JP2001291481A

JP2001291481A - Ｘ線管ベアリング

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Publication number: JP2001291481A
Application number: JP2001036198A
Authority: JP
Inventors: Norman E Wandke; イーワンドクノーマン; Mark S Maska; エスマスカマーク; Donald C Mueller; シーミューラードナルド
Original assignee: Marconi Medical Systems Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2001-10-19
Also published as: EP1124249B1; ATE363725T1; DE60128610T2; DE60128610D1; US6445770B1; EP1124249A3; EP1124249A2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｘ線管における回転子ベアリングシャフトの
ための効果的な熱ブロックを提供し、前方ベアリングレ
ースの温度を低下させ、Ｘ線管の寿命を増大させる。【解決手段】Ｘ線管は真空排気されたチャンバ（12）
を含み、該チャンバは電子の流れ（A）の経路内で陽極
（10）を回転させて、エックス線（Ｂ）および熱を発生
させる回転子（34）を含む。回転子は、熱伝導性構造体
（40）によって陽極に結合されたベアリングシャフト
（54，80，122）を含む。ベアリングシャフトは、軟質
金属の潤滑剤を塗布されたベアリング球（44F，44Ｒ）
を、前方および後方のベアリングレース（64，104，12
6，66，108，130）の中に有している。環状の溝（70，9
4，132）がシャフトの中に長手方向に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はX線管ベアリング、
特に、真空管における熱分布に関する。それは、回転す
る陰極Ｘ線管における副生熱の再チャンネリングに関す
る特定の用途を提供する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】高出
力のＸ線管は、典型的には、真空排気された囲いの中に
収容された熱電子フィラメントの陰極および陽極を含ん
でいる。該フィラメントを通して通常は約2〜5アンペア
の加熱電流が印加され、周囲の電子雲を形成する。フィ
ラメント状の陰極および陽極の間に約100〜200キロボル
トの高電圧が印加され、この電子雲から陽極ターゲット
領域に向けて電子が加速される。この電子ビームは、Ｘ
線を発生するのに充分なエネルギーで陽極の小領域また
はターゲット領域に衝突する。電子の加速は、約5〜600
ミリアンペアの管電流または陽極電流を生じる。電子ビ
ームエネルギーの一部分のみがＸ線に変換され、エネル
ギーの大部分は熱に変換されて、陽極を白熱させる。

【０００３】高エネルギー管においては、熱エネルギー
を大きな領域に広げてターゲット領域の過熱を防止する
ために、Ｘ線発生の際に陽極を高速で回転させる。陰極
および囲いは静止したままである。陽極の回転により、
電子ビームは、熱変形を生じるのに充分に長くは陽極の
小さな衝突スポットに滞留しない。陽極の直径は充分に
大きいので、陽極の１回転の間に、陽極上の各スポット
は、電子ビームによる再加熱位置に復帰する前に実質的
に冷却される。

【０００４】陽極は、典型的には誘導モータによって回
転される。この誘導モータは、真空囲いの外に配置され
る駆動コイルと、陽極に接続される囲い内の電機子およ
びベアリングシャフトを備えた回転子とを含んでいる。
モータにエネルギーが与えられると、駆動コイルは電機
子内に電流および磁界を誘導し、これは電機子および回
転子の他の部分を回転させる。

【０００５】陽極の温度は1,400℃と高くなる可能性が
ある。熱の一部は陽極を通って電機子およびベアリング
シャフトを含む回転子に伝わるが、これらは両者共、回
転子のステム部分を介して陽極に連結される。熱はベア
リングシャフトを通ってベアリングレースに移動し、該
レースに担持された潤滑ベアリングボールへと運ばれ
る。ベアリングボール上の潤滑剤は熱せられて、蒸発し
易い。Ｘ線管ベアリングの寿命は、高性能管の動作にと
って重要である。熱ターゲットからの伝導および放射は
ベアリングシャフトを加熱し、この加熱はボールベアリ
ング潤滑剤を蒸発または分解して、ベアリング面の迅速
な劣化および早期の管破損を生じる可能性がある。

【０００６】Ｘ線管は低蒸気圧材料を必要とする真空で
動作するから、石油系の潤滑剤化合物は使用できない。
従って、この産業分野では、鉛のような固体金属潤滑剤
をベアリングレース上に使用するのが普通である。ベア
リングレースからの鉛潤滑剤の蒸発は、350℃を超える
と急速に加速する。主に加工の際およびフィールド寿命
の間に、これらの温度に達する。潤滑剤の蒸発は、ベア
リング表面の劣化および早期の管故障に導く。

【０００７】Ｘ線管において、前方ベアリングレースは
後方ベアリングよりも物理的に熱ターゲットに近い。こ
のため、前方ベアリングは後方ベアリングよりも約100
℃高い温度で動作し、後方ベアリングよりも遥かに高率
で破損する。

【０００８】潤滑剤の蒸発を低減するために、鉛の代わ
りにボールベアリング上の銀潤滑剤が用いられることが
ある。銀は鉛よりも低い蒸気圧を有し、鉛より少なくと
も100℃高い温度で動作することができる。しかし、銀
潤滑剤は多くの欠点を有する。それは熱くなるとベアリ
ング鋼と反応し易く、粒界クラック、およびベアリング
の永久破損を生じる。トルクは、ベアリングおよび周囲
の回転子部品の摩擦熱および渦電流誘導加熱を介して、
ベアリングに対して更に大きな残留熱を与える。また、
銀潤滑剤材料は動作の際に鉛よりも大きなノイズを生じ
る。

【０００９】近年、コンピュータトモグラフィー（CT）
のガントリー回転速度は、約60 rpmから120 rpmへと増
大している。高いガントリー回転速度は、Ｘ線管に高い
Ｘ線出力密度を要求する。そして、Ｘ線出力の増大によ
って熱出力は増大する。Ｘ線管は、増大した熱発生を処
理するために、典型的には、回転陽極に更に大きな直径
を必要とする。この変化は、回転子シャフトおよびベア
リングシャフトに対する応力の増大を生じる。これらの
応力を危険でないレベルに低減する一つの方法は、断面
積を増大しながら、回転子ステムの長さを小さくするこ
とである。しかし、これはターゲットからベアリングシ
ャフトへの熱伝導経路を短縮および拡大し、より高い熱
移動を生じる。

