动态微型定位与校准器的制作方法

专利名称：动态微型定位与校准器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个或多个用于动态校准、定位或移动媒介(Media)、整件(Mass)、部件(component)和仪器(device)的微型定位器。所述媒介包括但不限于一条或多条光纤、光学元件、管子或线路；所述部件包括但不限于透镜、管嘴、阀门、天线元件和射频(以下简称“RF”)接脚。微型定位器可以安装和固定在护套或其它外壳中，这些护套和外壳用于容纳和固定媒介或牢固部件。微型定位器还可以定位一体化封装材料(如光纤封装)。
背景技术：
媒介或部件校准的传统方式是采用主动或被动方式静态校准媒介、部件或安装媒介或部件的支架。静态是指媒介或相关元件固定后就无法再做调整。为了采用被动方式校准媒介，需要利用半导体技术将小型硅工作台蚀刻到仪器中。这样，零部件就能够放置到硅工作台上，并且固定到位。在上述情况下，媒介可能包括光纤。被动方式需要光纤精确定位和对准一个机械部件，可以依次定位在工作台的蚀沟内。采用被动方式的校准成功率不高，因为在多数情况下，机械部件与光纤之间的连接关系不够精确。采用被动方式的缺点是在光纤被放置和固定到最终位置后，无法再做调整。这种缺点也适用于除光纤以外的其它媒介。
由于被动方式的上述缺陷，媒介或部件的主动校准方式得到了广泛应用。主动方式利用复杂设备来移动并校准媒介，主要是光纤。该设备然后采用粘接、焊接或熔接方式来固定媒介(如光纤)。尽管主动方式更加精确，但是成功使用主动方式需要复杂设备和精确的零部件，其表面应该特别平滑。缺点就是，使用主动方式的生产量低，并且重新加工组件也较困难。与被动校准一样，主动校准也是静态的。本发明包括一个动态微型定位器，用于定位和校准媒介或部件；本发明还包括多种较佳实施例和应用。本发明可用于定位和校准媒介和部件；媒介包括但不限于一条或多条纤维、光纤、光学元件、管子或线路；部件包括但不限于透镜和管嘴。
在先技术披露了各种传统的主动和被动的方法和装置用于校准媒介和部件，通常是光学元件和光学组件。Dhuler等人发明的MEMS技术激励器(美国专利号6,114,794)采用硅基片，其上加入双金属材料。Dhuler发明的MEMS激励器的制造方式是一个单独的发热器，使双金属片膨胀。其缺点是Dhuler的双金属片牢固附在基片上，这使得只能达到很小的位移量。并且，Dhuler还进一步披露了插销(latch)机制。但是只有在少数不连续的位置上的锁定光学元件时，这种插销才能发挥作用。与Dhuler形成对照的是，本发明较佳实施例包括用于膨胀之用的集成发热器和一个允许连续锁定位置的锁紧机构。本发明较佳实施例中的机构可在一系列交替锁定位置中转换。这使得移动范畴扩大，集成发热器可以为用户提供准确的步长。
Goodman等人发明的光交换设备和方法(美国专利号6,381,382B2)，在光纤的一端纵向添加一个合成物，它随着电信号膨胀或收缩。Goodman的发明可以弯曲光纤，因此可以校准光纤。其缺点是Goodman的发明需要持续不断的电能，以供应校准，并且需要使用压电材料和其它材料。由于光纤局部应力，光信号的偏振性能可能受到影响。本发明较佳实施例利用一体化的微型定位器将媒介(如光学元件)移到所需要的位置。本发明不使用纵向的激励器附在光纤上，而是使用与光纤垂直的MEMS热激励器。
Flanders发明的安装和校准结构(美国专利号6,487,355)披露了被动校准和静态固定结构，通过弯曲可微调。Flanders的发明不能使用静态固定。与此不同的是本发明无需弯曲，即可对媒介进行主动校准，还可以对媒介进行动态固定。
LaBudde发明的光交换系统(美国专利号4,696,062)及方法包括一个光开关，它可以依据端口之间的光棒(optical rod)位置来移动透镜，以作交换之用，这样就可以通过监控反射光来校准。与此不同的是本发明光纤较佳实施例中，可以任意利用两个校直器之间、校直器与连接器之间、或连接器与光纤之间的空间。
Bergmann等人发明的透镜组(美国专利号6,374,012B1)利用光程内的透镜来改变瞄准角(当移动到与光程垂直位置时)。该组件要求外部操纵者将部件移至所需要的位置，然后采用焊接、熔接和粘接方式，以将组件固定到位。固定到位后，不能再调整元件位置。与此不同的是本发明较佳实施例使用一体化的微型定位器来移动元件(如光学元件)，将其移至所需位置。本发明组件具有自锁功能，这样，如果断电的话，元件还是固定的。而且，本发明具有动态功能，这样在产品使用同期内的任一时间点，都可以使用电能将媒介(如光纤或光纤元件)移动到一个新的安装位置。
Laor发明的压电装置(美国专利号4,512,036)利用压电零部件来弯曲光纤，从而对其进行校准。在Laor的发明中，如果出现变形，则固定为静态。如果未出现变形，则须保持电压以确保校准。使用压电装置的缺点是需要向压电元件提供和保持高电压。而本发明的较佳实施例利用一体化的微型定位器将媒介(如光纤或光纤部件)移动到所需的位置。本发明的较佳实施例还具有自锁功能，这样，如果断电的话，媒介(如光纤和光纤部件)仍旧能够保持固定。
Musk发明的组件(美国专利申请号09/733,049)使用硅加工机械零部件作为定位和移动光学元件的一种方式。这种组件要求外部操纵者将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，以将光学元件固定到位。这种发明的缺点是固定是静态的；因为，校准固定后，媒介或元件无法进行进一步调整。而本发明较佳实施例利用一体化的微型定位器将媒介(如光纤或光学部件)移至所需要的位置。并且，本发明的较佳实施例还具有自锁功能，这样，如果本发明断电的话，媒介(如光纤和光纤部件)仍旧能够固定，但是本发明在产品使用周期内的任何时间能够保持动态，因为可通电将媒介移到一个新的安装位置。
Paten发明(美国专利号6,205,266)的方法利用与信号通道耦合的光线来提供反馈，这样可以连续调整光纤。这种发明实施方法被称为主动校准。Paten的发明需要不断供应电源，以保持光学元件的位置。与此不同的是本发明较佳实施例中，允许周期性的调整，固定和再校准，无需向微型定位器提供不间断电源。Paten的发明虽然可以利用光反馈结构进行连续校准，但是它没有固定机构，而本发明则包括固定机构。
Deck等人发明的仪器(美国专利申请号10/098,742)采用干涉测量方式，利用外部操纵者来主动校准和静态固定光纤。与此不同的是本发明较佳实施例中，使用一体化的微型定位器来动态固定，本发明方式可清楚探测校准误差。
