FR2575324A1

FR2575324A1 - Dispositif de commutation de courant electrique pouvant fonctionner de maniere synchrone, permettant de commuter des circuits multiples et/ou de reduire la resistance de contact

Info

Publication number: FR2575324A1
Application number: FR8518511A
Authority: FR
Inventors: George Albert Farral; John Harvey Van Noy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1986-06-27
Also published as: SE8506085D0; JPS61156617A; GB8529186D0; DE3544655A1; GB2169138B; IT1186161B; SE8506085L; US4620123A; GB2169138A; IT8523326A0

Abstract

UN DISPOSITIF DE COMMUTATION ELECTRIQUE AU FONCTIONNEMENT SYNCHRONE ET UTILISE POUR COMMUTER DES CIRCUITS MULTIPLES ETOU ABAISSER LA RESISTANCE DE CONTACT D'UN OU DE PLUSIEURS CIRCUITS, COMPORTE DES RESSORTS PIEZOELECTRIQUES D'UN TYPE AYANT AU MOINS DEUX COUCHES CONDUCTRICES 24; 28; 32 SEPAREES PAR UN MATERIAU PIEZOELECTRIQUE 26; 30, ET PRESENTANT UN MOUVEMENT DE FLEXION DANS UNE DIRECTION PERPENDICULAIRE AU PLAN DES RESSORTS EN REPONSE A L'APPLICATION D'UN SIGNAL ELECTRIQUE. LE DISPOSITIF COMPORTE EGALEMENT AU MOINS DEUX CONTACTS DE COMMUTATION 44, 46, LE CONTACT MOBILE 44 ETANT RELIE MECANIQUEMENT A UN RESSORT DE SORTE QUE LE MOUVEMENT DE FLEXION PROVOQUE SON DEPLACEMENT ET LE PASSAGE ENTRE L'ETAT OUVERT ET L'ETAT FERME. L'UNE DES COUCHES CONDUCTRICES DE CHAQUE RESSORT EST CONNECTEE AU SIGNAL ELECTRIQUE PAR UN CONDUCTEUR COMMUN 22. POUR DES RESSORTS PREDETERMINES, UNE SECONDE DES COUCHES CONDUCTRICES EST CONNECTEE AU SIGNAL ELECTRIQUE PAR UN CONDUCTEUR SEPARE, DE SORTE QUE LES RESSORTS PRESENTENT UN MOUVEMENT DE FLEXION EN REPONSE AU SIGNAL. APPLICATION A LA COMMUTATION DES CIRCUITS DU SECTEUR ELECTRIQUE DOMESTIQUE.

Description

La présente invention concerne un dispositif actionné piézoélectriquement,

qui sert à la commutation de circuits électriques. Plus particulièrement, l'invention concerne des éléments de circuit piézoélectrique dont la S construction spéciale permet de combiner la possibilité de

commuter de multiples circuits et la réduction de la résis-

tance de contact de l'un des circuits ou de leur totalité.

On a utilisé dans le passé des relais électroma-

gnétiques pour provoquer la commutation d'une vaste gamme de circuits électriques en séparant ou fermant une ou plusieurs

paires de contacts électriques. Alors que les relais élec-

tromagnétiques donnent satisfaction dans certaines applica-

tions, leur fonctionnement peut être lent, leurs dimensions

relativement importantes, et leur coût élevé. Ils nécessi-

tent typiquement une bobine de solénoïde relativement volu-

mineuse et un mécanisme pour assurer le déplacement des con-

tacts. Des dispositifs à bobine et mécanisme de cette nature sont, en dehors de leur contribution principale au coût du relais, généralement inefficaces en matière de consommation d'énergie. En outre, les relais électromagnétiques ne se prêtent pas d'eux-mêmes à un fonctionnement synchrone. Bien

qu'on puisse utiliser des relais électromagnétiques classi-

ques pour commuter des charges telles que, par exemple, un circuit en courant alternatif à la demande, le déplacement des contacts est généralement aléatoire sur l'échelle de -2 - temps de la forme d'onde du courant de charge, car les temps de réaction mécanique associés au fonctionnement de relais de ce type sont généralement longs. I1 en résulte que les opérations d'ouverture et de fermeture des contacts ne sont pas synchronisées avec les passages par zéro de la forme d'onde du courant, en particulier lorsque la charge est

constituée d'un circuit en courant alternatif. Pour des cir-

cuits électriques fonctionnant à des valeurs du courant ty-

piques de sources d'alimentation telles que le secteur ména-

ger, l'ouverture et la fermeture des contacts d'un relais sont souvent accompagnées par la formation d'un arc entre les contacts. Lorsqu'il est interrompu dans un tel circuit, le courant traversant les contacts du relais ne tombe pas à

zéro au moment de la séparation des contacts, mais au con-

traire se maintient sous forme d'un arc entre les contacts,

en général jusqu'à ce que la forme d'onde du courant alter-

natif se rapproche du zéro sinusoïdal suivant. La valeur du courant décroissant vers le zéro sinusoïdal, l'arc devient instable et s'éteint brutalement. Cette extinction brutale à

un courant de faible intensité représente une variation ex-

trêmement élevée du courant. I1 en résulte que si le circuit

électrique dans lequel le courant est interrompu a une in-

ductance importante, des transitoires élevés de tension, proportionnels au produit de l'inductance par le taux de

changement du courant, se trouvent produits. Ces transitoi-

res de tension peuvent être à l'origine d'un claquage élec-

trique, soit dans l'équipement branché sur le circuit, soit dans le relais lui-même, soit dans les deux. En outre, une telle formation d'arc endommage les contacts eux-mêmes et peuvent provoquer leur érosion et leur soudage. Il. est par conséquent souhaitable de minimaliser la formation d'arcs se produisant entre les contacts du relais lorsque ceux- ci s'ouvrent ou se ferment. Une façon de minimiser une telle formation d'arc consiste à faire fonctionner le relais de manière à commuter le circuit électrique en un point de la -3- forme d'onde du courant de charge o l'intensité est aussi proche que possible de zéro, marche qu'on désignera ci-après

par fonctionnement synchrone.

