JP2004279935A

JP2004279935A - Movable mirror device and optical fiber device

Info

Publication number: JP2004279935A
Application number: JP2003074043A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nakano; 淳一中野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP4370113B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a movable mirror device capable of realizing a high speed operation and a highly accurate control even by using a simple and compact sensor liable to cause an offset or a drift. <P>SOLUTION: The movable mirror device 100 has a movable mirror 112 the attitude of which is controllable, a driver 142 which supplies a driving signal to the movable mirror 112, an angular sensor 114 which detects the angular displacement of the movable mirror 112, a high-pass filter 112 which selectively passes the high-frequency elements of the angular sensor 114, a low-pass filter 144 which selectively passes the low-frequency elements of the driving signal, a low-pass filter 146 which is provided in series with the low-pass filter 144 and has the same order of the mechanical frequency characteristic of the movable mirror 112, an adder 124 which adds the output of the low-pass filter 146 and the output of the high-pas filter 122, and a subtractor 132 which calculates the control error of the attitude of the movable mirror 112 by subtracting the output of the adder 124 and an target value of control. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動ミラーを用いて光ビームを制御する可動ミラー装置、及び、可動ミラーにより光ビームの位置を制御する光ファイバ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２００１−１１７０２５号公報は、複数の光ファイバに対応させて可動ミラーアレイを配置し、各ミラーの傾き制御により、入力ファイバと出力ファイバの間の光接続を自在に切り替える光スイッチ装置を開示している。
【０００３】
ミラーの傾き制御は、光スイッチ装置の入力光信号及び出力光信号を監視して行われている。すなわち、光スイッチ装置の外側に接続される光トランスレーションユニット（ＯＴＵ）によって光スイッチ装置の入力側と出力側の信号をタップして取り出し、この信号を監視・比較することによりミラー角度を最適制御し、入力光ファイバと出力光ファイバの間の光接続を行っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１７０２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−１１７０２５号公報における可動ミラーの制御は、光量だけをモニタしているため、可動ミラーをどの方向へどれだけ駆動すれば最適なミラー姿勢が得られるかは分からない。従って、その制御は、必然的に、光量をモニタしながら駆動信号の修正を何度も繰り返して最適なミラー駆動信号を求めるといった試行錯誤的なものになる。
【０００６】
この場合、可動ミラーの位置決め時間すなわち光スイッチの切り換え時間は、駆動信号の修正・更新を行える周期、すなわち、駆動信号を与えてからミラーの姿勢が安定して光量のモニタを行えるようになるまでの整定時間によって制限される。
【０００７】
整定時間は、可動ミラーの機械的な共振周波数とそのＱ値により決まる。整定時間を短縮するには、共振周波数は高く、Ｑ値は小さいとよい。しかし、特開２００１−１１７０２５号公報のような光スイッチ用途では、ミラー振れ角の確保や駆動電圧の低減のため、支持バネ（ヒンジ）を柔らかくせざるを得ず、そのために共振周波数を十分に高くすることは難しい。また、その構造上、十分なダンピングを行うことも難しく、従ってＱ値も高くなり易い。
【０００８】
すなわち、特開２００１−１１７０２５号公報に開示されている制御方法では、スイッチ動作を実際に高速で行うことは難しい。
【０００９】
この問題を解決する方法としては、ミラーの角度をセンサで検出し、検出した角度情報をミラー駆動信号にフィードバックする手法が考えられる。フィードバックの働きにより、ミラーの応答が高速になるとともに過剰な振動が抑制され、高速な位置決めが可能となる。このような可動ミラーの制御は、例えば”ＥＬＥＣＴＲＯＭＡＧＮＥＴＩＣＡＬＬＹＤＲＩＶＥＮＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ３ＤＭＥＭＳＭＩＲＲＯＲＳＦＯＲＬＡＲＧＥＳＣＡＬＥＰＸＣｓ”（ＮａｔｉｏｎａｌＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２００２ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）に開示されている。
【００１０】
しかしながら、この文献に開示されているような高精度の位置センサは、一般に構造が複雑であるため、コストの上昇や装置の大型化を招く傾向が強い。
【００１１】
本発明は、このような現状を考慮して成されたものであり、その主な目的は、単純な構造で検出精度の劣るセンサを使用しながらも、高速な動作と高精度な制御が可能な可動ミラー装置を提供することである。また、他の目的は、そのような可動ミラー装置を用いた簡単な構成で小型ながらも高速・高精度の光ファイバ装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ひとつには、可動ミラー装置に向けられており、以下の各項に列記する可動ミラー装置を含んでいる。
【００１３】
１．本発明の可動ミラー装置は、供給される駆動信号に従って姿勢を制御可能な可動ミラーと、前記可動ミラーの変位に関連した情報を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段の出力の高周波成分を選択的に透過して低周波成分（直流成分を含む）を遮断する高域透過フィルタと、前記可動ミラーの姿勢の制御目標値と前記高域透過フィルタの出力とに基づいて制御誤差を算出する誤差算出手段と、前記誤差算出手段の出力に基づいて前記可動ミラーに駆動信号を供給する駆動手段とを有し、これらの要素は前記制御目標値に対し前記可動ミラーが追従するよう制御するフィードバック制御ループを構成していることを特徴とする。
【００１４】
この可動ミラー装置では、センサ出力の直流（ＤＣ）成分〜低周波成分を使用しないため、センサのオフセットやドリフトの影響を受けなくなる。これにより、これらの特性が劣る構造の単純なセンサや安価なセンサであってもミラー駆動の高速化に適用可能となり、装置の小型化や低コスト化が可能となる。
【００１５】
２．本発明の別の可動ミラー装置は、第１項の可動ミラー装置において、前記駆動信号あるいは前記駆動手段の入力信号の低周波成分を選択的に透過して高周波成分を遮断する第一の低域透過フィルタと、該第一の低域透過フィルタの出力と前記高域透過フィルタの出力とを加算する加算器とを更に有し、該加算器の出力は前記誤差算出手段に入力されることを特徴とする。
【００１６】
この可動ミラー装置では、駆動信号の低周波成分を加算することによってカットしたセンサ出力の低周波成分を擬似的に補うことができる。これにより、可動ミラー制御系のＤＣ〜低周波領域でのゲインが向上されるため、ミラーの制御をより安定に行うことが可能となる。
【００１７】
３．本発明の別の可動ミラー装置は、第２項の可動ミラー装置において、前記高域透過フィルタと前記第一の低域透過フィルタは略等しいカットオフ周波数を有し、該カットオフ周波数は前記可動ミラーの機械共振周波数よりも低いことを特徴とする。
【００１８】
この可動ミラー装置では、高域透過フィルタと第一の低域透過フィルタのカットオフ周波数が等しいため、駆動信号の低域成分とセンサ出力の高域成分とを加算する際に加算後の周波数特性が平坦になり、位相乱れが生じなくなる。このため、フィードバック制御系の安定化設計が容易となる。また、カットオフ周波数が可動ミラーの共振周波数よりも低いため、外乱の影響を受け易いミラーの共振周波数の成分についてはセンサの信号がフィードバックされるようになり、外部からの振動や衝撃による可動ミラーの変位を検出して、その影響を打ち消すよう制御することが出来る。その結果、外乱への耐久性が向上する。
【００１９】
４．本発明の別の可動ミラー装置は、第２項または第３項の可動ミラー装置において、前記第一の低域透過フィルタと直列、かつ前記加算器よりも手前に設けられた、前記可動ミラーの機械的な周波数特性と同じ次数を有する第二の低域透過フィルタを更に有していることを特徴とする。
【００２０】
この可動ミラー装置では、第一の低域透過フィルタに加えて第二の低域透過フィルタを更に設けることにより、駆動信号の高域成分が効果的に減衰され、低周波成分をカットした角度センサ信号との干渉が少なくなり制御系の安定化設計が容易になる。
【００２１】
５．本発明の別の可動ミラー装置は、第４項の可動ミラー装置において、前記第二の低域透過フィルタが、前記可動ミラーの機械的な周波数特性と略等しい電気的周波数特性を有していることを特徴とする。
【００２２】
この可動ミラー装置では、駆動信号とセンサ信号との干渉量が少量かつ周波数によらずほぼ一定となるので、制御系の設計が更に容易になる。
【００２３】
６．本発明の別の可動ミラー装置は、第１項〜第５項のいずれかひとつの可動ミラー装置において、前記変位検出手段は、前記可動ミラーの速度を検出する速度検出手段と、該速度検出手段の出力を積分する積分器とから構成されていることを特徴とする。
【００２４】
この可動ミラー装置では、構成が非常に単純な速度を検出するセンサであっても可動ミラーのフィードバック制御を行えて高速化が可能となる。このため、簡易なセンサの使用が可能となる。その結果、装置の小型化、低コスト化が一層可能となる。
【００２５】
７．本発明の別の可動ミラー装置は、第６項の可動ミラー装置において、前記積分器と前記高域透過フィルタとがひとつの低域透過フィルタにより構成されていることを特徴とする。
【００２６】
この可動ミラー装置では、回路要素の個数を削減できる。
【００２７】
８．本発明の別の可動ミラー装置は、第１項〜第７項のいずれかひとつの可動ミラー装置において、フィードバック制御ループが１ｋＨｚ以上のゲイン交差周波数を有していることを特徴とする。
【００２８】
この可動ミラー装置では、可動ミラーの応答時間が概ね１ｍｓ以内となる。このため、制御目標値の修正期間を含めても１０ｍｓ程度で全体の制御を終えることができる。従って、十分に高速な制御を行うことができる。
【００２９】
９．本発明の別の可動ミラー装置は、第１項〜第８項のいずれかひとつの可動ミラー装置において、前記可動ミラーにより偏向された光を検出する光検出手段と、該光検出手段の出力に基づいて前記制御目標値を決定するコントローラとを有していることを特徴とする。
【００３０】
この可動ミラー装置では、偏向した光の状態をモニタしてフィードバック制御するため、可動ミラーによる光の位置決め精度を更に向上できる。
【００３１】
１０．本発明の別の可動ミラー装置は、第９項の可動ミラー装置において、前記光検出手段の出力を所定時間おきにサンプリングするサンプリング手段を有し、前記コントローラは前記サンプリング手段を介して前記光検出手段の出力をモニタしており、前記サンプリング手段のサンプリング周波数がフィードバック制御ループのゲイン交差周波数よりも低いことを特徴とする。
【００３２】
この可動ミラー装置では、サンプリングを可動ミラーのフィードバック制御ループのゲイン交差周波数（制御帯域）よりも遅くすることにより、ミラーの駆動制御が整定してからサンプリングが行われるようになる。このため、光をモニタする精度が向上する。その結果、ミラー制御の精度が向上する。また、最終的なミラーの位置決めを早く行うことができる。
【００３３】
本発明は、ひとつには、光ファイバ装置に向けられており、以下の各項に列記する光ファイバ装置を含んでいる。
【００３４】
１．本発明の光ファイバ装置は、入力光ファイバと、複数の出力光ファイバと、前記入力光ファイバからの信号光を前記出力光ファイバのひとつに入射させるための、供給される駆動信号に従って姿勢を制御可能な少なくともひとつの可動ミラーと、可動ミラーの変位に関連した情報を検出する変位検出手段と、前記出力光ファイバに入射した前記信号光の一部を分岐しその光量をモニタする光量モニタと、前記変位検出手段出力の低域成分をカットする高域透過フィルタと、前記光量モニタの出力に基づいて前記可動ミラーの制御目標値を決定するコントローラと、前記制御目標値と前記高域透過フィルタの出力との差を求める誤差算出手段とを有し、前記誤差算出手段の出力に基づいて前記可動ミラーに駆動信号を供給する駆動手段とを有していることを特徴とする。
【００３５】
この光ファイバ装置では、簡易なセンサであっても、ミラーの高速かつ高精度の制御が可能となる。従って、スイッチングが高速で信頼性の高い光ファイバ装置が低コストで実現できる。
【００３６】
２．本発明の別の光ファイバ装置は、第１項の光ファイバ装置において、前記可動ミラーの駆動信号の高域成分をカットする第一の低域透過フィルタと、該低域透過フィルタの出力及び前記高域透過フィルタの出力を加算する加算器とを更に有し、加算器の出力が前記誤差算出手段に入力されることを特徴とする。
【００３７】
この光ファイバ装置では、駆動信号の低周波成分を加算することによってカットしたセンサ出力の低周波成分を擬似的に補うことができる。これにより、可動ミラー制御系のＤＣ〜低周波領域でのゲインが向上されるため、ミラーの制御をより安定に行うことが可能となる。その結果、光ファイバ装置の信頼性をより向上できる。
【００３８】
３．本発明の別の光ファイバ装置は、第１項または第２項の光ファイバ装置において、前記変位検出手段は、前記可動ミラーの速度を検出する速度検出手段と、該速度検出手段出力を積分する積分器とから構成されていることを特徴とする。
【００３９】
この光ファイバ装置では、構成が非常に単純な速度検出型のセンサであっても、スイッチングが高速で信頼性の高い光スイッチ装置が実現できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
第一実施形態
図１は本発明の第一実施形態における可動ミラー装置のブロック線図を示している。
【００４２】
図１に示されるように、第一実施形態の可動ミラー装置１００は、供給される駆動信号に従って姿勢を制御可能な可動ミラー１１２と、可動ミラー１１２に駆動信号を供給する駆動手段としてのドライバ１４２と、可動ミラー１１２の姿勢に関する情報すなわち変位を検出する変位検出手段としての角度センサ１１４と、角度センサ１１４の出力の高周波成分を選択的に透過して低周波成分（直流成分を含む）を遮断する高域透過フィルタ１２２と、可動ミラー１１２の姿勢の制御目標値と高域透過フィルタ１２２の出力とに基づいて制御誤差を算出する誤差算出手段としての減算器１３２とを有している。
【００４３】
可動ミラー１１２と角度センサ１１４と高域透過フィルタ１２２と減算器１３２とドライバ１４２は、可動ミラー１１２の変位角度を制御目標値に追従させるフィードバック制御ループを構成している。可動ミラー装置１００は、フィードバック制御の特性を安定化させるための位相補償フィルタ１３４を有している。
【００４４】
さらに、可動ミラー装置１００は、駆動信号の低周波成分を選択的に透過して高周波成分を遮断する第一の低域透過フィルタ１４４と、第一の低域透過フィルタ１４４と直列に設けられた、可動ミラー１１２の機械的な周波数特性と同じ次数を有する第二の低域透過フィルタ１４６と、低域透過フィルタ１４６の出力と高域透過フィルタ１２２の出力とを加算する加算器１２４とを有しており、加算器１２４の出力は減算器１３２に入力される。
【００４５】
減算器１３２は、可動ミラー１１２の姿勢の制御目標値と加算器１２４の出力とを減算して制御誤差を算出する。ドライバ１４２は、減算器１３２で算出された制御誤差を無くす駆動信号を可動ミラー１１２に出力し、可動ミラー１１２は、入力される駆動信号に従って姿勢を制御する。
【００４６】
図１では、第一の低域透過フィルタ１４４の後段に第二の低域透過フィルタ１４６が配置されているが、その反対に、第二の低域透過フィルタ１４６は第一の低域透過フィルタ１４４の前段に配置されてもよい。
【００４７】
高域透過フィルタ１２２は、例えばハイパスフィルターで構成される。低域透過フィルタ１４４と低域透過フィルタ１４６は、例えばローパスフィルターで構成される。ローパスフィルタ１４４は、入力信号の高域成分を除去するためのフィルタである。ローパスフィルタ１４６は、可動ミラー１１２の機械周波数特性と等価な特性を有する電気回路のフィルタである。
【００４８】
可動ミラー１１２と角度センサ１１４は、例えばひとつのデバイス、角度検出機能付き可動ミラー１１０で構成される。図２は、角度検出機能付き可動ミラーの一例を示している。
【００４９】
図２に示されるように、角度検出機能付き可動ミラー１１０は、外部から入射する光ビームを反射して偏向するミラー部１６２と、ミラー部１６２に連結された回転軸１６４と、ミラー部１６２の背面に設けられたＧＮＤ電極１６６と、ミラー部１６２の回転軸１６４を支持しているベース１７２と、ミラー部１６２に静電駆動力を与えるための駆動電極１７４と、静電容量検出・信号処理回路１７６とを有している。
【００５０】
角度検出機能付き可動ミラー１１０では、ドライバ１４２から駆動電極１７４に供給される駆動信号に従って、ＧＮＤ電極１６６と駆動電極１７４との間に静電駆動力が発生し、ミラー部１６２が回転軸１６４の周りに静電駆動力に応じて決まる角度だけ回転する。その結果、ミラー部１６２のおもて面（図２の上方に向いた面）で反射された光ビームの進行方向が変えられる。
【００５１】
静電容量検出・信号処理回路１７６は、ＧＮＤ電極１６６と駆動電極１７４と共に角度センサ１１４を構成している。ＧＮＤ電極１６６と駆動電極１７４の間の静電容量はミラー部１６２の角度変位に依存している。静電容量検出・信号処理回路１７６は、ＧＮＤ電極１６６と駆動電極１７４の間の静電容量に求めることにより、ミラー部１６２の角度変位を検出する。
【００５２】
このような静電駆動型の可動ミラーは、例えば特許第２９８３０８８号公報に開示されており、その構成の詳細等は既に知られているので、その詳しい説明は本明細書では省略する。また、静電容量を利用した角度（変位）検出は、例えば特開２００２−２２８８１３号公報に開示されており、その構成の詳細等は既に知られているので、その詳しい説明は本明細書では省略する。
【００５３】
静電容量を利用した角度検出は、駆動用の電極を利用するので、部品点数が少なくて済み、大型化しないという長所を有する。その反面、電極部以外の寄生容量（例えば配線部の容量）も含めて検出してしまうために、検出値のＤＣ値が安定しないという短所を有する。つまり、静電容量を利用した角度センサは、その構成が単純であり、小型に構成できるが、大きいオフセットを有したり、ドリフトを有したりする。このようなセンサの出力をそのままフィードバック制御に用いると、センサの誤差や出力変動がほぼそのまま制御結果に現れてしまう。その結果、検出したミラー角度にオフセットが発生したりドリフト（変動）が発生したりする。
【００５４】
図１の可動ミラー装置１００において、ハイパスフィルタ１２２は角度センサ１１４の出力から低周波成分（直流成分を含む）すなわち直流（ＤＣ）〜低周波の成分を除去する。従って、ハイパスフィルタ１２２からの出力信号は、角度センサ１１４のＤＣオフセットやドリフトの影響を受けなくなる。これにより、特性が劣る構造の単純なセンサや安価なセンサであっても、高速なミラー駆動に適用できる。その結果、装置の小型化や低コスト化が可能となる。
【００５５】
ローパスフィルタ１４４とローパスフィルタ１４６は、可動ミラー１１２の駆動信号から低周波成分を抽出する。抽出された低周波成分は、可動ミラー１１２の角度の低周波成分と見なせる。また、加算器１２４は、ハイパスフィルタ１２２からの出力信号にローパスフィルタ１４６からの出力信号を加算する。これにより、ハイパスフィルタ１２２で減衰された低周波成分が補われる。フィードバック制御ループは、加算器１２４の出力信号を擬似的に角度変位信号であるとして、可動ミラー１１２の姿勢をフィードバック制御する。これにより、フィードバック制御ループのＤＣ〜低周波領域でのゲインが向上し、可動ミラー１１２の制御をより安定に行える。
【００５６】
ハイパスフィルタ１２２とローパスフィルタ１４４は、好ましくは、略等しいカットオフ周波数を有している。これにより、二つの経路の信号、すなわち、ハイパスフィルタ１２２を経由する経路の信号と、ローパスフィルタ１４４とローパスフィルタ１４６を経由する経路の信号は、帯域分離されて加算される。これにより、加算後の周波数特性が平坦になり、位相乱れが生じなくなる。このため、フィードバック制御ループの安定化設計が容易となる。
【００５７】
さらに、ハイパスフィルタ１２２とローパスフィルタ１４４のカットオフ周波数は、好ましくは、可動ミラー１１２の機械共振周波数よりも低い。従って、外乱の影響を受け易い可動ミラー１１２の共振周波数の成分については、角度センサ１１４の信号がフィードバックされる。これにより、外部からの振動や衝撃による可動ミラー１１２の変位を検出して、その影響を打ち消すよう制御することができる。その結果、外乱への耐久性が向上する。