在下列所有参考文献中，没有一个发明的实施方法和设备利用一体化的微型定位器来动态校准媒介，将光纤或光纤元件移至所需要的位置，微型定位器组件具有自锁功能。并且，在下列所有参考文献中，没有一个发明能够保持动态，以至于在产品使用周期的任一时间，都需要通电将光纤移至一个新的安装位置，才有可能校准。例如Joyce等人的发明实施方法和仪器(美国专利号6,244,755B1)利用主动校准和静态(非动态)固定方式，利用外部控制器和一个用于校准而改变形状的金属支架。Witherspoon发明的光接口(美国专利号6,477,303)利用V型槽技术，进行被动校准和静态固定，更容易使用光底板技术。Witherspoon的发明强调电路板和主板之间的接口，使用微电机技术，在基板上化学蚀刻线路，以使自校准变得容易。Rabinski的发明的实施方法和仪器(美国专利号6,480,651B1)用于校准光学部件，它采用两个平台第一平台用于校准光纤；第二平台用于调整、保持和锁定光学部件在虚拟旋转中心附近。Rabinski的发明用于校准纤维阵列，与使用V型槽技术的发明类似。Ventrudo发明的设备(美国专利号6,240,119)利用部分反射镜和与光束相连的光纤光栅来稳定激光性能。Holl等人发明的移动支架(美国专利号5,748,827)包括一个被动校准方式，它使用两个可安装模块平台(一个大平台和一个微型平台)，还包括一个流量控制通道。Reeve等人发明的耦合元件(美国专利号4,452,506)包括一个校准算法和方法，它利用光纤包层内的光线来确定光纤移动方向，以获得校准功能。Carr等人发明的静电微激励器(美国专利号5,214,727)利用静电微激励器来移动光线，它应用于开关中。这种激励器专门设计成H形状。Carr等人的发明实施方法限制移动规模，并且要求较高的允许电压。与此不同的是本发明较佳实施例使用一根热膨胀条，它可以提供大的或小的步长移动(在低压情况下)。校正装置(美国专利号4,474,423)也利用包层玻璃中的光线来校准光纤，它可以应用于接头。MacDonald发明的极化变换器和移相器(美国专利申请号10/150,060)的实施方法主要应用于波导管移相或者变换极化状态。Cao等人发明的光信号中的衰减功率之方法和系统(美国专利申请号09/796,267)利用各种光学衰减器中的MEMS反射镜。Hsu等人发明的结构(美国专利申请号10/072,629)通过灵活的对称性，提供一种补偿热效应和热应力的方法。Miracky发明的装置和发明实施方法(美国专利申请号09/775,867)使用一个静电激励器，它利用一个梳型驱动器来移动光学透镜。
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“表面微加工二维透镜扫描阵列”，光学部件采用步进式移动来移动透镜，使其与另一个光学仪器对齐。Toshiyoshi的装置的缺点是它需要提供大电压，使其能够按照蚀刻步长(以微米为增量)来移动梳型驱动器。而本发明较佳实施例利用一体化的微型定位器来移动光学部件，利用一根膨胀条将其移动到所需要的位置，本发明中的微型定位器能够以小的步长或大的步长来移动媒介、部件，并且可以在无电源的情况下将媒介和部件锁定到位。本发明通过提供廉价、动态的媒介校准方式，克服了被动和主动校准方式的不足之处。在安装完网络和设备之后的组件安装步骤中，本发明允许调整和校准媒介和部件。
May发明的压电尺蠖式马达(美国专利申请号3,902,084)可以提供单向精确移动。该设备不提供双向移动(而本发明则提供双向移动)，它旨在驱动与压电激励器平行的圆柱形轴。这样一种配置，无论是大小还是方向都不适合现场动态校准器发挥功能。与此不同的是本发明较佳实施例利用一体化的带有动态固定配置的微型定位器应用于现场，它需要对多个方向进行控制。
David A.Henderson发明的设备(美国专利申请号6380661)也公开了一种单向移动的压电尺蠖式马达。该发明利用MEMS技术和交错箝位制造交指型峰(interdigitatedridges)，以进行线性移动；为了维持负载，它必须提供电源。而本发明允许不同方向的移动，负载时无需电源，并且提供一个可应用于现场的小型配置。

发明内容
应用于通信中的光纤需要对各种光学元件进行校准，最小公差小于0.1微米。这些最小公差在过去的商业制造中还没有先例。为了在校准光纤和相关部件时获得最小公差，这就需要高价设备和较长的光学部件生产周期。而本发明较佳实施例中，使用一种能够获得较低的校准公差的部件，同时可以完成光输入/输出(以下简称“I/O”)目的。并且，本发明较佳实施例中，它能够满足动态控制和调整光功率的需求。
严格讲，光学透镜或其它光学部件(如平面部件)需要较低的公差。但是在大量生产时，很难获得较低的公差。本发明较佳实施例和应用实例包括一个光学校准器一个准直器，它提供一种动态获得精确、较低的校准公差的方式，还提供一种在产品使用周期内微调光纤的方式。本发明较佳实施例包括一个微型定位器，用于校准和操纵光纤，整套组件可以安装在独立的框架中或安装在综合组件中。根据不同的应用，透镜和/或护套(包括一个密护套)可当作独立框架中的部件。当应用中需要采用光束调整时，可在独立框架一端使用透镜。还可以使用金属护套、箱子或包装，用作密封仪器的必需品，它们可以使得安装更加容易，并且/或者真空密封产品。
本发明其中一个较佳实施例中，微型定位器单向移动媒介或部件(媒介包括但不限于一条或多条光纤、光学元件、管子或线路；部件包括但不限于透镜、管嘴式媒介)。在另一个较佳实施例中，微型定位器在其平面上至少二维移动媒介或部件(媒介包括但不限于一条或多条光纤、光学元件、管子或线路；部件包括但不限于透镜、管嘴式媒介)。
本发明在一维或二维上的应用是动态准直器。本发明另一个在一维或二维上的应用是动态光纤校准仪。除了不使用准直透镜外，动态光纤校准仪与动态准直器相似。以上任一应用中，动态光纤校准仪或动态准直器通过焊接、熔接、环氧树脂或其它方式与光纤组件连接在一起。与传统的准直器和光纤校准方式不同，本发明连接公差的要求不严格，因为本发明中的微型定位器具有动态性，可以电子调整，以获得所需要的校准效果。本发明媒介或部件可以实现主动调整，通过施加电信号或脉冲(包括以一定控制序列经过微型定位臂杆的电流、施加在微型定位臂杆上的电压，)，来定义光纤(或其它媒介)一维或二维移动的方向和距离。电信号/脉冲的振幅或持续时间可以用来定义移动距离。如果未施加信号，则微型定位器锁定到位，以确保固定到所需要的位置。利用半导体技术来构造本发明微型定位器。微型定位器利用膨胀条的可测量的热膨胀特点来引起移动，从而定位和校准媒介或部件。有一套相应的夹钳位于膨胀条两端，对于每一次膨胀或收缩，这种机构都造成一个精确的步进移动。对于每一个自由度，至少需要一根膨胀条。由于膨胀条消耗的能量与电压的平方成正比，又由于热膨胀与电能消耗成线性关系，因此膨胀大小或步长与施加电压的平方成正比。因此，本发明有能力获得大的步长(以微米为单位)和小的步长(以纳米为单位)。
本发明多个实施例披露了利用半导体来实现膨胀条功能，但是，可以使用未采用半导体技术的小型机械部件来实现热膨胀条功能。可以使用微机电系统(MEMS)技术实现本发明中的微型定位器功能，即在微型定位器中，使用硅蚀刻齿轮或支架来替代膨胀条。或者，本发明还可以使用压电材料或其它材料随着电流或电压的施加而膨胀，以控制移动。


图1是单通道动态准直器的剖面示意图，其中微型定位器移动光纤。
图2是单通道动态准直器的剖面示意图，其中微型定位器移动透镜。
图3(a)是多通道动态校准器/准直器(N×M个通道)的侧视图，其中本发明微型定位器可单独用来调整/校准光纤。
图3(b)是图3(a)N×M阵列的正视图。
图4是多通道动态校准器/准直器的剖面示意图，一个方向有N个通道，另一个方向有M个通道，其中微型定位器可单独用来移动透镜。
图5是一维微型定位器膨胀条的电气操作原理图。
图6是向微型定位器膨胀条发送典型控制信号朝右边移动的脉冲群。
图7是向微型定位器膨胀条发送典型控制信号朝左边移动的脉冲群。
图8(a)是本发明第一个较佳实施例中的微型定位器组件的俯视图。
图8(b)是本发明第一个较佳实施例中的弹簧、夹钳、膨胀条组件的分解图。
图9是本发明二维微型定位器电气操作原理图。
图10是用于微型定位器X轴方向平移平台(X-translation stage)、基于MEMS技术的步进和夹紧机构的俯视图。
图11是用于微型定位器Y轴方向平移平台(Y-translation stage)、基于MEMS技术的步进和夹紧机构的俯视图。