Un dispositif piézoélectrique, utilisant la possi-

bilité d'action rapide d'un ressort piézoélectrique peut être employé pour former un relais de commutation pouvant

fonctionner de manière synchrone. Le fonctionnement synchro-

ne nécessite que les contacts du relais se déplacent entre les positions d'ouverture et de fermeture dans un laps de

temps relativement court. L'action rapide, la masse relati-

vement faible, et la course relativement petite d'un ressort piézoélectrique facilitent l'utilisation d'un tel dispositif dans un relais pouvant fonctionner de façon synchrone. Une autre caractéristique d'un dispositif piézoélectrique est

que la force de déviation qui agit pour déplacer les con-

tacts est à son maximum au commencement de la déviation du

ressort piézoélectrique. Cette caractéristique permet d'amé-

liorer encore l'aptitude du dispositif à déplacer les con-

tacts du relais dans un court laps de temps. Avec cette pos-

sibilité d'action rapide, on peut faire fonctionner un re-

lais piézoélectrique de façon que les contacts s'ouvrent ou se ferment à un instant très proche du moment o la valeur

du courant est nulle dans le circuit en cours de commuta-

tion-, d'o une réduction importante de l'érosion des con-

tacts, de leur soudage et des tension inductives transitoi-

res. De plus, la simplicité d'un dispositif piézoélectrique évite la majeure partie des problèmes mécaniques rencontrés

dans les relais électromagnétiques classiques, et le rende-

ment énergétique d'un tel dispositif permet un fonctionne-

ment avec une consommation d'énergie beaucoup moins grande.

A cause de leur compacité et de leur rendement

énergétique, les relais piézoélectriques se prêtent facile-

ment d'eux-mêmes à la commutation des circuits multiples.

Cependant, la force de fermeture des contacts que permet un ressort piézoélectrique est relativement petite. En outre, - 4 -

la force disponible atteint son minimum à la fin. de la dé-

viation du ressort. Alors que la caractéristique des forces d'un ressort piézoélectrique, dont la valeur est maximum au commencement de sa course et minimum à la fin, est utile pour obtenir un fonctionnement synchrone des contacts du re- lais, et que cette caractéristique permet une action rapide, elle peut également se traduire par des forces résiduelles plus faibles dans la position fermée des contacts que dans le cas d'un relais électromagnétique. Si la force résiduelle de fermeture agissant sur les contacts est trop faible, la résistance électrique de l'interface formée par les contacts fermés, qu'on appelle généralement résistance de contact,

pour un circuit particulier peut être anormalement élevée.

Une résistance de contact élevée se traduit par une perte

excessive d'énergie à l'interface des contacts, et l'échauf-

fement par résistance à l'interface peut conduire à un cer-

tain nombre de défaillances des contacts. Dans le cas des relais électromagnétiques classiques, non seulement la force de fermeture disponible est généralement élevée, mais encore cette force se trouve à son maximum à la fin de la course, ce qui correspond typiquement au moment o les contacts sont réunis. Ainsi, le problème de la résistance de contact, et les considérations impliquées dans sa réduction, ne sont pas

les mêmes pour les relais piézoélectriques et pour les re-

lais électromagnétiques.

On a utilisé dans le passé des ressorts piézoélec-

triques dans un certain, nombre d'applications, en particu-

lier dans divers relais piézoélectriques. Par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 2 166 763, Z 182 340, 2 741 967, 2 835 761, 4 093 883 et 4 403 166 décrivent des

ressorts piézoélectriques utilisés en éléments de relais.

Cependant, aucun des relais piézoélectriques que décrivent ces brevets n'a été spécifiquement conçu pour minimiser la

formation d'arc. Aucune attention n'a été portée à l'obten-

tion d'un relais pouvant fonctionner de façon synchrone, ni

d'un relais plus particulièrement utilisé pour la commuta-

tion des circuits électriques fonctionnant aux intensités rencontrées dans les équipements ménagers. Comme on l'a noté précédemment la commutation des circuits fonctionnant à de telles intensités se traduit par une importante formation d'arc si le circuit n'est pas commuté à un instant proche du zéro sinusoïdal du courant alternatif. On connaît un relais piézoélectrique ayant un interstice de très petite longueur

par rapport à la distance de séparation des contacts des re-

lais classiques, relais piézoélectrique qui peut fonctionner de façon synchrone, de sorte que, par exemple, les circuits en courant alternatif de 110 volts se ferment et se coupent

avec une formation d'arc minimale entre les contacts du re-

lais. On a décrit un appareil de commutation de courant électrique qui fournit une plus grande séparation entre les

contacts de commutation lorsque ceux-ci sont dans la posi-

tion ouverte et une force de fermeture plus élevée lors-

qu'ils sont dans la position fermée. La présente invention prévoit un dispositif de commutation de courant électrique pouvant fonctionner de façon synchrone, utilisant une série de ressorts piézoélectriques et pouvant être utilisé pour

commuter des circuits multiples ou pour abaisser la résis-

tance de contact dans l'un des circuits ou dans quelques circuits. On peut voir d'après le présent contexte que la présente invention prévoit un dispositif de commutation de courant électrique qui permet de combiner la possibilité de

commuter des circuits multiples et la réduction de la résis-

tance de contact pour un ou plusieurs circuits.

