专利名称：微型自锁定单轴光开关的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及应用于光通讯领域中的微机电系统MEMSOnicr0 electro mechanical systems)光开关。
背景技术：
微型光束转向定位器(以下简称光开关)是光通讯领域中最常见、最重要、应用 最广泛的元器件之一。光开关的“开与关”状态与驱动电源的接通与断开状态是一一对 应的，即电源的“接通或断开”对应于开关的“开或关”。以光开关为例，图1是常用微型 光开关示意图，状态a，b，C表示其工作原理和过程。在微机电系统MEMS (micro electro mechanical systems)光开关中，微型镜子是用来反射光束的。改变反射光的方向是通过 对镜子的旋转来实现的，从而使得入射光能够与任何输出通道相连接，此光开关能够使得 光信号之间直接转换，而不需要首先将它们转换成电信号，并且能够形成任何尺度的密集 低损耗的开关。由此开关制做成的开关列阵能够同时转向定位大量的光信号，所以它能 够作为主干线开关来处理大量的信号，例如用于大市区通讯网络的主干线开关。这类常 用微型光开关目前主要是通过MEMS技术来生产。其生产技术又有两类硅微机电系统技 术(Si-MEMS Technology)和印刷电路版 PCB (Printed Circuits Board)微机电系统技术 (PCB-MEMS Technology)。MEMS产品的特点是体积小、功能强、批量生产、造价相对便宜，等 等，已经广泛应用于工业、科技、军事国防等各个领域。但是，在光开关的驱动电源失效或断开的情况下，能否使得光开关仍然处于“开” 的接通状态(图1中的状态b)，从而既能保证通讯的不间断，又能够节省驱动电源呢？具 备这种特性的光开关可称之为“自锁定”光开关(Self-latched optical switch) 0但是， 至今为止市场上还没有出现利用硅微机电系统技术(Si-MEMS Technology)和印刷电路版 PCB(Printed Circuits Board)微机电系统技术和微注入塑型技术MIMT(Micro Injection Molding Technology)所生产出的具有“自锁定”特性的光开关。中国专利“磁吸附平面反 射镜光开关”(03114823.9)虽然也是利用永久磁铁来锁定反射镜，但是其结构、驱动方式、 加工生产技术均与本实用新型不同。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种微型自锁定光束转向定位器，即具有自锁定功能 的关开关。本实用新型的实施方案为一种微型自锁定单轴光开关，包括转动部分和底座部分；转动部分包括反光镜、两块永久磁铁、转动轴以及主载体，转动轴设置于主栽体两 侧壁上，反光镜设置在主载体表面上，两块永久磁铁以转动轴为对称轴设置在反光镜下方 的主载体底部；底座部分具有底座和支撑臂，两块永久磁铁对称设置在主载体的底座中，一组通电螺线圈对应设置在永久磁铁上方或下方，转动部分通过转动轴支撑设置在支撑臂上。所述主载体和转动轴为聚合物制成，主载体和转动轴是一体形成的，两块永久磁 铁镶嵌在主载体中。所述底座部分是为聚合物制成，两块永久磁铁、通电螺线圈镶嵌在底座中。在底座部分的两支撑臂上对称设置V型槽，V型槽底部设置圆形转轴孔座，圆形转 轴孔座的直径稍大于转动轴的直径，V型槽底部挤入处的最小尺寸稍小于转动轴的直径，转 动轴经V型槽挤入安装在圆形转轴孔座中。本实用新型在光开关的驱动电源失效或断开的情况下，能使光开关仍然处于“开” 的接通状态从而既能保证通讯的不间断，并能够节省驱动电源。而且其中一些部件是用微 注入塑型技术MIMT(Micro Injection Molding Technology)来制造成型的，目前，MIMT已 经能够生产出尺寸在1毫米左右的高精度的聚合物(塑料)样品。本专利所设计的V型 槽以及它与转动轴的安装方法解决了用MIMT生产的光开关的转动问题。从本实用新型的 2X2光开关阵列可以推演出NXN光开关阵列(N为大于2的整数)。
图1 普通微型光开关示意图。状态a，b，c表示其工作原理和过程。当开关的驱 动电源失效或断开的情况下，开关由状态c回到状态a。图2 本实用新型转动部分示意图。图3 本实用新型底座部分中的两块永久磁铁和通电螺线圈示意图。图4 本实用新型底座部分示意图。图4-1 本实用新型底座部分中的通电螺线圈分结构图。图4-2 本实用新型的V型槽和转动轴的挤入(press-fit in)安装图示。图5 本实用新型三维视图。图6 本实用新型通电螺线圈的磁场及永久磁铁的磁极方向。图7 本实用新型的两种转动情形图示。图8 本实用新型的2X2光开关阵列三维图。
具体实施方式
