JP4543108B2

JP4543108B2 - Ｘ線装置

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Publication number: JP4543108B2
Application number: JP2008241049A
Authority: JP
Inventors: 秀郎阿武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2009021259A

Description

この発明は、Ｘ線の放出方向の振れを少なくした回転陽極型Ｘ線管を搭載したＸ線装置に関する。

Ｘ線を利用した検査装置の１つに、集積回路の配線パターンの断線などを検査する装置がある。この装置は、配線パターンが形成された回路基板にＸ線を照射し、回路基板を透過したＸ線の画像をもとに、配線パターンの断線の有無などを検査している。このような断線検査装置の場合、集積回路の配線パターンが微細な構造であるため、実効焦点の小さいＸ線管が用いられる。

実効焦点の小さいＸ線管としては、従来、マイクロフォーカスＸ線管が利用されている。ここで、マイクロフォーカスＸ線管について図９を参照して説明する。

符号５１は、マイクロフォーカスＸ線管を構成する真空外囲器で、真空外囲器５１内に陽極５２が配置されている。陽極５２の先端は円筒部５２ａになっており、円筒部５２ａの一部に開口５２ｂが設けられている。また、円筒部５２ａの内部に、傾斜したＸ線放射面５２ｃが設けられている。そして、円筒部５２ａの開口５２ｂと対向する位置にカソード５３が配置されている。カソード５３の後方にはヒータ５４が設けられ、カソード５３と開口５２ｂとの間に、電子ビームを制御するグリッド５５が配置されている。上記した構成において、ヒータ５４による加熱でカソード５３から電子ビームｅが放出される。電子ビームｅは開口５２ｂを通ってＸ線放射面５２ｃに照射され、Ｘ線放射面５２ｃからＸ線が放出される。放出されたＸ線は外囲器５１の出力窓５１ａを通して外部に出力される。

マイクロフォーカスＸ線管の実効焦点は１０μｍ程度と小さくなっている。しかし、陽極が固定された構造となっているため、大きな出力を得ることができず、Ｘ線の出力に限界がある。したがって、大きな出力のＸ線を短時間に照射する動く被写体の撮影には適していない。

そこで、陽極が固定されたマイクロフォーカスＸ線管の欠点を解決するために、ボールベアリングを利用して陽極を回転させ、かつ、実効焦点の小さいＸ線管を試作し、評価を行った。その結果、従来の回転陽極型Ｘ線管の構造、たとえば、Ｘ線放射面が形成された円盤状回転体と、円盤状回転体を支持する回転体とをそれぞれ独立に加工し、その後、円盤状回転体と回転体とを一体化する構造では、Ｘ線を放出するＸ線放射面と回転体の回転軸との同軸関係が十分に確保できず、陽極の回転に伴って、Ｘ線の放出方向に振れが発生することが判明した。

Ｘ線の放出方向がある角度範囲に振れると、実効焦点が実質的に大きくなり、１０μｍ程度の実効焦点がたとえば３０μｍ程度の大きさになる。このため、従来の回転陽極型Ｘ線管では、集積回路の配線パターンの断線などの検査に必要とされる１０μｍ程度の寸法の実効焦点が得られない。

Ｘ線の放出方向の振れによって、実効焦点が増大する割合は焦点寸法の小さいものほど大きくなる。たとえば、焦点寸法が１００μｍ程度の場合は、ずれは無視できない大きさになる。また、焦点寸法が５０μｍ以下になると、ずれが顕著に現れるようになる。また、長時間にわたって動作するような場合、その平均出力電力は、陽極を水冷する従来の固定陽極型マイクロフォーカスＸ線管に及ばない。

この発明は、上記した欠点を解決するもので、実効焦点の増大を抑えた回転陽極型Ｘ線管を搭載したＸ線装置を提供することを目的とする。

この発明は、被写体を撮影するための微小焦点Ｘ線を放出するＸ線放射面であって、回転体と結合され前記Ｘ線放射面の仕上げ加工が前記Ｘ線放射面と前記回転体とを結合した状態で行われたＸ線放射面、前記回転体と嵌合し前記回転体との間に液体金属潤滑材が供給されるすべり軸受が形成された固定体、および前記Ｘ線放射面、前記回転体、前記固定体をそれぞれ収納する真空外囲器とを有する回転陽極型Ｘ線管と、前記回転体に回転力を与えるための回転磁界を発生するコイルと、前記コイルによる回転磁界の発生を停止し、前記回転体の惰性回転中に前記Ｘ線放射面からＸ線を放出させる制御装置と、を具備することを特徴とする。

