JP2019050165A - Ｘ線管装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルばねの異常振動を防止し、Ｘ線管から発せられる騒音を低減する。【解決手段】回転陽極Ｘ線管装置において、軸受ユニット２０の軸受外輪２２と軸受箱１３の間に配置されたコイルばね２４により軸を固定し、コイルばねと軸受箱との間に複数の金属粒子２９からなる制振材層２６を配置する。押さえ板２５と軸受箱１３との間に設けた制振材層の複数の金属粒子２９により、軸受ユニット２０の軸受内輪２１の回転により発生した振動２７の振動エネルギーを金属粒子間の摩擦２８で損失させることでコイルばね２４の振動を抑制し、陽極回転騒音を低減する。【選択図】図２

Description

本発明はＸ線管装置に係り、特に回転陽極Ｘ線管の騒音を低減する技術に関する。

従来よりＸ線を使用して被検体を診断する医療用Ｘ線装置などには、Ｘ線を発生させるためのＸ線管装置が使用されている。Ｘ線管装置とは絶縁油が封入されたハウジング内に電子線を発生する陰極と、対向配置され電子線を衝突させることでＸ線を放出する陽極が存在し、陰極と陽極を真空雰囲気内に保持する真空外囲器に封止されたものである。

このようなＸ線発生装置において、陰極と陽極間に高電圧を印加すると陰極で発生した熱電子が陽極に向かい加速され電極間に管電流が流れる。陽極に達した熱電子は陽極に設置されたターゲット上に焦点を形成する。焦点に高いエネルギーを持った熱電子が衝突すると、熱電子はＸ線放射層により急速に減速されるためＸ線が放出される。しかし、衝突により、Ｘ線に変換される割合は僅か１％程度であり、残りの電子の運動エネルギーは熱に変換され陽極のターゲットやその周囲を加熱する。そのため、高強度若しくは長時間の照射が必要となるＸ線管撮像装置の場合、主にターゲットの損失を防ぐ目的で回転陽極型Ｘ線管が用いられる。

回転陽極Ｘ線管では回転軸を支持する軸受により回転体を支持している。回転陽極の軸受は真空環境中ゆえに固体潤滑剤である軟質金属で潤滑されることが主流であるが、ターゲットからの熱流入により高温になるため、長期化間にわたり軸受の潤滑状態を良好に保ち、軸受から発生する振動や騒音を常に低く保つことは難しい。軸受の劣化による振動騒音の悪化は使用者に対して不快感をもたらすだけでなく、装置操作者及び被験者の意思疎通を阻害することから、軸受の劣化状態に依らず、音や振動を伝えない構造が必要である。

上述の通り回転陽極は高温真空にさらされ、さらに毎分9000回転もの速度で回転する。そのため振動によるがたつきを防止するためその軸受は固定部に対し、しっかりと固定することが必要である。しかしＸ線放出時に発生する高熱により、軸受ユニットとそれを固定する軸箱には温度差が発生し、熱伸び量に差が生じるため、ネジ止めなどの物理的固定ではがたつきが発生する恐れがある。

そこで従来技術では、軸受ユニットを固定部に押し付けるためにばねを用いることで、熱伸びに関係なく適切な固定力を発揮できるばねによる固定構造で、特に加工寸法のばらつきに対しバネ力のばらつきが少なく、接触面で摩擦が生じない圧縮コイルばねを利用する手法を用いてきた。このような技術に関する先行技術文献としては、特許文献１、特許文献２がある。

特開２０１４−８６１６３号公報 特開２０１７−９１８８１号公報

一般的にコイルばねを使用する場合、振動源の振動周波数がばねの固有値とかさなると、サージングと呼ばれる異常振動を起こすことが知られており、Ｘ線管の軸受では、潤滑材として凹凸を形成しやすい軟質金属を用いていることもあり、軸受に形成される潤滑膜の形状次第では発生する振動成分がばねの固有振動数と一致し、予期せぬ異常振動を起こすことがあり、Ｘ線管から聞こえる音が大きくなることが問題だった。

