Brevet FR2417841A1 — publié le 19790914

La présente invention concerne un commutateur électrostatique a automaintien. Un tel commutateur utilise le principe connu d'instabilité mécanique d'un électret placé entre deux électrodes planes. Un électret est une lame diélectrique porteuse de charges électriques permanentes obtenues de différentes façons, notamment par effet Corona. Lorsque lton rapproche suffisamment l'électret de l'une des électrodes, il vient se plaquer contre cette électrode et reste dans cette position sans aucun apport extérieur d'énergie. Ce phénomène s'explique par le fait que les charges portées par électret attirent sur l'électrode considérée des charges de signes contraires engendrant une force d'attraction électrostatique. Si maintenant on applique une tension entre les deux électrodes, la répartition des charges est modifiée dans celles-ci.En choisissant convenablement le signe, la valeur et la durée d'application de la tension, on peut annuler la force qui maintient électret plaqué contre l'électrode et provoquer son décollage. On notera que cette force de maintien est généralement inférieure à la force électrostatique, du fait que la lame diélectrique est reliée par l'une de ses extrémités a un point fixe et travaille en flexion ; elle possède donc une force de rappel qui est à soustraire de la force électrostatique. L'impulsion de tension peut être déterminée de façon à créer, entre l'électret et l'électrode opposée, une force d'attraction électrostatique suffisante pour le faire basculer et le plaquer contre cette électrode. Après suppression de l'impulsion, l'électret reste plaqué contre l'électrode. I1 est connu d'utiliser des commutateurs à électret commandés selon le principe cidessus pour établir ou rompre une connexion électrique. De tels commutateurs sont décrits notamment dans la demande de brevet fran çais nO 74 40506 (2 294 535) déposée le 10 décembre 1974. Ils fonctionnent de la manière suivante : un contact, fixé sur une face de l'électret, vient toucher, sous l'action des forces électrostatiques précédemment mentionnées, un autre contact fixé de façon isolée sur la face interne de l'une des électrodes planes de commande de ltélectret. Afin d'obtenir une bonne connexion électrique entre les deux contacts, ceux-ci doivent être proéminents par rapport à leur face de support.Cette position des contacts sur l'électret et l'électrode plane, alliée à leur proéminence, présente l'inconvénient de diminuer sensiblement la surface utile d'adhérence, réduisant par conséquent la force d'attraction électrostatique de maintien. Certes, les parties non jointes de l'électret et de l'électrode ne sont pas très éloignées, mais cette faible distance de séparation suffit cependant à provoquer une forte diminution de la force électrostatique. Afin de limiter cet inconvénient, on peut réduire la surface des contacts, mais ceux-ci s' rusent alors plus rapidement, surtout s'il y a passage d'un courant élevé. D'autre part, la réduction de la surface des contacts peut conduire à un échauffement qui est préjudiciable a la durée de vie de 1' électret. Les commutateurs électrostatiques de ce type présentent également un autre inconvénient : la pression des contacts dépend de la force électrostatique engendrée. Or, celle-ci est tout de même assez faible et peut nuire a la qualité de la connexion électrique. La présente invention a précisément pour objet un commutateur électrostatique a automaintien permettant d'éviter ces inconvénients. Le commutateur selon l'invention est caractérisé notamment en ce qu'il comprend - une premiere électrode plane fixe ; - une seconde électrode plane mobile reliée à la masse électrique, parallèle a l'électrode fixe et pouvant se déplacer latéralement par rapport à celle-ci au moyen d'un moteur, un ressort de rappel la ramenant a la position de repos - une lame souple conductrice placée entre les deux électrodes planes et com portant respectivement sur chaque face de son extrémité libre deux électrets, ladite lame souple pouvant se déplacer d'une part verticalement d'une électrode à l'autre sous l'action des forces électrostatiques, et d'autre part latéralement en étant entraînée par l'électrode mobile lorsqu'elle est plaquée contre celle-ci, un ressort de rappel la ramenant a la position de repos, le déplacement latéral de la lame souple ayant pour effet de fermer les contacts électriques par l'intermédiaire d'un dispositif d'actionnement