(57)【要約】【課題】磁歪素片の撓み量の変化を利用した磁歪アクチュエータ及びその磁歪アクチュエータを用いた光スイッチにおいて、磁歪素片の基体の破損や変形を防止し、且つ、厚みの薄い基体及び磁歪素片を備える磁歪アクチュエータ及び光スイッチを提供する。【解決手段】本発明の磁歪アクチュエータでは、磁界印加手段を用いて磁歪材料からなる薄膜（磁歪薄膜）に磁界を印加することにより、磁歪薄膜が伸びまたは縮み、磁歪素片を構成する基体との間にずれ応力が生じ、磁歪素片が撓む。この磁歪素片の撓みを利用して磁歪アクチュエータの動作が行われる。本発明の磁歪アクチュエータでは、基体として非晶質の金属材料を用いているので、基体の塑性変形を防止し、磁歪素片を元の撓まない状態に戻すことができる。これにより、磁歪アクチュエータの良好な動作制御を行うことができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質の金属材料で形成されている基体と、該基体上に磁歪材料で形成されている薄膜とで構成される素片と；
該素片に磁界を印加する磁界印加手段と；を備えることを特徴とする磁歪アクチュエータ。
【請求項２】
上記非晶質の金属材料が、希土類元素と遷移金属元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項３】
上記磁歪材料が、希土類元素と遷移金属元素とを含む非晶質合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項４】
上記基体の熱膨張係数と上記薄膜の熱膨張係数が略同じであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項５】
上記基体の厚みと上記薄膜の厚みが略同じであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項６】
上記基体の厚みと上記薄膜の厚みがそれぞれ２〜３μｍであることを特徴とする請求項５に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項７】
上記基体と上記薄膜との間に、酸化物または窒化物からなる中間層が形成されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項８】
上記希土類元素と遷移金属元素とを含む合金が、上記薄膜を形成する磁歪材料の磁歪定数と反対の極性を有する磁歪材料であることを特徴とする請求項２に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項９】
光スイッチであって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータと；
光スイッチに光を入射する光入射部と；
該光入射部からの光を光スイッチから選択的に出射する第１光出射部及び第２光出射部と；
上記素片上に形成されたミラーと；を備え、
上記素片に磁界が印加されたときに、上記光入射部からの光が第１光出射部に導かれ、磁界が印加されないときに、上記ミラーを介して第２光出射部に導かれることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１０】
上記光入射部及び光出射部の少なくとも一方がレンズ付き光ファイバであることを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
上記磁界印加手段が、硬質磁性体を一部に含むコア、該コアに周回して設けられたコイル及び電源で構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
上記硬質磁性体が、保磁力の異なる硬質磁性体から構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の光スイッチ。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータの製造方法であって、
支持基板上に剥離層を形成することと；
該剥離層上に基体を形成することと；
上記基体上に磁歪材料からなる磁歪層を形成することと；
上記磁歪層が形成された基体から上記剥離層とともに支持基板を剥離することにより上記素片を作製することと；
上記素片に磁界を印加する磁界印加手段を設けることと；を含む磁歪アクチュエータの製造方法。
【請求項１４】
上記支持基板がガラスで形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の磁歪アクチュエータの製造方法。
【請求項１５】
上記剥離層がレジストで形成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の磁歪アクチュエータの製造方法。
【請求項１６】
上記剥離層と上記基体との間に、酸化物または窒化物からなる下地層を形成することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータの製造方法。
【請求項１７】
上記磁歪層上に酸化物または窒化物からなる保護層を形成することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータの製造方法。
【請求項１８】
