JP2004318147A - 圧電光ラッチリレーアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】液体金属によりラッチする圧電作動光リレーアレイを提供する。
【解決手段】本発明は、水銀などの液体金属をスイッチング機構およびラッチ機構として使用する光リレーアレイを提供する。本発明は、１つまたは複数のアレイ素子を有する圧電光リレーアレイに関する。アレイ素子は、２つの光経路の交点に配置される透明ミラーハウジングを含む。固体スラグは、圧電素子を作動させることにより、透明ミラーハウジングを突き通すチャネル内で移動する。固体スラグの表面は、液体金属により湿潤されて反射面を形成する。固体スラグは、透明ミラーハウジングの内部または外部で移動して光経路を選択する。固体スラグが透明ミラーハウジング内に存在する時、入力光信号は、液体金属の反射面から反射し、反射しない光信号は透明ハウジングを通過する。液体金属は、チャネル内の湿潤可能な金属の表面にも付着して、ラッチ機構を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光スイッチングリレーに関し、特に、液体金属によりラッチする圧電作動光リレーアレイに関する。

光信号を使用する通信システムは、光スイッチおよびルータの使用を必要とする。光スイッチングに対する初期の取組みは、光信号を電気信号に変換し、電気スイッチまたはルータを使用し、次に光信号に逆変換することだった。より最近では、光リレーが使用されている。光リレーでは、電気制御信号が、光信号のスイッチングまたはルーティングを制御するために用いられる。光リレーは、一般に、移動可能な固体ミラー（solid mirror）を使用するか、または液体中におけるバブル（bubble）の形成を利用することにより、光信号をスイッチする。移動可能なミラーは静電ラッチ機構を使用することができるが、バブルスイッチ（bubble switch）はラッチしない。圧電ラッチリレーは、圧電材料中の残留電荷を使用してラッチするか、またはラッチ機構を含むスイッチ接点を作動させる。

本発明の目的は、液体金属によりラッチする圧電作動光リレーアレイを提供することである。

本発明は、水銀などの液体金属をスイッチング機構およびラッチ機構として使用する光リレーアレイについて説明する。本発明は、１つまたは複数のアレイ素子を有する圧電光リレーアレイに関する。アレイ素子は、２つの光経路の交点に配置される透明ミラーハウジング（transparent mirror housing）を含む。固体スラグ（solid slug）は、圧電素子を作動させることにより、透明ミラーハウジングを通るチャネル内で移動する。固体スラグの表面は、液体金属により湿潤されて反射面を形成する。固体スラグは、透明ミラーハウジングの内部または外部で移動して光経路を選択する。固体スラグが透明ミラーハウジング内に存在する時、入力光信号は、液体金属の反射面から反射し、反射しない光信号は透明ハウジングを通過する。液体金属は、チャネル内の濡れる金属（wettable metal）の表面にも付着して、ラッチ機構を形成する。

新規であると考えられる本発明の特徴について、特に添付の請求の範囲に関して記載する。しかし、本発明自体は、構成および動作方法、並びに目的および利点に関して、本発明の以下の詳細な説明を参照すると最も良く分かるであろう。以下の詳細な説明は、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を説明する。

本発明は、多くの異なる形態の実施態様が可能だが、１つまたは複数の特定の実施態様に関して図示し、本明細書で詳細に説明する。ただし、本発明の開示事項は、本発明の原理の一例と考え、図示して説明する特定の実施態様に本発明を限定する意図はないと考えるべきである。以下の説明では、類似の参照符号は、図面のいくつかの図で同一、類似または対応する部品を説明するために使用する。

本発明は、水銀などの液体金属によりラッチする光リレーに関する。少量の液体が表面を湿潤させると、液体金属の表面張力は液体金属を表面に保持する傾向がある。本発明の特定の実施態様による光リレーでは、湿潤された液体金属は、光経路を遮断するか、または遮断を解除するために使用される。表面張力は、液体金属の位置を維持するためのラッチ機構として使用される。

