Brevet FR2481028A1 — publié le 19811023

i La présente invention concerne un interrupteur à bouton-poussoir et, plus particulièrement, un interrupteur de ce type dont la capacité est réglable par actionnement du bouton-poussoir. les appareils tels que les périphériques d'entrée de données informatiques, par exemple, exigent des interrupteurs de grande fiabilité et l'usage des interrupteurs à bouton-poussoir de capacité variable (ciaprès désignés par l'expression "interrupteurs capacitifs") s'est donc largement répandu. Ces interrupteurs utilisant deux niveaux capacitifs pour produire des signaux binaires, la différence entre ces deux niveaux doit obligatoirement être suffisamment grande. Pour obtenir ce résultat, ces interrupteurs utilisent fréquemment un matériau diélectrique de grande permittivité. La figure 1 des dessins annexés est une coupe axiale d'un interrupteur capacitif de type connu, montrant ses principaux éléments et illustrant essentiellement l'aspect électrique de sa conception. Une tige-poussoir 31 porte une électrode mobile 36 recouverte d'une pellicule diélectrique 35. L'électrode 36 est mobile par rapport à deux électrodes fixes 33 et 34 placées sur un substrat isolant 32. L'une des électrodes fixes, l'électrode 33 par exemple, sert de borne d'entrée à l'interrupteur, l'autre électrode fixe 34 servant de borne de sortie. La tige-poussoir 31 descend pour amener la pellicule di- électrique 35 en contact étroit avec les électrodes fixes 33 et 34 et sert ainsi à connecter les deux électrodes fixes par couplage capacitif d'un signal altemnatif. Dans le dispositif de la figure 1, désignons respectivement par df et da l'épaisseur de la pellicule diélectrique 35 et la distance entre l'électrode mobile 36 et les électrodes fixes 33 et 34; par S la surface de l'électrode mobile 36; par E a et 2 f, respectivement, les permittivités relatives de l'air et de la pellicule diélectrique 35 et t o la permittivité de l'entrefer, exprimées en farads par mètre. Prenons en outre 01 pour désigner la capacité entre la seule électrode fixe 33 et l'électrode mobile 36 et C2 pour désigner la capacité entre la seule électrode fixe 34 et la m9me électrode mobile 36. Comme l'intervalle séparant les deux électrodes fixes est petit, on pourra considérer que la surface de chacune des électrodes fixes 33 et 34 est S/2. Comme la capacité C01 est le couplage en série de la capacité ao = a ' S/2 a da de la couche d'air, et d'une capacité o Ef - S/2 Cf = d df basée sur la pellicule diélectrique 35, on peut écrire o úa Ef S = 2( f da + úa df) (farads) Si, en outre, C désigne la capacité équivalente résultant du couplage en série des capacités C1 et C2 et si nous supposons que les électrodes fixes ont la même forme et les mêmes dimensions afin que C1 = C2, on ohtient la relation suivante: 1 1 +1 2 C - c1 +1 2- C1 Par conséquent: C1 1 o i a 2f S E o Sa Ef S 2 2 2( ú f da +da df) 4(fa a f (en farads) Dans le cas présent, o = 8,855 x 1012 (F/m) et a = 1. Donc, si l'on exprime les unités en pico- farads, l'expression ci-dessus devient: 2481028 o ú S C = 0,08855 x 4(d + da) (en pF) (1) Lorsque l'interrupteur est mis en position "marche" dans un circuit numérique (ou logique), le membre da est égal à zéro dans l'équation ci-dessus qui devient C = 0,08855 x 4-f (en pF) (2) 4 f da et df étant exprimés en centimètres et S en cm Comme cela ressort de l'équation (2), plus la permittivité f de la pellicule diélectrique 35 est grande (ou plus l'épaisseur df de cette pellicule est petite) plus la variation de capacité entre les deux niveaux de l'interrupteur augmente, donc plus le fonctionnement de l'interrupteur est fiable. Lorsqu'on veut réaliser un tel interrupteur à bouton-poussoir de façon à obtenir les avantages exprimés par les équations ci-dessus, la pellicule diélectrique ne doit pas être trop mince, sinon toute variation de l'épaisseur de la pellicule entraînera des variations d'une ampleur inadmissible des niveaux capacitifs de l'interrupteur. Si l'on ajoute àcela que l'électrode mobile devient très difficile à manipuler au cours de la fabrication