JP5196582B2

JP5196582B2 - 可動鏡機構

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Publication number: JP5196582B2
Application number: JP2009109061A
Authority: JP
Inventors: 裕生國森; 佳久高山; 守生豊嶋; 俊雄阿部; 隆義木崎
Original assignee: SPACELINK CO., LTD.; National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: SPACELINK CO., LTD.; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP2010256772A

Description

本発明は、自由空間中を伝搬する光ビームにより通信を行う光通信装置の光入出力部の構成要素である可動鏡機構に関するものである。

一般に、自由空間伝搬型光通信を用いた通信方式としては、拡散型通信方式と、狭ビーム型通信方式とが知られている。拡散型通信方式は主に近距離での光通信に用いられ、遠距離の光通信には、狭ビーム型通信方式が用いられることが多い。特に人工衛星と地上との間で光通信を行う場合には、次のような問題があることが知られている。

例えば、人工衛星は基地局に対して動いているので、互いに常時監視し、そのビームの射出方位を調整する必要がある。また、大気中の伝搬においては、大気の揺らぎによってたえず光路は擾乱を受ける。この擾乱は、１ｋＨｚ以上の周波数成分を含むため、高速応答動作の可能な調整機構である必要がある。
このため、特に人工衛星と地上との間で光通信を行う場合には、狭ビームできわめて高精度の光軸合せが必要となる。この光軸を合わせる手段として可動鏡機構により光反射鏡を光路に挿入し、その法線の方位を高速に調整して光軸を合わせることが行われている。

レーザー加工装置などの光軸を調整する機構は、ＦＰＭ（fine positioning mirror）として知られており、例えばガルバノミラー（galvanometer mirror）が通常用いられている。一般に、ガルバノミラーは、１つの回転軸に固定された鏡である。例えば、レーザービームの照射部を、このガルバノミラーを直交する２軸に配置する構成とすることで、照射点位置を平面上の点から選択することができるようになる。しかし、人工衛星と地上間の光通信用には、口径の大きな反射鏡を用いる必要があるため、従来のガルバノミラーでは、充分に高速な応答特性が得られない。

高速な応答特性をもった偏光器として、特許文献１（米国特許第５２５１０５６号明細書）の開示がある。これは、圧電性物質を平行に並べて反射鏡に可塑性の接着剤を用いて固定し、これを基板に載せて、プッシュプル動作をするように電圧印加を行なうことで、大きな面積の反射鏡を用いた場合でも、その共振周波数を高く設定することができるものである。

また、圧電性物質のアクチュエータを用いたものが特許文献２（米国特許第７２２１４９４号明細書）に開示されている。これは、反射鏡を載せ回転軸の周りに動くプラットフォームにアクチュエータとバネを取り付けて、プラットフォームを駆動する光走査装置であり、アクチュエータとバネをその回転軸の左右に配置してバネの反発力でプラットフォームをアクチュエータで保持するものである。アクチュエータとプラットフォームとはボールベアリングで接触しており、接する角度は自由に変えることができる。

また、特許文献３（特開２００７−１８４７０６号公報）に光軸調整を行うことが可能な光無線伝送装置の記載がある。これに記載の光無線伝送子機は、撮像データに基づいて親機からのガイド光の光軸方向を特定し、その光軸方向から、反射板の反射面の移動方向および移動量を第１の移動情報としてそれぞれ取得する第１の方向検出部と、４分割ＰＤにより受光されたガイド光の受光データから、反射板の反射面の移動方向および移動量を第２の移動情報としてそれぞれ取得する第２の方向検出部と、第１及び第２の方向検出部により取得された第１及び第２の移動情報に基づいて、ピエゾアクチュエータを介して反射板の反射面を移動させることにより、親機からのガイド光の光軸方向とコリメートレンズの光軸方向とを略一致させる駆動制御部とを備えるものである。

本発明に比較的近い従来例の模式図を図１に示す。これは、支持基板２１上に光反射鏡２７を載せ、この支持基板２１を２つの圧電駆動素子２３上に２つのバネ３５で保持するものである。１軸方向の駆動を考えると、圧電駆動素子２３の受け持つ慣性モーメントには、光反射鏡２７の分と支持基板２１の分とバネ３５の分があるために、揺動駆動時の周波数応答性が充分高速にならない。あるいは、充分高速にするためには、駆動用である圧電駆動素子２３を大型化する必要があり、消費電力が増大する。また、そのために駆動回路が非常に大きくなる。例えば１ｋＨｚで２０ミリラジアン動かすために、圧電駆動素子２３の１素子あたり７５Ｗ、４個合計で３００Ｗが必要となる。しかし、このように装置が大型になり消費電力が大きくなるため、衛星に搭載するには消費電力を小さくすることが望まれている。

