Brevet FR2660112A1 — publié le 19910927

DISPOSITIF DE COMPENSATION DU POIDS POUR TUBE A RAYONS X COMPORTANT DES PALIERS MAGNETIQUES PASSIFS L'invention concerne les tubes à rayons X à anode tournante dans lesquels le système de suspension de l'anode ne comporte que des paliers magnétiques passifs; elle concerne plus particulièrement, dans de tels tubes, un dispositif de compensation du poids de l'ensemble constitué par l'anode et le rotor. Les tubes à rayons X, pour diagnostic médical par exemple, sont généralement constitués (figure 2) comme une diode, c'est-à-dire avec une cathode 21 et une anode 22 ou anti-cathode, ces deux électrodes étant enfermées dans une enveloppe 8 étanche au vide et qui permet de réaliser l'isolement électrique entre ces deux électrodes La cathode 21 produit un faisceau d'électrons 23 et l'anode 22 reçoit ces électrons sur une petite surface qui constitue un foyer d'o sont émis les rayons X. Quand la haute tension d'alimentation est appliquée par un générateur 24 aux bornes de la cathode 21 et de l'anode 22 de façon que la cathode soit au potentiel négatif -HT, un courant dit courant anodique s'établit dans le circuit au travers du générateur 24 produisant la haute tension d'alimentation; le courant anodique traverse l'espace entre la cathode et l'anode sous la forme du faisceau d'électrons 23 qui bombardent le foyer. Une faible proportion de l'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons 23 est transformée en rayons X, le reste de cette énergie est transformée en chaleur. Aussi compte tenu également des puissances instantanées importantes mises en jeu (de l'ordre de 100 KW) et des J petites dimensions du foyer (de l'ordre du millimètre) les constructeurs ont depuis longtemps réalisé des tubes à rayons X à anodes tournantes o l'anode est mise en rotation pour répartir le flux thermique sur une couronne appelée couronne focale, d'aire beaucoup plus grande que le foyer, l'intérêt étant d'autant plus grand que la vitesse de rotation est élevée (en général entre 3.000 et 12 000 tours par minute). L'anode tournante de type classique a la forme générale d'un disque ayant un axe de symétrie 4 autour duquel elle est mise en rotation à l'aide d'un moteur électrique 1; le moteur électrique a un stator 2 situé à l'extérieur de l'enveloppe 8 et un rotor 3 monté dans l'enveloppe 8 du tube à rayons X et disposé selon l'axe de symétrie 4, le rotor étant mécaniquement solidarisé à l'anode par l'intermédiaire d'un arbre support 25. De plus en plus fréquemment, on utilise des tubes à rayons X en fonctionnement permanent, ce qui conduit à une énergie dissipée de plus en plus grande Pour mieux répartir la température de l'anode, on la fait tourner à des vitesses de rotation de plus en plus élevées, de l'ordre de 10 000 tours/minute dans les tubes de type mécanique dont le rotor est monté sur roulements à billes Ces roulements à billes doivent fonctionner dans des conditions très difficiles car la température est élevée et le vide poussé du tube dans lequel ils sont disposés empêche la lubrification par un liquide. Par ailleurs, un tel système mécanique est générateur de bruits et de vibrations qui sont préjudiciables au confort du praticien et du patient ainsi qu'à la qualité de l'image obtenue. Pour pallier les inconvénients des systèmes mécaniques de roulement, il a été proposé des dispositifs de suspension magnétique de l'ensemble rotoranode, ce qui évite tout frottement mécanique. Il est rappelé que pour assurer le maintien d'un corps cylindrique de révolution 30 d'axe 01 Z (figure 1), il faut maîtriser cinq degrés de liberté suivant les axes 01 X 1, 01 Y 1, 02 X 2, 02 Y 2 et 01 Z, le corps gardant la faculté de tourner autour de l'axe 01 Z. Conformément au théorème d'Ernshaw, il est impossible d'obtenir une complète sustentation magnétique d'un corps, c'est-à-dire sans contact matériel, uniquement de façon passive, c'est-à-dire en n'utilisant que des aimants permanents C'est pourquoi, tous les dispositifs à paliers magnétiques qui ont été proposés jusqu'ici pour assurer la rotation d'un ensemble rotor-anode d'un tube à rayons X comportent au moins une voie active réalisée à l'aide d'un électro-aimant associé à un circuit électronique d'asservissement