JP2004186619A

JP2004186619A - 磁歪アクチュエータ及びその磁歪アクチュエータを用いた光スイッチ

Info

Publication number: JP2004186619A
Application number: JP2002354682A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Takeuchi; 輝明竹内; Ryuzo Fukao; 隆三深尾
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】弱い印加磁界でも十分な磁歪素片の撓み量を得ることができるとともに、動作時のみ磁界を印加すれば足りる、消費電力の少ない小型の磁歪アクチュエータ及びその磁歪アクチュエータを利用した光スイッチを提供する。
【解決方法】本発明の磁歪アクチュエータは、磁界印加装置を構成するコアの一部に硬磁性体を含んでいる。コアに外部磁界を発生させて磁化した後、上記コイルへの電力供給を停止すると、コアの硬磁性体にのみ残留磁化が残る。この残留磁化により、コアから磁歪アクチュエータに磁界を印加し続けることができ、磁歪素片は撓んだ状態が維持される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、基体上に磁歪膜を形成した素片を用いた磁歪アクチュエータ及びその磁歪アクチュエータを利用した光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁歪材料を用いたアクチュエータの製品化に向けて、様々な開発が行われている。例えば、可撓性を有する矩形の基体上に磁歪材料からなる膜を形成して磁歪素片を作製する。この磁歪素片の長手方向に磁界を印加することによって、磁歪素片を撓ませて変位を生じさせることにより磁歪アクチュエータとして利用することが知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。これらの磁歪アクチュエータは、外部から印加した磁界によって伸縮する磁歪膜と、印加磁界によっても伸縮しない基体との間にずれ応力が発生し、これにより磁歪素片が、素片の表面に垂直な上下方向のいずれかに向かって撓む。このとき、磁歪素片の撓む変位量は、磁界を印加したときの磁歪膜自体の伸縮量に比べて大きい。したがって、磁歪膜の伸縮量を直接アクチュエータの動作源として用いた磁歪アクチュエータより、磁歪膜と基板との間に生じる応力に基づく磁歪素片の撓みを利用した磁歪アクチュエータの方が、変位量の幅を大きくすることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２２４４８５号公報（第（３）頁）
【非特許文献１】
Ｓ．Ｈ．リムらによる著（Ｓ．Ｈ．Ｌｌｉｍｅｔａｌ．），ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ），第８７巻（Ｖｏｌ．８７），第９号（Ｎｏ．９），５８０１（２０００年）（第１頁、左欄、第２３−２８行）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの磁歪アクチュエータでは、大きな撓み量を得るために、数十〜数百［Ｏｅ］程度の大きい磁界を印加する必要があった。大きな磁界を印加するためには、磁界印加に必要な消費電力も増大し、また、磁界印加手段を大型化する必要があった。
【０００５】
また、磁歪素片に磁気ヒステリシスを生じない磁歪膜を用いた場合、磁歪素片の撓んだ状態を維持するために、磁歪素片が撓んでいる間、継続的に磁界を印加する必要があった。そのため、磁界印加に必要な消費電力をさらに増大させる原因となっていた。これに対し、磁歪素片に磁気ヒステリシスを生じる磁歪膜を用いた場合、磁歪素片に磁界を一旦印加して磁歪素片を撓ませると、磁界印加を停止した後も磁歪素片の撓んだ状態が維持される。しかしながら、この状態で逆方向に磁界を印加することにより逆方向に磁化しても磁歪膜の磁歪状態は変化せず、磁歪素片は撓んだ状態のままとなる。よって、このような磁気ヒステリシスを生じる磁歪膜を用いて磁歪素片を形成した場合、印加する磁界を変化させても磁歪素片の撓み変化による状態切り替えを行うことはできない。
【０００６】
そこで、本発明の第１の目的は、弱い印加磁界でも十分な磁歪素片の撓み量を得ることができるとともに、動作時のみ磁界を印加すれば足りる、消費電力の少ない小型の磁歪アクチュエータを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、この磁歪アクチュエータを利用して、光路を切り替えることができる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】
本発明の第１の態様によれば、基体と、該基体上に形成された磁歪膜とで構成される素片と；
硬磁性体を一部に含むコア及び、該コアに周回して設けられたコイルを有する磁界印加装置と；を備えることを特徴とする磁歪アクチュエータが提供される。
