JP2016180832A - ミラーチルトアクチュエータおよび光送受信用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】低周波領域における不要共振モードを無くし、制御帯域を拡大することができるミラーチルトアクチュエータを提供する。【解決手段】ベースと、ミラーを保持するミラーホルダと、ミラーホルダをベースに対して可動に支持する弾性部材と、制御信号に応じてミラーホルダを駆動してミラーのチルト角を調整することにより、ミラーによる反射ビームを所望の方向に指向させる駆動手段とを有するミラーチルトアクチュエータにおいて、弾性部材としてｎ枚の平板バネを有すると共に、駆動手段としてｍ個の駆動手段を有し、ｎ、ｍはそれぞれ整数であり、平板バネは屈曲した部位を備えており、ｎ枚の平板バネは、該ミラーの中心に関して回転対称、かつ、ミラーホルダの外周の内側に収まるように配置され、ｍ個の駆動手段は、該ミラーの中心に関して回転対称となるように構成した。【選択図】図６

Description

本発明は、ミラーチルトアクチュエータに関し、特に、ミラーを搭載し、その反射光の指向方向を制御するミラーチルトアクチュエータに関する。

近年、宇宙太陽光利用システム（SSPS：Space Solar Power System）が、地球環境に優しい新しいエネルギーシステムとして期待されている。宇宙太陽光利用システムは、静止軌道上に巨大な太陽電池を配置し、収集した太陽光エネルギーをマイクロ波やレーザ光に変換して地上に送るシステムである。そのため、天然ガスや石油などと違って、エネルギー源が枯渇する可能性がほとんどない。

しかし、宇宙空間から地上への送電は、レーザ光やマイクロ波を送信機と受信機との間で直接送受信することにより行われるので、送信機側のアンテナと受信機側のアンテナとが厳密に相対することが求められる。

このような条件を満たすため、光空間通信などにおけるビーム指向装置は、粗捕捉追尾機構（ＣＰＭ：Ｃｏａｒｓｅ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と精捕捉追尾機構（ＦＰＭ：Ｆｉｎｅ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）との２種類の追尾機構組み合わせて構成している。

ＣＰＭは２軸ジンバルにより大型ミラーを制御し、送信相手からのレーザ光にアンテナをおおまかに向ける追尾機構である。ＦＰＭは電磁吸引方式の２軸駆動により小型ミラーを制御し、送信相手からのレーザ光にアンテナを１万分の１度のオーダーで精密に向ける精捕捉追尾機構である。本発明は、後者のＦＰＭに用いるのに適したミラーチルトアクチュエータに関する。

例えば、特開２０１０−２３７２７３号（特許文献１）には、ＦＰＭに用いられているミラーチルトアクチュエータが記載されている。図１２に示すような特許文献１に開示されたミラーチルトアクチュエータ31は、ミラー33を保持するミラーホルダ34の中心からＺ軸方向に伸びたトーションバー38を介してベース32に固定されている。そして、コイル36と磁気回路（図示なし）からなる駆動部の電磁力により、ミラーホルダがトーションバーの固定端部を中心にして、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りに傾くようになっている。

また、ＷＯ２０１１／００７６２８号（特許文献２）にも、ＦＰＭに用いられているミラーチルトアクチュエータが開示されている。図１３に示すような特許文献２に開示されたミラーチルトアクチュエータ41は、ミラーホルダ44のＸＹ面と平行に配置された平板バネ45を介してベース42に固定されている。そして、ミラー43が磁気回路47、コイル46で構成される駆動部の電磁力により、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りに傾くようになっている。

