JP2007114565A - 光スイッチ及び光スイッチ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光スイッチにおける光反射部材の位置決め精度を向上させ、光挿入損失を小さくすると共に光挿入損失の繰返再現性を向上させる。
【解決手段】
クランプ用コイルを励磁してプリズム３２を押圧部材３４から解放させ、垂直駆動コイルを励磁してプリズム側のＶ字突起５５をピッチ板に設けられたＶ字溝５３から解除する。同時に、水平駆動コイルを励磁してプリズム３２を目標位置まで移動させる。プリズム３２が目標位置に達したらクランプ用コイルを消磁して押圧部材３４でプリズム３２を押圧し、Ｖ字突起５５をＶ字溝５３に噛み合わさせてプリズム３２を仮位置決めする。ついで、水平駆動コイルを消磁した後、クランプ用コイルを小さな電圧で励磁させて押圧部材３４によるプリズム３２の押圧力を数度緩和させることによってＶ字突起５５とＶ字溝５３の噛み合わせ状態を修正し、クランプ用コイルと垂直駆動コイルを消磁する。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、入力用光ファイバと出力用光ファイバとの結合関係を切り換えるための光スイッチにおいて、プリズム等の光反射部材を精密に変位させるための技術に関する。

図１は、従来の１×８型の光スイッチの構造を示す概略平面図である（特許文献１参照）。従来の１×８型の光スイッチ１にあっては、１本の出力用光ファイバ２と８本の入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…、３ｈを一方向に沿って一定のピッチで平行に配列し、これを樹脂でモールドしてファイバアレイ４を構成している。出力用光ファイバ２及び入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…、３ｈの端面に対向する位置では、それぞれレンズアレイ５の表面に集光レンズ６が配置されている。また、出力用及び入力用光ファイバ２、３ａ、３ｂ、…の端面と対向する位置には、集光レンズ６を介して直角三角形のプリズム７が配置されており、プリズム７は出力用及び入力用光ファイバ２、３ａ、３ｂ、…の配列方向と平行な方向で往復移動できるようになっている。

しかして、プリズム７を適当な位置に移動させると、例えば図１のような位置にプリズム７がある場合には、入力用光ファイバ３ｆから出射された信号光αが、集光レンズ６により集光された後プリズム７で２度全反射されることにより、集光レンズ６を通して出力用光ファイバ２に結合される。他の入力用光ファイバ３ａ、…、３ｅ、３ｇ、３ｈから出射された光は、出力用光ファイバ２に結合されない。よって、このような光スイッチ１によれば、複数本の入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…のうち任意の１本の入力用光ファイバのみを出力用光ファイバ２に結合させることができ、プリズム７の位置を変えることにより出力用光ファイバ２と結合される入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…を任意に切り替えることができる。

上記のような光スイッチ１において、出力用光ファイバ２に結合される入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…を正確に切り替えられるようにするためには、各入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…どうしのピッチをｐとしたとき、プリズム７をｐ／２ずつ精密に移動させる必要がある。

図２はプリズム７を精密にｐ／２ずつ移動させるための機構を示す概略図である。プリズム７は可動体８の前端部に設けられたプリズム搭載部９の上に固定されている。プリズム搭載部９の下方には、ｐ／２のピッチで複数のＶ字溝１３を形成されたピッチ板１２が配設されている。また、プリズム搭載部９の下面には、ｐ／２の整数倍の間隔をあけて複数のＶ字突起１１を突設されたラッチ板１０が固定されている。図示しないが、可動体８はサスペンションワイヤによって弾性的に支持されている。可動体８は垂直駆動コイルを励磁することにより上方に持ち上げて浮かせることができ、また水平移動コイルを駆動することにより水平方向に移動させることができる。

また、可動体８の上には押圧部材１４が設けられており、押圧部材１４の重量で可動体８を押さえ付けることにより、強制的にラッチ板１０のＶ字突起１１をピッチ板１２のＶ字溝１３に噛み合わさせると共に可動体８の浮き上がりを防止している。押圧部材１４はクランプ用コイル（図示せず）を励磁することにより、上方へ持ち上げることができる。

図３は上記垂直駆動コイル、水平駆動コイル及びクランプ用コイルを制御することによりプリズム７を移動させる方法を示したタイムチャートである。プリズム７及び可動体８が静止しているとき（時刻Ｔ０以前）には、クランプ用コイル、垂直駆動コイル及び水平駆動コイルはいずれも消磁しており、Ｖ字突起１１がＶ字溝１３に噛み合って可動体８を位置決めしており、さらに押圧部材１４によって可動体８を押さえ込んで固定している。

プリズム７を変位させる場合には、クランプ用コイル、垂直駆動コイル及び水平駆動コイルを同時に励磁する（時刻Ｔ０）。クランプ用コイルを励磁すると、押圧部材１４が上に持ち上げられて可動体８が押圧部材１４から解放される。同時に垂直駆動コイルが励磁されるので、垂直駆動コイルの磁気力で可動体８がピッチ板１２から浮き上がってＶ字突起１１がＶ字溝１３から解除される。さらに、水平駆動コイルが励磁されるので、可動体８は水平方向に移動する。そして、可動体８が目標位置に移動するのに必要な時間Ｔｍが経過したら（時刻Ｔ１）、垂直駆動コイルとクランプ用コイルを消磁する。垂直駆動コイルとクランプ用コイルを消磁すると、可動体８が浮揚力を喪失し、サスペンションワイヤの弾性力と押圧部材１４の押圧力によって押さえ込まれる。よって、可動体８が下降し、Ｖ字突起１１がＶ字溝１３に嵌合することによってプリズム７及び可動体８が、ｐ／２の整数倍だけ移動した目標位置に固定される。ついで、垂直駆動コイル及びクランプ用コイルの消磁から遅らせて水平駆動コイルを消磁し（時刻Ｔ２）、動作を終了する。

