Interrupteur à contacts mouillés et à commande magnétique, et relais électrique comportant un tel interrupteur

Abstract

 L'invention concerne les interrupteurs à contacts mouillés, commandés par un champ magnétique.
L'interrupteur selon l'invention est réalisé à partir d'un boîtier d'encapsulation de semiconducteur discret, dont l'embase comporte une électrode double, (15) dite "commune" et au moins une autre électrode isolée. Une palette mobile (13) est prise en fourchette dans l'électrode double et s'appuie sur une autre électrode. Le liquide qui mouille les contacts constitue, sur l'électrode double, une charnière liquide (14) pour la palette.
Application aux relais électriques notamment pour le matériel professionnel et les télécommunications.

Description

[0001] L'invention concerne un interrupteur électrique à contacts mouillés par liquide conducteur et à commande magnétique.

[0002] Les interrupteurs à contacts mouillés par un liquide conducteur constitué le plus généralement par du mercure ou par un amalgame de mercure, sont connus dans la technique ; ils sont fréquemment dénommés ILM, Interrupteurs à Lames Mouillées par le mercure ou en anglais "Mercury Wetted Switch". Cette catégorie d'interrupteurs électriques est le plus généralement constituée par un système de lames 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. Cette catégorie d'interrupteurs a pour principal avantage d'offrir un très bon contact électrique, sans détérioration des surfaces qui entrent en contact puisqu'elles sont mouillées par le mercure. Cependant, elle a également comme inconvénient d'utiliser des techniques de scellement des lames dans l'ampoule de verre qui sont délicates et onéreuses et amènent une pollution des contacts électriques au cours du scellement dans le verre. En outre, il faut usiner des lames souples et les dimensions nécessitées par les lames amènent à une dimension globale de l'interrupteur relativement importante ; enfin, le fait que les lames soient scellées à l'intérieur d'une ampoule nécessite un réglage, en particulier de la sensibilité. A l'usage le mercure se vaporise au cours des ruptures sur les contacts et se dépose partiellement à l'intérieur de l'ampoule de verre ce qui amène un appauvrissement des contacts en mercure et donc à la nécessité d'entretenir,une réserve de mercure à l'intérieur de l'ampoule : cette réserve de mercure induit que le fonctionnement de l'interrupteur en ampoule doit être assuré dans une position bien déterminée pour que la réserve de mercure présente ne vienne pas court-circuiter les contacts.

[0003] Une adaptation des techniques actuelles des interrupteurs à contacts mouillés nécessite donc

- une conception autorisant l'utilisation de l'interrupteur de façon indépendante de la position, notamment par rapport à la verticale du lieu

- une simplification des conditions de fabrication comportant notamment la suppression de la pollution des contacts au cours des opérations de scellement, la suppression des lames souples qu'il faut usiner et la suppression de l'opération de scellement elle-même.qui est toujours délicate sur des dispositifs de plus en plus petits :

- une diminution des dimensions de l'interrupteur de façon à pouvoir miniaturiser le relais et implanter automatiquement ces composants par machine automatique.

[0004] L'interrupteur à contacts mouillés selon l'invention n'a de commun avec les interrupteurs à lames souples que la fonction d'ouverture ou de fermeture de contacts assurée par des surfaces mouillées par le mercure. Il évite les inconvénients de la fabrication d'interrupteurs en ampoule de verre et les inconvénients de réglage au cours de l'utilisation. Il met en oeuvre :

- une lame métallique dont la souplesse n'intervient plus puisque la lame est mobile, sans nécessiter de charnières mécaniques comme cela a été déjà réalisé dans certains types d'interrupteurs connus ;

- une charnière liquide constituée par du mercure ou tout autre liquide conducteur qui assure également le contact électrique entre la lame mobile et l'axe de pivotement constitué par deux tiges entre lesquelles est glissée une extrémité de la lame ;

- deux contacts électriques que l'on appelle généralement repos et travail, constitués par deux tiges contre lesquelles vient buter l'extrémité de la lame opposée à l'extrémité qui se trouve dans la charnière liquide.

