JPH08262364A - Optical deflector using shape memory alloy thin film - Google Patents
Optical deflector using shape memory alloy thin filmInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】周囲の温度が変動しても安定して共振状態を保
つ形状記憶合金薄膜薄膜を用いた光偏向器を提供するこ
とを目的とする。
【構成】SMA光偏向部1は、ファンクションジェネレ
ータ6からパルス電圧を加えることによりU字型の屈曲
形状をとり、電圧を0Vにすることにより平坦に近い形
状となる。このON/OFFを繰り返すことで、SMA
光偏向部1は機械的に振動する。このSMA光偏向部1
が振動している状態で、レーザダイオード15からの光
16がSMA光偏向部1の光反射面17に入射すると、
その反射光18は垂直方向に走査される。この走査光1
8でバーコード19を走査することで、バーコードスキ
ャナとして機能する。
(57) [Abstract] [Purpose] An object of the present invention is to provide an optical deflector using a shape memory alloy thin film that maintains a stable resonance state even when the ambient temperature fluctuates. [Structure] The SMA light deflector 1 takes a U-shaped bent shape by applying a pulse voltage from the function generator 6, and becomes a nearly flat shape by setting the voltage to 0V. By repeating this ON / OFF, SMA
The light deflector 1 mechanically vibrates. This SMA light deflector 1
When the light 16 from the laser diode 15 is incident on the light reflecting surface 17 of the SMA light deflector 1 while the
The reflected light 18 is scanned in the vertical direction. This scanning light 1
Scanning the barcode 19 at 8 functions as a barcode scanner.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光ビームを走査するた
めの光偏向器に係り、特にバーコードリーダーにおける
レーザ光の走査に用いるのに好適な形状記憶合金薄膜を
用いた光偏向器に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical deflector for scanning a light beam, and more particularly to an optical deflector using a shape memory alloy thin film suitable for scanning laser light in a bar code reader. It is a thing.
【0002】[0002]
【従来の技術】今日、スーパーマーケットやコンビニエ
ンスストア等における商品管理、輸送における物流管
理、工場における部品や在庫管理を迅速・確実に行うた
めに、固体認識のためのバーコードは不可欠である。当
該バーコードは、光に対する濃淡を対象物に印刷したも
のであり、一般に1次元バーコードが用いられている。2. Description of the Related Art Today, bar codes for individual recognition are indispensable for swift and reliable management of merchandise in supermarkets and convenience stores, distribution management in transportation, and parts and inventory management in factories. The bar code is one in which light and shade of light is printed on an object, and a one-dimensional bar code is generally used.
【0003】かかるバーコードの認識方式の多くは、細
く絞った光でバーコードを走査し、この時のバーコード
からの反射光の強度を光検出器で検出するものである。
この方式を構成するには、光源や光学系及び機械的に連
続回転する回転多面体であるポリゴンミラー、あるいは
往復回転振動する光反射面を有するガルバノミラーから
なる光偏向器が必要になる。尚、これについての詳細は
「応用光エレクトロニクスハンドブック、昭晃堂、pp53
5-537 、1989」や「レーザーハンドブック、オーム社、
pp378-379 、1982」に示されている。Many of such bar code recognition systems scan the bar code with light that is narrowed down and detect the intensity of the reflected light from the bar code at this time with a photodetector.
To construct this system, a light source, an optical system, and a polygon mirror that is a rotating polyhedron that mechanically continuously rotates, or an optical deflector that includes a galvano mirror having a light reflecting surface that reciprocally rotates and oscillates is required. For details on this, see "Applied Optoelectronics Handbook, Shokodo, pp53.
5-537, 1989 "and" Laser Handbook, Ohmsha,
pp378-379, 1982 ".
【0004】上記ポリゴンミラーは、その側面が光学的
鏡面を有する回転多面体であり、モータによって中心軸
の回りを回転する。レーザ光は回転しているポリゴンミ
ラーの側面に入射し、その反射光はポリゴンミラーの回
転に応じて走査される。これに対して、上記ガルバノミ
ラーは、電磁力による往復回転振動する小型のミラーで
あり、入射光はミラーの往復回転振動する小型のミラー
で走査される。上記ガルバノミラーは小型化に関してポ
リゴンミラーよりも有利であるが、ポリゴンミラーと比
較してコスト高であること、及び往復回転振動時のミラ
ー面のぶれにより走査光にぶれが生じるといった問題が
ある。The polygon mirror is a rotating polyhedron whose side surface has an optical mirror surface, and is rotated around a central axis by a motor. The laser light is incident on the side surface of the rotating polygon mirror, and the reflected light is scanned according to the rotation of the polygon mirror. On the other hand, the galvano mirror is a small mirror that reciprocally rotates and vibrates due to electromagnetic force, and incident light is scanned by the small mirror that reciprocally rotates and vibrates. The galvano mirror is more advantageous than the polygon mirror in terms of downsizing, but it has a problem that the cost is higher than that of the polygon mirror and that the scanning light is blurred due to the shake of the mirror surface during reciprocating rotary vibration.
【0005】ところで、形状記憶合金(以下、SMAと
略称する)薄膜は、バルク材に比べ熱容量が小さく、表
面積/体積比が増加するため、熱駆動であるにも拘ら
ず、加熱、冷却速度が速いといった利点がある。かかる
点に着目して、SMA薄膜の小型の光偏向器としての応
用に係る技術が本願出願人より先に出願されている。そ
して、当該技術では、このSMA薄膜を用いて片持ち梁
方式で共振周波数で駆動することで、7μm厚のSMA
薄膜で周波数45Hzで約30°の屈曲角が得られてい
る。By the way, a shape memory alloy (hereinafter abbreviated as SMA) thin film has a smaller heat capacity than a bulk material and an increased surface area / volume ratio. Therefore, although it is driven by heat, heating and cooling rates are high. It has the advantage of being fast. Focusing on this point, a technique relating to application of an SMA thin film as a small-sized optical deflector has been filed by the applicant of the present application. In this technique, the SMA thin film is used to drive at a resonance frequency by a cantilever method, so that the SMA having a thickness of 7 μm can be obtained.
A bending angle of about 30 ° was obtained at a frequency of 45 Hz in the thin film.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ポ
リゴンミラーは、重量が重く体積が大きいため、人間の
指に装着して用いるような、ポータブルで小型軽量な光
偏向器の構成部材としては不適当である。従って、人間
の指に装着できる小型軽量な光偏向器を実現するために
は、ポリゴンミラーに代わる小型軽量な光偏向部や更に
小型のガルバノミラーを開発する必要がある。一方、上
記SMA薄膜光偏向器は熱駆動である為、周囲温度の変
動や風の影響で動作条件が変わり、偏向角が変動、或る
いは偏向方向が変動するといった問題がある。However, since the polygon mirror is heavy and has a large volume, it is unsuitable as a component of a portable, compact and lightweight optical deflector that is used by being attached to a human finger. Is. Therefore, in order to realize a compact and lightweight optical deflector that can be mounted on a human finger, it is necessary to develop a compact and lightweight optical deflector that replaces the polygon mirror and a further compact galvanometer mirror. On the other hand, since the SMA thin film optical deflector is driven by heat, there is a problem that the operating condition changes due to the fluctuation of the ambient temperature and the influence of the wind, and the deflection angle changes or the deflection direction changes.
【0007】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、周囲の温度が変動しても
安定して共振状態を保つ形状記憶合金薄膜を用いた光偏
向器を提供することにある。The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an optical deflector using a shape memory alloy thin film that maintains a stable resonance state even when the ambient temperature changes. To do.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第1の態様による形状記憶合金薄膜を用い
た光偏光器は、電流の入力部及び出力部と抵抗体による
発熱部と光を反射する反射部を有する光偏向手段と、上
記光偏向手段を駆動するためのパルス電流の周波数を当
該光偏向手段の共振周波数と同期させる制御手段とを有
し、少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記憶合
金薄膜を備えることを特徴とする。In order to achieve the above object, an optical polarizer using a shape memory alloy thin film according to a first aspect of the present invention is provided with a current input part, an output part and a heating part by a resistor. And a control means for synchronizing the frequency of the pulse current for driving the light deflecting means with the resonance frequency of the light deflecting means, and at least by the resistor. It is characterized in that the heat generating portion is provided with a shape memory alloy thin film.
【0009】第2の態様による形状記憶合金薄膜を用い
た光偏光器は、電流の入力部及び出力部と抵抗体による
発熱部と光を反射する反射部を有する光偏向手段と、上
記光偏向手段に通電するパルス電流のデューティ比を所
定の範囲で設定して上記発熱部の加熱時間より放電時間
を長くするよう制御する制御手段とを有し、少なくとも
上記抵抗体による発熱部には形状記憶合金薄膜を備える
ことを特徴とする。The optical deflector using the shape memory alloy thin film according to the second aspect is an optical deflector having an input part and an output part for a current, a heating part by a resistor, and a reflecting part for reflecting light, and the above-mentioned optical deflector. Means for controlling the duty ratio of the pulse current applied to the means within a predetermined range to control the discharge time to be longer than the heating time of the heat generating part, and at least the heat generating part by the resistor has a shape memory. It is characterized by comprising an alloy thin film.
【0010】さらに、第3の態様による形状記憶合金薄
膜を用いた光偏光器は、電流の入力部及び出力部と抵抗
体による発熱部と光を反射する反射部を有する光偏向手
段と、上記光偏向手段のパルス電流を調節して該光偏向
手段の振れ角が最大になるように制御する制御手段とを
有し、少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記憶
合金薄膜を備えることを特徴とする。Further, an optical polarizer using the shape memory alloy thin film according to the third aspect is an optical deflector having an input part and an output part for a current, a heat generating part by a resistor and a reflecting part for reflecting light, and Control means for adjusting the pulse current of the light deflecting means so as to maximize the deflection angle of the light deflecting means, and at least a heat-generating part of the resistor is provided with a shape memory alloy thin film. And
【0011】[0011]
【作用】即ち、本発明の第1の態様による形状記憶合金
薄膜を用いた光偏光器では、制御手段により光偏向手段
を駆動するためのパルス電流の周波数を当該光偏向手段
の共振周波数と同期させらせる。That is, in the optical polarizer using the shape memory alloy thin film according to the first aspect of the present invention, the frequency of the pulse current for driving the optical deflecting means by the control means is synchronized with the resonance frequency of the optical deflecting means. Let
【0012】そして、第2の態様による形状記憶合金薄
膜を用いた光偏光器では、制御手段により光偏向手段に
通電するパルス電流のデューティ比が所定の範囲で設定
され上記発熱部の加熱時間より放電時間を長くするよう
制御される。Further, in the optical polarizer using the shape memory alloy thin film according to the second aspect, the duty ratio of the pulse current applied to the light deflecting means is set within a predetermined range by the control means, and the heating time of the heat generating portion is set. The discharge time is controlled to be long.
【0013】さらに、第3の態様による形状記憶合金薄
膜を用いた光偏光器では、制御手段により光偏向手段の
パルス電流を調節して該光偏向手段の振れ角が最大にな
るように制御される。Further, in the optical deflector using the shape memory alloy thin film according to the third aspect, the control means adjusts the pulse current of the light deflecting means so that the deflection angle of the light deflecting means is maximized. It
【0014】[0014]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図1は第1の実施例に係る形状記憶合金(S
MA;Shape Memory Alloy)薄膜による光偏向部(以下、S
MA光偏向部と略記する)を用いた1次元バーコードリ
ーダとして用いるのに好適な光偏向器の構成図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a shape memory alloy (S
MA; Shape Memory Alloy) Thin film light deflector (hereinafter referred to as S
FIG. 3 is a configuration diagram of an optical deflector suitable for use as a one-dimensional bar code reader using a MA optical deflector).
【0015】この図1において、SMA光偏向部1に
は、後述する図2(a)に示す光偏向部、即ち同一SM
Aで電流の入力部や出力部、屈曲部、反射ミラー部を構
成したものを採用する。このSMA光偏向部1は、公知
のスパッタ法で成膜したTiNiSMA薄膜からなり、
その詳細な製法は以下に示す通りである。In FIG. 1, the SMA light deflector 1 includes an optical deflector shown in FIG.
