Brevet FR2785142A1 — publié le 20000428

COMPOSANT ELECTROTECHNIQUE A SURFACE PASSIVEE PAR DE LA MATIERE PLASTIQUE ET UTILISATION DE CE COMPOSANT Il est souvent nécessaire de passiver des composants électrotechniques sensibles, comme par exemple des actionneurs piézo- électriques, c'est-adire d'isoler électriquement leur surface et de la protéger des saletés ou de tout endommagement mécanique. On y parvient entre autre en munissant le composant d'une enveloppe de protection en matière plastique. En l'occurrence, la matière plastique est déposée sur le composant à l'état non réticulé. La couche de protection proprement dite se forme en polymérisant ou en vulcanisant la matière plastique. Le dépôt de la matière plastique non réticulée s'effectue par exemple par immersion, par pulvérisation, ou par un procédé d'injection. Afin de pouvoir utiliser ces techniques, il faut que les matières plastiques utilisées soient suffisamment peu visqueuses.= En fonction des exigences imposées à la couche de protection du composant, il faut dans certains cas traiter des matières plastiques très visqueuses. C'est ainsi par exemple que la fiabilité d'actionneurs piézo- électriques, qui sont utilisés dans les systèmes d'injection diesel, dépend d'une manière décisive de l'élasticité de l'enveloppe de protection, qui doit être assurée entre -50 C et +150 C. Cette élasticité est satisfaite par des élastomères en silicone. Lorsqu'ils ne sont pas vulcanisés, ces élastomères sont relativement très visqueux et ne conviennent donc guère à des opérations automatisées. t La passivation sans lacune d'actionneurs piézo-électriques de ce genre est obtenue, suivant l'état actuel de la technique, en déposant l'élastomère de silicone à la main à l'aide d'un pinceau sur l'actionneur. Ensuite, la matière plastique est réticulée par élévation de la température. 2 2785142 En vue de l'utilisation d'actionneurs piézo-électriques dans des systèmes d'injection diesel qui exigent un centrage de l'actionneur, par exemple sous une forme cylindrique, il est nécessaire de couler en plus l'actionneur passivé, avec ses bornes électriques. A cet effet, I'actionneur est mis sous la forme d'un profilé creux. La coulée s'effectue également à la main. Le profilé creux qui est constitué, par exemple de matière plastique, fait partie, après la transformation de la matière plastique, de l'enveloppe de protection de l'actionneur. En variante à cela, l'actionneur peut être passive par un procédé d'injection en utilisant un profilé creux et scellé en même temps. En l'occurrence, I'actionneur est disposé dans un profilé creux, et la matière plastique est injectée sous pression dans l'intervalle compris entre l'actionneur et l'enveloppe. Si l'on transforme, dans un procédé de ce genre, des matières plastiques très visqueuses, comme par exemple des silicones, il faut appliquer une grande pression d'injection. Par le WO 92/06532, on connaît un actionneur piézo-électrique enrobé, et son procédé de fabrication. L'enveloppe de protection y est constituée d'une couche en élastomère ou en élastomère de silicone. La matière plastique non vulcanisee est apportée à l'actionneur par un procéde semblable à un moulage par injection. A cet effet, l'actionneur est placé dans une enveloppe. Au moyen d'une dépression, l'élastomère est introduit entre la paroi extérieure de l'actionneur et la paroi intérieure de l'enveloppe. Apres réticulation de l'élastomère, on enlève l'enveloppe. Contrairement au traitement à la main, les procédés de moulage par injection décrits peuvent être en principe automatisés. En raison de grandes vitesses de cisaillement auxquelles il faut transformer la matière plastique, on court cependant le danger que l'actionneur soit repoussé sur la paroi du profilé creux. Le centrage de l'actionneur ne peut être assuré qu'au prix d'une grande dépense technique. On court en outre le danger que la surface de l'actionneur ne soit passivée qu'imparfaitement. Ces problèmes se posent tout particulièrement pour des actionneurs piézo-électriques car des actionneurs piézo-électriques, peuvent présenter de fabrication des tolérances de longueur de plus ou moins 3 %. Dans les procédés habituels de moulage par injection, on utilise principalement des silicones LSR (Liquid Silicon Rubber). Ces matières ont 3 2785142 l'inconvénient de ne pas être auto-adhérentes. Cela signifie qu'il faut traiter la surface de l'actionneur avant le moulage par injection proprement dit (primage). Dans ce stade du procédé, on dépose entre autre à la surface de l'actionneur une substance qui améliore ou permet au moins l'adhérence chimique de l'enveloppe en matière plastique à l'actionneur. Si l'on utilise en revanche des matières plastiques auto- adhérentes, il faut munir l'outil