en raison de la faible résistance mécanique de la pellicule diélectrique, il en résulte que l'épaisseur de cette dernière ne peut pas s'abaisser en dessous d'une certaine valeur fixe et qu'il est donc souhaitable d'utiliser, pour la pellicule diélectrique, un matériau de permittivité aussi élevée que possible. Les matériaux les plus couramment utilisés pour le diélectrique sont les pellicules de polyéthylène- téréphtalate ou P.E.T.P., ou de polypropylène ou P.P., mais tous ont des permittivités faibles, comprises en général entre 2 et 4. Ces matériaux ne permettent donc pas d'obtenir facilement un interrupteur capacitif de fonctionnement fiable entre ses deux états. Les auteurs de la présente invention escomptaient qu'en utilisant un matériau diélectrique fait d'une combinaison polymère possédant une permittivité particu- lièrement élevée, telle que le flutorure de polyvinylidène ou P.V.D.F., pour éliminer les inconvénients précités de l'interrupteur connu, il était possible d'obtenir une grande différence entre les niveaux capacitifs à l'ouverture et à la fermeture de l'interrupteur. Mais ils se heurtèrent au problème posé par le fait que, dans un interrupteur dont l'électrode mobile et les deux électrodes fixes sont constituées par des structures rigides, comme dans celui de la figure 1, la variation de capacité escomptée de la permittivité et de l'épaisseur du diélectrique n'était pas facilement accessible. Une étude plus poussée de la question a abouti à la découverte suivante: En prenant comme diélectriques des pellicules de P.E.T. (permittivité = 3) et de P.V.D.F. (permittivité = 11) de 5 g, 10 p et 20 p d'épaisseur, et en prenant S = 0,5 cm 2, les capacités de l'interrupteur de la figure 1 ont été calculées d'après l'équation (1) pour divers espacements da, et les courbes en ont été tracées, telles que représentées à la figure 4 des dessins annexés. Il ressort de cette famille de courbes que, pour une pellicule de P.B.T. de 20 p d'épaisseur, la capacité C, pour da = 0, est d'environ 17 pF tandis que les capacités, pour da = 1. et 0,1 p., sont respec- tivement d'environ 14 pF et 16,5 pF et atteignent, respectivement, 82% et 97% environ de la capacité C pour d = 0. a D'autre part, si l'on considère la pellicule de P.V.D.F. de 20 p d'épaisseur, la capacité C, pour da = 0, est d'environ 60 pF tandis que les capacités C pour da = 1 p. et 0,1 p. sont, respectivement, d'environ 24S1028 38 pF et 55 pF, ce qui représente, respectivement environ 66% et 91% de leur valeur pour da = 0 de sorte que la variation de niveau capacitif entre les épaisseurs 1 g et 0,1 g est beaucoup plus grande. Ces pourcentages s'abaissent lorsque l'épaisseur de la pellicule diminue ou si sa permittivité augmente et deviennent alors environ 48% et 90% pour une pellicule de P.V.D.F. de 10 I d'épaisseur. L'analyse qui précède démontre qu'avec un diélectrique de permettivité comparativement faible, tel que le P.E.T., ou avec une pellicule comparativement très épaisse, la capacité ne varie pas beaucoup en cas de variation de l'espacement minimal entre les électrodes, ce qui revient à dire que, dans le cas présent, la capacité pour da= 0 est comparativement faible, de sorte qu'une très large tolérance pour le degré de contact étroit entre les électrodes n'a pas beaucoup d'importance. Par contre, si l'on prévoit une forte variation de la capacité avec un diélectrique de grande permittivité et de faible épaisseur, ilÈvient nécessaire de concevoir l'interrupteur de façon à ne laisser subsister que l'espace libre le plus réduit possible lorsque l'électrode mobile est poussée à fond vers les électrodes fixes. Au cas o, dans l'interrupteur de la figure 1, l'électrode mobile et les deux électrodes fixes placées en dessous sont toutes constituées par des structures rigides se déformant difficilement lorsqu'on actionne la tigepoussoir 31, même une légère déformation de la planéité de la surface des électrodes supérieure ou inférieuresaffecte le parallélisme entre la première et les secondes ainsi que la verticalité parfaite du mouve- ment de l'électrode