特開２０１０−２３７２７３号公報 ＷＯ２０１１／００７６２８号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２のミラーチルトアクチュエータの構造は、ミラーホルダとベースとをつなぐ平板バネがミラーホルダから、その外側へ伸展する構造になっている。そのため、ミラー外径が１００mmの場合、制御できない変形モードの構造共振周波数（不要共振モード）が２００Ｈｚ近傍の低周波領域に存在することが解析結果から分かっている。不要共振モードは並進方向の変位を伴うため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りの駆動機構において制御が困難である。そのため、特許文献１および特許文献２のミラーチルトアクチュエータでは、制御帯域が２００Ｈｚ以下に制限される課題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＦＰＭの低周波領域における不要共振モードを無くし、制御帯域の拡大を可能にするミラーチルトアクチュエータを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のミラーチルトアクチュエータは、ベースと、ミラーを保持するミラーホルダと、前記ミラーホルダを前記ベースに対して可動に支持する弾性部材と、制御信号に応じて前記ミラーホルダを駆動して前記ミラーのチルト角を調整することにより、前記ミラーによる反射ビームを所望の方向に指向させる駆動手段とを有するミラーチルトアクチュエータにおいて、前記弾性部材としてｎ枚の平板バネを有すると共に、前記駆動手段としてｍ個の駆動手段を有し前記ｎ、前記ｍはそれぞれ整数であり、前記平板バネは屈曲した部位を備えており、前記ｎ枚の平板バネは、該ミラーの中心に関して回転対称、かつ、ミラーホルダの外周の内側に収まるように配置され、前記ｍ個の駆動手段は、該ミラーの中心に関して回転対称となるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、低周波領域における不要共振モードを無くし、制御帯域を拡大することができるミラーチルトアクチュエータを提供することが可能になる。加えて、ミラーチルトアクチュエータ本体の小型化も可能になる。

第１実施形態にかかるミラーチルトアクチュエータの斜視図である。 図２のＡ−Ａ´でのミラーチルトアクチュエータの断面図である。 チルト発生のメカニズムを例示した図である。 ミラーホルダがベースに対して傾斜変位する時の模式図である。 ミラーホルダがベースに対して並進変位する時の模式図である。 第２実施形態にかかるミラーチルトアクチュエータの斜視図である。 第２実施形態にかかるミラーホルダ表側の斜視図である。 第２実施形態にかかるミラーホルダ裏側の斜視図である。 第２実施形態にかかる平板バネの形状を示す。 第２実施形態にかかるベースの斜視図である。 第３実施形態にかかる平板バネの形状を示す。 本発明の関連技術のミラーチルトアクチュエータの斜視図である。 本発明の関連技術のミラーチルトアクチュエータの斜視図である。

<第１実施形態>
本発明の最小構成としての実施の形態を図を用いて説明する。図１は、第１実施形態にかかるミラーチルトアクチュエータの斜視図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ´でのミラーチルトアクチュエータの断面図である。

本発明によるミラーチルトアクチュエータ1は、最小構成として、ベース2と、ミラー3を保持するミラーホルダ4と、ミラーホルダ4をベース2に対して可動に支持する弾性部材5と、制御信号に応じてミラーホルダを駆動してミラーのチルト角を調整することにより、ミラーによる反射ビームを所望の方向に指向させる駆動手段6a〜6d,7a〜7dとを有している。

特に、本ミラーチルトアクチュエータにおいては、弾性部材としてｎ枚の平板バネを有すると共に、駆動手段としてｍ個の駆動手段を有している（ｎ、ｍはそれぞれ整数、一軸アクチュエータの場合はｍは２以上の整数、二軸アクチュエータの場合はｍは３以上の整数）。

平板バネの形状は屈曲部を備えており、弾性部材はミラーの中心に関して回転対称になっている。また、弾性部材はミラーホルダ4の外周から出ない、ミラーホルダの内側に収まるように配置されている。

ｍ個の駆動手段は、ｍ個のコイル6a〜6dとｍ個の磁気回路7a〜7dとを有している。ｍ個の駆動手段もミラーの中心に関して回転対称となるように配置されている。

図３は、チルト発生のメカニズムを例示した図である。磁気回路は磁極を逆にした２つの永久磁石を重ねて形成されている。コイルに通電されると、通電量に応じて磁場が発生する。この磁場は磁気回路の磁場と磁気相互作用を行い、そのときの発生力によりミラーホルダは平板バネの弾性力に抗して変位する。磁気回路とコイルとからなる磁石ユニットが複数設けられて、各コイル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、ミラーホルダはベースに対して並進変位や傾斜変位をさせることができる。図４はミラーホルダがベースに対して傾斜変位した時、図５はミラーホルダがベースに対して並進変位した時の形状を示す。

