CN1298030C

CN1298030C - 一种用于光电子器件封装的精密对接装置

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Publication number: CN1298030C
Application number: CNB2003101108477A
Authority: CN
Inventors: 范守文; 李辉; 吴献钢; 陈畅; 袁太文; 洪涛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: CN1614758A

Abstract

本发明提供的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，它是由：基座(1)、双向平动平台、四个定位座(4、7、23、26)、动平台(9)、定长杆(6、19、20、24)、上光纤夹紧装置(13)、下光纤夹具(10)等组成；定长杆(6、19、20、24)的一端通过球铰与动平台(8)相联，在定长杆(6、20)的另一端与定位座(4、23)通过转动副相联，定长杆(19、24)通过虎克铰或球铰与定位座(7、26)相联，构成空间并联闭链机构。本发明具有结构简单紧凑、控制简单、运动分辨率高、运动解耦、动态性能好等优点，它能够实现高分辨率的微动对接封装操作，以提高光电子器件的封装成品率。

Description

一种用于光电子器件封装的精密对接装置

技术领域

本项发明属于光机电一体化技术领域，它特别涉及光电子器件精密封装技术。

背景技术

封装与光电子器件的可靠性关系极大，光电子集成器件的封装成本约占其总成本的70-90％。自动对接装置及技术是光电子器件封装的关键技术，它可以降低生产成本，提高生产效率，保证器件质量。在精密微动对接机构的研究中，并联机构尤其引起人们的关注，这主要是因为并联机构具有以下优点：(1)结构紧凑(2)设计加工简单，对温度的灵敏度不高(3)驱动器可置于基架上(4)误差积累及放大小(5)固有频率高，避免了由震动引入的不可控制重复误差。

斯陶顿(Stoughton)设计了一种由两个并联机构组成的微动机器人，每个并联机构由六个压电元件组成；胡根兹(Hudgens)和特塞(Tesar)提出了一种完全并联的斯蒂瓦特(Stewart)平台微动机器人；国内一些单位也研制了基于一般型Stewart结构的六自由度并联微动机器人(哈尔滨工业大学)、混联六自由度微动机器人(北京航空航天大学)、基于德尔它(Delta)机构的细胞操作微动机器人(同济大学)及并联微动解耦结构微动机器人(燕山大学)。他们为微动机器人的发展与进步作出了贡献，其中一些研究成果已申请了专利。目前有关光电子器件自动封装的文献报道不多，据发明人所知，有关光电子器件封装的精密对接装置的专利文献几乎没有。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光电子器件封装的精密对接装置，这种装置具有结构简单紧凑、控制简单、运动分辨率高、运动解耦、动态性能好等优点，能实现高分辨率的微动对接封装操作，以提高光电子器件的封装成品率。

本发明的用于光电子器件封装的精密对接装置的技术方案如下：

本发明提供的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，如图1所示，其特征在于它是由：基座1，双向平动平台2、27，四个定位座4、7、23、26，动平台9，定长杆6、19、20、24，上光纤夹紧装置，下光纤夹具10，以及激光焊枪11、16、22组成；所说的定长杆为4个，定长杆6、19、20、24的一端通过球铰与动平台9相联，在定长杆6、20的另一端与定位座4、23通过转动副相联，定长杆19、24通过虎克铰或球铰与定位座7、26相联，从而形成了空间并联闭链机构；所说的双向平动平台可以位于基座1的上方(如图1所示的2、27)，也可以位于机架上部(如图2所示的38、40)；所说的下光纤夹具10固定在动平台9之上，上光纤夹紧装置由弧形柔性弹簧12、光纤夹具13、微位移驱动器14组成，位于机架上部；激光焊枪11、16、22位于环形托架17上互成120°均匀分布，环形托架17与机架刚性固联。

需要说明的是：

所述的定位座由平行板柔性移动副67、微位移驱动器66、定位座座体65组成，由图5所示；

上述的球铰、虎克铰和转动副均为柔性铰结构；所说的微位移驱动器14、66可以是压电陶瓷微位移驱动器，也可以是其它类型的微位移驱动器；

上述的固定光纤的夹具10、13可采用步进电机驱动，也可采用气动；由弧形柔性弹簧12、光纤夹具13、微位移驱动器14组成上光纤夹紧装置，可实现Y轴方向的微平动；

所说的双向平动平台可在步进电机的驱动下可实现X、Y轴方向的平动；

需要说明的是环形托架17上可以设置有两个CCD摄像头15、18，分别用于检测光纤在X轴和Y轴方向的对准误差；激光焊枪11、16、22，用于对接光纤的熔化焊接。

由于本发明采用了空间四自由度并联机构，而空间四自由度并联机构具有运动精度高、运动解耦等特点，如图3所示。因此本发明提供的用于光电子器件封装的精密对接装置具有结构简单紧凑、控制简单、运动分辨率高、运动解耦、动态性能好等优点，它能够实现高分辨率的微动对接封装操作，以提高光电子器件的封装成品率。

