EP0017640A2 - Commutateur à lame au mercure miniature - Google Patents

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EP0017640A2
EP0017640A2 EP80870018A EP80870018A EP0017640A2 EP 0017640 A2 EP0017640 A2 EP 0017640A2 EP 80870018 A EP80870018 A EP 80870018A EP 80870018 A EP80870018 A EP 80870018A EP 0017640 A2 EP0017640 A2 EP 0017640A2
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capsule
armature
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mercury
switch according
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Jean-Marie Ponsard
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/06—Contacts characterised by the shape or structure of the contact-making surface, e.g. grooved
    • H01H1/08—Contacts characterised by the shape or structure of the contact-making surface, e.g. grooved wetted with mercury
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/64—Protective enclosures, baffle plates, or screens for contacts
    • H01H1/66—Contacts sealed in an evacuated or gas-filled envelope, e.g. magnetic dry-reed contacts

Definitions

  • the present invention relates to a back-and-forth type mercury reed switch, that is to say which interrupts one circuit before establishing another.
  • This type of switch is also called a Form C switch.
  • a mercury blade switch includes a blade armature whose base is immersed in a cup containing mercury and whose free end is capable of moving between two fixed contacts.
  • the effect of this capillarity allows the mercury to spread over the surface of the blade, thus wetting the cooperating surfaces of the armature and the fixed contacts. It thus really establishes a mercury-mercury contact having a very low contact resistance.
  • FIG. 1 The prior art of a back-and-forth type mercury capsule is illustrated by the drawing of Figure 1.
  • the frame is formed by a cantilever blade 1 fixed at its lower end in the cup of mercury 2.
  • the armature 1 is adjusted to a neutral position between the contacts 3 and 4 so that the armature behaves like a spring without initial pressure.
  • the normally closed state is obtained using a permanent magnet P fixed externally near the contacts.
  • a switch is made that can work either in normal monostable mode (the armature returning to its initial position after removal of the excitation), or in bistable mode (the armature returning to its initial position only response to reverse excitation).
  • the P relay is placed to create a bistable mode.
  • the function of the armature is to provide sufficient mechanical tilting force around an actual fixed pivot point.
  • the disadvantage of such a capsule is that the switch can only work if the capsule is used in a vertical position, which limits its use applications where this condition is met.
  • a mercury capsule of this kind can hardly be miniaturized and is relatively expensive.
  • the problem which the invention aims to solve is to produce a miniature mercury switch designed to be able to be used in any position.
  • the mercury blade switch comprises a capsule containing an armature consisting of a blade of magnetic material terminated at its ends by two pole pieces capable of coming to bond alternately each against a separate fixed contact when the armature switches over.
  • the frame is suspended at the ends of a helical spring which extends axially around the blade of the frame and which is fixed inside the capsule by means of a cylindrical annular electrode attached to the part center of the spring.
  • a film of mercury wets the surface of the armature, the spring, the inner surface of the annular electrode and the surface of the contacts.
  • a mercury capsule according to the invention can be used with advantages in all applications where a long service life, high reliability and / or the possibility of working in any position is required, for example: test equipment, military equipment, telecommunications equipment and more particularly subscriber equipment, industrial process control equipment.
  • the armature 1 has a central part in the form of a blade 11 and two pole ends 12 and 13.
  • the fixed contacts 2 and 3 are situated at the opposite ends of the armature 1 so that each of the poles 12, 13 of the armature is capable of bonding alternately against one of the contacts 2,3 when the armature rocks.
  • the frame is made of a magnetic material, for example Permalloy or Crovar (product of the company Vacuumschmelze GmbH, Hanau, RFA).
  • the frame 1 is suspended from the ends of a helical spring 5 extending longitudinally around the central part 11 of the frame.