en position suivant l'axe correspondant à cette voie active. On est donc amené à réaliser un système actif assez complexe pour maintenir, par exemple, la position du rotor suivant l'axe 01 Z Pour cela il faut des détecteurs de position dont l'information d'écart de position commande la valeur du courant dans l'électro-aimant de manière à réduire cet écart. Dans la demande de brevet ne 88 12483 déposée le 23 septembre 1988, il a été proposé un système de suspension d'une anode tournante de tube à rayons X du type à paliers magnétiques passifs dans lequel le maintien de la position longitudinale du rotor suivant l'axe de rotation ne nécessite pas la mise en place d'un système *'asservissement complexe Le système proposé comprend (figure 2) au moins deux premières couronnes annulaires aimantées 5,6 fixées au rotor 3 et au moins deux autres couronnes annulaires aimantées ( 9,10) fixées à l'enveloppe 8 du tube, lesdites couronnes 5,6,9 et 10 étant disposées les unes par rapport aux autres de manière que le rotor 3 puisse tourner sans frottement mécanique autour de l'axe de symétrie 4 et qu'il soit décalé axialement de manière à venir en contact sur une butée 11 disposée du côté opposé à celui de l'anode 22. La force de contact sur la butée 11, due à la répulsion des couronnes annulaires magnétiques 5,6,9 et 10, doit être aussi faible que possible lorsque l'anode est dans une position angulaire extrême telle que son poids l'éloigne de la butée 11 Pour toute autre position, la force du contact sera plus grande et aura pour inconvénient d'augmenter l'usure aux points de contact de la butée 11. Cet inconvénient n'est pas gênant dans les utilisations pour lesquelles l'axe 4 de l'anode reste horizontal mais le devient lorsque, dans certaines utilisations, l'axe 4 doit être incliné Il en est ainsi dans un scanner o le plan de rotation du tube, qui correspond au plan de la section du patient à visualiser, bascule de part et d'autre du plan vertical, ou dans un appareil de mammographie dans lequel il y a un basculement complet du tube, l'anode pouvant se trouver en position haute ou en position basse. Le but de la présente invention est donc de réaliser un dispositif de compensation du poids de l'ensemble rotor-anode dans un tube à rayons X à anode tournante du type à paliers magnétiques passifs. L'invention concerne un dispositif de compensation du poids dans un système de suspension d'une anode tournante d'un tube à rayons X qui comporte un rotor tournant autour d'un axe, dont une extrémité comporte l'anode, un stator disposé à l'extérieur du tube, ledit système de suspension comprenant au moins deux premières couronnes annulaires, lesdites couronnes étant disposées les unes par rapport aux autres de manière que le rotor puisse tourner sans frottement mécanique autour d'un axe de rotation et qu'il soit décalé axialement de manière à venir en contact sur une butée, caractérisé en ce que le dispositif de compensation du poids du rotor et de l'anode comprend un système élastique de support d'au moins une couronne annulaire aimantée. Dans un mode de réalisation, le système élastique comprend une structure de support mobile d'au moins une couronne annulaire aimantée et un ressort qui relie ladite structure à un élément fixe. Dans un autre mode de réalisation, le système élastique comprend au moins une rondelle élastique dont la partie périphérique est solidaire d'un élément fixe et dont la partie centrale porte la couronne annulaire aimantée. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en référence avec le dessin joint dans lequel: la figure 1 est un schéma de principe montrant les six degrés de liberté d'un corps, la figure 2 est une coupe schématique longitudinale d'un tube à rayons X comportant un système de suspension à paliers magnétiques passifs selon l'art antérieur, la figure 3 est une vue schématique montrant un dispositif de compensation du poids d'un ensemble rotor-anode selon l'invention, la figure 4 est une vue schématique montrant un autre dispositif de compensation du poids d'un ensemble rotor-anode selon l'invention, la figure 5 est une vue schématique montrant un mode de réalisation du dispositif de compensation du poids de l'ensemble rotor-anode selon