JP2004037781A - 機械式光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】各光軸の関係を適正に合わせるアライメント調整を容易に行えて組み立ての作業性がよく、そして光軸アライメントの狂いを防止でき、スイッチ動作の安定性と信頼性を高く得ることができ、小型化の要求に有利性がある機械式光スイッチを提供すること
【解決手段】略ブロック形状のハウジング１１に２つのコリメータ６を対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニット１を形成し、コリメータ６，６は光ファイバ５による入力ポートｐ１，出力ポートｐ２，ｐ３を持つ。変位ユニット３のリニアに変位する可動子に光学素子２（ミラー）を取り付け、その可動子の駆動を行う駆動手段４をハウジング１１に固着する。これにはハウジング１１の略中央の取り付け孔部１３内に光学素子２が位置する状態とし、各光軸の関係を適正に合わせる。ユニット体に組んだ両者を固着するので容易に作業できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械式光スイッチに関するもので、より具体的には、光信号の入力ポートと出力ポートの間にミラーやプリズム等の光学素子を配置して、その変位動作により光束の結合を変化させる機械式光スイッチのアライメント調整の改良に関する。
【０００２】
【発明の背景】
光伝送において機械式光スイッチはよく知られており、光信号の光路の切り替えを機械的に行う構成を採るため、挿入損失やクロストークなどの光学特性に優れる特徴があって開発が進められている。
【０００３】
公知の技術として、例えば実開昭６１−１３２８１５やＵＳＰ５５９４８２０などに示されたものがある。これらは基本的には、光信号の入力ポートと出力ポートの間にミラーやプリズム等の光学素子を配置し、その光学素子の変位動作によりポート間における光束の結合を変化させる構成を採っている。そして、特徴的には２枚重ねで両端のスペーサにより平行とした２重の板バネをポート間に配置する。これは一端は固定して他端に光学素子を取り付けて自由端とするもので、その自由端を駆動手段により駆動し、光学素子を変位動作させて光束の結合を変化させる構成にしている。この場合、変位動作にはスライド機構のような摺り合う部分がなく、スイッチ動作を長期間安定に行い得るようにできる。
【０００４】
しかしながら、係る構成の従来の機械式光スイッチでは、組み立て時に行う各光軸の関係を適正に合わせるアライメント調整が容易ではなく、作業性が悪いという問題がある。つまり、ポート間における光束の結合及び変位動作する光学素子の光軸は適正にアライメントする必要があり、これには各構成要素を高い精度で組み付ける必要があって、組み立てが容易ではない。
【０００５】
さらに、各構成要素を高い精度で組み付けたものでも、本体ケースが外力等のために歪むと光軸アライメントに狂いがでる。これは本体ケースを基台にして各構成要素を組み付けていく構成では避けられなく、本体ケースの厚みを増して強度を上げる等の対策もあるが、それでは小型化の要求を阻害する。
【０００６】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、各光軸の関係を適正に合わせるアライメント調整を容易に行えて組み立ての作業性がよく、そして光軸アライメントの狂いを防止でき、スイッチ動作の安定性と信頼性を高く得ることができ、小型化の要求に有利性がある機械式光スイッチを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る機械式光スイッチでは、光信号の入力ポートと出力ポートの間にミラーやプリズム等の光学素子を配置し、当該光学素子の変位動作により前記ポート間における光束の結合を変化させる機械式光スイッチを前提とする。そして、前記ポートは光信号の伝送路である光ファイバを接続したコリメータからなり、両端及び略中央に取り付け孔部を有するハウジングに、前記コリメータを対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニットを形成し、電磁力等の作用力により可動子を変位動作させる駆動手段を備えて、当該可動子に前記光学素子を取り付け、前記ハウジングには略中央の取り付け孔部内に前記光学素子が位置する状態に前記駆動手段を組み付け固着するようにした。
