JPH0457063B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は回転陽極型Ｘ線管装置に係り、陽極
ターゲツトを磁気軸受で非接触で支承しながら高
速度で回転させ、更にこの陽極ターゲツトに正の
高電圧を供給し、陰極に負の高電圧を供給し、真
空容器及び磁気軸受用ローターを実質的に接地電
位に保ち、磁気軸受のステーターとローターの間
隔を４mm以下に保ち、且つコンパクトな構造とし
た回転陽極型Ｘ線管装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般にＸ線管は、例えばＸ線診断として医療用
に利用されているが、胃の検診などの場合には、
従来第５図に示すようなＸ線管が用いられてい
る。このＸ線管は、いわゆる回転陽極型といわれ
るもので、外囲器１の一方に陰極２が配設され、
熱電子を放出する陰極フイラメント及び集束電極
を内蔵した陰極３が偏心して設けられている。
又、外囲器１の中央付近には、陰極構体２に対向
して略傘状の陽極ターゲツト４が配設されてい
る。この陽極ターゲツト４は、上記陰極構体２と
の間に高電位差を設け、陰極フイラメントから放
出された電子を加速して衝突させ、制動輻射によ
つてＸ線を発生させるとともに、その際に発生す
る多量の熱を貯蔵および放熱するためのものであ
り、熱発生面積を実効的に広げるために高速度で
回転できるようになつている。このような陽極タ
ーゲツト４は支持柱５を介して有蓋円筒状ロータ
ー６に連結されている。このローター６は、外囲
器１外に配設されたステータ７が発生する回転磁
界を受けて回転力を生じるもので、ステータ７と
共に誘導電動機を形成している。尚、支持柱５と
ローター６は一体になつている。ローター６の内
側には、軸心に沿つて回転軸８が配設され、この
回転軸８の一端はねじ等（図示せず）によりロー
ター６に固着されている。この回転軸８と前記ロ
ーター６との間には有底筒状の固定子９が同軸的
に配設され、一端が封着リング１０，１１を介し
て上記外囲器１に固定されている。尚、この固定
子９は一部が管外に露出しており、Ｘ線管全体を
外部に支持固定する役目も果している。そして固
定子９と上記回転軸８との間には、ベアリング１
２，１３が介在配設され、回転軸８が自由に回転
するようになつている。さて、動作時には陰極フ
イラメントから放出された電子がターゲツト４に
到達した時のパワーは、陽極電圧50KV電流
20mAの場合、1KWに達する。このパワーの99
％以上が熱に変換されるので、ターゲツト４は外
部への熱輻射と他の部分への熱伝導を伴いながら
高温度に加熱される。熱輻射は温度の４乗に比例
して増加するので、高温になると放熱が大きく増
加し、短時間で熱平衡に達する。例えば前記の条
件では５分後に1100℃で平衡する。一方、熱伝導
による熱の伝達は、伝導媒体の他端が熱的にフリ
ーの場合には、長時間かかつて徐々に端部が高温
となる。そしてターゲツト４の熱はローター６、
回転軸８に伝えられ、これらを高温にする。ロー
ター６が高温になれば、前述したように熱輻射が
増加して熱的に平衡に達する。上記した条件で
は、支持柱５上の点は通電開始後約15分で800
℃、ローター６の点では通電開始後30分で550
℃で、ベアリング１３の近傍の点では通電開始
後約50分で400℃で熱平衡に達する。ベアリング
１２，１３中のボールの回転状況によつては熱膨
張により外輪、内輪とのクリアランスが不良とな
り、ベアリング破損等の不都合が発生することと
なる。又、ベアリング１２，１３が500℃以上に
もなれば、ボールの硬度低下をきたし、回転停止
等の管球破損が発生することになる。

又、真空中でベアリング１２，１３を介してロ
ーター６及びターゲツト４を回転する場合、回転
速度を大きくすると、極端に回転寿命が低下する
ことが判つている。現実に使用されているＸ線管
は10000rpm程度であるが、この場合でも回転寿
命は十分ではない。

更に、ターゲツト４の熱容量が増えた場合に、
ターゲツト重量が大きくなり、やはり回転寿命が
短かくなる欠点があつた。これを解決するため
に、米国特許明細書4417171号、特公昭58−43860
号、特開昭59−63646号に記載されている磁気浮
上形Ｘ線管が提案されているが、これらは次のよ
うな欠点を有している。即ち、米国特許明細書
4417171号では、ローターの外径が極めて大きく
なり、Ｘ線管全体が大きくなるだけでなく、中央
部の支柱を高電圧にしなければならないので、そ
の保持が困難である。特公昭58−43860号では、
ローターとターゲツトの剛性が小さく、共振周波
数が低くなり、高速回転ができない欠点がある。
特開昭59−63646号では、陽極を接地電位に保た
なければならず、特別の高電圧電源及び高電圧ケ
ーブルが必要となり不便である。