【００５８】
ローパスフィルタ１４６は、可動ミラーの機械的な周波数特性と同じ次数を有している。このため、駆動信号の高域成分が効果的に減衰される。これにより、ハイパスフィルタ１２２からの出力信号とローパスフィルタ１４６からの出力信号との干渉が少なくなる。その結果、フィードバック制御ループの安定化設計が容易となる。
【００５９】
ローパスフィルタ１４６は、好ましくは、可動ミラー１１２の機械的な周波数特性と略等しい電気的周波数特性を有している。これにより、ハイパスフィルタ１２２からの出力信号とローパスフィルタ１４６からの出力信号との干渉量が少量かつ周波数によらずほぼ一定となる。このため、フィードバック制御ループの安定化設計が容易となる。
【００６０】
続いて、図３〜図９を参照しながら、本実施形態の可動ミラー装置１００の動作について詳細に説明する。
【００６１】
図３は、本実施形態の可動ミラー１１２の単体の周波数特性（駆動電圧ｖｓ角度）を示している。上段がゲイン、下段が位相を示している。本実施形態では、共振周波数１００Ｈｚ、Ｑは２０ｄＢと仮定している。
【００６２】
図４は、この可動ミラー１１２をそのまま単体でステップ状の電圧で駆動した場合の応答（ミラー角度）を示している。共振周波数（１００Ｈｚ）での振動が発生しており、Ｑ値が大きいため振動の収束に時間がかかっている。結果として５０ｍｓを経過してもなお振動が残っており応答は整定していない。このように、可動ミラー単体の整定時間は、その共振周波数とＱ値により制限されており、この状態ではミラーの高速駆動はできない。
【００６３】
図５は、本実施形態の可動ミラー装置の動作波形であり、可動ミラーの姿勢すなわち角度の制御目標値をステップ状に与えた場合の各部の応答を示している。
【００６４】
図５の波形は上から、
（ａ）ミラー角度の目標値（１ｍｓの時点でステップ状に値が変化している）（単位：°）
（ｂ）ドライバ１４２の出力（可動ミラーの駆動信号）（単位：Ｖ）
（ｃ）可動ミラー１１２のミラー角度（単位：°）
（ｄ）ハイパスフィルタ１２２の出力（単位：Ｖ）
（ｅ）ローパスフィルタ１４６の出力（単位：Ｖ）
である。ただし絶対値は設計により変わるので、縦軸の絶対値そのものには特に意味はない。
【００６５】
ここで、ハイパスフィルタ１２２とローパスフィルタ１４６は共に一次のフィルタでカットオフ周波数は５０Ｈｚ、角度センサ１１４を経由するフィードバックループのゲイン交差周波数は１ｋＨｚで、このフィードバック経路のゲインとローパスフィルタ１４６を経由するフィードバック経路のゲインが５０Ｈｚで等しくなるようにし、加算後のゲイン特性が平坦になるようにしている。
【００６６】
図５（ｃ）から分かるように、可動ミラー１１２の角度は、目標値が変化した１ｍｓ後には目標値に整定している。つまり、５０ｍｓ以上の整定時間を必要とする単体駆動（図４参照）と比較して大幅な応答の高速化が図られている。図６に図４と同じスケールで表示した可動ミラー１１２の角度の応答を示す。
【００６７】
詳しく見ると、角度センサ１１４の出力はハイパスフィルタ１２２で低周波成分がカットされるが、可動ミラー１１２の角度を高速で整定させるための駆動信号の高周波成分を生成している（図５（ｄ））。ハイパスフィルタ１２２の出力は時間の経過とともに徐々に低下していくが、これを相殺するようにローパスフィルタ１４６の出力（ミラー角度推定信号の低域成分）が生成される（図５（ｅ））。両者合わせての働きにより、高速かつ安定したミラー角度制御が実現されていることが理解できる。
【００６８】
つまり、角度センサの低周波成分を除去しても高速かつ安定な可動ミラーの制御を行うことができる。従って、本実施形態においては、構成が簡便な静電容量型変位センサを使用しながらも高速動作が可能である。
【００６９】
図７〜図９は本実施形態の制御ループの周波数特性を示している。図７は、ハイパスフィルタ１２２を経由する（高周波側の）フィードバックループ開ループ特性を示している。図８は、ローパスフィルタ１４６を経由する（低周波側の）フィードバックループ開ループ特性を示している。図９は、高周波側と低周波側の加算後のトータルのフィードバックループ開ループ特性を示している。各図とも、上段がゲイン、下段が位相を示している。
【００７０】
開ループのゲイン交差周波数（ゲインが０ｄＢとなる周波数）は図中の○で示すように１ｋＨｚとなっており、これに対応して応答時間１ｍｓ程度の高速応答が実現されている。
【００７１】
次に、本実施形態での外乱への耐性について説明する。
【００７２】
可動ミラー装置１００には、様々な外乱、特に振動・衝撃が加わることが考えられるが、これらによって可動ミラー１１２の姿勢が乱れないことが望ましい。
【００７３】
図１０の点線は、フィードバック制御なしに単体で駆動されている可動ミラー１１２にインパルス状の衝撃が加わった際の可動ミラー１１２の角度変動を示している。可動ミラー１１２に衝撃が加わると、その衝撃力により可動ミラー１１２の振動が励起され、共振周波数での不所望な振動が発生する。振動が収束する時間は、共振周波数とＱ値によるが、本実施形態の共振周波数１００Ｈｚ、Ｑ＝２０ｄＢの可動ミラー１１２では、ステップ駆動した場合（図４）と同様に５０ｍｓ以上の整定時間が必要である。
【００７４】
一方、図１０の実線は、本実施形態によるフィードバック制御に従って駆動されている可動ミラー１１２にインパルス状の衝撃が加わった際の可動ミラー１１２の角度変動を示している。本実施形態によるフィードバック制御を行った場合にはミラーの角度変動は、図１０の実線に示されるように、ごくわずかになり、時間的にも１ｍｓ程度で収束している。つまり、衝撃のような外乱が加わっても可動ミラー１１２の角度乱れがわずかしか発生せず、外乱への耐性が向上していることがわかる。
【００７５】
これは、外乱により励起された共振周波数でのミラー振動が角度センサ１１４により検出され、ハイパスフィルタ１２２のカットオフ周波数が共振周波数よりも低いために、この成分が確実にフィードバックされるためである。カットオフ周波数よりも低い周波数のミラー振動はハイパスフィルタ１２２で減衰されるためフィードバックが働かないが、外乱により発生するミラー振動は共振周波数の成分がほとんどであるため、本実施形態のように角度センサ１１４の低域成分を除去している場合でも実質的に十分な外乱耐性を得ることができる。
【００７６】
以上のように本実施形態によれば、角度センサの低域分を除去した上でフィードバックループを構成したため、角度センサのオフセットやドリフトの影響を受けずにミラー応答の高速化が可能となり、同時に外乱に対しても良好な特性が得られている。更に、ミラー駆動信号の低域分を高域カットした角度センサ出力に加算してフィードバックすることにより、安定かつ高精度なミラー角度制御が可能となっている。
【００７７】
すなわち、構成が簡単で小型な角度センサであっても動作の高速化・高精度化と十分な安定化を実現することができ、構成が簡単で小型ながら高速・高精度の可動ミラー装置の実現が達成される。
【００７８】
なお、本実施形態では、可動ミラーは静電駆動タイプであるが、本発明は、電磁駆動型や圧電駆動型など、駆動方式を問わずに適用できる。いわゆるＭＥＭＳ技術により形成されるミラーに限らず、ディスクリート部品により構成されるミラーにも適用できる。また、単独のミラーであるか、アレイ状のミラーであるかを問わずに適用できる。さらに、可動軸が一軸か二軸かも問わずに適用できる。
【００７９】
また、本実施形態では、角度センサは静電容量の変化により検出するタイプであるが、これに限定されず、例えば可動ミラー回転軸の歪みを検出するセンサ、光学式のセンサなど、幅広く適用できる。
【００８０】
フィードバックループの詳細設計、フィルタの設計についても種々の設計変更、パラメータ変更が可能である。フィードバック制御とともにフィードフォワード制御を併用してもよい。また、更なる動作の高速化のためにゲイン交差周波数を更に高めてもよく、ローパスフィルタやハイパスフィルタの次数やタイプなども変更してもよい。
【００８１】
例えば、本実施形態では、可動ミラー装置１００は、可動ミラーと等価な周波数特性のローパスフィルタ１４６と一次のローパスフィルタ１４４とを有しているが、可動ミラーと等価なローパスフィルタ１４６は必ずしも必要ではない。また、ローパスフィルタ１４４のカットオフ周波数は必ずしもハイパスフィルタ１２２のカットオフ周波数と一致していなくてもよい。ただし、安定した動作のためには、可動ミラー装置１００は、少なくとも全体として二次以上（可動ミラーの次数以上）の次数を持つローパスフィルタを有している必要がある。また、より安定な動作を得るには、本実施形態のように可動ミラーと等価な特性のローパスフィルタを設けてセンサ側（高周波側）と推定信号側（低周波側）で特性を揃え、同じカットオフ周波数のフィルタを使って帯域分離し加算することが望ましい。これにより設計が容易になる。
【００８２】
また、本実施形態では、可動ミラー１１２の角度を制御する際の高速化・高精度化について説明したが、可動ミラー１１２の角度ではなく、変位あるいは形状の制御に対しても、それらを検出するセンサと合わせることるにより本発明を適用することができる。
【００８３】
第二実施形態
続いて本発明の第二実施形態について説明する。
【００８４】
図１１は第二実施形態の可動ミラー装置のブロック線図を示している。図中、第一実施形態の可動ミラー装置の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材であり、続く説明においては、その詳しい記述は記載の重複を避けて省略する。
【００８５】
第二実施形態の可動ミラー装置２００は、可動ミラーの駆動方式とその変位検出手段の構成とにおいて、第一実施形態の可動ミラー装置１００と相違している。つまり、図１１に示されるように、可動ミラー装置２００は、電磁駆動タイプの可動ミラー２１２と、電磁誘導を利用したタイプの角速度センサ２１４と、角速度センサ２１４の出力を入力とする積分器２１６とを有している。これらを除いた構成は、第一実施形態の可動ミラー装置１００と同様である。
【００８６】
電磁駆動タイプの可動ミラー２１２は磁界と駆動コイル電流の間で発生するローレンツ力により駆動するもので、角速度センサ２１４は磁界内でコイルが運動する際に発生する誘導起電力を速度信号として検出するタイプである。角速度センサ２１４は可動部にコイルを設けるだけで実現できるため、簡単に、しかも小型に（余分なスペースを使うことなく）センサを実現することが可能である。
【００８７】
可動ミラー２１２と角速度センサ２１４は、例えばひとつのデバイス、角速度検出機能付き可動ミラー２１０で構成される。このような角速度検出機能付き可動ミラーは、例えば特開２０００−３３００６７号公報（米国特許第６４４５４８４号）に開示されており、その構成の詳細等は既に広く知られているので、その詳しい説明は本明細書では省略する。
【００８８】
図１２は、本実施形態の可動ミラー装置２００の動作波形であり、第一実施形態の図５と同様に、可動ミラー１１２の角度の制御目標値をステップ状に与えた場合の各部の応答を示している。
【００８９】
図１２の波形は上から、
（ａ）ミラー角度の目標値（１ｍｓの時点でステップ状に値が変化している）（単位：°）
（ｂ）ドライバ１４２の出力（可動ミラーの駆動信号）（単位：Ｖ）
（ｃ）可動ミラー１１２のミラー角度（単位：°）
（ｄ）角速度センサ２１４の出力（単位：Ｖ）
（ｅ）ハイパスフィルタ１２２の出力（単位：Ｖ）
（ｆ）ローパスフィルタ１４６の出力（単位：Ｖ）
である。ただし絶対値は設計により変わるので、縦軸の絶対値そのものには特に意味はない。
【００９０】
図１１の可動ミラー装置２００において、角速度センサ２１４は可動ミラー２１２の速度情報を検出し、積分器２１６は角速度センサ２１４で検出された可動ミラー２１２の速度情報を可動ミラー２１２の変位情報に変換する。つまり、角速度センサ２１４と積分器２１６は変位検出手段を構成している。
【００９１】
速度情報の信号を積分しても変位の絶対値を確定することはできない。このため、積分器２１６の出力は、ＡＣ的には可動ミラー２１２の位置変化を表すが、絶対的な位置（ＤＣ値）は不正確である。従って、角速度センサ２１４と積分器２１６を組み合わせたセンサは、オフセットあるいはドリフトの大きな変位センサといえる。
【００９２】
しかし、可動ミラー装置２００においては、積分器２１６の出力はハイパスフィルタ１２２によりＤＣ〜低周波の成分がカットされる。このため、ＤＣ値が不正確であることの影響を受けない。つまり、速度検出センサ２１４と積分器２１６は、実質的に第一実施形態の角度センサと同様の働きをする。従って、構成が非常に単純な角速度センサを使用しながらも、第一実施形態の同様に、可動ミラー２１２のフィードバック制御を高速に行うことができる。
【００９３】
角度センサが速度検出センサと積分器の組み合わせにより構成されていることを除けば、本実施形態の可動ミラー装置は、構成も動作も基本的に第一実施形態の可動ミラー装置と同様である。従って、本実施形態の可動ミラー装置は、第一実施形態と同様に、外乱に対しても高い耐性を有する。
【００９４】
以上のように本実施形態によれば、可動ミラーの角度検出に、非常に簡単な構成で小型の速度情報を検出するセンサを使用しても、ミラー応答の高速化や外乱への耐性向上が可能であるため、構成が簡単で小型ながら高速・高精度の可動ミラー装置が実現される。
【００９５】
なお、本実施形態の可動ミラー装置は積分器２１６とハイパスフィルタ１２２とを独立に有しているが、積分器２１６とハイパスフィルタ１２２は、ハイパスフィルタ１２２と同じカットオフ周波数を有するひとつのローパスフィルタで構成されてもよい。
【００９６】
図１３（ａ）は積分器２１６の周波数特性、図１３（ｂ）はハイパスフィルタ１２２の周波数特性を示している。また図１３（ｃ）は積分器２１６とハイパスフィルタ１２２を直列に接続した回路構成の周波数特性を示している。これは、ハイパスフィルタ１２２と同じカットオフ周波数のローパスフィルタと同じ周波数特性である。従って、積分器２１６＋ハイパスフィルタ１２２の機能は、ひとつのローパスフィルタで実現することができる。これにより、回路要素の個数を削減でき、回路構成の簡略化が図れる。
【００９７】
純粋な積分器は、ＤＣゲインが無限大であるため、オフセット電圧の影響を強く受け、回路として実現するのが難しい。この点からも、積分器とハイパスフィルタを別に設けて接続するよりも、ひとつのローパスフィルタで信号処理する方が現実的である。
【００９８】
また、変位検出手段は角加速度センサを利用して構成することもできる。この場合、角速度センサを角加速度センサに代えるとともに、積分器を更にひとつ増やせばよい。つまり、加速度センサの後段に積分器を二段設ければよい。
【００９９】
第三実施形態
続いて本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、可動ミラー装置を利用した光ファイバ装置、より具体的には光スイッチに向けられている。
【０１００】
図１４は第三実施形態による光ファイバ装置を示している。図中、第一実施形態の可動ミラー装置の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材であり、続く説明においては、その詳しい記述は記載の重複を避けて省略する。
【０１０１】
図１４に示されるように、光ファイバ装置すなわち光スイッチ３１０は、可動ミラー装置３００を含んでおり、さらに、入力光を伝送する少なくともひとつの入力光ファイバ３１２と、光スイッチ光学系３１４と、出力光を伝送する複数の出力光ファイバ３１６と、出力光の一部をモニタ用に取り出すタップ３１８とを有している。
【０１０２】
光スイッチ光学系３１４は、可動ミラー装置３００内の可動ミラー１１２を含み、入力光ファイバ３１２からの信号光を可動ミラー１１２により偏向させることにより特定の出力光ファイバ３１６に選択的に入力させる。より詳しくは、可動ミラー１１２は、入力光ファイバ３１２から出力される信号光を、複数の出力光ファイバ３１６のひとつに向けて反射することにより、入力光ファイバ３１２と特定の出力光ファイバ３１６とを光学的に接続する。
【０１０３】
可動ミラー装置３００は、第一実施形態の可動ミラー装置１００の構成に加えて、タップ３１８で取り出された光の量を検出する光量モニタ３０２と、光量モニタ３０２の出力をサンプリングするサンプリング手段３０４と、サンプリング手段３０４の出力に基づいて可動ミラー１１２の制御目標値を出力するコントローラ３０６とを有している。
【０１０４】
可動ミラー装置３００は、前述した角度センサ１１４による可動ミラー１１２のフィードバック制御ループに加えて、光量モニタ３０２によるフィードバック制御ループを有している。
【０１０５】
光スイッチの詳細は、例えば、光スイッチ光学系の構成や、光スイッチ光学系内の可動ミラーと入力光ファイバ及び出力光ファイバとの相互の配置関係などは、例えば特開２００１−１１７０２５号公報に開示されており、既に広く知られているので、その詳しい説明は本明細書では省略する。
【０１０６】
光スイッチ３１０においては、光接続の変更は、可動ミラー装置３００による可動ミラー１１２の角度制御によって行われる。光ファイバに信号光を入射させるには、非常に精密な可動ミラー１１２の角度制御が必要である。光スイッチ３１０においては、出力光ファイバ３１６にカップリングされた光の一部を光量モニタ３０２とサンプリング手段３０４でモニタし、コントローラ３０６で光量を最大にする可動ミラー１１２の制御目標値を求め、求めた制御目標値に従って可動ミラー１１２の姿勢を制御している。これにより、信号光が確実に出力光ファイバにカップリングされる。
【０１０７】
サンプリング手段３０４が光量モニタ３０２の出力をサンプリングする周期は、可動ミラー１１２に対する角度センサ１１４によるフィードバック制御ループの帯域（ゲイン公差周波数）よりも低く設定されている。例えば、フィードバック制御ループの帯域が１ｋＨｚであるとすると、サンプリング周期を８００Ｈｚ（１．２５ｍｓ周期）とする。
【０１０８】
こうすることにより、サンプリング手段３０４で光量モニタ３０２の出力をサンプリングし、コントローラ３０６が可動ミラー１１２の制御目標値を修正し、その新しい制御目標値に対する可動ミラー１１２の位置決め制御が終わってから、次のサンプリングが行われる。このため、サンプリング手段３０４がサンプリングする値が整定後のものとなって正確な光量のモニタを行える。
【０１０９】
また、もし角度センサ１１４による制御がなければ、可動ミラーの応答は図４に示したような共振周波数とＱ値で制限されたものとなり、光スイッチ３１０の全体の動作も遅くならざるをえない。しかし、本実施形態では、可動ミラー１１２の応答は内側の角度センサ１１４によるフィードバック制御ループで高速化されているため、結果として全体の制御も非常に高速に行うことができる。これにより、スイッチング動作が高速になると同時に、サンプリング・制御の頻度が高まることによって外乱に対する耐性も向上する。
【０１１０】
以上のように本実施形態によれば、第一実施形態と同様の角度センサ１１４によるフィードバック制御ループに加えて、可動ミラー１１２により偏向された光をモニタする光量モニタ３０２によるフィードバック制御ループを設けて、二重のフィードバック制御ループを構成しているため、構成が簡単で小型な角度センサを使用しながらも、光ファイバを含む装置で必要となる非常に高い制御精度を高速なミラー制御とあわせて実現することができる。その結果、構成が簡単で小型ながら高速・高精度の光ファイバ装置すなわち光スイッチの実現が達成される。
【０１１１】
本実施形態では可動ミラー装置を光スイッチに適用する場合について説明したが、可動ミラーを含み、可動ミラーにより偏向・変位された光をモニタするモニタ手段を有するものであれば、種々の装置に対して本発明を適用することができる。
【０１１２】
また本実施形態のように制御ループを二重化する場合には、内側の制御ループのローパスフィルタ１４４と１４６、加算器１２４を省略し、ハイパスフィルタ１２２の出力だけをそのまま減算器１３２へフィードバックする構成としてもよい。この場合、可動ミラー１１２を駆動する駆動信号の低域成分は、第一実施形態でのローパスフィルタ１４４・１４６に代わって、外側の制御ループ（コントローラ３０６）の働きで生成される。コントローラ３０６の動作速度（サンプリング手段３０４のサンプリング周期）をハイパスフィルタ１２２のカットオフ周波数よりも高周波にしておけば、この働きを得ることは容易に実現できる。これにより回路要素の個数を削減して更なる装置の簡略化が実現できる。
【０１１３】
本実施形態の光スイッチ３１０においても、位置検出手段は、第二実施形態と同様に、速度を検出するタイプの角速度センサを使用して構成されてもよい。
【０１１４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【０１１５】
【発明の効果】
本発明によれば、オフセットやドリフトが発生し易い簡略な小型のセンサを用いても、それらの悪影響を受けずに、高速な動作と高精度な制御が可能な可動ミラー装置や光ファイバ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態における可動ミラー装置のブロック線図を示している。
【図２】角度検出機能付き可動ミラーの一例を示している。
【図３】可動ミラー装置中の可動ミラー単体の周波数特性を示している。
【図４】図３の周波数特性を持つ可動ミラーを単体でステップ状の電圧で駆動した場合の応答（ミラー角度）を示している。
【図５】本実施形態の可動ミラー装置の動作波形であり、可動ミラーの角度の制御目標値をステップ状に与えた場合の各部の応答を示している。
【図６】図５中のミラー角度の応答を図４と同じスケールに拡大して示している。
【図７】ハイパスフィルタを経由する（高周波側の）フィードバックループ開ループ特性を示している。
【図８】ローパスフィルタを経由する（低周波側の）フィードバックループ開ループ特性を示している。
【図９】高周波側と低周波側の加算後のトータルのフィードバックループ開ループ特性を示している。
【図１０】インパルス状の衝撃が加わった際の可動ミラーの角度変動を示している。
【図１１】本発明の第二実施形態の可動ミラー装置のブロック線図を示している。
【図１２】第二実施形態の可動ミラー装置の動作波形であり、角度目標値をステップ状に与えた場合の各部の応答を示している。
【図１３】積分器の周波数特性と、ハイパスフィルタの周波数特性と、積分器とハイパスフィルタを直列に接続した回路構成の周波数特性とを示している。
【図１４】本発明の第三実施形態による光ファイバ装置を示している。
【符号の説明】
