Brevet FR2877494A1 — publié le 20060505

DISPOSITIF PIEZOELECTRIQUE MULTICOUCHE La présente invention est relative à un dispositif piézoélectrique multicouche. Dans la technique antérieure, l'un des dispositifs piézoélectriques multicouche est constitué par un actionneur piézoélectrique décrit, par exemple, dans JP-A-2003-502 869. L'actionneur piézoélectrique comprend un bloc stratifié constitué par un empilement, en alternance, d'une pluralité d'éléments piézoélectriques et d'une pluralité d'électrodes internes, des premières électrodes internes disposées de manière à être en regard de faces latérales respectives du bloc stratifié et électriquement connectées à des électrodes internes prédéterminées, et des électrodes externes disposées à l'extérieur des premières électrodes externes respectives et électriquement connectées aux premières électrodes externes respectives. Dans cet actionneur piézoélectrique, un fil de connexion servant de borne est fixé par brasage à chaque deuxième électrode externe. Cependant, l'actionneur piézoélectrique décrit ci-dessus pose des problèmes. En effet, comme les fils de connexion servant de bornes sont soudés par brasage aux deuxièmes électrodes externes correspondantes, les parties soudées par brasage entre les fils de connexion et les deuxièmes électrodes externes risquent de se casser pendant un usage de longue durée de l'actionneur piézoélectrique, ce qui pose le problème d'une fiabilité insuffisante de l'actionneur piézoélectrique. De plus, comme une paire de fils de connexion s'étendent sensiblement sur la même largeur que le bloc stratifié et dans la direction d'empilement du bloc stratifié, il est difficile de former un actionneur piézoélectrique unitaire à installer dans divers dispositifs. La présente invention a été élaborée compte tenu des circonstances cidessus, et l'invention vise à réaliser un dispositif piézoélectrique multicouche d'une grande fiabilité et permettant de former facilement un ensemble unitaire à installer dans divers dispositifs. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, un dispositif piézoélectrique multicouche selon la présente invention consiste en un dispositif piézoélectrique multicouche comprenant: un ensemble stratifié constitué par un empilement, en alternance, d'une pluralité d'éléments piézoélectriques et d'une pluralité d'électrodes internes; des premières électrodes externes qui sont disposées sur des faces latérales de l'ensemble stratifié de manière à être mutuellement en regard, et dont chacune est électriquement connectée à certaines, prédéterminées, desdites électrodes internes; et des deuxièmes électrodes externes disposées à l'extérieur des premières électrodes externes respectives, chacune des deuxièmes électrodes externes étant réalisée d'une seule pièce comprenant un corps principal connecté électriquement et physiquement à la première électrode externe correspondante, et une partie prolongatrice ayant une extrémité faisant saillie par rapport à une face d'extrémité de l'ensemble stratifié dans le sens de l'empilement de l'ensemble stratifié, et dans lequel, entre les deuxièmes électrodes externes mutuellement en regard, la distance entre les parties prolongatrices est plus grande que la distance entre les parties du corps principal. Dans ce dispositif piézoélectrique multicouche, la deuxième électrode externe est formée d'une seule pièce comprenant le corps principal connecté électriquement et physiquement à la première électrode externe, et la partie prolongatrice ayant une extrémité faisant saillie par rapport à une face d'extrémité de l'ensemble stratifié dans la direction de l'empilement de l'ensemble stratifié. Cela permet d'utiliser comme borne la partie prolongatrice de la deuxième électrode externe et, comme la deuxième électrode externe est formée d'une seule pièce, on peut empêcher la rupture de la deuxième électrode externe même lors d'une utilisation de longue durée du dispositif piézoélectrique. De la sorte, la fiabilité du dispositif piézoélectrique est améliorée. En outre, entre les deuxièmes électrodes externes mutuellement en regard, la distance entre les parties prolongatrices est plus grande que la distance entre les parties du corps principal, grâce à quoi le dispositif piézoélectrique peut facilement être réalisé sous la forme d'un ensemble lors de son installation dans divers dispositifs; par exemple, une plaque pour l'application d'une précontrainte est placée sur une face d'extrémité de l'ensemble stratifié. