Module de commutation électrique avec composants électroniques de type

CMS

La présente invention se rapporte à un module de commutation électrique. L'invention concerne plus particulièrement un module de commutation électrique incluant un aimant permanent et qui est par exemple employé dans un dispositif électrique du type bouton-poussoir, interrupteur de position, commutateur, combinateur, programmateur...

Il est connu par la demande de brevet FR 2 849 954 un dispositif de commutation intégrant une source lumineuse. La source lumineuse est montée sous la forme d'une diode électroluminescente de type CMS (Composant Monté en Surface) sur le boîtier du dispositif. L'emploi d'un composant CMS pour réaliser la source lumineuse permet de gagner en compacité et en encombrement. Cependant, le dispositif obtenu a un usage très limité et ne permet pas de remplir d'autres fonctions que celle de voyant lumineux sans modifier profondément sa structure.

Par ailleurs, il est connu du document US 5,057,807 un bouton poussoir comportant notamment un organe d'actionnement et des interrupteurs de type "reed" comportant chacun deux pattes traversant une pièce support. Ce type de bouton est adapté pour pouvoir être employé dans un clavier et il est difficile de pouvoir lui conférer d'autres fonctions comme celle de voyant lumineux, sans modifier profondément sa structure.

Le but de l'invention est donc de proposer un module de commutation électrique adaptable directement dans un dispositif électrique, ayant un encombrement limité et un design très compact et pouvant remplir une ou plusieurs fonctions sans modifier profondément sa structure.

Ce but est atteint par un module de commutation électrique destiné à être inséré dans un dispositif électrique, comprenant : un corps, un organe d'actionnement mobile en translation dans le corps suivant un axe principal, entre une position de repos et une position de travail, un aimant permanent mobile monté solidaire en translation de l'organe d'actionnement, ledit aimant permanent mobile créant un champ magnétique, un premier micro-interrupteur magnétique pilotable entre deux états sous l'action du champ magnétique pour commuter un circuit électrique,

caractérisé en ce que : le module est destiné à recevoir différents habillages de manière à pouvoir former différentes structures d'un dispositif électrique, le corps comporte une pièce support en matériau synthétique, la pièce support comporte des emplacements déterminés pour accueillir plusieurs composants électroniques de type CMS afin de pouvoir réaliser différentes versions du dispositif électrique, le premier micro-interrupteur magnétique est réalisé sous la forme d'un composant électronique de type CMS et est positionné à un emplacement de la pièce support, le premier micro-interrupteur magnétique présente un élément mobile apte à basculer entre ses deux états pour commuter un circuit électrique en s'alignant suivant la direction des lignes de champ du champ magnétique créé par l'aimant permanent, la pièce support est traversée par des broches métalliques connectées aux composants électroniques de type CMS.

Selon l'invention, contrairement à l'art antérieur, les composants employés dans le module sont réalisés sous la forme de composants CMS, c'est-à-dire qu'ils sont directement positionnés sur la surface de la pièce support, à un emplacement déterminé. Il est ainsi aisé de pouvoir conférer différentes fonctions au module de commutation de l'invention sans modifier profondément sa structure.

Selon l'invention, il est aisé de réaliser des dispositifs électriques, du type par exemple bouton poussoir ou interrupteur de position, qui différent entre eux en taille, et/ou en forme et/ou en fonction mais qui emploient le même module de commutation.

Selon une particularité, la pièce support comporte un emplacement prévu pour accueillir un second micro-interrupteur magnétique identique au premier micro-interrupteur magnétique.

Selon une autre particularité, les emplacements des deux micro-interrupteurs magnétiques sont formés à des altitudes différentes.

Selon une autre particularité, les deux micro-interrupteurs magnétiques sont orientés par rapport à l'aimant permanent mobile de manière à ce que l'élément mobile de l'un des micro-interrupteurs soit soumis à des lignes de champ ayant une courbure

inversée par rapport à celle des lignes de champs vues par l'élément mobile de l'autre micro-interrupteur.

Selon une autre particularité, le premier micro-interrupteur est orienté par rapport aux lignes de champ de manière à être normalement fermé et en ce que le second microinterrupteur est positionné par rapport aux lignes de champ de manière être normalement ouvert.

