FR2787923A1 - Element piezoelectrique, procede de fabrication de celui-ci et utilisation d'un tel element - Google Patents
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Abstract
Cet élément piézoélectrique comprend un empilement (11) constitué d'au moins deux couches de céramique (12) et d'une couche d'électrode disposée entre deux couches céramiques.Entre les couches de céramique (12), il est ménagé un espace intermédiaire (20) qui contient une matière électriquement isolante (21).
Description
L'invention concerne un élément piézoélectrique comprenant un empilement
constitué d'au moins deux couches de céramique et une couche d'électrode disposée entre deux couches céramiques. Un élément du type considéré est connu par DE 196 15 694.7. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un élément piézoélectrique, selon lequel on dispose des couches de céramique et des couches d'électrode sous forme d'un empilement, d'une manière telle que, sur une surface latérale d'une zone inactive sur le plan piézoélectrique de l'empilement, les couches s'interrompent en venant au même niveau les unes avec les autres. Ce procédé sert notamment à fabriquer un élément
du type générique défini ci-dessus.
L'invention a encore pour objet une application d'un tel élément à la commande d'un injecteur, notamment d'un
injecteur d'un moteur à combustion interne.
Un élément piézoélectrique est par exemple constitué d'une couche de céramique piézoélectrique qui est pourvue
sur ses deux faces d'une couche métallique d'électrode.
Si une tension électrique différente est appliquée à ces couches d'électrode, la couche de céramique piézoélectrique réagit par une déformation d'agencement imbriqué. Il en résulte que l'élément se dilate et se contracte suivant une direction qui est déterminée par l'agencement de la couche de céramique piézoélectrique et
des couches d'électrode.
Par DE 196 15 694, on connaît un élément piézoélectrique se présentant sous forme d'un actionneur
piézoélectrique à structure multicouche monolithique.
L'actionneur piézoélectrique comprend un empilement de couches d'électrode et de couches de céramique piézoélectrique disposées d'une manière alternée. Une couche d'électrode respective sert d'électrode pour chaque couche de céramique piézoélectrique voisine associée. A cet effet, il est prévu une mise en contact électrique des couches d'électrode suivant une polarité alternée. Cette polarité alternée s'obtient au moyen de deux bandes de métallisation qui sont appliquées latéralement sur l'empilement. Une bande de métallisation s'étend sur une hauteur qui correspond à des couches de l'empilement actives sur le plan piézoélectrique, disposées d'une manière empilée les unes vis-à-vis des
autres. L'empilement présente une surface de base carrée.
La mise en contact électrique des couches d'électrode s'effectue sur des arêtes opposées de l'empilement. La distance d'une électrode à une électrode de polarité différente vaut environ 80 gm. L'une des bandes de métallisation est reliée d'une manière électriquement conductrice à une couche d'électrode sur deux et est isolée de la première couche d'électrode située entre elles. Inversement, la seconde bande de métallisation est isolée vis-à-vis de chaque seconde couche d'électrode et est reliée d'une manière électriquement conductrice à chaque première couche d'électrode. L'isolation d'une couche d'électrode vis-à-vis d'une métallisation résulte du fait que cette couche d'électrode comporte une partie en retrait dans une zone à l'endroit de laquelle la métallisation est appliquée. Dans cette zone, l'actionneur piézoélectrique est inactif sur le plan piézoélectrique, étant donné qu'en cet endroit, une déformation d'agencement imbriqué ne peut pas être
provoquée par l'application d'une tension.
Pour l'aptitude à fonctionner d'un actionneur piézoélectrique décrit, il est important que chaque couche d'électrode fasse l'objet d'une mise en contact électrique dans la zone inactive sur le plan piézoélectrique. Il est en même temps important que, dans une zone active sur le plan piézoélectrique, un claquage électrique ou un court-circuit soit évité. Une déformation d'agencement imbriqué se produit dans la zone active sur le plan piézoélectrique sous l'effet de
l'application d'une tension sur les couches d'électrode.
