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

L'invention concerne un interrupteur électrique à contacts mouillés par liquide conducteur et à commande magnétique. Elle se rapporte plus particulièrement à un interrupteur à contacts mouillés par un liquide conducteur comportant un boîtier dans lequel sont disposées une première électrode constituant le contact commun de l'interrupteur et au moins une seconde électrode constituant le second contact dudit interrupteur, chaque électrode étant en matériau magnétique et mouillable par le liquide conducteur, une pièce mobile mouillable également par ledit liquide pivotant autour d'une charnière liquide la reliant, à l'une de ses extrémités, par capillarité à l'aide du liquide conducteur, à la première électrode, l'autre extrémité de la pièce mobile venant s'appuyer contre la seconde électrode lors de la fermeture du circuit électrique entre la première et la deuxième électrode.

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 fréquement 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-circui- ter les contacts.

Il est connu du brevet français 2 392 485 de réaliser un interrupteur à contacts mouillés par le mercure comportant une pièce mobile magnétique se déplaçant entre les deux parois parallèles du boîtier, par pivotement autour d'une charnière liquide en mercure sous la commande d'un champ magnétique extérieur. Dans un tel interrupteur, le volume interne du boîtier est réduit au minimum de manière à réduire ainsi la quantité de mercure présente dans cette cavité. Les deux faces parallèles du boîtier sont donc très proches de la pièce mobile.

La Demanderesse a constaté qu'à l'usage, de tels interrupteurs présentaient des inconvénients qui perturbaient leur longévité de fonctionnement. En effet, la proximité de la partie mobile et des parois du boîtier nécessite l'utilisation d'un matériau isolant électriquement de manière à éviter les courts-circuits électriques qui pourraient être provoqués par la présence de gouttes de mercure sur lesdites parois. Ce matériau isolant possédant une bonne étanchéité est tout naturellement le verre, largement utilisé dans la technique des interrupteurs, matériau non mouillable par le mercure. Avec une telle structure, on constate qu'à l'usage, il se forme des cristaux métalliques résultant de l'amalgame formé par le mercure et les métaux constituant les électrodes et la pièce mobile de l'interrupteur. Ces cristaux se déposent en particulier sur les parois du boîtier et peuvent entraîner le blocage de la pièce mobile du fait de la très faible distance séparant celle-ci de la paroi. Enfin, le fait de mettre une très faible quantité de mercure dans le boîtier d'un tel interrupteur pour éviter en particulier les courts-circuits dans certaines positions de celui-ci est un inconvénient au cours des fabrications à grande série du fait de la précision nécessitée par le dosage de la goutte de mercure ce qui complique nécessairement l'appareillage utilisé.

L'interrupteur selon l'invention permet de résoudre tous les problèmes posés ci-dessus tout en conservant l'usage de la charnière liquide. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier constitué d'un capot et d'une embase dont les parois intérieures sont mouillables par le liquide conducteur et en ce que la pièce mobile a la forme d'une palette en matériau magnétique disposée sensiblement perpendiculairement à la surface interne de l'embase.

Du fait de cette structure en effet, on supprime le blocage de la pièce mobile par les cristaux métalliques tandis que la mouillabilité des parois internes du boîtier permet le recyclage du mercure dont la quantité dans celui-ci n'est pas critique pour éviter les courts-circuits.

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 contacts mouillés selon l'invention dans une première réalisation;
• figure 4 les éléments de base de 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.

La figure 1 représente un type d'interrupteur à contacts mouillés, tel que décrit dans le brevet américain 3 144 533.

Le corps 1 de cet interrupteur constitue le contact commun; il est percé dans sa longeur 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.

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.

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.

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.

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'éléctrode 12. Les quatre 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.

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 14, 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.

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.

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.

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

Ce type d'interrupteur présente parmi d'autres deux avantages. En premier lieu, il est possible d'atteindre 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.

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.

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.

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.

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 ce cas d'inverseur, il peut être préférable que les électrodes 9 et 10 qui servent de charnière ne soient pas connectées au réseau électrique.

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

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.

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.

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

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 par la capillarité de la charnière liquide 14.

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 mécanisquement aux électrodes, est recentrée de façon automatique par le champ de commande magnétique 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.

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

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 côté 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.

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.

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.