Brevet FR2919972A1 — publié le 20090213

Domaine de l'invention La présente invention concerne un actionneur piézoélectrique notamment actionneur d'injecteur de carburant comportant un corps d'actionneur formé de plusieurs couches céramiques et de plusieurs couches d'électrodes (28, 29) entre les couches céramiques. Etat de la technique Le document DE 100 62 672 Al, décrit un composant piézocéramique formé d'un pile d'au moins deux couches de matière céramique avec entre elles une couche d'électrodes. Ce document décrit également un procédé de fabrication d'un tel composant. Les composants piézocéramiques comportent en général de nombreuses couches et servent par exemple d'actionneur sous la forme de piles piézoélectriques en ce qu'une commande par tension produit une extension mécanique à faible inertie avec une force relativement importante. Pour la fabrication de tels composants piézoélectriques, il est envisageable de chauffer le composant à une certaine température et ensuite de le refroidir en appliquant une tension continue pour créer une polarisation. Il est souhaitable pour cela, qu'ultérieurement lors de la mise en oeuvre du composant, lorsqu'on applique une certaine ten- Sion électrique celle-ci produit une déformation déterminée. La polarisation du composant piézoélectrique présente toutefois le risque d'engendrer des fissures de polarisation dans les couches céramiques qui détériorent les caractéristiques du composant piézoélectrique dans son fonctionnement. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un composant piézoélectrique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que les structures de domaines sont réalisées dans les couches céramiques par une polarisation variable en fréquence. L'invention concerne également un injecteur de carburant équipé d'un tel composant piézoélectrique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un composant piézoélectrique selon lequel un corps d'actionneur avec plusieurs couches céramiques et plusieurs couches d'électrodes prévues entre les couches céramiques, et dans les couches céramiques, on déve- loppe des structures de domaines par une polarisation variable en fréquence. L'actionneur piézoélectrique selon l'invention avec les caractéristiques définies ci-dessus et l'injecteur de carburant selon l'invention équipé d'un tel actionneur piézoélectrique, ont l'avantage de permettre une fabrication relativement économique tout en garantissant notamment une très grande fiabilité et aptitude au fonctionnement. La tension de commande peut être une tension alternative combinée à une tension continue ce qui donne un profil positif de tension alternative. De façon préférentielle, on utilise un profil en trapèze ou un profil analogue pour assurer un fort apport d'énergie. Les avantages de la polarisation variable en fréquence concernent des ratios avantageux et une réalisation avantageuse des contours polaires. Pour le ratio, on peut le cas échéant supprimer l'étape de procédé concernant la polarisation à chaud ce qui permet d'économiser l'utilisation d'un four. Un élément décisif de la polarisation variable en fréquence est l'utilisation de l'échauffement propre du corps de l'actionneur pendant sa commande par exemple à l'aide d'une com- mande pulsée avec un signal de forme trapézoïdale. Il est avantageux que la polarisation variable en fréquence se fasse en plusieurs étapes ou périodes , et, au passage à l'étape suivante de la polarisation variable en fréquence, on diminue la fréquence de la tension de commande et on augmente son amplitude. Il en résulte l'avantage que le corps de l'actionneur sera protégé contre les surcharges mécaniques et/ou thermiques. Il en résulte entre autres qu'au début de la polarisation en fréquence, on aura pratiquement une élévation de température de la matière du corps de l'actionneur et en-suite, on développera les structures souhaitées dans la matière du corps de l'actionneur. Dans ces conditions, il est avantageux que la polarisation à fréquence variable se compose d'au moins trois étapes ou périodes qui se suivent dans le temps. Dans la première étape, on utilise une fréquence relativement élevée et une amplitude relativement basse pour la tension de commande pour chauffer les couches céramiques. Cela per- met en outre des processus de conversion et de diffusion dans une sou-dure. La température peut être par exemple