CN104942662A - 一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,包括可转动的抛光垫以及置于抛光垫上的抛光夹具,工件(光纤阵列组件)装夹在抛光夹具上,工件待抛光的端面在重力作用下与抛光垫接触,所述抛光垫上通入抛光液;所述抛光夹具通过一竖直方向弹性设置的支撑平台置于抛光垫上,所述抛光夹具竖直端通过变幅杆与超声波换能器连接,所述超声波换能器与超声波发生器通过导线连接。本发明通过超声振动辅助光纤阵列端面的化学机械抛光,可提高抛光液的抛光磨削效率,降低抛光液的使用量,节省生产成本,并且减轻了对抛光液对环境的影响,同时还可有效提升抛光的效果,可在实际生产中广泛引用。

Description

一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置
技术领域
本发明属于光纤阵列精密加工技术领域,具体是一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置。
背景技术
光纤阵列组件是集成光电子器件的关键组成部分,采用直接对接偶合法与光电子芯片的光路相连接,担负着光信号传输的重任。光纤阵列组件端面是由多种不同材料组成的异质结构表面,涉及的材料包括V型槽(单晶Si)、光纤(SiO2)、上盖板(硼硅酸盐耐热玻璃)、UV固化胶等。其中,单晶硅、玻璃均属于难加工的硬脆材料,而且它们的加工性质存在差异,给精密加工带来较大的困难。目前常采用亚微米级固着磨粒对光纤阵列组件端面进行抛光,存在亚微米级甚至微米级光纤端面凹陷、光纤端面变质层、光纤端面疵点等加工缺陷,造成光纤阵列与芯片光路的耦合连接界面的光反射强度较高(即向后反射光隔离度偏低),从而造成激光器抖动和干扰光纤传输系统的稳定,不能满足下一代全光通信网络的要求,迫切需要为光纤阵列组件探索创新的精密加工方法。
目前,对光纤阵列组件端面加工广泛采用化学机械抛光技术,如附图1所示的抛光装置,抛光夹具12放置在抛光垫15上方,靠自身重力使得抛光垫15与抛光夹具上的工件18相互紧贴,当电机带动抛光垫15旋转时,工件18与抛光垫15产生相对运动,同时在摩擦力作用下,抛光夹具12带动工件绕夹具的中心轴线自转,在化学机械抛光过程中,由于工件18端面和抛光垫15之间抛光压力的存在,导致大部分抛光液中的磨粒难以填充到工件端面和抛光垫之间,有效抛光成分不能充分发挥作用,光纤阵列材料的去除率低,造成抛光的效率低下,还造成抛光液的浪费,不仅增加了加工成本,而且也增加了抛光液对环境的污染。
发明内容
本发明解决的技术问题是:针对现有的单一化学机械抛光光纤阵列端面存在的抛光液利用不彻底、抛光效率不高的缺陷,提供一种新型的超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置。
本发明采用如下技术方案实现:
一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,包括可转动的抛光垫15以及置于抛光垫15上的抛光夹具12,工件18装夹在抛光夹具上,工件待抛光的端面在重力作用下与抛光垫15接触,所述抛光垫15上通入抛光液;所述抛光夹具12竖直端与超声波换能器8连接,所述超声波换能器8与超声波发生器14通过导线连接。
进一步的,所述超声波换能器8通过变幅杆9与抛光夹具12连接,所述变幅杆9的大端连接超声波换能器8,小端连接抛光夹具12。
进一步的,所述抛光夹具12通过一竖直方向弹性设置的支撑平台11置于抛光垫上。
进一步的,所述支撑平台11通过滑块4滑动设置在一竖直设置的导轨立柱5上,所述导轨立柱5顶部具有一横梁6,所述支撑平台11通过精密弹簧7与横梁6连接。
进一步的,所述超声波换能器8、变幅杆9和抛光夹具12固连成一体,通过法兰10固定在支撑平台11上。
进一步的,所述超声波换能器8、变幅杆9的长度均为超声波频率范围下超声波波长的1/2。
进一步的,所述抛光垫15转动设置在抛光台底座16上,底部与电机17连接。
进一步的,所述抛光垫15采用偏心传动或者抛光夹具12与抛光垫15之间偏心设置。
进一步的,抛光装置还包括抛光液箱1,所述抛光液箱1通过导管2将抛光液输送至抛光垫上方,所述导管2上设有流量计3。
在本发明中,所述抛光夹具12为圆盘状,所述超声波换能器8设置在抛光夹具12的竖直轴线上,超声振动频率为20kHz—60kHz,圆盘厚度在4mm-8mm之间。
