Brevet FR2431189A1 — publié le 19800208

La présente invention concerne les céramiques piézoélectriques et se rapporte plus particulièrement à la polarisation de ces céramiques dans le but d'obtenir des composants tels que ceux qui font par exemple l'objet des brevets n0 77 12 799, 77 12 800 et 77 12 801, appartenant à la Deman dresse Ces brevets sont tous relatifs aux éléments optiques à focale variable dans lesquels les céramiques piézo-electriques jouent un rôle primordial. Parmi les éléments optiques décrits dans ces brevets figurent les miroirs à focale variable dont la courbure varie en fonction de la tension appliquée aux bornes des éléments en céramique piézo-électriques qui entrent dans leur construction. Pour pouvoir remplir leur fonction les céramiques piézo électriques sont polarisées. A cet effet, on soumet la céramique à un champ élec- trique en vue d'assurer ltorientation des dipôles dont elle est formée. Après le frittage de la céramique, on répartit sur deux de ses faces, des couches conductrices qui constituent les armatures d'un condensateur. Ensuite, on applique au condensateur ainsi formé une différence de potentiel ce qui entraîne l'apparition d'un champ électrique qui oriente dans sa direction tous les dipôles élémentaires et fait apparaître un moment dipolaire électrique résultant, également appelé polarisation rémanente On remarquera que cette technique permet d'obtenir des éléments en céramique piêzo-e-lectriquesà polarisation constante. Or, pour certaines applications, il est nécessaire de disposer de céramiques piézoélectriques dont la polarisation n'est pas constante sur toute la surface de l'élément et qui présente même des zones de polarisation déterminées différentes. L'invention vise à créer un procédé et un dispositif permettant d'atteindre ce résultat. Elle a donc pour objet un procédé de polarisation d'un élément de matière céramique piézo-électrique, consistant à appliquer audit élément en céramique une différence de potentiel correspondant à la polarisation désirée, caractérisé en ce qu'en vue d'appliquer ladite différence de potentiel, on revêt l'une des faces de l'élément piézoélectrique d'une couche de matière conductrice formant une première armature d'un condensateur et l'on place contre la face dudit élément en céramique opposée à ladite couche conductrice, un élément en matière diélectrique d'épaisseur variable en fonction de la densité de polarisation que l'on désire donner à la partie sous-jacente de l'élément piézoélectrique, ledit élément diélectrique portant sur sa face opposée à sa surface de contact avec ledit élément de céramique, une couche de matière conductrice, continue ou discontinue, formant une ou plusieurs secondes armatures de condensateurs et on applique ladite différence de potentiel aux première et seconde armatures ainsi formées afin d'obtenir dans ledit élément de céramique des densités de polarisation inversement proportionnelles à l'épaisseur de la matière diélectrique interposée entre lesdites armatures. Elle a également pour objet un dispositif de polarisation d'un élément en céramique piézo-électrique pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément en matière diélectrique d'épaisseur variable, comportant une première face destinée à être placée en contact avec une face de l'élément en céramique à polariser qui porte sur sa face opposée une couche de matière conductrice, et une seconde face opposée à ladite première face et dont le profil définit dans l'élément diélectrique des zones d'épaisseurs différentes destinés à déterminer le profil de la densité de polarisation de l'élément céramique, ladite seconde face portant un revêtement de matière conductrice des tiné à former avec la couche de matière conductrice portée par l'élément de céramique,autant de condensateurs que l'élément en matière diélectrique comprend de zones d'épaisseursdiffé- rentes. D'autres caractéristiques de l'invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels - la Fig.1 est une vue en élévation et en coupe d'un montage d'une céramique piézo-électrique en vue de la polarisation de celle-ci; - la Fig.2 est une vue correspondant à la Fig.l, montrant l'orientation