それを回避する方法として、さらばねを使用する手段がある。しかし、さらばねはつぶし量の違いに対しバネ力が大きく変化するため、部品の寸法ばらつきや軸受の熱膨張量次第で固定力が大きく変わる。そのためバネ力が大きく振れた場合は、軸受支持剛性が上がり振動を伝達しやすくなるため、Ｘ線管から発せられる音が大きくなることが懸念される。また、回転音品質にばらつきが出るポテンシャルを持った構造であることが必要である。

また、材質内の内部摩擦が高くエネルギーを吸収する振動減衰の高い制振合金を振動源近辺に配し減衰させることが最も効果が高いと考えられた。しかし、これら制振合金のなかでも、振動減衰能の高いものは蒸気圧が低いマンガン、アルミや、発火の危険性があるマグネシウムが主成分であることが多く、高温高真空であるＸ線管内に使用するためには、配置場所が限られ十分な効果が得られない可能性があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、コイルばねの異常振動を防止し、Ｘ線管から発せられる騒音を低減することができるＸ線管装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、電子線が衝突してＸ線を発生する陽極と、陽極を支持する回転部材と、回転部材を軸受により回転自在に支持する軸受箱と、陰極、陽極、回転部材、及び軸受箱を真空気密に内包する真空外囲器とを備え、軸受と軸受箱の間に配置されたばねにより軸受を固定し、軸受箱内に、ばねの振動を吸収する制振材層を有する構成のＸ線管装置を提供する。

本発明により回転陽極Ｘ線管の騒音を低減することができる。

図１は各実施例に係るＸ線管装置の構成の一例を示す図である。 図２は実施例１に係る、Ｘ線管装置の真空外囲器の軸受箱の内部構成例を示す図である。 図３は実施例２に係る、Ｘ線管装置の真空外囲器の軸受箱の内部構成例を示す図である。 図４は実施例３に係る、Ｘ線管装置の真空外囲器の軸受箱の内部構成例を示す図である。 図５は実施例４に係る、Ｘ線管装置の真空外囲器の軸受箱の内部構成例を示す図である。 図６は実施例５に係る、Ｘ線管装置の真空外囲器の軸受箱の内部構成例を示す図である。

以下、本発明の軸受ユニットを支持する構造体に部材同士の摩擦により振動をダンピングする構造により振動の減衰を図る種々の実施例を図面に従い順次説明する。すなわち、電子線が衝突してＸ線を発生する陽極と、陽極を支持する回転部材と、回転部材を軸受により回転自在に支持する軸受箱と、陰極、陽極、回転部材、及び軸受箱を真空気密に内包する真空外囲器とを備え、軸受と軸受箱の間に配置されたばねにより軸受を固定し、軸受箱内に、ばねの振動を吸収する制振材層を有する構成のＸ線管装置の構成を説明する。

まず、図１を用いて各実施例に共通するＸ線管装置の一構成例を説明する。各実施例に係るＸ線管装置は、同図に示すように、ハウジング１と、ハウジング１の内部に配置されたＸ線管２と、Ｘ線管の陽極を回転させるための磁界を発生する誘導コイル３を備えている。ハウジング１には、Ｘ線管から放射されたＸ線を透過させるための放射窓４が備えられている。ハウジング１とＸ線管２との間の空間には、電気的絶縁性を保つために絶縁油９が満たされている。

Ｘ線管２は、陰極５と、陰極５と対向して配置された陽極６と、陰極５と陽極６を真空気密に収容する真空外囲器２からなる。真空外囲器２内の空間は真空に維持されている。陰極５は、陽極６に向けて電子線を発生する部分であり、熱電子を放出するフィラメント７を含む。陰極５と陽極６には、図示を省略した高電圧発生回路から所定の管電圧および管電流が供給される。

陽極６は、陰極５からの電子線が衝突してＸ線を発生する円盤状のターゲット８と、陽極６を回転させるためにターゲット８に固定された円筒状の駆動ロータ１０と、駆動ロータ１０の内部に配置された軸受１１と、軸受１１と駆動ロータ１０との間の空間に挿入された円筒状の回転体支持部である軸受箱１３とを含む。軸受箱１３には、軸受１１を回転自在に支持する軸受ボール１２が備えられている。軸受箱１３の端部は真空外囲器２に固定されるとともに、高電圧発生回路に電気的に接続され、陽極電位が給電される。

