JPS6196639A - 回転陽極ｘ線管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は回転陽極Ｘ線管の改良に係シ、特に高速回転Ｘ
線管、大容量Ｘ線管の回転性能向上に関する。

〔発明の背景〕

従来から回転する重金属円板（タングステン。

モリブデン等、以下ターゲットと称す）に熱電子を射突
させ、Ｘ線を発生する回転陽極Ｘ線管（以下Ｘ線曽と称
す）というものが知られている。Ｘ線管は主に、上記タ
ーゲットを含む回転陽極、熱電子を発生する陰極、及び
これらを収納配置するガラス容器とから成っておシ、容
器内部は１Ｏ−６ｔｏｒｒ以下の高真空に保たれている
。熱電子がターゲットに射突するとＸ線が発生するが、
熱電子エネルギーの９９−以上が熱に変換するため、瞬
時に高温となり容易にターゲット金属の融点に達してし
まうため、これを防止する目的で回転させる。回転によ
り熱発生点は時々刻々移動し、電子線が射突した熱発生
点では伝導による熱の拡散が起こり、ターゲット金属の
許容温度以下に維持でき、連続的にＸ線を発生させられ
るのである。回転させるには軸受装置が必要であるが、
使用条件は上記の如く高真空（１０−６ｔｏｒｒ以下）
、高温（最高５００ｔｌ’）という苛酷さのため、固体
（銀。

Ｍｏ８Ｋ、鉛等）で潤滑した特殊な玉軸受が採用されて
いる。これらの軸受は通常の油潤滑で使用する機器では
全く問題とならない荷重、速度条件下にありきわめて長
寿命となるのであるが、上記の様な真空、高温条件下に
おいて固体で潤滑するため回転騒音、振動が大きいばか
りでなく、寿命が短かいという問題がついてまわる。特
に高度な診断に欠くことのできない高速高輝度Ｘ線管、
ＣＴ用大容量Ｘ線管等においては重要な問題となる。

Ｘｇ管の回転機械としての特殊性は覧受部が５ｏｏｃに
まで昇温する点にある。しかも、玉軸受の転動体（玉）
を境として回転体側と静止体側では過渡的には３００　
ｄｅｇ以上、定常状態で１００〜２００　ｄｅｇ前後の
温度差が生じる。玉軸受の温度差は軸受すきまの変化を
招き、設計を誤るとすきまがなくなシ転動体を内輪と外
輪が締めつけ、過大な荷重が生じ回転不能におちいる。

また、この事態を避けるため軸受すきまをはじめから４
０〜５０μｍと大きく設定する手法が採られることがあ
るが、大きな温度差がつかないうちは軸受すきまが大き
いために回転体全体がかつてに不規則な運動を起こし、
ターゲットの振れが大きくなるという欠点が生じる。タ
ーゲットの振れが大きいとＸ線画像が不鮮明となったシ
、回転体に動荷重が生じ、逼受の損傷、アンバランス盪
の増大等の不具合が生じる危険性が高くなる。

一方、温度上昇により軸受すきまが変化する場合には例
えば特開昭５２−５５３９５号公報に示されるようにコ
イルバネ等により予圧をかけ常に軸受すきまをなくす構
造が推奨されている。第９図は一般的なコイルバネ予圧
構造を示すが、これまでの種々の実験検討により、この
構造ではどうしても安定な回転状態を長時間にわたって
維持することはできなかった。前述の如くＸ線管の軸受
は固体で潤滑せねばならず、油潤滑に比べ転勤面の表面
が荒損した状態で使用せざるを得ない。そのため、回転
に伴いころがシ振動が大きくなり玉と内外輪転走面間に
生じる振動荷重が大きく、しかも油による振動吸振作用
が無いため予圧バネで押しつけられている転走輪（図で
は内輪）が軸方向に微小振動し易い。そのため、予圧摺
動部がフレッティング摩耗を起こし、容易にかじシ状態
となり適正な予圧力が維持できず、しばしば予圧過大と
なり回転不能となる。また、転走輪が軸方向に微小振動
するため、玉の転走路が定まらず、玉と内外輪転走面の
損傷が急速に進展する。七の結果、損傷の進展→転走輪
の軸方向微小振動の増大→損傷の進展と連鎖反応的に軸
受を傷つけ回転不能に至らしめる。

