(57)【要約】【課題】Ｘ線管装置の焦点移動量を大幅に低減するとともに回転陽極の機械的強度の向上を図る。【解決手段】Ｘ線管装置の回転陽極４１のロータ４４は、ターゲット６を支持し、モリブデンなどの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ターゲット支持軸４６と、回転軸２６に支持され、ステンレス鋼などの機械的強度が大きく、熱膨張率の大きい金属材料から成る断熱キャップ４８と、銅の円筒部２３から構成され、ターゲット支持軸４６と断熱キャップ４８との接合部は両者が２層ずつの円環状の突出部（円環歯部）４７，４９を有し、それらの円環歯部４７，４９が互いに噛み合うように嵌合し、ろう付けされている。これによりロータの強度及び剛性が向上すると共に、ロータの熱伸び量が大幅に低減する。【選択図】　　　図２
2004063444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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とを有し、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（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ことを特徴とするＸ線管装置。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線管装置において、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ことを特徴とするＸ線管装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のＸ線管装置において、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ことを特徴とするＸ線管装置。
【請求項４】
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乃至３いずれか１項記載のＸ線管装置であることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
2004063444.tif 000003
【図２】
2004063444.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004063444.tif 000006
【図５】
2004063444.tif 000007
【図６】
2004063444.tif 000008
【図７】
2004063444.tif 000009
【図８】
2004063444.tif 000010
【図９】
2004063444.tif 000011
【図１０】
2004063444.tif 000012
【図１１】
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