Brevet FR2274133A1 — publié le 19760102

La présente invention concerne un système de commutation matricielle ou à coordonnées à commande électromagnétique. Dans un tel système de commutation, des conducteurs de rangée et de colonne sont sélectivement excités pour établir à volonté un grand nombre de connexions électriques. Le système de commutation matricielle de l'invention comprend uncertaÙf nombre d'éléments de commutation disposés aux intersections des rangées et des colonnes d'une matrice, chaque élément de commutation étant constitué d'une armature mobile magnétisable et de deux pièces polaires fixes formant avec 1'armature mobile deux entrefers variables dont les réluctances respectives varient en sens inverse lorsque l'armature se déplace, une série de premiers circuits de sélection associés individuellement aux colonnes de la matrice et communs à tous les éléments de commutation d'une mdme colonne, et une série de seconds circuits de sélection associés individuellement aux rangées de la matrice et communs à tous les éléments de commutation d'une meme rangée.L'excitation de-l'un des premiers circuits de sélection engendre des champs magnétiques de sens opposés dans les deux entrefers de chaque élément de la colonne associée, et l'excitation de l'un des seconds circuits de sélection engendre des champs magnétiques de même sens dans les deux entrefers de chaque élément de la rangée associée, de sorte que l'excitation d'un premier et d'un second circuits de sélection n'actionne qu'un seul élément de commutation situé à l'intersection de la colonne et de la rangée sélectionnées, à l'exclusion de tous les autres éléments de la matrice, le déplacement de l'armature de l'élément actionné modifiant au moins un contact électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de commutation matricielle mettant en oeuvre les principes de l'invention; \ - la figure 2 est une vue de détail de l'armature mobile d'un élément de commutation de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective d'un élément de commutation complet de la figure 1; - la figure 4 est une vue en perspective d'une variante d'élément de commutation; - la figure 5 est une représentation schématique d'une autre forme du système de commutation matricielle de la présente invention; - la figure 6 est une coupe partielle dans le plan B-F de la figure 5;; - la figure 7 est une coupe perpendiculaire dans le plan Z-Z de la figure 6; - la figure 8 est une vue en perspective d'une autre variante d'élément de commutation; - la figure 9 représente en perspective une armature bistable utilisable dans les éléments de commutation de l'invention; - la figure 10 est une vue en perspective d'une autre variante d'élément de commutation. La matrice de commutation de la figure 1 comprend quatre éléments de commutation qui peuvent etre actionnés sélectivement. Il est évident que ce nombre de quatre éléments n'a été choisi que pour la clarté de l'illustration et qu'en pratique un système de commutation comprend généralement un beaucoup plus grand nombre d'éléments. La matrice de la figure 1 comprend quatre armatures magnétisables pivotantes 111, par exemple en matière ferromagnétique douce, disposées en deux rangées et deux colonnes. Chaque armature de forme allongée est montée sur un pivot central 4 à axe horizontal et peut donc se déplacer dans un plan vertical entre des positions de contact (non représentées sur la figure 1) qui seront décrites plus loin en regard de la figure 2.Les armatures de chaque rangée sont entourées par un conducteur électrique formant une boucle horizontale et se terminant en des bornes respectives, al, bl; a2,b2 . Chaque conducteur peut être constitué d'une spire unique, comme illustré, ou de plusieurs spires selon les caractéristiques de la source de courant électrique utilisée. Des boucles conductrices verticales sont de même associées aux colonnes de la matrice et se terminent en des bornes respectives cl, di; c2, d2. A chaque armature mobile est associée une culasse ferromagnétique fixe 116 à quatre piles. Cette culasse est mieux visible sur la figure 3 qui représente en détail l'un des éléments de commutation de la matrice de la figure i. ta figure 2 représente les détails de l'armature 111 dont la course angulaire est limitée par des contacts fixes 102, 103 avec lesquels l'armature établit