一種用于光學元件對齊的納米位移器的制作方法

專利名稱：一種用于光學元件對齊的納米位移器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種納米位移器，尤其涉及一種用于光學元件的納米位移 器，在此裝置中，不需要電力即可驅動所述納米位移器。本實用新型中弱彈簧 的移動范圍相當的大，所以使用者的手臂可以控制所述移動塊在一段相當小的 范圍移動，所以所述納米位移器可以提供相當準確的操作，而且相當低廉。
背景技術：
納米位移器可移動過非常小的距離，如幾個次微米或幾納米， 一般納米位 移器適用于光學元件的對齊。
隨著光通訊及許多其他光學應用的成長，光學元件對齊也成為工業中一項 重要的課題。因為在對齊光學元件時的工作效應將大大的影響整個產能及光通 ifl的效果。
例如當將兩個光纖連結時，或將光纖連結到光二極管(photo diode)或發光 二極管(light emitting diode),或者將光纖與光波導連結時，必須將兩條光 元件相對齊。
金屬線的連結相當的簡單，因為只需要將兩個導線相接觸就可以。但是光 學元件的連結就相當的復雜，其精準度的范圍在次微米的范圍內。因此有經驗 的技工必須將光學元件對齊，但是此對于大量生產而言將造成生產上的瓶頸。
自動對齊系統可以將兩個光學元件的光軸微微的調整，而使得對齊后的傳 輸耗損達到最小。 一當對齊之后由激光處理或樹脂將所述光軸固定住。圖10顯 示具代表性的對齊系統的架構，所述系統包含光源、對齊工具、控制器、測量 光強度的功率測量器及一個控制用的個人電腦，所述對齊工具運用步進馬達而 以次微米的移動級距移動光纖的尖端。電腦接收來自電腦控制器的數據，而將 所述數據回傳到所述控制器。在對齊時由電腦產生控制信號。
在上述的結構中步進馬達可以由壓電元件取代，而將電能轉換成機械能， 以驅動定位光纖的夾臂。所述夾臂為一V型槽。
5上述工具以電力驅動，而且可以達到所需要的精準度，而在次微米的范圍 內移動所述夾臂。但是此裝置相當的昂貴，而且必須以電力驅動。所以必須要 有 一種嶄新的設計可以改良上述的缺點。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種用于光學元件的納米位移器，在此裝置中， 不需要電力即可驅動所述納米位移器。本實用新型中弱彈簧的移動范圍相當的 大，所以使用者的手臂可以控制所述移動塊在一段相當小的范圍移動，所以所 述納米位移器可以提供相當準確的操作，而且相當低廉。
為達到上述目的，本實用新型中提出一種用于光學元件對齊的納米位移器，
包含一平臺，具有一上表面及一下表面； 一前支撐塊及一后撐塊，固定安裝于 所述平臺的上表面處；所述前支撐塊及所述后支撐塊之間維持一段距離以固定 其他元件；所述前支撐塊及所述后支撐塊為剛體；因此在本實用新型的裝置操 作時幾乎不會變形； 一右金屬片及所述左金屬片配置在所述前支撐塊及所述后 支撐塊之間；所述右金屬片及所述左金屬片相隔開；所述右金屬片及所述左金 屬片懸吊在所述前支撐塊及所述后支撐塊之間，而且不會與所述平臺的上表面 相接觸； 一移動塊，配置在所述右金屬片及所述左金屬片之間，所述移動塊， 固定安裝在所述右金屬片及所述左金屬片之間；所述移動塊的下表面與所述平 臺的上表面相隔開；所述移動塊、所述右金屬片及所述左金屬片固定形如一鋼 體結構； 一桿體，連接到所述移動塊的下表面，而不與所述平臺的上表面相接 觸； 一弱彈簧，連接到所述桿體的中間部位；所述弱彈簧具有較低的彈性系數 Kl; 一強彈簧，其兩端固定到所述前支撐塊及所述后支撐塊之間；所述強彈簧 的中間部份與所述右金屬片相接觸；所述強彈簧具有一較高的彈性系數K2;所 述高彈性系數K2遠大于所述低彈性系數K1;以及一調整單元，連接所述弱彈簧； 所述調整單元可以放松或壓緊弱彈簧；所述調整單元主要用于壓縮弱彈簧而調 整弱彈簧的長度。