【０００８】
また、前記ハウジングには、略中央の取り付け孔部の周縁で当該ハウジングの両端に関して連なる光軸との対立面に含まれる位置に、凸部を好ましくは２つ設け、当該凸部の上に中間支持材を介在させて前記駆動手段を組み付け固着するようにしてもよい。また、前記光路ユニットと前記駆動手段の組体を、箱体に収納して封止するとよい。
【０００９】
そして、前記入力ポートが１ポートであり、前記出力ポートは２ポートである１×２ポートの構成としたり、あるいは前記入力ポートが２ポートであり、前記出力ポートは２ポートである２×２ポートの構成とすることができる。
【００１０】
したがって本発明では、光信号の各ポートをなすコリメータをハウジングに対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニットに形成することから一体化した構成要素となり、まずこれを組み立てる際に各光軸の関係を適正に合わせればよい。そして、光学素子の駆動を行う駆動手段を光路ユニットに対して組み付け固着するので、この際に光軸アライメントを最終的に調整できる。これにより、アライメント調整に係る全ての構成要素を直接に結合した一体物が得られる。
【００１１】
駆動手段と光路ユニットとの結合には、例えばレーザ溶接を行えばよく、信頼性の高い強固な固着が行える。また、ハウジング側に凸部を設けて中間支持材を介在させるので、凸部上で中間支持材を適宜に傾けることが可能となり、調整可能な軸を１つ増すことができる。さらにまた、光路ユニットと駆動手段の組体を箱体に収納して封止するので防塵にすることができ、耐湿性の面でも有利になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示している。本実施の形態において、機械式光スイッチ１０は、光信号の入出力のポートｐｘの間に光路を結合する光路ユニット１，光学素子２，リニアに変位する可動子を有する変位ユニット３，その可動子を変位動作させる駆動手段４などを備えて、変位ユニット３の可動子に光学素子２を取り付け、その光学素子２の変位動作により入力ポートｐ１と出力ポートｐ２，ｐ３の間で光束の結合を変化させる構成になっている。
【００１３】
＊光路ユニット＊
入出力のポートｐｘは、光信号の伝送路である光ファイバ５を接続したコリメータ６からなり、略ブロック形状のハウジング１１に２つのコリメータ６を対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニット１を形成する。つまり、ハウジング１１には両端及び略中央に取り付け孔部１２，１２，１３を設け、両端の取り付け孔部１２，１２にコリメータ６をそれぞれ連結し、略中央の取り付け孔部１３には駆動手段４の枠体（Ｅ型ヨーク４０）を固着する。
【００１４】
対向する２つのコリメータ６，６は、図２に示すように、一方に２本の光ファイバ５，５を接続し、他方は光ファイバ５を１本だけ接続してあって、２本接続側が入力ポートｐ１と出力ポートｐ２となり、１本接続側は出力ポートｐ３となる１×２ポートの構成を採る。もちろん光信号の入出力は可逆であるが、ここでは２本接続側の入力ポートｐ１から出た光信号が、対向する１本接続側の出力ポートｐ３に集光するように光軸を調整する。
【００１５】
＊光学素子＊
光学素子２は本形態ではミラーであり、光路上で光信号を反射することで光束の結合を変化させ、ポートの切り替えを行う。
【００１６】
＊変位ユニット＊
変位ユニット３は、図３に示すように、２つ並びの帯条の両端が繋がった枠形状の板バネ３０を２重に有し、各帯条の中央及び両端とにブロック部材３１，３２，３３を設けて、２重板バネの間を平行に形成する。そして、一方の帯条の中央ブロック３１に光学素子２を取り付けて可動子とし、他方の帯条の中央ブロック３２は所定に固定して固定部とし、駆動手段４により中央ブロック（可動子）３１を変位動作させる構成になっている。
【００１７】
なお、可動子となる中央ブロック３１は磁性部材により形成する。これは後述するように、駆動手段４をコイル通電により発生する電磁力が作用力となる電磁式駆動手段に構成することによる。
【００１８】
したがって、この変位ユニット３は長手の両端が自由端となり、可動子３１（光学素子２）を動かすと、図４に示すように、板バネ３０の表面に垂直な１軸でリニアに変位する。これは、２重の板バネ３０が平行になっていて可動子３１が一方の帯条中央に位置するので、他方の帯条中央の固定部を固定した状態で可動子３１に力を加えることでは、帯条の両端が連動して動いて２重の板バネ３０がたわみ、その厚み方向に変位することになりリニアな動きになる。