des connexions sous contrôle des boucles conductrices de sélection. il est préférable que l'armature soit bistable, e'est-s-dire qu'elle reste dans sa dernière position jusqu'à ce qu'un ordre explicite la fasse passer à son autre position.Cette caractéristique bistable peut etre obtenue au moyen de petits aimants permanents 105, 106 disposés au voisinage des extrémités de la course de l'armature, ou au moyen d'un poids 107 fixé en haut de l'armature. Sur la figure 3, les références Villa et 111b désignent les extrémités de l'armature 111 qui est montée sur un pivot horizontal de manière à être mobile entre des contacts 102 et 103 sous contrôle des boucles de sélection 114, 115. La culasse ferromagnétique 116 est conetituée d'une plaque rectangulaire 117 disposée parallèlement au plan de mobilité de l'armature. ta culasse 116 comporte également des pièces polaires 118a, 118a', 118b, 118b' qui font saillie de la plaque vers 1' armature pour établir des chemins de retour à faible réluctance pour le ilut magnétique créé par l'exci- tation des conducteurs 114 et 115.Deux entrefers sont établis entre l'extrémité 8Fpérieure ilia de l'armature et les pièces polaires supérieures 118a et 118a'. Lorsqu'un courant passe dans le conducteur 115, les flux magnétiques qui circulentdans ces entrefers sont de meme sens. Par contre, lorsqu'un courant circule dans le conducteur 114, les flux magnétiques qui s'établissent dans les deux entrefers sont de sens opposés. Si les conducteurs 114 et 115 sont simultanément excités par des courants d'intensités et de polarités convenablement choisies, les flux correspondants s 'additionnent dans l'entrefer de la pièce polaire 118a et s'annulent dans l'entrefer de la pièce polaire 118a', de sorte que l'extrémité 119a de l'armature est attirée vers la pièce polaire 118a. Si l'on inverse la polarité de l'un des courants d'excitation, les flux s'additionnent dans l'entrefer de la pièce polaire 118a' et s'annulent dans l'autre entrefer, de sorte que l'armature est rappelée vers sa position initiale.L'excitation d'un seul conducteur ne peut provoquer un basculement de l'armature, quelle que soit l'intensité du courant d'excitation, car des flux apparaissent dans les deux entrefers et l'armature est attirée vers la pièce polaire la plus proche, c'est-à-dire vers la butée sur laquelle elle repose déjà. L'autre extrémité 111 b de l'armature est influencée de la mdme manière par les flux qui s'établissent entre elle et les pièces polaires infé- rieures 118b et 118b', de sorte que le couple moteur est doublé. Il est évident qu'en sélectionnant un conducteur vertical et un conducteur horizontal, on peut actionner individuellement un élément unique et parfaitement défini de la matrice, quel que soit l'état de ses contacts. Comme indiqué sur la figure 1, les quatre culasses 116 peuvent être réunies par une partie commune J pour former une pièce unique coulée ou emboutie. La figure 4 représente le mode de fonctionnement d'une variante de l'élément de commutation. La culasse comprend une plaque 21 a de matière magnétique douce et deux paires de pièces polaires 21b, 21b' et 21c, 21c' faisant saillie perpen diculafrement. Des conducteum orthogonaux 22, 23 associés à une colonne et à une rangée d'une matrice d'éléments de commutation, se croisent au centre de la plaque 21a. A chaque paire de pièces polaires 2tub, 2tb' et 21c, 21c' est associée une armature 24, 25 de matière magnétique douce, les deux armatures pouvant pivoter autour d 'un axe commun 26. Sur la figure 4, les armatures sont représentées beaucoup plus écartées qu'en réalité pour la clarté de l'illustration. Lorsque le conducteur 23 est excité par le passage d'un courant électrique, des flux magnétiques s'établissent dans les entrefers qui existent entre l'extrémité gauche de l'armature 24 et la pièce polaire 21b, et entre l'extrémité droite de l'armature 24 et B pièce polaire 21b'. Ces flux sont de même sens. Lorsque le conducteur 22 est excité, des flux magnétiques de sens opposés s'établissent dans ces deux entrefers. Pour un choix convenable des intensités et des polarités des courants d'excitation, on obtient une addition des deux flux dans l'un des entrefers et une annulation dans l'autre, de sortefque l'armature a tendance à basculer autour de son axe 26 pour réduire la longueur de l'entrefer qui est le siège