La présente invention a pour autre objet un dispo-

sitif de commutation de circuits multiples, qui utilise une série de ressorts piézoélectriques de manière à réduire la résistance de contacts d'une ou plusieurs paires de contacts

de commutation de courant.

La présente invention a pour autre objet un dispo-

-6- sitif de commutation de courant électrique caractérisé par la rapidité de son action, la petitesse de ses dimensions, la valeur élevée de son rendement énergétique et son faible coût. La présente invention a pour autre objet un dispo-

sitif de commutation de circuits électriques qui peut fonc-

tionner de manière synchrone.

Selon la présente invention, -un dispositif de com-

mutation de courant électrique peut être utilisé soit pour

commuter des circuits multiples, soit pour abaisser la ré-

sistance de contact dans un ou plusieurs circuits, soit pour

obtenir les deux résultats précédents, en fonction des impé-

ratifs de résistance de l'application particulière impli-

quée. Le dispositif de commutation de la présente invention

est plus particulièrement utile pour un fonctionnement syn-

chrone du circuit commuté. Le dispositif comprend une série de ressorts piézoélectriques du type présentant au moins deux couches conductrices de l'électricité séparées par un matériau piézoélectrique et ayant un mouvement de flexion dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan des

ressorts en réponse à l'application d'un signal électrique.

Le dispositif comprend également au moins une paire de con-

tacts de commutation de courant électrique, l'un des con-

tacts étant mobile et relié mécaniquement à au moins l'un

des ressorts de sorte que le mouvement de flexion de ce res-

sort entraîne un déplacement correspondant du contact mobi-

le. Les contacts de commutation de courant sont en outre

disposés de manière à ce que le déplacement du contact mobi-

le produise un changement de la position relative des con-

tacts entre les positions d'ouverture et de fermeture. Un conducteur électrique commun relie électriquement l'une des couches conductrices de l'électricité de chacun des ressorts piézoélectriques au signal électrique. Un moyen conducteur

séparé relie électriquement une seconde des couches conduc-

trices de l'électricité de ressorts prédéterminés parmi la - 7 série de ressorts au signal électrique, de sorte que les ressorts prédéterminés présentent un mouvement de flexion en réponse à ce signal. Une paire de contacts de commutation du courant électrique peut être prévue pour chacun des ressorts piézoélectriques, ou un certain nombre de ressorts peuvent être mécaniquement reliés à un contact mobile, de manière à accroître la force exercée sur le contact par le mouvement

de flexion des ressorts.

La description qui va suivre se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement: - figure 1, une vue schématique en plan d'un mode de réalisation de la présente invention; - figure 2, une vue en coupe en élévation de côté du dispositif représenté en figure 1, la coupe étant prise le long de la ligne 2-2; et

- figures 3, 4 et 5, des vues en coupe en éléva-

tion de côté, schématiques, d'autres variantes de réalisa-

tion de contacts de commutation de courant électrique selon

la présente invention.

La figure 1 représente schématiquement un mode de

réalisation du dispositif de commutation de courant électri-

que pouvant fonctionner de façon synchrone, qui permet de

commuter des circuits multiples et/ou de réduire la résis-

tance de contact, selon la présente invention. Ce dispositif comprend une série de ressorts piézoélectriques 20, chaque

ressort étant du type comportant au moins deux couches con-

ductrices de l'électricité séparées par un matériau piézo-

électrique et présentant un mouvement de flexion en réponse à l'application d'un signal électrique, dans une direction

sensiblement perpendiculaire au plan du ressort. Comme re-

présenté en figure 2, laquelle est une coupe en élévation de

coté prise le long de la ligne 2-2 du dispositif de la figu-

re 1, chaque ressort 20 comporte de préférence un ressort

bilatéral piézoélectrique du type présentant une couche cen-

trale 28 conductrice de l'électricité et-deux couches exté-

-2575324

-8- rieures 24 et 32 également conductrices de l'électricité,

chacune des couches 24 et 32 étant séparée de la couche cen-

trale 28 par des couches 26 et 30 en matériau piézoélectri-

que, respectivement. Dans le mode de réalisation recommandé d'un ressort piézoélectrique représenté en figure 2, la cou-

che centrale 28 est constituée par une structure à cinq cou-

ches. Dans cette structure à cinq couches, un élément élas-

tique 13 forme un élément central flexible de manière à fa-

ciliter le mouvement de flexion du ressort. Des couches con-

ductrices 15 et 17 en résine époxy servent à fixer les deux

moitiés du ressort à l'élément central 13. Des couches cen-

trales conductrices 19 et 21 constituent le moyen permettant

de connecter électriquement les couches en matériau piézo-

électrique 26 et 30 à un circuit extérieur (non représenté).

Grâce à cette construction bi-latérale, le ressort 20 est animé d'un mouvement de flexion dans une certaine direction en réponse à l'application d'un premier signal électrique, et d'un mouvement de flexion dans la direction opposée en réponse à l'application d'un second signal. Les couches 24 et 32 conductrices de l'électricité et les couches 26 et 30 en matériau piézoélectrique sont disposées de manière à constituer un condensateur plat, dont le diélectrique est en matériau piézoélectrique, entre la couche extérieure 24 et

la couche centrale 28, et un condensateur plat similaire en-

tre la couche extérieure 32 et la couche centrale 28. Lors-

qu'une extrémité du ressort 20 est assujettie et qu'une ten-

sion est appliquée entre la couche extérieure 24 et la cou-

che centrale 28, le champ électrique traversant la couche 26 en matériau piézoélectrique provoque la déviation vers le

