JP5043098B2 - Ｘ線管用の陽極板及び製造の方法 - Google Patents

Description

本発明はX線管、当該X線管で使われている陽極板、及びこれらに対応する製造の方法に関する。

（一般に、回転するディスクの形態である）陽極板は、コンピュータ断層撮影（CT）システムなどの診断医療装置内で使われているX線管に組み込まれている。通常の動作条件下では当該陽極板は、陽極の表面に衝突する入射電子ビームから生成された熱から生じる非常に大きな熱負荷同様、陽極の高い回転速度から生じる大きな機械的な圧縮応力と引張り応力とを受ける。これらの機械的な応力と熱的な応力とが陽極の表面を劣化させ、例えば時間と共に陽極板の割れ又は反りになる。当該陽極の、即ちX線管の使用可能な寿命は、これらの影響により短くなる。

図1Aは、温度勾配分布と接線方向の応力分布とを示している、従来からの回転陽極板100の正面図を例示している。外径部110は、電子ビームが陽極板100にぶつかる標的エリアを表す。入射した電子ビームの約99%の運動エネルギが、外径部110と内径部130との間で温度勾配を形成する熱へと変換される。熱膨張係数に起因して、接線方向の機械的な圧縮応力が外径部で生成され、他方、接線方向の引張り応力が内径部で生成される。

図1B及び 図1Cは、上で説明した引張り応力と圧縮応力とを減じるために半径方向のスロット140が使われている、従来からの陽極板のデザインを例示している。特に、陽極100の機械的な応力を更に減じるために丸くされたスロット端部142をもつ半径方向のスロット140が、陽極の外縁から内側の領域130へ向かって延在している。図1Bは更に、回転中、及び熱負荷がかかっている間に陽極板間の接線方向の応力分布を例示している。同図から見てとれるように、半径方向のスロット140は陽極板の外縁での応力を減じるように動作するが、しかし高い圧縮応力が当該スロット端部142に見られる。図1Cは熱負荷無しで陽極が回転する間の、陽極板間の接線方向の応力分布を例示しており、ここでは大きな引張り応力がスロット端部42に生じている。

陽極板が使われているX線管の使用可能な寿命が延長されるように、減じられた引張り応力と圧縮応力とをもつ陽極板を供することが望ましい。

このニーズが、独立する請求項によるX線管用の陽極板によって満たされる。

本発明の一つの実施例ではX線管用の陽極板が供され、当該陽極板は、外縁に沿って配置された、中央部へ向かって延在する、各スロットが端部で終わっている（複数の）スロットを含んでいる。当該陽極板は更に、一つ以上のスロット端部の周縁の少なくとも一部にわたって配置されたスロットの端部材料を含んでいる。当該スロットの端部材料は、上で説明された陽極の回転及び/又は加熱の結果としてスロット端部で発生した引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能することができる。

本発明の別の実施例では、X線管用の陽極板を製造するための方法は、外縁と中央部とをもつ、外縁に沿って配置され、中央部へ向かって延在し、各々が端部を有する複数のスロットを含んでいる陽極板を形成するステップを含んでいる。当該製造方法は更に、スロット端部での引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能する、スロットの端部材料を一つ以上のスロット端部の周縁の少なくとも一部にわたって充填することを含む。

本発明の他の実施例では、陽極に衝突する電子の流れを供する陰極と、本発明による陽極板とをもつX線管が提示される。

本発明の例示的な実施例の要旨として、動作中にスロット端部で発生する圧縮応力と引張り応力とを減じるために、スロットの端部材料がスロット端部に配置され、これによって陽極板の使用可能な寿命、従って当該陽極板が使われているX線管の使用可能な寿命を延長することが見てとれる。