des flux additifs.La longueur de l'autre entrefer est simultanément augmentée. Le fonctionnement de 1' armature 25 associée aux pièces polaires 21c et 21c' est similaire, la seule différence étant que les armatures 24 et 25 basculent dans des sens opposés. Le sens du basculement dépend des polarités relatives des deux courants de sélection et en inversant la polarité de l'un ou l'autre de ces courants, on obtient un basculement inverse. La figure 5 représente une matrice 2 x 2 d'éléments de commutation utilisant le type de culasse et d'armature représenté figure 4, chaque élément de commutation formant deux commutateurs interdépendants. Les culasses ne sont pas représentées sur la figure 5. Chaque élément est représenté par un rectangle en trait mixte (cli, c12, c21, c22) et contient deux armatures 24, 25. Les armatures sont reliées à des barres horizontales de signal tal, Xa'1, Ibl, Xb'1, par des liaisons respectives 34, 34' et 35, 35' faisant office de ressorts de torsion.Toutes les armatures de la matrice, tous les conducteurs X et toutes les liaisons élastiques peuvent être découpés par usinage chimique dans une même feuille d'alliage magnétique doux tes conducteurs X sont ensuite fixés sur une plaque de verre qui est usinée chimiquement sous les armatures et leurs liaisons élastiques pour permettre un mouvement de basculement limité. Pour simplifier la fabrication, tous les conducteurs X sont de préférence initialement reliés à l'extérieur de la matrice par un cadre commun qui n'est éliminé qu'après le collage des conducteurs sur la plaque de verre. Dans chaque élément de commutation, quatre plots conducteurs en forme de C 51, 53, 54, 56 sont associés par paire à chaque armature; les plots étant magnétisés pour créer un flux entre les extrémités du C. Les plots et des barres verticales de signal Ya1, Ybi, Ya2, Yb2 sont collés sur une plaque de verre commune non représentée sur les figures. Pour fabriquer les plots et les conducteurs Y, on peut former une couche de matière magnétique douce sur une plaque de verre, puis la décaper sélectivement pour ne laisser subsister que les plots et les conducteurs Y, conformément aux techniques photolithographiques classiques. Sur la figure 5, les plots conducteurs se trouvent au-dessus des armatures. Une culasse et des conducteurs d'excitation du type illustré figure 4 sont disposés sous les armatures de chaque cellule, mais ne sont pas visibles sur la figure 5. Par exemple, lorsque la culasse de la cellule ci est sélectionnée, l'extrémité gauche de son armature 25 vient en contact avec le plot 54 et l'extrémité droite de son armature 24 vient en contact avec le plot 53. Des connexions électriques sont ainsi établies entre le conducteur Xbl et le conducteur Yb1,d'une part,et entre le conducteur lai et le conducteur Yai, d'autre part.L'inversion de l'unes courants de sélection permet de supprimer ces connexions sans perturber l'état des autres commutateurs de la matrice. Tous les éléments de commutation de matrice peuvent être actionnés de manière analogue. La figure 6 est une coupe dans le plan F-F de la cellule cl de la figure 5 illustrant en détail la disposition de son armature 25 et des pièces associées. L'armature 25 peut basculer autour d'un axe perpendiculaire au plan du papier. Les pièces polaires 21c, 21c' font partie de la culasse associée aux conducteurs de sélection 22, 23. La figure 7 est une vue en élévation latérale dans le sens des flèches Z-Z de la figure 6. tes conducteurs horizontaux ibi, Xb'l sont collés sur une plaque de verre 27 qui est partiellement évidée en 57 pour permettre le basculement de l'armature 25. tes plots de contact 54, 56 et les conducteurs verticaux Yai, Ybl sont collés sur une autre plaque de verre 28 qui est maintenue écartée de la plaque 27 par des moyens quelconques non représentés.Le plot 54 est électriquement relié au conducteur Yaî pour une languette métallique 55, mais le plot 56 est isolé de tous les conducteurs Y. L'armature 25 étant dans sa position des figures 6 et 7, le conducteur Ibi est électriquement relié au conducteur Ybi. Par une excitation convenable des conducteurs de sélection 22 et 23, on peut faire basculer l'armature 25 vers le plot 56, ce qui supprime la connexion. Les deux plots sont magnétisés de manière que l'armature soit attirée par le plot contre lequel elle est appliquée