DE4338578A1 - Zweidimensionale Laserstrahl-Ablenkvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Laserstrahl-Ablenkvorrichtungen und betrifft im spezielleren eine Laserstrahl-Ablenkvorrichtung, die ein oder mehrere piezoelektrische bimorphe Elemente zum gleichzeitigen Ablenken eines Laserstrahls in zwei zueinander orthogonalen Richtungen verwendet.

Piezoelektrische Materialien sind in der Technik all­ gemein bekannt und finden in vielerlei Gebieten häufi­ ge Anwendung. Keramische piezoelektrische Materialien, wie z. B. Bleizirkonattitanat, sind sehr starr und für viele Anwendungen ungeeignet. Piezoelektrische Polyme­ re sind weniger dicht und flexibler als keramische piezoelektrische Materialien. Ein piezoelektrisches Polymer, das bei vielen Anwendungen eine attraktive Alternative zu keramischen piezoelektrischen Materia­ lien darstellt, ist Polyvinylidenfluorid, das im fol­ genden auch kurz als PVDF bezeichnet wird. PVDF be­ sitzt im Gegensatz zu seinen keramischen Gegenstücken ganz andere Eigenschaften. Z.B. ist der Ladungskoeffi­ zient von PVDF ca. ein Zehntel des Werts von Bleizir­ konattitanat. Außerdem ist die Feldstärke des elektri­ schen Wechselfelds, das ohne Entpolarisierung an PVDF angelegt werden kann, in etwa das 50fache der Feld­ stärke, die an keramische piezoelektrische Materialien angelegt werden kann.

PVDF wird typischerweise als Schicht mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 100 µm hergestellt. Die Fig. 4A und 4B zeigen in schematischer Weise die allgemein bekannten Eigenschaften solcher Schichten. Eine typi­ sche PVDF-Schicht 10 besitzt auf ihrer oberen und ih­ rer unteren Oberfläche aufgebrachte Elektrodenschich­ ten 12 zum Anlegen einer Spannung über die Dicke der Schicht 10. Während der Herstellung wird die Schicht 10 in einer gegebenen Richtung gedehnt, wie dies in Fig. 4A angedeutet ist. Eine über die Dicke der Schicht angelegte Spannung induziert über die Dicke der Schicht 10 ein elektrisches Feld. In Fig. 4 sind die Polarisierungsrichtung der Schicht in breiten Pfeilen und die Richtung des elektrischen Felds in schmalen Pfeilen dargestellt. Wie in Fig. 4A gezeigt ist, erfolgt dann, wenn das elektrische Feld dieselbe Richtung wie die Polarisierungsrichtung der Schicht hat, eine Expansion der Schicht in der Dehnungsrich­ tung. Wenn umgekehrt dazu das elektrische Feld und die Polarisierung entgegengesetzte Richtungen haben, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist, verursacht das elektri­ sche Feld ein Schrumpfen der Schicht in der Dehnungs­ richtung.

Piezoelektrische Polymerschichten und PVDF- Schichtmaterial im besonderen sind attraktive Materia­ lien zur Verwendung bei bimorphen Elementen. Bei einem bimorphen Element handelt es sich um ein Gebilde be­ stehend aus zwei Streifen piezoelektrischen Schicht­ materials, die derart miteinander verbunden sind, daß ihre jeweiligen Polarisierungsrichtungen derart ange­ ordnet sind, daß bei Anlegen eines elektrischen Felds über beide Schichten hinweg die Feldrichtung der Pola­ risierungsrichtung der einen Schicht entspricht und zu der Polarisierungsrichtung der anderen Schicht entge­ gengesetzt ist. Als Ergebnis hiervon dehnt sich eine Schicht, während sich die andere Schicht zusammen­ zieht, wodurch ein Biegen des bimorphen Elements in einer Richtung verursacht wird. Bei Anlegen eines Schwingungssignals über den Schichten erfolgt abwechselnd ein Expandieren und Zusammenziehen der Schichten, wodurch das bimorphe Element zum Schwingen gebracht werden. PVDF ist aufgrund seiner Flexibilität gut für bimorphe Anwendungen geeignet.

Fig. 5 zeigt die Struktur und die Arbeitsweise eines typischen piezoelektrischen bimorphen Elements 14 des Standes der Technik. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, besitzt das bimorphe Element 14 ein freitragendes bzw. einseitig eingespanntes Ende 16, das an einem Trägerelement 18 fest angebracht ist, sowie ein freies Ende 20. Das bimorphe Element 14 besitzt eine erste piezoelektrische Schicht 22 und eine zweite piezo­ elektrische Schicht 24, die durch Epoxid oder ein be­ liebiges anderes geeignetes Material derart miteinan­ der verbunden sind, daß die jeweiligen Elektroden­ schichten auf den Verbindungsseiten jeder Schicht eine gemeinsam verbundene Elektrodenschicht 26 zwischen den piezoelektrischen Schichten 22, 24 bilden. Eine Span­ nungsquelle 28 ist mit den Elektrodenschichten auf den Außenflächen jeder piezoelektrischen Schicht 22, 24 und mit der gemeinsamen Elektrodenschicht 26 gekop­ pelt, um eine Spannung über die Dicke jeder piezo­ elektrischen Schicht 22, 24 anzulegen. Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die piezoelektrischen Schichten derart miteinander verbunden, daß ihre jeweiligen Polarisierungsrichtungen derart angeordnet sind, daß bei der einen Schicht das elektrische Feld und die Polarisierung dieselbe Richtung haben, während bei der anderen Schicht die Richtung des elektrischen Felds und die Polarisierungsrichtung einander entgegenge­ setzt sind. Eine über beide Schichten angelegte Wechselspannung erzeugt abwechselnd Expansionen und Kontraktionen der oberen und der unteren Schicht 22, 24, wodurch das freie Ende 26 des bimorphen Elements 14 in einer Richtung A zum Schwingen gebracht wird, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene P verläuft, in der das bimorphe Element liegt. Die Schwingungsfre­ quenz entspricht der Frequenz des angelegten Schwings­ pannungssignals.

Aufgrund der Entwicklung optischer Ablenk- bzw. Ab­ tastvorrichtungen, wie z. B. Strichcode-Lesegeräten, wie man sie häufig in Einzelhandelsgeschäften findet, ist in der letzten Zeit ein Bedarf für kleine, kosten­ günstige Laserstrahl-Ablenkvorrichtungen entstanden, die zum Ablenken eines Laserstrahls bei relativ hohen Frequenzen fähig sind. Bimorphe Elemente, wie z. B. das vorstehend beschriebene, sind für Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtungen gut geeignet. Z.B. kann ein nicht ge­ zeigter Spiegel an dem freien Ende 26 des bimorphen Elements 14 angebracht sein. Ein auf den Spiegel auf­ treffender Laserstrahl wird in Schwingungsrichtung des freien Endes 26 abgelenkt. Auf diese Weise kann ein typisches freitragendes bimorphes Element des Standes der Technik zum Ablenken eines Laserstrahls in einer Richtung verwendet werden. Strichcode-Lesegeräte be­ nötigen jedoch Vorrichtungen, die zum Ablenken eines Laserstrahls gleichzeitig in zwei zueinander orthogo­ nalen Richtungen fähig sind, da mehrere verschiedene, in einer parallelen Richtungen ausgerichtete Strichcodes seriell ausgelesen werden müssen. Ein freitragendes piezoelektrisches bimorphes Element, wie z. B. das in Fig. 5 gezeigte Element, ist für diese Zwecke ungeeignet.