〔背景技術の問題点〕

ところで上記のような従来のＸ線管には、次の
ような欠点がある。即ち、上述のようにベアリン
グ１２，１３のボールの温度が高くなると、ボー
ルと内輪及び外輪とのクリアランスが不足するだ
けでなく、これらの間に存在する潤滑材が蒸発し
てしまい、ベアリング１２，１３が破損する場合
がある。これらの理由により回転停止事故が多発
し易い欠点がある。この防止のためにターゲツト
４の黒化度の増大、ローター６の表面の黒化度の
増大、ターゲツト４とローター６の間に熱遮蔽板
の設置等が考えられているが、これらの効果は比
較的少なく、ターゲツト４への入力パワーを過少
にしているのが実状である。

又、この構造では高速回転をすると、回転寿命
が極めて短かくなる。そして、ターゲツト４の熱
容量を増すと、ターゲツト４の重量が増すため、
益々回転寿命が短くなる。これらの問題を除去す
るために、磁気軸受を用いた回転陽極型Ｘ線管が
既述のように米国特許明細書4417171号、特公昭
58−43860号、特開昭59−63646号に提案されてい
る。しかしながら、これらはそれぞれ前述したよ
うに欠点を有している。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、大容量のＸ線発生用ターゲ
ツトを磁気軸受を用いて非接触で回転自在に支承
し、この磁気軸受の剛性を十分大きく保ち、しか
も回転部の剛性を大きくして共振周波数を高く
し、低振動の超高速回転を可能とし、回転寿命を
極めて長くし、且つターゲツトを正の高電圧に、
陰極を負の高電圧に、真空容器及び磁気軸受のロ
ーター及びステータを実質的にアース電位に保つ
ことにより、磁気ギヤツプを小さくして剛性を高
くすると共に、ローターの変位を検出する位置セ
ンサーにノイズが入らないようにして、信頼性を
著しく向上した回転陽極型Ｘ線管装置を提供する
ことである。

〔発明の概要〕

この発明は、磁気軸受用ローターの内部に絶縁
物を挿入固着し、この絶縁物を介してこの絶縁物
の外周部で分離した位置にＸ線発生用ターゲツト
を機械的に固着して、このターゲツトと上記磁気
軸受用ローターを分離した上記絶縁物の部分で電
気的に絶縁し、上記磁気軸受用ローターを実質的
に接地電位に保ち、少なくとも１個のローターの
内部に貫通して設けられた導電路を通つて管外か
ら上記ターゲツトに正の高電圧を供給するように
構成されている。そして、陰極には負の高電圧を
加えることができ、従来の回転陽極型Ｘ線管と同
じ中性点接地形の高電圧電源で使用することがで
き、従来のＸ線管と同じ程度の重量及び外形寸法
を有し、しかも大容量のターゲツトを超高速度で
回転させることができ、極めて長寿命で低振動、
低騒音の回転陽極型Ｘ線管装置である。

〔発明の実施例〕

この発明の回転陽極型Ｘ線管装置は第１図乃至
第３図に示すように構成され、従来例（第５図）
と同一箇所は同一符号を付すことにする。

即ち、真空容器であるハウジング１の中央部は
金属製であり、接地電位に保たれている。そし
て、このハウジング１は、Ｘ線発生用のターゲツ
ト４からの熱を吸収する吸熱容器部１０１と、磁
気軸受内真空隔壁１０２，１０３と、位置センサ
ー内真空隔壁１０４，１０５と、補助ベアリング
支持板１０６，１０７と、端部絶縁容器１０８，
１０９から成り立つている。このようなハウジン
グ１は上記部分によつて既述のように真空容器を
形成し、その内部は高真空に保たれている。

