JP2004318134A - プッシャ・モードで圧電駆動される液体金属光スイッチのための方法および構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 設置面積の小さい光スイッチを提供する。
【解決手段】 複数の光導波路１７０に結合されたチャネル２８５は、チャネル層１２０に収容される。チャネル２８５内の複数の封止ベルト２０３はチャネル層１２０に結合され、圧電素子２４５は膜２９５に結合される。膜２９５は、作動流体充填室２９０に結合される。複数の封止ベルト２０３は、チャネル２８５内に充填されている液体金属と親和性を有する。圧電素子２４５が作動すると、膜２９５がたわむ。膜２９５のたわみは、作動流体２５０の圧力を変化させる。作動流体２５０の圧力が変化すると、作動流体２５０がバイア２７０を介してチャネル２８５内に流入し、複数の封止ベルト２０３間の液体金属の接続が断たれる。その結果、１個または複数の光導波路１７０が遮断されるか、または遮断が解除される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に電子装置およびシステムに関し、特に光スイッチ技術に関する。

リレーまたはスイッチは、光信号を第１の状態から第２の状態に変更するために使用される。一般に、２種類以上の状態が存在する。スイッチの小さい幾何学的形状、または狭い領域内に多数のスイッチを必要とする用途では、半導体製造技術を使用して、設置面積が小さいスイッチを形成することができる。半導体スイッチは、工業用機器、電気通信機器、およびインクジェットプリンタなどの電子機械装置の制御など、様々な用途に使用される。

スイッチ用途では、圧電技術の用途は、スイッチを作動させるために用いられる。圧電材料は、いくつかの独特な特性を有する。圧電材料は、印加される電圧に対応して膨張または収縮させることができる。これは、間接的な圧電効果として公知である。膨張または収縮の量、膨張または収縮によって生じる力、および連続的な収縮間の時間量は、特定の用途における圧電材料の用途に影響する重要な材料特性である。圧電材料は直接的な圧電効果も示し、電界は、印加された力に応じて生成される。この電界は、複数の接点が圧電材料に適切に結合された場合に電圧に転換される。間接的な圧電効果は、スイッチ素子内でスイッチを切ったり入れたりするのに役立ち、直接的な圧電効果は、印加された力に応じてスイッチ信号を生成するのに役立つ。

本発明の課題は、小型で設置面積が小さくて済む光スイッチを提供することにある。

光スイッチのための方法および構造を開示する。本発明の構造によると、複数の光導波路に結合された液体充填室は、固体材料内に収容される。液体充填室内の封止ベルトは固体材料に結合され、圧電素子は複数の膜に結合される。複数の膜は、液体充填室に結合される。複数の封止ベルトは、液体金属の複数の小滴に結合される。本発明の方法によると、圧電素子が作動すると、膜素子がたわむ。膜素子のたわみは、作動流体の圧力を変化させ、アクチュエータの圧力が変化すると、第１の封止ベルトと第２の封止ベルトとの間の液体金属の接続が断たれ、その結果、１個または複数の光導波路が遮断されるか、または遮断が解除される。

新規であると考えられる本発明の特徴は、特に、添付の特許請求の範囲に記載する。しかし、本発明自体は、動作の構成および方法、並びにその目的および利点の両方の点で、以下の本発明の詳細な説明を参照すると最も良く分かり、以下の説明は、添付の図面に関連して本発明の特定の例示的な実施態様について説明する。

本発明は、多くの異なる形態の実施態様が可能だが、本明細書では、特定の実施態様について図示し、詳細に説明するのであり、本明細書の開示事項は、図示して説明する特定の実施態様に本発明を限定することを意図するものではない。以下の説明では、類似の参照符号は、同一であるか、類似するか、または対応する部品を各図面のいくつかの図で説明するために使用する。

