Brevet FR2793947A1 — publié le 20001124

RELAIS A HAUTE SENSIBILITE, ET PROCEDE POUR SA FABRICATION La présente invention concerne les relais à haute sensibilité, utilisables notamment pour réaliser des disjoncteurs différentiels. Dans un relais à haute sensibilité, on cherche à produire un basculement du relais par l'action d'une énergie électrique de commande atteignant un seuil de basculement dont le niveau est relativement faible. Par exemple, pour la commande des puissances généralement mises en jeu dans les applications domestiques, un relais à haute sensibilité peut basculer pour une puissance de commande de quelques dizaines de gVA. De tels relais à haute sensibilité, tels que ceux décrits notamment dans le document FR 2 758 904, comprennent généralement une culasse de circuit magnétique ayant deux surfaces polaires, un aimant permanent générant dans la culasse un champ magnétique permanent, et une bobine électrique générant dans la culasse un champ magnétique s'opposant audit champ magnétique permanent lors du passage d'un courant électrique de commande. Le circuit magnétique ouvert de la culasse est fermé par une palette en matériau magnétique, mobile entre une position d'ouverture du relais à l'écart de l'une au moins des surfaces polaires et une position de fermeture du relais en contact des deux surfaces polaires. La palette est sollicitée par un ressort vers la position d'ouverture du relais selon une force d'ouverture inférieure à la force de retenue en position fermée exercée par le champ magnétique permanent. Ces relais à haute sensibilité sont le plus souvent utilisés pour des circuits de sécurité tels que les disjoncteurs différentiels, de sorte que leurs performances ne doivent pas se détériorer dans le temps, notamment à cause de la corrosion et/ou de l'usure. Or les palettes et culasses constituant le circuit magnétique du relais sont généralement en alliages magnétiques à base de nickel traités thermiquement pour présenter un faible champ coercitif, et présentent une faible dureté et une faible tenue à la corrosion. La corrosion et l'usure peuvent notamment modifier l'entrefer entre la palette et la culasse, modifiant ainsi la force de retenue exercée par le champ magnétique permanent, et modifiant en conséquence le seuil de basculement du relais. on est ainsi conduit à protéger contre la corrosion et l'usure les faces de contact respectives de la culasse et de la palette, afin que le seuil de basculement du relais ne varie pas dans le temps. Pour assurer la protection contre l'usure et la corrosion, les palettes sont ainsi le plus souvent recouvertes d'un dépôt protecteur en un métal ou alliage approprié. on a ainsi suggéré les procédés de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou de dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD) , mais ces procédés nécessitent de positionner séparément les palettes et ne sont pas économiques. Pour un traitement plus économique, sans nécessité de positionnement onéreux des palettes, on a utilisé avec un certain succès le dépôt électrolytique de palladium. Toutefois, la production en grande série de telles palettes pose un problème de fiabilité et de reproductibilité. En effet, on constate que le seuil de déclenchement du relais est relativement variable en fonction des palettes considérées dans un lot de fabrication. Ce seuil de déclenchement présente une dispersion importante, nécessitant un tri et la mise au rebut des palettes défectueuses. Ces opérations augmentent sensiblement le coût de production et de contrôle, et ne sont pas satisfaisantes pour une production en grande série. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure de relais à haute sensibilité, et un procédé pour sa fabrication, permettant de réaliser une reproductibilité suffisante du seuil de déclenchement du relais, de façon qu'il ne soit plus nécessaire d'effectuer un tri et la mise au rebut des relais défectueux. La structure et le procédé doivent être compatibles avec une production en grande série à faible Coût, et assurer simultanément une protection satisfaisante des surfaces de contact de la palette et/ou de la culasse afin de garantir la fiabilité et la longévité du relais. L'invention résulte de l'observation minutieuse des résultats obtenus par les procédés habituels de réalisation des palettes de relais à haute sensibilité. Il est apparu que les dispersions dans les seuils de déclenchement des relais résultent vraisemblablement d'irrégularités de surface dans la zone de contact des palettes. On comprend qu'une irrégularité de surface provoque l'apparition d'un entrefer entre la surface de contact de la palette et la surface correspondante de l'armature, cet entrefer affectant considérablement la valeur de la force de retenue de la palette par le champ magnétique, et affectant par conséquent le seuil de déclenchement du relais. En effet, plus la force de retenue de la palette par le champ magnétique permanent est faible, plus la valeur du courant électrique de commande nécessaire pour obtenir le déclenchement est également faible. Ainsi, les inventeurs se sont attachés à réaliser, avec des moyens automatiques et simples, compatibles avec une production en grande série, des surfaces de contact de palette présentant une régularité suffisante. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un relais à haute sensibilité selon l'invention comprend : - une culasse de circuit magnétique ayant deux surfaces polaires, un aimant permanent générant dans la culasse un champ magnétique permanent, et une bobine électrique générant dans la culasse un champ magnétique s'opposant audit champ magnétique permanent lors du passage d'un courant électrique de commande, - une palette en matériau magnétique, mobile entre une position d'ouverture du relais à l'écart de l'une au moins des surfaces polaires et une position de fermeture du relais en contact des deux surfaces polaires, et sollicitée par des moyens élastiques vers la position d'ouverture du relais selon une force d'ouverture inférieure à la force de retenue en position fermée exercée par le champ magnétique permanent ; - selon l'invention, la palette est recouverte d'une couche superficielle métallique réalisée par dépôt chimique en solution aqueuse. Selon un mode de réalisation avantageux, la couche superficielle métallique est à base de nickel chimique avec présence de phosphore ou de bore. Selon un autre mode de réalisation, la couche superficielle métallique est à base de cobalt chimique avec présence de phosphore ou de bore. Il est possible de combiner les deux modes de réalisation, en prévoyant une couche superficielle métallique à base d'alliage chimique de nickel et de cobalt avec présence de phosphore ou de bore. . De bons résultats peuvent être obtenus avec une couche superficielle métallique présentant une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 microns environ. Un tel relais à haute sensibilité, associé à un tore détecteur à deux enroulements primaires et un enroulement secondaire connecté à la bobine électrique, avec un commutateur électrique actionné par la palette, permet de réaliser un disjoncteur différentiel. Pour la réalisation de la palette, on peut utiliser une étape de dépôt chimique d'un métal sur une ébauche de palette par passage dans une solution aqueuse d'un sel du métal et d'un agent réducteur. Par exemple, la solution peut contenir du sulfate de nickel ou de cobalt et de l'hypophosphite de sodium. En alternative, la solution peut contenir du sulfate de nickel ou de cobalt et du n-diméthylamine borane. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, par-mi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d,une structure de relais à haute sensibilité selon un mode de réalisation de la présente invention ; et - la f igure 2 est une vue de détail en coupe montrant la zone de contact entre une palette et une surface polaire dans le relais à haute sensibilité de la figure 1. Dans le mode de réalisation de la figure 1, un relais à haute sensibilité selon l'invention comprend une culasse 1 de circuit magnétique, généralement en forme de U avec deux branches latérales 2 et 3 généralement parallèles reliées par une branche principale 4 elle-même portant un aimant permanent 5. Les extrémités libres des branches latérales 2 et 3 constituent deux surfaces polaires respectives 6 et 7. L'une des branches latérales 3 porte une bobine électrique 8 susceptible de générer dans la culasse 1 un champ magnétique lors du passage d'un courant électrique de commande dans le circuit d'alimentation 9 de la bobine électrique 8. L'aimant permanent 5 génère dans la culasse 1 un champ magnétique permanent, et on s'arrange pour que le courant électrique de commande génère dans la culasse 1 un champ magnétique s'opposant audit champ magnétique permanent. Dans la culasse 1, les deux surfaces polaires 6 et 7 sont écartées l'une de l'autre et forment un circuit magnétique ouvert. Ce circuit magnétique peut être refermé par une palette 10 en matériau magnétique, mobile entre une position d'ouverture du relais, illustrée par les traits mixtes et la référence loa, à l'écart de l'une au moins des surfaces polaires 6 ou 7, et une position de fermeture du relais illustrée en traits pleins et par la référence lob, la palette 10 étant alors en contact des deux surfaces polaires 6 et 7 pour refermer le circuit magnétique. Par exemple, dans son mouvement entre la position d'ouverture loa du relais et la position de fermeture lob du relais, la palette 10 peut pivoter autour d'un axe transversal 11 au niveau de l'une des deux surfaces polaires telles que la surface polaire 6. Dans sa rotation, la palette 10 est sollicitée par des moyens élastiques tels qu'un ressort 12 tendant à la faire pivoter vers la position d'ouverture 10a du relais selon une force d'ouverture FR (figure 2) inférieure à la force de retenue FB en position fermée exercée par le champ magnétique permanent généré par l'aimant permanent 5. En l'absence d'un courant électrique dans le circuit d'alimentation 9 de la bobine électrique 8, le champ magnétique généré par l'aimant permanent 5 maintient la palette 10 en contact des surfaces polaires 6 et 7 en position de fermeture lob du relais. Lorsqu'un courant électrique de commande ayant une intensité suffisante traverse le circuit d'alimentation 9 de la bobine électrique 8, le champ magnétique généré par la bobine électrique 8 réduit la force de retenue FB de la palette 10 et, lorsque cette force de retenue FB devient égale ou légèrement inférieure à la force d'ouverture FR exercée par le ressort 12, la palette 10 pivote brusquement vers sa position d'ouverture 10a. La culasse 1 et la palette 10 sont réalisées en un matériau magnétique approprié. Par exemple la palette peut avantageusement être réalisée en un alliage de fer et de nickel à champ coercitif très faible. Le relais illustré sur la figure 1 peut avantageusement être associé à un circuit détecteur comprenant un circuit magnétique torique à deux enroulements primaires et un enroulement secondaire, l'enroulement secondaire étant connecté à la bobine électrique 8, la palette 10 étant mécaniquement reliée à un commutateur électrique qu'elle actionne, l'ensemble formant par exemple un disjoncteur différentiel. En se référant plus spécialement à la figure 2, on a représenté