FR2883274A1 - Microsysteme integrant un circuit magnetique reluctant - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un microsystème comportant un circuit magnétique réluctant permettant d'appliquer, à une pièce de contact mobile en position de fermeture d'un circuit électrique, une force de contact supplémentaire (F'), dont l'intensité varie en fonction d'un courant alternatif (I) traversant le circuit électrique. L'invention consiste à utiliser les variations de cette force de contact supplémentaire (F') pour permettre l'ouverture du circuit électrique lorsque le courant est à une intensité inférieure à une valeur seuil. Cette valeur seuil peut correspondre à l'intensité d'apparition d'un arc électrique. L'invention concerne également un procédé d'ouverture d'un circuit électrique.

Description

Microsystème intégrant un circuit magnétique réluctant

La présente invention se rapporte à un microsystème intégrant un circuit magnétique réluctant. Ce circuit magnétique réluctant permet notamment, en créant une force de contact supplémentaire, de pouvoir réaliser une ouverture d'un circuit électrique sans générer d'arc électrique. La présente invention concerne également un procédé d'ouverture d'un circuit électrique mis en oeuvre lorsque le courant est inférieur à une valeur seuil déterminée.

Dans un appareil électrique interrupteur de courant, il est connu de devoir: Eviter à l'ouverture du circuit électrique la naissance d'un arc électrique entre les contacts de l'interrupteur afin de limiter l'usure de ces contacts et ainsi d'augmenter la durée de vie du dispositif. Les phénomènes d'arc électrique sont particulièrement destructeurs dans des dispositifs de petites dimensions.

Disposer d'une force de contact importante afin de permettre une meilleure tenue aux courants transitoires.

Eviter les rebonds de l'interrupteur à la fermeture pour ne pas souder les contacts entre eux.

Le but de l'invention est de proposer un microsystème permettant de répondre à ces différentes exigences.

Ce but est atteint par un microsystème comportant: - Une pièce de contact mobile destinée à commuter un circuit électrique entre une position ouverte et une position fermée, - des moyens de fermeture susceptibles d'appliquer une force de contact principale à la pièce de contact mobile en position fermée, un circuit magnétique réluctant appliquant à la pièce de contact mobile en position fermée une force de contact supplémentaire, dont l'intensité varie en fonction d'un courant alternatif traversant le circuit électrique, caractérisé en ce que le microsystème comprend des moyens d'ouverture qui, suite à un ordre d'ouverture, appliquent à la pièce de contact mobile une force d'ouverture du circuit électrique, dont l'intensité est égale à la somme de l'intensité de la force de contact principale et de l'intensité de la force de contact supplémentaire lorsque celle-ci correspond à une valeur du courant alternatif inférieure à une valeur seuil.

Selon une particularité, les moyens de fermeture sont de type magnétique, électromagnétique, électrostatique ou thermique.

Selon une autre particularité, les moyens d'ouverture sont de type 10 magnétique, électromagnétique, mécanique, électrostatique ou thermique.

Lorsque le courant est alternatif, la force de contact supplémentaire générée est proportionnelle au carré de l'intensité du courant traversant le microactionneur. Cette force suit donc des oscillations positives successives.

Les avantages liés à l'intégration d'un circuit magnétique réluctant dans un tel microsystème sont donc: De ne permettre l'ouverture de l'interrupteur que pour un courant traversant celui-ci inférieur à une valeur seuil afin d'éviter la formation d'un arc électrique.

D'augmenter la force de contact de l'élément mobile de l'interrupteur lorsque le courant passant à travers celui-ci augmente, ce qui lui permet de mieux supporter les courants transitoires.

De diminuer les rebonds à la fermeture de l'interrupteur grâce à la présence de la force de contact supplémentaire générée par le circuit magnétique réluctant.

Le but de l'invention est également de proposer un procédé d'ouverture d'un circuit électrique.

