JP2003530583A - 双安定オプティカルスイッチを含むオプティカルルータおよびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 双安定オプティカルマイクロスイッチ（１１０）は光学ビームのルーチングを制御する。マイクロスイッチ（１１０）は少なくとも１つのオプティカルマイクロエレメントを有し、該オプティカルマイクロエレメントは電力遮断中は安定していて、光学ビームを指向する。オプティカルマイクロエレメントの状態変化は、マイクロスプリング（２２５）によって偏倚される上下動マイクロアクチュエータ（２２１，２２２，２２３，２２４）によりもたらされる。マイクロラッチ（３５０）は、電力が中断すると、非緊張状態から緊張したマイクロスプリング（２２５）を維持するのに使用することができる。マイクロラッチ（３５０）は、マイクロエレメントを少なくとも１つの機械的に緊張した安定状態に保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この出願は、２０００年１月３日に出願された米国出願番号６０／１７４１６
４の優先権を主張し、その出願の内容は参照することでここに組み入れる。

【０００２】 発明の技術分野 この発明は、マイクロ構造を使用して光学ビームをルーチングする技術に向け
られている。

【０００３】 関連技術の説明 オプティカルスイッチング（optical switching）は、データ通信、データ処
理、データ記録において大いに利用されている。典型的には、オプティカルスイ
ッチングの広範な使用の主な障害は、コスト、複雑性および信頼性である。オプ
ティカルスイッチングには、液晶や圧電技術を含む異なる技術が使用されてきた
。

【０００４】 現在の液晶表示装置（ＬＣＤ）は、帯域幅が制限されている。それは、充填フ
ァクター（fill factor）が制限されるという欠点がある。また、それはダイナ
ミックレンジが不適当である。

【０００５】 積層圧電構造（ＳＰＺＴ）は、圧電（ＰＺＴ）または鉛マンガンニオブ酸塩（
ＰＭ）技術から作られたスイッチ／アクチュエータの最高の利点を特徴とし安価
な新世代の圧電技術を利用している。しかしながら、現在のＳＰＺＴデバイスは
、高電流動作、アクチュエータの著しい不均一性、重い重量、比較的高い電力消
散および適度のヒステリシス効果の欠点がある。さらに、この装置はＬＣＤ装置
と比較すると高価である。液晶と圧電の両試みでは、オプティカル作用は電力遮
断（power interruption）により有害な影響を受ける。

【０００６】 発明の概要 前記従来技術の問題は、出願人の新規性および進歩性のある改良によって克服
される。本願の教示によると、出願人は、複数の動作状態を有するオプティカル
マイクロエレメントを有するオプティカルルータであって、前記オプティカルマ
イクロエレメントが動作状態を変更するように駆動可能で、前記オプティカルマ
イクロエレメントの動作状態の変更により光学ビームの方向を変更するオプティ
カルルータにおいて、複数の条件を有するマイクロラッチが設けられ、該マイク
ロラッチは条件を変更するように動作可能で、前記１つの条件は前記オプティカ
ルマイクロエレメントの動作状態を維持することを特徴とするオプティカルルー
タを発明した。

【０００７】 また、出願人は、複数の動作状態を有する少なくとも１つの移動可能なオプテ
ィカルマイクロエレメントと、該オプティカルマイクロエレメントに動作可能に
接続されたマイクロアクチュエータとからなり、前記マイクロアクチュエータは
前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更を実行するように配置さ
れたオプティカルルータにおいて、前記オプティカルマイクロエレメントの動作
状態の変更は、移動方向を規定する方向に移動する前記オプティカルマイクロエ
レメントを伴い、前記オプティカルマイクロエレメントは、前記１つの条件にお
いて、前記参照方向にほぼ垂直な方向から供給される光学ビームを遮蔽するよう
に配置され、前記他の条件において、前記参照方向にほぼ垂直な他の方向に前記
遮蔽光学ビームを反射するように配置されていることを特徴とするオプティカル
ルータを発明した。

【０００８】 さらに、出願人は、前述の装置にほぼ対応する方法を発明した。本出願にかか
る発明の詳細は、添付図面と以下の説明を参照すると明らかであり、特許請求の
範囲により規定される。

【０００９】 本発明の他の特徴および利点は、例示的であり本発明を限定するものではない
添付図面と以下の詳細な説明を読むことで明らかとなる。

【００１０】 実施形態の詳細な説明 本発明の限定的でない実施形態において、光学ビームは、少なくとも１つのオ
プティカルマイクロエレメントおよび上下動（vertical）マイクロアクチュエー
タを備える少なくとも１つのオプティカル双安定マイクロスイッチを使用して制
御可能に経路を定められる。創意に富む本アプローチは、少なくとも１つのオプ
ティカルマイクロエレメント（例えば、平坦もしくは湾曲したミラー、またはレ
ンズ）を取付部上に配置し、光学ビームの向きを制御するために前記取付部を上
下動双安定マイクロアクチュエータに置き換えている。すなわち、光学ビームの
向きは、上下動マイクロアクチュエータ上に設けられた少なくとも１つのオプテ
ィカルマイクロエレメントによって制御されている。前記アクチュエータは、少
なくとも１つのマイクロスプリングによって偏倚（biased）されている。また、
前記マイクロエレメントと前記マイクロアクチュエータの組み合わせは、マイク
ロラッチによって適切な位置に選択的に位置決めされている。