mobile. En conséquence, le contact étroit d'une électrode au moins, du côté entrée ou du c8té sortie, en souffrira. La présente invention a pour objet de surmonter ces inconvénients. En conséquence, dans un interrupteur à bouton- poussoir du type à capacité variable selon la présente invention, pour permettre à une électrode mobile de venir uniformément et avec une faible tolérance en contact étroit avec deux électrodes placées sous celle-ci, un organe portant l'électrode mobile, fait d'une matière élastique très compressible, est inséré entre cette électrode et une tige de boutonpoussoir. En outre, l'électrode mobile elle-même est très flexible du fait qu'elle est réalisée dans une feuille métallique mince, ou d'une pellicule de métal vaporisé ou autre élément semblable, sur la surface duquel est déposée une pellicule diélectrique faite d'un polymère composite de grande permittivité de façon à pouvoir venir en contact étroit et uniforme avec les électrodes inférieures. Les caractéri'ttques de l'invention, et les avantages qui en découlent, ressortiront plus nettement de la description de deux modes préférés de réalisation, faite ci-après en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de c8té, en coupe axiale, montrant les parties essentielles d'un interrupteur de type connu; - la figure 2 est une vue de c8té, en coupe axiale, d'un interrupteur conforme à la présente invention; - la figure 3 est une vue de c8té, en coupe axiale, montrant les caractéristiques essentielles d'un second mode de réalisation de l'interrupteur selon l'invention; - la figure 4 représente une famille de courbes montrant le rapport entre l'espacement des électrodes et les caractéristiques de la pellicule diélectrique. la figure 2 montre la configuration d'un interrupteur capacitif selon un premier mode de réalisation de l'invention. Un bottier 1 en matière synthétique reçoit une tige de bouton-poussoir 2 en matière synthétique coulissant dans ledit bottier lequel renferme un ressort hélicoïdal 3 poussant la tige 2 vers le haut. Une plaque d'assemblage 4, fixée au fond de la partie supérieure du boîtier 1, constitue l'élément élastique de prise de contact avec le ressort 3 et sert à limiter la descente de la tige 2. Comme la partie verticale de la plaque d'assemblage 4 pénètre dans une fente verticale 13 ménagée dans la partie diamétrale externe 8 de la tige-poussoir 2, cette dernière se déplace aisément dans le sens vertical ascendant et descendant. La partie de diamètre plus réduit 7 de la tige-poussoir 2 traverse, en s'y ajustant exactement, une ouverture 6 ménagée dans le plateau supérieur du bottier 1. Un organe mobile 5 est maintenu par l'extrémité inférieure d'une tige 9 et par au moins un cliquet 12 terminant une languette pendante 11. En outre, le ressort 3 se loge dans une partie intersticielle 10 et un bouton de forme appropriée 27 est fixé à la partie supérieure de la tige-poussoir 2. Deux électrodes fixes 25 sont placées sur un substrat isolant 26, en opposition avec l'organe mobile 5, et l'interrupteur complet est monté sur un panneau 28 ou autre élément semblable destiné à le porter. L'organe mobile 5 comporte une plaque 24 en matière dure et un tampon 21 en matière très compressible et très élastique. Une électrode mobile 22 et une pellicule diélectrique 23 sont fixées par adhésion à la partie inférieure du tampon 21. Le procédé de fabrication de cette partie de l'appareil consiste à préparer d'abord une matière pelliculaire diélectrique flexible qui sera, par exemple, enduite sous vide d'un métal tel que l'aluminium; puis la surface, recouverte de métal vaporisé, de cette Y matière pelliculaire sera jointe par adhésion à la surface inférieure du tampon 21, formant ainsi l'électrode mobile 22 et la pellicule diélectrique 23. Toutefois ce procédé n'est pas limitatif et l'on pourra adopter toute configuration donnant une flexibilité et une élasticité suffisantes pour que la pellicule diélectrique 23 puisse venir en contact uniforme et étroit avec les deux électrodes fixes lorsqu'on abaisse la tige de poussoir 2. A titre d'exemple, une forme en barillet dans laquelle la partie centrale du tampon 21 est légèrement plus épaisse que les extrémités, comme le montre la figure 3, sera plus avantageuse car elle permet.