JP2005091531A - アクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用温度範囲において遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持することで、光の損失が少ないアクチュエータ装置を提供すること。
【解決手段】
回転体７の第１の姿勢または回転体７の第２の姿勢に、それぞれ自己保持させる姿勢保持手段と、回転体７を第１の姿勢から第２の姿勢へ、または第２の姿勢から第１の姿勢へ移動させる駆動手段と、遮蔽板１９の熱変形防止手段とを備え、熱変形防止手段は、温度を検出する温度検出手段６９と、遮蔽板の温度を上下させる熱移動手段６１と、温度検出手段６９の検出結果に基づいて熱移動手段６１を制御する温度制御手段とを有し、遮蔽板１９の温度を所定の範囲に保持することによって、遮蔽板１９の反射面２１の光軸と光ファイバーの光軸とのなす角度を一定に保持するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転軸を有する回転体と、回転体の姿勢（位置）を変化させ且つその変化させた位置に保持する駆動手段とを備えたアクチュエータ装置に関する。

近年、特に光ＬＡＮなどの光伝送システムにおける光スイッチ装置などに応用するために、高速に、且つ高精度な変位を得ることができるアクチュエータ装置が望まれている。特に、そのアクチュエータ装置を光スイッチに応用するためには、１０数ｍｓ程度の可動速度、±１μｍ程度のミラー位置決め精度を有することが必要とされ、様々な方法が提案されている。それらの方式の中で、機械式光スイッチは、ファイバーやミラー（または遮蔽板）を機械駆動することにより、直接光の伝播方向を変えることができるため、他の方式の光スイッチに比べてスイッチ内部における光損失やクロストークが小さい等の利点を有し、光スイッチに適用できる最も有望な技術として実用化が進んでいる。

その技術分野における従来の技術である、光スイッチ部とアクチュエータ部を有する機械式光スイッチ技術として、ミラー駆動型機械式２×２光スイッチが開示されている（例えば特許文献１参照）。この従来技術に関して、図１４を用いて説明する。

光スイッチを構成する光ファイバー部はレンズの光軸対称に一対の光ファイバー１０１，１０３を配置した第１のコリメータレンズ組立１０５と該コリメータレンズの光軸対称に一対の光ファイバー１０７、１０９を配置した第２のコリメータレンズ組立１１１を配置し、その第１及び第２のコリメータレンズ組立１０５、１１１を対向させて光軸を一致させる。その際に第１及び第２のコリメータレンズ組立１０５、１１１は光ファイバー１０１と光ファイバー１０９、光ファイバー１０３と光ファイバー１０７とが互いに交差して光学接続するように配置して支持されている。

次に従来技術におけるアクチュエータ装置について説明する。整列ブロック１１３には、レンズの光軸と平行に設けられた軸孔が設けられており、その軸孔には、反射ミラー軸１１５が挿入されている。そして、反射ミラー１１７は、光ファイバー１０１，１０３から出射される光を正確に反射させる必要があるため、整列ブロック１１３には光ファイバーに対し直交して反射ミラー基準面１１９を加工し、この反射ミラー基準面１１９に反射ミラー１１７を面接触させて直角度を規定している。この構成とすることにより、反射ミラー１１７の鏡面を光ファイバーの光軸と直交させた状態で、反射ミラー軸１１５とともに反射ミラー１１７を回転可能としている。

さらに、この反射ミラー１１７は、レンズの焦点面においてレンズの光軸に直角とし各光ファイバーからの光を反射させる第１の位置と、透過させる第２の位置との間を移動可能としており、その動作を駆動手段であるＤＣマイクロモーター１２１により行っている。その具体的な駆動手段は、ＤＣマイクロモーター１２１のモーター軸に取り付けられたブッシュ１２３、及び偏心ピン１２５により反射ミラー１１７を反射ミラー軸１１５を支点として第１の位置から第２の位置を任意に移動可能としている。

また、アクチュエータ装置により、一対の光ファイバー１０１、１０３の隙間に、反射ミラー１１７を精度良く出し入れするために、第１の位置、第２の位置を規定する機構が必要となる。その機構は、整列ブロック１１３に所定の形状で形成された切り欠き溝１２７（例えばＶ字形状）に、偏心ピン１２５が進入する構成とし、モーター軸が一方に回転して、その切り欠き溝１２７の端面に該偏心ピン１２５が当接することで第１の位置が決
まり、さらに、他方に回転した際に該偏心ピン１２５が逆の端面に当接して第２の位置が決まる構成である。

さらに、整列ブロック１１３内の反射ミラー軸１１５に近接した位置に永久磁石１２９を埋没させておき、光ファイバーからの光を反射させる第１の位置で、この永久磁石１２９により磁性体からなる反射ミラー軸１１５を一方向に付勢することで、微動する反射ミラー軸１１５を常に同じ位置とする。これにより、光ファイバーから出射される光を正確に反射させるとともに、反射ミラー１１７を目的の位置に移動させた後に、ＤＣモーター１２１に通電しなくても、永久磁石１２９の磁気吸引力によりその位置に保持する自己保持状態として、その反射ミラー１１７の位置を保つことができる。

