JPH0515028B2 - - 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７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20ｍ
Ａ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℃、
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１３の
熱伝導が悪化すれば、点の温度は点と大略同
一となり、550℃にも達することになる。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、ベアリング１２，１３
の内輪は高温度になり易いが、外輪には低温とな
つており、この点の温度は60℃から550℃の間で、
ベアリング１２，１３中のボールの回転状況によ
つて変化する。上述のようにベアリング１２，１
３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、
益々回転寿命が短かくなる。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接地電位に保つこ
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
の軸方向で分離した位置に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
軸受用ローターと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図に示
すように構成され、従来例（第３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、端部容器１０８，１０
９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。 又、上記磁気軸受用ローター１１４，１１５の
端部には、タンタルのような薄に耐熱金属又は表
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を介して例えば
バリウムインプレカソードのような低温動作の陰
極１２０，１２１が取付けられており、加熱用ヒ
ーター１２２，１２３との間で通電用ダイオード
１２４，１２５を形成している。更にその近傍に
固定陰極１２６，１２７が設けられており、上記
の回転する耐熱円筒１１８，１１９の一部との間
に上記通電用ダイオード１２４，１２５と逆特性
の通電用ダイオード１２８，１２９を形成してい
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１３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１３
２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。ローター端部
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１１４，１５５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。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の
筒状支持体の端部フランジ４ａがボルト１３９に
よりセラミツク等でできた断熱体リング１３８−
ａを介して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
径が他の部分よりも大きな絶縁円筒部１３７−ｂ
が形成され、ターゲツト４と磁気軸受用ローラー
１１４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の絶縁円筒部
１３７−ｂは、表面を折曲げ構造にすることによ
り沿面距離を長くしている。 上記電気絶縁物１３７の中央孔の内周面には薄
肉導電スリーブ１４０が設けられ、電気絶縁物１
３７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膜１４１及び部材１３
８，１３９を介してターゲツト４に電気的に接合
されている。上記導電スリーブ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た陰
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
用金属板１３８とローター１１５は、径が大きい
