WO2003001548A1 - Actionneur magnetique a temps de reponse reduit - Google Patents

Actionneur magnetique a temps de reponse reduit Download PDF

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WO2003001548A1
WO2003001548A1 PCT/FR2002/002176 FR0202176W WO03001548A1 WO 2003001548 A1 WO2003001548 A1 WO 2003001548A1 FR 0202176 W FR0202176 W FR 0202176W WO 03001548 A1 WO03001548 A1 WO 03001548A1
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WO
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magnetic
magnetic part
mobile
air gap
flux
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PCT/FR2002/002176
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Claire Divoux
Pierre Gaud
Jérôme Delamare
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • 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
    • H01H50/16—Magnetic circuit arrangements
    • H01H50/36—Stationary parts of magnetic circuit, e.g. yoke
    • H01H50/42—Auxiliary magnetic circuits, e.g. for maintaining armature in, or returning armature to, position of rest, for damping or accelerating movement
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/4902—Electromagnet, transformer or inductor
    • Y10T29/49075—Electromagnet, transformer or inductor including permanent magnet or core

Definitions

  • the present invention relates to magnetic actuators whether they are miniature or of larger size. We speak of micro-actuators when they are miniature. The production of such actuators uses techniques for machining mechanical structures, micromachining or techniques used in microelectronics.
  • actuators are used in particular to produce electrical, optical, power, high frequency relays, switches, but also to produce pumps, valves, motors.
  • switch is meant a device with several contacts which can close separately while the relay has only one or more which close at the same time. These contacts can be in the open or closed position.
  • Electromagnetic relays and switches are widely used in many applications such as transmission or reception telecommunications, optical telecommunications, automatic test equipment, automotive, aeronautics and electronic devices General public.
  • the actuators of known types include a fixed magnetic part 1 and a mobile magnetic part 2 which cooperate.
  • the fixed magnetic part 1 is magnetically connected to the mobile magnetic part.
  • FIG. 1 shows an example of a magnetic actuator of the known type with a single air gap.
  • the fixed magnetic part 1 and the mobile magnetic part 2 form a magnetic circuit 6 closed on itself capable of guiding a magnetic flux.
  • the fixed magnetic part 1 and the mobile magnetic part 2 are stacked one on the other.
  • the magnetic circuit 6 cooperates with means 7 for generating the magnetic flux.
  • the fixed magnetic part and the mobile magnetic part 2 each have a portion 12, 8 respectively, helping to define an air gap 9 so that a force can be exerted on the portion 8 of the mobile part 2 for the move under the effect of the magnetic field.
  • the fixed magnetic part 1 comprises a base or yoke 10 which is extended by a first magnetic stud 11 and by a second magnetic stud 12.
  • the second magnetic pad 12 contributes to delimiting the air gap 9.
  • the yoke 10 is magnetically connected to the mobile magnetic part 2 via the first stud 11. It also has the role of mechanically holding the mobile magnetic part 2 relative to the fixed magnetic part 1.
  • the fixed magnetic part 1 and the magnetic part mobile 2 extend one above the other, in substantially parallel planes when one actuator is in the open position.
  • the magnetic circuit 6 in closed loop comprises, one after the other, in one of the directions of flow of the magnetic flux: the yoke 10, the first magnetic stud 11, the mobile part 2, the air gap 9 and the second magnetic stud 12. Its reference 6 schematizes the path traveled by the magnetic flux during its crossing of the various elements which compose it.
  • the movable magnetic part 2 is in the example of an arm with a support end
  • the free end serves as an electrical contact whether the arm is made of electrically conductive material or whether the arm is equipped with an electrical contact. No electrical contact has been shown.
  • the means 7 for generating the magnetic flux can include one or more coils surrounding one or more parts of the fixed magnetic part 1 and / or of the mobile magnetic part 2 and / or possibly one or more permanent magnets. When an electric current flows in one of the windings a magnetic flux is produced. It is materialized by the closed loop with arrows.
  • a coil 7 has been shown around the first magnetic pad 11.
  • Several coils could be used, they could be around the yoke 10, around the second magnetic pad 12 or even around the magnetic part mobile 2.
  • the magnetic flux available in the air gap 9 corresponds to that which is guided by the magnetic circuit 6 on either side of the air gap 9.
  • the maximum magnetic flux which can be guided by a piece of magnetic material depends on the material magnetic and cross-section of the part.
  • the section of the magnetic circuit 6 can be substantially uniform over its entire length. In this case the mechanical performance of the actuator is poor. Generally, the section of the mobile magnetic part 2 is smaller than that of the fixed magnetic part 5 for mechanical reasons. In fact, it is sought that the stiffness of the movable part 2 is not too great for it to be able to bend easily.
  • One of the ways to reduce the stiffness of the mobile part is to reduce its section. This reduction in the section of the mobile part is to the detriment of the possibility of passage of the magnetic flux in the mobile magnetic part, which results in a reduction in the force at the level of the air gap and increased response time of the mobile part.
  • the main air gap is the one which is delimited by transverse surfaces in the direction of movement of the mobile magnetic part.
  • Figure 2 illustrates a micro relay in top view. This micro-relay is produced in planar form and no longer in stacked form. It has been described in the article: "Fully Batch Fabricated Magnetic Microactuators Using A Two Layer LIGA Process" by B. ROGGE, J. SCHULZ, J. MOHR, A. THOMMES and W. MENZ in TRANDUSCERS '95 - EUROSENSORS IX pages 320 to 323.
  • the mobile magnetic part 2 corresponds to a free end 17 of a mobile arm 5, the other end 13 of which is a fixed support end of the support 3.
  • the arm 5 and the fixed magnetic part 1 are located one next to the other substantially in the same plane, parallel to the plane of the support 3. The movement takes place in the plane of the arm 5 and of the fixed magnetic part 1.
  • the free end 17 ends with a movable electrical contact 16 intended to come against a fixed electrical contact 15 carried by the support 3.
  • the fixed magnetic part 1 in this example comprises a yoke 10 secured to one side of a magnetic stud 12 which contributes to delimiting the main air gap 9 with the movable magnetic part 2.
  • the yoke 10 is secured a magnetic extension 14, in this example in the form of an arm, which comes opposite with the magnetic stud 12.
  • This magnetic stud 12 and the magnetic extension 14 delimit an auxiliary air gap 18.
  • the magnetic circuit 6 then comprises the yoke 10, the first magnetic pad 12, the second air gap 18, the magnetic extension 14 and bypass the air gap 9 and the movable magnetic part 2.
  • the low rigidity of the arm 5 implies a low restoring force which therefore slows down the movement in repulsion of the arm.
  • this relay is of stacked construction.
  • the fixed magnetic part 1 and the mobile magnetic part 2 which cooperate.
  • the movable magnetic part 2 is a portion of a larger movable part 5, but the latter is only sketched in the figures. It lacks its connection to a fixed element which can for example be a support on which the fixed magnetic part 1 would rest. The reason for this absence is that the connection to the fixed element does not play any magnetic role.
  • the fixed magnetic part 1 comprises, in this example, a yoke 10 which is extended, in a central zone, by a central magnetic stud 12 contributing to delimiting with the mobile magnetic part 2 the main air gap 9. It is assumed that the mobile magnetic part 2 corresponds substantially to the hatched part of FIG. 3A and that it takes the form of a plate.
  • the cylinder head 10 is also integral, on either side of the central stud 12, with two magnetic extensions 14 which project towards the mobile magnetic part 2. These extensions 14 end opposite, close to the mobile magnetic part 2, they each contribute to delimiting with the mobile magnetic part 2 an auxiliary air gap 18.
  • the magnetic circuit 6 then comprises, following one another, the yoke 10, one of the extensions 14, the auxiliary air gap 18, the mobile magnetic part 2, the main air gap 9 and the central magnetic stud 12.
  • the extensions 14 allow only better guidance of the magnetic flux in the vicinity of the mobile magnetic part 2. This is the only means of guiding the flux and there is creation of an additional air gap. There is no direct flow guidance means.
  • the magnetic flux which circulates in the magnetic circuit 6 follows two closed loops which meet in the central stud 12. These two loops are symmetrical if the magnetic circuit is symmetrical with respect to a median axis passing through the central stud 12 in the direction of the movement.
  • the mobile magnetic part 2 is electrically conductive, it plays the role of an electrical contact which when it approaches the central stud 12 under the effect of the induced force closes an electrical circuit.
  • This electrical circuit ends with two fixed contacts 15 inserted between the central magnetic pad 12 and the mobile magnetic part 2. These fixed electrical contacts increase the size of the air gap.
  • the magnetic circuit 6 cooperates with means 7 for generating the magnetic flux. They have been represented by a winding surrounding the central magnetic stud 12.
  • the magnetic flux in the main air gap 9 is not optimum, because when one seeks to close the actuator, the magnetic flux being in the cylinder head 10 is well guided towards the extensions 14, but all that flow does not pass through the movable magnetic part 2 towards the main air gap 9, significant flow leaks occur between the extensions 14 and the cylinder head 10, through the central stud 12, without passing through either the magnetic part mobile 2 nor by the main air gap 9.
  • the object of the present invention is to produce an electromagnetic actuator the force of which is applied to the movable part and the speed is increased compared with conventional actuators and which avoids damping of the movable magnetic part.
  • Such an actuator makes it possible to have a large displacement force while retaining a reduced section in the mobile part so that it has mechanical properties compatible with the reduction of the mechanical response time.
  • the present invention provides a magnetic actuator having a closed magnetic circuit, capable of guiding a magnetic flux, this magnetic circuit comprising a fixed magnetic part with a yoke and a movable magnetic part magnetically linked together and moreover, at least a main air gap delimited by at least a portion of the movable magnetic part and by the yoke and in which the magnetic flux closes by establishing itself substantially transversely to the movable magnetic part.
  • the fixed magnetic part further comprises flux recovery means which contribute to delimiting with the mobile magnetic part, an auxiliary air gap in which the magnetic flux is established laterally to the mobile magnetic part, the magnetic flux being contained on both sides.
  • the auxiliary air gap having a dimension in the direction of establishment of the flow which is minimum at the level of at least one zone of the portion contributing to delimit the main air gap.
  • At least a first magnetic stud makes it possible to mechanically and magnetically connect the cylinder head to the mobile magnetic part.
  • At least one second magnetic pad contributes to delimiting the main air gap, this magnetic pad being obtained either from the cylinder head or from the mobile magnetic part.
  • this magnetic pad is made of a hysteresis material.
  • At least one other magnetic pad makes it possible to mechanically and magnetically connect the cylinder head to the flow recovery means.
  • the actuator comprises means for generating the magnetic flux in the closed magnetic circuit, these means for generating the magnetic flux being able to be produced by at least one winding.
  • the mobile magnetic part can generally take the form of at least one arm with one or several non-parallel branches, connected together at the level of the portion contributing to delimit the main air gap.
  • the flow recovery means can generally take the form of at least one arm with one or more branches.
  • the moving magnetic part could take the form of a star with several branches.
  • the flux recovery means have, in the direction of movement of the movable magnetic part, a thickness greater than that presented by the movable magnetic part in the direction of movement, so that the auxiliary air gap is delimited by surfaces which remain opposite during displacement.
  • the main air gap is defined by two opposite surfaces, the first belonging to the portion of the movable magnetic part and the second belonging to the yoke, the first surface is greater than the second surface and protrudes around the second surface.
  • the dimension of the auxiliary air gap, in the direction of establishment of the magnetic flux is almost maximum near the portion contributing to delimiting the main air gap and that it decreases the further we go.
  • the movable magnetic part can comprise at least one through opening, in the direction of a displacement, in the movable magnetic part so as to further reduce the damping.
  • the actuator may be of the stacked type, the cylinder head forming a first level and the assembly formed by the flux recovery means and by the mobile magnetic part a second level.
  • At least one of the levels has an oblong shape which is substantially rounded at its two ends.
  • the two levels overlap.
  • At least one of the levels can have at least one through central opening.
  • the actuator can be substantially symmetrical with respect to a median plane passing through the movable magnetic part substantially perpendicular to the direction of movement.
  • the actuator can be used to close or open an electrical circuit.
  • the portion contributing to delimit the main air gap may include at least one electrical contact intended to contact at least one other electrical contact when the actuator is closed.
  • the mobile magnetic part can end with at least one electrical contact offset with respect to the portion contributing to delimit the main air gap, this electrical contact being intended to contact at least one other electrical contact when the actuator is closed.
  • the electrical contact can be electrically isolated from the movable magnetic part.
  • the mobile magnetic part can be made of an electrically conductive magnetic material.
  • the present invention also relates to a method for producing a magnetic actuator. It includes the following steps:
  • the present invention also relates to a relay comprising a magnetic actuator thus defined.
  • the present invention also relates to a switch comprising at least one magnetic actuator thus defined so as to present several main air gaps.
  • the present invention also relates to a pump comprising a magnetic actuator thus defined, in which the mobile magnetic part is integral with a membrane helping to delimit a cavity for circulating a fluid.
  • Figure 1 shows a longitudinal section of a known magnetic actuator.
  • Figure 2 shows a top view of another known magnetic actuator.
  • Figures 3A and 3B respectively show in longitudinal section and in top view a third known magnetic actuator.
  • FIGS. 4A to 4D respectively show a top view, in longitudinal section along the axis BB, in longitudinal section along the axis CC, in bottom view, a magnetic actuator according to the invention.
