DE69937926T2

DE69937926T2 - Optische Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE69937926T2
Application number: DE69937926T
Authority: DE
Inventors: Herzel Boulder Laor; Philip A. Richardson Congdon; Andrew S. Plano Dewa; David I. Wylie Forehand; David A. North Attleboro Krozier; Tsen-Hwang Dallas Lin
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: EP0962796A3; EP0962796A2; JP2000010029A; US7095917B2; US20030164997A1; US6295154B1; US20020018615A1; US20060115208A1; US6731420B2; US6430332B1; DE69937926D1; EP0962796B1

Description

Verwandte Anmeldungen
Es wird die Priorität der vorläufigen Anmeldung Nr. 60/088.239, eingereicht am 5. Juni 1998, beansprucht.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das optische Schalten und spezieller auf das nicht elektrische Schalten von Laser-Kommunikationssignalen.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren sind optische Fasern in einer großen Vielfalt von Anwendungen weitverbreitet in Gebrauch gekommen, in denen optische Signale längs derartiger Fasern übertragen und mittels eines optischen Schalters von einer Faser zu einer weiteren geschaltet werden. Herkömmliche optische Schalter enthalten im allgemeinen Faserpositionierungsmittel, Ausrichtungssignal-Emittermittel und untereinander verbundenen Computer-Steuermittel. Ein Faserpositionierungsmittel ist in der Nähe des Endes jeder Faser vorgesehen, um das Ende einer gegebenen Faser in einer Fasergruppe wahlweise auf das Ende einer gegebenen Faser in einer weiteren Fasergruppe für die geschaltete optische Übertragung dazwischen zu richten. Ein Ausrichtungssignal-Emittermittel ist in der Nähe eines Endes jeder Faser und in einer vorgegebenen räumlichen Beziehung zum Ende jeder Faser vorgesehen, um ein Ausrichtungssignal für den Empfang und die Verwendung beim Steuern der Faserpositionierungsmittel zu emittieren, wenn die Enden der ausgewählten Fasern in der Fasergruppe für die geschaltete optische Übertragung dazwischen ausgerichtet werden, wie z. B. in den US-Patenten Nr. 4.512.036 und 5.177.348 gezeigt ist. Dieser Zugang erfordert eine beträchtliche Komplexität und Verdoppelung der Ausrichtungsmittel für jede ausrichtbare Faser. Es würde sehr erwünscht sein, diese Komplexität und Verdoppelung zu verringern und sowohl die Geschwindigkeit des Schaltens und die Zuverlässigkeit zu vergrößern als auch die Kosten bei der Implementierung zu verringern.
US-A-5 629 790 offenbart einen frequenzverriegelten Torsionsscanner des Typs, der einen mikrobearbeiteten Spiegel aufweist, der auf einer Oberfläche eines Silicium-Wafer-Abschnitts ausgebildet ist, der in einem größeren Wafer-Abschnitt durch ein Paar von gegenüberliegenden Torsionsstäben unterstützt ist. Die Hauptschwingungsfrequenz des Spiegels ist so ausgewählt, dass sie wenigstens 20% höher als die anderen Schwingungsmoden ist. Um einen Bruch zu verhindern, sind die Torsionsstäbe durch die Umsetzung wenigstens einer Oberflächenschicht in Siliciumkarbid oder -nitrid gehärtet. Ein Paar von Scannern mit orthogonalen Torsionsstäben kann in einem Vakuumgehäuse für das zweidimensionale Abtasten bei unterschiedlichen Raten angebracht sein, die für die Fernsehanzeige geeignet sind. In alternativen Ausführungsformen können ein Detektor und ein Scanner auf einer Platte auf demselben unterstützten Wafer-Abschnitt hergestellt sein oder können zwei Scanner unabhängig unterstützt sein oder können ein Scanner und ein Detektor unabhängig als zwei Platten unterstützt sein. Der Spiegel kann elektrostatisch, magnetisch oder durch beide Verfahren angetrieben werden.
DE 4 235 593 A offenbart eine mikromechanische Ablenkvorrichtung für einen Spiegel. Der Spiegel ist kardanisch an einem Rahmen aufgehängt, wobei der Rahmen mittels zweier diametral angeordneter Leiterbahnen schwenkbar an einem Chip befestigt ist. Der Spiegel ist mittels zweier weiterer diametral angeordneter Leiterbahnen an dem Rahmen befestigt, wobei die weiteren Leiterbahnen orthogonal zu den Leiterbahnen des Rahmens angeordnet sind. Unter dem Spiegel befindet sich ein Raum, der freigeätzt worden ist und unter dem die Leiterbahnen zum Steuern des Kippens des Spiegels angeordnet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Schalter zu schaffen, der die Begrenzungen des oben angegebenen Standes der Technik überwindet. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindungen, eine optische Schalteinheit zu schaffen, die relativ niedrige Kosten besitzt, eine hohe Geschwindigkeit besitzt und im Betrieb zuverlässig ist. Kurz gesagt, gemäß der Erfindung verwendet ein verbesserter optischer Lichtübertragungsschalter eine mikroelektromechanische (im folgenden MEM) bewegliche Spiegelbaueinheit mit zugeordneten Elektromagnet-Spulen, die in einem Gehäuse angebracht ist und vorzugsweise Steuer-LEDs enthält, wobei sowohl die Ansteuer- als auch LED-Signale durch einen Kabelbaum zugeführt werden. Die folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beziehen sich auf ein luftdichtes Gehäuse unter Verwendung anorganischer Materialien, um eine ausgedehnte Lebensdauer zu schaffen, es können jedoch Einheiten hergestellt werden, die für andere Anwendungen mit kürzerer Lebensdauer organische Materialien enthalten.
Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Schaltvorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
MEM-Mikrospiegel werden gegenwärtig verwendet, um digitale Mikrospiegel-Anzeigevorrichtungen (DMD-Vorrichtungen) herzustellen, in denen sich die Spiegel durch einen elektrostatischen Antrieb um eine einzelne Achse drehen. Der Spiegel der vorliegenden Erfindung schafft zwei Bewegungsachsen und wird magnetisch angetrieben. Der Mikrospiegel ist aus einem einzigen Kristall-Materialteil, wie z. B. Silicium, hergestellt und besitzt drei Abschnitte, die durch zwei Sätze von Drehgelenken verbunden sind. Ein innerer Abschnitt bildet den Spiegel. Eines der Drehgelenkpaare, wobei sich ein Drehgelenk auf jeder von zwei gegenüberliegenden Seiten des Spiegelabschnitts befindet, verbindet den Spiegelabschnitt und den mittleren Kardanringabschnitt, der den Spiegelabschnitt umgibt. Dies erlaubt, dass sich der Spiegelabschnitt um den Kardanringabschnitt dreht, wobei die erste Drehachse geschaffen wird. Der zweite Satz von Drehgelenken verbindet den Kardanringabschnitt und den Rahmenabschnitt, wobei ein Drehgelenk auf jeder von zwei gegenüberliegenden Seiten auf einer Linie angeordnet ist, die unter einem Winkel von 90 Grad bezüglich einer durch den ersten Satz von Drehgelenken gezogenen Linie verläuft. Dies erlaubt dem Kardanringabschnitt, der den Spiegel trägt, sich um den Rahmenabschnitt zu drehen, wobei eine zweite Drehachse geschaffen wird.
Zwei Paar von Magneten, eines für jede Drehachse, werden verwendet, um den Spiegelabschnitt zu bewegen, und sind auf einer Außenfläche des einzigen Teils angebracht, um eine Spiegelbaueinheit zu bilden. Das erste Paar von Magneten ist durch geeignete Mittel am Spiegelabschnitt der Spiegelbaueinheit befestigt, wobei sich einer auf jeder von zwei gegenüberliegenden Seiten einer Linie befindet, die unter einem Winkel von 90 Grad bezüglich einer Linie durch den Spiegel-/Kardanringabschnitt-Satz der Drehgelenke verläuft. Bei magnetischer Anregung dreht sich der Spiegelabschnitt um den Spiegel-/Kardanringabschnitt-Satz der Drehgelenke, wobei die erste Bewegungsachse geschaffen wird. Das zweite Paar von Magneten ist geeignet am Kardanringabschnitt der Spiegelbaueinheit befestigt, wobei sich einer auf jeder von zwei gegenüberliegenden Seiten einer Linie befindet, die unter einem Winkel von 90 Grad bezüglich einer Linie verläuft, die durch den Spiegel-/Kardanringabschnitt-Satz der Drehgelenke gezogen ist. Bei magnetischer Anregung drehen sich die Spiegel- und Kardanringabschnitte um den zweiten Satz von Achsen, um die zweite Drehachse zu schaffen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein zusätzlicher Magnet an jedem Magnetort vorgesehen, wobei die Pole zueinander entgegengesetzt sind, und auf der gegenüberliegenden Außenfläche der Spiegelbaueinheit angeordnet, um das Gewicht der Magneten bezüglich der Drehgelenk-Mittellinien der Spiegelbaueinheit auszugleichen, um unerwünschte Schwingungen bei externen Stößen oder unter anderen Bedingungen zu eliminieren.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform kann ein einziger Magnet verwendet werden, der in der Mitte des Spiegelabschnitts auf einer Außenseite angeordnet ist, die der Oberfläche gegenüberliegt, die als der Spiegel dient.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Bewegungsanschläge, die in einer durch die zwei Drehachsen beschriebenen Ebene angeordnet sind, an jedem Drehgelenkort zur Spiegelbaueinheit hinzugefügt, um die Bewegung zu begrenzen und dadurch einen Ausfall des Drehgelenks zu verhindern. Die Ansätze sind vorzugsweise in der durch die zwei Drehachsen beschriebenen Ebene ausgebildet, die vom Spiegelabschnitt zum Kardanringabschnitt und vom Kardanringabschnitt zum Rahmenabschnitt verlaufen, um die Drehung während der anfänglichen Herstellung zu verhindern. Manchmal trennen ein Laser oder andere geeignete Schneidmittel vor dem endgültigen Zusammenbau die Ansätze ab, vorzugsweise senkrecht zu jeder entsprechenden Achse der Drehgelenke, um die freie Drehung zu erlauben.
Um den ausgedehnten Betrieb ohne Verschlechterung zu erreichen, ist die Spiegelbaueinheit vorzugsweise in einem Hohlraum im Gehäuse luftdicht montiert, um Feuchtigkeit auszusperren und um die Schaffung einer günstigen Atmosphäre für den Mikrospiegelbetrieb zu erlauben. Der Hohlraum kann mit ausgewählten Gasen gefüllt sein, um eine verbesserte Wärmeübertragung zu schaffen und um auf Wunsch Sauerstoff und andere Gase auszuschließen, die während der Zeit den Mikrospiegel ungünstig beeinflussen würden. Das luftdichte Gehäuse umfasst das Kopfelement, in dem der Hohlraum ausgebildet ist und das abgedichtete Anschlussstifte für die elektrischen LED-Verbindungs-Anschlussstifte enthält. Eine Umfangs-Dichtungsoberfläche am Kopfelement, die um den Hohlraum verläuft, ist für die spätere Befestigung eines Fensters über dem Hohlraum mit Indium oder geeigneten anorganischen Dichtungsmaterialien beschichtet. Die Verwendung von Indium erlaubt, dass die Dichtung bei Zimmertemperatur hergestellt wird, um durch die Dichtungstemperatur verursachte mechanische Spannungen und Verwindungen des Fensters zu vermeiden. Indium oder andere anorganische Befestigungsmaterialien werden ausschließlich für den Zusammenbau aller Elemente im Körperhohlraum des luftdichten Gehäuses verwendet, um jede unerwünschte langfristige organische Ausgasung oder andere ähnliche Probleme zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist das Fenster in einem kleinen Winkel, wie z. B. 6 Grad, geneigt, um unerwünschtes Streulicht weg vom gewünschten optischen Weg abzulenken.