１００…可動ミラー装置、１１２…可動ミラー、１１４…角度センサ、１２２…ハイパスフィルタ、１２４…加算器、１３２…減算器、１４２…ドライバ、１４４…ローパスフィルタ、１４６…ローパスフィルタ、２００…可動ミラー装置、２１２…可動ミラー、２１４…角速度センサ、２１６…積分器、３００…可動ミラー装置、３０２…光量モニタ、３０４…サンプリング手段、３０６…コントローラ、３１０…光スイッチ、３１２…入力光ファイバ、３１４…光スイッチ光学系、３１６…出力光ファイバ、３１８…タップ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a movable mirror device that controls a light beam using a movable mirror, and an optical fiber device that controls the position of the light beam using the movable mirror.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-117025 discloses an optical switch device in which a movable mirror array is arranged corresponding to a plurality of optical fibers, and the optical connection between an input fiber and an output fiber is freely switched by controlling the inclination of each mirror. are doing.
[0003]
The mirror tilt control is performed by monitoring the input optical signal and the output optical signal of the optical switch device. That is, an optical translation unit (OTU) connected to the outside of the optical switch device taps and extracts signals on the input and output sides of the optical switch device, and monitors and compares these signals to optimally control the mirror angle. Then, an optical connection is made between the input optical fiber and the output optical fiber.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-117025 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the control of the movable mirror in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-117025, since only the amount of light is monitored, it is not known which direction and how much the movable mirror should be driven to obtain the optimum mirror posture. Therefore, the control is inevitably a trial-and-error method in which the correction of the drive signal is repeated many times while monitoring the light amount to obtain the optimum mirror drive signal.
[0006]
In this case, the positioning time of the movable mirror, that is, the switching time of the optical switch, is a cycle in which the drive signal can be corrected and updated, that is, from the time when the drive signal is applied to the time when the attitude of the mirror can be stably monitored. Is limited by the settling time.
[0007]
The settling time is determined by the mechanical resonance frequency of the movable mirror and its Q value. To shorten the settling time, the resonance frequency should be high and the Q value should be small. However, in an optical switch application as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-117025, the support spring (hinge) must be softened in order to secure the mirror deflection angle and reduce the drive voltage, and therefore, the resonance frequency must be sufficiently increased. It is difficult to raise it. Also, due to its structure, it is difficult to perform sufficient damping, and therefore the Q value tends to be high.
[0008]
That is, in the control method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-117025, it is difficult to actually perform the switching operation at a high speed.
[0009]
As a method for solving this problem, a method is conceivable in which the angle of the mirror is detected by a sensor and the detected angle information is fed back to the mirror drive signal. By the action of the feedback, the response of the mirror becomes faster, and excessive vibration is suppressed, and high-speed positioning becomes possible. The control of such a movable mirror is described in, for example, “ELECTROMAGNETIC DRIVEN INTEGRATED 3D MEMS MIRRORS FOR LARGE SCALE PXCs” (disclosed in National Fiber Optical Engineering Engineering, 2002, Technical Reference).
[0010]
However, a high-accuracy position sensor as disclosed in this document generally has a complicated structure, and thus tends to increase the cost and increase the size of the device.
[0011]
The present invention has been made in view of such a situation, and its main purpose is to enable high-speed operation and high-precision control while using a sensor having a simple structure and low detection accuracy. It is an object of the present invention to provide a movable mirror device. Another object is to provide a small-sized, high-speed, high-precision optical fiber device with a simple configuration using such a movable mirror device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed, in part, to a movable mirror device and includes the movable mirror devices listed in the following sections.
[0013]
1. A movable mirror device according to the present invention includes a movable mirror capable of controlling a posture in accordance with a supplied drive signal, a displacement detection unit that detects information related to a displacement of the movable mirror, and a high-frequency component of an output of the displacement detection unit. A high-pass filter that selectively transmits and blocks low-frequency components (including direct-current components); and a control error is calculated based on a control target value of the attitude of the movable mirror and an output of the high-pass filter. Error calculating means, and driving means for supplying a drive signal to the movable mirror based on an output of the error calculating means, wherein these elements are controlled so that the movable mirror follows the control target value. It is characterized by constituting a control loop.
[0014]
This movable mirror device does not use a direct current (DC) component to a low frequency component of the sensor output, and thus is not affected by the offset or drift of the sensor. As a result, even a simple sensor or an inexpensive sensor having a structure inferior in these characteristics can be applied to high-speed mirror driving, and the size and cost of the device can be reduced.
[0015]
2. Another movable mirror device according to the present invention is the movable mirror device according to the first aspect, wherein the low-frequency component of the drive signal or the input signal of the drive means is selectively transmitted to block a high-frequency component. A transmission filter; and an adder that adds an output of the first low-pass transmission filter and an output of the high-pass transmission filter, wherein an output of the adder is input to the error calculation unit. Features.
[0016]
In this movable mirror device, the low-frequency component of the sensor output cut by adding the low-frequency component of the drive signal can be artificially supplemented. As a result, the gain of the movable mirror control system in the DC to low-frequency range is improved, so that the mirror control can be performed more stably.
[0017]
3. Another movable mirror device of the present invention is the movable mirror device according to claim 2, wherein the high-pass filter and the first low-pass filter have substantially equal cutoff frequencies, and the cutoff frequency is It is characterized by being lower than the mechanical resonance frequency of the mirror.
[0018]
In this movable mirror device, since the cut-off frequency of the high-pass filter and the first low-pass filter are equal, the frequency characteristic after addition when adding the low-pass component of the drive signal and the high-pass component of the sensor output is obtained. Becomes flat, and phase disturbance does not occur. For this reason, the stabilization design of the feedback control system becomes easy. In addition, since the cutoff frequency is lower than the resonance frequency of the movable mirror, the signal of the sensor is fed back for the resonance frequency component of the mirror that is easily affected by disturbance, and the movable mirror due to external vibration or impact is applied. Can be detected and the control can be performed to cancel the effect. As a result, durability against disturbance is improved.
[0019]
4. Another movable mirror device according to the present invention is the movable mirror device according to claim 2 or 3, wherein the movable mirror device is provided in series with the first low-pass filter and before the adder. A second low-pass filter having the same order as the mechanical frequency characteristic is further provided.
[0020]
In this movable mirror device, by further providing a second low-pass filter in addition to the first low-pass filter, the high-frequency component of the drive signal is effectively attenuated, and the angle sensor that cuts the low-frequency component Interference with the signal is reduced and the stabilization design of the control system is facilitated.
[0021]
5. Another movable mirror device of the present invention is the movable mirror device according to claim 4, wherein the second low-pass filter has an electrical frequency characteristic substantially equal to a mechanical frequency characteristic of the movable mirror. It is characterized by the following.
[0022]
In this movable mirror device, the amount of interference between the drive signal and the sensor signal is small and substantially constant irrespective of the frequency, so that the control system design is further facilitated.
[0023]
6. Another movable mirror device according to the present invention is the movable mirror device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the displacement detecting means includes a speed detecting means for detecting a speed of the movable mirror; And an integrator for integrating the output of
[0024]
In this movable mirror device, even if the sensor has a very simple configuration for detecting a speed, feedback control of the movable mirror can be performed, and the speed can be increased. Therefore, a simple sensor can be used. As a result, the size and cost of the device can be further reduced.
[0025]
7. Another movable mirror device of the present invention is the movable mirror device according to claim 6, wherein the integrator and the high-pass filter are formed by one low-pass filter.
[0026]
In this movable mirror device, the number of circuit elements can be reduced.
[0027]
8. Another movable mirror device according to the present invention is characterized in that, in the movable mirror device according to any one of Items 1 to 7, the feedback control loop has a gain crossover frequency of 1 kHz or more.
