JP2004318142A - 電磁光リレー - Google Patents

Abstract

【課題】液体表面張力によりラッチする電磁駆動光リレーを提供すること。
【解決手段】固体スラグがリレーハウジングに形成された切り替えチャネル内で移動する、電磁駆動光リレーが開示される。切り替えチャネルを通る光路は、固体スラグの移動により遮られたり遮られなくなったりする。固体スラグの移動は、少なくとも２つの切り替えチャネルを取り囲む電気コイルのような電磁アクチュエータによって制御される。固体金属の動きは、切り替えチャネルにおけるスラグと少なくとも一つの固定された接点パッド間を湿潤させる液体金属のような液体によって止められる。液体の表面張力は、リレーのラッチ機構を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は切り替えリレーの分野に関し、特に液体表面張力によりラッチする電磁駆動光リレーに関する。

光信号を用いる通信システムには、光スイッチとルータの使用が必要である。光学的スイッチングへのこれまでのアプローチは、光信号を電気信号へ変換し、電気スイッチまたはルータを用い、続いて光信号へ変換し戻すものであった。より近年になって、電気的制御信号を光信号の切り替えや振り分けの制御に用いる光リレーが用いられてきた。光リレーは通常、可動の固体ミラーを使用するかまたはキャビティ内で屈折率を変更する気泡の使用により光信号を切り替えている。可動ミラーが静電ラッチ機構を用いることができるのに対し、気泡スイッチがラッチ（latch）することはない。圧電ラッチリレーは、ラッチ用に圧電材料中の残留電荷を用いるか、或いはラッチ機構を含むスイッチ接点を駆動するかのいずれかである。

液体金属は、電気リレーにも用いられている。液体金属液滴は、静電力や熱膨張／収縮に起因する可変構造や圧力勾配を含む様々な技術により移動させることができる。対象となる外形寸法を縮減すると、液体金属の表面張力は体積力（慣性）等の他の力を上回る支配的な力となる。従って、一部の超微細電機（ＭＥＭ；ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）システムは液体金属のスイッチングを利用する。
米国特許第６，３２３，４４７号明細書 米国特許第６，３７３，３５６号明細書 米国特許第６，５１２，３２２号明細書 米国特許第６，５１５，４０４号明細書 特開平９−１６１６４０号公報 特開昭３６−１８５７５号公報 特開昭４７−２１６４５号公報 Marvin Glenn Wong, “A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch”, May 2, 2002, patent application (pending), 12 pages of specification, 5 pages of claims, 1 page of abstract, and 10 sheets of drawings(Fig.1-10) Jonathan Simon, "A Liquid-Filled Microrelay With A Moving Mercury Microdrop" (Sept, 1997) Journal of Microelectromechinical Systems, Vol. 6, No.3 PP 208-216

電磁光リレーを提供することを目的とする。

本発明は、固体スラグをチャネル内で移動させ、チャネルを通る光路を遮断または遮断の解除に用いる光スイッチに関する。固体スラグは、電磁石により移動させる。例示の実施形態では、液体金属等の液体により湿潤し、液体はチャネル内の湿潤可能な金属パッドにも付着してラッチ機構を提供する。光信号は固体スラグの湿潤面により反射し、代替光路へ切り替えることができる。

新規性が在ると考える本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載してある。しかしながら、本発明自体は、その目的及び利点と併せ構成と動作方法の両方について本発明の以下の詳細な説明を参照することで最も良く理解でき、この説明には添付図面と併せ本発明の幾つかの例示的実施形態が記載してある。

本発明は多くの異なる形態による実施余地があるが、本開示を本発明原理の例示として考えるべきで、図示し説明する特定の実施形態に本発明を限定する意図のないことを理解した上で、１以上の具体的な実施形態を図面に図示しかつここに詳細に説明するものとする。以下の説明では、図面の幾つかの図において同一部分や類似部分或いは対応部分が同様の参照符号を用いて記述してある。