しかしながら、光スイッチ１では、可動体８をサスペンションワイヤで弾性的に支持し、可動体８を押圧部材１４で押さえ込んでＶ字突起１１をピッチ板１２のＶ字溝１３に嵌合させることで可動体８の位置決めを行なうようになっているので、従来のような駆動方法であると、下記のような問題があった。

可動体８を変位させて位置決めする際、Ｖ字突起１１とＶ字溝１３との間の摩擦などにより、必ずしもＶ字突起１１がＶ字溝１３の一定位置に嵌り込まず、数μｍ〜数１０μｍ程度の誤差が発生する。そのため、プリズム７を変位させるたびにプリズム７の位置決め誤差が発生し、入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…から出射されて出力用光ファイバ２に入射する光線の位置が微妙にずれて光挿入損失の繰返再現性が劣るという問題があった。

また、可動体８を変位させて位置決めする際、可動体８を移動させた後に大きな残留振動が発生するので、可動体８が静止するまでに時間が掛かり、入力用光ファイバ３ａ、３ｂ、…の切替時間が長くなる問題があった。

さらに、Ｖ字突起１１をＶ字溝１３内に確実に嵌り込ませて可動体８の位置決め精度を向上させようとして押圧部材１４による押圧力を大きくすると、Ｖ字突起１１をＶ字溝１３内に嵌合させる際の衝撃力により、ラッチ板１０やピッチ板１２の摩滅が大きくなり、摩滅により一層可動体８の位置決め精度が低下したり、耐久性が低下したりするという問題があった。

特開２００５−１６５０５９号公報 特開２００４−０９４１８８号公報

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光スイッチにおける光挿入損失を小さくすると共に光挿入損失の繰返再現性を向上させることにある。また、本発明は、光スイッチの耐久性を向上させるとともに、光ファイバの切替時間をより短くすることを目的としている。

本発明の光スイッチは、複数本の第１光伝送路のうちいずれかの第１光伝送路と単一の第２光伝送路を選択的に光結合させる光スイッチであって、前記第１の光伝送路又は前記第２光伝送路から出射された光信号を反射させる光反射部材と、前記第２光伝送路とそれぞれの前記第１光伝送路とを光結合させる各光反射部材位置の間で前記光反射部材を移動させる移動手段と、前記光反射部材を搭載した可動部分に設けた凸部又は凹部と静止部材に設けた凹部又は凸部とを噛み合わせることにより、前記第２光伝送路とそれぞれの前記第１光伝送路とを光結合させる各光反射部材位置で前記反射部材を位置決めする位置決め手段と、前記位置決め手段における可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部が、噛み合い状態と解除状態と緩い噛み合い状態の少なくとも３つの状態となるように制御する噛み合い制御手段とを備えたものである。本明細書でいう光伝送路には、光ファイバや光伝送路が含まれる。また、光反射部材にはプリズムやミラーなどが含まれる。

また、本発明にかかる光スイッチ駆動方法は、本発明にかかる光スイッチを駆動するものであって、前記移動手段により前記光反射部材を前記第１光伝送路と前記第２光伝送路とが光結合する光反射部材位置へ移動させる第１の工程と、前記第１の工程の後、噛み合い制御手段により前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を前記噛み合い状態にする第２の工程と、前記第２の工程の後、噛み合い制御手段により前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を前記緩い噛み合い状態に変化させた後、再度前記噛み合い状態に変化させる第３の工程とを備えたものである。

本発明にかかる光スイッチ及び光スイッチ駆動方法にあっては、位置決め手段における可動部分の凸部又は凹部と静止部材の凹部又は凸部が、噛み合い状態と解除状態と緩い噛み合い状態の少なくとも３つの状態となるように制御することができるので、光反射部材をある光反射部材位置に移動させた後、可動部分の凸部又は凹部と静止部材の凹部又は凸部を噛み合い状態にして光反射部材を仮位置決めしたすることができる。ついで、可動部分の凸部又は凹部と静止部材の凹部又は凸部を緩い噛み合い状態に変化させた後、再度噛み合い状態に変化させることで凹部と凸部の噛み合わせを修正して光反射部材を精度良く位置決めすることができる。よって、光反射部材を精度良く位置決めして第１光伝送路と第２光伝送路の光結合精度を向上させることができ、光スイッチにおける光挿入損失を小さくすることができる。また、光挿入損失の繰返再現性を向上させることができる。

本発明にかかる光スイッチのある実施態様における前記噛み合い制御手段は、無通電で前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を噛み合い状態として前記光反射部材を位置決めし、異なる電圧値による通電で前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を解除状態又は緩い噛み合い状態とするラッチ手段を備え、前記光反射部材を移動させて各光反射部材位置に位置決めする際に、前記ラッチ手段に電圧値の異なる複数の電圧を印加することを特徴としている。かかる実施態様においては、ラッチ手段の通電と無通電あるいはラッチ手段に印加する電圧値を変化させることにより、可動部分の凸部又は凹部と静止部材の凹部又は凸部を噛み合い状態と解除状態と緩い噛み合い状態の少なくとも３つの状態と容易に切替えることができる。

