Brevet FR2479552A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne un dispositif d'ar- ticulation d'une lame, mobile selon un mouvement angu- laire, et pivotant sur son support. Un exemple d'une telle articulation se trouve, entre autres, dans les interrupteurs à contacts mouillés et à commande magné- tique. Pour concrétiser l'invention, celle-ci sera expo- sée en s'appuyant sur le cas d'un interrupteur électri- que, sans que ceci ne présente une limitation au domai- ne de l'invention. Les interrupteurs à contacts mouillés par un liqui- de conducteur, constitué le plus généralement par du mercure ou par un amalgame de mercure, sont connus dans la technique; ils sont fréquemment dénommés "IILM"', interrupteurs à lames mouillées par le mercure, ou en anglais "mercury wetted switch'. Cette catégorie d'in- terrupteurs électriques est, sous sa forme la plus généralement connue, constituée par un système de lames métalliques associées, dont une au moins présente une certaine souplesse, scellées dans une ampoule de verre à l'intérieur de laquelle a été introduite une quantité de mercure suffisante pour mouiller les lames. Ce type d'interrupteurs a pour principal avantage d'offrir un très bon contact électrique sans détérioration des surfaces qui entrent en contact puisqu'elles sont mouil- lées par le mercure, lequel régénère les surfaces des lames. Par contre, sous sa forme en ampoule de verre, ce type d'interrupteurs présente un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels le fait que, pour obtenir une souplesse suffisante de la lame mobile, celle-ci doit avoir une certaine longueur alliée à une certaine minceur, ce qui aboutit à un dispositif relativement grand, de l'ordre de 2 cm de longueur, ce qui s'oppose à la tendance actuelle de la technologie, laquelle va dans le sens de la miniaturisation rendue nécessaire par la complexité croissante des systèmes électroniques tels que par exemple les centrauxtéléphoniques, ou les matériels professionnels. Pour répondre aux besoins de l'industrie, les interrupteurs à lames mouillées doivent donc allier des dimensions petites, une-sensibilité aux faibles courants de façon à pouvoir être commandés par exemple par des circuits intégrés, une insensibilité aux vibra- tions qui sont inclues dans toutes les normes de récep- tion des matériels, et également pour des raisons de prix de revient, la nécessité qu'ils soient réalisés moyennant peu de réglages mécaniques, ce qui d'ailleurs - entraîne une augmentation de leur fiabilité puisque moins il y a de réglages, moins il y a de causes de dé- réglages possibles. L'invention apporte une solution au double pro- blème de dimensions et de sensibilité des interrup- teurs à lames mouillées, en proposant un nouveau moyen d'articulation de la lame mobile. Selon l'invention, l'articulation de la lame mobile, qui était précédem- ment réalisée soit par un élément de la lame dotée de souplesse, soit par une articulation mécanique, ce qui permettait une diminution des dimensions mais po- sait des problèmes du côté du contact électrique et de grippage, est maintenant assurée par un axe de rotation, lequel flotte sur une petite quantité de mercure mainte- nue dans une cavité dont les dimensions sont suffisantes pour maintenir en place par capillarité le mercure et maintenir également l'axe en évitant un coincement mécanique. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'articulation d'une lame mobile, pivotante sur son embase selon un mouvement angulaire, caractéri- sé en ce que la lame mobile est solidaire d'un flotteur flottant sur un liquide contenu dans une cavité dans laquelle il est retenu par capillarité, et qui est pra- tiquée dans l'embase, la nature du matériau du flotteur et ses dimensions étant telles que la poussée d'Archi- mède exercée par le liquide est supérieure ou égale au poids de l'ensemble mobile constitué par le flotteur, la lame mobile et la pellicule de liquide qui mouille la lame mobile. L'invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront de la description