【００１１】 創意に富む本アプローチは、集積回路製造技術によって製造可能な、相対的に
軽いマイクロ構造を使用し、光学ビームの向きを制御するという利点を有する。
さらに、これらのマイクロ構造は、簡単なものであり、高いダイナミックレンジ
（high dynamic range）を有し、それらの性能において推測可能かつ反復可能で
あり、およびヒステリシスの影響を受けないものである。創意に富む本アプロー
チは、双安定的な手段により、そして、電力が遮断されない手段により、複数の
インプットに入射する少なくとも１つの光学ビームの向きを制御するのに簡単か
つ低コストの方法において使用可能である。創意に富む本アプローチは、低電力
を消費して、また低電圧信号を使用して光学ビームの経路を定める。

【００１２】 本実施形態において、（限定的でない、アクチュエータ、スプリング、ミラー
、レンズ、組み合わせ（interdigitated）フィンガー、アーム部、パッチ、ベー
ス、およびラッチを含む）マイクロ構成要素（component）は、（限定的でない
、ＭＥＭの製造技術またはマイクロ機械加工技術を含む）半導体デバイス製造技
術を使用して製造するのに適当な寸法を有する構成要素である。

【００１３】 好ましい実施形態において、創意に富む本アプローチは、少なくとも１つのオ
プティカル双安定マイクロスイッチを使用して光学ビームを制御可能に経路を定
める。図１に示すように、本実施形態は、（機能的に静止した２つの位置を有す
る。１つの位置は、機械的に静止しており、他方の位置は電気的に活動化されて
いる。）オプティカルマイクロスイッチ１１０、マイクロラッチ１５０、および
電気的出力および信号を提供する駆動回路１２０を備える。本実施形態によると
、光学ビーム１００は、前記オプティカルマイクロスイッチ１１０により、２つ
の静止位置の一方の位置（例えば、上方の位置）に向けられている。前記光学ビ
ーム１００は、前記マイクロスイッチ１１０が他方の静止位置（例えば、下方の
位置）に位置するとき、その始めの方向において連続する。本発明によると、電
力の遮断にも関わらず、前記オプティカルマイクロスイッチ１１０は、静止した
状態で２つの操作位置のいずれかに位置する。

【００１４】 本発明の好ましい実施形態において、１つのオプティカルマイクロエレメント
が、上下動マイクロアクチュエータに（例えば、直接的に、または間接的に支持
されて）機能的に接続され、前記オプティカルマイクロスイッチ１１０を形成し
ている。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の好ましい実施形態に係る上下
動マイクロアクチュエータの１つの例示的な実施形態の上面図および断面図をそ
れぞれ示している。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す実施形態において、マイ
クロアクチュエータは、少なくとも１つの上方組み合わせマイクロフィンガー２
２１、少なくとも１つの下方組み合わせマイクロフィンガー２２３、および複数
のマイクロスプリング２２５を備えている。前記上方組み合わせマイクロフィン
ガー２２１は、前記オプティカルマイクロエレメント（図２において、不図示）
が配置された取付部２２２に接続されている。前記下方組み合わせマイクロフィ
ンガー２２３は、支持部２２４に接続されている。前記マイクロスプリング２２
５は、スペーサ２２６を介して前記取付部２２２に接続された少なくとも１つの
一端２２５−１を備え、また別のスペーサ２２６を介して前記支持部２２４に接
続された少なくとも１つの他端２２５−２を備える。前記オプティカルマイクロ
エレメントは、前記取付部２２２の上に延び、または前記取付部２２２に固定さ
れている。前記取付部２２２上の前記オプティカルマイクロエレメント（図２に
おいて、不図示）は、前記マイクロアクチュエータの前記取付部２２２を除く他
の構成部材とは接続されていない。

【００１５】 本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、マイクロスプリングに接続され
た前記取付部２２２および前記支持部２２４の２つ以上または２つ以下の側を備
えることによって実施されてもよい。本発明に係る前記マイクロアクチュエータ
は、取付部の一方の側に接続された複数のマイクロスプリングを備えることによ
って実施されてもよい。例えば、２つのマイクロスプリングが、前記取付部２２
２の一方の側を前記支持部２２４の一方の側と接続するのに使用されてもよい。
または、各端部に２つの結合部を備えた１つのスプリングを、前記取付部２２２
の一方の側を前記支持部２２４の一方の側と接続するのに使用してもよい。また
は、各端部で結合された２つのスプリングを、前記取付部２２２の一方の側を前
記支持部２２４の一方の側と接続するのに使用してもよい。または、それらの組
み合わせでもよい。本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、４面を有しな
い、三角形、五角形、六角形、円形、および均一でない形状を含む他の形状を用
いて実施されてもよい。２セットの組み合わせマイクロフィンガーを使用する代
わりに、本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、ハウジング内の１つのロ
ッドを使用することにより実施してもよい。

【００１６】 本発明の他の好ましい実施形態の実施において、前記マイクロスプリングスペ
ーサ２２６は、前記マイクロアクチュエータの前記上部および下部が同時に等し
い電位になることを回避するように選択されることが好ましい。前記マイクロア
クチュエータは、（限定的でない、ＭＥＭの製造技術またはマイクロ機械加工技
術を含む）集積回路製造技術により製造されてもよい。前記マイクロアクチュエ
ータは、多結晶シリコン、単結晶シリコン、または金属材料を用いて製造されて
もよい。

【００１７】 図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す実施形態において、前記マイクロスプリン
グ２２５は、マイクロスプリング２２５内に蓄積された機械的エネルギーを最小
化する機械的に静止した状態の方を選ぶので、前記マイクロアクチュエータが電
気的にバイアスされていないとき、前記マイクロアクチュエータは、上方の位置
（前記機械的静止位置）に位置する。前記マイクロアクチュエータの前記上側お
よび下方組み合わせマイクロフィンガー（各２２１および２２３）の間に電位差
がある場合、前記マイクロアクチュエータは下方の状態に位置する。この場合、
前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガー（各２２１および２２３）は
、前記蓄積された電気的エネルギーを最小化するためにそれらの重なっている領
域を最大化する傾向がある。この傾向は、前記引き伸ばされたマイクロスプリン
グ内に蓄積された前記機械的エネルギーによって阻害される。