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue en perspective d'une forme de réalisation du dispositif piézoélectrique multicouche selon la présente invention; et la Fig. 2 est un schéma servant à expliquer une configuration en coupe du dispositif piézoélectrique multicouche représenté sur la Fig. 1. La forme préférée de réalisation du dispositif piézoélectrique multicouche selon la présente invention va maintenant être expliquée en détail en référence aux dessins. Les parties identiques ou équivalentes seront désignées par les mêmes repères sur tous les dessins, sans en répéter la description. Dans la présente description, les termes "haut", "bas", etc. sont liés aux configurations illustrées sur les dessins et employées à des fins descriptives. Comme représenté sur les figures 1 et 2, un dispositif piézoélectrique multicouche 1 comprend un ensemble stratifié 2 en forme de prisme polygonal (ici en forme de prisme quadrangulaire). L'ensemble stratifié 2 a une première face latérale 2a et une deuxième face latérale 2b parallèles à une direction d'empilement de l'ensemble stratifié 2 (ce qu'on appellera ci-après simplement "direction d'empilement") et opposées l'une à l'autre. L'ensemble stratifié 2 est constitué par un empilement, en alternance, d'éléments piézoélectriques 3 et d'éléments piézoélectriques 5 pris en sandwich entre un élément piézoélectrique 7 et un élément piézoélectrique 9 au-dessus et au-dessous. Chacun des éléments piézoélectriques 3, 5, 7 et 9 est en matière céramique piézoélectrique, par exemple principalement composée de titanate et zirconate de plomb et mise sous la forme d'une mince plaque rectangulaire. L'épaisseur de chaque élément piézoélectrique 3, 5 est ici de 50 à 100 m. L'ensemble stratifié 2 a des premières électrodes internes 11 et des deuxièmes électrodes internes 13. Chaque première électrode interne 11 est formée sur une surface supérieure de l'élément piézoélectrique 3 et chaque deuxième électrode interne 3 est formée sur une surface supérieure de l'élément piézoélectrique 5, 9. Chacune des électrodes internes 11, 13 est en matière électroconductrice principalement constituée d'argent et de palladium, par exemple, et se présente sous la forme d'un motif réalisé par sérigraphie. L'épaisseur de chaque électrode interne 11, 13 est ici de 0,5 à 5 m. Dans le stratifié 2, les premières électrodes internes 11 et les deuxièmes électrodes internes 13 sont empilées avec l'élément piézoélectrique 3, 5 intercalé. Il en résulte la formation de l'ensemble stratifié 2 dans lequel sont empilés en alternance des éléments piézoélectriques 3, 5 et une pluralité d'électrodes internes 11, 13. Les premières électrodes internes 11 sont formées de manière à commencer en un point à l'intérieur de la deuxième face latérale 2b et à être découvertes dans la première face latérale 2a. En l'occurrence, les extrémités des premières électrodes internes 11 du côté de la deuxième face latérale 2b sont situées à une distance prédéterminée de la deuxième face latérale 2b. Les premières électrodes internes 11 ne sont pas découvertes dans la deuxième face latérale 2b. Les deuxièmes électrodes internes 13 sont formées de manière à commencer en un point à l'intérieur de la première face latérale 2a et à être découvertes dans la deuxième face latérale 2b. En l'occurrence, les extrémités des deuxièmes électrodes internes 13 du côté de la première face latérale 2a sont situées à une distance prédéterminée de la première face latérale 2a. Les deuxièmes électrodes internes 13 ne sont pas découvertes dans la première face latérale 2a. En regardant dans la direction d'empilement, les deuxièmes électrodes internes 13 sont situées de façon qu'une partie de celles-ci chevauche une partie des premières électrodes internes 11. Une électrode externe 21 est disposée sur chacune des faces latérales 2a, 2b de l'ensemble stratifié 2. Chaque électrode externe 21 est composée d'une première électrode externe 23 et d'une