Brevet FR2884039A1 — publié le 20061006

ACTIONNEUR BISTABLE La présente invention se rapporte à un actionneur bistable susceptible de manoeuvrer des éléments mécaniques pour mouvoir, par exemple, des contacts électrique, des distributeurs pneumatiques ou hydrauliques. be façon connue, un actionneur est susceptible d'occuper deux positions, une 5 première position dite circuit fermé , et une seconde position dite circuit ouvert . Selon une première solution, l'actionneur comprend un plongeur prolongé par une tige, disposé à l'intérieur d'un solénoïde, et des moyens de rappel sous forme de ressorts qui tendent à maintenir le plongeur dans la position dite circuit ouvert . En fonctionnement normal, le solénoïde est excité et maintient le plongeur en position circuit fermé . En l'absence de courant, le solénoïde n'est plus excité, si bien que le plongeur sous l'action des moyens de rappel prend la position circuit ouvert . Cette solution a pour principal inconvénient une consommation excessive de courant, et un vieillissement prématuré des composants électriques sous alimentation permanent. Une autre solution consiste a prévoir des moyens de retenue associés au plongeur susceptibles de maintenir ce dernier dans les deux positions stables circuit fermé et circuit ouvert , ainsi qu'un solénoïde pour agir sur le plongeur de manière à modifier l'état des moyens de retenue et, par conséquence, la position du plongeur. Cette solution a pour principal avantage de réduire la consommation d'énergie puisqu'une simple impulsion suffit à exciter le solénoïde et à modifier la position du plongeur. Toutefois, les pièces en mouvement constituant les moyens de retenue génèrent une usure du mécanisme et constituent une source de défaillances et sont généralement complexes et difficilement industrialisables. II existe d'autres actionneurs bistables qui consiste à prévoir un ou plusieurs aimants permanents associés au plongeur et susceptibles de maintenir ce dernier dans une ou deux positions stables circuit fermé et circuit ouvert , ainsi qu'un ou plusieurs solénoïdes pour agir sur le plongeur de manière à modifier l'état des moyens de retenue magnétique et, par conséquence, la position du plongeur. Toutefois, les dispositifs de l'art antérieur ne sont pas satisfaisants, car ils sont généralement de poids et d'encombrement conséquents, de conception complexe et de coût industriel élevé. D'autre part, ils n'assurent généralement pas un contact sûr et fiable, ce qui peut être préjudiciable dans certaines applications, notamment lorsqu'ils sont utilisés pour des dispositifs de sécurité embarqués sur des véhicules. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un actionneur bistable de conception simple, assurant un maintien sûr et fiable. A cet effet, l'invention a pour objet d'occuper deux états, un premier état correspondant à la position circuit fermé dans lequel une pièce mobile en matériau magnétique est en contact avec l'électro-aimant, et un second état correspondant à la position circuit ouvert dans lequel la pièce mobile en matériau magnétique est écarté et n'est plus en contact avec l'électro-aimant, caractérisé en ce que l'actionneur comprend - une pièce mobile de forme plate en matériau magnétique relié par une lame de ressort en matériau magnétique à l'une des branches de la carcasse en forme de U, 2884039 3 - une carcasse en U et en matériau magnétique entre les branches de laquelle sont disposée un enroulement et un élément en matériau magnétique placé au centre dudit enroulement et sensiblement parallèle aux branches du U de la carcasse, - au moins un aimant permanent susceptible d'assurer le maintien de la pièce mobile dans au moins une position stable, l'aimant permanent ayant un premier pole en contact avec la face creuse du U de la carcasse en matériau magnétique et un second pole en contact avec l'élément en matériau magnétique placé au centre de l'enroulement et 1 o - des moyens, par exemple, un enroulement susceptible d'émettre un champ magnétique non permanent permettant de commuter la pièce mobile d'une position stable à l'autre. Cet agencement permet d'obtenir un mécanisme fiable et sûr en raison d'un nombre réduit de pièces en mouvement et à faible consommation d'énergie, une simple impulsion suffisant à assurer le changement d'état de la pièce mobile. La conception simple du dispositif selon l'invention permet également d'obtenir à faible coût un dispositif aisément industrialisable. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1A est une coupe de l'actionneur bistable dans une première position dite circuit fermé ; - la figure 1B est une coupe de l'actionneur bistable dans une seconde position dite circuit ouvert ; - la figure 2 est une vue éclatée de l'actionneur bistable selon une variante de l'invention; - la figure 3 est une coupe de l'actionneur bistable des figures 1A et 1B avec le cheminement de champ magnétique généré par l'aimant permanent et le champ magnétique généré par l'enroulement. Ces figures illustrent le passage de 2884039 4 la première position vers la seconde position et retour à la position initiale, ainsi que l'illustration synchronisée des schémas électriques impulsionnels liés à chaque changement d'état de l'actionneur bistable; - la figure 4A est un schéma électrique illustrant un dispositif de sécurité dans un premier état correspondant à un fonctionnement normal, et - la figure 4B est un schéma électrique illustrant le dispositif de la figure 4A dans un second état correspondant à la détection d'un incident; - les figures 5A, 5B et 5C sont des vues d'une variante de l'actionneur bistable associée, par exemple, à un coupe circuit, et - les figures 6A et 6B sont des vues d'une variante de l'actionneur bistable associée, par exemple, à un électrovalve bistable qui pourrait être, par exemple, un équipement pneumatique ou hydraulique bistable de type 3/2 ou 5/2. - les figures 7A-1, 7A-2, 7B-1 et 7B-2 sont des vues de variantes de l'actionneur associées, par exemple, à d'autres configurations de commandes mécaniques. Selon l'invention, un actionneur bistable 11 comprend une pièce plate en matériau magnétique 5, prolongée par une lame de ressort en matériau magnétique 6, et reliée à l'une des branches de la carcasse en matériau magnétique 1, susceptible d'occuper deux états, un premier état correspondant à une première position stable illustrée par la figure 1A et un second état correspondant à une seconde positon stable illustrée par la figure 1B. Le changement d'état se traduit par un mouvement circulaire de la pièce mobile 5, cette dernière étant séparée d'une des branches de la pièce 1 en U dans la première position stable dans l'exemple choisi. Cette pièce mobile 5 et la pièce 1 en U étant toutes deux en matériaux sensibles aux champs magnétiques. La pièce mobile 5 est reliée à la pièce 1 en U par un moyen de rappel de type lame ressort en matériau magnétique qui est solidarisée, d'une part, à la pièce mobile 5 par un ou plusieurs rivets en matériaux magnétique 9, et d'autre part, 2884039 5 solidarisée à l'une des branches de la pièce 1 en U par un ou plusieurs rivets en matériaux magnétique 7. La pièce mobile 5 est de ce fait susceptible de décrire un mouvement circulaire. Des moyens d'arrêt du mouvement sont prévus pour limiter le mouvement circulaire de la pièce mobile 5, chaque moyen d'arrêt matérialisant une position stable. Selon un mode de réalisation, l'actionneur bistable 11 comprend une carcasse 1 en forme de U et en matériau magnétique à l'intérieur de laquelle est disposé un aimant permanent 2, un noyau en matériau magnétique 3 et un enroulement 4. Ainsi, dans la première positon stable illustrée par la figure 1A, la pièce mobile 5 vient s'immobiliser contre les faces en U de la carcasse 1 et contre la face supérieure du noyau 3, alors que dans la seconde position stable illustrée par la figure la, la lame de ressort 6 maintien la surface inférieure de la pièce mobile 5 éloignée d'une des faces supérieures de la carcasse en 1 en U et de la face supérieure du noyau 3. Selon une caractéristique de l'invention, l'actionneur bistable 11 comprend au moins un aimant permanent 2 susceptible d'assurer le maintien de la pièce mobile 5 dans la première position stable comme illustré par la figure 1A, et le moyen de rappel 6 susceptible d'assurer le maintien de la pièce mobile 5 dans la seconde position stable comme illustré par la figure 1B le mouvement