Im Stand der Technik gibt es mehrere Vorrichtungen zum Ablenken von Laserstrahlen. Z.B. offenbart die US-PS 3 758 199 eine Laserstrahl-Ablenkvorrichtung mit einem Paar filmartiger piezoelektrischer Wandler, die ein­ seitig an einem Ende an einem Trägerelement starr an­ gebracht sind, während sie an dem anderen Ende an der Rückseite eines Spiegels in beabstandeter Weise ge­ lenkig angebracht sind, um eine Schwenkbewegung des Spiegels relativ zu den Wandlern zu ermöglichen. Die in diesem Patent offenbarte Vorrichtung ist von einem bimorphen Element zu unterscheiden, da sich die piezo­ elektrischen Schichten nicht biegen; statt dessen ver­ ursachen die Expansion der einen Schicht und die Kontraktion der anderen Schicht eine Rotationsbewegung des gelenkig angebrachten Spiegels um eine durch die Spiegelebene hindurchlaufende Achse. Obwohl die Vor­ richtung für eine eindimensionale Laserstrahlablenkung geeignet ist, ist sie für eine zweidimensionale Ab­ lenkung nicht verwendbar.

Das US-PS 4 778 233 offenbart eine Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem schwenkbar angebrachten Ver­ längerungselement, an dem eine reflektierende Fläche angebracht ist. Ein Piezokristall liegt an dem Verlängerungselement derart an, daß die Kristallver­ formung aufgrund einer angelegten Spannung ein Ver­ schwenken des Verlängerungselements verursacht. Wie bei der Vorrichtung gemäß US-PS 3 758 199 ist die Vor­ richtung gemäß US-PS 4 778 233 jedoch ebenfalls nicht für ein zweidimensionales Ablenken geeignet.

Die US-PS 4 775 815 und 4 917 484 offenbaren eine dynamische Halterungs- und Betätigungseinrichtung für einen Lenkspiegel, der mit einem Laserstrahl hoher Energie arbeitet. Die Vorrichtung dieser Patente ist für sehr exakte Spiegelbewegungen in der Größenordnung von Miliradian ausgelegt und dient zur Verwendung bei Flugzeugen oder Weltraumsatelliten. Die komplexe Vor­ richtung besitzt drei piezoelektrische Schubmotoren, die im Abstand von 120° an einer zylindrischen Halte­ rung angebracht sind. Mit dieser Vorrichtung ist zwar eine zweidimensionale Laserstrahlablenkung möglich, doch diese Vorrichtung ist nicht für Anwendungen wie Strichcodelesen konzipiert und ist viel zu komplex und groß, um für solche Anwendungen Eignung zu finden.

Die US-PS 4 251 798 beschreibt einen zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkkopf zur Verwendung in Strichcode- Lesesystemen, wobei ein rotierendes, polygonal ausge­ bildetes Rad verwendet wird, das Spiegel auf jeder Facette des Rads aufweist, um ein Ablenken eines La­ serstrahls in einer x-Richtung vorzunehmen. Ein ein­ zelnes bimorphes Element wird zur Verwendung einer Ablenkung in y-Achsenrichtung verwendet. Alternativ hierzu erwähnt dieses Patent zwar, daß ein bimorphes Element für eine Ablenkung sowohl in x-Achsenrichtung als auch in y-Achsenrichtung verwendet werden könnte, oder daß ein einziges bimorphes Element mit einer ent­ sprechenden mechanischen Ausbildung verwendet werden könnte, das entlang beider Achsen elektrisch angetrie­ ben wird; dieses Patent beschreibt jedoch an keiner Stelle, wie eine solche Ausführungsform mit zwei bimorphen Elementen oder einem einzigen bimorphen Element aussehen könnte. Weiterhin lehrt dieses Patent nicht die Verwendung polymerer piezoelektrischer Schichten z. B. aus PVDF.

In den US-PS 4 387 297 und 4 496 831 ist ein penta­ bimorphes Ablenkelement (Fig. 15) offenbart. Diese Patente erwähnen, daß ein penta-bimorphes Ablenkele­ ment für eine Ablenkung in x-Achsenrichtung verwendet werden kann und ein weiteres solches Element für eine Ablenkung in y-Achsenrichtung verwendet werden kann. Das penta-bimorphe Element besitzt ein paar Schwin­ gungselemente, die ansprechend auf angelegte Spannun­ gen wechselseitig oszillieren. Die bimorphen Elemente sind jeweils an einem Ende an einer Trägerkonstruktion angebracht, und Spiegel sind auf ihren oberen Enden angebracht und derart positioniert, daß sie einen Win­ kel von 45° einschließen. Die bimorphen Elemente schwingen in derselben Ebene in einer Weise ähnlich einer Stimmgabel. Die bimorphen Elemente werden zur Erhöhung des Ablenkwinkels in einer einzigen Richtung verwendet, da die bimorphen Elemente einzeln keine Ablenkung in einem ausreichend großen Winkel erzielen. Somit lenkt der zweite Spiegel den Strahl in derselben Richtung wie der erste Spiegel ab und dient lediglich zum Vergrößern des Ablenkwinkels. Ein einzelnes penta­ bimorphes Element kann keine zweidimensionale Ablen­ kung erzielen; statt dessen müssen zwei penta-bimorphe Elemente verwendet werden, wenn eine zweidimensionale Ablenkung erzielt werden soll. Obwohl eine zweidimen­ sionale Ablenkung zwar möglich ist, müssen somit zwei penta-bimorphe Elemente verwendet werden, wodurch sich die Kosten, die Komplexität und die Größe einer voll­ ständigen zweidimensionalen Ablenkvorrichtung erhöhen.

Es besteht daher ein Bedarf für eine Laserstrahl-Ab­ lenkvorrichtung, die zum Ablenken eines Laserstrahls gleichzeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtun­ gen ausgelegt ist, weniger komplex als die Vorrich­ tungen des Standes der Technik ist und die Eigenschaf­ ten piezoelektrischer Schichten im allgemeinen und von Polyvinylidenfluorid (PFDV) im besonderen ausnutzt.

Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse durch eine Laserstrahl-Ablenkvorrichtung, wie sie in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 6 angegeben ist.

Kurz gesagt ist die vorliegende Erfindung auf die Schaffung einer zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung gerichtet. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Laserstrahl-Ablenkvorrichtung eine Träger­ basis und ein piezoelektrisches bimorphes Gebilde mit vier aufeinanderfolgend miteinander verbundenen piezo­ elektrischen Schichten, die in der Trägerbasis ange­ ordnet sind. Jede Schicht besitzt eine in Längs­ richtung der Trägerbasis verlaufende Länge, eine in senkrechter Richtung zu der Trägerbasis verlaufende Breite und eine in Breitenrichtung der Trägerbasis verlaufende Dicke. Die beiden äußeren Schichten des bimorphen Gebildes besitzen eine kürzere Länge als die beiden inneren Schichten und sind mit den beiden inne­ ren Schichten derart verbunden, daß die miteinander verbundenen inneren und äußeren Schichten einen vier­ schichtigen bimorphen Bereich bilden und die beiden inneren Schichten sich der Länge nach in einer Richtung über die Enden der beiden äußeren Schichten hinauserstrecken und einen zweischichtigen bimorphen Bereich mit einem freien Ende bilden. Der vier­ schichtige Bereich ist entlang einer ersten Längskante an der Trägerbasis angebracht. Eine zweite Längskante des vierschichtigen Bereichs definiert eine freie Kante. Das freie Ende des zweischichtigen Bereichs ist in einem Winkel von im wesentlichen 90° derart abge­ bogen, daß sich das freie Ende des zweischichtigen Bereichs in der Breitenrichtung der Trägerbasis er­ streckt.