haut de l'extrémité libre du ressort 20. De manière similai-

re, une tension appliquée entre la couche extérieure 32 et la couche centrale 28 provoque la déviation vers le bas de l'extrémité libre du ressort 20. Le ressort piézoélectrique

peut également se présenter sous forme d'un ressort mono-

morphe, d'un type ne comportant que les deux couches conduc-

-9-

trices de l'électricité séparées par un matériau piézoélec-

trique. Cependant, pour des appplications o il y a un déga-

gement important de chaleur dans le ressort, la construction

symétrique du ressort bilatéral est thermiquement plus sta-

ble et moins encline à subir une déformation notable sous l'effet de la dilatation thermique différentielle. De plus, étant donné qu'un ressort bilatéral présente un mouvement de

flexion dans deux directions, opposées, en réponse à l'ap-

plication de signaux électriques appropriés, un dispositif

de commutation de courant faisant appel à des ressorts bila-

téraux peut fonctionner en étant normalement ouvert ou nor-

malement fermé, ou dans les deux cas. En outre, on peut pro-

fiter de la possibilité de flexion dans des directions -oppo-

sées pour assurer une séparation entre les contacts de com-

mutation se trouvant dans la position ouverte plus grande que celle pouvant être obtenue lors de l'application d'un

signal électrique donné dans le cas d'un ressort monomorphe.

Un conducteur électrique commun relie l'une des

premières couches conductrices de chacun des ressorts piézo-

électriques 20 à la borne d'application du signal électri-

que. Un conducteur séparé relie l'une des secondes couches

conductrices de ressorts prédéterminés 20 à la borne d'ap-

plication du signal électrique, de sorte que les ressorts prédéterminés subissent un mouvement de flexion en réponse à

l'application du signal. On choisit les ressorts "prédéter-

minés" de façon à satisfaire les conditions de commutation des circuits et de résistance de contact d'une application particulière, comme on le décrira ci-dessous. Dans le mode

de réalisation illustré en figure 2, le conducteur électri-

que commun 22 est en contact électrique avec la couche con-

ductrice extérieure 24 de chacun des ressorts 20. En prati-

que, le conducteur électrique commun 22 est relié à une bor-

ne appropriée d'application du signal électrique, non re-

présentée en figure 2. Le signal électrique est également appliqué à la couche conductrice centrale 28 des ressorts

- 10 -

prédéterminés 20 par un moyen conducteur séparé, également

non représenté en figure 2.

Comme représenté en figures 3 à 5, qui sont des

coupes en élévation de côté semblables à la coupe de la fi-

gure 2 (avec les parties centrales omises pour rendre la fi- gure plus claire) représentant schématiquement des variantes de configurations des contacts, le dispositif de la présente invention comporte également au moins une paire de contacts 44 et 46 de commutation de courant électrique. Dans chacun

des modes de réalisation représentés, le contact 44 est mon-

té sur un élément de support flexible 42, et le contact 46 sur un élément de support fixe 48. Le contact 44 est mobile

et relié mécaniquement à au moins l'un des ressorts piézo-

électriques 20, de sorte que le mouvement de flexion de res-

sorts prédéterminés 20 provoque un déplacement correspondant du contact 44. Les contacts 44 et 46 sont disposés de façon que le déplacement du contact 44 produise un changement de la position relative des contacts 44 et 46 entre la position d'ouverture et la position de fermeture. En figure 3, le contact 44 est relié mécaniquement au ressort 20 en étant monté sur la surface extérieure de la couche conductrice 32

de ce ressort. L'élément de support flexible 42 et le con-

tact 44 sont isolés électriquement du ressort 20 par un ma-

tériau isolant 40 placé entre la couche 32 et l'élément de

support 42. En figure 4, le contact 44 est monté sur l'élé-

ment de support flexible 42 et relié mécaniquement au res-

sort 20 par une entretoise 52. De préférence, l'entretoise

52 est en matériau isolant. Le mode de réalisation de la fi-

gure 4 permet d'obtenir une plus grande résistance disrupti-

ve entre le contact 44 et la couche conductrice 32 du res-

sort 20. Pour des applications nécessitant une résistance encore plus grande au percement électrique entre le contact

44 et le ressort 20, on peut recouvrir, au moins partielle-

ment, la couche conductrice 32 avec une couche de matériau isolant'(non représentée en figure 4) placée entre la couche

- Il -

32 et l'entretoise 52.

Dans les modes de réalisation représentés en figu-

res 1 à 4, le dispositif de commutation de courant électri-

que de la présente invention peut avoir une configuration S telle qu'au moins une paire de contacts de commutation 44 et 46 soit prévue pour chaque ressort piézoélectrique 20. En fait; le cas échéant, toutes les paires de contacts peuvent

être manoeuvrées à partir d'un seul ressort piézoélectrique.

Dans ce mode de réalisation, on peut utiliser le dispositif pour commuter autant de circuits électriques qu'il y a de

paires de contacts de commutation. Ainsi, la présente inven-

tion prévoit un dispositif de commutation de multiples cir-

cuits électriques qui présente un fonctionnement rapide, de

petites dimensions, un haut rendement énergétique et un faî-

ble coût. En variante, si la résistance de contact entre les contacts 44 et 46 est anormalement élevée pour un circuit particulier devant être commuté, 'on peut utiliser plusieurs

paires de contacts 44 et 46 de manière à réduire leur résis-

tance. La théorie et l'expérience montrent qu'on peut rédui-

re la résistance de contact en connectant plusieurs paires

de contacts en parallèle au circuit devant être commuté.

