光纖套圈提升組裝精度及良率的系統及其工具的制作方法

專利名稱：光纖套圈提升組裝精度及良率的系統及其工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖套圈提升組裝精度及良率的系統及其工具，尤指通過陶瓷粉體前處理、陶瓷粉體活性處理、胚體成型、燒結熱處理及高精密研磨加工的五步驟后，來制造出具有與光纖芯幾乎相同的精密陶瓷校正軸，并以光纖套圈校正機配合陶瓷校正軸來校正座體的光纖套圈內孔尺寸及同心度，用以達到光纖套圈內孔公差尺寸及圓度具有與陶瓷校正軸幾乎相同的精確度。
然而，光纖套圈內孔的尺寸公差要求高達0.5-1.0μm，因此，座體在插接光纖套圈內孔與光纖芯的過程中，其尺寸公差精度及可重復插拔性十分重要，將決定其是否堪用及訊號的準確性，在座體的光纖套圈(Ferrule)的組裝過程中，用以提高組裝精度及良品率的方法，一般是以金屬圓柱來校正具有鍍鎳層的光收發模組的座體(為鋅鑄件制成)的光纖套圈內孔尺寸及同心度，來保證光收發模組與光纖芯之間傳送或接收光訊號的強度，而金屬圓柱制成的金屬校正軸大多是不銹鋼、碳鋼...等高硬度材料所制成，此種方法因金屬間產生的磨耗及表面粗糙度等問題，在使用時易造成通道內部的鍍鎳層剝離、刮傷、導致不良品率的增加，而且業界實際使用金屬校正軸后，反映效果不佳，極易造成鍍鎳層剝落或同心度偏離的缺陷；另，如果業者欲采用新式機臺時，其設計費用及設備成本極為高昂，非一般企業所能投資采用的，其效果不盡理想，所以如何解決上述的缺陷及不足，即為從事此行業者所亟欲改進的方向。
本發明所應用的理論及技術，主要是使用與光纖套圈(Ferrule)的鍍鎳層內孔幾乎相同精度的精密陶瓷校正軸來校正光纖套圈內孔，此種精密陶瓷校正軸表面尺寸精度及圓度皆極佳，且具有易成型、硬度高、韌性高、高耐磨耗及不與金屬粘連等優異特性，可使光纖套圈內孔的尺寸公差及圓度達到精密陶瓷校正軸幾乎相同的等級，同時可利用金屬擠壓變形后的回彈效果，使內孔尺寸公差與光纖套圈(Ferrule)的尺寸公差維持在一極微小區間(約1-3μm)內，來增加其相互配合的緊度及同心度，以避免光訊號的能量在光纖傳輸中的遞減。
本發明的目的在于利用簡單的精密陶瓷校正軸工具及簡易的自動化組裝設備，對光纖套圈內孔進行校正加工，快速有效的得到最佳的尺寸精度及圓度，以此達到有效提高產量、降低生產成本及提高良品率的目的。
本發明的另一目的是利用不同的高精密及高耐磨耗的陶瓷材料制作校正軸，經簡易的自動化操作系統，能有效的控制金屬外罩的光纖套圈內孔尺寸公差及圓度，提高其互換性、組裝的良品率及有效降低生產成本，可達批量重復生產。
本發明的技術方案是一種光纖套圈提升組裝精度及良率的系統，尤指使用于校正光纖套圈外罩上內孔或外徑表面，使其形成致密狀態的光纖套圈校正機，是由運用精密陶瓷校正軸及結合光纖套圈校正機來達到自動化目的，其主要系統為包含(A)高精密陶瓷校正系統是可自動組裝高精密陶瓷校正軸外，同時能達到定值定點功能，依校正的深度作行程設定后，以電腦控制，同時經雷射測徑儀所提供的校正軸尺寸磨耗達規定公差尺寸外，并經電腦控制系統自動更換陶瓷校正軸；(B)金屬外罩定位系統是可將待加工的光纖套圈金屬外罩準確置于加工位置，同時經自動進料系統依序作送料及取料動作；(C)凈化陶瓷校正軸表面高壓源系統是可有效去除陶瓷校正軸上的粉塵或金屬屑；(D)雷射測徑儀是可將數據資料反饋至資料檔以決定是否更新陶瓷校正軸；(E)動力系統為提供整個系統的動力供應；(F)自動進料控制系統其功能是適時將光纖套圈外罩移至定點位置，以利于校正動作的進行；