图12是用于微型定位器X-Y轴方向平移平台的联合步进和夹紧机构的俯视图。
图13是用于微型定位器X-Y轴方向平移平台的联合步进和夹紧机构的侧视图。
图14是本发明第二个较佳实施例中的微型定位器的俯视图，即基于MEMS技术、采用步进/夹钳和滑行护圈的机构。
图15是本发明一对安装在外壳内的微型定位器的使用方法，它们用于校准光纤。
图16是二维微型定位器膨胀条的电气操作原理17是图15电气操作原理图的逻辑图。
图18和图19阐明本发明光纤较佳实施例的性能和最大光纤力计算方法。
图20是可变光衰减器(VOA)的控制范围和性能，它们是光纤位移的函数。
图21(a)是透镜的侧视图，显示来自光纤的光线角。
图21(b)是光学控制和准直器性能表，它们是光纤位移的一个函数。
图22(a)和22(b)是光纤性能的约束条件。
具体实施例方式
本发明的优点每个媒介或部件(如光纤或透镜)是独立可调的。当用于光纤时，本发明能使光线输出最优化。可采用微电子技术、光纤封装工艺和依照标准尺寸来构建本发明之护套或其它外壳。本发明在光纤实施例中，可以封装起来，将光纤导和微型定位器固定在护套内。将控制导线或电线穿过护套和外壳孔径，以利用电力来调整微型定位器。
应用于光纤的本发明较佳实施例中，也使用透镜或透镜组件。如果需要光束调整，则需要使用透镜。本发明这种实施例，可使用护套或外壳包装。在每个光纤较佳实施例中，需要一个至少能够单向调整光纤、其它媒介或透镜的微型定位器。在光学应用中，在光纤和透镜之间，或在光纤和其它光学部件(如平面型部件)之间(无需透镜的情况下)，对光纤和透镜的公差要求严格。利用粘贴或其它合适的附着方式将光纤和光纤导管装入护套或外壳内。本发明光纤较佳实施例中，光纤或其它媒介处于固定状态，并且部件(如透镜)通过微型定位器调节。在这种情况下，光纤不穿过微型定位器，但是部件(如透镜)安装在微型定位器上。本发明的护套或外壳的外形和尺寸与传统的准直器及连接器相似，尽管本发明控制线或电线穿过护套或外壳。
微型定位器是一种电力启动的多维设备，它能够将媒介或部件以不同的步长(几微米至几纳米)移动到所需要的位置。在本发明较佳实施例中，光纤裸露的一端穿过可移动安装支架，可移动安装支架安装在微型定位器往复式分组件上面。当可移动安装支架朝着X-Y轴方向平移，光纤裸露的一端弯曲。靠近光纤裸露端的光纤包层牢固附着在护套或外壳内的纤维导管中。与微型定位器的移动距离相比，微型定位器和纤维导管之间的距离较大，这样光纤相对于透镜的距离变化不明显，微弯曲损失并不重要。在微型定位器运行中，采用电脑算法来计算和向微型定位器发送控制信号，以准确定位和校准光纤。为了实现这个应用目的和如权利要求，X-Y轴方向的平移被认为包含了在极坐标系统中测量的位移量，如(r，theta)，以原点为中心的半径，和从轴开始的旋转角度。
本发明光纤最佳实施例可以用来确定校直光路。本发明的优点是未增加光必须穿过的光学元件。同样，对光色散和光偏振无影响。在传统的准直器装置内，微型定位器无需其它表面或空间。装入微型定位器的装置看上去就象一个带导线的准直器。使用本发明只需要更换传统的准直器或光纤固定装置。
图1是单通道动态准直器10较佳实施例和本发明的应用。如图所示，该装置包括一传统的包层光纤11，其中包层被剥除而裸露光纤12。光纤11和光纤12插入纤维导管13中，纤维导管13校准裸露光纤12，这样，它可以插进微型定位器14上的可移动安装支架内。微型定位器14可以在两个方向上精确移动光纤12垂直Y轴方向，X轴方向(图纸平面方向)，并且能够在移动后锁定光纤12位置。使用机械方法(环氧化物或其它胶粘)将包层光纤11、光纤12和纤维导管13紧紧固定到准直器护套17内，以消除应变。为满足所需的光学性能，校直透镜15应使用密封材料(如焊锡)附着于微型定位器14上。电线16穿过护套17，以控制和电连接微型定位器14。
图2也是单通道动态准直器(20)较佳实施例和本发明的应用，但是，光纤22保持不动，透镜25安装在微型定位器24上，以便于定位和校准。如图所示，该装置包括一包层光纤21，其中包层被剥除而裸露光纤22。光纤22插入纤维导管23中，纤维导管23校准裸露光纤22。微型定位器24可以在两个方向上精确移动透镜25垂直Y轴方向，X轴方向(图纸平面方向)，并且能够在移动后锁定透镜25位置。使用机械方法(环氧化物或其它胶粘)将包层光纤21、光纤22和纤维导管23紧紧固定到准直器护套27内，以消除应变。为满足所需的光学性能，校直透镜25应使用密封材料(如焊锡)附着于微型定位器24上。电线26穿过护套27，以控制和电连接微型定位器24。
图3(a)是多通道(N×M通道)动态校准器/准直器之侧面图，本发明的微型定位器用于调整和校准光纤。如图所示，该设备包括包层光纤带31，其中包层被剥除而裸露多条光纤22。光纤32插入纤维导管33中，纤维导管33校准裸露光纤32，这样，它们就可以插入到N×M个微型定位器34内。微型定位器34可以在两个方向上精确地个别移动光纤32垂直Y方向，X轴方向(图纸平面方向)，并且能够在移动后个别锁定光纤32或部件位置。可以增加玻璃密封39来提供一个光纤密封。光从光纤32出来，穿过自由空间，再穿过透镜阵列35。使用机械方法或环氧方法38将包层光纤带31、光纤32和纤维导管33紧紧固定到准直器护套37内，以消除应变。为满足所需的光学性能，准直透镜阵列面板35应附着于微型定位器34上。电线36穿过护套37，以控制和电连接微型定位器34。
图3(b)是图3(a)N×M阵列之正视图。即图3(b)是本发明8×8光纤阵列实施例。如图所示控制线36从护套37延伸出来。来自每条光纤终端的光穿过透镜阵列面板35中对应的透镜。
图4是与图3类似的多光纤配置，但是，较佳实施例包括多个排列成阵列的准直器和一列单透镜。如图所示，该设备包括包层光纤带41，其中包层被剥除而裸露多条光纤42。光纤42插入纤维导管43中，纤维导管43校准裸露光纤42。N×M微型定位器阵列中每个微型定位器44都可以在两个方向上精确调整和校准单个透镜45垂直Y轴方向，X轴方向(图纸平面方向)，并且能够在移动后锁定透镜45位置。使用机械方法或环氧方法将包层光纤带41、光纤42和纤维导管43紧紧固定到准直器护套47内，以消除应变。每个准直透镜45安装在单个微型定位器44上。电线46穿过护套47，以控制和电连接N×M微型定位器阵列上的微型定位器44。
图5是一维微型定位器50的电气原理图。如图所示当在方向终端56上施加正电压时，右夹钳53打开，这样电流由二极管55控制。如果轴终端57进一步施加正电压，由于电流通过膨胀条51或电流通过与膨胀条51相连接的电阻(图中未标出)，因焦耳热效应使得膨胀条51发热，，由于夹钳52关闭，膨胀条51将因为发热而向右边膨胀。当在方向端56施加负电压时，左夹钳52将打开，右夹钳53关闭。由于膨胀条冷却收缩，膨胀条51固定在右方向。当在方向端56不施加电压时，夹钳52和53关闭，将膨胀条锁定到位。膨胀条已经朝右边移动了一步。因此，如果在图5中的轴端56和方向端57上施加如图6的电压相序和极性，将导致图5中的膨胀条51移向右边。如果在图5中的轴端56和方向端57上施加如图7的电压相序和极性，将导致图5中的膨胀条51移向左边。
图5中，用于夹紧膨胀条的夹钳52和53还可以热启动。当未施加电压时，作为一个导电条的夹钳将紧紧地卡在膨胀条上。这种夹紧功能还可以有各种其他的实施方式。当夹钳上施加电压时，夹钳膨胀，并松开膨胀条。每一次电压使膨胀条沿着电压极性定义的方向移动一步。步长大小与轴电压的平方成正比，如下方程1如示。因此，微型定位器在高压时，可以产生大的步长，在低压时可以微调。这使得校准次数最少，并具有高分辨能力。从方程1可以看出比例常数是材料属性和配置的一个函数。
