JP2004198870A - 可変光減衰器 - Google Patents

Abstract

【課題】超小型で安価な可変光減衰器を提供する。
【解決手段】少なくとも２本の光ファイバー、プレーナ型電磁アクチュエータ、レンズ、１個の永久磁石、２つの固定部材、端子およびカバー部材で構成される可変光減衰器において、第１の固定部材と第２の固定部材と端子とカバー部材で筒状空間を形成し、該筒状空間の第１の固定部材側から順に第１・第２の光ファイバ、レンズ、プレーナ型電磁アクチュエータチップ、永久磁石、端子を配置し、第１の固定部材で位置決め固定された第１の光ファイバ、第２の光ファイバ、レンズからなるユニットを光学モジュールとし、第２の固定部材と端子とカバー部材で筒状空間を形成し、筒状空間の固定部材側からプレーナ型電磁アクチュエータチップ、永久磁石の順で配置・固定されたユニットをアクチュエータモジュールとし、光学モジュールとアクチュエータモジュールを接合した可変光減衰器とする。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変光減衰器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可変光減衰器は、光通信システムにおける光ファイバあるいは空間を伝搬する光に一定の減衰を与えるデバイスであり、近年普及しつつあるＷＤＭ光通信システム等に使用されている。
【０００３】
従来の可変光減衰器として、たとえば、特開２００１−４２２３１号公報に示された可変光減衰器がある。図１はこの可変光減衰器の構成図であり、（Ａ）は減衰量最小の状態で（Ｂ）は大きい減衰量を与える状態である。１は光を出射する第１の光ファイバ、２は出射した光を反射するミラー、３は反射した光が入射される第２の光ファイバ、４は出射した光をミラーに屈折集光するレンズ、５はミラー２を設置し光軸方向に直動移動する可動部材で、送りねじ（雌ねじ）５ａが加工されている。６はステップモーターで、その出力軸７には送りネジ（雄ねじ）７ａが加工されている。８はハウジング部材で、可動部材５の直動案内手段を兼ねている。９はミラー２とレンズ４との距離を示す。
【０００４】
次に図１を用いて動作を説明する。第１の光ファイバ１から出射した光はレンズ４で屈折してミラー２に到達する。ミラー２で全反射した光は再びレンズ４で屈折して第２の光ファイバ３に入射する。（Ａ）は反射光の光軸と第２の光ファイバ３の光軸が一致している状態で、減衰量が最小となっている。ここでステップモーター６を駆動させると出力軸７の送りねじ７ａから、ミラー２が設置されている可動部材５の送りねじ５ａに動力が伝わり、ハウジング部材８の直動案内手段に沿って可動部材５が直動移動し（Ｂ）の状態となる。これによりミラー２とレンズ４との距離９が変化し、レンズ４で屈折した出射光のミラー２での反射位置が変化し、第２の光ファイバ３の光軸と反射光の光軸がずれることで、光減衰される。ステップモーター６の動作を制御することでレンズ４とミラー２との距離９が可変し、可変光減衰の目的が達成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の可変光減衰器は部品点数が多く、構造が複雑で、また駆動部においては精密な加工精度が必要なために大型で高価であるという問題点がある。
光ファイバーとレンズで構成された構造部は可動部が無く故障しにくいが、構造が複雑で可動部がある故障率の高いアクチュエータ部、あるいは技術進歩が激しい小型化・小電力化された新しい駆動ユニットの更新等は光ファイバーとレンズを含めた可変光減衰器全部の交換になり保守費用が高額になるという問題もある。
【０００６】
またステップモーターは消費電力が大きく、熱も発生し、駆動するための電気回路が必要であるという問題点もある。
【０００７】
本発明の目的はこのような問題点を解決し、新しい駆動原理に基づく超小型の可変光減衰器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
少なくとも、
光を出射する第１の光ファイバと、
半導体基板に、平面状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支するトーションバーとを一体形成し、前記可動板の少なくとも一方の面に前記第１の光ファイバから出射された光を反射するミラーを形成し、少なくとも一方の面に電流を印加すると磁界を発生する平面コイルを形成したプレーナ型電磁アクチュエータチップと、
