專(zhuān)利名稱(chēng)：動(dòng)態(tài)微型定位與校準(zhǔn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)或多個(gè)用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)、定位或移動(dòng)媒介(Media)、整件(Mass)、部件(component)和儀器(device)的微型定位器。所述媒介包括但不限于一條或多條光纖、光學(xué)元件、管子或線路；所述部件包括但不限于透鏡、管嘴、閥門(mén)、天線元件和射頻(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“RF”)接腳。微型定位器可以安裝和固定在護(hù)套或其它外殼中，這些護(hù)套和外殼用于容納和固定媒介或牢固部件。微型定位器還可以定位一體化封裝材料(如光纖封裝)。
背景技術(shù)：
媒介或部件校準(zhǔn)的傳統(tǒng)方式是采用主動(dòng)或被動(dòng)方式靜態(tài)校準(zhǔn)媒介、部件或安裝媒介或部件的支架。靜態(tài)是指媒介或相關(guān)元件固定后就無(wú)法再做調(diào)整。為了采用被動(dòng)方式校準(zhǔn)媒介，需要利用半導(dǎo)體技術(shù)將小型硅工作臺(tái)蝕刻到儀器中。這樣，零部件就能夠放置到硅工作臺(tái)上，并且固定到位。在上述情況下，媒介可能包括光纖。被動(dòng)方式需要光纖精確定位和對(duì)準(zhǔn)一個(gè)機(jī)械部件，可以依次定位在工作臺(tái)的蝕溝內(nèi)。采用被動(dòng)方式的校準(zhǔn)成功率不高，因?yàn)樵诙鄶?shù)情況下，機(jī)械部件與光纖之間的連接關(guān)系不夠精確。采用被動(dòng)方式的缺點(diǎn)是在光纖被放置和固定到最終位置后，無(wú)法再做調(diào)整。這種缺點(diǎn)也適用于除光纖以外的其它媒介。
由于被動(dòng)方式的上述缺陷，媒介或部件的主動(dòng)校準(zhǔn)方式得到了廣泛應(yīng)用。主動(dòng)方式利用復(fù)雜設(shè)備來(lái)移動(dòng)并校準(zhǔn)媒介，主要是光纖。該設(shè)備然后采用粘接、焊接或熔接方式來(lái)固定媒介(如光纖)。盡管主動(dòng)方式更加精確，但是成功使用主動(dòng)方式需要復(fù)雜設(shè)備和精確的零部件，其表面應(yīng)該特別平滑。缺點(diǎn)就是，使用主動(dòng)方式的生產(chǎn)量低，并且重新加工組件也較困難。與被動(dòng)校準(zhǔn)一樣，主動(dòng)校準(zhǔn)也是靜態(tài)的。本發(fā)明包括一個(gè)動(dòng)態(tài)微型定位器，用于定位和校準(zhǔn)媒介或部件；本發(fā)明還包括多種較佳實(shí)施例和應(yīng)用。本發(fā)明可用于定位和校準(zhǔn)媒介和部件；媒介包括但不限于一條或多條纖維、光纖、光學(xué)元件、管子或線路；部件包括但不限于透鏡和管嘴。
在先技術(shù)披露了各種傳統(tǒng)的主動(dòng)和被動(dòng)的方法和裝置用于校準(zhǔn)媒介和部件，通常是光學(xué)元件和光學(xué)組件。Dhuler等人發(fā)明的MEMS技術(shù)激勵(lì)器(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,114,794)采用硅基片，其上加入雙金屬材料。Dhuler發(fā)明的MEMS激勵(lì)器的制造方式是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)熱器，使雙金屬片膨脹。其缺點(diǎn)是Dhuler的雙金屬片牢固附在基片上，這使得只能達(dá)到很小的位移量。并且，Dhuler還進(jìn)一步披露了插銷(xiāo)(latch)機(jī)制。但是只有在少數(shù)不連續(xù)的位置上的鎖定光學(xué)元件時(shí)，這種插銷(xiāo)才能發(fā)揮作用。與Dhuler形成對(duì)照的是，本發(fā)明較佳實(shí)施例包括用于膨脹之用的集成發(fā)熱器和一個(gè)允許連續(xù)鎖定位置的鎖緊機(jī)構(gòu)。本發(fā)明較佳實(shí)施例中的機(jī)構(gòu)可在一系列交替鎖定位置中轉(zhuǎn)換。這使得移動(dòng)范疇擴(kuò)大，集成發(fā)熱器可以為用戶(hù)提供準(zhǔn)確的步長(zhǎng)。
Goodman等人發(fā)明的光交換設(shè)備和方法(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,381,382B2)，在光纖的一端縱向添加一個(gè)合成物，它隨著電信號(hào)膨脹或收縮。Goodman的發(fā)明可以彎曲光纖，因此可以校準(zhǔn)光纖。其缺點(diǎn)是Goodman的發(fā)明需要持續(xù)不斷的電能，以供應(yīng)校準(zhǔn)，并且需要使用壓電材料和其它材料。由于光纖局部應(yīng)力，光信號(hào)的偏振性能可能受到影響。本發(fā)明較佳實(shí)施例利用一體化的微型定位器將媒介(如光學(xué)元件)移到所需要的位置。本發(fā)明不使用縱向的激勵(lì)器附在光纖上，而是使用與光纖垂直的MEMS熱激勵(lì)器。
Flanders發(fā)明的安裝和校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,487,355)披露了被動(dòng)校準(zhǔn)和靜態(tài)固定結(jié)構(gòu)，通過(guò)彎曲可微調(diào)。Flanders的發(fā)明不能使用靜態(tài)固定。與此不同的是本發(fā)明無(wú)需彎曲，即可對(duì)媒介進(jìn)行主動(dòng)校準(zhǔn)，還可以對(duì)媒介進(jìn)行動(dòng)態(tài)固定。
LaBudde發(fā)明的光交換系統(tǒng)(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,696,062)及方法包括一個(gè)光開(kāi)關(guān)，它可以依據(jù)端口之間的光棒(optical rod)位置來(lái)移動(dòng)透鏡，以作交換之用，這樣就可以通過(guò)監(jiān)控反射光來(lái)校準(zhǔn)。與此不同的是本發(fā)明光纖較佳實(shí)施例中，可以任意利用兩個(gè)校直器之間、校直器與連接器之間、或連接器與光纖之間的空間。
Bergmann等人發(fā)明的透鏡組(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,374,012B1)利用光程內(nèi)的透鏡來(lái)改變瞄準(zhǔn)角(當(dāng)移動(dòng)到與光程垂直位置時(shí))。該組件要求外部操縱者將部件移至所需要的位置，然后采用焊接、熔接和粘接方式，以將組件固定到位。固定到位后，不能再調(diào)整元件位置。與此不同的是本發(fā)明較佳實(shí)施例使用一體化的微型定位器來(lái)移動(dòng)元件(如光學(xué)元件)，將其移至所需位置。本發(fā)明組件具有自鎖功能，這樣，如果斷電的話，元件還是固定的。而且，本發(fā)明具有動(dòng)態(tài)功能，這樣在產(chǎn)品使用同期內(nèi)的任一時(shí)間點(diǎn)，都可以使用電能將媒介(如光纖或光纖元件)移動(dòng)到一個(gè)新的安裝位置。
Laor發(fā)明的壓電裝置(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,512,036)利用壓電零部件來(lái)彎曲光纖，從而對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。在Laor的發(fā)明中，如果出現(xiàn)變形，則固定為靜態(tài)。如果未出現(xiàn)變形，則須保持電壓以確保校準(zhǔn)。使用壓電裝置的缺點(diǎn)是需要向壓電元件提供和保持高電壓。而本發(fā)明的較佳實(shí)施例利用一體化的微型定位器將媒介(如光纖或光纖部件)移動(dòng)到所需的位置。本發(fā)明的較佳實(shí)施例還具有自鎖功能，這樣，如果斷電的話，媒介(如光纖和光纖部件)仍舊能夠保持固定。
Musk發(fā)明的組件(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?9/733,049)使用硅加工機(jī)械零部件作為定位和移動(dòng)光學(xué)元件的一種方式。這種組件要求外部操縱者將部件移至所需要的位置，并且采用焊接和粘接和玻璃再流焊(glass re-flow)方式，以將光學(xué)元件固定到位。這種發(fā)明的缺點(diǎn)是固定是靜態(tài)的；因?yàn)?，校?zhǔn)固定后，媒介或元件無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。而本發(fā)明較佳實(shí)施例利用一體化的微型定位器將媒介(如光纖或光學(xué)部件)移至所需要的位置。并且，本發(fā)明的較佳實(shí)施例還具有自鎖功能，這樣，如果本發(fā)明斷電的話，媒介(如光纖和光纖部件)仍舊能夠固定，但是本發(fā)明在產(chǎn)品使用周期內(nèi)的任何時(shí)間能夠保持動(dòng)態(tài)，因?yàn)榭赏妼⒚浇橐频揭粋€(gè)新的安裝位置。
Paten發(fā)明(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,205,266)的方法利用與信號(hào)通道耦合的光線來(lái)提供反饋，這樣可以連續(xù)調(diào)整光纖。這種發(fā)明實(shí)施方法被稱(chēng)為主動(dòng)校準(zhǔn)。Paten的發(fā)明需要不斷供應(yīng)電源，以保持光學(xué)元件的位置。與此不同的是本發(fā)明較佳實(shí)施例中，允許周期性的調(diào)整，固定和再校準(zhǔn)，無(wú)需向微型定位器提供不間斷電源。Paten的發(fā)明雖然可以利用光反饋結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)，但是它沒(méi)有固定機(jī)構(gòu)，而本發(fā)明則包括固定機(jī)構(gòu)。
Deck等人發(fā)明的儀器(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?0/098,742)采用干涉測(cè)量方式，利用外部操縱者來(lái)主動(dòng)校準(zhǔn)和靜態(tài)固定光纖。與此不同的是本發(fā)明較佳實(shí)施例中，使用一體化的微型定位器來(lái)動(dòng)態(tài)固定，本發(fā)明方式可清楚探測(cè)校準(zhǔn)誤差。
