２次元光偏向素子
【課題】非対称形状のミラーを用いた場合でも、安定な２軸駆動動作をさせることが可能な２次元光偏向素子を提供する。
【解決手段】ミラー部１３と、このミラー部の重心部分をその裏面から支持する支持部１８と、支持部の周囲に９０度の間隔で、かつ、支持部に対して点対称の位置にそれぞれ装着された４個の永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、これらの永久磁石との間でそれぞれ電磁力が作用するように装着された４個のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとを備えるとき、第１の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和と、第２の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和とをほぼ等しくするように、各永久磁石の質量に差を有して構成する。
【解決手段】ミラー部１３と、このミラー部の重心部分をその裏面から支持する支持部１８と、支持部の周囲に９０度の間隔で、かつ、支持部に対して点対称の位置にそれぞれ装着された４個の永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、これらの永久磁石との間でそれぞれ電磁力が作用するように装着された４個のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとを備えるとき、第１の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和と、第２の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和とをほぼ等しくするように、各永久磁石の質量に差を有して構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に光送受信装置の光軸を調整するための２軸偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ信号によって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システムにおいて、偏向ミラーによって送信、受信光軸の方向を制御する光無線伝送装置が下記の特許文献１に記載されている。
【０００３】
図２は特許文献１に記載された従来の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は、光送受信装置１２と、データ供給部７と、偏向角制御信号供給部８と、信号処理部１１とで構成されている。このうち、光送受信装置１２は、発光素子１、光学素子２、第１光制御素子３Ａ、第２光制御素子３Ｂ、反射光学系４、集光光学系５、第１受光素子６、集光光学系９及び第２受光素子１０を備えている。
【０００４】
次に、この光無線伝送装置の動作について説明する。発光素子１から出射された光は、コリメートレンズなどの光学素子２によって平行光に近いビームに成形され、外部から入射する入射光を反射させる第２光制御素子３Ｂと、その入射光を透過光と反射光とに分割する第１光制御素子３Ａをそれぞれ透過し、偏向角が可変の反射光学系４で反射されて光送受信装置１２から送信光として送出される。一方、相手装置から送出されて光送受信装置１２に入射した光は、反射光学系４によって反射されてから第１光制御素子３Ａによって透過光と反射光とに分割され、このうち、反射光は集光レンズなどの集光光学系５によってフォトダイオード（ＰＤ）などの第１受光素子６で集光され、透過光は第２光制御素子３Ｂによって反射され、集光光学系９によって第２受光素子１０に集光される。
【０００５】
第１受光素子６は、受光した光を光−電気変換し、受信光の有無又は受光量及び受光方向などの位置情報信号を偏向角制御信号供給部８に供給する。偏向角制御信号供給部８は光送受信装置１２から得られた位置情報信号に基づいて、相手装置からの光に自身の受信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し、反射光学系４の図示しない駆動手段を偏向角制御信号によって駆動する。
【０００６】
このとき、偏向角制御信号供給部８は、第１受光素子６に加えられた相手装置からの位置情報信号に基づいて、反射光学系４の偏向方向の駆動手段にフィードバックして閉ループ制御する。これにより、相手装置から発光されて自装置で受光する光軸が高精度で調整される。また、受光の光軸が相手装置から大きく外れ、第１受光素子６に加えられた相手装置からの位置情報信号が得られない場合、まずサーチ動作を行い、相手装置からの入射光が第１受光素子６上に入射される状態とした後、閉ループ制御を行う。
【０００７】
反射光学系４を実現する１つの手段として、電磁コイルを用いた２軸光偏向素子２２が、例えば下記の特許文献２に記載されている。図３（ａ）はこの特許文献２に記載された２軸光偏向素子の構成を示す平面図であり、図３（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図である。図３において、２軸光偏向素子２２は主にミラー部１３と、４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、支持部１８とで構成されている。ミラー部１３は、ミラーベース１４と、その表面に設けられ、入射光を反射させるミラー１５と、ミラーベース１４の裏面の中心部から突出する状態で取り付けられた軸受部１６とで構成されている。４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、ミラーベース１４の裏面で、軸受部１６を中心にして９０度の間隔で点対称の位置に装着されている。一方、支持部１８は、ベース部１９と、このベース部１９の表面に設けられ、ミラー部１３の軸受部１６を単点で支持するミラー支持部２０と、ミラー部１３の裏面に装着された４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとの間でそれぞれ電磁力が作用するように、９０度間隔で点対称の位置に装着された４つのソレノイド形のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとで構成されている。