[0005] De façon plus précise, l'interrupteur à contacts mouillés et à commande magnétique, comporte des électrodes en matériau ferromagnétique dont les surfaces sont mouillées par un liquide conducteur de l'électricité, une première électrode constituant le contact dit "commun", et au moins une autre électrode, cet interrupteur étant caractérisé en ce que le passage du courant électrique de la première électrode vers une autre électrode est assuré au moyen d'une palette de forme allongée, en matériau ferromagnétique, mobile autour d'une charnière liquide formée par capillarité par le liquide conducteur qui mouille l'électrode "commune" et la surface de la palette, laquelle s'appuie d'autre part contre une autre électrode, contre laquelle elle est maintenue par l'action des forces de tension superficielle, la position de l'interrupteur dans l'espace étant indifférente.

[0006] L'invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront de la description qui suit de deux exemples de réalisation de l'interrupteur à contacts mouillés selon l'invention, lesquelles descriptions s'appuient sur les figures qui représentent :

- figure 1 : un interrupteur à contacts mouillés selon l'art connu ;

- figure 2 : les éléments de base de l'interrupteur selon l'invention, les parties auxiliaires étant retirées pour permettre une simplification du dessin ;

- figure 3 : un relais utilisant l'interrupteur à contact mouillé selon l'invention dans une première réalisation ;

- figure 4 : les éléments de base dé l'interrupteur selon l'invention dans une seconde réalisation ;

- figure 5 : un premier perfectionnement à l'invention;

- figure 6 : un second perfectionnement à l'invention.

[0007] La figure 1 représente un type d'interrupteur à contacts mouillés, choisi parmi les nombreux types de l'art connu.

[0008] Le corps 1 de cet interrupteur constitue le contact commun ; il est percé dans sa longueur par un canal cylindrique et obstrué à ses deux extrémités par deux pièces de contacts 2 et 3 qui sont maintenues dans le corps et isolées au moyen d'anneaux 4 ou de scellement verre-métal. La pièce mobile 5 est constituée par un cylindre qui se déplace à l'intérieur du canal perforé dans le corps 1, sous l'action d'un champ magnétique. Le contact électrique est assuré par une quantité de mercure 6 suffisante pour établir un film entre la pièce mobile 5 et le corps 1 et établir le contact par capillarité avec l'un des deux contacts d'extrémités 2 ou 3. Lorsque la pièce mobile se déplace et quitte un contact pour aller s'appuyer contre l'autre contact, le film de mercure se rompt sur le premier contact et s'établit avec le second contact car il n'y a pas suffisamment de mercure pour que le contact électrique soit établi aux deux extrémités de la pièce mobile.

[0009] Un système d'aimant ou de bobinage de commande 7 assure les déplacements de la pièce mobile à l'intérieur du corps de l'interrupteur.

[0010] Ce genre d'interrupteur assure effectivement des contacts mouillés et fonctionne indépendamment de sa position : cependant il nécessite un usinage assez précis pour que le film de mercure qui assure le contact entre la pièce mobile 5 et le corps 1 soit juste suffisamment épais pour répondre aux impératifs de la capillarité mais dans ces conditions la pièce mobile se bloque assez fréquemment ; en outre, cette technique est onéreuse.

[0011] La figure 2 représente un interrupteur selon l'invention. Seules ont été représentées sur cette figure les pièces qui permettent d'en comprendre le fonctionnement.

[0012] Dans une embase 8 sont scellées au moins quatre électrodes 9, 10, 11 et 12. La pièce mobile est constituée par une palette 13 maintenue entre des électrodes mouillées par un liquide conducteur. Deux des électrodes 9 et 10 sont suffisamment rapprochées entre elles pour que la palette puisse être glissée entre ces deux électrodes et maintenue par le mercure qui mouille les électrodes 9 et 10 et la surface de la palette, constituant ainsi une charnière liquide 14 ; les deux autres électrodes 11 et 12 sont placées de telle façon que lorsque la palette mobile 13 se déplace elle vienne buter soit contre l'électrode 11 soit contre l'éléc- trode 12. Les quatres électrodes 9, 10, 11 et 12 sont scellées dans l'embase 8 au moyen de passages isolants électriques 15, généralement constitués par un frittage à base de poudre de verre.

