Brevet FR2643499A2 — publié le 19900824

FR 2643499 A2 19900824 FR 8902185 A 19890220 i "Potentiomètre commandable par une contrainte mécanique réduite" L'invention est relative aux potentiomètres, c'est- à-dire aux appareils comportant: - des organes statiques, constitués par une piste résistive, un collecteur conducteur et des connexions, à savoir en général deux premières connexions reliées aux extrémités de la piste résistive et une troisième connexion reliée au collecteur conducteur; et un organe mobile, constitué généralement par un curseur, qui commande la mise en contact électrique du col- lecteur avec une zone réduite de la piste résistive, zone qui est en correspondance avec la position de l'organe mobile. Suivant un montage classique, les deux premières connexions sont soumises à une différence de potentiel déterminée, fixe ou variable, tandis que sur la troisième connexion est disponible une tension qui est une fraction de cette différence de potentiel, fraction qui dépend de la position de ladite zone réduite sur la piste résistive et donc de la position de l'organe mobile. De ce fait un potentiomètre peut servir par exemple d'organe de commande, d'organe de réglage, de capteur de position ou de capteur de déplacement. La fiabilité et la durée de vie d'un potentiomètre classique à curseur frottant sont limitées par le frotte- - 30 ment du curseur et l'usure que ce frottement entraîne. Par ailleurs il est difficile de réaliser un poten- tiomètre étanche de ce type, du fait de la nécessité de permettre un déplacement du curseur et de commander ce dé- placement, à moins de mettre en oeuvre l'effet Hall ou des moyens opto-électroniques, qui présentent d'autres incon- vénients. Ces deux inconvénients des potentiomètres classi- ques peuvent être palliés par la mise en oeuvre de la de- mande de brevet français publiée n 2.578.321 de la deman- deresse décrivant, en particulier, un capteur potentiomé- trique dont la piste résistive est protégée par une membra- ne portant la piste collectrice et dans lequel les deux pistes sont appliquées l'une contre l'autre par un élément qui peut être soit le doigt humain, soit un curseur solide, soit un jet de fluide. Une telle structure, qui définit un "potentiomètre à membrane", nécessite, pour mettre en con- tact électrique les deux pistes, la mise en oeuvre d'une certaine contrainte mécanique, dépassant la valeur de 0,1 N et le plus souvent plusieurs N. On notera également que les potentiomètres de la technique antérieure présentent un certain "bruit" électri- que, qui résulte des variations de la résistance de contact entre collecteur conducteur et piste résistive dans la zone de contact, et un manque de régularité de la tension de sortie par la troisième connexion, qui est la tension de sortie utile du potentiomètre. L'invention selon le brevet principal vise à pal- lier ces inconvénients des potentiomètres des techniques antérieures (de type classique ou de type à membrane selon la demande de brevet ne 2.578.321) en permettant de réali- ser un potentiomètre qui est commandable par une contrainte mécanique réduite, qui présente un bruit électrique réduit, qui détermine une tension de sortie régulière, qui est fiable, qui présente une longue durée de vie, grâce à une usure très faible des composants, et qui peut être rendu étanche, ou pour le moins être aisément protégé contre les agressions extérieures, telles que poussières. Ces objets sont atteints avec le potentiomètre selon le brevet principal qui comprend une piste résistive avec une connexion électrique à chaque extrémité, un col- lecteur conducteur avec une troisième connexion et un curseur, caractérisé en ce que le collecteur est constitué par une bande de tissu conducteur de l'électricité. Dans le potentiométre du brevet principal, ce tissu peut être réalisé soit en fibres conductrices, soit en fi- bres non conductrices rendues conductrices, par un traite- ment de surface approprié, sur la totalité ou une partie de leur surface. Avantageusement