JP2015219208A - シンチレータパネルおよび放射線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】剛性の異方性を小さくすることができ、且つ、反りの発生を抑制することができるシンチレータパネルおよび放射線検出器を提供することである。【解決手段】実施形態に係るシンチレータパネルは、複数の炭素繊維を有するプリプレグが複数積層され、放射線を透過する基体と、前記基体の一方の面側に設けられたシンチレータ層と、を備えている。前記基体は、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が異なる複数種類の前記プリプレグを有している。前記基体の厚み方向の中心部に対して、前記厚み方向に対称となる位置に設けられたプリプレグは、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が同じである。前記厚み方向の両端に設けられたプリプレグは、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が前記基体の長手方向と平行である。前記基体の前記長手方向の曲げ強度が、前記基体の短手方向の曲げ強度より大きい。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、シンチレータパネルおよび放射線検出器に関する。

入射したＸ線を可視光（蛍光）に変換するシンチレータパネルがある。
シンチレータパネルには、入射したＸ線を可視光に変換するシンチレータ層と、シンチレータ層が設けられ、Ｘ線を透過させる基体とが設けられている。

また、シンチレータパネルが設けられたＸ射線検出器においては、シンチレータパネルの可視光が出射する側を、アモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)フォトダイオードなどの光電変換素子が設けられたアレイ基板（アクティブマトリックス基板）に貼り合せている。
ここで、シンチレータパネルの基体は、炭素繊維強化プラスチック（CFRP；Carbon-Fiber-Reinforced Plastic)から形成された中間材（以下、プリプレグと称する）を複数積層し、これを加圧加熱処理することにより形成される。

ところが、複数のプリプレグを単に積層させると、互いに直交する２方向における剛性の差（剛性の異方性）が大きくなるおそれがある。
また、複数のプリプレグを単に積層させると、基体の上にシンチレータ層を形成する際に反りが大きくなるおそれもある。

特開２００４−９５８２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、剛性の異方性を小さくすることができ、且つ、反りの発生を抑制することができるシンチレータパネルおよび放射線検出器を提供することである。

実施形態に係るシンチレータパネルは、複数の炭素繊維を有するプリプレグが複数積層され、放射線を透過する基体と、前記基体の一方の面側に設けられたシンチレータ層と、を備えている。
前記基体は、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が異なる複数種類の前記プリプレグを有している。前記基体の厚み方向の中心部に対して、前記厚み方向に対称となる位置に設けられたプリプレグは、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が同じである。前記厚み方向の両端に設けられたプリプレグは、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が前記基体の長手方向と平行である。前記基体の前記長手方向の曲げ強度が、前記基体の短手方向の曲げ強度より大きい。

本実施の形態に係るシンチレータパネル９およびＸ線検出器１を例示するための模式斜視図である。 シンチレータパネル９およびＸ線検出器１の模式断面図である。 シンチレータパネル９の模式断面図である。 炭素繊維２８が伸びる方向と剛性との関係を例示するための模式斜視図である。 基体８の構成を例示するための模式分解図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、本発明の実施形態に係る放射線検出器は、Ｘ線のほかにもγ線などの各種放射線に適用させることができる。ここでは、一例として、放射線の中の代表的なものとしてＸ線に係る場合を例にとり説明をする。したがって、以下の実施形態の「Ｘ線」を「他の放射線」に置き換えることにより、他の放射線にも適用させることができる。

図１は、本実施の形態に係るシンチレータパネル９およびＸ線検出器１を例示するための模式斜視図である。
図２は、シンチレータパネル９およびＸ線検出器１の模式断面図である。
なお、煩雑となるのを避けるために、図２においては、制御ライン２ｃ１、データライン２ｃ２、信号処理部３、画像伝送部４などを省いて描いている。
図３は、シンチレータパネル９の模式断面図である。
放射線検出器であるＸ線検出器１は、放射線画像であるＸ線画像を検出するＸ線平面センサである。Ｘ線検出器１は、例えば、一般医療用途などに用いることができる。

