JPH03264911A - 光ビーム制御機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　　要］ 宇宙光通信衛星間の捕捉・追尾技術等に使用される光ビ
ーム制御ｌ！横に関し、 ボイスコイル型モータを使って光通信での捕捉・追尾等
を行うことができる光ビーム制御機構を実現することを
目的とし、 Ｘ軸方向に相対して隔離配置され、各々が弾性ピボット
とジンバル駆動用コイルとを有する二つの無摩擦軸受・
駆動部を固定した固定台と、各無摩擦軸受・駆動部に支
持され、該ジンバル駆動用コイルと鎖交する磁束を発生
してＸ軸の回転方向に駆動トルクを発゛生ずるように各
′＠摩擦軸受・駆動部と係合する永久磁石及びヨークか
ら戊る二つの磁気回路部を相対して設けると共に該無摩
擦軸受・駆動部と同一構成の二つの無摩擦軸受・駆動部
をＹ軸方向に相対して隔離配置したＸ軸ジンバルと、該
Ｘ軸ジンバルの各無摩擦軸受・駆動部の弾性ヒボントに
より懸垂され且つそのジンバル駆動用コイルと鎖交する
磁束を発生してＹ軸の回転方向に駆動トルクを発生する
ように配列された永久磁石及びヨークから成る磁気回路
部を固定したＹ軸ジンバルとを備え、該固定台に設けた
開口部からの光ビームを該Ｙ軸ジンバルの裏面に設けた
光ビーム制御用ミラーでＸ−Ｙの２軸方向に偏向させる
ように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は光ビーム制御機構に関し、特に宇宙光通信衛星
間の捕捉・追尾技術等に使用される光ビーム制御機構に
関するものである。

宇宙光通信は、大容量の衛星間通信、あるいは深宇宙に
おける通信手段として、近年、注目されつつあるもので
ある。

宇宙光通信を確立するためには、いくつかの技術課題を
克服する必要があり、その一つが光ビームの制御技術で
ある。この場合の光ビームの制御とは、光通信の相手方
である相手衛星と、自衛星との相対的な動きに合わせて
、相手衛星の方向に精確に光ビームを指向させて捕捉（
ボインティング）・追尾（トラッキング）することであ
る。光は電波に比して波長が短く、大容量通信が可能な
反面、通信衛星間の捕捉・追尾を行うためには極めて高
精度のビーム制御が求められる。

即ち、宇宙光通信実現のマイルストーンとして、第５図
に示すように、先ず静止衛星（ＧＥＯ）と低軌道衛星（
ＬＥＯ）との光通信を考えると、ＧＥＯとＬＥＯの地球
に対する軌道上の速度Ｖ６ＶＬは、各々次の近似式で与
えられる。

ｖＧ＝ｒ丁７］了Ｔ１τ下：ＧＥＯ Ｖｔ　−ｕ　　　ｒ　＋　ｈｔ　）　　：　ＬＥＯ但し
、重力定数μ＝３９８，６（１３１ａｌ’／ｓ”、地球
半径ｒ＝６．３７８　ｋｌｌである。

上記の式に基づき、ＧＥＯ，ＬＥＯの軌道に関する値は
おおよそ次表のようになる。

表 また、ＧＥＯから見たＬＥＯの相対角速度ω。

は、両衛星が同し軌道面にあるとすれば、ＣＯ３ω、Δ
ｔ＝ （ｒ＋　ｈ　ｓ）−（ｒ＋　ｈ　Ｌ）ＣＯ５（ωＬ−（
ＬＩ　Ｇ）Δ　ｔ÷［（（ｒ＋ｈ＊）”＋（ｒ＋ｈＬ）
”２（ｒ＋ｈＪ（ｒ＋ｈＬ）ＣＯ５（ωｔ−ωｃ）Δｔ
）　］　＋／Ｚで与えられる。尚、最大角速度は、 Ｍａｘｃω、）　＝０．０１２（ｄｅｇ／５）ｈＬ＝ｌ
、０００ｋ１１ となる。

