JP2005347868A - Mirror tilting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ミラー傾動装置に関し、特にデータ信号により変調された光信号を送信、受信することによりデータ伝送を行う光無線伝送装置に好適なミラー傾動装置に関する。 The present invention relates to a mirror tilting device, and more particularly to a mirror tilting device suitable for an optical wireless transmission device that performs data transmission by transmitting and receiving an optical signal modulated by a data signal.
一般に、光無線を介して信号を伝送する場合、送信側の発光素子としてLED(発光ダイオード)やレーザダイオードが用いられる。このうちLEDにより信号を送信する装置では、LEDの有効出射角が広いため長距離を伝送すると送信光は広がり、受信側へ到達する光パワーが減少し、信号伝送ができなくなる。 Generally, when transmitting a signal via optical radio, an LED (light emitting diode) or a laser diode is used as a light emitting element on the transmission side. Among these, in an apparatus that transmits a signal using an LED, since the effective emission angle of the LED is wide, the transmission light spreads when transmitted over a long distance, the optical power reaching the reception side decreases, and the signal cannot be transmitted.
これを解決するため、例えば図11に示すような屋内用光無線伝送装置が提案されている(下記の特許文献1参照)。この光無線伝送装置では、一方の装置(親機14)にデータ信号送信のための発光部15とは別に発光手段16を設け、この発光手段16から光軸合わせ用のパイロット光16Aを送出し、他方の光無線伝送装置(子機17)では、その光軸方向を転向させて受光装置18によりパイロット光16Aを受信し、このパイロット光16Aの受光レベルに基づいて光軸合わせを行うように構成されている。本装置17は、LED光をパラボラリフレクタにより平行化してビーム径を絞った送信手段(不図示)と、狭い指向角を有する受光装置18をステッピングモータなどにより回転させ、両者を水平・垂直方向に走査して、2次元座標において受光手段の出力レベルが最大となる点を探し出すように構成されている。
In order to solve this, for example, an indoor optical wireless transmission device as shown in FIG. 11 has been proposed (see
上記の光無線伝送装置で光軸合わせを行うには、受光素子及びその光学系を含む受光装置と、発光素子及びその光学系を含む発光装置とを、同時に回転させる必要がある。したがって、屋内で使用する装置としては大型なものとなる。これに対し、屋内用光無線伝送装置の小型化を狙った図12に示すような装置210が提案されている(例えば、下記の特許文献2参照)。これは使用するレンズ212、213や不図示のモータ、減速機構などの配置、構成を最適化することで装置の小型化を試みている。
In order to perform optical axis alignment with the optical wireless transmission device described above, it is necessary to simultaneously rotate the light receiving device including the light receiving element and its optical system, and the light emitting device including the light emitting element and its optical system. Therefore, the apparatus used indoors is large. On the other hand, a
一方、レーザダイオードを用いた屋外用光無線伝送装置においては、図4に示すように傾動可能なミラー4とビームスプリッタ3による光軸調整方法が採用されている。従来のミラー傾動装置としては、例えば、図13(下記の特許文献3参照)に示すように2軸スプリング201によりミラー202をX軸回り方向、Y軸回り方向に傾動させるものが提案されている。2軸スプリング201はX軸ブリッジ203、Y軸ブリッジ204などにより構成される。
今後、屋内で使用する光無線伝送装置には、頻繁に位置を変える機器や移動体(機器)への搭載(内蔵)が求められる。しかしながら、前述のように従来の屋内用光無線伝送装置では可動部が大きいことから小型化が難しく、他機器に内蔵することが困難である。 In the future, optical wireless transmission devices used indoors will be required to be mounted (built in) on devices and mobile bodies (devices) that change their position frequently. However, as described above, the conventional indoor optical wireless transmission apparatus has a large movable part, so it is difficult to reduce the size and to be built in other equipment.
