Brevet FR2830129A1 — publié le 20030328

Etat de la technique La présente invention concerne un élément piézo- électrique présentant - une structure à plusieurs couches piézoélectriques entre une partie s supérieure et une partie inférieure passives, et entre celles-ci des élec trodes intérieures recevant une tension électrique, - une mise en contact des électrodes intérieures, alternant d'une couche à l'autre avec au moins une électrode extérieure pour chaque polarité, se faisant dans la zone dans laquelle la couche voisine respective n'a lO pas d'électrode intérieure relice aux côtés extérieurs. Il est connu de manière générale d'utiliser l'effet piézo électrique pour réaliser un élément piézo-électrique en une matière ayant une structure cristalline approprice. En appliquant une tension électrique externe, on produit une réaction mécanique dans l'élément piézo électrique. En fonction de la structure cristalline et des domaines d' appli cation de la tension électrique on crce une pression et une traction dans une direction prédétermince. Cet effet extrêmement rapide et réglable de manière précise permet de réaliser des actionneurs piézo-électriques pour constituer des actionneurs, par exemple, pour entraîner les soupapes de o commutation d'injecteurs de carturant dans des systèmes d'injection équipant les véhicules automobiles. Pour cela, on utilise le débattement de l'actionneur piézo-électrique commandé en tension ou en charge électrique pour positionner une soupape de commande réglant elle-même la course d'une aiguille d'inJecteur ou de buse. Un avantage important des action s neurs piézo-électriques réside dans l'obtention de débattements précis et très rapides associés à des efforts importants. Comme les intensités des champs électriques nocessaires pour actionner l' actionneur piézo-électrique sont de l' ordre de plusieurs kV/mm, et qu'en général, on souhaite utiliser les tensions électriques moyennes pour la commande, la structure de tels actionneurs piézo électriques ne peut se faire qu'avec des couches de l'ordre de 100 m (c'est-à-dire des actionneurs multicouches). Pour cela, on a les électrodes internes entre les couches; ces électrodes sont appliquces par exemple par un procédé d'impression et des électrodes extérieures reçoivent la ten 3s sion électrique. Les couches céramiques sont branchées électriquement en parallèle de sorte que la tension de commande est réduite par comparai son à des actionneurs piézo-électriques monolithiques de même longueur et de méme nombre de couches. Un procédé caractéristique pour fabri quer de telles couches consiste à utiliser la technique des films coulés se lon laquelle les différentes couches sont métallisces et sont empilées les unes sur les autres. s Selon le document EP 0 844 678 A1, on connait un action neur piézoélectrique avec des électrodes extérieures appliquces sur les côtés à chaque fois opposés du bloc de l'actionneur avec des polarités dif férentes. Dans le cas d'une mise en contact alternce de couche en couche des électrodes intérieures avec les électrodes extérieures latérales, la mise o en contact respective se fait dans la zone dans laquelle il n'y a pas d'élec trode intérieure arrivant sur le côté extérieur de la couche voisine respec tive. Les couches avec les électrodes intérieures coopèrent comme des capacités si bien que pour garantir la décharge électrique de l'ensemble de la capacité on branche en général en parallèle une résis tance de sortie. Celle-ci peut par exemple étre réalisce par un fil résistant prévu au niveau d'un connocteur du dispositif de branchement. Le procé dé de fabrication est alors toutefois relativement compliqué car il faut souder la résistance et elle occupe de la place supplémentaire. En outre, il faut veiller à ce que cette disposition résiste aux contraintes de vibration, ce qui complique la construction. Dans la partie supérieure et la partie inférieure de ces ac tionneurs piézo-électriques connus, en général, il n'y a pas d'électrodes intérieures car d'une part il faut un certain chemin d'isolation vers les fa :5 ces frontales pour éviter les courts-cTrcuits vers l'extérieur et d'autre part, on utilise des zones passives pour le branchement électrique des électro des extérieures. Avantages de l'invention L'élément piézo-électrique décrit ci-dessus est. comme indi qué, constitué par une structure à plusieurs couches piézoélectriques et entre celles-ci des électrodes intérieures ainsi qu'une mise en contact al ternce de couche à couche des électrodes intérieures, pour étre sollicitée par une tension électrique. En d'autres termes, l'invention, concerne un élément piézo électrique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que - dans la partie supérieure et/ou inférieure, passives on a une couche résistante, les branchements de la résistance de sortie ainsi formoe étant mis en contact avec les électrodes extérieures. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on a avantageusement une construction avec une partie supérieure et une partie inférieure passive avec une couche résistante prévue dans cette partie supérieure et/ ou cette partie inférieure si bien que les branche ments de la résistance de sortie ainsi formoe sont reliés aux électrodes de sortie. Cette couche résistante est obtenue avantageusement par un procédé d'impression sur la partie supérieure et/ou la partie inférieure et ensuite on la calibre; la couche résistante peut être appliquce contre o les électrodes internes actives, de manière interne ou de manière externe sur la couche de recouvrement. À titre d'exemple, les chemins de la résis- tance peuvent être placés dans une zone latérale donnant une disposition des chemins à une distance prédéterminée d'un côté des électrodes exté rieures. s De manière préférentielle, la résistance est formoe par un chemin en méandres obtenu par le dogagement découpé d'une couche ré sistante. Les chemins de la résistance sont, par exemple, constitués en CU, AgPd ou AgPt et le dogagement ou découpage se fait de préférence par un travail au laser. o La disposition selon l'invention permet de manière simple de réaliser une décharge électrique de la couche d'électrode interne fonc tionnant comme une capacité, par une résistance de sortie relice aux électrodes externes. L'intogration selon l'invention de cette résistance dans l' élément piézo-électrique déplace les moyens de fabrication vers l' élément :5 piézo-électrique ou l'actionneur piézo-électrique. La suppression d'une mise en contact externe distincte permet une économie de coût. Selon un second mode de réalisation, en cas de disposition noyée des électrodes internes, on a une couche résistante sur le côté exté rieur de l'élément piézo-électrique. Les chemins de la résistance sont situés dans les zones du côté extérieur qui ne sont pas en contact avec les électrodes intérieures et dans ce cas, les branchements de la résistance de sortie ainsi formoe sont en contact avec les électrodes extérieures. Dessins la présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation d'éléments piézo-électriques représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un élément piézo-électrique avec des couches piézo-électriques et une partie supérieure et une partie inferieure passive, - la figure 2 montre un premier mode de réalisation de chemins résis tants d'une résistance de sortie, - la figure 3 montre un seconde mode de réalisation de chemins résis tants d'une résistance de sortie dont les zones ont été dogagées par un laser, - la figure 4 est une autre présentation de l'exemple de réalisation de la o figure 3, - la figure 5 est une vue schématique d'un élément piézo-électrique avec des couches piézo-électriques et une partie supérieure et une partie inférieure passive ainsi qu'une résistance dans une couche de recou vrement. Description des exemples de réalisation La figure 1 montre comme élément piézo-électrique, un ac tionneur piézoélectrique 1. Celui-ci se compose de manière connue de couches 2 de feuilles piézo-électriques d'une matière à base de quartz avec une structure cristalline appropriée; ainsi en utilisant l'effet piézo o électrique par application d'une tension électrique externe par des électro des extérieures non représentées, aux électrodes intérieures prévues sur la couche en céramique, on produit une réaction mécanique de l'action neur piézo-électrique 1 suivant son axe longitudinal. Des électrodes extérieures sont mises en contact avec les électrodes intérieures ayant la même polarité; chaque seconde électrode intérieure est à la même polarité jusqu'à ce que l'on arrive à une face de l' actionneur piézo-électrique 1 pour être alors mise en contact