【００１０】ベアリング温度を低下させる一つの方法
は、ベアリング潤滑剤をターゲットの熱から断熱するた
めの熱ブロックを設けることである。多くの低電力管
は、如何なる種類の熱ブロックも有してはいない。これ
らの管では、回転子ステムはベアリングシャフトに直接
ねじ込まれる。システムにおける熱ブロックが存在しな
いと、特にＸ線発生の際にベアリングシャフトは高温で
動作し、ベアリング潤滑剤の蒸発およびＸ線管の故障に
つながる可能性がある。

【００１１】陽極からベアリングシャフトへの熱の流れ
を低減するために、種々の熱ブロックが開発されてい
る。低電力設計では、回転子ステムを鋼製の回転子本体
ライナーに蝋付けし、次いでこれをベアリングシャフト
に螺入する。これにより、熱抵抗性が僅かに高い経路が
与えられる。

【００１２】工業的に使用されているもう一つの熱ブロ
ックは、トップハット設計として知られている。商標名
ハステロイ（Hastelloy）またはインコネル（Inconel）
のような低熱伝導性材料のトップハット形状片が、Ｘ線
ベアリングシャフトのハブにねじ込まれる。次いで、回
転子本体はネジ、溶接または他の手段を用いて、トップ
ハットの縁に取付けられる。回転子本体からベアリング
への熱経路は、こうしてトップハットにより延長され
る。トップハット設計を用いると、前方ベアリングレー
スにおいて20〜50℃の温度低下が達成されることが、分
析により示される。

【００１３】しかし、トップハット設計は幾つかの欠点
を有している。CT Ｘ線管において回転する陽極アセン
ブリーは、焦点トラックランナウトを数十マイクロメー
タ以下に維持する精密な装置である。高出力スキャナー
については許容度の要件が更に厳しい。許容度が狭いた
め、全てのＸ線管部品は高度に精密に加工され、精密に
組立てられる。アセンブリーの中に追加の部品を導入す
ると、精密な心合わせを維持するための問題が大きくな
る。二つの部品を所望の許容度内で整列させることは、
三つ以上の部品を整列させるよりも遥かに容易であるこ
とは明かである。従って、トップハット設計に追加の部
品を導入することは、設計許容度の中で回転子を組立て
ることを更に困難にする。

【００１４】また、トップハットの追加の長さは回転子
構造に可撓性を加えるから、トップハット設計はアセン
ブリーの剛性を低下させる。これは、ターゲットおよび
焦点の過剰な偏向および関連の撮像の問題を生じる。

【００１５】ベアリングハブと回転子ステムとの間に低
伝導性材料のワッシャーを挿入することにより、もう一
つの熱ブロックが形成されている。このワッシャーは、
回転子ステムとベアリングとの間に、僅かに長い熱経路
および追加の熱抵抗を与える。熱分析によって、ワッシ
ャーを使用すると、前方ベアリングレースにおける温度
が10〜20℃だけ低下することが示された。このワッシャ
ー熱ブロックは、追加の許容度が積み重なることに関し
て、トップハット設計と同じ問題を有している。加え
て、過剰な偏向をアセンブリーに導入することなく、必
要な熱ブロッキングを与えるようにワッシャーを充分に
厚くするのは困難である。

【００１６】ベアリングシャフトへの熱の流れを減少さ
せるもう一つの方法は、ベアリングシャフトハブと回転
子ステムとの間の熱接触面積を低下させて、熱接触抵抗
を増大させることが含まれる。これは、典型的には、ベ
アリングハブの表面積を最小にし、且つ粗い表面を使用
して、ハブと回転子ステムとの間の接触抵抗を最大にす
ることにより達成される。殆どの製造業者は、既にベア
リング接触面積を可能な限り小さくしている。しかし、
高性能Ｘ線管では、ベアリングレースの温度を許容可能
なレベルに維持するために、これでは不充分であること
が多い。接触面積は或るところまで低下させ得るに過ぎ
ず、それを越えると、過剰な応力によって部品に塑性変
形が生じる。塑性変形が生じるとアセンブリーの緩みが
発生し、過剰な振動から永久的に故障する可能性があ
る。

【００１７】熱の流れを減少させるもう一つの方法は、
螺旋溝ベアリングを使用することである。このベアリン
グは、ベアリングレースに隣接したベアリングの外表面
に形成された一連の螺旋状カットを有する。螺旋状溝ベ
アリングは、熱を移動させるためにガリウム合金を用い
た比較的複雑かつ大きなベアリングである。ベアリング
シャフトは約60 Hzの回転速度に制限される。これは、
Ｘ線管の動作出力を制限する。従来のＸ線管の陽極は60
Hz〜180 Hzで作動し、より高い出力プロトコールを実
行することを可能にする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの側面に従
えば、Ｘ線管が提供される。このＸ線管は、真空チャン
バを構成する囲いを含んでいる。該チャンバ内には、電
子源を与えるための陰極が配置される。チャンバ内には
陽極が配置され、これに電子が衝突してＸ線を発生す
る。回転子は、陽極を陰極に対して回転させる。回転子
は、陽極に結合されたベアリングシャフトを含んでお
り、内側部分と、該内側部分に結合された周縁部分とを
含んでいる。いる。この周縁部分は、外表面に、前方ベ
アリングレースおよび後方ベアリングレースを形成して
いる。内側部分および周縁部分は、それらの間の少なく
とも一部に環状の間隙が形成されており、これはベアリ
ングシャフトの中に長手方向に延びて、内側部分の前方
端を周縁部分の前方端から離間している。この間隙は、
内側部分の先端を通って熱がベアリングシャフトに侵入
して前方ベアリングレースに到達するための経路を延長
する。潤滑されたベアリングが、前方および後方のベア
リングレースに収容される。

【００１９】本発明のもう一つの側面に従えば、Ｘ線管
のためのベアリング部材が提供される。このベアリング
部材は、円柱状の内側部分および該内側部分に結合され
た周縁部分を含むベアリングシャフトを含んでいる。周
縁部分には、少なくとも第一の環状ベアリングレースが
形成され、これは潤滑されたベアリング部材をその中に
収容するような形状になっている。環状の間隙は、一般
に、周縁部の表面に対して平行にベアリングシャフトの
中に延びており、第一のベアリングレースに隣接した周
縁部の一部と前記内側部分の隣接部分との間に熱的障壁
を提供する。ベアリング部材を陽極に結合するための連
結部材が、前記内側部分から伸びている。

