Brevet FR2899402A1 — publié le 20071005

Domaine de l'invention La présente invention concerne un actionneur piézo-électrique comportant une pile formée de plusieurs couches céramiques piézo-électriques avec entre les couches céramiques chaque fois une couche formant électrode, un organe de réglage commandé par l'actionneur piézo-électrique, ainsi qu'un coupleur entre l'actionneur et l'organe de réglage. Etat de la technique Les composants piézoélectriques s'imposent de plus en plus dans les applications mécatroniques, notamment comme des actionneurs ou des capteurs. Dans les systèmes d'injection de carburant à haute pression de moteurs à combustion interne on utilise des actionneurs piézo-électriques pour commander l'aiguille d'injecteur d'une manière très rapide et très précise. Dans la suite on évoquera à titre d'exemple un grand nombre d'actionneurs, celui des injecteurs piézo-électriques, bien que l'invention ne soit pas limitée à ce type d'injecteur et puisse s'utiliser partout où il faut commander un organe de réglage ou d'actionnement avec une très grande dynamique et une très grande précision pendant toute la durée de vie de l'actionneur. Etant donné la faible course des actionneurs piézo-électriques, dans de nombreuses applications, en particulier dans le cas des actionneurs piézo-électriques connus selon l'état de la technique, il faut un coupleur ou un amplificateur de course qui transforme la course de l'actionneur piézo-électrique en un mouvement de réglage suffisamment important. Ces coupleurs sont par exemple des convertisseurs hydrauliques ayant un piston étagé. Dans de tels coupleurs on rencontre naturellement des fuites de sorte qu'il faut assurer l'étanchéité des actionneurs piézo-électriques vis-à-vis du carburant. Lorsque le boîtier enveloppant l'actionneur piézo-électrique perd son étanchéité, l'injecteur ne fonctionne plus. A cause de l'étanchéité nécessaire de l'actionneur piézo-électrique et de la multiplicité des pièces ou composants utilisés dans un convertisseur hydraulique de pression, cela augmente le nombre de pièces et de composants nécessaire ainsi que le coût de fabrication. En outre, selon l'état de la technique, on connaît des injecteurs piézo-électriques ayant un convertisseur hydraulique de pression dans lequel la direction de déplacement de l'actionneur et de l'organe de réglage sont identiques de sorte qu'il faut alimenter l'actionneur piézo-électrique pour fermer l'aiguille d'injecteur. Ce n'est que pour ouvrir l'aiguille d'injecteur que l'on réduit la tension appliquée à l'actionneur piézo-électrique. Cela signifie que l'actionneur piézo-électrique est sollicité pendant une grande partie de sa durée de fonctionnement avec un champ électrique de forte intensité et ce n'est que pendant les brèves injections qu'il est ainsi coupé du courant. Cela sol-licite fortement l'actionneur piézo-électrique du point de vue électrique et mécanique et la puissance électrique qu'il consomme est relativement élevée. Cela réduit d'autant sa durée de vie. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un actionneur piézo-électrique ou un injecteur piézo-électrique amélioré vis-à-vis de l'état de la technique, qui soit de construction simple, compact et dont les contraintes mécaniques et électriques soient réduites. En outre, on se propose d'améliorer la fiabilité et la durée de vie de l'actionneur piézo-électrique. Exposé de l'invention A cet effet, l'invention concerne un actionneur piézo-électrique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'actionneur est un actionneur de section annulaire, l'organe de réglage est coaxial à l'actionneur, le coupleur comporte un premier élément de couplage de forme torique et un second élément de couplage torique ou cylindrique coaxial au précédent, le premier élément de couplage torique et le second élément de couplage torique étant reliés hydrauliquement, et le coupleur est rempli d'un fluide incompressible, notamment de l'huile. Avantages de l'invention Grâce à la disposition coaxiale et la réalisation de l'actionneur piézo-électrique comme actionneur annulaire, on réalise de manière simple l'inversion du mouvement par le coupleur. Cela permet, par exemple dans le cas d'un injecteur pié- zo-électrique, de n'alimenter l'actionneur que s'il faut injecter du carbu- rant. En conséquence, les contraintes électriques et mécaniques appliquées à l'actionneur piézo-électrique sont fortement diminuées et la du-rée de vie de l'actionneur piézo-électrique augmente. Il est également avantageux que dans l'actionneur annu- laire selon l'invention, du fait du grand diamètre