上記磁気軸受内真空隔壁１０２，１０３の外側
には、ラジアル方向に吸引力を発生するラジアル
磁気軸受用ステーター１１０，１１１が設けられ
ている。このラジアル磁気軸受用ステーター１１
０，１１１のそれぞれ横には、スラスト方向に吸
引力を発生するスラスト磁気軸受用ステーター１
１２，１１３が設けられている。これら各ステー
ターの内側には、磁気軸受用ローター１１４，１
１５が配設されている。この磁気軸受用ローター
１１４，１１５は純鉄等の磁性材料からなり、そ
の外周には磁性材料からなる積層板１１６．１１
７が被覆され、この積層板１１６，１１７と上記
ラジアル磁気軸受用ステーター１１０，１１１と
の間で吸入力を発生してラジアル磁気軸受を構成
している。

さて、磁気軸受用ローター１１４．１１５の金
属円筒部材の各端部には、熱容量が小さいタンタ
ルのような薄い耐熱金属又は表面がメタライズさ
れたSi3N4のようなセラミツクでできた耐熱円筒
１１８，１１９が電気的及び機械的に接続固定さ
れている。これら耐熱円筒の外周の一部には、バ
リウムインプレカソードのような比較的低温で熱
電子を放出する熱電子放出用回転陰極１２０，１
２１がそれぞれ取付けられている。又、これら耐
熱円筒の回転陰極１２０，１２１に近接した部分
に電子流入用の回転陽極１２４，１２５が構成さ
れており、これら回転陰極及び回転陽極がロータ
ーと一体的に回転させられるようになつている。

一方、ローターの耐熱円筒１１８，１１９を同
軸的に取巻く端部絶縁容器１０８，１０９の内側
には、回転陰極１２０，１２１のまわりに近接対
向して電子流入用の固定陽極１２２，１２３が配
置されている。又、これに近接して、回転陽極１
２４，１２５のまわりに近接対向して加熱ヒータ
機能をもつ熱電子放出用固定陰極１２６，１２７
がそれぞれ配置されている。こうして、耐熱円筒
で電気的に短絡されている回転陰極及び回転陽極
に対し固定陽極及び固定陰極が互いに逆極性のダ
イオード対１２８，１２９を構成しており、それ
らの動作によりローターの外周部の金属円筒部材
がほぼ接地電位に保持されるようになつている。

これら固定陰極１２６，１２７は例えばタング
ステン線のように高温度まで加熱できる金属でで
きており、例えば2250℃まで加熱されて自ら熱電
子発生用陰極として作動するだけでなく、その表
面から強い熱輻射を行ない、対向する上記耐熱円
筒１１８，１１９を高温度に加熱する。そして、
これらに取付けられた陰極１２０，１２１はおよ
そ900℃まで加熱され、上記したように陰極とし
て作動する。

これらの陰極に対向するダイオード陽極１２
２，１２３は例えばタングステン線のようなフイ
ラメントからできてより、自らも真空外囲器の外
部から通電されて加熱され、対向する陰極１２
０．１２１を補助的に加熱する。上記固定陰極１
２６，１２７は接地されており、固定の陽極１２
２には抵抗器１５３を介して正の電圧例えば50V
が印加されている。従つて、電流値は低い値に制
限されるが、ローター１１４，１１５の電位は実
質的に常に接地電位となる。第１図では、もう１
つの接地用ダイオードの結線は省略してある。
又、上記耐熱円筒１１８，１１９の外径は上記磁
気軸受用ローター１１４，１１５の外径より小さ
くなつているので、高温になるにも拘らず遠心力
が小さくなり、高速回転に耐えることができる。

これらのダイオードにより磁気軸受用ローター
１１４，１１５は両方共実質的に接地電位に保た
れ、上記磁気軸受内真空隔壁１０２，１０３と実
質的に同電位になつている。このため、それらの
間隔を0.5mm以内の小ギヤツプに保つことができ、
上記ラジアル磁気軸受用ステーター１１０，１１
１と磁気軸受用ローター１１４，１１５との間隔
を１mm以内に小さくすることができる。この結
果、軸受剛性を極めて大きくすることができる。

更に上記磁気軸受用ローター１１４，１１５の
外周には、上記積層板１１６，１１７に続いて非
磁性金属からなる金属リング１３０，１３１が固
着され、一方のローター１１５の外周には上記金
属リング１３１に続いて銅リング１３２、非磁性
リング１３３が固着されている。上記銅リング１
３２の外側にはローター回転用ステーター１３４
が設けられており、これらは誘導モーターを形成
してローターを高速度で回転させる。上記金属リ
ング１３０、非磁性リング１３３の外側には、そ
れぞれリング１０４，１０５を介してラジアルセ
ンサー１３５，１３６が設けられ、磁気軸受用ロ
ーター１１４，１１５の偏位を検出する。