また、かかる実施態様においては、前記ラッチ手段を異なる２種類のアクチュエータにより構成し、各アクチュエータのラッチ動作タイミングを非同期とすることにより噛み合っている可動部分の凸部又は凹部と静止部材の凹部又は凸部の噛み合いを修正させて再現性よく精確に噛み合わせることができる。

また、上記実施態様においては、前記ラッチ手段を力の強さが異なる２種類のアクチュエータにより構成し、強い側のアクチュエータが前記可動部分を前記静止部材と噛み合う側に駆動させる際には、弱い側のアクチュエータにより前記可動部分を前記静止部材から解除される方向に向けて付勢するようにすれば、力の強いアクチュエータにより可動部分と静止部分とを噛み合わせる際に弱いアクチュエータが緩衝作用をもたらすことになる。よって、光スイッチの衝撃が緩和されて光スイッチの耐久性が向上する。

本発明にかかる光スイッチの別な実施態様における前記移動手段は、前記第２光伝送路とそれぞれの前記第１光伝送路とを光結合させる各光反射部材位置の間で前記光反射部材を移動させる際には、移動開始時に前記反射部材を移動させる駆動力を徐々に増大させることを特徴としている。そのためには、例えば前記移動手段にローパスフィルタ又はノッチフィルタを介して駆動電圧を印加させるようにすればよい。かかる実施態様によれば、光反射部材を移動させる際に生じる光反射部材のハンチングを小さくすることができるので、光反射部材を移動させる際に光反射部材の位置を速やかに安定させることができ、光スイッチの切替時間を短くすることができる。

なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。

図４は、本発明の実施例１による光スイッチ２１の構造を示す斜視図である。光スイッチ２１は、光ファイバアレイ２２と光信号切替器２３によって構成されている。光信号切替器２３は、実際には、気密性を有するケース（図示せず）に納められているが、図４ではケース内部の機構部分だけを表わしている。

（光ファイバアレイの構造）
光ファイバアレイ２２は、１本の出力用光ファイバ２４（第２光伝送路）と複数本（図では８本）の入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…、２５ｈ（第１光伝送路）とを平行に配列させ、黒色合成樹脂製のモールド部２６に封止して一体化したものであり、その前面にはレンズアレイ２７が貼り付けられている。図５（ａ）は光ファイバアレイ２２の断面図であって、モールド部２６とレンズアレイ２７を分離して示すと共にレンズアレイ２７の一部を拡大して示している。図５（ｂ）は光ファイバアレイ２２の正面図、図５（ｃ）はモールド部２６の正面図である。出力用光ファイバ２４及び入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…の端面は、モールド部２６の前面に露出している。モールド部２６の前面で露出している出力用光ファイバ２４及び入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…の端面は一列に並んでおり、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…の端面は一定のピッチ（中心間ピッチ）ｐで等間隔に配列されている。通常は光ファイバの直径は２５０μｍであるので、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…のピッチｐも２５０μｍとなっている。出力用光ファイバ２４は入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…と離して配置されており、出力用光ファイバ２４側の端に位置する入力用光ファイバ２５ａと出力用光ファイバ２４との距離（中心間距離）Ｋは、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…の本数をＮ本とし、その配列ピッチをｐとすれば、
Ｋ＝Ｎ×ｐ
となっている。すなわち、出力用光ファイバ２４と端の入力用光ファイバ２５ａとの間は、光ファイバが（Ｎ−１）本分だけ離間している。

なお、一般的には、出力用光ファイバ２４側の端に位置する入力用光ファイバ２５ａと出力用光ファイバ２４との距離Ｋが、
Ｋ≧Ｎ×ｐ
となっていればよい。しかし、距離Ｋを大きくすると光ファイバアレイ２２が大きくなり、ひいては光スイッチ２１が大型化する。よって、光スイッチ２１の小型化のためには、Ｋはその最小値であるＮ×ｐに近いことが望ましいので、この実施例では距離ＫはＮ×ｐに等しいものとしている。

モールド部２６の前面に貼り付けられたレンズアレイ２７は、透明なレンズ基板２８の前面に、一列に並べて集光レンズ２９と傾斜レンズ３０を成形したものである。集光レンズ２９は、いずれも等しい焦点距離を有しており、出力用光ファイバ２４及び各入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…の端面に対向する位置に設けられている。傾斜レンズ３０は出力用光ファイバ２４にも入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…にも対向しない位置に設けられており、出力用光ファイバ２４に対向する位置に設けられた集光レンズ２９を挟んでその両側にそれぞれ少なくとも（Ｎ−１）個ずつ設けられている。

集光レンズ２９は、球面レンズ又は非球面レンズによって構成されており、光軸の回りに回転対称な形状を有している。集光レンズ２９は、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…から出射された信号光の光束を平行光に変換するような焦点距離を有しているか、あるいは、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…から出射して出力用光ファイバ２４に結合する信号光の光路の中央で信号光の光束が一点に集光するような焦点距離を有している。傾斜レンズ３０とは、光軸回りに回転対称となっていない形状のレンズ、あるいは光ファイバ２４、２５ａ、…が配列されている面に垂直な方向から見て左右非対称な形状を有するレンズ、あるいは不定形のレンズをいう。例えば、この実施例では、傾斜レンズ３０よりも充分に大きな球面レンズの、光軸から外れた箇所の一部を切り取った形状となっている。