【００１８】 本発明の他の好ましい実施形態の実施において、前記マイクロアクチュエータ
は、電気的にバイアスされていない場合、下方位置に位置するので、前記上側お
よび下方組み合わせマイクロフィンガーは重なる。下方に位置する状態は、機械
的に静止した状態である。前記マイクロアクチュエータを上方に位置する状態に
移動させるために、前記マイクロアクチュエータの前記上側および下方組み合わ
せマイクロフィンガーは、ゼロではない等しい電位まで充電されている。この状
態で、前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガーは、お互いに反発して
それらの重なる領域を最小化し、これにより、前記蓄積された電気的エネルギー
を最小化する。この傾向は、前記引き伸ばされたマイクロスプリング内に蓄積さ
れた前記機械的エネルギーによって妨害される。

【００１９】 本明細書に開示された本発明の原理に基づいて、当業者は、非電場に基づく構
成を用いるマイクロアクチュエータを実施可能である。限定的でない実施例とし
て、前記マイクロアクチュエータは、変化する磁場に反応する構成を用いて実施
することも可能である。さらに、本発明において開示された原理に基づいて、当
業者は、機械的静止位置を提供するための他の手段を使用してもよい。限定的で
ない実施例として、前記機械的静止位置を達成するために前記マイクロスプリン
グの代わりに磁力または重力を用いてもよい。好ましい実施形態において、前記
マイクロアクチュエータは、マイクロコム（comb）ドライブとして実施されても
よい。この好ましい実施形態の実施において、前記マイクロアクチュエータは、
上下動マイクロコムドライブとして実施される。

【００２０】 創意に富む本アプローチは、双安定的な方法において機能するマイクロスイッ
チを備えることによって電力に依存しない機能を達成する。図３（Ａ）および図
３（Ｂ）は、それぞれ解放位置または係合位置にある本発明の好ましい実施形態
に係る例示的な側方マイクロラッチ３５０の上面概略図を示す。前記側方マイク
ロラッチ３５０は、マイクロアーム３５２に接続された（爪部または突起部とし
て機能する）マイクロパッド３５１を備える。前記マイクロアーム３５２は、第
１マイクロベース３５３−１に接続されている。前記マイクロアーム３５２は、
組み合わせマイクロフィンガー３５４−１の第１セットに接続されている。また
、第２マイクロベース３５４−２に接続されている組み合わせマイクロフィンガ
ー３５４−２の第２セットが設けられている。本発明に係る前記マイクロラッチ
３５０は、集積回路製造技術に従って製造してもよく、また単結晶シリコン、ま
たは多結晶シリコンまたは金属材料から製造されてもよい。

【００２１】 図３（Ａ）は、前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−
２が充電されておらず、それゆえ、前記マイクロアーム３５２および前記マイク
ロベース３５３−１の弾性作用が、前記マイクロパッド３５１をマイクロスイッ
チ３１０の経路から離している状態を示している。図３（Ｂ）は、前記組み合わ
せマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が電位差を有し、それゆえ、
前記マイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が、前記マイクロアーム３
５２および前記マイクロベース３５３の弾性作用によって平衡を保たせるように
蓄積された電気的エネルギーを最小化するために重なっている状態を示している
。前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が重なる動作
によって、前記マイクロパッド３５１が前記オプティカルマイクロスイッチ３１
０の経路の内側に押圧される。本実施形態において、前記組み合わせマイクロフ
ィンガー３５４−１および３５４−２は、妨げられない角運動を可能にする湾曲
形状を有してもよい。

【００２２】 創意に富む本アプローチの他の好ましい実施形態によると、図３（Ａ）の状態
は、前記マイクロアクチュエータの前記組み合わせマイクロフィンガーが充電さ
れていないとき前記マイクロスイッチが上方の位置に位置するものである。この
実施形態において、電力に依存しない上方位置のマイクロスイッチを維持するた
めに前記マイクロラッチ３５０を前記マイクロスイッチ３１０に係合させること
は必要ない。この実施形態において、図３（Ｂ）の状態は、前記マイクロアクチ
ュエータの前記組み合わせマイクロフィンガーが電位差を有するまで充電された
結果として、前記マイクロスイッチが下方の位置に位置するものである。この状
態において、前記マイクロラッチ３５０は、前記マイクロスイッチ３１０と係合
可能な位置にあり、それゆえ電力が遮断されたとき前記マイクロスイッチ３１０
が上方の位置に移動することを妨げるようになっている。係合された場合、前記
マイクロパッド３５１とマイクロスイッチ３１０との間の摩擦力が、前記マイク
ロラッチ３５０を解放しないようにしている。

【００２３】 この実施形態において、（前記マイクロアクチュエータまたは前記マイクロエ
レメント、あるいはその両方の）前記マイクロスイッチ３１０が、まず下方位置
に移動し、次に前記マイクロラッチ３５０が前記係合位置に移動する。前記マイ
クロスイッチ３１０が下方位置から上方位置に選択的に移動するものである場合
、そのとき、前記マイクロラッチ３５０がまず前記解放位置に移動した後で、前
記マイクロスイッチ３１０が上方位置に移動する。