Ce but est atteint par un procédé d'ouverture d'un circuit électrique commuté 30 par une pièce de contact mobile entre une position ouverte et une position fermée, ledit procédé consistant à : 25 Appliquer à la pièce de contact mobile en position fermée une force de contact principale, appliquer à la pièce de contact mobile en position fermée, à l'aide d'un circuit magnétique réluctant, une force de contact supplémentaire dont l'intensité varie en fonction d'un courant traversant le circuit électrique, caractérisé en ce qu'il consiste également à, suite à un ordre d'ouverture, appliquer à la pièce de contact mobile une force d'ouverture du circuit électrique dont l'intensité est égale à la somme de l'intensité de la force de contact principale et de l'intensité de la force de contact supplémentaire lorsque celle-ci correspond à une valeur du courant alternatif inférieure à une valeur seuil.

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 illustre, schématiquement et en coupe longitudinale, un premier mode de réalisation de l'invention, La figure 2 illustre, schématiquement, en coupe transversale selon A-A sur la figure 1, le premier mode de réalisation de l'invention.

La figure 3 illustre schématiquement, pris suivant une coupe transversale identique à celle de la figure 2, un second mode de réalisation de l'invention.

La figure 4 représente, en perspective, un microactionneur pouvant être utilisé dans le microsystème selon l'invention.

Les figures 5A et 5B représentent les courbes de variation de la force de contact générée à l'aide du principe de l'invention.

Le principe de l'invention consiste à intégrer dans un appareil électrique interrupteur d'un circuit électrique un circuit magnétique réluctant afin de procurer les avantages précités.

Ainsi, dans un appareil électrique interrupteur comportant typiquement une pièce de contact mobile susceptible de commuter un circuit électrique entre une position ouverte et une position fermée, un circuit magnétique réluctant créé par le passage d'un courant alternatif dans le circuit électrique fermé, permet d'appliquer à la pièce de contact mobile une force de contact ou d'écrasement supplémentaire F'. L'intensité de la force de contact supplémentaire F' varie en fonction de l'intensité du courant alternatif circulant dans le circuit électrique et suit des oscillations positives successives (figures 5A et 5B). De manière plus précise, l'intensité de cette force de contact supplémentaire F' est proportionnelle au carré du courant I traversant l'interrupteur lorsque le circuit magnétique réluctant n'est pas saturé.

L'invention consiste à utiliser les variations de cette force de contact supplémentaire F' pour permettre l'ouverture du circuit électrique lorsque le courant est à une intensité inférieure à une valeur seuil. Cette valeur seuil peut correspondre à l'intensité d'apparition d'un arc électrique. La force de contact supplémentaire F' peut permettre d'empêcher l'ouverture de l'interrupteur tant que le courant circulant dans celui-ci est supérieur au courant seuil. Cette valeur seuil est par exemple de 0,2 Ampère.

En position fermée, la pièce de contact mobile est soumise à une force de contact principale F créée par des moyens de fermeture. Comme précisé cidessus, le circuit magnétique réluctant généré par le passage du courant alternatif circulant dans l'interrupteur suite à la fermeture du circuit permet d'appliquer à la pièce de contact mobile une force de contact supplémentaire F' variable suivant les oscillations du courant. L'ouverture du circuit électrique peut ainsi être réalisée selon deux processus distincts: Selon le premier processus (figure 5A), après un ordre d'ouverture, la force de contact principale F est toujours appliquée à la pièce de contact mobile. Dans ce cas, pour provoquer l'ouverture du circuit électrique sans générer d'arc électrique, il faut appliquer à la pièce de contact mobile une force d'ouverture Fouv de direction opposée et d'intensité égale à la somme de l'intensité de la force de contact principale F et de la force de contact supplémentaire F' lorsque celle-ci correspond à une valeur du courant alternatif inférieure à la valeur seuil du courant d'apparition d'arc électrique. En générant une telle force, on est sûr d'obtenir l'ouverture du circuit électrique au-dessous du courant seuil et donc d'éviter l'apparition d'un arc électrique.

