JP3139873B2 - 回転陽極型x線管 - Google Patents

回転陽極型x線管

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JP3139873B2
JP3139873B2 JP05069489A JP6948993A JP3139873B2 JP 3139873 B2 JP3139873 B2 JP 3139873B2 JP 05069489 A JP05069489 A JP 05069489A JP 6948993 A JP6948993 A JP 6948993A JP 3139873 B2 JP3139873 B2 JP 3139873B2
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勝弘 小野
秀郎 阿武
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弘行 杉浦
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、回転陽極型X線管に
係わり、とくにその陽極ターゲットを支える回転機構に
関する。
【0002】
【従来の技術】回転陽極型X線管は、周知のように、円
盤状の陽極ターゲットを相互間に軸受を有する回転体お
よび固定体で支え、真空容器外に配置した電磁コイルを
付勢し高速回転させながら陰極から電子ビームを放出し
て陽極ターゲットに当ててX線を放出する。軸受は、玉
軸受が久しく実用になってきたが、近来、軸受面にらせ
ん溝を形成するとともにガリウム(Ga)、又はガリウ
ム−インジウム−錫(Ga−In−Sn)合金のような
液体金属を潤滑剤として用いた動圧すべり軸受の採用が
望まれている。後者のすべり軸受を用いた例は、たとえ
ば特公昭60−21463号、特開昭60−97536
号、特開昭60−117531号、特開昭61−291
4号、あるいは特開昭60−287555号の各公報に
開示されている。
【0003】陽極ターゲットを支える回転体は、通常、
電気伝導度の高い銅からなる外側円筒のローターをろう
接により一体的に接合したターゲット支持部を備えた構
成になっている。このローターに、管外のステータから
回転磁界を作用させ、誘導電動機の原理で高速回転させ
るものである。玉軸受を使用したX線管では、軸受の温
度が上昇すると、軸受間隙の変化や固体潤滑剤の消耗に
より騒音が大きくなる。従来、玉軸受の温度上昇を抑制
する種々の提案がされている。その例として、特開昭5
5−3180号、特開昭55−78449号、あるいは
特開平2−144836号公報に開示がある。しかし、
これらは未だ実用に達していない。
【0004】ところで、上記の動圧すべり軸受を用いた
X線管は、回転音がほとんど生じない特長がある。一
方、X線管を組込んだ例えばX線診断装置は、0℃以下
の厳寒の環境下で使用される場合も少なくない。そのた
め、潤滑剤はなるべく融点の低い材料が望ましい。Ga
合金は、蒸気圧が低く、且つ10℃前後の融点のものが
得られるため、最も適している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】Ga合金のような液体
金属潤滑剤を使用した場合には、次のような不都合があ
る。すなわち、一般的にこれら液体金属潤滑剤は活性で
あるため、軸受構成材料と反応を起こし、軸受の間隙が
徐々に変わって回転特性が劣化してしまうおそれがあ
る。そのため、使用できる軸受構成材料は、潤滑剤で侵
食されないタングステン(W)やモリブデン(Mo)、
タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、あるいはその合金
等に限られてしまう。これらは、材料自体が高価である
ばかりでなく、加工が困難である。それに対して、銅
(Cu)や真鍮、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ある
いはステンレス鋼のような鉄合金は、廉価であるととも
に加工性にすぐれているにもかかわらず、潤滑剤で非常
に侵食されるので実用性に乏しいものとされている。液