[0013] La palette mobile 13 a une longueur légèrement supérieure à l'entraxe entre les électrodes 9 et 10 d'une part, 11 et 12 d'autre part. Elle n'est pas mécaniquement liée à ces électrodes et n'est maintenue que par les forces de tension superficielles du liquide conducteur, à l'une de ses extrémités par la charnière liquide l4, à l'autre extrémité par une tension superficielle avec l'électrode contre laquelle elle s'appuie. Sous l'action du champ magnétique de commande cette palette se trouve automatiquement recentrée par rapport aux électrodes de l'interrupteur.

[0014] Sur la figure 2 est représentée une embase 8 de forme cylindrique qui est constituée par l'embase d'un boîtier TO 39 de semiconducteur discret. Cependant, l'embase allongée d'un boîtier d'encapsulation de quartz convient également à la réalisation de l'interrupteur selon l'invention. L'important pour cette embase est d'être constituée d'un matériau permettant d'une part le scellement verre/métal et d'autre part pouvant être ferromagnétique. En effet, les électrodes sont scellées à travers l'embase dans des perles isolantes en verre et traversent l'embase de façon à ce que l'une de leurs extrémités soit accessible lorsque le relais est terminé et enfermé sous un capot.

[0015] Les quatre électrodes sont réalisées en un matériau également ferromagnétique de façon à pouvoir refermer le champ de commande, conformément au fonctionnement général des interrupteurs à commande magnétique.

[0016] Le capot qui est soudé sur l'embase lorsque le relais est terminé et réglé est, lui, en un matériau amagnétique.

[0017] Ce type d'interrupteur présente parmi d'autres deux avantages. En premier lieu, il est possible d'at- teindre les électrodes pour les régler mécaniquement, en particulier en raison de la sensibilité qui est demandée pour l'interrupteur. En second lieu, il est possible de ne traiter chimiquement que la partie intérieure au relais, avant soudage du capot, en vue d'un traitement ultérieur qui a lieu lorsque le mercure a été introduit dans l'interrupteur. En effet, un interrupteur mouillé au mercure subit un traitement thermique qui en termine la fabrication : le capot étant scellé par soudure électrique sur l'embase, une quantité de mercure est introduite à l'intérieur de l'interrupteur préalablement traité chimiquement et un gaz sous pression est également introduit à l'intérieur de l'enceinte close ainsi formée, pour éviter la formation d'arc. L'électrode creuse qui a servi de queusot d'introduction du mercure-et du gaz est alors fermée, puis l'interrupteur est chauffé de façon à former un amalgame entre le mercure et le matériau déposé à la surface des électrodes et de la palette mobile.

[0018] La structure de cet interrupteur à contacts mouillés met en évidence l'absence de la pollution des contacts en cours du scellement puisqu'il n'y a plus à chauffer d'ampoule de verre. En outre, le capot étant formé d'un métal, le mercure peut en mouiller la surface interne et l'interrupteur comporte ainsi une forte réserve de mercure par rapport aux surfaces de contact qui travaillent, le capot récupérant le mercure qui se vaporise lors des ruptures de contacts et ce mercure étant recyclé. Enfin, par opposition aux interrupteurs à contacts mobiles qui sont connus, l'interrupteur selon l'invention fonctionne sans aucun coincement puisque la palette mobile n'a plus à frotter contre un corps cylindrique ou entre deux flasques de céramique comme cela se pratique.

[0019] Sur la figure 2, n'a pas été représenté, intentionnellement, le petit aimant qui sert à polariser la lame et les contacts, de façon à en simplifier la représentation et à en permettre la compréhension plus aisée ; de même le capot a été ôté.

[0020] Basé sur le même schéma de fonctionnement, un inverseur comporte six électrodes fixes : c'est le doublement optique de l'interrupteur représenté en figure 2.

[0021] Dans ce cas, les électrodes 9 et 10 sur lesquelles se forme la charnière liquide 14 sont scellées au milieu de l'embase 8, et elles maintiennent la palette mobile 13 qui pivote non plus autour de l'une de ses extrémités, mais en son centre. Quatre électrodes sont disposées symétriquement, 11 et 12 d'un premier côté de l'axe de rotation, 11' et 12' de l'autre côté de l'axe de rotation. Elles sont scellées.et réglées de telle façon que, dans une première position, la palette s'appuie sur deux électrodes, 11 et 11' par exemple, et, dans une seconde position, sur deux autres électrodes 12 et 12'. Dans.¢e cas d'inverseur, il peut être préférable que les électrodes 9 et 10 qui servent de charnière ne soient pas connectées au réseau électrique.