【００２４】 この実施形態において、前記マイクロスイッチ３１０を駆動して上方に移動す
る回路は、前記マイクロラッチ３５０を解放する回路のトリガー時間より長いト
リガー時間を有する。これにより、前記マイクロスイッチ３１０が上方に移動可
能となる前に前記マイクロラッチ３５０を解放することが可能となる。さらに、
この実施形態において、前記マイクロスイッチ３５０を駆動して下方に移動する
回路は、前記マイクロラッチ３５０を係合する回路のトリガー時間より短いトリ
ガー時間を有する。これにより、前記マイクロスイッチ３１０が下方に移動可能
となった後で前記マイクロラッチ３５０を係合することが可能となる。

【００２５】 さらに、この実施形態において、前記マイクロパッド３５１は前記マイクロス
イッチの経路内に位置するように選択的に駆動されるが、前記マイクロパッド３
５１は、前記マイクロスイッチ３１０が下方位置に位置する場合と前記電力が遮
断された場合を除いて、前記マイクロスイッチ３１０に物理的に接触していない
（すなわち、前記マイクロパッドは、前記マイクロアクチュエータおよび前記マ
イクロエレメントのどちらにも接触していない）。その結果、過剰な数の電力遮
断が起こらない限り、前記マイクロラッチ３５０は磨耗することなく連続的に操
作可能である。

【００２６】 他の好ましい実施形態によると、前記マイクロラッチは、マイクロコムドライ
ブを用いて実施される。

【００２７】 図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、前記マイクロラッチが、電力が遮断されたと
きだけ前記オプティカルマイクロスイッチ（前記マイクロエレメントまたは前記
マイクロアクチュエータ、あるいはその両方）と接触するオプティカルルータの
通常操作用の好ましい実施形態におけるタイムチャートの限定的でない実施を示
す。図４（Ａ）は、ライン４０１上の信号によって駆動される前記マイクロスイ
ッチの作動のタイムチャートと、ライン４０２上の信号によって駆動される前記
マイクロラッチの作動のタイムチャートを示し、前記マイクロスイッチは、（機
械的に静止した）上方の状態から（電気的に活動化された）下方の状態に移動し
、その後で上方の状態に戻る。時間ｔ_０において、信号がマイクロスイッチに入
力されてマイクロスイッチが下方の状態に駆動し始める。時間ｔ_１において、前
記マイクロスイッチは下方の状態にある。時間ｔ_２において、信号がマイクロラ
ッチに入力されてマイクロラッチがマイクロスイッチの経路内に駆動し始める。
時間ｔ_３において、前記マイクロラッチは、前記マイクロスイッチの経路内に位
置するが、前記マイクロスイッチは既に下方の状態にあるので、マイクロラッチ
はマイクロスイッチとは接触しない。

【００２８】 一実施形態において、オプティカルマイクロスイッチの状態を下方の状態から
上方の状態に変化させる必要があるときまで電力が存在し、その後、時間ｔ_４に
おいて、信号がマイクロラッチに入力されてマイクロラッチがマイクロスイッチ
の経路から外側に駆動し始める。時間ｔ_５において、前記マイクロスイッチはマ
イクロスイッチの経路の外側にある。時間ｔ_６において、信号がマイクロスイッ
チに入力されて、マイクロラッチがマイクロスイッチの経路内に位置することな
くマイクロスイッチが上方の状態に駆動し始める。

【００２９】 電気的遮断が生じた場合のタイムチャートが、図４（Ｂ）に概略的に示されて
おり、マイクロスイッチが（機械的に緊張した（tensed））下方位置にあり、マ
イクロラッチがマイクロスイッチの経路内に位置する。時間ｔ_ｆにおいて、電力
が遮断される。時間ｔ_１１において、ライン４０１を介して供給されると、前記
オプティカルマイクロスイッチの状態を維持する電気信号が減少し始め、マイク
ロスイッチが、不均衡な機械力に応じて上方に移動し始める。しかしながら、前
記駆動回路１２０が、ライン４０２を介して供給されると、電気信号が、マイク
ロラッチ（例えば、マイクロパッド）の位置をマイクロスイッチの経路内に維持
することを保証するように構成されている。ライン４０２の電位は、マイクロス
イッチがマイクロラッチと接触する時間ｔ_１２の後である、後の時間ｔ_１３で減
少し始める。それゆえ、マイクロラッチは、そのとき移動しているマイクロスイ
ッチの経路内に維持される。接触した時点で、マイクロラッチはマイクロスイッ
チをその機械的に緊張した状態に保持する。マイクロラッチは、摩擦力またはマ
イクロパッド３５１に設けられた指もしくはフックのような連結機構の実施によ
って前記保持している位置に維持される。電力が復帰したとき、マイクロスイッ
チとマイクロラッチは、図４（Ａ）に示すように電気的に作動される。

【００３０】 本明細書に記載された実施形態において、マイクロラッチ３５０（例えば、マ
イクロパッド３５１）は、前記オプティカルマイクロエレメントまたはマイクロ
アクチュエータ、あるいはその両方と接触するように実施されてもよい。

【００３１】 本発明に係るマイクロラッチ３５０に、前記組み合わせマイクロフィンガー３
５４−１および３５４−２を互いに反発させるように実施してもよい。例えば、
前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２を、それらが充
電されていないとき普通は重なるように配置してもよい。この実施形態において
、等しい電位が前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２
の両方に付与された場合、前記マイクロアーム３５２とマイクロパッド３５１は
通常位置から離れるように押圧され、マイクロパッド３５１がマイクロスイッチ
３１０の経路内から外側に移動する。