本発明は、湿潤可能な磁性固体スラグと液体によりスイッチおよびラッチする電磁駆動ラッチリレーに関する。好適な実施形態では、リレーは電磁石の磁界を用いて固体磁性スラグを変位させる。スラグは光路を遮断または遮断解除し、光信号の切り替えを可能にする。磁界が存在しない場合、固体スラグは好ましくは水銀等の液体の表面張力により所定場所に保持され、この液体が固体スラグとリレーハウジング上の少なくとも一つの固定接点パッドとの間を湿潤する。

一実施形態では、リレーの製造に超微細加工技法を用いる。ラッチ電気リレー１００を端部から見た図（エンド・ビュー）が、図１に示してある。本実施形態では、リレーの本体すなわちハウジングは４層からできており、超微細加工に適している。最下層は、図３及び図５を参照して以下により詳述する回路基板１０８である。次の層は、切り替え層１０６である。光信号の切り替え（スイッチング）は、この層に含まれる切り替えチャネル内で生起する。次の層は、切り替えチャネル内の圧力変動を解放する圧力解放通気孔を含む通気孔層１０４である。キャップ層１０２は、切り替えチャネルの頂部にシールをもたらす。動作時に、光ファイバすなわち導波路１１０を介して光信号がリレー内に進入し、光ファイバすなわち導波路１１２を介して出射する。電気コイル１１４はリレーハウジングを取り囲む幾つかのうちの一つであり、切り替え機構を駆動するのに用いられる。

図２は、図１に示した光リレーの側面図である。光ファイバ１１０、１２４がそれぞれ切り替え層１０６内の整列配置ノッチ１２２、１２６内に配置してある。各ファイバは、リレーの反対側の対応ファイバに（図１に示すように）光学的に整列配置してある。光ファイバは、接着剤により所定位置に保持することができる。この実施形態では、４個の電気コイル１１４、１１６、１１８、１２０がリレーハウジングを取り囲んでいる。コイル１１４、１１６は一緒に対にしてあって単一コイルとして動作し、その一方で光ファイバ１１０用にコイル間に空間を提供している。コイル１１８、１２０も同様に対にしてあり、光ファイバ１２４用に空間をもたらしている。さらなる実施形態では、二つのコイルだけを用いる。

図３は、図１に示したリレーの３−３線断面を通る縦方向垂直断面図である。切り替えチャネル１３０は、切り替え層１０６内に形成してある。固体スラグ１３４は、切り替えチャネル内に移動可能に配置してある。圧力解放通気路１３６が、通気孔１３４、１３５により切り替えチャネル１３０の端部に結合してある。圧力解放通気路１３６により、固体スラグ１３４の動きに起因する切り替えチャネル内の圧力変動は、切り替えチャネルの一端部から通気孔を介して他端へ液体を流動させることで等化させることができる。３個の接点パッド１３７、１３８、１４０が、切り替えチャネル内で回路基板１０８に固着してある。これらの接点パッドは、蒸着或いは他の超微細加工により回路基板１０８上に形成することができる。この接点パッドは、液体金属等の液体により湿潤可能である。固体スラグ１３４を図３に示すように配置すると、液体１４２が固体スラグの面と接点パッド１３７、１３８の面を湿潤する。表面張力が、固体スラグをこの位置に保持する。追加の液体１４４が、接点パッド１４０を湿潤する。

固体スラグが図３に示す位置を占めると、接点パッド１１８、１２０間の光路がスラグと液体により遮断され、その一方で電気コイル１１４、１１６間にある光路は遮断されなくなる。リレーのスイッチ状態を変えるため、電気コイル１１４、１１６をコイルを流れる電流を通電して励磁する。これにより切り替えチャネル１３０内に磁界が発生し、固体スラグ１３４はコイルへ向け磁気的に吸い寄せられる。表面張力ラッチは壊れ、固体スラグは図４に示すように切り替えチャネルの左端部へ引き寄せられる。固体スラグ１３４はそこで接点パッド１３８、１４０に湿潤接触する。電気コイル１１４、１１６はここで励磁を切られるが、これは固体スラグが液体の表面張力によって新たな位置に保持されるであろうからである。これ故、リレーはその新たな位置にラッチされる。この新たな位置では、電気コイル１１８、１２０間にある光路はもはやスラグと液体により阻止されないのに対し、電気コイル１１４、１１６間にある光路がここで遮断される。