  • FIGS. 5A to 5D show a top view of the magnetic actuators according to the invention, equipped with means to avoid damping of the mobile magnetic part during its movement.
  • FIGS. 6A and 6B show respectively in top view and in bottom view, a magnetic actuator according to the invention, with limited leakage flow.
  • FIGS. 7A and 7B show a solid magnetic actuator
  • FIG. 7C a magnetic actuator symmetrical with respect to a median plane of the mobile magnetic part, substantially perpendicular to the direction of movement
  • FIG. 7D a magnetic actuator produced in microtechnologies.
  • FIGS. 8A to 8D show a longitudinal section and top views of a magnetic actuator with high mechanical stability in torsion.
  • FIGS. 9A and 9B show respectively in top view and in longitudinal section, an electrical relay according to the invention.
  • FIGS. 10A to 10C show different variants of the electrical contact of an actuator according to the invention.
  • Figures 11A and 11B are respectively a top view and a sectional view of an electrical switch according to the invention.
  • Figures 12A and 12B are respectively a top view and a sectional view of a pump according to one invention.
  • FIGS. 13A to 13F show different stages of manufacturing an actuator similar to that of FIG. 8A.
  • FIGS. 4A to 4D respectively show a top view, in cross section along the axis BB, in cross section along the axis CC, in bottom view a magnetic actuator according to the invention.
  • Such an actuator can for example be a micro-relay usable in particular in portable telephone devices. It is achievable in microtechnology with stacked layers.
  • the closed magnetic circuit 26, capable of guiding a magnetic flux is shown diagrammatically by the arrows in bold. It comprises a fixed magnetic part 21 and a mobile magnetic part 22 magnetically connected to each other.
  • the fixed magnetic part 21 comprises a substantially flat cylinder head or base 30 which is extended on one side by a first magnetic stud 31 intended to magnetically connect the fixed magnetic part 21 and the mobile magnetic part 22. It is extended on the other side by a second magnetic pad 32 which contributes to delimiting a main air gap 29 between the fixed magnetic part 21 and a portion 28 of the mobile magnetic part 22.
  • the mobile magnetic part 22 is in the form of a substantially planar arm having an end 33 of support integral with the first magnetic stud 31 and ending in a free end.
  • the free end corresponds to the portion 28 which contributes to delimiting the main air gap 29.
  • This portion 28 has a maximum amplitude during a movement of the mobile magnetic part 22.
  • This portion 28 is located opposite of the second stud magnetic 32, the force generated during actuation is applied to this portion.
  • the first magnetic pad 31 also has a role of mechanical anchoring of the mobile magnetic part 22 to the fixed magnetic part 21. This anchoring can be done by embedding or by articulation.
  • the first magnetic pad can be made entirely of magnetic material or only partially.
  • the second magnetic pad 32 which contributes to delimiting the main air gap 29 can have a role of electrical contact in the application of an electrical relay.
  • the second magnetic pad in a hysteresis material, for example it can be produced by an electrolytic deposition of a cobalt alloy. This embodiment makes it possible to obtain a stable state of the actuator.
  • the two magnetic studs 31, 32 are located at the two ends of the yoke 30.
  • the magnetic flux closes by establishing itself transversely to the plane of the mobile magnetic part 22.
  • the fixed magnetic part 21 comprises flux recovery means 40, magnetically connected with the cylinder head 30 which delimit with the mobile magnetic part 22 at least one auxiliary air gap 38 in which the magnetic flux s' establishes laterally to the movable part 22.
  • the magnetic connection between the yoke 30 and the flux recovery means 40 is made by means of the first magnetic stud 31.
  • winding 27 can be produced by one or more windings placed around the closed magnetic circuit 26.
  • One or several permanent magnets can be provided in addition or in place of the windings.
  • the means for generating the magnetic flux are not shown, for the sake of clarity, but they are visible in Figures 5 described later. They can be placed around the cylinder head, magnetic studs, flux recovery means or even the moving magnetic part, if they do not hinder movement.
  • the flow recovery means 40 are shown as an arm with two branches 41, substantially flat with one end
  • the flux recovery means 40 are situated substantially in the same plane as the mobile magnetic part 22.
  • the two branches 41 are joined at the two ends of the arm 40.
  • the two branches delimit a space in which the mobile magnetic part 22 takes place.
  • the mobile magnetic part 22 and the flux recovery means 40 are integral of the same first magnetic pad 31, but several pads could be present.
  • the flux recovery means 40 surround the fixed magnetic part 22 and the lateral auxiliary air gap 38, which they help to define, borders the mobile magnetic part 22 from its built-in bearing end 33 to the portion 28 contributing to delimit the main air gap 29.
  • the flux recovery means 40 cooperate with the mobile magnetic part 22. They recover part of the magnetic flux established in the main air gap 29 which, when the mobile magnetic part 22 is in a saturated state, cannot be guided by it. This may be the case when the main air gap 29 is small, when the relay is being closed for example, in particular for thin film materials deposited by electrolytic means for example, for which the value of the induction at saturation is low.
  • the closed magnetic circuit 26 thus produced comprises a section comprising the flux recovery means 40 and the mobile magnetic part 22 mounted in parallel, this section being in series with another section comprising the first pad. magnetic 31, the yoke 30, the second magnetic pad 32 and the main air gap 29 mounted in series.
  • the flux recovery means 40 make it possible to increase the section of the magnetic circuit in the part corresponding to the mobile magnetic part and therefore to guide a magnetic flux greater than that which could be guided in the absence of the recovery means. These flux recovery means 40 are used before, during and after the movement of the mobile magnetic part 22.
  • the magnetic mobile part 22 a section adapted to the desired mechanical stresses without fear that it will saturate, because saturation is no longer synonymous with reduced force exerted on the portion 28 contributing to delimit the main air gap 29 and long response time. Thanks to the presence of the flux recovery means 40, for a low main air gap 29, the magnetic flux which is established therein can be increased and the force which is also exerted. There is less magnetic flux that cannot be guided due to saturation.
  • the reluctance of the magnetic circuit 26 is reduced by the magnetic elements put in place and the gain in magnetic flux and force are appreciable.
  • the reluctance of a magnetic circuit is the equivalent of the resistance of an electrical circuit.
  • the distance between the mobile magnetic part 22 and the flux recovery means 40 characterizes the auxiliary air gap 38. It can be substantially constant as shown in FIG. 4A. However, it is preferable to adjust it to adjust the flow passage and optimize the force exerted on the portion at maximum amplitude 28 and avoid damping. It is preferable that the dimension D1 of the auxiliary air gap 38, in the direction of establishment of the magnetic flux, is minimum at the level of at least one zone of the portion 28 contributing to delimiting the main air gap.
  • the flux recovery means 40 and the movable magnetic part 22 have the same dimension in the direction of movement, during actuation, there is an offset between them, this offset may lead to the surfaces delimiting the auxiliary air gap 38 are no longer opposite.
  • the mobile magnetic part 22 then undergoes a Lorentz force which opposes its displacement and which can disturb the operation of the actuator.
  • the flux recovery means 40 have, in the direction of movement, a thickness El greater than that E2 of the movable magnetic part 22 so that the surfaces delimiting the auxiliary air gap 38 remain opposite.
  • the main air gap 29 is delimited by the portion 28 of the movable magnetic part 22 which has a surface SI and by the second magnetic pad 32 of the yoke 30 which has a surface S2 opposite the surface SI.
  • the surface S1 is larger than the surface S2 and that it protrudes around the surface S2.
  • the surface S1 exceeds the surface S2 by a distance PI.
  • the magnetic flux contained in the recovery means 40 then more readily passes into the portion 28 of the mobile magnetic part 22 than into the second pad 32.
  • FIG. 5A and 5B are two variants, in top view, of a magnetic actuator according to the invention. These figures are comparable to FIG. 4A as regards the overall shape of the mobile magnetic part 22 and of the magnetic flux recovery means 40.
  • FIG. 5A shows the means for generating the magnetic flux 27 in the form of one or more coils 27.1 to 27.3.
  • windings 27.1 associated with the pads 31, 32 are spiral windings. This type of winding, compatible with micro-technologies, is easy to perform.
  • the windings 27.2, 27.3 around the arm and the branches have been shown of the solenoid type.
  • One or more windings 27.4 of the latter type for example, can be associated with the cylinder head 30 as illustrated in FIG. 6B.
  • These means 42.1 may consist in providing along the mobile magnetic part 22 one or more first zones Z1 at which the magnetic flux recovery means 40 are more distant than in one or more second zones Z2.
  • the auxiliary air gap 38 has a dimension in the direction of establishment of the magnetic flux which is minimum at the level of at least one zone of the portion 28 contributing to delimiting the main air gap 29. It is therefore greater in at least one zone outside said portion 28.
  • the mobile magnetic part 22 is an arm which ends in the portion 28, the latter being enlarged relative to the width of the arm.
  • the distance D2 between the flux recovery means 40 and the movable magnetic part 22 is almost maximum near the portion 28 and it decreases the further we go.
  • the distance D1 is minimal as we have seen previously.
  • the minimum dimension D1 exists all around the portion 28.
  • auxiliary air gap If the size of the auxiliary air gap is substantially constant, air may remain trapped at the movable magnetic part 22, which dampens its movement.
  • These means for promoting escape can also consist in providing the mobile magnetic part 22 with through openings 42.2 in the direction of movement. This configuration is illustrated in FIG. 5B in combination with the adjustment of the distance between the mobile magnetic part 22 and the flux recovery means 40. There are a series of openings 42.2 along the arm from the end of support 33 towards the portion 28 and two series of openings along the portion 28.
  • Figures 5C and 5D show two other configurations of the auxiliary air gap 38, they are derived from Figures 5A and 5B. It can be seen that the mobile magnetic part 22 risks moving laterally in the plane of the auxiliary air gap 38 to come into contact with the flux recovery means 40, due to mechanical instability due to magnetic forces existing between the mobile magnetic part 22 and the flux recovery means 40. The mobile magnetic part 22 may come to block against the flow recovery means 40. This generates a malfunction and wear of the actuator.
  • FIGS. 5 it is assumed that the first magnetic pad 31 and the second magnetic pad 32 come from the mobile magnetic part 22 instead of being from the fixed magnetic part 21.
  • the flux recovery means 40 are always connected magnetically and mechanically to the yoke 30 by the first magnetic pad 31.
  • the second magnetic pad 32 then forms part of the portion 28 of the movable magnetic part 22.
  • the main air gap is delimited by the second magnetic pad 32 and by the portion of the cylinder head which is opposite with this second magnetic stud.
  • FIGS. 6A and 6B are top and bottom views respectively of an actuator according to the invention.
  • the cylinder head 30 exceeds the whole mobile magnetic part 22-flux recovery means 40 over a large part of its periphery. It is also possible to provide at least one through opening on at least one of the levels to reduce the facing surfaces. In the example, the cylinder head 30 is provided with a large opening 43 which is substantially central. This configuration is not limiting, others are possible.
  • relay was produced by conventional technologies for assembling and machining mechanical structures as opposed to micro-technologies. Such a relatively massive relay is particularly suitable for high powers.
  • This relay is shown in top view in Figure 7A and in section in Figure 7B.
  • the means for generating the magnetic flux 27 are produced by a coil arranged around the second pad 32.
  • the movable magnetic part 22 is an arm with a support end 33 connected to the first pad 31 and a free end forming the portion 28 which comes in opposite the second pad 32 to delimit the main air gap 29.
  • the flow recovery means 40 are produced by a solid arm mechanically and magnetically connected by one of its ends 35 to the cylinder head 30 by means of a third stud 34. Like the other two studs, this third stud 34 is a protrusion relative to the cylinder head 30. It could be envisaged that this third stud 34 comes from the flow recovery means 40 instead of being part of the cylinder head.
  • the other end 36 of the arm is not magnetically connected, it comes close to the mobile magnetic part 22 and contributes with the latter to delimit the auxiliary air gap 38.
  • the mobile magnetic part and the means flow recovery were directed substantially in the same direction while in this configuration their directions are substantially perpendicular. Their magnetic connection points with the cylinder head are distinct.
  • the mobile magnetic part 22 and the second magnetic pad 32 are electrically conductive and form part of an electrical circuit which is open when the actuator is open and which is closed when the actuator is closed .
  • the actuator according to the invention can be symmetrical with respect to a median plane P passing through the mobile magnetic part 22 substantially perpendicular to the direction of movement (materialized by a double-pointed arrow). It is thus possible to produce a switch.
  • FIG. 7C illustrates this configuration.
  • the mobile magnetic part 22 is now connected by its support end 33 to a cylinder head with two branches 30.1, 30.2 substantially parallel and this connection is made by two first studs 31.1, 31.2 in the extension of one another. It is the same for the flow recovery means 40. They are each magnetically connected to a branch 30.1, 30.2 of the cylinder head 30 via two third studs which are not visible in FIG. 7C but which are in the extension one on the other.
  • the portion 28 of the mobile magnetic part 22 is the seat of a force which is exerted in one direction or in the other, so as to move the mobile magnetic part 22 towards one of the second pads 32.1 or towards the other 32.2.
  • the means for generating the magnetic flux have been shown in the form of two coils 27.1, 27.1, one 27.1 allowing the flux to settle in one 28.1 of the main air gaps and the other 27.2 allowing the flux of s' establish in the other main air gap 28.2.
  • the windings 27.1, 27.2 each encircle one of the second pads 32.1, 32.2.