本発明によるX線管の陽極の、製造システムにも同様に適用されるであろう例示的な特徴及び詳細を以下に説明する。

オプションの実施例では、陽極板とスロット端部とは一般には円形状である。他の例では、スロットの端部材料230は、当該スロット端部の周縁の少なくとも1/2にわたって配置され、他のオプションでは、当該スロット端部の実質的に全周縁にわたって配置される。他の例示的な実施例としては、当該スロットの端部材料が陽極板の内側リング内に形成され、これによって一つ以上のスロットの端部が、スロットの端部材料の内側リングと交わっている。当該スロットの端部材料の例示的な実施例は、Ti、V、Ta、Nb、Re及びこれらの合金から構成される延性のある耐熱合金のグループから選択されることができる。他のオプションとして、当該スロットの端部材料は、Niベースの超合金、ファイバ強化型の材料又は高破壊靭性をもつ材料から形成されることができる。

上で説明された製造方法にも適用することができる、本発明によるX線管の陽極を製造する方法の例示的な特徴及び詳細を以下に説明する。

製造方法の一つの実施例では、陽極板とスロット端部とは一般に円形状に形成される。他の例では、オプションでスロットの端部材料は、一つ以上のスロット端部の周縁の少なくとも1/2にわたって配置される。他のオプションの実施例では、スロットの端部材料は内側リングの形態で陽極板上に配置され、これにより、一つ以上のスロットの端部がスロットの端部材料の内側リングと交わる。別のオプションの実施例では、陽極板のスロット端部が予定された場所に、第1の穴が供される。次に、スロットの端部材料が、第1の穴内に配置される。次に、配置されたスロットの端部材料内に、スロット端部を形成する第2の穴が供される。次に、スロットが端部から陽極板の外縁まで延伸される。当該スロットの端部材料は、Ti、V、Ta、Nb、Re及びこれらの合金から構成される延性のある耐熱合金から、又はNiベースの超合金から作られる。

前述の方法の操作は、コンピュータプログラム、即ちソフトウエアによって、若しくは一つ以上の特別な電子回路、即ちハードウエアによって、又はハイブリッド/ファームウエアの形態、即ちソフトウエアとハードウエア部品とによって実現されることができる。当該コンピュータプログラムは、例えばJAVA（登録商標）、C++など何らかの適切なプログラム言語で書かれた、コンピュータが読み取り可能な命令コードとして実行され、このコンピュータプログラムは、コンピュータで読み取り可能な媒体（取り出し可能なディスク、揮発性又は不揮発性のメモリ、組み込まれたメモリ/データプロセッサ、等々）内に記憶される。当該命令コードは、他の斯様なプログラム可能な装置をもつコンピュータが、意図した機能を実行するために、プログラムすることができる。当該コンピュータプログラムは、WorldWideWeb(www.)などのネットワークから入手可能であり、ここから当該プログラムがダウンロードされる。

本発明のこれらの態様及び他の態様が、以降に説明される実施例から明らかになり、この実施例を参照して説明されよう。

本発明の例示的な実施例が添付の図を参照して以下に説明されよう。

明確さのために、これまでに認識された特徴は以下の図において同じ引用番号を持つ。

図2Aは、本発明によるX線管用の陽極板の第1の例示的な実施例を示す。各々が端部222で終わるスロット220であって、陽極板210は、外縁210aに沿って配置され、中央部210bへ向かって延在する当該スロット220を含む。当該陽極板210は他に、一つ以上のスロット端部222の周縁の少なくとも一部にわたって配置された、スロットの端部材料230を含む。当該スロットの端部材料230は、上で説明された陽極の回転及び/又は加熱の結果としてスロット端部222で発生した引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能する。

他の形状も代替的に使われるものの、本発明の特定の実施例では、当該陽極板210は概して円形状である。他の実施例と同様、種々異なる形状が本発明の下で実施されるものの、更なる例では、スロット端部222は概して円形状である。