du premier élément de couplage coopérant avec l'actionneur annulaire, une très faible course de l'actionneur piézo-électrique se traduit par un volume refoulé, considérable, dans le coupleur. Cela permet de réaliser un rapport de dé-multiplication élevé avec le coupleur. Cela signifie que l'on peut soit avoir des courses importantes pour l'organe de réglage, soit diminuer, si la course de l'organe de réglage est suffisante, la longueur constructive de l'actionneur piézo-électrique. Cela se traduit par des avantages économiques et de fabrication considérables. Les deux éléments de couplage coaxiaux permettent au choix de façon simple d'inverser le mouvement de l'actionneur par le coupleur s'il devait être souhaitable que les mouvements de l'actionneur et ceux de l'organe de réglage soient dans la même direction. Selon une variante avantageuse, le premier élément de couplage comprend deux parois cylindriques et le volume délimité par les parois du premier élément de couplage est fermé par une plaque de couverture en forme d'anneau de cercle. Cela permet de transformer la course de l'actionneur annulaire, de manière simple et efficace, en un volume refoulé par le premier élément de couplage. La même remarque s'applique au second élément de cou- plage. Par exemple, lorsque l'organe de réglage passe dans le second élément de couplage, il est avantageux d'utiliser un second élément de couplage en forme de tore. Dans le cas contraire, le second élément de couplage peut également être en forme de cylindre avec seulement une paroi extérieure et une plaque de recouvrement triangulaire. Cela per- met de diminuer le nombre de composants. Pour les petites courses de l'actionneur ou courses de réglage de l'organe de réglage, la transmission et la transformation de la course de l'actionneur en un mouvement de réglage de l'organe de réglage peut se faire par l'élasticité des parois cylindriques de l'élément de couplage. Pour augmenter l'élasticité des éléments de couplage, selon un autre développement de l'invention, les parois cylindriques du premier élément de couplage et du second élément de couplage forment un soufflet. Dans ce cas on peut également transmettre des courses d'actionneur, importantes, et des courses de réglage de l'organe de réglage sans produire des dilatations de niveau excessif dans les parois de l'élément de couplage. De plus, les parois de couverture peuvent être courbes. Ainsi, les parois de couverture ou de recouvrement peuvent servir au moins en partie à transmettre et à transformer la course de l'actionneur sur l'organe de réglage. Il est avantageux que la paroi extérieure du premier élément de couplage, la paroi intérieure du second élément de couplage et une plaque de fond soient fabriquées par transformation en une seule pièce, notamment par emboutissage profond. Grâce à l'emboutissage-repoussage profond on peut réaliser des épaisseurs de paroi différentes des différents composants. La même remarque s'applique à la paroi intérieure du premier élément de couplage, à la paroi extérieure du second élément de couplage et à une plaque intermédiaire. Les différents composants du coupleur, notamment ses parois, les parois de recouvrement, la plaque de fond et/ou la plaque intermédiaire sont avantageusement réunis par soudage. Cela permet d'éviter les fuites à 100 %. Habituellement, dans un actionneur piézo-électrique selon l'invention, une face frontale de l'actionneur annulaire est appliquée sur la plaque de couverture du premier élément de couplage alors que l'organe de réglage est appliqué sur la plaque de couverture du second élément de couplage. Il est prévu un ressort de compression qui main- tient l'organe de réglage en appui contre l'organe de couplage. Une application préférentielle de l'actionneur piézo-électrique selon l'invention est l'application à un injecteur de moteur à combustion interne. Dans ce cas, l'organe de réglage ou organe de réglage est l'aiguille d'injecteur. On peut alors supprimer complètement la soupape de commande hydraulique (entre autre à côté du rapport de démultiplication important du coupleur selon l'invention). La commande de l'aiguille d'injecteur peut ainsi se faire avec une dynamique et une précision très importantes. En outre, on économise de la place et des coûts et on augmente la fiabilité grâce au nombre réduit de compo-sants. Il est en outre avantageux de prévoir un ressort de compression maintenant l'organe de réglage en appui contre le coupleur. Cela garantit en outre que, d'une part, l'organe de réglage suive directement les mouvements de réglage prédéfinis par l'actionneur