CN100368839C

CN100368839C - 电磁线性光学定位器

Info

Publication number: CN100368839C
Application number: CNB028291115A
Authority: CN
Inventors: 库尔特·胡格; 彼得·琼斯; 乌尔斯·马格
Original assignee: MICROCUT Ltd
Current assignee: MICROCUT Ltd; Microcut AG
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: WO2003107058A1; US20030231837A1; EP1512037A1; CN1628257A; US6796718B2; AU2002312694A1

Abstract

一种例如用在纤光学中的电磁微定位器，由安装在陶瓷圆柱体(5)内的陶瓷活塞(8)来操作。活塞(8)由永磁体(9)和电磁电路(1/2)来移动。通过变化线圈(2)的极性，活塞(8)将被吸引或被排斥到其顶端或底端的位置。尤其是能够极性颠倒的芯(1)具有剩磁，当线圈(2)未被通电时，借此于此可移动活塞(8)在两个预定位置之一是可固定的。

Description

电磁线性光学定位器

技术领域

本发明涉及一种尤其被研制用于光学开关的微线性定位器，以及涉及这种微线性定位器和/或光学开关的制造方法。在设备中的两个锁定位置之间移动磁体的电磁线圈控制定位器的开关路径。

背景技术

许多现代光学系统使用通常由激光所产生的光束来携带各种类型的信息。在光学系统内，光束可在自由空间中传播以及/或在光纤或另一光学导体中传播之间进行交替。在许多其它应用当中，技术可以被用于例如将计算机与机械设备如传感器、阀、齿轮、镜及致动器(actuator)等进行组合。许多光学系统，如例如在利用光纤的电信系统等中的光纤微机械设备，需要使用光学开关用于选择性地将信号源耦合到一个或更多个目的地。在微技术领域，在单晶硅晶片基片上所形成的微电机械系统(MEMS)开关被用于耦合信号。这些光学开关通常由被埋置在硅晶片基片内的热、压电、或静电装置来致动。然而，许多光纤微机械设备并不适合那么小的数量级，需要较大尺寸的微机械光学开关，这里热或压电致动器不能再使用。因此在光纤通信领域，存在由电机械微致动的光学开关的需求。开关的功能是在最大10ms的时间内将激光束从一个信道导引/改到另一信道。这些开关典型地是电机械的并且通过移动镜或滤光器来操作使激光束光路通过或偏离门。开关在两个锁定位置之间反复(toggle)以作为二进制开关来操作。通过将开关放置在由光纤准直器所耦合的矩阵或阵列中，有可能控制信息通过矩阵的通路，该光纤准直器可使发散或会聚的光线变得更接近平行。在平面光学部件中，通过对开关定位，这样的矩阵可以被实现，其中每个开关具有在对角线插槽中的镜或滤光器，所述对角线插槽被形成在交叉光路的交点上，交叉光路有端口对着该插槽。所述镜被横向移动以将来自一个纤的入射光反射到与插槽进行通信的相邻纤，用以执行开关功能。如果矩阵在输入和输出插槽中是对称的，那么用于例如4×4输入/输出开关模块的这种设备需要16个开关的矩阵，即所需要的开关数量与输入和输出插槽的平方相配。在4×1或2×1输入/输出开关模块的情况下，所需要的开关数量是输入×输出。

如上所述，在光学系统中，光束可在自由空间中传播以及在纤中传播之间进行交替。这个自由空间到纤的耦合经常发生在光学开关的环境中。对于开关自由空间到纤的耦合要高效以避免不必要的光损耗，这是重要的。在将光束通过一个被准直纤发送到另一被准直纤的光学系统中耦合效率特别地重要。如果自由空间到纤的耦合不是高效的，则通过纤被耦合的光量对于所预期的目标是不够的。由于激光束在两个准直器之间的自由空间中传播的距离有限，因此为了使被耦合到纤中的光量最大化，需要使开关尽可能地小。此外较小的开关设计允许配置更多的开关设备以形成开关的单矩阵或阵列。开关矩阵反过来还可以处理更多的开关，由此允许更复杂门的设计。