  • FIG. 7D illustrates a relay having substantially the same structure but produced in micro- technology.
  • a substrate 70 for example made of silicon.
  • An opening 71 is etched in the substrate to make the means for generating the magnetic flux 27 in the form of a spiral winding. It is filled with conductive material.
  • An electrically insulating layer 72 is deposited on one of the faces of the substrate 70 at the level of the spiral winding. At least one pair of holes 73 are drilled through the substrate 70, they are filled with conductive material to make two electrical contacts 75 intended to be electrically connected when the magnetic actuator is closed.
  • the yoke 30 connected to the studs 31, 32, 34 is also deposited on the face carrying the insulating layer 72.
  • a sacrificial layer for example made of silicon oxide, is deposited, it is etched at level of the magnetic connection pads 31, 34.
  • a resin is deposited photolithographed through a mask and developed to create a box in which the moving magnetic part 22 and the flux recovery means 40 will be deposited.
  • the sacrificial layer is then released under the movable magnetic part to give it freedom of movement.
  • the sacrificial layer is not shown in FIG. 7D but its location is between the substrate 70 and the mobile magnetic part 22. The latter hides the flux recovery means.
  • the mobile magnetic part 22 extends beyond the main air gap 29 to come opposite the two electrical contacts 75 carried by the substrate 70. When the actuator is closed, the two electrical contacts 75 are electrically connected via the free end of the mobile magnetic part 22. It is assumed that in this example, the mobile magnetic part or at least its free end is made of electrically conductive magnetic material. We will now describe another variant of a magnetic actuator according to the invention, the latter having great mechanical stability in torsion. Reference is made to FIGS. 8A to 8C.
  • a support 80 which can be glass, ceramic or silicon for example.
  • FIG. 8B it is provided with a first single stud 31 which provides both its magnetic connection with the mobile magnetic part 22 and with the flux recovery means 40 and with a second stud 32 which contributes to delimit the main air gap 29.
  • FIG. 8C it is provided with a pair of first studs 31.1, 31.2 which ensures both its magnetic connection with the movable magnetic part 22 and with the flux recovery means 40 and a second stud 32 which contributes to delimit the main air gap 29.
  • the auxiliary air gap has a dimension in the direction of flow establishment which is minimal at the level of at least one zone of the portion contributing to delimit the main air gap.
  • the movable magnetic part 22 is always in the form of a substantially planar arm but instead of being massive the arm consists of two branches 22.1, 22.2 not parallel. On one side the branches 22.1, 22.2 are magnetically and mechanically connected either to the first single stud 31, or to one of the studs 31.1, 31.2 of the pair and on the other they come together to form the portion 28 which contributes to delimit the main air gap 29.
  • the flow recovery means 40 are in the form of a substantially planar arm which is housed between the two branches 22.1, 22.2 of the mobile magnetic part 22 substantially in the same plane.
  • the branches 22.1, 22.2 are substantially symmetrical with respect to a longitudinal axis of the arm of the flow recovery means 40.
  • This arm is magnetically and mechanically connected on one side, either to the first single stud 31, or to the pair of first studs 31.1, 31.2, and on the other side is free. It approaches the portion 28. It defines with the mobile magnetic part 22 the auxiliary air gap 38.
  • the means 27 for generating the flux take the form of one or more coils. In FIG. 8B, a single winding 27 has been shown around the first single stud 31 while in FIG. 8C a winding 27.1, 27.2 has been shown around each of the studs 31.1, 31.2 of the pair. We could have added a winding around the second pad 32.
  • an actuator in microtechnology similar to that of FIG. 8A can be done as follows with reference to FIGS. 13A to 13F.
  • the cylinder head 30 On the substrate 80, the cylinder head 30 will be produced. A layer of resin is deposited, then a lithography step is carried out. An enclosure 130 is etched in the substrate 80 or in a layer deposited on the substrate. A conductive sub-layer 131 is deposited at the bottom of the enclosure 130 (FIG. 13A). The cylinder head 30 is deposited electrolytically. The deposit is then planarized so as to keep the cylinder head 30 only "in the box 130 (FIG. 13B).
  • a dielectric layer 81 is then deposited, for example made of silicon oxide, and at least one box 132 is etched therein to delimit the means 27 for generating the flux in the form of a coil with their electrical control pads.
  • This engraving is preceded by a lithography step. It does not reach the cylinder head 30.
  • the conductive tracks of the windings 27, for example made of copper, are deposited by electrolysis, this step is preceded by the deposition of a conductive sub-layer and is followed by a planarization step (figure 13C).
  • a planarization step (figure 13C).
  • Boxes 133 intended to delimit the magnetic pads 31, 32 are etched in the two dielectric layers 81, 82. This etching is preceded by a lithography step.
  • the caissons 133 reach the cylinder head 30.
  • the magnetic pads 31, 32 are deposited by electrolysis, this step is preceded by the deposition of a conductive sub-layer and is followed by a planarization step (FIG. 13D).
  • a sacrificial layer 83 is deposited, for example made of silicon oxide, and it is etched to release the first magnetic pad 31 and ensure separation between the mobile magnetic part and the fixed magnetic part with the flux recovery means which will be deposited. ( Figure 13E).
  • a layer of magnetic material is then deposited to make the fixed magnetic part with the flux recovery means 40 and the mobile magnetic part 22 and by a lithography and etching step they are delimited.
  • the sacrificial layer 83 is removed, for example by etching chemical, under the mobile magnetic part 22 to release it ( Figure 13F).
  • the electrical control pads of the windings 27 are exposed (not shown).
  • the actuator can be covered with a protective cover (not shown).
  • FIG. 9A a top view is seen of an electrical relay comparable to that of FIG. 4A.
  • the cylinder head 30 is supported by a substrate 90.
  • the flow recovery means 40 are visible, they take the form of an arm with two branches.
  • the movable magnetic part 22 projects beyond the second magnetic pad 32 and its end ends in a movable electrical contact 91 offset relative to the main air gap 29.
  • the substrate 90 on which the yoke 30 rests comprises a discontinuous conductive track 92 .
  • the discontinuity 93 is at the level of the movable electrical contact 91.
  • the movable electrical contact 91 comes into contact with the conductive track 92 on each side of the discontinuity 93 so as to restore continuity. It is assumed that, on each side of the discontinuity 93, the track 92 has a contact zone 94 made of a material different from that of the track. This material can be gold for example, to improve the quality of the contact.
  • the conductive track 92 can be a simple conductive line or a microstrip line for example. It is this latter configuration which is represented.
  • the portion 28 on which the force and the mobile electrical contact 91 are applied have been offset with respect to each other along the mobile magnetic part 22, but they remain in the same plan. They can be achieved by the same technological step. It is thus possible to keep the main air gap 29 as small as possible, compared to the case where the distance between the electrical contacts is included in the main air gap, when the actuator is in the open state and a distance between the movable electrical contact. 91 and runway 92 as large as possible.
  • the movable electrical contact 91 can be placed anywhere on the movable magnetic part and is dimensioned independently of the dimensions of the latter. There is space to adjust the level of the track 91 on the substrate 90. This is an advantageous construction for increasing the closing force of the relay. We can consider making the electrical contact at the main air gap 29. This is the variant illustrated in FIGS. 10A, 10B, 10C.
  • a movable electrical contact 97 is fixed to the movable magnetic part 22 at the level of the seat portion 28 of the force generated by the magnetic flux.
  • This mobile electrical contact 97 is electrically isolated from the mobile magnetic part 22 by an insulating layer 95.
  • This insulating layer 95 can be removed if the mobile magnetic part 22 is electrically conductive and this property is used.
  • the mobile magnetic part 22 can be electrically isolated from the rest of the magnetic actuator. It can thus serve itself for the transmission of an electrical signal, the movable electrical contact closing an electrical circuit integrating the movable magnetic part.
  • the electrical contact is made by the magnetic material itself as illustrated in FIGS. 11.
  • a discontinuous conductive track 96 is shown opposite the movable contact 97. It is found between the second magnetic pad 32 and the movable contact 97. In this configuration, contact areas have not been shown on the track to improve the quality of the contact.
  • the main air gap 29 is increased the more electrically conductive or insulating layers are added between the mobile magnetic part 22 and the second magnetic pad 32, while the spacing between the electrical contacts is substantially constant. Despite the increase in the air gap, the method for making the actuator can be simpler.
  • the actuator can function as a switch
  • the mobile magnetic part 22 is equipped with two mobile electrical contacts 97.1, 97.2. These contacts are placed substantially symmetrically with respect to a median plane of the movable magnetic part 22 substantially perpendicular to the direction of movement. They are each intended to close an electrical circuit, shown schematically by a contact area 96.1, 96.2, these circuits being arranged on either side of the movable magnetic part 22.
  • the movable magnetic part 22 moves in one direction or in the opposite direction and one of the movable electrical contacts 97.1 or 97.2 closes one of the electrical circuits.
  • the fixed contact area 96.1 is located between the second magnetic pad 32 and the movable electrical contact 97.1.
  • the insulating layer between the movable magnetic part 22 and the movable electrical contacts 97.1, 97.2 is omitted.
  • the anchor of the part moving magnetic 22 it is also possible to place the anchor of the part moving magnetic 22 in its central part instead of placing it at one of its ends.
  • Figures 11A and 11B illustrate this variant.
  • the mobile magnetic part 22 is in a pendulum with two free ends 37.1, 37.2. It comprises two portions 28.1, 28.2 which each contribute to delimiting a main air gap 29.1, 29.2 and these portions are located on the side of its two free ends 37.1, 37.2.
  • the cylinder head 30 is now provided with a first central magnetic anchoring stud 31 and with a pair of second studs 32.1, 32.2 which each contribute to delimit one of the main air gaps 29.1, 29.2. It is made of an electrically conductive magnetic material. It is assumed that in this example the first central magnetic pad 31 also serves to magnetically connect the flux recovery means 40 to the cylinder head 30.
  • the flux recovery means 40 are comparable to those shown in Figures 6.
  • the means for generating the magnetic flux 27 take the form of a pair of coils 27.1, 27.2, each of them surrounding one of the second pads. References 100.1 and 100.2 represent the electrical terminals for supplying the windings.
  • the terminals 100.1 are electrically connected directly to one end of the conductor of a winding 27.1, 27.2 while the terminals 100.2 are connected via a conductor 100.3 and via one of the second magnetic pads 32.1, 32.2 to the other end of the conductor of a winding 27.1, 27.2.
  • the windings 27.1, 27.2 are electrically isolated from the yoke 30 by a dielectric layer 101 which also extends between the first magnetic pad 31 and the yoke.
  • the mobile magnetic part 22 has at its free ends 37.1, 37.2 a zone 28.1, 28.2 on which the force is exerted upon actuation of the switch. This zone 28.1, 28.2 is located opposite each of the second studs 32.1,
  • the two free ends 37.1, 37.2 end in an electrical contact area 102.1,
  • FIGS. 12A, 12B now illustrate an actuator according to the invention in a pump application and more particularly a micro-pump.
  • the mobile magnetic part 22 formed of several branches 22.1, 22.2, 22.3 in a star.
  • the center 28 of the star contributes to delimiting the main air gap 29. It can take the form of a magnetic stud bearing the same reference 28.
  • the ends of the branches 22.1, 22.2, 22.3 are support ends magnetically connected and mechanically to the single cylinder head 30.
  • the cylinder head may for example be in the form of a disc.
  • the cylinder head has a series of first studs 31.1, 31.2, 31.3 to connect it to the mobile magnetic part 22.
  • It also has a second central stud 32 which contributes to delimiting the main air gap 29 and a series of third studs 34.1 , 34.2, 34.3 to connect it magnetically and mechanically to the flow recovery means 40.1, 40.2, 40.3.
  • These flux recovery means contribute to delimiting an auxiliary air gap 38.1, 38.2, 38.3 with the mobile magnetic part 22. They occupy the space between two contiguous branches while remaining spaced from the branches.
  • first pads and the third pads are joined in their upper part so as to form a peripheral ring to the cylinder head 30 on which a membrane 120 is fixed.
  • This membrane 120 is also integral with the part mobile magnetic 22 and pad 28 but not flow recovery means 40.
  • This membrane moves at the rate of movement of the mobile magnetic part 22. It is used to activate the circulation of a fluid. It can have a compression, suction or ejection effect on the fluid. It is carried out in a material compatible with the fluid to be pumped or is protected by a surface treatment.
  • the membrane 120 contributes to delimiting on one side with the cylinder head 30 a first cavity 121.
  • the auxiliary air gaps 38.1, 38.2, 38.3 can serve as orifices contributing to the circulation of the fluid, for its ejection or from its suction in an actuating cavity 122 between the other side of the membrane 120 and the flow recovery means 40.
  • At least one other orifice 44 also contributing to the circulation of the fluid could pass through the crown and lead into the actuating cavity 122.
  • a valve system (not shown) would be used so that the fluid can circulate properly.
  • the means for generating the magnetic flux are represented in the form of coils 27 encircling the first magnetic pads 31.1, 31.2, 31.3 and the second magnetic pad 32.
  • a sealing layer 123 coats the coils 27 between the yoke 30 and the magnetic pads 31.1, 31.2, 31.3, 32, 34.1, 34.2, 34.3 so as to isolate them from the cavity 121.
  • the fluid could be in a reservoir included in the pump and there would be at least one orifice to eject it.