Ein Spiegel ist an dem freien Ende des zweischichtigen bimorphen Bereichs angebracht, um das auf diesen ein­ fallende Licht zu reflektieren. Elektrodeneinrichtun­ gen sind mit den vier piezoelektrischen Schichten ver­ bunden, um das bimorphe Gebilde mit einem elektrischen Signal zu beaufschlagen, um dadurch eine Schwingung der freien Kante des vierschichtigen Bereichs in der Breitenrichtung der Trägerbasis sowie eine Schwingung des freien Endes des abgebogenen zweischichtigen Be­ reichs in einer zu der Schwingungsrichtung der freien Kante des vierschichtigen Bereichs orthogonalen Richtung zu erzeugen. Die zueinander orthogonalen Schwingungen der freien Kante des vierschichtigen Be­ reichs sowie des freien Endes des zweischichtigen Be­ reichs werden somit mechanisch auf den Spiegel über­ tragen. Auf den Spiegel einfallendes Licht wird somit gleichzeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtun­ gen abgelenkt.

Vorzugsweise besitzen der zweischichtige und der vier­ schichtige bimorphe Bereich verschiedene Resonanzfre­ quenzen. In diesem Fall besitzt das angelegte Signal vorzugsweise eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente. Die erste Frequenzkomponen­ te entspricht im wesentlichen der Resonanzfrequenz des einen bimorphen Bereichs, und die zweite Frequenzkom­ ponente entspricht im wesentlichen der Resonanzfre­ quenz des anderen bimorphen Bereichs. Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz des vierschichtigen bimorphen Bereichs höher als die Resonanzfrequenz des zwei­ schichtigen bimorphen Bereichs. Der zweischichtige bimorphe Bereich kann weiterhin ein sich durch diesen hindurcherstreckendes Loch zum Vermindern der Reso­ nanzfrequenz des zweischichtigen Bereichs aufweisen.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel besitzt die erfindungsgemäße zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung ein piezoelektrisches bimorphes Element mit einem ersten und einem zweiten freien Endbereich, die in zueinander orthogonalen Ebenen angeordnet sind. Ein erster Spiegel ist an dem ersten freien Endbereich des bimorphen Elements angebracht und befindet sich in der Bahn des Lichts, das somit von dem ersten Spiegel wegreflektiert wird. Ein zweiter Spiegel ist an dem zweiten freien Endbereich des bimorphen Elements fest angebracht und in der Bahn des von dem ersten Spiegel wegreflektierten Lichts positioniert. Der erste und der zweite Spiegel sind außerdem derart positioniert, daß sie in zueinander orthogonalen Ebenen liegen. Elektrodeneinrichtungen sind mit dem bimorphen Element verbunden, um dieses mit einem Schwingungssignal zu beaufschlagen, um dadurch gleichzeitig Schwingungen des ersten und des zweiten freien Endbereichs zu er­ zeugen. Jeder freie Endbereich schwingt in einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene ist, in der der freie Endbereich liegt, so daß der erste und der zwei­ te Endbereich somit in zueinander orthogonalen Rich­ tungen schwingen. Als Ergebnis hiervon werden die zu­ einander orthogonalen Schwingungen des ersten und des zweiten freien Endbereichs des bimorphen Elements auf den ersten bzw. den zweiten Spiegel übertragen. Das auf die Spiegel auftreffende Licht wird somit gleich­ zeitig in zueinander orthogonalen Richtungen abge­ lenkt.

Der erste Endbereich und der zweite Endbereich be­ sitzen jeweils eine Resonanzfrequenz. Wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel besitzt das angeleg­ te Schwingungssignal eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente. Vorzugsweise ent­ spricht die erste Frequenzkomponente im wesentlichen der Resonanzfrequenz des einen Endbereichs und ent­ spricht die zweite Frequenzkomponente im wesentlichen der Resonanzfrequenz des anderen Endbereichs. Die Re­ sonanzfrequenzen des ersten und des zweiten Endbe­ reichs sind vorzugsweise voneinander verschieden.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das piezoelektri­ sche bimorphe Element ein flexibles piezoelektrisches bimorphes Element, bei dem der erste und der zweite freie Endbereich relativ zueinander derart verdreht sind, daß sie in zueinander orthogonalen Ebenen lie­ gen. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Ab­ lenkvorrichtung außerdem eine auf das flexible bimor­ phe Element geklemmte Trägerrichtung zum Halten des ersten und des zweiten Endbereichs in den zueinander orthogonalen Ebenen. Der erste und der zweite Endbe­ reich erstrecken sich der Länge nach von der Träger­ einrichtung weg und können in zueinander orthogonalen Richtungen oder, alternativ hierzu, in parallelen Richtungen verlaufen. In beiden Fällen sind die Spiegel jedoch derart positioniert, daß sie in zueinander orthogonalen Ebenen liegen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem piezoelektrischen bimorphen Element um ein L- förmiges piezoelektrisches bimorphes Element mit einer oberen und einer unteren L-förmigen piezoelektrischen Schicht, die erstreckungsgleich miteinander verbunden sind und zueinander orthogonale Dehnungsrichtungen aufweisen. Das L-förmige bimorphe Element besitzt ei­ nen ersten und einen zweiten Arm, die zueinander or­ thogonal verlaufen. Jeder Arm besitzt einen freien Endbereich, und wenigstens einer der freien Endberei­ che ist relativ zu dem anderen freien Endbereich der­ art umgebogen, daß die freien Endbereiche im wesentli­ chen in zueinander orthogonalen Ebenen liegen.

Bei allen Ausführungsbeispielen der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfin­ dung handelt es sich bei dem verwendeten piezoelektri­ schen Material vorzugsweise um Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Frontansicht der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung der Fig. 1;

Fig. 4A und 4B graphische Darstellungen der Eigen­ schaften piezoelektrischer Schichten;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines freitragenden, piezoelektrischen bimorphen Elements des Standes der Technik;

Fig. 6 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten freitragenden bimorphen Element gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten freitragenden bimorphen Element gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem einzigen piezoelek­ trischen bimorphen Element gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 9 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem einzigen piezoelek­ trischen bimorphen Element gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 10 eine Perspektivansicht einer zweischichti­ gen rechteckigen piezoelektrischen Struktur mit einer ersten und einer zweiten piezo­ elektrischen Filmschicht, die zueinander orthogonale Dehnungsrichtungen aufweisen;

Fig. 11A und 11B graphische Darstellungen der Eigen­ schaften der zweischichtigen Struktur der Fig. 10;

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Herstellung eines L-förmigen, biaxialen, bimorphen Ele­ ments aus der zweischichtigen Struktur der Fig. 10;

Fig. 13 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem L-förmigen, biaxia­ len, bimorphen Element gemäß einem sech­ sten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 14 eine zweidimensionale Laserstrahl-Ablenk­ vorrichtung mit einem L-förmigen, biaxia­ len, bimorphen Element gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung.