コイル１１８、１２０を励磁して固体スラグを移動させることで、スイッチ状態は図３に示した元の状態に切り替え復帰させることができる。固体スラグが一旦その元の位置へ復帰すると、そのコイルは励磁を解除されるが、それはスラグが液体の表面張力によって所定位置にラッチされるからである。

図５は、回路基板１０８の上面図である。３個の接点パッド１３７、１３８、１４０が、基板上に形成してある。接点パッドの面は、切り替えチャネル内の液体により湿潤可能である。接点パッドは、好ましくは湿潤可能な金属で構成される。

図６は、切り替え層１０６の上面図である。切り替えチャネル１３０が、層内に形成してある。光ファイバ１１０、１２４、１５０、１５２が、それぞれノッチ１２２、１２６、１５４、１５６内に配置してある。ファイバは、接着剤により所定位置に保持してある。ファイバ１１０、１５０は光学的に整列配置してあり、これによりファイバ１１０沿いにリレーに入射する光信号は切り替えチャネル１３０の遮断解除時にファイバ１５０へ結合されることになる。同様に、ファイバ１２４、１５２が切り替えチャネル１３０を介して光学的に整列配置してある。７−７線に沿う断面図が、図７に示してある。図７は、層１０６内の切り替えチャネル１３０を示す。光ファイバ１１０は整列配置ノッチ１２２内に配置してあり、接着剤により所定位置に保持してある。光ファイバ１５０は整列配置ノッチ１５４内に配置してあり、接着剤により所定位置に保持してある。

図８は通気孔層１０４の上面図である。通気路すなわちチャネル１３６が、層の頂部に形成してある。通気孔１３４、１３５は層を通り、通気路を下側の層内の切り替えチャネルへ結合している。９−９線に沿う断面図が、図９に示してある。図９は、通気路１３６と通気孔１３４を示す。通気孔は、切り替えチャネルから通気孔を介する流体の流れを制限することによって、固体スラグの動きを制動するように大きさと位置が決められる。

光リレー１００のさらなる実施形態の端面図が、図１０に示してある。動作時に、光信号は光ファイバすなわち導波路１１０を介してリレーに入射し、直進路を伝送されて光ファイバすなわち導波路１１２を出射するか或いは反射されて導波路２０２を介して出射するかのいずれかとなる。電気コイル１１４はリレーハウジングを取り囲む幾つかの一つであり、切り替えメカニズムを駆動するのに用いられる。

図１１は、図１０に示した光リレーの側面図である。光ファイバ１１０、１２４は、それぞれ切り替え層１０６内の整列配置ノッチ１２２、１２６内に配置してある。各ファイバは、リレー（図１０に図示）に向かい合う側の対応ファイバに光学的に整列配置してある。光ファイバは、接着剤により所定の場所に保持することができる。この実施形態では、４本のコイル１１４、１１６、１１８、１２０がリレーハウジングを取り囲んでいる。コイル１１４、１１６は併せ対にしてあって単一のコイルとして動作し、その一方で光ファイバ１１０用にコイル間に空間を提供している。コイル１１８、１２０は同様に対にしてあって、光ファイバ１２４用に空間を提供している。さらなる実施形態では、２本のコイルだけが用いられる。動作時に、導波路１１０を介してリレーに入射する光信号は直進路を介して伝送するか或いは導波路すなわち光ファイバ２０２に沿って反射されよう。同様に、導波路１２４を介してリレーに入射する光信号は、直進路を介して伝送されるか或いは導波路すなわち光ファイバ２０４に沿って反射されよう。１２−１２線断面を、図１２を参照して以下に説明する。

