JP2005266712A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 精度良い可動ミラーの回動角度を実現することにあり、光スイッチの小型化の実現を提供することにある。
【解決手段】 ミラー３と、該ミラ３ーを開口部内で回動自在となるように梁２、４で支持するミラー形成基板８と、ミラー３に外部から入力した信号光を照射する光入力ポートと、ミラー３で反射光路を変化させた信号光を受光して外部に出力する光出力ポートとを備え、ミラー３をミラー回動軸２９から離れた複数本の梁２、４で支持し、梁２、４を変形させて、ミラー回動軸２９を中心にミラー３を回動させるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて構成される光スイッチに係り、特に可動ミラー部の構造を工夫した光スイッチに関するものである。

近年のインターネットの普及に伴い、光通信網の高速化、大容量化は目覚ましく進んでいる。光伝送容量を増加させる手段として、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｅｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信方式の導入が活発に行われた。それに伴い、波長依存性の少ない光スイッチが要求され、光信号を電気信号に変換することなくそのままスイッチングする光アドドロップ（ＯＡＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や、光クロスコネクト（ＯＸＣ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ）の期待が高まった。

それらの基礎的な製造技術として集積化した光マトリクススイッチを一括加工できるＭＥＭＳ方式が注目されている。ＭＥＭＳ技術を用いると、半導体の集積回路の加工技術を基にした立体的な微細加工により、小型システムを集積化できる。ＭＥＭＳ型光スイッチの光学特性は、導波路型光スイッチに比べ消光比が高く、波長依存性がないといった特徴がある。

また、ＭＥＭＳ技術を用いると、小型高密度、マトリクス構成による大規模化、非閉塞型の光スイッチが実現でき、ミラー角度を自己保持することによって低電力型のものも実現できるため期待されている。

これらを意図した非閉塞型マトリクス光スイッチが提案されている（特許文献１、２参照）。

以下に、その従来技術の光スイッチを説明する。

図７は、従来技術の光スイッチ６０の構成を示した斜視図である。

光スイッチ６０は、光スイッチ６０の構成部材を配置（アライメント）する基板６１と、光スイッチ６０に信号光７０を伝送する光ファイバ６２と、光スイッチ６０に外部からの信号光７０を入力する光入力ポート６３と、光入力ポート６３から可動ミラー６６に平行光としての信号光７０を飛ばすためのマイクロレンズ６４と、入力した信号光７０を反射する複数の可動ミラー６６と、ＭＥＭＳ技術を用いて形成した可動ミラー６６を支持するミラーベース６５と、可動ミラー６６を回動させスイッチングさせるために対向して設けられた永久磁石６７、６７と、スイッチングされた信号光７０を外部に出力する光出力ポート６８とを備えて構成される。

光入力ポート６３、光出力ポート６８は、互いに対向して設けられ、それぞれ接続された光ファイバ６２及びマイクロレンズ６４を固定するためのファイバアレイ６９を有している。マイクロレンズ６４は、光ファイバ６２から入出力された信号光７０の経路に設けられ、ファイバアレイ６９に接着されている。永久磁石６７、６７は、可動ミラー６６に対して、磁場がかかるように対向して配置されている。

光スイッチ６０では、光ファイバ６２から入力された信号光７０が光入力ポート６３に伝送される。光入力ポート６３では、光入力ポート６３にあるマイクロレンズ６４から可動ミラー６６に向けて信号光７０が空間に出力される。空間に出力された信号光７０は、可動ミラー６６で反射されて他の可動ミラー６６に伝送される。可動ミラー６６からの反射光を受けた他の可動ミラー６６は、信号光７０を反射する。

可動ミラー６６と他の可動ミラー６６は各々の可動ミラー６６がほぼ平行に位置するように、各々を支持しているミラーベース６５がほぼ平行して設けられている。永久磁石６７、６７からの磁場を受けた可動ミラー６６は、可動ミラー６６周囲に設けられた図示しない微細コイルに流れる電流と永久磁石６７、６７から受けた磁場との相互作用により発生するローレンツ力により回動し、可動ミラー６６の向きが変わる。