【００２０】本発明のもう一つの側面に従えば、相互に
連結された陽極および回転可能なベアリングシャフトを
有するＸ線管において、ベアリング潤滑剤の蒸発を低減
する方法が提供される。当該シャフトには、その外表面
にベアリングレースが形成されている。この方法は、陽
極からベアリングシャフトに入ってくる熱を、ベアリン
グシャフトの中に形成された環状絶縁ゾーンの回りにチ
ャネリングすることを含む。

【００２１】本発明の一つの利点は、Ｘ線管における回
転子のベアリングシャフトのための効果的な熱ブロック
を提供することである。

【００２２】本発明のもう一つの利点は、前方ベアリン
グレースの温度を低下できることである。

【００２３】本発明の更にもう一つの利点は、精密な整
列において維持すべき、Ｘ線管における回転子の長さお
よび部品の数を増大させる必要がないことである。

【００２４】本発明の更にもう一つの利点は、Ｘ線管の
寿命を増大させることが可能であるという事実にある。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して、本発
明を実施する方法を実施例として詳細に説明する。

【００２６】図１を参照すると、医療用診断システムで
使用されるタイプの回転陽極式Ｘ線管1は、ガラスまた
は他の適切な材料で形成された真空囲い（エンベロッ
プ）14により構成された真空チャンバ12内で動作する回
転式陽極10を含んでいる。該陽極はディスク形状であ
り、その環状周縁に隣接した部分をベベル加工して、陽
極表面即ちターゲット領域16が形成されている。陰極ア
センブリー18は、陽極表面16に衝突する電子ビームAを
供給して焦点を合わせる。フィラメントリード20は、ガ
ラス製の囲いを通して陰極アセンブリーに繋がれ、該ア
センブリーに電流を供給する。電子ビームが回転する陽
極に衝突すると、該ビームの一部は陽極表面から放出さ
れるＸ線Bに変換され、このＸ線ビームは真空囲い14を
通して管の外へと通過する。

【００２７】誘導モータ30が陽極10を回転させる。この
誘導モータは、真空囲いの外に配置された駆動コイル32
を有するスタータと、陽極10に接続された囲い内の回転
子34とを含んでいる。該回転子は、外側の円筒状のアー
マチャーまたはスリーブ部分36と、該アーマチャー内で
軸方向に心合わせされた内側ベアリング部材38とを含ん
でいる。アーマチャー36およびベアリング部材38は、モ
リブデンまたは他の適切な材料製のネック部40によっ
て、陽極10に接続されている。アーマチャー36は、銅の
ような熱伝導性および導電性の材料で形成される。モー
タに電力が供給されると、駆動コイル32はアーマチャー
内に磁界を誘導し、これはアーマチャーおよびベアリン
グ部材を、アーマチャーおよびベアリング部材と軸方向
に心合わせされ且つその間に配置された、円筒状の固定
した回転子支持体42に対して回転させる。この回転子支
持体は、後端部で装着スタブ43に接続され、これは回転
子支持体を固定して支持できるように、囲い14を貫通し
て延びている。

【００２８】図２および図３を参照すると、ベアリング
部材38と回転子支持体42の間に配置された、ボールベア
リングまたはローラベアリングのようなベアリング44
が、該ベアリング部材、アーマチャー36および陽極10
を、回転子支持体42に対して円滑に回転させる。ベアリ
ングボールは、鉛または銀のような厚さ約1000〜3000Å
の潤滑剤46（縮尺は正しくない）でコートされている。
好ましくは、当該Ｘ線管は、それぞれ前方ベアリングボ
ールおよび後方ベアリングボール44Fおよび44Rを含んで
いる。

【００２９】ここで用いる「前方」および「後方」等の
用語は、ベアリング部材38および陽極10を通過する軸Z
に沿って、部品の相対的位置を定義するために使用され
る。前方として記述される部品は陽極に近いのに対し
て、後方として記述される部品は陽極から遠い。

【００３０】ネック部40は、ステム50およびフランジ52
を含み、該フランジはネック部をアーマチャーに接続す
るために、ステム部分の後方端部から半径方向に伸び
る。ベアリング部材38は、一般に円筒形の外表面56およ
び前方端部58を備えた、略円柱形のシャフト54を含む。
ベアリング部材は、好ましくは、中心に配置されたネジ
穴61を介して、ボルト60のような固定部材によってステ
ム50に装着される。或いは、溶接または蝋付けを用い
て、ベアリング部材をステムに装着する。ネジ穴を限定
するベアリングシャフトの一部62は、前面63へと前方端
58の前方に伸びている。シャフトは工具鋼、例えば商標
名Rex20またはT15 工具鋼のような、好ましくは低熱伝
導性の材料で製造される。

【００３１】前方および後方のベアリングレース64およ
び66が、シャフト54の外側円筒表面56に形成される。前
方ベアリングレース64は陽極10に最も近い。これらのベ
アリングレースは、それぞれ前方および後方のベアリン
グボール44Fおよび44Rを受入れることができるように、
ベアリングシャフト内の半円形断面を有する環状の凹部
または溝によって構成される。

【００３２】環状の溝即ち間隙70が、シャフトの前方端
からアリングシャフト54の内部へと長手方向に延びてお
り、該溝は、一般にシャフトの外表面56に対して平行で
且つ離間している。回転の際にシャフトのバランスを維
持するために、溝70は、該溝の長手軸がシャフトの長手
軸Z上にあるように、好ましくは軸方向に整列させられ
る。

【００３３】図３に示すように、溝とシャフト外表面と
の間の幅を最大にするために、該溝は前方部分62に直接
隣接して配置される。或いは、この溝は外表面56に更に
近接して走るように、前方部分から離間される。

【００３４】環状溝70は、好ましくは、放電加工（ED
M）または他の適切な機械加工法を用いて、ベアリング
シャフト54の中に加工される。EDMは、ベアリングの熱
処理および硬化の後に、ベアリング材料の物理的性質に
影響を与えずに加工できるという利点を有する。

