(57)【要約】【課題】Ｘ線管の回転式アノードを支持する玉軸受けを改良する。【解決手段】軸受けを有するカートリッジを設けたＸ線管、及び製造方法である。管は、内部で放射線が発生される密閉容器を有する。密閉容器内には、カソード、カソードに対向して配置されてシャフト（７）上で回転するアノード、及び固定式アノード・シャフト支持部（１１）が設けられており、支持部は保持チェンバ（１２）であり、アノードのシャフトはチェンバ内に保持されている。支持部は着脱式カートリッジの形態を取っている。支持部は玉軸受け（２６、２８）を有する。支持部のチェンバはガリウム−インジウム−スズ合金で充填され、またチェンバは、シャフト出口に合金がチェンバから漏出するのを防ぐ密封装置（１８、１９）を設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で放射線が発生される密閉容器（２）と、
該密閉容器に配設されているカソード（５）、該カソードに対向して配置されてシャフト（７）上で回転するアノード（４）、及び固定式アノード・シャフト支持部（１１）と、
を備えた放射線放出装置（１）であって、
前記支持部は、着脱式カートリッジの形態の保持チェンバ（１２）を含み、
前記アノード（４）の前記シャフト（７）は前記チェンバ（１２）内に保持され、
前記支持部は玉軸受け（２６、２８）を有し、
前記チェンバ（１２）は液体潤滑剤で充填され、
前記チェンバに、前記液体潤滑剤が前記チェンバから漏出するのを防ぐ手段（１８、１９）が設けられている、放射線放出装置（１）。
【請求項２】
前記液体潤滑剤はガリウム−インジウム−スズ合金である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記玉軸受けはセラミック玉を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記玉軸受けはセラミック軸受けを含んでいる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記玉軸受けはケージを含んでいる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記アノード・シャフトの前記支持部からの出口の位置において、前記支持部は、前記潤滑剤の表面張力のため前記液体潤滑剤の自然な流動のクリアランスよりも小さいクリアランスを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記アノード・シャフトの前記支持部からの出口の位置において、前記支持部は、ピッチの配向が、前記アノードが回転するときに前記液体潤滑剤を前記チェンバへ押し戻すようなものとなっている螺旋型又は渦型のレリーフ特徴を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記アノード・シャフトの前記支持部からの出口の位置において、前記支持部は、一方の面が前記シャフトに付属し、他方の面が前記支持部に付属する一対の対向配置した２面の同心状表面を有し、前記シャフトに付属する前記表面は、前記支持部に付属する前記表面の内側に配置されている、請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記アノード・シャフトの前記支持部からの出口の位置において、前記支持部は、一方の面が前記シャフトに付属し、他方の面が前記支持部に付属する一対の対向配置した２面の同心状表面を有し、前記シャフトに付属する前記表面は、前記支持部に付属する前記表面の外側に配置されている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
放射線放出装置にアノードを装着する方法であって、
アノード支持チェンバの内部に装着されるアノード・シャフトを設けるステップと、
前記チェンバ内に真空を提供するステップと、
カートリッジを形成するように、真空下にある前記アノード・チェンバを液体潤滑剤で充填するステップと、
前記装置に前記カートリッジを固定式で装着するステップと、
を備えた方法。
【請求項１１】