然而，目前的微定位器设计对开关尺寸的减少产生了限制。产生线性运动的目前微定位器典型地具有行程为2mm的长度为11mm的外壳大小。永磁体通常被设置在线圈的相对端以便当设备未被通电时将移动元件固定在位(锁定位置)。这需要空间以防止由两个永磁体所产生的两个不同磁场之间的干扰。这一分开的需求有效地对具有两个永磁体的微定位器产生较小的尺寸限制。此外，因为所需要的矩阵中开关的数量分别与输入和输出插槽的平方相配，所以开关的尺寸可以是实现平面光学部件(例如16×16输入/输出开关模块已经需要256个开关)的重要特点。因此，虽然基于目前微定位器的现有技术设备提供了开关功能，但是它们难以制造且在引起上述问题的其尺寸减少上受到限制。此外，目前的微定位器还会受温度和环境波动的影响，尤其因为它们采用因温度波动可以膨胀和收缩的材料。

美国专利申请US5546063(J.Hoffman)展示具有可在第一和第二位之间移动的活塞的电磁定位器。该活塞由永磁体支持，该永磁体将活塞锁定在第一位置。借助具有电线圈的螺线管，在线圈被激活时，该活塞能被移动到第二位置。在线圈的去激活状态，活塞落回到第一位置。因此该活塞不能被锁定在第二位置。US5546063还展示了另一个具有由两个永磁体支持的活塞的方案。在这一方案中活塞又一次借助具有电线圈的螺线管移动，而此时活塞能被两个永磁体锁定在第一位置和第二位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种不呈现上述缺陷的较小微定位器。尤其是，该定位器尽管具有较小的尺寸，但是维持性能和保持可靠性应该是可能的。本发明的另一目的是允许微定位器被适当地按比例减小，将光通过具有开关矩阵的光学部件的传输效率最大化，将开关时间减少到最大5ms，并作为最终目的，还要通过选择低摩擦及低热膨胀的材料来增强可靠性。

根据本发明，特别地通过独立权利要求的要素，这个目的得到实现。此外，其它的优势实施例遵照从属权利要求和说明书。

本发明的目的还得到实现，尤其在于电磁定位器或致动器包括活塞，所述活塞在第一和第二预定位置之间是可移动的并且所述活塞由活塞导向所支撑，所述可移动活塞包括垂直于移动方向被导引的永磁体，所述活塞包括在活塞移动方向上能够极性颠倒的电磁线圈，借助于所述线圈，根据其磁化，活塞从一个预定位置可移动进入另一预定位置。且能够极性颠倒的线圈芯(coil core)拥有剩磁，借此剩磁当线圈被关断，即未被通电时，可移动活塞在两个预定位置之一是固定的。活塞可以是具有圆柱形活塞导向的圆柱形设计。它还可以具有不同的形状，如矩形。永磁体可以被放置在例如末端的活塞上，还可以想象出它被集成在不同位置处的活塞内。如果所述永磁体和/或所述电磁线圈在所述活塞运动的方向上被轴向磁化，则这可以是有利的。这格外地具有优点，即借助于磁体力的施加可以被最大化。活塞的永磁体可以具有例如1.2-1.6T的电感(B)以及940 000-1 000 000 A/m的矫顽磁场。这具有如此优点，即对于微线性定位器的典型尺寸，它可以对应于所要求的信号强度。能够极性颠倒的磁芯可以包括例如至少部分半硬磁性材料。活塞及具有磁芯的磁体线圈可以在活塞中例如通过隔离物被分开，其被安装在活塞导向和具有线圈芯的磁体线圈之间。这具有格外的优点，即在将活塞定位在第一位置期间，具有线圈芯的磁体线圈并未受损并且在线圈芯和永磁体之间保持预定的间隔。在所优选的实施例中，借助于活塞的外罩实现活塞导向。由于对照于现有技术的状态，能够极性颠倒具有剩磁的磁芯被使用，取代两个磁体，以将活塞带入两个位置之一，活塞可以是更小的结构且更紧凑，对于活塞这还意味着更短的反应时间。还可以由此制造更小且更经济的光学开关。