le tissu peut être constitué par - un tissu en fibres de polyester recouvertes par une pellicule mince de nickel; - un tissu en fibres d'acier inoxydable; - un tissu en fibres de cuivre; - un tissu en fibres de carbone conducteur. La présente addition a pour objet des perfection- nements et des variantes au potentiométre commandable par une contrainte mécanique réduite selon le brevet principal, c'est-à-dire à un potentiomètre dans lequel le collecteur est constitué par une bande de tissu conducteur de l'élec- tricité conformément à la revendication 1 du brevet prin- cipal. La présente invention consiste à réaliser un poten- tiomètre commandable par une contrainte mécanique réduite, comprenant: une piste résistive allongée dans une direction, avec une connexion électrique à chaque extrémité; - un collecteur allongé dans la même direction, disposé en regard de ladite piste conductrice et constitué par une bande de tissu conducteur de l'électricité, avec une troisième connexion; et - un organe mobile déplaçable, dans la direction de l'allongement de la piste résistive et du collecteur con- ducteur et apte à commander la mise en contact électrique du collecteur et de la piste dans une zone réduite dont la position dans ladite direction est fonction de la position de l'organe mobile; et caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour mainte- nir un premier bord longitudinal du collecteur conducteur écarté du premier bord longitudinal correspondant de la piste résistive, tandis que le second bord longitudinal du collecteur conducteur est libre de se déplacer par rapport au second bord longitudinal de la piste résistive et venir en contact avec celui-ci sous le contrôle de l'organe mobile. L'invention pourra être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1 est une vue, en perspective, d'un potentiomètre selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue, en perspective, d'un po- tentiomètre selon un deuxième mode de réalisation de l'in- vention. La figure 4 est une coupe par IV-IV de la figure 3. La figure 5, enfin, est une coupe, analogue à celle de la figure 4, illustrant un troisième mode de réalisation d'un potentiomètre selon l'invention. Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble. qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un potentiomètre commandable par une contrainte mécanique réduite, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. En se référant aux figures 1 et 2, d'une part, et aux figures 3 et 4, d'autre part, on voit qu'un potentio- mètre selon le premier ou le deuxième mode de réalisation de l'invention comporte tout d'abord, à la manière connue et selon le brevet principal: une piste résistive 1 avec deux connexions électriques 2,3 reliées électriquement res- pectivement aux extrémités 2a et 3a de la piste 1; un col- lecteur conducteur 4 avec une troisième connexion 5 reliée électriquement à ce collecteur conducteur; et un curseur 6. Comme dans le brevet principal, le collecteur conducteur 4 est constitué, dans les modes de réalisation des figures 1-2 et 3-4, par une bande de tissu 8 conduc- trice de l'électricité. En particulier, comme visible sur les figures 2 et 4, le tissu 8 constituant le collecteur conducteur 4 est constitué par des fibres conductrices entrecroisées 8a et 8b. Un des avantages des tissus sur les pellicules massives, pour constituer le collecteur conducteur, est leur bien plus grande souplesse, qui peut être encore mieux exploitée s'ils sont utilisés suivant leur biais; en outre les tissus travaillent, en réponse à une pression appliquée par le curseur, en flexion et non pas à la traction, comme c'est le cas pour une pellicule massive, d'o une plus grande déformation élastique et reversible exigeant une contrainte mécanique réduite sur le curseur. Dans le premier mode de réalisation des figures 1 et 2, pour pouvoir commander le contact électrique, dans une zone réduite, entre la bande de tissu 8 constituant le collecteur conducteur 4 et