une vue partielle en coupe de la zone de contact de la palette 10 et d'une surface polaire 7 de la branche latérale 3 de culasse 1. La palette 10 est formée d'un corps de palette 13 en matériau magnétique, recouvert d'une couche superficielle métallique 14 réalisée par dépôt chimique en solution aqueuse. La structure d'une couche superficielle métallique 14 réalisée par dépôt chimique en solution aqueuse est généralement reconnaissable par rapport à une couche métallique habituelle réalisée par dépôt électrolytique. Sa composition est différente, et sa forme est également différente, le dépôt chimique permettant de réaliser une épaisseur très régulière notamment dans les zones de coin telles que la zone 15. Egalement, le dépôt chimique permet de réaliser une surface 16 particulièrement régulière, et bien appropriée pour constituer une zone d'appui 17 suffisamment régulière pour venir en appui sans jeu sur la surface polaire 7. On évite ainsi l'apparition de tout entrefer perturbateur entre la surface polaire 7 et la zone d'appui 17. D'excellents résultats ont été obtenus en prévoyant une couche superficielle métallique 14 à base de nickel chimique avec présence de phosphore ou de bore. En alternative, on peut prévoir une couche superf icielle métallique 14 à base de cobalt chimique avec présence de phosphore ou de bore. Une combinaison est également possible en prévoyant une couche superficielle métallique 14 à base d'alliage chimique de nickel et de cobalt, avec présence de phosphore ou de bore. La couche superficielle métallique peut avoir une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 microns environ. De bons résultats ont été obtenus en utilisant par exemple une couche superficielle métallique ayant une épaisseur de 1 micron environ. Pour la réalisation de la couche superficielle métallique 14, on peut utiliser un procédé comprenant une étape de dépôt chimique d'un métal sur une ébauche de palette 10 par passage dans une solution aqueuse d'un sel du métal et d'un agent réducteur. Le dépôt chimique est un processus chimique de réduction des ions métalliques en métal natif qui se dépose sur le substrat de base. L'agent réducteur peut être par exemple l'hypophosphite de sodium. En alternative, on peut utiliser le n-diméthylamine borane. La solution peut contenir par exemple du sulfate de nickel ou de cobalt et de 11hypophosphite de sodium. on réalise alors un dépôt de nickel ou de cobalt avec présence de phosphore. En alternative, la solution peut contenir du sulfate de nickel ou de cobalt et du n-diméthylamine borane. Le dépôt contient alors du nickel ou du cobalt en présence de bore. Un exemple de bain pour dépôt de nickel chimique est le suivant : sulfate de nickel 28 g/l acétate de sodium 17 g/l hypophosphite de sodium 24 g/l acétate de plomb 0,0015 g/l PH 4,4 à 4,6 . température 87 à 900C Le dépôt de nickel chimique contient du phosphore selon une teneur qui peut varier de 2 à 13 % environ en poids selon les bains. Pour un dépôt de cobalt, on peut remplacer le sulfate de nickel par du sulfate de cobalt. Le traitement peut s'effectuer à température plus basse. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Relais à haute sensibilité, comprenant : - une culasse (1) de circuit magnétique ayant deux surfaces polaires (6, 7), un aimant permanent (5) générant dans la culasse (1) un champ magnétique permanent, et une bobine électrique (8) générant dans la culasse (1) un champ magnétique sopposant audit champ magnétique permanent lors du passage d'un courant électrique de commande, - une palette (10) en matériau magnétique, mobile entre une position d'ouverture (loa) du relais à l'écart de 1 lune au moins des surfaces polaires (6, 7) et une position de fermeture (lob) du relais en contact des deux surfaces polaires (6, 7), et sollicitée par des moyens élastiques (12) vers la position d'ouverture (10a) du relais selon une force d'ouverture (FR) inférieure à la force de retenue en position fermée (FB) exercée par le champ magnétique permanent, caractérisé en ce que la palette (10) est recouverte d'une couche superficielle métallique (14) réalisée par dépôt chimique en solution aqueuse. 2 - Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche superficielle métallique est à base de nickel chimique avec présence de phosphore ou de bore. 3 - Relais selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche superficielle métallique (14) est à base de cobalt chimique avec présence de phosphore ou de bore. 4 - Relais selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche superficielle métallique (14) est à base d'alliage chimique de nickel et de cobalt, avec présence de phosphore ou de bore. 5 - Relais selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche superficielle métallique (14) a une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 microns environ. 6 - Relais selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, associé à un tore dé tecteur à deux enroulements primaires et un enroulement secondaire connecté à la bobine électrique (8), avec un commutateur électrique actionné par la palette (10), pour former un disjoncteur différentiel. 7 - Procédé de réalisation d'un relais selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de dépôt chimique d'un métal sur une ébauche de palette (10) par passage dans une solution aqueuse d'un sel du métal et d'un agent réducteur. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la solution contient du sulfate de nickel ou de cobalt et de l'hypophosphite de sodium. 9 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la solution contient du sulfate de nickel ou de cobalt et du n-diméthylamine borane.