JP2004353867A

JP2004353867A - 導電性セラミック軸受

Info

Publication number: JP2004353867A
Application number: JP2004155516A
Authority: JP
Inventors: Jayaprakash R; ジャヤプラカシュ・アール; George Parampil; ジョージ・パラムピル
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2004-12-16
Also published as: US20040240763A1; US7044644B2; DE102004021466A1

Abstract

【課題】潤滑剤や被覆を必要としないＸ線管用の導電性セラミック軸受を提供する。
【解決手段】導電性セラミック軸受の全構成要素が好ましくはＴＳＣを含んでおり、導電性被覆又は潤滑被覆が不要で済む。これらの軸受は、軸受玉、ころ又は針等のような１以上の転動体（１９）を含んでいてよい。これらのセラミック軸受は、Ｘ線イメージング・システムのＸ線管軸受アセンブリ（１５ａ、１５ｂ）、又は導電性軸受を必要とするその他任意のシステムでの利用に理想的である。
【選択図】図１

Description

本発明は一般的には、転動体を含む軸受に関する。より具体的には、本発明は導電性軸受に関し、さらに具体的には、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂を含む導電性軸受に関する。

フィラメント寿命及び軸受寿命は、Ｘ線管の寿命を制限する２つの重要な要因である。従って、Ｘ線管軸受の寿命は、高性能Ｘ線管の動作にとって極めて重要である。Ｘ線管において、カソードによって発生される一次電子ビームは、動作時にアノード・ターゲットが赤熱光を発する程度までの極めて大きな熱負荷をアノード・ターゲットに与える。典型的には、一次電子ビーム・エネルギの１％未満がＸ線に変換され、残りは熱エネルギに変換される。高温のターゲットからのこの熱エネルギは、Ｘ線管の真空容器内の他の構成要素に伝導され且つ輻射される。この熱エネルギによって生ずる高温の結果として、Ｘ線管構成要素は大きな熱応力を蒙り、Ｘ線管の動作及び信頼性について問題となる。

典型的には、Ｘ線管と呼ばれるＸ線ビーム発生装置は、円筒形の真空容器内に封入されている相対向する電極を含んでいる。真空管は典型的にはガラス、又はステンレス鋼、銅若しくは銅合金のような金属から製造されている。上述のように、電極は、回転式円板形アノード・アセンブリのターゲット軌道から幾分かの距離を置いて配置されているカソード・アセンブリを含んでいる。代替的には、産業応用等ではアノードが静止式である場合もある。アノードのターゲット軌道すなわち衝突ゾーンは一般的には、タングステン又はタングステン合金のような高原子番号を有する耐火性金属から製造される。さらに、電子を加速するために、カソード・アセンブリとアノード・アセンブリとの間に６０ｋＶ〜１４０ｋＶの典型的な電圧差を保持する。高温のカソード・フィラメントが放出する熱電子はこの電位差に跨がって加速されて、アノードのターゲット・ゾーンに高速で衝突する。電子の運動エネルギの小部分が高エネルギ電磁放射線すなわちＸ線に変換され、残りは後方散乱電子に含まれるか又は熱に変換される。Ｘ線は焦点スポットから発生してあらゆる方向へ放出され、焦点スポット整列経路に沿って真空容器の外部へ向かうこともできる。例えば金属製真空容器を有するＸ線管では、Ｘ線ビームを所望の位置に向けて放出させるためにＸ線透過窓を金属製真空容器に作製する。Ｘ線は真空容器から出た後に、焦点スポット整列経路に沿って進み、医療検査及び診断手順では人体の解剖的部位等のような対象を透過する。対象を透過したＸ線は検出器又はフィルムによって捕獲されて、対象の解剖学的内部構造の画像が形成される。さらに、産業用Ｘ線管は、例えば金属部品の亀裂の検査、又は空港での手荷物の内容物の検査等に用いることができる。

医療診断用Ｘ線管におけるＸ線の発生は本来極めて非効率的な過程であるため、Ｘ線発生装置の構成要素は高温で動作する。例えば、アノードの焦点スポットの温度は約２７００℃にまで上昇し、アノードのその他の部分は約１８００℃に到る可能性がある。加えて、Ｘ線管の構成要素は、約４５０℃まで上昇し得る温度で比較的長時間にわたってＸ線管の高温排出処理に耐えることが可能でなければならない。管の動作時に発生する熱エネルギは典型的には、アノード及び他の構成要素から真空容器へ伝達される。