de 120 C. Dans un second intervalle, on diminue quelque peu la fréquence et on augment l'amplitude de la tension de commande pour obtenir un certain intervalle transitoire. Dans le troisième intervalle qui sert à la polarisation, on diminue encore plus la fréquence et on augment l'amplitude de la tension de commande ce qui se traduit par une augmentation de température par exemple supérieure à 150 C. La du-rée du troisième segment ou de la troisième période peut être par io exemple de 30 s ou plus. Pour éviter un dommage thermique de la sou-dure ou du vernis à la surface de l'actionneur, il faut une régulation de la température assurée par exemple par l'utilisation de ventilateurs. Il est avantageux que la forme du signal de la tension de commande pour la polarisation variable en fréquence soit une forme 15 trapézoïdale. Cette solution a l'avantage d'assurer un apport d'énergie relativement important par comparaison à une forme de signal sinusoïdal. Il est en outre avantageux d'appliquer une certaine pré-contrainte mécanique au corps de l'actionneur au cours de la polarisa- 20 tion en fréquence par exemple par une force de précontrainte de 200 N ou plus. Cette solution a l'avantage d'influencer avantageusement le développement des contours de polarisation. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière 25 plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un injecteur de carburant équipé d'un actionneur piézoélectrique selon une vue en coupe schématique correspondant à un premier exemple de réalisation de l'invention, 30 - la figure 2 montre la courbe de fréquence et la courbe d'amplitude d'une tension de commande au cours d'une polarisation en fréquence, variable, lors de la fabrication de l'actionneur piézoélectrique de l'injecteur de carburant de l'exemple de réalisation de l'invention, et - la figure 3 montre l'actionneur piézoélectrique d'un injecteur de carburant de l'exemple de réalisation de l'invention au cours de sa fabrication selon une représentation simplifiée. Mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre un injecteur de carburant 1 équipé d'un actionneur piézoélectrique 2 correspondant à un exemple de réalisation de l'invention. L'injecteur de carburant 1 peut notamment servir d'injecteur pour des installations d'injection de carburant dans des moteurs à combustion interne à compression d'air et allumage non corn-mandé. Une utilisation préférentielle de l'injecteur de carburant 1 est celle des installations d'injection de carburant équipées d'une rampe commune alimentant en gazole sous haute pression plusieurs injecteurs de carburant 1. L'actionneur piézoélectrique 2 selon l'invention convient tout particulièrement pour un tel injecteur de carburant 1 ain- 15 si qu'également pour une commande inverse de l'actionneur piézoélectrique 2. L'injecteur de carburant 1 et son actionneur piézoélectrique 2 selon l'invention conviennent toutefois également pour d'autres applications. L'injecteur de carburant 1 comporte un boîtier 3 et un 20 ajutage d'alimentation en carburant 4 relié au boîtier d'injecteur 3. Une conduite de carburant se raccorde à l'ajutage d'alimentation en carburant 4 pour relier l'injecteur 1 à une rampe commune ou directement à une pompe haute pression. Par l'ajutage d'alimentation en carburant 4, on introduit le carburant dans une chambre d'actionneur 5 prévue à 25 l'intérieur du boîtier d'injecteur 3 pour qu'en fonctionnement de l'injecteur 1, le carburant se trouve dans la chambre d'actionneur 5 logeant également l'actionneur piézoélectrique 2. La chambre d'actionneur 5 est séparée par une partie de boîtier 6 de la chambre de carburant 7 qui se trouve également à l'intérieur du boîtier d'injecteur 30 3. La partie de boîtier 6 comporte des orifices de passage 8, 9 pour gui-der le carburant passant par l'ajutage d'alimentation 4 dans la chambre d'actionneur 5 et dans la chambre de carburant 7. Le boîtier d'injecteur 3 est relié à un corps de siège de soupape 10 dans lequel est réalisée une surface formant siège de sou- 35 pape 11. La surface formant siège de soupape 11 coopère avec un or- gane d'obturation de soupape 12 pour former un siège d'étanchéité. L'organe d'obturation de soupape 12 est en une seule pièce avec l'aiguille d'injecteur 15 par laquelle le corps d'obturation de soupape 12 est relié à une plaque de poussée 16 prévue dans la chambre d'actionneur 