【０００８】
ここで、ミラー支持部２０を中心にして対称の位置に装着されて互いに電磁力が作用する永久磁石１７ａ及びコイル２１ａ、永久磁石１７ｃ及びコイル２１ｃを組として、一方が吸引、他方が反発となるようにコイル２１ａ、２１ｃに電流が流される。これと同様に、ミラー支持部２０を中心にして対称の位置に装着されて互いに電磁力が作用する永久磁石１７ｂ及びコイル２１ｂ、永久磁石１７ｄ及びコイル２１ｄを組として、一方が吸引、他方が反発となるようにコイル２１ａ、２１ｃに電流が流される。この場合、２組の永久磁石１７ａ及びコイル２１ａ、永久磁石１７ｃ及びコイル２１ｃと、永久磁石１７ｂ及びコイル２１ｂ、永久磁石１７ｄ及びコイル２１ｄとが直交配置されているため、ミラー部１３を互いに直交する２軸の方向に偏向制御することが可能になる。
【０００９】
また、光無線伝送装置において、反射光学系４として２軸光偏向素子２２を用いて、相手装置からの入射光が第１光制御素子３Ａ上に入射されていない状態からサーチ動作を行う方法として、サーチ制御信号として互いに周波数の異なる２つの周期信号を発生して２軸光偏向素子２２に入力し、これら２つの周期信号により２軸光偏向素子２２における各軸方向の偏向動作を、独立的に制御し、相手装置の方向を検索するサーチ動作が下記の特許文献３に開示されている。この場合、周期信号は正弦波であり、しかもその周波数の比が有理数（２個の正数の商で表せる数）であるときにその軌跡がリサージュ図形になる。
【特許文献１】特開２００４−３１２４１７号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７８６８号公報
【特許文献３】特開２００５−６４８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した光無線伝送装置において、光軸を水平方向と鉛直方向とに制御するために２軸偏向可能な反射光学系４を用いた場合、偏向方向によって第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積が変化する。図４は反射光学系４の偏向により第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積が変化する概念を示した図であり、図４（ａ）は受信光の面積が大きい場合を、図４（ｂ）は受信光の面積が小さい場合をそれぞれ示している。通信の相手装置の方向に関わらず、所望の伝送性能を得るためには、第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積が最も小さくなる場合でも、必要とする開口面積を確保する必要がある。そのため、反射光学系４の平面形状を偏向方向によって非対称にすることにより、第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積を大きくし、かつ、反射光学系４の大型化を防ぐことができる。
【００１１】
図３に示した従来の２軸光偏向素子２２では、ミラー１５の形状を正方形や円など、偏向方向に対して対称の形状とし、４個の永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ及び４個のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを同じ形状で、かつ同じ特性として、２軸を同等に制御することを可能にしている。したがって、反射光学系４となる２軸光偏向素子２２を閉ループ制御するために、同一の制御フィルタで閉ループ制御することが可能である。しかしながら、反射光学系４の平面形状を偏向方向によって非対称にした場合には、各軸の制御特性が異なるために特性の異なる制御フィルタが必要となり、回路規模及びソフトウェア規模が大きくなる。また、２軸の特性が異なることから、一方の軸の動きが他方の軸の動きに与える影響が大きくなるため制御フィルタの構成も複雑になる。
【００１２】
また、ミラー１５が非対称形状の場合、２軸のバランスが不安定となり、上述したサーチ制御におけるリサージュ走査の動作に悪影響を及ぼすことも考えられる。
【００１３】
本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、ミラー部として長方形や楕円などの非対称形状のミラーを用いた場合でも、制御系を複雑にすることなく、安定な２軸駆動動作をさせることが可能な２次元光偏向素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明は、入射光を反射するミラー部と、前記ミラー部の重心部分をその裏面から単点で支持する支持部と、前記支持部の周囲に９０度の間隔で、かつ、前記支持部に対して点対称の位置における前記ミラー部の裏面にそれぞれ装着された４個の永久磁石と、前記４個の永久磁石との間でそれぞれ電磁力が作用するように前記支持部と共通のベース部に装着された４個のコイルとを備え、前記支持部に対して前記点対称の位置に存在する前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、一方の前記永久磁石及び前記コイル間に吸引の電磁力が作用し、他方の前記永久磁石及び前記コイル間に反発の電磁力が作用するように前記各コイルに電流を流すことにより、前記ミラー部を直交する第１及び第２の軸方向に偏向制御することが可能な２次元光偏向素子において、
