JPH03208007A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （概要） 屈曲変位型圧電アクチュエー夕を用いた光スイッチに関
し、 小型で、切り換え時間が短く且つ十分な光路の切り換え
を行うのに十分な変位量をもち、光ファイバとの位置合
わせを容易に行うことのできることを目的とし、 屈曲変位型圧電アクチュエータの一端を固定し、他端に
反射鏡を形成し、この反射鏡の反射面に入射する光の光
路を屈曲変位によって変更する構戒とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は屈曲変位型圧電アクチュエー夕を用いた光スイ
ッチに関する。

最近では、光ファイバを使用した光通信や光情報処理に
おいて光の信号線の切り換えを行うことが必要になって
きており、そのために光スイッチが求められている。特
に、光リンク通信網を形戒する場合に、光ケーブルと端
末との間の光信号の切り換えは重要である。しかし、現
在の光スイッチは一般に高価であり、且つ挿入損失が大
きいために実用できるものは少なく、実際には光信号を
一旦電気信号に変換し、その後でスイッチ動作を行う場
合が多い。そのようなやり方では端末における電源切断
などの異常時に光リンク全体が影響を受けることがあり
、低価格、簡易、小型、高信頼性で、挿入損失の小さな
光スイッチが望まれている。

〔従来の技術〕

光スイッチを構成する手段として２つのタイプがある。

第１のタイプは機械的に動作する部分を有する機械的な
スイッチであり、第２のタイプは機械的に動作する部分
がなく、光の特性を利用してスイッチ作用を行うもので
ある。第１のタイプの代表的なものは電磁アクチュエー
夕を利用したものと、圧電アクチュエー夕を利用したも
のとがある。第２のタイプの光スイッチとしては、電気
光学効果を用いたものがある。電気光学効果は、物質に
電界を加えると物質の屈折率が変化し、その中を通る光
が偏光したり、速度が変化したりすることを利用するこ
とであり、使用する物質としてはニオブ酸リチウムの結
晶が最近注目されている。ニオブ酸リチウムの結晶の中
に設けた光路に光を通すと、光の速度が電界によって変
化するので、常光と異常光とが生じ、その速度差により
スイッチ作用を行わせるようになっている。また、第２
のタイプの光スイッチとしては、超音波を使用し、超音
波の結晶や水中での歪みによるブラッグ回折を利用した
ものもある。

（発明が解決しようとする課題〕 電磁アクチュエータを利用した光スイッチは光の切り換
え部品としては切り換え時間がかかり過ぎ、動作部分及
びその周囲のソレノイドが大きくなるという問題点があ
った。さらに、電磁アクチュエータでは、動作部分の微
細な位置の制御が難しく、微細な位置の調整も困難なの
で、所望の精度を得るのが難しい。そして、入射光路と
出射光路の間の１つの光路の導通と遮断ばかりでなく、
入射光路から複数の出射光路への光路の切り換えを行う
ようにすると、電磁力を利用した光スイッチでは構戒が
複雑になり、大型になり、高価格になる。これに対して
、圧電アクチュエー夕を利用した光スイッチは切り換え
時間が短いので、この点ではＱｍアクチュエー夕を利用
したものよりも有利である。しかし、圧電アクチュエー
タの変位量は非常に小さく、圧電アクチュエー夕によっ
て直接に光路の切り換えのできる光スイッチは実用化さ
れていない。一方、電気光学効果を用いた光スイッチの
場合には、機械的な動作部分がないので電気的な制御の
みによってスイッチ作用を行うことができる利点がある
。しかし、偏光分離、合戊などの複雑な光学系が必要で
あり、また常光と異常光との速度の差異の温度依存性の
補償が必要である。従って、電気光学効果を用いた光ス
イッチについても実用化するためには未解決の問題があ
る。超音波を使用する光スイッチについても同様であり
、この場合には高周波数で超音波を発生させる設備が必
要であり、変換損失が大きい。