絶縁円筒部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、絶縁円筒
部１４５−ａは折曲げ構造部分を設けて沿面距離
を長くしている。 又、陰極３にはプツシング１４８を介して管外
から図示しない導電体を通して負の高電圧（例え
ば−75kV）が供給されるようになつており、熱
電子が正の高電圧（例えば（＋75kV）に保たれ
ターゲツト４に衝突してＸ線ビーム１４６を発生
する。このＸ線ビーム１４６は、吸熱容器部１０
１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の絶縁円
筒部１３７−ｂ，１４５−ａに飛来するのを防い
でいる。又、上記ヒーター１４４には、プツシン
グ１４５を介して管外から加熱用電圧及び高電圧
が供給される。 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。 次に第２図及び第３図を用いて上記磁気軸受ロ
ーター１１４と電気絶縁物１３７との接合方法に
ついて説明する。尚、電気絶縁物１３７としてセ
ラミツクス、好適には窒化シリコン（例えば
Si₃N₄）を用いた場合について述べる。 即ち、磁気軸受ローター１１４は、既述のよう
に積層磁性板１１６と、シリンダー１３０と、軸
受用シリンダー１１４−１と、機械的弾性体１１
４−２とから構成され、軸受用シリンダー１１４
−１は機械的弾性体１１４−２を介して電気絶縁
物１３７の外周に固定される。 機械的弾性体は例えば純鉄でできており、第３
図に示すような形状をしている。即ち、円筒状に
作られ、その端部に複数個の、好適には８個のス
リツト１１４−２−ａが設けられている。更に、
その端部には内に凸なる部分１１４−２−ｅが設
けられており、上記電気絶縁物１３７の外径に接
触している。機械的弾性体１１４−２の中央部の
外径は、ゆるいテーパー状になつており、これと
逆の方向にテーパーが付けてある軸受用シリンダ
ー１１４−１の内径と機械的に密に接合されてい
る。この間は、例えばろう付けにより強固に固定
される。このような機械的弾性体１１４−２の両
端部には、テーパー部１１４−２−ｂ，１１４−
２−ｃが形成されており、上記電気絶縁物１３７
の外周上にテーパー部１３７−ｃ，１３７−ｄが
形成され、これらのテーパー部が機械的に密に接
触している。 又、機械的弾性体１１４−２の中央部には、上
記電気絶縁物１３７との間に、両者の熱膨張差程
度以上のギヤツプを有している。又、機械的弾性
体１１４−２のスリツト１１４−２−ａを有する
部分の外側では、上記軸受シリンダー１１４−１
との間に、上記電気絶縁物１３７との熱膨張差程
度以上のギヤツプを有している。 又、上記テーパー部１３７−ｄ，１３７−ｃ
は、その少なくとも一方は、軸受ローター１１４
の内径と長さに応じて、半径方向及び軸方向の熱
膨張差を吸収できる角度に決定する。更に、スリ
ツト１１４−２−ａの長さ、数、肉厚は、この部
分に機械的被労が生じないように決める。 さて組立時には、磁気軸受ローター１１４を予
め組立てておき、これを上記電気絶縁物１３７の
外側（径小なる方向）から高温下で圧力を加えて
挿入する。この際、機械的弾性体１１４−２の内
側に他のテーパー部１１４−２−ｄが設けてあ
り、電気絶縁物１３７の突起部１３７−ｅの外側
にテーパー部１３７−ｆが形成されているため、
挿入時に過大な抵抗を生じない。 挿入が終了した状態では、上記機械的弾性体１
１４−２のスリツト１１４−２−ａを有する部分
が弾性の限界内の応力を受けて、電気絶縁物１３
７のテーパー間に機械的に強固に固定される。 さて動作時に、上記ターゲツト４からの熱の流
入により電気絶縁物１３７、磁気軸受ローター１
１４が高温になつた場合、内側にある例えばセラ
ミツクからなる電気絶縁物１３７よりも、外側に
ある例えば鉄からなる軸受ローター１１４の方が
熱膨張が大きいが、上記機械的弾性体１１４−２
の両端にそれぞれスリツト１１４−２−ａがあ
り、この部分がいわゆるハリとして働くため、適
度な応力をもつて変位し、この熱膨張差を吸収す
ることができる。そして、テーパー部で接合して
いるため、軸方向の熱膨張差も半径方向の弾性限
界内の伸びで吸収することができ、これらの温度
の如何によらず、０〜500℃の間で十分な機械的
強度をもつて接合することができる。又、十分強
いバネ定数を有しているので、この部分の共振周
波数も1kHz以上にすることができ、30.000rpmの
回転に何ら悪影響がないことも実証された。又、
回転バランスも温度が変化したときにも、大きな
変化を生じなかつた。 このような構造にすることにより、従来、熱膨
張差が0.1mmにも相当し、応力が80Kg／mm²にも達
するため、外部の金属が降伏して接合が不可能と