本ミラーチルトアクチュエータは、上記構成により、平板バネが屈曲部を有するために応力集中を緩和できると同時に、稼動中にミラーの反射面がミラーの厚さ方向（Ｚ軸方向）に不要に変位することがないために駆動チルト効率および振動特性に優れている。さらに、本ミラーチルトアクチュエータは、平板バネがミラーホルダ4の外周から出ない、ミラーホルダの内側に収まるように配置されているため、ミラーホルダに対する板バネの剛性は高くなり、不要共振モードを高周波側に移すことが可能になる。
<第２実施形態>
本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、第１実施形態と同一の構成、機能を備えた部材の詳細な説明は省略する。図６は、本実施形態にかかるミラーチルトアクチュエータの斜視図である。

図６を参照すると、本発明の第２実施形態のミラーチルトアクチュエータ11は、光ビームを媒体として用いる光送受信アンテナに用いられるＸ軸、Ｙ軸の二軸駆動のミラーチルトアクチュエータである。

ベース12と、ミラー13を保持するミラーホルダ14と、ミラーホルダ14をベース12に対して可動に支持する弾性部材と、図示しない制御回路から供給される制御信号に応じてミラーホルダ14を駆動してミラーのチルト角（θx,θy）を調整することにより、ミラーによる反射ビームを所望の方向に指向させる駆動手段とを有している。

ミラーホルダ14は、正方形状に形成されたホルダ板である。ホルダ板の対角線の長さは円形のミラー13の直径以下になっている。図７はミラーホルダ14の表面側の構成を示す。図８はミラーホルダ14の裏面側の構成を示す。なお、本明細書では、送受信光が入射する側（ミラーの反射面）を表面、表面に対する反対側を裏面と記載する。ミラーホルダ14の表面側中央部分には、ミラーが装着されるミラー取付孔が設けられている。ミラーホルダ14の裏面側には弾性部材と駆動手段の一部が固着されている。

弾性部材は、同じ形状・部材からなるｎ枚の薄型の平板バネである。本例ではｎ＝４である。ただし、一軸アクチュエータの場合は、ｎは２以上の整数であればよい。また、本実施例のごとく二軸アクチュエータの場合は、ｎは３以上の整数であればよく、好ましくはｎは４以上である。

４枚の平板バネ15a〜15dは、それぞれ、曲線状（円弧状）に延びる区間である屈曲部と、直線状に延びる区間である直線部を有し、略「つ」字状の形状になっている。図９に第２実施形態における平板バネの形状を示す。

平板バネ15a〜15dは、ミラーの中心に関して回転対称であり、屈曲部側がミラーの中心側であり、直線部側がミラーホルダ14の外周側になるように配置されている。

平板バネ15a〜15dの屈曲部に近い方の一端はミラーホルダ4にネジ等により固着され、直線部に近い方の一端はベース2にネジ等により固着されている。平板バネ15a〜15dは、その両端にネジ止め用の穴を有する。

なお、本発明において、回転対称であるとは、ミラーの中心に関して等角度間隔（ｎ＝４の場合、９０度間隔）で、かつ、中心から等しい半径上にある状態を含有する。

平板バネ15a〜15dはミラー面に垂直な方向に屈曲する部位を持たない。よって、平板バネ15a〜15dは、ミラーホルダ14のＺ軸方向の振動に対する剛性を高めることができる。また、平板バネ15a〜15dの両端は、ミラーホルダ14の外周より内側に配置される。そのため、先行技術文献の平板バネと同じ材質を採用しても、先行技術文献の平板バネはミラーホルダの外周から、その外側へ伸展する構造になっているため、バネ自体が大きな剛性を得ることが可能である。その結果、不要共振モードの周波数を高周波側にずらし、制御帯域を広げることが可能になる。