スロットの端部材料230は、一つ以上のスロット端部222の周縁の少なくとも一部にわたって配置される。一つの実施例では、当該スロットの端部材料230は、一つ以上のスロット端部 222の周縁の少なくとも半分にわたって延在し、別の実施例では、当該スロットの端部材料は図2Aに示されるように、実質的にスロット端部の全周縁にわたって延在する。用語「スロット端部の周縁」は、周囲に陽極板部分が位置している、スロット220自身を除いた、スロット端部222の周縁部を呼ぶ。陽極板210は、Mo合金などの、従来からある材料で構成されることができる。スロットの端部材料230は、Ti、V、Ta、Nb、Reなどの延性のある耐熱合金、又はこれらの合金である。代替的には、Niベースの超合金がスロットの端部材料230に使われることができる。他の例では、高い延性、高い破壊靱性、及び低いヤング率を示す材料、又はファイバで強化された材料が、スロットの端部材料230として使われることができる。

図2Bは本発明によるX線管用の陽極板の、同じ引用番号を持っている、これまでに列挙された特徴をもつ、第2の例示的な実施例を示している。この実施例では、陽極板210は、スロットの端部材料230の内側リング250を含んでおり、これによって一つ以上のスロットの端部222が、当該スロットの端部材料230の内側リング250と交わっている。図示された特定の実施例では、スロットの端部材料230がスロット端部222の全周縁にわたって延在している。代替的な実施例では、当該内側リング250の位置及び/又は幅は、スロット端部222の全周縁が覆われているよりは少なく、例えば周縁の半分、周縁の1/4、又はそれより少なく覆われているほどである。半径Rの概して円形の陽極板に対するスロット及び穴の例示的な寸法は以下のようであろう；スロット220の幅は0.001*Rから0.02*R、スロット220の長さは0.2*Rから0.8*R、スロット端部222の半径は0.02*R未満、当該スロット端部222の少なくとも一部にわたって配置されたスロットの端部材料230の半径は0.005*Rから0.2*R、スロットの端部材料230の内側リング250の幅は（これが使われるとき）0.005*Rから0.2*Rである。

図3は、本発明によるX線管用の陽極板を製造するための例示的な実施例を示している。最初に、ステップ312で、陽極板210が、当該陽極板の外縁210aから中央部210bへ向かって延在する複数のスロット220と共に形成される。他の形状が本発明に従って使われることができるものの、例示的な実施例では当該陽極板は概して円形状に形成される。他の形状が本発明に従って使われることができるものの、更なる例ではスロット端部222は概して円形状に形成される。

次に、ステップ314では、一つ以上のスロット端部222での引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能するスロットの端部材料230を、一つ以上のスロット端部222のうちの一つの周縁の少なくとも一部にわたって充填する。他の実施例では一つ以上のスロット端部が当該スロットの端部材料を含まないものの、このプロセスの特定の実施例では、スロットの端部材料230を、スロット端部222の各々の周縁にわたって充填する。他の例では、当該スロットの端部材料230を、一つ以上のスロット端部222の周縁の少なくとも1/2にわたって、例えば図2A及び図2Bで例示されているように、実質的にスロット端部222の全周縁にわたって延在するよう充填する。勿論、他の実施例もまた可能であり、例えばスロットの端部材料はスロット端部222の周縁の半分より少なく、例えばスロット端部の周縁の1/4にわたって延在してもよい。

ステップ314の第1の具体的なプロセスでは、スロットの端部材料が有る内側リング250が陽極板上に形成され、これによって一つ以上のスロット端部222が当該内側リング250と交わる。スロットの端部材料が有る内側リング250は、例えば電気冶金、プラズマ噴霧、又は既知の斯様な類似の技術を用いてデポされる。

図4A及び図4Bは、スロットの端部材料230がスロット端部222の周縁の少なくとも一部にわたって形成される、ステップ314の第2の具体的なプロセスを例示している。最初に、陽極板210のスロット端部が予定されている場所に（例えば穴空け、エッチング、機械加工、又は同様の加工によって）第1の穴410が供される。次に、当該第1の穴410が、スロットの端部材料230で充填される。他の例では、スロットの端部材料230で作られたボルトが、穴410へ挿し込まれ、陽極板210に、例えば蝋付けによって接続される。図4Aは、結果として生じた構造を例示している。