[0028]
In this movable mirror device, the response time of the movable mirror is approximately 1 ms or less. For this reason, the entire control can be completed in about 10 ms including the correction period of the control target value. Therefore, sufficiently high-speed control can be performed.
[0029]
9. Another movable mirror device according to the present invention is the movable mirror device according to any one of the first to eighth aspects, further comprising: a light detection unit that detects light deflected by the movable mirror; and an output of the light detection unit. A controller for determining the control target value based on the control target value.
[0030]
In this movable mirror device, since the state of the deflected light is monitored and feedback-controlled, the positioning accuracy of the light by the movable mirror can be further improved.
[0031]
10. Another movable mirror device according to the present invention, in the movable mirror device according to claim 9, further comprising sampling means for sampling an output of the light detection means at predetermined time intervals, wherein the controller detects the light detection via the sampling means. The output of the means is monitored and the sampling frequency of the sampling means is lower than the gain crossover frequency of the feedback control loop.
[0032]
In this movable mirror device, sampling is performed after the mirror drive control is settled by making sampling slower than the gain crossover frequency (control band) of the feedback control loop of the movable mirror. Therefore, the accuracy of monitoring light is improved. As a result, the accuracy of the mirror control is improved. Further, the final mirror positioning can be performed quickly.
[0033]
The present invention is directed, in part, to an optical fiber device, and includes the optical fiber devices listed in the following sections.
[0034]
1. The optical fiber device of the present invention controls an attitude according to a supplied drive signal for inputting an input optical fiber, a plurality of output optical fibers, and signal light from the input optical fiber to one of the output optical fibers. At least one movable mirror, a displacement detection unit that detects information related to the displacement of the movable mirror, a light amount monitor that branches a part of the signal light incident on the output optical fiber and monitors the light amount, A high-pass filter that cuts a low-pass component of the displacement detection means output, a controller that determines a control target value of the movable mirror based on the output of the light amount monitor, and a controller that determines the control target value and the high-pass filter. Error calculating means for calculating a difference from the output, and driving means for supplying a driving signal to the movable mirror based on the output of the error calculating means. And said that you are.
[0035]
In this optical fiber device, it is possible to control the mirror at high speed and with high accuracy even with a simple sensor. Therefore, a highly reliable optical fiber device with high switching speed can be realized at low cost.
[0036]
2. Another optical fiber device of the present invention is the optical fiber device according to claim 1, wherein a first low-pass filter that cuts a high-frequency component of the drive signal of the movable mirror, an output of the low-pass filter, and An adder for adding the output of the high-pass filter, wherein the output of the adder is input to the error calculating means.
[0037]
In this optical fiber device, the low-frequency component of the sensor output cut by adding the low-frequency component of the drive signal can be artificially supplemented. As a result, the gain of the movable mirror control system in the DC to low-frequency range is improved, so that the mirror control can be performed more stably. As a result, the reliability of the optical fiber device can be further improved.
[0038]
3. Another optical fiber device according to the present invention is the optical fiber device according to the first or second aspect, wherein the displacement detecting means integrates an output of the speed detecting means with a speed detecting means for detecting a speed of the movable mirror. And an integrator.
[0039]
With this optical fiber device, a highly reliable optical switch device can be realized even with a speed detection type sensor having a very simple configuration.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0041]
First embodiment
FIG. 1 is a block diagram of a movable mirror device according to the first embodiment of the present invention.
[0042]
As shown in FIG. 1, the movable mirror device 100 according to the first embodiment includes a movable mirror 112 whose attitude can be controlled in accordance with a supplied drive signal, and a driver 142 as a driving unit that supplies a drive signal to the movable mirror 112. And an angle sensor 114 as displacement detection means for detecting information relating to the attitude of the movable mirror 112, that is, displacement, and selectively transmitting a high-frequency component of an output of the angle sensor 114 to cut off a low-frequency component (including a DC component). And a subtractor 132 as an error calculating unit that calculates a control error based on a control target value of the attitude of the movable mirror 112 and an output of the high-pass filter 122.
[0043]
The movable mirror 112, the angle sensor 114, the high-pass filter 122, the subtractor 132, and the driver 142 form a feedback control loop that causes the displacement angle of the movable mirror 112 to follow a control target value. The movable mirror device 100 has a phase compensation filter 134 for stabilizing the characteristics of the feedback control.
[0044]
Further, the movable mirror device 100 is provided in series with the first low-pass filter 144 that selectively transmits the low-frequency component of the drive signal and blocks the high-frequency component, and the first low-pass filter 144. A second low-pass filter 146 having the same order as the mechanical frequency characteristic of the movable mirror 112, and an adder 124 for adding the output of the low-pass filter 146 and the output of the high-pass filter 122. The output of the adder 124 is input to the subtractor 132.
[0045]
The subtractor 132 subtracts the control target value of the attitude of the movable mirror 112 from the output of the adder 124 to calculate a control error. The driver 142 outputs to the movable mirror 112 a drive signal for eliminating the control error calculated by the subtractor 132, and the movable mirror 112 controls the attitude according to the input drive signal.
[0046]
In FIG. 1, the second low-pass filter 146 is disposed downstream of the first low-pass filter 144. On the contrary, the second low-pass filter 146 is a first low-pass filter. 144.
[0047]
The high-pass filter 122 is constituted by, for example, a high-pass filter. The low-pass transmission filter 144 and the low-pass transmission filter 146 are configured by, for example, a low-pass filter. The low-pass filter 144 is a filter for removing a high-frequency component of the input signal. The low-pass filter 146 is a filter of an electric circuit having characteristics equivalent to the mechanical frequency characteristics of the movable mirror 112.
[0048]
The movable mirror 112 and the angle sensor 114 are composed of, for example, one device, the movable mirror 110 with an angle detection function. FIG. 2 shows an example of a movable mirror having an angle detection function.
[0049]
As shown in FIG. 2, the movable mirror 110 with an angle detection function includes a mirror unit 162 that reflects and deflects a light beam incident from the outside, a rotation shaft 164 connected to the mirror unit 162, and a mirror unit 162. A GND electrode 166 provided on the back surface, a base 172 supporting a rotating shaft 164 of the mirror unit 162, a drive electrode 174 for applying an electrostatic driving force to the mirror unit 162, and capacitance detection / signal processing And a circuit 176.
[0050]
In the movable mirror 110 with an angle detection function, an electrostatic driving force is generated between the GND electrode 166 and the driving electrode 174 in accordance with the driving signal supplied from the driver 142 to the driving electrode 174, and the mirror unit 162 rotates the rotation shaft 164. It rotates around by an angle determined according to the electrostatic driving force. As a result, the traveling direction of the light beam reflected on the front surface (the surface facing upward in FIG. 2) of the mirror unit 162 is changed.
[0051]
The capacitance detection / signal processing circuit 176 constitutes the angle sensor 114 together with the GND electrode 166 and the drive electrode 174. The capacitance between the GND electrode 166 and the drive electrode 174 depends on the angular displacement of the mirror unit 162. The capacitance detection / signal processing circuit 176 detects the angular displacement of the mirror unit 162 by calculating the capacitance between the GND electrode 166 and the drive electrode 174.
[0052]
Such an electrostatically driven movable mirror is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 2983088, and details of the configuration and the like are already known. Therefore, detailed description thereof is omitted in this specification. Further, angle (displacement) detection using capacitance is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-228813, and details of the configuration and the like are already known. Omitted.
[0053]
