JP5568004B2

JP5568004B2 - Ｘ線検出器

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Publication number: JP5568004B2
Application number: JP2010289678A
Authority: JP
Inventors: 優司辻; 拓人作村; 真一大谷; 昭築山
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: US9583530B2; EP2469599A3; EP2469599A2; JP2012137376A; EP2469599B1; US20120161019A1

Description

本発明は、モジュールごとにＸ線画像データを検出するＸ線検出器に関する。

シングル・フォトン・カウンティング方式の検出器は、当初、点センサとして、Ｘ線の有無をエネルギー弁別しつつ確認するために使用された。このような検出器では、センサ自体を動かすことにより、Ｘ線の入射方向、位置に関する情報を得ていた。初期のころには点センサを多数配置するには技術的な困難が伴ったが、半導体実装技術の進歩により、センサとその読み出し回路を線状（一次元的）または面状（二次元的）に配列することが可能となってきた。

これまで、イメージングプレートに代わる放射線検出器として、ＣＭＯＳイメージセンサによるフラットパネルディテクタ、多数ＣＣＤデバイスによるＣＣＤ検出器等が大きな検出面を持つ検出器として一般的に用いられてきた。しかし、これらはいずれも検出ピクセルが比較的簡単な構造で構成される電荷蓄積型検出器であった。

シングル・フォトン・カウンティング方式の検出器は、電荷蓄積方式の検出器と異なり、入射するフォトンを特定のエネルギーに対して弁別できる。バックグラウンドノイズがなく、ダイナミックレンジが高いというメリットがあり、特に、Ｘ線回折による分析手法等では有効に用いられる。

一方、このような検出器を、多数の微小画素で二次元化して構成することにより、これまで検出用センサを動かすことによって得ていた入射Ｘ線の位置、角度、方向に関する情報を、検出器上の位置情報として取り出すことが可能になっている。これにより、大幅にデータ読み取り速度（フレームレート）を向上できる。

このような検出器を多数ピクセルで構成する方式として、ハイブリッド方式が知られている。ハイブリッド方式では、例えば、半導体素子の各検出素子のピクセル出力端子と、読み出し回路のピクセル入力端子を１点ずつ接続する。接続は、一般的に微小な半田ボールを使用してバンプ接続により行う。このように、検出素子と読み出し回路とを別素子として作り、双方を接続して検出器を構成する。

このようなハイブリッド方式の検出器では、検出素子および読み出し回路のいずれについても、形成できる半導体の面積が限られており、大面積の検出面を一体化して構成することは難しい。これは半導体製造上の歩留まりの影響や入手可能なウェハサイズの限界等による。このため、製作可能な検出面積の検出器モジュールを作製し、それを複数並べることにより、必要となる検出面積を確保する方法が採られる。

ハイブリッド方式の検出器では、通常、検出素子と読み出し回路がバンプ接続されており、バンプを形成する半田ボールの大きさも微小である。したがって、検出器は衝撃に弱い。また、検出素子面に傷があれば正確な検出ができないため、検出素子面自体も傷等の生じる扱いは避ける必要がある。また、たとえば読み出し回路にはワイヤボンディングが施される場合もあることから、検出部分に対する組み立て時の取り回しには、特別の注意を払う必要がある。

このようなハイブリッド方式の検出器として、特許文献１には、Ｘ線検出モジュールがフレームによって保持された検出器が開示されている。そのフレームには、検出領域の平面度の確保および個々のモジュールの配置について、相対位置を確保するために等間隔のレールが設けられている。また、特許文献２には、Ｎ×Ｍ配列のフォト検出ダイオードと読み出しユニットセルからなる、センサモジュールと、それらモジュールがＶ×Ｗ配列に配されたイメージング・デバイスについて言及されている。

米国特許出願公開第２００９／０２１８５００号明細書米国特許７５１４６８８号明細書

しかしながら、特許文献１記載のフレーム上に検出モジュールをｎ×ｍ個、配置しようとすると、作業負担が大きくなる。例えば、最上端の角をなすモジュールから取り付ける場合、隣接するモジュールをひとつずつ、位置合わせしつつ取り付けなければならなくなる。