光スイッチ６０がＯＮに設定されている場合には、他の可動ミラー６６で反射された信号光７０は、設定された可動ミラー６６の向きにより光出力ポート６８に出力される。光出力ポート６８に出力された光は、光ファイバ６２により、光スイッチ６０外部に伝送される。

光スイッチ６０がＯＦＦに設定されている場合には、他の可動ミラー６６で反射された信号光７０は、設定された可動ミラー６６の向きにより光出力ポート６８には向かわず、光出力ポート６８には出力されない。

図８は、図７に示した光スイッチ６０の可動ミラー６６の構造図である。

可動ミラー６６は、光を反射するミラー７３と、可動ミラー６６をＸ軸の回りに回転させるポリイミド製のトーションバー７５と、可動ミラー６６をトーションバー７５に対して直交するＹ軸の回りに回転させるポリイミド製のトーションバー７２と、図７に示す永久磁石６７、６７からの磁場を受けるための銅メッキされた微細コイル７１と、永久磁石６７、６７からの磁場を受けるための銅メッキされた他の微細コイル７６と、ミラー７３をＹ軸に対して無電力状態で特定の角度に保持するラッチ機構７４と、ミラー７３をＸ軸に対して特定の状態に保持する他のラッチ機構７７とを備えて構成される。ラッチ機構７４、７７は、ミラー７３を保持する。

可動ミラー６６は、２本のポリイミド製のトーションバー７５と、トーションバー７５とは直交した２本の他のトーションバー７２とで図７に示す光スイッチ６０のミラーベース６５に支持され、トーションバー７２、７５を軸として回動するジンバル構造を成している。ミラー７３は表面がＡｕの薄膜で覆われており、図７において信号光７０を反射するものである。

可動ミラー６６の内側に位置するＹ軸の回りの可動部分は、図７に示す永久磁石６７、６７による磁場をミラー７３の回りを囲むように銅メッキされた微細コイル７１によって受け、微細コイル７１の受ける磁場の強さや向きに応じて、電流の流れている微細コイル７１はローレンツ力を受ける。ローレンツ力を受けた微細コイル７１を有する可動ミラー６６は、受けたローレンツ力の大きさに応じてトーションバー７２（即ち、Ｙ軸）を軸として回動する。

回動した可動ミラー６６は、ラッチ機構７４により、一定角度に保持される。

可動ミラー６６の外側に位置するＸ軸の回りの可動部分は、図７に示す永久磁石６７、６７による磁場をミラー７３の回りを囲むように銅メッキされた微細コイル７６によって受ける。微細コイル７６の受ける磁場の大きさや向きに応じて、電流の流れている微細コイル７６はローレンツ力を受ける。ローレンツ力を受けた微細コイル７６を有する可動ミラー６６は、受けたローレンツ力の大きさに応じてトーションバー７５（即ち、Ｘ軸）を軸として回動する。Ｘ軸の回りを回動した可動ミラー６６は、ミラーベースに設けられているラッチ機構７７により、一定角度に保持される。

可動ミラー６６は、ラッチ機構７４、７７により、光スイッチ６０のＯＮ、ＯＦＦ状態が次に変化するまで保持される。

図９は、図７に示した光スイッチ６０において図８の可動ミラー６６が回動する動作原理を示す説明図である。

図９に示した各部材は、図７、図８で説明したもののうち、動作原理説明に必要なものだけを示してある。永久磁石６７、６７は、例として極性Ｎ、Ｓを付けて示した。これら永久磁石６７、６７により、平行な磁場Ｂが形成されている。

対向した永久磁石６７、６７の間に発生する磁場Ｂにおいて、ミラー７３の周囲に在る微細コイル７１、７６に各々電流ｉを流す。このとき各々の微細コイル７１、７６に生じるローレンツ力Ｆは、Ｆ＝Ｂ×ｉとなる。このローレンツ力Ｆとトーションバー７２、７５にローレンツ力Ｆがかかることによるトーションバー７２、７５に生じる反力との釣り合いで、ミラー７３の回動する角度が決定される。

特開２００２−０３１７６７号公報 特願２００２−１４０３６０号

しかしながら、従来技術における光スイッチ６０のミラー駆動方法では、大きなミラー駆動力を必要とするため、数百ミリテスラといった強力な外部磁場をかける必要があった。この強力な磁場を実現するためには、形状の大きな永久磁石６７、６７やより強い平行磁場を得るための永久磁石を用いた磁気回路を設ける必要があるため、光スイッチ６０全体の構造が大きくなるという問題点があった。