Ｘ線管の高い動作温度は、多くの理由で問題となる。Ｘ線管の構成要素が周期的な高温に晒されると、これらの構成要素の寿命及び信頼性が低下する可能性がある。具体的には、アノード・アセンブリは典型的には、軸受アセンブリによって回転自在に支持される。この軸受アセンブリは大きい熱負荷に極めて敏感である。軸受アセンブリを過熱すると、摩擦増加や騒音増大を生じ、最終的には軸受アセンブリの故障に到る可能性がある。

上述のようなＸ線管の軸受アセンブリの材料の選定は現状では多少制限されている。この理由は、軸受を介してカソード及びアノード・アセンブリに達する導電性を確保するためには、転動体及び軸受自体が導電性でなければならないからである。結果として、鉛又はより多くの場合には銀のような固体潤滑剤で被覆した工具鋼が一般的にはかかる軸受に用いられる。しかしながら、被覆工程は高経費の工程であり、固体銀潤滑剤は熱に敏感であるため、かかる材料を用いた軸受は４５０℃未満の温度で動作することが一般に要求される。加えて、従来の銀被覆金属の転動体は一般的には、高温で長時間にわたって動作させると、動作時に実質的に変形し、これにより騒音及び軸受の早期故障を招く。さらに、銀はまた、過度に高温になると軸受鋼と反応する傾向があり、粒界亀裂及び軸受の早期故障が起こる。従って、かかる軸受に現行の材料の全ての欠点を有しない材料を用いることができると望ましい。

上述のような応用には、完全にセラミックで製造されている導電性軸受が理想的である。しかしながら、かかる目的に適当な導電性セラミック軸受は現状では存在していない。このため、適当な導電性セラミック軸受が必要とされている。かかるセラミック軸受は理想的には、現状で習用されている鋼材又はセラミックス（すなわちＴ５、Ｔ１５、Ｒｅｘ２０、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ジルコニア等）ではなく、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣとも呼ぶ）を含む。かかるセラミック軸受は理想的には、既存の多くの軸受が必要とする追加潤滑剤の利用を必要とせず、これにより幾つかの軸受アセンブリに現状で必要とされている高経費の被覆工程が不要になる。加えて、かかるセラミック軸受は理想的には、既存の軸受で現状で可能とされているよりも速い回転速度及び高い動作温度を持続することを可能にする。さらに、かかるセラミック軸受のセラミック転動体は理想的には、現行の銀被覆鋼転動体よりも少ない変形を動作時に呈し、また理想的には、現状で可能とされているよりも静音で円滑な動作を可能にする。さらに、かかるセラミック軸受は理想的には、既存の軸受で現状で可能とされているよりも長い軸受寿命を齎す。以下で本開示の残部を通じてさらに明らかになるように、本発明によって他の多くの要求も満たされる。

従って、以上に述べた既存のシステム及び方法の欠点は、導電性セラミック軸受に関する本発明の各実施形態によって克服される。本発明の実施形態は、現状で習用されている鋼材及び／又はセラミックスではなく（すなわちＴ５、Ｔ１５及び／又はＲｅｘ２０、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ジルコニア等ではなく）、ＴＳＣを含む導電性セラミック軸受を含んでいる。これらのセラミック軸受は、既存の多くの軸受が必要とする追加潤滑剤の利用を必要とせず、これにより幾つかの軸受アセンブリに現状で必要とされている高経費の被覆工程を不要とすることができる。加えて、これらのセラミック軸受は、既存の軸受で現状で可能とされているよりも速い回転速度及び高い動作温度を持続することを可能にすることができる。さらに、これらの軸受のセラミック転動体は、現行の銀被覆鋼転動体よりも少ない変形を動作時に呈し、また現状で可能とされているよりも静音で円滑な動作を可能にすることができる。さらに、これらのセラミック軸受は、既存の軸受で現状で可能とされているよりも長い軸受寿命を齎すことができる。

本発明の実施形態は、導電性セラミック軸受を含んでいる。これらの軸受の構成要素は好ましくは、ＴＳＣを含んでおり、軸受玉、ころ及び／若しくは針のような転動体、又はその他任意の適当な転動体を内部に含んでいてよい。転動体は被覆を全く有しなくてもよいし、導電性被覆又は場合によっては不導性被覆を有していてもよい。