Ainsi, on peut- réduire la résistance de contact d'un facteur n en employant n paires de contacts en parallèle, au lieu

d'une paire, pour commuter le circuit impliqué. Par consé-

2S quent, dès qu'on connaît les conditions de résistance de contact pour un circuit particulier et qu'on a constaté que la résistance de contact entre les contacts 44 et 46 -d'un mode de réalisation particulier de la présente invention était supérieure à la valeur admise pour le circuit, on peut déterminer un nombre approprié de paires de contacts 44 et

46 et les connecter en parallèle au circuit impliqué, de ma-

nière à réduire la résistance de contact à une valeur accep-

table. On peut utiliser les paires de contacts disponibles

dans le dispositif soit seules, soit par multiples pour pro-

céder à la commutation d'autres circuits -électriques, en

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fonction du nombre des paires de contacts nécessaires pour satisfaire les conditions de résistance de contact des ces

autres circuits.

Un autre procédé permettant de réduire la résis-

tance de contact consiste à augmenter la force de maintien des contacts 44 et 46 dans la position fermée. On sait que la résistance de contact varie en relation inverse avec une certaine puissance (c'est-à-dire l'exposant) de la force de

maintien des contacts, la valeur réelle de l'exposant va-

riant entre 0,33 et 0,5 selon les propriétés combinées des matériaux plastiques et électiques constituant l'interface

des contacts. Ainsi, en choisissant 0,41 comme valeur moyen-

ne de l'exposant, dans le cas o la force est augmentée d'un facteur x, la résistance de contact diminue d'un facteur égal à x0'4. Selon la présente invention, on augmente la force de fermeture des contacts en reliant mécaniquement le contact 44 à plusieurs ressorts piézoélectriques 20. On peut faire en sorte que la force agissant sur le contact 44 sous l'effet du mouvement de déplacement des ressorts 20 soit égale à la somme de forces individuelles exercées sur le contact 44 par chacun des ressorts 20 reliés mécaniquement

au contact 44. Dans le mode de réalisation représenté en fi-

gure 5, le contact 44 est relié mécaniquement à plusieurs

ressorts 20 en étant monté sur un élément de liaison 50.

L'élément de liaison 50 est fixé à chacun des ressorts 20

* qui doivent être eux-mêmes reliés au contact 44, et le con-

tact 44 est situé au centre de l'élément de liaison 50 par rapport à tous les ressorts 20 fixés à cet élément. Pour des applications o il est souhaitable d'isoler électriquement le contact 44 des ressorts 20, l'élément de liaison 50 est

en matériau isolant. Le nombre des ressorts reliés sélecti-

vement à chaque contact 44 dépend de la force de flexion

présentée par chaque ressort et de la force de fermeture né-

cessaire pour réduire la résistance de contact à une valeur acceptable. Les ressorts restants dont on dispose dans le

- 13 -

dispositif sont reliés à d'autres contacts 44, soit seuls soit par multiples en fonction des impératifs de résistance de contact des autres circuits devant être commutés. De plus, comme on l'a discuté précédemment on peut connecter en parallèle à un circuit particulier, dans le but de réduire encore la résistance de contact, les paires multiples de contacts 44 et 46 dont on dispose dans le dispositif. Le contact 44 de chacune de ces paires peut, à son tour, être

relié soit à l'un des ressorts 20 seulement, soit à plu-

sieurs ressorts.

Au moyen d'un signal électrique approprié, on peut

faire en sorte que chaque ressort 20 fléchisse dans la di-

rection du contact 46 en réponse à l'application de ce si-

gnal, de façon que le mouvement de flexion provoque un chan-

gement de la position relative entre contacts 44 et 46 et

qu'il y ait passage de l'état ouvert à l'état fermé. En va-

riante, on peut faire en sorte que chaque ressort 20 flé-

chisse en s'éloignant du contact 46, de façon que le mouve-

ment de flexion provoque un changement de la position rela-

tive entre les contacts 44 et 46, c'est-à-dire le passage de l'état fermé à l'état ouvert. En outre, si le ressort 20

comporte un ressort piézoélectrique bilatéral du type repré-

senté en figure 2, et si un second conducteur électrique

commun 34 relié la couche conductrice extérieure 32 de cha-

cun des ressorts 20 au signal de déclenchement, les contacts 44 et 46 peuvent fonctionner, soit en contacts normalement ouverts, soit en contacts normalement fermés, soit dans les deux cas. De plus, bien que non représenté dans les figures, un second ensemble de contacts 44 et 46 et d'éléments 42 et 48 de support de contact peut être prévu et situé audessus

de la couche conductrice 24 du ressort 20, ce second ensem-

ble ayant une configuration et une disposition symétriques par rapport aux éléments représentés dans les figures comme étant situés au-dessous de la couche conductrice 32. Un tel mode de réalisation permet soit d'augmenter le nombre des

- 14 -

paires de contacts de commutation dont on dispose, soit de former descontacts de commutation qui peuvent fonctionner

en commutateur à trois positions.

On peut choisir les matériaux utilisés dans la fa-

brication des divers éléments du dispositif de commutation

représenté dans les figures pardi divers matériaux conduc-

teurs et non conducteurs de l'électricité de manière à sa-

tisfaire les conditions d'une application particulière. Par exemple, la couche centrale conductrice 28 du ressort 20 peut atre de préférence constituée d'une lame en laiton, et les couches extérieures conductrices 24 et 32 de pellicules

métalliques. Les couches 26 et 30 en matériau piézoélectri-

que peuvent être formées par un matériau piézoélectrique en céramique. Pour conférer au dispositif une bonne résistance mécanique, les conducteurs électriques communs 22 et 34 sont de préférence métalliques. L'élément flexible 42 de support

de contact est commodément une bande en bronze au phosphore.