Selon le second processus (figure 5B), suite à un ordre d'ouverture (toue) du circuit électrique, la force de contact principale F est annulée. Le contact électrique est donc maintenu par la seule force de contact supplémentaire générée par le circuit magnétique réluctant. Lorsque la force de contact supplémentaire devient inférieure à une force d'ouverture Fouv appliquée à la pièce de contact mobile, le circuit électrique s'ouvre. Si cette force d'ouverture Fouv présente une intensité égale à la force de contact supplémentaire lorsque celle-ci correspond à une valeur du courant alternatif inférieure à la valeur seuil du courant d'apparition d'arc électrique, on obtient alors l'ouverture du circuit électrique sans générer d'arc électrique.

Dans le premier processus, la force de contact principale F peut être générée par exemple par des moyens de fermeture magnétiques, électromagnétiques ou électrostatiques. La force d'ouverture peut être générée par exemple par des moyens d'ouverture électromagnétiques, magnétiques ou mécaniques (ressort, élastique...).

Dans le second processus, la force de contact principale peut être générée par exemple par des moyens de fermeture électromagnétiques. Suite à l'ordre d'ouverture, l'alimentation d'un électro-aimant est ainsi coupée ce qui annule la force de contact principale F. La force d'ouverture Fouv peut être générée par différents moyens d'ouverture et notamment par des moyens magnétiques ou mécaniques.

La suite de la description est consacrée à un exemple de mise en oeuvre de l'invention dans un microsystème utilisant un microactionneur magnétique. La description de ce mode de réalisation n'est pas limitative et l'emploi de moyens équivalents pourra être envisagé.

Un microsystème pourra être un dispositif comportant au moins un 25 microactionneur pouvant être fabriqué selon des technologies de type MEMS ou des technologies classiques de circuit imprimé en PCB ou kapton.

Un microactionneur tel que celui décrit ci-dessous est un microinterrupteur ou micro-commutateur de courant utilisé dans un microcontacteur, un micro-relais ou un micro-reed. Dans la suite de la description nous emploierons le terme général "microactionneur" pour faire référence à ces différentes applications.

En référence à la figure 3 et de manière connue, un microsystème peut comporter un microactionneur 2 monté sur une surface plane 30 d'un substrat 3 fabriqué dans des matériaux comme le silicium, le verre, des céramiques ou sous forme de circuits imprimés.

De manière connue (voir la demande de brevet n US 2002/0140533), le substrat 3 porte sur sa surface 30 par exemple au moins deux pistes conductrices planes identiques 31, 32 espacées et destinées à être reliées électriquement afin d'obtenir la fermeture du circuit électrique. Pour cela, le microactionneur 2 magnétique porte au moins un contact 21 mobile apte à effectuer la jonction électrique entre les deux pistes 31, 32 lorsque le microactionneur 2 est activé. Lorsque le circuit électrique est fermé, le courant I suit une direction située dans le plan des pistes conductrices 31, 32. Un tel microactionneur 2 est doté d'une pièce de contact mobile constituée d'une membrane 20 portant le contact 21 mobile et reliée par une de ses extrémités à un plot 23 d'ancrage solidaire du substrat 3 par l'intermédiaire de deux bras 22a, 22b de liaison prolongeant la membrane 20. Le contact 21 mobile est par exemple formé sur la membrane 20 à proximité de l'extrémité libre de la membrane 20 et fait face à la surface 30 du substrat 3. La membrane 20 est par exemple constituée d'une couche 200 en matériau ferromagnétique présentant sur sa surface située en vis-à-vis du substrat 3 un évidement dans lequel est disposé le contact 21.

Par l'intermédiaire de ces deux bras 22a, 22b, la membrane 20 est apte à pivoter par rapport au substrat 3 suivant un axe (P) parallèle à l'axe décrit par les points de contact de la membrane 20 avec les pistes électriques. Les bras 22a, 22b de liaison forment une liaison élastique entre la membrane 20 et le plot 23 d'ancrage. Dans une telle configuration, le pivotement de la membrane 20 est donc obtenu par flexion des bras 22a, 22b de liaison.