予圧摺動部のフレッティング摩耗に起因するかじシを根
本的に解決する方策として米国特許第３６３４８７０号
がある。この構造においては予圧バネで押しつけられる
べき転走面をバネ作用を有す軸受支持体に装着するため
、予圧摺動部が存在せず、かじりに起因する不具合は完
全に解決できる。

しかし、転走輪がバネ体で支持されるため、逆に自由度
が増すことになり、軸方向のみならず半径方向にも微小
振動し易くなシ、前述の如く玉と転走面の損傷を進展さ
せるという問題は解決できない。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたもので、Ｘ
線管の軸方向の熱膨張による玉軸受のすきま変化量を低
減し、回転を安定にし低騒音でかつ長寿命な回転陽極Ｘ
線管を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは部材の熱膨張量は温度と熱
膨張係数の積によシ決まるという基本的物理現象に着目
し、Ｘ線管回転陽極の熱の伝わり方、す々わち陽極軸受
近房の各点の温度上昇を把握し、これらを総合的に見直
し、温度差がついても軸受すきまを実用上問題とならな
いレベルにまで減少した点にある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図に従って説明する。回
転部材となる駆動モータロータ３の一端に陽極部材とな
る陽極ターゲット１が締結され、これらは間隔を設けて
配置した二個の玉軸受４で回転自在に支持されている。

二個の玉軸受は外輪側（回転側）円筒部材６と内輪側（
静止側）円筒部材７とで規定の間隔に固定されている。

外輪側円筒部材６の材質組成はＦｅ−４ＯＮｉ−０，４
５Ｍｎ　。

内輪側円筒部材７はＳＵＳ　３１６　（Ｊ’Ｉ　Ｓ規格
）としており、室温から３００Ｃまでの熱膨張係数はそ
れぞれ９　Ｘ　１０”’／ｒ、　２．３　Ｘ　１０−’
／ｃで、外輪側円筒部材６は内輪側円筒部材７にくらべ
約１／４の熱膨張量となる。玉軸受４は軸受支持部材５
に固定され、この軸受支持部材５の一部と管球容器とな
るガラス管球８とで回転全体を真空状に覆い、かつ陽極
ターゲットの対向面には陰極部材となる陰極体２が設け
られ、この陰極体２はガラス管球８内に固定されている
。このような構造のガラス管球８を回転陽極Ｘ線管（以
下Ｘ線管と称す）と呼んでいる。ガラス管球８の外周に
は磁界発生装置となるモータステータ９が絶縁フレーム
１０に設けられ、絶縁フレーム１０は外囲容器（図示せ
ず）に固定されている。引回容器内はＸ線管、モータス
テータ９のコイル等の冷却、及び絶縁の目的で絶縁油（
図示せず）が封入されている。

この構成において陰極体２において発生した熱電子が３
００〜１００００　ｒ−で高速回転する陽極ターゲット
１に射突すると、陽極ターゲット１０表面から図中の矢
印方向にＸ線が発生するが、既述の如く陽極ターゲット
１は急速に加熱され、最高１４００　Ｃに達することも
ある。ガラス管球８の内部は高真空に気密保持されてい
るので、大半の熱は外部に放射伝熱されるが、一部は伝
導によシ駆動モータロータ３、及び玉軸受４、軸受支持
部材５へと伝熱され、玉軸受４は最高５５０Ｃにまで加
熱される。

第２図は陽極ターゲット１に熱電子が射突してＸ線を発
生させる際の陽極ターゲット１、及び玉軸受４の昇温特
性の一例を実測した結果である。

温度測定は陽極ターゲット１の中心に近い裏面、ターゲ
ットに近い玉軸受（高温側）の外輪と内輪及び反ターゲ
ット側（低温側）の外輪に熱電対を貼り付けて行った。

なお、測定は回転させないで加熱できるように工夫して
いる。第２図から１）陽極ターゲット、軸受の回転側、
軸受の停止側の順に熱が伝導して行き、温度上昇にはか
なシの時間遅れがある。１１）そのため軸受の外輪（回
転側）と内輪（静止側）の間には過渡時で最高３５０ｄ
ｅｇ、定常時で約１００　ｄｅｇの温度差がつく。