（光信号切替器の構造）
図６は図４に示した光信号切替器２３の一部分解した斜視図である。図７は可動体３３の左右方向の位置決めを行なうための構造を説明する図であって、可動体３３とピッチ板５２（位置決め手段の静止部材）の正面図である。図８は可動体３３を上下方向及び左右方向に移動させるための磁気駆動回路４７の構造と、可動体３３をクランプさせるためのクランプ用磁気駆動回路３５（ラッチ手段の一方のアクチュエータ）の構造を示す平面図である。図９は磁気駆動回路４７とクランプ用磁気駆動回路３５の構造を示す斜視図である。

図４及び図６に示すように、本発明の光信号切替器２３は、ほぼ平板状をしたホルダー３１の上に組立てられており、偏平な矩形のケース内に納まるように構成されている。光信号切替器２３の後端部を除く部分は、可動体３３をクランプするための押圧部材３４により覆われており、光信号切替器２３の後端部には、押圧部材３４を回動操作するためのクランプ用磁気駆動回路３５が実装されている。可動体３３の前端部には、プリズム３２（光反射部材）が搭載されている。

図６に示すように、ホルダー３１の中央部の左右両側には支持片３６が立ち上げられており、支持片３６には軸受孔３７が開口されている。押圧部材３４の両側部には下方へ向けて枢支部３８が垂下されており、枢支部３８には軸孔３９が開口されている。枢支部３８の軸孔３９にはブッシュ４０を介して軸棒４１が挿通され、軸棒４１の両端は軸受孔３７に装着されて支持片３６により支持される。従って、押圧部材３４は、可動体３３等を覆うように設置され、軸棒４１を中心として回動できるように回動自在に支持されている。また、押圧部材３４の前端部両側には、可動体３３を押えてクランプさせるための重り４２が取付けられている。

押圧部材３４で覆われた部分には、プリズム３２が搭載された可動体３３と、４本のサスペンションワイヤ４５で可動体３３を左右方向及び上下方向に移動可能に支持する固定側部材４６と、可動体３３を左右方向及び上下方向に駆動する磁気駆動回路４７とが設けられている。

可動体３３はフレーム部分４８とプリズム搭載部４９とからなり、フレーム部分４８の前端部にプリズム搭載部４９が設けられている。プリズム搭載部４９の上面にはプリズム３２が水平に固定されている。プリズム３２は直角二等辺三角形状をした三角プリズムであって、斜面を前方へ向けて配置されている。この斜面の長さＬは、（２×Ｎ−１）×ｐ＋Ｋ以上となっている（図１０参照）。

ホルダー３１の前端部にはピッチ板５２が取付けられている。図７に示すように、ピッチ板５２の上面には、左右方向にわたって複数個のＶ字溝５３が一定のピッチで繰り返し形成されている。Ｖ字溝５３のピッチは、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…のピッチｐの１／２倍となっており、両端のＶ字溝５３どうしの中心間距離は、少なくとも（Ｎ−１）ｐ／２となっている。本実施例では、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…のピッチｐが２５０μｍであるので、それに対応して、Ｖ字溝５３のピッチは１２５μｍとなっている。一方、可動体３３のプリズム搭載部４９の下面には、左右方向に長いラッチ板５４が固定されていて可動部分が構成されている。ラッチ板５４の下面には、Ｖ字溝５３のピッチｐ／２の整数倍の間隔をあけて、Ｖ字溝５３と噛み合う大きさ及び形状を有する三角棒状のＶ字突起５５が複数本突設されている。よって、Ｖ字突起５５とＶ字溝５３との噛み合い位置を移動させることにより、可動体３３は左右方向にｐ／２ずつ正確に移動させることができる。

図６に示すように、サスペンションワイヤ４５を介して可動体３３を支持する固定側部材４６はホルダー３１の上面に固定されており、固定側部材４６からは、左右２本ずつのサスペンションワイヤ４５がホルダー３１と平行に延びている。サスペンションワイヤ４５の先端部は、可動体３３を片持ち状態で支持しており、ラッチ板５４がピッチ板５２の上に乗って接触している状態ではサスペンションワイヤ４５には上下方向の撓みが発生しないようになっている。

図８及び図９に示すように、磁気駆動回路４７は、可動体３３を上下方向に駆動するための垂直駆動コイル５０、可動体３３を左右方向に駆動するための左右一対の水平駆動コイル５１ａ、５１ｂ、可動体３３を左右方向及び上下方向に駆動するための駆動マグネット５７、５８、およびヨーク５９によって構成されている。このうち、垂直駆動コイル５０は磁心方向が上下方向を向くようにしてフレーム部分４８の後部に固定されており、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂは磁心方向が前後方向を向くようにしてフレーム部分４８の前部に固定されている。また、左右方向及び上下方向駆動用の駆動マグネット５７、５８は、互いに異なる磁極どうしが対向するようにして、ホルダー３１の上面に固定されている。ヨーク５９は両駆動マグネット５７、５８の上端間に置かれている。駆動マグネット５７は、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂの前方で水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに対向している。駆動マグネット５８は、垂直駆動コイル５０の中心部を貫通している。

垂直駆動コイル５０は、駆動マグネット５７、５８と対になって可動体３３を上下方向に駆動する磁気駆動回路（ラッチ手段のもう一方のアクチュエータ）を構成している。すなわち、駆動マグネット５７及び５８は、異なる磁極を対向させるようにして対向しているので、駆動マグネット５７、５８間には一方の駆動マグネット５７から他方の駆動マグネット５８に向けて磁束が発生している。垂直駆動コイル５０に電流を流すと、駆動マグネット５７、５８間においては電流は水平方向に流れるので、垂直駆動コイル５０には上向きのローレンツ力が発生し、可動体３３が上方へ持ち上げられる。