この様に構成した従来のアクチュエータ装置を、光ファイバー部と組み合わせることで、前述の光スイッチにおけるアクチュエータ装置の可動速度と精度を実現し、更に繰り返し再現性がよく、振動衝撃などの外力の影響を受けにくい小型の機械式光スイッチとしていた。

なお、反射ミラー１１７は、ステンレス鋼などの金属製の母材に、金属の両面に硬さＭＨｖ１８００以上のＴｉ−Ｎ被膜処理をし、さらに金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）などの高反射率被膜をスパッタリングまたは化学メッキなどにより付着させて構成したものである。
特開２００１−７５０２６号報（第９〜１０頁、第５図）

しかしながら、従来のアクチュエータ装置は、可動速度と精度の面で優れているが、下記に記載の問題点を有する。

従来のアクチュエータ装置を用いた光スイッチは、光の損失を少なくするために、整列ブロック１１３との反射ミラー基準面１１９に反射ミラー１１７を面接触させることで、光ファイバーの光軸と常に直交した状態で、光ファイバー部に反射ミラー１１７を出し入れしていた。

ところが、外部環境の温度変化に伴い、アクチュエータ装置の温度が変化すると、整列ブロック１１３は熱膨張、収縮によって変形し、そのため反射ミラー基準面１１９に傾斜が生じ、これに面接触している反射ミラー１１７も傾斜することとなる。そのため光ファイバーの光軸と反射ミラー１１７の直交度が損なわれ、光の損失が多くなるという課題があった。

そこで本発明の目的は、使用温度範囲において遮蔽板の反射面の光軸と、光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持することで、光の損失が少ないアクチュエータ装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、下記に記載されたような技術構成を採用するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、回転軸を有する回転体と、回転軸に固定される取付部と、該取付部に固定され反射面を有する遮蔽板と、回転体の第１の姿勢または回転体の第２の姿勢に、それぞれ自己保持させる姿勢保持手段と、回転体を第１の姿勢から第２の姿勢へ、または第２の姿勢から第１の姿勢へ移動させる駆動手段と、遮蔽板の熱変形防
止手段とを備え、回転体の一方向に一対の光ファイバーを光軸を合わせて対向配置し、回転体が第１の姿勢にあるときは、遮蔽板は一対の光ファイバーの間の隙間に入り込み、また、回転体が第２の姿勢にあるときは、遮蔽板は一対の光ファイバーの間の隙間から外に出るように構成することで、光スイッチ機能が与えられているアクチュエータ装置であることを特徴としている。

また、遮蔽板の熱変形防止手段は、遮蔽板の温度を検出する温度検出手段と、遮蔽板の温度を上昇または下降させる熱移動手段と、温度検出手段の検出結果に基づいて熱移動手段を制御する温度制御手段とを有し、遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することによって、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸とのなす角度を一定に保持するように構成されていることを特徴としている。

また、上端面に形成した凹部に前記回転体の回転軸を載せることでその回転軸を回転可能に支持する回転軸保持部と、回転体の回転軸に対して回転保持部材と反対の側に位置し回転体の回転位置を規制する回転規制板とを設けることで、駆動手段を作動させて回転体の一端または他端を回転規制板の一端または他端に当接させたとき、回転軸にはそれを回転保持部に向けて押し付ける方向の力が作用するようにし、さらに、熱移動手段を回転規制板に配設したことを特徴としている。

また、熱移動手段を取付部に配設したことを特徴としている。

また、回転軸の重心位置と、回転体の重心位置とが略一致していることを特徴としている。

遮蔽板の熱変形防止手段は、遮蔽板の反射面による反射光量を検出する光量検出手段と、遮蔽板の温度を上昇または下降させる熱移動手段と、光量検出手段の検出結果に基づいて熱移動手段を制御する温度制御手段とを有し、遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することによって、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸とのなす角度を一定に保持するように構成されていることを特徴としている。

また、姿勢保持手段は、回転体の一部を構成するローター磁石と、該ローター磁石の一端付近から該ローター磁石の他端付近まで延びた第１及び第２のヨークとを備え、回転体が第１の姿勢または第２の姿勢にあるとき、ローター磁石と、第１または第２のヨークとの間で閉磁路を形成することで、回転体を第１の姿勢または第２の姿勢に保持することを特徴としている。

上記構成のアクチュエータ装置は、遮蔽板の熱変形防止手段を備えているため、遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することが出来、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持することが可能であるため、光の損失変化が極めて少なく、高信頼性を達成することができる。

また、遮蔽板の熱変形防止手段を備え、この熱変形防止手段は遮蔽板の温度を検出する温度検出手段と、遮蔽板の温度を上昇または下降させる熱移動手段と、温度検出手段の検出結果に基づいて熱移動手段を制御する温度制御手段とを有しているため、温度検出手段によって温度変化を検出した場合に、反射面の傾きが生じたと判断し、熱移動手段を用いて温度変化を修正するように温度制御手段により、正確に遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することができることによって、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持できるため光の損失の変化が極めて少なく、高信頼性を達成することができる。