【００３２】 ここに示された本発明の原理に基づいて、マイクロラッチ３５０もまた他の装
置における実施が可能である。例えば、ある実施においては、マイクロパッド３
５１はマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５３−１と同じ側に配置さ
れ、そして第２マイクロベース３５３−２と組み合わされたマイクロフィンガー
３５４−１及び３５４−２とはマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５
３−１から離れた他の側に配置されている。もう一つの実施では、マイクロパッ
ド３５１はマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５３−１から離れた他
の側に配置され、第２マイクロベース３５３−２と組み合わされたマイクロフィ
ンガー３５４−１及び３５４−２とはマイクロアーム３５２は第１マイクロベー
ス３５３−１と同じ側に配置されている。さらにもう一つの実施においては、マ
イクロパッド３５１、第２マイクロベース３５３−２と組み合わされたマイクロ
フィンガー３５４−１及び３５４−２とはマイクロアーム３５２の第１マイクロ
ベース３５３−１から離れた他の側に配置されている。ここに開示されている創
意に富む原理によれば、ポテンシャル差が組み合わされたマイクロフィンガー３
５３−１及び３５３−２間に適用されるか否か（或いは、それらが同じ電位ポテ
ンシャルだけ充電されるか否か）の選択は、マイクロパッド３５１がマイクロス
イッチ３１０の通路内に、或いはそこから移動するようになっているか否かに依
っている。

【００３３】 以下に記述されている好ましい実施形態の典型的な実施においては、マイクロ
スイッチは少なくとも一つのオプティカルマイクロエレメントと上述した少なく
とも一つのマイクロアクチュエータとを含んでいる。限定されるものではないが
、以下に記述されるこの典型的な実施形態におけるマイクロアクチュエータは、
マイクロスイッチが上方位置にあるときにマイクロスプリングが強く張られない
図２（Ａ）におけるように配設される。マイクロアクチュエータのための他の装
置は、ここに開示された本発明から逸脱することなく後述する典型的な実施形態
で使われる。

【００３４】 本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロアクチュエータ装置は、マイク
ロスプリングが引張られて配置される全時間を最小にするように選択される。こ
のことは、例えば光学ビームの最も頻繁な進行方向を決めることにより、そして
マイクロスイッチを張り詰めることを要することなくこの進行を達成するマイク
ロスイッチ（マイクロエレメント）のための装置を決めることにより達成され、
それ故にその装置は、電力が遮断された場合、安定している。しかしながら、当
業者であれば、最も容易に或いは経済的に製造できる装置を使ったルータを組立
てることの選択もできる。

【００３５】 本発明を実施している好ましい実施形態においては、平面反射面は光学ビーム
を偏向させるマイクロオプティカルエレメントとして使用される。図５は本発明
に係る典型的な好ましい実施形態の概略を示し、そこでは単一の双安定マイクロ
スイッチが二つのレシーバーへの光学ビームの進行を制御している。図５では、
上方位置にあるオプティカルマイクロスイッチ５１０が光ファイバー５６１から
送出されてきた光学ビーム５００を外へ追い出している。ファイバー５６１は、
ファイバ５６１とマイクロスイッチ５１０との間に配置されたマイクロレンズ５
８１を有するファイバーホルダー５７１により適所に保持されている。上方位置
にあるマイクロスイッチ５１０が、光学ビーム５００をホルダー５７２により適
所に保持された光ファイバ５６２に、マイクロレンズ５８２を介して、追い出し
ている。もしも、マイクロスイッチ５１０が下方位置にあれば、そのときそれは
光学ビーム５００をホルダー５７３により適所に保持された光ファイバ５６３に
、マイクロレンズ５８３を介して、追い出す。上述したように、少なくとも一つ
のマイクロラッチが、電力が遮断された場合にマイクロスイッチの状態を下方位
置に固定する位置に駆動される。この典型的な実施形態では、マイクロラッチは
、マイクロスイッチ５１０が上方位置にあるときに、その運動を妨げないであろ
う位置にある。このマイクロラッチの適切な配置は、上述したようにマイクロア
クチュエータ装置に対する特定の選択に依存する。

【００３６】 この典型的な実施形態では、マイクロスイッチ５１０は、オプティカルマイク
ロエレメントとして少なくとも一つのマイクロミラーを含んでいる。このマイク
ロミラーは蒸着により上にコーティングされた平面である。このコーティングは
光学ビームの波長に対して高い反射率を有している。ある実施においては、コー
ティング材料は金で、それは一般に広範囲の波長に対して高い反射率を有してい
る。光学ビームの特定の波長に対して設計された多層コーティングを含む他のコ
ーティング材料も使用できる。

【００３７】 本発明を実施するもう一つの好ましい実施形態においては、凹状反射面が光学
ビームを偏向させるマイクロオプティカルエレメントとして使用されている。こ
の実施形態では、凹状マイクロミラーはマイクロレンズ５８１及び５８２の焦点
合せの仕事をするので、マイクロレンズ５８１及び５８２は必ずしも必要ではな
い。図５により記述された実施形態の非限定的な実施においては、マイクロミラ
ーは、マイクロアクチュエータの運動方向に垂直な入射光学ビームがマイクロア
クチュエータの運動方向にもまた垂直なもう一つの方向に偏向させられるように
配置される。この実施形態はまた、マイクロレンズ５８１及び５８２を使って実
施され得る。

【００３８】 図５に描かれた好ましい実施形態の実施では、ファイバーホルダーのファイバ
ー入力から離れた他の側に配置されたマイクロレンズが設けられている。しかし
ながら、本開示において後述されている実施形態におけるのと同様、図５に例示
されたこの実施形態におけるマイクロレンズは、ファイバーホルダーと対応する
オプティカルマイクロエレメントとの間のいずれにも配置され得る。

