FR2491270A1 - ACTUATING DEVICE ELECTRICALLY CONTROLLED - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN ORGANE D'ACTIONNEMENT COMMANDE ELECTRIQUEMENT ET POURVU D'UN CONVERTISSEUR PIEZO-ELECTRIQUE 4 AGISSANT SUR UNE TIGE 5, SE COMPOSANT DE PIEZO-DISQUES D'OXYDE ET QUI EST DISPOSE ENTRE UNE PLAQUE DE BASE 1 A LAQUELLE IL EST LIE ET UNE PLAQUE DE GUIDAGE 2 RELIEE A LA PLAQUE DE BASE 1 PAR DES ELEMENTS D'ESPACEMENT 3. CHAQUE ELEMENT D'ESPACEMENT 3 SE COMPOSE D'UNE PILE DE PIEZO-DISQUES D'OXYDE DONT L'AXE DE POLARISATION EST ORIENTE PERPENDICULAIREMENT A L'AXE DE POLARISATION DU CONVERTISSEUR PIEZO-ELECTRIQUE 4; LES ELEMENTS D'ESPACEMENT ET LE CONVERTISSEUR PEUVENT ETRE COMMANDES ELECTRIQUEMENT AUSSI BIEN INDIVIDUELLEMENT QU'A L'UNISSON. APPLICATION A DES VALVES, POMPES, INJECTEURS, ETC.THE INVENTION CONCERNS AN ELECTRICALLY CONTROLLED ACTUATOR AND PROVIDED WITH A PIEZO-ELECTRIC CONVERTER 4 ACTING ON A ROD 5, CONSISTING OF PIEZO-DISCS OF OXIDE AND WHICH IS PROVIDED BETWEEN A BASE PLATE 1 TO WHICH IT IS LINK AND A GUIDE PLATE 2 CONNECTED TO BASE PLATE 1 BY SPACER ELEMENTS 3. EACH SPACER ELEMENT 3 CONSISTS OF A STACK OF OXIDE PIEZO-DISCS WHOSE POLARIZATION AXIS IS ORIENTED PERPENDICULAR AT THE POLARIZATION AXIS OF THE PIEZO-ELECTRIC CONVERTER 4; THE SPACING ELEMENTS AND THE CONVERTER CAN BE CONTROLLED ELECTRICALLY AS WELL AS INDIVIDUALLY AS A UNISON. APPLICATION TO VALVES, PUMPS, INJECTORS, ETC.
Description
La présente invention concerne un organe d'ac-The present invention relates to an organ of ac-
tionnement commandé électriquement et pourvu d'un conver- electrically controlled and provided with a
tisseur piézoélectrique agissant sur une tige, se compo- piezoelectric weaver acting on a rod,
sant d'une pile de piézo-disques d'oxyde et qui est dis- of a stack of oxide piezo discs, which is
posé entre une plaque de base à laquelle il est lié et une plaque de guidage reliée à la plaque de base par des placed between a base plate to which it is bonded and a guide plate connected to the base plate by
éléments d'espacement.spacer elements.
Des organes d'actionnement se présentant sous la forme de convertisseur piézo-électriques sont connus et, Actuators in the form of piezoelectric converters are known and,
en ce qui les concerne, il est également connu qu'ils per- as far as they are concerned, it is also known that they
mettent d'établir des temps de commande qui sont de l'or- put in place order times which are gold-
dre de 50 à 100 micro-secondes. Cependant ils ne permet- from 50 to 100 micro-seconds. However, they do not allow
tent que de très petites courses d'actionnement qui, avec only very small actuation races which, together with
des dimensions de piles utilisées, sont d'environ 0,03 mm. used battery dimensions are about 0.03 mm.
Cela est évidemment suffisant, comme on l'a déjà proposé, This is obviously sufficient, as has already been proposed,
pour leur utilisation comme valves de précommande en liai- for their use as pre-control valves in connection
son avec des valves de commutation à deux voies du type dit "logistors" mais il n'est cependant pas possible de les sound with two-way switching valves of the so-called "logistors" type, but it is not possible to
utiliser directement comme organes d'actionnement de val- use directly as actuators for
ves hydrauliques, de pompes, etc. Ces organes piézo-électriques d'actionnement de hydraulics, pumps, etc. These piezoelectric actuators of
type connu présentent, en dehors du fait qu'ils ne permet- known type, apart from the fact that they do not allow
tent que de très faibles courses de travail, également l'in- only very small work
convénient de ne pouvoir être utilisés que dans une plage de that they can only be used in a range of
températures limitée pour laquelle ils ont été conçus. A- limited temperatures for which they were designed. AT-
vec la structure de construction qui est classiquement adoptée (combinaison céramique-acier), ils se comportent en température de telle sorte que la course de travail se With the construction structure that is conventionally adopted (ceramic-steel combination), they behave in temperature so that the working
réduit ou augmente considérablement, en fonction du maté- reduced or increased considerably, depending on the
riau. Pour des températures fortement variables, on ne riau. For highly variable temperatures, we do not
veut pas utiliser des organes d'actionnement de ce genre. does not want to use actuators of this kind.
