Brevet FR2894061A1 — publié le 20070601

MICRO-BOBINE MULTICOUCHES Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne une micro-bobine multicouches. La présente invention concerne également une structure à micro-bobines multicouches apte à constituer, par exemple, un actionneur électromagnétique. Des actionneurs électromagnétiques linéaires comprenant des micro-bobines monocouche distribuées dans un même plan sont connus de l'art antérieur. Le courant qui circule dans les micro-bobines est soit un courant d'impulsions qui génèrent un champ magnétique pulsé (mode vibratoire), soit un courant continu dans le but de générer une force continue. Lorsqu'une structure magnétique flexible, par exemple une lame, est placée à proximité des micro-bobines, il en résulte une force qui attire la lame mobile. Pour amplifier cette force, un aimant peut être ajouté au dispositif. La partie flexible peut dans ce cas être attirée ou repoussée. Des structures à empilements de micro-bobines pour une utilisation de capteur ou d'antenne sont également connues de l'art antérieur. De telles structures sont divulguées, par exemple, dans les brevets JP 10270852A et JP 09283335A. La résistance électrique des micro-bobines est très faible afin de permettre un fonctionnement à des fréquences de travail élevées (dans le domaine des kHz ou des Mhz). Les micro-bobines ont un petit nombre de spires (typiquement inférieur à 10) et la distance qui sépare les spires d'une même micro-bobine est grande devant la largeur d'une spire. Les structures mentionnées ci-dessus ne permettent pas de produire une force suffisante pour actionner des pièces mécaniques mobiles ou vibrantes. Cette limitation est un inconvénient. La structure à micro-bobines multicouches selon l'invention ne présente pas cet inconvénient. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne une micro-bobine multicouches, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement de N circuits imprimés, N étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, deux circuits imprimés voisins étant séparés par une couche d'isolant électrique, chaque circuit imprimé comprenant un substrat diélectrique ayant deux faces opposées, une piste conductrice enroulée sous forme de spirale étant gravée, sur chacune des faces opposées, entre une première extrémité située en périphérie de la spirale et une deuxième extrémité située à l'intérieur de la spirale, le sens d'enroulement de la spirale située sur une première face étant opposé au sens d'enroulement de la spirale située sur la face opposée à la première face, une pastille conductrice traversant le substrat reliant électriquement les deuxièmes extrémités des spirales situées sur les deux faces opposées du substrat, un trou métallisé reliant électriquement les premières extrémités des pistes qui sont sur deux circuits imprimés voisins séparés par une couche d'isolant électrique. 3 2894061 De façon préférentielle N est égal à 4, 6, 8 ou 12. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, la distance qui sépare les spires d'une 5 même spirale est inférieure ou égale à la largeur de la piste de la spirale. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les spires sont hélicoïdales. Selon une autre caractéristique supplémentaire 10 de l'invention, un aimant permanent est placé au voisinage de la pastille conductrice, dans un trou formé dans le substrat diélectrique et dans la couche d'isolant électrique. Selon une autre caractéristique supplémentaire 15 de l'invention, un aimant permanent est placé, à l'extérieur de la micro-bobine, à proximité d'une spirale située en surface de l'empilement. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, une spirale comprend de 2 à 10 spires. 20 Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la deuxième extrémité est située au centre de la spirale. L'invention concerne également une structure à micro-bobines multicouches, caractérisée en ce qu'elle 25 comprend au moins un ensemble de micro-bobines multicouches identiques selon l'invention, les micro-bobines multicouches de l'ensemble de micro-bobines étant agencées les unes à côté des autres sous forme de matrice, les substrats diélectriques de même rang des 30 empilements de circuits imprimés étant formés dans une même couche de matériau diélectrique et les couches d'isolant électrique de même rang des empilements de couches d'isolant électrique étant formées dans une même couche de matériau électriquement isolant. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour au moins un ensemble de micro-bobines multicouches, la distance qui sépare les deuxièmes extrémités de deux spirales voisines situées dans un même plan est comprise entre 2mm et 5mm. L'invention concerne également un actionneur électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure à micro-bobines multicouches selon l'invention et des circuits d'adressage reliés par des pistes conductrice aux différentes micro-bobines multicouches. L'invention concerne également une interface tactile, caractérisée en ce qu'elle comprend, dans un boîtier, un ensemble de lamelles flexibles intégrées dans une structure monolithique et au moins une structure à micro-bobines multicouches selon l'invention. Dans le cas d'une interface vibrotactile, par exemple, la structure à micro-bobines multicouches selon l'invention permet d'obtenir un actionneur électromagnétique dont la fréquence de travail peut atteindre 400Hz et dont la force d'indentation est comprise entre 15 à 20mN. Ces valeurs sont données à titre d'exemple non limitatif et peuvent varier en fonction de l'application tactile. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : -les figures 1A et 1B représentent, respectivement, une vue de dessus et une vue en coupe d'une micro- bobine multicouches selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe d'une micro-bobine multicouches selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente, à titre d'exemple, la forme des spirales d'une micro-bobine multicouches selon l'invention, sur chacune des 24 couches Cl, C2, ..., C24 qui constituent l'empilement vertical de la micro-bobine ; - la figure 4 représente une vue de dessus d'un premier exemple de structure à micro-bobines multicouches selon l'invention avec leur circuit d'adressage ; - la figure 5 représente une vue de dessus d'un deuxième exemple de structure à micro-bobines multicouches selon l'invention avec leur circuit d'adressage ; - les figures 6A et 6B représentent un exemple de réalisation d'interface tactile selon l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention Les figures 1A et 1B représentent, respectivement, une vue de dessus et une vue en coupe 30 d'une micro-bobine multicouches selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1B est une vue en coupe selon l'axe AA de la figure 1A. La micro-bobine multicouches est constituée d'un empilement de N circuits imprimés I (cf. figure 1B où N = 4), deux circuits imprimés voisins étant séparés par une couche d'isolant électrique E. Chaque circuit imprimé I est constitué d'un substrat diélectrique S ayant deux faces opposées sur lesquelles sont gravées des pistes P enroulées, sous forme de spirale, entre une première extrémité située en périphérie de la spirale et une deuxième extrémité située à l'intérieur de la spirale. La deuxième extrémité située à l'intérieur de la spirale est préférentiellement le centre de la spirale. Les spirales peuvent être de forme hélicoïdale comme cela est représenté sur la figure 1A. Elle peuvent également avoir d'autres formes, telles que, par exemple, des formes à base de carrés ou de rectangles. Chaque piste P gravée sur une face de substrat diélectrique S constitue une micro-bobine élémentaire. Une micro-bobine multicouches qui comprend N circuits imprimés I comprend ainsi 2N micro-bobines élémentaires distribuées, respectivement, sur 2N couches différentes. Chaque micro-bobine élémentaire est constituée d'une piste conductrice (par exemple en cuivre) qui comprend M spires (par exemple, M = 4 sur la figure 1A). La piste conductrice a, par exemple, une largeur de 120pm et l'espace qui sépare deux spirales voisines est égal à 120pm. L'épaisseur du conducteur est, par exemple, égale à 35pm. Les deuxièmes extrémités des spirales de deux micro-bobines élémentaires qui sont de part et d'autre d'un même substrat S de circuit imprimé sont électriquement reliées par une pastille conductrice PM qui traverse le substrat de part en part. La pastille conductrice PM a, préférentiellement, une forme de cylindre de section circulaire dont le diamètre est, par exemple, égal à 250pm. D'autres formes sont également possibles, par exemple à section carrée ou rectangulaire. Des trous traversants tl, t2, t3 situés en périphérie de la micro-bobine multicouches établissent d'autres connexions électriques entre les micro-bobines élémentaires. Les micro-bobines élémentaires qui sont situées sur deux circuits imprimés voisins I et qui sont séparées par une même couche d'isolant électrique E sont ainsi électriquement reliées entre elles. A cette fin, le trou tl relie électriquement les micro-bobines élémentaires des niveaux 2 et 3, le trou t2 relie électriquement les micro-bobines élémentaires des niveaux 4 et 5 et le trou t3 relie électriquement les micro-bobines élémentaires des niveaux 6 et 7. Un courant qui entre dans la micro-bobine de niveau 1 (couche Cl) parcourt alors ensuite, successivement, les micro-bobines des niveaux 2 à 8 (couche C2 à C8). Le sens d'enroulement de la micro-bobine élémentaire placée sur une première face d'un substrat S est opposé au sens d'enroulement de la micro-bobine élémentaire placée sur la face opposée du substrat S. Par sens d'enroulement d'une micro-bobine élémentaire, il faut entendre le sens défini, quand on parcourt la spirale de la micro-bobine vue de dessus, de la première extrémité de la spirale vers la deuxième extrémité de la spirale. Il s'ensuit que le courant parcourt les micro-bobines élémentaires toujours dans le même sens. Il est en effet important que le courant parcourre les micro-bobines élémentaires toujours dans le même sens car, alors, les champs magnétiques créés s'additionnent. D'autres connexions électriques que les connexions décrites ci-dessus sont également possibles entre les micro-bobines élémentaires, les