In A, a current input part, an output part, a bent part, and a reflection mirror part are used. The SMA light deflector 1 is made of a TiNiSMA thin film formed by a known sputtering method,
The detailed manufacturing method is as follows.
【0016】即ち、先ず結晶面が(100)のSi基板
上に、TiNi合金ターゲット、あるいはTiとNiの
個別ターゲットを用い、スパッタ法によりTiNi薄膜
を7〜20μm成膜する。この時の成膜圧力は、低圧の
方がTiNi膜の機械的強度を増す上で好ましく、具体
的には2mtorr程度でTiNiのスパッタ成膜を行
う。次にSi基板を裏側から劈開し、TiNi膜を引き
剥がし、図2(a)に示される形状に鋏で切り出す。上
記TiNi膜を図2(a)の形状に整形するに際して、
Si基板上のTiNi膜をホトリソグラフィでエッチン
グ加工した後、Si基板をアルカリエッチで除去する手
法を用いても良いことは勿論である。That is, first, a TiNi thin film having a thickness of 7 to 20 μm is formed on a Si substrate having a (100) crystal plane by a sputtering method using a TiNi alloy target or an individual target of Ti and Ni. The film forming pressure at this time is preferably a low pressure in order to increase the mechanical strength of the TiNi film, and specifically, the TiNi film is formed by sputtering at about 2 mtorr. Next, the Si substrate is cleaved from the back side, the TiNi film is peeled off, and cut into a shape shown in FIG. When shaping the TiNi film into the shape of FIG.
Of course, a method of etching the TiNi film on the Si substrate by photolithography and then removing the Si substrate by alkali etching may be used.
【0017】続いて、図2(a)の形状に加工したTi
Ni膜を結晶化のための熱処理(結晶化処理)を、例え
ば急速加熱・冷却ができるRTP(Rapid Therml Proces
sor)を用いて800℃の温度で30秒行い、屈曲部1
3,14がU字型になるように治具に拘束し、真空中で
450℃〜550℃の温度で数時間から数10時間の熱
処理(形状記憶処理)を行った後、TiNi膜を治具か
ら取り外し、熱処理で形成されたTiNi膜表面の酸化
膜を加熱した硫酸/過酸化水素水で除去する。Subsequently, Ti processed into the shape shown in FIG.
The heat treatment (crystallization treatment) for crystallizing the Ni film can be performed by, for example, rapid heating / cooling RTP (Rapid Therml Proces).
Sor) for 30 seconds at a temperature of 800 ° C, and bend 1
3 and 14 are constrained by a jig so as to have a U shape, and after heat treatment (shape memory treatment) at a temperature of 450 ° C. to 550 ° C. for several hours to several tens hours in vacuum, the TiNi film is cured. The oxide film on the surface of the TiNi film formed by the heat treatment is removed with heated sulfuric acid / hydrogen peroxide solution.
【0018】このようにして図1のSMA光偏向部1を
作製した後、不図示の絶縁基材上に貼り付け、コンタク
トパッド2,3から導電性ペーストで電気的コンタクト
をとる。このコンタクトパッド2に取り付けたリード線
4には10Ω程度の保護抵抗5を接続する。そして、フ
ァンクションジェネレータ6から、パルス波形を増幅器
7に加え、増幅器7の出力端子8,9からリード線1
0,11を介して電流12をSMA光偏向部1のコンタ
クトパッド2,3に加える。尚、上記SMA光偏向部1
のコンタクトパッド2,3間の抵抗は1Ω以内と小さい
ため、増幅器7の保護のために、SMA光偏向部1には
直列に保護抵抗5を挿入している。After the SMA light deflector 1 shown in FIG. 1 is manufactured in this manner, it is attached to an insulating base material (not shown), and electrical contact is made from the contact pads 2 and 3 with a conductive paste. A protective resistance 5 of about 10Ω is connected to the lead wire 4 attached to the contact pad 2. Then, the pulse waveform is applied to the amplifier 7 from the function generator 6, and the lead wire 1 is output from the output terminals 8 and 9 of the amplifier 7.
A current 12 is applied to the contact pads 2 and 3 of the SMA light deflector 1 via 0 and 11. The SMA light deflector 1
Since the resistance between the contact pads 2 and 3 is as small as 1Ω or less, the protection resistor 5 is inserted in series in the SMA optical deflector 1 to protect the amplifier 7.
【0019】ここで、図2(a)乃至(c)には平面パ
ターンを示し、図2(d)乃至(f)には図2(a)乃
至(c)における断面A−A´、B−B´、C−C´の
様子をそれぞれ示し、上記SMA光偏向部1の構成例に
ついて説明する。2A to 2C show plan patterns, and FIGS. 2D to 2F show cross sections AA ', B in FIGS. 2A to 2C. -B 'and CC' are shown respectively, and a configuration example of the SMA light deflector 1 will be described.
【0020】先ず、図2(a),(d)において、符号
21,22はSMAからなる電流の入力及び出力パッ
ド、符号23,24は同SMAからなる抵抗体である発
熱体、符号25は同SMAからなる光の反射面(ミラー
面)である。この光偏向器の特徴は、電気的コンタクト
を取るためのコンタクトパッド21,22、抵抗体2
3,24、ミラー面25が同一SMA薄膜によって構成
されていることにある。First, in FIGS. 2A and 2D, reference numerals 21 and 22 are current input and output pads made of SMA, reference numerals 23 and 24 are heating elements which are resistors made of the same SMA, and reference numeral 25 is. It is a light reflecting surface (mirror surface) made of the same SMA. This optical deflector is characterized by contact pads 21 and 22 for making electrical contact and a resistor 2
3, 24 and the mirror surface 25 are made of the same SMA thin film.
【0021】そして、図2(b),(e)に示される光
偏向部は、電流の入力部26、電流の出力部27、抵抗
体からなる発熱体28,29を同一SMA薄膜で構成さ
れ、更に、ミラー面30を平滑度及び平坦度が高く、且
つ反射率の高い部材で構成したものである。この構成で
は、ミラー面30を構成する部材をSMA26〜29と
は無関係に選択することができるので、SMA28,2
9が屈曲動作をする時にもミラー面30の平坦度が保た
れるといった特徴がある。In the optical deflector shown in FIGS. 2B and 2E, the current input unit 26, the current output unit 27, and the heating elements 28 and 29 made of resistors are formed of the same SMA thin film. Further, the mirror surface 30 is made of a member having high smoothness and flatness and high reflectance. In this configuration, the members forming the mirror surface 30 can be selected independently of the SMAs 26 to 29, so that the SMAs 28 and 2 can be selected.
There is a feature that the flatness of the mirror surface 30 is maintained even when the bending movement of 9 is performed.
【0022】さらに、図2(c),(f)に示される光
偏向部は、屈曲部35,36にのみSMA薄膜を用い
て、電極パッド31,32と抵抗体からなる発熱体33
を構成する部材と、ミラー面34とを異なる材料で構成
した例である。上記SMA薄膜からなる屈曲部35,3
6は、柔軟性のある絶縁部材37を介して抵抗体からな
る発熱体33により加熱される。Further, in the light deflection portion shown in FIGS. 2C and 2F, the SMA thin film is used only in the bent portions 35 and 36, and the heating element 33 including the electrode pads 31 and 32 and the resistor is formed.
This is an example in which the member forming the and the mirror surface 34 are made of different materials. Bending portions 35 and 3 made of the SMA thin film
6 is heated by a heating element 33 made of a resistor via a flexible insulating member 37.
【0023】この他、電極パッドを低抵抗金属、抵抗体
からなる発熱部材をNiCr等の高抵抗金属や多結晶シ
リコン、屈曲部にSMA薄膜、ミラー面に平滑度、平坦
度の高い部材をそれぞれ最適な素材で構成することも可
能である。In addition, a low resistance metal is used for the electrode pad, a high resistance metal such as NiCr or polycrystalline silicon is used as the heat generating member made of a resistor, an SMA thin film is used for the bent portion, and a member having high smoothness and flatness for the mirror surface, respectively. It is also possible to use the optimum material.
【0024】次に図3には前述したようなスパッタ法で
成膜した20μm厚のSMA(Ti−51.7at%N
i)薄膜に結晶化処理(RTPで800℃、30秒)と
形状記憶処理(550℃、48時間)の熱処理を施した
試料の示差走査熱量分析(DSC)曲線を示す。このS
MAは、高温相であるオーステナイト相と低温相である
マルテンサイト相の間で相変態する時に熱の出入りがあ
るので、この熱の出入りを測定することで、変態する時
の温度、即ち変態点が判る。Next, referring to FIG. 3, a 20 μm thick SMA (Ti-51.7 at% N) film formed by the above-described sputtering method.
i) The differential scanning calorimetry (DSC) curve of the sample which heat-processed the crystallization process (800 degreeC, 30 second at RTP) and the shape memory process (550 degreeC, 48 hours) was performed to the thin film. This S
MA has heat input and output during phase transformation between an austenite phase which is a high temperature phase and a martensite phase which is a low temperature phase. Therefore, by measuring the heat input and output, the temperature at the time of transformation, that is, the transformation point I understand.
【0025】即ち、図3において、曲線301は、試料
を一旦100℃に昇温した後、徐々に温度を下げて行っ
た時のDSC曲線である。当該曲線301では、28.
9℃にピークを持つ放熱が観測され、これはオーステナ
イト相とマルテンサイト相の一種であるRhombohedral相
(以下、R相と略記する)の間での相変態に相当する。
このDSC曲線301より、R相変態開始温度(以下、
Rsと略記する)は41.5℃、R相変態終了温度(以
下、Rfと略記する)は21.3℃であることが判る。
従って、室温付近ではこのSMAはR相をとることとな
る。That is, in FIG. 3, a curve 301 is a DSC curve when the temperature of the sample is once raised to 100 ° C. and then gradually lowered. In the curve 301, 28.
A heat release having a peak at 9 ° C. was observed, which corresponds to a phase transformation between an austenite phase and a Rhombohedral phase (hereinafter abbreviated as R phase), which is a type of martensite phase.
From this DSC curve 301, the R phase transformation start temperature (hereinafter,
It can be seen that Rs is abbreviated as 41.5 ° C. and R phase transformation end temperature (hereinafter abbreviated as Rf) is 21.3 ° C.
Therefore, this SMA takes the R phase near room temperature.
【0026】これに対して、曲線302は試料を低温か
ら徐々に温度を上げて行った時のDSC曲線である。こ
の曲線302では、35.1℃にピークを持つ吸熱が観
測され、これはR相からオーステナイト相への逆変態が
起こっていることを示している。このDSC曲線302
より、オーステナイト変態開始温度(以下、Asと略記
する)は31.3℃、オーステナイト変態終了温度(以
下、Afと略記する)は39.8℃であることが判る。On the other hand, the curve 302 is a DSC curve when the temperature of the sample is gradually raised from low temperature. In this curve 302, an endotherm having a peak at 35.1 ° C. is observed, which indicates that the reverse transformation from the R phase to the austenite phase is occurring. This DSC curve 302
From this, it is understood that the austenite transformation start temperature (hereinafter abbreviated as As) is 31.3 ° C. and the austenite transformation end temperature (hereinafter abbreviated as Af) is 39.8 ° C.
【0027】先に図2(a)に示した形状のSMA薄膜
による光偏向部は、室温では平坦に近い形状(符号30
3,側面図は符号304)をしている。これをホットプ
レート上で加熱するとU字型に屈曲する(符号305,
側面図は符号306)。これを再び室温に戻すと元の形
状(符号303,側面図は符号304)に戻る。これよ
り本実施例のSMA光偏向部1は2方向性の形状記憶特
性を示すことが判る。The light deflecting portion made of the SMA thin film having the shape shown in FIG. 2A is nearly flat at room temperature (reference numeral 30).