上記基体と上記磁歪層との間に、酸化物または窒化物からなる中間層を形成することを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータの製造方法。
【請求項１９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁歪アクチュエータの製造方法であって、
有機材料からなる支持基板上に酸化物または窒化物からなる下地層を形成することと；
該下地層上に基体を形成することと；
上記基体上に磁歪材料からなる磁歪層を形成することと；
該磁歪層上に酸化物または窒化物からなる保護層を形成することと；
上記下地層、上記磁歪層及び上記保護層が形成された基体から支持基板を溶解して除去することにより上記素片を作製することと；
上記素片に磁界を印加する磁界印加手段を設けることと；を含む磁歪アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、基体上に磁歪膜を形成した素片を用いた磁歪アクチュエータ及びその製造方法、並びに、その磁歪アクチュエータを利用した光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいては、光通信回線を切り替えるために光スイッチが必要である。光スイッチの方式の一つとして、例えば、光路上に反射ミラーを配置し、その角度を変化させることにより光の反射方向を変える方式の光スイッチが知られている。かかる光スイッチにおいて、反射ミラーの角度を変化させる方法としては、例えば、静電方式、圧電方式、磁気力方式等が知られている。
【０００３】
従来の磁気力方式の光スイッチとして、磁石と電磁石との吸引力を利用した光スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照）。この光スイッチは、磁性体が取り付けられているミラーが３次元的に運動可能な支持体を介して基板に取り付けられるとともに、ミラー近傍に電磁石を設けて構成されている。かかる光スイッチでは、電磁石を動作させて電磁石から磁界を発生させ、ミラーに取り付けられている磁性体を磁気的な相互作用により電磁石に引き付け、ミラーに入射したレーザを所定の方向にスイッチングさせている。しかしながら、このような磁石と電磁石との吸引力を利用した光スイッチにおいては、ミラーに磁性体を取り付けるとともに、変形可能な支持体を介してミラーを基板に取り付ける必要があるために、部品点数が多くなるとともに構造が複雑になり、製造工程もまた複雑化するという問題があった。
【０００４】
そこで、より簡単な構造で且つ容易に製造することのできる磁気力方式の光スイッチとして、曲げ弾性及び可撓性を有する基体上に磁歪材料からなる薄膜（磁歪薄膜）を形成した素片（磁歪素片）を利用した光スイッチが知られている（例えば、非特許文献１参照）。この光スイッチでは、入射用の光ファイバからの光を磁歪素片の表面に形成したミラーで反射させている。磁歪素片に磁界を印加していない状態では、光は上記ミラーに対して所定の角度をもって入射し、ミラー面で反射された光は第１の出射用光ファイバに導かれる。これに対し、磁歪素片に磁界を印加して状態では、磁歪素片に撓みが生じる。これにより、光は磁界が印加されていない状態の所定角度とは異なる角度で上記ミラー面に入射し、ミラー面で反射された光は第１の出射用光ファイバとは異なる位置に配置された第２の出射用光ファイバに導かれる。このように、印加する磁界の値を切り替えて磁歪素片の撓み量を制御することにより、光のスイッチングを行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１６２５２０号公報（第１−５頁）
【非特許文献１】
Ｓ．Ｍｏｏｎ，  Ｓ．Ｈ．Ｌｉｍらによる著，「オプティカル・スイッチ・ドリブン・バイ・ジャイアント・マグネトストリクティブ・シン・フィルムズ  （Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈ  Ｄｒｉｖｅｎ  ｂｙ  Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ）」  Ｐａｒｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｄｅｓｉｇｎ，  Ｔｅｓｔ，  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＭＥＭＳ  ａｎｄ  ＭＯＥＭＳ（パリ，フランス）（１９９９年３−４月）（第８５４−８６２頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この光スイッチに用いられる磁歪素片では、基体の厚さが磁歪薄膜の厚さに比べて非常に厚い場合、磁歪素片の撓み量が小さくなってしまう。磁歪素片の撓み量を大きくするために、基体の厚さを磁歪薄膜の厚さと同程度にすることが望ましいが、基体の厚さを薄くすると、基体の取扱いが困難となる。例えば、ガラスやシリコンのような脆い材料からなる薄い基体の場合、ピンセット等を用いて基体を成膜装置のホルダーに設置するときに基体に割れが生じることがある。一方、薄い基体として金属を用いる場合、基体を成膜装置のホルダーに設置するときに塑性変形させてしまうことがある。また、スパッタ装置等の成膜装置内に入れることのできる基体の材料種には制限がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、磁歪素片の撓み量の変化を利用した磁歪アクチュエータ及びその磁歪アクチュエータを用いた光スイッチにおいて、磁歪素片の基体の破損や変形を防止し、且つ、厚みの薄い基体及び磁歪素片を備える磁歪アクチュエータ及び光スイッチを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、非晶質の金属材料で形成されている基体と、該基体上に磁歪材料で形成されている薄膜とで構成される素片と；
