高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法
【課題】 １０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能な高周波伝送用ロータリージョイントを提供する。
【解決手段】 本発明の高周波ロータリージョイントは、内部に高周波伝送用の中空の導波路１２ｂ、１４ｂを有する一対の導波管１２、１４が同軸の軸心Ｚを中心に互いに回転可能に接続されてなり、一対の導波管のうち一方の導波管１３の円筒部１６が軸方向に直列に配列される複数のブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃで構成された高周波伝送用ロータリージョイントである。各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの継ぎ目位置は、導波管１２の円筒部１６内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａ及びその近傍を回避した位置となっている。また、この継ぎ目位置は、高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置Ｂ又はその近傍に位置している。
【解決手段】 本発明の高周波ロータリージョイントは、内部に高周波伝送用の中空の導波路１２ｂ、１４ｂを有する一対の導波管１２、１４が同軸の軸心Ｚを中心に互いに回転可能に接続されてなり、一対の導波管のうち一方の導波管１３の円筒部１６が軸方向に直列に配列される複数のブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃで構成された高周波伝送用ロータリージョイントである。各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの継ぎ目位置は、導波管１２の円筒部１６内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａ及びその近傍を回避した位置となっている。また、この継ぎ目位置は、高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置Ｂ又はその近傍に位置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントに関し、さらに詳しくは、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送するのに好適な高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンやクライストロンで発生したマイクロ波を用いた放射線治療装置として、例えば、下記特許文献１が開示されている。
【０００３】
特許文献１の放射線治療装置は、図５に示すように、電子銃、線形加速器及びターゲットを有する照射ヘッド５１と、この照射ヘッドを予め定めた球面座標上で支持しかつ移動させる支持移動機構５２と、床に設置されるマイクロ波発振器５３と、一端部がマイクロ波発振器に電磁気的に接続され他端部が線形加速器に電磁気的に接続される導波管部５４と、照射ヘッド内に位置する導波管部に設けられるＲＦ窓とを具備するものである。
【０００４】
またこのような放射線治療装置において、各導波管部５４は金属製の中空管であることから、複数の導波管部を回転可能にかつ電磁気的に接続するために、ロータリージョイントが用いられる。このロータリージョイント（特許文献１におけるロータリＲＦカプラ）は、図６に示すように、導波管５４の導波路はロータリージョイント５６の回転部材に取り囲まれた回転スペース５７ａ，５７ｂに連通し、この中を管内モード２ａ（２ｂ）でマイクロ波が導かれるようになっている。なお、この図において、５８は軸受を示し、５９はλ／４波長チョークを示す。このようなロータリージョイント５６と導波管部５４との組み合わせにより、床等に固定されたクライストロン等の加速マイクロ波源から移動する照射ヘッドへ加速用のマイクロ波を円滑に供給することができる。
【０００５】
近年、高周波機器における技術動向は大電力で小型の方向に向かっており、１０ＭＷクラスの大電力の高周波を伝送可能な機器が望まれている。一般的な高周波機構では、その伝送するマイクロ波の周波数帯域が広いため、数１０ＭＨｚレベルで共振周波数を合わせ込む必要はない。しかし、大電力の高周波を伝送するような高周波機構においては、導波路内での放電を防ぐために、表面電界強度を小さくする形状・寸法を採用する必要があり、それにより伝送する周波数帯域が、２０ＭＨｚ程度まで狭くなってしまう場合がある。さらに、ロータリージョイントの場合には、回転機構に起因する共振周波数の変動が３０ＭＨｚ程度ある。このため、ロータリージョイントの共振周波数を運転周波数に極力近づける必要がある。
【０００６】
そこで、本出願人は、特願２００４−１６７９８１号において、実用性が高く、低コストで、かつ簡単に所望の共振周波数に調整することが可能な高周波伝送用ロータリージョイントを出願した。図７はこのロータリージョイントの断面図であり、１対の導波管７１、７２のうち一方の導波管７１の円筒部７３は、軸方向に直列に配列される３つのブロック７３ａ、７３ｂ、７３ｃから構成されており、そのうちの軸方向中間部に位置するブロック７３ｂは周波数調整用ディスクであり、この周波数調整ディスク７３ｂの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。かかる構成により、共振周波数の微調整が可能となるとともに、導波管の一構成部分に周波数調整機構を組み込んだので、ロータリージョイントに周波数調整機構を別途設ける必要がなく、低コストで共振周波数を調整することができる等の作用効果を奏するものとなっている。
【０００７】