ｉｉｉ　）二つの軸受（高温側と低温側）の外輪の温度
差は約５０　ｄｅｇでほぼ一定している。なお、これは
内輪側についても確認済みである。等が判る。

このように玉軸受を境として回転側と静止側との間には
大きな温度差が生じ、しかも時々刻々変化するのは玉と
内外輪転走面との接触面積が小さく、熱が伝導しにくい
ためである。

第３図は本発明によるＸ線管の外輪側円筒部材と内輪側
円筒部材の熱膨張差を両部材の温度差をパラメータとし
て算出した結果である。比較のため第４図に従来例、す
なわち両部材ともＳＵＳ３１６で構成した場合の熱膨張
差を示している。第４図から明らかなように３５０　ｄ
ｅｇの温度差がつくと熱膨張量は２５０μｍ異なり、外
輪側が内輪側より長くなる。玉軸受の内外ｔｔＳ＝走面
は玉の径よりわずかに大きい曲率で溝が形成されておシ
、軸方向の自由度（軸方向すきま）は半径方向すきまと
深く関係する。すなわち、駆動モータロータが先に昇温
し、二つの■受の外輪間隔が長くなっても同時に半径方
向にも温度差分だけの熱膨張差が生じるため、その結果
、軸方向の自由度は増大する。

しかし、前述の熱膨張差全部を軸受転走面の溝形状のみ
で解消することは不可能であり、そのため従来は軸方向
すきまの初期値をはじめから１００μｍ以上余分く付与
する必要があった。既述の如くＸ線管の玉軸受は内外輪
転走輪を両側からきつく剛に固定し、その状態で玉にわ
ずかな自由度、すなわち軸方向すきまが確保されるのが
望ましい。

本発明では高温の回転側円筒部材を熱膨張係数の小さい
材料で構成したため３５０　ｄｅｇの温度差がついても
熱膨張量の差は９０μｍと従来にくらべて１／３に減少
でき、この程度の軸方向の伸びは転走面の屑形状で十分
に解消できる。すなわち半径方向の熱膨張による軸受す
きｉ（半径方向）の拡大により軸方向すきまが増加し、
これにより初期と同等以上の軸方向すきまが保たれるの
である。

転走面の溝曲率は土掻との比で表わされ、土掻に近いほ
ど負荷容量は増すが、摩擦トルクの増大を招き、しかも
軸受の傾き、及び半径方向すきまに対する軸方向すきま
の比が小さくなる。すなわち自由度が減少する。土掻に
くらべ溝曲率が大きくなると負荷容量は減るが、摩擦ト
ルクが小さくなシ、シかも半径すきまに対する軸方向す
きまの割合が増加する。これまでの研究検討、解析、及
び実験によればＸ線管の固体潤滑玉軸受では通常の油潤
滑で使用する玉軸受の溝曲率では摩擦トルクが大きすぎ
、逆に負荷容量は若干小さくても良いことが明らかとな
っている。そこで、少なくとも一方の転走輪の溝曲率を
大きくしているのが普通である。この場合、半径方向す
きまの増大に対する軸方向すきまの増加分は通常の玉軸
受のそれより大きくなり、溝形状が解消できる熱膨張に
よる軸方向の伸びの量は多くなる。このような玉軸受４
を用いたＸ線管では回転側円筒部材６を二分割とし、一
方は従来の５ＵＳ３１６、他方をＦｅ−４ＯＮｉ−０，
４５μｍ　　とするとさらに良好な特性が得られる。

第５図は回転側円筒部材６を二等分し、それぞれの材質
を５ＵＳ３１６とｐｅ−４ＯＮ　ｉ　−０，４５μｍと
した場合の熱膨張差を示している。温度差が３５０ｄｅ
ｇの時の熱膨張差は２０μｍとやや大きくなるが、この
量は溝形状で十分に解消できる。