水平駆動コイル５１ａ、５１ｂは、並列又は直列につながれており、駆動マグネット５７、５８と対になって可動体３３を左右方向に駆動する磁気駆動回路（移動手段）を構成している。水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに電流を流すと、駆動マグネット５７、５８間においては電流は上下方向に流れるので、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂには水平方向のローレンツ力が発生し、可動体３３が左方向又は右方向に移動する。また、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに流れる電流の向きを反転させると、可動体３３を反対向きに水平移動させることができる。なお、６２ａ、６２ｂは、可動体３３の位置を検出するための位置検出コイルである。

クランプ用磁気駆動回路３５は、クランプ用マグネット４４、クランプ用コイル６０およびヨーク６１によって構成されている。クランプ用コイル６０は、磁心方向が上下方向を向くようにしてホルダー３１の後端部上面に設置されており、ヨーク６１はクランプ用コイル６０の中心を通って上部が前方へ向けて折曲されている。押圧部材３４の後端部には、クランプ用コイル６０と対向するようにして垂片４３が形成されており、垂片４３の外面にはクランプ用磁気駆動回路３５と対向させるようにしてクランプ用マグネット４４が接着固定されている。クランプ用マグネット４４はいずれか一方の磁極がクランプ用コイル６０に対向している。従って、クランプ用コイル６０に電流を流すと、クランプ用コイル６０に対向している側の磁極が上のヨーク６１から反発力を受けて押圧部材３４の後端部に下向きの推力が発生し、押圧部材３４の前端部が上に持ち上げられる。

図１０は上記垂直駆動コイル５０、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂ及びクランプ用コイル６０を制御するための制御回路６３の構成を示す図である。制御回路６３はマイクロコンピュータ（ＭＰＵ）６４を備えており、マイクロコンピュータ６４によって制御されている。マイクロコンピュータ６４のLine1からの出力は、Ｄ／Ａコンバータ６５に入力されており、Ｄ／Ａコンバータ６５でアナログ信号に変換されて出力される。Ｄ／Ａコンバータ６５の出力には、抵抗６６とコンデンサ６７からなるローパスフィルタが接続されており、Ｄ／Ａコンバータ６５の出力はローパスフィルタを経てH-Bridge定電流回路６８に接続されている。H-Bridge定電流回路６８の出力には、抵抗６９を介して水平駆動コイル５１ａ、５１ｂが接続されている。H-Bridge定電流回路６８は、入力電圧に応じた値の電流を供給する。従って、マイクロコンピュータ６４のLine1の出力をオンにすると、Ｄ／Ａコンバータ６５から一定電流が流れ出る。Ｄ／Ａコンバータ６５から流れ出た電流は、コンデンサ６７を充電するので、H-Bridge定電流回路６８の入力電圧は直ちに所定電圧まで上昇せず、徐々に上昇する（図１３参照）。よって、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに加わる電圧も所定電圧になるまで徐々に上昇し、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂが徐々に励磁される。

マイクロコンピュータ６４のLine3は、抵抗７３を介してトランジスタ７４の制御端子（ゲート）に接続されている。トランジスタ７４は保護ダイオード７５及び抵抗７６と並列に接続されており、トランジスタ７４の下端はアースされている。マイクロコンピュータ６４のLine2は、抵抗７０を介してトランジスタ７１の制御端子（ゲート）に接続されている。トランジスタ７１は保護ダイオード７２と並列に接続されており、トランジスタ７１の下端はトランジスタ７４の上端に接続されている。クランプ用コイル６０の一端は駆動電圧Ｖccを印加されており、クランプ用コイル６０の他端はトランジスタ７１の上端に接続されている。しかして、Line2及びLine3の出力をオンにすると、トランジスタ７１、７４がともにオンになるので、クランプ用コイル６０には大きな電圧が加わって大きな電流が流れる。よって、クランプ用コイル６０が励磁されて大きな磁力を発生する。また、Line1だけをオン（Line2はオフ）にすると、トランジスタ７１だけがオンになり、クランプ用コイル６０→トランジスタ７１→抵抗７６へと電流が流れるので、クランプ用コイル６０には比較的小さな電圧（例えば、Line1及びLine2がオンになっているときの１／２の電圧）が加わって比較的小さな電流が流れる。よって、クランプ用コイル６０が励磁されて比較的小さな磁力が発生する。

マイクロコンピュータ６４のLine4は、抵抗７７を介してトランジスタ７８の制御端子（ゲート）に接続されている。トランジスタ７８は保護ダイオード７９と並列に接続されており、トランジスタ７８の下端はアースされている。垂直駆動コイル５０の一端は抵抗８０を介して駆動電圧Ｖccを印加されており、垂直駆動コイル５０の他端はトランジスタ７８の上端に接続されている。しかして、Line4の出力をオンにすると、トランジスタ７８がオンになり、垂直駆動コイル５０が励磁される。

なお、図４に示す８１は各コイル等に電流を供給するためのプリント配線板であって、ここには制御回路６３なども実装されていてもよい。また、可動体３３に搭載された駆動コイル５０、５１ａ、５１ｂに対する通電はサスペンションワイヤ４５を通電ラインとして行われる。