本発明の実施形態はまた、導電性転動体軸受アセンブリを含んでいる。本発明の幾つかの実施形態では、軸受アセンブリは、導電性内レースと、導電性外レースと、導電性内レースと導電性外レースとの間に回転自在に配置されている複数の導電性軸受転動体とを含んでいてよく、導電性内レース、導電性外レース及び各々の導電性軸受転動体はＴＳＣを含んでいる。本発明の他の実施形態では、軸受アセンブリは、レース手段を内部に含む導電性軸受転動体支持部材と、導電性軸受転動体支持部材のレース手段内に回転自在に配置されている複数の導電性セラミック軸受転動体とを含んでいてよく、導電性軸受転動体支持部材及び各々の導電性セラミック軸受転動体はＴＳＣを含んでいる。

本発明の実施形態はまた、Ｘ線を発生して焦点スポット整列経路に沿って目標物に向けて照射するＸ線管を含んでいる。Ｘ線管は、電子を発生するように動作するようにＸ線管の内部に配置されているカソードと、電子による衝突時にＸ線を発生するように動作するようにカソードに対して配置されているアノード・アセンブリと、カソードに対してアノード・アセンブリの回転を支持することが可能な軸受アセンブリとを含んでいてよく、軸受アセンブリはＴＳＣを含む導電性セラミック軸受を含んでいる。

最後に、本発明の実施形態はまた、Ｘ線イメージング・システムを含んでいる。Ｘ線イメージング・システムは、Ｘ線を発生して焦点スポット整列経路に沿って目標物に向けて照射するＸ線管を含んでいてよい。Ｘ線管は、電子を発生するように動作するようにＸ線管の内部に配置されているカソードと、電子による衝突時にＸ線を発生するように動作するようにカソードに対して配置されているアノード・アセンブリと、カソードに対してアノード・アセンブリの回転を支持することが可能な軸受アセンブリとを含んでいてよく、軸受アセンブリはＴＳＣを含む導電性セラミック軸受を含んでいる。

本発明のさらなる特徴、観点及び利点は、以下の記載から当業者にはより容易に明確になろう。以下の記載では、本発明の幾つかの好ましい形態を示す添付図面を参照し、図面全体を通じて類似の参照符号は類似の部材を示す。

様々な図を参照して、本発明のシステムを以下に説明する。

本発明の理解を促すことを目的として、ここで図１〜図２に示されている本発明の幾つかの好ましい実施形態、及び当該実施形態を記載するのに用いられる特定の表記法を参照する。本書で用いる用語は限定ではなく説明を目的とする。本書に開示される特定の構造的詳細及び機能的詳細は、限定としてではなく、本発明を様々に利用するように当業者に教示する代表的基準として特許請求のための基準に過ぎないと解釈されたい。図示の支持構造及びその製造方法の任意の改変又は変形、並びに所載の本発明の原理のさらなる応用で当業者に通常想到されるようなものは、本発明の要旨の範囲内にあるものと見做す。

図１に、本発明の導電性セラミック軸受の実施形態の一例を含むＸ線管を示す。Ｘ線イメージング・システムは一般的にはＸ線管２０を備えており、Ｘ線管２０は、真空エンベロープ１０と、回転子１３、回転子に固定されている回転シャフト１２及び固定子１６を含むアノード・アセンブリと、電子を放出するカソード１１と、回転シャフト１２に固定されておりＸ線を発生して焦点スポット整列経路に沿って照射するアノード・ターゲット１４と、動作時に回転アノード１４に軸方向及び半径方向の支持を提供する軸受構造１５ａ及び１５ｂとを含んでおり、全て真空エンベロープ１０の内部に配置されて動作する。本実施形態では、回転シャフト１２は２つの玉軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂを介して固定子１６によって回転自在に支持されている。玉軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂの各々が、内レース１７、外レース１８、及び内レース１７と外レース１８との間に回転自在に配置されている複数の軸受玉１９を含んでいる。磁場発生器が真空エンベロープ１０の外部に配設されており、動作時に回転磁場を発生して回転シャフト１２、回転子１３及びアノード・ターゲット１４を高速で回転させる。

