Dispositif de commande à double mode d'actionnement

La présente invention se rapporte à un dispositif de commande d'un circuit électrique. Ce dispositif de commande présente notamment la particularité de disposer de deux modes d'actionnement distincts.

Il est connu par le brevet W02006/131520 un bouton dans lequel une membrane MEMS est actionnée en déplaçant un aimant permanent mobile par rapport à un aimant permanent fixe. L'aimant permanent mobile se déplace entre une position de repos et une position de travail. La membrane MEMS est dans un premier état lorsque l'aimant permanent mobile est dans sa position de repos, ce premier état étant maintenu par le champ magnétique généré par l'aimant permanent fixe. La membrane MEMS passe dans un second état lorsque l'aimant permanent mobile est dans sa position de travail sous l'influence conjuguée des champs magnétiques générés par l'aimant permanent fixe et l'aimant permanent mobile. Lors du retour de l'aimant permanent mobile dans sa position de repos, la membrane MEMS revient dans son premier état.

Par ailleurs, comme décrit dans le brevet US6469602 il est connu de déplacer une membrane MEMS entre deux états à l'aide d'une bobine planaire intégrée dans le substrat et d'un aimant permanent fixe générant un champ magnétique permanent. La membrane est maintenue dans chacun de ses états sous l'influence du champ magnétique généré par l'aimant permanent fixe tandis que la bobine crée un champ magnétique temporaire permettant de faire basculer la membrane d'un état à l'autre.

Pour certaines applications, il est intéressant de pouvoir disposer d'un dispositif de commande dans lequel l'élément mobile peut être actionné de deux manières distinctes. Cependant, il est nécessaire que le dispositif de commande reste particulièrement compact.

Le but de l'invention est de proposer un dispositif de commande pouvant être actionné de deux manières distinctes, qui soit simple d'utilisation, facile à fabriquer, fiable et particulièrement compact.

Ce but est atteint par un dispositif de commande d'un circuit électrique comportant :

• un micro-interrupteur comprenant un élément mobile pilotable par effet magnétique entre un premier état stable et un second état stable pour commander le circuit électrique,
• une pièce fixe en matériau magnétique,
• un aimant permanent mobile actionnable entre une première position, dans laquelle il forme, avec la pièce fixe, un champ magnétique permanent sensiblement uniforme maintenant l'élément mobile dans le premier état ou le second état, et une seconde position dans laquelle il est apte à commander le basculement de l'élément mobile d'un état à l'autre,
• une bobine d'excitation apte à créer un champ magnétique temporaire apte à faire basculer l'élément mobile d'un état à l'autre lorsque l'aimant permanent mobile est dans la première position.

Selon une particularité, l'élément fixe en matériau magnétique est un aimant permanent.

Selon une autre particularité, l'aimant permanent mobile et l'aimant permanent fixe présentent des aimantations de direction parallèle et de même sens.

Selon une autre particularité, le champ magnétique créé par la bobine est sensiblement perpendiculaire aux directions d'aimantation des aimants permanents fixe et mobile.

Selon un premier mode de réalisation, l'aimant permanent mobile est apte à se déplacer perpendiculairement à sa direction d'aimantation. Dans ce cas, le micro-interrupteur est centré par rapport aux aimants permanents fixe et mobile.

Selon un second mode de réalisation, l'aimant permanent mobile est apte à se déplacer parallèlement à sa direction d'aimantation. Dans ce cas, le micro-interrupteur est décentré par rapport aux aimants permanents fixe et mobile.

Selon l'invention, l'élément mobile du micro-interrupteur est une membrane ferromagnétique orientable suivant des lignes de champ magnétique.

Selon l'invention, après actionnement, l'aimant permanent mobile est ramené automatiquement de sa seconde position à sa première position. Ce retour peut être réalisé par effet magnétique entre les aimants permanents fixe et mobile ou grâce à l'emploi d'une pièce mécanique du type ressort de rappel.