conditions essentielles à respecter étant qu'aucune micro-bobine élémentaire ne soit court-circuitée et que le courant qui parcourt les différentes micro-bobines élémentaires circule dans le même sens pour toutes les micro- bobines. Dans l'exemple des figures 1B et 2, la micro-bobine multicouches de l'invention comprend huit micro-bobines élémentaires empilées les unes sur les autres, chaque micro-bobine élémentaire contenant un nombre de spires égal à quatre. Le nombre total de spires par micro-bobine multicouches est en conséquence égal à 32. On remarquera qu'il n'y a pas, dans le mode de réalisation des figures 1A et 1B, de trou central situé au milieu des micro-bobines et donc pas d'aimant plongeant dans la structure. Ce mode de réalisation permet avantageusement de réaliser une très bonne intégration par rapport à un système où l'aimant est plongeant. En effet toute la surface de la bobine contient alors des spires, ce qui, d'une part, augmente la force de l'actionneur électromagnétique, et, d'autre part, simplifie l'assemblage dans le cas d'une interface où tous les aimants sont fixés sur des lames flexibles et doivent être insérés dans le circuit simultanément. La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel un aimant plonge dans la micro-bobine multicouches. Dans ce cas, un trou placé au voisinage des pastilles conductrices PM traverse toute l'épaisseur de la micro-bobine multicouches et un aimant A est placé dans le trou. Le trou est situé, par exemple, entre les pastilles conductrices et les premières spires des différentes spirales. Toutes choses égales par ailleurs, les spires ne sont alors ici plus symétriques par rapport au centre de la spirale. La figure 3 représente, à titre d'exemple, la forme des spirales d'une micro-bobine multicouches selon l'invention, sur chacune des 24 couches Cl, C2, C24 qui constituent l'empilement vertical de la micro-bobine. Les spirales des différentes couches sont vues de dessus. Pour la micro-bobine de la couche Cl, le courant qui entre par la première extrémité située en périphérie de la spirale est dirigé vers la deuxième extrémité située à l'intérieur de la spirale en suivant, par exemple, le sens de rotation des aiguilles d'une montre. Pour la micro-bobine de la couche C2, le courant entre par la deuxième extrémité de la micro-bobine et se dirige vers la périphérie de la micro- bobine en suivant également le sens des aiguilles d'une montre. Le courant circule ainsi, alternativement, de la périphérie vers l'intérieur et de l'intérieur vers la périphérie des micro-bobines élémentaires successives de l'empilement. Le courant parcourt toutes les micro-bobines élémentaires de l'empilement toujours dans le même sens qui est ici, par exemple, le sens des aiguilles d'une montre. La figure 4 représente une vue de dessus d'un premier exemple de structure à micro-bobines multicouches selon l'invention. La structure est constituée d'une matrice de 8x8 micro-bobines multicouches, chaque micro-bobine multicouches étant répartie, par exemple, sur huit couches. Chaque micro-bobine multicouches est inscrite dans un hexaèdre de section carrée. Quatre trous traversants t délimitent l'hexaèdre dans lequel est inscrite la micro-bobine multicouches. Les trous traversants t établissent les connexions électriques entre les micro-bobines élémentaires, comme représenté, par exemple, sur les figures 1B et 2. Comme cela a été mentionné ci-dessus, dans le cas d'un circuit imprimé de huit couches, trois trous traversants sont suffisants pour assurer les connexions électriques entre micro-bobines élémentaires d'une même micro-bobine multicouches. La distance D qui sépare, de centre à centre, deux micro-bobines élémentaires voisines situées sur une même couche est, par exemple, comprise entre 2 et 5mm. Des circuits d'adressage Al, A2 sont reliés aux micro-bobines par des pistes conductrices pi (i=l, 2, 6). La figure 5 représente une vue de dessus d'un deuxième exemple de structure à micro-bobines multicouches selon l'invention. La structure comprend cinq blocs matriciels de micro-bobines multicouches B1-B5. Chaque bloc matriciel comprend une matrice de micro-bobines multicouches et des circuits d'adressage associés. Un premier bloc matriciel B1 comprend 8x8 micro-bobines multicouches, chaque micro-bobine multicouches étant répartie sur 24 couches, la distance D1 séparant, de centre à centre, deux micro-bobines élémentaires voisines situées dans un même plan étant égale, par exemple, à 3,5mm. Deux blocs matriciels B2 et B3 comprennent, chacun, 8x8 micro-bobines, chaque micro-bobine étant répartie sur 24 couches, la distance D2 séparant, de centre à centre, deux micro-bobines élémentaires voisines situées dans un même plan étant égale, par exemple, à 2,5mm. Deux blocs matriciels B4 et B5 comprennent 4x2 micro-bobines, chaque bobine étant répartie sur 24 couches, la distance séparant, de centre à centre, deux micro-bobines élémentaires voisines situées dans un même plan étant aussi égale, par exemple, à 2,5mm, ce qui correspond aux spécifications d'un module d'affichage en Braille pour les déficients visuels. Chaque micro-bobine élémentaire du