本発明は、小型で、切り換え時間が短く且つ十分な光路
の切り換えを行うのに十分な変位量をもち、光ファイバ
との位置合わせを容易に行うことのできる屈曲変位型圧
電アクチュエータを用いた光スイッチを提供することを
目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光スイッチは、屈曲変位型圧電アクチュエー夕
の一端を固定し、他端に反射鏡を形成し、該反射鏡の反
射面に入射する光の光路を屈曲変位によって変更するこ
とを特徴とするものである。

〔作用〕

屈曲変位型圧電アクチュエー夕は圧電横効果を利用し、
２個の圧電素子を伸長と伸縮するように重ねたものであ
り、長手方向に沿って屈曲する。

従って、屈曲変位型圧電アクチュエータの一端を固定端
とすると、他端では比較的に大きな変位量が得られる。

屈曲変位型圧電アクチュエー夕の他端には反射鏡が形成
されており、この反射鏡の反射面に向けて入力光ファイ
バを配置する。屈曲変位型圧電アクチュエー夕が屈曲変
位させると、入射する光の光路を変更することができる
。なお、屈曲変位型圧電アクチュエータの他端に設けら
れた反射鏡を利用して、光スイッチと光ファイバとの位
置合わせを行うことができる。

〔実施例〕

第１図及び第２図は本発明の第１実施例の光スイッチ１
０を示す図である。光スイッチ１０は屈曲変位型圧電ア
クチュエータｌ２を含み、屈曲変位型圧電アクチュエー
タ１２の一端はスイソチフレームの固定壁１４に固定さ
れ、他端は自由端部であって、その端面に反射鏡１６を
形成してある。

屈曲変位型圧電アクチュエータ１２の自由端部の端面ば
アクチュエータ軸線に対して角度をつけた平面とされて
おり、第１図で下方側が鋭角状エッジになっている。反
射鏡１６は種々の方法で形成できる。例えば、反射鏡１
６は屈曲変位型圧電アクチュエータ１２の端面にアルミ
ニウム蟇着等によって形成される。また、反射鏡ｌ６は
シリコンのマイクロマシーニング技術によって、あるい
は反射鏡１６は樹脂モールドによって屈曲変位型圧電ア
クチュエータ１２とは別に形成して、後で接着してもよ
い。また、反射鏡１６は平面ばかりでなく、後で説明す
るようにくさび形、あるいは凹面形等の反射面をもつよ
うに形成することができる。

屈曲変位型圧電アクチュエータ１２は長手方向に延びる
境界面ｌ８を境界とした２層の圧電素子ｌＪｌ２ａ，１
２ｂからなる。２層の圧電素子層１２ａ、１２ｂは相互
に分極方向が反対になるように構或され、例えば一方の
圧電素子層１２ａが長平方向に伸び、且つ他方の圧電素
子層１２ｂが縮むことによって、全体としての屈曲変位
型圧電アクチュエータ１２が屈曲し、その自由端部が変
位するものである。屈曲変位型圧電アクチュエータ１２
の両側面には金蒸着膜等の電極２０、２２が形成され、
電源２４によってこれらの電極２０、２２間に電圧をか
けるようになっている。なお、電＃２４は印加電圧を変
化させる制御装置を含み、さらにこの光スイッチ１０が
使用される光リンクと接続される。

光人力手段及び光出力手段が光スイッチ１０と関連して
配置される。入力用光ファイバ２６の直線状端部が反射
鏡１６の反射面に向かって下方側のエソジをわずかに外
れる位置に配置され、第１の出力用光ファイハ２Ｂの直
線状端部が入力用光ファイバ２６の直線状端部と同軸線
上で向き合って配置される（以後、各光ファイバの直線
状端部を単に光ファイハと呼ぶ）。さらに、第２の出力
用光ファイハ３０が反射鏡１６の反射面に向かって入力
用光ファイバ２６よりも内寄りの位置に配置される。実
施例においては、各光ファイバの光線が直接に光スイソ
チ１０に入射または反射されるようになっているが、例
えば人力用光ファイハ２６と反射鏡１６の間に凸レンズ
を挿入することもできる。

