JP2015230392A - Mirror actuator and antenna for optical spatial communication system - Google Patents

Mirror actuator and antenna for optical spatial communication system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mirror actuator and an antenna for an optical spatial communication system which can detect and control blur on a mirror reflection surface due to disturbance by separating it into a rotational component and a translational component.SOLUTION: A mirror actuator includes: a base part 20 in which a plurality of electromagnets 32 are arranged; a mirror holder part 10 in which permanent magnet parts 31 which are oppositely arranged from the electromagnets 32 are provided, and which holds a mirror 4; a plurality of elastic members 11 which support the mirror holder part 10 with an elastic force with respect to the base part 20 by one end being fixed to the base part 20 and the other end being fixed to the mirror holder part 10; a detection light reflection part in which a reflection surface is set to predetermined reflectance distribution, and in which a relative position with the mirror 4 is fixed; an optical system which irradiates the reflection surface of the detection light reflection part with detection light, and which detects the position of the mirror 4 in which the relative position is fixed with the detection light reflection part from the change of a light receiving point and change of a light receiving amount when receiving the detection light reflected on the reflection surface; and a control unit which drives the plurality of electromagnets 32 on the basis of a signal from the optical system.

Description

本発明は、ミラーアクチュエータ及び光空間通信システム用アンテナに関する。   The present invention relates to a mirror actuator and an antenna for an optical space communication system.

光は波長や位相などによる多重化が可能であるため、電波通信より多くの情報が高速で送受信できるため、光空間通信システムへの利用が検討されている。この際に、光信号の送受信は、光空間通信システム用アンテナを用いて、レーザ光を光送信器と光受信器との間で直接送受信することにより行われる。   Since light can be multiplexed by wavelength, phase, etc., more information can be transmitted / received at a higher speed than radio wave communication. At this time, optical signals are transmitted and received by directly transmitting and receiving laser light between the optical transmitter and the optical receiver using the antenna for the optical space communication system.

光送信器と光受信器との間で直接光信号が送受信されるため、光ファイバなどの媒体が不要となる。このため、航空機や人工衛星など移動体間の高速データ通信や、航空機や人工衛星にて撮像した高精細な画像データを地上に高速で送信できるようになる。   Since an optical signal is directly transmitted and received between the optical transmitter and the optical receiver, a medium such as an optical fiber becomes unnecessary. For this reason, it becomes possible to transmit high-speed data communication between moving objects such as aircraft and artificial satellites, and high-definition image data captured by the aircraft and artificial satellites to the ground at high speed.

しかし、このような特徴を利用するためには、光送信器と光受信器とが厳密に相対することが必要となる。また、高速移動中でも、相手のアンテナを高速で捕捉し追尾することが必要となる。   However, in order to use such a feature, it is necessary that the optical transmitter and the optical receiver are strictly opposed to each other. Even during high-speed movement, it is necessary to capture and track the other party's antenna at high speed.

このような条件を満たすため、一般に、光空間通信におけるビーム指向装置には、指向方向を大まかに制御する粗捕捉追尾機構(Coarse Pointing Mechanism:CPM)と、1万分の1度オーダで精密に制御する精捕捉追尾機構(Fine Pointing Mechanism:FPM)との2制御機構が採用されている。このとき、CPMには大型のジンバルミラーが用いられ、FPMには小型のミラーアクチュエータが用いられることが多い。   In order to satisfy such conditions, generally, a beam pointing device in optical space communication has a coarse acquisition tracking mechanism (CPM) that roughly controls the pointing direction and precise control on the order of 1 / 10,000th order. Two control mechanisms, such as a Fine Pointing Mechanism (FPM), are employed. At this time, a large gimbal mirror is often used for the CPM, and a small mirror actuator is often used for the FPM.

例えば、特開2001−264663号公報には、図25に示すようなミラー駆動機構が開示されている。このミラー駆動機構は2軸ジンバル型であり、ミラー250を含むミラー搭載部249は変形可能な弾性ピボット246a〜246b、248a〜248bを介してベースに固定されている。そして、ミラー250が、ヨーク245a〜245b、254a〜254b、永久磁石251a〜251b、252a〜252b、コイル255a〜255b、256a〜256bで構成される駆動部の電磁力により、図中のX軸周り、Y軸周りに傾くようになっている。   For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-264663 discloses a mirror driving mechanism as shown in FIG. This mirror driving mechanism is a biaxial gimbal type, and the mirror mounting portion 249 including the mirror 250 is fixed to the base via deformable elastic pivots 246a to 246b and 248a to 248b. Then, the mirror 250 is rotated around the X axis in the figure by the electromagnetic force of the drive unit composed of the yokes 245a to 245b, 254a to 254b, the permanent magnets 251a to 251b, 252a to 252b, the coils 255a to 255b, and 256a to 256b. , And tilt around the Y axis.

また、特開平11−281925号公報には、レーザーポインティング装置が開示されている。図26(a)はレーザーポインティング装置の上面図、図26(b)はその側面図である。このレーザーポインティング装置は、ミラー101を含むミラーホルダ102を備えている。そして、ミラーホルダ102の中心からZ軸方向に伸びたトーションバー103、および、ミラーホルダ102のXY面からZ軸方向に折り曲がった板バネ104を介してベース105に固定されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 11-281925 discloses a laser pointing device. FIG. 26 (a) is a top view of the laser pointing device, and FIG. 26 (b) is a side view thereof. This laser pointing device includes a mirror holder 102 including a mirror 101. Then, it is fixed to the base 105 via a torsion bar 103 extending from the center of the mirror holder 102 in the Z-axis direction and a leaf spring 104 bent from the XY plane of the mirror holder 102 in the Z-axis direction.

ミラーホルダ102にはアーム106が伸びており、その端にコイル107a〜107dと永久磁石108a〜108dからなる駆動部が設置されている。この駆動部の電磁力により、ミラーホルダ102がトーションバー103の固定端部を中心にして、θx方向、θy方向に傾くようになる。このとき、トーションバー103、および、板バネ104は、ミラーホルダ102のZ軸方向のズレを抑制している。   An arm 106 extends from the mirror holder 102, and a drive unit including coils 107a to 107d and permanent magnets 108a to 108d is installed at the end thereof. Due to the electromagnetic force of the driving unit, the mirror holder 102 tilts in the θx direction and the θy direction about the fixed end of the torsion bar 103. At this time, the torsion bar 103 and the leaf spring 104 suppress the displacement of the mirror holder 102 in the Z-axis direction.

特開2001−264663号公報JP 2001-264663 A 特開平11−281925号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-281925

航空機や人工衛星など移動体に搭載された光送受信器は、様々な機械擾乱や外乱を受ける。航空機であれば、ジェットエンジンの振動、航空機の加減速、乱気流などが擾乱や外乱の原因であり、人工衛星であれば、ホィール、慣性基準装置などが擾乱や外乱の原因である。また、航空機や人工衛星で、光送受信器のCPMとして使用されているジンバル自身も擾乱や外乱の原因となる。   Optical transceivers mounted on mobile objects such as aircraft and artificial satellites are subject to various mechanical disturbances and disturbances. In the case of an aircraft, jet engine vibration, aircraft acceleration / deceleration, turbulence, and the like cause disturbances and disturbances, and in the case of an artificial satellite, wheels and inertial reference devices cause disturbances and disturbances. Moreover, the gimbal itself used as the CPM of the optical transmitter / receiver in an aircraft or an artificial satellite also causes disturbance and disturbance.

このような、擾乱や外乱により、ミラーは、回転成分と並進成分とを含む変位を起こす。即ち、図25〜図26の軸定義によると、X軸やY軸の周りにミラーが回転すると、反射角ものずれてしまう。また、ミラーがZ軸の方向に並進変位すると、反射角のずれは生じないが、反射光は平行移動してしまう。   Due to such disturbances and disturbances, the mirror is displaced including a rotation component and a translation component. That is, according to the axis definitions in FIGS. 25 to 26, when the mirror rotates around the X axis or the Y axis, the reflection angle shifts. When the mirror is translated in the Z-axis direction, the reflection angle does not shift, but the reflected light moves in parallel.

従って、擾乱や外乱の回転成分や並進成分を分離して検出し、それぞれの成分をキャンセルするように制御する必要がある。しかしながら、上述した特開2001−264663号公報及び特開平11−281925号公報にかかる構成では、回転成分と並進成分とを分離して検出することができない問題があった。   Therefore, it is necessary to perform control so that the rotational component and translational component of disturbance and disturbance are detected separately and each component is canceled. However, the configuration according to the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-264663 and 11-281925 has a problem that the rotation component and the translation component cannot be detected separately.

そこで、本発明の主目的は、擾乱や外乱によるミラー反射面のぶれを回転成分と並進成分とに分離して検出して制御できるミラーアクチュエータ及び光空間通信システム用アンテナを提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, a main object of the present invention is to provide a mirror actuator and an antenna for an optical space communication system that can detect and control a fluctuation of a mirror reflection surface due to disturbance or disturbance separately into a rotation component and a translation component.

