽極の熱伸び量の計算結果をX線管装置全体としての焦点移動量として評価する場合、X線管装置使用時のX線管容器内部での熱伸び量、特にX線管の陽極支持部の熱伸び量を考慮する必要がある。この熱伸び量は、従来の技術の欄でも記載した如く、焦点移動量を低減する方向に約130μmとなっている。これを考慮すると、第1の実施例のX線管装置全体としての焦点移動量は、従来例での約350μmに対し、約190μmとなる。
【0099】
次に、図8を用いて本発明に係るX線管装置の第10の実施例について説明する。図8は、本発明に係るX線管装置の第10の実施例の回転陽極の拡大断面図である。本実施例では、回転陽極のロータと固定部の構造の改良を行っている。図8において、本実施例の回転陽極110は固定部112を除いて図2に示した第1の実施例の回転陽極41と同じ構造をしており、固定部112については内筒部114と外筒部116とから成る二重円筒構造をしている。以下においては、固定部112の構造を重点的に説明する。
【0100】
本実施例の固定部112の構造は、本発明の発明者達が先に特開2000−340148号公報で提案した二重円筒構造と同様な構造を採用している。図8において、固定部112の全体の構造は図2の本発明の第1の実施例のものとほぼ同じ構造をしているが、固定部112は軸受27の外周を支持する内筒部114の外周を部分的に被う外筒部116とから構成される。内筒部114は熱伝導率の大きい銅などの金属材料から成り、外筒部116は機械的強度が高く、熱膨張率の小さいモリブデンやモリブデン合金などの金属材料から成る。内筒部114の軸受27の挿入される穴部118と陽極端34の構造は従来例の固定部28とほぼ同じ構造である。外筒部116は内筒部114の外周部の中心軸方向の大部分の範囲を被っている。図示の例では、外筒部116が内筒部114の穴部118の入り口から陽極端34の近くまで被っている。この外筒部116が被覆する範囲は、できるだけ長い方がよいが、外囲器との接続の関係で、固定部112の全長に対してすることは困難であり、最長でも内筒部114の穴部118の入口から外囲器との接続部の手前までとなる。また、この外筒部116の被覆の範囲は、短くても効果があるが、固定部112の構造上内筒部114の穴部118全体を被う程度にするが適当である。
【0101】
上記の如く、固定部112を二重円筒構造とし、機械的強度の低い銅などから成る内筒部114を、機械的強度の高いモリブデンまたはモリブデン合金などから成る外筒部116で被うことにより、固定部112の機械的強度及び剛性を格段に向上させることができる。
【0102】
また、本実施例では、固定部112を二重円筒構造にしたことにより、内筒部114の材料である銅などの大きい熱膨張が外筒部116の材料であるモリブデンまたはモリブデン合金などの小さい熱膨張により抑制される機構となっている。このため、固定部112の外筒部116に被われている部分の熱膨張による伸び量は外筒部116のモリブデンまたはモリブデン合金などの低い熱膨張による伸び量とほぼ同じになる。また、固定部112の各部の温度上昇は、上記の如く内筒部114を銅などの熱伝導率の大きい材料で構成したことの効果により、従来例の固定部28の場合と同レベルに抑制される。その結果、固定部112及び外筒部116の長さを、それぞれ例えば110mm及び90mmとした場合、固定部112における熱伸び量は約80μmとなり、従来例の約200μm熱伸び量に対し、約120μm低減される。
【0103】
従って、本実施例のX線管装置では、焦点移動量が第1の実施例の約190μmに対し、更に約120μm低減されて、約70μmとなるため、焦点移動量を100μm以下にすることが可能となる。その結果、焦点移動量の変動が画像処理の際にキャリブレーションで決定した補正係数の適用可能な範囲に入ることになるので、X線CT装置での実用時にアーチファクトなどの画像劣化のない高画質の断層像を得ることができる。
【0104】
図9には、本発明に係るX線管装置を搭載したX線CT装置の構成図の一例を示す。図9において、X線CT装置120は、本発明に係るX線管装置122を搭載しX線を被検体に照射してX線計測データを収集する走査ガントリ124と、走査ガントリ124の動作の制御と前記画像データから断層像を作成する操作コンソール126と、被検体を寝載する撮影テーブル128などから構成される。
【0105】
走査ガントリ124は、X線管装置122とX線検出器130とを開口部132Aのまわりに対向して配置させて搭載して被検体の周りを回転させるスキャナ132と、スキャナ132の回転を制御する回転コントローラ134と、X線管装置122のX線出力を制御するX線コントローラ136と、X線を扇状ビームに絞るコリメータ10と、X線ビームの照射範囲を制御するコリメータコントローラ138と、X線検出器130でX線計測データを収集して操作コンソール126に送るデータ収集部140などから構成される。
【0106】
操作コンソール126は、画像データやX線CT装置の動作制御のための各種のデータの処理などを行う中央処理装置142と、断層像などの表示を行う表示装置144と、断層像などのデータを保存しておく記憶装置146と、データ収集部140からのX線計測データを一時的に保存しておくデータ収集バッファ148と、X線CT装置の動作制御データなどを入力して、X線CT装置の操作を行う操作装置130と、操作装置150からの制御データに基づいて走査ガントリ124及びそれに含まれる各種のコントローラ134,136,138や撮影テーブル128の動作を制御する制御インターフェース152などから構成される。撮影テーブル128は寝載した被検体をスキャナ132の中心部に設けられた開口部132Aに挿入する。
【0107】
図9において、走査ガントリ124のスキャナ132に搭載されているX線管装置122としては本発明に係るX線管装置が使用されている。従って、X線管装置122の使用中における回転陽極の機械的強度及び剛性は従来品に比べ格段に向上し、またX線管装置122全体としての焦点移動量も従来品と比べ大幅に低減されている。
【0108】
X線CT装置120での断層像の撮影にあたっては、X線管装置122は走査ガントリ124のスキャナ132にX線検出器130と対向して搭載されて、回転コントローラ134の制御のもとで、撮影テーブル128に寝載されてスキャナ132の開口部132Aに挿入された被検体の周りを回転する。同時に、X線管装置122にはX線コントローラ136の制御のもとで、高電圧負荷が印加され、被検体にX線が照射される。被検体を透過したX線はX線検出器130によって計測され、そのX線計測データはデータ収集部140を経由して操作コンソール126に送られ、中央処理装置142によって断層像として再構成される。
【0109】
被検体の断層像撮影が継続すると、X線管装置122の回転陽極は加熱されるが、本発明のX線管装置122では、焦点移動量が少ないため、断層像にアーチファクトなどの発生がなく、高画質の断層像が得られる。この結果、従来のX線CT装置のように、X線管装置自体をX線管軸方向に移動して焦点移動を補正する機構が不要となるので、X線CT装置のコストを低減することができる。
【0110】
また、本発明のX線管装置122を搭載したX線CT装置120では、上記の如く、X線管装置122の回転陽極の機械的強度が向上し、剛性も大きくなっているので、走査ガントリ124のスキャナ132の回転時に回転陽極にかかる遠心力などによる応力に対する耐性がより大きくなっている。この結果、X線CT装置の従来以上の高速スキャンが可能となり、0.5秒スキャンでの撮影が実施可能となった。
【0111】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明のX線管装置では、内挿X線管の回転陽極のロータの構造、特にターゲット支持部と断熱部との接合部の構造について、両者に複数層の円環歯部を持たせ、両者の円環歯部が互いに噛み合う嵌合構造としたことにより、回転陽極の機械的強度及び剛性を大幅に向上させることができた。
【0112】
また、本発明のX線管装置では、上記のロータ構造の改良とともに、ターゲット支持部を高耐熱性で機械的強度が大きく、熱膨張率の小さい金属材料で構成し、断熱部を機械的強度が高く、熱膨張率の大きい金属材料で構成したことにより、回転陽極の機械的強度及び剛性の向上とともに、回転陽極の熱伸び量を大幅に低減し、焦点移動量を大幅に低減させることができた。
【0113】
また、本発明のX線管装置では、上記の回転陽極のロータの構造及び材料の改良とともに、固定部を二重円筒構造とし、外筒部を機械的強度が大きく、熱膨張率の小さい金属材料で構成し、内筒部を熱伝導率の大きい金属材料で構成したことにより、回転陽極の熱伸び量を低減し、焦点移動量を大幅に低減することができた。
【0114】
また、本発明のX線CT装置では、上記の本発明のX線管装置を搭載しているので、X線管装置の回転陽極の機械的強度及び剛性が従来品に比べ大幅に向上し、走査ガントリのスキャナの高速回転が可能となり、0.5秒程度の高速スキャンによる撮影が可能となった。
【0115】
また、本発明のX線CT装置では、搭載されるX線管装置の熱伸び量が大幅に低減され、焦点移動量が格段に小さくなっているので、断層像の撮影時に焦点移動に起因するアーチファクトなどの発生がなくなり、高画質の断層像が得られる。また、X線管装置の回転陽極のロータと固定部を改良したものでは、焦点移動量の大幅な低減により、X線管装置をX線管軸方向に移動させる機構なしに使用可能となるので、これらの機構の設置及びその制御が不要となり、画質の向上とともに、装置のコスト低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るX線管装置の第1の実施例に内挿される回転陽極X線管の全体構造図。
【図2】図1の回転陽極の構造の拡大断面図。
【図3】本発明に係るX線管装置の第2〜第7の実施例の回転陽極の要部断面図。
【図4】本発明に係るX線管装置の第8の実施例の回転陽極の構造の拡大断面図。
【図5】本発明に係るX線管装置の第9の実施例の回転陽極の構造の拡大断面図。
【図6】嵌合構造の部分に加わる応力低減の原理図。
【図7】本発明の第1の実施例と従来例の回転陽極の熱伸び量の比較。
【図8】本発明に係るX線管装置の第9の実施例の回転陽極の構造の拡大断面図。
【図9】本発明に係るX線管装置を搭載したX線CT装置の構成図の一例。
【図10】従来のX線管装置に内挿されている回転陽極X線管の構造とX線CT装置のコリメータとの関係を示す図。
【図11】従来の回転陽極X線管の回転陽極の構造の一例。
【符号の説明】
1,40…回転陽極X線管(X線管)
2,41,100,110,200…回転陽極(陽極)
3…陰極
4…外囲器
5…電子ビーム(電子流)
6,6A…ターゲット
7,7A…焦点
8,8A…X線(X線ビーム)
9…X線放射窓
10…コリメータ
11…スリット
12…X線検出器
13…移動量△L
20,44,60,66,72,78,86,94,101,201…ロータ
21、46,62,68,74,80,88,96,102,202…ターゲット支持軸
22,318A…ロータ肩部
23…円筒部
24,48,64,70,76,82,90,98,104,314A…断熱キャップ
26…回転軸
27…軸受
28,112…固定部
46A…小径部
46B,62B,68B,74B,80B,88B,96B,102B,202B…大径部
47,47A,47B,49,49A,49B,63,63A,63B,65,65A,65B,69,69A,69B,71,71A,71B,75,75A,75B,77,77A,77B,81,81A,81B,83A,83B,89,89A,89B,91,91A,91B,97,97A,97B,97C,97D,99,99A,99B,99C,99D,103,103A,103B,105,105A,105B,203,203A,203B,205A,205B…円環歯部
48A,64A,70A,76A,82A,90A,98A,104A,204A…フランジ部
48B,64B,70B,76B,82B,90B,98B,104B,204B…薄肉円筒部
48C…底面部
50…銅(ろう材)
84A,84B,84C,84D…隙間
92,93…先端部
114…内筒部
116…外筒部
118…穴部
120…X線CT装置
122…X線管装置
124…走査ガントリ
126…操作コンソール
128…撮影テーブル
130…X線検出器
132…スキャナ
136…X線コントローラ
142…中央処理装置
237,337…テーパー面
330,336…リング状の突起
332…リング状の溝
334,338…リング状の突起331,336の上面のろう付け部
335,339…引張応力
336…リング状の突起
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an X-ray tube apparatus used in an X-ray CT apparatus and the like, and more particularly, to an improvement in the rotary anode structure of a rotary anode X-ray tube housed in the X-ray tube apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the performance of X-ray CT apparatuses has been remarkably improved, and image processing technology has been particularly advanced. For X-ray detectors that capture X-ray measurement data, solid-state X-ray detectors using semiconductors with high photosensitivity are used instead of gas chamber X-ray detectors that apply gas ionization by X-rays. This contributes greatly to improving the image quality of X-ray CT equipment. In response to such technological advances, the X-ray tube apparatus that is an X-ray generation source has the following problems.