Die oben beschriebene Leiterrahmenbaueinheit, die die LEDs und die Spiegelbaueinheit enthält, ist am Körper auf einer Plattform im Hohlraum angeordnet und an ihm befestigt. Die Ansätze, die die Drehung des Spiegels und der Kardanringabschnitte während des Zusammenbaus verhindern, können nun gelöst werden, wie oben beschrieben worden ist. Der Körperhohlraum ist mit einem Glasfenster abgedichtet, das vorzugsweise mit Antireflexbelägen behandelt worden ist.
Eine Luftspulen-Antriebsbaueinheit wird verwendet, wobei sie vorzugsweise eine Gegentaktanordnung verwendet, um die Spiegelmagneten anzutreiben, um den Spiegelabschnitt in die gewünschte Orientierung in seinen zwei Achsen zu drehen. Vier Luftspulenbaueinheiten, die einen auf einen Spulenkörper gewickelten Kupferdraht umfassen, sind an einem Montagearm befestigt, der einen Litzendraht-Leitungspaket abfängt und auf die Spiegelbaueinheit ausgerichtet ist. Die Luftspulenzuleitungen sind an das Litzendraht-Leitungspaket gelötet, um die elektrische Systemsteuerung der Luftspulen und ihre Gegentaktanordnung zu erlauben, um die Spiegelbaueinheit anzutreiben. Die Luftspulen-Spulenkörper sind aus Aluminium oder einem anderen wirbelstromerzeugenden Material hergestellt, wobei an der Ober- und Unterseite der Spulenkörper ausreichende Mengen von Aluminium vorgesehen ist, um die Wirbelstromdämpfung der beweglichen Abschnitte der Spiegelbaueinheit zu erlauben, um unerwünschte Schwingungen zu verhindern. Um die Überhitzung und den Verlust der Steuerung der Spiegelposition zu verhindern, sind die Luftspulen-Spulenkörper aus einem Material mit hoher Wärmeübertragung, wie z. B. Aluminium, hergestellt, wobei die Spulenkörper bezüglich der Luftspulen massiv sind. Der Montagearm ist bezüglich der Spulenkörper massiv und außerdem aus einem Material mit hoher Wärmeübertragung, wie z. B. Aluminium, hergestellt. Der Arm befindet sich im innigen Kontakt mit dem Gehäuse der optischen Einheit, die sich wiederum im innigen Kontakt mit der endgültigen Wärmeabführung des Systems des Kunden befindet.
Gemäß einem noch weiteren Merkmal fangen die Luftspulen-Spulenkörper das Litzendraht-Leitungspaket am Arm, wenn die Luftspulen-Spulenkörper am Arm befestigt sind, um die spätere Lokalisierung und den späteren Zusammenbau der Litzendrahtleitung am Arm zu unterstützen. Die LED-Anschlussstifte der Kopfelement-Baueinheit sind an die geeigneten Anschlussflecken des Litzendraht-Leitungspakets gelötet. An diesem Punkt kann der Mikrospiegel vollständig getestet werden. Die Kopfelement-Baueinheit wird dann gedreht und auf den Montagearm ausgerichtet und mit ihm verbunden, indem die Kopfelement-Baueinheit am Montagearm befestigt wird. Der offene Bereich um die Luftspulen wird dann mit wärmeleitendem Material vergossen, um die optimale Steifigkeit der Baueinheit und eine verbesserte Wärmeübertragung sicherzustellen.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer weiteren Vorteile wird nun auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die in den 3 bis 9b gezeigt sind, zusammengenommen mit der Zeichnung Bezug genommen, worin:
1 eine schematische Ansicht einer optischen Schaltstation ist, die zwei optische Schalteinheiten zeigt;
2 eine schematische Ansicht von einer der in 1 gezeigten optischen Schalteinheiten ist;
3 ein Grundriss einer in der Schalteinheit nach 2 verwendeten Spiegelbaueinheit ist;
3a eine auf der Linie A-A nach 3 genommene Querschnittsansicht ist;
3b eine zu 3b ähnliche Ansicht ist, die aber die Drehung des Spiegelabschnitts der Spiegelbaueinheit zeigt;
3c eine auf der Linie B-B nach 1 genommene Querschnittsansicht ist;
3d eine zu 3c ähnliche Ansicht ist, die aber die Drehungen des Kardanringabschnitts der Spiegelbaueinheit zeigt;
4 ein auf der Linie E-E nach 3a genommener vergrößerter Querschnitts-Grundriss ist, der ein Drehgelenk und einen Bewegungsanschlag in der Ebene zeigt;
5 ein vergrößerter abgebrochener Abschnitt nach 4 ist, der einen Abschnitt des Anschlags in der Ebene zeigt;
6 ein auf der Linie E-E nach 3a genommener Querschnitts-Grundriss ist, der ein Drehgelenk mit einem optionalen Einrastansatz zum Sperren der Drehung zeigt, der während der Herstellung verwendet wird;
6a eine zu 6 ähnliche Ansicht ist, die den abgetrennten Einrastansatz zeigt, um die Drehung zu erlauben;
7 eine Draufsicht eines Gehäuses eines optischen Schalters ist, das gemäß der Erfindung hergestellt ist;
7a eine auf der Linie C-C nach 7 genommene Querschnittsansicht ist;
7b eine zu 7 ähnliche Ansicht ist, die die Drehung des Spiegelabschnitts der Spiegelbaueinheit zeigt;
7c eine auf der Linie D-D nach 7 genommene Querschnittsansicht ist;
7d eine zu 7c ähnliche Ansicht ist, die aber die Drehung des Kardanringabschnitts der Spiegelbaueinheit zeigt;
8 eine Explosionsansicht eines abgebrochenen Querschnittsabschnitts der Bodenwand des Gehäuses eines Gehäuses einer optischen Schalteinheit und des Montagearms ist;
9 eine Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform einer optischen Schalteinheit ist, wobei für die Zwecke der Veranschaulichung bestimmte Teile entfernt sind;
9a eine auf der Linie F-F nach 9 genommene Querschnittsansicht des oberen Abschnitts einer optischen Schalteinheit ist; und
9b eine zu 9a ähnliche Ansicht ist, die aber die Drehung des Spiegelabschnitts der modifizierten Spiegelbaueinheit zeigt.