quelconque. L'invention va être expliquée en détail à l'aide de la description suivante faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 représente le schéma- de principe du commutateur selon l'invention - les figures 2.a a 2.c représentent les signaux électriques de commande du commutateur selon l'invention - les figures 3.a a 3.f représentent les diverses positions de l'électrode mobile et des électrets - la figure 4 représente le schéma d'une bande de commutateurs a électrets selon l'invention, permettant de commander sélectivement un contact parmi plusieurs. Le schéma de principe du commutateur électrostatique selon l'invention va être décrit en relation avec la figure 1. il comporte un dispositif de commande 1 agissant sur un dispositif d'actionnement de contacts 2, chacun de ces dispositifs étant délimité sur la figure par une ligne interrompue. Le dispositif de commande 1 comprend deux électrets El et E2 placés entre deux électrodes P1 et F2. L'électrode P1 est une électrode plane fixe, solidaire du bâti du commutateur. L'électrode P2 est un ruban conducteur parallele a l'électrode plane FI et pouvant se déplacer latéralement. A cette fin, le ruban coulisse dans deux guides ci et G2 solidaires du bâti. Les déplacements sont limités par deux butées Al et A2 solidaires du ruban et placées de part et d'autre du guide G1. Le ruban peut se déplacer vers la droite au moyen d'un moteur M relié a son extrémité droite.L'extrémité gauche du ruban est reliée au bâti par l'intermédiaire d'un ressort de rappel Ri. Tel que représenté sur la figure, le ruban est en position relâciée. Le moteur M peut être de type quelconque ; ce sera par exemple un solénolde S déplaçant un noyau plongeur N solidaire du ruban. Les électrets El et E2 sont deux lamelles diélectriques fixées à l'extrémité libre d'une lame conductrice souple L, sur chaque face de celle-ci. On considèrera, a titre d'exemple, qu'ils sont chargés négativement. Sous l'action de potentiels appliqués sur les deux électrodes FI et P2, l'ensemble lame souple-électrets peut se déplacer verticalement et venir se plaquer contre l'une ou l'autre de ces électrodes. Cet ensemble peut également se déplacer latéralement et commande, par l'extrémité de la lame souple L opposée aux électrets, le dispositif d'actionnement de contacts 2. Ce dernierpeut être de type quelconque et a pour rôle de fermer un ou plusieurs contacts K.Le dispositif 2 représenté sur la figure, donné purement a titre d'exemple, comporte un ruban conducteur RU prolongeant la lame souple L et pouvant se déplacer latéralement dans deux guides G3 et G4 solidaires du bâti. L'extrémité gauche est reliée au bâti par l'intermédiaire d'un ressort de rappel R2. Une butée A3, solidaire du ruban RU et placée a droite du guide G3, limite le déplacement de ce ruban vers la gauche. Un ergot isolant Q, également solidaire du ruban RU, ferme le contact K lorsque le ruban est en position attirée. Tel que représenté sur la figure, le ruban RU est en position relâchée. Le commutateur est commandé par des impulsions électriques envoyées sur la lame souple L au moyen d'une borne BS, sur une extrémité du solénoïde S au moyen d'une borne B2, et sur l'électrode fixe Fl au moyen d'une borne B3. L'autre extrémité du solénoïde S et l'électrode mobile P2 sont reliées a la masse électrique. Afin de ne pas perturber le fonctionnement électrique, on supposera que le bâti du commutateur est isolant. Le fonctionnement du commutateur a électrets de la figure 1 va être décrit en association avec les figures 2.a a 2.c et 3.a a3.f représentant respectivement les divers signaux électriques de commande et les diverses positions de l'électrode mobile P2 et des électrets. On distinguera deux opérations différentes - la prise, qui est l'opération de fermeture du contact K - le relâchement, qui est l'opération d'ouverture du contact K. Chacune de ces deux opérations va être expliquée successivement. J) Prise Initialement, la lame souple L est plaquée contre l'électrode fixe Fl par l'intermédiaire de l'électret ES, cette position étant maintenue sous l'action des forces électrostatiques, sans apport d'énergie extérieure. L'électrode mobile P2, de même que le ruban RU, sont en position relâchée. Cette situation est représentée a la figure 3.a. L'opération de prise se décompose en trois phases : Phase I : embrayage On applique sur la borne B1 du commutateur une impulsion de tension positive S1 telle que la lame