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Dokumentenidentifikation EP1425764 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001425764
Titel BISTABILER MAGNETISCHER AKTUATOR
Anmelder Commissariat à l'Energie Atomique, Paris, FR
Erfinder DELAMARE, Jerôme, F-38000 Grenoble, FR;
DIVOUX, Claire, F-38000 GRENOBLE, FR;
GAUD, Pierre, F-38500 Coublevie, FR;
LEPOITEVIN, Frederic, F-50890 Conde-sur-Vire, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60223566
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 29.04.2002
EP-Aktenzeichen 027355239
WO-Anmeldetag 29.04.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/FR02/01487
WO-Veröffentlichungsnummer 2002091402
WO-Veröffentlichungsdatum 14.11.2002
EP-Offenlegungsdatum 09.06.2004
EP date of grant 14.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[fr]
Domaine technique

La présente invention a pour objet un actionneur magnétique bistable et notamment un microactionneur. Elle trouve une application dans la réalisation de microrelais (électriques ou optiques), de microvannes, de micropompes, etc..

Etat de la technique antérieure

Le document WO 97/39468 décrit un actionneur magnétique pouvant prendre la forme illustrée sur la figure 1 annexée. Tel que représenté, cet actionneur comprend un circuit magnétique constitué d'une pièce polaire centrale 12 entourée d'un bobinage conducteur 14 et de deux pièces polaires symétriques 16. Une pièce magnétique mobile 18 est disposée en regard de la pièce polaire centrale 12.

Lorsqu'un courant circule dans le bobinage 14, une force magnétique F agit sur la pièce magnétique mobile 18 et vient plaquer celle-ci sur une pièce conductrice fixe 19. Ce contact ferme un circuit électrique (non représenté).

Un tel actionneur est unidirectionnel en ce sens que la force F exercée sur la pièce mobile ne peut être dirigée que dans un seul sens. Cet actionneur n'est donc pas bistable, mais monostable, la seule position de travail stable étant celle où la pièce mobile 18 est plaquée contre le contact 19.

On connaît cependant des actionneurs magnétiques bistables. L'article de M. Sc. H. Ren et al. intitulé "A Bistable Microfabricated Magnetic Cantilever Microactuator with Permanent Magnet" publié dans les Compte-rendus de la 5ème Conférence Internationale Microsystem Technologies 96, Potsdam, 17-19 Septembre, 1996, pages 799 à 801 décrit un actionneur représenté sur la figure 2 annexée. Cet actionneur comprend un aimant permanent 20 prolongé par deux branches magnétiques 22, 24 entourées chacune d'un bobinage conducteur, respectivement 23, 25. Une poutre flexible 26, en matériau magnétique, complète le circuit magnétique. Celui-ci présente donc deux entrefers définis par l'extrémité de la poutre 26 et chacune des extrémités des branches 22 et 24. Le flux magnétique présent dans chacun de ces entrefers résulte de la somme des flux dus à l'aimant permanent 20 et aux courants circulant éventuellement dans l'un ou l'autre des bobinages 23 et 25.

Les forces magnétiques F1 et F2 appliquées à l'extrémité de la poutre 26 s'exercent soit dans un sens soit dans l'autre selon que l'un ou l'autre des bobinages conducteurs 23, 25 est parcouru par un courant. Un tel actionneur est donc bidirectionnel ou, si l'on veut, bistable.

Cet actionneur bistable présente un inconvénient. En effet, comme la pièce mobile 26 fait intégralement partie du circuit magnétique, son déplacement est limité. Par ailleurs, sa mobilité est réduite car elle résulte d'une flexion d'une pièce magnétique.

La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient.

Exposé de l'invention

L'invention propose un actionneur bistable dans lequel le déplacement de la pièce mobile est augmenté et sa mobilité améliorée. Ce but est atteint par le fait que la pièce mobile est fixée à des moyens flexibles qui ne font plus partie du circuit magnétique.