図１２は、本発明の一実施形態の光リレー１００のさらなる実施形態の断面図であり、図１３は固体スラグ１３４を収容した透明な中空管２０８と呼ぶ透明なミラーハウジングのより詳細な図をもたらすものである。図１２を参照するに、リレーは入力導光路１１２と第１の出力導光路１１０を収容している。これらの光路は光学的に整列配置してあり、層を通る直進光路を形成している。第２の出力導光路２０２が、直進光路と交差している。動作時に、光信号は（図の左側から）光路１１２へ入射し、光路１１０を介してリレー内を直進するか或いは偏向されて光路２０２を介してリレーを出射するかのいずれかとなる。透明な中空管２０８は、光路１１２と２０２が交差するところに位置する。透明な中空管２０８はまた、結局のところ透明なミラーハウジングと呼ばれる。三角断面形状以外を有する管を用いることができるが、この管の一面は平坦で斜行させてあり、その面の法線が導波路１１０と導波路２０２の間の角度を二分している。図１２では、光路は直角をなしており、これによりその面は４５度で斜行する。本発明から逸脱することなく、他の角度を用いることもできる。透明管１０８を通るチャネル内に材料１３４からなる固体スラグを配置し、チャネル沿いに軸方向に摺動自在としてある。液体金属１４２もまた、チャネル内に収容してある。端部以外の固体スラグの面は液体金属により湿潤可能であり、かくして表面張力が液体金属をスラグの面に接触状態に保持する。透明管が光路を通る箇所では、透明管の少なくとも二つの角部には湿潤可能な金属２１２が充填してある。液体金属１４２は、液体金属を管の角部内の湿潤可能な金属へ引き付ける表面張力によりスラグの面全体に引き付けられる。その結果、液体金属の面２１４は平坦となり、きわめて反射的となる。チャネル１１２へ入射する光信号は液体金属の面２１４で反射され、チャネル２０２を通ってリレーを出射する。固体スラグ１３４が光信号の光路外に移動すると、光信号は透明管を通過し、導波路１１０を通ってリレーを出射する。動作時に、固体スラグ１３４はコイルが生成する電磁界により引き寄せられ、透明管を通ってチャネル沿いに軸方向に移動する。チャネル内に移動された気体は、通気孔１３６を介してチャネルの一端から他端へ流動できるようになる。

本発明を特定の実施形態と併せ説明してきたが、前述の説明に照らし当業者には多くの代替例や修正例や置換例や変形例が明らかとなるであろうことは明白である。従って、添付の特許請求の範囲に含まれるこの種の全ての代替例と修正例と変形例を本発明が包含することを意図するものである。

本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの端面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの側面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの断面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーのさらなる断面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの回路基板を示す図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの切り替え層の図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの切り替え層の断面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの通気孔層の図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの通気孔層の断面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの端面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーの側面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーのさらなる断面図。 本発明の幾つかの実施形態になる光リレーのさらなる断面図。

Claims (10)