ターゲット８は、円盤の上面が傾斜しており、この傾斜した部分は、タングステンやタングステン合金などの高融点金属で構成されている。ターゲット８の傾斜した部分に陰極５からの電子線が照射されることにより、Ｘ線が放射される。

駆動ロータ１０は、例えば、Ｃｕなどの非磁性の金属により構成されている。軸受箱１３は、ＣｕやＭｏなどの非磁性金属の外周表面を、磁性体部材で覆った構成である。誘導コイル３は、駆動ロータ１０の周方向に配置された複数のコイルを含む。駆動ロータ１０の回転に伴い、駆動ロータ１０に固定されているターゲット８と軸受１１が、軸受箱１３に対して回転する。ターゲット８が回転することにより、ターゲット８上の陰極５からの電子線の照射位置が移動する。よって、陽極６を構成する主な回転部材は、ターゲット８と、駆動ロータ１０と、軸受１１である。

実施例１は、電子線を発生する陰極と、電子線が衝突してＸ線を発生する陽極と、陽極を支持する回転部材と、回転部材を軸受を介して回転自在に支持する軸受箱と、陰極、陽極、回転部材、及び軸受箱を真空気密に内包する真空外囲器を備え、軸受の外輪と軸受箱の間に配置されたばねにより軸受が固定され、ばねと軸受箱との間に制振材層を配置した構成のＸ線管装置の実施例であり、特に制振材層として複数の金属粒子を用いる。

図２を用いて、実施例１として、以上図１を用いて説明したＸ線管装置の要部である点線に囲まれた領域１４の詳細化した構成の一例を説明する。図２に示す様に、本実施例において、軸受ユニット２０は軸受内輪２１、軸受外輪２２、軸受ボール２３で構成され、この軸受ユニット２０が、コイルばね２４、押さえ板２５、複数の金属粒子２９から構成される制振材層２６を挟んで、軸受箱１３内に収容されている。制振材層２６を構成する金属粒子２９の径は１〜０．２ｍｍで、径が揃ったものを用いることが摩擦による振動エネルギーの消費に好適である。なお、コイルばね２４と制振材層２６の間には押さえ板２５を配置してコイルばね２４の力で、制振材層２６を軸受箱１３に押さえつける構成とする。

このように、軸受箱１３内に複数の金属粒子２９から構成される制振材層２６をコイルばね２４と軸受箱１３の固定部間に設置する構造とすることにより、軸受内輪２１の回転が軸受ボール２３を介して軸受外輪２２に発生した振動２７は、コイルばね２４を加振し、更に制振材層２６の金属粒子２９が加振される。これにより制振材層２６の複数の金属粒子２９はそれぞれ振動するが、金属粒子各々受ける力の方向大きさが異なるため、矢印に示すような互いの摩擦２８が起こる。その結果、軸受ユニット２０で発生した振動２７の振動エネルギーが制振材層２６で摩擦熱として消費されるため、振動が減衰する。なお、制振材層２６の金属粒子２９の接触点の微細摩耗が懸念されるため、金属粒子２９として、軟質で接触部分の面積を増やすことができる銅やニッケルなどの低硬度の材質が望ましい。その他、ステンレスなどの鉄系が主成分の金属材料を利用することもできる。すなわち、金属粒子２９の材料として、銅、ニッケル、ステンレスの少なくとも一つを用いると好適である。

また、同様に振動を効率よく減衰するためには接触点を増やす必要があるため、制振材層２６の金属粒子２９の粒径が小さいことが望まれる。すなわち、効率的な振動エネルギーから摩擦熱への変換には、金属粒子同士の接触摩擦部位を多くすることが必要である。そのため、接触する金属粒子の数を増やし、そのすべてを接触できるような配置が好適である。