其中所述弱彈簧及所述強彈簧為具彈性的簧片。所述調整單元可以將螺旋 操作改成線性操作；所述調整單元有一螺轉頭，可以驅動平板而移動座體；一 固定塊固定到平板上。所述弱彈簧的兩端則鎖到固定塊上；在操作時所述螺轉 頭將使得弱彈簧前后移動。所述前支撐塊及后支撐塊為剛體。
其中將一預載(preload)加到所述移動塊上。在組裝后，所述強彈簧有一預定的變形，而將一附載加到所述移動塊中，所以所述右金屬片及左金屬片也歷 經與所述移動塊相同程度的形變。所述右金屬片及所述左金屬片的形變的方向 與所述弱彈簧推動的方向相反。
其中所述右金屬片及所述左金屬片由彈性材料制作而成。當有外力作用時， 所述右金屬片及左金屬片會有微微的變形。
本實用新型的另一實施例中，不使用桿體，而是弱彈簧連接到所述左金屬
片的中間部位；所述弱彈簧具有較低的彈性系數Kl。
與現有技術相比，本實用新型所述的用于光學元件的納米位移器，在此裝 置中，不需要電力即可驅動所述納米位移器。本實用新型中弱彈簧的移動范圍 相當的大，所以使用者的手臂可以控制所述移動塊在一段相當小的范圍移動， 所以所述納米位移器可以提供相當準確的操作，而且相當低廉。


圖1的分解圖顯示本實用新型第一實施例中的元件； 圖2是本實用新型的組合圖3是本實用新型的第一實施例的部份立體圖，其中元件202和302已移 除，以顯示本實用新型的內部結構；
圖4是本實用新型的第一實施例的部份立體圖，其中元件201和301已移 除，以顯示本實用新型的內部結構；
圖5的截面圖顯示本實用新型的組裝狀態；
圖6的截面圖為從圖5的另一角度所看到的視圖7-1、圖7-2顯示本實用新型的第二實施例的透視圖8顯示本實用新型裝置的實驗結果；
圖9為圖8結果的線性近似圖IO顯示現有技術中的光學元件。
附圖標記說明100-平臺；101-上表面；102-下表面；201-前支撐塊；202-后支撐塊；301-右金屬片；302-左金屬片；400-移動塊；401-下表面；501-桿 體；601-弱彈簧；602-強彈簧；700-調整單元；701-螺轉頭；702-平板。
具體實施方式
就本實用新型的結構組成，及所能產生的功效與優點，配合附圖，舉本實用新型的 一較佳實施例詳細說明如下。
請參考圖1、圖2、圖3、圖4、圖5及圖6,其中圖1的分解圖顯示本實用 新型第一實施例中的元件。圖2顯示本實用新型的組合圖。圖3顯示本實用新 型第一實施例中的部份透視圖，其中我們已經將元件202及302移除，以顯示 本實用新型的結構的內部。圖4顯示本實用新型的第一實施例的另一部份透視 圖，其中已經將元件201及301移除，以顯示本實用新型的結構的內部。圖5 顯示本實用新型的組合狀態的截面圖。圖6顯示本實用新型的組合狀態的另一 截面圖，其視角為圖5的視角的反側。下文將說明本實用新型的元件。
一平臺100，包含上表面101及下表面102。優選所述上表面101為一平坦 的表面。
一前支撐塊201及一后撐塊202固定安裝于所述平臺100的上表面101處。 例如所述前支撐塊201及所述后支撐塊202可以埋入、螺入或鎖入所述平臺100 的上表面101。在圖中顯示以螺絲作為連結面。所述前支撐塊201及所述后支撐 塊202之間維持一段距離以固定本實用新型中的其他元件。在本實用新型中， 所述前支撐塊201及所述后支撐塊202為剛體，因此在本實用新型的裝置操作 時幾乎不會變形。
在所述前支撐塊201及所述后支撐塊202之間配置有一右金屬片301及左 金屬片302,所述右金屬片301及所述左金屬片302相隔開。所述右金屬片301 及所述左金屬片302懸吊在所述前支撐塊201及所述后支撐塊202之間，而且 不會與所述平臺100的上表面101的相接觸。所述右金屬片301及所述左金屬 片302由彈性材料制作而成，及當有外力作用時，所述右金屬片301及所述左 金屬片302會微微地變形。