Un aimant permanent ou un électro-aimant (non représenté) est apte à piloter par effet magnétique le mouvement de pivotement de la membrane 20 entre au moins deux positions, une position de fermeture du circuit électrique et une position d'ouverture du circuit électrique. Un autre champ magnétique généré par exemple par un aimant permanent (non représenté) peut être utilisé pour appliquer une force de contact principale F à la membrane 20 dans sa position de fermeture.

L'invention dont le principe est illustré sur les figures 1 et 2 consiste à créer un circuit magnétique réluctant en utilisant la couche ferromagnétique 200 de la membrane 20 et en intégrant dans le substrat 3 un circuit de renfort 4 également en matériau ferromagnétique. Le matériau ferromagnétique utilisé pour ce circuit de renfort 4 et pour la couche 200 de la membrane 20 est par exemple du type magnétique doux et peut être un alliage de type FeNi ( permalloy ).

Le circuit de renfort 4 est disposé sous les deux pistes conductrices 31, 32 et s'étend au niveau de l'espace séparant les deux pistes 31, 32 pour agir sur la membrane 20 située au-dessus, à la verticale. Vu de côté, ce circuit de renfort 4 a la forme d'un U (figure 2), et présente donc deux ailes 41, 42 symétriques parallèles jointes par une âme centrale 40 perpendiculaire aux deux ailes 41, 42. L'âme centrale 40 est disposée sous les pistes 31, 32 conductrices et les deux ailes 41, 42 s'étendent perpendiculairement de part et d'autre des deux pistes 31, 32 conductrices. Le circuit de renfort 4 est orienté de manière à, dans son sens longitudinal, être parallèle à la direction suivie par le courant I dans les pistes 31, 32 conductrices lorsque le circuit électrique est fermé. Les ailes 41, 42 du circuit de renfort 4 se terminent chacune par une surface 43 située dans un plan parallèle au plan des pistes 31, 32 conductrices de manière à définir chacune un entrefer E,, E2 avec une surface parallèle de la couche ferromagnétique 200 de la membrane 20 située en vis-à-vis. Les deux pistes 31, 32 conductrices sont légèrement surélevées par rapport aux surfaces 43 des ailes 41, 42 de manière à toujours laisser un entrefer E,, E2 résiduel entre le circuit de renfort et la couche ferromagnétique 200 de la membrane 20 même lorsque le contact 21 de la membrane 20 est plaqué contre les pistes 31, 32 conductrices.

L'actionnement de la membrane 20 permet de fermer le circuit électrique. Lors du passage d'un courant I dans le circuit électrique, le circuit magnétique réluctant est alors créé de sorte que le courant I, traversant les pistes 31, 32 conductrices et le contact 21 mobile effectuant la jonction, génère un champ magnétique B dont les lignes de champ encerclent les pistes 31, 32 conductrices et le contact 21 mobile. Ces lignes de champ sont formées transversalement à la direction du courant I traversant les pistes 31, 32 et suivent la forme en U du circuit de renfort 4, passent par un premier entrefer E,, suivent la couche ferromagnétique 200 de la membrane 20 et passent par le second entrefer E2 avant de rejoindre le circuit de renfort 4 (figures 1 et 2). Le sens de ces lignes de champ est déterminé par la règle connue du tire-bouchon ou du bonhomme d'ampère.

Le champ magnétique B génère une force de contact supplémentaire F' du contact 21 mobile de la membrane 20 contre les pistes 31, 32 conductrices dont l'intensité varie en fonction de l'intensité du courant 1 traversant le microactionneur 2.