5. L'aiguille d'injecteur 15 est guidée par la partie de boîtier 6 suivant l'axe 17 de l'injecteur de carburant 1. Un élément de ressort 18 s'appuyant d'un côté contre la partie de boîtier 6 et de l'autre contre la plaque de poussée 16, sollicite l'actionneur piézoélectrique 2 avec une force de précontrainte si bien que l'aiguille d'injecteur 15 est également actionnée avec la plaque de poussée 16 pour fermer le siège d'étanchéité réalisé entre l'organe d'obturation de soupape 12 et la sur-face formant siège de soupape 11. Le boîtier d'injecteur 3 comporte également un élément de connexion 20 pour brancher une alimentation électrique sur l'injecteur de carburant 1. L'alimentation électrique peut être raccordée à l'aide d'un connecteur aux lignes électriques 21, 22. Les lignes électriques 21, 22 traversent le boîtier 3 et arrivent sur un pied d'actionneur 24 rajouté au corps 23 de l'actionneur 2. Le corps 23 de l'actionneur piézoélectrique 2 est complété par une tête d'actionneur 25 par l'intermédiaire de laquelle, le corps d'actionneur 23 agit sur la plaque de poussée 16 contre la force de l'élément de ressort 18. L'actionneur piézoélectrique 2 de l'exemple de réalisation représenté se compose du corps 23, du pied 24 et de la tête 25 constituant ainsi un module d'actionneur. Le corps 23 de l'actionneur piézoélectrique 2 comporte plusieurs couches céramiques 26, 27 et plusieurs couches d'électrodes 28, 29 placées entre les couches céramiques 26, 27. Figure 1, pour simplifier la représentation, on a seulement référencé les couches céramiques 26, 27 et les couches d'électrodes 28, 29. Les couches d'électrodes 28, 29 sont reliées alternativement à la ligne électrique 21 et à la ligne électrique 22 pour avoir ainsi une alternance d'électrodes positives et négatives entre les couches céramiques 26, 27. Les lignes électriques 21, 22 permettent de charger l'actionneur piézoélectrique 2 qui s'expanse alors dans la direction de l'axe 17 pour ouvrir le siège d'étanchéité formé entre l'organe d'obturation de soupape 12 et la surface formant siège d'étanchéité 11. Il en résulte l'éjection de carburant de la chambre de carburant 7 à travers l'intervalle annulaire 30 et à travers le siège d'étanchéité, ouvert. Lorsque l'actionneur piézoélectrique 2 est déchargé, il se rétracte ce qui ferme le siège d'étanchéité entre l'organe d'obturation de soupape 12 et la surface formant siège d'étanchéité 11. La liaison des lignes électriques 21, 22 aux couches d'électrodes 28, 29 peut se faire par les liaisons d'électrodes 35, 36 extérieures. On peut toutefois également prévoir des liaisons d'électrodes inférieures. Le corps d'actionneur 23 est situé entre la tête 25 et le pied 24 de l'actionneur. Les liaisons d'électrodes 35, 36 sont reliées par une sou-dure au niveau d'une surface extérieure 37 du corps d'actionneur 23 avec les couches d'électrodes 28, 29. Ainsi, la surface extérieure 37 du corps d'actionneur 23 comporte une soudure. Lors de la fabrication de l'actionneur piézoélectrique 2, il faut veiller à éviter tout endommage-ment de ces soudures pour ne pas détériorer le fonctionnement. L'actionneur piézoélectrique 2 peut en outre avoir une gaine protectrice qui assure la protection vis-à-vis du carburant qui se trouve dans la chambre d'actionneur 5. Cette gaine n'est pas représentée dans un but de simplification. La figure 2 montre une courbe de fréquence et une courbe d'amplitude d'une tension alternative de commande au cours d'une polarisation en fréquence variable pour réaliser les structures des domaines dans les couches céramiques 26, 27 du corps 23 de l'actionneur piézoélectrique 2 selon l'exemple de réalisation de l'injecteur de carburant 1. Dans le diagramme du haut, les abscisses représentent le temps (t) et les ordonnées représentent la fréquence (f) en kHz. Dans le diagramme du bas, on a représenté en abscisse le temps (t) correspondant à celui du diagramme au-dessus et en ordonnées on a représenté l'amplitude U de la tension de commande en volt. Pour expliciter l'invention, la figure 2 montre trois segments Tl, T2, T3 pour le temps (t). Dans le premier segment Ti, on a représenté la fréquence (f) supérieure à 1 kHz et l'amplitude U inférieure à 80 V. Dans le second segment, la fréquence f est supérieure à 0,5 kHz et inférieure à 1 kHz et l'amplitude U est supérieure à 100 V et inférieure à 200 V. Pour le troisième