前記第１の光ファイバのとなりに配置され、前記ミラーから反射された光を入射する第２の光ファイバと、
前記第１・第２の光ファイバと前記プレーナ型電磁アクチュエータチップの間に配置され、前記第１の光ファイバから出射された光を前記ミラーに屈折集光させるレンズと、
前記プレーナ型電磁アクチュエータチップの前記平面コイル面側に配置され、該プレーナ型電磁アクチュエータチップに磁界を作用させる１個の永久磁石と、
前記第１・第２の光ファイバと前記レンズを位置決め固定する第１の固定部材と、
前記プレーナ型電磁アクチュエータチップと前記永久磁石を位置決め固定する第２の固定部材と、
少なくとも２つのリード線を有する端子と、
カバー部材を具備し、
前記第１の固定部材と前記第２の固定部材と前記端子と前記カバー部材で筒状空間を形成し、該筒状空間の第１の固定部材側から順に第１・第２の光ファイバ、レンズ、プレーナ型電磁アクチュエータチップ、永久磁石、端子を配置した可変光減衰器とする。
さらに、前記第１の固定部材で位置決め固定された前記第１の光ファイバ、前記第２の光ファイバ、前記レンズからなるユニットを光学モジュールとし、また前記第２の固定部材と前記端子と前記カバー部材で筒状空間を形成し、該筒状空間の固定部材側からプレーナ型電磁アクチュエータチップ、永久磁石の順で配置・固定されたユニットをアクチュエータモジュールとし、前記光学モジュールと前記アクチュエータモジュールを接合する構造とした可変光減衰器とする。
前記永久磁石は前記プレーナ型電磁アクチュエータチップのトーションバーの軸方向と直角方向に磁界を作用させるためのもので、該永久磁石の磁界作用面と該プレーナ型電磁アクチュエータチップ面が平行かつ接触しない直近に配置する。
【０００９】
前記永久磁石の磁界が拡散するのを防止し、磁界を効率よく作用させるために該永久磁石の両極面に一対のヨークを備える構成とする。
【００１０】
前記プレーナ型電磁アクチュエータチップを搭載し、かつ前記平面コイルとの電気的導通を得るための基板を備える構成とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の可変光減衰器の実施の一形態を示す構成図であり、（Ａ）は減衰量最小の状態で、（Ｂ）は大きい減衰量を与える状態を示す。１１は光を出射する第１の光ファイバ、１２はプレーナ型電磁アクチュエータチップで、１２ａは該プレーナ型電磁アクチュエータチップと一体形成された、回転動作する可動板であり、一方の面には第１の光ファイバ１１から出射された光を全反射するミラー（不図示）形成されており、他方の面には電流を印加すると磁界を発生する平面コイル（不図示）が形成されている。１３は可動板１２ａのミラーから反射された光を入射する第２の光ファイバで、第１の光ファイバ１１のとなりに好ましくは平行に配置されている。１４は第１・第２の光ファイバ１１・１３とプレーナ型電磁アクチュエータチップ１２の間に配置されたレンズで、第１の光ファイバ１１から出射された光を可動板１２ａのミラーに集光するように屈折させ、さらに該ミラーで反射した光を第２の光ファイバ１３の光軸と好ましくは平行になるように屈折させる。１５は永久磁石で、可動板１２ａの平面コイル側に磁界を作用させるように配置されている。１６は第１・第２の光ファイバ１１・１３とレンズ１４を位置決め固定する第１の固定部材で、１７はプレーナ型電磁アクチュエータチップ１２と永久磁石１５を位置決め固定する第２の固定部材である。１８は外部から電流を供給する端子で、たとえばリード線１８ａにより可動板１２ａの平面コイルと電気的に導通している。１９は内部を保護するカバー部材で、第１・第２の固定部材１６・１７と端子１８とで筒状空間を形成している。
【００１２】
次に動作を説明する。可動板１２ａは一体形成されている平面コイルに電流を印加すると、永久磁石１５の磁界と関連して電磁力が発生し、回転動作する。印加する電流値を制御することにより回転角度が可変する構造である。図２の（Ａ）は電流が印加されていない状態で、可動板１２ａのミラーは第１・第２の光ファイバ１１・１３の光軸に対して正面を向いている。第１の光ファイバ１１から出射した光はレンズ１４を介して屈折集光して可動板１２ａのミラーに到達する。ミラーによって反射した光は再びレンズ４で屈折して第２の光ファイバ１３に入射する。反射光の光軸と第２の光ファイバの光軸が一致する状態で組まれているので減衰量が最小となっている。（Ｂ）は電流を印加した状態で、可動板１２ａのミラーが傾いた状態である。反射光はミラーが傾いたことにより反射角度がずれて、第２の光ファイバ１３の光軸と反射光の光軸がずれる。これにより光減衰が行われる。印加する電流値を制御し、ミラーの回転角度を可変することで、可変光減衰の目的が達成されている。