des dipôles à l'intérieur de la céramique après polarisation; - les Fig.3 et 4 montrent la réaction à une tension d'excitation d'une céramique piézo-électrique à densité de polarisation homogène; - les Fig.5 et 6 montrent la réaction à une tension d'excitation d'une céramique piézo-électrique à densité de polarisation non homogène obtenue suivant l'invention. En se référant tout d'abrod à la Fig.1 sur laquelle on a représenté un bloc 1 de matière céramique piézo-électrique que l'on souhaite polariser, ce bloc 1 est revêtu sur une de ses faces d'une couche 2 de matière conductrice destinée à constituer la première armature d'un condensateur. Contre la face du bloc 1 opposée à la couche 2 est appliqué un élément 3 en matière diélectrique ayant une constante diélectrique E égale à celle de la céramique. Dans le présent exemple le bloc 1 est en forme de disque. L'élément 3 qui présente un profil en gradins symétrique par rapport à l'axe du bloc 1 est également de révolution autour de l'axe du bloc 1. I1 présente par conséquent des plages circulaires concentriques 4, 5 et 6 situées à des distances x,y,z, croissantes de la face du bloc 1 contre laquelle l'élément 3 est appliqué. Sur chacune des plages 4, 5 et 6 de l'élément 3 est ap pliquée une couche 7, 8, 9 correspondante de matière conductrice destinée à constituer avec la couche conductrice 2 de revêtement de la face opposée du bloc 1, des condensateurs de capacités différentes, dont les valeurs sont, comme on le sait inversement proportionnelles à la distance entre les armatures. Dans le présent exemple, ces distances sont respectivement e + x, e + y et e + z, e étant l'épaisseur du bloc 1. Les condensateurs 2-7, 2-8 et 2-9 ainsi constitués forment deux zones annulaires 2-7 et 2-8 et une zone cylindrique 2-9, matérialisées par des traits interrompus sur les Fig. 1 et 2. Afin d'assurer la polarisation du bloc 1 de céramique, on connecte aux bornes des condensateurs 2-7, 2-8 et 2-9, une couche de tension 10 représentée à la Fig.2. La différence de potentiel aux bornes des condensa teurs provoque dans le bloc de céramique une orientation des dipôles qui se trouvaient initialement dans l'état représente à la Fig.1. On constate d'après la Fig.2 que plus le champ électrique dans une zone est intense, plus l'orientation des di pôles dans la direction du champ est importante. Etant donné que les distances x, y et z entre l'armature 2 et les armatures respectives 7, 8 et 9 sont crozssan- tes dans cet ordre, les champs électriques correspondants donnés par les relations Ex = evx ~ Ey = V Ez = V ont des valeurs satisfaisant à la relation Ex > Ey > Ez En conséquence, les densités de polarisation sont liées par la relation Prx > Pry # Pr z Dans l'exemple représenté aux Fig.1 et 2, les électrodes 7, 8 et 9 sont de révolution, mais il est bien entendu possible de donner à ces électrodes une configuration quelconque et d'adapter en conséquence l'épaisseur de la partie correspondante de l'élément diélectrique 3. Par ailleurs, au lieu d'être isolées les unes des autres, les couches 7, 8, 9 peuvent être réalisées en une seule couche et la surface de lte- liment 3, au lieu d'être en gradins, peut être continue. Une fois que la polarisation du bloc de céramique 1 est terminée, on retire l'élément 3 et on revêt la face du bloc 1 opposée à la couche 2, avec une seconde couche conductrice. On obtient ainsi un élément piézoeélectrique utilisable par exemple pour la réalisation d'un miroir à focale variable. Aux Fig. 3 et 4 on a représenté un miroir présentant une densité de polarisation homogène obtenue par un procédé de polarisation classique. Le miroir de la Fig.3 comp#rend une plaque 11 de céramique dont les deux grandes faces sont revêtues chacune d'une couche 12, 13 de matière conductrice; sur la couche 13 est en outre appliquée une couche 14 de matière réfléchissante. Les couches 12 et 13 sont connectées à une source de tension 15. Sur la Fig.3, le miroir est représenté dans son état non excité par la tension de la source 15. Les vecteurs Pr qui matérialisent la densité de polarisation en divers points du miroir montrent que cette densite est constante. Par conséquent, lorsque la