また、定常状態に移行して己度差が１００　ｄｅｇとな
ると熱膨張量はほぼゼロとなり初期の状態にもどること
が判る。

なお、外輪側円筒部材６の分割のしかた、及び材質の選
定は、駆動モータロータ３の形状、熱設計、玉軸受４の
溝形状等によシ決めるべきで、実施例にとられれること
はない。また、分割し異種材質を組合わせる円筒部材は
外輪側に限定せず、内輪側を分割、組合わせても良い。

以上の実施例は軸受４の外輪が駆動モータロータ３に取
シ付けられ、外輪が回転し内輪が静止する構造であり、
外輪側の温度が高くなる。

第６図は内輪が回転するＸ線管への本発明の適用実施例
で概略構成は第１図と同じである。回転側円筒部材６は
駆動モータロータ３の他端に取り付けられた軸３ａに静
止側円筒部材７は軸受支持部材５に接して在シ、玉軸受
４の間隔を規定している。本実施例では陽極ターゲット
１に熱電子を射突させたときの陽極各部の温度上昇特性
は第１図の実施例に示したＸ線管のそれとは異なり、最
高温度差は３００　ｄｅｇ、定常状態で１５０　ｄｅｇ
となった。しかし、本発明の適用法は原則的には変わり
なく、回転側円筒部材６はｌ；”ｅ−４ＯＮｉ　−０，
４５μｍ　　、静止側円筒部材７は５ＵＳ３１６で構成
している。その効果の説明は外輪が回転するＸ線管のそ
れと重複するので避ける。内輪、あるいは外輪転走面の
溝曲率、及び陽極設計に応じて回転側円筒部材６、ある
いは静止側円筒部材７を分割、異種材質を組合わせても
良い。

第７図は本発明の他の実施例を示し、外輪側円筒部材６
にスリット６ａを入れている。スリット６ａを図の如く
加工することにより、軸方向バネ定数は２０４／ｌｔｒ
ｍに低下させることができ、スリット６ａの深さ、数、
ピンチにより希望する任意のバネ定数に設定することが
可能である。既述の如く、Ｘ線管固体潤滑玉軸受では玉
、及び内外輪転走面に１μｍ前後の凹凸が生じて荒損し
た状態で回転させるため、玉と内外輪間には高周波の立
ち上がシが鋭い動荷重が生じ易い。スリット付円筒部材
はバネ作用によりこの高周波動荷重を吸収する効果を発
揮し、そのため騒音を低減すると共に軸受寿命を延長す
る。

なお、本発明によるスリット付円筒部材のバネ作用と〔
発明の背景〕の項で記述したバネ予圧構造は次の点で異
なり、前述の不具合は生じない。

すなわち、コイルバネ等を用いた予圧構造ではそのバネ
定数は高々２　Ｋｙ　／　ｗと低く、そのためバネによ
り押し付けられている転走輪が軸方向に容易に移動でき
る。そのため、摺動部に７レノテイ／グ摩耗が発生し、
かじシを起こすと共に玉の転走路が不安定になるという
欠点があった。本発明でのバネ定数はその数１０倍から
数１００倍に設定し、スリット付円筒部材によシ固定さ
れている転走輪の軸方向移動量は数μｍと無視できる程
に抑制する。そのため、フレツテイング摩耗の発生は無
く、かつ玉の転走に悪影響を及ぼさず、高周波動荷重の
み吸収する。

第８図はスリット付円筒部材を組込んだＸ線管とスリッ
ト無し円筒部材を組込んだものの振動加速度を軸受支持
部材５の端部において実測比較した結果の一例を示す。

振動加速度は高周波動荷重の強さを簡便に、かつ有効に
測定する手法として多用され、騒音の強さの目安にもな
る。高周波動荷重の強さは玉軸受の表面状態に強く影響
されるため、同じ玉軸受を供試しても完全に同じ表面状
態を維持することは困難モあるが、スリット付きと無し
をくり返し４回組み換えて測定し、結果を平均したとこ
ろ第８図の様になった。