[0003]
In an X-ray CT device, a fan-shaped X-ray with a thickness of about 1 to 10 mm radiated from the X-ray tube device passes through the examination site of the subject and is attenuated by the subject, and then received by the X-ray detector. Then, an X-ray attenuation signal (X-ray measurement data) is output from the X-ray detector, and this X-ray attenuation signal is subjected to image reconstruction processing to obtain a tomographic image of the imaging region of the subject. In this process, since the focus of the X-ray source is moved in the conventional X-ray tube apparatus, an artifact is generated on the tomographic image, which hinders the improvement of the image quality of the X-ray CT apparatus.
[0004]
Recently, solid-state X-ray detectors have become mainstream as X-ray detectors, and in order to fully demonstrate the high sensitivity of this solid-state X-ray detector and provide the highest image quality, It is necessary to solve the problem of tube device focal shift.
[0005]
The above focal movement occurs in the axial direction of the X-ray tube and occurs because heat accumulates in the rotating anode during use of the X-ray tube and the rotating anode thermally expands. In the X-ray CT apparatus, when performing tomographic image processing, a calibration operation is performed in which X-ray measurement data is acquired and a correction coefficient is determined without inserting a subject in advance. When tomography is actually started, in the X-ray tube apparatus, heat is generated in the target of the rotating anode of the X-ray tube along with the X-ray exposure. By repeating this X-ray exposure, heat accumulates on the target and the temperature of the target rises to 950-1000 ° C. Due to the temperature rise of the target, the rotating anode itself thermally expands in the X-ray tube axis direction, and the focal point on the target moves.
[0006]
In the current X-ray tube apparatus, this focal shift amount is about 200 to 400 μm. On the other hand, the allowable range of the focus movement amount that can be allowed by the correction coefficient determined by the calibration operation is within about 100 μm. If the focal position moves beyond this allowable range, artifacts and the like occur on the tomographic image, and image degradation occurs.
[0007]
Next, the specific contents of focus movement in the conventional X-ray tube apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the structure of a rotary anode X-ray tube inserted in a conventional X-ray tube apparatus and the collimator of the X-ray CT apparatus. In FIG. 10, a rotary anode X-ray tube 1 is composed of a rotary anode 2, a cathode 3 disposed opposite thereto, and an envelope 4 that encloses the rotary anode 2 and the cathode 3 in a vacuum-tight manner. During use of the rotating anode X-ray tube 1, a high voltage is applied between the rotating anode 2 and the cathode 3, and an electron flow 5 due to thermoelectrons emitted from the filament of the cathode 2 is applied to the target 6 of the rotating anode 2. Collides and emits X-rays 8. The portion where the electron flow 5 from the cathode 3 collides is the focal point 7, and the X-ray 8 is emitted outside through the X-ray emission window 9 of the envelope 4 with the focal point 7 as an X-ray source.
[0008]
When using the X-ray tube device with the rotary anode X-ray tube 1 inserted in the X-ray CT device, the X-ray 8 is required by the slit 11 of the collimator 10 attached to the X-ray CT device. The fan-shaped X-ray beam 8 is reduced in thickness. Since the number of X-ray exposures is small at the start of use of the X-ray tube device, the rotating anode 2 hardly thermally expands, the target 6 is in the position of the solid line, and the X-ray beam 8 is the X-ray detector 12 Radiated to point A. However, when the number of X-ray exposures increases, the temperature of the rotating anode 2 including the target 6 increases, and the members constituting the rotating anode 2 thermally expand. As a result, the position of the target 6 moves to the position of the target 6A indicated by the broken line, and accordingly, the focal point 7 also moves to the position of the focal point 7A on the target 6A.
[0009]
Due to the movement of the position of the focal point 7A, the X-ray beam 8 passing through the slit 11 of the collimator 10 also moves to the position of the X-ray beam 8A and is emitted toward the point B of the X-ray detector 12. The X-ray detector 12 that detects the X-ray beam 8 detects the movement amount ΔL13 of the position of the X-ray beam 8, that is, the distance between the points A and B, and detects the focal movement amount from this movement amount ΔL13. To do. In addition, if the movement amount ΔL13 exceeds the allowable range, the tomographic image processing is adversely affected. For this reason, an allowable value of the focal movement amount is set corresponding to the allowable value of the movement amount ΔL13.
[0010]
As an example of a technique for dealing with the above-described focus movement problem, there is a technique in which a mechanism for moving the entire X-ray tube apparatus in the tube axis direction of the rotary anode X-ray tube is added. In this technology, a mechanism that can be moved in the X-ray tube axis direction by a motor drive is provided on the X-ray CT device support base of the X-ray CT device, and the focus movement amount is adjusted in accordance with the measurement result of the focus movement amount. The X-ray tube device is moved in a direction opposite to the direction to compensate for the focal shift amount. As another example of the above-described countermeasure technique, a technique for moving the X-ray detector in the X-ray tube axis direction in correspondence with the measurement result of the focal movement amount is also put into practical use.
[0011]
However, these techniques mechanically move the X-ray tube apparatus and the X-ray detector with an accuracy of several hundred μm, so that the drive mechanism becomes complicated and the support portion becomes large. As a result, the cost of the X-ray CT apparatus is increased, and the miniaturization of the X-ray CT apparatus is hindered.
[0012]
In addition, as a technique for dealing with the above-mentioned focus movement problem with the X-ray detector, a part of the arrangement of the radiation detection elements is changed, the changed part is dedicated to the reference of the X-ray intensity distribution, and the measurement data is fed back to the image. Some perform processing correction (for example, refer to Patent Document 1).
[0013]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-290308
[0014]
However, in the case of this technology, the number of correction programs increases, and the calculation time of image processing increases. In the latter case, the X-ray dose incident on the detector is reduced, which may lead to deterioration in image quality. There are problems such as low efficiency.
In addition, there is a technique that narrows down the width of X-rays irradiated to the detector and uses only a uniform portion of the X-ray intensity distribution (see, for example, Patent Document 2).
[0015]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-295430
[0016]
However, in the case of the present technology, there is a problem that the structure of the detector itself becomes complicated and causes a cost increase.
In addition, as a coping technique in the X-ray tube apparatus itself for the above-mentioned focal movement problem, a part extending in the direction opposite to the moving direction of the focal point is part of the components constituting the rotary anode of the rotary anode X-ray tube. And a structure that increases the length of the portion and cancels the amount of extension in the focal movement direction (see, for example, Patent Document 3).
[0017]
[Patent Document 3]
JP2000-40480
[0018]
However, the structure of the rotating anode has problems such as restrictions on the structural length of the X-ray tube, complicated parts structure and difficulty in manufacturing, and lower rigidity than an integral part.
In addition, the fixed part of the rotating anode has a double tube structure, the inner cylinder part is made of a metal material with high thermal conductivity, and the outer cylinder part is made of a metal material with high strength and low thermal expansion coefficient, thereby reducing the amount of focal movement. Some have aimed at improving the strength of the rotating anode (for example, see Patent Document 4).
[0019]
[Patent Document 4]
JP 2000-340148
[0020]
However, merely improving the structure of the fixed part is not sufficient to solve the problem of the focal shift amount of the entire rotating anode.
Furthermore, by attaching a heater to the member that supports the rotating anode of the X-ray tube in the X-ray tube device and heating it, this member is thermally expanded in the direction opposite to the focal movement direction, thereby canceling the focal movement amount. Some methods have been adopted (see, for example, Patent Document 5).
[0021]
[Patent Document 5]
JP 9-63522 A
[0022]
However, there is a problem that it is difficult to follow the change in the focal point movement amount of the heater heating operation, and the cost increases due to the necessity of providing a separate controller or the like. On the other hand, in recent X-ray CT systems, in order to obtain many tomographic images in a short time, an X-ray tube with a target with a large heat capacity of 5 million heat units (HU: about 0.71 joule) is used. A technique has been developed to mount an interpolated X-ray tube device and take one tomogram in 0.5 seconds (or to perform one scan in 0.5 seconds). In this technology, the scanner equipped with the X-ray tube device rotates at a speed that is approximately twice as high as that of conventional products, so the centrifugal force applied to the X-ray tube device increases in proportion to the square of the scan speed. In addition, since the target becomes larger due to an increase in the heat capacity of the target and a large load is applied to a portion supporting the target, it is necessary to improve the mechanical strength of the rotating anode of the X-ray tube.