L'invention a en conséquence pour but de fournir un organe d'actionnement, fonctionnant suivant le principe It is therefore an object of the invention to provide an actuating member, operating in accordance with the principle
piézo-électrique et qui présente, en plus de sa vitesse ra- piezoelectric and which, in addition to its fast speed,
pide de commande bien connue, une course de travail suffisam- well-known command drive, a sufficient work
ment grande, exclusivement influencée par la tension appli- large, exclusively influenced by the tension
quée et non par des variations de la température. and not by variations in temperature.
Ce problème est résolu selon l'invention en ce que chaque élément d'espacement se compose d'une pile de This problem is solved according to the invention in that each spacing element consists of a stack of
piézo-disques d'oxyde dont l'axe de polarisation est o- oxide piezo-discs whose axis of polarization is o-
rienté perpendiculairement à l'axe de polarisation du con- vertisseur piézo-électrique et en ce que les éléments d'espacement et le convertisseur peuvent être commandés perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric converter and that the spacers and the converter can be controlled
électriquement aussi bien individuellement qu'à l'unisson. electrically both individually and in unison.
Ainsi, par comparaison aux solutions connues, on obtient une course de travail qui est à peu près doublée et il est possible d'utiliser lesdits organes même dans des Thus, in comparison with known solutions, a working stroke is obtained which is approximately doubled and it is possible to use said members even in
conditions de température fortement variables. Ces proprié- highly variable temperature conditions. These properties
tés permettent d'utiliser par exemple l'organe d'actionne- allow the use of, for example, the operating organ
ment selon l'invention pour l'injection directe ou indirec- according to the invention for direct or indirect injection
te de carburant dans des moteurs à combustion interne, pour assurer le positionnement numérique de vérins de manoeuvre de systèmes hydrauliques de régulation, etc. L'invention est expliquée ci-dessous en détail, of fuel in internal combustion engines, to ensure the digital positioning of operating cylinders of hydraulic control systems, etc. The invention is explained below in detail,
à l'aide d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif illus- with the aid of an exemplary nonlimiting implementation illus-
tré par une représentation schématique d'un organe d'ac- by a schematic representation of an organ of
tionnement piézo-électrique et d'une valve à plateau à 3 piezoelectric actuation and a 3-way valve
voies, actionné par cet organe.tracks, powered by this organ.
La figure 1 est une coupe longitudinale d'un or- Figure 1 is a longitudinal section of a
gane d'actionnement conforme à l'invention et d'une valve à plateau à trois voies actionnée par ledit organe, operating mechanism according to the invention and a three-way plate valve actuated by said member,
La figure 2 est une coupe transversale de l'orga- Figure 2 is a cross-section of the organization
ne d'actionnement de la figure 1, -actuation of Figure 1, -
La figure 3 est une coupe longitudinale d'un exem- Figure 3 is a longitudinal section of an example
ple d'application de l'organe d'actionnement comme injec- application of the actuating member as injection
teur de carburant,fuel,
La figure 4 représente un autre exemple d'injec- Figure 4 shows another example of injection
teur de carburant.fuel.
