Brevet FR2720521A1 — publié le 19951201

L'invention concerne un organe piézoélectrique de balayage, et plus précisément un tel organe destiné au balayage d'un miroir. On connaît déjà des procédés de balayage d'un miroir optique à l'aide d'organes piézoélectriques de manoeuvre. Un exemple d'un tel organe de balayage est représenté sur la figure 1. Il comporte quatre éléments 1 à lames piézoélectriques fixés par une articulation flexible 2 à un miroir 3. Chaque élément 1 comprend deux lames piézo- électriques fixées afin qu'une tension appliquée au contact central provoque une flexion de l'élément à lames. Un mouvement suivant deux axes est possible sur des angles de balayage relativement petits. De manière générale, plus l'angle de balayage nécessaire est grand et plus les éléments à lames doivent être grands si bien que, lorsque les angles à balayer sont importants, les éléments à lames doivent souvent avoir une surface supérieure à celle du miroir balayé. Il est souvent indésirable que le mécanisme à éléments à lames recouvrent une surface supérieure à celle de l'ouverture du miroir, à cause du manque d'espace dans le système optique et surtout lorsque plusieurs organes de balayage doivent être disposés suivant une matrice. L'invention permet l'obtention de plus grands angles de balayage sur une surface limitée. L'invention concerne un organe piézoélectrique de balayage qui comprend un organe à balayer, deux éléments à lames piézoélectriques disposés transversalement audit organe et agissant à une première extrémité sur un élément de montage raccordé audit organe, les éléments à lames étant disposés afin qu'ils fléchissent et que leurs extrémités soient repoussées vers l'élément de montage ou écartées de celui-ci lorsqu'une tension est appliquée, les positions, le long de l'élément de montage, auxquelles les extrémités des éléments à lames agissent étant décalées de manière que l'organe pivote lorsque les extrémités sont rapprochées ou éloignées l'une de l'autre. La disposition transversale des éléments à lames piézoélectriques permet de plus grandes déviations angulaires de l'organe dans un ensemble dans lequel les éléments à lames ne dépassent pas les dimensions latérales de la surface, par exemple d'une manière souhaitable dans le cas d'une matrice d'éléments, puisque la longueur des éléments n'est pas limitée par les dimensions latérales de la surface dans ce cas. L'organe à balayer peut être un miroir. Pour que l'organe puisse pivoter autour de deux axes orthogonaux, une seconde paire d'éléments à lames peut être utilisée. Il est avantageux que les extrémités des éléments à lames agissent sur l'élément de montage par l'intermédiaire d'organes élastiques, par exemple d'un caoutchouc de silicone. L'élément de montage peut être un plot dépassant de l'arrière de la surface. Des entretoises peuvent être disposées entre les extrémités et les organes élastiques afin qu'elles permettent l'utilisation d'éléments à lames plus larges dans le cas o deux paires d'éléments à lames sont utilisées. Chaque élément à lames est avantageusement composé de deux couches d'un matériau piézoélectrique, l'une présentant une dilatation et l'autre une contraction lors de l'application d'une tension. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, représente un organe de balayage de type connu; la figure 2a est une coupe en plan d'un exemple d'organe de balayage piézoélectrique; la figure 2b est une vue en élévation latérale de l'organe de balayage de la figure 2a; et la figure 3 représente une autre forme d'organe de balayage piézoélectrique. On se réfère aux figures 2a et 2b; quatre éléments 4, , 6 et 7 à lames piézoélectriques sont alignés perpen- diculairement à un miroir 8 qui est monté sur un élément 9 de montage. Chaque élément à lames est formé d'une paire de lames piézoélectriques dont l'une se dilate et l'autre se contracte lors de l'application d'une tension. Le résultat est que chaque lame fléchit lorsque la tension est appliquée. Cet élément 9 est fixé à des coins respectifs des éléments 4 à 7 à lames par l'intermédiaire d'organes élastiques 10 à 13 de caoutchouc de silicone. Les éléments 4 à 6 à lames sont présentés sur la vue en élévation latérale de la figure 2b et, par raison de clarté, les éléments 5 et 7 ne sont pas représentés sur ce schéma. Les organes élastiques 10 et 12 fixés aux éléments 4 et 6 respectivement sont raccordés à des hauteurs différentes sur l'élément 9 de montage. Les éléments 4 à 7 à lames ont la même longueur si bien que la base 14 à laquelle ils sont fixés est réalisée afin que chaque élément à lames pénètre dans la même épaisseur du matériau de base. Les éléments 4 et 6 à lames sont disposés afin que, lors de l'application d'une tension, les extrémités agissant sur l'élément de montage 9 fléchissent vers l'élément de montage ou du côté opposé suivant le signe de la tension. Les forces résultantes opposées établissent un moment de rotation autour d'un point qui est équidistant des points d'action des forces sur l'élément de montage. Le miroir 8 tourne donc autour du point 15 de pivotement, le long de l'axe 16 de la figure 2a. Lorsque la tension est appliquée aux deux éléments 5 et 7, les extrémités agissant sur l'élément 9 de montage fléchissent de manière analogue vers l'élément de montage et du côté opposé suivant le signe de la tension appliquée, et cette action provoque un pivotement du miroir 8 autour de l'axe 17. Ainsi, le mouvement angulaire du miroir 8 peut être obtenu autour de l'un ou l'autre axe ou des deux axes en combinaison. La figure 3 représente un organe de balayage autour d'un seul axe dans une variante et, dans ce mode de réalisation, deux éléments 18 et 19 à lames seulement sont présents, et ils peuvent avoir la même largeur que le miroir 27. Chacun d'eux est fixé à un plot de montage 20 par des organes élastiques 21, 22 fixés aux extrémités d'organes rigides 23, 24 d'entretoise. La présence des organes d'entretoise facilite la fabrication de l'organe de balayage, car les autres extrémités des éléments à lames peuvent