JPH06214175A

JPH06214175A - レーザビーム走査装置

Info

Publication number: JPH06214175A
Application number: JP5307220A
Authority: JP
Inventors: Minoru Toda; ミノル・トダ
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1994-08-05
Also published as: DE4338578A1; US5295014A

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で、小型化の可能な２次元レーザ
ビーム走査装置を提供すること。【構成】２次元レーザビーム走査装置40は支持台42に
自由端が振動可能に取付けられた可撓性フィルム状の圧
電バイモルフ44を有する。この圧電バイモルフ44の自由
端54にミラー60を取付け、電極46a 、46b 、48a 、48b
に駆動手段64、66からの発振信号電圧を印加して、ミラ
ー60を直交２方向Ａ、Ｂへ同時に振動させる。このミラ
ー60への入射レーザビーム88を２次元的に走査される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビーム走査装置、
特にレーザビームを同時に２方向に走査（スキャン）す
る２次元レーザビーム走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】圧電（ピエゾエレクトリッ
ク）材料は業界で周知であり、広い分野で多用されてい
る。例えば鉛ジルコン酸チタン（ＰＺＴ）等のセラミッ
ク製圧電材料は極めて硬質であり、多くの用途には不適
当である。圧電ポリマーは低密度でありセラミック圧電
材料より可撓性に富んでいる。多くの用途にセラミック
圧電材料に置換可能な圧電ポリマーの１つに塩化ポリビ
ニリデン（ＰＶＤＦ）がある。このＰＶＤＦはセラミッ
ク圧電材料とは著しく異なる特性を有する。例えば、Ｐ
ＶＤＦの荷電係数はＰＺＴの約１／10である。更に、減
極（デポーラライズ）することなくＰＶＤＦに印加可能
な交流電界強度はセラミック圧電材料の約50倍である。

【０００３】ＰＶＤＦは一般に厚さ５乃至100 μm （ミ
クロン）のフィルムとして製造される。図1A乃至図1Bは
斯るフィルムの周知の特性を図示する。典型的なＰＶＤ
Ｆフィルム10は、その上下面に被着された電極層12を有
し、このフィルム10の厚さ方向に電圧を印加可能にす
る。製造工程中に、フィルム10は図1Aに矢印で示す方向
に張力を加えてストレッチする。フィルム10の厚さ方向
に電圧を印加すると、その厚さ方向に電界が生じる。フ
ィルム10の分極方向（太い矢印）と電界の方向（細い矢
印）を図１に示す。図1Aに示す如く、フィルム10の分極
方向と同じであるとき、フィルム10はストレッチ方向に
伸び、逆に図1Bに示す如く電界と分極方向が反対である
と、電界によりフィルム10はストレッチ方向に縮められ
る。

【０００４】圧電ポリマーフィルム、特にＰＶＤＦフィ
ムはバイモルフとして魅力的な材料である。バイモルフ
は２枚の圧電フィルムを相互に接着又は固着させたもの
であり、これらフィルムに電界を印加すると、分極方向
が一方のフィルムでは電界方向と同じであり、他方のフ
ィルムでは反対方向となるようにしている。その結果、
一方のフィルムは伸び他方のフィルムは縮むので、バイ
モルフは一方向に曲がる（反る）こととなる。発振信号
をフィルム10に印加すると、フィルム10は交互に伸び縮
みしてバイモルフを発振（振動）させる。ＰＶＤＦはそ
の可撓性故にバイモルフ用途に好適である。

【０００５】図２は従来の典型的な圧電バイモルフ14の
構造及び動作を示す。図示の如く、バイモルフ14は支持
部材18に固定された片持ち梁端16と自由端20を有する。
バイモルフ14は第１圧電フィルム22と第２圧電フィルム
24を有し、相互にエポキシ等の適当な材料で接着され、
各フィルム22、24の接着面の電極層26は両フィルム22、
24間に共通接続されている。電圧源28が各フィルム22、
24の外面の電極層と共通電極層26間に結合され、各フィ
ルム22、24の厚さ方向に電圧を印加する。上述した如
く、これらフィルムは一方のフィルムでは電界方向と分
極方向が同じであり、他方のフィルムでは電界方向と分
極方向とが逆になるように配置して接着されている。交
流電圧が両フィルム22、24に印加されると、上下フィル
ム22、24を交互に伸長及び収縮を生じさせ、バイモルフ
14の自由端26をバイモルフ14の中心線を含む面Ｐに対し
て略法線方向Ａに振動させる。この振動周波数は印加さ
れた電圧信号の周波数と等しい。

