Brevet FR2233698A1 — publié le 19750110

La présente invention est due aux travaux du demandeur et de Messieurs PICARD, COPIIEZ et CESARI. Elle a pour objet un relais électromagnétique bistable, commandé par impulsion, comprenant un ou plusieurs contacts électriques en ampoules scellées, et destiné à la commutation en général, particulierement en association avec des dispositifs de commutation électronique0 Les relais électromagnétiques miniatures bistables, mise àvaleurs qualités propres, sont utilises en nombres de plus en plus élevés, parallèlement au développement des appareils de commutation électro nique utilisant des circuits intégrés.Parmi leurs qualités essen tielles, les rapports élevés entre les impédances en circuit ouvert et en circuit fermé, leur bistabilité sans courant de maintien, leur durée de vie et la simplicité de leur mise en oeuvre sont difficile ment concurrencés par des dispositifs électroniques et expliquent pourquoi leur développement a suivi celui de la commutation électro nique dans des applications aux exigences particulières. Dans cette association de circuits électromagnétiques et de relais, il est né cessaire d'adapter les relais à la commande par impulsion de courant, afin d'augmenter leur vitesse, de diminuer l'inertie des pièces mobiles et donc de les miniaturiser.Un domaine important d'applica- tion est celui de la téléphonie dont le développement technique actuel entratne la coexistence des installations traditionnelles et modernes facilitée par l'utilisation des relais miniatures, qui sont parfaitement adaptés à assurer certaines liaisons entre circuits dif férents. La réalisation de certaines matrices de commutation, les sélecteurs téléphoniques par exemple, sont une des applications de ces relais. Leur domaine s'étend aussi aux liaisons entre des dispositifs je commande électronique et des dispositifs électromécaniques. Il est connu que les contacts en ampoules scellées, soit secs, soit mouillés au mercure, appelés encore interrupteurs à lames souples (en abrégé I.LS.) constitués en alliage magnétique, assurent la fermeture d'un circuit par contact des deux extrémités ae ces lames qui se trouvent en regard l'une de l'autre à l'intérieur de l'ampoule, lorsqu'elles sont soumises à l'influence d'un camp magnétique qui crée sur ces deux extrémités des pâles magnétiques de sens opposés.Il apparatt que, pour réaliser à l'aide de ces inter rupteurs à lames souples des relais bistables, c'est-à-dire ne nécessitant aucune énergie permanente de maintien du relais dans l'une ou l'autre de ses deux positions, il est nécessaire de faire appel aux propriétés de rémanence magnétique de certains matériaux ou à celle des aimants permanents. Le signal de commande peut alors se réduire à une impulsion de courant et ltensemble s'adapter aux circuits de commutation électronique à commande par impulsions. Selon l'invention, la commande du relais s'effectue par déplacement d1un aimant permanent convenablement placé devant l'I.L.S. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés dans lesquels - les Figs. la, 1b 2a, 2b représentent des relais à lames souples selon une teehnique connue - les Figs. 3a, 3b-et 3c représentent un schéma montrant le principe d'un relais selon l'invention ; - la Fig. 4 représente un mode de réalisation d'un système à deux I.L.S. selon l'invention ; et - les Figs. 5a et 5b représentent un mode de réalisation d'un système à quatre I.L.S. selon l'invention. Sur toutes ces figures, les mômes éléments portent les mômes numéros de référence. Pour obtenir cette bistabilité, une des solutions les plus récentes consisté à utiliser deux circuits magnétiques à rémanence, montés, soit en série avec l'I.L.S. comme l'indiquent les Figs. la et lb, soit en parallèle sur l'I.L.S. comme l'indiquent les Figs0 2a et 2b, ces circuits pouvant comporter des bobinages non représentés servant de circuits de commande. Comme le montre la Fig. la, les flux des circuits magnétiques 1Q et 11 se retranchent dans leslames souples; le flux résiduel étant trop faible, ces lames restent dans leur position de repos.Dans la Fig. lb, le champ magnétique du circuit 11 a été inversé par rapport à celui de la Fig. la, les flux magnétiques des deux circuits s'ajoutent dans le circuit formé par les lames, qui s'attirent et viennent en contacts Le matériau du circuit 11, à rémanence magnétique, possède un diagramme dthystérésis à cycle rectangulaire, et l'inversion de champ est provoquée par une impulsion de quelques centaines de microsecondes de durée envoyée dans un bobinage (non représenté) entourant le circuit 11. Dans lwexer.ple de la Fig. 2a, les circuits magnétiques 10 etil sont montés en série et leurs polarités sont telles que les flux magnétiques des deux circuits se retranchent dans les lames souples, qui restent au repos. Au contraire, la Fig. 2b montre un circuit magnétique 17 où le champ a été inversé par rapport à celui de la Fig. 2a; créant ainsi par addition un flux magnétique intense dans les lames souples qui, de ce fait, s'attirent et viennent encontact. Ceè deux systèmes représentent certains inconvénients. Dlabord, la dispersion des valeurs des principales caractéristiques des circuits magnétiques utilisés nécessite des réglages délicats. Dans le cas de l'utilisation de plusieurs paires de lames souples dans un même ensemble de circuits magnétiques, afin de commuter plusieurs circuits simultanément, ceu.