該素片に磁界を印加する磁界印加手段と；を備えることを特徴とする磁歪アクチュエータが提供される。
【０００９】
本発明の磁歪アクチュエータでは、磁界印加手段を用いて磁歪材料からなる薄膜（磁歪薄膜）に磁界を印加することにより磁歪薄膜が伸びまたは縮み、磁歪素片を構成する基体との間に生じたずれ応力によって磁歪素片が撓む。この磁歪素片の撓みを利用して磁歪アクチュエータの動作が行われる。本発明の磁歪アクチュエータでは、基体として非晶質の金属材料を用いているので、結晶性を有する金属材料の場合に生じ易い塑性変形を防止することができ、磁歪素片を撓まない元の状態に戻すことができる。これにより、磁歪アクチュエータの良好な動作制御を行うことができる。
【００１０】
本発明の磁歪アクチュエータでは、上記非晶質の金属材料が、希土類元素と遷移金属元素とを含む合金であることが望ましい。また、上記磁歪材料が、希土類元素と遷移金属元素とを含む非晶質合金であることが望ましい。基体と同様にして、磁歪材料として非晶質合金を用いることにより、磁歪薄膜の塑性変形を防止することができる。
【００１１】
本発明の磁歪アクチュエータでは、上記基体の熱膨張係数と上記薄膜の熱膨張係数が略同じであることが望ましい。これにより、磁歪アクチュエータの環境温度の変化により生じ得る磁歪素片の意図しない撓みの発生を防止することができる。また、上記基体の厚みと上記薄膜の厚みが略同じであることが望ましい。これにより、磁歪素片を最も大きく撓ませることができる。この場合、上記厚みが２〜３μｍであることが望ましい。なお、本明細書において「上記基体と上記薄膜の厚みが略同じ」とは、薄膜の厚みに対する基体の厚みが８０〜１２５％程度であることをいう。
【００１２】
本発明の磁歪アクチュエータでは、上記基体と上記薄膜との間に、酸化物または窒化物からなる中間層が形成されていてもよい。これにより、基体と薄膜がともに希土類元素と遷移金属元素を含む合金で形成されている場合に、基体材料と薄膜材料との間で生じる材料成分の拡散を防止することができる。また、上記希土類元素と遷移金属元素とを含む合金が、上記薄膜を形成する磁歪材料の磁歪定数と反対の極性を有する磁歪材料で形成されていてもよい。このような磁歪素片に磁界が印加された場合、薄膜が伸びるのと同時に基体が縮む、あるいは、薄膜が縮むと同時に基体が伸びる。これにより、基体と磁歪薄膜との間のずれ応力がさらに増大し、磁歪素片の撓み量を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様によれば、光スイッチであって、
第１の態様による磁歪アクチュエータと；
光スイッチに光を入射する光入射部と；
該光入射部からの光を光スイッチから選択的に出射する第１光出射部及び第２光出射部と；
上記素片上に形成されたミラーと；を備え、
上記素片に磁界が印加されたときに、上記光入射部からの光が第１光出射部に導かれ、磁界が印加されないときに、上記ミラーを介して第２光出射部に導かれることを特徴とする光スイッチが提供される。
【００１４】
本発明の光スイッチでは、素片に磁界を印加したときには、素片を構成している磁歪薄膜が伸びるまたは縮むことにより、素片を構成する基体との間でずれ応力が生じ、素片が基体側または磁歪薄膜側のいずれかの側に撓む。このとき、光入射部からの光は素片に遮られることなく第１光出射部に向けて照射される。一方、素片に磁界を印加していない状態で、素片は撓んでいない状態となる。このとき、光は素片に遮られ、光入射部からの光の光路内に、素片上に設けられたミラーが変位し、ミラーは光を反射して第２出射部に導く。これにより、光スイッチの切り替えを正確に行うことができる。
【００１５】
本発明の光スイッチでは、上記光入射部及び光出射部の少なくとも一方がレンズ付き光ファイバであることが望ましい。また、上記磁界印加手段が、硬質磁性体を一部に含むコア、該コアに周回して設けられたコイル及び電源で構成されていることが望ましい。さらに、上記硬質磁性体が、保磁力の異なる硬質磁性体から構成されていてもよい。これにより、磁界印加手段を用いてコアに磁界印加した直後に磁界印加を止めた場合でもコアに引き続き磁界が生じているので、磁歪素片の撓み状態もそのまま維持される。
【００１６】
本発明の第３の態様によれば、第１の態様の磁歪アクチュエータの製造方法であって、
支持基板上に剥離層を形成することと；
該剥離層上に基体を形成することと；
上記基体上に磁歪材料からなる磁歪層を形成することと；
上記磁歪層が形成された基体から上記剥離層とともに支持基板を剥離することにより上記素片を作製することと；