また、中央に位置するモジュールを交換する場合、そのモジュールのみを取り外すということはできない。端から取り外しを始めて一旦多数のモジュールを取り外した上で、目的とするモジュールを取り外さなければならない。この場合も、当然取り外し交換後は、改めて他のモジュールを位置合わせしながら取り付けていかなければならない。

特許文献２記載の検出器でも、上記の問題は解消しない。特許文献２には、各モジュールの具体的な取り付け方法が明記されていない。このように、既存技術では、最初のｎ×ｍ配列および取り付け、配列後の任意のモジュールの取り外しおよび再取り付け等を行う場合、著しくその作業性が悪くなる。

一方、このような検出モジュールにおける検出領域は半導体のフォトダイオード面であり、通常は検出用の電界を印加するためにメタル蒸着が施されている。蒸着に用いられる典型的な金属にはアルミニウムがある。フォトダイオード自体が薄く（典型的には数百μｍ）、機械的ストレスには弱い。また、フォトダイオードと読み出し素子との間ではバンプ接続が行われることがあるが、この場合の個々のバンプ自体は微小であり（典型的には数十μｍ）、同じく機械的ストレスには弱い。

このような事情から、検出領域から読み出し素子に至る部分の取り扱いには十分な注意を要する。上記の特許文献記載の検出器では、モジュールの検出面を取り付け作業中に保護する対策や、モジュール同士を接触させることによって生じる破損、故障を避けるための機構上の対策は何らとられていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、破損のおそれを低減しつつ、モジュールの取付け、交換作業を容易にするＸ線検出器を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係るＸ線検出器は、モジュールごとにＸ線画像データを検出するＸ線検出器であって、Ｘ線を検出する検出デバイスの裏面に凸状フレームが設けられた検出モジュールと、前記凸状フレームに嵌合し、前記検出デバイスを着脱可能に支持するガイドフレームと、を備え、前記ガイドフレームは、前記嵌合により、前記ガイドフレームに対する前記検出デバイスの位置を固定することを特徴としている。

これにより、ガイドフレームに凸状フレームを嵌合させることで、正確かつ容易に検出モジュールの取り付け、取り外しができる。すなわち、既に収容されている隣接する検出モジュールに対して、その間の隙間を最小限としつつ、互いに干渉することなく、新たに検出モジュールをガイドフレームに取り付けることができ、取り外しの際にも隣接する検出モジュールへの干渉を防止できる。また、任意の位置の検出モジュールを、容易に抜き差しできる。

（２）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記ガイドフレームが、前記凸状フレームに嵌合する窓孔を有し、前記窓孔には前記凸状フレームをスライド可能に保持するガイド溝が形成されていることを特徴としている。これにより、窓孔のガイド溝にそって凸状フレームをスライドさせることで、容易かつ正確に検出モジュールの取り付け、取り外しができる。

（３）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記凸状フレームおよび前記ガイド溝が、前記検出デバイスを検出面に垂直な方向にスライドさせ、着脱できるように形成されていることを特徴としている。これにより、凸状フレームをガイドフレームに嵌合させ易くなり、検出面の位置決めも容易になる。

（４）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記凸状フレームの一端にハンドル部が形成されていることを特徴としている。これにより、ハンドル部を掴み引き込んだり、押し出したりすることができ、取り扱いに注意を要する検出デバイスへの接触を防止できる。また、引き込む際に力を要する場合にも、容易に対処することができる。

（５）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記検出モジュールが、前記検出デバイスに接続されたフレキシブル配線板により検出信号を伝達することを特徴としている。これにより、多数の画素からなる検出デバイスに対して、多数信号線を接続することが可能となる。

（６）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記フレキシブル配線板が、前記検出デバイスを支持する検出面プレートの主面短手方向の端部を回り込むように折り曲げられていることを特徴としている。これにより、検出面の存在しない不感領域を極力小さくすることができ、効率の高いＸ線検出器を構成することができる。