次に、スロットの端部材料230内に、スロット端部222を形成する第2の穴420が供される。その後、スロット220が、陽極板のスロット端部222/420から外縁210aへと（例えば穴空け、エッチング、機械加工、又は同様の加工によって）延伸される。図4Bは、結果として生じた構造を例示している。

図5は、本発明による陽極板を使用したX線管530をもつ（円錐ビームの）コンピュータ断層撮影(CT)システムを例示している。当該CTシステム500は、X線管530及び対向する検知器515が、両者の間に位置する患者510又は対象物のX線画像を供するために回転する、ガントリ501を含んでいる。X線管530内の陰極が、陽極板へ衝突する電子の流れを生成し、当該陽極板はこれに反応して患者510又は対象物を照らすためのX線を、X線を透過する材料/窓を通じて照射する。モータ制御ユニット520及び525が、X線管530及び患者のプラットフォーム512の動きを制御する。上で述べたように、陽極の高い回転速度と表面の加熱とが、著しい圧縮応力と引張り応力とを陽極に引き起こす。本発明は、減じられた圧縮応力と引張り応力とをもつ、故にX線管の使用可能な寿命を延長し、従って、より少ないメンテナンスを可能にする陽極板と、CTシステムの素晴らしい信頼性とを供する。

要約すると、本発明の一つの態様として、スロット端部にて減じられた圧縮応力及び引張り応力で動作することのできる、X線管用の、スロットの有る陽極板が提示されていることが見てとれる。当該陽極は、陽極板の外縁から中央部へ向かって延在する、各々のスロットが端部を含む、複数のスロットを有する。スロット端部での引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能する、スロットの端部材料がスロット端部に配置される。

当業者によって容易に理解されるように、説明されたプロセスはハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はこれらの組合せが適切であるとして、実行されることができる。加えるに、他の斯様なプログラム可能な装置のコンピュータが、意図された機能を実行するためにプログラムするよう動作する命令コードであって、説明されたプロセスの幾つか又は全てが、コンピュータで読み取り可能な媒体（例えば、取り出し可能なディスク、揮発性又は不揮発性のメモリ、組込まれたデータプロセッサ等）内に有る、コンピュータで読み取り可能な当該命令コードとして実行されることができる。

用語「有する」は、他の特徴を排除することはなく、定冠詞「a」又は「an」は、注記される以外は複数を排除しないことに留意されねばならない。更に、種々異なる実施例に付随して説明された複数の要素は、組み合わされ得ることに留意されねばならない。請求項中の引用記号は、当該請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことにも留意されたい。

上述の説明は、例示及び解説の目的のために提示された。本発明が包括的であること、又は開示された詳細な形態に本発明を限定することは意図されておらず、明らかに多数の変更及びバリエーションが、開示された教示を考慮すると可能である。説明された実施例は、これにより当業者が、様々な実施例において及び計画された特定の使用に対して適するものとする様々な変更と共に、本発明を一番良く役立てることを可能にするために、本発明の原理及びその実際のアプリケーションを一番良く説明するために選択されている。本発明の範囲は、単に添付の請求項によって規定されるよう意図されている。

従来からのX線管用の陽極板の正面図、及び当該陽極板間の熱勾配と接線方向の応力分布とを例示する。 別の従来からのX線管用の陽極板の正面図、及び当該陽極板間の熱勾配と接線方向の応力分布とを例示する。 熱応力が無い場合の、別の従来からのX線管用の陽極板の正面図、及び当該陽極板間の接線方向の応力分布を例示する。 本発明によるX線管用の陽極板の第1の例示的な実施例を示す。 本発明によるX線管用の陽極板の第2の例示的な実施例を示す。 本発明によるX線管用の陽極板を製造するための例示的な実施例を示す。 本発明によるスロットの端部材料の内側リングが、X線管用の陽極板上に形成される、例示的なプロセスを示す。 本発明によるスロットの端部材料を伴う当該陽極板のスロットが、X線管用の陽極板上に形成される、例示的なプロセスを示す。 本発明による陽極板を使用したX線管をもつ、コンピュータ断層撮影システムを例示する。