前記チェンバに前記アノード・シャフトを装着する前記ステップは、前記チェンバを前記液体潤滑剤で充填する前に均衡されることを含んでいる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記チェンバに前記アノード・シャフトを装着する前記ステップは、潤滑剤を用いずに均衡されることを含んでいる、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アノードは、前記カートリッジが前記装置に装着される前に前記シャフトに装着される、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、軸受けを有する回転式アノードと共にカートリッジを設けたＸ線管のような放射線放出装置、及びその製造方法である。本発明の実施形態は、医療撮像に用いることができ、また大電力放射線放出装置を用いる場合には非破壊試験及び制御の分野に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
例えば放射線検査では、シャフト上で回転するアノードを設けた電子管によってＸ線が発生される。カソードとアノードとの間に形成される強力な電場は、カソードによって放出された電子がアノードに衝突し、Ｘ線を発生することを可能にする。このＸ線放出のために、正の極性をアノードのシャフトによってアノードに印加し、負の極性をカソードに印加する。このユニットは、特に誘電性部品又は電子管の密閉容器によって絶縁されている。この密閉容器は、部分的にガラス製であってよい。
【０００３】
大電力で管を用いるときに、電子のアノードへの衝突は、アノードを異常に加熱する効果を有する。電力が大き過ぎると、アノードの放出部の軌道が損なわれて衝突孔が開く可能性がある。かかる過熱を防ぐために、常に更新され常に冷却した表面が電子流に向けられるように、アノードを回転させる。従って、管のモータがアノードのシャフトを機械的な軸受けで自由に駆動する。シャフトはアノード・チェンバ内に配置される。アノード・チェンバ自体はアノードの支持部として形成される。軸受けは、一方ではアノード支持部によって保持され、他方ではアノードのシャフトを保持している。
【０００４】
実際には、産業規模で製造する場合には、軸受けは、殆ど用いられていない磁気軸受けに対し、従来式の玉軸受けを含んでいる。回転式アノードが呈する問題は、軸受けにおいてシャフト回転時の玉の金属皮膜の摩耗が速いことから生ずる。すると、実用寿命が約１００時間となり、管の供用期間が約６ヶ月〜１年間となる。この問題を克服するために、玉を薄層の形態の金属、鉛又は銀で被覆することができる。
【０００５】
金属層の速い摩耗を抑えるために、軸受けとアノードのシャフトとの間で玉の表面とシャフトの表面との間の界面に潤滑剤薄膜が配置される。チェンバの内部はガリウム−インジウム−スズを主成分とする液体で充填される。かかる液体が選択される理由は、摩擦係数を改善し、玉同士の間の衝突雑音を抑え、また対流又は伝導のいずれかによってアノードの加熱による固定部材への熱伝達を強化するからである。他の潤滑剤液体は、脱ガス性が小さいため、一般には選択されない。
【特許文献１】特開平５−２５８６９１号
【特許文献２】米国特許第６１２５１６８号
【特許文献３】米国特許第６１６０８６８号
【特許文献４】米国特許第６３７７６５８号
【特許文献５】米国特許第６１９２１０７号
【特許文献６】米国特許第４９４３９８９号
【特許文献７】米国特許第３７１９８４７号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００３／０１６５２１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガリウム−インジウム−スズを主成分とする合金を用いると、難点の一因となることが分かっている。実際に、この合金は周囲温度（１０℃〜）では液体であって、空気と接触すると極めて急速に酸化される。この酸化物は固体であって、約１分間〜２分間という極く短時間内に表面薄膜の形態を取る。このことはすなわち、この液体のあらゆる産業規模の取り扱いは、中性雰囲気内で又は真空下で何らかの予防措置を講じて行なわなければならないことを意味する。加えて、この薄膜は潤滑性を有さず、実際に潤滑性とは程遠い。さらに、ガリウムは高腐蝕性である。この混合物を扱う場合には、実験室内であっても、液体がこぼれたり、漏れたり、溢れたりする可能性があり、扱う表面に液だまり又は付着物を生じ得る。すると、ホワイト・ルームすなわち清浄室でこれらの液だまり又は付着物を全て除去するのは、特に製造中の系内（管の密閉容器内）では極めて困難である。汚染を拭い取っても、清浄にしたばかりの（但し完全に清浄化された訳ではない）位置に汚染が別の茶色がかった汚染の形態で数秒間以内に再び現われる。すると、清浄室の状態は、高品質製造の要件に適合しなくなる。