【０００６】最近、小売店等でしばしば見られるバーコ
ード読取装置の如き光走査装置の出現により、レーザビ
ームを比較的高速で走査することのできる小型且つ安価
なレーザビーム走査装置の必要性が生じた。上述した如
きバイモルフはレーザビーム走査装置に好適である。例
えば、ミラー（図示せず）がバイモルフ14の自由端26に
取付けられる。このミラーに入射するレーザビームはバ
イモルフ14の自由端26の振動方向に走査される。従っ
て、典型的な従来の片持ち梁状バイモルフはレーザビー
ムを一方向に走査するために使用可能である。しかし、
バーコード読取器（リーダ）は並列に配置された複数の
異なるバーコードを順次読取る為に、直交する２方向に
同時にレーザビームを走査することのできる装置が必要
となる。図２に示した如き片持ち梁状の圧電バイモルフ
では斯る用途には不適当である。

【０００７】レーザビームを走査する種々の装置が周知
である。例えば、米国特許第3,757,199 号は一端が支持
体に片持ち梁状に形成された１対の圧電フィルムトラン
スデューサ（変換器）より成るレーザビーム走査装置を
開示している。この他端は離間してミラーの裏面にヒン
ジ固定され、ミラーをトランスデューサに対して回動可
能にしている。この米国特許の走査装置は、圧電フィル
ムが曲がらず一方の伸びと他方の縮みによりヒンジ結合
されたミラーをその面の中心軸の回りで回転させる点で
バイモルフと異なる。この走査装置は１次元のレーザビ
ーム走査には好適であるが、２次元走査は不可能であ
る。

【０００８】米国特許第4,778,233 号は反射面が取付け
られた延長部材に旋回可能に取付けられているレーザビ
ーム走査装置を開示している。圧電結晶がこの延長部材
に当接し、印加電圧による結晶の変形が延長部材を旋回
させるように構成されている。しかし、先の米国特許第
3,757,199 号と同様に、この装置にあっても２次元走査
が不可能である。

【０００９】また、米国特許第4,775,815 号及び同第4,
917,484 号は高エネルギーのレーザビームがかじ取りミ
ラーのダイナミックマウント及びアクチュエータ（駆動
装置）を開示している。これら米国特許の装置は航空機
又は宇宙衛星に使用されるミリラジアンという極めて高
精度のミラー運動用に設計されている。この複雑な装置
は３個の圧電シアモータを筒状マウントに120 °の角度
おきに取付けられている。この装置では２次元走査は可
能であるが、バーコード読取り等の用途を念頭に設計さ
れておらず、極めて複雑且つ大型であって、これらの用
途には不適切である。

【００１０】更に、米国特許第4,251,798 号はバーコー
ド読取装置に使用する２次元レーザビーム走査ヘッドを
開示している。このヘッドは回転多角形車輪を使用し、
各車輪の各面にミラーを有し、レーザビームをＸ軸方向
に走査する。単一のバイモルフを使用してＹ軸走査を行
う。更に、この米国特許第ではバイモルフをＸ軸及びＹ
軸走査に使用可能であり且つ所定機械設計の単一のバイ
モルフが使用でき、両軸方向に電気的に駆動されると述
べている。しかし、この米国特許のどこにも斯る単一又
は２個のバイモルフ実施例の設計につき開示又は説明が
ない。且つこの米国特許はＰＶＤＦポリマー圧電フィル
ム等の使用を教示していない。

【００１１】米国特許第4,387,297 号及び同第4,496,83
1 号にはペンタバイモルフ走査素子（図15図) を開示し
ている。これら米国特許は、１個のペンタバイモルフ走
査素子をＸ軸走査に、他の素子をＹ軸走査に使用すると
記載している。ペンタバイモルフ素子は印加電圧に応じ
て反復的に振動する１対の振動素子から構成されてい
る。各バイモルフは一端を支持体に固定し、それらの上
端に45°の角度をなすようにミラーが取付けられてい
る。バイモルフは音叉と同様方法で同一面で振動する。
２個のバイモルフを使用して一方向への走査角を増加す
る。その理由は、１個のバイモルフは大きな偏向角が得
られない為である。よって、第２ミラーは第１ミラーと
同一方向に偏向させて単に走査角度を増大する作用をす
るのみである。単一のペンタバイモルフでは２次元走査
が行えず、むしろ、説明によると２次元走査を行うには
２個のペンタバイモルフを使用しなければならない。よ
って、２次元走査は可能であるが、２個のペンタバイモ
ルフが必須であるので、２次元走査装置を得るには高
価、複雑且つ大型となるという欠点がある。

【００１２】従って、小型且つ簡単な構成でレーザビー
ムを同時に２方向に走査することができるレーザビーム
走査装置を提供することを本発明の目的とする。

【００１３】

【課題解決の為の手段及び作用】上述した課題を解決
し、且つ上述の目的を達成する為に本発明は特にＰＶＤ
Ｆを可とする圧電フィルムの優れた特性を最大限に活用
してレーザビームを２方向に走査する走査装置を実現す
る。