【０００８】
本発明の磁歪アクチュエータは、磁界印加装置を構成するコアの一部に硬磁性体を含んでいる。コアに周回したコイルに電力を供給し、外部磁界を発生させてコアを磁化した後、上記コイルへの電力供給を停止すると、コアの硬磁性体にのみ残留磁化が残る。この残留磁化により、コアから磁歪アクチュエータに磁界を印加し続けることができ、これにより磁歪素片は撓んだ状態が維持される。この状態で、コイルに一時的に逆向きの電力を供給し、コアに上記と逆向きの外部磁界を発生させる。これにより、コアの硬磁性体に生じていた残留磁化が消失する。それに伴い、コアに生じていた磁化も０となり、撓んでいた磁歪素片は、元の撓まない状態に戻る。このように、コアの一部に硬磁性体を含む磁界印加装置を用いることにより、磁歪アクチュエータの作動に必要な消費電力を低減することができる。
【０００９】
本発明の磁歪アクチュエータでは、上記磁歪膜が磁気ヒステリシスを持たないことが望ましい。また、上記コアがギャップを有し、該ギャップ内に上記素片が配置され、上記磁界印加装置によって上記素片の磁歪膜が伸縮する方向と垂直な方向に磁界を印加することによって素片を撓ませることが望ましい。さらに、上記コアが貫通孔を有する直方体状であり、上記ギャップが上記貫通孔から上記コアの一側面に連通するように形成されており、上記ギャップの対向する部分が上記硬磁性体で形成されていることが望ましい。
【００１０】
本発明の磁歪アクチュエータでは、上記硬磁性体が保磁力の異なる硬磁性体で構成されていることが望ましい。また、上記磁歪膜が伸縮する方向に磁化容易軸が存在していることが望ましい。磁歪膜が伸縮する方向に磁化容易軸を配置することにより、低い磁界を印加した場合でも、素片上の磁歪膜を容易に伸縮させることができる。これにより、磁歪素片の所定の撓み量を効率良く得ることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、光伝送経路を切り替えるための光スイッチにおいて、
光入射部と；
光出射部と；
ギャップを有し、硬磁性体を一部に含むコアと、該コアに周回して設けられたコイルとを有する磁界印加装置と；
基体及び該基体上に形成された磁歪膜を有する素片であって、上記ギャップに配置された素片と；
上記基体又は磁歪膜上に設けられ、光入射部からの光を光出射部またはそれ以外の部分に向けて反射させるミラーと；を備え、
上記素片に上記ギャップを通る磁界を印加して上記素片の撓み量を変化させることによって、上記ミラーを変位させて光入射部からの光をいずれかの光出射部に切り替えることを特徴とする光スイッチが提供される。
【００１２】
本発明の光スイッチでは、磁歪素片上に設けられたミラーを用いて、光入射部から照射された光の経路を変更することにより、光のスイッチングを行う。磁歪素片に磁界を印加しないときには磁歪素片は撓まず、磁界印加装置によって磁界を印加したときに撓む。一度磁歪素片を撓ませる方向に磁界が印加されると、その後磁界の印加を停止した場合にもコアを構成する硬磁性体の磁化状態が維持され、コア及びギャップに磁界が生じたままとなる。これにより、磁歪素片が撓んだ状態に保たれる。コアに対し、一時的に磁界印加装置で逆向きに磁界を印加することにより硬磁性体の磁化状態は相殺され、コアに磁界は生じなくなる。これにより、磁歪素片は元の撓まない状態に戻る。
【００１３】
したがって、磁歪素片上に設けられたミラーは、印加する磁界によりその位置が変動する。ミラーの位置変化に応じたミラーからの反射光路またはミラーの有無による光路の変化を利用して、光入射部から入射した光の光路を光出射部からそれ以外の部位、例えば、別の光出射部に切り替えることができる。例えば、磁界を印加せずに磁歪素片を撓ませない状態では、光入射部から照射された光はその光路をミラーにより遮られることなく、光出射部に導かれる。一方、磁界を印加し磁歪素片を撓ませた状態では、光入射部から照射された光はその光路をミラーで遮られ、ミラー表面で反射した光が上記の光出射部とは異なる部位、例えば、別の光出射部に導かれる。このように光の経路を切り替えることにより、光のスイッチングを行うことができる。あるいは、ミラーの位置変化により反射光の向き（反射角）を変更して光出射部を切り替えてもよい。
【００１４】
本発明の光スイッチでは、上記磁歪膜が磁気ヒステリシスを持たないことが望ましい。また、上記コアが貫通孔を有する直方体状であり、上記ギャップが上記貫通孔から上記コアの一側面に連通するように形成されており、上記ギャップの対向する部分が上記硬磁性体で形成されていることが望ましい。さらに、上記硬磁性体が保磁力の異なる磁性体で構成されていることが望ましい。
【００１５】
本発明の光スイッチでは、上記光入射部及び上記光出射部が磁界印加装置上に設けられていることが望ましい。また、上記光入射部と上記いずれかの上記光出射部との間に光偏向用光学素子、例えば、レンズを有していることが望ましい。レンズのような光学素子を用いることにより、光入射部から出射された光の光路を変更することができ、光入射部及び光出射部の自由度が向上する。
【００１６】