【０００７】
次いで、これらの難点は二つの形式を有する。すなわち、実験室又はプラントでの合金自体の扱い、及び管の製造時の真空下での軸受けへの挿入の態様である。さらに、この液体の純度は、軸受けの玉との連合での軸受けの潤滑に対する寄与にも拘わらず、経時的に損なわれ、最終的には、玉の被覆の場合と同様に効果がなくなる可能性がある。
【０００８】
現状で、また将来において診断を向上させるために、電子管が必要とする電力は増大しつつある。この電力増大によって、アノードの重量が６ｋｇ〜８ｋｇまで増大している。結果として、軸受け内部の効果が重要になりつつある。さらに、秒当たり２回転での連続回転を行なう計算機式断層写真法で用いる場合に、軸受けは約８Ｇの加速度を受ける。秒当たり３回転〜４回転の回転速度が予測される。結果として、玉及び液体を有する軸受けの実用寿命、従って管の実用寿命は、時間的に制限され得る。実際に、軸受けの内部で加熱及び摩擦が生ずると、生ずるにつれて液体は特性を失い、従って品質を損なう場合がある。
【０００９】
さらに、回転式アノードの利用は、主に三つの制約に適合しなければならない。第一に、アノードの回転は、可能な限り自由で完全でなければならず、またアノードが回転するときに管が振動するのを防ぐような動的均衡の単純解を設計しなければならない。第二に、アノードは、高電圧まで高めることが可能でなければならない（通常、鋼玉軸受けがこの目的に役立つ）。第三に、電子のアノード・ターゲットへの衝突によって発生されてシャフトを伝播する熱は、効率的に放熱されなければならない。
【００１０】
特開平５−２５８６９１号（特許文献１）は、玉軸受けをガリウム合金によって潤滑したアセンブリを記載している。しかしながら、このアセンブリは上述の制約に適合していない。実際に、この出願公開での均衡は、回転子の直径が大きいため困難であり、放熱は小径の固定式シャフトによって行なわれ、熱伝導及び電気伝導を改善する設計は見られない。
【００１１】
米国特許第６１２５１６８号（特許文献２）は、ガリウム合金を用いるのみで熱伝導を改善したＸ線管を開示している。米国特許第６１６０８６８号（特許文献３）も、ガリウム合金による熱伝導率の改善を行なっている。米国特許第６３７７６５８号（特許文献４）も同じ形式であり、米国特許第６１９２１０７号（特許文献５）も同様である。米国特許第４９４３９８９号（特許文献６）は、アノード自体の冷却を行なっている。熱的な理由から、米国特許第３７１９８４７号（特許文献７）は、蒸発した後に液体状態に戻る液体金属を提供している。米国特許出願第２００３／０１６５２１７号（特許文献８）は、熱分路のみを設けている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態は、内部で放射線が発生される密閉容器を含むＸ線管のような放射線放出装置である。密閉容器内には、カソード、カソードに対向して配置されてシャフト上で回転するアノード、及び固定式アノード・シャフト支持部が配設されている。支持部は保持チェンバを含んでおり、アノードのシャフトはチェンバ内に保持されている。支持部は着脱式カートリッジの形態にある。支持部は玉軸受けを有する。支持部のチェンバは、ガリウム−インジウム−スズ合金のような液体潤滑剤で充填されている。チェンバは、シャフト出口に、合金がチェンバから漏出するのを防ぐ例えば密封構成のような手段を設けられている。
【００１３】
本発明の一実施形態は、Ｘ線管のような放射線放出装置に回転式アノードを装着する方法である。この方法は、アノード支持チェンバの内部に装着されるアノード・シャフトを設けるステップを含んでいる。チェンバ内には真空が設定される。真空下にあるアノード・チェンバはガリウム−インジウム−スズ合金のような液体潤滑剤で充填され、このようにしてカートリッジが製造される。カートリッジは、Ｘ線管のような放射線放出装置に固定式で装着される。