各光ファイハ２６、２８、３０としては、マルチモード
で光信号を送ることのできるグレーデッド型の光ファイ
ハを使用できることが望まれ、ビーム径が約５０μｍ以
上になる場合が多い。従って、屈曲変位型圧電アクチュ
エータ１２は５０μｍ以上変位できることが必要である
。実施例においては、各光ファイハ２６のビーム径は６
０μｍである。

第１図及び第２図に示す実施例においては、屈曲変位型
圧電アクチュエータ１２の長さは２５鴫、２層合計の厚
さはＱ．　３　ｍｍであり、圧電素子としてニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂ０３）を使用している。この圧電素子
の詳細については後で詳細に説明する。

電極２０、２２間の印加電圧がＯのときに、屈曲変位型
圧電アクチュエータ１２は第２図に実線で示される真っ
直ぐな位置をとり、入力用光ファイハ２６から出射する
光は反射鏡ｌ６の下方側のエッジを外れて第１の出力用
光ファイバ２８に達するようになっている。電極２０、
２２間に２００■の電圧を印加すると、屈曲変位型圧電
アクチュエータ１２が屈曲して、その自由端部及び反射
鏡１６は第２図に破線で示される位置に変位する。

すると入力用光ファイバ２６から出射する光は反射鏡１
６の反射面で反射し、第２の出力用光ファイバ３０に向
かうようになる。このときの屈曲変位型圧電アクチュエ
ータｌ２の屈曲による変位量は、その軸線に対して直角
な方向に６３μｍであった。この変位量はビーム径６０
μｍの光ファイバを使用して光の透過遮断と反射による
切り換えを行うのに必要であるが、屈曲変位型圧電アク
チュエータＩ２を使用すれば比較的に小さな寸法のもの
でそのような変位量を達戒できる。

本発明においては、屈曲変位型圧電アクチュエータ１２
の自由端部に反射鏡Ｉ６を形成しているので、光の透過
遮断並びに光の反射を利用して１つの入力光路から少な
くとも２つの出力光路に光路の切り換えを行うことがで
きる。また、上記では０と２００Ｖの印加電圧を使用し
ているが、これらの値を基準として位置の微調整を行う
ことができる。例えば、入力用光ファイバ２６から出射
する光が反射鏡１６の反射面で反射し、第２の出力用光
ファイバ３０に向かう配置において、反射によって第２
の出力用光ファイバ３０に入射する光をモニターしなが
ら電極２０、２２間の印加電圧を微調整し、反射鏡１６
の最適位置を設定することができる。このためには圧電
素子の印加電圧と変位量との比例関係が維持されること
が望ましく、このためにも圧電素子としてヒステリシス
やクリープのないニオブ酸リチウムを使用するのが好ま
しい。また、各光ファイハ２６、２日、３０を屈曲変位
型圧電アクチュエータ１２と同様の構戒を有する支持部
材で支持すれば、各光ファイハ２６、２８、３０の位置
をそれぞれに微調整することもできる。

第３図は圧電素子としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
３）の単結晶の１４０度回転Ｙ板を使用した屈曲変位型
圧電アクチュエータ１２の模式図である。例えば、東北
大通研シンポジウム「超音波エレクトロニクスー新しい
圧電応用Ｊ　１９８９年２月号によると、ニオブ酸リチ
ウムの単分域結晶板をキュリー温度より若干低い１１３
０″Ｃで１０時間熱処理すると、自発分極が反転した層
が形成される。第３図を参照して説明すると、最初に自
発分極の方向がＰｓの単分域結晶板を準備し、これを熱
処理すると、その結晶板の半分程の層が最初の自発分極
の方向Ｐｓとは反対の自発分極の方向Ｐｒをもった反転
層になる。従って、１個の結晶板から、長手方向に延び
る境界面１８を境界とした２層の圧電素子層１２ａ，１
２ｂを備えた屈曲変位型圧電アクチュエータ１２を得る
ことができる。この屈曲変位型圧電アクチュエータ１２
において、上下面に形成された電極２０、２２の間に電
圧を印加すると、一方の圧電素子層１２ａは例えば矢印
Ｑｒで示されるように伸び、もう一方の圧電素子層１２
ｂは矢印Ｑｓで示されるように縮み、よって全体として
矢印Ｔで示されるように屈曲する。