The angle detection using the capacitance has the advantages that the number of parts is small and the size is not increased because the driving electrode is used. On the other hand, there is a disadvantage that the DC value of the detected value is not stable because the detection includes the parasitic capacitance other than the electrode portion (for example, the capacitance of the wiring portion). That is, the angle sensor using the capacitance has a simple configuration and can be configured to be small, but has a large offset or drift. If the output of such a sensor is used for feedback control as it is, the error and output fluctuation of the sensor will appear in the control result almost as it is. As a result, an offset or drift (fluctuation) occurs in the detected mirror angle.
[0054]
In the movable mirror device 100 of FIG. 1, the high-pass filter 122 removes low-frequency components (including direct-current components), that is, direct-current (DC) to low-frequency components, from the output of the angle sensor 114. Therefore, the output signal from the high-pass filter 122 is not affected by the DC offset or the drift of the angle sensor 114. As a result, even a simple sensor having a structure with inferior characteristics or an inexpensive sensor can be applied to high-speed mirror driving. As a result, the size and cost of the device can be reduced.
[0055]
The low-pass filter 144 and the low-pass filter 146 extract a low-frequency component from a drive signal of the movable mirror 112. The extracted low frequency component can be regarded as a low frequency component of the angle of the movable mirror 112. The adder 124 adds the output signal from the low-pass filter 146 to the output signal from the high-pass filter 122. Thereby, the low frequency component attenuated by the high-pass filter 122 is supplemented. The feedback control loop performs feedback control on the attitude of the movable mirror 112, assuming that the output signal of the adder 124 is a pseudo angular displacement signal. As a result, the gain of the feedback control loop in the range from DC to low frequency is improved, and the movable mirror 112 can be controlled more stably.
[0056]
High pass filter 122 and low pass filter 144 preferably have approximately equal cutoff frequencies. As a result, the signals on the two paths, that is, the signal on the path passing through the high-pass filter 122 and the signal on the path passing through the low-pass filter 144 and the low-pass filter 146 are subjected to band separation and added. As a result, the frequency characteristic after addition becomes flat, and phase disturbance does not occur. For this reason, the stabilization design of the feedback control loop becomes easy.
[0057]
Further, the cut-off frequencies of the high-pass filter 122 and the low-pass filter 144 are preferably lower than the mechanical resonance frequency of the movable mirror 112. Therefore, the signal of the angle sensor 114 is fed back with respect to the component of the resonance frequency of the movable mirror 112 that is easily affected by disturbance. Thus, it is possible to detect the displacement of the movable mirror 112 due to external vibration or impact, and to control the influence of the displacement. As a result, durability against disturbance is improved.
[0058]
The low-pass filter 146 has the same order as the mechanical frequency characteristics of the movable mirror. Therefore, the high frequency component of the drive signal is effectively attenuated. Thus, interference between the output signal from the high-pass filter 122 and the output signal from the low-pass filter 146 is reduced. As a result, the stabilization design of the feedback control loop becomes easy.
[0059]
Low-pass filter 146 preferably has an electrical frequency characteristic substantially equal to the mechanical frequency characteristic of movable mirror 112. Thus, the amount of interference between the output signal from the high-pass filter 122 and the output signal from the low-pass filter 146 is small and substantially constant regardless of the frequency. For this reason, the stabilization design of the feedback control loop becomes easy.
[0060]
Subsequently, the operation of the movable mirror device 100 of the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
[0061]
FIG. 3 shows the frequency characteristics (drive voltage vs. angle) of the single movable mirror 112 of the present embodiment. The upper part shows the gain, and the lower part shows the phase. In the present embodiment, it is assumed that the resonance frequency is 100 Hz and Q is 20 dB.
[0062]
FIG. 4 shows the response (mirror angle) when the movable mirror 112 is driven as a single unit with a step-like voltage. Vibration occurs at the resonance frequency (100 Hz), and it takes time to converge the vibration because the Q value is large. As a result, the vibration still remains even after 50 ms, and the response is not settled. As described above, the settling time of the movable mirror alone is limited by its resonance frequency and Q value, and in this state, the mirror cannot be driven at high speed.
[0063]
FIG. 5 shows operation waveforms of the movable mirror device of the present embodiment, and shows the response of each unit when a control target value of the attitude of the movable mirror, that is, the angle is given in a stepwise manner.
[0064]
The waveform in FIG.
(A) Target value of mirror angle (value changes stepwise at 1 ms) (unit: °)
(B) Output of driver 142 (drive signal of movable mirror) (unit: V)
(C) Mirror angle of movable mirror 112 (unit: °)
(D) Output of high-pass filter 122 (unit: V)
(E) Output of low-pass filter 146 (unit: V)
It is. However, since the absolute value varies depending on the design, the absolute value itself on the vertical axis has no particular meaning.
[0065]
Here, both the high-pass filter 122 and the low-pass filter 146 are primary filters, the cutoff frequency is 50 Hz, the gain crossover frequency of the feedback loop passing through the angle sensor 114 is 1 kHz, and the gain of this feedback path and the low-pass filter 146 pass. The gain of the feedback path is made equal at 50 Hz, and the gain characteristic after addition is made flat.
[0066]
As can be seen from FIG. 5C, the angle of the movable mirror 112 is settled at the target value 1 ms after the target value has changed. In other words, the response speed is greatly increased as compared with the single drive (see FIG. 4) which requires a settling time of 50 ms or more. FIG. 6 shows the angle response of the movable mirror 112 displayed on the same scale as FIG.
[0067]
In detail, the low-frequency component of the output of the angle sensor 114 is cut by the high-pass filter 122, but the high-frequency component of the drive signal for stabilizing the angle of the movable mirror 112 at high speed is generated (FIG. 5 (d)). )). Although the output of the high-pass filter 122 gradually decreases with the passage of time, the output of the low-pass filter 146 (the low-frequency component of the mirror angle estimation signal) is generated so as to cancel this (FIG. 5E). . It can be understood that the combined operation of the two realizes high-speed and stable mirror angle control.
[0068]
That is, high-speed and stable control of the movable mirror can be performed even if the low-frequency component of the angle sensor is removed. Therefore, in the present embodiment, high-speed operation is possible while using a capacitance type displacement sensor having a simple configuration.
[0069]
7 to 9 show frequency characteristics of the control loop of the present embodiment. FIG. 7 shows a feedback loop open-loop characteristic (on the high frequency side) passing through the high-pass filter 122. FIG. 8 shows a feedback loop open-loop characteristic (on the low frequency side) passing through the low-pass filter 146. FIG. 9 shows the total feedback loop open-loop characteristic after addition on the high frequency side and the low frequency side. In each figure, the upper part shows the gain and the lower part shows the phase.
[0070]
The open-loop gain crossover frequency (the frequency at which the gain becomes 0 dB) is 1 kHz as indicated by a circle in the figure, and correspondingly, a high-speed response with a response time of about 1 ms is realized.
[0071]
Next, resistance to disturbance in the present embodiment will be described.
[0072]
Although various disturbances, particularly vibrations and shocks, may be applied to the movable mirror device 100, it is desirable that the posture of the movable mirror 112 is not disturbed by these disturbances.
[0073]
The dotted line in FIG. 10 indicates the angle fluctuation of the movable mirror 112 when an impulse-like impact is applied to the movable mirror 112 driven alone without feedback control. When an impact is applied to the movable mirror 112, the vibration of the movable mirror 112 is excited by the impact force, and undesired vibration at the resonance frequency is generated. The time for the vibration to converge depends on the resonance frequency and the Q value. However, in the movable mirror 112 of the present embodiment having a resonance frequency of 100 Hz and Q = 20 dB, a settling time of 50 ms or more is required as in the case of step driving (FIG. 4). It is.
[0074]
On the other hand, the solid line in FIG. 10 shows the angle fluctuation of the movable mirror 112 when an impulse-like impact is applied to the movable mirror 112 driven according to the feedback control according to the present embodiment. When the feedback control according to the present embodiment is performed, the change in the angle of the mirror becomes very small as shown by the solid line in FIG. 10, and converges in about 1 ms in terms of time. That is, even if a disturbance such as an impact is applied, only a small angle disturbance of the movable mirror 112 occurs, and it can be seen that the resistance to the disturbance is improved.
[0075]