pour réaliser un mouvement bistable. Les plots sont magnétisés par des aimants permanents disposés à proximité. Sur la figure 7, le plot 54 est magnétisé par un aimant permanent 29 qui est monté de l'autre côté de la plaque de verre 28. L'aimant 29 peut être commun à tousses commutateurs de la matrice, auquel cas il comporte des régions alternativement magnétisées avec des polarités nord et sud, dont les frontières sont disposées entre les plots de contact. La structure des figures 4 à 7 est avantageuse par le fait que les armatures, les conducteurs d'interconnexion et les plots de contact sont toue contenus dans un volume commun délimité par les deux plaques de verre. Pour les protéger de la contamination atmosphérique, il suffit de réaliser un assemblage étanche des deux plaques de vexe s'r le long de Xsr périmètre. Un tel système de commutation se compose d'un ensemble hermétique d'interconnexion et d'une matrice de sélection qui peuvent facilement être séparés pour le remplacernent de l'un ou l'autre. La figure 8 illustre un autre mode de réalisation dans lequel une armature 75 est déplacée entre deux positions stables par des champs magnétiques créés par deux culasses disposés de part et d'autre de l'armature. Les culasses 71, 72 sont disposées face à face avec leurs pièces polaires alignées, 1' espacement représenté eur la figure étant exagéré. Les deux culasses sont excitées par des parties de deux bobinages communs 73, 74 qui sont représentés sous la forme de spires uniques, mais qui sont de préférence des bobinages multispires. L'armature 75 est montée de manière à avoir une position stable au voisinage de chaque culasse et ses mouvements commandent des contacta électriques de n'importe quel type. Lorsqu'un courant X de polarité convenable circule dans le bobinage 73, un flux Fx passe du haut de la culasse 72 à l'armature 75 et du bas de l'armature au bas de la culasse 72. De même, un flux F'x passe du haut de la culasse 71 à l'armature 75 et du bas de l'armature au bas de la culasse 71. Lorsqu'un courant Y de polarité convenable circule dans le bobinage 74, un flux Fy passe du haut de la culasse 72 à l'armature 75 et du bas de l'armature au bas de la culasse 72. De même, un flux F'y passe du bas de la culasse 71 à l'armature 75 et du haut de 1' armature au haut de la culasse 71. Lorsque des courants égaux X et Y sont simultanément appliqués, les flux F'x et F'y s'annulent dans les deux entrefers de gauche et l'armature est attirée vers les pièces polaires de la culasse 72 par l'addition des flux Fx et Fy dans les entrefers correspondants. Différents systèmes de suspension peuvent être utilisés pour obtenir un mouvement bistable des armatures, mais celui de la figure 9 donne d'excellents résultats. L'armature 75 est solidaire de son élément de suspension qui comprend un bras central élastique 76 mis en compression par deux bras latéraux plus courts 77 et 78. La pièce étant découpée dans une tôle mince, les bras 77 et 78 peuvent 8tre raccourcis par des déformations en zigzag pour créer un effort de compression du bras central 76 qui su incurve dans un sens ou dans 1' autre par rapport au plan de la tôle initiale. Bes deux états stables de l'armature 75 correspondent aux courbures symétriques que peut prendre le bras 76. La base de l'armature est fixée en 79 à un cadre portant les contacts électriques. ta figure 10 représente une autre variante dans laquelle deux pièces polaires 81, 82 sont montées de part et d'autre d'une armature 83. L'armature peut être du type bistable illustré sur la figure 9 et fait généralement partie d'une matrice d'armature découpée dans une seule tôle magnétique. tes mouvements de l'armature sont convertis en contacts électriques par des moyens quelconques. L'excitation d'un conducteur 84 avec un courant de polarité convenable fait passer un flux de la pièce polaire 81 à l'armature 83 et de l'armature 83 à la pièce polaire 82. Les flux ont donc la mEme orientation dans les deux entrefers. L'excitation d'un conducteur 85 avec un courant de polarité convenable fait passer un flux de la pièce polaire 81 à l'armature 87 et de la pièce polaire 82 à 1' armature 87. Dans ce cas, les deux flux ont des orientations opposées dans les deux entrefers. Lorsque les conducteurs 84 et 85 sont simultanément excités, les flux s 'additionnent dans l'un des