考えられていた500℃以上の温度ででも、十分実
用に耐えるローターを製作することができた。こ
れにより、従来不可能とされてきた大容量の磁気
浮上形Ｘ線管装置を実現することができた。 尚、もう一方の軸受ローター１１５について
も、同様に作ることができる。 〔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、その片方又は両方を機械的に接
触させる構造にしても良い。同様に、ターゲツト
４に管外から電圧を供給するための非接触導電部
１４３，１４４を機械的な接触による導電機構に
変えても良いことは、勿論である。 又、ローター１１４（又は１１５）と絶縁物１
３７（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、いわゆる片側保持構造にしても良
いことは、勿論である。 又、軸受部に従来の機械的ベアリングを用いて
も良い。 又、上記軸受シリンダー１１４−１と機械的弾
性体１１４−２とは一体構造であつても良いこと
は、勿論である。 又、上記電気絶縁物１３７と機械的弾性体１１
４−２との接触部は、両端に限らず、中央部でも
接触させても良い。 又、上記機械的弾性体１１４−２は、多分割し
た構造であつても良い。 次に、上記軸受ローター１１４を上記電気絶縁
物１３７に固定する方法の変形例について、第４
図、第５図、第６図を参照して説明する。 先ず第４図は、電気絶縁物１３７の外周が円筒
状であり、機械的弾性体１１４−２の内径の一部
がテーパーをもたずに焼きばめ又は圧入された例
である。電気絶縁物１３７との接触部のどちらか
一方を、ろう付け等により固着すると都合が良
い。機械的弾性体１１４−２の中央部内径は、電
気絶縁物１３７の外径よりも熱膨張差程度のギヤ
ツプを加えた寸法に設けてある。 第５図は、上記機械的弾性体１１４−２の内面
がシリンダー状であり、電気絶縁物１３７の一部
に熱膨張差程度の外径小なる部分を有し、機械的
弾性体１１４−２が電気絶縁物１３７との間で弾
性を有して保持された例である。 第６図は、上記機械的弾性体１１４−２，１１
４−２が２個用いられた場合の例である。そし
て、一方の機械的弾性体１１４−２は嵌め合い部
１１４−２−ｆを有しており、電気絶縁物１３７
の外周上に設けられた凹みの中に嵌合され、軸方
向にも移動しないようになつている。 〔発明の効果〕 以上説明したようにこの発明は、ローターがそ
のセラミツクスからなる筒状又は柱状電気絶縁物
と少なくとも一部に強磁性金属を有してなる磁気
軸受用ローターとの間に、軸方向に沿つて複数の
スリツトが形成された円筒状機械的弾性体が介在
されて相互に嵌合固定されてなる回転陽極型Ｘ線
管装置である。それによつて、動作中に電気絶縁
物と磁気軸受用ローターとの間に熱膨張差が生じ
ても、円筒状機械的弾性体がその差を吸収して両
者の嵌合固定強度が維持される。こうして、信頼
性の高い磁気浮上形回転陽極型Ｘ線管装置を実現
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に係る回転陽極型
Ｘ線管を示す断面図、第２図及び第３図は第１図
の要部を拡大して示す断面図と斜視図、第４図乃
至第６図はこの発明の変形例を示す断面図、第７
図は従来の回転陽極型Ｘ線管を示す断面図であ
る。 １……ハウジング、１１０，１１１……ラジア
ル磁気軸受用ステータ、１１２，１１３……スラ
スト磁気軸受用ステータ、１１４，１１５……磁
気軸受用ロータ、１２０，１２１……接地用ダイ
オードの陰極、１３７，１４５……電気絶縁物、
４……ターゲツト、３……陰極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空容器内に設けられた電子ビーム放出用陰
   極と、該陰極に対向して設けられた回転自在の陽
   極ターゲツトと、該陽極ターゲツトを支承すると
   ともに回転軸方向に延長して設けられたローター
   と、このローターを同軸的にとりまき真空容器外
   に設けられた磁気軸受用ステータとを備え、上記
   ローターは上記陽極ターゲツトに機械的に結合さ
   れた筒状又は柱状のセラミツクスからなる電気絶
   縁物および該電気絶縁物の外周に同軸的に嵌合配
   置され上記磁気軸受用ステータと協働しその少な
   くとも一部に強磁性金属を有してなる磁気軸受用
   ローターを具備する回転陽極型Ｘ線管装置におい
   て、 上記ローターは、その上記電気絶縁物と上記磁
   気軸受用ローターとの間に、軸方向に沿つて複数
   のスリツトが形成された円筒状機械的弾性体が介
   在されて相互に嵌合固定されてなることを特徴と
   する回転陽極型Ｘ線管装置。