JP2000356751A

JP2000356751A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2000356751A
Application number: JP11169377A
Authority: JP
Inventors: Eirishi Kawanami; 英利子川浪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2000-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のものとは異なる方式の光スイッチを構成
するため、上記のエレクトロウエッティング現象を利用
して、小型化を図ることができ、効率よく光路を切り替
えることができる光スイッチを提供すること。【解決手段】入射光の光路を変更可能な光スイッチであ
って、第１、第２の支持体と、前記第１の支持体と第２
の支持体間に形成された空間内に密閉され互いに混合す
ることのない第１の液体及び導電性または有極性の第２
の液体とを有し、該第２の液体への印加電圧を変えるこ
とによって、前記第１の液体と前記第２の液体との界面
の形状を変化させ、前記入射光の光路を変えるように構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は入射光の光路（進行
方向）を変更可能な光スイッチに関するものであり、特
に、エレクトロウエッティング現象を利用して、小型化
を図ることができ、効率よく光路を変えることができる
光スイッチの実現を目指すものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光路を変更可能にした光スイッチ
として、メカ的にミラーを光路中から挿脱もしくは光路
中で揺動させて光の光路を切り替える光スイッチが知ら
れている。また、特開平６−１６７７２５号公報には、
電気化学反応または化学反応により金属イオン溶液中か
ら金属イオンを透明基体表面に析出させることにより、
光を反射させ光路を切り替えるようにした光スイッチが
開示されている。また、特開平５−２８９００６号公報
には、光導波路と平板スリットを有した光スイッチにお
いて、平板スリットに光導波路と屈折率が同じ液体をア
クチュエータを用い、充満または排除することで光路を
切り替えるようにした光路切替装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来例における各光スイッチは、以下に示すような問題
点を有している。例えば、メカ的に光の透過率を切り替
えるスイッチでは、切り替えるための駆動機構が必要と
なり、そのため小型化する事が困難である。また、電気
化学反応または化学反応により金属イオン溶液中から金
属イオンを透明基体表面に析出させることにより、光を
反射させ光路を切り替えている光スイッチでは、長時間
使用すると電極が腐食し、あるいは完全に可逆反応では
ないため効率が悪くなる等の問題がある。また、光導波
路と平板スリットを有した光スイッチにおいて、平板ス
リットに光導波路と屈折率が同じ液体をアクチュエータ
を用い、充満または排除することで光路を切り替えてい
る光スイッチでは、充満または排除する途中で外気中の
ダストの混入があり、充満または排除するためのポンプ
等の機構が必要となって、装置が大がかりになるという
問題がある。

【０００４】ところで、液体に電圧を加えると界面張力
が変化して界面の移動（変形）が起こる現象として、エ
レクトロウエッティング現象が知られている。これは電
気毛管現象ともいわれ、図４のように絶縁層４２を形成
した基板電極４１上に、導電性の液滴４３があり、この
液滴４３と基板電極４１との間に電圧をかけると、一種
のコンデンサを形成し静電エネルギーが蓄積され、この
静電エネルギーにより、表面張力の釣り合いが変化し、
液滴４３が変形するものである（図４（ｂ））。このよ
うなエレクトロウエッティング現象は、これまで可変焦
点レンズ（ＷＯ９９／１８４５６）、電気毛管ディスプ
レイシート（特開平０９−３１１６４３号公報）などに
おいて、その利用が図られてきたが、光スイッチでの利
用は、未だ実現していない。