（７）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記検出モジュールが、前記凸状フレーム上で前記フレキシブル配線板に接続されて設けられ、前記検出デバイスから画像データを読み出す読み出し回路基板を更に有することを特徴としている。これにより、フレキシブル配線板と読み出し回路基板とを高密度の信号配線で接続できる。

（８）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記読み出し回路基板が、コネクタにより前記フレキシブル配線板と接続されていることを特徴としている。これにより、フレキシブル配線板とそれに固定された検出デバイスとを、検出モジュールの他の部分から切り離して、容易に交換できる。

（９）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記読み出し回路基板が、異方導電性フィルムにより前記フレキシブル配線板と接続されていることを特徴としている。これにより、検出デバイスと多数信号線との接続を容易にし、接続部分をコンパクトに構成することができる。

（１０）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記検出デバイスが、フォトダイオードからなる検出素子と読み出し素子からなり、前記検出素子と前記読み出し素子との間がバンプ接続されており、前記読み出し素子と前記フレキシブル配線板との間がワイヤボンディングにより信号接続されていることを特徴としている。これにより、フォトン・カウンティング方式に適した検出デバイスの構成において、検出モジュールの取り付けおよび取り外しが容易になる。

（１１）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記検出モジュールおよび前記ガイドフレームが、取り付け時に対向する位置に位置決め穴を有し、ガイドピンにより位置決めが可能であることを特徴としている。これにより、ガイドピンにより位置決めでき、検出モジュールの取り付け時に簡単な操作で位置決めできる。

（１２）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記検出モジュールおよび前記ガイドフレームが、取り付け時に対向する面の一方にネジ穴を有し、ネジにより位置決めが可能であることを特徴としている。これにより、さらに正確にＸ線検出面を所定位置に合わせることができる。

（１３）また、本発明に係るＸ線検出器は、前記凸状フレームが、矩形板状であり、その両主面に読み出し回路基板が設けられていることを特徴としている。これにより、高密度の信号配線が可能になり、Ｘ線検出の効率を向上できる。

本発明によれば、モジュールごとにＸ線画像データを検出するＸ線検出器について、破損のおそれを低減しつつ、モジュールの取付け、交換作業を容易にする。

本発明に係るＸ線検出器を示す斜視図である。検出モジュールを示す斜視図である。検出モジュールを示す側面図である。検出モジュールとガイドフレームとの結合部分の拡大断面図である。ガイドフレームを示す斜視図である。検出面プレートを示す斜視図である。本発明に係るＸ線検出器の一部を示す斜視図である。検出モジュールを示す拡大側面図である。検出モジュール全体を示す側面図である。本発明に係るＸ線検出器を示す斜視図である。本発明に係るＸ線検出器の一部を示す側面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
（Ｘ線検出器）
図１は、Ｘ線検出器５０を示す斜視図である。Ｘ線検出器５０は、Ｘ線のイメージング用の検出器で、多数の画素を備え、かつ、検出面積の確保、拡張が可能な構造となっている。Ｘ線検出器５０は、たとえばＸ線回折による単結晶構造解析に用いられる。図１に示すように、Ｘ線検出器５０は、検出モジュール７およびガイドフレーム１２を備えており、検出モジュール７ごとにＸ線画像データを検出する。

（検出モジュール）
図２は、検出モジュール７を示す斜視図、図３は、検出モジュールを示す側面図である。検出モジュール７は、検出デバイス１、検出面プレート５、凸状フレーム８、フレキシブル配線板４、読み出し回路基板２０およびハンドル部９を備えている。

検出デバイス１は、シングル・フォトン・カウンティング方式の多数の画素を備えており、Ｘ線を検出し、検出データをデジタル化して保持する。検出面プレート５は、一方の面上に検出デバイス１が固着され、他方の面には矩形板状の凸状フレーム８が設けられている。