【００３５】溝70は、好ましくは0.25〜1.5ミリメー
タ、より好ましくは約0.75ミリメータの幅を有してい
る。直径2.5 cmのシャフトについては、このような溝幅
が好ましい。直径がより大きなシャフトは、より広い溝
を収容できるであろう。幅が約0.2 mmよりも小さい溝に
ついては、従来の機械加工法で溝を加工することは困難
である。加えて、汚れが狭い溝の中にトラップされ、流
れ出ることが困難になる。この溝は、約0.2 cmから如何
なる長さであってもよく、ベアリングシャフトの殆ど全
長を走っていてもよい（一般に、ベアリングシャフトの
長さは約7cm以上である）。好ましくは、該溝は前方ベ
アリングレース64の後方の位置までシャフトの中に延び
る。最も好ましくは、この溝は、前方レースと後方レー
スとの間の略中間の位置にまで、即ち、X線管の動作の
際に前方レースおよび後方レースの温度が略等しくなる
のに、充分な長さで延びる。

【００３６】環状溝70は、Ｘ線管の真空排気の際に排気
されて、ベアリングシャフトの内側円柱状コア部72とレ
ースを有するシャフトの環状部分74との間に真空の間隙
を与える。溝70が排気されるから、それは隣接するシャ
フトの内側部分および外側部分72，74の隣接する前方端
部領域76，78の間に、隣接するシャフトの工具鋼よりも
熱伝導性の低い熱的障壁を提供する。従って、陽極から
入ってくる熱の大部分は、内側部分72を通過する。Ｘ線
管の動作に際して、熱はネック部ステム50からコア部分
72を通って侵入し、シャフトの環状外側部分74に入り込
む前に、該コア部分を通って溝の端部へと移動する。矢
印Hは、熱の流れ方向を示す。

【００３７】溝の長さLが増大するに伴って、前方ベア
リングレースへの経路長、即ち、熱が前方レースに達す
るためにベアリングシャフトを通って移動しなければな
らない距離は増大する。例えば、図３において、溝70が
ない場合の前方レース64への経路長は、距離ｘ（即ち、
ネック部からベアリングシャフトに熱が侵入する円筒状
の前方部分62から、前方レースまでの距離）である。長
さLの溝があると、前方レースへ移動する熱の一部の経
路長は、約2L−ｘの距離である（熱の幾らかは、未だベ
アリングシャフトを通してベアリングレースまで距離ｘ
を移動すると思われる）。従って、熱のこの部分の前方
レースへの経路長は、約2L−2xの距離だけ増大する。

【００３８】ベアリングレース（およびベアリングおよ
び潤滑剤）の温度は、熱がベアリングシャフトを通って
移動しなければならない経路長に依存し、またシャフト
の断面積にも依存する。溝は、経路長を増大すると共
に、シャフトの前方端部における外側部分74および内側
側部分72の断面積を減少させて、前方ベアリングレース
の温度を低下させる。従って、前方レースの温度を低下
させるためには、溝の長さLをできるだけ大きくするの
が望ましい。しかし、ある溝の長さを越えると、動作の
際に、後方ベアリングレース66の温度が前方ベアリング
レース温度よりも高くなる可能性がある。従って、前方
および後方のベアリングレース温度をバランスさせるた
めに、実際的な最大長さよりも短い溝を設けるのが望ま
しいかもしれない。しかし、殆どの目的について、溝が
シャフトの殆ど全長を走る場合であっても、後方ベアリ
ングレース66は溝のない場合よりも低い温度で動作する
傾向にある。これは、中心部分72の断面積の低下によっ
て、熱の流れが減少するからである。従って、後方ベア
リングレースの温度は、一般には同じ直径Dの従来のシ
ャフトの場合よりも低くなる。従って、前方ベアリング
レース温度が許容可能なレベルに維持されるならば、潤
滑剤の過熱および蒸発は全体に減少するであろう。

【００３９】溝の長さLは、最適な後方および前方ベア
リングレース温度、または前方および後方レースの間の
最小温度差を与えるように変化させることができる。図
３は、シャフトに沿った略中間点まで伸びる溝の長さL
を示しているが、この溝は後方レース66まで延出しても
よく、適切であれば後方レースを超えて延出してもよ
い。

【００４０】しかし、X線管が高速で回転するときに
は、溝70の長さLに対して幾つかの実際的な制限が存在
する。溝70の長さLおよびシャフト外側部分78の幅Wは、
好ましくは、当該管が動作している間、外側部分が剛性
のままであるように選択される。外側部分の幅Wが狭過
ぎたり、および／または溝の長さが長過ぎたりする場合
には、陽極の回転の際に外側部分が撓み易く、回転子の
整列の喪失および管の劣悪な特性を導く。例えば商標名
Rex20またはT15 工具鋼のような工具鋼の場合、（レー
スに隣接した）外側部分の最小幅Wminは、好ましくは、
少なくとも0.10cmである。また、溝の実際的な最大長さ
は、ベアリングシャフトの形成に使用する材料、シャフ
トの全体直径D、および回転子の動作速度のような他の
因子にも依存する。

【００４１】従って、環状溝70の長さとベアリングシャ
フトの硬さ（即ち、剛性または無偏向性）との間の妥協
が存在する。カンチレバービームの偏向は、その長さの
３乗で変化することが知られている。従って、所定の溝
長さについて、当該管の動作の際の偏向が知られていれ
ば、他の溝長さでの偏向を評価することができる。こう
して、溝の深さは、所望のベアリングシャフトの硬さ
と、所望の熱ブロッキングの量との間で最適化すること
ができる。