De plus, pour le mode de réalisation représenté en figure 3, le contact 44 est commodément fixé au ressort 20 au moyen d'une bande plaquette de circuit imprimé présentant une face

arrière adhésive qu'on trouve dans le commerce.

Le fonctionnement synchrone du dispositif de com-

mutation de courant électrique selon la présente invention permet l'utilisation de ce dispositif pour la commutation de circuits électriques fonctionnant à des intensités élevées, tout en minimisant la formation d'arc entre les contacts de

commutation de courant. Si les contacts fonctionnent de ma-

nière à minimiser la formation d'arc, leur érosion et les variations résultantes de l'interstice les séparant sont également minimisées. La variation de l'interstice séparant les contacts étant minimisée, le relais peut fonctionner avec une valeur très faible pour cet interstice lorsque les contacts sont ouverts, et aucune augmentation importante de la course des contacts n'est nécessaire pendant la durée de

vie du dispositif de commutation. La faible valeur de l'in-

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terstice entre contacts qu'on peut utiliser dans un disposi-

tif de commutation pouvant fonctionner de manière synchrone a, à son tour, comme conséquence de permettre l'ouverture ou la fermeture des contacts dans un temps très bref, grâce à l'utilisation d'un ressort piézoélectrique. A titre d'exem-

ple, et sans que cela soit limitatif, on peut ouvrir ou fer-

mer des contacts ayant une distance de séparation de 25 mi-

cromètres en environ 200 microsecondes. La vitesse à laquel-

le un tel dispositif de commutation peut fonctionner permet une marche réellement synchrone dans des circuits tels que

des circuits en courant alternatif pour lesquel on peut pré-

voir soit la forme d'onde du courant soit les points de pas-

sage par zéro de la sinusoïde.

Une application particulièrement utile du disposi-

tif de commutation de courant électrique de la présente in-

vention concerne les circuits électriques au fonctionnement synchrone qui sont connectés au secteur classique de 110 volts. Pour une telle application, les contacts 44 et 46 sont en outre disposés de façon que, à l'état ouvert, la distance les séparant soit suffisante pour que leur tension de rupture soit supérieure à environ 170 volts.. La distance

entre contacts 44 et 46 est, dans le même temps, suffisam-

ment petite, et le contact 44 et son ressort associé présen-

tent une masse suffisamment faible pour que ce dernier soit mobile entre la position fermée et la position ouverte dans une durée inférieure à environ 200 microsecondes. Dans un mode de réalisation, la distance entre les contacts 44 et 46

dans la position ouverte est inférieure à environ 25 micro-

mètres, et peut être aussi faible que 2,5 micromètres. Une séparation entre les contacts d'une valeur aussi faible est beaucoup plus petite que la séparation entre des contacts

classiques conçus pour fonctionner avec des circuits en cou-

rant alternatif sous 110 volts. Cependant, on a trouvé que, même avec des distances aussi courtes entre les contacts, la constance diélectrique d'un dispositif piézoélectrique est

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suffisante pour permettre un fonctionnement avec un secteur domestique typique de 110 volts. De manière inattendue, on

peut obtenir une tension de rupture suffisante pour des dis-

positifs de ce type même avec une séparation des contacts aussi faible que 2,5 micromètres. Selon la loi de Paschen,

la tension de rupture entre deux électrodes dans une atmos-

phère gazeuse est fonction du produit de la pression du gaz par la distance séparant les électrodes. Pour une distance de séparation de 1 cm entre les électrodes dans de l'air à la pression atmosphèrique, on peut déterminer que le tension

de rupture est approximativement 30 kv. Si ce champ de rup-

ture de 30 kV/cm est utilisé pour estimer la tension de rup-

ture d'une distance de- séparation de 25 micromètres entre des électrodes placées dans l'air, comme cela est le cas des distances de séparation de quelques centimètres, on estime que la tension de rupture est de 77 volts. Cependant, on a trouvé que la tension de rupture donnée par la loi de Paschen ne décroît pas linéairement entre contacts, mais au contraire se rapproche d'une valeur minimum, puis recommence

à augmenter. Pour l'air, on a trouvé que cette tension mini-

mum de rupture était quelque peu supérieure à 300 volts. La raison théorique de cette tension minimum de rupture et donc

de l'augmentation de la rigidité diélectrique est que, lors-

que le produit de la pression du gaz par la distance de sé-

paration des électrodes est faible, le nombre d'atomes du gaz avec lesquels un électron peut entrer en collision dans la traversée de l'interstice séparant les contacts devient également petit. Comme le processus de rupture dans un gaz

se traduit par le fait que le gaz devient conducteur élec-

trique et donc est une fonction critique de l'aptitude des

électrons de l'interstice à se heurter et à ioniser les ato-

mes du gaz ambiant, la probabilité d'établissement d'un tra-

jet conducteur se trouve réduite lorsque le nombre des ato-

mes-cibles disponibles est faible. On pense que la diminu-

tion de la tension de rupture jusqu'à une valeur minimum

- 17 -

puis sa nouvelle augmentation sont dues à un changement fon-

damental du processus de rupture le faisant passer d'un mé-

canisme de collision d'un gaz à un mécanisme de rupture sous vide, à prédominance électrode-surface, et aussi au fait que la tension de rupture pour une distance de séparation donnée entre des contacts est généralement beaucoup plus grande

dans le vide que dans un gaz à la pression atmosphérique.

Par conséquent, on a déterminé dans la présente invention

qu'un relais piézoélectrique ayant une séparation très peti-

te entre les contacts peut fonctionner de manière synchrone de manière que des circuits en courant alternatif de 110

volts puissent être fermés et ouverts avec une formation mi-

nimale d'arc entre les contacts du relais.