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Abstract

Actionneur magnétique possédant un circuit magnétique fermé (26) apte à guider un flux magnétique. Le circuit magnétique (26) comporte une partie magnétique fixe (30, 31, 32) avec une culasse (30) et une partie mobile (22) reliées magnétiquement entre elles et de plus au moins un entrefer principal (29) délimité par au moins une portion (28) de la partie mobile (22) et par la culasse (30). Dans l'entrefer principal (29) le flux se referme en s'établissant sensiblement transversalement à la partie mobile (22). La partie fixe (30, 31, 32) comporte des moyens de récupération de flux (40) qui contribuent à délimiter avec la partie mobile (22) un entrefer auxiliaire (38) dans lequel le flux s'établit latéralement à la partie mobile (22). Le flux est contenu de part et d'autre de l'entrefer principal (29) d'un côté par la culasse (30) et de l'autre conjointement par la partie mobile (22) et par les moyens de récupération de flux (40) via la portion (28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29). L'entrefer auxiliaire (38) possède une dimension dans le sens d'établissement du flux magnétique qui est minimale au niveau d'au moins une zone de la portion (28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29).

Description

ACTIONNEUR MAGNETIQUE A TEMPS DE REPONSE REDUIT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative à des actionneurs magnétiques qu'ils soient miniatures ou de taille plus conséquente. On parle de micro-actionneurs lorsqu'ils sont miniatures. La réalisation de tels actionneurs fait appel à des techniques d'usinage de structures mécaniques, de micro-usinage ou des techniques employées en micro-électronique.
Ces actionneurs sont utilisés notamment pour réaliser des relais électriques, optiques, de puissance, à haute fréquence, des commutateurs, mais également pour réaliser des pompes, des vannes, des moteurs. Par commutateur, on entend un dispositif avec plusieurs contacts qui peuvent se fermer séparément alors que le relais n'en possède qu'un ou plusieurs qui se ferment en même temps. Ces contacts peuvent être en position ouverte ou fermée.
Les relais électromagnétiques et les commutateurs, miniaturisés ou non, sont largement employés dans de nombreuses applications telles que les télécommunications en émission ou en réception, dans les télécommunications optiques, dans des équipements de tests automatiques, en automobile, en aéronautique et dans les appareils électroniques grand public.
Les pompes, vannes, moteurs peuvent être utilisés dans de larges domaines d'application et notamment la microbiologie, la médecine, l'optique etc. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les actionneurs de types connus comprennent une partie magnétique fixe 1 et une partie magnétique mobile 2 qui coopèrent. La partie magnétique fixe 1 est reliée magnétiquement à la partie magnétique mobile.
On se réfère à la figure 1 qui montre un exemple d' actionneur magnétique de type connu à un seul entrefer.
La partie magnétique fixe 1 et la partie magnétique mobile 2 forment un circuit magnétique 6 fermé sur lui-même apte à guider un flux magnétique. La partie magnétique fixe 1 et la partie magnétique mobile 2 sont empilées l'une sur l'autre. Le circuit magnétique 6 coopère avec des moyens 7 pour générer le flux magnétique. La partie magnétique fixe et la partie magnétique mobile 2 comportent chacune une portion 12, 8 respectivement, contribuant à délimiter un entrefer 9 de manière à ce qu'une force puisse s'exercer au niveau de la portion 8 de la partie mobile 2 pour la déplacer sous l'effet du champ magnétique.
Dans l'entrefer 9 le flux magnétique s'établit transversalement à la portion 8. Dans cet exemple, la partie magnétique fixe 1 comprend une base ou culasse 10 qui se prolonge par un premier plot magnétique 11 et par un second plot magnétique 12. Le second plot magnétique 12 contribue à délimiter l'entrefer 9.
La culasse 10 est reliée magnétiquement à la partie magnétique mobile 2 via le premier plot 11. II a aussi un rôle de maintien mécanique de la partie magnétique mobile 2 par rapport à la partie magnétique fixe 1. La partie magnétique fixe 1 et la partie magnétique mobile 2 s'étendent l'une au-dessus de l'autre, dans des plans sensiblement parallèles lorsque 1' actionneur est en position ouverte. Le circuit magnétique 6 en boucle fermée comporte à la suite les uns des autres, dans un des sens de circulation du flux magnétique : la culasse 10, le premier plot magnétique 11, la partie mobile 2, l'entrefer 9 et le second plot magnétique 12. Sa référence 6 schématise le chemin parcouru par le flux magnétique lors de sa traversée des différents éléments qui le composent .
La partie magnétique mobile 2 est dans l'exemple en forme de bras avec une extrémité d'appui
13 reliée au premier plot magnétique 11 et une autre extrémité libre qui correspond dans l'exemple à la portion 8 contribuant à délimiter l'entrefer 9.
Dans les relais électriques, l'extrémité libre sert de contact électrique que le bras soit réalisé en matériau conducteur électrique ou que le bras soit équipé d'un contact électrique. Aucun contact électrique n'a été représenté.
Les moyens 7 pour générer le flux magnétique peuvent inclure un ou plusieurs bobinages entourant une ou plusieurs pièces de la partie magnétique fixe 1 et/ou de la partie magnétique mobile 2 et/ou éventuellement un ou plusieurs aimants permanents. Quand un courant électrique circule dans un des bobinages un flux magnétique est produit. Il est matérialisé par la boucle fermée dotée de flèches.
Dans l'exemple de la figure 1, un bobinage 7 a été représenté autour du premier plot magnétique 11. Plusieurs bobinages pourraient être utilisés, ils pourraient être autour de la culasse 10, autour du second plot magnétique 12 ou même autour de la partie magnétique mobile 2.
Dans un tel circuit magnétique 6, il faut trouver un compromis entre les sections transversales au flux de ses différentes parties : celle de la partie magnétique mobile 2, celle de la partie magnétique fixe
I et celle de l'entrefer 9.
On cherche à obtenir une valeur d'induction importante au niveau de l'entrefer 9 de manière à ce que la force qui va s'exercer sur la partie magnétique mobile 2, au niveau de la portion 8, soit importante.
II faut pour cela que le flux magnétique disponible dans l'entrefer 9 soit important. Le flux magnétique disponible dans l'entrefer 9 correspond à celui qui est guidé par le circuit magnétique 6 de part et d'autre de l'entrefer 9. Le flux magnétique maximum qui peut être guidé par une pièce en matériau magnétique est fonction du matériau magnétique et de la section de la pièce.
En état non saturé du matériau magnétique, plus la section est grande plus les pertes magnétiques sont faibles et en état saturé du matériau magnétique, tout le flux magnétique généré ne peut être contenu et l'excédant de flux magnétique correspond aux pertes, il ne peut être guidé par le matériau magnétique et il contribue que très faiblement à la force.
La section du circuit magnétique 6 peut être sensiblement homogène sur toute sa longueur. Dans ce cas les performances mécaniques de l' actionneur sont médiocres . Généralement, la section de la partie magnétique mobile 2 est inférieure à celle de la partie magnétique fixe 5 pour des raisons mécaniques. En effet on cherche à ce que la raideur de la partie mobile 2 ne soit pas trop importante pour qu'elle puisse se courber aisément. Une des façons de réduire la raideur de la partie mobile est de réduire sa section. Cette réduction de la section de la partie mobile se fait au détriment de la possibilité de passage du flux magnétique dans la partie magnétique mobile, ce qui entraîne une diminution de la force au niveau de l'entrefer et un temps de réponse accru de la partie mobile .
Il existe d'autres types d' actionneurs magnétiques dans lesquels il y a plusieurs entrefers. Dans ces types d' actionneur, on va appeler entrefer principal celui qui est délimité par des surfaces transversales au sens du mouvement de la partie magnétique mobile. Il y a dans ces configurations au moins un autre entrefer qui sera qualifié d'auxiliaire.
La figure 2 illustre un micro-relais en vue de dessus. Ce micro-relais est réalisé sous forme planaire et non plus sous forme empilée. Il a été décrit dans l'article : « Fully Batch Fabricated Magnetic Microactuators Using A Two Layer LIGA Process » par B. ROGGE,J. SCHULZ, J. MOHR, A. THOMMES et W. MENZ dans TRANDUSCERS' 95 - EUROSENSORS IX pages 320 à 323.
Il comporte maintenant sur un support commun 3 la partie magnétique fixe 1 et la partie magnétique mobile 2. La partie magnétique mobile 2 correspond à une extrémité libre 17 d'un bras mobile 5 dont l'autre extrémité 13 est une extrémité d'appui solidaire du support 3. Le bras 5 et la partie magnétique fixe 1 sont situés l'un à côté de l'autre sensiblement dans un même plan, parallèle au plan du support 3. Le mouvement se fait dans le plan du bras 5 et de la partie magnétique fixe 1.
L'extrémité libre 17 se termine par un contact électrique mobile 16 destiné à venir contre un contact électrique fixe 15 porté par le support 3.
La partie magnétique fixe 1 comporte dans cet exemple une culasse 10 solidaire d'un côté d'un plot magnétique 12 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 9 avec la partie magnétique mobile 2. De l'autre côté, la culasse 10 est solidaire d'une extension magnétique 14, dans cet exemple en forme de bras, qui vient en regard avec le plot magnétique 12. Ce plot magnétique 12 et l'extension magnétique 14 délimitent un entrefer auxiliaire 18. Le circuit magnétique 6 comporte alors la culasse 10, le premier plot magnétique 12, le second entrefer 18, l'extension magnétique 14 et en dérivation l'entrefer 9 et la partie magnétique mobile 2. La faible rigidité du bras 5 implique une force de rappel faible qui ralentit donc le mouvement en répulsion du bras .
On comprend bien que le fonctionnement de ce micro-relais n'est pas optimum, la force qui s'exerce sur la partie mobile est très limitée. Comme précédemment, le circuit magnétique 6 coopère avec des moyens 7 pour générer le flux magnétique. Ils ont été représentés par un bobinage autour de la culasse 10 et un autre autour de son extension 14. On connaît également par la demande de brevet O-97/39468 un relais électrique tel que représenté sur les figures 3A et 3B. Ces deux figures ne sont pas à la même échelle.
Au lieu d'être de construction planaire, ce relais est de construction empilée. On retrouve la partie magnétique fixe 1 et la partie magnétique mobile 2 qui coopèrent. La partie magnétique mobile 2 est une portion d'une partie mobile 5 plus grande, mais cette dernière n'est qu'ébauchée sur les figures. Il manque sa liaison à un élément fixe qui peut être par exemple un support sur lequel reposerait la partie magnétique fixe 1. La raison de cette absence est que la liaison à l'élément fixe ne joue aucun rôle magnétique.
La partie magnétique fixe 1 comporte, dans cet exemple, une culasse 10 qui se prolonge, dans une zone centrale, par un plot magnétique 12 central contribuant a délimiter avec la partie magnétique mobile 2 l'entrefer principal 9. On suppose que la partie magnétique mobile 2 correspond sensiblement à la partie hachurée de la figure 3A et qu'elle prend la forme d'une plaque. La culasse 10 est aussi solidaire, de part et d'autre du plot central 12, de deux extensions magnétiques 14 qui se projettent vers la partie magnétique mobile 2. Ces extensions 14 se terminent en vis à vis, à proximité de la partie magnétique mobile 2, elles contribuent chacune à délimiter avec la partie magnétique mobile 2 un entrefer auxiliaire 18.
Le circuit magnétique 6 comporte alors, a la suite les uns des autres, la culasse 10, l'une des extensions 14, l'entrefer auxiliaire 18, la partie magnétique mobile 2, l'entrefer principal 9 et le plot magnétique 12 central. Les extensions 14 permettent seulement un meilleur guidage du flux magnétique au voisinage de la partie magnétique mobile 2. C'est le seul moyen de guidage du flux et il y a création d'un entrefer supplémentaire. Il n'y a pas de moyen direct de guidage de flux.
Le flux magnétique qui circule dans le circuit magnétique 6 suit deux boucles fermées qui se rejoignent dans le plot central 12. Ces deux boucles sont symétriques si le circuit magnétique est symétrique par rapport à un axe médian passant par le plot central 12 dans la direction du mouvement.
Dans cet exemple, la partie magnétique mobile 2 est conductrice de l'électricité, elle joue le rôle d'un contact électrique qui lorsqu'il se rapproche du plot central 12 sous l'effet de la force induite vient fermer un circuit électrique. Ce circuit électrique se termine par deux contacts fixes 15 insérés entre le plot magnétique central 12 et la partie magnétique mobile 2. Ces contacts électriques fixes augmentent la dimension de l'entrefer.
Comme précédemment, le circuit magnétique 6 coopère avec des moyens 7 pour générer le flux magnétique. Ils ont été représentés par un bobinage entourant le plot magnétique central 12.
Dans cette configuration, le flux magnétique dans l'entrefer principal 9 n'est pas optimum, car lorsqu'on cherche à fermer 1 ' actionneur, le flux magnétique se trouvant dans la culasse 10 est bien guidé vers les extensions 14, mais tout ce flux ne passe pas au travers de la partie magnétique mobile 2 vers l'entrefer principal 9, il se produit des fuites importantes de flux entre les extensions 14 et la culasse 10, à travers le plot central 12, sans passer ni par la partie magnétique mobile 2 ni par l'entrefer principal 9.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de réaliser un actionneur électromagnétique dont la force s' appliquant sur la partie mobile et la rapidité sont augmentées par rapport aux actionneurs conventionnels et qui évite un amortissement de la partie magnétique mobile. Un tel actionneur permet de disposer d'une force de déplacement importante tout en conservant à la partie mobile une section réduite de manière à ce qu'elle possède des propriétés mécaniques compatibles avec la réduction du temps de réponse mécanique.