【００３９】 ここに開示されている本発明は、また光学ビームの進行を制御するための複数
のオプティカルマイクロスイッチを使った実施形態においても実施される。例え
ば、Ｍ×Ｎ（Ｍ或いはＮが１に等しい場合を含む）配列のマイクロスイッチが光
学ビームの進行を制御するために使用される。

【００４０】 本発明を記述する（先の、或いはこの後の）実施形態においては、ファイバ、
マイクロレンズ（使用された場合）及びオプティカルマイクロエレメントの配置
は、機械的に強く緊張した状況からマイクロラッチがマイクロエレメント（或い
はマイクロアクチュエータ）に接触し、機械的に強く緊張した状態を維持するま
で、オプティカルマイクロエレメントが運動する間、偏向させられたビームがタ
ーゲットファイバーになおも効率よく集められるものである。

【００４１】 図６は本発明に係る好ましい実施形態の概略を示し、そこではオプティカルマ
イクロスイッチの２×２の配列が光学ビームの進行を制御するために使われてい
る。図６では、上方位置にあるマイクロスイッチ６１０が光フアイバー６６１か
ら送出されてきた光学ビーム６００を追い出している。ファイバー６６１は、フ
ァイバー６６１とマイクロスイッチ６１０との間に配置されたマイクロレンズ６
８１を有するファイバーホルダー６７１によって適所に保持されている。上方位
置にあるマイクロスイッチ６１０は、光学ビーム６００をホルダー６７２により
適所に保持された光ファイバー６６２にマイクロレンズ６８２を介して追い出し
ている。マイクロスイッチ６１０が下方位置にある場合、そのときそれは光学ビ
ーム６００をホルダー６７３により適所に保持された光ファイバー６６３にオプ
ティカルレンズ６８３を介して追い出している。上述したように少なくとも一つ
のマイクロラッチは、電力が遮断された場合にマイクロスイッチの状態を下方位
置に固定する位置に駆動される。この典型的な実施形態では、マイクロラッチは
、マイクロスイッチ６１０が上方位置にあるときにその運動を妨げないであろう
状態にある。このマイクロラッチの適切な配置は、上述したようにマイクロアク
チュエータ配置の特定の選択に依存している。

【００４２】 この典型的な実施形態では、マイクロスイッチ６１０はオプティカルマイクロ
エレメントとして少なくとも一つのマイクロミラーを含んでいる。このマイクロ
ミラーは蒸着により上にコーティングされた平面である。このコーティングは光
学ビームの波長に対して高い反射率を有している。ある実施においては、コーテ
ィング材料は金であり、それは一般に広範囲の波長に対して高い反射率を有して
いる。光学ビームの特定の波長に対して設計された多層コーティングを含む他の
コーティング材料の使用が可能である。

【００４３】 本発明を実施するもう一つの好ましい実施形態では、凹状反射面が光学ビーム
を偏向させるマイクロオプティカルエレメントとして使用される。この実施形態
は、平面反射マイクロミラーの代わりに凹状反射マイクロミラーを使用している
ことにおいて図６のものと相違している。この実施形態では、マイクロレンズ６
８１及び６８２は、凹状マイクロミラーがマイクロレンズ６８１及び６８２の焦
点合せの仕事を行う故、必ずしも必要ではない。図６により記述された実施形態
の非限定的な実施では、マイクロエレメントの運動方向に垂直な入射光学ビーム
がマイクロエレメントの運動方向にもまた垂直であるもう一つの方向に偏向させ
られるようにマイクロミラーは配置される。

【００４４】 複数のオプティカルマイクロスイッチを使用した本発明の実施形態は、各マイ
クロスイッチに含まれる少なくとも一つのオプティカルマイクロエレメントとし
て平面及び凹状ミラーの混合物を使用して実施され得る。例えば、図６により例
示された実施形態では、マイクロレンズを備えるための適切な選択で、マイクロ
エレメントの一つが平面マイクロミラーとして実施され、もう一つのマイクロエ
レメントが凹状マイクロミラーとして実施される。

【００４５】 本発明の実施は、ＭとＮの内、少なくとも一方が２よりも大きいＭ×Ｎの二次
元配置マイクロスイッチにまで広げられる。本発明はまた、少なくとも２列が異
なる数のマイクロスイッチを有する複数列のマイクロスイッチを使用した二次元
の外形形態に実施され得る。例えば、本発明は第１列が３つのマイクロスイッチ
を有し、第２列が２つのマイクロスイッチを有するように配置された５つのマイ
クロスイッチを使って実施される。

【００４６】 ここに開示された本発明は、その実施において、オプティカルマイクロスイッ
チのＭ×Ｎの矩形等距離分布（rectangular equidistant distribution）に限定
されるものではない。むしろ、本発明は、限定されるものではないが、少なくと
も２つのマイクロスイッチ間の異なる距離を有する矩形配列、マイクロスイッチ
の三角形、五角形及び六角形配置を含むオプティカルマイクロスイッチの配置の
異なる外形形態を使って実施される。

【００４７】 本発明は、光学ビームをファイバーに導くためのマイクロレンズに加えて、或
いはそれに代えて他の結像構成要素（imaging component）を使ってもまた実施
され得る。

