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EP0869519B1 - Moteur planaire magnétique et micro-actionneur magnétique comportant un tel moteur - Google Patents

Moteur planaire magnétique et micro-actionneur magnétique comportant un tel moteur Download PDF

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Publication number
EP0869519B1
EP0869519B1 EP98400763A EP98400763A EP0869519B1 EP 0869519 B1 EP0869519 B1 EP 0869519B1 EP 98400763 A EP98400763 A EP 98400763A EP 98400763 A EP98400763 A EP 98400763A EP 0869519 B1 EP0869519 B1 EP 0869519B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic
micro
substrate
planar
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98400763A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0869519A1 (fr
Inventor
Enzo Fullin
Raymond Vuilleumier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Colibrys SA
Original Assignee
Colibrys SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Colibrys SA filed Critical Colibrys SA
Publication of EP0869519A1 publication Critical patent/EP0869519A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0869519B1 publication Critical patent/EP0869519B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H01H2050/007—Relays of the polarised type, e.g. the MEMS relay beam having a preferential magnetisation direction

Definitions

  • the present invention relates to a planar motor magnetic as well as a micro-actuator comprising a such engine.
  • the invention finds a particularly application advantageous in the field of actuators, such as example micro-valves, micro-relays, micro-motors and more generally all micro-systems having a movement function.
  • micro-actuators existing work on the principles of electrostatic, piezoelectric or thermal.
  • the field of micro-actuators magnetic remains little exploited. This can be explained by the fact that the technologies for making devices effective magnets are relatively new, especially the control of thick layers with "aspect ratio ", or ratio of height to width, high.
  • the micro-actuators existing relay type are not fully satisfactory, especially the currents necessary for actuation are often relatively high by the fact that the number of turns of the coils that make them up is small.
  • EP 0 573 267A shows a motor according to the preamble of claim 1.
  • a first technical problem to be solved by the object of the present invention is to provide a magnetic planar motor which would increase the magnetic force developed while keeping a reasonable surface.
  • the solution to this first technical problem consists, according to the present invention, in that said motor planar magnetic has a plurality of poles magnetic ferromagnetic material placed at center of planar coils made up of at least one layer of turns formed on the surface of a substrate made of ferromagnetic material, said turns being wound and connected together so that add the magnetic fluxes generated by said magnetic poles.
  • a second technical problem to be solved by the object of the present invention is to provide a micro-actuator magnetic with planar motor magnetic according to the invention, which would have in particular a compact mobile mechanical element in order to reduce the size of the system.
  • said magnetic microactuator also includes a mechanical element with movable contact, comprising a support frame placed on said surface of the substrate magnetic through a spacer, a blade flexible arranged substantially parallel to the surface of said substrate and one end of which is fixed said support frame, a material core ferromagnetic carried by said flexible blade, and a movable contact secured to said ferromagnetic core, located next to a fixed contact fitted on the surface of the substrate of said magnetic planar motor.
  • a mechanical element with movable contact comprising a support frame placed on said surface of the substrate magnetic through a spacer, a blade flexible arranged substantially parallel to the surface of said substrate and one end of which is fixed said support frame, a material core ferromagnetic carried by said flexible blade, and a movable contact secured to said ferromagnetic core, located next to a fixed contact fitted on the surface of the substrate of said magnetic planar motor.
  • the magnetic micro-actuator according to the invention has a number of advantages. On the one hand, it constitutes a miniature and planar device little bulky with the possibility of adding a circuit integrated. On the other hand, the thickness of the spacer allows direct control of the insulation voltage of the micro-actuator acting as a relay. Moreover, the mobile and fixed contacts can be made in thin, integrated layer.