d'un exemple de réalisa- tion qui suit, laquelle s'appuie sur les figures sui- vantes qui représentent - figure 1: un exemple d'interrupteur à lames mobiles selon l'art connu, - figure 2:.le schéma de l'articulation selon l'invention; - figure 3: vue en plan et en élévation de la cavité servant à l'articulation selon l'invention; - figure 4: deux dispositifs de blocage de l'articulation selon l'invention; - figure 5: vue en élévation de l'articulation et du flotteur dans le mercure. La figure 1 représente un exemple d'interrupteur à lames mobiles selon l'art connu, qui a fait l'objet d'une demande de brevet par la demanderesse. Dans ce type d'interrupteur, un-socle 1 métallique est traversé par deux tiges 2 et 3 scellées au moyen de perles de verre, ces deux tiges 2 et 3 constituant les contacts dits de repos et de travail, et étant recourbées de façon à assurer un bon contact avec une lame 4 qui se trouve entre eux. Cette lame 4 est cons- tituée d'un matériau ferromagnétique et elle est arti- culée à l'une de ses extrémités autour d'une charnière liquide 5 constituée par une certaine quantité de mer- -cure qui mouille la lame 4 ainsi que deux tiges métal- liques 6 et 7 parallèles entre elles et éloignées d'une distance très légèrement supérieure à l'épaisseur de la lame. L'ensemble de la lame 4, des tiges 6 et 7, ainsi que des contacts 2 et 3 sont mouillés par le mercure. Les connexions extérieures sont assurées par les tiges 1o 2 et 3 qui passent à travers l'embase ainsi que par une troisième tige qui est appelée- 1 également, sur la figure, parce qu'elle est en contact électrique avec l'embase 1. Ce type de relais est complété par un petit aimant 8 de polarisation, par un capot de fermeture, qui n'est pas représenté pour laisser voir l'intérieur du relais, et par une bobine de commande, qui n'est pas représentée également, et qui trouve place sous l'embase entre les connexions de sortie lp 2 et 3. Cet interrupteur à contacts mouillés présente un progrès par rapport aux interrupteurs connus et son fonctionnement donne pleinement satisfaction. Cependant, il nécessite un certain usinage de précision de façon à éviter le risque d'un grippage ou d'un coincement mécanique de la lame entre les deux tiges 6 et 7 qui assurent sa charnière liquide. En effet, la charnière liquide doit être assez bien réglée pour que le mercure assure un contact par pont entre les tiges 6 et 7 et la lame 4, et pour que la lame 4 soit maintenue dans cette charnière sans s'échapper au cours des vibrations, ce réglage ne devant pas cependant s'opposer à la sensi- bilité de l'interrupteur. La figure 2 représente le moyen d'articulation de la lame mobile tel qu'il est proposé au titre de l'invention. Selon l'invention, la lame mobile 9 est solidaire d'une pièce 10 sur laquelle elle est rapportée par sou- dure, brasage, ou encore par tout autre moyen tel: qu'une découpe en forme de T et'un repoussage du métal. Cette pièce 10 ne fonctionne pas tant comme *axe de ro- tation - dont il n'a pas la précision d'usinage, non plus que les palliers correspondants - que comme flot- teur pour supporter la lame mobile 9 et permettre son déplacement angulaire. En effet, la pièce 10 qui est métallique flotte sur un bain de mercure Il qui est maintenu en place par une cavité 12 aménagée dans une embase 13. Le flotteur 10 a une forme allongée puis- qu'il est solidaire d'une lame, par sa tranche. Cepen- dant, il peut avoir même longueur que la largeur de la lame, ou-une longueur supérieure. La forme de sa section est indifférente, mais, si sa longueur est supérieure à la largeur de la lame, il est intéressant que les par- ties débordantes soient cylindriques, pour éviter les blocages mécaniques. Sur cette figure 2, l'embase 13 a la forme des embases de boîtiers d'encapsulation de semiconducteurs discrets du type transistor de signal, mais elle peut avoir tout autre forme convenant à la réalisation d'un interrupteur. L'ensemble mobile de la palette 9 et du flotteur solidaire est introduit dans la cavité 12 et flotte en équilibre