体金属潤滑剤と軸受構成材料との反応は、温度が高いほ
ど顕著である。軸受構成材料が潤滑剤で侵食されるのを
防止するため、冷媒を軸受構成部材の内部に送り込んで
軸受部を強制冷却する構造も知られている。しかしなが
ら、このようなX線管では、冷媒循環装置を付加する必
要があり、X線装置が複雑化してしま意、好ましくな
い。
【0006】この発明は、以上のような事情に鑑みてな
されたものであり、動圧すべり軸受の構成部材を鉄合金
のような廉価で且つ加工性にすぐれた材料を使用しなが
ら、液体金属潤滑剤で侵食されず、長期にわたって安定
した回転特性を維持できる回転陽極型X線管を提供する
ことを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、一部に陽極
ターゲットが固定された回転体と、この回転体と嵌合し
該回転体を回転可能に保持する固定体と、前記回転体お
よび固定体の嵌合部に設けられたらせん溝を有するすべ
り軸受と、前記すべり軸受のらせん溝及び軸受間隙に供
給された液体金属潤滑剤とを具備する回転陽極型X線管
において、上記回転体は、上記陽極ターゲットが機械的
に結合された第1の回転部材と上記軸受が設けられた第
2の回転部材とが同軸的に嵌合され、且つこれら第1回
転部材及び第2回転部材は上記陽極ターゲットから回転
軸方向にみて熱伝導経路的に遠い位置で結合されるとと
もに該結合部以外の嵌合部に断熱領域が設けられてな
り、さらに上記第1回転部材は0℃〜500℃の温度範
囲における熱伝導率が0.1(cal/cm・sec・
℃)未満の材料で構成されてなる回転陽極型X線管であ
る。
【0008】なお、第1回転部材の0〜500℃の温度
範囲における熱伝導率は、0.08(cal/cm・s
ec・℃)以下の材料がより一層好ましい。そして、好
ましくは第2回転部材が、鉄、ニッケル、鉄に炭素を含
む合金、鉄及びニッケルを主体とする合金、鉄、ニッケ
ル及びコバルトを主体とする合金、鉄及びクロムを主体
とする合金、鉄、クロム及びニッケルを主体とする合
金、又は鉄及びクロムに炭素、バナジウム、モリブデ
ン、タングステンの中から選択された少なくとも一種を
含有する鉄合金からなるものである。
【0009】
【作用】この発明によれば、動作中も動圧すべり軸受構
成部材およびそこに供給された液体金属潤滑剤の温度上
昇が確実に抑えられ、潤滑剤による軸受構成部材の侵食
がほとんど生じない。したがって、廉価で且つ高精度の
加工により長期に安定で高性能の軸受回転特性を維持す
る回転陽極型X線管が得られる。
【0010】
【実施例】以下その実施例を図面を参照して説明する。
なお、同一部分は同一符号であらわす。図1乃至図4に
示す実施例は、次の構成を有する。すなわち、重金属か
らなる円盤状陽極ターゲット11は、円筒状回転体12
の一端に突設されたMo合金製のターゲット支持用シャ
フト13に固定ねじ14により一体的に結合固定されて
いる。円筒状回転体12の内側には、固定体15が挿入
嵌合されており、回転体の下端部には円板状の開口部閉
塞体16が固定されている。固定体15の下端部17
は、補助金属リング17aおよび薄肉シールリング18
b,18cを介して真空容器18のガラス製円筒部に気
密接合されている。真空容器18は陽極ターゲット11
を包囲する径大部およびX線放射窓18aを有してい
る。ターゲット11に対向して陰極構体19が設けられ
ている。円筒状回転体12と固定体15との嵌合部分に
は、前述の各公報に示されるような動圧式のラジアルす
べり軸受20a、およびスラストすべり軸受20bが設
けられている。回転軸方向に離れて設けられた2つのラ
ジアルすべり軸受20aは、固定体外周壁面15aに形
成された2組のヘリンボンパターンらせん溝21aを有
している。また、2つのスラストすべり軸受20bの一
方は、固定体端面15bに形成された図3に示すような
サークル状のヘリンボンパターンらせん溝21bを有し
ている。スラストすべり軸受20bの他方は、固定体の
下部段差面が接する円板状のフランジ16の上面に形成
された図4に示すようなサークル状のヘリンボンパター
ンらせん溝21cを有している。これららせん溝が形成
された軸受面と近接する回転体の各すべり軸受面は、単