ところで、従来のロータリージョイントは、可動部における電気的接触部での放電（スパーク）が問題となっており、これに関連して下記特許文献２が開示されている。特許文献２の「ロータリージョイント」は、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止することを目的の一つとし、図８に示すように、導電性部材からなるグランド板８１と、このグランド板８１に垂直に立設されキャビティ回転用の中心軸線となる第１モノポールアンテナ８２と、この第１モノポールアンテナ８２の周囲に回転自在に配設されかつグランド板８１の上方に保持された導電性部材からなる有頭筒状のキャビティ８５と、このキャビティ８５の頭部カバー８４に垂設され、第１モノポールアンテナ８２と平行な第２モノポールアンテナ８６とを備えている。かかる構成により、アンテナ間を広い寸法に設定して高周波電力を伝達させ、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１７５１１７号公報
【特許文献２】特開平１０−１６３７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これまで、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントは無かったことから、導波管内での放電の問題は少なかった。しかしながら、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントにあっては、単位体積あたりの投入エネルギーが非常に大きくなるため、導波管内での放電が問題となってくる。
【００１０】
本出願人が特願２００４−１６７９８１号で提案した高周波伝送用ロータリージョイントにあっては、導波管の円筒部を複数の部品で構成し、これらをロウ付け等で接合して製作するものであり、各構成部品の内径は、各部品の継ぎ目（接合部）に段差を生じないように設計されている。しかしながら、実際上は、加工精度等に起因する機械的な寸法誤差により各部品の継ぎ目には微視的には段差が生じ、完全に平坦とはならない。このため、この段差部が導波管内の高電場に位置した場合、あるいは比較的低電場に位置した場合でも段差部で放電する可能性があるという問題が生じる。一方、上記特許文献２の技術は、可動部における電気的接触部での放電を防止するものであり、かかる問題を解決するものではなかった。
【００１１】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数の構成部品を接合してなる導波管を有するロータリージョイントにおいて、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも安定したマイクロ波の伝送を可能とする高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の高周波伝送用ロータリージョイントは、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントであって、前記複数のブロックの継ぎ目位置は、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置となっている、ことを特徴としている（請求項１）。
【００１３】
また、上記本発明において、好ましくは、前記複数のブロックの継ぎ目位置は、前記高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置又はその近傍に位置している（請求項２）。
【００１４】
また、上記本発明において、好ましくは、前記ブロックの数は３つであり、軸方向中間部のブロックとその両側のブロックとの継ぎ目位置は、共に、高電場位置間に位置している（請求項３）。
【００１５】
また、本発明の高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法は、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法であって、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置と該高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置を求める工程と、前記複数のブロックの継ぎ目位置が、高電場位置及びその近傍を回避し且つ低電場位置又はその近傍に位置するように各ブロックを製作する工程とを含む、ことを特徴としている（請求項４）。
【発明の効果】
【００１６】
ピークパワーが１０ＭＷクラスで周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波を伝送するロータリージョイントでは、放電限界となる電場（約１０ＭＶ／ｍ）近くの電場が導波管内に発生する。最大電場、この最大電場に次ぐ高電場、電場がほぼゼロに近い低電場（最低電場）の位置はそれぞれ導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、この位置は、導波管の軸方向に周期的に現れる。そして、この高電場位置、低電場位置は導波管内の電場解析を行うことにより求めることができる。そこで、本発明では、導波管の各ブロックの継ぎ目位置を、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置とする。これにより、各ブロックの継ぎ目位置が、放電を生じる可能性のある高電場位置にくることがないので、導波管内での放電の可能性を低くすることができる。また、継ぎ目位置を、低電場位置又はその近傍に位置付けるようにすれば、さらに放電しにくくなるため、導波管内での放電を一層有効に防止することができる。
【００１７】
つまり、本発明によれば、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るロータリージョイントの断面図である。このロータリージョイントは、マグネトロンやクライストロンで発生した大電力（例えば１０ＭＷ）で約１１ＧＨｚの高周波を伝送するために用いる。