在一个实施例中，这些目的通过本发明得到实现，这在于电磁设备被使用，其包括永磁体和被安装在特殊半硬磁芯上的电磁线圈。当我们颠倒线圈和特殊磁芯的极性，磁体或者被吸引到磁芯，或者被磁芯排斥。这导致在两个方向上的锁定位置。陶瓷圆柱体和活塞被附着到线圈芯支架上。具有被附着到其上的磁体的活塞或者被吸引到磁芯，或者被磁芯排斥。因此，作为致动器磁体的定位的功能，活塞被从一个位置移动到另一位置。在这个微定位器的一个应用中活塞移动镜或滤光器。活塞通过陶瓷圆柱体的一端突出来。该圆柱体对活塞的往复运动进行导向，其最高的位置靠着陶瓷楔，其最低的位置靠着陶瓷环。给电磁线圈通电来操作该微致动器。致动器磁体位于活塞上，并且处于两个端头位置之一，由磁芯所保持或排斥。给线圈通电将吸引或者排斥致动器磁体，这取决于电的极性。线圈可随后在相反电极性上被通电，以使在相反方向上移动磁体和活塞。这个实施例变型具有与前述实施例相同的优点。

在一个实施例中，所述活塞在致动器或所述电磁定位器的所述外罩以外轴向可延伸。除了别的以外，这个实施例变型具有如此优点，即定位器适合于用在光学开关模块、光学元件如镜或滤光器中，其被安装在延伸超出活塞外罩的部分上。因此，在另一实施例变型中，突出活塞外罩以外的部分包括光学元件。光学元件可以包括例如镜和/或滤光器元件。这格外地具有已经提到的优点。在从前的实施例变型情况下，突出的部分当然可以服务于完全不同的目标，如例如过程的激活等。

在另一实施例变型中，活塞和/或活塞外罩至少部分地由陶瓷制成。除了别的以外，这具有如此优点，即在定位器中的摩擦阻力可以被极大地降低并且部件具有相当小的热膨胀系数。另一方面，这扩大了定位器可能的应用领域。另一方面，在定位器内的磨损和破裂也被降低。

在另一实施例变型中，活塞包括横向凹槽并且活塞外罩具有止动元件，借助于此活塞的第二预定位置可以被设定，所述止动元件在凹槽处与活塞邻接。除了别的以外，这具有如此优点，即定位器容易被实现且生产。除了别的以外，这还带来制造成本的降低。

在一实施例变型中，止动元件具有磁特性，其有助于将活塞固定在第二位置。这格外地具有如此优点，即通过将活塞止动在第二位置而发生的可能反冲动量可以得到补偿。

在一实施例变型中，具有磁性线圈芯的磁体线圈具有长于将活塞从一个位置移动进入另一位置所必需时间2至3倍的脉冲时间。除了别的以外，这具有如此优点，即当撞击到隔离物或止动元件上时，活塞的可能反冲动量可以得到补偿。

在这点上，应该指出的是，除了根据本发明的微线性定位器以及基于微线性定位器的光学开关以外，本发明还涉及这种微线性定位器和/或光学开关以及/或光学开关模块的制造方法。

根据参考所附附图对本发明的下述说明，本发明的其它特点和优点将变得更加显而易见，即借助于实例，下面对本发明的两个实施例加以说明。通过下述所附的图实施例的实例被示例：