[0022] La figure 3 représente un interrupteur selon l'invention, terminé et vu en coupe.

[0023] Sur cette figure 3, se retrouve une embase 8 traversée par des électrodes 9 et 10 d'une part, 11 et 12 d'autre part, qui sont scellées dans l'embase 8 par des perles de verre 15. L'une au moins de ces électrodes peut être avantageusement creuse, pour permettre l'introduction du mercure et du gaz de remplissage. La lame mobile 13 est maintenue par une charnière liquide de mercure 14. Une bobine de commande 16 est placée sous l'interrupteur et le champ de cette bobine se referme sur lui-même par l'intermédiaire des électrodes 9 et 10 d'une part, 10 et 11 d'autre part. Le capot amagnétique 17 est scellé par soudure électrique sur l'embase 8 et un aimant 18, partiellement caché sur la figure, polarise les contacts. L'ensemble de l'interrupteur à contacts mouillés et à lames mobiles polarisé par un aimant extérieur ou intérieur au capot et commandé par une bobine 16 constitue un relais.

[0024] Le fonctionnement de ce relais peut être assuré également sans aimant 18 au moyen de deux bobines, chacune attirant la lame 13 dans une position.

[0025] La figure 4 représente l'interrupteur selon l'invention selon une seconde forme de réalisation.

[0026] Dans cette réalisation, l'interrupteur comporte toujours une embase 8 sur laquelle sont soudées deux tiges qui constituent la charnière autour de laquelle pivote la lame mobile, ces tiges 19 et 20 étant alors soudées et placées selon un plan parallèle au plan supérieur de l'embase. La lame mobile 13 pivote autour d'une charnière liquide 14 qui n'est plus perpendiculaire au plan supérieur de l'embase mais qui lui est parallèle, et les deux électrodes 21 et 22 sont coudées de façon à venir assurer les contacts avec la lame mobile 13 selon des génératrices également parallèles à la face supérieure de l'embase. Les électrodes de repos et de travail 21 et 22 sont également scellées dans l'embase au moyen de perles de verre 15. L'aimant de polarisation 18 est maintenu par tous moyens convenables mais peut être fixé sur l'embase au moyen d'une tige soudée. Les électrodes 21 et 22 traversent l'embase qui comporte également une troisième tige de sortie 23, laquelle correspond électriquement aux contacts avec la palette c'est-à-dire le contact commun. La palette mobile 13 est maintenue dans l'espace parla capillarité de la charnière liquide 14.

[0027] La figure 5 représente un premier perfectionnement à l'invention,lequel stabilise la palette contre les chocs. Il a été dit précédemment que la palette, qui n'est pas liée mécaniquement aux électrodes, est recentrée de façon automatique par le champ de commande magéntique de l'interrupteur. Toutefois, afin de répondre à certains impératifs de matériel devant résister aux chocs par exemple, l'invention prévoit un premier perfectionnement anti-chocs. Sur la figure 5, la palette 13 est représentée entre deux électrodes 9 et 10 contre lesquelles elle est maintenue par une charnière liquide 14. La palette est repliée en 24 d'un côté des électrodes, ce qui l'empêche de glisser selon une première direction. De plus, de l'autre côté des électrodes, elle comporte une patte 25.rabattue sensiblement perpendiculairement à la palette mobile. Les parties 24 et 25 de la palette sont à un espacement tel que la palette conserve un degré de liberté suffisant pour être maintenue sans pour autant nécessiter un quelconque ajustement de l'assemblage.

[0028] La figure 6 représente un second perfectionnement à l'invention, lequel équilibre la palette contre les chocs en cours de fonctionnement.