  • said spacer is produced by deposition on the substrate surface of the magnetic planar motor of a conductive material, said support frame being attached to said spacer through conductive protrusions.
  • the embodiment implements the technology so-called "flip-chip” (flip-chip in English), well known in the field of connector technology semiconductor pads, or “chips”.
  • said spacer is made of insulating material and integrated into said support frame, said flexible blade being conductive and electrically connected to the substrate surface of the magnetic planar motor by its end fixed on the support frame.
  • FIG. 1 is shown in side view a motor planar magnetic 100 made up of planar coils 110, 120 each comprising four layers of turns, structured on the surface of a ferromagnetic substrate 130.
  • Each coil 110, 120 has in its center a magnetic pole 111, 121 made of ferromagnetic material such as ferronickel FeNi.
  • This structure is actually a magnetic circuit with air interval.
  • the passage of a current through the coils 110, 120 between an input terminal 141 and an output terminal 142 generates a flow 150 in the magnetic circuit which results in a force of attraction at the air gap.
  • the circuit magnetic consists of two poles 111, 121 surrounded by coils 110, 120 whose turns are wound and connected together so that add the magnetic fluxes generated by said magnetic poles.
  • the coupling of this motor part with an element mobile forms a micro-actuator, for example a valve, relay or levitation motor, etc.
  • a micro-actuator for example a valve, relay or levitation motor, etc.
  • the Figures 2 and 6 show the special case of production of a mechanical element 200 with movable contact for a micro-relay.
  • This structure comprises a support frame 210 which, as shown in Figure 3, is intended to be placed on the surface of the ferromagnetic substrate 130 of the planar motor 100 via a spacer 211.
  • the spacer 211 is produced by depositing on the surface of the substrate 130 a conductive material.
  • the height of the spacer 211 allows to control the air gap between the contact fixed 150 fitted on the surface of the planar motor 100 and a movable contact 220 integral with a core ferromagnetic 230, in FeNi for example, carried by a flexible blade 240 which must be made of a material ferromagnetic, for example nickel.
  • An extremity of said flexible blade 240 is fixed to the support frame 210 and acts as a fixed point for the arm of lever constituted by the blade 240.
  • the support frame 210 is surmounted by a substrate 260, which can be made of silicon when it is intended to accommodate a integrated circuit.
  • the substrate 260 can, depending on the applications, be a transparent (glass) or ferromagnetic material (FeNi or FeSi).
  • ferromagnetic material as a substrate shielding of the two parts of the motor and actuator magnetic device is assured.
  • substrates can serve as connection terminals electric.
  • said support frame 210 is attached to the spacer 211 via protuberances conductive 250 according to the "chip” method inverted “or” flip-chip “.
  • Assembly can be done by welding or gluing techniques, the condition being that this part is electrically conductive so as to make one of the contacts of the micro-relay on the other part.
  • this assembly positioned all around the device allows to isolate the contact of the micro-relay, to create a sealed cavity in which the atmosphere and the pressure are controlled. There is therefore no need to provide a cover, this part integral to the system due to the assembly by protuberances.
  • the electrical contact is done, not through contacts individuals but through the poles magnetic 111 and 121.
  • the connections with the outside are done through ferromagnetic substrates.
  • Figures 4 and 5 show a variant of realization of the mechanical element with movable contact obtained from a thin ferromagnetic substrate on which is structured a spacer 311 made of insulating material as well as the flexible metal blade 340 carrying movable contacts 320.
  • a spacer 311 made of insulating material as well as the flexible metal blade 340 carrying movable contacts 320.
  • the electrical continuity between contacts 150 and 320 of the micro-relay is provided by the fact that the flexible conductive blade 340 is electrically connected to the surface of the substrate 130 of the magnetic planar motor 100 by its fixed end to the support frame 310.
  • relay control can be obtained by current continuous applied to planar coils 110, 120 or by magnetic induction produced by a magnet permanent.
  • the use of permanent magnets, or of a locally magnetizable material by means of a coil can be provided to make the system bistable; that is to say having a stable state in activated position and a stable state in position rest.