Pour y parvenir, la présente invention propose un actionneur magnétique possédant un circuit magnétique fermé, apte à guider un flux magnétique, ce circuit magnétique comportant une partie magnétique fixe avec une culasse et une partie magnétique mobile reliées magnétiquement entre elles et de plus, au moins un entrefer principal délimité par au moins une portion de la partie magnétique mobile et par la culasse et dans lequel le flux magnétique se referme en s' établissant sensiblement transversalement à la partie magnétique mobile. La partie magnétique fixe comporte de plus des moyens de récupération de flux qui contribuent à délimiter avec la partie magnétique mobile, un entrefer auxiliaire dans lequel le flux magnétique s'établit latéralement à la partie magnétique mobile, le flux magnétique étant contenu de part et d'autre de l'entrefer principal d'un côté par la culasse et de l'autre conjointement par la partie magnétique mobile et par les moyens de récupération de flux via la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal, l'entrefer auxiliaire possédant une dimension dans le sens d'établissement du flux qui est minimale au niveau d'au moins une zone de la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal.
Au moins un premier plot magnétique permet de relier mécaniquement et magnétiquement la culasse à la partie magnétique mobile.
Au moins un second plot magnétique contribue à délimiter l'entrefer principal, ce plot magnétique étant issu soit de la culasse, soit de la partie magnétique mobile. Avantageusement ce plot magnétique est réalisé dans un matériau à hystérésis.
Au moins un autre plot magnétique permet de relier mécaniquement et magnétiquement la culasse aux moyens de récupération de flux. L' actionneur comporte des moyens pour générer le flux magnétique dans le circuit magnétique fermé, ces moyens pour générer le flux magnétique pouvant être réalisés par au moins un bobinage.
Pour éviter des déplacements latéraux non souhaités de la partie magnétique mobile, elle peut prendre globalement la forme d'au moins un bras à une ou plusieurs branches non parallèles, reliées entre elles au niveau de la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal.
Les moyens de récupération de flux peuvent prendre globalement la forme d'au moins un bras à une ou plusieurs branches.
La partie magnétique mobile pourrait prendre la forme d'une étoile avec plusieurs branches.
Pour éviter l'apparition de forces parasites sur la portion qui contribue à délimiter l'entrefer principal, il est préférable que les moyens de récupération de flux présentent, dans la direction d'un déplacement de la partie magnétique mobile, une épaisseur supérieure à celle présentée par la partie magnétique mobile dans la direction du déplacement, de manière à ce que l'entrefer auxiliaire soit délimité par des surfaces qui restent en vis à vis lors du déplacement .
Pour limiter le flux de fuite directe entre les moyens de récupération de flux et les autres parties fixes du circuit magnétique fermé, il est préférable que, sachant que l'entrefer principal est défini par deux surfaces en vis à vis, la première appartenant à la portion de la partie magnétique mobile et la seconde appartenant à la culasse, la première surface soit supérieurs à la seconde surface et dépasse autour de la seconde surface.
Pour que l'amortissement soit évité efficacement, il est possible que la dimension de l'entrefer auxiliaire, dans le sens d'établissement du flux magnétique, soit quasiment maximale à proximité de la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal et qu'elle décroisse plus on s'en éloigne.
La partie magnétique mobile peut comporter au moins une ouverture traversante, dans le sens d'un déplacement, dans la partie magnétique mobile de manière à réduire encore l'amortissement.
L' actionneur peut être de type empilé, la culasse formant un premier niveau et l'ensemble formé par les moyens de récupération de flux et par la partie magnétique mobile un second niveau.
Pour limiter les fuites de flux, il est préférable qu'au moins un des niveaux ait une forme oblongue sensiblement arrondie à ses deux extrémités. Dans le même but, il est préférable que les deux niveaux se chevauchent . Au moins un des niveaux peut comporter au moins une ouverture centrale traversante .
L' actionneur peut être sensiblement symétrique par rapport à un plan médian passant par la partie magnétique mobile sensiblement perpendiculairement à la direction du mouvement.
L' actionneur peut servir pour fermer ou ouvrir un circuit électrique. La portion contribuant à délimiter l'entrefer principal peut comporter au moins un contact électrique destiné à contacter au moins un autre contact électrique lorsque l' actionneur est fermé .
Selon un autre mode de réalisation, la partie magnétique mobile peut se terminer par au moins un contact électrique décalé par rapport à la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal, ce contact électrique étant destiné à contacter au moins un autre contact électrique lorsque l' actionneur est fermé .
Le contact électrique peut être isolé électriquement de la partie magnétique mobile.
La partie magnétique mobile peut être en matériau magnétique conducteur de l'électricité. La présente invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un actionneur magnétique. Il comporte les étapes suivantes :
- gravure dans un substrat d'un caisson à remplir d'un matériau magnétique pour réaliser une culasse d'une partie magnétique fixe,
- dépôt d'une première couche diélectrique sur le substrat avec la culasse, gravure d'au moins un caisson pour délimiter des moyens de génération d'un flux magnétique, et dépôt desdits moyens,
- dépôt d'une seconde couche diélectrique sur la première couche,
- gravure de caissons à travers les deux couches atteignant la culasse pour délimiter au moins un premier plot magnétique et au moins un second plot magnétique, le second plot contribuant à délimiter au moins un entrefer principal, dépôt des premier et second plots magnétiques dans les caissons,
- dépôt d'une couche sacrificielle sur la seconde couche diélectrique et gravure de la couche sacrificielle pour dégager le premier plot magnétique et assurer une séparation entre une partie magnétique mobile et des moyens de récupération de flux de la partie magnétique fixe déposés ultérieurement, dépôt sur la couche sacrificielle de matériau magnétique pour réaliser la partie magnétique mobile et les moyens de récupération de flux, puis gravure du matériau magnétique pour les délimiter, élimination de la couche sacrificielle sous la partie magnétique mobile pour la libérer et réaliser l'entrefer principal.
La présente invention concerne aussi un relais comportant un actionneur magnétique ainsi défini .
La présente invention concerne aussi un commutateur comportant au moins un actionneur magnétique ainsi défini de manière à présenter plusieurs entrefers principaux.
La présente invention concerne aussi une pompe comportant un actionneur magnétique ainsi défini, dans lequel la partie magnétique mobile est solidaire d'une membrane contribuant à délimiter une cavité pour faire circuler un fluide.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures jointes.
La figure 1 (déjà décrite) représente une coupe longitudinale d'un actionneur magnétique connu.
La figure 2 (déjà décrite) représente une vue de dessus d'un autre actionneur magnétique connu. Les figures 3A et 3B (déjà décrites) montrent respectivement en coupe longitudinale et en vue de dessus un troisième actionneur magnétique connu.
Les figures 4A à 4D montrent respectivement en vue de dessus, en coupe longitudinale selon l'axe BB, en coupe longitudinale selon l'axe CC, en vue de dessous, un actionneur magnétique selon l'invention.
Les figures 5A à 5D montrent en vue de dessus des actionneurs magnétiques selon l'invention, équipés de moyens pour éviter un amortissement de la partie magnétique mobile lors de son déplacement.
Les figures 6A et 6B montrent respectivement en vue de dessus et en vue de dessous, un actionneur magnétique selon l'invention, à flux de fuite limité.
Les figures 7A et 7B montrent un actionneur magnétique massif, la figure 7C un actionneur magnétique symétrique par rapport à un plan médian de la partie magnétique mobile, sensiblement perpendiculaire à la direction du mouvement et la figure 7D un actionneur magnétique réalisé en microtechnologies .
Les figures 8A à 8D montrent une coupe longitudinale et des vues de dessus d'un actionneur magnétique à grande stabilité mécanique en torsion.
Les figures 9A et 9B montrent respectivement en vue de dessus et en coupe longitudinale, un relais électrique selon l'invention. Les figures 10A à 10C montrent différentes variantes du contact électrique d'un actionneur selon 1' invention.
Les figures 11A et 11B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'un commutateur électrique selon l'invention.
Les figures 12A et 12B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'une pompe selon 1' invention.
Les figures 13A à 13F représentent différentes étapes de fabrication d'un actionneur similaire à celui de la figure 8A. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 4A à 4D montrent respectivement en vue de dessus, en coupe transversale le long de l'axe BB, en coupe transversale le long de l'axe CC, en vue de dessous un actionneur magnétique selon l'invention. Un tel actionneur peut par exemple être un micro-relais utilisable notamment dans des appareils téléphoniques portables. Il est réalisable en microtechnologie avec des couches empilées. Dans cette configuration le circuit magnétique fermé 26, apte à guider un flux magnétique, est schématisé par les flèches en gras. Il comporte une partie magnétique fixe 21 et une partie magnétique mobile 22 reliées magnétiquement entre elles. La partie magnétique fixe 21 comporte une culasse ou base 30 sensiblement plane qui se prolonge d'un côté par un premier plot magnétique 31 destiné à relier magnétiquement la partie magnétique fixe 21 et la partie magnétique mobile 22. Elle se prolonge de l'autre côté par un second plot magnétique 32 qui contribue à délimiter un entrefer principal 29 entre la partie magnétique fixe 21 et une portion 28 de la partie magnétique mobile 22. Elle comporte de plus des moyens de récupération de flux 40 qui seront détaillés par la suite.
La partie magnétique mobile 22 est en forme de bras sensiblement plan ayant une extrémité 33 d'appui solidaire du premier plot magnétique 31 et se terminant par une extrémité libre. Dans cet exemple l'extrémité libre correspond à la portion 28 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29. Cette portion 28 possède une amplitude maximale lors d'un déplacement de la partie magnétique mobile 22. Cette portion 28 se trouve en vis à vis du second plot magnétique 32, c'est sur cette portion que s'applique la force générée lors de l' actionnement .
Le premier plot magnétique 31 a également un rôle d'ancrage mécanique de la partie magnétique mobile 22 à la partie magnétique fixe 21. Cet ancrage peut se faire par encastrement ou par articulation. Le premier plot magnétique peut être réalisé en totalité en matériau magnétique ou seulement en partie.
Le second plot magnétique 32 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29 peut avoir un rôle de contact électrique dans l'application d'un relais électrique.
Il est possible de réaliser le second plot magnétique dans un matériau à hystérésis par exemple il peut être réalisé par un dépôt electrolytique d'un alliage de cobalt. Ce mode réalisation permet d'obtenir un état stable de l' actionneur.
Les deux plots magnétiques 31, 32 se trouvent aux deux extrémités de la culasse 30. Dans l'entrefer principal 29 le flux magnétique se referme en s' établissant transversalement au plan de la partie magnétique mobile 22.
Selon une caractéristique de l'invention, la partie magnétique fixe 21 comporte des moyens de récupération de flux 40, reliés magnétiquement avec la culasse 30 qui délimitent avec la partie magnétique mobile 22 au moins un entrefer auxiliaire 38 latéral dans lequel le flux magnétique s'établit latéralement à la partie mobile 22. Dans cet exemple, la liaison magnétique entre la culasse 30 et les moyens de récupération de flux 40 se fait par l'intermédiaire du premier plot magnétique 31.
Les moyens pour générer le flux magnétique
27 peuvent être réalisés par un ou plusieurs bobinages placés autour du circuit magnétique 26 fermé. Un ou plusieurs aimants permanents peuvent être prévus en supplément ou à la place des bobinages.
Sur les figures 4, les moyens pour générer le flux magnétique ne sont pas représentés, dans un souci de clarté, mais ils sont visibles sur les figures 5 décrites ultérieurement. Ils peuvent se placer autour de la culasse, des plots magnétiques, des moyens de récupération de flux ou même de la partie magnétique mobile, s'ils ne gênent pas le mouvement. Dans l'exemple des figures 4, les moyens de récupération de flux 40 sont représentés tel un bras à deux branches 41, sensiblement plat avec une extrémité
40.1 non reliée magnétiquement et une extrémité d'appui
40.2 reliée magnétiquement et mécaniquement à la culasse 30 via le premier plot magnétique 31. Les moyens de récupération de flux 40 sont situés sensiblement dans le même plan que la partie magnétique mobile 22.
Les deux branches 41 sont jointives aux deux extrémités du bras 40. Les deux branches délimitent un espace dans lequel prend place la partie magnétique mobile 22. En fait dans cet exemple, la partie magnétique mobile 22 et les moyens de récupération de flux 40 sont solidaires du même premier plot magnétique 31, mais plusieurs plots pourraient être présents. Les moyens de récupération de flux 40 entourent la partie magnétique fixe 22 et l'entrefer auxiliaire latéral 38, qu'ils contribuent à délimiter, borde la partie magnétique mobile 22 depuis son extrémité d'appui encastrée 33 jusqu'à la portion 28 contribuant à délimiter l'entrefer principal 29.
Les moyens de récupération de flux 40 coopèrent avec la partie magnétique mobile 22. Ils récupèrent une partie du flux magnétique établie dans l'entrefer principal 29 qui, lorsque la partie magnétique mobile 22 est dans un état saturé, ne peut être guidée par cette dernière. Cela peut être le cas lorsque l'entrefer principal 29 est faible, lorsque le relais est en train d'être fermé par exemple, notamment pour des matériaux en couche mince déposés par voie electrolytique par exemple, pour lesquels la valeur de l'induction à saturation est faible.