Un claquage peut avoir lieu entre des couches d'électrode voisines ou entre une couche d'électrode et une électrode
quelconque de l'actionneur piézoélectrique. Un court-
circuit peut par exemple être provoqué par un endommagement mécanique, un encrassement et l'action de l'humidité de l'air et/ou d'une substance de
fonctionnement (carburant Diesel, huile, etc.).
L'invention a pour but de montrer la manière dont, dans un élément piézoélectrique, il est possible qu'une mise en contact électrique sQre de chaque couche d'électrode soit produite et qu'en même temps, un claquage électrique entre des électrodes de polarités
différentes puisse être évité.
A cet effet, l'invention a pour objet un élément piézoélectrique, du type générique défini en introduction, caractérisé en ce qu'entre les couches de céramique, il est ménagé un espace intermédiaire qui
contient une matière électriquement isolante.
L'élément est par exemple un actionneur piézoélectrique comprenant un empilement qui comporte un agencement composite multicouche monolithique de couches
de céramique et de couches d'électrode.
L'idée qui est à la base de l'invention consiste à fournir un élément piézoélectrique présentant une aire de section transversale, active sur le plan piézoélectrique, qui soit la plus grande possible. C'est sur l'étendue de cette aire de section transversale qu'une déformation d'agencement imbriqué de la céramique piézoélectrique a lieu. Toutefois, un claquage électrique doit en même temps être évité entre des couches d'électrode de polarités différentes. Cela s'obtient au moyen de l'espace intermédiaire indiqué. C'est pourquoi cet espace intermédiaire est de préférence disposé dans une zone de
l'empilement qui est active sur le plan piézoélectrique.
L'espace intermédiaire accroît le trajet séparant une couche d'électrode d'une couche d'électrode de polarités différentes. Cela permet par exemple de réduire la probabilité qu'un court-circuit électrique se produise,
sous l'effet d'un encrassement, entre les électrodes.
Suivant une réalisation particulière, l'espace intermédiaire peut être ouvert sur un côté. Cet espace intermédiaire peut être disposé dans une zone de
l'empilement qui est active sur le plan piézoélectrique.
L'espace intermédiaire peut être situé sur une face de l'empilement, notamment sur une face de la zone de l'empilement active sur le plan piézoélectrique. Suivant une autre réalisation, l'espace intermédiaire peut être disposé à l'endroit d'un trou de l'empilement. Le trou peut traverser l'empilement, notamment d'une manière perpendiculaire aux couches de l'empilement. Le trou peut traverser l'empilement
totalement ou seulement partiellement.
La matière de l'espace intermédiaire peut contenir
par exemple un gaz, notamment un gaz sec.
Suivant une réalisation particulière, la matière de l'espace intermédiaire peut contenir une matière plastique. De préférence, toute la surface latérale de l'empilement est pourvue d'une couche de protection en matière plastique. La matière de l'espace intermédiaire fait alors partie de la couche de protection. Cette couche de protection a pour fonction de protéger la surface de l'actionneur piézoélectrique active sur le plan piézoélectrique, laquelle est sensible, vis-à-vis d'endommagements, d'un encrassement et de l'action de
l'humidité de l'air et de substances de fonctionnement.
La couche de protection joue en même temps le rôle
d'isolant dans un espace intermédiaire.
D'une manière avantageuse, la matière plastique peut être un élastomère à base de silicone. Pour une utilisation de l'actionneur piézoélectrique par exemple dans un système d'injection Diesel, il est exigé que l'élasticité de la couche de protection soit comprise dans une large fourchette de températures de - 40 C à + C. Cette condition imposée est respectée par un
élastomère à base de silicone.