(G)自動反饋控制系統主要匯集各系統訊號數據資料，整合后正確輸出操作訊號。其中上述金屬外罩內孔校正機可為多軸式校正機，同時校正更多金屬外罩以提高產能。
上述光纖陶瓷外罩校正機為可校正內孔或外徑，只需將陶瓷校正軸制作成柱形或柱形具凹槽型式，即可達成相同效杲。
一種光纖套國提升組裝精度及良率的工具，尤指使用于光纖套圈內孔或外徑的陶瓷校正軸工具，是利用與光纖套圈的內孔或外徑具有相同精密度的陶瓷校正軸，使陶瓷校正軸穿入或套設于光纖套圈內孔或外徑后，可讓光纖套圈內孔或外徑形成受力塑變后的回彈特性，使光纖套圈內孔或外徑公差尺寸及圓度可與精密陶瓷校正軸具有近相同的精準度，而使光纖套圈的公差維持在極微小區間，約為1-3μm內，來增加與光纖相互配合時的緊度及同心度，用以避免光纖能量于傳輸時的遞減。其中上述精密陶瓷校正軸的材料可以為塊狀或薄膜型式。
上述精密陶瓷校正軸的材料為包含所有氧化物、碳化物、氮化物的單一粉體或其混成復合粉體材料。
上述氧化物材料包含Al2O3、ZrO2、Cr2O3或TiO2；而碳化物材料包含WC、TiC、SiC、B4C、ZrC、TaC、HfC、Cr3C2、NbC；氮化物材料包含Si3N4、TiN、ZrN、HfN、BN、AlN。
上述精密陶瓷材料可為硼化物或鉆石或類鉆。
上述薄膜的制備可分為化學及物理方式。
上述陶瓷校正軸的制造流程的步驟依序為陶瓷粉體前處理、陶瓷粉體活化處理、胚體成型、燒結熱處理及高精密研磨加工所構成。
上述胚體成型可為乾壓成型、擠制成型、射出成型、熱壓成型、熱均壓成型、鑄漿成型或冷均壓成型制成的適當的生胚密度。
上述成型后的生胚經特殊的燒結熱處理過程，可使陶瓷元件致密化后，讓粗胚的相對密度范圍位于40％-100％之間，隨著密度的增加，其使用壽命及精準度可相對的提高。
上述高精密研磨加工為對燒結粗胚的表面作超鏡面研磨加工。
本發明的有益效果本發明的精密陶瓷校正軸具有易成型、硬度高、韌性高、高耐磨耗及不與金屬粘連等特性，可使光纖套圈內孔的尺寸公差及圓度達到精密陶瓷校正軸幾乎相同的等級，形成致密層及金屬擠壓變形后的回彈；光纖套圈金屬外罩自動化校正裝置，能快速有效的得到最佳的尺寸精度及圓度，以此達到有效提高產量、降低生產成本及提高良品率的目的。
圖2、為本發明金屬外罩校正機的架構方框示意圖。
圖3、為本發明金屬外罩校正機的立體示意圖。
圖4、為本發明金屬外罩校正機的局部立體放大圖。
圖5、為本發明光收發模組座體與陶瓷校正軸的側剖視圖。
圖6、為不同材料制成的校正軸對金屬外罩校正后的尺寸對比表。
圖7、為金屬校正軸與陶瓷校正軸校正光纖套圈內孔表面后的照片。
本發明所使用的材料及步驟分述如下其中
本發明所使用的陶瓷粉體包括氧化物(如Al2O3、ZrO2...等)、碳化物(如SiC、TiC、WC、BaC...等)、氮化物(如TiN、BN、Si3N4...等)、硼化物(如TiB2)及鉆石或類鉆等單一材料或復合材料或者是鍍膜型式，經過特殊粉體前處理11及陶瓷粉體表面活性處理12過程，(本發明以3Y(ZrO2)為較佳實施例作詳細說明)再以不同胚體成型13方式(可以干壓成型、擠壓成型、射出成型、熱壓成型、熱均壓成型、鑄漿成型、冷均壓成型...等方式實施，而本說明則主要以射出成型為較佳實施例加以闡述)，以制成適當的生胚密度；然后再將成型后的生胚經特殊的燒結熱處理14過程，使陶瓷元件致密化后，讓粗胚的相對密度范圍位于40％-100％之間，隨著密度的增加，其使用壽命及精密度均可相對的提高；再用相關設備及技術對燒結粗胚作表面高精密研磨加工15(即超鏡面研磨加工)，此時，參見圖2-5所示，使加工后的陶瓷校正軸16的尺寸公差與光纖套圈3(Ferrule)內孔尺寸公差幾乎相同(差值為0.5-1.0μm)。最后將此陶瓷校正軸16置于光纖套圈校正機2上作光纖套圈3(Ferrule)內孔表面的校正加工處理。