Selon une autre particularité, le premier micro-interrupteur est positionné à une altitude plus élevée par rapport au second micro-interrupteur. De cette manière, lors d'un actionnement, le premier micro-interrupteur est d'abord ouvert puis ensuite le second micro-interrupteur est fermé.

Selon une autre particularité, l'aimant permanent mobile (5) est de forme torique. Les micro-interrupteurs magnétiques sont par exemple positionnés à l'intérieur de la forme torique de l'aimant permanent mobile.

Selon une autre particularité, la pièce support présente un emplacement prévu pour recevoir une diode électroluminescente. Le module de commutation de l'invention peut donc présenter une fonction voyant lumineux associée aux fonctions normalement ouvert et/ou normalement fermé exercées par les deux micro-interrupteurs.

Selon une autre particularité, la diode est positionnée au sommet d'un plot.

Selon une autre particularité, l'élément mobile est une membrane en matériau ferromagnétique.

Selon une première variante de réalisation, chaque composant électronique de type CMS est fixé par brasage ou collage sur les broches métalliques étamées.

Selon une seconde variante de réalisation, chaque composant électrique de type CMS est calé sur des lames de contact souples reliées aux broches métalliques.

Selon une troisième variante de réalisation, la pièce support porte des pistes électriques réalisées par la technologie 3D MID, reliées aux broches métalliques et auxquelles peut être connecté chaque composant de type CMS.

L'invention concerne également un dispositif électrique comprenant un module de commutation électrique tel que défini ci-dessus. Le dispositif électrique peut être constitué par exemple d'un bouton poussoir ou d'un interrupteur de position.

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 : les figures 1A et 1 B représentent suivant deux perspectives différentes le module de commutation électrique selon l'invention, la figure 2 représente en éclaté le module de commutation électrique selon l'invention, les figures 3A et 3B représentent suivant deux coupes axiales perpendiculaires, le module de commutation électrique selon l'invention en position de repos, la figure 4 représente en coupe axiale le module de commutation électrique de l'invention en position de travail, les figures 5A à 5C représentent respectivement en perspective, en vue de dessus et de nouveau en perspective, la pièce support du module de l'invention, la figure 6 montre un micro-interrupteur employé dans le module de commutation de l'invention, les figures 7 et 8 illustrent le fonctionnement du micro-interrupteur de la figure 6,

Les figures 9 et 10 illustrent le fonctionnement du module de commutation de l'invention.

Dans la suite de la description, les termes "haut", "bas", "supérieur", "inférieur", "au-dessus", "au-dessous" ou équivalents doivent être compris en prenant comme référence l'axe principal (A) de direction verticale du module. Le terme "altitude" employé dans le texte de la demande de brevet doit également être considéré en se référant à l'axe principal (A) du module.

Selon l'invention, le module de commutation électrique 1 est destiné à être inséré dans un dispositif électrique pour exercer une fonction définie. Il peut donc être inséré dans un bouton poussoir, un interrupteur de position, un commutateur, un combinateur, un programmateur, et plus globalement dans tout appareil ou organe électrique dans lequel une fonction de contact auxiliaire est requise.

Par exemple, le module de commutation selon l'invention peut être habillé de différentes façons pour former différentes structures de bouton poussoir ou d'interrupteur de position. Dans ce cas, le module est par exemple identique quel que soit le bouton poussoir ou l'interrupteur de position dans lequel il est employé. En habillant de manière adéquate le module, il est ainsi possible d'obtenir des boutons poussoirs de différents diamètres (16 mm ou 22 mm) ou de réaliser un bouton poussoir soudé sur un circuit imprimé et destiné à être employé dans un clavier.

Ce module de commutation électrique 1 comporte un corps par exemple de forme cylindrique. Ce corps est composé notamment d'un manchon 2 de section circulaire et d'une pièce support 3 en matière plastique formant un fond obturant le manchon 2. Une rondelle 90 est positionnée entre la pièce support et des pattes 20 du manchon 2. Le module comporte également un organe d'actionnement 4 monté mobile en translation dans le manchon 2, suivant l'axe principal (A). L'organe d'actionnement 4 peut prendre une position haute de repos (figures 3A et 3B) et une position de travail (figure 4) dans laquelle il est enfoncé dans le manchon 2. Le manchon 2 et la rondelle 90 sont par exemple en matériau ferromagnétique de manière à assurer le blindage magnétique du module vis-à-vis de l'extérieur.