  • the suspension points 51 and 52 of the frame 1 are arranged symmetrically with respect to the middle of the length of the frame.
  • the spring 5 is made to work on bending.
  • the spring 5 is fixed at its central part inside a metallic cylindrical ring 6 kept fixed inside the sealed capsule 10.
  • the ring 6 serves as a central electrode.
  • the capsule is provided with external connections for the contacts 2 and 3 and for the central electrode 6.
  • the capsule 10 is formed by two glass tubes 10A, 10B arranged in alignment with a spacing between them, the annular electrode 6 being located symmetrically with respect to the pivot point of the frame 1.
  • the fixed contacts 2 and 3 are surrounded by metal tubes 20 and 30 serving as magnetic shunts.
  • the internal wall of the tubes 20 and 30, the surface of the armature 1, the spring 5, the internal surface of the annular electrode 6 and the surface of the contacts 2 and 3 are wetted with a film of mercury.
  • the cooperating surfaces of the poles 12 and 13 and of the fixed contacts 2 and 3 are lined with pellets of a material which cannot be wetted by mercury, for example chromium oxide. These pellets are denoted 7 in the view of FIG. 3. They must have a sufficiently small surface so that, when the reinforcement 1 tips over, the mercury which spurts from the contact zone is quickly replaced because otherwise the high frequency switching will would find it more difficult. Poles 12 and 13 of the armature must on the other hand have a large enough surface so that a too large drop of mercury which would be projected against the wall of the capsule can be sucked by said poles.
  • the capsule as described above must be supplemented with an excitation coil as is well known in the art.
  • an excitation coil as is well known in the art.
  • FIG. 4A the operation of the switch according to the invention is illustrated in Figures 4 A / D on which the excitation coil has not been shown
  • FIG. 4A the armature 1 is shown in the position in which its pole 12 sticks against the contact 2, leaving its pole 13 detached from the contact 3
  • the initial state of imbalance is created by one of the means which will be described later.
  • the left and right marginal parts of the spring 5 are subjected to a certain bending moment due to the initial state of imbalance and these marginal parts therefore store a certain mechanical energy.
  • the initial state of imbalance is created by magnetic means which will be described in the following with reference to FIGS. 5 to 8.
  • FIGS. 5 and 6 are illustrated two examples of embodiment using external permanent magnets to create the initial state.
  • two permanent magnets 21 and 22 are externally fixed on the capsule 10.
  • the strength and the position of the magnets relative to the pivot point of the armature are chosen and adapted according to the mode of desired operation.
  • two magnets of unequal forces will be chosen which are arranged symmetrically with respect to the pivot point of the armature or two equal magnets located at different distances from the pivot point.
  • An annular permanent magnet could also be provided in an off-center position relative to the transverse axis of the capsule.
  • FIG. 6 illustrates such an embodiment: the annular permanent magnet is designated by 23.
  • the external connection with the annular electrode 6 is ensured by means of a sheet of electrically conductive material 24 placed on the surface outside of the glass tubes 10A and 10B.
  • the initial magnetic state can also be created without the addition of external permanent magnets, by polarizing the armature so that it itself constitutes a permanent magnet.
  • Figures 7 and 8 graphically illustrate the polarization profiles of the armature 1 to achieve monostable and bistable operating modes.
  • the armature 1 is polarized in opposite directions on either side of a section 14 that is offset from the middle section.
  • the bistable mode (FIG. 8) the armature is polarized in opposite directions on either side of the middle section 15.
  • the annular electrode is generally connected to ground.
  • the small dimensions that can be given to the mercury capsule according to the invention allow one or more mercury capsules and the excitation coil to be housed in a protective housing provided with pins for external connections, thus providing a component. with miniature mercury as illustrated by way of example in FIG. 9.
  • This drawing shows a capsule 10 and the excitation coil 40 which surrounds it, housed inside the housing 50 mounted on a base 60 of where the connection pins 70 emerge.
  • the reference 80 designates a filling material.