図１および図２に示すように、Ｘ線検出器１には、アレイ基板２、信号処理部３、画像伝送部４、シンチレータパネル９、および接合部１０が設けられている。
アレイ基板２は、基板２ａ、光電変換部２ｂ、制御ライン（又はゲートライン）２ｃ１、データライン（又はシグナルライン）２ｃ２、および保護層２ｆを有する。

基板２ａは、板状を呈し、無アルカリガラスなどの透光性材料から形成されている。
光電変換部２ｂは、基板２ａの一方の表面に複数設けられている。
光電変換部２ｂは、矩形状の平面形状を有し、制御ライン２ｃ１とデータライン２ｃ２とで画された領域に設けられている。複数の光電変換部２ｂは、マトリクス状に並べられている。
なお、１つの光電変換部２ｂは、１つの画素（pixel）に対応する。

複数の光電変換部２ｂのそれぞれには、光電変換素子２ｂ１と、スイッチング素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）２ｂ２が設けられている。
また、光電変換素子２ｂ１において変換した信号電荷を蓄積する図示しない蓄積キャパシタを設けることができる。図示しない蓄積キャパシタは、例えば、矩形平板状を呈し、各薄膜トランジスタ２ｂ２の下に設けることができる。ただし、光電変換素子２ｂ１の容量によっては、光電変換素子２ｂ１が図示しない蓄積キャパシタを兼ねることができる。

光電変換素子２ｂ１は、例えば、フォトダイオードなどとすることができる。
薄膜トランジスタ２ｂ２は、蛍光が光電変換素子２ｂ１に入射することで生じた電荷の蓄積および放出のスイッチングを行う。薄膜トランジスタ２ｂ２は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）やポリシリコン（Ｐ−Ｓｉ）などの半導体材料を含むものとすることができる。薄膜トランジスタ２ｂ２は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有している。薄膜トランジスタ２ｂ２のゲート電極は、対応する制御ライン２ｃ１と電気的に接続される。薄膜トランジスタ２ｂ２のソース電極は、対応するデータライン２ｃ２と電気的に接続される。薄膜トランジスタ２ｂ２のドレイン電極は、対応する光電変換素子２ｂ１と図示しない蓄積キャパシタとに電気的に接続される。

制御ライン２ｃ１は、所定の間隔を開けて互いに平行に複数設けられている。制御ライン２ｃ１は、例えば、行方向に延びている。
複数の制御ライン２ｃ１は、基板２ａの周縁近傍に設けられた複数の配線パッドとそれぞれ電気的に接続されている。複数の配線パッドには、フレキシブルプリント基板２ｅ１に設けられた複数の配線の一端がそれぞれ電気的に接続されている。フレキシブルプリント基板２ｅ１に設けられた複数の配線の他端は、信号処理部３に設けられた図示しない制御回路とそれぞれ電気的に接続されている。

データライン２ｃ２は、所定の間隔を開けて互いに平行に複数設けられている。データライン２ｃ２は、例えば、行方向に直交する列方向に延びている。
複数のデータライン２ｃ２は、基板２ａの周縁近傍に設けられた複数の配線パッドとそれぞれ電気的に接続されている。複数の配線パッドには、フレキシブルプリント基板２ｅ２に設けられた複数の配線の一端がそれぞれ電気的に接続されている。フレキシブルプリント基板２ｅ２に設けられた複数の配線の他端は、信号処理部３に設けられた図示しない増幅・変換回路とそれぞれ電気的に接続されている。
保護層２ｆは、光電変換部２ｂ、制御ライン２ｃ１、およびデータライン２ｃ２を覆うように設けられている。
保護層２ｆは、窒化ケイ素（ＳｉＮ）やアクリル系樹脂などの絶縁性材料から形成することができる。