また、熱移動手段を、回転体の回転軸に対して回転保持部材と反対の側に設けられた回転規制板に配設したため、熱移動手段の配線が容易であることと、配線部が可動しないため断線による不良の発生がないため高信頼性を達成でき、駆動に対しての負荷も無いため消費電流値も安定している。

また、熱移動手段を、取付部に配設したことで遮蔽板への熱伝達が良いため、遮蔽板の温度保持を効率よく行うことが出来る。

また、回転軸の重心位置と、回転体の重心位置とが略一致しているため、外部からの衝撃に対して、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持できるため光の損失の変化が極めて少なく、高信頼性を達成することができる。

また、遮蔽板の熱変形防止手段を備え、この熱変形防止手段は反射面による反射光量を検出する光量検出手段と、遮蔽板の温度を上昇または下降させる熱移動手段と、光量検出手段の検出結果に基づいて熱移動手段を制御する温度制御手段とを有しているため、反射光量の変化を検出した場合に、反射面の傾きが生じたと判断し、熱移動手段を用いて温度変化を修正するように温度制御手段により、正確に遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することができることによって、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持できるため反射光量変化を極めて少なくでき、高信頼性を達成することができる。

また、回転体が第１の姿勢または第２の姿勢にあるとき、ローター磁石と第１または第２のヨークとの間で閉磁路を形成することで、回転体を第１の姿勢または第２の姿勢に保持することを特徴としているため、遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸との成す角度を一定に保持できるため光の損失の変化が極めて少なく、高信頼性を達成することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施をするための最良な形態におけるアクチュエータ装置の構成を説明する。図１は本発明のアクチュエータ装置を機械式光スイッチに適用した場合の装置平面図である。

まず始めに光スイッチを構成する光ファイバー部について説明する。この光ファイバー部３は、レンズの光軸対称に一対の光ファイバー１０１，１０３を配置した第１のコリメータレンズ組立１０５と、一対の光ファイバー１０７、１０９を配置した第２のコリメータレンズ組立１１１を配置し、その第１、及び第２のコリメータレンズ組立１０５，１１１を対向させて光軸を一致させる。その際に第１及び第２のコリメータレンズ組立１０５、１１１は光ファイバー１０１と光ファイバー１０９、光ファイバー１０３と光ファイバー１０７とが互いに交差して光学接続するように配置して支持されている。

次に、アクチュエータ部５について説明する。アクチュエータ部５は、任意のサイズの筐体１内に配置されており、回転軸１５は筐体１の底面４１に設けられた回転軸保持部４３と、筐体１に固定された軸押さえバネ１３とで挟持されることによって、回転軸保持部４３に回転自在に支持されている。更に、回転軸１５は、その一端をブロック４７に付き当たり、他端がスラストバネ４９により一定圧を加えられることで、スラスト方向に支持されている。その回転軸１５の中央部には永久磁石よりなるローター磁石１７及び取付部４５が挿入固定されている。そして、取付部４５には熱移動手段６１が、遮蔽板１９には温度検出手段６９がそれぞれ接着等で固定されている。これら回転軸１５、ローター磁石１７及び取付部４５、熱移動手段で回転体７を構成している。

このアクチュエータ部５は、電磁軟鉄等の磁性材料である第１のヨーク２３と第２のヨーク２７を備える。第１のヨーク２３及び第２のヨーク２７は複数の部品を組み合わせて磁気的な結合がされており、ローター磁石１７が第１のヨーク２３に引きつけられる力の磁気吸引力である保持力により、回転体７を後述する第１の姿勢に自己保持することができる姿勢保持手段を持つ。同様に、ローター磁石１７が第２のヨーク２７に引きつけられる力の磁気吸引力である保持力により回転体７を後述する第２の姿勢に自己保持することができる姿勢保持手段を持つ。

第１のヨーク２３には第１の励磁用コイル２５が巻回されており、第１の磁気回路部９を構成する。この第１の磁気回路部９は、回転体７を第１の姿勢から後述する第２の姿勢へ移行させるだけの回転力を生じさせることにより、第１の姿勢に自己保持状態にある回転体７を第２の姿勢まで移動させる駆動手段を持ち、第２のヨーク２７には第２の励磁用コイル２９が巻回されており、第２の磁気回路部１１を構成する。この第２の磁気回路部１１は、回転体７を第２の姿勢から後述する第１の姿勢へ移行させるだけの回転力を生じさせることにより、第２の姿勢に自己保持状態にある回転体７を第１の姿勢まで移動させる駆動手段を持つ。

なお、第１の磁気回路部９及び第２の磁気回路部１１は筐体１にねじ等（図示せず）で固定されている。そして、第１の励磁用コイル２５の端子及び第２の励磁用コイル２９の端子は端子ピン（図示せず）またはＦＰＣ（図示せず）に接続され、筐体１外部に取り出されて外部との電気的な接続を行い、アクチュエータ装置を制御する。

次に、回転体７を説明する。図２は回転体を説明する斜視図である。回転体７は、回転軸１５にローター磁石１７及び取付部４５が接着あるいは圧入等で固定されている。そして、回転体７は、筐体１の底面４１上に設けられた２つの回転軸保持部４３と筐体１に固定された軸押さえバネ（図示せず）とで挟時されることによって回転軸保持部４３に回転自在に支持されている。また、回転規制板の一端５７、回転規制板の他端５９を備えた回転規制板５１が回転軸１５に対して回転軸保持部４３と対向する位置に設けられている。