à l'organe mobile 5 d'établir un contact plus étendu avec les électrodes fixes 25 quand il vient toucher ces dernières. L'électrode mobile 22, la pellicule diélectrique 23 et les électrodes fixes 25 forment, en quelque sorte, un condensateur variable. Dans la présente invention, la pellicule diélectrique 23 sera constituée, de préféreace, par une pellicule faite d'une combinaison de polymères dont la permittivité sera beaucoup plus élevée que celles des matériaux diélectriques usuels, par exemple une résine synthétique du genre du fluorure de polyvinylidène ou P.V.D.F. Ces produits dérivés de polymères de permitti- vité élevée se divisent en deux grandes catégories, les homopolymères et les copolymères respectivement décrits ci-après. Comme produits dérivés des homopolymères, on peut citer, par exemple, les homopolymères tels que le fluorure de polyvinyle ou P.V.F. et le fluorure de poly- vinylidène ou P.V.D.F., et les homopolymères obtenus par la polymérisation du trifluorure d'éthylène et du chlorofluorure de vinylidène, ce dernier répondant à la formule Cl H I! c = C Fk Parmi ces produits composites obtenus par la polymérisation d'une espèce seulement de monomère (c'està-dire les homopolymères) celui mentionné en second, le fluorure de polyvinylidène ou P.V.D.F. présente la permittivité la plus élevée. En ce qui concerne maintenant les copolymères, ceux obtenus par mélange et polymérisation d'un monomère et d'un autre monomère copolymérisable avec le premier compren- nent des copolymères de permettivité élevée, c'est-à-dire des copolymères dont la permittivité relative est supérieure ou égale à 8. C'est ainsi qu'un copolymère fait de fluorure de vinylidène (un monomère) et de tri(fluorure d'éthylène) par exemple (un autre monomère) conviennent comme diélec- triques pour la présente invention. On a déjà expliqué, à propos de la figure 4, que le fluorure de polyvinylidène précité convenait comme diélectrique pour la présente invention. Celle-ci peut utiliser une pellicule de fluorure de polyvinylidène dont la permittivité aura été augmentée par étirage biaxial de la matière. Une telle pellicule révèle une permittivité relative i f comprise entre 10 et 13, à 1 kHz, à la tempé- rature normale, et sa permittivité relative î f pourra atre comprise entre 8 et 10, même à 100 kHz. La pellicule pourra également être réalisée par étirage uniaxial, ce mode de traitement permettant d'atteindre une permittivité relative f s'élevant jusqu'à 18. Mais, du fait qu'on recherche l'étirage biaxial pour la production en grande quantité de la pellicule, la présente invention utilise principalement une pellicule ayant subi l'étirage biaxial. En ce qui concerne une pellicule de copolymère du genre du fluorure de vinylidène, on étire un copolymère obtenu par mélange de fluorure de vinylidène et de trifluorure d'éthylène en proportions molaires équivalentes et l'on obtient une permittivité relative 1 0 environ, à 1 kHz, à la température normale. Une telle pellicule pourra être effectivement utilisée comme diélectrique dans la présente invention de la même manière que la pellicule étirée de fluorure de polyvinylidène. Dans l'interrupteur capacitif de la présente invention, l'électrode mobile est flexible et, de plus, portée par un organe en matière élastique très compressible, de sorte que, lorsqu'on enfonce le bouton-poussoir, l'électrode mobile peut se déformer facilement pour venir établir un contact étroit et uniforme avec les deux électrodes fixes et réduire ainsi l'entrefer au minimuM. En outre, le diélectrique est constitué par une pellicule mince de permittivité élevée, telle qu'une pellicule de fluorure de polyvinylidène et l'on obtient facilement une capacité proche de la valeur résultant d'un contact parfait telle qu'on peut l'escompter des caractéristiques de la pellicule, de sorte que la différence entre les capacités dans les deux positions de l'interrupteur