deuxième électrode externe 25. La première électrode externe 23 est formée de manière à couvrir une partie de chaque face latérale 2a, 2b. La première électrode externe 23 est par exemple en matière électroconductrice principalement composée d'argent et se présentant sous la forme d'un motif réalisé par sérigraphie. L'épaisseur de la première électrode externe 23 est ici de 1 à 40 m. La première électrode externe 23 formée sur la première face latérale 2a est électriquement connectée aux premières électrodes internes 11 découvertes dans la première face latérale 2a, sur la première face latérale 2a. Les premières électrodes externes 23 formées sur la deuxième face latérale 2b sont électriquement connectées aux deuxièmes électrodes internes 13 découvertes dans la deuxième face latérale 2b, sur la deuxième face latérale 2b. La deuxième électrode externe 25 est constituée d'une seule pièce par un corps principal 27 disposé de manière à chevaucher la première électrode externe 23, d'une partie prolongatrice 29 disposée à l'écart de la première électrode externe 23 en comparaison du corps principal 27, et audessus du corps principal 27, et d'une partie de connexion 31 connectant le corps principal 27 à la partie prolongatrice 29, et est située à l'extérieur de chaque premier électrode externe 23. Avec un tel agencement, entre les deuxièmes électrodes externes 25 en regard les unes des autres, une distance Dl entre les parties prolongatrices 29 est plus grande qu'une distance D2 entre les corps principaux 27. La deuxième électrode externe 25 est par exemple en matière choisie parmi le cuivre et les alliages de celui-ci, le nickel et les alliages de celuici, des matériaux électroconducteurs tels que l'acier inoxydable ou le cuivre au béryllium, elle comprend des éléments avec un film plaqué sur une surface des matériaux électroconducteurs, et elle est réalisée en cintrant un élément en forme de plaque plane de façon que la partie prolongatrice 29 et la partie de connexion 31 présentent une forme fortement pliée par rapport au corps principal 27. L'épaisseur de la deuxième électrode externe 25 est ici d'environ 150 m. Le fait de simplement cintrer de la sorte l'élément en forme de plaque plane permet de réaliser sans difficulté d'une seule pièce la deuxième électrode externe 25 comportant le corps principal 27, la partie prolongatrice 29 et la partie de connexion 31. Le corps principal 27 comporte des premières parties 27a et des deuxièmes parties 27b. Les premières parties 27a s'étendent dans la direction de l'empilement et sont disposées de manière discontinue dans la direction d'empilement. Les deuxièmes parties 27b s'étendent dans une direction croisant la direction d'empilement (ici dans la direction perpendiculaire à la direction d'empilement) et connectent les unes aux autres les premières parties 27a. Dans cette configuration, le corps principal 27 est agencé de manière à s'étendre sous la forme d'une onde rectangulaire (c'est-à-dire sous la forme d'une onde impulsionnelle) globalement dans la direction d'empilement. Le corps principal 27 est électriquement et physiquement (c'est-à-dire mécaniquement) connecté à la première électrode externe 23 d'une manière discontinue par de la brasure à l'étain 33 aux niveaux de connexions P situées sur les premières parties respectives 27a. Le diamètre de la brasure à l'étain 33 est ici d'environ 200 m. La première électrode externe 23 et le corps principal 27 peuvent être connectés, à chaque connexion P, par soudage par points ou à l'aide d'un adhésif électroconducteur. La première électrode externe 23 et le corps principal 27 peuvent être électriquement et physiquement connectés de manière discontinue, aux niveaux de connexions P situées sur les deuxièmes parties respectives 27b. La partie prolongatrice 29 s'étend de manière linéaire dans la direction de l'empilement et possède une extrémité supérieure (une extrémité) 29a faisant saillie par rapport à une face supérieure (face d'extrémité) 2c de l'ensemble stratifié 2 dans la direction d'empilement. En l'occurrence, l'extrémité supérieure 29a de la partie prolongatrice 29 est située audessus de la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2 dans la direction d'empilement. Une