【００１４】１実施例にあっては、本発明のレーザビー
ム走査装置は支持ベースと、この支持ベースに配置した
連続的に接着した４枚の圧電層を有する圧電バイモルフ
構体とより成る。各層は支持ベースの長手方向の長さ、
それに直交方向の幅、及び支持ベースの幅方向の厚さを
有する。バイモルフ構体の外側の２層は内側の２層より
も長さが短く、固着された内外層が４層のバイモルフ部
を形成し、内側の２層が長さ方向に外側の２層を超えて
延び自由端を有する２層バイモルフ部を構成するように
外側２層を内側２層に固着している。４層部は支持ベー
スに第１長手縁に沿って固定されている。４層部の第２
長手縁は自由端縁を形成する。２層部の自由端は略90°
曲げて、２層部の自由端が支持ベースの幅方向に延びる
ようにする。

【００１５】ミラーを２層バイモルフ部の自由端に取付
け、入射先を反射するようにする。４圧電層に電極手段
が接続され、バイモルフ構体に電気信号を印加し、４層
部の自由縁を支持ベースの幅方向に振動させ、曲げられ
た２層部の自由端を４層部の自由端の振動方向に直交方
向に振動させる。４層部の自由縁と２層部の自由端の直
交振動はミラーに機械的に伝達される。従って、ミラー
への入射光は直交する２方向に同時に走査される。

【００１６】好ましくは、２層及び４層バイモルフ部は
異なる共振周波数を有する。斯る場合、印加信号は好ま
しくは第１及び第２周波数成分を有する。第１周波数成
分は一方のバイモルフ部の共振周波数と略等く、第２周
波数成分は他のバイモルフ部の共振周波数と略等しい。
好ましくは、４層バイモルフ部の共振周波数は２層バイ
モルフ部の共振周波数より大きい。２層バイモルフ部は
更にそれを貫通する穴を含み、２層部の共振周波数を低
減するようにする。

【００１７】他の実施例では、本発明の２次元レーザビ
ーム走査装置は直交面に配置された第１及び第２自由端
部を有する圧電バイモルフより成る。第１ミラーがバイ
モルフの第１自由端部に固定的に取付けられており、光
路に配置され、光を第１ミラーから反射する。第２ミラ
ーがバイモルフの第２自由端部に固定され、第１ミラー
から反射された光路に配置されている。また、第１及び
第２ミラーは直交面となるように配置されている。バイ
モルフには電極手段が接続され、発振信号が印加され、
第１及び第２自由端部を同時に振動させる。各自由端部
は自由端が存する面に法線方向に振動して、第１及び相
２自由端部が直交方向に振動するようにする。その結
果、バイモルフの直交する第１及び第２自由端部の振動
は夫々第１及び第２ミラーに伝達される。よって、これ
らミラーへの入射光は同時に直交方向に走査される。

【００１８】第１端部と第２端部とは各々の共振周波数
を有する。先の実施例と同様に、印加された発振周波数
は第１及び第２周波数成分を有する。好ましくは、第１
周波数成分は端部の共振周波数の１つと略等しく、第２
周波数成分は他方の端部の共振周波数と略等しい。第１
及び第２端部の共振周波数は異なるのが好ましい。

【００１９】一実施例では、圧電バイモルフは可撓性バ
イモルフより成り、第１及び第２自由端部は相互にねじ
られており、両者が直交面上に配置されるようにする。
この実施例では、装置は更に可撓性バイモルフにクラン
プされた支持手段を有し、第１及び第２端部を直交面に
維持する。第１及び第２端部は支持手段から遠ざかるよ
うに長手方向に延びており、また直交方向或いは平行方
向に延びていてもよい。しかし、いずれの場合にも、ミ
ラーは直交面に配置されるようにする。

【００２０】他の実施例では、圧電バイモルフはＬ字状
圧電バイモルフであり、直交ストレッチ方向の相互に接
着された上下Ｌ字状圧電層より成る。このＬ字状バイモ
ルフは相互に直交方向に延びる第１及び第２アームを有
する。各アームは自由端部を有し、少なくとも一方の自
由端部は他の自由端に対して折曲げられ、両自由端部が
相互に略直交面となるようにする。

【００２１】本発明の２次元レーザビーム走査装置の各
実施例において、使用される圧電材料は好ましくはＰＶ
ＤＦである。本発明の更に詳細は添付図を参照して以下
の説明を読めば明らかとなろう。

