DE4207194A1 - Optischer schalter - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft einen optischen Schalter.

Insbesondere betrifft diese Erfindung einen optischen Schalter, der haupt­ sächlich als Verschluß zum Unterbrechen oder Durchlassen von Licht­ signalen benutzt wird, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine geringe Größe aufweist und leichtgewichtig ist, und der einen Verschluß umfaßt, der durch eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung und einen Spiegel betrieben wird zum Ändern von Übertragungsrichtungen von Lichtsignalen.

Verschlüsse zum Unterbrechen oder Durchlassen von Lichtsignalen sind typischerweise in zwei Typen klassifiziert, d. h. mechanische Verschlüsse und nichtmechanische Verschlüsse.

Die mechanischen Verschlüsse werden durch mechanische Methoden betrieben, wie beispielsweise als Rotationsspiegel, Linsen oder Prismen in den Verschlüssen, oder durch Ändern des Verbindungspunktes zwischen optischen Kabelfasern darin.

Die nichtmechanischen Verschlüsse werden durch nichtmechanische Methoden betrieben, wie beispielsweise durch Anwenden eines akusto­ optischen Effekts oder eines elektro-optischen Effekts.

Die bisher bekannten mechanischen Verschlüsse sind nicht geeignet, da sie ziemlich unhandlich derart sind, daß sie schwer sind und eine große Menge elektrischer Leistung erfordern, weil Motoren in ihren Antriebs­ systemen benutzt werden, um ihre optischen Elemente zu drehen oder zu bewegen. Beispielsweise wird ein Motor zum Drehen eines Polygon­ spiegels benutzt, wobei der Spiegel benutzt wird, um die Lichtsignale zu unterbrechen, und weiterhin müssen präventative Maßnahmen ergriffen werden, um vibrationsmäßige und elektromagnetische Geräusche des Motors in Betracht zu ziehen.

Andererseits haben auch die vorgenannten nichtmechanischen Verschlüsse Probleme. Die nichtmechanischen Verschlüsse, die durch Anwenden eines elektro-optischen Effekts von PLZT (Lanthan-dotiertes Bleizirkonat- Bleititanat) usw. sind ungeeignet oder unbrauchbar für unsere Zwecke darin, daß die Intensität von Ausgangs-Lichtsignalen, die durch die Verschlüsse geführt werden, sehr viel geringer ist als jene von Eingangs- Lichtsignalen zu den Verschlüssen, weil Polarisatoren und optische Detek­ toren, die in den Verschlüssen benutzt werden, die Eingangs-Lichtsignale absorbieren.

Verschlüsse, die durch Anwenden von Flüssigkristallen betrieben werden, sind auch ungeeignet oder unbrauchbar für unsere Zwecke darin, daß ihre S/N (Signal-zu-Rausch)-Verhältnisse geringer werden, weil die Flüs­ sigkristalle einfallende Lichtsignale absorbieren, und weiterhin die Flüssig­ kristalle durch intensive Lichtsignale zerstört werden können.

Verschlüsse, die durch Anwenden von CCD (ladungsgekoppelte Vor­ richtung oder Elektroladungs-Kombinationsvorrichtung) betrieben werden, sind auch unbrauchbar oder ungeeignet für unsere Zwecke darin, daß Lichtsignale nicht direkt durch die Verschlüsse durchgehen können, weil die Lichtsignale in den Verschlüssen in elektrische Signale umgewandelt werden.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen optischen Schalter zu schaf­ fen, der die Probleme der oben beschriebenen herkömmlichen Verschlüs­ se nicht aufweist, und einen optischen Schalter zu schaffen, der haupt­ sächlich als ein Verschluß zum Unterbrechen oder Durchlassen von Lichtsignalen benutzt wird, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine geringe Größe aufweist und leichtgewichtig ist, und der einen Verschluß umfaßt, der durch eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung und einen Spiegel betrieben wird zum Ändern von Übertragungsrichtun­ gen von Lichtsignalen.