la piste résistive 1, sous l'ef- fet d'une force pressante F1 (celle du curseur 6), plus faible que la force pressante appliquée par le curseur dans le brevet principal, on fait comporter au potentiomètre de la présente invention, des moyens, constitués par une cale fixe 11, pour maintenir un premier bord longitudinal 12a du collecteur conducteur 4, c'est-à-dire de la bande de tissu 8, écarté, en position fixe, du premier bord longitudinal correspondant 13a de la piste résistive 1, tandis que le second bord longitudinal 12b du collecteur 4 peut se dépla- cer par rapport au second bord longitudinal 13b de la piste 1. La cale 11 est constituée, dans le mode de réali- sation illustré sur les figures 1 et 2, par une bande auto-adhésive sur ses deux faces, ayant par exemple une épaisseur comprise entre environ 0,01 mm et environ 5 mm. cette cale 11 et la piste résistive i sont portées par un support 10 réalisé en une matière isolante de l'électri- cité. Au passage du curseur 6 et sous la pression exercée par celui-ci, les fibres 8a,8b du tissu 8 se redressent au niveau de leurs multiples coudes et s'allongent en travail- lant & la flexion et non pas à la traction. En outre chaque coude convexe du zig-zag de chaque fibre 8a,8b est susceptible de constituer un contact élec- trique avec la piste résistive 1, d'o une multiplicité de contacts effectifs avec cette piste, qui croit avec le nom- bre de mailles de fibres au centimètre. Il y a donc intérêt à avoir une maille aussi petite que possible. Le grand nom- bre de points de contacts entre une fibre conductrice 8a,8b et la piste résistive 1 assure une faible résistance élec- trique de contact. Cette résistance peut encore être ré- duite et stabilisée grâce à un revêtement de métal noble (or, argent, platine, palladium ou un alliage de deux ou plusieurs de ces métaux) sur le tissu 8, une couche inter- médiaire de nickel étant éventuellement disposée entre le tissu et le revêtement en métal noble. On peut également enrober le bord 12b du tissu 8 d'une composition polymère conductrice de l'électricité (polymère chargé argent ou carbone) Le tissu 8 est réalisé soit en fibres conductrices, soit en fibres non conductrices rendues conductrices, par un traitement approprié, sur la totalité ou une partie de leur surface. Avantageusement le tissu 8 peut être constitué par - un tissu "tergal" en fibres de polyester recou- vertes par une pellicule mince de nickel, du type commer- cialisé sous la désignation "Metalen" et fabriqué par la "Fabrique Zurichoise de Gazes à Bluter", Ruschlikon (Suisse); - un tissu en fibres d'acier inoxydable du type commercialisé sous la désignation "Bopp-SD" par la société "Fabrique de Toiles Métalliques Bachmannweg" de Zurich (Suisse); - un tissu en fibres de cuivre ou d'acier doux; - un tissu en fibres de carbone conducteur. On notera qu'il est possible d'imperméabiliser le tissu 8, qui constitue le collecteur conducteur 4, en bou- chant partiellement les mailles sans en couvrir les con- vexités 8c des coudes dirigées vers la piste résistive 1 (qui doivent rester conductrices), par application d'un enrobage ou d'une pellicule plastique, référencé 7 sur la figure 2, apte à conserver sa souplesse au tissu; en par- ticulier on peut réaliser l'imperméabilisation en utilisant une émulsion ou une pellicule de photoresist suivant les techniques bien connues dans l'art sérigraphique. Du fait que le bord 12b du collecteur conducteur 4 reste libre, l'effort F1 qui s'y concentre sous l'effet du curseur 6, même s'il est très faible, provoque un contact électrique en 8d, franc, stable et présentant une conduc- tivité électrique suffisante. Un second mode de réalisation de l'invention est illustré sur les figures 3 et 4, sur lesquelles on a utili- sé les mêmes références que sur les figures 1 et 2 pour désigner les éléments correspondants. Dans ce mode de réalisation on tire avantage non seulement de la souplesse du tissu 8 constituant le collec- teur conducteur 4, suivant la direction d'allongement de la piste résistive 1 et du collecteur conducteur 4, mais éga- lement d'un effet de fléau de balance. Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, le substrat 10, avec la piste résistive 1, porte une pièce de support 14 par l'intermédiaire d'une entretoise 15, en for- mant ainsi un canal en U, référencé 16, de hauteur h. Dans ce canal 16 est disposé un élément élastique ou ressort 17, constitué, dans le mode de réalisation illustré, par une pièce ayant la forme d'un parallellipipède rectangle en mousse d'une matière synthétique fixée sur la pièce de sup- port 14, le bord 12a du collecteur conducteur 4 étant soli- daire de la surface inférieure 17i (sur la figure 4) du ressort 17, en particulier de la pièce en mousse, opposée à la surface supérieure 17s (sur la figure 4) solidaire de la pièce de support 14, tandis qu'une cale lla, pouvant bascu- ler sur son arête 11c, est disposée entre le bord 12a du collecteur conducteur 4 et la piste résistive 1, en étant solidaire du collecteur 4. Comme illustré sur la figure 4, au moins la plus grande partie de la face lld de la cale 11 est disposée à droite (sur la figure) du barycentre 4f du collecteur 4. En d'autres termes une partie de la cale lia se trouve dispo- sée entre le barycentre 4f et la piste résistive 1. Plus particulièrement on s'arrange pour que le ba- rycentre 4f de la section (dans le plan de la figure 4) du collecteur conducteur 4 se trouve au voisinage de la face lld de la cale 11. Du fait de cette structure, la cale lla est, comme illustré sur la figure 4, plaquée, en l'absence de la force pressante F1 du curseur 6, contre la piste résistive 1 ou son substrat 10 par le ressort 17 en maintenant ainsi le collecteur conducteur 4 écarté de cette piste. Sous l'action de la force F1 appliquée par le cur- seur 6 sur le collecteur conducteur 4, la cale lla bascule autour de son arête 11c en comprimant partiellement le ressort 17 par le bord 12b du collecteur 4 qui vient en contact en 8d avec la piste résistive 1. La distance d (dans la direction perpendiculaire à la direction du bord latéral lld de la cale 11 qui contient l'arête 11c) entre le barycentre 4f et l'arête 11c est choisie nettement inférieure à la distance p entre la zone d'application de la force F1 et l'arête llc (considérée dans la même direction que la distance d) pour qu'une accélération, un choc, un déplacement ou un effet d'apesan- teur sur le potentiomètre ne puisse provoquer un contact intempestif entre le conducteur collecteur 4 et la piste résistive i en l'absence de force F1, tout en n'empêchant pas ce contact sous l'effet d'une force F1 même faible. Les liaisons mécaniques entre les différents élé- ments assurent l'immobilisation en translation de la partie rotative autour de l'arête llc du potentiomètre par rapport au support fixe 10 avec sa piste résistive 1, en évitant ainsi entre autres le contact mécanique et donc le blocage des éléments lia, 12a et 17 contre l'entretoise 15. Le potentiomètre selon le mode de réalisation des figures 3 et 4 présente de nombreux paramètres qui peuvent être réglés suivant les applications, à savoir - les distances d et p précitées, ainsi que la dis- tance e entre le barycentre 4f et le point 4g d'application de la force du ressort 17 (dans la même direction que la détermination des distances d et p), - la force du ressort 17, - l'épaisseur de la cale lia, - la raideur ou souplesse du tissu 8 formant le collecteur conducteur 4, les fils de trame et de chaîne pouvant avoir des raideurs différentes, ce qui permet de choisir une certaine souplesse dans l'axe d'allongement du collecteur conducteur 4 et une certaine raideur dans le sens perpendiculaire. Ces paramètres sont réglés en particulier en fonc- tion des caractéristiques de la force F1 appliquée dans le mode de réalisation illustré par un organe de commande mo- bile du type curseur solide 6; toutefois cet organe de com- mande mobile pourrait être constitué soit par un élément solide autre qu'un curseur; soit