entrefers et s'annulent dans l'autre, de sorte que l'armature est attirée vers ltune des pièces polaires. En inversant la polarité de l'un dee courants, l'armature est attirée vers 1 'autre pièce polaire. Dans la description qui précède et dans les revendications, le terme "matière magnétisable" désigne une matière dont ltéventuelle magnétisation résiduelle n'est pas modifiée par l'inversion des flux qu'induisent les courants d'excitation. il va de soi que la description précédente n'est nullement limitative et qu'on pourra y apporter diverses modifications ou variantes entrant dans le cadre et dans l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS i. Système de commutation matricielle caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments de commutation disposés aux intersections des rangées et des colonnes d'une matrice, chaque élément de commutation étant constitué d'une armature mobile magnétisable et de deux pièces polaires fixes formant avec l'armature mobile deux entrefers dont les réluctances respectives varient en sens inverse lorsque l'armature se déplace, une série de premiers circuits de sélection associés individuellement aux colonnes de la matrice et communs à tous les éléments de commutation d'une même colonne, et une série de seconds circuits de sélection associés individuellement aux rangées de la matrice et communs à tous les éléments de commutation d'une m8me rangée, l'excitation de l'un des premiers circuits de sélection engendrant des champs magnétiques de sens opposés dans les deux entrefers de chaque élément de commutation de la colonne associée, et l'excitation de l'un des seconds circuits de sélection engendrant des champs magnétiques de même sens dans les deux entrefers de chaque élément de commutation de la rangée associée, de manière que l'excitation d'un premier et d'un second circuits de sélection n'actionne qu'un seul élément de commutation situé à l'intersection de la colonne et de la rangée sélectionnées, à l'exclusion de tous les autres éléments de la matrice, le déplacement de l'armature de l'élément actionné modifiant au moins un contact électrique. 2. Système de commutation matricielle selon la revendication i, caractérisé en ce que chacun des circuits de sélection comprend un bobinage entourant les armatures des éléments de commutation associés. 3. Système de commutation matricielle selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des circuits de sélection comprend un bobinage entourant les pièces polaires des éléments de commutation associés. 4. Système de commutation matricielle selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des circuits de sélection comprend un conducteur couplé à des culasses portant chacune en des points espacés les pièces polaires d'un élément de commutation. 5. Système de commutation matricielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les entrefers sont formés entre des faces opposées d'une partie de l'armature et lesdites pièces polaires. 6. Système de commutation matricielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les entrefers sont formés entre les faces opposées du même cEté de l'armature et lesdites pièces polaires. 7. Système de commutation matricielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 6r caractérisé en ce que les armatures de plusieurs éléments de commutation sont des parties d'un même élément. 8. Système de commutation matricielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les pièces polaires de plusieurs éléments de commutation sont des parties espacées d'un même élément. 9. Système de coninitation matricielle caractérisé en ce qu'il comprend une matrice d'ensembles de contact sélectivement actionnés disposés en rangées et en colonnes, chaque ensemble de contact étant actionné par les mouvements d'une armature en réponse à des premier et second champs magnétiques engendrés par l'excitation sélective de conducteurs électriques respectivement associés à la rangée et à la colonne dont fait partie ltensemble de contact considéré, les flux magnétiques engendrés par les conducteurs électriques étant conduits par des pièces polaires associées à chaque armature, tous les ensembles de contact et toutes les armatures étant contenus dans une enceinte hermétique commune, les conducteurs et les pièces polaires étant disposés à l'extérieur de ladite enceinte.