前記第１の軸方向に偏向制御される前記ミラー部のみの慣性モーメントと前記第２の軸方向における前記ミラー部のみの慣性モーメントとに差がある場合、前記第１の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和と、前記第２の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和とをほぼ等しくするように、前記各永久磁石の質量に差を有して構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、前記コイルの巻数を、同一の電流に対してほぼ等しい電磁力が作用するように決定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、第１の軸方向に偏向制御されるミラー部のみの慣性モーメントと第２の軸方向におけるミラー部のみの慣性モーメントとに差がある場合でも、第１の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和と、第２の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和とがほぼ等しくなるように、永久磁石の質量に差を持たせたので、ミラー部として長方形や楕円などの非対称形状のミラーを用いた場合でも、制御系を複雑にすることなく、安定な２軸駆動動作をさせることが可能な２次元光偏向素子が提供される。
【００１７】
また、本発明においては、質量に差を持たせた永久磁石との間でそれぞれ電磁力を作用させるコイルの巻数を、同一の電流に対してほぼ等しい電磁力が作用するように決定したので、各軸のコイルに流す電流を同一にしたままで偏向特性を同等にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係る２次元光偏向素子の第１の実施の形態の構成を示す平面図及び断面図であり、このうち、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ矢視断面図である。図１において、２軸光偏向素子２３は主にミラー部１３と、４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、支持部１８とで構成されている。ミラー部１３は、ミラーベース１４と、その表面に設けられ、入射光を反射させるミラー１５と、ミラーベース１４の裏面の中心部から突出する状態で取り付けられた軸受部１６とで構成されている。４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、ミラーベース１４の裏面で、軸受部１６を中心にして９０度の間隔で点対称の位置に装着されている。一方、支持部１８は、ベース部１９と、このベース部１９の表面に設けられ、ミラー部１３の軸受部１６を単点で支持するミラー支持部２０と、ミラー部１３の裏面に装着された４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとの間でそれぞれ電磁力が作用するように、９０度間隔で点対称の位置に装着された４つのソレノイド形のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとで構成されている。
【００１９】
ここで、ミラーベース１４は一辺の長さがＬｂである正方形の平面形状を有している。これに対して、ミラー１５はＸ方向（図の横方向）の長さＬｘを長辺とし、Ｙ方向（図の縦方向）の長さＬｙを短辺とする長方形の平面形状を有している。そして、これらの辺々の間にはＬｂ＜Ｌｙ＜Ｌｘの関係があるものとする。また、ミラー１５の横方向と縦方向にそれぞれ中心線ＣＬ１、ＣＬ２を引いて、その交点すなわち中心をＯとしたとき、Ｘ方向に配置された２個の永久磁石１７ａ、１７ｃの各中心は中心Ｏに関してそれぞれ距離Ｒの位置にあり、両者は点対称の位置に装着されている。同様にＹ方向に配置された２個の永久磁石１７ｂ、１７ｄの各中心は中心Ｏに関してそれぞれ距離Ｒの位置にある。また、中心Ｏにおいて軸受部１６はミラー支持部２０によってピボット状に支持されている。さらに、Ｘ方向に配置された永久磁石１７ａ、コイル２１ａ及び永久磁石１７ｃ、コイル２１ｃの一方に吸引の電磁力が作用し、他方に反発の電磁力が作用するようにコイル２１ａ、コイル２１ｃに電流を流すことにより、第１の軸方向に偏向制御することが可能で、かつ、Ｙ方向に配置された永久磁石１７ｂ、コイル２１ｂ及び永久磁石１７ｄ、コイル２１ｄの一方に吸引の電磁力が作用し、他方に反発の電磁力が作用するようにコイル２１ｂ、コイル２１ｄに電流を流すことにより、第２の軸方向に偏向制御することが可能になっている。
【００２０】
ミラー部１３の各軸の慣性モーメントを求めるに当たり、Ｘ方向に配置された一対の永久磁石１７ａ、１７ｃの質量をｍｘとし、Ｙ方向に配置された一対の永久磁石１７ｂ、１７ｄの質量をｍｙとする。ここで、ミラー部１３の慣性モーメントは、永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの慣性モーメントと、ミラーベース１４の慣性モーメントと、ミラー１５の慣性モーメントの和として求められる。このうち、永久磁石１７の慣性モーメントは、中心Ｏから永久磁石１７までの距離Ｒと質量ｍｘ、ｍｙとにより求められ、Ｘ軸方向の慣性モーメントＩｇｘ及びＹ軸方向の慣性モーメントＩｇｙはそれぞれ次式によって求められる。
Ｉｇｘ＝ｍｘ×Ｒ2 …（１）
Ｉｇｙ＝ｍｙ×Ｒ2 …（２）
【００２１】
ミラーベース１４の単位長さ当たりの質量をｍｂとすると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各慣性モーメントはそれぞれ単位長さ当たりの質量ｍｂに中心Ｏからの距離の２乗を掛けた値の積分値として求められる。本実施の形態では平面形状が正方形であるため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各慣性モーメントは互いに等しいＩｂとなる。
【００２２】
ミラー１５の慣性モーメントは各軸方向の単位長さ当たりの質量ｍｘ、ｍｙにそれぞれ中心Ｏからの距離の２乗を掛けた値の積分値として求められる。そこで、積分値として求められたミラー１５のＸ軸方向の慣性モーメントをＩｍｘ、Ｙ軸方向の慣性モーメントをＩｍｙとする。