【００２２】

【実施例】以下、添付図特に図３乃至図14を参照して本
発明のレーザビーム走査装置の好適実施例を詳述する。

【００２３】図中、同様素子には類似参照符号を附して
いる。図３乃至図５は本発明による２次元レーザビーム
走査装置40の第１実施例を示す。この第１実施例では、
レーザビーム走査装置40は支持台（ベース）42と、この
支持台42上に配置された圧電バイモルフ構体44より成
る。バイモルフ構体44は４つの圧電層46a 、46b 、48
a、48b より成る。各圧電層はベース42の長手方向に細
長く、幅はベース42と平行方向であり、厚さはベース42
の幅方向である。この好適実施例では、各層はＰＶＤＦ
フィルム製である。しかし、当業者に理解される如く、
本発明の要旨を逸脱することなく他の圧電ポリマーを使
用してもよい。例えば、ポリビニリデンフロライドート
リフロロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を各圧電層46
a 、46b 、48a 、48b に使用してもよい。

【００２４】この実施例で、外側の２層46a 、46b は内
側の２層48a 、48b よりも短く、図示の如く接着され、
接着された内層及び外層は４層バイモルフ部50を形成
し、内層48a 、48b は外層46a 、46b の端を超えて長手
方向の一方向へ延びて自由端54を有する２層バイモルフ
部52を形成する。２層バイモルフ部52の自由端54は図示
の如く曲げられ、自由端54が支持台42の幅方向に延びる
ようにする。４層バイモルフ部50の第１長手端56は支持
台42に固定されている。外側長手端は４層バイモルフ部
50の自由端58となる。

【００２５】ミラー60が、２層バイモルフ部52の自由端
54に取付けられている。電極手段62が４ＰＶＤＦ層46a
、46b 、48a 、48b に図３に示す如く接続され、夫々
高及び低周波信号源64、66から信号電圧を受けるように
する。信号源64、66は平並接続され、第１周波数成分及
び第２周波数成分を有する発振信号電圧を発生するよう
にする。この信号電圧は電極手段62を介して４層46a 、
46b 、48a 、48b に印加され、図３に示す如く、各層の
厚さを横切る相対信号極性を生じる。

【００２６】当業者には容易に理解される如く、電極手
段62を介して４層46a 、46b 、48a、48b に印加される
発振信号電圧は４層バイモルフ部50の自由端58を図３中
に矢印Ａで示す方向に振動させる。方向Ａは４層バイモ
ルフ部50の幅と長さに略直交方向であり、支持台42の幅
方向に平行である。２層部52は４層バイモルフ部50に直
交方向に曲げられているので、自由端58の振動は図示の
方向Ａ’に自由端54の振動を伝える。更に、48a 、48b
に印加された発振信号は、２層バイモルフ部52の自由端
54に方向Ａ’と直交する方向Ｂへの振動を生じる。その
結果、ミラー60は直交するＡ’及びＢ方向へ同時に振動
する。ミラー60に入射するレーザビーム（図示せず）に
従って直交する２方向へ同時に走査される。

【００２７】各バイモルフ部50、52は共振周波数を有す
る。本実施例によると、高周波数源64は４層バイモルフ
部50の共振周波数に同調する高周波成分を発生する。他
方、低周波数源66は２層バイモルフ部52の共振周波数に
同調する低周波成分を発生する。当業者には理解される
如く、圧電バイモルフは印加信号のうち共振周波数によ
りよく応答する。従って、４層バイモルフ部50は高周波
成分に最も応答し、、２層バイモルフ部52は印加信号の
低周波成分に最も応答する。好ましくは、４層バイモル
フ部50の共振周波数は例えば５対１の比で２層バイモル
フ部の共振周波数よりも大きい。この大きな比で、各バ
イモルフ部50、52の振動の振幅は印加される信号電圧の
高及び低周波成分の相対振幅を調整することにより独立
に制御できる。２層バイモルフ部52を貫通する穴68は２
層バイモルフ部52の共振周波数を下げて大きな比が一層
容易に得られるように動作する。

【００２８】図４は図３の２次元レーザビーム走査装置
の正面図であり、振動方向Ａ’及びＢの直交性を正確に
示す。図５は図３の２次元レーザビーム走査装置の側面
図である。図５に最もよく示す如く、２層バイモルフ部
52を貫通する穴68は好ましくは長方形であるが、丸形そ
の他の所望形状であってもよい。

【００２９】後述する実施例に使用されるバイモルフは
ＰＶＤＦフィルムの接着した２層で形成される。当業者
には理解される如く所望の圧電フィルムが本発明の要旨
を逸脱することなく使用可能である。例えばＰＶＤＦ−
ＴｒＦＥのコーポリマーであってもよい。