-ci ne peuvent entre que tous ouverts ou tous fermés simultanément, et ne peuvent donc pas titre choisis indifféremment au repos ou au travail. De plus, il existe une grande disparité entre les puissances de commande suivant due l'impulsion est destinée à mettre les I.L.S. dans la position "travail" ou dans la position "repos". Le relais de commutation réalisé suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Ce relais, objet de l'invention, n'utilise pas plusieurs circuits magnétiques rémanents, ou permanents, et il n'y a donc pas lieu de tenir compte de la dispersion de leurs caractéristiques magnétiques lors de leur montage et de leur mise au point. De plus, lorsque le relais objet de la présente invention est construit pour réaliser la commutation de plusieurs circuits, ceux-ci n'ont pas obligatoirement tous la même disposition, ouverte ou fermée, Enfin, les puissances, formes et durées des signaux de coimnande, sont identiques pour passer d'une quelconque des deux positions de stabilité à lautre. La présente invention permet donc de réaliser des relais bista- bles, c1 est-à-dire ne nécessitant aucune énergie électrique pour leur maintien dans î1une ou l ' autre de leurs positions, are fois l'une d'entre elles acquise, et pouvant commuter plusieurs circuits. simultanément, les états "ouvert" ou "fermén de chaque circuit pris séparément pouvant être déterminés au choir pour une position dormée du relais. Ces relais, réalisés suivant l'invention, peuvent être commandés par des impulsions provenant de dispositifs de coumutation électroniques auxquels ils sont particulièrement adaptés. Les signaux de commande nécessaires pour passer d'une quelconque des deux positions stables, du relais suivant l'invention, à l'autre sont identiques ils sont différenciés, soit par leur polarité, soit par l'utilisation de deux fils de cormande distincts. Ces relais réalisés suivant l'invention peuvent etre ensuite assemblés pour constituer des matrices de commutation, par exemple des sélecteurs téléphonique, pour ne citer qu'une des applications les plus importantes. Pour parvenir à ce réssltat, le procédé suivant l'invention donsiste à utiliser l'effot du champ magnétique créé par un aimant permanent pivotant autour d'un axe, sur un interrupteur à lames souples constituées en alliage magnétique et contenues dans une ampoule scellée appelé en abrégé I.LdS. La Fig 3 illustre le principe utilisé pour réaliser un relais de commutetion suivent l'invention. En déplaçant le pôle @ord d'un aimant permanent 3G le long d'un I.L.S. 31, comme l'indique la c'est-à-dire de la position figure, la Fig. 3a à celle de la Fig. 3c en passant par la Fig. 3b, on de que, dans les deus positions constate (3a et 3c), les inducticns extrêmes sur les lames sont suffisantes pour créer des forces d'attraction capables de courber les lames et magnétiques leur contact, tandis que dans la position médiane (3b) ces lames restent au repos.Il existe en d'entraîner plages de réglage possibles de position du pôle de l'aimant permanent, deux de ces plages étant actives et permettant d'assurer la fermeture d'un circuit par contact des lames souples et une, la position médiane, correspondant au circuit ouvert (lames au repos). Connue ces plages de réglage se chevauchent, la meilleur position se situe au milieu de chacune d'elles. Le relais réalisé suivant réalitétrois comporte, ainsi que l'in dique la Fig. 4, un aimant permanent 30, mobile autour d'un axe 32 passant par son centre de gravité et limité mécaniquement dans son mouvement de rotation. Les deux pièces 33 et 34 en l'invontion tique servent à maintenir l'aimant dans -ses métal férromagné- extrêmes pour assurer la bistabilité du système. L'entrefer visible sur la figure est déterminé en fonction de la sensibilité du système. La figure ne donne pas les détails de montage de-s pièces deux positions en plastique moulé.Des gorges ou trous de section convenable permettent dty positionner mécaniques des longitudinalement par exemple les trous 35 et 3é de la figure