專利名稱：微型自鎖定雙軸光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域中的微機電系統(tǒng)MEMSOnicr0 electro mechanical systems)光開關(guān)。
背景技術(shù)：
微型光束轉(zhuǎn)向定位器(以下簡稱光開關(guān))是光通訊領(lǐng)域中最常見、最重要、應(yīng)用 最廣泛的元器件之一。光開關(guān)的“開與關(guān)”狀態(tài)與驅(qū)動電源的接通與斷開狀態(tài)是一一對 應(yīng)的，即電源的“接通或斷開”對應(yīng)于開關(guān)的“開或關(guān)”。以光開關(guān)為例，圖1是常用微型 光開關(guān)示意圖，狀態(tài)a，b，C表示其工作原理和過程。在微機電系統(tǒng)MEMS (micro electro mechanicalsystems)光開關(guān)中，微型鏡子是用來反射光束的。改變反射光的方向是通過 對鏡子的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，從而使得入射光能夠與任何輸出通道相連接，此光開關(guān)能夠使得 光信號之間直接轉(zhuǎn)換，而不需要首先將它們轉(zhuǎn)換成電信號，并且能夠形成任何尺度的密集 低損耗的開關(guān)。由此開關(guān)制做成的開關(guān)列陣能夠同時轉(zhuǎn)向定位大量的光信號，所以它能 夠作為主干線開關(guān)來處理大量的信號，例如用于大市區(qū)通訊網(wǎng)絡(luò)的主干線開關(guān)。這類常 用微型光開關(guān)目前主要是通過MEMS技術(shù)來生產(chǎn)。其生產(chǎn)技術(shù)又有兩類硅微機電系統(tǒng)技 術(shù)(Si-MEMS Technology)和印刷電路版 PCB (Printed Circuits Board)微機電系統(tǒng)技術(shù) (PCB-MEMS Technology)。MEMS產(chǎn)品的特點是體積小、功能強、批量生產(chǎn)、造價相對便宜，等 等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科技、軍事國防等各個領(lǐng)域。但是，在光開關(guān)的驅(qū)動電源失效或斷開的情況下，能否使得光開關(guān)仍然處于“開” 的接通狀態(tài)(圖1中的狀態(tài)b)，從而既能保證通訊的不間斷，又能夠節(jié)省驅(qū)動電源呢？具 備這種特性的光開關(guān)可稱之為“自鎖定”光開關(guān)(Self-latched optical switch) 0但 是，至今為止市場上還沒有出現(xiàn)利用硅微機電系統(tǒng)技術(shù)(Si-MEMS Technology)、印刷電 路版PCB(PrintedCircuits Board)微機電系統(tǒng)技術(shù)以及微注入塑型技術(shù)MIMT(Micro Injection MoldingTechnology)所生產(chǎn)出的具有“自鎖定”特性的光開關(guān)。中國專利“磁 吸附平面反射鏡光開關(guān)”(03114823. 9)雖然也是利用永久磁鐵來鎖定反射鏡，但是其結(jié)構(gòu)、 驅(qū)動方式、加工生產(chǎn)技術(shù)均與本實用新型不同。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種微型自鎖定光束轉(zhuǎn)向定位器，即具有自鎖定功能 的關(guān)開關(guān)。