上記課題を解決するため、ミラーの位置を検出し、この検出結果に基づき前記ミラーの位置を制御するミラーアクチュエータにかかる発明は、電磁石が複数配置されたベース部と、電磁石に対向配置された永久磁石部が設けられると共に、ミラーを保持したミラーホルダ部と、一端がベース部に固着され、他端がミラーホルダ部に固着されてベース部に対してミラーホルダ部を弾性力で支持する複数の弾性部材と、反射面が所定の反射率分布に設定されると共に、ミラーとの相対位置が固定された検出光反射部と、検出光反射部の反射面に検出光を照射し、該反射面で反射された検出光を受光した際の受光点の変化及び受光量の変化から検出光反射部と相対位置が固定されたミラーの位置を検出する光学系と、光学系からの信号に基づき複数の電磁石を駆動する制御部と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the invention relating to a mirror actuator that detects the position of a mirror and controls the position of the mirror based on the detection result includes a base portion in which a plurality of electromagnets are arranged, and a permanent that is arranged to face the electromagnets. A magnet part is provided, and a plurality of mirror holder parts holding a mirror and one end fixed to the base part and the other end fixed to the mirror holder part to support the mirror holder part with elastic force with respect to the base part The elastic member and the reflection surface are set to have a predetermined reflectance distribution, and the detection light reflection portion whose relative position to the mirror is fixed, and the reflection light of the detection light reflection portion is irradiated with detection light, and the reflection surface An optical system that detects the position of the mirror that has a fixed relative position to the detection light reflecting portion from the change in the light receiving point and the change in the amount of light received when the detection light reflected by the light is received, and a plurality of signals based on the signal from the optical system Characterized in that it comprises a control unit for driving the electromagnet.

また、光空間通信システム用アンテナにかかる発明は、上記ミラーアクチュエータと、ミラーアクチュエータに固着されたミラーと、を備えて、ミラーで光通信号を反射することを特徴とする。   An invention relating to an antenna for an optical space communication system includes the mirror actuator and a mirror fixed to the mirror actuator, and reflects a light transmission signal by the mirror.

本発明によれば、擾乱や外乱によるミラーのぶれを回転成分と並進成分とに分離して検出するので、簡単な構成で高精度のミラー制御が可能になる。また、これにより、送受信光の指向方向が安定して制御できる。   According to the present invention, mirror blur due to disturbance or disturbance is detected separately as a rotation component and a translation component, so that highly accurate mirror control can be performed with a simple configuration. In addition, this makes it possible to stably control the direction of transmission / reception light.

第1実施形態にかかるミラーアクチュエータの上面図である。It is a top view of the mirror actuator concerning a 1st embodiment. 図1におけるA−A断面図である。It is AA sectional drawing in FIG. ミラーホルダ部の構成を示す図で、(a)は上面図、(b)は(a)のB−B断面図である。It is a figure which shows the structure of a mirror holder part, (a) is a top view, (b) is BB sectional drawing of (a). ベース部の構成を示す図で、(a)は上面図、(b)は(a)のC−C断面図である。It is a figure which shows the structure of a base part, (a) is a top view, (b) is CC sectional drawing of (a). 永久磁石部と電磁石とを例示した図である。It is the figure which illustrated the permanent magnet part and the electromagnet. 検出光反射部は、反射率特性を例示した図である。The detection light reflecting portion is a diagram illustrating the reflectance characteristic. 2次元PSDの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of two-dimensional PSD. 2次元PSDに入射する検出光を示した図で、(a)は検出光反射部が傾いていない場合、(b)はY軸の周りに検出光反射部47が回転している場合の図である。FIGS. 4A and 4B are diagrams showing detection light incident on a two-dimensional PSD, where FIG. 5A shows a case where the detection light reflection part is not tilted, and FIG. 5B shows a case where the detection light reflection part 47 rotates around the Y axis. It is. ミラーがZ軸に沿って移動した際に、検出光反射部に形成される検出光のスポット形状を示した図で、(a)はミラーが+Z軸方向に変位した場合、(b)はフォーカス位置、(c)は−Z軸方向に変位した場合の図である。When the mirror moves along the Z axis, it shows the spot shape of the detection light formed on the detection light reflecting portion. (A) is when the mirror is displaced in the + Z axis direction, (b) is the focus The position, (c), is a diagram when displaced in the -Z-axis direction. ミラーがZ軸に沿って移動することにより、2次元PSDに入射する検出光の受光量が変化することを示した図である。It is the figure which showed that the received light quantity of the detection light which injects into two-dimensional PSD changes by a mirror moving along a Z-axis. 制御部のブロック図である。It is a block diagram of a control part. 位置検出部の設計例を示す図である。It is a figure which shows the example of a design of a position detection part. 検出光反射部の反射率特性を示す図である。It is a figure which shows the reflectance characteristic of a detection light reflection part. ミラーの並進量と受光量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the translation amount of a mirror, and the light reception amount. 第2実施形態にかかる検出光反射部の反射率が中心で最も小さく、周辺に近づくに従い単調に大きくなる場合を示した図である。It is the figure which showed the case where the reflectance of the detection light reflection part concerning 2nd Embodiment was the smallest at the center, and became monotonously large as it approached the periphery. 2次元PSDの受光量が、+Z軸方向で光量が増大し、−Z軸方向で減少することを例示した図である。It is the figure which illustrated that the light-receiving amount of two-dimensional PSD increases in the + Z-axis direction, and decreases in the -Z-axis direction. 検出光反射部の反射率が、中心側の反射率がその外側の反射率より大きい場合である。This is a case where the reflectance of the detection light reflecting portion is greater than the reflectance of the center side. 検出光反射部の反射率が、中心側の反射率がその外側の反射率より小さい場合である。This is a case where the reflectance of the detection light reflecting portion is smaller than the reflectance on the outside of the center side. ミラーがZ軸方向に並進したときの受光量が、スポットが境界を含むようになり単調に減少するようすを示した図である。It is the figure which showed as the amount of light received when a mirror translated in the Z-axis direction so that a spot included a boundary and decreased monotonously. ミラーがZ軸方向に並進したときの受光量が、スポットが境界を含むようになり単調に増加するようすを示した図である。It is the figure which showed as the amount of light received when a mirror translated in a Z-axis direction so that a spot included a boundary and increased monotonously. 中央部に凸状領域を有する検出光反射部を示した図である。It is the figure which showed the detection light reflection part which has a convex area | region in the center part. 中央部に凹状領域を有する検出光反射部を示した図である。It is the figure which showed the detection light reflection part which has a concave area | region in the center part. 中央部に回折ピッチが刻まれてなる回折領域を有する検出光反射部を示した図である。It is the figure which showed the detection light reflection part which has a diffraction area | region where a diffraction pitch is carved in the center part. 第3実施形態にかかる位置検出部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the position detection part concerning 3rd Embodiment. 関連技術の説明に適用されるミラー駆動機構の構成図である。It is a block diagram of the mirror drive mechanism applied to description of related technology. 関連技術の説明に適用されるレーザーポインティング装置の構成図で、(a)は上面図、(b)は側面図である。It is a block diagram of the laser pointing device applied to description of related technology, (a) is a top view, (b) is a side view.

<第1実施形態>
本発明の第1実施形態を説明する。図1は、本実施形態にかかるミラーアクチュエータ2の上面図である。また、図2は、図1のA−A断面図である。このミラーアクチュエータ2は、ミラーホルダ部10、ベース部20、ミラーホルダ駆動部30、位置検出部40を主要構成とする。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a top view of a mirror actuator 2 according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The mirror actuator 2 mainly includes a mirror holder unit 10, a base unit 20, a mirror holder driving unit 30, and a position detection unit 40.

図3は、ミラーホルダ部10の構成を示す図で、図3(a)は上面図(送受信光反射面側)、(b)は(a)のB−B断面図である。なお、本明細書では、送受信光が入射する側の面を上面、この上面に対する反対側の面を下面と記載する(図3(b)を参照)。   3A and 3B are diagrams showing the configuration of the mirror holder portion 10, in which FIG. 3A is a top view (transmission / reception light reflecting surface side), and FIG. In the present specification, the surface on the side on which transmitted / received light is incident is referred to as an upper surface, and the surface opposite to the upper surface is referred to as a lower surface (see FIG. 3B).

ミラーホルダ部10は、概ね正8角形に形成されたホルダ板12、該ホルダ板12の中央部分にミラー4が装着されるミラー取付孔13が設けられている。また、ミラーホルダ部10には板バネ等の弾性部材11(11a〜11d)の一端が固着されている。   The mirror holder portion 10 is provided with a holder plate 12 that is formed in a substantially regular octagon, and a mirror mounting hole 13 in which the mirror 4 is mounted at a central portion of the holder plate 12. Further, one end of an elastic member 11 (11a to 11d) such as a leaf spring is fixed to the mirror holder portion 10.