par un jet fluide (jet li- quide ou jet gazeux), soit par un moyen immatériel résul- tant de phénomènes agissant à distance, tels qu'un champ à action localisée. Du fait que le potentiomètre selon les deux modes de réalisation des figures 1 et 2, d'une part, et 3 et 4, d'autre part, est ainsi actionnable par une force F1 résul- tant en particulier d'un champ à action localisée, il peut être réalisé sous la forme d'un ensemble absolument étanche en raison de l'absence de joint dynamique, il peut être commandé par une force F1 très faible et il peut être libé- ré de tout contact matériel avec l'organe de commande créa- teur du champ à action localisée. Une variante du mode de réalisation des figures 3 et 4 est illustrée sur la figure 5 qui est une coupe ana- logue à la figure 4 et dans laquelle on retrouve l'ensemble des éléments de la figure 4, à part le remplacement de la force de pression F1, résultant de la pression du curseur 6, par une force de traction F2 obtenue au moyen d'un aimant déplaçable 6a. En outre l'ensemble du substrat 10, de l'entretoise 15 et du support 14a constitue un boitier- fermé, assurant ainsi l'étanchéité du potentiomètre, l'or- gane mobile, à savoir l'aimant 6a, et les moyens qui com- mandent le déplacement de celui-ci étant externes audit bottier. Pour pouvoir bénéficier du champ-magnétique produit par l'aimant 6a, on réalise le collecteur conducteur 4 au moyen d'un tissu constitué par des fils 8a et/ou 8b en un matériau magnétique, le collecteur conducteur présentant, en regard de la piste résistive 1, une surface apte à as- surer avec elle un contact électrique conducteur et stable. Dans le potentiomètre selon la figure 5, on peut remplacer l'aimant permanent 6a par un solénolde traversé par un courant électrique et constituant un électro-aimant. Dans une autre variante du potentiomètre selon la figure 5, au lieu de réaliser les fils 8a et/ou 8b en un matériau magnétique, on peut mettre en oeuvre des fils 8a et 8b en un matériau amagnétique électriquement conducteur, comme dans le cas des figures 1-2 et 3-4, et prévoir au- dessus (dans le sens de la figure 5) du tissu 8 amagnétique un élément presseur en un matériau magnétique, cet élément, qui est le seul sollicité par le champ magnétique produit par l'aimant 6a ou l'électro- aimant prévu à la place de celui-ci, étant par exemple un feuillard, un tissu, un fil longitudinal ou une bille; en particulier une bille magné- tique se déplaçant sur le tissu 8 pour suivre les dépla- cements de l'aimant 6a ou de l'électro-aimant, présente l'avantage de localiser les effets du champ magnétique sur une surface très réduite et par suite d'améliorer la réso- lution du potentiomètre. A titre d'exemple, on peut réaliser les fils 8a et/ou 8b ou l'élément presseur en un ou plusieurs des ma- tériaux magnétiques "doux" suivants: fer pur, acier doux, alliage fer-silicium, alliage fer-nickel, alliage fer- cobalt, nickel, nuances magnétiques d'aciers inoxydables et constituer l'aimant 6a un ou plusieurs des matériaux magné- tiques "durs" suivants: ferrite, alliage fer-nickel- aluminium-cobalt, alliage fer-néodyne-bore, alliage cobalt- terres rares, notamment ceux présentant une forte induction rémanante, un champ coercitif élevé et une énergie magné- tique intense. Pour terminer on va donner un exemple d'un poten- tiomètre selon la figure 5: hauteur h du canal 16: 4,6 mm épaisseur de la cale lia: 0,4 mm largeur de la cale l1a: 6 mm collecteur 4: tissu 8 en fibres 8a, 8b d'acier doux recuit, nickelé et doré, 80 mesh (32 mailles/cm, pas de trame 318 pm, diamètre du fil 140 pm, épaisseur 0,3 mm) ; largeur totale 11 mm, largeur du bord libre 12b 5 mm; ressort 17: mousse organique synthétique élas- tique d'épaisseur 6 mm avant com- pression et de largeur 4 mm; paramètres du fléau: e = 2 mm, p = 2,5 mm, d = 0,5 mm; champ magnétique produit par l'aimant permanent 6a en alliage néodyme-fer-bore du type Néomax-27H de la société Japonaise Sumitomo, rémanence 1,06 tesla, en forme de parallélépipède