[0023]
In order to cope with this, regarding the structure of the X-ray tube itself inserted in the X-ray tube apparatus, the rotor and the heat insulating portion (rotor and rotating shaft and rotor) of the rotating anode are required due to the necessity of improving the strength and reducing the focal movement amount. In order to improve the rigidity by increasing the diameter of the connecting portion), a metal material having a high strength and a low coefficient of thermal expansion such as molybdenum is used as a rotor material.
[0024]
Here, in order to balance the rotation of the rotating anode, the rotor and the heat insulating portion generally adopt a fitting structure with a small tolerance. As a result, if a heat insulating part using a material with a relatively high coefficient of thermal expansion is fitted to a rotor using a material with a low coefficient of thermal expansion, the heat insulating part is tightened by the rotor as the temperature rises, and the rotor is deformed. There is a problem of doing. On the other hand, it is also possible to increase rigidity and prevent deformation by increasing the thickness of the heat insulating part or shortening the length. However, such a method has problems such as a decrease in the heat insulation effect of the heat insulating portion and an increase in the amount of focal movement due to a decrease in the amount of thermal elongation in the reverse direction in the heat insulating portion.
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various improvements have been made to the problem of the focus movement of the X-ray tube apparatus mounted on the X-ray CT apparatus and the problem of an increase in the load on the rotating anode accompanying the increase in the capacity of the target. However, it is still insufficient. A problem in the conventional X-ray tube apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows an example of the structure of a rotating anode of a rotating anode X-ray tube inserted in a conventional X-ray tube apparatus. In FIG. 11, the rotating anode 2 includes a disk-shaped target 6, a rotor 20 that supports the target 6, a rotating shaft 26 that supports the rotor 20, and a heat insulating cap 24 that connects the rotor 20 and the rotating shaft 26. The bearing 27 includes two bearings 27 that rotatably support the rotating shaft 26, and a fixing portion 28 that fixes and supports the bearing 27. The rotor 20 includes a target support shaft 21, a rotor shoulder portion 22, and a cylindrical portion 23, and each component of the rotor 20 is connected by casting or brazing. Among these components, the components involved in the focal movement are the target 6, the target support shaft 21 and the rotor shoulder 22 of the rotor 20, the heat insulating cap 24, the rotating shaft 26, and the fixed portion 28.
[0026]
These components thermally expand when the temperature of the rotary anode 2 rises, but the target 6, the target support shaft 21, the rotor shoulder 22, the rotary shaft 26, and the fixed portion 28 thermally expand in the direction of increasing the focal shift amount, The heat insulating cap 24 is thermally expanded in a direction to reduce the focal amount. As for the material of the parts related to the focal movement of these parts, the target 6 and the target support shaft 21 are made of a high heat resistant metal material such as molybdenum or a molybdenum alloy, and the rotor shoulder portion 22 and the heat insulating portion 24 are made of stainless steel. A high-strength metal material such as heat-resistant steel is used for the rotating shaft 26, and a highly heat-conductive metal material such as copper is used for the fixed portion 28.
[0027]
In the conventional X-ray tube apparatus in which the rotary anode X-ray tube using the rotary anode 2 is inserted, the focal shift amount when the temperature of the target 6 rises to about 1,000 ° C. is about 350 μm. In the X-ray tube apparatus, the parts involved in the focal movement include the rotary anode 2 of the rotary anode X-ray tube and the anode support structure (not shown) of the X-ray tube container. According to experiments, the former thermally expands in the direction of increasing the focal shift amount, while the latter thermally expands in the direction of decreasing the focal shift amount. In the experimental example, the thermal elongation amount of the rotating anode 2 is about 480 μm, and the thermal elongation amount of the anode support structure is about 130 μm in the direction opposite to the thermal elongation direction of the rotating anode 2, so that the difference between the two as a whole. Is about 350μm. Further, about 310 μm (about 65%) of the elongation due to the thermal expansion of the rotating anode 2 is the largest portion of the rotor 20.
[0028]
In order to reduce the amount of thermal expansion of the rotor 20, it is conceivable to apply a material having a low coefficient of thermal expansion to the rotor shoulder portion 22. For example, when molybdenum or molybdenum alloy is selected as the material, the coefficient of thermal expansion is 4.5 × 10-6 (1 / ° C), which is about 1/3 of 13.6 × 10-6 (1 / ° C) of stainless steel. The elongation amount due to the thermal expansion of the rotor 20 can be significantly reduced.
[0029]
Furthermore, if the rotor shoulder 22 is made of molybdenum or a molybdenum alloy instead of conventional stainless steel, the elastic modulus will increase by about 1.5 times and the rigidity will increase, so it will be added when mounted on an X-ray CT system and scanned at high speed. It can withstand centrifugal force, and the amount of deflection of the rotating anode 2 can be reduced.
[0030]
However, as described above, when molybdenum or a molybdenum alloy is applied as the material of the rotor shoulder 22, the heat insulating cap 24 fitted inside expands more than the rotor shoulder 22 when the temperature of the rotary anode 2 rises. A problem arises in that the tightening stress acts on the cap 24 to cause deformation, and the rotational balance of the rotating anode 2 is lost.
[0031]
Furthermore, the heat insulating cap 24 is connected to the rotor shoulder 22 with several thin screws 25 made of stainless steel, but since this screw 25 has a higher coefficient of thermal expansion than the material of the rotor shoulder 22, There is a problem that the amount of thermal elongation becomes larger than that of the rotor shoulder 22 and the screw 25 is loosened when the temperature rises.
[0032]
As a technique for dealing with the above problem, regarding the loosening of the latter screw 25, the amount of thermal elongation can be reduced by shortening the length of the screw 25. For example, when the length of the portion for fixing the rotor shoulder portion 22 of the screw 25 is about 1 mm, the temperature during use is about 550 ° C., so the amount of thermal elongation is about 5 μm. When tightening using elastic deformation of the screw beyond this amount of elongation, the stress of approximately 980 MPa (100 kg / mm2) is applied to the screw 25, and the stainless steel screw exceeds the yield point and causes plastic deformation. As a result, the tightening force is reduced, and as a result, the screws are loosened.
[0033]
In addition, regarding the problem of the tightening of the former heat insulating cap 24, in order to prevent deformation, the thin cylindrical portion of the heat insulating cap 24 is made thicker and the length in the X-ray tube axial direction is shortened to increase rigidity. Can be considered. However, this method reduces the effect of reducing the heat flow to the bearing 27 for the purpose of protecting the lubricant of the bearing 27, which is the original purpose of the heat insulating cap 24. I can't say that.
[0034]
In view of the above, the present invention improves the structure of the rotating anode of the X-ray tube, greatly reduces the amount of focal movement, and mechanical strength that can withstand the centrifugal force during the 0.5 second scan of the X-ray CT apparatus It is an object to provide an X-ray tube apparatus having an X-ray tube and an X-ray CT apparatus using the same.
[0035]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an X-ray tube apparatus of the present invention includes a disk-shaped target, a rotor that supports the target, a rotating shaft that supports the rotor, a bearing that rotatably supports the rotating shaft, and a bearing. A rotating anode having a fixed part to support; a cathode that emits an electron stream to form a focal point that becomes an X-ray source on the target; and an envelope that insulates and supports the rotating anode and the cathode and is sealed in a vacuum-tight manner In an X-ray tube device that stores and supports a rotating anode X-ray tube in an X-ray tube container having an X-ray and electric shock structure, the rotor supports a target, and is highly heat-resistant and mechanical. A target support portion made of a metal material having a high strength, a heat insulation portion joined to the target support portion at one end and supported by the rotating shaft at the other end and made of a metal material having a high mechanical strength, and a target of the heat insulation portion The joint with the support A cylindrical portion having substantially the same outer diameter, connected to the heat insulating portion and made of a metal material having a high conductivity, and the target support portion includes a small diameter portion for supporting a target, and the heat insulating portion. A flange that has a large-diameter portion that is joined to the portion and has a circular hole that accommodates most of the heat-insulating portion on the large-diameter portion side, and the heat-insulating portion is joined to the large-diameter portion of the target support portion A thin cylindrical portion for reducing heat transfer from the target support portion, and a flat portion that forms the bottom of the thin cylindrical portion and is coupled to the rotation shaft, and the target support portion and the heat insulating member. At the joint with the two parts, one has two or more annular projections (hereinafter referred to as annular tooth parts), and the other has one or more, and between the two annular tooth parts. The other one annular tooth portion is brazed in a fitted state (Claim 1).
[0036]
In this configuration, an annular tooth portion that meshes with each other is provided at the joint portion between the target support portion and the heat insulation portion of the rotor that constitutes the rotary anode of the rotary anode X-ray tube inserted in the X-ray tube device, and the target support portion The heat insulation part is made of a high-strength metal material, and the annular tooth parts of both are fitted and brazed, so the rigidity of the joint part of both is improved and the centrifugal force applied when mounted on the X-ray CT system The deflection of the rotating anode caused by the above can be greatly reduced.
[0037]
In the X-ray tube apparatus of the present invention, the target support portion of the rotor is made of a metal material having a high mechanical strength and a low coefficient of thermal expansion, and the heat insulating portion is a metal material having a low thermal conductivity and a high coefficient of thermal expansion. (Claim 2).
[0038]
In this configuration, the target support part of the rotor that constitutes the rotary anode of the rotary anode X-ray tube inserted in the X-ray tube device has an integrated structure including the conventional rotor shoulder, and is made of a metal material having a low coefficient of thermal expansion. Therefore, the amount of thermal elongation of the rotor is greatly reduced, and the amount of focal movement is greatly reduced.
[0039]
In the X-ray tube device of the present invention, the rotor further includes an outer peripheral surface of the annular tooth portion of the target support portion and an annular tooth portion of the heat insulating portion at a joint portion between the target support portion and the heat insulating portion of the rotor. The former fitting portion has at least one fitting portion between the fitting portion with the peripheral surface, the inner peripheral surface of the annular tooth portion of the target support portion, and the outer peripheral surface of the annular tooth portion of the heat insulating portion. In FIG. 2, both the peripheral surfaces are substantially in contact with each other at room temperature, and the latter fitting portion is formed so that both the peripheral surfaces are substantially in contact with each other at a brazing temperature.