弾性部材11は、概略「し」字状をなす板状の弾性部材で、ミラー取付孔13の中心に対して回転対称位置に4つ設けられている。弾性部材11の一端は、上述したようにミラーホルダ部10に固着され、他端はベース部20に固着されている。そして、弾性部材11が弾性変形することにより、ミラーホルダ部10はベース部20に対して並進し、また傾動するようになっている。   The elastic members 11 are plate-like elastic members having a substantially “S” shape, and four elastic members 11 are provided at rotationally symmetric positions with respect to the center of the mirror mounting hole 13. One end of the elastic member 11 is fixed to the mirror holder portion 10 as described above, and the other end is fixed to the base portion 20. The elastic member 11 is elastically deformed so that the mirror holder portion 10 translates and tilts with respect to the base portion 20.

また、ミラーホルダ部10にはミラーホルダ駆動部30を構成する永久磁石部31が、取り付けられている。これについては、後述する。   In addition, a permanent magnet part 31 constituting a mirror holder driving part 30 is attached to the mirror holder part 10. This will be described later.

図4は、ベース部20の構成を示す図で、図4(a)は上面図、(b)は(a)のC−C断面図である。ベース部20は、概ね正方形のベース板21、このベース板21の中心に貫通して設けられた位置検出孔22を備える。また、ベース板21のコーナ近傍領域には、脚部23が立設されている。この脚部23を介して弾性部材11はベース板21にねじ等により固定されている。さらに、ベース板21には位置検出孔22を囲むように、ミラーホルダ駆動部30を構成する電磁石32(32a〜32d)が配置されている。   FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the configuration of the base portion 20, FIG. 4A is a top view, and FIG. The base portion 20 includes a substantially square base plate 21 and a position detection hole 22 provided through the center of the base plate 21. Further, a leg portion 23 is erected in the corner vicinity region of the base plate 21. The elastic member 11 is fixed to the base plate 21 with screws or the like via the leg portions 23. Further, electromagnets 32 (32 a to 32 d) that constitute the mirror holder driving unit 30 are arranged on the base plate 21 so as to surround the position detection hole 22.

ミラーホルダ駆動部30は、永久磁石部31(31a〜31d)、及び、電磁石32(32a〜32d)を備えている。そして、1つの永久磁石部31と1つの電磁石32とは対向して配置されて対をなしている。この対をなす磁石を磁石ユニットと記載する。なお、電磁石32はヨークを持つか否かは任意である。これまでに説明したように、永久磁石部31はホルダ板12に固着され、電磁石32はベース板21に固着されている。   The mirror holder driving unit 30 includes a permanent magnet unit 31 (31a to 31d) and an electromagnet 32 (32a to 32d). And one permanent magnet part 31 and one electromagnet 32 are arranged facing and make a pair. This pair of magnets is referred to as a magnet unit. Note that whether or not the electromagnet 32 has a yoke is arbitrary. As described above, the permanent magnet portion 31 is fixed to the holder plate 12, and the electromagnet 32 is fixed to the base plate 21.

図5は、永久磁石部31aと電磁石32aとを例示した図である。永久磁石部31は、磁極を逆にした2つの永久磁石31_N,31_Sを重ねて形成されている。そして、電磁石32に通電されると、通電量に応じて磁場が発生する。図5では、永久磁石31_N,31_S及び電磁石32の磁極を例示的に示している。この磁場は永久磁石部31の磁場と磁気相互作用を行い、そのときの力によりホルダ板12は弾性部材11の弾性力に抗して変位する。複数の磁石ユニットが設けられて、各電磁石にはそれぞれ異なる電流値及び向きの電流が流せるので、電流値及び電流の向きの違いにより、ホルダ板12はベース板21に対して並進変位や傾斜変位をさせることができる。   FIG. 5 is a diagram illustrating the permanent magnet portion 31a and the electromagnet 32a. The permanent magnet portion 31 is formed by overlapping two permanent magnets 31_N and 31_S with reversed magnetic poles. When the electromagnet 32 is energized, a magnetic field is generated according to the energization amount. In FIG. 5, the magnetic poles of the permanent magnets 31_N and 31_S and the electromagnet 32 are shown as an example. This magnetic field performs magnetic interaction with the magnetic field of the permanent magnet unit 31, and the holder plate 12 is displaced against the elastic force of the elastic member 11 by the force at that time. Since a plurality of magnet units are provided and currents having different current values and directions can flow through the respective electromagnets, the holder plate 12 is translated or inclined with respect to the base plate 21 due to the difference in current value and current direction. Can be made.

なお、永久磁石部31をベース板21に固着し、電磁石32をホルダ板12に設けても良い。また、上記説明では、永久磁石部31と電磁石32との配置関係は、横並配置としたが、例えば、ホルダ板12の下面に永久磁石部31を取付け、この永久磁石部31に対向するように電磁石32をベース板21に縦並配置としても良い。   The permanent magnet portion 31 may be fixed to the base plate 21 and the electromagnet 32 may be provided on the holder plate 12. In the above description, the permanent magnet portion 31 and the electromagnet 32 are arranged side by side. For example, the permanent magnet portion 31 is attached to the lower surface of the holder plate 12 so as to face the permanent magnet portion 31. Alternatively, the electromagnets 32 may be arranged vertically on the base plate 21.

位置検出部40は、制御部46、検出光反射部47、位置検出孔22に対向してベース板21の下面側に設けられた光学系を主要構成としている。このとき光学系は、半導体レーザダイオード等の光源41、集光レンズ42、偏光ビームスプリッタ43、4分の1波長板44、2次元位置検出素子(PSD)45、制御部46、ミラー4に固着された検出光反射部47を含んでいる。なお、光源41を別の場所に設けておき、その出射光を光ファイバで集光レンズ42に導くようにしても良い。   The position detection unit 40 mainly includes an optical system provided on the lower surface side of the base plate 21 so as to face the control unit 46, the detection light reflection unit 47, and the position detection hole 22. At this time, the optical system is fixed to a light source 41 such as a semiconductor laser diode, a condensing lens 42, a polarizing beam splitter 43, a quarter-wave plate 44, a two-dimensional position detection element (PSD) 45, a control unit 46, and the mirror 4. The detected light reflecting portion 47 is included. Note that the light source 41 may be provided in another location, and the emitted light may be guided to the condenser lens 42 by an optical fiber.

ミラー取付孔13に装着されたミラー4の上面は、光通信のためのレーザ光等を反射する面全体が一様な反射率を持つように形成されたアンテナ面をなしている。また、ミラー4の下面には、このミラー4の位置を検出するための検出光反射部47が設けられている。   The upper surface of the mirror 4 mounted in the mirror mounting hole 13 forms an antenna surface formed so that the entire surface that reflects laser light for optical communication has a uniform reflectance. A detection light reflecting portion 47 for detecting the position of the mirror 4 is provided on the lower surface of the mirror 4.

この検出光反射部47は、図6に示すような反射率特性を持つように形成されている。図6は、検出光反射部47の反射率分布を例示した図で、反射率は中心側から周辺側に向かって単調に小さくなっている。なお、かかる反射率分布を持つ検出光反射部47は、ミラー4の成膜条件を調整することにより作成することができる。   The detection light reflecting portion 47 is formed to have reflectance characteristics as shown in FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating the reflectance distribution of the detection light reflecting portion 47, and the reflectance decreases monotonously from the center side toward the peripheral side. The detection light reflecting portion 47 having such a reflectance distribution can be created by adjusting the film forming conditions of the mirror 4.

ところで、本実施形態では、位置検出部40からの検出光をミラー4の下面に照射し、この下面で反射された反射光の光量等からミラー4の位置を検出する。この際、検出光は、必ずミラー4に照射しなければならない訳ではなく、常にミラー4と一体に動くように構成された部材に照射しても良い。図3(b)に示す符号47は、この部材(以下、この部材を検出光反射部47と記載)を示し、ミラー4の下面に貼り付け等して、ミラー4と一体に設けられている。無論、ミラー4の下面を検出光反射部47としてもよい。   By the way, in this embodiment, the detection light from the position detection part 40 is irradiated to the lower surface of the mirror 4, and the position of the mirror 4 is detected from the light quantity etc. of the reflected light reflected by this lower surface. At this time, the detection light does not necessarily have to be applied to the mirror 4, and may be applied to a member configured to always move together with the mirror 4. Reference numeral 47 shown in FIG. 3B indicates this member (hereinafter, this member is referred to as a detection light reflecting portion 47), and is provided integrally with the mirror 4 by being attached to the lower surface of the mirror 4 or the like. . Of course, the lower surface of the mirror 4 may be the detection light reflecting portion 47.