本實用新型的實施方案為一種微型自鎖定雙軸光開關(guān)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)動部分、外轉(zhuǎn)動部分和底座部分；內(nèi)轉(zhuǎn)動部分包括反光鏡、兩塊永久磁鐵、內(nèi)轉(zhuǎn)動軸以及內(nèi)主載體，內(nèi)轉(zhuǎn)動軸設(shè)置于 內(nèi)主載體兩側(cè)壁上，反光鏡設(shè)置在內(nèi)主載體表面上，兩塊永久磁鐵以內(nèi)轉(zhuǎn)動軸為對稱軸設(shè) 置在反光鏡下方的內(nèi)主載體底部兩側(cè)；外轉(zhuǎn)動部分包括兩塊永久磁鐵、外轉(zhuǎn)動軸以及外主載體，轉(zhuǎn)動軸設(shè)置在外主載體的兩側(cè)壁，內(nèi)轉(zhuǎn)動部分通過內(nèi)轉(zhuǎn)動軸支撐設(shè)置在外主載體中，兩塊永久磁鐵以外轉(zhuǎn)動軸為 對稱軸設(shè)置在外轉(zhuǎn)動部分的底部；底座部分包括四塊永久磁鐵、兩組通電螺線圈以及底座，四塊永久磁鐵對稱設(shè)置 在底座中，兩組通電螺線圈對應(yīng)設(shè)置在四塊永久磁鐵上方或下方，外轉(zhuǎn)動部分通過外轉(zhuǎn)動 軸支撐設(shè)置在底座部分的支撐臂上；底座部分的四塊永久磁鐵與內(nèi)轉(zhuǎn)動部分的兩塊永久磁鐵和外轉(zhuǎn)動部分的兩塊永 久磁鐵形成四對磁組，每一對磁組的磁場方向是相同的。所述內(nèi)主載體和內(nèi)轉(zhuǎn)動軸為聚合物制成，內(nèi)主載體和內(nèi)轉(zhuǎn)動軸是一體形成的，兩 塊永久磁鐵鑲嵌在內(nèi)主載體中。所述外主載體和外轉(zhuǎn)動軸為聚合物制成，外主載體和外轉(zhuǎn)動軸是一體形成的，兩 塊永久磁鐵鑲嵌在外主載體中。所述底座部分為聚合物制成，四塊永久磁鐵、兩組通電螺線圈鑲嵌在底座中。在外轉(zhuǎn)動部分的外主載體的兩側(cè)壁及底座部分的兩支撐臂上對稱設(shè)置V型槽，V 型槽底部設(shè)置圓形轉(zhuǎn)軸孔座，圓形轉(zhuǎn)軸孔座的直徑稍大于內(nèi)轉(zhuǎn)動軸和外轉(zhuǎn)動軸的直徑，V型 槽下部擠入處的最小尺寸稍小于內(nèi)轉(zhuǎn)動軸和外轉(zhuǎn)動軸的直徑，內(nèi)轉(zhuǎn)動軸和外轉(zhuǎn)動軸分別擠 入安裝在圓形轉(zhuǎn)軸孔座中。本實用新型在光開關(guān)的驅(qū)動電源失效或斷開的情況下，能使光開關(guān)仍然處于“開” 的接通狀態(tài)從而既能保證通訊的不間斷，并能夠節(jié)省驅(qū)動電源。而且其中一些部件是用微 注入塑型技術(shù)MIMT(Micro Injection Molding Technology)來制造成型的，目前，MIMT已 經(jīng)能夠生產(chǎn)出尺寸在1毫米左右的高精度的聚合物(塑料)樣品。本實用新型所提供的V 型槽以及它與轉(zhuǎn)動軸的安裝方法解決了用MIMT生產(chǎn)的光開關(guān)的轉(zhuǎn)動問題。從本實用新型 的2X2光開關(guān)陣列可以推演出NXN光開關(guān)陣列(N為大于2的整數(shù))。

圖1 普通微型光開關(guān)示意圖。狀態(tài)a，b，c表示其工作原理和過程。當開關(guān)的驅(qū) 動電源失效或斷開的情況下，開關(guān)由狀態(tài)c回到狀態(tài)a。圖2 本實用新型內(nèi)轉(zhuǎn)動部分示意圖。圖3 本實用新型外轉(zhuǎn)動部分示意圖。圖4 本實用新型底座部分示意圖。圖4-1 本實用新型底座部分中的兩組通電螺線圈的結(jié)構(gòu)圖。圖4-2 本實用新型底座部分中的通電螺線圈分結(jié)構(gòu)圖。圖4-3 本實用新型底座部分中的兩組通電螺線圈和四塊永久磁鐵結(jié)構(gòu)圖。圖4-4 螺線圈通過電流時產(chǎn)生磁場的示意圖。圖4-5 通電螺線圈的磁場及永久磁鐵的磁極方向(內(nèi)轉(zhuǎn)動部分)。圖5 本實用新型三維視圖。圖6 本實用新型的四種轉(zhuǎn)動情形圖示。圖7 本實用新型的V型槽和內(nèi)轉(zhuǎn)動軸及外轉(zhuǎn)動軸的擠入(press-fit in)安裝圖示。圖8 本實用新型利用V型槽的微型自鎖定光開光。[0029]圖9 本實用新型的2X2光開關(guān)陣列三維圖。