又、上記磁気軸受用ローター１１４の内側に
は、貫通した電気絶縁物１３７が焼きばめ等によ
つて機械的に剛に固着されている。この電気絶縁
物１３７のうちローター１１４のターゲツト側の
端面１３７−ａには、モリブデン等からなる金属
板１３８が接合されている。この接合は、ろう付
け等によつて実現可能であることは、実験済みで
ある。そして、この金属板１３８には、Ｘ線発生
用の陽極ターゲツト４がボルト１３９により機械
的に密に固定されている。

上記磁気軸受用ローター１１４の端部と上記金
属板１３８の中間部では、電気絶縁物１３７の直
径を他の部分よりも大きな耐電圧部１３７−ｂが
形成され、ターゲツト４と磁気軸受用ローラー１
１４の高耐電圧（例えば80KV以上）を保つてい
る。この場合、電気絶縁物１３７の耐電圧部１３
７−ｂは、表面を凹凸にすることにより沿面距離
を長くしている。

上記電気絶縁物１３７の中央部には導電路１４
０が設けられ、電気絶縁物１３７のターゲツト４
側の端面にメタライズ処理等によつて取付けられ
た導電体１４１を介してターゲツト４に電気的に
結合されている。上記導電路１４０の他の端部に
は耐熱円筒１４２が設けられており、その一部に
熱電子放出用陰極１４３が取付けられ、その外部
に取付けられたヒーター１４４により陰極１４３
は1000℃程度の高温度に加熱される。上記ヒータ
ー１４４には、動作時に管外から高電圧（例えば
75KV）が印加され、上記のように加熱されて陰
極１４３からの熱電子の流入により、電気的に低
インピーダンスで結合されている。この陰極１４
３とヒーター１４４とで構成されるダイオードの
パービアンスは、上記陰極３とターゲツト４から
なるダイオードのパービアンスよりも大きくなつ
ているため、この部分での電圧低下は少なくなつ
ている。従つて、ターゲツト４に管外から非接触
で高電圧を供給することができる。

もう一方の磁気軸受用ローター１１５の内側一
部にも、電気絶縁物１４５が焼きばめ等により挿
入固着されており、上記と同様にターゲツト取付
金属板１３８とローター１１５は、径が大きい耐
電圧部分１４５−ａによつて高耐電圧（例えば
80KV）に保たれている。そして、上記したよう
にローター１１５は接地電位に保たれ、ターゲツ
ト４は正の高電圧に保たれている。尚、耐電圧部
分１４５−ａは凹凸部分を設けて沿面距離を長く
している。

又、陰極３には図示しない導電体によつて負の
高電圧（例えば−75KV）が供給されており、熱
電子が正の高電圧（例えば＋75KV）に保たれた
ターゲツト４に衝突してＸ線１４６を発生する。
このＸ線１４６は、吸熱容器部１０１に取付けら
れた例えばベリリウムからなるＸ線放射窓１４７
を通つて管外に照射される。又、ターゲツト４か
ら放出された２次電子（図示せず）は、管内に設
けられた遮蔽板１４８，１４９により遮蔽され、
電気絶縁物１３７，１４５の耐電圧部１３７−
ｂ，１４５−ａに飛来するのを防いでいる。

更に、ローター１１４，１１５の端部の外側に
は、それぞれ補助ベアリング１５０，１５１が支
持板１０６，１０７によつて強固に支持されてい
る。ローター１１４，１１５が正常に作動してい
るときには、ローター１１４，１１５と非接触で
あるが、動作前又は異常動作の場合には、この補
助ベアリング１５０，１５１によつて回転部が支
承される。

又、ローター１１５の端部には、スラスト方向
の偏位を検出するための位置センサー１５２が取
付けられ、その出力によりスラスト磁気軸受用ス
テーター１１２，１１３を制御してスラスト方向
の位置制御を行なう。