extrémité supérieure 27a du corps principal 27 et une extrémité inférieure 29b de la partie prolongatrice 29 sont situées sous la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2 dans la direction d'empilement, et l'extrémité supérieure 27a du corps principal 27 et l'extrémité inférieure 29b de la partie prolongatrice 29 sont connectées par la partie de connexion 31 qui s'étend de manière linéaire dans une direction croisant la direction d'empilement (ici la direction perpendiculaire à la direction d'empilement). Dans le dispositif piézoélectrique multicouche 1 construit de la manière décrite ci-dessus, en utilisant comme bornes les parties prolongatrices 29 de la paire de deuxièmes électrodes externes 25, une tension est appliquée entre la première électrode externe 23 formée sur la première face latérale 2a et la première électrode externe 23 formée sur la deuxième face latérale 2b, à la suite de quoi la tension est appliquée entre les premières électrodes internes 11 et les deuxièmes électrodes internes 13. Il en résulte la production de champs électriques dans des parties des éléments piézoélectriques 3, 5 entre les premières électrodes internes 11 et les deuxièmes électrodes internes 13, si bien que ces parties viennent à être déplacées en tant que pièces actives. Le dispositif piézoélectrique multicouche 1 de ce type convient en particulier à des applications de commande d'injection de carburant. Par ailleurs, le dispositif piézoélectrique multicouche 1 est construit de façon que le corps principal 27 de la deuxième électrode externe 25 s'étende sous la forme d'une onde rectangulaire dans la direction d'empilement et soit électriquement et physiquement connecté à la première électrode externe 23 en de multiples connexions P. Cela donne de la souplesse au corps principal 27 dans la direction d'empilement, ce qui permet d'éliminer l'inhibition du déplacement de l'ensemble stratifié 2 dans la direction d'empilement et peut supprimer la rupture du corps principal 27 même lors d'une utilisation de longue durée du dispositif piézoélectrique 1. Le corps principal 27 ne se limite pas forcément à la forme d'onde rectangulaire, mais peut se présenter sous n'importe quelle forme d'onde dans la direction d'empilement (par exemple une forme d'onde triangulaire, une forme d'onde sinusoïdale ou analogue) avec une souplesse dans la direction d'empilement. En outre, même en cas de rupture de la première électrode externe 23 formée sur chaque face latérale 2a, 2b de l'ensemble stratifié 2, le corps principal 27 de la deuxième électrode externe 25 reste encore électriquement et physiquement connecté à la première électrode 23 en de multiples connexions P, aussi des trajets électriques sont-ils créés vers les premières électrodes internes 11 et vers les deuxièmes électrodes internes 13, sans nuire à la fonction du dispositif piézoélectrique 1. On va maintenant décrire un procédé de fabrication du dispositif piézoélectrique multicouche 1. Pour commencer, un liant organique, un solvant organique, etc. sont mélangés dans une matière céramique piézoélectrique principalement composée de titanate et zirconate de plomb afin de préparer un substrat sous forme de pâte, et le substrat sous forme de pâte sert à former des feuilles crues pour les couches piézoélectriques respectives 3, 5, 7, 9. En outre, un liant organique, un solvant organique, etc. sont mélangés dans une matière métallique constituée d'argent et de palladium dans des proportions prédéterminées (par exemple, argent/palladium = 7/3) afin d'élaborer une pâte électroconductrice pour la formation de motifs d'électrodes. Ensuite, un motif d'électrode correspondant à la première électrode interne 11 est formé sur chacune des feuilles crues. Un motif d'électrode correspondant à la deuxième électrode interne 13 est formé sur chacune des autres feuilles crues. La formation de chaque motif d'électrode est effectuée par sérigraphie à l'aide de la pâte électroconductrice précitée. Ensuite, les feuilles crues avec le motif d'électrode correspondant à la première électrode interne 11 et les feuilles crues avec le motif d'électrode correspondant à la deuxième électrode interne 13 sont empilées en alternance, et les feuilles crues