La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un Figure 1 shows a longitudinal section of a
organe piézo-électrique d'actionnement qui comprend une pla- piezoelectric actuating member which comprises a
que de base 1 et une plaque de guidage 2, qui sont reliées entre elles, dans l'exemple considéré, par quatre éléments d'espacement 3. Chaque élément d'espacement 3 se compose base 1 and a guide plate 2, which are interconnected, in the example considered, by four spacer elements 3. Each spacer element 3 is composed of
d'une pile de piézo-disques d'oxyde stratifiés, dont l'a- of a stack of laminated oxide piezo-discs, whose
xe de polarisation est orienté perpendiculairement à l'a- of polarization is oriented perpendicular to the
xe principal de l'organe d'actionnement. A cet égard, il est à noter qu'un piézo-disque d'oxyde se dilate, lors main x of the actuator. In this respect, it should be noted that a piezo-disk oxide expands, when
de l'application d'une tension électrique et en correspon- the application of an electrical voltage and in
dance à la grandeur de cette tension, dans la direction de son axe de polarisation et se contracte en correspondance across this voltage, in the direction of its polarization axis, and contracts in correspondence
dans une direction perpendiculaire à cet axe de polarisa- in a direction perpendicular to this axis of polarization
tion. Concentriquement à l'axe principal de l'organe d'actionnement, il est prévu une autre pile de piézo-disques d'oxyde qui est liée à la plaque de base et dont l'axe de tion. Concentrated to the main axis of the actuating member, there is provided another stack of oxide piezo-discs which is bonded to the base plate and whose axis of
polarisation est orienté dans la direction de l'axe princi- polarization is oriented in the direction of the main axis
pal tandis que son autre extrémité est reliée à la tige 5 pal while its other end is connected to the rod 5
de l'organe d'actionnement. Cet empilage de plaques cons- of the actuating member. This stack of plates
titue le convertisseur piézo-électrique 4. Autour de ce convertisseur piézo-électrique 4 sont disposés les éléments d'espacement 3, qui relient la plaque de base 1 à la plaque de guidage 2 et qui sont disposés symétriquement, comme le The piezoelectric converter 4 is arranged around this piezoelectric converter 4. The spacing elements 3, which connect the base plate 1 to the guide plate 2 and which are arranged symmetrically, as shown in FIG.
montre la coupe de la figure 2. La tige 5 de l'organe d'ac- shows the section of Figure 2. The stem of the organ of ac-
tionnement est guidée à travers un trou ménagé dans la pla- is guided through a hole in the
que de guidage 2 concentriquement à l'axe principal. that guide 2 concentrically to the main axis.
L'empilage de plaques piézo-électriques du conver- The stack of piezoelectric plates of the conver-
tisseur 4 et des éléments d'espacement 3 sont reliés d'une manière classique, et non représentée, avec les conducteurs électriques correspondants d'alimentation en courant. Par application d'une tension électrique au convertisseur 4, on provoque une dilatation de l'empilage de plaques et la tige s'écarte de la plaque de base 1. Par application simulta- née de tensions électriques à l'empilage de plaques formant les éléments d'espacement 3, ceux-ci se compriment dans la direction de l'axe principal et ils tirent ainsi la plaque de guidage 2 en direction de la plaque de base 1. Il se produit ainsi entre la plaque de guidage 2 et la tige 5 un mouvement relatif qui a une grandeur ayant à peu près une weaver 4 and spacers 3 are connected in a conventional manner, and not shown, with the corresponding electrical power supply conductors. By applying an electrical voltage to the converter 4, the plate stack is expanded and the rod moves away from the base plate 1. By simultaneous application of electrical voltages to the stack of plates forming the spacers 3, these compress in the direction of the main axis and they thus pull the guide plate 2 towards the base plate 1. It thus occurs between the guide plate 2 and the rod 5 a relative movement that has a magnitude of approximately
valeur double de celle d'un organe piézo-électrique d'ac- value twice that of a piezoelectric
tionnement de type connu et de dimensions comparables. Du fait que les empilages de plaques des éléments d'espacement et du convertisseur sont formés d'un matériau identique présentant un coefficient thermique identique et ont des of known type and comparable dimensions. Because the plate stacks of the spacer elements and the converter are formed from an identical material having an identical thermal coefficient and have
longueurs égales, des variations de températures ne provo- equal lengths, temperature variations do not
quent aucun mouvement relatif entre la tige et la plaque no relative movement between the stem and the plate
de guidage.guidance.
En fonction de l'application envisagée, il est possible de permuter entre elles les orientations des axes Depending on the application envisaged, it is possible to switch between them the orientations of the axes
de polarisation du convertisseur 4 et des éléments d'espa- polarization of the converter 4 and space elements
cement 3 de manière que, lors de l'application d'une ten- in such a way that, when applying a
sion électrique, la tige 5 soit tirée en direction de la plaque de base et que la plaque de guidage 2 soit éloignée electrical connection, the rod 5 is pulled towards the base plate and the guide plate 2 is moved away
de la plaque de base.of the base plate.