[0029] L'un des problèmes avec les interrupteurs à lames souples classiques consiste en leur sensibilité aux chocs en cours de fonctionnement, sensibilité due à la dissymétrie des palettes. Dans l'interrupteur à lames mobiles selon l'invention, la majeure partie de la lame se trouve d'un même coté de la charnière liquide. Un perfectionnement représenté en figure 6 consiste à équilibrer la masse de la lame 13 pivotant autour d'une charnière liquide 14 par une masse matricée, soudée ou refondue 26 qui se trouve située de l'autre côté de la charnière 14 par rapport à la masse principale de la lame 13. Cette amélioration constitue un avantage contre les chocs en cours de fonctionnement puisque la masse 26 empêche la lame 13 de glisser entre les électrodes 19 et 20.

[0030] Dans tout ce qui précède la charnière liquide 14 a été décrite comme étant formée par capillarité du liquide conducteur entre deux électrodes 9 et 10, ou 19 et 20 selon les figures. En fait, la charnière liquide 14 peut être formée entre la lame d'une part et une électrode unique constituée soit par une tige recourbée sur elle-même en forme d'épingle à cheveux, soit par une pièce usinée en forme de fourche.

[0031] L'interrupteur selon l'invention et le relais réalisé à partir de cet interrupteur présentent un certain nombre- d'avantages parmi lesquels sa grande sensibilité, c'est-à-dire son fonctionnement sous un faible courant, et au contraire son insensibilité aux chocs et à la position de fonctionnement. De plus, il faut remarquer qu'il est facilement réalisable, sans nécessiter de grandes précisions dans la réalisation des pièces : le réglage des électrodes ou de la sensibilité peuvent être effectués sur l'interrupteur en cours de fabrication avant de le refermer par un boîtier étanche. Il est constitué à partir d'embases qui sont des pièces facilement disponibles puisque ce sont des embases du même type que celui utilisé dans les dispositifs semiconducteurs. Ce type de relais et d'interrupteur mouillés au mercure trouve de nombreuses applications dans l'industrie et plus particulièrement dans l'industrie téléphonique et la réalisation de centraux électroniques.

Revendications

1. Interrupteur à contacts mouillés et à commande magnétique, comportant des électrodes en matériau ferromagnétique dont les surfaces sont mouillées par un liquide conducteur de l'électricité, une première électrode constituant le contact dit "commun" et au moins une autre électrode, cet interrupteur étant caractérisé en ce que le passage du courant électrique de la première électrode vers une autre électrode est assuré au moyen d'une palette de forme allongée, en matériau ferromagnétique, mobile, autour d'une charnière liquide formée par capillarité par le liquide conducteur qui mouille l'électrode "commune" et la surface de la palette, laquelle s'appuie d'autre part contre une autre électrode, contre laquelle elle est maintenuepar l'action des forces de tension superficielle, la position de l'interrupteur dans l'espace étant indifférente.

2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes sont montées sur une embase, qu'elles traversent de part en part, dans laquelle elles sont scellées au moyen d'une soudure verre/métal, isolante électriquement.

3. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la palette mobile comporte, du côté de la charnière liquide autour de laquelle elle pivote, deux pattes métalliques rabattues perpendiculairement au plan de la palette, disposées de part et d'autre de l'électrode dite "commune" et dont la fonction est de rendre l'interrupteur insensible aux chocs, la palette étant par ailleurs automatiquement recentrée sur les électrodes par le champ magnétique de commande au cours du fonctionnement.

4. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la palette comporte sur son extrémité située du côté de la charnière liquide une masselotte d'équilibrage.

5. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes est constituée par un tube, dont la fonction est d'introduire le liquide conducteur et le gaz sous pression au cours de la fabrication d'un relais électrique.

6. Relais électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur à contacts mouillés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et un aimant de polarisation des contacts, le relais étant fermé par un capot hermétiquement soudé sur l'embase et complété par au moins une bobine de commande magnétique.

7. Relais électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'aimant de polarisation est remplacé par une bobine de commande magnétique.

8. Relais électrique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'embase est une embase de dispositif semiconducteur discret, de type cylindrique.

9. Relais électrique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'embase est une embase d'encapsulation de quartz, de type allongé.

10. Relais électrique selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'intérieur du boîtier, constitué par une embase et un capot, est, hormis les soudures verre/métal, mouillé par le liquide conducteur.

Dessins