液体金属スイッチは、複数の層を用いて表現されるが、複数の層は、液体金属スイッチの製造時に形成される。

図１を参照すると、本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の側面図１００が示されている。プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５は、上部のキャップ層１１０と、チャネル層１２０と、バイア層１３０と、室層１４０と、作動流体貯槽層１５０と、圧電基板層１６０と、光導波路１７０とを備える。本発明の特定の実施態様では、キャップ層１１０はチャネル層１２０に結合され、チャネル層１２０はバイア層１３０に結合され、バイア層１３０は室層１４０に結合され、室層１４０は作動流体貯槽層１５０に結合され、作動流体貯槽層１５０は圧電基板層１６０に結合され、光導波路１７０は、キャップ層１１０およびチャネル層１２０のうちの１つまたは複数に結合される。圧電基板層１６０は、複数の回路トレースをさらに備え得るが、この複数の回路トレースは、図１に示されない。図１に示される層のうち、１つまたは複数の層は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく結合することができる。本発明の特定の実施態様では、キャップ層１１０、チャネル層１２０、バイア層１３０、室層１４０および作動流体貯槽層１５０は、ガラス、セラミック、複合材料およびセラミックコートされた材料のうちの１種類または複数種類のから構成される。

図２を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の断面図２００は、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。断面図２００は、複数の光導波路１７０をどのようにチャネル２８５および複数の封止ベルト２０３に結合するかを示す。複数の封止ベルト２０３は、カプセル材２７５およびチャネル層１２０にさらに結合される。本発明の特定の実施態様では、カプセル材２７５は、不活性の機械的に安定した急速硬化接着剤、たとえばＵＶ硬化型エポキシ樹脂またはアクリル樹脂から構成される。本発明の特定の実施態様では、複数の封止ベルト２０３は、チャネル２８５内に含まれる液体金属と接続され、その結果、１個または複数の光導波路１７０を遮断するように動作可能である。チャネル２８５は、複数のバイア２７０にさらに結合される。複数のバイア２７０はバイア層１３０内にあり、作動流体２５０がチャネル２８５に入るための経路を提供するように構成可能であり、作動流体２５０は、作動流体貯槽層１５０および室層１４０の室２９０内に配置される。

室２９０は、複数の膜２９５にさらに接続される。本発明の特定の実施態様では、複数の膜２９５は室層１４０内に配置される。複数の膜２９５は、作動流体貯槽層１５０の複数の貯槽にさらに接続され、複数の第１接点２３０にさらに接続される。複数の第１接点２３０および複数の第２接点２４０は、対応する複数の圧電素子２４５を作動させるように構成可能である。本発明の特定の実施態様では、複数の第１接点２３０および複数の第２接点２４０は、複数の誘電素子２３５により絶縁される。複数の第１接点２３０および複数の第２接点２４０は、圧電基板層１６０を通って（貫通して）複数の第１接点２３０および複数の第２接点２４０を延在させることにより、さらに外部からアクセスすることが可能である。

次に、図３を参照すると、キャップ層１１０を取り外した状態のプッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の上面３００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。上面３００は、チャネル層１２０が複数の光導波路１７０に結合され、複数の光導波路１７０の各光導波路はカプセル材２７５と結合される。チャネル２８５は、チャネル層１２０に結合（チャネル層１２０内に形成）され、複数の封止ベルト２０３、液体金属３２０、複数のバイア２７０を備える。本発明の特定の実施態様では、液体金属３２０は、ある特定の時点において、複数の封止ベルト２０３の２本を接続（ｃｏｕｐｌｅ）する。水銀またはガリウム合金などの液体金属３２０は、減摩潤滑剤として作用する。本発明の特定の実施態様では、複数のバイア２７０は、対応する複数の光導波路１７０と同一線上にある。複数の封止ベルト２０３は、図３に示すように複数の光導波路１７０の間に配置される。２個の光導波路および３個の封止ベルトを図３に示すが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、より多くの光導波路および封止ベルトを使用できることに留意されたい。図に示すように、バイア層１３０はチャネル層１２０より大きい幅を有する。

次に、図４を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の圧電基板層１６０の上面４００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。上面４００は、複数の第１接点２３０および複数の第２接点２４０の向きを示す。断面図４４５は、複数の第１接点２４０の向きをさらに示す。図４には、充填ポート４５０が示される。充填ポート４５０は、貯槽層の貯槽に作動流体２５０を充填するために使用するように動作可能である。本発明の特定の実施態様では、作動流体２５０は、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の組立時に充填され、その後充填ポート４５０は封止される。本発明の特定の実施態様では、作動流体２５０は、不活性で低粘度の高沸点流体、たとえば３Ｍのフロリナート（登録商標）からなる。貯槽を充填するということに関して、貯槽に作動流体２５０を完全には充填しないという概念を含み、流体の量は、スイッチの作動を可能にするのに十分な量でなければならない。