3, the side view is indicated by reference numeral 304). When this is heated on a hot plate, it bends in a U shape (reference numeral 305,
The side view is designated by reference numeral 306). When this is returned to room temperature again, it returns to the original shape (reference numeral 303, reference numeral 304 in the side view). From this, it can be seen that the SMA light deflector 1 of this embodiment exhibits a bidirectional shape memory characteristic.
【0028】このような原理により、上記SMA光偏向
部1に実際に電流12が流れると、室温でR相をとって
いたSMA光偏向部1は屈曲部13,14がジュール熱
で加熱され、高温相であるオーステナイト相へ変態す
る。そして、R相では平坦に近い形状をしていたSMA
光偏向部1は、オーステナイト相に変態することで、形
状記憶したU字型の形状に形状回復する。前述したよう
に、SMA光偏向部1が2方向形状記憶されているの
で、電流12を切ることで、SMA光偏向部1は自然冷
却されてR相に戻り、形状は平坦に近いものとなる。即
ち、ファンクションジェネレータ6からパルス電圧を加
える(ON状態)ことにより、SMA光偏向部1はU字
型の屈曲形状をとり、ファンクションジェネレータ6の
電圧を0Vにする(OFF状態)ことにより、SMA光
偏向部1は平坦に近い形状となる。According to such a principle, when the current 12 actually flows through the SMA light deflecting portion 1, the bending portions 13 and 14 of the SMA light deflecting portion 1 which is in the R phase at room temperature are heated by Joule heat, It transforms to the high temperature austenite phase. Then, in the R phase, the SMA having a shape close to a flat surface
The light deflector 1 transforms into an austenite phase, and thereby recovers the shape-memorized U-shape. As described above, since the SMA light deflecting unit 1 has a two-way shape memory, by turning off the current 12, the SMA light deflecting unit 1 is naturally cooled and returns to the R phase, and the shape becomes nearly flat. . That is, by applying a pulse voltage from the function generator 6 (ON state), the SMA light deflector 1 takes a U-shaped bent shape, and by setting the voltage of the function generator 6 to 0 V (OFF state), the SMA light The deflection unit 1 has a shape that is almost flat.
【0029】さらに、ファンクションジェネレータ6の
ON,OFFを繰り返すことにより、SMA光偏向部1
は機械的に振動することになる。SMA光偏向部1が振
動している状態で、レーザダイオード(LD)15から
の光16がSMA光偏向部1の光反射面17に入射する
と、その反射光18は垂直方向に走査されることにな
る。この走査光18でバーコード19を走査することに
より、図1に示した光偏向器はバーコードスキャナとし
て機能することができる。Further, by repeatedly turning the function generator 6 ON and OFF, the SMA light deflector 1
Will vibrate mechanically. When the light 16 from the laser diode (LD) 15 is incident on the light reflection surface 17 of the SMA light deflector 1 while the SMA light deflector 1 is vibrating, the reflected light 18 is vertically scanned. become. By scanning the barcode 19 with the scanning light 18, the optical deflector shown in FIG. 1 can function as a barcode scanner.
【0030】次に図4にはSMA光偏向部の振動特性を
調べるための測定系の構成を示し説明する。同図に示さ
れるように、ファンクションジェネレータ42で発生し
たパルス信号は、増幅器43で増幅され、電流44は1
0Ωの保護抵抗45を介してSMA光偏向部41のコン
タクトパッド46へ流入し、SMA光偏向部41を通過
した後、他方のコンタクトパッド47から増幅器43へ
と戻る。Next, FIG. 4 shows the configuration of a measuring system for examining the vibration characteristics of the SMA light deflecting section, and the description will be given. As shown in the figure, the pulse signal generated by the function generator 42 is amplified by the amplifier 43, and the current 44 becomes 1
It flows into the contact pad 46 of the SMA light deflector 41 through the 0Ω protection resistor 45, passes through the SMA light deflector 41, and then returns from the other contact pad 47 to the amplifier 43.
【0031】SMA光偏向部41は電流が流れることに
より、ジュール熱により加熱され、形状記憶された屈曲
部48,49がU字型に屈曲する。そして、電流44を
切ると、SMA光偏向部41の屈曲部48,49は平坦
形状に戻ろうとする。The SMA light deflector 41 is heated by Joule heat when a current flows, and the shape-memorized bent portions 48 and 49 are bent in a U shape. Then, when the current 44 is cut off, the bent portions 48 and 49 of the SMA light deflection portion 41 try to return to the flat shape.
【0032】実際には電流を切ってもSMA屈曲部4
8,49の温度は自然放熱で冷却されるため、直ぐには
平坦形状には戻らない。SMA光偏向部41は、室温で
の形状に戻りきらないうちに再度通電加熱され、U字型
に屈曲し、以下、順次この動作を繰り返すことで、SM
A光偏向部41は機械的な振動を発生する。Actually, even if the current is cut off, the SMA bending portion 4
Since the temperatures of 8 and 49 are cooled by natural heat dissipation, they do not immediately return to a flat shape. The SMA light deflector 41 is electrically heated again before it returns to the shape at room temperature, bends into a U-shape, and then repeats this operation in order to obtain the SM.
The A light deflector 41 generates mechanical vibration.
【0033】レーザ変位計50は、LD51から出射さ
れた光52を被写体に照射し、被写体からの反射光53
を光検出器54で検知し、被写体の移動距離を測定する
ものである。当該レーザ変位計50によれば、SMA光
偏向部41の光反射面55を被写体として、周期的なパ
ルス通電加熱により振動しているSMA光偏向部の振動
特性を測定できる。The laser displacement meter 50 irradiates the subject with light 52 emitted from the LD 51, and reflects light 53 from the subject.
Is detected by the photodetector 54, and the moving distance of the subject is measured. According to the laser displacement meter 50, it is possible to measure the vibration characteristic of the SMA light deflecting unit which is vibrating due to the periodic pulse current heating with the light reflecting surface 55 of the SMA light deflecting unit 41 as a subject.
【0034】ここで、図5はSMA光偏向部41にパル
ス通電した時に発生するSMA光偏向部41の屈曲変位
をレーザ変位計で計測したものである。図5(a)は室
温(T≦Rf)でのSMA光偏向部41の側面形状で、
破線61の示されるように平坦よりもやや角度を有する
形状をしている。そして、図5(c)は温度T≧Afの
領域でのSMA光偏向部41の側面形状で、形状記憶し
たU字型の形状(破線62)をしている。従って、本実
施例におけるSMA光偏向部41の可動範囲は図5
(b)に示されるように破線61と62の状態の間とな
る。Here, FIG. 5 is a graph in which the bending displacement of the SMA light deflecting portion 41 generated when the SMA light deflecting portion 41 is energized with a pulse is measured by a laser displacement meter. FIG. 5A is a side view of the SMA light deflector 41 at room temperature (T ≦ Rf).
As shown by the broken line 61, the shape is slightly more angled than flat. Then, FIG. 5C shows a side surface shape of the SMA light deflecting section 41 in a region of temperature T ≧ Af, which has a U-shaped shape (broken line 62) in which the shape is memorized. Therefore, the movable range of the SMA light deflector 41 in this embodiment is shown in FIG.
As shown in (b), it is between the states of broken lines 61 and 62.
【0035】このSMA光偏向部41を駆動する時に重
要なことは、振動の中心63が破線61と破線62の間
に位置するように駆動電流パルスの振幅、パルスを選択
することである。駆動パルスの振幅、パルス幅が不適切
で、例えば加熱し過ぎる条件でSMA光偏向部41を駆
動すると、SMA光偏向部41は破線62の形状に固定
されてしまい、振動を得ることはできない。What is important when driving the SMA light deflector 41 is to select the amplitude and pulse of the drive current pulse so that the center of vibration 63 is located between the broken line 61 and the broken line 62. If the amplitude and pulse width of the drive pulse are inappropriate, and the SMA light deflector 41 is driven under the condition of overheating, for example, the SMA light deflector 41 is fixed in the shape of the broken line 62, and vibration cannot be obtained.
【0036】実際のSMA光偏向部41の駆動電流、温
度、変位の関係は図6に示される。即ち、図6におい
て、符号64a〜64dは駆動電流パルスで、これに伴
いSMA光偏向部41の発熱部の温度は符号65a〜6
5dのように室温(Rf以内)からAf以上の温度まで
昇温される。電流パルスを切るとSMA光偏向部41の
温度は符号66a〜66dのように、自然放熱によって
Rfに下降する。実際の動作でRfまで降温する必要は
必ずしもないが、少なくともAs以下には下げる必要が
ある。SMA光偏向部41を片持ち梁として共振周波数
に同期した電流パルスで駆動すると、符号67に示すよ
うな正弦波状の変位が得られる。符号68は変位の中央
値、符号69は変位の最大値、符号70は変位の最小
値、符号69と70の距離71は変位振幅である。FIG. 6 shows the relationship among the actual drive current, temperature, and displacement of the SMA light deflector 41. That is, in FIG. 6, reference numerals 64a to 64d are drive current pulses, and accordingly, the temperatures of the heat generating portions of the SMA optical deflector 41 are reference numerals 65a to 6d.
As in 5d, the temperature is raised from room temperature (within Rf) to a temperature of Af or higher. When the current pulse is cut off, the temperature of the SMA light deflector 41 falls to Rf due to natural heat dissipation as indicated by reference numerals 66a to 66d. It is not always necessary to lower the temperature to Rf in actual operation, but it is necessary to lower it to at least As or lower. When the SMA light deflector 41 is cantilevered and driven by a current pulse synchronized with the resonance frequency, a sinusoidal displacement shown by reference numeral 67 is obtained. Reference numeral 68 is a median value of displacement, reference numeral 69 is a maximum value of displacement, reference numeral 70 is a minimum value of displacement, and a distance 71 between the reference numerals 69 and 70 is a displacement amplitude.
【0037】次に図7には図4に示した測定系を用いて
7μm厚のSMA薄膜で形成した光偏向部41のパルス
駆動時の屈曲変位特性を示す。図7(a)は横軸を駆動
周波数[Hz]、縦軸を変位計出力(変位振幅)[m
m]として示している。45Hzで急峻な屈曲変位のピ
ークが観測され、この時のSMA光偏向部41の振動は
角度にして約30度であった。この変位のピーク周波数
は材料と形状できまる共振周波数であると考えられる。
片持ち梁の共振周波数fR は次式(1)で与えられるこ
とが知られている。Next, FIG. 7 shows the bending displacement characteristics of the optical deflector 41 formed of a 7 μm thick SMA thin film using the measurement system shown in FIG. 4 during pulse driving. In FIG. 7A, the horizontal axis represents the driving frequency [Hz], and the vertical axis represents the displacement meter output (displacement amplitude) [m
m]. A sharp bending displacement peak was observed at 45 Hz, and the vibration of the SMA light deflector 41 at this time was about 30 degrees in angle. The peak frequency of this displacement is considered to be the resonance frequency that depends on the material and shape.
It is known that the resonance frequency fR of the cantilever is given by the following equation (1).
【0038】[0038]
【数1】 [Equation 1]
【0039】ここで、tは膜厚、lは梁の長さ、Eはヤ
ング率、ρは密度である。TiNiのヤング率を100
GPa、ρ=6.5、t=7μm、l=1cmを式
(1)に代入すると、fR 44Hzが得られ、これは、
図7(a)に示した7μm厚のSMA光偏向部41の周
波数特性から得られた共振周波数に一致する。Here, t is film thickness, l is beam length, E is Young's modulus, and ρ is density. TiNi Young's modulus is 100
Substituting GPa, ρ = 6.5, t = 7 μm, l = 1 cm into equation (1) gives fR 44 Hz, which is
It matches the resonance frequency obtained from the frequency characteristic of the 7 μm thick SMA light deflector 41 shown in FIG. 7A.
