JP4467740B2

JP4467740B2 - 回転陽極型ｘ線管

Info

Publication number: JP4467740B2
Application number: JP2000256221A
Authority: JP
Inventors: 行成吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: JP2002075259A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転陽極型Ｘ線管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転陽極型Ｘ線管はＸ線を放出する電子管で、真空容器内に、Ｘ線を発生する陽極タ−ゲットおよび電子ビ−ムを発生する陰極を対向させて配置した構造になっている。陽極タ−ゲットは回転シャフトを介して回転機構に連結され、回転機構によって回転可能に支持されている。陽極タ−ゲットを支持する回転機構は、回転体およびこの回転体に嵌合された固定体から構成され、回転体と固定体の間に動圧式すべり軸受が形成されている。
【０００３】
真空容器の外側にステ−タが配置され、ステ−タが発生する回転磁界によって回転機構の回転体を回転させ、さらに回転機構に連結する陽極タ−ゲットを回転させている。この状態で、陽極タ−ゲットに対し陰極から電子ビ−ムを照射し、陽極タ−ゲットからＸ線を放出させている。
【０００４】
ところで、回転機構に形成される動圧式すべり軸受は、回転体および固定体のたとえば一方の面にらせん溝を形成し、少なくとも動作中は液状となる液体金属潤滑剤、たとえばＧａ−Ｉｎ−Ｓｎ合金がらせん溝や軸受間隙に送り込まれている。動圧式すべり軸受の軸受面を形成する回転体および固定体は、通常、ＳＫＤ１１やＴＺＭなど高い硬度をもつ同じ金属材料で構成され、その軸受間隙は数１０μｍのオ−ダ−に設定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、回転陽極型Ｘ線管を構成する陽極タ−ゲットは回転機構によって回転可能に支持され、回転機構の回転体と固定体との間に動圧式すべり軸受が設けられている。また、軸受面を形成する回転体および固定体は、通常、同一の金属材料で構成されている。なお、回転体および固定体の一方を金属材料で構成し、他方をセラミック材料で構成する場合もある。
【０００６】
ところで、回転陽極型Ｘ線管を動作させる場合、回転機構の回転体を回転させ、これと一体に連結された陽極タ−ゲットを回転させている。しかし、回転機構が回転を始める前あるいは回転を始めた初期の段階では、動圧式すべり軸受が十分に機能していない。そのため、回転体と固定体は互いに一部が接触した状態から起動する。また、回転が終了する直前あるいは回転が終了した場合も、動圧式すべり軸受が十分に機能しない。そのため、回転体と固定体は互いに一部が接触した状態で停止する。
【０００７】
このような場合、回転体と固定体が同一の金属材料で構成されていると、起動時や停止時など両者が接触した際に、接触部分が傷つきやすいという問題がある。また、起動した直後や停止の直前などにおいて両者が擦れた場合、摩耗しやすいという問題もある。
【０００８】
上記した問題を解消するために、回転体および固定体のいずれか一方にセラミック材料を使用する方法がある。しかし、セラミック材料を用いた場合、セラミック材料が液体金属潤滑剤に濡れにくいという問題がある。
【０００９】
また、動圧式すべり軸受は、回転機構の回転速度が早くなり、ある値を越えると、摩擦損失が大きくなるという性質がある。これは、回転速度の増加で、液体金属潤滑剤の流れが潤滑理論による層流潤滑から乱流潤滑に変化することが原因している。液体金属潤滑剤の流れが乱流状態になると、摩擦損失（以下軸受損失という）が大きくなり、軸受部分の温度が上昇する。
【００１０】
液体金属潤滑剤の層流から乱流への変化は、（１）式のレイノルズ数Ｒｅ
