CN101718908A - 微型自锁定双轴光开关 - Google Patents

Abstract

一种微型自锁定双轴光开关，其内转动部分由反光镜(2)、两块永久磁铁(3)、内转动轴(4)及内主载体(5)构成，外转动部分(6)由两块永久磁铁(7)、外转动轴(8)及外主载体(9)构成的，底座部分(11)由四块永久磁铁、两组通电螺线圈及底座构成，内转动部分(1)通过内转动轴(4)支撑设置在外转动部分(6)内，外转动部分(6)通过外转动轴(8)支撑设置在底座部分(11)的支撑臂(16)上。本发明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。从本发明的2×2光开关阵列可以推演出N×N光开关阵列。

Description

微型自锁定双轴光开关

技术领域

本发明涉及应用于光通讯领域中的微机电系统MEMS(micro electro mechanicalsystems)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 mechanicalsystems)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)。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)、印刷电路版PCB(PrintedCircuits Board)微机电系统技术以及微注入塑型技术MIMT(Micro Injection MoldingTechnology)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发明不同。

发明内容

本发明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。

本发明的实施方案为：一种微型自锁定双轴光开关，包括：

内转动部分、外转动部分和底座部分；

内转动部分包括反光镜、两块永久磁铁、内转动轴以及内主载体，内转动轴设置于内主载体两侧壁上，反光镜设置在内主载体表面上，两块永久磁铁以内转动轴为对称轴设置在反光镜下方的内主载体底部两侧；

外转动部分包括两块永久磁铁、外转动轴以及外主载体，转动轴设置在外主载体的两侧壁，内转动部分通过内传动轴支撑设置在外主载体中，两块永久磁铁以外转动轴为对称轴设置在外转动部分的底部；

底座部分包括四块永久磁铁、两组通电螺线圈以及底座，四块永久磁铁对称设置在底座中，两组通电螺线圈对应设置在四块永久磁铁上方或下方，外转动部分通过外转动轴支撑设置在底座部分的支撑臂上；

底座部分的四块永久磁铁与内转动部分的两块永久磁铁和外转动部分的两块永久磁铁形成四对磁组，每一对磁组的磁场方向是相同的。

所述内主载体和内转动轴为聚合物制成，内主载体和内转动轴是一体形成的，两块永久磁铁镶嵌在内主载体中。

所述外主载体和外转动轴为聚合物制成，外主载体和外转动轴是一体形成的，两块永久磁铁镶嵌在外主载体中。

所述底座部分为聚合物制成，四块永久磁铁、两组通电螺线圈镶嵌在底座中。

在外转动部分的外主载体的两侧壁及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内转动轴和外转动轴的直径，V型槽下部挤入处的最小尺寸稍小于内转动轴和外转动轴的直径，内转动轴和外转动轴分别挤入安装在圆形转轴孔座中。

本发明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。本发明所提供的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。从本发明的2×2光开关阵列可以推演出N×N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：本发明内转动部分示意图。

图3：本发明外转动部分示意图。

图4：本发明底座部分示意图。

图4-1：本发明底座部分中的两组通电螺线圈的结构图。

图4-2：本发明底座部分中的通电螺线圈分结构图。

图4-3：本发明底座部分中的两组通电螺线圈和四块永久磁铁结构图。

图4-4：螺线圈通过电流时产生磁场的示意图。

图4-5：通电螺线圈的磁场及永久磁铁的磁极方向(内转动部分)。

图5：本发明三维视图。

图6：本发明的四种转动情形图示。

图7：本发明的V型槽和内转动轴及外转动轴的挤入(press-fit in)安装图示。

图8：本发明利用V型槽的微型自锁定光开光。

图9：本发明的2×2光开关阵列三维图。

具体实施方式

本发明产品在生产制造技术方面主要是采用微注入塑型技术MIMT(Micro InjectionMolding Technology)。在图2中，微型自锁定双轴光开关的内转动部分1是由反光镜2、永久磁铁3、内转动轴4以及聚合物内主载体5构成的，内转动轴4设置在内主载体5的两侧壁，两块永久磁铁3以内转动轴4为对称轴设置在内主载体5底部两侧，反光镜2设置在内主载体4的表面，反光镜2、两块永久磁铁3(其中一块未显示)、内转动轴4都是镶嵌在聚合物内主载体5中的，其中内转动轴4可以是金属栓也可以是聚合物栓，如果是聚合物栓，则内转动轴4和聚合物内主载体5是同时一体形成的。

在图3中，微型自锁定光开关的外转动部分6是由两块永久磁铁7(其中一块未显示)、外转动轴8以及聚合物外主载体9构成的，外转动轴8设置在外主载体9的两侧边，两块永久磁铁7以外转动轴8为对称轴设置在外主载体9底部两侧，以外转动轴8为对称轴的外主载体9的两侧壁上对称设置有转轴孔座10，两侧的两块永久磁铁7、外转动轴8都是镶嵌在聚合物外主载体9中的，其中外转动轴8可以是金属栓也可以是聚合物栓，如果是聚合物栓，则外转动轴8和聚合物外主载体9是一体同时形成的。