[0040]
In this configuration, the annular tooth portion of the target support portion of the rotor and the annular tooth portion of the heat insulating portion are substantially in contact with the outer peripheral surface of the former at the room temperature and the inner peripheral surface of the latter at the time of brazing. Because the outer peripheral surface of the latter is almost in contact, it is fitted with high accuracy in the central axis direction, so the rotor shaft center can be brought out with high accuracy over the entire temperature range during use of the X-ray tube device. The rotational balance of the rotating anode can be improved.
[0041]
In the X-ray tube device of the present invention, two annular tooth portions of the target support portion of the rotor and two annular tooth portions of the heat insulating portion are formed. In this configuration, since the joint portion between the target support portion and the heat insulation portion of the rotor has a meshing structure of two annular tooth portions of both, the strength and rigidity of both joint portions are improved, The axis of the rotor can be obtained with high accuracy.
[0042]
In the X-ray tube apparatus of the present invention, the length of the portion parallel to the central axis of the target support portion of the rotor and the annular tooth portion of the heat insulating portion is larger than the radial width thereof. Is formed.
[0043]
In this configuration, since the length dimension of both of the annular tooth portions is larger than the width dimension at the joint portion between the target support portion and the heat insulating portion of the rotor, the meshing engagement structure of both of the annular tooth portions is provided. The strength and rigidity of the rotor and the accuracy of the shaft center can be improved.
[0044]
In the X-ray tube device of the present invention, the length of the annular tooth portion arranged outside the target support portion of the rotor is longer than that of the annular tooth portion arranged inside. In this configuration, at the joint between the target support part and the heat insulation part of the rotor, the outer ring tooth part of the target support part made of a material having high heat resistance and high strength is fitted so that it enters the heat insulation part more deeply. Therefore, it is possible to suppress deformation in the radial direction at the joint portion between the two due to thermal stress at the time of temperature rise.
[0045]
In the X-ray tube device of the present invention, the length of the annular tooth portion arranged inside the heat insulating portion of the rotor is longer than the length of the annular tooth portion arranged outside. In this configuration, at the joint portion between the target support portion and the heat insulation portion of the rotor, the annular tooth portion inside the heat insulation portion is fitted so as to enter deeper into the target support portion. The deformation in the radial direction can be suppressed.
[0046]
In the X-ray tube device according to the present invention, the annular tooth portion disposed inside the heat insulating portion of the rotor is formed to be thicker than the annular tooth portion disposed outside. In this configuration, at the joint portion between the target support portion and the heat insulating portion of the rotor, the annular tooth portion inside the heat insulating portion made of a material having lower strength at high temperature is reinforced and reinforced. Since the annular tooth portion is fitted, the rigidity of the joint portion between them can be increased, and deformation of the joint portion can be suppressed.
[0047]
In the X-ray tube apparatus according to the present invention, further, at the joint portion between the target support portion and the heat insulating portion of the rotor, a gap in the central axis direction where both the annular tooth portions are fitted to each other is wider than a gap in the radial direction. In addition, the thickness of the brazing material filled in the gap in the central axis direction is made larger than the thickness of the brazing material filling the gap in the radial direction.
[0048]
In this configuration, since the thickness of the brazing material filled in the gap in the central axis direction in which the annular tooth portions of both the joints of the target support portion and the heat insulating portion of the rotor are fitted is increased. Due to the relatively high ductility of the material, it is possible to relieve the stress in the radial direction at the joint between them.
[0049]
In the X-ray tube apparatus of the present invention, the tip of at least one of the annular tooth portions of the target support portion and the heat insulating portion of the rotor is chamfered for stress relaxation. In this configuration, since the corners at the tips of the annular tooth portions are chamfered at the joint between the target support portion and the heat insulating portion of the rotor, stress concentration around the tips of the annular tooth portions is alleviated. , Peeling of the joint surface between the two is prevented.
[0050]
In the X-ray tube apparatus of the present invention, three or more annular tooth portions of the target support portion of the rotor and three or more annular tooth portions of the heat insulating portion are formed. In this configuration, the number of the annular tooth portions of the target support portion and the heat insulating portion of the rotor is increased, so that the mechanical strength of the rotor can be improved and the target support portion and the heat insulating portion are increased by increasing the brazing area. The joint strength with the part can be improved.
[0051]
In the X-ray tube device of the present invention, the length of the annular tooth portion arranged inside the heat insulating portion of the rotor is shorter than the annular tooth portion arranged outside. . In this configuration, since the length of the annular tooth portion inside the heat insulating portion of the rotor is shortened, the strength and rigidity of the entire joint portion between the target support portion and the heat insulating portion are slightly reduced. The workability of the annular tooth part of the heat insulating part is improved, contributing to cost reduction.
[0052]
In the X-ray tube device of the present invention, the annular tooth portion of the target support portion of the rotor further includes an outer tooth portion and an inner tooth portion, and the annular tooth portion of the heat insulating portion includes the outer tooth portion and the inner tooth portion. In the case where the inner teeth of the target support part, the inner teeth of the heat insulation part, the outer teeth of the target support part, and the outer tooth part of the heat insulation part are meshed in this order from the inside, The contact surface between the inner tooth portion of the target support portion and the inner tooth portion of the heat insulation portion, or the contact surface of the inner tooth portion of the heat insulation portion and the outer tooth portion of the target support portion is tapered with respect to the central axis direction of the rotating anode. ing. That is, the joint portion between the target support portion and the heat insulating portion has a fitting structure in which the cross section is Z-shaped and meshes in an annular shape. In this configuration, since stress applied to each part of the fitting structure can be reduced, fatigue failure can be prevented.
[0053]
In the X-ray tube device of the present invention, the target support portion of the rotor is made of molybdenum or a molybdenum alloy, and the heat insulating portion is made of stainless steel. In this configuration, since the material of the target support portion of the rotor is molybdenum or a molybdenum alloy, the amount of thermal elongation of the rotor can be significantly reduced. In addition, by using stainless steel as the material of the heat insulating part, the strength of the joint part of the target support part is improved in cooperation with the high heat resistant high strength material of the target support part, and the mechanical strength and rigidity of the entire rotor are improved. be able to.
[0054]
In the X-ray tube device of the present invention, the fixed portion further includes an inner cylinder portion that supports the bearing and an outer cylinder portion that covers the outer periphery of the inner cylinder portion, and the inner cylinder portion is a metal having a high thermal conductivity. The outer cylinder portion is made of a metal material having a high mechanical strength and a low coefficient of thermal expansion (claim 3). Moreover, the outer cylinder part has covered the range which is supporting the bearing of an inner cylinder part at least among the length of a fixing | fixed part.
[0055]
In this configuration, the rotating part of the rotating anode X-ray tube inserted in the X-ray tube device has a double cylindrical structure, and a metal material having a high mechanical strength and a low coefficient of thermal expansion is used for the outer cylinder part. Because it is used, the range covered by the outer cylinder occupying most of the length of the fixed part, such as the range supporting the bearing of the inner cylinder part, because the amount of thermal expansion is greatly reduced, The amount of focus movement of the X-ray tube device is greatly reduced. Moreover, since a metal material having a large thermal conductivity is used for the inner cylinder part, the temperature rise of the fixed part in use is suppressed, and accordingly, the temperature rise of the bearing supported by the inner cylinder part is also suppressed, Long life of the bearing is secured.
[0056]
In the X-ray tube device of the present invention, the inner cylindrical portion of the fixed portion is made of copper, and the outer cylindrical portion is made of molybdenum or a molybdenum alloy. In this configuration, the outer cylindrical portion of the fixed portion is made of molybdenum or molybdenum alloy having a high mechanical strength and a low coefficient of thermal expansion, and the inner cylindrical portion is made of copper having a high thermal conductivity. Along with a significant reduction in the amount of focal movement of the X-ray tube device, which is the objective, it is possible to achieve a long bearing life.
[0057]
An X-ray CT apparatus of the present invention includes a scanning gantry in which the X-ray tube apparatus of the present invention and an X-ray detector are mounted so as to face each other across an opening into which a subject is inserted, and the X-ray tube An X-ray controller for applying a high voltage load to the apparatus; an imaging table for inserting a placed subject into the opening; the scanning gantry; the X-ray controller and the imaging table; And an operation console for reconstructing a tomographic image of the subject based on the X-ray measurement data collected in (4).
[0058]
In this configuration, since the X-ray tube apparatus of the present invention is used as the X-ray tube apparatus mounted on the X-ray CT apparatus, the amount of focal movement of the X-ray tube apparatus is greatly reduced, and the mechanical strength of the rotating anode is increased. In addition, since the rigidity is improved, a high-quality tomographic image free from artifacts due to focus movement can be obtained, and an X-ray CT apparatus capable of high-speed scanning such as 0.5 second scanning can be realized.
[0059]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, about the code | symbol of drawing, it decided to use the same code | symbol for what has a substantially the same function and a substantially the same structure as a conventional product.
[0060]
A first embodiment of an X-ray tube apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the present invention, since the structure of the rotating anode of the rotating anode X-ray tube inserted in the X-ray tube apparatus is different from that of the conventional example, the following description will focus on the structure of the rotating anode. FIG. 1 is an overall structural view of a rotating anode X-ray tube inserted in the first embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is an enlarged sectional view of the structure of the rotating anode in FIG.
[0061]
In FIG. 1, a rotating anode X-ray tube 40 of this embodiment includes a rotating anode 41 having a target 6, a cathode 3 that emits an electron beam to form a focal point that becomes an X-ray source on the target 6, and a rotating anode. An envelope 4 is provided that insulates and supports 41 and the cathode 3 and is sealed in a vacuum-tight manner. Since the structure of the rotating anode 41 is a main part of the present invention, it will be described in detail later with reference to FIG. The cathode 3 and the envelope 4 have the same structure as the conventional example.
[0062]
In FIG. 1, the cathode 3 supports a filament that emits thermoelectrons and focuses a thermoelectron emitted from the filament, a focusing electrode 3A, a holder 3B that supports the focusing electrode 3A, and an insulating support for the holder 3B. It is composed of a stem 3C or the like coupled to the envelope 4. Although the filament is not shown in the drawing, a thin tungsten wire wound in a coil shape is usually used, and thermal electrons are emitted by energizing and heating the filament. The focusing electrode 3A has a semicircular or rectangular focusing groove, and a filament is installed in the focusing groove, and the thermoelectrons from the filament are focused by an electric field formed in the focusing groove to form an electron beam 5, which is a target. Collides with 6 to form focal point 7. The focusing electrode 3A and the holder 3B are made of a metal material such as iron or stainless steel. Most of the stem 3C is made of an insulating material such as heat-resistant glass or ceramic, and a lead for power feeding is embedded in the center portion in a vacuum-tight manner. Power is supplied to the filament and the focusing electrode (cathode potential) through this lead.