【００１９】
＊駆動手段＊
駆動手段４は、図５に示すように、Ｅ型ヨーク４０，コイル４１，永久磁石４２等からなり、コイル通電により発生する電磁力が作用力となる電磁式駆動手段であって、変位ユニット３の可動子３１をストローク領域Ｓで動かす構成になっている。つまり、Ｅ型ヨーク４０には両外芯を延長して先端の内面間にストローク領域Ｓを形成し、コイル４１をＥ型ヨーク４０の中芯に装着し、そして中芯の先端を挟む外芯の内面に、それぞれ永久磁石４２，４２を設けて極性は磁束が連なる向き設定とする。
【００２０】
ストローク領域Ｓには、変位ユニット３の可動子３１を配置して、コイル４１に適宜に通電を行うことにより当該ストローク領域Ｓで変位動作させる。ここでは、変位ユニット３の固定部（中央ブロック３２）をＥ型ヨーク４０の中芯の先端部に固着して両者を一体化し、当該変位ユニット３の全体がＥ型ヨーク４０の内側に入り込む構成を採り、このためコンパクトになる。
【００２１】
したがって、ストローク領域Ｓにおいて、可動子３１はその中立点（図５（ａ））から両方向に変位動作し、コイル通電の極性に応じてＥ型ヨーク４０の両外芯の何れかに吸着し、例えば第１動作点（図５（ｂ））に吸着した可動子３１は、逆極性のコイル通電により反対側の第２動作点（図５（ｃ））に吸着する。
【００２２】
そして、中芯の先端を挟む外芯の内面に永久磁石４２を設けているので、それの磁束の向き設定のため、動作点に変位した可動子３１は、コイル４１への通電をオフした定常時に永久磁石４２の近接側と巡る閉磁路を形成する。このため、当該動作点に可動子３１を保持する作用となりラッチ動作する。
【００２３】
＊組み付け固着＊
光学素子２，変位ユニット３，駆動手段４を一体にした組み立て体を、光路ユニット１に組み付けることで機械式光スイッチ１０が完成する。これには、ハウジング１１の略中央の取り付け孔部１３内に光学素子２を挿入して、ハウジング１１の該当面にＥ型ヨーク４０を当て合わせて固着する。このとき、各光軸のアライメント調整を行う。
【００２４】
＊光軸アライメント＊
つまり、組み立ては、各光軸の関係を適正に合わせた後に最終的な固着を行う手順であり、アライメント調整には図１，図６に示すように、ｘ軸，ｙ軸，θｚ軸をそれぞれ適宜に動かす。なお、θｚ軸とはｚ軸回りの回転である。
【００２５】
ここで、Ｅ型ヨーク４０とハウジング１１との固着は、両者を当て合わせた接面の周縁部分を溶着すればよい。例えばＹＡＧレーザ溶接により固着する方法があり、信頼性の高い強固な固着が行える。また溶接では、接着剤と違って硬化時間がいらないので工程作業の時間を短縮でき、高効率に作業を行える。
【００２６】
調整は、光学素子２が、入力ポートｐ１，出力ポートｐ３間における光路に対して略垂直に変位動作し、その光路上に位置した光学素子２での反射が出力ポートｐ２に集光するように各軸を合わせる。これにより、入力ポートＰ１の光信号を、出力ポートｐ３，ｐ２の何れかに選択的に切り換えできる機械式光スイッチ１０を得る。
【００２７】
ところで、各光軸のアライメント調整には、図６に示すように、ｘ軸，ｙ軸，θｚ軸に加えてθｙ軸も関係してくる。このθｙ軸とはｙ軸回りの回転である。第１の実施の形態ではθｙ軸については、構成要素（部品）を、仕上げ精度が極端に異なる組み合わせにはせず、概ね適正にそろえることと、４軸のうちで３軸を調整することからそれらの調整により補正できるとの考えに立ち、調整軸が減るので構成が簡素になり、後述する第２の実施の形態と違って部品点数を少なくできるメリットがある。
【００２８】
このように、光信号の各ポートをなす２つのコリメータ６，６をハウジング１１に対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニット１に形成することから一体化した構成要素となり、まずこれを組み立てる際に、各光軸の関係を適正に合わせればよい。そして、光学素子２の駆動を行う駆動手段４を光路ユニット１に対して組み付け固着するので、この際に光軸アライメントを最終的に調整できる。
【００２９】
すなわち、各光軸の関係を適正に合わせるアライメント調整は、光路ユニット１に対して駆動手段４を組み付ける際に最終的に行えばよく、ポート側はすでにユニット体にしてあるので調整は容易に行えて組み立ての作業性がよい。