信号処理部３は、基板２ａの光電変換部２ｂが設けられる側とは反対側に設けられている。
信号処理部３には、図示しない制御回路と、図示しない増幅・変換回路とが設けられている。
図示しない制御回路は、各薄膜トランジスタ２ｂ２の動作、すなわちオン状態およびオフ状態を制御する。例えば、図示しない制御回路は、フレキシブルプリント基板２ｅ１と配線パッドと制御ライン２ｃ１とを介して、制御信号Ｓ１を各制御ライン２ｃ１毎に順次印加する。制御ライン２ｃ１に印加された制御信号Ｓ１により薄膜トランジスタ２ｂ２がオン状態となり、光電変換部２ｂからの画像データ信号Ｓ２が受信できるようになる。

図示しない増幅・変換回路は、例えば、複数の電荷増幅器、並列／直列変換器、およびアナログ−デジタル変換器を有している。
複数の電荷増幅器は、各データライン２ｃ２にそれぞれ電気的に接続されている。
複数の並列／直列変換器は、複数の電荷増幅器にそれぞれ電気的に接続されている。
複数のアナログ−デジタル変換器は、複数の並列／直列変換器にそれぞれ電気的に接続されている。
図示しない複数の電荷増幅器は、データライン２ｃ２と配線パッドとフレキシブルプリント基板２ｅ２とを介して、各光電変換部２ｂからの画像データ信号Ｓ２を順次受信する。

そして、図示しない複数の電荷増幅器は、受信した画像データ信号Ｓ２を順次増幅する。
図示しない複数の並列／直列変換器は、増幅された画像データ信号Ｓ２を順次直列信号に変換する。
図示しない複数のアナログ−デジタル変換器は、直列信号に変換された画像データ信号Ｓ２をデジタル信号に順次変換する。

画像伝送部４は、配線４ａを介して、信号処理部３の図示しない増幅・変換回路と電気的に接続されている。なお、画像伝送部４は、信号処理部３と一体化されていてもよい。
画像伝送部４は、図示しない複数のアナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換された画像データ信号Ｓ２に基づいて、Ｘ線画像を構成する。構成されたＸ線画像のデータは、画像伝送部４から外部の機器に向けて出力される。

図２および図３に示すように、シンチレータパネル９には、シンチレータ層５、反射層６、防湿体７、および基体８が設けられている。
シンチレータ層５は、反射層６を介して、基体８の一方の面に設けられている。
シンチレータ層５は、入射したＸ線を可視光すなわち蛍光に変換する。
シンチレータ層５は、例えば、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、あるいはヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）：タリウム（Ｔｌ）などを用いて形成することができる。
シンチレータ層５の厚み寸法は、６００μｍ程度とすることができる。
この場合、真空蒸着法などを用いて、柱状結晶の集合体が形成されるようにすることができる。
柱状結晶（柱（ピラー））の太さ寸法は、最表面で８μｍ〜１２μｍ程度とすることができる。

反射層６は、基体８の両面（基体８のシンチレータ層５が設けられる側、およびシンチレータ層５が設けられる側とは反対側）に設けられている。
シンチレータ層５の反射層６が設けられる側にはＸ線が入射する。
反射層６は、蛍光の利用効率を高めて感度特性を改善するために設けられている。すなわち、反射層６は、シンチレータ層５において生じた蛍光のうち、光電変換部２ｂが設けられた側とは反対側に向かう光を反射させて、光電変換部２ｂに向かうようにする。
反射層６の厚み寸法は、１２０μｍ程度とすることができる。
反射層６は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などからなる光散乱性粒子を含む樹脂から形成することができる。反射層６を形成する際に用いる樹脂は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などとすることができる。
なお、反射層６は、必ずしも必要ではなく、必要に応じて設けるようにすればよい。

防湿体７は、空気中に含まれる水蒸気により、シンチレータ層５の特性が劣化するのを抑制するために設けられている。
防湿体７は、膜状を呈し、シンチレータ層５と反射層６を覆うように設けられている。なお、反射層６が設けられていない場合には、防湿体７は、膜状を呈し、シンチレータ層５を覆うように設けられている。
防湿体７は、透光性を有し、透湿係数の小さい材料から形成することができる。
防湿体７は、例えば、ポリパラキシリレンなどから形成することができる。