【００２３】
以上により、ミラー部１３のＸ軸方向の慣性モーメントＩｘ及びＹ軸方向の慣性モーメントＩｙは次式によって求められる。
Ｉｘ＝Ｉｇｘ＋Ｉｂ＋Ｉｍｘ
＝ｍｘ×Ｒ2＋Ｉｂ＋Ｉｍｘ …（３）
Ｉｙ＝Ｉｇｙ＋Ｉｂ＋Ｉｍｙ
＝ｍｙ×Ｒ2＋Ｉｂ＋Ｉｍｙ …（４）
ここで、Ｘ軸方向の慣性モーメントとＹ軸方向の慣性モーメントの差をｄＩとすると、 ｄＩ＝Ｉｘ−Ｉｙ＝ｍｘ−ｍｙ＋Ｉｍｘ−Ｉｍｙ …（５）
となり、
ｍｘ＝ｍｙ−（Ｉｍｘ＋Ｉｍｙ） …（６）
とした場合、Ｘ軸方向の慣性モーメントとＹ軸方向の慣性モーメントとが等しくなる。
【００２４】
このように、２軸の慣性モーメントを等しくして、４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの磁力を同じにすれば、２軸の偏向特性は同等となり、非対称形状のミラー１５であっても、対称形状のミラーと同様に２軸を同等に制御することが可能になる。
なお、第１の実施の形態では、ミラー１５の平面形状が長方形である場合について説明したが、ミラー１５の形状は長方形に限らず、楕円であってもよい。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態においては、ミラー部１３のＸ軸方向の慣性モーメントとＹ軸方向の慣性モーメントとが等しくなるようにＸ軸方向の永久磁石１７と、Ｙ軸方向の永久磁石１７とに質量差を持たせている。このように質量差を持たせた永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを同一の材料で形成した場合、ミラー１５の慣性モーメントが大きい軸方向に配置された永久磁石１７ａ、１７ｃに比べて、ミラー１５の慣性モーメントが小さい軸方向に配置された永久磁石１７ｂ、１７ｄの質量（体積）は大きいので、その発生磁界は強くなる。そこで、同一の電流をＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれのコイル２１ａ、２１ｃと、２１ｂ、２１ｄとに流したとすれば、各軸の偏向特性が異なることになる。
【００２６】
第２の実施の形態はＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれのコイル２１ａ、２１ｃと、２１ｂ、２１ｄとに同一の電流を流したとしても各軸の偏向特性を同等にするものである。そこで、質量が大きいＹ方向の永久磁石１７ｂ、１７ｄとの間で電磁力を作用させるコイル２１ｂ、２１ｄの巻数を相対的に少なくし、質量が小さいＹ方向の永久磁石１７ａ、１７ｃとの間で電磁力を作用させるコイル２１ａ、２１ｃの巻数を相対的に多くする。これによって、電磁力を均衡させるとともに、各軸の偏向特性を同等にすることができる。
【００２７】
なお、Ｘ軸方向のコイル２１の巻数とＹ軸方向のコイル２１の巻数との差は、それぞれの巻数を種々に変えて実験的に求めることも可能であるが、永久磁石１７の磁荷状態や形状によって決まる磁界と、コイルの電流（又は電流による磁界）とをシミュレーションすることにより求めることも可能である。
【００２８】
また、第２の実施の形態においては、Ｘ軸方向のコイル２１ａ、２１ｃとＹ軸方向のコイル２１ｂ、２１ｄとに同一の電流を流すようにコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの巻数を決定したが、Ｘ軸方向のコイル２１ａ、２１ｃとＹ軸方向のコイル２１ｂ、２１ｄとに異なる電流を流すことが容易であれば、これらのコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの巻数をすべて等しくして、電流値を変えて値の等しい電磁力を作用させることも可能である。
また、第１及び第２の実施の形態においては、ミラーベース１４を正方形として説明したが、その形状を正方形以外のものとした場合でも同様にコイルの電流を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る２次元光偏向素子の第１の実施の形態の構成を示す平面図及び断面図である。
【図２】従来の光無線伝送装置の概略構成図である。
【図３】従来の２軸光偏向素子の構成を示す平面図及び断面図である。
【図４】従来の光無線伝送装置に用いる反射光学系の偏向により受信光の面積が変化する概念を示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
１３ ミラー部
１４ ミラーベース
１５ ミラー
１６ 軸受部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 永久磁石
１８ 支持部
１９ ベース部
２０ ミラー支持部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ コイル
２３ ２軸光偏向素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に光送受信装置の光軸を調整するための２軸偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ信号によって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システムにおいて、偏向ミラーによって送信、受信光軸の方向を制御する光無線伝送装置が下記の特許文献１に記載されている。
【０００３】
図２は特許文献１に記載された従来の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は、光送受信装置１２と、データ供給部７と、偏向角制御信号供給部８と、信号処理部１１とで構成されている。このうち、光送受信装置１２は、発光素子１、光学素子２、第１光制御素子３Ａ、第２光制御素子３Ｂ、反射光学系４、集光光学系５、第１受光素子６、集光光学系９及び第２受光素子１０を備えている。
【０００４】