【００４８】 既述の上記実施された本発明の好ましい実施形態では、ルータは、電源が遮断
されたときのみマイクロスイッチをマイクロエレメント（或いはマイクロアクチ
ュエータ）に接触させ、そしてマイクロオプティカルエレメントをその状態に保
持させる。もう一つの好ましい実施形態では、マイクロラッチは、マイクロスプ
リングが強く緊張した状態にあるときに、オプティカルマイクロエレメント（或
いはマイクロアクチュエータ、或いは双方）に接触するように配置され、そして
電力が、オプティカルマイクロエレメントの状態に影響することなく図４（Ｂ）
の信号により意図的に除かれる。この実施形態では、電力は、マイクロスイッチ
が上方の（機械的に静止した）状態に意図的に駆動される直前に図４（Ａ）の信
号により元に戻される。このように、電力が図４（Ｂ）の二番目の半分により切
られたとき、マイクロラッチは、マイクロスイッチが動かされる前にオプティカ
ルマイクロエレメント（或いはマイクロアクチュエータ）との接触を解除する。
この実施形態は、進行状態（routing states）が変えられるときに電力を必要と
することなく、ルータの機能に影響する短い電気信号を使うことを許容している
。

【００４９】 本発明は、ある典型的な実施形態を参照してかなり詳細に記述されたが、本発
明の種々の修正や応用が本発明の範囲及び精神から外れることなく実現され得る
ことは明らかであろう。本発明の範囲は請求の範囲によってのみ限定されるよう
にもくろまれている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 少なくとも１つの双安定オプティカルマイクロスイッチを使用し
て光学ビームを制御可能にルーチングする方法の概略図。

【図２Ａ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロアクチュエー
タの平面図。

【図２Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロアクチュエー
タの断面図。

【図３Ａ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロラッチの非係
合状態を示す概略図。

【図３Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロラッチの係合
状態を示す概略図。

【図４Ａ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるオプティカルルータの
通常動作のタイムチャート。

【図４Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるオプティカルルータの
電力遮断があったときの動作のタイムチャート。

【図５】 オプティカルマイクロエレメントとして平面反射ミラーを有する
単一のマイクロスイッチを使用した本発明の好ましい実施形態の実施の概略図。

【図６】 オプティカルマイクロエレメントとして平面反射ミラーを有する
ツーバイツーアレイのオプティカルマイクロスイッチを使用した本発明の好まし
い実施形態の実施の概略図。

【符号の説明】

１１０ 双安定オプティカルマイクロスイッチ ２２５ マイクロスプリング ２２１，２２２，２２３，２２４ マイクロアクチュエータ ３５０ マイクロラッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・アール・カーピンスキー アメリカ合衆国35811アラバマ州ハンツビ ル、スパイスウッド・トレイル2615番 Ｆターム(参考） 2H041 AA16 AB13 AC06 AZ03 AZ05 AZ08 5K102 AA11 AA15 NA00 PD01