segment T3, on a choisi la fréquence (f) inférieure à 0,5 kHz et une amplitude supérieure à 200 V. On remarque ainsi que dans la zone transitoire entre les segments Ti, T2, ainsi que dans les segments T2, T3 qui se suivent, les jonctions 38, 39 tant pour la courbe de fréquence que les jonctions 38', 39' pour la courbe d'amplitude, peu-vent avoir des valeurs réelles différentes des valeurs choisies et ainsi prédéfinies. Les transitions 38, 39, 38', 39' sont par exemple engendrées par certaines capacités et inductances. Dans le premier segment Ti, par une fréquence supérieure à 1 kHz et une amplitude inférieure à 80 V de la tension de commande, après un certain temps, on atteint une température du corps d'actionneur 23 par exemple de 120 C. On peut en outre assurer la régulation de la température à l'aide d'un ventilateur. Cela permet des opérations de conversion et de diffusion dans une soudure sur la surface extérieure 37 du corps d'actionneur. Dans le second segment T2 qui fait suite, la fréquence est choisie inférieur à 1 kHz et l'amplitude est choisie supérieure à 100 V. Le second segment T2 de cet exemple de réalisation constitue un bref segment transitoire entre le premier segment Tl et le troisième segment T3. Dans le troisième segment T3 qui est le segment décisif d'une durée d'au moins 30 s, on a la polarisation des couches céramiques 26, 27 de l'actionneur piézoélectrique 2. On prédéfinit de préfé- rence une température d'au moins 150 C dans les couches céramiques 26, 27. La fréquence (f) est choisie inférieure à 500 Hz et l'amplitude U supérieure à 200 V. La polarisation variable en fréquence sert à aligner c'est-à- dire polariser des structures de domaines dans les couches cérami- ques 26, 27 de l'actionneur piézoélectrique 2 pour qu'en appliquant une tension électrique pendant le fonctionnement de l'injecteur de carburant 1, on obtienne une déformation définie de l'actionneur 2 pour obtenir la course souhaitée pour l'aiguille d'injecteur 15. La polarisation en fréquence s'utilise de préférence à la fin de la chaîne de fabrication de l'actionneur 2. Pour aligner des structures de domaines, il faut une température minimale dépendant de l'intensité du champ électrique appliqué. Cette température s'obtient par l'échauffement propre de l'actionneur qui est commandé par des profils de tension alternative, positive suivant une forme de rampe ou une forme de trapèze. Toutefois, si l'on dépasse la température minimale par exemple d'environ 8 C, on peut provoquer des dommages thermiques sur une soudure ou le vernis de la surface extérieure 37 du corps d'actionneur 23. On y remédie en régulant la température par exemple à l'aide d'un ou plusieurs ventilateurs. La figure 3 montre l'actionneur piézoélectrique 2 de l'injecteur de carburant 1 au cours de la fabrication selon une représentation simplifiée. Les lignes électriques 45, 46 relient les liaisons d'électrodes 35, 36 situées à l'extérieur à une source de tension 47 réglable en amplitude et en fréquence. La tension de commande fournie par la source de tension 47 sert à commander les couches céramiques 26, 27 du corps d'actionneur 23. Cela permet de faire la polarisation variable en fréquence. Cette polarisation variable en fréquence se fait sous une précontrainte mécanique appliquée au corps d'actionneur 23. Pour cela, on sert le corps d'actionneur 23 entre un élément de com- pression 48 et une plaque d'appui 49 fixe. L'élément de compression 48 est alors sollicité par une force de précontrainte F pour réaliser une précontrainte mécanique du corps d'actionneur 23. La force de pré-contrainte F peut être de 200 N ou plus. Par la force de précontrainte F, on influence le développement des fissures de polarisation dans les couches céramiques 26, 27 de manière favorable pour obtenir une fonctionnalité élevée et un actionneur piézoélectrique 2 fiable et ainsi l'injecteur de carburant 1. Pour la polarisation en fréquence, il est en outre avantageux de prédéfinir une forme de signal pour la réalisation des structu- res de domaines par la source de tension 47 correspondant aux conditions d'utilisation de l'actionneur piézoélectrique 2 pour le fonctionnement de l'injecteur de carburant 1. Cela permet d'augmenter la fiabilité. Des écarts par rapport à la course souhaitée pour l'aiguille d'injecteur 15 pour la course effective de l'aiguille d'injecteur 15 résul- 5 tant de la commande pendant le fonctionnement, sont ainsi réduits au minimum. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits. 10 REVENDICATIONS 1 ) Actionneur piézoélectrique (2) notamment actionneur d'injecteur de carburant comportant un corps d'actionneur (23) formé de plusieurs couches céramiques (26, 27) et de plusieurs couches d'électrodes (28, 29) entre les couches céramiques (26, 27), caractérisé en ce que les structures de domaines sont réalisées dans les couches céramiques (26, 27) par une polarisation variable en fréquence. 2 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation variable en fréquence se fait en plusieurs segments(T1, T2, T3), et au passage à l'étape suivante de la polarisation variable en fréquence, on diminue la fréquence de la tension de commande et/ ou on augmente l'amplitude de la tension de commande. 3 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' au passage vers un segment suivant de la polarisation variable en fré- quence, on diminue la fréquence de la tension de commande et en même temps on augmente l'amplitude de la tension de commande. 4 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation variable en fréquence comprend un premier segment (Tl) suivi dans le temps par un second segment (T2) et au moins un troisième segment (T3) après le second segment (T2), la fréquence de la tension alternative de commande par laquelle on commande les couches céramiques (26, 27) et l'amplitude de la tension de commande, sont choisies dans le premier segment (Ti) pour que l'élévation de température des couches céramiques (26, 27) permette des procédés de conversion et de diffusion dans une soudure prévue sur la surface extérieure (37) du corps d'actionneur (23) choisis dans le troisième segment (T3) pour avoir une polarisation des couches céramiques (26, 27) et dans le second segment (T2) ces éléments sont choisis pourprendre des valeurs intermédiaires entre celles du premier segment (T1) et celles du troisième segment (T3). 5 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le premier segment (Ti), la fréquence est supérieure à 1 kHz et l'amplitude inférieure à 80 V. 6 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le second segment (T2), la fréquence est choisie supérieure à 0,5 kHz et inférieure à 1 kHz et l'amplitude est choisie supérieure à 100 V et inférieure à 200 V. 7 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le troisième segment (T3), on choisit la fréquence inférieure à 0,5 kHz et l'amplitude supérieure à 200 V. 8 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la durée du troisième segment (T3) est d'au moins 30 s. 9 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé par une forme de signal de la tension alternative de commande pour la polarisation variable en fréquence qui est au moins sensiblement de forme trapézoïdale. 10 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation variable en fréquence se fait sous une précontrainte mécanique appliquée au corps d'actionneur (23). 11 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 10,caractérisé en ce que la précontrainte mécanique est appliquée par une force de précontrainte (F) d'au moins 200 N. 12 ) Actionneur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins au cours de la polarisation variable en fréquence, on a une régulation de température pour le corps d'actionneur (23). 13 ) Injecteur de carburant (1), notamment injecteur pour des installations d'injection de carburant de moteurs à combustion interne à compression d'air et allumage non commandé comportant un actionneur piézoélectrique (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, et un organe d'obturation de soupape (12) commandé par l'actionneur (2) et qui coopère avec une surface de siège de soupape (11) pour former un siège d'étanchéité. 14 ) Procédé de fabrication d'un actionneur piézoélectrique (2) comportant un corps d'actionneur (23) avec plusieurs couches céramiques (26, 27) et plusieurs couches d'électrodes (28, 29) prévues entre les couches céramiques (26, 27), et dans les couches céramiques (26, 27), on développe des structures de domaines par une polarisation variable en fréquence. 15 ) Procédé de fabrication d'un actionneur piézoélectrique, caractérisé en ce qu' au moins pendant la polarisation variable en fréquence, on effectue une régulation de la température du corps d'actionneur (23).30