【００１４】
本発明の実施形態は、以下の説明及び添付図面からさらに明確に理解されよう。これらの図面は、単に表示のために掲げられており、如何なる意味でも本発明の範囲を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上述の問題を解決して上述の制約に適合させるために、本発明の実施形態はＸ線管用のカートリッジを提供する。本発明の実施形態では、アノード支持部が、容易に取り外して交換することのできるカートリッジを含んでいる。カートリッジは、固定式支持部のチェンバ内に、玉軸受けによって装着されたアノード・シャフトを含んでいる。かかる軸受けは、例えば計算機式断層写真法の機械に装着されたときに管が受ける大きい遠心加速力によく適している。回転を改善するために、軸受けの玉は最早必ずしも鋼製でなくてもよく、転がり抵抗係数が極めて小さいセラミック（一例では窒化ケイ素）で製造されていてよい。そして、最早玉によって提供されない電力供給及び放熱は、ガリウム−インジウム−スズ液体金属合金のような液体潤滑剤によって提供される。アノード・シャフトはカートリッジのチェンバ内で合金に埋没させられる。チェンバは、合金で完全に充填される。充填のために、合金の注入の前に、チェンバを先ず真空下に置く。管への装着時には、着脱式アノードがアノード・シャフトの端部に装着される。
【００１６】
本発明の実施形態は、シャフト全体が液体物質である合金に浸されることを規定し、チェンバの密封は、シャフト出口に配置されている密封装置によって形成される。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態によるＸ線管１を示す。管１は、密閉容器２を有する。例えば、密閉容器２は管１の壁３によって画定されたものである。管１はまた、回転式アノード４を有する。回転式アノード４は、カソード５に対向するように配置されている。管１の密閉容器２の内部には、アノード４の回転駆動のためのモータ６が設けられている。アノード４はアノード・シャフト７を有する。カソード５は、アノード軌道８に対向するように配置されている。アノード４に高電圧を供給すると、強力な電場の効果で電子がカソード５から放出されてアノード軌道８に衝突する。この衝突の効果で、Ｘ線放出性材料によって形成されているアノード軌道８がＸ線９を放出する。Ｘ線９は、壁３に設けられた窓１０を透過して管１から出る。窓１０は、例えばガラス又はＸ線透過性材料で製造されている。窓は気密性である。このように形成された密閉容器２は、従来は真空下に置かれており、具体的には吸引口（図示されていない）を介して真空下に置かれ、吸引口は引き続き封止（stemming）によって塞がれる。
【００１８】
アノード４の回転を保つために、管１にアノード支持部１１を設ける。この支持部１１は中空であってチェンバ１２を有する。チェンバ１２内では、軸受け又は滑動部１３が支持部１１によってアノード４を保持している。アノード４の回転時の潤滑及び熱輸送の問題を解決するために、ガリウム−インジウム−スズ液体合金のような液体潤滑剤でチェンバ１２を充填する。チェンバ１２から外部に導かれる流路１４を加えると、チェンバ１２を充填することができる。この充填は、アノード・シャフトの配置の後に、またシャフト７の動的均衡の前又は後に可能になる。シャフト７の動的均衡が充填の前に行なわれると、均衡が遥かに良好に制御される。次いで、重力又は注入によってチェンバ１２を充填する瓶を用いることが可能である。単純な栓若しくはストッパで流路１４を封止する又は栓若しくはストッパを流路１４に配置すると、充填側の密封が提供される。
【００１９】
図２は、シャフト７が軸受けによってチェンバ１２に保持されているのを示している。シャフト７の出口１５には、アノードを収容するように設計されているレセプタクル１６、又は一般的には固定装置又は取付け装置が設けられている。続いて、アノードを例えば壁３を閉じる直前に装着することができる。出口１５では、固定式支持部１１が例えばねじによってアセンブリ環１７に固定されている。環１７は、密封を提供するために、Ｏリング用の溝１８を含んでいてよい。密封は、補完的な二つの方法で達成することができる。第一に、真空密封のために、アノード・シャフトが最早回転していないときに、位置１９において環１７に垂直に、環１７の内径とシャフト７の外径との間に空間が画定される。この空間の境界は、ガリウム−インジウム−スズ液体金属合金のシャフト７及び環１７の材料の上での表面張力によって固定されている。この合金は、湿潤性が小さく、表面張力は１ミリメートルの約１００分の１のクリアランスを形成し、シャフト７の効率的な回転に好適であって、さらに、産業規模の条件に容易に適合する。環１７は、シャフト７が回転するときには固定されている。
