JP5690397B2 - Ｘ線管の回転陽極用軸受システム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線管の回転陽極用軸受システム、並びにどちらもこのような軸受システムを有するＸ線管およびイメージングシステムに関する。

陽極ディスクが高回転速度で回転するので、回転陽極を有するＸ線管は洗練された軸受システムを必要とする。先進的なＸ線管では、この軸受システムは、シャフト上の回転陽極を支持するラジアルおよびアキシャル軸受を含む流体金属潤滑システムである。

特許文献１は、このような回転陽極Ｘ線管を開示する。そこに開示された軸受システムはアキシャル軸受部およびラジアル軸受部を有し、これらの軸受部は、アキシャル軸受部およびラジアル軸受部の対称軸が２つの軸受部材の回転中に回転軸周りの揺動運動を実行し得る方法で接続される。アキシャル軸受部は、陽極シャフトを囲むリング形状ディスクによって形成される。ディスクは、ディスク表面に平行に延びるとともにシャフト内のさらなるボアを通って案内されるピンが挿入されるボアを備える。シャフトのボアに小さなクリアランスで置かれたピンの中心区域は、このピンが前述の領域に有限曲率半径を有するように球形となるように丸い。このように、ピンに強固に接続されたディスクは、陽極シャフトに対して垂直な位置から任意の所望の方向に小さい角度で傾けられ得る。この可動性は磨耗に良い影響を及ぼす。

米国特許第６，０６４，７１９号

本発明の目的は、Ｘ線管の回転陽極用の代替軸受システムを提供することである。

この目的は、独立請求項による軸受システムによって解決される。有利なさらなる発展は従属クレームの対象である。

実施形態によれば、Ｘ線管の回転陽極を支持するための軸受システムが提供される。この軸受システムは、回転陽極を支持するためのシャフトを有する。好ましくは、このシャフトは、冷却流体を内部に長手方向軸に沿って案内するために中空である。さらに、シャフトを囲む２つのスウォッシュリング（ｓｗａｓｈ ｒｉｎｇ）が設けられる。好ましくは、これらの２つのスウォッシュリングは直接シャフトを囲む、すなわち、潤滑流体を除いてシャフトとスウォッシュリングとの間に他の部品は配置されない。これらの２つのスウォッシュリングの間には、シャフトを囲むジンバルリングが配置され、ジンバルリングは、ジンバルリングがシャフトの長手方向軸に対して傾斜可能であるように、シャフトにヒンジ式に動くように（hingeably）接続される。この実施形態は、ジンバル部品をシャフトに接続するために貫通孔が必要とされないという利点を有する。これは、シャフトの安定性を保持するとともに、例えば、冷却流体が案内される、冷却チャネルとして使用するために、シャフトの内部を中空に保つ機会を与える。

さらなる実施形態によれば、ジンバルリングは、２つのリング部分から構成される。ジンバルリングがシャフトから容易に取り外され得るとともに新しいものによって交換され得るので、これは良好な整備性の利点を提供する。

本発明はまた、上述の実施形態の１つによる軸受システムを有するＸ線管およびイメージングシステムも提供する。

Ｘ線管のための回転陽極のシャフトを支持するためのアキシャル軸受を提供することは、本発明の要点として見なされることができ、アキシャル軸受の中央部品は、２つのディスク形状スウォッシュリングの間に保持される２つの実質的に半円のジンバル部品であり、ジンバル部品は、シャフトに対するジンバルジョイントを形成する形状ロック（ｆｏｒｍ−ｌｏｃｋ）（例えば、突起）を有する。

図１は、本発明の実施形態による軸受システムの３次元の分解組立図を示す。 図２は、図１の軸受システムの幾つかの部品の３次元の図を示す。 図３は、図１の軸受システムの大部分の部品の断面図である。 図４は、本発明の実施形態による軸受システムの完全に組み立てられた図である。 図５は、本発明の実施形態による回転陽極および軸受システムの３次元の断面図を示す。 図６は、本発明の実施形態による医療用イメージングシステムを概略的に示す。