実効焦点の増大を抑えた回転陽極型Ｘ線管を搭載したＸ線装置を得ることができる。

この発明の実施形態について、集積回路の配線パターンの断線などを検査する断線検査装置に適用した場合を例にとり図１を参照して説明する。

符号１１は断線検査装置を構成する筐体で、筐体１１の内面に鉛のシールド層１１ａが設けられている。筐体１１内の下方には微小焦点のＸ線を放出するＸ線管１２が配置されている。Ｘ線管１２の上方には被写体、たとえば配線パターンの断線の有無などを検査する回路基板などの被検査物体１３が配置されている。被検査物体１３の上方には、Ｘ線増倍管１４および撮像管１５が順に配置されている。筐体１１の一部には、内部が監視できるようにのぞき窓１６が設けられている。

上記した構成において、制御装置９０によってＸ線管１２を動作させ放出されたＸ線が被検査物体１３に照射される。そして、被検査物体１３を投影したＸ線像はＸ線増倍管１４に入力し、増幅される。Ｘ線増倍管１４で増幅されたＸ線像は、撮像管１５において、被写体を投影し拡大された電気的画像に変換される。また、撮像管１５から出力された電気的画像は受像管（図示せず）などによって可視像に変換され、被検査物体１３の配線パターンの断線などが検査される。

ここで、上記した断線検出装置に使用されるＸ線管１２について、図２ないし図４の断面図を参照して説明する。図２ないし図４では、対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明は一部省略する。

まず、図２で示すように、Ｘ線管の回転部分２０が組み立てられる。符号２１は円盤状回転体で、円盤状回転体２１の上面に、電子ビームの照射によってＸ線を放出するＸ線放射面２２が設けられている。円盤状回転体２１の下面には、放熱効果を高めるために黒化膜２３が形成されている。

Ｘ線放射面２２が設けられた円盤状回転体２１は、回転シャフト２４を介して有底円筒状の回転体２５と機械的に結合される。回転体２５は、たとえば外側円筒２５ａ、中間円筒２５ｂ、有底内側円筒２５ｃの３層構造となっており、中間円筒２５ｂの部分が回転シャフト２４に連結されている。外側円筒２５ａは銅製で、また、中間円筒２５ｂと有底内側円筒２５ｃは複数の突起２６で接触し、両者の間に断熱間隙２７が設けられている。

上記したように、Ｘ線放射面２２などが設けられた円盤状回転体２１と３層構造の回転体２５が回転シャフト２４を介して一体化される。そして、円盤状回転体２１と回転体２５が一体化した状態で、Ｘ線放射面２２の仕上げ加工が行われる。このとき、Ｘ線放射面２２と回転体２５の回転軸とが同軸関係になるように加工される。すなわち、Ｘ線放射面２２が回転した場合に、電子ビームが照射されるＸ線放射面上の環状領域の全体が回転体の回転軸に対して同じ角度になるように加工される。

このような加工により、Ｘ線の放出方向の振れすなわち回転軸の延長方向（図の上下方向）への振れが小さくなる。たとえば、円盤状回転体２１と回転体２５とを個々に加工し、その後、回転シャフト２４によって両者を結合する従来の構造に比較し、Ｘ線放射面２２と回転体２５の回転軸との同軸度が向上する。

次に、図３で示すように、一体化した円盤状回転体２１と回転体２５を用いて、Ｘ線管の回転機構部分３０が組み立てられる。このとき、回転体２５の内部空間に、狭い軸受間隙を保って固定体３１が嵌め込まれる。

なお、固定体３１の側面にはらせん溝３２ａ、３２ｂが形成され、回転体２５との間にラジアル方向の動圧式すべり軸受が形成される。また、固定体３１の上下の端面にもらせん溝３３ａ、３３ｂが形成され、回転体２５との間にスラスト方向の動圧式すべり軸受が形成される。また、固定体３１の中心部分には潤滑剤収容室３４が設けられている。潤滑剤収容室３４には液体金属潤滑剤が収納される。また、潤滑剤収容室３４と動圧式すべり軸受との間に通路３５が設けられ、潤滑剤収容室３４に収納された液体金属潤滑剤が通路３５を通して動圧式すべり軸受に供給されるようになっている。回転体２５の下端部は封止体３６で封止されている。