また、ミラー７３を回動するときに、永久磁石６７、６７からの磁場等により微細コイル７１に生じるローレンツ力Ｆが意図する可動ミラー６６の回動方向とは異なる方向にもかかるため、可動ミラー６６の回動角度を正確に制御することが難しかった。

そこで、本発明の目的は、可動ミラーの回動角度を精度良く制御することにあり、光スイッチの小型化を可能にすることにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、ミラーと、該ミラーを開口部内で回動自在となるように梁で支持するミラー形成基板と、上記ミラーに外部から入力した信号光を照射する光入力ポートと、上記ミラーで反射光路を変化させた信号光を受光して外部に出力する光出力ポートとを備え、上記ミラーをミラー回動軸から離れた複数本の梁で支持し、該梁を変形させて、上記ミラー回動軸を中心に上記ミラーを回動させるものである。

第２の発明は、上記複数の梁の各々がバイモルフ構造であり、上記ミラー回動軸を中心に対になる梁を、ミラーの法線方向にそれぞれ相対する方向となるように変形させることで、上記ミラーを回動させるものである。

第３の発明は、上記複数の梁の各々がユニモルフ構造であり、上記ミラー回動軸を中心に対になる梁のいずれか片側を上記ミラーの法線方向に変形させるものである。

第４の発明は、上記梁は、上記ミラーと梁を接続する部分が、上記ミラーを回動させるためにねじり変形が起こりやすいように、他の部分の梁に対して構造または材質を変えることにより剛性を低減させるものである。

第５の発明は、上記梁は、バイモルフ構造またはユニモルフ構造の熱アクチュエータとしてはたらき、上記梁の熱膨張係数の差により、ミラーの法線方向へ梁を変形させるものである。

第６の発明は、回動させるミラーの角度位置を決定するために、梁により支持されたミラー形成基板のミラーを形成した面に対して対向する側に所定のミラーの角度でミラー形成基板が接するように段差部を形成し、その段差部にミラー形成基板を押し当ててとめることで角度を決定するものである。

本発明によれば、精度良い可動ミラーの回動角度を実現することができ、小型化された光スイッチを提供することができる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態を示す光スイッチ１の構成図であるが、ミラー回動の動作説明に不要な部分は省略して描いている。

光スイッチ１は、外部から入力した信号光をミラー３に照射する図示しない光入力ポートと、入力した信号光を反射するミラー３と、ミラー３を開口部内で回動自在となるよう梁で支持するミラー形成基板８と、ミラー形成基板８を支持し変形することによりミラー形成基板８を回動させる一組の梁２と、ミラー形成基板８を支持し変形することによりミラー形成基板８を回動させる他の一組の梁４と、梁２、４に電流を供給する電源７と、梁２、４に電源７から電流を給電する給電路５と、ミラー３で反射光路を変化させた信号光を受光して外部に出力する図示しない光出力ポートとを備えている。

ミラー形成基板８には、金の薄膜が蒸着され、例えば一辺約５００μｍ角の矩形のミラー３が形成されている。

ミラー形成基板８を支持する梁２、４は、ミラー回動軸２９から離して設けられ、ミラー回動軸を２９を中心に対になり設けられることにより、梁２、４からのモーメントによりミラー形成基板８がミラー回動軸２９の回りを容易に回動することができる。なお、ミラー回動軸２９は、ミラー形成基板８の回動中心を示す仮想的なものである。

バイモルフの梁２、４は、熱アクチュエータである。バイモルフ構造の梁２、４は、薄膜形成技術を用いて、ｐｏｌｙ−Ｓｉの層２０と、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅ＯＨ）₄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成される膜ＳｉＯ₂の層２１と、他のｐｏｌｙ−Ｓｉの層２０との三層構造で構成される。

図中斜線塗りで示した部分の層２０は、熱アクチュエータのヒーターの機能を有する。図中網線塗りで示した部分の層２１は、図中斜線塗りで示した部分の層２０と図中白塗りで示した他の層２０との電気的な絶縁を行うと共に、他の層２０（図中白塗りで示した部分）との断熱効果をも有している。