また、従来例として、図１に類似のもので、圧電駆動素子４本を、４本のバネにより引っ張り力を加えて直動して反射鏡を動かすものもある。具体的には２本で１軸を動かし、これを２個重ねて２軸駆動としている。このような光軸調整機構においては、軸を別々に動かすことや、バネを４本用いるため複雑となり小型軽量化に不利となっている。また、バネや光反射鏡などを揺動する際の慣性モーメントが非常に大きくなるため、高速応答性が悪く、通信光の揺らぎに対応できず、受信が不安定なるという問題がある。この問題を解決するため、例えば、２軸を同時に駆動する機構が知られているが、複雑なジョイントを必要としており、この場合も小型軽量化に不利となっている。

図１４（ａ）に非特許文献１に記載された精追尾機構の断面図を示す。これは、回転儀で支持された内側可動部上にミラーを固定したもので、その内側可動部を電磁吸引アクチュエータで駆動するものである。図１４（ｂ）、（ｃ）に、この精追尾機構を用いて構成した光路差補正機構の閉ループ一巡伝達関数周波数特性の測定結果を示す。（ｂ）は、ゲイン−周波数特性、（ｃ）は、位相−周波数特性である。この結果では、周波数特性の上限は６００Ｈｚ程度である。

米国特許第５２５１０５６号明細書米国特許第７２２１４９４号明細書特開２００７−１８４７０６号公報

２００８年、第５２回宇宙科学技術連合講演会、４８４−４８６頁

本発明の目的は、自由空間伝搬を用いた光通信での通信光の軸のずれを周波数応答性良く補正することができる可動鏡機構を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る可動鏡機構は、光通信装置の入力部または出力部に用いて通信光の光軸あわせを行なう可動鏡機構であって、保持基板に固定された反射鏡と、上記保持基板を動かして、その法線方向の方位を調整するアクチュエータと、上記保持基板と枢結し上記アクチュエータと上記保持基板を連接させるための引っ張り手段と、上記引っ張り手段と上記アクチュエータとを持設する支持基板と、上記アクチュエータを制御する制御器と、を備えるものである。ただし、上記制御器は、上記の法線方向の方位を調整する場合に、上記保持基板と上記引っ張り手段とを枢結する部分が不動点であるように上記アクチュエータを駆動する。

上記引っ張り手段と上記保持基板とを枢結するバネ機構を設ける場合は、上記バネ機構は、円環状の板ばね等の回転対称性を有する板バネで実現することができる。このバネ機構は、上記アクチュエータと上記保持基板を連接させるためのものである。引っ張り手段と上記保持基板とは、このバネ機構を通じて枢結されており、互いに自由に動くことができる。

また、上記バネ機構は、引っ張り型あるいは圧縮型のコイルバネでも実現することができる。

また、上記引っ張り手段は、引っ張り棒または引っ張りワイヤーでよい。

上記アクチュエータは、入力電圧に線形に応答する素子が望ましいが、非線形性や履歴特性を示す圧電駆動素子でも使用することができる。

上記アクチュエータは３以上の複数であって、上記引っ張り手段の周りを取り囲むように配置することで、上記アクチュエータと上記保持基板を圧接させることができる。この場合は、反射鏡の方位を２次元内で設定することができる。

また、反射鏡の方位を１次元内で設定すればよい場合は、上記アクチュエータ数を２とし、さらに上記保持基板を持設する保持棒を用いる。この場合も、上記アクチュエータと上記保持棒とは上記引っ張り手段の周りを取り囲むように配置することが望ましい。上記保持棒と上記引っ張り手段とを同軸に構成してもよい。

上記引っ張り手段と上記保持基板とを枢結する部分を、反射鏡を固定した保持基板の重心に設けることで、回転運動の慣性モーメントを最小にすることができる。

より具体的には、例えば、２軸方向に揺動する光反射鏡の保持基板と、該保持基板を３個または４個の直進駆動の圧電駆動素子により駆動し、前記保持基板と前記圧電駆動素子との接続間に、３個または４個の球体関節部材を直列に配列し、これら圧電駆動素子を３角または４角の頂点に配置して中央の間隙に引っ張り棒を配置して圧力を加える様にする。

