EP0057130B1

EP0057130B1 - Interrupteur à mercure utilisant la tension de surface du mercure pour le rappel de l'élément mobile

Info

Publication number: EP0057130B1
Application number: EP82400095A
Authority: EP
Inventors: Philippe Pouyez
Original assignee: CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET ELECTRONIQUES (CCEE) Cie
Current assignee: COMPAGNIE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET ELECTRON
Priority date: 1981-01-23
Filing date: 1982-01-19
Publication date: 1985-08-21
Also published as: DE3265486D1; FR2498689B1; JPS57143213A; EP0057130A3; US4471190A; FR2498689A1; EP0057130A2

Description

La présente invention concerne un interrupteur à contacts mouillés par le mercure disposés dans un boîtier constitué d'une embase et d'un capot, comportant une première et une deuxième électrodes, un élément mobile pouvant prendre au moins deux positions différentes, respectivement une position de travail sous l'action d'une force extérieure de commande et une position de repos sous l'action d'une force de rappel engendrée par du mercure disposé entre l'élément mobile et un élément fixe, dont la distance est au plus égale à la valeur pour laquelle le mercure est maintenu entre lesdits éléments par les forces de capillarité, les surfaces respectives de l'élément fixe et de l'élément mobile en contact avec le mercure étant telles qu'elles sont mouillées par celui-ci.
De tels interrupteurs comportent en géneral un ressort à la plou de la force de cepillarité engendrée par le mercure entre l'élément fixe et l'élément mobile. Le ressort peut prendre la forme soit d'une lame (ressort plat), soit d'une hélice (ressort à boudin). En particulier dans les interrupteurs dits monostables, possédant une position stable (position de repos) et une position non stable (position de travail) dans laquelle l'interrupteur est maintenu par l'action d'un moyen extérieur (champ magnétique dans le cas d'un relais), on utilise fréquemment comme moyen de rappel vers la position stable une lame métallique ou ressort plat.
Le ressort de rappel utilisé dans ce cas est généralement en un matériau différent de celui constituant l'élément mobile auquel il est fixé par soudure ou tout autre moyen adapté. Dans le cas de relais miniaturisés dont l'usage se répand de plus en plus dans le domaine de l'éléctronique, ce ressort plat est alors de dimensions extrément réduites ce qui rend d'une part sa manipulation difficile et d'autre part l'ajustement précis de sa position extrêmement délicat. Il en va de même pour les opérations de fixation à la pièce mobile et d'une façon générale pour toutes les opérations dans lesquelles ce ressort est concerné.
Par ailleurs, de tels ressorts sont d'un prix de revient assez élevé: ils sont non seulement en matériaux assez spéciaux assez spéciaux tels que le cuivre au béryllium, mais il est nécessaire également de les soumettre à un traitement permettant de leur donner de bonnes propriétés élastiques.
Enfin, tout ressort mécanique est soumis à un phénomène de vieillissement qui provoque une modification de ses caractéristiques au cours du temps.
Il est connu du document DE-B-1 257 285 un interrupteur commandé par un champ magnétique comportant, à l'intérieur d'une enveloppe en verre ou en céramique, une première et une deuxième électrodes sur laquelle est fixée une plaque non magnétique, une bille, sous l'action d'un champ magnétique extérieur pouvant se déplacer de la seconde électrode vers la première et étant rappelée lorsque le champ magnétique extérieur est supprimé vers la seconde électrode sous l'action de la tension superficielle du mercure qui s'exerce sur la bille et sur la plaque solidaire de la seconde électrode. On obtient ainsi la fermeture du circuit électrique entre les deux électrodes, par l'intermédiaire du mercure et de la bille. Outre, le fait qu'une telle structure ne permet de réaliser que des interrupteurs simples à deux électrodes et non des interrupteurs de type inverseur à trois électrodes, elle possède en outre le grave inconvénient de ne fonctionner que dans une position prédéterminée ou au voisinage de celle-ci. Un retournement à 180° de l'interrupteur engendre un fonctionnement aléatoire de l'interrupteur. Ceci est particulièrement gênant lorsque l'interrupteur doit être utilisé dans des matériels soumis à un retournement. On retrouve une structure semblable avec les mêmes inconvénients dans le brevet US-A-2 309 953.