Un aimant permanent mobile 5 en forme de tore est monté solidaire de l'organe d'actionnement 4 et de manière axiale dans le manchon 2. La forme torique de l'aimant permanent mobile 5 présente notamment des avantages en terme de construction et d'agencement. Dans la position de repos de l'organe d'actionnement 4, l'aimant permanent mobile 5 est par exemple collé contre une bague ferromagnétique 50 qui renvoie à l'opérateur un effet tactile de rupture lors d'une pression sur l'organe d'actionnement 4. Selon l'invention, le retour de l'organe d'actionnement 4 de sa position de travail vers sa position de repos peut être réalisé par un dispositif de rappel tel que par exemple un ressort de rappel 40 interposé entre l'organe d'actionnement 4 et la bague ferromagnétique 50.

La pièce support 3 a la forme d'un disque présentant une partie périphérique 30 et une partie centrale 31 formant un support sur lequel sont montés directement des composants de type CMS (Composant Monté en Surface).

Selon l'invention, la pièce support 3 peut par exemple recevoir sous forme de composants CMS, deux micro-interrupteurs magnétiques 6a, 6b (référencé 6 de manière générale) agencés sur la pièce support 3 pour former par exemple un micro-interrupteur

normalement ouvert et un micro-interrupteur normalement fermé, deux micro-interrupteurs normalement ouverts ou deux micro-interrupteurs normalement fermés.

Un micro-interrupteur magnétique 6 employé dans l'invention est par exemple réalisé en technologie MEMS (pour "Micro-Electro-Mechanical System"). Il est enfermé dans un boîtier hermétique et étanche et présente sur l'une de ses faces deux plages de connexion coplanaires sur lesquelles sont par exemple connectées des broches 9 métalliques traversant la pièce support.

Le micro-interrupteur 6 selon l'invention présente la particularité d'être commutable entre deux états, un état ouvert et un état fermé, en s'alignant sur la direction des lignes de champ L d'un champ magnétique généré par un aimant permanent.

Un exemple de configuration d'un micro-interrupteur 6 sensible à la direction des lignes de champ L est représenté en figures 6 à 8. Il comporte une membrane 60 mobile ferromagnétique déformable pouvant être actionnée en rotation autour d'un axe de rotation (R) sous l'influence de l'aimant permanent. La membrane 60 est par exemple en Fer-Nickel.

La membrane 60 présente un axe longitudinal (X) et est reliée, à l'une de ses extrémités, par l'intermédiaire de bras de liaison 62a, 62b, à un ou plusieurs plots 63 d'ancrage solidaires d'un substrat 7. La membrane 60 est apte à pivoter par rapport au substrat suivant son axe (R) de rotation perpendiculaire à son axe longitudinal (X). Les bras 62a, 62b de liaison forment une liaison élastique entre la membrane 60 et le plot 63 d'ancrage et sont sollicités en flexion lors du pivotement de la membrane 60.

A son extrémité distale par rapport à son axe de rotation, la membrane 60 porte un contact mobile 61. En pivotant, la membrane 60 peut prendre au moins deux états déterminés, un état ouvert, pivoté vers le haut, (figure 7) de sorte que deux pistes électriques 71 , 72 fixes déposées sur le substrat 7 sont déconnectées ou un état fermé (figure 8), pivoté vers le bas, dans lequel les deux pistes électriques 71 , 72 sont reliées entre elles par le contact mobile 61 porté par la membrane 60. Sur la figure 6, la membrane 60 est à l'état repos, dans une position non pivotée, parallèle à la surface du substrat 7.

