FR2588386A1 - Commutateur optique a commande electromagnetique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES COMMUTATEURS OPTIQUES A COMMANDE ELECTROMAGNETIQUE ET EN PARTICULIER LES COUPLEURS D'ACCES A UN BUS SERIE. L'INVENTION A POUR OBJET UN COMMUTATEUR OPTIQUE DU TYPE A MIROIR MOBILE. IL COMPREND UN ELECTRO-AIMANT PERMETTANT, SOUS L'EFFET D'UN SIGNAL DE COMMANDE, LE DEPLACEMENT D'UN COULISSEAU SUPPORTANT LE MIROIR 31 ET UN CIRCUIT MAGNETIQUE 46, 47, 30 PERMETTANT QUE LE DEPLACEMENT DU COULISSEAU S'EFFECTUE PARALLELEMENT A UN PLAN DE REFERENCE P DANS LA ZONE DE COMMUTATION.

Description

COMMUTATEUR OPTIQUE A COMMANDE ELECTROMAGNETIQUE.

La présente invention a pour objet un commutateur optique susceptible d'être utilisé notamment comme coupleur d'accès à un

bus série.

Un coupleur d'accès à un bus série est un système qui permet de prélever ou d'injecter un signal optique dans la ligne d'un bus série de manière à faire communiquer entre eux différents terminaux. En cas de panne d'un terminal, celui-ci doit pouvoir être isolé sans pour

autant interrompre la ligne du bus série.

On connatit par la demande de brevet FR 2 538 127 un coupleur d'accès à un bus série comportant quatre branches présentant chacune des moyens pour recevoir ou transmettre des rayons lumineux et un dispositif de renvoi présentant deux états de fonctionnement. Dans son premier état, le dispositif de renvoi est réfléchissant et est susceptible de renvoyer la lumière entre une première et une deuxième branche d'une part ainsi qu'entre une troisième et une quatrième branche d'autre part. Dans son second état, le dispositif laisse passer la lumière entre la première et la quatrième branche d'une part ainsi qu'entre la deuxième et la troisième branche d'autre part. Le dispositif de renvoi est, selon une première variante, un miroir amovible monté sur un support mobile en translation entre deux positions: une première position o le miroir est placé sur le passage des rayons lumineux, et une seconde position pour laquelle le passage des rayons lumineux est assuré par deux ouvertures ménagées dans le support. Selon une seconde variante, le dispositif de renvoi est un miroir fixe présentant lesdits

états de fonctionnement sous l'action d'un dispositif de commande.

Ce coupleur d'accès présente plusieurs défauts. Son temps de réponse en cas de panne d'un terminal n'est pas négligeable. I1 en est de même pour les pertes d'insertion. La diaphonie entre branches

n'est pas assez élevée.

Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un quadripôle optique dont le dispositif de renvoi est constitué par un miroir dont les deux faces sont parfaitement réfléchissantes et qui

est monté sur un support mobile en translation entre deux positions.

Dans une première position, le miroir est disposé à l'intersection des faisceaux optiques. Dans une seconde position, le miroir est en dehors du trajet des rayons lumineux. Les quatre branches du quadripôle sont coplanaires et perpendiculaires entre elles. Le mouvement de translation du miroir s'effectue suivant l'axe perpendiculaire au plan contenant les quatre branches et qui passe au point d'intersection des faisceaux optiques. Un dispositif électromagnétique monostable ou bistable assure le déplacement en

translation du miroir.

L'invention a donc pour objet un commutateur optique entre au moins deux voies du type o le trajet d'un faisceau lumineux peut être modifié par interposition sur ce trajet d'un miroir mobile dont le déplacement est commandé par des moyens électromagnétiques, caractérisé en ce que ces moyens comprennent un électro-aimant permettant, sous l'effet d'un signal de commande, le déplacement d'un coulisseau supportant le miroir, un circuit magnétique permettant que le déplacement du coulisseau s'effectue, au moins

dans la zone de commutation, parallèlement à un plan de référence.

Le coulisseau sera avantageusement mobile dans une fente d'un support le long d'une des parois de la fente formant plan de

référence.