上記素片に磁界を印加する磁界印加手段を設けることと；を含む磁歪アクチュエータの製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の磁歪アクチュエータの製造方法を用いて、本発明の第１の態様による磁歪アクチュエータを製造することができる。本発明の磁歪アクチュエータの製造方法では、磁歪素片の基体とは別に成膜用の支持基板を用いているので、磁歪膜の製造時の取扱いが容易であり、磁歪素片の基体の塑性変形を防止することができる。一方、磁歪素片を構成する基体に要求される製造時の厚み及び強度が緩和されるため、基体材料の選択の幅を広げることができる。これにより、磁歪素片の熱安定性を向上すべく熱膨張係数が略等しい基体材料及び磁歪薄膜材料を選択することが可能となる。また、磁歪素片における基体を極めて薄くすることもできる。
【００１８】
本発明の磁歪アクチュエータの製造方法では、支持基板がガラスで形成されていることが望ましい。また、上記剥離層がレジストで形成されていることが望ましい。
【００１９】
本発明の磁歪アクチュエータの製造方法では、上記剥離層と上記基体との間に、酸化物または窒化物からなる下地層を形成することが望ましい。また、上記磁歪層上に酸化物または窒化物からなる保護層を形成することが望ましい。さらに、上記基体と上記磁歪層との間に、酸化物または窒化物からなる中間層を形成してもよい。これにより、基体と磁歪層をともに希土類元素と遷移金属元素とを含む合金で形成した場合に生じ得る、基体と磁歪層との間の材料成分の相互拡散を防止することができる。
【００２０】
本発明の第４の態様によれば、第１の態様による磁歪アクチュエータの製造方法であって、
有機材料からなる支持基板上に酸化物または窒化物からなる下地層を形成することと；
該下地層上に基体を形成することと；
上記基体上に磁歪材料からなる磁歪層を形成することと；
該磁歪層上に酸化物または窒化物からなる保護層を形成することと；
上記下地層、上記磁歪層及び上記保護層が形成された基体から支持基板を溶解して除去することにより上記素片を作製することと；
上記素片に磁界を印加する磁界印加手段を設けることと；を含む磁歪アクチュエータの製造方法が提供される。
【００２１】
本発明の磁歪アクチュエータの製造方法を用いることにより、本発明の第１の態様による磁歪アクチュエータを製造することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明における実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００２３】
【実施例１】
本発明における磁歪アクチュエータの実施の形態について、図１〜４を用いて説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の磁歪アクチュエータ１００の概略図であり、図１（ａ）は磁歪アクチュエータ１００を構成する磁歪素片１０が撓んでいない状態を、図１（ｂ）は磁歪素片１０が撓んだ状態をそれぞれ示している。本実施例の磁歪アクチュエータ１００の動作に関する詳細については、後述する。
【００２４】
［磁歪素片の作製方法］
次に、本発明の磁歪アクチュエータに用いる磁歪素片の作製方法を、図２及び３を用いて説明する。図２に示すように、磁歪素片１０は、基体１、磁歪材料層３、保護層５及び保護層７で構成されている。磁歪素片１０は、以下の方法で作製した。図３（ａ）に示すように、支持基板（成膜用基体）１２として、直径６３ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのガラス基板を用意した。次いで、支持基板１２の一方の面上に、剥離層１４として、レジストを厚さ１００μｍとなるようにスピンコート法を用いて形成した。次いで、剥離層１４上に、下地層１５として、ＳｉＯ２を厚さ１０ｎｍとなるように形成した。次いで、下地層１５上に、基体１１として、テルビウム−鉄非晶質合金を厚さ３μｍとなるように形成した。次いで、基体１１上に、磁歪材料層１３として、磁歪材料であるサマリウム−鉄非晶質合金を厚さ３μｍとなるように形成した。さらに、磁歪材料層１３上に、保護層１７として、ＳｉＯ２を厚さ１０ｎｍとなるように形成した。下地層１５、基体１１、磁歪材料層１３及び保護層１７は、いずれもスパッタ法を用いて形成した。なお、磁歪材料層１３に用いられるサマリウム−鉄非晶質合金の熱膨張係数は、基体１１に用いられるテルビウム−鉄非晶質合金の熱膨張係数と略同じであった。これにより、磁歪素片１０の環境温度の変化に起因する磁歪素片１０の意図しない撓みが防止される。
【００２５】
次に、各層が形成された支持基板１２を、長さ１０ｍｍ、幅０．８ｍｍの平板状となるようにダイシングした後、不図示のアッシング装置における酸素プラズマによって、剥離層１４を形成するレジストのアッシングを行った。このアッシングにより、支持基板１２と下地層１５とを接着しているレジストの接着力は消失するので、下地層１５から剥離層１４とともに支持基板１２が剥離される。これにより、図３（ｂ）に示すような磁歪素片１０を得た。なお、剥離層１４上に形成されていた下地層１５は、磁歪素片１０における基体１の保護層５として機能する。また、保護層１７は、磁歪素片１０における磁歪材料層３の保護層７として機能する。本実施例では、保護層５及び７をＳｉＯ２を用いて形成したが、ＳｉＯ２以外の酸化物または窒化物で形成してもよい。
【００２６】
［磁歪アクチュエータの製造方法］