しかも、平板バネ15a〜15dは、屈曲する屈曲部を有しているので、ミラーチルト方向の剛性は低くすることも実現している。

なお、図５に示す平板バネの形状は、例示であって、平板バネの形状は、これら形状に限定されるわけではない。例えば、平板バネの幅は一定である必要はなく、必要に応じて、幅を調整してもかまわない。

駆動手段は、ｍ個のコイルとｍ個の磁気回路とを有している。本例ではｍ＝４である。ただし、一軸アクチュエータの場合は、ｍは２以上の整数であればよい。また、本実施例のごとく二軸アクチュエータの場合は、ｍは３以上の整数であればよく、好ましくはｍは４以上である。

駆動手段はミラーの中心に関して回転対称となるように配置されている。具体的には、４個の駆動手段（コイル16a〜16d,磁気回路17a〜17d）は、各々ミラーの中心に関して回転対称となるように配置されている。

また、ベース12に配置された４つのコイル16a〜16dと、ミラーホルダ14に取り付けられた４つの磁気回路17a〜17dは、それぞれ対向して配置され、対をなしている。

なお、コイルと磁気回路との間には動作時にコイルと磁気回路とが干渉しないように、隙間が設けられている。また、磁気回路17a〜17dはヨークと組み合わせて適用しても良い。

ベース12は、略正方形のベース板である。ベース12は中心に貫通した孔を備える。この孔はミラーホルダ14に平板バネを取り付けるための作業用の孔である。図６は、ベース12の概略を示す上面図である。ベース12の孔の周囲は凸部が形成されている。平板バネ15a〜15dの一端は、この凸部にねじ等により固定されている。さらに、ベース12板には孔の周囲を回転対称に、コイル16a〜16dが固着されている。

本ミラーチルトアクチュエータは、上記構成により、平板バネが屈曲部を有するために応力集中を緩和できると同時に、稼動中にミラーの反射面がミラーの厚さ方向（Ｚ軸方向）に不要に変位することがないために駆動チルト効率および振動特性に優れている。さらに、本ミラーチルトアクチュエータは、平板バネをミラーの中心に近い場所に配置し、また、ミラーホルダの外周から出ない、ミラーホルダの内側に収まるようにしているため、ミラーホルダに対する板バネの剛性は高くなり、不要共振モードを高周波側に移すことが可能になる。具体的には、構造共振周波数を大きくすることができ、ミラー外径Φ100mmの場合、制御帯域を800Hz程度又はそれ以上にすることが可能である。

なお、上記実施形態では、可動側であるミラーホルダ14に磁気回路17a〜17dを配置し、固定側であるベース12にコイル16a〜16dを配置するムービングマグネット方式を採用したが、コイルと磁気回路の配置は逆でもよい。すなわち、可動側であるミラーホルダにコイルを配置し、固定側であるベースを配置するムービングコイル方式を採用してもよい。

ムービングコイル方式の場合は、平板バネは、ミラーホルダ14に装着したコイルへの電流供給用の配線を兼ねてもよい。つまり、平板バネを、コイル駆動用の電流を流す配線として用いてもよい。平板バネがコイルに電流を供給する配線を兼ねる構成では、ベースとミラーホルダ14との間に、別途配線を設ける必要がなくなる。また、平板バネは弾性を有しているので、コイルへの電流供給を行う導線のフリクションに起因する制御性能の低下を防ぐことができる。また、アクチュエータ駆動時の繰り返し応力に起因する導線の損傷を防ぐこともできるという効果もある。
<第３実施形態>
次に、本発明における、第３実施形態について説明する。第３実施形態に係るミラーチルトアクチュエータの弾性部材は、第２実施形態の平板バネが一体化した形状になっている。ここでは、第２実施形態と同一の構成、機能を備えた部材の詳細な説明は省略する。