L'interrupteur selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Dans ce but, il est caractérisé en ce que l'élément mobile a la forme d'une palette dont l'un des côtés constitue un axe de rotation de celle-ci de la position de repos à la position de travail et vice-versa, cet axe de rotation pénétrant dans une rainure portée par l'embase du boîtier qui est solidaire dudit élément fixe et en ce que ledit élément mobile est relié à une troisième électrode reliée électriquement à la première ou à la seconde électrode suivant la position de repos ou de travail (ou vice-versa) de l'élément mobile.
De préférence également, l'élément mobile et/ou l'élément fixe auront la forme de languettes métalliques planes.
Selon un mode préférentiel de réalisation, l'interrupteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une pièce en forme de dièdre dont l'un des plans est solidaire de l'embase et muni d'une ouverture à travers laquelle passe l'élément mobile, l'axe de rotation de celui-ci étant maintenu dans la rainure par ledit plan, l'élément fixe étant constitué par l'autre plan dudit dièdre.
Le dièdre est obtenu simplement à partir d'une plaque métallique de préférence, dans laquelle on perce une ouverture et que l'on plie ensuite en deux parties faisant un angle de l'ordre de 90° entre elles. L'axe de rotation de la partie mobile, qui est disposé dans une rainure à l'intérieur du support, rainure contenant également du mercure, est alors maintenu par le plan du dièdre muni d'une ouverture. On réalise ainsi très facilement un tel interrupteur à partir d'une plaque percée d'une ouverture, pliée à 90° et d'un support tel qu'une embase de transistor munie de ses contacts de travail et repos, sur laquelle on a pratiqué une rainure. L'axe de rotation de la partie mobile est alors placé dans la rainure, puis l'on rapporte par dessus le plan du dièdre percé de son ouverture, que l'on fixe au support et qui maintient ainsi la partie mobile, autorisant seulement une rotation de celui-ci. On introduit ensuite une goutte de mercure dans le capot correspondant que l'on soude à l'embase. L'interrupteur selon l'invention présente l'avantage d'être un interrupteur »toutes positions«.
Toutes les pièces ayant été traitées pour être mouillées par le mercure, celui-ci va alors automatiquement se loger, d'une part dans la rainure assurant le basculement aisé de la partie mobile et d'autre part entre les parties mobiles et fixes. En prenant soin d'introduire un gaz réducteur avant la fermeture du boîtier, on obtient alors un interrupteur dans lequel le dispositif de rappel ne subit aucun vieillisement.
Concernant la distance qui doit être respectée entre les parties fixes et mobiles de façon à permettre au liquide d'agir par capillarité, on se reportera par exemple à l'ouvrage bien connu de mécanique physique de G. BRUHAT aux éditions MASSON ET CIE., pages 470 et suivantes - 1934 - Paris.
L'invention dans son principe, en effet, fait appel à une loi de la physique bien connue sous le nom de loi de JURIN.
Les applications des interrupteurs selon l'invention, tels que décrits ci-dessus, sont multiples : on peut par exemple réaliser à l'aide de ceux-ci des relais à commande magnétique du type monostable, bistable, ou comportant plusieurs positions stables différentes. Dans ce cas, la palette mobile sera déplacée sous l'action d'une force extérieure et viendra au contakt de l'un des contacts électriques mouillés au mercure. La position sera stable dans la mesure où la force de rappel exercée par le liquide sur la palette mobile restera inférieure à la force d'attraction capillaire provoquée par le liquide sur la partie supérieure de la languette mobile, au niveau du contact électrique.
L'homme de l'art déterminera sans problème particulier les différents paramètres de l'interrupteur selon l'invention en appliquant d'une part la loi de JURIN, et d'autre part le théorème des moments.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent:

- la figure 1 sous forme de deux vues (a) et (b), les deux phases de déplacement d'une lame mobile par rotation à rappel par tension de surface d'un liquide telle qu'utilisée dans l'interrupteur selon l'invention,
- la figure 2, un interrupteur à contacts mouillés au mercure en ampoule fermée muni d'un dispositif de rappel selon l'invention,
- la figure 3, une vue en coupe d'un mode préférentiel de réalisation de l'interrupteur selon l'invention,
- la figure 4, une vue de dessus du dispositif de la figure 3 avant cambrage du support pour réaliser la languette fixe,