[0063]
The envelope 4 includes a body portion 4A made of a metal material such as stainless steel or copper, an anode cylindrical portion 4B that is coupled to an end portion of the rotating anode 41, and insulates and supports it, and a stem 3C of the cathode 3 The cathode cylindrical portion 4C and the like are joined and insulated and supported. The anode cylindrical portion 4B and the cathode cylindrical portion 4C are made of an insulating material such as heat resistant glass or ceramic. An X-ray emission window 12 is attached to a portion near the position of the focal point 7 of the target 6 at the center outer peripheral portion of the body portion 4A. The X-ray radiation window 12 is made of a material having good X-ray transparency such as beryllium, and is coupled to the body portion 4A by brazing or welding. X-rays generated at the focal point 7 are extracted from the X-ray emission window 12 to the outside.
[0064]
Next, with reference to FIG. 2, the structure of the rotating anode 41 that is a main part of the present embodiment will be described. 2, FIG. 2 (a) is an enlarged cross-sectional view of the rotating anode 41 of FIG. 1, and FIG. 2 (b) is an enlarged view of a circle A portion of FIG. 2 (a). In FIG. 2 (a), the rotating anode 41 of the present embodiment includes a disk-shaped target 6, a rotor 44 that supports the target 6 by fixing it with a nut 19, a rotating shaft 26 that supports the rotor 44, and a rotating shaft. The bearing 27 includes a bearing 27 that rotatably supports the bearing 26, and a fixing portion 28 that supports the bearing 27. The feature of this embodiment is the structure of the rotor 44, which is a structure in which the rotor 20 and the heat insulating cap 48 in the conventional product of FIG. 9 are integrated.
[0065]
The rotor 44 of this embodiment includes a target support shaft 46, a heat insulating cap 48, and a cylindrical portion 23. The target support shaft 46 integrates the conventional target support shaft 21 and the rotor shoulder 22, and the heat insulating cap 48 has substantially the same function as the conventional heat insulating cap 24. The cylindrical portion 23 is the same as that of the conventional product, but is coupled to the flange portion of the heat insulating cap 48 in this embodiment.
[0066]
Since the target support shaft 46 has a structure in which the conventional target support shaft and the rotor shoulder are integrated, the portion 46A that supports the target 6 at one end has a narrow outer diameter (hereinafter referred to as a small diameter portion) from the target 6. The part 46B that suppresses heat conduction and joins the heat insulating cap 48 at the other end has a large outer diameter (hereinafter, referred to as a large diameter part) that is almost the same as the cylindrical part 23, and can be easily connected to the heat insulating cap 48 and the cylindrical part 23. I have to. The large-diameter portion 46B of the target support shaft 46 corresponds to a conventional rotor shoulder, and the large-diameter portion 46B is provided with a circular hole 46C that accommodates most of the heat insulating cap 48.
[0067]
The heat insulating cap 48 is joined to the large diameter portion 46B of the target support shaft 46, a thin cylindrical portion 48B connected to the flange portion 48A, and connected to the thin cylindrical portion 48B and fastened to the rotary shaft 26. And bottom surface portion 48C. Except for the structure of the flange portion 48A, it has almost the same structure as the conventional product. The thin cylindrical portion 48B is processed into a thin cylindrical shape for the purpose of heat insulation and extends from the flange portion 48A to the target 6 side. . The bottom surface portion 48C forms the bottom surface of the thin-walled cylindrical portion 48B, is processed into a flat shape, and is fastened to the rotary shaft 26 with a screw or the like at the flat surface portion. The thin cylindrical portion 48B and the bottom surface portion 48C are accommodated in the hole 46C of the large diameter portion 46B of the target support shaft 46.
[0068]
The target support shaft 46 is made of a metal material having a low coefficient of thermal expansion, high heat resistance, and high mechanical strength, such as molybdenum or a molybdenum alloy. The heat insulating cap 48 is made of a metal material having a relatively high coefficient of thermal expansion and high mechanical strength, such as stainless steel. The connecting portion between the large diameter portion 46B of the target support shaft 46 and the flange portion 48A of the heat insulating cap 48 has a cross-sectional fitting structure as shown in FIG. That is, both have two-layered annular protrusions (hereinafter referred to as “annular teeth”), and the respective annular teeth are engaged with each other.
[0069]
In FIG. 2 (b), the target support shaft 46 has two layers of annular tooth portions 47 of substantially the same length, that is, an outer annular tooth portion 47A and an inner annular tooth portion 47B, and the heat insulating cap 48 also has two layers. An annular tooth portion 49 having substantially the same length, that is, an outer annular tooth portion 49A and an inner annular tooth portion 49B, and a heat insulating cap 48 between the two annular tooth portions 47A and 47B of the target support shaft 46. The inner annular tooth portion 49B is fitted, and the outer annular tooth portion 47A of the target support shaft 46 is fitted between the two annular tooth portions 49A and 49B of the heat insulating cap 48. The cross-sections of the respective annular tooth portions 47A, 47B, 49A, 49B are rectangular with the long axis in the central axis direction of the rotating anode 41. That is, the length of the annular tooth portion in the central axis direction is larger than the radial width. Moreover, although the radial width method of an annular tooth part is usually made with the substantially same dimension, it cannot be overemphasized that it may make with a different dimension.
[0070]
The target support shaft 46 and the heat insulating cap 48 are joined by brazing using, for example, copper 50 having a melting point of 1,083 ° C. in a state where the annular tooth portions 47 and 49 of the target support shaft 46 are fitted. The radial fitting dimensions of the annular teeth 47, 49 before brazing are the outer circumference of the outer annular teeth 47A of the target support 46 and the inner circumference of the outer annular teeth 49A of the heat insulating cap 48. And the gap between the outer periphery of the inner annular tooth portion 47B of the target support portion 46 and the inner periphery of the inner annular tooth portion 47B of the heat insulating cap 48 are almost eliminated so that the two substantially come into contact with each other. By doing in this way, the axial center of the target support shaft 46 and the heat insulation cap 48 can be taken out with high precision. In the above, the high-precision fitting of the annular tooth portions of the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48 is performed at two locations, the outer annular tooth portions and the inner annular tooth portions. In this case, it is not always necessary to carry out at two places, and only one of the outer ring tooth portions or the inner ring tooth portions may be used.
[0071]
In addition, the gap between the outer circumference of the outer annular tooth portion 47A of the target support portion 46 and the outer circumference of the inner annular tooth portion 49B of the heat insulating cap 48 is a loose fitting at room temperature, and the brazing material (copper) 50 The melting point is set in consideration of the difference in thermal expansion coefficient between the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48 so that the two are almost in contact with each other. By adopting such a fitting structure, the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48 have concentric cylindrical contact surfaces at both the fitting assembly time and the brazing temperature. The deviation can be almost completely eliminated.
[0072]
In the above, the number of the annular tooth portions 47 and 49 of the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48 has been described as two layers each, but the meshing fitting structure of the annular tooth portions 47 and 49 of the present invention is as follows. One of the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48 can be realized by having two layers of annular teeth, and the other has one layer of annular teeth. The minimum requirement is that one has two layers of ring teeth and the other has one layer of teeth.
[0073]
Further, regarding the high-precision fitting at the time of fitting and assembly of the annular tooth portions 47 and 49 of the target support shaft 46 and the heat insulation cap 48, both of the target support shaft 46 and the heat insulation cap 48 are included. This can be realized by having one ring tooth part with one layer and one ring tooth part with the other. However, since both of them have two layers of annular teeth 47 and 49, the accuracy and safety of high-precision fitting are improved. Therefore, in the following explanation, both have two layers of annular teeth. An example of having a part is shown.
[0074]
The fitting structure of the target support shaft 46 of the rotor 44 of the rotating anode 41 and the heat insulating cap 48 of the present embodiment has both a surface parallel to and perpendicular to the central shaft 52 of the rotating anode 41. Compared to the conventional fitting structure with only parallel surfaces, the joint area between the two is increased, and since the both ring teeth engage with each other, it has a fitting shape. The structure is more able to withstand tensile or compressive thermal stress in all directions generated by a large difference in thermal expansion. Furthermore, by improving the rigidity of the joint between the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48, the deflection of the rotating anode 41 caused by the centrifugal force applied when the X-ray tube device is mounted on the X-ray CT device can be greatly reduced. The effect that it can do is also acquired.
[0075]
Further, in the structure of the rotor 44 described above, since the heat insulating cap 48 is structured to clamp the target support shaft 46 isotropically in the radial direction when cooled to room temperature after brazing, it is placed on the periphery of the heat insulating cap like the conventional product. Uneven deformation can be prevented.
[0076]
Further, in FIG. 2, the heat insulating cap 48 has a thin cylindrical portion 48B for heat insulation as described above, and by improving the strength of the target support shaft 46 itself and improving the strength of the joint portion between the target support shaft 46 and the heat insulating cap 48, The length of the large-diameter portion 46B of the target support shaft 46 can be lengthened, and the thin cylindrical portion 48B can be lengthened, and the heat insulation effect in this portion can be improved. Further, in this embodiment, a gap 56 for preventing contact is formed between the outer peripheral surface 54 of the thin cylindrical portion 48B of the heat insulating cap 48 and the inner cylindrical surface 55 of the inner annular tooth portion 47B of the target support shaft 46. To secure the heat insulation effect.
[0077]
Further, in the rotating anode 41 of the present embodiment, the length of the large diameter portion 46B of the target support shaft 46 can be increased as described above, so that the length of the thin cylindrical portion 48B of the heat insulating cap 48 is increased, The amount of thermal expansion in the direction opposite to the movement can be increased, and the amount of focal movement can be reduced. In this case, if the length of the thin cylindrical portion 48B of the relatively thin heat insulating cap 48 is extended, the rigidity of the rotary anode 41 is reduced.In contrast, by increasing the thickness of the thin cylindrical portion 48B, The problem can be avoided. In addition, the heat insulating effect of the heat insulating cap 48 at this time is maintained by offsetting the negative thickness portion because the length of the thin cylindrical portion 48B is extended.