図１１に第２実施形態における平板バネ25の形状を示す。弾性部材は、１枚の薄型の平板バネである。平板バネは、４つの羽根部と、その羽根部を中心で連結した連結部を有し、全体として卍字形状になっている。羽根部は、それぞれ、曲線状（円弧状）に延びる区間である屈曲部と、直線状に延びる区間である直線部を有し、略「つ」字状の形状になっている。羽根部は、連結部に関して回転対称であり、屈曲部側が連結部側であり、直線部が外側になるように配置されている。また、平板バネ25は、ミラーホルダの外周から出ない外周より内側に収まる大きさである。

第２実施形態の弾性部材は、第１実施形態の効果に加えて、複数の平板バネを一体化することで、平板ばね同士の相対位置を合わせることが容易になる。なお、連結部の位置は中心側なので、バネの変形に影響はない。

図１１に示す平板バネの形状は、例示であって、平板バネの形状は、これら形状に限定されるわけではない。例えば、平板バネの幅は一定である必要はなく、必要に応じて、幅を調整してもかまわない。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のミラーチルトアクチュエータは、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、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、光ビームを媒体として用いる光送受信アンテナに用いられるＸ軸、Ｙ軸の二軸駆動のミラーチルト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。

1 ミラーチルトアクチュエータ
2 ベース
3 ミラー
4 ミラーホルダ
5 弾性部材
6a コイル
6b コイル
6c コイル
6d コイル
7a 磁気回路
7b 磁気回路
7c 磁気回路
7d 磁気回路
11 ミラーチルトアクチュエータ
12 ベース
13 ミラー
14 ミラーホルダ
15a 平板バネ
15b 平板バネ
15c 平板バネ
15d 平板バネ
16a コイル
16b コイル
16c コイル
16d コイル
17a 磁気回路
17b 磁気回路
17c 磁気回路
17d 磁気回路
25 平板バネ
31 ミラーチルトアクチュエータ
32 ベース
33 ミラー
34 ミラーホルダ
35 平板バネ
36 コイル
38 トーションバー
41 ミラーチルトアクチュエータ
42 ベース
43 ミラー
44 ミラーホルダ
45 平板バネ
46 コイル
47 磁気回路

Claims (7)

1. ベースと、ミラーを保持するミラーホルダと、前記ミラーホルダを前記ベースに対して可動に支持する弾性部材と、制御信号に応じて前記ミラーホルダを駆動して前記ミラーのチルト角を調整することにより、前記ミラーによる反射ビームを所望の方向に指向させる駆動手段とを有するミラーチルトアクチュエータにおいて、
   前記弾性部材としてｎ枚の平板バネを有すると共に、前記駆動手段としてｍ個の駆動手段を有し、
   前記ｎ、前記ｍはそれぞれ整数であり、
   前記平板バネは屈曲した部位を備えており、
   前記ｎ枚の平板バネは、該ミラーの中心に関して回転対称、かつ、ミラーホルダの外周の内側に収まるように配置され、
   前記ｍ個の駆動手段は、該ミラーの中心に関して回転対称となるように配置されていることを特徴とするミラーチルトアクチュエータ。
2. 前記ｎ＝４かつ前記ｍ＝４である請求項１に記載のミラーチルトアクチュエータ。
3. 前記ｎ＝１かつ前記ｍ＝４である請求項１に記載のミラーチルトアクチュエータ。
4. 前記ｍ個の駆動手段はそれぞれ、前記ベースに取り付けられた永久磁石とヨークとの組み合わせと、前記ミラーホルダに取り付けられたコイルとによって構成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載のミラーチルトアクチュエータ。
5. 前記ｍ個の駆動手段はそれぞれ、前記ベースに取り付けられたコイルと、前記ミラーホルダに取り付けられた永久磁石との組み合わせによって構成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載のミラーチルトアクチュエータ。
6. 前記平板バネは、前記ミラーホルダに取り付けられた前記コイルに流す駆動電流の配線としても用いられる請求項１乃至５のいずれか一項に記載のミラーチルトアクチュエータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のミラーチルトアクチュエータを有することを特徴とする光送受信用アンテナ。