circulaire de la pièce mobile 5 assure la première position stable vers la seconde position stable. En complément, l'actionneur bistable 11 comprend des moyens, par exemple, un enroulement 4, susceptible d'émettre un champ magnétique non permanent dont la valeur est telle qu'en son absence, l'effort généré par le champ magnétique de l'aimant permanent 2 est supérieur à celui du moyen de rappel 6 alors qu'en sa présence, l'effort produit par le moyen de rappel 6 est supérieur à celui produit par le champ magnétique de l'aimant permanent 2 si bien que la pièce mobile 5 se déplace de la première position stable vers la seconde. Ainsi, il suffit d'une simple impulsion électrique pour exciter l'enroulement 4 et générer le 2884039 6 déplacement de la pièce mobile 5 du premier mouvement stable vers le second mouvement stable. En variante, l'enroulement 4 est susceptible d'émettre dans un premier état un champ magnétique qui renforce les effets du champ magnétique de l'aimant permanent 2 et dans un second état un champ magnétique qui réduit ou annule les effets du champ magnétique de l'aimant permanent. Ainsi, la pièce mobile 5 décrit un mouvement circulaire par l'inversion de la polarisation de l'enroulement 4. Selon un mode de réalisation préféré, illustré par les figures 1A et 1B, le dispositif comprend un noyau 3 en matériau magnétique disposé à l'intérieur de la bague 10 en matériau isolant électrique et non magnétique, offrant une surface de contact 12 importante au droit de la surface 14 de la pièce mobile 5. Ce noyau 3 est lié à la carcasse 1 en forme de U par un rivet 8 en emprisonnant l'aimant permanent 2 entre la surface inférieure du noyau 3 et la surface intérieure de la carcasse 1 en U. L'aimant permanent 2 comprend un premier pôle en contact avec la surface intérieure de la carcasse 1 en U et un second pôle en contact avec la face inférieure du noyau 3. En complément, l'enroulement 4 est disposé à l'intérieur de la carcasse 1 en U et à l'extérieur de la bague 10 en matériau isolant tel que du plastique. En l'absence de champ magnétique produit par l'enroulement 4, l'aimant permanent 2 produit un champ magnétique via la carcasse en U1 et le noyau 3 qui engendre un effort de collage magnétique au niveau des surfaces 12 et 13 par l'intermédiaire de la pièce mobile 5. En l'absence de champ magnétique produit par l'enroulement 4, l'aimant permanent 2 produit un champ magnétique via la carcasse 1 en U et le noyau 3 qui engendre un effort de collage magnétique au niveau des surfaces 12, 13, 13' et 14. Au contraire, lorsque l'enroulement est excité, il produit un champ magnétique qui perturbe le champ magnétique de l'aimant permanent 2, si bien que l'effort de collage magnétique au niveau des surfaces 12, 13, 13' et 14 est nul ou du moins inférieur à l'effort produit par le moyen de rappel 6 engendrant par conséquence un mouvement circulaire de la pièce mobile 5 de la première position stable vers la seconde position stable. Cet agencement permet d'obtenir une surface de contact importante d'où un effort d'attraction et de collage magnétique beaucoup plus important assurant un maintien fiable de la pièce mobile 5 dans la première position stable. Par ailleurs, en disposant la pièce mobile 5 en matériau magnétique en contact avec les deux branches de la carcasse 1 en U et en contact avec la surface supérieure 12 du noyau 3, la pièce mobile 5 en matériau magnétique n'est pas perturbée par les effets directs de l'aimant permanent 2 ou de l'enroulement 4, le seul effort magnétique susceptible d'influencer la pièce mobile 5 étant celui produit par les surfaces 12, 13, 13' et 14. Par ailleurs, l'enroulement étant disposé entre les branches de la carcasse 1 et le noyau 3, le champ magnétique produit par l'enroulement 4 perturbe de manière plus efficace le champ produit par l'aimant permanent. Le mouvement circulaire de la pièce mobile 5 de la seconde position stable vers la première position stable, appelé également réarmement de l'actionneur, peut être obtenu par différents moyens. Ainsi, la distance séparant la pièce mobile 5 et les surfaces de contact 12 et 13 dans la seconde position stable et/ou l'effort de collage magnétique produit par l'aimant