JP4360296B2 - 光スイッチ及び多チャンネル型光スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、複数の光伝搬路間の接続状態を切り換えることを可能とする光スイッチ及び多チャンネル型光スイッチに関し、より詳細には、光路変更部分が透光性圧電アクチュエータを用いて構成されている光スイッチ及び多チャンネル型光スイッチに関する。

従来、光通信分野において様々な光スイッチが用いられている。従来の一般的な光スイッチでは、電磁石を用いた機械的な駆動装置により、光路構成部材としての光ファイバーやミラーが移動されていた。このような光スイッチでは、電磁石を用いた機械的動作を伴うため、装置の小型化や省電力化が困難であった。また、スイッチングの応答速度を高めることも困難であった。

上記のような問題を解決する光スイッチの一例が、下記の特許文献１に開示されている。すなわち、図７に示すように、光スイッチ１０１では、基板１０２上に、基板１０２の表面に対して垂直方向に移動可能にミラー１０３が配置されている。また、基板１０２には、光ファイバーを固定するための複数のファイバー配置溝１０４が形成されている。複数のファイバー配置溝１０４を用いて第１〜第４の光ファイバー１０５〜１０８が基板１０２に接続されている。そして、上記ミラー１０３は、基板１０１に弾性変形可能な針１０９，１１０を介して接続されている。

静電力が加わらない状態では、ミラー１０３が基板１０２から離れた位置にあり、静電力が加えられると、基板１０２側に移動させることが可能とされている。このミラー１０３の移動により、光ファイバー１０５〜１０８間における光の伝搬経路を変更することが可能とされている。

しかしながら、特許文献１に記載の光スイッチ１０１では、ミラー１０３を静電力により移動させているため、構造が複雑であり、製造コストが高くなるという問題があった。また、静電駆動を利用するため、駆動電圧が高くならざるを得なかった。さらに、応答速度の向上を図ることも困難であった。

上記のような問題を解決するものとして、下記の特許文献２には、圧電アクチュエータを用いた光スイッチが開示されている。図８に示すように、光スイッチ１２１は、光伝達経路１２２〜１２４を有している。そして、外部からの電気信号に応じた圧電アクチュエータ１２５の変位により、光反射部材からなる光路変更部１２６が光伝達部の光反射面に接触・離隔される。それによって、光伝達経路１２２に入力した光Ａが、光伝達部の光反射面で全反射され、特定の光伝達経路１２３に伝達する光路から、光を光導入部材１２６からとり出し、特定の光伝達経路１２４に伝達することが可能とされている。
特開平１１−１１９１２９号公報 特開２００２−１９６２６５号公報

特許文献２に記載の光スイッチ１２１では、圧電アクチュエータ１２５を用いて、光反射部材からなる光路変更部の位置を変更し、それによって光路を切り換えている。従って、光路変更部を構成する光学部材を移動させ得るように圧電アクチュエータが構成される必要があった。

他方、圧電アクチュエータの変位は、通常、上記のような光学部材の移動距離に比べてかなり小さいのが普通である。そのため、特許文献２に記載の光スイッチ１２１を構成するには、非常に大きな圧電アクチュエータを用意しなければならなかった。従って、光スイッチの小型化を進めることが困難であった。加えて、圧電アクチュエータの変位により光学部材を移動させるものであるため、移動距離が大きいので圧電アクチュエータの応答速度に比べて、光スイッチ全体としての応答速度は低くならざるを得なかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、応答速度をより一層高めることができ、しかも構造の簡略化及び小型化を進めることが可能な透光性積層圧電体を用いた光スイッチ及び該光スイッチを用いた多チャンネル型光スイッチを提供することにある。

本発明によれば、第１の光伝搬路から入射した光を、第２光伝搬路または第３光伝搬路に伝搬させることを可能とする光スイッチであって、第１の光伝搬路と第２の光伝搬路とが固定されており、第１の光伝搬路から入射された光が反射されて第２の光伝搬路に導かれ得るように設けられた反射面としての第１の平面を有する第１の固定部材と、第３の光伝搬路が固定されており、前記第１の光伝搬路から入射してきた光が前記第１の平面で反射されずに、該第１の平面を超えて伝搬してきたときに入射される入射面としての第２の平面を有し、該第２の平面から入射した光が第３の光伝搬路に導かれるように構成されている第２の固定部材と、前記第１の固定部材が、電圧の印加の有無により、圧電効果により伸縮する透光性圧電アクチュエータを有し、該透光性圧電アクチュエータが、第１の光伝搬路から入射してきた光を前記第１の平面に伝搬させる光伝達路、第１の平面で反射された光を第２の光伝搬路に導く光伝達路を有し、電圧印加の有無により、前記第１の平面を第２の固定部材の第２の平面から乖離し、前記第１の平面で前記光が反射される第１の光路状態と、前記第１の平面が第２の固定部材の第２の平面に密着し、前記第１の平面で光が反射されず第３の光伝搬路に導かれる第２の光路状態とをとり得るように構成されていることを特徴とする、光スイッチが提供される。