以下、位置検出部40の詳細な構成をミラー4の位置調整処理の説明と併せて行う。この際、光源41から出射された検出光はS偏光の光であったとする。検出光は、図2に示すように、集光レンズ42で集光されて、偏光ビームスプリッタ43に入射する。偏光ビームスプリッタ43は、S偏光の光は反射し、P偏光の光は透過させる作用がある。従って、光源41からのS偏向の検出光は、偏光ビームスプリッタ43で反射されて、4分の1波長板44を通過してミラー4の下面(検出光反射部47)に入射して反射される。S偏向の検出光は、4分の1波長板44を通過する際に、円偏向の光に変換される。   Hereinafter, the detailed configuration of the position detection unit 40 will be described together with the description of the position adjustment processing of the mirror 4. At this time, it is assumed that the detection light emitted from the light source 41 is S-polarized light. As shown in FIG. 2, the detection light is condensed by the condenser lens 42 and enters the polarization beam splitter 43. The polarizing beam splitter 43 has an action of reflecting S-polarized light and transmitting P-polarized light. Therefore, the S-polarized detection light from the light source 41 is reflected by the polarization beam splitter 43, passes through the quarter-wave plate 44, enters the lower surface of the mirror 4 (detection light reflecting portion 47), and is reflected. The The S-polarized detection light is converted into circularly-polarized light when passing through the quarter-wave plate 44.

検出光反射部47で反射された光(反射光)は、4分の1波長板44でP偏光の光に変換され、偏光ビームスプリッタ43に入射する。偏光ビームスプリッタ43は、P偏光の光を透過させるので、反射光は2次元PSD45に入射するようになる。このとき、反射光が2次元PSD45の受光面で焦点を結ぶように、光源41と集光レンズ42間の距離等が設定されている。   The light (reflected light) reflected by the detection light reflecting portion 47 is converted into P-polarized light by the quarter-wave plate 44 and enters the polarization beam splitter 43. Since the polarization beam splitter 43 transmits P-polarized light, the reflected light enters the two-dimensional PSD 45. At this time, the distance between the light source 41 and the condenser lens 42 is set so that the reflected light is focused on the light receiving surface of the two-dimensional PSD 45.

図7は、2次元PSD45の構成を示す図である。2次元PSD45は、受光部51及びこの受光部51の4面に設けられた電極52(52a〜52d)を備える。   FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the two-dimensional PSD 45. The two-dimensional PSD 45 includes a light receiving portion 51 and electrodes 52 (52a to 52d) provided on four surfaces of the light receiving portion 51.

受光部51は高抵抗光半導体であり、光が入射すると、光電効果により受光量に比例した電荷が発生する。そこで、発生した電荷による電位を電極52によって検出する。電極52で検出された電位は、受光点と電極52とのまでの距離に反比例する。受光点は検出光反射部47の位置に対応するので、電極52からの信号を解析することにより検出光反射部47が固着されたミラー4の位置を知ることができる。   The light receiving unit 51 is a high-resistance optical semiconductor, and when light enters, a charge proportional to the amount of received light is generated by the photoelectric effect. Therefore, the potential due to the generated charge is detected by the electrode 52. The potential detected by the electrode 52 is inversely proportional to the distance between the light receiving point and the electrode 52. Since the light receiving point corresponds to the position of the detection light reflecting portion 47, the position of the mirror 4 to which the detection light reflecting portion 47 is fixed can be known by analyzing the signal from the electrode 52.

図1に示すように、ベース板21の板面内にX−Y軸をとり、その法線方向にZ軸を設定した場合、ミラー4の位置は、X,Y軸の周りの回転、及び、Z軸に平行な変位に分解することができる。   As shown in FIG. 1, when the XY axis is taken within the plate surface of the base plate 21 and the Z axis is set in the normal direction, the mirror 4 is positioned around the X and Y axes, and , It can be broken down into displacement parallel to the Z axis.

図8は、2次元PSD45に入射する検出光を示した図で、図8(a)は検出光反射部47が傾いていない場合(即ち、ミラー4が傾いていない場合)、図8(b)はY軸の周りに検出光反射部47が回転している場合(即ち、ミラー4が回転している場合)の図である。   FIG. 8 is a diagram showing detection light incident on the two-dimensional PSD 45. FIG. 8A shows a case where the detection light reflecting portion 47 is not inclined (that is, when the mirror 4 is not inclined), and FIG. ) Is a diagram when the detection light reflecting portion 47 is rotating around the Y axis (that is, when the mirror 4 is rotating).

ミラー4が傾いていない場合は、検出光は、2次元PSD45の中心を受光点Pとして受光される(図8(a))。これに対し、ミラー4がX軸の周りにθx方向に回転した場合は、受光点PはY軸に沿って2次元PSD45の端部側に移動し、ミラー4がY軸の周りにθy方向に回転した場合は、X軸に沿って2次元PSD45の端部側に移動する。   When the mirror 4 is not tilted, the detection light is received with the center of the two-dimensional PSD 45 as the light receiving point P (FIG. 8A). On the other hand, when the mirror 4 rotates around the X axis in the θx direction, the light receiving point P moves along the Y axis toward the end of the two-dimensional PSD 45, and the mirror 4 moves around the Y axis in the θy direction. Is rotated to the end side of the two-dimensional PSD 45 along the X axis.

一方、ミラー4がZ軸方向に変位した場合、検出光の焦点位置はミラー4のZ軸位置に対応して変化するようになる。図9は、ミラー4がZ軸に沿って移動した際に、検出光反射部47に形成される検出光のスポット形状を示した図である。そして、図9(a)はミラー4が+Z軸方向に変位した場合、図9(b)はフォーカス位置、図9(c)は−Z軸方向に変位した場合を示している。なお、フォーカス位置とは、検出光が2次元PSD45の受光面で最小のスポット径となるときのミラー4の位置をいう。そして、+Z軸方向、−Z軸方向は、このフォーカス位置から+Z軸方向、−Z軸方向に変位することをいう。   On the other hand, when the mirror 4 is displaced in the Z-axis direction, the focus position of the detection light changes corresponding to the Z-axis position of the mirror 4. FIG. 9 is a diagram showing a spot shape of the detection light formed on the detection light reflecting portion 47 when the mirror 4 moves along the Z axis. 9A shows a case where the mirror 4 is displaced in the + Z-axis direction, FIG. 9B shows a focus position, and FIG. 9C shows a case where the mirror 4 is displaced in the −Z-axis direction. The focus position refers to the position of the mirror 4 when the detection light has a minimum spot diameter on the light receiving surface of the two-dimensional PSD 45. The + Z-axis direction and the −Z-axis direction mean displacement from the focus position in the + Z-axis direction and the −Z-axis direction.

図10は、ミラー4がZ軸に沿って移動することにより、2次元PSD45に入射する検出光の受光量が変化することを示した図である。反射率特性は検出光反射部47の径方向で変化するため、+Z軸方向の並進では受光量が小さくなり(周辺部で反射される光量が増える)、逆に−Z軸方向の並進で受光量が増大する(中央部で反射される光量が増える)。   FIG. 10 is a diagram showing that the amount of detection light incident on the two-dimensional PSD 45 changes as the mirror 4 moves along the Z-axis. Since the reflectance characteristics change in the radial direction of the detection light reflecting portion 47, the amount of light received becomes small in translation in the + Z-axis direction (the amount of light reflected in the peripheral portion increases). The amount increases (the amount of light reflected at the center increases).

制御部46は、このようなミラー4の変位に対応した2次元PSD45の出力信号に基づき、ミラー4の変位を回転成分、並進成分に分離して検出し、ミラーホルダ駆動部30を制御する。   Based on the output signal of the two-dimensional PSD 45 corresponding to the displacement of the mirror 4, the control unit 46 detects the displacement of the mirror 4 by separating it into a rotational component and a translational component, and controls the mirror holder driving unit 30.

図11は、制御部46のブロック図である。制御部46は、増幅回路61、減算回路62、加算回路63、規格化回路64を備える。   FIG. 11 is a block diagram of the control unit 46. The control unit 46 includes an amplification circuit 61, a subtraction circuit 62, an addition circuit 63, and a normalization circuit 64.

増幅回路61は、2次元PSD45の各電極52a〜52dに対応して設けられた増幅器61a〜61dを備え、各電極52からの信号を所定の増幅率で増幅する。以下、電極52からの信号又は、増幅回路61で増幅された信号をIa、Ib、Ic、Idと記載する。   The amplifier circuit 61 includes amplifiers 61a to 61d provided corresponding to the electrodes 52a to 52d of the two-dimensional PSD 45, and amplifies signals from the electrodes 52 at a predetermined amplification factor. Hereinafter, the signal from the electrode 52 or the signal amplified by the amplifier circuit 61 is referred to as Ia, Ib, Ic, Id.