1 und 2 und die entsprechende Beschreibung stellen Hintergrundinformationen bereit.
Ausführliche Beschreibung der in den 3 bis 9b gezeigten bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt die Anordnung einer optischen Matrix-Schaltstation, die mehrere parallel verlaufende optischen Schalteinheiten 5 und 15 umfasst, wobei für den Zweck der Veranschaulichung zwei gezeigt sind, aber auf Wunsch irgendeine Anzahl vorgesehen sein kann. Diese Schalteinheiten sind in einem Rahmen 3 angebracht, so dass sie auf den optischen Spiegel 11 ausgerichtet sind, der im Gehäuse 1 fest angebracht ist. Ein Endabschnitt eines Lichtwellenleiterkabels 17 ist in einer ausgewählten festen Position im Gehäuse 15 angebracht, während das Lichtwellenleiterkabel 7 ähnlich im Gehäuse des optischen Schalters 5 befestigt ist. Ein Lichtsignal 13 wird im Kabel 17 übertragen und durch die optische Schalteinheit 15 gelenkt, indem das Lichtsignal 13 vom optischen Schaltspiegel 11 zu einer weiteren ausgewählten optischen Schalteinheit, wie z. B. dem optischen Schalter 5, reflektiert wird, die das Lichtsignal 13 in das Kabel 7 lenkt.
Ein durch einen einzelnen beweglichen Spiegel gesteuerter Lichtstrahl tritt in verschiedene Zielpositionen mit einem Einfallswinkel ein, der sich mit der Zielposition des Strahls ändert. Die Verwendung von zwei beweglichen Spiegeln im System erlaubt, dass ein auf einer Längsachse emittierter Lichtstrahl durch den ersten beweglichen Spiegel in irgendeinem Winkel gelenkt wird und vom zweiten beweglichen Spiegel auf einer definierten Längsachse austritt, die bei Änderungen des Einfallswinkels des Strahls invariant ist. Indem eine definierte Achse für den Lichtstrahl aufrechterhalten wird, wirkt die Verwendung von zwei beweglichen Spiegeln, um jede für einen optischen Schalter verwendete Linse zu vereinfachen.
Das Lichtsignal ist optimiert, um die Übertragungsverluste durch die optischen Einheiten zu minimieren. Wie in 2 zu sehen ist, wird der durch das optische Kabel 17 übertragene Lichtstrahl 13 durch einen festen Spiegel 25, der im optischen Schalter 15 angebracht ist, zu einem beweglichen Spiegel 29 reflektiert, der mit einer ausgezogenen Linie in seiner mittleren oder neutralen antriebslosen Position gezeigt ist. Der Spiegel 29 ist zwischen zwei gegenüberliegenden Extremen 29', 29'' beweglich, wobei der Lichtstrahl 13 entsprechend zu 13' bzw. 13'' reflektiert wird.
Der erste bewegliche Spiegel 29 wählt die Zielposition zum Erzeugen eines optischen Weges aus. Der bewegliche Spiegel 29 kann irgendeine von mehreren optischen Schalteinheiten auswählen, um eine optische Verbindung zu erzeugen, indem er den Lichtstrahl 13 zum beweglichen Spiegel an der zweiten Einheit lenkt. Der Lichtstrahl 13 wird, wenn er auf den zweiten beweglichen Spiegel gezielt wird, abermals in einem Winkel reflektiert, der auf dem Einfallswinkel des Strahls basiert. Durch den Betrieb des zweiten beweglichen Spiegels kann der Einfallswinkel des Strahls so geändert werden, dass das Licht auf die Längsachse der zweiten optischen Schalteinheit reflektiert wird.
Die in einer dem ersten beweglichen Spiegel 29 benachbarten Anordnung angebrachten LEDs schaffen, wie im Folgenden offenbart wird, Strahlung, die durch den Detektor 16 erfasst wird. Die Strahlung von den LEDs in der Anordnung, die dem ersten beweglichen Spiegel zugeordnet ist, wird in einer Strah lungsführung einer weiteren ausgewählten Faser empfangen und durch die Steuerung 100 einzeln gemessen (7a). Die Position des zugeordneten beweglichen Spiegels der ausgewählten Faser wird eingestellt, bis die von jeder LED vom ersten Spiegel empfangene Strahlung im Wesentlichen gleich ist, wie oben in Bezug auf die beweglichen Faserenden im Patent Nr. 5.177.348 beschrieben worden ist.
Obwohl die Bewegung des in 2 gezeigten Spiegels die Bewegung in einer Ebene veranschaulicht, ist die Bewegung in einer zweiten Ebene außerdem im Betrieb des Schalters enthalten und wird im Folgenden beschrieben.
Die Spiegelbaueinheit 41, 3, ist vorzugsweise aus einem Kristall-Materialteil, wie z. B. Silicium, hergestellt und geätzt, um einen äußeren Rahmenabschnitt 43 zu schaffen, der eine Öffnung bildet, in der ein dazwischenliegender ringförmiger Kardanringabschnitt 45 längs der ersten Achse 31 an gegenüberliegenden Drehgelenkorten 55 befestigt ist. Ein innerer mittig angeordneter Spiegelabschnitt 47, auf dem ein Spiegel 29 mittig angeordnet ist, ist bei den Drehgelenkabschnitten 55 auf einer zweiten Achse 35 unter einem Winkel von 90 Grad von der ersten Achse am Kardanringabschnitt 45 befestigt. Der Spiegel 29 ist auf seiner oberen Oberfläche geeignet poliert, um eine spiegelnde Oberfläche zu schaffen, wobei er vorzugsweise ähnlich ebenso auf seiner unteren Oberfläche poliert ist, um mechanische Spannungen im Material zu verhindern, die andernfalls eine bestimmte Verwölbung verursachen könnten, die auf die Dünnheit des Plattenmaterials, z. B. in der Größenordnung von 100 Mikrometer, zurückzuführen ist.