圧電材料および磁気抵抗材料（以下、「圧電」材料と総称する）は、電界または磁界を与えた時に変形する。

リレーは、圧電素子の縦方向の変形により動作し、拡張モード（extension mode）では、液体金属滴（liquid metal drops）により濡れる固体スラグを変位させ、圧電素子または基板上の少なくとも１個の接触パッドと、少なくとも１個の他の固定パッドとの間で固体スラグを湿潤させて、光経路を遮断する。固体スラグおよび付着した液体金属滴が位置を変える同じ運動によって、光経路は、圧電素子または圧電素子に近接する基板上の固定パッドと接触パッドとの間で遮断が解除される。圧電素子のこうした運動は迅速であり、固体スラグおよび液体金属滴に与えられた運動量により、固体スラグおよび液体金属滴を接触パッド、または作動圧電素子に近接するパッドと接触した状態に保持している、表面張力を克服する。スイッチは、表面張力および液体金属の湿潤により接触パッドにラッチする。固体スラグに付着した液体金属は、光経路内の濡れる金属素子を湿潤させ、その結果、光信号を異なる方向に転換するために使用できるミラー効果を形成することができる。

スイッチは、特定の実施態様では、小サイズにするための超微小機械加工技術を使用して製造される。この実施態様では、スイッチング時間は短時間である。比較すると、圧電駆動サーマルインクジェット印刷ヘッドは数ｋＨｚの点火周波数を有しており、本発明により提供される流体のダイナミクスは、インクジェット印刷ヘッドに比べてはるかに単純である。熱は殆ど生成されない。なぜなら、唯一の熱生成系は、圧電素子、およびスイッチの導体を通る制御電流の通路であるためである。

図１は、本発明の一実施態様による光リレー１００の光層の上面図である。図１を参照すると、光信号は、リレーの左側から入り、リレーを通過し直線経路に沿って伝送されて右側から出て行くか、またはリレーの内部で反射して、図の下部においてリレーから出て行く。断面４−４は、以下で説明する図４に示す。

本発明の超微小機械加工光リレーは、多くの層から構成される。図２は、本発明の一実施態様による光リレー１００の光層の側面図である。このリレーは、上部および下部回路基板２０２および２１８と、上部および下部圧電層２０４および２１６と、上部、中間および下部シールベルト（seal belt、封止ベルト）またはスペーサ層２０６、２１０および２１４と、上部および下部光スイッチング層１０２および２１２とを含む。上部および下部電気コネクタ２２２および２２６は、制御信号のために備えられる。断面３−３は、以下に説明する図３に示す。

図３は、図２に示す光リレー１００の断面３−３を通る断面図である。図３を参照すると、層１０２は、第１入力光経路（導波路）１０３、および第１出力光経路（導波路）１０４を含む。これらの経路は、層を通る直線光経路を形成するように光学的に整列される。第２光出力経路（導波路）１０６は、直線光経路と交差する。動作時、光信号は経路１０３に入り（図の左から）、経路１０４を介してリレーを直接通過するか、または偏向して経路１０６を通ってリレーから出て行く。透明かつ中空の管１０８は、経路１０４および１０６の交点に配置される。透明かつ中空な管（transparent hollow tube）１０８については、以下透明ミラーハウジング（transparent mirror housing）とも記載する。管の軸は、層１０２に実質的に垂直である。三角形の断面以外の形状を有する管を使用することができるが、管の一方の面は、面の垂線が経路１０４と経路１０６との間を二等分するように平坦であり、傾斜させるべきである。図３では、経路は直角であり、面は４５°傾斜する。その他の角度は、本発明を逸脱せずに使用することができる。固体スラグ材１１０は、透明管１０８を通過するチャネル内に配置され、チャネルに沿って軸方向に自由に摺動する。チャネル内には、液体金属１１２も含まれる。両端以外の固体スラグ１１０の表面は、液体金属により湿潤可能であるから、表面張力により、液体金属はスラグの表面と接触した状態を保持する。透明管１０８が光層を通過する場所では、透明管１０８の隅には濡れる金属（wettable metal）（または金属コーティング）が充填される。３つの隅のうちの１つにおける濡れる金属１１４を図３に示す。液体金属は、液体金属を管の隅にある濡れる金属に引き寄せる表面張力により、スラグの表面全体に吸引される。したがって、液体金属の表面は平坦であり、非常に反射性である。チャネル１０３に入る光信号は、液体金属の表面から反射し、チャネル１０６を通ってリレーから出て行く。固体スラグ１１０が光信号の経路から出て行く時、光信号は、透明管を通過し、チャネル１０４を通ってリレーから出て行く。動作時、固体スラグ１１０は、チャネルに沿って透明管を通って軸方向に移動する。チャネル内で変位する気体は、チャネルの一方の端部から通気孔１１６を介して他方
の端部に流れることができる。任意に、第２の光入力経路１０７を組み込むと、アレイ内の光リレーの結合を促進することができる。