Selon l'invention, il est donc possible de provoquer l'ouverture du circuit électrique lorsque celui-ci est parcouru par un courant déterminé par exemple inférieur à un courant seuil. Ce courant seuil est par exemple le courant d'apparition d'un arc électrique. La force de contact supplémentaire F' peut permettre d'empêcher l'ouverture du microactionneur tant que le courant circulant dans celui-ci est supérieur au courant seuil. Cette valeur seuil est par exemple de 0,2 Ampère.

Dans le cas du premier processus décrit ci-dessus, la membrane 20 est plaquée contre les pistes 31, 32 conductrices par une force de contact principale F (figure 5A) permanente générée par exemple par l'action d'un champ magnétique permanent. Le passage du courant I traversant le microactionneur 2 crée une force de contact supplémentaire F' positive, variable suivant les oscillations du courant I. Si l'on souhaite provoquer l'ouverture du circuit électrique sans arc électrique, il suffit donc d'appliquer à la membrane 20 du microactionneur 2 une force Fouv de direction opposée et d'intensité égale à la somme de l'intensité de la force de contact principale F et de l'intensité de la force de contact supplémentaire F' lorsque celle-ci correspond à une valeur d'intensité du courant alternatif inférieure à la valeur seuil du courant d'apparition d'arc électrique. En générant une telle force, on est sûr d'obtenir l'ouverture du circuit électrique au-dessous du courant seuil et donc d'éviter l'apparition d'un arc électrique. Une telle force d'ouverture Fouv peut être générée par la mise sous tension d'un électro- aimant.

Pour un microactionneur 2 qui développe typiquement une force de contact principale F de l'ordre de quelques centaines de pN, la force supplémentaire qui peut être obtenue avec un tel circuit magnétique réluctant, pour un courant de 0,2 A traversant le microactionneur 2, est de l'ordre de la centaine de pN. Si la force de contact principale F est de 500 pN et la force supplémentaire F' de 100 pN pour un courant de 0,2A, il suffira de générer une force d'ouverture Fouv supérieure à 500 pN et inférieure à 600 pN, par exemple de 520 pN pour être sûr de provoquer l'ouverture du microactionneur 2 sans générer d'arc électrique (figure 5A) .

Dans le cas du second processus décrit ci-dessus, la membrane 20 est soumise en position de fermeture à la force de contact principale F par l'action d'un champ magnétique généré par un électro-aimant. Suite à l'ordre d'ouverture, l'alimentation de l'électro-aimant est coupé ce qui a pour effet d'annuler la force de contact principale F. Lorsque la force d'ouverture Fouv devient supérieure à la force de contact supplémentaire F', la membrane 20 pivote et le circuit électrique s'ouvre.

Cette force d'ouverture Fouv est par exemple la force de rappel mécanique des bras de liaison 22a, 22b de la membrane 20. Si l'intensité de cette force de rappel mécanique est égale à l'intensité de la force de contact supplémentaire F' lorsque celle-ci correspond à une valeur d'intensité du courant alternatif inférieure à la valeur seuil du courant d'apparition d'arc électrique, l'ouverture du circuit électrique se produit sans générer d'arc électrique.

Selon une variante de réalisation représentée en figure 3, une pièce de contact mobile comportant un contact mobile 21' et les pistes conductrices 31, 32 sont placées dans le U formé par le circuit de renfort 4 en matériau ferromagnétique. Les entrefers E3, E4 du circuit magnétique réluctant B, créé par le passage du courant I dans le circuit électrique fermé, sont réalisés directement entre les faces latérales internes 44 de chacune des ailes 41, 42 du circuit de renfort 4 et des surfaces opposées parallèles du contact mobile 21'. Le circuit magnétique réluctant B, passe donc par le circuit de renfort 4 et par le contact mobile 21 afin, comme précédemment, de générer une force de contact supplémentaire F'.

Dans une telle variante de réalisation, le contact mobile 21' peut être actionné par différents moyens et notamment par des moyens de fermeture par exemple de type magnétique, électromagnétique ou électrostatique et par des moyens d'ouverture par exemple de type magnétique, électromagnétique ou mécanique.