減算回路62は、第1減算部62aと第2減算部62bとを備え、各減算部62a,62bは対向する電極52からの信号を減算して差分信号を算出する処理を行う。即ち、第1減算部62aは第1減算信号I_1(=Ia−Ic)を算出し、第2減算部62bは第2減算信号I_2(=Ib−Id)を算出する。   The subtracting circuit 62 includes a first subtracting unit 62a and a second subtracting unit 62b, and each subtracting unit 62a, 62b performs a process of subtracting a signal from the opposing electrode 52 to calculate a differential signal. That is, the first subtraction unit 62a calculates a first subtraction signal I_1 (= Ia-Ic), and the second subtraction unit 62b calculates a second subtraction signal I_2 (= Ib-Id).

加算回路63は、第1加算部63a、第2加算部63bを備えると共に、合成部63cを備えて、各電極52からの信号を加算し、合成して、これを光強度信号として出力する。即ち、第1加算部63aは第1加算信号I_3(=Ia+Ic)を算出し、第2加算部63bは第2加算信号I_4(=Ib+Id)を算出する。そして、合成部63cは第1加算信号I_3と第2加算信号I_4とを加算した光強度信号It(=Ia+Ib+Ic+Id)を算出する。   The adding circuit 63 includes a first adding unit 63a and a second adding unit 63b, and also includes a combining unit 63c, adds the signals from the electrodes 52, combines them, and outputs this as a light intensity signal. That is, the first addition unit 63a calculates the first addition signal I_3 (= Ia + Ic), and the second addition unit 63b calculates the second addition signal I_4 (= Ib + Id). Then, the combining unit 63c calculates a light intensity signal It (= Ia + Ib + Ic + Id) obtained by adding the first addition signal I_3 and the second addition signal I_4.

規格化回路64は、第1規格部64a、第2規格部64bを備え、第1減算信号I_1、第2減算信号I_2を規格化した第1規格差分信号Ix、第2規格差分信号Iyを算出する。即ち、第1規格部64aは、第1減算信号I_1を光強度信号Itで規格化したX方向変位信号Ix(=I_1/It)を算出し、第2規格部64bは、第2減算信号I_2を光強度信号Itで規格化したY方向変位信号Iy(=I_2/It)を算出する。   The normalization circuit 64 includes a first standard part 64a and a second standard part 64b, and calculates a first standard difference signal Ix and a second standard difference signal Iy obtained by standardizing the first subtraction signal I_1 and the second subtraction signal I_2. To do. That is, the first standard unit 64a calculates the X-direction displacement signal Ix (= I_1 / It) obtained by normalizing the first subtraction signal I_1 with the light intensity signal It, and the second standard unit 64b generates the second subtraction signal I_2. The Y-direction displacement signal Iy (= I_2 / It) is calculated by normalizing the signal with the light intensity signal It.

X方向変位信号Ixは、X軸方向の変化量を示す信号であり、Y方向変位信号Iyは、Y軸方向の変化量を示す信号である。また、光強度信号Itは、光強度を示す信号である。   The X-direction displacement signal Ix is a signal indicating the amount of change in the X-axis direction, and the Y-direction displacement signal Iy is a signal indicating the amount of change in the Y-axis direction. The light intensity signal It is a signal indicating the light intensity.

制御部46は、このようなX方向変位信号Ix、Y方向変位信号Iyに基づき各電磁石32に流す電流を決定し、決定した電流を各電磁石32に流す。このとき、座標変換を行いミラー4の回転量θx、θyを算出して各電磁石32に流す電流を決定しても良い。   The control unit 46 determines a current to flow through each electromagnet 32 based on the X-direction displacement signal Ix and the Y-direction displacement signal Iy, and causes the determined current to flow through each electromagnet 32. At this time, coordinate conversion may be performed to calculate the rotation amounts θx and θy of the mirror 4 to determine the currents to flow through the electromagnets 32.

これにより、各電磁石32には電流に応じた磁場が発生して、永久磁石部31と磁気相互作用を行う。電磁石32はベース板21に固定され、永久磁石部31はホルダ板12に固着されて、ベース板21とホルダ板12とは弾性部材11で連結されているので、永久磁石部31に作用する磁気相互作用による力で弾性部材11が変形する。従って、このホルダ板12に取り付けられているミラー4の位置を制御することが可能になる。   As a result, a magnetic field corresponding to the current is generated in each electromagnet 32 and performs magnetic interaction with the permanent magnet portion 31. The electromagnet 32 is fixed to the base plate 21, the permanent magnet portion 31 is fixed to the holder plate 12, and the base plate 21 and the holder plate 12 are connected by the elastic member 11. The elastic member 11 is deformed by the force due to the interaction. Accordingly, the position of the mirror 4 attached to the holder plate 12 can be controlled.

次に、このような位置検出部40の具体例を説明する。表1は、位置検出部40の仕様例を示した表である。また、図12は位置検出部40の設計例を示す図、図13に検出光反射部47の反射率特性を示す図である。

Figure 2015230392
Next, a specific example of such a position detection unit 40 will be described. Table 1 is a table showing a specification example of the position detection unit 40. 12 is a diagram showing a design example of the position detection unit 40, and FIG. 13 is a diagram showing the reflectance characteristics of the detection light reflection unit 47. As shown in FIG.

Figure 2015230392

光源41と集光レンズ42との距離f=13[mm]とする。このとき焦点距離f=10[mm]の集光レンズ42からの検出光は、レンズの公式により、集光レンズ42から、
F=1/(1/f−1/f
=1/(1/10−1−13)
=44.25[mm]
の位置に焦点を結ぶ。
The distance between the light source 41 and the condenser lens 42 is set to f 2 = 13 [mm]. At this time, the detection light from the condenser lens 42 having a focal length f 1 = 10 [mm] is obtained from the condenser lens 42 according to the lens formula.
F = 1 / (1 / f 1 −1 / f 2 )
= 1 / (1 / 10-1-13)
= 44.25 [mm]
Focus on the position.

これに対し、集光レンズ42から2次元PSD45までの距離は、屈折率n=1の空気中が30.5[mm]、屈折率n=1.6の偏光ビームスプリッタ43が20[mm]、4分の1波長板44が2[mm]なので合計が22[mm]であるため、光路長は
L=30.5+22/1.6
=44.25[mm]
となる。従って、集光レンズ42からの検出光は、2次元PSD45の受光部に焦点を結ぶ。
In contrast, the distance from the condenser lens 42 to the two-dimensional PSD 45 is 30.5 [mm] in the air with a refractive index n = 1, and 20 [mm] with the polarizing beam splitter 43 with a refractive index n = 1.6. Since the quarter-wave plate 44 is 2 [mm] and the total is 22 [mm], the optical path length is L = 30.5 + 22 / 1.6.
= 44.25 [mm]
It becomes. Accordingly, the detection light from the condenser lens 42 is focused on the light receiving portion of the two-dimensional PSD 45.

次に、回転の検出角度範囲について説明する。検出光反射部47から2次元PSD45までは、屈折率n=1の空気中が16[mm]、屈折率n:1.6の偏光ビームスプリッタ43が10[mm]、4分の1波長板44が1[mm]なので合計11[mm]となり、光路長は
L=16+11/1.6
=22.875[mm]
となる。
Next, the rotation detection angle range will be described. From the detection light reflector 47 to the two-dimensional PSD 45, the air with a refractive index n = 1 is 16 [mm], the polarizing beam splitter 43 with a refractive index n: 1.6 is 10 [mm], and a quarter-wave plate. Since 44 is 1 [mm], the total is 11 [mm], and the optical path length is L = 16 + 11 / 1.6.
= 22.875 [mm]
It becomes.

2次元PSD45の受光部サイズは、12×12[mm]であるので、光学角の検出角度範囲は、
±tan−1{(12/2)/22.875}
=±14.7[deg]
となる。検出光反射部47の各軸の回転角は、この半分の角度であるので、±7.35[deg]の回転に対応することができることになる。
Since the light receiving unit size of the two-dimensional PSD 45 is 12 × 12 [mm], the detection angle range of the optical angle is
± tan −1 {(12/2) /22.875}
= ± 14.7 [deg]
It becomes. Since the rotation angle of each axis of the detection light reflecting section 47 is half of this angle, it can correspond to rotation of ± 7.35 [deg].

次に、並進検出範囲を説明する。集光レンズ42の有効径が10[mm]であり、検出光の焦点距離が44.25[mm]、集光レンズ42から検出光反射部47までの光路長が、
L=14.5+11/1.6
=21.375[mm]
であるので、検出光反射部47上のスポット径は、
φ=10×(44.25−21.375)/44.25
=5.17[mm]
となる。
Next, the translation detection range will be described. The effective diameter of the condensing lens 42 is 10 [mm], the focal length of the detection light is 44.25 [mm], and the optical path length from the condensing lens 42 to the detection light reflecting portion 47 is
L = 14.5 + 11 / 1.6
= 21.375 [mm]
Therefore, the spot diameter on the detection light reflecting portion 47 is
φ = 10 × (44.25-21.375) /44.25
= 5.17 [mm]
It becomes.