図４は、図１の断面４−４に沿った断面図を示す。光リレー１００は、超微小機械加工により形成される多数の層から構成される。上部回路層２０２は、導電性バイア（vias、穴）および電気相互接続パッド２２２を含む。スペーサ層２０４は、圧電素子２２０を備える。圧電素子２２０は、透明管（ミラーハウジング）１０８の軸に平行な拡張モードで移動するように構成される。電気駆動信号は、導電性バイアおよび電気相互接続パッド２２２を通って圧電素子２２０に供給される。上部シールベルト層２０６は、透明管１０８の上端を保持する。この層では、透明管は、濡れる金属１１４で裏打ちされる。好ましくは、濡れる金属は、透明管の内面全体を被覆して、シールベルトまたは接点を形成する。別の実施態様では、透明管は、シールベルト層内に延在せず、濡れる金属は層の基板に適用される。さらに他の実施態様では、濡れる金属は圧電素子の表面に適用される。固体スラグが、図４に示すように透明管の上部にある場合、液体金属１１２は、固体スラグ１１０とシールベルトとの間の隙間を充填する。その結果、表面張力は固体スラグを所定の位置に保持し、固体スラグが、透明管を通過するチャネル内で移動するのを防止する。濡れる表面と液体金属との組合せは、リレーのラッチ機構を提供する。通気孔（図３の１１６）は、シールベルト層２０６内に開放している。第１光層１０２は、透明管１０８が通過する光経路を含む。中間のシールベルト層２１０は、透明管１０８の中間を保持する。この層では、透明管は、濡れる金属１１４で裏打ちされて、追加のラッチ機構を提供する。スペーサ層２１２は、追加の光経路を任意に含むことができる。下部シールベルト層２１４は、上部シールベルト層と同様に機能する。下部シールベルト層は、固体スラグ１１０が透明管１０８の下端に移動する時に、下部シールベルト１１４を介して追加のラッチを提供する。下部スペーサ層２１６および下部回路層２１８は、それぞれ対応する上部層２０４および２０２と同様に機能する。

図５は、光リレー素子の矩形グリッドを含む光リレーアレイの光層を通る断面を示す。図５に示す実施態様は９個の素子を有するが、その他のサイズのアレイを使用しても良い。この光リレーアレイは、３個の入力光経路１０３と、３個の第１出力光経路１０４とを有し、これらの光経路は、層を通る３個の直線光経路を共同で形成する。さらに、３個の第２出力光経路１０６は、３個の直線光経路に交差するように形成される。透明ミラーハウジング１０８は、９個の交点の各々に位置する。特定の実施態様によると、筐体は、好ましくは三角形の断面を有する。濡れる金属１１４は、透明ミラーハウジング１０８の隅を充填する。濡れる金属１１４は、筐体の平面の両側に位置する。各筐体の付近には、光層１０２を通過する圧力除去通気孔１１６が存在する。入力光経路１０３の１個においてリレーに入る入力光信号は、湿潤したスラグを入力光経路と出力光経路との交点に配置することにより、第２出力光経路の１個に経路指定される。湿潤したスラグの反射面は、光信号を第２出力光経路に沿って偏向する。あるいは、湿潤したスラグが存在しない場合、入力光信号は透明ミラーハウジング１０８を通過し、対応する出力光経路１０４を通ってリレーから出て行く。