具體實施方式
本實用新型產(chǎn)品在生產(chǎn)制造技術(shù)方面主要是采用微注入塑型技術(shù)MIMT(Micrc) InjectionMolding Technology)。在圖2中，微型自鎖定雙軸光開關(guān)的內(nèi)轉(zhuǎn)動部分1是由 反光鏡2、永久磁鐵3、內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4以及聚合物內(nèi)主載體5構(gòu)成的，內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4設(shè)置在內(nèi)主載 體5的兩側(cè)壁，兩塊永久磁鐵3以內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4為對稱軸設(shè)置在內(nèi)主載體5底部兩側(cè)，反光鏡 2設(shè)置在內(nèi)主載體4的表面，反光鏡2、兩塊永久磁鐵3 (其中一塊未顯示)、內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4都是 鑲嵌在聚合物內(nèi)主載體5中的，其中內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4可以是金屬栓也可以是聚合物栓，如果是聚 合物栓，則內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4和聚合物內(nèi)主載體5是同時一體形成的。在圖3中，微型自鎖定光開關(guān)的外轉(zhuǎn)動部分6是由兩塊永久磁鐵7 (其中一塊未顯 示)、外轉(zhuǎn)動軸8以及聚合物外主載體9構(gòu)成的，外轉(zhuǎn)動軸8設(shè)置在外主載體9的兩側(cè)邊，兩 塊永久磁鐵7以外轉(zhuǎn)動軸8為對稱軸設(shè)置在外主載體9底部兩側(cè)，以外轉(zhuǎn)動軸8為對稱軸 的外主載體9的兩側(cè)壁上對稱設(shè)置有轉(zhuǎn)軸孔座10，兩側(cè)的兩塊永久磁鐵7、外轉(zhuǎn)動軸8都是 鑲嵌在聚合物外主載體9中的，其中外轉(zhuǎn)動軸8可以是金屬栓也可以是聚合物栓，如果是 聚合物栓，則外轉(zhuǎn)動軸8和聚合物外主載體9是一體同時形成的。在圖4中，微型自鎖定雙軸光開關(guān)的底座部分11是由四塊永久磁鐵12(見圖 4-3)、兩組通電螺線圈13和14以及聚合物底座15構(gòu)成的，底座15上對稱設(shè)置支撐臂16 和轉(zhuǎn)軸孔座17，永久磁鐵12和通電螺線圈13、14都是鑲嵌在聚合物底座15中的。圖4-1，4-2，4-3，4-4和4-5表明了通電螺線圈13、14和永久磁鐵12的詳細結(jié)構(gòu)。 用電磁學中的“右手螺旋法則”可以判斷出通電螺線圈的磁場，當電流通過時，通電螺線圈 14中的兩個線圈分別產(chǎn)生的磁場方向是相反的，通電螺線圈13的磁場亦是如此。圖4-4是 螺線圈13和14通過電流時產(chǎn)生磁場的示意圖。關(guān)于磁場與永久磁鐵的相互作用，以內(nèi)轉(zhuǎn) 動部分1為例，圖4-5表明了通電螺線圈14的磁場方向及其永久磁鐵3和12的磁極方向 的正確組合和安排方式，圖中的電流方向決定了轉(zhuǎn)動方向是逆時針方向，反之亦然。在生產(chǎn)制造過程中，上述各個部件的空間位置的定位是至關(guān)重要的，而且此定位 應(yīng)該是在內(nèi)轉(zhuǎn)動部分1、外轉(zhuǎn)動部分6和底座部分11的模具中分別形成的，聚合物在其融化 的狀態(tài)下分別進入這三個不同的模具中，待到冷卻成型以后，再由內(nèi)轉(zhuǎn)動部分1、外轉(zhuǎn)動部 分6和底座部分11的組裝構(gòu)成微型自鎖定雙軸光開關(guān)。結(jié)合圖5、圖2、圖3和圖4-3，注意 底座部分11的四塊永久磁鐵12與內(nèi)轉(zhuǎn)動部分1和外轉(zhuǎn)動部分6的四塊永久磁鐵3、7形成 四對磁組，每一對磁組的磁場方向必須是相同的，即它們彼此始終是相互吸引的。