次に、この光無線伝送装置の動作について説明する。発光素子１から出射された光は、コリメートレンズなどの光学素子２によって平行光に近いビームに成形され、外部から入射する入射光を反射させる第２光制御素子３Ｂと、その入射光を透過光と反射光とに分割する第１光制御素子３Ａをそれぞれ透過し、偏向角が可変の反射光学系４で反射されて光送受信装置１２から送信光として送出される。一方、相手装置から送出されて光送受信装置１２に入射した光は、反射光学系４によって反射されてから第１光制御素子３Ａによって透過光と反射光とに分割され、このうち、反射光は集光レンズなどの集光光学系５によってフォトダイオード（ＰＤ）などの第１受光素子６で集光され、透過光は第２光制御素子３Ｂによって反射され、集光光学系９によって第２受光素子１０に集光される。
【０００５】
第１受光素子６は、受光した光を光−電気変換し、受信光の有無又は受光量及び受光方向などの位置情報信号を偏向角制御信号供給部８に供給する。偏向角制御信号供給部８は光送受信装置１２から得られた位置情報信号に基づいて、相手装置からの光に自身の受信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し、反射光学系４の図示しない駆動手段を偏向角制御信号によって駆動する。
【０００６】
このとき、偏向角制御信号供給部８は、第１受光素子６に加えられた相手装置からの位置情報信号に基づいて、反射光学系４の偏向方向の駆動手段にフィードバックして閉ループ制御する。これにより、相手装置から発光されて自装置で受光する光軸が高精度で調整される。また、受光の光軸が相手装置から大きく外れ、第１受光素子６に加えられた相手装置からの位置情報信号が得られない場合、まずサーチ動作を行い、相手装置からの入射光が第１受光素子６上に入射される状態とした後、閉ループ制御を行う。
【０００７】
反射光学系４を実現する１つの手段として、電磁コイルを用いた２軸光偏向素子２２が、例えば下記の特許文献２に記載されている。図３（ａ）はこの特許文献２に記載された２軸光偏向素子の構成を示す平面図であり、図３（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図である。図３において、２軸光偏向素子２２は主にミラー部１３と、４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、支持部１８とで構成されている。ミラー部１３は、ミラーベース１４と、その表面に設けられ、入射光を反射させるミラー１５と、ミラーベース１４の裏面の中心部から突出する状態で取り付けられた軸受部１６とで構成されている。４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、ミラーベース１４の裏面で、軸受部１６を中心にして９０度の間隔で点対称の位置に装着されている。一方、支持部１８は、ベース部１９と、このベース部１９の表面に設けられ、ミラー部１３の軸受部１６を単点で支持するミラー支持部２０と、ミラー部１３の裏面に装着された４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとの間でそれぞれ電磁力が作用するように、９０度間隔で点対称の位置に装着された４つのソレノイド形のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとで構成されている。
【０００８】
ここで、ミラー支持部２０を中心にして対称の位置に装着されて互いに電磁力が作用する永久磁石１７ａ及びコイル２１ａ、永久磁石１７ｃ及びコイル２１ｃを組として、一方が吸引、他方が反発となるようにコイル２１ａ、２１ｃに電流が流される。これと同様に、ミラー支持部２０を中心にして対称の位置に装着されて互いに電磁力が作用する永久磁石１７ｂ及びコイル２１ｂ、永久磁石１７ｄ及びコイル２１ｄを組として、一方が吸引、他方が反発となるようにコイル２１ａ、２１ｃに電流が流される。この場合、２組の永久磁石１７ａ及びコイル２１ａ、永久磁石１７ｃ及びコイル２１ｃと、永久磁石１７ｂ及びコイル２１ｂ、永久磁石１７ｄ及びコイル２１ｄとが直交配置されているため、ミラー部１３を互いに直交する２軸の方向に偏向制御することが可能になる。
【０００９】
また、光無線伝送装置において、反射光学系４として２軸光偏向素子２２を用いて、相手装置からの入射光が第１光制御素子３Ａ上に入射されていない状態からサーチ動作を行う方法として、サーチ制御信号として互いに周波数の異なる２つの周期信号を発生して２軸光偏向素子２２に入力し、これら２つの周期信号により２軸光偏向素子２２における各軸方向の偏向動作を、独立的に制御し、相手装置の方向を検索するサーチ動作が下記の特許文献３に開示されている。この場合、周期信号は正弦波であり、しかもその周波数の比が有理数（２個の正数の商で表せる数）であるときにその軌跡がリサージュ図形になる。
【特許文献１】特開２００４−３１２４１７号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７８６８号公報
【特許文献３】特開２００５−６４８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した光無線伝送装置において、光軸を水平方向と鉛直方向とに制御するために２軸偏向可能な反射光学系４を用いた場合、偏向方向によって第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積が変化する。図４は反射光学系４の偏向により第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積が変化する概念を示した図であり、図４（ａ）は受信光の面積が大きい場合を、図４（ｂ）は受信光の面積が小さい場合をそれぞれ示している。通信の相手装置の方向に関わらず、所望の伝送性能を得るためには、第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積が最も小さくなる場合でも、必要とする開口面積を確保する必要がある。そのため、反射光学系４の平面形状を偏向方向によって非対称にすることにより、第１光制御素子３Ａに照射される受信光の面積を大きくし、かつ、反射光学系４の大型化を防ぐことができる。