図示した光スイッチ１は、ミラー回動軸２９に対して平行な２組の梁２、４を有し、各梁２、４がミラー形成基板８を支持し、各梁２、４に給電路５を介して給電した例である。

本実施の形態において図中ミラー回動軸２９の手前にミラー回動軸２９に平行して設けられた１組の梁４は、図中斜線塗りで示した部分の層２０に給電され、発熱する。図中ミラー回動軸２９より奥にミラー回動軸２９に平行して設けられた対になった１組の梁２は、図中斜線塗りで示した部分の層２０に給電され、発熱する。発熱したそれぞれの層２０は、発熱により熱膨張を起こす。

ｐｏｌｙ−Ｓｉの熱膨張率は、２．５×１０^-6／℃であり、ＳｉＯ₂の熱膨張率は、０．３５×１０^-6／℃であることから分かるように、ｐｏｌｙ−Ｓｉの層２０と、ＳｉＯ₂の層２１とは積層構造材の熱膨張率が大きく異なるために梁２、４は変形する。給電された層２０が、層２１と比べて著しく熱膨張するため、給電された層２０が梁２、４の長手方向に伸びて反ると共に、給電されない層２０及び層２１を中心とし給電された層２０が梁２、４の長手方向に弧を描くように反り、梁２、４の両端は給電されない層２０に向かって変形する。

即ち、図示した梁２、４の図中斜線塗りで示した部分の層２０に給電した場合には、梁２、４は層２０の部分では長手方向に熱膨張する。層２０の長手方向の熱膨張により、梁２、４は長手方向の両端が給電されない層２０に向かって層法線方向に変形し、梁２、４の長手方向中央部分は給電された層２０に向かって層法線方向に変形する。

各々の梁２、４の変形により、梁２、４に支持されたミラー形成基板８は、図中ミラー回動軸２９の手前にミラー回動軸２９に平行して設けられた対になった１組の梁４の側ではミラー形成基板８の法線方向（図中矢印３６で示した方向、すなわちミラー３の法線方向）に向かって力が加わる。

各々の梁２、４の変形により、梁２、４に支持されたミラー形成基板８は、図中ミラー回動軸２９より奥にミラー回動軸２９に平行して設けられた１組の梁２の側ではミラー形成基板８の法線方向（図中矢印３５で示した方向、すなわちミラー３の法線方向）に向かって力が加わる。梁２、４の各々の変形は、ミラー回動軸２９を挟んでミラー形成基板８の法線の互いに相対する方向にはたらく。梁２、４の各々の変形は、ミラー形成基板８の法線方向の力としてミラー形成基板８を図示した矢印３５、３６方向にミラー回動軸２９を中心に回動させるモーメントとして働く。

以上、光スイッチ１において、複数本の梁２、４がミラー形成基板８を支持し、各梁２、４が梁の熱膨張係数の差によりミラー３法線方向に変形することによって、ミラー形成基板８がミラー回動軸２９の回りを回動することができる。互いに法線の反対方向に変形する２組の各梁２、４が、ミラー回動軸２９を挟んで設けられるため、ミラー回動軸２９の回りを回動するモーメントが有効にはたらく。

図２は、本発明の他の実施の形態を示す光スイッチ５１の構成図であるが、ミラー回動の動作説明に不要な部分は省略して描いている。

例として図示したユニモルフ構造の梁９、１８は、薄膜形成技術を用いて、２種類の積層構造材ｐｏｌｙ−Ｓｉの層２０と、ＳｉＯ₂の層２１との二層構造で構成される。

図示した光スイッチ５１は、ミラー回動軸２９に対して２組の平行な梁９、１８を有し、各梁９、１８がユニモルフ構造であり、対になった一組の梁９に給電路５を介して電源７から給電した例である。

図中ミラー回動軸２９の手前にミラー回動軸２９に平行して設けられた対になった１組の梁１８は、給電されずミラー形成基板８を支持するのみに用いられる。図中ミラー回動軸２９の奥にミラー回動軸２９に平行して設けられた１組の梁９は、図中斜線塗りで示した部分の層２０に給電され、発熱する。発熱した層２０は、発熱により熱膨張を起こす。即ち、梁９の斜線塗りで示した部分の層２０は、熱アクチュエータのためのヒーターとなっている。