次に、こうして得られた磁歪素片１０を用いて製造した磁歪アクチュエータについて、図１及び４を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、磁歪アクチュエータ１００は、主に、磁気コア１０１、コイル１０３、磁歪素片１０及び電源（不図示）で構成される。磁気コア１０１は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、幅（図中、Ｙ方向の長さ）ｄ１＝１５ｍｍ、長さ（図中、Ｘ方向の長さ）ｄ２＝１０ｍｍ及び高さ（図中、Ｚ方向長さ）ｄ３＝１０ｍｍの四角柱状であり、磁気コア１０１の内部にはＸ方向に貫通する貫通孔１０２が形成されている。貫通孔１０２により、磁気コア１０１は、図４（ｂ）に示すように、Ｚ方向に上面部１０１ａと底面部１０１ｂに分けられる。さらに、磁気コア１０１の上面部１０１ａには、Ｙ方向の中央部に、Ｘ方向に延在するギャップ１０８が形成され、ギャップ１０８は上面部１０１ａを右上面部１０１ａｒと左上面部１０１ａｌに分割している。ギャップ１０８は貫通孔１０２と連通している。貫通孔１０２の幅及びギャップ１０８の幅（ギャップ幅）は、それぞれ、１０ｍｍ及び１．２ｍｍである。また、磁気コア１０１は、フェライトからなる軟質磁性体で構成されている。なお、磁気コア１０１の軟質磁性体は０．２［Ｏｅ］の保磁力を有する。磁気コア１０１は、フェライトからなる軟質磁性体を、所望の形状となるように加圧成形して作製した。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、磁気コア１０１の底面部（１００ｂ）には、直径０．３ｍｍのエナメル線からなるコイル１０３が、Ｘ方向及びＺ方向に２００回程度周回して設けられている。不図示の電源はコイル１０３の両端に接続され、コイル１０３に電力を供給する。磁歪素片１０は、ギャップ（１０８）内で、Ｘ方向に延在し且つ磁歪素片１０の表面が磁気コア１０１の上面部（１０１ａ）の表面と平行になるように配置されている。ここで、図１（ａ）に示すように、磁歪素片１０の一端を固定端として、ギャップ（１０８）の端部に挟持された支持片１０５に接着剤等で固着し、磁歪素片１０の他端を支持せずに自由端とした。なお、磁歪素片１０は、磁歪素片１０の基体側がコイル１０３側を向くように、ギャップ内に配置される。
【００２８】
［磁歪アクチュエータの駆動方法］
次に、磁歪アクチュエータ１００の駆動原理について、図１を用いて説明する。図１（ｂ）に示すように、不図示の電源によってコイル１０３に電力を供給することにより、磁気コア１０１に磁界を発生させる。このとき、磁気コア１０１のギャップに、磁歪素片１０の幅方向（Ｙ方向）に磁界が発生する。これにより、ギャップ内に配置された磁歪素片１０における負の磁歪定数を有するサマリウム−鉄合金からなる磁歪材料層が、発生した磁界の方向に縮み、その結果、発生した磁界と直交する方向である素片の長手方向（Ｘ方向）に伸長する。磁歪材料層が伸長することにより、磁歪素片１０の磁歪材料層と基体との間でずれ応力が生じ、磁歪素片１０は支持片１０５で固定された固定端を支点として、矢印ＡＲ１で示すように、コイル１０３側、即ち、下方に向かって撓む。これにより、磁歪アクチュエータの動作に必要な変位量を得る。
【００２９】
次に、本実施例における磁歪アクチュエータの具体的な駆動方法を説明する。図１（ａ）に示すように、磁歪アクチュエータ１００は、コイル１０３に電流を流さない状態、即ち、磁気コア１０１に磁界が印加されていない状態では、磁歪素片１０は撓まない。これに対し、コイル１０３に１２０ｍＡの電流を流して、磁気コア１０１のギャップ部に磁界Ｈ１＝４５０［Ｏｅ］を発生させた。これにより、図１（ｂ）に示すように、磁歪素片１０は矢印ＡＲ１の方向に撓む。磁歪素片１０の撓み量は、磁気コア１０１に発生した磁界により飽和状態となっている。このように、コイル１０３への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、磁歪アクチュエータの動作が可能となる。
【００３０】
【比較例１】
ここで、磁歪素片の基体の厚みと磁歪材料層の厚みとの関係について、図１１を用いて説明する。図１１は、磁歪素片の磁歪材料層の厚みを４μｍとし、基体の厚みを種々変更したときの磁歪素片の撓み量の変化について示している。図１１から明らかなように、基体の厚みが磁歪材料層の厚みと等しい４μｍの場合に、磁歪素片の最大の撓み量を得ることができる。また、基体の厚みが３．２μｍ〜５．０μｍとなるように、即ち、磁歪材料層の厚みに対する基体の厚みが８０〜１２５％程度となるように磁歪素片を形成することにより、６５０μｍ以上の撓み量を得ることができる。
【００３１】
【比較例２】
また、上記実施例における磁歪素片とガラス基体上に磁歪材料層を形成した従来の磁歪素片との撓み量の比較結果を、図１２に示す。図１２に示したグラフの縦軸は磁歪素片の撓み量を、横軸は磁歪アクチュエータに印加した磁界の値を示している。なお、比較に用いた従来の磁歪素片は、基体として厚さ１５μｍのガラスを用い、且つ、基体の磁歪材料層形成面とは反対側の面に保護層を設けなかった以外は、上記実施例における磁歪素片と同様の構成とした。図１２から明らかなように、本発明における磁歪アクチュエータでは、磁歪素片の基体の厚みを磁歪材料層と同様に薄く形成することができ、大きな撓み量を得ることができるので、従来の磁歪素片と比較して、より小さい印加磁界で所定の撓み量を得ることができる。
【００３２】
【実施例２】