De préférence, le support de coulisseau sera formé de deux éléments rendus solidaires, la fente résultant de l'assemblage des

deux éléments. Il peut supporter également le circuit magnétique.

Le coulisseau peut être équipé d'une pièce polaire et se déplacer le long du plan de référence grâce à des billes de roulement. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages

apparaîtront au moyen de la description qui va suivre et des figures

annexées parmi lesquelles: - les figures I et 2 sont des vues explicatives du fonctionnement d'un quadripôle optique selon l'invention, - les figures 3 à 7 représentent différentes pièces entrant dans la composition du quadripôle, - les figures 8 et 9 illustrent la manière d'assembler certains éléments sur le support mobile, - la figure 10 est une vue en coupe du quadripôle selon l'invention, - les figures Il et 12' sont des figures explicatives du fonctionnement du quadripôle, - la figure 13 est un schéma électrique du circuit de commande du support mobile,

- la figure 14 est un diagramme explicatif.

Le fonctionnement du quadripôle optique est illustré par les figures 1 et 2. Sur ces figures, le quadripôle théorique est désigné par le repère général 1. Il comporte quatre branches A, B, C et D coplanaires et perpendiculaires entre elles. Chacune constitue une voie d'émission ou de réception optique. Un miroir 2 est capable d'être déplacé en translation dans un plan 3 perpendiculaire au plan formé par les branches A, B, C, D et faisant un angle de 45 o par rapport à elles. De préférence, le déplacement du miroir s'effectuera selon l'axe 4 élevé à partir du point de rencontre des quatre branches. Lorsque le miroir 2 se trouve effectivement au point de rencontre de ces branches, un faisceau optique introduit par la branche A sera renvoyé vers la branche B et inversement. De même, un faisceau optique amené par la branche C sortira par la branche D et inversement. Cette position du miroir constitue un

premier état de fonctionnement et est représentée à la figure 1.

Dans le second état de fonctionnement, représenté à la figure 2, le miroir 2 est translaté pour être placé hors du point de rencontre des branches. La propagation des faisceaux optiques s'effectue alors directement de la branche A vers la branche D et de la branche C vers la branche B. La réalisation pratique d'un tel quadripôle doit satisfaire un certain nombre de conditions. En particulier, la position en réflexion du miroir doit être la plus précise possible. Le moindre défaut angulaire de positionnement agit fortement sur la valeur des pertes d'insertion en réflexion. Par conséquent, le miroir doit se déplacer et être plaqué sur un plan de référence situé à 45 o par rapport à l'incidence des faisceaux optiques. Ceci constitue l'une des caractéristiques de l'invention. Une autre caractéristique de

l'invention est constituée par le dispositif de déplacement du miroir.

Celui-ci est actionné par une commande électromagnétique qui doit être désaccouplée du support de miroir ou coulisseau lorsque le miroir assure sa fonction; ceci pour ne pas provoquer de défauts angulaires parasites susceptibles d'altérer la transmission optique en réflexion. La figure 3 représente le support de coulisseau comprenant le plan de référence P. Le miroir 2 se déplacera parallèlement à ce plan de référence. Le support de coulisseau est formé, pour des questions d'usinage, de deux éléments assembles: un premier élément 5 comprenant une partie semi-cylindrique 6 dont l'axe de révolution est perpendiculaire à une embase cylindrique 7, et un second élément 8 de forme également semi-cylindrique et rapporté sur le premier élément 5. Lorsque les éléments 5 et 8 sont assemblés, l'élément 8 et la partie 6 forment un cylindre pourvu d'une fente 9. Cette fente n'est pas nécessairement située dans l'axe du cylindre. Par contre, le miroir, dont l'épaisseur sera considérée comme négligeable, sera lui situé dans un plan parallèle au plan de référence P et passant par l'axe de révolution du cylindre. L'embase 7 est pouvue d'une fente qui servira à l'orientation du support de coulisseau grâce à un tournevis lors de sa mise en place dans le quadripôle. Le support de coulisseau comporte aussi des alésages 10 permettant le passage des faisceaux lumineux. Les axes de ces alésages sont donc situés dans un plan perpendiculaire au plan P et leur point d'intersection se trouve dans le plan du miroir. Ils délimitent quatre angles droits. Le support de coulisseau comporte aussi deux alésages 11 situés dans l'élément comportant le plan de -5 référence P, c'est-à-dire l'élément 5. Les alésages 11 débouchent dans le plan P et leurs axes sont de préférence situés dans un plan perpendiculaire au plan P et parallèle aux alésages 10. Une rainure

12, transversale au demi-cylindre 6, réunit les deux alésages 11.