取付部４５は取付面６３を有し、回転軸１５に対して取付面６３が所定の角度となるように回転軸に圧入または接着で固定されている。そして、取付部４５の取付面６３に遮光板１９を接着等で固定することで遮蔽板１９の反射面２１が回転軸１５に対して所定の角度とする事が出来、取付部４５と遮蔽板１９を両側から挟み込むように磁石１７が固定される。更に遮蔽板１９には温度検出手段６９が固定されており、取付部４５の一面には熱移動手段６１例えばペルチェ素子が接着等で固定されている。

次に、アクチュエータ部の回転規制構造について説明する。ローター磁石１７を含む回転体７が第１の姿勢に自己保持されている状態を図３の磁気回路展開模式図を用いて説明する。なお、ローター磁石１７は図に示す方向に２極に着磁されているとする。また、符号２１は回転体に設けられた反射面であり、符号３５は光経路である。

第１のヨーク２３の一端３１はローター磁石１７のＮ極近傍に位置し、他端３３はローター磁石１７のＳ極近傍に位置している。回転軸保持部４３の上端面には上方に開いたＶ溝などの凹部が形成され、その凹部に回転軸１５が載ることで、回転軸１５は回転保持部４３上に回転自在に支持される。更に、この回転軸１５は軸押さえバネ１３によって上から押さえつけられ、回転保持部４３の凹部から上方に抜け出ることが妨げられている。

さらに、回転体７を構成する取付部４５の回転体の一端５３と接触できる位置に回転規制板の一端５７が配設されている。回転体７を構成する取付部４５の回転体の一端５３が
、回転規制板５１の回転規制板の一端５７と接触して第１の姿勢となる。

そして、ローター磁石１７のＮ極から生じた磁束は、空隙を通り最も近くにある磁性体の第１のヨーク２３の一端３１に流れ込み、第１のヨーク２３を通り第１のヨーク２３の他端３３へ向かって流れ、第１のヨーク２３の他端３３から空隙を通りローター磁石１７のＳ極へと流れることにより閉磁路が形成され、ローター磁石１７と第１のヨーク２３との間に磁気吸引力が生じることで、回転体７は第１の姿勢に自己保持される。回転体７が第１の姿勢に保持された状態では、光ファイバーを通過する光経路３５の光を、反射面２１によって反射する状態を保持する事が出来る。

次に、ローター磁石１７を含む回転体７が第２の姿勢に自己保持されている状態を図４の磁気回路展開模式図を用いて説明する。なお、ローター磁石１７は図に示す方向に２極に着磁されているとする。また、符号２１は回転体に設けられた反射面であり、符号３５は光経路である。

第２のヨーク２７の一端３７はローター磁石１７のＮ極近傍に位置し、他端３９はローター磁石１７のＳ極近傍に位置している。回転軸保持部４３の上端面には上方に開いたＶ溝などの凹部が形成され、その凹部に回転軸１５が載ることで、回転軸１５は回転保持部４３上に回転自在に支持される。更に、この回転軸１５は軸押さえバネ１３によって上から押さえつけられ、回転保持部４３の凹部から上方に抜け出ることが妨げられている。

さらに、回転体７を構成する取付部４５の回転体の他端５５と接触できる位置に回転規制板の他端５９が配設されている。回転体７を構成する取付部４５の回転体の他端５５が、回転規制板５１の回転規制板の他端５９と接触して第２の姿勢となる。

そして、ローター磁石１７のＮ極から生じた磁束は、空隙を通り最も近くにある磁性体の第２のヨーク２７の一端３７へと流れ、第２のヨーク２７を通り第２のヨーク２７の他端３９へ向かって流れ、第２のヨーク２７の他端３９から空隙を通りローター磁石１７のＳ極へと流れることにより閉磁路が形成され、ローター磁石１７と第２のヨーク２７との間に磁気吸引力が生じることで、回転体７は第２の姿勢に自己保持される。回転体７が第２の姿勢に保持された状態では、光ファイバーを通過する光経路３５の光を透過させる状態に保持することが出来る。

また、本発明のアクチュエータ装置は、回転体７を回転させて様々な機能のスイッチングをすることができる。具体的には、回転体７自体又は回転体７とともに回転する従動体に遮蔽板１９を配することで、その回転体７を第１の姿勢と第２の姿勢との間を回転させてスイッチとして機能させることが出来る。なお、本発明のアクチュエータ装置は、遮蔽板１９の他に、ここでは図示しない反射ミラー、センサー等を配することも可能である。また、このセンサーは、回転体７又は従動体に設ける他、この回転体７や従動体とは別に設けることもできる。

ローター磁石１７の材質は、ＳｍＣｏあるいはＮｄＦｅＢの希土類磁石等を用いることができ、回転軸１５の軸方向に垂直な方向（図３における着磁方向）に２極に着磁されている。また、このローター磁石１７の形状は、第１のヨーク２３、第２のヨーク２７と近接させることができ、第１のヨーク２３または第２のヨーク２７との間の閉磁路が形成できる形状であれば、いかなる形状であっても構わない。