piézo-électrique et, en second lieu, que grâce au coupleur, la force exercée par le ressort de compression par l'intermédiaire de l'organe de réglage sur le coupleur, assure également la précontrainte de l'actionneur annulaire. On peut alors supprimer toute installation de tension spéciale telle que par exemple une lyre. 15 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un exemple de réalisation 20 d'un actionneur piézo-électrique selon l'invention, et - les figures 2-5 montrent des exemples de réalisation de coupleurs selon l'invention. Description d'exemples de réalisation La figure 1 est une coupe longitudinale d'un exemple 25 d'actionneur piézo-électrique selon l'invention. A la figure 1 on a représenté un injecteur piézo-électrique 1 comportant un actionneur annulaire 3 selon l'invention. L'actionneur annulaire 3 se compose d'un grand nombre de couches céramiques 5 avec entre celles-ci chaque fois une couche 30 d'électrodes 7, 9. Pour des raisons de lisibilité, toutes les couches céramiques et toutes les couches d'électrodes ne comportent pas de référence. Les couches d'électrodes 7 sont reliées électriquement à une première électrode extérieure 11 alors que les couches d'électrodes 9 sont reliées électriquement à une seconde électrode extérieure 13. Le 35 fonctionnement des actionneurs piézo-électriques est connu depuis longtemps, ce qui rend inutile toute description détaillée de ceux-ci dans le présent contexte. Il est important pour l'invention que l'actionneur annulaire 3 possède une section annulaire laissant au centre de la place pour un manchon 15. Le manchon 15 comporte un branchement de haute pression 17. Une aiguille d'injecteur 19 vient en saillie par sa tête 21 dans le manchon 15. Entre la face frontale 23 de l'actionneur annulaire 3 et la tête 21 de l'aiguille d'injecteur 19 on a installé un coupleur 25. Les figures res 2 et 3 montrent différents modes de réalisation du coupleur 25. Pour une meilleure compréhension du fonctionnement de l'actionneur piézoélectrique 1 selon l'invention, on décrira la structure et le fonctionnement du coupleur 25 à l'aide des figures 2 et 3. Le coupleur 25 comprend un premier élément de cou- 15 plage 27 et un second élément de couplage 29. Le premier élément de couplage 27 a une paroi extérieure 31 et une paroi intérieure 33 ainsi qu'une plaque de couverture 35. La paroi extérieure 31 et la paroi intérieure 33 concentrique à celle-ci sont reliées l'une à l'autre par la plaque de couverture 35 en forme d'anneau de cercle. De manière préféren- 20 tielle, la plaque de couverture 35 est soudée solidement à la paroi extérieure 31 et la paroi intérieure 33 par une soudure étanche. La face frontale 23 de l'actionneur annulaire (voir figure 1) s'applique sur la plaque de couverture 35. Dès que l'actionneur annulaire 3 est alimenté, il se dilate et pousse la plaque de couverture 35 en direction de la flèche 25 43. Le second élément de couplage 29 a en principe la même structure que le premier élément de couplage 27. Il a une paroi extérieure 37, une paroi intérieure 39 et une plaque de couverture annulaire 41. 30 Le premier élément de couplage 27 a un plus grand dia-mètre que le second élément de couplage 29 et le volume intérieur du coupleur 25, souligné par les hachures à la figure 2, est rempli complètement d'huile, notamment de liquide hydraulique sans inclusion d'air ; ce volume transmet ainsi la course de l'actionneur au mouvement 35 de la plaque de couverture 35 du premier élément de couplage 27 par le liquide hydraulique à la seconde plaque de couverture 41 du second élément de couplage 29. Le mouvement de la plaque de couverture 41 du second élément de couplage 29 est indiqué par les flèches 45. Le rapport de démultiplication du coupleur 25 est indiqué par les flèches 43 et 45 de longueurs différentes. La liaison hydraulique entre le premier élément de cou-plage 27 et le second élément de couplage 29 est réalisée par une plaque de fond 47, annulaire, et par une plaque de liaison annulaire 49. La plaque de fond 47 et la paroi extérieure 31 du premier élément de cou-plage 27 et la paroi intérieure 39 du second élément de couplage 29 peuvent être réalisées en une seule pièce, par exemple par emboutis-sage profond. La même remarque s'applique à la paroi intérieure 33 du premier élément de couplage 27, à la plaque intermédiaire 49 et à la paroi extérieure 37 du second élément de couplage 29. En variante, on 15 peut également fabriquer séparément les composants et ensuite les ré-unir par soudage. En soudant les plaques de couverture 35, 41 o forme un volume intérieur hermétique dans le