次に、図４で示すように、Ｘ線管の回転機構部分を真空外囲器に収納し、回転陽極型Ｘ線管を組み立てる。

符号４１はＸ線管を構成する真空外囲器で、真空外囲器４１は、径が大きい径大部４１ａと径が小さい径小部４１ｂから構成されている。また、径大部４１ａの一部に出力窓４２が設けられている。そして、径大部４１ａに円盤状回転体２１が位置し、また、径小部４１ｂに、回転体２５と固定体３１の嵌合部分が位置するように、回転機構部分（図３）が収納される。また、円盤状回転体２１のＸ線放射面２２と対向する位置に陰極４３が配置される。

この場合、固定体３１の端部は、補助金属リング４４および金属シーリング４５によって径小部４１ｂに封着される。また、径小部４１ｂの外側には、回転磁界を発生するコイル４６が配置される。

上記した構成の回転陽極型Ｘ線管を動作させる場合、円盤状回転体２１などで構成される陽極に高電圧を印加する。また、コイル４６に電流を流し回転磁界を発生させる。この回転磁界によって回転体２５が回転する。回転体２５の回転で、円盤状回転体２１が回転し、Ｘ線放射面２２が回転する。回転体２５はコイル４６により回転駆動された後、コイル動作を停止させ惰性回転にする。この状態で、陰極４３から電子ビームがＸ線放射面２２に照射され、Ｘ線放射面２２からＸ線が放出される。放出されたＸ線は出力窓４２を通して外部に出力される。

上記した構成によれば、円盤状回転体２１と回転体２５とを一体化した後に、Ｘ線放射面２２と回転体２５の回転軸とが同軸関係になるように、円盤状回転体２１上のＸ線放射面２２を仕上げ加工している。したがって、Ｘ線放射面２２と回転体２５の回転軸との間に良好な同軸関係が得られる。さらに惰性回転させてＸ線を発生させる。

このため、陽極が回転しても、放出されるＸ線の振れが小さくなる。その結果、出力窓４２側から見た実質的な焦点、いわゆる実効焦点の小さいＸ線管が実現される。また、陽極が回転する構造であるため、大きい出力を得ることができ、大きい出力を用いて短時間に撮影する動く被写体の撮影などに有効となる。

たとえば、Ｘ線を放出するＸ線放射面上の実効焦点が、縦方向および横方向の寸法がそれぞれ１００μｍ以下の大きさの場合でも、実効焦点の増大は小さくなっている。また、回転体と固定体との嵌合部分を動圧式すべり軸受で構成した場合は、Ｘ線放射面上の実効焦点が、縦方向および横方向の寸法がそれぞれ５０μｍ以下の大きさでも、実効焦点の増大は小さく抑えられる。

次に、断線検出装置などに使用されるＸ線管１２のもう１つの例について、図５ないし図７の断面図を参照して説明する。図５ないし図７では、対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明は一部省略する。

まず、図５で示すような構造のＸ線管の回転部分６１が組み立てられる。回転部分６１は、たとえば、陽極ターゲット部分６２と有底円筒部分６３とが一体に直接結合されている。陽極ターゲット部分６２の上面は、中央が平坦でその周辺が斜面になっている。そして、陽極ターゲット部分６２の斜面に、電子ビームの照射によってＸ線を放出するＸ線放射面６２ａが設けられている。また、有底円筒部分６３の外周側壁部分には、銅製の外側円筒６４が取り付けられている。

そして、陽極ターゲット部分６２と有底円筒部分６３が一体化した状態で、Ｘ線放射面６２ａの仕上げ加工が行われる。このとき、Ｘ線放射面６２ａと有底円筒部分６３の回転軸とが同軸関係になるように加工される。たとえば、Ｘ線放射面６２ａが回転した場合に、電子ビームが照射されるＸ線放射面６２ａ上の環状領域の全体が有底円筒部分６３の回転軸ｍ−ｍに対して同じ角度になるように加工される。このような加工により、Ｘ線の放出方向の振れすなわち回転軸ｍ−ｍの延長方向（図の上下方向）への振れが小さくなる。したがって、Ｘ線放射面を加工した後に、陽極ターゲット部分と有底円筒部分とを回転シャフトなどで結合する従来の構造に比較し、Ｘ線放射面と回転軸ｍ−ｍとの同軸度が向上する。

次に、図６で示すように、陽極ターゲット部分６２と有底円筒部分６３とを一体化した回転部分６１を用いて、Ｘ線管の回転機構部分７１が組み立てられる。このとき、有底円筒部分６３の内部空間に、狭い軸受間隙を保って固定体７２が嵌め込まれる。固定体７２は有底円筒状で、内部に円柱状の空間７２ａが設けられている。また、有底円筒部分６３の下端部は封止体７３で封止される。