在下列所有參考文獻(xiàn)中，沒(méi)有一個(gè)發(fā)明的實(shí)施方法和設(shè)備利用一體化的微型定位器來(lái)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)媒介，將光纖或光纖元件移至所需要的位置，微型定位器組件具有自鎖功能。并且，在下列所有參考文獻(xiàn)中，沒(méi)有一個(gè)發(fā)明能夠保持動(dòng)態(tài)，以至于在產(chǎn)品使用周期的任一時(shí)間，都需要通電將光纖移至一個(gè)新的安裝位置，才有可能校準(zhǔn)。例如Joyce等人的發(fā)明實(shí)施方法和儀器(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,244,755B1)利用主動(dòng)校準(zhǔn)和靜態(tài)(非動(dòng)態(tài))固定方式，利用外部控制器和一個(gè)用于校準(zhǔn)而改變形狀的金屬支架。Witherspoon發(fā)明的光接口(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,477,303)利用V型槽技術(shù)，進(jìn)行被動(dòng)校準(zhǔn)和靜態(tài)固定，更容易使用光底板技術(shù)。Witherspoon的發(fā)明強(qiáng)調(diào)電路板和主板之間的接口，使用微電機(jī)技術(shù)，在基板上化學(xué)蝕刻線路，以使自校準(zhǔn)變得容易。Rabinski的發(fā)明的實(shí)施方法和儀器(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,480,651B1)用于校準(zhǔn)光學(xué)部件，它采用兩個(gè)平臺(tái)第一平臺(tái)用于校準(zhǔn)光纖；第二平臺(tái)用于調(diào)整、保持和鎖定光學(xué)部件在虛擬旋轉(zhuǎn)中心附近。Rabinski的發(fā)明用于校準(zhǔn)纖維陣列，與使用V型槽技術(shù)的發(fā)明類(lèi)似。Ventrudo發(fā)明的設(shè)備(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,240,119)利用部分反射鏡和與光束相連的光纖光柵來(lái)穩(wěn)定激光性能。Holl等人發(fā)明的移動(dòng)支架(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,748,827)包括一個(gè)被動(dòng)校準(zhǔn)方式，它使用兩個(gè)可安裝模塊平臺(tái)(一個(gè)大平臺(tái)和一個(gè)微型平臺(tái))，還包括一個(gè)流量控制通道。Reeve等人發(fā)明的耦合元件(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,452,506)包括一個(gè)校準(zhǔn)算法和方法，它利用光纖包層內(nèi)的光線來(lái)確定光纖移動(dòng)方向，以獲得校準(zhǔn)功能。Carr等人發(fā)明的靜電微激勵(lì)器(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,214,727)利用靜電微激勵(lì)器來(lái)移動(dòng)光線，它應(yīng)用于開(kāi)關(guān)中。這種激勵(lì)器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成H形狀。Carr等人的發(fā)明實(shí)施方法限制移動(dòng)規(guī)模，并且要求較高的允許電壓。與此不同的是本發(fā)明較佳實(shí)施例使用一根熱膨脹條，它可以提供大的或小的步長(zhǎng)移動(dòng)(在低壓情況下)。校正裝置(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,474,423)也利用包層玻璃中的光線來(lái)校準(zhǔn)光纖，它可以應(yīng)用于接頭。MacDonald發(fā)明的極化變換器和移相器(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?0/150,060)的實(shí)施方法主要應(yīng)用于波導(dǎo)管移相或者變換極化狀態(tài)。Cao等人發(fā)明的光信號(hào)中的衰減功率之方法和系統(tǒng)(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?9/796,267)利用各種光學(xué)衰減器中的MEMS反射鏡。Hsu等人發(fā)明的結(jié)構(gòu)(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?0/072,629)通過(guò)靈活的對(duì)稱(chēng)性，提供一種補(bǔ)償熱效應(yīng)和熱應(yīng)力的方法。Miracky發(fā)明的裝置和發(fā)明實(shí)施方法(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?9/775,867)使用一個(gè)靜電激勵(lì)器，它利用一個(gè)梳型驅(qū)動(dòng)器來(lái)移動(dòng)光學(xué)透鏡。
在IEEE/LEOS期刊《Surface Micro-machined 2D Lens Scanner Array》中，H.Toshiyoshi、G.D.J.Su、J.LaCosse和M.C.Wu的文章“表面微加工二維透鏡掃描陣列”，光學(xué)部件采用步進(jìn)式移動(dòng)來(lái)移動(dòng)透鏡，使其與另一個(gè)光學(xué)儀器對(duì)齊。Toshiyoshi的裝置的缺點(diǎn)是它需要提供大電壓，使其能夠按照蝕刻步長(zhǎng)(以微米為增量)來(lái)移動(dòng)梳型驅(qū)動(dòng)器。而本發(fā)明較佳實(shí)施例利用一體化的微型定位器來(lái)移動(dòng)光學(xué)部件，利用一根膨脹條將其移動(dòng)到所需要的位置，本發(fā)明中的微型定位器能夠以小的步長(zhǎng)或大的步長(zhǎng)來(lái)移動(dòng)媒介、部件，并且可以在無(wú)電源的情況下將媒介和部件鎖定到位。本發(fā)明通過(guò)提供廉價(jià)、動(dòng)態(tài)的媒介校準(zhǔn)方式，克服了被動(dòng)和主動(dòng)校準(zhǔn)方式的不足之處。在安裝完網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之后的組件安裝步驟中，本發(fā)明允許調(diào)整和校準(zhǔn)媒介和部件。
May發(fā)明的壓電尺蠖式馬達(dá)(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?,902,084)可以提供單向精確移動(dòng)。該設(shè)備不提供雙向移動(dòng)(而本發(fā)明則提供雙向移動(dòng))，它旨在驅(qū)動(dòng)與壓電激勵(lì)器平行的圓柱形軸。這樣一種配置，無(wú)論是大小還是方向都不適合現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)器發(fā)揮功能。與此不同的是本發(fā)明較佳實(shí)施例利用一體化的帶有動(dòng)態(tài)固定配置的微型定位器應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，它需要對(duì)多個(gè)方向進(jìn)行控制。
David A.Henderson發(fā)明的設(shè)備(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?380661)也公開(kāi)了一種單向移動(dòng)的壓電尺蠖式馬達(dá)。該發(fā)明利用MEMS技術(shù)和交錯(cuò)箝位制造交指型峰(interdigitatedridges)，以進(jìn)行線性移動(dòng)；為了維持負(fù)載，它必須提供電源。而本發(fā)明允許不同方向的移動(dòng)，負(fù)載時(shí)無(wú)需電源，并且提供一個(gè)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的小型配置。

發(fā)明內(nèi)容
應(yīng)用于通信中的光纖需要對(duì)各種光學(xué)元件進(jìn)行校準(zhǔn)，最小公差小于0.1微米。這些最小公差在過(guò)去的商業(yè)制造中還沒(méi)有先例。為了在校準(zhǔn)光纖和相關(guān)部件時(shí)獲得最小公差，這就需要高價(jià)設(shè)備和較長(zhǎng)的光學(xué)部件生產(chǎn)周期。而本發(fā)明較佳實(shí)施例中，使用一種能夠獲得較低的校準(zhǔn)公差的部件，同時(shí)可以完成光輸入/輸出(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“I/O”)目的。并且，本發(fā)明較佳實(shí)施例中，它能夠滿足動(dòng)態(tài)控制和調(diào)整光功率的需求。
嚴(yán)格講，光學(xué)透鏡或其它光學(xué)部件(如平面部件)需要較低的公差。但是在大量生產(chǎn)時(shí)，很難獲得較低的公差。本發(fā)明較佳實(shí)施例和應(yīng)用實(shí)例包括一個(gè)光學(xué)校準(zhǔn)器一個(gè)準(zhǔn)直器，它提供一種動(dòng)態(tài)獲得精確、較低的校準(zhǔn)公差的方式，還提供一種在產(chǎn)品使用周期內(nèi)微調(diào)光纖的方式。本發(fā)明較佳實(shí)施例包括一個(gè)微型定位器，用于校準(zhǔn)和操縱光纖，整套組件可以安裝在獨(dú)立的框架中或安裝在綜合組件中。根據(jù)不同的應(yīng)用，透鏡和/或護(hù)套(包括一個(gè)密護(hù)套)可當(dāng)作獨(dú)立框架中的部件。當(dāng)應(yīng)用中需要采用光束調(diào)整時(shí)，可在獨(dú)立框架一端使用透鏡。還可以使用金屬護(hù)套、箱子或包裝，用作密封儀器的必需品，它們可以使得安裝更加容易，并且/或者真空密封產(chǎn)品。
本發(fā)明其中一個(gè)較佳實(shí)施例中，微型定位器單向移動(dòng)媒介或部件(媒介包括但不限于一條或多條光纖、光學(xué)元件、管子或線路；部件包括但不限于透鏡、管嘴式媒介)。在另一個(gè)較佳實(shí)施例中，微型定位器在其平面上至少二維移動(dòng)媒介或部件(媒介包括但不限于一條或多條光纖、光學(xué)元件、管子或線路；部件包括但不限于透鏡、管嘴式媒介)。
本發(fā)明在一維或二維上的應(yīng)用是動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器。本發(fā)明另一個(gè)在一維或二維上的應(yīng)用是動(dòng)態(tài)光纖校準(zhǔn)儀。除了不使用準(zhǔn)直透鏡外，動(dòng)態(tài)光纖校準(zhǔn)儀與動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器相似。以上任一應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)光纖校準(zhǔn)儀或動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器通過(guò)焊接、熔接、環(huán)氧樹(shù)脂或其它方式與光纖組件連接在一起。與傳統(tǒng)的準(zhǔn)直器和光纖校準(zhǔn)方式不同，本發(fā)明連接公差的要求不嚴(yán)格，因?yàn)楸景l(fā)明中的微型定位器具有動(dòng)態(tài)性，可以電子調(diào)整，以獲得所需要的校準(zhǔn)效果。本發(fā)明媒介或部件可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)整，通過(guò)施加電信號(hào)或脈沖(包括以一定控制序列經(jīng)過(guò)微型定位臂桿的電流、施加在微型定位臂桿上的電壓，)，來(lái)定義光纖(或其它媒介)一維或二維移動(dòng)的方向和距離。電信號(hào)/脈沖的振幅或持續(xù)時(shí)間可以用來(lái)定義移動(dòng)距離。如果未施加信號(hào)，則微型定位器鎖定到位，以確保固定到所需要的位置。利用半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)構(gòu)造本發(fā)明微型定位器。微型定位器利用膨脹條的可測(cè)量的熱膨脹特點(diǎn)來(lái)引起移動(dòng)，從而定位和校準(zhǔn)媒介或部件。有一套相應(yīng)的夾鉗位于膨脹條兩端，對(duì)于每一次膨脹或收縮，這種機(jī)構(gòu)都造成一個(gè)精確的步進(jìn)移動(dòng)。對(duì)于每一個(gè)自由度，至少需要一根膨脹條。由于膨脹條消耗的能量與電壓的平方成正比，又由于熱膨脹與電能消耗成線性關(guān)系，因此膨脹大小或步長(zhǎng)與施加電壓的平方成正比。因此，本發(fā)明有能力獲得大的步長(zhǎng)(以微米為單位)和小的步長(zhǎng)(以納米為單位)。