de moulage par injection d'une substance anti-adhérente. Les durées de vie de l'outil et la fiabilité des opérations sont ainsi nettement réduites. En outre, les élastomères de silicones utilisés pour des procédés de façonnage usuels, comme le moulage par injection, n'ont qu'une petite résistance au gonflement lorsqu'ils sont exposés au carburant diesel ou à l'ester méthylique du colza (carburant de remplacement du diesel). Il se pose par exemple un problème lorsqu'un actionneur piézo-électrique est utilisé dans un système d'injection diesel et, après un certain nombre d'heures de fonctionnement, doit être démonté du boîtier d'injecteur de ce système. Le coefficient de dilatation thermique des silicones est très positif, celui des céramiques piézo-électriques à l'état polarisé peut en revanche être négatif. Il faut donc prendre garde qu'il ne se produise pas, jusqu'à l'instant o l'on atteint un adhérence suffisante entre l'enveloppe de protection en silicone et la céramique piézo-électrique, de fluctuations de température. L'obtention rapide de l'adhérence est donc très souhaitée. Les exigences en matière de stabilité du processus de fabrication sont en même temps très grandes. La présente invention vise un procédé simple de passivation de la surface d'un composant électrotechnique. On y parvient en utilisant un corps préfabriqué qui est en matière plastique, en réunissant la surface à passiver du composant et le corps, et en les mettant l'un avec l'autre en contact permanent par application d'une pression. Ce procédé convient notamment pour la transformation de matières plastiques très visqueuses. L'utilisation du procédé est particulièrement avantageuse pour la passivation de composants électrotechniques, qui sont en céramique, comme par exemple des piles à combustible, et des actionneurs piézo-électriques. Un composant électrotechnique ayant une surface passivée est, par exemple, un dispositif à actionneur piézo-électrique, qui est constitué d'un 4 2785142 actionneur piézo-électrique monolithique, ayant une structure à plusieurs couches et d'un corps en matière plastique entourant cet actionneur. Le corps en matière plastique et l'actionneur sont reliés solidement l'un à l'autre. La surface de l'actionneur et la face intérieure du corps sont au moins dans certaines régions conformées de manière inverse l'une par rapport à l'autre. Cela signifie qu'il y a un contact direct intime entre l'actionneur et le corps. Le corps en matière plastique est, par exemple, en silicone solide ou en élastomère de silicone ou également en d'autres matières plastiques. L'idée de base du procédé de fabrication d'un dispositif à actionneur piézo-électrique de ce genre, réside dans le fait que l'actionneur est mis dans un corps en matière plastique préfabriqué et est ensuite relié à la matière plastique du corps. Comme corps en matière plastique, on peut utiliser par exemple un tronçon d'une longue bande tubulaire, dans laquelle le composant est mis avant la liaison. Le corps en matière plastique peut être préfabriqué dans une opération de façonnage. Mais le corps peut avoir également une structure compliquée. La surface intérieure du corps en matière plastique, dans laquelle l'actionneur est disposé pendant l'opération de fabrication, présente alors au moins partiellement la forme inverse de la surface de l'actionneur. La surface de I'actionneur provient de l'actionneur lui-même, et de tous les composants électriques qui y sont montés, et qui doivent être passives avec lui (par exemple des oreilles de contact ou des bandes électriques). On obtient le contact entre l'actionneur et le corps en poussant la paroi intérieure du corps sur la paroi de l'actionneur piézo-électrique. Une bande tubulaire est constituée, par exemple, de matière plastique vulcanisee et peut par exemple être rétreinte sur l'actionneur par élévation de la température. Il est particulièrement avantageux que le corps soit dans une matière qui ne se réticule pas ou qui ne se réticule que partiellement, et qui en outre soit suffisamment apte à s'écouler, tout en ayant une forme suffisamment stable. Si la réticulation de la matière plastique, qui a lieu après que l'on a mis le composant dans le corps, s'effectue par exemple avec une augmentation de volume, la matière plastique s'écoule lors de la réticulation automatiquement dans toutes les cavités qui se trouvent entre le composant et le corps en matières plastique. On crée ainsi pour ainsi dire une pression intérieure. 