參見圖2、高效率光纖套圈校正機2，其主要機構分為七大部份分別為高精密陶瓷校正系統21、金屬外罩定位系統22、凈化陶瓷校正軸表面高壓源系統23、雷射測徑儀24、動力系統25、自動進料控制系統26及自動反饋控制系統27，此設計可為單一校正軸式或多軸式校正軸，用以提高產量、縮短工時及降低成本；茲就上述各部分的主要功能敘述如下(A)高精密陶瓷校正系統21其作用除自動組裝高精密陶瓷校正軸16外，同時具有確定位、定點的功能，并能由電腦依據待校正的深度設定其行程，同時能依據雷射測徑儀24所提供的精密陶瓷校正軸16的尺寸磨耗量，由電腦判斷是否在規定的尺寸公差范圍內，如已超出規定的尺寸公差范圍，則由電腦控制高精密陶瓷校正系統21自動更換精密陶瓷校正軸16。
(B)金屬外罩定位系統22其主要是將待加工的光纖套圈3的金屬外罩準確置放于加工位置，同時由自動進料系統依序完成送料及取料的工藝動作。
(C)凈化精密陶瓷校正軸表面高壓源系統23主要是有效清除精密陶瓷校正軸16上的粉塵或金屬屑。因校正后金屬層多少會有微粉塵剝離而吸附于精密陶瓷校正軸16上，若不及時將表面凈化，則易造成工件內表面公差的變異。
(D)雷射測徑儀24雖然精密陶瓷校正軸16的高耐磨耗特性可以確保高使用率，但為了百分之百的維持良品率，適時的偵測精密陶瓷校正軸16外徑的尺寸是必須的。因此其目的是及時測量精密陶瓷校正軸16的尺寸值是否符合規定，再將數據資料反饋至資料擋，以決定是否更換精密陶瓷校正軸16。
(E)動力系統25是提供整個系統的動力供應。
(F)自動進料控制系統26其功能是適時將光纖套圈3的金屬外罩移至定點位置，以利于校正動作的進行。
(G)自動反饋控制系統27主要是匯集各系統訊號數據資料，經整合判斷后，正確輸出操作訊號。
參見圖3、4、為手動式高精密光纖套圈校正機2的雛型機，在此以手動式雛型機對光纖套圈3的內孔分別用精密陶瓷校正軸16及金屬校正軸(為習用工具)進行校正處理，其操作步驟如下(1)將校正軸放置于光纖套圈校正機2的高精密陶瓷校正系統21的位置；(2)設定高精密陶瓷校正系統21下降的行程；(3)將光纖套圈3置于底層金屬外罩定位系統22的定點位置；(4)啟動動力系統25中的動力行程轉輪旋轉，使高精密陶瓷校正系統21下降直至穿入光纖套圈3內孔中，再次旋轉動力行程轉輪使校正軸上升，即可完成校正加工。
(5)取出光纖套圈3，再置放新的待校正光纖套圈3于金屬外罩定位系統22上。
(6)啟動凈化陶瓷校正軸表面高壓源系統23，如高壓純氣源來凈化校正軸表面的粉塵或金屬屑。
(7)重復上述動作，直到雷射測徑儀24偵測到校正軸表面尺寸超出規定的范圍，校正軸失效為止。
參見圖6，從實驗結果對比表可以清楚的看出用精密陶瓷校正軸16校正后的光纖套圈3內孔尺寸公差的精度遠比金屬校正軸的優良，其中，精密陶瓷校正軸16外徑為2.5126mm，而光纖套圈3內孔直徑則為2.4981mm，單邊塑變區為0.00725mm(約7.0μm)，經金屬回彈后實際塑變區為0.00455mm(約4.5μm)，有鍍鎳層的鋅材料的回彈率約為6％-7％；而光纖套圈(SM型)的外徑為2.4499mm，經校正后的光纖套圈3，其裕度為0.0045mm(約為4.5μm)；由上述實驗結果說明，有效控制精密陶瓷校正軸16的外徑尺寸公差，便可有效控制光纖套圈內孔的裕度。