図５を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の作動流体貯槽層１５０の上面５００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。作動流体貯槽層１５０は、複数の流体室（貯層）５２０、５３０を備える。本発明の特定の実施態様では、複数の流体室（貯層）５２０、５３０は、上面５００に矩形の幾何学的形状を有するが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、円形、方形など、その他の幾何学的形状を使用することができる。断面図５１０も、図５に示す。

次に、図６を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の室層１４０の上面６００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。図６は、室層１４０に接続された複数の膜２９５の向き、および対応する複数の流体ポート６１５の位置を示す。室層１４０の複数の矩形領域６２０は、室層１４０の厚さより薄い厚さを有する。複数の流体ポート６１５は、貯槽５２０、５３０からの室２９０用の作動流体２５０の源を提供するように構成可能である。複数の流体ポート６１５の幅（大きさ）は、複数の膜２９５のうち、１枚の膜が急にたわむことによって、複数の流体ポート６１５のうち、１つのポートに入るよりも、より多くの作動流体２５０が、複数のバイア２７０のうち、１つのバイアに入るように選択される。複数の膜２９５に対する複数の矩形領域６２０の向きは、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、図６に示す向きとは異なる向きにすることが可能である。一例として、複数の矩形領域６２０のうち、第１矩形領域、および複数のバイア２７０のうち、第１バイアは、複数の膜２９５のうち、第１膜の長軸上に配置することができる。

次に、図７を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５の室層１４０の底面図７００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。底面図７００は、室層１４０および複数のバイア６１５に対する複数の膜２９５の形状を示す。室層１４０および複数の膜２９５の第２膜の断面図７０５も示す。断面図７０５は、本発明の特定の実施態様では、第２膜は室層１４０内のほぼ中心に配置される。

次に、図８を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５のバイア層１３０の上面８００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。上面８００は、複数の封止ベルト２０３および複数のバイア２７０の相対的な向きを示す。本発明の特定の実施態様では、複数のバイア２７０のうち、第３バイアは、複数の封止ベルト２０３のうちの、２本の封止ベルトの間にある。図８に、バイア層１３０の断面図８０５も示す。断面図８０５は、複数のバイア２７０それぞれに対する封止ベルト２０３の可能な位置を示す。

次に、図９を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５のチャネル層１２０の上面９００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。上面９００は、複数の封止ベルト２０３およびチャネル２８５に対する複数の光導波路１７０およびカプセル材２７５の向きを示す。本発明の特定の実施態様では、複数の封止ベルト２０３は、カプセル材２７５に直結される。側面図９０５は、カプセル材２７５および複数の光導波路１７０が、チャネル層１２０内のＶ形チャネルを使用してチャネル層１２０に結合されていることを示す。Ｖ形チャネルは、複数の光導波路１７０およびカプセル材２７５を収容するのに十分な深さを有する。

次に、図１０を参照すると、プッシャ・モードの液体金属光スイッチ１０５のキャップ層１１０の底面図１０００が、本発明の特定の実施態様に基づいて示されている。底面図１０００は、複数の封止ベルト２０３を備えた状態で示されている。

本発明の特定の実施態様は、複数の圧電素子２４５の作動により、複数の膜２９５に対する作動流体２５０の与圧を使用して、液体金属３２０を複数の封止ベルト２０３のうちの第１湿潤封止ベルトから、複数の封止ベルト２０３のうちの第２湿潤封止ベルトに駆動し、その結果、複数の光導波路１７０の１個または複数の光導波路を遮断するか、または遮断を解除して、液体金属光スイッチ１０５の状態を変更する。液体金属光スイッチ１０５は、複数の封止ベルト２０３のうちの１本または複数の封止ベルトの湿潤、および液体金属３２０の表面張力によりラッチし、その結果、液体金属３２０は安定位置を保つ。本発明の特定の実施態様では、複数の光導波路１７０は、複数の光導波路１７０の信号経路の光学的透明度を確保するため、液体金属３２０により湿潤不能な面を有する。上記の方法は、プッシャ・モードの複数の圧電素子２４５を使用する。本発明の特定の実施態様では、液体金属光スイッチ１０５の電力消費量は、液体金属３２０を新たな位置に推進するために加熱ガスを使用する装置に比べて非常に少ない。なぜなら、複数の圧電素子２４５は、エネルギーを散逸するのではなく、エネルギーを蓄えるからである。複数の圧電素子２４５のうちの１個または複数は、プルおよびプッシュのために使用できるので、膨張ガスの推進（プッシュ）効果によってのみ駆動されるアクチュエータでは得られない二重の作動効果がある。本発明の特定の実施態様では、プッシュ圧電素子およびプル圧電素子を使用すると、液体金属光スイッチ１０５のスイッチ時間を減少させるように動作可能である。一例として、複数の圧電素子２４５のうち、第１圧電素子は、作動流体２５０をプッシュするために使用され、複数の圧電素子２４５のうち、第２圧電素子は、作動流体２５０をプルするために使用される。プッシュおよびプルは、液体金属光スイッチのスイッチ時間が減少するように時間を決めることができる。