This is because the mirror vibration at the resonance frequency excited by the disturbance is detected by the angle sensor 114, and since the cutoff frequency of the high-pass filter 122 is lower than the resonance frequency, this component is reliably fed back. Since the mirror vibration having a frequency lower than the cutoff frequency is attenuated by the high-pass filter 122, no feedback works. However, since the mirror vibration generated by disturbance has almost all the components of the resonance frequency, an angle sensor as in the present embodiment is used. Even when the low frequency components of 114 are removed, substantially sufficient disturbance resistance can be obtained.
[0076]
As described above, according to the present embodiment, since the feedback loop is configured after removing the low-frequency component of the angle sensor, the mirror response can be speeded up without being affected by the offset and drift of the angle sensor, and at the same time, Good characteristics are obtained for disturbances. Furthermore, by adding the low-frequency component of the mirror drive signal to the output of the angle sensor whose high frequency has been cut and feeding back the result, stable and highly accurate mirror angle control is possible.
[0077]
In other words, even if the angle sensor has a simple configuration and a small size, it can achieve high-speed, high-precision operation and sufficient stability even with a small angle sensor. Is achieved.
[0078]
In the present embodiment, the movable mirror is of an electrostatic drive type, but the present invention can be applied to any drive system such as an electromagnetic drive type and a piezoelectric drive type. The present invention can be applied not only to a mirror formed by the so-called MEMS technology but also to a mirror formed by discrete components. Further, the present invention can be applied irrespective of whether it is a single mirror or an array of mirrors. Further, the present invention can be applied regardless of whether the movable axis is one axis or two axes.
[0079]
Further, in the present embodiment, the angle sensor is of a type that detects a change in capacitance. However, the present invention is not limited to this. For example, a sensor that detects distortion of the movable mirror rotating shaft, an optical sensor, and the like can be widely applied. .
[0080]
Various design changes and parameter changes are also possible for the detailed design of the feedback loop and the filter design. Feedforward control may be used together with feedback control. Further, the gain crossover frequency may be further increased to further speed up the operation, and the order and type of the low-pass filter and the high-pass filter may be changed.
[0081]
For example, in the present embodiment, the movable mirror device 100 includes the low-pass filter 146 having a frequency characteristic equivalent to that of the movable mirror and the primary low-pass filter 144, but the low-pass filter 146 equivalent to the movable mirror is not necessarily required. Absent. Further, the cutoff frequency of the low-pass filter 144 does not necessarily have to match the cutoff frequency of the high-pass filter 122. However, for stable operation, the movable mirror device 100 needs to have a low-pass filter having at least a second-order or higher order (more than the order of the movable mirror) as a whole. In order to obtain a more stable operation, a low-pass filter having characteristics equivalent to that of the movable mirror is provided as in the present embodiment, and the characteristics are aligned on the sensor side (high frequency side) and the estimation signal side (low frequency side). It is desirable to perform band separation and addition using a filter of a cutoff frequency. This facilitates the design.
[0082]
Further, in the present embodiment, a description has been given of a high-speed and high-accuracy control of the angle of the movable mirror 112. However, not only the angle of the movable mirror 112 but also the control of the displacement or the shape are detected. The present invention can be applied by combining with a sensor.
[0083]
Second embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0084]
FIG. 11 is a block diagram of the movable mirror device according to the second embodiment. In the figure, members indicated by the same reference numerals as those of the movable mirror device of the first embodiment are equivalent members, and in the following description, detailed descriptions thereof will be omitted to avoid duplication.
[0085]
The movable mirror device 200 according to the second embodiment is different from the movable mirror device 100 according to the first embodiment in the driving method of the movable mirror and the configuration of the displacement detecting unit. That is, as shown in FIG. 11, the movable mirror device 200 includes an electromagnetically driven movable mirror 212, an angular velocity sensor 214 using electromagnetic induction, and an integrator 216 to which the output of the angular velocity sensor 214 is input. have. The configuration except for these is the same as that of the movable mirror device 100 of the first embodiment.
[0086]
The electromagnetically driven movable mirror 212 is driven by Lorentz force generated between a magnetic field and a drive coil current, and the angular velocity sensor 214 detects an induced electromotive force generated when the coil moves in the magnetic field as a speed signal. Type. Since the angular velocity sensor 214 can be realized only by providing a coil in the movable part, it is possible to realize the sensor simply and compactly (without using an extra space).
[0087]
The movable mirror 212 and the angular velocity sensor 214 are composed of, for example, one device, the movable mirror 210 having an angular velocity detection function. Such a movable mirror with an angular velocity detection function is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-330067 (US Pat. No. 6,445,484), and details of its configuration are already widely known. It is omitted in this specification.
[0088]
FIG. 12 is an operation waveform of the movable mirror device 200 of the present embodiment. As in FIG. 5 of the first embodiment, the response of each unit when the control target value of the angle of the movable mirror 112 is given in a stepwise manner is shown. Is shown.
[0089]
The waveform in FIG.
(A) Target value of mirror angle (value changes stepwise at 1 ms) (unit: °)
(B) Output of driver 142 (drive signal of movable mirror) (unit: V)
(C) Mirror angle of movable mirror 112 (unit: °)
(D) Output of angular velocity sensor 214 (unit: V)
(E) Output of high-pass filter 122 (unit: V)
(F) Output of low-pass filter 146 (unit: V)
It is. However, since the absolute value varies depending on the design, the absolute value itself on the vertical axis has no particular meaning.
[0090]
In the movable mirror device 200 of FIG. 11, the angular velocity sensor 214 detects the velocity information of the movable mirror 212, and the integrator 216 converts the velocity information of the movable mirror 212 detected by the angular velocity sensor 214 into the displacement information of the movable mirror 212. . That is, the angular velocity sensor 214 and the integrator 216 constitute a displacement detection unit.
[0091]
Even if the signal of the speed information is integrated, the absolute value of the displacement cannot be determined. Therefore, the output of the integrator 216 represents a change in the position of the movable mirror 212 in terms of AC, but the absolute position (DC value) is inaccurate. Therefore, a sensor combining the angular velocity sensor 214 and the integrator 216 can be said to be a displacement sensor having a large offset or drift.
[0092]
However, in the movable mirror device 200, the DC to low frequency components of the output of the integrator 216 are cut by the high-pass filter 122. For this reason, it is not affected by incorrect DC values. That is, the speed detection sensor 214 and the integrator 216 perform substantially the same function as the angle sensor of the first embodiment. Therefore, the feedback control of the movable mirror 212 can be performed at high speed as in the first embodiment, while using an angular velocity sensor having a very simple configuration.
[0093]
Except that the angle sensor is configured by a combination of a speed detection sensor and an integrator, the movable mirror device of the present embodiment is basically the same in configuration and operation as the movable mirror device of the first embodiment. Therefore, the movable mirror device of the present embodiment has a high resistance to disturbance as in the first embodiment.
[0094]
As described above, according to the present embodiment, even when a small-sized sensor for detecting speed information with a very simple configuration is used for detecting the angle of the movable mirror, it is possible to increase the mirror response and improve the resistance to disturbance. Since it is possible, a high-speed and high-precision movable mirror device having a simple configuration and small size is realized.
[0095]
Although the movable mirror device of the present embodiment has the integrator 216 and the high-pass filter 122 independently, the integrator 216 and the high-pass filter 122 are one low-pass filter having the same cut-off frequency as the high-pass filter 122. May be configured.
[0096]
FIG. 13A shows the frequency characteristics of the integrator 216, and FIG. 13B shows the frequency characteristics of the high-pass filter 122. FIG. 13C shows a frequency characteristic of a circuit configuration in which the integrator 216 and the high-pass filter 122 are connected in series. This has the same frequency characteristics as the low-pass filter having the same cutoff frequency as the high-pass filter 122. Therefore, the function of the integrator 216 + the high-pass filter 122 can be realized by one low-pass filter. As a result, the number of circuit elements can be reduced, and the circuit configuration can be simplified.
[0097]
Since a pure integrator has an infinite DC gain, it is strongly affected by an offset voltage and is difficult to realize as a circuit. From this point as well, it is more realistic to perform signal processing with one low-pass filter than to separately provide and connect an integrator and a high-pass filter.