本発明の光スイッチでは、上記光入射部が、第１光入射部及び第２光入射部を有し、上記光出射部が、第１出射部及び第２光出射部を有し、上記ミラーが変位することによって、第１光入射部から照射した光の進路が第１光出射部から第２光出射部へ切り替えられるとともに、第２光入射部から照射した光の進路が第２光出射部から第１光出射部へ切り替えられることが望ましい。また、第１光入射部と第２光入射部、及び、第１出射部と第２光出射部が、それぞれ上記ギャップを挟んで互いに対向するように配置されていることが望ましい。
【００１７】
また、本発明では、上記ミラーが、上記素片の表面に垂直に設けられた平板状ミラーであることが望ましい。このとき、上記平板状ミラーの両面が鏡面であればよい。また、上記ミラーが、透明体と、該透明体内部に埋設されたミラー面とで構成されていることが望ましい。さらに、上記ミラーが２枚の透明基板で構成されており、一方の透明基板の一面上に部分的に金属膜が形成され、該金属膜が形成された面を介して上記２枚の透明基板が固着されていてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明における実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１９】
【実施例１】
［磁歪素片の作製方法］
まず、本発明の磁歪アクチュエータに用いる磁歪素片の作製方法を、図１を用いて説明する。図１に示すように、磁歪素片１００は、基板１１、下地層１３、磁歪材料層１５及び保護層１７で構成されている。基板１１は、長さ１０ｍｍ、幅０．８ｍｍ、厚み２０μｍの平板状の石英ガラス基板である。次に、基板１１の一方の表面上に、下地層１３、磁歪材料層１５及び保護層１７を、順次、スパッタリングを用いて形成した。このとき、下地層１３としてＳｉＯ_２を厚さ２０ｎｍで、磁歪材料層１５としてサマリウム（Ｓｍ）−エルビウム（Ｅｒ）−鉄（Ｆｅ）の非晶質合金を厚さ４μｍで、保護層１３としてＳｉＯ_２を厚さ２０ｎｍで、それぞれ形成した。また、磁歪材料層１５のサマリウム（Ｓｍ）−エルビウム（Ｅｒ）−鉄（Ｆｅ）の非晶質合金の組成比は、Ｓｍ：Ｅｒ：Ｆｅ＝１２：８：８０とした。なお、磁歪材料層１５を形成するときのスパッタリングは、５００［Ｏｅ］の直流磁界中にて行った。直流磁界は基板の長手方向に印加した。これにより、磁歪材料層１５は、磁化容易軸が長手方向に向くように形成される。また、磁歪材料層１５が形成された磁歪素片を８００［Ｏｅ］の直流磁界中で真空熱処理し、磁歪材料層１５を、磁界を印加する方向にヒステリシスが生じない状態とした。なお、本実施例では、基板１１として石英ガラス基板を用いたが、弾性を有する金属箔片、例えば、リン青銅等の箔片を用いてもよい。また、本実施例では、Ｆｅの組成比を８０原子％としたが、これに限定されない。
【００２０】
［磁歪アクチュエータの製造方法］
次に、こうして得られた磁歪素片１００を用いて製造した磁歪アクチュエータについて、図２及び３を用いて説明する。図３（ａ）に示すように、磁歪アクチュエータ３００は、主に、磁気コア２００、コイル２６、磁歪素片１００及び電源２８で構成される。磁気コア２００は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、幅（図中、Ｙ方向の長さ）ｄ_１＝１５ｍｍ、長さ（図中、Ｘ方向の長さ）ｄ_２＝８ｍｍ及び高さ（図中、Ｚ方向長さ）ｄ_３＝１０ｍｍの四角柱状であり、磁気コア２００の内部にはＸ方向に貫通する貫通孔２１が形成されている。貫通孔２１により、磁気コア２００は、図２（ｂ）に示すように、Ｚ方向に上面部２００ａと底面部２００ｂに分けられる。さらに、磁気コア２００の上面部２００ａには、Ｙ方向の中央部に、Ｘ方向に延在するギャップ２２が形成され、ギャップ２２は上面部２００ａを右上面部２００ａｒと左上面部２００ａｌに分割している。ギャップ２２は貫通孔２１と連通している。貫通孔２１の幅及びギャップ２２の幅（ギャップ幅）は、それぞれ、１０ｍｍ及び１．２ｍｍである。また、磁気コア２００は、軟磁性体部２０及び硬磁性体部２５で構成されている。硬磁性体部２５は、磁気コア２００の底面部２００ｂのＹ方向中央に、軟磁性体部２０を分割するように、即ち、硬磁性体部２５がギャップ２２に対向する位置に配置される。硬磁性体部２５の幅は５ｍｍとした。軟磁性体部２０及び硬磁性体部２５は、それぞれ保磁力の異なるフェライトで構成されている。軟磁性体部２０は０．０９［Ｏｅ］の保磁力を有し、硬磁性体部２５は１００［Ｏｅ］の保磁力を有する。磁気コア２００は、以下のようにして製造した。軟磁性体部２０及び硬磁性体部２５を、フェライトを用いてそれぞれ所望の形状となるように加圧成形した。次いで、成形した軟磁性体部２０と硬磁性体部２５とを接着剤で固着した。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、磁気コア２００の底面部（２００ｂ）には、コイル２６がＸ方向及びＺ方向に１００回程度周回して設けられている。電源２８はコイル２６の両端に接続され、コイル２６に電力を供給する。磁歪素片１００は、ギャップ２２内で、Ｘ方向に延在し且つ磁歪素片１００の表面が磁気コア２００の上面部（２００ａ）の表面と並行になるように配置されている。ここで、図３（ｃ）に示すように、磁歪素片１００の一端１００ａを固定端として、ギャップ２２の端部に挟持された支持片２４に接着剤などで固着し、磁歪素片１００の他端１００ｂを支持せずに自由端とした。なお、磁歪素片１００は、磁歪素片１００の保護層（１７）がコイル２６側を向くように、ギャップ２２内に配置される。