本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例披露了利用半導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)膨脹條功能，但是，可以使用未采用半導(dǎo)體技術(shù)的小型機(jī)械部件來(lái)實(shí)現(xiàn)熱膨脹條功能?？梢允褂梦C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中的微型定位器功能，即在微型定位器中，使用硅蝕刻齒輪或支架來(lái)替代膨脹條?；蛘?，本發(fā)明還可以使用壓電材料或其它材料隨著電流或電壓的施加而膨脹，以控制移動(dòng)。


圖1是單通道動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器的剖面示意圖，其中微型定位器移動(dòng)光纖。
圖2是單通道動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器的剖面示意圖，其中微型定位器移動(dòng)透鏡。
圖3(a)是多通道動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)器/準(zhǔn)直器(N×M個(gè)通道)的側(cè)視圖，其中本發(fā)明微型定位器可單獨(dú)用來(lái)調(diào)整/校準(zhǔn)光纖。
圖3(b)是圖3(a)N×M陣列的正視圖。
圖4是多通道動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)器/準(zhǔn)直器的剖面示意圖，一個(gè)方向有N個(gè)通道，另一個(gè)方向有M個(gè)通道，其中微型定位器可單獨(dú)用來(lái)移動(dòng)透鏡。
圖5是一維微型定位器膨脹條的電氣操作原理圖。
圖6是向微型定位器膨脹條發(fā)送典型控制信號(hào)朝右邊移動(dòng)的脈沖群。
圖7是向微型定位器膨脹條發(fā)送典型控制信號(hào)朝左邊移動(dòng)的脈沖群。
圖8(a)是本發(fā)明第一個(gè)較佳實(shí)施例中的微型定位器組件的俯視圖。
圖8(b)是本發(fā)明第一個(gè)較佳實(shí)施例中的彈簧、夾鉗、膨脹條組件的分解圖。
圖9是本發(fā)明二維微型定位器電氣操作原理圖。
圖10是用于微型定位器X軸方向平移平臺(tái)(X-translation stage)、基于MEMS技術(shù)的步進(jìn)和夾緊機(jī)構(gòu)的俯視圖。
圖11是用于微型定位器Y軸方向平移平臺(tái)(Y-translation stage)、基于MEMS技術(shù)的步進(jìn)和夾緊機(jī)構(gòu)的俯視圖。
圖12是用于微型定位器X-Y軸方向平移平臺(tái)的聯(lián)合步進(jìn)和夾緊機(jī)構(gòu)的俯視圖。
圖13是用于微型定位器X-Y軸方向平移平臺(tái)的聯(lián)合步進(jìn)和夾緊機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖14是本發(fā)明第二個(gè)較佳實(shí)施例中的微型定位器的俯視圖，即基于MEMS技術(shù)、采用步進(jìn)/夾鉗和滑行護(hù)圈的機(jī)構(gòu)。
圖15是本發(fā)明一對(duì)安裝在外殼內(nèi)的微型定位器的使用方法，它們用于校準(zhǔn)光纖。
圖16是二維微型定位器膨脹條的電氣操作原理17是圖15電氣操作原理圖的邏輯圖。
圖18和圖19闡明本發(fā)明光纖較佳實(shí)施例的性能和最大光纖力計(jì)算方法。
圖20是可變光衰減器(VOA)的控制范圍和性能，它們是光纖位移的函數(shù)。
圖21(a)是透鏡的側(cè)視圖，顯示來(lái)自光纖的光線角。
圖21(b)是光學(xué)控制和準(zhǔn)直器性能表，它們是光纖位移的一個(gè)函數(shù)。
圖22(a)和22(b)是光纖性能的約束條件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)每個(gè)媒介或部件(如光纖或透鏡)是獨(dú)立可調(diào)的。當(dāng)用于光纖時(shí)，本發(fā)明能使光線輸出最優(yōu)化。可采用微電子技術(shù)、光纖封裝工藝和依照標(biāo)準(zhǔn)尺寸來(lái)構(gòu)建本發(fā)明之護(hù)套或其它外殼。本發(fā)明在光纖實(shí)施例中，可以封裝起來(lái)，將光纖導(dǎo)和微型定位器固定在護(hù)套內(nèi)。將控制導(dǎo)線或電線穿過(guò)護(hù)套和外殼孔徑，以利用電力來(lái)調(diào)整微型定位器。
應(yīng)用于光纖的本發(fā)明較佳實(shí)施例中，也使用透鏡或透鏡組件。如果需要光束調(diào)整，則需要使用透鏡。本發(fā)明這種實(shí)施例，可使用護(hù)套或外殼包裝。在每個(gè)光纖較佳實(shí)施例中，需要一個(gè)至少能夠單向調(diào)整光纖、其它媒介或透鏡的微型定位器。在光學(xué)應(yīng)用中，在光纖和透鏡之間，或在光纖和其它光學(xué)部件(如平面型部件)之間(無(wú)需透鏡的情況下)，對(duì)光纖和透鏡的公差要求嚴(yán)格。利用粘貼或其它合適的附著方式將光纖和光纖導(dǎo)管裝入護(hù)套或外殼內(nèi)。本發(fā)明光纖較佳實(shí)施例中，光纖或其它媒介處于固定狀態(tài)，并且部件(如透鏡)通過(guò)微型定位器調(diào)節(jié)。在這種情況下，光纖不穿過(guò)微型定位器，但是部件(如透鏡)安裝在微型定位器上。本發(fā)明的護(hù)套或外殼的外形和尺寸與傳統(tǒng)的準(zhǔn)直器及連接器相似，盡管本發(fā)明控制線或電線穿過(guò)護(hù)套或外殼。
微型定位器是一種電力啟動(dòng)的多維設(shè)備，它能夠?qū)⒚浇榛虿考圆煌牟介L(zhǎng)(幾微米至幾納米)移動(dòng)到所需要的位置。在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，光纖裸露的一端穿過(guò)可移動(dòng)安裝支架，可移動(dòng)安裝支架安裝在微型定位器往復(fù)式分組件上面。當(dāng)可移動(dòng)安裝支架朝著X-Y軸方向平移，光纖裸露的一端彎曲?？拷饫w裸露端的光纖包層牢固附著在護(hù)套或外殼內(nèi)的纖維導(dǎo)管中。與微型定位器的移動(dòng)距離相比，微型定位器和纖維導(dǎo)管之間的距離較大，這樣光纖相對(duì)于透鏡的距離變化不明顯，微彎曲損失并不重要。在微型定位器運(yùn)行中，采用電腦算法來(lái)計(jì)算和向微型定位器發(fā)送控制信號(hào)，以準(zhǔn)確定位和校準(zhǔn)光纖。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)應(yīng)用目的和如權(quán)利要求，X-Y軸方向的平移被認(rèn)為包含了在極坐標(biāo)系統(tǒng)中測(cè)量的位移量，如(r，theta)，以原點(diǎn)為中心的半徑，和從軸開(kāi)始的旋轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明光纖最佳實(shí)施例可以用來(lái)確定校直光路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是未增加光必須穿過(guò)的光學(xué)元件。同樣，對(duì)光色散和光偏振無(wú)影響。在傳統(tǒng)的準(zhǔn)直器裝置內(nèi)，微型定位器無(wú)需其它表面或空間。裝入微型定位器的裝置看上去就象一個(gè)帶導(dǎo)線的準(zhǔn)直器。使用本發(fā)明只需要更換傳統(tǒng)的準(zhǔn)直器或光纖固定裝置。
圖1是單通道動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器10較佳實(shí)施例和本發(fā)明的應(yīng)用。如圖所示，該裝置包括一傳統(tǒng)的包層光纖11，其中包層被剝除而裸露光纖12。光纖11和光纖12插入纖維導(dǎo)管13中，纖維導(dǎo)管13校準(zhǔn)裸露光纖12，這樣，它可以插進(jìn)微型定位器14上的可移動(dòng)安裝支架內(nèi)。微型定位器14可以在兩個(gè)方向上精確移動(dòng)光纖12垂直Y軸方向，X軸方向(圖紙平面方向)，并且能夠在移動(dòng)后鎖定光纖12位置。使用機(jī)械方法(環(huán)氧化物或其它膠粘)將包層光纖11、光纖12和纖維導(dǎo)管13緊緊固定到準(zhǔn)直器護(hù)套17內(nèi)，以消除應(yīng)變。為滿足所需的光學(xué)性能，校直透鏡15應(yīng)使用密封材料(如焊錫)附著于微型定位器14上。電線16穿過(guò)護(hù)套17，以控制和電連接微型定位器14。
圖2也是單通道動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器(20)較佳實(shí)施例和本發(fā)明的應(yīng)用，但是，光纖22保持不動(dòng)，透鏡25安裝在微型定位器24上，以便于定位和校準(zhǔn)。如圖所示，該裝置包括一包層光纖21，其中包層被剝除而裸露光纖22。光纖22插入纖維導(dǎo)管23中，纖維導(dǎo)管23校準(zhǔn)裸露光纖22。微型定位器24可以在兩個(gè)方向上精確移動(dòng)透鏡25垂直Y軸方向，X軸方向(圖紙平面方向)，并且能夠在移動(dòng)后鎖定透鏡25位置。使用機(jī)械方法(環(huán)氧化物或其它膠粘)將包層光纖21、光纖22和纖維導(dǎo)管23緊緊固定到準(zhǔn)直器護(hù)套27內(nèi)，以消除應(yīng)變。為滿足所需的光學(xué)性能，校直透鏡25應(yīng)使用密封材料(如焊錫)附著于微型定位器24上。電線26穿過(guò)護(hù)套27，以控制和電連接微型定位器24。
圖3(a)是多通道(N×M通道)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)器/準(zhǔn)直器之側(cè)面圖，本發(fā)明的微型定位器用于調(diào)整和校準(zhǔn)光纖。如圖所示，該設(shè)備包括包層光纖帶31，其中包層被剝除而裸露多條光纖22。光纖32插入纖維導(dǎo)管33中，纖維導(dǎo)管33校準(zhǔn)裸露光纖32，這樣，它們就可以插入到N×M個(gè)微型定位器34內(nèi)。微型定位器34可以在兩個(gè)方向上精確地個(gè)別移動(dòng)光纖32垂直Y方向，X軸方向(圖紙平面方向)，并且能夠在移動(dòng)后個(gè)別鎖定光纖32或部件位置?？梢栽黾硬Ａ芊?9來(lái)提供一個(gè)光纖密封。光從光纖32出來(lái)，穿過(guò)自由空間，再穿過(guò)透鏡陣列35。使用機(jī)械方法或環(huán)氧方法38將包層光纖帶31、光纖32和纖維導(dǎo)管33緊緊固定到準(zhǔn)直器護(hù)套37內(nèi)，以消除應(yīng)變。為滿足所需的光學(xué)性能，準(zhǔn)直透鏡陣列面板35應(yīng)附著于微型定位器34上。電線36穿過(guò)護(hù)套37，以控制和電連接微型定位器34。