De façon plus précise, l'invention a pour objet un actionneur magnétique bistable selon la revendication 1 comprenant :

  • une première structure magnétique fixe comprenant un premier bobinage conducteur entourant un premier circuit magnétique ouvert présentant une première extrémité et une seconde extrémité,
  • une seconde structure magnétique fixe comprenant un second bobinage conducteur entourant un second circuit magnétique ouvert présentant une première extrémité et une seconde extrémité, les premières extrémités des premier et second circuits magnétiques étant disposées en regard l'une de l'autre,
  • une pièce magnétique mobile pouvant occuper une première ou une seconde position de travail stable selon que le premier ou le second bobinage conducteur est excité,
  • pour chaque circuit magnétique, la première extrémité et la seconde extrémité ont des faces situées dans des plans perpendiculaires entre eux, et les secondes extrémités des premier et second circuits magnétiques ont des faces disposées dans un même plan ou sont confondues,
caractérisé en ce que :
  • la pièce magnétique mobile est localisée au voisinage de la première extrémité du premier circuit magnétique et de la première extrémité du second circuit magnétique,
  • la pièce magnétique mobile est fixée à des moyens non magnétiques permettant le déplacement de la pièce mobile en direction de la première extrémité du premier circuit magnétique ou en direction de la première extrémité du second circuit magnétique.

D'autres modes de réalisation sont définis dans les revendications 2-8.

Les bobinages conducteurs et les circuits magnétiques peuvent être réalisés selon des techniques empruntées à la microélectronique. L'actionneur est alors un micoactionneur.

Les bobinages peuvent être constitués de nappes de rubans conducteurs déposés dans des caissons gravés. Le circuit magnétique peut être réalisé à l'aide de couches de matériaux magnétiques "doux" ou "durs" ou de matériaux à hystérésis. Les matériaux doux s'aimantent de façon linéaire en fonction du champ magnétique qui leur est appliqué (fer, nickel, fer-nickel, fer-cobalt, fer-silicium, ...). Les matériaux durs ont une aimantation fixe qui ne dépend pas du champ appliqué (ferrite, samarium-cobalt, néodyme-fer-bore, platine-cobalt). Les matériaux à hystérésis ont des propriétés se situant entre celles des matériaux doux et celles des matériaux durs. Ils peuvent s'aimanter et garder une aimantation après que le champ d'excitation a disparu.

Les deux structures magnétiques peuvent prendre diverses formes, et être par exemple symétriques par rapport à un plan ou par rapport à un point.

Quant au déplacement de la pièce mobile, il peut s'agir d'une translation (ou d'une quasi-translation) ou d'une rotation.

Brève description des dessins

  • la figure 1, déjà décrite, illustre un actionneur monostable selon l'état de la technique ;
  • la figure 2, déjà décrite, illustre un actionneur bistable selon l'état de la technique ;
  • la figure 3 illustre un mode particulier de réalisation d'un microactionneur bistable selon l'invention ;
  • les figures 4A à 4I montrent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un microactionneur selon l'invention ;
  • la figure 5 illustre une application à la réalisation d'un microrelais ;
  • la figure 6 illustre un autre mode de réalisation ;
  • la figure 7 illustre encore un autre mode de réalisation à centre de symétrie ;
  • la figure 8 illustre un microactionneur à axe de rotation.

Description de modes particuliers de réalisation

La description qui va suivre se rapporte à un microactionneur mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en modifiant les exemples décrits pour obtenir un actionneur.

Le mode de réalisation illustré sur la figure 3 correspond à un dispositif présentant un plan de symétrie. La première structure magnétique comprend un premier bobinage conducteur 321 entourant un premier circuit magnétique ouvert comprenant une partie circulaire 341 et une partie droite 30 située dans le plan de symétrie. La seconde structure comprend, de la même manière, un second bobinage conducteur 322 entourant un second circuit magnétique ouvert comprenant une partie circulaire 342 et la partie droite 30 déjà citée, qui se trouve donc être commune aux deux structures.

La première structure magnétique possède une première extrémité 351 avec une face perpendiculaire au plan de la figure, et la seconde structure magnétique possède une première extrémité 352 avec une face perpendiculaire au plan de la figure. Ces deux structures possèdent des secondes extrémités qui, dans l'exemple illustré, sont confondues avec l'extrémité 35' de la partie droite 30. La face de cette seconde extrémité est perpendiculaire au plan des faces des premières extrémités.

Il va de soi que les formes circulaires des parties 341 et 342 ne sont que des exemples et que l'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en réalisant des circuits rectangulaires ou autres.