bloc B1 comprend cinq spires et chaque micro-bobine élémentaire des blocs B2-B5 comprend trois spires. Les blocs B4 et B5 constituent des modules brailles. Avantageusement, du fait de la technologie de type circuit imprimé utilisée, les interfaces tactiles selon l'invention sont compacts, de faibles coûts et adaptés à une production en série. Les figures 6A et 6B représentent un exemple de réalisation d'interface tactile selon l'invention. La figure 6A est une vue éclatée de l'interface tactile, alors que la figure 6B en est une vue assemblée. L'interface tactile comprend un ensemble 1 de lamelles flexibles intégrées dans une structure monolithique, un ensemble 2 d'aimants permanents, une matrice support 3, un capot supérieur 4, un ensemble de micro-bobines multicouches 5 muni de connecteurs 6 et un capot inférieur 7. La matrice support 3 comprend des cavités aptes à recevoir les aimants permanents. La couche monolithique de lamelles flexibles, sur laquelle les aimants permanents sont fixés, est elle-même fixée sur l'ensemble de micro-bobines multicouches 5. Les connecteurs 6 permettent d'alimenter la matrice de micro-bobines. Le temps d'assemblage d'un tel système est avantageusement réduit ainsi que sa complexité. La figure 6B représente une vue du système assemblé. REVENDICATIONS 1. Micro-bobine multicouches, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement de N circuits imprimés (I), N étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, deux circuits imprimés voisins étant séparés par une couche d'isolant électrique (E), chaque circuit imprimé (I) comprenant un substrat diélectrique (S) ayant deux faces opposées, une piste conductrice (P) enroulée sous forme de spirale étant gravée, sur chacune des faces opposées, entre une première extrémité située en périphérie de la spirale et une deuxième extrémité située à l'intérieur de la spirale, le sens d'enroulement de la spirale située sur une première face étant opposé au sens d'enroulement de la spirale située sur la face opposée à la première face, une pastille conductrice (PM) traversant le substrat (S) reliant électriquement les deuxièmes extrémités situées à l'intérieur des spirales situées sur les deux faces opposées du substrat, un trou métallisé (t1, t2, t3) reliant électriquement les premières extrémités des pistes qui sont sur deux circuits imprimés voisins séparés par une couche d'isolant électrique (E). 2. Micro-bobine multicouches selon la revendication 1, dans laquelle la distance qui sépare les spires d'une même spirale est inférieure ou égale à la largeur de la piste de la spirale. 3. Micro-bobine multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les spires sont hélicoïdales. 4. Micro-bobine multicouches selon la revendication 1, dans laquelle un aimant permanent (A) est placé au voisinage de la pastille conductrice (PM), dans un trou formé dans le substrat diélectrique (S) et dans la couche d'isolant électrique (E). 5. Micro-bobine multicouches selon la revendication 1, dans laquelle un aimant permanent (A) est placé à l'extérieur de la micro-bobine, à proximité d'une spirale située en surface de l'empilement. 6. Micro-bobine multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle N e [4, 6, 8, 12]. 7. Micro-bobine multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une spirale comprend entre 2 à 10 spires. 8. Micro-bobine multicouches selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes dans laquelle la largeur de la piste est sensiblement égale à 120pm, et l'épaisseur de la piste sensiblement égale à 35 }gym. 9. Micro-bobine multicouches selon l'une 30 quelconque des revendications précédentes, dans 20laquelle la deuxième extrémité est située au centre de la spirale. 10. Structure à micro-bobines multicouches, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un ensemble de micro-bobines multicouches identiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, les micro-bobines multicouches de l'ensemble de micro-bobines étant agencées les unes à côté des autres sous forme de matrice, les substrats diélectriques (S) de même rang des empilements de circuits imprimés étant formés dans une même couche de matériau diélectrique et les couches d'isolant électrique (E) de même rang des empilements de couches d'isolant électrique étant formées dans une même couche de matériau électriquement isolant. 11. Structure à micro-bobines multicouches selon la revendication 10, dans laquelle, pour au moins un ensemble de micro-bobines multicouches, la distance qui sépare les extrémités situées à l'intérieur de la spirale de deux spirales voisines situées dans un même plan est comprise entre 2mm et 5mm. 12. Actionneur électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure à micro-bobines multicouches selon l'une des revendications 10 ou 11 et des circuits d'adressage (Al, A2) reliés par des pistes (pi) aux différentes micro-bobines multicouches.16 13. Interface tactile, caractérisée en ce qu'elle comprend, dans un boîtier, un ensemble de lamelles flexibles intégrées dans une structure monolithique et au moins une structure à micro-bobines 5 multicouches selon la revendication 10 ou 11.