在图4中，微型自锁定双轴光开关的底座部分11是由四块永久磁铁12(见图4-3)、两组通电螺线圈13和14以及聚合物底座15构成的，底座15上对称设置支撑臂16和转轴孔座17，永久磁铁12和通电螺线圈13、14都是镶嵌在聚合物底座15中的。

图4-1，4-2，4-3，4-4和4-5表明了通电螺线圈13、14和永久磁铁12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14中的两个线圈分别产生的磁场方向是相反的，通电螺线圈13的磁场亦是如此。图4-4是螺线圈13和14通过电流时产生磁场的示意图。关于磁场与永久磁铁的相互作用，以内转动部分1为例，图4-5表明了通电螺线圈14的磁场方向及其永久磁铁3和12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。

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内转动部分1、外转动部分6和底座部分11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，再由内转动部分1、外转动部分6和底座部分11的组装构成微型自锁定双轴光开关。结合图5、图2、图3和图4-3，注意底座部分11的四块永久磁铁12与内转动部分1和外转动部分6的四块永久磁铁3、7形成四对磁组，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。关于内转动部分1的转动是怎样产生的，在图4-5中已经详细说明过了，外转动部分6的转动的产生是相似的。图6显示的是光开关的四种转动后的最终空间位置。微型自锁定双轴光开关中反光镜2的旋转角度由反光镜2表面至底座15表面的距离、内转动部分1和外转动部分6的相关几何尺寸而决定。

总之，微型自锁定双轴光开关中的“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，而反光镜的顺时针或逆时针转动完成之后，螺线圈就不需要通电了，即可以将驱动电源断开了。

图7表示的是V型槽18及内转动轴4、外转动轴8的挤入(press-fit in)安装图示。是在外主载体6的两侧壁和底座部分的支撑臂16上设置设置V型槽18，V型槽18的底部设置圆形转轴插孔19，内转动轴4和外转动轴8可以通过V型槽18挤入安装在外转动部分6和底座部分的支撑臂16上。毫无疑问，这是光开关中最关键的部分之一，圆形转轴孔座19、的直径稍微大于内转动轴4、外转动轴8的直径，从而使得转动时的摩擦力尽量减小。V型槽底部挤入处的最小尺寸稍小于内转动轴和外转动轴的直径，以便挤入安装。

图8是利用V型槽而设计的微型自锁定光开关(图中省略了永久磁铁和螺线圈部分)，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。

图9是微型自锁定光开关2×2阵列，第一步是分别生产出内转动部分1、外转动部分6和底座部分11，然后通过图7表示的方法组装成微型自锁定光开关。从上述发明的2×2光开关阵列可以推演出N×N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。

Claims (5)

1.一种微型自锁定双轴光开关，包括：

内转动部分(1)、外转动部分(6)和底座部分(11)；

内转动部分包括反光镜(2)、两块永久磁铁(3)、内转动轴(4)以及内主载体(5)，内转动轴(4)设置于内主载体(5)两侧壁上，反光镜(2)设置在内主载体(5)表面上，两块永久磁铁(3)以内转动轴(4)为对称轴设置在反光镜(2)下方的内主载体(5)底部两侧；

外转动部分(6)包括两块永久磁铁(7)、外转动轴(8)以及外主载体(9)，外转动轴(8)设置在外主载体(9)的两侧壁，内转动部分(1)通过内传动轴(4)支撑设置在外主载体(6)中，两块永久磁铁(7)以外转动轴(8)为对称轴设置在外转动部分(6)的底部；

底座部分(11)包括四块永久磁铁(12)、两组通电螺线圈(13)、(14)以及底座(15)，四块永久磁铁(12)对称设置在底座(15)中，两组通电螺线圈(13)、(14)对应设置在四块永久磁铁(12)的上方或下方，外转动部分(6)通过外转动轴(8)支撑设置在底座部分(11)的支撑臂(16)上。

2.根据权利要求1所述的微型自锁定双轴光开关，其特征在于，所述内主载体(5)和内转动轴(4)为聚合物制成，内主载体(5)和内转动轴(4)是一体形成的，两块永久磁铁(3)镶嵌在内主载体(5)中。

3.根据权利要求1所述的微型自锁定双轴光开关，其特征在于，所述外主载体(9)和外转动轴(8)为聚合物制成，外主载体(9)和外转动轴(8)是一体形成的，两块永久磁铁(7)镶嵌在外主载体中。

4.根据权利要求1所述的微型自锁定双轴光开关，其特征在于，所述底座部分(11)为聚合物制成，四块永久磁铁(12)、两组通电螺线圈(13)、(14)镶嵌在底座(15)中。

5.根据权利要求1所述的微型自锁定双轴光开关，其特征在于，在外转动部分(6)的外主载体(9)的两侧壁及底座部分(11)的两支撑臂(16)上对称设置V型槽(18)，V型槽(18)底部设置圆形转轴孔座(19)，圆形转轴孔座(19)的直径稍大于内转动轴(4)和外转动轴(8)的直径，V型槽(18)下部挤入处的最小尺寸稍小于内转动轴(4)和外转动轴(8)的直径，内转动轴(4)和外转动轴(8)分别挤入安装在圆形转轴孔座(19)中。

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