sans aucun motif d'électrode sont en outre empilées sous la forme de couches tout à l'extérieur, en créant de ce fait un ensemble stratifié cru. Le nombre de feuilles crues empilées est ici de l'ordre de 350. Ensuite, tout en chauffant l'ensemble stratifié cru à une température prédéterminée (par exemple d'environ 60 C), celui-ci est comprimé sous une pression prédéterminée (par exemple d'environ 100 MPa) dans la direction d'empilement, puis l'ensemble stratifié cru est découpé à un format prédéterminé. Le découpage de l'ensemble stratifié cru est effectué, par exemple, à l'aide d'une lame en diamant. De ce fait, les premières électrodes internes 11 se trouvent découvertes dans la première face latérale 2a et les deuxièmes électrodes internes 13 se trouvent découvertes dans la deuxième face latérale 2b. Ensuite, l'ensemble stratifié cru est dégraissé (c'est-à-dire débarrassé du liant) à une température prédéterminée (par exemple d'environ 400 C), puis il est cuit à une température prédéterminée (par exemple à environ 1100 C) pendant un temps prédéterminé (par exemple environ deux heures), ce qui donne l'ensemble stratifié 2. Ensuite, une sérigraphie avec une pâte électroconductrice principalement composée d'argent est effectuée sur chacune des faces latérales 2a, 2b de l'ensemble stratifié 2, puis l'ensemble stratifié est cuit à une température prédéterminée (par exemple environ 700 C) afin de former les premières électrodes externes 23. Une pulvérisation, un dépôt par plaquage non électrolytique ou analogue peut également être employé pour former les premières électrodes externes 23. Ensuite, les deuxièmes électrodes externes 25 réalisées séparément sont connectées par soudage à l'étain aux premières électrodes externes 23 en chacune des connexions P. Les deuxièmes électrodes externes 25 sont réalisées, par exemple, par étamage d'une matière formant tôle en acier inoxydable, en alliage de nickel ou analogue, puis en transformant la matière formant tôle de la manière décrite plus haut. Enfin, un processus de polarisation (par exemple, l'application d'un champ électrique d'une intensité de 2 kV/mm à une température ambiante de 120 C pendant trois minutes) est effectué pour obtenir le dispositif piézoélectrique multicouche 1. Dans le dispositif piézoélectrique multicouche 1 décrit ci-dessus, la deuxième électrode externe 25 est formée d'une seule pièce, comprenant le corps principal 27 électriquement et physiquement connecté à la première électrode externe 23, et la partie prolongatrice 29 dont l'extrémité supérieure 29a fait saillie par rapport à la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2 dans la direction de l'empilement. Cela permet d'utiliser comme borne la partie prolongatrice 29 de la deuxième électrode externe 25. Comme la deuxième électrode externe 25 est formée d'une seule pièce, la deuxième électrode externe 25 peut être empêchée de se casser même lors d'une utilisation de longue durée du dispositif piézoélectrique 1. De ce fait, la fiabilité du dispositif piézoélectrique 1 est améliorée. Comme le corps principal 27 électriquement et physiquement connecté à la première électrode externe 23, et la partie prolongatrice utilisable comme borne font corps l'un avec l'autre par l'intermédiaire de la partie de connexion 31, le nombre de pièces peut être réduit en comparaison d'une configuration dans laquelle une broche de connexion ou analogue est électriquement connectée en tant que borne à la deuxième électrode externe De plus, la présente invention supprime la nécessité d'une mise en place pour connecter électriquement à la deuxième électrode externe la broche de connexion ou analogue servant de borne. Le dispositif piézoélectrique multicouche 1 constitue un ensemble unitaire constitué de la manière ci-après afin de d'appliquer une précontrainte à l'ensemble stratifié 2 lors de son intégration dans divers dispositifs tels que des injecteurs de carburant. En l'occurrence, comme représenté sur la Fig. 2, une plaque supérieure 35 en métal est placée sur la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2, et une plaque inférieure en métal est placée sur la face inférieure 2d de l'ensemble stratifié 2. La plaque supérieure 35 et la plaque inférieure 37 