第４図はセラ旦ツタ圧電素子を使用した圧電アクチュエ
ータ５２の例を示す図である。この場合には、２層の圧
電素子層１２ａ、１２ｂは別個のセラミック板で形或さ
れ、重ね合わせた上下面に電極２０、２２を形或すると
ともに、重ね合わせ面（境界面）にも電極２ｌを形成し
、電極２０と２１の間、及び電極２１と２２の間にそれ
ぞれ逆極性の電圧を印加し、よって圧電素子Ｆｊｌ２ａ
、１２ｂの分極方向が反対方向になるようにする。

ニオブ酸リチウムで形成した屈曲変位型圧電アクチュエ
ータｌ２は、分極方向が反対方向の２層の圧電素子層１
２ａ、１２ｂを備えたものでありながら、境界面ｌ８が
自然に形成されたものであって境界面ｌ８で接着等の接
合を行う必要がない特徴を有するものである。これに対
して、セラミノク圧電素子を使用した圧電アクチュエー
タ５２の場合には、分極方向が異なるように２個の板を
貼り合わせたものであり、接着層によるヒステリシスや
クリープ現象が大きく、圧電的に発生した力が接着層で
吸収されるので、変位量が所定値よりも変動する。この
点で、精密な変位を必要とする光スイッチのためには、
ニオブ酸リチウムで形成した屈曲変位型圧電アクチュエ
ータ１２の方が有利である。

さらに、二オブ酸リチウムとセラミンクＰＺＴ−５は次
のような定数をもっている。

両者を比較すると、圧電定数ではセラミックの方が有利
である。しかし、比誘電率の点で、セラミンクはニオブ
酸リチウムの３０倍近い電流を必要とする。また、キュ
リー点から見ると、ニオブ酸リチウムは数百度゜Ｃ程度
の温度では自発分極の反転がなく、ドメインの状態が外
部から印加した電界によって変化することがないので、
ヒステリシスやクリープのほとんどないアクチュエー夕
を作ることができる。二オブ酸リチウムのヒステリシス
やクリープのない特徴は精密な変位を必要とする光スイ
ッチのアクチュエー夕として特に好ましい。また、二オ
ブ酸リチウムと同様にタンタル酸リチウムを使用するこ
ともできる。

第５図及び第６図は本発明の第２実施例を示す図である
。第２実施例においても、第１実施例と同様に、光スイ
ッチ１０は２層の圧電素子層１２ａ、１２ｂからなる屈
曲変位型圧電アクチュエータ１２を含み、その一端はス
イッチフレームの固定壁１４に固定され、他端には反射
鏡ｌ６を形成してある。第２実施例においては、反射鏡
ｌ６がアクチュエー夕軸線上に中心のエッジを有する９
０度のくさび形に形成され、入力用光ファイバ２６がア
クチュエー夕軸線上で反射鏡１６の中心の工・７ジをね
らって配置されるとともに、第１の出力用光ファイバ２
８及び第２の出力用光ファイバ３０が反射鏡ｌ６の中心
のエッジの両側の反射面に向かって相互に１８０度の関
係で配置される。

