Brevet FR2676833A1 — publié le 19921127

SCANNER OPTIQUE L'invention se rapporte à un analyseur à balayage optique, appelé communément scanner, permettant de balayer des signaux lumineux, tels que des rayons lumineux Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un scanner optique comprenant un élément électro-strictif ou un élément piézo-électrique, qui génère une modification d'état si on lui applique une tension électrique Il est principalement utilisé, par exemple, comme dispositif pour acheminer des rayons lumineux vers une position prédéterminée d'un matériau photo-sensitif d'une imprimante laser, et est aussi utilisé dans divers appareils optiques portables fonctionnant à piles. Dans un scanner optique conventionnel, un moteur électrique fait tourner un miroir polygonal et un tel scanner a besoin d'un dispositif absorbant les chocs pour éliminer les vibrations accompagnant le moteur en fonctionnement, de même que le mécanisme qui fait tourner le miroir polygonal. Par conséquent, non seulement le mécanisme devient compliqué, mais encore le volume et le poids total augmentent Un scanner optique conventionnel ne convient donc généralement pas pour les appareils portables, qui ont besoin d'une faible puissance électrique. La demande de brevet japonaise examinée N O 52- 40215 et les demandes de brevet japonaises non examinées N O -177316 et 61-132919 décrivent des appareils déflecteurs de lumière qui utilisent un élément piézo-électrique du type bimorphe ou un élément piézo-électrique du type multicouches. Dans l'appareil comprenant un élément piézo- électrique du type bimorphe, une extrémité de l'élément piézo-électrique est fixe et l'autre extrémité est reliée à la partie inférieure d'un miroir réfléchissant, sur sa périphérie qui supporte le miroir et qui l'incline quand l'élément piézo-électrique subit une modification et est se courbe sous application d'une tension électrique. Dans l'appareil comprenant un élément piézo- électrique multicouches, on trouve une plaque de support de miroir qui reçoit celui-ci sur sa surface supérieure, et la plaque est attachée en un point faisant pivot, libre de vaciller autour de celui-ci Les extrémités modifiables de deux éléments piézo-électriques du type multicouches, qui se dilatent et se contractent vers le haut et vers le bas, sont reliées à la surface inférieure de la plaque de support à travers un organe de guidage flexible et élastique, ayant deux positions Les deux positions sont séparées du pivot et sont situées sur un plan comprenant à la fois un axe des X et un axe des Y orthogonaux l'un par rapport à l'autre, o passe le pivot. Dans cet appareil, quand les éléments piézo- électriques subissent des changements en volume ou des changements en dilatation ou en contraction l'un par rapport à l'autre, par suite du changement des tensions qui y sont appliquées, l'organe de guidage agit comme levier et force le miroir réflecteur à s'incliner selon des angles variables en fonction des tensions appliquées, en générant des oscillations multiples Le résultat est que le miroir réfléchissant peut rapidement défléchir les signaux lumineux incidents selon une direction arbitraire. Etant donné que chacun des miroirs réfléchissants des appareils conventionnels sont des miroirs plans lourds, le premier appareil présente des défauts quant à son poids et quant à l'angle de déflexion qui est relativement petit. Etant donné que le miroir réfléchissant du deuxième appareil est actionnée par un actuateur de type multicouches et que le volume de la plaque-support qui est modifié ne peut être important sans utiliser un levier tel qu'un organe de guidage, ce deuxième appareil présente des défauts en ne permettant pas d'obtenir un grand angle de déflexion sans utiliser un mécanisme compliqué. L'objet de l'invention est de fournir un scanner optique ayant un mécanisme simple et permettant d'obtenir des angles de déflexion aussi précis qu'importants sans utiliser de levier. Un autre objet de l'invention est de fournir un scanner optique dans lequel la vitesse de balayage peut être fixée arbitrairement. Un autre