圖3(b)是圖3(a)N×M陣列之正視圖。即圖3(b)是本發(fā)明8×8光纖陣列實(shí)施例。如圖所示控制線36從護(hù)套37延伸出來(lái)。來(lái)自每條光纖終端的光穿過(guò)透鏡陣列面板35中對(duì)應(yīng)的透鏡。
圖4是與圖3類(lèi)似的多光纖配置，但是，較佳實(shí)施例包括多個(gè)排列成陣列的準(zhǔn)直器和一列單透鏡。如圖所示，該設(shè)備包括包層光纖帶41，其中包層被剝除而裸露多條光纖42。光纖42插入纖維導(dǎo)管43中，纖維導(dǎo)管43校準(zhǔn)裸露光纖42。N×M微型定位器陣列中每個(gè)微型定位器44都可以在兩個(gè)方向上精確調(diào)整和校準(zhǔn)單個(gè)透鏡45垂直Y軸方向，X軸方向(圖紙平面方向)，并且能夠在移動(dòng)后鎖定透鏡45位置。使用機(jī)械方法或環(huán)氧方法將包層光纖帶41、光纖42和纖維導(dǎo)管43緊緊固定到準(zhǔn)直器護(hù)套47內(nèi)，以消除應(yīng)變。每個(gè)準(zhǔn)直透鏡45安裝在單個(gè)微型定位器44上。電線46穿過(guò)護(hù)套47，以控制和電連接N×M微型定位器陣列上的微型定位器44。
圖5是一維微型定位器50的電氣原理圖。如圖所示當(dāng)在方向終端56上施加正電壓時(shí)，右?jiàn)A鉗53打開(kāi)，這樣電流由二極管55控制。如果軸終端57進(jìn)一步施加正電壓，由于電流通過(guò)膨脹條51或電流通過(guò)與膨脹條51相連接的電阻(圖中未標(biāo)出)，因焦耳熱效應(yīng)使得膨脹條51發(fā)熱，，由于夾鉗52關(guān)閉，膨脹條51將因?yàn)榘l(fā)熱而向右邊膨脹。當(dāng)在方向端56施加負(fù)電壓時(shí)，左夾鉗52將打開(kāi)，右?jiàn)A鉗53關(guān)閉。由于膨脹條冷卻收縮，膨脹條51固定在右方向。當(dāng)在方向端56不施加電壓時(shí)，夾鉗52和53關(guān)閉，將膨脹條鎖定到位。膨脹條已經(jīng)朝右邊移動(dòng)了一步。因此，如果在圖5中的軸端56和方向端57上施加如圖6的電壓相序和極性，將導(dǎo)致圖5中的膨脹條51移向右邊。如果在圖5中的軸端56和方向端57上施加如圖7的電壓相序和極性，將導(dǎo)致圖5中的膨脹條51移向左邊。
圖5中，用于夾緊膨脹條的夾鉗52和53還可以熱啟動(dòng)。當(dāng)未施加電壓時(shí)，作為一個(gè)導(dǎo)電條的夾鉗將緊緊地卡在膨脹條上。這種夾緊功能還可以有各種其他的實(shí)施方式。當(dāng)夾鉗上施加電壓時(shí)，夾鉗膨脹，并松開(kāi)膨脹條。每一次電壓使膨脹條沿著電壓極性定義的方向移動(dòng)一步。步長(zhǎng)大小與軸電壓的平方成正比，如下方程1如示。因此，微型定位器在高壓時(shí)，可以產(chǎn)生大的步長(zhǎng)，在低壓時(shí)可以微調(diào)。這使得校準(zhǔn)次數(shù)最少，并具有高分辨能力。從方程1可以看出比例常數(shù)是材料屬性和配置的一個(gè)函數(shù)。
S＝各電壓脈沖的步長(zhǎng)α＝熱膨脹系數(shù)L＝激勵(lì)長(zhǎng)度(夾鉗到夾鉗)θ＝熱阻R＝電阻V＝外加電壓方程1-步長(zhǎng)在實(shí)際操作中，膨脹條必須可以加熱和冷卻。這些轉(zhuǎn)換的時(shí)間常數(shù)見(jiàn)方程2。在實(shí)際中，膨脹條將比方程2中計(jì)算結(jié)果冷卻得更快，因?yàn)榉匠?只考慮熱傳導(dǎo)，而在實(shí)際中，熱對(duì)流也會(huì)出現(xiàn)。
λ＝時(shí)間常數(shù)Ct＝比熱d＝密度W＝膨脹條寬度L＝膨脹條長(zhǎng)度T＝膨脹條厚度θ＝熱阻方程2-時(shí)間常數(shù)方程1和方程2根據(jù)電壓和時(shí)間來(lái)計(jì)算步長(zhǎng)。因此，加熱循環(huán)和冷卻循環(huán)時(shí)，膨脹條移動(dòng)步長(zhǎng)如下所示加熱時(shí)SH=αL(V2ρ)(1K)(1-e-tλ)]]>冷卻時(shí)SC=SH(e-tλ)]]>符號(hào)如方程1和方程2所示，SH是加熱步長(zhǎng)，SC為冷卻步長(zhǎng)，K為導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為電阻系數(shù)。
在兩個(gè)方向上使用膨脹條需要兩根膨脹條，但是增加了復(fù)雜性，每根膨脹條須有兩個(gè)自由度。其中一個(gè)自由度用于控制移動(dòng)，另一個(gè)自由度用于垂直方向的自由移動(dòng)。
圖8(a)是本發(fā)明微型定位器80第1個(gè)較佳實(shí)施例之俯視圖。如圖所示，微型定位器80包括下列分組件、部件和元件往復(fù)式移動(dòng)裝置81、往復(fù)式彈簧82、X軸膨脹條83(a)和83(b)、X軸焊盤(pán)84(a)和84(b)、X軸夾鉗85(a)和85(b)、X軸膨脹彈簧86(a)和86(b)、Y軸膨脹條87(a)和87(b)、Y軸焊盤(pán)88(a)和88(b)、Y軸夾鉗89(a)和89(b)、Y軸膨脹彈簧810(a)和810(b)、可移動(dòng)安裝支架811、可移動(dòng)安裝支架孔812。本發(fā)明實(shí)施例中，上述部件和元件包括半導(dǎo)體材料。微型定位器80中的往復(fù)式移動(dòng)裝置81可以朝著X軸方向移動(dòng)。往復(fù)式移動(dòng)裝置81通過(guò)8個(gè)往復(fù)式彈簧82安裝在微型定位器80上；往復(fù)式移動(dòng)裝置81可以通過(guò)兩個(gè)膨脹分組件在X軸方向上進(jìn)行調(diào)整或校準(zhǔn)，如圖8(b)。在往復(fù)式移動(dòng)裝置81中的兩個(gè)膨脹分組件，一個(gè)用于Y軸正方向上移動(dòng)，另一個(gè)用于Y軸負(fù)方向上移動(dòng)。X軸方向膨脹分組件包括X軸膨脹條83(a)和83(b)，兩套熱啟動(dòng)X軸夾鉗85(a)和85(b)，兩套X軸膨脹彈簧86(a)和86(b)。Y軸方向膨脹分組件包括Y軸膨脹條87(a)和87(b)，兩套熱啟動(dòng)Y軸夾鉗89(a)和89(b)，兩套Y軸膨脹彈簧810(a)和810(b)。與每一個(gè)膨脹分組件連在一起的是一組焊盤(pán)，它們可以與膨脹條和夾鉗進(jìn)行電氣連接。在X軸方向上，這些部件包括焊盤(pán)84(a)和84(b)；在Y軸方向上，這些部件包括焊盤(pán)88(a)和88(b)。通過(guò)這些焊盤(pán)，外部模擬或邏輯電路(圖中未標(biāo)出)與微型定位器80連接。
微型定位器80可以制作成一個(gè)硅片，并且可以用在一維或二維陣列中。根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)(drive stepping motion)，連接膨脹條的方向夾鉗交替夾緊和打開(kāi)。
圖8(b)是X軸方向膨脹組件的分解圖，X軸方向膨脹組件包括彈簧86(b)、X軸夾鉗85(b)、X軸夾鉗85(b)之鉗腿851(b)、圖8(a)中微型定位器80之X軸膨脹條83(b)。除了方向以外，其它X軸和Y軸膨脹分組件實(shí)際上與8(a)中的分組件極為類(lèi)似。在實(shí)際運(yùn)行中，焊盤(pán)84(a)上有電壓差，這導(dǎo)致電流通過(guò)鉗腿851(b)和鉗腿852(b)。由于這兩條鉗腿尺寸不同，鉗腿852(b)電阻大于鉗腿851(b)電阻，這導(dǎo)致852(b)受熱較高，因而膨脹。而這又導(dǎo)致X軸夾鉗85(b)彎曲和打開(kāi)。這種作用是任何均質(zhì)材料如硅的特點(diǎn)，X軸夾鉗85(b)就是由硅制成。當(dāng)X軸夾鉗85(b)朝外彎曲時(shí)，夾鉗85(b)與膨脹條83(b)邊緣之間的壓力得到釋放。其它膨脹分組件上的焊盤(pán)的電壓差也可以導(dǎo)致類(lèi)似結(jié)果?；氐綀D8(a)中，當(dāng)電流通過(guò)X軸夾鉗85(b)時(shí)，X軸夾鉗85(b)打開(kāi)，而X軸夾鉗85(a)因?yàn)闊o(wú)電流而閉合。同時(shí)，可以向X軸膨脹條83(a)外加電流，使其膨脹，因此將往復(fù)式組件81移至左邊。接著，電流在X軸膨脹條85(b)處停止，因此夾鉗85(b)冷卻并收縮回到原來(lái)位置。一旦夾鉗85(b)冷卻，夾鉗85(b)向膨脹條83(b)邊緣施加壓力，重新接入和鎖定X軸膨脹條。
夾鉗85(a)打開(kāi)，夾鉗85(b)也打開(kāi)，通過(guò)膨脹條83(a)的電流停止。在膨脹條83(a)冷卻后，夾鉗85(b)上電流停止，往復(fù)式移動(dòng)裝置81鎖定到位。如果在X軸夾鉗85(a)、夾鉗85(b)和膨脹條83(b)上實(shí)施相似的操作程序和時(shí)間，將導(dǎo)致往復(fù)式移動(dòng)裝置81向右移動(dòng)。如果在Y軸夾鉗89(a)和89(b)和膨脹條87(a)和87(b)上實(shí)施相似的操作程序和時(shí)間，將導(dǎo)致可移動(dòng)安裝支架811向下移動(dòng)。如果在Y軸夾鉗89(a)和89(b)和膨脹條87(b)上實(shí)施相似的操作程序和時(shí)間，將導(dǎo)致可移動(dòng)安裝支架811向上移動(dòng)。如果一個(gè)媒介的終端穿過(guò)孔徑812，并且固定到可移動(dòng)安裝支架811上，則往復(fù)式移動(dòng)裝置81和可移動(dòng)安裝支架811可以移動(dòng)光纖終端。
圖9是本發(fā)明二維微型定位器電氣原理示意圖。所圖所示通過(guò)控制輸入電壓99和90的極性和相序來(lái)控制移動(dòng)的方向和方向軸。通過(guò)控制電壓99的振幅來(lái)確定步長(zhǎng)，電壓脈沖的數(shù)量決定移動(dòng)距離。如果輸入電壓99為正電壓，則電流從Y上軸91和X右軸92流向地面98。也就是說(shuō)，電流流經(jīng)上夾鉗和右?jiàn)A鉗，這樣這些夾鉗打開(kāi)。如果在90上施加正電壓，則電流流經(jīng)X軸膨脹條93，并導(dǎo)致沿著X軸右方向移動(dòng)。如果在90上施加負(fù)電壓，則電流流經(jīng)Y軸膨脹條94，并導(dǎo)致沿著Y軸上方向移動(dòng)。膨脹后，電壓99變換方向，這樣在90處的電壓消失和膨脹條冷卻后，夾鉗適當(dāng)開(kāi)合以防止移動(dòng)。當(dāng)膨脹條冷卻后，切斷所有電壓，以將軸鎖定到位。如果終端99變換相序且終端90上施加負(fù)電壓，則相同的運(yùn)行將使得Y軸向下移動(dòng)；如果終端90上施加正電壓，則X軸向左方移動(dòng)。
本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例，使用附著在膨脹條上的加熱器來(lái)調(diào)整微型定位器。步長(zhǎng)由膨脹條的熱膨脹、熱傳導(dǎo)和電阻屬性決定。加熱器應(yīng)用于膨脹條增加了膨脹條的材料類(lèi)型。例如碳化鋇可以用作膨脹條，因?yàn)樗c其它材料相比，在膨脹和熱導(dǎo)方面具有優(yōu)勢(shì)。氮化鉭電阻元件可以用來(lái)加熱。膨脹條與加熱器聯(lián)合使用將提供相似的步長(zhǎng)控制，并且明顯增加微型定位器的速度。