なる平滑な面でもよく、あるいは必要に応じてらせん溝
を形成したものでもよい。回転体および固定体の両軸受
面は、動作中におよそ20μ の軸受間隙を保つように
なっており、らせん溝内および軸受間隙に、動作中に液
状であるGa−In−Sn合金からなる液体金属潤滑剤
(図示せず)が供給される。そして、真空容器18の外
側の回転体12に対応する位置に、電磁コイルをもつス
テータ30を配置して回転磁界を生じさせ、回転陽極タ
ーゲット11を矢印Pの如く高速回転させる。陰極構体
19から放出された電子ビームが陽極ターゲット11に
射突してX線が発生させられるとともに、このターゲッ
トに生じた熱はその多くが輻射で放散されるとともに、
一部がシャフト13および回転体12を伝導して軸受2
0a,20bに伝わる。
【0011】そこで、回転体12は、第1の回転部材す
なわち陽極ターゲット11がシャフト13を介して一体
的に結合された中間円筒22と、その内側に断熱間隙2
6を保って嵌合された第2の回転部材すなわち有底内側
円筒23と、さらに中間円筒22の外周に嵌合された銅
製の外側円筒24とを有している。有底内側円筒23
は、その内面の一部が固定体の外面とともにすべり軸受
面を構成している。断熱間隙26の半径方向の幅寸法
は、0.1mm〜1mmの範囲、例えば0.5mmであ
る。内周壁面が動圧すべり軸受面となる内側円筒23
は、ステンレス鋼,あるいはSKD−11(JIS規
格)のような鉄合金工具鋼で構成されている。この軸受
構成材料は、廉価であるとともに加工性にすぐれ、比較
的高強度を有し、且つGa合金潤滑剤でよく濡れる。そ
して、上端外周に4個の小さい突起27が形成され、こ
れらが中間円筒22の内周壁に小さい接触面積で接し、
断熱間隙26を維持しつつ両円筒の正確な同軸位置関係
を保っている。
【0012】中間円筒22は、後述するように、熱伝導
率が鈍鉄よりも十分小さく、0℃〜500℃の温度範囲
において、0.1(cal/cm・sec・℃)未満、
より好ましくは0.08(cal/cm・sec・℃)
以下の材料で構成されている。この中間円筒22の上端
部はシャフト13に固着され、下端部は陽極ターゲット
から遠い方のラジアルすべり軸受20aの近傍に位置す
るろう接部25で内側円筒23に部分的に結合されてい
る。こうして、中間円筒22と内側円筒23とは回転軸
の方向にみて伝熱経路的に陽極ターゲットから遠い位置
(ろう接部25)で互いに一体結合され、残りの部分に
は断熱領域26が設けられている。
【0013】なお、これら中間円筒22および内側円筒
23の少なくとも一方は、強磁性体で構成することが、
ステータとの回転磁界の磁気作用効率の上から好まし
い。外側円筒24は、20℃における電気抵抗が6×1
-8(Ω・cm)以下の銅又は銅合金で構成されてい
る。なおまた、中間円筒22と外側円筒24とのろう接
部25以外の部分には、0.5mm以下の断熱間隙を設
けて同軸状に配置してもよい。それによって、軸受部の
温度上昇を一層抑制することができる。
【0014】さらにまた、中間円筒22および外側円筒
24のそれぞれ陽極ターゲット11に対向する面22
a、24aは、各材料の表面を好ましくは鏡面仕上げし
て露出してある。それによって、陽極ターゲット11か
らの輻射熱を反射して、軸受部の温度上昇を抑制するよ
うになっている。また、外側円筒24の陽極ターゲット
11を見通せない領域の外周面には、黒色被膜24bを
被覆してあり、それによって外側円筒24に達した熱を
輻射により放出して軸受部の温度上昇をさらに抑制する
ようになっている。
【0015】なお、内面が軸受面を構成する内側円筒2
3は、より好ましくは、加工が容易で熱伝導率が中間円
筒22に近い、次のような材料を使用する。すなわち、
・鉄、・ニッケル、・鉄に炭素を含む合金、・鉄及びニ
ッケルを主体とする合金、・鉄、ニッケル及びコバルト
を主体とする合金、・各種のステンレス鋼を含むところ
の鉄及びクロムを主体とする合金、・鉄、クロム及びニ
ッケルを主体とする合金、・工具鋼を含むところの、鉄
及びクロムに炭素、バナジウム、モリブデン、タングス
テンの中から選択された少なくとも一種を含有する鉄合
金である。