[0098]
Further, the displacement detecting means can be configured using an angular acceleration sensor. In this case, the angular velocity sensor may be replaced with an angular acceleration sensor, and the number of integrators may be increased by one. That is, two integrators may be provided after the acceleration sensor.
[0099]
Third embodiment
Subsequently, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is directed to an optical fiber device using a movable mirror device, and more specifically, to an optical switch.
[0100]
FIG. 14 shows an optical fiber device according to the third embodiment. In the figure, members indicated by the same reference numerals as those of the movable mirror device of the first embodiment are equivalent members, and in the following description, detailed descriptions thereof will be omitted to avoid duplication.
[0101]
As shown in FIG. 14, the optical fiber device or optical switch 310 includes a movable mirror device 300, and further includes at least one input optical fiber 312 for transmitting input light, an optical switch optical system 314, and an output device. It has a plurality of output optical fibers 316 for transmitting light and a tap 318 for extracting a part of the output light for monitoring.
[0102]
The optical switch optical system 314 includes the movable mirror 112 in the movable mirror device 300, and deflects the signal light from the input optical fiber 312 by the movable mirror 112 to selectively input the specific output optical fiber 316. More specifically, the movable mirror 112 reflects the signal light output from the input optical fiber 312 toward one of the plurality of output optical fibers 316, thereby connecting the input optical fiber 312 and the specific output optical fiber 316. Connect optically.
[0103]
The movable mirror device 300 includes, in addition to the configuration of the movable mirror device 100 of the first embodiment, a light amount monitor 302 that detects the amount of light extracted by the tap 318, and a sampling unit 304 that samples the output of the light amount monitor 302. And a controller 306 for outputting a control target value of the movable mirror 112 based on the output of the sampling means 304.
[0104]
The movable mirror device 300 has a feedback control loop by the light amount monitor 302 in addition to the feedback control loop of the movable mirror 112 by the angle sensor 114 described above.
[0105]
For details of the optical switch, for example, the configuration of the optical switch optical system and the mutual arrangement relationship between the movable mirror and the input optical fiber and the output optical fiber in the optical switch optical system are described in, for example, JP-A-2001-1117025. Since it has been disclosed and is already widely known, a detailed description thereof will be omitted in this specification.
[0106]
In the optical switch 310, the optical connection is changed by controlling the angle of the movable mirror 112 by the movable mirror device 300. In order to make the signal light incident on the optical fiber, very precise angle control of the movable mirror 112 is required. In the optical switch 310, a part of the light coupled to the output optical fiber 316 is monitored by the light amount monitor 302 and the sampling unit 304, and the controller 306 determines and obtains the control target value of the movable mirror 112 that maximizes the light amount. The attitude of the movable mirror 112 is controlled according to the control target value. This ensures that the signal light is coupled to the output optical fiber.
[0107]
The cycle at which the sampling means 304 samples the output of the light amount monitor 302 is set lower than the bandwidth (gain tolerance frequency) of the feedback control loop by the angle sensor 114 for the movable mirror 112. For example, assuming that the bandwidth of the feedback control loop is 1 kHz, the sampling cycle is set to 800 Hz (1.25 ms cycle).
[0108]
By doing so, the output of the light amount monitor 302 is sampled by the sampling means 304, the controller 306 corrects the control target value of the movable mirror 112, and after the positioning control of the movable mirror 112 with respect to the new control target value ends, Is sampled. For this reason, the value sampled by the sampling means 304 is a value after the settling, and accurate monitoring of the light amount can be performed.
[0109]
If there is no control by the angle sensor 114, the response of the movable mirror is limited by the resonance frequency and the Q value as shown in FIG. 4, and the entire operation of the optical switch 310 must be slowed down. . However, in the present embodiment, the response of the movable mirror 112 is speeded up by the feedback control loop by the inner angle sensor 114, and as a result, the overall control can be performed very quickly. As a result, the switching operation is performed at high speed, and at the same time, the frequency of sampling and control is increased, thereby improving resistance to disturbance.
[0110]
As described above, according to the present embodiment, in addition to the feedback control loop using the angle sensor 114 similar to the first embodiment, a feedback control loop using the light amount monitor 302 that monitors the light deflected by the movable mirror 112 is provided. Because of the double feedback control loop, the extremely high control accuracy required for devices including optical fibers is combined with the high-speed mirror control while using a simple angle sensor with a simple configuration. Can be realized. As a result, the realization of a high-speed and high-precision optical fiber device, that is, an optical switch with a simple configuration and small size is achieved.
[0111]
In the present embodiment, the case where the movable mirror device is applied to the optical switch has been described. However, as long as the movable mirror device includes a movable mirror and has monitoring means for monitoring light deflected and displaced by the movable mirror, various devices can be used. Thus, the present invention can be applied.
[0112]
When the control loop is duplicated as in this embodiment, the low-pass filters 144 and 146 of the inner control loop and the adder 124 are omitted, and only the output of the high-pass filter 122 is directly fed back to the subtractor 132. Is also good. In this case, the low-frequency component of the drive signal for driving the movable mirror 112 is generated by the operation of the outer control loop (controller 306) instead of the low-pass filters 144 and 146 in the first embodiment. If the operating speed of the controller 306 (sampling cycle of the sampling means 304) is set higher than the cutoff frequency of the high-pass filter 122, this function can be easily achieved. As a result, the number of circuit elements can be reduced and the device can be further simplified.
[0113]
Also in the optical switch 310 of the present embodiment, the position detecting means may be configured using an angular velocity sensor of a type that detects a velocity, as in the second embodiment.
[0114]
Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes may be made without departing from the spirit of the present invention. May be done.
[0115]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it uses the simple small sensor which offset and drift generate | occur | produce easily, the movable mirror apparatus and optical fiber apparatus which can perform high-speed operation and high-precision control without being affected by those are provided. Provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a block diagram of a movable mirror device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an example of a movable mirror having an angle detection function.
FIG. 3 shows frequency characteristics of a single movable mirror in the movable mirror device.
FIG. 4 shows a response (mirror angle) when the movable mirror having the frequency characteristic of FIG. 3 is driven by a single step voltage.
FIG. 5 is an operation waveform of the movable mirror device of the present embodiment, and shows a response of each unit when a control target value of the angle of the movable mirror is given in a step shape.
FIG. 6 shows the response of the mirror angle in FIG. 5 enlarged to the same scale as FIG.
FIG. 7 shows a feedback loop open-loop characteristic (on the high frequency side) passing through a high-pass filter.
FIG. 8 shows a feedback loop open-loop characteristic (on the low frequency side) passing through a low-pass filter.
FIG. 9 shows a total feedback loop open loop characteristic after addition on the high frequency side and the low frequency side.
FIG. 10 shows the angle fluctuation of the movable mirror when an impulse-like impact is applied.
FIG. 11 shows a block diagram of a movable mirror device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an operation waveform of the movable mirror device according to the second embodiment, showing a response of each unit when an angle target value is given in a step shape.
FIG. 13 shows a frequency characteristic of an integrator, a frequency characteristic of a high-pass filter, and a frequency characteristic of a circuit configuration in which an integrator and a high-pass filter are connected in series.
FIG. 14 shows an optical fiber device according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
100 movable mirror device, 112 movable mirror, 114 angle sensor, 122 high-pass filter, 124 adder, 132 subtractor, 142 driver, 144 low-pass filter, 146 low-pass filter, 200 movable mirror device , 212: movable mirror, 214: angular velocity sensor, 216: integrator, 300: movable mirror device, 302: light intensity monitor, 304: sampling means, 306: controller, 310: optical switch, 312: input optical fiber, 314: light Switch optical system, 316: output optical fiber, 318: tap.

