一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器、A压电陶瓷驱动器、B压电陶瓷驱动器、运动传递机构、基座、传感器安装座、玻璃贴片、预紧螺栓和固定螺栓。运动传递机构安装在基座的开设有凹腔的上方，传感器安装座安装在基座的左上方，第二输出板的内侧面板上安装了玻璃贴片；A压电陶瓷驱动器与B压电陶瓷驱动器的输出力沿Y轴布局，且两个压电陶瓷驱动器平行放置，电容式传感器用于敏感测量第一输出板在X轴上的位移变化，且电容式传感器安装在传感器安装座上。本发明设计解决了保偏光纤在装配过程中面临的旋转角度对准的重型夹持、搓动问题，同时保证了保偏光纤旋转角度对准的精度的前提下，提高了装配效率并有效的降低了生产成本。
【专利说明】一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微夹钳机构，更特别地说，是指一种新颖的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳。
【背景技术】
[0002]基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems,微机电系统)芯片的光开关(或者MEMS光开关)是一种集成有娃芯片与光纤的复合系统,用于新一代全光通信网络中的光路切换。
[0003]然而，由于MEMS芯片与光纤均是易损元件，它们的集成装配不但要考虑光纤的耦合效率，还要考虑这些元件装配过程中的损坏问题。这导致MEMS光开关的装配常常需要一个复杂、精密的微操作系统，造成它的封装费用居高不下，影响了 MEMS光开关的应用和普及。对于具有高可靠性和高光耦合效率的U型槽MEMS光开关来说，其装配问题更加严重。因此在光开关的制造上，MEMS芯片与输入输出光纤的低成本装配便成为一个不可回避的问题。
[0004]光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
[0005]光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。在光纤中传播的光波，因为具有电磁波的性质，所以，除了基本的光波单一模式之外，实质上还存在着电磁场(TE、TM)分布的两个正交模式。通常，由于光纤截面的结构是圆对称的，这两个偏振模式的传播常数相等，两束偏振光互不干涉，但实际上，光纤不是完全地圆对称，例如有着弯曲部分，就会出现两个偏振模式之间的结合因素，在光轴上呈不规则分布。偏振光的这种变化造成的色散，称之偏振模式色散(PMD)。对于现在以分配图像为主的有线电视，影响尚不太大，但对于一些未来超宽带有特殊要求的业务，如:
[0006]①相干通信中采用外差检波，要求光波偏振更稳定时；
[0007]②光机器等对输入输出特性要求与偏振相关时；
[0008]③在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时；
[0009]④制作利用光干涉的光纤敏感器等，
[0010]凡要求偏振波保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤(PMF:Polarizat1n Maintaining fiber),或称其为固定偏振光纤。保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤曾经被西方发达国家列入对我禁运的清单。由于偏振保持光纤的非对称结构，其在连接过程中无法避免的会产生旋转角度的偏差所造成的光信号的损失，所以如何对其旋转角度进行控制和对准，是一个非常现实而重要的问题。
【发明内容】
[0011]为了解决保偏光纤在装配过程中面临的旋转角度对准的重型夹持、搓动问题，本发明设计了一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳。该单片二自由度微夹钳在保证了保偏光纤旋转角度对准的精度的前提下，提高了装配效率并有效的降低了生产成本。
[0012]本发明设计了一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器(5A)、A压电陶瓷驱动器(3A)、B压电陶瓷驱动器(3B)、运动传递机构(I)、基座(2)、传感器安装座(5)、玻璃贴片(6)、预紧螺栓和固定螺栓；
[0013]A压电陶瓷驱动器(3A)安装在运动传递机构(I)的第一输入板(IA)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且A压电陶瓷驱动器(3A)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有B挡块(3D)；
[0014]B压电陶瓷驱动器(3B)安装在运动传递机构(I)的第二输入板(IB)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且B压电陶瓷驱动器(3B)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有A挡块(3C)；