indifférent dans le liquide conducteur dont est rempli cette cavité. Il suffit pour obtenir ce résultat que le poids de l'ensemble mobile soit égal à la poussée d'Archimède exercée par le liquide sur le flotteur, ce qui implique que le matériau dont est constitué le flotteur ait une masse volumique plus faible que celle du liquide dans lequel il est immergé, à cause du poids supplémentaire imposé par la lame mobile qui elle, est hors du liquide. Le calcul suivant effectué sur un exemple concret d'interrupteur montre que la lame 9 flotte bien dans le liquide conducteur grâce à son flotteur 10. Soit le mercure, de masse volumique 13,6 g/cm3, le liquide conducteur qui assure la flottaison de l'ensemble mo- bile. Soit une lame mobile, en fer-nickel à 78 %, de masse volumique 8,60 g/cm3, et de dimension 0,97 x 0,186 x 3,9 mm, cette lame mobile étant recou- verte d'un fila- de mercure de 0,05 mm d'épaisseur. Soit enfin un flotteur en fer-nickel à 50 %, de masse volu- mique 8,25 g/cm3, de diamètre 0,61-mm sur une longueur de 7,5 mm. Le poids de l'ensemble mobile est de 18 mg pour le flotteur, 6 mg pour la palette, auxquels s'ajou- tent 5 mg pour le mercure en surface de la palette. Le poids total est donc de 29 mg, cependant que la poussée d'Archimède exercée sur le flotteur est de 29,6 mg. Le poids de la palette est donc inférieur à la poussée d'Archimède exercée par le mercure et l'ensemble mo- bile flotte dans le mercure. Il est remarquable que, le volume de la cavité 12 étant petit, et à condition que les surfaces de cette cavité et les surfaces de l'ensemble mobile soient mouillées par le mercure ainsi que les butées, celui-ci reste en place dans toutes les positions par rapport à la verticale du lieu, grâce aux forces de tension superficielles; la poussée d'Archimède s'exerce tou- jours sur le flotteur pour annuler le poids de l'ensem- ble mobile. La condition de mouillabilité qui a été énoncée est facilement résolue si l'embase 13 dans laquelle est usinée la cavité 12 est métallique: il suffit alors de traiter les surfaces de la cavité 12 de façon à les rendre mouillables. En fait, l'embase 13 peut également comporter, à l'intérieur de la couronne extérieure, qui est toujours métallique en prévision de la fermeture par soudure électrique, une galette centrale qui est en céramique: il suffit alors de métalliser, au pin- ceau ou par tout procédé adéquat, les parois de la cavité 12 de façon à les rendre mouillables par le mercure. La figure 3 représente la cavité 12 vue en plan et en coupe, dans la partie centrale de l'embase 13; Sur la figure 2, la cavité a été représentée comme ayant une section à ses extrémités sensiblement carrée. En fait, il ne s'agit là que d'un exemple de réalisation; ce qui est important est essentiellement que les deux parois de la cavité laissent entre elles et le flotteur un jeu suffisant pour que le flottetr soit réellement entouré par le liquide, et ne se bloque pas, le fond de la cavité pouvant être indifféremment plan ou courbé, semi-cylindrique par exemple: En effet, la cavité 12 peut être soit usinée, par arrachement de copeaux, dans une embase 13 métallique, soit-estam- pée dans du métal. Mais si l'embase 13 est céramique, la cavité 12 peut être obtenue par frittage au cours de la réalisation de l'embase. Cette eavité 12, dans une forme préférée de réa- lisation, est constituée de trois parties, une partie centrale et deux parties aux extrémités du flotteur. Les deux parties extrêmes 14 et 15 ont une dimension en largeur égale au diamètre du flotteur, augmentée d'un certain-jeu tel que par exemple un tiers du dia- mètre du flotteur en plus, de façon à assurer un gui- dage suffisant de l'ensemble mobile, sans risquer de coincement. La profondeur de ces deux parties extrêmes 14 et 15 doit être au moins égale au diamètre du flot- teur. Ainsi, sans qu'on puisse dire qu'à proprement parler, les parties 14 et 15 de la cavité 12 consti- tuent des paliers pour le flotteur, terme incorrect parce qu'un palier suppose une plus grande précision dans