1. 電磁光リレーであって、
   切り替えチャネルを有するリレーハウジングと、
   前記切り替えチャネルを通る第１の光路と、
   前記切り替えチャネル内を移動するよう設けた固体スラグと、
   前記固体スラグを前記切り替えチャネル内の第１の位置へ移動させて前記第１の光路を遮断するよう動作可能な第１の電磁アクチュエータと、
   前記固体スラグを前記切り替えチャネル内の第２の位置へ移動させて前記第１の光路の遮断を解除するよう動作可能な第２の電磁アクチュエータと、
   を備える電磁光リレー。
2. 前記第１および第２の電磁アクチュエータの少なくとも一方が、前記切り替えチャネルを取り囲む一対の電気コイルを備える請求項１記載の電磁光リレー。
3. 前記切り替えチャネルの端部に開口して接続された圧力解放通気孔であって、前記固体スラグの移動時に前記切り替えチャネル内の圧力を解放するよう設けてあり、前記固体スラグの動きを制動するように大きさおよび位置が決められた前記圧力解放通気孔をさらに備える、請求項１記載の電磁光リレー。
4. 前記固体スラグは液体により湿潤可能な面を有しており、
   前記リレーがさらに、
   前記切り替えチャネル内に位置して液体により湿潤可能な面を有する第１の接点パッドと、
   前記切り替えチャネル内に位置して液体により湿潤可能な面を有する第２の接点パッドと、
   前記固体スラグと湿潤接触する液塊と、
   前記第１の接点パッドと前記第２の接点パッドの間の前記切り替えチャネル内に配置した第３の接点パッドであって、前記液塊と湿潤接触している前記第３の接点パッドとを備え、
   前記液塊が、前記固体スラグが前記第１の位置にあるときは前記固体スラグと前記第１の接点パッドの間を湿潤し、前記固体スラグが前記第２の位置にあるときは前記固体スラグと前記第２の接点パッドの間を湿潤するよう設けて、前記第１の光路が前記第１の接点パッドと前記第３の接点パッドの間に横たわっている、請求項１記載の電磁光リレー。
5. 前記液体は、液体金属である請求項６記載の電磁光リレー。
6. 前記リレーハウジングが、
   回路基板層と、
   キャップ層と、
   前記回路基板層と前記キャップ層の間に配置された切り替え層であって、切り替えチャネルが前記切り替え層に形成される、前記切り替え層と、
   を備える請求項１記載の電磁光リレー。
7. 前記リレーハウジングが、さらに、
   前記切り替えチャネルの端部に開口し接続された圧力解放通気孔を有する通気孔層を備える請求項６記載の電磁光リレー。
8. 前記切り替え層内の第１の整列配置ノッチ内に配置した第１の導光路と、
   前記切り替え層内の第１の整列配置ノッチ内に配置した第２の導光路と、をさらに備え、
   前記第１の導光路と前記第２の導光路が軸方向に整列配置してあって前記第１の光路の一部を形成している請求項６記載の電磁光リレー。
9. 切り替えチャネル内を移動可能な固体スラグを有する電磁光リレー内の光路切り替え方法であって、
   入力光信号を前記電磁光リレーの入力導光路へ結合するステップであって、前記入力導光路が出力導光路に光学的に整列配置されていて光路を形成している、前記結合するステップと、
   前記光路を開通させるとき、
   前記第１の電磁アクチュエータを励磁するステップであって、前記固体スラグを前記光路外へ移動させ、前記入力導光路を前記出力導光路へ光学的に結合させる、前記第１の電磁アクチュエータを励磁するステップと、
   前記固体スラグが前記光路外へ移動した後に前記第１の電磁アクチュエータの励磁を解除するステップと、
   前記光路を遮断するとき、
   前記第２の電磁アクチュエータを励磁するステップであって、前記固体スラグを前記光路内へ移動させ、前記入力導光路を前記出力導光路から光学的に分離させる、前記第２の電磁アクチュエータを励磁するステップと、
   前記固体スラグが前記光路内へ移動した後に前記第２の電磁アクチュエータの励磁を解除するステップと、
   を有する光路切り替え方法。
10. 電磁光リレー内の切り替えチャネルを介して第１の光路と第２の光路とを切り替える方法であって、前記リレーが前記切り替えチャネル内を移動可能な固体スラグを有し、
    入力光信号を前記電磁光リレーの第１の入力導光路へ結合するステップであって、前記第１の入力導光路路が第１の出力導光路に光学的に整列配置してあって前記第１の光路を形成している、前記第１の入力導光路へ結合するステップと、
    入力光信号を前記電磁光リレーの第２の入力導光路へ結合するステップであって、前記第２の入力導光路路が第２の出力導光路に光学的に整列配置してあって前記第２の光路を形成している、前記第２の入力導光路へ結合するステップと、
    前記第１の光路を選択するとき、
    第１の電磁アクチュエータを励磁するステップであって、前記固体スラグを前記第１の光路外へかつ前記第２の光路内へ移動させ、前記第１の入力導光路を前記第１の出力導光路へ光学的に結合するとともに前記第２の入力導光路を前記第２の出力導光路から光学的に切り離す、前記第１の電磁アクチュエータを励磁するステップと、
    前記第２の光路を選択するとき、
    第２の電磁アクチュエータを励磁するステップであって、前記固体スラグを前記第２の光路の外へかつ前記第１の光路内へ移動させ、前記第１の入力導光路を前記第１の出力導光路から光学的に切り離すとともに前記第２の入力導光路を前記第２の出力導光路へ光学的に結合する、前記第２の電磁アクチュエータを励磁するステップと、
    を有する前記方法。
    

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