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Description

La présente invention concerne un moteur planaire magnétique ainsi qu'un micro-actionneur comportant un tel moteur.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des actionneurs, comme par exemple les micro-vannes, les micro-relais, les micro-moteurs et plus généralement tous les micro-systèmes ayant une fonction de mouvement.
Jusqu'à présent, la plupart des micro-actionneurs existants fonctionnent sur les principes de l'actionnement électrostatique, piézo-électrique ou thermique. Par contre, le domaine des micro-actionneurs magnétiques reste encore peu exploité. Ceci peut être expliqué par le fait que les technologies permettant de réaliser des dispositifs magnétiques efficaces sont relativement récentes, notamment la maítrise des couches épaisses avec "aspect ratio", ou rapport de la hauteur à la largeur, élevé. D'autre part, on peut constater que les micro-actionneurs existants de type relais ne sont pas entièrement satisfaisants, en particulier les courants nécessaires pour l'actionnement sont souvent relativement élevés par le fait que le nombre de spires des bobines qui les constituent est petit. Le document EP 0 573 267A montre un moteur selon le préambule de la revendication 1.
Aussi, un premier problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un moteur planaire magnétique qui permettrait d'augmenter la force magnétique développée tout en gardant une surface raisonnable.
La solution à ce premier problème technique consiste, selon la présente invention, en ce que ledit moteur planaire magnétique comporte une pluralité de pôles magnétiques en matériau ferromagnétique placés au centre de bobines planaires constituées d'au moins une couche de spires réalisées en surface d'un substrat en matériau ferromagnétique, lesdites spires étant bobinées et connectées entre elles de manière à additionner les flux magnétiques générés par lesdits pôles magnétiques.
Ainsi, en augmentant le nombre de pôles, deux par exemple ainsi que le nombre de couches de spires par bobine, on peut augmenter le nombre effectif N de spires du moteur planaire magnétique de l'invention, et par conséquent la force magnétique, proportionnelle à I2(N1 + N2)2, I étant le courant traversant lesdites spires et N1 et N2 désignant le nombre de spires des première et deuxième bobines, tout en conservant une surface acceptable pour le dispositif.
Un deuxième problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un micro-actionneur magnétique comportant un moteur planaire magnétique selon l'invention, qui présenterait notamment un élément mécanique mobile compact afin de réduire la taille du système.
La solution au deuxième problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit micro-actionneur magnétique comprend également un élément mécanique à contact mobile, comportant un cadre-support placé sur ladite surface du substrat magnétique par l'intermédiaire d'un espaceur, une lame flexible disposée sensiblement parallèlement à la surface dudit substrat et dont une extrémité est fixée audit cadre-support, un noyau en matériau ferromagnétique porté par ladite lame flexible, et un contact mobile solidaire dudit noyau ferromagnétique, situé en regard d'un contact fixe aménagé sur la surface du substrat dudit moteur planaire magnétique.
Le micro-actionneur magnétique conforme à l'invention présente un certain nombre d'avantages. D'une part, il constitue un dispositif miniature et planaire peu encombrant avec possibilité d'y adjoindre un circuit intégré. D'autre part, l'épaisseur de l'espaceur permet de contrôler directement la tension d'isolation du micro-actionneur agissant comme relais. De plus, les contacts mobile et fixe peuvent être réalisés en couche mince et intégrée.
Selon un premier mode de réalisation de micro-actionneur magnétique de l'invention, ledit espaceur est réalisé par dépôt à la surface du substrat du moteur planaire magnétique d'un matériau conducteur, ledit cadre-support étant rapporté sur ledit espaceur par l'intermédiaire de protubérances conductrices.
Le mode de réalisation met en oeuvre la technologie dite de la "puce retournée" (flip-chip en anglo-saxon), bien connue dans le domaine de la connectique des pastilles semi-conductrices, ou "puces".
Selon un deuxième mode de réalisation de micro-actionneur magnétique de l'invention, ledit espaceur est en matériau isolant et intégré audit cadre-support, ladite lame flexible étant conductrice et électriquement reliée à la surface du substrat du moteur planaire magnétique par son extrémité fixée sur le cadre-support.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
  • la figure 1 est une vue de côté d'un moteur planaire magnétique conforme à l'invention;
  • la figure 2 est une vue de côté d'un premier mode de réalisation d'un élément mobile d'un micro-actionneur de l'invention;
  • la figure 3 est une vue de côté d'un micro-actionneur comportant l'élément mobile de la figure 2 associé au moteur planaire magnétique de la figure 1;
  • la figure 4 est une vue de côté d'un deuxième mode de réalisation d'un élément mobile d'un micro-actionneur de l'invention;
  • la figure 5 est une vue de côté d'un micro-actionneur comportant l'élément mobile de la figure 4 associé au moteur planaire magnétique de la figure 1;
  • la figure 6 est une vue en perspective d'un élément mobile muni d'une membrane déformable de compensation de surépaisseur.
Sur la figure 1 est représenté en vue de côté un moteur planaire magnétique 100 constitué de bobines planaires 110, 120 comprenant, chacune, quatre couches de spires, structurées en surface d'un substrat ferromagnétique 130. Chaque bobine 110, 120 comporte en son centre un pôle magnétique 111, 121 en un matériau ferromagnétique tel que du ferronickel FeNi.