在所述右金屬片301及所述左金屬片302之間配置有一移動塊400，且所述 移動塊400固定地安裝在所述右金屬片301及所述左金屬片302之間，所述移 動塊400的下表面401與所述平臺100的上表面101相隔開。在本實用新型中， 例如所述移動塊400可以應用螺絲而固定到所述右金屬片301及所述左金屬片 302中，使得所述移動塊400、所述右金屬片301及所述左金屬片302固定形如 一鋼體結構；在所述移動塊400及所述左金屬片302之間、在所述移動塊400 及所述右金屬片301之間沒有相對的移動。當所述移動塊400移動時，所述左 金屬片302及所述右金屬片301也移動相同的距離，彼此之間沒有相對的移動。
在操作時用于對齊的光學元件可以放置在移動塊400上面，例如如果所述
8光學元件是光纖時，可以將光纖放在一制具(clamp arm)的V形凹槽中。在將所 述制具放在所述平臺IOO及所述上表面101中。但要對齊兩光纖時，每一光纖 放置在不同的納米位移器中，然后調整各個納米位移器以使得兩者相對齊。一 般光纖的核心(core)相當的小，只有幾微米。所以在調整的時候每一步驟的位 移只能夠有幾個次微米，甚或幾納米。實際上要用人手的操作達到那么微小的 位移相當的困難。本實用新型中下列的元件則可以使得操作者輕易的達到上述 的目的。
一桿體501，連接到所述移動塊400的下表面401，而不與平臺100的上表 面101相接觸。
一弱彈簧601，連接到所述桿體501的中間部位。所述弱彈簧601具有較低 的彈性系數K1。
一強彈簧602，其兩端固定到所述前支撐塊201及所述后支撐塊202之間， 例如可以用螺絲鎖入的方式固定。所述強彈簧602的中間部份與所述右金屬片 301相接觸。所述強彈簧602具有一較高的彈性系數K2。所述高彈性系數K2遠 大于所述低彈性系數Kl。例如彈性系數K2為彈性系數Kl的50倍或100倍。
在本實用新型中優選所述弱彈簧601及強彈簧602為具彈性的簧片，所述 簧片可以提供穩定的操作。 一般簧片的效果比螺旋彈簧好。但是只要適當的選 擇與設計，本實用新型可以選用各種不同的彈簧。
一調整單元700，連接所述弱彈簧601。所述調整單元700可以放松或壓緊 弱彈簧601。在本實用新型主要設計中，所述調整單元700主要用于壓縮弱彈簧 601而調整弱彈簧601的長度。
在圖中我們顯示所述調整單元700,從所述右金屬片301的下方突伸出來， 以便于使用者操作但是此種設計并不適于本實用新型的觀點。其他適于操作調 整單元700的方式均在本實用新型的范圍之內。
在本實用新型任何其他可以壓縮或延展弱彈簧601均在本實用新型的范圍 之內。
在本實用新型中所述調整單元700可以將螺旋操作改成線性操作。在所述 圖中顯示所述調整單元700所述調整單元包括螺轉頭701、平板702、座體703 和固定板704,所述螺轉頭701驅動所述平板702而移動所述座體703,所述固 定塊704固定到所述平板702上，所述弱彈簧601的兩端鎖到所述固定塊704 上，在操作時所述螺轉頭701使得所述弱彈簧601前后移動。下文將說明本實用新型的操作。起初，本實用新型的結構是在一完全放松
的狀態，即所述弱彈簧601是一個在沒有壓縮或延伸的狀態，然后螺轉在所述 調整單元700而推動所述弱彈簧601向前移動，所述弱彈簧601的移動將驅動 所述桿體501向前移動，結果所述桿體501向左移動而驅動所述左金屬片302 及右金屬片301向左移動。但是移動塊400在移動時經由所述右金屬片301與 所述強彈簧602產生互動，但是強彈簧602具有大的彈性系數K2，此彈性系數 K2遠大于所述弱彈簧601的彈性系數Kl,因此強彈簧602將拉動所述移動塊 400而使得所述移動塊400的移動量遠低于弱彈簧601的移動量。結果所述移動 塊400只移動過一段小小的距離。依據物理上的計算，所述移動塊400的移動 量只有所述弱彈簧601的移動量的Kl/K2倍。在本例中移動塊400的移動量只 有弱彈簧601移動量的百分之一。所以當強彈簧602移動過lO]um, (micrometer),所述移動塊400只移動0. 1 u m，所以所述移動塊400被微調。