Le dispositif se complète par une pièce magnétique mobile 36 placée entre les premières extrémités 351 et 352 des premier et second circuits magnétiques et les secondes extrémités 35' confondues de ces circuits. Cette pièce 36 est fixée à deux poutres flexibles 38 et 39 non magnétiques, encastrées dans une embase 40. Naturellement, on pourrait n'utiliser qu'une seule poutre ou en utiliser plus de deux.

Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Tel que représenté sur la figure 3, le microactionneur est au repos. Lorsque le bobinage de gauche 321 est parcouru par un courant, le circuit magnétique de gauche 341 est excité et la partie mobile 36 est attirée vers la gauche. Elle vient alors fermer l'entrefer de gauche qu'elle définissait avec le premier circuit magnétique. Lorsque c'est le bobinage de droite 322 qui est parcouru par un courant, c'est le circuit magnétique de droite 342 qui est excité et la partie mobile est attirée vers la droite. Elle vient alors fermer l'entrefer de droite qu'elle définissait avec le second circuit magnétique.

Le microactionneur décrit possède donc bien deux positions de travail stables. Suivant la composition des matériaux des enroulements magnétiques, la partie mobile peut garder l'une ou l'autre de ces positions même si l'alimentation des bobinages est interrompue (cas des matériaux à hystérésis). Mais la partie mobile peut aussi reprendre sa position de repos (cas des matériaux doux). Dans le cas des matériaux à hystérésis, il faudra désaimanter le circuit magnétique en alimentant le bobinage approprié avec un courant de sens correct pour que la partie mobile reprenne sa position initiale.

Les figures 4A à 41 illustrent un procédé de réalisation d'un microactionneur selon la présente invention. On part d'un substrat 50, par exemple en silicium (figure 4A) ; on y grave des caissons qu'on remplit de matériau conducteur pour obtenir une nappe de conducteurs 52 situés sur un premier niveau ; on planarise l'ensemble ; on dépose une couche isolante 54 sur laquelle on forme une couche 56 isolante (par exemple en SiO2) couche dite sacrificielle.

On dépose ensuite (figure 4B) une couche de résine 58. Dans cette couche de résine, on dépose une couche de matériau magnétique (figure 4C) pour former le circuit magnétique 60 et la future partie mobile 62 ; puis on isole les motifs (figure 4D).

On dépose ensuite une nouvelle couche de résine 66 (figure 4E) et on planarise l'ensemble (figure 4F).

On dépose ensuite une couche isolante 70 (figure 4G) et une couche de résine ; on grave dans celle-ci de nouveaux caissons que l'on remplit de matériau conducteur pour obtenir une seconde nappe de conducteurs 74 sur un deuxième niveau. Des connexions non représentées permettent de réunir les deux nappes de conducteurs pour obtenir un bobinage entourant la pièce magnétique.

On planarise l'ensemble (figure 4H) et l'on isole les différents motifs.

On grave ensuite la couche sacrificielle 56 (figure 4I) pour dégager un espace libre 78 et libérer la partie mobile 62.

La figure 5 illustre une application de l'invention à la réalisation d'un microrelais électrique. Ce dispositif comprend les moyens déjà représentés sur la figure 4 et qui portent les mêmes références. Il comprend, en outre, des contacts électriques 80 et 82 disposés sur les faces des premières extrémités 351 et 352 des circuits magnétiques, trois plots de contact 91, 92, 93 et trois pistes 94, 95, 96 reliant les plots aux contacts 80 et 82 et à la base 40. Les secondes extrémités des deux circuits magnétiques, sont, comme dans l'exemple précédent, confondues avec l'extrémité 35' de la partie commune 30.

Lorsque le bobinage de gauche 321 est alimenté, la partie mobile 36 est attirée vers la gauche et vient refermer le circuit électrique 91, 93. Lorsque le bobinage de droite 322 est alimenté, la partie mobile est attirée vers la droite et vient refermer le circuit électrique 92, 93.

Les contacts électriques ne sont que schématisés sur la figure 5. Dans la réalité, les pistes permettent de reporter les plots de contact vers la périphérie du microrelais où peuvent figurer également les contacts permettant de commander l'actionneur.

La figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un microactionneur selon l'invention dans lequel les branches centrales des circuits magnétiques ne sont pas confondues en une seule branche 30, comme sur la figure 3, mais sont constitués de deux branches indépendantes 301, 302 avec des secondes extrémités 35'1 et 35'2 dont les faces sont dans des plans parallèles entre eux et perpendiculaires aux plans des faces des premières extrémités 351 et 352. Les fuites magnétiques sont ainsi réduites.

La figure 7 montre un mode de réalisation où la pièce magnétique mobile 36 est mobile en rotation autour d'un axe 98. Elle peut venir se plaquer soit sous l'extrémité 351 soit sous l'extrémité 352 des deux circuits magnétiques 341 et 342 selon que le courant passe dans l'enroulement 321 ou dans l'enroulement 322.

La figure 8, enfin, illustre un mode de réalisation à symétrie centrale. Autrement dit, les deux structures (301, 321, 341) (302, 322, 342) sont symétriques par rapport à un point qui est le centre du dispositif. La partie mobile 36 peut alors être reliée de manière elle aussi symétrique à deux embases 401, 402, par deux jeux de deux poutres flexibles (381, 391) (382, 392) .


Anspruch[de]
Bistabiler magnetischer Aktuator, umfassend: - eine erste feste magnetische Struktur mit einer ersten leitfähigen Wicklung (321), die einen ersten offenen Magnetkreis (341) mit einem ersten Ende (351) und einem zweiten Ende (35'1, 35'2, 35') umgibt; - eine zweite feste magnetische Struktur mit einer zweiten leitfähigen Wicklung (322), die einen zweiten offenen Magnetkreis (342) mit einem ersten Ende (352) und einem zweiten Ende (35'2) umgibt, wobei die ersten Enden (351, 352) des ersten und des zweiten Magnetkreises sich gegenüberstehen; - ein bewegliches magnetisches Teil (36), das eine erste oder eine zweite stabile Arbeitsposition in Abhängigkeit davon einnehmen kann, ob die erste oder die zweite leitfähige Wicklung (321, 322) erregt wird; - Stirnflächen des ersten Endes und des zweiten Endes jedes Magnetkreises, die sich in zueinander senkrechten Ebenen befinden, wobei die zweiten Enden des ersten und zweiten Magnetkreises in einer selben Ebene befindliche oder zusammenfallende Stirnflächen haben, dadurch gekennzeichnet, dass - das bewegliche magnetische Teil (36) in der Nähe des ersten Endes (351) des ersten Magnetkreises und des ersten Endes (352) des zweiten Magnetkreises lokalisiert ist, - das bewegliche Teil (36) an nichtmagnetischen Einrichtungen (38, 39) befestigt ist, welche die Verschiebung des beweglichen Teils (36) in Richtung des ersten Endes (351) des ersten Magnetkreises und in Richtung des ersten Endes (352) des zweiten Magnetkreises ermöglichen. Aktuator nach Anspruch 1, bei dem die erste (321, 341) und die zweite (322, 342) magnetische Struktur symmetrisch in Bezug auf eine Ebene angeordnet sind. Aktuator nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtungen, an dem das bewegliche Teil befestigt ist, wenigstens einen nichtmagnetischen flexiblen Träger (38, 39) umfassen. Aktuator nach Anspruch 2, bei dem der erste und der zweite Magnetkreis einen in der Symmetrieebene befindlichen gemeinsamen Zweig (30) haben. Aktuator nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite magnetische Struktur symmetrisch in Bezug auf einen Punkt angeordnet sind. Aktuator nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtungen, an denen das bewegliche magnetische Teil (36) befestigt ist, wenigstens zwei symmetrische flexible Träger (381, 391) (382, 392) umfassen. Aktuator nach Anspruch 1, bei dem das bewegliche magnetische Teil (36) um eine Achse (98) drehbar ist. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die leitfähigen Wicklungen (321, 322) und die Magnetkreise (341, 342, 30, 301, 302) aus einem in Schichten abgeschiedenen Material realisiert sind und der Aktuator also ein Mikroaktuator ist.
Anspruch[en]
Bistable magnetic actuator comprising: - a first fixed magnetic structure comprising a first conductor coil (321) surrounding a first open magnetic circuit (341) having a first end (351) and a second end (35'1, 35'2, 35'), - a second fixed magnetic structure comprising a second conductor coil (322) surrounding a second open magnetic circuit (342) having a first end (352) and a second end (35'2), the first ends (351, 352) of the first and second magnetic circuits being arranged opposite one another; - a mobile magnetic part (36) able to occupy a first or a second stable working position, depending upon whether the first or second conductor coil (321, 322) is excited, - for each magnetic circuit, the first end and