【００２０】
同図に示すように、このロータリージョイントは、一対の導波管１２、１４と、回転支持部２０と、１／４波長チョーク３０とを備えている。一対の導波管１２、１４は、その端面が一定の隙間１５を隔てて直列に、かつ、回転支持部２０によって同心の軸心Ｚ−Ｚを中心に互いに相対的に回転可能に接続されている。
【００２１】
この導波管１２、１４は、内部にマグネトロンやクライストロンで発生した高周波を伝送するための中空の導波路１２ｂ、１４ｂを有し、内部に断面円形の導波路を形成する中空円筒形の円筒部１６と、円筒部１６の端部を閉じる端板１７と、円筒部１６と端板１７に連結されその軸方向が円筒部１６の軸方向と直角方向を向き内部に断面矩形の導波路を形成する矩形部１８とから構成されている。
【００２２】
回転支持部２０は、一方の導波管１２に嵌合する円筒形の補強ピース２１と、補強ピース２１の外周部に嵌合する軸受２２と、これらを覆う軸受ハウジング２３とから構成され、これにより、一対の導波管１２、１４の相対的回転を支持している。なお、補強ピース２１と軸受ハウジング２３の間にはガスシール２４が介装され、これにより絶縁媒体として導波管内に封入したガスが隙間１５から漏れるのを防止している。
【００２３】
ここで、ＳＦ６（６フッ化硫黄）は、電子を付着して負イオンになりやすい負性気体の１つで、ガス絶縁方式の絶縁媒体として特に適しており、大気絶縁と比較して高絶縁耐力を有するために機器の小型化が可能になるという特徴がある。また、ＳＦ６ガスの絶縁耐力（交流放電電圧）は、大気圧よりも加圧するほど高まることが知られている。そこで、絶縁媒体として導波管内に封入するガスとしては、加圧したＳＦ６ガスを用いることが好ましい。
【００２４】
１／４波長チョーク３０は、断面コ字型の空間が周方向に延びて形成されており、このチョーク構造により、回転支持部２０側への高周波漏れを低減している。
【００２５】
図２は、図１において回転支持部２０を除いた状態の断面図である。この図に示すように、導波管１２の円筒部１６は、軸方向に配列される３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃから構成されている。この３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうち軸方向中間部（図で中央部）に位置するブロック１６ｂは、周波数調整用ディスクであり、この周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。ロータリージョイントの共振周波数は、導波管の内径や長さなど体積によって調整することができるので、この周波数調整ディスク１６ｂの厚さを調整することで、導波管の長さLを調整し、共振周波数調整を行う。また、後述するように、ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの継ぎ目位置は、導波管１２、１４の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置で、かつ、高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置又はその近傍に位置している。
【００２６】
次に、このロータリージョイントの製造方法について説明する。
【００２７】
図３は、ロータリージョイントの電場解析の結果を示すものである。この図は、図１、図２における軸心Ｚより上側の導波路内の電場を示しているが、下側の電場は軸心Ｚを中心に対称に現れる。なお、電場と導波管との位置関係を明確にするため、一対の導波管１２、１４の円筒部１６を点線で示している。図中Ｌは、図１、図２における導波管の長さＬを意味する。同図に示すように、導波管１２、１４の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に電場が高くなる高電場位置Ａが現れ、この高電場位置Ａの間に電場がほぼゼロとなる低電場位置Ｂが現れることが分かる。この高電場位置Ａ、低電場位置Ｂは、導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、高電場位置Ａは高周波の波長λに相当するピッチで周期的に現れる。なお、導波路内の最高電場（約１０ＭＶ／ｍ）は図中Ｃ点で発生するため、高電場位置Ａにおける電場は最高電場より低い値となる。そこで、まず、製作予定のロータリージョイントと同一寸法のロータリージョイントを用いて導波管内の電場解析を行い、高電場位置Ａと低電場位置Ｂを求める。
【００２８】
次に、ロータリージョイントを構成する各構成部品を製作する。また、一対の導波管のうちいずれか一方の導波管（この例では左側）は、軸方向に直列に配列される３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃで構成されるものとし、このうち軸方向中間部となるブロック１６ｂを周波数調整用ディスクとする。このとき、３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの軸方向の厚さは、各ブロックの継ぎ目位置が電場解析により求めた高電場位置Ａ及びその近傍を回避した位置で、好ましくは、低電場位置Ｂ又はその近傍に位置するように設定しておく。これにより、各ブロックの継ぎ目位置が、放電を生じる可能性のある高電場位置Ａにくることがないので、導波管内での放電の可能性を低くすることができる。また、継ぎ目位置を、低電場位置Ｂはその近傍に位置付けるようにすれば、さらに放電しにくくなるため、導波管内での放電を一層有効に防止することができる。なお、後述するように、周波数調整用ディスク１６ｂは、共振周波数の微調整のために切削等により厚さｂが変化するため、この厚さ変化分をある程度考慮して厚さを決定することが好ましい。
【００２９】