L'élément 8 est assemblé à l'élément 5 par deux pieds de centrage que l'on introduit dans les trous 13 de l'embase et 14 de l'élément 8. La fixation définitive des deux éléments est assurée par une vis introduite dans l'embase par le trou 15, ce trou comprenant le trou de passage de la tige filetée et la cavité de logement de la tête de vis, et vissée dans le trou fileté 16 de l'élément 8. Les pieds de centrage permettent d'obtenir des faces sensiblement parallèles pour

la fente 9.

Les éléments 5 et 8 seront avantageusement réalisés en inox amagnétique. Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe de la figure 3. Elles permettent de mieux comprendre la figure 3. La figure 4 correspond

à la coupe BB et la figure 5 à la coupe AA.

Les figures 6 et 7 sont des vues de face et de profil du coulisseau ou support de miroir qui peut être réalisé en inox ou en un autre matériau amagnétique. La figure 7 est une vue selon une coupe HH. Selon un mode préférentiel de réalisation, le coulisseau

a la forme d'un disque percé d'un trou 21 qui est ici une lumière.

Le coulisseau comprend aussi deux méplats 22 et 23 dont l'utilité sera expliquée plus bas. I1 possède un petit trou 24 situé au-dessus de la lumière 21 et trois trous borgnes 25 situés à la périphérie du disque 20. Les axes joignant les centres des trous 25 au centre du disque 20 font entre eux des angles de 120 o. Par construction, les parties du coulisseau o sont formés les trous 25 sont situées dans un même plan. Ces trous sont calibrés et sont destinés à recevoir des

billes.

Le coulisseau représenté aux figures 6 et 7 peut être réalisé en

plusieurs parties pour des facilités de construction.

Les méplats 22 et 23 sont destinés à supporter respectivement une pièce 30 dénommée pièce polaire et un miroir 31. Les figures 8 et 9 reprennent les vues des figures 6 et 7. On y voit en plus comment la pièce polaire 30 et le miroir 31 y sont montés. Le miroir 31 est fixé sur le méplat 23, par exemple par collage. Il peut être constitué par une lame de verre minéral sur laquelle on a déposé, par évaporation sous vide, un oxyde d'accrochage puis une pellicule d'or. De cette façon, un signal incident au miroir est réfléchi à environ 98 %. Pour des utilisations particulières du quadripôle, le miroir peut être semi-réfléchissant. La pièce polaire 30 est collée ou fixée sur le méplat 22. Il est avantageux de la choisir de forme allongée comrhe le montre la figure 8. Elle est percée d'une fenêtre circulaire 32 dont le centre coïncide avec le centre du disque 20 ou

équipée d'une découpe jouant le même rôle.

Le coupleur commutateur d'accès selon l'invention a la forme générale représentée à la figure 10. C'est une vue de dessus en coupe. Pour ne pas compliquer la figure, la coupe du support de coulisseau a été faite en deux parties: d'un côté de la fente 9 selon l'axe AA (voir figure 3) pour représenter les alésages 10 et un chemin optique, de l'autre côté de la fente 9 selon l'axe BB pour

montrer la disposition du circuit magnétique.

Le coupleur comprend un corps 40 qui sert de support à l'ensemble. Ses quatre faces 41 sont usinées de façon à ce que deux faces opposées soient rigoureusement parallèles et deux faces adjacentes rigoureusement perpendiculaires. Le corps 40 est percé d'un trou 42 dont l'axe est bien parallèle aux faces 41 sur lesquelles sont fixées les embases de raccordement telles que 43 à raison d'une embase par face. A chaque embase 43 est associée une lentille 44 de traitement des faisceaux optiques logée dans un alésage 45 du corps 40. La position du support de coulisseau dans le corps est telle que les alésages 10 du support de coulisseau correspondent aux alésages 45 du corps 40. Dans le cas de la figure 10, les lentilles sont des lentilles-barreaux réglables dans le plan perpendiculaire à la figure par des moyens connus. Comme il a été dit plus haut, le support de coulisseau peut être réglé en rotation dans le corps 40 au moyen

d'une lame-tournevis entrainée par un micromanipulateur angulaire.