D'autres applications particulièrement utiles du

dispositif de commutation de la présente invention concer-

nent les circuits électriques fonctionnant de manière syn-

chrone du type utilisé typiquement comme circuit de commande

pour les utilisations domestiques. Les tensions de fonction-

nement du circuit de charge dans ce type d'application sont comprises entre une valeur aussi faible que 24 volts et une

valeur supérieure à 340 volts. Les courants de charge con-

cernant ces circuits sont constitués de formes d'ondes tant

de courant alternatif que de courant continu. Lorsqu'on uti-

lise le relais de la présente invention pour procéder à la commutation de charges électriques en courant continu, on peut faciliter le fonctionnement du relais avec des moyens de commande classiques tels que, par exemple, un circuit de blocage de tension. Enfin, on notera que le dispositif de commutation de la présente invention peut fonctionner dans l'air, dans le vide, ou en atmosphère inerte, le choix de

l'environnement de fonctionnement étant déterminé par l'ap-

plication particulière impliquée. On notera également que les applications particulièrement utiles du dispositif de commutation de la présente invention qu'on vient de décrire

ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs.

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La description précédente a porté sur un disposi-

tif de commutation de courant électrique qui permet de com-

biner la possibilité de commuter des circuits électriques multiples et la réduction de la résistance de contact pour un ou plusieurs circuits. On peut utiliser le dispositif pour commander individuellement un grand nombre de circuits

électriques séparés. On peut également utiliser le disposi-

tif pour réduire la résistance de contact d'un ou plusieurs circuits, soit en connectant en parallèle plusieurs paires

de contacts de commutation de courant, soit en reliant méca-

niquement plusieurs ressorts piézoélectriques à un contact

mobile, soit en suivant les deux méthodes. La présente in-

vention prévoit ainsi un dispositif de commutation très sou-

ple. En outre, le dispositif de commutation de la présente invention peut fonctionner de manière synchrone, de façon

qu'une formation minimale d'arc se produise entre les con-

tacts de commutation. Le dispositif utilise également une série de ressorts piézoélectriques ayant un fonctionnement

rapide, de petites dimensions, un rendement énergétique éle-

vé et un faible coût.

Alors qu'on a décrit la présente invention en liaison avec certains modes de réalisation recommandés,

l'homme de l'art pourra y apporter de nombreuses modifica-

tions et variantes. Par exemple, dans le mode de réalisation

S25 illustré en figure 1, on a représenté les ressorts piézo-

électriques 20 comme étant disposés symétriquement autour

d'un axe central de sorte qu'ils forment un ensemble circu-

laire. Cependant, on comprendra qu'on peut utiliser d'autres agencements, par exemple un agencement unique en ligne, un

agencement double en ligne, et des ensembles rectangulaires.

En outre, les ensembles peuvent être empilés les uns sur les autres de manière à permettre une commutation pour un très grand nombre de circuits. De plus, alors qu'on a représenté les conducteurs électriques communs 22 et 34 sous forme d'un anneau circulaire constituant une structure plate, on peut

- 19 -

faire appel à d'autres formes et configurations. On a égale-

ment indiqué que les conducteurs électriques communs 22 et

34 étaient réalisés en métal de manière à assurer une résis-

tance mécanique suffisante pour fixer rigidement l'une des extrémités de chacun des ressorts 20. Cependant, on peut

utiliser d'autres moyens pour maintenir en place les res-

sorts 20 de façon qu'ils puissent fléchir en réponse à l'ap-

plication d'un signal électrique. De plus, alors qu'on a re-

présenté dans les figures les ressorts 20 comme étant fixés rigidement à l'une de leurs extrémités seulement, de façon qu'ils puissent fléchir à la façon d'une planche élastique, on peut également les fixer à leurs deux extrémités pour qu'ils fléchissent au centre à la manière d'une chenille de géomètre.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commutation de courant électrique

permettant de commuter de multiples circuits et/ou de rédui-

re la résistance de contact, caractérisé en ce qu'il com-

prend: - une série de ressort piézoélectriques (20) d'un type comportant au moins deux couches conductrices de

l'électricité (24, 32) séparées par un matériau piézoélec-

trique et présentant un mouvement de flexion en réponse à

l'application d'un signal électrique, ce mouvement de fle-

xion se produisant dans une direction sensiblement perpendi-

culaire au plan des ressorts.

- au moins une paire de contacts (44, 46) de com-

mutation de courant électrique, l'un au moins (44) des con-

tacts étant mobile et relié mécaniquement à au moins l'un

des ressorts de sorte que le mouvement de flexion de ce res-

sort provoque un mouvement correspondant du contact mobile, les contacts étant disposés de façon que le déplacement du

contact mobile produise un changement de la position relati-

ve de la paire de contacts entre l'état ouvert et l'état fermé; - un conducteur électrique commun (22) reliant électriquement une première (24) des couches conductrices de chacun des ressorts piézoélectrique au signal électrique et;

- un moyen pour connecter électriquement une se-

conde (32) des couches conductrices de ressorts piézoélec-

triques prédéterminés au signal électrique, de sorte que ces ressorts prédéterminés présentent le mouvement de flexion en

réponse à l'application du signal.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce qu'au moins une paire de contacts (44, 46) de com-

mutation de courant électrique est prévue pour chaque res-

sort piézoélectrique.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractéri-

se en ce que chaque contact mobile (44) est relié mécanique-

1 - ment à plusieurs ressorts piézoélectriques, dans le but d'augmenter la force exercée sur le contact par le mouvement

de flexion des ressorts.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractéri-

S se en ce que chaque contact mobile (44) est isolé électri-

quement des ressorts piézoélectriques (20).