【００１３】
本発明の構成のように筒状空間に構成部品を一列に配置することで、断面積の小型化が実現出来ている。本実施の形態では直径約５ｍｍの円筒形状としているが、その他の断面形状でも可能である。また、わずかな電流で動作するものとなっている。なお、本実施の形態ではミラーを形成する面と平面コイルを形成する面が異なる面となっているが、同一面に形成しても良く、ミラーまたは平面コイルを両面に形成しても良い。
【００１４】
さらに本実施の形態では、第１の固定部材１６で位置決め固定された第１の光ファイバ１１、第２の光ファイバ１３、レンズ１４からなるユニットを光学モジュール１０ａとし、また第２の固定部材１７と端子１８とカバー部材１９で筒状空間を形成し、該筒状空間の固定部材側からプレーナ型電磁アクチュエータチップ１２、永久磁石１５の順で配置・固定されたユニットをアクチュエータモジュール１０ｂとし、光学モジュール１０ａとアクチュエータモジュール１０ｂを接合する構造とした。また接合方法は図２（Ａ）、図２（Ｂ）の如く、光学モジュール１０ａ内の第１の固定部材１６とアクチュエータモジュール１０ｂ内の第２の固定部材１７は光の入出射側面同士を向かい合わせ、第１の光ファイバー１１及び第２の光ファイバー１３と可動板１２ａとの光軸位置合わせを行った後、ジグ等で容易に取り外し可能である抵抗溶接により光学モジュール１０ａ内の第１の固定部材１６とアクチュエータモジュール１０ｂ内の第２の固定部材１７は接合固定されている。
各モジュールごとに組み立てを行うことで組み立てが容易となり、また各モジュール単体で動作試験を行うことで不良品を完成体にする前に排除することが可能になり、組み立てコストを低減することに寄与している。
光学モジュールは光ファイバーと屈折集光レンズで構成されているため可動部が無く故障しにくいが、アクチュエータモジュールは可動部があるため構造が複雑で光学モジュールに比し故障率が高い。またアクチュエータモジュールの技術進歩が激しいため、より小型なものへの更新もある中で、光学モジュールとアクチュエータモジュールを接合構造とすることにより該モジュール同士がジグ等で容易に分離可能となり必要なモジュールのみ交換可能なためメンテナンス費用の削減にも寄与できる。
【００１５】
次にアクチュエータユニットについて詳しく説明する。図３は本発明の可変光減衰器のアクチュエータユニットの駆動部の構成を示す斜視図である。２１はプレーナ型電磁アクチュエータチップである。２２は可動板であり、２３、２４は可動板２２を保持しているトーションバーである。可動板２２の一方の面には通電により磁界を発生する平面コイル（不図示）が敷設されており、もう一方の面にはその全面にミラー（不図示）が設けられている。２２から２４はシリコン基板より一体形成されており、プレーナ型電磁アクチュエータチップ２１を構成している。２５は永久磁石で、２６、２７はその両極に接合されているヨークである。永久磁石２５は、その磁界方向がトーションバー２３、２４の軸方向と直角になるように、かつプレーナ型電磁アクチュエータチップ２１と磁界作用面が平行になるように配置する。更に、可動板２２が必要角度まで回転した際でも接触しない直近に永久磁石２５を設置する。今回の実施の形態においては、プレーナ型電磁アクチュエータチップ２１と永久磁石２５の間隔は０．１ｍｍとした。
【００１６】
この状態で平面コイルに電流を印加すると、永久磁石２５の磁界と関連して電磁力が発生し、トーションバー２３、２４のバネ力と回転力が平衡する角度まで、可動板２２がトーションバー２３、２４を軸として回転する。電流値を制御することにより回転角度を可変することができる。
【００１７】