Claims (15)

1. 外縁と、中央部と、前記外縁に沿って配置され、前記中央部へ向かって延在し、各々がスロット端を有する複数のスロットとをもつX線管用の陽極板であって、前記スロット端での引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能する、一つ以上の前記スロット端の周縁の少なくとも一部にわたって配置されたスロット端部材料を更に含む、陽極板。
2. 前記スロット端部材料が、一つ以上の前記スロット端の前記周縁の少なくとも1/2にわたって配置されている、請求項1に記載の陽極板。
3. 前記スロット端部材料が、一つ以上の前記スロット端の実質的に全周縁にわたって配置されている、請求項1に記載の陽極板。
4. 前記スロット端部材料が前記陽極板の内側リング内に形成され、一つ以上の前記スロットの前記スロット端が当該スロット端部材料の内側リングと交わっている、請求項1ないし3の何れか一項に記載の陽極板。
5. 前記スロット端部材料が、Ti、V、Ta、Nb、Re及びこれらの合金から構成される延性のある耐熱合金のグループから選択される、請求項1ないし4の何れか一項に記載の陽極板。
6. 前記スロット端部材料がNiベースの超合金を有する、請求項1ないし4の何れか一項に記載の陽極板。
7. 陰極と、
   請求項1に記載の陽極とを有する、CTシステム用のX線管。
8. 前記スロット端部材料が、一つ以上の前記スロット端の周縁の少なくとも1/2にわたって配置されている、請求項7に記載のX線管。
9. 前記スロット端部材料が、一つ以上の前記スロット端の実質的に全周縁にわたって配置されている、請求項7に記載のX線管。
10. 前記スロット端部材料が前記陽極板の内側リング内に形成され、一つ以上の前記スロットの前記スロット端が、当該スロット端部材料の内側リングと交わる、請求項7ないし９の何れか一項に記載のX線管。
11. 外縁と中央部とをもち、前記外縁に沿って配置され、前記中央部へ向かって延在し、各々がスロット端を有する複数のスロットを含む陽極板を形成するステップを含む、X線管用の陽極板を製造するための方法であって、前記スロット端での引張り応力又は圧縮応力を減じるよう機能するスロット端部材料を、一つ以上の前記スロット端の周縁の少なくとも一部にわたって充填するステップを更に含む、陽極板を製造するための方法。
12. 前記スロット端部材料を充填するステップが、一つ以上の前記スロット端の周縁の少なくとも1/2にわたって当該スロット端部材料を充填することを含む、請求項11に記載の方法。
13. 前記スロット端部材料を充填するステップが、一つ以上の前記スロット端の実質的に全周縁にわたって当該スロット端部材料を充填することを含む、請求項11に記載の方法。
14. 前記スロット端部材料を充填するステップが、一つ以上の前記スロットの前記スロット端が当該スロット端部材料の内側リングと交わるよう、当該スロット端部材料の内側リングを前記陽極板上に形成することを含む、請求項11ないし13の一項に記載の方法。
15. 前記スロット端部材料を充填するステップが、
    − 前記スロット端が予定された場所に、前記陽極板内に第1の穴を供するステップと、
    − 前記第1の穴内に前記スロット端部材料を充填するステップと、
    − 前記スロット端部材料内に、スロット端を形成する第2の穴を供するステップと、
    − 前記陽極板の前記スロット端から前記外縁へとスロットを延伸するステップとを有する、請求項11ないし13の何れか一項に記載の方法。

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