In den Zeichnungen, in den gleiche Bezugszeichen glei­ che Elemente bezeichnen, ist in den Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 40 gemäß der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. In dem ersten Ausführungs­ beispiel besitzt die Ablenkvorrichtung 40 eine Träger­ basis 42 und ein piezoelektrisches bimorphes Gebilde 44, das in der Trägerbasis 42 angeordnet ist. Das bi­ morphe Gebilde 44 besitzt piezoelektrische Schichten 46a, 46b, 48a und 48b. Jede Schicht besitzt eine in Längsrichtung der Basis 42 verlaufende Länge, eine parallel zu der Basis 42 verlaufende Breite sowie eine in Breitenrichtung der Basis 42 verlaufende Dicke. Bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede Schicht aus Polyvinylidenfluorid-(PVDF-)Schichtmate­ rial gebildet. Es versteht sich jedoch, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliches piezoelektrisches Polymer verwendet werden kann. Z.B. kann ein Kopolymer aus Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen (PVDF-TrFE) für jede Schicht 46a, 46b, 48a, 48b verwendet werden.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzen die beiden äußeren Schichten 46a, 46b eine kürzere Länge als die beiden inneren Schichten 48a, 48b und sind mit den beiden inneren Schichten 48a, 48b in der darge­ stellten Weise derart verbunden, daß die miteinander verbundenen inneren und äußeren Schichten einen vier­ schichtigen bimorphen Bereich 50 bilden und sich die beiden inneren Schichten 48a, 48b in einer Richtung längs über die Enden der beiden äußeren Schichten 46a, 46b hinauserstrecken, um einen zweischichtigen bimorphen Bereich mit einem freien Ende 54 zu bilden. Das freie Ende 54 des zweischichtigen Bereichs 52 ist in der dargestellten Weise derart abgebogen, daß sich das freie Ende 54 in der Breitenrichtung der Träger­ basis 42 erstreckt. Eine erste Längskante 56 des vier­ schichtigen Bereichs 50 ist an der Trägerbasis 42 fest angebracht. Die andere Längskante definiert eine freie Kante 58 des vierschichtigen Bereichs 50.

Ein Spiegel 60 ist an dem freien Ende 54 des zwei­ schichtigen Bereichs 52 angebracht. Elektrodeneinrich­ tungen 62 sind in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit den vier PVDF-Schichten 46a, 46b, 48a, 48b verbun­ den, um ein Spannungssignal von einer Hochfrequenz­ quelle bzw. einer Niedrigfrequenzquelle 64, 66 zu er­ halten. Die Signalquellen 64, 66 sind parallel ge­ schaltet, um ein Schwingspannungssignal mit einer ersten Frequenzkomponente und einer zweiten Frequenz­ komponente zu erzeugen. Das Spannungssignal wird den vier Schichten 46a, 46b, 48a, 48b über die Elektroden­ einrichtungen 62 zugeführt, was zu relativen Signal­ polaritäten über die Dicke jeder Schicht führt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Wie für den Fachmann erkennbar ist, erzeugt ein über die Elektrodeneinrichtungen 62 an die vier Schichten 46a, 46b, 48a, 48b angelegtes Schwingspannungssignal eine Schwingung der freien Kante 58 des vierschichti­ gen Bereichs 50 in einer Richtung A, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Richtung A verläuft im wesentlichen senkrecht zu der Länge und der Breite des vierschich­ tigen Bereichs 50 und parallel zu der Breitenrichtung der Trägerbasis. Da der zweischichtige Bereich 52 in bezug auf den vierschichtigen Bereich 54 orthogonal gebogen ist, wird die Vibration bzw. Schwingung der freien Kante 58 in eine Schwingung des freien Endes 54 in einer Richtung A′ umgesetzt, wie dies in der Zeich­ nung dargestellt ist. Außerdem erzeugt das angelegte Schwingungssignal an den Schichten 48a, 48b eine Schwingung des freien Endes 54 des zweischichtigen Bereichs 52 in einer Richtung B, die zu der Richtung A′ orthogonal ist. Als Ergebnis hiervon schwingt der Spiegel 60 gleichzeitig in den beiden zueinander or­ thogonalen Richtungen A′ und B. Ein auf den Spiegel 60 auftreffender Laserstrahl (nicht gezeigt) kann daher gleichzeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtun­ gen abgelenkt werden.

Jeder der bimorphen Bereiche 50, 52 besitzt eine Reso­ nanzfrequenz. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei­ spiel erzeugt die Hochfrequenzquelle 64 eine Hochfre­ quenzkomponente, die auf die Resonanzfrequenz des vierschichtigen Bereichs 50 abgestimmt ist. Die Niedrigfrequenzquelle 66 erzeugt eine Niedrigfrequenz­ komponente, die auf die Resonanzfrequenz des zwei­ schichtigen Bereichs 52 abgestimmt ist. Wie in der Technik bekannt ist, spricht ein piezoelektrisches bimorphes Element bei seiner Resonanzfrequenz stärker auf angelegte Signale an. Somit spricht der vier­ schichtige Bereich am stärksten auf die Hochfrequenz­ komponente an, und der zweischichtige Bereich spricht am stärksten auf die Niedrigfrequenzkomponente des angelegten Signals an. Vorzugsweise ist die Resonanz­ frequenz des vierschichtigen Bereichs 50 höher als die Resonanzfrequenz des zweischichtigen Bereichs 52, und zwar z. B. um einen Faktor von 5 : 1. Bei einen der­ artigen hohen Verhältnis läßt sich die Amplitude der Schwingungen jedes bimorphen Bereichs 50, 52 in un­ abhängiger Weise durch Einstellen der relativen Amplituden der Hochfrequenz- und der Niedrigfrequenz­ komponente des angelegten Spannungssignals steuern. Ein sich durch den zweischichtigen bimorphen Bereich 52 hindurcherstreckendes Loch 68 bewirkt eine Re­ duzierung der Resonanzfrequenz des zweischichtigen Be­ reichs, so daß sich ein größeres Verhältnis in ein­ facherer Weise erzielen läßt.

Fig. 2 zeigt eine Frontansicht der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung der Fig. 1, wobei die Orthogonalität der Schwingungsrichtungen A′ und B noch exakter dargestellt ist. Fig. 3 zeigt eine Seitenan­ sicht der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrich­ tung der Fig. 1. Wie in Fig. 3 am deutlichsten zu se­ hen ist, ist das sich durch den zweischichtigen Be­ reich 52 hindurcherstreckende Loch 68 vorzugsweise rechteckig ausgebildet; es kann jedoch ein Loch mit beliebiger Formgebung verwendet werden, wie z. B. auch ein kreisförmiges Loch.