【００１１】
図３に示した従来の２軸光偏向素子２２では、ミラー１５の形状を正方形や円など、偏向方向に対して対称の形状とし、４個の永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ及び４個のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを同じ形状で、かつ同じ特性として、２軸を同等に制御することを可能にしている。したがって、反射光学系４となる２軸光偏向素子２２を閉ループ制御するために、同一の制御フィルタで閉ループ制御することが可能である。しかしながら、反射光学系４の平面形状を偏向方向によって非対称にした場合には、各軸の制御特性が異なるために特性の異なる制御フィルタが必要となり、回路規模及びソフトウェア規模が大きくなる。また、２軸の特性が異なることから、一方の軸の動きが他方の軸の動きに与える影響が大きくなるため制御フィルタの構成も複雑になる。
【００１２】
また、ミラー１５が非対称形状の場合、２軸のバランスが不安定となり、上述したサーチ制御におけるリサージュ走査の動作に悪影響を及ぼすことも考えられる。
【００１３】
本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、ミラー部として長方形や楕円などの非対称形状のミラーを用いた場合でも、制御系を複雑にすることなく、安定な２軸駆動動作をさせることが可能な２次元光偏向素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明は、入射光を反射するミラー部と、前記ミラー部の重心部分をその裏面から単点で支持する支持部と、前記支持部の周囲に９０度の間隔で、かつ、前記支持部に対して点対称の位置における前記ミラー部の裏面にそれぞれ装着された４個の永久磁石と、前記４個の永久磁石との間でそれぞれ電磁力が作用するように前記支持部と共通のベース部に装着された４個のコイルとを備え、前記支持部に対して前記点対称の位置に存在する前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、一方の前記永久磁石及び前記コイル間に吸引の電磁力が作用し、他方の前記永久磁石及び前記コイル間に反発の電磁力が作用するように前記各コイルに電流を流すことにより、前記ミラー部を直交する第１及び第２の軸方向に偏向制御することが可能な２次元光偏向素子において、
前記第１の軸方向に偏向制御される前記ミラー部のみの慣性モーメントと前記第２の軸方向における前記ミラー部のみの慣性モーメントとに差がある場合、前記第１の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和と、前記第２の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和とをほぼ等しくするように、前記各永久磁石の質量に差を有して構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、前記コイルの巻数を、同一の電流に対してほぼ等しい電磁力が作用するように決定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、第１の軸方向に偏向制御されるミラー部のみの慣性モーメントと第２の軸方向におけるミラー部のみの慣性モーメントとに差がある場合でも、第１の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和と、第２の軸方向におけるミラー部及び永久磁石の各慣性モーメントの和とがほぼ等しくなるように、永久磁石の質量に差を持たせたので、ミラー部として長方形や楕円などの非対称形状のミラーを用いた場合でも、制御系を複雑にすることなく、安定な２軸駆動動作をさせることが可能な２次元光偏向素子が提供される。
【００１７】
また、本発明においては、質量に差を持たせた永久磁石との間でそれぞれ電磁力を作用させるコイルの巻数を、同一の電流に対してほぼ等しい電磁力が作用するように決定したので、各軸のコイルに流す電流を同一にしたままで偏向特性を同等にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係る２次元光偏向素子の第１の実施の形態の構成を示す平面図及び断面図であり、このうち、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ矢視断面図である。図１において、２軸光偏向素子２３は主にミラー部１３と、４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、支持部１８とで構成されている。ミラー部１３は、ミラーベース１４と、その表面に設けられ、入射光を反射させるミラー１５と、ミラーベース１４の裏面の中心部から突出する状態で取り付けられた軸受部１６とで構成されている。４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、ミラーベース１４の裏面で、軸受部１６を中心にして９０度の間隔で点対称の位置に装着されている。一方、支持部１８は、ベース部１９と、このベース部１９の表面に設けられ、ミラー部１３の軸受部１６を単点で支持するミラー支持部２０と、ミラー部１３の裏面に装着された４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとの間でそれぞれ電磁力が作用するように、９０度間隔で点対称の位置に装着された４つのソレノイド形のコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとで構成されている。
【００１９】