Le principe de fonctionnement d'un tel micro-interrupteur 6 est illustré sur les figures 7 et 8. L'un des modes d'actionnement de la membrane 20 d'un tel microinterrupteur 6 consiste à appliquer un champ magnétique créé par un aimant permanent 500. Selon ce mode d'actionnement, la membrane 60 ferromagnétique se déplace entre ses deux états en s'alignant sur les lignes de champ L du champ magnétique généré par l'aimant permanent 500. En référence aux figures 7 et 8, le champ magnétique de l'aimant permanent 500 présente des lignes de champ L dont l'orientation génère une composante

magnétique (BP ₀ , BP ₁ ) dans une couche ferromagnétique de la membrane 60 suivant son axe longitudinal (X). Cette composante magnétique (BP ₀ , BP ₁ ) générée dans la membrane 60 engendre un couple magnétique imposant à la membrane 60 de prendre l'un de ses états ouvert (figure 7) ou fermé (figure 8). En déplaçant l'aimant permanent 500, il est donc possible de soumettre la membrane 60 à deux orientations différentes des lignes de champ L du champ magnétique de l'aimant permanent 500 et de faire basculer la membrane 60 entre ses deux états.

La configuration normalement ouvert ou normalement fermé d'un microinterrupteur 6 magnétique tel qu'employé dans l'invention dépend de la position et de l'orientation de sa membrane 60 par rapport à l'aimant permanent 500. Une rotation du micro-interrupteur de 180° par rapport à l'aimant permanent 500 permet de faire passer un micro-interrupteur 6 de normalement ouvert ou normalement fermé à respectivement normalement fermé ou normalement ouvert.

La pièce support peut également recevoir sous la forme d'un composant CMS, une source lumineuse composée par exemple d'une diode électroluminescente 8 formant un voyant lumineux. Pour réaliser la fonction voyant lumineux, l'organe d'actionnement 4 est par exemple réalisé en plastique transparent.

A partir de deux micro-interrupteurs 6a, 6b pouvant être chacun normalement ouvert ou normalement fermé et d'un voyant lumineux, il est possible à partir du même module de réaliser différentes versions d'un dispositif électrique par exemple du type bouton poussoir ou interrupteur de position.

Afin de remplir les différentes fonctions prévues, la pièce support 3 du module définit un agencement particulier comportant par exemple plusieurs emplacements destinés à recevoir chacun un composant de type CMS (figures 5A à 5C). La pièce support 3 définit par exemple trois emplacements distincts destinés chacun à recevoir un composant de type CMS.

La pièce support 3 présente sur sa partie centrale 31 quatre plots périphériques 310 disposés symétriquement et un plot central 31 1 dont le sommet définit un premier emplacement recevant la diode 8 sous forme de composant CMS (figure 3A).

Selon l'invention, la pièce support 3 comporte deux autres emplacements situés de part et d'autre du plot central 31 1 , réalisés à des altitudes différentes et destinés à recevoir les deux micro-interrupteurs 6a, 6b magnétiques. La surface de la pièce support

3 est donc irrégulière et suit au moins deux plans parallèles distincts, perpendiculaires à l'axe principal (A) du module de commutation électrique 1. En effet, si on souhaite réaliser un dispositif électrique du type bouton poussoir ou interrupteur de position comportant un micro-interrupteur normalement ouvert et un micro-interrupteur normalement fermé, il est nécessaire de garantir que le micro-interrupteur normalement fermé soit ouvert avant la fermeture du micro-interrupteur normalement ouvert. Pour cela, le micro-interrupteur normalement fermé est placé à une altitude plus élevée que le micro-interrupteur normalement ouvert.

Chacun des micro-interrupteurs magnétiques 6a, 6b est amené contre une face latérale du plot central 31 1 et logé entre deux plots périphériques 310. Selon l'invention, les deux micro-interrupteurs 6a, 6b sont donc tous deux disposés de manière décalée par rapport à l'axe principal (A) du module (figure 3A), à l'intérieur du tore.

L'aimant permanent mobile 5 comporte un plan médian (P) horizontal qui est perpendiculaire à sa direction d'aimantation, au-dessous duquel la membrane 60 d'un micro-interrupteur 6a, 6b est dans un état et au-dessus duquel la membrane 60 est dans son autre état. Lorsque l'organe d'actionnement 4 est en position de repos (figures 3A et 3B), les micro-interrupteurs magnétiques 6a, 6b sont au-dessous du plan médian (P) de l'aimant et lorsque l'organe d'actionnement est en position de travail (figure 4), les microinterrupteurs magnétiques 6a, 6b sont au-dessus du plan médian (P) de l'aimant.