図１は、本発明の実施形態による軸受システム１の３次元の分解組立図である。陽極シャフト２は、好ましくは陽極ディスクの形態であって図５に関連して記載されている、回転陽極を支持する。シャフト２は、その長手方向の長さに沿って異なる外径の断面を持つ円筒形状を有し、シャフト２の中央部分は最大外径を有する。中央部分に隣接して、シャフト２は、２つの止まり穴３を備える軸受部分を備える。止まり穴３は、直径方向に設けられ、好ましくは、基本的に一定の直径を有するとともに、外側からシャフト２の中心向かって、シャフト２の壁の厚さの半分を通って延びる穴である。さらに、軸受システム１は、２つのリング部分５によって形成されるジンバルリング４を有する。それぞれのこのリング部分５は、基本的に形状が半円形であり、各リング部分５の円形の長手方向の長さは実際、正確な半円形から得られる長さより長い。ジンバルリング４の内径はシャフト２の軸受部分の外径より僅かに大きい。これらのリング部分５のそれぞれは、リング部分５の（シャフト２に向かう）内面から延びるとともにシャフト２に設けられた止まり穴３のサイズおよび形状に対応する突起６を有する。シャフト２の長手方向において、ジンバルリング４の両側には、ディスク形スウォッシュリング７が設けられる。ジンバルリング４およびスウォッシュリング７を有する組立体は、２つの外側リング８およびスペーサリング９によって覆われる。より詳細には、これらの外側リング８のそれぞれは基本的に、シャフト２の軸受部分の外径に対応する直径を有する中心孔を持つディスク形状である。外側リング８の外径は基本的にスペーサリング９の外径に対応する。スペーサリング９もまた、スウォッシュリング７の外径より僅かに大きい直径を有する中心孔を持つディスク形状である。図１に示された軸受システム１を組み立てるとき、ジンバルリング４およびスウォッシュリング７を有する組立体は、２つの外側リング８の間に配置されるとともに、スペーサリング９もまた２つのスウォッシュリング７およびジンバルリング４を囲む外側リング８の間に配置される。図１に示された全ての構成要素は好ましくはモリブデンで作られ、タングステンでも作られ得る。説明された軸受システム１は、流体潤滑剤、例えば、液体金属、ガリウム合金、ガリンスタン（ガリウム−インジウム−スズ）、油潤滑剤または水が少なくとも説明された軸受部品の間に提供される、アキシャル流体軸受システムを形成する。アキシャル軸受面は、スウォッシュリング７と外側リング８との間に形成される。

図２は、軸受システム１のジンバルリング４およびスウォッシュリング７をより詳細に示す。既に上で述べたように、ジンバルリング４は、リング部分５の端部が互いに重なるような円周方向における長手方向の長さを有する２つのリング部分５を有する。各端部でのこの重なりを実現するために、リング部分５の断面の一方の半分（シャフト２の長手方向に垂直な面によってリング部分を分割するときの半分）はリング部分５の円周方向に延びる溝部１０を備え、端部の断面の他方の半分はリング部分５の円周方向に延びる歯部１１を備え、この歯部１１の形状は溝部１０の形状に対応する。リング部分５は同一に形成され、このように、それらが互いに反対に配置されたとき、それらが互いに噛み合うように、一方のリング部分５の歯部１１は他方のリング部分５の溝部１０に対向する。しかし、リング部分５を、本発明の範囲から離れること無しに、非同一に設計することも可能である。円周の長手方向に関して、この長手方向の中央において、各リング部分５の内面は、リング部分５の内面からある距離突出する円柱状の突起６またはボルトを備え、突出長さは基本的にシャフト２に形成された止まり穴３の深さに対応する。突起６は、シャフト２に取り付けられるジンバルリング４に対して直径方向に配置される。円柱状の突起６の中心対称線は互いに一致するとともに、その周りをジンバルリング４がシャフト２の長手方向軸に対して傾斜可能であるジンバル軸を形成する。