La figure 1 représente, suivant deux vues en coupe (a) (b), les deux phases du déplacement d'une lame mobile à rappel par forces de tension de surface utilisée dans l'interrupteur selon l'invention.
Le dispositif de rappel fait appel à un liquide 21, dont une certaine quantité se trouve entre la pièce mobile 1 en forme de lame, et une pièce fixe 22, disposée en vis-à-vis, et solidaire du socle 3.
La distance entre les deux pièces étant choisie telle que le liquide s'y maintienne par capillarité, le déplacement de la lame 1 entre la position rapprochée (a) et la position écartée (b) fait varier notablement la surface libre 23 présentée par le liquide. Et, ainsi qu'on va le montrer ci-après, il en résulte la création d'une force de rappel tendant à rapprocher les deux pièces dans le sens de la flèche 25.
Le fonctionnement en est le suivant:

L'écartement entre la pièce mobile 1 et la pièce fixe 22 sous l'action d'une force extérieure au système lui procure une énergie potentielle due à l'augmentation de la surface extérieure du liquide qui, lorsque la force extérieure disparait, replace la pièce mobile dans sa position initiale grâce à la libération de cette énergie par réduction de la surface du liquide et retour dans l'état d'énergie interne minimum.

Cet effet se réalise lorsque les dimensions des pièces 1 et 22 sont suffisamment petites et rapprochées pour qu'il y ait une ascension du liquide sous l'action des forces de tension superficielle de ce liquide et que la force due à l'action de la gravité sur la pièce mobile 1 soit suffisamment faible devant les forces de tension superficielle mises en jeu.
L'énergie emmagasinée sous l'effet du déplacement de la pièce mobile 1 est égale à:

- d W étant la variation d'énergie interne de la goutte de liquide lorsque la pièce mobile 1 se déplace sous l'action d'une force extérieure,
- d S étant la variation de la surface extérieure du liquide engendrée lorsque la pièce mobile 1 se déplace,
- 8 est le coefficient de tension superficielle du liquide.

Sachant que la force de rappel s'exerçant sur la pièce mobile 1 dépend de l'énergie emmagasinée et de l'écartement provoqué entre la pièce mobile 1 et la pièce fixe 22, cette force de rappel dépend directement:

- de la hauteur de l'ascension capillaire du liquide entre les pièces 1 et 22,
- des dimensions respectives des pièces 1 et 22,
-- de l'écartement provoqué entre les pièces 1 et 22,
- de la nature du liquide,

Un avantage de ce système est sa grande stabilité dans le temps puisqu'il supprime toute déformation de pièces mécaniques.
Un autre avantage réside dans le fait que les pièces mécaniques 1 et 22 n'ont pas besoin de posséder de propriétés élastiques particulières.
Un autre avantage réside dans le fait que pour des systèmes de dimensions réduites tels que, par exemple, les interrupteurs miniatures en enceinte hermétique, il n'est pas besoin d'opérer de raccordement par soudure précis entre la pièce mobile 1 et l'embase fixe (socle 3).
La figure 2 représente un mode de réalisation d'un interrupteur miniature à contacts mouillés au mercure selon l'invention.
L'interrupteur est constitué d'une enceinte hermétique entièrement mouillée intérieurement obtenue par la fermeture d'un capot 8 sur une embase 3' comportant deux électrodes 6 et 7 isolées de l'embase 3' par des isolants 9 et une palette mobile 1', reliée via l'embase 3' à un contact électrique extérieur 24, ladite palette mobile venant établir le contact électrique soit entre l'électrode 6 et le contact 24 soit entre l'électrode 7 et le contact.
On positionne sur l'embase 3 une palette fixe 22' près de la palette mobile l' de telle façon qu'il y ait une ascension capillaire du liquide 21 entre les palettes l'et 22'.
L'électrode fixe 7 est l'électrode sur laquelle vient généralement se reposer la palette mobile 1' en l'absence de sollicitation extérieure grâce à la force de rappel provoquée par le ressort liquide de l'invention. L'électrode 6 est l'électrode de travail sur laquelle vient se placer la palette mobile 1' lorsqu'une force extérieure au système, par exemple d'origine magnétique, agit sur ladite palette.
Lorsque l'extrémité des électrodes 6 et 7 (l'une et/ou t'autre) ne sont pas traitées pour être mouillées par le mercure, l'interrupteur selon l'invention fonctionne uniquement par action d'une force électro-magnétique sur la palette mobile 1' qui fait basculer celle-ci au contact de l'électrode 6. La suppression du champ magnétique engendre le retour de la palette mobile l'sur l'électrode 7. L'interrupteur fonctionne alors de façon monostable.
En revanche, lorsque l'extrémité des électrodes 6 et 7 formant contact électrique ainsi que la palette mobile au contact des électrodes sont traitées de façon à être mouillées par le mercure, deux situations peuvent se présenter:

- la première dans le cas où après basculement de la palette mobile 1' en contact avec l'électrode 6 sous l'action d'un champ magnétique extérieur, le couple de rappel de la charnière liquide selon l'invention est supérieur au couple dû à la force de capillarité qui retient l'extrémité de la lame au contact de l'électrode 6, la disparition du champ électro-magnétique extérieur entraîne le rappel de la palette mobile au contact de l'électrode 7;
- la seconde dans laquelle le moment de la force s'exerçant au niveau de l'électrode 6 sur la palette mobile 1' est supérieur au moment de la force exerçée par la charnière liquide 21 sur la palette mobile 1' (moment par rapport à l'axe 35 comme précédemment). Dans ce cas, un champ magnétique extérieur est à nouveau nécessaire pour permettre d'arracher la languette mobile de l'électrode 6 et son retour grâce au dispositif de rappel selon l'invention au contact de l'électrode 7. Ce champ magnétique, de sens inverse au champ magnétique précédent, est d'intensité moins élevée que celui-ci ainsi qu'il découle des explications données ci-dessus. En fonction des indications données plus haut, l'homme de l'art déterminera sans difficulté les dimensions respectives et les formes des électrodes 6, 7 de la palette mobile 1' et de la palette fixe 22' de manière à obtenir suivant l'effet recherché un interrupteur monostable ou bistable.