關(guān)于內(nèi)轉(zhuǎn) 動部分1的轉(zhuǎn)動是怎樣產(chǎn)生的，在圖4-5中已經(jīng)詳細說明過了，外轉(zhuǎn)動部分6的轉(zhuǎn)動的產(chǎn)生 是相似的。圖6顯示的是光開關(guān)的四種轉(zhuǎn)動后的最終空間位置。微型自鎖定雙軸光開關(guān)中 反光鏡2的旋轉(zhuǎn)角度由反光鏡2表面至底座15表面的距離、內(nèi)轉(zhuǎn)動部分1和外轉(zhuǎn)動部分6 的相關(guān)幾何尺寸而決定。總之，微型自鎖定雙軸光開關(guān)中的“自鎖定”功能是通過永久磁鐵組的相互吸引來 完成的，而通電螺線圈的作用就是產(chǎn)生一個使得反光鏡轉(zhuǎn)動的力矩，該力矩來源于永久磁 鐵的磁場與通電螺線圈的磁場的相互作用，而反光鏡的順時針或逆時針轉(zhuǎn)動完成之后，螺 線圈就不需要通電了，即可以將驅(qū)動電源斷開了。[0036]圖7表示的是V型槽18及內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4、外轉(zhuǎn)動軸8的擠入(press-fit in)安裝圖 示。是在外主載體9的兩側(cè)壁和底座部分的支撐臂16上設(shè)置設(shè)置V型槽18，V型槽18的 底部設(shè)置圓形轉(zhuǎn)軸插孔19，內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4和外轉(zhuǎn)動軸8可以通過V型槽18擠入安裝在外轉(zhuǎn)動 部分6和底座部分的支撐臂16上。毫無疑問，這是光開關(guān)中最關(guān)鍵的部分之一，圓形轉(zhuǎn)軸 孔座19、的直徑稍微大于內(nèi)轉(zhuǎn)動軸4、外轉(zhuǎn)動軸8的直徑，從而使得轉(zhuǎn)動時的摩擦力盡量減 小。V型槽底部擠入處的最小尺寸稍小于內(nèi)轉(zhuǎn)動軸和外轉(zhuǎn)動軸的直徑，以便擠入安裝。圖8是利用V型槽而設(shè)計的微型自鎖定光開關(guān)(圖中省略了永久磁鐵和螺線圈部 分)，這種V型槽和擠入安裝的方法不但簡化了生產(chǎn)安裝程序，而且使得利用微注入塑型技 術(shù)MIMT來批量生產(chǎn)光開關(guān)成為可能。圖9是微型自鎖定光開關(guān)2X2陣列，第一步是分別生產(chǎn)出內(nèi)轉(zhuǎn)動部分1、外轉(zhuǎn)動部 分6和底座部分11，然后通過圖7表示的方法組裝成微型自鎖定光開關(guān)。從上述實用新型 的2X2光開關(guān)陣列可以推演出NXN光開關(guān)陣列(N為大于2的整數(shù))的生產(chǎn)和安裝的過 程和步驟。
權(quán)利要求一種微型自鎖定雙軸光開關(guān)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)動部分(1)、外轉(zhuǎn)動部分(6)和底座部分(11)；內(nèi)轉(zhuǎn)動部分包括反光鏡(2)、兩塊永久磁鐵(3)、內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)以及內(nèi)主載體(5)，內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)設(shè)置于內(nèi)主載體(5)兩側(cè)壁上，反光鏡(2)設(shè)置在內(nèi)主載體(5)表面上，兩塊永久磁鐵(3)以內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)為對稱軸設(shè)置在反光鏡(2)下方的內(nèi)主載體(5)底部兩側(cè)；外轉(zhuǎn)動部分(6)包括兩塊永久磁鐵(7)、外轉(zhuǎn)動軸(8)以及外主載體(9)，外轉(zhuǎn)動軸(8)設(shè