coupleur 25 ; ce volume est indiqué par un nuage de points à la figure 2. Le volume intérieur (sans référence) est rempli d'huile, 20 notamment de liquide hydraulique, pour ne pas laisser subsister de bulles d'air. Comme l'huile est pratiquement incompressible, tout refoulement de l'huile provoqué par la course de l'actionneur piézo-électrique au niveau du premier élément de couplage 27 se traduit par une expansion du second élément de couplage 29. Le volume refoulé 25 dans le premier élément de couplage 27 est égal à l'expansion du second élément de couplage 29. Dans les exemples de réalisation des figures 2 et 3 on a en même temps une démultiplication et une inversion du sens du mouvement. Suivant le matériau utilisé, de préférence un métal ayant 30 des caractéristiques mécaniques appropriées, la course de l'actionneur piézo-électrique et la course requise de l'organe de réglage, on peut réaliser les parois extérieures 31 et 37 ainsi que les parois intérieures 33 et 39 du premier et du second élément de couplage 27 et 29 sous la forme de segments de tube cylindrique comme cela est représenté à la figure 35 2. Cette solution est particulièrement avantageuse du point de vue de la fabrication ; elle offre en même temps l'avantage d'un élément de cou-plage 25 très rigide dans la direction radiale. Si toutefois la dilatation au niveau du premier élément de couplage 27 et du second élément de couplage 29 devient trop impor- tante lors de la course de l'actionneur piézo-électrique, cela peut entraîner des fissures. Dans un tel cas il est avantageux de donner aux parois extérieurs 31 et 37 et/ou aux parois intérieures 33, 39 des éléments de couplage 27, 29, une forme de soufflet. La figure 3 montre à titre d'exemple la paroi extérieure 37 et la paroi intérieure 39 du second élément de couplage 29 sous la forme d'un soufflet. Le cas échéant, on peut également réaliser comme soufflet la paroi extérieure 31 et la paroi intérieure 33 du premier élément de couplage 27. La figure 1 montre sous le coupleur 25 un manchon de guidage 51 et un écrou de serrage 53. L'écrou 53 reçoit un siège 15 d'aiguille d'injecteur 55 avec un ou plusieurs orifices d'éjection (ou orifices d'injection) 57. Un ressort de compression 59, dont une extrémité s'appuie contre la tête 21 de l'aiguille d'injecteur 19 et l'autre contre un épaulement 61 du manchon 15, pousse l'aiguille 19 contre le siège 20 d'aiguille d'injecteur 55. L'injecteur 1 est ainsi fermé et il n'y a pas d'injection de carburant dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne non représenté. Le manchon 15 assure l'étanchéité également de l'actionneur annulaire 3 vis-à-vis du carburant du branchement à 25 haute pression 17. Ainsi, l'actionneur annulaire 3 n'a pas à être logé dans un boîtier étanche au liquide. Cela améliore en outre notamment l'évacuation de la chaleur. L'écrou 51 est vissé au support de buse 58 dont l'extrémité supérieure selon la figure 1 bloque dans la direction axiale à 30 la fois l'actionneur annulaire 3 et le manchon 15. En serrant l'écrou 53 on règle la précontrainte requise de l'actionneur annulaire 3. Le carburant du branchement haute pression 17 appliqué au manchon arrive dans la chambre de pression 63 de l'écrou de serrage 53. Le guidage du carburant à travers l'aiguille 18 ou sur celle- 35 ci et à travers le manchon de guidage 51 n'est pas représenté de ma- nière détaillée à la figure 1. Pour le reste, l'invention n'est pas limitée à la réalisation constructive représentée à titre d'exemple à la figure 1 pour la conception de la partie de l'actionneur piézo-électrique 1 qui se trouve sous la coupleur 25. Lorsqu'on alimente l'actionneur annulaire 3 selon l'invention, il se dilate et comprime le premier élément de couplage 27 du coupleur 25. La montée en pression dans le coupleur 25 dilate le second élément de couplage 29 contre la force de compression développée par le ressort de compression 59. L'aiguille d'injecteur 19 se soulève ainsi de son siège 55 et libère les orifices d'éjection 53. A ce moment il y aura une injection de carburant dans la chambre de combustion non représentée d'un moteur à combustion interne. Dès que l'on coupe l'alimentation électrique de l'actionneur annulaire 3, il diminue de longueur et le ressort de corn-pression 59 referme l'aiguille d'injecteur 19. L'injection se termine ainsi. L'injecteur 1 selon l'invention permet de supprimer une servo-soupape hydraulique car le coupleur 25 selon l'invention amplifie suffisamment la course de l'actionneur piézo-électrique annulaire 3 et en second lieu il assure l'inversion du mouvement. Cela