ｐｏｌｙ−Ｓｉの熱膨張率は、２．５×１０^-6／℃であり、ＳｉＯ₂の熱膨張率は、０．３５×１０^-6／℃であることから分かるように、ｐｏｌｙ−Ｓｉの層２０と、ＳｉＯ₂の層２１とは積層構造材の熱膨張率が大きく異なるために梁９は変形する。給電された層２０が、層２１と比べて著しく熱膨張するため、給電された層２０が梁９の長手方向に伸びて反ると共に、層２１を中心とし梁９が長手方向に弧を描くように反り、梁９の長手方向両端は層２１に向かって層法線方向に変形し、梁９の長手方向中央部分は給電された層２０に向かって層法線方向に変形する。

即ち、図示した梁９の図中斜線塗りで示した部分の層２０に給電した場合には、梁９は層２０の部分では長手方向に熱膨張する。層２０の長手方向の熱膨張により、梁９は長手方向の両端が層２１に向かって層法線方向に変形し、梁９の長手方向中央部分は給電された層２０に向かって層法線方向に変形する。

各梁９の変形により、梁９、１８に支持されたミラー形成基板８は、図中ミラー回動軸２９の奥にミラー回動軸２９に平行して設けられた１組の梁９の側ではミラー形成基板８の法線方向（図中矢印３５で示した方向、すなわちミラー３の法線方向）に向かって力が加わる。

対になった梁９の各々の変形は、ミラー形成基板８の法線方向の力（図中矢印３５で示す）としてはたらき、梁１８のミラー形成基板８の支持の効果を伴って、梁１８若しくはミラー回動軸２９を中心に回動させるモーメントとして働く。

梁９のたわみ変形が、後述する梁２２、２３の低剛性構造部分２４、２５のねじり変形となり、ミラー形成基板８を矢印３５、３６方向に回動させることができる。

以上、光スイッチ５１においても、光スイッチ１と同じように梁９の変形による回動の効果が得られる。

したがって、光スイッチ１、５１において、精度の良いミラー角度を簡単な構造で得ることができる。また、磁気回路等を必要としないので、光スイッチ１、５１の形状を小型化でき、コストも低減できるという効果がある。

図３（ａ）は、梁２２の平面図である。

図３（ａ）に示した梁２２は、梁２２の一部分に他の部分と比べて変形し易い部分を設けたもの、即ち梁２２の一端に剛性を低減させた低剛性構造部分２４を設けたものである。低剛性構造部分２４は、鉤型に屈曲した２本のアームからなる菱形の中空骨格構造により断面積を小さくし、ねじり変形しやすいように形成されている。梁２２は、低剛性構造部分２４がミラー形成基板８（ミラー３を含む）に接続され、他端が図示しないミラーベースに取り付けられている。

図３（ｂ）は、梁２３の平面図である。

図３（ｂ）に示した梁２３は、梁２３の一部分に他の部分と比べて変形し易い部分を設けたもの、即ち梁２３の一端に低剛性構造部分２５を設けたものである。低剛性構造部分２５は、細く断面積を小さくし、ねじり変形しやすいように形成されている。梁２３は、低剛性構造部分２５がミラー形成基板８に接続され、他端が図示しないミラーベースに取り付けられている。

このような構造を形成することは容易であり、低剛性構造部分２４、２５の材質を他の部分に比べて柔らかい異種材質にするよりも製造プロセスが簡単になる。

低剛性構造部分２４、２５が他の剛性構造部分に比べて変形しやすいので、梁２２、２３は容易に変形しねじることができる構造となっている。

図３（ａ）、（ｂ）の梁２２、２３においては、ミラー形成基板８に近い端（すなわち、ミラー３（及びミラー形成基板８）と梁２２、２３を接続する部分）で低剛性構造部分２４、２５が形成される例を示したが、該低剛性構造部分２４、２５は梁２２、２３長手方向のいずれの部分に設けてもよい。