Dans les alésages 11 du demi-cylindre 6, on a logé des aimants 46 qu'il est avantageux de choisir à très grande énergie magnétique

et à fort champ démagnétisant, par exemple du type au samarium-

cobalt. L'un de ces aimants a été introduit en engageant d'abord son p8le nord et l'autre en engageant d'abord son pâle sud. Une plaque 47 de fermeture de champ a été fixée dans la rainure 12 (voir figures 3 et 4) de façon à canaliser le champ magnétique induit par les

aimants 46. Cette plaque est avantageusement choisie en fer doux.

Sur l'une des faces délimitant la fente 9, on a planté deux

petits tétons 48 qui sont des joncs montés en force dans des trous.

Ces tétons, qui sont places au même niveau et symétriquement par rapport à l'axe du trou 42, sont destinés à limiter la translation du coulisseau. Le coulisseau est monté de la manière suivante. Il est d'abord équipé de son miroir 31, de sa pièce polaire 30 et de ses billes 49. Il est attaché à un câble métallique de faible diamètre (environ 0,1 mm) introduit dans le trou 24 (voir figures 8 et 9). La fixation du câble sur le coulisseau se fait grâce à une boucle et en maintenant les deux brins du câble par une ferrule, le câble pouvant être à un seul brin ou bifilaire. Le coulisseau est engagé dans la fente 9 du côté opposé aux tétons 48 en faisant passer son câble entre les tétons. Il est en contact avec le plan de référence P par les trois billes 49 et le plan défini par leurs contacts et contenant le miroir est strictement parallèle au plan de référence. Lorsque la pièce polaire 30 est au niveau des aimants 46 ou au voisinage, le flux magnétique est rebouclé. De cette façon, le coulisseau est plaqué sur le plan de référence P. La forme donnée à la pièce polaire 30 permet un rebouclage aisé du flux magnétique. Sur la figure 8, on a représenté sous la référence 50 l'emplacement des aimants 46 lorsque la pièce 30 est située à leur niveau. Par sa forme et par la disposition symétrique des aimants 46, la pièce polaire 30 oriente toujours de la même façon le miroir 31 par rapport au point de convergence des faisceaux optiques après chaque commutation. Le coulisseau possède donc tous les degrés de liberté possibles sur le plan de référence P, les orientations nécessaires étant données magnétiquement. La largeur de la fente 9 est telle qu'en aucun cas

les billes de roulement 49 ne puissent sortir de leur logement.

Le fonctionnement du quadripôle est expliqué par les figures 11 et 12 o l'on reconnaît le coulisseau tel que représenté à la figure 9 et placé dans la fente 9 du quadripôle. On a représenté également les moyens électro-magnétiques de commande. Ceux-ci comprennent un corps d'électroaimant 60 comprenant une bobine d'inductance L, un piston 61 en forme de T jouant le r1ôle de noyau pour l'électro-aimant et une pièce 62 à laquelle est fixé le câble 63 attaché lui-même au coulisseau. Le corps 60 est percé d'un trou axial qui permet le déplacement du piston 61 lequel est également

percé sur toute sa longueur pour permettre le passage du câble -63.

Un ressort 64 est placé entre le corps 60 et la branche horizontale du piston 61. Ce ressort permet, lorsque l'électro-aimant n'est pas alimenté, de dégager le piston de son logement sur une longueur déterminée. Les moyens électro-magnétiques sont fixés sur une

partie du corps 40 qui n'est pas représentée.