Ein optischer Schalter gemäß dieser Erfindung umfaßt eine piezoelek­ trische Betätigungsvorrichtung, die zwei Enden aufweist, wobei eines der zwei Enden an einer Basisplatte angebracht ist, und das andere der zwei Enden an einem Objekt angebracht ist zum Unterbrechen oder Durch­ lassen von Lichtstrahlen, einen Spiegel zum Reflektieren der Lichtstrah­ len, der an einem Ort nahe des Platzes oder des einen Endes angeord­ net ist, wo die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung an der Basisplatte angebracht ist, um durchgelassene Lichtstrahlen zu reflektieren, und eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Betäti­ gungsvorrichtung.

Dieser erfinderische optische Schalter unterbricht oder läßt Lichtsignale durch, wie beispielsweise Lichtstrahlen, und zwar in Antwort auf eine Einschalt- oder Ausschaltbedingung, wie es im nachfolgenden erklärt wird.

Wenn an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung keine Spannung angelegt wird, d. h. in einer Ausschaltbedingung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, werden Lichtstrahlen, die aus einer optischen Quelle herauskommen, die an einer Seite entgegengesetzt der Seite der Basisplatte angeordnet ist, durch das Objekt unterbrochen, das an dem anderen Ende der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung angebracht ist, und werden nicht übertragen.

Wenn die Spannungen an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angelegt sind, d. h. in ihrer Einschaltbedingung, wird das Objekt, das an dem anderen Ende der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung ange­ bracht ist, nach unten zu einem Ort bewegt, was zuläßt, daß die Licht­ strahlen durch eine Veränderung des anderen Endes der piezoelektri­ schen Betätigungsvorrichtung über das Objekt geführt wird. Wenn die Lichtstrahlen über das Objekt geführt werden können, treffen sie auf den Spiegel auf, der an der Basisplatte installiert ist, oder an der piezoelek­ trischen Betätigungsvorrichtung, und dann werden die aufgetroffenen Lichtstrahlen durch die Spiegeloberfläche reflektiert und werden zu einem optischen Detektor gerichtet, der so an einer Position angeordnet ist, daß er die aufgetroffenen Lichtstrahlen detektieren kann.

Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die bei dieser Erfindung benutzt wird, enthält piezoelektrische Betätigungsvorrichtungen vom bimorphen Typ, piezoelektrische Betätigungsvorrichtungen vom unimor­ phen Typ und piezoelektrische Betätigungsvorrichtungen vom multimor­ phen Typ.

Das Material, das für das Objekt benutzt wird, das die Lichtstrahlen bei dieser Erfindung unterbrechen soll, enthält alle Materialien, die die Fähigkeit haben, Lichtstrahlen zu unterbrechen und keinen Einfluß auf die Veränderung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung haben. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der weiteren Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung:

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht des optischen Schalters gemäß dieser Erfindung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, das eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ benutzt;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht, die eine Aus-Bedingung die in Fig. 1 gezeigten optischen Schalters darstellt;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht, die eine Ein-Bedingung des in Fig. 1 gezeigten optischen Schalters darstellt;

Fig. 4 ist eine schematische Teilansicht der Erfindung, wobei ein ande­ res Ausführungsbeispiel dargestellt wird, das eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom unimorphen Typ benutzt; und

Fig. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom multimorphen Typ benutzt.

Nun wird im einzelnen auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine schemati­ sche Schnittansicht des Ausführungsbeispiels des optischen Schalters gemäß dieser Erfindung zeigt, das einen bimorphen Typ benutzt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die piezoelektrische Betätigungs­ vorrichtung vom bimorphen Typ 2 eine Unterlegplatte 3, die zwischen zwei piezoelektrische Elemente 4A und 4B gelegt ist, die an entgegen­ gesetzten Seiten der Unterlegplatte 3 plaziert sind, und zwar zur Ver­ wendung als die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung dieser Erfindung.

Die piezoelektrischen Elemente 4A und 4B sind jeweils an der oberen und der unteren Oberfläche der Unterlegplatte 3 fest angebracht. Die Bedingung ist die, daß die Richtung der spontanen Polarisierung jedes piezoelektrischen Elements in eine Abwärtsrichtung zeigt.

Ein Ende der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung an der Unterleg­ platte 3 ist mit einer Grundplatte 1 aus Messing verbunden, und das andere Ende der Unterlegplatte 3 ist mit einer optischen Abschirmung 5 verbunden. Die optische Abschirmung kann auch mit den piezoelek­ trischen Elementen 4A und 4B verbunden sein.