5. Dispositif selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que chaque contact mobile (44) est monté sur la surface extérieure de l'une des couches conductrices (32)

d'au moins un ressort piézoélectrique.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractéri-

sé en ce que le contact mobile (44) est isolé électriquement

de la surface par un matériau isolant (40).

7. Dispositif selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que le contact mobile (44) est monté sur un élément

flexible (42) et relié mécaniquement au ressort piézoélec-

trique par une entretoise (52). -

8. Dispositif selon la revendication 7, caractéri-

sé en ce que l'entretoise (52) est constituée par un maté-

riau isolant.

9. Dispositif selon la revendication 3, caractéri-

sé en ce que chaque contact mobile (44) est monté sur un

élément de liaison (50) qui est fixé à la totalité des res-

sorts piézoélectriques, avec le contact placé au centre de

l'élément de liaison par rapport aux ressorts.

10. Dispositif selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que l'élément de liaison (50) est constitué par

un matériau isolant.

11. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les ressorts piézoélectriques (20) sont dis-

posés symétriquement par rapport à un axe de sorte qu'ils

forment un ensemble circulaire.

12. Dispositif selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que le conducteur électrique commun (22) est constitué par un anneau circulaire en matériau conducteur,

- 22 -

cet anneau étant fixé à la première couches conductrice (24

de chacun des ressorts.

13. Dispositif selon la revendication lZ, caracté-

risé en ce que les ressorts sont en outre disposés de façon à être tous situés dans le même plan, et en ce que le con-

ducteur commun (22) forme une structure plate.

14. Dispositif selon la revendication 13, caracté-

risé en ce que le conducteur commun (22) forme une structure

qui est fixée rigidement aux ressorts à au moins une extré-

mité de chacun de ces ressorts.

15. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que chaque ressort piézoélectrique (20) est un

ressort piézoélectrique bilatéral du type présentant un mou-

vement de flexion dans une direction en réponse à l'applica-

tion d'un premier signal électrique et un mouvement de fle-

xion dans la direction opposée en réponse à un second signal électrique, le ressort étant du type comportant une couche

centrale conductrice (28) et deux couches extérieures con-

ductrices (24, 32), avec chaque couche extérieure séparée de la couche centrale par un matériau piézoélectrique (26, 30),

et en ce que le conducteur électrique commun relie électri-

quement une première des couches extérieures conductrices de chacun des ressorts au premier signal électrique, et le moyen de connexion relie électriquement la couche centrale conductrice des ressorts prédéterminés au premier signal électrique.

16. Dispositif selon la revendication 15, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre un second conducteur électrique commun (34) connectant électriquement la seconde des couches extérieures conductrices de chacun des ressorts

au second signal électrique.

17. Dispositif selon la revendication 16, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre un second ensemble d'au

moins une paire de contacts (44, 46) de commutation de cou-

rant électrique qui sont reliés mécaniquement à au moins un

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ressort, ce second ensemble étant situé sur le côté opposé

de la série de ressorts, et réalisé et disposé symétrique-

ment par rapport au premier ensemble d'éléments.

18. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les contacts (44, 46) sont en outre disposés

de façon que, se trouvant dans la position ouverte la dis-

tance les séparant soit suffisante pour que leur tension de

rupture soit supérieure à la tension maximum de fonctionne-

ment de la charge commutée par le dispositif de commutation, cette distance étant également suffisamment petite, et le contact mobile (44) et le ressort associé ayant une masse

suffisamment faible pour que le contact mobile puisse se dé-

placer entre- les positions de fermeture et d'ouverture dans

un laps de temps suffisamment petit pour que la position re-

lative des contacts puisse être modifiéeentre les positions d'ouverture et de fermeture alors que le courant de charge

traversant les contacts est sensiblement nul.

19. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les contacts (44, 46) sont en outre disposés

de façon que, se trouvant dans la position ouverte, la dis-

tance les séparant soit suffisante pour que leur tension de rupture soit supérieure à environ 170 volts, cette distance étant également suffisamment petite, et le contact mobile

(44) et le ressort associé ayant une masse suffisamment fai-

ble pour que le contact mobile puisse se déplacer entre les

positions de fermeture et d'ouverture dans un temps infé-

rieur à environ 200 microsecondes.

20. Dispositif selon la revendication 19, caracté-

risé en ce que la distance entre les contacts dans la posi-

tion ouverte est inférieure à environ 25 micromètres.

21. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les contacts (44, 46) sont en outre disposés

de façon que, se trouvant dans la position ouverte, la dis-

tance les séparant soit suffisante pour que leur tension de rupture soit supérieure à environ 340 volts, cette distance

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étant également suffisamment petite, et le contact mobile

(44) et le ressort associé ayant une masse suffisamment fai-.

ble, pour que le contact mobile puisse se déplacer entre les

positions de fermeture et d'ouverture dans un temps infé-

rieur à environ 200 microsecondes.

22. Dispositif selon la revendication 1,-caracté-

risé en ce que les contacts sont -en outre disposés de façon que, se trouvant dans la position ouverte, la distance les séparant soit suffisante pour que leur tension de rupture

entre contacts soit supérieure à environ 24 volts.

23. Dispositif selon la revendication 22, caracté-

risé en ce que la distance entre les contacts dans la posi-

tion ouverte est suffisamment petite, et le contact mobile (44) et le ressort associé présentent une masse suffisamment faible pour que le contact mobile puisse se déplacer entre

les positions de fermeture et d'ouverture dans un temps in-

férieur à environ 200 microsecondes.