より詳細には、リング部分５の重なる端部は以下のように構成される。溝１０は、シャフト２の長手方向軸に垂直な平面内に置かれるとともにリング部分５の断面を２つの半部に分割する第１の壁によって画定される。反対側では、溝１０は第１の壁に平行な第２の壁によって画定され、第２の壁はリング部分５の端部までの中間の距離を置かれる。さらに、溝１０は、ジンバル軸に垂直な平面内に置かれるベース壁によって画定される。これらの３つの壁は、唯一の溝１０の境界壁を形成する。歯部１１を含む半分の断面の残りの断面は、リング部分５のそれぞれの端部までの距離のある部分を突出するとともに、ジンバル軸に垂直な平面内に置かれる前面で終端する突出部を規定する。歯部１１は階段形歯部に対応して形成され、階段形の側面は、ジンバル軸に垂直な平面内に置かれる溝部１０（噛み合うことが想定される）を向く。

さらに、各リング部分５の各端部は案内突起１２を備える。これらの案内突起１２はリング部分５の側面から突出する（リング部分５の表面は隣接するスウォッシュリング７に面する）。より詳細には、案内突起１２は、それぞれの他方のリング部分５の重なる端部とは反対方向にリング部分５の側部から延びる。突起１２の面の１つはリング部分５の半径方向外側の面に対応し、突起１２の面のもう１つはリング部分５の半径方向内側の面に対応し、突起１２の突出方向に延びる２つの残りの面はジンバル軸に垂直な面内にある。ジンバルリング４の半径方向に沿った突起１２の断面が基本的にＵ字形状であるように、隣接するスウォッシュリング７に面する突起１２の表面は凹面である、すなわち、突出長さが突起１２の中心で最も小さい。この説明において用語「半径方向」を使用するとき、方向はシャフト２の長手方向軸に垂直な面内にあることを意味し、方向はシャフトの断面の中心を貫通する、または円形の他の部品の中心を貫通する。

２つのスウォッシュリング７は、ジンバルリング４の外径より僅かに大きい（１−２ｍｍ）外径およびシャフト２の軸受部分の外形より少し大きい内径を持つディスク形状である。スウォッシュリング７は基本的に方形の断面を有する。ジンバルリング４に面する側では、各スウォッシュリング７は、２つの凹部または切り欠き部１３を有する。切り欠き部１３は、スウォッシュリング７に直径方向に形成され、ジンバルリング４に面する切り欠き部１３の面は、凸であるとともに突起１２の形状に対応する、すなわち、切り欠き部１３の中央は最小の深さを有する。また、対向する切り欠き部１３に面する突起１２の表面を平面に形成するとともに、切り欠き部１３の対向する面を凸面に形成することも可能である。同様に、対向する切り欠き部１３に面する突起１２の表面を凸面に形成するとともに、切り欠き部１３の対向する面を凹面に形成することも可能である。

突起１２は対応する切り欠き部１３とともに２つの機能を有する。一方では、それらはスウォッシュリング７とリング部分５またはジンバルリング４との間の案内境界面（a guiding interface）を形成する。これは、リング部分５およびスウォッシュリング７が互いに対してジンバル軸に垂直な半径方向にスライドされ得るように、突起１２および切り欠き部１３が形成されることを意味する。これは、ジンバル軸に垂直な突起１２の既に説明された面によって実現される。他方、突起１２は対応する切り欠き部１３とともにリング部分５のシャフト２への固定を形成する。これは、突起１２および切り欠き部１３が、ジンバル軸に沿ったまたは円柱状突起６の対称線に沿った半径方向におけるリング部分５とスウォッシュリング７との間の相対運動をブロックすることで実現される。したがって、リング部分５は、突起６が止まり穴３に半径方向に挿入されるようにリング部分５をシャフト２の上に半径方向に取り付けることによって、および、突起１２を切り欠き部１３内に挿入することによって、シャフト２に取り付けられる。この状態において、突起１２および切り欠き部１３の当接面はジンバル軸に沿った半径方向におけるリング部分５の移動をブロックする。

図３は、スペーサリング９を除いた、図１に示された軸受部品の断面図である。断面図は、ジンバル軸およびシャフト２の長手方向軸を含む平面に沿って示される。図３から、突起６および止まり穴３の形状が互いにどのように対応するかが導き出され得る。この実施形態にしたがって軸受システム１を組み立てるとき、第１の外側リング８はシャフト２の軸受部分上を、シャフト２の外側端部から外側リング８が軸受部分からシャフト２の中央部分への移行部を形成する隆起部に当接するまでスライドされる。冷却流体、好ましくは上述の潤滑剤としての液体を案内するように適合された潤滑剤通路１４を形成するために、シャフト２の内部は中空である。