ここで、ミラーベース１４は一辺の長さがＬｂである正方形の平面形状を有している。これに対して、ミラー１５はＸ方向（図の横方向）の長さＬｘを長辺とし、Ｙ方向（図の縦方向）の長さＬｙを短辺とする長方形の平面形状を有している。そして、これらの辺々の間にはＬｂ＜Ｌｙ＜Ｌｘの関係があるものとする。また、ミラー１５の横方向と縦方向にそれぞれ中心線ＣＬ１、ＣＬ２を引いて、その交点すなわち中心をＯとしたとき、Ｘ方向に配置された２個の永久磁石１７ａ、１７ｃの各中心は中心Ｏに関してそれぞれ距離Ｒの位置にあり、両者は点対称の位置に装着されている。同様にＹ方向に配置された２個の永久磁石１７ｂ、１７ｄの各中心は中心Ｏに関してそれぞれ距離Ｒの位置にある。また、中心Ｏにおいて軸受部１６はミラー支持部２０によってピボット状に支持されている。さらに、Ｘ方向に配置された永久磁石１７ａ、コイル２１ａ及び永久磁石１７ｃ、コイル２１ｃの一方に吸引の電磁力が作用し、他方に反発の電磁力が作用するようにコイル２１ａ、コイル２１ｃに電流を流すことにより、第１の軸方向に偏向制御することが可能で、かつ、Ｙ方向に配置された永久磁石１７ｂ、コイル２１ｂ及び永久磁石１７ｄ、コイル２１ｄの一方に吸引の電磁力が作用し、他方に反発の電磁力が作用するようにコイル２１ｂ、コイル２１ｄに電流を流すことにより、第２の軸方向に偏向制御することが可能になっている。
【００２０】
ミラー部１３の各軸の慣性モーメントを求めるに当たり、Ｘ方向に配置された一対の永久磁石１７ａ、１７ｃの質量をｍｘとし、Ｙ方向に配置された一対の永久磁石１７ｂ、１７ｄの質量をｍｙとする。ここで、ミラー部１３の慣性モーメントは、永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの慣性モーメントと、ミラーベース１４の慣性モーメントと、ミラー１５の慣性モーメントの和として求められる。このうち、永久磁石１７の慣性モーメントは、中心Ｏから永久磁石１７までの距離Ｒと質量ｍｘ、ｍｙとにより求められ、Ｘ軸方向の慣性モーメントＩｇｘ及びＹ軸方向の慣性モーメントＩｇｙはそれぞれ次式によって求められる。
Ｉｇｘ＝ｍｘ×Ｒ2 …（１）
Ｉｇｙ＝ｍｙ×Ｒ2 …（２）
【００２１】
ミラーベース１４の単位長さ当たりの質量をｍｂとすると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各慣性モーメントはそれぞれ単位長さ当たりの質量ｍｂに中心Ｏからの距離の２乗を掛けた値の積分値として求められる。本実施の形態では平面形状が正方形であるため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各慣性モーメントは互いに等しいＩｂとなる。
【００２２】
ミラー１５の慣性モーメントは各軸方向の単位長さ当たりの質量ｍｘ、ｍｙにそれぞれ中心Ｏからの距離の２乗を掛けた値の積分値として求められる。そこで、積分値として求められたミラー１５のＸ軸方向の慣性モーメントをＩｍｘ、Ｙ軸方向の慣性モーメントをＩｍｙとする。
【００２３】
以上により、ミラー部１３のＸ軸方向の慣性モーメントＩｘ及びＹ軸方向の慣性モーメントＩｙは次式によって求められる。
Ｉｘ＝Ｉｇｘ＋Ｉｂ＋Ｉｍｘ
＝ｍｘ×Ｒ2＋Ｉｂ＋Ｉｍｘ …（３）
Ｉｙ＝Ｉｇｙ＋Ｉｂ＋Ｉｍｙ
＝ｍｙ×Ｒ2＋Ｉｂ＋Ｉｍｙ …（４）
ここで、Ｘ軸方向の慣性モーメントとＹ軸方向の慣性モーメントの差をｄＩとすると、 ｄＩ＝Ｉｘ−Ｉｙ＝ｍｘ−ｍｙ＋Ｉｍｘ−Ｉｍｙ …（５）
となり、
ｍｘ＝ｍｙ−（Ｉｍｘ＋Ｉｍｙ） …（６）
とした場合、Ｘ軸方向の慣性モーメントとＹ軸方向の慣性モーメントとが等しくなる。
【００２４】
このように、２軸の慣性モーメントを等しくして、４つの永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの磁力を同じにすれば、２軸の偏向特性は同等となり、非対称形状のミラー１５であっても、対称形状のミラーと同様に２軸を同等に制御することが可能になる。
なお、第１の実施の形態では、ミラー１５の平面形状が長方形である場合について説明したが、ミラー１５の形状は長方形に限らず、楕円であってもよい。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態においては、ミラー部１３のＸ軸方向の慣性モーメントとＹ軸方向の慣性モーメントとが等しくなるようにＸ軸方向の永久磁石１７と、Ｙ軸方向の永久磁石１７とに質量差を持たせている。このように質量差を持たせた永久磁石１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを同一の材料で形成した場合、ミラー１５の慣性モーメントが大きい軸方向に配置された永久磁石１７ａ、１７ｃに比べて、ミラー１５の慣性モーメントが小さい軸方向に配置された永久磁石１７ｂ、１７ｄの質量（体積）は大きいので、その発生磁界は強くなる。そこで、同一の電流をＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれのコイル２１ａ、２１ｃと、２１ｂ、２１ｄとに流したとすれば、各軸の偏向特性が異なることになる。
【００２６】
第２の実施の形態はＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれのコイル２１ａ、２１ｃと、２１ｂ、２１ｄとに同一の電流を流したとしても各軸の偏向特性を同等にするものである。そこで、質量が大きいＹ方向の永久磁石１７ｂ、１７ｄとの間で電磁力を作用させるコイル２１ｂ、２１ｄの巻数を相対的に少なくし、質量が小さいＹ方向の永久磁石１７ａ、１７ｃとの間で電磁力を作用させるコイル２１ａ、２１ｃの巻数を相対的に多くする。これによって、電磁力を均衡させるとともに、各軸の偏向特性を同等にすることができる。
【００２７】
なお、Ｘ軸方向のコイル２１の巻数とＹ軸方向のコイル２１の巻数との差は、それぞれの巻数を種々に変えて実験的に求めることも可能であるが、永久磁石１７の磁荷状態や形状によって決まる磁界と、コイルの電流（又は電流による磁界）とをシミュレーションすることにより求めることも可能である。