sont couplées l'une à l'autre par un élément de couplage 39 de forme cylindrique afin d'exercer une force de compression dans la direction d'empilement. Au cours de cette formation de l'ensemble du dispositif piézoélectrique multicouche 1, puisque, entre les deuxièmes électrodes externes opposées 25, la distance Dl entre les parties prolongatrices 29 est supérieure à la distance D2 entre les corps principaux 27, les parties prolongatrices 29 ne peuvent pas devenir un obstacle à l'occasion de la mise en place de la plaque supérieure 35 sur la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2, ce qui facilite la formation de l'ensemble du dispositif piézoélectrique 1 lors de son installation dans divers dispositifs. De plus, l'extrémité supérieure 27a du corps principal 27 et l'extrémité inférieure 29b de la partie prolongatrice 29 sont situées sous la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2 dans la direction de l'empilement, et l'extrémité supérieure 27a du corps principal 27 et l'extrémité inférieure 29b de la partie prolongatrice 29 sont connectées par la pièce de connexion 31 qui s'étend de façon linéaire dans la direction croisant la direction d'empilement. C'est pourquoi un court-circuit peut être empêché entre la plaque supérieure 35 située sur la face supérieure 2c de l'ensemble stratifié 2 et la deuxième électrode externe 25 pendant la formation de l'ensemble du dispositif piézoélectrique multicouche 1 de la manière décrite plus haut. La présente invention ne se limite nullement à la forme de réalisation décrite ci-dessus. Par exemple, la forme de l'ensemble stratifié 2 ne se limite pas à la forme de prisme polygonal, mais peut être une forme de colonne cylindrique. Dans le cas où l'ensemble stratifié 2 est en forme de colonne cylindrique, les électrodes extérieures 21 peuvent être disposées n'importe où sur la face latérale tant qu'elles sont situées de manière mutuellement opposées. Les premières électrodes internes 11 peuvent être découvertes dans la deuxième face latérale 2b si elles sont électriquement isolées de l'électrode externe 21 présente sur la deuxième face latérale 2b. De même, les deuxièmes électrodes internes 13 peuvent être découvertes dans la première face latérale 2a si elles sont électriquement isolées de l'électrode externe 21 disposée sur la première face latérale 2a. La deuxième électrode externe 25 comportait le corps principal 27 et la partie prolongatrice 29 réalisée en cintrant la plaque plane pour lui donner la forme coudée, mais elle peut être conçue de façon à avoir le corps principal 27 et la partie prolongatrice 29 créés en incurvant l'élément en forme de plaque plane. La partie prolongatrice 29 de la deuxième électrode externe 25 peut être pourvue d'un connecteur servant de borne. Le dispositif piézoélectrique multicouche selon la présente invention est très fiable et facilite la formation d'un ensemble au moment de son installation dans divers dispositifs. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézoélectrique multicouche (1), comprenant: un ensemble stratifié (2) comprenant, empilées en alternance, une pluralité d'éléments piézoélectriques (3, 5, 7, 9) et une pluralité d'électrodes internes (11, 13) ; des premières électrodes externes (23) disposées sur des faces latérales (2a) de l'ensemble stratifié (2) de manière à être en regard les unes des autres, et dont chacune est électriquement connecté à certaines, prédéterminées, desdites électrodes internes (11, 13) ; et des deuxièmes électrodes externes (25) disposées à l'extérieur des premières électrodes externes respectives (23), caractérisé en ce que chacune des deuxièmes électrodes externes (25) est réalisée d'une seule pièce, comprenant un corps principal (27) électriquement et physiquement connecté à la première électrode externe correspondante (23), et une partie prolongatrice (29) ayant une extrémité (29a) faisant saillie par rapport à une face d'extrémité (2c) de l'ensemble stratifié (2) dans une direction d'empilement de l'ensemble stratifié (2), et en ce que, entre les deuxièmes électrodes externes (25) mutuellement en regard, une distance entre les parties prolongatrices (29) est plus grande qu'une distance entre les corps principaux (27).