固定体７２の側面部分には、たとえば上下の２か所にそれぞれらせん溝７３ａ、７３ｂが対に設けられ、有底円筒部分６３との間にラジアル方向の動圧式すべり軸受が形成されている。また、固定体７２の上の端面や封止体７３にらせん溝７４ａ、７４ｂが設けられ、スラスト方向の動圧式すべり軸受が形成される。

次に、図７で示すように、Ｘ線管の回転機構部分７１を真空外囲器に収納し、回転陽極型Ｘ線管に組み立てられる。符号８１はＸ線管を構成する真空外囲器で、真空外囲器８１は、径が大きい径大部８１ａと径が小さい径小部８１ｂから構成されている。また、径大部８１ａの一部に出力窓８２が設けられている。そして、径大部８１ａに陽極ターゲット部分６２が位置し、また、径小部８１ｂに、回転部分６１と固定体７２の嵌合部分が位置するように、回転機構部分７１（図６）が収納される。また、陽極ターゲット部分６２のＸ線放射面６２ａと対向する位置に陰極８３が配置される。

この場合、固定体７２の端部７２ｂは、補助金属リング８４および金属シーリング８５によって径小部８１ｂに封着される。また、径小部８１ｂの外側には、回転磁界を発生するコイル８６が配置される。そして、固定体７２内部の空間７２ａには、冷却路を形成するための円筒部材８７が配置されている。円筒部材８７の図の下方端部は真空外囲器８１の外まで伸びている。そして、円筒部材８７下端の中央部分から矢印Ｙ１方向に冷却媒体、たとえば冷却水が導入される。冷却水は上方に進み、上端では矢印Ｙ２方向に沿い、円筒部材８７と固定体７２との間隙に入り、矢印Ｙ３方向に導出される。

上記した構成の回転陽極型Ｘ線管を動作させる場合、制御装置９０により陽極ターゲット部分６２などで構成される陽極に高電圧を印加する。また、コイル８６に電流を流し回転磁界を発生させる。この回転磁界によって回転部分６１が回転する。回転部分６１の回転で、陽極ターゲット部分６２が回転し、Ｘ線放射面６２ａが回転する。この状態で、陰極８３から電子ビームがＸ線放射面６２ａに照射され、Ｘ線放射面６２ａからＸ線が放出される。放出されたＸ線は出力窓８２を通して外部に出力される。

上記した構成によれば、Ｘ線放射面６２ａが形成された陽極ターゲット部分６２と有底円筒部分６３とを一体化した後に、Ｘ線放射面６２ａと回転部分６１の回転軸ｍ−ｍとが同軸関係になるように、Ｘ線放射面６２ａを仕上げ加工している。したがって、Ｘ線放射面６２ａと回転部分６１の回転軸ｍ−ｍとの間に良好な同軸関係が得られる。

このため、Ｘ線放射面６２ａが回転しても、放出されるＸ線の振れが小さくなる。その結果、出力窓８２側から見た実質的な焦点、いわゆる実効焦点の小さいＸ線管が実現される。また、Ｘ線放射面６２ａなど陽極が回転する構造であるため、大きい出力を得ることができる。したがって、大きい出力を用いて短時間に撮影を行う動く被写体の撮影などに有効となる。

また、陽極が回転する構造であるため、最大出力が大きくなる。このため、大きな出力を必要とする動く被写体の撮影や、微細な構造を拡大撮影する場合に有効である。たとえば、集積回路の配線パターンの断線の有無をインラインで検査する断線検査装置に適している。

また、Ｘ線放射面の熱は液体金属潤滑材を介して固定体に伝わり、固定体内部を流れる冷却媒体によって放熱される。このため、長い時間動作させる場合でも、実用上必要とされる平均出力を得ることができる。

次に、断線検出装置に使用されるＸ線管１２（図１）のもう１つの例について、図８を参照して説明する。図８では、図５〜図７に対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明は一部省略する。

この実施形態は、図５〜図７の実施形態と比較した場合、回転部分６１の上面中央の平坦部が広く形成され、そして、その周辺に位置する環状の斜面にＸ線放射面６２ａが一体に直接設けられている。また、Ｘ線放射面６２ａと回転軸ｍ−ｍとの角度θは図５〜図７の実施形態の場合よりも小さくなっている。たとえば、角度θは４５°以下にしている。そして、Ｘ線放射面６２ａに対し、その回転軸ｍ−ｍ方向に出力窓８２が設けられ、また、その回転軸ｍ−ｍにほぼ直交する方向に陰極８３が配置されている。