【０００５】そこで、本発明は、上記した課題を解決
し、従来のものとは異なる方式の光スイッチあるいはプ
リズムを構成するため、上記のエレクトロウエッティン
グ現象を利用して、小型化を図ることができ、効率よく
光路を変更できる光スイッチを提供することを目的とす
るものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するため、光スイッチを、つぎの（１）〜（１１）の
ように構成したことを特徴とするものである。（１）本発明の光スイッチは、入射光の光路を変更可能
な光スイッチであって、第１、第２の支持体と、前記第
１の支持体と第２の支持体間に形成された空間内に密閉
され互いに混合することのない第１の液体及び導電性ま
たは有極性の第２の液体とを有し、該第２の液体への印
加電圧を変えることによって、前記第１の液体と前記第
２の液体との界面の形状を変化させ、前記入射光の光路
を変えることを特徴としている。（２）本発明の光スイッチは、前記第２の液体から絶縁
された第１の電極と、前記第２の液体に導通された第２
の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との
間の印加電圧を変化させることにより、前記第１の液体
と前記第２の液体との界面の形状を変化させることを特
徴としている。（３）本発明の光スイッチは、前記第１の電極は、絶縁
層を介して前記第１の支持体上に形成されていることを
特徴としている。（４）本発明の光スイッチは、前記第２の液体に電圧を
印加しない状態で前記第２の液体を介して前記第２の支
持体から隔てられた前記第１の液体を、前記第２の液体
に電圧を印加することで前記第２の支持体と接触させ、
前記第２の支持体と前記空間との界面での反射率を変化
させて、前記第２の支持体から入射する入射光の光路を
変えることを特徴としている。（５）本発明の光スイッチは、前記第２の液体の屈折率
と前記第２の支持体との屈折率差が、前記入射光に対す
る全反射条件を満たすことを特徴としている。（６）本発明の光スイッチは、前記第１の支持体は光吸
収性を持った不透明体であることを特徴としている。（７）本発明の光スイッチは、前記第２の液体に電圧を
印加しない状態で前記第２の液体を介して前記第２の支
持体から隔てられた前記第１の液体を、前記第２の液体
に電圧を印加することで前記第２の支持体と接触させ、
前記入射光を直進透過させることを特徴としている。（８）本発明の光スイッチは、前記第２の支持体の前記
空間側には所定のピッチで並んだマイクロプリズムが形
成されており、前記第２の液体に電圧を印加しない状態
で前記第２の液体を介して前記マイクロプリズムから隔
てられた前記第１の液体を、前記第２の液体に電圧を印
加することで前記マイクロプリズムと接触させ、前記入
射光を直進透過させることを特徴としている。（９）本発明の光スイッチは、前記第１の液体と前記第
２の液体は、比重が実質的に等しいことを特徴としてい
る。（１０）本発明の光スイッチは、前記第２の支持体と前
記第１の液体は、屈折率が実質的に等しいことを特徴と
している。（１１）本発明の光スイッチは、前記第１の液体と前記
第２の液体との屈折率差が０．１以上であることを特徴
としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】本実施形態で開示する光スイッチ
は上記した構成により、従来のものとは異なる方式の光
スイッチを構成することができ、小型化を図ることが可
能で、効率よく光路を切り替えることができる光スイッ
チを実現することができる。すなわち、上記した構成を
とることで、光路切り替えに機械的な駆動機構が必要で
ないため、小型化することが可能となる。また、上記構
成によると、エレクトロウエッティング現象を利用して
光路を変更しているので、効率よく光路の切り替えを行
うことができる。また、上記した全反射する構成をとる
ことで、前記第２の液体である電解質溶液と前記第２の
支持体が接触している場合は、その界面で入射光を全反
射するようにすることができる。また、上記した前記第
１の液体と前記第２の液体である電解質溶液の比重が略
等しい構成をとることで、重力の影響を排除することが
できる。また、上記した前記第１の液体の屈折率と前記
第２の液体である電解質溶液の屈折率差が、０．１以上
である構成をとることで、前記第１の液体の屈折率と前
記第２の液体である電解質溶液との界面で入射光を偏向
させることができる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する
が、本発明はこれらの実施例によって、何ら限定される
ものではない。［実施例１］図１は、本発明の実施例１における光スイ
ッチの断面図である。同図において、本実施例の光スイ
ッチは、支持体である第１のプリズム１１、第２のプリ
ズム１２、および第１の電極である透明導電性電極１
３、絶縁層１４、および前記プリズム１１および１２の
間に（形成された空間）封入された第１の液体１５、導
電性の第２の液体である電解質溶液１６、および第２の
電極である対向電極１７から形成されている。屈折率ｎ
ｐの光学材料からなるプリズム１１、１２は直角プリズ
ムであり、１３は、例えばスパッタリング法やＥｌｅｃ
ｔｒｏｎＢｅａｍ法により形成されたＩＴＯのような
透明導電性電極であり、プリズム１１上に形成されてい
る。透明導電性電極１３上にレプリカ樹脂（大日本印刷
（株）製、型番Ｃ００１）を滴下し、ガラス板で押しつ
けた後、１５分間ＵＶ照射を行い、厚さ２０μｍ程度の
透明な絶縁層１４を形成する。