Die in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen verwendeten bimorphen Elemente sind aus zwei miteinander verbundenen Schichten aus PVDF-Schichtma­ terial gebildet. Für den Fachmann ist jedoch klar, daß jegliches piezoelektrisches Polymer im Rahmen der vor­ liegenden Erfindung verwendet werden kann. Z.B. kann auch ein Kopolymer aus Polyvinylidenfluorid-Trifluor­ ethylen (PVDF-TrFE) verwendet werden.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der zwei­ dimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 70 der vorliegenden Erfindung. Bei dem zweiten Ausführungs­ beispiel besitzt die Ablenkvorrichtung 70 einer Trä­ gerbasis 71 sowie ein erstes und ein zweites piezo­ elektrisches bimorphes Element 72 bzw. 74. Das erste bimorphe Element 72 besitzt ein einseitig einge­ spanntes Ende 80, das an der Trägerbasis 71 fest ange­ bracht ist, sowie ein freies Ende 82, das sich in Längsrichtung des bimorphen Elements 72 von der Trägerbasis 71 wegerstreckt. In ähnlicher Weise be­ sitzt das zweite bimorphe Element 74 ein an der Basis 71 angebrachtes, einseitig eingespanntes Ende 84 sowie ein freies Ende 86, das sich in Längsrichtung des bimorphen Elements 74 von der Trägerbasis 71 weger­ streckt. Ein erster Spiegel 76 ist mit dem freien Ende 82 des ersten bimorphen Elements 72 gekoppelt und in der Bahn eines einfallenden Laserstrahls 88 positioniert. Ein zweiter Spiegel 78 ist mit dem freien Ende 86 des zweiten bimorphen Elements 74 ge­ koppelt und relativ zu dem ersten Spiegel 76 in der Bahn des von dem ersten Spiegel 76 reflektierten Laserstrahls positioniert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 liegt das erste bimorphe Element 72 im wesentlichen in einer ersten Linie P_A, und das zweite bimorphe Element 74 liegt im wesentlichen in einer zweiten Ebene P_B, die orthogonal zu der Ebene P_A ist. Außerdem erstecken sich das freie Ende 82 des ersten bimorphen Elements 72 und das freie Ende 86 des zweiten bimorphen Elements 76 in der dargestellten Weise in zueinander orthogonalen Richtungen.

Eine erste Schwingspannungsquelle 98 ist mit dem er­ sten bimorphen Element 72 über erste Elektroden 94 gekoppelt. Die Elektroden 94 sind mit dem bimorphen Element in herkömmlicher Weise gekoppelt, z. B. so, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert worden ist. Die Quelle 98 beaufschlagt das erste bi­ morphe Element 72 mit einem ersten Schwingspannungs­ signal, durch das das freie Ende 82 zur Ausführung einer Schwingung in einer im wesentlichen senkrecht zu der Ebene P_A verlaufenden Richtung A veranlaßt wird, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Das bimorphe Element 72 schwingt mit einer Rate entsprechend der Frequenz des ersten Schwingungssignals. Vorzugsweise ist die Frequenz des ersten Schwingungssignals im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des ersten bimorphen Ele­ ments 72, da, wie vorstehend erwähnt wurde, ein bimor­ phes Element bei seiner Resonanzfrequenz die maximale Schwingungsamplitude erreicht.

Eine zweite Schwingspannungsquelle 100 ist über zweite Elektroden 96 mit dem zweiten bimorphen Element 74 gekoppelt. Die Elektroden 96 sind wiederum in herkömm­ licher Weise mit dem bimorphen Element 74 gekoppelt, z. B. wiederum so, wie dies zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert worden ist. Die Quelle 100 beauf­ schlagt das zweite bimorphe Element 74 mit einem zwei­ ten Schwingspannungssignal, durch das das freie Ende 86 zur Ausführung einer Schwingung in einer zu der Ebene P_B im wesentlichen senkrechten Richtung B veran­ laßt wird, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Die Schwin­ gungsrichtung B des zweiten bimorphen Elements 74 ist somit orthogonal zu der Schwingungsrichtung A des er­ sten bimorphen Elements 72. Das zweite bimorphe Ele­ ment 74 schwingt mit einer Rate entsprechend der Fre­ quenz des zweiten Schwingungssignals. Wie bei dem er­ sten bimorphen Element 72 ist die Frequenz des zweiten Schwingungssignals vorzugsweise im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des zweiten bimorphen Elements 74.

Wie vorstehend erwähnt wurde, schwingen das erste und das zweite bimorphe Element 72, 74 und somit der erste und der zweite Spiegel 76, 78 in zueinander orthogona­ len Richtungen. Der auf den ersten Spiegel auftreffen­ de und von diesem auf den zweiten Spiegel reflektierte Laserstrahl 88 wird somit gleichzeitig in zwei zuei­ nander orthogonalen Richtungen abgelenkt. Jedes bimor­ phe Element 72, 74 kann eine andere Resonanzfrequenz aufweisen, und somit können die Frequenzen des ersten und des zweiten Schwingungssignals verschieden sein. Dies ermöglicht ein Ablenken des Laserstrahls 88 bei einer Frequenz in der Richtung A und bei einer anderen Frequenz in der Richtung B. Alternativ hierzu kann die Resonanzfrequenz der beiden bimorphen Elemente 72, 74 auch gleich sein. Wie für den Fachmann bekannt ist, haben viele Variablen einen Einfluß auf die Resonanz­ frequenz eines piezoelektrischen bimorphen Elements, wie z. B. die Längen-, Breiten- und Dickenabmessungen des bimorphen Elements sowie dessen Masse. Die Masse der angebrachten Spiegel kann ebenfalls einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz haben. Durch Einstellen einer oder mehrerer dieser Variablen läßt sich die Resonanz­ frequenz jedes bimorphen Elements 72, 74 steuern.

Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der zwei­ dimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 73 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist das zweite Ausführungsbeispiel identisch mit dem in Fig. 6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß sich bei dem dritten Ausführungsbeispiel die freien Enden 82, 86 des ersten und des zweiten bimorphen Elements 72, 74 nicht ortho­ gonal, wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6, sondern relativ zueinander der Länge nach von der Trägerbasis 81 wegerstrecken. Wie in Fig. 7 ge­ zeigt ist, liegen das erste und das zweite bimorphe Element 72, 74 wiederum in zueinander orthogonalen Ebenen P_A′ bzw. P_B′. Somit schwingt das freie Ende 82 des ersten bimorphen Elements 72 in der im wesentli­ chen senkrecht zu der Ebene P_A′ verlaufenden Richtung A. Gleichermaßen schwingt das freie Ende 86 des zwei­ ten bimorphen Elements 74 in der im wesentlichen senk­ recht zu der Ebene P_B′ verlaufenden Richtung B. Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 schwingen der erste und der zweite Spiegel 76, 78 somit in zu­ einander orthogonalen Richtungen. Die Spiegel 76, 78 sind relativ zueinander derart positioniert, daß ein auf den ersten Spiegel auftreffender Laserstrahl 88 auf den zweiten Spiegel reflektiert wird. Aufgrund der orthogonalen Schwingungen des ersten und des zweiten Spiegels 76, 78 wird der Laserstrahl 88 somit in der dargestellten Weise gleichzeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtungen abgelenkt.

Fig. 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der zwei­ dimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 107 der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem vierten Ausführungs­ beispiel umfaßt die Ablenkvorrichtung 107 ein einziges flexibles piezoelektrisches bimorphes Element 110 mit einem ersten Endbereich 112 und einem zweiten Endbe­ reich 114. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, sind der erste und der zweite Endbereich 112, 114 relativ zueinander derart verdreht angeordnet, daß der erste Endbereich 112 in einer Ebene P_A liegt und der zweite Endbereich 114 in einer Ebene P_B liegt, die zu der Ebene P_A ortho­ gonal ist. Eine Trägereinrichtung 116 ist auf das bi­ morphe Element 110 geklemmt, um die Endbereiche 112 und 114 in den zueinander orthogonalen Ebenen P_A bzw. P_B zu halten. Der erste Endbereich 112 erstreckt sich der Länge nach von der Trägereinrichtung 116 weg und bildet ein erstes freies Ende 118 des verdrehten bi­ morphen Elements 110. Der zweite Endbereich 114 er­ streckt sich der Länge nach von der Trägereinrichtung 116 weg und bildet ein zweites freies Ende 120. Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel erstrecken sich das erste und das zweite freie Ende 118, 120 in ortho­ gonalen Richtungen von der Trägereinrichtung 116 weg.