permanent 2 peuvent être tels qu'en l'absence de champ magnétique produit par l'enroulement, la pièce mobile 5 est soumise à l'effort d'attraction des éléments 1 et 3 et se déplace de la seconde position stable vers la première position stable. En variante, le déplacement de la pièce mobile 5 de la seconde position stable vers la première peut être obtenu par des moyens mécaniques qui agissent sur la pièce mobile 5, notamment un bouton poussoir actionné manuellement par un opérateur. Pour des raisons de sécurité, la commande manuelle 23 est susceptible de séparer le pont de contact 21 des plots 22 et de bloquer le dispositif en position dite circuit ouvert . Le principe de l'actionneur bistable, tel que décrit précédemment, est maintenant précis. La figure 3 est une coupe de l'actionneur bistable des figures lA et 1B avec le cheminement du champ magnétique généré par l'aimant permanent et le champ magnétique généré par l'enroulement. La figure 3A est une coupe de l'actionneur bistable dans la position dite circuit ouvert avec le cheminement du champ magnétique généré par l'aimant permanent. Dans cette position dite circuit ouvert , l'effort produit sur la pièce mobile 5 par le moyen de rappel 6 est supérieur à celui produit par le champ magnétique de l'aimant permanent 2, si bien que la pièce mobile 5 est maintenue dans cette position stable. La figure 3B est une coupe de l'actionneur bistable dans la position dite de transition de circuit ouvert vers circuit fermé avec le cheminement du champ magnétique de l'aimant permanent renforcé par le champ magnétique non permanent de l'enroulement provoqué durant l'impulsion électrique. Dans cette position dite de transition, l'enroulement 4 renforce les effets du champ magnétique de l'aimant permanent 2, qui est susceptible d'émettre un effort magnétique sur la pièce mobile 5 supérieur à l'effort produit par le moyen de rappel 6, si bien que la pièce mobile 5 se déplace dans la position dite circuit fermé . La figure 3C est une coupe de l'actionneur bistable dans la position dite circuit fermé avec le cheminement du champ magnétique généré par l'aimant permanent. bans cette position dite circuit fermé , l'effort produit par l'aimant permanent 2 sur la pièce mobile 5 est supérieur à l'effort produit par le moyen de rappel 6. si bien que la pièce mobile 5 est maintenue dans cette position stable. La figure 30 est une coupe de l'actionneur bistable dans la position dite de transition de circuit fermé vers circuit ouvert avec le cheminement du champ magnétique de l'aimant permanent 2 qui est réduit ou annulé par le champ magnétique non permanent de l'enroulement 4. Dans cette position dite de transition, l'effort produit par l'aimant permanent 2 sur la pièce mobile 5 est inférieur à l'effort produit par le moyen de rappel 6, si bien que la pièce mobile 5 se déplace dans la position dite circuit ouvert comme représenté dans la figure 3A. Les figures 4A et 4B sont des schémas électriques illustrant un dispositif de 10 sécurité dans un premier état correspondant à un fonctionnement normal, et un second état correspondant à la détection d'un incident. En fonctionnement normal, sans incident, tel qu'illustré par la figure 4A, les détecteurs d'incident 50 sont en position ouverte et aucune impulsion électrique n'est transmise à l'enroulement 4, si bien que l'actionneur bistable est en position circuit fermé . En présence d'un incident tel qu'illustré par la figure 4B, le détecteur d'incident 50 transmet une impulsion électrique à l'enroulement 4, si bien que l'actionneur bistable 11 passe en position circuit ouvert . Le dispositif de l'invention est plus particulièrement intéressant, car il ne comprend qu'un nombre limité de pièces, si bien que sa durée de vie est allongée et sa faisabilité améliorée. Par ailleurs, le dispositif de l'invention ne nécessite qu'une faible quantité d'énergie électrique pour fonctionner et changer d'état, puisqu'une simple impulsion suffit et ne consomme pas d'énergie pour rester en position stable. Sur les figures 5A et 5B, on a représenté un actionneur bistable 11 selon une autre variante de l'invention. Les éléments communs à la première variante sont référencés à l'identique et les