上述の構成を有する可動鏡機構では、光反射鏡の法線方向の方位を調整する場合に、高い周波数応答特性を実現することができる。

従来の可動鏡機構の基本構造を示す断面図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の基本構造を示す断面図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の詳細構造を示す断面図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の球体関節部材付近の詳細構造を示す断面図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の全体構造を示す立体ワイヤーフレーム図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の全体構造を別な角度から見た立体ワイヤーフレーム図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の全体構造の斜視図である。第１の実施例に係わる可動鏡機構の応用例を説明するブロック図である。第２の実施例に係わる可動鏡機構の詳細構造を示す断面図である。第２の実施例に係わる可動鏡機構の球体関節部材付近の詳細構造を示す断面図である。引っ張り手段に（ａ）圧縮バネ、（ｂ）引っ張りバネを用いる例を示す図である。引っ張り手段にワイヤーを用いる例を示す図である。（ａ）は製造した可動鏡機構の仕様を、（ｂ）は測定に用いた測定系を示す。本発明の例における、（ａ）共振周波数のプリロード値依存性の例を示す図と、（ｂ）振幅の周波数依存性を示す図である。従来の精追尾機構例の断面図と、それを用いて構成した光路差補正機構の周波数特性例を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図２は本発明の可動鏡機構の第１の実施例に係わる基本構造を示す断面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、同一の符号は同一の部材を示している。図４は上記可動鏡機構の球体関節部材付近の詳細構造を示す断面図である。図３（ｂ）において、２１は支持基板であり、２２は引っ張り棒で両端にネジが切ってある。アクチュエータである圧電駆動素子２３では直流電圧（例えば１５０Ｖ以内）を加えると数十ミクロン程度伸長する。球体関節部材２４では直径数ミリの球体が円錐台上に接着されている。位置決めナット２５では通常のナットの片面が円錐状になり、円環状の板バネ３１を介在して、中央穴２８にはまりこむ。光反射鏡保持部材２６ではアルミ材をカップ状に削りだしている。光反射鏡２７の直径は、例えば２０ｍｍである。また、光反射鏡保持部材２６の底部に中央穴２８が明けられており、また、光反射鏡保持部材２６の底部縁部に明けられ球体関節部材２４の球がはまりこむ球受け穴２９がある。スリーブ３０は円筒状で内側にネジが着られ引っ張り棒２２にねじ込まれるスリーブである。

図２において１本の引っ張り棒２２が光反射鏡保持部材２６の中央に明けられた中央穴２８と支持基板２１の中央に開けられた穴を貫通し、位置決めナット２５で両方から締め付ける。一方、光反射鏡保持部材２６に明けられた４個の穴に球体関節部材２４の球が嵌合し、回動できるようになっている。光反射鏡保持部材２６は、圧電駆動素子２３の伸縮によって中央穴２８を中心に動いて、その方位を変える。図１の従来例と比較すると、バネ３５が運動の中心から離れたところにない分だけ光反射鏡保持部材２６の揺動時に発生する慣性モーメントが小さくなることがわかる。

図３は可動鏡機構の詳細構造を示す断面図である。支持基板２１に圧電駆動素子２３を４個、４角形頂点上に相当する点に配置し、この上に光反射鏡保持部材２６を配置する。光反射鏡保持部材２６では、引っ張り棒２２を中央に貫通させて、両端で位置決めネジ２５により光反射鏡保持部材２６を引っ張る。これによって球体間接部材２４を通して圧電駆動素子２３に圧力を与える。この圧力は、支持基板２１と光反射鏡２７とを合わせた質量が例えば５ｇの場合には、１００Ｋｇから１６０Ｋｇの範囲が最良である。

上記の引っ張り棒は、駆動する周波数帯域に共振点を持たない棒状の物体であればよいが、図１２に示す様にワイヤー３６であってもよい。ただし、充分な張力が架けられていてその固有振動周波数が駆動する周波数帯域よりも高いものとする。たとえば、上記の光反射鏡保持部材を用いる場合、８００〜１０００Ｎの力で引っ張るが、共振周波数が低くてもよい場合には、引っ張る力をより小さくすることができる。