【００２０】
シャフト７が回転すると、液体合金の圧力が高まる。合金は、チェンバ１２から逃散して管の密閉容器を汚染しがちである。この場合には、合金をチェンバ１２の内部に制限するために、領域１９において環１７に垂直に、接触している側の環１７の表面又はシャフト７の表面に螺旋状のレリーフ（浮彫）特徴を設ける。螺旋のピッチは、シャフト７の回転の所与の向きについて、螺旋レリーフが、レリーフに向かって面する表面の前で、スクレーパ（掻き板）のように挙動するように配向される。かかるスクレーパは、合金をチェンバ１２に押し戻すのに役立つ。
【００２１】
図示の実施形態では、支持部は、この空間の位置に一対の対向配置した２面の同心状表面を有する。シャフトに付属する表面を表面１９とし、もう一つの表面は環１７によって支持部に付属している。表面１９はシャフトに付属し、支持部に付属する表面の内部に配置される。シャフト７は、図１に示すように、包囲形状２０を与えられていてもよい。極めて重要なクリアランスが、包囲形状２０の位置に得られる。対向する２面の環１７の半径方向面２１及びシャフト７の半径方向面２２に、合金をチェンバ１２に押し戻すという同じ効果を有する渦状のレリーフ特徴を装着することも可能である。
【００２２】
図２に示す着脱式カートリッジは、カートリッジの設計において産業規模の運用にさらに好適であり、シャフト７を含んでいる。シャフト７は、軸２３を中心として設けられており、レセプタクル１６から開始して後退ショルダ又は階段として一連の内腔（ボア）を有している。第一の内腔１９は、最大の直径を有し、環１７に対向して配置されている。組立て時に、環１７はこのようにしてシャフト７の周りに装着される。環１７の境界２４において、シャフト７は第一のショルダ２５を有する。後退特徴２５から開始して、シャフト７は、面１９よりも径が小さい主保持部を有する。この主保持部の上から、第一の玉軸受け２６及び第二の玉軸受け２８が、好ましくは圧力嵌めで嵌合される。二つの軸受け２６及び２８は、シャフト７に沿って円筒形スペーサ２７によって互いから隔設されている。スペーサ２７は、チェンバ１２の自由な部分に正確に入る。スペーサ２７は、中心に自由な空間を残している（続いてこの空間が合金で充填される）。軸受け２６及び２８は各々、一方でシャフト７に堅固に押圧され他方で支持部１１に堅固に押圧されてそれぞれ配置されるように設計された参照番号２９及び３０のようなレースを有している。レース２９及び３０は、それぞれシャフト７及び支持部１１による相対的な回転で担持されている。
【００２３】
装着用ナット３１がシャフト７のねじ山３２の上から螺合されている。ねじ山３２はシャフト７の一方の端部３６に配置されている。端部３６は、レセプタクル１６が配置されている端部とは反対側である。ねじ山３２は、シャフト７の最後のショルダ３３の後に配置されることができる。この最後のショルダ３３は必須ではない。ナット３１は支持環３４を担持している。環３４はレース３０を環１７に向かって押圧している。レース３０は、固定環３５（好ましくは、スペーサ２７と同じ径及び断面を有する）によって同じ向きにスペーサ２７を押圧している。スペーサ２７は、軸受け２６のレース３０を同じ向きに押圧している。シャフト７の内側端部３６では、つる巻きばね３７が支持部１１の背面３８に支持されている。孔１４がこの背面３８から開いている。
【００２４】
このようにして特にばね３７を設けたシャフト７が、チェンバ１２内に配置される。一旦、このようにしてシャフト７が配置されたら、２本のねじ３９及び４０で環１７を支持部１１に固定する。好ましくは、レース２９の幅はレース３０の幅よりも僅かに小さいので、これらのレース２９はショルダ２５にも支持環３４にも押圧されないで配置される。このようにして、シャフト７は自由に回転することができる。ねじ３９及び４０が螺入されると、スペーサ２７は環１７及び環３２によって保持される。