また、遮蔽板１９はガラスまたはセラミック等の平滑面を有する板材の外形を加工して作製し、表面裏面ともに必要範囲に均等の反射率の高い材料を蒸着またはメッキ処理し、反射膜としての機能を有する反射面２１を形成することができる。

さらに、本発明のアクチュエータ装置の回転体７は、回転対称形状とすることが可能なため、回転体７の重心と回転軸１５の重心とを略一致させることが容易である。この様に回転体７の重心位置を略一致させることで、外部からの衝撃に対しアクチュエータ装置への影響を最小限にとどめることができる。なお、ここでの略一致とは、アクチュエータ部が衝撃を受けたとき、回転体７の重心と回転軸１５の重心とのズレにより生じるモーメント等によって、スイッチ動作に与える影響が許容範囲内に収まる程度を意味している。

そして、回転軸１５のスラスト方向両端及び回転軸保持部４３と接触する箇所、軸押さえバネ１３と接触する箇所には、摩耗低減のためのコーティング処理、メッキ処理が施されていても良い。この場合、潤滑油を使う必要が無いので、反射面２１への油膜の付着等による反射率の低下という信頼性低下要因を排除することができる。

また、回転軸１５と接触する相手部材表面にも摩耗低減のためのコーティング処理またはメッキ処理が施されていても良い。

さらにこの回転軸１５は回転軸保持部４３及び軸押さえバネ１３、スラストバネ４９において、ラジアル方向、スラスト方向に保持される。この保持は、いずれも摩擦力が少ない軸受け構造をとることが可能である。そのため、本発明のアクチュエータ装置は、スイッチ動作に伴う回転角度が必要最小限に限定されて摺動箇所がこのラジアル方向２カ所及びスラスト方向２カ所の微少範囲の接触のみとすることができるから、本発明のアクチュエータ装置を駆動する際に発生する摩擦による負荷を少なくすることができる。しかも、回転時における摩擦負荷は、ラジアル方向の摩擦力に回転軸半径を乗じた負荷トルクとして発生するが、回転半径は十分小さくすることができるため、少ないトルクで回転体７を回転させることができる。

以上の説明では、本発明のアクチュエータ装置を光スイッチに適用した構成を一例として示したが、本発明のアクチュエータ装置は、この光スイッチの分野に限定されないで、スイッチング機能の再現性、装置の耐久性、小型化、低消費電力等が要求されるスイッチング機構全てに適用できる技術である。

ここで、回転体７が第１の姿勢から第２の姿勢へ移動した際に回転体７に作用する力について図５を用いて説明する。

回転体７が図３に示すように第１の姿勢に保持されているとき、第１のヨーク２３に巻回されている第１の励磁用コイル２５に電流を流して磁束φを発生させ、第１のヨーク２３の一端３１をＮ極に、他端３３をＳ極に励磁する。すると、第１のヨーク２３の一端３１のＮ極とローター磁石１７のＮ極との間に反発力ＦＮが生じる。同時に、第１のヨーク２３の他端３３のＳ極とローター磁石１７のＳ極との間に反発力ＦＳが生じる。これら反発力ＦＳ及びＦＮはローター磁石１７を含む回転体７を回転軸１５を中心に時計回転方向に回転させ、回転体７を第１の姿勢から図４に示した第２の姿勢に向けて移動させることができる。

この回転体７の時計回転方向の回転は、回転体７を構成する取付部４５の回転体の他端５５が回転規制板５１の回転規制板の他端５９と当接することで規制される。そして、回転体７が第１の姿勢から第２の姿勢に安定して移動するためには、十分な時間の通電状態を継続させることが必要である。例えば第１の姿勢から第２の姿勢に移動する時間が約５ｍｓｅｃとしたとき通電時間を２０ｍｓｅｃにすることで、回転体７を第１の姿勢から第２の姿勢へ安定して移動することが可能となる。

次に、回転体７を第２の姿勢から第１の姿勢へ移動した際に、回転体７に作用する力について図６を用いて説明する。回転体７が図４に示すように第２の姿勢に保持されているとき、第２のヨーク２７に巻回されている第２の励磁用コイル２９に電流を流し磁束φを発生させ、第２のヨーク２７の一端３７をＮ極に、他端３９をＳ極に、励磁する。すると、第２のヨーク２７の一端３７のＮ極とローター磁石１７のＮ極との間に反発力ＦＮが生じる。同時に、第２のヨーク２７の他端３９のＳ極とローター磁石１７のＳ極との間に反発力ＦＳが生じる。これら反発力ＦＳ及びＦＮはローター磁石１７を含む回転体７を回転軸１５を中心に反時計回転方向に回転させ、回転体７を第２の姿勢から図６に示すように第１の姿勢に向けて移動させることができる。

この回転体７の反時計回転方向の回転は、回転体７を構成する取付部４５の回転体の一端５３が回転規制板５１の回転規制板の一端５７と当接することで規制される。そして、回転体７を第２の姿勢から第１の姿勢に安定して移動させるためには第２の励磁用コイル２９には十分な時間通電させることが必要である。例えば第２の姿勢から第１の姿勢に移動する時間が約５ｍｓｅｃとしたとき通電時間を２０ｍｓｅｃにすることで、回転体７を第２の姿勢から第１の姿勢へ安定して移動することが可能となる。