Selon l'invention, le fonctionnement du dispositif peut être le suivant :

• l'élément mobile est initialement maintenu dans le premier état, puis
• l'élément mobile est basculé dans le second état par déplacement de l'aimant permanent mobile vers sa seconde position,
• l'élément mobile est ramené dans son premier état par activation de la bobine une fois l'aimant permanent mobile revenu dans sa première position.

Le premier état de l'élément mobile est par exemple un état ouvert dans lequel le circuit électrique est ouvert et en ce que le second état de l'élément mobile est par exemple un état fermé dans lequel le circuit électrique est fermé.

Selon l'invention, le dispositif peut être utilisé pour supprimer les courants de fuite ou de veille dans un système en déconnectant le circuit électrique par activation de la bobine et en réenclenchant le circuit électrique à l'aide de l'aimant permanent mobile.

Le dispositif peut également être utilisé dans un disjoncteur pour déconnecter automatiquement le circuit électrique en cas de défaut électrique à l'aide de la bobine d'excitation puis refermer manuellement le circuit électrique à l'aide de l'aimant permanent mobile.

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :

• la figure 1 représente un micro-interrupteur tel qu'utilisé dans le dispositif de commande de l'invention,
• la figure 2 représente en vue de dessus le micro-interrupteur de la figure 1 sur lequel a été ajoutée une bobine planaire intégrée au substrat,
• la figure 3 montre une autre configuration du micro-interrupteur employé,
• la figure 4 montre un premier mode de réalisation du dispositif de commande de l'invention,
• la figure 5 montre un second mode de réalisation du dispositif de commande de l'invention.
• les figures 6A à 6E illustrent le fonctionnement du dispositif de commande de l'invention.

L'invention consiste à proposer un dispositif de commande 1, 1' doté de deux modes d'actionnement distinct. Ce type de dispositif de commande présente notamment un intérêt dans certaines applications qui seront précisées ci-après.

Le dispositif de commande 1, 1' de l'invention fonctionne à l'aide d'un micro-interrupteur 2, 2' comportant un élément mobile pilotable par effet magnétique. Ce micro-interrupteur 2, 2' peut notamment être un MEMS (Micro-Electro Mechanical System) comportant une membrane 20, 20' dotée d'une couche ferromagnétique (par exemple en permalloy) et apte à s'aligner et s'orienter suivant les lignes de champ magnétique pour prendre deux états stables distincts, par exemple un état ouvert d'un circuit électrique et un état fermé du circuit électrique.

Les figures 1 et 3 montrent deux configurations différentes du micro-interrupteur. Dans les deux configurations représentées, le micro-interrupteur 2, 2' comporte une membrane 20, 20' montée sur un substrat S fabriqué dans des matériaux comme le silicium, le verre, des céramiques ou sous forme de circuits imprimés. Le substrat S porte par exemple sur sa surface 30 au moins deux contacts ou pistes conductrices 31, 32 planes, identiques et espacées, destinées à être reliées électriquement par un contact électrique mobile 21, 21' afin d'obtenir la fermeture d'un circuit électrique. La membrane 20, 20' est par exemple déformable et présente au moins une couche en matériau ferromagnétique. Le matériau ferromagnétique est par exemple du type magnétique doux et peut être par exemple un alliage de fer et de nickel (« permalloy » Ni₈₀Fe₂₀). Selon l'orientation d'une composante magnétique latérale, la membrane 20, 20' peut prendre un état fermé dans lequel son contact mobile 21, 21' relie électriquement les deux pistes 31, 32 conductrices fixes de manière à fermer le circuit électrique ou un état ouvert, dans lequel son contact mobile 21, 21' est éloigné des deux pistes conductrices de manière à ouvrir le circuit électrique.