Ein erstes Paar von Permanentmagneten 53 ist längs der zweiten Achse am Kardanringabschnitt 45 angebracht, während ein zweites Paar von Permanentmagneten 53 an Verlängerungen 51 angebracht ist, die sich längs der ersten Achse vom Spiegelabschnitt 47 nach außen erstrecken. Um die Masse symmetrisch um die zwei Drehachsen zu verteilen und dadurch Schwingungen bei Stoß und Erschütterung zu verhindern, umfasst jeder Permanentmagnet 53 vorzugsweise einen Satz aus einem oberen Magneten 53a, der an der oberen Oberfläche der Spiegelbaueinheit 41 unter Verwendung herkömmlicher Befestigungstechniken, wie z. B. Indium-Verklebung, angebracht ist, und einen ausgerichteten unteren Magneten 53b, der ähnlich an der unteren Oberfläche der Spiegelbau einheit angebracht ist, wie in den 3a–3d gezeigt ist. Die Magneten jedes Satzes sind so wie die in 3c angegebene Anordnung der Nord-/Südpole seriell angeordnet. Es gibt in Abhängigkeit von den gewünschten magnetischen Eigenschaften mehrere mögliche Anordnungen der vier Sätze von Magneten, die verwendet werden können, wie z. B. alle gleichen Pole nach oben, zwei Sätze von gleichen Polen nach oben, zwei Sätze von gleichen Polen nach unten oder drei Sätze von gleichen Polen nach oben, ein Satz von gleichen Polen nach unten.
Indem der Kardanringabschnitt 45 mittels Drehgelenken 55 am Rahmenabschnitt 43 angebracht wird, wird die Bewegung des Kardanringabschnitts 45 um die erste Achse 31 geschaffen, und indem der Spiegelabschnitt 47 über die Drehgelenke 55 am Kardanringabschnitt 45 angebracht wird, wird die Bewegung des Spiegelabschnitts bezüglich des Kardanringabschnitts um die zweite Achse 35 erhalten, wobei dadurch eine unabhängige ausgewählte Bewegung des Spiegelabschnitts 47 längs zweier verschiedener Achsen erlaubt wird.
Die mittlere oder neutrale Position der Spiegelbaueinheit 41 ist in 3a gezeigt, die ein längs der Linie A-A nach 3 genommener Schnitt durch die Baueinheit ist. Die Drehung des Spiegelabschnitts 47 um die Achse 35 unabhängig vom Kardanringabschnitt 45 und/oder dem Rahmenabschnitt 43 ist in 3b gezeigt, wie durch den Pfeil angegeben ist. 3c zeigt die mittlere Position der Spiegelbaueinheit 41 ähnlich zu jener, die in 3a gezeigt ist, wobei sie aber längs der Linie B-B nach 3 genommen ist. Die Drehung des Kardanringabschnitts 45 und des Spiegelabschnitts 47 um die vom Rahmenabschnitt 43 unabhängige Achse 31 ist in 3d gezeigt, wie durch den Pfeil angegeben ist. Die obige unabhängige Drehung des Spiegels 29 des Spiegelabschnitts 47 um die zwei Achsen erlaubt die Lenkung des Lichtstrahls 13, wie sie durch die optischen Schalteinheiten benötigt wird.
Um die Drehgelenke 55 vor einem Stoß in der Ebene während der Bearbeitung und des Versandes zu schützen, sind Anschläge gemäß einem optionalen Merkmal der Erfindung vorgesehen, wie in den 4 und 5 am besten gezeigt ist, die auf der Linie E-E nach 3a genommene vergrößerte Schnittansichten sind. An diesem Punkt sollte angegeben werden, dass die Spiegelbaueinheit in der Größenordnung von 100 Mikrometer dick ist, während das Drehgelenk 55 der Größenordnung von 10 Mikrometer breit ist, wodurch eine robuste Festigkeit in Richtungen normal zur Oberfläche der Baueinheit geschaffen wird. Um einen Schutz gegen eine übermäßige Bewegung in der Ebene unter einem Winkel von 90 Grad zur Achse des Drehgelenks, d. h. der Achse 31, zu schaffen, sind die zusammenwirkenden Oberflächen 61 am Kardanringabschnitt 45 und 63 am Rahmenabschnitt 43 auf jeder Seite jedes Drehgelenks 55 ausgebildet und verlaufen im Allgemeinen parallel zur Achse 31. Die Oberflächen 61 und 63 sind mit einem ausgewählten Abstand beabstandet, wie z. B. 10 Mikrometer. Um eine geringere Bewegung in der Ebene zu schaffen, ist der Vorsprung 65, der sich von der Oberfläche 63 zur Oberfläche 61 erstreckt, in irgendeinem ausgewählten Abstand, wie z. B. 5 Mikrometer, ausgebildet. Es ist selbstverständlich, dass auf Wunsch ein derartiger Vorsprung auf der Oberfläche 61 anstatt auf 63 vorgesehen sein könnte. Ähnliche Anschläge sind auf den Spiegel- und Kardanringabschnitten vorgesehen, um einen Schutz gegen eine Bewegung in der Ebene der Drehgelenke 55 bezüglich der Achse 35 zu schaffen.
Gemäß einem weiteren optionalen Merkmal der Erfindung sind Einrastansätze vorgesehen, die jedem Drehgelenk zugeordnet sind. Wie in 6 zu sehen ist, erstreckt sich in einem Beispiel, das ein derartiges Drehgelenk 55 zeigt, ein Brückenabschnitt 47 vom Kardanringabschnitt 45 zum Rahmenabschnitt 43 und verriegelt die zwei Abschnitte miteinander, was das Drehgelenk 55 von allen normalen Herstellungsbelastungen isoliert. Im geeigneten Herstellungsschritt wird der Brückenabschnitt 67 zerschnitten, was einen Spalt 69 schafft, wie in 6a gezeigt ist, der eine normale Drehung des Kardanringabschnitts 45 bezüglich des Rahmenabschnitts 43 um das Drehgelenk 55 erlaubt. Dies schafft einen geeigneten Schutz vor Beanspruchung für alle Drehgelenke und verbessert die Herstellungsausbeuten signifikant.