可動板２２を効率よく動作させるために、永久磁石による磁束密度はより高い方が望ましい。図４は永久磁石とヨークで構成される磁気回路を示す説明図である。３１が永久磁石、３２、３３がヨークである。（Ａ）は永久磁石３１のみの場合で、図のような磁界状態となり磁束密度が粗く湾曲している。（Ｂ）は永久磁石３１の両極にヨーク３２、３３を設けた図で永久磁石３１とヨーク３２、３３の端面は同一平面である。この場合図のような磁界状態となり磁束密度が細かくなり、方向も平行に近くなり効率が上がる。（Ｃ）は永久磁石３１の端面よりヨーク３２、３３が突出した状態である。この場合の磁界は図のように平行になり、磁束密度も最密となり、効率は更に良くなる。設計的には（Ｃ）の形態が望ましいが、この場合互いのヨーク間にチップを配置する必要があり磁気回路が大型化してしまうため、今回の実施の形態においては（Ｂ）の形態を採用している。
【００１８】
図５はプレーナ型電磁アクチュエータチップと基板の構成を示す斜視図である。４１がプレーナ型電磁アクチュエータチップ、４２が基板である。基板４２には電気的導通を得るためのパターン４３が形成されている。プレーナ型電磁アクチュエータチップ４１はシリコン基板製のため、外部から直接電気的導通を得ることが困難である。そこで基板４２と接合させて、プレーナ型電磁アクチュエータチップ上のパターンと基板上のパターン４３の間をワイヤー４４により電気的導通を得る。外部からの電気的導通はパターン４３を介して、たとえばリード線のはんだ付けにより行う。
【００１９】
図６は、本発明の可変光減衰器のアクチュエータユニットのパッケージングの実施の一形態を示す斜視図である。５１は基板と接合されたプレーナ型電磁アクチュエータチップで、５２はヨーク一体の永久磁石である。５３はプレーナ型電磁アクチュエータチップ５１と永久磁石５２を位置精度よく設置させるための位置決め固定部材である。５４は内部を保護するためのカバー部品で、５５は外部から電流を供給するためのリード線を有する端子である。プレーナ型電磁アクチュエータチップ５１の基板パターンと端子５５のリード線を、たとえば導電性ワイヤーのはんだ付けにより導通を得る。５３、５４、５５部品の材質は非磁性材料とする。５１から５５の部品は例えば接着剤によりそれぞれ接合される。本構成により、一つのデバイス部品として完成したアクチュエータユニット５６となる。今回の実施の形態においては円筒形としているが、その他の形状でも可能である。本実施の形態では円筒の直径が約５ｍｍ、長さ約８ｍｍの小型化を実現している。
【００２０】
本発明の実施の形態におけるアクチュエータユニットは、本出願人により提案されたプレーナ型電磁アクチュエータ（特願２００２−３１６０５６）の技術を応用したものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の様に可変光減衰器の構成部品の点数を少なくし、構造を単純化することで、安価な可変光減衰器を提供することが可能となった。
【００２２】
また、本発明の様に構成部品を筒状空間に一列に配置することで、断面形状の小型化が実現できている。これにより、可変光減衰器を小スペースの中に多数個を並列に実装することが可能となっている。
【００２３】
また、本発明の可変光減衰器はわずかな電流で動作が可能なので省電力となり、発熱も少なく、ステップモーターを駆動させるような電気回路も必要としないものとなっている。
さらに光学モジュールとアクチュエータモジュールを別体として接合することにより該モジュール同士がジグ等で容易に分離可能になり、必要なモジュールのみ交換可能になり、メンテナンス費用の低減が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の可変光減衰器の構造を示し、（Ａ）は減衰量最小の状態、（Ｂ）は大きい減衰量を与える状態を示す構成図。
【図２】本発明の可変光減衰器の実施の一形態を示し、（Ａ）は減衰量最小の状態、（Ｂ）は大きい減衰量を与える状態を示す構成図。
【図３】本発明の可変光減衰器のアクチュエータユニットの駆動部の構成を示す斜視図。
【図４】永久磁石とヨークで構成される磁気回路を示す説明図。
【図５】プレーナ型電磁アクチュエータチップと基板の構成を示す斜視図。
【図６】アクチュエータユニットのパッケージングの実施の一形態を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 第１の光ファイバ
２ ミラー
３ 第２の光ファイバ
４ レンズ
５ 可動部材
５ａ 送りねじ（雌ねじ）
６ ステップモーター
７ 出力軸
７ａ 送りねじ（雄ねじ）
８ ハウジング部材
９ ミラー２とレンズ４の距離
１０ａ 光学モジュール
１０ｂ アクチュエータモジュール
１１ 第１の光ファイバ
１２ プレーナ型電磁アクチュエータチップ
１２ａ 可動板
１３ 第２の光ファイバ