2785142 Si l'on utilise un dispositif qui applique au corps de l'extérieur une pression dirigée sur la surface de l'actionneur, on emplit de matière, grâce à l'aptitude à s'écouler de la matière plastique, les intervalles compris entre l'actionneur et le corps. Le dispositif utilisé, est par exemple, une presse. Pendant le moulage, la matière plastique apte à s'écouler fait fonction de milieu de transfert de pression. Cela signifie qu'à chaque instant du moulage, il règne partout dans la matière plastique la même pression. Grâce à cette imposition de pression quasi isostatique, on peut obtenir de manière simple que la coulée soit uniforme et que l'actionneur se centre de soi-même. Apres le moulage ou pendant celui-ci, la réticulation de la matière plastique s'effectue de la manière habituelle, par exemple par élévation de la température ou par exposition à un rayonnement. Dans certains cas, la pression seule ne suffit pas pour obtenir le contact. Pour des dispositifs à actionneur piézo-électrique qui sont utilisé dans des systèmes d'injection diesel, il faut assurer une passivation sans pore et sans lacune pour supprimer toute pénétration d'eau ou de carburant. On n'y parvient que si l'on crée entre l'actionneur et l'enveloppe en matière plastique des liaisons chimiques (par exemple, des liaisons de Van der Waals ou des liaisons de ponts hydrogène). A cet effet, il faut, suivant les méthodes habituelles déposer, à la surface de l'actionneur ou du corps en matière plastique, un agent donnant de l'adhérence (primage). En variante à cela, on peut mélanger à la matière plastique dans l'opération de façonnage du corps ce que l'on appelle un agent interne donnant de l'adhérence, cet agent donnant de l'adhérence étant présent automatiquement à la surface du corps. Les agents de primage ont, par exemple, des groupes d'extrémité hydrophiles qui entrent en interaction avec la surface céramique de l'actionneur et des groupes d'extrémité hydrophobes qui créent des liaisons avec la matière plastique. En utilisant des agents de primage, la réticulation de la matière plastique donne un contact sans lacune entre le corps en matière plastique et l'actionneur. Il est particulièrement avantageux d'utiliser un agent interne donnant de l'adhérence. On obtient ainsi un collage plus rapide déjà pendant l'opération de fabrication. Dans ce cas, on peut renoncer à l'opération coûteuse de revêtir l'actionneur piézo-électrique d'agent de primage. Il s'est révélé particulièrement avantageux que le dispositif dans lequel se trouve le corps en matière plastique dispose pour obtenir le contact 6 2785142 entre le corps et l'actionneur, d'au moins un orifice d'évacuation de la matière plastique en excès. On peut ainsi grâce également à l'aptitude de la matière plastique ainsi coulée compenser simplement d'éventuelles tolérances de longueurs de l'actionneur. Le corps en matière plastique lui-même est fabriqué dans une opération de façonnage (par exemple, de moulage par injection). Après le façonnage, le corps a une stabilité de forme suffisamment grande, tout en ayant une aptitude suffisante à s'écouler. On y parvient, par exemple, en ajoutant à la matière plastique des éléments de stabilisation. Comme éléments de stabilisation, on peut utiliser par exemple des charges en matière plastique sous la forme de petites billes. On peut songer également à enrober le corps en matière plastique dans une gaine, constituée par exemple d'une matière thermoplastique, ou fabriquée en un autre matériau comme un métal. Notamment en réticulant convenablement la matière plastique, on peut obtenir une stabilité de forme déterminée du corps en matière plastique. On produit dans ce cas peu de points de réticulation. La vitesse d'une réaction de réticulation peut être influencée, par exemple, en modifiant la température de réaction. Si dans le processus de fabrication du corps en matière plastique, on adopte un programme adéquat de température, on peut arrêter la réaction de réticulation après avoir obtenu un degré déterminé de réticulation. On obtient par exemple également un degré défini de réticulation lorsque la matière brute de fabrication du corps en matière plastique renferme une substance en une concentration déterminée, qui fait commencer la réticulation. On choisit la concentration de cette substance de manière à obtenir lors de la réticulation le nombre le plus souhaité de points de réticulation. On peut également songer à une combinaison de substances qui favorise la réticulation et de celle qui l'empêchent. Pour la stabilisation de forme, les matières plastiques partiellement réticulées peuvent contenir également des éléments de stabilisation supplémentaires. Lors du concours de la fabrication du corps en matière plastique et de la passivation de l'actionneur piézo-électrique, la réticulation de la matière plastique après l'opération de façonnage est interrompue ou au moins ralentie (voir par exemple ci-dessus) et est reprise après que l'actionneur a été inséré dans le corps. On y parvient