objet encore de l'invention est de fournir un scanner optique léger en poids et de petite taille, utilisant comme actuateur un élément piézo-électrique au lieu d'un moteur électrique. Un autre objet de l'invention encore est de fournir un scanner optique qui consomme une faible quantité d'énergie électrique, produit peu de vibrations mécaniques et génère moins de bruit mécanique en utilisant un organe piézo- électrique ou électro-strictif sans appliquer de tension électrique. Le scanner optique selon l'invention comprend un élément électro-strictif présentant deux extrémités, une des deux extrémités étant reliée à une assise, l'autre des extrémités étant libre et modifiable dans son état par application d'une tension électrique, un miroir convexe fixé à l'autre des deux extrémités de l'élément électro-strictif, un circuit de commande pour modifier la tension appliquée à l'élément électro-strictif, et des moyens pour envoyer des rayons lumineux sur la surface du miroir convexe selon une direction différente de la direction modifiée de l'élément électro-strictif. Il est préférable que l'élément électro-strictif soit un élément piézoélectrique du type bimorphe ou un élément piézo-électrique du type multicouches Le premier élément est avantageux en ce qu'il requiert moins d'énergie électrique de commande et que le second élément dans la mesure o la surface totale du premier élément est plus petite que celle du second Le second élément est avantageux pour garantir des modifications précises et pour balayer avec une haute précision Dans le second élément, quand le miroir convexe est fixé sur la surface supérieure, à l'extrémité, de l'élément perpendiculaire à la direction telle que modifiée, le volume modifié devient de préférence grand De la sorte, dans le cas o la surface du miroir convexe est constitué de la surface totale partielle d'un corps sphérique, cylindrique ou en colonne, les rayons lumineux incidents ne se réfléchissent de préférence pas de façon irrégulière. De plus, outre l'élément piézo-électrique de type bimorphe et l'élément piézo-électrique de type multicouches, on peut utiliser un élément piézo-électrique de type monomorphe ou d'autres éléments électro-restrictifs Au surplus, l'élément piézo-électrique de type bimorphe peut non seulement être du type en parallèle, mais aussi du type en série Les moyens d'émission peuvent être non seulement un laser He-Ne, mais peuvent être aussi une lampe à incandescence, etc. Quand en fonctionnement la tension appliquée à l'élément électro-strictif est modifiée par le circuit de commande dans un état o les rayons de lumière se réfléchissent sur la surface du miroir convexe, l'élément électro-strictif est modifié en fonction de la tension appliquée Simultanément, les rayons lumineux balayent un large champ, même si le volume modifié est petit, par suite du changement en continu des angles de déflexion du rayon en fonction du rayon de courbure du miroir convexe. La surface réfléchissante sur le miroir convexe peut être constituée de tout ou partie de la surface du miroir. Comme on le voit sur la figure 7 en détail, un rayon incident a( est envoyé sur la surface A d'un miroir f 't convexe 13 dans un élément électro-strictif non modifié 10 et devient alors un rayon réfléchi a, A ce moment, le rayon a 1 est émis selon un angle el par rapport à la normale b 1, tandis que le rayon a 1 se réfléchit à un angle 2 O, pour le rayon ao. Quand l'élément électro-strictif 10 est modifié et est déplacé dans le position représentée par les deux lignes en traits interrompus (en dessous de la ligne pleine ) en y appliquant une tension électrique, le rayon a O devient un rayon a 2 sur la surface B du miroir du miroir convexe 13 A ce moment, le rayon a O est émis à un angle 02 par rapport la normale b 2, tandis que le rayon a 2 se réfléchit à un angle 202 pour le rayon ao. On obtient pour le scanner optique un angle de déflexion AG, la différence entre l'angle 202 et l'angle 201. L'augmentation de l'angle de réflexion 2 G 2 est très grande en comparaison avec la modification en volume 6 de l'élément 10. De la sorte, l'angle