本発明に係る光スイッチのある特定の局面では、前記第２の固定部材に、第２の透光性圧電アクチュエータが配置されており、該第２の透光性圧電アクチュエータは、前記第２の平面から第２の光路状態において入射してきた光を第３の光伝搬路に導く光伝達路を有する。

本発明に係る光スイッチの他の特定の局面では、前記第２の固定部材に、第４の光伝搬路が固定されており、かつ前記第１の光路状態にあるときには、第４の光伝搬路から入射してきた光が第２の固定部材の前記第２の平面において反射されて前記第３の光伝搬路に導かれ、前記第２の光路状態にあるときには、第４の光伝搬路から入射してきた光が、上記第２の平面及び第１の固定部材の第１の平面を通って、第２の光伝搬路に導かれるように構成されている。

本発明に係る光スイッチのさらに別の特定の局面では、前記第２の固定部材に、第２の透光性圧電アクチュエータが配置されており、該第２の透光性圧電アクチュエータは、第４の光伝搬路から入射してきた光を前記第２の平面に導く光伝達路と、前記第２の光路状態において前記第２の平面から第３の光伝搬路に導かれる光を伝達させる光伝達路とを有する。

本発明に係る光スイッチのさらに他の特定の局面では、前記透光性圧電アクチュエータが、対向し合う一対の主面を有する圧電体と、前記圧電体の一対の主面間において、圧電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極とを有する積層型圧電体を備え、該積層型圧電体において、前記複数の内部電極のうち、少なくとも一部の内部電極に、複数の前記光伝達路を形成するための窓部が形成されている。

本発明に係る光スイッチのさらに別の特定の局面では、前記第１の固定部材に設けられた透光性圧電アクチュエータの一面に、該透光性圧電アクチュエータよりも第２の固定部材の第２の平面への密着性に優れた材料からなる透光性密着膜が形成されており、該透光性密着膜の外側の面が前記第１の平面である。

本発明に係る光スイッチのさらに他の特定の局面では、前記第１の平面に対向している前記第２の固定部材面に、透光性圧電アクチュエータよりも前記第１の固定部材の前記第１の平面への密着性に優れた材料からなる透光性密着膜が形成されており、該透光性密着膜の外側の面が前記第２の平面である。

本発明に係る多チャンネル型光スイッチは、本発明に従って構成された光スイッチを複数備えており、該複数の光スイッチが直列及び／または並列に接続されていることを特徴とする。

本発明に係る光スイッチでは、第１の固定部材が上記透光性圧電アクチュエータを有し、電圧の印加の有無により、第１の固定部材の第１の平面を第２の固定部材の第２の平面から乖離し、該第１の平面で光が反射されて、第１の光伝搬路から第２の光伝搬路へ光を導く第１の光路状態と、前記第１の平面が第２の平面に密着し、第１の平面で光が反射されず、第１の光伝搬路から第３の光伝搬路に光が導かれる第２の光路状態とをとり得るように構成されている。しかも、透光性圧電アクチュエータ自体が、上記第１の光伝搬路から第１の平面に光を導く光伝達路、及び第１の平面から第３の光伝搬路に導く光伝搬路を有する。従って、透光性圧電アクチュエータ自体の変位により光路が直接切り換えられるため、光スイッチの小型化を図ることができる。

すなわち、従来の圧電アクチュエータを用いた光スイッチでは、圧電アクチュエータは、光路を切り換えるために他の光学部材を駆動するのに用いられていたため、小型化を図ることが困難であったのに対し、本発明によれば、透光性圧電アクチュエータ自体が光路の一部を構成し、該透光性圧電アクチュエータ自体の変位により光路が直接切り換えられるため、他の部材を駆動する場合に比べて小型の透光性圧電アクチュエータを用いることができる。よって、光スイッチの小型化を進めることが可能となる。

加えて、透光性圧電アクチュエータが光路の一部を構成し、透光性圧電アクチュエータの伸縮により第１の光路状態と第２の光路状態とが切り換えられるため、アクチュエータの応答速度と同じ程度にスイッチングの応答速度も高められる。