従って、ミラー4の並進で検出光反射部47上のスポット径は、5.17[mm]から変化する。検出光反射部47の反射率は、スポット径に対して変化するため、ミラー4の並進により検出光反射部47の反射率が変化する。ミラー4の並進量と受光量の関係を図14に示す。なお、図14の受光量は、検出光反射部47は完全反射の場合を1としている。ミラー4の並進±4[mm]に対して、反射光量が単調に変化するため、±4[mm]以上の並進に対応できることがわかる。   Accordingly, the spot diameter on the detection light reflecting portion 47 changes from 5.17 [mm] due to the translation of the mirror 4. Since the reflectance of the detection light reflecting portion 47 changes with respect to the spot diameter, the reflectance of the detection light reflecting portion 47 changes due to the translation of the mirror 4. FIG. 14 shows the relationship between the translation amount of the mirror 4 and the received light amount. Note that the amount of received light in FIG. 14 is 1 when the detection light reflecting portion 47 is completely reflected. It can be seen that since the amount of reflected light monotonously changes with respect to the translation of the mirror 4 ± 4 [mm], it is possible to cope with translation of ± 4 [mm] or more.

次に、角度検出分解能を示す。2次元PSD45の位置分解能は入射する光による光電流に反比例するので、2次元PSD45上の光量を算出し、光電流を見積もる。光源41の出力は、[1mW]である。ここで、光源41から出射した光のうち、集光レンズ42に入力する光は約30[%]であるとする。偏光ビームスプリッタ43、及び、4分の1波長板44の透過率が約97[%]であるので、これらを4回透過すれば約88.5[%]に低下する。また、検出光反射部47の反射率は、スポット径に対して変化するが、図14を参照し約25[%]と見積もることができる。   Next, angle detection resolution is shown. Since the position resolution of the two-dimensional PSD 45 is inversely proportional to the photocurrent due to the incident light, the amount of light on the two-dimensional PSD 45 is calculated and the photocurrent is estimated. The output of the light source 41 is [1 mW]. Here, it is assumed that the light input from the light source 41 to the condenser lens 42 is about 30 [%]. Since the transmittance of the polarizing beam splitter 43 and the quarter-wave plate 44 is about 97 [%], if these are transmitted four times, the transmittance is reduced to about 88.5 [%]. Further, the reflectance of the detection light reflecting portion 47 changes with respect to the spot diameter, but can be estimated to be about 25 [%] with reference to FIG.

以上から、2次元PSD45の集光点の光量は、
P=1×0.3×0.885×0.25
=0.066[mW]
となる。
From the above, the amount of light at the condensing point of the two-dimensional PSD 45 is
P = 1 × 0.3 × 0.885 × 0.25
= 0.066 [mW]
It becomes.

光の光電流への変換感度が0.3[A/W]であるので、光電流は、
I=0.0066×0.3
=0.0758[μm]
である。位置分解能は、光電流1[μA]に対して、1.5[μm]であるので、45.8[μA]ならば、
Δ=1.5/45.8
=0.0758[μm]
となる。
Since the conversion sensitivity of light to photocurrent is 0.3 [A / W], the photocurrent is
I = 0.0066 × 0.3
= 0.0758 [μm]
It is. Since the position resolution is 1.5 [μm] with respect to the photocurrent of 1 [μA], if it is 45.8 [μA],
Δ = 1.5 / 45.8
= 0.0758 [μm]
It becomes.

そこで、検出光反射部47から2次元PSD45までの光路長が22.875[mm]であるので、位置分解能を検出光学角に換算すると、
tan−1{0.0758[μm]/22.875[mm]}=1.90e−4[deg]
となる。
Therefore, since the optical path length from the detection light reflection unit 47 to the two-dimensional PSD 45 is 22.875 [mm], when the position resolution is converted into the detection optical angle,
tan -1 {0.0758 [μm] /22.875 [mm]} = 1.90e -4 [deg]
It becomes.

検出光反射部47の回転角は、検出光学角の半分であるため、角度検出分解能は0.95−4[deg]となる。 Since the rotation angle of the detection light reflector 47 is half of the detection optical angle, the angle detection resolution is 0.95 −4 [deg].

最後に並進検出分解能を説明する。図14を参照すれば、ミラー4の並進±1[mm]に対して、光量は約±5[%]変化する。従って、ミラー4の並進に対する2次元PSD45上の光量変化の感度は、
ΔP=1×0.3×0.885×0.05
=13.28[μW/mm]
である。光電流に換算すると、
ΔI=13.25×0.3
=3.98[μA/mm]
である。
Finally, the translation detection resolution will be described. Referring to FIG. 14, the light amount changes by about ± 5 [%] with respect to the translation ± 1 [mm] of the mirror 4. Therefore, the sensitivity of the light amount change on the two-dimensional PSD 45 to the translation of the mirror 4 is
ΔP = 1 × 0.3 × 0.885 × 0.05
= 13.28 [μW / mm]
It is. In terms of photocurrent,
ΔI = 13.25 × 0.3
= 3.98 [μA / mm]
It is.

なお、2次元PSD45の暗電流が1[nA]であるので、並進の検出分解能は、
Δ=0.001/3.98
=2.5e−4[mm]
である。
Since the dark current of the two-dimensional PSD 45 is 1 [nA], the translation detection resolution is
Δ = 0.001 / 3.98
= 2.5e- 4 [mm]
It is.

以上説明したように、外部からの擾乱によってミラーにぶれが生じても、ぶれの回転成分と並進成分とを個別に検出でき、かつ、個別に制御できるようになる。従って、送受信光の指向方向を安定して制御するミラーアクチュエータ及び光空間通信システム用アンテナが提供できる。
<第2実施形態>
次に、第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。第1実施形態においては、検出光反射部47の反射率特性は、中心側から周辺側に向かって単調に小さくなる分布に設定した場合を説明した。しかし、本発明は、かかる構成に限定されず、後述するような構成であっても良い。
As described above, even when the mirror is shaken due to external disturbance, the rotational component and translational component of the shake can be individually detected and individually controlled. Accordingly, it is possible to provide a mirror actuator and an antenna for an optical space communication system that stably control the directivity direction of transmitted / received light.
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. In addition, about the same structure as 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. In 1st Embodiment, the reflectance characteristic of the detection light reflection part 47 demonstrated the case where it set to the distribution which becomes small monotonously from the center side toward the peripheral side. However, the present invention is not limited to such a configuration, and may be a configuration as described later.

図15は、検出光反射部47の反射率が、中心で最も小さく、周辺に近づくに従い単調に大きくなる場合を示している。この場合、Z軸方向に並進したときの受光量は、図16に示すように、+Z軸方向で光量が増大し、−Z軸方向で減少する。   FIG. 15 shows a case where the reflectance of the detection light reflecting portion 47 is the smallest at the center and increases monotonously as it approaches the periphery. In this case, the amount of light received when translated in the Z-axis direction increases in light amount in the + Z-axis direction and decreases in the -Z-axis direction, as shown in FIG.

図17、図18は、検出光反射部47の反射率が、ミラー中心に対して同心円状の境界を境に段階的に変化する場合を示している。そして、図17は、中心側の反射率がその外側の反射率より大きい場合である。また、図18は、中心側の反射率がその外側の反射率より小さい場合である。図17の場合、Z軸方向に並進したときの受光量は、図19に示すように、スポットが境界を含むようになると単調に減少するようになる。一方、図18の場合、Z軸方向に並進したときの受光量は、図20に示すように、スポットが境界を含むようになると単調に増大するようになる。   FIGS. 17 and 18 show a case where the reflectance of the detection light reflecting portion 47 changes stepwise with a concentric boundary with respect to the mirror center. FIG. 17 shows a case where the reflectance on the center side is larger than the reflectance on the outside. FIG. 18 shows a case where the reflectance on the center side is smaller than the reflectance on the outside thereof. In the case of FIG. 17, the amount of received light when translated in the Z-axis direction decreases monotonously when the spot includes a boundary as shown in FIG. On the other hand, in the case of FIG. 18, the amount of light received when translated in the Z-axis direction monotonously increases when the spot includes a boundary as shown in FIG.