S＝各电压脉冲的步长α＝热膨胀系数L＝激励长度(夹钳到夹钳)θ＝热阻R＝电阻V＝外加电压方程1-步长在实际操作中，膨胀条必须可以加热和冷却。这些转换的时间常数见方程2。在实际中，膨胀条将比方程2中计算结果冷却得更快，因为方程2只考虑热传导，而在实际中，热对流也会出现。
λ＝时间常数Ct＝比热d＝密度W＝膨胀条宽度L＝膨胀条长度T＝膨胀条厚度θ＝热阻方程2-时间常数方程1和方程2根据电压和时间来计算步长。因此，加热循环和冷却循环时，膨胀条移动步长如下所示加热时SH=αL(V2ρ)(1K)(1-e-tλ)]]>冷却时SC=SH(e-tλ)]]>符号如方程1和方程2所示，SH是加热步长，SC为冷却步长，K为导热系数，ρ为电阻系数。
在两个方向上使用膨胀条需要两根膨胀条，但是增加了复杂性，每根膨胀条须有两个自由度。其中一个自由度用于控制移动，另一个自由度用于垂直方向的自由移动。
图8(a)是本发明微型定位器80第1个较佳实施例之俯视图。如图所示，微型定位器80包括下列分组件、部件和元件往复式移动装置81、往复式弹簧82、X轴膨胀条83(a)和83(b)、X轴焊盘84(a)和84(b)、X轴夹钳85(a)和85(b)、X轴膨胀弹簧86(a)和86(b)、Y轴膨胀条87(a)和87(b)、Y轴焊盘88(a)和88(b)、Y轴夹钳89(a)和89(b)、Y轴膨胀弹簧810(a)和810(b)、可移动安装支架811、可移动安装支架孔812。本发明实施例中，上述部件和元件包括半导体材料。微型定位器80中的往复式移动装置81可以朝着X轴方向移动。往复式移动装置81通过8个往复式弹簧82安装在微型定位器80上；往复式移动装置81可以通过两个膨胀分组件在X轴方向上进行调整或校准，如图8(b)。在往复式移动装置81中的两个膨胀分组件，一个用于Y轴正方向上移动，另一个用于Y轴负方向上移动。X轴方向膨胀分组件包括X轴膨胀条83(a)和83(b)，两套热启动X轴夹钳85(a)和85(b)，两套X轴膨胀弹簧86(a)和86(b)。Y轴方向膨胀分组件包括Y轴膨胀条87(a)和87(b)，两套热启动Y轴夹钳89(a)和89(b)，两套Y轴膨胀弹簧810(a)和810(b)。与每一个膨胀分组件连在一起的是一组焊盘，它们可以与膨胀条和夹钳进行电气连接。在X轴方向上，这些部件包括焊盘84(a)和84(b)；在Y轴方向上，这些部件包括焊盘88(a)和88(b)。通过这些焊盘，外部模拟或逻辑电路(图中未标出)与微型定位器80连接。
微型定位器80可以制作成一个硅片，并且可以用在一维或二维阵列中。根据驱动装置步进式运动(drive stepping motion)，连接膨胀条的方向夹钳交替夹紧和打开。
图8(b)是X轴方向膨胀组件的分解图，X轴方向膨胀组件包括弹簧86(b)、X轴夹钳85(b)、X轴夹钳85(b)之钳腿851(b)、图8(a)中微型定位器80之X轴膨胀条83(b)。除了方向以外，其它X轴和Y轴膨胀分组件实际上与8(a)中的分组件极为类似。在实际运行中，焊盘84(a)上有电压差，这导致电流通过钳腿851(b)和钳腿852(b)。由于这两条钳腿尺寸不同，钳腿852(b)电阻大于钳腿851(b)电阻，这导致852(b)受热较高，因而膨胀。而这又导致X轴夹钳85(b)弯曲和打开。这种作用是任何均质材料如硅的特点，X轴夹钳85(b)就是由硅制成。当X轴夹钳85(b)朝外弯曲时，夹钳85(b)与膨胀条83(b)边缘之间的压力得到释放。其它膨胀分组件上的焊盘的电压差也可以导致类似结果。回到图8(a)中，当电流通过X轴夹钳85(b)时，X轴夹钳85(b)打开，而X轴夹钳85(a)因为无电流而闭合。同时，可以向X轴膨胀条83(a)外加电流，使其膨胀，因此将往复式组件81移至左边。接着，电流在X轴膨胀条85(b)处停止，因此夹钳85(b)冷却并收缩回到原来位置。一旦夹钳85(b)冷却，夹钳85(b)向膨胀条83(b)边缘施加压力，重新接入和锁定X轴膨胀条。
夹钳85(a)打开，夹钳85(b)也打开，通过膨胀条83(a)的电流停止。在膨胀条83(a)冷却后，夹钳85(b)上电流停止，往复式移动装置81锁定到位。如果在X轴夹钳85(a)、夹钳85(b)和膨胀条83(b)上实施相似的操作程序和时间，将导致往复式移动装置81向右移动。如果在Y轴夹钳89(a)和89(b)和膨胀条87(a)和87(b)上实施相似的操作程序和时间，将导致可移动安装支架811向下移动。如果在Y轴夹钳89(a)和89(b)和膨胀条87(b)上实施相似的操作程序和时间，将导致可移动安装支架811向上移动。如果一个媒介的终端穿过孔径812，并且固定到可移动安装支架811上，则往复式移动装置81和可移动安装支架811可以移动光纤终端。
图9是本发明二维微型定位器电气原理示意图。所图所示通过控制输入电压99和90的极性和相序来控制移动的方向和方向轴。通过控制电压99的振幅来确定步长，电压脉冲的数量决定移动距离。如果输入电压99为正电压，则电流从Y上轴91和X右轴92流向地面98。也就是说，电流流经上夹钳和右夹钳，这样这些夹钳打开。如果在90上施加正电压，则电流流经X轴膨胀条93，并导致沿着X轴右方向移动。如果在90上施加负电压，则电流流经Y轴膨胀条94，并导致沿着Y轴上方向移动。膨胀后，电压99变换方向，这样在90处的电压消失和膨胀条冷却后，夹钳适当开合以防止移动。当膨胀条冷却后，切断所有电压，以将轴锁定到位。如果终端99变换相序且终端90上施加负电压，则相同的运行将使得Y轴向下移动；如果终端90上施加正电压，则X轴向左方移动。
本发明另一个较佳实施例，使用附着在膨胀条上的加热器来调整微型定位器。步长由膨胀条的热膨胀、热传导和电阻属性决定。加热器应用于膨胀条增加了膨胀条的材料类型。例如碳化钡可以用作膨胀条，因为它与其它材料相比，在膨胀和热导方面具有优势。氮化钽电阻元件可以用来加热。膨胀条与加热器联合使用将提供相似的步长控制，并且明显增加微型定位器的速度。
图10至图13是本发明微型定位器使用MEMS技术的应用。在这些应用中，使用不同的膨胀热激励器(在先技术部分已经公开)，通过扫描机构实现精确平移，通过夹钳机构实现精确箝位。图10是基于MEMS技术的X轴平移平台的平面图。图11是基于MEMS技术的Y轴平移平台的平面图。图12显示X轴平移平台安装到Y轴平移平台上，以构建X轴-Y轴平移平台组件。图13是X轴-Y轴平移平台组件的剖面图。
微型定位器100标注在图10中。如图10所示，通过电连接向焊盘101有控制地外加电信号，来控制扫描机构102的扫描方向和扫描幅度，这样可以大致定位步长，或精确定位分步长距离(sub-step distance)。为了实现这个目标，首先移动扫描条103，使得扫描机构上的齿轮啮合，然后使扫描条103偏斜到所需要的扫描方向，最后分离扫描条103。并且，控制施加在夹钳机构104上的电信号，可以释放夹钳，朝X轴平台移动；还可以重新啮合，以将X轴扫描机构固定在某一位置上。夹钳机构104用于将平移平台固定在位置上，无论何时它都不会被扫描机构102移动。护圈105是安装在夹钳边缘的套筒，用来限制平移部件在朝某一方向上的移动，同时允许朝另一方向自由移动。护圈105并没有物理地连接在平移平台或夹钳机构上，护圈与平移平台之间有一个小空间。热激励器106通过扫描机构102实现平移，并通过夹钳机构104实现精确夹钳。改变膨胀激励器上的电压来设置步长。可以实现低于一个齿轮步长的移动。在图10中，扫描机构102的上的齿轮用于移动和锁定扫描条103；为了获得更高精度这些齿轮可以去除。