Ein erster Spiegel 122 ist an dem ersten freien Ende 118 fest angebracht und in dem Weg eines einfallenden Laserstrahls 88 positioniert. Ein zweiter Spiegel 124 ist an dem zweiten freien Ende 120 fest angebracht und relativ zu dem ersten Spiegel 122 in der Bahn des von dem ersten Spiegel 122 wegreflektierten Laserstrahls 88 positioniert. Elektrodeneinrichtungen 126 sind mit dem bimorphen Element 110 verbunden, um ein Schwin­ gungssignal von den Signalquellen 128 und 130 zu er­ halten sowie das bimorphe Element 110 mit dem Schwingungssignal zu beaufschlagen. Ein dem verdrehten bimorphen Element 110 zugeführtes Schwingspannungs­ signal erzeugt somit eine gleichzeitige Schwingung des ersten und des zweiten freien Endes 118, 120 relativ zu der Trägereinrichtung. Das erste freie Ende 118 schwingt dabei in einer zu der Ebene P_A im wesentlichen orthogonalen Richtung A, und das zweite freie Ende 120 schwingt in einer zu der Ebene P_B im wesentlichen orthogonalen Richtung B. Das erste und das zweite freie Ende 118, 120 schwingen somit in zueinander or­ thogonalen Richtungen. Dadurch wird der Laserstrahl 88 gleichzeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtun­ gen abgelenkt.

Wie für den Fachmann erkennbar ist, hat die Distanz von dem ersten freien Ende 118 bis zu der Trägerein­ richtung 116 einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des ersten Endbereichs 112. Gleichermaßen hat die Distanz von dem zweiten freien Ende 120 bis zu der Trägereinrichtung 116 einen Einfluß auf die Resonanz­ frequenz des zweiten Endbereichs 114. Durch Einstellen der Position der festgeklemmten Trägereinrichtung 116 relativ zu den einzelnen freien Enden 118, 120 des bimorphen Elements 110 läßt sich somit die Resonanz­ frequenz jedes Endbereichs 112, 114 individuell ein­ stellen. Auch die Masse jedes Endbereichs 112, 114 sowie die Masse des daran angebrachten Spiegels können einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz haben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Trägerein­ richtung 116 relativ zu den freien Enden 118, 120 der­ art festgeklemmt, daß die Resonanzfrequenz des ersten Endbereichs 112 sich von der Resonanzfrequenz des zweiten Endbereichs 114 unterscheidet. Dies muß jedoch nicht der Fall sein; beide Endbereiche 112, 114 können dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, wenn dies gewünscht ist.

Die Signalquellen 128, 130 sind einander parallel ge­ schaltet. Die Signalquelle 128 liefert eine Niedrig­ frequenzkomponente des angelegten Schwingungssignals, und die Singalquelle 130 liefert eine Hochfrequenzkom­ ponente des angelegten Schwingungssignals. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Hochfrequenz­ komponente auf die Resonanzfrequenz eines der End­ bereiche 112, 114 abgestimmt, und die Niedrigfrequenz­ komponente ist auf die Resonanzfrequenz des anderen Endbereichs abgestimmt. Dies gestattet eine unab­ hängige Steuerung der Schwingungsamplitude jedes End­ bereichs durch Variieren der relativen Amplituden der Hochfrequenz- und Niedrigfrequenzkomponenten des ange­ legten Schwingungssignals.

Fig. 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der zwei­ dimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 108 der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist das fünfte Ausführungsbeispiel mit dem in Fig. 8 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel iden­ tisch, mit der Ausnahme, daß sich das erste freie Ende 118 und das zweite freie Ende 120 in zueinander pa­ rallelen Richtungen von der Trägereinrichtung 116 weg­ erstrecken. Die bimorphen Einrichtungen 112, 114 lie­ gen in zueinander orthogonalen Ebenen P_A′ bzw. P_B′. Der erste und der zweite Spiegel 122, 124 sind wiederum relativ zueinander derart positioniert, daß der Laser­ strahl 88 von dem ersten Spiegel 122 weg auf den zweiten Spiegel 124 reflektiert wird. Die gleich­ zeitigen Schwingungen des ersten und des zweiten freien Endes 118, 120 in zueinander orthogonalen Richtungen A bzw. B führen wiederum zu einer Ablenkung des Laserstrahls in zwei zueinander orthogonalen Richtungen.

Fig. 10 zeigt eine Perspektivansicht eines zweischich­ tigen rechteckigen piezoelektrischen Gebildes 150 mit einer oberen filmartigen piezoelektrischen Schicht 152, die mit einer unteren filmartigen piezoelektri­ schen Schicht 154 verbunden ist. Vorzugsweise sind die obere und die untere Schicht 152, 154 aus Polyvinyli­ denfluorid (PVDF) gebildet. Die Dehnungsrichtungen der oberen und der unteren Schicht 152, 154 sind jedoch in dem Verbundgebilde 150 zueinander orthogonal orien­ tiert, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist, wobei der durchgezogen dargestellte Pfeil die Dehnungsrichtung der oberen Schicht 152 zeigt und der gestrichelt dar­ gestellte Pfeil die Dehnungsrichtung der unteren Schicht 154 zeigt. Auf der Außenfläche jeder piezo­ elektrischen 152, 154 ist ein nicht gezeigtes Elektrodenmaterial aufgebracht, und eine gemeinsame Elektrodenschicht (nicht gezeigt) liegt zwischen den miteinander verbunden Schichten 152, 154. Elektroden 156 sind in der dargestellten Weise mit den Schichten 152, 154 verbunden.

Die Fig. 11A und 11B zeigen in schematischer Weise, wie das rechteckige Gebilde 150 der Fig. 10 auf ein über den Elektroden 156 angelegtes Spannungssignal anspricht. Wie durch die Pfeile angedeutet ist, ist die Beziehung zwischen den Richtungen des elektrischen Felds (dünne Pfeile) und der Polarisierung (breite Pfeile) in den jeweiligen Schichten 152, 154 derart, daß ansprechend auf eine über den Elektroden 156 ange­ legte Spannung die eine Schicht expandiert, während die andere Schicht schrumpft. Da jedoch die Dehnungs­ richtungen der oberen und der unteren Schicht 152, 154 zueinander orthogonal sind (und nicht parallel zuei­ nander, wie bei einem herkömmlichen bimorphen Ele­ ment), verformt sich das rechteckige Gebilde 150 unter dem Einfluß der angelegten Spannung in eine kugelartig gekrümmte Fläche. Die Richtung der kugelartigen Ver­ formung hängt von der Polarität des angelegten Span­ nungssignals ab, wie dies in den Fig. 11A und 11B zu sehen ist.

Fig. 12 veranschaulicht die Herstellung eines L-för­ migen biaxialen bimorphen Elements 158. Wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, wird das biaxiale bimorphe Element 158 aus dem rechteckigen zweischich­ tigen Gebilde 150 herausgeschnitten. Das L-förmige bimorphe Element 158 besitzt einen ersten Arm 160 mit einem ersten Endbereich 162 und einen zweiten Arm 164 mit einem zweiten Endbereich 166. Wie in Fig. 12 ge­ zeigt ist, ist das L-förmige bimorphe Element 158 der­ art aus dem rechteckigen Gebilde 150 herausgeschnit­ ten, daß die Dehnungsrichtung der oberen Schicht 168 parallel zu der Längserstreckung des zweiten Arms 164 verläuft und die Dehnungsrichtung der unteren Schicht 170 parallel zu der Längserstreckung des ersten Arms 160 des biaxialen bimorphen Elements 158 verläuft. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, besitzt der erste Arm 160 eine Länge L_B und eine Breite W_B. Der zweite Arm 164 besitzt eine Länge L_A und eine Breite W_A.