【００２２】
［磁歪アクチュエータの駆動方法］
次に、磁歪アクチュエータ３００の駆動方法について、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図３（ａ）に示すように、電源２８によってコイル２６に電力を供給することにより、磁気コア２００に磁界を発生させる。このとき、磁気コア２００のギャップ２２に、磁歪素片１００の幅方向（Ｙ方向）に磁界が発生する。これにより、ギャップ２２内に配置された磁歪素片１００のサマリウム（Ｓｍ）−エルビウム（Ｅｒ）−鉄（Ｆｅ）の非晶質合金からなる磁歪材料層が、磁化容易軸方向である素片の長手方向（Ｘ方向）に伸長する。磁歪材料層が伸長することにより、磁歪素片１００の磁歪材料層と基板との間でずれ応力が生じ、磁歪素片１００は支持片２４で固定された固定端を支点として、図３（ｃ）に破線で示すように、コイル２６側とは反対側、即ち、上方に向かって撓む（矢印ＡＲ１）。これにより、アクチュエータとして必要な変位量を得る。
【００２３】
次に、本実施例における磁歪アクチュエータの状態切り替えの具体的な方法を説明する。図３（ａ）に示すように、磁歪アクチュエータ３００では、まず、コイル２６に１０ｍｓの間１００ｍＡの電流を流して、磁界Ｈ_１＝１００［Ｏｅ］を発生させた。このとき、印加磁界Ｈの増大に伴い、硬磁性体部のフェライトの磁化は図３（ｂ）に示したヒステリシスカーブの初期磁化曲線（図３（ｂ）中の参照記号ａ）に沿って増大し、飽和磁化に達する。磁界Ｈ_１の印加により、磁歪素片１００の自由端側端部１００ｂが、支点側端部１００ａを回転基準として、約９度の角度で変位した。次いで、コイル２６への電力供給を停止した。コイル２６への電力供給を停止することにより、軟磁性体部２０の磁界は消失する。一方、硬磁性体部２５の磁化は、図３（ｂ）中の参照記号ｂに示すヒステリシスカーブにしたがって変化するが、外部磁界Ｈを消失しても飽和磁化が残留磁化Ｍｓとして残る。硬磁性体部２５が残留磁化Ｍｓを維持していることにより、磁気コア２００のギャップ２２には引き続き磁界が生じていることになる。これにより、磁歪素片１００は撓んだ状態が維持される。
【００２４】
一方、撓んだ状態の磁歪素片１００を撓まない元の状態に戻すには、コイル２６に１０ｍｓの間、上記方向とは逆向きに４０ｍＡの電流を流す。これにより、に、磁気コア２００にはＨ_２＝−４０［Ｏｅ］の磁界が発生する。このとき、硬磁性体部２５の磁化状態は、図３（ｂ）中の参照記号ｃ及びｄに示すようなヒステリシスカーブにしたがって変化してほぼ０となる。この結果、磁気コア２００のギャップ２２に生じていた磁界は消失する。これにより、磁気ヒステリシスを持たない磁歪材料層は元の長さに戻り、基板とのずれ応力は解消される。よって、磁歪素片１００は、撓まない元の状態となる。
【００２５】
【実施例２】
本実施例においては、磁気コアの硬磁性体部を保磁力が異なる有する２種類の硬磁性体材料（フェライト）で形成した以外は、実施例１と同様に構成した。図４（ａ）に示すように、硬磁性体部は、第１硬磁性体部４５及び第２硬磁性体部４７で構成されており、第１硬磁性体部４５が第２硬磁性体部４７上に重なるように、即ち、磁気コア４００のギャップ４２側に第１硬磁性体部４５が配置されている。第１硬磁性体部４５及び第２硬磁性体部４７の厚さ（高さ）はそれぞれ２．５ｍｍとした。第１硬磁性体部４５の保磁力は８０［Ｏｅ］を有し、第２硬磁性体部４７の保磁力は２５００［Ｏｅ］を有する。なお、磁気コア４００は、以下のように製造した。第１硬磁性体部４５及び第２硬磁性体部４７を、予め所望形状にそれぞれ加圧成形した。次いで、第１硬磁性体部４５と第２硬磁性体部４７とを接着剤で固着し、固着した第１硬磁性体部４５及び第２硬磁性体部４７を軟磁性体部４０に接着剤で固着した。
【００２６】
磁気コア４００を用いて、図３に示した磁歪アクチュエータと同様に構成した磁歪アクチュエータ（不図示）の磁歪特性を、図４（ｂ）〜（ｄ）を用いて説明する。コイルに１００ｍＡの電流を流して外部磁界Ｈ_１’＝１００［Ｏｅ］を発生させる。外部磁界Ｈ_１’は、第１硬磁性体部４５の保磁力を上回っているので、第１硬磁性体部４５は外部磁界Ｈ_１’に揃う方向に磁化する。なお、第２硬磁性体部４７は、予め外部磁界Ｈ_１’の方向に磁化しているものとする。ここで、外部磁界Ｈ_１’を消失させても、第１及び第２硬磁性体部４５，４７は、磁気ヒステリシスを有するので、残留磁化ＡＲ４５ａ，ＡＲ４７が残る（図４（ｂ）に示した第１硬磁性体部のヒステリシスカーブにおける残留磁界Ｍｓ’参照）。これらの残留磁化の合成磁化ＡＲ４ａは、磁歪素片に磁界を印加した状態を保つ。