II 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.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Microsystème comportant: Une pièce de contact mobile destinée à commuter un circuit électrique entre une position ouverte et une position fermée, des moyens de fermeture susceptibles d'appliquer une force de contact principale (F) à la pièce de contact mobile en position fermée, un circuit magnétique réluctant appliquant à la pièce de contact mobile en 10 position fermée une force de contact supplémentaire (F'), dont l'intensité varie en fonction d'un courant alternatif (I) traversant le circuit électrique, caractérisé en ce que le microsystème comprend des moyens d'ouverture qui, suite à un ordre d'ouverture, appliquent à la pièce de contact mobile une force d'ouverture (Fouv) du circuit électrique, dont l'intensité est égale à la somme de l'intensité de la force de contact principale (F) et de l'intensité de la force de contact supplémentaire (F') lorsque celle-ci correspond à une valeur du courant alternatif inférieure à une valeur seuil.

2. Microsystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que, suite à l'ordre d'ouverture, les moyens de fermeture annulent la force de contact 20 principale (F).

3. Microsystème selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de fermeture sont de type magnétique, électromagnétique, électrostatique ou thermique.

4. Microsystème selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les 25 moyens d'ouverture sont de type magnétique, électromagnétique, mécanique, électrostatique ou thermique.

5. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur seuil correspond à la valeur d'intensité d'apparition d'un arc électrique.

6. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 30 la pièce de contact mobile est constituée d'une membrane (20) portant une couche ferromagnétique (200) formant avec un circuit ferromagnétique de renfort (4) le circuit magnétique réluctant lors du passage du courant (I) alternatif dans le circuit électrique.

7. Microsystème selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit magnétique de renfort (4) est intégré dans un substrat (3) supportant la 5 membrane (20).

8. Microsystème selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le circuit ferromagnétique de renfort (4) est constitué de deux ailes symétriques (41, 42) jointes par une âme centrale (40) perpendiculaire, définissant une section transversale en forme de U.

9. Microsystème selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le circuit ferromagnétique de renfort (4) est orienté de manière à, dans son sens longitudinal, être parallèle à la direction suivie par le courant (I) lorsque le circuit électrique est fermé.

10. Microsystème selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque aile (41, 42) du circuit ferromagnétique de renfort (4) se termine par une surface (43) définissant un entrefer (E,, E2) avec une surface parallèle de la couche ferromagnétique (200) de l'élément mobile située en vis-à-vis.

11. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce de contact mobile (21') est disposé dans un circuit ferromagnétique de renfort (4) constitué de deux ailes symétriques (41, 42) jointes par une âme centrale (40) perpendiculaire, la pièce de contact mobile (21') présentant deux surfaces (44) opposées définissant chacune un entrefer (E3, E4) avec une surface parallèle d'une aile (41, 42) du circuit ferromagnétique de renfort.

12. Procédé d'ouverture d'un circuit électrique commuté par une pièce de 25 contact mobile entre une position ouverte et une position fermée, ledit procédé consistant à : Appliquer à la pièce de contact mobile en position fermée une force de contact principale (F), appliquer à la pièce de contact mobile en position fermée, à l'aide d'un circuit magnétique réluctant, une force de contact supplémentaire (F') dont l'intensité varie en fonction d'un courant (I) traversant le circuit électrique, 12 caractérisé en ce qu'il consiste également à, suite à un ordre d'ouverture, appliquer à la pièce de contact mobile une force d'ouverture (Fouv) du circuit électrique dont l'intensité est égale à la somme de l'intensité de la force de contact principale (F) et de l'intensité de la force de contact supplémentaire (F') lorsque celle-ci correspond à une valeur du courant alternatif inférieure à une valeur seuil.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, suite à l'ordre d'ouverture, la force de contact principale (F) est annulée.

14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la valeur 10 seuil correspond à la valeur d'intensité d'apparition d'un arc électrique.