rectangle de face 17a de 5 x 15 mm et d'épais- seur 3 mm; champ perpendiculaire à la face 17a: champ coer- citif de 811 kA/m, énergie magné- tique 215 kJ/m3; distance entre la face 6b de l'aimant 6a et le col- lecteur 4: 0,95 mm avant attraction et 0,55 mm pendant l'attraction; piste résistive 1 en une matière plastique conduc- trice de 544 ohms/ú, largeur 10 mm et longueur électrique utile 455 mm; linéarité du signal de sortie: 1 % résistance de contact dynamique: 150 ohms résistance de bruit: 100 ohms Jeu de renversement: 1 % Comme il va de soi, l'invention ne se limite nulle- ment aux modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contrai- re, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Potentiomètre commandable par une contrainte mé- canique réduite, comprenant: - une piste résistive (1) allongée dans une direc- tion, avec une connexion électrique (2, 3) à chaque extré- mité; - un collecteur (4) allongé dans la môme direction, disposé en regard de ladite piste conductrice et constitué par une bande (8) de tissu conducteur de l'électricité, avec une troisième connexion (5); et - un organe mobile (6, 6a), déplaçable dans la di- rection de l'allongement de la piste résistive et du col- lecteur conducteur et apte à commander la mise en contact électrique du collecteur et de la piste dans une zone ré- duite (8d) dont la position dans ladite direction est fonction de la position de l'organe mobile; et caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11, lla) pour maintenir un premier bord longitudinal (12a) du col- lecteur conducteur écarté du premier bord longitudinal correspondant (13a) de la piste résistive, tandis que le second bord longitudinal (12b) du collecteur conducteur est libre de se déplacer par rapport au second bord longitudi- nal (13b) de la piste résistive et venir en contact avec celui-ci sous le contrôle de l'organe mobile. 2. Potentiomètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens pour maintenir le premier bord longitudinal (12a) du collecteur conducteur (4) écarté du premier bord longitudinal correspondant (13a) de la piste résistive (1) sont constitués par une cale longitudi- nale fixe (11) disposée entre ces deux bords. 3. Potentiomètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens pour maintenir le premier bord longitudinal (12a) du collecteur conducteur (4) écarté du premier bord longitudinal correspondant (13a) de la piste résistive (1) sont constitués par une cale (11a) qui peut basculer autour d'une de ses arêtes (11c), qui appuie sur la piste résistive au voisinage du barycentre (4f) du collecteur conducteur, contre l'action d'un ressort anta- goniste (17), la distance (d) entre cette arête et le ba- rycentre (4f) du collecteur, considérée dans la direction perpendiculaire à celle de la face latérale (11d) de la cale mobile (11a) qui comporte ladite arête (llc), étant nettement inférieure à la distance (p) entre cette arête et la zone d'application de l'organe mobile, considérée dans la même direction que la distance entre l'arête et le bary- centre, une partie de la cale (11a) se trouvant disposée entre le barycentre (4f) et la piste résistive (1). 4. Potentiomètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe mobile est constitué par un curseur (6). 5. Potentiomètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe mobile est un aimant (6a) ou un électro-aimant, le tissu (8) consti- tuant le collecteur conducteur étant réalisé au moins en partie en un matériau magnétique. 6. Potentiomètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe mobile est un aimant (6a) ou un électro-aimant et en ce qu'un élément en une matière magnétique est associé au tissu amagnétique (8) formant le collecteur conducteur (4). 7. Potentiomêtre selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'ensemble du potentiométre, à l'ex- ception de l'aimant (6a) ou de l'électro-aimant et ses moyens de déplacement, sont disposés à l'intérieur d'un bottier étanche (10, 15, 14a).