【０００９】透明導電性電極１３および絶縁層１４の屈
折率は、プリズム１１および１２の屈折率ｎ_Pと等しい
事が望ましい。透明導電性電極１３、絶縁層１４を形成
したプリズム１１、およびプリズム１２の間に、シリコ
ーンオイルＴＳＦ４３７（東芝シリコーン（株）製）か
ら成る第１の液体１５および第１の液体１５に比重が実
質的に等しくなるように調整したＮａＣｌ水溶液（３．
０ｗｔ％）から成る電解質溶液１６を封入する。第１の
液体１５と電解質溶液１６の比重は、±１０％以内の範
囲で等しければよく、この範囲で等しいことを本明細書
では「実質的に等しい」としている。このように第１の
液体１５及び電解質溶液１６の比重を等しくすることに
よって、重力の２つの液体の界面形状への寄与を排除す
ることができる。第１の液体１５及び電解質溶液１６を
プリズム１１と１２の間に封入する際には、第１の液体
１５がプリズム１２と接触しないようにする。封入した
第１の液体１５、電解質溶液１６が漏れないように、対
向電極１７とガラス板等の封止物１８でプリズム１１と
１２の間の空間を封止する。

【００１０】また、電解質溶液１６の屈折率ｎ_Aは、プ
リズム１１、１２の屈折率ｎ_Pに対し、全反射がおこる
条件を満たすことが望ましい（ｎ_P＞＞ｎ_A）。また、第
１の液体１５は、シリコーンオイルのように電解質溶液
１６と混合しない液体であり、その屈折率ｎ_Bは、プリ
ズム１１、１２の屈折率ｎ_Pと実質的に等しいことが望
ましい（ｎ_P≒ｎ_B）。電解質溶液１６に電圧を印加して
いない状態、すなわち透明導電性電極１３およびニッケ
ルから成る対向電極１７に電圧を加えていない状態（図
１（ａ））Ｖ＝０では、プリズム１２と接触しているの
は電解質溶液１６であり、電解質溶液１６の屈折率ｎ_A
とプリズム１２の屈折率ｎ_Pは全反射の条件を満たすた
め、入射光線は、プリズム１１および電解質溶液１６の
界面で全反射する。そして、透明導電性電極１３および
ニッケルから成る対向電極１７に電圧を加えると（図１
（ｂ））、つまりＶ＝Ｖｏになると、第１の液体１５と
電解質溶液１６の界面張力が変化して界面が変形し、第
１の液体１５がプリズム１２と接触し、第１の液体１５
の屈折率ｎ_Bとプリズム１１およびプリズム１２の屈折
率ｎ_Pが等しいため、入射光線は透過する。この際、第
１の液体１５の体積は両電極に印加される電圧には依存
せず、常に一定である。

【００１１】また、プリズム１１、１２は直角プリズム
であり、その材質は、ガラス、またはテフロン、ポリカ
ーボネートおよびアクリルのようなプラスチックでもよ
い。透明導電性電極１３および絶縁層１４の屈折率は、
プリズム１１および１２の屈折率ｎ_Pと等しい事が望ま
しい。透明導電性電極１３は、ＩＴＯまたは酸化錫など
の導電性透明材料であればよい。絶縁層１４は、レプリ
カによって形成された、アクリル樹脂であってもよく、
さらにはスパッタリングまたは化学蒸着処理法によって
蒸着されたテフロンまたは他のフッ素処理ポリマーであ
ってもよい。プリズム１１、１２の間に封入してある電
解質溶液１６は、ＮａＣｌ、Ｎａ₂ＳＯ₄などのような電
解質を溶かした水溶液でもよく、水、アルコール、アセ
トン、ホルムアミド、エチレングリコールのような有極
性液体およびこれらと他の適当な液体との混合物でもよ
い。