尚、電気絶縁物１３７，１４５の材質として、
窒化シリコン（例えばSi₃N₄）のようなセラミツ
クスを用いると、機械的強度が大きくなり、好適
である。

〔発明の変形例〕

上記実施例では、ローター１１４，１１５を実
質的に接地電位に保つために非接触の電流通路を
採用しているが、その片方を機械的に接触させる
構造にしても良い。

又、ローター１１４又は１１５と絶縁物１３７
又は１４５とを全面で接合しているが、接合面を
一部分に限定しても良いことは勿論である。

又、ターゲツト４と電気絶縁物１３７，１４５
の間に、それぞれ金属板１３８を介して両者を結
合しているが、これらを直接接合しても良い。

又、上記実施例では、ターゲツト４を両側で支
承しているが、磁気軸受用ステータ１１１を１１
０側に移して、いわゆる片持構造にしても良いこ
とは、勿論である。

次に他の変形例について、第４図を用いて説明
する。尚、第２図は第１図の左端の部分のみを表
わしており、第１図と同一箇所は同一符号を付し
てある。

即ち、ローター１１４，１１５内の絶縁物１３
７とローター端部に取付けられた耐熱円筒１１８
の中間にシールド板１６０が取付けてある。この
シールド板１６０は端部絶縁容器１０８に機械的
に支持されており、その電位は接地電位又はター
ゲツト４の電位に比べて低い電位に保たれてい
る。

され動作時には、通電用ダイオードの陰極１２
６，１２０は高温に加熱されるので、金属が蒸発
するが、シールド板１６０によつて捕捉されるの
で、電気絶縁物１３７，１０８の表面を汚さな
く、高耐電圧が保たれ、信頼性が高い回転陽極型
Ｘ線管装置を提供することができる。

更に、高温度に加熱された耐熱円筒１１８から
の輻射熱がシールド板１１８によつて遮蔽され、
電気絶縁物１３７を加熱しないため、電気絶縁物
１３７の信頼性が高くなる。

尚、図示しない他の通電用ダイオードについて
も同様の考え方が成立つことは勿論である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、次のような優れた効果が得
られる。

即ち、回転体が遠心応力に対して強いので、
30000rpm程度の超高速回転が可能であり、Ｘ線
管の尖頭入力値を従来管に比べて1.7位に増加さ
せることができる。又、回転体が完全非接触であ
るため、低振動、低騒音のＸ線管を提供でき、更
に機械的ボールベアリングを使わないので、回転
寿命が極めて長くなる。

又、ターゲツト４を正の高電圧に、陰極１２
０，１２１を負の高電圧に保つているので、いわ
ゆる中性点接地方式の高電圧電源が使用できる。
つまり従来のＸ線管用電源を使用できるため、こ
の発明の回転陽極型Ｘ線管装置は従来のＸ線発生
装置に使用することができる。

又、ローター１１４，１１５が実質的に接地電
位であるため、磁気軸受の磁気ギヤツプを小さく
できると共に強い剛性を得ることができ、極めて
重い重量（例えば４Kg）のターゲツト４を高速
（例えば30000rpm）で回転させることができるの
で、超大容量（例えば6MHU）のＸ線管を提供
することができる。更に、ローター１１４，１１
５が実質的に接地電位であるために、位置センサ
ー１５２に入るノイズを減少させることができ、
安定な動作が可能である。

又、ローター１１４，１１５の構造が簡単であ
り、この結果、コンパクトで低価格のＸ線管を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第
２図及び第３図はそれぞれその要部拡大図、第４
図はこの発明の他の実施例を示す要部断面図、第
５図は従来構造を示す概略断面図である。 １……ハウジング（真空容器）、４……ターゲ
ツト、３……電子ビーム放出用陰極、１１０，１
１１，１１２，１１３……磁気軸受用ステータ、
１１４，１１５……ローター、１１８，１１９…
…耐熱円筒、１２０，１２１……回転陰極、１２
４，１２５……回転陽極、１２２，１２３……固
定陽極、１２６，１２７……固定陰極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空容器内に設けられたＸ線発生用陽極ター
   ゲツトと、この陽極ターゲツトに対向して設けら
   れ且つこの陽極ターゲツトに向けて電子ビームを
   放出する陰極と、上記陽極ターゲツトを支持する
   ローターと、このローターを非接触で回転自在に
   支承する磁気軸受とを備え、 上記ローターは、その外周に上記磁気軸受の一
   部を構成するとともに上記陽極ターゲツトから電
   気的に絶縁された金属円筒状部材、及びこの金属
   円筒状部材に電気的に接続された小熱容量の耐熱
   円筒が接続されてなり、前記耐熱円筒の一部に熱
   電子放出用回転陰極及び電子流入用回転陽極が互
   いに近接して設けられ、 且つ上記耐熱円筒の熱電子放出用回転陰極及び
   電子流入用回転陽極に近接対向して、電子流入用
   固定陽極及び加熱ヒータ機能をもつ熱電子放出用
   固定陰極が上記耐熱円筒を取巻く真空容器の内側
   に設けられてなることを特徴とする回転陽極型Ｘ
   線管装置。