よって、本発明によれば、応答速度に優れ、かつ小型の光スイッチを提供することが可能となる。

第２の固定部材に、第２の透光性圧電アクチュエータが配置されており、第２の光路状態において第２の平面から入射してきた光が、該第２の透光性圧電アクチュエータの光伝達路を通って第３の光伝搬路に導かれるように構成されている場合には、第２の固定部材側に設けられた透光性圧電アクチュエータの圧電効果をも利用して、第１の光路状態と、第２の光路状態との間でスイッチングを行うことができる。

第２の固定部材に、第４の光伝搬路が固定されており、第１の光路状態にあるときには、第４の光伝搬路から入射されてきた光が、第２の固定部材の上記第２の平面において反射されて第３の光伝搬路に導かれ、第２の光路状態にあるときには、第４の光伝搬路から入射されてきた光が、上記第２の平面及び第１の固定部材の第１の平面を貫き、第２の光伝搬路に導かれる場合には、第１の光伝搬路から入射してきた光と、第４の光伝搬路から入射してきた光の双方を切り換えることが可能となる。この場合、第２の固定部材に第２の透光性圧電アクチュエータが配置されている場合には、第２の透光性圧電アクチュエータをも用いて、スイッチングを行うことが可能となる。

透光性圧電アクチュエータが、対向し合う第１，第２の面を有する圧電体と、圧電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極とを有する積層型圧電体を有し、該積層型圧電体において、複数の内部電極のうち、少なくとも一部の内部電極に、積層型圧電体内を光を伝搬させるための複数の前記光伝達路を形成するための窓部が形成されている場合には、積層型圧電体を利用して大きな変位量を得ることができるため、第１の光路状態と第２の光路状態との間で確実に光路状態を切り換えることができる。また、上記窓部が少なくとも一部の内部電極に形成されている場合には、内部電極積層部分内に光伝達路を形成することができるため、透光性圧電アクチュエータの小型化をより一層進めることができ、ひいては光スイッチのより一層の小型化を図ることができる。

第１の透光性圧電アクチュエータの外表面に、該圧電体よりも第２の固定部材の第２の平面への密着性に優れた材料からなる透光性密着膜が形成されている場合には、第２の光路状態において、第１の光伝搬路から入射してきた光を、確実に第３の光伝搬路に入射させることができる。また、第４の光伝搬路が第２の固定部材に固定されている場合には、第４の光伝搬路から入射してきた光を、第２の光路状態において、第２の光伝搬路に確実に導くことができる。

第２の固定部材の上記第２の平面の外側に、透光性圧電アクチュエータよりも第１の平面への密着性に優れた材料からなる透光性密着膜が形成されている場合にも、同様に、第２の光路状態において光を目的とする光伝搬路に確実に導くことができる。

本発明に係る多チャンネル型光スイッチは、本発明に従って構成された光スイッチを複数備えているため、各光スイッチの小型化を図ることができるので、多チャンネル型光スイッチ全体を小型とすることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの平面図である。光スイッチ１は、第１，第２の固定部材２，３を有する。第１の固定部材２には、第１，第２の光伝搬路を構成する第１，第２の光ファイバー４，５の一端が接続されている。また、第２の固定部材３には、第３，第４の光伝搬路を構成する第３，第４の光ファイバー６，７の一端が固定されている。

なお、光ファイバー４〜７に代えて、他の光導波体を用いて光伝搬路を構成してもよい。

本実施形態では、第１の光ファイバー４から入射された光が、第１の光ファイバー４から第２の光ファイバー５に導かれ、かつ第４の光ファイバー７から入射された光が第３の光ファイバー６に導かれる第１の光路状態と、第１の光ファイバー４から入射された光が第３の光ファイバー６に導かれ、第４の光ファイバー７から入射されてきた光が第２の光ファイバー５に導かれる第２の光路状態との間で切り換えられるように構成されている。

第１，第２の固定部材２，３は、それぞれ、石英などの透光性材料からなる固定部８，９を有する。固定部８，９は、それぞれ、一対の傾斜面８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを有する。傾斜面８ａ，８ｂに、第１，第２の光ファイバー４，５の一端が固定されている。また、傾斜面９ａ，９ｂに第３，第４の光ファイバー６，７の一端が固定されている。

第１，第２の光ファイバー４，５は、後述の第１の平面１３ａに直交する仮想線を挟んで対向する位置に配置されており、かつ該仮想線に対して等しい角度だけ傾斜されている。

他方、固定部８、９は、傾斜面８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂとは反対側に平面部８ｃ，９ｃを有する。