【００１２】また、電解質溶液１６の屈折率ｎ_Aはプリ
ズム１１、１２の屈折率ｎ_Pに対して、全反射がおこる
条件を満たすことが望ましい。第１の液体１５は、シリ
コーンオイルのように電解質溶液１６と混合しない液体
である。対向電極１７は、金、白金、ステンレス鋼、ニ
ッケル、銀および酸化インジウム／すずのような材料で
できていてもよく、電解質溶液１６と接していれば、平
板でも棒状でもよい。封止物１８は、ガラス、アクリ
ル、金属のような材料でできていてもよく、封止するこ
とができれば、平板でも円形でも棒状でも良い。また、
図１では、一方を対向電極１７、もう一方をガラス板の
封止物１８で封止しているが、両方ともガラス板で封止
しても良い。

【００１３】また、実施例１では、第１のプリズム１１
側で光路を切り替える光スイッチであるが、実施例１の
変形例として、第１のプリズムとして透明体ではなく光
吸収性の不透明体を用いることで、透明導電性電極およ
び対向電極１７に電圧を加え、第１の液体１５がプリズ
ム１２と接触すると、入射光線は第１のプリズムで吸収
され、光は第１のプリズムを透過せず、第２のプリズム
側で光路を切り替える光スイッチとなる。

【００１４】［実施例２］図２は、本発明の実施例２に
おける光スイッチの断面図である。同図において、本実
施例の光スイッチは、第１、第２の基板２１、２２およ
び、第１の電極である透明導電性電極２３、絶縁層２４
および、基板２１および２２の間に封入された第１の液
体２５、第２の液体である電解質溶液２６、および対向
電極２７から形成されている。基板２１、２２は屈折率
ｎ_Pの光学材料からなり、２３は、例えばスパッタリン
グ法やＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ法により形成された
ＩＴＯのような透明導電性電極であり、基板２１上に形
成されている。透明導電性電極２３上にレプリカ樹脂
（大日本印刷（株）製、型番Ｃ００１）を滴下し、ガラ
ス板で押しつけた後、１５分間ＵＶ照射を行い、厚さ２
０μｍ程度の透明な絶縁層２４を形成する。

【００１５】透明導電性電極２３および絶縁層２４の屈
折率は、基板２１、および２２の屈折率ｎｐと等しい事
が望ましい。透明導電性電極２３、絶縁層２４を形成し
た基板２１および基板２２の間に、シリコーンオイルＴ
ＳＦ４３７（東芝シリコーン（株）製）から成る第１の
液体２５および第１の液体２５に比重が実質的に等しく
なるように調整したＮａＣｌ水溶液（３．０ｗｔ％）か
ら成る電解質溶液２６を封入する。第１の液体２５及び
電解質溶液２６を封入する際には、第１の液体２５が基
板２２と接触しないようにする。封入した第１の液体２
５、電解質溶液２６が漏れないように、ガラス板等の封
止物２８で基板２１、２２の間の空間を封止する。

【００１６】第１の液体２５は、シリコーンオイルのよ
うに電解質溶液２６と混合しない液体である。電解質溶
液２６の屈折率ｎ_Bは、基板２１、２２の屈折率ｎ_Pと等
しいことが望ましい（ｎ_P≒ｎ_B）。透明導電性電極２３
およびニッケルから成る対向電極２７に電圧を加えてい
ない状態（図２（ａ））、つまりＶ＝０（Ｖ）では、基
板２２と接触しているのは電解質溶液２６であり、第１
の液体２５の屈折率は１．４９、電解質溶液３６の屈折
率は１．３４であるため、スリット板２９のスリット２
９ａを通った入射光は、第１の液体２５と電解質溶液２
６の界面で屈折し、受光センサ基板２０上の受光部２０
ａに到達する。そして、透明導電性２３およびニッケル
から成る対向電極２７に電圧を加えると（図２
（ｂ））、つまりＶ＝Ｖ１になると、第１の液体２５と
電解質溶液２６の界面張力が変化し、第１の液体２５お
よび電解質溶液２６の界面の形状が変化し、電解質溶液
２６の曲率半径がより小さくなるため、入射光はより大
きく屈折し、受光部２０ｂに到達する。