真空エンベロープ１０の内部には約１０^-5ｔｏｒｒ〜１０^-9ｔｏｒｒの真空が存在する。カソード１１から放出された電子がアノード・ターゲット１４に衝突するとＸ線が発生し、アノード・ターゲット１４及び真空エンベロープ１０の内部が高温になる。アノード・ターゲット１４及び真空エンベロープ１０が高温に熱せられると、軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂもまた、回転シャフト１２からの伝熱（輻射及び伝導の両方）によって高温になる。軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂが熱によって焼付き及び磨耗を生ずるのを防ぐために、軸受転動体１９の摩擦面は一般的には何らかの潤滑剤で被覆される。加えて、多くの場合に内レース１７及び外レース１８の摩擦面も潤滑剤で被覆される。前述のように、これらの軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂは高温で真空下で用いられるので、銀又は鉛のような固体金属潤滑剤のみが一般的には適切な潤滑剤となる。しかしながら、銀も鉛も、かかる応用に理想的な潤滑剤ではない。鉛は融点が低く蒸発速度が速いのでＸ線管内で高真空を保持し得ない可能性があるため、かかる応用に用いるのに最適とは言えない。銀は鉛よりも遥かに硬質であるので銀潤滑剤を施した軸受アセンブリによって発生される騒音が相対的に大きく、銀潤滑剤を施した軸受アセンブリの耐用年数が短くなる可能性があるため、やはり理想的ではない。さらに、銀には他にも幾つかの欠点がある。銀は過度に高温になると軸受鋼と反応する傾向があり、粒界亀裂及び軸受の早期故障が起こる。銀はまた、潤滑性が低いため、鉛よりも大きな始動トルク及び運転トルクを必要とする。

従って、鋼転動体に上述のような固体金属被覆を施しても、転動体軸受のチャタリング・ノイズ（chattering noise）は充分に減少せず、また持続的な高速及び高温で用いる場合に耐久性に欠けることは明らかである。セラミック軸受構成要素は現状で幾つかの軸受で利用されているが、かかるセラミック軸受構成要素の殆どは不導性であり、従って何らかの種類の導電性被覆を必要とする。かかる軸受において導電性セラミック軸受構成要素を用いることができるとさらに望ましい。多くの既存のシステムに対しても、如何なる設計変更も要することなく本発明の導電性セラミック軸受構成要素（すなわち導電性セラミック転動体１９）の幾つかを組み込むことができる。

本発明のセラミック軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂの構成要素（すなわち内レース１７、外レース１８及び転動体１９）は好ましくは、全てＴｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣとも呼ぶ）を含んでいる。ＴＳＣは導電性等級のセラミックである。ＴＳＣ軸受構成要素は鋼軸受構成要素よりも強度が高く硬質である（＞６５ＨＲＣ）ので、セラミック軸受転動体の方が鋼軸受転動体よりも変形が少なく、これにより本発明のセラミック軸受構成要素を用いた軸受アセンブリにおいては雑音及び振動が少なくなる。ＴＳＣはまた、以下の表に示すように、鋼よりも良好な熱的性質を有する。

特性Ｔ５鋼ＴＳＣセラミック
導電率（ｍΩ＊ｍ）０．２〜０．５０．２２〜０．３５
熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）２４．３３７
硬度（ＨＲｃ）＞６２４０〜１００
ヤング率（ＧＰａ）２０７３２５
剪断弾性率（ＧＰａ）８０．２３１３４
熱膨張率（１／℃）１１．０７９．２×１０^-6

これらの導電性セラミック軸受アセンブリ１５ａ及び１５ｂ（すなわち内レース１７、外レース１８及び転動体１９）をＴＳＣから製造することには多くの利点がある。ＴＳＣは、かかる軸受構成要素に習用されている鋼よりも硬度、耐摩耗性及び剛性が高いので、ＴＳＣ軸受転動体は、軸受動作時に鋼軸受転動体が発生するよりも少ない雑音を発生する。ＴＳＣ軸受構成要素は鋼軸受構成要素よりも硬質であるので、ＴＳＣ軸受は一般的には、既存の多くの含鋼軸受よりも予想寿命が長く、性能が強化されており、耐久性が高い。ＴＳＣ軸受構成要素は導電性であるため、追加の導電性被覆が不要である。ＴＳＣ軸受構成要素を含む軸受は、既存の軸受で現状で可能であるよりも速い回転速度（可能性としては約５００００ｒｐｍまで）及び高い動作温度（可能性としては約１０００℃まで）で動作することができる。さらに、ＴＳＣ軸受転動体は、如何なる設計変更も要することなく、既存の転動体軸受アセンブリの鋼軸受転動体と直接的に交換することが可能であり得る。最後に、ＴＳＣ軸受構成要素の構成を変化させることにより、他の所要特性を大幅に変更することなくＴＳＣ軸受構成要素を自己潤滑性にすることが可能であり得る。当業者には他にも多くの利点が明らかであろう。