Cette structure est en fait un circuit magnétique avec intervalle d'air. Le passage d'un courant à travers les bobines 110, 120 entre une borne 141 d'entrée et une borne 142 de sortie génère un flux 150 dans le circuit magnétique qui se traduit par une force d'attraction au niveau de l'intervalle d'air.
Dans le cas particulier de la figure 1, le circuit magnétique est constitué de deux pôles 111, 121 entourés de bobines 110, 120 dont les spires sont bobinées et connectées entre elles de manière à additionner les flux magnétiques générés par lesdits pôles magnétiques.
Le couplage de cette partie moteur avec un élément mobile forme un micro-actionneur, par exemple une vanne, un relais ou un moteur à lévitation, etc. Les figures 2 et 6 montrent le cas particulier de la réalisation d'un élément mécanique 200 à contact mobile pour un micro-relais.
Cette structure comporte un cadre-support 210 qui, comme l'indique la figure 3, est destiné à être placé sur la surface du substrat ferromagnétique 130 du moteur planaire 100 par l'intermédiaire d'un espaceur 211. Dans l'exemple de la figure 3, l'espaceur 211 est réalisé par un dépôt à la surface du substrat 130 d'un matériau conducteur. La hauteur de l'espaceur 211 permet de contrôler l'intervalle d'air entre le contact fixe 150 aménagé sur la surface du moteur planaire 100 et un contact mobile 220 solidaire d'un noyau ferromagnétique 230, en FeNi par exemple, porté par une lame flexible 240 qui doit être en un matériau ferromagnétique, par exemple en nickel. Une extrémité de ladite lame flexible 240 est fixée au cadre-support 210 et joue le rôle de point fixe pour le bras de levier constitué par la lame 240.
On peut voir sur les figures 2 et 3 que le cadre-support 210 est surmonté d'un substrat 260, qui peut être en silicium lorsqu'il est destiné à accueillir un circuit intégré.
Le substrat 260 peut, selon les applications, être en un matériau transparent (verre) ou ferromagnétique (FeNi ou FeSi).
En utilisant un matériau ferromagnétique comme substrat des deux parties moteur et actionneur, un blindage magnétique du dispositif est assuré. En outre, les substrats peuvent servir de bornes de connexion électrique.
Enfin, ledit cadre-support 210 est rapporté sur l'espaceur 211 par l'intermédiaire de protubérances conductrices 250 selon le procédé de la "puce renversée" ou "flip-chip". L'assemblage peut se faire par des techniques de soudure ou de collage, la condition étant que cette partie soit électriquement conductrice de façon à réaliser un des contacts du micro-relais sur l'autre partie. Par ailleurs, cet assemblage positionné tout autour du dispositif permet d'isoler le contact du micro-relais, de créer une cavité étanche dans laquelle l'ambiance et la pression sont contrôlées. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un couvercle, celui-ci faisant partie intégrante du système du fait de l'assemblage par protubérances.
Dans une variante de l'invention, le contact électrique est effectué, non pas à travers des contacts particuliers mais par l'intermédiaire des pôles magnétiques 111 et 121. Dans ce cas, les connexions avec l'extérieur se font par l'intermédiaire des substrats ferromagnétiques.
Les figures 4 et 5 font apparaítre une variante de réalisation de l'élément mécanique à contact mobile obtenu à partir d'un substrat ferromagnétique mince sur lequel on structure un espaceur 311 en matériau isolant ainsi que la lame flexible métallique 340 portant des contacts mobiles 320. Par attaque sélective du dos du substrat selon les lignes en pointillé de la figure 4, on réalise le cadre-support 310 et le noyau ferromagnétique 330. La continuité électrique entre les contacts 150 et 320 du micro-relais est assuré par le fait que la lame flexible 340 conductrice est électriquement reliée à la surface du substrat 130 du moteur planaire magnétique 100 par son extrémité fixe au cadre-support 310.
Revenant par exemple sur le mode de réalisation de la figure 3, on peut constater que, lorsque les deux contacts 150, 220 du micro-relais sont placés en regard et que le relais est fermé, ces deux contacts, en raison de leur épaisseur, vont empêcher le circuit magnétique de se fermer avec un intervalle d'air minimum. C'est pourquoi, afin d'emmagasiner cette surépaisseur, il est prévu, conformément à la figure 6, que le contact mobile 220 de l'élément mécanique 200 soit placé sur une membrane déformable 270 qui peut être réalisée également en nickel. Cette disposition présente deux avantages :
  • une bonne fermeture de contact électrique grâce à un transfert de la force magnétique générée par le circuit magnétique;
  • une bonne efficacité de circuit magnétique par le fait que l'intervalle d'air est maintenu minimum, et par conséquent, la force magnétique générée est maximale.
Diverses variantes du micro-relais de l'invention peuvent être envisagées. Au niveau de l'actionnement, la commande du relais peut être obtenue par un courant continu appliqué aux bobines planaires 110, 120 ou par l'induction magnétique produite par un aimant permanent.
Par ailleurs, l'utilisation d'aimants permanents, ou d'un matériau localement magnétisable au moyen d'une bobine, peut être prévue pour rendre le système bistable ; c'est-à-dire présentant un état stable en position activée et un état stable en position de repos.
Enfin, l'invention telle que décrite, se prête particulièrement bien à la réalisation de matrices de micro-actionneurs magnétiques sur un même substrat.