図４は図１の全ての部品が組み立てられた状態を示す図２の上面図である。使用中、シャフト２、リング部分５およびスウォッシュリング７は回転しておらず、外側リング８およびスペーサリング９が陽極ディスク２４（図５参照）とともに回転する。シャフト２の外形とジンバルリング４／スウォッシュリング７の内径との間には、シャフト２に対する小さい傾斜運動を可能にするために小さいクリアランスがある。この傾斜運動は、スウォッシュリング７の外径とスペーサリング９の内径との間のクリアランスによっても可能にされる。スウォッシュリング７とそれぞれの対向する外側リング８との間には、ジンバル軸の周り且つシャフト２、すなわちシャフト２の長手方向軸、に対する、ジンバルリング４およびスウォッシュリング７の小さい傾斜運動を可能にする小さいクリアランスもある。さらに、ジンバルリング４が切り欠き部１３の底面および突起１２のそれらに対向する面を介してスウォッシュリング７のみに接触するように、スウォッシュリング７の側面とジンバルリング４の対向する面との間に小さいクリアランスがある。上で説明したように、突起１２および切り欠き部１３によって形成される境界面は、シャフト２の長手方向に対するジンバルリング４の傾斜がスウォッシュリング７の傾斜を引き起こすように、ジンバル軸に垂直な半径方向のスライド運動を可能にする。上述のように、突起１２および切り欠き部１３のこれらの対向接触面が凸／凹であるので、ジンバルリング４とスウォッシュリング７との間の小さい相対回転運動、すなわちジンバル軸に垂直な半径方向軸周りの回転相対運動も可能にされる。

部品間のこれらの小さい相対運動は、より良い軸受性能が達成され得るという効果がある。陽極ディスク２４は高回転速度で回転している。技術水準から知られたらせん状の溝のようなある種の対策により、潤滑液が潤滑されなければならない部品に供給される。回転陽極を止めるとき、シャフト２の回転速度はある回転速度（いわゆる「ランディング回転速度」）より低くなるまで減少するとともに潤滑膜の破断は軸受の回転部品がほとんど急にまたは非常に速く停止することをもたらす。出来るだけ長く潤滑膜の破断を避けるために、互いに対して滑る面は互いに出来るだけスムースに接触しなければならない。製造公差を補償するために、これは軸受システムの部品の上述の相対運動によって達成される。

図５は、どのように軸受システム１が陽極ディスク２４に接続されるかの３次元の断面図を示す。上述のように、シャフト２は、特に軸受が取り付けられる領域において、すなわちシャフト２の軸受および中央部分において、モリブデンまたはタングステンで作られる。しかし、シャフト２をＸ線管内に、例えば、シャフト２をＸ線管のケースにろう付けすることによって、取り付けるために必要とされるシャフト２の部分２５は、シャフト２にろう付けされた鋼製部品または鋼板で形成される。シャフト２の中央部分は、シャフト２の中央部分とともにラジアル軸受を形成するラジアル軸受部分２６によって囲まれる、すなわち、中央部分の外側表面およびラジアル軸受部分２６の内側表面はラジアル軸受面を形成する。外側リング８、スペーサリング９およびラジアル軸受部分２６は、ねじまたはボルト２７によって互いに固定して取り付けられる。さらに、スペーサリング９およびラジアル軸受部分２６は、陽極ディスク２４および陽極ディスク２４を駆動するための電気モータのロータ２８に固定して接続される。陽極ディスク２４は、アキシャル軸受システム１の右側または左側に設けられ得る。既に述べたように、使用中、シャフト２はリング部分５およびスウォッシュリング７とともに回転しない。これに対して、外側リング８、スペーサリング９、ラジアル軸受部分２６、ロータ２８および陽極ディスク２４はシャフト２の周りに回転する。