[0078]
Next, second to seventh embodiments of the X-ray tube apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the rotating anode of the second to seventh embodiments of the X-ray tube apparatus according to the present invention. First, a second embodiment of the X-ray tube apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 (a) shows a cross-sectional view of the joint portion between the target support shaft of the rotor and the heat insulating cap, which is the main part of the present embodiment. In FIG. 3 (a), the rotor 60 of the rotating anode of the present embodiment has almost the same structure as that of the first embodiment, and the joint portion between the target support shaft 62 and the heat insulating cap 64 is a ring tooth of both. Each part has a fitting structure that meshes with each other. In the present embodiment, the length of the outer ring tooth portion 63A of the target support shaft 62 in the central axis direction is longer than the length of the inner ring tooth portion 63B, and the outer ring tooth portion 63A is the outer circle of the heat insulating cap 64. The ring tooth portion 65A and the inner ring tooth portion 65B are fitted deeply.
[0079]
When two members with different thermal expansion are brazed with a fitting structure, complicated thermal stresses with different directions and sizes are generated due to the difference in thermal expansion of the brazed member and the rise and fall of the temperature. In the embodiment, the length of the outer annular tooth portion 63A of the target support shaft 62 made of a material having high heat resistance and high strength is extended to be fitted deeply into the heat insulating cap 64. Deformation in the direction can be suppressed.
[0080]
FIG. 3 (b) shows a cross-sectional view of the joint portion between the target support shaft of the rotor and the heat insulating cap, which is the main part of the third embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. In FIG. 3 (b), at the joint portion between the target support shaft 68 and the heat insulation cap 70 of the rotor 66 of the rotary anode of the present embodiment, the length in the central axis direction of the inner annular tooth portion 71B of the heat insulation cap 70 is outside. It is longer than the length of the annular tooth portion 71A, and this inner annular tooth portion 71B is fitted deeply between the outer annular tooth portion 69A and the inner annular tooth portion 69B of the target support shaft 68. . Also in the present embodiment, the inner annular tooth portion 71B of the heat insulating cap 70 has a shape that fits deeply into the target support shaft 68, and therefore, deformation in the radial direction at the joint portion between them can be suppressed.
[0081]
FIG. 3 (c) shows a cross-sectional view of the joint portion between the target support shaft of the rotor and the heat insulating cap, which is the main part of the fourth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. In FIG. 3 (c), the radial width of the inner annular tooth portion 77B of the heat insulating cap 76 is particularly wide at the joint between the target support shaft 74 of the rotor 72 of the rotating anode of this embodiment and the heat insulating cap 76. The outer annular tooth portions 75A and 77A of both are narrowed and fitted in the radial direction. In this embodiment, by increasing the width of the inner annular tooth portion 76B of the heat insulating cap 76 made of a material (such as stainless steel) having a lower strength than the material of the target support shaft 74 (such as molybdenum), the rigidity is increased. , Deformation of the joint between the two can be suppressed.
[0082]
FIG. 3 (d) shows a cross-sectional view of the joint portion between the target support shaft of the rotor and the heat insulating cap, which is the main part of the fifth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. In FIG. 3 (d), the joint structure between the target support shaft 80 and the heat insulating cap 82 of the rotor 78 of this embodiment is almost the same as that of the fourth embodiment except for the gap. ing. That is, the fitting structure in the radial direction is exactly the same, and in the central axis direction, it is the same structure except that the gap into which the brazing material (copper) 50 enters is slightly wider than in the radial direction.
[0083]
In the present embodiment, as shown in the drawing, the two layers of annular teeth 81A, 81B of the target support shaft 80 and the two layers of teeth of teeth 83A, 83B of the heat insulating cap 82 are fitted to each other in the direction of the central axis. The gaps 84A to 84D into which the brazing material 50 enters when brazing between the two are set slightly wider. By brazing with these slightly wider gaps 84A to 84D, the gaps 84A to 84D are filled with the brazing material 50 thicker. Since a relatively high ductility material such as copper is used for the brazing material 50, the brazing material 50 corresponding to the thickness of the gaps 84 </ b> A to 84 </ b> D has an effect of relieving the radial stress at the joint surfaces of both. In the illustrated example, the dimensions of the gaps 84A to 84D are substantially the same, but it goes without saying that the dimensions may be increased or decreased for some of the gaps.
[0084]
FIG. 3 (e) shows a cross-sectional view of the joint portion between the target support shaft of the rotor and the heat insulating cap, which is the main part of the sixth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. In FIG. 3 (e), at the joint portion between the target support shaft 88 and the heat insulation cap 90 of the rotor 86 of the present embodiment, the outer ring tooth portion 89A of the target support shaft 88 and the inner ring tooth portion 91B of the heat insulation cap 90. The tips 92 and 93 are semicircular, and the bottoms of the annular groove portions into which the respective annular tooth portions 89A and 91B are fitted are also brazed as a semicircular shape.
[0085]
When the cross-sectional shape of the annular tooth portion is rectangular, stress concentrates on the corner of the tip. For this reason, as in the present embodiment, the tips 92 and 93 of the annular tooth portions 89A and 91B are made semicircular and rounded, so that the corner portions of the tips 92 and 93 of the annular tooth portions 89A and 91B are formed. The stress concentration is relaxed, and peeling of the joint surface between the target support shaft 88 and the heat insulating cap 90 can be prevented. In the drawing, the entire tips 92 and 93 of the annular tooth portions 89A and 91B are semicircular. However, the corners of the tips 92 and 93 have the same effect even if they are rounded or rounded less than the semicircular shape. Is obtained. Further, when the radial width is narrow like the annular tooth portion 89A of the target support shaft 88, the same effect can be obtained even if the semicircular machining of the bottom of the annular groove portion into which it is fitted is omitted.
[0086]
In the fifth embodiment shown in FIG. 3 (d) and the sixth embodiment shown in FIG. 3 (e), the radial width of the annular tooth portion is set in the fourth embodiment in FIG. 3 (c), respectively. Although the same as the examples, the technical contents of these embodiments can be applied to a configuration different from the fourth embodiment, such as the first to third embodiments.
[0087]
FIG. 3 (f) shows a cross-sectional view of the joint portion between the target support shaft of the rotor and the heat insulating cap, which is the main part of the seventh embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. This embodiment is obtained by increasing the number of annular tooth portions as compared with the first embodiment of FIG. In FIG. 3 (f), the target support shaft 96 of the rotor 94 has four annular teeth 97A to 97D, and the heat insulating cap 98 also has four annular teeth 99A to 99D. The portions are alternately meshed and brazed with a brazing material 50 such as copper.
[0088]
In the illustrated example, the number of the annular tooth portions is four, but it goes without saying that other numbers may be used. The number of annular teeth is limited by the size of the rotor 94 (particularly the outer diameter) and the workability of the member, but by increasing this number as much as possible, the mechanical strength of the rotor 94 is improved. In addition, since the brazing area is further increased, the bonding strength between the target support shaft 96 and the heat insulating cap 98 can be improved. As a result, it is possible to improve safety when the X-ray tube apparatus is mounted on the X-ray CT apparatus and used.
[0089]
Next, an eighth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the structure of the rotating anode of the eighth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. FIG. 4 (a) shows a cross-sectional view of the entire rotating anode, and FIG. 4 (b) shows an enlarged view of a circle A portion in FIG. 4 (a). In FIG. 4 (a), the rotary anode 100 of the present embodiment has the same structure as the rotary anode 41 of the first embodiment, except for the rotor 101. FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view of a joint portion between the target support shaft 102 and the heat insulating cap 104 of the rotor 101, which is a main part of the present embodiment. In FIG. 4 (b), in the rotor 101 of the present embodiment, the length of the inner annular tooth portion 105B of the heat insulating cap 104 in the central axis direction is made shorter than that of the outer annular tooth portion 105A, and the target support shaft 102 has an annular shape. The teeth 103A and 103B are fitted and brazed.
[0090]
In the case of the present embodiment, since the length of the inner annular tooth portion 105B of the heat insulating cap 104 is shortened, the rigidity of the entire joint portion is slightly lower than that of the first embodiment, but the target support shaft 102 and The workability of the annular teeth 103A, 103B, 105A, 105B of the heat insulating cap 104 is improved. For this reason, it is effective when the stress generated at the joint of the rotor 101 is relatively low, such as when the outer diameter of the rotor 101 is thin or when the operating temperature is low.
[0091]
Next, a ninth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an enlarged sectional view of the structure of the rotating anode of the ninth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. FIG. 5 (a) shows a sectional view of the entire rotating anode, and FIG. 5 (b) shows an enlarged view of a circle A portion in FIG. 5 (a). In FIG. 5 (a), the rotary anode 200 of the present embodiment has the same structure as the rotary anode 41 of the first embodiment, except for the rotor 201. FIG. 5 (b) is an enlarged cross-sectional view of a joint portion between the target support shaft 202 and the heat insulating cap 204 of the rotor 201, which is a main part of the present embodiment. In FIG. 5 (b), the annular teeth of the target support shaft 202 have outer teeth 203A and inner teeth 203B. On the other hand, the annular teeth of the heat insulating cap 204 have outer teeth 205A and inner teeth 205B. The mutual fitting is a structure in which the inner teeth 203B, the inner teeth 205B, the outer teeth 203A, and the outer teeth 205A are engaged with each other in this order from the inside. In this structure, the contact surface 237 between the outer teeth 203A of the target support shaft 202 and the inner teeth 205B of the heat insulation cap 204 has a structure (taper surface 237) that is tapered with respect to the central axis direction of the rotary anode X-ray tube. The joint between the target support shaft 202 and the heat insulating cap 204 has a fitting structure in which the cross section is Z-shaped and meshes in an annular shape.
[0092]
In this embodiment, the stress applied to each part of the fitting structure is reduced. The principle will be described with reference to FIG. However, FIG. 6 (a) shows a structure in which only the radial surfaces are butted, FIG. 6 (b) shows a rectangular ring-shaped protrusion 331 on the heat insulating cap 314A, and a ring-shaped groove 332 on the rotor shoulder 318A. When the two are fitted and brazed together (substantially the same as in Example 8), FIG. 6 (c) is this example.
[0093]
In the structure in which only the radial surfaces in FIG. 2 A degree of shear stress 330 is generated along the brazed surface. There is a problem in that the fatigue stress is caused by the amplitude of the shear stress 330 that is applied or not applied when the anode X-ray tube is used or not used. When the brazed part breaks, there is a problem that the axis of the rotor bends to cause unbalance of the anode and rotational vibration becomes large.