【００１７】さらに、電圧を加えると（図２（ｃ））、
つまりＶ＝Ｖ２になると、第１の液体２５が上側の基板
である第１の基板２２に接触し、第１の液体２５の屈折
率ｎ _Aと基板２１、および２２の屈折率ｎ_Pが等しいた
め、入射光線は屈折せず受光部２０ｃに到達する。この
ように、本発明では電圧を制御することで光の光路を偏
向させることができる。ここで、入射光を効率よく屈折
させるために、第１の液体２５と電解質溶液の屈折率差
は０．１以上であることが望ましい。また、実施例２で
使用する材料は、実施例１と同じものを用いて良い。

【００１８】［実施例３］図３は、本発明の実施例３に
おける光スイッチの断面図である。同図において、本実
施例の光スイッチは、第１、第２の基板３１、３２およ
び、透明導電性電極３３、絶縁層３４および、基板３１
および３２の間に封入された第１の液体３５、第２の液
体である電解質溶液３６、および対向電極３７から形成
されている。基板３１、３２は、屈折率ｎ_Pの光学材料
からなり、基板３２の液室側にはマイクロプリズムが形
成されている。３３は、例えばスパッタリング法やＥｌ
ｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ法により形成されたＩＴＯのよ
うな透明導電性電極であり、基板３１上に形成されてい
る。透明導電性電極３３上にレプリカ樹脂（大日本印刷
（株）製、型番Ｃ００１）を滴下し、ガラス板で押しつ
けた後、１５分間ＵＶ照射を行い、厚さ２０μｍ程度の
透明な絶縁層３４を形成する。

【００１９】透明導電性電極３３および絶縁層３４の屈
折率は、基板３１および３２の屈折率ｎ_Pと等しい事が
望ましい。基板３２、および透明導電性電極３３、絶縁
層３４を形成した基板３１の間に、シリコーンオイルＴ
ＳＦ４３７（東芝シリコーン（株）製）から成る第１の
液体３５および第１の液体３５に比重が等しくなるよう
に調整したＮａＣｌ水溶液（３．０ｗｔ％）から成る電
解質溶液３６を封入する。第１の液体３５と電解質溶液
３６を封入する際には、第１の液体３５がプリズム３２
と接触しないようにする。封入した第１の液体３５、電
解質溶液３６が漏れないように、ガラス板等の封止物３
８で基板３１と３２の間の空間を封止する。第１の液体
３５は、シリコーンオイルのように電解質溶液３６と混
合しない液体であり、その屈折率ｎ_Aは、基板３１およ
び３２の屈折率ｎ_Pと等しいことが望ましい（ｎ_P≒
ｎ_A）。

【００２０】透明導電性電極３３およびニッケルから成
る対向電極３７に電圧を加えていない状態（図３
（ａ））、つまりＶ＝０（Ｖ）では、基板３２と接触し
ているのは電解質溶液３６であり、入射光線は、基板３
２と電解質溶液３６の界面で屈折する。ここで、基板３
２の液室側のパターンを変えることで、屈折の方向を制
御できる。そして、透明導電性３３およびニッケルから
成る対向電極３７に電圧を加えると（図３（ｂ））、つ
まりＶ＝Ｖｏ（Ｖ）になると、第１の液体３５と電解質
溶液３６の界面張力が変化し、第１の液体３５および電
解質溶液３６の界面の形状が変化し、第１の液体３５が
基板３２と接触する。この時、第１の液体３５の屈折率
ｎ_Aと基板３１および３２の屈折率ｎ_Pが等しいため、入
射光線は直進する。実施例３で使用する材料は、実施例
１と同じものを用いて良い。以上、実施例１〜３に示し
た光スイッチは、光路切り替えに機械的な駆動機構が必
要ないため、装置の小型化を図ることができる。又、エ
レクトロウエッティング現象を利用して光路を変更して
いるので、効率よく光路の切り替えを行うことができ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
ものとは異なる方式の光スイッチを構成することがで
き、装置の小型化と光路の切り替えを効率良く行うこと
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における光スイッチの断面図
である。