また、この構造は梁２２、２３が単層、多層を問わず形成可能であるので、上記バイモルフ構造、ユニモルフ構造の梁２、４、９、１８のいずれの場合にも適用可能である。

梁の一部分に他の部分と比べて変形し易い部分を設けたこのような梁２２、２３の形状は、形状の例を示したもので、図示した形状に限定されるものではなく、ねじり変形を起こし易い構造の低剛性構造部分２４、２５を有する形状であればよい。

また、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、梁２２、２３長手方向の一部形状を変えることにより梁２２、２３をねじり易くしたものであるが、形状を変える代わりに梁２２、２３の長手方向いずれかの部分の材質を他の部分に比べて変形容易な柔軟な材質を用いることにより、低剛性構造部分２４、２５を実現することも可能である。

低剛性構造部分２４、２５は、熱アクチュエータに適用した例で説明したが、この構造の適用は熱アクチュエータに限定されるものではない。

また梁２、４、９は、外部から電気エネルギーを供給され、その電気エネルギーの供給に応じて物理的に変形する機能を有する部材であればよく、熱アクチュエータに限られない。例えば、積層構造の圧電部材を用いたアクチュエータでも適用可能である。

図４は、図１、図２に示した光スイッチ１、５１のミラー３の回動角度を特定角度で止めるストッパ機構を示す説明図である。

図４の機構は、回動させるミラーの角度位置を決定するために、梁により支持されたミラー形成基板８のミラーを形成した面に対して対向する側に所定のミラーの角度でミラー形成基板が接するように段差部３２ａ、３２ｂを形成し、その段差部３２ａ、３２ｂにミラー形成基板８を押し当ててとめることで角度を決定する構造となっている。

図示した構成は、ミラーが形成されたミラー形成基板８と、ミラー形成基板８が回動するためのミラー回動軸２９と、ミラー形成基板８を特定の回動角度で止めるストッパの機能を有する段差部３２ａ、３２ｂと、段差部３２ａ、３２ｂを形成した下部基板３１とを備えている。なお、ミラー回動軸２９は、図１、図２で説明したように、仮想的なものであってもよい。

図中の一点鎖線で示したミラー形成基板８は、ミラー形成基板８の回動する前の状態にあり、図中の実線で示したミラー形成基板８は、ミラー形成基板８が回動した後に特定角度でストッパとしての段差部３２ｂに当たり止まった状態にある。

図１、図２に示した光スイッチ１、５１において、ミラー形成基板８が梁２、４、９の変形に応じて回動したと想定する。即ち、図４に示したミラー形成基板８が、ミラー回動軸２９を中心に時計方向（図示した矢印３７の方向）に回動する。回動したミラー形成基板８は、下部基板３１に設けられた段差部３２ｂに当たることでミラー形成基板８の回動角度が決まる。回動の動作精度に関わりなく、ミラー形成基板８に角度決めのための段差部３２ｂに当たるのに充分な回動が与えられればよく、これはモーメント力が図１、図２に示した梁２、４、９の変形により充分に与えられることである。

段差部３２ｂに当たったミラー形成基板８は、段差部３２ｂに当たった回動角度で静止する。このミラー形成基板８が静止した状態は、光スイッチ１、５１のＯＮ、ＯＦＦいずれかに対応する。ここでは、仮にミラー形成基板８が段差部３２ｂに当たって静止した実線状態が光スイッチ１、５１のＯＮ状態であるとすると、ミラー形成基板８が段差部３２ｂに当たっていることにより光スイッチ１、５１のＯＮ状態が保持されようとする。

梁の変形が元に戻ると、ミラー形成基板８は一点鎖線で示した回動前の角度に戻り段差部３２ａに当たり、光スイッチ１、５１の状態がＯＦＦ状態に戻ることになる。

以上のように、ミラー形成基板８が回動し、下部基板３１に設けられた段差部３２ａ、３２ｂによりミラー形成基板８が静止することにより、ミラー形成基板８の角度を精度良く決定できるという効果を発揮する。

図５（ａ）は、以上述べた光スイッチ１、５１の実施の形態を示す斜視図である。

光スイッチ１、５１は、ミラーが形成されたミラーベース３０と、ミラーベース３０を支持する下部基板３１とを備えて構成される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した光スイッチ１、５１のミラーベース３０と、ミラーベース３０を支持する下部基板３１とを分離した斜視図である。