圖10至圖13是本發(fā)明微型定位器使用MEMS技術(shù)的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，使用不同的膨脹熱激勵(lì)器(在先技術(shù)部分已經(jīng)公開(kāi))，通過(guò)掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確平移，通過(guò)夾鉗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確箝位。圖10是基于MEMS技術(shù)的X軸平移平臺(tái)的平面圖。圖11是基于MEMS技術(shù)的Y軸平移平臺(tái)的平面圖。圖12顯示X軸平移平臺(tái)安裝到Y(jié)軸平移平臺(tái)上，以構(gòu)建X軸-Y軸平移平臺(tái)組件。圖13是X軸-Y軸平移平臺(tái)組件的剖面圖。
微型定位器100標(biāo)注在圖10中。如圖10所示，通過(guò)電連接向焊盤(pán)101有控制地外加電信號(hào)，來(lái)控制掃描機(jī)構(gòu)102的掃描方向和掃描幅度，這樣可以大致定位步長(zhǎng)，或精確定位分步長(zhǎng)距離(sub-step distance)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先移動(dòng)掃描條103，使得掃描機(jī)構(gòu)上的齒輪嚙合，然后使掃描條103偏斜到所需要的掃描方向，最后分離掃描條103。并且，控制施加在夾鉗機(jī)構(gòu)104上的電信號(hào)，可以釋放夾鉗，朝X軸平臺(tái)移動(dòng)；還可以重新嚙合，以將X軸掃描機(jī)構(gòu)固定在某一位置上。夾鉗機(jī)構(gòu)104用于將平移平臺(tái)固定在位置上，無(wú)論何時(shí)它都不會(huì)被掃描機(jī)構(gòu)102移動(dòng)。護(hù)圈105是安裝在夾鉗邊緣的套筒，用來(lái)限制平移部件在朝某一方向上的移動(dòng)，同時(shí)允許朝另一方向自由移動(dòng)。護(hù)圈105并沒(méi)有物理地連接在平移平臺(tái)或夾鉗機(jī)構(gòu)上，護(hù)圈與平移平臺(tái)之間有一個(gè)小空間。熱激勵(lì)器106通過(guò)掃描機(jī)構(gòu)102實(shí)現(xiàn)平移，并通過(guò)夾鉗機(jī)構(gòu)104實(shí)現(xiàn)精確夾鉗。改變膨脹激勵(lì)器上的電壓來(lái)設(shè)置步長(zhǎng)?？梢詫?shí)現(xiàn)低于一個(gè)齒輪步長(zhǎng)的移動(dòng)。在圖10中，掃描機(jī)構(gòu)102的上的齒輪用于移動(dòng)和鎖定掃描條103；為了獲得更高精度這些齒輪可以去除。
圖11是本發(fā)明微型定位器110，它作為Y軸平移平臺(tái)。所圖所示，利用齒輪傳動(dòng)的掃描條114的膨脹和收縮，夾鉗機(jī)構(gòu)115和護(hù)圈116的打開(kāi)和閉合，掃描機(jī)構(gòu)113將可移動(dòng)安裝支架111上的可移動(dòng)安裝孔112朝Y軸方向移動(dòng)。在前描述的如圖8(b)中的熱激勵(lì)器移動(dòng)掃描條。圖11中的齒輪用來(lái)移動(dòng)和鎖定可移動(dòng)安裝支架111，為了獲得更高精度這些齒輪可以去除或者由摩擦接觸來(lái)代替。
圖12是聯(lián)合夾鉗機(jī)構(gòu)120之俯視圖，機(jī)構(gòu)120是本發(fā)明微型定位器X-Y軸精確平移平臺(tái)。所圖所示，X軸平移平臺(tái)100和Y軸平移平臺(tái)110分別構(gòu)造，并且使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(如環(huán)氧結(jié)合、原子結(jié)合、回流焊、共晶結(jié)合和其它技術(shù))，X軸平移平臺(tái)在物理結(jié)構(gòu)上附于Y軸平移平臺(tái)?？梢允褂闷渌鼧?biāo)準(zhǔn)的以硅為基礎(chǔ)的MEMS構(gòu)造技術(shù)。例如可以使用標(biāo)準(zhǔn)的硅-硅接合(silicon-on-silicon)和多級(jí)構(gòu)造，以創(chuàng)造多級(jí)結(jié)構(gòu)?？梢允褂蒙顚臃磻?yīng)離子蝕刻方法來(lái)制作光纖維腔(fiber relief cavity)。微型定位器其它構(gòu)造方法(如微機(jī)電和LIGA構(gòu)造部件)也能夠提供多維裝置，將光纖移到所需的位置，只要電啟動(dòng)合適。
圖13是聯(lián)合夾鉗機(jī)構(gòu)120之側(cè)視圖，它用于本發(fā)明微型定位器X-Y軸精確平移平臺(tái)。如圖所示，X軸平臺(tái)100安裝或構(gòu)建在X平臺(tái)基底134上，而基底134安裝在Y軸平臺(tái)110上。媒介(如光纖132)終端穿過(guò)Y平臺(tái)基底131之光纖維腔133。護(hù)圈135將微型定位器120各種組件和分組件固定到位。平臺(tái)可以采用其它方式(如彈簧)固定。
圖14是本發(fā)明微型定位器140第2個(gè)較佳實(shí)施例之俯視圖。如圖所示，微型定位器140包括下列分組件、部件和元件小齒輪激勵(lì)器141(a)和141(b)，小齒輪傳動(dòng)裝置142(a)和142(b)、小齒輪釋放裝置143(a)和143(b)、軸固定激勵(lì)器144(a)和144(b)、X軸和Y軸互聯(lián)焊盤(pán)145(a)和145(b)、X軸滑板和Y軸滑板146(a)和146(b)、軸調(diào)整激勵(lì)器147(a)和147(b)，以及可移動(dòng)孔徑148。
圖14中的裝置無(wú)需使用復(fù)位彈簧，就可移動(dòng)X軸和Y軸，而微型定位器第一個(gè)實(shí)施例需要使用復(fù)位彈簧?？梢苿?dòng)孔徑148可以滑動(dòng)，并且受X軸滑板和Y軸滑板146(a)和146(b)導(dǎo)引。小齒輪141(a)和141(b)提供移動(dòng)如下靜止所有小齒輪激勵(lì)器；142(a)、142(b)、143(a)、143(b)、144(a)和144(b)，接觸并夾緊可移動(dòng)孔徑148。這樣可移動(dòng)孔徑可以鎖定到位。例如果需要朝X軸移動(dòng)，應(yīng)向固定激勵(lì)器144(a)外加電壓，它會(huì)膨脹并釋放孔徑148。再向小齒輪驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器142(a)施加電壓，它會(huì)膨脹并將孔徑推向左邊。移動(dòng)后，切斷固定激勵(lì)器144(a)上的電壓，會(huì)收縮并夾緊孔徑。然后，向小齒輪釋放激勵(lì)器143(a)施加電壓，它會(huì)膨脹并釋放可移動(dòng)孔徑，此時(shí)，可以切斷小齒輪驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器142(a)上的電壓，小齒輪141(a)移回原來(lái)位置。接著，切斷小齒輪釋放激勵(lì)器143(a)上的電壓，小齒輪收縮，以?shī)A緊可移動(dòng)孔徑。第一個(gè)步驟完成。再次應(yīng)用上述電壓相序會(huì)使得可移動(dòng)孔徑繼續(xù)移至左邊。右向移動(dòng)與此相似，除了電壓相序相反外。在操作中，啟動(dòng)小齒輪釋放激勵(lì)器143(a)，使其從可移動(dòng)孔徑148處移開(kāi)；啟動(dòng)小齒輪釋放激勵(lì)器142(a)，使其移至左邊；切斷小齒輪釋放激勵(lì)器143(a)上電壓，小齒輪夾緊可移動(dòng)孔徑148。向固定激勵(lì)器144(a)施加電壓，則釋放可移動(dòng)孔徑148；切斷小齒輪驅(qū)動(dòng)裝置上的電壓，則可移動(dòng)孔徑148被推向右邊；切斷小齒輪釋放激勵(lì)器143(a)上的電壓，則可移動(dòng)孔徑148處于靜止?fàn)顟B(tài)。再次應(yīng)用該電壓相序?qū)?dǎo)致可移動(dòng)孔148移至右邊數(shù)個(gè)步長(zhǎng)。只要Y軸激勵(lì)器142(b)、143(b)和144(b)實(shí)施相似的程序和時(shí)間，孔徑148向下或向上移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)Y軸方向的移動(dòng)。
在使用微型定位器140之前，需要進(jìn)行調(diào)整。使用化學(xué)蝕刻程序構(gòu)建的裝置，進(jìn)行調(diào)整是必須的。蝕刻加工方法會(huì)產(chǎn)生間隙。如同激勵(lì)器143(a)、143(b)、144(a)和144(b)，這些間隙在無(wú)外加電壓的情況下使得不能牢固夾緊。膨脹機(jī)構(gòu)147(a)和147(b)可以用作調(diào)整之用。膨脹機(jī)構(gòu)147(a)和147(b)包括四根臂桿，兩根寬臂用于低電阻，兩根窄臂用于高電阻；所有臂桿電氣連接在一起，這樣當(dāng)電壓分別施加在相應(yīng)的焊盤(pán)上時(shí)，電流能夠通過(guò)所有四根臂桿。在膨脹機(jī)構(gòu)147(a)或147(b)上施加電壓會(huì)導(dǎo)致窄臂比寬臂溫度高而且膨脹更大，并且膨脹機(jī)構(gòu)147(a)或147(b)會(huì)彎曲。當(dāng)膨脹機(jī)構(gòu)147(a)或147(b)會(huì)彎曲時(shí)，它們會(huì)物理收縮并且移動(dòng)滑板146(a)和146(b)。然后，滑板146(a)和146(b)使得激勵(lì)器144(a)、144(b)、143(a)和143(b)與孔徑148緊緊地接觸在一起。切斷147(a)或147(b)上的電壓，會(huì)導(dǎo)致組件收縮，而移回到靜止位置，但是因?yàn)榻M件沒(méi)有和滑板146(a)、146(b)物理連接，激勵(lì)器144(a)、144(b)、143(a)、143(b)保持緊緊接觸狀態(tài)。
微型定位器140可以制作成為一個(gè)硅片，應(yīng)用于一個(gè)或兩個(gè)方向。施加在焊盤(pán)上的電壓相序和電流脈沖使得步進(jìn)式移動(dòng)朝著所需的方向前進(jìn)。
圖15是本發(fā)明校準(zhǔn)器151和校準(zhǔn)器152的使用，它可以通過(guò)光學(xué)部件153來(lái)校準(zhǔn)光路。光學(xué)部件153包裝在盒子154中。圖15是本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)器之應(yīng)用和較佳實(shí)施例，它利用圖8(a)中的微型定位器80；在圖15中，校準(zhǔn)器151插入盒子154的光纖輸入端，校準(zhǔn)器152插入盒子154的光纖輸出端。在校準(zhǔn)器151和校準(zhǔn)器152的電線156上施加電壓，調(diào)整光纖157終端，并調(diào)整光路155到所需要的位置。
圖16二維微型定位器160之電氣原理示意圖。X-Y軸微型定位器160的夾鉗/膨脹條的收縮膨脹與圖5中的一維微型定位器50的收縮膨脹類(lèi)似。如圖16所示，當(dāng)軸端161施加正電壓時(shí)，X軸移動(dòng)成為可能；當(dāng)軸端162施加負(fù)電壓時(shí)，Y軸移動(dòng)成為可能。當(dāng)方向端162施加正電壓時(shí)，X軸方向朝右，或Y軸方向朝上；當(dāng)方向端162施加負(fù)電壓時(shí)，X軸方向朝左，或Y軸方向朝下。圖17是圖16之邏輯框圖。
圖18和圖19是本發(fā)明典型實(shí)施例所需的光學(xué)性能和最大光纖拉力。