【0016】一方、固定体15は、上述した内側円筒2
3と同様の材料を使用することが望ましいが、それに限
らず、WやMo、Ta、Nb、あるいはそれら少なくと
も1つを主体とする合金、又は上述のような内側円筒2
3と同様の材料、若しくは液体金属潤滑剤で濡れるセラ
ミックスを使用できる。
【0017】さて、中間円筒22としては、0℃〜50
0℃の温度範囲における熱伝導率が、0.1(cal/
cm・sec・℃)未満の、次のような材料を使用す
る。すなわち、・鉄及びニッケルを主体とする合金、・
鉄、ニッケル及びコバルトを主体とする合金、・各種の
ステンレス鋼を含むところの鉄及びクロムを主体とする
合金、・鉄、クロム及びニッケルを主体とする合金、・
工具鋼を含むところの鉄及びクロムに炭素、バナジウ
ム、モリブデン、タングステンの中から選択された少な
くとも一種を含有する鉄合金、・若しくはGa合金で濡
れるセラミックスである。
【0018】これらの具体例について、熱伝導率、軸受
部Bの到達温度の比較を、表1に示す。なお、電気抵抗
が大きいセラミックスを使用する場合は、その一部表面
に陽極電流の経路となる導電膜を付着する。あるいは別
の導電路を構成する必要がある。軸受部Bの到達温度
は、同等の構造、寸法で陽極ターゲットに240Wの電
子ビーム入力を連続して印加した時の軸受部Bの最高到
達温度を計算により導き出した値である。比較として、
純鉄およびニッケルの場合を同表に表示した。
【0019】
【表1】
【0020】表1から明らかなように、実施例に示した
材料で構成することにより、回転陽極型X線管の動作時
の軸受部の到達温度を約200℃以下に抑えることがで
き、したがって軸受構成部材に前述のような純鉄、ニッ
ケル或いは鉄合金を使用してもGa合金による軸受面の
侵食がほとんど発生せず、動圧すべり軸受の長期にわた
る安定な動作が維持できる。
【0021】図5に示す実施例は、外側円筒24の陽極
ターゲット11に近い上端部をろう接部28で中間円筒
22に部分的に結合し、その他の大部分と中間円筒22
との間に第2の断熱間隙29を形成したものである。そ
れによって、陽極ターゲットからの熱が外側円筒を経て
軸受部に到達する量が低減され、軸受温度の上昇が一層
抑制される。なお、外側円筒24の図示下端部は、中間
円筒22の外周壁の円周方向の4箇所に形成した小突起
22bに点接触しており、それによって両者の同軸位置
関係が保たれている。なお、外側円筒24の内周壁に小
突起22bの先端が入り込む複数の溝を形成し、それら
の溝に小突起22bの先端を嵌めて組み立ててもよい。
それによって、動作中、外側円筒24に生じる回転力を
中間円筒22および内側円筒23に有効に伝達させるこ
とができ、ろう接部28にかかる過大な回転応力を緩和
できる。
【0022】なお、この実施例では、中間円筒22の下
端部が、陽極ターゲットから遠いラジアルすべり軸受部
20aの近傍で、内側円筒23の下端部に溶接部31で
結合されている。そして、中間円筒22と内側円筒23
との嵌合部の大部分に、断熱間隙26が形成されてい
る。
【0023】図6に示す実施例は、中間円筒22と内側
円筒23とを、2つのラジアルすべり軸受部20aの回
転軸方向の中間位置に対応する位置Tよりも熱伝導経路
的に遠い領域は密に嵌合させ、残りのターゲットに近い
部分に断熱間隙26を形成したものである。なお、固定
体15の回転軸方向の中間位置に、円周状の凹み15c
を形成してある。この実施例によれば、中間円筒22と
内側円筒23との機械的な嵌合強度が高く、重量の重い
陽極ターゲットを安定に支持させ、回転させることがで
きる。
【0024】図7に示す実施例は、固定体15の中間位
置の凹み15cに対応する位置で中間円筒22と内側円
筒23とをろう接により結合したものである。このろう
接部を符号25であらわしている。そして、ろう接部2
5の軸方向両側に、断熱間隙26、26を形成してあ
る。なお、中間円筒22と外側円筒24とは、陽極ター
ゲットに近いろう接部28で結合されるとともに、下端
部24cが円周方向の波状凹凸により機械的に嵌合され
ている。それによって、外側円筒から中間円筒への回転
駆動力によるろう接部28への応力集中を緩和すること