そして、平面部８ｃ，９ｃに、第１，第２の透光性圧電アクチュエータ１１，１２が接合されている。

また、第１，第２の透光性圧電アクチュエータ１１，１２の固定部８，９に接合されている側とは反対側の面を覆うように、第１，第２の透光性密着膜１３，１４が貼り合わされている。

第１の透光性圧電アクチュエータ１１を代表して、透光性圧電アクチュエータ１１，１２の構造を説明する。

図１（ｂ）は、透光性圧電アクチュエータ１１の平面断面図である。

透光性圧電アクチュエータ１１は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどの圧電セラミックスからなる直方体状の圧電体１５を有する。圧電体１５内には、複数の第１の内部電極１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇと、複数の第２の内部電極１６ｂ，１６ｄ，１６ｆ，１６ｈとが交互に圧電体層を介して重なり合うように積層されている。第１の内部電極１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇは、圧電体１５の一方の端面１５ａに引き出されており、第２の内部電極１６ｂ，１６ｄ，１６ｆ，１６ｈは第２の端面１５ｂに引き出されている。第１，第２の端面１５ａ，１５ｂには、外部電極１７，１８が形成されている。第１の外部電極１７は、複数の第１の内部電極１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇに電気的に接続されている。第２の外部電極１８は、複数の第２の内部電極１６ｂ，１６ｄ，１６ｆ，１６ｈに接続されている。

また、透光性圧電アクチュエータ１１においては、圧電体１５の第１の主面１５ｃ側が、図１（ａ）において、前述した固定部８の平面部８ｃに接合されている。主面１５ｃとは反対側の主面１５ｄ上に積層された透光性密着膜１３の外側面が本発明における第１の平面１３ａを構成している。

上記複数の内部電極１６ａ〜１６ｈを有する積層型の圧電体１５は、分極されている。すなわち、複数の内部電極に挟まれた圧電体層は、厚み方向において交互に隣り合う圧電体層が厚み方向に逆方向に分極処理されている。従って、外部電極１７，１８間に直流電圧を印加する際の極性を切り換えることにより、圧電体１５は、厚み方向に伸び、あるいは縮むこととなる。

上記のように、複数の内部電極１６ａ〜１６ｈを有する積層型の圧電体１５は、公知の積層型圧電アクチュエータの製造方法に従って得ることができる。

すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスを主体とする複数枚のセラミックグリーンシートを用意する。しかる後、複数枚のセラミックグリーンシート上に、内部電極パターンを形成し、内部電極パターンが形成された複数枚のセラミックグリーンシートを積層する。そして、上下に適宜の枚数の無地のセラミックグリーンシートを積層した後、厚み方向に加圧する。このようにして、積層体を得ることができる。得られた積層体を焼成することにより、圧電体１５を得ることができ、該圧電体１５の端面１５ａ，１５ｂに、周知の電極形成方法に従って第１，第２の外部電極１７，１８を形成すればよい。なお、積層体を得た後に、導電ペーストを端面に塗布した後、焼成することにより圧電体１５と外部電極１７，１８とを同時に完成させてもよい。

なお、上記積層型圧電体を製造するに際しては、好ましくは、積層型圧電体１５を得た後に、分極に先立ち、熱処理及び徐冷処理を施すことが望ましい。後述する実験例において、このような熱処理及び徐冷処理の効果を説明する。

ところで、本実施形態の圧電体１５では、図１（ｂ）に示す第１の光路状態における内部の光伝達路を実現するために、複数の内部電極１６ａ〜１６ｈのうちの少なくとも一部の内部電極に窓部Ｂが形成されている。これを、図２を参照して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、図１（ｂ）に示されている第１の内部電極１６ａが形成されている位置及び第２の内部電極１６ｄが形成されている高さ位置の各平面断面図である。

図２（ａ）に示すように、第１の内部電極１６ａは矩形の形状を有し、一端が端面１５ａに引き出されている。そして、内部電極１６ａにおいては、圧電体１５の中央を挟んで対向する位置に窓部Ｂ，Ｂが形成されている。

同様に、図２（ｂ）に示すように、第２の内部電極１６ｄにおいても、圧電体の中央を挟んで端面１５ａ，１５ｂを結ぶ方向において対向する位置に、窓部Ｂ，Ｂが形成されている。もっとも、図２（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、内部電極１６ｄにおける窓部Ｂ，Ｂ間の距離は、上方に位置する内部電極１６ａにおける窓部Ｂ，Ｂ間の距離よりも小さくされている。これは、図１（ｂ）に示す光路Ｘを実現するに際し、窓部Ｂ，Ｂ間の距離は、図１（ｂ）から明らかなように、圧電体１５の主面１５ａ側から下方の主面１５ｄ側に至るにつれて小さくされ、それによって光路Ｘが実現されていることによる。