tension de la source 15 est appliquée au miroir, il se déforme comme représenté à la Fig.8 pour prendre une forme sphérique. En revanche, le miroir représenté à la Fig.5 qui comporte comme celui de la Fig.3, une plaque de céramique 16 prise entre deux couches conductrices 17, 18 et une surface réfléchissante 19 recouvrant la couche conductrice 18, a reçu une polarisation non homogène comme le montrent les vecteurs > Pr de la Fig.5. Lorsque la tension de la source d'alimentation 20 est appliquée au miroir de la Fig.5, celui-ci grâce à la polarisation obtenue par les moyens décrits ci-dessus, prend une forme non sphérique, qui dans le présent exemple est parabolique, mais qui pourrait être elliptique, hyperbolique ou autre, en fonction du profil de la polarisation donné à la plaque de céramique 16. La possibilité de donner à un élément de céramique piézo-électrique une distribution de polarisation quelconque permet de réaliser des éléments optiques qui à l'état excité peuvent prendre les formes les plus diverses, adaptées aux fonctions que lesdits éléments sont destinés à remplir. Par ailleurs, elle permet d'effectuer des corrections d'aberrations longitudinales et transversales dans toutes les organisations optiques. REVENDICATIONS 1. Procédé de polarisation d'un élément de matière céramique piézo-électrique consistant à appliquer audit élé- ment en céramique une différence de potentiel correspondant à la polarisation désirée, caractérisé en ce qu'en vue d'appliquer ladite différence de potentiel, on revêt l'une des faces de l'élément piézo-électrique d'une couche de matière conductrice formant une première armature d'un condensateur et l'on place contre la face dudit élément en céramique opposée à ladite couche conductrice un élément en matière diélectrique d'épaisseur variable en fonction de la densité de polarisation que l'on désire donner à la partie sous-jacente de l'é- liment piézo-électrique, ledit élément diélectrique portant sur sa face opposée à sa surface de contact avec ledit élé- ment de céramique, une couche de matière conductrice, continue ou discontinue formant une ou plusieurs secondes armatures dudit condensateur et on applique ladite différence de potentiel aux première et seconde armatures ainsi formées afin d'obtenir dans ledit élément de céramique des densités de polarisation inversement proportionnelles! l'épaisseur de la matière diéleetrique interposée entre lesdites armatures. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la constante diélectrique de la matière dudit élé- ment en matière diélectrique est égale à celle de l'élément en céramique à polariser. 3. Dispositif de polarisation d'un élément en céramique piézo-électrique, pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément (3) en matière diélectrique d'épaisseur variable, comportant une première face destinée à être placée en contact avec une face de l'élément en céramique (1) à polariser qui porte sur sa face opposée une couche (2) de matière conductrice, et une seconde face opposée à ladite première face et dont le profil définit dans l'élément diélectrique (3) des zones d'épaisseurs { x, y, z) différentes, destinées à déterminer le profil de la densité de polarisation de l'élément céramique (1), ladite seconde face portant un revêtement de matière conductrice destine à former avec la couche de matière conduc trice portée par l'élément de céramique (1) autant de condensateurs que l'élément en matière diélectrique (3) comprend de zones d'épaisseurs différentes ( x, y, z). 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites zones d'épaisseurs différentes ( x, y, z) sont des zones en gradins. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4,caractérisé en ce que ledit élément en matière diélectrique comporte un axe de symétrie, lesdites zones d'épaisseurs différentes ( x, y, z) dudit élément en matière diélectrique (3) étant coaxiales audit élément. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit revêtement est cons titué par des couches discontinues de matière conductrice (7, 8, 9). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit revêtement est constitué par une couche continue de matière conductrice.