そして、本発明のアクチュエータ装置における、損失低減のための熱変形防止手段について説明を行う。まず、図７に示す熱変形防止手段のためのブロック図を用いて説明する。反射面２１を備える遮蔽板１９は、取付部４５によって保持されている。そして、取付部４５には温度検出手段６９が取り付けられており、温度検出手段６９によって取付部４５の温度を測定している。その温度を温度制御手段である演算部７１によって基準温度と比較して、差があると判断したときには回路７３によって熱移動手段６１に電流を流し、取付部４５の温度を変化させる。そして、取付部４５の温度を再度測定し、基準温度との温度差が生じないように繰り返し制御を行う。

このことを図８のフロー図を用いて説明する。まず、回転体の姿勢確認を行う。姿勢確認方法としては回転体の回転位置を検出するためのポジション検出器（フォトインタラプタ、フォトリフレクタ）を用いている。姿勢確認によって、反射モードであるかどうかを確認し、反射モードである場合は温度検出手段に電流を流して、温度検出手段の抵抗値Ｒを検出する。ここで、温度を検出するためにの温度検出手段の一例としては、白金測温抵抗体がある。白金測温抵抗体は金属の電気抵抗が温度変化に対して変化する性質を利用した測温抵抗体の一種で、温度特性が良好で掲示変化が少ない白金（ｐｔ）を測温素子に利用したセンサであるため、抵抗値と温度の関係がほぼ直線的であり、温度が高くなると抵抗値が上昇し、温度が低くなると抵抗値が下降するという特性を持っている。そして、再現性に優れている特徴を持つ。

そして、白金測温抵抗体の基準抵抗値Ｒ０は、光ファイバーの調芯を行い、光の損失を少なく設定したときの温度における抵抗値とし、一般的にその時の温度は２５度となっており、温度検出手段に微弱電流を流し、白金測温抵抗体の抵抗値に応じた電位差が測定でき、この結果から白金測温抵抗体の抵抗値を知ることが出来る。そして、測定された抵抗値Ｒと基準抵抗値Ｒ０とを比較し、ほぼ等しい値であったならば熱移動手段への通電は行わない。ここで、測定された抵抗値Ｒと基準抵抗値Ｒ０との値が異なる場合、基準抵抗値Ｒ０に対して大きければアクチュエータ装置の温度が上昇していることであるから、冷却することができるように熱移動手段に電流を流して温度を下げる、また、抵抗値Ｒが基準抵抗値Ｒ０以下であれば温度が低いと言うことであるから、アクチュエータ装置の温度を上げることができるように、熱移動手段に電流を流す。この様に温度を制御することで、温度は±１度の範囲にすることができ、光の損失は±０．２ｄＢ以内の損失にすることが可能となる。

ここで熱移動手段６１の例としては、ペルチェ素子があり、二つの異種金属又は半導体を電気的に直列に接合して直流電流を流すことによって、その接合部分にジュール熱以外の吸熱及び発熱が発生する現象をペルチェ効果という。ペルチェ素子の原理を図９を用いて説明すると、Ｐ型熱電半導体７７とＮ型熱電半導体７９を上電極８１で接合し、Ｎ型熱電半導体７９の方から直流電流を流すと、上側の接合面８１ａから下側の接合面８２ａへ熱を運び、このときに下側の電極８２から十分な放熱を行うと、上側電極８１において吸熱作用を連続的に得ることが出来る。逆にＰ型熱電半導体７７の方から直流電流を流すと、下側の接合面８２ａから上側の接合面８１ａへ熱を運び、下側電極８２において吸熱作用を連続的に得ることが出来る。

また、流す電流の大きさを変えることで吸熱量を変えることも出来る。ペルチェ素子の特徴としては、電流の方向を逆転させると吸熱面（低温側）と放熱面（高温側）を切り替えることが可能で、また、電流（電圧）の大きさを制御することで精密な温度コントロールが可能である。また、温度応答性が良いことと、小型、軽量、無振動、無騒音の特徴を持つ。

上述の熱変形防止手段によって温度制御を行った場合の説明を行う。まず、図１０Ａは温度が基準温度に対して変化した場合の図であり、回転体７は温度変化に伴う材料の熱膨張によって、反射面２１が光軸に対しての直角面に対してθの傾きを持つ。そして、反射面２１によって反射された光は光軸からずれた位置となり、反射光経路の光ファイバー（図示せず）に入射する光の量が少なくなり、光の損失が多くなる。これに対し図１０Ｂに示すように熱移動手段６１に電圧Ｖを印加して温度を制御した場合は、熱移動手段６１による放熱又は吸熱作用により取付部４５の温度が変化し、取付部４５を熱膨張あるいは熱収縮することによって変形させ、変形によって光軸と反射面２１との直角度を得、入射光を正確に光ファイバーに反射させることが出来、損失を非常に少なくすることが出来る。