Sur les figures 4 la circulation du flux magnétique a été représentée. Le flux magnétique qui s'établit dans l'entrefer auxiliaire 38 est dirigé sensiblement transversalement à celui qui s'établit dans l'entrefer principal 29 et donc sensiblement transversalement au mouvement .
En faisant une analogie avec un circuit électrique, le circuit magnétique 26 fermé ainsi réalisé comporte un tronçon comprenant les moyens de récupération de flux 40 et la partie magnétique mobile 22 montés en parallèle, ce tronçon étant en série avec un autre tronçon comprenant le premier plot magnétique 31, la culasse 30, le second plot magnétique 32 et l'entrefer principal 29 montés en série.
Les moyens de récupération de flux 40 permettent d'augmenter la section du circuit magnétique dans la partie correspondant à la partie magnétique mobile et donc de guider un flux magnétique plus important que celui qui pourrait être guidé en l'absence des moyens de récupération. Ces moyens de récupération de flux 40 sont utilisés avant, pendant et après le mouvement de la partie magnétique mobile 22.
Il est alors possible de donner à la partie mobile magnétique 22 une section adaptée aux contraintes mécaniques souhaitées sans craindre qu'elle ne sature, car la saturation n'est plus synonyme de force réduite s 'exerçant sur la portion 28 contribuant à délimiter l'entrefer principal 29 et de temps de réponse long. Grâce à la présence des moyens de récupération de flux 40, pour un faible entrefer principal 29, le flux magnétique qui s'y établit peut être accru et la force qui s'exerce également. Il y a moins de flux magnétique qui ne peut être guidé à cause de la saturation.
Pour un entrefer principal plus grand, la réluctance du circuit magnétique 26 est diminuée par les éléments magnétiques mis en place et le gain de flux magnétique et de force sont appréciables. On rappelle que la réluctance d'un circuit magnétique est l'équivalent de la résistance d'un circuit électrique.
Dans tous les cas, le gain de force magnétique entraîne une diminution du temps de commutation mécanique.
L' éloignement entre la partie magnétique mobile 22 et les moyens de récupération de flux 40 caractérise l'entrefer auxiliaire 38. Il peut être sensiblement constant comme le montre la figure 4A. Toutefois, il est préférable de l'ajuster pour régler le passage du flux et optimiser la force s 'exerçant sur la portion à amplitude maximale 28 et éviter l'amortissement. Il est préférable que la dimension Dl de l'entrefer auxiliaire 38, dans la direction d'établissement du flux magnétique, soit minimale au niveau d'au moins une zone de la portion 28 contribuant à délimiter l'entrefer principal.
Toujours dans le but d'optimiser la valeur de la force qui s'exerce sur la partie magnétique mobile 22, il est préférable de limiter l'apparition de forces parasites entre les moyens de récupération de flux 40 et la partie magnétique mobile 22.
Lors de l'établissement d'un flux magnétique dans deux éléments magnétiques, des forces liées aux effets réluctants tendent à aligner les deux éléments magnétiques dans la direction de l'induction magnétique. Si les moyens de récupération de flux 40 et la partie magnétique mobile 22 ont la même dimension dans le sens du mouvement, lors de l' actionnement, il se produit un décalage entre eux, ce décalage peut conduire à ce que les surfaces délimitant l'entrefer auxiliaire 38 ne soient plus en vis à vis. La partie magnétique mobile 22 subit alors une force de Lorentz qui s'oppose à son déplacement et qui peut perturber le fonctionnement de 1 ' actionneur. Pour éviter ce phénomène, il est préférable que les moyens de récupération de flux 40 présentent, dans la direction du mouvement, une épaisseur El supérieure à celle E2 de la partie magnétique mobile 22 de manière à ce que les surfaces délimitant l'entrefer auxiliaire 38 restent en vis à vis.
Il est aussi préférable de limiter le flux de fuite directe entre les moyens de récupération de flux 40 et les autres parties fixes du circuit magnétique fermé 26, notamment le second plot magnétique 32.
L'entrefer principal 29 est délimité par la portion 28 de la partie magnétique mobile 22 qui présente une surface SI et par le second plot magnétique 32 de la culasse 30 qui présente une surface S2 en vis à vis de la surface SI. Pour limiter le flux de fuite, il est possible que la surface SI soit plus grande que la surface S2 et qu'elle dépasse autour de la surface S2. La surface SI dépasse d'une distance PI la surface S2. Le flux magnétique contenu dans les moyens de récupération 40 passe alors plus volontiers dans la portion 28 de la partie magnétique mobile 22 que dans le second plot 32.
On s'intéresse maintenant aux figures 5A et 5B qui sont deux variantes, en vue de dessus, d'un actionneur magnétique selon l'invention. Ces figures sont comparables à la figure 4A en ce qui concerne la forme globale de la partie magnétique mobile 22 et des moyens de récupération de flux magnétique 40.
On a représenté sur la figure 5A les moyens pour générer le flux magnétique 27 sous forme d'un ou plusieurs bobinages 27.1 à 27.3. Il y un grand nombre de possibilités pour les disposer et pour les réaliser. On trouve dans cet exemple, un bobinage 27.1 autour de chacun des plots 31, 32, un bobinage 27.2 autour du bras formant la partie magnétique mobile 22 et un bobinage 27.3 autour de chacune des branches 41 des moyens de récupération de flux 40.
On suppose que les bobinages 27.1 associés aux plots 31, 32 sont des bobinages spirales. Ce type de bobinage, compatible avec les micro-technologies, est facile à réaliser. Les bobinages 27.2, 27.3 autour du bras et des branches ont été représentés de type solénoïde. Un ou plusieurs bobinages 27.4 de ce dernier type par exemple, peut être associé avec la culasse 30 comme l'illustre la figure 6B.
Pour diminuer encore le temps de réponse de l' actionneur selon l'invention, il est préférable de prévoir des moyens pour éviter un amortissement de la partie magnétique mobile 22 lors de son déplacement. Ces moyens favorisent un échappement de l'air se trouvant dans l'entrefer principal 29 lorsque le déplacement de la partie magnétique mobile 22 a pour effet de diminuer l'entrefer principal 29.
Ces moyens 42.1 peuvent consister à prévoir le long de la partie magnétique mobile 22 une ou plusieurs premières zones Zl au niveau desquelles les moyens de récupération de flux magnétique 40 sont plus éloignés que dans une ou plusieurs secondes zones Z2.
Pour optimiser la force s ' exerçant sur la portion 28 qui délimite l'entrefer principal 29 et éviter l'amortissement de la partie magnétique mobile 22, l'entrefer auxiliaire 38 possède une dimension dans le sens d'établissement du flux magnétique qui est minimale au niveau d'au moins une zone de la portion 28 contribuant à délimiter l'entrefer principal 29. Elle est donc plus grande dans au moins une zone en dehors de ladite portion 28.
Dans l'exemple des figures 5A et 5B, la partie magnétique mobile 22 est un bras qui se termine par la portion 28, cette dernière étant élargie par rapport à la largeur du bras. L' éloignement D2 entre les moyens de récupération de flux 40 et la partie magnétique mobile 22 est quasiment maximal à proximité de la portion 28 et il décroît plus on s'en éloigne. Au niveau de la portion 28 l' éloignement Dl est minimal comme on l'a vu précédemment. Sur les figures 5A, 5B, la dimension minimale Dl existe tout autour de la portion 28.
Si la dimension de l'entrefer auxiliaire est sensiblement constante, de l'air risque de rester emprisonné au niveau de la partie magnétique mobile 22, ce qui amortit son mouvement.
Ces moyens pour favoriser l'échappement peuvent aussi consister à doter la partie magnétique mobile 22 d'ouvertures traversantes 42.2 dans la direction du mouvement. Cette configuration est illustrée sur la figure 5B en combinaison avec l'ajustement de la distance entre la partie magnétique mobile 22 et les moyens de récupération de flux 40. On trouve une série d'ouvertures 42.2 le long du bras depuis l'extrémité d'appui 33 vers la portion 28 et deux séries d'ouvertures le long de la portion 28.
Les figures 5C et 5D montrent deux autres configurations de l'entrefer auxiliaire 38, elles sont dérivées des figures 5A et 5B. On s'aperçoit que la partie magnétique mobile 22 risque de se déplacer latéralement dans le plan de l'entrefer auxiliaire 38 pour venir contacter les moyens de récupération de flux 40, à cause d'une instabilité mécanique due à des forces magnétiques existantes entre la partie magnétique mobile 22 et les moyens de récupération de flux 40. La partie magnétique mobile 22 risque de venir se bloquer contre les moyens de récupération de flux 40. Cela engendre un disfonctionement et une usure de 1 ' actionneur.
Il est possible, pour éviter cet inconvénient d'augmenter la dimension D3 de l'entrefer auxiliaire 38, de part et d'autre de la partie magnétique mobile 22, au niveau de la portion 28 contribuant à délimiter l'entrefer principal 29. Par contre, à l'extrémité de la partie magnétique mobile 22, en bout de bras, la dimension D4 de l'entrefer auxiliaire, dans le sens d'établissement du flux magnétique, reste minimale.
Sur ces figures 5, on suppose que le premier plot magnétique 31 et le second plot magnétique 32 sont issus de la partie magnétique mobile 22 au lieu d'être issus de la partie magnétique fixe 21. Les moyens de récupération de flux 40 sont toujours reliés magnétiquement et mécaniquement à la culasse 30 par le premier plot magnétique 31. Le second plot magnétique 32 fait alors partie de la portion 28 de la partie magnétique mobile 22. L'entrefer principal est délimité par le second plot magnétique 32 et par la portion de la culasse qui est en vis à vis avec ce second plot magnétique. Toujours dans l'optique d'optimiser la force s'exerçant sur la portion 28, on cherche à limiter les fuites de flux dans le circuit magnétique 26 notamment entre ses différents niveaux empilés. Les fuites de flux sont dues à la longueur du circuit magnétique, à la section du matériau magnétique et aux effets de forme du circuit. Dans les matériaux en couches minces, les fuites sont plus importantes que dans les matériaux massifs.
Il est toutefois possible, pour limiter l'effet de forme, de donner à la culasse 30 (qui correspond à un premier niveau de l' actionneur) et/ou à l'ensemble formé par la partie magnétique mobile 22 et les moyens de récupération de flux 40 (qui correspond à un second niveau de l' actionneur) une forme oblongue sensiblement arrondie à ses deux extrémités. Les figures 6A et 6B sont des vues de dessus et de dessous respectivement d'un actionneur selon l'invention.
Il est aussi possible, toujours dans le même but, de faire se chevaucher les deux niveaux. Dans l'exemple des figures 6, la culasse 30 dépasse l'ensemble partie magnétique mobile 22-moyens de récupération de flux 40 sur une grande partie de son pourtour. On peut également prévoir au moins une ouverture traversante sur moins un des niveaux pour réduire les surfaces en regard. Dans l'exemple, la culasse 30 est pourvue d'une grande ouverture 43 sensiblement centrale. Cette configuration n'est pas limitative, d'autres sont envisageables.
On va voir maintenant un autre exemple de relais selon l'invention. On suppose que le relais a été réalisé par des technologies conventionnelles d'assemblage et d'usinage de structures mécaniques par opposition aux micro-technologies. Un tel relais relativement massif convient particulièrement bien pour les puissances élevées. Ce relais est représenté en vue de dessus sur la figure 7A et en coupe sur la figure 7B. On retrouve la partie magnétique fixe 21 avec la culasse 30 reliée magnétiquement et électriquement à la partie magnétique mobile 22 par l'intermédiaire du premier plot de maintien 31. Le second plot 32 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29 est massif. Les moyens pour générer le flux magnétique 27 sont réalisés par un bobinage disposé autour du second plot 32. La partie magnétique mobile 22 est un bras avec une extrémité d'appui 33 reliée au premier plot 31 et une extrémité libre formant la portion 28 qui vient en vis à vis du second plot 32 pour délimiter l'entrefer principal 29.
Les moyens de récupération de flux 40 sont réalisés par un bras massif relié mécaniquement et magnétiquement par une de ses extrémités 35 à la culasse 30 par l'intermédiaire d'un troisième plot 34. Comme les deux autres plots, ce troisième plot 34 est une protubérance par rapport à la culasse 30. On pourrait envisager que ce troisième plot 34 soit issu des moyens de récupération de flux 40 au lieu de faire partie de la culasse.
L'autre extrémité 36 du bras est n'est pas reliée magnétiquement, elle vient à proximité de la partie magnétique mobile 22 et contribue avec cette dernière à délimiter l'entrefer auxiliaire 38. Dans les configurations précédentes, la partie magnétique mobile et les moyens de récupération de flux étaient dirigés sensiblement dans la même direction tandis que dans cette configuration leurs directions sont sensiblement perpendiculaires. Leurs points de liaison magnétique avec la culasse sont distincts.
On suppose que dans cette configuration la partie magnétique mobile 22 et le second plot magnétique 32 sont conducteurs de l'électricité et font partie d'un circuit électrique qui est ouvert lorsque l' actionneur est ouvert et qui est fermé lorsque l' actionneur est fermé.