図６は、光リレーアレイの上部シールベルト層２０６の一実施態様の略図である。この層は、湿潤したスラグが通過する９個の三角形孔４０２のアレイを含む。各孔は、濡れる金属シールベルトまたは接点１１４で裏打ちされる。透明ミラーハウジングは、図４に示すように、濡れる金属が透明ミラーハウジングの内部を裏打ちするシールベルト層を通過する。再び図６を参照すると、各々の孔４０２は、チャネル４０４により圧力除去通気孔１１６に結合する。チャネル４０４は、気体が孔と通気孔との間に流れることを可能にする。中間のシールベルト層２１０は類似の構造を有するが、チャネル４０４を備えない。下部シールベルト層２１４も類似の構造だが、チャネルが層の下面にある点が異なる。

図７は、光リレーアレイの上部回路層の図である。電気導体の相互接続パッド２２２は、層の上部に位置し、アレイの圧電素子を制御する電気信号にリレーを容易に接続することができる。図８は、図７の断面８−８を通る断面図である。この図は、導体がどのように回路層内のバイアを通過して、圧電素子２２０に結合するかを示す。電気導体は、圧電素子の上面および下面に結合し、圧電素子全体に電位を供給するように作用する。下部回路層２１８は、類似の構造を有する。

光リレーアレイのスペーサ層の一実施態様を図９に示す。スペーサ層は、湿潤したスラグが通過する孔７０２のアレイを含む。これらの孔は、他の層の対応する孔と整列して、チャネルを形成する。このチャネルは、濡れるスラグが層を通過して、直線光経路を遮断または遮断解除することを可能にする。

図１０は、図６に示す光リレーアレイの断面１０−１０を通る断面図である。この断面は、圧力除去通気孔１１６を垂直に通り、圧力除去通気孔がどのように透明ミラーハウジング１０８の内部に対して開放しているかを示す。光層１０２内の開口部８０２、および層内の他の対応する開口部は、入力光経路と出力光経路との交点に見られる。開口部８０４は、スペーサ層２１４にある任意の下部光経路内の対応する交点に存在する。分かりやすくするために、固体スラグおよび電気導体は図１０に示さない。圧力除去通気孔１１６は、固体スラグが管内で移動する時に、気体が中空管の一方の端部から他方の端部を通過することを可能にする。圧力除去通気孔１１６は、気体が通気孔に押しやられる時の固体スラグの運動を抑制する機能も果たす。

本発明について、特定の実施態様に関連して説明したが、多くの代案、変更、置換および変形は、当業者が上記の説明を考慮すると明白である。したがって、本発明は、添付の請求の範囲内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する。

本発明の特定の実施態様による光リレーの光層の上面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーの光層の側面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーの光層の断面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーの断面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーアレイの光層の断面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーアレイのシールベルト層の上面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーアレイの上部回路層の図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーアレイの上部回路層の断面図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーアレイのスペーサ層の図である。 本発明の特定の実施態様による光リレーのさらに他の断面図である。

符号の説明

１０２ 上部光経路層
１０３ 入力光経路、入力光導波管
１０４ 第１出力光経路、第１光導波管
１０６ 第２出力光経路、第２出力光導波管
１０８ ミラーハウジング
１１０ 固体スラグ
１１４ 金属塗膜
１１６ 通気孔
２０４ 上部スペーサ層
２０６ 上部シールベルト層
２１０ 中間シールベルト層
２１２ 中間スペーサ層
２１４ 下部シールベルト層
２１６ 下部スペーサ層
２１８ 下部回路層
２２０ 第１圧電アクチュエータ、第１圧電素子
２２２ 電気コネクタの第１のペア
２２４ 第２圧電アクチュエータ
２２６ 電気コネクタの第２のペア

Claims (10)