液体金属３２０は、液体金属チャネル層１２０のチャネル２８５内に含まれ、複数の封止ベルトパッド２０３のうちの２個と接触する。チャネル２８５内における液体金属３２０の量および位置は、複数の封止ベルトパッド２０３のうち、２個の封止ベルトパッドのみが一度に接続される量および位置である。液体金属３２０は、第１封止ベルトパッドと第２封止ベルトパッドとの間の圧力を増加させることにより、液体金属３２０が破断して、その液体金属の一部が移動し、第２封止ベルトパッドと第３封止ベルトパッドとを結合するようにして、複数の封止ベルトパッド２０３のうち、異なる集合の２個の封止ベルトパッドを接触させるように移動させることができる。液体金属３２０は、複数の封止ベルトパッド２０３を湿潤させ、表面張力により所定の位置に保持されるため、この構成は安定している（すなわち、ラッチされている）。

本発明の特定の実施態様では、作動流体２５０は、液体金属光スイッチ１０５内の残りの空間を充填する不活性かつ非導電性液体である。複数の膜２９５は金属から製造されるが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、ポリマーなど、その他の材料も可能である。室２９０を複数の作動流体貯槽と連通させる複数の流体ポート６１５は、複数のバイア２７０より小さく、高い流体流動速度によって、作動流体の殆どをアクチュエータ作動から、流体貯槽にではなくチャネル２８５に導くことにより、圧力パルスが液体金属３２０を移動させるのを促進するが、低い流体速度によって、液体金属３２０の位置を乱すことなく室２９０を再び満たす（液体金属３２０の位置を乱すことなく、作動流体を室２９０に戻す）ことを可能にする。

本発明について、特定の実施態様について説明したが、当業者にとって、上記の説明を考慮すると、多くの代案、変更、置換および変形が可能であることは明白である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に分類されるこうしたすべての代案、変更および変形を含むことを意図している。