Fig. 13 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 180 der vorliegenden Erfindung, der anstatt des freitra­ genden bimorphen Elements (Fig. 6 und 7) und des ver­ drehten bimorphen Elements (Fig. 8 und 9) ein L-för­ miges biaxiales bimorphes Element verwendet, wie z. B. das bimorphe Element 158 der Fig. 12. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist der erste Arm 160 des bia­ xialen bimorphen Elements 158 relativ zu dem zweiten Arm 164 derart umgebogen, daß die freien Endbereiche 162, 166 jedes Arms in zueinander orthogonalen Ebenen P_A bzw. P_B liegen. Ein erster Spiegel 167 ist an dem freien Endbereich 162 des ersten Arms 160 angebracht, und ein zweiter Spiegel 169 ist an dem freien Endbe­ reich 166 des zweiten Arms 164 angebracht. Elektroden 172 sind in der dargestellten mit dem biaxialen bimor­ phen Element 158 verbunden, um von Signalquellen 174 und 176 mit einem Schwingungssignal beaufschlagt zu werden. Die Signalquellen 174 und 176 sind einander parallel geschaltet. Die Elektroden 172 sind in ähnli­ cher Weise wie die in Fig. 11 dargestellten Verbindun­ gen mit dem bimorphen Element 158 verbunden. Die nicht gezeigten Elektrodenschichten auf den Außenflächen der oberen und der unteren Schicht 168, 170 des bimorphen Elements 158 sind somit mit je einem Anschluß jeder Signalquelle 174, 176 gekoppelt, und die nicht gezeig­ te gemeinsame Elektrodenschicht zwischen der oberen und der unteren Schicht 168, 170 des bimorphen Ele­ ments 158 ist mit dem anderen Anschluß jeder Signal­ quelle gekoppelt.

Ein an das biaxiale bimorphe Element 154 angelegte Schwingspannungssignal erzeugt eine gleichzeitige Schwingung des ersten und des zweiten freien Endbe­ reichs 162, 166. Aufgrund der orthogonalen Ausrichtung der Dehnungsrichtungen der oberen und der unteren Schicht 168, 170 schwingt der erste freie Endbereich 162 in einer Richtung A, die im wesentlichen orthogo­ nal zu der Ebene P_A verläuft, in der der erste Endbe­ reich 162 liegt, während der zweite freie Endbereich 166 in einer im wesentlichen orthogonal zu der Ebene P_B verlaufenden Richtung B schwingt. Der erste und der zweite freie Endbereich 162, 166 schwingen daher in zueinander orthogonalen Richtungen. Die Orthogonalität der Dehnungsrichtungen (die auch parallel zu der Längserstreckung der jeweiligen Arme 160, 164 verlaufen) der oberen und der unteren Schicht 168, 170 verhindert ein Schwingen der freien Endbereiche 162, 164 in jeglicher anderen Richtung. Die jeweiligen Län­ gen L_B und L_A des ersten und des zweiten Arms 160, 164 müssen jedoch größer sein als die jeweiligen Breiten W_B und W_A, damit die freien Endbereiche 162, 166 in wirk­ samer Weise schwingen können. Wie bei den voraus­ gehenden Ausführungsbeispielen wird ein auf den ersten Spiegel 167 auf treffender und auf den zweiten Spiegel 169 reflektierter Laserstrahl (nicht gezeigt) gleich­ zeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtungen ab­ gelenkt.

Es versteht sich, daß die Länge L_B und die Breite W_B des ersten Arms 160 einen Einfluß auf die Resonanzfre­ quenz des ersten Arms 160 haben. Die Masse des Arms und die Masse des ersten Spiegels 167 haben ebenfalls einen gewissen Einfluß. Gleichermaßen haben die Länge L_A und die Breite W_A des zweiten Arms 164 und die Masse des Spiegels einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des zweiten Arms 164. Durch Ändern der Längen- und Breitenabmessungen jedes Arms 160, 164 und/oder der Masse der Spiegel läßt sich somit die Resonanzfrequenz jedes Arms 160, 164 individuell festlegen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Resonanzfrequenz des ersten Arms 160 von der Reso­ nanzfrequenz des zweiten Arms 164. Dies muß jedoch nicht der Fall sein; beide Arme 160, 164 können auch dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, wenn dies so ge­ wünscht ist.

Wie bereits erwähnt wurde, sind die Signalquellen 174, 176 einander parallel geschaltet. Die Signalquelle 174 liefert eine Niedrigfrequenzkomponente des angelegten Schwingungssignals, und die Signalquelle 176 liefert eine Hochfrequenzkomponente des angelegten Schwin­ gungssignals. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei­ spiel ist die Hochfrequenzkomponente auf die Resonanz­ frequenz des einen der beiden Arme 160, 164 abge­ stimmt, und die Niedrigfrequenzkomponente ist auf die Resonanzfrequenz des anderen Arms abgestimmt. Die freien Endbereiche 162, 166 erzielen ein maximales Ansprechen auf das angelegte Schwingungssignal, wenn sie mit ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen betrieben werden. Solange die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Arme 160, 164 in ausreichender Weise voneinander ver­ schieden sind (z. B. durch ein Verhältnis von 5 : 1), läßt sich die Schwingungsamplitude der jeweiligen freien Endbereiche 162, 166 in unabhängiger Weise durch Variieren der relativen Amplituden der Hochfre­ quenz- und der Niedrigfrequenzkomponenten des angeleg­ ten Schwingungssignals steuern.

Fig. 14 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der zweidimensionalen Laserstrahl-Ablenkvorrichtung 181 der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, besitzt das siebte Ausführungsbeispiel daßelbe biaxiale bimorphe Element 158 wie das sechste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13; bei dem siebten Ausführungsbeispiel sind jedoch sowohl der erste End­ bereich 162 des ersten Arms 160 als auch der zweite freie Endbereich 166 des zweiten Arms 164 gebogen, um dadurch die freien Endbereiche 162 und 166 in zu­ einander orthogonalen Ebenen P_A bzw. P_B zu bilden. Der erste und der zweite Spiegel 167, 169 sind wiederum derart relativ zueinander positioniert, daß ein Laser­ strahl 188 von dem ersten Spiegel 167 weg auf den zweiten Spiegel 169 reflektiert wird. Ansonsten ist erkennbar, daß die Arbeitsweise der Ablenkvorrichtung 181 des siebten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 14 im wesentlichen identisch mit der Arbeitsweise der Ab­ lenkvorrichtung 180 des sechsten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 13 ist. Der erste und der zweite Endbereich 162, 166 schwingen wiederum gleichzeitig in zueinander orthogonalen Richtungen A bzw. B. Als Ergebnis hiervon wird der nicht gezeigte Laserstrahl in zwei zueinander orthogonalen Richtungen abgelenkt.