第２実施例においても、各光ファイバ２６のビーム径は
６０Ｉｊｍであり、屈曲変位型圧電アクチュエータ１２
の長さは２５ＩＩＩｌＩ１、２層合計の厚さは０．　３
　１ＩＩｍであった。電極２０、２２間の印加電圧が０
のときに、屈曲変位型圧電アクチュエータｌ２は第６図
に実線で示される真っ直ぐな位置をとり、電極２０、２
２間にＩＯＯＶの電圧を印加すると、屈曲変位型圧電ア
クチュエータ１２が屈曲して、その自由端部及び反射鏡
１６は第６図に一点′ｕｉ線で示される位置に変位する
。すると入力用光ファイバ２６から出射する光は反射鏡
１６の左下がりの反射面で反射し、第１の出力用光ファ
イバ２８に向かうようになる。このときの屈曲変位型圧
電アクチュエータ１２の屈曲による変位量は３２μｍで
あった。また、電極２０、２２間に−１００Ｖの電圧を
印加すると、屈曲変位型圧電アクチュエータ１２が反対
方向に屈曲して、その自由端部及び反射鏡１６は第６図
に破線で示される位置に変位する。すると人力用光ファ
イバ２６から出射する光は反射鏡１６の左上がりの反射
面で反射し、第２の出力用光ファイバ３０に向かうよう
になる。

この場合にも、印加電圧の選択によって、第１の出力用
光ファイバ２８及び第２の出力用光ファイバ３０に対す
る光スイッチ１０の位置を調節できる。

第７図は本発明の第３実施例を示す図である。

第３実施例は第２実施例とほぼ同様な構戒を有している
が、反射鏡１６の構成が第２実施例と異なっている。反
射鏡１６はアクチュエー夕軸線上の中心のエッジからく
さび形に形成されるとともに、その両側の左下がり及び
左上がりの反射面がともに凹面として形成される。従っ
て、入力用光ファイバ２６から広がりながら出射する光
が反射鏡１６で反射し、収束しながら第２の出力用光フ
ァイバ３０に向かうようになる。第１の出力用光ファイ
バ２８についても同様である。

第８図及び第９図は本発明の第４実施例を示す図である
。第４実施例は第１実施例と同様の基本的構威を有する
が、反射鏡ｌ６の構成が第１実施例と異なっている。第
１実施例の反射鏡１６は屈曲変位型圧電アクチュエータ
１２の端面に形成されていたが、第４実施例の反射鏡１
６は屈曲変位型圧電アクチュエータ１２の端部の側面に
形成されている。入力用光ファイバ２６と第１の出力用
光ファイハ２８は屈曲変位型圧電アクチュエー多Ｉ２両
側に対向して配置され、第８図に示されＺように屈曲変
位型圧電アクチュエータ１２が屈由したときに入力用光
ファイバ２６から出射した黄が第１の出力用光ファイハ
２８に達するようにねっている。第２の出力用光ファイ
ハ３ｏは、屈虫変位型圧電アクチュエータ１２が屈曲し
てぃなレ゛ときに入力用光ファイハ２６から出射した光
が反射鏡１６で反射して第２の出力用光ファイバ３ｏに
達するように配置される。

第１０図は本発明の第５実施例を示す図である第５実施
例は第２実施例とほぼ同様な構威を有しているが、反射
鏡１６の構威が第２実施例と異なっている。反射鏡１６
は内側に窪んだ９０度で交差する２つの反射面を有し、
入力用光ファイバ２６から出射する光が反射鏡１６の２
つの反射面で２度反射し、入力光と平行に第２の出力用
光ファイバ３０に向かうようになる。第１の出力用光フ
ァイバ２８についても同様である。

第ＩＩ図から第ｌ３図は本発明の第６実施例を示す図で
ある。第６実施例の基本的な構或は上記の各実施例とほ
ぼ同様であるが、屈曲変位型圧電アクチュエータ１２の
端部の形状及び反射鏡ｌ６の構戒が異なっている。屈曲
変位型圧電アクチュエータ１２の２層の圧電素子層１２
ａ、１２ｂは第１３図に示されるように水平に並べて配
置され、境界面１８が垂直になる。２層の圧電素子層１
２ａ、１２ｂの上面はくさび形の屋１４０として形成さ
れ、端面には■字形のノンチ４２が垂直に形成される。