l'ajustement, on peut cependant affirmer que ces parties extrêmes 14 et 15 constituent des cages de guidage, destinées à empêcher un grippage ou un coin- cement de l'ensemble mobile, mais ces cages ne néces- sitant pas une haute précision d'usinage. La partie centrale 16 est celle qui constitue la réserve de mercure dans la cavité 12. Pour cela, sa largeur est notablement augmentée par rapport à celle des parties extrêmes 14 et 15 et elle est par exemple, de l'ordre de 50 % plus large que le diamètre de l'élé- ment mobile. Sa profondeur est également augmentée -en conséquence. Lorsque l'élément mobile est mis en place dans la cavité 12 et que celleci est remplie de mercure, qui est jusqu'à présent le liquide conducteur le plus couramment utilisé, ainsi que ses amalgames, les forces de tension interne du mercure ainsi que la mouillabilité de celui-ci contre les parois de la cavité, dans ses parties externes 14 et 15, et la mouillabilité du mer- cure sur le flotteur 10, empêchent dans les faits le mercure de fuir par l'extérieur, ce qui fait qu'il n'est pas utile de refermer la cavité 12 à l'extérieur de l'embase 13. La figure 4 représente deux exemples de moyens de fixation de l'ensemble mobile sur l'embase de l'inter- rupteur. L'articulation de l'ensemble mobile étant assurée par un cylindre métallique qui flotte sur un bain de mercure, ce qui assure le fonctionnement de l'interrup- teur à contacts mouillés, la prévention contre les chocs ou vibrations nécessite de prévoir des moyens pour em- pêcher le flotteur 10 de sortir de la cavité 12. Pour cela, l'invention prévoit soit une plaquette métallique étroite telle que représentée en 17, la- quelle ne recouvre que les parties externes 14 et 15 de la cavité 12, soit une plaquette métallique large telle que celle représentée en 18 qui recouvre la partie de la cavité 12 située entre la lame mobile 9 et le pourtour de l'embase 13. L'ensemble des deux plaquettes étroites 17, ou des deux plaquettes larges 18, peut être remplacé par une pièce unique en forme deU(, dont les deux branches constituent les deux plaquettes. D'autres moyens équivalents sont prévus, mais une plaquette étroite comme 17 présente l'avantage de n'assurer de frottement sur le flotteur 10 que selon une courte génératrice, c'est à dire que les frottements sont faibles. Par contre, une plaquette plus large comme celle représentée en 18, assure une*fermeture plus com- plète de la cavité, ce qui est toujours une précaution utile pour éviter que le mercure ne ressorte de la cavi- té par suite de chocs brutaux par exemple. La figure 5 représente l'articulation flottante de la lame mobile vue par une extrémité du. dispositif. La lame mobile 9 est soudée sur son flotteur 10 vu en bout, et elle flotte sur une petite quantité de mercure 11 à l'intérieur d'une cavité 12 creusée dans le socle 13 d'un interrupteur à contacts mouillés. Un élément métallique 17 ermpeche l'ensemble mobile lame et flotteur de sortir de sa cavité. La figure 5 est destinée à mettre en évidence le fait que le flotteur 10 est dans un bain liquide, et que l'écartement des parois de la cavité ne permet pas de confondre ce dispositif d'articulation avec un axe mé- canique, maintenu dans deux paliers. L'exemple de réalisation qui a été décrit s'appu.ie sur le cas o le liquide conducteur est du mercure, parce que c'est encore le mercure et ses alliages qui sont actuellement les liquides les plus couramment utilisés. Cependant, ce type d'articulation mobile et sa réalisation restent valables et appartiennent au domaine de l'invention dans le -cas o le liquide con- ducteur serait autre que du mercure. En particulier si le liquide conducteur est l'eutectique NaK, par exemple, eutectique entre sodium et potassium fondant à 50, il suffit pour assurer le fonctionnement de ce disposi- tif d'articulation d'adapter les masses volumiques et les dimensions du flotteur à la masse volumique du li- quide conducteur. Le relais à contacts mouillés qui complète le dis- Dositif d'articulation tel que décrit, est achevé au moyen