ができる。
【0025】図8に示す実施例は、中心部に陽極ターゲ
ット11と一体結合されて回転する円柱状の回転体12
を配置したものである。そして、この回転体12を包囲
して略円筒状の固定体15が設けられている。この固定
体15には、図示上端部に回転シャフト13が貫通する
透孔が設けられ、図示下端開口部に円板状の開口閉塞体
16、および陽極支持体17が複数個のねじにより固定
されている。開口閉塞体16は、回転体12の下端面に
接しており、その面にらせん溝21cが形成されてい
る。さらに、この固定体15の外周には、モータのロー
タとして機能する強磁性体円筒31およびその外側に嵌
合された銅製の外側円筒24が配置され、その上端部3
2が回転シャフト13に機械的に強固に固着されてい
る。
【0026】そこで、回転体12は、陽極ターゲット1
1を支える回転シャフト13が柱状の第1回転部材33
に固着され、この第1回転部材33の外側に同軸状に嵌
合され外面がすべり軸受面となる円筒状の第2回転部材
34を備えている。これら第1回転部材33と第2回転
部材34とは、陽極ターゲットから軸方向にみて熱伝導
経路的に遠い方の端部すなわち図示下端部のろう接部2
5で一体的に結合されている。そして、これらの回転部
材33,34のろう接部25以外の大部分の領域には、
両者が実質的に非接触となるように断熱間隙26が設け
られている。なお、第1回転部材33の図示上端部には
4個の小突起27が設けられて第2回転部材34の内面
に接し、機械的に安定な同軸嵌合状態を保つようになっ
ている。第2回転部材34の外周面および図示上端面
は、動圧すべり軸受20a,20bの軸受面を構成して
おり、ヘリンボン・パターンのらせん溝が形成されてい
る。こうして、断熱間隙26によって陽極ターゲットか
ら軸受に至る熱伝導経路は、大きい熱抵抗を有する。
【0027】なお、断熱領域26,29は、空間的な隙
間であるものに限らず、例えば熱伝導率の非常に小さい
セラミックスやその他の断熱材を配置することにより構
成してもよい。
【0028】なおまた、液体金属潤滑剤は、Ga、Ga
−In合金、あるいはGa−In−Sn合金のようなG
aを主体とするものが使用できるが、それに限らず、例
えばビスマス(Bi)を相対的に多く含むBi−In−
Pb−Sn合金、あるいはInを相対的に多く含むIn
−Bi合金、又はIn−Bi−Sn合金を使用し得る。
これらは融点が室温以上であるので、陽極ターゲットを
回転させる前に金属潤滑剤をその融点以上の温度に予熱
したうえで回転させることが望ましい。
【0029】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
動作中、動圧すべり軸受構成部材およびそこに供給され
た液体金属潤滑剤の温度上昇が確実に抑えられ、潤滑剤
による軸受構成部材の侵食がほとんど生じない。したが
って、廉価で且つ長期に安定で高性能の軸受回転特性を
維持する回転陽極型X線管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示す要部縦断面図である。
【図2】図1の1−1における横断面図である。
【図3】図1のものの一部上面図である。
【図4】図1のものの一部上面図である。
【図5】この発明の他の実施例を示す要部縦断面図であ
る。
【図6】この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面
図である。
【図7】この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面
図である。
【図8】この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面
図である。
【符号の説明】
11…陽極ターゲット、 12…回転体、 15…固定体、 18…真空容器、 20a,20b,20c…軸受、 22、32…第1回転部材、 23,34…第2回転部材、 24…外側円筒、 26,29…断熱領域。