par exemple en observant un programme 7 2785142 de température. Dans le cas le plus simple, la matière plastique renferme une substance grâce à laquelle la réaction de réticulation de la matière plastique se déroule avec la vitesse la meilleure à une certaine température ou dans une certaine plage de température. Si la température s'écarte des conditions les meilleures, la vitesse de réaction de la réticulation sera lente. On peut songer également a faire en sorte que la masse brute de la matière plastique renferme au moins deux substances qui permettent la réticulation de la matière plastique dans des conditions respectivement différentes (par exemple, à des températures différentes). On choisit la concentration de l'une des substances de manière à produire un certain degré de réticulation lors de l'opération de façonnage du corps en matière plastique. La concentration d'une seconde substance permet, lors de l'opération de passivation de l'actionneur, d'obtenir le degré de réticulation qui est nécessaire. Il est également possible de mettre les deux substances à l'état réactif par exposition à un rayonnement à des longueurs d'ondes différentes. On peut pour cela utiliser des sources lumineuse différentes. Ces systèmes de filtrage du rayonnement électromagnétique provoquent le même effet. Une combinaison d'une exposition à un rayonnement et d'un programme de température est également possible. Le corps en matière plastique peut, après l'opération de façonnage, être constitué d'au moins deux parties qui, rassemblées, donnent le corps en matière plastique proprement dit. C'est ainsi, par exemple, que le corps peut être constitué de deux hémicoquilles dans lesquelles le composant peut être placé facilement. Lors de l'opération de passivation, les deux hécoquilles se réunissent en une enveloppe de protection unique bien reliée. Lorsqu'on utilise des corps en matière plastique en plusieurs parties, on peut également passiver d'une manière simple et ménagée des composants électrotechniques de structure compliquée. Il s'est révélé particulièrement avantageux d'utiliser pour le façonnage du corps en matière plastique et pour la passivation du composant le même dispositif. On peut ainsi déterminer au mieux les conditions opératoires pour la fabrication d'un dispositif d'actionneur piézo-électrique en fonction du concours du façonnage du corps en matière plastique et de la passivation de la surface du composant. 8 2785142 Outre les avantages décrits ci-dessus, on fera les remarques suivantes sur l'invention: - I'automatisation de la passivation sans lacune et de la coulée de composants électrotechniques est rendue facile, - en séparant la fabrication du corps en matière plastique et la passivation du composant, on peut pré-fabriquer le corps d'une matière peu coûteuse, par exemple par un procédé de moulage par injection, - il est possible d'adapter au mieux à l'opération de transformation et d'optimiser l'aptitude à se déformer plastiquement à la stabilité de forme de la matière plastique, ainsi que la structure d'adhérence matière plastique - composant, - les outils nécessaires à la transformation (par exemple, moule par injection de fabrication du corps en matière plastique et opération d'application d'une pression lors de la passivation du composant) peuvent être réalisés relativement facilement, - on peut utiliser n'importe quelle sorte de matière plastique, - le procédé décrit est peu coûteux. Aux dessins annexés, donnés uniquement a titre d'exemples, et dans lesquels les figures ne sont pas à l'échelle la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un actionneur piézo-électrique disposé dans un corps en matière plastique. L'outil utilisé pour obtenir la pression est esquissé schématiquement. La figure 2 représente un dispositif d'actionneur piézo-électrique suivant l'invention, en vue en perpective. La figure 3 est une vue coupe longitudinale d'un dispositif d'actionneur piézo-électrique. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un dispositif d'actionneur piézo-électrique. La figure 5 est une vue en perspective d'un actionneur piézo-électrique muni d'oreilles de contact et de bandes électriques. La figure 6 est une vue en coupe transversale d'un actionneur piézoélectrique muni d'oreilles de contact et de bandes électriques, et la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un corps en matière plastique. 