図６は、上述の軸受システム１が使用され得る複合的な医療用の表示／画像を生成するために医療用イメージングシステム１５を概略的に示す。医療用イメージングシステム１５は、画像取得装置１６、データ処理ユニット１７およびディスプレイ装置１８を有する。例えば、医療用イメージングシステムは、Ｘ線管１９を有するＸ線イメージングシステムである。テーブル２０が検査される患者２１を受け止めるために備えられる。さらに、Ｘ線画像検出モジュール２２がＸ線管１９の反対側に配置される。後者はデータを検出モジュール２２およびＸ線管１９の両方に接続されたデータ処理ユニット１７に送る。データ処理ユニット１７はテーブル２０の近くに置かれる。さらに、ディスプレイ１８は、Ｘ線イメージングシステムを操作する人に情報を表示するためにテーブル２０の近くに配置される。また、インターフェースユニット２３がユーザによって情報またはコマンドを入力するために配置される。基本的に、画像検出モジュール２２は、対象をＸ線照射にさらすことによってイメージデータを生成し、画像はデータ処理ユニット１７でさらに処理される。図示された例はいわゆるＣＴタイプのＸ線画像取得装置であることに留意されたい。本発明はまた、ＣＶタイプのＸ線画像取得装置等、他のタイプのＸ線画像取得装置にも関連する。

上述の実施形態では、リング部分５の突起６がシャフト２の止まり穴３内に挿入されることになっているが、シャフト２に突起を設けるとともにリング部分５に対応する穴または溝を設けることも可能である。また、シャフト２およびリング部分５に溝を設けるとともに、シャフトの溝を対応するリング部分の溝に接続する追加的なボルトを提供することも可能である。同様に、スウォッシュリング７がリング部分５の切り欠き部に適合する突起を備えるように、突起１２と切り欠き部１３を交換することも可能である。

本発明の教示が上述の実施形態の任意の組合せを包含することは明らかである。

本発明が図面および上述の説明において詳細に図示され説明されたが、そのような図示および説明は、説明的または例示的と見なされるべきであって、限定的と見なされるべきではなく、本発明は、開示された実施形態に限定されない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. Ｘ線管の回転陽極用軸受システムであって：
   前記回転陽極を支持するシャフトと；
   前記シャフトを囲む２つのスウォッシュリングと；
   前記シャフトを囲むとともに前記２つのスウォッシュリングとの間に配置されるジンバルリングと、を有し；
   前記ジンバルリングは、前記ジンバルリングが前記シャフトの長手方向軸に対して傾斜可能であるように、前記シャフトにヒンジ式に動くように接続される、
   軸受システム。
2. 前記ジンバルリングは２つのリング部分から構成される、
   請求項１に記載の軸受システム。
3. 前記シャフトに取り付けられたとき、前記リング部分は端部において重なる、
   請求項２に記載の軸受システム。
4. 前記シャフトと前記ジンバルリングとの間の前記ヒンジ式に動く接続は、前記ジンバルリングに２つの突起を設けるとともに、前記シャフトに２つの対応する止まり穴を設けることによって、実現される、
   請求項１に記載の軸受システム。
5. 前記シャフトは、冷却流体を案内するために中空である、
   請求項１に記載の軸受システム。
6. 前記ジンバルリングと前記２つのスウォッシュリングそれぞれとの間に、形状ロックが提供され、前記形状ロックは、前記ジンバルリングと前記２つのスウォッシュリングそれぞれとの間の前記ジンバルリングの半径方向における移動可能な相対運動を可能にする、
   請求項１に記載の軸受システム。
7. 前記形状ロックは、前記可能な移動運動方向に垂直な半径方向における相対運動を妨げる、
   請求項６に記載の軸受システム。
8. それぞれの前記リング部分は、各端部において、断面の一方の半分に円周方向に突出する歯部を備えるとともに、断面の他方の半分に円周方向に延びる溝部を備え、
   両方の前記リング部分が前記シャフトに取り付けられたとき、１つの前記リング部分の歯部は他方の前記リング部分の溝部に噛み合う、
   請求項３に記載の軸受システム。
9. 前記軸受システムは流体軸受システムである、
   請求項１に記載の軸受システム。
10. 請求項１に記載の軸受システムを有するＸ線管。
11. 請求項１に記載の軸受システムを有するイメージングシステム。

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