この例のように、導波管１２の円筒部が３つのブロックからなる場合、これらの間で継ぎ目が２箇所でき、この継ぎ目が共に、高電場位置間に位置するように設定する必要がある。ところが、一方の継ぎ目位置を低電場位置Ｂに一致させると他方の継ぎ目位置をこの低電場位置Ｂに一致させることができなくなる。そこで、周波数調整用ディスク１６ｂの厚さｂは、少なくとも高周波の波長λに相当する長さより薄く、取り扱いに支障を来たさない範囲で出来る限り薄く設定した上で、周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向中央部が低電場位置Ｂにくるようにすることが好ましい。なお、周波数１０ＧＨｚの高周波では、波長λは約３ｃｍとなるため、高電場位置Ａの現れるピッチ、すなわち高電場位置間の距離は約３ｃｍとなる。
【００３０】
また、各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの内周部の継ぎ目に段差が生じないように、各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、内径が同一寸法となるように製作する。このような段差が生じると、共振周波数に影響を与え所望の共振周波数に調整することが困難となるからである。
【００３１】
次いで、周波数調整用ディスク１６ｂを他の２つのブロック１６ａ、１６ｃで挟み込み、仮組み状態で図１のようなロータリージョイントを構成する。次に、このロータリージョイント１０の共振周波数を測定する。この測定には、例えば、低電力高周波を発振する測定器を用いることができる。そして、この測定結果に基づいて、周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを所望の共振周波数となるように切削等により微調整する。
【００３２】
ここで、図４は、周波数調整用ディスク１６ｂの厚さと共振周波数の関係（測定値）の一例を示すものであり、横軸にディスク厚をとり、縦軸に共振周波数をとっている。また、この例の運転条件は、運転温度：２０℃、絶縁ガス：ＳＦ６、圧力：０．３ＭＰａ、比誘電率ε：１．００６１２（見積）である。図４から、周波数調整用ディスクの厚さと共振周波数とは一定の関係を有していることが分かる。したがって、周波数調整ディスク用の厚さは解析からある程度見積もることができる。これにより、ディスクの修正加工による調整は一回程度の少ない回数で済ませることができる。なお、この例では、周波数の変化量は、４０ＭＨｚ／ｍｍであった。
【００３３】
このように周波数調整用ディスク１６ｂの厚さを調整し、所望の共振周波数に調整したならば、最終工程のロウ付けを実施し、周波数調整用ディスク１６ｂと他のブロック１６ａ、１６ｂ、および他の部品を接合し、ロータリージョイントを完成させる。
【００３４】
なお、上述した実施形態では、導波管の円筒部は３つのブロックからなるものを説明したが、本発明はこれに限定されず、導波管の円筒部が２つのブロックからなるものである場合にも同様に適用することができる。つまり、周波数調整用ディスクをもたないが、導波管の加工等の容易性を考慮して、導波管の円筒部を２つのブロックからなる構成とした場合にも同様に適用でき、この場合、継ぎ目は１箇所となるから、この継ぎ目位置が低電場位置Ｂにくるように各ブロックの厚さを設定すればよい。
【００３５】
このように、本発明によれば、導波管１２の各ブロックの継ぎ目位置を、導波管１２の円筒部１６内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａ及びその近傍を回避した位置とするので、各ブロックの継ぎ目位置が、放電を生じる可能性のある高電場位置Ａにくることがなく、これにより、導波管１２内での放電の可能性を低くすることができる。また、継ぎ目位置を、低電場位置Ｂ又はその近傍に位置付けるようにすれば、さらに放電しにくくなるため、導波管１２内での放電を一層有効に防止することができる。つまり、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る高周波伝送用ロータリージョイントの断面図である。
【図２】図１に示す導波管の断面図である。
【図３】ロータリージョイントの電場解析の結果を示す図である。
【図４】周波数調整用ディスクの厚さと共振周波数の関係を示す図である。
【図５】特許文献１の「放射線治療装置」の全体模式図である。
【図６】特許文献１の「ロータリＲＦカプラ」の説明図である。
【図７】特願２００４−１６７９８１の「高周波伝送用ロータリージョイント」の構成図である。
【図８】特許文献２の「ロータリージョイント」の構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１２、１４ 導波管
１２ｂ、１４ｂ 導波路
１５ 隙間
１６ 円筒部
１６ａ、１６ｃ ブロック
１６ｂ ブロック（周波数調整用ディスク）
１７ 端板
１８ 矩形部
２０ 回転支持部
２１ 補強ピース
２２ 軸受
２３ 軸受ハウジング
２４ ガスシール
３０ １／４波長チョーク
ａ 周波数調整用ディスクの厚さ
Ａ 高電場位置
Ｂ 低電場位置
Ｃ 最高電場位置
Ｌ 導波管の長さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントに関し、さらに詳しくは、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送するのに好適な高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンやクライストロンで発生したマイクロ波を用いた放射線治療装置として、例えば、下記特許文献１が開示されている。
【０００３】
特許文献１の放射線治療装置は、図５に示すように、電子銃、線形加速器及びターゲットを有する照射ヘッド５１と、この照射ヘッドを予め定めた球面座標上で支持しかつ移動させる支持移動機構５２と、床に設置されるマイクロ波発振器５３と、一端部がマイクロ波発振器に電磁気的に接続され他端部が線形加速器に電磁気的に接続される導波管部５４と、照射ヘッド内に位置する導波管部に設けられるＲＦ窓とを具備するものである。
【０００４】