一方、可動部がミラーだけとなる屋外用光無線装置においては、各光学素子を小さくすることで小型化が可能である。しかし、屋外用途の場合、各光無線装置は固定設置されるのが通常であり、光軸を微調整するために可動ミラーが使用されることになる。すなわち、ミラーの可動範囲は非常に微小なものでしかない。図13に示す例では、ミラー取付部材と回転軸、ミラー部保持部材が同部材(板材)で構成され、ミラーの可動範囲は前記板材のねじり可能な領域となる。したがって、屋外用光無線装置をそのまま小型化しても、広範囲な振り角を必要とする屋内用光無線伝送装置として使用するには限界がある。 On the other hand, in an outdoor optical wireless apparatus in which the movable part is only a mirror, it is possible to reduce the size by reducing each optical element. However, in the case of outdoor use, each optical wireless device is usually fixedly installed, and a movable mirror is used to finely adjust the optical axis. In other words, the movable range of the mirror is only very small. In the example shown in FIG. 13, the mirror mounting member, the rotation shaft, and the mirror portion holding member are composed of the same member (plate material), and the movable range of the mirror is an area where the plate material can be twisted. Therefore, even if the outdoor optical wireless device is downsized as it is, there is a limit to use it as an indoor optical wireless transmission device that requires a wide range of swing angles.
本発明の目的は、小型かつ傾動範囲の大きなミラー傾動装置を提供することにあり、かつ屋内使用に適した小型な光無線伝送装置に好適なミラー傾動装置を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a mirror tilting device that is small and has a large tilting range, and to provide a mirror tilting device that is suitable for a small optical wireless transmission device that is suitable for indoor use.
本発明は上記目的を達成するために、ベースと、
先端が円錐状に形成されて前記ベース上に固定されたスピンドルと、
入力光を反射するミラーと、
上面方向に前記ミラーが支持されたミラー支持部材と、
前記ミラー支持部材の裏面において前記スピンドルの先端を中心に傾動可能に固定された軸受部と、
前記ミラー支持部材の裏面において前記軸受部の回りに90°の間隔で固定された4個のマグネット、及び前記ベースの上面において前記4個のマグネットのそれぞれに対向するように固定された4個のコイルで少なくとも構成され、前記4個のコイルのそれぞれに印加される電圧に応じて前記ミラーを前記スピンドルの先端を中心に傾動させる直動アクチュエータとを、
備える構成とした。
また、前記4個のコイルは、前記スピンドルの先端を中心に挟む2個のコイルを1組として前記中心に対して偶力が働くように巻線が巻かれている構成とした。
In order to achieve the above object, the present invention provides a base,
A spindle having a conical tip and fixed on the base;
A mirror that reflects input light;
A mirror support member in which the mirror is supported in the upper surface direction;
A bearing portion fixed so as to be tiltable around the tip of the spindle on the back surface of the mirror support member;
Four magnets fixed at 90 ° intervals around the bearing portion on the back surface of the mirror support member, and four fixed on the upper surface of the base so as to face each of the four magnets. A linear motion actuator comprising at least coils, and tilting the mirror about the tip of the spindle according to a voltage applied to each of the four coils.
It was set as the structure provided.
Further, the four coils are configured such that windings are wound so that a couple acts on the center with two coils sandwiching the tip of the spindle as the center.
本発明によれば、小型、かつ傾動範囲の大きなミラー傾動装置を提供することができ、更には、屋内使用に適した小型な光無線伝送装置に好適なミラー傾動装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a mirror tilting apparatus with a small and large tilting range can be provided, Furthermore, the mirror tilting apparatus suitable for the small optical wireless transmission apparatus suitable for indoor use can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず図1〜図3を参照して実施の形態に係るミラー傾動装置の構成について説明する。図1は本発明の一実施の形態に係るミラー傾動装置の平面図であり、図2は図1の概略A−A線断面図である。本発明の実施の形態に係るミラー傾動装置は固定部、可動部、駆動手段の3つからなる。固定部は図2に示すように、この装置の土台となるベース111と、このベース111の中心に、かつベース111の上面に対して垂直になるように固定されているスピンドル112により構成される。可動部は光ビームを反射するミラー113と、このミラー113を上面に保持するミラーステージ114と、ミラーステージ114の裏面の中心、かつ裏面に対して垂直に固定されているベアリング115から構成される。ベアリング115はスピンドル112の先端と一点で接し、固定部(ベース111、スピンドル112)に対し自由に傾動可能なピボット軸受となる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the configuration of the mirror tilting device according to the embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of a mirror tilting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The mirror tilting device according to the embodiment of the present invention includes three parts, a fixed part, a movable part, and a driving means. As shown in FIG. 2, the fixing portion is composed of a base 111 serving as a base of the apparatus, and a spindle 112 fixed to the center of the base 111 and perpendicular to the upper surface of the base 111. . The movable portion includes a mirror 113 that reflects a light beam, a mirror stage 114 that holds the mirror 113 on the top surface, and a bearing 115 that is fixed to the center of the back surface of the mirror stage 114 and perpendicular to the back surface. . The bearing 115 is in contact with the tip of the spindle 112 at a single point, and becomes a pivot bearing that can freely tilt with respect to the fixed portion (base 111, spindle 112).