金属粒子の数を増やすために、軸受箱内の金属粒子が収まる空間の高さＬを高く、金属粒子の直径ｒを小さくする必要があるが、Ｘ線管の大きさの問題から高さＬには制限がある。なお、この高さＬとは、図２の軸受箱１３と押さえ板２５の間の長さである。一例として、最低でも高さＬ方向に金属粒子２９が１０個以上入り（Ｌ≧１０ｒ）、軸受け箱１３の直径Ｒに対し金属粒子直径ｒはｒ≦Ｒ／２０とすることで、金属粒子同士の接触点数を約１万カ所以上にすることができ、効率的なエネルギー変換が可能である。

また、軸受振動に起因して金属粒子から発生するビビリ音を抑制する必要がある。そのためには、隣り合う金属粒子が互いに接触し、空間中隙間なく綿密に充填する、同径金属粒子の使用が望ましいが、金属粒子材質がＣｕやＮｉでは荷重に対する変形が大きく隙間を埋められるため、鋼球ＪＩＳ規格等級２００で構わない。なお、金属粒子の粒径が小さすぎると押さえ板２５と軸受箱１３の間の隙間から金属粒子が流出する恐れがあるため、上述のように、その径は１〜０．２ｍｍが好適である。

本実施例の構成により、軸受箱内に設けた制振材層の複数の金属粒子により、軸受ユニットで発生した振動の振動エネルギーを金属粒子間の摩擦で損失させることでコイルばねの振動を抑制し、陽極回転騒音を低減することが可能となる。

実施例１で説明したように、制振材層２６を構成する複数の金属粒子２９の粒径が小さすぎると、軸受箱１３と押さえ板２５の間の隙間から金属粒子２９が流出する恐れがある。そこで、実施例２の構成として、図３にその一例を示したように、実施例１の構成に追加して薄い金属板からなるワッシャ３０を設ける。ワッシャ３０は軸受箱１３の内径とほぼ同等の直径で、厚さ０．１ｍｍ程度の容易に変形できる厚さの弾性のある円盤であることが望ましい。そして、本実施例の構成の組立工程で、軸受箱１３内挿入時には円盤自身が接触して変形することで隙間をまんべんなく埋めることができるので、金属粒子２９の流出を防ぐことが可能となる。

実施例３は、ばねと軸受箱との間に配置する複数の金属材からなる制振材層として、Ｘ線管使用環境でも安定した特性を持つ鉄や銅やステンレスなどの鉄系が主成分の金属材料のような素材の金属線を複雑に束ねた、例えばスチールウールのような金属繊維束を用いる実施例である。

すなわち、このような金属繊維束からなる制振材層を、実施例１と同位置に用いて、実施例１と同様の効果を達成できる。図４に示すように、軸受ユニット２０の回転により振動２７を発生し、この振動２７により加振されたコイルばね２４が金属繊維束からなる制振材層２６を振動させる。細かい金属繊維３１が折り重なるように構築された金属繊維束は、それ自身が持つバネ性により力を支えるとともに、無数にある繊維同士の接触点での摩擦２８によりエネルギーが消費され、振動２７を減衰することが可能である。ただし、コイルばね２４による荷重を受け続けることで、金属繊維束がへたってしまい機能を果たさなくなることを防止するため、金属繊維束には実働時の数倍以上の荷重であらかじめ圧縮することで、実働時のヘタリを抑制するとより好適である。

実施例４は、軸受箱内に設置され、ばねの振動を吸収する制振材層である金属繊維束の位置を、図５に示すように、軸受ユニット２０とコイルばね２４との間に設けることで、コイルばね２４に伝わる振動２７そのものを吸収することにより、コイルばね２４に伝わる振動２７を減衰できるため、更に高い振動減衰効果を得ることができる。本実施例の軸受とばねとの間に制振材層を配置した構成においては、押さえ板２５は制振材層２６の両側に設置され、コイルばね２４は、押さえ板２５と軸受箱１３との間に設置される。