而且，在本實用新型中為了減少整個結構的震動，將一預載(preload)加 到所述移動塊400中。所以在組裝后所述強彈簧602有一預定的變形，而將一 預載加到所述移動塊400中，所以所述右金屬片301及左金屬片302也歷經與 所述移動塊400相同程度的形變。所述右金屬片301及左金屬片302的形變的 方向與所述弱彈簧601推動的方向相反。所述預載也使得本實用新型的結構可 以預防震動。
必須強調本實用新型可以防止摩擦力的干擾。在本實用新型中所述移動塊 400、左金屬片302及右金屬片301并沒有接觸到所述上表面101,不會以平臺 100的上表面101相接觸。在弱彈簧601的驅動操作中，所述移動塊400、右金 屬片301及左金屬片302形成一鋼體。在任何兩個元件之間沒有相對移動所以 就沒有摩擦力。此特性可以增加系統的精準度。如所知者摩擦力將減少精準度， 而且操作人員無法精準的估計摩擦力的效應。但是本實用新型中精巧的計設可 以減少摩擦力的影響。
圖7示在本實用新型的第2實施例，其中與上一實施例相同的元件與結構 將不再重復說明。本實施例異于上述實施例為本實施例中并沒有使用桿體501, 所以所述弱彈簧601直接與左金屬片302相接觸。此一設計也可以達到相同的 效應。
請參考圖8及9，其中顯示本實用新型的實驗結果。圖8的第一行及第二行 顯示經由轉動調整單元700而調整弱彈簧601時每一次的移動距離及累積距離。第三行為第二行的線性近似結果。第四行顯示第二行及第三行的差值。由所述
結果可看出每一次的調整使得所述移動塊400移動過66納米。此適合于光學元 件的調整。例如當一光纖的核心直徑為10微米時，則66納米為所述直徑的 1/150。此距離小得足以對齊所述光纖。
綜上所述，本實用新型人性化的體貼設計，相當符合實際需求。其具體改 進現有缺失，相較于現有技術明顯具有突破性的進步優點，確實具有功效的增 進，且非易于達成。本實用新型未曾公開或揭露于國內與國外的文獻與市場上， 已符合專利法規定。
以上說明對本實用新型而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技 術人員理解，在不脫離所附權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許 多修改、變化或等效，但都將落入本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，其包含一平臺，具有一上表面及一下表面；一前支撐塊及一后撐塊，固定安裝于所述平臺的上表面處；所述前支撐塊及所述后支撐塊之間維持一段距離以固定其他元件；一右金屬片及一左金屬片，配置在所述前支撐塊及所述后支撐塊之間；所述右金屬片及所述左金屬片相隔開；所述右金屬片及所述左金屬片懸吊在所述前支撐塊及所述后支撐塊之間，而且不與所述平臺的上表面的相接觸；一移動塊，配置在所述右金屬片及所述左金屬片之間，所述移動塊固定安裝在所述右金屬片及所述左金屬片之間；所述移動塊的下表面與所述平臺的上表面相隔開；所述移動塊、右金屬片及左金屬片固定形如一鋼體結構；一桿體，連接到所述移動塊的下表面，而不與所述平臺的上表面相接觸；一弱彈簧，連接到所述桿體的中間部位；所述弱彈簧具有彈性系數K1；一強彈簧，其兩端固定到所述前支撐塊及所述后支撐塊之間；所述強彈簧的中間部份與所述右金屬片相接觸；所述強彈簧具有一彈性系數K2；所述高彈性系數K2大于所述低彈性系數K1；以及一調整單元，連接所述弱彈簧；所述調整單元放松或壓緊弱彈簧；所述調整單元用于壓縮所述弱彈簧而調整所述弱彈簧的長度。
2. 如權利要求1所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，所 述弱彈簧及所述強彈簧為具彈性的簧片。
3. 如權利要求l所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，所 述調整單元將螺旋操作改成線性操作；所述調整單元包括螺轉頭、平板、座體 和固定板，所述螺轉頭驅動所述平板而移動所述座體，所述固定塊固定到所述 平板上，所述弱彈簧的兩端鎖到所述固定塊上，在操作時所述螺轉頭使得所述 弱彈簧前后移動。