图11是本发明微型定位器110，它作为Y轴平移平台。所图所示，利用齿轮传动的扫描条114的膨胀和收缩，夹钳机构115和护圈116的打开和闭合，扫描机构113将可移动安装支架111上的可移动安装孔112朝Y轴方向移动。在前描述的如图8(b)中的热激励器移动扫描条。图11中的齿轮用来移动和锁定可移动安装支架111，为了获得更高精度这些齿轮可以去除或者由摩擦接触来代替。
图12是联合夹钳机构120之俯视图，机构120是本发明微型定位器X-Y轴精确平移平台。所图所示，X轴平移平台100和Y轴平移平台110分别构造，并且使用标准技术(如环氧结合、原子结合、回流焊、共晶结合和其它技术)，X轴平移平台在物理结构上附于Y轴平移平台。可以使用其它标准的以硅为基础的MEMS构造技术。例如可以使用标准的硅-硅接合(silicon-on-silicon)和多级构造，以创造多级结构。可以使用深层反应离子蚀刻方法来制作光纤维腔(fiber relief cavity)。微型定位器其它构造方法(如微机电和LIGA构造部件)也能够提供多维装置，将光纤移到所需的位置，只要电启动合适。
图13是联合夹钳机构120之侧视图，它用于本发明微型定位器X-Y轴精确平移平台。如图所示，X轴平台100安装或构建在X平台基底134上，而基底134安装在Y轴平台110上。媒介(如光纤132)终端穿过Y平台基底131之光纤维腔133。护圈135将微型定位器120各种组件和分组件固定到位。平台可以采用其它方式(如弹簧)固定。
图14是本发明微型定位器140第2个较佳实施例之俯视图。如图所示，微型定位器140包括下列分组件、部件和元件小齿轮激励器141(a)和141(b)，小齿轮传动装置142(a)和142(b)、小齿轮释放装置143(a)和143(b)、轴固定激励器144(a)和144(b)、X轴和Y轴互联焊盘145(a)和145(b)、X轴滑板和Y轴滑板146(a)和146(b)、轴调整激励器147(a)和147(b)，以及可移动孔径148。
图14中的装置无需使用复位弹簧，就可移动X轴和Y轴，而微型定位器第一个实施例需要使用复位弹簧。可移动孔径148可以滑动，并且受X轴滑板和Y轴滑板146(a)和146(b)导引。小齿轮141(a)和141(b)提供移动如下静止所有小齿轮激励器；142(a)、142(b)、143(a)、143(b)、144(a)和144(b)，接触并夹紧可移动孔径148。这样可移动孔径可以锁定到位。例如果需要朝X轴移动，应向固定激励器144(a)外加电压，它会膨胀并释放孔径148。再向小齿轮驱动激励器142(a)施加电压，它会膨胀并将孔径推向左边。移动后，切断固定激励器144(a)上的电压，会收缩并夹紧孔径。然后，向小齿轮释放激励器143(a)施加电压，它会膨胀并释放可移动孔径，此时，可以切断小齿轮驱动激励器142(a)上的电压，小齿轮141(a)移回原来位置。接着，切断小齿轮释放激励器143(a)上的电压，小齿轮收缩，以夹紧可移动孔径。第一个步骤完成。再次应用上述电压相序会使得可移动孔径继续移至左边。右向移动与此相似，除了电压相序相反外。在操作中，启动小齿轮释放激励器143(a)，使其从可移动孔径148处移开；启动小齿轮释放激励器142(a)，使其移至左边；切断小齿轮释放激励器143(a)上电压，小齿轮夹紧可移动孔径148。向固定激励器144(a)施加电压，则释放可移动孔径148；切断小齿轮驱动装置上的电压，则可移动孔径148被推向右边；切断小齿轮释放激励器143(a)上的电压，则可移动孔径148处于静止状态。再次应用该电压相序将导致可移动孔148移至右边数个步长。只要Y轴激励器142(b)、143(b)和144(b)实施相似的程序和时间，孔径148向下或向上移动，就可以实现Y轴方向的移动。
在使用微型定位器140之前，需要进行调整。使用化学蚀刻程序构建的装置，进行调整是必须的。蚀刻加工方法会产生间隙。如同激励器143(a)、143(b)、144(a)和144(b)，这些间隙在无外加电压的情况下使得不能牢固夹紧。膨胀机构147(a)和147(b)可以用作调整之用。膨胀机构147(a)和147(b)包括四根臂杆，两根宽臂用于低电阻，两根窄臂用于高电阻；所有臂杆电气连接在一起，这样当电压分别施加在相应的焊盘上时，电流能够通过所有四根臂杆。在膨胀机构147(a)或147(b)上施加电压会导致窄臂比宽臂温度高而且膨胀更大，并且膨胀机构147(a)或147(b)会弯曲。当膨胀机构147(a)或147(b)会弯曲时，它们会物理收缩并且移动滑板146(a)和146(b)。然后，滑板146(a)和146(b)使得激励器144(a)、144(b)、143(a)和143(b)与孔径148紧紧地接触在一起。切断147(a)或147(b)上的电压，会导致组件收缩，而移回到静止位置，但是因为组件没有和滑板146(a)、146(b)物理连接，激励器144(a)、144(b)、143(a)、143(b)保持紧紧接触状态。
微型定位器140可以制作成为一个硅片，应用于一个或两个方向。施加在焊盘上的电压相序和电流脉冲使得步进式移动朝着所需的方向前进。
图15是本发明校准器151和校准器152的使用，它可以通过光学部件153来校准光路。光学部件153包装在盒子154中。图15是本发明现场动态校准器之应用和较佳实施例，它利用图8(a)中的微型定位器80；在图15中，校准器151插入盒子154的光纤输入端，校准器152插入盒子154的光纤输出端。在校准器151和校准器152的电线156上施加电压，调整光纤157终端，并调整光路155到所需要的位置。
图16二维微型定位器160之电气原理示意图。X-Y轴微型定位器160的夹钳/膨胀条的收缩膨胀与图5中的一维微型定位器50的收缩膨胀类似。如图16所示，当轴端161施加正电压时，X轴移动成为可能；当轴端162施加负电压时，Y轴移动成为可能。当方向端162施加正电压时，X轴方向朝右，或Y轴方向朝上；当方向端162施加负电压时，X轴方向朝左，或Y轴方向朝下。图17是图16之逻辑框图。
图18和图19是本发明典型实施例所需的光学性能和最大光纤拉力。
图18列出了当媒介(如光纤)被微型定位器移动时，光束角度与横向位移的相关变化的控制方程。其中“b”被定义为光纤位移，“d”被定义为光束位移，“φo”是光束瞄准角。尽管可以使用梯度指数和球面透镜，但这些方程适用于传统透镜图19中的公式描述媒介(如光纤)被视为一根悬臂的状况。光纤的一端保持刚性，另一端插入本发明微型定位器。这会导致光纤出现轻微弓形，因此需要施加一定的力将其固定到位。在图18框1中，“W”表示固定光纤所需要的力的公式，“I”是指惯性力矩，“a”是指光纤与微型定位器接触点到光纤固定点之间的长度，或者到悬臂之间的长度。在图18框2公式中，“I”是指惯性力矩，“r”是光纤半径。框1和框2公式引出框3公式；框3公式描述固定光纤所需要的力，它使用框4中的代表性参数。所图18所示微型定位器必须使用大约千分之二牛顿的力来固定光纤。
图20是可变光衰减器(VOA)的性能图解，描述控制范围和光纤位移的函数关系。如图所示，当光纤移动到一侧时，插入损耗发生，因此该装置用作衰减器。在操作中，一般有两个这种装置，因此，具有双倍衰减性能。