Suivant une réalisation particulière, l'empilement peut comporter une couche de céramique pouvant contenir du zirconate-titanate de plomb (PZT, PbZrxTix0O3). Une couche d'électrode peut contenir notamment une substance qui est choisie dans le groupe constitué du palladium et/ou de l'argent. Un alliage des substances indiquées présentant un rapport du palladium à l'argent de 30 à 70 est particulièrement avantageux. Une électrode qui contient du cuivre et/ou du nickel est également envisageable. D'une manière avantageuse, l'empilement peut comporter un agencement composite multicouche monolithique. Le but indiqué plus haut, que vise l'invention, est également atteint au moyen d'un procédé, du type générique défini en introduction, notamment de fabrication d'un élément conforme à l'invention, caractérisé par les opérations suivantes de procédé consistant: a) à procéder au frittage d'un empilement constitué d'au moins deux feuilles crues de céramique et d'une couche d'électrode disposées entre celles-ci et b) à ôter de la matière dans une couche de céramique et/ou une couche d'électrode à l'endroit d'une surface
latérale de la zone inactive de l'empilement.
Suivant une mise en oeuvre particulière de l'invention, l'opération consistant à 8ter de la matière peut s'effectuer par meulage. Ce meulage est par exemple exécuté au moyen d'une meule diamantée. L'orientation relative de la meule peut être choisie librement par
rapport à la position des couches de l'empilement.
Notamment, une surface latérale de la zone active sur le plan piézoélectrique reste dans l'état qui se
présente après le frittage ("as fired" = à l'état cuit).
Cette surface de la zone active n'est donc pas l'objet
d'un meulage.
Avant le frittage, on réalise un empilement de feuilles crues de céramique et de couches d'électrode disposées entre celles-ci. Une réalisation de cet empilement s'effectue avantageusement en remplissant le volume utile ("multi up" = remplissage multicouche). On dispose d'assez grandes feuilles crues de céramique et couches d'électrode de façon à former un empilement de volume utile. A partir de cet empilement de volume utile, on sépare d'une manière individuelle des empilements à soumettre au frittage. Cela s'effectue par exemple par découpage, matriçage ou sciage. A cette occasion, il peut se produire un encrassement de la matière des électrodes
sur les surfaces latérales de l'empilement.
Une combinaison d'une céramique de zirconate-
titanate de plomb et d'une matière d'électrode se présentant sous forme d'un alliage de palladium et d'argent est particulièrement avantageuse. Au cours du frittage commun, l'argent de la matière d'électrode, objet d'un encrassement à la surface de l'empilement, est
totalement incorporé dans la céramique de zirconate-
titanate de plomb. Il ne reste à la surface que des îlots de palladium dont la taille est trop faible pour pouvoir servir d'amorçage pour un claquage électrique. Du fait de
l'incorporation d'argent dans la céramique de zirconate-
titanate de plomb, ainsi que d'une croissance de grain modifiée à la surface libre de la matière d'électrode, la couche d'électrode fait l'objet, au cours du frittage, d'un léger retrait vis-à-vis de la surface latérale de l'empilement, vers l'intérieur de cet empilement (environ 2 5 lm). Ainsi, la distance effective de deux couches d'électrode voisines de polarités différentes se trouve accrue à l'endroit de la surface. La résistance au claquage croît, ce qui signifie que la probabilité d'un court-circuit diminue fortement. Cet effet peut encore être amplifié au moyen d'un programme de frittage
spécialement adapté.
Dans des conditions de frittage réductrices, il est également possible de traiter une autre matière d'électrode, telle que cuivre ou nickel, avec un effet comparable. Le procédé permet de fabriquer un élément piézoélectrique, notamment un actionneur piézoélectrique à structure multicouche monolithique. Un tel élément piézoélectrique est utilisé pour la commande d'un injecteur, notamment d'un injecteur de moteur à
combustion interne.
Les avantages qui suivent sont attachés à l'invention décrite: - L'élément piézoélectrique se caractérise par une aire de section transversale active ayant une grande valeur et en même temps par une résistance élevée au
claquage dans la zone active sur le plan piézoélectrique.