従って、最下層の内部電極１６ｈでは、一対の窓部Ｂ，Ｂが近接して連なって、１つの窓部とされている。

上記窓部Ｂ，Ｂは、図１（ｂ）に示すように、光路Ｘを実現するため、すなわち圧電体１５の主面１５ｃ上において、図示の方向から入射してきた光が、透光性密着膜１３の外表面である第１の平面１３ａで反射され、主面１５ｃ側に再度導かれることを可能とするために設けられている。言い換えれば、上記窓部Ｂ，Ｂは、上記光路Ｘを実現する複数の光伝達路、すなわち主面１５ｃから第１の平面１３ａに至る光伝達路と、第１の平面１３ａから主面１５ｃに反射光が伝達される光伝達路とを形成するために、上記複数の窓部Ｂ，Ｂが形成されている。

このように、複数の内部電極１６ａ〜１６ｈ内に、光伝達路を構成するための窓部Ｂを形成することにより、透光性圧電アクチュエータ１１の小型化を図ることができる。すなわち、圧電アクチュエータとして駆動される透光性圧電アクチュエータ１１において、内部電極１６ａ〜１６ｈが積層されている部分とは別に光伝達路を実現するための部分を設けた場合には、透光性圧電アクチュエータの大きさが大きくならざるを得ない。これに対して、本実施形態では、圧電アクチュエータとして駆動するための内部電極積層部分に光伝達路が設けられているため、光伝達路が内蔵された圧電アクチュエータとしての透光性圧電アクチュエータ１１の小型化を図ることができる。

図１（ａ）に戻り、本実施形態では、第２の固定部９側にも、透光性圧電アクチュエータ１２が固定されているが、透光性圧電アクチュエータ１２は、上記透光性圧電アクチュエータ１１と同様に構成されている。また、透光性圧電アクチュエータ１２においても、固定部９に接合されている側とは反対側の面に透光性密着膜１４が積層されており、該透光性密着膜１４の外側面が本発明における第２の平面１４ａを構成している。

上記透光性密着膜１３，１４は、それぞれ、透光性圧電アクチュエータ１１，１２よりも第２または第１の平面に対する密着性に優れた柔軟性を有する材料からなる。このような透光性密着膜１３，１４を構成する材料としては、ポリイミド、ポリカーボネートなどが挙げられる。

上記透光性密着膜１３，１４の屈折率は、圧電体１５を構成する圧電体材料と同じであることが望ましい。屈折率が同じであれば、第１の光ファイバー４や第４の光ファイバー７から入射してきた光が、透光性密着膜１３，１４において向きを変えないため、本発明に従って確実に第３または第２の光ファイバーに導くことができる。

もっとも、第１，第２の透光性密着膜１３，１４の屈折率は、圧電体１５の屈折率と異なっていてもよく、その場合には、屈折率差に応じた光の進行方向の変化を考慮して、第３，第４の光ファイバー６，５の圧電体１５の主面１５ａに対する角度を調整すればよい。

次に、上記光スイッチ１の動作を説明する。透光性圧電アクチュエータ１１，１２は、電圧を印加した際に、圧電効果により内部電極積層方向に延びた状態と、縮んだ状態とを実現する。図１（ａ）では、圧電アクチュエータ１１，１２に電圧を印加し、両圧電アクチュエータ１１，１２が内部電極積層方向すなわち厚み方向に延びた状態とされている。この場合、圧電アクチュエータ１１，１２の外側面に積層された透光性密着膜１３，１４が強固に密着する。この状態が前述した第２の光路状態である。透光性密着膜１３，１４が強固に密着しているため、第１の光ファイバー４から入射された光は、第１の固定部８を通り、第１の透光性圧電アクチュエータ１１内に導かれる。この光は、第１の透光性圧電アクチュエータ１１内の光伝達路を通り、第１の透光性密着膜１３の外側面である第１の平面１３ａに至る。そして、第１，第２の透光性密着膜１３，１４が透光性圧電アクチュエータ１１，１２の圧電体材料とほぼ等しい屈折率を有するため、光はそのまま直進し、第２の透光性密着膜１４を通過し、第２の透光性圧電アクチュエータ１２内の光伝達路を進行し、第１の光ファイバー４の延びる方向の延長上に位置している第３の光ファイバー６に導かれる。