On peut symétriser l' actionneur selon l'invention par rapport à un plan P médian passant par la partie magnétique mobile 22 sensiblement perpendiculaire à la direction du mouvement (matérialisée par une flèche à doubles pointes) . On peut ainsi réaliser un commutateur. La figure 7C illustre cette conf guration. La partie magnétique mobile 22 est maintenant reliée par son extrémité d'appui 33 à une culasse à deux branches 30.1, 30.2 sensiblement parallèles et cette liaison se fait par deux premiers plots 31.1, 31.2 dans le prolongement l'un de l'autre. Il est de même pour les moyens de récupération de flux 40. Ils sont reliés magnétiquement chacun à une branche 30.1, 30.2 de la culasse 30 via deux troisièmes plots qui ne sont pas visibles sur la figure 7C mais qui sont dans le prolongement l'un de 1' autre.
On trouve également une paire de seconds plots 32.1, 32.2 dans le prolongement l'un de l'autre, en vis à vis, chacun d'entre eux contribuant à délimiter un entrefer principal 29.1, 29.2 avec la partie magnétique mobile 22. Ces entrefers sont disposés dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de la partie magnétique mobile 22. La portion 28 de la partie magnétique mobile 22 est le siège d'une force qui s'exerce dans un sens ou dans l'autre, de manière à déplacer la partie magnétique mobile 22 vers un des seconds plots 32.1 ou vers l'autre 32.2. On a représenté les moyens pour générer le flux magnétique sous la forme de deux bobinages 27.1, 27.1, l'un 27.1 permettant au flux de s'établir dans l'un 28.1 des entrefers principaux et l'autre 27.2 permettant au flux de s'établir dans l'autre entrefer principal 28.2. Les bobinages 27.1, 27.2 encerclent chacun un des seconds plots 32.1, 32.2.
Si les seconds plots magnétiques 32.1, 32.2 sont réalisés dans un matériau à hystérésis, on peut obtenir deux états stables de l' actionneur. La figure 7D illustre un relais ayant sensiblement la même structure mais réalisé en micro- technologie. On part d'un substrat 70 par exemple en silicium. On grave dans le substrat une ouverture 71 pour réaliser les moyens pour générer le flux magnétique 27 sous forme d'un bobinage spirale. On la remplit de matériau conducteur. On dépose sur une des faces du substrat 70 une couche isolante électriquement 72 au niveau du bobinage spirale. On perce au moins une paire de trous 73 au travers du substrat 70, on les remplit de matériau conducteur pour réaliser deux contacts électriques 75 destinés à être reliés électriquement lorsque l' actionneur magnétique est fermé .
On perce d'autres trous 74 au travers du substrat 70 et de la couche isolante 72 pour réaliser les plots 31, 32, 34. On les remplit de matériau magnétique. On a pris soin de placer le second plot 32 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29 dans la zone centrale du bobinage. Le troisième plot 34 n'est pas visible mais il est comparable à celui de la figure 7A.
On dépose aussi, sur la face portant la couche isolante 72 la culasse 30 reliée aux plots 31, 32, 34. Sur l'autre face du substrat 70, on dépose une couche sacrificielle, en oxyde de silicium par exemple, on la grave au niveau des plots de liaison magnétique 31, 34. Une résine est déposée photolithographiée à travers un masque et développée pour créer un caisson dans lequel on va déposer la partie magnétique mobile 22 et les moyens de récupération de flux 40. La couche sacrificielle est ensuite dégagée sous la partie magnétique mobile pour lui donner sa liberté de mouvement. La couche sacrificielle n'est pas représentée sur la figure 7D mais son emplacement se trouve entre le substrat 70 et la partie magnétique mobile 22. Cette dernière masque les moyens de récupération de flux. La partie magnétique mobile 22 se prolonge au-delà de l'entrefer principal 29 pour venir en vis à vis des deux contacts électriques 75 portés par le substrat 70. Lorsque l' actionneur est fermé, les deux contacts électriques 75 sont reliés électriquement via l'extrémité libre de la partie magnétique mobile 22. On suppose que dans cet exemple, la partie magnétique mobile ou du moins son extrémité libre est réalisée en matériau magnétique conducteur de l'électricité. On va décrire maintenant une autre variante d'un actionneur magnétique selon l'invention, ce dernier possédant une grande stabilité mécanique en torsion. On se réfère aux figures 8A à 8C.
On retrouve la culasse 30 qui est supportée par un support 80 qui peut être en verre, en céramique ou en silicium par exemple.
Sur la figure 8B, elle est dotée d'un premier plot 31 unique qui assure à la fois sa liaison magnétique avec la partie magnétique mobile 22 et avec les moyens de récupération de flux 40 et d'un second plot 32 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29.
Sur la figure 8C, elle est dotée d'une paire de premiers plots 31.1, 31.2 qui assure à la fois sa liaison magnétique avec la partie magnétique mobile 22 et avec les moyens de récupération de flux 40 et d'un second plot 32 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29.
Sur la figure 8D, l'entrefer auxiliaire possède une dimension dans le sens d'établissement du flux qui est minimale au niveau d'au moins une zone de la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal .
La partie magnétique mobile 22 est toujours en forme de bras sensiblement plan mais au lieu d'être massif le bras se compose de deux branches 22.1, 22.2 non parallèles. D'un côté les branches 22.1, 22.2 sont reliées magnétiquement et mécaniquement soit au premier plot 31 unique, soit à l'un des plots 31.1, 31.2 de la paire et de l'autre elles se rejoignent pour former la portion 28 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29.
Les moyens de récupération de flux 40, dans cet exemple, sont en forme d'un bras sensiblement plan qui est logé entre les deux branches 22.1, 22.2 de la partie magnétique mobile 22 sensiblement dans le même plan.
Les branches 22.1, 22.2 sont sensiblement symétriques par rapport à un axe longitudinal du bras des moyens de récupération de flux 40. Ce bras est relié magnétiquement et mécaniquement d'un côté, soit au premier plot 31 unique, soit à la paire de premiers plots 31.1, 31.2, et de l'autre côté est libre. Il s'approche de la portion 28. Il délimite avec la partie magnétique mobile 22 l'entrefer auxiliaire 38. Les moyens 27 pour générer le flux prennent la forme d'un ou plusieurs bobinages. Sur la figure 8B, on a représenté un seul bobinage 27 autour du premier plot 31 unique tandis que sur la figure 8C on a représenté un bobinage 27.1, 27.2 autour de chacun des plots 31.1, 31.2 de la paire. On aurait pu ajouter un bobinage autour du second plot 32.
La réalisation d'un actionneur en microtechnologie similaire à celui de la figure 8A peut se faire comme suit en se référant aux figures 13A à 13F. Sur le substrat 80, on va réaliser la culasse 30. On dépose une couche de résine, puis on réalise une étape de lithographie. On grave dans le substrat 80 ou dans une couche déposée sur le substrat un caisson 130. On dépose une sous-couche conductrice 131 au fond du caisson 130 (figure 13A) . On dépose la culasse 30 électrolytiquement . Le dépôt est ensuite planarise pour ne conserver la culasse 30 que «dans le caisson 130 (figure 13B) .
On dépose ensuite une couche diélectrique 81, par exemple en oxyde de silicium, et on y grave au moins un caisson 132 pour délimiter les moyens 27 pour générer le flux sous forme de bobinage avec leurs plots de commande électrique. Cette gravure est précédée d'une étape de lithographie. Elle n'atteint pas la culasse 30. Les pistes conductrices des bobinages 27, par exemple en cuivre, sont déposées par électrolyse, cette étape est précédée du dépôt d'une sous-couche conductrice et est suivie d'une étape de planarisation (figure 13C) . On dépose une nouvelle couche diélectrique
82. On grave dans les deux couches diélectriques 81, 82 des caissons 133 destinés à délimiter les plots magnétiques 31, 32. Cette gravure est précédée d'une étape de lithographie. Les caissons 133 atteignent la culasse 30. Les plots magnétiques 31, 32 sont déposés par électrolyse, cette étape est précédée du dépôt d'une sous-couche conductrice et est suivie d'une étape de planarisation (figure 13D) .
On dépose ensuite une couche sacrificielle 83 par exemple en oxyde de silicium, et on la grave pour dégager le premier plot magnétique 31 et assurer une séparation entre la partie magnétique mobile et la partie magnétique fixe avec les moyens de récupération de flux qui vont être déposées (figure 13E) . On dépose ensuite une couche de matériau magnétique pour réaliser la partie magnétique fixe avec les moyens de récupération de flux 40 et la partie magnétique mobile 22 et par une étape de lithographie et de gravure on les délimite. Enfin, la couche sacrificielle 83 est ôtée, par exemple par gravure chimique, sous la partie magnétique mobile 22 pour la libérer (figure 13F) .
Les plots de commande électrique des bobinages 27 sont mis à nu (non représentés) . L' actionneur peut être recouvert d'un couvercle de protection (non représenté) .
On va voir maintenant des exemples de relais et de commutateurs électriques en détaillant plus particulièrement leurs contacts électriques. Sur la figure 9A, on voit en vue de dessus un relais électrique comparable à celui de la figure 4A. La culasse 30 est supportée par un substrat 90. Les moyens de récupération de flux 40 sont visibles, ils prennent la forme d'un bras à deux branches. La partie magnétique mobile 22 dépasse au-delà du second plot magnétique 32 et son extrémité se termine par un contact électrique mobile 91 décalé par rapport à l'entrefer principal 29. Le substrat 90 sur lequel repose la culasse 30 comporte une piste conductrice 92 discontinue. La discontinuité 93 se trouve au niveau du contact électrique mobile 91. Lorsque l' actionneur est à l'état fermé, le contact électrique mobile 91 vient contacter la piste conductrice 92 de chaque côté de la discontinuité 93 de manière à rétablir la continuité. On suppose que, de chaque côté de la discontinuité 93, la piste 92 comporte une zone de contact 94 en matériau différent de celui de la piste. Ce matériau peut être en or par exemple, pour améliorer la qualité du contact. La piste conductrice 92 peut être une simple ligne conductrice ou une ligne à microruban par exemple. C'est cette dernière configuration qui est représentée .
La portion 28 sur laquelle s'applique la force et le contact électrique mobile 91 ont été décalés l'un par rapport à l'autre le long de la partie magnétique mobile 22, mais ils restent dans le même plan. Ils peuvent être réalisés par la même étape technologique. On peut ainsi conserver un entrefer principal 29 le plus faible possible, par rapport au cas où la distance entre les contacts électriques est incluse dans l'entrefer principal, lorsque l' actionneur est à l'état ouvert et une distance entre le contact électrique mobile 91 et la piste 92 la plus grande possible. Le contact électrique mobile 91 peut être disposé en un endroit quelconque de la partie magnétique mobile et il est dimensionné indépendamment des dimensions de celle-ci. On a de l'espace pour ajuster le niveau de la piste 91 sur le substrat 90. C'est une construction avantageuse pour augmenter la force de fermeture du relais. On peut envisager de réaliser le contact électrique au niveau de l'entrefer principal 29. C'est cette variante qu'illustrent les figures 10A, 10B, 10C.
Un contact électrique mobile 97 est fixé à la partie magnétique mobile 22 au niveau de la portion 28 siège de la force générée par le flux magnétique. Ce contact électrique mobile 97 est isolé électriquement de la partie magnétique mobile 22 par une couche isolante 95. Cette couche isolante 95 peut être ôtée si la partie magnétique mobile 22 est électriquement conductrice et qu'on utilise cette propriété. Dans ce cas, on pourra isoler électriquement la partie magnétique mobile 22 du reste de l' actionneur magnétique. Elle peut ainsi servir elle-même à la transmission d'un signal électrique, le contact électrique mobile venant fermer un circuit électrique intégrant la partie magnétique mobile.
On peut envisager que le contact électrique soit réalisé par le matériau magnétique lui-même comme l'illustrent les figures 11. Une piste conductrice 96 discontinue est représentée en regard du contact mobile 97. Elle se trouve entre le second plot magnétique 32 et le contact mobile 97. Dans cette configuration, on n'a pas représenté de zones de contact sur la piste pour améliorer la qualité du contact. Avec une telle configuration, l'entrefer principal 29 est augmenté plus on ajoute de couches électriquement conductrice ou isolante entre la partie magnétique mobile 22 et le second plot magnétique 32, tandis que l'espacement entre les contacts électriques est sensiblement constante. Malgré l'augmentation de l'entrefer, le procédé pour réaliser l' actionneur peut être plus simple.
On peut envisager pour que l' actionneur puisse fonctionner en tant que commutateur, que la partie magnétique mobile 22 soit équipée de deux contacts électriques mobiles 97.1, 97.2. Ces contacts sont placés sensiblement symétriquement par rapport à un plan médian de la partie magnétique mobile 22 sensiblement perpendiculaire à la direction du mouvement. Ils sont destinés chacun à venir fermer un circuit électrique, schématisé par une zone de contact 96.1, 96.2, ces circuits étant disposés de part et d'autre de la partie magnétique mobile 22. En générant un flux magnétique dans l'entrefer principal 29 dans un sens ou dans l'autre, la partie magnétique mobile 22 se déplace dans une direction ou dans la direction opposée et l'un des contacts électriques mobiles 97.1 ou 97.2 vient fermer l'un des circuits électriques.