d'électrodes dites de travail et dé repos, qui traversent l'embase 13 assurant, d'un côté de l'embase les contacts extérieurs, et de l'autre coté de l'embase les contacts repos et travail avec la palette mobile 9. En outre, le contact commun sur la palette mobile 9 est pris directement sur l'embase 13 si celle-ci est métallique, ou au moyen d'une métallisation sérigraphiée si l'embase 13 est en céramique ou en matériau isolant. Le relais est également complété, selon les règles de l'homme de l'art, par-un aimant de polarisation qui oriente préférentiellement la lame mobile vers l'un des deux contacts, ainsi que par des moyens de commande extérieurs, soit une bobine, soit un aimant mobile, et il est refermé par un capot hermétiquement scellé sur l'embase. D'autres caractéristiques et avantages de l'articulation selon l'invention ressortiront pour l'homme de l'art des revendications ci-après. il REVENDICATIONS 1. Dispositif d'larticulation d'une lame mobiles pi- votante sur son embase selon un mouvement angulaire, caractérisé en ce que la lame mobile (9) est solidaire d'un flotteur (10), flottant sur un liquide (11) con- tenu dans une cavité (12) dans laquelle il est retenu par capillarité, et qui est pratiquée dans l'embase (13), la nature du matériau du flotteur (10) et ses dimensions étant telles que la poussée d'Archimède exercée par le liquide est supérieure ou égale au poids de l'ensemble mobile constitué par le flotteur (10), la lame mobile (9) et la pellicule de liquide qui mouille la lame mobile. 2.Dispositif d'articulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que-le liquide (11) est un liquide conducteur de l'électricité, lequel, en mouillant la surface de la lame mobile (9) la rend conductrice de l'électricité, ce qui permet d'ouvrir ou fermer un con- tact électrique entre la lame mobile (9) et au moins une électrode fixe. 3. Dispositif d'articulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flotteur (10) est constitué par une pièce métallique, de longueur supérieure à la largeur de la lame mobile (9), et dont au moins les parties extérieures à la lame sont cylindriques. 4. Dispositif d'articulation selon la revendicaGion 1, caractérisé en ce que le flotteur (10) est constitué par une pièce métallique, de longueur égale à la largeur de la lame mobile (9). 5. Dispositif d'articulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (12) contenant le liquide (11) est constituée d'une part de deux parties externes (14 et 15), de largeur supérieure au diamètre du flottteur (10) et de profondeur au moins égale à ce diamètre, ces parties externes faisant fonction de cages de guidage pour le flotteur (10), et, d'autre part, d'une partie centrale (16) de largeur égale à une fois et demi le diamètre du flotteur et de profondeur iden- tique, cette partie centrale (16) faisant fonction de 5. réservoir de liquide (11). 6. Dispositif d'articulation selon les revendica- tions l et 2, caractérisé en ce que-la cavité (12) est réalisée en un matériau mouillable par le liquide (11). 7. Dispositif d'articulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile, lame (9) et flotteur (10), est empêché de sortir-de la cavité (12), par suite de chocs, au moyen d'au moins une plaquette métallique (17), soudée sur l'embase (13), et formant un pont au-dessus du flotteur, au moins dans les par- ties externes (14 et 15) de la cavité (12). 8. Disposltif d'articulation selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le liquide (11) sur lequel flotte l'élément mobile, lame (9) et flotteur (10) , est constitué par du mercure ou un amalgame de mercure.. 9. Dispositif d'articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le li- quide (11) sur lequel flotte l'élément mobile, lame (9) et flotteur (10), est constitué par un eutectique de sodium et de potassium, liquide à + 5 C. 10. Interrupteur à contacts mouillés et à commande magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte une lame mobile articulée selon l'un quelconque des dispositifs des revendications 1 à 9.