其次，從使用壽命來看，陶瓷材料的硬度(HV1000以上)遠大于鍍鎳層的鋅鑄件(HV200以下)，因此精密陶瓷校正軸16的應用完全可以勝任此應用。實驗中實測金屬校正軸的使用次數約在1-200次，即因磨耗過大而無法使用，同時鍍鎳層亦有剝離的現象。但精密陶瓷校正軸16使用1500次后，其表面尺寸公差精度仍維持不變(相信可以使用更多次)，而且校正后的表面光滑，由校正后的光纖套圈內孔表面的微觀分析可發現使用金屬校正軸校正后的表面粗糙度遠大于使用精密陶瓷校正軸16，同時表面易產生氧化層及粉化現象(如圖7所示)。
此外，上述精密陶瓷校正軸的材料可為塊狀或薄膜型式，由陶瓷塊材實驗所得到令人滿意的結果，可以推斷薄膜型態亦可得到相同的效果，其中，該薄膜的制備可分為化學式及物理方式。因此，以低熱膨脹系數金屬材料，如鎳鐵合金Invar(36Ni-Fe)、優質鎳鐵合金Super Invar(32Ni-0.35Mn-0.3Si-Fe)、鐵鎳鈷合金Kovar(29Ni-17Co-Fe)、塑膠(如熱固性塑膠、熱塑性塑膠等)、陶瓷材料、玻璃陶瓷(如矽酸鹽玻璃、鈉玻璃、納鈣玻璃、鉛玻璃、硼矽酸玻璃、磷酸鹽玻璃、鋁酸鹽玻璃)、低熱膨脹系數玻璃陶瓷(如LAS)及低硬度陶瓷材料(如TiO2、MgO、SiO2)等為光纖套圈3外罩的基材，而以鍍膜方式于其表面鍍覆氧化層、碳化層、氮化層、甚至鉆石膜或類鉆膜，都可以有效改進其單獨使用金屬校正軸的缺點，另，精密陶瓷校正軸16除可校正光纖套圈3內孔外，只需將精密陶瓷校正軸16制作成具有內凹槽型式，即可對光纖套圈3外徑進行校正加工，并可達到相同效果。
以上所述，僅為本發明最佳具體實施例，但本發明的構造特征并不局限于此，任何熟悉該項技藝者在本發明領域內，可輕易思及變化或修飾，皆可涵蓋在本案的專利保護范圍。
綜上所述，本發明的光纖套圈提升組裝精度及良率的系統及其工具，符合發明專利的三性，使用時，確實能達到其功效及目的。
權利要求
1.一種光纖套圈提升組裝精度及良率的系統，尤指使用于校正光纖套圈外罩上內孔或外徑表面，使其形成致密狀態的光纖套圈校正機，是由運用精密陶瓷校正軸及結合光纖套圈校正機來達到自動化目的，其主要系統為包含(A)高精密陶瓷校正系統是可自動組裝高精密陶瓷校正軸外，同時能達到定值定點功能，依校正的深度作行程設定后，以電腦控制，同時經雷射測徑儀所提供的校正軸尺寸磨耗達規定公差尺寸外，并經電腦控制系統自動更換陶瓷校正軸；(B)金屬外罩定位系統是可將待加工的光纖套圈金屬外罩準確置于加工位置，同時經自動進料系統依序作送料及取料動作；(C)凈化陶瓷校正軸表面高壓源系統是可有效去除陶瓷校正軸上的粉塵或金屬屑；(D)雷射測徑儀是可將數據資料反饋至資料檔以決定是否更新陶瓷校正軸；(E)動力系統為提供整個系統的動力供應；(F)自動進料控制系統其功能是適時將光纖套圈外罩移至定點位置，以利于校正動作的進行；(G)自動反饋控制系統主要匯集各系統訊號數據資料，整合后正確輸出操作訊號。
2.根據權利要求1所述光纖套圈提升組裝精度及良率的系統，其特征是上述金屬外罩內孔校正機可為多軸式校正機，同時校正更多金屬外罩以提高產能。
3.根據權利要求1所述光纖套圈提升組裝精度及良率的系統，其特征是上述光纖陶瓷外罩校正機為可校正內孔或外徑，只需將陶瓷校正軸制作成柱形或柱形具凹槽型式，即可達成相同效杲。