[0015]基座(2)上设有第一面板(2A)、第二面板(2B);所述第一面板(2A)上设有供安装B固定螺栓(7B)的AC螺纹孔(2A1)、供安装A固定螺栓(7A)的AD螺纹孔(2A3)以及运动传递机构(I)在运动时实现不干涉的第一凹腔(2A2)和第二凹腔(2A4);所述第二面板(2B)上设有AA通孔(2B1)和AB通孔(2B2)，AA通孔(2B1)用于A预紧螺栓(4A)穿过，AB通孔(2B2)用于B预紧螺栓(4B)穿过；
[0016]传感器安装座(5)上设有A支臂(5A)、B支臂(5B)、开口通孔(5C)和连接块(5D)，A支臂(5A)与B支臂(5B)之间是开口通孔(5C);连接块(5D)上设有AC通孔(5E)，该AC通孔(5E)用于C固定螺栓(7C)穿过，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓(7C)螺纹连接在运动传递机构(I)的CC螺纹孔(1C3)中，通过C固定螺栓(7C)实现连接块(5D)安装在运动传递机构(I)的第一输出板(IC)上；开口通孔(5C)用于放置电容式传感器(5E)，通过分别在A支臂(5A)与B支臂(5B)上的通孔中插入螺钉(5F)，实现将电容式传感器(5E)夹紧安装在传感器安装座(5)上；
[0017]运动传递机构(I)上设有第一输入板(IA)、第二输入板(IB)、第一输出板(1C)、第二输出板(ID)、第一固定板(IE)、第二固定板(IF)、第一梁(101)、第二梁(102)、第三梁(103)、第四梁(104)、第五梁(105)、第六梁(106)、第七梁(107)、第八梁(108)、第九梁
(109)、第十梁(110)；
[0018]运动传递机构(I)上切割有第一切缝(111)、第二切缝(112)、第三切缝(113)、第四切缝(114)、第五切缝(115)、第六切缝(116)、第七切缝(117)、第八切缝(118)和第九切缝(119)；
[0019]第一切缝(111)位于第一输入板(IA)与第一固定板(IE)之间；
[0020]第二切缝(112)位于第一固定板(IE)与第二输入板(IB)之间；
[0021]第三切缝(113)位于第二输入板(IB)与第二固定板(IF)之间；
[0022]第四切缝(114)位于运动传递机构(I)的左边，也是第一梁(101)、第一输出板
(IC)、第二梁(102)和第一固定板(IE)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第一封闭空腔；
[0023]第五切缝(115)是第一输出板(1C)、第二梁(102)、第一固定板(IE)、第五梁
(105)、第六梁(106)、第九梁(109)和第二输出板(ID)形成的开口空腔；
[0024]第六切缝(116)位于运动传递机构(I)的右边，也是第二固定板(IF)、第三梁
(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第七梁(107)和第二输出板(ID)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第二封闭空腔；
[0025]第七切缝(117)是第二输入板(IB)、第三(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第五梁(105)和第十梁(110)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第三封闭空腔；
[0026]第八切缝(118)是第二固定板(IF)、第七梁(107)、第八梁(108)和第二输出板
(ID)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第四封闭空腔；
[0027]第九切缝(119)为切割在第一输出板(IC)上的封闭空腔，该封闭空腔称为第五封闭空腔；由于存在的第五封闭空腔，使得第一输出板(IC)上具有第十一梁(ICl)和第十二梁(1C2)；
[0028]所述第一输出 板(IC)上有第十一梁(ICl)和第十二梁(1C2);所述第一固定板
(IE)上设有供A固定螺栓(7A)穿过的CA通孔(IEl)，穿过CA通孔(IEl)的A固定螺栓(7A)螺纹连接在基座(2)的AD螺纹孔(2A3)内；所述第二固定板(IF)上设有供B固定螺栓(7B)穿过的CB通孔(IFl)，穿过CB通孔(IFl)的B固定螺栓(7B)螺纹连接在基座(2)的AC螺纹孔(2A1)内；所述第一输出板(IC)上设有供安装C固定螺栓(7C)的CC螺纹孔(1C3)，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓(7C)螺纹连接在运动传递机构⑴的第一输出板(IC)上；第一输出板(IC)的内侧面板上设有光纤夹持槽(1C4),该光纤夹持槽(1C4)用于放置光纤，第二输出板(ID)与第一输出板(IC)的相对面板上粘接有玻璃贴片(6)；
[0029]第一输入板(IA)与第一梁(101)构成第一放大机构；第二输入板(IB)与第一梁
(101)构成第二放大机构；第一输出板(1C)、第一左刚性梁(301)和左输出板(32)构成左侧第二级放大机构，右柔性梁(312)、第一右刚性梁(321)和右输出板(33)构成右侧第二级放大机构。
[0030]运动传递机构(I)中的Al、A2、A3是一个杠杆放大机构，用于放大位移，放大倍数是