【図２】本発明の実施例２における光スイッチの断面図
である。

【図３】本発明の実施例３におけるプリズムの断面図で
ある。

【図４】エレクトロウエッティング現象を説明するため
の電圧印加前、電圧印加後の変化を示す図である。

【符号の説明】

１１：第１のプリズム１２：第２のプリズム１３：透明導電性電極１４：絶縁層１５：第１の液体１６：第２の液体（電解質溶液）１７：対向電極１８：封止物（ガラス板）２０：受光センサ基板２３：透明導電性電極２４：絶縁層２５：第１の液体２６：第２の液体（電解質溶液）２７：対向電極２８：封止物（ガラス板）２９ａ：スリット３３：透明導電性電極３４：絶縁層３５：第１の液体３６：第２の液体（電解質溶液）３７：対向電極３８：封止物（ガラス板）４１：基板電極４２：絶縁層４３：液滴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光の光路を変更可能な光スイッチであ
って、第１、第２の支持体と、前記第１の支持体と第２
の支持体間に形成された空間内に密閉され互いに混合す
ることのない第１の液体及び導電性または有極性の第２
の液体とを有し、該第２の液体への印加電圧を変えるこ
とによって、前記第１の液体と前記第２の液体との界面
の形状を変化させ、前記入射光の光路を変えることを特
徴とする光スイッチ。
【請求項２】前記第２の液体から絶縁された第１の電極
と、前記第２の液体に導通された第２の電極とを有し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の印加電圧を変
化させることにより、前記第１の液体と前記第２の液体
との界面の形状を変化させることを特徴とする請求項１
記載の光スイッチ。
【請求項３】前記第１の電極は、絶縁層を介して前記第
１の支持体上に形成されていることを特徴とする請求項
２記載の光スイッチ。
【請求項４】前記第２の液体に電圧を印加しない状態で
前記第２の液体を介して前記第２の支持体から隔てられ
た前記第１の液体を、前記第２の液体に電圧を印加する
ことで前記第２の支持体と接触させ、前記第２の支持体
と前記空間との界面での反射率を変化させて、前記第２
の支持体から入射する入射光の光路を変えることを特徴
とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッ
チ。
【請求項５】前記第２の液体の屈折率と前記第２の支持
体との屈折率差が、前記入射光に対する全反射条件を満
たすことを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。
【請求項６】前記第１の支持体は光吸収性を持った不透
明体であることを特徴とする請求項４または請求項５記
載の光スイッチ。
【請求項７】前記第２の液体に電圧を印加しない状態で
前記第２の液体を介して前記第２の支持体から隔てられ
た前記第１の液体を、前記第２の液体に電圧を印加する
ことで前記第２の支持体と接触させ、前記入射光を直進
透過させ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。
【請求項８】前記第２の支持体の前記空間側には所定の
ピッチで並んだマイクロプリズムが形成されており、前
記第２の液体に電圧を印加しない状態で前記第２の液体
を介して前記マイクロプリズムから隔てられた前記第１
の液体を、前記第２の液体に電圧を印加することで前記
マイクロプリズムと接触させ、前記入射光を直進透過さ
せ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。
【請求項９】前記第１の液体と前記第２の液体は、比重
が実質的に等しいことを特徴とする請求項１〜８のいず
れか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１０】前記第２の支持体と前記第１の液体は、
屈折率が実質的に等しいことを特徴とする請求項１〜９
のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１１】前記第１の液体と前記第２の液体との屈
折率差が０．１以上であることを特徴とする請求項１〜
１０のいずれか１項に記載の光スイッチ。