Bien entendu, ainsi qu'il ressort de la description de l'interrupteur selon l'invention représenté sur cette figure 2, il est nécessaire dans le cas exposé sur cette figure que l'axe de rotation de la palette soit situé à l'extrémité de celle-ci, c'est-à-dire que ladite palette bascule autour de cet axe qui est sensiblement fixe et dans le cas de la figure 2 encastré dans l'embase 3' du boîtier. La force de rappel à laquelle est soumise la palette mobile s'exerce à proximité de l'axe de rotation 35 de celle-ci et son intensité est d'autant plus grande que la palette mobile s'éloigne de la palette fixe.
De plus, il est aisé de réaliser un interrupteur toutes positions selon l'invention de manière à ce que les forces capillaires entre palettes fixe et mobile soient supérieures dans tous les cas, au poids du mercure disposé entre elles.
Sur la figure 3, on a représenté une vue très grossie d'une variante préférée du dispositif selon l'invention. Le support 32 est revêtue d'une partie plane métallique 31 percée d'une ouverture 37 à travers laquelle passe la palette mobile 34 munie de son axe 35 situé dans le logement correspondant 36 du support 32. La partie 31 se prolonge par un support 30 sensiblement orienté à 90° et formant un dièdre avec celui-ci qui contient le liquide 33 également présent dans la rainure 36. Les surfaces au contact du liquide 33 de la palette 34 et du support 30 sont bien entendu traitées pour être mouillées par celui-ci. Une goutte de liquide étant déposée sur le partie 31 au-dessus de la rainure 36, celui-ci monte par capillarité entre la palette 34 et le support 30, sur une hauteur déterminée par les différents paramètres décrits cidessus. Il est bien entendu que la distance entre les deux palettes a été fortement augmentée pour mieux comprendre le phénomène qui est à la base de l'invention mais que les dimensions respectives des éléments de cette figure ne sont pas à l'échelle.
La figure 4 représente une vue de dessus, schématique, du dispositif de la figure 3. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure précédente portent les mêmes références. A la différence de la figure 3 précédente, la palette fixe (support 30) n'a pas été redressée pour former un dièdre avec la partie 31. Ceci permet de mieux comprendre la simplicité de fabrication du dispositif selon ce mode préférentiel de réalisation de l'invention. Pour réaliser un interrupteur en boîtier fermé tel que représenté par exemple sur la figure 2, il suffit par conséquent de prendre un support 32, telle qu'une embase de transistor, de créer une rainure 36 dans celui-ci, puis de placer la palette 34 munie de son axe de rotation 35, de telle sorte que celui-ci se place dans ladite rainure. On amène ensuite l'ensemble 30, 31, muni de l'ouverture 37 de taille légèrement supérieure à la largeur de la palette 34 et l'on vient coiffer celle-ci de façon à maintenir l'axe 35 dans la rainure 36 à l'aide des parties latérales de la partie 31. Ce maintien est représenté par les parties en pointillé 38 et 39 de l'axe 35. On forme ensuite le dièdre 30, 31 en réalisant un pliage selon l'axe 40. Il suffit ensuite de mettre une goutte de mercure dans le capot correspondant à l'embase puis d'assembler ceci hermétiquement sans gaz protecteur, de façon à éviter l'oxydation du mercure (bien entendu, par souci de simplification, la figure 4 ne représente pas les électrodes électriques telles que 6 et 7 de la figure 2).
Concernant la commande de l'interrupteur selon l'invention, on utilisera, par exemple, soit au moins une bobine, soit un aimant permanent, disposés à proximité du boîtier renfermant l'interrupteur, afin d'attirer la palette mobile dans sa fonction de travail. Le champ magnétique appliqué à cette palette pour la faire basculer sur la position de travail de l'interrupteur sera adaptée aux différent paramètres de celui-ci. Lorsqu'on éloigne ou diminue le champ magnétique, la languette retourne en position de repos, grâce au ressort liquide de l'invention.
Pour plus de détails concernant la commande d'interrupteurs tels que représentés sur la figure 2, on pourra se reporter à l'article »New construction for a mercury-wetted switch for operation in any position« de Messieurs LE-GRAND et FRANCES paru dans le volume 2 pages 625 à 634 de »Proceeding of the 1 Oth international conference on electric contact pheno- mena«, conférence qui s'est tenue du 25 au 29 août 1980 à Budapest.

Claims

1. Interrupteur à contacts mouillés par le mercure disposés dans un boîtier constitué d'une embase (3'; 32) et d'un capot (8), comportant une première et une deuxième électrodes (6, 7), un élément mobile (1'; 34) pouvant prendre au moins deux positions différentes, respectivement une position de travail sous l'action d'une force extérieure de commande et une position de repos sous l'action d'une force de rappel engendrée par du mercure disposé entre l'élément mobile (1'; 34) et un élément fixe (22'; 30), dont la distance est au plus égale à la valeur pour laquelle le mercure est maintenu entre lesdits éléments par les forces de capillarité, les surfaces respectives de l'élément fixe (22'; 30) et de l'élément mobile (1'; 34) en contact avec le mercure étant telles qu'elles sont mouillées par celui-ci caractérisé en ce que l'élément mobile (1'; 34) à la forme d'une palette dont l'un des côtés constitue un axe de rotation (35) de celle-ci de la position de repos à la position de travail et vice-versa, cet axe de rotation (35) pénétrant dans une rainure (36) portée par l'embase (3'; 32) du boîtier qui est solidaire dudit élément fixe (22'; 30) et en ce que ledit élément mobile (1') est relié à une troisième électrode (24) reliée électriquement à la première ou à la seconde électrode (6, 7) suivant la position de repos ou de travail (ou vice-versa) de l'élément. mobile (1').

2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce en forme de dièdre (30, 31 ) dont l'un des plans est solidaire de l'embase (32) et muni d'une ouverture (37) à travers laquelle passe l'élément mobile (1'; 34), l'axe de rotation (35) de celui-ci étant maintenu dans la rainure (36) par ledit plan (31), l'élément fixe étant constitué par l'autre plan dudit dièdre (30, 31

3. Interrupteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les dimensions de la palette mobile et la distance du point de contact de l'électrode correspondant à la position de travail, à l'axe de rotation (35) de la palette sont telles que la position de travail est une position d'équilibre stable.