またこのような放射線治療装置において、各導波管部５４は金属製の中空管であることから、複数の導波管部を回転可能にかつ電磁気的に接続するために、ロータリージョイントが用いられる。このロータリージョイント（特許文献１におけるロータリＲＦカプラ）は、図６に示すように、導波管５４の導波路はロータリージョイント５６の回転部材に取り囲まれた回転スペース５７ａ，５７ｂに連通し、この中を管内モード２ａ（２ｂ）でマイクロ波が導かれるようになっている。なお、この図において、５８は軸受を示し、５９はλ／４波長チョークを示す。このようなロータリージョイント５６と導波管部５４との組み合わせにより、床等に固定されたクライストロン等の加速マイクロ波源から移動する照射ヘッドへ加速用のマイクロ波を円滑に供給することができる。
【０００５】
近年、高周波機器における技術動向は大電力で小型の方向に向かっており、１０ＭＷクラスの大電力の高周波を伝送可能な機器が望まれている。一般的な高周波機構では、その伝送するマイクロ波の周波数帯域が広いため、数１０ＭＨｚレベルで共振周波数を合わせ込む必要はない。しかし、大電力の高周波を伝送するような高周波機構においては、導波路内での放電を防ぐために、表面電界強度を小さくする形状・寸法を採用する必要があり、それにより伝送する周波数帯域が、２０ＭＨｚ程度まで狭くなってしまう場合がある。さらに、ロータリージョイントの場合には、回転機構に起因する共振周波数の変動が３０ＭＨｚ程度ある。このため、ロータリージョイントの共振周波数を運転周波数に極力近づける必要がある。
【０００６】
そこで、本出願人は、特願２００４−１６７９８１号において、実用性が高く、低コストで、かつ簡単に所望の共振周波数に調整することが可能な高周波伝送用ロータリージョイントを出願した。図７はこのロータリージョイントの断面図であり、１対の導波管７１、７２のうち一方の導波管７１の円筒部７３は、軸方向に直列に配列される３つのブロック７３ａ、７３ｂ、７３ｃから構成されており、そのうちの軸方向中間部に位置するブロック７３ｂは周波数調整用ディスクであり、この周波数調整ディスク７３ｂの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。かかる構成により、共振周波数の微調整が可能となるとともに、導波管の一構成部分に周波数調整機構を組み込んだので、ロータリージョイントに周波数調整機構を別途設ける必要がなく、低コストで共振周波数を調整することができる等の作用効果を奏するものとなっている。
【０００７】
ところで、従来のロータリージョイントは、可動部における電気的接触部での放電（スパーク）が問題となっており、これに関連して下記特許文献２が開示されている。特許文献２の「ロータリージョイント」は、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止することを目的の一つとし、図８に示すように、導電性部材からなるグランド板８１と、このグランド板８１に垂直に立設されキャビティ回転用の中心軸線となる第１モノポールアンテナ８２と、この第１モノポールアンテナ８２の周囲に回転自在に配設されかつグランド板８１の上方に保持された導電性部材からなる有頭筒状のキャビティ８５と、このキャビティ８５の頭部カバー８４に垂設され、第１モノポールアンテナ８２と平行な第２モノポールアンテナ８６とを備えている。かかる構成により、アンテナ間を広い寸法に設定して高周波電力を伝達させ、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１７５１１７号公報
【特許文献２】特開平１０−１６３７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これまで、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントは無かったことから、導波管内での放電の問題は少なかった。しかしながら、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントにあっては、単位体積あたりの投入エネルギーが非常に大きくなるため、導波管内での放電が問題となってくる。
【００１０】
本出願人が特願２００４−１６７９８１号で提案した高周波伝送用ロータリージョイントにあっては、導波管の円筒部を複数の部品で構成し、これらをロウ付け等で接合して製作するものであり、各構成部品の内径は、各部品の継ぎ目（接合部）に段差を生じないように設計されている。しかしながら、実際上は、加工精度等に起因する機械的な寸法誤差により各部品の継ぎ目には微視的には段差が生じ、完全に平坦とはならない。このため、この段差部が導波管内の高電場に位置した場合、あるいは比較的低電場に位置した場合でも段差部で放電する可能性があるという問題が生じる。一方、上記特許文献２の技術は、可動部における電気的接触部での放電を防止するものであり、かかる問題を解決するものではなかった。
【００１１】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数の構成部品を接合してなる導波管を有するロータリージョイントにおいて、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも安定したマイクロ波の伝送を可能とする高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の高周波伝送用ロータリージョイントは、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントであって、前記複数のブロックの継ぎ目位置は、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置となっている、ことを特徴としている（請求項１）。
【００１３】
また、上記本発明において、好ましくは、前記複数のブロックの継ぎ目位置は、前記高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置又はその近傍に位置している（請求項２）。