附图说明：

附图1为本发明的用于光电子器件封装的精密对接装置实施例一的总体结构示意图

图中1基座，2X向移动平台，3步进电机，4定位座，5柔性转动副，6定长杆，7定位座，8柔性球铰，9动平台，10光纤夹具，11激光焊枪，12弧形柔性弹簧，13光纤夹具，14微位移驱动器，15CCD摄像头，16激光焊枪，17环形托架，18CCD摄像头，19定长杆，20定长杆，21柔性球铰，22激光焊枪，23定位座，24定长杆，25柔性虎克铰或球铰，26定位座，27Y向移动平台，28步进电机。

附图2为本发明的用于光电子器件封装的精密对接装置实施例二的总体结构示意图

图中29基座，30定位座，31柔性转动副，32定长杆，33定位座，34柔性球铰，35动平台，36光纤夹具，37步进电机，38Y向移动平台，39激光焊枪，40X向移动平台，41步进电机，42弧形柔性弹簧，43CCD摄像头，44微位移驱动器，45激光焊枪，46光纤夹具，47CCD摄像头，48环形托架，49定长杆，50激光焊枪，51定长杆，52柔性球铰，53定位座，54定长杆，55柔性虎克铰或球铰，56定位座。

附图3为空间四自由度并联机构的示意图

图中C₁、C₂、C₃、C₁表示球铰，B₁、B₃表示虎克铰或球铰，B₂、B₄表示转动副。

附图4为激光焊枪的精密微调机构的示意图

图中57转动销，58激光焊枪，59小卡环，60微调螺钉，61大卡环，62转动销，63支撑横梁，64支承座。

附图5为定位座结构示意图

附图6为附图5中定位座的A-A向剖视结构示意图

图中65为定位座座体，66为微位移驱动器，67为平行板柔性移动副。

具体实施方式

下面结合附图，详细介绍本发明的两种基于四自由度并联机构的用于光电子器件封装的精密对接装置实施例的结构及工作原理。

实施例一

附图1是本发明的一个实施例。这种用于光电子器件封装的精密对接装置由基座1，动平台9，定长杆6、19、20、24，定位座4、7、23、26，微位移驱动器，双向平动平台2、27，以及光纤夹具10、13等组成。基座1与动平台9之间由4个定长杆相联，其中两个定长杆6、20一端与定位座4、23上的平行板移动副通过转动副相联，另一端通过球铰与动平台9相联，另外两个定长杆19、24一端通过虎克铰或球铰与定位座7、26上的平行板移动副相联，另一端通过球铰与动平台9相联，从而形成了空间并联机构。所说的转动副、虎克铰或球铰都指的是柔性铰链，平行板移动副均采用微位移器驱动。在动平台9和上机架上均设置有装夹光纤的夹具10、13，其中上机架上的光纤夹具13可在一侧的微位移驱动器的驱动下实现Y轴方向的微移动，另一侧设置有弧形柔性弹簧12，微位移驱动器14的座体及弧形柔性弹簧12的座体与上机架刚性固联。基座上安装有双向平动平台2、27，双向平动平台可在步进电机3、28的驱动下实现X、Y轴方向的平动，定位座4、7、23、26，定长杆6、19、20、24，动平台9以及动平台上的光纤夹具10均可随着双向平动平台2、27的移动而移动。环形托架17上设置有两个CCD摄像头15、18，用于提供精密位置反馈信息，环形托架17上还设置有三个互为120°的激光焊枪11、16、22，用于对接光纤的熔化焊接，激光焊枪11、16、22的精密微调机构如图4所示。