本発明の磁歪アクチュエータに用いる磁歪素片の別の実施形態を、図５を用いて説明する。本発明における磁歪素片は、図５（ａ）に示すように、基体２１と磁歪材料層２３との間に中間層２９を設けた以外は、実施例１と同様に構成した。基体及び磁歪材料層をそれぞれ希土類元素と遷移金属元素との合金を用いて形成した場合、スパッタ成膜時に基体と磁歪材料層との界面近傍で材料成分の相互拡散が生じることがある。これは、基体及び磁歪材料層に用いた材料がともに希土類元素と遷移金属元素との合金であり、組成が類似していることに起因している。本実施例では、上記のような基体と磁歪材料層との界面近傍における材料成分の相互拡散を防止するために、基体２１と磁歪材料層２３との間にＳｉＯ２からなる中間層２９を形成した。以下に、本実施例における磁歪素片の作製方法について説明する。図５（ｂ）に示すように、支持基板３２上に、実施例１と同様にして、剥離層３４、下地層３５及びテルビウム−鉄非晶質合金からなる基体３１をスパッタ法により形成する。次いで、基体３１上にＳｉＯ２からなる中間層３９を、厚さ１０ｎｍとなるようにスパッタ法を用いて形成した。次いで、中間層３９上に、サマリウム−鉄非晶質合金からなる磁歪材料層３３を、厚さ３μｍとなるようにスパッタリングにより形成し、さらに磁歪材料層３３上に、実施例１と同様にして、保護層３７を形成した。各層が形成された支持基板３２をアッシングした後に、剥離層３４とともに支持基板３２を除去することにより、図５（ａ）に示すような磁歪素片２０を得た。こうして得られた磁歪素片２０を用い、図１（ａ）及び（ｂ）に示したような磁歪アクチュエータを構成することができる。なお、本実施例では、中間層３９をＳｉＯ２を用いて形成したが、ＳｉＯ２以外の酸化物または窒化物で形成してもよい。
【００３３】
【実施例３】
次に、本発明における磁歪アクチュエータを利用した光スイッチについて、図６〜８を用いて説明する。本発明の光スイッチに用いた磁歪アクチュエータは、実施例１と同じ構成の磁歪アクチュエータとした。図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の光スイッチ２００の概略図であり、図６（ａ）は、光スイッチ２００を構成する磁歪素片５０が撓んでおらず、光入射部となるレンズ付き光ファイバ２０２から照射された光が、磁歪素片５０上に形成されたミラー５２を介して、後述の光ファイバ２０４とは異なる位置に配置された第２の光出射部となるレンズ付き光ファイバ２０６に入射する様子を示している。一方、図６（ｂ）は、磁歪素片５０が撓んだ状態であり、光ファイバ２０２から照射された光が、光ファイバ２０２に対向する位置に配置された第１の光出射部となるレンズ付き光ファイバ２０４に直接入射する様子を示している。
【００３４】
磁歪素片５０には、図７に示すように、磁歪材料層５３上に形成されている保護層５７上の端部近傍にミラー５２が形成されている。このミラー５２は、金を厚さ１００ｎｍとなるように、スパッタ法を用いて形成した。また、ミラー５２の表面形状が０．５ｍｍ×０．５ｍｍの方形となるように形成した。なお、本実施例では、図６に示すように、磁歪素片５０の自由端側にミラー５２が配置されるように、磁歪素片５０を磁気コア２０１のギャップ内に配置した。
【００３５】
次に、入射用のレンズ付き光ファイバ２０２及び出射用のレンズ付き光ファイバ２０４，２０６の配置について説明する。入射用のレンズ付き光ファイバ２０２及び出射用のレンズ付き光ファイバ２０４，２０６は、それぞれ先端部に集光レンズが設置された光ファイバであり、波長１．５μｍのシングルモード対応のものを用いた。出射用のレンズ付き光ファイバ２０６は、図８（ａ）に示すように、磁歪素片５０が撓んでいないときに、入射用光ファイバ２０２から照射され、磁歪素片５０上に形成されたミラー５２の表面で反射した光を入射する位置に配置される。これに対し、出射用のレンズ付き光ファイバ２０４は、図８（ｂ）に示すように、磁歪素片５０が撓んだときに、入射用のレンズ付き光ファイバ２０２から照射された光が直接入射されるような位置、即ち、光ファイバ２０２に対向する位置に配置される。
【００３６】
本発明における光スイッチの具体的な切り替え方法について、図６を用いて説明する。図６（ａ）に示すように、光スイッチ２００は、コイル２０３に電流を流さない状態、即ち、磁気コア２０１に磁界が印加されていない状態では、磁歪素片５０は撓まず、入射用の光ファイバ２０２から照射された光は磁歪素片５０上のミラー５２表面に入射し、ミラー５２で反射された後に光ファイバ２０６に入射する。これに対し、コイル２０３に１２０ｍＡの電流を流して、磁気コア２０１のギャップ部に磁界Ｈ１＝４５０［Ｏｅ］を発生させることにより、図６（ｂ）に示すように、磁歪素片５０は矢印ＡＲ２の方向に撓む。上述の通り、磁歪素片５０の撓み量は飽和状態となっている。磁歪素片５０が撓むことにより、入射用の光ファイバ２０２から照射された光は、磁歪素片５０に遮られることなく、直接出射用の光ファイバ２０４に入射する。このように、コイル２０３への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、光路の切り替えが可能となる。これにより、光スイッチングが実現される。
【００３７】
【実施例４】