【0040】これに対して、図7(b)は7μm厚のS
MA薄膜を用いた光偏向部の45Hzにおける駆動パル
スのデューティ比(パルス幅)に対する変位計出力の関
係を示している。同図よりデューティ比〜10%でパル
ス駆動したところに変位の最大値が存在することが判
り、これは、7μm厚SMA光偏向部の応答速度を決め
ているのは、放熱の過程であることを示している。On the other hand, FIG. 7 (b) shows a 7 μm thick S
The relationship of the displacement meter output to the duty ratio (pulse width) of the drive pulse at 45 Hz of the optical deflector using the MA thin film is shown. From the figure, it can be seen that there is a maximum value of displacement when pulse driving with a duty ratio of -10%, and this is because the process of heat dissipation determines the response speed of the 7 μm thick SMA optical deflector. Is shown.
【0041】図8(a)は12μm厚のSMA光偏向部
の駆動周波数と変位計出力の関係、図8(b)は駆動パ
ルスのデューティ比(パルス幅)に対する変位計出力の
関係を示したものである。同図より、12μm厚のSM
A光偏向部の場合には、80Hzで変位振幅が最大にな
り(共振周波数)、デューティ比10%程度で変位出力
は最大になることが判る。FIG. 8A shows the relationship between the drive frequency of the 12 μm thick SMA light deflector and the displacement meter output, and FIG. 8B shows the relationship between the displacement meter output and the duty ratio (pulse width) of the drive pulse. It is a thing. From the figure, 12 μm thick SM
In the case of the A light deflector, it can be seen that the displacement amplitude becomes maximum at 80 Hz (resonance frequency), and the displacement output becomes maximum at a duty ratio of about 10%.
【0042】図9(a)は20μm厚のSMA光偏向部
の駆動周波数と変位計出力の関係、図9(b)は駆動パ
ルスのデューティ比(パルス幅)に対する変位計出力の
関係を示したものである。同図より、20μm厚のSM
A光偏向部の場合、125Hzで変位振幅が最大になり
(共振周波数)、デューティ比10%程度で変位出力は
最大になることが判る。FIG. 9A shows the relationship between the driving frequency of the 20 μm thick SMA light deflector and the displacement meter output, and FIG. 9B shows the relationship between the displacement meter output and the duty ratio (pulse width) of the driving pulse. It is a thing. From the figure, 20 μm thick SM
In the case of the A-light deflector, it can be seen that the displacement amplitude becomes maximum at 125 Hz (resonance frequency), and the displacement output becomes maximum at a duty ratio of about 10%.
【0043】これら図7乃至図9より、7,12,20
μm厚のSMA光偏向部は共通に、その共振周波数でパ
ルス通電駆動することによって振動の変位振幅が最大と
なり、また駆動パルスのデューティ比は10%付近が振
動の変位振幅を大きく取るのに有効であることが判る。From these FIG. 7 to FIG. 9, 7, 12, 20
The μm-thick SMA optical deflector is commonly used to maximize the displacement amplitude of vibration by driving the pulsed current at its resonance frequency, and the duty ratio of the driving pulse is effective to obtain a large displacement amplitude of vibration at around 10%. It turns out that
【0044】この7,12,20μm厚のSMA光偏向
部の、図7乃至図9より得られた共振周波数fR と膜厚
の関係は図10に示される。同図及び上記(1)式から
も明らかなようにfR は膜厚に比例している。このこと
から光偏向に必要な周波数が明らかになれば、これを共
振周波数とするSMA膜厚が判ることになる。FIG. 10 shows the relationship between the resonance frequency fR and the film thickness obtained from FIGS. 7 to 9 in the SMA light deflector having a thickness of 7, 12, 20 μm. As is clear from the figure and the above formula (1), fR is proportional to the film thickness. From this, if the frequency necessary for light deflection is clarified, the SMA film thickness with this as the resonance frequency can be known.
【0045】次に図11は20μm厚SMA光偏向部に
おける駆動周波数に対する振動振幅の関係を空調の送風
のある環境下で測定したものである。SMAの駆動は熱
(温度)によるものなので、送風の状態でSMAの温度
が変わると機械的な動作点(振動の中心63の位置)が
変わり、また共振周波数も異なってしまう。これは、熱
駆動を動作原理とし、共振周波数で駆動するSMA光偏
向部を安定に動作させる上で極めて大きな問題である。Next, FIG. 11 shows the relationship between the drive amplitude and the vibration amplitude in the 20 μm thick SMA light deflector measured in an environment with air-conditioning airflow. Since the driving of the SMA is by heat (temperature), if the temperature of the SMA changes in the blowing condition, the mechanical operating point (the position of the center of vibration 63) changes and the resonance frequency also changes. This is an extremely large problem in stably operating the SMA light deflector driven at the resonance frequency based on the principle of thermal driving.
【0046】次に図12はSMA光偏向部が環境温度や
風の影響で機械的な動作条件が変動するのを防止するた
めの本発明の第1実施例を示すブロック図である。同図
に示されるように、SMA光偏向部81の屈曲変位を検
出するために、ラインセンサあるいは位置検出素子(PS
D;Position Sensitive Detector) からなる光センサ8
2を設け、これにより変位振幅中央値、即ち振動の中心
と、変位振幅を検出する。SMA光偏向部81と光セン
サ82の位置関係は、SMA光偏向部81の変位振幅が
最大となる時に、その振動の中心位置からの位置検出光
(図13の96,97)が、光センサの所定の位置(例
えば中心)に集光するようにする。光センサ82の長さ
は、SMA光偏向部81の変位振幅が最大となった時の
検出光の光走査幅よりも長くしておく。振動の中心と変
位振幅の2つの情報から演算回路83で、図15に示す
アルゴリズムでSMA光偏向部の変位振幅が最大となる
ように、駆動パルスのデューティ比や振幅、オフセット
電圧を求める。そして、演算回路83の結果を基に、波
形発生回路84で駆動電圧を発生し、増幅器85により
SMA光偏向部81を通電加熱する。Next, FIG. 12 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention for preventing the mechanical operating conditions of the SMA light deflecting section from varying due to the influence of environmental temperature and wind. As shown in the figure, in order to detect the bending displacement of the SMA light deflector 81, a line sensor or a position detection element (PS
Optical sensor 8 consisting of D; Position Sensitive Detector)
2 is provided to detect the median displacement amplitude, that is, the center of vibration and the displacement amplitude. The positional relationship between the SMA light deflector 81 and the optical sensor 82 is such that when the displacement amplitude of the SMA light deflector 81 is maximized, the position detection light (96, 97 in FIG. 13) from the center position of the vibration is detected by the optical sensor. The light is focused at a predetermined position (for example, the center). The length of the optical sensor 82 is set to be longer than the optical scanning width of the detection light when the displacement amplitude of the SMA optical deflector 81 becomes maximum. From the two pieces of information of the vibration center and the displacement amplitude, the arithmetic circuit 83 obtains the duty ratio, the amplitude, and the offset voltage of the drive pulse so that the displacement amplitude of the SMA light deflector is maximized by the algorithm shown in FIG. Then, based on the result of the arithmetic circuit 83, the waveform generating circuit 84 generates a drive voltage, and the amplifier 85 heats the SMA light deflector 81 by energization.
【0047】ここで、図13を参照してSMA光偏向部
81の変位検出について説明する。同図に示されるよう
に、SMA光偏向部91にはLD92からの出射光93
が当該SMA光偏向部91の反射面94に入射し、SM
A光偏向部91の屈曲変位により偏向されバーコード9
5を走査する。走査光の戻り光96,97がラインセン
サあるいはPSDからなる光センサ98で受光される。
ここでは、簡単のために光学系を省略してあるが、LD
92とSMA光偏向部94の間にコリメート用レンズ、
反射光96,97を集光するためのレンズを挿入するこ
とは可能である。さらに、光センサ98にはバーコード
リーダの読み取り用CCDラインセンサを兼用すること
もできる。Here, the displacement detection of the SMA light deflector 81 will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the SMA light deflector 91 outputs light 93 emitted from the LD 92.
Enters the reflecting surface 94 of the SMA light deflector 91, and the SM
The bar code 9 is deflected by the bending displacement of the A light deflector 91.
Scan 5. The return light 96, 97 of the scanning light is received by an optical sensor 98 composed of a line sensor or a PSD.
Although the optical system is omitted here for the sake of simplicity, the LD
A collimating lens between 92 and the SMA light deflector 94,
It is possible to insert a lens for collecting the reflected lights 96 and 97. Further, the optical sensor 98 can also serve as the reading CCD line sensor of the barcode reader.
【0048】このようなSMA光偏向部の変位検出法は
図14に示すように変形することができる。即ち、図1
4(a)に示される第1の変形例では、LD101から
出射し、SMA光偏向部102の光反射面103で反射
した光104の光路にハーフミラー105を設置し、走
査光104の一部をSMA光偏向部102の変位検出光
106として用い、ラインセンサあるいはPSDからな
る光センサ107へと導く。この変形例はハーフミラー
105の位置をSMA光偏向部102の近くに設置する
ことで、検出光106の走査幅が小さくなり、光センサ
107の長さを短くすることができ、SMA光偏向器の
小型化に役立つ。The displacement detecting method of the SMA light deflector can be modified as shown in FIG. That is, FIG.
In the first modified example shown in FIG. 4A, the half mirror 105 is installed in the optical path of the light 104 emitted from the LD 101 and reflected by the light reflecting surface 103 of the SMA light deflecting unit 102, and a part of the scanning light 104 is provided. Is used as the displacement detection light 106 of the SMA light deflector 102, and is guided to an optical sensor 107 composed of a line sensor or a PSD. In this modification, the half mirror 105 is installed near the SMA light deflector 102, so that the scanning width of the detection light 106 can be reduced and the length of the optical sensor 107 can be shortened. Helps reduce size.
【0049】そして、図14(b)に示される第2の変
形例は、光偏向用の光源108の他に、SMA光偏向部
102の変位検出用に第2の光源109を用いることを
特徴とする。LD108から出射された光は、SMA光
偏向部102の反射面103で反射され、走査光104
となる。第2の光源LD109から出射された光111
は、SMA光偏向部102の屈曲部112付近に照射さ
れ、その反射光113はラインセンサあるいはPSDか
らなる光センサ107へ導かれる。この変形例では走査
光路に光損失を伴う光学部材(第1の変形例のハーフミ
ラー105等に相当)がないので、LD108からの光
110は、反射面103の反射率が100%であれば、
強度を損なわずに走査光104を得ることができる。ま
た、第2の光源109を用いることにより、SMA光偏
向部102の変位検出のための照射部位を任意に選べる
ので、光センサ107の配置を光偏向器の小型化に適す
る位置に配置することができる。The second modification shown in FIG. 14B is characterized in that a second light source 109 is used for detecting displacement of the SMA light deflector 102, in addition to the light deflecting light source 108. And The light emitted from the LD 108 is reflected by the reflecting surface 103 of the SMA light deflector 102, and the scanning light 104
Becomes Light 111 emitted from the second light source LD109
Is irradiated near the bent portion 112 of the SMA light deflector 102, and the reflected light 113 is guided to the optical sensor 107 composed of a line sensor or a PSD. In this modified example, since there is no optical member (corresponding to the half mirror 105 or the like in the first modified example) in the scanning optical path, the light 110 from the LD 108 will have a reflectance of the reflective surface 103 of 100%. ,
The scanning light 104 can be obtained without impairing the intensity. Further, by using the second light source 109, an irradiation site for displacement detection of the SMA light deflector 102 can be arbitrarily selected, so that the optical sensor 107 should be arranged at a position suitable for downsizing the optical deflector. You can
【0050】さらに、図14(c)に示される第3の変
形例は、変位検出光を光源101からSMA光偏向部1
02に入射する前に光が分岐して用いることを特徴とす
る。LD101から出射された光110はハーフミラー
114で分岐され、分岐光115,116となる。分岐
光115はSMA光偏向部102の反射面103で反射
され走査光104となる。分岐光116は全反射ミラー
117で反射され、SMA光偏向部102の屈曲部11
2付近を照射し、その反射光118はラインセンサ或る
いはPSDからなる光センサ107へ導かれる。ハーフ
ミラー114と全反射ミラー117の配置によって、変
位検出光の光路を任意に設定できるので、SMA光偏向
部102における検出光の照射部位を適当な位置に選定
でき、光センサ107の配置を含めて光偏向器の小型化
に役立つ。Further, in the third modification shown in FIG. 14C, the displacement detection light is transmitted from the light source 101 to the SMA light deflector 1.