l'invention et, la figure 6 est une vue en perspective d'un élément d'un dispositif de compensation selon l'invention Sur la figure 2, déjà en partie décrite dans le préambule, un moteur d'entraînement 1 d'une anode 22 du tube à rayons X comprend un rotor 3 qui peut tourner autour d'un axe de rotation 4 L'une des extrémités du rotor porte l'anode 22 par l'intermédiaire d'un arbre support 25 Ce rotor 3 est maintenu en sustentation par des aimants passifs qui, sur la figure 2, sont au nombre de quatre Chaque extrémité du rotor 3 porte un aimant permanent 5 et 6 qui a la forme d'une couronne annulaire; le sens de l'aimantation est représenté par les flèches telle que celle référencée 7 Chaque aimant 5 et 6, porté par le rotor 3, coopère respectivement avec un aimant permanent 9 et 10 qui est fixé, par exemple, sur la paroi interne de l'enveloppe 8 du tube Ces aimants permanents fixes 9 et 10 ont aussi la forme d'une couronne annulaire et le sens de leur aimantation est indiqué par les flèches 7 Le rotor 3 coopère avec un stator 2 qui est disposé à l'extérieur de l'enveloppe 8. Il est facile de comprendre que, avec le sens des aimantations, une force magnétique de répulsion maintient écartées radialement les couronnes 5 et 6 par rapport aux couronnes 9 et 10 de sorte que le rotor 3 peut tourner autour de l'axe 4 sans contact avec les couronnes magnétiques 9 et 10 Les couronnes 5,6,9 et 10 réalisent ce qu'on appelle des paliers magnétiques passifs. Avec les sens des aimantations indiqués sur la figure 2, on comprend également que, dans le sens longitudinal suivant l'axe de rotation 4, il existe une force longitudinale qui a tendance à faire échapper les couronnes l'une par rapport à l'autre dès que les plans de ces dernières ne sont plus exactement en coïncidence. Pour les maintenir en coïncidence, il est habituellement prévu des moyens pour détecter le déplacement longitudinal d'un côté ou de l'autre et le corriger, par exemple à l'aide d'un ou plusieurs électro-aimants. Une telle coïncidence n'est pas recherchée mais, au contraire, il est prévu de décaler les couronnes fixes 9 et 10 et mobiles 5 et 6 l'une par rapport à l'autre dans un sens déterminé de manière à éviter l'équilibre instable de la position centrale de coïncidence Le sens de ce décalage est tel que l'anode 22 se rapproche des couronnes fixes 9 et 10. Afin de limiter l'amplitude de ce mouvement, une butée il est disposée à l'extrémité du rotor opposée à celle portant l'anode 22 Cette butée sert également de conducteur électrique pour le courant anodique Elle doit donc avoir des caractéristiques lui permettant de remplir ces deux fonctions En tant que butée, elle doit être prévue pour présenter le minimum de frottement afin de ne pas perdre les avantages dus aux paliers magnétiques En tant que conducteur électrique, son contact électrique avec le rotor doit être suffisamment bon pour conduire le courant anodique en évitant des échauffements locaux. La butée Il peut être réalisée de différentes manières en respectant les principes suivants Le contact doit s'effectuer selon l'axe de rotation du rotor, c'est-à-dire en des points o la vitesse linéaire est quasi nulle La nature et la géométrie des matériaux utilisés sont choisis de façon à limiter l'usure tout en permettant un bon contact électrique et une bonne conduction électrique. Sur la figure 2 la butée il a été réalisée à l'aide d'une seule bille 12 qui prend appui du côté du rotor, sur un trou borgne 15 de forme conique percé suivant l'axe 4, et du côté de l'enveloppe 8 du tube, sur un autre trou borgne 13 percé axialement sur la borne de sortie 16 solidaire de l'enveloppe 8. Avec un tel système de suspension, la force de contact sur la butée il varie avec la position angulaire de l'axe 4 par rapport à l'horizontal Le dispositif selon l'invention permet de compenser ces variations de la force de contact sur la butée et sera décrit en relation avec les figures 3,4 et 5 dans lesquelles les éléments identiques à ceux de la figure 2 portent les mêmes références. Alors que sur la figure 2, les flèches 7 représentent le sens de l'aimantation, sur les figures 3,4 et 5, les flèches 26 représentent des forces. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement le dispositif de compensation selon l'invention sous la forme d'un système élastique qui comprend, par exemple, une armature 30 de support des couronnes magnétiques 9 et 10 et un ressort 31 de raideur Ko dont une extrémité est solidaire d'un élément fixe 32 et dont l'autre extrémité est solidaire de l'armature 30 Par ailleurs, le rotor 3 a une position fixe et le sens des forces magnétiques est telle qu'il exerce une force p sur la butée 11. Pour que le système stator-rotor de la figure 3 soit en équilibre, les conditions à remplir sont les suivantes: pour le rotor 3, la composante axiale du poids de l'ensemble rotor-anode, qui créerait une variation de poussée sur la butée, doit être exactement compensée par une variation de force résultant du décalage entre les plans des couronnes aimantées; pour les couronnes aimantées 9 et 10 ou au moins l'une d'entre elles, la variation de réaction du rotor, combinée avec la composante axiale du poids de ces couronnes et de leur support 30 doit être exactement compensée par la force de rappel du système élastique. Ces deux conditions peuvent s'écrire sous la forme de deux équations linéaires si l'on suppose une relation de proportionnalité entre d'une part, la force répulsive des aimants et le décalage y entre leurs plans, ce qui correspond à un "ressort magnétique" de raideur K, et d'autre part, entre la force exercée par le système élastique et le déplacement x des couronnes aimantées 9 et 10 par rapport à une position de référence, ce qui correspond à un "ressort mécanique" de raideur Ko. L'équilibre axial du rotor-anode est donné par: mg sina + p = Ky ( 1) L'équilibre axial des couronnes aimantées 9 et 10 et de leur support 30 est donné par: Mg sina + Ky = Kox ( 2) équations dans lesquelles: m est la masse de l'ensemble rotor-anode, M est la masse des couronnes aimantées 9 et 10 et de leur support 30, p est la poussée sur la butée 11, g est l'accélération de la pesanteur, a est L'angle d'inclinaison de l'axe 4 par rapport à l'horizontal. Par ailleurs, la position du rotor étant fixe par rapport à la butée, le décalage y ne dépend que de la position des couronnes aimantées 9 et 10, c'est-à-dire qu'il ne diffère de x que par une constante 6 telle que: y = x S Des équations ( 1) et ( 2) , on obtient respectivement: P y = K + K Ko S y= + Ko K mg sina K Mg sina Ko -K La loi de variation de y en fonction de a devant unique, il en résulte que: m M m + M = soit Ko = K et k Ko K m et ( 3) ( 4) être ( 5) = p (Ko K) =_K K Ko p M Ki M+m La raideur Ko du système élastique et son point de repos correspondant à y = & sont à ajuster pour remplir les deux conditions données par les formules ( 5) et ( 6) dans lesquelles: les valeurs de m et M sont connues, p est la poussée sur la butée que l'on souhaite obtenir, K peut être déterminée expérimentalement à partir de la valeur répulsive axiale en fonction du décalage y. A titre d'exemple, les valeurs numériques peuvent être ivantes dans le cas o M = Olm: les suivantes dans le cas o M = 0,1 m: Ko = 1,1 K et 6 = - p 0,1 K 1,1 P = 0,09 - K ( 6) il comme K peut être de l'ordre de 2 ON/millimètre et p de l'ordre de 0,4 N, alors S = 1,8 micron Pour la position horizontale a = O, on a p = Kyo soit Yo = 20 microns Le système élastique a pour fonction d'assurer le rappel du rotor vers une position de référence proportionnellement au déplacement. Ce système élastique peut être réalisé de différentes manières qui sont à la portée de l'homme de métier, par exemple en utilisant la traction, la flexion ou la torsion de lames élastiques. Les figures 3 et 4 montrent deux autres exemples de réalisation d'un tel système élastique en mettant en oeuvre un ressort. Dans le cas de la figure 3, les couronnes aimantées 9 et 10 sont portées par la structure 30 qui est reliée au point fixe 32 par l'intermédiaire du ressort 31 de raideur Ko La structure 30 enveloppe le rotor 3 portant l'anode 22 Par suite des positions respectives des couples de couronnes aimantées 5,6 et 9,10, le rotor 3 s'appuie sur la butée 1 h qui est constituée de la bille 12 et d'un élément fixe 33. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 4, une structure 30 ' de support des couronnes aimantées 9 et 10 est disposée à l'intérieur d'un rotor 3 ' qui porte les couronnes aimantées 5 et 6 Le rotor 3 ' vient en contact sur une butée 11 ' autour de laquelle peut coulisser la structure 30 ' qui est reliée élastiquement à un point fixe 32 ' par un ou plusieurs ressorts 31 ' de raideur K'0. Les figures 5 et 6 montrent un exemple de réalisation particulier du système élastique à l'aide de rondelles élastiques 34 et 35 qui portent respectivement les couronnes aimantées 9 et 10 Chaque rondelle 34 ou 35 présente une partie périphérique qui est solidaire d'un élément fixe 36 et une partie centrale 37 percée qui porte la couronne aimantée correspondante. Dans les modes de réalisation décrits avec les figures 3 et 4, les deux couronnes aimantées 9 et 10 sont portées par une même structure élastique mais il est clair que les couronnes peuvent être supportées chacune par une structure élastique indépendante comme dans le mode de réalisation de la figure 5. Par ailleurs, une seule des couronnes aimantées 9 ou 10 pourrait être supportée par une structure élastique, l'autre ayant une position invariable Enfin, l'invention s'applique à des modes de réalisation dans lesquelles le nombre de couronnes aimantées serait différent de deux. Il est à noter que dans l'exemple de réalisation de la figure 2 correspondant à l'art antérieur, les couronnes aimantées 9 et 10 sont disposées à l'intérieur de l'enveloppe 8 Pour faciliter la réalisation du système élastique portant les couronnes 9 et 10 selon l'invention, il est préférable que ces dernières soient disposées à l'extérieur de l'enveloppe 8 et il en sera de même du système élastique. Une telle disposition du système élastique à l'extérieur de l'enveloppe 8, c'est-à-dire à l'extérieur du tube à rayons X, signifie que sur les figures 3, 4 et 5, l'enveloppe 8 passe entre les aimants 5, 6, d'un côté et les aimants 9, 10 de l'autre côté. Cependant, le système élastique selon l'invention peut également être réalisé à l'intérieur de l'enveloppe 8. REVENDICATIONS 1 Dispositif de compensation du poids dans un système de suspension d'une anode tournante ( 22) d'un tube à rayons X qui comporte un rotor ( 3 ou 3 ') tournant autour d'un axe ( 4), dont une extrémité comporte l'anode ( 22), et un stator ( 2) disposé à l'extérieur du tube, ledit système comprenant au moins deux premières couronnes annulaires aimantées ( 5,6) fixées au rotor et au moins deux autres couronnes annulaires aimantées ( 9,10), lesdites couronnes ( 5,6,9 et 10) étant disposées les unes par rapport aux autres de manière que le rotor ( 3 ou 3 ') puisse tourner sans frottement mécanique autour d'un axe de rotation ( 4) et qu'il soit décalé axialement de manière à venir en contact sur une butée ( 11 ou 11 '), caractérisé en ce que le dispositif de compensation du poids du rotor ( 3 ou 3 ') et de l'anode ( 22) comprend un système élastique de support d'au moins une couronne annulaire aimantée ( 9 ou 10). 2 Dispositif de compensation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système élastique comprend une structure ( 30 ou 30 ') de support mobile d'au moins une couronne annulaire aimantée ( 9 ou 10) et un ressort ( 31 ou 31 ') qui relie ladite structure ( 30 ou 30 ') à un élément fixe ( 32 ou 32 '). 3 Dispositif de compensation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système élastique comprend au moins une rondelle élastique ( 34 ou 35) dont la partie périphérique est solidaire d'un élément fixe ( 36) et dont la partie centrale porte la couronne annulaire aimantée ( 9 ou 10). 4 Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système élastique doit avoir une raideur Ko telle que m+M Ko = K m et en ce que le décalage & entre chaque couple de couronnes aimantées est telle que O= _ __ _ K M + m K étant le coefficient de raideur du système magnétique de répulsion, p étant la force de poussée sur la butée du rotor, m étant la masse du rotor et de l'anode, et M étant la masse des couronnes et de leur support. 5 Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 4, caractérisé en ce que le système élastique est disposé à l'intérieur du tube à rayons X. 6 Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 4, caractérisé en ce que le système élastique est disposé à l'extérieur du tube à rayons X.