圖18列出了當(dāng)媒介(如光纖)被微型定位器移動(dòng)時(shí)，光束角度與橫向位移的相關(guān)變化的控制方程。其中“b”被定義為光纖位移，“d”被定義為光束位移，“φo”是光束瞄準(zhǔn)角。盡管可以使用梯度指數(shù)和球面透鏡，但這些方程適用于傳統(tǒng)透鏡圖19中的公式描述媒介(如光纖)被視為一根懸臂的狀況。光纖的一端保持剛性，另一端插入本發(fā)明微型定位器。這會(huì)導(dǎo)致光纖出現(xiàn)輕微弓形，因此需要施加一定的力將其固定到位。在圖18框1中，“W”表示固定光纖所需要的力的公式，“I”是指慣性力矩，“a”是指光纖與微型定位器接觸點(diǎn)到光纖固定點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，或者到懸臂之間的長(zhǎng)度。在圖18框2公式中，“I”是指慣性力矩，“r”是光纖半徑?？?和框2公式引出框3公式；框3公式描述固定光纖所需要的力，它使用框4中的代表性參數(shù)。所圖18所示微型定位器必須使用大約千分之二牛頓的力來(lái)固定光纖。
圖20是可變光衰減器(VOA)的性能圖解，描述控制范圍和光纖位移的函數(shù)關(guān)系。如圖所示，當(dāng)光纖移動(dòng)到一側(cè)時(shí)，插入損耗發(fā)生，因此該裝置用作衰減器。在操作中，一般有兩個(gè)這種裝置，因此，具有雙倍衰減性能。
圖21(a)系透鏡的側(cè)視圖，該圖描述輸出瞄準(zhǔn)角和輸出束移動(dòng)，光纖呈放射狀移動(dòng)。圖21(b)是光學(xué)控制和準(zhǔn)直器性能與光纖位移的函數(shù)關(guān)系圖。如圖所示，圖21(b)描述使用本發(fā)明移動(dòng)光纖的多個(gè)結(jié)果。這些結(jié)果包括瞄準(zhǔn)角的變化、光纖和透鏡之間的工作距離、透鏡輸出光束偏移。在圖21(b)中，工作距離以一條帶黑方框的線表示。光纖移動(dòng)時(shí)，工作距離工變化太小。當(dāng)光線離開(kāi)透鏡時(shí)，瞄準(zhǔn)角適用。它以一條帶菱形的線表示。它的變化范圍有5倍之多。光束位移以一條帶圓圈的線表示；當(dāng)它的變化到700微米時(shí)，其軌跡幾乎呈線性狀態(tài)。
圖22(a)和22(b)是本發(fā)明在實(shí)施和應(yīng)用中，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)光纖校準(zhǔn)器的典型的機(jī)械約束條件。這些約束條件適用于典型的應(yīng)用，但是如果應(yīng)用要求的話，可能違犯這些約束條件。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(i)大量降低成本，明顯提高性能；(ii)在應(yīng)用中，無(wú)需人員干涉，無(wú)需特殊設(shè)備。在本發(fā)明半導(dǎo)體實(shí)施例中，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)小巧，它使得每個(gè)半導(dǎo)體片可以接納數(shù)個(gè)裝置。本發(fā)明具有搖控功能，能夠用于主動(dòng)和被動(dòng)網(wǎng)絡(luò)部件，滿足工業(yè)需求，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下，能夠保持校準(zhǔn)功能。
微型定位器可以操作各種部件。這些部件包括透鏡、棱鏡、檢波器、二極管、激光二極管、傳感器、天線元件，無(wú)線電頻率短線、閥門(mén)和管嘴。本發(fā)明光纖實(shí)施例可以應(yīng)用于任何需要光學(xué)界面的裝置(如可變光衰減器、多路信號(hào)分離器、多路轉(zhuǎn)換器、開(kāi)關(guān)、光學(xué)放大器、濾光器、接受機(jī)、調(diào)制器、增益調(diào)整裝置)。
本發(fā)明創(chuàng)新技術(shù)參考了文中介紹的較佳實(shí)施例。但是，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，應(yīng)該可以理解，本裝置較佳實(shí)施例僅僅披露了眾多優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新技術(shù)中幾個(gè)例子。在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以對(duì)本裝置進(jìn)行各種非本質(zhì)的改變、修正和替換。
權(quán)利要求書(shū)[國(guó)際局于2004年7月12日收到，原權(quán)利要求1被修改的權(quán)利要求1替代，其余權(quán)利權(quán)利要求保持不變(替換頁(yè)共1頁(yè))]1.一種微型定位器，包括一個(gè)安裝組件；用于接受和固定媒介或部件；一個(gè)往復(fù)式移動(dòng)組件；所述往復(fù)式移動(dòng)組件附著于安裝組件上；所述往復(fù)式組件根據(jù)電控制信號(hào)作定向移動(dòng)；當(dāng)電信號(hào)切斷后，所述往復(fù)式組件保持原來(lái)位置；無(wú)偏動(dòng)夾鉗時(shí)，所述往復(fù)式組件保持原來(lái)位置。
2.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述往復(fù)式移動(dòng)組件單方向移動(dòng)。
3.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述往復(fù)式移動(dòng)組件朝X軸和Y軸方向移動(dòng)。
4.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述安裝組件用于固定光纖。
5.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述安裝組件用于固定透鏡。
6.權(quán)利要求1中的微型定位器，可以在納米公差范圍內(nèi)定位媒介或部件，在微米范圍內(nèi)移動(dòng)媒介或部件。
7.權(quán)利要求1中的微型定位器，在所述微型定位器使用周期內(nèi)可以多次夾緊、釋放和重新配置媒介或部件。
8.權(quán)利要求1中的微型定位器，還包括一個(gè)與所述往復(fù)式移動(dòng)組件聯(lián)接的電路；所述往復(fù)式移動(dòng)組件根據(jù)來(lái)自電路的電信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種微型定位器，包括一個(gè)用于接受和固定媒介或部件的安裝組件；一個(gè)往復(fù)式組件，往復(fù)式組件安裝在安裝組件上；往復(fù)式組件可以根據(jù)控制信號(hào)朝著一定方向移動(dòng)。
2.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述往復(fù)式移動(dòng)組件單方向移動(dòng)。
3.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述往復(fù)式移動(dòng)組件朝X軸和Y軸方向移動(dòng)。
4.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述安裝組件用于固定光纖。
5.權(quán)利要求1中的微型定位器，所述安裝組件用于固定透鏡。
6.權(quán)利要求1中的微型定位器，可以在納米公差范圍內(nèi)定位媒介或部件，在微米范圍內(nèi)移動(dòng)媒介或部件。
7.權(quán)利要求1中的微型定位器，在所述微型定位器使用周期內(nèi)可以多次夾緊、釋放和重新配置媒介或部件。
8.權(quán)利要求1中的微型定位器，還包括一個(gè)與所述往復(fù)式移動(dòng)組件聯(lián)接的電路；所述往復(fù)式移動(dòng)組件根據(jù)來(lái)自電路的電信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)。
9.權(quán)利要求8中的微型定位器，還包括一個(gè)基底；所述基底有一個(gè)頂面，一個(gè)平底面，一個(gè)穿過(guò)底面和頂面的中心孔；所述往復(fù)式移動(dòng)組件還包括用于各方向移動(dòng)的一套膨脹條、彈簧和夾鉗；所述膨脹條、彈簧和夾鉗定位和保持在基底的頂面；所述膨脹條由膨脹材料制成，由所述電路施加電流后可膨脹或收縮；所述彈簧定位在所述基底的剛性面和所述膨脹條的側(cè)面之間，彈簧可以對(duì)膨脹條側(cè)面施加力量；所述彈簧還可以提供一個(gè)靈活的電氣連接，和一個(gè)用于平面外運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定元件；所述夾鉗由膨脹材料制成，由所述電路施加電流后可膨脹或收縮；在無(wú)電源情況下，所述夾鉗處于收縮狀態(tài)，所述夾鉗將膨脹條固定在位置上；在有電源情況下，所述夾鉗處于膨脹狀態(tài)，所述夾鉗釋放膨脹條；所述安裝組件剛性地牢固附著于膨脹條上；當(dāng)往復(fù)式移動(dòng)裝置處于中性狀態(tài)時(shí)，所述安裝組件位于基底孔的中心位置。
10.權(quán)利要求9中的微型定位器，可以單向移動(dòng)，如X軸方向、Y軸方向或Z軸方向。
11.權(quán)利要求9中的微型定位器，可以二維移動(dòng)如X軸方向和Y軸方向。
12.權(quán)利要求9中的微型定位器，所述安裝組件還可以固定光纖。
13.權(quán)利要求9中的微型定位器，所述安裝組件還可以固定透鏡。
14.權(quán)利要求9中的微型定位器，還包括所述電路按照預(yù)定的相序和電平，施加電流在膨脹條和夾鉗上；對(duì)預(yù)定的相序和電平做出響應(yīng)，所述膨脹條和夾鉗發(fā)熱和冷卻，從而膨脹和收縮；且根據(jù)膨脹條和夾鉗上的電流順序，所述膨脹條和安裝組件是可移動(dòng)的。
15.權(quán)利要求8中的微型定位器，所述往復(fù)式移動(dòng)組件有四個(gè)方向的分組件左邊的X軸方向分組件，右邊的X軸方向分組件，上邊的Y軸方向分組件，下邊的Y軸方向分組件；且各方向上的分組件包括一組夾鉗、彈簧和膨脹條。
16.權(quán)利要求15中的微型定位器，通過(guò)向一個(gè)或多個(gè)特定方向的分組件施加電信號(hào)，所述微型定位器朝著某一特定方向移動(dòng)。
17.權(quán)利要求15中的微型定位器，可以制作成一個(gè)半導(dǎo)體基片。
18.權(quán)利要求15中的微型定位器，還包括固定在基片上的焊盤(pán)，用于連接所述電路與所述微型定位器。
19.權(quán)利要求1中的微型定位器，還包括一個(gè)或多個(gè)小齒輪激勵(lì)器；一個(gè)或多個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)裝置；一個(gè)或多個(gè)小齒輪釋放裝置；一個(gè)或多個(gè)小齒輪軸固定激勵(lì)器；X軸和Y軸滑板；一個(gè)帶滑板的可移動(dòng)孔；所述可移動(dòng)孔和滑板由X軸和Y軸滑板導(dǎo)引；所述小齒輪可以靜止或運(yùn)動(dòng)；靜止時(shí)，所有小齒輪接觸并夾緊可移動(dòng)孔，這樣可移動(dòng)孔就會(huì)被鎖定到位；運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)施加電壓后，一組固定激勵(lì)器膨脹并釋放可移動(dòng)孔；當(dāng)施加電壓后，一組小齒輪驅(qū)動(dòng)裝置膨脹并推動(dòng)可移動(dòng)孔，使其朝著所需要的位置移動(dòng)，當(dāng)切斷所述固定激勵(lì)器的電壓后，該組所述固定激勵(lì)器接觸并夾緊可移動(dòng)孔；當(dāng)施加電壓后，所述小齒輪釋放裝置膨脹并釋放可移動(dòng)孔；當(dāng)切斷電壓后，所述小齒輪驅(qū)動(dòng)裝置和小齒輪可以返回其靜止的位置；且當(dāng)切斷電壓后，所述小齒輪驅(qū)動(dòng)裝置和小齒輪可以往回收縮，以?shī)A緊可移動(dòng)孔；