Dans un exemple d'application de l'organe d'ac- In an example of application of the
tionnement conforme à l'invention, celui-ci est associé, sur la figure 1, avec une valve à plateau à trois voies According to the invention, this is associated in FIG. 1 with a three-way plate valve.
dont le corps 6 est relié rigidement à la plaque de guida- whose body 6 is rigidly connected to the guide plate
ge 2. Dans la cavité formée entre le corps et la plaque de guidage, il est prévu un plateau de valve 7, qui est poussé par une rondelle élastique 8 contre la tige 5. Dans la-condition de repos de l'organe d'actionnement, le plateau 2. In the cavity formed between the body and the guide plate, there is provided a valve plate 7, which is pushed by an elastic washer 8 against the rod 5. In the-condition of rest of the body of actuation, the plateau
de valve 7 assure l'obturation d'un canal annulaire 9 dis- valve 7 ensures the closure of an annular channel 9
posé dans la plaque de guidage 2 et qui est relié à un con- placed in the guide plate 2 and which is connected to a con-
duit de retour C. En regard du canal annulaire 9 prévu dans le plateau de valve 7, il est prévu dans le corps de valve 6 un second canal annulaire 10 qui est relié à un conduit de pression A. Dans le corps de valve 6, il est prévu un orifice de décharge B disposé concentriquement à In the case of the annular channel 9 provided in the valve plate 7, there is provided in the valve body 6 a second annular channel 10 which is connected to a pressure line A. In the valve body 6, there is provided a discharge port B arranged concentrically to
l'axe principal. Dans le plateau de valve 7, il est pré- the main axis. In the valve plate 7, it is
vu des trous 11 qui doivent permettre l'écoulement sans entrave d'un fluide - gaz ou liquide - au travers de la valve. seen holes 11 which should allow the unhindered flow of a fluid - gas or liquid - through the valve.
Dans la position représentée, le conduit de pres- In the position shown, the pressure duct
sion A est relié à l'orifice de décharge B de sorte que le A is connected to the discharge port B so that the
fluide sous pression peut s'écouler de A vers B. Par ma- fluid under pressure can flow from A to B.
noeuvre de l'organe d'actionnement, le plateau de valve 7 est poussé vers le bas à l'encontre des efforts exercés par la rondelle élastique 8. En conséquence le canal annulaire 10 est fermé, en même temps que le conduit de pression A. Dans cette position, l'orifice de décharge B est relié au conduit de retour C de sorte qu'il peut se produire une actuation member, the valve plate 7 is pushed down against the forces exerted by the spring washer 8. Consequently the annular channel 10 is closed, along with the pressure conduit A In this position, the discharge port B is connected to the return duct C so that it can occur
baisse de pression immédiate.immediate pressure drop.
On pourrait également envisager d'agencer l'orga- It might also be considered to arrange the organization
ne d'actionnement selon l'invention comme pompe et d'agencer également les valves à deux voies nécessaires pour cette according to the invention as a pump and also to arrange the two-way valves required for this
pompe à la façon de l'organe d'actionnement conforme à l'in- pump in the manner of the actuator according to the invention.
vention. A cet effet, il faudrait agencer le plateau de valve 7 de la figure 1 sous la forme d'un piston et créer les conduits nécessaires d'aspiration et de refoulement. Le vention. For this purpose, it would be necessary to arrange the valve plate 7 of Figure 1 in the form of a piston and create the necessary ducts suction and discharge. The
fluide à débiter serait, lors de l'application d'une ten- fluid to be discharged would be, when applying a
sion, aspiré du côté inférieur du piston et refoulé du cô- sucked from the lower side of the piston and pushed back from the
té supérieur de celui-ci puis, lors de la coupure de la tension, il serait refoulé du côté inférieur et aspiré du upper part of it and then, when the voltage is cut off, it would be pushed back to the lower side and sucked from the
côté supérieur.upper side.
Sur la figure 3, on a représenté en coupe longitu- In FIG. 3, a longitudinal section is shown.
dinale, comme autre exemple d'application de l'invention, un dinal, as another example of application of the invention, a
injecteur de carburant. La structure de principe de l'or- fuel injector. The basic structure of the
gane d'actionnement est connue d'après la figure 1 et il est prévu, comme décrit ci-dessus, une plaque de base 1, une the operating mechanism is known from FIG. 1 and, as described above, a baseplate 1, a
plaque de guidage 2, des éléments d'espacement 3, un conver- guide plate 2, spacers 3, a conver-
tisseur 4 et une tige 5. La tige 5 est reliée rigidement à un plateau de valve 12 qui, lorsque l'organe d'actionnement est au repos, s'applique contre la plaque de guidage 2 et wiper 4 and a rod 5. The rod 5 is rigidly connected to a valve plate 12 which, when the actuating member is at rest, is applied against the guide plate 2 and
obture un canal annulaire 9, ménagé dans la plaque de gui- closes an annular channel 9 formed in the guide plate
dage et relié à un conduit d'admission de carburant A. Ce conduit d'admission de carburant est soumis à une pression élevée. Lors de l'application d'une tension à l'empilage piézo-électrique de plaques, il s'établit entre la plaque de guidage 2 et le plateau de valve 12 un intervalle annulaire dont la largeur est à peu près proportionnelle à la tension appliquée et le carburant s'écoule du canal annulaire 9 and is connected to a fuel intake duct A. This fuel intake duct is subjected to a high pressure. When a voltage is applied to the piezoelectric stack of plates, an annular gap is established between the guide plate 2 and the valve plate 12, the width of which is approximately proportional to the applied voltage. and the fuel flows from the annular channel 9
radialement vers l'extérieur et, en fonction de la lar- radially outwards and, depending on the
geur de l'intervalle et de la pression du carburant, il the interval and the pressure of the fuel, it is
est plus ou moins pulvérisé sous la forme d'un brouillard. is more or less sprayed in the form of a fog.