他方、第４の光ファイバー７から入射してきた光も同様に直進し、第４の光ファイバー７の延長方向に延ばされている第２の光ファイバー５に導かれる。この状態が第２の光路状態である。

次に、第１，第２の透光性圧電アクチュエータ１１，１２に逆極性の電圧を印加すると、第１，第２の透光性圧電アクチュエータ１１，１２は、図３に示すように厚み方向、すなわち内部電極積層方向に縮むことになる。そのため、第１，第２の透光性密着膜１３，１４の外側面の間に空隙Ｃが生じる。すなわち、第１の平面１３ａと第２の平面１４ａとが乖離された状態となる。この状態が第１の光路状態である。

第１の光路状態では、第１の光ファイバー４から入射してきた光は、第１の透光性圧電アクチュエータ１１内の光伝達路を通り、第１の透光性密着膜１３の外側面である第１の平面１３ａに至る。第１の平面１３ａにおいては、外側には空気が存在することになるため、光は第１の平面１３ａで全反射する。そして、第１，第２の光ファイバー４，５が、前述したように、第１の平面１３ａに直交する仮想線に対して等しい角度をなすように配置されているため、反射された光は第２の光ファイバー５に導かれる。同様に、第４の光ファイバー７から入射されてきた光も、透光性密着膜１４の前述した第２の平面１４ａで全反射し、第３の光ファイバー６に導かれる。

従って、本実施形態の光スイッチ１では、透光性圧電アクチュエータ１１，１２に加える電圧の極性を変更することにより、第１の光路状態から第２の光路状態に、あるいは第２の光路状態から第１の光路状態に容易に切り換えることができる。そして、上記光路状態の切り換えに際して、透光性圧電アクチュエータ１１，１２自体が光伝達路を内蔵しているため、言い換えれば透光性圧電アクチュエータ１１，１２により他の光学部材を駆動して光路を変更する必要がないため、大幅な小型化を進めることができる。また、他の光学部材を駆動する必要がないため、光スイッチ１では、構造の簡略化も図られる。

加えて、他の光学部材を圧電アクチュエータで駆動する場合には、応答速度は、他の光学部材を物理的に駆動する必要があるため圧電アクチュエータ自体の応答速度よりも低くなりがちであるのに対し、本実施形態では、圧電アクチュエータである透光性圧電アクチュエータ１１，１２自体が変位して光路が変更されるため、応答速度も改善される。

従来の静電式光スイッチでは、応答速度は１〜１０μ秒と遅いだけでなく、駆動電圧も数十Ｖと高かった。これに対して、本実施形態の光スイッチ１では、 応答速度は０．０２〜０．１μ秒と極めて速い。また、透光性圧電アクチュエータ１１，１２は、上記積層型圧電体からなるため、数Ｖと極めて低い電圧で駆動させることができる。

よって、本実施形態によれば、小型であり、構造が簡略化されて安価に構成することができ、しかも応答速度に優れた光スイッチ１を提供することができる。

図４は、上記実施形態の光スイッチ１の変形例を示す模式的平面図である。図４に示す光スイッチ２１では、第１の固定部材２側にのみ透光性圧電アクチュエータ１１が固定されており、第２の固定部材３側には透光性圧電アクチュエータは設けられていない。すなわち、石英などの透光性材料からなる固定部９の平面部９ｃ上に透光性密着膜１４が直接積層されている。このように、本発明においては、透光性圧電アクチュエータは、第１の固定部材にのみ設けられていてもよい。

また、図１及び図４では、上記透光性密着膜１３，１４が設けられていたが、透光性密着膜１３，１４が用いられずともよい。その場合には、上記第１の平面及び第２の平面は、図１の透光性圧電アクチュエータ１１の主面１５ｄ及び透光性圧電アクチュエータ１２の外側主面により構成されることになる。また、図４に示す第２の固定部材３においては、平面部９ｃが前述した「第２の平面」を構成することになる。

もっとも、好ましくは、上記のように透光性密着膜１３，１４を用いることにより、直進してきた光を漏洩・散乱させることなく、第１，第２の固定部材側から第２，第１の固定部材側に直進させることができ、望ましい。