Ｒｅ＝Ｕ・ｃ／ν…（１）
（ただし、Ｕ：周速度、ｃ：半径方向の隙間、ν：動粘性係数）
がある値以上になると発生する。たとえば、回転数の上昇で周速度Ｕが早くなると、レイノルズ数Ｒｅが増加し、この値がある臨界値を越えると、液体金属潤滑剤は層流から乱流に遷移する。
【００１１】
また、動圧式すべり軸受に送り込まれる液体金属潤滑剤は活性がある。そのため、軸受損失の発生で温度が上昇すると、液体金属潤滑剤が固定体や回転体などの軸受面を構成する材料と反応し、金属間化合物層を軸受面に堆積させる。その結果、軸受の隙間が徐々に減少し、回転特性が劣化する。
【００１２】
また、動圧すベリ軸受は、動作状態に入り回転を始めると、軸受損失が発生して自己発熱する。この発熱は回転数の２乗で増加する。したがって回転数が増加すると発熱が大きくなり軸受温度が上昇する。この場合も、液体金属潤滑剤が固定体や回転体の軸受材料と反応して、金属間化合物層を軸受面に堆積させ、軸受の隙間が徐々に減少し、回転特性が劣化する。
【００１３】
本発明は、上記した欠点を解決し、高速回転時における動圧式すべり軸受の軸受損失を小さくして軸受部分の温度上昇を少なくし、これにより、液体金属潤滑剤の反応を抑え、長期に亙り安定な回転特性を維持する回転陽極型Ｘ線管を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｘ線を放出する陽極ターゲットと、陽極ターゲットが固定された回転体と、この回転体の内側に嵌合された固定体と、前記回転体および前記固定体の一部に設けられるとともに軸受面の相互間に液体金属潤滑材が供給される動圧式すべり軸受と、前記陽極ターゲットおよび前記回転体、前記固定体、前記動圧式すべり軸受を収納する真空容器とを具備し、前記回転体の回転速度が変化する回転陽極型Ｘ線管において、前記固定体の少なくとも一部を形成する材料の方が、前記回転体部分の少なくとも一部を形成する材料よりも熱膨張率が大きく、回転速度が上昇する使用時において動圧すべり軸受が乱流潤滑状態になることを防止するように軸受隙間を小さくすることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図１を参照して説明する。符号１１は、回転陽極型Ｘ線管を構成する真空容器で、図ではその一部が示されている。真空容器１１内に、Ｘ線を放出する陽極ターゲット１２が配置されている。陽極ターゲット１２はねじ１３で回転シャフト１４に固定されている。回転シャフト１４は回転機構１５に連結され、回転機構１５は、回転シャフト１４が直接連結されている有底円筒状の第１回転体１６などから構成されている。回転シャフト１４は、たとえば第１回転体１６の底部１６ａ中央の透孔部分にねじ込まれ、ろう付けなどによって接合されている。
【００１６】
第１回転体１６の外周部分に円筒状の第２回転体１７が一体的に接合されている。第２回転体１７は、たとえば第１回転体１６の回転シャフト１４側の端部にろう付けされている。第２回転体１７の外周面には、第２回転体１７の熱を輻射する黒色皮膜１７ａが被覆されている。
【００１７】
また、第１回転体１６の内側に、有底円筒状の第３回転体１８が接合されている。第１回転体１６と第３回転体１８は、第１回転体１６の陽極ターゲット１２と反対側の端部でろう付けされ、第３回転体１８の下端開口は円盤状のスラストリング１９で封止されている。
【００１８】
第３回転体１８の内側に固定体２０が挿入嵌合され、固定体２０の嵌合された部分等に動圧式すべり軸受が設けられている。たとえば、固定体２０の外周部分にらせん溝２１が設けられ、動圧式ラジアルすべり軸受が形成されている。また、固定体２０の図の上端面および固定体２０の下端面と対向するスラストリング１９の面にも、それぞれらせん溝２２が設けられ、動圧式スラストすべり軸受が形成されている。
【００１９】