【权利要求】
1.一种用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:该单片二自由度微夹钳包括有电容式传感器(5A)、A压电陶瓷驱动器(3A)、B压电陶瓷驱动器(3B)、运动传递机构(I)、基座(2)、传感器安装座(5)、玻璃贴片(6)、预紧螺栓和固定螺栓； A压电陶瓷驱动器(3A)安装在运动传递机构(I)的第一输入板(IA)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且A压电陶瓷驱动器(3A)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有B挡块(3D)； B压电陶瓷驱动器(3B)安装在运动传递机构(I)的第二输入板(IB)与基座(2)的第二面板(2B)之间，且B压电陶瓷驱动器(3B)与基座(2)的第二面板(2B)之间放置有A挡块(3C)； 基座(2)上设有第一面板(2A)、第二面板(2B);所述第一面板(2A)上设有供安装B固定螺栓(7B)的AC螺纹孔(2A1)、供安装A固定螺栓7A的AD螺纹孔(2A3)以及运动传递机构(I)在运动时实现不干涉的第一凹腔(2A2)和第二凹腔(2A4);所述第二面板(2B)上设有AA通孔(2B1)和AB通孔(2B2)，AA通孔(2B1)用于A预紧螺栓(4A)穿过，AB通孔(2B2)用于B预紧螺栓(4B)穿过； 传感器安装座(5)上设有A支臂(5A)、B支臂(5B)、开口通孔(5C)和连接块(5D)，A支臂(5A)与B支臂(5B)之间是开口通孔(5C);连接块(5D)上设有AC通孔(5E)，该AC通孔(5E)用于C固定螺栓(7C)穿过，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓7C螺纹连接在运动传递机构(I)的CC螺纹孔(1C3)中，通过C固定螺栓(7C)实现连接块(5D)安装在运动传递机构(I)的第一输出板(IC)上；开口通孔(5C)用于放置电容式传感器(5E)，通过分别在A支臂(5A)与B支臂 (5B)上的通孔中插入螺钉(5F)，实现将电容式传感器(5E)夹紧安装在传感器安装座(5)上； 运动传递机构(I)上设有第一输入板(IA)、第二输入板(IB)、第一输出板(IC)、第二输出板(ID)、第一固定板(IE)、第二固定板(IF)、第一梁(101)、第二梁(102)、第三梁(103)、第四梁(104)、第五梁(105)、第六梁(106)、第七梁(107)、第八梁(108)、第九梁(109)、第十梁(110)； 运动传递机构(I)上切割有第一切缝(111)、第二切缝(112)、第三切缝(113)、第四切缝(114)、第五切缝(115)、第六切缝(116)、第七切缝(117)、第八切缝(118)和第九切缝(119)； 第一切缝(111)位于第一输入板(IA)与第一固定板(IE)之间； 第二切缝(112)位于第一固定板(IE)与第二输入板(IB)之间； 第三切缝(113)位于第二输入板(IB)与第二固定板(IF)之间； 第四切缝(114)位于运动传递机构(I)的左边，也是第一梁(101)、第一输出板(1C)、第二梁(102)和第一固定板(IE)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第一封闭空腔； 第五切缝(115)是第一输出板(1C)、第二梁(102)、第一固定板(IE)、第五梁(105)、第六梁(106)、第九梁(109)和第二输出板(ID)形成的开口空腔； 第六切缝(116)位于运动传递机构(I)的右边，也是第二固定板(IF)、第三梁(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第七梁(107)和第二输出板(ID)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第二封闭空腔； 第七切缝(117)是第二输入板(IB)、第三(103)、第四梁(104)、第六梁(106)、第五梁(105)和第十梁(110)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第三封闭空腔； 第八切缝(118)是第二固定板(IF)、第七梁(107)、第八梁(108)和第二输出板(ID)围成的封闭空腔，该封闭空腔称为第四封闭空腔； 第九切缝(119)为切割在第一输出板(IC)上的封闭空腔,该封闭空腔称为第五封闭空腔；由于存在的第五封闭空腔，使得第一输出板(IC)上具有第十一梁(ICl)和第十二梁(1C2)； 所述第一输出板(IC)上有第十一梁(ICl)和第十二梁(1C2);所述第一固定板(IE)上设有供A固定螺栓(7A)穿过的CA通孔(IEl)，穿过CA通孔(IEl)的A固定螺栓(7A)螺纹连接在基座⑵的AD螺纹孔(2A3)内；所述第二固定板(IF)上设有供B固定螺栓(7B)穿过的CB通孔(IFl)，穿过CB通孔(IFl)的B固定螺栓(7B)螺纹连接在基座⑵的AC螺纹孔(2A1)内；所述第一输出板(IC)上设有供安装C固定螺栓(7C)的CC螺纹孔(1C3)，穿过AC通孔(5E)的C固定螺栓(7C)螺纹连接在运动传递机构(I)的第一输出板(IC)上；第一输出板(IC)的内侧面板上设有光纤夹持槽(1C4),该光纤夹持槽(1C4)用于放置光纤，第二输出板(ID)与第一输出板(IC)的相对面板上粘接有玻璃贴片(6)； 第一输入板IA与第一梁101构成第一放大机构；第二输入板IB与第一梁101构成第二放大机构；第一输出板1C、第一左刚性梁301和左输出板32构成左侧第二级放大机构，右柔性梁312、第一右刚性梁321和右输出板33构成右侧第二级放大机构。