図５は、本発明の第２の実施形態としての多チャンネル型光スイッチを示す模式的平面図である。多チャンネル型光スイッチ３１では、複数の第１の実施形態に係る光スイッチ１が直列及び並列に接続されている。このように、複数の光スイッチ１を直列及び／または並列に接続することにより、多チャンネル型光スイッチを本発明により構成することができる。この場合、各光スイッチ１が、小型でありかつ応答速度に優れているため、多数の光スイッチ１を用いて構成された多チャンネル型光スイッチ３１においても、小型化及び応答速度の向上を期待することができる。

なお、上記のような透光性圧電アクチュエータを構成する透光性のセラミック材料としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）系固溶体にＬａ₂Ｏ₃を添加した組成のものを例示することができる。

次に、上記透光性圧電アクチュエータを得るための積層型圧電体の製造方法についての具体的な実験例を説明する。まず、前述したＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）系固溶体にＬａ₂Ｏ₃を添加した組成のセラミック粉末を用い、セラミックスラリーを得た。このセラミックスラリーを用いて１０μｍの厚みのセラミックグリーンシートを作製した。そして、上記セラミックグリーンシート上に、Ｐｔペーストを印刷し、内部電極パターンを印刷した。内部電極パターンの印刷に際しては、上記窓部Ｂが形成されるようにＰｔペーストを印刷した。次に、内部電極ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、上下に無地のセラミックグリーンシートを積層し、冷間静水圧プレスにより加圧し、積層体を得た。

上記積層体を、Ｏ₂及びＰｂＯ雰囲気中において焼成し、内部電極以外が透明な圧電体を得た。次に、一対の外部電極１７，１８を形成し、積層型の圧電体１５を得た。

そして、上記積層型の圧電体１５の外部電極１７，１８が形成されている面を結ぶ方向に、すなわち内部電極と平行な方向に応力を加え、５００℃で１２０分間熱処理し、１℃／分以下の降温速度で５００℃から２００℃まで徐冷した。この徐冷に際しては、比較のために、上記応力を付加せずに熱処理を施した圧電体と、応力を付加せず、かつ上記熱処理を施さなかった圧電体を別途用意した。

上記応力下で熱処理し、徐冷した圧電体と、上記熱処理及び応力を付加していない圧電体の結晶構造をＸ線回折により調べた。

しかる後、応力下で熱処理及び徐冷を施した圧電体の両主面に電極を設け、高電圧を印加し、分極した。次に、第１，第２の内部電極に導通する外部電極１７，１８に高電圧を印加し、分極した。両主面の分極用電極は分極後に除去した。このようにして、上記透光性圧電アクチュエータ１１を作製した。比較例としての熱処理及び応力を付加していない履歴の圧電体についても、同様に分極処理を行い、透光性圧電アクチュエータを作製した。

上記５００℃で１２０分間応力下で熱処理し、徐冷して得られた圧電体では、Ｘ線回折の結果、図６に示すように（００１）面に大きく配向していた。これに対して、比較のために用意した応力及び熱処理を付加しなかった圧電体では（００１）面の配向が小さいことがわかる。この（００１）面への配向度を、配向度（００１）＝（００１）／｛（００１）＋（１００）｝×１００（％）とした場合、熱処理・徐冷した圧電体では００１面への配向度は５３％であり、比較のために用意した圧電体では４１％に過ぎなかった。

また、応力下で熱処理し、徐冷した圧電体と、応力を付加せずに熱処理した圧電体とを別途比較したところ、（００１）面への配向度は、応力下で熱処理し、徐冷した圧電体では６０％であり、応力を付加せずに熱処理した圧電体では５２％であった。

従って、上記のように応力下で熱処理された圧電体を用いることにより、透光性圧電アクチュエータ１１，１２において、より低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を確実に得ることができることがわかる。

次に、上記のようにして応力下で熱処理した圧電体と、応力下で熱処理しなかった圧電体の透光度を測定した。その結果、応力下で熱処理しなかった圧電体１５では透光度は６３％であったのに対し、上記応力下で熱処理した圧電体１５では透光度は７０％であり、透光度も７％高めることができた。従って、透光性圧電アクチュエータにおける光の伝搬損失も低減し得ることがわかる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの平面図及び該光スイッチに用いられている透光性圧電アクチュエータ及び透光性密着膜を示す正面断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態で用いられている透光性圧電アクチュエータの各平面断面図。 第１の光路状態にあるときの第１の実施形態の光スイッチを示す平面図。 第１の実施形態の光スイッチの変形例を示す平面図。 本発明の第２の実施形態としての多チャンネル型光スイッチを示す模式的平面図。 熱処理が再度施された圧電体及び熱処理が再度施されていない圧電体のＸ線回折結果を示す図。 従来の光スイッチの一例を説明するための斜視図。 従来の光スイッチの他の例を説明するための略図的平面図。