souple L soit repoussée de L'électrode fixe P1 de façon suffisamment violente pour qu'elle atteigne l'électrode mobile P2. Cette impulsion positive Si, représentée a la figure 2.a, possède une tension v et une durée T inferieure au quart de la période de résonance de la lame souple L. Ainsi, lorsque cette derniere sera plus proche de l'électrode mobile P2 que de l'électrode fixe FI, aucune tension n'aura tendance a la repousser vers le haut, et elle viendra se plaquer en bas par l'intermédiaire de l'électret E2, sous l'action des forces électrostatiques. La lame souple L est embrayée sur l'électrode mobile P2, comme il est représenté a la figure 3.b. Phase Il : attraction latérale On applique sur la borne B2 une impulsion de courant S2, représentée a la figure 2.b, qui a pour effet d'attirer l'électrode mobile P2 vers la droite ainsi que la lame souple L, comme il est représenté a la figure 3.c. Le déplacement latéral de la lame souple L provoque celui du ruban RU, et donc la fermeture du contact K. Phase III : maintien On applique sur la borne B1 une impulsion de tension positive S3 représentée a la figure 2.a. Cette impulsion est identique a S1 et produit sur la lame souple L le même effet, mais en sens contraire. La lame souple L est alors repoussée de l'électrode mobile P2 et plaquée contre l'électrode fixe P1 par l'intermédiaire de l'électret El, comme il est représenté à la figure 3.d. L'impulsion de courant S2 est supprimée et l'électrode mobile P2 reprend donc sa position de repos, comme il est représenté à la figure 3.e. Compte tenu de 11 inertie du ruban RU et de la rapidité de basculement de la lame souple L, le déplacement latéral vers la gauche de cette dernière est négligeable pendant le basculement. il s'ensuit que le contact K reste fermé. L'électrode fixe Fl joue le rôle de frein vis-à-vis de l'électret El. Le commutateur est maintenu dans cette position, sans aucun apport d'énergie extérieure. 2) Relâchement L'opération de relâchement se décompose en deux phases Phase IV On applique sur la borne B1 du commutateur une impulsion de tension positive S4, représentée à la figure 2.a, juste suffisante pour décoller la lame souple L de l'électrode fixe Pl, mais trop faible pour la repousser jusque sur 11 électrode mobile P2. A cette fin, l'impulsion S4 possède par exemple la même amplitude v que les impulsions précédentes, mais une durée T' inférieure à T. La lame souple L se trouvera donc en position intermédiaire entre les deux électrodes P1 et P2 et se déplacera latéralement vers la gauche sous l'action de la force de rappel du ressort R2, comme il est représenté à la figure 3.f. Le ruban RU revient donc à sa position de repos et provoque l'ouverture du contact K. Phase V On applique sur la borne B3 de l'électrode fixe Pi une impulsion de tension positive S5, représentée à la figure 2.c, suffisante pour attirer la lame souple L vers l'électrode fixe Fl et la plaquer contre celle-ci par l'intermédiaire de l'électret El. Cette situation est identique à la situation initiale représentée a la figure 3.a. La figure 4 représente le schéma d'une bande de commutateurs à électrets selon l'invention, permettant de commander sélectivement n contacts K1 à K en utilisant une seule électrode fixe Pl, une seule électrode mobile P2 n et un seul moteur M, ces éléments étant communs à tous les contacts. Ces contacts peuvent être, à titre d'exemple, des points de croisement télépho niques connectant l'un quelconque de n conducteurs horizontaux H1 à H à un n conducteur vertical V. Chaque contact K1 à K est associé à un ruban RUI à RU n i n et à une lame souple à électrets L1 à L . Les rubans RUI à RU et l'électrode n i n mobile P2 se déplacent latéralement dans le plan de la figure.Les lames souples à électrets L1 à L se déplacent latéralement dans le plan de la n figure et verticalement pour venir se plaquer contre l'une ou l'autre des électrodes superposées Fl et P2. Pour fermer un contact, on appliquera des impulsions de commande d'une part sur la borne Bi associée au contact, et d'autre part sur la borne B2 du moteur de commande commun H. Les autres contacts et leur dispositif associé ruban-lame souple à électrets resteront immobiles. Pour ouvrir un contact, on appliquera une impulsion de commande sur la borne 31 associée au contact, puis sur la borne B3 de l'électrode fixe commune Fl. Les autres contacts et leur dispositif associé ruban-lame souple à électrets resteront immobiles. Au