Landscapes

  • Contacts (AREA)
  • Electromagnets (AREA)
  • Switches That Are Operated By Magnetic Or Electric Fields (AREA)

Abstract

La capsule contient une armature constituée d'une lame en matériau magnétique (11) terminée par deux extrémités polaires (12, 13) capables de venir coller alternativement chacune contre un contact fixe distinct (2,3) lorsque l'armature bascule. L'armature est suspendue aux extrémités d'un ressort hélicoidal (5) qui s'étend axialement autour de la lame (11) de l'armature et qui se trouve fixé à l'intérieur de la capsule par l'intermédiaire d'une électrode annulaire cylindrique (61 en position médiane. Les surfaces coopérantes des extrémités polaires (12, 13) et des contacts fixes (2, 3) sont garnies de pastilles (7) en une matière qui ne peut être mouillée par le mercure contenu également dans la capsule. Celle-ci se complète de moyens magnétiques pour cree- l'état de desequilibre initial

Description

  • La présente invention concerne un commutateur à lame au mercure du type va-et-vient, c'est-à-dire qui interrompt un circuit avant d'en établir un autre. Ce type de commutateur est également appelé commutateur Forme C.
  • Un commutateur à lame au mercure comprend une armature à lame dont la base se trouve immergée dans une coupelle contenant du mercure et dont l'extrémité libre est susceptible de se mouvoir entre deux contacts fixes. L'effet ce capillarité permet au mercure de s'étendre sur la surface de la lame, mouillant ainsi les surfaces coopérantes de l'armature et des contacts fixes. Il s'établit ainsi réellement un contact mercure-mercure ayant une résistance de contact très faible.
  • La technique antérieure d' une capsule au mercure de type va-et-vient est illustrée par le dessin de la figure 1. A l'intérieur d'une capsule scellée, l'armature est formée par une lame en porte-à-faux 1 fixée à son extrémité inférieure dans la coupelle de mercure 2. L'armature 1 est ajustée en une position neutre entre les contacts 3 et 4 de telle sorte que l'armature se comporte comme un ressort sans pression initiale. L'état normalement fermé est obtenu à l'aide d'un aimant permanent P fixé extérieurement près des contacts. Suivant la position de l'aimant on réalise un commutateur pouvant travailler soit en mode monostable normal (l'armature reprenant sa position initiale après suppression de l'excitation), soit en mode bistable (l'armature ne reprenant sa position initiale qu'en réponse à une excitation inverse).Sur la figure 1, le relais P est placé pour créer un mode bistable. Dans les deux cas, la fonction de l'armature est de fournir une force de basculement mécanique suffisante autour d'un point de pivotement fixe réel.L'inconvénient d'une telle capsule est que le commutateur ne peut travailler que si la capsule est utilisée en position verticale, ce qui en limite l'usage aux applications où cette condition est respectée. De plus, une capsule au mercure de ce genre peut difficilement être miniaturisée et elle est relativement coûteuse.
  • Le problème que vise à résoudre l'invention est de réaliser un commutateur au mercure miniature conçu pour pouvoir être utilisé dans n'importe quelle position.
  • Le commutateur à lame au mercure suivant l'invention comprend une capsule contenant une armature constituée d'une lame en matériau magnétique terminée à ses extrémités par deux pièces polaires capables de venir coller alternativement chacune contre un contact fixe distinct lorsque l'armature bascule.L'armature est suspendue aux extrémités d'un ressort hélicoïdal qui s'étend axialement autour de la lame de l'armature et qui se trouve fixé à l'intérieur de la capsule par l'intermédiaire d'une électrode annulaire cylindrique attachée à la partie centrale du ressort.Une pellicule de mercure mouille la surface de l'armature,le ressort,la surface intérieure de l'électrode annulaire et la surface des contacts.
  • Une capsule au mercure conforme à l'invention peut être utilisée avec avantages dans toutes les applications où l'on exige une longue durée de vie,une fiabilité élevée et/ou la possibilité de travailler dans n'importe quelle position, par exemple: les équipements d'essais, les équipements militaires, les équipements de télécommunications et plus particulièrement les équipements d'abonnés, les équipements de contrôle de procédés industriels.
  • L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit avec référence aux dessins joints sur lesquels :
    • - la figure 1 montre, à titre de comparaison, un mode d'exécution illustrant la technique antérieure;
    • - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la capsule du commutateur suivant l'invention;
    • - la figure 3 est une vue agrandie d'un détail de la figure 2;
    • - la figure 4 illustre le fonctionnement du commutateur suivant l'invention;
    • - les figures 5 et 6 représentent deux modes de réalisation du commutateur suivant l'invention;
    • - les figures 7 et 8 sont deux graphiques illustrant deux profils de polarisation de la lame pivotante dans un autre mode de réalisation du commutateur suivant l'invention;
    • - la figure 9 illustre un exemple de composant miniature original incorporant une capsule au mercure suivant l'invention.
  • Se référant à la figure 2 qui montre une coupe dans la capsule d'un commutateur suivant l'invention, on voit que l'armature 1 présente une partie centrale en forme de lame 11 et deux extrémités polaires 12 et 13. Les contacts fixes 2 et 3 sont situés aux extrémités opposées de l'armature 1 de manière que chacun des pôles 12, 13 de l'armature soit capable de coller alternativement contre un des contacts 2,3 lorsque l'armature bascule. L'armature est constituée d'un matériau magnétique, par exemple le Permalloy ou le Crovar (produit de la firme Vacuumschmelze GmbH, Hanau,R.F.A.).