【００４２】より高いガントリー速度のために設計され
たＸ線管は、通常は、直径約2〜3 cm以上の比較的大き
なベアリングシャフトを有する。このような直径の大き
いベアリングシャフトについては、外側部分の幅Wを比
較的大きく作製できるので、剛性に有意な悪影響を与え
ることなく、溝の長さLを長くすることができる。120rm
pで動作するように設計された直径約2.5 cm、長さ約7.5
cmのシャフトについては、剛性に有意な悪影響を与え
ることなく前方ベアリングレース温度を顕著に低下させ
るために、長さ約2.5cmの溝が特に好ましい。略1〜1.5
センチメータの直径を有するベアリングシャフトの設計
については、最大溝長さはもっと短くなるであろう。し
かし、長さ約0.2cmの比較的短い溝でも、前方ベアリン
グレースの温度に対して影響を与えることができる。或
いは、絶縁性または低導電性の金属を溝の中に挿入し
て、撓みを制限し且つ剛性を増大させることができる。
幾つかの場合、例えば、溝70が他の熱ブロック技術と組
み合わされるときは、ベアリング潤滑剤の蒸発に対して
実質的な影響を有するために10〜20℃の温度低下で充分
である。

【００４３】溝付ベアリングシャフトを用いて形成され
たＸ線管は、前方レース64において200℃を越える温度
の低下を示す。即ち、従来のシャフトでは約275℃であ
るのに対して、溝付シャフトでは約65℃である。

【００４４】図４および図５に示した別の実施例におい
て、ベアリングシャフト80は、環状ハブ84によって回転
子のネック部82に接続され、該ハブはベアリング部材の
ネック部末端においてシャフトから半径方向に延び、且
つ適切に配置された孔86を含んでいる。機械ネジ88また
は他の適切な固定部材が、ネック部のフランジ90に適切
に配置された孔およびハブ孔89を貫通して、ネック部を
ハブに結合する。この実施例において、ベアリングシャ
フト80とベアリングハブ82とは別々に作成される。図６
を参照すると、図２および図３の溝と同様に、シャフト
の前面96に溝94が形成される。図６に示すように、該前
面からは、シャフト内側部分100のハブ取付け部分98が
前方に延びている。次いで、ハブ84がシャフトの取付け
部分98に溶接され、または他の手段で固定されると共
に、ハブと前面96との間には狭い間隙102が残され、そ
の間に熱的障壁を提供する。次いで、必要なときは、こ
のアセンブリーは仕上げ加工される。

【００４５】陽極10からの熱Hは、ハブ84を通してベア
リングシャフト80に入り、シャフトの内側部分100を通
って溝94の端部へと移動した後、シャフトの外側部分10
4を前方ベアリングレース106へと戻る。熱は後方ベアリ
ングレース108へも移動するが、この熱の流れは中心部
分100の断面の低下によって減少される。従って、後方
ベアリングレースの温度は、一般に同じ直径Dの従来の
シャフトよりも低い。

【００４６】図７および図８を参照すると、ベアリング
部材120のもう一つの実施例において、二分割式ベアリ
ングシャフト122は二つの部分、即ち、陽極に連結され
る円柱状の内側コアまたは内側シャフト124と、該内側
シャフトを取囲み且つその外表面にそれぞれ前方および
後方レース128，130が形成された、適合した外側中空円
筒状レーススリーブ126から形成される。両方の部分12
4，126は、好ましくは工具鋼のような従来のべリング材
料から製造される。

【００４７】レーススリーブ126の内径は、組立てたと
きに環状の間隙132が二つの部分124，126を分離するよ
うに、内側シャフトの直径よりも僅かに大きい。この間
隙は、図１〜図６の溝と同じ幅、即ち、約0.25〜約1.5
ミリメータ、より好ましくは約0.75ミリメータである。
図１〜図６の溝の場合と同様に、間隙132はX線管の組立
ての際に排気されて、二つの部分124，126の間に熱的障
壁が与えられる。この間隙は、二つの部分の間で熱の伝
導を阻害するので、熱は、ネック部から前方ベアリング
レース128へとより長い距離を移動させられる。ベアリ
ングレースでの温度は熱が移動しなければならない距離
に比例するから、熱が同じ面積を通って移動するとすれ
ば、ベアリングレースの内側レースでの温度は低下す
る。

【００４８】特に図８を参照すると、コアをハブに溶接
することにより、またはコアおよびハブを同じ金属片か
ら加工することによって、環状ベアリングハブ140が内
側コア124の前方端部に取付けられている。ハブ140は、
ベアリング部材のネック部末端において内側コアから半
径方向に延びており、適切に配置された孔142、好まし
くはネジ孔を含んでいる。図４の実施例と同様に、ネジ
（図示せず）または他の適切な固定部材が、ネック部の
フランジに適切に配置された孔を通してハブ孔142の中
にねじ込まれ、ネック部をハブに結合する。

【００４９】必要に応じて、内側コア124とレーススリ
ーブ126の間に一以上のスペーサまたは接触パッド148が
配置されて、それらの間の分離を維持し、X線管の動作
に際して、コアに対するレーススリーブの振動を制限す
る。接触パッドは、好ましくは環状、即ち、一般には外
径がコアよりも僅かに大きい中空円筒状である。接触パ
ッドの他の形状として、例えば一連のリム、スプライ
ン、スプライン、円周方向に均等に離間した三つ以上の
移動止め、スリーブ126から伸びるピン等も考えられ
る。

【００５０】接触パッド148は、好ましくは内側コア124
に溶接され、または強固に取付けられる。或いは、接触
パッドは同じ材料から形成され、コアの表面を加工する
ことにより形成される。或いは、接触パッドはレースス
リーブ126の内面に取付けてもよく、または加工されて
もよい。もう一つの実施例において、接触パッドは、該
パッドが膨張し、次いでコア上に嵌るまで該接触パッド
を過熱（または冷却）することにより、コア上に熱収縮
嵌めされる。接触パッドが別の部品として形成されると
き、それらはスリーブおよび内側コアを一緒に組立てる
前に、コアレーススリーブに取付けられる。

【００５１】接触パッド148は、好ましくは、コアとレ
ーススリーブとの間の熱の流れを最小にするために、工
具鋼のような比較的熱伝導性の低い材料で形成され、ま
たはコア124またはスリーブ126よりも熱伝導性が更に低
い材料、例えばセラミックで形成される。

【００５２】接触パッドの外表面は、レーススリーブと
内側シャフトとの間の巨視的接触を減少させるために、
粗面化またはリブ加工してもよい。これにより、内側シ
ャフトとレーススリーブとの間の熱移動は更に減少す
る。表面粗さは、研磨ブラスティング、EDM加工、コー
ティングなどによって任意に達成される。