Dans la première configuration de micro-interrupteur 2 représentée en figure 1, la membrane 20 présente un axe longitudinal (A) et est solidaire du substrat S par l'intermédiaire de deux bras 22a, 22b de liaison reliant ladite membrane 20 à deux plots d'ancrage 23a, 23b disposés symétriquement de part et d'autre de son axe longitudinal (A) et s'étendant perpendiculairement par rapport à cet axe (A). Par torsion des deux bras de liaison 22a, 22b, la membrane 20 est apte à pivoter entre son état ouvert et son état fermé suivant un axe de rotation (R) parallèle à l'axe décrit par les points de contact de la membrane 20 avec les pistes électriques 31, 32 et perpendiculaire à son axe longitudinal (A). Le contact électrique mobile 21 est disposé sous la membrane 20, à une extrémité de celle-ci.

Dans la deuxième configuration du micro-interrupteur 2' représentée en figure 3, la membrane 20' présente un axe longitudinal (A') et est reliée, à l'une de ses extrémités, par l'intermédiaire de bras de liaison 22a', 22b', à un ou plusieurs plots 23' d'ancrage solidaires du substrat S. La membrane 20' est apte à pivoter par rapport au substrat suivant un axe (R') de rotation perpendiculaire à son axe longitudinal (A'). Les bras 22a', 22b' de liaison forment une liaison élastique entre la membrane 20' et le plot 23' d'ancrage et sont sollicités en flexion lors du pivotement de la membrane 20'.

Dans le dispositif de commande de l'invention 1, 1', une bobine d'excitation planaire 4 est intégrée au substrat du micro-interrupteur 2, 2' comme représentée sur la figure 2. Une bobine d'excitation de forme solénoïde peut également être employée. Le solénoïde définit alors un espace à l'intérieur duquel est logé le micro-interrupteur 2, 2'.

En référence aux figures 4 et 5, le dispositif de commande 1, 1' de l'invention comporte par ailleurs un aimant permanent mobile 11, 11' et une pièce fixe en matériau magnétique, pouvant être par exemple une pièce ferromagnétique (ex : FeNi) ou un aimant permanent 10, 10', par exemple fixée sous le substrat S du micro-interrupteur. L'aimant permanent mobile 11, 11' est apte à se déplacer entre deux positions, une première position dite de repos (en traits pleins sur les figures 4 et 5) et une seconde position fugitive d'actionnement du micro-interrupteur (en traits pointillés sur les figures 4 et 5). Sur les figures 4, 5, l'aimant permanent fixe 10, 10' et l'aimant permanent mobile 11, 11' présentent des aimantations M₀, M₁, M₀', M₁' de même sens et de directions parallèles entre elles et perpendiculaires à la surface 30 du substrat S du micro-interrupteur 2, 2'.

L'aimant permanent mobile 11, 11' peut être actionné par l'intermédiaire d'un organe d'actionnement manuel (non représenté) pour former un bouton ou par l'intermédiaire d'un organe d'actionnement mécanique (non représenté) pour former un capteur de position.

Lorsque l'aimant permanent mobile 11, 11' est en position de repos, la pièce fixe, constituée d'une pièce ferromagnétique ou de l'aimant permanent fixe 10, 10', et l'aimant permanent mobile 11, 11' génèrent donc entre eux un champ magnétique permanent uniforme B₀ ayant des lignes de champ sensiblement parallèles entre elles. Comme la composante magnétique latérale générée dans la membrane 20, 20' par ce champ magnétique permanent uniforme B₀ est faible, il est aisé de faire basculer la membrane vers son autre état en produisant une composante magnétique latérale opposée d'intensité supérieure.

Selon le sens de déplacement de l'aimant permanent mobile 11, 11', le dispositif de commande 1, 1' comporte deux modes de réalisation distincts. Ces deux modes de réalisation sont décrits avec une pièce fixe constituée d'un aimant permanent 10, 10'.

Dans un premier mode de réalisation représenté sur la figure 4, l'aimant permanent mobile 11 est apte à se déplacer en translation parallèlement à la surface 30 du substrat S du micro-interrupteur 2 et à l'aimant permanent fixe 10 de manière à conférer au dispositif de commande un actionnement de type glissant. L'aimant permanent fixe 10 et l'aimant permanent mobile 11 en position de repos sont centrés l'un par rapport à l'autre et le micro-interrupteur 2 est centré par rapport aux aimants permanents fixe 10 et mobile 11. La membrane 20 est par exemple initialement à l'état ouvert.

Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté en figure 5, l'aimant permanent mobile 11' est apte à se déplacer en translation suivant un axe d'actionnement (X) perpendiculaire à la surface 30 du substrat S du micro-interrupteur 2 de manière conférer au dispositif de commande 1 un actionnement de type poussoir. L'aimant permanent mobile 11' présente donc une position de repos éloignée de l'aimant permanent fixe 10' et une position de travail fugitive dans lequel il est rapproché de l'aimant permanent fixe 11' suivant l'axe d'actionnement (X). Dans ce second mode de réalisation, l'aimant permanent fixe 10' et l'aimant permanent mobile 11' sont centrés l'un par rapport à l'autre et le micro-interrupteur 2 est décentré latéralement par rapport aux aimants 10', 11' de manière à pouvoir favoriser une composante magnétique latérale lors de l'actionnement de l'aimant permanent mobile 11' vers sa position de travail.

Le fonctionnement d'un dispositif de commande 1, 1' du premier mode de réalisation ou du second mode de réalisation est explicité ci-dessous en liaison avec les figures 6A à 6E montrant un micro-interrupteur 2 de la première configuration. Il faut comprendre que le fonctionnement est identique avec un micro-interrupteur 2' de la seconde configuration.

Sur la figure 6A, le substrat S supportant la membrane 20 est placé sous l'effet du champ magnétique permanent uniforme B₀ créé entre l'aimant permanent fixe 10, 10' et l'aimant permanent mobile 11, 11' qui est dans sa position de repos. Le champ magnétique permanent uniforme B₀ génère initialement une composante magnétique BP₁ dans la membrane 20 suivant son axe longitudinal (A). Le couple magnétique résultant maintient la membrane 20 dans l'un de ses états, par exemple l'état ouvert sur la figure 6A.

Pour chacun des modes de réalisation décrit ci-dessus, le déplacement de l'aimant permanent mobile 11, 11' vers sa position de travail, génère une composante magnétique latérale Ba qui crée une composante BP₂ dans la membrane 20 de manière à inverser le couple magnétique exercé sur la membrane et imposer le basculement de la membrane vers son autre état, c'est-à-dire l'état fermé (figure 6B). Une fois que la membrane 20 a basculé dans son état fermé, l'aimant permanent mobile 11, 11' revient dans sa position initiale de repos. Le retour de l'aimant permanent mobile peut être réalisé simplement grâce à l'interaction magnétique avec l'aimant permanent fixe dans le cas de l'organe d'actionnement glissant (figure 4) ou par l'intermédiaire d'un ressort (non représenté) dans le cas de l'organe d'actionnement de type poussoir (figure 5). Lorsque l'aimant permanent mobile 11, 11' est revenu dans sa position de repos, le champ magnétique permanent uniforme B₀ est de nouveau formé entre les deux aimants et crée une composante magnétique BP₃ imposant à la membrane 20 son nouvel état, c'est-à-dire l'état fermé (figure 6C).

L'aimant permanent mobile 11, 11' n'est destiné qu'à faire basculer la membrane que d'un état vers l'autre. Par conséquent, pour ramener la membrane dans son état initial, on utilise le second mode d'actionnement, c'est-à-dire la bobine d'excitation 4. Ce second mode d'actionnement présente l'avantage de pouvoir être actionné à distance par injection d'un courant dans la bobine 4 dans un sens approprié.

En référence à la figure 6D, le passage d'un courant de commande dans un sens défini à travers la bobine d'excitation 4 permet de générer le champ magnétique temporaire de commande Bb dont la direction est parallèle au substrat S, son sens dépendant du sens du courant délivré dans la bobine 4. Le champ magnétique temporaire Bb génère ainsi la composante magnétique BP₄ dans la membrane 20 s'opposant à la composante magnétique BP₃ et d'intensité supérieure à la composante magnétique BP₃ de manière à inverser le couple magnétique et provoquer le basculement de la membrane 20 de son état fermé à son état ouvert.