  • L'armature 1 est suspendue aux extrémités d'un ressort hélicoïdal 5 s'étendant longitudinalement autour de la partie centrale 11 de l'armature. Les points de suspension 51 et 52 de l'armature 1 sont disposés symétriquement par rapport au milieu de la longueur de l'armature. Le ressort 5 est réalisé pour travailler à la flexion. Le ressort 5 est fixé à sa partie centrale à l'intérieur d'un anneau cylindrique métallique 6 maintenu fixe à l'intérieur de la capsule scellée 10. L'anneau 6 sert d'électrode centrale.
  • La capsule est munie de connexions extérieures pour les contacts 2 et 3 et pour l'électrode centrale 6. Dans le mode d'exécution illustré à la figure 2, la capsule 10 est formée de deux tubes en verre 10A, 10B disposés en alignement avec un écartement entre eux, l'électrode annulaire 6 étant située symétriquement par rapport au point de pivotement de l'armature 1. A l'intérieur des tubes de verre 10A et 10B les contacts fixes 2 et 3 sont entourés de tubes métalliques 20 et 30 servant de shunts magnétiques. La paroi intérieure des tubes 20 et 30, la surface de l'armature 1, le ressort 5, la surface intérieure de l'électrode annulaire 6 et la surface des contacts 2 et 3 sont mouillés par une pellicule de mercure.
  • Les surfaces coopérantes des pôles 12 et 13 et des contacts fixes 2 et 3 sont garnies de pastilles en une matière qui ne peut être mouillée par le mercure, par exemple l'oxyde de chrome. Ces pastilles sont notées 7 sur la vue de la figure 3. Elles doivent avoir une surface suffisamment petite pour que, lorsque l'armature 1 bascule, le mercure qui jaillit de la zone de contact soit rapidement remplacé car sinon la commutation à fréquence élevée se trouverait rendue plus difficile.Les pôles 12 et 13 de l'armature doivent d'autre part avoir une surface suffisamment grande pour qu'une goutte de mercure trop grosse qui se trouverait projetée contre la paroi de la capsule puisse se trouver aspirée par lesdits pôles.
  • Pour être opérationnelle, la capsule telle que décrite plus haut doit être complétée d'une bobine d'excitation ainsi qu'il est bien connu dans le domaine de l'art." Le fonctionnement du commutateur suivant l'invention est illustré aux figures 4 A/D sur lesquelles n'a pas été représentée la bobine d'excitation. A la figure 4A on a représenté l'armature 1 dans la position dans laquelle son pôle 12 colle contre le contact 2,laissant son pôle 13 décollé du contact 3. L'état de déséquilibre initial est créé par un des moyens qui seront décrits ultérieurement. Lorsque la bobine d'excitation n'est pas excitée, les parties marginales gauche et droite du ressort 5 sont soumises à un certain moment de flexion en raison de l'état de déséquilibre initial et ces parties marginales emmagasinent dès lors une certaine énergie mécanique.
  • Lorsque la bobine d'excitation se trouve parcourue par un courant, le champ magnétique qu'elle engendre produit une force magnétique qui tend à faire pivoter l'armature 1 (Figure 4B): le pôle 12 de l'armature se décolle du contact 2 en créant un pont de mercure 21. Ce pont se rompt avant que le pôle 13 de l'armature n'atteigne le contact 3 (Figure 4C). Enfin, achevant son basculement,l'armature 1 amène son pôle 13 en contact avec le contact 3 (Figure 4D) et alors les parties marginales du ressort 5 emmagasinent de nouveau une certaine énergie mécanique. On voit ainsi que l'armature 1 bascule autour d'un point de pivotement fictif.
  • L'état de déséquilibre initial est créé par des moyens magnétiques que l'on va décrire dans ce qui suit en se référant aux figures 5 à 8.Sur les figures 5 et 6 sont illustrés deux exemples de mode d'exécution utilisant des aimants permanents extérieurs pour créer l'état initial. Dans l'exemple de la figure 5, deux aimants permanents 21 et 22 se trouvent fixés extérieurement sur la capsule 10. La force et la position des aimants par rapport au point de pivotement de l'armature sont choisies et adaptées en fonction du mode de fonctionnement désiré. Pour un mode monostable qui exige une dissymétrie magnétique dans le système, on choisira deux aimants de forces inégales disposés symétriquement par rapport au point de pivotement de l'armature ou deux aimants égaux situés à des distances différentes du point de pivotement. Un aimant permanent annulaire pourrait également être prévu en une position décentrée par rapport à l'axe transversal de la capsule.
  • Pour un mode de fonctionnement bistable qui exige une symétrie magnétique dans le système, on disposera deux aimants en sorte de créer deux forces magnétiques égales.On pourra obtenir le même résultat en disposant un aimant permanent annulaire unique en une position centrée par rapport à l'axe transversal de la capsule. La figure 6 illustre un tel mode d'exécution: l'aimant permanent annulaire est désigné par 23. La connexion extérieure avec l'électrode annulaire 6 est assurée au moyen d'une feuille de matériau conducteur de l'électricité 24 placée sur la surface extérieure des tubes de verre 10A et 10B.
  • L'état magnétique initial peut également être créé sans adjonction d'aimants permanents extérieurs, en polarisant l'armature en sorte qu'elle constitue elle-même un aimant permanent.Les figures 7 et 8 illustrent graphiquement les profils de polarisation de l'armature 1 pour réaliser des modes de fonctionnement monostable et bistable. Pour le mode monostable (figure 7), l'armature 1 est polarisée en sens contraires de part et d'autre d'une section 14 décentrée par rapport à la section médiane. Pour le mode bistable (figure 8) l'armature est polarisée en sens contraires de part et d'autre de la section médiane 15. L'électrode annulaire est généralement reliée à la masse. Les faibles dimensions que l'on peut donner à la capsule au mercure suivant l'invention permettent de loger une ou plusieurs capsules au mercure et la bobine d'excitation dans un boîtier de protection muni des broches pour les connexions extérieures,offrant ainsi un composant au mercure miniature tel que l'illustre à titre d'exemple la figure 9. Ce dessin montre une capsule 10 et la bobine d'excitation 40 qui l'entoure, logées à l'intérieur du boîtier 50 monté sur une embase 60 d'où émergent les broches de connexion 70. La référence 80 désigne une matière de remplissage.