【００１４】
また、上記本発明において、好ましくは、前記ブロックの数は３つであり、軸方向中間部のブロックとその両側のブロックとの継ぎ目位置は、共に、高電場位置間に位置している（請求項３）。
【００１５】
また、本発明の高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法は、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法であって、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置と該高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置を求める工程と、前記複数のブロックの継ぎ目位置が、高電場位置及びその近傍を回避し且つ低電場位置又はその近傍に位置するように各ブロックを製作する工程とを含む、ことを特徴としている（請求項４）。
【発明の効果】
【００１６】
ピークパワーが１０ＭＷクラスで周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波を伝送するロータリージョイントでは、放電限界となる電場（約１０ＭＶ／ｍ）近くの電場が導波管内に発生する。最大電場、この最大電場に次ぐ高電場、電場がほぼゼロに近い低電場（最低電場）の位置はそれぞれ導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、この位置は、導波管の軸方向に周期的に現れる。そして、この高電場位置、低電場位置は導波管内の電場解析を行うことにより求めることができる。そこで、本発明では、導波管の各ブロックの継ぎ目位置を、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置とする。これにより、各ブロックの継ぎ目位置が、放電を生じる可能性のある高電場位置にくることがないので、導波管内での放電の可能性を低くすることができる。また、継ぎ目位置を、低電場位置又はその近傍に位置付けるようにすれば、さらに放電しにくくなるため、導波管内での放電を一層有効に防止することができる。
【００１７】
つまり、本発明によれば、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るロータリージョイントの断面図である。このロータリージョイントは、マグネトロンやクライストロンで発生した大電力（例えば１０ＭＷ）で約１１ＧＨｚの高周波を伝送するために用いる。
【００２０】
同図に示すように、このロータリージョイントは、一対の導波管１２、１４と、回転支持部２０と、１／４波長チョーク３０とを備えている。一対の導波管１２、１４は、その端面が一定の隙間１５を隔てて直列に、かつ、回転支持部２０によって同心の軸心Ｚ−Ｚを中心に互いに相対的に回転可能に接続されている。
【００２１】
この導波管１２、１４は、内部にマグネトロンやクライストロンで発生した高周波を伝送するための中空の導波路１２ｂ、１４ｂを有し、内部に断面円形の導波路を形成する中空円筒形の円筒部１６と、円筒部１６の端部を閉じる端板１７と、円筒部１６と端板１７に連結されその軸方向が円筒部１６の軸方向と直角方向を向き内部に断面矩形の導波路を形成する矩形部１８とから構成されている。
【００２２】
回転支持部２０は、一方の導波管１２に嵌合する円筒形の補強ピース２１と、補強ピース２１の外周部に嵌合する軸受２２と、これらを覆う軸受ハウジング２３とから構成され、これにより、一対の導波管１２、１４の相対的回転を支持している。なお、補強ピース２１と軸受ハウジング２３の間にはガスシール２４が介装され、これにより絶縁媒体として導波管内に封入したガスが隙間１５から漏れるのを防止している。
【００２３】
ここで、ＳＦ６（６フッ化硫黄）は、電子を付着して負イオンになりやすい負性気体の１つで、ガス絶縁方式の絶縁媒体として特に適しており、大気絶縁と比較して高絶縁耐力を有するために機器の小型化が可能になるという特徴がある。また、ＳＦ６ガスの絶縁耐力（交流放電電圧）は、大気圧よりも加圧するほど高まることが知られている。そこで、絶縁媒体として導波管内に封入するガスとしては、加圧したＳＦ６ガスを用いることが好ましい。
【００２４】
１／４波長チョーク３０は、断面コ字型の空間が周方向に延びて形成されており、このチョーク構造により、回転支持部２０側への高周波漏れを低減している。
【００２５】
図２は、図１において回転支持部２０を除いた状態の断面図である。この図に示すように、導波管１２の円筒部１６は、軸方向に配列される３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃから構成されている。この３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうち軸方向中間部（図で中央部）に位置するブロック１６ｂは、周波数調整用ディスクであり、この周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。ロータリージョイントの共振周波数は、導波管の内径や長さなど体積によって調整することができるので、この周波数調整ディスク１６ｂの厚さを調整することで、導波管の長さLを調整し、共振周波数調整を行う。また、後述するように、ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの継ぎ目位置は、導波管１２、１４の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置で、かつ、高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置又はその近傍に位置している。
【００２６】
次に、このロータリージョイントの製造方法について説明する。
【００２７】