Claims (13)

1. Zweidimensionale Laserstrahl-Ablenkvorrichtung mit einer Trägerbasis (42) und einem piezoelektrischen bimorphen Gebilde (44), das aufeinanderfolgend mitei­ nander verbundene und in der Trägerbasis angeordnete piezoelektrische Schichten (46a, 46b, 48a, 48b) auf­ weist,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Schichten um vier Schichten handelt, deren jede eine in Längs­ richtung der Trägerbasis verlaufende Länge, eine in senkrechter Richtung zu der Trägerbasis verlaufende Breite und eine in Breitenrichtung der Trägerbasis verlaufende Dicke aufweist, wobei die beiden äußeren Schichten (46a, 46b) des bimorphen Gebildes eine kür­ zere Länge als die beiden inneren Schichten (48a, 48b) aufweisen und mit den beiden inneren Schichten derart verbunden sind, daß die miteinander verbundenen inne­ ren und äußeren Schichten einen vierschichtigen bimor­ phen Bereich (50) bilden und die beiden inneren Schichten sich der Länge nach in einer Richtung über die Enden der beiden äußeren Schichten hinaus er­ strecken und einen zweischichtigen bimorphen Bereich (52) mit einem freien Ende (54) bilden, wobei der vierschichtige Bereich entlang einer ersten Längskante an der Trägerbasis befestigt ist und eine zweite Längskante des vierschichtigen Bereichs eine freie Kante bildet und wobei das freie Ende (54) des zwei­ schichtigen Bereichs in einem Winkel von im wesent­ lichen 90° derart abgebogen ist, daß sich das freie Ende des zweischichtigen Bereichs in der Breiten­ richtung der Trägerbasis erstreckt,
daß an dem freien Ende (54) des zweischichtigen bimor­ phen Bereichs (52) ein Spiegel (60) zum Reflektieren von auf diesen einfallendem Licht angebracht ist; und
daß an die vier piezoelektrischen Schichten Elektro­ deneinrichtungen (62) zum Beaufschlagen des bimorphen Gebildes (44) mit einem elektrischen Signal ange­ schlossen sind, um eine Schwingung der freien Kante des vierschichtigen Bereichs in der Breitenrichtung der Trägerbasis sowie eine Schwingung des freien Endes (54) des abgebogenen zweischichtigen Bereichs (52) in einer zur Schwingungsrichtung der freien Kante des vierschichtigen Bereichs orthogonalen Richtung zu er­ zeugen, wobei die zueinander orthogonalen Schwingungen der freien Kante des vierschichtigen Bereichs sowie des freien Endes des zweischichtigen Bereichs mechanisch auf den Spiegel (60) übertragen werden, so daß auf den Spiegel auftreffendes Licht gleichzeitig in zwei zueinander orthogonalen Richtungen abgelenkt wird.

2. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweischichtige und der vierschichtige bimorphe Bereich (50, 52) verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen, und daß das angelegte Signal eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente besitzt, wobei die erste Frequenz­ komponente im wesentlichen der Resonanzfrequenz des einen bimorphen Bereichs entspricht und die zweite Frequenzkomponente im wesentlichen der Resonanzfre­ quenz des anderen bimorphen Bereichs entspricht.

3. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des vierschichtigen bimorphen Bereichs (50) höher als die Resonanzfrequenz des zweischichtigen bimorphen Be­ reichs (52) ist.

4. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweischichtige bimor­ phe Bereich (52) ein sich durch diesen hindurcher­ streckendes Loch (68) zum Reduzieren der Resonanzfre­ quenz des zweischichtigen Bereichs (52) aufweist.

5. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwendeten piezoelektrischen Material um Po­ lyvinylidenfluorid handelt.

6. Zweidimensionale Laserstrahl-Ablenkvorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein piezoelektrisches bimorphes Element (72, 74; 110; 158) mit einem ersten und einem zweiten freien Endbe­ reich (82, 86; 118, 120; 162, 166), die in zueinander orthogonalen Ebenen angeordnet sind;
einen ersten Spiegel (76; 122; 167), der an dem ersten freien Endbereich des bimorphen Elements fest ange­ bracht und in einer Bahn des Lichts angeordnet ist, wobei das Licht von dem ersten Spiegel wegreflektiert wird;
einen zweiten Spiegel (78; 124; 169), der an dem zwei­ ten freien Endbereich des bimporphen Elements fest angebracht ist und in der Bahn des von dem ersten Spiegel wegreflektierten Lichts angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Spiegel in zueinander ortho­ gonalen Ebenen angeordnet sind; und durch mit dem bimorphen Element verbundene Elektrodenein­ richtungen (94, 96; 126; 172) zum Beaufschlagen des­ selben mit einem Schwingungssignal zur Erzeugung gleichzeitiger Schwingungen des ersten und des zweiten freien Endbereichs, wobei jeder freie Endbereich in einer Richtung schwingt, die senkrecht zu der Ebene ist, in der der freie Endbereich liegt, so daß der erste und der zweite Endbereich in zueinander orthogo­ nalen Richtungen schwingen und die zueinander orthogonalen Schwingungen des ersten und des zweiten freien Endbereichs des bimorphen Elements auf den ersten bzw. zweiten Spiegel übertragen werden und da­ durch ein Ablenken des Lichts gleichzeitig in zu­ einander orthogonalen Richtungen verursacht wird.

7. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem piezoelek­ trischen bimorphen Element (110) um ein flexibles pie­ zoelektrisches bimorphes Element handelt, wobei der erste und der zweite freie Endbereich derart relativ zueinander verdreht sind, daß der erste und der zweite freie Endbereich in zueinander orthogonalen Ebenen liegen, und daß eine auf das flexible bimorphe Element geklemmte Trägereinrichtung (81; 116) zum Halten des ersten und des zweiten Endbereichs in den zueinander orthogonalen Ebenen vorgesehen ist, wobei sich der erste und der zweite Endbereich der Länge nach von der Trägereinrichtung wegerstrecken.

8. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste und der zweite freie Endbereich des bimorphen Elements der Länge nach in zueinander orthogonalen Richtungen von der Trägereinrichtung wegerstrecken.

9. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste und der zweite Endbereich des bimorphen Elements in parallelen Richtungen von der Trägereinrichtung wegerstrecken.

10. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem piezoelek­ trischen bimorphen Element um ein L-förmiges piezo­ elektrisches bimorphes Element (158) handelt, das eine obere und eine untere L-förmige piezoelektrische Schicht aufweist, die erstreckungsgleich miteinander verbunden sind und zueinander orthogonale Dehnungs­ richtungen aufweisen, wobei das L-förmige bimorphe Element einen ersten und einen zweiten Arm aufweist, die zueinander orthogonal verlaufen, und wobei jeder Arm einen freien Endbereich aufweist, wobei wenigstens einer der freien Endbereiche relativ zu dem anderen freien Endbereich derart umgebogen ist, daß die freien Endbereiche in zueinander im wesentlichen orthogonalen Ebenen liegen.

11. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach einem der An­ sprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Endbereich und der zweite Endbereich jeweils eine Resonanzfrequenz aufweisen, und daß das angelegte Schwingungssignal eine erste Frequenzkomponente (98; 130; 176) und eine zweite Frequenzkomponente (100; 128; 174) aufweisen, wobei die erste Frequenzkomponente im wesentlichen der Resonanzfrequenz des einen Endbereichs entspricht und die zweite Frequenzkomponente im wesentlichen der Re­ sonanzfrequenz des anderen Endbereichs entspricht.

12. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des ersten Endbereichs von der Resonanzfrequenz des zwei­ ten Endbereichs verschieden ist.

13. Laserstrahl-Ablenkvorrichtung nach einem der An­ sprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwende­ ten piezoelektrischen Material um Polyvinylidenfluorid handelt.