反射鏡１６はくさび形の屋１’ｌ４０の少なくとも端部
に形成される。

人力用光ファイバ２６はノッチ４２の上方に配置され、
第１の出力用光ファイバ２８はノンチ４２の下方で入力
用光ファイバ２６に対向して配置される。また、第２の
出力用光ファイバ３０及び第３の出力用光ファイバ３１
がくさび形の屋１４０に形成された反射鏡■６の各反射
面に関連して配置され、入力用光ファイバ２６から出射
した光の反射光を受けるようになっている。この構成に
おいては、印加電圧が０のときに、入力用光ファイバ２
６から出射した光は第Ｉの出力用光ファイハ２８に達す
る。印加電圧がプラスまたはマイナスの所定値のときに
屈曲変位型圧電アクチュエータＩ２が左又は右に屈曲し
、入力用光ファイハ２６から出射した光はくさび形の屋
根４ｏに形成された反射鏡１６の各反射面で反射して第
２の出方用光ファイバ３０及び第３の出力用光ファイバ
３１の一方に達する。この実施例では、光路を３方に切
り換えることができる。

第１４図は本発明の第７実施例を示す図である。

第７実施例においては、２個の同等の屈曲変位型圧電７
　クチュエータ１２を平行に並べてそれぞれの一端を固
定壁１４に固定し、他端側に弾性体４４を介して反射鏡
ｌ６を取りつけてある。２個の屈曲変位型圧電アクチュ
エータ１２を同位相で駆動すると、反射鏡１６を平行移
動させることができる。この場合、変位量は同しで、駆
動カは倍増し、振動等の外乱にも強くなる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、屈曲変位型圧電
アクチュエー夕の一端を固定し、他端番こ反射鏡を形成
し、該反射鏡の反射面に入射する光の光路を屈曲変位に
よって変更するようにしたので、圧電式の超小型の光ス
イッチを実現でき、切り換え時間が短く、電気的に位置
の調節ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光スイッチを示す構戒図
、第２図は第１図の光スイッチの先端の部分の部分拡大
図、第３図は屈曲変位型圧電アクチュエー夕の１例を示
す模式図、第４図は屈曲変位型圧電アクチュエー夕の他
の例を示す模式図、第５図は本発明の第２実施例の光ス
イッチを示す構戒図、第６図は第５図の光スイッチの先
端の部分の部分拡大図、第７図は本発明の第３実施例の
光スイッチを示す構戒図、第８図は本発明の第４実施例
の光スイッチを示す構戒図、第９図は第８図の光スイッ
チの端面図、第１０図は本発明の第５実施例の光スイッ
チを示す構成図、第１１図は本発明の第６実施例の光ス
イソチを示す正面図、第ｌ２図は第１１図の光スイッチ
の端面図、第１３図は第１１図の光スイッチの平面図、
第１４図は本発明の第７実施例の光スイソチを示す正面
図である。 １０・・・光スイッチ、 １２・・・屈曲変位型圧電アクチェエー夕、１２ａ・１
２ｂ・・・圧電素子層、 ｌ４・・・固定壁、 ｌ６・・・反射鏡、 ２０・２２・・・電極、 ２６・２８・３０・・・光ファイバ。 本発明の第１実施例を示す図 −電圧０のとき 一一一電圧２００Ｖのとき ｌｂ 第１図の部分拡大図 第 ２ 図 ２６，２８．３０・・・光ファイバ 屈曲変位型圧電アクチュエータの１例を示す模式図′ｌ
Ａ３図 屈曲変位型圧電アクチュエータの他の例を示す模式図第 ４ 図 本！！明の第２実施例を示す図 第５図 ？電圧○のとき −−一電圧ＩＱＱＶのとき 第２図の部分拡大図 第６図 本発明の第３実施例を示す図 第 ７ 図 １１″１ ３０ 本発明の第４実施例を示す図 第８図の靖面図 第 ８ 図 鶏 ９ 図 本発明の第５実施例を示す図 第１０図 １ｎ 図 １２ｂ 第１１図の平面図 第１３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 屈曲変位型圧電アクチュエータ（１２）の一端を固定し
   、他端に反射鏡（１６）を形成し、該反射鏡の反射面に
   入射する光の光路を屈曲変位によって変更することを特
   徴とする光スイッチ。