フロントページの続き (72)発明者 北見 隆幸 栃木県大田原市下石上1385番の1 株式 会社東芝 那須電子管工場内 (72)発明者 杉浦 弘行 栃木県大田原市下石上1385番の1 株式 会社東芝 那須電子管工場内 (72)発明者 田中 誠 神奈川県川崎市川崎区日進町7番地1 東芝電子エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−227947(JP,A) 特開 平2−94342(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 35/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一部に陽極ターゲットが固定された回転
    体と、この回転体と嵌合し該回転体を回転可能に保持す
    る固定体と、前記回転体および固定体の嵌合部に設けら
    れたらせん溝を有するすべり軸受と、前記すべり軸受の
    らせん溝及びすべり軸受面相互間の軸受間隙に供給され
    動作中に液状である金属潤滑剤とを具備する回転陽極
    型X線管において、 上記回転体は、上記陽極ターゲットが機械的に結合され
    た第1の回転部材と上記固定体に接する面が上記すべり
    軸受面となる第2の回転部材とが同軸的に嵌合され、且
    つこれら第1回転部材及び第2回転部材は上記陽極ター
    ゲットから回転軸に沿う方向にみて熱伝導経路的に遠い
    位置で結合されるとともに該結合部以外の嵌合部に断熱
    間隙が設けられてなり、上記第1回転部材は、 鉄及びニッケルを主体とする合金、 鉄、ニッケル及びコバルトを主体とする合金、 鉄及びクロムを主体とする合金、 鉄、クロム及びニッケルを主体とする合金、 又は鉄及びクロムに炭素、バナジウム、モリブデン、タ
    ングステンの中から選択された少なくとも一種を含有す
    る鉄合金、 若しくはセラミックス、 の中から選択された材料であって且つ 0℃〜500℃の
    温度範囲における熱伝導率が0.08(cal/cm・
    sec・℃)以下の材料で構成されてなり、 上記第2回転部材は、 鉄、 ニッケル、 鉄を主体としてそれに炭素を含む合金、 鉄及びニッケルを主体とする合金、 鉄及びニッケル及びコバルトを主体とする合金、 鉄及びクロムを主体とする合金、 鉄及びクロム及びニッケルを主体とする合金、 又は鉄及びクロムに炭素及びバナジウム及びモリブデン
    及びタングステンの中から選択された少なくとも一種を
    含有する鉄合金、 で構成されている ことを特徴とする回転陽極型X線管。
  2. 【請求項2】 一部に陽極ターゲットが固定された回転
    体と、この回転体と嵌合し該回転体を回転可能に保持す
    る固定体と、前記回転体および固定体の嵌合部に設けら
    れたらせん溝を有するすべり軸受と、前記すべり軸受の
    らせん溝及びすべり軸受面相互間の軸受間隙に供給され
    た動作中に液状である金属潤滑剤とを具備する回転陽極
    型X線管において、 上記回転体は、上記陽極ターゲットが機械的に結合され
    た第1の回転部材と上記固定体に接する面が上記すべり
    軸受面となる第2の回転部材とが同軸的に嵌合され且つ
    上記陽極ターゲットから回転軸に沿う方向にみて熱伝導
    経路的に遠い位置で結合されるとともに該結合部以外の
    嵌合部に第1の断熱間隙が設けられており、 上記第1回転部材は0℃〜500℃の温度範囲における
    熱伝導率が0.08(cal/cm・sec・℃)以下
    の材料で構成されてなり、 更に上記第1回転部材の外周に銅又は銅を主体とする合
    金からなる外側円筒が同軸的に嵌合されるとともに、こ
    れら第1回転部材と外側円筒とは回転軸に沿う方向にみ
    て熱伝導経路的に上記陽極ターゲットに近い部分で結合
    され且つこの結合部よりも前記陽極ターゲットから遠い
    領域の嵌合部には第2の断熱間隙が設けられていること
    を特徴とする回転陽極型X線管。
  3. 【請求項3】 上記外側円筒の外周面には黒色被膜が被
    覆されている請求項2記載の回転陽極型X線管。
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