本発明における別の実施形態の磁歪アクチュエータを利用した光スイッチについて、図９及び１０を用いて説明する。図９に本実施例における光スイッチ３００を、図１０に光スイッチ３００に用いる磁気コア３０１を、それぞれ示す。本実施例における光スイッチでは、磁気コアの底面部のＹ方向中央に軟質磁性体部を分割するように、即ち、硬質磁性体部がギャップに対向する位置に配置されるように、保磁力が異なる２種類の硬質磁性体材料（フェライト）からなる硬質磁性体部を形成した以外は、実施例３と同様に構成した。磁気コアの硬質磁性体部は、図１０（ａ）に示すように、第１硬質磁性体部３０５及び第２硬質磁性体部３０７で構成されており、第１硬質磁性体部３０５が第２硬質磁性体部３０７上に重なるように、即ち、磁気コア３０１のギャップ３０８側に第１硬質磁性体部３０５が配置されている。第１硬質磁性体部３０５及び第２硬質磁性体部３０７の厚さ（高さ）はそれぞれ２．５ｍｍとした。第１硬質磁性体部３０５の保磁力は８０［Ｏｅ］を有し、第２硬質磁性体部３０７の保磁力は２５００［Ｏｅ］を有する。なお、磁気コア３０１は、以下のように製造した。軟質磁性体部３０９、第１硬質磁性体部３０５及び第２硬質磁性体部３０７を、予め所望形状にそれぞれ加圧成形した。次いで、第１硬質磁性体部３０５と第２硬質磁性体部３０７とを接着剤で固着し、固着した第１硬質磁性体部３０５及び第２硬質磁性体部３０７を軟質磁性体部３０９に接着剤で固着した。
【００３８】
次に、磁気コア３０１の磁気特性について、図１０（ｂ）〜（ｄ）を用いて説明する。コイルに１５０ｍＡの電流を流して、第１硬質磁性体部３０５の保磁力と第２硬質磁性体部３０７の保磁力との間の磁界である外部磁界Ｈ１’＝９０［Ｏｅ］を発生させる。外部磁界Ｈ１’は、第１硬質磁性体部３０５の保磁力を上回っているので、第１硬質磁性体部３０５は外部磁界Ｈ１’に揃う方向に磁化する。なお、第２硬質磁性体部３０７は、予め外部磁界Ｈ１’の方向に磁化しているものとする。ここで、外部磁界Ｈ１’を消失させても、図１０（ｃ）に示すように、第１及び第２硬質磁性体部３０５，３０７は、磁気ヒステリシスを有するので、残留磁化ＡＲ５ａ，ＡＲ７が残る（図１０（ｂ）に示した第１硬質磁性体部のヒステリシスカーブにおける残留磁界Ｍｓ’参照）。これらの残留磁化の合成磁化ＡＲ３は、磁気コア３０１のギャップ３０８に磁界を発生させている状態を維持する。
【００３９】
一方、上記と逆向きに１５０ｍＡの電流を流し、磁界Ｈ２’＝−９０［Ｏｅ］（即ち、Ｈ２’＝−Ｈ１’）を印加すると、磁界Ｈ２’は第１硬質磁性体部３０５の保磁力よりも大きいため、第１硬質磁性体部３０５の磁化は、図１０（ｄ）に示すように反転する。これに対し、第２硬質磁性体部３０７の保磁力は外部磁界Ｈ２’よりも大きいため、第２硬質磁性体部３０７の磁化の向きは、図１０（ｄ）に示すように変化しない。ここで、外部磁界Ｈ２’を消失させると、第１及び第２硬質磁性体部３０５，３０７にそれぞれ残留磁化ＡＲ５ｂ，ＡＲ７が残る。第１及び第２硬質磁性体部３０５，３０７においては、残留磁化ＡＲ５ｂ，ＡＲ７の大きさが予めほぼ等しくなるように調整されているとすれば、それらは互いに逆向きであるので、硬質磁性体全体の磁化はほぼ０となる。これにより、硬質磁性体により磁気コア３０１に生じる磁界は消失する。
【００４０】
この磁気コア３０１を用いて、実施例３と同様にして、図９に示すような光スイッチ３００を作製することができる。本実施例における光スイッチ３００では、コイル３０３に所定時間（例えば、１０ｍｓの間）電流を流した後に、コイル３０３への電力供給を停止した場合でも、磁気コア３０１のギャップ（３０８）に引き続き磁界が発生した状態が維持される。これにより、図９に示すように、磁気コア３０１のギャップに配置されている磁歪素片５０の撓み状態も維持される。これに対し、コイル３０３に上記とは逆向きの電流を所定時間（例えば、１０ｍｓの間）流すことにより、磁気コア３０１に生じていた磁界は消失する。これにより、磁歪素片５０は撓まない元の状態に戻る。このように、本実施例における光スイッチでは、磁歪素片５０の撓み状態を切り替えるときのみ、即ち、光のスイッチングを行うときのみ電力供給を行えばよく、電力供給を停止した後も磁歪素片の撓み状態は維持され、自己保持している状態といえる。また、本実施例の光スイッチは、大きさの等しい外部磁界の極性（±Ｈ１’）を切り替えるだけで、光スイッチの状態切り替えを行うことができる。
【００４１】
本実施例では、第１硬質磁性体部と第２硬質磁性体部とを、接着剤を用いて固着したが、第２硬質磁性体部上に第１硬質磁性体部を、接着剤を用いずに密着させ、その側面に軟質磁性体５１を接着剤で固着してもよい。また、本実施例では、保磁力が異なる２種類の硬磁性材料を同じ厚さで成形したが、保磁力が高い硬質磁性体部の厚さが保磁力の低い硬質磁性体部の厚さに比べて小さくなくなるように、第１及び第２硬質磁性体部を成形してもよい。これにより、硬質磁性体部の磁化を相殺するための印加磁界を小さくすることができる。さらに、硬質磁性体部を１種類の硬質磁性体で形成し、磁気コアの軟質磁性体の磁化を硬質磁性体の磁化で相殺してゼロにするような磁界を印加することにより、本実施例と同様な自己保持機能を有する磁気コアを得ることができる。
【００４２】
上記実施例では、支持基板としてガラス基板を用い、ガラス基板上に設けたレジストからなる剥離層をアッシングすることにより、剥離層とともにガラス基板を除去して磁歪素片を作製したが、支持基板をエポキシ系樹脂等の有機物を用いて形成し、各層が形成された支持基板をアセトン等の溶剤に長時間浸漬して支持基板を溶解除去することにより、磁歪素片を作製してもよい。