lieu de fixer les électrets sur les lames souples, on peut fixer un électret unique sur toute la surface de l'électrode fixe et un électret unique sur toute la surface de l'électrode mobile. Les lames souples, toujours propres à chaque contact mais ne portant plus d'electrets, se déplacent alors d'un électret à l'autre. Une telle bande de commutateurs à électrets présente de nombreux avantages, notamment : - pression des contacts indépendante des effets électrostatiques ; - consommation négligeable, à ltexception du moteur M - encombrement réduit, notamment en épaisseur : en effet, les deux électrodes planes Xont tres rapprochées, permettant de réaliser des commutateurs extrê mement plats. Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide d'exemples particuliers, il est clair qu'elle n1 est pas limitée auxdits exemples et qu'elle est susceptible de variantes ou modifications sans toutefois sortir de son cadre. Ainsi, par exemple, on peut envisager d'autres signaux de commande, par exemple des impulsions bipolaires, ou des impulsions unipolaires à durée unique, mais à amplitudes multiples. Ou bien encore, au lieu de se limiter à un seul commutateur à électrets ou à une bande de commutateurs, on pourrait envisager une matrice de commutateurs à électrets. REVENDICATIONS 1. Commutateur électrostatique à automaintien pour commander un ou plusieurs contacts électriques, caractérisé en ce qu'il comprend - une première électrode plane fixe - une seconde électrode plane mobile reliée à la masse électrique, parallèle à l'électrode fixe et pouvant se déplacer latéralement par rapport à celle-ci au moyen d'un moteur, un ressort de rappel la ramenant à la position de repos - une lame souple conductrice placée entre les deux électrodes planes et com portant respectivement sur chaque face de son extrémité libre deux électrets, ladite lame souple pouvant se déplacer d'une part vertica lement d'une électrode à l'autre sous l'action des forces électrostatiques, et d'autre part latéralement en étant entraînée par l'électrode mobile lorsqu'elle est plaquée contre celle-ci, un ressort de rappel la ramenant à la position de repos, le déplacement latéral de la lame souple ayant pour effet de fermer les contacts électriques par l'intermédiaire d'un dispositif d'actionnement quelconque. 2. Commutateur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de fermeture des contacts électriques consiste à - déplacer verticalement la lame souple à électrets de l'électrode fixe vers l'électrode mobile et à la plaquer contre cette dernière, en appliquant une implusion de tension convenable sur ladite lame souple - déplacer latéralement l'électrode mobile en appliquant une impulsion de commande convenable au moteur, ce déplacement provoquant ie déplacement latéral de la lame souple - déplacer verticalement la lame souple de l'électrode mobile vers l'électrode fixe et à la plaquer contre cette dernière, en appliquant une impulsion de tension convenable sur ladite lame souple, l'électrode mobile étant toujours attirée par le moteur. 3. Commutateur électrostatique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération d'ouverture des contacts électriques consiste à - décoller la lame souple à électrets de l'électrode fixe sans toutefois la plaquer contre l'électrode mobile, en appliquant une impulsion de tension convenable sur ladite lame souple, cette dernière revenant alors à sa posi tion de repos en se déplaçant latéralement - plaquer à nouveau la lame souple contre l'électrode fixe en appliquant une impulsion de tension convenable sur ladite électrode fixe. 4. Bande de commutateurs électrostatiques selon l'une quelconque des revendications I à 3, permettant de commander sélectivement un contact par-i plusieurs, caractérisée en ce qu'elle comporte une seule électrode plane fixe commune à tous les contacts, une seule électrode plane mobile cnrrune à tous les contacts, et autant de lames souples à électrets qu'il y a de contacts. 5. Bande de commutateurs électrostatiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, permettant de commander sélectivement un contact parmi plusieurs, caractérisée en ce qu'elle comporte une seule électrode plane fixe commune à tous les contacts et portantunélectret unique couvrant toute la surface, une seule électrode plane mobile commune à tous les contacts et portant un électret unique couvrant toute la surface, et autant de lames souples conductrices qu'il y a de contacts.