（光スイッチの動作）
つぎに、光スイッチ２１の動作を説明する。図１１は入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…から出射された光を出力用光ファイバ２４に結合させるプリズム３２の働きを説明する図である。図１１に示すように、プリズム３２は平面視で直角二等辺三角形状をしており、直角の角に対向する斜面８２が光ファイバアレイ２２に対向している。可動体３３に搭載されたプリズム３２は、垂直駆動コイル５０、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂ及びクランプ用コイル６０が消磁されている状態では、ラッチ板５４のＶ字突起５５がピッチ板５２のＶ字溝５３に噛み合うことによって可動体３３が位置決めされており、重り４２の重量により可動体３３をピッチ板５２に押圧させて押圧部材３４が可動体３３をクランプしている。

しかして、例えば図１１に示すような状態であれば、入力用光ファイバ２５ｅから出射された信号光αは、集光レンズ２９を通過することによって例えば平行光に変換され、斜面８２からプリズム３２内に入射する。そして、互いに直交している２つの全反射面８３でそれぞれ全反射されて回帰反射した後、出力用光ファイバ２４に向けて斜面８２から出射され、集光レンズ２９により出力用光ファイバ２４に結合される。

また、この光スイッチ２１においては、図１１において破線ζで示す信号光のように、出力用光ファイバ２４と結合しない入力用光ファイバ、例えば入力用光ファイバ２５ｃから出力された信号光ζは、プリズム３２によって回帰反射された後、いずれの光ファイバも設けられていない位置へ導かれる。従って、出力用光ファイバ２４に結合されていない入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…の光路どうしが重複して入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…どうしが結合することがない。

しかも、この信号光ζがプリズム３２で回帰反射してレンズアレイ２７に入射する位置には、傾斜レンズ３０が設けられているので、レンズアレイ２７で反射された信号光ζが再び元の入力用光ファイバ２５ｃに戻ることがなく、出力用光ファイバ２４に結合されていない信号光ζの反射減衰率の低下が抑えられる。

さらに、プリズム３２の斜面８２の幅は、（２×Ｎ−１）×ｐ＋Ｋ以上となっているので、必要以上にプリズム３２を移動させない限り、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…から出射された光がプリズム３２に入射することなくプリズム３２から外れることがない。よって、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…から出射された信号光によって光スイッチ２１のケース等が加熱されて熱くなる恐れもない。

出力用光ファイバ２４に結合される入力用光ファイバを切替える場合には、プリズム３２を左右方向に移動させる。すなわち、Ｖ字溝５３のピッチは、入力用光ファイバ２５ａ、２５ｂ、…のピッチｐの１／２となっているので、プリズム３２もｐ／２ずつ移動させることができる。そして、プリズム３２をｐ／２ずつ右方向又は左方向に移動させることにより、出力用光ファイバ２４と結合される入力用光ファイバを１本ずつ横にずらせて切替えることができる。次に、プリズム３２を移動させる際の動作を説明する。

図１２は図１０に示したマイクロコンピュータ６４の入力用光ファイバ切替時の動作を説明するフロー図、図１３はそのときのクランプ用コイル６０、垂直駆動コイル５０及び水平駆動コイル５１ａ、５１ｂの駆動状態を示したタイムチャートである。マイクロコンピュータ６４は切替動作指令を受け取ると、切替元の入力用光ファイバと切替先の入力用光ファイバからプリズム３２の移動方向（右又は左）を判断すると共に、プリズム３２の移動時間Ｔmを演算する（ステップＳ１）。

ついで、Line1〜Line4から信号を出力しクランプ用コイル６０、垂直駆動コイル５０及び水平駆動コイル５１ａ、５１ｂを励磁させる（ステップＳ２）。Line2とLine3から信号が出力されると、トランジスタ７１、７４がオンになり、クランプ用コイル６０には大きな電圧が加わって大きな電流が流れるので、押圧部材３４は大きく持ち上げられて可動体３３から離れる。また、line4から信号が出力されると、トランジスタ７８がオンになるので、垂直駆動コイル５０が励磁され、可動体３３が上に持ち上げられてＶ字突起５５がＶ字溝５３から抜け出る。さらに、line1から信号が出力されると、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂが励磁されて可動体３３が水平方向に移動する。ただし、H-Bridge定電流回路６８の前段には抵抗６６とコンデンサ６７からなるローパスフィルタが挿入されているので、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂは起動時に徐々に励磁される。その結果、プリズム３２は大きなハンチングを起こすことなくスムーズに移動を始める。

プリズム３２が水平方向に移動を開始してから上記移動時間Ｔmが経過してプリズム３２が移動先に到達すると（時刻Ｔ１１）、Line2とLine3の出力をオフにしてクランプ用コイル６０だけを消磁する（ステップＳ３、Ｓ４）。押圧部材３４が可動体３３を押圧する力（重り４２の重量）は、垂直駆動コイル５０が可動体３３を押し上げている力よりも大きいため、クランプ用コイル６０が消磁されると押圧部材３４が下降する。こうして押圧部材３４が垂直駆動コイル５０による浮揚力に抗して可動体３３を押さえ込むので、Ｖ字突起５５がＶ字溝５３に噛み合うことによって可動体３３が仮位置決めされる。なお、プリズム３２が目標位置に到達したことは、位置検出コイル６２ａ、６２ｂで検出してもよい。