de déflexion du scanner optique devient extrêmement grand en comparaison avec celui d'un miroir plan conventionnel En particulier, ce scanner optique peut balayer avec une vitesse comparativement haute ou avec une densité plus fine, dans le cas o le rayon de courbure du miroir convexe 13 est décidé en fonction du volume modifié de l'élément 10. D'autres objets ou buts de l'invention vont devenir évidents à la lecture de la description détaillée qui suit, prise en combinaison avec les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue partielle en coupe du scanner optique selon l'invention dans une forme d'exécution utilisant un élément piézoélectrique du type bimorphe, la figure 2 est une vue en perspective du scanner optique représenté à la figure 1, 6 2676833 la figure 3 est une vue partielle en coupe du scanner optique selon l'invention dans une deuxième forme d'exécution utilisant un élément piézo-électrique du type bimorphe, la figure 4 est une vue partielle en coupe du scanner optique selon l'invention dans une troisième forme d'exécution utilisant un élément piézo-électrique du type bimorphe, la figure 5 est une vue partielle en coupe du scanner optique selon l'invention dans une quatrième forme d'exécution utilisant un élément piézo-électrique du type multicouches, la figure 6 est une vue en perspective du scanner optique représenté à la figure 5, et la figure 7 est une vue de côté partiellement agrandie de l'invention, montrant la relation entre un rayon incident et un rayon réfléchi quand l'élément piézo- électrique est modifié tel que représenté à la figure 1. Comme on le voit dans les figures 1 et 2, dans une première forme d'exécution, l'élément électro-strictif est un élément piézo- électrique 10 de type bimorphe parallèle L'élément 10 est fabriqué en faisant adhérer deux plaques piézo-électriques l Qa et lob, chacune ayant des dimensions de 30 mm en longueur, 10 mm en largeur et 0,2 mm en épaisseur par rapport aux surfaces supérieure et inférieure d'une plaque conductrice l Oc de 0,1 micromètre d'épaisseur Une des extrémités de l'élément piézo-électrique est fixée dans un perçage 12 a réalisé à travers une assise 12, au moyen d'un agent adhésif de type résine époxy. L'assise 12 est fixée à un cadre il à sa partie inférieure au moyen d'un boulon lia passant à travers un perçage 12 b Un miroir convexe hémisphérique 13 d'environ lmm de rayon est fixé à l'autre extrémité de l'élément 10 sur sa surface supérieure au moyen d'un agent adhésif du type résine époxy. i ti Un circuit de commande 14 est connecté électriquement à une des extrémités de l'élément 10 Un conducteur l Od est connecté à une électrode externe de la plaque piézo- électrique l Oa et un conducteur le est connecté à une électrode externe de la plaque piézo-électrique l Ob De plus, un conducteur 10 f est connecté à la plaque conductrice 1 Oc. Le circuit de commande 14 comprend une source électrique 16 et une résistance variable 17 L'élément variable 17 a de la résistance 17 est connecté au conducteur 10 f Le déplacement en glissement de l'élément 17 a permet d'appliquer entre les deux électrodes externes des plaques piézo-électriques l Oa et lob une tension électrique variable en continu entre O et 200 V Une source de lumière d'un laser He-Ne, une fente 19, et un filtre 20, sont disposés à une distance prédéterminée de l'autre extrémité de l'élément piézo-électrique 10 La source de lumière 18 est composée de façon à émettre son rayon lumineux ao selon une direction modifiée perpendiculaire à la direction de l'élément piézo- électrique 10, vers la surface du miroir du miroir convexe 13, comme représenté par la flèche sur la figure 1 Dans cette forme d'exécution la source de lumière est réglée pour émettre le rayon ao vers le point A (comme représenté sur la figure 7), à environ 0,2 mm de hauteur depuis la surface o le miroir convexe 13 adhère sur l'élément 10 dans son état non modifié. Dans le scanner optique ainsi constitué, les rayons lumineux émis par la source de lumière 18 sont formés en rayon ao à travers la fente 19 et le filtre, et le rayon ao atteint