【００４３】
上記実施例では、磁歪素片の基体をテルビウム−鉄非晶質合金を用いて形成したが、ガドリニウム−鉄非晶質合金、ネオジウム−鉄非晶質合金等を用いて形成してもよい。また、磁歪材料層を負の磁歪定数を有するサマリウム−鉄非晶質合金を用いて形成したが、エルビウム−鉄合金、ツリウム−鉄合金、サマリウム−鉄−コバルト合金、サマリウム−エルビウム−鉄合金、サマリウム−ツリウム−鉄合金等を用いて形成してもよい。また、正の磁歪定数を有するテルビウム−鉄合金、ホロミウム−鉄合金、テルビウム−ニッケル合金、テルビウム−コバルト合金、テルビウム−鉄系合金（例えば、Ｔｂ−Ｃｏ−Ｆｅ，Ｔｂ−Ｎｉ−Ｆｅ）、テルビウム−ニッケル系合金（例えば、Ｔｂ−Ｃｏ−Ｎｉ）、ジスプロシウム−鉄合金、ガドリニウム−鉄合金、テルビウム−ジスプロシウム−鉄合金等を用いて磁歪材料層を形成することもできる。磁歪材料層に正の磁歪定数を有する磁歪材料を用いた磁歪素片の場合、磁歪素片の撓み方向を一定とするために、磁歪素片は磁歪材料層が磁気コアの内側（コイル側）に向くように配置される。
【００４４】
本発明において、磁歪材料を用いて基体を形成する場合には、基体を磁歪材料層に用いる磁歪材料とは極性が異なる、上記のような磁歪材料を用いて形成することが望ましい。また、基体と磁歪材料層の形成には、熱膨張係数が略同じとなるような材料をそれぞれ選択することが望ましい。
【００４５】
上記実施例では、磁気コアに用いる軟質磁性体部及び硬質磁性体部を、保磁力の異なるフェライトを用いて作製したが、鉄−ボロン−シリコン非晶質合金、サマリウム−コバルト系硬質磁性体等を用いて作製してもよい。また、上記実施例における光スイッチでは、光ファイバ２０４に光ファイバ２０２から直接光が入射する場合を示したが、光ファイバ２０４の位置を変更して光スイッチをコンパクトにするために、適宜反射部材を介在させて光ファイバ２０４に光を入射させてもよい。光ファイバ２０６についても同様にして位置を変更し、適宜反射部材を介在させて、光ファイバ２０２からの光を光ファイバ２０６に入射させてもよい。さらに、磁歪素片の表裏が反対となるように光スイッチに配置する、または、磁歪素片の磁歪膜に正負が逆の磁歪定数を有する磁歪材料を用いることにより、磁界を印加したときに磁歪素片上のミラーで光を反射し、磁界を印加しないときに光路を遮ることがないような構成にしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の磁歪アクチュエータでは、磁歪素片の作製にあたって基体の破損及び塑性変形を防止しつつ、基体を薄く形成することができるので、小さな印加磁界で大きな素片の撓み量を得ることができる。これにより、消費電力を抑えた磁歪アクチュエータを、高い歩留まりで製造することができる。また、この磁歪アクチュエータを利用して、１×２チャンネル等の光切り替えを効率良く行う光スイッチを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における磁歪アクチュエータの概略構成図である。
【図２】実施例１における磁歪素片の概略構成図である。
【図３】実施例１における磁歪素片の作製方法を示した図である。
【図４】実施例１における磁歪アクチュエータに用いる磁気コアの概略図である。
【図５】本発明の実施例２における磁歪素片の作製方法を示した図である。
【図６】本発明の実施例３における光スイッチの概略構成図である。
【図７】実施例３の光スイッチの磁歪素片の概略図である。
【図８】実施例３における光スイッチの切り替えの様子を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例４における光スイッチの概略構成図である。
【図１０】実施例４の光スイッチにおける自己保持機能を説明するための図である。
【図１１】比較例１における磁歪素片の基体の厚みと磁歪素片の撓み量との関係を示したグラフである。
【図１２】比較例２において、実施例１で作製した磁歪素片の撓み量と従来の磁歪素片の撓み量との比較結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１，２１，５１  基体
３，２３，５３  磁歪材料層
５，７，２５，２７，５５，５７  保護層
１０，２０，５０  磁歪素片
１２，３２  支持基板
１４，３４  剥離層
５２  ミラー
１００  磁歪アクチュエータ
１０１，２０１，３０１  磁気コア
１０３，２０３，３０３  コイル
１０５，２０５  支持片
１０８  ギャップ
２００，３００  光スイッチ
２０２，３０２  入射用レンズ付き光ファイバ
２０４，３０４，２０６，３０６  出射用レンズ付き光ファイバ
３０５  第１硬質磁性体部
３０７  第２硬質磁性体部
３０９  軟質磁性体部
【図１】
2004335502.tif 000003
【図２】
2004335502.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004335502.tif 000010
【図９】
2004335502.tif 000011
【図１０】
2004335502.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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