【００３０】図６は本発明の２次元レーザービーム走査
装置70の第２実施例を示す。この第２実施例によると、
レーザービーム走査装置70は支持台71及び第１及び第２
圧電バイモルフ72、74より成る。第１バイモルフ72は支
持台71に固定されている片持ち梁端80及びこの支持台71
からバイモルフ72の長さ方向に延びる自由端82を有す
る。同様に、第２バイモルフ74は支持台71に取付けられ
た片持ち梁端84及びこの支持台71からバイモルフ74の長
手方向に延びる自由端86を有する。第１ミラー76は第１
バイモルフ72の自由端82に結合され、入射レーザービー
ム88の光路に配置されている。第２ミラー78は第２バイ
モルフ74の自由端86に結合され、第１ミラー76から反射
されたレーザービームの光路に第１ミラー76に関連して
配置されている。

【００３１】図６の実施例では、第１バイモルフ72は第
１面Ｐ_Aにあり、且つ第２バイモルフ74は面Ｐ_Aに直交
する第２面Ｐ_Bにある。再に第１バイモルフ72の自由端
82と第２バイモルフ74の自由端86は図示の如く直交方向
に延びている。

【００３２】第１発振電圧源98が第１電極94を介して第
１バイモルフ72に結合されている。電極94は図２に示す
如く前述した従来方法でバイモルフに結合される。電圧
源98は第１発振信号電圧を第１バイモルフ72に印加して
自由端82を図６に示す如く面Ｐ_Aに略法線方向Ａに振動
させる。バイモルフ72は第１発振信号の周波数と同じ振
動数で振動する。好ましくは、第１発振信号の周波数は
第１バイモルフ72の共振周波数と略等しい。その理由
は、前述した如くバイモルフはその共振周波数で最大振
動振幅になるからである。

【００３３】第２発振電圧源100 は第２電極96を介して
第２バイモルフ74に結合されている。再度、電源96は図
２に示す如く前述の方法でバイモルフ74に結合されてい
る。電圧源100 は第２発振信号電圧を第２バイモルフ74
に印加し、自由端86を図６に示す如く面Ｐ_Bに略法線方
向である方向Ｂに振動する。よって、第２バイモルフ74
の振動方向Ｂは第１バイモルフ72の振動方向Ａに直交す
る。第２バイモルフ74は第２発振信号の周波数と等しい
振動数で振動する。第１バイモルフ72と同様に、第２発
振信号の周波数は好ましくは第２バイモルフ74の共振周
波数と略等しい。

【００３４】説明した如く、第１及び第２バイモルフ7
2、74及び第１及び第２ミラー76、78は直交方向に振動
する。その結果、レーザービーム88は第１ミラーに入射
し、そこから第２ミラーに反射されて２つの直交方向に
同時に走査される。従って、各バイモルフ72、74は異な
る共振周波数を有し、第１及び第２発振信号が異なって
もよい。これにより、レーザービーム88がＡ方向には１
つの周波数で走査され、Ｂ方向には異なる周波数で走査
可能になる。これに代って、各バイモルフ72、74の共振
周波数は同じであってもよい。当業者には周知の如く、
バイモルフの長さ、幅、厚さ並びに質量等の種々の変数
が圧電バイモルフの共振周波数に影響する。取付けられ
たミラーの質量も共振周波数に影響する。これら変数の
うち１つ以上を調節することにより、各バイモルフ72、
74の共振周波数が制御可能である。

【００３５】図７は本発明の２次元レーザービーム走査
装置73の第３実施例を示す斜視図である。図７に示す如
く、この第３実施例は図６の第２実施例と類似であり、
相違点は第１及び第２バイモルフ72、74の自由端82、86
が支持台81から相互に長手方向に延び、図６の如く直角
方向でないということである。図７に示す如く、第１及
び第２バイモルフ72、74は夫々直交面Ｐ_A'、Ｐ_B'に配置
される。従って、第１バイモルフ72の自由端82は面Ｐ_A'
に略法線方向に振動する。同様に、第２バイモルフ74の
自由端86は面Ｐ_B'に略法線方向Ｂに振動する。その結
果、第２実施例（図６）と同様に、第１及び第２ミラー
76、78は相互に直交方向に振動する。ミラー76、78は第
１ミラーに入射するレーザービーム88が第２ミラーにて
反射されるよう相互に配置される。従って、第１及び第
２ミラー76、78の直交振動により、レーザービーム88は
図示の如く、２つの直交方向に同時に走査される。