- Une couche d'électrode peut faire l'objet d'une manière optimale d'une mise en contact électrique. La surface de la zone inactive sur le plan piézoélectrique est uniquement l'objet d'un meulage. La rugosité de la surface qui en résulte améliore l'adhérence d'une
métallisation sur la surface.
- On n'a pas à faire appel à un traitement, tel qu'un polissage, de la surface de la zone active sur le plan piézoélectrique. De ce fait, dans le procédé de fabrication, le nombre des opérations de procédé (opérations de polissage, de nettoyage) est réduit. Le
procédé est simple et économique.
- Après que seule la surface de la zone inactive ait fait l'objet d'un meulage, une zone de l'élément, active sur le plan piézoélectrique, qui présente une surface
complexe est même possible.
- La surface de la zone active sur le plan piézoélectrique possède une rugosité qui favorise l'adhérence d'une couche de protection en matière plastique. - Pour une surface non meulée, en comparaison d'une surface meulée ou polie, il se présente une réduction de la probabilité qu'il se forme, à la surface, une fissure qui pourrait conduire à une défaillance de l'élément piézoélectrique. A l'aide de plusieurs exemples de réalisation et des dessins associés, on présente ci-après un élément piézoélectrique sous forme d'un actionneur piézoélectrique monolithique à structure multicouche et un procédé de fabrication de cet élément. Les figures sont schématiques et ne constituent pas des dessins à une
échelle exacte.
La figure i représente, vu de côté, un actionneur
piézoélectrique à structure multicouche monolithique.
La figure 2 représente, vu de côté, un détail d'une zone active sur le plan piézoélectrique d'un actionneur piézoélectrique. La figure 3 représente, vu de côté, un détail d'une zone inactive sur le plan piézoélectrique d'un actionneur
piézoélectrique.
La figure 4 représente, vu de dessus, un actionneur
piézoélectrique comportant un trou.
La figure 5 représente un ordinogramme pour la
fabrication d'un élément piézoélectrique.
La figure 6 représente un injecteur dont fait partie
un actionneur piézoélectrique.
L'actionneur piézoélectrique 1 est constitué d'un empilement monolithique 11 de couches de céramique piézoélectrique 12 et de couches d'électrode 13 disposées entre celles-ci (figure 1). Une couche de céramique piézoélectrique 12 est en zirconate-titanate de plomb. La matière d'une couche d'électrode 13 contient un alliage palladium-argent présentant un rapport du palladium à l'argent de 30 à 70. Une bande de métallisation 16 est appliquée à l'endroit d'une surface latérale 14 de l'empilement 11. La bande de métallisation 16 est en une pâte d'argent cuite. La bande de métallisation 16 ne vient au contact que d'une couche d'électrode 13 de l'empilement 11 sur deux. Il en résulte une zone inactive
sur le plan piézoélectrique 17 de l'empilement 11.
La surface 14 de la zone inactive sur le plan piézoélectrique 17 est l'objet d'un meulage, ce qui signifie que les couches de céramique piézoélectrique 12 et les couches d'électrode 13 s'interrompent en venant au même niveau les unes avec les autres à l'endroit de la surface 14 (figure 3). Les couches 12 et 13 constituent une surface 14 plane. La surface 18 de la zone active sur le plan piézoélectrique 19 de l'empilement 11 n'est pas l'objet d'un meulage. L'empilement 11 présente ainsi des espaces intermédiaires 20 qui sont disposés entre deux couches de céramique piézoélectrique 121 et 122 voisines
et sont ouverts vers la surface latérale 18.
Un tel espace intermédiaire 20 est représenté à la figure 2. Cet espace intermédiaire est rempli d'un élastomère à base de silicone 21. Grâce à l'espace intermédiaire 20, le trajet de l'électrode 131 à l'électrode 132 de polarité différente est particulièrement grand. Par ailleurs, l'élastomère à base de silicone 21 joue le rôle d'isolant. La probabilité d'un claquage électrique entre les deux électrodes 131 et 132 est ainsi réduite. De même, la probabilité d'un claquage d'une couche d'électrode 13 à une électrode quelconque ou à une borne électrique quelconque de
l'élément est réduite.