実施例５は、上述した各実施例の制振材層２６として、金属粒子、或いは金属繊維の材料に複数種類の金属を混合させる実施例である。図６に示すように、制振材層２６は、金属Ａ粒子３２、金属Ｂ粒子３３、金属Ｃ粒子３４からなる複合材、或いは金属Ａ繊維３５、金属Ｂ繊維３６、金属Ｃ繊維３７からなる複合材で構成される。この異種金属として、先に例示した銅、ニッケル、ステンレスなどを用いれば良い。このように異種金属を混合し、それぞれの共振周波数をずらすことで、異種金属複合材自身の自励振動を抑制することができるので更なる振動抑制効果を得ることができる。言い換えるなら、複数の金属材は、別種の金属材を混在することで部材同士の共振を阻害させ、制振材層自身の振動を低減する。なお、本実施例では３種の異種金属を混合する場合を説明したが、３種に限らず、２種、４種等であっても良いことは言うまでもない。

以上説明した本発明によれば、軸受を固定する支持部品に摩擦による振動減衰性能を付与することで、圧縮コイルばねの異常振動を防ぎ、Ｘ線管から発せられる騒音を低減することができるＸ線管装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である

１ ハウジング
２ Ｘ線管（真空外囲器）
３ 誘導コイル
４ 放射窓
５ 陽極
６ 陰極
７ フィラメント
８ ターゲット
９ 絶縁油
１０ 駆動ロータ
１１ 軸受
１２ 軸受ボール
１３ 軸受箱
１４ 領域
２０ 軸受ユニット
２１ 軸受内輪
２２ 軸受外輪
２３ 軸受ボール
２４ コイルばね
２５ 押さえ板
２６ 制振材層
２７ 振動
２８ 摩擦
２９ 金属粒子
３０ ワッシャ
３１ 金属繊維
３２、３３、３４ 金属Ａ粒子、金属Ｂ粒子、金属Ｃ粒子
３５、３６、３７ 金属Ａ繊維、金属Ｂ繊維、金属Ｃ繊維

Claims (12)

1. Ｘ線管装置であって、
   電子線を発生する陰極と、電子線が衝突してＸ線を発生する陽極と、前記陽極を支持する回転部材と、前記回転部材を軸受により回転自在に支持する軸受箱と、前記陰極、前記陽極、前記回転部材、及び前記軸受箱を真空気密に内包する真空外囲器と、を備え、
   前記軸受と前記軸受箱の間に配置されたばねにより前記軸受を固定し、前記軸受箱内に、前記ばねの振動を吸収する制振材層を有する、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
2. 請求項１に記載のＸ線管装置であって、
   前記制振材層は複数の金属材で構成され、
   前記複数の金属材間に微小に動くことができる空間を設けることにより、前記ばねの振動により前記複数の金属材は互いに摩擦を生じる、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
3. 請求項２に記載のＸ線管装置であって、
   前記複数の金属材は、銅、ニッケル、ステンレスの少なくとも一つからなる、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
4. 請求項２に記載のＸ線管装置であって、
   前記ばねと前記軸受箱との間に前記制振材層を配置し、前記制振材層と前記ばねの間に押さえ板を配置した、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
5. 請求項４に記載のＸ線管装置であって、
   前記複数の金属材は、複数の金属粒子である、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
6. 請求項５に記載のＸ線管装置であって、
   前記ばねと前記押さえ板との間にワッシャを挿入した、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
7. 請求項５に記載のＸ線管装置であって、
   前記複数の金属粒子は、径がほほ同じ大きさである、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
8. 請求項５に記載のＸ線管装置であって、
   前記複数の金属粒子は、径が１〜０．２ｍｍである、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
9. 請求項４に記載のＸ線管装置であって、
   前記複数の金属材は、金属繊維束である、
   ことを特徴とするＸ線管装置。
10. 請求項２に記載のＸ線管装置であって、
    前記軸受と前記ばねとの間に前記制振材層を配置した、
    ことを特徴とするＸ線管装置。
11. 請求項１０に記載のＸ線管装置であって、
    前記複数の金属材は、金属繊維束である、
    ことを特徴とするＸ線管装置。
12. 請求項２に記載のＸ線管装置であって、
    前記複数の金属材は、別種の金属材が混在することで部材同士の共振を阻害させ、前記制振材層の振動を低減する、
    ことを特徴とするＸ線管装置。

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