符号の説明

１…光スイッチ
２…第１の固定部材
３…第２の固定部材
４…第１の光ファイバー（第１の光伝搬路）
５…第２の光ファイバー（第２の光伝搬路）
６…第３の光ファイバー（第３の光伝搬路）
７…第４の光ファイバー（第４の光伝搬路）
８…固定部
８ａ，８ｂ…傾斜面
８ｃ…平面部
９…固定部
９ａ，９ｂ…傾斜面
９ｃ…平面部
１１，１２…第１，第２の透光性圧電アクチュエータ
１３，１４…透光性密着膜
１３ａ…第１の平面
１４ａ…第２の平面
１５…圧電体
１５ａ，１５ｂ…端面
１５ｃ，１５ｄ…主面
１６ａ〜１６ｈ…内部電極
１７，１８…外部電極
Ｂ…窓部

Claims (8)

1. 第１の光伝搬路から入射した光を、第２光伝搬路または第３光伝搬路に伝搬させることを可能とする光スイッチであって、
   第１の光伝搬路と第２の光伝搬路とが固定されており、第１の光伝搬路から入射された光が反射されて第２の光伝搬路に導かれ得るように設けられた反射面としての第１の平面を有する第１の固定部材と、
   第３の光伝搬路が固定されており、前記第１の光伝搬路から入射してきた光が前記第１の平面で反射されずに、該第１の平面を超えて伝搬してきたときに入射される入射面としての第２の平面を有し、該第２の平面から入射した光が第３の光伝搬路に導かれるように構成されている第２の固定部材と、
   前記第１の固定部材が、電圧の印加の有無により、圧電効果により伸縮する透光性圧電アクチュエータを有し、該透光性圧電アクチュエータが、第１の光伝搬路から入射してきた光を前記第１の平面に伝搬させる光伝達路、第１の平面で反射された光を第２の光伝搬路に導く光伝達路を有し、電圧印加の有無により、前記第１の平面を第２の固定部材の第２の平面から乖離し、前記第１の平面で前記光が反射される第１の光路状態と、前記第１の平面が第２の固定部材の第２の平面に密着し、前記第１の平面で光が反射されず第３の光伝搬路に導かれる第２の光路状態とをとり得るように構成されていることを特徴とする、光スイッチ。
2. 前記第２の固定部材に、第２の透光性圧電アクチュエータが配置されており、該第２の透光性圧電アクチュエータは、前記第２の平面から第２の光路状態において入射してきた光を第３の光伝搬路に導く光伝達路を有する、請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記第２の固定部材に、第４の光伝搬路が固定されており、かつ前記第１の光路状態にあるときには、第４の光伝搬路から入射してきた光が第２の固定部材の前記第２の平面において反射されて前記第３の光伝搬路に導かれ、前記第２の光路状態にあるときには、第４の光伝搬路から入射してきた光が、上記第２の平面及び第１の固定部材の第１の平面を通って、第２の光伝搬路に導かれるように構成されている、請求項１に記載の光スイッチ。
4. 前記第２の固定部材に、第２の透光性圧電アクチュエータが配置されており、該第２の透光性圧電アクチュエータは、第４の光伝搬路から入射してきた光を前記第２の平面に導く光伝達路と、前記第２の光路状態において前記第２の平面から第３の光伝搬路に導かれる光を伝達させる光伝達路とを有する、請求項３に記載の光スイッチ。
5. 前記透光性圧電アクチュエータが、対向し合う一対の主面を有する圧電体と、前記圧電体の一対の主面間において、圧電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極とを有する積層型圧電体を備え、該積層型圧電体において、前記複数の内部電極のうち、少なくとも一部の内部電極に、複数の前記光伝達路を形成するための窓部が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
6. 前記第１の固定部材に設けられた透光性圧電アクチュエータの一面に、該透光性圧電アクチュエータよりも第２の固定部材の第２の平面への密着性に優れた材料からなる透光性密着膜が形成されており、該透光性密着膜の外側の面が前記第１の平面である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光スイッチ。
7. 前記第１の平面に対向している前記第２の固定部材面に、透光性圧電アクチュエータよりも前記第１の固定部材の前記第１の平面への密着性に優れた材料からなる透光性密着膜が形成されており、該透光性密着膜の外側の面が前記第２の平面である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光スイッチ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の光スイッチを複数備え、複数の光スイッチが直列及び／または並列に接続されていることを特徴とする、多チャンネル型光スイッチ。
   

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