nouveaux éléments sont référencés à partir de 20. Les figures 5A et 5B illustre un dispositif bistable de sécurité plus particulièrement destiné à un véhicule. Ce dispositif comprend un coupe circuit 26 relié à un circuit de puissance 22. Dans l'exemple d'un véhicule, l'une des bornes de connexion 22 est reliée à la borne d'une batterie. Le coupe circuit 20 comprend un actionneur bistable 11 dont l'enroulement 4 est connecté à un circuit dit de commande comprenant un ou plusieurs interrupteurs et/ou détecteurs d'incidents. Comme précédemment, l'actionneur bistable 11 comprend une pièce mobile 5, prolongée par une lame de ressort reliée au pont de contact 21 logé en partie ou en totalité dans un boîtier 20, ledit pont de contact étant susceptible d'occuper deux états, un premier état correspondant à une première position dite circuit fermé illustrée par la figure 5B dans laquelle le pont 21 est en contact avec les plots 22 et assure la continuité électrique entre ces derniers, et un second état correspondant à la position dite circuit ouvert illustrée par la figure 5A dans laquelle le pont de contact 21 est écarté, n'est plus en contact avec les deux plots 22 et n'assure plus ainsi la continuité électrique. Selon l'invention, le pont de contact 21 est lié à la pièce mobile 5 par une lame de ressort. L'actionneur bistable 11 est intégré à l'intérieur du boîtier 20 du coupe batterie de telle manière que le pont 21 se trouve toujours au droit des plots 22. Selon une autre caractéristique, le pont 21 peut se translater légèrement par la flexion du moyen de rappel 6 de manière à permettre un léger débattement du pont 21 par rapport à la pièce mobile 5. Ce léger débattement permet de faciliter le réglage du coupe batterie et d'avoir des tolérances dimensionnelles plus larges, tout en obtenant un contact efficace entre le pont 21 et les plots 22. Selon une autre caractéristique, le circuit de commande permettant de piloter l'actionneur est intégré dans le boîtier 20 par une alimentation permanent 24 logée, pour des raisons de sécurité, à l'intérieur du boîtier 20, en reliant par un fil électrique l'un des plots audit circuit de commande. Sur les figures 6A et 6B, on a représenté un actionneur bistable 11 selon une autre variante de l'invention. Les éléments communs à la première variante sont référencés à l'identique et les nouveaux éléments sont référencés à partir de 30. Les figures 6A et 6B illustrent un dispositif bistable de distribution de fluides plus particulièrement destiné à un véhicule. Ce dispositif comprend un élément distributeur de fluide pneumatique ou hydraulique relié à un circuit d'alimentation. Le dispositif distributeur de fluide 31 comprend un actionneur bistable 11 dont l'enroulement 4 est connecté à un circuit dit de commande comprenant un interrupteur. Comme précédemment, l'actionneur bistable 11 comprend une pièce mobile 5 prenant appuis sur le piston distributeur de fluide 30 logé, en partie ou en totalité, dans un boîtier 31, ledit piston distributeur de fluide 30 étant susceptible d'occuper deux états, un premier état correspondant à une première position dite circuit fermé illustrée par la figure 6B dans laquelle le piston distributeur de fluide 30 assure la continuité du fluide, et un second état correspondant à une seconde position dite circuit ouvert illustrée par la figure 6A dans laquelle le piston distributeur de fluide 30 n'assure plus la continuité du fluide. Selon l'invention, le piston distributeur de fluide 30 est maintenu en appuis contre la pièce mobile 5 par le ressort 32. L'actionneur bistable 11 est intégré à l'intérieur du boîtier 31 du distributeur de fluide de manière que la pièce mobile 5 se trouve toujours au droit du piston distributeur 30. Comme décrit précédemment et illustré par les figures 7A-1, 7A-2, 7B-1 et 7B-2, l'actionneur bistable est susceptible d'être également associé à toutes autres commandes mécaniques pour assurer deux positions de maintien stable. Enfin, l'actionneur bistable pourrait assurer plusieurs fonctions. Ainsi l'actionneur peut comprendre plusieurs tiges reliées chacune de part et d'autre de la pièce mobile 5. REVENbICATIONS 1. Actionneur bistable susceptible d'occuper deux états: un