ここで、ＧＥＯ−ＬＥＯ間の光の往復時間は約０．２５
秒であり、ＬＥＯのビーコン光をＧＥＯが受信してＬＥ
Ｏの方位を求め、その方位に光ビームを向けて制御され
たＧＥＯのビーコン光がＬＥＯに到達するまでには、処
理遅延が全くないとしてもＬＥＯは最大２鵬移動してい
ることになる。

一方、ビーコン光の回折角θ４は、 ０ｍ−２，４４Ｘλ／Ｄ（λは使用波長、Ｄはアンテナ
径）で与えられるから、λ＝０．８　μｍ、Ｄ”’３０
Ｃ＋ｌの回折限界までビーコン光を絞っても、θ６＝６
．５　μｒａｄ　となり３０ｃｍ径の光ビームは４０　
、０ＯＯｋｎ＋離れると２６０ｍにまで広がることにな
る。

この場合、１００−の半導体レーザを使用したとすると
、途中の伝播損失を零としても受信パワーは０．１３μ
−に減少する。

従って、捕捉・追尾を容易にするためビーム幅を広げる
のは受信パワーの点で限界があるが、光ビームの制御範
囲は、アンテナブームの熱歪み、姿勢揺動等のランダム
誤差を吸収するためには、ビーム拡がり角の１７１０程
度まで求められ、この場合には１ｕｒａｄ近傍の極めて
高い精度の制御が必要となる。

〔従来の技術とｙＡ題〕

従来より、この種の捕捉・追尾技術を行うための光ビー
ム制御方式としては電気的な方式と機械的な方式とが考
えられているが、前者の電気的な方式では機械的な可動
部分がないという利点を有するが、制御範囲が狭く実現
性の点でも技術的課題が多い。

一方、後者の機械的な方式としては、回転型モータ、ボ
イスコイル型モータ（ＶＣＭ）、及び圧電素子等が提案
されてきているが、回転型モータは広範囲のビーム制御
ができる反面、分解能不足と軸受部のｌｌ！擦が問題で
あり、また、圧電素子は回転型モータと７度反対の関係
にある。

一方、ボイスコイル型モータは、＠御範囲では回転型モ
ータに及ばないものの、圧電素子よりは広く取れ、分解
能もそれに匹敵すると共に軸受部を無摩擦にできるとい
う利点を有している。

従って、本発明は、ボイスコイル型モータを使って光通
信での捕捉・追尾等を行うことができる光ビーム制ＷＩ
Ｉｌ構を実現することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、上記の目的を達成するための本発明における
Ｘ−Ｙ２軸マウント方式のボイスコイル型モータの光ビ
ーム制？１１機構の全体構成を示したものである。

図において、最下部は、２軸マウント方式によるジンバ
ルの固定台ｌである。この固定台１には、光ビーム径に
応じた開口部５（図では４角だが、円形開口でも勿論差
支えない）、並びに最上部のＸ軸ジンバル６を支持する
無摩擦軸受・駆動部２がＸ軸方向に一定間隔だけ離れて
設けられている。

この無摩擦軸受・駆動部２は、公知で容易に入手可能な
弾性ピボット３とＸ軸ジンバル６を駆動するためのコイ
ル４とで構成されている。尚、この弾性ピボット３につ
いては、実願平１−１４４７号でも開示されたものを使
用することができる。

Ｘ軸ジンバル６には、固定台ｌの無摩擦軸受・駆動部２
に対応して第２図に示すように、永久磁石８とヨーク９
から成る二つの磁気回路部１０、及び固定台１と同し構
造の無！ｍ軸受・駆動部１１が図示のようにＸ軸と直交
したＹ軸方向に一定間隔を置いて配列されている。

Ｘ軸ジンバル６の磁気回路部１０は、第２図に示すよう
に、永久磁石８とヨーク９との間隙部にＸ軸ジンバル駆
動コイル４が入り込んで磁石８の磁束の方向が各々反対
の向きになるよう、例えばＮ−５の極性が反対の二つの
磁石から戒っており、その間隙部においてコイル４中を
流れるｔ流と鎖交する磁束とによる、弾性ピボット３の
回転方向に発生する駆動トルクが互いに同一方向に生し
るようにしている。