图21(a)系透镜的侧视图，该图描述输出瞄准角和输出束移动，光纤呈放射状移动。图21(b)是光学控制和准直器性能与光纤位移的函数关系图。如图所示，图21(b)描述使用本发明移动光纤的多个结果。这些结果包括瞄准角的变化、光纤和透镜之间的工作距离、透镜输出光束偏移。在图21(b)中，工作距离以一条带黑方框的线表示。光纤移动时，工作距离工变化太小。当光线离开透镜时，瞄准角适用。它以一条带菱形的线表示。它的变化范围有5倍之多。光束位移以一条带圆圈的线表示；当它的变化到700微米时，其轨迹几乎呈线性状态。
图22(a)和22(b)是本发明在实施和应用中，设计和生产现场光纤校准器的典型的机械约束条件。这些约束条件适用于典型的应用，但是如果应用要求的话，可能违犯这些约束条件。
本发明的优点(i)大量降低成本，明显提高性能；(ii)在应用中，无需人员干涉，无需特殊设备。在本发明半导体实施例中，由于本发明结构小巧，它使得每个半导体片可以接纳数个装置。本发明具有摇控功能，能够用于主动和被动网络部件，满足工业需求，在机械应力和热应力作用下，能够保持校准功能。
微型定位器可以操作各种部件。这些部件包括透镜、棱镜、检波器、二极管、激光二极管、传感器、天线元件，无线电频率短线、阀门和管嘴。本发明光纤实施例可以应用于任何需要光学界面的装置(如可变光衰减器、多路信号分离器、多路转换器、开关、光学放大器、滤光器、接受机、调制器、增益调整装置)。
本发明创新技术参考了文中介绍的较佳实施例。但是，对于本技术领域的一般技术人员，应该可以理解，本装置较佳实施例仅仅披露了众多优点和创新技术中几个例子。在本发明的精神和范围内，可以对本装置进行各种非本质的改变、修正和替换。
权利要求书[国际局于2004年7月12日收到，原权利要求1被修改的权利要求1替代，其余权利权利要求保持不变(替换页共1页)]1.一种微型定位器，包括一个安装组件；用于接受和固定媒介或部件；一个往复式移动组件；所述往复式移动组件附着于安装组件上；所述往复式组件根据电控制信号作定向移动；当电信号切断后，所述往复式组件保持原来位置；无偏动夹钳时，所述往复式组件保持原来位置。
2.权利要求1中的微型定位器，所述往复式移动组件单方向移动。
3.权利要求1中的微型定位器，所述往复式移动组件朝X轴和Y轴方向移动。
4.权利要求1中的微型定位器，所述安装组件用于固定光纤。
5.权利要求1中的微型定位器，所述安装组件用于固定透镜。
6.权利要求1中的微型定位器，可以在纳米公差范围内定位媒介或部件，在微米范围内移动媒介或部件。
7.权利要求1中的微型定位器，在所述微型定位器使用周期内可以多次夹紧、释放和重新配置媒介或部件。
8.权利要求1中的微型定位器，还包括一个与所述往复式移动组件联接的电路；所述往复式移动组件根据来自电路的电信号进行移动。
权利要求
1.一种微型定位器，包括一个用于接受和固定媒介或部件的安装组件；一个往复式组件，往复式组件安装在安装组件上；往复式组件可以根据控制信号朝着一定方向移动。
2.权利要求1中的微型定位器，所述往复式移动组件单方向移动。
3.权利要求1中的微型定位器，所述往复式移动组件朝X轴和Y轴方向移动。
4.权利要求1中的微型定位器，所述安装组件用于固定光纤。
5.权利要求1中的微型定位器，所述安装组件用于固定透镜。
6.权利要求1中的微型定位器，可以在纳米公差范围内定位媒介或部件，在微米范围内移动媒介或部件。
7.权利要求1中的微型定位器，在所述微型定位器使用周期内可以多次夹紧、释放和重新配置媒介或部件。
8.权利要求1中的微型定位器，还包括一个与所述往复式移动组件联接的电路；所述往复式移动组件根据来自电路的电信号进行移动。
9.权利要求8中的微型定位器，还包括一个基底；所述基底有一个顶面，一个平底面，一个穿过底面和顶面的中心孔；所述往复式移动组件还包括用于各方向移动的一套膨胀条、弹簧和夹钳；所述膨胀条、弹簧和夹钳定位和保持在基底的顶面；所述膨胀条由膨胀材料制成，由所述电路施加电流后可膨胀或收缩；所述弹簧定位在所述基底的刚性面和所述膨胀条的侧面之间，弹簧可以对膨胀条侧面施加力量；所述弹簧还可以提供一个灵活的电气连接，和一个用于平面外运动的稳定元件；所述夹钳由膨胀材料制成，由所述电路施加电流后可膨胀或收缩；在无电源情况下，所述夹钳处于收缩状态，所述夹钳将膨胀条固定在位置上；在有电源情况下，所述夹钳处于膨胀状态，所述夹钳释放膨胀条；所述安装组件刚性地牢固附着于膨胀条上；当往复式移动装置处于中性状态时，所述安装组件位于基底孔的中心位置。
10.权利要求9中的微型定位器，可以单向移动，如X轴方向、Y轴方向或Z轴方向。
11.权利要求9中的微型定位器，可以二维移动如X轴方向和Y轴方向。
12.权利要求9中的微型定位器，所述安装组件还可以固定光纤。
13.权利要求9中的微型定位器，所述安装组件还可以固定透镜。
14.权利要求9中的微型定位器，还包括所述电路按照预定的相序和电平，施加电流在膨胀条和夹钳上；对预定的相序和电平做出响应，所述膨胀条和夹钳发热和冷却，从而膨胀和收缩；且根据膨胀条和夹钳上的电流顺序，所述膨胀条和安装组件是可移动的。
15.权利要求8中的微型定位器，所述往复式移动组件有四个方向的分组件左边的X轴方向分组件，右边的X轴方向分组件，上边的Y轴方向分组件，下边的Y轴方向分组件；且各方向上的分组件包括一组夹钳、弹簧和膨胀条。
16.权利要求15中的微型定位器，通过向一个或多个特定方向的分组件施加电信号，所述微型定位器朝着某一特定方向移动。
17.权利要求15中的微型定位器，可以制作成一个半导体基片。
18.权利要求15中的微型定位器，还包括固定在基片上的焊盘，用于连接所述电路与所述微型定位器。
19.权利要求1中的微型定位器，还包括一个或多个小齿轮激励器；一个或多个小齿轮驱动装置；一个或多个小齿轮释放装置；一个或多个小齿轮轴固定激励器；X轴和Y轴滑板；一个带滑板的可移动孔；所述可移动孔和滑板由X轴和Y轴滑板导引；所述小齿轮可以静止或运动；静止时，所有小齿轮接触并夹紧可移动孔，这样可移动孔就会被锁定到位；运动时，当施加电压后，一组固定激励器膨胀并释放可移动孔；当施加电压后，一组小齿轮驱动装置膨胀并推动可移动孔，使其朝着所需要的位置移动，当切断所述固定激励器的电压后，该组所述固定激励器接触并夹紧可移动孔；当施加电压后，所述小齿轮释放装置膨胀并释放可移动孔；当切断电压后，所述小齿轮驱动装置和小齿轮可以返回其静止的位置；且当切断电压后，所述小齿轮驱动装置和小齿轮可以往回收缩，以夹紧可移动孔；
20.权利要求19中的微型定位器，还包括焊盘，用于接受电压脉冲以使微型定位器产生步进运动。
21.权利要求19中的微型定位器，按照X轴激励器步进程序的运行和计时情况下，所述微型定位器可以朝X轴方向移动。
22.权利要求19中的微型定位器，按照Y轴激励器步进程序的运行和计时情况下，所述微型定位器可以朝Y轴方向移动。
23.权利要求19中的微型定位器，使用化学蚀刻方法构建所述微型定位器。
24.权利要求19中的微型定位器，还包括一个的膨胀机构，用于移动可移动孔；所述膨胀机构包括低电阻的两根宽臂；所述膨胀机构还包括高电阻的两根窄臂；且所有四根臂杆电气连接，当电压施加在相应的焊盘上时，电流通过所有四根臂杆。
25.权利要求24中的微型定位器，当施加电压时，所述膨胀机构物理收缩，因而移动滑板，使激励器与可移动孔接触；且如果切断滑板上的电压，则所述滑板会收缩并移至静止位置。
26.权利要求19中的微型定位器，可以制作成硅片。
27.权利要求19中的微型定位器，可以在一个方向或多个方向上运行。