Pour assurer une répartition appropriée du car- burant, la plaque de guidage est pourvue, dans cette zone, d'une surface déflectrice incurvée 13a qui peut comporter par exemple des rainures de différentes courbures ou en forme de spirales pour permettre d'obtenir d'une manière connue par exemple une pulvérisation en cloche, des jets ayant différentes orientations angulaires, une mise en turbulence du carburant, etc. On a représenté sur la figure 4 un exemple de réalisation d'un tel injecteur de carburant dans le cas d'un organe d'actionnement comportant des empilages de In order to ensure proper distribution of the fuel, the guide plate is provided in this area with a curved deflector surface 13a which may for example have grooves of different curvatures or spiral shapes to make it possible to obtain a known manner for example a bell spray, jets having different angular orientations, turbulence fuel, etc. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of such a fuel injector in the case of an actuator comprising stacks of
plaques piézo-électriques permutées, la tige 5 étant ti- piezoelectric plates permuted, the rod 5 being
rée vers la plaque de base 1 lors de l'application d'une tension. A l'intérieur de la plaque de guidage 2, il est prévu une cavité contre la surface inférieure de laquelle to the base plate 1 when applying a voltage. Inside the guide plate 2, a cavity is provided against the lower surface of which
s'applique, dans la condition de repos, le plateau de val- applies, in the rest condition, the plateau of
ve 12 relié rigidement à la tige 5 et assurant l'obturation d'un canal annulaire 10 ménagé dans ladite surface et qui est à nouveau relié au conduit d'arrivée de carburant A. Le plateau de valve 12 est pourvu d'un appendice 13 qui comporte des surfaces déflectrices 13b, déjà décrites en référence à la figure 3, pour améliorer la répartition du 12 connected rigidly to the rod 5 and ensuring the closure of an annular channel 10 formed in said surface and which is again connected to the fuel supply conduit A. The valve plate 12 is provided with an appendix 13 which has deflecting surfaces 13b, already described with reference to FIG. 3, to improve the distribution of the
carburant. Lors de l'application d'une tension, l'inter- fuel. When applying a voltage, the
valle annulaire s'ouvre et du carburant s'écoule sous une pression élevée, radialement, vers l'intérieur, il est dévié par les surfaces déflectrices et il est injecté dans annular valle opens and fuel flows under high pressure, radially inward, it is deflected by deflecting surfaces and it is injected into
la chambre de combustion.the combustion chamber.
Outre une commande de largeur d'intervalle qui In addition to an interval width command that
s'effectue proportionnellement à la tension, il est possi- proportional to the voltage, it is possible to
ble d'effectuer une commande de débit aussi bien propor- to carry out a proportional flow control as well
tionnelle à la fréquence que proportionnelle à la durée d'impulsion de sorte qu'on peut obtenir tout déroulement tional to the frequency that proportional to the pulse duration so that one can get any unfolding
désiré de l'injection, de la courbe suivant une loi d'in- of the injection, of the curve following a law of
jection à une injection intermittente (à l'intérieur d'une to intermittent injection (inside a
phase d'injection couvrant par exemple 18 degrés de rota- injection phase covering, for example, 18 degrees of rotation
tion du vilebrequin).crankshaft).
On peut également envisager d'agencer un injec- It is also conceivable to arrange an injection
teur de carburant sous la forme d'une valve à trois voies conforme à la figure 1 et associée à un conduit de retour fuel tank in the form of a three-way valve according to Figure 1 and associated with a return duct
dans lequel on dispose un clapet anti-retour, ou un étran- in which a non-return valve, or a
glement, ou les deux en parallèle.or both in parallel.
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