Deshalb wird, wenn Spannungen an die piezoelektrische Betätigungsvor­ richtung vom bimorphen Typ 2 angelegt sind, das gezeigte Ende der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ 2 so abge­ ändert, daß es sich nach unten in eine Richtung zu dem Boden der Fig. 1 bewegt, und zwar durch das Schrumpfen oder Kürzerwerden der Längendimension L eines piezoelektrischen Elements 4A und das Erwei­ tern oder Anwachsen bezüglich der Längendimension des piezoelektri­ schen Elements 4B. Dies resultiert in einer Bewegung von der in der Fig. 2 dargestellten Position zu der in der Fig. 3 dargestellten Position, wobei die piezoelektrischen Enden bei der Abschirmung 5 nach unten zeigen, was am besten in Fig. 3 gesehen wird.

Das eine Ende der Unterlegplatte 3 ist mit der Grundplatte 1 aus Messing verlötet, um im rechten Winkel zur Grundplatte 1 aus Messing zu sein.

Das andere Ende der Unterlegplatte 3 ist an einer zentralen Position der Aluminiumplatte 5 angebracht, und zwar durch ein Klebemittel 6 aus Epoxidharz, was in den Fig. 2 und 3 gesehen wird. Die Aluminium­ platte 5 bildet die optische Abschirmung, die die Fähigkeit hat, Licht­ strahlen zu unterbrechen.

Die Unterlegplatte 3 ist an ihrem einen Ende elektrisch mit einem Gleichstrom-Netzgerät 8 verbunden, und zwar durch einen Führungsdraht 7A, so daß sie die Masse für das Gleichstrom-Netzgerät wird, und die einzelnen piezoelektrischen Elemente 4A und 4B werden mit dem Gleichstrom-Netzgerät 8 durch einen Führungsdraht 7B so elektrisch verbunden, daß ihre oberen Oberflächen elektrisch positive Seiten wer­ den.

Ein Spiegel 9 ist an einem Ort an der Grundplatte 1 aus Messing angebracht, um einen Lichtstrahl 11 zu reflektieren, der aus einer He- Ne-Laserquelle 10 heraustritt und über die optische Abschirmung 5 zu einem optischen Detektor 12 hindurchgelassen wird, wenn der optische Schalter in seiner Einschaltbedingung ist.

Der Ort, wo der Spiegel an der Grundplatte 1 aus Messing angebracht ist, ist nahe dem Platz, wo das eine Ende der Unterlegplatte 3 an die Grundplatte 1 aus Messing gelötet ist. Der Spiegel 9 hat eine Spiegel­ oberfläche 9A, die eine Neigung von 45° aufweist, oder einen Winkel von 45°, und zwar gegenüber der Grundplatte 1 aus Messing.

Wenn durch die Leistungsquelle 8 keine Spannungen an den optischen Schalter angelegt sind, d. h. wenn der Schalter in seiner Ausschaltbedin­ gung ist, wird der Lichtstrahl 11 durch den oberen Teil der Aluminium­ platte 5 unterbrochen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Wenn eine Spannung an den optischen Schalter angelegt ist, d. h. er in einer Einschaltbedingung ist, wird die Aluminiumplatte 5, die an dem anderen Ende der Unterlegplatte 3 der piezoelektrischen Betätigungsvor­ richtung 2 angebracht ist, derart nach unten zu einem Ort bewegt, daß der Lichtstrahl 11 über die obere Kante davon entlang der Richtung durchgelassen werden kann, die durch einen Pfeil A gezeigt ist, und dann kann der Lichtstrahl über die Aluminiumplatte 5 durchgelassen werden und trifft auf dem Spiegel 9 auf und wird durch die Spiegelober­ fläche 9A in eine Richtung reflektiert, die orthogonal zu der ursprüng­ lichen Richtung des Lichtstrahls 11 ist, ausgesendet von der Laserquelle 10, und wird weiterhin durch den optischen Detektor 12 detektiert, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Spiegel mit einem Winkel von weniger als 45° benutzt werden, um einen kleineren Reflexionswinkel des Lichtstrahls zu erhalten.

