La conception intelligente des microrupteurs permet de trouver un équilibre idéal entre les compromis traditionnels

Par essence, l'ingénierie combine l'art et la technique d'équilibrer les compromis entre des attributs tels que la taille, le poids, la puissance, le coût, les performances et la fabricabilité. C'est le défi auquel sont confrontés les concepteurs de petits composants et de grands systèmes. Un examen approfondi de la reconception d'une gamme de petits interrupteurs pour répondre aux exigences de l'industrie automobile illustre l'accent mis sur l'innovation, ainsi que les subtilités liées à la conception et à la fabrication.

Le dilemme des interrupteurs de fin de course dans l'industrie automobile

Les interrupteurs à contact momentané et à verrouillage sont des dispositifs de base à fonction unique qui semblent exister depuis toujours et qui peuvent paraître simples à concevoir et à fabriquer. Toutefois, le développement d'un interrupteur capable de répondre aux nombreuses exigences électriques et mécaniques, d'être fiable et de pouvoir être fabriqué en grande quantité est étonnamment complexe. Ces interrupteurs doivent répondre à une liste d'exigences concernant la taille, la capacité des contacts, la force d'activation, l'angle d'actionnement, et bien plus encore.

Tels ont été les défis que les concepteurs d'Omron Corp. ont dû relever lors du développement d'un petit interrupteur permettant d'indiquer si une portière de voiture est ouverte ou fermée. Les portières des voitures modernes sont beaucoup plus fines qu'autrefois et dotées de nombreuses autres fonctions. Il était donc essentiel d'avoir un facteur de forme compact.

L'action du bouton-poussoir ne se fait donc que sur quelques millimètres, ce qui garantit que la structure de l'interrupteur empêche l'actionneur d'entrer en contact avec le bouton-poussoir. Dans le cas contraire, le claquement normal de la portière endommagerait l'interrupteur. Les problèmes de fiabilité et la classification IP67 pour la résistance à l'eau et à la poussière en environnements difficiles ajoutent encore à la complexité.

Les types d'interrupteurs requis dans ce cas sont appelés interrupteurs de fin de course à rupture brusque. Ils présentent une course interne restreinte et un fonctionnement sensible, et ils sont disponibles dans différents styles, y compris : piston ou tige ajustable, levier, bras, galet, cône, lame, actionneur rotatif, ressort, pointe de contact ou câble. Les interrupteurs ultra-subminiatures étanches d'aujourd'hui, comme ceux de la gamme D2SW d'Omron (Figure 1), sont les descendants du microrupteur classique développé dans les années 1930 et encore largement utilisé. Leur conception interne et leur fonctionnement diffèrent des interrupteurs marche/arrêt utilisés dans un appareil électroménager ou un instrument de banc d'essai.

Figure 1 : La gamme D2SW est un exemple d'interrupteur de fin de course à rupture brusque classique qui sert aux concepteurs depuis des dizaines d'années. (Source de l'image : Omron Corp.)

L'équipe d'Omron a examiné les configurations d'activation des interrupteurs existantes, telles que l'action horizontale avec un levier, sans levier et avec une came inclinée. Chacune présentait des avantages, mais également des compromis inacceptables liés au décalage angulaire lors de l'appui sur le bouton de l'interrupteur, au volume physique, aux points d'usure à long terme, et plus.

Une nouvelle manière de penser qui montre la voie

Pour relever les défis liés à la conception d'un interrupteur de fin de course plus petit et fiable répondant aux exigences des portières automobiles (et d'autres systèmes), les concepteurs d'Omron ont adopté une approche innovante pour leur gamme D2EW d'interrupteurs normalement ouverts (NO) et normalement fermés (NC) (Figure 2), comme le D2EW-B03H normalement ouvert et le D2EW-B02L complémentaire normalement fermé. Ces interrupteurs compacts et étanches peuvent être actionnés dans plusieurs directions et angles.

Figure 2 : Grâce à une conception innovante, la gamme D2EW d'interrupteurs ultraminiatures étanches peut être utilisée depuis différents angles d'actionnement. (Source de l'image : Omron Corp.)

L'équipe d'Omron s'est rendu compte qu'un bouton triangulaire permettrait un fonctionnement horizontal sans levier encombrant. Elle a ensuite déterminé l'angle optimal d'inclinaison du bouton pour implémenter une forme sur laquelle appuyer en toute sécurité par le haut. Cela permet l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur avec un mouvement de course minimum et sans avoir besoin d'une came horizontale inclinée, synonyme d'espace et de complexité.

La conception de ce bouton permet d'actionner l'interrupteur depuis de nombreux angles sans levier. Le bouton peut ouvrir et fermer les contacts horizontalement avec une course de seulement quelques millimètres (Figure 3 en haut), et peut également être actionné lorsqu'il est enfoncé à la verticale (Figure 3 en bas).

Figure 3 : Le bouton de l'interrupteur D2EW est conçu pour réduire la taille et la course (en haut) et il peut être actionné par le haut, avec un angle et depuis la gauche ou la droite (en bas). (Source de l'image : Omron Corp.)

Conformité aux normes IP67

Sans surprise, cette nouvelle forme de bouton a entraîné de nouveaux problèmes. Le bouton-poussoir en forme de triangle inhabituelle était extrêmement difficile à sceller hermétiquement. Les boutons-poussoirs circulaires traditionnels utilisent un calfeutrage thermique, dans lequel la nervure en résine est inclinée vers le bouton et déborde sur le capuchon en caoutchouc pour le maintenir en place. Cependant, le bouton-poussoir D2EW a un volume environ quatre fois supérieur à celui d'un bouton-poussoir circulaire, ce qui augmente la taille du capuchon en caoutchouc et ne laisse aucun espace pour une membrane en résine.

La solution a été le fruit d'analyses, d'essais et d'erreurs. Les concepteurs ont choisi de sceller le boîtier et le capuchon en caoutchouc par encliquetage, le capuchon étant inséré entre le boîtier et le couvercle avec une pression suffisante pour répondre aux exigences IP67. Cependant, contrairement à un capuchon circulaire, où la pression peut être appliquée uniformément dans toutes les directions, la base ovale de ce capuchon entraînait des variations d'étanchéité. Pour y remédier, l'équipe a imaginé une forme d'axe du bouton qui se rapproche le plus possible d'un cercle. Elle a également ajusté la forme du capuchon en caoutchouc et l'épaisseur du caoutchouc pour compenser les variations de charge. Après plusieurs mois de tâtonnements, l'équipe a trouvé la forme optimale.

Des changements internes ont également été apportés. Les dispositifs D2EW sont dotés d'un bouton-poussoir avec un curseur dans la partie inférieure, qui coulisse latéralement lorsque le bouton est enfoncé. Cela diffère du bouton-poussoir et du curseur traditionnels, qui se déplacent à l'unisson. L'intégration des surfaces de contact dans une seule surface a permis d'obtenir une structure facile à assembler qui peut ouvrir et fermer les points de contact avec le moins de composants possible.

Conclusion

La conception interne et de bouton unique et innovante de la gamme D2EW permet de l'activer par simple pression directe ou sous n'importe quel angle, même si l'actionneur n'a une course que de quelques millimètres. Cette conception en fait un excellent choix pour les portières automobiles plus fines et plus denses d'aujourd'hui, tout en résistant aux claquements de portières et aux conditions difficiles.