4. 如權利要求1所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于， 所述前支撐塊及后支撐塊為剛體。
5. 如權利要求1所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于， 一預載加于所述移動塊上。
6. 如權利要求5所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，在組裝后，所述強彈簧有一預定的變形， 一附載加于所述移動塊中，所述右金屬片及所述左金屬片歷經與所述移動塊相同程度的形變；所述右金屬片及所述左 金屬片的形變的方向與所述弱彈簧推動的方向相反。
7. 如權利要求1所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，所 述右金屬片及所述左金屬片由彈性材料制作而成，當有外力作用時，所述右金 屬片及所述左金屬片變形。
8. —種用于光學元件對齊的納米位移器，包含 一平臺，具有一上表面及一下表面；一前支撐塊及一后撐塊，固定安裝于所述平臺的上表面處；所述前支撐塊 及所述后支撐塊之間維持一預定距離以固定其他元件；所述前支撐塊及所述后 支撐塊為剛體；一右金屬片及一左金屬片，配置在所述前支撐塊及所述后支撐塊之間；所 述右金屬片及所述左金屬片相隔開；所述右金屬片及所述左金屬片懸吊在所述 前支撐塊及后支撐塊之間，而且不與所述平臺的上表面相接觸；所述右金屬片 及所述左金屬片由彈性材料制作而成，當有外力作用時，所迷右金屬片及所迷 左金屬片變形；一移動塊，配置在所述右金屬片及所述左金屬片之間，所述移動塊固定安 裝在右金屬片及所述左金屬片之間；所述移動塊的下表面與所述平臺的上表面 相隔開；所述移動塊、所述右金屬片及所迷左金屬片固定形如一鋼體結構；一弱彈簧，連接到所述左金屬片的中間部位；所述弱彈簧具有彈性系數K1;一強彈簧，其兩端固定到所述前支撐塊及所述后支撐塊之間；所述強彈簧 的中間部份與所述右金屬片相接觸；所述強彈簧具有彈性系數K2;所述高彈性 系數K2大于所述低彈性系數K1;其中所述弱彈簧及所述強彈簧為具彈性的簧片； 以及一調整單元，連接所述弱彈簧；所述調整單元放松或壓緊所述弱彈簧；所 述調整單元壓縮所述弱彈簧而調整所述弱彈簧的長度。
9. 如權利要求8所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，所 述調整單元將螺旋操作改成線性操作；所述調整單元包括螺轉頭、平板、座體 和固定^1,所述螺轉頭驅動所述平板而移動所述座體，所述固定塊固定到所述 平板上，所述弱彈簧的兩端鎖到所述固定塊上，在操作時所述螺轉頭使得所述 弱彈簧前后移動。
10.如權利要求8所述的用于光學元件對齊的納米位移器，其特征在于，一預載加于所述移動塊上；在組裝后，所述強彈簧有一預定的變形， 一附載加 于所述移動塊中，所述右金屬片及所述左金屬片歷經與所述移動塊相同程度的 形變；所述右金屬片及所述左金屬片的形變的方向與所述弱彈簧推動的方向相 反。
專利摘要本實用新型提供了一種用于光學元件對齊的納米位移器，包含一平臺，具有一上表面及一下表面；一前支撐塊及后撐塊固定的安裝所述平臺的上表面處所述前支撐塊及后支撐塊為剛體；一右金屬片及左金屬片配置在所述前支撐塊及后支撐塊之間；所述右金屬片及左金屬片相隔開；一移動塊；一桿體；一弱彈簧；一強彈簧；所述強彈簧的中間部份與所述右金屬片相接觸；所述強彈簧具有一較高的彈性系數K2；所述高彈性系數K2遠大于所述低彈性系數K1；以及一調整單元，連接所述弱彈簧；所述調整單元可以放松或壓緊弱彈簧；所述調整單元主要用于壓縮弱彈簧而調整弱彈簧的長度。
文檔編號G02B7/00GK201373933SQ200820177030
公開日2009年12月30日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者章元曄, 章西澎 申請人:章西澎;章元曄