上記の傾動を自在に行う駆動手段として、直動アクチュエータを4個用い、図1で示すようにスピンドル112を中心としてその周囲に90°間隔に配置する。直動アクチュエータとして、可動側であるミラーステージ114の裏面にはマグネット116が固定され、固定側であるベース111にはコイル117がマグネット116に対向するように固定される。そして、対向するマグネット116とコイル117により、それぞれ直動アクチュエータ(マグネット116、コイル117)が構成される。 As the driving means for freely performing the tilting, four linear actuators are used and arranged at 90 ° intervals around the spindle 112 as shown in FIG. As a linear actuator, a magnet 116 is fixed to the back surface of the mirror stage 114 on the movable side, and a coil 117 is fixed to the base 111 on the fixed side so as to face the magnet 116. The opposing magnet 116 and coil 117 constitute a linear actuator (magnet 116, coil 117).
図3は4つの直動アクチュエータ(マグネット116、コイル117)を構成する4つのコイル117の配置を示している。この図からスピンドル112を挟む2組のコイル列が存在し、両コイル列は直交することがわかる。ここで各コイル列は、ピボット点を中心として偶力が働くようにコイル117の巻線が巻かれ、その巻線両端が基板118上の4個の端子119のそれぞれへ接続される。このため端子119間の電圧を制御することで、それに対応するコイル列に偶力が働き、結果的にミラー113が傾斜することになる。 FIG. 3 shows the arrangement of the four coils 117 constituting the four linear actuators (magnet 116, coil 117). From this figure, it can be seen that there are two sets of coil arrays sandwiching the spindle 112, and both coil arrays are orthogonal. Here, each coil row is wound with a winding of the coil 117 so that a couple acts around the pivot point, and both ends of the winding are connected to each of the four terminals 119 on the substrate 118. Therefore, by controlling the voltage between the terminals 119, a couple acts on the corresponding coil array, and as a result, the mirror 113 tilts.
次に図4を参照して、図1〜図3に示すミラー傾動装置を組み込んだ光無線伝送装置について説明する。図4は、光無線伝送装置の概略構成図である。この光無線伝送装置の受発光部9は、データ信号により変調された光信号を出射する発光素子1と、コリメートレンズなどのレンズ2と、入射光を透過光と反射光に分割する光制御素子(ビームスプリッタ)3と、光無線伝送装置への入射光又は出射光を反射し、かつ当該光軸に対する偏光角を制御する図示しない駆動手段を有する反射光学系(ミラー)4と、図示しない相手装置から送出されたパイロット光を集光するレンズ5と、このレンズ5で集光されたパイロット光を受光するフォトダイオード(以下、適宜PDという)などからなる受光素子6を備えている。発光素子1はデータ信号供給部7、外部インターフェース7Aと接続され、受光素子6及び反射光学系4は偏向角制御信号供給部8と接続されている。ここで、駆動手段を有する反射光学系4として、本発明のミラー傾動装置を使用する。
Next, an optical wireless transmission device incorporating the mirror tilting device shown in FIGS. 1 to 3 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the optical wireless transmission apparatus. The light emitting / receiving
受発光部9において、外部インターフェース7Aからデータ信号が供給されたデータ信号供給部7によって、データ信号に応じた光信号に強度変調された光信号が発光素子1から出射され、レンズ2により平行光に近いビーム光に成形され、光制御素子3で透過光として分割された後、反射光学系4で反射されて送信光として送出される。また、図示しない相手装置から送出されたパイロット光は、反射光学系4で反射されて光制御素子3で反射光として分割した後、レンズ5で集光されて受光素子6で受光される。受光素子6では、受光したパイロット光が光−電気変換され、相手装置の位置情報として偏向角制御信号供給部8へ出力される。