Unter Bezugnahme auf 3 sind die Erweiterungen 51 vorzugsweise mit quer verlaufenden Ansätzen 51a versehen, die verwendet werden können, um den Spiegelabschnitt während des Zusammenbaus festzuklemmen, um dadurch einen zusätzlichen Schutz vor Beanspruchung zu schaffen.
Die bewegliche Spiegelbaueinheit 41 ist in einem Hohlraum 81a eines Kopfelements 81 aufgenommen, das einen Teil des Gehäuses der Spiegelbaueinheit bildet, das in den 7–7d gezeigt ist. Das Kopfelement 81 ist aus irgendeinem geeigneten Material gebildet, wie z. B. Keramik im Fall eines luftdichten Gehäu ses und Kunststoff, wo die Luftdichtigkeit nicht erforderlich ist, wobei er ein in Umfangsrichtung verlaufendes Gestell 81b besitzt, das im Hohlraum 81a ausgebildet ist, in den der Rahmenabschnitt 43 der Spiegelbaueinheit 41 aufgenommen ist. Die Bodenwand 81c ist vom Gestell 81b beabstandet, um einen Spielraum für die Bewegung des Kardanringabschnitts 45 und des Spiegelabschnitts 47 zu schaffen. Die Aussparungen 81d sind in der Bodenwand 81c ausgebildet und auf jeden Satz von Magneten 53 ausgerichtet, um den Bewegungsspielraum für die unteren Magneten 53b zu schaffen. Die Größe der Öffnung der Aussparungen 81d wird so klein wie möglich gehalten, was eine geeignete Bewegung der Magneten erlaubt, um die Herstellung der Wand 81e so dünn wie praktikabel, z. B. 125 Mikrometer, zu unterstützen.
Der Magnetantrieb für die Magneten umfasst vier Luftspulen 89 (in den 7c–7d sind zwei gezeigt), wobei jede auf einen Spulenkörper gewickelt ist, der wiederum an einem Montagearm 85 angebracht und auf die entsprechenden Aussparungen 81d und Magneten 53 ausgerichtet ist. Der Spulenkörper und der Arm sind aus einem geeigneten Material für eine gute Wärmeübertragung, eine gute magnetische Dämpfung und eine gute Festigkeit hergestellt, wie z. B. Aluminium. Die Luftspulen sind unter Verwendung von Materialien mit hoher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit gewickelt, z. B. Kupfer. Der Spulenkörper besitzt eine Luftspule, die etwa am oberen Ende 89a des Spulenkörpers 89 angeordnet ist, so dass sich die Luftspule so nah wie möglich an den Magneten 53 befindet, z. B. 200 Mikrometer, um die volle Spiegeldrehung unter Verwendung minimaler Leistung bereitzustellen.
Für die erforderlichen elektrischen Verbindungen zum Gehäuse 99 der Mikrospiegelbaueinheit ist ein elektrischer Kabelbaum 87 vorgesehen, wobei er eine verlängerte Litzendrahtleitung 87 umfasst, an der ein Verbinder 95 an einem ihrer Enden für die Verbindung mit einem Steuersystem (das bei 100 angegeben ist, 7a) angebracht ist. Eine Öffnung 87b ist auf einem gegenüberliegenden Ende ausgebildet, die die Spulenkörper 89 aufnimmt. Die Spulenzuleitungen 97 sind an geeigneten Leiterbahnen in der Litzendrahtleitung befestigt, wie in 7c–7d gezeigt ist. Mehrere Dioden-Anschlussstifte 79 sind in Bohrungen angebracht, die im Gestell 81b vorgesehen sind, und verlaufen ober- und unterhalb des Gestells. Die oberen Abschnitte der Dioden-Anschlussstifte sind durch die Zuleitungen 77 mit den entsprechenden leitenden Anschlussflecken 75a–75h verbunden (siehe 7), während sie an den unteren Enden mit entsprechenden Leiterbahnen im elektrischen Kabelbaum 87 verbunden sind. Die LEDs 71a–71d sind entsprechend herkömmlicher Halbleitertechniken auf der Leiterplatte 75 montiert und werden durch die Leiterbahnen im oben erörterten Kabelbaum gespeist. Die LEDs 71a–71d sind so positioniert, dass sie verwendet werden können, um den Lichtstrahl 13 unter Verwendung des Abtast-Steuersystems 100 der optischen Einheit zu lenken. Das Steuersystem kann ähnlich zu jenem sein, das im US-Patent Nr. 5.177.348 beschrieben ist, wie oben erörtert worden ist.
Sobald die elektrischen Verbindungen zu den Dioden-Anschlussstiften 79 hergestellt worden sind, wird das Fenster 83 an der offenen Seite des Kopfelements 81 befestigt, was den Hohlraum 81a verschließt. Das Verschließen des Hohlraums 81a kann unter Verwendung bekannter Techniken, wie z. B. der Verwendung von Indium als das Dichtungsmaterial des Fensters und einer Glasdichtung oder dergleichen, die die Dioden-Anschlussstifte 79 am Kopfelement 81 abdichtet, ausgeführt werden, um eine luftdichte Abdichtung zu schaffen. Auf Wunsch kann eine Schutzatmosphäre, wie z. B. Stickstoff, im Hohlraum eingeschlossen werden. Das Fenster besteht aus einem geeigneten Material, um die Übertragung des Lichtsignals 13 bei minimalen Verlusten zu erlauben, wobei es vorzugsweise in einem Winkel von etwa 6 Grad bezüglich der Ebene, in der die Spiegelbaueinheit liegt, geneigt ist, um unerwünschtes Streulicht abzulenken. In dieser Hinsicht wird der Zwischenraum zwischen dem Kardanringabschnitt 45 und dem Spiegelabschnitt 47 ausreichend groß gehalten, um unerwünschtes Streulicht zu vermeiden.