2.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:光纤夹持槽(1C4)的角度β = 60° -120°。
3.根据权利要求1所 述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:所述单片二自由度微夹钳的运动传递机构(I)的振动模型为: 第一输入板(IA)与第一梁(101)的接合处为Al变形点； 第一固定板(IE)与第一梁(101)的接合处为Α2变形点；A1变形点的中心与Α2变形点的中心在X轴方向上的距离记为a ； 第一固定板(IE)与第二梁(102)的接合处为A3变形点； 第一输出板(IC)与第一梁(101)的接合处为A4变形点；A2变形点的中心与A4变形点的中心在Y轴方向上的距离记为b，A3变形点的中心与A5变形点的中心在Y轴方向上的距离记为b ； 第一输出板(IC)与第二梁(102)的接合处为A5变形点； 第一固定板(IE)与第五梁(105)的接合处为BI变形点； 第二输入板(IB)与第五梁(105)的接合处为B2变形点； 第二输入板(IB)与第十梁(110)的接合处为B3变形点； 第二输入板(IB)与第三梁(103)的接合处为B4变形点； 第二固定板(IF)与第三梁103的接合处为B5变形点； 第三梁(103)与第四梁(104)的接合处为B6变形点； 第四梁(104)与第六梁(106)的接合处为B7变形点； 第六梁(106)与第五梁(105)的接合处为B8变形点；B1变形点的中心与B2变形点的中心在X轴方向上的距离记为cl ;B2变形点的中心与B8变形点的中心在X轴方向上的距离记为c2 ；B4变形点的中心与B5变形点的中心在X轴方向上的距离记为c3 ；B5变形点的中心与B6变形点的中心在X轴方向上的距离记为c4 ；B7变形点的中心与B8变形点的中心在X轴方向上的距离记为c5 ；B8变形点的中心与C6变形点的中心在X轴方向上的距离记为c6 ； 第二固定板(IF)与第八梁(108)的接合处为Cl变形点； 第二固定板(IF)与第七梁(107)的接合处为C2变形点； 第二输出板(ID)与第八梁(108)的接合处为C3变形点； 第二输出板(ID)与第七梁(107)的接合处为C4变形点； 第一输出板(IC)上的第十一梁(ICl)的接合处为Dl变形点、D4变形点；第一输出板(IC)上的第十二梁(1C2)的接合处为D2变形点、D3变形点； 连接变形点A2、A3、A4和A5构成第一个平行四杆机构；连接变形点C1、C2、C3和C4构成第二个平行四杆机构；连接变形点D1、D2、D3和D4构成第三个平行四杆机构； 在A压电陶瓷驱动器(3A)提供的驱动力记为F1，B压电陶瓷驱动器(3B)提供的驱动力记为F2 ;F1驱动力和F2驱动力沿Y轴方向运动；第一输出板(IC)的输出位移记为G1，Gl输出位移是X轴方向运动；第二输出板(ID)的输出位移记为G2，G2输出位移是Y轴方向运动；在々压电陶瓷驱动器(3A)和B压电陶瓷驱动器(3B)提供的驱动力条件下，第一输出板(IC)与第二输出板(ID)具有夹紧和搓动光纤的功能；被夹持的光纤在X轴方向上向玻璃贴片(6)靠近，且在第一输出板(IC)的槽口中转动。
4.根据权利要求 2所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:运动传递机构(I)中的Al、A2、A3是一个杠杆放大机构,用于放大位移,放大倍数是土。
a
5.根据权利要求2所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:运动传递机构(I)中的Al、A2、A3、A4是一个平行四杆机构，用于保证输出端运动的水平行。
6.根据权利要求2所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:运动传递机构(I)中的右侧第二级放大机构对B压电陶瓷驱动器输出位移的放大倍数为+
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7.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:电容式传感器5E的敏感端与运动传递机构I的第一输出板IC的外侧面板接触。
8.根据权利要求1所述的用于光纤装配的高精度高效率的单片二自由度微夹钳，其特征在于:压电陶瓷驱动器的输出最大位移是17.4微米。
【文档编号】B25B11/02GK104070483SQ201410251415
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月8日 优先权日:2014年6月8日
【发明者】张建斌, 卢康康, 陈伟海, 蒋俊 申请人:北京航空航天大学