検出デバイス１は、フォトダイオードからなる検出素子と読み出し素子からなり、検出素子２と読み出し素子３との間にバンプ接続２２がなされている。読み出し素子３とフレキシブル配線板４との間がワイヤボンディング２３により信号接続されている。これにより、フォトン・カウンティング方式に適した検出デバイス１の構成において、検出モジュール７の取り付けおよび取り外しが容易になる。

フレキシブル配線板４は、検出デバイス１に接続され、検出面プレート５の端部１０を回り込むようにして折り曲げられている。そして、凸状フレーム８に固定され、凸状フレーム８において、読み出し回路基板２０と接続されている。このように接続されたフレキシブル配線板４により検出信号を伝達する。これにより、多数の画素からなる検出デバイスに対して、多数信号線を接続することが可能となる。

フレキシブル配線板４は、検出デバイス１を支持する検出面プレート５の主面短手方向の端部１０を回り込むように折り曲げられている。これにより、デッドスペースを極力小さくすることができ、効率の高いＸ線検出器５０を構成することができる。

読み出し回路基板２０は、検出デバイス１から画像データを読み出す。読み出し回路基板２０は、凸状フレーム８に取り付けられ、検出デバイス１に接続され、データの読み出し、制御を行う。このようにして、フレキシブル配線板４と読み出し回路基板２０とを高密度の信号配線で接続できる。

読み出し回路基板２０は、接続部２１によりフレキシブル配線板４と接続されている。接続部２１は、コネクタで形成することができる。その場合、フレキシブル配線板４とそれに固定された検出デバイス１とを、検出モジュール７の他の部分から切り離して、容易に交換できる。接続部２１は、異方導電性フィルムにより形成されていてもよい。異方導電性フィルムを用いれば、検出デバイスと多数信号線との接続を容易にし、接続部分をコンパクトに構成することができる。

ハンドル部９は、凸状フレーム８の一端に形成されている。これにより、ハンドル部９を掴み引き込んだり、押し出したりすることができ、取り扱いに注意を要する検出デバイス１への接触を防止できる。

（ガイドフレーム）
複数のガイドフレーム１２は、互いの相対位置を固定され、一体化されて構成されている。ガイドフレーム１２は、図示しない別の構造に対して、位置関係を合せた上で固定される。また、複数ではなく、一体のガイドフレーム１２を構成してもかまわない。ガイドフレーム１２は、凸状フレーム８に嵌合し、検出モジュール７を着脱可能に支持する。そして、ガイドフレーム１２に対する検出デバイス１の位置を固定する。

ガイドフレーム１２は、凸状フレーム８に嵌合する窓孔を有し、窓孔には凸状フレーム８をスライド可能に保持するガイド溝が形成されている。一方、凸状フレーム８は、検出面プレート５に対して、検出面に垂直に設けられ、検出モジュール７を検出面に垂直な方向にスライドさせ、ガイドフレーム１２に着脱できるように形成されている。

凸状フレーム８は、検出モジュール７が差し込まれるガイドフレーム１２への挿入を助けるレールの役割と、検出モジュール７を引き込むためのハンドルの役割を兼ねている。これにより、凸状フレーム８をガイドフレーム１２に嵌合させ易くなり、検出面の位置決めも容易になる。

そして、既に収容されている隣接する検出モジュール７に対して、その間の隙間を最小限としつつ、互いに干渉することなく、新たに検出モジュール７をガイドフレーム１２に取り付けることができる。取り外しの際にも隣接する検出モジュール７への影響を防止できる。また、任意の位置の検出モジュール７を、容易に抜き差しできる。その結果、作業性を向上させるだけでなく、検出モジュール７同士の間隔をできるだけ狭くし、検出のデッドスペースを減少させることができる。