基体８は、板状を呈し、炭素繊維強化プラスチック（CFRP；Carbon-Fiber-Reinforced Plastic)から形成されたプリプレグが複数積層されている。
すなわち、基体８には、複数の炭素繊維を有するプリプレグが複数積層され、放射線を透過する。
また、プリプレグの平面形状、ひいては、基体８の平面形状は、例えば、矩形とすることができる。
なお、基体８に関する詳細は後述する。

反射層６がポリエチレンテレフタレートを含み、防湿体７が熱ＣＶＤ法により形成され、ポリパラキシリレンを含む場合には、反射層６と防湿体７とが接する面３５の部分が水分の侵入に対して高い抑止効果を有するものとなる。そのため、高い防湿性能を有するシンチレータパネル９とすることができる。

接合部１０は、アレイ基板２とシンチレータパネル９との間に設けられている。
接合部１０は、透光性を有し、アレイ基板２とシンチレータパネル９とを接合する。
接合部１０は、例えば、光学両面テープ（ＯＣＡテープ(Optical Clear Adhesive Tape)）などとすることができる。
また、接合部１０は、例えば、光学接着剤や光学ジェルなどを硬化させることで形成されたものとすることもできる。
この場合、接合部１０は、紫外線の照射により硬化するものとすることができる。

次に、シンチレータパネル９の基体８についてさらに説明する。
シンチレータパネル９の基体８には、高いＸ線透過率が求められる。
高いＸ線透過率を有する材料には、例えば、炭素繊維強化プラスチックがある。
そのため、基体８は、炭素繊維強化プラスチックから形成されたプリプレグを複数積層し、これを加圧加熱処理することにより形成することができる。
なお、プリプレグは、板状を呈し、炭素繊維を所望の方向に並べたものに熱硬化性樹脂を含浸させることで形成されたものである。

基体８は、ある程度の剛性（曲げ強度）を有していることが好ましい。
また、基体８は、剛性の異方性が小さいものであることが好ましい。
また、基体８は、基体８の上にシンチレータ層５や防湿体７を形成する際に発生する反りが小さいものであることが好ましい。
また、基体８にはシンチレータ層５が設けられるため、表面の凹凸が少ないものであることが好ましい。

ここで、基体８の剛性が低かったり、基体８の剛性の異方性が大きかったり、基体８に発生した反りが大きかったりした場合には、アレイ基板２とシンチレータパネル９との位置関係が、所定の位置（所定のイメージ面）からずれて画像がボケるおそれがある。
この場合、プリプレグの数を増やせば、基体８の剛性を高くしたり、基体８の剛性の異方性を小さくしたり、基体８に発生した反りを小さくすることができる。
ところが、プリプレグの数を単に増やせば、基体８の製造コストが増大するという新たな問題が生じる。
また、プリプレグの数を増やすことで剛性を高めるようにすると、基体８の剛性が適正な範囲となるようにすることが困難となるおそれがある。例えば、基体８の剛性が低いため、プリプレグの数を１つ増やすと、基体８の剛性が高くなりすぎてアレイ基板２とシンチレータパネル９との接合作業がしづらくなる場合もある。

また、プリプレグにおける炭素繊維２８が伸びる方向により、プリプレグ（基体８）の剛性が変化する。すなわち、プリプレグにおける炭素繊維２８が伸びる方向により、プリプレグ（基体８）に剛性の異方性が生じる。
図４は、炭素繊維２８が伸びる方向と剛性との関係を例示するための模式斜視図である。
プリプレグの平面形状を考慮せずに炭素繊維２８が伸びる方向のみを考慮すると、炭素繊維２８が伸びる方向Ａに直交する方向における曲げ強度Ｂは、炭素繊維２８が伸びる方向Ａに平行な方向における曲げ強度Ｃよりも小さくなる。