Nachdem die elektrischen Verbindungen zwischen den Dioden-Anschlussstiften 79 und dem Kabelbaum 87 hergestellt worden sind, was alle elektrischen Verbindungen fertigstellt, wird das Kopfelement 81 mit allen seinen oben beschriebenen internen Komponenten auf den Montagearm 85 und seine Komponenten ausgerichtet und mit einem wärmeleitfähigen haltbaren Gießmaterial 93 am Platz vergossen, um das Gehäuse 99 der Mikrospiegelbaueinheit fertigzustellen.
Unter spezieller Bezugnahme auf 8 wird das Gehäuse 99 der Mikrospiegelbaueinheit unter Verwendung zusammenwirkender Einrastflächen des Montagearms 85 und eines Abschnitts der Wand 16 der Schalteinheit 15 in der opti schen Schalteinheit 15 angebracht und orientiert. Zuerst wirken die gegenüberliegenden kegelförmigen Oberflächen 107 und 105, die eine ein wenig konvexe Konfiguration am Montagearm 85 bilden, mit entsprechenden zweiten gegenüberliegenden kegelförmigen Oberflächen 103 bzw. 101 zusammen, die eine ein wenig konkave Konfiguration oder Gestellkonfiguration auf der Bodenwand 16 der Schalteinheit bilden. Der Montagebolzen 113 wird durch die Bohrung 111 im Arm 85 und die Gewindebohrung 16a im Gestell in der Bodenwand 16 aufgenommen, um das Gehäuse 99 der Mikrospiegelbaueinheit in der optischen Schalteinheit 15 zu befestigen. Die zusammenwirkenden gegenüberliegenden Oberflächen schaffen ein genaues Einrasten in zwei Ebenen, während der Bolzen 113 und seine entsprechende Bohrung 111 im Arm 85 und die Gewindebohrung 16a in der Wand 16 das Einrasten in einer dritten Ebene schaffen.
In 9 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der ein einziger Permanentmagnet 54 mittig auf der Unterseite des Spiegelabschnitts 47 angeordnet ist. Die Luftspulen 89a–89d sind in den gleichen Positionen wie in der Ausführungsform nach den 3–7 angeordnet gezeigt und können unabhängig erregt werden, so dass die Wechselwirkung des Magnetfeldes des Permanentmagneten und die Spulen zusammenwirken, um das geeignete Magnetfeld zu erzeugen, um auf Wunsch die Bewegung des Spiegelabschnitts längs jeder Achse 31 und 35 hervorzurufen. Obwohl vier Luftspulen gezeigt sind, könnten auf Wunsch drei Luftspulen verwendet werden, um das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen.
Obwohl die Erfindung bezüglich ihrer spezifischen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Variationen und Modifikationen für die Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich werden. Es können z. B. Magnet- und Luftspulen-Orte verwendet werden, die anders als jene sind, die oben beschrieben worden sind, solange wie mittels der Steuerung 100 geeignete Ströme an die Luftspulen angelegt werden können, um den kardanisch aufgehängten Spiegel in eine gewünschte Orientierung zu bewegen. In dieser Hinsicht ist unter Bezugnahme auf die gezeigte Vierspulenanordnung ein Gegentaktantrieb in der Steuerung 100 bevorzugt. Obwohl ferner Permanentmagneten gezeigt sind, die an der beweglichen Spiegelbaueinheit befestigt sind, ist klar, dass anstelle der Permanentmagneten auf Wunsch ein magnetisches Material zur Baueinheit hinzugefügt werden könnte und senkrecht zur Spiegeloberfläche polarisiert sein könnte. Es ist deshalb die Absicht, dass die beigefügten Ansprüche so umfas send wie möglich im Hinblick auf den Stand der Technik ausgelegt werden, um alle derartigen Variationen und Modifikationen einzubeziehen.

Claims

Optische Schaltvorrichtung, mit: einem Kopfelement (81), einem Mikrospiegel (41), der aus einem einzigen Materialteil gebildet ist, das einen äußeren Rahmenabschnitt (43), der in einer Ebene liegt und durch das Kopfelement (81) unterstützt ist, einen drehbaren Zwischen-Kardanringabschnitt (45), der an dem äußeren Rahmenabschnitt (43) durch ein Paar von längs einer ersten Achse (31) beabstandeten Scharnieren (55) so angelenkt ist, dass er in Bezug auf den äußeren Rahmenabschnitt (43) um die erste Achse (31) drehbar ist, und einen inneren, drehbaren Spiegelabschnitt (47), der an dem Kardanringabschnitt (45) durch ein Paar von längs einer von der ersten Achse (31) verschiedenen zweiten Achse (35) beabstandeten Scharnieren (55) so angelenkt ist, dass er in Bezug auf den Kardanringabschnitt (45) um die zweite Achse (35) drehbar ist, umfasst, wobei die optische Schaltvorrichtung ferner umfasst: zusammenwirkende Oberflächen (61, 63), die auf jeder Seite jedes Scharniers (55) in der durch die erste und die zweite Achse (31, 35) definierten Ebene gebildet sind, um die relative Bewegung der Scharniere (55) in der Ebene zu begrenzen, wenigstens einen Magneten (53), der an einem der drehbaren Abschnitte (45, 47) befestigt ist, und wenigstens eine Baueinheit (89) einer elektromagnetischen Spule, die sehr nahe bei dem wenigstens einen Magneten (53) angeordnet ist, um auf den wenigstens einen Magneten (53) ausgewählte Kräfte auszuüben, um eine gewünschte Drehung der drehbaren Abschnitte (45, 47) längs ihrer entsprechenden Achsen (31, 35) hervorzurufen, um einen optischen Strahl, der zu dem Spiegelabschnitt (47) gerichtet ist, in eine ausgewählte Richtung zu reflektieren.