28.一个用于定位媒介或部件的装置，包括一个带有顶面和底面的半导体基底；一个灵活安装在基底顶面上的往复式移动组件；所述往复式移动组件包括一套夹钳、膨胀材料和一个可移动安装支架；所述夹钳和膨胀材料根据控制信号膨胀和收缩；当电源切断时，夹钳收缩，膨胀材料就会被夹钳紧紧固定住；当夹钳膨胀时，夹钳会释放膨胀材料；当电源接通时，膨胀材料膨胀，夹钳就会释放膨胀材料，膨胀材料移动；当夹钳收缩时，膨胀材料被夹钳锁定到位。
29.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，所述膨胀材料和夹钳遇热膨胀；所述膨胀材料和夹钳遇冷收缩。
30.在权利要求29中的用于定位媒介或部件的装置，所述膨胀材料和夹钳被施加电压就会发热；所述膨胀材料和夹钳被切断电压就会冷却。
31.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，所述往复式移动组件可以单向移动，如X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。
32.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，所述往复式移动组件可以二维移动，如X轴方向和Y轴方向。
33.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，还包括一个附着于往复式移动组件中心的安装组件，用来接受和固定光纤。
34.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，还包括一个附着于往复式移动组件中心的安装组件，用来接受和固定透镜。
35.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，可以在纳米公差范围内定位媒介或部件，在微米范围内移动媒介或部件。
36.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，可以在装置使用周期内，多次夹紧、释放和重新定位媒介或部件。
37.在权利要求28中的用于定位媒介或部件的装置，还包括一个可移动安装支架，当装置处于中性状态时，附着于膨胀材料的中心位置；当装置处于中性状态时，所述夹钳与靠近膨胀材料的终端连接；所述可移动安装支架可以接受媒介或部件；一个能够膨胀和收缩的膨胀材料，从而移动和控制可移动安装支架的位置；所述夹钳能够膨胀收缩，从而控制膨胀材料的膨胀和收缩方向，即可以移动膨胀材料和可移动安装支架；没有电压或电流时，所述夹钳将可移动安装支架固定到位；与夹钳和膨胀材料连接的一个电路；且所述电路产生电信号，以动态控制夹钳和膨胀材料的膨胀和收缩。
38.在权利要求37中的用于定位媒介或部件的装置，所述膨胀材料是硅。
39.在权利要求37中的用于定位媒介或部件的装置，所述控制信号还包括施加在夹钳和膨胀材料上的预定相序的电压。
40.在权利要求37中的用于定位媒介或部件的装置，所述可移动安装支架上有一个孔，它用来接受光纤。
41.在权利要求37中的用于定位媒介或部件的装置，该装置可以在纳米公差范围内校准媒介或部件，在微米范围内移动媒介或部件。
42.在权利要求37中的用于定位媒介或部件的装置，该装置可以多次夹紧、释放和重新定位媒介或部件。
43.一个校准媒介或部件的装置，包括一个位于基底上的微型定位器；一个固定在微型定位器上的支架，该支架可以接受媒介或部件；并且所述微型定位器可以在纳米公差范围内定位媒介或部件，在微米范围内移动媒介或部件。
44.在权利要求43中的用于定位媒介或部件的装置，该装置可以多次夹紧、释放和重新定位媒介或部件。
45.在权利要求44中的用于定位媒介或部件的装置，还包括一个靠近所述微型定位器的校直透镜；且所述微型定位器可以沿着单轴或多轴来校准安装支架和光纤
46.在权利要求44中的用于定位媒介或部件的装置，所述微型定位器可以沿着双轴来校准安装支架和光纤。
47.在权利要求44中的用于定位媒介或部件的装置，所述安装支架包括一阵列孔；所述这些孔可以接受多根光纤；所述微型定位器可以控制光纤阵列的位置。
48.在权利要求44中的用于定位媒介或部件的装置，还包括一个靠近所述微型定位器的校直透镜；且所述微型定位器可以利用校直透镜沿着单轴或多轴校准光纤阵列.
49.在权利要求48中的用于定位媒介或部件的装置，所述微型定位器可以利用校直透镜沿着双轴校准光纤阵列。
50.在权利要求43中的用于定位媒介或部件的装置，所述微型定位器包括一套膨胀条和一套夹钳；所述膨胀条和所述夹钳机械连接在一起；所述膨胀条与存在电位的电路连接在一起；所述夹钳与存在电位的电路连接在一起；所述电位导致电流流经电路、膨胀条和夹钳；流经电路的电流导致膨胀条和夹钳膨胀和收缩；且所述膨胀条和夹钳之膨胀和收缩导致安装支架沿着所需的轴方向移动。
51.在权利要求50中的用于定位媒介或部件的装置，所述安装支架包括一个用于接受光纤的孔。
52.在权利要求51中的用于定位媒介或部件的装置，施加在膨胀条和夹钳上的电位极性、振幅和持续时间可以控制安装支架的移动速度、移动方向。
53.在权利要求52中的用于定位媒介或部件的装置，所述微型定位器可动态校准接受无包层光纤的孔，其步长从数纳米到数微米。
54.一个光纤组件，包括一个圆柱形护套，截面半径预定，护套有第一末端和第二末端；一个柱面透镜，所述透镜有第一表面和第二表面，其截面半径与护套截面半径相同；所述透镜的截面可以牢固安装在护套的第二末端；一个微型定位器，所述微型定位器有一个前端面、一个后端面和一个孔，用于接受无包层的光纤，光纤穿过前端面和后端面；所述微型定位器垂直安置在护套的里侧面；所述微型定位器牢固附于护套；一个纤维导管，所述导管插入并牢固地安装在护套第一末端，预定的插入长度小于护套第一末端与微型定位器前端面之间的长度；所述纤维导管有一个纵向孔，处于圆柱形护套的中心，形成通道，以接受包层光纤的一端导管内的孔径分阶段由大到小，在护套的第一末端可以接受包层光纤，在导管孔终端处因为更小直径，可以接受无包层光纤并插入微型定位器中。一个纤维导管终端和微型定位器前端面之间的自由空隙；无包层光纤插入护套内纤维导管第一末端，预定的插入长度小于护套第一末端与透镜第一表面之间的长度；一个无包层光纤端面和透镜第一表面之间的自由空隙；一组与微型定位器连接的控制电线，用于电控制微型定位器；所述控制线伸出护套之外；和所述微型定位器可以动态定位无包层光纤。
55.在权利要求54中的光纤组件，所述透镜、微型定位器和导管利用粘合剂、合成树脂、锡焊、铜焊或熔焊粘结在一起
56.在权利要求54中的光纤组件，所述微型定位器在纳米公差范围内调整光纤，在微米范围内移动光纤。
57.在权利要求54中的光纤组件，所述微型定位器可以沿着多条轴线调整光纤。
58.在权利要求57中的光纤组件，所述微型定位器还包括第一膨胀条，以控制沿着X轴的移动；第二膨胀条，以控制沿着Y轴的移动；多个X轴方向夹钳，它可以夹紧和释放第一膨胀条；多个Y轴方向夹钳，它可以夹紧和释放第二膨胀条；与第一膨胀条、第二膨胀条、X轴方向夹钳和Y轴方向夹钳连接的一个电路，它可以动态校准孔，该孔用于接受无包层光纤。
59.在权利要求58中的光纤组件，第一膨胀条和第二膨胀条具有预定的热膨胀特点。
60.在权利要求58中的的光纤组件，所述微型定位器可以动态校准孔，该孔用于接受无包层光纤；其步长从数纳米到数微米。
61.在权利要求58中的光纤组件，用于接受无包层光纤的孔的移动方向和步长受控于第一膨胀条、第二膨胀条、X轴方向夹钳和Y轴方向夹钳上的电压和电流。