中央部のＹ軸ジンバル１３は、Ｘ軸ジンバル６の無摩擦
軸受・駆動部１１の弾性ピボット３により懸垂される形
で支持され、Ｙ軸方向に配列された二つの磁気回路部１
４を有する。この磁気回路部１４は、Ｘ軸ジンバル６の
磁気回路部１０と同一構成のものである。

そして、更に、固定台１の開口部５を経由した光ビーム
をＸ−Ｙの２軸方向に偏向させる光ビーム制御用のミラ
ー１５がＹ軸ジンバル１３の裏面に取り付けられている
。

〔作　　　用〕

第１図において、例えば固定台ｌの無摩擦軸受・駆動部
２のＸ軸ジンバル駆動用コイル４に制御電流が与えられ
ると、第２図に示すように、この制御電流はＸ軸ジンバ
ル６の永久磁石１０による磁束に直角に流れるので、フ
レミングの左手の法則によりボイスコイル型モータとし
て弾性ピボント３によりＸ軸を中心に回転する駆動トル
クを発生する。この場合、永久磁石１０は常にＸ軸を中
心とした同一方向の駆動トルクを発生する。

このようにしてＸ軸ジンバル６はＸ軸方向に無摩擦で回
転制御される。

同様にして、Ｙ軸ジンバＪし１３についても、Ｘ軸ジン
バル６の無摩擦軸受・駆動部１１のＹ軸ジンバル駆動用
コイル１２に制御電流が与えられると、Ｙ軸を中心に回
転する駆動トルクを発生し、Ｙ軸ジンバル１３はＹ軸方
向に無摩擦で回転制御される。

従って、固定台１の開口部５を介して入力する光ビーム
を、Ｙ軸ジンバル１３の裏面に取り付けたξシー１５が
χ−Ｙ軸の２軸方向に偏向させることができる。

〔実　施　例〕

第３図は、本発明に係る光ビーム制御機構を用いた光学
系全体の基本構成が示されており、２１はボインティン
グ・ミラーであり、駆動部２２２３に光アンテナ（図示
せず）の方位角（α、βＴ）を地上局又は衛星搭載の処
理系から与えることによりその方位が制御されるように
なっている。

２４は両面反射ミラー、２５は放物面鏡ビームエキスパ
ンダー、２６は地上局又は衛星のオン・ボードからの制
御信号により制御されるトラ・７キング・ミラー、２７
〜３０はビームスプリンタ、３１〜３３は集光レンズ、
３４は通信用光検出器、３５は２次元ＣＣＤ、３６は反
射ミラー、３７は４象限光センサ、３８はポイントアヘ
ッド・ミラーであり、第１図及び第２図に示した本発明
の光ビーム制御ｌｌ１ｌ樽の光ビーム制御ミラー１５に
相当するものである。

また、３９及び４０はコリメータ・レンズ、４１はビー
コン光を発する半導体レーｆ　（ＬＤ）、４２は反射ミ
ラー、４３は通信用ＬＤである。

第４図は、第３図に示した光学系の制御系統の一実施例
を示したものであり、第１図及び第２図に示した光ビー
ム制御＠構のＸ帖ジンバル駆動用コイル４（又はＹ軸ジ
ンバル駆動用コイル１２）であるボイスコイルモータ（
以下、便宜上、■ＣＭ４として示す）はポイント・アヘ
ッド指令値を受けて例えばＰＩＤ補償制御を行うコント
ローラ５１と駆動回路５２とＶＣＭ４の偏向センサ５３
とにより制御されるようになっている。尚、この指令値
は、衛星間の距離による光の伝播遅延を補償して光ビー
ムを所望の精度で目標衛星に指向させるために移動方向
の前方の予測位置にビームを向けなければならなず、こ
の移動前方の予測位置に見合った予測角を指示するもの
で、地上から又は衛星のオンボード指示により与えられ
る。

また、受信光ビームの視線角θ７゜、と受信側の視線角
θＬＯ５との差分信号は、ボインティング・センサとし
てのＣＣＤセンサ７１とトラッキング・センサとしての
４象限センサ７２とに送られ、その出力信号に基づいて
センサ信号処理部７３がモーロ選択信号を発生してスイ
ッチ７４を捕捉・追尾モード又は初期捕捉モードに切り
換えるようになっている。