1. 圧電光ラッチリレーアレイであって、
   複数の入力光経路と、
   前記複数の入力光経路に光学的に整列されて、複数の直線光経路を形成する複数の第１出力光経路と、
   複数の交点で前記複数の入力光経路と交差する複数の第２出力光経路と、
   前記複数の交点の各交点におけるアレイ素子と、を有し、
   該アレイ素子は、
   透明ミラーハウジングと、
   前記透明ミラーハウジングを通るチャネル内に移動可能に配置され、液体金属で濡れる平面を有する固体スラグと、
   前記固体スラグの平面を覆い反射面を形成する液体金属と、
   前記複数の直線光経路のうち任意の直線光経路を遮断し、前記複数の入力光経路のうち任意の入力光経路から前記複数の第２出力光経路のうち任意の第２出力光経路への反射光経路を完成するように、前記固体スラグを前記チャネル内で移動させることができる第１圧電アクチュエータと、
   前記固体スラグを前記複数の直線光経路のうち任意の直線光経路から除くように、前記固体スラグを前記チャネル内で移動させることができる第２圧電アクチュエータと、を備える、
   圧電光ラッチリレーアレイ。
2. 前記アレイ素子が、前記透明ミラーハウジングの内部の一部分に適用される金属コーティングを有し、該金属コーティングが液体金属で濡れる、請求項１に記載の圧電光リレーアレイ。
3. 前記透明ミラーハウジングが三角形の管であり、前記金属塗膜が前記透明ミラーハウジングの隅に適用され、前記液体金属に前記固体スラグの平面を覆う反射面を形成させる、請求項２に記載の圧電光リレーアレイ。
4. 前記第１圧電素子が、前記固体スラグの第１端部に推進力を与えることにより、前記固体スラグを第１方向に移動させるように作動し、前記第２圧電素子が、前記固体スラグの第２端部に推進力を与えることにより、前記固体スラグを第２方向に移動させるように作動することが可能である、請求項１に記載の圧電光リレーアレイ。
5. 前記アレイ素子が、前記チャネルの両端に通じ、該両端をつなぐ通気孔をさらに有し、該通気孔は、前記固体スラグが移動する時に、チャネル内の圧力を緩和するように構成される、請求項１に記載の圧電光リレーアレイ。
6. 前記通気孔が、固体スラグの運動を抑制するサイズで形成されて位置決めされる、請求項５に記載の圧電光リレーアレイ。
7. 各アレイ素子の第１圧電素子を含む上部スペーサ層と、
   複数の入力光経路と、複数の第１出力光経路と、複数の第２出力光経路とを含む上部光経路層と、
   中間スペーサ層と、
   各アレイ素子の第２圧電素子を含む下部スペーサ層と、
   をこの順序でさらに有する、請求項１に記載の圧電光リレーアレイ。
8. 上部スペーサ層と上部光経路層との間にあり、濡れる上部金属接点を含む上部シールベルト層と、
   上部光経路層と中間スペーサ層との間にあり、濡れる中間金属接点を含む中間シールベルト層と、
   中間スペーサ層と下部スペーサ層との間にあり、濡れる下部金属接点を含む下部シールベルト層と、をさらに有し、
   第１位置において、前記固体スラグが、液体金属により、上部および中間シールベルト層の濡れる金属接点に結合され、第２位置において、前記固体スラグが、液体金属により、中間および下部シールベルト層の濡れる金属接点に結合される、
   請求項７に記載の圧電光リレーアレイ。
9. 上部スペーサ層の上に配置された上部回路層と、
   下部スペーサ層の下に配置された下部回路層と、
   前記上部回路層を通過して、相互接続パッドの第１のペアで終端する電気コネクタの第１のペアと、
   前記下部回路層を通過して、相互接続パッドの第２のペアで終端する電気コネクタの第２のペアと、
   をさらに有する、請求項７に記載の圧電光リレーアレイ。
10. 第１圧電素子および第２圧電素子により移動可能な液体金属を塗布された固体スラグを備える圧電光リレー内の直線光経路と反射光経路との間で選択する方法であって、
    入力光信号を前記圧電光リレーの入力光導波路に結合し、該入力光導波路が、第１出力光導波路と光学的に整列され、前記直線光経路を形成するステップと、
    前記直線光経路を選択する場合、
    電気インパルスを前記第１圧電素子に印加して、前記固体スラグを前記直線光経路から移動させ、その結果、前記入力光導波路を前記第１出力光導波路に光学的に結合するステップと、
    反射光経路を選択する場合、
    電気インパルスを前記第２圧電素子に印加して、前記固体スラグを前記直線光経路内に移動させ、その結果、前記入力光信号が、前記液体金属を塗布された固体スラグの表面から第２出力光導波管内に反射されて、反射光経路を完成するステップと、
    を有する方法。
    

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