【００２５】
好ましくは、軸受け２６及び２８の玉は鋼ではなくセラミック、例えば窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４、又はＲｅｘ２０／Ｓｉ３Ｎ４として公知のハイブリッド合金で製造される。かかる玉は、転がり抵抗係数が極めて大きいという特徴を有する。必要に応じて、軸受け２６及び／又は２８のレース２９及び／又は３０もセラミックで製造される。また、特に上述のような玉と共に、ケージ軸受けを用いることも可能である。従って、カートリッジのシャフトの動的均衡は、チェンバ１２が真空下に置かれて合金で充填される前に確保される。この均衡は、シャフト７を高速で回転させるのに望ましく、玉の材料の選択によって潤滑剤を用いないでも可能である。他の場合には、均衡は、中間的な潤滑剤を配置して、次いで洗浄した後に確保されてもよいが、稍実用的ではない。好ましくは、均衡は、シャフト７に装着されたアノードが存在する状態で行なわれる。
【００２６】
一旦、均衡が達成されたら、孔１４を介した吸引によって、必要があれば中性雰囲気下でチェンバ１２内に真空を設定する。各々コックを設けた三方弁を用いると、真空を設定するときに、孔１４を介してチェンバ１２内にガリウム−インジウム−スズ液体合金を注入する又は重力によって流入させることが可能である。次いで、例えば予め介設されている弁によってチェンバ１２を閉じる。アセンブリは、負の毛管張力の結果として密封される。必要に応じて、合金の注入量は、チェンバ１２の容積（シャフト７、軸受け２６、２８及びスペーサ２７の存在分を減じたもの）に正確に対応する。液体合金は、アセンブリを完全に埋没させ、軸受け２６及び２８が合金に浸される。合金は、スペーサ２７とシャフト７との間の空間全体、及びばね３７のハウジングを占有する。
【００２７】
一旦、カートリッジが製造されたら、カートリッジにアノード７を取り付けて例えばねじによって管１の壁に装着することができる。合金は、熱及び電気の良好な導体であるので、全ての制約が満たされる。
【００２８】
加えて、本発明の実施形態について、実施形態の例を参照しながら説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱せずに作用及び／又は方法及び／又は結果について様々な変形を施し、また本発明の要素に変えて均等構成を置換し得ることが理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせて適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に属する全ての実施形態を包含するものとする。さらに、第一、第二等の用語を用いたが、序列又は重要性を意味するものではなく、一つの要素又は特徴をもう一つの要素又は特徴から区別するために用いている。さらに、単数不定冠詞を用いたが、数量の制限を意味するものではなく、参照されている要素又は特徴が少なくとも一つ存在することを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態によるＸ線管の模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態によるカートリッジの断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  Ｘ線管
２  密閉容器
３  壁
４  回転式アノード
５  カソード
６  モータ
７  アノード・シャフト
８  アノード軌道
９  Ｘ線
１０  窓
１１  アノード支持部
１２  チェンバ
１３  軸受け
１４  流路
１５  シャフトの出口
１６  レセプタクル
１７  アセンブリ環
１８  溝
１９  表面
２０  包囲形状
２１  環の半径方向面
２２  シャフトの半径方向面
２３  軸
２４  境界
２５、３３  ショルダ
２６、２８  軸受け
２７  スペーサ
２９、３０  レース
３１  ナット
３２  ねじ山
３４  支持環
３５  固定環
３６  端部
３７  つる巻きばね
３８  背面
３９、４０  ねじ
【図１】
2006261096.tif 000003
【図２】
2006261096.tif 000004
【外国語明細書】
2006261096000001.pdf