ミラーベース３０は、入力された信号光を反射するミラー１３と、ミラー１３の形成基板である内側可動部１４と、内側可動部１４を支持する梁２、４と、回動したミラー１３を所定の回動角度に無電力状態でも保持する内側可動部１４のためのラッチ機構１６と、内側可動部１４とは直交する方向に回動する外側可動部１７と、外側可動部１７を支持する梁１１、１２と、回動したミラー１３を所定の回動角度に無電力状態でも保持する外側可動部１７のためのラッチ機構１９とを備えて構成される。

ミラー１３は、互いに直交する２軸回りに回動するように、梁２、４、１１、１２により支持されている。内側可動部１４は、外側可動部１７に２対のモルフ構造の梁２、４により支持されている。外側可動部１７は、ミラーベース３０に設けられた２対のモルフ構造の梁１１、１２により支持されている。

下部基板３１は、ミラーベース３０を支持する支柱３３と、ミラー１３を特定角度で止めるストッパの役割を有する内側可動部１４のための段差部３２ａ、３２ｂと、ミラー１３を特定角度で止めるストッパの役割を有する外側可動部１７のための段差部３４ａ、３４ｂとを備えて構成される。内側可動部１４のための段差部３２ａ、３２ｂは、梁２、４の長手方向に平行して２箇所に、外側可動部１７のための段差部３４ａ、３４ｂは梁１１、１２の長手方向に平行して２箇所の計４箇所に設けられている。図示したように段差部３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂは、各ミラー回動軸（図示せず）に平行に設けられている。

光スイッチ１、５１は、梁２、４が変形することにより内側可動部１４が回動し、梁１１、１２が変形することにより外側可動部１７が回動する。この回動により、内側可動部１４及び外側可動部１７が、それぞれ下部基板３１に設けられた段差部３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂに当たるので、目的の回動角度に調整され、静止する。静止した内側可動部１４は、内側可動部１４のための２対のラッチ機構１６により挟み込まれラッチされる。外側可動部１７は、外側可動部１７のための２対のラッチ機構１９により挟み込まれラッチされる。

ここで、内側可動部１４及び外側可動部１７をラッチする仕組みを詳細に記す。

図６（ａ）に、ミラーベース３０のミラー１３周辺部の部分拡大図を示す。
図６（ｂ）に、ミラー１３がラッチされた状態を示す部分拡大図を示す。

図６（ａ）、図６（ｂ）では、図５（ｂ）に示した外側可動部１７のためのラッチ機構１９等は、説明の簡単のため図示していない。

ラッチ機構１６ａ、１６ｂのミラー１３側は、ミラー１３から離れた側と比べて、細くなっている。略片仮名のコの字形状の溝孔２６の支持枠としての機能も有する外側可動部１７側には収縮性樹脂としてポリイミド２７が充填されている。

図６（ｂ）に示すように光スイッチ１、５１の製造中にポリイミド２７は乾燥固化するが、乾燥のときのポリイミド２７に含まれている揮発性物質の揮発により、ポリイミド２７が矢印５９方向に収縮する。このポリイミド２７の収縮により一対のラッチ機構１６ａ、１６ｂがミラー１３側に図示した矢印８３、８４（図６（ａ）参照）方向に歪む。このラッチ機構１６ａ、１６ｂの歪により、ラッチ機構１６ａ、１６ｂは、内側可動部１４を挟む。このラッチ機構１６ａ、１６ｂの歪が、光スイッチ１の無電力状態である場合の所定の形状即ちラッチ機構１６ａ、１６ｂの初期位置となり、内側可動部１４をラッチした状態となっている。即ち、無電力状態で内側可動部１４を固定、保持することができる。

内側可動部１４を挟んで固定、保持した状態の無電力状態の光スイッチ１、５１に給電すると、ラッチ機構１６ａ、１６ｂの先端が細くなっているため太い部分に比べて抵抗値が高くなっている。抵抗値が高い先端部分は、他の部分に比べて同じ電流が流れた場合も発熱量が多く、ラッチ機構１６ａ、１６ｂの細くなった先端部の温度が上昇する。この温度が上昇したラッチ機構１６ａ、１６ｂの先端部と他の太い部分との温度差により、ラッチ機構１６ａ、１６ｂの細くなった先端部が他の太い部分よりも熱膨張する。このラッチ機構１６ａ、１６ｂの細くなった先端部の熱膨張に依り、ラッチ機構１６ａ、１６ｂの先端部は他の太い方へ、即ちミラー１３から離れる方向（図示した矢印８８、８９）に変位する。このラッチ機構１６ａ、１６ｂの先端部の変位の結果、ラッチ機構１６ａ、１６ｂに挟まれていた内側可動部１４の固定、保持状態が解除される。即ちラッチされる前の状態である、図６（ａ）で示される状態となる。