【００３６】図８は本発明の２次元レーザービーム走査
装置107 の第４実施例を示す。この第４実施例による
と、走査装置107 は第１端部112 及び第２端部114 を有
する単一の可撓性圧電バイモルフで構成される。図８に
示す如く、第１及び第２端部112 、114 は相互にねじら
れ、第１端部112 は面Ｐ_A'上に、第２端部114 は面Ｐ_A
と直交する面Ｐ_B上となるようにする。支持手段116 が
バイモルフ110 にクランプされ、端部112 、114 を夫々
直交面Ｐ_A、Ｐ_B上に維持する。第１端部112 は支持手
段116 から長手方向に延び、ねじれバイモルフ110 の第
１自由端118 を定める。第２端部114 は支持手段116 か
ら長手方向に延び、第２自由端120 を定める。この第４
実施例よると、第１及び第２自由端118 、120 は支持手
段116 から直交方向に延びる。

【００３７】第１ミラー122 は第１自由端118 に固定さ
れ、入射レーザビーム88の光路に配置される。第２ミラ
ー124 は第２自由端120 に固定され、第１ミラー122 か
ら反射されたレーザビーム88の光路に第１ミラー122 に
対して配置される。電極手段126 がバイモルフ110 に接
続され、信号源128 、130 から発振信号が印加され、バ
イモルフ110 に発振信号を印加する。当業者には理解さ
れる如く、発振信号電圧はねじれバイモルフ110 に印加
されると、第１及び第２自由端118 、120 を支持手段11
6 に対して同時に振動する。第１自由端118 は面Ｐ_Aと
略直交するＡ方向に振動し、第２自由端120 は面Ｐ_Bと
略直交するＢ方向に振動する。従って、第１及び第２自
由端118 、120 は相互に直交方向に振動する。その結
果、レーザビーム88は直交２方向に同時に走査される。

【００３８】当業者には明らかな如く、第１自由端118
から支持手段116 への間隔（距離）は、第１端部112 の
共振周波数に影響する。同様に、第２自由端120 から支
持手段116 までの距離は第２端部114 の共振周波数に影
響する。従って、バイモルフ110 の各自由端118 、120
に対しクランプされた支持手段116 の位置を調節するこ
とにより、各端部112 、114 の共振周波数が別個に調節
可能である。また、各部の質量と取付けられたミラーの
質量も共振周波数に影響する。この実施例において、支
持手段116 は自由端118 、120 に対してクランプされ、
第１端部112 の共振周波数は第２端部114 の共振周波数
と異なるようにする。しかし、このことは必須でなく、
両端部112 、114 は必要あれば同じ共振周波数であって
もよい。

【００３９】信号源128 、130 は並列接続される。信号
源128 は印加発振信号の低周波成分を発生し、また信号
源130 は印加発振信号の高周波成分を発生する。この実
施例によると、高周波成分は端部112 、114 の一方の共
振周波数に同調され、低周波成分は他方の共振周波数に
同調される。これにより、各端部の振動振幅が印加され
る発振信号の高及び低周波成分の相対振幅を変化するこ
とにより独立して制御可能にする。

【００４０】図９は本発明の第５実施例による２次元レ
ーザビーム走査装置108 を示す。図示の如く、第５実施
例は図８の第４実施例と類似し、相違点は第１自由端11
8 と第２自由端120 が支持手段116 から平行に延びてい
る点である。バイモルフ112、114 は夫々直交面Ｐ_A'及
びＰ_B'に配置される。また、第１及び第２ミラー122、1
24 は第１ミラー122 で反射されたレーザビーム88が第
２ミラー124 上で反射されるように相対配置される。夫
々直交方向Ａ、Ｂを向いている第１及び第２自由端118
、120 が同時に振動することにより、レーザビーム88
は直交２方向に走査される。

【００４１】図10は下側圧電フィルム154 に接着された
上側圧電フィルム152 より成る。２層矩形圧電構造150
の斜視図を示す。上下フィルム152 、154 は好ましくは
ＰＶＤＦ製である。しかし、上下フィルム152 、154 の
ストレッチ方向は図10に示す如く接着構造150 中で相互
に直交しており、実線は上側フィルム152 のストレッチ
方向を示し、破線は下側フィルム154 のストレッチ方向
を示す。各圧電フィルム152 、154 は、その外面に被着
された電極材料（図示せず）と、両フィルム152 、154
の接着面に配置された共通電極材料（図示せず）とを有
する。電極156が両フィルム152 、154 に接続されてい
る。

【００４２】図11Ａ、図11Ｂは図10の矩形構造体150 が
電極156 間の印加電圧に応答する状況を図示する。矢印
で示す如く、各フィルム152 、154 内の電界（細線矢
印）と分極（太線矢印）方向の関係は電極156 間に印加
した電圧により一方のフィルムは伸び、他方のフィルム
は縮むよう構成されている。しかし、上下フィルム15
2、154 のストレッチ方向は従来のバイモルフの如く平
行ではなく、直交関係であるので、矩形構造体150 は印
加電圧により球面となるよう変形する。球面状の変形方
向は図11Ａ、図11Ｂに示す印加信号電圧の極性に依存す
る。