It is characterized in that the light is branched and used before being incident on 02. The light 110 emitted from the LD 101 is branched by the half mirror 114 and becomes branched lights 115 and 116. The branched light 115 is reflected by the reflection surface 103 of the SMA light deflector 102 and becomes scanning light 104. The branched light 116 is reflected by the total reflection mirror 117, and the bent portion 11 of the SMA light deflecting unit 102 is reflected.
The vicinity of 2 is irradiated, and the reflected light 118 is guided to the optical sensor 107 composed of a line sensor or a PSD. By arranging the half mirror 114 and the total reflection mirror 117, the optical path of the displacement detection light can be arbitrarily set, so that the detection light irradiation site in the SMA light deflector 102 can be selected at an appropriate position, and the arrangement of the optical sensor 107 is included. This helps reduce the size of the optical deflector.
【0051】また、図14(d)に示される第4の変形
例では、第1の光源LD101から出射された光110
はSMA光偏向部102の反射面103で反射され、走
査光104となる。第2の光源LD109から出射され
た光111は、走査光104が反射する面103とは反
対側の面に照射し、その反射光119をラインセンサあ
るいはPSDからなる光センサ107へ導く。変位検出
光を発生する第2の光源LD109を走査光を発生する
第1の光源LD101から離した位置に設けることがで
き、また、変位検出光111の入射をSMA光偏向部1
02の発熱部112の隙間から行うことができ、光セン
サ107をSMA光偏向部102の後方に配置できる
為、空間を有効に利用できる利点がある。Further, in the fourth modified example shown in FIG. 14D, the light 110 emitted from the first light source LD101.
Is reflected by the reflecting surface 103 of the SMA light deflector 102 and becomes scanning light 104. The light 111 emitted from the second light source LD 109 irradiates a surface opposite to the surface 103 on which the scanning light 104 is reflected, and guides the reflected light 119 to an optical sensor 107 including a line sensor or a PSD. The second light source LD109 that generates the displacement detection light can be provided at a position apart from the first light source LD101 that generates the scanning light, and the displacement detection light 111 can be incident on the SMA light deflector 1.
No. 02 heat generating portion 112 and the optical sensor 107 can be arranged behind the SMA light deflecting portion 102, so that space can be effectively used.
【0052】次に図15のフローチャートを参照して、
第2実施例として、図12の上記演算回路83の機能を
説明する。図12の光センサ82等からなるSMA光偏
向部41の変位信号を基に、まずSMA光偏向部41の
共振周波数を求める。これは、図17に示す低周波(3
Hz程度)電流パルスでSMA屈曲部がAf以上の温度
になるまで加熱される条件で駆動し、その時の変位信号
に含まれる振動が共振周波数fR であることより求まる
(ステップS1)。Next, referring to the flowchart of FIG.
As a second embodiment, the function of the arithmetic circuit 83 shown in FIG. 12 will be described. First, the resonance frequency of the SMA light deflector 41 is obtained based on the displacement signal of the SMA light deflector 41 including the optical sensor 82 of FIG. This corresponds to the low frequency (3
Driven under the condition that the SMA bent portion is heated to a temperature of Af or higher by a current pulse, and the vibration contained in the displacement signal at that time is obtained from the resonance frequency fR (step S1).
【0053】次に駆動パルスのデューティ比を10%、
駆動周波数をfR に固定し、振動変位の中点、即ち振動
の中心が変位センサの中央部に来るように駆動パルス振
幅を調整する。尚、変位振幅が最大の時の振動の中心か
らの検出光が光センサ中央部にくるように配置されてい
るものとする。この調整によりSMA光偏向部41の機
械的動作点が設定できる(ステップS2)。Next, the duty ratio of the drive pulse is 10%,
The drive frequency is fixed at fR, and the drive pulse amplitude is adjusted so that the midpoint of the vibration displacement, that is, the center of vibration is at the center of the displacement sensor. It is assumed that the detection light from the center of vibration when the displacement amplitude is maximum is arranged so as to come to the center of the optical sensor. By this adjustment, the mechanical operating point of the SMA light deflector 41 can be set (step S2).
【0054】続いて、周囲温度が変わったり、風の影響
でSMAの温度が変わるとSMA光偏向部41の機械的
動作点が変動する。SMAの温度が上昇すると、SMA
光偏向部41の動作点は屈曲側に変動する(ステップS
3)。この時は冷却を必要とし、具体的には駆動パルス
の振幅を減少する(ステップS4)。Subsequently, if the ambient temperature changes or the temperature of the SMA changes due to the influence of the wind, the mechanical operating point of the SMA light deflector 41 changes. When the temperature of SMA rises, SMA
The operating point of the light deflector 41 changes to the bending side (step S
3). At this time, cooling is required, and specifically, the amplitude of the drive pulse is reduced (step S4).
【0055】一方、SMAの温度が下がると、SMA光
偏向部41の機械的動作点は平坦側に変動する(ステッ
S3)。この時は駆動パルスの振幅を増加するか、ある
いはSMAを加熱するためのオフセット電圧を駆動パル
スに重畳する(ステップS5)。具体的には図16に示
すようにオフセット電圧(図16(a))とパルス電圧
(図16(b))を足し合わせて駆動電圧(図16
(c))を生成する。On the other hand, when the temperature of the SMA decreases, the mechanical operating point of the SMA light deflector 41 fluctuates to the flat side (step S3). At this time, the amplitude of the drive pulse is increased or an offset voltage for heating the SMA is superimposed on the drive pulse (step S5). Specifically, as shown in FIG. 16, the offset voltage (FIG. 16 (a)) and the pulse voltage (FIG. 16 (b)) are added together to produce the drive voltage (FIG. 16).
(C)) is generated.
【0056】次に変位振幅が最大(Amax )になるよう
にデューティ比を調整する(ステップS6)。そして、
Amax と比較して振動振幅が減少していない場合には上
記ステップS3に戻り、減少している場合には振動周波
数を上げる(ステップS7,S8)。続いて、|ΔA/
Δf|≧Kである場合にはステップS3に戻り、そうで
ない場合には振動振幅が更に減少しているか検出する
(ステップS9,S10)。そして、振動振幅が更に減
少している場合には共振周波数が変動したことを意味す
るので、ステップS7時点の振動周波数より下げ、減少
していない場合には駆動周波数を上げる(ステップS1
1,S12)。以上の操作で周囲温度の変動によるSM
A光偏向部の機械的動作点の変動を抑制し、振動振幅
(変位振幅)が常に最大になるような駆動周波数でSM
A光偏向部41を駆動する。Next, the duty ratio is adjusted so that the displacement amplitude becomes maximum (Amax) (step S6). And
If the vibration amplitude has not decreased compared to Amax, the process returns to step S3, and if it has decreased, the vibration frequency is increased (steps S7 and S8). Then, | ΔA /
If Δf | ≧ K, the process returns to step S3, and if not, it is detected whether the vibration amplitude is further reduced (steps S9 and S10). If the vibration amplitude further decreases, it means that the resonance frequency has changed. Therefore, the vibration frequency is lowered from the vibration frequency at the time of step S7, and if not decreased, the drive frequency is increased (step S1).
1, S12). With the above operation, SM due to changes in ambient temperature
A SM with a drive frequency that suppresses fluctuations in the mechanical operating point of the light deflector and always maximizes the vibration amplitude (displacement amplitude).
The A light deflection unit 41 is driven.
【0057】次に図17及び図18には、7μm厚のS
MA光偏向部41をデューティ比10%、駆動パルス電
流0.455Aで駆動した時の変位計出力(変位振幅)
の駆動周波数依存性を示す。共振周波数fR は46Hz
であり、この時の駆動パルス121aと振動変位122
aの観測例は図18(a)に示される。同図において、
変位振幅は符号123aで示され、1回の駆動パルス1
21aにつき1回の変位振幅123aが得られている
(n=1)。Next, in FIGS. 17 and 18, S having a thickness of 7 μm is used.
Displacement meter output (displacement amplitude) when the MA light deflection unit 41 is driven with a duty ratio of 10% and a drive pulse current of 0.455 A
Shows the drive frequency dependence of the. Resonance frequency fR is 46Hz
And the drive pulse 121a and the vibration displacement 122 at this time
An observation example of a is shown in FIG. In the figure,
The displacement amplitude is indicated by reference numeral 123a, and one drive pulse 1
The displacement amplitude 123a is obtained once per 21a (n = 1).
【0058】駆動周波数をfR から下げて行くと、変位
振幅は一旦減少するが、fR /2の周波数で変位振幅は
再びピークを持つ。この時の駆動パルス121bと振動
変位122bの観測例は図18(b)に示される。同図
において、1回の駆動パルス121bで2回の変位振動
が得られている(n=2)。即ち、駆動周波数はfR/
2になっているにも拘らず、変位信号の周波数はfR に
保たれている。When the drive frequency is lowered from fR, the displacement amplitude temporarily decreases, but the displacement amplitude peaks again at the frequency of fR / 2. An example of observation of the drive pulse 121b and the vibration displacement 122b at this time is shown in FIG. In the figure, displacement vibration is obtained twice with one drive pulse 121b (n = 2). That is, the drive frequency is fR /
Despite being 2, the frequency of the displacement signal is kept at fR.
【0059】同様に、駆動周波数がfR /3の場合にも
変位振幅にピークがあり、この時の駆動パルス121c
と振動変位122cの観測例は図18(c)に示され
る。同図より、1回の駆動パルスで3回の変位振動が得
られていることが判る(n=3)。このように、変位振
幅123は駆動周波数がfR /n(nは正の整数)の周
波数でピークを持ち、この時、SMA光偏向部41は共
振状態を保つ。このような共振状態はn=6まで観測さ
れた。Similarly, when the drive frequency is fR / 3, there is a peak in the displacement amplitude, and the drive pulse 121c at this time is present.
An example of observation of the vibration displacement 122c is shown in FIG. From the figure, it can be seen that displacement vibration is obtained three times with one drive pulse (n = 3). As described above, the displacement amplitude 123 has a peak at the frequency of the drive frequency fR / n (n is a positive integer), and at this time, the SMA optical deflector 41 maintains the resonance state. Such a resonance state was observed until n = 6.
【0060】これ以下の低周波駆動を行うと、熱駆動に
よるSMA光偏向部41の変位が観測され、大変位の中
に共振周波数が重畳された振動変位を示す。即ち、3H
zで駆動した時の駆動パルス121dと振動変位122
dの観測例は図18(d)に示される。同図より、大き
な変位振動の中に46Hzの共振周波数が重畳している
ことが判る。このことは低周波駆動した時の変位を観測
すれば、共振周波数が測定できることを示している。第
2実施例では、SMA光偏向部41の共振周波数を求め
る方法として上記の方法を採用している。When low frequency driving below this is performed, the displacement of the SMA light deflecting section 41 due to thermal driving is observed, and a vibration displacement in which the resonance frequency is superimposed on the large displacement is shown. That is, 3H
Drive pulse 121d and vibration displacement 122 when driven by z
An observation example of d is shown in FIG. From the figure, it can be seen that the resonance frequency of 46 Hz is superimposed on the large displacement vibration. This means that the resonance frequency can be measured by observing the displacement when driving at a low frequency. In the second embodiment, the above method is adopted as a method for obtaining the resonance frequency of the SMA light deflector 41.
【0061】次に図19は20μm厚SMA光偏向部4
1の共振周波数の整数分の1の周期でパルス駆動した時
のレーザ変位計の出力を示したものである。nは1回の
パルス電流で振動する波の数を示しており、n=6にお
いても変位出力は約33%の減少に留まっている。以上
のことから、SMA光偏向部41を共振周波数fR の正
の整数分の1の周波数で駆動しても、駆動パルスに同期
して変位振幅を測定すれば、図15の第2実施例で示し
たステップS6〜S12の共振周波数に追従する方法が
使えることが判る。Next, FIG. 19 shows a 20 μm thick SMA light deflector 4.