premier état correspondant à la position circuit fermé dans laquelle une pièce mobile (5) est en contact avec les deux branches d'une carcasse (1) en forme de U et un 1 o noyau (3), et un second état correspondant à la position circuit ouvert dans laquelle la pièce mobile (5) est écartée et n'est plus en contact avec l'une des branches de la carcasse (1), ni avec le noyau (3), caractérisé en ce que: - La carcasse (1) en matériau magnétique est en forme de U entre les branches de laquelle est fixée un aimant permanent (2), un noyau (3) en matériau magnétique et un enroulement (4). - Au moins un aimant permanent (2) est susceptible d'assurer le maintien de la pièce mobile (5) dans au moins une position stable, l'aimant permanent (2) ayant un premier pôle en contact direct avec le fond du U de la carcasse (1) et un second pôle en contact direct avec la face inférieure du noyau (3). - La pièce mobile (5) en matériau magnétique est susceptible de décrire un mouvement circulaire pour assurer deux positions stables dites circuit fermé et circuit ouvert . - Un moyen de rappel (6) en matériau magnétique est susceptible d'assurer, d'une part, l'axe de rotation du mouvement circulaire décrit par la pièce mobile (5), et son maintien écarté en position circuit ouvert avec l'une des branches de la carcasse (1), et permettre, d'autre part, le passage d'une partie du champ magnétique de l'aimant permanent et du champ magnétique produit par l'excitation non permanent de l'enroulement. 2. Actionneur bistable (11) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce mobile (5) en matériau magnétique est disposée à l'extérieur de la carcasse (1) en U et en matériau magnétique offrant plusieurs surfaces de contact importantes (12, 13, 13' et 14) au droit de la pièce mobile (5), ladite pièce mobile (5) étant reliée à la carcasse (1) par le moyen de rappel (6) en matériau magnétique. 3. Actionneur bistable (11) selon les revendications (1 et 2), caractérisé en ce que l'enroulement (4) est disposé entre les branches de la carcasse (1) en matériau magnétique. 4. Actionneur bistable (11) selon les revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que le noyau en matériau magnétique (3) placé au centre d'une bague isolante (10) est maintenu contre l'aimant permanent (2) et le fond du U de la carcasse (1) en matériau magnétique par un rivet (8) en matériau magnétique. 5. Actionneur bistable (11) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que en position circuit ouvert la pièce mobile (5) est tou jours en contact avec l'une des branches du U de la carcasse (1). 6. Actionneur bistable (11) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cheminement du champ magnétique entre la carcasse (1) et la pièce mobile (5) est assuré par un contact mécanique en matériau magnétique qui permet de transmettre l'intégralité des forces d'attraction et de maintien pour renforcer l'effort de collage. 7. Actionneur bistable (11) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que en position dite circuit fermé le maintien stable de la pièce mobile (5) est réalisé par bouclage magnétique direct et sans isolation. 8. Actionneur bistable (11) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'actionneur est susceptible d'être intégré dans un boîtier en matériau amagnétique pour assurer, par exemple, deux états stables de coupe circuit, ou autre exemple, d'assurer deux états stables de distributeur de fluide, ou encore, tout autre état stable de commande mécanique. 9. Actionneur bistable (11) selon la revendication (8), caractérisé en ce que l'actionneur bistable (11) est susceptible d'être manoeuvré ou immobilisé manuellement par un opérateur, de la position dite circuit ouvert vers la position dite circuit fermé par pression d'un bouton (25), ou de la position dite circuit fermé vers la position dite circuit ouvert en manoeuvrant d'un quart de tour un levier (23). 10. Dispositif de sécurité comprenant un actionneur bistable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'enroulement (4) est susceptible d'être connecté, d'une part, à une alimentation permanente (24) d'un circuit de puissance (22) et connecté, d'autre part, à un ou plusieurs détecteurs d'incident (50).