附图说明

图1是根据本发明优选实施例所构建的微致动器或定位器的纵向横断面视图，其示出被锁定在其两个位置之一的执行致动器的活塞。

图2是图1中的微致动器或定位器的横断面视图，其示出在其两个位置中另一位置中的致动器的活塞；

图3是图1中微致动器或定位器的被部分分解的透视图；

图4是根据本发明优选实施例而构建的微致动器或定位器的另一实施例的纵向横断面视图，其示出被锁定在其两个位置之一的致动器的活塞；

图5是图4中的微致动器或定位器的横断面视图，其示出在其两个位置中另一位置的致动器的活塞；

图6是图4中微致动器或定位器被部分分解的透视图；

图7是示出光学开关模块21的示意图，体现本发明多个光学开关的所述模块具有在X/Y平面的纤阵列或矩阵；

图8是示出光学开关模块21的示意图，体现本发明多个光学开关的所述模块具有两个平面P1/P2的多个输入和输出线耦合；

图9是示出光学开关模块21的示意图，体现本发明多个光学开关的所述模块具有三个平面P1/P2/P3的多个输入和输出线耦合；

图10示出光学开关模块21的示意图，体现本发明多个光学开关的所述模块具有四个平面P1/P2/P3/P4的多个输入和输出线耦合；

图11和12每个均是图7的放大视图，其以概括表示示出路径33和A交叉的细节。

具体实施方式

现在参考附图，其中同样的数字指示同样的元件，图1直至6示出根据本发明的微定位器或致动器的两个不同实施例。微致动器或定位器的该优选实施例可用在光学开关模块21中以控制在两个准直器(未被示出)之间的激光束方向。然而，其用途不止于此。它可以被用在需要锁定运动的任何环境中，特别是需要小尺寸及快速开关时间的线性致动器或定位器的环境中。

图7是在X/Y平面内带有纤阵列或矩阵的这种光学开关模块21的示意图，在所示图中这样的纤A、B、C和D水平延伸，相交纤31、32、33和34垂直延伸。在光纤的每个交点上有一插槽22，也正如图11和12的放大视图所示，其限定了纤A的面对端口42和43以及纤33的40和41。在开关模块21的每个插槽22内被可移动放置的用于在垂直方向运动(即，进入和离开图7、11和12的平面)的是微致动器或定位器20，即体现本发明的光学开关。图11和12还示出在矩阵另一侧上的附加连接，其在图7中未被示出。因此，每个纤交点，在图1至6的开关21中所示，将包括具有微镜的微致动器20，当未被致动时，允许例如纤A上的光学输入信号从端口42被传递到端口43以沿着纤A将信号从其输入传导到其输出。如果充当光学开关的根据本发明的微定位器或致动器20被致动，则在端口42来自纤A的输入信号被微定位器20的镜反射到纤33的端口41上以将信号从输入A切换到输出33。

作为另外选择地，微致动器20，而不包括微镜，可包括滤光器或衍射光栅，以选择性地阻挡/通过提供“on/off”功能的单纤上的某些波长。然而，更典型地，开关网络被如此提供，以便于多输入线可被选择性地耦合到多输出线。包括光学开关20，即根据本发明的微致动器的光学开关模块21的不同实施例被示于图7、8、9和10中。图8示出多个输入和输出线或两个平面的纤23的耦合，这两个平面分别是平面P1和P2，其中参考数字24/25指示被导向的光或激光束。图9示出三个平面的多个输入和输出线23的耦合，这三个平面分别为平面P1、P2和P3。图10示出四个平面的多个输入和输出线23的耦合，这四个平面分别为平面P1、P2、P3和P4。

被示于图1-6的本发明微定位器包括沿着外罩的轴被放置的圆柱芯支架4、线圈芯1以及电磁线圈2。电磁线圈2被安放在由半硬磁性材料制成的线圈芯1上面。半硬材料可以基于例如FeCrCo合金、CoFeV合金、CoFeNi合金或FeCrCoNiMo合金或另一种半硬或二分之一硬材料。电磁线圈2被通过电连接10的电源设备(未被示出)所提供的电流控制且被供应此电流。永磁体9被放置在隔离物3和活塞8之间。永磁体9、电磁线圈2和线圈芯1共同作用以将活塞8在两个锁定位置之间反复，一个到圆柱体5中通路底端(在图2中被示出)，且一个到圆柱体5中通路顶端(在图1中被示出)。为了固定第二预定位置，活塞8可以包括例如侧同凹槽并且活塞外罩5可以包括止动元件7，活塞8在第二位置与凹槽止动元件7邻接。图1、2和3中的实施例变型尤其具有超出图4、5和6的实施例变型的优点在于：止动元件7并不是必须利用粘接剂固定。当考虑到图4、5和6的实施例变型时，此外更清楚地是对于圆柱形止动元件7，用于在止动元件7和活塞5之间施加粘接剂的连接点被极端地加以限制。这可以导致止动元件7的不良粘接。另一方面，对于图1、2和3的实施例变型，根本没有必要使用粘接剂，并且止动元件7的安全粘接是可能的，在用于制造和维护微定位器的其它事情当中，其具有很大的优点。正如已经说明的，止动元件7本身可以具有磁性，来补偿活塞8的反冲动量(校核术语)。附有镜或滤光器6的活塞8通过楔7在通路的顶部被精确定位。利用粘接剂(图4、5、6)或如图1、2、3中具有凹槽11的凹槽结构，微定位器的各种元件被安装在外罩12内。