（ガイドピン）
図４は、検出モジュール７とガイドフレーム１２との結合部分の拡大断面図である。図５は、ガイドフレーム１２を示す斜視図である。図６は、検出面プレート５を示す斜視図である。図４に示す例では、検出面プレート５および最前部プレート１１の各々に位置合わせ穴１６、１８が設けられている。そして、ガイドピン１７は、位置合わせ穴１６、１８に位置合わせ固定に用いられている。なお、検出面プレート５の裏面に対向するガイドフレーム１２のうちの最前部プレート１１の当接面１５を機械加工で精度を高くしておくことで各検出モジュールの奥行き方向の精度を向上させることができる。このような方式を取ることにより、検出モジュール７の簡単な抜き差し操作での位置決めが可能となっている。

検出モジュール７およびガイドフレーム１２のうちの最前部プレート１１は、いずれも対向する位置に位置決め穴を有し、ガイドピン１７により位置決めが可能である。これにより、ガイドピン１７により位置決めでき、検出モジュール７の設置時に簡単な操作で位置決めできる。ガイドピンは、Ｘ線検出面の微調整を可能にする調整機能を有していてもよい。これにより、さらに正確にＸ線検出面を所定位置に合わせることができる。

（検出モジュールの取り付け）
図７は、Ｘ線検出器５０の一部を示す斜視図である。図７に示すように、ユーザは、検出モジュール７を、ガイドフレーム１２の窓孔１３を通して、凸状フレーム８をガイド溝１４にはめ込み、ハンドル部９をもってスライドさせながら引き込む。凸状フレーム８と窓孔１３とが嵌合する構造を採ることで、作業途中に検出モジュール７同士が互いに接触することなく、検出モジュール７の取り付けを行える。なお、図７では、検出デバイス１、フレキシブル配線板４、読み出し回路基板２０を省略し、検出モジュール７を収容する態様を簡略化して示している。

また、各検出モジュール７の検出デバイス１には、センサを構成するフォトダイオードや信号を読み出すためのボンディングワイヤが露出しており、センサ部分自体も、微細な半田バンプによるバンプボンディングで接続されている。したがって、検出面を押す、触る、といったことは、一切避けて、検出モジュール７を取り付ける必要がある。ガイドフレーム１２からなる筐体に対して、ユーザがハンドル部９を持ち、各検出モジュール７を引き込んで装着する。

［第２実施形態］
上記の実施形態では、凸状フレーム８の一方の主面のみに読み出し回路基板２０が設けられているが、両方の主面に読み出し回路基板２０が設けられていてもよい。図８は、検出モジュールを示す拡大側面図である。図９は、検出モジュール全体を示す側面図である。フレキシブル配線板４が検出面プレートの両端部１０−１、１０−２を回り込むようにして折り曲げられている。凸状フレーム８の両主面に読み出し回路基板２０が設けられており、フレキシブル配線板４は、接続部２１により読み出し回路基板２０に接続されている。これにより、高密度の信号配線が可能になり、Ｘ線検出の効率を向上できる。

［第３実施形態］
上記の実施形態では、検出モジュール７とガイドフレーム１２との当接面にガイドピン１７を設け、検出モジュール７の位置決めを容易にしているが、調整用のピンを設けて位置決めの微調整を可能にしてもよい。図１０は、Ｘ線検出器６０を示す斜視図である。図１１は、Ｘ線検出器６０の一部を示す側面図である。Ｘ線検出器６０の基本的構成は、Ｘ線検出器５０と同様であるが、Ｘ線検出器６０は、ガイドフレームに固定ネジ３３による位置決め機構と、調整ネジ３４による位置調整機構を有している。

一方、検出面プレート５の裏面には、固定ネジ３３に対向する位置にネジ切り溝を有する穴３２が形成されている。これにより、位置決めを容易に行なえる。検出面プレート５の裏面における調整ネジ３４に対向する位置には穴は形成されておらず、調整ネジ３４を検出面プレート５の裏面に突き当てつつ、検出面の位置を微調整することができる。

すなわち、調整ネジ３４で凸状フレームの先端面３１を押すことで、位置の微調整が可能になり、固定ネジ３３で検出モジュール７を引き込み固定することで、検出モジュール７の正確な位置決めが可能になる。双方のネジの突っ張り合いにより、位置調整が可能で、かつ精度の高い位置決めおよび固定が可能になる。