4.一種光纖套國提升組裝精度及良率的工具，尤指使用于光纖套圈內孔或外徑的陶瓷校正軸工具，是利用與光纖套圈的內孔或外徑具有相同精密度的陶瓷校正軸，使陶瓷校正軸穿入或套設于光纖套圈內孔或外徑后，可讓光纖套圈內孔或外徑形成受力塑變后的回彈特性，使光纖套圈內孔或外徑公差尺寸及圓度可與精密陶瓷校正軸具有近相同的精準度，而使光纖套圈的公差維持在極微小區間，約為1-3μm內，來增加與光纖相互配合時的緊度及同心度，用以避免光纖能量于傳輸時的遞減。
5.根據權利要求4所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述精密陶瓷校正軸的材料可以為塊狀或薄膜型式。
6.根據權利要求5所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述精密陶瓷校正軸的材料為包含所有氧化物、碳化物、氮化物的單一粉體或其混成復合粉體材料。
7.根據權利要求6所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述氧化物材料包含Al2O3、ZrO2、Cr2O3或TiO2；而碳化物材料包含WC、TiC、SiC、B4C、ZrC、TaC、HfC、Cr3C2、NbC；氮化物材料包含Si3N4、TiN、ZrN、HfN、BN、AlN。
8.根據權利要求5所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述精密陶瓷材料可為硼化物或鉆石或類鉆。
9.根據權利要求5所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述薄膜的制備可分為化學及物理方式。
10.根據權利要求4所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述陶瓷校正軸的制造流程的步驟依序為陶瓷粉體前處理、陶瓷粉體活化處理、胚體成型、燒結熱處理及高精密研磨加工所構成。
11.根據權利要求10所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述胚體成型可為乾壓成型、擠制成型、射出成型、熱壓成型、熱均壓成型、鑄漿成型或冷均壓成型制成的適當的生胚密度。
12.根據權利要求10所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述成型后的生胚經特殊的燒結熱處理過程，可使陶瓷元件致密化后，讓粗胚的相對密度范圍位于40％-100％之間，隨著密度的增加，其使用壽命及精準度可相對的提高。
13.根據權利要求10所述光纖套圈提升組裝精度及良率的工具，其特征是上述高精密研磨加工為對燒結粗胚的表面作超鏡面研磨加工。
全文摘要
一種光纖套圈提升組裝精度及良率的系統及其工具，其主要通過陶瓷粉體前處理、陶瓷粉體活化處理、胚體成型、燒結熱處理及高精度研磨加工的五步驟后，制造出與光纖芯幾乎相同精度的精密陶瓷校正軸，此種精密陶瓷校正軸具有易成型、高硬度、高韌性、高耐磨耗及不與金屬粘連等優異特性，當利用光纖套圈校正機以陶瓷校正軸來校正座體的光纖套圈內孔尺寸及同心度后，便可利用金屬受力塑變后的回彈效果，使光纖套圈內孔尺寸公差及圓度具有與陶瓷校正軸幾乎相同的精度，以增加光纖與光纖套圈內孔的配合緊度及維持同心度，并避免光傳輸時的訊號遞減。
文檔編號G02B6/36GK1432833SQ0210175
公開日2003年7月30日 申請日期2002年1月17日 優先權日2002年1月17日
發明者童兆年, 隋遠大, 侯春樹, 白添發 申請人:創世紀科技股份有限公司, 益睿科技股份有限公司