例えば取付部４５の材質がジュラルミンであり、その線膨張係数を２３．６×１０^-6／℃とし、取付部形状が図１０Ａに示すような凸型をしているとき、温度が基準温度２５度から７５℃になると、反射面の変形角度は０．１６度となり、損失が約３．５ｄＢで光量に換算すると半分以下になってしまうが、熱移動手段を用いることで反射面の傾きを低減するように取付部を熱変形させることが可能となり、温度を基準温度±１度に制御し、これによって反射面の変形角度を０．０２度以下とすることができ、結果として損失を０．２ｄＢ以下になるように光の損失を低減することができる。

そして、損失が最も少なくなる温度で印加電圧を一定にすることで損失の少ない光スイッチ用アクチュエータ装置を提供する事が出来る。また、透過の場合には熱移動手段に電圧を印加する必要がないため消費電力を低減することが出来る。

また、温度検出手段を用いることの他には、反射光の損失をフィードバックする方法もある。これについてフロー図１１を用いて説明すると、反射モードにおいて、反射光量のモニターを行い、そのとき測定される測定光量Ｐ１が初期に調芯した際の基準光量Ｐ０と比較して小さい場合、反射面の傾きが大きくなり損失につながっていると判断し、取付部の熱膨張を押さえるように温度の制御を行う。

このとき、まず熱移動手段により取付部の温度を高温側に温度を変化させてみる。そして、この時の測定光量Ｐ２を先ほどの測定光量Ｐ１と比較し、測定光量Ｐ１より大きくなっているので有れば熱移動手段に流す電流の符号が問題無いと判断し、次に基準光量Ｐ０との比較を行い、基準光量Ｐ０より小さければ電流値の大きさを徐々に変え、基準光量との差が０．２ｄＢ以内になるまで繰り返す。また、測定光量Ｐ２が測定光量Ｐ１との比較で測定光量Ｐ１より小さくなってしまった場合は熱移動手段に流す電流の向きが逆向きで
あるとの判断を行い、逆向きの電流を流す。そして、基準光量Ｐ０と測定光量Ｐ１とが０．２ｄＢ以内になるまで制御を繰り返す。

次に第２の実施の形態について図１２を用いて説明する。第１の実施の形態と異なる点は熱移動手段を回転規制板に配置した点である。

図１２は本発明のアクチュエータ装置を光スイッチとして用いたとき第１の姿勢におけるローター磁石近傍の断面図であり、回転軸保持部４３と軸押さえバネ１３を重ね合わせて図示したものである。なお、ローター磁石１７は図１２のＮ極、Ｓ極で示す方向に２極に着磁されているとする。

第１のヨーク一端３１はローター磁石１７のＮ極近傍に位置し、第１のヨーク他端３３はローター磁石１７のＳ極近傍に位置している。回転軸１５は回転軸保持部４３と軸押さえバネ１３とで挟み込まれることで回転自在に支持され、保持されている。そして、取付部４５の回転体の一端５３は回転規制板５１の回転規制板の一端５７と接触することで、第１の姿勢を得ている。

熱移動手段６１は、回転規制板の一端５７近傍に位置し、このことで、熱移動手段６１の温度変化を回転規制板の一端５７に接触する取付部４５の回転体の一端５３に伝えることが出来、そのため取付部４５の熱膨張、収縮が可能となり、反射面２１の傾きを光の損失が無いように最適にすることができる。また、配線が容易であることと、配線部が可動しないため断線が起きず、更には配線のたわみによる負荷変動が無いという特徴を持つ。

次に第３の実施の形態について図１３を用いて説明する。図１３は本発明のアクチュエータ装置の回転体平面図である。第１の実施の形態と異なる点は熱移動手段の放熱面と吸熱面とを取付部に接触させ、遮蔽板は取付部によって挟み込むことで保持されている点である。

回転軸１５には遮蔽板１９、取付部４５ａ、取付部４５ｂ、ローター磁石１７が挿入固定されており、熱移動手段６１は軸方向に放熱面６５、吸熱面６７があるとしたとき、放熱面６５と接触するように一方の取付部４５ａがあり、吸熱面６７と接触するように他方の取付部４５ｂがあり、遮蔽板１９は一方の取付部４５ａと他方の取付部４５ｂで挟み込むことで構成されている。このことによって熱移動手段６１の放熱面６５の放熱により、一方の取付部４５ａの温度が上昇し、一方の取付部４５ａが膨張する、このとき、吸熱面６７の吸熱により他方の取付部４５ｂの温度が低下し、他方の取付部４５ｂが収縮する。従って、遮蔽板１９の片側で膨張、他方で収縮するため、より大きな材料変形を得ることが可能で、遮蔽板１９の変形も大きくすることができ、より広い温度範囲での損失低減を達成することが可能である。