また、図21、図22は、検出光反射部47が平面以外の形状を持つ場合を示している。図21は、検出光反射部47の中央部が凸状領域47aを持つ場合であり、図22は、検出光反射部47の中央部が凹状領域47bを持つ場合を示している。なお、図21,図22においては、検出光反射部47の中央部に凹状領域47b又は凸状領域47aを設け、その外側の領域は平面の場合を示すが、検出光反射部47の中央部に平面領域を設け、その外側の領域に凹状領域47b又は凸状領域47aを設けてもよい。   21 and 22 show a case where the detection light reflecting portion 47 has a shape other than a plane. FIG. 21 shows a case where the central portion of the detection light reflecting portion 47 has a convex region 47a, and FIG. 22 shows a case where the central portion of the detection light reflecting portion 47 has a concave region 47b. 21 and 22, the concave region 47 b or the convex region 47 a is provided in the central portion of the detection light reflecting portion 47, and the outer region is a plane, but the central portion of the detection light reflecting portion 47 is shown. A planar region may be provided on the outer side, and a concave region 47b or a convex region 47a may be provided on the outer region.

図23は、検出光反射部47の中央部に回折ピッチが刻まれてなる回折領域47cを設けた場合を示している。回折ピッチは、入射した光をそのまま反射する0次光と、回折する±1次回折光に分離する作用を持つ。そこで、2次元PSD45上では、±1次回折光として分離した光の分だけ光量が落ちた光が入射することになる。±1次回折光として分離する光量は、回折領域47c上のビーム径に依存し、このことを利用して、Z軸方向の並進を検出できる。
<第3実施形態>
次に、第3実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。これまでの説明では、外部からの擾乱によってミラー4がぶれて、2次元PSD45に入射する光量や受光点が変化することを利用して、ぶれの回転成分と並進成分とを個別に検出するようにした。このとき、光源41から出射される光の光量は変化しないことを前提とした。しかし、例えば、電源の電圧変動が生じた場合には、光源41から出射される光の光量は変動してしまい、信頼性の高い制御が困難になることがある。
FIG. 23 shows a case where a diffraction region 47 c in which a diffraction pitch is engraved is provided in the central portion of the detection light reflecting portion 47. The diffraction pitch has an effect of separating incident light into zero-order light that reflects the light as it is and ± first-order diffracted light that is diffracted. Therefore, on the two-dimensional PSD 45, light having a light amount that falls by the amount of light separated as ± first-order diffracted light is incident. The amount of light to be separated as ± first-order diffracted light depends on the beam diameter on the diffraction region 47c, and this can be used to detect translation in the Z-axis direction.
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment will be described. In addition, about the same structure as 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. In the description so far, the rotation component and the translation component of the blur are detected individually by using the fact that the mirror 4 is shaken due to disturbance from the outside and the amount of light incident on the two-dimensional PSD 45 and the light receiving point are changed. I made it. At this time, it was assumed that the amount of light emitted from the light source 41 did not change. However, for example, when the power supply voltage fluctuates, the amount of light emitted from the light source 41 fluctuates, which may make it difficult to perform highly reliable control.

そこで、本実施形態では、光源41から出射される光量をモニタすることにより、かかる出射光量の変動の影響も制御できるように、モニタ用フォトダイオード等の光量検出器48を追加した。図24は、このときの位置検出部40の構成を示す図である。   Therefore, in the present embodiment, a light amount detector 48 such as a monitoring photodiode is added so that the influence of fluctuations in the emitted light amount can be controlled by monitoring the light amount emitted from the light source 41. FIG. 24 is a diagram illustrating a configuration of the position detection unit 40 at this time.

この光量検出器48は、光源41と反対側の位置であって、偏光ビームスプリッタ43の側面に配置されている。偏光ビームスプリッタ43は、S偏光とP偏光を分離するが、その効率が100[%]でないため、わずかな光がモニタ用のフォトダイオード48に入射する。従って、光源41から出射される光量に揺らぎが生じると、光量検出器48の出力信号にも揺らぎが生じる。   The light amount detector 48 is disposed on the side surface of the polarization beam splitter 43 at a position opposite to the light source 41. The polarization beam splitter 43 separates S-polarized light and P-polarized light. However, since the efficiency is not 100%, a small amount of light enters the monitoring photodiode 48. Therefore, when fluctuation occurs in the amount of light emitted from the light source 41, fluctuation also occurs in the output signal of the light quantity detector 48.

そこで、光量検出器48から出力信号に基づき、光源41の電源系にフィードバック制御することで、光源41からの光量が一定になるように調整できる。これにより高精度にミラーの位置制御が可能になる。   Therefore, the light amount from the light source 41 can be adjusted to be constant by feedback control to the power source system of the light source 41 based on the output signal from the light amount detector 48. Thereby, the mirror position can be controlled with high accuracy.

本発明は、上記実施形態に限定されるもためはなく、種々の変形が可能であることは云うまでもない。例えば、アクチュエータの型式としては、二軸型に限らず、一軸型であってもよい。   It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, the type of the actuator is not limited to the biaxial type, but may be a uniaxial type.

また、本アクチュエータの適用対象としては、人工衛星間通信装置の光アンテナ装置のミラー回転アクチュエータに限らず、指向制御が必要なミラー以外の部材の指向を制御するものであってもよい。   Further, the application target of this actuator is not limited to the mirror rotation actuator of the optical antenna device of the inter-satellite communication device, but may be the one that controls the direction of a member other than the mirror that requires the direction control.

上記実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
<付記1>
ミラーの位置を検出し、この検出結果に基づき前記ミラーの位置を制御するミラーアクチュエータにおいて、
電磁石が複数配置されたベース部と、
前記電磁石に対向配置された永久磁石部が設けられると共に、前記ミラーを保持したミラーホルダ部と、
一端が前記ベース部に固着され、他端が前記ミラーホルダ部に固着されて前記ベース部に対して前記ミラーホルダ部を弾性力で支持する複数の弾性部材と、
反射面が所定の反射率分布に設定されると共に、前記ミラーとの相対位置が固定された検出光反射部と、
前記検出光反射部の反射面に検出光を照射し、該反射面で反射された前記検出光を受光した際の受光点の変化及び受光量の変化から前記検出光反射部と相対位置が固定された前記ミラーの位置を検出する光学系と、
前記光学系からの信号に基づき複数の前記電磁石を駆動する制御部と、
を備えることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記2>
付記1に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、前記ミラーの一方の面に形成されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記3>
付記1に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、前記ミラーの一方の面に固着して設けられていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記4>
付記1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部の反射率は、当該検出光反射部の中心で最も大きく、周辺で最も小さくなるように単調に変化し、又は、前記検出光反射部の中心で最も小さく、周辺では最も大きくなるように単調に変化する分布に設定されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記5>
付記1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部の反射率は、当該検出光反射部と同心円領域毎に異なる値に形成され、かつ、中心側領域の反射率が、周辺側領域の反射率より大きい値に設定され、又は、前記検出光反射部と同心円領域毎に異なる値に形成され、かつ、中心側領域の反射率が、周辺側領域の反射率より小さい値に設定されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記6>
付記1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、当該検出光反射部の中心領域が凸状に形成され、周辺側領域が平面に形成され、又は、前記検出光反射部の中心領域が凹状に形成され、周辺側領域が平面に形成されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記7>
付記1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、当該検出光反射部の中心領域に回折ピッチが刻まれた回折領域を備えることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記8>
付記1乃至7のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記光学系が前記検出光反射部に向けて出射する前記検出光の光量を検出する光量検出器を設けたことを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記9>
付記1乃至8のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記永久磁石部は、磁極を反転させた2つの永久磁石により形成されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記10>
付記1乃至9のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記光学系が半導体レーザダイオードを備え、該半導体レーザダイオードにより前記検出光を出射することを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記11>
付記1乃至10のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光は、光ファイバを介して前記光学系に導かれることを特徴とするミラーアクチュエータ。
<付記12>
付記1乃至11のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータと、
前記ミラーアクチュエータに固着されたミラーと、を備えて、
前記ミラーで光通信号を反射することを特徴とする光空間通信システム用アンテナ。
A part or all of the above embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
<Appendix 1>
In the mirror actuator that detects the position of the mirror and controls the position of the mirror based on the detection result,
A base portion on which a plurality of electromagnets are arranged;
A permanent magnet portion disposed opposite to the electromagnet, and a mirror holder portion holding the mirror;
A plurality of elastic members having one end fixed to the base portion and the other end fixed to the mirror holder portion and supporting the mirror holder portion with an elastic force with respect to the base portion;
A detection surface reflecting portion whose reflection surface is set to a predetermined reflectance distribution and whose relative position to the mirror is fixed;
The detection light reflecting portion is irradiated with detection light, and the relative position of the detection light reflecting portion is fixed based on the change of the light receiving point and the amount of light received when the detection light reflected by the reflecting surface is received. An optical system for detecting the position of the mirror,
A controller that drives the plurality of electromagnets based on a signal from the optical system;
A mirror actuator comprising:
<Appendix 2>
The mirror actuator according to appendix 1, wherein
The mirror actuator, wherein the detection light reflection portion is formed on one surface of the mirror.
<Appendix 3>
The mirror actuator according to appendix 1, wherein
The mirror actuator, wherein the detection light reflecting portion is fixedly provided on one surface of the mirror.
<Appendix 4>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 3,
The reflectance of the detection light reflecting portion is monotonously changed to be the largest at the center of the detection light reflecting portion and the smallest at the periphery, or the smallest at the center of the detection light reflecting portion and the largest at the periphery. A mirror actuator characterized by being set to a monotonically changing distribution.
<Appendix 5>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 3,
The reflectance of the detection light reflecting portion is formed to a different value for each concentric region with the detection light reflecting portion, and the reflectance of the central side region is set to a value larger than the reflectance of the peripheral side region, or The mirror actuator is characterized in that it is formed in a different value for each concentric region with the detection light reflecting portion, and the reflectance of the central region is set smaller than the reflectance of the peripheral region.
<Appendix 6>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 3,
In the detection light reflecting portion, a central region of the detection light reflecting portion is formed in a convex shape, a peripheral region is formed in a plane, or a central region of the detection light reflecting portion is formed in a concave shape, and a peripheral region Is formed in a flat surface.
<Appendix 7>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 3,
The mirror actuator, wherein the detection light reflection section includes a diffraction region in which a diffraction pitch is engraved in a central region of the detection light reflection unit.
<Appendix 8>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 7,
A mirror actuator comprising a light amount detector for detecting a light amount of the detection light emitted from the optical system toward the detection light reflecting portion.
<Appendix 9>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 8,
The said permanent magnet part is formed with the two permanent magnets which reversed the magnetic pole, The mirror actuator characterized by the above-mentioned.
<Appendix 10>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 9,
A mirror actuator, wherein the optical system includes a semiconductor laser diode, and the semiconductor laser diode emits the detection light.
<Appendix 11>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 10,
The mirror actuator, wherein the detection light is guided to the optical system via an optical fiber.
<Appendix 12>
The mirror actuator according to any one of appendices 1 to 11,
A mirror fixed to the mirror actuator,
An antenna for an optical space communication system, wherein an optical signal is reflected by the mirror.