Dans l'état de fonctionnement représenté à la figure 11, l'électro-aimant est alimenté, ce qui a pour effet d'attirer le piston vers le centre de la bobine et de compresser le ressort 64 qui est prévu pour ne pas résister à cette action. Le coulisseau est alors en position basse et est centré entre les deux aimants 46. La longueur du câble 63 est telle que dans la position correspondant à cet état de fonctionnement il soit détendu et lâche. En effet, on remarque que le piston 61 descend plus bas que la pièce 62. Le miroir 31 est alors dans une position permettant la réflection des rayons incidents. En outre, à cause du circuit magnétique créé par les aimants 46 et de la forme particulière donnée à la pièce polaire 30, le miroir 31 sera toujours exactement dans la même position lorsque l'électro-aimant

sera alimenté.

Dans l'état de fonctionnement représenté à la figure 12, l'électro-aimant n'est plus excité et le ressort 64 repousse le piston 61 puisque la force qu'il exerce sur la pièce de fixation 62 est supérieure à la force d'attraction exercée par les aimants 46 sur la pièce polaire 30. La course du piston 61 est cependant limitée par la présence des tétons 48 qui arrêtent le coulisseau en translation. Il faut remarquer que le coulisseau 20 ayant la forme d'un disque et les tétons 48 étant placés symétriquement par rapport à ce disque, le coulisseau se trouve toujours exactement dans la même position dans cet état de fonctionnement. Dans cette position, la fenêtre 32 de la pièce polaire 30 se trouve à l'intersection des branches A, B, C et D et les seuls chemins optiques possibles sont de A vers D (et

inversement) et de C vers B (et inversement).

On obtient ainsi un fonctionnement monostable du coupleur d'accès. Lors d'une panne de terminal, la bobine de l'électro-aimant n'est pas excitée, ce qui entraîne que les faisceaux optiques transitent directement de A vers D et de C vers B. La panne de terminal ne perturbe pas le transit des informations. Le terminal

étant réparé, un ordre électrique est envoyé à la bobine de l'électro-

aimant de manière à rétablir la communication.

Le temps de commutation d'un tel système est identique à celui des relais électromécaniques conventionnels, mais l'avantage du dispositif selon l'invention est de ne pas présenter de phénomène de rebonds. En effet, le plan contenant les oscillations du miroir à sa mise en place est confondu avec son plan de réflexion. Il suffit donc, pour avoir un fonctionnement satisfaisant, que le miroir soit suffisamment grand vis-à-vis de l'amplitude des oscillations de maniere à ce que la réflexion ne soit interrompue dès la mise en

place du miroir.

On va décrire maintenant comment peut s'effectuer la commande électromagnétique du coulisseau. La figure 13 est un schéma électrique du dispositif de commande possible pour le coupleur d'accès selon l'invention. Il répond en particulier aux exigences de rapidité du déplacement du coulisseau. Le temps de réponse à l'ordre donné devant être très bref (environ 5 ms), il faut fournir une énergie relativement importante pour déplacer le coulisseau sur une distance qui est de l'ordre de 3 mm. Le dispositif de commande représenté à la figure 13 comprend entre une tension continue U et la masse, un interrupteur K, un circuit RC en parallèle et la bobine L de l'électro-aimant. L'interrupteur K est à contact mercure pour éviter les rebonds mécaniques. Les valeurs de la résistance R et de la capacité C sont calculées en fonction de la valeur de l'inductance L et de la résistance de la bobine. Lors de la fermeture de l'interrupteur K, le condensateur C n'étant pas chargé se présente comme un court-circuit et le courant i traversant la bobine n'est limité que par l'impédance de celle-ci. C'est ce que montre la figure 14 qui est un diagramme représentant le courant i dans la bobine L en fonction du temps. On y remarque le pic de courant dû à la fermeture de l'interrupteur K. Ensuite, le

condensateur C se charge et le courant dans la bobine diminue.