動圧式ラジアルすべり軸受を形成するらせん溝２１は、管軸方向に離れた２つの領域に設けられ、これらの各領域では、それぞれ１組のヘリンボンパターンらせん溝が形成されている。また、固定体２０の上端面に形成される動圧式スラストすべり軸受のらせん溝２２には、たとえば図２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Ｐ１が形成されている。スラストリング１９に形成される動圧式スラストすべり軸受のらせん溝２２には、たとえば図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Ｐ２が形成されている。
【００２０】
また、動圧式すべり軸受を形成する固定体部分と回転体部分の軸受面は、動作中、約２０μの軸受間隙を保つように設定される。なお、動圧式すべり軸受を形成するらせん溝および軸受間隙には液体金属潤滑剤が供給される。
【００２１】
上記の構成において、真空容器の外側に設けられたステータ（図示せず）から回転磁界が加えられると、回転機構を構成する第１ないし第３の回転体１６〜１８が回転し、回転機構に連結した陽極タ一ケット１３が回転する。この状態で、陽極タ一ゲット１２に対し陰極（図示せず）から電子ビームが照射され、陽極タ一ゲット１２がＸ線を放出する。
【００２２】
上記した構成の回転陽極型Ｘ線管は、動圧式すべり軸受の軸受面を形成する回転体部分や固定体部分、たとえば互いに対向する第３回転体１８および固定体２０のそれぞれの軸受面、あるいは、互いに対向する固定体２０およびスラストリング１９のそれぞれの軸受面が、互いに相違する金属材料で構成されている。
【００２３】
たとえば、動圧式すべり軸受の回転体部分を構成する第３回転体１８およびスラストリング１９の軸受面が、純Ｆｅ、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ＳＫＤ−１１、ＴＺＭ、Ｍｏなどから選ばれた１つの金属材料で構成されている。一方、動圧式すべり軸受の固定体部分を構成する固定体２０が、上記の各金属材料が選ばれた１つの金属材料で、かつ、これと対向する部分の回転体部分と異なる材料で構成されている。
【００２４】
上記した各金属材料のビッカース硬度は、純Ｆｅが４５〜８０、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が１５０〜１８０、ＳＫＤ−１１が２１６〜２２６、ＴＺＭが２４０〜２９０、Ｍｏが２５０〜３００と相違している。
【００２５】
したがって、起動時や停止時などに回転体部分と固定体部分が接触しても、両者を同じ材料で構成した場合に比較して傷がつきにくい。また、起動の直後や停止の直前などに両者が擦れた場合にも摩耗が抑えられる。また、回転体部分および固定体部分に金属材料を使用しているため、セラミック材料を使用した場合と異なり、液体金属潤滑剤に濡れにくいという問題もなくなる。
【００２６】
上記した構成では、動圧式すべり軸受を構成する回転体部分および固定体部分のたとえば全体を互いに相違する金属材料で形成している。しかし、起動時や停止時などに、回転体部分と固定体部分とが接触する箇所が一部の領域に限られることがある。このような場合は、回転体部分および固定体部分の接触しやすい一部領域だけを、互いに相違する金属材料で構成することもできる。
【００２７】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態では、動圧式すべり軸受を構成する固定体部分と回転体部分をそれぞれ相違する金属材料で構成し、同時に、固定体部分を構成する金属材料として、回転体部分を構成する金属材料よりも熱膨張率の大きい材料を用いている。
【００２８】
たとえば固定体部分をＳＫＤ１１（熱膨張率：１２〜１３×１０^-6／℃）で構成し、回転体部分をＴＺＭ（熱膨張率：５．８×１０^-6／℃）で構成している。あるいは、固定体部分をＳＫＤ１１（熱膨張率：１２〜１３×１０^-6／℃）で構成し、回転体部分をＳｉ3 Ｎ4 （熱膨張率：３．２×１０^-6／℃）で構成している。あるいは、固定体部分をＺｒＯ2 （熱膨張率：８．７×１０^-6／℃）で構成し、回転体部分をＳｉ3 Ｎ4 （熱膨張率：３．２×１０^-6／℃）で構成している。