la surface du miroir convexe 13 Le rayon ao se réfléchit sur la surface du miroir pour atteindre un écran 15 Quand on augmente de façon continue le tension appliqué à l'élément piézo-électrique 10 de O à 200 V, puis qu'on le diminue subséquemment de façon continue de 200 à O V à l'aide du circuit de commande 14, l'élément piézo-électrique 14 est modifié depuis la position représentée en ligne pleine vers une autre position (déplacement vers le bas comme représenté à la figure 1) dans une ligne à traits mixtes, puis retrouve son état original La fréquence des signaux pulsés, en ondes de forme triangulaire, est arbitrairement choisie dans la gamme de 1 à 30 Hz Le volume maximum modifié de l'élément piézo-électrique 10 est de 0,8 mm et l'angle de déflexion maximum AO (entre a 1 et a 2) du scanner optique est d'environ 80 degrés. La figure 3 représente la deuxième forme d'exécution de l'invention Dans cette forme d'exécution, un miroir convexe sphérique 23 d'environ 1 mm de rayon est fixé, au lieu d'un miroir hémisphérique 13, à l'extrémité en saillie d'un élément piézo- électrique 10 de type bimorphe par le même adhésif que dans la première forme d'exécution Ce scanner optique est avantageux en ce qu'on obtient des angles de déflexion plus grands, puisque la surface du miroir du miroir convexe 23 qui réfléchit le rayon ao est large et que le rayon n'est pas intercepté par l'élément piézo-électrique 10. La figure 4 illustre la troisième forme d'exécution de l'invention Dans cette forme d'exécution, un miroir convexe hémi-cylindrique ou semi- cylindrique 33 d'environ 2 mm de rayon et 7 mm de longueur est fixé, au lieu d'un miroir hémisphérique 13, dans la même position que dans la première forme d'exécution par le même agent adhésif La source de lumière émet des rayons vers la surface du miroir du miroir convexe 33, après que l'élément piézo-électrique a été fixé au cadre à travers l'assise 12, puis connecté électriquement au circuit de commande de la même manière que dans la première forme d'exécution Dans cette troisième forme, la position de la source de lumière est réglée pour émettre le rayon ao vers un point situé à 1 mm environ plus haut que la surface o est fixé le miroir convexe 33 dans l'état non modifié de l'élément 10 Quand l'élément piézo- électrique 10 est modifié en appliquant des tensions dans la gamme de O à 200 V de la même manière que dans la première forme d'exécution, l'angle maximum de déflexion est d'environ 55 degrés. On a substitué au corps hémi-cylindrique du miroir convexe 33 des corps individuels en semi-, ou hémi- colonnes de 10 mm de rayon de courbure et de 100 mm de longueur, et de 100 mm de rayon de courbure de 7 mm de longueur respectivement Le choix de l'élément piézo- électrique de type bimorphe est fonction de la dimension des miroirs convexes. Quand le rayon est émis en sorte que l'angle incident el comme représenté sur la figure 7 devienne de 45 degrés et que simultanément on modifie l'élément piézo- électrique, l'angle maximum de déflexion est de 11,9 degrés dans le cas d'un rayon de courbure de 10 mm et de 1,2 degrés dans le cas de 100 mm Ces résultats expérimentaux révèlent que le balayage peut devenir plus précis, mais que l'angle de déflexion devient plus petit au fur et à mesure que le rayon du miroir augmente De même, si les rayons de lumière incidents sont larges, le scanner optique selon l'invention peut réfléchir sans réduire le volume de lumière incidente en utilisant un miroir convexe hémi-cylindrique ou en hémi- colonne Le miroir convexe 33 peut être fixé à l'extrémité en saillie de l'élément piézo-électrique sous la forme d'un corps cylindrique ou en colonne comme représenté à la figure 3, au lieu d'un corps hémicylindrique ou en hémi-colonne Le miroir hémi-cylindrique ou cylindrique est plus léger en poids en comparaison avec le miroir en hémi-colonne ou en colonne, et convient ainsi pour un élément piézo- électrique de type bimorphe. Les figures 5 et 6 illustrent la troisième forme d'exécution de l'invention Les mêmes chiffres de référence que ceux utilisés à la figure 1 désignent les mêmes