図３は、ロータリージョイントの電場解析の結果を示すものである。この図は、図１、図２における軸心Ｚより上側の導波路内の電場を示しているが、下側の電場は軸心Ｚを中心に対称に現れる。なお、電場と導波管との位置関係を明確にするため、一対の導波管１２、１４の円筒部１６を点線で示している。図中Ｌは、図１、図２における導波管の長さＬを意味する。同図に示すように、導波管１２、１４の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に電場が高くなる高電場位置Ａが現れ、この高電場位置Ａの間に電場がほぼゼロとなる低電場位置Ｂが現れることが分かる。この高電場位置Ａ、低電場位置Ｂは、導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、高電場位置Ａは高周波の波長λに相当するピッチで周期的に現れる。なお、導波路内の最高電場（約１０ＭＶ／ｍ）は図中Ｃ点で発生するため、高電場位置Ａにおける電場は最高電場より低い値となる。そこで、まず、製作予定のロータリージョイントと同一寸法のロータリージョイントを用いて導波管内の電場解析を行い、高電場位置Ａと低電場位置Ｂを求める。
【００２８】
次に、ロータリージョイントを構成する各構成部品を製作する。また、一対の導波管のうちいずれか一方の導波管（この例では左側）は、軸方向に直列に配列される３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃで構成されるものとし、このうち軸方向中間部となるブロック１６ｂを周波数調整用ディスクとする。このとき、３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの軸方向の厚さは、各ブロックの継ぎ目位置が電場解析により求めた高電場位置Ａ及びその近傍を回避した位置で、好ましくは、低電場位置Ｂ又はその近傍に位置するように設定しておく。これにより、各ブロックの継ぎ目位置が、放電を生じる可能性のある高電場位置Ａにくることがないので、導波管内での放電の可能性を低くすることができる。また、継ぎ目位置を、低電場位置Ｂはその近傍に位置付けるようにすれば、さらに放電しにくくなるため、導波管内での放電を一層有効に防止することができる。なお、後述するように、周波数調整用ディスク１６ｂは、共振周波数の微調整のために切削等により厚さｂが変化するため、この厚さ変化分をある程度考慮して厚さを決定することが好ましい。
【００２９】
この例のように、導波管１２の円筒部が３つのブロックからなる場合、これらの間で継ぎ目が２箇所でき、この継ぎ目が共に、高電場位置間に位置するように設定する必要がある。ところが、一方の継ぎ目位置を低電場位置Ｂに一致させると他方の継ぎ目位置をこの低電場位置Ｂに一致させることができなくなる。そこで、周波数調整用ディスク１６ｂの厚さｂは、少なくとも高周波の波長λに相当する長さより薄く、取り扱いに支障を来たさない範囲で出来る限り薄く設定した上で、周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向中央部が低電場位置Ｂにくるようにすることが好ましい。なお、周波数１０ＧＨｚの高周波では、波長λは約３ｃｍとなるため、高電場位置Ａの現れるピッチ、すなわち高電場位置間の距離は約３ｃｍとなる。
【００３０】
また、各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの内周部の継ぎ目に段差が生じないように、各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、内径が同一寸法となるように製作する。このような段差が生じると、共振周波数に影響を与え所望の共振周波数に調整することが困難となるからである。
【００３１】
次いで、周波数調整用ディスク１６ｂを他の２つのブロック１６ａ、１６ｃで挟み込み、仮組み状態で図１のようなロータリージョイントを構成する。次に、このロータリージョイント１０の共振周波数を測定する。この測定には、例えば、低電力高周波を発振する測定器を用いることができる。そして、この測定結果に基づいて、周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを所望の共振周波数となるように切削等により微調整する。
【００３２】
ここで、図４は、周波数調整用ディスク１６ｂの厚さと共振周波数の関係（測定値）の一例を示すものであり、横軸にディスク厚をとり、縦軸に共振周波数をとっている。また、この例の運転条件は、運転温度：２０℃、絶縁ガス：ＳＦ６、圧力：０．３ＭＰａ、比誘電率ε：１．００６１２（見積）である。図４から、周波数調整用ディスクの厚さと共振周波数とは一定の関係を有していることが分かる。したがって、周波数調整ディスク用の厚さは解析からある程度見積もることができる。これにより、ディスクの修正加工による調整は一回程度の少ない回数で済ませることができる。なお、この例では、周波数の変化量は、４０ＭＨｚ／ｍｍであった。
【００３３】
このように周波数調整用ディスク１６ｂの厚さを調整し、所望の共振周波数に調整したならば、最終工程のロウ付けを実施し、周波数調整用ディスク１６ｂと他のブロック１６ａ、１６ｂ、および他の部品を接合し、ロータリージョイントを完成させる。
【００３４】
なお、上述した実施形態では、導波管の円筒部は３つのブロックからなるものを説明したが、本発明はこれに限定されず、導波管の円筒部が２つのブロックからなるものである場合にも同様に適用することができる。つまり、周波数調整用ディスクをもたないが、導波管の加工等の容易性を考慮して、導波管の円筒部を２つのブロックからなる構成とした場合にも同様に適用でき、この場合、継ぎ目は１箇所となるから、この継ぎ目位置が低電場位置Ｂにくるように各ブロックの厚さを設定すればよい。
【００３５】