図４は前述の機構の一部である球体関節部材２４の周辺を説明するもので、光反射鏡２７が光反射鏡保持部材２６に貼り付けられている。引っ張り棒２２の端を中央穴２８に貫通し、円環状の板バネ３１をはさんで位置決めナット２５で締め付ける。位置決めナットは、先端が円錐状になっているので光反射鏡保持部材２６の中央穴２８にはまりこんで、中央に固定する。一方、位置決め管３０が光反射鏡保持部材２６を介して反対側で引っ張り部材２２にねじ込まれるので、光反射鏡保持部材２６の位置ずれを防止できる。

圧電駆動素子２３には球体関節部材２４が回転可能に係合され、更に球体関節部材２４には、光反射鏡２７が固定された光反射鏡保持部材２６が、微回転可能に緩嵌合されている。図８において示すように制御駆動回路９の電圧出力が圧電駆動素子２３に印加される。圧電駆動素子２３は光反射鏡保持部材２６を２軸方向に駆動することができる。

図５と図６は可動鏡機構の全体外観のワイヤーフレーム図であり、内側支持部材３３が光反射鏡保持部材２６と外側支持部材３２の間に挟み込まれている。外側支持部材３２は円筒状で底部が支持基板２１にネジ留めされている。この構造により振動衝撃環境に耐えるものとなる。図７にその斜視図を示す。

図８に、以上説明した可動鏡機構の応用例を示す。可動鏡機構１に集光器２で通信光を集光して入射する。この反射光はビームスプリッタ４に入射する。一方、レーザー５の送信光と受信光がここで分離される。つぎに、レンズ３でビームを小さくし、ハーフミラー６を通過して受光素子７にて受信する。また、位置検出素子８に入射した光の位置を駆動制御回路９で検出し、所定の位置に光ビームが受光素子７へ入射するよう可動鏡機構１を駆動し制御する。この一連の動作の制御方法は既によく知られている。

図１３（ａ）の仕様で製造した可動鏡機構について、図１３（ｂ）に示す測定系を用いて測定した結果として、図１４（ａ）に共振周波数のプリロード値依存性の例を、また、図１４（ｂ）に振幅の周波数依存性の例を示す。ここで、共振周波数は、可動鏡機構の固有振動数である。この結果から、引っ張り棒が光反射鏡保持部材を圧電駆動素子に圧し付ける力であるプリロードが増大するに従って、共振周波数も上昇していることが分かる。プリロードが９００Ｎのときには、周波数特性の上限は６ｋHz余りである。この例を図１５に示す従来例の場合と比べると、周波数特性が大幅に改善されていることが分かる。図１５（ａ）は、電磁吸引アクチュエータとフレキシャルピボットを用いた２軸一体型の構成を持った光路差補正機構であり、図１５（ｂ）は、その周波数特性である。

また、図１４（ａ）に示すように、高い共振周波数を実現するためには、プリロード値を大きくする必要がある。しかし上記の公知例の様に、このために複数のバネなどの引っ張り手段を用いる場合には、力の印加が均一であることが望ましい。不均一である場合は、圧電駆動素子にその不均一を解消する電力を余分に印加する必要が生じるためである。

しかし、本発明に於いては、引っ張り手段は単一であり、その周りに圧電駆動素子を配置するため、それぞれの圧電駆動素子には、均一な圧力が印加される。これによって、回転モーメントが小さい状態で光反射鏡を載せた光反射鏡保持部材を動かすことになり、従来のものよりも高い周波数特性を実現できる。

次に、３つのアクチュエータを用いる例について説明する。図９は第２の実施例の構成図、図１０は図９のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、引っ張り棒２２には３個の球体関節部材２４が回転可能に係合され、球体関節部材２４には光反射鏡２７が固定された光反射鏡保持部３４が回転可能に係合されている。また、引っ張り棒２２により３本の圧電駆動素子２３に圧力をかける。以上のように実施例１の圧電駆動素子２３の数を４から３にしたところが異なる。他の構成要素は実施例１と同様である。この３本構成により、小型軽量化が有利になると共に、高速応答性もさらに良くなる。そして光軸ずれ補正の周波数応答性が向上し、装置の低消費電力化及び装置全体の小型化が進む。