【００２７】
一方、上記と逆向きに１００ｍＡの電流を流し、磁界Ｈ_２’＝−１００［Ｏｅ］（即ち、Ｈ_２’＝−Ｈ_１’）を印加すると、磁界Ｈ_２’は第１硬磁性体部４５の保磁力よりも大きいため、第１硬磁性体部４５の磁化は図４（ｄ）に示すように反転する。これに対し、第２硬磁性体部４７の保磁力は外部磁界Ｈ_２’よりも大きいため、第２硬磁性体部４７の磁化の向きは図４（ｄ）に示すように変化しない。ここで、外部磁界Ｈ_２’を消失させると、第１及び第２硬磁性体部４５，４７にそれぞれ残留磁化ＡＲ４５ｂ，４７が残る。第１及び第２硬磁性体部においては、残留磁化ＡＲ４５ｂ，ＡＲ４７の大きさが予めほぼ等しくなるように調整されているとすれば、それらは互いに逆向きであるので、硬磁性体全体の磁化はほぼ０となる。これにより、硬磁性体により磁気コア４００に生じる磁界は消失する。本実施例では、外部磁界の極性±Ｈ_１’を切り替えるだけで、磁歪アクチュエータの状態切り替えが可能になる。
【００２８】
本実施例では、第１硬磁性体部と第２硬磁性体部とを、接着剤を用いて固着したが、第２硬磁性体部上に第１硬磁性体部を、接着剤を用いずに密着させ、その側面に軟磁性体４０を接着剤で固着してもよい。また、本実施例では、保磁力が異なる２種類の硬磁性材料を同じ厚さで成形したが、保磁力が高い硬磁性体部の厚さが保磁力の低い硬磁性体部の厚さに比べて小さくなくなるように、第１及び第２硬磁性体部を成形してもよい。これにより、硬磁性体部の磁化を相殺するための印加磁界を小さくすることができる。
【００２９】
【実施例３】
次に、実施例１で製造した磁歪アクチュエータを光スイッチに適用した例について、図５を用いて説明する。図５に示すように、光スイッチ５００は、磁歪アクチュエータ３００、ミラー５０、送光ファイバ５１，５２、受光ファイバ５３，５４及びレンズ５５、５６から構成されている。ミラー５０は、長さ０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍ、厚み２μｍの平板状のアルミニウム製ミラーであり、異方性エッチング法を用いて作製した。また、ミラーの両面が鏡面である。ミラー５０は、磁歪素片１００の自由端の近傍であって磁歪素片の幅方向中央部に樹脂接着剤を用いて固定されている。このとき、ミラー表面がＸ方向、即ち、磁歪素片１００の長手方向に延在し且つ磁歪素片１００の表面に垂直となるように、高精度に載置可能なマウンタ（不図示）を用いて磁歪素片１００上に設置した。
【００３０】
送光ファイバ５１と受光ファイバ５３は、右上面部２００ａｒのＸ方向における磁歪素子の自由端側に設けられており、送光ファイバ５２と受光ファイバ５４は、左上面部２００ａｌのＸ方向における磁歪素子の自由端側に設けられている。送光ファイバ５１、５２は外部から磁歪アクチュエータに光を入射する光入射部として機能し、受光ファイバ５３、５４は磁歪アクチュエータから光を外部に出射する光出射部として機能する。送光ファイバ５１と送光ファイバ５２はＸ方向及びＺ方向において同位置に設けられ、受光ファイバ５３と受光ファイバ５４もまたＸ方向及びＺ方向において同位置に設けられている。すなわち、送光ファイバ５１と送光ファイバ５２とがギャップを挟んで互いに対向し、受光ファイバ５３及び受光ファイバ５４とがギャップを挟んで互いに対向するように配置されている。
【００３１】
磁気コア２００の右上面部２００ａｒと左上面部２００ａｌには、送光ファイバ５１及び５２から出射された光の光路上であって、ギャップの中心から等距離隔てた位置に且つ互いにそれらの光軸が同軸状になるように屈折レンズ５５及び５６が設けられている。送光ファイバ５１，５２、受光ファイバ５３，５４及び屈折レンズ５５，５６の光学的配置は、送光ファイバ５１から出た光が屈折レンズ５５及び５６で順次屈折して受光ファイバ５４に入射するように、同時に、送光ファイバ５２から出た光が屈折レンズ５６及び５５で順次屈折して受光ファイバ５３に入射するように調製されている。このようにそれらの光学素子を配置すると、屈折レンズ５５を屈折して出た光と屈折レンズ５６を屈折して出た光とが、ギャップのＹ方向における中心位置で交差することになる。なお、送光ファイバ５１，５２、受光ファイバ５３，５４及びレンズ５５，５６は、いずれも接着剤によって上面部２００ａ上に固定されている。
【００３２】
図５（ａ）に示すように、磁歪アクチュエータ３００のコイル２６に電力を供給していない状態では、磁歪素片１００は撓まない。この状態において、送光ファイバ５１から出射してレンズ５５で屈折された光は、ミラー５０の上方を通過してレンズ５６に入射し、そこで屈折されて受光ファイバ５４に導かれる。また、送光ファイバ５２から出射してレンズ５６で屈折された光は、ミラー５０の上方を通過してレンズ５５に入射し、そこで屈折されて受光ファイバ５３に導かれる。この場合、磁歪素片１００上に固定されたミラー５０は、送光ファイバ５１及び５２から出射した光の光路の下方に位置するので光を遮ることがない。
【００３３】