１４ レンズ
１５ 永久磁石
１６ 第１の固定部材
１７ 第２の固定部材
１８ 端子
１８ａ リード線
１９ カバー部材
２１ プレーナ型電磁アクチュエータチップ
２２ 可動板
２３ トーションバー
２４ トーションバー
２５ 永久磁石
２６ ヨーク
２７ ヨーク
３１ 永久磁石
３２ ヨーク
３３ ヨーク
４１ プレーナ型電磁アクチュエータチップ
４２ 基板
４３ パターン
４４ ワイヤー
５１ 基板と接合されたプレーナ型電磁アクチュエータチップ
５２ ヨーク一体の永久磁石
５３ 位置決め固定部材
５４ カバー部材
５５ 端子
５６ 完成したアクチュエータユニット

Claims (4)

1. 少なくとも、
   光を出射する第１の光ファイバと、
   半導体基板に、平面状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支するトーションバーとを一体形成し、前記可動板の少なくとも一方の面に前記第１の光ファイバから出射された光を反射するミラーを形成し、少なくとも一方の面に電流を印加すると磁界を発生する平面コイルを形成したプレーナ型電磁アクチュエータチップと、
   前記第１の光ファイバのとなりに配置され、前記ミラーから反射された光を入射する第２の光ファイバと、
   前記第１・第２の光ファイバと前記プレーナ型電磁アクチュエータチップの間に配置され、前記第１の光ファイバから出射された光を前記ミラーに屈折集光させるレンズと、
   前記プレーナ型電磁アクチュエータチップの前記平面コイル面側に配置され、該プレーナ型電磁アクチュエータチップに磁界を作用させる１個の永久磁石と、
   前記第１・第２の光ファイバと前記レンズを位置決め固定する第１の固定部材と、
   前記プレーナ型電磁アクチュエータチップと前記永久磁石を位置決め固定する第２の固定部材と、
   少なくとも２つのリード線を有する端子と、
   カバー部材を具備し、
   前記第１の固定部材と前記第２の固定部材と前記端子と前記カバー部材で筒状空間を形成し、該筒状空間の第１の固定部材側から順に第１・第２の光ファイバ、レンズ、プレーナ型電磁アクチュエータチップ、永久磁石、端子を配置したことを特徴とする可変光減衰器。
2. 少なくとも、
   光を出射する第１の光ファイバと、
   半導体基板に、平面状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支するトーションバーとを一体形成し、前記可動板の少なくとも一方の面に前記第１の光ファイバから出射された光を反射するミラーを形成し、少なくとも一方の面に電流を印加すると磁界を発生する平面コイルを形成したプレーナ型電磁アクチュエータチップと、
   前記第１の光ファイバのとなりに配置され、前記ミラーから反射された光を入射する第２の光ファイバと、
   前記第１・第２の光ファイバと前記プレーナ型電磁アクチュエータチップの間に配置され、前記第１の光ファイバから出射された光を前記ミラーに屈折集光させるレンズと、
   前記プレーナ型電磁アクチュエータチップの前記平面コイル面側に配置され、該プレーナ型電磁アクチュエータチップに磁界を作用させる１個の永久磁石と、
   前記第１・第２の光ファイバと前記レンズを位置決め固定する第１の固定部材と、
   前記プレーナ型電磁アクチュエータチップと前記永久磁石を位置決め固定する第２の固定部材と、
   少なくとも２つのリード線を有する端子と、
   カバー部材を具備し、
   前記第１の固定部材で位置決め固定された前記第１の光ファイバ、前記第２の光ファイバ、前記レンズからなるユニットを光学モジュールとし、さらに前記第２の固定部材と前記端子と前記カバー部材で筒状空間を形成し、該筒状空間の固定部材側からプレーナ型電磁アクチュエータチップ、永久磁石の順で配置・固定されたユニットをアクチュエータモジュールとし、前記光学モジュールと前記アクチュエータモジュールを接合する構造とすることを特徴とする可変光減衰器。
3. 前記永久磁石の両極面に、一対のヨークを備えることを特徴とする請求項１または２記載の可変光減衰器。
4. 前記プレーナ型電磁アクチュエータチップを搭載し、かつ該チップの平面コイルと電気的導通を得るための基板を備えることを特徴とする請求項１または２記載の可変光減衰器。

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