être simplement fixées aux côtés de la base 25. Dans l'organe de balayage de la figure 3, l'application d'une tension aux éléments 18 et 19 à lames provoque un déplacement des extrémités montées sur l'élément 20 vers l'élément de montage ou du côté opposé, si bien que le miroir pivote autour du point 26 comme indiqué précédemment, le mouvement du miroir s'effectuant suivant un seul axe. L'utilisation d'organes rigides d'entretoise permet l'utilisation d'une paire supplémentaire d'éléments à lames. Ils peuvent être fixés aux deux autres côtés de la base 25. L'utilisation de ces éléments d'entretoise permet l'utili- sation d'éléments à lames plus larges que dans le mode de réalisation des figures 2a, 2b. L'avantage de cette disposition est que le volume des lames piézoélectriques est accru si bien que la rigidité des éléments à lames est accrue de même que leur vitesse de fonctionnement. Le miroir peut donc être balayé plus rapidement. Le demi-angle de balayage est donné par la relation O = 3d31VI 2/4ha2 d31 étant le coefficient de charge piézoélectrique du matériau piézoélectrique, V la tension appliquée, / la longueur active des éléments à lames, a l'épaisseur du matériau piézoélectrique et h la demi-distance entre les organes flexibles. Si l'on utilise comme valeur d31 = 250.10-12 m/V, une tension égale à + 80 V, t= 15 mm, a = 0,2 mm et h = 1 mm, on obtient un angle prévu égal à 5 . La fréquence de résonance de l'organe de balayage est donnée par la relation fo = (1/2x),K7i I étant le moment d'inertie du miroir et K la constante de force des éléments à lames piézoélectriques est donnée par la relation K = 16a3bh2Y/3/3 Y étant le module de Young du matériau piézoélectrique et b sa largeur. Si l'on considère un miroir de silicium de x 10 x 1 mm ayant un moment d'inertie I = 1.10-8 kgm2, b = 7 mm et le module de Young Y = 7.1010 N/m2, la fréquence de résonance est de 125 Hz. Les organes de balayage donnent un mouvement vertical linéaire ainsi qu'un mouvement de balayage, mais il peut être calculé pour les organes précités de balayage comme étant inférieur à 30 zm. Les organes de balayage décrits, ayant ainsi un grand mouvement de balayage ( 5 pour une tension de 80 V), une fréquence élevée de résonance (125 Hz), et leurs mécanismes d'entraînement sont totalement logés à l'intérieur de la surface de l'ouverture du miroir. L'épaisseur des organes de balayage, y compris le miroir et la monture, peut être rendue inférieure à 25 mm, donnant un volume total de 3,6.10-6 m3. Dans un cas idéal, afin que le moment de rotation soit maximal, la partie de l'élément de montage sur laquelle agissent les éléments à lames doit être mince. Ce résultat peut être obtenu soit par réalisation de la partie en forme de montant de l'élément de montage sous forme aussi mince que possible, soit par découpe de cette partie de l'élément de montage et introduction des organes élastiques dans les espaces résultants afin que les points d'action, sur l'élément de montage, des forces produites par les éléments à lames et le point de pivotement soient alignés perpendiculairement au plan du miroir. Il est manifeste que les mécanismes à organes de balayage décrits précédemment peuvent être utilisés pour le balayage de dispositifs autres que des miroirs, par exemple des diodes laser. Si l'organe de balayage porte un miroir ou une diode laser cependant, l'invention s'applique en particulier à une matrice de miroirs (ou de diodes lasers, etc.), car le mécanisme déflecteur (les éléments à lames) ne dépasse pas de la projection de la surface du miroir, etc. Un avantage particulier de l'invention est que la disposition transversale des éléments à lames permet l'utilisation d'éléments dont les dimensions latérales sont supérieures à celles du miroir. D'autres variantes peuvent être utilisées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les figures 2a, 2b et 3 représentent les éléments à lames piézoélectriques montés perpendiculairement au plan du miroir, mais chaque élément à lames peut être monté obliquement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux organes de balayage et matrices d'organes de balayage qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Organe piézoélectrique de balayage, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (8) à balayer, deux éléments à lames piézoélectriques (4-7) disposés transversalement audit organe et agissant à une première extrémité sur un élément de montage (9) raccordé audit organe, les éléments à lames (4-7) étant disposés afin qu'ils fléchissent et que leurs extrémités soient repoussées vers l'élément de montage (9) ou écartées de celui-ci lorsqu'une tension est appliquée, les positions, le long de l'élément de montage (9), aux- quelles les extrémités des éléments à lames (4-7) agissent étant décalées de manière que l'organe pivote lorsque les extrémités sont rapprochées ou éloignées l'une de l'autre. 2. Organe de balayage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe (8) est un miroir. 3. Organe de balayage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments à lames (4-7) sont raccordés à l'élément de montage (9) par l'intermé- diaire d'organes élastiques (21, 22). 4. Organe de balayage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des organes rigides d'entretoise (23, 24) sont disposés entre les éléments à lames (4-7) et les organes élastiques (21, 22). 5. Organe de balayage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments à lames (4-7) comportent chacun deux couches d'un matériau piézoélectrique. 6. Organe de balayage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments à lames (4-7) sont montés perpendiculairement à l'organe (8) qui doit être balayé. 7. Organe de balayage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une paire supplémentaire d'éléments à lames (4-7) est placée transversalement audit organe. 8. Matrice d'organes de balayage, dans laquelle chaque organe de balayage est selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les organes à balayer (8) sont disposés sous forme d'une matrice.