一方、図５（ｂ）に示すように、磁歪アクチュエータ３００の電源２８をＯＮにし、コイル２６に電力を供給した状態では、コイル２６で発生した磁界により、磁気コア２００のギャップ２２を横断する磁界が発生する。磁気コア２００の硬磁性体部２５では、電源２８をＯＦＦにしコイル２６への電力供給を停止した後においても、硬磁性体部２５の保磁力により磁気コア２００は磁化した状態が維持される。これにより、電源２８をＯＦＦした後もギャップ２２を横断する磁界が生じている状態となる。この横断磁界により、磁歪素片１００が、基板側、即ち、上方に撓む（矢印ＡＲ５）。これにより、磁歪素片１００上に接着固定されたミラー５０が、送光ファイバ５１及び５２からそれぞれレンズ５５及び５６で屈折された光の光路を遮断する。このとき、送光ファイバ５１から送光されてレンズ５５で屈折された光は、ミラー５０の一方の面で反射され、その反射光が受光ファイバ５３に入射する。同様に、送光ファイバ５２から送光されてレンズ５６で屈折された光は、ミラー５０の反対側の面で反射し、その反射光が受光ファイバ５４に入射する。従って、送光ファイバ５１から出射した光を、受光ファイバ５４から受光ファイバ５３に切り換えることができると同時に、送光ファイバ５２から出射した光を受光ファイバ５３から受光ファイバ５４に切り換えることができる。
【００３４】
さらに、上記と逆方向となるようにコイル２６に４０ｍＡの電流を一時的に流し、磁気コア２００を逆向きに磁化するとともに、硬磁性体部２５の磁化を消失させる。これにより、ギャップ２２に生じていた磁界は０となり、磁歪素片１００は元の撓まない状態に戻る。このように、磁歪素片１００の撓み量の変化を利用して光の経路を切り替えることにより、磁歪アクチュエータを用いた光スイッチ５００を実現することができる。
【００３５】
【変形例】
実施例３の光スイッチに用いたミラー部品の変形例を図６及び７を用いて説明する。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、縦（Ｘ方向長さ）０．１ｍｍ、横（Ｙ方向長さ）０．０１ｍｍ、高さ（Ｚ方向長さ）０．１ｍｍの屈折率の等しい２枚のガラス板６１及び６２を用意する。次いで、一方のガラス板６１の一側面６１ａの下半面に蒸着法によりＡｌを蒸着する。次いで、もう一方のガラス板（ガラス部）６２をガラス板（ガラス部）６１の一側面６１ａを接着面として、接着剤を用いて固着する。この際、光透過部に接着剤を付けないようにする。これにより、ミラー面６３及び光透過面６４を有するミラー部品６００を得ることができる。実施例３における光スイッチのミラー５０に代えて、ミラー部品６００を磁歪素片上に固着することにより、光のスイッチングが可能となる。なお、ミラー部品６００は、ミラー面６３が磁歪素片の長手方向に延在し且つ磁歪膜の表面に垂直となるように磁歪素片上に設置される。また、ミラー部品６００は、ミラー部品６００を挟んで互いに対向する位置に設けられら屈折レンズを介してミラー部品６００に入射した光が、ミラー部品６００のガラス接着面、即ち、ミラー面６３または光透過面６４で交差するように設置される。さらに、ミラー部品６００は、磁歪素片が撓まない状態で、光がミラー部品６００の光透過面６４を通過するように設置される。以下に、図７を用いて、ミラー部品６００を用いた光路の切り替えについて説明する。
【００３６】
図７（ａ）は、磁歪素片の撓み変位が０の場合、即ち、光がミラー部品６００の光透過面６４を透過する場合の光路を示した図である。送光ファイバ５１’から出射して屈折レンズ５５’で屈折した光は、ミラー部品６００のガラス部６２に入射するとともに屈折する（光ＬＳ１ａ）。ミラー部品６００の光透過面６４を通過してミラー部品６００のガラス部６１から出射するとともに屈折し、屈折レンズ５６’に入射する（光ＬＳ１ｂ）。光は、屈折レンズ５６’においてさらに屈折し、受光ファイバ５４’に導かれる。また、送光ファイバ５２’から出射して屈折レンズ５６’で屈折した光は、ミラー部品６００のガラス部６１に入射するとともに屈折する（光ＬＳ２ａ）。ミラー部品６００の光透過面６４を通過してミラー部品６００のガラス部６２から出射するとともに屈折し、屈折レンズ５５’に入射する（光ＬＳ２ｂ）。光は、屈折レンズ５５’でさらに屈折し、受光ファイバ５３’に導かれる。このとき、磁歪素片上に固定されたミラー６００のミラー面６３は、送光ファイバ５１’及び５２’から出射した光の光路の下方に位置するので光を遮ることがない。
【００３７】
一方、図７（ｂ）は、磁歪素片が撓んだ状態にある場合、即ち、光がミラー部品６００のミラー面６３で反射される場合の光路を示した図である。磁歪素片が撓むことにより磁歪素片上に固着されたミラー部品６００のミラー面６３が光路の高さに配置される。ミラー６００のミラー面６３は、送光ファイバ５１’及び５２’から受光ファイバ５４’及び５３’へ向かう光の光路を遮断する（光ＬＳ１ａ及びＬＳ２ａ）。このとき、送光ファイバ５１’から送光されて屈折レンズ５５’で屈折された光ＬＳ１ａは、ミラー部品６００のミラー面６３ａで反射され、その反射光がガラス部６２及び屈折レンズ５５’を介して受光ファイバ５３’に入射する（光ＬＳ１ｂ’）。同様に、送光ファイバ５２’から送光されて屈折レンズ５６’で屈折された光ＬＳ２ａは、ミラー部品６００のミラー面６３ｂで反射され、その反射光がガラス部６１及び屈折レンズ５６’を介して受光ファイバ５４’に入射する（光ＬＳ２ｂ’）。