【００３０】
これにより、アライメント調整に係る全ての構成要素を直接に結合した一体物にでき、一体化しているので歪みに有利であって光軸アライメントの狂いを防止できる。その結果、スイッチ動作の安定性と信頼性を高く得ることができ、一体にまとまる構成は小型化の要求に有利性がある。
【００３１】
図７は、本発明の第２の実施の形態を示している。この第２の実施の形態では、入力ポートを２ポートに増やして２×２ポートの構成とし、そしてθｙ軸の調整が行える構成に変更している。なお、第１の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
＊光学素子＊
光学素子８は、本形態でもミラーであるが２×２ポートの構成を採るため表裏が共に鏡面であるものとし、これにより表裏両面でそれぞれ光信号を反射し、光束の結合を変化させることによりポートの切り替えを行う。
【００３３】
＊θｙ軸まわりの構成＊
ハウジング１１には、略中央の取り付け孔部１３の周縁に凸部１４を２つ設け、それら凸部１４，１４の上に中間支持材７を配置してθｙ軸の調整を可能にする。つまり、２つの凸部１４，１４は当該ハウジング１１の両端に関して連なる光軸（ｘ軸）との対立面（ｙｚ面）に含まれる位置に形成する。そして、中間支持材７は、両側を折り曲げた略コ字状断面の板部材であり、折り曲げ側がハウジング１１にはめ合い、板面の中央には孔部７０を設けてあって当該孔部７０に光学素子８を通す。ここに、中間支持材７は凸部１４，１４の上では２点で支持されてｘ軸方向で傾くことからθｙ軸の調整を行える。
【００３４】
駆動手段４側の組み付けは、凸部１４，１４の上に中間支持材７を介在させて行い、Ｅ型ヨーク４０，中間支持材７，ハウジング１１の３者を相互に固着する。
【００３５】
＊２×２ポートの構成＊
また、ハウジング１１に対向に取り付けた２つのコリメータ６，６は、図８に示すように、何れも２本の光ファイバ５，５を接続してあって、一方が入力ポートｐ１と出力ポートｐ２となり、他方は出力ポートｐ３と入力ポートｐ４となる２×２ポートの構成を採る。もちろん光信号の入出力は可逆であるが、ここでは入力ポートｐ１から出た光信号が対向側の出力ポートｐ３に集光し、入力ポートｐ４から出た光信号が対向側の出力ポートｐ２に集光するように光軸を調整する。
【００３６】
＊光軸アライメント＊
組み立ては、第１の実施の形態と同様に各光軸の関係を適正に合わせた後に最終的な固着を行う手順であり、ここではｘ軸，ｙ軸，θｚ軸に加えてθｙ軸もそれぞれ適宜に動かす。
【００３７】
調整は、光学素子８が、入力ポートｐ１，出力ポートｐ３間、及び逆に入力ポートｐ４，出力ポートｐ２間における光路に対して略垂直に変位動作し、その光路上に位置した光学素子８での反射が入力ポートｐ１側では出力ポートｐ２に集光し、入力ポートｐ４側では出力ポートｐ３に集光するように各軸を合わせる。これにより、入力ポートＰ１の光信号を、出力ポートｐ３，ｐ２の何れかに選択的に切り換えでき、入力ポートＰ４の光信号を、出力ポートｐ２，ｐ３の何れかに選択的に切り換えできる機械式光スイッチ１０を得る。
【００３８】
このように、ハウジング１１側に凸部１４，１４を設けて中間支持材７を介在させるので、凸部１４，１４上で中間支持材７を適宜に傾けることが可能となり、調整可能な軸（θｙ軸）を１つ増すことができ、アライメント調整の自由度を高めることができる。
【００３９】
図９は、本発明の第３の実施の形態を示している。この第３の実施の形態では、第２の実施の形態の構成全体を箱体９に収納して封止する。箱体９は本体９０に蓋９１を被せる構成とし、本体９０には光ファイバ５を通すための孔部９２を設け、駆動手段４に電力を供給するための電極端子９３を貫通させて取り付ける。電極端子９３は貫通部分の周縁にセラミックス等を充填して耐湿性の封止を施し、配線によりコイル４１に接続する。また、孔部９２も同様であり、光ファイバ５を通した後に耐湿性の部材を充填して埋める。
【００４０】
つまり、図８に示す光路ユニット１と駆動手段４の組体を、本体９０に収納して蓋９１を閉じ、窒素等の不活性ガスを注入した状態で溶接等により周縁を固着して封止を完了する。
【００４１】