62.在权利要求61中的光纤组件所述微型定位器可以动态校准孔，该孔用于接受无包层光纤；微型定位器操作后可以锁定到位。
63.在权利要求61中的光纤组件，所述微型定位器可以动态校准孔，该孔用于接受无包层光纤；微型定位器在操作后可以重新调整。
64.在权利要求62中的光纤组件，所述组件的形状和准直器或连接器相似。
65.校准光纤的装置，包括多个微型定位器，所述微型定位器包括一套可以膨胀和收缩的水平臂杆和垂直臂杆；多个夹钳，一个或多个夹钳固定在微型定位器臂杆末端；每个夹钳可以用来夹紧或释放相应的微型定位器臂杆；一个校准器，该所述校准器包含一个带孔的安装支架，该孔用于接受和固定光纤；所述校准器牢固安装在夹钳之间的微型定位器臂杆上；所述微型定位器具有一个控制机构，控制微型定位器臂杆的膨胀和收缩；一个控制电路，以控制夹紧或释放夹钳、膨胀或收缩微型定位器臂杆，以便将校准器移至所需要的位置。
66.如权利要求65中的校准光纤的装置，所述装置适于将光学部件移至所需要的位置。
67.如权利要求65中的校准光纤的装置，所述装置可自我锁定，从而在无电源时使部件保持固定状态。
68.如权利要求65中的校准光纤的装置，还包括一个单通道准直器。
69.如权利要求68中的校准光纤的装置，还包括一个光纤导管，可以将裸光纤对准微型定位器；所述微型定位器可二维精确移动光纤；并且，移动后，微型定位器可以锁定光纤或部件的位置。
70.如权利要求69中的校准光纤的装置，还包括包层光纤、光纤、准直器和连接器护套；且所述包层光纤、光纤和纤维导管采用机械方式或合成树脂、锡焊、铜焊或熔焊方法与准直器护套粘结在一起。
71.如权利要求70中的校准光纤的装置还包括一个准直透镜；穿过准直器护套的电线，所述该电线适于控制准校直透镜。
72.如权利要求71中的校准光纤的装置，所述微型定位器适于二维精确校准准直透镜。
73.校准光纤的装置包括多个阵列准直器或连接器；一个可以接受和校准包层光纤中的裸光纤的纤维导管，该包层光纤其中一端已经除掉护套包层，暴露出多条光纤；N×M通道微型定位器，可以分别地二维精确移动光纤；且移动后，N×M通道微型定位器可以分别锁定光纤位置。
74.如权利要求73中的校准光纤的装置，还包括一个准直器护套；一个包层光纤；来自包层光纤终端或光纤带的多根裸露光纤；所述包层光纤、裸露光纤或纤维导管牢固固定在准直器护套内；一个校直透镜阵列面板；穿过准直器护套的控制电线；控制电线分别与微型定位器连接。
75.如权利要求74中的校准光纤的装置，采用机械方法、锡焊、铜焊、熔焊或环氧方法将包层光纤、裸露光纤或纤维导管牢固固定安装在准直器护套内。
76.权利要求75中的校准光纤的装置，该装置允许在现场校准光纤。
77.权利要求75中的校准光纤的装置，所述部件安装在独立的外壳内。
78.校准媒介的装置，包括一个微型定位器；所述微型定位器有一个校准器；所述校准器可以接受一个媒介；一个控制电路；所述控制电路由控制电线连接微型定位器和校准器；和校准器位置是可以调节的，其调节是通过以一定控制顺序施加在微型定位器臂杆上的电信号或脉冲，包括电流或电压，在一维或二维方向上确定校准器移动的方向和距离。
79.如权利要求78中的校准媒介的装置，所述媒介包括纤维。
80.如权利要求78中的校准媒介的装置，所述纤维包括光纤。
81.如权利要求78中的校准媒介的装置，所述电信号或电脉冲的振幅或持续时间决定了校准器的移动距离。
82.如权利要求78中的校准媒介的装置，所述微型定位器被锁定位置，以确保在无外加电压或电流情况下，微型定位器能够被固定到所需位置。
83.如权利要求78中的校准媒介的装置的，所述微型定位器使用半导体技术构建。
84.如权利要求78中的校准媒介的装置，所述微型定位器还包括多个具有热膨胀功能的膨胀条；微型定位器的膨胀条可以接受控制信号；施加控制信号导致微型定位器移动，进而调整媒介。
85.如权利要求84中的校准媒介的装置，每根膨胀条在终端都有一组夹钳；夹钳的夹紧和释放是可操作的，用以产生精确步进移动。
86.如权利要求85中的校准媒介的装置，所述微型定位器采用微电机系统技术实现。
87.权利要求85中的校准媒介的装置，所述微型定位器上的夹钳、膨胀条或弹簧采用离散机械元件实现。
88.权利要求78中的校准媒介的装置的，所述微型定位器还包括一组膨胀条；这组膨胀条可以移动安装支架，安装支架包括硅蚀刻齿轮或/和支架。
89.权利要求78中的校准媒介的装置，所述媒介包括管嘴。
90.权利要求78中的校准媒介的装置，所述媒介包括阀门。
91.权利要求78中的校准媒介的装置，所述媒介包括天线元件。
92.权利要求78中的校准媒介的装置，可作为主动式、自适应式天线阵列进行操作。
93.权利要求78中的校准媒介的装置，控制微型定位器位置的控制信号响应于预定的射频信号。
94.一种定位媒介的方法包括将光纤穿过并固定于一个支架，该支架附着于微型定位器往复式移动装置；向微型定位器往复式移动装置上的夹钳施加电压，使其发热和膨胀；向往复式移动装置上的膨胀条施加电压，使其发热和膨胀；当光纤移至所需要的位置时，切断膨胀条上的电压，以其冷却和收缩，并锁定膨胀条位置；且切断膨胀条上的电压，使其冷却。
95.权利要求94中的定位媒介的方法，所述媒介包括纤维。
96.权利要求95中的定位媒介的方法，所述纤维包括光纤。
97.权利要求94中的定位媒介的方法，所述媒介包括导电纤维或电线。
98.权利要求94中的定位媒介的方法的，所述媒介包括一个中空管。
99.权利要求94中的定位媒介的方法，所述媒介的校准公差在纳米范围内。
100.权利要求94中的定位媒介的方法，在微型定位器移动装置使用周期内，其中的夹钳和膨胀条可以多次加热、膨胀、冷却和移动。
101.定位部件的方法包括将部件牢固安装在安装支架上，安装支架附于微型定位器往复式移动装置上；向微型定位器往复式移动装置上的夹钳施加电压，使其发热和膨胀，并释放膨胀条一端；向往复式移动装置上的膨胀条施加电压，使其发热和膨胀；当部件移至所需要的位置时，切断夹钳上的电压，使其冷却和收缩，并将膨胀条锁定到位；向膨胀条另一端上的第二个夹钳施加电压，使其释放膨胀条；减小膨胀条上的电压，使膨胀条冷却；减小第二个夹钳上的电压，使其将膨胀条的另一端锁定到位。
102.权利要求101中的定位部件的方法，所述部件包括透镜、棱镜或其它光学部件。
103.权利要求101中的定位部件的方法，所述部件包括电元件，如激光器二极管或激光探测仪。
104.权利要求101中的定位部件的方法的，部件的校准公差在纳米范围内。
105.权利要求101中的定位部件的方法，在微型定位器移动装置使用周期内，其中的夹钳和膨胀条部件可以多次加热、膨胀、冷却和重新定位。
全文摘要
本发明提供一种能够将媒介和部件(如光纤(12)或其它诸如透镜的小型物体)移动到所需位置的完备方法。光纤(12)或部件可以朝各个方向移动，以移动到所需要的位置，并且在移动后锁定到位。输入电信号(如电压或电流)可以控制移动。在一个较佳实施例中，热激励器包含使用半导体技术的微型定位器(80)。在本发明另一个较佳实施例中，热激励器和静电激励器使用机械齿轮来移动光纤。本发明另一个较佳实施例中，采用机械技术如微机电(MEMS)系统技术。本发明另一个较佳实施例中，使用压电材料以便于移动光纤。
文档编号G02B6/38GK1711491SQ200380102719
公开日2005年12月21日 申请日期2003年10月10日 优先权日2002年11月8日
发明者海瑞·蹦汉, 退勒·道森, 杰伊·普瑞斯提皮诺, 格瑞地·罗伯茨, 瑞虎儿·萨伊尼 申请人:内诺林公司