20.權(quán)利要求19中的微型定位器，還包括焊盤(pán)，用于接受電壓脈沖以使微型定位器產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
21.權(quán)利要求19中的微型定位器，按照X軸激勵(lì)器步進(jìn)程序的運(yùn)行和計(jì)時(shí)情況下，所述微型定位器可以朝X軸方向移動(dòng)。
22.權(quán)利要求19中的微型定位器，按照Y軸激勵(lì)器步進(jìn)程序的運(yùn)行和計(jì)時(shí)情況下，所述微型定位器可以朝Y軸方向移動(dòng)。
23.權(quán)利要求19中的微型定位器，使用化學(xué)蝕刻方法構(gòu)建所述微型定位器。
24.權(quán)利要求19中的微型定位器，還包括一個(gè)的膨脹機(jī)構(gòu)，用于移動(dòng)可移動(dòng)孔；所述膨脹機(jī)構(gòu)包括低電阻的兩根寬臂；所述膨脹機(jī)構(gòu)還包括高電阻的兩根窄臂；且所有四根臂桿電氣連接，當(dāng)電壓施加在相應(yīng)的焊盤(pán)上時(shí)，電流通過(guò)所有四根臂桿。
25.權(quán)利要求24中的微型定位器，當(dāng)施加電壓時(shí)，所述膨脹機(jī)構(gòu)物理收縮，因而移動(dòng)滑板，使激勵(lì)器與可移動(dòng)孔接觸；且如果切斷滑板上的電壓，則所述滑板會(huì)收縮并移至靜止位置。
26.權(quán)利要求19中的微型定位器，可以制作成硅片。
27.權(quán)利要求19中的微型定位器，可以在一個(gè)方向或多個(gè)方向上運(yùn)行。
28.一個(gè)用于定位媒介或部件的裝置，包括一個(gè)帶有頂面和底面的半導(dǎo)體基底；一個(gè)靈活安裝在基底頂面上的往復(fù)式移動(dòng)組件；所述往復(fù)式移動(dòng)組件包括一套夾鉗、膨脹材料和一個(gè)可移動(dòng)安裝支架；所述夾鉗和膨脹材料根據(jù)控制信號(hào)膨脹和收縮；當(dāng)電源切斷時(shí)，夾鉗收縮，膨脹材料就會(huì)被夾鉗緊緊固定?。划?dāng)夾鉗膨脹時(shí)，夾鉗會(huì)釋放膨脹材料；當(dāng)電源接通時(shí)，膨脹材料膨脹，夾鉗就會(huì)釋放膨脹材料，膨脹材料移動(dòng)；當(dāng)夾鉗收縮時(shí)，膨脹材料被夾鉗鎖定到位。
29.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，所述膨脹材料和夾鉗遇熱膨脹；所述膨脹材料和夾鉗遇冷收縮。
30.在權(quán)利要求29中的用于定位媒介或部件的裝置，所述膨脹材料和夾鉗被施加電壓就會(huì)發(fā)熱；所述膨脹材料和夾鉗被切斷電壓就會(huì)冷卻。
31.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，所述往復(fù)式移動(dòng)組件可以單向移動(dòng)，如X軸方向、Y軸方向和Z軸方向。
32.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，所述往復(fù)式移動(dòng)組件可以二維移動(dòng)，如X軸方向和Y軸方向。
33.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，還包括一個(gè)附著于往復(fù)式移動(dòng)組件中心的安裝組件，用來(lái)接受和固定光纖。
34.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，還包括一個(gè)附著于往復(fù)式移動(dòng)組件中心的安裝組件，用來(lái)接受和固定透鏡。
35.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，可以在納米公差范圍內(nèi)定位媒介或部件，在微米范圍內(nèi)移動(dòng)媒介或部件。
36.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，可以在裝置使用周期內(nèi)，多次夾緊、釋放和重新定位媒介或部件。
37.在權(quán)利要求28中的用于定位媒介或部件的裝置，還包括一個(gè)可移動(dòng)安裝支架，當(dāng)裝置處于中性狀態(tài)時(shí)，附著于膨脹材料的中心位置；當(dāng)裝置處于中性狀態(tài)時(shí)，所述夾鉗與靠近膨脹材料的終端連接；所述可移動(dòng)安裝支架可以接受媒介或部件；一個(gè)能夠膨脹和收縮的膨脹材料，從而移動(dòng)和控制可移動(dòng)安裝支架的位置；所述夾鉗能夠膨脹收縮，從而控制膨脹材料的膨脹和收縮方向，即可以移動(dòng)膨脹材料和可移動(dòng)安裝支架；沒(méi)有電壓或電流時(shí)，所述夾鉗將可移動(dòng)安裝支架固定到位；與夾鉗和膨脹材料連接的一個(gè)電路；且所述電路產(chǎn)生電信號(hào)，以動(dòng)態(tài)控制夾鉗和膨脹材料的膨脹和收縮。
38.在權(quán)利要求37中的用于定位媒介或部件的裝置，所述膨脹材料是硅。
39.在權(quán)利要求37中的用于定位媒介或部件的裝置，所述控制信號(hào)還包括施加在夾鉗和膨脹材料上的預(yù)定相序的電壓。
40.在權(quán)利要求37中的用于定位媒介或部件的裝置，所述可移動(dòng)安裝支架上有一個(gè)孔，它用來(lái)接受光纖。
41.在權(quán)利要求37中的用于定位媒介或部件的裝置，該裝置可以在納米公差范圍內(nèi)校準(zhǔn)媒介或部件，在微米范圍內(nèi)移動(dòng)媒介或部件。
42.在權(quán)利要求37中的用于定位媒介或部件的裝置，該裝置可以多次夾緊、釋放和重新定位媒介或部件。
43.一個(gè)校準(zhǔn)媒介或部件的裝置，包括一個(gè)位于基底上的微型定位器；一個(gè)固定在微型定位器上的支架，該支架可以接受媒介或部件；并且所述微型定位器可以在納米公差范圍內(nèi)定位媒介或部件，在微米范圍內(nèi)移動(dòng)媒介或部件。
44.在權(quán)利要求43中的用于定位媒介或部件的裝置，該裝置可以多次夾緊、釋放和重新定位媒介或部件。
45.在權(quán)利要求44中的用于定位媒介或部件的裝置，還包括一個(gè)靠近所述微型定位器的校直透鏡；且所述微型定位器可以沿著單軸或多軸來(lái)校準(zhǔn)安裝支架和光纖
46.在權(quán)利要求44中的用于定位媒介或部件的裝置，所述微型定位器可以沿著雙軸來(lái)校準(zhǔn)安裝支架和光纖。
47.在權(quán)利要求44中的用于定位媒介或部件的裝置，所述安裝支架包括一陣列孔；所述這些孔可以接受多根光纖；所述微型定位器可以控制光纖陣列的位置。
48.在權(quán)利要求44中的用于定位媒介或部件的裝置，還包括一個(gè)靠近所述微型定位器的校直透鏡；且所述微型定位器可以利用校直透鏡沿著單軸或多軸校準(zhǔn)光纖陣列.
49.在權(quán)利要求48中的用于定位媒介或部件的裝置，所述微型定位器可以利用校直透鏡沿著雙軸校準(zhǔn)光纖陣列。
50.在權(quán)利要求43中的用于定位媒介或部件的裝置，所述微型定位器包括一套膨脹條和一套夾鉗；所述膨脹條和所述夾鉗機(jī)械連接在一起；所述膨脹條與存在電位的電路連接在一起；所述夾鉗與存在電位的電路連接在一起；所述電位導(dǎo)致電流流經(jīng)電路、膨脹條和夾鉗；流經(jīng)電路的電流導(dǎo)致膨脹條和夾鉗膨脹和收縮；且所述膨脹條和夾鉗之膨脹和收縮導(dǎo)致安裝支架沿著所需的軸方向移動(dòng)。
51.在權(quán)利要求50中的用于定位媒介或部件的裝置，所述安裝支架包括一個(gè)用于接受光纖的孔。
52.在權(quán)利要求51中的用于定位媒介或部件的裝置，施加在膨脹條和夾鉗上的電位極性、振幅和持續(xù)時(shí)間可以控制安裝支架的移動(dòng)速度、移動(dòng)方向。
53.在權(quán)利要求52中的用于定位媒介或部件的裝置，所述微型定位器可動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)接受無(wú)包層光纖的孔，其步長(zhǎng)從數(shù)納米到數(shù)微米。
54.一個(gè)光纖組件，包括一個(gè)圓柱形護(hù)套，截面半徑預(yù)定，護(hù)套有第一末端和第二末端；一個(gè)柱面透鏡，所述透鏡有第一表面和第二表面，其截面半徑與護(hù)套截面半徑相同；所述透鏡的截面可以牢固安裝在護(hù)套的第二末端；一個(gè)微型定位器，所述微型定位器有一個(gè)前端面、一個(gè)后端面和一個(gè)孔，用于接受無(wú)包層的光纖，光纖穿過(guò)前端面和后端面；所述微型定位器垂直安置在護(hù)套的里側(cè)面；所述微型定位器牢固附于護(hù)套；一個(gè)纖維導(dǎo)管，所述導(dǎo)管插入并牢固地安裝在護(hù)套第一末端，預(yù)定的插入長(zhǎng)度小于護(hù)套第一末端與微型定位器前端面之間的長(zhǎng)度；所述纖維導(dǎo)管有一個(gè)縱向孔，處于圓柱形護(hù)套的中心，形成通道，以接受包層光纖的一端導(dǎo)管內(nèi)的孔徑分階段由大到小，在護(hù)套的第一末端可以接受包層光纖，在導(dǎo)管孔終端處因?yàn)楦≈睆?，可以接受無(wú)包層光纖并插入微型定位器中。一個(gè)纖維導(dǎo)管終端和微型定位器前端面之間的自由空隙；無(wú)包層光纖插入護(hù)套內(nèi)纖維導(dǎo)管第一末端，預(yù)定的插入長(zhǎng)度小于護(hù)套第一末端與透鏡第一表面之間的長(zhǎng)度；一個(gè)無(wú)包層光纖端面和透鏡第一表面之間的自由空隙；一組與微型定位器連接的控制電線，用于電控制微型定位器；所述控制線伸出護(hù)套之外；和所述微型定位器可以動(dòng)態(tài)定位無(wú)包層光纖。
55.在權(quán)利要求54中的光纖組件，所述透鏡、微型定位器和導(dǎo)管利用粘合劑、合成樹(shù)脂、錫焊、銅焊或熔焊粘結(jié)在一起
56.在權(quán)利要求54中的光纖組件，所述微型定位器在納米公差范圍內(nèi)調(diào)整光纖，在微米范圍內(nèi)移動(dòng)光纖。
57.在權(quán)利要求54中的光纖組件，所述微型定位器可以沿著多條軸線調(diào)整光纖。
58.在權(quán)利要求57中的光纖組件，所述微型定位器還包括第一膨脹條，以控制沿著X軸的移動(dòng)；第二膨脹條，以控制沿著Y軸的移動(dòng)；多個(gè)X軸方向夾鉗，它可以?shī)A緊和釋放第一膨脹條；多個(gè)Y軸方向夾鉗，它可以?shī)A緊和釋放第二膨脹條；與第一膨脹條、第二膨脹條、X軸方向夾鉗和Y軸方向夾鉗連接的一個(gè)電路，它可以動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)孔，該孔用于接受無(wú)包層光纖。
59.在權(quán)利要求58中的光纖組件，第一膨脹條和第二膨脹條具有預(yù)定的熱膨脹特點(diǎn)。
60.在權(quán)利要求58中的的光纖組件，所述微型定位器可以動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)孔，該孔用于接受無(wú)包層光纖；其步長(zhǎng)從數(shù)納米到數(shù)微米。
61.在權(quán)利要求58中的光纖組件，用于接受無(wú)包層光纖的孔的移動(dòng)方向和步長(zhǎng)受控于第一膨脹條、第二膨脹條、X軸方向夾鉗和Y軸方向夾鉗上的電壓和電流。
62.在權(quán)利要求61中的光纖組件所述微型定位器可以動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)孔，該孔用于接受無(wú)包層光纖；微型定位器操作后可以鎖定到位。