【００５３】接触パッド148の数、寸法および配置は、
二つの部品の間の熱移動を減少することと、ベアリング
シャフトを充分に支持することとの間の最適な妥協を提
供するように、好ましく選択される。

【００５４】もう一つの実施例では、ベアリングレース
の温度を均等化し、その間の温度差を低下させるため
に、前方および後方レースの間で最適に離間した位置で
経路124，126の間の熱移動を選択的に促進するように、
接触パッド148は熱伝導性が比較的高い材料（レースス
リーブまたは内側コアの熱伝導性よりも大きい）で形成
される。この実施例は、例えば、後方ベアリングレース
が前方ベアリングレースよりも高い温度で動作するとき
に用いられる。

【００５５】内側コア124および外側レーススリーブ126
は、X線管の動作の際にそれらが一体のユニットとして
回転するように、一緒に結合される。一つの実施例で
は、レーススリーブ126を加熱してスリーブを膨張さ
せ、コア124上で冷却させることにより、レーススリー
ブを内側コア上に収縮嵌めする。これにより、二つの部
品の間に比較的狭い間隙が保証される。二つの部品は、
好ましくはそれらを一緒に溶接することにより、または
他の固定方法によって結合される。溶接144は、好まし
くはベアリングシャフトの後方端に形成される。従っ
て、間隙はベアリングシャフトの殆ど全長に延びる。こ
のようなベアリングシャフトにおいて、熱は、商標名Re
x20またはT15工具鋼のような熱抵抗の高いベアリング材
料を通って、前方レース128へと（ベアリングシャフト
の長さおよび溶接の位置に依存して）更に7〜15センチ
メータ多く移動する。断面積が同じであれば、熱伝導経
路の端部での温度は該経路長が長くなると共に低下し、
従って、前方ベアリングレースでの温度は従来のシャフ
トに比較して低下する。

【００５６】内部シャフト124は、好ましくは、その直
径を最大にすると共に二つの部分の間の間隙を最小にす
ることによって、偏向に対する強度および抵抗について
最適化される。シャフト124は、熱移動能を低下させる
ように、後方ベアリング端に隣接して中空であってもよ
い。

【００５７】二分割式ベアリングシャフト122を用いれ
ば、従来のベアリングシャフトに比較して、後方レース
130における温度を増大させることなく、前方ベアリン
グレース128の温度を約100〜150℃だけ低下させること
ができる。

【００５８】図５を再度参照すると、図４〜図８の何れ
の実施例も、中空のベアリングシャフト内側部分または
内側コア100，124を用いて形成してもよい。こうして形
成されたキャビティー150は、ベアリングシャフトへの
熱移動に利用可能な断面積を減少させることによって、
熱移動を更に低下させることができる。工具鋼シャフト
については、内側部分またはコアは、該シャフトの剛性
に対して認め得る影響を与えることなく、その直径の約
70％まで空洞にすることができる。

【００５９】図４を参照すると、図４〜図８の何れの実
施例も、中空ステム82を用いて形成することができる。
ベアリングシャフトに隣接してステム形成されたキャビ
ティー152は、ネック部を介したベアリングへの熱移動
に利用可能な断面積を減少させることによって、熱移動
を更に低下させる。

【００６０】次に、図９を参照すると、二つのベアリン
グ潤滑剤、即ち、鉛および銀について、動作温度に対す
るベアリング潤滑剤の計算寿命のプロットが示されてい
る。図９に示すように、潤滑剤の寿命（完全に蒸発した
潤滑剤に対する時間として表されたもの）には、温度の
上昇に伴う指数的傾斜が存在する。従って、たとえ後方
ベアリングの温度が同等に上昇するとしても、前方ベア
リングレースの温度を僅か数度だけ低下することによっ
て、潤滑剤の寿命の顕著な改善を達成できることが分か
る。例えば、鉛潤滑剤の場合、350℃〜320℃への温度低
下（即ち、30℃の温度降下）は、ベアリング潤滑材の寿
命を150時間未満〜750時間まで増大し、また310℃まで4
0℃降下させると、寿命は1000時間まで増大する。

【００６１】図９は、図１０に示した蒸発速度（グラム
／平方センチメータ／秒）の計算から誘導される。潤滑
剤（銀または鉛）を温度Tｉ（℃）で蒸発させるための
時間Hは、次式に従って、測定された蒸発速度に利用可
能な潤滑材を乗じることによって計算される。

【００６２】H = M／（E_i×F×3600）（１）ここで、Fは、露出された潤滑材の表面の面積（cm²）で
あり、E_iは、温度T_iにおける潤滑剤の蒸発速度（gm／cm
²／sec）であり、Mは、潤滑剤の量（gm）である。

【００６３】蒸発速度は次のようにして計算された。半径ｒのベアリング球の表面積Ｆ = 4πｒ² 半径0.125インチ（0.3175cm）の球について、表面積Fは
1.267cm²である。夫々の球に塗布された潤滑剤の初期重
量M０は、略下記の通りである。 M₀ = Fラｔ×ρ （２）ここで、ｔは、塗布された潤滑剤の厚さ（cm）であり、
ρは、潤滑剤の密度（gm／cm³）である。

【００６４】塗布された潤滑剤の厚さが1500Å（鉛）ま
たは1000Å（銀）であれば、鉛および銀の密度ρは、夫
々11.34 gm／cm³および10.500 gm／cm³である。従っ
て、鉛については、M₀ = 2.155ラ10^-4gであり、銀につい
ては、M₀ = 1.33ラ10^-4gである。

【００６５】鉛および銀の蒸発速度（gm／cm²／sec）
は、次式を用いて計算した： E_i = 10 exp［(H−(0.5 logT_i))−(G／T_i)］（３） GおよびHについての値は、Duschman, Scientific Found
ation of Vacuum Techique, Table 10.2, p.700から、
下記のように得られた。鉛について、G = 9710、H = 7.69 銀について、G = 14270、H = 8.63 式３から計算されたE_iを用いて、蒸発のための時間を式
１から求めることができる。