Claims

A movable mirror whose attitude can be controlled in accordance with the supplied drive signal, a displacement detecting means for detecting information related to the displacement of the movable mirror, and a low frequency component which selectively transmits a high frequency component of an output of the displacement detecting means. A high-pass filter that cuts off components (including a DC component); an error calculating unit that calculates a control error based on a control target value of the attitude of the movable mirror and an output of the high-pass filter; Drive means for supplying a drive signal to the movable mirror based on the output of the means, and these elements constitute a feedback control loop for controlling the movable mirror to follow the control target value. A movable mirror device.

A first low-pass filter for selectively transmitting low-frequency components of the drive signal or the input signal of the drive means and blocking high-frequency components; an output of the first low-pass filter and the high-pass filter; The movable mirror device according to claim 1, further comprising an adder for adding an output of the filter, wherein an output of the adder is input to the error calculating means.

The filter according to claim 2, wherein the high-pass filter and the first low-pass filter have substantially equal cutoff frequencies, and the cutoff frequency is lower than a mechanical resonance frequency of the movable mirror. Movable mirror device.

A second low-pass filter having the same order as the mechanical frequency characteristic of the movable mirror, provided in series with the first low-pass filter and before the adder; The movable mirror device according to claim 2 or 3, wherein:

The movable mirror device according to claim 4, wherein the second low-pass filter has an electric frequency characteristic substantially equal to a mechanical frequency characteristic of the movable mirror.

6. The apparatus according to claim 1, wherein the displacement detecting means includes a speed detecting means for detecting a speed of the movable mirror, and an integrator for integrating an output of the speed detecting means. The movable mirror device according to any one of the above.

The movable mirror device according to claim 6, wherein the integrator and the high-pass filter are configured by one low-pass filter.

The movable mirror device according to any one of claims 1 to 5, wherein the feedback control loop has a gain crossover frequency of 1 kHz or more.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising: a light detecting unit configured to detect the light deflected by the movable mirror; and a controller configured to determine the control target value based on an output of the light detecting unit. 9. The movable mirror device according to any one of 8.

Sampling means for sampling the output of the light detecting means at predetermined time intervals, wherein the controller monitors the output of the light detecting means via the sampling means, and the sampling frequency of the sampling means is controlled by a feedback control loop. 10. The movable mirror device according to claim 9, wherein the frequency is lower than the gain crossover frequency.

An input optical fiber, a plurality of output optical fibers, and at least one movable mirror capable of controlling the attitude according to a supplied drive signal, for causing signal light from the input optical fiber to enter one of the output optical fibers. Displacement detection means for detecting information related to the displacement of the movable mirror, a light quantity monitor for branching a part of the signal light incident on the output optical fiber and monitoring the light quantity, and a low-frequency output of the displacement detection means. A high-pass filter that cuts components, a controller that determines a control target value of the movable mirror based on an output of the light amount monitor, and an error calculation that calculates a difference between the control target value and an output of the high-pass filter. Means for supplying a drive signal to the movable mirror based on the output of the error calculating means. Driver apparatus.

A first low-pass filter that cuts a high-frequency component of the drive signal of the movable mirror; and an adder that adds an output of the low-pass filter and an output of the high-pass filter. The optical fiber device according to claim 11, wherein an output of the optical fiber device is input to the error calculating means.

13. The apparatus according to claim 11, wherein the displacement detecting means includes a speed detecting means for detecting a speed of the movable mirror, and an integrator for integrating an output of the speed detecting means. Optical fiber device.