プリプレグの平面形状が矩形であるとすると、短辺側における曲げ強度Ｂは、長辺側における曲げ強度Ｃよりも大きくなる。
そのため、剛性の異方性を小さくするためには、プリプレグの平面形状を考慮して、炭素繊維２８が伸びる方向Ａを設定することが好ましい。
例えば、図４に示すように、プリプレグの平面形状が矩形の場合には、炭素繊維２８が伸びる方向Ａは、長辺に平行な方向（長手方向）とすることが好ましい。

ここで、本発明者の得た知見によれば、基体８の厚み方向の中心を通る線から最も離れた位置、すなわち、基体８の表面（厚み方向の両端）に設けられているプリプレグ８ａの剛性が、基体８の剛性に最も寄与する。
そのため、基体８の剛性に最も寄与するプリプレグ８ａの平面形状を考慮して、炭素繊維２８が伸びる方向Ａを設定することが好ましい。

また、基体８に設けられるプリプレグの種類（炭素繊維が伸びる方向の種類）が多くなれば、基体８における剛性の異方性を小さくすることができる。
一方、プリプレグの種類を多くしすぎると、プリプレグの数が多くなりすぎて、基体８の製造コストが増大したり、基体８の剛性が高くなりすぎてアレイ基板２とシンチレータパネル９との接合作業が困難となったりするおそれがある。
そのため、プリプレグの種類は、基体８の大きさ、剛性、剛性の異方性、反り、接合の作業性、コストなどを考慮して設定することが好ましい。
例えば、Ｘ線検出器１が一般医療用途などに用いられるものの場合には、４種類のプリプレグ８ａ、プリプレグ８ｂ、プリプレグ８ｃ、プリプレグ８ｄを合計８つ設けるようにすることが好ましい。

また、基体８の厚み方向の中心を通る線に対して線対称となる位置に設けられたプリプレグにおける炭素繊維２８が伸びる方向は、同じとなるようにすることが好ましい。
また、設けられるプリプレグの数に応じて、炭素繊維２８が伸びる方向同士の間の角度が等しくなるようにすることが好ましい。
炭素繊維２８が伸びる方向をこの様にすれば、歪みの発生の抑制や、基体８の剛性の異方性の低減などを図ることができる。また、基体８の上にシンチレータ層５や防湿体７を形成する際に反りが発生するのを抑制することができる。

以上のことを考慮して、本実施の形態に係る基体８は、以下の様な構成を有している。
図５は、基体８の構成を例示するための模式分解図である。
図５に示すように、基体８は、４種類（炭素繊維が伸びる方向の種類）のプリプレグ８ａ〜８ｄを合計８つ有している。
プリプレグ８ａは、基体８の厚み方向の中心を通る線１８から最も離れた位置、すなわち、基体８の表面（表裏）に設けられている。そして、基体８の剛性に最も寄与するプリプレグ８ａにおける炭素繊維２８が伸びる方向は、プリプレグ８ａ（基体８）の長辺に平行な方向となっている。
すなわち、互いに対峙して設けられ、長辺に平行な方向に伸びる複数の炭素繊維２８を有する一対のプリプレグ８ａが設けられている。

プリプレグ８ｂは、プリプレグ８ａの基体８の中心側の面に設けられている。そして、プリプレグ８ｂにおける炭素繊維２８が伸びる方向は、プリプレグ８ｂ（基体８）の長辺に平行な方向に対して４５°の角度を有している。
すなわち、一対のプリプレグ８ａの間に互いに対峙して設けられ、長辺に平行な方向に対して４５°の角度を有する方向に伸びる複数の炭素繊維２８を有する一対のプリプレグ８ｂが設けられている。

プリプレグ８ｃは、プリプレグ８ｂの基体８の中心側の面に設けられている。そして、プリプレグ８ｃにおける炭素繊維２８が伸びる方向は、プリプレグ８ｃ（基体８）の長辺に平行な方向に対して９０°の角度を有している。
すなわち、一対のプリプレグ８ｂの間に互いに対峙して設けられ、長辺に平行な方向に対して９０°の角度を有する方向に伸びる複数の炭素繊維２８を有する一対のプリプレグ８ｃが設けられている。