本发明在化学机械加工的基础上,结合采用超声波振动辅助抛光,将超声振动与传统加工技术相结合,对具有硬脆特性等难加工材料的加工表现出许多优良的加工效果:有效改善表面质量,提高加工精度,延长寿命和获得加工系统的稳定性等诸多显著效果。在本发明中,超声振动从超声波换能器发出,沿变幅杆轴向增幅后从圆盘式的抛光夹具中心不断向圆盘外围传递,从而在圆盘上各点产生弯曲振动,特别是装夹工件的圆盘周边位置,在轴向和径向两个方向的振动运动结合产生椭圆超声振动,使得抛光液进出工件和抛光垫之间的间隙速度增加,有效工作的抛光粒子数量增多,对工件表面冲击速度变大,因此材料去除率及加工表面精度同时得到提高。
由上所述,本发明通过超声振动辅助光纤阵列端面的化学机械抛光,提高抛光液的抛光磨削效率,降低抛光液的使用量,节省生产成本,并且减轻了对抛光液对环境的影响,同时还可有效提升抛光的效果,可在实际生产中广泛引用。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中的化学机械抛光装置。
图2为本发明的抛光装置示意图。
图3为本发明中的抛光夹具的振动示意图。
图中标号:1-抛光液箱,2-导管,3-流量计,4-滑块,5-导轨立柱,6-横梁,7-精密弹簧,8-超声波换能器,9-变幅杆,10-法兰,11-支撑平台,12-抛光夹具,13-导线,14-超声波发生器,15-抛光垫,16-抛光台底座,17-电机,18-工件。
具体实施方式
参见图2,图示中的超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置包括抛光台底座16、抛光垫15、抛光夹具12、抛光液箱1以及辅助的超声波装置。抛光垫15转动设置在抛光台底座16上,抛光垫15底部与电机17连接,驱动抛光垫15转动。抛光夹具12为圆盘状,在进行抛光加工时,光纤阵列组件作为工件18,装夹在圆盘圆周位置,竖直放置,采用螺纹紧固装夹,方便工件装卸与加工,抛光夹具12放置在抛光垫15上,工件待抛光的端面在重力作用下与抛光垫15接触,抛光液箱1通过导管2将抛光液输送至抛光垫上方,抛光液箱内部应该自带泵送部件,向抛光垫15上通入抛光液,导管2上设有流量计3。
辅助的超声波装置包括超声波换能器8和超声波发生器14,抛光夹具12竖直端与超声波换能器8连接,超声波换能器8与超声波发生器14通过导线连接。其中,超声波换能器8通过变幅杆9与抛光夹具连接,超声波换能器8以及变幅杆9沿圆盘状的抛光夹具12竖直轴线方向设置,变幅杆9的大端连接超声波换能器8,小端连接抛光夹具12。
抛光夹具12通过一竖直方向弹性设置的支撑平台11置于抛光垫上,支撑平台11通过滑块4滑动设置在一竖直设置的导轨立柱5上,导轨立柱5顶部具有一横梁6,支撑平台11通过精密弹簧7与横梁6连接,精密弹簧7长度可调,通过调整弹簧长度控制抛光过程中的抛光压力大小。
本实施例中,超声波发生器14通过导线13与超声波换能器8正负极相连,超声波换能器8、变幅杆9、抛光夹具12及法兰10采用一体制造,从而减少装配表面间隙及装配误差所引起的功率损耗。超声波换能器8由压电陶瓷组和前后盖板构成,并通过预紧力螺栓对压电陶瓷进行预紧。变幅杆9大端与超声波换能器8相连,小端与抛光夹具12相连。抛光夹具12为模式转换圆盘,抛光夹具12圆心部分与变幅杆9小端相连,抛光夹具12四周开有空槽用以安装光纤阵列组件。法兰盘10位于变幅杆中振动节点位置。
法兰10通过螺栓连接固定在支撑平台11上,支撑平台11与导轨立柱5之间采用滑块4连接,滑块4嵌装在导轨立柱的导轨上,形成竖直方向的导轨移动副,支撑平台11及抛光台横梁6之间采用精密弹簧7连接,导轨立柱5固定在抛光台底座16上。与支撑平台11连接后的抛光夹具12与抛光垫15之间应当留有一定间隙用于光纤阵列组件的安装,抛光液由抛光液箱1经流量计3流入抛光垫15和抛光夹具12之间。
抛光垫15安装在抛光台底座16上,抛光垫15与抛光夹具12同轴布置,由电机17带动抛光垫15转动,电机轴线与抛光垫轴线采用偏心传动的连接方式,以避免抛光时工件总与抛光垫同一位置接触,减小对抛光垫的损伤,也可采用抛光夹具12与抛光垫15之间偏心设置的方式。
结合参见图3,在超声波发生器14产生的超声交变电流作用下,超声波换能器8中的压电陶瓷产生于电场方向相同的周期性伸缩振动,从而使得整个超声波换能器8产生竖直纵向的超声振动,纵向超声振动通过变幅杆9大端传入变幅杆中,由于变幅杆9的直径由大变小,能量密度逐渐增大,变幅杆9小端的输出振动幅度将大于输入大端,放大倍数随变幅杆大、小端端面面积比值决定。纵向超声振动通过变幅杆9的放大之后传导到圆盘状的抛光夹具12圆心位置,即弯曲振动圆盘中心。在圆盘中心部位产生的轴向振动不断沿径向向圆盘外围装夹工件的位置传递,从而在圆盘上各点产生弯曲振动,而装夹工件的圆盘周边位置,在轴向和径向两个方向的超声振动作用下产生椭圆超声振动。