この場合、陰極８３から放出された電子ビームは回転軸ｍ−ｍにほぼ直交する方向に進み、Ｘ線放射面６２ａに照射される。そして、Ｘ線放射面６２ａからＸ線が放出され、放出されたＸ線は出力窓８２を通して外部に出力される。

図８の実施形態の場合、Ｘ線放射面６２ａと出力窓８２との距離を小さくできる。したがって、Ｘ線放射面６２ａ上の焦点と被写体との距離を近づけることができ、より拡大された高精細なＸ線透過像を得ることができる。

なお、上記した各実施形態では、Ｘ線放射面がＸ線を放出する際に、コイルに電流を流して回転磁界を発生させ回転部分に回転力を与えている。このコイルにスイッチ回路を接続し、たとえば、Ｘ線を放出する期間の少なくとも一部の期間でスイッチ回路を開放状態とし、コイルに流す電流を遮断し、Ｘ線放射面など回転部分が惰性で回転させる。この場合、回転磁界による影響がないため、Ｘ線の放出方向の振れが少なくなり、より小さい実効焦点を実現できる。

また、コイルに流す電流を遮断し、コイルによる回転磁界の発生を停止させると、回転部分の回転力が次第に低下する。そのため、回転部分の回転力がある値以下に低下した場合に、再度、コイルに電流を流し、回転部分の回転力が上昇するように制御する。このような制御が順次、繰り返され、たとえばコイルによる回転磁界の発生が停止している期間にＸ線放射面からＸ線が放出される。

なお、上記した実施形態では、動圧式すべり軸受を形成するために固定体にらせん溝を形成している。しかし、回転体の方にらせん溝を形成してもよく、あるいは、回転体と固定体の双方にらせん溝を形成してもよい。

上記したように、本発明によれば、Ｘ線の放出方向の振れが少ない回転陽極型Ｘ線管を実現できる。また、陽極が回転する構造であるため、大きな出力が得られる。このため、大きな出力を必要とする動く被写体や微細な構造の撮影に有効で、たとえば集積回路の配線パターンの断線などを検査する断線検査装置に適している。また、固定体の内部空間に冷却装置を設けた場合には、Ｘ線放射面の熱を容易に放出でき、平均出力電力が増大する。

本発明が適用される断線検査装置を説明するための概略の構造図である。本発明の実施形態を説明するための概略の構造図で、回転部分を示している。本発明の実施形態を説明するための概略の構造図で、回転機構部分を示している。本発明の実施形態を説明するための概略の構造図で、Ｘ線装置に組み立てられた状態を示している。本発明の他の実施形態を説明するための概略の構造図で、回転部分を示している。本発明の他の実施形態を説明するための概略の構造図で、回転機構部分を示している。本発明の他の実施形態を説明するための概略の構造図で、Ｘ線装置に組み立てられた状態を示している。本発明の他の実施形態を説明するための概略の構造図で、Ｘ線装置に組み立てられた状態を示している。従来例を説明するための概略の構造図である。

符号の説明

２１…円盤状回転体
２２…Ｘ線放射面
２３…黒化膜
２４…回転シャフト
２５…回転体
３１…固定体
４１…真空外囲器
４２…出力窓
４３…陰極
４６…コイル
９０…制御装置

Claims

被写体を撮影するための微小焦点Ｘ線を放出するＸ線放射面であって、回転体と結合され前記Ｘ線放射面の仕上げ加工が前記Ｘ線放射面と前記回転体とを結合した状態で行われたＸ線放射面、前記回転体と嵌合し前記回転体との間に液体金属潤滑材が供給されるすべり軸受が形成された固定体、および前記Ｘ線放射面、前記回転体、前記固定体をそれぞれ収納する真空外囲器とを有する回転陽極型Ｘ線管と、
前記回転体に回転力を与えるための回転磁界を発生するコイルと、
前記コイルによる回転磁界の発生を停止し、前記回転体の惰性回転中に前記Ｘ線放射面からＸ線を放出させる制御装置と、
を具備することを特徴とするＸ線装置。
前記制御装置は前記コイルによる回転磁界の発生とコイルによる回転磁界の発生の停止とを繰り返し、前記回転体の惰性回転中に前記Ｘ線放射面からＸ線を放出させることを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
前記Ｘ線放射面がＸ線を放出する期間の少なくとも一部の期間に前記コイルの回転磁界の発生を停止させる制御手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。