2 ミラーアクチュエータ
4 ミラー
10 ミラーホルダ部
11 弾性部材
12 ホルダ板
13 ミラー取付孔
20 ベース部
21 ベース板
22 位置検出孔
23 脚部
30 ミラーホルダ駆動部
31(31a〜31d) 永久磁石部
31_N,31_S 永久磁石
32(32a〜32d) 電磁石
40 位置検出部
41 光源
42 集光レンズ
43 偏光ビームスプリッタ
46 制御部
47 検出光反射部
47a 凸状領域
47b 凹状領域
47c 回折領域
48 フォトダイオード
48 光量検出器
51 受光部
52(52a〜52d) 電極
61 増幅回路
61a〜61d 増幅器
62 減算回路
62a 第1減算部
62b 第2減算部
63 加算回路
63a 第1加算部
63b 第2加算部
63c 合成部
64 規格化回路
64a 第1規格部
64b 第2規格部
2 Mirror actuator 4 Mirror 10 Mirror holder part 11 Elastic member 12 Holder plate 13 Mirror mounting hole 20 Base part 21 Base plate 22 Position detection hole 23 Leg part 30 Mirror holder drive part 31 (31a-31d) Permanent magnet part 31_N, 31_S Permanent Magnet 32 (32a to 32d) Electromagnet 40 Position detection unit 41 Light source 42 Condensing lens 43 Polarizing beam splitter 46 Control unit 47 Detection light reflection unit 47a Convex region 47b Concave region 47c Diffraction region 48 Photodiode 48 Light quantity detector 51 Light receiving unit 52 (52a to 52d) Electrode 61 Amplifying circuit 61a to 61d Amplifier 62 Subtracting circuit 62a First subtracting unit 62b Second subtracting unit 63 Adding circuit 63a First adding unit 63b Second adding unit 63c Combining unit 64 Normalizing circuit 64a First Standard part 64b No. 2 Part

Claims (10)

ミラーの位置を検出し、この検出結果に基づき前記ミラーの位置を制御するミラーアクチュエータにおいて、
電磁石が複数配置されたベース部と、
前記電磁石に対向配置された永久磁石部が設けられると共に、前記ミラーを保持したミラーホルダ部と、
一端が前記ベース部に固着され、他端が前記ミラーホルダ部に固着されて前記ベース部に対して前記ミラーホルダ部を弾性力で支持する複数の弾性部材と、
反射面が所定の反射率分布に設定されると共に、前記ミラーとの相対位置が固定された検出光反射部と、
前記検出光反射部の反射面に検出光を照射し、該反射面で反射された前記検出光を受光した際の受光点の変化及び受光量の変化から前記検出光反射部と相対位置が固定された前記ミラーの位置を検出する光学系と、
前記光学系からの信号に基づき複数の前記電磁石を駆動する制御部と、
を備えることを特徴とするミラーアクチュエータ。
In the mirror actuator that detects the position of the mirror and controls the position of the mirror based on the detection result,
A base portion on which a plurality of electromagnets are arranged;
A permanent magnet portion disposed opposite to the electromagnet, and a mirror holder portion holding the mirror;
A plurality of elastic members having one end fixed to the base portion and the other end fixed to the mirror holder portion and supporting the mirror holder portion with an elastic force with respect to the base portion;
A detection surface reflecting portion whose reflection surface is set to a predetermined reflectance distribution and whose relative position to the mirror is fixed;
The detection light reflecting portion is irradiated with detection light, and the relative position of the detection light reflecting portion is fixed based on the change of the light receiving point and the amount of light received when the detection light reflected by the reflecting surface is received. An optical system for detecting the position of the mirror,
A controller that drives the plurality of electromagnets based on a signal from the optical system;
A mirror actuator comprising:
請求項1に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、前記ミラーの一方の面に形成されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to claim 1,
The mirror actuator, wherein the detection light reflection portion is formed on one surface of the mirror.
請求項1に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、前記ミラーの一方の面に固着して設けられていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to claim 1,
The mirror actuator, wherein the detection light reflecting portion is fixedly provided on one surface of the mirror.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部の反射率は、当該検出光反射部の中心で最も大きく、周辺で最も小さくなるように単調に変化し、又は、前記検出光反射部の中心で最も小さく、周辺では最も大きくなるように単調に変化する分布に設定されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 3,
The reflectance of the detection light reflecting portion is monotonously changed to be the largest at the center of the detection light reflecting portion and the smallest at the periphery, or the smallest at the center of the detection light reflecting portion and the largest at the periphery. A mirror actuator characterized by being set to a monotonically changing distribution.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部の反射率は、当該検出光反射部と同心円領域毎に異なる値に形成され、かつ、中心側領域の反射率が、周辺側領域の反射率より大きい値に設定され、又は、前記検出光反射部と同心円領域毎に異なる値に形成され、かつ、中心側領域の反射率が、周辺側領域の反射率より小さい値に設定されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 3,
The reflectance of the detection light reflecting portion is formed to a different value for each concentric region with the detection light reflecting portion, and the reflectance of the central side region is set to a value larger than the reflectance of the peripheral side region, or The mirror actuator is characterized in that it is formed in a different value for each concentric region with the detection light reflecting portion, and the reflectance of the central region is set smaller than the reflectance of the peripheral region.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、当該検出光反射部の中心領域が凸状に形成され、周辺側領域が平面に形成され、又は、前記検出光反射部の中心領域が凹状に形成され、周辺側領域が平面に形成されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 3,
In the detection light reflecting portion, a central region of the detection light reflecting portion is formed in a convex shape, a peripheral region is formed in a plane, or a central region of the detection light reflecting portion is formed in a concave shape, and a peripheral region Is formed in a flat surface.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記検出光反射部は、当該検出光反射部の中心領域に回折ピッチが刻まれた回折領域を備えることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 3,
The mirror actuator, wherein the detection light reflection section includes a diffraction region in which a diffraction pitch is engraved in a central region of the detection light reflection unit.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記光学系が前記検出光反射部に向けて出射する前記検出光の光量を検出する光量検出器を設けたことを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 7,
A mirror actuator comprising a light amount detector for detecting a light amount of the detection light emitted from the optical system toward the detection light reflecting portion.
請求項1乃至8のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータであって、
前記永久磁石部は、磁極を反転させた2つの永久磁石により形成されていることを特徴とするミラーアクチュエータ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 8,
The said permanent magnet part is formed with the two permanent magnets which reversed the magnetic pole, The mirror actuator characterized by the above-mentioned.
請求項1乃至9のいずれか1項に記載のミラーアクチュエータと、
前記ミラーアクチュエータに固着されたミラーと、を備えて、
前記ミラーで光通信号を反射することを特徴とする光空間通信システム用アンテナ。
The mirror actuator according to any one of claims 1 to 9,
A mirror fixed to the mirror actuator,
An antenna for an optical space communication system, wherein an optical signal is reflected by the mirror.
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