Claims (10)

  1. Moteur planaire magnétique (100), comprenant une pluralité de pôles magnétiques (111, 121) en matériau ferromagnétique, caractérisé ce que les pôles sont placés au centre de bobines planaires (110, 120) constituées d'au moins une couche de spires réalisées en surface d'un substrat (150) en matériau ferromagnétique, lesdites spires étant bobinées et connectées entre elles de manière à combiner les flux magnétiques générés à travers lesdits pôles magnétiques (111, 121).
  2. Micro-actionneur magnétique comportant un moteur planaire magnétique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un élément mécanique (200; 300) à contact mobile, comportant un cadre-support (210; 310) placé sur ladite surface du substrat ferromagnétique (130) par l'intermédiaire d'un espaceur (211; 311), une lame flexible (240; 340) disposée sensiblement parallèlement à la surface dudit substrat (130) et dont une extrémité est fixée audit cadre-support (210; 310), un noyau (230; 330) en matériau ferromagnétique porté par ladite lame flexible (240; 340), et un contact mobile (220; 320) solidaire dudit noyau ferromagnétique (230; 330), situé en regard d'un contact fixe (150) aménagé sur la surface du substrat (130) dudit moteur planaire magnétique (100).
  3. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cadre-support (210, 310) est surmonté d'un substrat (260).
  4. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux substrats (130, 260) sont en matériau ferromagnétique.
  5. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit espaceur (211) est réalisé par dépôt à la surface du substrat (130) du moteur planaire magnétique (100) d'un matériau conducteur, ledit cadre-support (210) étant rapporté sur ledit espaceur (211) par l'intermédiaire de protubérances conductrices (250).
  6. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pôles magnétiques (111, 121) sont utilisés comme contacts électriques et sont connectés à l'extérieur par l'intermédiaire des substrats ferromagnétiques.
  7. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit espaceur (311) est en matériau isolant et intégré audit cadre-support (310), ladite lame flexible (340) étant conductrice et électriquement reliée à la surface du substrat (130) du moteur planaire magnétique (100) par son extrémité fixée sur le cadre-support (310).
  8. Micro-actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit contact mobile (220) dudit élément mécanique (200) est placé sur une membrane déformable (270).
  9. Micro-actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il est commandé par un courant continu appliqué auxdites bobines planaires (110, 120).
  10. Micro-actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il est commandé par l'induction magnétique produite par un aimant permanent.
EP98400763A 1997-04-01 1998-03-31 Moteur planaire magnétique et micro-actionneur magnétique comportant un tel moteur Expired - Lifetime EP0869519B1 (fr)

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FR9703961A FR2761518B1 (fr) 1997-04-01 1997-04-01 Moteur planaire magnetique et micro-actionneur magnetique comportant un tel moteur

Publications (2)

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EP0869519A1 EP0869519A1 (fr) 1998-10-07
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EP98400763A Expired - Lifetime EP0869519B1 (fr) 1997-04-01 1998-03-31 Moteur planaire magnétique et micro-actionneur magnétique comportant un tel moteur

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EP (1) EP0869519B1 (fr)
DE (1) DE69803893T2 (fr)
FR (1) FR2761518B1 (fr)

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