【００２８】
また、第２の実施の形態においては、Ｘ軸方向のコイル２１ａ、２１ｃとＹ軸方向のコイル２１ｂ、２１ｄとに同一の電流を流すようにコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの巻数を決定したが、Ｘ軸方向のコイル２１ａ、２１ｃとＹ軸方向のコイル２１ｂ、２１ｄとに異なる電流を流すことが容易であれば、これらのコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの巻数をすべて等しくして、電流値を変えて値の等しい電磁力を作用させることも可能である。
また、第１及び第２の実施の形態においては、ミラーベース１４を正方形として説明したが、その形状を正方形以外のものとした場合でも同様にコイルの電流を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る２次元光偏向素子の第１の実施の形態の構成を示す平面図及び断面図である。
【図２】従来の光無線伝送装置の概略構成図である。
【図３】従来の２軸光偏向素子の構成を示す平面図及び断面図である。
【図４】従来の光無線伝送装置に用いる反射光学系の偏向により受信光の面積が変化する概念を示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
１３ ミラー部
１４ ミラーベース
１５ ミラー
１６ 軸受部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 永久磁石
１８ 支持部
１９ ベース部
２０ ミラー支持部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ コイル
２３ ２軸光偏向素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を反射するミラー部と、前記ミラー部の重心部分をその裏面から単点で支持する支持部と、前記支持部の周囲に９０度の間隔で、かつ、前記支持部に対して点対称の位置における前記ミラー部の裏面にそれぞれ装着された４個の永久磁石と、前記４個の永久磁石との間でそれぞれ電磁力が作用するように前記支持部と共通のベース部に装着された４個のコイルとを備え、前記支持部に対して前記点対称の位置に存在する前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、一方の前記永久磁石及び前記コイル間に吸引の電磁力が作用し、他方の前記永久磁石及び前記コイル間に反発の電磁力が作用するように前記各コイルに電流を流すことにより、前記ミラー部を直交する第１及び第２の軸方向に偏向制御することが可能な２次元光偏向素子において、
前記第１の軸方向に偏向制御される前記ミラー部のみの慣性モーメントと前記第２の軸方向における前記ミラー部のみの慣性モーメントとに差がある場合、前記第１の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和と、前記第２の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和とをほぼ等しくするように、前記各永久磁石の質量に差を有して構成したことを特徴とする２次元光偏向素子。
【請求項２】
前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、前記コイルの巻数を、同一の電流に対してほぼ等しい電磁力が作用するように決定したことを特徴とする請求項１に記載の２次元光偏向素子。
【請求項１】
入射光を反射するミラー部と、前記ミラー部の重心部分をその裏面から単点で支持する支持部と、前記支持部の周囲に９０度の間隔で、かつ、前記支持部に対して点対称の位置における前記ミラー部の裏面にそれぞれ装着された４個の永久磁石と、前記４個の永久磁石との間でそれぞれ電磁力が作用するように前記支持部と共通のベース部に装着された４個のコイルとを備え、前記支持部に対して前記点対称の位置に存在する前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、一方の前記永久磁石及び前記コイル間に吸引の電磁力が作用し、他方の前記永久磁石及び前記コイル間に反発の電磁力が作用するように前記各コイルに電流を流すことにより、前記ミラー部を直交する第１及び第２の軸方向に偏向制御することが可能な２次元光偏向素子において、
前記第１の軸方向に偏向制御される前記ミラー部のみの慣性モーメントと前記第２の軸方向における前記ミラー部のみの慣性モーメントとに差がある場合、前記第１の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和と、前記第２の軸方向における前記ミラー部及び前記永久磁石の各慣性モーメントの和とをほぼ等しくするように、前記各永久磁石の質量に差を有して構成したことを特徴とする２次元光偏向素子。
【請求項２】
前記永久磁石及び前記コイルの組ごとに、前記コイルの巻数を、同一の電流に対してほぼ等しい電磁力が作用するように決定したことを特徴とする請求項１に記載の２次元光偏向素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２７４６２２（Ｐ２００７−２７４６２２Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１００７３７（Ｐ２００６−１００７３７）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００４３２９）日本ビクター株式会社 (3,896)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００４３２９）日本ビクター株式会社 (3,896)
【Ｆターム（参考）】
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