It shows the output of the laser displacement meter when pulse-driven at a cycle of an integral fraction of one resonance frequency. n represents the number of waves that oscillate with one pulse current, and even when n = 6, the displacement output only decreases by about 33%. From the above, even if the SMA light deflector 41 is driven at a frequency that is a positive integer of the resonance frequency fR, if the displacement amplitude is measured in synchronization with the drive pulse, the second embodiment shown in FIG. It can be seen that the method of following the resonance frequency in steps S6 to S12 shown can be used.
【0062】以上、図12の第1実施例を実現するため
のSMA光偏向部41の変位を測定する手段として、図
13,図14のような光による変位検出手段を用いる例
を説明した。SMA光偏向部41の変位振動を加える手
段は、抵抗加熱によるSMAの屈曲を利用している。従
って、屈曲部に屈曲状態に関する情報を検知するセンサ
を設ければ、光による変位検出に代わる手段として用い
ることができる。The example of using the displacement detecting means by light as shown in FIGS. 13 and 14 has been described above as means for measuring the displacement of the SMA light deflecting section 41 for realizing the first embodiment of FIG. The means for applying the displacement vibration of the SMA light deflector 41 utilizes bending of the SMA by resistance heating. Therefore, if a sensor that detects information about the bending state is provided at the bending portion, it can be used as a means that replaces displacement detection by light.
【0063】次に図20は薄膜熱電対をSMA光偏向部
151の発熱部である屈曲部152に装着し、SMAの
温度を測定することにより、SMA光偏向部151の変
位振動を検知する例を示している。図20(a),
(b)は薄膜熱電対装着部の拡大図である。SMA光偏
向部151は7〜20μm程度の薄膜であるため、屈曲
部152が形状変化する時に熱電対が機械的な負荷にな
らないように、また熱容量を小さくするため、熱電対は
薄膜で形成する必要がある。Next, FIG. 20 shows an example in which a displacement vibration of the SMA light deflector 151 is detected by mounting a thin film thermocouple on the bent portion 152 which is a heat generating portion of the SMA light deflector 151 and measuring the temperature of the SMA. Is shown. 20 (a),
(B) is an enlarged view of a thin film thermocouple mounting portion. Since the SMA light deflector 151 is a thin film of about 7 to 20 μm, the thermocouple is formed of a thin film so that the thermocouple does not become a mechanical load when the shape of the bent portion 152 changes and the heat capacity is reduced. There is a need.
【0064】図20(a)において、符号153はSM
A、154は柔軟性のある絶縁膜、符号155及び15
6は熱電対を構成する部材で、例えばクロメル、アルメ
ルあるいはクロメル、コンスタンタンあるいは鉄、コン
スタンタンあるいは銅、コンスタンタン等の組み合せが
可能である。符号155,156はスパッタ法や蒸着等
で成膜し、フォトリソグラフィで加工する。符号157
は薄膜熱電対を構成する155と156が接触する接合
であり、熱起電力を発生する。符号155と156から
SMA光偏向部151のコンタクトパッド158上で電
気的コンタクトをとり熱起電力を計測する。In FIG. 20A, reference numeral 153 is SM.
A and 154 are flexible insulating films, reference numerals 155 and 15
Reference numeral 6 is a member forming a thermocouple, and it is possible to combine chromel, alumel, chromel, constantan, iron, constantan, copper, constantan, or the like. Reference numerals 155 and 156 are used to form a film by a sputtering method, vapor deposition or the like and process it by photolithography. Reference numeral 157
Is a junction in which the thin film thermocouples 155 and 156 are in contact with each other and generate a thermoelectromotive force. From the reference numerals 155 and 156, electrical contact is made on the contact pad 158 of the SMA light deflector 151 and the thermoelectromotive force is measured.
【0065】図20(b)において、153はSMA、
154は柔軟性のある絶縁膜、155、156は薄膜熱
電対の構成材料、159は柔軟性のある絶縁膜、157
は155と156の接触による接合である。熱起電力は
接合157で発生し、SMA光偏向部151のコンタク
トパッド158上で155,156から電気的コンタク
トをとり熱起電力を計測する。SMA光偏向部151の
屈曲部に薄膜歪みセンサを装着することも可能である。
歪みセンサを薄膜で形成する理由は薄膜熱電対と同様で
ある。薄膜歪みセンサの材料はCu−Ni系合金等であ
り、スパッタ法や蒸着で成膜し、フォトリソグラフィで
加工する。薄膜歪みセンサを2つ、それぞれSMA光偏
向部151の2箇所の屈曲部に配置し、一方の薄膜歪み
センサの長手方向が屈曲方向に、他方の薄膜歪みセンサ
の長手方向が屈曲方向とは垂直に配置し、ブリッジを組
むことで、屈曲部の発熱による抵抗値の変化を補償し、
歪みに比例した出力(電圧)を得ることが可能である。
SMA光偏向部151は発熱部に抵抗を有しているの
で、温度による抵抗の変化をSMA光偏向部151の変
位の検出に用いることが可能である。In FIG. 20B, 153 is SMA,
154 is a flexible insulating film, 155, 156 are constituent materials of the thin film thermocouple, 159 is a flexible insulating film, 157.
Is a joint by the contact of 155 and 156. The thermoelectromotive force is generated at the junction 157, and electrical contact is made from the contact pads 155 and 156 on the contact pad 158 of the SMA light deflector 151 to measure the thermoelectromotive force. It is also possible to attach a thin film strain sensor to the bent portion of the SMA light deflector 151.
The reason why the strain sensor is formed of a thin film is the same as that of the thin film thermocouple. The material of the thin film strain sensor is a Cu-Ni alloy or the like, which is formed by sputtering or vapor deposition and processed by photolithography. Two thin film strain sensors are arranged at two bent portions of the SMA light deflector 151, and the longitudinal direction of one thin film strain sensor is the bending direction and the longitudinal direction of the other thin film strain sensor is perpendicular to the bending direction. By compensating for the change in resistance value due to heat generation at the bent part,
It is possible to obtain an output (voltage) proportional to the distortion.
Since the SMA light deflector 151 has a resistance in the heating portion, it is possible to use the change in resistance due to temperature for detecting the displacement of the SMA light deflector 151.
【0066】次に図21はSMA光偏向部201が周囲
温度や風の影響で機械的な動作点が変わってしまう問題
を解決するために、SMA光偏向部201を透明プラス
チック等の箱202で覆ってしまうようにした本発明の
第3実施例を示したものである。LD203から出射さ
れた光204は、箱202の第1の面205より、SM
A光偏向部201の光反射面206へ入射し、反射光2
07は箱202の第2の面208より出射される。箱2
02は恒温槽とし箱の内部の温度を一定に保つことが好
ましい。簡易的にはSMA光偏向部201が加熱される
ことによって発生する熱を放出するために、例えば箱2
02の側面に、SMA光偏向部201に影響を与えない
程度の穴を開けるのも有効である。Next, in FIG. 21, in order to solve the problem that the mechanical operating point of the SMA light deflecting unit 201 is changed by the influence of ambient temperature and wind, the SMA light deflecting unit 201 is made of a transparent plastic box 202. It shows a third embodiment of the present invention so as to cover it. The light 204 emitted from the LD 203 is emitted from the SM 205 from the first surface 205 of the box 202.
A light incident on the light reflecting surface 206 of the light deflecting unit 201 and reflected light 2
07 is emitted from the second surface 208 of the box 202. Box 2
Reference numeral 02 denotes a constant temperature bath, and it is preferable to keep the temperature inside the box constant. In order to simply release the heat generated by heating the SMA light deflector 201, for example, the box 2
It is also effective to make a hole in the side surface of 02 to the extent that it does not affect the SMA light deflector 201.
【0067】また、被写体が遠方にある場合には、光偏
向器の偏向角を狭め、近い被写体の場合には、偏向角を
広げたいという要求がある。この要求に対して、本発明
によるSMA光偏向器では、共振周波数で駆動する時に
最大の偏向角を得ることができ、共振周波数から外れた
周波数で駆動することで、小さい偏向角を得ることがで
きる。偏向角の調整には、駆動周波数を変えることの他
に、駆動電圧の振幅やオフセット電圧を変えても良い。There is also a demand to narrow the deflection angle of the optical deflector when the subject is far away and to widen the deflection angle when the subject is near. In response to this requirement, the SMA optical deflector according to the present invention can obtain a maximum deflection angle when driven at the resonance frequency, and can obtain a small deflection angle by driving at a frequency outside the resonance frequency. it can. In order to adjust the deflection angle, the amplitude of the drive voltage and the offset voltage may be changed in addition to changing the drive frequency.
【0068】尚、本発明の上記実施態様によれば以下の
ごとき構成が得られる。 (1)電流の入力部及び出力部と、抵抗体による発熱部
と、光を反射する反射部を有する光偏向手段と、上記光
偏向手段を駆動するためのパルス電流の周波数を当該光
偏向手段の共振周波数と同期させる制御手段と、を有
し、少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記憶合
金薄膜を備えることを特徴とする形状記憶合金薄膜を用
いた光偏向器。According to the above embodiment of the present invention, the following constitution can be obtained. (1) Input and output parts of electric current, heat generating part by resistor, light deflection means having reflection part for reflecting light, and frequency of pulse current for driving the light deflection means And a control means for synchronizing the resonance frequency of the shape memory alloy thin film with a resonance frequency of the shape memory alloy thin film.
【0069】この構成は図12に対応し、詳細には上記
制御手段がラインセンサあるいはPSDからなる光セン
サと、演算回路と、波形発生回路と、増幅器とからな
る。このような態様において、ライセンサあるいはPS
Dからなる光センサで、上記光変更手段たるSMA光偏
向部の振動変位を検出し、その信号から変位振幅中央部
の位置と変位振幅を検出し、演算回路で、SMA光偏向
部の共振周波数を求め、変位振幅中央部の位置を所定の
位置に来るようにし、また駆動パルスをSMA光偏向部
の共振周波数と同期するように制御する。従って、SM
A光偏向部の振動変位の振幅を大きくとることができ
る。 (2)上記制御手段は、上記パルス電流の周波数を、上
記光偏向手段の共振周波数の整数分の1の正の周波数で
駆動することを特徴とする上記(1)に記載の形状記憶
合金薄膜を用いた光偏向器。This configuration corresponds to FIG. 12, and in detail, the above-mentioned control means comprises an optical sensor consisting of a line sensor or PSD, an arithmetic circuit, a waveform generating circuit and an amplifier. In such a mode, the licensor or PS
The optical sensor D detects the vibration displacement of the SMA light deflector, which is the light changing means, detects the position of the center of the displacement amplitude and the displacement amplitude from the signal, and the arithmetic circuit detects the resonance frequency of the SMA light deflector. Then, the position of the central portion of the displacement amplitude is brought to a predetermined position, and the drive pulse is controlled so as to be synchronized with the resonance frequency of the SMA optical deflector. Therefore, SM
The amplitude of the vibration displacement of the A light deflector can be made large. (2) The shape memory alloy thin film as described in (1) above, wherein the control means drives the frequency of the pulse current at a positive frequency that is an integer fraction of the resonance frequency of the light deflection means. Optical deflector using.