)置在外主載體(9)的兩側(cè)壁，內(nèi)轉(zhuǎn)動部分(1)通過內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)支撐設(shè)置在外主載體(9)中，兩塊永久磁鐵(7)以外轉(zhuǎn)動軸(8)為對稱軸設(shè)置在外轉(zhuǎn)動部分(6)的底部；底座部分(11)包括四塊永久磁鐵(12)、兩組通電螺線圈(13)、(14)以及底座(15)，四塊永久磁鐵(12)對稱設(shè)置在底座(15)中，兩組通電螺線圈(13)、(14)對應(yīng)設(shè)置在四塊永久磁鐵(12)的上方或下方，外轉(zhuǎn)動部分(6)通過外轉(zhuǎn)動軸(8)支撐設(shè)置在底座部分(11)的支撐臂(16)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型自鎖定雙軸光開關(guān)，其特征在于，所述內(nèi)主載體(5)和內(nèi) 轉(zhuǎn)動軸(4)為聚合物制成，內(nèi)主載體(5)和內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)是一體形成的，兩塊永久磁鐵(3) 鑲嵌在內(nèi)主載體(5)中；所述外主載體(9)和外轉(zhuǎn)動軸⑶為聚合物制成，外主載體(9)和 外轉(zhuǎn)動軸(8)是一體形成的，兩塊永久磁鐵(7)鑲嵌在外主載體中；所述底座部分(11)為 聚合物制成，四塊永久磁鐵(12)、兩組通電螺線圈(13)、(14)鑲嵌在底座(15)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型自鎖定雙軸光開關(guān)，其特征在于，在外轉(zhuǎn)動部分(6)的 外主載體(9)的兩側(cè)壁及底座部分(11)的兩支撐臂(16)上對稱設(shè)置V型槽(18)，V型槽 (18)底部設(shè)置圓形轉(zhuǎn)軸孔座(19)，圓形轉(zhuǎn)軸孔座(19)的直徑稍大于內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)和外轉(zhuǎn) 動軸(8)的直徑，V型槽(18)下部擠入處的最小尺寸稍小于內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)和外轉(zhuǎn)動軸(8) 的直徑，內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)和外轉(zhuǎn)動軸(8)分別擠入安裝在圓形轉(zhuǎn)軸孔座(19)中。
專利摘要一種微型自鎖定雙軸光開關(guān)，其內(nèi)轉(zhuǎn)動部分由反光鏡(2)、兩塊永久磁鐵(3)、內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)及內(nèi)主載體(5)構(gòu)成，外轉(zhuǎn)動部分(6)由兩塊永久磁鐵(7)、外轉(zhuǎn)動軸(8)及外主載體(9)構(gòu)成的，底座部分(11)由四塊永久磁鐵、兩組通電螺線圈及底座構(gòu)成，內(nèi)轉(zhuǎn)動部分(1)通過內(nèi)轉(zhuǎn)動軸(4)支撐設(shè)置在外轉(zhuǎn)動部分(6)內(nèi)，外轉(zhuǎn)動部分(6)通過外轉(zhuǎn)動軸(8)支撐設(shè)置在底座部分(11)的支撐臂(16)上。本實用新型在光開關(guān)的驅(qū)動電源失效或斷開的情況下，能使光開關(guān)仍然處于“開”的接通狀態(tài)從而既能保證通訊的不間斷，并能夠節(jié)省驅(qū)動電源。從本實用新型的2×2光開關(guān)陣列可以推演出N×N光開關(guān)陣列。
文檔編號G02B26/08GK201654329SQ20092025957
公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者劉俊華 申請人:劉曉華