このモード選択スイッチ７４のスイッチ位置は最初は初
期捕捉位置に設定され、コントローラ５４及び電圧ｉ［
５５によって制御されてトランキング・ミラー２６を駆
動する圧電アクチュエータ５６によるトラッキング動作
から切り離されている。

即ち、初期捕捉モードは、宇宙空間での光回線形成の初
期段階において狭い視野の中に初めて目標衛星を捕捉す
るためのモードであり、地上又はオンボードからの相手
衛星の視線を予測した３次元座標軸情報から導出した角
度指令値に基づいて、目標値発生器５７で変換されたト
ルク指令値Ｕ。

（１）を、駆動回路５８．直流モータ５９．積分器６Ｏ
，ゲイン制御器６１．状態推定器６２．及びゲイン制御
器６３で構成されたループによりボインティング・ミラ
ー２４を動作させるモードである。

このループでは、トルク指令値ｕ　ｃ　（ｔ）を受けた
駆動回路５８が直流モータ５９によってボインティング
・ミラー２４を角度制御し、その現在の角度位置を示す
信号θ、を目標値５７からの角度指令値θｃ（１）より
引くことにより目標角度に対する偏差θ、を求め、これ
を積分器６０で積分し、ゲイン制御器６１で一定のゲイ
ンを与える一方、偏差θ、に基づいて状態推定器６２が
その偏差を無くすためのモータ５９の位置／速度をモデ
ルで推定（Ｄ補償）してゲイン回路６３により一定のゲ
インを付加してゲイン回路６１の出力とマイナスの加算
を行うことにより、推定誤差トルクを発生し、トルク指
令値ｕｃ（ｊ）との差分が再び駆動回路５８に与えられ
る。

このようなループのポインティング動作では指令値が大
きいため、主としてボインティング・ミラー２４しか動
作しない、このボインティング・ミラー２４は、ＬＥ○
が極軌道衛星の場合には、±１８０度の走査が必要とな
り、大きな偏向角の取れないトラッキングミラー２６で
は置き換えができないため用いられている。

この初期捕捉については、既に本出願人により特願平１
−６２８９２号において開示されている。

相手衛星の送信光ビームが受信できてこの初期捕捉動作
が終了すると、地上又はオンボード指令によりモード選
択スイッチ７４が、センサ信号処理部７３により捕捉・
追尾モードの側、即ち、ＣＣＤセンサ７１の出力を選択
する捕捉モードに切り替えられる。

モード選択スイッチ７４からの捕捉信号、即ち受信側の
視線角度θ、。、と相手側視線角度θ、。。

（θ７．Ｔ）との偏差信号は、コントローラ５４及び電
圧源５５により圧電アクチュエータ５６に制御電圧を与
えて駆動力をトラッキング・ξシー２６に与える。

このときのアクチエエータのトラッキング角度出力θ、
が直流モータ５９のポインティング角度出力θヨに加え
られて受信倒の視線角度θＬＯ１となる。

また、ＣＣＤセンサ７１で検出された受信倒の視線角度
θＬ。、と相手側視線角度θＬ（Ｉ３との偏差信号θＴ
ＧＴは圧電アクチュエータ等価モデル６４に与えられて
偏向等価信号に変換され、角度指令値に対して幾ら動い
たかをフィードバックして加え、再び目標値発生器５７
の目標となる。そして、この圧電アクチュエータ等価モ
デル６４による偏向等価信号は制御が進むにつれて小さ
くなって行き、最終的には零近傍になる。

この捕捉モードでは、視線角偏差が比較的大きいので、
ボインティング・ミラー２４の駆動制御が主となり、圧
電アクチュエータ５６からの角度変位は小さい。

この捕捉動作により偏差が“０”になると捕捉モードが
終了し、地上又はオンボード指示により今度は追尾モー
ドに切り替えられ、４象限センサ７２の出力に基づいて
捕捉モードと同様のフィードバック制御が行われる。但
し、この追尾モードでは、捕捉モードと逆に視線角偏差
が小さいのでボインティング・ミラー２４は殆ど駆動さ
れず主として圧電アクチュエータ５６が制御に寄与する
こととなる。