sur l' autre face de l'autre électrode extérieure o on aura l'autre polarité, isolée, avec un certain intervalle. Sur la couche piézo-électrique extérieure 2 dans la direction longitudinale, on aura chaque fois une partie supérieure 3 isolée électriquement et une partie inférieure 4 constituant chacune une zone mécaniquement passive et par lesquelles l' ensemble de l' actionneur piézo électrique peut être isolé vis-à-vis de l'extérieur. La figure 1 indique une couche résistante 5 au niveau de la partie inférieure 4; cette couche apparaît plus clairement à la figure 2. On voit ainsi que la couche résistante 5 forme un chemin résistant 6 ayant une structure en méandres, dont les extrémités sont relices aux électrodes extérieures 7, 8 et constituent ainsi la résistance de sortie évoquce dans le préambule de la description. La figure 3 montre également que les chemins résistants 6 sont dogagés au laser dans la couche résistante 5; la figure 4 montre le branchement aux électrodes extérieures 7, 8. Les chemins résistants sur les figures 3, 4 situés ici seulement dans une zone de la surface des cou- ches piézo-électriques 2; on peut envisager toutes les dispositions géo- métriques dans la mesure o les valeurs des résistances sont respectées. La disposition alternative sur la figure 5 montre un élément o piézo-électrique ayant la couche résistante 5 sur la couche de recouvre- ment de la partie supérieure 3; la réalisation et le branchement du che- min résistant 6 se font comme indiqué ci-dessus. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Élément piézo-électrique présentant - une structure à plusieurs couches piézo-électriques (2) entre une par tie supérieure et une partie inférieure (3, 4) passives, et entre celles-ci des électrodes intérieures recevant une tension électrique, - une mise en contact des électrodes intérieures, alternant d'une couche à l'autre avec au moins une électrode extérieure (7, 8) pour chaque polarité, se faisant dans la zone dans laquelle la couche voisine res- pective n'a pas d'électrode intérieure relice aux côtés extérieurs, to caractérisé en ce que - dans la partie supérieure et/ou inférieure, passives (3, 4) on a une couche résistante (5), les branchements de la résistance de sortie ainsi formoe étant mis en contact avec les électrodes extérieures (7, 8). 2 ) Élément piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche résistante (5) est appliquce par un procédé d' impression sur la partie supérieure et/ou la partie inférieure (3,4) puis est calibrce. 3 ) Élément piézo-électrique selon la revendication l, caractérisé en ce que - les chemins (6) de la résistance sont placés dans une zone latérale de façon à obtenir une disposition des chemins (6) suivant une distance prédétermince d'un côté de l'électrode extérieure (8). 4 ) Élément piézo-électrique ayant - une structure à plusieurs couches piézo-électriques (2) entre une par- tie supérieure et une partie inférieure (3, 4) passives et entre cellesci des électrodes intérieures recevant une tension électrique, - une mise en contact des électrodes intérieures alternant d'une couche à l'autre avec au moins une électrode extérieure (7, 8) pour chaque polarité, se faisant chaque fois dans la zone dans laquelle la couche respectivement voisine n'a pas d'électrode intérieure relice au côté ex- térieur, caractérisé en ce que - pour une disposition noyée des électrodes intérieures, une couche ré- sistante est appliquce sur le côté extérieur de l'élément piézoélectrique et les chemins de la résistance sont disposés dans les zones du côté extérieur qui ne sont pas en contact avec les électrodes intérieures et les branchements de la résistance de sortie ainsi formoe sont en con tact avec les électrodes extérieures. s ) Élément piézo-électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que - la couche résistante (5) est appliquce par un procédé d'impression sur le côté extérieur de l'élément piézo-électrique (1) et est ensuite calibrce. 6 ) Élément piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que - la résistance est formoe par des chemins (6) ayant un tracé en méan dres, obtenu par découpage à partir de la couche résistante (5). 7 ) Élément piézo-électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que - les chemins (6) de la résistance sont réalisés en CU, AgPd ou AgPt et le