【００６６】本発明の溝付きまたは二分割式のベアリン
グを用いて達成できる温度低下は、ベアリングの潤滑剤
として銀よりも鉛を使用するのに好都合である。これ
は、銀潤滑剤と比較して、低いトルク要求性および動作
時の低ノイズレベルのような、Ｘ線管の動作における幾
つかの利点を提供する。好ましくは、溝または間隙70，
94，132は、従来のＸ線管の場合よりも、前方レース6
4，106，128の温度を、少なくとも20℃、より好ましく
は200℃以上も低下させる。本発明の溝または間隙を形
成したＸ線管は、前方ベアリングの破損に至るまでの時
間の増大により、長い管寿命を示すであろう。

【００６７】上記で述べた図１〜図８の二分割シャフト
および溝付きシャフトの実施例は、ベアリングシャフト
および前方レースの温度を更に低下させるために、それ
が望ましいときは、シャフトとネック部との間におけ
る、低熱伝導性のトップハットまたはワッシャーのよう
な従来の熱ブロックと組合せて使用してもよい。

【００６８】以下の例は、本発明の範囲を限定すること
を意図することなく、本発明による溝付きまたは二分割
式のベアリングシャフトを使用することにより、ベアリ
ングレースの温度分布において達成できる改善を例示す
るものである。

【００６９】

【実施例】例１：溝付きベアリングシャフトと従来の
中実シャフトとの比較従来の中実シャフトの温度プロファイルと、図２に従っ
て形成された本発明の溝付き工具鋼シャフトの温度プロ
ファイルとを比較することにより、ベアリングレースの
温度に対する溝付きベアリングシャフトの影響を決定し
た。二つのシャフトの温度は、Finite Element Analysi
sを使用して、コンピュータモデル技術により決定し
た。

【００７０】図１１から分かるように、溝70は、後方ベ
アリングレースと前方ベアリングレース64，66の間の位
置（しかし，僅かに前方ベアリングレースに近い位置）
へとシャフトに沿って途中まで伸びている。二つのベア
リングシャフトの前方端60を400℃まで加熱し、真空中
で動作させながらシャフトの温度プロファイルを測定し
た。

【００７１】図１１および図１２を参照すると、これら
の条件下で操作されたベアリングシャフトの温度プロフ
ァイルは、従来のシャフトにおいて、前方ベアリングレ
ース（図１２）が275℃に達したのに対して、後方ベア
リングレースの温度は146℃に達したことを示してい
る。これらのレースからの熱の喪失は、500 W／m²Kであ
った。

【００７２】これと比較して、本発明による溝付きシャ
フト（図１１）の前方ベアリングレースは、従来のシャ
フトよりも210℃低い65℃にしか到達しなかった。後方
ベアリングレースの温度も、従来のシャフトの場合より
低い約65〜100℃に達したに過ぎない。

【００７３】従って、本発明の溝付きシャフトを用いた
Ｘ線管は、ベアリングレースから潤滑剤が蒸発する前
に、従来のＸ線管よりも長時間動作し得ることが期待で
きる。

【００７４】例２：二分割型ベアリングシャフトと従
来の中実シャフトとの比較従来の工具鋼製中実シャフトの温度プロファイルと、図
７および図８の実施例に従って形成された本発明の鋼製
二分割式シャフトの温度プロファイルを比較することに
より、ベアリングレースの温度に対する二分割式シャフ
トの影響を決定した。例１の場合と同様に、これらの温
度プロファイルはコンピュータで作成された。レースス
リーブ126を、後方レース130に隣接した内側シャフト12
4の後方端に溶接した。スペーサ148は、前方および後方
レース128，130の間で、間隙132に沿って略中間に配置
した。両方のシャフトを、ベアリングハブ140によって
中空のネック部40に結合した。真空中で動作させなが
ら、二つのネック部の前方端を1200℃に加熱して、シャ
フトの温度プロファイルを測定した。

【００７５】図１３および図１４を参照すると、これら
の条件下で動作されたベアリングシャフトの温度プロフ
ァイルは、従来のシャフト（図１３）において、前方ベ
アリングレースが239℃に達する一方、後方ベアリング
レースの温度は128℃に達したことを示している。レー
スからの熱喪失は500 W／m²Kであった。

【００７６】これと比較して、本発明による二分割式シ
ャフトの前方ベアリングレース（図１４）は、従来のシ
ャフトよりも138ー低い101℃にしか達しなかった。後方
ベアリングレースの温度は約118℃に達し、これは二分
割式シャフトの前方レースよりも僅かに高いが、従来の
シャフトよりも低かった。スペーサ148を前方レースに
若干近接するように移動することにより、または前方ベ
アリングレースに近接して追加のスペーサを加えること
によって、後方および前方ベアリングの温度を更に密接
に適合させることができるであろう。

【００７７】従って、本発明の二分割式シャフトを用い
たＸ線管は、ベアリングレースから潤滑剤が蒸発する前
に、従来のＸ線管よりも長時間動作し得ることが期待で
きる。

【００７８】例３：ベアリングシャフトの偏向と溝深
さとの比較標準の工具鋼製ベアリングシャフトに0.0〜2.5cmの異な
る深さの溝を加工することにより、溝付きベアリングシ
ャフトを製造した。夫々の溝について、均一な力を加え
た状態で、測定ベアリングシャフトの外側部分の偏向
（cm）を測定した。加えて、各ベアリングシャフトの前
方端を同じ温度（400℃）に加熱した後に、コンピュー
タモデルを使用して、前方レースの温度を計算した。図
１５は、測定された偏向のプロット、および前方ベアリ
ングレース温度 vs. 溝長さ L（深さ）を示している。

【００７９】偏向は溝長さと共に増大することが分か
る。前方レースの温度は、溝の深さと共に減少する。こ
うして、図１５に示したようなプロットは、許容できな
い偏向を生じることなく前方レースの温度を低下する、
折衷的な溝の深さを見付けるために使用することができ
る。例えば、例３で使用した工具鋼製シャフトについ
て、許容可能な最大偏向が0.012 cmであれば、溝は約1.
5 cmの深さで切ればよく、また前方レースの温度は溝の
ない従来のシャフトと比較して約60℃だけ低下するであ
ろう。明かに、これらの値は、シャフトの材料、直径、
外側部分の幅などに応じて変化するであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による回転陽極管の概略図であ
る。