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の動作状態を有するオプティカルマイクロエレメントを
   有するオプティカルルータであって、前記オプティカルマイクロエレメントが動
   作状態を変更するように駆動可能で、前記オプティカルマイクロエレメントの動
   作状態の変更により光学ビームの方向を変更するオプティカルルータにおいて、 複数の条件を有するマイクロラッチが設けられ、該マイクロラッチは条件を変
   更するように動作可能で、前記１つの条件は前記オプティカルマイクロエレメン
   トの動作状態を維持することを特徴とするオプティカルルータ。
2. 【請求項２】 前記マイクロラッチは、電力が停止したときに、前記条件の
   一つにおいて前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態を維持することを
   特徴とする請求項１に記載のオプティカルルータ。
3. 【請求項３】 前記マイクロラッチは、前記マイクロラッチが条件を変更し
   たときに移動する少なくとも１つのラッチングマイクロエレメントを含むことを
   特徴とする請求項１に記載のオプティカルルータ。
4. 【請求項４】 前記ルータはさらに前記オプティカルマイクロエレメントに
   動作可能に接続されたマイクロアクチュエータを有し、該マイクロアクチュエー
   タは前記オプティカルマイクロエレメントを移動してその条件を変更することを
   特徴とする請求項２に記載のオプティカルルータ。
5. 【請求項５】 前記マイクロアクチュエータはマイクロコウムドライブを含
   むことを特徴とする請求項４に記載のオプティカルルータ。
6. 【請求項６】 前記マイクロアクチュエータは、駆動信号に応答してお互い
   に対して移動可能な第１と第２の部分を含み、 前記ルータはさらに、前記マイクロアクチュエータを支持する支持部と、前記
   マイクロアクチュエータのそれぞれ第１と第２の部分に動作可能に接続された第
   １と第２の端部を有し、駆動信号がないときに前記オプティカルマイクロエレメ
   ントを前記動作可能状態の第１の状態に偏倚する少なくとも１つのマイクロスプ
   リングとを含むことを特徴とする請求項４に記載のオプティカルルータ。
7. 【請求項７】 ラッチングマイクロエレメントは、前記動作状態の第２状態
   で前記マイクロアクチュエータを選択的に停止することを特徴とする請求項６に
   記載のオプティカルルータ。
8. 【請求項８】 前記オプティカルマイクロエレメントは光学ビーム反射面を
   有することを特徴とする請求項１に記載のオプティカルルータ。
9. 【請求項９】 前記反射面は平面であることを特徴とする請求項８に記載の
   オプティカルルータ。
10. 【請求項１０】 前記反射面は凹面であることを特徴とする請求項８に記載
    のオプティカルルータ。
11. 【請求項１１】 前記ルータはさらに、前記オプティカルマイクロエレメン
    トと前記マイクロラッチを含むオプティカルマイクロスイッチからなる請求項１
    に記載のオプティカルルータ。
12. 【請求項１２】 前記ルータはさらに、Ｍ×Ｎ配列に配置された複数の前記
    オプティカルマイクロスイッチを有し、Ｍ×Ｎの少なくとも１つは１より大きい
    ことを特徴とする請求項１１に記載のオプティカルルータ。
13. 【請求項１３】 複数の動作状態を有する少なくとも１つの移動可能なオプ
    ティカルマイクロエレメントと、該オプティカルマイクロエレメントに動作可能
    に接続されたマイクロアクチュエータとからなり、前記マイクロアクチュエータ
    は前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更を実行するように配置
    されたオプティカルルータにおいて、 前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更は、移動方向を規定す
    る方向に移動する前記オプティカルマイクロエレメントを伴い、 前記オプティカルマイクロエレメントは、前記１つの条件において、前記参照
    方向にほぼ垂直な方向から供給される光学ビームを遮蔽するように配置され、前
    記他の条件において、前記参照方向にほぼ垂直な他の方向に前記遮蔽光学ビーム
    を反射するように配置されていることを特徴とするオプティカルルータ。
14. 【請求項１４】 前記オプティカルマイクロエレメントは光学ビーム反射面
    を有することを特徴とする請求項１３に記載のオプティカルルータ。
15. 【請求項１５】 前記反射面は平面であることを特徴とする請求項１４に記
    載のオプティカルルータ。
16. 【請求項１６】 前記反射面は凹面であることを特徴とする請求項１４に記
    載のオプティカルルータ。
17. 【請求項１７】 前記ルータはさらに、前記オプティカルマイクロエレメン
    トを前記動作状態の１つに維持するように駆動可能であるマイクロラッチを有し
    、 前記オプティカルルータは、前記オプティカルマイクロエレメントと、前記マ
    イクロアクチュエータと、前記マイクロラッチとを含むオプティカルマイクロス
    イッチを有することを特徴とする請求項１３に記載のオプティカルルータ。
18. 【請求項１８】 前記ルータはさらに、Ｍ×Ｎ配列に配置された複数の前記
    オプティカルマイクロスイッチを有し、Ｍ×Ｎの少なくとも１つは１より大きい
    ことを特徴とする請求項１７に記載のオプティカルルータ。
19. 【請求項１９】 前記マイクロアクチュエータは、駆動信号に応答してお互
    いに対して移動可能な第１と第２の部分を含み、 前記ルータはさらに、前記マイクロアクチュエータを支持する支持部と、前記
    マイクロアクチュエータのそれぞれ第１と第２の部分に動作可能に接続された第
    １と第２の端部を有し、駆動信号がないときに前記オプティカルマイクロエレメ
    ントを前記動作状態の第１の状態に偏倚する少なくとも１つのマイクロスプリン
    グとを含むことを特徴とする請求項１４に記載のオプティカルルータ。
20. 【請求項２０】 光学ビームをルーチングする方法であって、複数の動作状
    態の間でオプティカルマイクロエレメントを選択的にスイッチングして光学ビー
    ムの方向を変更するルーチング方法において、 マイクロラッチを選択的に駆動して前記動作状態の１つに前記オプティカルマ
    イクロエレメントを保持する工程を有することを特徴とするルーチング方法。
21. 【請求項２１】 前記マイクロアクチュエータは前記オプティカルマイクロ
    エレメントに動作可能に接続され、前記選択的にスイッチングする工程は、前記
    マイクロアクチュエータに駆動信号を供給して前記マイクロアクチュエータを前
    記複数の動作状態の間で移動させることによってなされることを特徴とする請求
    項２０に記載の方法。
22. 【請求項２２】 前記マイクロアクチュエータは上下動マイクロコウムドラ
    イブを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記方法はまた、前記マイクロアクチュエータに動作可能
    に接続されたマイクロスプリングにより前記マイクロアクチュエータを偏倚して
    、前記オプティカルマイクロエレメントを前記複数の動作状態の１つに偏倚する
    ことを有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
24. 【請求項２４】 前記マイクロラッチを駆動する工程は、前記偏倚工程によ
    って供給される引張力にもかかわらず、前記オプティカルマイクロエレメントを
    前記動作状態に保持することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記オプティカルマイクロスイッチは光学ビーム反射面を
    有することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
26. 【請求項２６】 光学ビームを遮断するように配置され、移動方向に移動可
    能なオプティカルマイクロエレメントで、光学ビームを入力位置から入力経路に
    沿って複数の出力位置にルーチングする光学ビームのルーチング方法であって、
    前記オプティカルマイクロアクチュエータは、前記オプティカルマイクロエレメ
    ントを移動させるマイクロアクチュエータによって駆動されて、前記光学ビーム
    を前記複数の出力位置に切り換える光学ビームのルーチング方法において、 前記マイクロアクチュエータを駆動して、複数の動作状態の間で前記オプティ
    カルマイクロエレメントをある移動方向に移動させて、光学ビームを複数の出力
    位置にルーチングし、 前記入力経路と、前記オプティカルエレメントによって前記複数の出力位置に
    ルーチングした後に前記光学ビームによってとられる経路とは、前記移動方向に
    ほぼ平行であることを特徴とするルーチング方法。
27. 【請求項２７】 前記オプティカルマイクロエレメントは光学ビーム反射面
    を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 【請求項２８】 前記マイクロアクチュエータは、駆動信号に応答してお互
    いに対して移動可能な第１と第２の部分を含み、 前記方法はさらに、前記マイクロアクチュエータに動作可能に接続されたマイ
    クロスプリングにより前記マイクロアクチュエータを偏倚して、前記オプティカ
    ルマイクロエレメントを前記複数の動作状態の１つに偏倚することを有すること
    を特徴とする請求項２６に記載の方法。
29. 【請求項２９】 前記方法はさらに、前記偏倚工程によって供給される引張
    力にもかかわらず、マイクロラッチを選択的に駆動して、前記オプティカルマイ
    クロエレメントを前記動作状態の１つに保持することを特徴とする請求項２８に
    記載の方法。