Claims (8)

1. Commutateur à lame au mercure du type va-et-vient comprenant une capsule contenant du mercure, une armature et une paire de contacts, et comprenant une bobine d'excitation, caractérisé en ce que la capsule (10) contient en outre un ressort hélicoïdal (5) s'étendant axialement à l'intérieur de la capsule,
une électrode annulaire cylindrique (6) s'étendant axialement autour de et attachée à la partie centrale dudit ressort (5), l'électrode annulaire étant placée de façon fixe à l'intérieur de la capsule,
et en ce que l'armature mobile (1) consiste en une lame en matériau magnétique (11), s'étendant axialement à l'intérieur dudit ressort et suspendue aux extrémités du ressort (5) en deux points (51, 52) situés symétriquement par rapport à l'axe transversal de ladite lame, la lame (11) étant terminée à ses extrémités par deux pièces polaires (12, 13) qui dépassent les extrémités dudit ressort (5) en sorte de pouvoir alternativement coller contre un contact distinct (2, 3) lorsque l'armature (1) bascule.
2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel la capsule porte extérieurement un aimant permanent annulaire coaxial à la capsule et placé en position centrée par rapport à l'électrode annulaire.
3. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel la capsule porte extérieurement deux aimants permanents orientés avec leurs pôles magnétiques en sens contraires.
4. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel l'armature est polarisée en sens contraires de part et d'autre d'une section transversale déterminée de ladite armature.
5. Commutateur selon la revendication 4, dans lequel l'armature est constituée d'un matériau magnétique dur.
6. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les surfaces coopérantes des extrémités polaires (12, 13) de l'armature (1) et des extrémités des contacts fixes correspondants (2,3) sont garnies de pastilles (7) en une matière qui ne peut être mouillée par le mercure, et dans lequel la surface de l'armature (1), le ressort (5) la surface intérieure de l'électrode annulaire (6) et la surface des contacts fixes (2,3) sont mouillés par une pellicule de mercure.
7. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la capsule contient en outre deux tubes métalliques (20, 30) disposés en sorte d'entourer les contacts fixes (2,3) et de servir de shunts magnétiques.
8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une capsule à lame au mercure (10) et au moins une bobine d'excitation (40) conditionnées dans un boitier unique (50), le boitier étant prévu avec des passages pour des broches de connexion (70) avec les contacts fixes et l'électrode annulaire de chaque capsule.
EP80870018A 1979-03-15 1980-03-14 Commutateur à lame au mercure miniature Expired EP0017640B1 (fr)

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LU81053A LU81053A1 (fr) 1979-03-15 1979-03-15 Commutateur a lame au mercure minature

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