このように、本発明によれば、導波管１２の各ブロックの継ぎ目位置を、導波管１２の円筒部１６内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａ及びその近傍を回避した位置とするので、各ブロックの継ぎ目位置が、放電を生じる可能性のある高電場位置Ａにくることがなく、これにより、導波管１２内での放電の可能性を低くすることができる。また、継ぎ目位置を、低電場位置Ｂ又はその近傍に位置付けるようにすれば、さらに放電しにくくなるため、導波管１２内での放電を一層有効に防止することができる。つまり、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る高周波伝送用ロータリージョイントの断面図である。
【図２】図１に示す導波管の断面図である。
【図３】ロータリージョイントの電場解析の結果を示す図である。
【図４】周波数調整用ディスクの厚さと共振周波数の関係を示す図である。
【図５】特許文献１の「放射線治療装置」の全体模式図である。
【図６】特許文献１の「ロータリＲＦカプラ」の説明図である。
【図７】特願２００４−１６７９８１の「高周波伝送用ロータリージョイント」の構成図である。
【図８】特許文献２の「ロータリージョイント」の構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１２、１４ 導波管
１２ｂ、１４ｂ 導波路
１５ 隙間
１６ 円筒部
１６ａ、１６ｃ ブロック
１６ｂ ブロック（周波数調整用ディスク）
１７ 端板
１８ 矩形部
２０ 回転支持部
２１ 補強ピース
２２ 軸受
２３ 軸受ハウジング
２４ ガスシール
３０ １／４波長チョーク
ａ 周波数調整用ディスクの厚さ
Ａ 高電場位置
Ｂ 低電場位置
Ｃ 最高電場位置
Ｌ 導波管の長さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントであって、
前記複数のブロックの継ぎ目位置は、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置となっている、ことを特徴とする高周波伝送用ロータリージョイント。
【請求項２】
前記複数のブロックの継ぎ目位置は、前記高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置又はその近傍に位置している、ことを特徴とする請求項１に記載の高周波伝送用ロータリージョイント。
【請求項３】
前記ブロックの数は３つであり、軸方向中間部のブロックとその両側のブロックとの継ぎ目位置は、共に、高電場位置間に位置している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波伝送用ロータリージョイント。
【請求項４】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法であって、
導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置と該高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置を求める工程と、前記複数のブロックの継ぎ目位置が、高電場位置及びその近傍を回避し且つ低電場位置又はその近傍に位置するように各ブロックを製作する工程とを含む、ことを特徴とする高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法。
【請求項１】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントであって、
前記複数のブロックの継ぎ目位置は、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置及びその近傍を回避した位置となっている、ことを特徴とする高周波伝送用ロータリージョイント。
【請求項２】
前記複数のブロックの継ぎ目位置は、前記高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置又はその近傍に位置している、ことを特徴とする請求項１に記載の高周波伝送用ロータリージョイント。
【請求項３】
前記ブロックの数は３つであり、軸方向中間部のブロックとその両側のブロックとの継ぎ目位置は、共に、高電場位置間に位置している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波伝送用ロータリージョイント。
【請求項４】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管が同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続されてなり、前記一対の導波管のうち少なくとも一方の導波管の円筒部が軸方向に直列に配列される複数のブロックで構成された高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法であって、
導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置と該高電場位置間にあって電場が最低となる低電場位置を求める工程と、前記複数のブロックの継ぎ目位置が、高電場位置及びその近傍を回避し且つ低電場位置又はその近傍に位置するように各ブロックを製作する工程とを含む、ことを特徴とする高周波伝送用ロータリージョイントの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−５４５３１（Ｐ２００６−５４５３１Ａ）
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３２９８６（Ｐ２００４−２３２９８６）
【出願日】平成１６年８月１０日（２００４．８．１０）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１０日（２００４．８．１０）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]