Les micro-interrupteurs magnétiques 6a, 6b sont positionnés de part et d'autre du plot central 31 1 de manière à être chacun sous l'influence d'une demi-portion différente de l'aimant permanent mobile 5 torique. Ainsi les lignes de champ vues par la membrane 60 de l'un des micro-interrupteurs 6a, 6b ont une courbure inversée par rapport aux lignes de champs vues par la membrane 60 de l'autre micro-interrupteur. Si les deux microinterrupteurs 6a, 6b sont orientés dans le même sens, l'un des micro-interrupteurs est alors normalement fermé et l'autre micro-interrupteur est normalement ouvert.

La pièce support 3 intègre également plusieurs broches 9, 80 métalliques connectées aux composants de type CMS et traversant la pièce support 3. Selon différentes variantes de réalisation, les broches 9, 80 peuvent être intégrées à la pièce support 3 en fonction du nombre de composants CMS employés dans le module ou être intégrées définitivement à la pièce support 3 indépendamment du nombre de composants de type CMS employé. Dans ce cas, si par exemple le dispositif électrique ne dispose pas de la fonction voyant lumineux, les broches correspondantes 80 ne sont pas connectées. Les broches métalliques 80, 9 sont par exemple insérées ou surmoulées dans la pièce support 3.

Chaque composant de type CMS comporte par exemple une broche métallique d'entrée et une broche métallique de sortie. Les broches 80 connectées sur la diode 8 traversent la pièce support et comportent chacune une partie insérée dans le plot central 31 1 pour rejoindre la diode 8.

Il existe plusieurs techniques pour réaliser l'assemblage et la connectique d'un composant de type CMS sur ses broches : la technologie connue appelée "Moulded Interconnected Devices" (3D MID) qui permet notamment de créer des pistes électriques sur une pièce plastique quel que soit le relief de la pièce, les broches métalliques ainsi que les composants de type CMS venant se connecter sur les pistes électriques ainsi formées, le brasage ou collage des composants de type CMS directement sur des broches métalliques étamées, le calage des composants de type CMS sur des lames de contacts souples reliées aux broches métalliques d'entrée/sortie.

Ces technologies d'assemblage et de connectique présentent les avantages de permettre : d'interconnecter des composants dans l'espace (avec la technologie 3D MID) en réalisant par exemple un circuit de pistes électriques sur la pièce support 3, de minimiser le nombre de pièces à assembler, d'occuper un volume très limité, de gérer avec précision les différentes altitudes entre les deux microinterrupteurs magnétiques afin de garantir leur activation dans un ordre donné lors du déplacement de l'aimant.

En référence aux figures 9 et 10, un module comportant deux micro-interrupteurs magnétiques 6a, 6b étages fonctionne de la manière suivante :

La direction d'aimantation de l'aimant permanent mobile 5 torique suit une direction parallèle à l'axe principal (A) et le vecteur champ magnétique parallèle à la

direction d'aimantation est orienté conventionnellement dans le sens Sud-Nord, par exemple vers le haut sur les figures 9 et 10.

Lorsque l'organe d'actionnement 4 est au repos (figure 9), les deux microinterrupteurs 6a, 6b sont placés au-dessous du plan médian (P) horizontal de l'aimant permanent 5. Le champ magnétique créé par l'aimant 5 présente des lignes de champ L dont la direction impose à la membrane 60 du micro-interrupteur 6a supérieur d'être dans un état fermé et à la membrane du micro-interrupteur inférieur 6b d'être dans un état ouvert (figure 9).

L'enfoncement de l'organe d'actionnement 4 jusqu'à sa position de travail (figure 10) entraîne donc un changement de position verticale de l'aimant permanent mobile 5 de sorte que les deux micro-interrupteurs 6a, 6b passent au-dessus du plan médian (P) de l'aimant permanent mobile 5. Ainsi, la direction des lignes de champ L magnétique vues par chacune des membranes des deux micro-interrupteurs 6a, 6b est inversée. En référence à la figure 10, le champ magnétique M présente donc des lignes de champ L dont la direction impose à la membrane du micro-interrupteur supérieur 6a de basculer vers son état ouvert et à la membrane du micro-interrupteur inférieur 6b de basculer vers son état fermé.