63.在權(quán)利要求61中的光纖組件，所述微型定位器可以動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)孔，該孔用于接受無(wú)包層光纖；微型定位器在操作后可以重新調(diào)整。
64.在權(quán)利要求62中的光纖組件，所述組件的形狀和準(zhǔn)直器或連接器相似。
65.校準(zhǔn)光纖的裝置，包括多個(gè)微型定位器，所述微型定位器包括一套可以膨脹和收縮的水平臂桿和垂直臂桿；多個(gè)夾鉗，一個(gè)或多個(gè)夾鉗固定在微型定位器臂桿末端；每個(gè)夾鉗可以用來(lái)夾緊或釋放相應(yīng)的微型定位器臂桿；一個(gè)校準(zhǔn)器，該所述校準(zhǔn)器包含一個(gè)帶孔的安裝支架，該孔用于接受和固定光纖；所述校準(zhǔn)器牢固安裝在夾鉗之間的微型定位器臂桿上；所述微型定位器具有一個(gè)控制機(jī)構(gòu)，控制微型定位器臂桿的膨脹和收縮；一個(gè)控制電路，以控制夾緊或釋放夾鉗、膨脹或收縮微型定位器臂桿，以便將校準(zhǔn)器移至所需要的位置。
66.如權(quán)利要求65中的校準(zhǔn)光纖的裝置，所述裝置適于將光學(xué)部件移至所需要的位置。
67.如權(quán)利要求65中的校準(zhǔn)光纖的裝置，所述裝置可自我鎖定，從而在無(wú)電源時(shí)使部件保持固定狀態(tài)。
68.如權(quán)利要求65中的校準(zhǔn)光纖的裝置，還包括一個(gè)單通道準(zhǔn)直器。
69.如權(quán)利要求68中的校準(zhǔn)光纖的裝置，還包括一個(gè)光纖導(dǎo)管，可以將裸光纖對(duì)準(zhǔn)微型定位器；所述微型定位器可二維精確移動(dòng)光纖；并且，移動(dòng)后，微型定位器可以鎖定光纖或部件的位置。
70.如權(quán)利要求69中的校準(zhǔn)光纖的裝置，還包括包層光纖、光纖、準(zhǔn)直器和連接器護(hù)套；且所述包層光纖、光纖和纖維導(dǎo)管采用機(jī)械方式或合成樹(shù)脂、錫焊、銅焊或熔焊方法與準(zhǔn)直器護(hù)套粘結(jié)在一起。
71.如權(quán)利要求70中的校準(zhǔn)光纖的裝置還包括一個(gè)準(zhǔn)直透鏡；穿過(guò)準(zhǔn)直器護(hù)套的電線，所述該電線適于控制準(zhǔn)校直透鏡。
72.如權(quán)利要求71中的校準(zhǔn)光纖的裝置，所述微型定位器適于二維精確校準(zhǔn)準(zhǔn)直透鏡。
73.校準(zhǔn)光纖的裝置包括多個(gè)陣列準(zhǔn)直器或連接器；一個(gè)可以接受和校準(zhǔn)包層光纖中的裸光纖的纖維導(dǎo)管，該包層光纖其中一端已經(jīng)除掉護(hù)套包層，暴露出多條光纖；N×M通道微型定位器，可以分別地二維精確移動(dòng)光纖；且移動(dòng)后，N×M通道微型定位器可以分別鎖定光纖位置。
74.如權(quán)利要求73中的校準(zhǔn)光纖的裝置，還包括一個(gè)準(zhǔn)直器護(hù)套；一個(gè)包層光纖；來(lái)自包層光纖終端或光纖帶的多根裸露光纖；所述包層光纖、裸露光纖或纖維導(dǎo)管牢固固定在準(zhǔn)直器護(hù)套內(nèi)；一個(gè)校直透鏡陣列面板；穿過(guò)準(zhǔn)直器護(hù)套的控制電線；控制電線分別與微型定位器連接。
75.如權(quán)利要求74中的校準(zhǔn)光纖的裝置，采用機(jī)械方法、錫焊、銅焊、熔焊或環(huán)氧方法將包層光纖、裸露光纖或纖維導(dǎo)管牢固固定安裝在準(zhǔn)直器護(hù)套內(nèi)。
76.權(quán)利要求75中的校準(zhǔn)光纖的裝置，該裝置允許在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)光纖。
77.權(quán)利要求75中的校準(zhǔn)光纖的裝置，所述部件安裝在獨(dú)立的外殼內(nèi)。
78.校準(zhǔn)媒介的裝置，包括一個(gè)微型定位器；所述微型定位器有一個(gè)校準(zhǔn)器；所述校準(zhǔn)器可以接受一個(gè)媒介；一個(gè)控制電路；所述控制電路由控制電線連接微型定位器和校準(zhǔn)器；和校準(zhǔn)器位置是可以調(diào)節(jié)的，其調(diào)節(jié)是通過(guò)以一定控制順序施加在微型定位器臂桿上的電信號(hào)或脈沖，包括電流或電壓，在一維或二維方向上確定校準(zhǔn)器移動(dòng)的方向和距離。
79.如權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述媒介包括纖維。
80.如權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述纖維包括光纖。
81.如權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述電信號(hào)或電脈沖的振幅或持續(xù)時(shí)間決定了校準(zhǔn)器的移動(dòng)距離。
82.如權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述微型定位器被鎖定位置，以確保在無(wú)外加電壓或電流情況下，微型定位器能夠被固定到所需位置。
83.如權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置的，所述微型定位器使用半導(dǎo)體技術(shù)構(gòu)建。
84.如權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述微型定位器還包括多個(gè)具有熱膨脹功能的膨脹條；微型定位器的膨脹條可以接受控制信號(hào)；施加控制信號(hào)導(dǎo)致微型定位器移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整媒介。
85.如權(quán)利要求84中的校準(zhǔn)媒介的裝置，每根膨脹條在終端都有一組夾鉗；夾鉗的夾緊和釋放是可操作的，用以產(chǎn)生精確步進(jìn)移動(dòng)。
86.如權(quán)利要求85中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述微型定位器采用微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
87.權(quán)利要求85中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述微型定位器上的夾鉗、膨脹條或彈簧采用離散機(jī)械元件實(shí)現(xiàn)。
88.權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置的，所述微型定位器還包括一組膨脹條；這組膨脹條可以移動(dòng)安裝支架，安裝支架包括硅蝕刻齒輪或/和支架。
89.權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述媒介包括管嘴。
90.權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述媒介包括閥門(mén)。
91.權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，所述媒介包括天線元件。
92.權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，可作為主動(dòng)式、自適應(yīng)式天線陣列進(jìn)行操作。
93.權(quán)利要求78中的校準(zhǔn)媒介的裝置，控制微型定位器位置的控制信號(hào)響應(yīng)于預(yù)定的射頻信號(hào)。
94.一種定位媒介的方法包括將光纖穿過(guò)并固定于一個(gè)支架，該支架附著于微型定位器往復(fù)式移動(dòng)裝置；向微型定位器往復(fù)式移動(dòng)裝置上的夾鉗施加電壓，使其發(fā)熱和膨脹；向往復(fù)式移動(dòng)裝置上的膨脹條施加電壓，使其發(fā)熱和膨脹；當(dāng)光纖移至所需要的位置時(shí)，切斷膨脹條上的電壓，以其冷卻和收縮，并鎖定膨脹條位置；且切斷膨脹條上的電壓，使其冷卻。
95.權(quán)利要求94中的定位媒介的方法，所述媒介包括纖維。
96.權(quán)利要求95中的定位媒介的方法，所述纖維包括光纖。
97.權(quán)利要求94中的定位媒介的方法，所述媒介包括導(dǎo)電纖維或電線。
98.權(quán)利要求94中的定位媒介的方法的，所述媒介包括一個(gè)中空管。
99.權(quán)利要求94中的定位媒介的方法，所述媒介的校準(zhǔn)公差在納米范圍內(nèi)。
100.權(quán)利要求94中的定位媒介的方法，在微型定位器移動(dòng)裝置使用周期內(nèi)，其中的夾鉗和膨脹條可以多次加熱、膨脹、冷卻和移動(dòng)。
101.定位部件的方法包括將部件牢固安裝在安裝支架上，安裝支架附于微型定位器往復(fù)式移動(dòng)裝置上；向微型定位器往復(fù)式移動(dòng)裝置上的夾鉗施加電壓，使其發(fā)熱和膨脹，并釋放膨脹條一端；向往復(fù)式移動(dòng)裝置上的膨脹條施加電壓，使其發(fā)熱和膨脹；當(dāng)部件移至所需要的位置時(shí)，切斷夾鉗上的電壓，使其冷卻和收縮，并將膨脹條鎖定到位；向膨脹條另一端上的第二個(gè)夾鉗施加電壓，使其釋放膨脹條；減小膨脹條上的電壓，使膨脹條冷卻；減小第二個(gè)夾鉗上的電壓，使其將膨脹條的另一端鎖定到位。
102.權(quán)利要求101中的定位部件的方法，所述部件包括透鏡、棱鏡或其它光學(xué)部件。
103.權(quán)利要求101中的定位部件的方法，所述部件包括電元件，如激光器二極管或激光探測(cè)儀。
104.權(quán)利要求101中的定位部件的方法的，部件的校準(zhǔn)公差在納米范圍內(nèi)。
105.權(quán)利要求101中的定位部件的方法，在微型定位器移動(dòng)裝置使用周期內(nèi)，其中的夾鉗和膨脹條部件可以多次加熱、膨脹、冷卻和重新定位。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)⒚浇楹筒考?如光纖(12)或其它諸如透鏡的小型物體)移動(dòng)到所需位置的完備方法。光纖(12)或部件可以朝各個(gè)方向移動(dòng)，以移動(dòng)到所需要的位置，并且在移動(dòng)后鎖定到位。輸入電信號(hào)(如電壓或電流)可以控制移動(dòng)。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，熱激勵(lì)器包含使用半導(dǎo)體技術(shù)的微型定位器(80)。在本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例中，熱激勵(lì)器和靜電激勵(lì)器使用機(jī)械齒輪來(lái)移動(dòng)光纖。本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例中，采用機(jī)械技術(shù)如微機(jī)電(MEMS)系統(tǒng)技術(shù)。本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例中，使用壓電材料以便于移動(dòng)光纖。
文檔編號(hào)G02B6/38GK1711491SQ200380102719
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月8日
發(fā)明者海瑞·蹦漢, 退勒·道森, 杰伊·普瑞斯提皮諾, 格瑞地·羅伯茨, 瑞虎兒·薩伊尼 申請(qǐng)人:內(nèi)諾林公司