永磁体9起到两个目的。它与线圈2共同作用以当驱动电流被施加到线圈上时，在其第一和第二锁定的末端位置之间往复地移动活塞8。一旦驱动电流被去除时，磁体9还将活塞8轴向地锁定在位。参考图1和2这可以得到理解。当活塞8被锁定在外罩中通路顶端的位置时，如图1中所示，此时没有驱动电流被施加到线圈2上，并且活塞靠由永磁体9所产生的磁场固定在位。为了将活塞8移动到图2中的第二锁定位置，适当的驱动电流被施加到线圈2上。电流的极性由活塞8要被移向的方向、线圈被缠绕的方向以及到线圈的电连接极性来加以确定。基于上述考虑，驱动电流被施加到线圈2上以产生磁力，所述磁力与由永磁体9所感应的磁场具有相反的极性。这产生促使活塞8移动的吸引力。这个力快速地将活塞8移动到图2中所示的靠到外罩内通路底端的第二锁定位置。在活塞8到达图2中所示的第二锁定位置之后，驱动电流被从线圈2中除去并且永磁体9将活塞8锁定在第二锁定位置。当活塞8即将返回到第一锁定位置时，向线圈2施加适当的电流，所述电流的极性相反于用于将活塞8从一个锁定位置移动到另一锁定位置而施加的那些电流的极性。被连接到线圈的适当控制电路被用来产生线圈的驱动信号并且用来控制这些信号的定时(timings)。在大多数应用中，微定位器应该具有小于5ms的快速响应时间。

活塞8快速地在其相对的锁定位置之间移动。当活塞8碰撞到限定活塞通路的相对端的楔7或隔离物3时，由其运动所建立的动量可足以引起活塞8被回弹。为了避免这种回弹以及可能的碰撞损伤，电脉冲将被保持至少开关时间的两倍，典型地为12ms。如图3中所示，永磁体9优选地由材料如Nd-Fe-B合金(例如，Vacodym 510HR，其具有1.41T的残余感应率以及980,000A/m的矫顽磁性)或SmCo₅/Sm₂Co₁₇合金(例如Vacomax)等制成。这个永磁体被轴向磁化且被附着到活塞8的底端。

现在说明根据本发明的微定位器实例的尺寸和操作特征。为了与这个发明建立联系，产生线性运动的已知微定位器具有如此外壳，典型地长度处于20mm数量级以及约6mm的直径，2mm的行程，典型地10ms的开关时间。

对于根据本发明的微定位器，外壳长度可为10mm，具有0.5mm的行程。12mm或13mm的外壳长度是可能的。在任一实例中，外壳具有约2.45mm，且特殊地2.5mm的直径。因为移动部份可包括陶瓷材料，所以几乎不存在热膨胀或收缩。横向导向具有小于1μm的精确度，例如从-40℃到80℃。

线匝具有45μm线的540匝。线圈具有2.4mm的直径。在5V直流电(5Vdc)及0.150A的线圈电流下存在750mW的功率耗散。当开关路径为0.5mm时，供电电压将为5V直流电。最大电流将为0.150A。方波脉冲时间将为12ms且开关路径在5ms内被取得。没有任何施加电压时，在两端的锁定力为＞15mN。