１検出デバイス
２検出素子
３読み出し素子
４フレキシブル配線板
５検出面プレート
７検出モジュール
８凸状フレーム
９ハンドル部
１０検出面プレートの端部
１０−１、１０−２検出面プレートの両端部
１１最前部プレート
１２ガイドフレーム
１３窓孔
１４ガイド溝
１５当接面
１６、１８位置合わせ穴
１７ガイドピン
２０読み出し回路基板
２１接続部
２２バンプ接続
２３ワイヤボンディング
３３固定ネジ
３４調整ネジ
５０Ｘ線検出器
６０Ｘ線検出器

Claims

モジュールごとにＸ線画像データを検出するＸ線検出器であって、
Ｘ線を検出する検出デバイスの裏面に一端にハンドル部が形成されている凸状フレームが設けられた検出モジュールと、
前記凸状フレームが挿通される窓孔を有し、前記検出デバイスを着脱可能に支持するガイドフレームと、を備え、
前記窓孔には、ユーザが前記ハンドル部を掴んで引き込んだり押し出したりすることで前記検出デバイスを検出面に垂直な方向にスライドさせて着脱できるように、前記凸状フレームをスライド可能に保持するガイド溝が形成され、前記ガイドフレームは、前記ガイドフレームに対する前記挿通された凸状フレームが設けられた検出デバイスの位置を固定することを特徴とするＸ線検出器。
前記検出モジュールは、前記検出デバイスに接続されたフレキシブル配線板により検出信号を伝達することを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。
前記検出デバイスを支持する検出面プレートは矩形板状に形成されており、
前記フレキシブル配線板は、前記検出面プレートの主面短手方向の端部を回り込むように折り曲げられていることを特徴とする請求項２記載のＸ線検出器。
前記検出モジュールは、前記凸状フレーム上で前記フレキシブル配線板に接続されて設けられ、前記検出デバイスから画像データを読み出す読み出し回路基板を更に有することを特徴とする請求項２または請求項３記載のＸ線検出器。
前記読み出し回路基板は、コネクタにより前記フレキシブル配線板と接続されていることを特徴とする請求項４記載のＸ線検出器。
前記読み出し回路基板は、異方導電性フィルムにより前記フレキシブル配線板と接続されていることを特徴とする請求項４記載のＸ線検出器。
前記検出デバイスは、フォトダイオードからなる検出素子と読み出し素子からなり、
前記検出素子と前記読み出し素子との間がバンプ接続されており、
前記読み出し素子と前記フレキシブル配線板との間がワイヤボンディングにより信号接続されていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれかに記載のＸ線検出器。
モジュールごとにＸ線画像データを検出するＸ線検出器であって、
Ｘ線を検出する検出デバイスの裏面に凸状フレームが設けられた検出モジュールと、
前記凸状フレームに嵌合し、前記検出デバイスを着脱可能に支持するガイドフレームと、を備え、
前記検出モジュールおよび前記ガイドフレームは、取り付け時に対向する位置に位置決め穴を有し、ガイドピンにより位置決めが可能であり、前記ガイドフレームは、前記嵌合により、前記ガイドフレームに対する前記検出デバイスの位置を固定することを特徴とするＸ線検出器。
モジュールごとにＸ線画像データを検出するＸ線検出器であって、
Ｘ線を検出する検出デバイスの裏面に凸状フレームが設けられた検出モジュールと、
前記凸状フレームに嵌合し、前記検出デバイスを着脱可能に支持するガイドフレームと、を備え、
前記検出モジュールおよび前記ガイドフレームは、取り付け時に対向する面の一方にネジ穴を有し、ネジにより位置決めが可能であり、前記ガイドフレームは、前記嵌合により、前記ガイドフレームに対する前記検出デバイスの位置を固定することを特徴とするＸ線検出器。
前記凸状フレームは、矩形板状であり、その両主面に読み出し回路基板が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のＸ線検出器。