スリット付き円筒部材には上記の主たる効果があるが、
熱膨張差が予想に反して過大になり、玉が内外輪転走面
間に押し付けられる事態に至った時、該円筒部材が軸方
向にたわむことによシ、押し付けられることにより生じ
るスラスト荷重を低減する効果を有する。

スリット付円筒部材に作用する応力はきわめて弱いため
、許容応力が低い部材、例えば５ＵＳ３１６、あるいは
Ｆｅ−４ＯＮｉ−０，４５Ｍｎ合金持でも問題はなく、
材質による性能の差異は無い。熱間工具鋼は５００Ｃま
で焼きが戻らず、精密加工も容易であるため、回転精度
を要求したシ、高性能なＸ線管には好適である。なお、
スリン）６ａを加工する方法としては高速カッタ、放電
加工等、いくつかあるが、高速カッタが迅速で精度も良
好であ　。

る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、部材の熱膨張量は温度と熱膨張係数の
積によシ決まるという基本的物理現象に着目し、Ｘ線管
回転陽極における熱の伝わり方、すなわち陽極軸受近傍
の各点の温に上昇を実測、解析により把握し、これらを
総合的に見直し、温度差がついても軸受すきまを実用上
問題とならない量にまで減少するので、回転が安定で低
騒音、しかも長寿命な回転陽極Ｘ線管を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による回転陽極Ｘ線管の実施例の部分断
面図、第２図は陽極各部の温度上昇の実測結果の一例を
示す説明図、第３図及び第５図は本発明による熱膨張量
の低減効果を示す説明図、第４図は従来のＸ線管におけ
る円筒部材の熱膨張量を示す説明図、第６図は本発明に
よる回転陽極Ｘ線管の他の実施例の部分断面図、第７図
は本発明による円筒部材の拡大図、第８図は゛本発明に
よる回転陽極Ｘ線管の振動低減効果を示す説明図、第９
図は一般的な定圧予圧構造を示す概略図。 １・・・陽極ターゲット、２・・・陰極体、３・・・駆
動モータロータ、４・・・玉軸受、５・・・軸受支持部
材、６・・・回転側円筒部材、７・・・静止側円筒部材
、８・・・ガラス管球、９・・・モータステータ、１０
・・・絶縁フＶ　−ム、３ａ・・・咄、６ａ・・・スリ
ット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、陰極部材と対向配置した陽極部材と、この陽極部材
   と一体構成の回転部材と、回転部材を回転自在に支持す
   る軸受装置と、軸受装置の静止体側を固定する軸受支持
   部材と、軸受支持部材の一部と容器とで上記部材を覆い
   、真空状に構成した回転陽極Ｘ線管において、前記軸受
   装置の間隔を規定する円筒部材を、回転側と静止側で異
   種部材としたことを特徴とする回転陽極Ｘ線管。 ２、前記回転陽極Ｘ線管において、回転側の円筒部材は
   静止側の円筒部材より熱膨張係数が小さい部材としたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転陽極Ｘ
   線管。 ３、前記回転陽極Ｘ線管において、回転側、又は静止側
   の円筒部材を二つ以上に分割し、それらの部材の熱膨張
   係数を異ならせたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の回転陽極Ｘ線管。 ４、前記回転陽極Ｘ線管において、静止側の円筒部材を
   ステンレス鋼等の鉄鋼材料とし、回転側の円筒部材をＦ
   ｅ−Ｎｉ合金、又はＭｏ合金等の前記静止側の円筒部材
   の熱膨張係数より小さい値を持つ材料としたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の回転陽極Ｘ線管。 ５、前記回転陽極Ｘ線管において、回転側の円筒部材の
   １／２以上をＦｅ−Ｎｉ合金、Ｍｏ合金等の低熱膨張係
   数部材とし、他を鉄鋼材料としたことを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の回転陽極Ｘ線管。 ６、前記回転陽極Ｘ線管において、前記円筒部材に複数
   個のスリットを入れ、軸方向バネ定数を２０〜２００Ｋ
   ｇ／ｍｍとしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の回転陽極Ｘ線管。 ７、前記回転陽極Ｘ線管において、複数個のスリットを
   入れた前記円筒部材は熱間工具鋼としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第６項記載の回転陽極Ｘ線管。