このように、光路ユニット１と駆動手段４の組体を、箱体９に収納して封止するので防塵にでき、また不活性ガスを注入するので耐湿性が高くなり、その結果、スイッチ動作の安定性と信頼性をより高めることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る機械式光スイッチでは、光信号の各ポートをなすコリメータをハウジングに対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニットに形成することから一体化した構成要素となり、各光軸の関係を適正に合わせるアライメント調整は、光路ユニットに対して駆動手段を組み付ける際に最終的に行えばよく、ポート側はすでにユニット体にしてあるので調整は容易に行えて組み立ての作業性がよい。
【００４３】
これにより、アライメント調整に係る全ての構成要素を直接に結合した一体物にでき、一体化しているので歪みに有利であって光軸アライメントの狂いを防止できる。その結果、スイッチ動作の安定性と信頼性を高く得ることができ、一体にまとまる構成は小型化の要求に有利性がある。
【００４４】
また、ハウジング側に凸部を設けて中間支持材を介在させるので、その中間支持材を適宜に傾けることが可能となり、アライメント調整の自由度を高めることができる。
【００４５】
さらにまた、光路ユニットと駆動手段の組体を箱体に収納して封止するので防塵にでき、耐湿性の面でも有利になる。その結果、スイッチ動作の安定性と信頼性をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す機械式光スイッチの斜視図である。
【図２】１×２ポートの光路ユニットを示す断面図である。
【図３】２重板バネによる変位ユニットの斜視図である。
【図４】図３に示す変位ユニットの正面図（Ａ），側面図（Ｂ）である。
【図５】電磁式駆動手段の断面図である。
【図６】光軸アライメントを説明する斜視図である。
【図７】第２の実施の形態を示す機械式光スイッチの斜視図である。
【図８】２×２ポートの光路ユニットを示す断面図である。
【図９】第３の実施の形態を示す機械式光スイッチの斜視図である。
【符号の説明】
１　光路ユニット
２　光学素子
３　変位ユニット
４　駆動手段
５　光ファイバ
６　コリメータ
７　中間支持材
８　光学素子
９　箱体
１０　機械式光スイッチ
１１　ハウジング
１２，１３　取り付け孔部
１４　凸部
３０　板バネ
３１　中央ブロック（可動子）
３２　中央ブロック（固定部）
３３　ブロック部材
４０　Ｅ型ヨーク
４１　コイル
４２　永久磁石
７０　孔部
９０　本体
９１　蓋
９２　孔部
９３　電極端子
ｐ１，ｐ４　入力ポート
ｐ２，ｐ３　出力ポート

Claims (5)

1. 光信号の入力ポートと出力ポートの間にミラーやプリズム等の光学素子を配置し、当該光学素子の変位動作により前記ポート間における光束の結合を変化させる機械式光スイッチにおいて、
   前記ポートは光信号の伝送路である光ファイバを接続したコリメータからなり、
   両端及び略中央に取り付け孔部を有するハウジングに、前記コリメータを対向に取り付けて光軸が連なる光路ユニットを形成し、
   電磁力等の作用力により可動子を変位動作させる駆動手段を備えて、当該可動子に前記光学素子を取り付け、
   前記ハウジングには略中央の取り付け孔部内に前記光学素子が位置する状態に前記駆動手段を組み付け固着することを特徴とする機械式光スイッチ。
2. 前記ハウジングには、略中央の取り付け孔部の周縁で当該ハウジングの両端に関して連なる光軸との対立面に含まれる位置に、凸部を好ましくは２つ設け、
   当該凸部の上に中間支持材を介在させて前記駆動手段を組み付け固着することを特徴とする請求項１に記載の機械式光スイッチ。
3. 前記光路ユニットと前記駆動手段の組体を、箱体に収納して封止することを特徴とする請求項１または２に記載の機械式光スイッチ。
4. 前記入力ポートが１ポートであり、前記出力ポートは２ポートである１×２ポートの構成としたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の機械式光スイッチ。
5. 前記入力ポートが２ポートであり、前記出力ポートは２ポートである２×２ポートの構成としたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の機械式光スイッチ。

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