なお、本発明は例として次の態様を含む。（ ）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］ 光スイッチ（１００）のための構造であって：
固体材料（１１０、１２０）内に収容され、作動流体（２５０）を有する室（２８５）と；
前記固体材料に結合された前記室内の複数の封止ベルト（２０３）と；
前記複数の封止ベルトに結合され、前記室に結合された複数の液体金属の小滴（３２０）と；
複数の膜（２９５）に結合された複数の圧電素子（２４５）であって、前記複数の膜が前記室に結合された圧電素子と；
前記室に結合される光導波路（１７０）であって、前記複数の液体金属の小滴により遮断されるか、または遮断が解除されるように構成される光導波路と、
を備えることを特徴とする構造。
［２］ 前記複数の膜が、対応する複数のバイア（２７０）に結合され、前記複数のバイアのうちの１個のバイアが、前記作動流体の流速を増加するように構成されることを特徴とする、上記［１］に記載の構造。
［３］ 光スイッチ（１００）のための構造であって：
圧電基板層（１６０）と；
圧電基板層に結合された作動流体貯槽層（１５０）であって、前記作動流体貯槽層が、複数の圧電作動プッシャ素子（２４５）をさらに備える、作動流体貯槽層と；
前記作動流体貯槽層に結合された室層（１４０）であって、前記室層が、前記複数の圧電作動プッシャ素子に結合された複数の膜（２９５）を備える室層と；
前記室層に結合されたバイア層（１３０）であって、前記バイア層が複数のバイア（２７０）を含む層と；
前記バイア層に結合された液体金属チャネル層（１２０）であって、複数の光導波路（１７０）に結合された液体金属チャネル層と；
前記液体金属チャネル層内に収容された作動流体充填室（２８５）であって、前記作動流体充填室が、複数の封止ベルト（２０３）と接触する液体金属（３２０）の１個または複数の小滴を含み、前記作動流体充填室が、前記複数のバイアにより前記複数の膜に結合され、液体金属の前記１個または複数の小滴が、前記複数の光導波路を遮断するか、または遮断が解除されるように動作可能な作動流体充填室と、
を備えることを特徴とする構造。
［４］ 前記バイア層、作動流体貯槽層、圧電基板層、室層、バイア層および液体金属チャネル層が、ガラス、セラミック、複合材料およびセラミックコートされた材料のうちの１種類または複数種類から構成されることを特徴とする、上記［３］に記載の構造。
［５］ 前記作動流体貯槽層が充填ポート（４５０）をさらに備え、前記充填ポートが、前記作動流体貯槽層の貯槽（５２０）に作動流体を充填するために使用されるように構成されることを特徴とする、上記［３］に記載の構造。
［６］ 前記回路基板層が、複数の回路トレースと、前記複数の圧電素子の１個または複数の作動により生成される１つまたは複数の信号を通すように構成される複数のパッドとをさらに備えることを特徴とする、上記［３］に記載の構造。
［７］ 前記複数の圧電素子が、対応する複数の接点（２３０、２４０）にさらに結合され、前記複数の接点が前記複数の圧電素子を作動させるように構成されることを特徴とする、上記［３］に記載の構造。
［８］ 液体金属スイッチ（１００）を使用して１つまたは複数の光信号を切り換えるための方法であって：
１個または複数の圧電素子（２４５）を作動させることと；
前記１個または複数の圧電素子の作動により、対応する１個または複数の膜素子（２９５）をたわませることと；
前記１個または複数の膜素子のたわみにより、作動流体（２５０）の圧力を変更することと；
前記作動流体の圧力を変化させて、液体金属スイッチの第１の接触部（２０３）と第２の接触部（２０３）との間の液体金属の接続を断ち、その結果、１個または複数の光導波路（１７０）を遮断するか、または遮断を解除することと、
を具備することを特徴とする方法。
［９］ 液体金属の接続が、前記液体金属と、前記第１の接触部と、前記第２の接触部との間の表面張力により維持されることを特徴とする、上記［８］に記載の方法。
［１０］ １個または複数の膜に結合された１個または複数のバイア（２７０）が、前記圧力の増加によって生じる前記作動流体の流速を増加するために使用され、前記増加した流速が、前記液体金属の接続をより迅速に断つように構成されることを特徴とする、上記［８］に記載の方法。

本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチの側面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチの断面図である。 本発明の特定の実施態様による、キャップ層を取り外した状態のプッシャ・モードの液体金属光スイッチの上面図である。 本発明の特定の実施態様による、プッシャ・モードの液体金属光スイッチの圧電基板層の上面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチの作動流体貯槽層の上面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチの室層の上面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチの室層の底面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチのバイア層の上面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチのチャネル層の上面図である。 本発明の特定の実施態様によるプッシャ・モードの液体金属光スイッチのキャップ層の底面図である。

符号の説明

１１０ 固体材料（キャップ層）
１２０ 固体材料（チャネル層）
１３０ バイア層
１４０ 室層
１５０ 作動流体貯槽層
１６０ 圧電基板層
１７０ 光導波路
２０３ 封止ベルト
２３０、２４０ 接点
２３５ 誘電体
２４５ 圧電素子
２５０ 作動流体
２７０ バイア
２７５ カプセル材
２８５ チャネル
２９５ 膜
３２０ 液体金属
４５０ 充填ポート
５２０ 貯槽（流体室）

Claims (1)

1. 光スイッチ（１００）のための構造であって：
   固体材料（１１０、１２０）内に収容され、作動流体（２５０）を有する室（２８５）と；
   前記固体材料に結合された前記室内の複数の封止ベルト（２０３）と；
   前記複数の封止ベルトに結合され、前記室に結合された複数の液体金属の小滴（３２０）と；
   複数の膜（２９５）に結合された複数の圧電素子（２４５）であって、前記複数の膜が前記室に結合された圧電素子と；
   前記室に結合される光導波路（１７０）であって、前記複数の液体金属の小滴により遮断されるか、または遮断が解除されるように構成可能な光導波路と、
   を備えることを特徴とする構造。

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