Lorsque le condensateur est chargé, le courant i prend une valeur constante, beaucoup plus faible que celle correspondant au pic de courant et qui est fonction des éléments R et L en série. Il est possible d'obtenir le pic de courant au bout d'un temps to correspondant à environ 1 ms, ce qui correspond à une puissance instantanée fournie de 80 W. Le courant de maintien nécessaire pour garder le miroir en position réflexion, est représenté par la partie plane de la courbe. I1 correspond à une puissance de 250 mW. Au temps tl, l'interrupteur est ouvert pour une mise hors service du terminal. Le système de commutation selon l'invention peut être appliqué à d'autres multipôles optiques. Si l'on remplace le miroir par un volet opaque, on obtient une fonction ayant un état "1 travail' ou "1 repos" dans le cas d'un dipôle. L'emploi d'un miroir complètement réfléchissant dans le cas d'un tripôle permet de réaliser la fonction inverseur. On peut également associer n quadripôles montés les uns sur les autres et les commander en même temps par un seul électro-aimant. On peut aussi associer deux commutateurs dont les fonctions sont directement inversées, le miroir étant disposé à la place du trou sur l'un des coulisseaux, et obtenir ainsi des changements d'états simultanés grâce à une seule

commande.

Comme on le voit, le dispositif selon l'invention se prête à de

nombreuses variantes.

I1

Claims (17)

REVENDICATIONS.

1. Commutateur optique entre au moins deux voies (A, B, C, D) du type o le trajet d'un faisceau lumineux peut être modifié par interposition sur ce trajet d'un miroir mobile (31) dont le déplacement est commandé par des moyens électromagnétiques, caractérisé en ce que ces moyens comprennent: un électro-aimant permettant, sous l'effet d'un signal de commande, le déplacement d'un coulisseau (20) supportant le miroir (31), - un circuit magnétique permettant que le déplacement du coulisseau s'effectue, au moins dans la zone de commutation,

parallèlement à un plan de référence (P).

2. Commutateur optique selon la revendication 1, caractérisé

en ce que le commutateur forme un quadripôle.

3. Commutateur optique selon l'une des revendications I ou 2,

caractérisé en ce que le coulisseau (20) est mobile dans une fente (9) d'un support le long d'une des parois de la fente formant plan de

référence (P).

4. Commutateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support de coulisseau comprend également des alésages

(10) pour les voies optiques (A, B, C, D).

5. Commutateur optique selon l'une des revendications 3 ou 4,

caractérisé en ce que le support de coulisseau est formé de deux éléments rendus solidaires (5, 8), la fente (9) résultant de

l'assemblage de ces deux éléments.

6. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le support et le

coulisseau sont réalisés en un matériau amagnétique.

7. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le support de coulisseau

supporte également ledit circuit magnétique.

8. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le circuit magnétique

comprend au moins un aimant (46) logé dans la partie du support de

coulisseau comprenant le plan de référence (P).

9. Commutateur optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend deux aimants (46) et que le bouclage magnétique est assuré, du côté opposé au plan de

référence, par une plaque de fermeture (47).

10. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications I à 9, caractérisé en ce que le coulisseau (20) a la

forme d'un disque percé d'une lumière (21).

11. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le coulisseau (20)

supporte également une pièce polaire (30) percée d'un trou (32) ou

d'une découpe.

12. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications I à 11, caractérisé en ce que le coulisseau se déplace

le long du plan de référence (P) grace à des billes (49) logées dans

des trous borgnes (25) du coulisseau.

13. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications I à 12, caractérisé en ce que le déplacement du

coulisseau est limité par deux tétons (48) plantés dans le support de coulisseau.

14. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications I à 13, caractérisé en ce que le déplacement du

coulisseau (20) sous l'effet des moyens électro-magnétiques est

assuré par l'intermédiaire d'un câble (63) qui lui est attaché.

15. Commutateur optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens électro-magnétiques comprennent: une bobine (L) pourvue d'un noyau (61) susceptible de déplacer, sous l'effet d'un signal de commande, une pièce (62) de

fixation dudit câble (63) dans une première position.

16. Commutateur optique selon la revendication 15, caractérisé en ce que la pièce de fixation (62) est, en l'absence d'un signal de commande, amenée par un ressort (64) dans une seconde position.

17. Commutateur optique selon l'une quelconque des

revendications I à 16, caractérisé en ce que le signal de commande

est constitué par une tension (U) appliquée à la bobine (L) à travers un circuit formé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C) montés en parallèle.