【0070】この構成は図12、図19に対応し、詳細
には光変更手段たるSMA光偏向部を駆動する電流パル
スの駆動周波数を共振周波数の正の整数分の1の周波数
とする。このような態様において、SMA光偏向部の共
振状態を維持できる。従って、SMA光偏向部の変位振
幅を大きく保ちながら低周波数での駆動ができる。 (3)電流の入力部及び出力部と、抵抗体による発熱部
と、光を反射する反射部を有する光偏向手段と、上記光
偏向手段に通電するパルス電流のデューティ比を所定の
範囲で設定して上記発熱部の加熱時間より放電時間を長
くするよう制御する制御手段と、を有し、少なくとも上
記抵抗体による発熱部には形状記憶合金薄膜を備えるこ
とを特徴とする形状記憶合金薄膜を用いた光偏向器。This configuration corresponds to FIG. 12 and FIG. 19, and more specifically, the drive frequency of the current pulse for driving the SMA light deflecting unit which is the light changing unit is set to a frequency which is a positive integer fraction of the resonance frequency. In such a mode, the resonance state of the SMA light deflector can be maintained. Therefore, it is possible to drive at a low frequency while keeping the displacement amplitude of the SMA light deflector large. (3) The duty ratio of the pulse current supplied to the light input unit and the output unit, the heat generating unit made of the resistor, the light deflecting unit having the reflecting unit for reflecting the light, and the light deflecting unit is set within a predetermined range. And a control means for controlling the discharge time to be longer than the heating time of the heat generating part, and at least the shape memory alloy thin film is provided in the heat generating part of the resistor. Optical deflector used.
【0071】この構成は詳細には図12に対応し、上記
光偏向手段を駆動する電流パルスのデューティ比を8〜
12%の範囲とする。このような態様において、SMA
光偏向部の加熱時間よりも放熱時間を長くとる。従っ
て、SMA光偏向部の変位振幅を大きくとることができ
る。 (4)電流の入力部及び出力部と、上記電流の変化によ
り発熱冷却して二方向に変位する形状記憶合金薄膜部
と、上記形状記憶合金薄膜部の変位により光の反射方向
が変化する光反射部とを有する光偏向手段と、上記光偏
向手段の入出力部を通じてパルス電流を印加する駆動手
段と、上記光偏向手段の振動変位を検出する光センサ
と、上記光センサの検出信号より上記光偏向手段の固有
振動に基づく振動周波数を求める共振周波数検出手段
と、上記共振周波数検出手段により求められた共振周波
数を上記駆動手段による光偏向手段への印加パルス電流
の駆動周波数として設定する共振周波数設定手段とを具
備することを特徴とする形状記憶合金薄膜を用いた光偏
向器。This configuration corresponds to FIG. 12 in detail, and the duty ratio of the current pulse for driving the light deflecting means is set to 8 to.
The range is 12%. In such an aspect, the SMA
The heat radiation time is set longer than the heating time of the light deflector. Therefore, the displacement amplitude of the SMA light deflector can be increased. (4) Input and output parts of current, shape memory alloy thin film part which is heated and cooled by the change of the current and displaces in two directions, and light whose light reflection direction is changed by the displacement of the shape memory alloy thin film part. Optical deflecting means having a reflecting portion, driving means for applying a pulse current through the input / output portion of the optical deflecting means, an optical sensor for detecting an oscillating displacement of the optical deflecting means, and a detection signal of the optical sensor A resonance frequency detecting means for obtaining a vibration frequency based on the natural vibration of the light deflecting means, and a resonance frequency for setting the resonance frequency obtained by the resonance frequency detecting means as a driving frequency of a pulse current applied to the light deflecting means by the driving means. An optical deflector using a shape memory alloy thin film, comprising: setting means.
【0072】この構成は図15のS1〜S2に対応して
いる。このような態様において、上記共振周波数検出手
段S1により光偏向手段の自由振動状態の振動周波数を
求めて、上記共振周波数設定手段S2により上記駆動手
段による駆動周波数として上記光偏向手段の固有振動周
波数を自動設定することが可能となり、共振により光偏
向手段の振動変位の振幅を大きくすることができる。 (5)上記(4)に記載の光偏向器において、上記共振
周波数検出手段は、上記駆動手段により上記光偏向手段
にパルス電流を印加して上記光センサによる検出信号に
重畳されている微少振動の振動周波数を求めるものであ
ることを特徴とする形状記憶合金薄膜を用いた光偏向
器。This configuration corresponds to S1 and S2 in FIG. In such a mode, the resonance frequency detecting means S1 finds the vibration frequency of the free deflecting state of the light deflecting means, and the resonance frequency setting means S2 determines the natural vibration frequency of the light deflecting means as the driving frequency of the driving means. It becomes possible to automatically set, and the amplitude of the vibration displacement of the light deflecting means can be increased by the resonance. (5) In the optical deflector according to (4) above, the resonance frequency detecting means applies a pulse current to the optical deflecting means by the driving means and superimposes a minute vibration on a detection signal from the optical sensor. An optical deflector using a shape memory alloy thin film, which is for determining the vibration frequency of a.
【0073】この構成は図15のS1〜S2に対応して
いる。このような態様において、上記共振周波数検出手
段S1によりパルス電流印加によって生ずる光偏向手段
の固有振動に基づく微少振動を光センサで検出して振動
周波数を求めるもので、光偏向手段の共振周波数を容易
に求めることができ、上記共振周波数設定手段S2によ
る駆動手段への共振周波数の設定により振動変位の振幅
を大きくすることができる。 (6)上記(4)または(5)に記載の光偏向器におい
て、さらに、上記光センサからの検出信号を受けて該光
センサの所定位置において振動変位の中点が検出できる
ように駆動手段による印加パルス電流の振幅を自動調整
する振幅調整手段を具備することを特徴とする形状記憶
合金薄膜を用いた光偏向器。This configuration corresponds to S1 and S2 in FIG. In such an aspect, the resonance frequency of the optical deflecting means is easily obtained by detecting the micro-vibration based on the natural vibration of the optical deflecting means caused by the pulse current application by the optical sensor to obtain the vibration frequency by the resonance frequency detecting means S1. The amplitude of the vibration displacement can be increased by setting the resonance frequency in the drive means by the resonance frequency setting means S2. (6) In the optical deflector according to (4) or (5), further, drive means is provided so as to receive a detection signal from the optical sensor and detect the midpoint of the vibration displacement at a predetermined position of the optical sensor. An optical deflector using a shape memory alloy thin film, comprising: an amplitude adjusting means for automatically adjusting the amplitude of a pulse current applied by the device.
【0074】この構成は図15のS1〜S5に対応して
いる。このような態様において、さらに、上記振幅調整
手段S3〜S5により光偏向手段の振動変位の中点を光
センサの所定位置で検出できるように印加パルス電流の
振幅を自動調整することにより光偏向手段の振動変位の
中点の位置を定位置に維持することができ、共振周波数
での光偏向を安定して維持できる。 (7)上記(6)に記載の光偏向器において、さらに、
上記光偏向手段の振動振幅が最大値となるように、駆動
手段による印加パルス電流のデューティ比を自動調整す
るデューティ比調整手段を具備することを特徴とする形
状記憶合金薄膜を用いた光偏向器。This configuration corresponds to S1 to S5 in FIG. In such a mode, further, the amplitude adjusting means S3 to S5 further automatically adjust the amplitude of the applied pulse current so that the midpoint of the vibration displacement of the optical deflecting means can be detected at a predetermined position of the optical sensor. The position of the midpoint of the vibration displacement can be maintained at a fixed position, and the optical deflection at the resonance frequency can be stably maintained. (7) In the optical deflector described in (6) above,
An optical deflector using a shape memory alloy thin film, comprising a duty ratio adjusting means for automatically adjusting a duty ratio of a pulse current applied by a driving means so that the vibration amplitude of the light deflecting means has a maximum value. .
【0075】この構成は図15のS1〜S6に対応して
いる。このような態様において、さらに、上記デューテ
ィ比調整手段S6により入力パルス電流のデューティ比
を自動調整することにより、変位振動の振幅を最大値に
維持することができる。 (8)上記(4)、(5)、(6)または(7)に記載
の光偏向器において、さらに、上記光センサからの検出
信号を受けて上記光偏向手段による変位振動の最大振幅
に対する振動振幅の減少量を検出する振幅変化検出手段
と、該振幅変化検出手段による振動振幅の減少の検出に
応じて上記駆動手段による印加電流パルスの駆動周波数
を自動調整する駆動周波数自動調整手段を具備すること
を特徴とする形状記憶合金薄膜を用いた光偏向器。This configuration corresponds to S1 to S6 in FIG. In such a mode, further, the duty ratio adjusting means S6 automatically adjusts the duty ratio of the input pulse current, whereby the amplitude of the displacement vibration can be maintained at the maximum value. (8) In the optical deflector according to (4), (5), (6) or (7), the detection signal from the optical sensor is further received and the maximum amplitude of displacement vibration by the optical deflecting means is obtained. Amplitude change detection means for detecting the amount of decrease in vibration amplitude, and drive frequency automatic adjustment means for automatically adjusting the drive frequency of the applied current pulse by the drive means in response to the detection of decrease in vibration amplitude by the amplitude change detection means. An optical deflector using a shape memory alloy thin film.
【0076】この構成は図15のS1〜S12に対応し
ている。このような態様において、さらに、上記振幅変
化検出手段S7による光偏向手段の振動振幅の減少の検
出に基づいて、上記駆動周波数自動調整手段S8〜S1
2により該振幅の変化に対応して上記駆動周波数を自動
調整することにより、温度変化などによる共振周波数の
変化に追随して共振状態を維持することができる。 (9)電流の入力部及び出力部と、抵抗体による発熱部
と、光を反射する反射部とを有する光偏向手段を有し、
少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記憶合金薄
膜を備えることを特徴とする形状記憶合金薄膜を用いた
光偏向器の振れ角の制御において、最大振れ角を得る場
合には共振周波数で駆動し、小さい振れ角を得る場合に
は共振周波数からずれた周波数で駆動することを特徴と
する形状記憶合金薄膜を用いた光偏向器の制御方法。This configuration corresponds to S1 to S12 in FIG. In such a mode, the drive frequency automatic adjusting means S8 to S1 are further based on the detection of the decrease in the vibration amplitude of the light deflecting means by the amplitude change detecting means S7.
By automatically adjusting the drive frequency in accordance with the change in the amplitude according to 2, the resonance state can be maintained by following the change in the resonance frequency due to the temperature change or the like. (9) An optical deflector having a current input part and an output part, a heat generating part by a resistor, and a reflecting part for reflecting light,
In the control of the deflection angle of the optical deflector using the shape memory alloy thin film, which is characterized in that at least the heat-generating portion of the resistor is provided with the shape memory alloy thin film, when the maximum deflection angle is obtained, drive at the resonance frequency. A method for controlling an optical deflector using a shape memory alloy thin film, which is characterized by driving at a frequency deviated from a resonance frequency when a small deflection angle is obtained.
【0077】このような方法は図12に対応し、詳細に
は光偏向手段たるSMA光偏向部の変位検出を検出し、
その変位検出信号を基に共振周波数、変位振幅中央値、
変位振幅を検出し、SMA光偏向部を駆動する電流パル
スの周波数を可変する。Such a method corresponds to FIG. 12, and in detail, the displacement detection of the SMA light deflecting section which is the light deflecting means is detected,
Based on the displacement detection signal, resonance frequency, median displacement amplitude,
The displacement amplitude is detected, and the frequency of the current pulse that drives the SMA light deflector is varied.
【0078】このような方法により、SMA光偏向部を
駆動するための電流パルスの周波数を可変する。従っ
て、SMA光偏向部の変位振幅を可変することができ
る。 (10)電流の入力部及び出力部と、抵抗体による発熱
部と、光を反射する反射部とを有する光偏向手段と、上
記光偏向手段を駆動するための電圧の振幅あるいは駆動
電圧のオフセット電圧の少なくともいずれかを調整する
制御手段と、を有し、少なくとも上記抵抗体による発熱
部には形状記憶合金薄膜を備えることを特徴とする形状
記憶合金薄膜を用いた光偏向器。With such a method, the frequency of the current pulse for driving the SMA light deflector is changed. Therefore, the displacement amplitude of the SMA light deflector can be changed. (10) Light deflection means having a current input portion and a current output portion, a heating portion formed of a resistor, and a reflection portion for reflecting light, and an amplitude of a voltage for driving the light deflection means or an offset of a driving voltage. An optical deflector using a shape memory alloy thin film, comprising: a control unit that adjusts at least one of the voltages, and a shape memory alloy thin film is provided at least in a heating portion of the resistor.