Une fois le basculement de la membrane 20 effectué, l'alimentation en courant de la bobine 4 n'est plus nécessaire. Selon l'invention, le champ magnétique Bb n'est généré que de manière transitoire pour faire basculer la membrane 20 d'un état à l'autre. Sur la figure 6E, le micro-interrupteur est donc dans un état identique à celui représenté en figure 6A.

Bien entendu, il faut comprendre que le dispositif de commande 1, 1' peut être commandé différemment. La membrane 20, 20' peut par exemple être initialement à l'état fermé. De même, le premier actionnement de la membrane peut être réalisé à l'aide de la bobine 4 et le second actionnement à l'aide de l'aimant permanent mobile 11, 11'. Selon les applications, toutes les configurations de fonctionnement sont donc possibles. Par ailleurs, le dispositif peut être configuré de manière à pouvoir fermer et ouvrir le circuit en utilisant uniquement l'aimant permanent mobile ou en utilisant uniquement la bobine en y injectant un courant positif ou un courant négatif.

Une première application consiste par exemple à supprimer les courants de fuite ou de veille d'un système fonctionnant sur pile ou batterie et ainsi réaliser des économies d'énergie. Le dispositif de commande de l'invention permet de mettre le produit en marche manuellement en agissant sur l'aimant permanent mobile qui entraîne le basculement de la membrane de l'état ouvert initial à l'état fermé. Puis lorsque le système a fini sa tâche ou au bout d'une certaine durée, le produit peut se remettre en veille automatiquement par l'envoi d'un courant dans la bobine d'excitation du dispositif de commande pour faire basculer la membrane vers son état ouvert et ainsi ouvrir le circuit électrique. Le produit alimenté peut par exemple être un interrupteur sans fil ou une télécommande d'alarme ou d'ouverture de portes. L'emploi du dispositif de commande pour cette application permet notamment de garantir, au moment de la vente du produit, que la batterie ou la pile n'a pas été complètement déchargée par ses courants de veille.

Une deuxième application du dispositif de commande de l'invention consiste par exemple à supprimer les courants de fuite des transformateurs pour les alimentations AC/DC destinées à alimenter ou recharger les appareils nomades tels que par exemple les téléphones portables, les baladeurs numériques ou les appareils photos. Les transformateurs de petite dimension présentent des rendements très bas qui conduisent à réaliser des alimentations secteurs qui consomment autant à vide que la charge qu'ils doivent alimenter. On utilise ainsi un dispositif de commande 1, 1' de l'invention pour couper automatiquement les courants de veille du système lors de la détection d'un faible courant de charge. En envoyant un courant dans la bobine d'excitation, la membrane bascule d'un état fermé à un état ouvert du circuit électrique. Pour remettre en marche le système, il suffit ensuite d'agir sur l'aimant permanent mobile par l'intermédiaire d'un bouton pour mettre la membrane dans son état de fermeture. Le même principe de commande peut par exemple être appliqué dans une troisième application.

Cette troisième application consiste à utiliser le dispositif de commande de l'invention dans un disjoncteur. Sur détection d'un défaut, le courant est coupé automatiquement en envoyant un courant dans la bobine d'excitation qui fait basculer la membrane de l'état fermé à l'état ouvert. Pour refermer le circuit électrique, l'actionnement de l'aimant permanent mobile permet de refaire passer la membrane de son état ouvert à son état fermé.

Une dernière application peut par exemple consister à utiliser le dispositif de commande dans un capteur, par exemple sans fil et autonome, apte à dialoguer par liaison sans fil avec un organe émetteur/récepteur principal. Le dispositif de l'invention permet par exemple de couper le capteur une fois qu'une transmission de données est effectuée.

Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.