I.L.S., lesquels peuvent coulisser les @ans 37 et 38. I.L.S. 37 est positionné dans le trou 35 de façon à assurer le collage de-s lames ou la fermeture du circuit pour la position a de l'aimant permanent 30, tandis que l'I.L.S. 38 est L'I.L.S. de telle façon que, pour la positionné position a de l'aimant permanent 30, ses lames soient au repos et le circuit ouvert. Il apparatt avec évidence que, pour une position de l'aimant permanent définie à l'avance, il est possible de faire en sorte que chaque relais soit ouvert ou fermé à volonté en gositionnant contenablement l'I.L.S dans son logement dane le sens lollgitudinal. Le nombre d'I.L.S. pouvant être assecié à un aimant n'est pas limité à deux, mais peut être égal à quatre ou davantage. Pour commander l'aimant permanent et l'amener dans l'une ou l'autro des positions d'équilibre stable, l'ensemble comprend une bobine 39 à deux enroulements 41 et 42 entourant les I.L.S. et la'imant permanent de telle sorte que son axe 40 soit perpendiculaire à l'axe 32 de l'aimant permanent.Suivant que l'impulsion de commande est envoyée sur l'enroulement 41 ou 11 enroulement 42, un flux magnétique traverse la bobine et sollicite l1aimant permanent dans un sens ou dans l'autre, la seule énergie nécessaire étant celle d'arrachement à sa butée pour l'amener dans l'autre position. il serait également possible d'avoir un unique enroulement et de changer le sens du courant dans cet enroulement pour commuter l' aimant permanent 30. Tous les éléments peuvent être miniaturisés de façon à ce que l'ensemble se présente sous un très faible volume et que la pièce mobile constituée par l'aimant permanent offre la plus faible inertie pour se prêter plus facilement aux grandes vitesses de commutation et à la commande par impulsions de faible énergie telles que celles habituellement délivrées par les systèmes logiques actuels. Toutes les pièces mécaniciues constituant la structure du relais et non décrites sur la Fig. 4 peuvent être conçues pour être moulées et l'ensemble peut ainsi être adapté à la construction en grande serie. Le relais une fois monté est insensible aux accélérations élevées, l'aimant étant lui-môme équilibré autour de son axe. Un exemple de réalisation est donné par les Figs. 5a et 5b représentant un relais suivant respectivement les coupes A-A et B-B comportant quatre I.L.S. 43, 44, 45, 46 et permettant par le réglage du positionnement de ces derniers dans leurs logements d'obtenir simultanément 4T ou 3T + IR ou 2T + 2R ou 1T + 3R ou 4R pour un état donné du relais (T voulant dire "au travail" et R "au repos"), cet état dépendant de la position d'équilibre choisi pour l'aimant permanent 30. La bohine de commande 39 comporte deux enroulements de 500 tours en fils de 0,10 mm. L'énerv,ie nécessaire pour faire basculer le relais quelle que soit sa position initiale est de 10 micro-joules et correspond dans l'exemple de relais réalisé suivant l'invention à une impulsion cl'amplitude 5 Volts et de durée 150 micro-secondes. Le retard au fonctionnement est de 50 microsecondes à la fermeture et de 150 microsecondes a' l'ouverture. Un blindage métallique extérieur empêche les interréactions des relais juxtaposas. Les dimensions hors tout du relais sont en mm 22,6 x 20,6 x 14,5. Le relais électromagnétique miniature objet de la présente invention peut trouver son utilisation dans tous les dispositifs de commutation à commande par impulsions nécessitant : de grandes vitesses de commutation sous faible énergie, une parfaite stabilité dans l'une ou l'autre des positions du relais sans énergie de maintien, une insensibilité élevée aux vibrations, chocs ou accélérations, une position ou orientatioll indifférente pour son fonctionnement, uneindépendance électronique des circuits de commande et d'utilisation, une grande sécurité de fonctionnement due aux contacts protégés sous ampoules scellées, un rapport élevé entre les impédances des contacts en position ouverte ou fermée, un nombre élevé (égal ou superieur à 4) de circuits d'utilisation avec toutes les combinaisons possibles de contacts "travail" ou "repos"0 Une application possible est la réalisation de matrices de commutation, et en particilier la réalisation de sélecteurs téléphoniques, par la juxtaposition d'éléments indépendants constitués par les relais objets de l'invention, utilisables dans des centraux téléphoniques où la commutatiun électronique par impuIsions a une très large part. Les dimensions réduites de ces relais permettent de réaliser des sélecteurs téléphoniques relativement compacts, les blindages dont sont équipés les relais étant suffisants pour éviter toute interaction. L'ordre de randeur des dimensions d'une matrice 8 x 8 à 4 circuits est de 20 cm x 20 cm x 5 em.