éléments ou parties Dans cette forme d'exécution, l'élément électro- strictif est un élément piézo-électrique 40 de type multicouches Un miroir convexe 43 est fixé sur la surface supérieure de l'élément 40 en position centrale au moyen d'un agent adhésif comme dans la première forme d'exécution. L'élément piézo-électrique 40 de l'actuateur multicouches est un parallélépipède rectangulaire ayant des dimensions de 8 mm de longueur, 8 mm de largeur et 10 mm de hauteur Le miroir convexe 43 a un corps en hémi-colonne de 1,0 mm de rayon et de 7 mm de longueur. L'élément piézo-électrique 40 est fixé à l'assise 44 par le même agent adhésif que dans la première forme d'exécution, et l'assise 44 est fixée à un socle 46 au moyen d'un boulon 45 qui passe à travers un perçage 44 a Des fils conducteurs individuels 41 et 42 sont soudés aux électrodes externes 40 a et 40 b de l'élément 40, respectivement Un circuit qui génère des signaux 47 est relié aux fils conducteurs 41 et 42 à travers un circuit amplificateur 48. Quand on applique à l'élément piézo-électrique 40 de type multicouches des tensions ayant la même forme d'ondes que dans la première forme d'exécution, au moyen du circuit de commande 49 comportant les circuits 47 et 48, l'élément 40 voit sa longueur modifiée d'environ 10 micromètres dans la direction indiquée par la flèche en trait plein de la figure 5. L'élément piézo-électrique 40 est disposé sur l'assise 44 de façon à recevoir le rayon ao sur la surface du miroir convexe 43 depuis la source lumineuse 18, selon une direction perpendiculaire à la fois à la direction modifiée de l'élément 40 et à la direction longitudinale du miroir convexe 43 De plus, le rayon est émis en sorte que l'angle incident el représenté à la figure 5 puisse être de 45 degrés et de 80 degrés respectivement, puis on modifie l'élément piézo-électrique L'angle maximum de déflexion est de 1,6 degrés dans le cas de l'angle d'incidence de 45 degrés et de 8,3 degrés dans le cas d'un angle d'incidence de 80 degrés. Ces résultats expérimentaux révèlent que l'angle de déflexion devient plus grand lorsque l'angle d'incidence O 1 devient plus grand. Bien que la représentation de la description doive être considérée comme étant en relation avec les formes d'exécution préférées de l'invention, il est évident pour il l'homme du métier que de nombreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir du champ de l'invention. REVENDICATIONS 1 Scanner optique comprenant: un élément électro-strictif ( 10) ayant une de ses extrémités fixée à une assise ( 12), un miroir convexe ( 13) fixé à l'autre extrémité de l'élément électro- strictif ( 10), un circuit de commande ( 14) pour modifier la tension appliquée à l'élément électro-strictif ( 10), et des moyens ( 18) pour émettre des rayons lumineux vers la surface du miroir convexe ( 13) dans une direction différente de la direction modifiée de l'élément électro-strictif ( 10). 2 Scanner optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électro-strictif ( 10) est un élément piézo-électrique de type bimorphe. 3 Scanner optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électro-strictif ( 10) est un élément piézo-électrique de type multicouches ( 40), le miroir convexe ( 13) étant fixé sur la surface de l'élément piézo- électrique de type multicouches ( 40), perpendiculairement à sa direction modifiée. 4 Scanner optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface du miroir convexe comprend tout ou partie de la surface d'un corps sphérique ( 23). Scanner optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface du miroir convexe comprend tout ou partie de la surface d'un corps cylindrique ( 33). 6 Scanner optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface du miroir du miroir convexe comprend tout ou partie de la surface d'un corps en colonne. * -s 7 Scanner optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens ( 18) pour émettre les rayons lumineux consistent en un laser He-Ne. 8 Scanner optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir convexe est fixé à l'aide d'un agent adhésif de type époxy.