在化学机械抛光加工中,电机17带动抛光垫15旋转时,工件18与抛光垫15产生下相对运动,在摩擦力作用下,抛光夹具12带动工件绕夹具中心轴自转。本实施例在其中加入了双向椭圆超声振动辅助抛光加工过程,加入超声振动之后,增加了抛光垫与工件之间的相对速度,使得材料去除率显著增加,并且由于椭圆超声振动的加入所产生的空化效应,使得抛光液进出工件和抛光垫之间的间隙速度增加,有效工作的抛光粒子数量增多,对工件表面冲击速度变大,因此材料去除率及加工表面精度同时得到提高。
超声波换能器8、超声波变幅杆9及抛光夹具12采用同一设计频率进行设计,当三者同时处于谐振频率时,系统的损耗最小。超声振动频率选择范围一般为20kHz—60kHz,超声波换能器8、变幅杆9长度均为相应制作材料内设计超声波频率下超声波波长的1/2长度。抛光夹具12中心部位与变幅杆9小端相连,其结构为一平板型圆盘,平板厚度、直径及设计频率三者存在一定相关性。为使弯曲振动的功率损耗不至于过大,板厚不应取值过大,圆盘弯曲振动阶次也不应太高,圆心、圆周位置为弯曲振动波峰位置。为保证弯曲振动圆盘保持薄板振动模式,圆盘的直径/厚度比值应取较大值。综上,将谐振频率取值范围设置为20kHz至60kHz之间,圆盘厚度设置为4mm至8mm之间,取圆盘二阶及三阶弯曲振动模态,计算得到圆盘厚度取值如下表所示:
上述为本发明的优选实施方式,但所属领域的技术人员应该明白,在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内,在形式和细节上对本发明所作出的各种变化,都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,包括可转动的抛光垫(15)以及置于抛光垫(15)上的抛光夹具(12),工件(18)装夹在抛光夹具上,工件待抛光的端面在重力作用下与抛光垫(15)接触,所述抛光垫(15)上通入抛光液;
其特征在于:所述抛光夹具(12)竖直端与超声波换能器(8)连接,所述超声波换能器(8)与超声波发生器(14)通过导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述超声波换能器(8)通过变幅杆(9)与抛光夹具(12)连接,所述变幅杆(9)的大端连接超声波换能器(8),小端连接抛光夹具(12)。
3.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述抛光夹具(12)通过一竖直方向弹性设置的支撑平台(11)置于抛光垫上。
4.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述支撑平台(11)通过滑块(4)滑动设置在一竖直设置的导轨立柱(5)上,所述导轨立柱(5)顶部具有一横梁(6),所述支撑平台(11)通过精密弹簧(7)与横梁(6)连接。
5.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述超声波换能器(8)、变幅杆(9)和抛光夹具(12)固连成一体,通过法兰(10)固定在支撑平台(11)上。
6.根据权利要求5所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述超声波换能器(8)、变幅杆(9)的长度均为超声波频率范围下超声波波长的1/2。
7.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述抛光垫(15)转动设置在抛光台底座(16)上,底部与电机(17)连接。
8.根据权利要求7所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述抛光垫(15)采用偏心传动或者抛光夹具(12)与抛光垫(15)之间偏心设置。
9.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,还包括抛光液箱(1),所述抛光液箱(1)通过导管(2)将抛光液输送至抛光垫上方,所述导管(2)上设有流量计(3)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置,所述抛光夹具(12)为圆盘状,所述超声波换能器(8)设置在抛光夹具(12)的竖直轴线上,超声振动频率为20kHz—60kHz,圆盘厚度在4mm-8mm之间。
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