【００３８】
このように、磁歪素片の撓み変位を利用することにより、送光ファイバ５１から出射した光を受光ファイバ５４から受光ファイバ５３に切り換えることができると同時に、送光ファイバ５２から出射した光を受光ファイバ５３から受光ファイバ５４に切り換えることができる。また、本変形例では、対称に対置された送光ファイバ対と受光ファイバ対の光の切り替えを可能にする、厚みの十分薄いミラーを容易に作製することができる。
【００３９】
上記実施例では、磁歪材料層１５を負の磁歪定数を有するサマリウム−エルビウム−鉄の非晶質合金を用いて形成したが、サマリウム−鉄合金（ＳｍＦｅ_２，ＳｍＦｅ_３）、エルビウム−鉄合金（ＥｒＦｅ_２）、ツリウム−鉄合金（ＴｍＦｅ_２）、サマリウム−鉄−コバルト合金、サマリウム−ツリウム（Ｔｍ）−鉄の非晶質合金等を用いて形成してもよい。また、正の磁歪定数を有するテルビウム−鉄合金（ＴｂＦｅ_２（非晶質合金を含む），ＴｂＦｅ_３）、ホロミウム−鉄合金（ＨｏＦｅ_２，ＨｏＦｅ_３）、テルビウム−ニッケル合金、テルビウム−コバルト合金、テルビウム−鉄系合金（例えば、ＴｂＣｏ_０．４Ｆｅ_１．６，ＴｂＮｉ_０．４Ｆｅ_１．６，Ｔｂ（ＣｏＦｅ）_２，Ｔｂ（ＮｉＦｅ）_２）、ジスプロシウム−鉄合金（ＤｙＦｅ_２（非晶質合金を含む），ＤｙＦｅ_３）、ガドリニウム−鉄合金、テルビウム−ジスプロシウム−鉄合金等を用いて磁歪材料層を形成することもできる。磁歪材料層に正の磁歪定数を有する磁歪材料を用いる場合、磁歪素片の撓み方向を一定とするために、磁歪材料層が磁気コアの外側に配置されるように基板上に形成される。
【００４０】
上記実施例では、磁気コアに用いる軟磁性体部及び硬磁性体部を、保磁力の異なるフェライトを用いて作製したが、鉄圧粉型軟磁性体、サマリウム−コバルト系硬磁性体等を用いて作製してもよい。
【００４１】
上記実施例及び変形例では、光路偏向用の光学素子としてレンズを用いたが、ミラー等を用いてもよい。また、上記変形例では、ミラー部品を、ガラス板を用いて作製したが、光スイッチで用いる光に対して透過性を有するガラス板以外の透明基体、例えば、アクリル、エポキシ等を用いて作製してもよい。また、透明基体の内部にミラー面を埋設するように、透明基体を一体成形により作製してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の磁歪アクチュエータにおいては、磁歪素片の幅方向に磁界を印加することにより、磁気コアのギャップ部分に生じる磁界を効率良く利用することができる。これにより、磁歪アクチュエータを駆動するための消費電力を低く抑えられるとともに、磁歪アクチュエータを小型化することができる。また、磁気コアの一部に硬磁性体を用いることにより、電力供給を停止した場合でも、磁気コアのギャップ部に磁界を印加した状態に維持することができるので、さらに消費電力を抑制することが可能となる。また、この磁歪アクチュエータを光スイッチに適用することで、消費電力の少ない小型の光スイッチを提供することができる。また、上記磁歪アクチュエータを、光スイッチ以外の素子、例えば、光スキャナー等の素子に応用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１で作製した磁歪素片の概略断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施例１における磁歪アクチュエータに用いた磁気コアの概略的斜視図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の磁気コアの概略断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施例１における磁歪アクチュエータの概略的斜視図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の硬磁性体部に用いたフェライトのヒステリシスカーブを示した図であり、（ｃ）は、図３（ａ）の磁歪アクチュエータの概略断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の実施例２における磁歪アクチュエータに用いた磁気コアの概略的斜視図であり、（ｂ）は、図４（ａ）の第１硬磁性体部に用いるフェライトのヒステリシスカーブを示した図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、第１及び第２硬磁性体部の磁化の方向を概略的に示した図である。
【図５】本発明の実施例３における光スイッチの概略的斜視図であり、（ａ）は磁界を印加していないときの光スイッチの様子を、（ｂ）は電源をＯＮにして磁界を印加したときの光スイッチの様子を、それぞれ示している。