Der Spiegel 12 kann auch auf der piezoelektrischen Betätigungsvorrich­ tung vom bimorphen Typ angeordnet sein, aber in diesem Fall wird es ernsthaft erwägt, daß der Winkel des Spiegels durch eine Veränderung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ 2 geändert werden kann.

Da der Änderungsbetrag des gezeigten Endes der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ 2 im Verhältnis zu seiner Länge steht, kann durch Verwenden einer piezoelektrischen Betätigungs­ vorrichtung vom bimorphen Typ mit einer längeren Länge L ein Strah­ lungslicht größeren Durchmessers bei niedrigeren Spannungen gesteuert werden, und auf ähnliche Art kann eine piezoelektrische Betätigungsvor­ richtung vom bimorphen Typ mit einer kürzeren Länge für einen Licht­ strahl kleineren Durchmessers benutzt werden.

Wenn der Lichtstrahl über die Aluminiumplatte 5 durchgelassen wird, wird er dann zu der Spiegeloberfläche 9A hindurchgelassen und wird durch die Spiegeloberfläche 9A reflektiert und durch den optischen Detektor 12 detektiert.

Andererseits kann der Lichtstrahl nicht über die Aluminiumplatte 5 durchgelassen werden, wenn die Gleichspannung nicht an den optischen Schalter angelegt ist.

Test

Eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ 2 mit dem piezoelektrischen Element einer Länge, die ungefähr 30 mm beträgt, wird bei diesem Test benutzt.

Das eine Ende der Unterlegplatte 3 der piezoelektrischen Betätigungsvor­ richtung vom bimorphen Typ 2 wird an die Grundplatte 1 aus Messing gelötet und ist rechtwinklig zu dieser.

Wenn durch das Gleichstrom-Netzgerät 8 eine Gleichspannung von 200 Volt an diese piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ 2 angelegt ist, wird das andere Ende der Unterlegplatte 3, an die eine Aluminiumplatte 5 fest angebracht ist, nach unten gezogen, und zwar zu einer Position, die 600 bis 700 µm niedriger als der Ursprungsort ist, und zwar entlang der Richtung des Pfeils A in Fig. 3, und zwar auf­ grund des Schrumpfens des Elements 4A und der Ausdehnung des Elements 4B.

Bei diesem Test hatte die Aluminiumplatte 5 eine Dimension von 2,2 mm × 2,2 mm und war an dem anderen Ende der Unterlegplatte 3 durch Epoxidharz 6 derart angeklebt, daß die Platte 5 den Lichtstrahl 11 mit einem Strahlendurchmesser von 400 bis 500 µm von der optischen Quelle 10 unterbrechen kann, wenn an die piezoelektrische Betätigungs­ vorrichtung vom bimorphen Typ 2 keine Spannung angelegt ist, und der Lichtstrahl 11 kann durchgelassen werden, wenn die Spannung daran angelegt ist.

Der Spiegel 9 ist an einem Ort nahe dem Platz angebracht, wo das eine Ende der Unterlegplatte 3 an der Grundplatte 1 aus Messing angebracht ist, so daß der durchgelassene Lichtstrahl auf den Spiegel 9 auftreffen kann, wenn die Spannung an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ angelegt ist. Der optische Detektor 12 ist in einer Position derart angeordnet, daß er den Lichtstrahl detektieren kann, der durch den Spiegel 9 reflektiert wird, wenn die Spannung an die piezo­ elektrische Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ angelegt ist.

Wenn eine Gleichspannung von 200 bis 250 Volt an den obigen opti­ schen Schalter angelegt ist, wird der Lichtstrahl 11 durch die Aluminium­ platte 5 gelassen, und dann wird der durchgelassene Lichtstrahl durch die Spiegeloberfläche 9A des Spiegels 9 reflektiert und wird durch den optischen Detektor 12 detektiert.

Andererseits kann der Lichtstrahl nicht durch die Aluminiumplatte 5 hindurchgelassen werden, wenn die Gleichspannung nicht an den opti­ schen Schalter angelegt ist.