[0094]
For example, when the heat insulating cap 314A is provided with a rectangular ring-shaped protrusion 331 and the rotor shoulder 318A is provided with a ring-shaped groove 332, and the two are fitted and brazed (see FIG. 6 (b)). )) Is considered. In this structure, since the ring suppresses the thermal expansion in the radial direction with respect to the rotation axis, the shear stress 333 generated in the brazing radial direction can be reduced. However, since the ring-shaped protrusion 331 itself undergoes thermoelastic-plastic deformation due to a temperature change, the stress at that portion increases. Therefore, as a result of stress analysis, the brazed portion 334 on the upper surface of the ring-shaped protrusion 331 has a 40 kg / mm perpendicular to the surface. 2 Since a certain degree of tensile stress 335 is generated on the entire surface, the problem of causing fatigue failure remains.
[0095]
In order to solve this problem, the structure of this embodiment (FIG. 6c) reduces the tensile stress 335 on the entire brazed part, particularly the upper surface of the ring, thereby preventing fatigue failure. As described with reference to FIG. 5, the ring-shaped protrusion 336 is fitted and brazed in a Z shape, and the thermal expansion and contraction of the ring-shaped protrusion 336 itself is suppressed by the taper surfaces 337 being caught together. The tensile stress 339 on the ring upper surface is 30 kg / mm 2 The distribution range is reduced to about 1/5 instead of the entire surface. As a result, the stress of the entire brazed surface is reduced, and fatigue failure can be prevented. This embodiment is not limited to the case where there are two annular teeth on the target support shaft side and the heat insulating cap side as shown above, but also applicable to other numbers as shown in the seventh embodiment. Needless to say, you can.
[0096]
Next, an analysis result example of the thermal expansion amount of the rotating anode of the first to ninth embodiments of the X-ray tube apparatus according to the present invention described above will be described with reference to FIG. FIG. 7 compares the analysis results of the thermal elongation of the rotating anodes of the first example of the present invention and the conventional example. FIG. 7 (a) is a calculation example for the rotating anode of the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 (b) is a calculation example for the rotating anode of the conventional example. In the rotating anodes of the first to ninth embodiments of the present invention, the amount of thermal elongation is structurally substantially the same, so that the first embodiment is shown here as a representative example. In the rotary anode 41 of the first embodiment, the target support shaft 46 of the rotor 44 is an integration of the target support shaft 21 and the rotor shoulder 22 of the rotary anode 2 of the conventional example. In order to make the comparison with the anode 2 easier to understand, in the calculation example of FIG. 7 (a), the target support shaft 46 is divided into a portion corresponding to the target support shaft 21 of the conventional example and a portion corresponding to the rotor shoulder portion 22. Showed.
[0097]
In FIG. 7, the thermal elongation amount of the rotating anode 2 of the conventional example is about 480 μm, whereas the thermal elongation amount of the rotating anode 41 of the first embodiment is about 320 μm, and the thermal elongation amount is reduced by about 160 μm. ing. This reduction effect is obtained due to the improvement of the rotor structure. Therefore, in the present invention, the strength of the rotating anode is improved and the amount of thermal elongation is reduced.
[0098]
When the calculation result of the thermal elongation amount of the rotating anode shown in FIG. 7 is evaluated as the focal point movement amount of the entire X-ray tube apparatus, the thermal elongation amount inside the X-ray tube container when using the X-ray tube apparatus, in particular, X It is necessary to consider the amount of thermal elongation of the anode support part of the tube. This amount of thermal elongation is about 130 μm in the direction of reducing the amount of focal movement, as described in the prior art section. In consideration of this, the focal point movement amount of the entire X-ray tube apparatus of the first embodiment is about 190 μm, compared to about 350 μm in the conventional example.
[0099]
Next, a tenth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the rotating anode of the tenth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention. In this embodiment, the structure of the rotor and the fixed part of the rotating anode is improved. In FIG. 8, the rotating anode 110 of the present embodiment has the same structure as the rotating anode 41 of the first embodiment shown in FIG. 2 except for the fixed portion 112. It has a double cylindrical structure composed of an outer cylindrical portion 116. In the following, the structure of the fixing portion 112 will be described mainly.
[0100]
The structure of the fixing portion 112 of this embodiment employs a structure similar to the double cylinder structure previously proposed by the inventors of the present invention in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-340148. In FIG. 8, the entire structure of the fixing portion 112 is substantially the same as that of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2, but the fixing portion 112 is an inner cylinder portion 114 that supports the outer periphery of the bearing 27. And an outer cylinder portion 116 partially covering the outer periphery of the outer cylinder. The inner cylinder portion 114 is made of a metal material such as copper having a high thermal conductivity, and the outer cylinder portion 116 is made of a metal material such as molybdenum or molybdenum alloy having a high mechanical strength and a low thermal expansion coefficient. The structure of the hole 118 into which the bearing 27 of the inner cylinder part 114 is inserted and the anode end 34 are substantially the same as those of the fixed part 28 of the conventional example. The outer cylinder part 116 covers the most range of the outer peripheral part of the inner cylinder part 114 in the central axis direction. In the illustrated example, the outer cylinder part 116 covers from the entrance of the hole 118 of the inner cylinder part 114 to the vicinity of the anode end 34. The range covered by the outer cylindrical portion 116 is preferably as long as possible, but it is difficult to make the entire length of the fixed portion 112 due to the connection with the envelope. From the entrance of the hole 118 to the front of the connection portion with the envelope. Further, although the covering range of the outer cylinder part 116 is effective even if it is short, it is appropriate to cover the entire hole part 118 of the inner cylinder part 114 because of the structure of the fixing part 112.
[0101]
As described above, the fixing portion 112 has a double cylindrical structure, and the inner cylinder portion 114 made of copper having a low mechanical strength is covered with the outer cylinder portion 116 made of molybdenum or a molybdenum alloy having a high mechanical strength. In addition, the mechanical strength and rigidity of the fixing portion 112 can be significantly improved.
[0102]
In the present embodiment, since the fixing portion 112 has a double cylindrical structure, the large thermal expansion of copper or the like that is the material of the inner cylinder portion 114 is small such as molybdenum or molybdenum alloy that is the material of the outer cylinder portion 116. The mechanism is suppressed by thermal expansion. For this reason, the elongation amount due to the thermal expansion of the portion of the fixed portion 112 covered by the outer cylinder portion 116 is substantially the same as the elongation amount due to the low thermal expansion of the outer cylinder portion 116 such as molybdenum or molybdenum alloy. In addition, the temperature rise of each part of the fixing part 112 is suppressed to the same level as that of the fixing part 28 of the conventional example due to the effect of the inner cylinder part 114 made of a material having high thermal conductivity such as copper as described above. Is done. As a result, when the lengths of the fixing portion 112 and the outer cylindrical portion 116 are, for example, 110 mm and 90 mm, respectively, the thermal elongation amount in the fixing portion 112 is about 80 μm, which is about 120 μm compared to about 200 μm in the conventional example. Reduced.
[0103]
Therefore, in the X-ray tube apparatus of the present embodiment, the amount of focal movement is further reduced by about 120 μm to about 70 μm compared to about 190 μm of the first embodiment, so that the focal movement amount can be reduced to 100 μm or less. It becomes possible. As a result, the fluctuation of the focal shift amount falls within the applicable range of the correction coefficient determined by calibration at the time of image processing, so that high image quality without image degradation such as artifacts in practical use with X-ray CT equipment. Can be obtained.
[0104]
FIG. 9 shows an example of a configuration diagram of an X-ray CT apparatus equipped with the X-ray tube apparatus according to the present invention. In FIG. 9, an X-ray CT apparatus 120 includes an X-ray tube apparatus 122 according to the present invention, irradiates a subject with X-rays and collects X-ray measurement data, and an operation of the scanning gantry 124. An operation console 126 for creating a tomogram from the control and the image data, an imaging table 128 for mounting the subject, and the like are included.
[0105]
The scanning gantry 124 includes an X-ray tube device 122 and an X-ray detector 130 that are arranged so as to face each other around the opening 132A and mount the scanner 132 to rotate around the subject, and to control the rotation of the scanner 132. A rotation controller 134, an X-ray controller 136 that controls the X-ray output of the X-ray tube device 122, a collimator 10 that narrows the X-ray into a fan-shaped beam, a collimator controller 138 that controls the irradiation range of the X-ray beam, The data detector 140 is configured to collect X-ray measurement data by the line detector 130 and send it to the operation console 126.
[0106]
The operation console 126 includes a central processing unit 142 that processes image data and various types of data for controlling the operation of the X-ray CT apparatus, a display device 144 that displays a tomographic image, and data such as a tomographic image. Enter the storage device 146 to save, the data collection buffer 148 to temporarily save the X-ray measurement data from the data collection unit 140, the operation control data of the X-ray CT device, etc. An operation device 130 for operating the device, a control gantry 124 based on control data from the operation device 150, a control interface 152 for controlling the operations of various controllers 134, 136, 138 and an imaging table 128 included therein, and the like Is done. The imaging table 128 inserts the subject on the bed 132A into the opening 132A provided at the center of the scanner 132.
[0107]
In FIG. 9, the X-ray tube device according to the present invention is used as the X-ray tube device 122 mounted on the scanner 132 of the scanning gantry 124. Therefore, the mechanical strength and rigidity of the rotating anode during use of the X-ray tube device 122 are remarkably improved compared to the conventional product, and the focal shift amount of the X-ray tube device 122 as a whole is greatly reduced compared to the conventional product. ing.
[0108]
In taking a tomographic image with the X-ray CT apparatus 120, the X-ray tube apparatus 122 is mounted on the scanner 132 of the scanning gantry 124 opposite to the X-ray detector 130, and under the control of the rotation controller 134, The subject rotates on the imaging table 128 and rotates around the subject inserted into the opening 132A of the scanner 132. At the same time, a high voltage load is applied to the X-ray tube device 122 under the control of the X-ray controller 136, and the subject is irradiated with X-rays. The X-ray transmitted through the subject is measured by the X-ray detector 130, and the X-ray measurement data is sent to the operation console 126 via the data collection unit 140 and reconstructed as a tomographic image by the central processing unit 142. .
[0109]
If the tomographic imaging of the subject is continued, the rotating anode of the X-ray tube device 122 is heated. However, in the X-ray tube device 122 of the present invention, the amount of focal movement is small, so there is no artifact in the tomographic image. A high-quality tomographic image can be obtained. As a result, unlike the conventional X-ray CT apparatus, a mechanism for correcting the focal movement by moving the X-ray tube apparatus itself in the X-ray tube axis direction becomes unnecessary, thereby reducing the cost of the X-ray CT apparatus. Can do.