9 2785142 Le dispositif PA d'actionneur piézo-électrique est constitué d'un actionneur 1 piézo-électrique, qui est relié par des oreilles 6a et 7a de contact à des bornes 6 et 7 électriques, et d'un corps 3 en matière plastique. Le dispositif PA d'actionneur piézo-électrique est fabriqué en deux sous-opérations. Dans un premier stade du procédé, on préfabrique le corps 3 en matière plastique dans une opération de façonnage. Dans la deuxième étape, a lieu la passivation et, en même temps, la coulée de l'actionneur piézo-électrique y compris de ses bornes électriques. Pour la préfabrication du corps en matière plastique et pour la passivation de I'actionneur, on utilise le même dispositif. Le corps 3 en matière plastique est fabriqué, par exemple, par un procédé de moulage par injection. Outre un orifice d'évacuation de la matière plastique en excès, le dispositif utilisé présente comme autre caractéristique essentielle la forme de la surface 2 de l'actionneur 1. On obtient ainsi dans le procédé de façonnage un corps 3 en matière plastique ayant une cavité 5, et dont la face 4 intérieure présente la forme inverse de la surface 2 de l'actionneur 1. Les figures 5 et 6 représentent schématiquement un actionneur 1 piézo-électrique ayant une surface 2. A la figure 7, on peut voir en coupe transversale un corps 3 en matière plastique conformé de manière correspondante, ayant une cavité 5 et une surface 4 intérieure. Comme composition de départ, on utilise du silicone solide ou un élastomère de silicone fluoré. La composition renferme des substances de réticulation, comme par exemple des composés soufrés. En outre, il est mélangé à la composition un agent interne donnant de l'adhérence sous la forme d'un composé organique du silicium, qui dispose de groupes latéraux hydrophiles et hydrophobes. Après avoir empli le moule d'injection de la composition de départ, on amorce la réticulation de la matière plastique, par exemple par une élévation de température. Quand un certain degré de réticulation est atteint, qui donne une stabilité de forme mais qui conserve un état susceptible de s'écouler du corps en matière plastique, on ralentit ou on arrête la réticulation de la matière plastique en abaissant la température. Le moule de l'outil de moulage par injection, qui correspond à l'actionneur piézo-électrique, est éloigné du corps en matière plastique préfabriqué et, à sa place, on introduit l'actionneur piézo-électrique lui-même dans la cavité 5 maintenant présente du corps 3. On a représenté à la figure 1 2785142 un actionneur 1 piézo-électrique inséré dans un corps 3 en matière plastique préfabriqué. Après avoir mis l'actionneur piézo-électrique, on effectue le scellement et la passivation de l'actionneur piézoélectrique. On utilise à cet effet l'outil de moulage par injection comme outil donnant une pression. La pression P est appliquée de l'extérieur au moyen de l'outil 8 donnant une pression sur le corps en matière plastique dans la direction de la surface de l'actionneur piézo- électrique. L'outil donnant une pression ou la presse et la pression P qu'ils exercent sont représentés schématiquement à la figure 1. On reprend la réticulation de la matière plastique. On remplit ainsi les intervalles entre l'actionneur piézo-électrique et le corps en matière plastique sans laisser de pore. En ouvrant le dispositif utilisé, on peut évacuer de la matière plastique en excès. A l'aide de l'agent donnant de l'adhérence, on procure le contact entre l'actionneur piézo- électrique et le corps en matière plastique. Le dispositif d'actionneur piézo-électrique ainsi fabriqué est utilisé pour commander une vanne d'injection d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur diesel. 11 2785142 REVENDICATIONS 1. Composant (1) électrotechnique qui comporte une surface (2) passivée par une matière plastique, caractérisé en ce que la matière plastique est constituée d'au moins une substance choisie dans le groupe des silicones solides et/ou des élastomères de silicones fluorés. 2. Composant (1) électrotechnique qui comporte une surface (2) passivée par une matière plastique, notamment composant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface (2) du composant (1) et la surface (4) intérieure du corps (3) sont en contact sans pore. 3. Composant (1) électrotechnique suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps (3) comporte au moins un élément de stabilisation. 4. Composant (1) électrotechnique suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps (3) comporte une substance donnant de l'adhérence. 5. Composant (1) électrotechnique suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant est un élément piézo-électrique. 6. Composant piézo-électrique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le composant piézo-électrique est un actionneur piézo- électrique. 7. Composant suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant est une pile à combustible. 8. Utilisation d'un actionneur piézo-électrique suivant la revendication 6, pour commander une soupape d'injection, notamment une soupape d'injection d'un moteur à combustion interne.