借助于实例给出上述参数，其并不旨在限制本发明的范围。

虽然本发明已经就特定的实施例被加以说明，但是对于本领域中的那些技术人员来说许多其它的变化和修改以及其它使用将是显而易见的。因此，优选地本发明不被在此的具体公开内容所限定，而仅由所附的权利要求来加以限定。

参考数字列表

1 线圈芯

2 线圈

3 隔离物

4 芯支架

5 圆柱体

6 镜或滤光器

7 止动器

8 活塞

9 磁体

10 电连接

11 凹槽

12 外罩

20 具有镜或滤光器的定位器或微致动器

21 光开关模块

22 插槽

23 纤

24/25 光-或激光束

31/32/33/34 纤

40/41/42/43 端口

Claims

1.一种具有活塞(8)的电磁定位器，所述活塞(8)在第一和第二预定位置之间是可移动的并且由活塞导向(5)加以支撑，其特征在于：

所述可移动活塞(8)包括取向在移动方向上的永磁体(9)，

所述定位器包括能够极性颠倒的电磁线圈(2)，其具有在活塞(8)的移动方向上能够极性颠倒的芯(1)，借助于所述线圈(2)，根据其磁化强度，活塞(8)可从一个预定位置移入另一预定位置，

所述能够极性颠倒的芯(1)具有剩磁，借助于此，当线圈未被通电时，可移动活塞(8)可交替固定在所述两个预定位置中的任何一个位置。

2.根据权利要求1所述的电磁定位器，其中所述活塞(8)在所述活塞导向(5)的外部是轴向可延伸的。

3.根据权利要求1所述的电磁定位器，其特征在于所述活塞(8)被设计成在起到活塞导向(5)作用的圆柱形活塞外罩中是圆柱形的。

4.根据权利要求2所述的电磁定位器，其特征在于所述活塞(8)和/或活塞导向(5)至少部分由陶瓷制成。

5.根据权利要求3所述的电磁定位器，其特征在于所述活塞(8)和/或外罩(5)至少部分由陶瓷制成。

6.根据权利要求1所述的电磁定位器，其特征在于所述活塞(8)和/或活塞导向(5)至少部分由陶瓷制成。

7.根据权利要求1所述的电磁定位器，其特征在于所述永磁体(9)被放置在活塞(8)的末端。

8.根据权利要求4所述的电磁定位器，其特征在于所述定位器包括被放置在活塞导向(5)和具有线圈芯(1)的线圈(2)之间的隔离物(3)。

9.根据权利要求4所述的电磁定位器，其特征在于所述活塞(8)包括侧向凹槽(11)以及活塞导向(5)包括止动元件(7)，借助于此，活塞(8)的第二预定位置是可固定的。

10.根据权利要求1所述的电磁定位器，其中所述永磁体(9)和/或所述电磁线圈(1)在所述活塞(8)运动的方向上被轴向磁化。

11.根据权利要求1所述的电磁定位器，其特征在于能够极性颠倒的芯(1)包括半硬或二分之一硬磁体。

12.根据权利要求4所述的电磁定位器，其特征在于所述止动元件(7)具有用于将活塞(8)保持在第二位置的磁矩。

13.根据权利要求2所述的电磁定位器，其特征在于活塞导向(5)外的可延伸部分包括光学元件(6)。

14.根据权利要求13所述的电磁定位器，其特征在于光学元件(6)包括镜和/或滤光器。

15.根据权利要求1所述的电磁定位器，其特征在于活塞(8)的永磁体(9)具有1.2-1.6 T的电感(B)及940000-1000000A/m的矫顽磁场。

16.根据权利要求1所述的电磁定位器，其特征在于具有用于移动活塞(8)的磁线圈芯(1)的磁体线圈(2)具有将活塞(8)从一个位置移动到另一位置所必需时间的2至3倍长的激励时间。

17.一种光学开关模块(21)，其特征在于为了耦合输入和输出端口，光学开关模块(21)包括根据权利要求1的电磁定位器(20)。

18.一种用于产生光学开关模块(21)的方法，其特征在于：为了耦合输入和输出端口，根据权利要求1的电磁定位器(20)被使用。