实施例二

附图2是本发明的另一个实施例。由基座29，动平台35，定长杆32、49、51、54，定位座30、33、53、56，微位移驱动器，双向平动平台38、40，以及光纤夹具36、46等组成。基座29与动平台35之间由4个定长杆相联，其中两个定长杆32、51一端与定位座上的平行板移动副通过转动副相联，另一端通过球铰与动平台35相联，另外两个定长杆49、54一端通过虎克铰或球铰与定位座上的平行板移动副相联，另一端通过球铰与动平台35相联，从而形成了空间并联机构。定位座上设置有微位移驱动器，所说的转动副、虎克铰或球铰都指的是柔性铰链，平行板移动副均采用微位移器驱动。在动平台35和上机架上均设置有光纤夹具36、46，其中上机架上的光纤夹具46可在一侧的微位移驱动器44的驱动下实现Y轴方向的微移动，另一侧设置有圆弧形弹性副42，微位移驱动器44的座体及弧形柔性弹簧42的座体与上机架刚性固联。上机架上设置有双向平动平台38、40，可在步进电机37、41的驱动下带动其上的微位移驱动器44、光纤夹具46以及弧形柔性弹簧42实现X、Y轴方向的平动。环形托架48上设置有两个CCD摄像头43、47以及三个互为120°的激光焊枪39、45、50，激光焊枪11、16、22的精密微调机构如图4所示。。

附图4为激光焊枪的精密微调机构的示意图。图中57、62为销轴，58为激光焊枪，59、61为卡环，60为微调螺钉，63为横梁，64为支承座。通过调整微调螺钉60可以微细调整激光焊枪的上下姿态。

需要说明的是，上述实施例一与实施例二的区别是：所说的双向平动平台可以位于基座1的上方，如图1所示中的2、27；也可以位于机架上部，如图2所示中的38、40。

本发明的工作过程：本发明用于光电子器件封装的过程可分为粗对接和精对接两个操作过程。粗对接首先打开激光光源和光功率计，启动功率检测程序，通过步进电机驱动双向平动平台实现进行光功率搜索，当检测到的光功率超过某一设定的噪声水平时，启动精对接过程进行微动调节；通过控制位于双向平动平台上的4个微位移驱动器以及位于机架上的微位移驱动器，在功率系统的导引下进行精密微动对接，直到搜索到最大功率点为止。对接完成后在启用激光焊枪照射结合处，完成对接光纤的熔化焊接工作。

这种用于光电子器件封装的精密对接装置具有结构简单紧凑、制造成本低、控制简单、运动分辨率高、动态特性好、运动解耦、累积误差小等优点，可实现高分辨率的微动对接操作，提高光电子器件封装的成品率。并可应用于其它诸如精细加工、集成电路制造、CCD对接、生物和遗传工程、微型外科手术、微电子装配等领域和其它处理微小物体、进行微细定位和微操作的场合。

Claims

1、一种用于光电子器件封装的精密对接装置，其特征在于它是由：基座(1)、双向平动平台(2、27)、四个定位座(4、7、23、26)、动平台(9)、定长杆(6、19、20、24)、上光纤夹紧装置、下光纤夹具(10)、以及激光焊枪(11、16、22)组成；所说的定长杆为4个，定长杆(6、19、20、24)的一端通过球铰与动平台(9)相联，其中两个定长杆(6、20)的另一端与定位座(4、23)通过转动副相联，另外两个定长杆(19、24)通过虎克铰或球铰与定位座(7、26)相联，从而形成了空间并联闭链机构；所说的双向平动平台(2、27)可以位于基座(1)的上方，也可以位于机架上部；所说的下光纤夹具(10)固定在动平台(9)之上，上光纤夹紧装置由弧形柔性弹簧(12)、光纤夹具(13)、微位移驱动器(14)组成，位于机架上部；定位座(4、7、23、26)由平行板柔性移动副(67)、微位移驱动器(66)、定位座座体(65)组成。

2、根据权利要求1所述的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，其特征是所述的微位移驱动器(14、66)采用压电陶瓷微位移驱动器。

3、根据权利要求1所述的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，其特征是所述的固定光纤的下光纤夹具(10)和光纤夹具(13)可以采用步进电机驱动，也可以采用气动。

4、根据权利要求1所述的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，其特征是所述的激光焊枪(11、16、22)位于环形托架(17)上互成120°均匀分布，环形托架(17)与机架刚性固联。

5、根据权利要求4所述的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，其特征是所述的环形托架(17)上设置有两个CCD摄像头(15、18)。

6、根据权利要求1所述的一种用于光电子器件封装的精密对接装置，其特征是所述的球铰、虎克铰和转动副均为柔性铰结构。