さらに、所定の遅延時間Ｔｄが経過すると、Line1の出力をオフにして水平駆動コイル５１ａ、５１ｂを消磁し（時刻Ｔ１２）、プリズム３２を水平方向に付勢していた磁気力を除去する（ステップＳ５、Ｓ６）。この後、時間Ｔｑの間、Line2の出力を間欠的に数度（例えば、２回程度）オンにしてクランプ用コイル６０にディザパルス電圧ｑを加える（Line3はオフのままに維持する）（ステップＳ７、Ｓ８）。Line2の出力をオンにすると、クランプ用コイル６０に電圧が加わるが、抵抗７６による電圧降下があるので、クランプ用コイル６０には比較的小さなディザパルス電圧ｑが加わり、押圧部材３４による押圧力が軽減される。ここでディザパルス電圧ｑにより押圧部材３４を持ち上げる力は、ステップＳ２で押圧部材３４を持ち上げたときに比較すれば、非常に小さな力でよく、押圧部材３４は可動体３３から離れず、重り４２で可動体３３を押圧している力を軽減する程度の力でよい。このとき垂直駆動コイル５０は励磁されており、可動体３３は上向きに付勢されているので、図１３でｑで表わしたように押圧部材３４が微小量持ち上げられると、その都度可動体３３は微小量浮き上がる。よって、クランプ用コイル６０が間欠的に励磁されて可動体３３を押圧している力が軽減されると、Ｖ字突起５５とＶ字溝５３が嵌合し直される（以下、これをワイピングという。）。よって、一時的に確定していたものの摩擦などによる位置決め誤差などを含んでいたプリズム位置やプリズム３２の傾きが微修正され、Ｖ字突起５５とＶ字溝５３が安定した状態で噛み合って、プリズム３２が高い繰り返し精度をもって位置決めされる。

上記のようにして時間Ｔｑの間ワイピングを間欠的に行なった後、最後のワイピングに同期させてLine4の出力をオフにして垂直駆動コイル５０を消磁し（時刻Ｔ１３）、押圧部材３４で可動体３３を押さえ込んだ状態で動作を終了する（ステップＳ９）。

なお、上記駆動例では、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂ等が励磁されてからクランプ用コイル６０が消磁されるまでの時間Ｔｍによってプリズム３２の変位量を制御するようにしていたが、この時間Ｔｍを一定時間に設定しておき、プリズム３２の変位量に応じて水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに流す電流の電流値を変化させるようにしてもよい。

本発明の光スイッチ２１にあっては、上記のように可動体３３を上下方向に移動させるための磁気駆動回路において、H-Bridge定電流回路６８の前段に抵抗６６とコンデンサ６７からなるローパスフィルタを挿入しているので、Line1からの出力をオンにした直後、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに流れる電流は図１４に示すように目標値まで緩やかに増加し、プリズム３２の移動方向における残留振動が小さくなると共にプリズム３２の位置が安定するまでの時間Ｔａが短くなる。

これに対し、H-Bridge定電流回路６８の前段のローパスフィルタを省いた場合には、Line1からの出力をオンにした直後、水平駆動コイル５１ａ、５１ｂに流れる電流は図１５に示すように直ちに目標値まで増加し、プリズム３２の移動方向における残留振動が激しくなり、そのためプリズム３２の位置が安定するまでの時間Ｔｂが長くなる。

よって、本発明の実施例においては、プリズム３２を水平方向に移動させるための磁気駆動回路にローパスフィルタを挿入することにより、プリズム３２の水平方向における位置を速やかに安定させることができ、入力用光ファイバの切替時間を短くすることができる。

また、プリズム３２を移動させた後、可動体３３を小さく上下させてワイピングさせることにより、プリズム３２を高い繰り返し精度でもって位置決めすることができるので、光スイッチ２１の光挿入損失を小さくできると共に光挿入損失の繰返再現性を良好にできる。図１６及び図１７は、プリズム３２を繰り返し変位させながら、前記従来例と本発明実施例の光スイッチにおける挿入損失を計測した結果を表わした図である。いずれの図からも分かるように、本発明実施例によれば、従来例と比較して挿入損失が大幅に小さくなると共に、そのばらつきも小さくなることが分かる。

また、本実施例の光スイッチによれば、プリズム３２の位置決め精度を向上させるために押圧部材３４による可動体３３の押圧力を大きくする必要がないので、光スイッチの耐久性も向上する。さらに、押圧部材３４で可動体３３を押さえ付ける際や、ディザパルスを加えて可動体３３をワイピングする際には、垂直駆動コイル５０によって可動体３３を上方に付勢しているので、可動体３３等に加わる衝撃を緩和させることができ、さらに光スイッチの耐久性を向上させることができる。

なお、上記実施例においては、出力用光ファイバと入力用光ファイバとが互いに平行に配置されていたが、両光ファイバは互いに平行である必要はない。例えば、出力用光ファイバと入力用光ファイバとは直交するように配置されていてもよい（特許文献２参照）。また、上記実施例とは反対に、１本の入力用光ファイバを複数本の出力用光ファイバのうちいずれかに選択的に結合させるようにしてもよい。また、図１０の制御回路においてはローパスフィルタの代わりにノッチフィルタ（トラップ回路）を用いてもよい。