peut être très grande. De plus, lorsque l'électrode mobile tst constituée par une pellicule métallique mince déposée par vaporisation sur la pellicule de permittivité élevée, la couche formant l'électrode mobile et la couche diélectrique sont toutes deux minces et très souples; il n'y a pas de couche de faible permittivité, telle qu'un liant, entre l'électrode mobile et le diélectrique, ce qui donne une structure très favorable à l'obtention d'une capacité élevée. Par ailleurs, cette structure améliore considéra- blement le rendement de la fabrication du fait qu'il suffit d'effectuer la liaison de la surface de la pellicule métallique déposée par vaporisation avec un tampon de polyuréthane ou composé semblable. En outre, avec des pellicules en P.E.T., P.P., etc., les variations de capacité sont faibles et il faut donc employer des pellicules plus minces pour les augnenter. Il en résulte un risque de formation de rides ou de dommages au cours de la fabrication, et la formation de rides a pour conséquence une augmentation de l'espace vide à la fermeture de l'interrupteur et une cause de fonctionne- ment peu fiable. Par contre, avec une pellicule de grande permittivité, on peut augmenter l'épaisseur de la pellicule pour atteindre une capacité identique, ce qui fait que l'invention apporte des améliorations très sensibles tant pour l'efficacité du travail de fabrication que pour les performances électriques. Comme on l'a établi ci-dessus, l'invention, en fixant à un tampon une pellicule diélectrique flexible et recouverte, par évaporation, d'une couche métallique, ladite pellictle diélectrique étant constituée par un produit composite polymère de permittivité élevée, permet de réaliser un interrupteur capacitif dont la capacité varie peu, dont l'enclenchement est fiable, dont le rapport signal/bruit est élevé, dont la fabrication en grande série est sensiblement améliorée, et dont l'industrie peut retirer de grands avantages. REVENDICATIONS 1. -Interrupteur à bouton-poussoir à capacité variable comprenant un bottier (1) en matière isolante, un substrat isolant (26) fixé audit bottier et portant des électrodes fixes (25), une tige (2) de boutonpoussoir mobile verticalement dans ledit bottier, et un organe mobile (5) porté par l'extrémité inférieure de ladite tige de bouton-poussoir, caractérisé en ce que ledit organe mobile (5) comprend un élément de maintien (21) fait de matière élastique très compressible, une électrode mobile (22) faite de matière flexible conductrice de l'électricité fixée audit élément de maintien, et une pellicule diélectrique (23) formée sur la surface inférieure de ladite électrode mobile et faite de résine synthétique du type fluorure, l'abaissement de ladite tige (2) de boutonpoussoir amenant ladite pellicule diélectrique (23) en contact appuyé avec lesdites électrodes fixes (25). 2. Interrupteur à bouton-poussoir à capacité variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule diélectrique (23) est un homopolymère obtenu par polymérisation d'un monomère choisi dans le groupe comprenant le fluorure de vinyle, le fluorure de vinylidène, le trifluorure d'éthylène et le chlorofluorure de vinylidène. 3. Interrupteur à bouton-poussoir à capacité variable selon la revendication, 1, caractérisé en ce que la pellicule diélectrique (23) est faite de fluorure de polyvinylidène. 4. Interrupteur à bouton- poussoir à capacité variable selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pellicule diélectrique (23) en fluorure de poly- vinylidène) est obtenue par étirage biaxial et possède une permittivité relative comprise entre 10 et 13, à 1 kHz, à la température normale. Z481028 5. Interrupteur à bouton-poussoir à capacité variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule diélectrique (23) est faite d'un copolynmère de fluorure de vinylidène et d'un autre monomère. 6. Interrupteur à bouton-poussoir à capacité variable selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pellicule diélectrique (23) est faite d'un copolymère de fluorure de vinylidène et de tri(fluorure d'éthylène).