JP6364976B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００１−２６４６６３号公報 特開平１１−２８１９２５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 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。 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。 永久磁石部と電磁石とを例示した図である。 検出光反射部は、反射率特性を例示した図である。 ２次元ＰＳＤの構成を示す図である。 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。 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。 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。 制御部のブロック図である。 位置検出部の設計例を示す図である。 検出光反射部の反射率特性を示す図である。 ミラーの並進量と受光量の関係を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

＜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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

光源４１と集光レンズ４２との距離ｆ_２＝１３［ｍｍ］とする。このとき焦点距離ｆ_１＝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_１−１／ｆ_２）
＝１／（１／１０−１−１３）
＝４４．２５［ｍｍ］
の位置に焦点を結ぶ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (9)

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、
   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。
2. 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、
   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。
3. 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、
   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。
4. 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、
   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。
5. 請求項１乃至４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、前記ミラーの反射面の反対側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。
6. 請求項１乃至４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、前記ミラーの反射面の反対側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。
7. 請求項１乃至６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。
8. 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。
9. 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のための光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。

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