図１は、従来の１×８型の光スイッチの構造を示す概略平面図である。 図２は、プリズムを精密に位置決めするための機構を示す概略図である。 図３は、垂直駆動コイル、水平駆動コイル及びクランプ用コイルを制御する従来方法を示すタイムチャートである。 図４は、本発明の実施例１による光スイッチの構造を示す斜視図である。 図５（ａ）は光ファイバアレイ２２の断面図である。図５（ｂ）は光ファイバアレイの正面図である。図５（ｃ）はモールド部の正面図である。 図６は、図４に示した光信号切替器の一部分解した斜視図である。 図７は、可動体の左右方向の位置決めを行なうための構造を説明する図である。 図８は、可動体を上下方向及び左右方向に移動させるための磁気駆動回路と、可動体をクランプさせるためのクランプ用磁気駆動回路の構造を示す平面図である。 図９は磁気駆動回路とクランプ用磁気駆動回路の構造を示す概略斜視図である。 図１０は、各コイルに流れる電流を制御するための制御回路を示す回路図である。 図１１は、実施例１の光スイッチの作用を説明するための平面図である。 図１２は、図１０に示したマイクロコンピュータにおける光ファイバ切替時の動作を説明するフロー図である。 図１３は、光ファイバ切替時におけるクランプ用コイル、垂直駆動コイル及び水平駆動コイルの駆動状態を示したタイムチャートである。 図１４は、本発明の実施例における水平駆動コイル及び垂直駆動コイルに流れる電流の値の変化と、プリズムの水平方向における変位量を示す図である。 図１５は、従来例における水平駆動コイル及び垂直駆動コイルに流れる電流の値の変化と、プリズムの水平方向における変位量を示す図である。 従来例と本発明実施例の光スイッチにおける挿入損失の変化を表わしたタイムチャートである。 従来例と本発明実施例の光スイッチにおける挿入損失の変化を表わしたヒストグラムである。

符号の説明

２１ 光スイッチ
２２ 光ファイバアレイ
２３ 光信号切替器
２４ 出力用光ファイバ
２５ａ、２５ｂ、… 入力用光ファイバ
２７ レンズアレイ
２９ 集光レンズ
３０ 傾斜レンズ
３１ ホルダー
３２ プリズム
３３ 可動体
３４ 押圧部材
３５ クランプ用磁気駆動回路
４２ 重り
４４ クランプ用マグネット
４５ サスペンションワイヤ
４６ 固定側部材
４７ 磁気駆動回路
４８ フレーム部分
４９ プリズム搭載部
５０ 垂直駆動コイル
５１ａ、５１ｂ 水平駆動コイル
５２ ピッチ板
５３ Ｖ字溝
５４ ラッチ板
５５ Ｖ字突起
５７、５８ 駆動マグネット
６０ クランプ用コイル
６３ 制御回路
６４ マイクロコンピュータ
６６ 抵抗
６７ コンデンサ
６８ H-Bridge定電流回路
７１、７４、７８ トランジスタ
８２ 斜面
８３ 全反射面

Claims (7)

1. 複数本の第１光伝送路のうちいずれかの第１光伝送路と単一の第２光伝送路を選択的に光結合させる光スイッチであって、
   前記第１の光伝送路又は前記第２光伝送路から出射された光信号を反射させる光反射部材と、
   前記第２光伝送路とそれぞれの前記第１光伝送路とを光結合させる各光反射部材位置の間で前記光反射部材を移動させる移動手段と、
   前記光反射部材を搭載した可動部分に設けた凸部又は凹部と静止部材に設けた凹部又は凸部とを噛み合わせることにより、前記第２光伝送路とそれぞれの前記第１光伝送路とを光結合させる各光反射部材位置で前記反射部材を位置決めする位置決め手段と、
   前記位置決め手段における可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部が、噛み合い状態と解除状態と緩い噛み合い状態の少なくとも３つの状態となるように制御する噛み合い制御手段と、
   を備えた光スイッチ。
2. 前記噛み合い制御手段は、無通電で前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を噛み合い状態として前記光反射部材を位置決めし、異なる電圧値による通電で前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を解除状態又は緩い噛み合い状態とするラッチ手段を備え、
   前記光反射部材を移動させて各光反射部材位置に位置決めする際に、前記ラッチ手段に電圧値の異なる複数の電圧を印加することを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記ラッチ手段は異なる２種類のアクチュエータにより構成され、各アクチュエータのラッチ動作タイミングを非同期としたことを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。
4. 前記ラッチ手段は力の強さが異なる２種類のアクチュエータにより構成され、強い側のアクチュエータが前記可動部分を前記静止部材と噛み合う側に駆動させる際には、弱い側のアクチュエータにより前記可動部分を前記静止部材から解除される方向に向けて付勢していることを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。
5. 前記移動手段は、前記第２光伝送路とそれぞれの前記第１光伝送路とを光結合させる各光反射部材位置の間で前記光反射部材を移動させる際には、移動開始時に前記反射部材を移動させる駆動力を徐々に増大させることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
6. 前記移動手段にローパスフィルタ又はノッチフィルタを介して駆動電圧を印加させるようにしたことを特徴とする、請求項５に記載の光スイッチ。
7. 請求項１に記載の光スイッチを駆動するための光スイッチ駆動方法であって、
   前記移動手段により前記光反射部材を前記第１光伝送路と前記第２光伝送路とが光結合する光反射部材位置へ移動させる第１の工程と、
   前記第１の工程の後、噛み合い制御手段により前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を前記噛み合い状態にする第２の工程と、
   前記第２の工程の後、噛み合い制御手段により前記可動部分の凸部又は凹部と前記静止部材の凹部又は凸部を前記緩い噛み合い状態に変化させた後、再度前記噛み合い状態に変化させる第３の工程と、
   を備えた光スイッチ駆動方法。
   ｃ

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