尚、説明したラッチ機構１６ａ、１６ｂは、ラッチ機構１６ａ、１６ｂに給電されない無電力状態において、ミラー１３をラッチする。光スイッチ１、５１の状態がＯＮからＯＦＦに遷移する場合や、光スイッチ１、５１の状態がＯＦＦからＯＮに遷移する場合には、遷移の前に一旦ミラー１３のラッチを解除し、光スイッチ１、５１の状態遷移が終了したら再びミラー１３をラッチするための制御を行うことが必要である。このラッチ解除、再ラッチのための制御は、梁２、４、９に電流を流すタイミングと合わせて行うことで容易に実施可能である。

本発明の実施の形態を示す光スイッチの構成図である。 本発明の他の実施の形態を示す光スイッチの構成図である。 図３（ａ）は、本発明の実施の形態を示す梁の外形図である。図３（ｂ）は、本発明の他の実施の形態を示す梁の外形図である。 本発明の実施の形態を示す光スイッチのストッパ構造を示す説明図である。 図５（ａ）は、本発明の実施の形態である光スイッチの可動ミラーの構造を示す斜視図である。図５（ｂ）は、本発明の実施の形態である光スイッチの可動ミラーの構造を示す分解図である。 図６（ａ）は、光スイッチのラッチ構造を示す拡大説明図である。図６（ｂ）は、光スイッチのラッチの状態を示す拡大説明図である。 従来技術の光スイッチの構成を示す斜視図である。 従来技術の光スイッチに設けられた可動ミラーの構造を示す構造図である。 従来技術の光スイッチの動作原理を示す説明図である。

符号の説明

１ 光スイッチ
２ 梁
３ ミラー
４ 梁
５ 給電路
７ 電源
８ ミラー形成基板
２０ ｐｏｌｙ−Ｓｉの層
２１ ＳｉＯ₂の層
２９ ミラー回動軸

Claims (6)

1. ミラーと、該ミラーを開口部内で回動自在となるように梁で支持するミラー形成基板と、上記ミラーに外部から入力した信号光を照射する光入力ポートと、上記ミラーで反射光路を変化させた信号光を受光して外部に出力する光出力ポートとを備え、上記ミラーをミラー回動軸から離れた複数本の梁で支持し、該梁を変形させて、上記ミラー回動軸を中心に上記ミラーを回動させることを特徴とする光スイッチ。
2. 上記複数の梁の各々がバイモルフ構造であり、上記ミラー回動軸を中心に対になる梁を、ミラーの法線方向にそれぞれ相対する方向となるように変形させることで、上記ミラーを回動させる請求項１記載の光スイッチ。
3. 上記複数の梁の各々がユニモルフ構造であり、上記ミラー回動軸を中心に対になる梁のいずれか片側を上記ミラーの法線方向に変形させることで上記ミラーを回動させる請求項１記載の光スイッチ。
4. 上記梁は、上記ミラーと梁を接続する部分が、上記ミラーを回動させるためにねじり変形が起こりやすいように、他の部分の梁に対して構造または材質を変えることにより剛性を低減させる請求項１〜３いずれか記載の光スイッチ。
5. 上記梁は、バイモルフ構造またはユニモルフ構造の熱アクチュエータとしてはたらき、上記梁の熱膨張係数の差により、ミラーの法線方向へ梁を変形させる請求項１〜４いずれか記載の光スイッチ。
6. 回動させるミラーの角度位置を決定するために、梁により支持されたミラー形成基板のミラーを形成した面に対して対向する側に所定のミラーの角度でミラー形成基板が接するように段差部を形成し、その段差部にミラー形成基板を押し当ててとめることで角度を決定する請求項１〜５いずれか記載の光スイッチ。
   

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