Comme sur la figure 10A, la zone de contact fixe 96.1 est située entre le second plot magnétique 32 et le contact électrique mobile 97.1. Dans cette représentation la couche isolante entre la partie magnétique mobile 22 et les contacts électriques mobiles 97.1, 97.2 est omise. Pour réaliser un commutateur, il est également possible de placer l'ancrage de la partie magnétique mobile 22 dans sa partie centrale au lieu de le placer à l'une de ses extrémités. Les figures 11A et 11B illustrent cette variante. Maintenant la partie magnétique mobile 22 est en balancier avec deux extrémités libres 37.1, 37.2. Elle comporte deux portions 28.1, 28.2 qui contribuent à délimiter chacune un entrefer principal 29.1, 29.2 et ces portions se trouvent du côté de ses deux extrémités libres 37.1, 37.2. La culasse 30 est dotée maintenant d'un premier plot magnétique d'ancrage 31 central et d'une paire de seconds plots 32.1, 32.2 qui contribuent chacun à délimiter l'un des entrefers principaux 29.1, 29.2. Elle est réalisée dans un matériau magnétique conducteur électriquement . On suppose que dans cet exemple le premier plot magnétique central 31 sert aussi pour relier magnétiquement les moyens de récupération de flux 40 à la culasse 30. Les moyens de récupération de flux 40 sont comparables à ceux représentés sur les figures 6. Les moyens pour générer le flux magnétique 27 prennent la forme d'une paire de bobinages 27.1, 27.2, chacun d'eux entourant l'un des seconds plots. Les références 100.1 et 100.2 représentent les bornes électriques pour l'alimentation des bobinages. Les bornes 100.1 sont électriquement reliées directement à une extrémité du conducteur d'un bobinage 27.1, 27.2 tandis que les bornes 100.2 sont reliées via un conducteur 100.3 et via un des seconds plots magnétiques 32.1, 32.2 à l'autre extrémité du conducteur d'un bobinage 27.1, 27.2.
Les bobinages 27.1, 27.2 sont isolés électriquement de la culasse 30 par une couche diélectrique 101 qui s'étend aussi entre le premier plot magnétique 31 et la culasse. La partie magnétique mobile 22 comporte au niveau de ses extrémités libres 37.1, 37.2 une zone 28.1, 28.2 sur laquelle s'exerce la force lors de 1' actionnement du commutateur. Cette zone 28.1, 28.2 se trouve en vis à vis de chacun des seconds plots 32.1,
32.2, elle contribue à délimiter l'entrefer principal 29.1, 29.2.
Les deux extrémités libres 37.1, 37.2 se terminent par une zone de contact électrique 102.1,
102.1 mobile. On suppose que la partie magnétique mobile 22 est conductrice de l'électricité ainsi que le premier plot magnétique 31. Ce dernier est relié à un conducteur d'entrée E permettant d'acheminer un signal électrique vers la partie magnétique mobile 22. En vis à vis de chacune des zones de contact électrique 102.1,
102.2 se trouve un contact électrique fixe 104.1, 104.2 isolé électriquement du second plot magnétique 32.1,
32.2 par une couche diélectrique 101. Ce contact électrique se prolonge par un conducteur de sortie SI, S2. La partie magnétique mobile vient contacter l'un des contacts électriques fixes 104.1, 104.2, le signal électrique peut être recueilli sur l'un ou l'autre des conducteurs de sortie SI ou S2. Les bobinages 27.1, 27.2 sont également isolés électriquement des conducteurs de sortie SI, S2.
Le passage des signaux électriques et le passage du flux magnétique sont schématisés sur la partie droite de la figure 11B. Dans cet exemple le signal électrique passe par la partie magnétique mobile mais ni par le second plot magnétique ni par la culasse. On aurait pu imaginer qu'il passe par ces parties du circuit magnétique.
Les bobinages peuvent être indépendants ou être reliés électriquement en série, par exemple des bobinages opposés peuvent être en série dans le cas d'utilisation de matériaux à aimantation rémanente ou de matériaux à hystérésis. Les figures 12A, 12B illustrent maintenant un actionneur selon l'invention dans une application de pompe et plus particulièrement de micro-pompe.
On retrouve la partie magnétique mobile 22 formée de plusieurs branches 22.1, 22.2, 22.3 en étoile. Le centre 28 de l'étoile contribue à délimiter l'entrefer principal 29. Il peut prendre la forme d'un plot magnétique portant la même référence 28. Les extrémités des branches 22.1, 22.2, 22.3 sont des extrémités d'appui reliées magnétiquement et mécaniquement à la culasse 30 unique. La culasse peut être par exemple en forme de disque. La culasse est dotée d'une série de premiers plots 31.1, 31.2, 31.3 pour la relier à la partie magnétique mobile 22. Elle comporte également un second plot central 32 qui contribue à délimiter l'entrefer principal 29 et une série de troisièmes plots 34.1, 34.2, 34.3 pour la relier magnétiquement et mécaniquement aux moyens de récupération de flux 40.1, 40.2, 40.3. Ces moyens de récupération de flux contribuent à délimiter un entrefer auxiliaire 38.1, 38.2, 38.3 avec la partie magnétique mobile 22. Ils occupent l'espace entre deux branches contiguës en restant espacés des branches.
Dans cette configuration de pompe, on suppose que les premiers plots et les troisièmes plots sont jointifs dans leur partie supérieure de manière à former une couronne périphérique à la culasse 30 sur laquelle est fixée une membrane 120. Cette membrane 120 est également solidaire de la partie magnétique mobile 22 et du plot 28 mais pas des moyens de récupération de flux 40. Cette membrane se déplace au rythme des déplacements de la partie magnétique mobile 22. Elle sert à actionner la circulation d'un fluide. Elle peut avoir un effet de compression, d'aspiration ou d'éjection sur le fluide. Elle est réalisée dans un matériau compatible avec le fluide à pomper ou est protégée par un traitement de surface.
Dans l'exemple des figures 12, la membrane 120 contribue à délimiter d'un côté avec la culasse 30 une première cavité 121. Les entrefers auxiliaires 38.1, 38.2, 38.3 peuvent servir d'orifices contribuant à la circulation du fluide, pour son éjection de ou son aspiration dans une cavité d' actionnement 122 comprise entre l'autre côté de la membrane 120 et les moyens de récupération de flux 40. Au moins un autre orifice 44 contribuant également à la circulation du fluide pourrait traverser la couronne et déboucher dans la cavité d' actionnement 122. Un système de vannes (non représenté) serait utilisé pour que le fluide puisse circuler de manière appropriée.
Les moyens pour générer le flux magnétique sont représentés sous la forme de bobinages 27 encerclant les premiers plots magnétiques 31.1, 31.2, 31.3 et le second plot magnétique 32. Une couche d'étanchéité 123 enrobe les bobinages 27 entre la culasse 30 et les plots magnétiques 31.1, 31.2, 31.3, 32, 34.1, 34.2, 34.3 de manière à les isoler de la cavité 121.
D'autres configurations sont possibles, notamment le fluide pourrait se trouver dans un réservoir inclus dans la pompe et il y aurait au moins un orifice pour l'éjecter.
En supprimant la membrane une telle structure pourrait être utilisée comme un relais.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur magnétique possédant un circuit magnétique fermé (26) apte à guider un flux magnétique, ce circuit magnétique (26) comportant une partie magnétique fixe (30, 31, 32) avec une culasse (30) et une partie magnétique mobile (22) reliées magnétiquement entre elles et de plus au moins un entrefer principal (29) délimité par au moins une portion (28) de la partie magnétique mobile (22) et par la culasse (30) , dans lequel le flux magnétique se referme en s 'établissant sensiblement transversalement à la partie magnétique mobile (22) , caractérisé en ce que la partie magnétique fixe (30, 31, 32) comporte des moyens de récupération de flux (40) qui contribuent à délimiter avec la partie magnétique mobile (22) un entrefer auxiliaire (38) dans lequel le flux magnétique s'établit latéralement à la partie magnétique mobile
(22) , le flux magnétique étant contenu de part et d'autre de l'entrefer principal (29) d'un côté par la culasse (30) et de l'autre par la partie magnétique mobile (22) et par les moyens de récupération de flux
(40) conjointement via la portion (28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29), l'entrefer auxiliaire (38) possède une dimension dans le sens d'établissement du flux magnétique qui est minimale au niveau d'au moins une zone de la portion (28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29).
2. Actionneur magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un premier plot magnétique (31) permet de relier mécaniquement et magnétiquement la culasse (30) à la partie magnétique mobile (22) .
3. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce qu'au moins un second plot magnétique (32) contribue à délimiter l'entrefer principal (29), ce plot magnétique (32) est réalisé dans un matériau à hystérésis.
4. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un autre plot magnétique (34) permet de relier mécaniquement et magnétiquement la culasse (30) aux moyens de récupération de flux (40) .
5. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (27) pour générer le flux magnétique dans le circuit magnétique fermé (26) , ces moyens pour générer le flux magnétique étant réalisés par au moins un bobinage .
6. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (22) prend globalement la forme d'au moins un bras à une ou plusieurs branches non parallèles reliées entre elles au niveau de la portion contribuant à délimiter l'entrefer principal (29).
7. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (22) prend la forme d'une étoile avec plusieurs branches (22.1, 22.2, 22.3).
8. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de récupération de flux (40) présentent, dans la direction d'un déplacement de la partie magnétique mobile (22), une épaisseur (El) supérieure à celle (E2) présentée par la partie magnétique mobile (22) dans la direction du déplacement de manière à ce que l'entrefer auxiliaire (38) soit délimité par des surfaces qui restent en vis à vis lors du déplacement de la partie magnétique mobile (22).
9. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'entrefer principal (29) est défini par deux surfaces (SI, S2) en vis à vis, la première (SI) appartenant à la portion (28) de la partie magnétique mobile (22) et la seconde (S2) appartenant à la culasse (30) , la première surface (SI) étant supérieure à la seconde surface (S2) et dépassant autour de la seconde surface (S2) .
10. Actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la dimension (D2) de l'entrefer auxiliaire (38), dans le sens d'établissement du flux magnétique, est quasiment maximale à proximité de la portion (28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29) et décroît plus on s'en éloigne.
11. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (22) comporte au moins une ouverture (42.2) traversante, dans le sens du mouvement.
12. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la culasse
(30) forme un premier niveau de l' actionneur et l'ensemble formé par les moyens de récupération de flux (40) et par la partie magnétique mobile (22) un second niveau, les deux niveaux étant empilés.
13. Actionneur magnétique selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins un des niveaux a une forme oblongue sensiblement arrondie à ses deux extrémités.
14. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que les deux niveaux se chevauchent .
15. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'au moins un des niveaux comporte au moins une ouverture centrale (43) traversante.
16. Actionneur magnétique selon l'une des revendications l à 15, caractérisé en ce qu'il est sensiblement symétrique par rapport à un plan médian (P) passant par la partie magnétique mobile (22) sensiblement perpendiculairement à la direction du mouvement .
17. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la portion (28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29) comporte au moins un contact électrique (97) , ce contact électrique (97) étant destiné à contacter au moins un autre contact électrique (96) lorsque 1' actionneur est fermé.
18. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (22) se termine par au moins un contact électrique (91) décalé par rapport à la portion
(28) contribuant à délimiter l'entrefer principal (29), destiné à contacter au moins un autre contact électrique lorsque l' actionneur est fermé.
19. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que le contact électrique (97) est isolé électriquement de la partie magnétique mobile (22) .
20. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (22) est en matériau magnétique conducteur de l'électricité et sert de contact électrique.
21. Procédé de réalisation d'un actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : gravure dans un substrat (80) d'un caisson (130) à remplir d'un matériau magnétique pour réaliser une culasse (30) d'une partie magnétique fixe (30, 31, 32), - dépôt d'une première couche diélectrique
(81) sur le substrat (80) avec la culasse (30) ,
- gravure d'au moins un caisson (132) pour délimiter des moyens de génération d'un flux magnétique (27) , et dépôt desdits moyens (27) , - dépôt d'une seconde couche diélectrique
(82) sur la première couche (81) ,
- gravure de caissons (133) à travers les deux couches (81, 82) atteignant la culasse (30) pour délimiter au moins un premier plot magnétique (31) et au moins un second plot magnétique (32), le second plot (32) contribuant à délimiter au moins un entrefer principal (29) , dépôt des premier et second plots magnétiques (31, 32) dans les caissons (133),
- dépôt d'une couche sacrificielle (83) sur la seconde couche diélectrique (82) et gravure de la couche sacrificielle (83) pour dégager le premier plot magnétique (31) et prévoir une séparation entre une partie magnétique mobile (22) et des moyens de récupération de flux (40) de la partie magnétique fixe déposés ultérieurement, - dépôt sur la couche sacrificielle (83) de matériau magnétique pour réaliser la partie magnétique mobile (22) et les moyens de récupération de flux (40) , puis gravure du matériau magnétique pour les délimiter, élimination de la couche sacrificielle (83) sous la partie magnétique mobile (22) pour la libérer et réaliser l'entrefer principal (26).
22. Relais caractérisé en ce qu'il comporte un actionneur magnétique, selon l'une des revendications 1 à 20.
23. Commutateur caractérisé en ce qu'il comporte au moins un actionneur magnétique, selon l'une des revendications 1 à 20, de manière à présenter plusieurs entrefers principaux (29.1, 29.2).
24. Pompe caractérisée en ce qu'elle comporte un actionneur magnétique, selon l'une des revendications 1 à 16, dans lequel la partie magnétique mobile (22) est solidaire d'une membrane (120) contribuant à délimiter une cavité (122) pour faire circuler un fluide.
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