【００２９】
この場合、回転数の増加でレイノルズ数が増加し、これに伴い軸受損失が増加し、軸受温度が上昇しても、固定体部分の方の熱膨張率が大きいため軸受隙間が小さくなる。したがって、（１）式に示されるレイノルズ数が小さくなり、レイノルズ数の増大が抑えられる。その結果、乱流潤滑になる臨界回転数が高速度側にシフトし、安定な高速回転が可能になる。また、固定体部分と回転体部分の金属材料が相違するため、傷や摩耗も少なくなる。
【００３０】
次に、本発明のもう１つの他の実施形態について説明する。この実施形態の場合、動圧式すべり軸受を構成する固定体部分と回転体部分をそれぞれ相違する金属材料で構成し、同時に、回転体部分を構成する金属材料として、固定体部分を構成する金属材料よりも熱膨張率の大きい材料を用いている。
【００３１】
たとえば回転体部分をＳＫＤ１１（熱膨張率：１２〜１３×１０^-6／℃）で構成して、固定体部分をＴＺＭ（熱膨張率：５．８×１０^-6／℃）で構成している。あるいは、回転体部分をＳＫＤ１１（熱膨張率：１２〜１３×１０^-6／℃）で構成し、固定体部分をＳｉ3 Ｎ4 （熱膨張率：３．２×１０^-6／℃）で構成している。あるいは、回転体部分をＺｒＯ2 （熱膨張率：８．７×１０^-6／℃）で構成し、固定体部分をＳｉ3 Ｎ4 （熱膨張率：３．２×１０^-6／℃）で構成している。
【００３２】
軸受損失は、回転数の二乗に比例し、軸受隙間に反比例するという特性がある。したがって、回転数が増加し軸受損失が増加すると、軸温度が上昇する。しかし、回転体部分の方が固定体部分よりも熱膨張率の方が大きいため、温度上昇で軸受隙間が大きくなり、軸受損失が減少し、軸受温度の上昇が抑えられる。その結果、安定な高速回転が可能になる。また、固定体部分と回転体部分の金属材料が相違するため、傷や摩耗も少なくなる。
【００３３】
上記した構成によれば、高速回転時における動圧すべり軸受の軸受損失が小さくなる。そのため、軸受温度の上昇が少なくなり、液体金属潤滑剤との反応が抑えられ、長期に亙り安定な高速回転特性を維持する回転陽極型Ｘ線管が実現される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、長期に亙って安定な高速回転を維持する回転陽極型Ｘ線管が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための概略の構造図である。
【図２】本発明の実施形態に使用される動圧すべり軸受用のらせん溝を説明する概略の構造図である。
【図３】本発明の実施形態に使用される動圧すべり軸受用の他のらせん溝を説明する概略の構造図である。
【符号の説明】
１１…真空容器
１２…陽極ターゲット
１３…ねじ
１４…回転シャフト
１５…回転機構
１６…第１回転体
１７…第２回転体
１８…第３回転体
１９…スラストリング
２０…固定体
２１…らせん溝
２２…らせん溝

Claims

Ｘ線を放出する陽極ターゲットと、陽極ターゲットが固定された回転体と、この回転体の内側に嵌合された固定体と、前記回転体および前記固定体の一部に設けられるとともに軸受面の相互間に液体金属潤滑材が供給される動圧式すべり軸受と、前記陽極ターゲットおよび前記回転体、前記固定体、前記動圧式すべり軸受を収納する真空容器とを具備し、前記回転体の回転速度が変化する回転陽極型Ｘ線管において、前記固定体の少なくとも一部を形成する材料の方が、前記回転体部分の少なくとも一部を形成する材料よりも熱膨張率が大きく、回転速度が上昇する使用時において動圧すべり軸受が乱流潤滑状態になることを防止するように軸受隙間を小さくすることを特徴とする回転陽極型Ｘ線管。
固定体部分の少なくとも一部を形成する材料がステンレス鋼、ＳＫＤ１１またはＺｒＯ2で、回転体部分の少なくとも一部を形成する材料がＭｏ、ＴＺＭまたはＳｉ3Ｎ4である請求項１記載の回転陽極型Ｘ線管。