【図６】本発明の変形例におけるミラー部品を概略的に示した図である。
【図７】図６のミラー部品を用いた場合の光路切り替えの様子を概略的に示した図である。
【符号の説明】
１１基板
１３下地層
１５磁歪材料層
１７保護層
２０，４０軟磁性体部
２２，４２ギャップ
２５硬磁性体部
２６コイル
４５第１硬磁性体部
４７第２硬磁性体部
５０ミラー
５１，５２送光ファイバ
５３，５４受光ファイバ
５５，５６屈折レンズ
１００磁歪素片
２００，４００磁気コア
３００磁歪アクチュエータ
５００光スイッチ
６００ミラー部品

Claims

基体と、該基体上に形成された磁歪膜とで構成される素片と；
硬磁性体を一部に含むコア及び、該コアに周回して設けられたコイルを有する磁界印加装置と；を備えることを特徴とする磁歪アクチュエータ。
上記磁歪膜が磁気ヒステリシスを持たないことを特徴とする請求項１に記載の磁歪アクチュエータ。
上記コアがギャップを有し、該ギャップ内に上記素片が配置され、上記磁界印加装置によって上記素片の磁歪膜が伸縮する方向と垂直な方向に磁界を印加することによって素片を撓ませることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪アクチュエータ。
上記コアが貫通孔を有する直方体状であり、上記ギャップが上記貫通孔から上記コアの一側面に連通するように形成されており、上記ギャップの対向する部分が上記硬磁性体で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の磁歪アクチュエータ。
上記硬磁性体が保磁力の異なる硬磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータ。
上記磁歪膜が伸縮する方向に磁化容易軸が存在していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータ。
光伝送経路を切り替えるための光スイッチにおいて、
光入射部と；
光出射部と；
ギャップを有し、硬磁性体を一部に含むコアと、該コアに周回して設けられたコイルとを有する磁界印加装置と；
基体及び該基体上に形成された磁歪膜を有する素片であって、上記ギャップに配置された素片と；
上記基体又は磁歪膜上に設けられ、光入射部からの光を光出射部またはそれ以外の部分に向けて反射させるミラーと；を備え、
上記素片に上記ギャップを通る磁界を印加して上記素片の撓み量を変化させることによって、上記ミラーを変位させて光入射部からの光をいずれかの光出射部に切り替えることを特徴とする光スイッチ。
上記磁歪膜が磁気ヒステリシスを持たないことを特徴とする請求項７に記載の光スイッチ。
上記コアが貫通孔を有する直方体状であり、上記ギャップが上記貫通孔から上記コアの一側面に連通するように形成されており、上記ギャップの対向する部分が上記硬磁性体で形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光スイッチ。
上記硬磁性体が保磁力の異なる磁性体で構成されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の光スイッチ。
上記光入射部及び上記光出射部が磁界印加装置上に設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の光スイッチ。
上記光入射部と上記いずれかの上記光出射部との間に光偏向用光学素子を有していることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の光スイッチ。
上記光入射部が、第１光入射部及び第２光入射部を有し、上記光出射部が、第１出射部及び第２光出射部を有し、上記ミラーが変位することによって、第１光入射部から照射した光の進路が第１光出射部から第２光出射部へ切り替えられるとともに、第２光入射部から照射した光の進路が第２光出射部から第１光出射部へ切り替えられることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか一項に記載の光スイッチ。
第１光入射部と第２光入射部、及び、第１出射部と第２光出射部が、それぞれ上記ギャップを挟んで互いに対向するように配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光スイッチ。
上記ミラーが、上記素片の表面に垂直に設けられた平板状ミラーであることを特徴とする請求項７〜１４のいずれか一項に記載の光スイッチ。
上記平板状ミラーの両面が鏡面であることを特徴とする請求項１５に記載の光スイッチ。
上記ミラーが、透明体と、該透明体内部に埋設されたミラー面とで構成されていることを特徴とする請求項７〜１４のいずれか一項に記載の光スイッチ
上記ミラーが２枚の透明基板で構成されており、一方の透明基板の一面上に部分的に金属膜が形成され、該金属膜が形成された面を介して上記２枚の透明基板が固着されていることを特徴とする請求項７〜１４のいずれか一項に記載の光スイッチ。