[0110]
Further, in the X-ray CT apparatus 120 equipped with the X-ray tube apparatus 122 of the present invention, as described above, the mechanical strength of the rotating anode of the X-ray tube apparatus 122 is improved and the rigidity is increased. The resistance to stress caused by centrifugal force applied to the rotating anode when the scanner 132 of 124 is rotated is further increased. As a result, the X-ray CT system can scan faster than before, and it is possible to perform imaging with a 0.5 second scan.
[0111]
【The invention's effect】
As described above, in the X-ray tube apparatus of the present invention, the structure of the rotor of the rotating anode of the insertion X-ray tube, particularly the structure of the joint portion between the target support portion and the heat insulating portion, includes a plurality of annular teeth. The mechanical strength and rigidity of the rotating anode could be greatly improved by providing a fitting structure in which the two annular tooth portions mesh with each other.
[0112]
In addition, in the X-ray tube apparatus of the present invention, along with the improvement of the rotor structure described above, the target support portion is made of a metal material having high heat resistance, high mechanical strength, and low thermal expansion coefficient, and the heat insulating portion is mechanical strength. With a high metal expansion coefficient, the mechanical strength and rigidity of the rotating anode can be improved, the amount of thermal elongation of the rotating anode can be greatly reduced, and the amount of focal movement can be greatly reduced. did it.
[0113]
Further, in the X-ray tube apparatus of the present invention, in addition to the improvement of the structure and material of the rotor of the rotary anode described above, the fixed part has a double cylindrical structure, the outer cylinder part has a high mechanical strength, and has a low thermal expansion coefficient. By configuring the inner cylinder with a material having a high thermal conductivity, the amount of thermal elongation of the rotating anode can be reduced, and the amount of focal movement can be greatly reduced.
[0114]
Moreover, in the X-ray CT apparatus of the present invention, since the X-ray tube apparatus of the present invention is mounted, the mechanical strength and rigidity of the rotating anode of the X-ray tube apparatus are greatly improved compared to the conventional products, Scanning gantry scanners can be rotated at high speed, and high-speed scanning of about 0.5 seconds is possible.
[0115]
Further, in the X-ray CT apparatus of the present invention, the amount of thermal elongation of the mounted X-ray tube apparatus is greatly reduced, and the amount of focal movement is significantly reduced, which is caused by focal movement during tomographic imaging. Occurrence of artifacts is eliminated and a high-quality tomographic image can be obtained. In addition, the rotor and fixed part of the rotating anode of the X-ray tube device can be used without a mechanism that moves the X-ray tube device in the X-ray tube axis direction due to a significant reduction in the amount of focal movement. The installation and control of these mechanisms are not required, and the image quality can be improved and the cost of the apparatus can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall structural view of a rotary anode X-ray tube inserted in a first embodiment of an X-ray tube apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the structure of the rotating anode in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a rotating anode of second to seventh embodiments of an X-ray tube apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the structure of a rotating anode of an eighth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the structure of the rotating anode of the ninth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a principle diagram of stress reduction applied to a fitting structure portion.
FIG. 7 is a comparison of the amount of thermal elongation between the rotating anodes of the first embodiment of the present invention and the conventional example.
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the structure of the rotating anode of the ninth embodiment of the X-ray tube apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is an example of a configuration diagram of an X-ray CT apparatus equipped with the X-ray tube apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the structure of a rotary anode X-ray tube inserted in a conventional X-ray tube apparatus and the collimator of the X-ray CT apparatus.
FIG. 11 shows an example of the structure of a rotating anode of a conventional rotating anode X-ray tube.
[Explanation of symbols]
1, 40 ... Rotating anode X-ray tube (X-ray tube)
2, 41, 100, 110, 200 ... Rotating anode (anode)
3 ... Cathode
4 ... Envelope
5 ... Electron beam (electron current)
6, 6A ... Target
7,7A ... Focus
8, 8A ... X-ray (X-ray beam)
9 ... X-ray emission window
10 ... Collimator
11 ... Slit
12 ... X-ray detector
13 ... Movement amount △ L
20, 44, 60, 66, 72, 78, 86, 94, 101, 201 ... rotor
21, 46, 62, 68, 74, 80, 88, 96, 102, 202 ... target support shaft
22,318A ... Rotor shoulder
23 ... Cylindrical part
24, 48, 64, 70, 76, 82, 90, 98, 104, 314A ... Insulation cap
26 ... Rotation axis
27… Bearings
28, 112 ... fixed part
46A ... Small diameter part
46B, 62B, 68B, 74B, 80B, 88B, 96B, 102B, 202B ... large diameter part
47, 47A, 47B, 49, 49A, 49B, 63, 63A, 63B, 65, 65A, 65B, 69, 69A, 69B, 71, 71A, 71B, 75, 75A, 75B, 77, 77A, 77B, 81, 81A, 81B, 83A, 83B, 89, 89A, 89B, 91, 91A, 91B, 97, 97A, 97B, 97C, 97D, 99, 99A, 99B, 99C, 99D, 103, 103A, 103B, 105, 105A, 105B, 203, 203A, 203B, 205A, 205B ... Ring tooth
48A, 64A, 70A, 76A, 82A, 90A, 98A, 104A, 204A ... Flange
48B, 64B, 70B, 76B, 82B, 90B, 98B, 104B, 204B ... Thin cylindrical part
48C ... Bottom
50 ... Copper (brazing material)
84A, 84B, 84C, 84D ... Gap
92, 93 ... tip
114 ... Inner tube
116 ... Outer tube
118 ... hole
120 ... X-ray CT system
122 ... X-ray tube equipment
124 ... Scanning gantry
126… Operation console
128 ... Shooting table
130 ... X-ray detector
132 ... Scanner
136… X-ray controller
142 ... Central processing unit
237,337 ... Taper surface
330, 336 ... Ring-shaped protrusion
332 ... Ring-shaped groove
334, 338 ... Brazed portion on the upper surface of the ring-shaped protrusions 331, 336
335,339 ... tensile stress
336 ... Ring-shaped protrusion

Claims (2)

円盤状のターゲット、ターゲットを支持するロータ、ロータを支持する回転軸、回転軸を回転自在に支持する軸受、および軸受を支持する固定部を有する回転陽極と、電子流を放出してターゲット上にX線源となる焦点を形成する陰極と、回転陽極と陰極とを絶縁支持し真空気密に封入する外囲器とを具備する回転陽極X線管を、防X線・防電撃構造のX 線管容器内に絶縁支持して収納するX 線管装置において、前記ロータはターゲットを支持するターゲット支持部と、該ターゲット支持部に一端において接合され、他端において前記回転軸に支持される断熱部と、該断熱部のターゲット支持部との接合部とほぼ同じ外径の円筒形状をしており、該断熱部に接続される円筒部とから構成され、前記ターゲット支持部はターゲットを支持する細径部と、前記断熱部に接合される大径部とを有し、該大径部側に前記断熱部の少なくとも一部を収容する円形穴を備えており、前記断熱部はターゲット支持部の大径部に接合されるフランジ部と、前記ターゲット支持部からの伝熱を減少させるための薄肉円筒部と、該薄肉円筒部の底を形成し前記回転軸と結合される平面部とを有し、前記ターゲット支持部と前記断熱部との接合部では、両者が互いに噛み合う円環状の突起である円環歯部を一方が2個以上、他方が1個以上持ち、前記円環歯部は前記回転軸の方向にテーパを持たせた構造であり、一方の2個以上の円環歯部の間に他方の1個以上の円環歯部が嵌合した状態でろう付けされており、嵌合部の断面がZ字状であることを特徴とするX 線管装置。A disk-shaped target, a rotor that supports the target, a rotating shaft that supports the rotor, a bearing that rotatably supports the rotating shaft, and a rotating anode that has a fixed portion that supports the bearing, and an electron current emitted onto the target A rotating anode X-ray tube comprising a cathode forming a focal point as an X-ray source, and an envelope that insulates and supports the rotating anode and the cathode and is hermetically sealed in a vacuum-tight manner. In an X-ray tube device that is insulated and supported in a tube container, the rotor is supported by a target support portion that supports a target, and a heat insulating portion that is joined to the target support portion at one end and supported at the other end by the rotating shaft. And a cylindrical portion having substantially the same outer diameter as a joint portion of the heat insulation portion with the target support portion, and a cylindrical portion connected to the heat insulation portion, and the target support portion supports the target A diameter portion and a large diameter portion joined to the heat insulating portion, and provided with a circular hole for accommodating at least a part of the heat insulating portion on the large diameter portion side, the heat insulating portion of the target support portion A flange portion joined to the large-diameter portion, a thin cylindrical portion for reducing heat transfer from the target support portion, and a flat portion that forms the bottom of the thin cylindrical portion and is coupled to the rotating shaft. In addition, at the joint portion between the target support portion and the heat insulating portion, one has two or more annular tooth portions that are annular protrusions that mesh with each other, and the other has one or more, and the annular tooth portion is It is a structure having a taper in the direction of the rotation axis, and is brazed in a state where one or more annular tooth portions are fitted between two or more annular tooth portions , An X-ray tube device characterized in that the cross-section of the fitting portion is Z-shaped . X線管装置とX線検出器とを被検体が挿入される開口部を挟んで対向配置して搭載した走査ガントリと、前記X線管装置に高電圧負荷を印加するX線コントローラと、寝載した被検体を前記開口部に挿入する撮影テーブルと、前記走査ガントリ、前記X線コントローラ及び前記撮影テーブルを制御し、前記X線検出器で収集したX線計測データに基づいて被検体の断層画像を再構成する操作コンソールとを具備するX線CT装置において、前記X線管装置が請求項1に記載のX線管装置であることを特徴とするX線CT装置。  A scanning gantry in which an X-ray tube device and an X-ray detector are arranged opposite to each other across an opening into which a subject is inserted; an X-ray controller that applies a high voltage load to the X-ray tube device; An imaging table for inserting the placed subject into the opening, the scanning gantry, the X-ray controller, and the imaging table are controlled, and the tomogram of the subject is based on the X-ray measurement data collected by the X-ray detector. An X-ray CT apparatus comprising an operation console for reconstructing an image, wherein the X-ray tube apparatus is the X-ray tube apparatus according to claim 1.
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