本实用新型产品在生产制造技术方面主要是采用微注入塑型技术MIMT(Micrc) Injection Molding Technology) 0在图2中，微型自锁定单轴光开关的转动部分1是由反 光镜2、两块永久磁铁3 (其中一块未显示)、转动轴4以及聚合物主载体5构成的。转动轴 4对称设置在主载体5的两侧壁，反光镜2设置在主载体5的表面，两块永久磁铁3以转动 轴4为对称轴设置在主载体5底部两侧，反光镜2、两块永久磁铁3、内转动轴4都是镶嵌在 聚合物主载体5中的，其中转动轴4可以是金属栓也可以是聚合物栓，如果是聚合物栓，则 转动轴4和聚合物主载体5是同时一体形成的。结合图3、图4，底座部分8具有底座9和支撑臂10，底座9中对称设置两块永久磁 铁6和一组通电螺线圈7，通电螺线圈7的两个线圈分别位于两块永久磁铁6的上方。永久 磁铁6和通电螺线圈7都是镶嵌在聚合物底座8中的。图4-1表明了通电螺线圈7的详细结构，用电磁学中的“右手螺旋法则”可以判断出通电螺线圈的磁场，当电流通过时，通电螺线圈中的两个线圈分别产生的磁场方向是相 反的。图4-2表示的是V型槽11和转动轴4的挤入(press-fit in)安装图示，毫无疑 问，这是光开关中最关键的部分之一。图4-2中，支撑臂10上对应设置V型槽11，V型槽 11底部为圆形转轴孔座12，转动轴4经V型槽11挤入安装在圆形转轴孔座12中。V型槽 11中圆形转轴孔座12的直径应该稍微大于转动轴4的直径，使得转动时的摩擦力尽可能变 小。V型槽底部挤入处的最小尺寸稍小于转动轴的直径。在生产制造过程中，上述各个部件的空间位置的定位是至关重要的，而且此定位 应该是在转动部分1和底座部分8的模具中分别形成的，聚合物在其融化的状态下分别进 入这三个不同的模具中，待到冷却成型以后，再由转动部分1和底座部分8的组装构成微型 自锁定光开关，如图5所示。关于磁场与永久磁铁的相互作用，图6表明了通电螺线圈7的磁场方向及其永久 磁铁3和6的磁极方向的正确组合和安排方式，图中的电流方向决定了转动方向是逆时针 方向，反之亦然。每一对磁组的磁场方向必须是相同的，即它们彼此始终是相互吸引的。参 考图6，光开关的两种顺时针或逆时针转动后的最终空间位置由图7显示。光开关中反光镜 的旋转角度由反光镜表面至底座上表面的距离、转动部分的相关几何尺寸而决定。图8是利用V型槽而设计的微型自锁定光开关2X2阵列(图中省略了螺线圈部 分)，这种V型槽和挤入安装的方法不但简化了生产安装程序，而且使得利用微注入塑型技 术MIMT来批量生产光开关成为可能。第一步是分别生产出转动部分1和底座部分8，然后 通过图4-2表示的方法组装成微型自锁定光开关。从上述实用新型的2X2光开关阵列可 以推演出NXN光开关阵列(N为大于2的整数)的生产和安装的过程和步骤。总之，微型自锁定光开关中的“自锁定”功能是通过永久磁铁组的相互吸引来完成 的，而通电螺线圈的作用就是产生一个使得反光镜转动的力矩，该力矩来源于永久磁铁的 磁场与通电螺线圈的磁场的相互作用，而反光镜的转动完成之后，螺线圈就不需要通电了， 即可以将驱动电源断开了。
权利要求一种微型自锁定单轴光开关，包括转动部分(1)和底座部分(8)；转动部分(1)包括反光镜(2)、两块永久磁铁(3)、转动轴(4)以及主载体(5)，转动轴(4)设置于主载体(5)两侧壁上，反光镜(2)设置在主载体(5)表面上，两块永久磁铁(3)以转动轴(4)为对称轴设置在反光镜(2)下方的主载体(1)底部；底座部分(8)具有底座(9)和支撑臂(10)，两块永久磁铁(6)对称设置在底座(9)中，一组通电螺线圈(7)对应设置在两块永久磁铁(6)的上方或下方，转动部分(1)通过转动轴(4)支撑设置在支撑臂(10)上。
2.根据权利要求1所述的微型自锁定单轴光开关，其特征在于，所述主载体(5)和转动 轴(4)为聚合物制成，主载体(5)和转动轴(4)是一体形成的，两块永久磁铁(3)镶嵌在主 载体中；所述底座部分(8)为聚合物制成，两块永久磁铁(6)、通电螺线圈(7)镶嵌在底座 (9)中。
3.根据权利要求1所述的微型自锁定单轴光开关，其特征在于，在底座部分(8)的两支 撑臂(10)上对称设置V型槽(11)，V型槽(11)底部设置圆形转轴孔座(12)，圆形转轴孔 座(12)的直径稍大于转动轴(4)的直径，V型槽(11)底部挤入处的最小尺寸稍小于转动 轴(4)的直径，转动轴(4)经V型槽(11)挤入安装在圆形转轴孔座(12)中。
专利摘要一种微型自锁定单轴光开关，包括转动部分(1)和底座部分(8)，转动部分的转动轴(4)设置于主载体两侧壁上，反光镜(2)设置在主载体(5)表面上，两块永久磁铁(3)以转动轴(4)为对称轴设置在反光镜(2)下方的主载体(1)底部，底座部分的两块永久磁铁对称设置在底座中，一组通电螺线圈(7)对应设置在两块永久磁铁的上方或下方，转动部分(1)通过转动轴(4)支撑设置在支撑臂(10)上。本实用新型在光开关的驱动电源失效或断开的情况下，能使光开关仍然处于“开”的接通状态从而既能保证通讯的不间断，并能够节省驱动电源。从本实用新型的2×2光开关阵列可以推演出N×N光开关阵列。
文档编号G02B26/08GK201654328SQ20092025957
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者刘俊华 申请人:刘晓华