In the light emitting / receiving
次に図5〜図7を参照して、受発光部9を構成する各部について更に詳細に説明する。発光素子1としては、レーザダイオードを用いることができる。レーザダイオードは出射光のビームが細く、それを更にレンズ2によって平行に近い光にすることによって、出射光を高効率で光制御素子3及び反射光学系4に照射することができる。レーザの波長は近赤外に限らず、長波長のものでもよい。図5は、データ信号供給部7の構成を詳細に示し、データ信号供給部7は、外部インターフェース7Aからのデータ信号を、光によって伝送可能な信号に変換する信号処理部11と、この信号処理された信号によって光が点滅するように発光素子1を駆動する発光駆動部10から成る。
Next, with reference to FIGS. 5 to 7, each part constituting the light emitting / receiving
屋内用光無線伝送システムのアプリケーションとしてLANを考え、外部インターフェースから入力される信号が100Base−FXである場合、データ信号供給部7内の信号処理部11では、図6のブロック図に示すように、4B/5Bエンコーダ101によりクロック自己再生のための4B/5B符号化を行い、デスクランブル/スクランブル部102によりデータをスクランブル化し、パラレル/シリアル変換部103によりパラレルデータをシリアルデータに変換し、さらにNRZ/NRZI変換部104(及びPLL105)により、DC成分を持たない信号にするためにNRZ/NRZI変換を行うという信号処理がなされ、データ信号として発光駆動部10に入力される。
When the LAN is considered as an application of the indoor optical wireless transmission system and the signal input from the external interface is 100Base-FX, the
図7は、偏向角制御信号供給部8の構成を詳細に示すブロック図である。受発光部9の受光素子6は、相手装置からのパイロット光を光−電気変換し、受信光の有無、又は受光量、受光方向などの情報を偏向角制御信号供給部8へ供給する。偏向角制御信号供給部8は、受発光部9から得られた情報に基づいて、相手装置からの光に自身の受信の光軸を合わせるように、反射光学系4を動かす移動方向及び移動量を演算する演算部13と、反射光学系4の図示しない駆動手段を水平方向又は垂直方向に駆動する制御部12から成る。
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the deflection angle control
次に図8〜図10を参照して、偏向角制御信号供給部8において、受発光部9から得られた情報に基づいて光軸に対する偏向角を制御する場合の動作について説明する。図8は、偏向角制御信号供給部8による反射光学系4の制御手順を示すフローチャート、図9は、4分割PDで構成された受光素子6上で受光したパイロット光の受光スポットが段階的に移動する様子を示す説明図、図10は、偏向角制御信号供給部8において図8の制御手順を実現するための構成を示すブロック図である。
Next, with reference to FIG. 8 to FIG. 10, an operation when the deflection angle control
ここでは、図9に示すように、受光素子6が2×2に4分割されたフォトダイオード(PD−A、PD−B、PD−C、PD−D)により構成され、かつ、反射光学系4が3次元に制御可能な場合を例とする。以下、図8のフローチャートに従って、適宜に図9、図10を参照しながら説明する。相手装置からの送信光は、ある周波数を有する光信号であり、受発光部9では、4分割されたPD(受光素子6)のそれぞれのPD(PD−A、B、C、D)での受信光が光−電気変換され、受光量に応じた振幅を有する電気信号(SIG−A、B、C、D)として、偏向角制御信号供給部8に送られる(ステップS1)。偏向角制御信号供給部8内の演算部13では、それぞれの信号振幅をアンプ21、22、23、24によって増幅し(ステップS2)、A/Dコンバータ25、26、27、28によってその振幅値をA/D変換することによって、信号レベルすなわち各PD−A、B、C、Dでの受光量をDC値として得ることができる(ステップS3)。
Here, as shown in FIG. 9, the
続いて、マイコン・DSPなどのマイクロプロセッサ29によって、水平方向(Pan)・垂直方向(Tilt)に対向する各PD(PD−A、B、C、D)同士の受光レベルの差を算出し(ステップS4)、その受光レベル差を0とするための反射光学系4の移動方向・及び移動量を算出し、制御部12に与える(ステップS5→S6、ステップS9→S10)。制御部12はD/Aコンバータ30、31によって与えられた値をD/A変換し、駆動信号としてドライバ32、33に与え、ドライバ32、33によって反射光学系4をそれぞれ垂直・水平方向に駆動する(ステップS7→S8、S11→S12)。
Subsequently, the
次に4分割PD−A、B、C、D上での受光スポットの動きを図9により説明する。図9中、符号6Aはパイロット光が照射したときの4分割PD−A、B、C、D上での受光スポットを示す。図9において、ステップ(1)では、まず垂直方向に対向するA、BそれぞれのPDの受光量の差=A−Bを演算し、差=A−Bを0にする方向(図9では下方向)に光が照射されるように、反射光学系4を垂直方向に動かす。次いで、ステップ(2)で水平方向に対向するC、DのそれぞれのPDの受光量の差=C−Dを演算し、差=C−Dを0にする方向にスポットが照射されるように、反射光学系4を水平方向に動かす。