【００４３】図12はＬ字状２軸バイモルフ158 の製造を
示す。破線で示す如く、２軸バイモルフ158 は矩形２層
構造体150 を切断して得る。このＬ字状バイモルフ158
は第１端部162 を有する第１アーム160 と、第２端部16
6 を有する第２アーム164 とを具えている。図12に示す
如く、Ｌ字状バイモルフ158 は上側フィルム168 のスト
レッチ方向が第２アーム164 の長手方向と平行であり、
下側フィルム170 のストレッチ方向が２軸バイモルフ15
8 の第１アーム160 の長手方向と平行であるように矩形
構造体150 から切断される。図示の如く、第１アーム16
0 は長さＬ_Aと幅Ｗ_Aを有し、同様に第２アーム164 は
長さＬ_Bと幅Ｗ_Bを有する。

【００４４】図13は本発明の第６実施例による２次元レ
ーザビーム走査装置180 を示し、上述した片持ち梁状
（図６及び図７）及びねじれ（図８及び図９）バイモル
フの代りに図12のバイモルフ158 の如くＬ字状２軸バイ
モルフを使用している。図示の如く、２軸バイモルフ15
8 の第１アーム160 は第２アーム164 に対して曲げら
れ、各アーム自由端部162 、166 が夫々直交面Ｐ_A、Ｐ
_B上に位置するようにする。第１ミラー167 が第１アー
ム160 の自由端部162 に取付けられ、第２ミラー169 が
第２アーム164 の自由端部166 に取付けられる。電極17
2 が図示の如く、２軸バイモルフ158 に接続され、信号
源、174 、176 の発振信号が印加されるようにする。信
号源174 、176 は並列接続される。電極172 は図11に示
したのと、同様方法でバイモルフ158 に接続される。従
って、バイモルフ158 の上下フィルム168 、170 の外面
の電極層（図示せず）は各信号源174 、176 の一端に結
合され、バイモルフ158 の上下フィルム168 、170 間の
共通電極層（図示せず）は各信号源174 、176 の他端に
結合されている。

【００４５】２軸バイモルフ158 に印加された発振信号
電圧は第１及び第２自由端162 、166 を同時に振動させ
る。上下フィルム168 、170 のストレッチ方向が直交す
るので、第１自由端部162 は面Ｐ_Aと略直交する方向Ａ
に振動し、この面Ｐ_Aに第１自由端部162 が位置され
る。他方、第２自由端部166 は面Ｐ_Bに略直交方向Ｂへ
振動する。従って、第１及び第２自由端部162 、166 は
相互に直交方向に振動する。上下フィルム169 、170 の
ストレッチ方向（即ち各アーム160 、164 の長手に平行
方向) の直交性により、自由端部162 、166 が他の方向
へ振動するのを阻止する。しかし、第１及び第２アーム
160 、164 の長さＬ_A、Ｌ_Bは各自由端部162 、166 が
効果的に振動する為に、幅Ｗ_A、Ｗ_Bより大きくなけれ
ばならない。先の実施例と同様に、第１ミラー167 に入
射し、第２ミラー169 で反射されるレーザビーム（図示
せず）は直交方向に同時に走査される。

【００４６】当業者には明らかな如く、第１アーム160
の長さＬ_Aと幅Ｗ_Aは第１アーム160 の共振周波数に影
響する。アームと第１ミラー167 の質量もまた同様の効
果を生じる。同様に、第２アーム164 の長さＬ_Bと幅Ｗ
_B及びミラーの質量も第２アーム164 の共振周波数に影
響する。従って、各アーム160 、164 の長さと幅の寸法
及び／又はミラーの質量を変化することにより、各アー
ム160 、164 の共振周波数を個別に決定することができ
る。本実施例では、第１アーム160 の共振周波数は第２
アーム164 の共振周波数と異なる。しかし、これは必須
要件ではなく、両アーム160 、164 は必要に応じて同じ
共振周波数としてもよい。

【００４７】上述した如く、信号源174 、176 を並列接
続する。信号源174 は印加発振信号の低周波成分を発生
し、信号源176 は印加発振信号の高周波成分を発生す
る。この実施例によると、高周波成分はアーム160 、16
4 の一方の共振周波数に同調し、低周波成分は他方の共
振周波数に同調している。自由端部162 、166 は共振周
波数で駆動されたとき、印加共振周波数に対して最大応
答をする。従って、各アーム160 、164 の共振周波数が
十分異なると（例えば５対１の比であると）、各自由端
部162 、166 の振動振幅もまた印加する発振信号の高及
び低周波成分の相対振幅を変化することにより独立して
制御可能である。