上述のように、本発明の導電性セラミック軸受は、高性能軸受の実現を可能にする。有利なこととして、導電性軸受転動体を必要とする多くの形式の転動体軸受アセンブリの軸受転動体は、新たな改変を要することなく本発明の導電性セラミック軸受転動体に容易に交換することができる。

本発明が満たす様々な要求の充足について本発明の様々な実施形態を説明した。尚、これらの実施形態は、本発明の様々な実施形態の原理を説明するに過ぎない。当業者には、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態の多数の改変や適応構成が明らかになろう。例えば、これらの導電性セラミック軸受のＸ線イメージング・システムでの利用について説明したが、これらの軸受は、様々な応用に用いるために多様な他のシステムに利用することができる。加えて、軸受玉を本発明の一実施形態において説明したが、本発明の転動体は、例えばころ又は針等のようなその他任意の適当な転動体を含むこともできる。従って、本発明は、特許請求の範囲及びその均等構成の範囲内にあるあらゆる適当な改変及び変形を網羅するものとする。

本発明の導電性セラミック軸受の一実施形態を含むＸ線管を示す模式図である。本発明の導電性セラミック軸受の一実施形態を含むＸ線管のもう一つの実施形態を示す模式図である。

符号の説明

１０真空エンベロープ
１１カソード
１２回転シャフト
１３回転子
１４アノード・ターゲット
１５ａ、１５ｂ軸受アセンブリ
１６固定子
１７内レース
１８外レース
１９軸受転動体
２０Ｘ線管

Claims

Ｔｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣ）を含んでいる導電性セラミック軸受。
１以上の導電性転動体（１９）を含んでいる請求項１に記載の導電性セラミック軸受。
前記１以上の導電性転動体（１９）は軸受玉、ころ及び針の１以上を含んでいる、請求項２に記載の導電性セラミック軸受。
（ａ）前記１以上の導電性転動体（１９）の１以上に施される伝導性被覆と、
（ｂ）前記１以上の導電性転動体（１９）の１以上に施される不導性被覆との少なくとも一方をさらに含んでいる請求項２又は請求項３に記載の導電性セラミック軸受。
内レース（１７）と、
外レース（１８）と、
前記内レースと前記外レースとの間に回転自在に配置されている複数の導電性軸受転動体（１９）とを備えており、
各々の導電性軸受転動体はＴｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣ）を含んでいる、転動体軸受アセンブリ（１５ａ、１５ｂ）。
前記内レース（１７）は導電性であり、前記外レース（１８）は導電性である、請求項５に記載の転動体軸受アセンブリ。
前記内レース（１７）はＴｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣ）を含んでおり、前記外レース（１８）はＴｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣ）を含んでいる、請求項５又は請求項６に記載の転動体軸受アセンブリ。
各々の導電性軸受転動体（１９）は軸受玉、ころ及び針の１以上を含んでいる、請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の転動体軸受アセンブリ。
Ｘ線を発生して焦点スポット整列経路に沿って目標物に向けて照射するＸ線管（２０）であって、
電子を発生するように動作するように前記Ｘ線管の内部に配置されているカソード（１１）と、
前記電子による衝突時にＸ線を発生するように動作するように前記カソードに対して配置されているアノード・アセンブリ（１４）と、
前記カソードに対して前記アノード・アセンブリの回転を支持することが可能な軸受アセンブリ（１５ａ、１５ｂ）とを備えており、
該軸受アセンブリは、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂（ＴＳＣ）を含む導電性セラミック軸受を含んでいる、Ｘ線管（２０）。
前記導電性セラミック軸受は、軸受玉、ころ及び針の１以上を含む導電性セラミック軸受転動体（１９）を含んでいる、請求項９に記載のＸ線管。