【0079】この態様は図20に対応し、環境温度の上
昇でSMA光偏向部の温度が上がった時には駆動電圧の
振幅を小さくし、逆に環境温度が下がったり、風の影響
でSMA光偏向部の温度が下がった時には駆動電圧の振
幅を大きくするか、あるいはオフセット電圧を重畳す
る。従って、SMA光偏向部の動作を変位振幅が大きな
条件で駆動することができる。 (11)電流の入力部及び出力部と、抵抗体による発熱
部と、光を反射する反射部とで構成される光偏向手段を
有し、少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記憶
合金薄膜を備え、上記光偏向手段を覆うカバー部材を有
し、このカバー部材の少なくとも上記光偏向手段の光が
通過する部分を透明部材によって構成することを特徴と
する光偏向器。This mode corresponds to FIG. 20, and when the temperature of the SMA light deflecting section rises due to the rise of the environment temperature, the amplitude of the driving voltage is reduced, and conversely, the environment temperature falls or the SMA light deflecting section is influenced by the wind. When the temperature of the part drops, the amplitude of the drive voltage is increased or the offset voltage is superimposed. Therefore, the operation of the SMA light deflector can be driven under the condition that the displacement amplitude is large. (11) A shape memory alloy thin film is provided, which has a light deflecting unit composed of a current input part and an output part, a heat generating part made of a resistor, and a reflecting part reflecting light. And a cover member for covering the light deflector, wherein at least a portion of the cover member through which light of the light deflector is formed is a transparent member.
【0080】この態様は図21に対応し、SMA光偏向
部を外部環境から遮蔽する。従って、SMA光偏向部の
置かれる環境の温度変化を小さく抑え、SMA光偏向部
の機械的動作点の変動、共振周波数の変動を小さく抑え
る。This mode corresponds to FIG. 21, and shields the SMA light deflector from the external environment. Therefore, the temperature change of the environment where the SMA light deflector is placed is suppressed small, and the fluctuation of the mechanical operating point of the SMA light deflector and the fluctuation of the resonance frequency are suppressed small.
【0081】[0081]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
周囲の温度が変動しても安定して共振状態を保つ形状記
憶合金薄膜薄膜を用いた光偏向器を提供することができ
る。As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to provide an optical deflector using a shape memory alloy thin film that maintains a stable resonance state even if the ambient temperature changes.
【図1】第1の実施例に係るSMA薄膜を用いた光偏向
器の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an optical deflector using an SMA thin film according to a first embodiment.
【図2】(a)乃至(c)は平面パターン、(d)乃至
(f)は(a)乃至(c)における断面A−A´、B−
B´、C−C´の様子を示す図である。2 (a) to (c) are plane patterns, and (d) to (f) are cross-sections AA 'and B- in (a) to (c).
It is a figure which shows the mode of B'and CC '.
【図3】20μm厚のSMAに結晶化処理と形状記憶処
理の熱処理を施した試料の示差走査熱量分析曲線を示す
図である。FIG. 3 is a diagram showing a differential scanning calorimetry curve of a sample obtained by subjecting a 20 μm-thick SMA to a heat treatment of a crystallization treatment and a shape memory treatment.
【図4】SMA光偏向部の振動特性を調べるための測定
系の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a measurement system for examining a vibration characteristic of an SMA light deflector.
【図5】SMA光偏向部41にパルス通電した時に発生
するSMA光偏向部41の屈曲変位を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a bending displacement of the SMA light deflector 41 which occurs when a pulse current is applied to the SMA light deflector 41.
【図6】駆動電流と温度と変位の関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between drive current, temperature, and displacement.
【図7】図4に示した測定系を用いて7μm厚のSMA
薄膜で形成した光偏向部41のパルス駆動時の屈曲変位
特性を示す図である。7 is a 7 μm thick SMA using the measurement system shown in FIG.
It is a figure which shows the bending displacement characteristic at the time of the pulse drive of the light deflection part 41 formed of a thin film.
【図8】(a)は12μm厚SMA光偏向部の駆動周波
数と変位計出力の関係、(b)は駆動パルスのデューテ
ィ比(パルス幅)に対する変位計出力の関係を示す図で
ある。FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the drive frequency of the 12 μm thick SMA light deflector and the displacement meter output, and FIG. 8B is a diagram showing the relationship of the displacement meter output with respect to the duty ratio (pulse width) of the drive pulse.
【図9】(a)は20μm厚SMA光偏向部の駆動周波
数と変位計出力の関係、(b)は駆動パルスのデューテ
ィ比(パルス幅)に対する変位計出力の関係を示す図で
ある。FIG. 9A is a diagram showing the relationship between the drive frequency of a 20 μm thick SMA light deflector and the displacement meter output, and FIG. 9B is a diagram showing the relationship of the displacement meter output with respect to the duty ratio (pulse width) of the drive pulse.
【図10】7,12,20μm厚SMA光偏向部の、図
7乃至図9より得られた共振周波数fR と膜厚の関係を
示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency fR and the film thickness obtained from FIGS. 7 to 9 in the SMA light deflector having a thickness of 7, 12, 20 μm.
【図11】20μm厚SMA光偏向部における駆動周波
数に対する振動振幅の関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a drive frequency and a vibration amplitude in a 20 μm-thick SMA light deflector.
【図12】SMA光偏向部が環境温度や風の影響で機械
的な動作条件が変動するのを防止するための本発明の第
1実施例を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention for preventing the SMA light deflector from changing mechanical operating conditions due to the influence of environmental temperature or wind.
【図13】SMA光偏向部81の変位検出について説明
するための図である。13 is a diagram for explaining displacement detection of the SMA light deflector 81. FIG.
【図14】SMA光偏向部の変位検出法の第1乃至第4
の変形例を示す図である。14A to 14C are first to fourth displacement detection methods of an SMA light deflector.
It is a figure which shows the modification of.
【図15】第2実施例として、図12の演算回路83の
機能を説明するためのフローチャートである。FIG. 15 is a flowchart for explaining the function of the arithmetic circuit 83 of FIG. 12 as a second embodiment.
【図16】(a)はオフセット電圧、(b)はパルス電
圧、(c)は(a),(b)を足し合わせてた駆動電圧
を示す図である。16 (a) is a diagram showing an offset voltage, FIG. 16 (b) is a pulse voltage, and FIG. 16 (c) is a diagram showing a drive voltage obtained by adding together (a) and (b).
【図17】7μm厚のSMA光偏向部41をデューティ
比10%、駆動パルス電流0.455Aで駆動した時の
変位計出力(変位振幅)の駆動周波数依存性を示す図で
ある。FIG. 17 is a diagram showing the drive frequency dependency of the displacement meter output (displacement amplitude) when the 7 μm thick SMA light deflector 41 is driven with a duty ratio of 10% and a drive pulse current of 0.455 A.
【図18】7μm厚のSMA光偏向部41をデューティ
比10%、駆動パルス電流0.455Aで駆動した時の
変位計出力(変位振幅)の駆動周波数依存性を示す図で
ある。FIG. 18 is a diagram showing the drive frequency dependency of the displacement meter output (displacement amplitude) when the 7 μm thick SMA light deflector 41 is driven with a duty ratio of 10% and a drive pulse current of 0.455 A.
【図19】20μm厚SMA光偏向部41の共振周波数
の整数分の1の周期でパルス駆動した時のレーザ変位計
の出力を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the output of the laser displacement meter when pulse-driven at a cycle of an integer fraction of the resonance frequency of the 20 μm-thick SMA light deflector 41.
【図20】SMA光偏向部151の変位振動を検知する
例を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing an example of detecting displacement vibration of the SMA light deflector 151.
【図21】SMA光偏向部201が周囲温度や風の影響
で機械的な動作点が変わってしまう問題を解決する本発
明の第3実施例を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a third embodiment of the present invention for solving the problem that the mechanical operating point of the SMA light deflector 201 changes due to the influence of ambient temperature and wind.
1…SMA光偏向部、2,3…コンタクトパッド、4…
リード線、5…抵抗、6…ファンクションジェネレー
タ、7…増幅器、8,9…出力端子、10,11…リー
ド線、12…電流、13,14…屈曲部、15…レーザ
ダイオード、16…出力光、17…光反射面、18…反
射光、19…バーコード。1 ... SMA light deflector, 2, 3 ... Contact pad, 4 ...
Lead wire, 5 ... Resistor, 6 ... Function generator, 7 ... Amplifier, 8, 9 ... Output terminal, 10, 11 ... Lead wire, 12 ... Current, 13, 14 ... Bent portion, 15 ... Laser diode, 16 ... Output light , 17 ... Light reflecting surface, 18 ... Reflected light, 19 ... Bar code.
Claims (3)
る発熱部と、光を反射する反射部を有する光偏向手段
と、 上記光偏向手段を駆動するためのパルス電流の周波数を
当該光偏向手段の共振周波数と同期させる制御手段と、
を有し、少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記
憶合金薄膜を備えることを特徴とする形状記憶合金薄膜
を用いた光偏向器。1. An optical deflector having a current input part and an output part, a heat generating part made of a resistor, and a reflecting part for reflecting light, and a frequency of a pulse current for driving the light deflecting device. Control means for synchronizing with the resonance frequency of the deflection means,
An optical deflector using a shape memory alloy thin film, comprising a shape memory alloy thin film in at least a heating portion of the resistor.
る発熱部と、光を反射する反射部を有する光偏向手段
と、 上記光偏向手段に通電するパルス電流のデューティ比を
所定の範囲で設定して上記発熱部の加熱時間より放電時
間を長くするよう制御する制御手段と、を有し、少なく
とも上記抵抗体による発熱部には形状記憶合金薄膜を備
えることを特徴とする形状記憶合金薄膜を用いた光偏向
器。2. An input / output unit of electric current, a heating unit made of a resistor, an optical deflecting unit having a reflecting unit for reflecting light, and a duty ratio of a pulse current supplied to the optical deflecting unit within a predetermined range. And a control means for controlling the discharge time to be longer than the heating time of the heat generating part, and the shape memory alloy thin film is provided at least in the heat generating part of the resistor. Optical deflector using thin film.
る発熱部と、光を反射する反射部を有する光偏向手段
と、 上記光偏向手段のパルス電流を調節して該光偏向手段の
振れ角が最大になるように制御する制御手段と、を有
し、少なくとも上記抵抗体による発熱部には形状記憶合
金薄膜を備えることを特徴とする形状記憶合金薄膜を用
いた光偏向器。3. An optical deflector having a current input part and an output part, a heat generating part by a resistor, a reflecting part for reflecting light, and a pulse current of the optical deflecting device for adjusting the pulse current of the optical deflecting device. An optical deflector using a shape memory alloy thin film, comprising: a control means for controlling a deflection angle to be maximum; and a shape memory alloy thin film provided at least in a heat generating portion of the resistor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7065789A JPH08262364A (en) | 1995-03-24 | 1995-03-24 | Optical deflector using shape memory alloy thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7065789A JPH08262364A (en) | 1995-03-24 | 1995-03-24 | Optical deflector using shape memory alloy thin film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08262364A true JPH08262364A (en) | 1996-10-11 |
Family
ID=13297157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7065789A Withdrawn JPH08262364A (en) | 1995-03-24 | 1995-03-24 | Optical deflector using shape memory alloy thin film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08262364A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003081039A1 (en) * | 2002-03-27 | 2003-10-02 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Actuator for an optical-mechanical scanner and a method using said actuator |
| US6840642B2 (en) | 2002-06-28 | 2005-01-11 | Sony Corporation | Thermally actuated micro mirror and electronic device |
| JP2014202910A (en) * | 2013-04-04 | 2014-10-27 | 株式会社村田製作所 | Actuator device |
| JP2015037335A (en) * | 2013-08-12 | 2015-02-23 | 株式会社村田製作所 | Actuator device |
-
1995
- 1995-03-24 JP JP7065789A patent/JPH08262364A/en not_active Withdrawn
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