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Achsen relativ zueinander unter einem Winkel von 90 Grad angeordnet sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Paar von Magneten zum Antreiben des Kardanringabschnitts, die an beabstandeten Orten des Kardanringabschnitts längs der zweiten Achse angeordnet sind, und ein Paar von Magneten zum Antreiben einer Bewegung des Spiegelabschnitts, die an beabstandeten Orten des Spiegelabschnitts längs der ersten Achse angeordnet sind, umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, bei der jeder Magnet einen Satz aus einem oberen Magneten, der an einer nach oben weisenden Oberfläche des Kardanringabschnitts bzw. des Spiegelabschnitts befestigt ist, und aus einem unteren Magneten, der an einer unteren Oberfläche des Kardanringabschnitts bzw. des Spiegelabschnitts befestigt ist, umfasst, wobei der jeweilige obere und der jeweilige untere Magnet eines Satzes aufeinander ausgerichtet sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die wenigstens eine Baueinheit einer elektromagnetischen Spule in einem Eingriff mit einer Bodenwand des Kopfelements angeordnet ist, wobei eine entsprechende Spulenbaueinheit auf jeden beabstandeten Magnetort ausgerichtet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, bei der jede Spulenbaueinheit einen Spulenkörper mit einem Wicklungsträger, auf den eine Spule gewickelt ist, und einen Aluminiumplattenabschnitt zwischen der jeweiligen Spule und der Bodenwand des Kopfes umfasst, wobei die Spulenkörper einen Kühlkörperabschnitt aus einem wärmeleitenden Material auf einer Seite der Spulen in Bezug auf die jeweilige Spule entfernt von dem Plattenabschnitt besitzen.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Anschlussschaltung, die mit den Spulen und mit LEDs elektrisch verbunden sind, und einen Montagearm, der aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist, umfasst, wobei die Anschlussschaltung von dem Montagearm aufgenommen ist, wobei der Montagearm relativ zu den Spulenbaueinheiten verhältnismäßig massiv ist, wobei das Kopfelement an dem Montagearm angebracht ist und die Spulenbaueinheiten sich dazwischen befinden und wärmeleitendes Gießmaterial zwischen dem Kopfelement auf einer Seite und der Anschlussschaltung und dem Montagearm auf der anderen Seite angeordnet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner einen Gegentaktantrieb zum Erregen der Magneten umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen einzelnen Magneten, der an einer nach unten weisenden Oberfläche des Spiegelabschnitts angebracht ist, umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, die ferner mehrere Baueinheiten einer elektromagnetischen Spule umfasst, die benachbart zu dem einzelnen Magneten beabstandet sind, jedoch nicht auf diesen ausgerichtet sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Teil aus Silicium gebildet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Spiegelabschnitt eine nach unten weisende Oberfläche besitzt und sowohl die nach oben als auch die nach unten weisende Oberfläche poliert sind, um eine verbesserte Oberflächenebenheit zu schaffen.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Rahmenabschnitt voneinander beabstandete, nach innen sich erstreckende Anschlagansätze auf jeder Seite der ersten Achse besitzt und der Kardanringabschnitt eine Verlängerung längs der ersten Achse besitzt, die eng zwischen die Anschlagansätze eingefügt ist, um die Bewegung in der Ebene, in der der Kardanringabschnitt liegt, zu begrenzen.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kardanringabschnitt voneinander beabstandete, nach innen sich erstreckende Anschlagansätze auf jeder Seite der zweiten Achse besitzt und der Spiegelabschnitt eine Verlängerung längs der zweiten Achse besitzt, die eng zwischen die Anschlagansätze eingefügt ist, um eine Bewegung in der Ebene, in der der Spiegelabschnitt liegt, zu begrenzen.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 13, die ferner einen Vorsprung umfasst, der entweder an den Anschlagansätzen oder an der Verlängerung ausgebildet ist und sich zu dem jeweils anderen der Anschlagansätze und der Verlängerung erstreckt.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 14, die ferner einen Vorsprung umfasst, der entweder an den Anschlagansätzen oder an der Verlängerung ausgebildet ist und sich zu dem jeweils anderen der Anschlagansätze und der Verlängerung erstreckt.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kopfelement aus Keramik ist und ein Glasfenster an dem Kopfelement befestigt ist und eine Aussparung abdeckt, wobei das Glasfenster mit Indium befestigt ist, das eine hermetische Abdichtung mit einer in der Aussparung eingeschlossenen, ausgewählten Atmosphäre bildet.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Montagearm umfasst, der aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist, wobei das Kopfelement an dem Arm angebracht ist, wobei der Arm mit wenigstens einem ersten Abschnitt mit einem Paar beabstandeter Oberflächen, die in jeweiligen Ebenen liegen, die sich schneiden, ausgebildet ist, wobei ein Gehäuse eine Bodenwand besitzt, die eine nach oben sich erstreckende Montagefläche besitzt, die aus einem zweiten Abschnitt mit einem Paar komplementärer, voneinander beabstandeter Oberflächen ausgebildet ist, wobei entweder der erste oder der zweite Abschnitt ein konkaves Gestell bildet und der andere des ersten und des zweiten Abschnitts einen in dem Gestell aufgenommenen konvexen Vorsprung bildet, wobei der erste und der zweite Abschnitt aneinander befestigt sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 17, in der zwischen den voneinander beabstandeten Oberflächen des ersten Abschnitts eine Bohrung durch den Arm ausgebildet ist und zwischen dem Paar komplementärer, beabstandeter Oberflächen des zweiten Abschnitts eine Gewindebohrung ausgebildet ist und die Abschnitte aneinander durch ein Gewindeelement befestigt sind, das von der Bohrung des Arms aufgenommen und in die Gewindebohrung geschraubt ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zusammenwirkenden Oberflächen durch einen Spalt getrennt sind, der angenähert gleich 10 Mikrometer beträgt.