Nimmt man nun insbesondere auf Fig. 4 Bezug, ist die Erfindung auf eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom unimorphen Typ zur Verwendung bei dem optischen Schalter anwendbar. Für diesen Zweck wird eine Betätigungsvorrichtung vom unimorphen Typ 22 benutzt, die eine Unterlegplatte 23 mit einer einzigen piezoelektrischen Platte 24 umfaßt, die an eine Seite der Unterlegplatte 23 fest angebracht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ende 21 der Unterlegplatte 23 mit der Grundplatte 1 aus Messing der Fig. 1 verbunden, und das andere Ende 25 ist mit der Aluminiumplatte 5 in Fig. 1 verbunden. Das andere Ende 25 kann auch mit der Aluminiumplatte 5 durch das Ep­ oxydharz verbunden sein, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

Das dritte Ausführungsbeispiel wird in Fig. 5 gezeigt und ist auf eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom multimorphen Typ 32 an­ wendbar, die eine Unterlegplatte 33 umfaßt, deren eines Ende 31 mit der Grundplatte aus Messing wie in Fig. 1 verbunden ist, und deren anderes Ende 35 mit der Aluminiumplatte 5 verbunden ist.

Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung umfaßt viele piezoelektrische Platten 34, mit einem Satz vieler Platten 34A, die an einer Seite der Unterlegplatte 33 positioniert sind, und einem anderen Satz vieler Platten 34B, die an einer anderen Seite der Unterlegplatte 33 positioniert sind.

Der Betrieb der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele ist ähnlich jenem des in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels, und in einem Modus des optischen Schalters ist die Aluminiumplatte der optischen Abschirmung 5 in der Position, die in Fig. 2 gezeigt ist, und in dem anderen Modus des optischen Schalters, wenn er mit Energie versorgt ist, ist die Aluminiumplatte der optischen Abschirmung 5 in der in Fig. 3 gezeigten Position, um Lichtstrahlen zu erlauben, über die optische Abschirmung 5 durchgelassen zu werden.

Während es gezeigt wurde, was als das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung betrachtet wird, wird es dem Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen dabei gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (16)

1. Optischer Schalter; der umfaßt:
eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung deren eines Ende an einer Grundplatte angebracht ist;
ein Objekt zum Unterbrechen oder Durchlassen eines Lichtstrahls, das an dem anderen Ende der piezoelektrischen Betätigungsvorrich­ tung angebracht ist;
einen Spiegel zum Reflektieren des Lichtstrahls, der an einem Ort nahe dem Platz angeordnet ist, wo die piezoelektrische Betätigungs­ vorrichtung an der Grundplatte angebracht ist; und
eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an die piezoelek­ trische Betätigungsvorrichtung.

2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom bimorphen Typ ist.

3. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom unimorphen Typ ist.

4. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung vom multimorphen Typ ist.

5. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ein Paar beabstandeter piezoelektrischer Elemente mit einer Unterlegplatte dazwischen aufweist.

6. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die Grundplatte an ein Ende der Unterlegplatte gelötet ist.

7. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das Objekt an dem anderen Ende der Grundplatte angebracht ist, und zwar mit einem Epoxid.

8. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das Objekt eine Alumini­ umplatte ist.

9. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung eine Unterlegplatte aufweist, deren eines Ende mit der Grundplatte verbunden ist und deren anderes Ende mit dem Objekt verbunden ist, und wobei ein piezoelektrisches Element mit einer Seite der Unterlegplatte verbunden ist.

10. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der optische Schalter eine Unterlegplatte und zwei piezoelektrische Elemente umfaßt, und zwar eines an jeder Seite der Unterlegplatte.

11. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ein Paar vieler piezoelektrischer Platten und eine dazwischen angeordnete Unterlegplatte aufweist.

12. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei ein Ende der Unterleg­ platte mit der Grundplatte verbunden ist, und ihr anderes Ende mit dem Objekt verbunden ist.

13. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung eine Unterlegplatte und mindestens ein piezo­ elektrisches Element aufweist.

14. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine piezoelektrische Element mit dem Objekt verbunden ist.

15. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ein piezoelektrisches Element und eine da­ zwischen angeordnete Grundplatte aufweist, und wobei die piezo­ elektrischen Elemente mit dem Objekt verbunden sind.

16. Optischer Schalter nach Anspruch 1, der einen optischen Detektor zum Empfangen des Lichts aufweist, das von einer Laserquelle übertragen wird, von dem Objekt durchgelassen wird und von dem Spiegel in eine Richtung gebracht wird.