本発明のアクチュエータ装置を光スイッチに適用した構成例を説明するための構造平面図である。 本発明のアクチュエータ装置における回転体の構成を説明するための斜視図である。 本発明のアクチュエータ装置の第１の姿勢を説明するためのアクチュエータ部の磁気回路展開模式図である。 本発明のアクチュエータ装置の第２の姿勢を説明するためのアクチュエータ部の磁気回路展開模式図である。 本発明のアクチュエータ装置の第１の姿勢から第２の姿勢に移動した際に作用する力を説明するための模式図である。 本発明のアクチュエータ装置の第２の姿勢から第１の姿勢に移動した際に作用する力を説明するための模式図である。 本発明のアクチュエータ装置の温度制御を説明するブロック図である。 本発明のアクチュエータ装置の温度制御を説明するフロー図である。 熱移動手段を説明する図である。 本発明のアクチュエータ装置が熱変形をおこした場合の取付部の形状変形について説明するための図である。 本発明のアクチュエータ装置が熱変形をおこした場合の取付部の形状変形について説明するための図である。 本発明のアクチュエータ装置の温度制御を説明するフロー図である。 本発明のアクチュエータ装置の別の実施例を示す構造断面図である。 本発明のアクチュエータ装置の別の実施例を示す回転体平面図である。 従来のアクチュエータ装置を光スイッチに適用した構成例を説明するための構造平面図である。

符号の説明

１ 筐体
３ 光ファイバー部
５ アクチュエータ部
７ 回転体
９ 第１の磁気回路部
１１ 第２の磁気回路部
１３ 軸押さえバネ
１５ 回転軸
１７ ローター磁石
１９ 遮蔽板
２１ 反射面
２３ 第１のヨーク
２５ 第１の励磁用コイル
２７ 第２のヨーク
２９ 第２の励磁用コイル
３１ 第１のヨーク一端
３３ 第１のヨーク他端
３５ 光経路
３７ 第２のヨーク一端
３９ 第２のヨーク他端
４１ 底面
４３ 回転軸保持部
４５ 取付部
４７ ブロック
４９ スラストバネ
５１ 回転規制板
５３ 回転体の一端
５５ 回転体の他端
５７ 回転規制板の一端
５９ 回転規制板の他端
６１ 熱移動手段
６３ 取付面
６５ 放熱面
６７ 吸熱面
６９ 温度検出手段
７１ 演算部
７３ 回路
７５ ポジション検出器
７７ Ｐ型熱電半導体
７９ Ｎ型熱電半導体
８１ 上電極
８１ａ 上側の接合面
８２ 下電極
８２ａ 下側の接合面

Claims (7)

1. 回転軸を有する回転体と、
   前記回転軸に固定される取付部と、
   該取付部に固定され反射面を有する遮蔽板と、
   前記回転体の第１の姿勢または前記回転体の第２の姿勢に、それぞれ自己保持させる姿勢保持手段と、
   前記回転体を第１の姿勢から第２の姿勢へ、または第２の姿勢から第１の姿勢へ移動させる駆動手段と、
   前記遮蔽板の熱変形防止手段とを備え、
   前記回転体の一方向に一対の光ファイバーを光軸を合わせて対向配置し、前記回転体が前記第１の姿勢にあるときは、前記遮蔽板は前記一対の光ファイバーの間の隙間に入り込み、また、回転体が前記第２の姿勢にあるときは、前記遮蔽板は前記一対の光ファイバーの間の隙間から外に出るように構成することで、光スイッチ機能が与えられているアクチュエータ装置。
2. 前記遮蔽板の熱変形防止手段は、
   前記遮蔽板の温度を検出する温度検出手段と、
   前記遮蔽板の温度を上昇または下降させる熱移動手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記熱移動手段を制御する温度制御手段とを有し、前記遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することによって、前記遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸とのなす角度を一定に保持するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
3. 前記遮蔽板の熱変形防止手段は、
   前記遮蔽板の反射面による反射光量を検出する光量検出手段と、
   前記遮蔽板の温度を上昇または下降させる熱移動手段と、
   前記光量検出手段の検出結果に基づいて前記熱移動手段を制御する温度制御手段とを有し、前記遮蔽板の温度を所定の範囲に保持することによって、前記遮蔽板の反射面の光軸と光ファイバーの光軸とのなす角度を一定に保持するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
4. 上端面に形成した凹部に前記回転体の回転軸を載せることでその回転軸を回転可能に支持する回転軸保持部と、
   前記回転体の回転軸に対して前記回転保持部材と反対の側に位置し前記回転体の回転位置を規制する回転規制板とを設けることで、前記駆動手段を作動させて前記回転体の一端または他端を前記回転規制板の一端または他端に当接させたとき、前記回転軸にはそれを前記回転保持部に向けて押し付ける方向の力が作用するようにし、さらに、
   前記熱移動手段を前記回転規制板に配設したことを特徴とする請求項２または請求項３記載のアクチュエータ装置。
5. 前記熱移動手段を前記取付部に配設したことを特徴とする請求項２または請求項３記載のアクチュエータ装置。
6. 前記回転軸の重心位置と、前記回転体の重心位置とが略一致していることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
7. 前記姿勢保持手段は、回転体の一部を構成するローター磁石と、該ローター磁石の一端付近から該ローター磁石の他端付近まで延びた第１及び第２のヨークとを備え、
   前記回転体が前記第１の姿勢または第２の姿勢にあるとき、前記ローター磁石と、前記
   第１または第２のヨークとの間で閉磁路を形成することで、前記回転体を前記第１の姿勢または第２の姿勢に保持することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
   

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