【００４８】図14は本発明の第７実施例による２次元レ
ーザビーム走査装置181 を示す。図示の如く、第７実施
例は第６実施例（図13）と同じ２軸バイモルフ158 より
成るが、この第７実施例では第１アーム160 の第１自由
端部162 と第２アーム164 の第２自由端部166 は共に曲
げられて自由端部162 、166 が夫々直交面Ｐ_A'、Ｐ_B'を
形成するようにする。ここでも、第１及び第２ミラー16
7 、169 は第１ミラー167 で反射さたレーザビーム188
が第２ミラー169 に入射するよう相互に配置さされる。
当業者には明らかな如く、図14（即ち第７実施例）のレ
ーザビーム走査装置181 の動作は図13（即ち第６実施
例）の動作と実質的に同じである。第１及び第２端部16
2 、166 は夫々直交方向Ａ、Ｂに同時に振動する。その
結果、レーザビーム（図示せず）は直交する２方向へ走
査される。

【００４９】上述した詳細説明から理解される如く、本
発明のレーザビーム走査装置はＰＶＤＦバイモルフを使
用する２次元レーザビーム走査装置である。当業者には
明らかな如く、本発明のレーザビーム走査装置は本発明
の要旨を逸脱することなく上述の実施例に種々の変形変
更が可能である。従って、本発明は上述した実施例のみ
に限定するものではなく、それらの変形変更例をも包含
するものと解釈されるべきである。

【００５０】

【発明の効果】上述の説明から明らかな如く、本発明の
レーザビーム走査装置によると、相互に直交関係に配置
された１対の可撓性圧電バイモルフに反射鏡（ミラー）
を取付け、相互に直交方向に同時にレーザビームを走査
することが可能である。各バイモルフ又はミラーは印加
信号の周波数により適宜調節可能であって、所望の２次
元レーザビーム走査装置を小型且つ安価に得ることが可
能であるので、実用上の顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ及び図１Ｂ】従来の圧電フィルムの特性を説明
する図。

【図２】従来の片持ち梁状圧電バイモルフの側面図。

【図３】本発明の２次元レーザビーム走査装置の第１実
施例を示す図。

【図４】図３の２次元レーザビーム走査装置の正面図。

【図５】図３の２次元レーザビーム走査装置の側面図。

【図６】本発明の第１及び第２片持ち梁状バイモルフよ
り成る２次元レーザビーム走査装置の第２実施例を示す
図。

【図７】本発明の第１及び第２片持ち梁状バイモルフよ
り成る２次元レーザビーム走査装置の第３実施例を示す
図。

【図８】本発明の２次元レーザビーム走査装置の第４実
施例を示す図。

【図９】本発明の単一圧電バイモルフより成る２次元レ
ーザビーム走査装置の第５実施例を示す図。

【図１０】直交方向にストレッチされた第１及び第２圧
電フィルムより成る２次元矩形圧電構造体の斜視図。

【図１１Ａ、図１１Ｂ】図10の２次元構造体の特性を説
明する図。

【図１２】図10の２フィルム構造体からＬ字状２軸バイ
モルフを製造する説明図。

【図１３】本発明のＬ字状２軸バイモルフより成る２次
元レーザビーム走査装置の第６実施例を示す図。

【図１４】本発明のＬ字状２軸バイモルフより成る２次
元レーザビーム走査装置の第７実施例を示す図。

【符号の説明】

42、71、81、116 支持台 44、72、74、112 、114 、158 圧電バ
イモルフ 60、76、78、122 、124 、167 、169 ミラー 64、66、98、100 、128 、130 、174 、176 駆動手
段 88 レーザビーム 40、70、73、107 、108 、180 、181 レーザ
ビーム走査装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持台と、該支持台に自由端が振動可能に取付けられた可撓性フィ
ルム状の圧電バイモルフと、該圧電バイモルフの自由端に取付けられ入射レーザビー
ムを反射するミラーと、前記圧電バイモルフの電極に発振信号電圧を印加して前
記ミラーを同時に直交方向に振動させる駆動手段とを具
えることを特徴とするレーザビーム走査装置。
【請求項２】略直交面に配置した第１及び第２自由端
部を有する圧電バイモルフと、該圧電バイモルフの前記第１及び第２自由端部に取付け
られ入射レーザビームを順次反射する第１及び第２ミラ
ーとを具え、前記圧電バイモルフの電極に夫々共振周波数の発振信号
電圧を印加して前記圧電バイモルフの前記第１及び第２
ミラーを相互に直交方向に同時に振動することを特徴と
するレーザビーム駆動装置。