以上のように、受信側の視線角θ１゜、は相手側の視線
角θ？ＧＴと一致するようにフィードバンクが掛けられ
るが、このときの受信側の視線角θ、。。

は、ポイント・アヘッド偏向用のＶＣＭ４からの視線角
θ、と台底されて送信光ビーム視線角θア。アとして相
手衛星に向けて送出されることとなる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明に係る光ビーム制御機構によれば
、固定台に設けた無摩擦軸受・駆動部の弾性ピボットと
ジンバル駆動用コイルとを、最上位のＸ軸ジンバルに設
けた永久磁石とヨークから成る磁気回路部に無摩擦係合
させると共にそのコイルに制御電流を流すことによりＸ
軸方向の回転運動を発生させ、また、このＸ軸ジンバル
に設けた無摩擦軸受・駆動部の弾性ビポ７）とジンバル
駆動用コイルとを、中央位のＹｌｌｋジンバルに設けた
永久磁石とヨークから成る磁気回路部に無摩擦係合させ
ると共にそのコイルに制ｆｉｔ流を流すことによりＹ軸
方向の回転運動を発生させ、以てＹ軸ジンバルの裏面に
設けた光ビーム制御用ミラーをＸ−Ｙの２軸方向に偏向
させるようにボイスコイルモータの形で構成したので、
圧電素子より制御範囲が広く取れ、分解能は圧電素子に
匹敵すると共に以下の特有の効果が得られる。

１）無摩擦軸受により、可動部分の潤滑が不要となり、
長寿命化が図られ、宇宙通信ｌｌ械用として適している
。

２）軸受と駆動部を同一平面上に配列したことにより、
ジンバルの積層の省スペース化が図られ、小型化・軽量
化が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光ビーム制御機構を示した図、 第２図は、本発明に係る光ビーム制御機構に用いる永久
磁石とヨークを一部切り欠いて示す斜視図、 第３ｒｇＪは、本発明に係る光ビーム制御機構を含む全
光学系を示すブロック図、 第４図は、全光学系の制御回路を示す図、第５図は、通
信衛星軌道の模式図、である。 第１図において、 １・・・固定台、 ２・・・無摩擦軸受・駆動部、 ３・・・彌性ピボット、 ４・・・Ｘ紬ジンバル駆動用コイル、 ５・・・開口部、 ６・・・Ｘ軸ジンバル、 ８・・・永久磁石、 ９・・・ヨーク、 １０．１４・−・磁気回路部、 １５・・・光ビーム制御ミラー 図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｘ軸方向に相対して隔離配置され、各々が弾性ピボット
   （３）とジンバル駆動用コイル（４）とを有する二つの
   無摩擦軸受・駆動部（２）を固定した固定台（１）と、 各無摩擦軸受・駆動部（１）に支持され、該ジンバル駆
   動用コイル（４）と鎖交する磁束を発生してＸ軸の回転
   方向に駆動トルクを発生するように各無摩擦軸受・駆動
   部（２）と係合する永久磁石（８）及びヨーク（９）か
   ら成る二つの磁気回路部（１０）を相対して設けると共
   に該無摩擦軸受・駆動部（２）と同一構成の二つの無摩
   擦軸受・駆動部（１１）をＹ軸方向に相対して隔離配置
   したＸ軸ジンバル（６）と、 該Ｘ軸ジンバル（６）の各無摩擦軸受・駆動部（１１）
   の弾性ピボット（３）により懸垂され且つそのジンバル
   駆動用コイル（１２）と鎖交する磁束を発生してＹ軸の
   回転方向に駆動トルクを発生するように配列された永久
   磁石（８）及びヨーク（９）から成る磁気回路部（１４
   ）を固定したＹ軸ジンバル（１３）と、 を備え、該固定台（１）に設けた開口部（５）からの光
   ビームを該Ｙ軸ジンバル（１３）の裏面に設けた光ビー
   ム制御用ミラー（１５）でＸ−Ｙの２軸方向に偏向させ
   ることを特徴とした光ビーム制御機構。