the second end have faces positioned along planes perpendicular to one another, the second ends of the first and second magnetic circuits have faces arranged along one same plane or which merge, characterized in that: - the mobile magnetic part (36) is located in the vicinity of the first end (351) of the first magnetic circuit and of the first end (352) of the second magnetic circuit, - the mobile magnetic part (36) is fixed to non-magnetic means (38, 39) allowing movement of mobile part (36) in the direction of the first end (351) of the first magnetic circuit or in the direction of the first end (352) of the second magnetic circuit. Actuator according to claim 1, in which the first (321, 341) and second (322, 342) magnetic structures are arranged symmetrically to one another relative to a plane. Actuator according to claim 2, in which the means to which the mobile magnetic part is fixed comprise at least one flexible non-magnetic beam (38, 39). Actuator according to claim 2, in which the first and second magnetic circuits have a magnetic branch in common (30) positioned along the plane of symmetry. Actuator according to claim 1, in which the first and second magnetic structures are arranged symmetrically relative to a point. Actuator according to claim 5, in which the means to which the mobile magnetic part (36) is fixed comprise at least two flexible symmetrical beams (381, 391) (382, 392). Actuator according to claim 1, in which the mobile magnetic part (36) is rotationally mobile about an axis (98). Actuator according to any of claims 1 to 7, in which the conductor coils (321, 322) and the magnetic circuits (341, 342, 30, 301, 302) are made in materials deposited in layers, the actuator then being a microactuator.
Anspruch[fr]
Actionneur magnétique bistable comprenant : - une première structure magnétique fixe comprenant un premier bobinage conducteur (321) entourant un premier circuit magnétique ouvert (341) présentant une première extrémité (351) et une seconde extrémité (35'1, 35'2, 35'), - une seconde structure magnétique fixe comprenant un second bobinage conducteur (322) entourant un second circuit magnétique ouvert (342) présentant une première extrémité (352) et une seconde extrémité (35'2), les premières extrémités (351, 352) des premier et second circuits magnétiques étant disposées en regard l'une de l'autre, - une pièce magnétique mobile (36) pouvant occuper une première ou une seconde position de travail stable selon que le premier ou le second bobinage conducteur (321, 322) est excité, - pour chaque circuit magnétique, la première extrémité et la seconde extrémité ont des faces situées dans des plans perpendiculaires entre eux, les secondes extrémités des premier et second circuits magnétiques ont des faces disposées dans un même plan ou sont confondues, caractérisé en ce que : - la pièce magnétique mobile (36) est localisée au voisinage de la première extrémité (351) du premier circuit magnétique et de la première extrémité (352) du second circuit magnétique, - la pièce magnétique mobile (36) est fixée à des moyens non magnétiques (38, 39) permettant le déplacement de la pièce mobile (36) en direction de la première extrémité (351) du premier circuit magnétique ou en direction de la première extrémité (352) du second circuit magnétique. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel les première (321, 341) et seconde (322, 342) structures magnétiques sont disposées symétriquement l'une de l'autre par rapport à un plan. Actionneur selon la revendication 2, dans lequel les moyens auxquels la pièce magnétique mobile est fixée comprennent au moins une poutre flexible (38, 39) non magnétique. Actionneur selon la revendication 2, dans lequel le premier et le second circuits magnétiques ont en commun une branche magnétique (30) située dans le plan de symétrie. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel les première et seconde structures magnétiques sont disposées symétriquement par rapport à un point. Actionneur selon la revendication 5, dans lequel les moyens auxquels la pièce magnétique mobile (36) est fixée comprennent au moins deux poutres flexibles (381, 391) (382, 392) symétriques. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel la pièce magnétique mobile (36) est mobile en rotation autour d'un axe (98). Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les bobinages conducteurs (321, 322) et les circuits magnétiques (341, 342, 30, 301, 302) sont réalisés en matériaux déposés en couches, l'actionneur étant alors un microactionneur.






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