Next, the movement of the light receiving spot on the quadrant PD-A, B, C, D will be described with reference to FIG. In FIG. 9,
このように、受発光部9では光制御素子3によって送信光と受信光とを同軸で制御可能である。その結果、相手側装置から送出される光と本装置で受信する光軸とを合わせることによって、本装置の送信光を相手側装置に照射することになる。前述した実施の形態に係る光無線伝送装置では、受発光部9の反射光学系4として本発明のミラー傾動装置を用い、送信光とパイロット光との光軸合わせを行うように構成している。これにより、受光装置と発光装置とを同時に回転させる従来装置に比べて、装置の小型化を図ることが可能である。例えば、従来装置との比較において、少なくとも体積比で1/2以下を達成するものである。
Thus, in the light emitting / receiving
1 発光素子
2、5 レンズ
3 光制御素子(ビームスプリッタ)
4 反射光学系(ミラー)
6 受光素子
6A 受光スポット
7 データ信号供給部
7A 外部インターフェース
8 偏向角制御信号供給部
9 受発光部
10 発光駆動部
11 信号処理部
12 制御部
13 演算部
21〜24 アンプ
25〜28 A/Dコンバータ
29 マイクロプロセッサ
30、31 D/Aコンバータ
32、33 ドライバ
101 4B/5Bエンコーダ
102 デスクランブル/スクランブル部
103 パラレル/シリアル変換部
104 NRZ/NRZI変換部
105 PLL
111 ベース
112 スピンドル
113 ミラー
114 ミラーステージ
115 ベアリング
116 マグネット(コイル117と共に直動アクチュエータを構成する)
117 コイル
118 基板
119 端子
DESCRIPTION OF
4 reflective optics (mirror)
REFERENCE SIGNS
111 Base 112 Spindle 113 Mirror 114 Mirror stage 115 Bearing 116 Magnet (composed of a linear actuator together with the coil 117)
117 Coil 118 Substrate 119 Terminal
Claims (2)
先端が円錐状に形成されて前記ベース上に固定されたスピンドルと、
入力光を反射するミラーと、
上面方向に前記ミラーが支持されたミラー支持部材と、
前記ミラー支持部材の裏面において前記スピンドルの先端を中心に傾動可能に固定された軸受部と、
前記ミラー支持部材の裏面において前記軸受部の回りに90°の間隔で固定された4個のマグネット、及び前記ベースの上面において前記4個のマグネットのそれぞれに対向するように固定された4個のコイルで少なくとも構成され、前記4個のコイルのそれぞれに印加される電圧に応じて前記ミラーを前記スピンドルの先端を中心に傾動させる直動アクチュエータとを、
備える構成としたミラー傾動装置。 Base and
A spindle having a conical tip and fixed on the base;
A mirror that reflects input light;
A mirror support member in which the mirror is supported in the upper surface direction;
A bearing portion fixed so as to be tiltable around the tip of the spindle on the back surface of the mirror support member;
Four magnets fixed at 90 ° intervals around the bearing portion on the back surface of the mirror support member, and four fixed on the upper surface of the base so as to face each of the four magnets. A linear motion actuator comprising at least coils, and tilting the mirror about the tip of the spindle according to a voltage applied to each of the four coils.
A mirror tilting device configured to include.
2. The coil according to claim 1, wherein the four coils are wound so that a couple acts on the center with two coils sandwiching the tip of the spindle as the center. The mirror tilting device described.
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