この３つのアクチュエータのうち１つの機能を停止して保持棒とする場合でも、方位の調整を行なうことができる。

上記の実施例１、２では、アクチュエータとして圧電駆動素子２３を用いているが、一般に、圧電素子は履歴特性を持ち、印加する電圧に対して非線形の変移を与えることが知られている。しかし、制御に際しては、線形の応答特性を持った圧電素子を持つほうが、制御がより容易である。このような場合には、入力電圧に対する伸張量応答が線形である位置フィードバックコントロール付きのピエゾ素子を用いることができる。このような動作制御は、図８の制御駆動回路９で行う。

また、アクチュエータは、上記の圧電素子に限定する必要はなく、ムービングコイルや磁歪素子などの高速動作が可能なアクチュエータであれば、本発明に適用することができる。

上記の実施例では、引っ張り手段として引っ張り棒２２と板バネ３１を用いる例を示したが、板バネ３１は、図１１（ａ）と（ｂ）に示す様に、圧縮バネ３４や引っ張りバネ３５を用いることもできる。また、引っ張り棒２２の代わりに図１２に示す様に、ワイヤーを用いることもできる。特に、弾力性のあるワイヤーを用いることで、上記のバネを代用できる。

さらに、上記の引っ張り手段では、バネを用いる例を示したが、鏡の方位の可動範囲が小さくてもよい場合は、上記のバネを省略することができる。

上記の構成に於いて反射鏡の方位を変える際に、支持基板２１の中央穴２８の位置が変わらない不動点になるように、それぞれのアクチュエータの駆動量を設定することが望ましい。この動作制御は、図８の制御駆動回路９で行う。

以上述べたように、本発明の可動鏡機構により光通信装置の性能向上や小型軽量化が進む。特に重量や容積に厳しい条件が課せられる人工衛星の光通信装置に応用するとよい。光空間通信を宇宙と地上間で行うときに、大気による揺らぎが大きな問題となる。この揺らぎの周波数成分は２ｋＨｚ程度にまで及ぶことがわかっている。そのため、可動鏡機構の周波数応答も２ｋＨｚ以上が必要となる。従来の２軸型のガルバノミラーでは、周波数応答限界は５０から１００Ｈｚ程度であったため、本発明を適用する効果が大きい。さらに、図２に示す可動鏡機構を試作して評価したところ所望の性能が出ることが確認され、重量も４０％以上軽量化できることが確認された。

１可動鏡機構
２集光器
３レンズ
４ビームスプリッタ
５レーザー
６ハーフミラー
７受光素子
８位置検出素子
９制御駆動回路
２１支持基板
２２引っ張り棒
２３圧電駆動素子
２４球体関節部材
２５位置決めナット
２６光反射鏡保持部材
２７光反射鏡
２８中央穴
２９球受け穴
３０位置決め管
３１板バネ
３２外側支持部材
３３内側支持部材
３４圧縮バネ
３５引っ張りバネ
３６ワイヤー

Claims

周波数応答限界が２ｋＨｚ以上であり、光通信装置の入力部または出力部に用いて通信光の光軸あわせを行なう可動鏡機構であって、
保持基板に固定された反射鏡と、
上記保持基板を動かして、その法線方向の方位を調整するアクチュエータと、
上記保持基板と枢結し上記アクチュエータと上記保持基板を連接させるための引っ張り手段と、
上記引っ張り手段と上記アクチュエータとを持設する支持基板と、
上記アクチュエータを制御する制御器と、
を備え、
上記制御器は、上記保持基板と上記引っ張り手段とを枢結する部分が不動点であるように上記アクチュエータを駆動するものであり、
上記引っ張り手段と上記保持基板とを枢結するバネ機構を備え、
上記バネ機構は、回転対称性を有する板バネであり、
上記引っ張り手段は、引っ張り棒または引っ張りワイヤーであり、
上記アクチュエータは、圧電駆動素子であり、
上記アクチュエータは３以上の複数であって、
さらに上記保持基板を持設する保持棒を含み、
上記アクチュエータと上記保持棒とは上記引っ張り手段の周りを取り囲むように配置され
上記アクチュエータには球体関節部材が回転可能に係合され、更に該球体関節部材には、上記保持基板が嵌合されていることを特徴とする可動鏡機構。
上記アクチュエータは、入力電圧に対する伸張量応答が線形である位置フィードバックコントロール付きのものであることを特徴とする請求項１に記載の可動鏡機構。
上記引っ張り手段と上記保持基板とを枢結する部分は、反射鏡を固定した保持基板の重心にあることを特徴とする請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の可動鏡機構。