permet, lorsque l'aiguille d'injecteur 19 est fermée, de couper l'alimentation de l'actionneur annulaire 3 et de ne l'alimenter que dans les brefs intervalles au cours desquels il y a injection. Cela diminue la puissance électrique absorbée par l'actionneur annulaire 3 selon l'invention et augmente sa durée de vie. Le coupleur 3 selon l'invention peut le cas échéant amplifier la course ou amplifier la force sans inversion de mouvement. Les figures 3 et 4 montrent des exemples de réalisation de tels coupleurs. La différence principale entre les exemples de réalisation des figures 2 et 3 et ceux des figures 4 et 5 est que dans les exemples de réalisation des figures 4 et 5, le mouvement de réglage ou d'actionnement du second élément de couplage 29 est de même sens que la course de l'actionneur annulaire 3. Cette identité de sens des mouvements résulte de ce que le second élément de couplage 29 est inversé par rapport aux exemples de réalisation des figures 2 et 3. 2899402 io Cela est également vrai pour l'exemple de réalisation de la figure 5. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, le second élément de couplage 29 n'est pas de forme torique, mais cylindrique ayant seulement une paroi extérieure 37. Cet exemple de réalisation est avanta- 5 geux si l'organe de réglage (non représenté) ne doit pas traverser le coupleur 25. io REVENDICATIONS 1 ) Actionneur piézo-électrique comportant une pile formée de plusieurs couches céramiques piézo-électriques (5) avec entre les couches céramiques (5) chaque fois une couche formant électrode, un organe de réglage (19) commandé par l'actionneur piézo-électrique, ainsi qu'un coupleur (25) entre l'actionneur (3) et l'organe de réglage (19), caractérisé en ce que l'actionneur est un actionneur annulaire (3) de section annulaire, l'organe de réglage (19) est coaxial à l'actionneur (3), le coupleur (25) comporte un premier élément de couplage (27) de forme torique et un second élément de couplage torique ou cylindrique (29) coaxial au précédent, le premier élément de couplage torique (27) et le second élément de couplage torique (29) étant reliés hydrauliquement, et le coupleur (25) est rempli d'un fluide incompressible, notamment de l'huile. 2 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de couplage (27) comprend deux parois cylindriques (31, 33) et le volume délimité par les parois (31, 33) du premier élément de couplage (27) est fermé par une plaque de couverture (35) en forme d'anneau de cercle. 3 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément de couplage (29) comporte au moins une paroi cylindrique (37, 39), et le volume enfermé par la ou les parois (37, 39) du second élément de couplage (29) est délimité par une plaque de couverture (41) de forme circulaire ou en anneau de cercle. 4 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque de couverture en forme d'anneau de cercle (35) est courbe.5 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les parois cylindriques (31, 33, 37, 39) du premier élément de couplage (27) et du second élément de couplage (29) forment un soufflet. 6 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi extérieure (31) du premier élément de couplage (27), la paroi intérieure (39) du second élément de couplage (29) et une plaque de fond (47) sont réalisées en une seule pièce par transformation, notamment par emboutissage profond. 7 ) Actionneur piézo-électrique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la paroi intérieure (33) du premier élément de couplage (27), la paroi extérieure (37) du second élément de couplage (29) et une plaque intermédiaire (49) sont fabriquées en une seule pièce par transformation, notamment par emboutissage profond. 8 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pièces du coupleur (27), notamment les parois (31, 33, 37, 39) des éléments de couplage (27, 29), les plaques de couverture (35, 41), la plaque de fond (47) et/ou la plaque intermédiaire (49) sont soudées les unes aux autres. 9 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la face frontale (23) de l'actionneur annulaire (3) est appliquée sur la plaque de couverture (35) du premier élément de couplage (27), et l'organe de réglage (19) est appliqué sur la plaque de couverture (41) du second élément de couplage (29). 10 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 1, 35 caractérisé parun ressort de compression (59) pour tenir l'organe de réglage (19) en appui contre le coupleur (25). 11 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de réglage est l'aiguille (19) d'un injecteur (1) d'un moteur à combustion interne.10