プリプレグ８ｄは、プリプレグ８ｃの基体８の中心側の面に設けられている。そして、プリプレグ８ｄにおける炭素繊維２８が伸びる方向は、プリプレグ８ｄ（基体８）の長辺に平行な方向に対して１３５°の角度を有している。
すなわち、一対のプリプレグ８ｃの間に互いに対峙して設けられ、長辺に平行な方向に対して１３５°の角度を有する方向に伸びる複数の炭素繊維２８を有する一対のプリプレグ８ｄが設けられている。

なお、以上においては、基体８（プリプレグ８ａ〜８ｄ）の平面形状が矩形の場合を例示したが、基体８の一部を面取りして多角形としたり、基体８の角部にＲ部やＣ面取りを付けたりすることもできる。

次に、シンチレータパネル９およびＸ線検出器１の製造方法について例示する。
炭素繊維２８を所定の方向に並べてシート状にし、炭素繊維２８間に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状のプリプレグ８ａ〜８ｄを作成する。
プリプレグ８ａ〜８ｄの厚みは、例えば、０．１ｍｍ程度である。
続いて、図５に例示をした順にプリプレグ８ａ〜８ｄを積層し、積層体の両端（両面）に反射層６をさらに重ねる。
続いて、プリプレグ８ａ〜８ｄおよび反射層６からなる積層体を加圧加熱処理（オートクレープ処理）し、加圧加熱処理された積層体の周縁を切断して、所定の外形寸法を有する基体８と反射層６を作成する。

続いて、反射層６の上にシンチレータ層５を形成する。
シンチレータ層５は、例えば、真空蒸着法などを用いて形成することができる。
続いて、シンチレータ層５と反射層６を覆うように防湿体７を形成する。
防湿体７は、例えば、熱ＣＶＤ（thermal chemical vapor deposition）法などを用いて形成することができる。
以上の様にして、シンチレータパネル９を製造することができる。

また、光電変換部２ｂなどを備えたアレイ基板２を作成する。
なお、アレイ基板２の作成には既知の技術を適用することができるので、詳細な説明は省略する。
次に、アレイ基板２の光電変換部２ｂが設けられた側の面に、接合部１０となる光学両面テープを貼り付ける。
続いて、シンチレータパネル９のシンチレータ層５が設けられた側を、接合部１０を介して、アレイ基板２に貼り付ける。
続いて、フレキシブルプリント基板２ｅ１、２ｅ２を介して、アレイ基板２と信号処理部３を電気的に接続する。
また、配線４ａを介して、信号処理部３と画像伝送部４を電気的に接続する。
その他、回路部品などを適宜実装する。
以上の様にして、Ｘ線検出器１を製造することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ Ｘ線検出器、２ アレイ基板、２ａ 基板、２ｂ 光電変換部、３ 信号処理部、４ 画像伝送部、５ シンチレータ層、７ 防湿体、８ 基体、８ａ〜８ｄ プリプレグ、９ シンチレータパネル、１０ 接合部、２８ 炭素繊維

Claims (2)

1. 複数の炭素繊維を有するプリプレグが複数積層され、放射線を透過する基体と、
   前記基体の一方の面側に設けられたシンチレータ層と、
   を備えたシンチレータパネルであって、
   前記基体は、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が異なる複数種類の前記プリプレグを有し、
   前記基体の厚み方向の中心部に対して、前記厚み方向に対称となる位置に設けられたプリプレグは、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が同じであり、
   前記厚み方向の両端に設けられたプリプレグは、前記複数の炭素繊維が伸びる方向が前記基体の長手方向と平行であり、
   前記基体の前記長手方向の曲げ強度が、前記基体の短手方向の曲げ強度より大きいシンチレータパネル。
2. 基板と、前記基板の一方の面側に設けられた光電変換素子と、を有するアレイ基板と、
   前記光電変換素子の上に設けられた請求項１記載のシンチレータパネルと、
   を備えた放射線検出器。

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