Un autre exemple de réalisation se distingue de celui qui précède par le fait que l'empilement 11 de l'actionneur piézoélectrique 1 présente un trou 22 à l'endroit duquel l'espace intermédiaire 20 est disposé
(figure 4).
Un procédé de fabrication d'un actionneur piézoélectrique 1 à structure multicouche monolithique, tel que décrit, ressort de la figure 5. Dans une première opération de procéder 301, on réalise et soumet à un frittage un empilement de feuilles crues de céramique et de couches d'électrode disposées entre celles-ci. Dans une autre opération de procédé 302, on procède à un meulage uniquement de la surface 14 qui est prévue pour une mise en contact électrique des couches d'électrode 13. En revanche, la surface 18 de la zone active sur le plan piézoélectrique 19 reste non traitée. Le meulage 302
s'effectue au moyen d'une meule diamantée.
Une passivation de l'actionneur piézoélectrique peut avoir lieu après le meulage 302. La surface de l'actionneur piézoélectrique est revêtue d'une couche de protection en un élastomère à base de silicone. Pendant cette opération de traitement, l'espace intermédiaire 20
est automatiquement rempli de matière plastique.
Un actionneur piézoélectrique 1 à structure multicouche monolithique est utilisé pour la commande d'un injecteur 30 (figure 4) d'un moteur à combustion interne. L'actionneur piézoélectrique est par exemple relié par un piston 31 à une aiguille 32 de l'injecteur 30.
Claims (13)
1. Elément piézoélectrique (1) comprenant un empilement (11) constitué de: - au moins deux couches de céramique (12) et - une couche d'électrode (13) disposée entre deux couches céramiques (12), caractérisé en ce que, entre les couches de céramique (12), il est ménagé un espace intermédiaire (20) qui contient une matière
électriquement isolante (21).
2. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire (20) est disposé dans une zone (19) de l'empilement (11) qui est active sur le
plan piézoélectrique.
3. Elément suivant l'une quelconque des
revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'espace
intermédiaire (20) est ouvert sur un côté.
4. Elément suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière
(21) comporte un gaz.
5. Elément suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière
(21) comporte une matière plastique.
6. Elément suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la matière plastique est un élastomère à base
de silicone.
7. Elément suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une couche de
céramique (12) comprend du zirconate-titanate de plomb.
8. Elément suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une couche
d'électrode (13) contient une substance qui est choisie dans le groupe constitué du cuivre, du nickel, du
palladium et/ou de l'argent.
9. Élément suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'empilement
(11) comporte un agencement composite multicouche monolithique.
10. Elément suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'espace
intermédiaire (20) est disposé à l'endroit d'un trou (22)
de l'empilement (11).
11. Procédé de fabrication d'un élément piézoélectrique, selon lequel on dispose des couches de céramique (12) et des couches d'électrode (13) sous forme d'un empilement (11), d'une manière telle que, sur une surface latérale (14) d'une zone inactive sur le plan piézoélectrique (17) de l'empilement (11), les couches (12, 13) s'interrompent en venant au même niveau les unes avec les autres, notamment de fabrication d'un élément
suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10,
caractérisé par les opérations suivantes de procédé consistant: a) à procéder au frittage d'un empilement constitué d'au moins deux feuilles crues de céramique et d'une couche d'électrode disposées entre celles-ci et b) à ôter de la matière dans une couche de céramique et/ou une couche d'électrode à l'endroit d'une surface
latérale de la zone inactive de l'empilement.
12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce l'opération consistant à ôter de la matière
s'effectue par meulage.
13. Application d'un élément suivant l'une quelconque
des revendications 1 à 10, à la commande d'un injecteur
(30), notamment d'un injecteur d'un moteur à combustion interne
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