【図２】図２は、図１のＸ線管における溝付ベアリング
部材およびネック部の心合わせされた概略図である。

【図３】図３は、図２のベアリング部材の断面図であ
る。

【図４】図４は、本発明による回転子および回転子支持
体の第二の実施例を示す概略図である。

【図５】図５は、図４のベアリング部材の断面図であ
る。

【図６】図６は、ハブを前方端に溶接する前の図５のベ
アリングシャフトを示す概略図である。

【図７】図７は、本発明による二分割式ベアリングシャ
フトを備えたベアリング部材の断面図である。

【図８】図８は、図７のベアリング部材における中心コ
アおよびハブを拡大して示す斜視図である。

【図９】図９は、ベアリング球から潤滑剤を完全に蒸発
させるための時間を、鉛潤滑剤および銀潤滑剤について
計算された潤滑剤温度に対してプロットしたグラフであ
る。

【図１０】図１０は、潤滑剤の蒸発速度を、鉛潤滑剤お
よび銀潤滑剤について計算された温度に対してプロット
したグラフである。

【図１１】図１１は、ベアリングシャフトの前方端を40
0℃に加熱したときの、本発明に従って形成された溝付
ベアリングシャフトの温度プロファイルを示す図であ
る。

【図１２】図１２は、ハブを400℃に加熱したときの、
従来のＸ線管におけるベアリングシャフトおよびハブの
温度プロファイルを示す図である。

【図１３】図１３は、ネック部の陽極端を1200℃に加熱
したときの、従来のＸ線管における回転子の温度プロフ
ァイルを示す図である。

【図１４】図１４は、ネック部の陽極端を1200℃に加熱
したときの、本発明に従って形成された二分割式ベアリ
ングシャフトを備えた回転子の温度プロファイルを示す
図である。

【図１５】図１５は、前方レースにおける温度溝付ベア
リングシャフトの偏向を、溝の長さに対してプロットし
たグラフである。

【符号の説明】

10：陽極 12：真空チャンバ 14：囲い 18：陰極 34：回転子 54，80，120：ベアリングシャフト 72，100，124：内側部分 74，104，126：周縁部分 64，104，126：前方ベアリングレース 66，108，130：後方ベアリングレース 70，94，132：環状の間隙 148：接触要素（接触パッド、スペーサ）

フロントページの続き (72)発明者マークエスマスカアメリカ合衆国イリノイ州 60067 パラティーヌノースウォーターバリー 1441 (72)発明者ドナルドシーミューラーアメリカ合衆国イリノイ州 60504 オーロラキャンデンレーン 1250

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバ（12）を構成する囲い（1
4）と；該チャンバ内に配置された、電子源を与えるた
めの陰極（18）と；チャンバ内に配置され、電子が衝突
してＸ線を発生する陽極と（10）と；陰極に対して陽極
を回転させる回転子（34）とを備え、該回転子が前記陽
極に連結されたベアリングシャフト（54，80，120）を
含んでおり、該ベアリングシャフトは内側部分（72，10
0，124）と、該内側部分に結合された周縁部分（74，10
4，126）とを含んでおり、この外側周縁部分は、その外
表面に、前方ベアリングレース（64，104，126）および
後方ベアリングレース（66，108，130）を形成してお
り、前記前方ベアリングレースは前記後方ベアリングレ
ースよりも前記陽極に近接しており、前記内側部分およ
び周縁部分は、それらの間の少なくとも一部に、ベアリ
ングシャフトの中に長手方向に延びて前記内側部分の前
方端を前記周縁部分の前方端から離間させる環状の間隙
（70，94，132）を形成し、更に、前記前方ベアリング
レースと後方ベアリングレースとの間に受入れられた潤
滑ベアリング（４４）を備えているＸ線管。
【請求項２】請求項１に記載のＸ線管であって、前記
環状の間隙（70，94，132）は、前記前方ベアリングレ
ース（64，104，126）の後方に延びているＸ線管。
【請求項３】請求項２に記載のＸ線管であって、前記
環状の間隙（70，94，132）は、前記前方ベアリングレ
ース（64，104，126）と前記後方ベアリングレース（6
6，108，130）との間の位置まで延びているＸ線管。
【請求項４】請求項１〜３の何れか１項に記載のＸ線
管であって、前記内側部分（72，100）および前記周縁
部分（74，104）は単一の部品として形成され、また前
記間隙（70，94）は前記ベアリングシャフト（54，80）
の中に溝を加工することによって形成されているＸ線
管。
【請求項５】請求項１〜４の何れか１項に記載のＸ線
管であって、前記間隙（132）内に少なくとも一つの接
触要素（148）が配置されているＸ線管。
【請求項６】請求項５に記載のＸ線管であって、前記
接触要素（148）は、前記外側部分（126）の内面または
前記内側部分（124）の周面に機械加工されたリング、
および別の部品のうちの一方を含むＸ線管。
【請求項７】請求項５または６に記載のＸ線管であっ
て、前記接触要素（148）は、少なくともベアリングシ
ャフトの周縁部分（126）と同程度の低い熱伝導性をも
った材料で形成されるＸ線管。
【請求項８】請求項１〜７の何れか１項に記載のＸ線
管であって、前期間隙（70，94，132）は0.025〜1.5ミ
リメータの範囲の幅を有するＸ線管。
【請求項９】陽極（10）およびこれに連結された回転
可能なベアリングシャフト（54，80，120）を有し、該
シャフトはその外表面（56）にベアリングレース（64，
106，128）を形成しているＸ線管におけるベアリング潤
滑剤の蒸発を減少させる方法であって、該方法は、前記
陽極から前記ベアリングシャフトに入ってくる熱を、前
記ベアリングシャフトに形成された環状絶縁ゾーン（7
0，94，132）の回りにチャンネリングすることを含む方
法。
【請求項１０】請求項９に記載の方法であって、更
に、前記環状絶縁ゾーン（70，94，132）を形成する工
程が、（１）ベアリングシャフトの中に外表面と略平行
な溝を加工し、また内側部材（124）および環状周辺部
材（126）からベアリングシャフト（120）を形成するこ
と；および（２）前記内側部材を選択された点（146）
において前記周辺部材に結合することにより、前記内側
部材と前記周辺部材との間に間隙（132）を残すことの
うちの一方を含むことを特徴とする方法。